[논문]X밴드 FMCW 레이더용 광대역 저항성 주파수 혼합기 구현

박동국; 한태경

doi:10.5916/jkosme.2007.31.8.970

문제 정의

본 논문에서는 10 GHz ~ 11 GHz 의 광대역 주파수 범위에서 사용가능한 저항성 주파수 혼합기를 설계 및 제작하였다. 주파수 혼합기의 설계는 시뮬레이션을 통해 GaAs MESFET에 대한 등가회로를 설계 후, LO에 대한 입력 정합 회로 및 RF 입력 정합 회로, TF에 대한 출력 정합 회로와 격리 특성을 개선하기 위해 평형 형태의 분배기와 합성기로 제작 하였다.
본 논문에서는 선박의 레벨 센서로 사용되는 FMCW (Frequency Modulated Continues Wave) 레이더 시스템의 수신부에 사용되는 혼합기를 저항성 혼합기 형태로 개발하고자 한다. FMCW 레이더는 송신신호와 목표물체(target)로부터 반사되어온 수신신호의 주파수 차이를 이용하여 목표물체까지의 거리를 판독하는 레이더이다.

제안 방법

5 GHz의 1/4 파장에 해당하는 개방형 레디얼 스터브 및 높은 임피던스의 마이크로스트립 선로를 이용해 RF 초크를 구현하였고, 평형 구조를 만들기 위해 사용한 Wilkinson 전력분배기를 RF와 L。단자에 각각 배치하였으며, LO 단자의 경우 180° 위상차를 만들기 위해 각각의 FET에 도달하는 마이크로 스트립 전송선로의 길이를 다르게 설정하였다. 그리고 IF 단자에는 RF 와 LO의 혼합에 의해 발생하는 고조파를 제거하고 차 신호 성분만을 추출하기 위해 차단주파수가 10 KHz인 3차 저역통과 필터를 설계하였다.
다섯째, 개별적으로 설계된 회로들을 조합한 주파수 혼합기를 ADS의 하모닉 발랜스(Harmonic Balance)를 이용하여 주파수 혼합 특성에 대한 시뮬레이션을 하였다.
2 (a)의 layout를 살펴보면, 게이트에 바이어스를 인가하기 위해 10.5 GHz의 1/4 파장에 해당하는 개방형 레디얼 스터브 및 높은 임피던스의 마이크로스트립 선로를 이용해 RF 초크를 구현하였고, 평형 구조를 만들기 위해 사용한 Wilkinson 전력분배기를 RF와 L。단자에 각각 배치하였으며, LO 단자의 경우 180° 위상차를 만들기 위해 각각의 FET에 도달하는 마이크로 스트립 전송선로의 길이를 다르게 설정하였다. 그리고 IF 단자에는 RF 와 LO의 혼합에 의해 발생하는 고조파를 제거하고 차 신호 성분만을 추출하기 위해 차단주파수가 10 KHz인 3차 저역통과 필터를 설계하였다.
둘째, 모델링 된 GaAs MESFET의 I-V 특성곡선을 알아보기 위해 DC 해석을 하였다. DC의 해석을 통해서 혼합기의 저항성 영역 및 포화 영역을 분석할 수 있다.
작은 값을 갖는다. 따라서 통과대역필터 (BPF) 를 사용하여 두 단자를 격리하는 것은 불가능하므로, 격리도 개선을 위해 저항성 혼합기를 평형 구조를 사용하여 설계를 하였다.
또한 FMCW 레이더의 구조상 송신신호를 혼합기의 LO 단에 연결하게 되는데, 본 논문에서 관심을 갖는 레이더의 송신전력은 최대 10 dBm 정도로서 혼합기의 LO 단자로는 5 dBm 이하의 적은 전력이 인가되므로 적은 LO 구동 전력에서 동작하는 혼합기를 설계하여야 한다. 또한 송신신호가 안테나로부터 반사되어 큰 신호가 수신기에 유입이 되어도 혼합기가 선형 동작을 할 수 있도록 입력 1 dB 압축점 (Pl dB)은 5 dBm 이상이 되도록 설계를 하여야 한다.
FMCW 레이더는 송신신호와 목표물체(target)로부터 반사되어온 수신신호의 주파수 차이를 이용하여 목표물체까지의 거리를 판독하는 레이더이다. 본 논문에서 관심을 갖는 레이더의 송신 주파수는 10 GHz ~ 11 GHz 으로서 송신 및 수신된 신호가 각각 혼합기의 LO와 RF 단자에 입력되고 혼합되어, 두 신호의 차 주파수에 해당하는 수 KHz 이하의 신호를 IF 단자로부터 필터를 이용해 추출해내게 된다.
그리고 2개의 FET에 LO가 180° 위상차로 인가되므로 2개의 IF 출력단에 나오는 신호는 크기는 동일하고 180° 위상차만 존재하게 되고, 그러므로 +/-IF단자 중 어느 것을 출력 단자로 사용해도 상관이 없다. 본 논문에서는 +IF 출력단자를 통해 나오는 신호를 관측하였다.
본 논문에서는 RF 회로 시뮬레이션 툴인 ADS 를 이용하여 아래의 절차를 따라 저항성 주파수 혼합기를 설계 하였다.
셋째, 모델링 된 GaAs MESFET를 LO에 대한 대 신호 분석인 LSSP(Large Signal S-Parameter) 를 통해서 게이트의 임피던스를 추출하고, 대신 호에 대한 LO 단정합 회로를 구현하였다.
설계 및 제작하였다. 주파수 혼합기의 설계는 시뮬레이션을 통해 GaAs MESFET에 대한 등가회로를 설계 후, LO에 대한 입력 정합 회로 및 RF 입력 정합 회로, TF에 대한 출력 정합 회로와 격리 특성을 개선하기 위해 평형 형태의 분배기와 합성기로 제작 하였다.
첫째, 사용하는 GaAs MESFET의 등가회로를 S 파라미터로부터 구현하였다(4).
본 연구에서도 동일한 방법으로 RF와 IF에 대한 입 . 출력의 임피던스 정합을 이루었다.

대상 데이터

본 논문에서 제작한 저항성 주파수 혼합기는 LO 와 RF 주파수는 각각 10 GHz ~ 11 GHz 이고, IF는 100 Hz ~ 10 KHz 이며, LO 전력이 3 dBm 인가되었을 때, 변환손실은 약 10.5 dBm 으로 다소 손실이 크게 나타나지만 10 GHz ~ 11 GHz의 광대역에서 동작을 한다. 그리고 LO와 RF 단자간의 격리도는 10 GHz ~ 11 GHz 대역에서 약 20 dB 이상이며, 1 dB 압축점은 6 dBm 으로 관측되었다.
7V을 인가하였다. 상대유전율 er = 10, 두께 0.635 mm인 기판을 사용하여 제작한 혼합기의 layout 및 사진을 Fig. 2 에 나타내었다.
주파수 혼합기용 비선형 소자로는 모델명 NEC₄₂10 S01 인 GaAs MESFET을 사용하였으며. 바이어스는 VGG = -0.

성능/효과

10 GHz ~ 11 GHz 의 광대역 주파수 범위에서 LO와 RF 단자 간의 격리도는 약 20 dB 이상이며, LO 와 IF 단자 간의 격리도는 30 dB 이상이고, RF와 IF 단자사 이의 격리도는 43 dB 이상인 것을 알 수 있다. 이것은 상용 제품인 Hittite사의 혼합기의 경우 LO 전력이 13 dBm 인가 될 때 LO/RF, LO/IF, RF/IF 단의 격리도가 각각 30 dB, 30 dB, 20 dB 인 것과 비교하면, 본 논문에서 제작한 혼합기는 3 dBm의 낮은 LO 전력이 인가되었는데도 불구하고, LO/RF 간의 격리도는 성능이 떨어지지만 LO/IF, RF/IF간에는 뛰어난 격리도 특성을 얻었다.
5 dBm 으로 다소 손실이 크게 나타나지만 10 GHz ~ 11 GHz의 광대역에서 동작을 한다. 그리고 LO와 RF 단자간의 격리도는 10 GHz ~ 11 GHz 대역에서 약 20 dB 이상이며, 1 dB 압축점은 6 dBm 으로 관측되었다.
있다. 이것은 상용 제품인 Hittite사의 혼합기의 경우 LO 전력이 13 dBm 인가 될 때 LO/RF, LO/IF, RF/IF 단의 격리도가 각각 30 dB, 30 dB, 20 dB 인 것과 비교하면, 본 논문에서 제작한 혼합기는 3 dBm의 낮은 LO 전력이 인가되었는데도 불구하고, LO/RF 간의 격리도는 성능이 떨어지지만 LO/IF, RF/IF간에는 뛰어난 격리도 특성을 얻었다.
5로부터 주파수 혼합기의 1 dB 압축점이 6 dBm 인 것을 알 수 있다. 일반적으로 혼합기의 경우 LO 전력이 증가할 수 록 그리고 변환손실이 작을수록 Pl dB가 증가하는데, 본 논문에서 설계한 혼합기는 LO 전력이 3 dBm으로 저전력에서 구동하는데도 불구하고 Pl dB 가 6 dBm 으로 큰 값을 갖는 특징이 있다.
측정된 IF 신호의 주파수는 약 821 Hz 이며, 전력은 -30.469 dBm으로서 혼합기의 변환손실이 10.469 dB 인 것을 알 수 있다. Fig.

후속연구

설계 및 제작 된 저항성 주파수 혼합기는 선박의 레벨 센서용 FMCW레이더에 적용 가능할 것으로 사료 된다.

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