24GHz FMCW 레이더의 고주파부 설계 및 제작에 관한 연구 = (A) Study on the Design and Fabrication of RF Front End for 24GHz FMCW Radar

국문 초록 (Abstract)

FMCW 레이더는 펄스식 레이더완 연속적인 신호이므로 작은 송신출력으로도 같은 성능을 얻을 수 있고, 송신기에서 사용하는 동일한 발진기를 수신기에서도 사용함으로써 송수신기의 구조가 간단하여 소출력, 저비용으로 근거리 차량을 감지하는데 적합하다고 알려져 있다. 그러나 누설된 송신 신호나 안테나에서 반사된 신호는 수신단의 감도를 저하시키는 단점이 있다.
또한, 호모다인 FMCW 레이더 발진기의 신호 일부가 혼합기의 LO 신호로 사용되기 때문에 발진 주파수 변화에 따른 전력 변화 성분과 믹서의 주파수응답 특성에 의한 불필요한 진폭 성분이 호모다인 시스템에서 가장 큰 고려 사항인 FM-AM 잡음으로 작용하여 열 잡음 전력에 비해 30 dB 높게 나타남으로서 수신기의 감도는 저하된다.
호모다인 FMCW 레이더는 구조가 간단하여 저비용으로 구현 가능할 수 있는 장점이 있는 반면, 송수신 분리 문제, 발진기의 위상 잡음과 출력전력 크기의 변화특성으로 인한 FM-AM 잡음 그리고 혼합기의 변환 손실, 선형 특성 등과 같은 고주파부(RF Front End)를 구성하고 있는 각 소자의 성능 특성에 수신단의 감도는 저하 될 수밖에 없다.
따라서 본 논문에서는 호모다인 FMCW 레이더의 고주파부를 구성하고 있는 각 소자의 성능을 개선하는 방법을 연구하여 설계 · 제작하였다. 그 개선 특성을 입증하기 위하여 10 mW 이하의 24 GHz ISM(Industrial, Science and Medical) 대역을 근거리 이동 차량의 거리와 속도 계측용 레이더에 적용하고, 성능을 실험하였다.
설계하고 제작한 고주파부 모듈은 혼합기를 구동하기 위한 LO 증폭기나 송신 출력을 높이기 위찬 증폭기를 사용하지 않고, 대신에 높은 출력특성을 갖는 전압제어 발진기와 높은 변환 이득과 선형 전력 점을 갖는 주파수 체배기를 이용하여함으로써 송신부 구조를 단순화시키면서도 성능은 개선시키도륵 하였다.
제작된 전압제어 유전체 발진기의 특성은 12.05 GHz에서 출력 전력 6 dBm, 위상 잡음은 100 KHz offset 구학수에서 107 dBc, 그리고 주파수 차변 범위는 15 MHz이였다. 시스템궤서 요구하는 위상잡음 특성보다 20 dB 높게 나타났고, 가면 주파수 대역 내에서 출력 전력 변화는 0.1 dB로서 호모다인 FMCW 레이더의 가장 큰 잡음인 FA-AM 변환 잡음을 줄일 수 있었다.
12.05 GHz의 안정한 신호원으로부터 24.10 GHz의 신호원을 얻기 위한 주파수 체배기는 기존의 구조보다 단순하고 높은 변환 이득를 갖는 리프렉터 형태의 능동 주파수 체배기를 선택하였다. 성능 측정 결과 변환이득 3 dB와 최대 선형 동작점인 1 dB 억압점은 10 dBm 성능 특성을 나타냈으며, 변환 이득의 평탄도는 사용 주파수 30 MHz 대역에서 0.2 dB를 유지하였다.
저잡음 증폭기는 2단으로 구성하였으며 3 dB이하의 저잡음특성, 18 dB의 높은 이득, 1.5의 낮은 입력 정재파비 특성을 갖었다. 여기서 잡음, 이득 및 입력 정재파비 특성을 동시에 고려하면서 최적의 성능을 갖도록 설계할 수 있는 새로운 도식적 설체기법을 제시하였고, 이를 설계하고 제작하여 입증하였다.
제작된 단일 평형 다이오드 혼합기를 측정한 결과, LO 전력 5 dBm 가지고 사용주파수 대역내의 변환손실 6 dB, 1 dB 억압점이 3 dBm 정도임을 알 수 있었다.
송신 출력이 5 dBm으로 제작된 레이더의 성능 실험 결과, 거리가 약 11 미터 부근에서 신호대 잡음비는 약 15 dB 정도, 최대 탐지 거리는 대략 17미터임을 확인하였다. 이러한 성능은 기존의 호모다인 레이더의 탐지 거리가 10 dBm의 출력으로 수 십 미터 이내인 점을 감안한다면, 소출력의 간단한 구조로서 근거리 차량의 감지용으로 사용할 때 우수한 특성이 있다는 것을 확인하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

It has been well known that an FMCW Radar is suitable for detecting a vehicle at short range distance with even small power and low cost because it has the same sensitivity with less power than pulse waveform radar and uses the same oscillator in both receiver and transmitter. But the leakage power into receiver and reflected power from antenna input port could degrade receiver sensitivity.
In addition, since the same oscillator in Homodyne FMCW Radar serves as local oscillator to drive mixer, a unwanted envelope component resulting from the power variation of FM modulator produces noise when rectified by mixer diodes. The largest FM-AM noise component in homodyne receiver appears a 30 dB higher than the thermal noise and effects receiver sensitivity.
Although Homodyne FMCW Radar has the advantage of simplicity in size and low cost in manufacturing over the pulsed waveform and heterodyne receiver, the performances required in Radar RF front end module such as the isolation between transmitter and receiver, the power variation and phase noise in oscillator and the conversion loss and 1 dB compression point in diode Mixer are much more critical factors and thereby determine the signal to noise ratio.
In this paper, we have designed and fabricated each component of RF front module to meet with better performances and analyzed the measured results, and then applied to Homodyne FMCW Radar for a vehicle target operating in 24 GHz ISM(Industrial, Science and Medical)band frequency with less than 10 mW, and validated its performance and usefulness. Additionally, we designed voltage controlled oscillator making output power as high as possible and frequency doubler making conversion gain and output saturated power as high as possible to make the module simple without employing the LO amplifier to drive mixer and amplifier for transmitting.
The power of the dielectric voltage controlled oscillator was 6 dBm at 12.05 GHz. The phase noise of -107 dBc at 100 KHz offset from the carrier was 20 dB higher than required. The power variation less than 0.1 dB over the electrically tunned frequency range of 15 MHz reduced the biggest FM-AM conversion noise in homodyne system.
The active frequency multiplier with a reflector capable of providing a higher conversion gain with a smaller size than conventional frequency multiplier was employed to convert the stable fundamental source to 24.10 GHz. The measured results of fabricated multiplier showed 3 dB of conversion gain, 10 dBm saturated output power and gain flatness over the operating frequency range.
The low noise amplifier is a two stage, having 18 dB gain, noise figure less than 3 dB, and 1.5 dB input return loss. Especially, we have presented the new graphical design approach that can afford to consider the optimum performance among the design parameter such as a noise, return loss, and gain simultaneously.
The conversion loss and 1 dB compression point of the fabricated single balance diode mixer , measured with 5 dBm LO pumping power, was 6 dB and 3 dBm, respectively
With RF front end module tested, it was found that module's signal to noise ratio with 5 dBm transmitting power was approximately IS dB at 11 meters away from motor car and maximum target range was about a 17 meters. we confirmed that the fabricated radar module performance was superior when applying for detecting vehicle at short range distance, considering the S/N ratio of a conventional Homodyne radar is under a few ten meters with 10 dBm transmitting output power.

목차 (Table of Contents)

• 목차 = ⅰ
• 그림목차 = ⅲ
• 표목차 = ⅸ
• 약어목록 = ⅹ
• Abstract = xi
• 제1장 서론 = 1
• 제2장 FMCW 레이더 = 5
• 2.1 FMCW 레이더의 기본 원리 = 5
• 2.2 목표물 검출을 위한 변조파 = 9
• 2.2.1 단일 톱니과 신호 = 9
• 2.2.2 삼각파 신호 = 12
• 제3장 FMCW 레이더 시스템 분석과 고주파부 설계 및 제작 = 13
• 3.1 호모다인 레이더 시스템 분석 = 13
• 3.1.1 레이더 중심 주파수와 송신전력 = 13
• 3.1.2 목표물의 RCS = 15
• 3.1.3 열잡음 전력 = 15
• 3.1.4 단일 안테나 FMCW 레이더의 잡음 = 18
• 3.1.5 FM-AM 변환 잡음 = 18
• 3.1.6 수신 전력 = 19
• 3.1.7 변조 파형의 설계 = 21
• 3.2 송신부 설계 및 제작 = 25
• 3.2.1 전압제어 유전체 발진기 = 26
• 3.2.1.1 전압제어 유전체 발진기의 기본 이론 = 26
• 3.2.1.2 전압제어 유전체 발진기의 설계 및 제작 = 35
• 3.2.2 주파수 체배기 = 45
• 3.2.2.1 주파수 체배기의 기본이론 = 46
• 3.2.2.2 주파수 체배기의 설계 및 제작 = 55
• 3.3 수신부 설계 및 제작 = 62
• 3.3.1 저잡음 증폭기 = 62
• 3.3.1.1 저잡음 증폭기의 기본이론 = 63
• 3.3.1.2 저잡음 증폭기의 설계 및 제작 = 75
• 3.3.2 주파수 혼합기 = 83
• 3.3.2.1 혼합기의 기본 이론 = 83
• 3.3.2.2 혼합기의 설계 및 제작 = 91
• 제4장 성능 측정 결과 및 분석 = 101
• 4.1 송신부 성능 특성 = 101
• 4.1.1 전압제어 발진기의 측정 결과 및 성능 분석 = 101
• 4.1.2 주파수 체배기의 측정 결과 및 성능 분석 = 106
• 4.2 수신부 성능 분석 = 110
• 4.2.1 저잡음 증폭기의 측정 결과 및 성능 분석 = 110
• 4.2.2 혼합기의 측정 결과 및 성능 분석 = 112
• 4.3 레이더 성능 실험 = 117
• 제5장 결론 = 121
• 참고문헌 = 124
• 국문요약