KR20160148734A - 근접센서 안테나와 간섭이 방지되는 텔레메트리 안테나를 구비한 포탄용 신관 - Google Patents

Abstract

노즈콘 내부 바닥판(13-4)에 텔레메트리안테나(13)와 근접센서안테나(14)가 함께 설치된 포탄용 텔레메트리 신관이 개시된다.
본 발명은 포탄의 신관에 근접센서용 안테나와 원격측정용 안테나를 함께 탑재하는 기술에 관한 것으로서 포탄 전방을 향한 센서 레이다의 탐지 능력을 훼손하지 않으면서 포탄의 후방으로 텔레메트리 전파의 송출능력과 데이터 신뢰성을 향상시킨다.
텔레메트리 안테나는 지지대 역할을 하는 바닥판 위에 수직으로 기립된 다이폴 구조의 근접센서안테나를 세우고 그 옆에 아래쪽으로 갈수록 확장되는 주름선 구조의 모노폴 방사부를 세워 관통시킨 구조로서, 바닥판을 접지(그라운드)로 활용하여 포탄비행 반대방향으로 텔레메트리 송신전파를 방사한다.
송신부는 타임필드를 포함한 최근 2개의 데이터를 수집하여 RF패킷 버퍼에 저장하고 그 수집시간의 2배 주기로 버퍼 데이터를 동시 전송하되 전송시 버퍼의 저장여부와 관계없이 전송을 수행한다. 이에 따라 전송 누락된 데이터와 상관없이 근접센서의 활성화 시점 전후로 필요 적절한 데이터를 연속적으로 송신할 수 있으며 고속 회전중인 포탄의 후방 발사지점에 위치한 수신안테나 장비의 수신오류가 최소화된다.

Description

근접센서 안테나와 간섭이 방지되는 텔레메트리 안테나를 구비한 포탄용 신관{Telemetry antenna mounted shell fuse which does not interfere Proximity sensor antenna}

이 발명은 포탄의 신관에 근접센서용 안테나와 원격측정용 안테나를 함께 탑재하는 기술에 관한 것으로서 상세하게는 포탄 전방을 향해 배치된 안테나의 전파탐지 능력을 훼손하지 않으면서 포탄의 후방으로 텔레메트리 전파의 송출강도와 데이터 신뢰성을 향상시키는 기술에 관한 것이다.

전파를 주파수변조 연속파(FMCW) 형태로 송출한 다음에 근처에서 상대 운동중인 물체나 지형으로부터의 반사파를 수신하여 이로부터 속도와 거리 및 방위각을 측정하는 도플러 레이더 기술은 수 GHz 에서 수십 GHz 대역의 마이크로파를 이용할 경우, 송수신 안테나의 크기를 비롯한 센서모듈의 소형화가 용이하기 때문에 포탄 신관의 근접센서로 적극 활용되고 있다.

근접센서용 안테나는 보통 신관의 맨 앞쪽에 배치되며 안테나가 지향하는 전방 쪽으로는 전파의 투과가 쉽도록 고분자수지 등 유전율이 낮은 재료로 된 노즈콘이 씌워진다. 노즈콘 내부에 원하는 파장대역의 안테나 공간을 확보할 수 있는지는 근접센서용 안테나를 설계함에 있어서 가장 기초적으로 고려되어야 할 문제이지만, 그에 못지않게 일단 설치된 안테나가 급격한 발사충격과 탄체 회전에 따른 접선가속도나 원심력 등을 이겨내고 기폭 직전까지 정상 작동할 수 있도록 완전히 고정 지지되는 것도 중요하다.

참고로 탄착 후에야 기폭되는 충격신관은 일단 폭발여부만 관찰하면 신관의 작동여부가 명확히 가려지는 반면에, 시한신관이나 근접신관은 폭발과정에서 사전에 설정된 시간이나 고도 그리고 목표물과의 방위각을 충족하였는지 알아내기 어렵기 때문에 좀 더 실질적인 방법으로 작동의 신뢰성을 검증할 수 있어야 한다. 이를 위해 신관의 현재 상태를 실시간으로 원격 측정하고자 텔레메트리 기술이 도입될 수 있다.

텔레메트리 송수신 개념은 유통, 수송, 원격검침 등 수많은 산업분야에서 광범위하게 사용되고 있지만 열악한 전파송출조건을 가진 포탄용 신관에 적용하기 위해 특별히 고려되어야 할 점은 다음과 같다.

우선, 신관에 내장되는 텔레메트리 안테나는 같이 설치된 근접센서용 안테나와 서로 간섭되어선 안되며 추가적으로 중력가속도 1만G 이상에 달하는 포발사 충격과 1만 rpm 이상의 탄체 회전에 따른 가속도를 견뎌내는 구조적 강도가 확보되어야 한다.

그리고 텔레메트리 데이터의 효과적인 전송을 위해서는 탄체 회전으로 인해 송출강도가 분산되는 측방향 빔패턴을 피하고 가급적이면 관측장비가 위치한 포탄 비행방향 후방으로 송신전파의 빔패턴이 집중되어야 한다. 또한 최대한 높은 수신율을 발휘할 수 있도록 짧고 간결하면서도 오류가 적고 판단과 검증이 쉬운 데이터를 송출할 수 있어야 한다.

아래 소개한 문헌들은 기존의 근접센서용 신관 FMCW기술과 신관 원격측정용 안테나에 관한 선행기술들이며 이 발명이 종래 기술에 비해 어떤 측면에서 실질적인 도약을 이루었는지 살펴볼 수 있는 토대가 된다.

(1) 한국등록특허 10-0202877 근접신관의 송수신장치용 역브이형 안테나 (2) 한국공개특허 10-2005-0014017 포병탄약용 콤비네이션 안테나 (3) 한국등록특허 10-1331099 유도탄 성능 계측시스템 및 방법 (4) 한국등록특허 10-1276260 신관 센서용 안테나 (5) 한국공개특허 10-2013-0115571 포탄용 원격통신 안테나

소개한 선행기술 문헌에서와 같이 본 발명이 속하는 포탄 또는 유도탄 분야에서 센서용 또는 원격계측 송신용 안테나의 개발은 꾸준히 이어져 왔다. 그러나 구조적으로 여유공간이 협소한 포탄의 신관에서 근접센서용 안테나와 텔레메트리 송신용 안테나를 한꺼번에 탑재하는 기술은 아직 실질적인 성공사례를 찾아보기 어렵다.

예를 들어 문헌(3)과 같은 계측 시스템은 포탄이 아닌 유도탄을 대상으로 하는 까닭에 가혹한 후퇴 관성력이나 탄도 안정을 위한 고회전력 등이 안테나에 작용하지 않으며, 신관 노즈콘에 비해 내부 여유공간도 충분하여 기술적 어려움도 덜하다.

비슷한 주파수 대역의 전파 사용에 따른 안테나 빔의 겹침이나 동조 문제 또한 유도탄 동체 전방에 레이더 안테나를 배치하고 동체 후미에 계측송신용 텔레메트리 안테나를 배치하는 것으로 비교적 쉽게 해결될 수 있다.

한편 문헌(5)와 같이 포탄에 탑재되는 원격통신 안테나는 신관의 외주면 둘레로 감긴 원통형의 스트립 패치 안테나로서 비행방향의 측방으로는 비교적 원활한 전파방사 패턴을 보여주나 비행방향의 후방 쪽으로는 안테나 이득이 크게 떨어지는 약점이 있다. 포탄의 원격측정장비가 대부분 포발사 지점, 즉 포탄 비행방향의 정 후방에 위치하는 것을 감안하면 이 또한 기술적으로 뚜렷한 한계가 있다.

본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 기존 신관 송신 안테나의 기술한계를 넘어서는 것이며 개발환경은 물론 실전에서도 작동 신뢰성이 보장되는 신관 텔레메트리 시스템을 제공하는 것이다.

종래 기술과 대비되며 특유의 효과를 제공하는 본 발명 고유의 기술적 특징을 살펴보면 먼저 전체 안테나 공간을 줄이는 안테나 간 밀집배치 설계와 그 다음으로 안테나 지지구조의 개선을 통한 텔레메트리 안테나의 후방 방사특성 강화 설계가 있다. 이들 설계는 서로 유기적으로 결합되어, 포탄 비행방향(이하 전방)을 향한 근접센서 안테나와 포탄비행 반대방향(이하 후방)을 향한 텔레메트리 안테나 사이에 전파 간섭을 극소화하는 역할을 한다.

다음으로 위 구조를 추가로 뒷받침 하는 해결수단으로서 포발사 충격과 탄체회전에 따른 관성력을 지탱하는 레이돔 내부 충전(포밍)구조가 있다.

또한 상술한 기계적 해결수단을 바탕으로 원격 송신 데이터의 신뢰성 제고를 위한 새로운 방식의 송신방법과 데이터 포맷이 제시된다.

아래에는 본 발명의 구체적인 실시예를 바탕으로 상술한 개념적 해결수단들에 대한 상세한 설명이 뒷받침된다.

본 발명은 신관 구조부재에 밀착되어 구성되는 기존의 원뿔형, 원판형, 원통형 안테나와는 다르게 통상의 다이폴 구조 안테나(근접센서 용)와 모노폴 구조 안테나(텔레메트리 용) 등 서로 다른 형식의 안테나 구조물을 동일 공간에 설치하여 구성함으로써 기존 근접신관의 노즈콘 내부 안테나 설치공간을 늘리지 않고 텔레메트리 기능을 추가 부여할 수 있는 장점이 있으며, 또한 본 발명 고유의 지지 및 충전구조에 의해 포발사에 따른 관성충격을 극복할 수 있어 높은 신뢰도로 안테나 작동이 보장되는 고성능의 원격측정식 신관을 제공한다.

이 과정에서 신관에 탑재된 텔레메트리 안테나는 근접센서 안테나가 함께 탑재된 경우라 하더라도 센서안테나의 전파송수신을 거의 방해하지 않을 뿐 아니라 최대한 포탄 후방으로 지향된 방사패턴을 유지하므로 실효적인 송출강도가 우수하며 수신이 쉽다. 그리고 오류발생 가능성이 낮은 특유의 송신 데이터포맷에 의해 원격송신 데이터의 전송실패나 수신오류가 최소화되며, 중간에 데이터전송 누락여부 관계없이 근접센서의 활성화 시점 전후로 필요 충분한 데이터를 지속적으로 송신할 수 있는 신관 원격측정 시스템이 구현될 수 있다.

도 1은 텔레메트리 신관이 장착된 포탄의 비행 중 전파송수신 개념을 도시한 그림.
도 2a~2e는 텔레메트리 신관의 안테나 설치구조를 상세히 도시한 그림.
도 3은 근접센서 안테나의 방사패턴 그래프.
도 4는 텔레메트리 안테나의 방사패턴 그래프.
도 5a는 텔레메트리 송신부 작동 흐름도.
도 5b의 텔레메트리 수신장치의 블럭도.
도 5c의 텔레메트리 수신부의 작동 흐름도.
도 6은 텔레메트리 송수신용 RF패킷 구조.
도 7은 텔레메트리 시스템의 송수신 동작시퀀스.
도 8a, 8b는 텔레메트리 수신안테나 및 그 부속장치.
도 8c는 수신안테나유닛(20) 8개가 배열된 모습을 방사면 앞에서 본 모습.
도 8d는 수신안테나유닛(20)의 조립구조를 보여주는 평면도 및 측단면도.
도 9는 텔레메트리 수신안테나(2*4배열)의 방사패턴 그래프.

상술한 본 발명의 과제 해결수단을 구체적으로 뒷받침하고 당해 통상의 기술자가 충분히 실시 가능할 수 있도록 하기 위하여 본 발명이 속하는 신관 텔레메트리 시스템 전체의 통합실시예를 발사된 포탄의 신관과 관측지점의 수신장치, 그리고 송수신방법 및 신호처리방법까지 포함하여 아래에 상세히 설명한다.

자명한 사항이지만, 아래 도면을 포함한 상세한 설명내용에서 특정 전문용어로 표현된 구성요소들과 이들의 결합구조를 축약하여 지칭한 표현들이 출원인의 의도에 반하여 청구항에 기재된 발명에 내재된 포괄적 기술사상을 제한하는 것은 아님을 미리 밝힌다.

먼저 도 1은 본 발명의 신관이 장착된 포탄의 비행 중 전파송수신 개념을 도시한 그림이다. 포탄의 전방(비행방향)으로 방사패턴이 형성되는 안테나빔은 근접센서용 안테나빔이며 텔레메트리 안테나는 관측지점과의 통신을 원활하게 하고 근접센서 안테나를 방해하지 않도록 포탄의 후방(비행반대방향)으로 방사패턴이 형성되어야 한다.

청구범위가 간단히 특정될 수 있고 또한 기술내용이 쉽게 이해될 수 있도록, 이후에 기재되는 상세한 설명과 청구범위에서 포탄의 중심에서 전방, 즉 포탄비행 방향은 z축 방향으로 정의한다. z축에서 +방향이라 하면 포탄의 중심축에서 전방(노즈콘 쪽)으로 나아가는 것을 의미하며, z축의 -방향이라 하면 포탄의 중심축에서 후방(탄저부 or 포발사지점 or 본 발명에 특화된 수신장치가 위치한 관측지점)을 의미하는 것으로 미리 정의한다.

다시 말해 텔레메트리 안테나(13)를 포함한 전체 Telemetry system은 RF 방식의 근접센서, 특히 근접센서 안테나(14)에 영향을 미치지 않도록 설계하여 신관내부의 정보를 안정적으로 수신할 수 있어야 한다. 이 과정에서 노즈콘(11)의 용적과 형상은 그대로 유지하여 두 안테나는 같은 공간을 사용하는 것이 좋고, 체적이 다른 탄체를 사용하더라도 근접센서안테나의 방사패턴은 그대로 유지되어야 한다.

상대 주파수대역에서의 삽입손실 특성이 나쁜 구조가 될 수 있도록 Band isolation 특성이 우수한 동작 주파수 이격 설계가 필요하며 두 안테나(13,14)의 공진 방향은 서로 직교하게끔 설계할 필요가 있다. 또한 이후에 설명하겠지만 포탄의 회전에 따른 신관의 회전을 감안하여 텔레메트리 송신 안테나가 Linear polarization(단일 편파) 방사특성을 갖는다면 탄체의 회전에 의해 편파도 바뀌기 때문에 텔레메트리 수신 안테나는 Circular polariztion(원편파) 방사특성을 갖도록 설계한다.

한편 상기 안테나 설치공간, 즉 노즈콘(11) 내부 공간에는 안테나를 포발사 충격으로부터 보호하기 위한 충전재(12: fixing form)가 채워질 수 있다.

충전 방식은 밀폐식과 비 밀폐식의 두가지 방법으로 적용될 수 있으며 근접센서의 RF신호를 투과시켜야 하는 신관특성상 안테나와 관련 구조물을 고정 지지할 수 있는 밀도와 경도를 가지면서 사용 주파수 대역의 신호 투과시킬 수 있는 낮은 유전율을 가지는 물질, 예를 들어 비유전율 1.2~4.7 정도의 특성을 보이는 물질을 채택할 수 있다.

도 2는 포탄용 텔레메트리 신관에서 안테나 설치부분을 상세히 도시한 사시도와 단면도, 분해사시도이다.

텔레메트리 안테나는 지지대 역할을 하는 바닥판 위에 수직으로 기립된 다이폴 구조의 근접센서안테나를 세우고 그 옆에 아래쪽으로 갈수록 확장되는 주름선 구조의 모노폴 방사부를 세워 관통시킨 구조로서, 바닥판을 접지(그라운드)로 활용하여 포탄비행 반대방향으로 텔레메트리 송신전파를 방사한다.

이후 기술되는 상세한 설명과 그것을 바탕으로 하는 청구범위에서, 텔레메트리 안테나(13);는 도면부호 13으로 시작되는 각 구성요소, 즉 13-1 에서 13-n 까지의 구성요소를 포괄하는 개념으로 정의한다. 즉 도면상에서 도면부호 13은 명확히 도시되지 않더라도 각 구성요소 중 도면부호 13-n 에 해당하는 구성은 텔레메트리 안테나(13)의 어셈블리 구성에 포함되는 개념으로 이해하여야 한다. 이것은 텔레메트리 안테나와 별도로 탑재여부를 선택할 수 있는 근접센서 안테나(14);에서도 마찬가지로 적용되며 각 구성요소 중 도면부호 14-n 에 해당하는 구성은 근접센서 안테나(14)의 어셈블리 구성에 포함되는 개념으로 이해하여야 한다.

도 2a~2e를 상세히 살펴본다. 먼저 신관몸체(10)와 그 상단에 결합되는 전파 투과성의 노즈콘(11)의 내부 공간에는 원판형의 바닥판(13-4)이 배치 고정된다.

텔레메트리안테나(13)는 상기 바닥판(13-4)을 접지로 하여 설치되며, 그 중 텔레메트리안테나 폴(13-3)은 그 뿌리부분이 z축 -방향으로 상기 바닥판(13-4)과 바닥판 아래의 지지판(15)을 관통하여 돌출된다.

구체적으로 살펴보면 수~수십GHz 대역 주파수에서 동작하는 텔레메트리안테나 폴(13-3)이 주름선 구조의 모노폴 방사부 역할을 하면서 z축 +방향(전방= 포탄비행방향)으로 세워지는 것이 특징이다.

이때 상기 텔레메트리안테나 폴(13-3)은 상기 바닥판(13-4)의 중심에서 소정의 거리만큼 떨어져서 배치되되 z축 -방향으로 돌출한 뿌리부분을 제외하고 나머지 부분은 z축 +방향(포탄 진행방향)으로 돌출된다. 이와 같이 z축 +방향으로 돌출된 텔레메트리 안테나 폴(13-3)은 이후 설명할 근접센서안테나(14), 그 중 특히 기립판(14-4)과 함께 z축 +방향으로의 전체 안테나 설치공간을 공유한다. 이에 따라 전체 안테나의 크기를 줄이면서도 각 안테나 별로 원하는 길이를 확보할 수 있으며, 뾰족한 노즈콘 내부의 공간에 잘 적응하는 맞춤형 구조의 역할도 겸하고 있다.

한편, 상기 바닥판(13-4) 아래에는 포발사 충격에 대응하여 바닥판을 지지하는 지지판(15)이 더 배치되는데 도면에서는 지지봉(16:컬럼)을 이용하여 지지판(15)을 신관몸체(10)에서 일정높이 떨어져서 배치하고 있다. 이 공간은 필요에 따라 지지봉 역할을 겸하는 송수신회로 케이스 또는 신관제어회로케이스의 추가적인 탑재공간으로 활용될 수 있다. 지지판의 재질과 탑재공간 내 부품의 전파차폐특성, 지지판과 신관몸체와의 거리(=지지봉(16) 길이) 등은 텔레메트리 안테나의 후방 쪽 방사패턴에 영향을 주는 설계 인자이다.

한편 상기 바닥판(13-4)의 상면에는 상기 텔레메트리 안테나 폴(13-3)에 direct feeding 방식으로 전력을 공급하는 텔레메트리안테나 급전부(13-1)가 Coplanar waveguide 구조로 회로 식각되어 형성되고, 또한 급전부가 형성하는 급전 경로상에서 입력 임피던스 차이를 보정하는 텔레메트리안테나 정합부(Impedence matching circuit: 13-3)가 (급전부 상면에만 실장되는) 비관통 방식으로 마운트된다. 상기 정합부는 회로의 초소형화에 따른 안테나의 입력 impedence 차이를 보정하는 역할이다.

도면에서, 바닥판(13-4) 위에 같이 설치되어 있는 근접센서 안테나(14)를 살펴본다.

역시 수~수십GHz 대역 주파수에서 동작하는 근접센서안테나(14)는 바닥판의 중심점을 관통하여 z축 +방향(도면에서 윗방향)으로 세워지는 기립판(14-4)을 바탕으로 형성된다. 기립판은 위로 갈수록 좁아지는 사다리꼴 판 형태로 되어 위에서 내려다볼 때 텔레메트리안테나 폴(13-2)과 수직이 되도록 세워진다.

상기 기립판(14-4)의 한쪽 표면에는 근접센서안테나 급전부(14-1)가 형성되고, 반대쪽 표면에는 양측 급전부를 연결해주는 근접센서안테나 상호결합부(14-2)가 형성된다. 바람직하게, 상기 상호결합부(14-2)는 안테나 급전과정에서의 전파간섭을 피하기 위해 상기 텔레메트리안테나 폴(13-3)이 세워진 쪽의 반대쪽으로 배치된다.

근접센서안테나 급전부(14-1)에 연결되는 근접센서안테나 폴(14-3)은 기립판(12)의 좌우측 모서리에 비스듬한 각도로 부착된다. 상세하게, 근접센서안테나 폴(14-3)은 상기 텔레메트리안테나 폴(13-3)보다 짧은 길이로 형성되어 상기 기립판(14-4)의 좌우 모서리에 파묻힌 형태로 지지 고정될 수 있다.

상술한 근접센서안테나의 구조는 개념적으로 보면 mutual coupling 방식의 급전구조와 Micro-strip line구조를 갖춘 꺾인 다이폴 안테나임을 알 수 있으며 노즈콘 공간에 맞추어 굽어진 다이폴 사이에 아래로 갈수록 넓어지는 모노폴 구조의 텔레메트리안테나가 거꾸로 세워져 직교상태로 겹쳐 배치된 결합구조임을 알 수 있다.

결과적으로 텔레메트리안테나 폴(13-3)과 근접센서안테나 폴(14-3)은 서로 다른 각도의 단일편파형 전파를 방사하도록 배치되며, 예를 들어 근접센서 안테나가 X축방향 공진형 안테나라면 텔레메트리 안테나는 Z축 방향 공진형 안테나가 되어 공진하는 편파의 방향을 서로 직교하도록 설계(Cross polarization effect)하여 방사 패턴 상에 영향이 없도록 하는 것이다. 전체적으로 보면 부차적(sub)개념의 텔레메트리 안테나의 체적을 작게 함으로서 scattering effect에 의한 신관안테나의 방사패턴 왜곡을 최소화 할 수 있다.

상기 실시예를 뒷받침하는 안테나의 빔패턴(방사패턴) 측정결과가 도 3, 도 4에 도시된다. 도 3은 근접센서안테나의 빔패턴을 전계강도로 도시한 것이며 기립판과 수직한 방향(x평면)으로 후방특성이 다소 나쁘지만 전방 60도 각도의 범위로 isotropic 안테나 대비 5dBi의 이득이 확보되며, 기립판과 평행한 방향(y평면)으로 역시 전방 60도 각도범위에서 비슷한 이득이 확보됨을 알 수 있다.(입체로 도시한 그래프를 참조한다.)

반면에 도 4를 살펴보면 텔레메트리 안테나는 상술한 바와 같은 의도적 설계에 의하여 전방(+z방향) 쪽으로는 안테나 이득이 거의 없으며 포탄의 탄체에 가려지는 정 후방 30도 각도의 원뿔공간을 제외하고는 후방 60~75° 정도의 각도범위에서 충분한 안테나 이득이 발생되는 것을 볼 수 있다.

이로써 포탄 전방을 향한 센서 레이다의 탐지 능력을 훼손하지 않으면서 포탄의 후방으로 텔레메트리 전파의 송출능력이 확보된다.

도 5a는 상술한 특유의 설치구조를 바탕으로 하는 텔레메트리 안테나(13)와 이를 통해 데이터를 송신하는 신호처리모듈과 텔레메트리송신부로 구성된 포탄용 텔레메트리 신관의 전파 송신방법을 흐름도로 나타낸 것이다.

송신부는 근접 센서의 신호처리모듈로부터 UART(범용 비동기 송수신)채널을 통해 데이터를 수신하고, 배터리 전압을 주기적으로 감지하여 RF로 송신한다. 도면을 참조하여 송신처리단계를 살펴본다.

텔레메트리 송신부에 전원이 인가되면 CPU가 활성화되고 내부장치 초기화 및 RF transceiver를 송신모드로 초기화 한다. 이후 ADC를 통해 배터리 전압을 감지하고 신호처리모듈로부터 UART 통신으로 수신되는 근접센서 데이터를 감시하여 수신되면 RF패킷 송신용 버퍼에 저장한다. RF 패킷 송신용 버퍼는 2개의 근접센서 데이터를 저장할 수 있는 공간으로 구성되어 가장 최근 2개의 데이터를 유지한다. RF 통신은 약 5 msec의 간격으로 자동으로 주기 전송하는데, 이때 전송할 순간에 RF 패킷 전송 버퍼에 저장된 내용이 있는지 여부와 관계없이 전송을 수행한다. 전송할 때 패킷의 마지막에 배터리 전압정보를 추가하여 전송한다.

개념적으로 살펴보면, 본 발명의 텔레메트리송신부는 최근 2개의 데이터를 저장할 수 있는 RF패킷 송신용 버퍼공간을 구비하며 송신 시점에서 상기 2개의 데이터를 일정시간 간격으로 전송하도록 구성되되 전송할 순간에 RF패킷 전송 버퍼에 저장된 내용이 있는지 여부와 관계없이 신관기폭으로 작동이 멈출 때까지 전송을 수행한다. 이는 본 발명의 기술사상의 한 축을 이루는 중요한 방법적 요소로서 가혹한 비행조건에서 예기치 않은 전파방해나 회로 오동작시 전송이 멈추거나 특정 클럭 전후의 패킷이 겹쳐지는 현상을 예방한다.

도 5b, 5c를 참조하여 이후 상세히 기술될 텔레메트리 수신장치의 구성과 처리단계를 살펴본다.

도 5b의 수신장치는 수신안테나와 데이터를 수신하는 텔레메트리수신부로 나눌 수 있고 수신부는 신호처리모듈을 포함할 수 있다. 상기 텔레메트리수신부는 앞서 텔레메트리 송신부의 작용에 호응하도록 최근 2개의 RF패킷 데이터를 저장할 수 있는 RF패킷 저장용 버퍼공간을 구비하며 수신 시점에서 RF패킷 저장 버퍼에 저장된 내용이 있는지 여부와 관계없이 신호처리를 수행하도록 구성된다. 보통 telemetry system의 통신거리가 10km 이상이므로 수신장치의 기본 설계방향은 드라이버 앰플리파이어를 이용해 출력파워를 높이고 밴드패스 필터를 통해 수신밴드폭을 낮추며 프로세서의 통신속도를 낮추어 줌으로서 수신감도를 증가시킬 수 있다.

실시예의 수신부는 RF로 전송된 데이터를 받아 RS-232 통신을 통해 PC등의 외부장치로 전송한다.

텔레메트리 RF통신에 사용되는 IC는 내부에 RISC 계열 CPU와 각종 주변장치 및 RF transceiver를 내장하고 있으며 RF transceiver의 기능들은 할당된 register를 통해 RISC 계열 CPU에서 모두 제어가 가능하다.

주변 장치에는 telemetry로 전송할 데이터를 수신하는 UART 통신채널과 배터리 전압을 감시하는 ADC가 내장되어 있다.

RF transceiver의 내부에는 Packet handler, FEC/Interleaver, Modulator/Demodulator, I/Q mixer, PA, LNA등이 포함되어 있으며 CPU interface를 통해 제어된다. RF 패킷은 헤더, 데이터 CRC로 구성된다. 헤더에는 비트동기를 위한 preamble bit와 바이트 동기를 위한 Sync word, 패킷길이, 어드레스로 구성된다. 데이터 필드에는 실제 전송할 사용자 데이터가 위치하며 CRC는 전송된 패킷의 오류를 탐지하는데 사용된다.

도 5c의 수신방법 흐름도를 살펴보면, 먼저 텔레메트리 수신부에 전원이 인가되면 CPU가 활성화되고 내부장치 초기화 및 RF transceiver를 수신모드로 초기화 한다. 이후 송신부로부터 전송된 RF 패킷을 감시하여 수신되면 CRC 체크를 수행하여 정상이면 RS-232 통신을 통해 외부로 수신데이터를 전송하고 이 과정을 근접신관이 기폭될 때까지 반복 수행한다.

이에 따라 앞서 송신용 버퍼의 작동과 마찬가지로 전송 누락된 데이터와 상관없이 근접센서의 기폭직전(200ms) 전후로 적합한 데이터를 지속적으로 송신 및 수신할 수 있어 고속 회전중인 포탄의 후방으로 송신되는 텔레메트리 데이터의 수신오류가 최소화된다.

도 6을 참조하여 본 발명의 텔레메트리 송수신데이터로 이용될 RF패킷의 통신포맷과 할당되는 신관데이터 정보를 살펴본다.

RF패킷은 시작정보와 길이정보로 구성된 헤더필드와 6바이트로 구성된 데이터필드를 포함하여 구성된다. 상기 데이터필드는 내부 상태를 표시하는 상태필드와 근접센서 시간을 0 ~ 25.5초 범위에서 0.1초 단위로 표시한 타임(Time)필드, 상기 근접센서의 정보를 표시한 센서필드로 구성될 수 있다. 헤더필드로는 start 바이트와 length 바이트가 있고 바람직하게는 6바이트로 구성될 수 있다. 데이터의 첫번째 필드는 Status 바이트로서 내부에 각종 상태비트들로 구성된다. 타임필드는 근접센서의 시간으로서 0 ~ 25.5초 범위를 0.1초 단위로 표현한다. 25.6초 가 되면 다시 0에서부터 시작하는 값으로서 지상에서 수신할 때 이를 감안하여 25.6초를 더하여 복원한다. 상술한 타임필드는 할당되는 비트수를 줄이고 수신부의 처리속도를 늘리기 위해 매우 유용하다.

센서필드에는 근접센서 시간 기준으로 설정된 소정시점 이전, 예를 들어 탄착 200ms 이전에는 신관의 정상 대기 상태를 파악하는 것이 중요하므로 기폭 및 장입 통신상태 정보가 포함된 센서데이터를 할당할 수 있다. 근접센서 시간 기준으로 설정된 소정시점 이후, 예를 들어 도 7과 같이 목표지점까지의 탄착전 200ms 이내(기폭직전)에는 신관의 정확한 작동여부를 파악하는 것이 중요하므로 변조 상승/하강과 고도유효 정보를 포함한 센서데이터를 할당할 수 있다.

도 5와 도 6을 통해 설명한 내용을 바탕으로 도 7을 참조하여 본 발명 실시예의 텔레메트리 시스템의 송수신 동작시퀀스를 예를 들어 살펴본다. 참고로 패킷 저장주기나 송신주기는 임의로 설정되었으며 변경될 수 있다.

먼저 근접센서에 전원이 인가되면 초기화 시간의 차이로 인해 송신 텔레메트리 모듈이 신호처리모듈보다 먼저 초기화되어 RF패킷 송신을 시작한다.

송신부는 타임필드를 포함한 최근 2개의 데이터를 수집하여 RF패킷 버퍼에 저장하고 그 수집시간의 2배 주기로 버퍼 데이터를 동시 전송하되 전송시 버퍼의 저장여부와 관계없이 전송을 수행한다.

이때는 아직 신호처리모듈로부터의 Data가 없으므로 배터리 전압정보만 텔레메트리 수신부로 전송된다. 실시예에서 채택한 RF패킷의 전송주기는 6msec(밀리세컨드) 이다.

다음으로 신호처리모듈의 초기화가 완료되면 위 전송주기의 절반인 3msec 주기로 텔레메트리 송신부로 Data를 송신하고 수신부가 수신하기 시작한다.

그 다음 RF패킷의 전송주기에는 Data #1만 전송하며 이후 RF패킷 전송주기에는 Data #2, Data #3 이 송수신된다.

그 다음 RF패킷 전송주기에는 Data #4, #5, #6이 수신되었으나 최근 2개의 Data만 전송되므로 Data #5, Data #6 이 송수신된다.

위와 같은 송수신 단계를 진행하다가 신호처리모듈에서 Data #9와 #10을 전송한 직후 기폭이 발생하였을 경우에는 더 이상 텔레메트리 송신이 불가하며 이때까지의 수신 데이터를 저장하여 정상/비정상 작동이나 오폭 여부를 분석할 수 있다.

송신부와 마찬가지로 텔레메트리 수신부는 수신전파로부터 복조된 최근 2개의 RF패킷 데이터를 저장할 수 있는 RF패킷 저장용 버퍼공간을 구비하며 수신 시점에서 RF패킷 저장 버퍼에 저장된 내용이 있는지 여부와 관계없이 신호 변환하도록 구성된다. 이에 따라 전송 누락된 데이터와 상관없이 근접센서의 활성화 시점 전후로 필요 적절한 데이터를 연속적으로 송신할 수 있으며 고속 회전중인 포탄의 후방 발사지점에 위치한 수신안테나 장비의 수신오류가 최소화된다.

도 8을 바탕으로 포탄용 신관의 텔레메트리 수신안테나 및 수신장치를 살펴본다. 개별 안테나유닛이 여러 개 합쳐 구성된 수신안테나는 기본적으로 어레이 패치형 안테나 구조이며 이용하여 포탄의 신관에 장착된 텔레메트리 안테나(13)로부터 송신되는 전파(데이터)의 주파수대역과 일치하도록 설계된다.

도 8a, 8b에서 도시된 바와 같이 수신안테나 및 그 부속장치는 차량 설치가 가능한 소형 경량의 규모이며 방사면 기울기 조절이 가능한 안테나장착대에 수신안테나가 고정된 구조를 갖추고 있다. 안테나장착대는 텔레메트리 수신된 신관의 현재 고도와 현재 비행시간 정보에 따라 상기 수신안테나유닛(20)의 경사각 또는 상기 세로주엽의 방위각을 조절하도록 구성된다.

상기 수신안테나는 송신파의 약0.92배 파장(λ)으로 설계된 원형편파식 개구결합성의 마이크로 스트립 패치형 수신안테나유닛(20: Aperture Coupled Micro-strip Patch antenna unit)을 다수 개 짝수 배열하여 구성된다.

도 8c는 수신안테나유닛(20) 8개가 배열된 모습을 방사면 앞에서 본 모습이며 도 8d는 하나의 안테나 유닛에 대해 자세히 살펴볼 수 있는 평면도와 자른 측단면도이다.

수신안테나유닛(20)은 안테나빔 공진을 위해 수신파장에 맞추어 설정된 두께a, 폭b의 사각상자형 금속진공(20-1: metallic cavity) 위로 접지판(20-2), 급전망(20-3: feed network), 유전체(20-4), 패치(20-5: patch)가 순차적으로 적층되고 중앙의 개구결합공(20-6: coupling slot)을 통해 서로 연결되는 구조이다.

급전 구조를 평면에서 살펴보면 상기 급전망(20-2)은 두 개의 U자형 급전라인이 상기 접지판(20-2)의 어느 한쪽 변 양쪽 모서리에서 대각선으로 뻗어나와 상기 결합공(20-6)을 중심으로 서로 교차하여 4각형의 폐루프 형상을 구성하도록 설정된다. 이로써 패치(20-5)는 위상과 방위각이 치우치지 않으면서 회전하는 신관으로부터 회전하면서 방사되는 단일편파형 전파도 효과적으로 수신할 수 있는 원형편파(원편파) 방사특성을 가진다.

수신안테나는 상기 수신안테나유닛(20)을 세로2행 가로4열 형태로 총 8개 배열하여 구성되는데, 세로방향으로는 신관궤적의 수직방위각을 커버하는 1개의 세로주엽(vertical mail lobe)과 좌우 1개씩 총 2개의 부엽으로 된 빔패턴을 형성하고 가로방향으로는 신관궤적의 수평방위각을 커버하는 1개의 가로주엽과 좌우 3개씩 총 6개의 부엽(sub lobe)으로 된 빔패턴을 형성한다. 즉 위와 같이 부엽에 따른 손실을 바탕으로 가로폭을 좁히고 세로폭을 늘린 빔패턴으로부터 신관비행궤적의 수직방위각을 커버하는 세로주엽의 3dBi 빔폭은 상기 궤적의 수평방위각을 커버하는 가로주엽 3dBi 빔폭의 2배 이상으로 구현된다.

도 9의 방사패턴 그래프를 참조하면 실시예의 수신안테나는 수~수십 GHz 대역에서 주엽의 중심기준 최대 18dBi의 이득(그래프 끝단의 최대값.)을 가지며 유효값인 9dBi 빔폭은 세로폭(가로축평면 기준) 29.2° 에 달하고 가로폭(세로축평면 기준) 14° 정도인 것을 볼 수 있다. 따라서 포발사각 30° 이하의 포탄에서는 안테나 장착대를 작동시킬 필요 없이 거의 전 궤적에 걸쳐 텔레메트리 데이터를 효과적으로 수신할 수 있다.

이상 본 발명의 기술사상을 구체적인 실시예를 통해 설명하였다. 덧붙여 본 실시예에서 미처 포함되지 않은 단순 변경 또는 간단 확장 사례가 있을 수 있겠으나, 본 발명의 기술사상은 실시예의 기술적 해석범주보다는 이하의 청구범위에서 기재되는 내용을 바탕으로 해석되어야 할 것이다.

10: 신관몸체
11: 노즈콘
12: 충전재
13: 텔레메트리안테나
13-1: 텔레메트리안테나 급전부
13-2: 텔레메트리안테나 정합부
13-3: 텔레메트리안테나 폴
13-4: 바닥판
14: 근접센서안테나
14-1: 근접센서안테나 급전부
14-2: 근접센서안테나 상호결합부
14-3: 근접센서안테나 폴
14-4: 기립판
15: 지지판
16: 지지기둥
20: 수신안테나유닛
20-1: 금속진공
20-2: 급전망
20-3: 절연판
20-4: 유전체
20-5: 패치
20-6: 개구결합공

Claims (6)

1. 신관몸체(10)와;
   상기 신관몸체(10) 상단에 결합되는 전파 투과성 노즈콘(11)과;
   상기 노즈콘(11) 내부 공간에 배치 고정되는 원판형의 바닥판(13-4)과;
   상기 바닥판(13-4)을 접지로 하여 설치되는 텔레메트리안테나(13);를 포함하여 구성되고,
   상기 텔레메트리안테나(13)는 주름선 구조의 모노폴 방사부가 z축 +방향(포탄비행방향)으로 세워지는 텔레메트리안테나 폴(13-3);을 더 포함하여 구성되는 포탄용 텔레메트리 신관.
2. 제1항에 있어서 상기 바닥판(13-4) 위에는 근접센서안테나(14)가 더 설치되되,
   상기 근접센서안테나(14)는,
   상기 텔레메트리안테나 폴(13-2)과 수직이 되도록 z축 +방향으로 세워지는 사다리꼴 판 형태의 기립판(14-4)과;
   상기 기립판(14-4)의 한쪽 표면에 형성되는 근접센서안테나 급전부(14-1)와;
   상기 기립판(14-4)의 반대쪽 표면에 형성되는 근접센서안테나 상호결합부(14-2)와;
   상기 기립판(14-4)의 좌우 모서리에 부착되는 근접센서안테나 폴(14-3);을 포함하여 구성되는 포탄용 텔레메트리 신관.
3. 제2항에 있어서,
   상기 바닥판(13-4) 아래에는 포발사 충격을 지지하는 지지판(15)이 더 배치되고,
   상기 텔레메트리안테나 폴(13-3)은 그 뿌리부분이 z축 -방향으로 상기 바닥판(13-4)와 상기 지지판(15)을 관통하여 돌출되며,
   상기 텔레메트리안테나 폴(13-3)과 상기 근접센서안테나 폴(14-3)은 서로 다른 각도의 단일편파형 전파를 방사하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 포탄용 텔레메트리 신관.
4. 제3항에 있어서,
   상기 근접센서안테나 폴(14-3)은 상기 기립판(14-4)의 좌우 모서리에 파묻힌 형태로 지지 고정되며,
   상기 바닥판(13-4)에는 상기 텔레메트리안테나 폴(13-3)에 전력을 공급하는 텔레메트리안테나 급전부(13-1)와 Coplanar waveguide 구조로 회로 식각되어 급전 경로상에서 입력 임피던스 차이를 보정하는 텔레메트리안테나 정합부(13-3)가 비관통 방식으로 상면 마운트된 것을 특징으로 하는 포탄용 텔레메트리 신관.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 신관은 상기 텔레메트리안테나(13)을 통해 데이터를 송신하는 신호처리모듈과 텔레메트리송신부를 더 포함하여 구성되고,
   상기 텔레메트리송신부는 최근 2개의 데이터를 저장할 수 있는 RF패킷 송신용 버퍼공간을 구비하며 송신 시점에서 상기 2개의 데이터를 일정시간 간격으로 전송하도록 구성되되 전송할 순간에 RF패킷 전송 버퍼에 저장된 내용이 있는지 여부와 관계없이 전송을 수행하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 포탄용 텔레메트리 신관.
6. 제5항에 있어서,
   상기 RF패킷은 시작정보와 길이정보로 구성된 헤더필드와 데이터필드를 포함하여 구성되고,
   상기 데이터필드는 내부 상태를 표시하는 상태필드와 근접센서 시간을 0 ~ 25.5초 범위에서 0.1초 단위로 표시한 타임필드, 상기 근접센서의 정보를 표시한 센서필드로 구성되며, 상기 타임필드는 근접센서의 시간으로서 0 ~ 25.5초 범위를 0.1초 단위로 표현하여 25.6초 가 되면 다시 0에서부터 시작하는 것을 특징으로 하는 포탄용 텔레메트리 신관.

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