[논문]다중 대역 레이더 신호 수신을 위한 이중 모드 주파수 혼합기

고민호; 김형주; 나선필; 김재현

doi:10.5515/kjkiees.2013.24.11.1047

다중 대역 레이더 신호 수신을 위한 이중 모드 주파수 혼합기
A Dual-Mode Mixer for Multi-Band Radar Signal Reception 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.24 no.11, 2013년, pp.1047 - 1054

고민호 (삼성탈레스) , 김형주 (삼성탈레스) , 나선필 (국방과학연구소) , 김재현 (한국방송통신전파진흥원)

초록
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본 논문은 다중 대역 레이더 수신기의 소형화를 위한 이중 모드 주파수 혼합기를 구현하였다. 제안한 혼합기는 역병렬 다이오드(anti-parallel diode)를 이용하였고, 제어 전압 유무에 따라 기본파 혼합기 또는 부고조파 혼합기로 동작한다. 제어 전압을 인가하여 기본파 혼합기로 동작하는 경우, X-대역에서 -10 dB 변환 손실, 2.0 dBm P1dB 특성을 나타내었고, 제어 전압을 인가하지 않은 부고조파 혼합기로 동작하는 경우 K-대역에서 -10 dB 변환 손실, 2.0 dBm P1dB 특성을 나타내었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we propose a dual-mode mixer to have multi-band radar signal receiver to be compact. The proposed mixer using a anti-parallel diode is operated as a fundamental mixer or sub-harmonic mixer with respect to a control voltage. A fundamental mixer with a control voltage show a conversion loss of -10 dB, 1dB compression point of 2 dBm at X-band. On the other hand, it is performed as a sub-harmonic mixer with a conversion loss of -10 dB, 1 dB compression point of 2 dBm at K-band.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

정합 회로는 각 단자의 대신호 (large signal) 파라미터를 추출하여 설계하여야 한다^[5],[6]. 본 논문에서는 광대역 RF 및 LO 임피던스 정합 회로 구현의 한계로 인하여 단자에 요구되는 필터 회로 설계 후 HB(Harmonic Balance) 해석 단계에서 튜닝을 통하여 원하는 성능을 만족하도록 하였다. 각 단자의 필터 회로들은 전자기 해석을 수행하였다.
본 논문은 X/K-대역 신호의 주파수 변환을 위해 이중 모드 주파수 혼합기를 구현하였다. 역병렬 다이오드에 인가되는 제어 전압에 따라 기본파 혼합기 또는 부고조파 혼합기로 동작시켜 다중 대역 수신이 가능하도록 하여 수신기의 소형화, 경량화 구현이 가능하도록 하였다.

제안 방법

그림 4는 LO 단자의 대역 통과 필터 설계 결과를 나타내었다. PCB 제작 공정에 따른 오차를 고려하여 12～17 GHz 광대역 대역 통과 특성을 갖도록 하였으며, 소형화를 위해 interdigital 필터 구조를 사용 하였다^[7].
전자기 해석을 통해 설계된 각 단자의 대역 통과 필터 결과를 반영하여 HB 모의실험을 수행하였다. RF 단자 및 IF 단자에 직렬 또는 개방 스터브를 이용하여 정합 회로를 구현하였다. IF 단자에는 특정 대역의 RF 신호 제거를 위해 λ/4 개방 스터브를 추가로 삽입하여 격리도 특성을 개선하 였다.
RF 대역 통과 필터 회로는 LO 신호가 RF 단자로 누설되어 발생되는 포화에 따른 수신 감도 저하를 방지하기 위해 LO 신호 억압 특성과 광대역 RF 신호에 대해 저손실 특성을 갖도록 설계하였다. 그림 5는 RF 대역 통과 필터 회로의 특성을 나타낸 것으로 LO 신호에 대한 λ/4 개방 스터브(L₁)를 이용하여 14～15 GHz LO 신호에 대해 10 dB 이상의 대역 저지 특성과 10～13 GHz/16～40 GHz RF 신호에 대해 -4.
본 논문에서는 광대역 RF 및 LO 임피던스 정합 회로 구현의 한계로 인하여 단자에 요구되는 필터 회로 설계 후 HB(Harmonic Balance) 해석 단계에서 튜닝을 통하여 원하는 성능을 만족하도록 하였다. 각 단자의 필터 회로들은 전자기 해석을 수행하였다.
기본파 혼합 모드의 P1dB 측정은 RF 주파수 10.50 GHz, LO 주파수/세기 15.10 GHz/11 dBm, IF 주파수 4.60 GHz 및 2.5 V의 바이어스 조건에서 수행 하였고, 부고조파 혼합 모드의 P1dB 측정은 RF 주파수 24.20 GHz, LO 주파수/세기 14.40 GHz/11 dBm, IF 주파수 4.60 GHz 및 바이어스 미인가 조건에서 수행하였다. 부고조파 혼합 모드의 경우 케이블 손실 2.
높은 LO 신호 억압 특성을 구현하기 위하여 LO 신호에 대해 λ/4 개방 스터브(L1) 및 spurline (L2) 구조를 적용하였다[8].
본 논문에서는 인가되는 제어 전압에 따라 역병렬 다이오드를 기본파 혼합기 또는 부고조파 혼합기로 동작시켜 X/K-대역 신호의 주파수 변환이 가능한 이중 모드 주파수 혼합기를 설계 및 구현하였다.
본 논문은 X/K-대역 신호의 주파수 변환을 위해 이중 모드 주파수 혼합기를 구현하였다. 역병렬 다이오드에 인가되는 제어 전압에 따라 기본파 혼합기 또는 부고조파 혼합기로 동작시켜 다중 대역 수신이 가능하도록 하여 수신기의 소형화, 경량화 구현이 가능하도록 하였다.
이중 모드 주파수 혼합기는 역병렬 다이오드를 사용하여 인가되는 전압의 유무에 따라 기본파 혼합기 또는 부고조파 혼합기로 동작하도록 하였다.
그림 7은 설계한 이중 모드 주파수 혼합기의 회로도를 나타내었다. 전자기 해석을 통해 설계된 각 단자의 대역 통과 필터 결과를 반영하여 HB 모의실험을 수행하였다. RF 단자 및 IF 단자에 직렬 또는 개방 스터브를 이용하여 정합 회로를 구현하였다.
제안한 이중 모드 주파수 혼합기는 수동소자의 낮은 격리도 특성을 보완하기 위하여 LO, RF 및 IF 단자에 대역신호 제거를 위한 필터 회로들을 적용하 였다. 그림 13은 기본파 및 부고조파 혼합 모드에서의 격리도 특성을 나타내었다.

대상 데이터

주파수 혼합기 설계는 Agilent사의 ADS(Advanced Design System)를 이용하였다. APD 소자는 Alpha사의 DMK2308 GaAs Flip-chip 역병렬 다이오드를 사용하였고, 제조사에서 제공한 비선형 모델을 이용하여 모의실험한 전기적 특성을 그림 3에 나타내었다. 그림 3(a)는 역병렬 다이오드의 직류 전류-전압 특성 곡선으로 대칭 구조의 전달 콘덕턴스 특성을 나타내고 있다.

이론/모형

주파수 혼합기 설계는 Agilent사의 ADS(Advanced Design System)를 이용하였다. APD 소자는 Alpha사의 DMK2308 GaAs Flip-chip 역병렬 다이오드를 사용하였고, 제조사에서 제공한 비선형 모델을 이용하여 모의실험한 전기적 특성을 그림 3에 나타내었다.

성능/효과

LO 레벨에 따른 이중 모드 주파수 혼합기의 변환 손실 특성을 그림 11에 나타내었다. 그림 11(a)는 입력 전력 -30 dBm, 제어 전압 2.5 V 조건에서 기본파 혼합 모드의 LO 레벨에 따른 변환 손실 시험 결과로 2～11 dBm의 LO 레벨에서 10 dB 변환 손실 특성을 나타내었고, K-대역 신호에 대해서는 -20dB 이상의 변환 특성으로 부고조파 모드 억압 특성을 갖는다. LO 레벨 11 dBm 이상에서는 다이오드의 높은 비선형 특성으로 X-대역에서는 변환 손실 특성이 저하되고 K-대역에서는 상대적으로 변환 손실 특성이 개선되는 것으로 판단된다.
설계한 이중 모드 주파수 혼합기의 모의실험 결과를 그림 8에 나타내었다. 그림 8(a)는 제어 전압을 인가한 기본파 혼합 모드의 변환 손실 특성을 나타낸 것으로 X-대역에서 -4.0～+4.0 dBm의 LO 레벨 조건에서 -10～8 dB 변환 손실 특성을 나타내었고, 동일 LO 레벨에서 -30 dB 이하의 부고조파 혼합 모드 억압 특성을 나타내었다. 그림 8(b)는 제어 전압을 인가하지 않은 부고조파 혼합 모드의 변환 손실 특성에 관한 것으로 K-대역에서 -1.
0 dBm의 LO 레벨 조건에서 -15～-12 dB 변환 손실 특성을 가지며, 동일 LO 레벨에서 기본파 혼합 모드 억압 특성은 -300 dB 이하의 특성을 나타내었다. 기본파 혼합 모드 억압 특성은 LO 레벨에 무관하게 우수한 억압 특성을 나타내고 있는데, 이는 APD의 이상적인 대칭 구조에 의한 것으로 판단된다. 실제 APD의 비선형 파라미터의 비대칭으로 기본파 혼합 억압 성능은 이상적인 경우보다 열화되는 특성을 나타낸다^[9].
다이오드를 사용하여 설계된 혼합기의 격리도 특성은 각 단자의 필터 회로들의 특성에 의해 결정되며, 그림 5와 그림 6의 결과로부터 기본파 혼합 모드의 경우 15.10 GHz LO 주파수에 대해 -30 dB 정도의 LO-RF 격리도 및 -30 dB 정도의 LO-IF 격리도 특성을 가지며, 부고조파 혼합 모드의 경우 14.40 GHz LO 주파수에 대해 -25 dB LO-IF 격리도 및 -30 dB LO-RF 격리도 특성을 나타내고 있다.
제안한 이중 모드 주파수 혼합기는 제어 전압이 인가되는 기본파 혼합 모드에서 -10 dB 변환 손실, 2 dBm P1dB, -28 dB LO-IF 격리도 특성과 -5 dB LO-RF 격리도 특성을 나타내었으며, 부고조파 혼합 모드에서 -10 dB 변환 손실, 2 dBm P1dB, -28 dB LO-IF 격리도 특성과 -40 dB LO-RF 격리도 특성을 나타내었다.

후속연구

본 논문에서 제안한 이중 모드 주파수 혼합기 구조를 Ka-대역까지 확장시키는 추가적인 연구를 수행하여 구현한다면 X대역에서 Ka 대역의 레이더 신호 수신이 가능한 소형, 경량의 수신기 구현이 가능할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	RF 대역 통과 필터 회로를 LO 신호 억압 특성과 광대역 RF 신호에 대해 저손실 특성을 갖도록 설계한 이유는 무엇인가?	RF 대역 통과 필터 회로는 LO 신호가 RF 단자로 누설되어 발생되는 포화에 따른 수신 감도 저하를 방지하기 위해 LO 신호 억압 특성과 광대역 RF 신호에 대해 저손실 특성을 갖도록 설계하였다. 그림 5는 RF 대역 통과 필터 회로의 특성을 나타낸 것으로 LO 신호에 대한 λ/4 개방 스터브(L 1 )를 이용하여 14～15 GHz LO 신호에 대해 ?10 dB 이상의 대역 저지 특성과 10～13 GHz/16～40 GHz RF 신호에 대해 -4.
	역병렬 다이오드에 제어 전압을 인가하지 않을 경우 무엇으로 동작하게 되는가?	역병렬 다이오드에 제어 전압을 인가하지 않을 경우, 역병렬 다이오드 D1과 D2는 대칭의 전류-전압 특성 곡선을 갖기 때문에 LO 신호의 짝수차 고조파 성분만이 RF 신호와 혼합되어 출력되는 부고조파 혼합기로 동작하게 된다. 그림 2는 제어 전압이 인가된 역병렬 다이오드에 RF 신호와 LO 신호가 되었을 때의 등가 모델을 나타내었다.
	본 논문에서 제안한 X/K-대역 신호의 주파수 변환이 가능한 이중 모드 주파수 혼합기는 어떻게 활용할 수 있는가?	제안한 이중 모드 주파수 혼합기는 적절한 주파수 플랜을 이용하여 광대역 및 다중 대역의 레이더 신호를 수신하여 처리할 수 있는 수신기의 소형화에 활용할 수 있다[3],[4].

참고문헌 (10)

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고민호, 조호윤, 박효달, "마이크로웨이브 다중 대역 수신기용 Ku-대역 전압 제어 발진기 설계 및 구현", 한국전자파학회논문지, 20(9), pp. 853-861, 2009년.

원문보기 상세보기
Yew Hui Niew, Jurianto Joe, "RF and IF ports matching circuit synthesis for a simultaneous conjugate- matched mixer using quasi-linear analysis", IEEE Transactions on Microwave Theory and Technique, vol. 50, no. 9, Sep. 2002.
고민호, 조윤현, 주영림, 박효달, "광대역 및 다중 대역 시스템용 혼성 변환 방식 RF 전단부 구현을 위한 다중 기능 회로의 설계 및 제작", 한국전자파학회논문지, 21(3), pp. 292-300, 2010년 3월.

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G. L. Matthae, "Interdigital band-pass lters", IRE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 40, pp. 951-958, 1962.
Wen-Hua Tu, Kai Chang, "Compact microstrip bandstop filter using open stub and spurline", IEEE Microwave and Wireless Component Letters, vol. 15, no. 4, Apr. 2005.
M van der Merwe, JB de Swardt, "The design and evaluation of a harmonic mixer using an anti-parallel diode pair", Application Note, Microwave Office.
H. Zirath, L. Angelov, and N. Rorsman, "A millimeter subharmonially pumped resistive mixer based on a heterostructure field effect transistor technology", IEEE MTT-S Digest, pp. 599-602, 1992.

저자의 다른 논문 :

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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