본 논문에서는 레이더에 사용할 수 있는 집적화, 소형화된 Ka-band용 송수신 모듈을 설계 및 제작하였다. 캐비티 형태의 공진기 및 MMIC의 VCO, 전력증폭기, 저잡음 증폭기, 주파수 혼합기와 직접 설계, 제작한 수동 소자들을 캐리어에 장착시키고, 이 캐리어들을 직접 송수신 모듈에 연결하여 결과적으로 출력 21dBm, 잡음지수 5dB까지의 성능을 보이면서 $50cm^*50cm^*20cm$의 소형화된 크기로 설계하였다. 개발된 FMCW 송수신 모듈을 이용하여 60m 이상 떨어져 있는 목표물을 탐지할 수 있는 비트 신호와 하늘 및 땅에 대한 특성을 분석할 수 있는 라디오미터 신호를 측정하였다. MMIC로 구성된 Ka-band의 송수신 모듈은 레이다와 라디오미터용으로 우수한 성능을 가짐을 확인할 수 있었다.
본 논문에서는 레이더에 사용할 수 있는 집적화, 소형화된 Ka-band용 송수신 모듈을 설계 및 제작하였다. 캐비티 형태의 공진기 및 MMIC의 VCO, 전력증폭기, 저잡음 증폭기, 주파수 혼합기와 직접 설계, 제작한 수동 소자들을 캐리어에 장착시키고, 이 캐리어들을 직접 송수신 모듈에 연결하여 결과적으로 출력 21dBm, 잡음지수 5dB까지의 성능을 보이면서 $50cm^*50cm^*20cm$의 소형화된 크기로 설계하였다. 개발된 FMCW 송수신 모듈을 이용하여 60m 이상 떨어져 있는 목표물을 탐지할 수 있는 비트 신호와 하늘 및 땅에 대한 특성을 분석할 수 있는 라디오미터 신호를 측정하였다. MMIC로 구성된 Ka-band의 송수신 모듈은 레이다와 라디오미터용으로 우수한 성능을 가짐을 확인할 수 있었다.
In this paper, an integrated and small Ka-band transceiver module has been developed for measuring distance at the radar systems. Oscillator of cavity type, The MMIC such as VCO, power amplifier, LNA, and mixer, and passive components are integrated on carriers and these are assembled in the transce...
In this paper, an integrated and small Ka-band transceiver module has been developed for measuring distance at the radar systems. Oscillator of cavity type, The MMIC such as VCO, power amplifier, LNA, and mixer, and passive components are integrated on carriers and these are assembled in the transceiver module directly. The test result shows the output power of 21dBm and the noise figure of 5dB using developed transceiver module. Using developed FMCW transceiver module. We can measure the 60m range target by detecting the beat frequency and distinguish both earth and sky using radiometer signal. So we defined that the integrated module using MMIC had a good performance for the radar and radiometer at Ka-band.
In this paper, an integrated and small Ka-band transceiver module has been developed for measuring distance at the radar systems. Oscillator of cavity type, The MMIC such as VCO, power amplifier, LNA, and mixer, and passive components are integrated on carriers and these are assembled in the transceiver module directly. The test result shows the output power of 21dBm and the noise figure of 5dB using developed transceiver module. Using developed FMCW transceiver module. We can measure the 60m range target by detecting the beat frequency and distinguish both earth and sky using radiometer signal. So we defined that the integrated module using MMIC had a good performance for the radar and radiometer at Ka-band.
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문제 정의
레이더 시스템에서 송신단의 위상잡음은 낮은 잡음지수의 시스템을 갖도록 하는데 매우 중요하다. 따라서 본 논문에서는 낮은 위상잡음, 높은 공진 Q값 및 온도 안정성이 우수한 캐비티 발진기를 사용하여 레이더의 성능을 높이고자 한다. 또한 시스템 전체적인 설계에 있어서도 높은 잡음 레벨을 갖는 VCO의 누설 신호는 Mixer를 통하여 IF의 잡음 레벨에 영향을 주므로 이를 고려하여 설계하여야 한다.
본 논문은 Ka-band의 송수신 가능한 모듈을 소형화 집적화된 크기로 제작하였다. VCO는 캐비티 공진기를 이용하여 VCO의 위상잡음을 낮추도록 하였고, MMIC 및 수동소자들을 집적화된 크기로 설계하기 위하여 캐리어에 실장하고 직접 연결시키는 공정 방법으로 소형화 집적화를 가능하게 하였다.
차량 충돌 방지 시스템, 및 소형 및 저가의 통신시스템에 폭 넓게 응용되어 사용 가능하리라고 본다. 향후 연구과제의 목표로는 Phase Noise 특성이 우수한 Cavity 형태의 공진기를 제외한 나머지 부분에 대하여 LTCC 및 MMIC의 집적화 기술을 향상시켜 시스템을 설계 및 제작하고자 한다.
제안 방법
수신단은 저잡음 증폭기 및 혼합기용 캐리어로 구성하였다. 낮은 잡음지수 값을 갖도록 안테나 임피던스 정합을 충분히 고려하여야 하고 주파수 혼합기의 로컬 전력 레벨을 조정하기 위하여 감쇄기를 사용하고 최대 수신 전력 이득을 갖도록 설계하였다. 그림 10은 변조 주파수가 0.
본 논문에서는 이러한 MMIC, 캐비티 타입의 발진기와 수동소자를 사용하여 Ka-band의 레이더용 송수신 모듈을 50cm(W)*50cm(L)*20cm(T) 크기로 직접 설계 및 제작하였다. 설계 고려사항으로 집적화 및 소형화, VCO의 낮은 위상잡음 및 주파수 선형성을 위한 캐비티 타입의 발진기 제작, 선형 특성과 출력이 높은 전력증폭기의 사용 그리고 소형 크기의 수동소자의 설계 및 제작 등이다.
설계 고려사항으로 집적화 및 소형화, VCO의 낮은 위상잡음 및 주파수 선형성을 위한 캐비티 타입의 발진기 제작, 선형 특성과 출력이 높은 전력증폭기의 사용 그리고 소형 크기의 수동소자의 설계 및 제작 등이다. 송수신 모듈용 RF 시스템은 송신단과 수신단으로 구성되어 있다.
이 발진기는 믹서를 이용하여 3GHz의 VCO와 상향 주파수 변환시켜 중심주파수 35.5GHz, 대역폭 1GHz의 대역폭을 갖도록 설계하였다.
5GHz에서 공진되는데 GaAs MESFET의 공진 주파수 전력을 증폭시키고, 공진기를 사용하지 않을 경우보다 높은 안정도 Q를 가지게 하며, 위상잡음의 성능을 개선시키는 역할을 한다. 캐비티 공진 기를 커플링하기 위한 구조로 알루미나 스트립라인을 안테나 구조로 하여 결합시켰다.
커플러는 그림 3과 같이 15dB의 커플링 값을 시뮬레이션을 통하여 구현하고 각 측면에 있는 전송선로가 50Q이되도록 고정한 뒤 마이크로스트립 라인 길이와 커플링 값만을 최적화하였다. 또 필터는 그림 4에서와 같이 IL=2dB, 대역폭이 1GHz로 설계하였고, 각각 크기는 2.
대상 데이터
삽입손실이 IdB 특성을 갖는다. 각각의 부품은 0.7 mil 두께의 골드 와이어를 사용하였다. 그림 5는 제작된 송신용 캐리어로 전력증폭기, 필터, 커플러로 구성된다.
커플러는 그림 3과 같이 15dB의 커플링 값을 시뮬레이션을 통하여 구현하고 각 측면에 있는 전송선로가 50Q이되도록 고정한 뒤 마이크로스트립 라인 길이와 커플링 값만을 최적화하였다. 또 필터는 그림 4에서와 같이 IL=2dB, 대역폭이 1GHz로 설계하였고, 각각 크기는 2.4x2.4mm이고 알루미나 기판을 사용하여 제작하였다.
송신단은 0.25um GaAs MESFET 공정을 사용한 UMS의 파운드리에 의하여 제작된 MMIC를 사용하였는데, PldB가 24dBm이고 이득은 14dB이다. 수동소자로서 커플러는 알루미나(A12O3) 기판을 사용하여 설계 및 제작을 하였는데.
25um GaAs MESFET 공정을 사용한 UMS의 파운드리에 의하여 제작된 MMIC를 사용하였는데, PldB가 24dBm이고 이득은 14dB이다. 수동소자로서 커플러는 알루미나(A12O3) 기판을 사용하여 설계 및 제작을 하였는데. 결합계수가 15dB.
저잡음 증폭기는 0.25pm 게이트 길이를 갖는 HEMT 공정을 사용하여 제작된 UMS사의 MMIC 칲을 사용하였고 잡음지수는 3.5dB이고 이득 26dB이다. 이를 네트워크 분석기로 측정한 결과 이득이 25dB 임을 확인할 수 있었다.
주파수 혼합기는 변환 손실이 7.5dB로 적은 더블 발란스 GaAs 쇼트키 다이오드 주파수 혼합기인 Alpha사의 MMIC를 사용하였다.
성능/효과
전력 증폭기의 측정 결과는 21dBm 이상이고 출력 전력의 평탄도는 IdB 이하로 일정하였다. 수신단은 저잡음 증폭기 및 혼합기용 캐리어로 구성하였다.
그림 8은 VCO의 출력 전력과 대역폭 그리고 비선형성을 측정한 결과이다. 측정 결과로 L값은 4.58% 갖으며, 레이더 시스템의 신호 검출에 우수한 특성 결과를 갖는다.
각 모듈은 시스템에 캐리어를 이용하여 직접 조립되었는데 조립 이전에 각각 성능을 측정한 후 장착하였다. 측정에서는 60m 이상 떨어져 있는 목표물에 대한 거리를 분석할 수 있는 비트 신호와 물체에 대한 특성을 분석할 수 있는 라디오미터 신호를 측정하여 우수한 특성을 보였다.
후속연구
〔5〕〔6〕〔7〕그러나 MMIC를 부품 레벨에서 연구가 활발하더라도 시스템으로 집적화하는 연구는 기술적으로 어려움이 있고 또한 성능이 뛰어나지 못하는 단점이 있다. 이러 한보완 점을 보완하기 위하여 LTCC를 이용하여 시스템으로 집적화를 위한 시도가 진행되고 있으나 이 또한 향후 지속적인 연구와 노력이 필요한 부분이다.〔8〕따라서 현 시점에서 MMIC를 이용한 시스템의 소형화, 집적화를 가능하게 하는 연구를 진행하고 있다.
차량 충돌 방지 시스템, 및 소형 및 저가의 통신시스템에 폭 넓게 응용되어 사용 가능하리라고 본다. 향후 연구과제의 목표로는 Phase Noise 특성이 우수한 Cavity 형태의 공진기를 제외한 나머지 부분에 대하여 LTCC 및 MMIC의 집적화 기술을 향상시켜 시스템을 설계 및 제작하고자 한다.
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