선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 유도탄 소형화를 위해서는 유도탄 전방부에 위치하는 탐색기의 소형화가 필수적인 요소이며, 기존에 무기체계가 개발될 때는 해당 사업에 국한된 기능만 탑재되어 진행되었지만, 현재에는 다른 무기체계와의 호환성과 설계공용화를 위한 비용절감 및 수출까지 고려되어 설계하는 추세로 진행되고 있다. 본 논문에서는 기존 탐색기용 주파수 합성기보다 소형화되고 대함용 유도탄 및 대탄도탄용 유도탄에 동시 적용가능한 주파수 합성기를 제안하였다.
제안 방법
- Ka 대역 생성부의 소형화를 위해 PLDRO(Phase Locked Dielectric Resonator) 대신 PLVCO(Phase Locked Voltage Controled Oscillator)를 사용하였고, 상대적으로 작은 부품을 사용하기 위해 체배 구조를 Ka 대역 생성부에 구현하였다. Ka 대역 신호를 생성하기 위하여 먼저 PLVCO 출력과 직접 디지털 주파수 합성부-1 신호들의 출력을 혼합하였다.
- Ka 대역 생성부의 위상 잡음은 직접 디지털 주파수 합성부-1의 신호와 PLVCO 신호가 혼합된 신호에 4 체배된 결과지만, 직접 디지털 주파수 합성부-1 출력신호의 위상잡음이 PLVCO 위상잡음보다 10 dBc 이상 낮으므로 Ka 대역 생성부의 위상 잡음은 PLVCO 위상잡음에 의해 결정된다. PLVCO 위상잡음 결과에 4체배를 고려하여 이용하여 위상잡음을 예측하였다. 표 2는 측정된 VCO 위상잡음을 이용하여 각 offset 주파수에 대한 위상잡음을 예측한 결과이다.
- 기준 신호 생성부에서는 진동 민감도 1×10-9 /g의 크리스털을 이용하고, 온도 보상 회로를 적용하여 100 MHz 출력을 가지는 TCXO를 자체 제작하였다. TCXO 출력을 이용하여 Ka 대역 생성부에 사용되는 PLVCO 기준신호 및 탐색기 기준 신호를 발생하고, SRD(Step Recovery Diode)와 주파수체배기를 이용하여 직접 디지털 주파수 합성부-1의 AD9910 기준 신호와 주파수 합성기 내부에서 필요로하는 900 MHz(fSYSCLK ), 2.1 GHz 주파수를 생성하였다.
- 저속 표적 탐지 추적용 파형으로는 LFM (Linear Frequency Modulation) 파형을 고속표적 정밀 탐지 추적용 파형은 FMCW(Frequency Modulation Continuous Wave) 파형을 선택하였다. 그리고 직접 디지털 합성구조의 단점인 협대역 문제는 불요파가 양호한 영역을 선택하여 단점을 회피하였고, 직접 아날로그 합성법을 통해 대역폭 확장 및 주파수 상향변환을 구현하였다.
- 기준 신호 생성부에서는 진동 민감도 1×10-9 /g의 크리스털을 이용하고, 온도 보상 회로를 적용하여 100 MHz 출력을 가지는 TCXO를 자체 제작하였다.
- 또한 Ka 신호의 손실을 최소화하기 위해 Ka 대역 생성부에는 CPW(Coplanar Waveguide)를 적용하였다. Ka 대역 생성부의 각 부품 및 모듈들은 캐리어를 이용하여 장착되는데, 이때 각 캐리어들 사이에는 기판의 두께만큼 깊이가 발생하고, 각각의 캐리어 사이에 간격이 발생하게 된다.
- 또한, 소형화를 고려하여 120×120×22 mm3 크기에 설계 제작하였고, CPW 구조를 적용하여 Ka 대역 부품들의 부정합에 의해 발생하는 손실을 최소화하도록 설계하였다.
- 본 논문은 DDS chip AD9910과 AD9913을 적용하여 외부에서 인가되는 파형 없이 DDS 제어를 통해 탐색기에서 원하는 저속 표적 탐지 추적용 파형과 고속표적의 정밀 탐지 추적용 파형 등을 고속으로 생성할 수 있는 초소형 주파수 합성기를 설계 제작하였다. 또한, 소형화를 고려하여 120×120×22 mm3 크기에 설계 제작하였고, CPW 구조를 적용하여 Ka 대역 부품들의 부정합에 의해 발생하는 손실을 최소화하도록 설계하였다.
- 이런 간격 및 깊이에 의해 부정합이 발생하고, 부정합으로 인해 주파수가 높아질수록 반사손실이 커지게 된다. 부정합으로 발생하는 손실을 줄이기 위해 Ka 대역 주파수 생성부에서는 캐리어간 연결 및 전송선로 연결 시 CPW 형태의 구조를 이용하였다[4].
- PLVCO 출력은 시스템에서 요구하는 x GHz 이격이 있는 2개의 Ka 대역 신호를 생성하기 위해 F0 출력주파수와 F0/2주파수를 이용하였다. 상향 변환된 이 두호에 대해 각각 4체배하여 시스템에서 요구되는 x GHz 이격이 있는 Ka 대역 신호를 생성하고, 500 MHz 대역폭까지 확보하였다. 최종 출력 전력이 최대 50 dB까지 선형 가변되도록 VVA(Voltage Variable Attenuator)를 적용하였다.
- 1 GHz 신호와 혼합하고, 상향 변환된 신호만 추출하여 Ka 대역 생성부의 IF 신호로 사용하였다. 신호 혼합과정에서 DQM(Direct Quadrature Modulator)를 적용하였다. 일반적인 혼합기보다 낮은 구동 전력에서 동작하는 DQM를 사용함으로써 회로를 간단하게 구현하였다.
- 측정 방법은 주파수 합성기 출력 주파수와 동일하게 신호 발생기를 설정한 후, 두 신호를 하향 변환하여 0 Hz(fo)까지 낮춘다. 이후 주파수 합성기 출력을 +5 MHz만큼 변경하여 주파수 변경 명령어 기준으로 하향 변환된 신호가5 MHz로 변경되는 시점을 측정하였다. 측정 결과는 0.
- 신호 혼합과정에서 DQM(Direct Quadrature Modulator)를 적용하였다. 일반적인 혼합기보다 낮은 구동 전력에서 동작하는 DQM를 사용함으로써 회로를 간단하게 구현하였다. 직접 디지털 주파수 합성부-2는 AD9913을 사용하여 FMCW, CW 신호 생성이 가능한 LO2 신호를 생성하였다.
- 제안된 주파수 합성기에서는 간접 아날로그 합성과 직접 디지털합성법이 결합한 구조보다 주파수 스위칭 시간이 우수하고, 극히 미세한 주파수 분해능 구현이 가능한 직접 아날로그 합성법과 직접 디지털 합성법이 결합한 구조를 적용하였다. 직접 디지털 합성구조가 적용되어 대함용 탐색기에 적용 가능한 저속 표적 탐지 추적용 파형과 대탄도탄용 탐색기에 적용 가능한 고속표적의 정밀 탐지 추적용 파형 등 시스템에서 요구되는 다양한 파형을 고속으로 발생 가능하고, 높은 주파수 분해능 특성이 구현되었다.
- 직접 디지털 주파수 합성부-1에서는 AD9910을 사용하여 중심주파수 150 MHz 대역폭 125 MHz 신호를 생성하고, LFM, FMCW, CW 신호를 생성하도록 구현하였다.
- 일반적인 혼합기보다 낮은 구동 전력에서 동작하는 DQM를 사용함으로써 회로를 간단하게 구현하였다. 직접 디지털 주파수 합성부-2는 AD9913을 사용하여 FMCW, CW 신호 생성이 가능한 LO2 신호를 생성하였다. AD9910 내부의 주파수 분배회로를 이용하여 생성된 신호를 AD9913 기준 신호로 사용하였고, 이 신호로 중심주파수 2x MHz 대역폭 10 MHz 신호를 생성하였다.
- 상향 변환된 이 두호에 대해 각각 4체배하여 시스템에서 요구되는 x GHz 이격이 있는 Ka 대역 신호를 생성하고, 500 MHz 대역폭까지 확보하였다. 최종 출력 전력이 최대 50 dB까지 선형 가변되도록 VVA(Voltage Variable Attenuator)를 적용하였다. 그림 5은 PLVCO 위상잡음을 측정한 결과이고, F0 신호의 1 kHz 오프셋(offset)에서 -94 dBc/Hz, F0/2 신호의 1 kHz 오프셋(offset)에서 —100.
- 이 중 주파수 스위칭 속도는 주파수 제어 신호 기준으로 주파수가 변경되는 시간을 측정한 결과이다. 측정 방법은 주파수 합성기 출력 주파수와 동일하게 신호 발생기를 설정한 후, 두 신호를 하향 변환하여 0 Hz(fo)까지 낮춘다. 이후 주파수 합성기 출력을 +5 MHz만큼 변경하여 주파수 변경 명령어 기준으로 하향 변환된 신호가5 MHz로 변경되는 시점을 측정하였다.
- TX 관련 신호는 탐색기 송신출력의 입력신호가 되는 TX, 수신 경로 점검을 위한 PILOT, 탐색기 시험용 신호인 TCE로 구성된다. 특히 탐색기 송신 출력을 가변하기 위해 주파수 합성기에 TX 출력을 가변하기 위해 VVA(Voltage Variable Attenuator)를 적용하여 최대 50 dB까지 TX 출력 감쇄되도록 하였다. 또한, Ka 대역 생성부에 있는 스위치는 각 출력들을 CW 모드나 Pulse 변조된 신호로 동작하게 한다.
대상 데이터
- AD 9910에서 발생된 신호는 기준 신호 생성부 2.1 GHz 신호와 혼합하고, 상향 변환된 신호만 추출하여 Ka 대역 생성부의 IF 신호로 사용하였다. 신호 혼합과정에서 DQM(Direct Quadrature Modulator)를 적용하였다.
- 직접 디지털 주파수 합성부-2는 AD9913을 사용하여 FMCW, CW 신호 생성이 가능한 LO2 신호를 생성하였다. AD9910 내부의 주파수 분배회로를 이용하여 생성된 신호를 AD9913 기준 신호로 사용하였고, 이 신호로 중심주파수 2x MHz 대역폭 10 MHz 신호를 생성하였다. 기준 신호 생성부의 x.
- 기준 신호 생성부의 x.0 GHz 신호와 혼합하여 최종 LO2 신호를 생성하였다. 이 LO2 신호는 탐색기 중간주파수신기 LO로 사용되며, 탐색기에서 요구하는 CW 신호 및 주파수 변조가 가능한 FMCW 신호 생성이 가능케 하였다.
- 상기 설계 내용을 바탕으로 주파수 합성기를 120×120×22 mm3 크기로 제작하였고, 그림 6은 Ka 대역 주파수 합성기 제작 결과이다.
- 크기로 제작하였고, 그림 6은 Ka 대역 주파수 합성기 제작 결과이다. 파형 발생부는 FR4를 이용하여 제작하였고, Ka 대역 생성부의 증폭기 스위치 등 능동소자는 부품들의 성능 검증이 우선 수행되어야 하기 때문에 캐리어 형태로 제작하여 성능 검증 후 삽입하였고, 여파기와 부품들 연결기판은 Duroid-6010을 사용하여 제작하였다. 그림 7은 TX 신호의 출력 전력, 주파수 스위칭 속도, 위상잡음, VVA 성능(최대변화량), 불요파에 대한 측정 결과이다.
이론/모형
- 직접 디지털 합성구조가 적용되어 대함용 탐색기에 적용 가능한 저속 표적 탐지 추적용 파형과 대탄도탄용 탐색기에 적용 가능한 고속표적의 정밀 탐지 추적용 파형 등 시스템에서 요구되는 다양한 파형을 고속으로 발생 가능하고, 높은 주파수 분해능 특성이 구현되었다. 저속 표적 탐지 추적용 파형으로는 LFM (Linear Frequency Modulation) 파형을 고속표적 정밀 탐지 추적용 파형은 FMCW(Frequency Modulation Continuous Wave) 파형을 선택하였다. 그리고 직접 디지털 합성구조의 단점인 협대역 문제는 불요파가 양호한 영역을 선택하여 단점을 회피하였고, 직접 아날로그 합성법을 통해 대역폭 확장 및 주파수 상향변환을 구현하였다.
성능/효과
- 그 결과, 1 kHz 오프셋(offset)에서 약 —82 dBc/Hz로 목표 성능을 만족할 수 있음을 확인하였다.
- 위상잡음은 표 2에서 예측한 값보다 우수한 1 kHz 오프셋(offset)에서 약—93 dBc/Hz, 100 kHz 오프셋(offset)에서 —98 dBc/Hz가 측정되었다.
- 제안된 주파수 합성기에서는 간접 아날로그 합성과 직접 디지털합성법이 결합한 구조보다 주파수 스위칭 시간이 우수하고, 극히 미세한 주파수 분해능 구현이 가능한 직접 아날로그 합성법과 직접 디지털 합성법이 결합한 구조를 적용하였다. 직접 디지털 합성구조가 적용되어 대함용 탐색기에 적용 가능한 저속 표적 탐지 추적용 파형과 대탄도탄용 탐색기에 적용 가능한 고속표적의 정밀 탐지 추적용 파형 등 시스템에서 요구되는 다양한 파형을 고속으로 발생 가능하고, 높은 주파수 분해능 특성이 구현되었다. 저속 표적 탐지 추적용 파형으로는 LFM (Linear Frequency Modulation) 파형을 고속표적 정밀 탐지 추적용 파형은 FMCW(Frequency Modulation Continuous Wave) 파형을 선택하였다.
- 출력전력은 +12.9 dBm±1.0 dB, 불요파는—44 dBc, 출력 가변량은 최대 52 dB가 측정되었다.
- 측정 결과는 0.456 μsec로 기존 PLL 구조와 비교하여 상당히 빠른 시간에 주파수가 변경되는 것을 확인하였다.
- 표 3은 목표성능 대비 측정 결과를 비교하였고, 내용과 같이 목표성능을 만족하는 것을 확인하였다.
- 표 4에서 기존 발표된 주파수 합성기 논문과 비교하였듯이, 본 주파수 합성기는 자체 파형 생성이 가능하고, DDS chip 출력을 바로 적용하였기 때문에, PLL 구조가 적용된 비교논문들에 비해 월등히 빠른 주파수 스위칭 속도, 주파수 해상도를 확보하였고, 위상잡음도 비교논문들에 비해 향상된 성능을 확인하였다.
후속연구
- 또한, 소형화를 고려하여 120×120×22 mm3 크기에 설계 제작하였고, CPW 구조를 적용하여 Ka 대역 부품들의 부정합에 의해 발생하는 손실을 최소화하도록 설계하였다. 향후에는 현 구조에서 체배 구조를 추가 적용하여 대역폭 확장에 대한 연구를 진행할 예정이며, 레이더 체계 및 유도탄 체계 환경 특히 위상잡음이 민감한 진동환경에 적합한 주파수 합성기 구조에 대해서도 연구할 예정이다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.