[표지] 1
제출문 2
요약문 3
SUMMARY 12
CONTENTS 21
목차 23
제1장 서론 34
제1절 연구개발의 목적 34
1. 연구개발 목표 34
2. 연구개발 최종목표 34
제2절 연구개발의 필요성 36
1. 기술의 중요성/필요성 36
2. 기술개발의 시급성 36
제3절 연구개발의 범위 36
1. 시스템 및 장치 개발 36
2. 테스트베드 구축 및 시험 37
제2장 국내외 기술개발 현황 38
제1절 국내 기술 동향 및 수준 38
1. 밀리미터파 기반 무선전송 및 접속망 기술 38
2. 위성 통신 기술 38
3. Ka band 초소형 송수신 기술 39
4. 전력증폭소자(PA : Power Amplifier) 39
5. 저잡음 증폭소자(LNA : Low Noise Amplifier) 40
6. 밀리미터파 필터 및 스위치 40
7. 추적 안테나(tracking antenna) 기술 41
제2절 국외 기술 동향 및 수준 42
1. 밀리미터파 기반 무선 전송 및 접속망 기술 42
2. 위성 통신 기술 42
3. Ka band 초소형 송수신 기술 42
4. UAV Radio Pod 43
5. 전력증폭소자(PA : Power Amplifier) 44
6. 저잡음 증폭소자(LNA : Low Noise Amplifier) 44
7. 밀리미터파 필터 및 스위치 44
8. 추적 안테나 (tracking antenna) 기술 45
제3절 국내·외 시장 현황 46
1. 국내·외 시장 규모 및 수출·입 현황 46
2. 국내·외 주요 수요처 현황 46
3. 국내·외 경쟁기관 현황 47
제4절 국내·외 지식재산권 현황 49
1. 국내 지식재산권(특허 등) 현황 49
2. 국외 지식재산권(특허 등) 현황 50
제3장 연구개발 수행 내용과 결과 55
제1절 개발간 결정사항 분석 및 결정 55
1. 개발간 결정사항 55
2. 탑재 대상 비행체 분석 및 결정 56
제2절 시스템 구조 설계 59
1. 운용개념 설계 59
2. 시스템 FamilyTree 60
제3절 링크버짓 분석 61
1. 링크버짓 분석 조건 61
2. 링크버짓 분석 결과 61
제4절 웨이브폼 성능분석 62
1. 전송 속도별 웨이브폼 특성 62
2. 전송 속도별 웨이브폼 모의시험 62
제5절 연구결과 64
1. 탑재중계장치 64
2. 지상추적장치 88
3. 부수장비 107
4. SW 구현 118
5. Ka 대역 RF 반도체 수신기 (LNA) 및 송신기 (PA) 개발 124
6. 테스트베드 성능시험 165
제4장 연구개발목표 달성도 및 대외기여도 179
제1절 연도별 연구개발 목표 및 확보기술 179
1. 1차년도 연구개발 목표 및 확보기술 179
2. 2차년도 연구개발 목표 및 확보기술 182
제2절 연구개발목표의 달성도 183
제3절 관련분야 기술발전 기여도 187
1. 국방분야 187
2. 민간분야 188
제5장 연구개발결과의 활용계획 189
제1절 활용 분야별 예상효과 189
1. 기술 분야 189
2. 경제·산업 분야 189
3. 군사 분야 190
제6장 참고문헌 191
[뒷표지] 192
표 1. 최종 목표 성능 35
표 2. 글로벌 이동통신 5G네트워크 장비 시장규모 전망 46
표 3. 국내·외 주요 수요처 현황 46
표 4. 개발간 결정사항 55
표 5. 링크버짓 분석 조건 61
표 6. 링크버짓 분석 결과 61
표 7. 전송속도별 웨이브폼 특성 62
표 8. 웨이브폼별 요구 SNR 및 점유대역폭 63
표 9. 탑재중계장치 형상 규격 64
표 10. 탑재송수신부 형상 규격 65
표 11. 탑재 송수신부 규격 66
표 12. 탑재 주제어조립체 규격 67
표 13. 탑재 모뎀조립체 규격 68
표 14. 탑재 Wi-Fi 조립체 규격 69
표 15. 탑재 전원조립체 규격 70
표 16. 탑재 추적제어조립체 규격 71
표 17. 탑재 송수신변환조립체 송신블록 규격 72
표 18. 탑재 송수신변환블록 수신블록 규격 73
표 19. 탑재안테나부 형상 규격 74
표 20. 탑재 안테나부 규격 74
표 21. 탑재 송수신증폭조립체 송수신블록 규격 75
표 22. 탑재 안테나조립체 규격 76
표 23. 탑재 안테나구동조립체 규격 77
표 24. 탑재 하우징부 규격 78
표 25. 탑재중계장치 하우징부 유동해석 수행단계별 결과 79
표 26. POD 조립체 규격 80
표 27. POD 재질변경에 따른 구조해석 결과 정리 81
표 28. POD 재질별 특성 81
표 29. POD 조립체 가속도 해석 결과 정리 82
표 30. POD 조립체 랜덤진동 해석 결과 정리 83
표 31. 레이돔에 의한 안테나 이득 분석 결과 85
표 32. 빔조향 및 off-set 측정 결과 86
표 33. 2.4GHz RHCP&LHCP 안테나 규격 87
표 34. 지상추적장치 크기 및 무게 88
표 35. 지상기저대역부 규격 89
표 36. 지상 기저모체조립체 규격 91
표 37. 지상 RF제어부 규격 92
표 38. 지상 RF제어조립체 규격 93
표 39. 지상 RF모체조립체 규격 94
표 40. 지상 방위각구동부 규격 95
표 41. 지상방위각구동조립체 규격 96
표 42. 지상전원조립체 규격 97
표 43. 지상 RF전단부 규격 98
표 44. 지상 송수신증폭조립체 규격 99
표 45. 지상 수신증폭조립체 규격 100
표 46. 지상 송수신변환 조립체 규격 - 송신블록 101
표 47. 지상 송수신변환조립체 규격 - 수신블록 102
표 48. 전단부 제어/전원 조립체 규격 103
표 49. 지상 신호처리조립체 규격 103
표 50. 안테나 조립체 형상 규격(Dish/Horn) 104
표 51. 지상 안테나부 규격 105
표 52. 지상 Dish 안테나 조립체 규격 106
표 53. 지상 초기개통 안테나조립체 규격 106
표 54. 지상전원공급부 규격 107
표 55. 네트워크 연동장비 규격 108
표 56. 미디어컨버터 규격 108
표 57. 지상 Wi-Fi AP 조립체 규격 109
표 58. 지상 Wi-Fi AP 조립체 지상대역 안테나 규격 109
표 59. TRIPOD 형상 및 규격 110
표 60. 시스템 케이블 형상 및 규격 111
표 61. 제어관리기 H/W 규격 115
표 62. SW 개발 및 운용환경 118
표 63. 지상추적장치 추적 모드 121
표 64. 탑재중계장치 및 지상추적장치 조립체별 ID 123
표 65. 형상항목간 인터페이스 메시지 정의 123
표 66. Single Unit PA 설계 결과 요약 132
표 67. Combined PA 설계 결과 요약 133
표 68. GaN PA 측정결과 요약 134
표 69. GaN PA 측정결과 요약 136
표 70. GaN PA 측정결과 요약 138
표 71. 패키지 특성 개선된 GaN PA 시뮬레이션 요약 141
표 72. Ka 대역 저잡음 증폭기 설계 결과 요약 150
표 73. GaN LNA 측정 결과 요약 151
표 74. GaN LNA 측정 결과 요약 154
표 75. GaN LNA 측정 결과 요약 155
표 76. GaN LNA 보완 설계 결과 요약 157
표 77. GaN PA 모듈 측정결과 요약 164
표 78. 최종 시제품 성능검증 시험 항목별 규격 및 평가결과 167
표 79. 환경 KOLAS 인증시험 항목별 규격 및 평가결과 171
표 80. 환경 KOLAS 인증 시험 표준시험 항목별 규격 172
표 81. 무선환경 검증 시험 및 비행 시연 항목별 시험방법 및 평가결과 176
표 82.〈시험개발〉 1차년도 기반기술 확보 및 기술자료 작성현황 179
표 83. 2차년도 기반기술 확보 및 기술자료 작성현황 182
표 84. 연구개발목표의 달성도 183
그림 1. UAV 기반 공중 중계 개념도 34
그림 2. UAV 기반 Ka 대역 탑재체를 이용한 통신중계 및 Hot Spot 구성도 34
그림 3. 개발 결과물의 군 통신망 적용 예 37
그림 4. 주요국가 5G NR mm-Wave 주파수 밴드 39
그림 5. 국내 이동통신네트워크장비 시장 규모 전망 46
그림 6. 국내 연간 특허 등록 추이 49
그림 7. 5G 이동통신 표준화 항목별 국내 상위 동향 49
그림 8. Ka Band 부품 국외 연간 특허 등록 추이 50
그림 9. VSAT 통신 국외 연간 특허 등록 추이 51
그림 10. LMDS 국외 연간 특허 등록 추이 51
그림 11. 이동통신 시스템 분야 발행국가별 특허 동향 52
그림 12. 5G 이동통신 특허 발행국별 및 연도별 특허출원 동향 53
그림 13. 5G 이동통신 분야 특허분석 항목 연도별 특허출원 동향 54
그림 14. 탑재 가능 유무인 항공기 분석 결과 56
그림 15. 탑재체 장착 구조 분석 결과 56
그림 16. 시제품 장착 구조 설계 및 제작 57
그림 17. 탑재체의 항공기 배면 장착성 분석 57
그림 18. 회전익 유인기 Case 1 58
그림 19. 회전익 유인기 Case 2 58
그림 20. 탑재 대상 비행체 선정 관련 회의록 발취본 58
그림 21. 탑재 대상 선정 비행체 정보 58
그림 22. 운용개념도 59
그림 23. PBS 기반 패밀리트리 60
그림 24. SW CSCI 60
그림 25. 제작된 matlab & simulink 시뮬레이터 62
그림 26. 웨이브폼 시뮬레이션 결과 그래프(BER Curve) 63
그림 27. 탑재중계장치 외부형상 64
그림 28. 탑재중계장치 시제품 레이돔 내부 정면 사진 64
그림 29. 탑재중계장치 시제품 레이돔 내부 탑면 사진 64
그림 30. 탑재송수신부 L1 & L2 방향 시제품 사진 65
그림 31. 탑재송수신부 시제품 내부 구성품 형상 65
그림 32. 탑재 주제어조립체 형상 67
그림 33. 탑재 모뎀조립체 형상 68
그림 34. 탑재 Wi-Fi 조립체 형상 69
그림 35. 탑재 전원조립체 형상 70
그림 36. 탑재 추적제어조립체 형상 71
그림 37. 탑재 송수신변환조립체 L1 & L2 형상 72
그림 38. 탑재 모체조립체 형상 73
그림 39. 탑재 함체조립체 형상 74
그림 40. 탑재 내부하네스 형상 74
그림 41. 탑재 안테나부 시제품 형상 74
그림 42. 탑재 송수신증폭조립체 형상 75
그림 43. 탑재 안테나조립체 형상 76
그림 44. 탑재 안테나 구동부조립체 장착 형상 76
그림 45. 탑재 안테나 구동조립체 형상 77
그림 46. 탑재 하우징부 시제품 내외부 형상 78
그림 47. POD 조립체 형상 80
그림 48. POD 및 장착 브라켓 정보 81
그림 49. POD 조립체 가속도 해석 결과 82
그림 50. POD 조립체 고유진동수 해석 결과 83
그림 51. POD 조립체 랜덤진동 해석 결과 83
그림 52. 탑재 레이돔 조립체 형상 84
그림 53. 시뮬레이션 결과 Te 84
그림 54. 시뮬레이션 결과 Tm 84
그림 55. 레이돔 EM 시뮬레이션 형상 84
그림 56. 레이돔에 의한 안테나 복사패턴(3D) 85
그림 57. 탑재 안테나 복사패턴 시험 사진 85
그림 58. LHCP, AZ, 180deg 85
그림 59. RHCP, AZ, 180deg 86
그림 60. 탑재 Wi-Fi 안테나 조립체 형상 87
그림 61. 지상추적장치 외부형상 88
그림 62. 지상추적장치 설치운용 형태 88
그림 63. 지상 기저대역부 구성품 형상 89
그림 64. 지상 주제어조립체 형상 90
그림 65. 지상 모뎀조립체 형상 90
그림 66. 지상 기저모체조립체 형상 91
그림 67. 지상 기저함체조립체 형상 91
그림 68. 지상 RF제어부 구성품 형상 92
그림 69. 지상 RF제어조립체 형상 93
그림 70. 지상 RF모체조립체 형상 94
그림 71. 지상 RF함체조립체 형상 94
그림 72. 지상 방위각구동부 형상 95
그림 73. 지상 방위각구동조립체 형상 96
그림 74. 지상 전원조립체 형상 97
그림 75. 지상 RF전단부 시제품 전면/후면 형상 98
그림 76. 지상 RF전단부 내부 형상 98
그림 77. 지상 송신증폭조립체 99
그림 78. 지상 SUM/AZ/EL 채널 수신증폭조립체 형상 100
그림 79. 지상 송수신변환조립체 형상 101
그림 80. 지상 전단부 제어/전원 조립체 형상 102
그림 81. 지상 신호처리조립체 형상 103
그림 82. 지상 RSSI 검출블록 104
그림 83. 지상 안테나부 형상 104
그림 84. 지상 Dish 안테나조립체 형상 105
그림 85. 지상 Horn 안테나 조립체 106
그림 86. 지상전원공급부 형상 107
그림 87. 네트워크 연동장비 형상 107
그림 88. 미디어 컨버터 형상 108
그림 89. 지상 Wi-Fi AP & 조립체 형상 109
그림 90. TRIPOD 형상 110
그림 91. 제어관리기 형상 115
그림 92. GUI 화면 구성 116
그림 93. GUI 상태감시 화면 116
그림 94. GUI 통신계획 설정 화면 117
그림 95. GUI 안테나 설정 및 제어 화면 117
그림 96. SW FamilyTree 118
그림 97. 탑재중계장치 운용 SW 실행개념 119
그림 98. 지상추적장치 운용 SW 실행개념 120
그림 99. 제어관리 운용 SW 실행개념 120
그림 100. 탑재중계장치 추적 알고리즘 블록도 121
그림 101. 지상추적장치 추적 알고리듬 블록도 121
그림 102. 탑재중계장치 메시지 인터페이스 구성도 122
그림 103. 지상추적장치 메시지 인터페이스 구성도 122
그림 104. 인터페이스 통신 프로토콜 122
그림 105. 반도체 소자에 따른 특성 분석 124
그림 106. 동작 주파수와 어플리케이션에 따른 공정 분석 124
그림 107. 반도체 공정 구조도 125
그림 108. 시뮬레이션을 통해 반도체 열분석을 한 예제 125
그림 109. 송신기 개발에 필요한 반도체 특성 정리 126
그림 110. 다양한 Transistor의 이득, 효율, 출력 등을 정리한 표 126
그림 111. 다양한 Transistor의 MAG 특성을 Plot 127
그림 112. Matching Loss가 없는 Ideal한 수치를 이용한 Device의 성능 도출 127
그림 113. Ideal 소자와 On chip passive 소자를 이용한 다단 matching의 경우 삽입 손실 비교 128
그림 114. On chip passive 소자를 이용한 전력 증폭기 특성 128
그림 115. On chip passive 소자를 이용한 전력 증폭기 특성 129
그림 116. 제안된 Cluster matching을 적용한 출력 구조 129
그림 117. 제안된 Cluster matching MMIC Layout 구조 130
그림 118. Gate Bias Feeding Line의 ACGND 회로 특성 130
그림 119. Single Unit PA 구성도 130
그림 120. Combined PA 구성도 131
그림 121. Single Unit PA의 출력특성 131
그림 122. Single Unit PA Layout 131
그림 123. Combined PA Layout 132
그림 124. Combined PA의 출력특성 132
그림 125. 측정된 GaN PA 소신호특성 133
그림 126. 측정된 GaN PA 입력전력 133
그림 127. 측정된 GaN PA 출력전력 133
그림 128. 측정된 GaN PA Compression Gain 134
그림 129. 측정된 GaN PA 134
그림 130. 측정된 GaN PA 입력 반사계수 135
그림 131. 측정된 GaN PA 출력 반사계수 135
그림 132. 측정된 GaN PA Gain 135
그림 133. 측정된 GaN PA 입력전력 135
그림 134. 측정된 GaN PA 출력전력 135
그림 135. 측정된 GaN PA Compression Gain 135
그림 136. 측정된 GaN PA 형상 136
그림 137. Drain Bias Feeding Line의 ACGND 회로 특성 136
그림 138. 설계된 GaN PA 출력 특성 및 Layout 137
그림 139. 측정된 GaN PA S-parameter 측정요약 137
그림 140. GaN PA 입력전력 특성 137
그림 141. GaN PA 출력전력 특성 137
그림 142. 측정된 GaN PA Compression Gain 138
그림 143. 측정된 GaN PA의 Pulse Mode에서의 전류특성 138
그림 144. 패키징 특성 개선된 설계 Layout 139
그림 145. High Power Return loss: 왼 Input, 오른쪽 Output 139
그림 146. 제안된 안정성 체크 알고리즘에 의한 안정도 검증 140
그림 147. 출력 파워 특성 검증 140
그림 148. 효율 특성 140
그림 149. IMD 선형성 특성 141
그림 150. 5차 개발된 칩 측정 환경 141
그림 151. 5차 개발된 칩 선형 특성 측정 142
그림 152. 5차 개발된 칩 포화 출력 측정 142
그림 153. 5차 개발된 칩 패키지 실장 142
그림 154. 5차 개발된 패키징 된 칩 선형 특성 143
그림 155. 5차 개발된 패키징 된 칩 PldB 특성 143
그림 156. 5차 개발된 패키징 된 칩 EVM 측정 143
그림 157. 온도 변화에 따른 이득 변화 실험, 80도 144
그림 158. 온도 변화에 따른 이득 변화 실험, 130도 144
그림 159. 제안된 Cluster matching MMIC Layout 구조 145
그림 160. Momentum와 Sonnet EM substrate 145
그림 161. EM 결과들 그리도 PDK를 비교하는 Test Bed 146
그림 162. 200pH Spiral Inductor의 비교 모습 146
그림 163. 100fF SiN Capacitor의 비교 모습 146
그림 164. Width 10u, Length l00um Transmission Line 비교 모습 147
그림 165. Length l00um Back Via 비교 모습 147
그림 166. Length l00um Back Via+ Transmission Line 비교 모습 147
그림 167. In/Out Pad 비교 모습 148
그림 168. AC Ground 임피던스 특성 149
그림 169. 3단 저잡음 증폭기 구조도 149
그림 170. 3단 저잡음 증폭기 Layout 149
그림 171. 3단 저잡음 증폭기 이득 특성 150
그림 172. 3단 저잡음 증폭기 잡음지수 특성 150
그림 173. 3단 저잡음 증폭기 입출력 반사계수 특성 150
그림 174. GaN LNA NF특성 151
그림 175. GaN LNA 입력반사계수 151
그림 176. GaN LNA 출력반사계수 151
그림 177. 측정된 GaN LNA Gain특성 151
그림 178. 설계된 GaN LNA 특성 152
그림 179. 설계된 GaN LNA 특성 및 Layout 152
그림 180. 측정된 GaN LNA 특성 153
그림 181. 측정된 GaN LNA 입력반사계수 153
그림 182. 측정된 GaN LNA 출력반사계수 153
그림 183. 측정된 GaN LNA Gain특성 153
그림 184. 설계된 GaN LNA 특성 154
그림 185. 설계된 GaN LNA Layout 및 Chip 154
그림 186. 측정된 GaN LNA NF 특성 154
그림 187. 측정된 GaN LNA 입력 반사계수 154
그림 188. 측정된 GaN LNA 출력 반사계수 155
그림 189. 측정된 GaN LNA Gain 특성 155
그림 190. 개선된 LNA Layout 155
그림 191. 개선된 S-parameter 특성 156
그림 192. 개선된 Noise 특성 156
그림 193. 제안된 안정도 특성 157
그림 194. 제안된 선형성 특성 157
그림 195. 시뮬레이션과 측정치의 Return 특성 비교 158
그림 196. 시뮬레이션과 측정치의 이득 특성 비교 158
그림 197. 시뮬레이션과 측정치의 잡음 특성 비교 159
그림 198. 시뮬레이션과 측정치의 선형성 특성 비교 159
그림 199. 개발 LNA 패키징 모듈 16x14.5mm 159
그림 200. Return Loss 특성: Input Return loss(왼), Output Return loss(오) 159
그림 201. 이득 특성 측정 160
그림 202. 온도 특성에 따른 이득 변화: 상온(붉은색), 130도(노란색) 160
그림 203. Wire-bonding EM 분석 환경 및 전달특성 161
그림 204. CPWG RF Line EM 분석 환경 및 전달특성 161
그림 205. LCL 매칭 회로 분석 환경 및 전달특성 161
그림 206. 50옴 환경의 개별 PA 측정기반 예상치 시뮬레이션 161
그림 207. 모듈 개발 환경의 임피던스 최적화를 통한 PA 측정기반 예상치 시뮬레이션 162
그림 208. Transition line 전달 컨덕턴스 특성 162
그림 209. 결합 모듈 EM 분석 환경 및 전력 전달 특성 162
그림 210. Heatsink 구조에 따른 온도 변화 특성 163
그림 211. On chip passive 소자를 이용한 전력 증폭기 특성 163
그림 212. 제작된 송신 모듈 형상 163
그림 213. 제작 30W 모듈 형상 163
그림 214. 측정된 GaN PA 모듈 입력전력특성 164
그림 215. CW Mode로 측정된 GaN PA 모듈 입력전력 164
그림 216. 측정된 GaN PA 모듈 Compression Gain 164
그림 217. CW Mode로 측정된 GaN PA 모듈 Compression Gain 164
그림 218. PA Chip & Module 시험 구성도 165
그림 219. PA Chip & Module 시험 성적서 165
그림 220. LNA Chip 시험 구성도 166
그림 221. LNA Chip 시험 성적서 166
그림 222. 시험 구성도(시험 항목 13. 성능분석 테스트베드) 167
그림 223. 최종 시제품 성능검증 시험 성적서 발취본(1) 169
그림 224. 최종 시제품 성능검증 시험 성적서 발취본(2) 170
그림 225. 환경 KOLAS 인증시험 시험장비 구성도 171
그림 226. 환경 KOLAS 인증시험 시험 성적서 발취본(1) 172
그림 227. 환경 KOLAS 인증시험 시험 성적서 발취본(2) 173
그림 228. 환경 KOLAS 인증시험 시험 성적서 발취본(3) 174
그림 229. Wi-Fi Hot Spot 전송거리, 전송속도 무선 시험 구성도 175
그림 230. Ka대역 중계 최대전송거리, 전송품질 무선 시험 구성도 175
그림 231. 탑재중계장비 비행시연 시험 구성도 175
그림 232. 무선환경 검증 시험 및 비행 시연 시험 성적서 발취본(1) 176
그림 233. 무선환경 검증 시험 및 비행 시연 시험 성적서 발취본(2) 177
그림 234. 무선환경 검증 시험 및 비행 시연 시험 성적서 발취본(3) 178
그림 235. 미래 전술통신체계 개념도 187
그림 236. 긴급 재난망 공중중계 개념도 188
그림 237. 대형 산불 대비 비상통신체계 구축 188
그림 238. 상용망 활용 예시 189
그림 239. 다계층 통신망 구성 예시 190
그림 240. HCTRS 백본망 중계 190
그림 241. LTE 중계 활용 예시 190