- 해당 논문은 2024년 한국항공우주학회 춘계학술대회에서 발표되었습니다.
Key Words : Azimuth Omnidirectional Pattern(방위각 무지향성 패턴), Radiation Pattern Deviation(방사패턴
편차), Elevation Range(고각 범위)
서 론
우리군은 군용 통신장비의 핵심인 UHF 무전기를 기존 HaveQuick에서 SATURN(Second Generation Antijam Tactical UHF Radio for NATO; 차세대 항재밍 전술통신 무전기)으로 성능개량하는 사업을 추진 중이다. SATURN 무전기로 전환을 위해서는 기존 통신시스템에 대한 고찰이 필요하며, 특히 항공기 장착 통신장비는 효율적인 운용을 위해 RF 성능 분석이 매우 중요하다. 하지만 항공기 성능개량 시 항공기와 장비 원제작사의 정보제공이 제한되어 설계 시점에 체계적인 RF 성능 분석이 제한되었으며, 항공기 개조 후에 성능을 확인하고 보완하는 과정을 반복하여 많은 인력과 비용이 소요되었다.
본 논문에서는 EM 시뮬레이션을 통한 항공기용 통신 안테나의 방사패턴에 대한 효율적인 분석방법을 제안하였다. UH-60 PIDS(Prime Item Development Specification: 초기 장비 개발 사양서) 기준인 편차 및 각 방향에 대한 기준값과 피아식별장비 AIMS(Air traffic control radar beacon system identification friend or foe mark XII/mark XIIA System; 항공통제 및 피아식별 시스템)의 고각 평가 방법을 결합하여 항공기 탑재 안테나의 방사패턴을 분석하였다.
본 론
1. 안테나 방사패턴 분석 방법 제안
항공기 탑재 통신 안테나에 대한 분석방법과 기준은 개발과정에서 결정된 통신 요구도를 기반하여 항공기 체계를 개발하는 방산업체들의 의해 결정된다. 따라서 해당 체계를 개발하지 않은 성능개량 수행업체는 분석결과 및 실제 평가에 대한 데이터 습득 뿐만 아니라, 분석방법 및 기준에 대한 확인이 제한된다. 이를 해결하기 위해 Sikorsky사에서 개발한 UH-60 헬기의 개발 기준과 응답기 장착 전력의 DoD AIMS 인증 기준을 접목시켜 기준을 정립하였다. 표 1과 같이 항공기 통신에 있어 운용 고도와 항공기 자세정보를 고려할 경우 실제 통신이 운용 가능한 고각 기준을 DoD AIMS 인증 기준인 횡단면(horizontal Plane) ±30도 범위로 한정지었으며, 해당 범위 내에서 UH-60 개발 사양서 기준을 적용하였다. 첫째 개별 방위각 기준 최대값과 최소값의 편차는 20dB 이내여야 하며, 둘째 방위각 15도 간격으로 최대값 기준 6dB 이상 차이가 발생하는 구간의 수와 최대값 기준 10dB 이상 차이가 발생하는 구간의 비율이 50% 이하여야한다.
2. 안테나 방사패턴 분석 결과
제안된 안테나 방사패턴 분석방법을 육군과 공군에서 활용 중인 CH-47 Chinook 수송기에 적용하여 분석하였다. 그림 1은 CH-47 항공기의 EM 시뮬레이션을 위한 형상과 안테나 장착 위치를 보여준다. 현재 UHF용 안테나는 하부에만 장착되어 있으며, 원활한 통신을 위한 방안으로 상부에 안테나 추가 장착이 필요한 경우를 비교하여 분석하였다. 상/하부 안테나 적용 시에는 안테나 선택 스위치 추가를 통해 운용이 가능하다. 그림 2는 하부 안테나만 장착된 경우와 상/하부 안테나가 장착된 두 가지 경우에 대한 285MHz 방사패턴으로 하부 안테나만 장착될 경우 항공기보다 고도가 높은 방향에서 통신이 제한될 수 있으며, 특히 후방에서 통신 감도가 떨어질 수 있다. 상부에 안테나를 추가할 경우에는 고각 방향으로 횡단면(horizontal Plane)기준 ±30도 범위의 모든 방향에서 유사한 수준의 통신이 가능함을 확인할 수 있다. 그림 3은 제안된 통신 안테나 분석방법을 활용하여 285MHz에서 무지향성 통신에 대한 평가를 수행한 결과이다. 그림 3(a)는 하부 안테나만 장착될 경우로 고각 기준 -30도 방향에서는 모든 방향에서 유사한 시뮬레이션 결과가 나오며 수식(1)과 (2)를 모두 만족함을 확인할 수 있다. 하지만, 고각 기준 +30도 방향에서는 항공기 전방 0도 기준 200도 방향에서 신호 수신이 제한되는 null 지점이 발생함을 알 수 있으며, 수식 (1)과 (2)를 모두 불만족함이 확인되었다. 상부에 안테나를 추가 장착하여 선택적인 운용이 가능하도록 통신 확장성을 보장할 경우 그림 3(b)와 같이 +30도 방향에서도 하부와 유사하게 최대값 기준 10dB 이상 차이가 나는 null 지점이 발생하지 않으며 수식(1)과 (2) 모두를 만족하여 원할한 통신을 지원할 수 있을 것이다.
결 론
본 논문에서는 UH-60과 AIMS 인증 요구도 기준을 접목하여 시뮬레이션을 통한 통신 안테나 성능분석 방법을 제안하였으며, CH-47 수송기 기종에 대한 분석을 통해 통신 운용성 보장을 위한 안테나 추가 설계안 분석을 수행하였다.
