본 논문에서는 능동 위상 배열 레이더에 사용되는 X-밴드 송수신 모듈의 설계와 측정 결과에 대해 기술한다. 일반적으로 능동 위상 배열 레이더는 고출력, 낮은 잡음 지수, 높은 TOI(Third Order Intercept), 송수신에서의 충분한 이득을 갖는 반도체 송수신 모듈을 요구한다. 송수신 모듈은 광대역에서 9 W의 출력 특성을 나타낸다. 잡음 지수는 2.8 dB로 낮다. 위상과 이득은 각각 6비트 위상 변위기와 5비트 감쇄기로 조정된다. LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic)을 사용하여 높은 집적도를 갖는 송수신 모듈을 구현하였다. 모듈은 디지털 인터페이스를 통합하고 3개의 전원을 사용한다.
본 논문에서는 능동 위상 배열 레이더에 사용되는 X-밴드 송수신 모듈의 설계와 측정 결과에 대해 기술한다. 일반적으로 능동 위상 배열 레이더는 고출력, 낮은 잡음 지수, 높은 TOI(Third Order Intercept), 송수신에서의 충분한 이득을 갖는 반도체 송수신 모듈을 요구한다. 송수신 모듈은 광대역에서 9 W의 출력 특성을 나타낸다. 잡음 지수는 2.8 dB로 낮다. 위상과 이득은 각각 6비트 위상 변위기와 5비트 감쇄기로 조정된다. LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic)을 사용하여 높은 집적도를 갖는 송수신 모듈을 구현하였다. 모듈은 디지털 인터페이스를 통합하고 3개의 전원을 사용한다.
This paper presents design and test results of X-Band Transmit/Receive(T/R) module for active phased-array radar. Active phased array radars typically require solid state T/R modules with high output power, low noise figure, high Third Order Intercept(TOI), and sufficient gain in both transmit and r...
This paper presents design and test results of X-Band Transmit/Receive(T/R) module for active phased-array radar. Active phased array radars typically require solid state T/R modules with high output power, low noise figure, high Third Order Intercept(TOI), and sufficient gain in both transmit and receive. The output power of the module is 9 watts over a wide bandwidth. The noise figure is as low as 2.8 dB. Phase and amplitude are controlled by the 6-bit phase shifter and 5-bit attenuator, respectively. Highly integrated T/R module is achieved by using LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic) multiple layer substrate. The module incorporates a compact digital interface, requires only three supply voltages.
This paper presents design and test results of X-Band Transmit/Receive(T/R) module for active phased-array radar. Active phased array radars typically require solid state T/R modules with high output power, low noise figure, high Third Order Intercept(TOI), and sufficient gain in both transmit and receive. The output power of the module is 9 watts over a wide bandwidth. The noise figure is as low as 2.8 dB. Phase and amplitude are controlled by the 6-bit phase shifter and 5-bit attenuator, respectively. Highly integrated T/R module is achieved by using LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic) multiple layer substrate. The module incorporates a compact digital interface, requires only three supply voltages.
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문제 정의
본 논문에서는 능동 위상 배열 레이더용 X-대역 T/R 모듈을 설계, 제작하였다. 실험 결과, 모든 대역에서 40.
제안 방법
특히 RF, 제어 및 전원 등을 하나의 다층 기판에 구현하였다. HPA pulse-gating 회로 또한 내장하였으며, controller를 내장하여 serial 인터페이스가 가능하게 하여 간단한 구조로 구현하였다.
T/R 모듈은 LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic)를 이용하였으며, LTCC의 장점인 MCM 기능을 활용하여 T/R 모듈을 소형화하였다. 특히 RF, 제어 및 전원 등을 하나의 다층 기판에 구현하였다.
T/R 모듈의 설계 파라미터 분석하여 주요 성능 trade-off를 통해 common-leg T/R 모듈 구조를 확정하였다. T/R 모듈 블록도는 그림 2와 같다.
T/R 모듈 가격이 AESA 레이더용 안테나 가격의 40~60 %이기 때문에, 적은 수의 MMIC 칩들을 사용하면서 모든 요구 사항을 만족시키는 설계를 하는 것이 무엇보다도 중요하다. 본 논문에서는 성능 파라미터 간의 trade-off 관계를 분석하고, 주어진 요구 사항에 대해 만족하는 구조를 확정하여 T/R 모듈 설계에 반영하였다[2].
그림 8은 송/수신 변환 시간 측정 결과이다. 송신후 수신 신호를 정상적으로 받지 못하는 구간에 영향을 주는 송/수신 변환 시간은 140 ns 미만으로 측정되었고, RF pulse의 rise time과 fall time은 각각 20 ns, 80 ns 미만으로 측정되었다.
T/R 모듈은 LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic)를 이용하였으며, LTCC의 장점인 MCM 기능을 활용하여 T/R 모듈을 소형화하였다. 특히 RF, 제어 및 전원 등을 하나의 다층 기판에 구현하였다. HPA pulse-gating 회로 또한 내장하였으며, controller를 내장하여 serial 인터페이스가 가능하게 하여 간단한 구조로 구현하였다.
성능/효과
그림 11은 6 bit Phase shifter의 64 state에 대한 주파수별 위상 변화값 측정 결과이다. 20 % 대역폭 안에서 제어값에 따라 위상이 일정하게 변함을 알 수 있었다. 그림 12는 위상 제어에 따른 위상 오차를 나타냈다.
그림 14은 5 bit digital attenuator의 32 state에 대한 주파수별 이득 변화값 측정 결과이다. 20 % 대역폭 안에서 제어값에 따라 이득이 일정하게 변함을 확인하였다. 그림 15는 이득 제어에 따른 감쇄 오차를 나타냈다.
그리고, 위상 및 이득 오차는 상용 부품 data sheet 수준 정도로 측정되었다. 또한, 레이더 시스템에서 중요하게 요구되어지는 고속 송신/수신 변환 시간 특성도 만족하였다. 특히 LTCC 다층 기판을 적용하여 제작된 T/R 모듈의 재현성 및 안정성을 확인할 수 있었다.
본 논문에서는 능동 위상 배열 레이더용 X-대역 T/R 모듈을 설계, 제작하였다. 실험 결과, 모든 대역에서 40.07 dBm(10 watt) 이상의 송신 출력, 수신 잡음 지수 2.72 dB로 설계 목표치를 모두 만족하였다. 그리고, 위상 및 이득 오차는 상용 부품 data sheet 수준 정도로 측정되었다.
특히 LTCC 다층 기판을 적용하여 제작된 T/R 모듈의 재현성 및 안정성을 확인할 수 있었다. 제작된 T/R 모듈은 능동 위상 배열 레이더에 필요로 하는 모든 사양들을 만족하였다.
그림 13은 위상 변화에 따른 이득 변화를 64 state에 대해 rms 값으로 표시하였다. 측정 결과, 위상 변화시 이득 변화는 10 % 대역폭 안에서 최대 0.5 dB이다.
측정된 결과는 20 % 대역폭에서 최대 ±9도이다.
그림 10은 20 % 대역폭에서 측정한 수신 잡음 지수 결과이다. 측정된 수신 잡음 지수는 최고 2.65 dB로 측정되어 개발 목표치를 만족하였다.
또한, 레이더 시스템에서 중요하게 요구되어지는 고속 송신/수신 변환 시간 특성도 만족하였다. 특히 LTCC 다층 기판을 적용하여 제작된 T/R 모듈의 재현성 및 안정성을 확인할 수 있었다. 제작된 T/R 모듈은 능동 위상 배열 레이더에 필요로 하는 모든 사양들을 만족하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
AESA 레이더들은 어떤 특성을 갖는가?
AESA 레이더들은 송수신 간의 분배 회로에서 손실을 줄이고, 안테나 개구면에 분배되는 전력과 낮은 잡음 특성을 가진다. 이러한 모든 이득을 취하기 위해 T/R 모듈 성능은 몇 가지 주요 분야에 대해서 최적화 되어야 한다.
AESA 레이더를 위한 T/R 모듈 설계 기술이 새로운 한계점을 해결해야 하는 이유는 무엇인가?
일반적으로 사용되는 AESA 레이더를 위한 T/R 모듈 설계 기술은 새로운 한계점들을 해결해야 한다. 이것은 기본적인 성능 파라미터들(고전력 출력, 잡음 지수, TOI 등)에 필요한 것은 아니지만, 주요 급전과 방열에 대한 요구를 줄이기 위한 전력 효율과 모듈 가격에 대해서는 필요하다.
AESA 레이더용 T/R 모듈의 주요 전기적 설계 파라미터는 무엇인가?
· 수신단의 낮은 잡음 지수
· 낮은 이득/위상 rms 오차
· 수신단 spurious-free dynamic range(SFDR)
· 동작 대역폭(광대역 특성)
· 송신단 고전력 출력(모듈당 10 W 이상)
· 전력 소모
· 송신 펄스 폭, 송신 반복 주기(duty cycle)
참고문헌 (2)
H. P. Feldle, A. D. McLachlan, and Y. Mancuso, 'Transmit/receive module for X-band airborne radar', Radar 97 Conf. Publ., no. 449, pp. 391-395, Oct. 1997
Ashok Agrawal, Richard Clark, 'T/R module architecture tradeoffs for phased array antennas', IEEE MTT-S Digest, 1996
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