본 논문에서는 고성능 레이다를 위한 저잡음, 고안정 성능을 보유한 새로운 구조의 주파수합성기를 설계 및 제작 하였다. 날로 발전하는 스텔스 기능과 고해상도의 SAR 영상을 확보하기 위해서는 높은 주파수 순도와 초저잡음 특성이 요구되고 있으며, 이를 만족하기 위하여 본 연구에서는 DAS, DDS의 장점을 합성한 새로운 하이브리드 주파수합성기를 개발하였으며, 시험을 통하여 그 성능을 확인하였다. 개발된 주파수 합성기는 X대역에서 10% 이상의 운용대역폭을 보유하고 있으며, 1usec 이하의 빠른 주파수변환속도를 보유하고 있다. 또한, X대역 주파수에서 10kHz 옵셋 주파수에서 -136dBc/Hz의 우수한 위상잡음을 보유하고 있다. 이는 기존 X대역 레이다용 주파수합성기보다 10dB 이상 개선된 성능이다. 또한, 개발된 하이브리드 주파수합성기에서 생성되는 주파수를 이용하여 L대역과 C대역에서도 활용이 가능하며, 추후 국내 AESA 레이다뿐만 아니라 고해상도 SAR레이다 그리고 고성능 지상레이다에 적용하여 성능개선이 가능하다.
본 논문에서는 고성능 레이다를 위한 저잡음, 고안정 성능을 보유한 새로운 구조의 주파수합성기를 설계 및 제작 하였다. 날로 발전하는 스텔스 기능과 고해상도의 SAR 영상을 확보하기 위해서는 높은 주파수 순도와 초저잡음 특성이 요구되고 있으며, 이를 만족하기 위하여 본 연구에서는 DAS, DDS의 장점을 합성한 새로운 하이브리드 주파수합성기를 개발하였으며, 시험을 통하여 그 성능을 확인하였다. 개발된 주파수 합성기는 X대역에서 10% 이상의 운용대역폭을 보유하고 있으며, 1usec 이하의 빠른 주파수변환속도를 보유하고 있다. 또한, X대역 주파수에서 10kHz 옵셋 주파수에서 -136dBc/Hz의 우수한 위상잡음을 보유하고 있다. 이는 기존 X대역 레이다용 주파수합성기보다 10dB 이상 개선된 성능이다. 또한, 개발된 하이브리드 주파수합성기에서 생성되는 주파수를 이용하여 L대역과 C대역에서도 활용이 가능하며, 추후 국내 AESA 레이다뿐만 아니라 고해상도 SAR레이다 그리고 고성능 지상레이다에 적용하여 성능개선이 가능하다.
Modern radar system requires high spectral purity and low phase noise characteristics for very low RCS target detection and high resolution SAR (Synthetic Aperture Radar) image. This paper presents a new X-band high stable frequency synthesizer for high performance radar system, which combines DAS (...
Modern radar system requires high spectral purity and low phase noise characteristics for very low RCS target detection and high resolution SAR (Synthetic Aperture Radar) image. This paper presents a new X-band high stable frequency synthesizer for high performance radar system, which combines DAS (Direct Analog Synthesizer) and DDS (Direct Digital Synthesizer) techniques, in order to cope with very low phase noise and high frequency agility requirements. This synthesizer offers more than 10% operating bandwidth in X-band frequency and fast agile time lower than 1 usec. Also, the phase noise at 10kHz offset is lower than -136dBc/Hz, which shows an improvement of more than 10dB compared to the current state of art frequency synthesizer. This architecture can be applied to L-band and C-band application as well. This frequency synthesizer is able to used in modern AESA (Active Electronically Scanned Array) radar system and high resolution SAR application.
Modern radar system requires high spectral purity and low phase noise characteristics for very low RCS target detection and high resolution SAR (Synthetic Aperture Radar) image. This paper presents a new X-band high stable frequency synthesizer for high performance radar system, which combines DAS (Direct Analog Synthesizer) and DDS (Direct Digital Synthesizer) techniques, in order to cope with very low phase noise and high frequency agility requirements. This synthesizer offers more than 10% operating bandwidth in X-band frequency and fast agile time lower than 1 usec. Also, the phase noise at 10kHz offset is lower than -136dBc/Hz, which shows an improvement of more than 10dB compared to the current state of art frequency synthesizer. This architecture can be applied to L-band and C-band application as well. This frequency synthesizer is able to used in modern AESA (Active Electronically Scanned Array) radar system and high resolution SAR application.
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문제 정의
본 논문에서는 DDS와 DAS의 장점을 조합한 광대역 저잡음 주파수합성기를 설계 제작하고, 실험을 통하여 검증하였다. X대역에서 중심주파수 대비 10% 이상의 대역 주파수를 생성하며, 전 대역에서 불요파 레벨을 70dBc 이하의 값을 갖도록 구현하였다.
본 연구에서는 X대역에서 10% 이상의 운용 주파수를 생성할 수 있는 주파수합성기를 설계, 제작하고 실험을 통해 그 성능을 입증하였다. 고성능 주파수합성기 개발을 위하여 DDS와 DAS 방식의 장점만을 결합한 하이브리드 방식의 주파수합성기를 개발하였으며, 소형경량화를 통해 6U 사이즈의 2개의 모듈로 구성을 하였다.
제작된 하이브리드 고성능 주파수합성기는 항공기용 AESA 레이다를 목표로 설계 제작되었으며, 항공기 탑재를 위해 소형경량화를 위해 6U 사이즈 모듈 2개로 제한되었다. 운용 주파수대역은 X대역에서 10% 이상의 운용주파수 생성이 필요하며, 5MHz 간격으로 201개의 주파수를 생성하는 것이 목표이다. 모든 주파수에서 낮은 RCS를 갖는 타겟을 검출하기 위해 위상 잡음은 10kHz offset에서 –130dBc/Hz 이하, 주파수 변환시간은 1usec 이하로 정의하였다.
제안 방법
먼저, 주파수합성기1은 Figs. 13, 14, 15와 같이 기준신호생성부와 L대역, C대역 생성부를 하나의 모듈로 구성하였으며, 3층 구조의 형태로 제작하였다. 두께는 40mm로 구현하였다.
DDS를 적용하여 세밀한 주파수 해상도와 고속의 주파수변환속도를 구현하였으며, DAS 방식을 적용하여 낮은 불요파 성능과 저잡음 특성 및 광대역 신호를 생성하였다. 일반적으로 DDS의 경우 해상도와 주파수변환 속도가 빠른 반면, 최대 출력 주파수는 입력 클럭신호의 40%로 제한되어 있어 수백 MHz까지의 주파수만 생성할 수 있다.
본 논문에서는 DDS와 DAS의 장점을 조합한 광대역 저잡음 주파수합성기를 설계 제작하고, 실험을 통하여 검증하였다. X대역에서 중심주파수 대비 10% 이상의 대역 주파수를 생성하며, 전 대역에서 불요파 레벨을 70dBc 이하의 값을 갖도록 구현하였다. 또한, 최종 출력에서 –136dBc/Hz 이하의 위상잡음을 구현하였다.
본 연구에서는 X대역에서 10% 이상의 운용 주파수를 생성할 수 있는 주파수합성기를 설계, 제작하고 실험을 통해 그 성능을 입증하였다. 고성능 주파수합성기 개발을 위하여 DDS와 DAS 방식의 장점만을 결합한 하이브리드 방식의 주파수합성기를 개발하였으며, 소형경량화를 통해 6U 사이즈의 2개의 모듈로 구성을 하였다.
일반적으로 DDS의 출력신호는 입력 클럭의 주파수가 클수록, 그리고 출력주파수가 낮을수록 불요파 레벨이 작아지게 된다[7]. 따라서, 본 연구에서는 DDS의 클럭을 3GHz 이상으로 설정하고, 출력주파수는 500MHz 이하로 설정하여 DDS 자체의 불요파를 60dBc 이하로 구현하였다.
1과 같이 크게 4개의 부분으로 구성이 된다. 마스터 오실레이터를 포함한 기준신호생성부, 기준신호들을 조합하여 L대역생성부, C대역생성부 그리고, DDS에서 생성된 협대역 주파수를 L대역과 C대역 신호들을 혼합하여 대역을 확장하는 X대역생성부로 구성하였다.
본론의 2.1에서는 본 설계의 규격과 구성을 정의하고, 2.2에서는 고성능 저잡음 특성을 구현하기 위한 trade-off와 성능예측을 기술하였다. 2.
이를 구현하기 위해서 DDS와 DAS 방식의 장점만을 결합한 하이브리드 주파수합성기를 고안하고, 설계 제작하였다. 제안된 주파수합성기는 Fig.
이는 기존 고성능 DDS를 적용한 PLL 방식에 비해 위상잡음을 10dB 개선하였으며, 해외의 주파수합성기 연구에 비해서도 10dB 이상 우수한 성능이다. 주파수변환시간 또한 1usec 이하로 고속의 주파수 변환이 가능하도록 구현하였다. 본 연구에서 구현된 하이브리드 주파수합성기를 통해 항공기용 AESA레이다에 충분히 적용이 가능하며, 더 나아가 고해상도 SAR레이다, 지상용 고성능 레이다에도 충분히 가능하다고 판단된다.
하이브리드 고성능 주파수합성기는 항공기 탑재를 고려하여 6U 사이즈 2개의 모듈로 소형 경량화 설계를 수행하였다. 먼저, 주파수합성기1은 Figs.
일반적인 경우, 100MHz 이하의 위상잡음 특성이 우수하고, 안정도가 성능이 뛰어난 OCXO (Oven Controlled Crystal Oscillator)를 사용하게 된다. 하지만, 본 연구에서는 위상잡음 성능을 만족하기 위해 최근 고성능 레이다용으로 개발된 동일 크기의 고성능 저잡음의 640MHz OCSO (Oven Controlled Saw Oscillator)를 적용하였으며, 그 형상은 Fig. 2와 같다.
대상 데이터
주파수합성기2는 Figs. 16, 17과 같이 DDS 신호생성부와 L대역신호와 C대역신호를 혼합하여 X대역으로 확장하는 부분으로 제작되었으며, 전체 두께는 30mm로 구현하였다.
X대역에서 10% 이상의 주파수를 생성하기 위해서는 RF 혼합기에 의한 상호 간섭과 신호 간 격리도 설계 그리고, 필터 설계가 아주 중요하다. 먼저 5MHz 해상도의 160MHz 대역의 주파수를 생성하기 위해 AD9914를 사용하였다. 일반적으로 DDS의 출력신호는 입력 클럭의 주파수가 클수록, 그리고 출력주파수가 낮을수록 불요파 레벨이 작아지게 된다[7].
제작된 하이브리드 고성능 주파수합성기는 항공기용 AESA 레이다를 목표로 설계 제작되었으며, 항공기 탑재를 위해 소형경량화를 위해 6U 사이즈 모듈 2개로 제한되었다. 운용 주파수대역은 X대역에서 10% 이상의 운용주파수 생성이 필요하며, 5MHz 간격으로 201개의 주파수를 생성하는 것이 목표이다.
성능/효과
주파수합성기 최종 출력에서의 측정 결과는 다음과 같다. Fig. 18과 같이 출력 중심주파수 대비 10% 이상의 운용 주파수생성을 확인할 수 있으며, 5MHz 간격으로 201개의 주파수가 생성됨을 확인하였다. 모든 주파수에서 불요레벨은 70dBc 이상이며, 출력 대역 내 평탄도는 ±1.
결론적으로, 6.4GHz에서 –130dBc/Hz로써 X대역으로 상향변환하게 되면 추가 위상잡음 저하로 인해 규격을 만족할 수 없게 된다.
그 결과 Fig. 3과 같이 80MHz OCXO에 비해 15dB의 위상잡음 개선 효과를 얻을 수 있으며, 640MHz를 10체배할 경우, 10kHz 옵셋에서 –145dBc/Hz로써 X대역까지 확장을 하여도 –130dBc/Hz의 위상잡음을 충분히 만족 할 수 있게 된다.
본연구결과와 기존의 연구결과를 비교하면 Table 2와 같다[4, 5]. 동일한 X대역에서 10% 이상의 운용대역폭을 설계하였으며, 본연구결과가 기존 연구에 비해 위상잡음은 10dB 이상 우수하며, 주파수변환시간도 1/10 이하로 우수한 성능을 보유하고 있다.
주파수변환시간 또한 1usec 이하로 고속의 주파수 변환이 가능하도록 구현하였다. 본 연구에서 구현된 하이브리드 주파수합성기를 통해 항공기용 AESA레이다에 충분히 적용이 가능하며, 더 나아가 고해상도 SAR레이다, 지상용 고성능 레이다에도 충분히 가능하다고 판단된다. 또한, 본 구조에서 생성되는 중간주파수 출력을 활용해 L대역과 C대역 고성능 레이다에도 적용이 가능하다.
또한, 최종 출력에서 –136dBc/Hz 이하의 위상잡음을 구현하였다. 이는 기존 고성능 DDS를 적용한 PLL 방식에 비해 위상잡음을 10dB 개선하였으며, 해외의 주파수합성기 연구에 비해서도 10dB 이상 우수한 성능이다. 주파수변환시간 또한 1usec 이하로 고속의 주파수 변환이 가능하도록 구현하였다.
22와 같이 첫 주파수에서 마지막 주파수까지 변경 시 트리거 신호로부터 664nsec 이후에 주파수가 생성됨을 인하였다. 이는 기존의 DDS와 PLL 방식의 10usec 내외에 비해 1/10 이하 수준으로, 고속의 주파수변환을 구현하였다. 이는, 주파수 변경시간이 DDS의 레지스터 설정시간과 RF 스위치의 반응속도에만 기인하기 때문이다.
8과 같다. 전체 480MHz 대역 내에서 낮은 불요를 가지며, 안정적인 주파수 생성을 구현하였다.
제작된 주파수합성기의 주파수변환시간은 1usec 이하를 목표로 하였으며, 측정결과 Fig. 22와 같이 첫 주파수에서 마지막 주파수까지 변경 시 트리거 신호로부터 664nsec 이후에 주파수가 생성됨을 인하였다. 이는 기존의 DDS와 PLL 방식의 10usec 내외에 비해 1/10 이하 수준으로, 고속의 주파수변환을 구현하였다.
최종 위상잡음은 DDS의 위상잡음과 6,400MHz의 위상잡음에 영향을 받으며 중첩의 원리를 적용하여 최종 위상잡음을 예상할 수 있으며[5, 8], 예상치와 실험치가 모두 10KHz 옵셋주파수에서–136dBc/Hz ±1dB 오차로 정확한 예측과 구현이 되었음을 알 수 있다.
후속연구
본 연구에서 구현된 하이브리드 주파수합성기를 통해 항공기용 AESA레이다에 충분히 적용이 가능하며, 더 나아가 고해상도 SAR레이다, 지상용 고성능 레이다에도 충분히 가능하다고 판단된다. 또한, 본 구조에서 생성되는 중간주파수 출력을 활용해 L대역과 C대역 고성능 레이다에도 적용이 가능하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
레이다용 주파수합성기를 설계하는 방법 중 간접방식에 대해 설명하라.
직접방식은 아날로그 방식(DAS)과 디지털방식(DDS)으로 구분되며, 초기 레이다용 주파수합성기 설계 방식에서는 고순도 저잡음 설계를 위하여 직접 아날로그 방식을 적용하였으나, 디지털기술이 발전함에 따라 최근에는 디지털방식을 적용한 설계도 적용되고 있다. 간접방식은 광대역 신호의 생성과 소형화 제작을 위해 주로 사용되며, PLL (Phase Locked Loop) 방식이 대표적이다. 하지만, 이는 직접방식에 비해 주파수변환시간이 상당히 느리다는 단점을 가지고 있으며, 이를 극복하기 위한 많은 연구들이 이루어졌다[6]. 최근에는 광대역에서 고속의 주파수변환 속도를 갖는 고성능 주파수합성기 설계를 위하여 두 가지 방식의 장점을 조합한 연구들이 진행 중이다[4, 5].
DAS 방식의 장단점은?
또한, 광대역 신호를 출력할 경우 많은 디지털 불요파 신호가 발생하는 단점을 가지고 있다. DAS의 경우에는 불요파 제거가 용이하고, 위상잡음의 열화가 적다는 장점이 있지만, 사이즈가 커지는 단점을 가지고 있다. 하지만, 최근 디지털 기술이 발전함에 따라, DDS의 클럭 주파수가 최대 3.
레이다용 주파수합성기를 설계하는 방법 중 직접방식에 대해 설명하라.
레이다용 주파수합성기를 설계하는 방법은 크게 직접방식과 간접방식으로 구분할 수 있다. 직접방식은 아날로그 방식(DAS)과 디지털방식(DDS)으로 구분되며, 초기 레이다용 주파수합성기 설계 방식에서는 고순도 저잡음 설계를 위하여 직접 아날로그 방식을 적용하였으나, 디지털기술이 발전함에 따라 최근에는 디지털방식을 적용한 설계도 적용되고 있다. 간접방식은 광대역 신호의 생성과 소형화 제작을 위해 주로 사용되며, PLL (Phase Locked Loop) 방식이 대표적이다.
참고문헌 (8)
Kim, D. S., Kim, J. P., and Lee, J. H., "IRF performance prediction by analyzing of amplitude and phase errors for the wideband Chirp signal," Journal of The Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, Vol. 44, No. 2, 2016, pp. 131-138.
Ryu, S. B., Kim, J. P., Yang, J. H., Won, Y. J., and Lee, S. K., "Study of RF Impairments in Wideband Chirp Signal Generator," Journal of Korean Institute Of Electromagnetic Engineering and Science, Vol. 24, No. 12, 2013, pp. 1205-1214.
Richards, M. A., Scheer, J. A., and Holm, W. A., "Principles Of Modern Radar," SciTech Publishing.Inc., 2010, pp. 417-457.
Tonelli, G., and Marchetti, F., "A DDS/PLL architecture for highly stable local oscillators," 2014 International Radar Conference, pp. 1-6.
Kim, D. S., Lee, H. S., Kim, J. P., and Kim, S. J., "Design and Modeling of a DDS Driven Offset PLL with DAC," Journal of The Institute of Webcasting, Internet and Telecommunication, Vol. 12, No. 5, 2012, pp. 1-10.
Galani, Z., "An Overview of Frequency synthesizers for Radar," IEEE Transactions on Microwave theory and Techniques, Vol. 39, No. 5, MAY 1991, pp. 782-790.
Analog Device, 3.5 GSPS Direct Digital Synthesizer with 12-BIT DAC, AD9914, Avaliable : http://www.analog.com
Kim, D. S., Kim, M. C., Lee, S. H., Jung, M. D., and Kwon, H. S., "Modeling and Analysis of the Phase Noise in a Frequency Synthesizer for a Radar System," Journal of the Korea Institute of Military Science and Technology, Vol. 14, No. 5, 2011, pp. 1-7.
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