KR101130053B1 - 밀리미터파 대역 수신기 - Google Patents

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KR101130053B1
KR101130053B1 KR1020120002483A KR20120002483A KR101130053B1 KR 101130053 B1 KR101130053 B1 KR 101130053B1 KR 1020120002483 A KR1020120002483 A KR 1020120002483A KR 20120002483 A KR20120002483 A KR 20120002483A KR 101130053 B1 KR101130053 B1 KR 101130053B1
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Abstract

본 발명은 RF(Radio Frequency) 탐색기에 사용되는 수신기에 있어서, 특히 밀리미터파 탐색기에 사용되는 밀리미터파 대역 수신기에 관한 것으로, 합채널과 적어도 하나의 차채널을 통해 신호를 수신하는 모노펄스 안테나와, SLB(Sidelobe Blanking) 채널을 통해 신호를 수신하는 SLB 안테나와, 상기 모노펄스 안테나를 통해 수신된 신호와 상기 SLB 안테나를 통해 수신된 신호에 대한 고주파 처리를 수행하되, 상기 모노펄스 안테나와 도파관을 통해 직접 연결되는 초고주파 수신부와, 상기 초고주파 수신부에서 처리된 신호를 하향 주파수 처리한 후에 디지털신호로 변환하는 주파수 하향처리부와, 상기 주파수 하향처리부에서 출력되는 상기 디지털신호를 신호처리하는 신호처리부로 구성되어, 최대 및 최소 표적거리에서 표적신호를 보다 안전하게 하향 변환하며, 밀리미터파 대역 수신기에 필요한 넓은 동적 영역을 확보할 수 있게 해주는 등의 효과를 발휘하는 밀리미터파 대역 수신기에 관한 것이다.

Description

밀리미터파 대역 수신기{millimeter-wave band receiver}
본 발명은 RF(Radio Frequency) 탐색기에 사용되는 수신기에 관한 것으로, 특히 밀리미터파 탐색기에 사용되는 밀리미터파 대역 수신기에 관한 것이다.
밀리미터파는 30 ~ 300 GHz의 주파수를 의미한다.
밀리미터파를 이용하는 송수신 시스템은 마이크로파를 이용하는 송수신 시스템에 비해 소형이며 넓은 대역으로 구현할 수 있는 장점을 가진다. 그러나 사용되는 RF(Radio Frequency) 부품이 고가이며 성능이 낮다는 단점도 있었다.
한편, 밀리미터파 대역을 이용하는 송수신 시스템에서 일정한 크기의 유도무기에 사용되는 RF 탐색기로 밀리미터파 대역 탐색기가 사용되는데, 그 밀리미터파 대역 탐색기에 대해서는 높은 안테나 이득, 좁은 안테나 빔폭, 작은 클러터 및 ECM(Electronic Countermeasures) 영향 때문에 많은 연구가 계속되고 있다.
특히, 모노 펄스 안테나를 사용하는 RF 탐색기는 좁은 안테나 빔폭과 짧은 파장을 가진다. 좁은 안테나 빔폭은 표적에 대한 각도 정확도를 높이며, 짧은 파장은 도플러 주파수의 정확도를 높인다. 그로 인해 고속으로 움직이는 항공기나 탄도탄 같은 표적에 대한 요격 정확도를 높일 수 있었다. 여기서, 탐색기에 주로 응용되는 밀리미터파 대역으로는 Ka-대역과 W-대역이 있다.
RF 탐색기는 표적의 각도 정보를 추출하기 위해 수신기를 구비하며, 그 수신기로는 합채널, 고각채널 및 방위각채널을 통해 높은 주파수신호를 수신하는 다채널 수신기가 사용된다. 그 다채널 수신기는 RF 부품특성 차이 및 조립 정확도에 따라 채널간 위상 오차 및 이득 오차가 발생하는데, 그에 따라 채널들 간 보정이 요구되며, 이러한 보정을 위해 수신기의 입력단에 점검신호의 주입이 필요하다.
한편, RF 탐색기에서 모노 펄스 안테나를 적용한 경우, 밀리미터파 대역 중 대기 감쇄 특성이 적고, 최대 및 최소 표적거리에서 표적신호를 안전하게 하향 변환하며, 수신기에 필요한 넓은 동적 영역을 확보할 수 있으며, 잡음 및 이득 측면에서 우수한 성능을 발휘하는 수신기가 요구되고 있는 실정이다.
본 발명의 목적은 상기한 점을 감안하여 안출한 것으로, 특히 밀리미터파 대역 중 대기 감쇄 특성이 적고, 최대 및 최소 표적거리에서 표적신호를 안전하게 하향 변환하면서도 요구되는 넓은 동적 영역을 확보할 수 있을 뿐만 아니라 잡음지수의 개선과 수신기 이득을 향상시킬 수 있도록 해주는 밀리미터파 대역 수신기를 제공하는 데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 밀리미터파 대역 수신기의 특징은, 합채널과 적어도 하나의 차채널을 통해 신호를 수신하는 모노펄스 안테나와, SLB(Sidelobe Blanking) 채널을 통해 신호를 수신하는 SLB 안테나와, 상기 모노펄스 안테나를 통해 수신된 신호와 상기 SLB 안테나를 통해 수신된 신호에 대한 고주파 처리를 수행하되, 상기 모노펄스 안테나와 도파관을 통해 직접 연결되는 초고주파 수신부와, 상기 초고주파 수신부에서 처리된 신호를 하향 주파수 처리한 후에 디지털신호로 변환하는 주파수 하향처리부와, 상기 주파수 하향처리부에서 출력되는 상기 디지털신호를 신호처리하는 신호처리부로 구성되는 것이다.
바람직하게, 상기 초고주파 수신부는 상기 합채널의 신호경로로 반사되어 들어오는 전력의 흐름을 차단하는 리미터를 더 구비할 수 있다.
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바람직하게, 상기 초고주파 수신부는 상기 모노펄스 안테나와의 연결을 위해 상기 도파관을 적용한 도파관 대 마이크로스트립 트랜지션(Microstrip transition) 구조를 구비하되, 상기 도파관 대 마이크로스트립 트랜지션 구조로써 L-C 정합회로를 구비할 수 있다.
본 발명에 따른 밀리미터파 대역 수신기는 최대 및 최소 표적거리에서 표적신호를 보다 안전하게 하향 변환하며, 밀리미터파 대역 수신기에 필요한 넓은 동적 영역을 확보할 수 있게 해준다. 또한, 잡음지수를 효과적으로 낮출 수 있을 뿐만 아니라 수신기 이득을 높여서 우수한 성능을 보장한다. 더불어, 송신 누설 전력 등과 같은 비수신신호로부터 수신기를 보호하기 위한 수신기 동작 제어 시에 빠른 스위칭 타임으로 온/오프 제어할 수 있는 장점도 있다.
도 1은 본 발명에 따른 밀리미터파 대역 수신기의 구성을 나타낸 다이어그램,
도 2는 수학식 1로 정의되는 ADC의 동적 영역과 수학식 2로 정의되는 ADC의 신호대잡음비 손실을 ADC 입력 잡음 전압과 양자화 간격에 따른 특성으로 나타낸 그래프,
도 3은 ADC의 특성을 나타낸 테이블,
도 4는 본 발명에 따른 밀리미터파 대역 수신기에 적용되는 시스템 파라미터를 나타낸 테이블,
도 5는 본 발명에 따른 밀리미터파 대역 수신기를 사용함에 따른 수신기 이득(Gain)과 잡음지수(Noise Figure)를 나타낸 그래프.
본 발명의 다른 목적, 특징 및 이점들은 첨부한 도면을 참조한 실시 예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예의 구성과 그 작용을 설명하며, 도면에 도시되고 또 이것에 의해서 설명되는 본 발명의 구성과 작용은 적어도 하나의 실시 예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해서 상기한 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지는 않는다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 밀리미터파 대역 수신기의 바람직한 실시 예를 자세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 밀리미터파 대역 수신기의 구성을 나타낸 다이어그램으로, 예로써 밀리미터파 대역 탐색기(millimeter-wave band seeker)를 위한 Ka-대역 수신기이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 밀리미터파 대역 수신기는 모노펄스 안테나(100)와 SLB(Sidelobe Blanking) 안테나(110)를 구비하며, 초고주파수를 처리하기 위한 초고주파 수신부(200)와, 주파수에 대한 하향 처리를 수행하는 주파수 하향처리부(300)를 또한 구비한다. 그리고 하향주파수 처리된 디지털신호를 신호처리하는 신호처리부(400)를 구비한다.
모노펄스 안테나(100)는 합채널과 차채널을 통해 신호를 수신한다.
SLB 안테나(110)는 재밍신호를 확인하기 위한 SLB채널을 통해 신호를 수신한다.
초고주파 수신부(200)는 모노펄스 안테나(100)를 통해 수신된 신호와 SLB 안테나(110)를 통해 수신된 신호에 대한 고주파처리를 수행한다.
주파수 하향처리부(300)는 초고주파 수신부(200)에서 처리된 신호를 하향 주파수 처리한 후에 디지털신호로 변환한다.
신호처리부(400)는 주파수 하향처리부(300)에서 처리된 디지털신호를 신호처리한다. 특히 신호처리부(400)는 수신되는 디지털신호에 대한 신호처리를 통해 표적을 식별하는데, 상관처리와 식별처리와 추적처리 등을 행하여 표적을 표시하고 그 표적의 고도나 속도 등을 표시하는 동작을 수행한다.
상기한 구성에 기반하여 이하에서 보다 상세한 동작을 설명한다.
본 발명에 따른 밀리미터파 대역 수신기는 125 ~ 10 dBm의 수신신호를 안전하게 주파수 하향 변환하며, 수신기 동작 제어를 통해 20 ~ 45 dBm의 비수신신호(예로써, 송신 누설 전력)로부터 수신기를 보호한다.
모노펄스 안테나(100)는 1개의 합채널(Σ)과 2개의 차채널(Δa,Δe)을 통해 각각 수신신호를 수신하며, SLB 안테나(110)는 1개의 SLB 채널을 통해 또다른 수신신호를 수신한다. 모노펄스 안테나(100)는 비교기(미도시)를 구비할 수 있으며, 그 비교기를 통해 1개의 합채널과 2개의 차채널로 신호를 수신한다.
초고주파 수신부(200)는 합채널의 신호경로에 순환기(Circulator)(210), 모드변환기(220), 리미터(230), 제1스위치(240), 저잡음증폭기(LNA)(250), 그리고 제1대역통과필터(260)를 구비하며, 차채널의 신호경로들에 순환기(210)와 리미터(230)를 제외하고 합채널의 신호경로와 동일하게 구성된다. 즉, 차채널의 신호경로들은 각각 스위치, 저잡음증폭기(LNA), 그리고 대역통과필터를 구비한다. 또한, 초고주파 수신부(200)는 SLB 채널의 신호경로에 방향성 결합기(270)를 구비하며, 스위치, 저잡음증폭기(LNA), 그리고 대역통과필터(BPF)를 더 구비한다.
주파수 하향처리부(300)는 하나의 신호경로에 제1주파수합성기(310), 제2스위치(320), 증폭기(330), 제2대역통과필터(340), 제2주파수합성기(350), 자동이득제어증폭기(AGC)(360), 그리고 제3대역통과필터(370)를 구비하며, 디지털신호로의 변환을 위한 ADC(Analogue to digital converter)(미도시)를 더 구비하는 것이 바람직하다. 이러한 구성은 1개의 합채널의 신호경로, 2개의 차채널의 두 신호경로들, 그리고 SLB 채널의 신호경로에 동일하게 구비되어, 전술된 4개의 채널을 통해 수신되는 신호들을 동일한 방식으로 주파수 하향 변환한다.
한편, 본 발명에 따른 밀리미터파 대역 수신기는 채널간 위상 정합 및 위상 추적 보상하기 위해 점검신호(Cal)를 주입하기 위한 구성을 포함하는데, 점검신호는 모노펄스 안테나(100)에 구비되는 비교기(미도시)에 인가되며, 동시에 SLB 채널의 신호경로에 구비되는 방향성 결합기(270)에 인가된다.
초고주파 수신부(200)에서 순환기(210)는 합채널을 통해 송수신되는 신호를 분리한다.
모드변환기(transition)(220)는 순환기(210)를 통해 수신되는 수신신호를 이어지는 신호경로의 다른 구성요소들로 전환시키며, 리미터(230)는 모노펄스 안테나(100)를 통해 반사되어 들어오는 높은 전력의 흐름을 차단하여 밀리미터파 대역 수신기를 보호한다. 여기서, 리미터(230)로는 평판형 캐리어 구조의 리미터를 사용한다. 평판형 캐리어 구조의 리미터를 사용함으로써, 본 발명에 따른 밀리미터파 대역 수신기의 동적 영역과 감도를 높일 수 있다.
순환기(210)와 모드변환기(220)의 구조는 도파관 대 마이크로스트립 트랜지션(Microstrip transition) 구조로 설명된다. 이를 위해, 본 발명에서는 순환기(210)와 모노펄스 안테나(100)가 도파관으로 연결된다.
도파관 대 마이크로스트립 트랜지션(Microstrip transition)은 정합 소자로써, 보다 낮은 손실로 도파관의 높은 임피던스를 낮은 임피던스의 마이크로스트립 라인으로 신호 전달한다. 이때, 트랜지션에서 안테나의 회전 반경과 밀접한 관계가 있는 트랜지션의 길이가 중요한 파라미터가 된다. 트랜지션의 길이를 줄이기 위한 방안으로는 도파관에 다단계 릿지 계단을 이용하는 방식이 있는데, 이러한 구조는 넓은 대역과 낮은 삽입 손실의 좋은 특성을 가진다. 그러나 본 발명에서는 구조의 단순함과 제작의 편의성을 위하여, 도파관 대 마이크로스트립 트랜지션 구조로써 L-C 정합회로를 적용한다. 본 발명에 적용된 L-C 정합회로는 좁은 대역을 가지지만 특별하게 트랜지션 길이가 요구되지 않는다는 장점이 있다. 또한 본 발명에서는 L-C 정합회로를 사용함에 따른 좁은 대역의 특성을 극복하기 위해 마이크로스트립의 종단에 부채 모양의 프로브(Probe)를 사용한다.
또한, 본 발명의 밀리미터파 대역 수신기는 수신시간 손실을 줄이기 위해 모노펄스 안테나(100)에 도파관으로 직접 연결하는 구조를 적용한다.
한편, 안테나들(100,110)을 제외한 초고주파 수신부(200)의 구조는 안테나들(100,110)과 안테나 구동을 위한 서보를 고려하여 'C' 자 형태로 구현되며, 채널간 격리도를 높이기 위해 각 채널을 분리하여 배치하고 격벽을 사용한다.
초고주파 수신부(200) 및 주파수 하향처리부(300)에 구비되는 다수 스위치(240,320)는 SPDT(Single Pole Double Throw) 스위치를 사용하며, 각기 구비되는 신호경로에서 스위칭 동작을 수행한다.
저잡음증폭기(LNA)(250)는 이득제어를 위해 구비된다.
상기 다수 스위치(240,320)와 함께 이득제어를 위한 증폭기가 밀리미터파 대역 수신기에 필요한 넓은 동적 영역을 확보하기 위해 사용된다.
주파수 하향처리부(300)에서 제1주파수합성기(310)는 주파수 하향 변환을 위해 주파수발진기에서 생성된 제1국부발진신호(LO1)와 초고주파 수신부(200)로부터 입력되는 수신신호를 합성하여 보다 낮은 주파수신호로 변환하며, 제2주파수합성기(350)는 주파수 하향 변환을 위해 주파수발진기에서 생성된 제2국부발진신호(LO2)와 제2대역통과필터(340)에서 출력되는 신호를 합성하여 보다 낮은 주파수신호로 변환한다. 한편, 합채널, 차채널 및 SLB 채널의 각 신호경로에 구비되는 주파수합성기들에는 서로 동일한 방식으로 국부발진신호(LO1,LO2)들이 인가되는데 즉, 제1주파수합성기(310)를 포함하여 스위치들의 전단에 구비되는 주파수합성기들에는 동일하게 제1국부발진신호(LO1)이 인가되며, 제2주파수합성기(350)를 포함하여 자동이득제어증폭기(AGC)들의 전단에 구비된 주파수합성기들에는 동일하게 제2국부발진신호(LO2)이 인가된다.
주파수 하향처리부(300)에서 합채널의 제1주파수합성기(310)와, 그 합채널의 제1주파수합성기(310)와 동일한 단에 구비되는 타 채널들의 주파수합성기에 동일하게 제1국부발진신호(LO1)를 인가하기 위해, 본 발명에서는 4방향 분배기를 사용한다. 따라서, 4방향 분배기를 통해 동일한 제1국부발진신호(LO1)가 각 채널에 인가된다. 또한 합채널의 제2주파수합성기(350)와, 그 합채널의 제2주파수합성기(350)와 동일한 단에 구비되는 타 채널들의 주파수합성기에 동일하게 제2국부발진신호(LO2)를 인가하기 위해, 본 발명에서는 또다른 4방향 분배기를 사용한다. 따라서, 그 4방향 분배기를 통해 동일한 제2국부발진신호(LO2)가 각 채널에 인가된다. 여기서, 4방향 분배기들에 분배된 국부발진신호들을 50 ohm 피드쓰루(feedthru)를 이용하여 주파수합성기들에 공급된다.
본 발명의 밀리미터파 대역 수신기의 이득(GS)과 이득 제어 범위는 ADC의 신호대잡음비(SNR: Signal to Noise Ratio) 및 1dBFS(-1dB Full Scale) 등을 고려하여 설정한다.
ADC의 동적 영역(Dynamic Range: D ADC )은 아래 수학식 1과 같이 정의된다.
[수학식 1]
Figure 112012002061680-pat00001
상기 수학식 1에서 N은 ADC의 비트수, α는 ADC의 입력 잡음 전압(σ)과 양자화 간격(h)의 비이다. 또한 ADC의 신호대잡음비 손실(SNR Loss: LADC)은 아래 수학식 2와 같은 관계를 가진다.
[수학식 2]
Figure 112012002061680-pat00002
상기 수학식 2에서 SNRADC는 ADC의 신호대잡음비이다.
상기 수학식 1과 2을 α(ADC 입력 잡음 전압과 양자화 간격)에 따른 특성으로 나타낸 그래프가 도 2이며, 도 3은 ADC의 특성을 나타낸 테이블이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 신호대잡음비 손실(SNR Loss)이 커지고 ADC 동적 영역을 작게 설정하면, ADC 신호대잡음비 손실(ADC SNR Loss)은 작아진다.
수신기의 동적 영역을 넓게 확보하기 위해 넓은 ADC 동적 영역을 설정함에 따라, 큰 ADC 신호대잡음비 손실을 야기하며, 수신기를 포함한 시스템 전체에 성능 열화를 야기한다. 반면에, ADC 동적 영역을 작게 설정하면, ADC 신호대잡음비 손실은 작아지나 넓은 수신기 동적 영역이 요구되는 경우에서는 높은 수신기 이득과 넓은 이득 제어가 요구되어 구조가 복잡해진다. 이에 따라 본 발명에서는 시스템 성능 고려하여 ADC 신호대잡음비 손실을 0.5dB 이하로 설정하고, 또한 최대 ADC 동적 영역을 66dB로 설정한다.
도 4는 본 발명에 따른 밀리미터파 대역 수신기에 적용되는 시스템 파라미터를 나타낸 테이블로써, 도 4에 나타낸 바와 같이 수신기 이득 및 이득 제어 값을 설정한다.
도 4에 나타낸 최소 탐지 신호대잡음비(SNRmin), 디지털 처리 이득, 중간주파(IF) 필터 대역폭 및 잡음지수를 고려하여, 본 발명에서는 최소 수신기 입력신호(-125dBm)를 신호처리하기 위한 수신기 이득으로 54dB 이상을 설정한다. 또한, 계산된 수신기 이득 및 ADC의 입력 1dBFS를 고려하여 최대 수신기 입력 신호 (10dBm)를 신호처리하며, 이를 위해 수신기 이득 제어 값을 61dB 이상으로 설정한다.
밀리미터파 대역 수신기의 버짓은, ADC의 1dBFS(-3.8 dBm)을 고려할 때, 수신기로 입력되는 신호가 125 ~ -53 dBm까지 가능한데, 만약 그 이상의 입력 신호에 대해서는 수신기 이득을 제어해야 한다. 이를 위해 본 발명에 따른 밀리미터파 대역 수신기는 STC 회로와 이득 제어용 증폭기를 사용한다.
도 5는 본 발명에 따른 밀리미터파 대역 수신기를 사용함에 따른 수신기 이득(Gain)과 잡음지수(Noise Figure)를 나타낸 그래프로써, 이득은 55.91.4 dB를 만족시키고, 잡음지수는 합채널에서 8.2 dB 이하, 나머지 채널들에서는 5.5 dB 이하가 된다. 스위치에 의한 이득 제어는 52 dB 이상이며, 증폭기에 의한 이득 제어는 1 dB 간격으로 34 dB까지 제어가 가능하다. 따라서, 전체 수신기 이득 제어 구간은 86 dB 이상이 된다.
그리고, 본 발명에 따른 밀리미터파 대역 수신기에 구비되는 스위치들의 스위칭을 위해 인가되는 게이트 신호(Gate signal)의 펄스 폭을 수신 시와 송신 시를 달리하여 인가한다. 즉, 밀리미터파 대역 수신기가 수신 모드로 동작할 시에는 게이트 신호의 펄스 폭을 송신 모드로 동작할 시의 게이트 신호의 펄스 폭보다 100 ㎱ 넓게 한다. 이는 회복시간을 고려한 것이다.
또한 본 발명의 수신기에 구비되는 스위치들의 스위칭 시간에서, 상승시간은 약 10 ㎱이고 하강시간은 약 20 ㎱로써, 수신기의 온-오프 제어시 제어펄스 신호와 비교하여 약 20 ㎱ 이내의 빠른 스위칭 시간을 갖는다.
지금까지 본 발명의 바람직한 실시 예에 대해 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위 내에서 변형된 형태로 구현할 수 있을 것이다.
그러므로 여기서 설명한 본 발명의 실시 예는 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 상술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 모노펄스 안테나 110: SLB 안테나
200: 초고주파 수신부 300: 주파수 하향처리부
400: 신호처리부

Claims (6)

  1. 합채널과 적어도 하나의 차채널을 통해 신호를 수신하는 모노펄스 안테나;
    SLB(Sidelobe Blanking) 채널을 통해 신호를 수신하는 SLB 안테나;
    상기 모노펄스 안테나를 통해 수신된 신호와 상기 SLB 안테나를 통해 수신된 신호에 대한 고주파 처리를 수행하되, 상기 모노펄스 안테나와 도파관을 통해 직접 연결되는 초고주파 수신부;
    상기 초고주파 수신부에서 처리된 신호를 하향 주파수 처리한 후에 디지털신호로 변환하는 주파수 하향처리부;
    상기 주파수 하향처리부에서 출력되는 상기 디지털신호를 신호처리하는 신호처리부로 구성되는 것을 특징으로 하는 밀리미터파 대역 수신기.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 초고주파 수신부는 상기 합채널의 신호경로로 반사되어 들어오는 전력의 흐름을 차단하는 리미터를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 밀리미터파 대역 수신기.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 초고주파 수신부는,
    상기 모노펄스 안테나와의 연결을 위해 상기 도파관을 적용한 도파관 대 마이크로스트립 트랜지션(Microstrip transition) 구조를 구비하되, 상기 도파관 대 마이크로스트립 트랜지션 구조로써 L-C 정합회로를 구비하는 것을 특징으로 하는 밀리미터파 대역 수신기.
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