KR102420983B1 - 항공기 무선 통신 안테나의 성능 분석 방법 및 장착 위치 결정 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 항공기 무선 통신 안테나의 성능 분석 방법 및 장착 위치 결정 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 항공기에 장착되는 무선 통신 안테나의 성능 분석 방법 및 장착 위치 결정 방법에 관한 것이다.
본 발명의 실시 예에 따른 항공기 무선 통신 안테나의 성능 분석 방법은, 항공기에 장착되는 무선 통신 안테나의 성능 분석 방법으로서, 항공기에 장착될 무선 통신 안테나를 역설계하는 과정; 및 역설계된 무선 통신 안테나가 상기 항공기에 장착되는 경우를 시뮬레이션하여, 무선 통신 안테나의 성능을 분석하는 과정;을 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따른 항공기 무선 통신 안테나의 성능 분석 방법은, 항공기에 장착되는 무선 통신 안테나의 성능 분석 방법으로서, 항공기에 장착될 무선 통신 안테나를 역설계하는 과정; 및 역설계된 무선 통신 안테나가 상기 항공기에 장착되는 경우를 시뮬레이션하여, 무선 통신 안테나의 성능을 분석하는 과정;을 포함한다.
Description
본 발명은 항공기 무선 통신 안테나의 성능 분석 방법 및 장착 위치 결정 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 항공기에 장착되는 무선 통신 안테나의 성능 분석 방법 및 장착 위치 결정 방법에 관한 것이다.
항공기 전자 장비의 비약적인 발전과 더불어 기존 항공기의 통신 장비 또는 항법 장비 등의 성능 향상을 위한 항공기 개조 관련 요구는 지속적으로 증가하고 있다. 특히, 군 운용이라는 특수성으로 인하여 항공기 전자 장비의 비화 기능 강화 및 항재밍 성능 확보는 최대의 화두이다.
최근, 적군과 아군을 구별하기 위한 피아 식별(IFF; Identification Friend or Foe) 장비의 모드 4(Mode 4) 운용 제한 해소와 한미 연합 작전 수행 능력 향상을 위해, 비화 기능이 강화된 모드 5(Mode 5)로 교체하는 피아 식별 장비의 성능 개량 사업과 재밍(Jamming) 위협의 증대에서 벗어나기 위한 항재밍 GPS(Global Positioning System) 개발 사업이 진행 중이다. 또한, 기존의 아날로그 도약 방식의 UHF(Ultra High Frequency) 무전기를 항재밍과 보안 기능이 강화된 디지털 통신 방식인 SATURN(Second Generation Anti-jam Tactical UHF Radio for NATO) 무전기로 교체하는 공지통신 무전기 성능 개량 사업 또한 활발하게 진행되고 있다.
항공기 성능 개량 간 전자 장비의 원할한 송·수신을 위하여는 RF 신호 방사가 매우 중요하며, 항공기 구조 및 다른 RF 장비에 의한 영향성을 고려한 성능 분석이 필수적이다. 20~30년 전에 개발된 안테나의 성능 제한으로 RF 성능에 대한 국제 표준을 미충족하거나, 기존 안테나 운용이 제한되어 안테나 추가 장착 소요가 발생하는 경우에는 안테나 최적 위치 선정은 매우 중요한 설계 요소가 된다. 이에, 항공기 외부에 장착되는 안테나의 구조 건전성 및 공력 분석뿐 아니라, 기장착된 안테나와 연동되는 통신 항법 장비 간의 간섭을 최소화하는 전반적인 설계를 진행하여야 한다. 특히, 설계 시점에 안테나 장착 위치에 따른 장비 간 간섭 영향성 분석은 방사 패턴 분석과 함께 반드시 선행되어야 한다. 하지만, 지금까지 항공기 성능 개량 진행시 항공기와 장비 원제작사의 정보 제공이 제한되어 설계 시점에서 체계적인 분석을 통한 안테나 최적 위치 도출은 제한되었으며, 항공기 개조 후에 성능을 확인하고 보완하는 과정을 반복함에 따라 많은 인력과 비용이 소요되는 문제점이 있었다.
본 발명은 항공기의 개조 사업에 적용할 수 있는 항공기 무선 통신 안테나의 성능 분석 방법 및 장착 위치 결정 방법을 제공한다.
본 발명의 실시 예에 따른 항공기 무선 통신 안테나의 성능 분석 방법은, 항공기에 장착되는 무선 통신 안테나의 성능 분석 방법으로서, 항공기에 장착될 무선 통신 안테나를 역설계하는 과정; 및 역설계된 무선 통신 안테나가 상기 항공기에 장착되는 경우를 시뮬레이션하여, 무선 통신 안테나의 성능을 분석하는 과정;을 포함한다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 항공기 무선 통신 안테나의 장착 위치 결정 방법은, 항공기에 무선 통신 안테나를 장착하기 위한 위치를 결정하는 무선 통신 안테나의 장착 위치 결정 방법으로서, 항공기에 장착될 무선 통신 안테나를 역설계하는 과정; 무선 통신 안테나를 항공기에 장착하기 위한 예비 위치를 결정하는 과정; 역설계된 무선 통신 안테나가 상기 예비 위치에 장착되는 경우를 시뮬레이션하여, 무선 통신 안테나의 성능을 분석하는 과정; 및 분석된 무선 통신 안테나의 성능이 설정 조건을 만족하는 경우, 상기 예비 위치를 무선 통신 안테나를 장착하기 위한 위치로 결정하는 과정;을 포함한다.
상기 무선 통신 안테나를 역설계하는 과정은, 상기 무선 통신 안테나의 성능을 측정하는 과정; 상기 무선 통신 안테나를 디자인하는 과정; 및 디자인된 무선 통신 안테나의 성능과 측정된 무선 통신 안테나의 성능을 비교하여, 무선 통신 안테나를 모델링하는 과정;을 포함할 수 있다.
상기 무선 통신 안테나의 성능을 측정하는 과정은, 상기 무선 통신 안테나의 반사 계수 및 방사 패턴을 측정할 수 있다.
상기 무선 통신 안테나를 디자인하는 과정은, 상기 무선 통신 안테나의 외형 정보를 획득하는 과정; 및 상기 무선 통신 안테나의 내부 구조 정보를 획득하는 과정;을 포함하고, 상기 무선 통신 안테나의 내부 구조 정보를 획득하는 과정은, 상기 무선 통신 안테나를 X-선으로 촬영하여 상기 무선 통신 안테나의 내부 구조 정보를 획득할 수 있다.
상기 무선 통신 안테나를 모델링하는 과정은, 측정된 무선 통신 안테나의 성능과 일치하도록 디자인된 무선 통신 안테나의 형상을 조정하는 과정;을 포함할 수 있다.
상기 예비 위치를 결정하는 과정은, 무선 통신 안테나와 연결되는 케이블 구조, 상기 무선 통신 안테나의 장착 여부에 따른 공력 계수 변화 및 상기 무선 통신 안테나의 장착에 따른 구조 건전성 중 적어도 하나를 분석하여, 무선 통신 안테나를 장착할 수 있는 복수의 위치를 확인하는 과정; 및 확인된 복수의 위치 중 적어도 하나의 위치를 상기 예비 위치로 결정하는 과정;을 포함할 수 있다.
상기 무선 통신 안테나는 송신 안테나 및 수신 안테나를 포함하고, 상기 예비 위치를 결정하는 과정은, 역설계된 송신 안테나 및 수신 안테나가 각각 장착될 예비 위치를 결정할 수 있다.
상기 무선 통신 안테나의 성능을 분석하는 과정은, 상기 예비 위치에서 무선 통신 안테나의 방사 패턴을 분석하는 과정; 및 무선 통신 안테나를 포함하는 무선 통신 장비와 상기 항공기에 장착된 항전 장비 사이의 간섭 여부를 분석하는 과정;을 포함할 수 있다.
상기 항전 장비는 송신 장비를 포함하고, 상기 간섭 여부를 분석하는 과정은, 하기의 수학식 1에 의해 계산되는 무선 통신 장비의 최종 수신 전력 값이 최저 수신 감도보다 작으면 간섭이 없는 것으로 분석할 수 있다.
[수학식 1]
(여기서, TTP는 무선 통신 장비의 최종 수신 전력 값, TP는 송신 장비의 송신 출력, TFR은 송신 장비의 내부 필터 감쇠 값, S21(R)은 수신 대역에서의 전달 계수, S21(T)은 송신 대역에서의 전달 계수, RFD는 무선 통신 장비의 내부 필터 감쇠 값을 의미한다.)
상기 항전 장비는 수신 장비를 포함하고, 상기 간섭 여부를 분석하는 과정은, 하기의 수학식 2에 의해 계산되는 수신 장비의 최종 수신 전력 값이 최저 수신 감도보다 작으면 간섭이 없는 것으로 분석할 수 있다.
[수학식 2]
(여기서, TTP는 수신 장비의 최종 수신 전력 값, TP는 무선 통신 장비의 송신 출력, TFR은 무선 통신 장비의 내부 필터 감쇠 값, S21(R)은 수신 대역에서의 전달 계수, S21(T)은 송신 대역에서의 전달 계수, RFD는 수신 장비의 내부 필터 감쇠 값을 의미한다.)
분석된 무선 통신 안테나의 성능이 설정 조건을 만족하지 않는 경우, 상기 복수의 위치 중에서 상기 예비 위치를 변경하여 무선 통신 안테나의 성능을 재분석하는 과정;을 더 포함할 수 있다.
상기 무선 통신 장비는 아군 여부를 식별하기 위한 피아 식별 장비 및 아군 간의 정보 교환을 위한 무전 장비 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 항공기 무선 통신 안테나의 성능 분석 방법 및 장착 위치 결정 방법에 의하면, 항공기의 개조 사업시 무선 통신 안테나의 성능을 효과적으로 분석하고, 구조적 문제와 장비간 RF 간섭이 발생하지 않는 최적의 안테나 장착 위치를 결정할 수 있다.
도 1은 항공기에 안테나 및 센서가 장착되는 위치를 나타내는 도면.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 안테나의 성능 분석 방법을 개략적으로 나타내는 도면.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 안테나의 장착 위치 결정 방법을 개략적으로 나타내는 도면.
도 4는 송신 장비와 수신 장비 사이의 간섭 여부 분석을 위한 개요를 나타내는 도면.
도 5는 안테나의 역설계 결과를 나타내는 도면.
도 6은 안테나를 항공기에 장착 가능한 위치를 나타내는 도면.
도 7은 항공기에 장착된 안테나의 방사 패턴을 나타내는 도면.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 안테나의 성능 분석 방법을 개략적으로 나타내는 도면.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 안테나의 장착 위치 결정 방법을 개략적으로 나타내는 도면.
도 4는 송신 장비와 수신 장비 사이의 간섭 여부 분석을 위한 개요를 나타내는 도면.
도 5는 안테나의 역설계 결과를 나타내는 도면.
도 6은 안테나를 항공기에 장착 가능한 위치를 나타내는 도면.
도 7은 항공기에 장착된 안테나의 방사 패턴을 나타내는 도면.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 발명의 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 발명을 상세하게 설명하기 위해 도면은 과장되어 도시될 수 있으며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
기존 항공기, 즉 레거시(legacy) 항공기에 안테나를 추가로 장착하기 위해서는 구조 및 케이블 연동과 RF 성능 확보가 필수적이다. 안테나 장착에 따른 공력과 진동, 동적 분석 등의 구조 건전성 확인과 항공기 내부 RF 케이블 경로 최적화가 선행되어야 한다. 또한, RF 송수신을 위한 방사패턴 성능 만족과 기장착된 안테나를 통한 장비 간 발생이 발생하지 않은 최적의 위치에 안테나를 설계하여야 한다.
도 1은 항공기에 안테나 및 센서가 장착되는 위치를 나타내는 도면이다.
도 1에 예시적으로 도시된 바와 같이, 공군 수송기에는 RF 송수신을 위한 통신과 피아식별 안테나로부터 수신 전용인 항법과 레이더 센서 등 다양한 안테나 및 센서가 탑재될 수 있다. 안테나 및 센서는 각각 독립적인 RF 선로를 가지며, 이와 같은 통신 항법 시스템과 안테나를 고려하여 장착될 안테나의 최적 위치를 도출할 필요가 있다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 안테나의 성능 분석 방법을 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 안테나의 장착 위치 결정 방법을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 안테나의 성능 분석 방법은, 항공기에 장착되는 안테나의 성능 분석 방법으로서, 항공기에 장착될 안테나를 역설계하는 과정(S100) 및 역설계된 안테나가 상기 항공기에 장착되는 경우를 시뮬레이션하여, 안테나의 성능을 분석하는 과정(S300)을 포함한다.
한편, 본 발명의 실시 예에 따른 안테나의 장착 위치 결정 방법은, 항공기에 안테나를 장착하기 위한 위치를 결정하는 안테나의 장착 위치 결정 방법으로서, 항공기에 장착될 안테나를 역설계하는 과정(S100), 안테나를 항공기에 장착하기 위한 예비 위치를 결정하는 과정(S200), 역설계된 안테나가 상기 예비 위치에 장착되는 경우를 시뮬레이션하여, 안테나의 성능을 분석하는 과정(S300) 및 분석된 안테나의 성능이 설정 조건을 만족하는 경우, 상기 예비 위치를 안테나를 장착하기 위한 위치로 결정하는 과정(S400)을 포함할 수 있다.
여기서, 안테나는 송신 기능과 수신 기능을 모두 가지는 무선 통신 안테나일 수 있으며, 이와 같은 무선 통신 안테나는 아군 여부를 식별하기 위한 피아 식별 장비 또는 아군 간의 정보 교환을 위한 무전 장비, 예를 들어 공지통신 무전기 등에 포함된 안테나일 수 있다. 한편, 안테나는 수신 기능만을 가지는 GPS(Global Positioning System) 안테나일 수도 있다.
안테나를 역설계하는 과정(S100)은 항공기에 장착될 안테나를 역설계한다. 안테나를 역설계하는 과정(S100) 전에는 기장착된 시스템과 안테나를 조사하는 과정이 먼저 수행될 수 있다.
항공기에 장착된 통신 항법 시스템과 안테나에 대한 상세 정보는 항공기 또는 장비 제작사가 가지고 있는 정보로 자료 확보가 제한된다. 따라서, 군용 항공기를 운용하는 부대의 지원을 통하여 운용자 교범과 정비 교범 등을 활용하여 자료를 확보하여야 한다. 시스템은 해당 장비의 송신 출력과 최저 수신 감도, 장비 내부의 필터 성능 등과 같은 RF 성능과 관련된 정보가 필요하며, 안테나는 동작 주파수와 함께 주요 성능 요소인 반사 계수(Reflection Coefficient)와 방사 패턴 데이터가 필요하다. 그러나, 안테나는 제조사의 공개된 규격 자료로 원하는 안테나의 상세 성능 데이터를 확보하는게 제한되기 때문에 기장착된 시스템과 안테나를 조사하는 과정 이후에, 안테나를 역설계하는 과정(S100)이 수행된다.
여기서, 안테나를 역설계하는 과정(S100)은, 안테나의 성능을 측정하는 과정, 상기 안테나를 디자인하는 과정, 디자인된 안테나의 성능과 측정된 안테나의 성능을 비교하여, 안테나를 모델링하는 과정을 포함할 수 있다.
안테나의 성능을 측정하는 과정은 안테나의 규격 자료를 조사하는 과정을 포함할 수 있으며, 안테나의 성능 측정은 공인된 안테나 측정 시설을 이용하여 운용 주파수에 대한 반사 계수와 3차원 방사 패턴을 측정하여 수행될 수 있다.
안테나를 디자인하는 과정은, 상기 안테나의 외형 정보를 획득하는 과정 및 상기 안테나의 내부 구조 정보를 획득하는 과정을 포함하고, 상기 안테나의 내부 구조 정보를 획득하는 과정에서는, 상기 안테나를 X-선으로 촬영하여 상기 안테나의 내부 구조 정보를 획득할 수 있다.
즉, 안테나의 규격 자료 또는 외관의 관찰 등을 통하여 안테나의 외형 정보를 획득한 이후에 X-선(X-ray) 촬영을 통하여 안테나 급전부와 방사부에 대한 형상을 확인하고, 이를 EM 시뮬레이션 툴(Electro Magnetic simulation tool)을 이용하여 안테나를 디자인할 수 있다. 이후, 안테나 성능 측정 결과와 EM 시뮬레이션 결과를 비교하여 성능의 정확성을 확인하고, 안테나 형상을 조정하여 정확도를 높임으로서 안테나 최종 형상을 도출할 수 있다.
이때, 안테나를 모델링하는 과정에서는 측정된 안테나의 성능과 일치하도록 디자인된 안테나의 형상을 조절할 수 있다. 이 과정에서 안테나 형상이 100% 일치하지 않더라도 측정 성능과 정합성을 높이는 것이 중요하며, X-선 촬영을 통해서는 안테나 재질 확인이 불가하므로, EM 시뮬레이션 과정에서 안테나의 재질은 완전 도체(PEC; Perfect Electric Conductor)인 것으로 하여 분석을 수행할 수 있다. 해당 과정을 통하여 반사 계수와 3차원 방사 패턴, 격리도 등의 안테나 성능 비교를 수행하여 안테나의 EM 모델링을 진행할 수 있다.
안테나 단품에 대한 역설계가 완료되면, 안테나를 항공기에 장착하기 위한 예비 위치를 결정하는 과정(S200)이 수행될 수 있다. 여기서, 예비 위치를 결정하는 과정은, 안테나와 연결되는 케이블 구조, 상기 안테나의 장착 여부에 따른 공력 계수 변화 및 상기 안테나의 장착에 따른 구조 건전성 중 적어도 하나를 분석하여, 안테나를 장착할 수 있는 복수의 위치를 확인하는 과정 및 확인된 복수의 위치 중 적어도 하나의 위치를 상기 예비 위치로 결정하는 과정을 포함할 수 있다.
안테나는 통신 항법 장비가 장착되는 항전 베이와의 이격 거리가 크기 때문에 케이블의 RF 손실을 최소화할 수 있는 케이블 하네스 설계가 진행되어야 한다. 특정 통신 항법 시스템의 경우는 국내외 표준 또는 장비에서 요구하는 RF 손실 기준치를 충족하는 케이블 선택과 케이블 하네스 설계가 필요하다.
다음으로, 안테나는 항공기의 외부에 장착되는 구조물로 구조적인 특성을 만족하는 위치에 대한 도출이 필요하다. 공력 분석은 안테나가 미장착되었을 때와 장착되었을 때의 공력 계수 변화 분석을 통하여 개조 영향을 판단하는 과정으로 항력 계수와 방향 안정성 변화 등을 도출하여 분석한다. 구조 건전성 분석은 정적 분석과 동적 분석으로 진행되며, 정적 분석의 경우는 안테나 추가에 따른 인장 임계 하중과 관성 하중, 핸들링(handling) 하중 등을 바탕으로 구조 건전성 평가 모델을 적용하여 도출한다. 동적 분석은 안테나의 진동 분석을 통하여 항공기가 가지고 있는 고유의 가진 주파수를 회피하여 설계되었는지를 확인한다. 분석 결과 구조 건전성 확보에 제한될 경우 구조 보강을 통하여 외부 장착물을 탑재하는데 제약이 없도록 설계를 진행한다.
상기 절차를 통하여 안테나가 장착 가능한 항공기의 영역, 즉 복수의 위치가 도출되면 탑재하고자 하는 안테나의 역설계 모델링을 복수의 위치 중 적어도 하나의 위치인 예비 위치에 탑재하여 안테나 방사 패턴을 분석한다. 이때, 안테나가 무선 통신 안테나인 경우, 무선 통신 안테나는 송신 안테나 및 수신 안테나를 포함하고, 예비 위치를 결정하는 과정은 역설계된 송신 안테나 및 수신 안테나가 각각 장착될 예비 위치를 결정할 수 있다. 반면, 안테나가 GPS 안테나인 경우, GPS 안테나는 수신 안테나를 포함하고, 예비 위치를 결정하는 과정은 역설계된 적어도 하나의 수신 안테나가 장착될 예비 위치를 결정할 수 있다
안테나의 성능을 분석하는 과정(S300)은 예비 위치에서 안테나의 방사 패턴을 분석하는 과정 및 무선 통신을 위한 무선 통신 안테나를 포함하는 무선 통신 장비 또는 GPS 신호를 수신하기 위한 GPS 장비와 상기 항공기에 장착된 항전 장비 사이의 간섭 여부를 분석하는 과정을 포함할 수 있다.
안테나의 방사 패턴을 분석하는 과정에서 안테나의 방사 패턴은 지향성과 무지향성의 안테나 특성과 함께 장비의 특성과 운용 요구도에 따라 방사 패턴 요구도가 달리지며, 각 요구도에 따라 성능이 만족하는지를 확인한다.
이후, 타 장비와의 간섭 여부를 판단하기 위해 역설계된 안테나를 항공기 장착 위치에 설계하여 전달 계수에 해당하는 S-파라미터인 S21을 시뮬레이션한다. 이때, RF 신호를 발생하는 항전 장비는 해당 장비의 주파수 대역의 RF 신호, 즉 송신 장비의 경우 송신 주파수 대역의 RF 신호나 수신 장비의 경우 수신 주파수 대역의 RF 신호뿐만 아니라, 송신 주파수 대역과 수신 주파수 대역을 포함하는 전체 주파수 대역에서 RF 신호를 생성하기 때문에 간섭 분석 대상 장비 각각의 동작 주파수에서 S21을 도출하여야 한다.
무선 통신 장비 또는 GPS 장비와 상기 항공기에 장착된 항전 장비 사이의 간섭 여부를 분석하는 과정은 탑재 장비의 특성과 분석된 전달계수를 이용하여 간섭 여부를 분석한다. 탑재 장비의 특성은 장비의 송신 출력과 장비 내부의 필터 성능, 수신 대역의 최소 수신 감도 등이 있으며, 탑재 장비 내부의 필터 성능은 일반적으로 공개되는 장비 성능이 아니기 때문에 필터 모델링을 통하여 분석할 수 있다. 이때, 탑재 장비의 특성 뿐 아니라, 적용 시스템 및 안테나의 특성도 고려해야 한다.
예를 들어, GPS 장비의 경우 대역 확산 통신 방식으로 확산 이득을 보정해주는 과정이 포함되어야 하며, 무선 통신 장비의 경우 통합형 안테나로 널리 사용되고 있기 때문에 해당 안테나 분석시에는 다이플렉서 또는 안테나 내·외부 필터에 의한 격리도를 반영하여야 한다. 항공기에 장착되는 시스템의 특성상 송신시 고출력을 방사하며, 항전 장비와 안테나가 운용 주파수 이외의 주파수에서 완전한 RF 신호의 차단이 불가능하기 때문에 다른 항전 장비에 영향을 줄 수 있게 된다. 또한, 항전 장비의 수신 감도는 매우 낮아 높은 에너지를 가지는 RF 신호가 방사될 때 안테나 특성에 의해 신호의 세기가 감쇄되어 수신되더라도 수신 장비가 신호를 인지할 수 있는 조건이 발생한다. 특히, 항공기의 경우 탑재되는 안테나 간 물리적인 거리가 가깝고 항공기의 그라운드를 공유하기 때문에 이러한 현상이 더 쉽게 발생할 수 있다.
도 4는 송신 장비와 수신 장비 사이의 간섭 여부 분석을 위한 개요를 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하면, 송신 장비(장비-1) 내부에는 신호를 발생시키는 송신 RF 모듈 및 송신 대역의 주파수 이외 신호를 감쇠시켜 주는 내부 필터가 존재하며, 수신 장비(장비-2) 내부에는 수신 대역의 주파수 이외 신호를 감쇠시켜 주는 내부 필터가 존재하며, 신호를 수신하는 수신 RF 모듈이 존재한다. 이를 참고로, 항전 장비의 RF 특성과 분석된 전달 계수로 수신 장비의 간섭에 의한 최종 수신 전력을 도출할 수 있다.
무선 통신 장비와 항공기에 장착된 타 항전 장비 사이의 간섭 여부를 분석하는 과정은 하기의 수학식 1에 의하여 수행될 수 있다.
[수학식 1]
수학식 1을 참조하여 무선 통신 장비와 항공기에 장착된 타 항전 장비 사이의 간섭 여부를 분석하는 과정을 보다 상세히 설명하면, 간섭 여부를 분석하는 과정은 무선 통신 장비와 타 송신 장비 사이의 간섭 여부를 분석하는 과정과 무선 통신 장비와 타 수신 장비 사이의 간섭 여부를 분석하는 과정으로 구분될 수 있다. 무선 통신 장비와 타 송신 장비 사이의 간섭 여부를 분석하는 과정에서는, 무선 통신 장비가 도 4에 도시된 장비-2에 해당하고, 타 송신 장비가 도 4에 도시된 장비-1에 해당한다. 반면, 무선 통신 장비와 타 수신 장비 사이의 간섭 여부를 분석하는 과정에서는, 무선 통신 장비가 도 4에 도시된 장비-1에 해당하고, 타 송신 장비가 도 4에 도시된 장비-2에 해당한다.
여기서, 무선 통신 장비와 타 송신 장비 사이의 간섭 여부를 분석하는 과정은 상기의 수학식 1에 의해 계산되는 무선 통신 장비의 최종 수신 전력 값이 최저 수신 감도보다 작으면 간섭이 없는 것으로 분석할 수 있으며, 이때 TTP는 무선 통신 장비의 최종 수신 전력 값, TP는 송신 장비의 송신 출력, TFR은 송신 장비의 내부 필터 감쇠 값, S21(R)은 수신 대역에서의 전달계수, S21(T)은 송신 대역에서의 전달계수, RFD는 무선 통신 장비의 내부 필터 감쇠 값을 의미한다.
한편, 무선 통신 장비와 타 수신 장비 사이의 간섭 여부를 분석하는 과정은 상기의 수학식 1에 의해 계산되는 수신 장비의 최종 수신 전력 값이 최저 수신 감도보다 작으면 간섭이 없는 것으로 분석할 수 있으며, 이때 TTP는 수신 장비의 최종 수신 전력 값, TP는 무선 통신 장비의 송신 출력, TFR은 무선 통신 장비의 내부 필터 감쇠 값, S21(R)은 수신 대역에서의 전달계수, S21(T)은 송신 대역에서의 전달계수, RFD는 수신 장비의 내부 필터 감쇠 값을 의미한다.
간섭 여부를 분석하는 과정에서는 간섭에 의한 수신 장비(무선 통신 장비 또는 타 수신 장비)의 최종 수신 전력을 수신 장비의 운용 대역과 송신 장비(타 송신 장비 또는 무선 통신 장비)의 운용 대역으로 나눠 계산하였다. 수신 장비(무선 통신 장비 또는 타 수신 장비)의 운용 대역의 간섭은 송신 장비(타 송신 장비 또는 무선 통신 장비) 내부에서 발생한 RF 신호가 내부 필터에 의해 감쇠 후, 송신 장비 안테나로 전달되어 RF 방사를 통하여 수신 장비(무선 통신 장비 또는 타 수신 장비)의 수신 RF 모듈까지 전달되며, 송신 장비(타 송신 장비 또는 무선 통신 장비)의 운용 대역의 간섭은 해당 장비의 운용 대역이므로, 내부 필터에 의한 감쇠 없이 송신 장비 안테나로 전달되어 수신 장비 안테나로 유입되며, 수신 장비(무선 통신 장비 또는 타 수신 장비)의 내부 필터에 의해 RF 신호 감쇠 후 수신 RF 모듈로 전달된다.
반면, GPS 장비와 항공기에 장착된 타 항전 장비 사이의 간섭 여부를 분석하는 과정은 하기의 수학식 2에 의하여 수행될 수 있다.
[수학식 2]
GPS 장비와 타 송신 장비 사이의 간섭 여부를 분석하는 과정에서는 GPS 장비가 도 4에 도시된 장비-2에 해당하고, 타 송신 장비가 도 4에 도시된 장비-1에 해당한다.
즉, GPS 장비와 타 송신 장비 사이의 간섭 여부를 분석하는 과정은 상기의 수학식 2에 의해 계산되는 GPS 장비의 최종 수신 전력 값이 최저 수신 감도보다 작으면 간섭이 없는 것으로 분석할 수 있으며, 이때 TTP는 GPS 장비의 최종 수신 전력 값, TP는 송신 장비의 송신 출력, TFR은 송신 장비의 내부 필터 감쇠 값, SG는 GPS 확산 이득, S21(R)은 수신 대역, 즉 GPS 대역에서의 전달계수를 의미한다.
GPS 장비와 같이 수신 전용 장비의 경우에는 수신 주파수 대역에 의한 간섭만 고려하여 최종 수신 전력 값을 계산하며, GPS 장비는 RF 신호가 위성으로 송출될 때 스펙트럼 확산 변조 방식을 사용함에 따라 항공기에서 GPS 신호를 수신한 후 GPS 장비에서 복원되는 과정을 통한 GPS 확산 이득(SG)을 반영하여 송신 장비에 의한 최종 수신 전력을 계산한다. 여기서, GPS 확산 이득(SG)은 예를 들어 53.11dB의 값을 가질 수 있다.
결국, 송신 장비 동작과 안테나 방사로 인한 수신 장비의 최종 수신 진력이 수신 장비의 최저 수신 민감도 이상일 경우 간섭이 발생하게 되며, 최저 수신 민감도 미만일 경우에는 송신 장비에 의한 수신 장비 간섭은 없는 것으로 판단된다. 분석된 안테나의 성능이 설정 조건을 만족하지 않는 경우에는 예비 위치를 결정하는 과정에서 확인된 안테나를 장착할 수 있는 복수의 위치 중에서 예비 위치를 변경하여 안테나의 성능을 재분석하는 과정을 수행하여 장비 간 간섭이 발생하지 않는 최적의 위치를 도출한다.
이하에서는 전술한 안테나의 장착 위치 결정 방법을 실제 성능 개량 사업에 적용한 사례에 대하여 설명한다.
사례에서는 안테나 추가 장착의 요구가 발생한 공군 수송기에 대하여 피아 식별 안테나를 상·하부에 신규로 교체 장착하고, GPS 안테나를 상부에 추가 장착함에 있어서, 본 발명의 실시 예에 따른 안테나의 성능 분석 방법 및 안테나의 장착 위치 결정 방법을 사용하였다.
추가될 피아 식별 안테나는 L-대역에서 동작하는 RAMI 사의 AT-741B/B 안테나로 편파와 대역폭, VSWR 등의 성능을 만족하며 안테나의 평균 전력 또한 100W로 요구도를 만족하였다. 해당 안테나의 커버리지 방사 패턴이 요구 조건을 만족함을 확인하기 위하여 역설계 기법을 적용하여 안테나의 형상을 확인하였다. 도 5는 공군 수송기에 추가 탑재된 L-대역 안테나의 1030MHz 방사 패턴으로 본 발명의 실시 예에 따른 안테나의 역설계 과정을 기반으로 도출한 결과이며, 고도각과 방위각에 대한 시뮬레이션과 측정 결과가 매우 유사하고, 이득 또한 안테나의 데이터 시트에서 언급된 0.5dB 수준임을 확인할 수 있었다.
공군 수송기에 장착이 가능한 피아 식별 안테나와 GPS 안테나의 위치를 선정하기 위하여 케이블 하네스와 외부 장착에 따른 기체 구조 영향성을 분석하였으며, 항공기 개조를 위한 작업 편의성까지 고려하여 장착 위치를 도출하였다.
도 6(a)는 피아 식별 안테나를 상·하부에 장착 가능하고, 케이블 손실이 3dB 이내일 것으로 판단되는 영역을 점선 형태로 나타내며, 상·하부 3개 위치 모두 분석 결과 구조 영향성이 없는 지역으로 확인되었다. 상부의 경우는 구조적 측면에서 장착 가능한 3개 위치 중 케이블 손실 만족과 작업 편의성을 고려하여 #1-2 위치를 최종 후보 위치로 선정하였으며, 하부는 3개 위치 모두 케이블 손실은 만족하나 #2-1은 잭킹 영역이고, #2-3은 유압 라인과 타 장비 민감도를 고려할 때 장착이 제한됨에 따라 최종 후보 위치를 #2-2로 결정하였다. 한편, 도 6(b)는 GPS 안테나 장착 가능 위치로 보강 구조물 증가와 작업 편의성, 항공기 구조 등을 고려하여 #2를 최종 후보 위치로 선정하였다.
후보 위치에 대하여 안테나 방사 패턴 분석을 통하여 성능 요구도 만족 여부를 분석하였다. 도 7(a) 및 (b)는 상부와 하부의 피아 식별 안테나의 1090MHz 송신 방사 패턴으로 커버리지 요구도를 만족함을 확인하였다. GPS 안테나의 경우 보편적인 안테나 성능 기준이 3dB 빔폭을 기준으로 성능을 분석하였으며, 도 7(c)와 같이 항공기 상단 영역에 RF 신호를 차단하는 구조물이 없는 형태로 3dB 빔폭이 60도 이상 확보됨에 따라 GPS 신호를 정상적으로 수신할 수 있음을 확인하였다.
피아 식별 안테나와 GPS 안테나의 방사 패턴이 인증 기준과 체계 요구도를 만족함에 따라 최종 분석 단계인 안테나 추가에 따른 간섭 발생 여부를 분석하였다. 탑재 장비의 내부 필터 성능은 가장 일반적이며 모든 장비에서 최소한의 내부 필터 선응을 모사할 수 있는 5단 10차 Chevyshev 필터를 적용하여 모델링하였다.
하기의 표에서 TACAN, TCAS, DME와 같이 피아 식별 장비와 유사 주파수 대역을 사용하는 장비는 운용 간 동시 송신 회피 및 수신 신호 오인을 방지하기 위한 억제기 설계가 구현됨에 따라 간섭 분석 대상에서 제외하였다.
본 발명의 실시 예에 따른 간섭 여부를 분석하는 과정을 통하여 장비 간 간섭을 도출하는 과정을 수행하였으며, 안테나 추가에 따른 계산된 장비 간 간섭 분석 결과를 하기의 표에 나타내었다.
[표 1]
표 1은 하부 피아 식별 안테나를 통해 1090MHz 신호를 송신하였을때, 타 장비로 수신되는 최종 수신 전력을 계산한 결과로, 피아 식별 장비에 포함된 응답기의 송신 출력 57dBm으로부터 수신 장비의 1090MHz 대역 내부 필터 성능과 안테나 간 방사에 의해 시뮬레이션되어 전달 계수로 도출되었다. 각각의 최종 수신 전력은 수신 장비 운용 대역 간섭과 송신 장비 운용 대역 간섭으로 분리하여 계산되었으며, 억제기 설계에 의해 간섭 분석을 제외한 TACAN, TCAS 및 DME를 제외한 모든 장비에서 최종 수신 전력이 개별 장비의 최저 수신 감도보다 낮음을 확인하였다.
[표 2]
동일한 방법으로 표 2와 같이 타 탑재 장비 송신시 하부 피아 식별 안테나를 통하여 전달되는 수신 전력을 계산하였고, 모든 송신 장비에 의해 전달되는 최종 수신 전력이 피아 식별 장비에 포함되는 응답기의 최저 수신 감도인 -88dBm 보다 낮음을 확인하였다.
[표 3]
표 3은 GPS 장비의 간섭 분석 결과로, 스펙트럼 확산 변조 방식에 의해 발생하는 GPS 확산 이득까지 고려하여 분석함에 따라 탑재 장비에서 전달되는 최종 수신 전력은 -180dBm 이하의 매우 낮은 값으로 GPS 장비에 포함되는 GPS 수신기의 최저 수신 감도인 -79.89dBm 보다 낮음을 확인하였다.
최종적으로 공군 수송식 상·하부 피아 식별 안테나와 GPS 안테나 추가에 따른 기존 탑재 장비와 피아 식별 장비의 응답기 및 GPS 장비의 GPS 수신기 간 안테나 방사에 의한 RF 간섭이 발생하지 않음을 확인하였다.
이와 같은 안테나 장착 위치 결정 방법을 기반으로 공군 수송기를 개조 완료 하였으며, 개조된 공군 수송기에 대한 기능 및 성능 평가를 수행하였다. 평가 결과, 안테나 장착에 따라 항전 시스템 체계에 영향이 없음을 확인하였으며, 피아 식별 장비 등의 운용에도 제한 사항이 없음을 확인하였다.
이와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 무선 통신 안테나의 성능 분석 방법 및 장착 위치 결정 방법에 의하면, 항공기의 개조 사업시 무선 통신 안테나의 성능을 효과적으로 분석하고, 구조적 문제와 장비간 RF 간섭이 발생하지 않는 최적의 안테나 장착 위치를 결정할 수 있다.
상기에서, 본 발명의 바람직한 실시 예가 특정 용어들을 사용하여 설명 및 도시되었지만 그러한 용어는 오로지 본 발명을 명확하게 설명하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명의 실시 예 및 기술된 용어는 다음의 청구범위의 기술적 사상 및 범위로부터 이탈되지 않고서 여러 가지 변경 및 변화가 가해질 수 있는 것은 자명한 일이다. 이와 같이 변형된 실시 예들은 본 발명의 사상 및 범위로부터 개별적으로 이해되어져서는 안 되며, 본 발명의 청구범위 안에 속한다고 해야 할 것이다.
Claims (13)
- 항공기에 무선 통신 안테나를 장착하기 위한 위치를 결정하는 무선 통신 안테나의 장착 위치 결정 방법으로서,
항공기에 장착될 무선 통신 안테나를 역설계하는 과정;
무선 통신 안테나를 항공기에 장착하기 위한 예비 위치를 결정하는 과정;
역설계된 무선 통신 안테나가 상기 예비 위치에 장착되는 경우를 시뮬레이션하여, 무선 통신 안테나의 성능을 분석하는 과정; 및
분석된 무선 통신 안테나의 성능이 설정 조건을 만족하는 경우, 상기 예비 위치를 무선 통신 안테나를 장착하기 위한 위치로 결정하는 과정;을 포함하고,
상기 무선 통신 안테나를 역설계하는 과정은,
상기 무선 통신 안테나의 성능을 측정하는 과정;
상기 무선 통신 안테나를 디자인하는 과정; 및
디자인된 무선 통신 안테나의 성능과 측정된 무선 통신 안테나의 성능을 비교하여, 무선 통신 안테나를 모델링하는 과정;을 포함하며,
상기 무선 통신 안테나의 성능을 분석하는 과정은,
상기 예비 위치에서 무선 통신 안테나의 방사 패턴을 분석하는 과정; 및
무선 통신 안테나를 포함하는 무선 통신 장비와, 상기 항공기에 장착되며 송신 장비를 포함하는 항전 장비 사이의 간섭 여부를 분석하는 과정;을 포함하고,
상기 간섭 여부를 분석하는 과정은,
하기의 수학식 1에 의해 계산되는 무선 통신 장비의 최종 수신 전력 값이 최저 수신 감도보다 작으면 간섭이 없는 것으로 분석하는 항공기 무선 통신 안테나의 장착 위치 결정 방법.
[수학식 1]
(여기서, TTP는 무선 통신 장비의 최종 수신 전력 값, TP는 송신 장비의 송신 출력, TFR은 송신 장비의 내부 필터 감쇠 값, S21(R)은 수신 대역에서의 전달계수, S21(T)은 송신 대역에서의 전달계수, RFD는 무선 통신 장비의 내부 필터 감쇠 값을 의미한다.) - 항공기에 무선 통신 안테나를 장착하기 위한 위치를 결정하는 무선 통신 안테나의 장착 위치 결정 방법으로서,
항공기에 장착될 무선 통신 안테나를 역설계하는 과정;
무선 통신 안테나를 항공기에 장착하기 위한 예비 위치를 결정하는 과정;
역설계된 무선 통신 안테나가 상기 예비 위치에 장착되는 경우를 시뮬레이션하여, 무선 통신 안테나의 성능을 분석하는 과정; 및
분석된 무선 통신 안테나의 성능이 설정 조건을 만족하는 경우, 상기 예비 위치를 무선 통신 안테나를 장착하기 위한 위치로 결정하는 과정;을 포함하고,
상기 무선 통신 안테나를 역설계하는 과정은,
상기 무선 통신 안테나의 성능을 측정하는 과정;
상기 무선 통신 안테나를 디자인하는 과정; 및
디자인된 무선 통신 안테나의 성능과 측정된 무선 통신 안테나의 성능을 비교하여, 무선 통신 안테나를 모델링하는 과정;을 포함하며,
상기 무선 통신 안테나의 성능을 분석하는 과정은,
상기 예비 위치에서 무선 통신 안테나의 방사 패턴을 분석하는 과정; 및
무선 통신 안테나를 포함하는 무선 통신 장비와, 상기 항공기에 장착되며 수신 장비를 포함하는 항전 장비 사이의 간섭 여부를 분석하는 과정;을 포함하고,
상기 간섭 여부를 분석하는 과정은,
하기의 수학식 2에 의해 계산되는 수신 장비의 최종 수신 전력 값이 최저 수신 감도보다 작으면 간섭이 없는 것으로 분석하는 항공기 무선 통신 안테나의 장착 위치 결정 방법.
[수학식 2]
(여기서, TTP는 수신 장비의 최종 수신 전력 값, TP는 무선 통신 장비의 송신 출력, TFR은 무선 통신 장비의 내부 필터 감쇠 값, S21(R)은 수신 대역에서의 전달계수, S21(T)은 송신 대역에서의 전달계수, RFD는 수신 장비의 내부 필터 감쇠 값을 의미한다.) - 삭제
- 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 무선 통신 안테나의 성능을 측정하는 과정은,
상기 무선 통신 안테나의 반사 계수 및 방사 패턴을 측정하는 항공기 무선 통신 안테나의 장착 위치 결정 방법. - 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 무선 통신 안테나를 디자인하는 과정은,
상기 무선 통신 안테나의 외형 정보를 획득하는 과정; 및
상기 무선 통신 안테나의 내부 구조 정보를 획득하는 과정;을 포함하고,
상기 무선 통신 안테나의 내부 구조 정보를 획득하는 과정은,
상기 무선 통신 안테나를 X-선으로 촬영하여 상기 무선 통신 안테나의 내부 구조 정보를 획득하는 항공기 무선 통신 안테나의 장착 위치 결정 방법. - 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 무선 통신 안테나를 모델링하는 과정은,
측정된 무선 통신 안테나의 성능과 일치하도록 디자인된 무선 통신 안테나의 형상을 조정하는 과정;을 포함하는 항공기 무선 통신 안테나의 장착 위치 결정 방법. - 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 예비 위치를 결정하는 과정은,
무선 통신 안테나와 연결되는 케이블 구조, 상기 무선 통신 안테나의 장착 여부에 따른 공력 계수 변화 및 상기 무선 통신 안테나의 장착에 따른 구조 건전성 중 적어도 하나를 분석하여, 무선 통신 안테나를 장착할 수 있는 복수의 위치를 확인하는 과정; 및
확인된 복수의 위치 중 적어도 하나의 위치를 상기 예비 위치로 결정하는 과정;을 포함하는 항공기 무선 통신 안테나의 장착 위치 결정 방법. - 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 무선 통신 안테나는 송신 안테나 및 수신 안테나를 포함하고,
상기 예비 위치를 결정하는 과정은,
역설계된 송신 안테나 및 수신 안테나가 각각 장착될 예비 위치를 결정하는 항공기 무선 통신 안테나의 장착 위치 결정 방법. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 청구항 7에 있어서,
분석된 무선 통신 안테나의 성능이 설정 조건을 만족하지 않는 경우, 상기 복수의 위치 중에서 상기 예비 위치를 변경하여 무선 통신 안테나의 성능을 재분석하는 과정;을 더 포함하는 항공기 무선 통신 안테나의 장착 위치 결정 방법. - 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 무선 통신 장비는 아군 여부를 식별하기 위한 피아식별 장비 및 아군 간의 정보 교환을 위한 무전 장비 중 적어도 하나를 포함하는 항공기 무선 통신 안테나의 장착 위치 결정 방법.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101559933B1 (ko) | 2014-05-09 | 2015-10-14 | 국방과학연구소 | 안테나의 항공기 탑재 적합도 평가 방법 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| (비특허) 무인항공기 탑재 안테나 간 간섭을 고려한 안테나 최적 위치 분석(2015년6월)* * |
| (비특허) 수리온 통신 안테나 장착 및 최적위치 선정을 위한안테나 성능시험에 관한 연구(2020년10월)* * |
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