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문제 정의
- 본 논문은 DDS chip AD9914 과 AD9913을 적용하여 외부에서 인가되는 파형 없이 DDS 제어를 통해 시스템에서 원하는 LFM 파형, 위상변조 가능한 FMCW 파형 등을 고속으로 생성할 수 있는 주파수합성기를 설계 제작하였다. 또한 소형화를 고려하여 파형발생부 와 주파수 상향 변환부를 하나의 모듈로 하여 설계 제작하였고 CPW 구조를 적용하여 Ka 대역 부품들의 부정합에 의해 발생하는 손실을 최소화하도록 설계하였다.
제안 방법
- Ka 대역 신호를 생성하기 위하여 먼저 파형 발생부 출력을 2체배 한 후 이 신호을 PLVCO 와 혼합 신호들의 출력을 혼합하였고 이 신호를 다시 2체배 하여 TX 관련 신호를 생성하였다. 또한 TX 관련 된 신호에서 X GHz만큼 하향 변화 하여 3x.
- 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 시스템 기준 신호를 발생하고 SRD(Step Recovery Diode)와 주파수체배기를 이용하여 파형 발생부의 AD9914 기준 신호와 주파수합성기 내부에서 필요로 하는 2.7 GHz(fSYSCLK), X.X GHz 주파수를 생성하였다.
- 기준 신호 생성부에서는 진동 민감도 1×10-9/g의 크리스털을 이용하고 온도 보상 회로를 적용하여 100 MHz 출력을 가지는 TCXO를 자체 제작하였다.
- 상기 설계 내용을 바탕으로 그림 5과 같이 Ka 대역 주파수합성기 제작하였다. 기준 주파수 생성부, 파형 발생부, 직접 주파수 합성부, 전원 및 제어 회로는 FR4를 이용하여 제작하였고 Ka 대역 생성부는 MMIC 형태의 부품을 다수 적용하였고 PCB Duroid-6010을 사용하여 제작하였다.
- Ka 대역 생성부의 위상 잡음은 파형 발생부 신호와 PLVCO 신호가 혼합된 신호에 4 체배된 결과지만 PLVCO 위상잡음이 파형 발생부 위상잡음 보다 10 dBc이상 높으므로 Ka 대역 생성부의 위상 잡음은 PLVCO 위상잡음에 의해 결정된다. 또한 Ka 대역 회로의 직접화 및 손실을 최소화 하기 위해PCB 상에 직접 장착이 가능한 MMIC 형태의 부품을 다수 적용하였다. 일반적으로 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 파형발생부 와 주파수 상향 변환부를 하나의 모듈로 하여 설계 제작하였고 CPW 구조를 적용하여 Ka 대역 부품들의 부정합에 의해 발생하는 손실을 최소화하도록 설계하였다. 또한 MMIC를 최대한 적용하여 Ka 대역 회로를 소형 직접화 하였다. 향후에는 레이더 체계 및 유도탄 체계 환경 특히 위상잡음이 민감한 진동환경에 적합한 주파수합성기 구조에 대해서도 연구할 예정이다.
- 본 논문은 DDS chip AD9914 과 AD9913을 적용하여 외부에서 인가되는 파형 없이 DDS 제어를 통해 시스템에서 원하는 LFM 파형, 위상변조 가능한 FMCW 파형 등을 고속으로 생성할 수 있는 주파수합성기를 설계 제작하였다. 또한 소형화를 고려하여 파형발생부 와 주파수 상향 변환부를 하나의 모듈로 하여 설계 제작하였고 CPW 구조를 적용하여 Ka 대역 부품들의 부정합에 의해 발생하는 손실을 최소화하도록 설계하였다. 또한 MMIC를 최대한 적용하여 Ka 대역 회로를 소형 직접화 하였다.
- [2] 간접 디지털 합성법은 불요파 특성이 우수하고 고 분해능 주파수 합성이 가능하나 주파수 스위칭 시간이 매우 느리고 VCO 와 디지털 회로들에 의해 위상잡음이 저하되는 단점이 있다. 본 논문에서는 주파수 스위칭 시간이 우수하고 극히 미세한 주파수 분해능 구현이 가능한 직접 아날로그 합성법과 직접 디지털 합성법이 결합한 구조를 적용하였다. 직접 디지털 합성구조가 적용되어 다양한 표적에 대하여 대응할 수 있는 다양한 파형을 고속으로 발생 가능하고 높은 분해능 특성이 구현되었다.
- 이런 간격 및 깊이에 의해 부정합이 발생하고 이런 부정합으로 인해 주파수가 높아질수록 반사손실은 커지게 된다. 부득이 하게 필터 입출력 부분에만 이런 부정합이 발생하였으나 연결 시 CPW 형태의 구조를 이용하여 손실을 최소화 하였다.
- 측정 방법은 주파수합성기 출력 주파수를 최소 주파수로 설정하고 신호발생기 출력은 중심주파수(f0)로 설정한 후 두 신호를 하향 변환하여 500 MHz 까지 신호를 낮춘다. 이후 주파수합성기 출력을 중심주파수(f0)로 변경하여 주파수 변경 명령어 기준으로 하향 변환된 신호가 0 Hz로 변경되는 시점을 측정하였다. 측정 결과는 0.
- XGHz 신호와 혼합하고 상향 변환된 신호 만 추출하여 Ka 대역 생성부의 IF 신호로 사용하였다. 직접 디지털 주파수 합성부는 AD9913을 사용하여 FMCW, CW 신호 생성이 가능한 LO2 신호를 생성하였다. AD9914 내부의 주파수 분배회로를 이용하여 생성된 신호를 AD9913 기준 신호로 사용하였고 이 신호로 중심주파수 2x MHz 대역폭 10 MHz 신호를 생성하였다.
- 이 중 주파수 스위칭 속도는 주파수 제어 신호 기준으로 주파수가 변경되는 시간을 측정한 결과 이다. 측정 방법은 주파수합성기 출력 주파수를 최소 주파수로 설정하고 신호발생기 출력은 중심주파수(f0)로 설정한 후 두 신호를 하향 변환하여 500 MHz 까지 신호를 낮춘다. 이후 주파수합성기 출력을 중심주파수(f0)로 변경하여 주파수 변경 명령어 기준으로 하향 변환된 신호가 0 Hz로 변경되는 시점을 측정하였다.
- 파형 발생부에서는 AD9914을 사용하여 중심주파수 150 MHz 대역폭 250 MHz 신호를 생성하고 LFM, 위상변조 FMCW, 파형을 생성하도록 구현하였다.
대상 데이터
- AD 9914 에서 발생된 신호는 기준 신호 생성부 X.XGHz 신호와 혼합하고 상향 변환된 신호 만 추출하여 Ka 대역 생성부의 IF 신호로 사용하였다. 직접 디지털 주파수 합성부는 AD9913을 사용하여 FMCW, CW 신호 생성이 가능한 LO2 신호를 생성하였다.
- 직접 디지털 주파수 합성부는 AD9913을 사용하여 FMCW, CW 신호 생성이 가능한 LO2 신호를 생성하였다. AD9914 내부의 주파수 분배회로를 이용하여 생성된 신호를 AD9913 기준 신호로 사용하였고 이 신호로 중심주파수 2x MHz 대역폭 10 MHz 신호를 생성하였다. 기준 신호 생성부의 X.
- Ka 대역 신호를 생성하기 위하여 먼저 파형 발생부 출력을 2체배 한 후 이 신호을 PLVCO 와 혼합 신호들의 출력을 혼합하였고 이 신호를 다시 2체배 하여 TX 관련 신호를 생성하였다. 또한 TX 관련 된 신호에서 X GHz만큼 하향 변화 하여 3x.x GHz 의 LO1 신호를 생성하였다. Ka 대역 생성부의 위상 잡음은 파형 발생부 신호와 PLVCO 신호가 혼합된 신호에 4 체배된 결과지만 PLVCO 위상잡음이 파형 발생부 위상잡음 보다 10 dBc이상 높으므로 Ka 대역 생성부의 위상 잡음은 PLVCO 위상잡음에 의해 결정된다.
이론/모형
- 직접 디지털 합성구조가 적용되어 다양한 표적에 대하여 대응할 수 있는 다양한 파형을 고속으로 발생 가능하고 높은 분해능 특성이 구현되었다. 다양한 파형 중 LFM (Linear Frequency Modulation) 파형, 위상변조 가능한 FMCW(Frequency Modulation Continuous Wave) 파형을 선택하였다.
성능/효과
- [2] 간접 아날로그 합성법은 일반적으로 PLL (Phase Locked Loop)로 불리며 불요파 신호 레벨특성이 우수하고 직접합성법보다 스위칭 시간이 느리며 동기회로가 필요하고 VCO 위상잡음에 제약이 존재하므로 고속으로 동작하는 코히어런트 펄스 도플러 레이다용으로 사용하기에는 한계가 있다.[2] 간접 디지털 합성법은 불요파 특성이 우수하고 고 분해능 주파수 합성이 가능하나 주파수 스위칭 시간이 매우 느리고 VCO 와 디지털 회로들에 의해 위상잡음이 저하되는 단점이 있다. 본 논문에서는 주파수 스위칭 시간이 우수하고 극히 미세한 주파수 분해능 구현이 가능한 직접 아날로그 합성법과 직접 디지털 합성법이 결합한 구조를 적용하였다.
- 191 nsec로 고속으로 주파수가 변경되는 것을 확인하였다. 위상잡음은 목표값보다 우수한 1 kHz 오프셋(offset)에서 약-89 dBc/Hz, 100 kHz 오프셋(offset)에서 -101 dBc/Hz가 측정되었다. 출력전력은 +15.
- 본 논문에서는 주파수 스위칭 시간이 우수하고 극히 미세한 주파수 분해능 구현이 가능한 직접 아날로그 합성법과 직접 디지털 합성법이 결합한 구조를 적용하였다. 직접 디지털 합성구조가 적용되어 다양한 표적에 대하여 대응할 수 있는 다양한 파형을 고속으로 발생 가능하고 높은 분해능 특성이 구현되었다. 다양한 파형 중 LFM (Linear Frequency Modulation) 파형, 위상변조 가능한 FMCW(Frequency Modulation Continuous Wave) 파형을 선택하였다.
- 이후 주파수합성기 출력을 중심주파수(f0)로 변경하여 주파수 변경 명령어 기준으로 하향 변환된 신호가 0 Hz로 변경되는 시점을 측정하였다. 측정 결과는 0.191 nsec로 고속으로 주파수가 변경되는 것을 확인하였다. 위상잡음은 목표값보다 우수한 1 kHz 오프셋(offset)에서 약-89 dBc/Hz, 100 kHz 오프셋(offset)에서 -101 dBc/Hz가 측정되었다.
- 표3에서 기존 발표된 주파수합성기 논문과 비교하였듯이 본 주파수합성기는 자체 파형 생성이 가능하고 DDS chip 출력을 바로 적용하였기 때문에 PLL 구조가 적용된 비교논문들에 비해 월등히 빠른 주파수 스위칭속도, 주파수 해상도를 확보하였고 위상잡음도 비교논문들에 비해 향상된 성능을 확인하였다.
후속연구
- 또한 MMIC를 최대한 적용하여 Ka 대역 회로를 소형 직접화 하였다. 향후에는 레이더 체계 및 유도탄 체계 환경 특히 위상잡음이 민감한 진동환경에 적합한 주파수합성기 구조에 대해서도 연구할 예정이다.
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