하나의 원형 편파 안테나와 PLL을 이용하여 소형이면서도 개선된 잡음 성능을 갖는 2.4 GHz 바이오 레이더 시스템

장병준,박재형,육종관,문준호,이경중,Jang, Byung-Jun,Park, Jae-Hyung,Yook, Jong-Gwan,Moon, Jun-Ho,Lee, Kyoung-Joung 한국전자파학회 2009 한국전자파학회논문지 Vol.20 No.12

본 논문에서는 인체의 호흡 및 심박수 측정을 위해 2.4 GHz에서 동작하는 바이오 레이더 시스템의 소형화 및 성능 개선 방안으로서 하나의 원형 편파 안테나와 PLL 회로를 갖는 시스템을 설계하고 그 측정 결과를 제시 하였다. 제작된 바이오 레이더는 $90^{\circ}$ 하이브리드를 이용하여 원형 편파 특성과 송수신 격리 특성을 갖는 마이크 로스트립 안테나, 저잡음 증폭기, 전력 증폭기, 위상 고정 루프를 갖는 전압 제어 발진기, 직교 복조기 및 아날로그 회로로 구성된다. 특히, 단일 원형 편파 안테나를 소형화하기 위하여 annular-ring 형태의 마이크로스트립 안 테나를 송수신 회로와 적층함으로써, $40\times40mm^2$의 크기로 소형화할 수 있었다. 또한, 누설 송신 신호에 인한 수신부의 위상 잡음의 영향을 최소화하기 위하여 PLL 회로를 채용함으로써, 개선된 신호대 잡음비 성능을 갖도록 하였다. 설계된 바이오 레이더 시스템은 특별한 신호 처리 없이 50 cm 떨어진 사람의 호흡 및 심박수를 측정할 수 있음을 확인하였다. In this paper, we design a 2.4 GHz bio-radar system that can detect human heartbeat and respiration signals with small size and improved noise performance using single circular-polarized antenna and phase-locked loop. The demonstrated bio-radar system consists of single circular-polarized antenna with $90^{\circ}$ hybrid, low-noise amplifier, power amplifier, voltage-controlled oscillator with phase-locked loop circuits, quadrature demodulator and analog circuits. To realize compact size, the printed annular ring stacked microstrip antenna is integrated on the transceiver circuits, so its dimension is just $40\times40mm^2$. Also, to improve signal-to-noise-ratio performance by phase noise due to transmitter leakage signal, the phase-locked loop circuit is used. The measured results show that the heart rate and respiration accuracy was found to be very high for the distance of 50 cm without the additional digital signal processing.

근거리에서 효율 향상을 위해 적응 주파수 제어 회로를 갖는 HF-대역 무선 전력 전송 시스템

장병준(Byung-Jun Jang),원도현(Do-Hyun Won) 한국전자파학회 2011 한국전자파학회논문지 Vol.22 No.11

본 논문에서는 근거리에서 효율 향상을 위해 적응 주파수 제어 회로를 갖는 HF-대역 무선 전력 전송 시스템을 제안하였다. 일반적으로 무선 전력 전송 시스템은 공진기 간의 이격 거리가 가까워짐에 따라 결합 계수가 변하게 되며, 이는 반사 임피던스에 의한 임피던스 부정합을 발생시킨다. 본 연구에서 제안한 방식은 전압제어 발진기의 공진 주파수를 이격 거리에 따라 자동으로 가변함으로써 공진기 간의 거리가 가까워 임피던스 부정합이 큰 경우에도 전송 효율의 저하를 막을 수 있다. 적응 주파수 제어 회로는 방향성 결합기, 검파기 및 루프 필터로 구성된다. 본 논문에서 제안한 방법의 유용성을 입증하기 위하여 HF-대역에서 동작하는 30×30 ㎠ 크기의 루프 안테나를 갖는 무선 전력 전송 시스템을 설계하여 측정한 결과 근거리에서 효율이 개선됨을 확인하였다. In this paper, we proposed an HF-band wireless power transfer system with adaptive frequency control circuit for efficiency enhancement in a short range. In general, a wireless power transfer system shows an impedance mismatching due to a reflected impedance, because a coupling coefficient is varied with respect to separation distance between two resonating loop antennas. The proposed method can compensate this impedance mismatching by varying input frequency of a voltage-controlled oscillator adaptively with respect to separation distance. Therefore, transmission efficiency is enhanced in a short distance, where large impedance mismatch occurs. The adaptive frequency circuit consists of a directional coupler, a detector, and a loop filter. In order to demonstrate the performance of the proposed system, a wireless power transfer system with adaptive frequency control circuits is designed and implemented, which has a pair of loop antennas with a dimension of 30×30 ㎠. From measured results, the proposed system shows enhanced efficiency performance than the case without adaptive frequency control.

비면허 기기 간 주파수 공동사용을 위한 MAC 계층 기반의 간섭 분석 및 간섭 완화 정책

장병준(Byung-Jun Jang),최선웅(Sunwoong Choi),윤현구(Hyungoo Yoon) 한국전자파학회 2013 한국전자파학회논문지 Vol.24 No.8

이기종 비면허 기기들이 동일한 주파수 대역을 공동으로 사용하기 위해서는 상호 간 주파수 간섭을 최소화할 수 있는 정책적 배려가 필요하다. 이 때 비면허 기기 간 주파수 간섭의 영향은 분석 계층에 따라 그 결과가 달라질 수 있으므로 정확한 주파수 간섭 분석이 관련 정책을 만들기 전에 선행되어야 한다. 본 논문에서는 현재 주파수 간섭 이슈가 활발히 논의되고 있는 2.4 ㎓ ISM 대역을 공동 사용하고 있는 WLAN과 WPAN 시스템 간의 주파수 간섭 영향을 물리 계층과 MAC 계층에서 각각 분석하였다. 분석 결과, 물리 계층보다는 MAC 계층을 고려한 주파수 간섭 분석이 간섭실험 결과에 더 근접함을 확인하였다. 이를 바탕으로 향후 비면허 기기 간 주파수 공동 사용을 위해 MAC 계층에서의 새로운 공동 사용 조건 등 간섭 완화 정책을 제안하였다. In order for unlicensed devices to co-exist on the same frequency band, the frequency interference mitigation policy is necessary. Because the effects of frequency interference between unlicensed devices may vary depending on the analysis layer, exact interference analysis must be proceeded before making any related spectrum policy. In this paper, a frequency interference between WLAN and WPAN systems that operate at 2.4 ㎓ ISM band were analyzed in the physical layer and MAC layer, respectively. From the results, we confirmed that the interference analysis in MAC layer is closer to the measured results. Based on these investigations, we suggest a new co-existence criterion for unlicensed devices in MAC layer.

위상 잡음의 거리 상관 효과에 따른 UHF RFID 리더의 성능 분석

장병준(Byung-Jun Jang),강민수(Min-Soo Kang),임재봉(Jae-Bong Lim) 한국전자파학회 2008 한국전자파학회논문지 Vol.19 No.2

본 논문에서는 위상 잡음의 거리 상관 효과에 따른 직접 변환 방식의 UHF 대역 RFID 리더의 성능을 분석한다. UHF RFID 시스템은 일반적인 무선 통신 방식과는 다르게 송신 캐리어를 발생하는 LO 신호가 동시에 수신기의 국부 발진기로 사용되며, 이에 따라 태그 신호와 LO 신호 간의 거리 상관 효과에 의한 주기적인 신호 간섭 및 위상 잡음 감소 효과가 발생한다. 주기적인 신호 간섭 효과는 이론 및 시뮬레이션을 통해 I와 Q신호를 I/Q 다이버시티 개념으로 전력 결합함으로써 제거할 수 있음을 확인하였다. 위상 잡음 감소 효과는 전형적인 UHF 대역에서 동작하는 LO의 위상 잡음에 대한 전력 밀도 스펙트럼이 태그-리더 거리 및 옵셋 주파수에 따라 변화됨을 확인하였고, 이를 이용하여 심볼 에러 성능을 시뮬레이션 하였다. 시뮬레이션 결과, 심볼 에러에서 위상 잡음의 영향은 태그 변조 방식 중 PSK에서 특히, 변조 각도가 작을 때 크게 나타나지만, 거리 상관 효과에 의해 실제 위상 잡음이 감소되어 그 영향이 미비해짐을 확인하였다. In this paper, we analyze the performance of a direct-conversion UHF RFID reader with the range correlation effects of the phase noise. Since a UHF RFID system uses the same oscillator to generate the transmitted carrier and the local oscillation, the periodic interference and phase noise reduction effects occur due to time delay between two signals. Through exact theory and simulation, we verify how to cancel the periodic interference phenomena using I/Q diversity combining technique. And, we analyze phase noise reduction effects due to range correlation as a function of the tag-reader distance and the offset frequency. Using these results, we simulate the symbol-error-rate performance with respect to phase noise with and without range correation effects. We show that the phase noise of the local oscillator has little effect on the symbol-error-rate performance because of phase noise reduction by range correlation.

하나의 원형 편파 안테나와 PLL을 이용하여 소형이면서도 개선된 잡음 성능을 갖는 2.4 ㎓ 바이오 레이더 시스템

장병준(Byung-Jun Jang),박재형(Jae-Hyung Park),육종관(Jong-Gwan Yook),문준호(Jun-Ho Moon),이경중(Kyoung-Joung Lee) 한국전자파학회 2009 한국전자파학회논문지 Vol.20 No.12

본 논문에서는 인체의 호흡 및 심박수 측정을 위해 2.4 ㎓에서 동작하는 바이오 레이더 시스템의 소형화 및 성능 개선 방안으로서 하나의 원형 편파 안테나와 PLL 회로를 갖는 시스템을 설계하고 그 측정 결과를 제시하였다. 제작된 바이오 레이더는 90° 하이브리드를 이용하여 원형 편파 특성과 송수신 격리 특성을 갖는 마이크로스트립 안테나, 저잡음 증폭기, 전력 증폭기, 위상 고정 루프를 갖는 전압 제어 발진기, 직교 복조기 및 아날로그 회로로 구성된다. 특히, 단일 원형 편파 안테나를 소형화하기 위하여 annular-ring 형태의 마이크로스트립 안테나를 송수신 회로와 적층함으로써, 40×40 ㎟의 크기로 소형화할 수 있었다. 또한, 누설 송신 신호에 인한 수신부의 위상 잡음의 영향을 최소화하기 위하여 PLL 회로를 채용함으로써, 개선된 신호대 잡음비 성능을 갖도록 하였다. 설계된 바이오 레이더 시스템은 특별한 신호 처리 없이 50 cm 떨어진 사람의 호흡 및 심박수를 측정할 수 있음을 확인하였다. In this paper, we design a 2.4 ㎓ bio-radar system that can detect human heartbeat and respiration signals with small size and improved noise performance using single circular-polarized antenna and phase-locked loop. The demonstrated bio-radar system consists of single circular-polarized antenna with 90° hybrid, low-noise amplifier, power amplifier, voltage-controlled oscillator with phase-locked loop circuits, quadrature demodulator and analog circuits. To realize compact size, the printed annular ring stacked microstrip antenna is integrated on the transceiver circuits, so its dimension is just 40×40 ㎟. Also, to improve signal-to-noise-ratio performance by phase noise due to transmitter leakage signal, the phase-locked loop circuit is used. The measured results show that the heart rate and respiration accuracy was found to be very high for the distance of 50 cm without the additional digital signal processing.

호흡 및 심박수 측정을 위한 비접촉 방식의 CW 바이오 레이더 시스템의 잡음 분석 및 측정

장병준(Byung-Jun Jang),육종관(Jong-Gwan Yook),나원(Won Na),이문규(Moon-Que Lee) 한국전자파학회 2008 한국전자파학회논문지 Vol.19 No.9

본 논문에서는 호흡 및 심박수 측정을 위한 CW 바이오 레이더 시스템의 잡음을 분석하고, 이 중 위상 잡음에 대한 측정 결과를 제시하였다. 바이오 레이더 시스템은 기존의 무선 통신 방식이나 RFID 시스템과 달리, 수신신호의 주파수 및 반송파 주파수 간의 차가 수 Hz에 불과하며, 수신 신호의 레벨 역시 매우 작으므로 위상 잡음을 포함한 모든 잡음원의 영향을 분석하는 것이 매우 중요하다. 본 논문에서는 CW 방식의 바이오 레이더 시스템의 잡음을 시스템의 SNR 측면에서 그 영향을 정량적으로 분석하였고, 분석 결과로부터 송신 안테나와 수신안테나 사이의 누설 전력량에 의한 위상 잡음이 가장 큰 잡음원이 됨을 확인하였으며, 이는 위상 잡음의 거리상관 효과의 함수임을 확인하였다. 따라서 거리 상관 효과에 따른 위상 잡음을 측정하고 이론과 비교하였다. 측정 결과, 본 논문에서 제안한 위상 잡음 측정 방식이 반송파 주파수에 근접한 위상 잡음을 측정할 수 있음을 확인하였다. 이를 통해 50 ㎝의 인식 거리를 가지며 1 ㎽의 저출력에서 동작하는 2.4 ㎓에서 바이오 레이더시스템을 PLL 회로 없이 체계적으로 설계할 수 있었다. In this paper, we present a noise analysis and measurement results of a bio-radar system that can detect human heartbeat and respiration signals. The noise analysis including various phase noise effects is very important in designing the bio-radar system, since the frequency difference between the received signal and local oscillator is very small and the received power is very low. All of the noise components in a bio-radar system are considered from the point of view of SNR. From this analysis, it can be concluded that the phase noise due to antenna leakage is a dominant factor and is a function of range correlation. Therefore, the phase noise component with range correlation effect, which is the most important noise contribution, is measured using the measurement setup and compared with the calculated results. From the measurement results, our measurement setup can measure a closed-in phase noise of a free-running oscillator. Based on these results, it is possible to design a 2.4 ㎓ bio-radar system quantitatively which has a detection range of 50 ㎝ and low power of 1 ㎽ without additional PLL circuits.

C-대역 위성 통신용 20 W급 주파수 상향 변환기의 소형화

장병준(Byung-Jun Jang),문준호(Junho Moon),장진만(Jinman Jang) 한국전자파학회 2010 한국전자파학회논문지 Vol.21 No.4

본 논문에서는 C-대역 위성 통신용 20 W급 주파수 상향 변환기(BUC: Block Up Converter)를 소형화하기 위한 설계 방안을 제안하고, 이에 따른 제작 및 측정 결과를 제시하였다. 개발된 주파수 상향 변환기는 모뎀의 신호를 입력받아 적절한 주파수 필터링과 신호 세기 조절 및 전력 증폭 기능을 수행하며, 중간 주파수 회로, 국부 발진기 및 주파수 혼합기, 구동 증폭기, 전력 증폭기, 도파관 회로 및 전원 모듈의 6개 블럭으로 구성된다. 본 논문에서는 BUC를 소형화하기 위하여 개별 블럭을 각각 제작하여 케이블 등으로 연결하는 대신, 하나의 하우징 내에서 집적화하여 제작함으로써, 21×14×11 ㎤의 크기만을 가지도록 하였다. 특히 가장 큰 면적을 차지하는 도파관 필터 및 마이크로스트립-도파관 변환기를 하우징에 직접 제작하여 크기를 축소시켰다. 또한 Elliptic 필터를 포함한 다양한 마이크로스트립 필터를 설계하여 스퓨리어스 및 하모닉 규격을 만족시켰다. 제작된 주파수 상향 변환기는 43.7 ㏈m의 출력, 65 ㏈ 이상의 이득, ±1.84 ㏈의 이득 평탄도, -35.7 ㏈c의 IMD3, -105 ㏈c의 하모닉 값을 가지는 우수한 특성을 나타내었다. In this paper, a compact 20 W block-up-converter for C-band satellite communication is designed and implemented. The designed block up-converter consists of an intermediate frequency circuit, a mixer and local oscillator, a driver amplifier, a solid-state power amplifier, waveguide circuits, and a power supply module. To reduce the size of the block-up-converter, all circuits are assembled within an housing, so its dimension is just 21×14×11 ㎤. Especially, the waveguide filter and microstirp-to-waveguide transition are easily implemented using an housing. Also, to meet spurious and harmonics specification, various compact microstrip filters including an elliptic filter are integrated. Measurement results show that the developed block up-converter has good electrical performances: the output power of 43.7 ㏈m, the minimum gain of 65 ㏈, the gain flatness of ±1.84, the IMD3 of -35 ㏈c, and the harmonic level of -105 ㏈c.

간섭을 고려한 무선 LAN 주파수 소요량 예측

장병준(Byung-Jun Jang),박덕규(Duk-Kyu Park),윤현구(Hyungoo Yoon) 한국전자파학회 2012 한국전자파학회논문지 Vol.23 No.8

최근 스마트폰의 등장에 따른 무선 트래픽 증가에 효율적으로 대처하기 위해서는 능동적인 주파수 정책이 필요하다. 이에 이동통신 주파수 소요량 예측과 함께 미래에 요구되는 무선 LAN 주파수 소요량을 예측할 필요가 있다. 미래에 요구되는 무선 LAN의 주파수 소요량은 미래의 무선 LAN 트래픽을 예측하고, 이를 무선 LAN의 시스템 효율로 나눔으로써 계산된다. 본 논문에서는 기존에 전통적인 무선 LAN 트래픽 예측법과 함께 이동 통신으로부터 offloading하는 스마트폰 트래픽을 고려한 새로운 무선 LAN 트래픽 예측법을 제안하였다. 또한, AP의 증가에 따른 주파수 간섭 효과를 통계적으로 모델링하여 무선 LAN의 시스템 효율 계산 시 적용함으로써 실제 환경에 근접한 무선 LAN 주파수 소요량을 예측할 수 있도록 하였다. 예측된 주파수 소요량을 바탕으로 미래의 무선 LAN 활성화에 대비하여 AP간 간섭을 최소화할 수 있는 정책 방향을 제안하였다. Owing to the proliferation of smart phone users, a proactive spectrum policy is needed in order to deal with increasing data traffic. Therefore, the prediction of frequency requirements for future wireless local area network (WLAN) as well as a licensed cellular communication is necessary. In this paper, we proposed a new prediction method for WLAN spectrum requirements. This method includes both a traditional prediction method and an offloading percentage from cellular network, Also, it can consider a frequency interference between access points using a statistical approach. Based on these approaches, we can predict the spectrum requirements of future domestic WLAN services considering the frequency interference. Finally, we suggest the spectrum policy for WLAN which can prevent spectrum shortage of future WLAN services.

UWB 측위기술의 원리 및 동향

장병준(Byung-Jun Jang) 한국전자파학회 2022 한국전자파학회논문지 Vol.33 No.1

UHF RFID 시스템의 순방향 및 역방향 인식 거리에 관한 연구

장병준(Byung-Jun Jang),박준석(Jun-Seok Park),조홍구(Hong-Gu Cho),임재봉(Jae-Bong Lim) 한국전자파학회 2007 한국전자파학회논문지 Vol.18 No.11

최근 UHF 대역에서 동작하는 RFID 시스템이 활발히 연구되고 있으며, 유통 물류 분야를 시작으로 다양한 분야에서 활용되고 있다. UHF RFID 시스템을 설계하는데 있어 가장 중요한 파라미터가 리더가 태그를 인식할 수 있는 최대 거리로, 이를 인식 거리라 부른다. 인식 거리는 순방향에서는 태그에 전력이 공급되어 역산란할 수 있는 전력이 공급되는지 여부와 역방향에서는 태그에서 역산란된 전력을 리더가 수신할 수 있는지에 따라 결정되며, 두 인식 거리 간에 적절한 밸런스가 중요하다. 본 연구에서는 UHF RFID 시스템의 인식 거리에 대한 공식을 순방향과 역방향에 대해 각각 유도하고, 이를 바탕으로 순방향 및 역방향 간의 링크 밸런스를 맞추기 위한 조건을 고찰하였다. 분석 결과, 역방향 링크의 경우, 안테나 이득, circulator의 isolation 특성, 국부 발진기의 위상 잡음에서의 range correlation 효과 등이 인식 거리를 결정하는 주요한 파라미터가 됨을 확인할 수 있었다. Recently UHF RFID system has drawn a great deal of attention because of its potential to revolutionize supply chain management. An important characterization of the performance of a RFID system is ‘interrogation range’, which is defined as the maximum distance between a reader and a tag. Forward-link interrogation range is defined as the maximum distance from which the tag receives just enough power to turn on and back-scatter, and reverse-link interrogation range is the maximum distance from which the reader can detect this back-scattered signal. A link balance has to be found between the two interrogation ranges. In this paper, the interrogation range equations are formulated in both forward-link and reverse-link and a trade-off between the two values is investigated in order to maximize the interrogation range. As a result, it is observed that the gain of the reader antenna, the isolation of the circulator, and the phase noise of the local oscillator with range correlation effect mainly determine the reverse-link interrogation range.