헬기탑재형 무인기통제 데이터링크용 RF송수신 모듈 소형화/경량화 설계

2.1 주파수변환부 설계

기 개발된 무인기용 1차링크, 2차링크 RF송수신기는 반송파 주파수에서 기저대역 주파수로 가기 위해 중간주파수 단계를 두 번에 걸쳐 변환하는 방식을 사용하였고 이로 인해 회로가 복잡하고 많은 설계 면적을 필요로 하였다[1][2]. 그러나 ADC/DAC 디지털 하드웨어의 발달로 모뎀에서 높은 주파수 변복조가 가능해짐에 따라, 본 과제에서는 소형화 설계를 위해 1차링크 RF송수신 모듈은 그림 2와 같이 중간주파수를 L 대역으로 설정하여 주파수 변환 한 번으로 운용할 수 있게 설계하였으며, 2차링크 송수신 모듈의 경우 송신은 주파수 상향 변환 없이 증폭만 수행하도록 설계하였다.

Fig. 2.

Primary link frequency down conversion method

2차링크 수신의 경우, UHF 대역 상용통신장비 및 기타 관공서 통신장비 등 외부 유입 간섭신호 영향 최소화와 신뢰성 있는 수신 특성을 위해 그림 3과 같이 주파수 이중변환방식으로 설계하였다.

Fig. 3.

Secondary link frequency down conversion method

이중변환방식은 그림 4와 같이 높은 중간주파수에서는 영상 주파수 성분을 제거해주고, 낮은 중간주파수에서는 주변 간섭신호를 제거해줌으로써 수신성능에 대한 안정성을 확보할 수 있다.

Fig. 4.

Unwanted signal filtering method using frequency double conversion method

2.2 전단부 설계

1차링크는 FDD(Frequency Division Duplex) 통신방식으로 연속적인 송신 신호가 수신 신호에 간섭하지 않도록 듀플렉서가 필요하며, 듀플렉서 설계를 위해 필요한 송수신 분리도를 RF 버짓 툴을 이용하여 분석하였다. 그림 5와 같이 주파수 혼합기 이후의 Ku 대역 송신경로 잡음지수와 이득 합으로 송신신호로 인한 잡음레벨 제거를 위해 약 60 dBc 이상의 격리도가 필요함을 확인하였다.

Fig. 5.

Primary link Ku-band transmit noise analysis budget

Ku 대역 주파수에서 낮은 삽입손실 및 2W 이상의 허용 전력, 60 dBc 이상 고격리도 특성 등을 만족하기 위해 공동(내부에 공기 또는 유전체로 채워져 있는 구조) 타입으로 듀플렉서를 설계하였으며, 시뮬레이션 상 그림 6과 같이 Ku_Lower 대역과 Ku_Upper 대역 간 –70 dBc 이상의 격리도를 가지도록 설계하였다[3].

Fig. 6.

Primary link duplexer isolation characteristics

2차링크는 시간을 나눠 송수신이 이루어지는 TDD(Time Division Duplex) 통신방식으로, 송수신 주파수가 같아 송신 시 여기 된 신호가 수신단 LNA(Low Noise Amplifier)에 데미지를 주는 것을 방지하기 위해 전단부에 고 격리 스위치부를 설계하였다. 수신부 보호를 위해 필요 격리도는 송신출력 30 dBm 시, 수신입력범위 –20 dBm 이하로 입력되게 약 60 dBc 이상 격리도를 가지며, 소형화를 위해 SOI(Silicon on Insulator) 타입 반도체 스위치를 선정하여 설계하였다. 선정된 SPDT(Single-Pole Double Throw) 스위치 격리도 특성은 그림 7과 같으며, 약 78 dBc 이상의 격리도를 가지는 것으로 확인되었다.

Fig. 7.

Secondary link transmit/receive switch isolation characteristics

2.3 수신경로 설계

수신경로 잡음지수 성능은 아래 식 (1)[4]와 같이 RF입력부 필터 삽입손실 및 초단 증폭기의 잡음지수 성능과 이득 성능이 수신부 전체 잡음지수 성능에 매우 큰 영향을 미친다.

• * F : Noise Factor
• * G : Gain

RF송수신 모듈에 요구된 수신잡음지수 성능을 만족하기 위해, 1차링크 모듈은 Ku 대역에서 낮은 삽입손실을 가지는 Cavity 타입 듀플렉서를 적용하였으며, 초단 증폭기로 1.3 dB 잡음지수와 25 dB 이득을 가지는 QPA2735 저잡음증폭기를 적용하였다. 설계된 1차링크 수신경로 버짓은 그림 8과 같으며, 잡음지수는 5.21 dB로 분석되었다.

Fig. 8.

Primary link receive path noise figure analysis budget

2차링크는 1.8 dB 이하의 낮은 삽입손실을 가지는 BPF(Band Pass Filter)와 함께 0.8 dB 잡음지수와 21 dB 이득을 가지는 ADL5523 저잡음증폭기를 초단에 적용하여 요구하는 잡음지수 성능을 만족하도록 설계하였다. 2차링크 수신경로 버짓은 그림 9와 같으며, 잡음지수는 3.84 dB로 분석되었다.

Fig. 9.

Secondary link receive path noise figure analysis budget

수신경로에 대한 잡음지수 분석과 함께 –20 dBm에서 –97 dBm 범위로 가변 수신되는 반송파 입력신호를 1차링크는 –10 dBm, 2차링크는 –15 dBm으로 증폭하여 모뎀으로 신호를 전달해 주기 위해 VGA(Variable Gain Amplifier)와 DSA(Digital Step Attenuator)를 적용하여 AGC(Auto Gain Control) 기능을 구현하였다[5].

2.4 송신경로 설계

헬기탑재형 무인기통제 데이터링크는 RF송수신 모듈이 장착되는 통합통신장치와 1차링크 안테나 장치, 2차링크 안테나로 나뉜다. 1차링크 안테나 장치와 통합통신장치는 헬기 장착 위치에 따라 통합형으로 사용하거나, 분리형으로 사용 가능하며, 통합형으로 사용 시 통합통신장치와 1차링크 안테나 간 RF 케이블 길이는 약 0.5 m 이내, 분리형으로 사용 시 통합통신장치와 1차링크 안테나 장치 간 최대 이격 되어 장착될 시 RF 케이블 길이는 약 6.0 m 로 분석된다. 아래 표 2는 설계 시 고려된 종단 증폭기 간 비교 표이다.

Table 2.

Primary link termination amplifier comparison analysis

헬기 내 장착할 곳이 협소하여 장치 간 이격 되어 장착되었을 경우 추가적인 케이블 손실로 인한 증폭기 출력 상승으로 12W급 증폭기인 TGA2218—SM은 선형성 규격인 IMD(Inter-Modulation Distortion) 20 dBc 규격을 만족하기 어려울 것으로 보이며, TGA2219-CP가 동일 출력에서 효율은 떨어지지만, 패키지 사이즈가 더 크고, 패키지 베이스가 열전도가 좋은 구리이며, 증폭기의 열 저항은 낮고 패키지 베이스가 금속 기구에 바로 접촉되는 점 등으로 보았을 때 열적인 측면에서는 더 유리할 것으로 생각되었다. 이러한 사항을 고려하여 1차링크 종단 증폭기는 25W급 TGA2219-CP를 적용하였다[6].

아래 그림 10은 송신경로 전체에 대한 시뮬레이션 회로이며, 그림 11은 요구성능인 1W 출력 시 CE106 전자파 시험 규격인 송신출력 신호 대비 불요파 80 dBc 이상, 2/3차 하모닉 –20 dBm 이하 규격을 만족하는지 확인한 해석 결과이다[7][8].

Fig. 10.

Primary link transmission pathway schematic

Fig. 11.

Primary link transmission path output and spurious wave analysis results

2차링크는 증폭기 이후의 BPF, SPDT 및 커플러 손실 등과 함께 30 dBc 이상의 IMD 규격 만족을 위해 7W급 증폭기인 NPA1003QA를 적용하였다. 2차링크 증폭기를 분석한 결과는 표 3과 같다.

Table 3.

Secondary link termination amplifier analysis

그림 12는 송신경로 전체에 대한 시뮬레이션 회로이며, 그림 13은 요구성능 1W 출력 시 CE106 전자파 시험 규격인 2차/3차 하모닉 –20 dBm 이하, 송신출력 대비 불요파 80 dBc 이상 규격을 만족하는지 확인한 해석 결과이다.

Fig. 12.

Secondary link transmission pathway schematic

Fig. 13.

Secondary link transmission path output and spurious wave analysis results

2.5 송수신 모듈 구성도 및 설계 형상

설계된 1차링크 송수신 모듈의 내부 구성도는 그림 14와 같다. 기능별로 송신 보드, 수신 보드, 증폭보드, 제어 보드로 구성되어 있으며 주파수 변환을 위한 합성부는 송/수신 보드에 각각 설계되어 있다.

Fig. 14.

Primary link transceiver module block diagram

1차링크 송수신 모듈은 기능적으로는 크게 전단부, 출력증폭부, 제어부, 송신부, 수신부로 나뉜다. 전단부는 1차링크안테나와 연결 및 송수신 분리 역할을 한다. 수신부는 전단부로부터 받은 Ku 대역 수신신호를 L 대역으로 주파수 변환 및 AGC 기능으로 수신출력을 –10 dBm으로 조절하여 통합모뎀반에 전달한다. 송신부는 통합모뎀반에서 L대역 신호를 입력받아 Ku 대역으로 상향 변환한 후 출력증폭부로 전달하고, ALC(Auto Level Control) 기능 수행을 위해 VGA 및 DSA와 연동한다. 출력증폭부는 2W 이상 증폭하여 전단부로 신호를 전달한다. 제어부는 통합제어반과 RS232 통신을 통해 1차링크 송수신 모듈의 제어 및 상태정보를 관리한다. 1차링크 송수신 모듈의 물리적 형상 분해도는 그림 15와 같다.

Fig. 15.

Primary link shape exploded view

설계된 2차링크 송수신 모듈의 내부 구성도는 그림 16와 같다. 기능별로 송신 보드, 수신 보드, 제어 보드, 주파수 합성 보드로 구성되어 있으며 주파수 합성 보드에서 고속 주파수 변환을 위해 가변 국부 주파수는 DDS(Direct Digital Synthesis) 칩을 이용하여 설계하였다.

Fig. 16.

Secondary link transceiver module block diagram

2차링크 송수신 모듈은 기능적으로는 크게 주파수 합성부, 수신부, 송신부, 제어부로 나뉜다. 주파수합성부는 수신부에서 주파수 하향 변환에 필요한 고정 국부 주파수 및 가변 국부 주파수를 생성해 주는 역할을 하며, 수신부는 2차링크 안테나로부터 수신한 UHF 대역 신호를 IF 주파수로 변환 및 AGC 기능으로 수신출력을 –15 dBm으로 조절하여 통합모뎀반으로 전달한다. 송신부는 통합모뎀반에서 받은 UHF 대역 송신신호를 ALC 기능을 통해 1W 이상 증폭하고, 대역통과필터로 하모닉 및 불요파를 여과하여 2차링크안테나로 송신신호를 전달한다. 제어부는 통합모뎀반과 RS232, LVTTL 통신을 통해 2차링크 송수신 모듈의 제어 및 상태정보를 관리한다. 2차링크 송수신 모듈의 물리적 형상 분해도는 그림 17와 같다.

Fig. 17.

Secondary link shape exploded view

2.6 열 해석 및 열 설계

열전달 종류에는 전도, 대류, 복사가 있다. 전도는 접촉을 통한 물질, 분자 간 열 이동이며, 대류는 공기나 물 등의 유체에 의한 열 이동, 복사는 전자파에 의한 열에너지 방출이다.

헬기탑재형 무인기 통제 데이터링크용 RF 송수신 모듈은 통합통신장치 함체 내부에 슬롯 형태로 장착되는 모듈로, 전도를 이용한 방열 설계를 위해 모듈 기구 양 끝이 그림 18의 함체 내벽 가이드 기구에 밀착하여 접촉될 수 있도록 모듈 양측에 리테이너를 장착하였다. 이와 함께 함체 아래 커버와 모듈 사이 공간은 방열패드를 적용하여 아래 커버를 통해서도 방열이 될 수 있도록 하였다.

Fig. 18.

Integrated communication device shape exploded view

열 해석 시 모듈의 기구 및 PCB 모델링 단순화를 진행하였으며, 정상상태 열 분포로 안정화되었다는 가정하에 선형 해석으로 진행하였다. 열 해석 시 적용한 재료 물성치 파라미터값은 표 4와 같다.

Table 4.

Material properties for thermal analysis

그림 19와 그림 20은 외기온도 55 ℃, 대류계수 0.00001 W/(mm2·℃) 자연대류 조건에서 함체에 장착된 1차링크, 2차링크 송수신 모듈의 열해석 결과이며, 1차링크 모듈 외부 케이스 최대 발열부위 온도는 약 73 ℃, 2차링크는 약 68 ℃로 해석되었다.

Fig. 19.

Primary link transceiver module thermal analysis shape

Fig. 20.

Secondary link transceiver module thermal analysis shape

열 설계란 반도체 부품이 규정된 최대접합온도(Tj_max) 내에서 동작할 수 있도록 계산을 통해 열 저항을 저감 되도록 설계하는 것이다. 이를 위해 RF송수신 모듈에서 사용된 부품별 발열량을 조사하고 열해석을 통해 발열소자를 분석한 후 PCB 동박(Copper) 면적과 VIA 홀 개수를 조정하여, 부품 접합온도가 Tj_max 규정을 넘지 않는지 확인하였다. 그림 21, 그림 22 열해석 결과와 함께 아래 식 (2)[9]를 통해 1차링크, 2차링크 종단증폭기에서 발생한 열이 Tj_max 규정을 넘지 않는지 확인하였다.

• * Tj : Junction Temperature(℃)
• * Tc : Case Temperature(℃)
• * V : Input Voltage(V)
• * I : Operating Current(A)
• * Pout : Output Power(W)
• * Pin : Input Power(W)
• * Rth : Thermal Resistance(℃/W)

Fig. 21.

Primary link high power amplifier board thermal analysis geometry

Fig. 22.

Secondary link transmitter board thermal analysis geometry

1차링크에 사용된 출력증폭기 데이터시트를 통해 확인한 최대 Tj_max는 MTTF > 1 x 10⁶ (hours) 기준으로 230 ℃로 확인되며, 수식을 통해 분석된 Tj 값은 다음과 같다.

2차링크에 사용된 출력증폭기 데이터시트를 통해 확인한 최대 Tj_max는 MTTF > 1 x 10⁶ (hours) 기준으로 180℃로 확인되며 수식을 통해 분석된 Tj 값은 다음과 같다.

열해석 및 열분석 결과 1차링크, 2차링크 송수신 모듈 내 부품들이 Tj_Max 규격 이내 온도에서 동작하고 있음을 확인하였다[10].