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문제 정의
- 현재 국내의 Ku대역 송/수신 모듈설계 기술은 빈약한 수준이며, 설계 및 제작 기술을 해외에 의존하고 있는 실정이다. 따라서, 본 논문에서는 직사각형 도파관과 평면 회로로 전자파를 결합하기 위한 전이구조로 Antipodal Fin-Line과 서스펜디드 스트립라인(Suspended Stripline)을 이용한 Ku대역 추적레이더의 핵심부품인 수신단 믹서를 개발하였다[6].
- 본 논문에서는 기존에 단일 종단(Single-Ended) 및 단일 평형(Single-Balanced) 믹서의 문제점을 보완하고 성능을 개선하기 위해 새로운 회로를 제안하였다. 기존의 단일 종단 믹서의 경우 변환손실 특성은 양호하지만 낮은 LO-RF 격리도 특성을 갖고 있으며, 단일 평형 믹서는 커플러를 사용하여 높은 LO-RF 격리도 특성을 갖지만 커를러 삽입으로 인해 변환손실 특성이 저하된다[8, 9].
제안 방법
- 시험용 믹서의 측정은 그림16과 같이 구성을 하여 RF출력 결과값을 이용하여 성능 검증을 진행하였다. 5dBm의 LO입력과 0dBm의 IF입력에 대한 RF출력으로 변환손실(Signal Power)을 확인하였다.
- 믹서의 측정은 그림20과 같이 구성을 하여 IF출력 결과값으로 성능검증을 수행하였다. 5dBm의 LO입력과 0dBm의 RF입력에 대한 IF출력의 변환이득과 NF(Noise Figure)를 확인하였다.
- 도파관 WR-62(TE 모드)로 신호가 입력되어 Antipodal Fin-Line구조를 통해 마이크로스트립라인(TEM 모드)으로 변환되어 신호가 출력되는 형태이다. Fin-Line 구조의 두께와 간격을 조절하여 원하는 주파수 대역인 14.74GHz ~ 15.37GHz 사이에서 매칭을 하였다. 또한 Fin-Line 구조 후 50Ω 마이크로스트 립라인 구조를 구현하기 위해 인쇄회로기판 뒤편에 그라운드를 형성하였다.
- IF신호를 저잡음 증폭시키기 위해 이득(Gain) 15dB, 잡음지수(Noise Figure) 1.5dB의 잡음지수가 우수한 소자(MA-COM, MAAL-011078)를 사용하였으며, 저잡음증폭부는 증폭기 구동을 위한 바이어스단(Bias Section)과 도파관 믹서의 IF신호를 50Ω 스트립라인으로 전달하는 과정에서 발생하는 부정합 교정을 위한 정합단으로 구성되어 있다.
- LO신호단과 RF신호단 연결부 사이에 다이오드를 장착하여 두 신호의 믹싱(Mixing)을 유도하고, 다이오드의 비선형 특성에 의해 혼합된 신호의 주파수가 변환되어 IF필터부로 신호가 전달되도록 하였다. 다이오드의 비선형 특성을 극대화하기 위해 매칭이 필요하며, 최종적인 매칭을 위해 RF신호단에 스터브(Stub)를 포함하여 임피던스 조절이 가능 하도록 설계하였다.
- RF신호단 또한 LO신호단과 유사한 구조를 지니고 있어 도파관 WR-62(TE 모드)로 신호가 입력되고 Fin-Line구조를 통해 마이크로스트립라인(TEM 모드)로 변환되어 신호가 출력되는 구조이다. LO신호단과 동일하게, Fin-Line 구조의 두께 변화 및 간격 조절로 원하는 주파수 대역인 16.18GHz ~ 16.81GHz 사이에서 매칭을 하였다. 그림4는 설계한 RF신호단에 대한 EM시뮬레이션 결과이다.
- LO신호단은 15GHz 대역의 신호가 통과되도록 설계하였다. 도파관 WR-62(TE 모드)로 신호가 입력되어 Antipodal Fin-Line구조를 통해 마이크로스트립라인(TEM 모드)으로 변환되어 신호가 출력되는 형태이다.
- RF신호단은 신호가 16.5GHz 대역에서 통과하도록 설계하였다. RF신호단 또한 LO신호단과 유사한 구조를 지니고 있어 도파관 WR-62(TE 모드)로 신호가 입력되고 Fin-Line구조를 통해 마이크로스트립라인(TEM 모드)로 변환되어 신호가 출력되는 구조이다.
- 1은 변환손실이 크고 IF신호 변환시 출력 평탄도의 개선이 필요하였다. Ver.2는 RF부의 Fin-Line 테이퍼구조의 슬롯(Slot) 폭을 넓히고, 선로부에 스터브를 삽입하여 정합도를 향상시켜 변환손실 및 평탄도를 개선하였다. Ver.
- LO신호단과 RF신호단 연결부 사이에 다이오드를 장착하여 두 신호의 믹싱(Mixing)을 유도하고, 다이오드의 비선형 특성에 의해 혼합된 신호의 주파수가 변환되어 IF필터부로 신호가 전달되도록 하였다. 다이오드의 비선형 특성을 극대화하기 위해 매칭이 필요하며, 최종적인 매칭을 위해 RF신호단에 스터브(Stub)를 포함하여 임피던스 조절이 가능 하도록 설계하였다. 그림7은 본 연구에서 제작한 시험용 믹서모듈이며, 크기는 60mm x 34mm x 39mm 이다.
- 고주파헤드는 고각 신호 1채널, 방위각 신호 1채널,합신호 1채널로 총 3채널 믹서로 구성되어 있으며, 각각의 믹서들은 수신신호에 대한 RF신호를 입력받아 IF신호로 변환하여 수신부로 전달하는 역할을 한다. 도파관의 설계 및 PCB 전환 설계 기술 등을 이용하여 Ku대역의 RF신호를 인가 받아 L대역의 IF신호로 하향 변환하여 IF수신기로 신호가 전달되도록 설계하였다. 또한 비선형 회로 설계 및 구동 증폭기 설계기술을 통해 도파관 내부에 다이오드를 접합시켜 RF신호와 LO신호의 차신호인 IF신호를 출력하도록 설계하고, 필터 설계 및 잡음 제어설계를 이용하여 IF신호에 대한 하모닉 제거와 잡음을 제거하여, 표2의 요구 성능을 목표로 설계하였다.
- 시험용 믹서는 리미터가 정상 동작하는지 확인하기 위한 것으로, RF신호를 생성하여 리미터로 송신한다. 도파관의 설계 및 PCB 전환 설계기술 등을 기반하여 WR-62도파관 형태로 Ku대역의 LO신호 및 L대역의 IF신호를 인가받아 Ku대역의 RF신호를 생성하도록 하였으며, 추적레이더에 적용하기 위해서 표1의 요구성능을 목표로 설계하였다.
- 모드 변환을 위한 트랜스포머(B)는 인쇄회로기판 패턴으로 구현하였다. 또한 IF 신호단으로 높은 고주파 신호가 흘러가는 것을 차단하기 위해 Low Pass Filter(C)를 추가하였다.
- 도파관의 설계 및 PCB 전환 설계 기술 등을 이용하여 Ku대역의 RF신호를 인가 받아 L대역의 IF신호로 하향 변환하여 IF수신기로 신호가 전달되도록 설계하였다. 또한 비선형 회로 설계 및 구동 증폭기 설계기술을 통해 도파관 내부에 다이오드를 접합시켜 RF신호와 LO신호의 차신호인 IF신호를 출력하도록 설계하고, 필터 설계 및 잡음 제어설계를 이용하여 IF신호에 대한 하모닉 제거와 잡음을 제거하여, 표2의 요구 성능을 목표로 설계하였다.
- 다음 그림1은 추적레이더 수신단 구조에 대한 것으로, 본 논문에서는 추적레이더의 핵심 구성품인 고주파헤드의 수신단 믹서 설계에 대해서 다룬다. 믹서는 변환이득을 갖는 능동 믹서와 변환손실을 갖는 수동 믹서 구분되며[7], 본 논문에서는 수동 믹서 형태로 개발하였다.
- 추적레이더 수신단 고주파헤드의 믹서는 합신호 1채널(SUM)과 차신호 2채널(EL, AZ)로 구성되어 수신 신호에 대한 고도, 방위, 속도에 대한 표적 정보를 획득하고, 획득한 RF신호를 IF신호로 변환하여 수신부로 전달하는 역할을 한다. 본 논문에서는 Fin-Line 구조를 가진 평형 믹서 구조를 이용하여 통해 낮은 변환손실을 가지면서 분리된 LO, RF 포트를 통해 높은 격리도 특성을 갖는 Ku 대역 믹서를 설계하였다. 제작된 믹서는 추적레이더에서 요구하는 성능을 모두 만족하는 것으로 확인하였다.
- 본 논문의 믹서는 Fin-Line 구조를 가진 평형 믹서형태를 이용하여 낮은 변환손실을 가지면서 분리된 LO, RF 포트를 통해 높은 격리도 특성을 갖도록 설계하였다. LO부의 도파관과 평면 회로간의 전이 구조는 Antipodal Fin-Line 구조를 이용하였고, RF부의 천이구조는 Fin-Line 테이퍼(Taper)구조를 이용하였으며, 낮은 변환손실를 위한 매칭은 서스펜디드 스트립라인을 이용하였다.
- 시험용 믹서는 HFSS(High Frequency Structure Simulator) 프로그램을 이용하여 도파관 사이에 인쇄 회로기판이 삽입된 상태를 구현한 후 LO신호단(15GHz), RF신호단(16.5GHz), IF신호단(1440MHz)으로 특정 주파수 대역의 신호가 통과하도록 구현하였다.
- 먼저 그림2와 같이 입력 및 출력단(A)은 도파관 WR-62로 TE모드로 구성하였다. 신호가 TE 모드로 전송 중에 마이크로스트립라인(Microstrip Line)과 만나면서 TEM 모드로 변환하도록 하였다. 모드 변환을 위한 트랜스포머(B)는 인쇄회로기판 패턴으로 구현하였다.
- 81GHz 신호는 매칭되도록 하였다. 앞선 설계와 유사하게 LO신호 구간과 RF신호 구간이 마이크로스트립라인으로 연결되어 있으며, Fin-Line구조의 두께와 간격을 조정하고 마이크로스트립라인의 그라운드 부분을 조절하여 신호를 매칭을 하였다. 그림5는 설계한 정합변환부에 대한 EM시뮬레이션 결과이다.
- 정합변환부는 LO신호단과 RF신호단의 구조를 결합하여 LO신호구간인 14.74GHz ~ 15.37GHz 신호를 차단하고, RF 구간인 16.18GHz ~ 16.81GHz 신호는 매칭되도록 하였다. 앞선 설계와 유사하게 LO신호 구간과 RF신호 구간이 마이크로스트립라인으로 연결되어 있으며, Fin-Line구조의 두께와 간격을 조정하고 마이크로스트립라인의 그라운드 부분을 조절하여 신호를 매칭을 하였다.
- 2의 단점은 미세한 가공 오차에도 성능이 크게 변하는 구조로 설계되어 제작에 어려움이 있다. 최종 Ver.3에서는 LO부의 Antipodal Fin-Line구조 변경을 통해 평탄도를 향상시켰으며, 변환손실을 줄이기 위한 정합구조의 단순화를 통해 생산성을 개선하였다.
- 최종 설계는 부품의 개별 성능 확인 후 최종성능을 확보하기 위해 튜닝 및 재설계 과정을 진행하였으며, 온도 변화에 대한 보상 및 조립시 발생하는 부정합 특성을 개선하기 위해 각 연결부에 매칭소자를 추가하였다. 최종 제작된 믹서의 내부 및 외부 형상 및 내부 인쇄회로기판 형상은 각각 그림14, 15와 같다.
대상 데이터
- 다이오드의 비선형 특성을 극대화하기 위해 매칭이 필요하며, 최종적인 매칭을 위해 RF신호단에 스터브(Stub)를 포함하여 임피던스 조절이 가능 하도록 설계하였다. 그림7은 본 연구에서 제작한 시험용 믹서모듈이며, 크기는 60mm x 34mm x 39mm 이다.
- 시험용 믹서와 유사하게, Ku대역 5개 샘플 주파수를 대상으로 믹서의 성능을 측정하였다. 믹서의 이득은 그림21과 같이 4.
데이터처리
- 믹서의 측정은 그림20과 같이 구성을 하여 IF출력 결과값으로 성능검증을 수행하였다. 5dBm의 LO입력과 0dBm의 RF입력에 대한 IF출력의 변환이득과 NF(Noise Figure)를 확인하였다.
- 시험용 믹서의 측정은 그림16과 같이 구성을 하여 RF출력 결과값을 이용하여 성능 검증을 진행하였다. 5dBm의 LO입력과 0dBm의 IF입력에 대한 RF출력으로 변환손실(Signal Power)을 확인하였다.
이론/모형
- IF필터(저역통과필터)는 인쇄회로기판 패턴을 이용하여 CST(Computer Simulation Technology) 시뮬레이션 프로그램을 사용하여 설계하였다. 그림6은 설계한 IF필터부에 대한 EM시뮬레이션 결과이다.
- 본 논문의 믹서는 Fin-Line 구조를 가진 평형 믹서형태를 이용하여 낮은 변환손실을 가지면서 분리된 LO, RF 포트를 통해 높은 격리도 특성을 갖도록 설계하였다. LO부의 도파관과 평면 회로간의 전이 구조는 Antipodal Fin-Line 구조를 이용하였고, RF부의 천이구조는 Fin-Line 테이퍼(Taper)구조를 이용하였으며, 낮은 변환손실를 위한 매칭은 서스펜디드 스트립라인을 이용하였다.
성능/효과
- 시험용 믹서와 유사하게, Ku대역 5개 샘플 주파수를 대상으로 믹서의 성능을 측정하였다. 믹서의 이득은 그림21과 같이 4.159 ~ 4.676dB, NF는 6.823dB로 측정되어 표4와 같이 추적레이더에서 요구하는 성능을 만족하는 것을 확인하였다.(믹서 측정에 사용된 필터와 어댑터의 손실은 약 1.
- 시험용 믹서에 대해 Ku대역 5개 샘플 주파수의 신호세기를 측정한 결과 그림17과 같이 –9.14 ~7.17dBm으로 확인되었고, 스퓨리어스 측정 결과는 그림18과 같이 49.88dBc, LO제거도는 그림19와 같이 41.75dB으로 측정되었으며, 표3과 같이 추적레이더에서 요구하는 성능을 모두 만족하는 것을 확인하였다.
- 본 논문에서는 Fin-Line 구조를 가진 평형 믹서 구조를 이용하여 통해 낮은 변환손실을 가지면서 분리된 LO, RF 포트를 통해 높은 격리도 특성을 갖는 Ku 대역 믹서를 설계하였다. 제작된 믹서는 추적레이더에서 요구하는 성능을 모두 만족하는 것으로 확인하였다.
후속연구
- 본 논문의 연구결과는 유사대역의 레이더 및 민간 분야에도 활용 가능할 것으로 판단된다. 아울러 추적레이더는 송신하는 고출력 신호에 의한 안테나 부품 손상을 방지하기 위한 Ku대역 리미터가 필요하며, 이에 대한 추가적인 연구가 이루어져야 할 것을 기대된다.
- 본 논문의 연구결과는 유사대역의 레이더 및 민간 분야에도 활용 가능할 것으로 판단된다. 아울러 추적레이더는 송신하는 고출력 신호에 의한 안테나 부품 손상을 방지하기 위한 Ku대역 리미터가 필요하며, 이에 대한 추가적인 연구가 이루어져야 할 것을 기대된다.
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