Design and Analysis of UHF-GPS Antenna for Autonomous Underwater Vehicles

자율무인잠수정용 UHF-GPS 안테나 설계 및 해석

Abstract

In this paper, about a lightweight design that satisfies the performance of UHF-GPS Antenna used in autonomous underwater vehicle is proposed. Structural analysis, watertight external pressure test and non-destructive testing used in the design process are decided in consideration of structural safety for operating external forces in the underwater environment. First, the material of radome is selected for the performance of the UHF-GPS Antenna for communication with the carrier on the underwater operation in consideration of the 20 bar pressure generated. And the material of radome as PA-GF is selected by conducting electromagnetic field analysis and structural analysis and by considering high strength, rigidity and high dielectric constant. Electromagnetic field analysis and structural analysis by the thickness of radome are additionally performed in order to satisfy the required weight of UHF-GPS antenna. After selecting the final model, its structural safety is verified through watertight external pressure test and non-destructive testing.

본 논문에서는 자율무인잠수정에 사용되는 UHF-GPS 안테나의 성능을 만족하는 경량화 설계에 대해 제안하였다. 설계 프로세스에 사용된 구조해석, 수밀외압시험 그리고 비파괴 검사는 수중운용 환경에서 발생하는 외력에 대한 구조 안전성을 고려하여 결정하였다. 먼저 수상에서 모함과 통신을 위한 UHF-GPS 안테나 성능과 수중 운용 시 발생하는 20 bar 압력을 고려한 레이돔 재질을 선정하였으며, 전자기장해석 및 구조해석을 수행하여 무게 대비 강도 및 강성이 높고 유전율이 우수한 PA-GF 소재를 선정하였다. 그리고 UHF-GPS 안테나의 요구 중량을 만족하기 위한 레이돔 두께별 전자기장해석 및 구조해석을 추가 수행하였으며, 최종 모델 선정 후 수밀외압시험 및 비파괴 검사를 통해 구조 안전성을 검증하였다.

Ⅰ. 서론

무인체계는 인적자원의 소모를 막고 위험한 임무에 투입할 수 있어 과거부터 지속적인 연구가 이루어졌으며 적용 분야가 점점 다양해지고 있다. 특히 급변하는 교리에 따라 군에서도 여러 무인체계를 개발 및 적용하고 있다.

여러 무인 체계 중 미국, 영국, 일본 등과 같은 해양선진국에서의 해양 무인체계는 1970년대 초반부터 원격조정무인잠수정(ROV; remotely operated vehicle)의 개발에 착수하였으며, 1980년대 이후에는 기존의 ROV에 비해 동력/신호선이 없이 자체 동력을 이용하여 운항이 가능한 자율무인잠수정 (AUV; autonomous underwater vehicle)의 개발이 활발하게 이루어지고 있다[1].

국내의 경우 1996년 대우조선해양과 러시아 공동개발로 국내 최초 무인잠수정 OKPO-6000이 개발되었고, 그 이후 SAUV(semi autonomous underwater vehicle), 이심이-100, 자율무인잠수정 등이 개발되어 왔다[2].

이러한 자율무인잠수정의 개발을 위해서는 사용자의 개입없이 운용을 가능하게 해주는 자율운항기술이 매우 중요하다. 자율운항기술은 인공지능에 의해 상황탐지, 판단, 조치를 수행하는 것으로 측정, 제어, 항법, 통신 등 다양한 기술을 통합하여 구성한다. 특히 모선이나 육상에서 자율무인잠수정의 상태를 모니터링하고 지휘통제정보 및 비상복귀명령을 내릴 수 있게 데이터링크와 통신수단이 중요한 역할을 하게 된다. 그리고 장시간 운항 시 Dead-reckoning 오류나 미끄러짐과 같은 위치 오차를 줄이기 위해 주기적으로 GPS (global positioning system)를 이용하여 항법 정보를 보정하게 된다. 이를 위해 UHF-GPS 안테나를 그림 2와 같이 장착하여 운용하게 되며, 자율무인잠수정의 운용환경에 따라 운항속도 및 운용시간을 위해 소형화 및 경량화가 필요하다.

그림 1. 자율무인잠수정 운용 개념도

Fig. 1. Conceptual diagram of Autonomous Underwater Vehicle operation.

그림 2. 자율무인잠수정의 UHF-GPS Antenna

Fig. 2. Autonomous Underwater Vehicle’s UHF-GPS Antenna.

본 논문에서는 1차 설계에서 Polycarbonate 경량화 소재를 선정하여 안테나 성능해석 및 구조해석을 수행하였으나, 안테나의 성능은 만족하지만 구조 안전성 문제를 확인하였다. 이를 보완하기 위해 2차 설계에서는 압력 및 경량화 요구도를 만족하는 소재 선정을 위해 안테나 성능해석 및 구조해석을 수행하여 최종 모델을 선정하였다. 그리고 최종 모델을 제작하여 수밀 외합시험을 통해 구조 안전성을 검증하였다.

Ⅱ. UHF-GPS 안테나 설계

2-1 설계 조건

자율무인잠수정은 연안 및 천해의 수심을 고려해 60 kg 이하 소형으로 제한하고 200 m심도까지 운용조건을 기준으로 개발된다. 이때 외부에 장착되는 UHF-GPS 안테나는 최대 운용심도 200 m에서의 수압인 20 bar를 견디면서 1 kg이하의 중량을 만족해야 한다. 이러한 운용 조건을 고려하여 안테나에 사용되는 재료들은 높은 강도와 해수에 대한 우수한 내식성을 가지고 있어야 한다. 또한 목표 중량을 만족하기 위해 상대적으로 밀도가 낮은 재료를 선정하는 것이 유리하다.

2-2 UHF-GPS 안테나의 기본 형상

본 연구에서 개발한 UHF-GPS 안테나의 기본 형상 및 구성은 Fig.3. 과 같다.

UHF-GPS 안테나는 레이돔, UHF (ultra high frequency) 대역 안테나, GPS 안테나, 에폭시 등으로 구성된다. 이때 UHF대역 안테나 기판을 Ground Bracket에 수직으로 설치 후 레이돔으로 덮고, 내부를 에폭시로 채워 UHF대역 안테나를 고정하였으며, GPS 안테나는 UHF대역 안테나 상단에 조립 되도록 개발하였다.

그림 3. UHF-GPS 안테나 구성도

Fig. 3. UHF-GPS Antenna configuration diagram.

UHF대역 안테나는 PMA (printed monopole antenna) 형태로 설계하였으며 Omni-directional한 방사패턴을 가지고 유전체를 이용하여 안테나의 크기를 감소시켜 다른 구조에 내장하기 유리하며 임피던스 대역폭이 넓다는 장점이 있다.

PMA 형태로 설계한 UHF대역 안테나 PCB는 표 1과 같으며 상세치수는 그림 4에 나타내었다. 표 1의 주파수는 보안상 X 로 표기하였다. 1.6 mm 두께의 FR4 (εr=4.3, tanδ=0.02) 기판을 사용하였으며 50 Ω SMA 동축 케이블로 급전하였다.

표 1. UHF-GPS 안테나 설계 규격

Table 1. UHF-GPS Antenna design specifications.

그림 4 UHF-Band 안테나 PCB 제원

Fig. 4. UHF-Band Antenna PCB specifications.

Ⅲ. 1차 설계 및 해석

1차 설계에서 UHF-GPS 안테나의 레이돔 재질은 범용적으로 사용되고 가공성, 내충격성 등의 기계적 성질이 우수하며 경량화 소재인 PC (Polycarbonate)로 선정하였고, 재질의 특성은 표 2와 같다. 해당 재질을 적용하여 전자기장 해석과 구조해석을 통해 안테나 성능과 구조 안전성에 미치는 영향을 연구하였다.

표 2. Polycarbonate 물성치

Table 2. Material properties of Polycarbonate.

3-1 전자기장 해석

본 연구에서 개발한 UHF대역 안테나는 Microwave studio를 이용하여 안테나 최적 설계를 하였다.

그림 4와 같이 안테나를 설계하여 해석한 결과 –10 dB 이하 기준 XXX MHz(XXX – XXX MHz)의 대역폭을 가지며 중심주파수 XXX MHz에서 최대 이득 X.XX dBi로 Omni-directional한 방사패턴임을 확인하였고 안테나 설계 규격을 만족하였다. 해석 결과 대역폭과 방사패턴 결과를 그림 5와 6에 각각 나타내었다. 주파수는 보안상 생략하였다.

그림 5. UHF-GPS 안테나(PC) 반사 손실

Fig. 5. UHF-GPS Antenna(PC) return loss.

그림 6. UHF-GPS 안테나(PC) 성능 결과

Fig. 6. UHF-GPS Antenna(PC) performances results.

3-2 구조해석

본 논문에서는 자율무인잠수정의 운용환경을 고려하여 구조 안전성을 검토하였다. UHF-GPS 안테나는 정적인 환경에서 수심 200 m에서 20 bar의 압력에 노출된다. 이러한 환경에서 안테나의 응력을 분석하여 안전성을 검토하기 위해 상용소프트웨어인 midas NFX 로 구조해석을 수행하였다. 해석에 사용된 지배 방정식은 식 (1)과 같다.

\(\begin{aligned}\ddot{\boldsymbol{M} u}(t)+\boldsymbol{B} \dot{u}(t)+\boldsymbol{K} u(t)=P(t)\end{aligned}\)       (1)

여기서 M은 관성 행렬, B는 감쇠 행렬, K는 강성 행렬, u는 변위, P는 하중을 나타낸다. 그러나 본 논문에서 정적인 하중만 고려하므로 관성력, 감쇠력을 무시하고 식 (2)와 같이 나타낼 수 있다.

Ku(t) = P(t)       (2)

구조해석을 위해 생성한 유한요소모델은 그림 7과 같으며 해석 결과는 그림 8과 같다. 해석 결과 UHF-GPS 안테나에서 발생하는 최대 응력은 45.66 N/mm², 최대 변위는 0.98 mm로 예측되었다.

그림 7. UHF-GPS 안테나(PC) 유한요소 모델 형상

Fig. 7. UHF-GPS Antenna(PC) finite element model geometry.

그림 8. UHF-GPS 안테나(PC) 구조해석 결과

Fig. 8. UHF-GPS Antenna(PC) structural analysis results.

해석 결과를 바탕으로 UHF-GPS 안테나의 구조 안전성 검토를 위해 레이돔에 발생하는 최대 응력으로부터 안전여유 (Mos; margin of safety)를 식 (3)을 이용하여 계산하였다.

\(\begin{aligned}M o S=\frac{\sigma_{y}}{S \cdot F \times \sigma_{\max }}-1 \geq 0\end{aligned}\)       (3)

여기서 σ_y는 재료의 허용응력, σ_mas는 구조해석으로 계산한 최대응력, 그리고 S.F (safety factor)는 안전계수를 나타낸다. S.F의 경우 미국, 독일에서 실제 잠수정 설계 시 적용하는 안전계수를 참고하여 1.5의 값을 적용하였다.[3] 분석 결과 PC를 적용한 안테나는 MoS가 0.01로 1.5보다 작아 안전하다고 판단하기 어렵다. 이에 따라 재질에 대한 재검토가 필요해 2차 설계를 진행하였다.

Ⅳ. 2차 설계 및 해석

2차 설계는 1차 설계에서 부족한 구조 안전성을 보완하기 위해 재질을 변경하여 설계를 진행하였다. 이를 통해 해당 모델의 구조 안전성을 확인하였으나 중량 부분에 대한 검토가 필요하여 경량화 설계를 진행하였고 최종적으로 구조 안전성을 보유하며 경량화 된 모델을 설계하였다.

추가로 검토한 재질은 PESU와 PA-GF로 해당 재질의 물성치는 표 3과 같다. 해당 재질을 기준으로 안테나 성능 및 구조 안전성을 분석하였다.

표 3. PESU, PA-GF 물성치

Table 3. Material properties of PESU and PA-GF.

4-1 전자기장 해석

UHF-GPS 안테나 레이돔의 재질에 따른 안테나 성능변화를 확인하기 위해 PESU와 PA-GF의 전자기장 해석 결과를 대역폭과 방사패턴에 따라 그림 9와 10에 나타내었다. 그 결과 모든 재질이 안테나 성능에 문제가 없음을 확인할 수 있었다. 그림 9의 X 축 주파수는 보안상 생략하였다.

그림 9. UHF-GPS 안테나 PESU, PA-GF 반사 손실 비교

Fig. 9. Comparison with UHF-GPS Antenna PESU and PA-GF return loss.

그림 10. UHF-GPS 안테나 PESU, PA-GF 성능 비교

Fig. 10. Comparison with UHF-GPS Antenna PESU and PA-GF performances.

4-2 구조해석

1차 설계와 동일한 조건으로 레이돔 재질만 PESU와 PA-GF로 적용하여 해석한 결과는 그림 11과 같으며 결과는 그림 12와 13에 나타내었다.

그림 11. UHF-GPS 안테나 구조해석 결과, (a) PESU, (b) PA-GF

Fig. 11. UHF-GPS Antenna(PESU) structural analysis results.

그림 12. UHF-GPS 안테나 재질별 구조해석 결과

Fig. 12. Structure analysis results by UHF-GPS Antenna material.

그림 13. UHF-GPS 안테나 재질별 구조해석 결과

Fig. 13. Structure analysis results by UHF-GPS Antenna material.

해석결과 최대 응력은 PESU에서 45.64 N/mm² PA-GF에서 44.84 N/mm²의 결과를 확인할 수 있었고, 최대 변위는 PESU에선 0.92 mm, PA-GF는 0.14 mm로 큰 차이가 나타남을 확인할 수 있었다.

PC와 동일하게 재질별 MoS를 분석하여 안전성을 평가하였고 그 결과는 표 4와 같다. 확인 결과 PESU도 MoS가 0.24로 PC와 유사하게 1.5 이하의 값을 가져 안전성을 확보하였다고 판단하기 어려웠다. 따라서 재질을 MoS가 2.94로 1.5 이상 나타난 PA-GF로 변경하여 적용하였다.

표 4. UHF-GPS 안테나 두께별 안전여유 비교 결과

Table 4. Comparison with safety margins by UHF-GPS antenna thickness.

그러나 PA-GF를 적용하는 경우 기존 PC보다 밀도가 30% 더 높아 안테나의 중량이 1,007 g으로 목표중량인 1 kg을 초과하는 문제가 발생하였다. 따라서 그림 14와 같이 레이돔 두께 t를 1 mm 단위로 변경한 경량화 모델을 설계하여 다시 안테나 성능 및 구조 안전성 평가를 진행하였다.

그림 14. UHF-GPS 안테나 경량화 설계안

Fig. 14. UHF-GPS Antenna lightweight design.

4-3 전자기장 해석

UHF-GPS 안테나 레이돔의 두께를 변화시켜가며 해석 결과를 확인하였고 대역폭과 방사패턴 결과를 그림 15와 16에 각각 나타내었다. 그림 15의 X 축 주파수는 보안상 생략하였다. 레이돔의 두께가 두꺼워질수록 안테나의 중심주파수가 전체적으로 하향되는 것을 확인하였고 최대 이득 또한 감소하는 것을 확인하였다.

그림 15. UHF-GPS 안테나(PA-GF) 두께별 반사 손실 비교

Fig. 15. Comparison with return loss and UHF-GPS Antenna(PA-GF) thickness.

그림 16. UHF-GPS 안테나(PA-GF) 두께별 성능 비교

Fig. 16. Comparison with performances and UHF-GPS Antenna(PA-GF) thickness.

4-4 구조해석

UHF-GPS 안테나의 두께별 모델에 따라 성능에 문제가 없음을 확인하여 구조 안전성을 검토하였다. 구조해석 결과는 그림 17과 같으며 결과는 표 5에 정리하였다. 먼저 최대 응력은 PA-GF(1t)에서 73.62 N/mm², PA-GF(2t)에서 65.19 N/mm², PA-GF(3t)에서 44.81 N/mm²로 나타났다. 그리고 변위는 각각 0.32 mm, 0.20 mm, 0.14 mm로 나타나 두께가 늘어날수록 최대 응력과 변위가 작아지는 것을 확인할 수 있었다.

그림 17. UHF-GPS 안테나 두께별 구조해석 결과, (a) PA-GF(1t), (b) PA-GF(2t), (c) PA-GF(3t)

Fig. 17. UHF-GPS Antenna structural analysis results.

표 5. UHF-GPS 안테나 두께별 안전 여유 비교 결과

Table 5. Comparison with safety margins by UHF-GPS Antenna thickness.

안테나 두께에 따른 최대 응력값을 기준으로 동일하게 식3을 이용하여 MoS를 분석하였다. 그 결과 표 5와 같이 PA-GF(1t)의 경우 중량은 만족하나 MoS가 1.40으로 불충분하고, PA-GF(3t)의 경우 재질별 분석결과와 같이 MoS는 2.94로 만족하나 중량이 1 kg을 초과할 것으로 예상되었다. 그 결과 MoS는 1.71로 적합한 강성을 가지고 중량이 937 g으로 목표중량을 만족하는 PA-GF(2t)로 최종 선정하였다.

그림 18. UHF-GPS 안테나 두께별 최대응력 비교 결과

Fig. 18. Results of comparing maximum stress by UHF-GPS Antenna thickness.

그림 19. UHF-GPS 안테나 두께별 최대응력 비교 결과

Fig. 19. Comparison with results of maximum stress by UHF-GPS Antenna thickness.

Ⅴ. 시험 및 분석

5-1 수밀외압시험

해석 결과를 바탕으로 선정한 2.0t 모델을 기준으로 UHF-GPS 안테나를 제작하였다. 그리고 실제 운용환경에서 운용 시 이상 없는지를 확인하기 위해 수밀외압시험을 진행하여 시험 전-후 안테나 성능 및 구조 안전성을 평가하였다. 수밀외압시험은 그림 21과 같이 수심 200 m 환경을 모사하기 위해 안테나를 가압챔버에 설치하여 20 bar 압력을 30분간 인가하는 시험으로 시험 규격은 그림 20과 같다.

그림 20. 수밀외압시험 프로파일

Fig. 20. Watertight external pressure test profile.

그림 21. 수밀외압시험 구성

Fig. 21. Watertight external pressure test.

시험 전, 후 안테나 성능을 확인한 결과 설계목표 성능에 부합하는 것을 확인하였다. 따라서 수밀외압시험으로 인한 성능의 영향은 없는 것을 확인 할 수 있었다.

5-2 비파괴 검사

수밀외압시험 후 구조적 안전성을 평가하기 위해 비파괴 검사를 진행하여 내부와 외부의 결함을 확인하였다. 비파괴 검사(NDT; non-destructive testing)는 그림 22와 같이 모재에 방사선을 투과하여 시험 전 후 미세한 균열이나 기공, 내부 파손등이 발생하는지 확인하는 검사 방법이다. UHF-GPS 안테나의 수밀 외압시험 전 후 비파괴 검사를 수행한 결과 그림 23과 같이 안테나에 균열, 기공, 내부 파손은 발생하지 않았다.

그림 22. UHF-GPS 안테나 비파괴 검사 시험

Fig. 22. UHF-GPS Antenna non-destructive Test.

그림 23. 비파괴 검사 시험 전-후 결과

Fig. 23. Result before and after non-destructive testing.​​​​​​​

Ⅵ. 결론

본 논문에서는 자율무인잠수정에 적합한 UHF-GPS안테나를 개발하기 위해 전자기장해석 및 구조해석을 수행하여 최적의 모델을 선정하였다. 또한 수밀외압시험을 진행하고 비파괴 검사를 통해 구조 안전성을 검증하였다. 그 결과에 대해 아래와 같이 정리하였다.

1. 1차 설계에서 안테나 레이돔 재질을 Polycarbonate로 전자기장 해석 및 구조해석을 진행한 결과, 성능은 만족하였으나 구조 안전성은 확보할 수 없었다.

2. 2차 설계에서는 레이돔 재질를 보완하기 위해 PESU와 PA-GF를 분석하였고, 전자기장 해석 및 구조해석을 진행한 결과 MoS는 PESU에서 0.24, PA-GF에서 2.94로 구조안정성을 만족하는 PA-GF로 선정하였다. 그러나 PA-GF는 목표중량을 초과하여 경량화 설계를 진행하였다.

3. PA-GF의 경량화를 위해 두께별 구조해석을 1t, 2t, 3t로 진행하였고, MoS는 1t에서 1.40, 2t에서 1.71, 3t에서 2.94로 확인하였다. 3t에서 구조 안전성이 가장 뛰어났으나, 목표중량을 만족할 수 있는 2t를 최종 모델로 선정하여 제작하였다.

4. 최종모델의 수중운용환경에서 구조 안전성 검증을 위하여 수밀외압시험을 진행하였다. 시험 후 외형적으로 손상부위가 없었으나, 내부의 손상을 고려하여 비파괴 검사를 통해 확인한 결과 내부 역시 물리적 손상이 없음을 확인할 수 있었다.

5. 향후 유사한 환경에서 운용되는 안테나 개발 시 본 논문의 연구결과를 이용하면 큰 도움이 될 것으로 기대된다.