KR101105505B1 - SOM type Doppler radar - Google Patents

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Abstract

본 발명은 하나의 트랜지스터를 이용하여 발진 및 혼합이 동시에 이루어지도록 하여 회로 구성을 단순화할 수 있는 SOM 방식 도플러 레이더에 관한 것이다. 본 발명에 따른 SOM 방식 도플러 레이더는 절연 기판; 상기 절연 기판 상에 실장되고 국부 발진 신호를 발생하여 방사하고, 물체로부터 반사되어 도플러 주파수만큼 천이하여 되돌아 온 고주파 신호와 상기 국부 발진 신호를 혼합하여 중간 주파수 신호로 다운 변환하는 발진/혼합부; 상기 발진/혼합부로부터의 상기 국부 발진 신호를 상기 물체로 방사하고 상기 물체로부터 반사되어 온 상기 고주파 신호를 수신하는 안테나; 상기 발진/혼합부로부터의 상기 중간 주파수 신호를 필터링하여 상기 중간 주파수 신호에 포함된 국부 발진 성분 및 고주파 성분을 제거하는 IF 저역 통과 필터; 및 상기 IF 저역 통과 필터로부터의 상기 중간 주파수 신호를 검출하는 출력부를 포함하는 것을 특징으로 한다.The present invention relates to an SOM type Doppler radar that can simplify the circuit configuration by simultaneously oscillating and mixing using a single transistor. SOM type Doppler radar according to the present invention is an insulating substrate; An oscillation / mixing unit which is mounted on the insulating substrate and generates and radiates a local oscillation signal, and mixes the high frequency signal and the local oscillation signal which are reflected from an object and transitioned back by a Doppler frequency and down-converted to an intermediate frequency signal; An antenna that radiates the local oscillation signal from the oscillation / mixing unit to the object and receives the high frequency signal reflected from the object; An IF low pass filter for filtering the intermediate frequency signal from the oscillation / mixing unit to remove local oscillation component and high frequency component included in the intermediate frequency signal; And an output unit for detecting the intermediate frequency signal from the IF low pass filter.

도플러 레이더, SOM Doppler Radar, SOM

Description

ＳＯＭ 방식 도플러 레이더{SOM type Doppler radar}SOM type Doppler radar {SOM type Doppler radar}

본 발명은 도플러 레이더에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 SOM(Self Oscillating Mixer) 방식 도플러 레이더에 관한 것이다.The present invention relates to a Doppler radar, and more particularly, to a Self Oscillating Mixer (SOM) type Doppler radar.

일반적으로 레이더(RADAR: Radio Detection And Ranging)는 인간의 가시 거리 한계를 초월하여 원거리에 있는 물체의 존재를 탐지하는 센서로서, 기상 여건이나 주야에 관계없이 전천후 기능으로 단 거리부터 수평선 너머 지구 반대편의 장거리 물체까지 탐지할 수 있는 고유한 신호의 특성이 있기 때문에, 기존의 광학 수단을 이용한 방식과는 완전히 다른 전자파 센서이다. 이러한 레이더는 여러 가지 형태가 있으며, 전파 형태에 따라 연속파 레이더 및 펄스 레이더로 분리되며, 연속파 레이더는 도플러 레이더 및 FMCW 레이더로 나뉘고, 펄스 레이더는 펄스 도플러 레이더 및 펄스 압축 레이더로 나뉜다.In general, radar (Radar Detection And Ranging) is a sensor that detects the presence of objects at a distance beyond human visual field limits. Because of the inherent characteristics of the signal that can detect long distance objects, it is a completely different electromagnetic sensor than conventional methods. These radars come in various forms, and are divided into continuous wave radars and pulse radars according to the propagation type, continuous wave radars are divided into Doppler radars and FMCW radars, and pulse radars are divided into pulsed Doppler radars and pulse compression radars.

도 1은 종래의 단일 안테나 방식 도플러 레이더의 개념도이다. 도 1을 참조하면, 송신기(110)에서 나온 국부 발진(LO) 신호와 안테나(120)를 통해 수신되는 고주파(radio frequency; 이하 'RF'라 함) 신호를 분리하기 위하여 서큘레이터(130)가 사용되고 신호의 혼합을 위해 혼합기(Mixer)(140)가 추가된다. IF LPF(Low Pass Filter)(150)는 상기 혼합기(140)의 출력을 필터링하여 중간 주파수(intermediate frequency; 이하 'IF'라 함) 신호를 출력한다.1 is a conceptual diagram of a conventional single antenna type Doppler radar. Referring to FIG. 1, the circulator 130 is configured to separate a local oscillation (LO) signal from the transmitter 110 and a radio frequency (hereinafter, referred to as 'RF') signal received through the antenna 120. Mixer 140 is added for use and mixing of the signals. An IF low pass filter (LPF) 150 filters the output of the mixer 140 and outputs an intermediate frequency (hereinafter, referred to as 'IF') signal.

도 2는 종래의 이중 안테나 방식 도플러 레이더의 개념도이다. 도 2를 참조하면, 신호의 송수신을 위하여 두 개의 안테나(210)가 사용되고 혼합기(220)에서 신호의 혼합을 위해 방향성 결합기(Directional Coupler)(230)가 사용된다. IF LPF(240)는 상기 혼합기(220)의 출력을 필터링하여 IF 신호를 출력한다.2 is a conceptual diagram of a conventional dual antenna type Doppler radar. Referring to FIG. 2, two antennas 210 are used for transmitting and receiving signals, and a directional coupler 230 is used for mixing signals at the mixer 220. IF LPF 240 filters the output of mixer 220 and outputs an IF signal.

하지만, 종래의 도플러 레이더는 신호의 발생을 위한 발진기(송신기), 신호의 분배를 위한 서큘레이터 또는 결합기, 및 신호의 혼합을 위한 혼합기가 필요함에 따라 회로가 복잡해지는 단점이 있다.However, a conventional Doppler radar has a disadvantage in that a circuit is complicated as an oscillator (transmitter) for generating a signal, a circulator or combiner for distributing a signal, and a mixer for mixing a signal are required.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 하나의 트랜지스터를 이용하여 발진 및 혼합이 동시에 이루어지도록 하여 회로 구성을 단순화할 수 있는 자기 발진 믹서(SOM: Self Oscillating Mixer) 방식 도플러 레이더를 제공함에 그 목적이 있다.Disclosure of Invention The present invention is to solve the conventional problems as described above, and a self oscillating mixer (SOM) type Doppler radar that can simplify the circuit configuration by simultaneously oscillating and mixing using a single transistor. The purpose is to provide.

본 발명의 다른 목적은 능동 혼합기를 사용함과 동시에 변환 손실이 작은 최적의 바이어스 조건을 설정함에 따라 변환 손실이 작은 SOM(Self Oscillating Mixer) 방식 도플러 레이더를 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is to provide a self oscillating mixer (SOM) type Doppler radar having a low conversion loss by using an active mixer and setting an optimum bias condition having a low conversion loss.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 SOM 방식 도플러 레이더는 절연 기판; 상기 절연 기판 상에 실장되고 국부 발진 신호를 발생하여 방사하고, 물 체로부터 반사되어 도플러 주파수만큼 천이하여 되돌아 온 고주파 신호와 상기 국부 발진 신호를 혼합하여 중간 주파수 신호로 다운 변환하는 발진/혼합부; 상기 발진/혼합부로부터의 상기 국부 발진 신호를 상기 물체로 방사하고 상기 물체로부터 반사되어 돌아온 상기 고주파 신호를 수신하는 안테나; 상기 발진/혼합부로부터 발생되는 국부 발진 성분 및 고주파 성분을 제거하고 상기 중간 주파수 신호를 필터링하여 출력하는 IF 저역 통과 필터; 및 상기 IF 저역 통과 필터로부터의 상기 중간 주파수 신호를 출력하는 출력부를 포함하는 것을 특징을 한다.In order to achieve the above object, SOM type Doppler radar according to the present invention is an insulating substrate; An oscillation / mixing unit which is mounted on the insulating substrate and generates and radiates a local oscillation signal, and mixes the high frequency signal and the local oscillation signal, which are reflected from an object and transitioned back by a Doppler frequency, to down-convert to an intermediate frequency signal; An antenna for radiating the local oscillation signal from the oscillation / mixing unit to the object and receiving the high frequency signal reflected back from the object; An IF low pass filter which removes the local oscillation component and the high frequency component generated from the oscillation / mixing portion and filters and outputs the intermediate frequency signal; And an output unit for outputting the intermediate frequency signal from the IF low pass filter.

본 발명은 회로 구성이 간단하고 소형화가 가능하다는 특징 외에 변환 손실이 작다. 또한, 트랜지스터를 하나만 사용함으로써 제작 단가를 낮출 수 있을 뿐만 아니라 전력 소비도 낮다는 장점이 있다. 또한, 한 개의 안테나를 사용함으로써 안테나 편파 문제를 해결하였다.The present invention has a small conversion loss in addition to the simple circuit configuration and the small size. In addition, by using only one transistor, the manufacturing cost can be reduced and power consumption is low. In addition, the use of one antenna solves the antenna polarization problem.

또한, 본 발명에서는 속도 측정, 무기 체계에 많이 이용되는 도플러 레이더의 회로를 간소하게 하고 크기를 감소시킴으로써 제품 제작시 공정의 단순화 및 이에 따른 생산 원가 절감이 용이하고, 제품이 사용되는 시스템의 소형화에 많은 도움이 된다. In addition, the present invention simplifies and reduces the circuit size of the Doppler radar, which is widely used for speed measurement and weapon systems, thereby simplifying the manufacturing process and thereby reducing the production cost, and miniaturizing the system in which the product is used. It helps a lot.

이하, 첨부된 예시 도면에 의거하여 본 발명의 실시예에 따른 SOM 방식 도플러 레이더를 상세히 설명한다. Hereinafter, a SOM type Doppler radar according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying example drawings.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 SOM 방식 도플러 레이더의 개념도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 ADS 시뮬레이션 회로를 나타낸 회로도이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 SOM 방식 도플러 레이더의 실물 예시도이다.3 is a conceptual diagram of a SOM type Doppler radar according to an embodiment of the present invention, FIG. 4 is a circuit diagram showing an ADS simulation circuit according to an embodiment of the present invention, and FIG. 5 is a SOM type Doppler radar according to an embodiment of the present invention. It is a real example of the.

도 3 내지 도 5를 참고하면, 본 발명의 실시예에 따른 SOM(Self Oscillating Mixer) 방식 도플러 레이더는 절연 기판(510), 발진/혼합부(520), 안테나(7), 중간주파(IF) 저역 통과 필터(6), 출력부(4), 제1 바이어스부(530), 제2 바이어스부(540), 및 임피던스 매칭선로(1)를 포함한다.3 to 5, a self oscillating mixer (SOM) type Doppler radar according to an embodiment of the present invention includes an insulating substrate 510, an oscillation / mixing unit 520, an antenna 7, and an intermediate frequency IF. A low pass filter 6, an output 4, a first bias 530, a second bias 540, and an impedance matching line 1 are included.

절연 기판(510)은 그의 배면에 접지용 도전면이 형성되며, 전원 공급을 위한 부분을 제외하고는 90% 이상이 그라운드이다. 절연 기판(510)은 비 유전율(εr) 4.4, 기판 두께(H) 0.762㎜, 및 손실 탄젠트 tanδ = 0.025인 FR-4 기판을 사용하여 제작하는 것이 바람직하다. The insulating substrate 510 has a grounding conductive surface formed on its rear surface, and 90% or more of the insulating substrate 510 is ground except for a portion for power supply. The insulating substrate 510 is preferably manufactured using an FR-4 substrate having a specific permittivity (ε r ) 4.4, a substrate thickness H 0.762 mm, and a loss tangent tan δ = 0.025.

발진/혼합부(520)는 상기 절연 기판(510) 상에 실장되고 국부 발진 신호를 발생하여 방사하고, 물체(도시안됨)로부터 반사되어 도플러 주파수만큼 천이하여 되돌아 온 고주파(RF) 신호와 상기 국부 발진 신호를 혼합하여 IF 신호로 다운 변환한다.The oscillation / mixing unit 520 is mounted on the insulating substrate 510 and generates and radiates a local oscillation signal, and is reflected from an object (not shown) and returned by shifting by the Doppler frequency. The oscillation signal is mixed and down converted to an IF signal.

상기 발진/혼합부(520)는 트랜지스터(3), λ/4 개방 스터브(5), 및 피드백 선로(2)를 포함한다.The oscillation / mixing section 520 includes a transistor 3, a λ / 4 open stub 5, and a feedback line 2.

트랜지스터(3)는 λ/4 개방 스터브(5) 및 피드백선로(2)와 함께 국부발진회로를 구성하여 DC 바이어스가 인가됨에 따라 입력 신호에 대한 피드백 동작을 반복하여 상기 국부 발진 신호를 발생하여 방사하고, 상기 물체로부터 반사되어 되돌아 온 상기 RF 신호와 상기 국부 발진 신호를 비선형성에 의해 혼합하여 상기 중간 주 파수(IF) 신호를 출력한다. 상기 트랜지스터(3)는 게이트가 λ/4 개방 스터브(5)에 연결되고, 소스가 상기 피드백 선로(2)에 연결되며, 드레인이 임피던스 매칭선로(1)를 통하여 상기 안테나(7) 및 상기 IF LPF(6)에 연결되는 FET인 것이 바람직하다.The transistor 3 constitutes a local oscillation circuit together with the λ / 4 open stub 5 and the feedback line 2 to generate the local oscillation signal by repeating the feedback operation on the input signal as the DC bias is applied. The RF signal reflected from the object and returned from the local oscillation signal are mixed by nonlinearity to output the intermediate frequency IF signal. The transistor 3 has a gate connected to the λ / 4 open stub 5, a source connected to the feedback line 2, and a drain connected through an impedance matching line 1 to the antenna 7 and the IF. It is preferable that it is a FET connected to the LPF 6.

λ/4 개방 스터브(5)는 상기 트랜지스터(3)의 게이트에 연결되어 상기 트랜지스터(3)로부터의 상기 국부 발진 신호의 발진 주파수를 결정한다. λ/4 개방 스터브(5)는 트랜지스터(3)로부터 피드백된 신호들 중에서 발진 주파수를 결정하고 위상 노이즈 특성 향상을 위해 사용되며,λ/4 개방 스터브(5) 대신 유전체 공진기가 사용될 수 있다.The λ / 4 open stub 5 is connected to the gate of the transistor 3 to determine the oscillation frequency of the local oscillation signal from the transistor 3. The λ / 4 open stub 5 is used to determine the oscillation frequency among the signals fed back from the transistor 3 and to improve the phase noise characteristic, and a dielectric resonator may be used instead of the λ / 4 open stub 5.

트랜지스터(3)의 3 단자에 연결된 선로는 본래 납땜을 할 수 있을 정도의 길이면 충분하지만 그러한 선로들의 길이가 트랜지스터의 불안정 영역을 넓히는데 기여하는 부분이 있어서 길이가 길어진 것이고 주로 λ/4 개방 스터브(5)가 불안정 영역을 넓히고 신호들의 피드백에 관련된다. 일반적으로 피드백은 회로 자체 또는 트랜지스터(3) 자체에 피드백 루프가 존재하기 때문에 일어나며 λ/4 개방 스터브(5)는 그 양을 조절하고 불안정 영역을 넓히는 기능을 한다. 본 발명에서 혼합기의 역할은 익히 알려진 대로 트랜지스터(3)의 비선형 특성을 이용하여 이루어진다. 따라서 안테나(7)를 통하여 수신된 신호는 발진 신호와 트랜지스터(3) 내에서 혼합된다.The lines connected to the three terminals of the transistor 3 should be long enough to be soldered in nature, but the lengths of those lines contribute to widening the unstable area of the transistor, which is longer and mainly λ / 4 open stub. (5) widens the unstable area and relates to the feedback of the signals. In general, feedback occurs because of the presence of a feedback loop in the circuit itself or in the transistor 3 itself, and the λ / 4 open stub 5 functions to adjust the amount and widen the unstable area. The role of the mixer in the present invention is to take advantage of the nonlinear nature of the transistor 3 as is well known. Therefore, the signal received through the antenna 7 is mixed in the oscillation signal and the transistor 3.

피드백 선로(2)는 선 폭 1.42㎜을 가지며 상기 트랜지스터(3)의 소스에 연결되어 입력된 신호가 출력에서 이득을 가진 상태로 입력으로 되돌아가도록 하는 역 할을 하며 더불어 상기 트랜지스터(3)의 안정 영역과 불안정 영역을 판단하는 안정도 차원에서의 불안정 영역의 넓이를 조절한다. The feedback line 2 has a line width of 1.42 mm and is connected to the source of the transistor 3 so as to return the input signal to the input with a gain at the output and to stabilize the transistor 3. Adjust the width of the unstable area in terms of stability to determine the area and the unstable area.

안테나(7)는 신호의 송수신을 위한 것으로, 상기 발진/혼합부(520)로부터의 상기 국부 발진 신호를 상기 물체로 방사하고 상기 물체로부터 반사되어 온 상기 RF 신호를 수신한다. 상기 안테나(7)는 도 6과 같이 4개의 마이크로스트립 패치 안테나를 사용할 수 있다.The antenna 7 is for transmitting and receiving a signal, and radiates the local oscillation signal from the oscillation / mixing unit 520 to the object and receives the RF signal reflected from the object. The antenna 7 may use four microstrip patch antennas as shown in FIG. 6.

도 6은 도 5에 도시된 안테나(7)의 패턴을 나타낸 도면이다. 도 6을 참조하면, 상기 안테나(7)의 패턴은 기본적으로 마이크로스트립 패치 안테나 4개를 배열하여 제작된다. 패치의 폭과 넓이는 하기 수학식을 통해 정하여지며, 각 패치 간의 간격은 도 6에서처럼 0.8λ로 설정된다. 안테나의 특성은 2x2 배열 안테나를 사용하는 것이 최적은 아니다. 배열 안테나의 경우 배열의 개수가 늘어나면 어느 정도 안테나의 이득과 지향성이 향상되기 때문에 배열의 개수가 늘어나면 시스템의 특성을 향상시킬 수 있다.FIG. 6 shows a pattern of the antenna 7 shown in FIG. 5. Referring to FIG. 6, the pattern of the antenna 7 is basically manufactured by arranging four microstrip patch antennas. The width and width of the patch are determined by the following equation, and the spacing between the patches is set to 0.8 lambda as shown in FIG. The characteristics of the antenna is not optimal to use a 2x2 array antenna. In the case of an array antenna, the gain and directivity of the antenna are improved to some extent as the number of arrays increases, so that the characteristics of the system can be improved as the number of arrays increases.

안테나의 폭(W), 길이(L), εff, 및 △L은 다음 수학식 1 내지 4에 의해 구해진다.The width W, length L, ε ff , and ΔL of the antenna are obtained by the following equations (1) to (4).

Figure 112009072770826-pat00001
Figure 112009072770826-pat00001

Figure 112009072770826-pat00002
Figure 112009072770826-pat00002

Figure 112009072770826-pat00003
Figure 112009072770826-pat00003

Figure 112009072770826-pat00004
Figure 112009072770826-pat00004

IF 저역 통과 필터(LPF)(6)는 상기 발진/혼합부(520)로부터의 상기 IF 신호를 필터링하여 상기 IF 신호에 포함된 국부 발진 성분 및 RF 성분을 제거한다.An IF low pass filter (LPF) 6 filters the IF signal from the oscillator / mixer 520 to remove local oscillation components and RF components contained in the IF signal.

출력부(4)는 상기 IF 저역 통과 필터(6)로부터의 상기 IF 신호를 검출한다.The output section 4 detects the IF signal from the IF low pass filter 6.

제1 바이어스부(530)는 상기 트랜지스터(3)의 소스 및 상기 피드백 라인(2)과 접지 사이에 직렬 연결되어 RF 신호가 DC 회로에 영향을 주지 않도록 하는 역할도 동시에 수행하기 위해 고 임피던스 라인(선 폭 0.2㎜)으로 설계된 한 쌍의 제1 DC 바이어스 선로(9a), 및 상기 한 쌍의 제1 DC 바이어스 선로(9a) 사이에 연결되어 상기 한 쌍의 DC 바이어스 선로(9a)와 연동하여 상기 RF 신호가 상기 DC 바이어스 회로에 영향을 미치지 않도록 상기 RF 신호를 제거하는 제1 저역 통과 필터(LPF)(8a)로 구성되고, 상기 트랜지스터(3)의 소스에 바이어스 전압을 인가한다. The first bias unit 530 is connected in series between the source of the transistor 3 and the feedback line 2 and the ground to prevent the RF signal from affecting the DC circuit. A pair of first DC bias lines 9a designed with a line width of 0.2 mm) and the pair of first DC bias lines 9a to be interlocked with the pair of DC bias lines 9a to A first low pass filter (LPF) 8a that removes the RF signal so that the RF signal does not affect the DC bias circuit, and applies a bias voltage to the source of the transistor 3.

상기 제1 저역 통과 필터(8a)는 λ/4 부채꼴 스터브인 것이 바람직하다. λ/4 개방 스터브는 신호의 저지를 일으키지만 대역폭이 넓다는 단점이 있다. 이에 상기 제1 저역 통과 필터(8a)로서 λ/4 부채꼴 스터브를 사용함으로써 대역폭을 좁게 하여 원하는 신호의 저지 특성을 향상시켰다.Preferably, the first low pass filter 8a is a λ / 4 sector stub. λ / 4 open stubs cause signal rejection but have the disadvantage of having a wide bandwidth. Accordingly, by using the lambda / 4 sector stub as the first low pass filter 8a, the bandwidth is narrowed to improve the stopping characteristic of the desired signal.

제2 바이어스부(540)는 상기 트랜지스터(3)의 드레인에 상호 직렬 연결되어 RF 신호가 DC 회로에 영향을 주지 않도록 하는 역할도 동시에 수행하기 위해 고 임피던스 라인(선 폭 0.2㎜)으로 설계된 한 쌍의 제2 DC 바이어스 선로(9b), 상기 한 쌍의 제2 DC 바이어스 선로(9b) 사이에 연결되어 상기 한 쌍의 제2 DC 바이어스 선로(9b)와 연동하여 상기 RF 신호가 상기 DC 바이어스 회로에 영향을 미치지 않도록 RF 신호를 제거하는 제2 저역 통과 필터(8b), 및 상기 제2 저역 통과 필터(LPF)(8b)에 직렬 연결된 전원 공급부(11)로 구성되고, 상기 트랜지스터(3)의 드레인에 바이어스 전압을 인가한다. The second bias unit 540 is connected to the drain of the transistor 3 is connected in series to the high impedance line (line width 0.2mm) to simultaneously perform the role of preventing the RF signal from affecting the DC circuit at the same time Is connected between the second DC bias line 9b of the pair and the pair of second DC bias lines 9b to interlock with the pair of second DC bias lines 9b so that the RF signal is connected to the DC bias circuit. A second low pass filter 8b which removes the RF signal so as not to affect it, and a power supply 11 connected in series with the second low pass filter (LPF) 8b, the drain of the transistor 3 Apply a bias voltage to

상기 제2 저역 통과 필터(8b)는 폭 0.2㎜, 길이 10.04㎜, 각도 90의 부채꼴 도전 패턴을 갖는 λ/4 부채꼴 스터브인 것이 바람직하다. 상기 제1 및 제2 DC 바이어스 선로(9a,9b)는 트랜지스터(3)의 동작점을 결정해주기 위해 전압과 저항을 연결해 줄 수 있는 선로이다.It is preferable that the said 2nd low pass filter 8b is (lambda) / 4 fan-shaped stub which has the fan-shaped conductive pattern of width 0.2mm, length 10.04mm, and angle 90. The first and second DC bias lines 9a and 9b are lines capable of connecting voltage and resistance to determine the operating point of the transistor 3.

도 7은 도 4에 도시된 제1 및 제2 저역 통과 필터(8a,8b)의 시뮬레이션 특성 곡선 예시도이다.FIG. 7 is a diagram illustrating simulation characteristic curves of the first and second low pass filters 8a and 8b shown in FIG. 4.

임피던스 매칭용 선로(1)는 상기 발진/혼합부(520)와 상기 IF 저역 통과 필터(6) 사이에 연결되어 상기 발진/혼합부(520)로부터의 IF 신호가 상기 출력부(4) 로 용이하게 나가도록 하기 위해 임피던스를 매칭한다. 임피던스 매칭용 선로(1)를 제작하여 측정한 결과 50Ω 라인(선 폭 1.42㎜)을 바로 연결하는 것이 출력 특성이 더 우수하여 매칭 회로는 포함되지 않는다. 도 5를 참조하면, 상기 트랜지스터(3)와 임피던스 매칭용 선로(1) 사이에는 DC가 RF 출력단으로 넘어가는 것을 막기 위한 DC 차단 커패시터(12)가 설치된다.An impedance matching line 1 is connected between the oscillation / mixing section 520 and the IF low pass filter 6 so that an IF signal from the oscillation / mixing section 520 is easily routed to the output section 4. Match the impedance to get out. As a result of fabricating and measuring the impedance matching line 1, directly connecting a 50Ω line (line width 1.42 mm) has better output characteristics and no matching circuit is included. Referring to FIG. 5, a DC blocking capacitor 12 is installed between the transistor 3 and the impedance matching line 1 to prevent DC from flowing to the RF output terminal.

상기한 각 선로들의 규격은 DC 바이어스 선로(9a,9b)를 제외하고는 모두 50Ω으로 설계되었기 때문에 선 폭은 1.42㎜이다. 상기한 바와 같이, DC 바이어스 선로는 DC 전류만 흐르면 되기 때문에 선 폭이 중요하지 않지만 RF 저지의 기능도 포함하기 위해 고 임피던스 라인인 0.2㎜ 선 폭을 갖도록 한다.The line width is 1.42 mm because the specifications of each of the lines described above are all 50 ohms except for the DC bias lines 9a and 9b. As described above, since the DC bias line only needs to flow a DC current, the line width is not important, but to have a line width of 0.2 mm, which is a high impedance line, to include the function of RF rejection.

도 4에서, 7a는 안테나(7)가 결합되는 포트이고, 10은 시뮬레이션만을 위한 부분으로 실제 회로에서는 존재하지 않는다. 도 5에서 다른 부분보다 조금 넓게 솔더링이 이루어진 DC 바이어스 선로(9b) 부분은 DC 바이어스를 위한 저항과 전원을 연결하고, RF 바이패스를 위한 커패시터(C) 부분이다. LFP(8a) 쪽의 솔더링 또한 DC 바이어스를 위한 저항(R)을 위한 것이고, λ/4 개방 스터브(5) 부분은 트랜지스터(3)의 게이트 쪽을 50 Ω저항(R)으로 종단시키기 위한 부분입니다.In FIG. 4, 7a is a port to which the antenna 7 is coupled, and 10 is a portion only for simulation and does not exist in an actual circuit. The portion of the DC bias line 9b which is soldered slightly wider than the other portion in FIG. 5 is a portion of the capacitor C for connecting the resistor and the power supply for the DC bias and the RF bypass. The soldering on the LFP (8a) side is also for the resistor (R) for DC bias, and the λ / 4 open stub (5) is for terminating the gate side of the transistor (3) with a 50 Ω resistor (R). .

도 3 내지 도 5의 자기 발진 믹서(SOM: Self Oscillating Mixer) 방식 도플러 레이더는 도 1에 도시된 종래의 단일 안테나 방식 도플러 레이더와 같이 단일 안테나 방식이지만 하나의 트랜지스터를 이용하여 발진과 신호의 혼합을 모두 구현하는 방식으로서, 따라서 서큘레이터 및 혼합기가 추가로 필요하지 않다.The self oscillating mixer (SOM) type Doppler radar of FIGS. 3 to 5 is a single antenna type like the conventional single antenna type Doppler radar shown in FIG. 1, but uses a single transistor to mix the oscillation and the signal. As both implementations, no additional circulators and mixers are needed.

이하, 본 발명의 실시예에 따른 SOM 방식 도플러 레이더의 동작을 설명한다.Hereinafter, the operation of the SOM type Doppler radar according to an embodiment of the present invention.

먼저, 트랜지스터(3)에 DC 바이어스를 걸어주면 노이즈 등의 신호가 입력으로 되어 출력된다. 출력 신호의 일부는 이득을 가진 상태로 트랜지스터(3)의 게이트 단으로 피드백되고 피드백된 신호는 다시 트랜지스터(3)에 입력되어 출력으로 나온다. 이 신호들 중 일부가 다시 이득을 가진 상태로 피드백되는 과정이 반복되면 점점 이득이 큰 신호가 출력으로 나오게 된다. 이 경우 발진 주파수를 결정하는 요소는 게이트 단에 연결된 공진기인 λ/4 개방 스터브(5)이다. λ/4 개방 스터브(5)에 의해 공진 주파수와 동일한 주파수로 안정된 발진이 이루어진다.First, when a DC bias is applied to the transistor 3, a signal such as noise is input and output. A part of the output signal is fed back to the gate stage of the transistor 3 in a gained state, and the fed back signal is inputted back to the transistor 3 and outputted to the output. If some of these signals are fed back to gain, then a larger gain is output to the output. In this case, the element for determining the oscillation frequency is the λ / 4 open stub 5 which is a resonator connected to the gate stage. The lambda / 4 open stub 5 makes stable oscillation at the same frequency as the resonance frequency.

상기 트랜지스터(3)에 의해 신호의 발진이 일어나면 발진된 신호(LO 신호)는 안테나(7)를 통해 방사된다. 방사된 신호(LO 신호)는 물체에 반사되어 도플러 주파수(fd) 만큼 천이(RF 주파수 = LO 주파수 ± fd)되어 되돌아오는데, 상기 되돌아 온 신호(RF 신호)는 LO 신호와 마찬가지로 동일한 안테나(7)로 수신이 된다. 상기 도플러 주파수(fd)가 낮은 주파수이기 때문에 RF 주파수와 LO 주파수는 차이가 별로 나지 않아 하나의 안테나(7)로 수신이 가능하다. 상기 천이된 도플러 주파수(fd)는 다음 수학식 5에 의해 구해진다.When oscillation of the signal occurs by the transistor 3, the oscillated signal (LO signal) is radiated through the antenna 7. The radiated signal (LO signal) is reflected by an object and returned by transition (RF frequency = LO frequency ± f d ) by the Doppler frequency (f d ), and the returned signal (RF signal) is the same antenna as the LO signal ( 7) is received. Since the Doppler frequency f d is a low frequency, the RF frequency and the LO frequency do not have much difference, and thus can be received by one antenna 7. The shifted Doppler frequency f d is obtained by the following equation.

Figure 112009072770826-pat00005
Figure 112009072770826-pat00005

수학식 5에서, v는 물체의 속도이고, f0는 LO 주파수이고, c는 광속이다. 수신된 RF 신호는 트랜지스터(3)의 비선형성에 의해 LO 신호와 혼합되어 IF 신호로 다운 변환된다. 이 경우, 변환 손실(LC)은 안테나(7)를 통해 수신된 파워에 비해 IF 파워가 얼마나 나오는지에 대한 개념으로, 아래 수학식 6으로 정의된다.In Equation 5, v is the speed of the object, f 0 is the LO frequency, c is the luminous flux. The received RF signal is mixed with the LO signal by nonlinearity of the transistor 3 and down converted to an IF signal. In this case, the conversion loss L C is a concept of how much IF power comes out compared to the power received through the antenna 7, and is defined by Equation 6 below.

Figure 112009072770826-pat00006
Figure 112009072770826-pat00006

상기 변환손실(Lc)은 혼합기의 경우에 사용되는 성능 지표로서 일반적으로 수동 혼합기는 입력된 RF 신호에 비해 IF 신호가 작기 때문에 변환 손실이 발생하지만 능동 혼합기의 경우 RF 신호에 비해 IF 신호가 클 경우도 존재하여 몇 dB의 이득이 발생할 수 있다. The conversion loss (Lc) is a performance indicator used in the case of a mixer. In general, a passive mixer has a conversion loss because the IF signal is smaller than that of the input RF signal. There may also be a gain of several dB.

본 발명에서는 발진/혼합부(520)의 트랜지스터(3)에 대한 바이어스 포인트(bias point)를 중간 지점으로부터 제로 바이어스까지 변화시키면서 변환 손실(LC)의 변화를 측정하고 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.In the present invention, the change in the conversion loss (L C ) is measured while changing the bias point for the transistor 3 of the oscillation / mixing unit 520 from the intermediate point to zero bias, and the results are shown in Table 1 below. Indicated.

Figure 112009072770826-pat00007
Figure 112009072770826-pat00007

상기 표 1을 참고하면 FET 트랜지스터(3)의 VDS전압이 2V이고, IDS가 35mA인 경우가 변환 손실(LC)=1.54로 가장 적게 나타나는 것을 알 수 있다.Referring to Table 1, it can be seen that the V DS voltage of the FET transistor 3 is 2 V and the I DS is 35 mA, which is the smallest conversion loss (L C ) = 1.54.

IF 신호의 검출은 도 3 내지 도 5의 어느 지점에서도 검출할 수 있으나 본 발명의 SOM 방식 도플러 레이더에서는 출력부(4)에서 최대가 되도록 설계하였다. Although the detection of the IF signal can be detected at any point of FIGS. 3 to 5, the SOM type Doppler radar of the present invention is designed to be maximum at the output unit 4.

비 유전율(εr) 4.4, 기판 두께(H) 0.762㎜, 및 손실 탄젠트 tanδ = 0.025인 FR-4 기판을 사용하여 도 4에 도시된 본 발명 회로의 ADS 시뮬레이션를 설명하면 다음과 같다.The ADS simulation of the circuit of the present invention shown in FIG. 4 using a FR-4 substrate having a relative permittivity (ε r ) 4.4, a substrate thickness (H) 0.762 mm, and a loss tangent tan δ = 0.025 is as follows.

* Bias 조건 : VDS = 2 V, IDS = 35 mA* Bias condition: VDS = 2 V, IDS = 35 mA

* LO signal = 2.4507 GHz, 9.8 dBmLO signal = 2.4507 GHz, 9.8 dBm

* RF signal = 2.45 GHz, -70 dBmRF signal = 2.45 GHz, -70 dBm

* IF signal = 23.9 kHz, -71.54 dBmIF signal = 23.9 kHz, -71.54 dBm

시뮬레이션 결과는 도 8a 및 도 8b에 나타내었다.Simulation results are shown in FIGS. 8A and 8B.

또한, 도 5의 샘플에 대한 IF 출력 신호를 측정하여, 그 결과 그래프를 도 9에 나타내었다. 도 9를 참조하면 본 발명의 샘플에 대한 IF 출력 신호는 2.41 GHz, 10.63 dBm로 나타났다.In addition, the IF output signal for the sample of FIG. 5 was measured and the graph is shown in FIG. 9 as a result. 9, the IF output signal for the sample of the present invention was 2.41 GHz, 10.63 dBm.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예로서 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허 청구의 범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형이 가능할 것이다.Although the present invention has been described as a specific preferred embodiment, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and the present invention is not limited to the above-described embodiments without departing from the gist of the present invention as claimed in the claims. Anyone with a variety of variations will be possible.

본 발명에 따른 SOM 방식 도플러 레이더는 항공 운항 및 관제, 지구 및 우주 탐사, 기상 관측, 선박 항해, 자동차 속도 측정 및 충돌방지 등의 민수용 뿐 만아니라 조기 경보, 항만 감시, 대공 방어, 미사일 유도 통제 등의 군사용으로 사용될 수 있다.The SOM type Doppler radar according to the present invention is not only for civil use such as air navigation and control, earth and space exploration, weather observation, ship navigation, vehicle speed measurement and collision prevention, but also early warning, harbor monitoring, air defense, missile guidance control, etc. It can be used for military purposes.

도 1은 종래의 단일 안테나 방식 도플러 레이더의 개념도,1 is a conceptual diagram of a conventional single antenna type Doppler radar,

도 2는 종래의 이중 안테나 방식 도플러 레이더의 개념도,2 is a conceptual diagram of a conventional dual antenna type Doppler radar,

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 SOM 방식 도플러 레이더의 개념도, 3 is a conceptual diagram of a SOM type Doppler radar according to an embodiment of the present invention;

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 ADS 시뮬레이션 회로를 나타낸 회로도,4 is a circuit diagram showing an ADS simulation circuit according to an embodiment of the present invention;

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 SOM 방식 도플러 레이더의 샘플 예시도,5 is an exemplary diagram of a SOM type Doppler radar according to an embodiment of the present invention;

도 6은 도 5에 도시된 안테나의 패턴을 나타낸 예시도, 및6 is an exemplary view showing a pattern of the antenna shown in FIG. 5, and

도 7은 도 4에 도시된 SOM 방식 도플러 레이더의 시뮬레이션 특성 곡선 예시도,7 is a diagram illustrating a simulation characteristic curve of the SOM type Doppler radar shown in FIG. 4;

도 8a 및 도 8b는 각각 도 4에 도시된 본 발명 회로의 ADS 시뮬레이션 결과 및 IF 출력의 확대 그래프,     8A and 8B are enlarged graphs of ADS simulation results and IF outputs of the circuit of the present invention shown in FIG. 4, respectively;

도 9는 도 5의 샘플에 대한 IF 출력 신호를 나타내는 그래프이다.       9 is a graph showing an IF output signal for the sample of FIG.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>

1: 임피던스 매칭용 선로 2: 피드백 선로1: Impedance Matching Line 2: Feedback Line

3: 트랜지스터 4: 출력부3: transistor 4: output

5: λ/4 개방 스터브 6: IF LPF5: λ / 4 open stub 6: IF LPF

7: 안테나 8a,8b: LPF 7: antenna 8a, 8b: LPF

9a,9b: DC 바이어스 선로 11: 전원 공급부9a, 9b: DC bias line 11: power supply

12: DC 블록 커패시터 510: 절연 기판 12: DC block capacitor 510: insulated substrate

520: 발진/혼합부 530: 제1 바이어스부 520: oscillation / mixing unit 530: first bias unit

540: 제2 바이어스부540: second bias portion

Claims (6)

절연 기판;Insulating substrate; 상기 절연 기판 상에 실장되어 국부 발진 신호를 발생하여 방사하고, 물체로부터 반사되어 도플러 주파수만큼 천이하여 되돌아 온 고주파 신호와 상기 국부 발진 신호를 혼합하여 중간 주파수(IF) 신호로 다운 변환하는 발진/혼합부;Oscillation / mixing which is mounted on the insulating substrate to generate and emit a local oscillation signal, and mixes the high frequency signal reflected from the object and shifted back by the Doppler frequency and the local oscillation signal to downconvert to an intermediate frequency (IF) signal. part; 상기 발진/혼합부로부터의 상기 국부 발진 신호를 상기 물체로 방사하고 상기 물체로부터 반사되어 돌아온 상기 고주파 신호를 수신하는 안테나;An antenna for radiating the local oscillation signal from the oscillation / mixing unit to the object and receiving the high frequency signal reflected back from the object; 상기 발진/혼합부로부터 발생되는 국부 발진 성분 및 고주파 성분을 제거하고 상기 중간 주파수 신호를 필터링하여 출력하는 IF(중간 주파수) 저역 통과 필터; 및An IF (intermediate frequency) low pass filter for removing the local oscillation component and the high frequency component generated from the oscillation / mixing portion and filtering and outputting the intermediate frequency signal; And 상기 IF 저역 통과 필터로부터의 상기 중간 주파수 신호를 출력하는 출력부를 포함하는 자기 발진 믹서(SOM) 방식 도플러 레이더. A self-oscillating mixer (SOM) type Doppler radar including an output for outputting the intermediate frequency signal from the IF low pass filter. 제1 항에 있어서, 상기 발진/혼합부는The method of claim 1, wherein the oscillation / mixing unit DC 바이어스 인가됨에 따라 입력 신호에 대한 피드백 동작을 반복하여 상기 국부 발진 신호를 발생하여 방사하고, 상기 물체로부터 반사되어 되돌아 온 상기 고주파 신호와 상기 국부 발진 신호를 비선형성에 의해 혼합하여 상기 중간 주파수 신호를 출력하는 트랜지스터;As the DC bias is applied, the feedback operation with respect to the input signal is repeated to generate and radiate the local oscillation signal, and the intermediate frequency signal is mixed by mixing the high frequency signal reflected from the object and the local oscillation signal by nonlinearity. An output transistor; 상기 트랜지스터의 게이트에 연결되어 상기 트랜지스터로부터의 상기 국부 발진 신호의 발진 주파수를 결정하는 λ/4 개방 스터브; 및A λ / 4 open stub connected to the gate of the transistor to determine an oscillation frequency of the local oscillation signal from the transistor; And 상기 트랜지스터의 소스에 연결되어 입력된 신호가 출력에서 이득을 가진 상태로 입력으로 되돌아가도록 하고, 상기 트랜지스의 불안정 영역의 넓이를 조절하는 피드백 선로를 포함하는 SOM 방식 도플러 레이더.And a feedback line connected to a source of the transistor to return an input signal to a gain state at an output, and to adjust an area of an unstable region of the transistor. 제2 항에 있어서, The method of claim 2, 상기 트랜지스터의 소스 및 상기 피드백 선로와 접지 사이에 직렬 연결된 한 쌍의 제1 DC 바이어스 선로, 및 상기 한 쌍의 제1 DC 바이어스 선로 사이에 연결되어 상기 한 쌍의 제1 DC 바이어스 선로와 연동하여 상기 고주파 신호가 DC 바이어스 회로에 영향을 미치지 않도록 상기 고주파 신호를 제거하는 제1 저역 통과 필터로 구성되어, 상기 트랜지스터의 소스에 바이어스 전압을 인가하는 제1 바이어스부; 및 A pair of first DC bias lines connected in series between the source of the transistor and the feedback line and ground, and between the pair of first DC bias lines to interlock with the pair of first DC bias lines to A first bias part configured to remove the high frequency signal so that the high frequency signal does not affect the DC bias circuit, the first bias part applying a bias voltage to a source of the transistor; And 상기 트랜지스터의 드레인에 상호 직렬 연결된 한 쌍의 제2 DC 바이어스 선로, 상기 한 쌍의 제2 DC 바이어스 선로 사이에 연결되어 상기 한 쌍의 제2 DC 바이어스 선로와 연동하여 상기 고주파 신호가 상기 DC 바이어스 회로에 영향을 미치지 않도록 상기 고주파 신호를 제거하는 제2 저역 통과 필터, 및 상기 제2 저역 통과 필터에 직렬 연결된 전원 공급부로 구성되어, 상기 트랜지스터의 드레인에 바이어스 전압을 인가하는 제2 바이어스부를 더 포함하는 SOM 방식 도플러 레이더.A pair of second DC bias lines interconnected to the drain of the transistor and between the pair of second DC bias lines so that the high frequency signal is coupled to the pair of second DC bias lines so that the high frequency signal is A second low pass filter configured to remove the high frequency signal so as not to affect the second low pass filter, and a power supply connected in series with the second low pass filter, the second bias part configured to apply a bias voltage to the drain of the transistor; SOM Doppler Radar. 제3 항에 있어서, 상기 제1 저역 통과 필터 및 상기 제2 저역 통과 필터는 λ/4 부채꼴 스터브인 SOM 방식 도플러 레이더.4. The SOM type Doppler radar of claim 3, wherein the first low pass filter and the second low pass filter are lambda / 4 sector stubs. 제1 항에 있어서, 상기 안테나는 4개의 마이크로스트립 패치 안테나인 SOM 방식 도플러 레이더.The SOM Doppler radar of claim 1, wherein the antenna is four microstrip patch antennas. 제1 항에 있어서, 상기 발진/혼합부와 상기 IF 저역 통과 필터 사이에 연결되어 상기 발진/혼합부로부터의 상기 중간 주파수 신호가 상기 출력부로 용이하게 나가도록 하기 위해 임피던스를 매칭하는 임피던스 매칭용 선로를 더 포함하는 SOM 방식 도플러 레이더.The impedance matching line of claim 1, wherein an impedance matching line is connected between the oscillator / mixer and the IF low pass filter to match an impedance so that the intermediate frequency signal from the oscillator / mixer easily exits to the output. SOM method Doppler radar including more.
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