본 논문은 6.0~18.0 GHz 대역에서 동작하는 광대역 디지털 주파수 변별기(DFD, digital frequency discriminator)의 위상 상관기(phase correlator)를 설계하고 제작하였으며, 제작된 DFD 위상 상관기의 I와 Q 신호를 측정하고, 주파수 변별 오차를 분석하였다. 믹서형 위상 상관기의 동작 특성에 대한 해석적 관계식을 유도하였으며, 위상 상관기에 포함되는 IQ 믹서(mixer)와 8-way 전력분배기(power divider)는 RF시뮬레이션 툴(tool)을 이용하여 모델링하였다. 설계된 위상 상관기는 제작되어 측정하였다. 제작된 위상 상관기의 I와 Q 출력신호를 측정하여 제시하였으며, 측정된 I와 Q 출력신호를 이용하여 위상오차(phase error)와 주파수 변별오차(frequency discrimination error)를 나타내었다. 위상 상관기의 평균 위상오차(phase error)는 $4.81^{\circ}$, RMS(root mean square)이고, 주파수 변별 오차는 1.49 MHz, RMS 이다.
본 논문은 6.0~18.0 GHz 대역에서 동작하는 광대역 디지털 주파수 변별기(DFD, digital frequency discriminator)의 위상 상관기(phase correlator)를 설계하고 제작하였으며, 제작된 DFD 위상 상관기의 I와 Q 신호를 측정하고, 주파수 변별 오차를 분석하였다. 믹서형 위상 상관기의 동작 특성에 대한 해석적 관계식을 유도하였으며, 위상 상관기에 포함되는 IQ 믹서(mixer)와 8-way 전력분배기(power divider)는 RF 시뮬레이션 툴(tool)을 이용하여 모델링하였다. 설계된 위상 상관기는 제작되어 측정하였다. 제작된 위상 상관기의 I와 Q 출력신호를 측정하여 제시하였으며, 측정된 I와 Q 출력신호를 이용하여 위상오차(phase error)와 주파수 변별오차(frequency discrimination error)를 나타내었다. 위상 상관기의 평균 위상오차(phase error)는 $4.81^{\circ}$, RMS(root mean square)이고, 주파수 변별 오차는 1.49 MHz, RMS 이다.
This paper has presented the design and fabrication of phase correlator for wideband digital frequency discriminator (DFD) operating over the 6.0 to 18.0 GHz frequency range. Fabricated DFD phase correlator has been measured I or Q output signal, and analyzed frequency discrimination error. The oper...
This paper has presented the design and fabrication of phase correlator for wideband digital frequency discriminator (DFD) operating over the 6.0 to 18.0 GHz frequency range. Fabricated DFD phase correlator has been measured I or Q output signal, and analyzed frequency discrimination error. The operation of the proposed mixer type correlator has been analyzed by deriving some analytic equations. To design the phase correlator, this paper has modeled and simulated IQ mixer and 8-way power divider by using RF simulation tool. Designed phase correlator has fabricated and measured. The phase error and frequency discrimination error have been presented using by measured I and Q output signal. Over the 6.0~18.0 GHz range, the root mean square(RMS) phase error is $4.81^{\circ}$, RMS and frequency discrimination error is 1.49 MHz, RMS.
This paper has presented the design and fabrication of phase correlator for wideband digital frequency discriminator (DFD) operating over the 6.0 to 18.0 GHz frequency range. Fabricated DFD phase correlator has been measured I or Q output signal, and analyzed frequency discrimination error. The operation of the proposed mixer type correlator has been analyzed by deriving some analytic equations. To design the phase correlator, this paper has modeled and simulated IQ mixer and 8-way power divider by using RF simulation tool. Designed phase correlator has fabricated and measured. The phase error and frequency discrimination error have been presented using by measured I and Q output signal. Over the 6.0~18.0 GHz range, the root mean square(RMS) phase error is $4.81^{\circ}$, RMS and frequency discrimination error is 1.49 MHz, RMS.
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문제 정의
본 논문은 6.0 ~ 18.0 GHz에서 동작하는 순시주파수 측정 수신기에서 동작하는 DFD 위상 상관기를 설계하기 위하여 믹서형 DFD의 동작특성을 분석하고 관련식을 유도하였다. 각 채널의 I와 Q 출력 신호를 측정하여 제시하였으며 측정된 I와 Q를 이용하여 위상오차를 계산하여 제시하였다.
디지털부분은 상관기의 I와 Q 데이터를 이용하여 주파수 정보를 연산하는 역할을 한다. 본 논문은 RF 부분인 위상 상관기에 관하여 연구하였다.
제안 방법
8-way에 대한 형상은 그림 4와 같다. 2-way 전력분배기는 6.0 ~ 18.0 GHz의 광대역 특성을 만족하기 위해 3단의 윌킨슨 전력분배기(wilkinson power divider)로 설계 되었다. 그림 5는 8-way 전력분배기의 삽입손실(IL; insertion loss), 반사손실(RL; return loss)등의 S-파라미터 시뮬레이션 특성을 나타낸다.
그림 14는 제작된 DFD 위상 상관기이다. 4개의 IQ 믹서와 구동증폭기를 포함하고 8-way 전력분배기, 그리고 인터페이스를 위한 커넥터 등을 포함하고 있으며 지연선은 semi-rigid 형태의 RF 동축케이블로 제작되었다.
DFD 상관기와 위상 상관기는 그림 2와 3과 같다. 4개의 위상 상관기는 IQ 믹서를 포함하고 있으며, 본 연구에서는 IQ믹서를 그림 4와 같이 모델링하였다. IQ 믹서는 16.
IQ 믹서는 16.7Ω의 저항 3개로 구성된 전력분배기(power splitter)와 90˚ 하이브리드 커플러(hybrid coupler), 그리고 두 개의 믹서로 모델링 하였다.
0 GHz에서 동작하는 순시주파수 측정 수신기에서 동작하는 DFD 위상 상관기를 설계하기 위하여 믹서형 DFD의 동작특성을 분석하고 관련식을 유도하였다. 각 채널의 I와 Q 출력 신호를 측정하여 제시하였으며 측정된 I와 Q를 이용하여 위상오차를 계산하여 제시하였다. 6.
가장 짧은 지연선이 DFD 동작주파수를 결정하고, 가장 긴 지연선은 DFD의 주파수 정확도를 결정한다[2],[3]. 높은 주파수에서는 낮은 주파수보다 주파수 변별오차가 크기 때문에 DFD 위상 상관기의 변별 정확도 개선을 위해 명료 주파수를 13,920 MHz로 결정하여 이론보다 주파수대역을 좁게 하고 지연선 비율을 증가하여 주파수정확도를 결정하는 가장 긴 지연선을 길게 확보하였다. 동작주파수 대역을 넓지 않게 선정하고 주파수정확도를 개선하기 위함이다.
그림 5는 8-way 전력분배기의 삽입손실(IL; insertion loss), 반사손실(RL; return loss)등의 S-파라미터 시뮬레이션 특성을 나타낸다. 동작대역 6.0 ~ 18.0 GHz에서 입력반사손실인 S11은 6.7 dB 이상의 특성을 나타내며, 대부분 동작 주파수 대역에서 10 dB 이상의 광대역 입력 매칭특성을 나타내며 통과특 성인 S21은 2.7 dB 이상의 이득 특성이 있으며, 입력신호의 목표 규격인 13 dBm 입력조건에서 하이브리드 커플러를 통과한 신호가 10 dBm 이상의 LO 입력조건으로 인가되도록 설계하였다.
본 논문에서는 DFD 상관기는 지연선(τ)을 포함하는 4개의 위상 상관기로 구성된다.
그림 8은 위상 상관기의 I와 Q 출력특성을 측정하기 위한 시험 환경이다. 신호발생기와 디지털 멀티미터(DMM, digital multi-meter)를 GPIB(general purpose interface bus) 케이블로 연결하고 측정용 제어프로그램으로 제어하여 측정하는 주파수 간격으로 RF 신호를 발생하도록 신호발생기(signal generator)를 제어한 후 DMM을 통하여 측정한다. 측정된 각 채널 별 I와 Q 신호는 그림 9에서 그림 12에 나타내었다.
위상 상관기는 증폭기, 전력분배기, 지연선, 감쇄기, 하이브리드 커플러 등으로 구성된다. 전력 분배기를 통과한 신호는 하이브리드 커플러의 0˚의 출력특성과 합해져서 I 신호를 90˚의 출력특성과 합해져서 Q신호를 출력하도록 모델링되었다. 위상오차는 그림3의 위상 상관기로 설명된다.
대상 데이터
4개 채널의 위상 상관기 구현을 위해서는 8-way의 전력분배기가 필요하다. 본 논문은 RF 시뮬레이션 툴인 AWR사의 Microwave office를 이용하여 설계되고 분석되었다. 8-way 전력 분배기는 7개의 2-way 전력 분배기와 구동증폭기를 포함하고 있다.
명료 주파수는 DFD 생성 비트수와 DFD 주파수 해상도의 곱으로 정의된다. 본 연구에 해당하는 위상 상관기의 이론적인 명료 주파수는 16,384 MHz(214 bit X 1 MHz =16,384 MHz) 이다.
위상 상관기 제작에 사용된 기판은 유전상수(dielectric constant, εr)가 2.20인 Rogers사의 RT5880 이다.
이론/모형
20인 Rogers사의 RT5880 이다. S-파라미터(S-parameter)의 측정을 위하여 Agilent사의 네트워크 분석기(network analyzer)를 사용하였다. 그림 6은 위상 상관기의 입력 반사손실을 나타낸다.
성능/효과
6.0 ~ 18.0 GHz에 서 평균 위상오차와 주파수 변별 오차는 4.81°, RMS와 1.49 MHz, RMS 이다.
후속연구
49 MHz, RMS 이다. 위성통신 및 레이더용 주파수인 X 밴드가 포함된 대역의 주파수 탐지가 가능함으로 관련 장비에 유용하게 사용될 것으로 판단된다.
49 MHz, RMS 이다. 이와 같은 특성은 설계목표를 만족하고 RMS 3.0 MHz의 주파수 변별 오차를 나타내는 전형적인 DFD[7] 특성을 만족하고 있어 실용화가 가능할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
DFD는 어떤 장치인가?
디지털 주파수 변별기(DFD; digital frequency discriminator)는 1960년 초반부터 개발되었으며, 감시 및 통신 시스템의 중요 구성 요소이다. DFD는 순시주파수측정(IFM; instantaneous frequency measurement) 수신기에 포함되어 위상 상관기(phase correlator)들을 이용하여 넓은 주파수대역에서 빠르게 주파수를 순시로 측정할 수 있는 장치이다. 디지털 주파수 변별기는 광대역 주파수범위에서 정확한 주파수 측정 정확도, 간섭 신호 들에 대하여 내성, 좋은 수신감도를 가지며, 그리고 순시 주파 수에 대해 빠른 실시간 측정이 가능하다[1].
DFD는 RF 부분, 아날로그 부분, 디지털 부분으로 나뉘는데 각각의 부분은 어떤 역할을 수행하는가?
DFD는 그림 1과 같이 RF 부분과 아날로그 부분, 그리고, 디지털 부분으로 나뉜다[9]. RF 부분은 위상 상관기로 구성되어 I 와 Q신호를 생성하고, 아날로그 부분은 I와 Q신호를 AD(analog to digital)변환하여 디지털을 생성한다. 디지털부분은 상관기의 I와 Q 데이터를 이용하여 주파수 정보를 연산하는 역할을 한다. 본 논문은 RF 부분인 위상 상관기에 관하여 연구 하였다.
디지털 주파수 변별기의 장점은 무엇인가?
DFD는 순시주파수측정(IFM; instantaneous frequency measurement) 수신기에 포함되어 위상 상관기(phase correlator)들을 이용하여 넓은 주파수대역에서 빠르게 주파수를 순시로 측정할 수 있는 장치이다. 디지털 주파수 변별기는 광대역 주파수범위에서 정확한 주파수 측정 정확도, 간섭 신호 들에 대하여 내성, 좋은 수신감도를 가지며, 그리고 순시 주파 수에 대해 빠른 실시간 측정이 가능하다[1]. DFD는 IFM의 주파수를 측정하는 역할을 하며 입력되는 신호를 둘로 나누어 위상이 지연된 신호와 지연되지 않은 신호를 이용하여 주파수를 변별한다[2],[3].
참고문헌 (9)
P. W. East, "Design techniques and performance of digital IFM," IEE Proceedings F, Communications, Radar and Signal Processing, Vol. 129, No. 3, Jun. 1982.
J. B. Y. Tsui, Microwave Receivers with Electronic Warfare Applications, Florida, FL: Krieger Publishing co., 1992.
J. B. Y. Tsui, Microwave Receivers and related components, California, CA: Peninsular Publishing, 1985.
J. O. Park, J. B. Seo, J. H. Kim, S. W. Nam, "Design of a digital frequency discriminator using least squares based phase calibration," in proceeding of SICE Annual Conference, Taipei: Taiwan, Aug. 2010.
S. Mahlooji and K. Mohammadi, "Very high resolution digital instantaneous frequency measurement receiver," in proceeding of Int. Conf. on Signal Processing Systems, Singapore, 2009.
W. Choi and K. H. Koo "Isolation analysis of correlator mixer for digital frequency discriminator error improvement," in proceeding of APMC 2013, Seoul: Korea, Dec. 2013.
K. Burns, "Tracking trends in military IFMs and DFDs," Microwaves & RF, Vol. 48, No. 6. pp. 57-63, Jun. 2009.
L. Xiang, J. Yonghua, Z. Longjun, T. Zhikai and G. Weiliang, "A new method in DFD design," in proceeding of APMC 2005, Suzhou: China, Dec. 2005.
Y.S. Yu, E.S. Kim, C.H. Lee, H.K. Ahn, H.S. Yang, J.S. Lim, "A study on digital frequency discriminator (DFD) operating in E, F, and G band," in proceeding of IEEK Summer Conference 2006. Jeju: Korea, Jun. 2006.
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