낮은 고도로 접근하는 고속 표적을 탐지 및 추적하기 위해 사용하는 K 대역의 FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave) 레이다의 송수신기 설계 방법을 제안한다. 송신기는 레이다 유효 반사 면적(RCS : Radar Cross Section)이 작은 표적의 추적 및 넓은 송신 안테나 빔 폭으로 인해 고출력이 요구되며, 수신기의 경우는 인터페로메타 방법을 이용하여 표적을 추적하기 위해 다채널 수신기가 요구된다. 송신기는 고출력 송신 증폭기와 도파관 스위치 및 주파수 상향 변환 기판으로 구성된다. 수신기는 5 채널 수신기, 중간 주파수 상향 및 하향 변환 모듈, X 대역 국부 발진기 및 파형 발생 모듈로 세분화 할 수 있다. 제안한 구조를 제작하기 전에 모델링 및 시뮬레이션 방법을 통해 여러 파라메타를 측정함으로써 가능성을 입증한다. 그리고 제안한 송수신기를 산업용 부품을 사용하여 제작하고 성능 파라메타를 측정하였다. 그 결과, 송신기 출력은 39.64 dBm, 수신기 이득은 29.1 dB이며, 그 외 모든 설계 요구 조건을 만족함을 입증하였다.
낮은 고도로 접근하는 고속 표적을 탐지 및 추적하기 위해 사용하는 K 대역의 FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave) 레이다의 송수신기 설계 방법을 제안한다. 송신기는 레이다 유효 반사 면적(RCS : Radar Cross Section)이 작은 표적의 추적 및 넓은 송신 안테나 빔 폭으로 인해 고출력이 요구되며, 수신기의 경우는 인터페로메타 방법을 이용하여 표적을 추적하기 위해 다채널 수신기가 요구된다. 송신기는 고출력 송신 증폭기와 도파관 스위치 및 주파수 상향 변환 기판으로 구성된다. 수신기는 5 채널 수신기, 중간 주파수 상향 및 하향 변환 모듈, X 대역 국부 발진기 및 파형 발생 모듈로 세분화 할 수 있다. 제안한 구조를 제작하기 전에 모델링 및 시뮬레이션 방법을 통해 여러 파라메타를 측정함으로써 가능성을 입증한다. 그리고 제안한 송수신기를 산업용 부품을 사용하여 제작하고 성능 파라메타를 측정하였다. 그 결과, 송신기 출력은 39.64 dBm, 수신기 이득은 29.1 dB이며, 그 외 모든 설계 요구 조건을 만족함을 입증하였다.
This study is to design FMCW radar transceiver of K-band which is used to detect and track approaching high speed targets with low altitude. The transmitter needs high output power due to small RCS targets and wide beamwidth of transmit antenna. Multi-channel receivers are required to detect and tra...
This study is to design FMCW radar transceiver of K-band which is used to detect and track approaching high speed targets with low altitude. The transmitter needs high output power due to small RCS targets and wide beamwidth of transmit antenna. Multi-channel receivers are required to detect and track targets by interferometer method. Transmitter consists of high power amplifier, waveguide switch, and frequency up-converter. Receiver is composed of five channel receivers, up and down converters, X-band local oscillator and waveform generator. Before manufacturing it, the proposed architecture of transceiver is proved by modeling and simulation using several parameters. Then, it is manufactured by using industrial RF components. The performance parameters are measured through experiment. In the experiment, transmitting power and receiver gain were measured with 39.64 dBm and 29.1 dB, respectively. All other parameters in the specification were satisfied as well.
This study is to design FMCW radar transceiver of K-band which is used to detect and track approaching high speed targets with low altitude. The transmitter needs high output power due to small RCS targets and wide beamwidth of transmit antenna. Multi-channel receivers are required to detect and track targets by interferometer method. Transmitter consists of high power amplifier, waveguide switch, and frequency up-converter. Receiver is composed of five channel receivers, up and down converters, X-band local oscillator and waveform generator. Before manufacturing it, the proposed architecture of transceiver is proved by modeling and simulation using several parameters. Then, it is manufactured by using industrial RF components. The performance parameters are measured through experiment. In the experiment, transmitting power and receiver gain were measured with 39.64 dBm and 29.1 dB, respectively. All other parameters in the specification were satisfied as well.
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문제 정의
이 논문에서는 K 대역 FMCW 레이다의 송수신기 설계 및 제작에 관한 내용을 기술한 것이다. 이 송수신기가 사용될 레이다는 고속의 소형 표적을 탐지 및 추적할 목적으로 사용되는 것으로서 고출력의 송신기 및 높은 동적 영역을 갖는 수신기가 요구된다.
이 논문은 이와 같은 레이다 개발에 있어서 주요 구성품인 K 대역 송수신기 구조 및 설계 방법을 제안하고, 산업용 RF 구성품을 사용하여 제작한 내용을 포함한다. 이 송수신기는 크게 송신 결합체 및 수신 결합체로 이루어진다.
제안 방법
국부 신호 누설 전력 및 하모닉 성분의 억압을 위한 대역 통과 필터를 내장하고, 각 SSPA 상호 간섭을 최소화하기 위한 구조로 설계한다. FMM 5829를 병렬로 배열하여 고출력의 증폭된 전력을 결합하기 위해 전력분배기를 사용한다. 전력분배기의 성능은 삽입 손실이 3.
송신 증폭기 설계에서 어려운 점은 10 W 이상의 고출력을 얻기 위한 설계가 요구됨에 따라 Eudyna 사의 FMM 5829 파워 엠프 8개를 결합하여 원하는 출력을 달성할 수 있도록 하였다. 국부 신호 누설 전력 및 하모닉 성분의 억압을 위한 대역 통과 필터를 내장하고, 각 SSPA 상호 간섭을 최소화하기 위한 구조로 설계한다. FMM 5829를 병렬로 배열하여 고출력의 증폭된 전력을 결합하기 위해 전력분배기를 사용한다.
이때 사용되는 대역 통과 필터는 저손실 특성을 가져야 한다. 부품을 선정하고 시뮬레이션을 통해 잡음 지수는 15 dB 이상, 이득은 10 dB 이상을 얻을 수 있도록 설계한다. 송신 증폭기에서는 레이다 탐지거리 및 범위를 만족하기 위해 충분한 전력을 생성한다.
송수신기를 설계하여 모델링 및 시뮬레이션 과정을 통해 각 주요 구성품의 이득 및 잡음 특성 등을 예측하여 설계하였다. 산업용 RF 구성 품들을 사용하여 설계된 송수신기를 제작하였으며, 제작 후 각 모듈별로 요구 조건을 만족하는지 여부를 실험을 통해 측정 및 분석하였다. 측정된 결과를 종합하면 제작된 송수신기는 2-1절의 요구 조건을 모두 만족하였다.
설계된 송수신기를 산업용 부품을 사용하여 제작한 후 Ⅱ 장의 1절에서 제시한 요구 조건을 만족하는지 여부를 실험을 통해 측정 및 분석한다.
수신 안테나를 통해 표적으로부터 반사된 수신 신호는 저잡음 증폭기에 입력되어 2차에 걸쳐 하향 변환되어 클러터 신호와 표적 신호를 분리할 수 있도록 신호처리 기에 제공된다. 송수신기를 설계하여 모델링 및 시뮬레이션 과정을 통해 각 주요 구성품의 이득 및 잡음 특성 등을 예측하여 설계하였다. 산업용 RF 구성 품들을 사용하여 설계된 송수신기를 제작하였으며, 제작 후 각 모듈별로 요구 조건을 만족하는지 여부를 실험을 통해 측정 및 분석하였다.
송신 증폭기에서는 레이다 탐지거리 및 범위를 만족하기 위해 충분한 전력을 생성한다. 송신 증폭기 설계에서 어려운 점은 10 W 이상의 고출력을 얻기 위한 설계가 요구됨에 따라 Eudyna 사의 FMM 5829 파워 엠프 8개를 결합하여 원하는 출력을 달성할 수 있도록 하였다. 국부 신호 누설 전력 및 하모닉 성분의 억압을 위한 대역 통과 필터를 내장하고, 각 SSPA 상호 간섭을 최소화하기 위한 구조로 설계한다.
이 요구 조건을 만족하기 위한 송수신기의 구조는 RF 대역 송신 결합체, RF 대역 5채널 수신 결합체, 중간 주파수 상향 변환 모듈, 중간 주파수 하향 변환 모듈, X 대역 국부 신호 발생 모듈(local oscillator), 파형 발생 모듈을 포함한다. 송신기의 고출력 증폭기는 반도체 전력증폭기를 다단으로 병렬 연결하여 설계하고, 고출력에 따른 열잡음은 기구 열해석 및 전자계 해석을 통해 안정적인 구조로 설계한다. 열잡음 간섭 문제를 발생시키지 않기 위해서는 송신기 출력 잡음 수준을 최소화하는 설계가 필요하다.
파형 발생기 신호는 IF 대역 LO 신호를 기준 신호로 입력받아 DDS(Direct Digital Synthesizer)를 사용하여 그림 6과 같이 CW, LFM 신호를 생성한다. 이러한 파형의 생성을 통해 송신단과 수신단의 중간 주파수 대역 LO 신호를 상호 달리하여 클러터 성분과 신호 성분의 분리가 가능하도록 하였다. 그림 6에서 CW 구간에서 F0의 주파수 신호가 변화 없이 나오고 LFM 구간에서 F0에서 시작하여 F0+△F의주파수로 선형적으로 증가된 신호를 발생시킨다.
저잡음 증폭 특성으로 수신 신호를 하향 변환기에 전달하는 기능을 하는 것으로 제작된 5 채널 수신기의 잡음 지수 및 이득 특성을 측정하였다. 잡음 지수는 능동 소자의 내부에서 얼마만큼의 잡음을 발생시키는지를 나타내는 지표로서 낮을수록 우수한 특성을 가지게 된다.
중간 주파수 하향 변환 모듈은 수신된 중간 주파수 대역 신호에서 비트 주파수를 검출하기 위한 L 대역 하향 변환과 비트 주파수 하향 변환을 수행하도록 설계한다. 하향 변환 모듈 설계 시 중요한 요소로는 송신기가 동작하고 있을 때 송신 신호의 일부가 수신기로 유입되는 데, 이러한 송신 누설 전력은 하향 변환기에서 도플러 신호를 증폭할 때 이를 왜곡시키게 된다.
이론/모형
. 따라서, 거리 정확도를 위해 K 대역의 주파수를 요구하며, 거리, 속도, 방위각 및 고각 정보를 수 밀리초의 속도로 측정하기 위해 FMCW 파형을 사용한다.
잡음 지수는 능동 소자의 내부에서 얼마만큼의 잡음을 발생시키는지를 나타내는 지표로서 낮을수록 우수한 특성을 가지게 된다. 측정 장비는 Agilent사의 noise figure meter를 이용해 측정하였다. 탐지 채널 및 추적채널에 대한 잡음 지수 및 이득의 측정 결과는 그림 8과 같으며, 잡음 지수는 3.
성능/효과
이 송신 증폭기가 사용될 운용 환경인 송수신기의 내부 온도는 운용시 약 80 ℃ 이상의 고온이다. 따라서, 고온에서 출력 특성을 95 ℃의 온도 조건에서 측정한 결과, 39.64 dBm을 얻을 수 있었다. 또한, 이 증폭기의 소신호 이득인 S 21 이득은 회로망 분석기를 이용하여 측정한 결과, 30.
이와 같은 성능 열화를 방지하기 위해 입력단에 대역 통과 필터를 사용하고, IRM(Image Rejection Mixer)를 사용하여 20 dB 이미지 성분 제거 효과를 얻을 수 있다. 또한, IRM 구조는 기존의 DBM(Double Balance Mixer)에 비해 선형성의 지표인 IP3 성능 지수를 개선하는 효과가 있다.
수신 결합체는 목표물로부터 반사된 RF 대역의 신호를 낮은 잡음을 가지며 신호처리기에서 처리 가능한 크기의 신호로 하향 변환 및 증폭하는 기능을 갖도록 설계한다. 상용 소프트웨어를 이용하여 각 구성품을 설계하고 시뮬레이션을 수행하며, 구성품의 제작 후 측정 결과를 분석하여 송수신기의 성능이 설계 규격을 만족함을 입증한다.
상향 변환 모듈의 이득 변화 특성을 측정한 결과, 대역폭 내에서의 이득 변화량이 1 dB 미만이었다.
송수신기의 최소 이득은 21.5 dB로 측정되었으며, 대역폭 내에서의 이득 변화는 1 dB 미만이었다. 하향 변환기의 출력 대역인 100∼200 kHz 외의 대역에서 불요파 성분을 측정한 결과 —82.
또한, 측정된 성능 파라메타들이 모델링 및 시뮬레이션 결과와도 대체적으로 일치하였다. 이 연구 결과는 K 대역의 FMCW 레이다에 적용되어 근거리 고속 표적의 탐지 및 추적을 위해 사용되어 그 효용성을 입증하였다.
LO 주파수를 이용하여 하향 변환할 경우 위의 두 신호는 같은 주파수 f'rec에 위치하게 되어 원하는 신호의 SNR을 줄어드게 하는 요인이 될 수 있다. 이와 같은 성능 열화를 방지하기 위해 입력단에 대역 통과 필터를 사용하고, IRM(Image Rejection Mixer)를 사용하여 20 dB 이미지 성분 제거 효과를 얻을 수 있다. 또한, IRM 구조는 기존의 DBM(Double Balance Mixer)에 비해 선형성의 지표인 IP3 성능 지수를 개선하는 효과가 있다.
제작된 LO 발생 모듈은 낮은 위상 잡음 특성과 낮은 고조파 및 불필요 신호 특성을 나타내었다. 중심 주파수로 부터 10 kHz에서 —105 dBc 이하, 100 kHz에서는 —116 dBc 이하의 위상 잡음 특성이다.
제작한 모듈에 대해 측정한 결과, 1 kHz에서 —87.3 dBc, 10 kHz에서 —108.6 dBc, 100 kHz에서 —124.8 dBc, 1 MHz에서 —146.6 dBc를 나타내었다.
측정 결과, 2차 고조파는 —83.1 dBc의 우수한 특성을 나타내고 있다.
산업용 RF 구성 품들을 사용하여 설계된 송수신기를 제작하였으며, 제작 후 각 모듈별로 요구 조건을 만족하는지 여부를 실험을 통해 측정 및 분석하였다. 측정된 결과를 종합하면 제작된 송수신기는 2-1절의 요구 조건을 모두 만족하였다. 또한, 측정된 성능 파라메타들이 모델링 및 시뮬레이션 결과와도 대체적으로 일치하였다.
측정 장비는 Agilent사의 noise figure meter를 이용해 측정하였다. 탐지 채널 및 추적채널에 대한 잡음 지수 및 이득의 측정 결과는 그림 8과 같으며, 잡음 지수는 3.4 dB, 이득은 29.1 dB 의 특성을 보였다.
하향 변환기의 출력 대역인 100∼200 kHz 외의 대역에서 불요파 성분을 측정한 결과 —82.4 dB 여서 불요파 제거 성능이 우수하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
지능화된 무기 체계가 필요하게 된 배경은?
군사적 목적으로 레이다가 발명된 이래 수십 년간 레이다의 응용 분야는 발전해 왔으며, 현재에는 군용 장비에 사용되는 표적 탐지 및 추적용 레이다, 합성개구면 레이다 뿐만 아니라 민수 분야에서의 차량충돌 방지 레이다 및 의료용 바이오 영상 레이다, 무인 차량의 장애물 회피용 영상 레이다 분야에 이르기까지 그 사용이 널리 확대되고 있는 추세이다[1],[2] . 또한, 군사적 응용 분야에서는 해상도가 증가된 영상센서 및 레이다 센서의 발달과 컴퓨터 기술의 빠른 발전으로 군 승무원에 대한 생존성 증가에 대한 요구가 증대됨에 따라 더욱 지능화된 무기 체계를 필요로 한다.
레이다의 활용 범위는?
군사적 목적으로 레이다가 발명된 이래 수십 년간 레이다의 응용 분야는 발전해 왔으며, 현재에는 군용 장비에 사용되는 표적 탐지 및 추적용 레이다, 합성개구면 레이다 뿐만 아니라 민수 분야에서의 차량충돌 방지 레이다 및 의료용 바이오 영상 레이다, 무인 차량의 장애물 회피용 영상 레이다 분야에 이르기까지 그 사용이 널리 확대되고 있는 추세이다[1],[2] . 또한, 군사적 응용 분야에서는 해상도가 증가된 영상센서 및 레이다 센서의 발달과 컴퓨터 기술의 빠른 발전으로 군 승무원에 대한 생존성 증가에 대한 요구가 증대됨에 따라 더욱 지능화된 무기 체계를 필요로 한다.
무유도 로켓 및 대전차 미사일의 행동 특성은?
일반적으로 육군 전투 차량인 전차 및 장갑차를 공격하는 위협체는 무유도 로켓 및 대전차 미사일이다. 이것은 지표면으로 부터 낮은 고도로 비행하고, 약 200 m/sec 전후의 고속으로 아군의 차량에 접근 한다. 또, 이 위협체(이하, 표적이라 칭함)의 RCS는 매우 작아 레이다 센서를 이용하여 이 표적을 탐지 및 추적하는 기술은 현재의 레이다 기술 중에서 최고 난이도의 기술로 분류되고 있으며, 기술 선진국 에서도 개발이 진행 중이다.
참고문헌 (6)
B. Edde, Radar Principles, Technology, Applications, NJ: Prentice Hall, 1993.
M. I. Skolnik, Introduction to Radar Systems, 3rd Ed. McGraw-Hill, 2001.
S. Salous, N. Nikandrou, "Architecture for advanced FMCW sounding", Int. J. Electronics, vol. 84, no. 5, pp. 429-463, 1998.
S. Sun, J. M. Lee, J. Lee, and B. Cho, "Groundbased radar interferometer for tracking fast approaching targets", Accepted for Publication IET Trans. Radar, Sonar and Navigation, 2010.
L. M. Femandez et al., "Low-cost 24 GHz transceiver for unlicensed operation", IET Electronics Lett., vol. 38, no. 10, pp. 458-459, 2002.
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