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RESOLUTE™ 엔코더, RF안테나 위치 지정 정확도와 분해능 100배 개선

RESOLUTE™ 엔코더, RF안테나 위치 지정 정확도와 분해능 100배 개선
충격 및 진동 시험대 위에 있는 PAS 안테나 짐벌 어셈블리


[산업일보]
배경

Pacific Antenna Systems(PAS)는 1~110 GHz의 무선 주파수(RF)를 사용하는 최첨단 안테나 시스템을 설계, 제작, 제조한다. 관련 응용 분야로는 가시선 및 위성(SATCOM) 통신을 위한 고분해능 레이더, 고속 데이터 통신과 드론(UAS) 대응책을 위한 고전력 마이크로파 시스템 등이 있다.

안테나의 기본적인 원리는 RF 빔을 목표물에 정확하게 조준하는 것이다. PAS는 응용 분야에 따라 안테나에 여러 종류의 전자기계식 설계를 활용한다. 필요한 정밀도와 정확도를 제공하기 위해 로터리 위치 엔코더의 경우 각 모션 축(짐벌)에 설치한다.

에어본 시스템에서는 영하의 온도, RF 소음, 심한 기계 진동 같은 까다로운 환경 조건으로 인해 적합한 엔코더를 찾는 것이 더 복잡해진다.

PAS가 이전에 사용하던 안테나 시스템은 낮은 정확도, 부실한 RF 간섭 내성(RFI)과 진동 억제 등의 엔코더 성능 관련 문제를 겪었다. PAS는 레니쇼(Renishaw)의 엔코더 제품을 사용해 서보 제어 루프의 위치 지정 정확도와 분해능을 2배 이상 개선했다.

과제

에어본 분야에서 사용할 레이더와 RF 통신 시스템은 가볍고 작으면서도 강력해야 합니다.또한 조립이 쉽고 모듈 형식이어야 한다.

PAS의 부사장 Anthony J. Macri는 이 조건이 설계에 미치는 영향에 대해 최근 배포한 자료에서 다음과 같이 설명했다.

‘우리가 사용하는 두문자어가 있는데, 바로 SWAP(크기, 무게, 전력)입니다. 에어본 레이더와 통신 측면에서 수행하는 모든 작업과 관련해 SWAP은 굉장히 중요한 매개변수입니다.
과제는 빔을 목표물에 조준하는 것입니다. 현재 회사에서는 RF 시스템, 특히 밀리미터(mm) 파장 부문에서 범위가 굉장히 좁은 빔을 사용하고 있습니다. W대역(95 GHz)에서 빔의 퍼짐은 최저 수백분의 1도로 낮은 수준입니다. 플랫폼에 안테나를 탑재하는 경우, 항행 데이터에 대한 오차 할당량이 존재합니다. 짐벌 엔코더의 정확도와 분해능이 부실하다면 시스템의 RSS 조준 오차가 증가하고 목표물을 찾지 못하게 됩니다’

PAS의 에어본 통신 시스템은 NASA의 연구용 WB57 비행기처럼 데이터 속도가 빠른 항공기의 통신에 필수적인 요소다. 각 짐벌의 엔코더는 4만 피트(12.19킬로미터)가 넘는 고도와 화씨 -40도(섭씨 -4도) 미만의 온도에서 작동해야 한다. 신속한 빔 조준과 스캔 작업을 위해서는 빠른 회전 속도와 가속도 또한 중요하다.

엔코더는 통신 및 레이더 분야의 핵심 구성 요소로, 결함은 상당한 문제를 초래할 수 있기 때문에 뛰어난 안정성이 필수적이다.

RESOLUTE™ 엔코더, RF안테나 위치 지정 정확도와 분해능 100배 개선
항공기의 이착륙장치에 장착된 PAS 안테나와 짐벌 어셈블리


솔루션

PAS는 모노스태틱 레이더와 통신 시스템에 다양한 짐벌 설계를 사용하지만 모두 BiSS-C 직렬 프로토콜과 26비트 또는 32비트 분해능 옵션을 갖는 RESOLUTE 앱솔루트 옵티컬 엔코더를 사용한다.

‘레이더 제품, 가시선 및 SATCOM 안테나, 고전력 마이크로파 제품에는 RESOLUTE 엔코더만 사용합니다. 제어 루프에서 활용할 수 있는 정확도와 분해능이 우수하기 때문에 RESOLUTE 엔코더를 선택했습니다. 이 엔코더를 충돌 방지 레이더의 일부로 UH60 Blackhawk 헬리콥터에 장착해 상공에 띄웠는데, Blackhawk의 진동 환경은 굉장히 까다롭습니다.
결과적으로 RESOLUTE 엔코더의 진동 내성이 매우 뛰어나다는 사실을 알게 됐습니다. 엔코더가 진동해 횟수를 제대로 카운트하지 못하면 제어 루프에 문제가 발생합니다. RESOLUTE 엔코더는 우리에게 필요한 수준의 정확도와 견고성을 제공합니다’라고 Macri는 위의 자료에서 말했다.

PAS의 모노스태틱 레이더 시스템에는 다양한 구성품이 있는데, 하단에는 RF 어레이 피드가 있고 일련의 렌즈가 2축 짐벌에 탑재돼 있으며 다이렉트 드라이브 모터를 기반으로 한다. 각 모터는 렌즈 회전 피드백 제어를 위한 75 mm D 섹션 RESA 링 스케일을 통해 RESOLUTE 확장 온도 범위(ETR) 엔코더와 기계적으로 연결돼 있다.

Macri는 자료를 통해 ‘모터가 아주 작아 이러한 엔코더가 단점을 보완해 드라이브와 직접 연결됩니다. 모터에는 로터가 있고, 링을 로터 구성품과 연결하는 스테이터 구성품이 있습니다. 모터가 돌기 시작하면 전체 메커니즘 밖에 있는 엔코더 판독 헤드를 기준으로 링을 정확하게 회전시킵니다. 레이더 분야의 장점은 각 모터의 보어를 통해 RF 에너지가 자유 공간에서 전파된다는 것입니다’라고 덧붙였다.

RF 통신 시스템도 유사한 설계에 속하지만 보다 전통적인 슬립 링, 로터리 조인트, 동축 미디어를 갖추고 있다. 이 경우 Renishaw RESA 링의 열린 보어가 각 회전 축의 위쪽 끝에서 필요한 공간과 기능을 제공한다.

결과

PAS는 BiSS-C 프로토콜이 포함된 Renishaw의 RESOLUTE ETR 엔코더를 통해 다양한 응용 분야에 맞는 첨단 안테나 시스템을 설계 및 구축할 수 있게 됐다.

Macri는 안테나 시스템에 RESOLUTE 엔코더를 사용함으로써 얻을 수 있는 이점을 다음과 같이 강조했다.

‘RESOLUTE의 장점은 사용의 용이성, 뛰어난 정확도와 분해능, 까다로운 환경에 적합한 높은 안정성과 적합성 등 여러 가지가 있습니다. 그리고 조립 단계에서 PAS의 기술자가 필러 게이지를 사용해 간단하게 엔코더 판독 헤드를 손으로 정렬할 수 있습니다. 또한 RESOLUTE 엔코더의 고급 진단 및 셋업 도구로 모든 문제를 빠르게 해결할 수 있습니다. PAS에서 엔코더 신호 출력에 BiSS- C 직렬 프로토콜을 사용하는 이유는 사용이 쉽고 빠른 개방형 아키텍처이기 때문입니다. 무엇보다 안전 순환 중복 검사(CRC) 비트 수가 높습니다.따라서 문제를 빠르게 파악할 수 있습니다.수명 주기 관련 상황을 보면 제품을 빠르고 효율적으로 만들어 안정적으로 테스트하는 것이 굉장히 중요합니다.RESOLUTE 엔코더로 이러한 테스트가 가능합니다’

PAS 레이더 시스템에서 렌즈의 회전 속도는 7천degrees/sec가 넘고 4만 degrees/sec2 보다 더 빠르게 가속한다. 고유한 단일 트랙 설계의 RESOLUTE 엔코더가 빠른 속도로 아주 높은 분해능을 제공한다. 이 뛰어난 성능 덕분에 PAS 레이더 시스템이 목표물 위치 측정 정확도를 최고 수준으로 끌어올릴 수 있었다.

‘32비트 엔코더를 사용했더니 약 18비트까지 비트 수가 줄었습니다. 분해능의 LSB(최하위 비트)와 정확도 수치가 굉장히 유사합니다. 엔코더가 18비트 BiSS로 셋업되면 정확도와 분해능이 완벽하게 들어맞습니다. PAS에서는 0.001도 내의 반복도를 필요로 합니다. 또한 해당 응용 분야의 두드러진 특징 때문에 이러한 조립품의 모든 구성품을 테스트해야 합니다. RESOLUTE는 기대치를 넘어서는 제품입니다’라고 Macri는 말을 맺었다.

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김우겸 기자 kyeom@kidd.co.kr

국제산업부 김우겸 기자입니다. 독일과 미국 등지의 산업현안 이슈들을 정확하면서도 신속히 보도하겠습니다.

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