[논문]능동 위상 배열 SAR 안테나를 위한 X-대역 송수신 모듈의 설계 및 제작

정민길; 김상근; 나형기; 이종환; 이동우; 백승훈

doi:10.5515/kjkiees.2009.20.10.1050

능동 위상 배열 SAR 안테나를 위한 X-대역 송수신 모듈의 설계 및 제작
A Design and Fabrication of the X-Band Transmit/Receive Module for Active Phased Array SAR Antennas 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.20 no.10=no.149, 2009년, pp.1050 - 1060

정민길 (LIG 넥스원 초고주파연구센터) , 김상근 (LIG 넥스원 초고주파연구센터) , 나형기 (LIG 넥스원 초고주파연구센터) , 이종환 (국방과학연구소) , 이동우 (국방과학연구소) , 백승훈 (LIG 넥스원 초고주파연구센터)

초록
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본 논문에서는 능동 위상 배열 안테나를 가지는 SAR(Synthetic Aperture Radar)용 X-대역 T/R(Transmit/Receive) 모듈을 설계, 제작하였다. T/R 모듈은 X-대역에서 800 MHz 이상 대역폭을 가지며 이중 편파 운용이 가능하다. 송신 출력 7 W 이상에 잡음지수 3.9 dB 이하를 가진다. 위상과 이득은 6비트 위상변위기와 6비트 디지털 감쇠기에 의해 각각 제어된다. 게다가 제작된 T/R 모듈은 방향성 결합기와 전력분배기로 연결되는 성능 점검/보정 포트를 가진다. LTCC 다층 기판을 사용하여 고직접화 T/R 모듈이 가능하게 하였다. 모든 동작 주파수 대역에서 수신시 RMS 이득 오차는 최대 0.8 dB 이하이고, 송/수신시 RMS 위상 오차는 최대 $4^{\circ}$ 이하로 측정되었고, 또한 시험 결과 T/R 모듈은 요구되는 전기적인 성능을 만족하였다. 이 구조는 능동 위상 배열 SAR용 안테나에 적용될 수 있음을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, a X-Band T/R-module for SAR(Synthetic Aperture Radar) systems based on active phased array antennas is designed and fabricated. The T/R modules have a and width of more than 800 MHz centered at X-Band and support dual, switched polarizations. The output power of the module is 7 watts over a wide bandwidth. The noise figure is as low as 3.9 dB. Phase and amplitude are controlled by a 6-bit phase shifter and a 6-bit digital attenuator, respectively. Further the fabricated T/R module has est and calibration port with directional coupler and power divider. Highly integrated T/R module is achieved by using LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic) multiple layer substrate. RMS gain error is less than 0.8 dB max. in Rx mode, and RMS phase error is less than $4^{\circ}$ max. in Rx/Tx phase under all operating frequency band, or the T/R module meet the required electrical performance m test. This structure an be applied to active phase array SAR Antennas.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 X-대역 SAR용 능동위상 배열 안테나에 필요한 기능과 고 신뢰성을 가지는 T/R 모듈을 구현, 측정하였다. 시험을 통해 제작된 T/R 모듈의 전기적 개발목표 성능을 충족함을 확인하였다.
본 논문에서는 X-대역 SAR용 능동위상 배열 안테나에 필요한 기능과 고 신뢰성을 가지는 T/R 모듈을 설계 및 제작하였다. 논문의 II장에서는 T/R 모듈 구조를 비롯한 전반적인 설계에 대해 기술하였고, 皿장에서는 T/R 모듈 제작 및 시험에 결과를 제시 하였다.

제안 방법

같다. CuW 재질로 feed-thru와 일체형으로 제작된 carrier를 사용하고, CuW으로 cover를 제 작하여 hermetic sealing될 수 있게 T/R 모듈의 하우징을 제작했다. 전원 및 제어선은 좌우 각각의 feed-thru 16 핀씩 총 32핀으로 제작되며, RF 포트는 SMP 커넥터 타입으로 carrier 바닥면에서 연결된다, Feed-thru 커 넥터는 16-핀을 2층 구조로 나누어 한 층에 S 핀씩 배치하였으며, 와이어 본딩을 용이하게 하기 위해 아래층과 윗층 간에 0.
분석한다. T/R 모듈에 사용되는 MMIC RF 소자들의 필요 전원 및 그에 따른 전류값으로 부터 소모전력을 분석하였다. 그 결과는 표 1에 나타내었다.
회로를 구현하였다.가장 큰 전류를 사용하는 HPA 소자를 고려하여 설계하였다. 필요한 전류를 대용량 커패시터(660 uF)에 충전하고, gating 신호와 연동되어 HPA의 드레인에 공급될 수 있도록 설계하였다.
설계한 펄스 gating 회로의 droop 성능을 시뮬레이션을 통해 분석하였다. 펄스폭을 120 us, PRI를 1, 200 us로 duty 10 %의 조건일 때, 그림 8-1 은 0〜10 ms 동안의 부하 단 펄스 전압 droop을 나타내고 있고, 그림 8-2는 단일 구간의 경우 8.
송수신 시 전력소모를 줄이기 위해서 송신 전송구간 동안은 HPA를 구동시키고, 전송이 되지 않을 때는 HPA에 전력을 차단하는 방식을 적용하는 펄스 gating 회로를 구현하였다.가장 큰 전류를 사용하는 HPA 소자를 고려하여 설계하였다.
충전 커패시터값은 펄스 droop을 고려하여 660 uF(220 uFx3개) 값으로 선정하였다. 송신단의 펄스 전력충전 커패시터의 값을 선정하기 위해 다음과 같이 펄스 droop 분석을 하였다. 송신펄스는 순간적으로 매우 높은 피크 전류를 필요로 하며, 전력충전 커패시터는 펄스열에서 수신시간 동안 다음에 나올 펄스를 위해 충전되어져야 한다.
가장 큰 전류를 사용하는 HPA 소자를 고려하여 설계하였다. 필요한 전류를 대용량 커패시터(660 uF)에 충전하고, gating 신호와 연동되어 HPA의 드레인에 공급될 수 있도록 설계하였다.

대상 데이터

송수신 제어 및 편파제어를 위해 SP3T, SPDT 스위치가 사용되며, Tx/H_pol, Tx/V_pol, Rx/H_pol, Rx/H_pol 총 4 개의 경로를 가진다. T/R 모듈 기판은 소형화를 위해 MCM(Multi-chip Module)0] 가능한 총 10층의 LTCC 다층기판으로 설계하였다.
위한 펄스 gating 회로가 필요하다. 충전 커패시터값은 펄스 droop을 고려하여 660 uF(220 uFx3개) 값으로 선정하였다. 송신단의 펄스 전력충전 커패시터의 값을 선정하기 위해 다음과 같이 펄스 droop 분석을 하였다.

성능/효과

와이어 본딩은 리본 형태(10 mil, 7 mil)로 설계하여 그 특성을 해석하였고, 그 결과를 그림 10에 나타내었다. SMP 커넥터의 구조와 LTCC와 thin-film의 구조를 토대로 해석한 결과 리본 형태의 10 mil 두께의 본 딩 타입이 가장 좋은 특성을 가지는 것을 확인하였다.
온도 조건은 T/R 모듈의 위상 변위기와 디지털 감쇠기가 위치하는 하우징 case 온도이다. 각 T/R 모듈별 입력 커넥터와 전기적인 경로 차 이로 인해 생기는 절대적 위상 오차나 이득 오차는 조금씩 발생하지만, 절대치를 기준으로 온도 변화에 따른 제어되는 상대적인 위상 오차나 이득 오차는 아주 우수하게 제어됨을 알 수 있다. T/R 모듈별 온도 변화에 따른 상대적 위상 오차 및 이득 오차는 각각 그림 20, 21과 같다.
05。로 측정되어 송신 시보다 위상 오차가 적음을 확인하였다. 그리고 수신시 상대적 이득오차는 각각 T/R 모듈에서 0.06 dB, 0.03 dB로 확인되었다. 온도 조건은 T/R 모듈의 위상 변위기와 디지털 감쇠기가 위치하는 하우징 case 온도이다.
그리고, SAR용 T/R 모듈에 적합하기 위해서 on line 보정이 가능하게 하는 방향성 결합기 및 전력분배기의 특성도 설계(방향성 결합기 30 dB, 전력 분배기 3 dB) 대비 보정 경로의 삽입 손실은 32 dB 정도로 아주 양호하게 측정되었다.
71°, RMS 1.28。를 나타내었고, 이득오차는 최대 0.29 dB, RMS 0.07 dB로 매우 일치함을 볼 수 있었다. 수신이득/위상 제어map은 그림 19와 같다.
수신 잡음지수는 3.25 dB 이하로 개발 목표 규격을 충족하였고, 수신이득 또한 29.5H.5 dB 개발 목표 규격을 충족하였다. 특히 동작주파수 대역에서 고른 평탄도 특성을 보였으며, 그림 16과 같다.
구현, 측정하였다. 시험을 통해 제작된 T/R 모듈의 전기적 개발목표 성능을 충족함을 확인하였다. 수신 잡음지수 3.
5 dBm 이상으로 개발 목표 규격을 만족하였다. 조건은 펄스폭 20 us 조건일 때, 펄스 droop 특성도 양호한 결과로 나타났다.
중요하다. 특히 위상변 위기 6비트와 디지털 김「쇠 기 6비트이 면, 64 states * 64 states로 4, 096번에 해당되는 위상과 이득제어 상태를 측정해야 하지만, 본 논문에서는 이득은 0 dB로 고정 하고 위상 64를 측정하고, 또 위상을 0°로 고정하고 이득 64 states를 즉정하여 최종 상호mapping하는 방식을 적용하여 이득위상 map 차이를 비교하여 비슷한 측정 결과를 확인할 수 있었다. 위상 오차는 최대 4.

후속연구

시험을 통해 제작된 T/R 모듈의 전기적 개발목표 성능을 충족함을 확인하였다. 수신 잡음지수 3.2 dB 이하, 송신 출력 38, 5 dBm(7 W 이상)의 우수한 특성을 확인하였고, 위상제어 및 이득 제어 정확도 또한 우수한 성능을 확인하였다, 향후 SAR용 능동위상 배열 안테나에 적용하기 위해서는 온도와 다양한 환경조건에서 발생하는 위상 및 이득오차의 보정기법을 on-line 보정경토를 통해서 오차가 보정될 수 있는 연구가 반드시 필요하며. 이에 대한 추가적인 연구를 할 계획이다.
2 dB 이하, 송신 출력 38, 5 dBm(7 W 이상)의 우수한 특성을 확인하였고, 위상제어 및 이득 제어 정확도 또한 우수한 성능을 확인하였다, 향후 SAR용 능동위상 배열 안테나에 적용하기 위해서는 온도와 다양한 환경조건에서 발생하는 위상 및 이득오차의 보정기법을 on-line 보정경토를 통해서 오차가 보정될 수 있는 연구가 반드시 필요하며. 이에 대한 추가적인 연구를 할 계획이다.

참고문헌 (7)

Wulf-Dieter Wirth, "Radar techniques using array antennas", The Institution of Electrical Engineers, pp. 329-377, 2001
C. A. Wiley, "Synthetic aperture radars", IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, vol. 21, no. 3, pp. 440-443, May 1985

상세보기
C. W. Sherwin, J. P. Ruina, and R. D. Rawcliffe, "Some early developments in synthetic aperture radar systems", IRE Transactions on Military Electronics, vol. MIL-6, no. 2, pp. 111-115, Apr. 1962

상세보기
M. Ludwig, H-P. Feldle, and H. A. Ott, "A miniaturised X-Band T/R-module for SAR-systems based on active phased array techniques", Geoscience and Remote Sensing Symposium, pp. 2063-2065, Jul. 1995
Andreas Klaassen, Rolf Reber, and Michael Ludwig, "A precision T/R module for X-Band SAR applications with a transmit chain in HBT-technology", GAAS 1999, Bologna, Italy, Oct. 1999
P. Capece, "Active SAR antennas: Design, development, and current programs", International Journal of Antennas and Propagation Volume 2009 (2009), Article ID 796064, Feb. 2009
A. Agrawal, R. Clark, and J. Komiak, "T/R module architecture tradeoffs for phased array antennas", IEEE MTT-S International, vol. 2, pp. 995-998, Jun. 1996

저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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