KR101490180B1 - 원격측정용 광대역/고출력 fm 송신기 - Google Patents

원격측정용 광대역/고출력 fm 송신기 Download PDF

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유제택
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국방과학연구소
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Abstract

본 명세서는 메인 증폭부에 임피던스 매칭된 MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit) 증폭기를 사용하고, 4단의 증폭기로 증폭부를 구성하는 원격측정용 광대역/고출력 FM 송신기에 관한 것이다. 이를 위하여 본 명세서에 따른 원격측정용 광대역/고출력 FM 송신기는, 임의의 신호를 미리 설정된 주파수 대역의 신호로 변환하여 출력하는 변조부와, 상기 변조부로부터 출력된 신호를 증폭하는 증폭부와, 상기 변조부와 상기 증폭부에 전원을 공급하는 전원부를 포함하는 원격측정용 광대역/고출력 FM 송신기에 있어서, 상기 증폭부는, 상기 변조부로부터 출력된 신호를 대역 통과하는 대역 통과 필터; 상기 대역 통과된 신호를 3단 증폭기를 통해 증폭하는 프리-증폭부; 상기 전원부로부터 공급되는 전압을 근거로 상기 3단 증폭된 신호를 추가 증폭하는 메인 증폭부; 및 상기 추가 증폭된 신호를 저역 통과하는 저역 통과 필터;를 포함한다.

Description

원격측정용 광대역/고출력 FM 송신기{WIDEBAND/HIGH POWER FM TRANSMITTER FOR TELEMETERING}
본 명세서는 원격측정용 광대역/고출력 FM 송신기에 관한 것으로, 특히 메인 증폭부에 임피던스 매칭된 MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit) 증폭기를 사용하고, 4단의 증폭기로 증폭부를 구성하는 원격측정용 광대역/고출력 FM 송신기에 관한 것이다.
일반적으로, FM 송신기는, 주파수 변조 즉, FM(Frequency Modulation)을 이용하여 오디오신호를 송신하는 장치이다.
또한, 상기 FM 송신기는, 원격측정 데이터의 양이 증가함에 따라 FM 송신기의 대역폭 증가가 필수적이며, 원거리 전송을 위하여 높은 송신 출력이 필요하다.
이러한 FM 송신기가 유도탄 내에 구비될 때, 상기 유도탄 내에 들어가는 공간의 제약으로 인해 FM 송신기의 소형화가 어렵다.
한국공개특허 제10-2006-0133352호
본 명세서의 목적은, 10W 이상의 RF 송신 출력, -60dBc 수준의 고조파 억제(harmonics rejection), 20Mbps(10MHz)의 주파수 응답 특성을 갖는 FM 송신기를 구성하는 원격측정용 광대역/고출력 FM 송신기를 제공하는 데 있다.
본 명세서의 다른 목적은, 임피던스 매칭을 메인 증폭부에 적용하는 원격측정용 광대역/고출력 FM 송신기를 제공하는 데 있다.
본 명세서의 실시예에 따른 원격측정용 광대역/고출력 FM 송신기는, 임의의 신호를 미리 설정된 주파수 대역의 신호로 변환하여 출력하는 변조부와, 상기 변조부로부터 출력된 신호를 증폭하는 증폭부와, 상기 변조부와 상기 증폭부에 전원을 공급하는 전원부를 포함하는 원격측정용 광대역/고출력 FM 송신기에 있어서, 상기 증폭부는, 상기 변조부로부터 출력된 신호를 대역 통과하는 대역 통과 필터; 상기 대역 통과된 신호를 3단 증폭기를 통해 증폭하는 프리-증폭부; 상기 전원부로부터 공급되는 전압을 근거로 상기 3단 증폭된 신호를 추가 증폭하는 메인 증폭부; 및 상기 추가 증폭된 신호를 저역 통과하는 저역 통과 필터;를 포함한다.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 메인 증폭부는, 내부 정합된 GaN FET인 MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit) 증폭기를 포함할 수 있다.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 MMIC 증폭기는, 입력과 출력이 50옴으로 매칭되며, 주파수 동작 영역은 2.5GHz ~ 6.6GHz일 수 있다.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 증폭부는, 상기 프리-증폭부와 상기 메인 증폭부 사이에 배치되는 제1 아이솔레이터; 및 상기 메인 증폭부와 상기 저역 통과 필터 사이에 배치되는 제2 아이솔레이터;를 더 포함할 수 있다.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 변조부는, 상기 임의의 신호를 미리 설정된 값만큼 증폭하는 제1 증폭부; 상기 제1 증폭부로부터 증폭된 신호를 아날로그-디지털 변환하는 아날로그-디지털 변환기; 상기 아날로그-디지털 변환된 신호를 주파수 변조하는 FPGA(Field Programmable Gate Array); 상기 주파수 변조된 신호를 디지털-아날로그 변환하는 디지털-아날로그 변환기; 상기 디지털-아날로그 변환된 신호를 전달하는 인터페이스부; 미리 설정된 주파수를 포함하는 PLL 신호를 전달하는 국부 발진기; 및 상기 전달되는 디지털-아날로그 변환된 신호와 상기 PLL 신호를 믹싱(mixing)하여 상기 미리 설정된 주파수 대역의 신호를 생성하는 I/O 모듈레이터(I/O modulator);를 포함할 수 있다.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 전원부는, 입력된 직류 전압을 미리 설정된 레벨의 직류 전압으로 변환하는 DC/DC 컨버터; 상기 입력된 직류 전압에 포함된 잡음을 제거하는 잡음 제거 회로부; 상기 잡음 제거된 직류 전압을 안정적으로 상기 증폭부에 제공하는 계전기; 및 상기 메인 증폭부의 바이어스 전압을 조정하는 바이어스 전압 회로부;를 포함할 수 있다.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 저역 통과 필터는, -60dBc의 고조파 억제 저역 통과 필터일 수 있다.
본 명세서의 실시예에 따른 원격측정용 광대역/고출력 FM 송신기는, 10W 이상의 RF 송신 출력, -60dBc 수준의 고조파 억제(harmonics rejection), 20Mbps(10MHz)의 주파수 응답 특성을 갖는 FM 송신기를 구성함으로써, 소형 고출력 송신기 설계 기술을 제공하고, 정확한 데이터 송출이 가능할 수 있다.
또한, 본 명세서의 실시예에 따른 원격측정용 광대역/고출력 FM 송신기는, 임피던스 매칭을 메인 증폭부에 적용함으로써, 추후 송신기 제작 시 송신 출력을 위해 부가적인 임피던스 매칭이 필요없으며, 일정한 송신 출력을 유지할 수 있다.
도 1은 본 명세서의 실시예에 따른 원격측정용 광대역/고출력 FM 송신기의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 명세서의 실시예에 따른 증폭부의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 3 내지 도 6은 본 명세서의 실시예에 따른 증폭부의 임피던스 매칭된 메인 증폭부의 PCB 구성을 나타낸 도이다.
도 7은 본 명세서의 실시예에 따른 저역 통과 필터의 형상을 나타낸 도이다.
도 8 내지 도 11은 본 명세서의 실시예에 따른 저역 통과 필터의 PCB 구성을 나타낸 도이다.
도 12는 본 명세서의 실시예에 따른 저역 통과 필터의 시뮬레이션 결과를 나타낸 도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 따른 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 명세서의 실시예에 따른 원격측정용 광대역/고출력 FM 송신기(10)의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 원격측정용 광대역/고출력 FM 송신기(10)는, 변조부(100), 증폭부(200) 및, 전원부(300)로 구성된다. 도 1에 도시된 원격측정용 광대역/고출력 FM 송신기(10)의 구성 요소 모두가 필수 구성 요소인 것은 아니며, 도 1에 도시된 구성 요소보다 많은 구성 요소에 의해 원격측정용 광대역/고출력 FM 송신기(10)가 구현될 수도 있고, 그보다 적은 구성 요소에 의해서도 원격측정용 광대역/고출력 FM 송신기(10)가 구현될 수도 있다.
여기서, 상기 원격측정용 광대역/고출력 FM 송신기(10)는, 알루미늄으로 제작된 기구물에 상기 변조부(또는, 변조모듈)(100), 상기 증폭부(또는, 증폭모듈)(200) 및, 상기 전원부(또는, 전원모듈)(300)를 구성한다.
상기 변조부(100)는, 상기 도 1에 도시된 바와 같이, 제1 증폭부(110), 아날로그-디지털 변환기(120), 저장부(130), FPGA(140), 디지털-아날로그 변환기(150), 인터페이스부(160), 국부 발진기(170) 및, I/O 모듈레이터(180)로 구성된다. 도 1에 도시된 변조부(100)의 구성 요소 모두가 필수 구성 요소인 것은 아니며, 도 1에 도시된 구성 요소보다 많은 구성 요소에 의해 변조부(100)가 구현될 수도 있고, 그보다 적은 구성 요소에 의해서도 변조부(100)가 구현될 수도 있다.
상기 제1 증폭부(110)는, 임의의 신호(또는, 데이터)(예를 들어, MOD 데이터)를 미리 설정된 값만큼 증폭한다.
상기 아날로그-디지털 변환기(analog to digital converter: ADC)(120)는, 상기 제1 증폭부(110)로부터 증폭된 신호를 아날로그-디지털 변환한다.
상기 저장부(130)는, ROM(read only memory) 등을 포함한다.
또한, 상기 저장부(130)는, 상기 FPGA(140)의 펌웨어 등을 저장한다.
상기 FPGA(Field Programmable Gate Array: 현장 프로그램 가능 게이트 배열)(140)는, 상기 아날로그-디지털 변환기(120)로부터 아날로그-디지털 변환된 신호에 대한 미리 설정된 데이터 처리 기능을 수행한다.
즉, 상기 FPGA(140)는, 상기 아날로그-디지털 변환기(120)로부터 전달되는 상기 아날로그-디지털 변환된 신호를 주파수 변조(Frequency Modulation: FM)한다.
상기 디지털-아날로그 변환기(digital-to-analog converter: DAC)(150)는, 상기 FPGA(140)로부터 주파수 변조된 신호를 디지털-아날로그 변환한다.
상기 인터페이스 부(160)는, 상기 디지털-아날로그 변환기(150)로부터 출력된 주파수 변조된 아날로그 신호를 상기 I/O 모듈레이더(180)에 전달한다.
상기 국부 발진기(local oscillator: LO)(170)는, 미리 설정된 주파수를 포함하는 PLL 신호(Phase Locked Loop signal)를 생성하고, 상기 생성된 PLL 신호를 상기 I/O 모듈레이더(180)에 전달한다.
상기 I/O 모듈레이더(I/O modulator)(180)는, 상기 인터페이스부(160)로부터 전달되는 상기 주파수 변조된 아날로그 신호 및 상기 국부 발진기(170)로부터 전달되는 상기 PLL 신호를 근거로 미리 설정된 원하는 주파수 대역의 신호를 생성한다.
즉, 상기 I/O 모듈레이터(180)는, 상기 인터페이스부(160)로부터 전달되는 상기 주파수 변조된 아날로그 신호 및 상기 국부 발진기(170)로부터 전달되는 상기 PLL 신호를 믹싱(mixing)하여 상기 미리 설정된 원하는 주파수 대역의 신호를 생성한다.
상기 증폭부(200)는, 상기 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 대역 통과 필터(210), 프리-증폭부(220), 제1 아이솔레이터(230), 메인 증폭부(240), 제2 아이솔레이터(250) 및, 저역 통과 필터(260)로 구성된다. 도 1 및 도 2에 도시된 증폭부(200)의 구성 요소 모두가 필수 구성 요소인 것은 아니며, 도 1 및 도 2에 도시된 구성 요소보다 많은 구성 요소에 의해 증폭부(200)가 구현될 수도 있고, 그보다 적은 구성 요소에 의해서도 증폭부(200)가 구현될 수도 있다.
상기 대역 통과 필터(band pass filter: BPF)(210)는, 상기 변조부(100)(또는, 상기 I/O 모듈레이터(180))로부터 출력된 상기 미리 설정된 원하는 주파수 대역의 신호 중 일부 주파수 대역(또는, 미리 설정된 특정 주파수 대역)을 대역 통과시킨다.
상기 프리-증폭부(220)는, 상기 도 2에 도시된 바와 같이, 3단의 증폭기(예를 들어, OP-AMP)로 구성한다.
또한, 상기 프리-증폭부(220)는, 상기 대역 통과된 신호를 상기 3단의 증폭기를 통해 증폭한다.
상기 제1 아이솔레이터(isolator)(230)는, 상기 프리-증폭부(220)로부터 증폭된 신호를 상기 메인 증폭부(240)에 전달한다.
상기 메인 증폭부(240)는, 내부 정합된 GaN FET인 MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit) 증폭기를 포함한다.
상기 메인 증폭부(240)는, 상기 전원부(300)에 포함된 계전기(330)로부터 제공되는 전압과 상기 전원부에 포함된 바이어스 전압 회로부(340)로부터 제공되는 바이어스를 근거로 상기 제1 아이솔레이터(230)로부터 전달되는 증폭된 신호를 추가로 증폭한다.
이와 같은 상기 메인 증폭부(240)의 구성을 통해, 10W 이상의 RF 송신출력 성능을 구형할 수 있으며, 공간의 제약을 극복할 수 있어 소형화가 가능해진다.
또한, 임피던스 매칭된 상기 메인 증폭부(240)의 PCB 구성은, 도 3 내지 도 6에 도시된 바와 같다.
즉, 상기 메인 증폭부(240)에 사용된 MMIC 증폭기는, 입력과 출력이 50옴(Ω)으로 매칭되어 있어 튜닝이 필요하지 않으며, 주파수 동작 영역은 2.5GHz ~ 6.6 GHz으로, 송신 출력을 위해 다른 임피던스 매칭이 필요하지 않다.
또한, 상기 임피던스 매칭된 메인 증폭부(240)는, 상기 도 5에 도시된 바와 같이, 가로(22.0mm, 24.0mm)와 세로(16.6mm, 56.0mm)의 구성을 가지며, 상세하게는상기 도 6에 도시된 바와 같은 가로와 세로 비율로 구성한다. 여기서, 상기 도 5 및 도 6에 도시된 숫자의 단위는 mm(밀리미터)이다.
이와 같이, 상기 증폭부(200)는, 상기 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 변조부(100)에 배치되어 있는 3단의 상기 프리-증폭부(220) 부분과 마이크로-스트립 라인(Micro-strip line)으로 구성된 상기 메인 증폭부(240) 부분으로 나눌 수 있다. 여기서, 상기 프리-증폭부(220) 부분에는 상기 대역 통과 필터(210)와 상기 프리-증폭부(220)가 포함될 수 있다. 또한, 상기 메인 증폭부(240) 부분에는, 상기 제1 아이솔레이터(230), 상기 메인 증폭부(240), 상기 제2 아이솔레이터(250) 및, 상기 저역 통과 필터(260)가 포함될 수 있다.
상기 제2 아이솔레이터(250)는, 상기 메인 증폭부(240)로부터 증폭된 신호를 상기 저역 통과 필터(260)에 전달한다.
상기 저역 통과 필터(los pass filter: LPF)(260)는, 상기 제2 아이솔레이터(250)로부터 전달되는 증폭된 신호를 미리 설정된 주파수 대역(또는, 미리 설정된 다른 특정 주파수 대역)을 저역 통과시킨다.
또한, 상기 저역 통과 필터(260)는, 고조파 억제 저역 통과 필터(또는, 고조파 억제를 위한 저역 통과 필터)일 수 있다. 여기서, 도 7은 상기 고조파 억제 저역 통과 필터(260)의 형상을 나타낸 도이고, 도 8 내지 도 11은 고조파 억제 저역 통과 필터(260)의 PCB를 나타낸 도이다. 여기서, 상기 저역 통과 필터(260)의 가로와 세로는 상기 도 9에 도시된 바와 같이, 각각 39.3mm와 21.7mm로 형성한다. 또한, 상기 저역 통과 필터(260) 내부의 각 구성의 크기는 상기 도 10 및 도 11에 도시된 바와 같은 가로와 세로 비율로 구성한다. 여기서, 상기 도 9 내지 도 11에 도시된 숫자의 단위는 mm(밀리미터)이다.
또한, 도 12는 고조파 억제 저역 통과 필터(260)의 시뮬레이션 결과이며, -60dBc 수준의 고조파 억제를 나타낸다.
상기 전원부(300)는, 상기 도 1에 도시된 바와 같이, DC/DC 컨버터(310), 잡음 제거 회로부(320), 계전기(330) 및, 바이어스 전압 회로부(340)로 구성된다. 도 1에 도시된 전원부(300)의 구성 요소 모두가 필수 구성 요소인 것은 아니며, 도 1에 도시된 구성 요소보다 많은 구성 요소에 의해 전원부(300)가 구현될 수도 있고, 그보다 적은 구성 요소에 의해서도 전원부(300)가 구현될 수도 있다.
상기 DC/DC 컨버터(310)는, 상기 변조부(100), 상기 증폭부(200) 등에 전원을 공급한다. 여기서, 상기 DC/DC 컨버터(310)는, MHF+2805D 등을 포함한다.
즉, 상기 DC/DC 컨버터(310)는, 입력되는 +28V의 직류 전압을 미리 설정된 레벨의 +5V 또는 -5V의 전압으로 변환한다.
상기 잡음 제거 회로부(320)는, 상기 입력되는 직류 전압에 포함된 잡음을 제거한다.
상기 계전기(relay)(330)는, 상기 잡음 제거 회로부(320)로부터 잡음이 제거된 직류 전압을 상기 변조부(100) 또는 상기 증폭부(200)(또는, 상기 메인 증폭부(240))에 제공한다.
즉, 상기 계전기(330)는, 상기 증폭부(200)에 안정적인 전원을 공급한다.
상기 바이어스 전압 회로부(bias voltage circuit unit)(340)는, 상기 DC/DC 컨버터(310)로부터 출력된 직류 전압을 상기 메인 증폭부(240)에 제공한다.
즉, 상기 바이어스 전압 회로부(340)는, 상기 메인 증폭부(240)의 바이어스 전압을 조정한다.
본 명세서의 실시예는 앞서 설명한 바와 같이, 10W 이상의 RF 송신 출력, -60dBc 수준의 고조파 억제(harmonics rejection), 20Mbps(10MHz)의 주파수 응답 특성을 갖는 FM 송신기를 구성하여, 소형 고출력 송신기 설계 기술을 제공하고, 정확한 데이터 송출이 가능할 수 있다.
또한, 본 명세서의 실시예는 앞서 설명한 바와 같이, 임피던스 매칭을 메인 증폭부에 적용하여, 추후 송신기 제작 시 송신 출력을 위해 부가적인 임피던스 매칭이 필요없으며, 일정한 송신 출력을 유지할 수 있다.
전술한 내용은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 원격측정용 광대역/고출력 FM 송신기
100: 변조부 200: 증폭부
300: 전원부 110: 제1 증폭부
120: 아날로그-디지털 변환기 130: 저장부
140: FPGA 150: 디지털-아날로그 변환기
160: 인터페이스부 170: 국부 발진기
180: I/O 모듈레이터 210: 대역 통과 필터
220: 프리-증폭부 230: 제1 아이솔레이터
240: 메인 증폭부 250: 제2 아이솔레이터
260: 저역 통과 필터 310: DC/DC 컨버터
320: 잡음 제거 회로부 330: 계전기
340: 바이어스 전압 회로부

Claims (7)

  1. 입력되는 신호를 미리 설정된 주파수 대역의 신호로 변환하여 출력하는 변조부와, 상기 변조부로부터 출력된 신호를 증폭하는 증폭부와, 상기 변조부와 상기 증폭부에 전원을 공급하는 전원부를 포함하는 원격측정용 광대역/고출력 FM 송신기에 있어서,
    상기 증폭부는,
    상기 변조부로부터 출력된 신호를 대역 통과하는 대역 통과 필터;
    상기 대역 통과된 신호를 3단 증폭기를 통해 증폭하는 프리-증폭부;
    상기 전원부로부터 공급되는 전압을 근거로 상기 3단 증폭된 신호를 추가 증폭하는 메인 증폭부; 및
    상기 추가 증폭된 신호를 저역 통과하는 저역 통과 필터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 원격측정용 광대역/고출력 FM 송신기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 메인 증폭부는,
    내부 정합된 GaN FET인 MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit) 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 원격측정용 광대역/고출력 FM 송신기.
  3. 제2항에 있어서, 상기 MMIC 증폭기는,
    입력과 출력이 50옴으로 매칭되며, 주파수 동작 영역은 2.5GHz ~ 6.6GHz인 것을 특징으로 하는 원격측정용 광대역/고출력 FM 송신기.
  4. 제1항에 있어서, 상기 증폭부는,
    상기 프리-증폭부와 상기 메인 증폭부 사이에 배치되는 제1 아이솔레이터; 및
    상기 메인 증폭부와 상기 저역 통과 필터 사이에 배치되는 제2 아이솔레이터;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원격측정용 광대역/고출력 FM 송신기.
  5. 제1항에 있어서, 상기 변조부는,
    상기 입력되는 신호를 미리 설정된 값만큼 증폭하는 제1 증폭부;
    상기 제1 증폭부로부터 증폭된 신호를 아날로그-디지털 변환하는 아날로그-디지털 변환기;
    상기 아날로그-디지털 변환된 신호를 주파수 변조하는 FPGA(Field Programmable Gate Array);
    상기 주파수 변조된 신호를 디지털-아날로그 변환하는 디지털-아날로그 변환기;
    상기 디지털-아날로그 변환된 신호를 전달하는 인터페이스부;
    미리 설정된 주파수를 포함하는 PLL 신호를 전달하는 국부 발진기; 및
    상기 전달되는 디지털-아날로그 변환된 신호와 상기 PLL 신호를 믹싱(mixing)하여 상기 미리 설정된 주파수 대역의 신호를 생성하는 I/O 모듈레이터(I/O modulator);를 포함하는 것을 특징으로 하는 원격측정용 광대역/고출력 FM 송신기.
  6. 제1항에 있어서, 상기 전원부는,
    입력된 직류 전압을 미리 설정된 레벨의 직류 전압으로 변환하는 DC/DC 컨버터;
    상기 입력된 직류 전압에 포함된 잡음을 제거하는 잡음 제거 회로부;
    상기 잡음 제거된 직류 전압을 안정적으로 상기 증폭부에 제공하는 계전기; 및
    상기 메인 증폭부의 바이어스 전압을 조정하는 바이어스 전압 회로부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 원격측정용 광대역/고출력 FM 송신기.
  7. 제1항에 있어서, 상기 저역 통과 필터는,
    -60dBc의 고조파 억제 저역 통과 필터인 것을 특징으로 하는 원격측정용 광대역/고출력 FM 송신기.
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