위상안정시스템은 H-maser 기준 주파수 신호를 안테나 수신기실로 전송하는 Round Trip System과 위상 보정 신호를 수신기에 인가하여 수신기의 위상 안정도를 파악하기 위한 Phase Calibration System 으로 구성된다. 또한 수신기의 국부발진기의 위상안정도가 전체 수신기의 위상 안정도를 결정한다. 기존 KVN 운영을 통해 얻은 개선 사항을 적용하여, E-KVN 망원경용 위상안정시스템을 구축하고 있다. 2021년에는 기존 KVN의 Round Trip System과 Phase Calibration System을 개선한 E-KVN 용 Round Trip System과 Phase Calibration Sytem의 설계를 수행하였으며 국부발진기의 위상안정도 개선 방안을 도출하였다.
E-KVN을 위한 RTS의 전체 구성을 설계하였다. 기존 KVN RTS는 Laser diode source와 광 변조기(MZM, Mach-Zehnder Modulator), Photo diode로 구성된 광 송, 수신기를 사용하여 H-maser 1.4 GHz 신호의 안정도를 안테나 수신기실에도 유지할 수 있도록 한다. 이를 위해 위상 조정이 되는 1.4 GHz VCO(Voltage Controlled Oscillator) 신호를 수신기 실에 전달하고, 수신기실에서 전달된 1.4 GHz 신호를 다시 H-maser 실에 전송하여, H-maser 1.4 GHz 신호(Vref)와 VCO 신호(Vvco), 돌아온 1.4 GHz 신호(Vrt, round tripp signal) 돌아온 신호를 비교하여 안테나 수신기실의 1.4 GHz 신호(Vrmt, remote signal)의 안정도가 Vref 신호의 안정도를 따르도록 한다.
KVN에서는 H-maser 신호의 안정도(2x10-15 @ 1,000 sec)의 10 배 이상의 전송 안정도를 갖도록 개발되었다. KVN RTS는 전송 안정도는 우수하지만, 약 10년간 운영하면서 몇 가지 운영상의 문제점이 발견되어, 일부는 개선하여 사용하고 있다. 외부 접지 전압의 변화나 충격에 광 변조기의 변조 특성이 민감하게 반응하여 전송된 1.4 GHz 신호와 100 MHz 신호 발생기에 영향을 주어, 수신기 실의 10, 100 MHz 신호의 위상이 급격하게 변하는 문제가 간헐적으로 발생하였고, 특히 KVN 연세 전파망원경에서는 한 달에 수 회 빈도로 발생했었다. 이를 해결하기 위해 Laser diode와 광변조기 대신에 통신용 WDM(Wavelength Division Multiplex) 송신기와 수신기를 연세와 탐라 전파망원경에 설치하였다. 다른 문제점으로는 Round Trip System의 구성품이 많아서 H-maser실에 설치된 19인치 랙 케이스의 절반 가까운 공간을 차지하고, 다양한 구성품으로 인해 현장에서의 유지보수시 적지않은 불편이 있었다. 이러한 운영상의 문제점을 개선하기 위해 방안으로 1)WDM 통신용 광 송수신기와 수신기를 사용하고 2)phase compensation module와 VCO 신호발생기를 모듈로 개발한다. 이를 통해 이전에는 별도의 19인치 rack 상자나 장비였던 장비를 전체 3U 높이의 Local 및 Remote Sub-system을 구성하도록 만들 계획이다.
Emcore 사에서 판매되는 Optiva OT-CC-6-1U 모델은 6개의 slot으로 구성되어, 최대 6개의 광 송수신기나 WDM Module을 설치 가능하여, 광 송수신기 각 1대와 송수신 광신호의 분리를 위한 MUX/DEMUX 모듈 설치가 가능하다. 이를 통해 RTS의 부피를 크게 줄일 수 있다.
RTS Remote Sub-system 구성품 중에서 1.4 GHz PLO(Phase Locked Oscillator) 모듈은 광 전송 과정에서 추가된 2 kHz 간격의 spurious 신호를 제거를 위한 것이다. Local Sub-system 중에서 Phase compensation module은 기존에 사용하던 connector 포함 부품을 SMD(Surface Mount Device)로 대체하여 하나의 모듈로 구성한다. 1.4 GHz VCO도 3U 높이의 신호발생기 대신에 개별 모듈로 제작하여 Local Sub-system 내부에 설치한다. 다음 그림2는 이러한 구성을 갖는 E-KVN용 RTS의 Local 및 Remote Sub-system의 외부와 내부 부품 설치 형상과 신호 계통도를 보여준다. 2022년에 VCO, Phase Compensation Circuit, 1.4 GHz PLO 모듈을 개발하고, 2023년에 E-KVN을 위한 전체 RTS를 제작 설치할 계획이다.
Phase calibration(Pcal) 신호 인가를 위한 Pcal 시스템은 수신기 광대역화에 맞춰서 더 넓은 주파수 대역에 위상 보정 신호를 인가하도록 설계 하였다. 22, 43, 86 GHz 수신기는 현재 광대역화가 완료되었고, 129 GHz 수신기 광대역화는 현재 추진 중에 있다. 230 GHz 수신기도 새로 개발하고 있다.
| 원래 주파수 대역 | 광대역화 이후의 주파수 대역 | |
|---|---|---|
| 22 GHz 수신기 | 21.25-23.25 GHz | 18-26 GHz |
| 43 GHz 수신기 | 42.11-44.11 GHz | 35-50 GHz |
| 86 GHz 수신기 | 85-95 GHz | 85-115 GHz |
| 129 GHz 수신기 | 124-142 GHz | 120-175 GHz |
| 230 GHz 수신기 | 210-235 GHz |
현재 KVN에서 사용하고 있는 Pcal 시스템은 22, 43 GHz 수신기를 위해서 200 MHz 하모닉 신호를 직접 수신기에 인가하였고, 86, 129 GHz 수신기를 위해서는 20 GHz 신호를 이용하여 주파수 상향변환을 거쳐서 200 MHz 하모닉 신호를 인가하였다. 광대역 22 GHz 수신기는 같이 사용해도 되지만 43 GHz 수신기는 Pcal 시스템의 comb generator 출력 신호가 45 GHz 이상에서 감소하여, 주파수 상향 변환이 필요하다
Pcal Main Module에서는 100 MHz 입력에 있던 가변 감쇄기 대신에 Comb 발생기 출력에 가변 감쇄기를 설치하여, Comb 신호의 크기 조정 범위를 넓히도록 하였다. 43 GHz 수신기를 위한 Pcal 신호는 comb generator 출력 신호와 Up-converter 신호 중에서 선택하도록 하였다. Pcal comb 신호의 최대 주파수 이상의 대역 신호를 위해 Up-converter와 스위치를 사용하였다. Comb 신호 입력에 크기 조정을 위한 광대역 가변 감쇄기도 추가하였다. 86, 129 GHz Up-converter에도 comb 신호 크기 조정을 위한 가변 감쇄기를 추가해야 한다. 129 GHz Up-converter는 기존에 60 GHz 국부발진 신호와 sub-harmonic mixer를 사용했지만, 넓은 주파수 대역의 Pcal 신호 발생을 위해 fundamental mixer로 대체하였다. 120-170 GHz 대역 중에서 125-165 GHz 대역만 만족이 가능하다. 230 GHz 수신기를 위한 Up-converter에서는 100 GHz 신호로 구동되는 sub-harmonic mixer를 사용하도록 하였다. Up-conversion Pcal 시스템은 위상 보정을 위해 어느 주파수 대역 수신기에 대해서나 comb 신호의 인가가 가능하지만, 시스템 복잡도가 증가한다. 특히 고주파 수신기를 위한 위상 보정 신호의 발생을 위해서는 고전력 밀리미터파 주파수 체배기 등의 고가의 부품이 필요하다는 단점이 있다.
수신기의 국부발진기의 위상 안정도 개선을 위해서는 기존보다 높은 기준 주파수의 사용이 요구된다. 기존 KVN 수신기는 10, 100 MHz 신호를 사용하여 국부발진기의 기준 주파수로 사용하였지만, 기준 주파수와 출력 주파수의 차이로 인해 온도에 따른 위상 변화가 크게 나타났다. 최근에는 RTS에서 전송된 1.4 GHz 신호를 직접 기준주파수로 사용하여, 기존 86 GHz 수신기용 12.8-14.2 GHz 주파수 합성기보다 위상 안정도를 10배 이상 높고 튜닝 주파수 대역도 2배 이상 넓은 광대역 YIG 주파수합성기를 개발하여 KVN 광대역 86 GHz 수신기에 사용하고 있다.
| 장치 | LO Frequency [GHz] | 체배비 | 기준 주파수 [MHz] | 위상 안정도a [deg/K] |
|---|---|---|---|---|
| 22GHz 수신기 | 15.6 / 17 (탐라) | 2 | 100 | < 40 |
| 12.4 - 18 (연세,울산) | 2 | 1400 | < 6 | |
| 43GHz 수신기 | 17.055 (high band) | 2 | 100 | < 30 |
| 17.055 (low band) | 3 | 100 | < 45 | |
| 86GHz 수신기 | 12.8 ~ 14.2 (low band) | 6 | 100 | < 100 |
| 12 ~ 18b (high band) | 6 | 1400 | < 6~8 | |
| 129GHz 수신기 | 33.25 ~ 38.5 | 4 | 100 | < 160 |
| Base Band Converter | 8.7 ~ 10.8 | 10 | < 100 | |
| ADS1000 Sampler | 1.024 | 10 | < 10 | |
| OCTAD | 8.192 | 10 | < 100 (내부 안정화 회로가 없을 경우) | |
| a LO 주파수에서의 위상 변화량에 체배비를 곱한 값 b 광대역 YIG 주파수 합성기 | ||||
1.4 GHz 기준주파수나 더 높은 기준주파수를 활용할 경우, 높은 위상 안정도를 갖는 국부발진기 개발이 가능하다. 22, 43 GHz의 낮은 주파수의 경우 단일 주파수의 국부발진 신호를 사용하여 주파수 변환이 가능하여 PDRO(Phase-locked Dielectric Resonator Oscillator) 등의 주파수 발생기를 사용하는 것이 장점이 있지만, 86, 129 GHz 의 경우, 국부발진기 주파수가 높아서 높은 위상 불안정을 보이기 때문에 높은 기준주파수를 활용한 주파수합성기의 사용하는 것이 필수적이다.