KR20030030400A - 트랜지스터 혼합기를 이용한 레이더디텍터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 레이더디텍터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 개선된 동작특성을 발휘하는 소자를 주파수혼합기로 사용하는 레이더디텍터에 관한 것이다.

종래에는 안테나로부터 입력된 RF신호와 국부발진기에서 발진된 신호를 혼합하기 위해 빔리드(Beamlead)라는 쇼트키다이오드(Schottky diode) 소자를 이용하고 있는데, 빔리드 패키지(Beamlead Package)는 전체 크기가 0.5mm이하로 매우 작기 때문에 표면실장이나 수작업으로는 회로에 조립이 불가능하며 매우 소량의 납을 기판에 얹어 빔리드를 붙이는 매우 고가의 특수한 장비가 요구되는 소자이다.

따라서 본 발명에서는 상기 안테나로부터 입력된 신호와 국부발진기로부터 발진된 신호의 혼합을 위한 제1혼합기로서, 상기 빔리드다이오드 소자를 대체하여 우수한 신호혼합성능과 제조에 있어서 보다 효율적인 HEMT 또는 FET소자를 이용하여 상기 안테나로부터 입력된 RF신호가 게이트단자로 입력되고, 상기 제1국부발진부의 발진신호가 드레인단자로 입력되며, 소스단자가 접지되도록 트랜지스터를 구성한 혼합기를 이용한 레이더디텍터를 제안하여 종래에 사용되던 고가의 빔리드 다이오드 부품을 저가의 범용 트랜지스터 부품으로 대체할 수 있으며, 또한 빔리드 조립을 위해 사용되어야 하는 특수한 장비 없이 기존의 표면실장장비(Surface Mounted Device:SMD)로 조립이 가능한 소자를 사용하기 때문에 생산비 감소 및 생산성 향상의 효과가 있다.

Description

트랜지스터 혼합기를 이용한 레이더디텍터{Radar-Detector using transistor mixer}

본 발명은 레이더디텍터에 사용되는 혼합기를 범용의 부품을 사용하여 저렴하고 간단하게 구성하고 아울러 종래의 레이더디텍터보다 향상된 성능을 도출할 수 있도록 설계된 혼합기를 사용하는 레이더디텍터에 관한 것이다.

레이더 디텍터(Radar detector)란 속도를 측정하기 위해 스피드건(Speed gun)에서 쏜 레이저 또는 초고주파를 감지해 음성, 문자, 신호음 등으로 운전자에게 알려주는 시스템으로서, 일부 선진국에서는 극초단파(Microwave)나 레이저(Laser)를 이용한 여러 종류의 레이더 디텍터가 개발되어 차량의 안전운행을 위해 사용되고 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 일반적인 레이더디텍터의의 구성과 동작에 대해 알아본다.

도 1은 레이더 디텍터의 사용원리를 설명하기 위한 설명도면으로서, 스피드 건에서 발사되는 다양한 초고주파를 검출하는 장치로서, 스피드건에서 방출되는 X-대역주파수(10.525 GHz), K-대역주파수(24.150 GHz), Ka-대역주파수(34.7 GHz±1.3 GHz), 적외선(Laser), 레이더 디텍터를 검출하기 위한 VG-2 등과 같은 특정 대역의 주파수에 반응하여 운전자에게 스피드건의 존재를 알려주는 역할을 한다.

상기와 같은 레이더 디텍터는 최근 스피드건의 존재유무 뿐만 아니라 철도건널목, 안개지역, 속도감속 등 다양한 정보신호를 코드화하여 운전자에게 다양한 운행정보를 사전에 알려주고 있다.

상기와 같이 다양한 주파수에 반응하여 운전자에게 경보를 알려주는 레이더 디텍터는 일반적으로 도 2a의 회로 블록도에서 보듯이, 초고주파를 수신하기 위한 안테나(10)와; 주파수를 발생시키는 제1국부발진부(20)와; 상기 제1국부발진기에서 나온 신호의 노이즈제거를 위한 제1필터부(30)와; 상기 안테나로부터 수신된 초고주파를 주파수변환하기 위해 상기 제1국부발진부에서 발생되는 주파수와 혼합하기 위한 제1혼합부(40)와; 상기 제1혼합부에 의해 혼합된 주파수를 증폭하기 위한 증폭부(50)와; 상기 증폭부를 통과한 주파수 신호에 혼합할 주파수를 발생시키는 제2 국부발진부(60)와; 상기 제2국부발진부에서 발생한 주파수와 상기 증폭부를 통과한 주파수 신호를 혼합하기 위한 제2혼합부(70)와; 상기 제2혼합부를 통과한 주파수 신호의 특정 대역신호만을 얻기 위한 제2필터부(80)와; 상기 필터부를 통해 특정 대역으로 필터링된 주파수 신호를 A/D변환하기 위한 복조부(90)와; 상기 복조된 신호를 입력받아 처리하고 각 구성요소의 적절한 제어를 수행하기 위한 주제어부(100)와; 레이더 디텍터의 기능조작을 위한 기능조작부(110)와; 특정신호의 검출시 사용자에게 인식시키기 위한 표시부(120)로 구성되는 것을 기본으로 하고 있다.

또한 상기 구성에 레이저의 검출을 위한 레이저검출수단이 더욱 부가되기도 한다.

상기 안테나(10)는 혼(Horn)안테나로서 스피드건에서 방출되는 X-대역주파수(10.525 GHz), K-대역주파수(24.150 GHz), Ka-대역주파수(34.7 GHz± 1.3 GHz), 적외선(Laser), 레이더 디텍터를 검출하기 위한 VG-2 등과 같은 특정 신호를 수신할 수 있는 부분이다.

상기 안테나(10)에 수신된 주파수 신호는 상기 제1혼합부(40)로 입력되는데, 상기 제1혼합부(40)에서는 상기 제1국부발진부(20)에서 발생시킨 주파수가변신호와 혼합한다.

상기 제1혼합부(40)에서 혼합된 신호는 증폭부(50)를 거쳐 증폭되어 제2혼합부(70)로 입력된다.

상기 제2혼합부(70)에서는 제2국부발진부(60)에서 발생시킨 다양한 대역의 주파수로 변조시키고, 제2필터부(80)를 거쳐 잡음성분을 제거하게 된다.

상기 제2필터부(80)를 거쳐 잡음성분이 제거된 신호는 복조부(90)로 신호를 전송하고 복조부(90)에서는 주제어부(100)로의 신호입력을 위해 A/D변환을 수행한다.

상기 주제어부(100)에서는 기능조작부(110)에 의한 기능전환 및 조작을 가능하게 하고 또한 표시부(120)의 음향/램프 등을 통한 사용자알림기능을 수행하며 또한 상기 제1, 제2국부발진부(20)(60)를 제어하는 기능을 포함하고 있다.

상기와 같은 일반적인 기본구성을 가지는 레이더디텍터는 도 2b의 블록도면과 도 3의 빔리드다이오드 도시와 같이, 상기 제1혼합부(40)인 혼합기에 광대역다이오드인 빔리드다이오드(Beamlead diode)(15)를 사용하여 수신신호의 광대역성이득과 신호혼합에 응용하고 있다.

즉, 종래의 레이더디텍터는 상기 안테나(10)를 통해 입력된 신호와 상기 제1 국부발진부(20)에서 출력되는 신호를 빔리드 쇼트키 다이오드(Beamlead Schottky Diode)로 만들어진 혼합기를 이용하여 혼합한다.

여기서 상기 쇼트키(Schottky)는 열전자를 방출하고 있는 상태의 금속에 전기장을 가하면 전자의 방출 효과가 높아지는 현상을 말한다.

도 4는 종래의 레이더디텍터에서 사용되던 빔리드다이오드(15)를 이용한 회로도를 부분적으로 도시한 부분회로도로서, 상기 빔리드다이오드(15)는 공급된 두신호를 혼합기에서 혼합시키는 기능을 하며 도면에서와 같이 안테나로부터 입력된 입력신호를 상기 5.8GHz전압제어발진기에서 발진된 신호와 혼합하기 위한 용도로 사용되고 있다.

이하 도 5a, 도 5b, 도 5c에 각각 상기 안테나(10)로부터 들어온 X대역(10.525GHz), K대역(24.25GHz), Ka대역(34.58GHz)의 신호에 대해 11.49GHz, 11.665GHz, 11.36GHz의 상기 제1국부발진부(20) 신호를 혼합한 성능을 도시하고 있다.

테스트는 Agilent 8722ES Network Analyzer 프로그램을 이용하여 X 대역에 맞는 혼(Horn)안테나를 사용하여 신호를 보낸 후 5cm정도 거리를 두고 레이더디텍터를 설치하는 구성으로 실험하였다. 레이더디텍터의 혼안테나를 통해서 들어오는X 신호는 빔리드다이오드(15)를 거쳐 제1국부발진기(20)의 신호와 혼합된 혼합신호가 발생한다. 이 혼합신호를 HP 8566A Spectrum Analyzer 프로그램을 이용하여 측정한 것이 도 5a의 신호 그래프이다. 이런 방식으로 K, Ka대역의 혼합신호도 측정한 결과 도면이 도 5b, 도 5c이다.

상기 도 5a와 도 5b, 도 5c의 출력 그래프에서 보듯이, 안테나(10)로 들어온 각 대역의 신호에 대해 출력결과가 지정 주파수 대역에서 안정적이지 못하고 또한 출력파워 또한 -38.91dBm, -39.90dBm, -42.98dBm 등 상당히 낮게 나온 것을 볼 수 있다. 상기 dBm(decibel milliwatt)은 전력단위로서, 1mW를 기준 0dBm으로 한 전력의 표시법이다. 임피던스 50Ω 에서 1mW의 전력을 0dBm이라고 정의한다.

상기와 같은 특성을 보이는 빔리드 다이오드(15)를 이용한 제1혼합부(40)는 주파수가 약 30∼300GHz대역인 밀리미터파에서 사용하기 위해서는 빔리드다이오드(15) 양단간에 나타나는 쇼트키접점(Schottky contact)에 의한 용량(capacitance)도 작아야하지만 여기에 더해지는 패키지(Package)에 의한 정전용량(capacitance) 또한 작아져야 한다.

또한 제조 공정(Process)에 있어서 쇼트키접점(contact)을 나타나는 직렬저항도 작아야 한다.

이러한 고려사항을 감안하여 빔리드(Beamlead)라는 쇼트키다이오드(Schottky diode) 소자를 이용하고 있는데 빔리드 패키지(Beamlead Package)는 전체 크기가 0.5mm이하로 매우 작으므로 표면실장이나 수작업으로는 회로에 조립이 불가능하며 매우 소량의 납을 기판에 얹어 빔리드를 붙이는 매우 고가의 특수한 장비가 요구된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해, 상기 종래의 제1혼합부(15)에서 사용되는 빔리드 다이오드를 현실적으로 작업하기 쉽고 가격이 저렴한 범용의 소자를 이용하여 고성능의 혼합기를 제작하는데 그 목적이 있다.

도 1은 레이더디텍터의 원리를 설명하기 위한 예시도면

도 2는 종래 레이더디텍터의 일반적인 구성을 설명하기 위한 예시도면

도 3은 종래의 레이더디텍터 혼합기에서 사용되는 빔리드다이오드를 예시한 도면

도 4는 종래의 레이더디텍터에서 사용되던 빔리드 다이오드를 이용한 회로도를 부분적으로 도시한 부분회로도

도 5a, 5b, 5c는 각각 종래의 빔리드 다이오드를 사용한 레이더디텍터 혼합기기에서 안테나를 통해 들어온 X 대역, K 대역, Ka 대역 신호에 대한 혼합신호 출력도

도 6은 본 발명에 따른 레이더디텍터 혼합기에서 사용되는 트랜지스터를 도시한 도면

도 7은 본 발명에 따른 트랜지스터를 이용한 혼합기를 사용한 레이러디텍터 간략회로

도 6a, 6b, 6c는 각각 본 발명에 따른 트랜지스터 사용 혼합기를 이용한 레이더디텍터 혼합기에서 안테나를 통해 들어온 X 대역, K 대역, Ka 대역 신호에 대한 혼합신호 출력도면

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

20 : 제1국부발진부

40 : 제1혼합부

상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 수작업 및 표면실장이 가능한 트랜지스터를 사용하여 레이더디텍터에서 사용되는 X, K, Ka 주파수대역에서 보다 향상된 혼합특성을 갖는 혼합기를 이용한 레이더디텍터를 제시하기 위해, 초고주파를 수신하기 위한 안테나와; 주파수를 발생시키는 제1국부발진부와; 상기 제1국부 발진기에서 나온 신호의 노이즈제거를 위한 제1필터부와; 상기 안테나로부터 수신된 초고주파를 주파수변환하기 위해 상기 제1국부발진부에서 발생되는 주파수와 혼합하기 위한 제1혼합부와; 상기 제1혼합부에 의해 혼합된 주파수를 증폭하기 위한 증폭부와; 상기 증폭부를 통과한 주파수 신호에 혼합할 주파수를 발생시키는 제2국부발진부와; 상기 제2국부발진부에서 발생한 주파수와 상기 증폭부를 통과한 주파수 신호를 혼합하기 위한 제2혼합부와; 상기 제2혼합부를 통과한 주파수 신호의 특정 대역신호만을 얻기 위한 제2필터부와; 상기 필터부를 통해 특정 대역으로 필터링된 주파수 신호를 A/D변환하기 위한 복조부와; 상기 복조된 신호를 입력받아 처리하고 각 구성요소의 적절한 제어를 수행하기 위한 주제어부와; 레이더 디텍터의 기능조작을 위한 기능조작부와; 특정신호의 검출시 사용자에게 인식시키기 위한 표시부를 구비한 레이더디텍터에서, 상기 제1혼합부는, 상기 안테나로부터 RF신호가 입력되는 게이트단자와, 상기 제1국부발진부의 발진신호가 입력되는 드레인단자와, 접지된 소스단자를 포함하는 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 레이더디텍터를 제안한다.

즉, 본 발명에 따른 레이더디텍터에서 사용하는 혼합기의 구성은 능동믹서를 사용한다.

상기 능동믹서(Active Mixer)는 RF(Radio Frequency:고주파)와 LO(Local Oscillator:국부발진기) 두개의 입력이 들어가서 IF(Intermediate Frequency:중간 주파수) 출력을 얻는 3단자 소자이며 혼합에 의해서 생기는 변환이득(Conversion Gain)을 얻을 수 있다.

본 발명에서는 레이더디텍터용 신호혼합기로서 트랜지스터를 사용하기 때문에 새로운 잡음이 발생할 수 있으며, 또한 트랜지스터의 동작주파수에 따라 혼합할 수 있는 주파수가 제한되기 때문에 NEC사의 321S01 저잡음 HEMT 트랜지스터를 사용하여 트랜지스터에서 새롭게 발생할 수 있는 잡음을 최소화하였으며 20GHz까지인 동작주파수를 이용하여 K대역(24.25GHz), Ka대역(34.58GHz)의 신호에서도 수동믹서와 비슷한 특성을 가지는 혼합기를 설계하였다.

이하 본 발명에 따른 레이더디텍터의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.

상기 도 1에서와 같이 상기 안테나(10)를 통해 들어온 X, K, Ka 대역의 신호는 바로 상기 제1혼합부(40)로 들어가서 제1국부발진부(20)에서 발생한 신호와 혼합이 일어난다.

상기 두 신호가 상기 제1혼합부(40)를 거치게 되면 두 신호의 합과 차의 주파수가 생성되고 이렇게 생성된 주파수를 상기 제2국부발진부(60)에서 이용하게 된다.

도 6은 본 발명에 따른 레이더 디텍터의 제1혼합부에 사용되는 트랜지스터를 도시한 회로도면으로서, 본 발명에서는 FET(Field Effect Transistor: 전계효과 트랜지스터)또는 HEMT(High Electron Mobility TR)를 사용하는데, HEMT는 고농도 불순물(donor)을 첨가한 갈륨비소알루미늄(AlGaAs)과 갈륨비소(GaAs)를 접합한 반도체의 헤테로 접합계면에 발생하는 2차원 전자가스를 채널로 활용하는 소자로서 고주파·저잡음·고출력 동작을 목적으로 사용되는 소자이다.

도 7은 상기 도 6에서 도시한 HEMT를 혼합기에 응용한 본 발명에 따른 레이더디텍터의 간략회로를 도시하고 있으며, 레이더디텍터에 있어서 안테나(10)로부터 입력된 RF신호가 HEMT소자의 게이트(Gate)단자로 입력되고, 상기 제1국부발진부(20)에서 발진되어 나온 신호는 HEMT소자의 드레인(Drain)단자로 입력되어 혼합되는 회로를 보여주고 있다. 이때 소스(Source)단자는 접지상태를 유지한다. 상기 HEMT에서 혼합된 중간주파수신호는 증폭부(50)에서의 증폭과정을 거쳐 제2혼합부(70)로 입력된다.

도 8a, 8b, 8c는 각각 본 발명에 따른 트랜지스터 사용 혼합기를 이용한 레이더디텍터에서 안테나를 통해 들어온 X, K, Ka 대역 주파수신호에 대한 상기 제1 혼합부(40)에서의 혼합신호 출력도면으로서, X 대역에서 -21.93dBm, K 대역에서 -18.14dBm, -33.30dBm의 출력파워(이득)를 보이고 있다.

상기 도 3의 구성을 가지는 종래의 레이더디텍터 제1혼합부(40)에서 빔리드 다이오드(15)를 사용할 때 보이는 도 5a, 5b, 5c의 출력신호 그래프와 비교해 볼때 원하는 주파수대역에서 보다 출력특성이 안정적으로 나오는 것을 볼 수 있으며, 또한 X 대역에서 16dBm 정도, K 대역에서 20dBm, Ka 대역에서 10dBm 정도 개선의 효과가 있음을 알 수 있다.

상기와 같은 결과에서 레이더디텍터의 안테나(10)를 통해서 들어오는 각각의 신호대역 주파수가 더욱 선명하게 검출되는 감도의 향상을 알 수 있다.

상기와 같이 본 발명에 따른 트랜지스터 혼합기를 이용하여 레이더디텍터 회로를 설계함으로서 종래에 사용되던 고가의 빔리드 다이오드 부품을 저가의 범용 트랜지스터 부품으로 대체할 수 있으며, 또한 빔리드 조립을 위해 사용되어야 하는 특수한 장비 없이 기존의 표면실장장비(Surface Mounted Device:SMD)로 조립이 가능한 소자를 사용하기 때문에 생산비 감소 및 생산성 향상의 효과가 있다.

Claims (2)

1. 특정신호의 검출을 위한 레이더디텍터로서, 초고주파를 수신하기 위한 안테나와; 주파수를 발생시키는 제1국부발진부와; 상기 제1국부발진기에서 나온 신호의 노이즈제거를 위한 제1필터부와; 상기 안테나로부터 수신된 초고주파를 주파수변환하기 위해 상기 제1국부발진부에서 발생되는 주파수와 혼합하기 위한 제1혼합부와; 상기 제1혼합부에 의해 혼합된 주파수를 증폭하기 위한 증폭부와; 상기 증폭부를 통과한 주파수 신호에 혼합할 주파수를 발생시키는 제2국부발진부와; 상기 제2국부 발진부에서 발생한 주파수와 상기 증폭부를 통과한 주파수 신호를 혼합하기 위한 제2혼합부와; 상기 제2혼합부를 통과한 주파수 신호의 특정 대역신호만을 얻기 위한 제2필터부와; 상기 필터부를 통해 특정 대역으로 필터링된 주파수 신호를 A/D변환하기 위한 복조부와; 상기 복조된 신호를 입력받아 처리하고 각 구성요소의 적절한 제어를 수행하기 위한 주제어부와; 레이더 디텍터의 기능조작을 위한 기능조작부와; 특정신호의 검출시 사용자에게 인식시키기 위한 표시부를 구비한 레이더디텍터에 있어서, 상기 제1혼합부는,

   상기 안테나로부터 RF신호가 입력되는 게이트단자와, 상기 제1국부발진부의 발진신호가 입력되는 드레인단자와, 접지된 소스단자를 포함하는 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 레이더디텍터
2. 청구항 제 1 항에 있어서,

   상기 트랜지스터는 FET 또는 HEMT중 하나인 레이더디텍터