Receiver for Ku-band Compact Doppler Radar

Ku-대역 소형 도플러 레이다용 수신부

Abstract

In this paper, Ku-band Receiver for compact doppler radar has been designed and fabricated. It composed of MWR(Microwave Receiver) and IFR(Intermediate Frequency Receiver) which have 5 receive path. We applied limiter circuit to protect MWR from Tx leakage power and maximum 2 W. IFR can change the Rx path to broad band or narrow band by MSC(Mode Selection Switch). It is observed that fabricated receiver performs 68 dB gain and 3.7 dB noise figure, 93 ns limiter recovery time. Proposed Ku-band receiver is expected to apply for Ku-band compact doppler radar.

본 논문에서는 Ku-대역 소형 도플러 레이다용 수신부를 설계 및 제작하였다. 제작된 수신부는 총 5개의 수신 경로를 갖는 초고주파수신기와 중간주파수신기로 구성된다. 초고주파수신기의 초단에는 송신 누설 신호로부터 보호하기 위한 리미터가 적용되었으며, 최대 입력전력은 2 W이상이 되도록 설계 되었다. 중간주파수신기는 모드 선택 스위치를 통해 광대역 경로와 협대역 경로를 선택할 수 있게 설계하였다. 제안된 수신부는 이득 68 dB, 잡음지수 3.7 dB, 리미터 회복시간 93 ns가 측정되었다. 본 논문에서 제시한 수신부를 이용하여 Ku-대역 소형 도플러 레이다에 바로 적용이 가능할 것으로 예상한다.

Ⅰ. 서론

레이다는 원거리(remote)에서 전자기파를 이용하여 대상 표적의 위치, 속도, 특성을 식별하는 시스템으로 정의된다^[1]. 레이다는 추적 거리(range), 기능(function), 획득되는 정보(information), 주파수(frequency), PRF(Pulse Repetition Frequency), 설치되는 플랫폼(platform) 등에 따라 여러 가지로 분류 될 수 있다^[2]. 기능적인 측면에서 도플러 레이다(Doppler radar)는 움직이는 표적으로부터 발생하는 도플러 주파수 편이(Doppler frequency shift)를 이용하여 표적까지의 시선 속도(radial velocity)를 계측하는 시스템으로, 현재 발사체, 항공기, 로켓, 비행탄자, 선박, 공항, 항만, 기상상태 등의 식별과 감시 및 측정 등에 널리 활용되고 있다^[3].

펄스 도플러 레이다는 그림 1에 보인바와 같이 안테나(ANT; Antenna), 송신기(TXU; Transmitter Unit), 초고주파수신기(MWR; Microwave Receiver), 중간주파수신기(IFR; Intermidiate Frequency Receiver), 주파수합성기(FSU; Frequency Synthesizer Unit), 신호처리기(SPU; Signal Processing Unit), 전원공급기(PS; Power Supply) 등으로 구성된다.^[4-6] 주파수합성기로부터 발생된 송신신호는 고출력송신기를 거쳐 안테나를 통해 공중으로 전파된다. 이렇게 전파된 전자파는 그 산란특성상 목표물의 유효단면적(RCS : Radar Cross Section), 기상조건 그리고 탐지거리에 따라 반사되는 신호의 크기가 다르게 나타나기 때문에, 안테나를 거쳐 수신되는 작은 신호들은 증폭을 요하게 된다. 따라서 수신기는 시스템에서 요구되는 수준의 이득 특성을 가져야하며, 본 시스템에서는 65 dB 이상의 이득이 요구되었다.

그림 1. 일반적인 도플러 레이다 구조

Fig. 1. Typical structure of Doppler Radar

Ⅱ. 수신부 설계 방안

본 논문의 수신부는 초고주파수신기와 중간주파수신기로 구성된다. 초고주파수신기는 저잡음 수신 기능, 리미터를 이용한 수신기 보호 기능, BIT(Built In Test) 기능, 주파수하향변환기능을 갖고, 중간주파수신기는 광대역/협대역 선택 기능을 갖도록 구현하였다. 또한 초고주파수신기와 중간주파수신기는 레이다 시스템의 기계적 인터페이스를 고려하여 물리적으로 분리된 모듈로 구성하였다. 초고주파수신기에 대한 설계 목표를 표 1에 나타내었다.

표 1. 초고주파수신 설계 목표

Table 1. Specification of MWR

초고주파수신기는 최대 2 W의 송신 누설 전력으로부터 보호하기 위해 리미터로 CLA4604-000 소자를 선정하였으며 데이터시트 기준 최대 입력 전력은 10 W(CW 기준), 회복 시간은 5 ns이다. 또한 저 잡음 지수를 위해 초고주파수신기 초단에 LNA(Low Noise Amplifier)를 배치하였으며, 이미지 신호 제거를 위해 I/Q Mixer로 주파수 하향 변환을 설계하였다. 설계한 초고주파수신기의 블록도를 그림2에 나타내었으며, 버짓 설계 결과를 그림 3에 나타내었다. 설계결과 이득 및 잡음지수 등 모두 설계 목표를 만족함 확인하였다.

그림 2. 초고주파수신기 블록도

Fig. 2. Block diagram of MWR

그림 3. 초고주파수신기 버짓

Fig. 3. Budget of MWR

중간주파수신기의 설계 목표를 표 2에 나타내었다.

표 2. 중간주파수신기 설계 목표

Table 2. Specification of IFR

중간주파수신기는 초고주파수신기로부터 IF를 인가받아 증폭 및 대역선택(광대역/협대역), 감쇄 기능을 가지고 있다. 설계한 중간주파수신기의 블록도를 그림 4에 나타내었으며, 버짓 설계 결과를 그림 5에 나타내었다.

그림 4. 중간주파수신기 블록도

Fig. 4. Block diagram of IFR

그림 5. 중간주파수신기 버짓

Fig. 5. Budget of IFR

Ⅲ. 수신부 제작 및 측정

상기 설계 방안으로 그림 6과 같이 수신부를 제작하였다. 소형 레이다 시스템에 적용하기 위해 초고주파수신기는 35.0 × 13.0 × 13.0 (mm), 중간주파수신기는 56.0 × 51.5 × 11.5 (mm)의 소형으로 제작되었으며, 소형화를 위해 그림 6의 (b)와 (d)에서 볼 수 있듯이 가운데 격벽을 두고 상하구조로 제작하여 공간 활용도를 높였다.

그림 6. 제작된 수신부 (a) 초고주파수신기 (b) 초고주파수신기 내부 (c) 중간주파수신기 (d) 중간주파수신기 내부

Fig. 6. The fabricated Receiver (a) MWR (b) Theinside of MWR (c) IFR (d) The inside of IF

그림 7의 (a), (b)는 초고주파수신기의 잡음지수, 리미터 회복시간에 대한 측정 결과이며 (c), (d)는 중간주파수신기의 스위치 감쇄량 및 OIP3 측정 결과이다.

그림 7. 수신부 측정 결과 (a) 초고주파수신기 잡음지수 (b) 초고주파수신기 리미터 회복시간 (c) 중간주파

Fig. 7. Measured result of Receiver (a) MWR NF (b) MWR limiter recovery time (c) IFR switch isolation (d) IFR OIP3

표 3과 표 4는 각 수신기의 설계 목표 대비 측정 결과를 정리한 표이며, 모두 목표 성능을 만족함을 확인하였다.

표 3. 초고주파수신기 측정 결과

Table 3. Measured values of MWR

표 4. 중간주파수신기 측정 결과

Table 4. Measured values of IFR

Ⅳ. 결론

본 논문은 Ku-대역 소형 도플러 레이다용 수신부를 설계 및 제작하였다. 제작된 수신부는 입력 신호에 대해 이득을 다르게 할 수 있는 구조 및 저 잡음 성능을 구현하였다. 본 논문에서 제시한 수신부를 Ku-대역 소형 도플러 레이다에 적용하여 레이다의 탐지성능 및 동적영역 확대에 기여 할 수 있을 것으로 사료된다.