[논문]고해상도 강수 관측을 위한 K-대역 전파강수계 송수신기 설계 및 구현

최정호; 임상훈; 박형삼; 이배규

doi:10.6109/jkiice.2020.24.5.646

고해상도 강수 관측을 위한 K-대역 전파강수계 송수신기 설계 및 구현
Design and Implementation K-Band EWRG Transceiver for High-Resolution Rainfall Observation 원문보기

한국정보통신학회논문지 = Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, v.24 no.5, 2020년, pp.646 - 654

최정호 (Department of Mechatronics Engineering, Chosun College of Science & Technology) , 임상훈 (Department of Land, Water and Environment Research, Korea Institute of Civil engineering and Building Technology) , 박형삼 (Department of Computer Engineering, Chonnam National University) , 이배규 (Department of Mechatronics Engineering, Chosun College of Science & Technology)

초록
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이 논문은 강수의 공간분포를 측정할 수 있는 전자파 기반 센서를 개발하는 것이며, 악천후 관측의 핵심인 강우, 강설, 바람장을 동시 측정할 수 있는 전파강수계(EWRG, Electromagnetic Wave Rain Gauge)에 관한 것이다. 본 연구를 통해 LFM 방식의 송수신 신호를 이론적으로 분석하였다. 또한 전파강수계 송수신기를 개발하기 위해서 LFM 송수신기 설계 및 모의실험을 수행하였다. 본 논문은 소형 HMIC(Hybrid Microwave Integrated Circuit)를 사용하여 K-BAND 펄스 구동 형 6W SSPA(Solid State Power Amplifiers) 송수신기 개발을 하였다. 65도의 고온의 환경에서 1%의 짧은 Duty를 가지는 6W 이상의 출력파워, 5dB이하의 수신 NF(Noise Figure)를 가지고 있다. 제작된 모듈은 파형발생부가 내장되어 LFM과 Square Pulse파형을 방출하며 수신부는 40dB이상의 수신 이득을 가진다. 이 논문에서 개발된 송수신기는 다른 소형 기상 레이더에 적용할 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper is to develop an electromagnetic wave-based sensor that can measure the spatial distribution of precipitation, and to a electromagnetic wave rain gauge (hereinafter, "EWRG") capable of simultaneously measuring rainfall, snowfall, and wind field, which are the core of heavy rain observation. Through this study, the LFM transmission and reception signals were theoretically analyzed. In addition, In order to develop a radar transceiver, LFM transceiver design and simulation were conducted. In this paper, we developed a K-BAND pulse-driven 6W SSPA(Solid State Power Amplifiers) transceiver using a small HMIC(Hybrid Microwave Integrated Circuit). It has more than 6W of output power and less than 5dB of receiving NF(Noise Figure) with short duty of 1% in high temperature environment of 65 degrees. The manufactured module emits LFM and Square Pulse waveform with the built-in waveform generator, and the receiver has more than 40dB of gain. The transceiver developed in this paper can be applied to the other small weather radar.

주제어

표/그림 (17)

그림 Fig. 1 (a)Two unresolved targets, (b)Two resolved targets.
그림 Fig. 2 Relation of pulse width and peak power
그림 Fig. 4 Pulse compression ratio
그림 Fig. 3 LFM signal
그림 Fig. 5 Block diagram of K-Band 6Watt Pulsed Transmitter
그림 Fig. 6 90° Hybrid Balanced Amplifier
그림 Fig. 7 Pulsed SSPA power control
그림 Fig. 8 Block diagram of K-Band dual polarization receiver
그림 Fig. 9 Simulation result of the transmitter
표 Table. 1 K-band EWRG transceiver specifications
그림 Fig. 10 Transmission power measurement result by polarization
그림 Fig. 11 Transmission waveform analysis result by polarization
그림 Fig. 12 Receiver simulation result
그림 Fig. 13 NF and gain measurement results of receiver by polarization
그림 Fig. 14 Small signal response of transition structure
그림 Fig. 15 Waveguide for receiving (analysis: HFSS)
그림 Fig. 16 EWRG transceiver development

AI 본문요약
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문제 정의

본 개발에서는 전파강수계용 K-밴드 대역 6Watt Pulsed 송수신기를 설계 및 제작하였다. 전파강수계에서 요구되 어지는 고속 펄스 특성도 만족하였으며, 특히 출력의 LFM 특성과 수신기의 최소 수신레벨도 우수하게 제작 된 Pulsed 송수신기의 재현성 및 안정성을 확인할 수 있었다.

제안 방법

또한 일반 Class A RF 증폭기를 이용하고, 펄스 제어기는 시스템으로부터 트리거를 받은 후 일정 시간 이내 동작하도록 구성하였다. 그리고 그림 7과 같이 트리거 ON (High) 신호 수신시RF증폭기 구동, 트리커OFF(Low) 신호수신시 RF증폭기를 OFF하는 방식으로 구동하도록 펄스 제어기를 구성하여 송신단 전체의 전력효율을 높 였다.
즉 탐지거리와 거리분해능을 높이는 것은 서로 상반되는 것을 의미한다. 따라서 이 문제를 해결하기 위해 주파수 변조를 통한 펄스 압축을 사용하였다.
이때 수신 신호가 매우 약하기 때문에 LNA증폭부와 중간주파수 증폭부를 거쳐 40dB 이상의 이득을 가지도록 설계하였다. 또한 송신 안테나를 통해 방사시 이중 편파로 구성되어 안테나에 도달전력이 6Watt를 만족하기 위하여 종단 Divider loss 3dB를 고려하여 최종 출력을 39dBm으로 설계하였고, 전력 소모량은 송수신 통합하여 Duty 1%의 설계로 700mA이 내로 설계하였다. 전파강수계 송수신부의 정확한 목표 성능은 표 1과 같다.
펄스 제어기는 시스템 운용 모드에 맞게 증폭기의 Drain 전원을 고속 스위칭을 하도록 설계하였다. 또한 일반 Class A RF 증폭기를 이용하고, 펄스 제어기는 시스템으로부터 트리거를 받은 후 일정 시간 이내 동작하도록 구성하였다. 그리고 그림 7과 같이 트리거 ON (High) 신호 수신시RF증폭기 구동, 트리커OFF(Low) 신호수신시 RF증폭기를 OFF하는 방식으로 구동하도록 펄스 제어기를 구성하여 송신단 전체의 전력효율을 높 였다.
본 개발에서는 파형 발생기로부터 만들어진 신호를 믹싱 및 체배하여 만들어진 24.15GHz 송신 신호를 방사하였고 방사된 신호가 강우 및 강설 등 목표물에 부딪혀서 반사되어 들어오는 신호를 수신안테나를 통하여 받아들인 후 주파수 혼합기를 통해 IF주파수로 변환하여 신호처리부로 전달한다. 이때 수신 신호가 매우 약하기 때문에 LNA증폭부와 중간주파수 증폭부를 거쳐 40dB 이상의 이득을 가지도록 설계하였다.
본 논문에서는 기존 기상레이더 장비의 효율성 및 신뢰성 저하로 인해 레이더 송신기의 Klystron, TWT, Magnetron 등을 대신하여 SSPA 증폭기를 사용하고[4][5] LFM파를 송신 디지털 신호처리를 수행하여 동등 이상의 탐지 성능을 가지는 송수신기를 개발하였다.
특히 펄스 신호를 레이더 제어신호에 연동하여 동작시키는 방식으로 고효율의 송신기를 구현하고 있으며 송신 신호가 없을 경우 송신전력을 차단하여 전력 소모를 줄이는 방식을 통해 기상레이더의 전력 소모와 손실을 줄이고 있는 실정이다. 본 논문에서도 최근 레이더 응용 제품에서 요구되는 조건을 만족하는 송수신기 개발을 위해 Class A 의 선형 증폭기와 제어부의 Pulse를 사용하여 Pulse 증폭기를 개발하였고, 고주파 트랜지스터로는 최근 상용되는 GaN 소자를 [3] 이용하여 송 신부를 구현하였다.
15GHz 송신 신호를 방사하였고 방사된 신호가 강우 및 강설 등 목표물에 부딪혀서 반사되어 들어오는 신호를 수신안테나를 통하여 받아들인 후 주파수 혼합기를 통해 IF주파수로 변환하여 신호처리부로 전달한다. 이때 수신 신호가 매우 약하기 때문에 LNA증폭부와 중간주파수 증폭부를 거쳐 40dB 이상의 이득을 가지도록 설계하였다. 또한 송신 안테나를 통해 방사시 이중 편파로 구성되어 안테나에 도달전력이 6Watt를 만족하기 위하여 종단 Divider loss 3dB를 고려하여 최종 출력을 39dBm으로 설계하였고, 전력 소모량은 송수신 통합하여 Duty 1%의 설계로 700mA이 내로 설계하였다.
6GHz), 제어 및 전원, 최종 출력으로 구성되어 있다. 펄스 제어기는 시스템 운용 모드에 맞게 증폭기의 Drain 전원을 고속 스위칭을 하도록 설계하였다. 또한 일반 Class A RF 증폭기를 이용하고, 펄스 제어기는 시스템으로부터 트리거를 받은 후 일정 시간 이내 동작하도록 구성하였다.

대상 데이터

최적의 설계를 위해서는 RF 수신부에서의 잡음지수(Noise figure), 혼변조(Intermodulation), 그 외 스퓨리어스(spurious) 등 비선형 성 요소들에 대한 분석이 필요하다. 본 개발에서 수신부 블록도는 그림 8과 같으며 수신부의 인터페이스로는 동기 주파수(10MHz), Local주파수(11.6GHz), 제어 및 전원, RF 입력(24.15GHz), IF 출력(60MHz)으로 구성되며, 수직 및 수평(V/H)의 이중 편파 구조로 되어 있다.
수신 부 시뮬레이션 결과 NF가 목표치인 5dB 이내로 나옴을 예측 할 수 있었다. 수신 부 실험은 Agilent사에서 제작한 E8257D 신호생성기와 N8975A NF 분석장치를 사용하였다. 실험은 24.

이론/모형

따라서 그림 2와 같이 펄스폭을 좁히면서 동일한 송신 출력을 얻기 위해서는 펄스폭을 넓히거나 송신 출력의 Peak power를 높여야 하는데 그렇게 되면 송수신기의 크기가 커지고 전력을 많이 소모하게 되면서 레이더의 전체적인 시스템이 커지는 문제점을 가지게 된다. 따라서 펄스폭을 좁히지 않고 거리분해능을 향상시키기 위해서 전송 펄스 내에 주파수가 선형으로 증가하는 LFM(Linear Frequency Modulation)방식을 사용하여 주파수를 변조하여 전송한다.

성능/효과

그림 13의 (a), (b)는 각각 H, V편파 채널에 대한 측정 결과이다. H 채널에서는 NF가 4.34dB 이내, 이득은 45.8dB 이상이 나오는 것을 확인했으며, V 채널에서는 NF가 4.34dB 이내, 이득은 46.1dB 이상의 결과값으로 시뮬레이션 데이터와 거의 유사한 결과를 확인하였다.
전파강수계에서 요구되 어지는 고속 펄스 특성도 만족하였으며, 특히 출력의 LFM 특성과 수신기의 최소 수신레벨도 우수하게 제작 된 Pulsed 송수신기의 재현성 및 안정성을 확인할 수 있었다. 또한 수신부의 디지털 감쇠기를 사용하여 수신단의 이득을 0.5dB 단위로 조정하여 수신이득편파를 줄일 수 있었으며 송신 단 증폭기의 Drain의 스위칭 제어를 통해 전력 소모 또한 줄일 수 있었다. 최근 Pulsed 송수신기 는 소형 경량화, 저전력을 요구하고 있으며, 각종 레이더, 위성통신 등에 사용이 확대되고 있다.
수신부의 시뮬레이션 결과는 그림 12와 같다. 수신 부 시뮬레이션 결과 NF가 목표치인 5dB 이내로 나옴을 예측 할 수 있었다. 수신 부 실험은 Agilent사에서 제작한 E8257D 신호생성기와 N8975A NF 분석장치를 사용하였다.
수신 부 실험은 Agilent사에서 제작한 E8257D 신호생성기와 N8975A NF 분석장치를 사용하였다. 실험은 24.15GHz, 10MHz Band width를 가진 신호를 수신부 입력단에 입력 후, 출력단에서 나오는 IF주 파수를 측정하여 NF와 수신이 득 결과 값을 얻을 수 있었다.
본 개발에서는 전파강수계용 K-밴드 대역 6Watt Pulsed 송수신기를 설계 및 제작하였다. 전파강수계에서 요구되 어지는 고속 펄스 특성도 만족하였으며, 특히 출력의 LFM 특성과 수신기의 최소 수신레벨도 우수하게 제작 된 Pulsed 송수신기의 재현성 및 안정성을 확인할 수 있었다. 또한 수신부의 디지털 감쇠기를 사용하여 수신단의 이득을 0.

후속연구

특히 반도체 기술 발달로 Solid State를 적용한 시스템이 증가하고 있고 유지보수뿐만 아니라 반영구적인 수명으로 다른 튜브 계열의 증폭 기 대용으로 각광을 받고 있다. 출력과 크기를 증가시킨다면 다른 소형, 대형 기상레이더 시스템에도 적용할 수 있을 것으로 기대된다.

참고문헌 (8)

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F. Gerigk, "Status and Future Strategy for Advanced High Power Microwave Sources for Accelerators," 9th International Particle Accelerator Conference, 2018.
D. Kang, and B. Min, "0.25 ㎛ AlGaN/GaN HEMT Devices and 9 GHz Power Amplifier," The Journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, vol. 27, no. 1, pp. 76-79, 2016. DOI: 10.5515/KJKIEES.2016.27.1.76.

원문보기 상세보기
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T. Soren, "Weather radar rainfall data in urban hydrology," Hydrology and Earth System Sciences, vol. 21, pp. 1359-1380, 2017. DOI: 10.5194/hess-21-1359-2017.

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K. Kwon, "Modified LFM Signal in Radar Application," M. D. dissertation, Gyeongsang National University, 2013.
J. Yoon, and S. Yoo, "LFM Radar Implemented in SDR Architecture," The Journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, vol. 29, no. 4, pp. 308-315, 2018. DOI: 10.5515/KJKIEES.2018.29.4.308.

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C. Ha, and B. Kwon, "Radar Signal Processor Design Using FPGA," Journal of the Korea Institute of Military Science and Technology, vol. 20, no. 4, pp.482-490, 2017. DOI: 10.9766/KIMST.2017.20.4.482.

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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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