[논문]다기능 레이더용 주파수합성기 개발

이희민; 최재흥; 한일탁

doi:10.6109/jkiice.2018.22.8.1099

다기능 레이더용 주파수합성기 개발
Development of the Frequency Synthesizer for Multi-function Radar 원문보기

한국정보통신학회논문지 = Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, v.22 no.8, 2018년, pp.1099 - 1106

이희민 (Radar.PGM R&D Division, Hanwha Systems) , 최재흥 (Radar.PGM R&D Division, Hanwha Systems) , 한일탁 (Agency for Defense Development)

초록
AI-Helper

본 논문은 장거리 다기능레이더용 주파수합성기 개발에 관한 것으로 다기능레이더 체계의 기능 및 성능을 보장하기 위해 필요한 주파수합성기 성능지표를 도출하고 분석하였다. 다기능레이더는 위상배열 전자 스캔 방식을 적용한 레이더체계이고, 주파수합성기는 STALO를 포함하여 다기능레이더에 필요한 다양한 주파수신호를 합성하는 역할을 수행한다. 다기능레이더 요구사항 분석을 통해 최적의 주파수합성 방식을 선택하고, 회로크기를 포함한 성능 및 기능을 최적화하였다. 도출된 MFR용 주파수합성기 개발규격을 만족하기 위해 DDS-driven Offset-PLL(Phase Locked Loop) 방식을 사용하여 낮은 위상 잡음과 빠른 주파수 고정 시간, 우수한 불요파 특성을 갖는 주파수 합성기를 설계 및 제작하였다. 제작된 다기능 레이더용 주파수합성기는 위상잡음 -131dBc/Hz@100kHz 이하, 주파수 고정시간 $4.1{\mu}s$ 이하의 성능을 측정하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we developed and then analyzed the specifications of the frequency synthesizer which was applied to long range MFR (Multi-function Radar). These specifications were able to guarantee the functions and performance of MFR. MFR was the radar system that used phase array for electronically scanning. This frequency synthesizer made various frequency signals including to STALO (Stable Local Oscillator) for MFR. By analyzing the MFR requirements, we choose the optimal frequency synthesis method and then we got the best performance and functionality including to physical size for this system. We designed and fabricated DDS (Direct Digital Synthesizer)-driven Offset-PLL (Phase Locked Loop) synthesizer to meet the requirements which were low phase noise, fast switching time and low spurious. This synthesizer had less than -131dBc/Hz@100kHz phase noise and less than $4.1{\mu}s$ switching time, respectively.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

주파수합성기는 레이더체계뿐만 아니라 일반적인 통신체계에서 국부신호 포함 체계 운용에 필요한 다양한 주파수 신호를 발생하는 장치이다. 본 논문에서는 다기능레이더 체계의 성능을 보장하기 위한 주파수합성기 규격을 도출하고, 그 요구사항을 만족하도록 설계 및 제작하여, 측정한 결과에 대해 기술하였다.
본 논문은 다기능레이더 안테나세트의 핵심 장치 중 하나인 주파수합성기에 관한 것이다. 주파수합성기는 레이더체계뿐만 아니라 일반적인 통신체계에서 국부신호 포함 체계 운용에 필요한 다양한 주파수 신호를 발생하는 장치이다.

제안 방법

ADS 시뮬레이터의 PLL 모델을 적용하였고, –130 dBc/Hz @100kHz의 결과를 얻었다.
1μs 대의 빠른 시간 내에 주파수 이동이 가능하다. PLL 회로를 구현하여 대역내 불요파를 효과적으로 최소화하고, DDS driven 방식을 통해 채널 해상도를 구현하였으며, Offset-mixing 방식을 추가하여 PLL 회로의 위상잡음 특성을 개선하였다.
STALO 신호의 주파수는 그림 4와 같이 송/수신 주파수 플랜 분석을 통해 선택하였다. 주파수 플랜 분석 시 제작 가능한 필터 규격을 고려하였으며, 불요파 규격은 수신기 동적영역 이하로 규정하였다.
가로×세로 모듈 크기는 230×230mm이다. 각종 노이즈와 불요파 성분을 억압하기 위해 디지털회로(DDS 및 제어부)와 아날로그회로(PLL 및 VCO)를 분리하여 제작하고, 기구적으로는 격벽을 반영하였다.
개발한 주파수합성기를 다기능레이더에 적용하여 송신 신호를 생성하고, 성능을 측정하였다. 식별된 요구사항 분석을 통해 최적의 주파수합성 방식을 선택하고, 성능 및 기능, 회로 크기 등을 최적화하였다.
다기능레이더용 주파수합성기를 설계 및 제작하였다. 다기능레이더의 성능과 기능을 만족할 수 있는 수준에서 필요한 목표 규격을 도출하고 분석하여 과도한 성능 구현을 지양하고, 규격에 부합하는 주파수합성기를 설계하였다.
다기능레이더용 주파수합성기를 설계 및 제작하였다. 다기능레이더의 성능과 기능을 만족할 수 있는 수준에서 필요한 목표 규격을 도출하고 분석하여 과도한 성능 구현을 지양하고, 규격에 부합하는 주파수합성기를 설계하였다. 야전에 배치할 장비를 개발할 경우 무조건적인 고성능 지향보다는 체계 요구사항에 부합하는 성능 최적화, 설치 환경에 대한 최적화, 개발 비용에 대한 최적화가 필요하다.
주파수 플랜 분석 시 제작 가능한 필터 규격을 고려하였으며, 불요파 규격은 수신기 동적영역 이하로 규정하였다. 또한 다기능레이더 운용주파수 범위 내에서 원하는 주파수 채널 선택이 가능하고, 다기능레이더 기능에 맞춰 빠른 주파수 이동을 할 수 있도록 주파수 이동 시간(Switching Time) 규격을 정의하였다.
그림 8은 주파수 고정시간을 시뮬레이션한 결과이다. 루프필터는 광대역 VCO의 제어전압을 조정하기 위해 능동형 3차 필터를 적용하였고, 루프 필터 대역폭은 1MHz로 설계한 결과 주파수 고정 시간은 약 6us이다. 최종 회로 제작시 루프필터 최적화 튜닝을 통해 위상잡음과 주파수 고정시간 조정이 필요할 것으로 예상한다.
마지막으로 Offset PLL 회로 구성에도 원하는 주파수 채널 간격을 얻을 수 있도록 DDS driven PLL 회로를 설계하였다. 그림 5의 C.
개발한 주파수합성기를 다기능레이더에 적용하여 송신 신호를 생성하고, 성능을 측정하였다. 식별된 요구사항 분석을 통해 최적의 주파수합성 방식을 선택하고, 성능 및 기능, 회로 크기 등을 최적화하였다.
제작한 주파수합성기를 I 장의 그림 3과 같은 다기능 레이더 안테나세트에 적용하여 레이더 송신신호(Tx)의 성능을 측정하였다.
STALO 신호의 주파수는 그림 4와 같이 송/수신 주파수 플랜 분석을 통해 선택하였다. 주파수 플랜 분석 시 제작 가능한 필터 규격을 고려하였으며, 불요파 규격은 수신기 동적영역 이하로 규정하였다. 또한 다기능레이더 운용주파수 범위 내에서 원하는 주파수 채널 선택이 가능하고, 다기능레이더 기능에 맞춰 빠른 주파수 이동을 할 수 있도록 주파수 이동 시간(Switching Time) 규격을 정의하였다.

이론/모형

다기능레이더 운용 파형은 파형발생기가 생성하는 펄스 형태의 파형이지만, 정량적인 송신 신호 성능 측정을 위해 CW 파형을 시험용으로 생성하여 사용하였다.
안정도(Stability) 규격을 만족하기 위해 Reference Oscillator는 단기간/장기간 시간변화, 공급전압 변화, 부하저항 변화, 주변 온도변화에 따라 주파수 안정도가 우수한 OCXO(Oven Controlled Crystal Oscillator)를 사용하였다.
또한 다기능레이더 성능 확보를 위해 위상잡음과 불요파 특성 또한 우수해야 한다. 이러한 성능을 모두 만족시키기 위해 아날로그 주파수합성 방식과 디지털 주파수합성 방식을 조합한 하이브리드 주파수합성 방식의 DDS driven Offset PLL 구조를 적용하였다[6-7].

성능/효과

Offset mixing 부와 같은 회로를 추가하였다. S-대역의 VCO 출력신호와 offset 주파수 신호를 혼합하여 위상비교 신호 주파수 (f_PFD)와 기준 신호 주파수(f_{ref_PLL})의 차이를 줄여서 위상 잡음을 개선하였다.
본 논문에서 개발한 주파수합성기는 DDS driven Offset PLL 구조를 적용하여, 레이더 신호 성능의 주요 지표인 운용 주파수 대역 S-대역, 채널 해상도 O MHz, 위상잡음 –131dBc/Hz@100kHz 이하, 불요파 –70dBc 이하이며, 4.1μs 대의 빠른 시간 내에 주파수 이동이 가능하다.

후속연구

루프필터는 광대역 VCO의 제어전압을 조정하기 위해 능동형 3차 필터를 적용하였고, 루프 필터 대역폭은 1MHz로 설계한 결과 주파수 고정 시간은 약 6us이다. 최종 회로 제작시 루프필터 최적화 튜닝을 통해 위상잡음과 주파수 고정시간 조정이 필요할 것으로 예상한다.
향후 다기능레이더 운용환경이나 레이더신호처리 방식에 따른 상세 요구사항을 추가 식별하여 주파수합성기를 포함한 전체 송수신 하드웨어 설계 시 반영하는 연구가 계속될 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	주파수합성기란 무엇인가?	본 논문은 다기능레이더 안테나세트의 핵심 장치 중 하나인 주파수합성기에 관한 것이다. 주파수합성기는 레이더체계뿐만 아니라 일반적인 통신체계에서 국부신호 포함 체계 운용에 필요한 다양한 주파수 신호를 발생하는 장치이다. 본 논문에서는 다기능레이더 체계의 성능을 보장하기 위한 주파수합성기 규격을 도출하고, 그 요구사항을 만족하도록 설계 및 제작하여, 측정한 결과에 대해 기술하였다.
	안테나세트의 기능은 무엇인가?	다기능레이더 체계는 그림 2와 같이 안테나세트, 운용/통제세트, 전원세트, 냉각장치세트로 구성한다. 안테나세트는 다양한 레이더 파형을 생성하고, 고주파신호로 변환/증폭한 신호를 능동형 위상배열소자를 통하여 지정된 방향으로 조향하여 외부로 방사하고, 원거리 외부표적에서 반사된 신호를 수신하여 증폭하고 디지털 데이터로 변환하는 업무를 수행한다. 안테나세트의 블록도는 그림 3과 같다.
	PLL을 사용한 아날로그 주파수합성 방식의 단점은 무엇인가?	아날로그 주파수합성 방식은 불요파 성능이 우수하고, S-대역 주파수에서는 추가적인 주파수 채배기 없이 주파수 고정이 가능하여, 회로가 간단하다. 반면에 궤환회로 특성 상 주파수 이동시간이 수~수십us 수준이고, 주파수 채널 해상도가 PLL의 기준신호 주파수, IC 내부의 분주기 값에 의해 결정되므로 설계가 어렵다. DDS를 사용한 디지털 주파수합성 방식은 출력 주파수 해상도가 우수하고, 주파수 이동 시간이 ns 단위로 매우 빠르다.

참고문헌 (8)

H. M. Yi, B. C. Jun and B. H. Lee, "Miniaturization Development of Transmit/Receive Module using a 10W MEMS switch," in Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, vol. 20, no. 12, pp. 2417-2424, Dec. 2016.

원문보기 상세보기
K. Y. Jung, "Long-range Multi-function Radar for combat technology trend and development direction," in The Proceedings of the Korea Electromagnetic Engineering Society, vol. 25, no. 2, pp. 21-29, Mar. 2014.
W. L. Melvin and J. A. Scheer, Advanced Principles of Modern Radar : Vol. III Radar Applications, Edison, NJ: SciTech Publishing, 2014.
M. A. Richards, J. A. Scheer and W. A. Holm, Advanced Principles of Modern Radar : Vol. I Basic Principles, Edison, NJ: SciTech Publishing, 2010.
W. Kester, Advanced The Data Conversion Handbook, Burlington, MA: Elsevier and Newnes, 2005.
J. H. Choi, H. M. Yi, J. Y. Park and I. T. Han, "Frequency Synthesizer Design Using DDS Driven Offset PLL", in 2016 Korea Institute of Military Science and Technology Fall Conference, pp. 33-34, Nov. 2016
J. H. Lim, S. C. Song, "Design and Fabrication of a Offset-PLL with DAC", The Journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, vol. 22, no. 2, pp. 258-264, Feb. 2011.

원문보기 상세보기
D. Banerjee, PLL Performance, Simulation and Design, 5th ed. Indianapolis, IN: Dog Ear Publishing, 2017.

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].

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