[논문]고선형성을 갖는 Ka대역 FMCW 센서

김재환; 이성주; 권혁자; 양영구

doi:10.5515/kjkiees.2014.25.6.671

고선형성을 갖는 Ka대역 FMCW 센서
Ka-Band FMCW Sensor with High Linearity 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.25 no.6, 2014년, pp.671 - 678

김재환 (성균관대학교 전자전기공학부) , 이성주 (삼성탈레스 통신연구소) , 권혁자 (삼성탈레스 통신연구소) , 양영구 (성균관대학교 전자전기공학부)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 전압 제어 발진기의 비선형 영향에 의한 문제점을 개선한 FMCW 신호 생성 구조를 제안한다. 단순히 전압 제어 발진기(voltage controlled oscillator)의 튜닝 전압(tunning voltage)을 스위프(sweep)하여 FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave) 신호를 생성하는 방식의 경우에는 전압 제어 발진기 자체의 비선형 영향으로 인해 센서에서 검출하고자 하는 비트 주파수(beat frequency)에 변동(drift)이 발생하게 되어 그로부터 추출된 정보의 정확도가 저하되거나, 잘못 해석될 수 있는 오류를 갖게 된다. 이러한 비선형 영향을 배제하기 위해 본 연구에서는 직접 주파수 합성기(direct digital synthesizer)와 위상 동기 루프(phase locked loop)를 포함한 하이브리드 방식의 신호 생성 방안을 적용하여 고선형성을 갖는 FMCW 신호를 생성하였고, 제작 후 시험을 통해 FMCW 센서에서 검출한 비트 주파수가 매우 정확함을 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents a Ka-band FMCW sensor that has high linearity by improving a nonlinear behavior of the voltage controlled oscillator. Due to the nonlinear characteristics of the voltage controlled oscillator for the conventional method, the drift of beat frequency can cause inaccuracy and errors to the extracted results. A Ka-band FMCW signal with fast transition time could be generated by using both direct digital synthesizer and phase locked loop in this research. The implemented FMCW sensor showed very high accuracy in beat frequency through the test.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

기본 설계 사양으로는 Ka 대역 35 GHz의 중심 주파수와 500 MHz 이상의 스위프 대역폭을 갖는 FMCW 센서 구현을 목표로 하였다. 불요파 제거가 용이하도록 직접 디지털 합성기(DDS)에서는 17 MHz 대역에서 세밀한 해상도의 스위프 주파수를 생성하고, 위상 동기 루프(PLL)에서는 스위프 주파수 중심을 최종 주파수 체배기로 4체배가 가능한 8.
본 연구에서는 그림 4에서처럼 위상 동기 루프(PLL)에 직접 디지털 합성기(DDS)를 추가한 DDS driven-PLL 방식의 하이브리드(hybrid) FMCW 신호 생성 구조를 적용하여 그림 5에서와 같은 고속의 선형 FMCW 신호를 생성하고자 하였다.

제안 방법

그림 11은 Ka 대역 FMCW 센서의 보드와 기구물의 조립형상이며, 그림 11(a)에는 송수신 안테나와 연결되는 WR-28 단자, 신호생성부와 IF 신호부가 위치한다. 그림 11(b)에는 송수신 안테나와 연동되는 트랜지션의 백숏(backshort), 밀리미터 송수신부로 각 MMIC를 탑재한 총 12개의 케리어가 위치하며, 제작된 케리어들은 기구(body)에 각각 장착된 이후 와이어 본딩(wire bonding)으로 전원과 RF 신호선을 연결하여 최종 제작하였다.
FR4 기판에는 버퍼(buffer), 직접주파수 합성기 IC, 위상 동기 루프 IC, 저역 통과 필터, 자동 이득 조절 증폭기, 밀리미터 송수신부 MMIC 용 바이어스(bias) 회로 등이 위치하며, 신호생성부 보드와 밀리미터부 보드 연결은 그림 10에서와 같이 기구 중앙 벽면에 DC 피드쓰루(feedthrough)와 RF 피드쓰루(feedthrough)를 두어 전압 제어 발진기의 피드백 출력과 바이어스를 공급되도록 제작하였다.
Lab 시험을 통해 Ka 대역 FMCW 센서 목표 사양이 충족하는 것을 확인한 이후, 추가 성능 검증을 위해 챔버내에서 그림 14의 오른쪽에 보이는 Ka 대역 FMCW 센서를 고정한 채 목표물(target)을 1 m씩 이동시키면서 비트 주파수를 검출하여 근거리 정확도를 측정하였다.
아날로그 전압이 변수인 식 (1)과는 달리 식 (2)는 디지털 제어로 설정되는 분주값이 변수인 함수이기 때문에, 빠른 속도로 정확하게 원하는 주파수를 생성하여 선형성을 확보할 수 있다. 그밖에 그림 6에서와 같이 레이더 방정식^[1]과 FMCW 레이다 공식^[2],[5] 등을 활용하여 송수신 경로에 필요한 송신 출력, 안테나 이득, 수신 잡음지수, 수신 이득 범위 등의 사양을 할당하였다.
기존 FMCW 신호 생성 방식에서 전압 제어 발진기만 스위프했을 시의 비선형성 문제와 단순 위상 동기 루프만을 적용했을 시의 주파수 해상도, 주파수 천이 시간 등의 단점을 보완하고자 직접주파수 합성기(DDS)와 위상 동기 루프(PLL)를 포함한 하이브리드 방식의 신호 생성 방식을 적용하였으며, Ka 대역 FMCW 센서를 제작하고 시험을 통해 측정한 데이터를 비교분석하였다. 그 결과, 고속의 높은 선형성을 보유한 FMCW 신호를 생성할 수 있음을 알 수 있었다.
또한, 1,000 m 이격된 표적을 목표로 500 usec 이내에 500 MHz 대역을 스위프하는 고속 변조 신호를 방사할 시 수신되는 신호를 검출하기 위해 IF 대역폭은 7 MHz를 적용하였으며, 주요 사양은 표 1과 같다.
기본 설계 사양으로는 Ka 대역 35 GHz의 중심 주파수와 500 MHz 이상의 스위프 대역폭을 갖는 FMCW 센서 구현을 목표로 하였다. 불요파 제거가 용이하도록 직접 디지털 합성기(DDS)에서는 17 MHz 대역에서 세밀한 해상도의 스위프 주파수를 생성하고, 위상 동기 루프(PLL)에서는 스위프 주파수 중심을 최종 주파수 체배기로 4체배가 가능한 8.75 GHz 대역으로 변환되도록 각 출력주파수를 설정하였다.
센서의 송수신부는 그림 7과 같이 각각의 경로를 설계하였으며, 송신경로에는 FMCW 신호를 발생시키는 직접 주파수 합성기와 X 대역의 전압 제어 발진기를 포함하는 위상 동기 루프, Ka 대역으로의 주파수 변경과 스위프 대역폭 확장을 위한 주파수 체배기(frequency multiplier), 출력 레벨을 조정을 위한 감쇠기(attenuator) 및 증폭기(amplifier)와 스위프 대역외 고조파와 불요파 제거를 위한 마이크로스트립 대역 통과 필터(microstrip BPF), 수신부로 IF 변환용 국부 발진(LO) 신호를 제공하기 위해 방향성 커플러(directional coupler)로 구성하였다.
송신부는 신호생성부와 밀리미터 송신부로 나누어 각각 제작하였고, 수신부는 IF 신호부와 밀리미터 수신부로 나누어 각각 제작하였다.
수신 경로에는 안테나로 입력된 수신신호의 증폭을 위한 저잡음 증폭기(LNA), 입력신호 중 대역외 불요파 제거를 위한 마이크로스트립 대역 통과 필터(microstrip BPF), 수신신호의 IF 변환을 위한 주파수 혼합기(mixer), 주파수변환 후 불요파 제거를 위한 저역 통과 필터, 신호의 이득제어를 위한 IF 자동 이득 조절 증폭기(AGC amplifier) 등으로 구성하였다. 안테나는 WR-28의 도파관(waveguide) 구조의 혼(horn) 안테나로 송수신 경로간 충분한 격리도(isolation) 확보를 위해 송신안테나와 수신안테나를 분리하여 적용하였으며, 안테나와 결합하기 위해 송신부와 수신부에 E-Field Probe 방식의 트랜지션(transition)을 설계하여 적용하였다^[7].
수신 경로에는 안테나로 입력된 수신신호의 증폭을 위한 저잡음 증폭기(LNA), 입력신호 중 대역외 불요파 제거를 위한 마이크로스트립 대역 통과 필터(microstrip BPF), 수신신호의 IF 변환을 위한 주파수 혼합기(mixer), 주파수변환 후 불요파 제거를 위한 저역 통과 필터, 신호의 이득제어를 위한 IF 자동 이득 조절 증폭기(AGC amplifier) 등으로 구성하였다. 안테나는 WR-28의 도파관(waveguide) 구조의 혼(horn) 안테나로 송수신 경로간 충분한 격리도(isolation) 확보를 위해 송신안테나와 수신안테나를 분리하여 적용하였으며, 안테나와 결합하기 위해 송신부와 수신부에 E-Field Probe 방식의 트랜지션(transition)을 설계하여 적용하였다^[7].

성능/효과

기존 FMCW 신호 생성 방식에서 전압 제어 발진기만 스위프했을 시의 비선형성 문제와 단순 위상 동기 루프만을 적용했을 시의 주파수 해상도, 주파수 천이 시간 등의 단점을 보완하고자 직접주파수 합성기(DDS)와 위상 동기 루프(PLL)를 포함한 하이브리드 방식의 신호 생성 방식을 적용하였으며, Ka 대역 FMCW 센서를 제작하고 시험을 통해 측정한 데이터를 비교분석하였다. 그 결과, 고속의 높은 선형성을 보유한 FMCW 신호를 생성할 수 있음을 알 수 있었다. 본 연구에서 제작한 Ka 대역 FMCW 센서 내 신호생성부의 소모 전력은 3.
3 m가 되며, 실제 거리와 거의 유사한 측정 결과를 얻었음을 알 수 있다. 제작된 센서에서 발생되는 FMCW 신호가 그림 5에서와 같이 매우 선형적이기 때문에 야외 성능시험에서도 역시 비트 주파수의 변동(drift)이 전혀 발생하지 않았고, 매우 정확한 거리측정 성능을 보유함을 알 수 있었다.

후속연구

그 결과, 고속의 높은 선형성을 보유한 FMCW 신호를 생성할 수 있음을 알 수 있었다. 본 연구에서 제작한 Ka 대역 FMCW 센서 내 신호생성부의 소모 전력은 3.4 W 이하로 저전력이 가능하고, 현재 물리적인 보드 크기도 40×60×7 mm로 소형으로 제작 가능하기 때문에 향후 다양한 소형 플랫폼에 응용 가능할 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	FMCW 센서의 특징은?	최근 밀리미터파 대역에 대한 관심이 점차 증대되면서 Ka 대역과 W 대역에서 FMCW를 적용한 센서의 응용범위가 다양해지고 있다. FMCW 센서는 대부분 소형의 단순한 구조로 소출력 통신이나 단거리 탐지가 가능하기 때문에 고도계, 무인항공기(UAV)용 합성개구면 레이다(SAR), 탐색기(seeker) 등과 같은 군용 소형 레이다 분야와 차량 충돌 방지 센서와 같은 민수 응용 분야에 널리 적용되고 있다[1].
	FMCW 신호의 선형성을 유지하기 힘든 이유는?	FMCW 신호의 선형성은 센서를 구성하는 모든 단계에서 유지되어야 하고, 이를 위해서는 무엇보다도 신호 생성 단계에서부터 선형성 확보가 전제되어야 한다. 전압 제어 발진기를 단순하게 스위프하여 신호를 생성하는 방식의 대안으로 전압 제어 발진기의 비선형성을 배제하기 위해 위상 동기 루프를 적용하기도 한 사례도 있지만, 생성되는 FMCW 신호의 불연속성으로 인해 주파수 해상도(frequency resolution)와 주파수 천이 시간(transient time) 사이에 trade-off가 요구되어 결국 고속의 PRF(Pulse Repetition Frequency)를 갖는 FMCW 신호발생시 한계점이 존재하게 된다[6].
	FMCW 센서의 원리는?	FMCW 센서는 그림 1에서와 같이 주파수 변조된 CW 신호를 안테나를 통해 연속적으로 표적에 방사한 후, 표적에서 반사된 신호를 수신하여 전파의 시간 지연(Td)에 따른 수신신호의 주파수 차이인 비트 주파수(fd)를 검출함으로써 표적의 유무를 감지하고 표적까지의 거리를 측정할 수 있는 대표적인 RF 센서중 하나이다[2].

참고문헌 (10)

G. W. Stimson, Introduction to Airborne Radar, Second Edition, Scitech Publishing, Inc., 1998.
Igor V. Komarov, Sergey M. Smolskiy, Fundamentals of Short Range FM Radar, Artech House, 2003.
Feng Zhenghe, Li Yang, Liang Liwan, Weifeng Pan, and Chen Yaqin, "Requirement analysis of linearity for FMCW source using open-loop correction", International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology Proceedings, pp. 679-682, 2000.
Graham M. Brooker, "Understanding millimeter wave FMCW radars", Conference on Sensing Technology, pp. 152- 157, Nov, 2005.
Samuel O. Piper, "Homodyne FMCW radar range resolution effects with sinusoidal nonlinearities in the frequency sweep", IEEE International RADAR Conference, pp. 563-567, 1995.
김현미, 양승식, 이만희, 염경환, "소형화된 Ka-대역 주파수 합성기 모듈 설계 및 제작", 한국전자파학회 논문지, 18(5), pp. 511-521, 2007년 5월.

원문보기 상세보기
권혁자, 이성주, 장호준, "프로브구조를 이용한 Ka대역 도파관마이크로스티립트랜지션의 설계 및 제작", 전자공학회논문지, 45(7), pp. 67-71, 2008년 7월.
AD9910 Rev. D, "1 GSPS, 14-Bit, 3.3 V CMOS direct digital synthesizer", Analog Device, [Online] Available: http://www.analog.com/
LMX2470 Rev. B, "2.6 GHz delta-sigma fractional-N PLL with 800 MHz integer-N PLL", Texas Instruments, [Online] Available: http://www.ti.com/
HMC510LP5, "VCO SMT with Fo/2 & Divide-by-4", Hittite, [Online] Available: http://www.hittite.com/

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증