KR20050100024A - 밸런스 구조를 이용한 레이더 시스템 - Google Patents

밸런스 구조를 이용한 레이더 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 밸런스 구조를 이용한 레이더 시스템에 관한 것으로서, 밸런스 구조를 이용하여 송신단의 누설 신호를 서로 상쇄시켜 수신감도를 높일 뿐만 아니라 수신기가 송신단의 큰 누설신호에 의해 포화되는 것을 막을 수 있고 수신단이 송신단의 누설전력으로 인해 잡음지수가 높아지는 것을 막으며 송수신 안테나를 공유할 수 있어 레이더 시스템의 초소형, 고감도 특성을 동시에 얻을 수 있는 이점이 있다.

Description

밸런스 구조를 이용한 레이더 시스템{RADAR SYSTEM USING BALANCE TOPOLOGY}
본 발명은 밸런스 구조를 이용한 레이더 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 밸런스 구조를 이용하여 송신단의 누설 신호를 서로 상쇄시켜 수신감도를 높일 뿐만 아니라 수신기가 송신단의 큰 누설신호에 의해 포화되는 것을 막을 수 있고 수신단이 송신단의 누설전력으로 인해 잡음지수가 높아지는 것을 막으며 송수신 안테나를 공유할 수 있어 레이더 시스템의 초소형, 고감도 특성을 동시에 얻을 수 있도록 한 밸런스 구조를 이용한 레이더 시스템에 관한 것이다.
도 1은 일반적인 레이더 시스템을 나타낸 회로구성도로써 (가)는 송신 및 수신 안테나를 공유한 구조이고, (나)는 송신 및 수신 안테나를 분리한 구조이다.
먼저 도 1의 (가)에 도시된 송신 및 수신 안테나를 공유한 구조의 레이더 시스템의 경우에는 안테나(104)를 하나만 이용하기 때문에 전체 시스템의 크기를 줄일 수 있다는 장점이 있으나 서큘레이터(Circulator)(201), 전력분배기(102)의 송신과 수신의 격리도(Isolation)가 초고주파에서는 낮기 때문에 높은 출력전력을 가지는 송신단의 신호가 수신단으로 흘러 들어가게 되어서 레이더 시스템의 수신감도가 떨어지게 되어 미약한 수신 신호를 검출하는 것을 어렵게 한다.
또한, 수신단을 구성하고 있는 저잡음 증폭기(Low Noise Amplifier)(105) 또는 믹서(Mixer)(106)를 포화(Saturation)시켜서 전체 레이더 시스템의 특성을 열화 시킨다.
그리고, 송신단의 큰 누설신호(Leakage Signal)로 인하여 수신단의 잡음지수(Noise Figure)가 나빠지게 된다.
이러한 문제를 해결하기 위해서 고출력 레이더 시스템의 경우는 도 1의 (나)에 도시된 바와 같이 송신 및 수신 안테나를 분리하여 구성한다.
이와 같이 송신 안테나(104)와 수신 안테나(104)를 분리할 경우 서큘레이터(미도시)나 랑게 커플러(201) 또는 전력분배기(102)를 이용하는 경우보다 송신단과 수신단의 격리도가 우수하기 때문에 시스템의 수신감도가 좋아지고 수신기의 포화를 막을 수 있지만 두개의 안테나(104)를 이용하기 때문에 레이더 시스템의 크기가 증가하게 되는데, 안테나(104)는 레이더 시스템에서 가장 큰 면적을 차지하기 때문에 초소형 레이더 시스템의 구현을 어렵게 하는 문제점이 된다.
레이더 시스템의 소형화를 위해서 송수신 안테나를 공유하면서 송신단과 수신단의 격리도를 높이기 위해서 종래에 제안된 발명은 벡터 모듈레이터(Vector Modulator)를 이용하여 수신단으로 누설된 송신신호와 크기가 같고 위상이 180°차이가 나는 신호를 추가적으로 만들어서, 이 신호를 커플러를 통하여 수신단에 인가함으로써 송신단의 누설신호와 더해져서 서로 상쇄되게 하는 구조가 미국특허 US 4,970,519호 "Continuously Transmitting and Receiving Radar"에 개시된 바 있다.
이 구조의 경우 주파수가 높아지게 되면 고주파 벡터 모듈레이터의 제작이 어렵게 되므로 정확한 상쇄신호를 만들기 어렵게 되어 고주파에서는 높은 격리도를 얻기가 어렵게 되는 문제점이 있을 뿐만 아니라 레이더 시스템을 제작하기 위한 부품이 많아져서 복잡하고, 가격이 상승하는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창작된 것으로서, 본 발명의 목적은 밸런스 구조를 이용하여 송신단의 누설 신호를 서로 상쇄시켜 수신감도를 높일 뿐만 아니라 수신기가 송신단의 큰 누설신호에 의해 포화되는 것을 막을 수 있고 수신단이 송신단의 누설전력으로 인해 잡음지수가 높아지는 것을 막으며 송수신 안테나를 공유할 수 있어 레이더 시스템의 초소형, 고감도 특성을 동시에 얻을 수 있도록 한 밸런스 구조를 이용한 레이더 시스템을 제공함에 있다.
또한, 본 발명의 목적은 밸런스 구조로 제작할 때 DSP(Digital Signal Processor)를 이용하여 밸런스 신호의 미스매치를 보정하여 더 높은 송수신 격리도를 얻을 수 있도록 한 레이더 시스템을 제공함에 있다.
상기와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명은 위상차가 180°인 밸런스 신호를 발생시키는 밸런스 신호발생기와, 밸런스 신호발생기에서 발생된 밸런스 신호 중 한 신호를 안테나를 통해 방사시키는 제 1커플러블록과, 밸런스 신호발생기에서 발생된 밸런스 신호 중 다른 한 신호를 그라운드에 종단저항으로 종단시키는 제 2커플러블록과, 안테나를 통해 입력된 수신신호와 제 1내지 제 2커플러블록에서 수신단으로 누설된 송신신호를 합성하는 전력합성부와, 전력합성부의 출력신호를 저잡음 증폭하고 밸런스 신호발생기의 신호와 믹싱하며 필터링하여 기저대역신호로 출력하는 수신단으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 위상차가 180°인 밸런스 신호를 발생시키는 밸런스 신호발생기와, 밸런스 신호발생기에서 발생된 밸런스 신호 중 한 신호를 안테나를 통해 방사시키는 제 1커플러블록과, 밸런스 신호발생기에서 발생된 밸런스 신호 중 다른 한 신호를 그라운드에 가변임피던스로 종단시키는 제 2커플러블록과, 안테나를 통해 입력된 수신신호와 제 1내지 제 2커플러블록에서 수신단으로 누설된 송신신호를 합성하는 전력합성부와, 전력합성부의 출력신호를 저잡음 증폭하고 밸런스 신호발생기의 신호와 믹싱하며 필터링하여 기저대역신호로 출력하는 수신단과, 수신단에서 믹싱된 신호에서 나오는 DC 오프셋 신호를 모니터링하여 외부의 제어신호에 의해 가변임피던스를 조절하는 DSP로 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 밸런스 신호발생기는 차동결합발진기, 밸런스 발진기와 같은 발진기에서 자체적으로 밸런스 신호를 발생시키는 발진기와 발룬(Balun)을 이용하여 밸런스 신호를 발생시키는 구조 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 제 1내지 제 2커플러블록은 디렉셔날 커플러 또는 랑게 커플러와 같은 4-포트 커플러 중 어느 하나와, 전력분배기 또는 서큘레이터로 구성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 종단저항은 안테나와 같은 임피던스를 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 전력합성기는 윌킨슨 컴바이너와 T-정션 컴바이너와 같은 3-포트 합성기 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
이와 같이 이루어진 본 발명은 밸런스 신호 발생기에서 발생된 180°위상차를 갖는 밸런스 신호 중에서 한 신호는 안테나로 인가되어 방사되고, 그와 위상이 반대인 다른 신호는 종단저항이나 가변임피던스에서 종단되며, 제 1내지 제 2커플러블록에서 수신단으로 누설된 송신신호는 180°의 위상차로 인해 전력합성기에 더해질 때 상쇄되어 안테나를 통해 수신된 수신신호만이 수신단에서 저잡음 증폭기를 통해 증폭되고 믹서(Mixer)를 거쳐서 기저대역신호(Baseband Signal)로 바뀌어 출력된다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 본 실시 예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것은 아니고, 단지 예시로 제시된 것이며 종래 구성과 동일한 부분은 동일한 부호 및 명칭을 사용한다.
도 2와 도 3은 본 발명에 의한 밸런스 구조를 이용한 레이더 시스템을 나타낸 회로구성도이다.
여기에 도시된 바와 같이 위상차가 180°인 밸런스 신호를 발생시키는 밸런스 신호발생기(301)와, 밸런스 신호발생기(301)에서 발생된 밸런스 신호 중 한 신호를 안테나(104)를 통해 방사시키는 제 1커플러블록(302a)과, 밸런스 신호발생기(301)에서 발생된 밸런스 신호 중 다른 한 신호를 그라운드에 종단저항(202)으로 종단시키는 제 2커플러블록(302b)과, 안테나(104)를 통해 입력된 수신신호(Rx)와 제 1내지 제 2커플러블록(302a)(302b)에서 수신단으로 누설된 송신신호(Tx)를 합성하는 전력합성부(303)와, 전력합성부(303)의 출력신호를 저잡음 증폭기(105)를 통해 저잡음 증폭하여 밸런스 신호발생기(301)의 신호와 믹서(106)에서 믹싱되어 필터(107)을 통해 기저대역신호(Baseband signal)로 출력하는 수신단으로 이루어진다.
이때, 밸런스 신호발생기(301)는 송신단의 출력신호로 같은 크기를 가지고 위상이 서로 180°가 차이가 나는 밸런스 신호를 이용하여야 하므로, 자체적으로 밸런스 출력을 낼 수 있는 발진기 예를 들면 차동 상호결합 발진기(Differential Cross-Coupled Oscillator)나 밸런스 발진기(Balanced Oscillator)를 이용할 수 있으며, 출력이 하나인 발진기(Single-ended Oscillator)의 경우는 발룬(Balun)을 이용하여 밸런스 신호를 발생시킬 수 있다.
또한, 제 1내지 제 2커플러블록(302a)(302b)은 도 3에서와 같이 디렉셔날 커플러(Directional Coupler), 랑게 커플러(Lange Coupler)와 같은 4-포트(Port) 커플러와, 전력분배기(Power Divider) 또는 서큘레이터(Circulator)(201)로 구성될 수 있다.
그리고, 전력합성기(303)는 윌킨슨 전력합성기(Wilkinson Power Combiner)와 T-정션(Junction) 컴바이너와 같은 3-포트(port) 합성기가 이용 될 수 있다.
이와 같이 이루어진 레이더 시스템의 작동을 설명하면 다음과 같다.
즉, 밸런스 신호발생기(301)에서 크기가 같고 위상차가 180°나는 밸런스 신호를 발생하여 높은 출력을 위해 밸런스 전력증폭기(미도시)를 통해 증폭된 송신신호(Tx)가 출력된다.
이렇게 증폭된 송신신호(Tx)는 제 1내지 제 2커플러블록(302a)(302b)의 랑게 커플러(Lange Coupler)에 각각 입력된다. 이때 제 1커플러블록(302a)은 안테나(104)가 연결되어 있어 밸런스 신호는 안테나(104)를 통해 방사되며 다시 목표 물체에서 반사되는 신호는 다시 이 안테나(104)를 통하여 입력되게 된다. 그리고, 제 2커플러블록(302b)은 안테나(104)와 같은 임피던스를 가지는 종단저항(202)으로 그라운드에 종단(Termination)되어 밸런스 신호는 방사가 되지 않게 된다.
그런데, 제 1내지 제 2커플러블록(302a)(302b)의 랑게 커플러의 격리(Isolation) 특성에 의해서 송신신호(Tx)는 어느 정도 감쇄되지만 격리도가 낮기 때문에 큰 송신신호(Tx)는 누설되어 수신단으로 흘러 들어가게 된다. 이렇게 수신단으로 누설되는 송신신호(Tx)는 크기가 같고 위상이 180°차이가 나게 되므로 전력합성기(303)인 윌킨슨 전력 합성기(Wilkinson Power Combiner)나 T-정션 컴바이너 등에 의해서 더해졌을 때 서로 상쇄되어 수신신호(Rx)만 남게 된다.
따라서, 수신단에 입력되는 신호는 송신단에서 누설된 송신신호(Tx)는 제거되고 목표 물체에서 반사되는 수신신호(Rx)만 남게 되어 수신단의 저잡음 증폭기(105)를 통하여 증폭되고 믹서(Mixer)(106)를 거쳐서 기저대역신호(Baseband Signal)로 바뀌어 필터(107)를 통해 출력된다.
도 4는 밸런스 구조에서 누설신호간의 크기와 위상의 미스매치에 따른 누설신호 감쇄정도를 나타낸 그래프이다.
여기에 나타난 것처럼 두 누설 신호 전력의 위상과 크기의 차이가 작을수록 격리(Isolation)가 많이 됨을 확인할 수 있다. 따라서 MMIC(Microwave Monolithic Integrated Circuit) 형태로 제작할 경우 이러한 미스매치를 줄일 수 있다. 하지만 하이브리드(Hybrid) 형태로 제작할 경우 미스매치가 많이 발생할 수 있기 때문에 격리 특성이 나빠질 수 있는 문제점이 있다.
특히, 안테나가 연결된 부분과 종단저항으로 종단 된 부분에 서로 다른 부품이 연결되어 있으므로 미스매치(Mismatch)가 많이 일어 날 수 있기 때문에 이를 보정하기 위해서 도 5에 도시된 바와 같이 종단저항(202) 대신에 가변임피던스(401)를 연결하고, 소자나 다른 결합들의 미스매치를 믹서(Mixer)(106)에서 출력되는 DC 오프셋 신호를 모니터링(Monitoring)함으로써 외부의 제어신호(Ctrl)에 의해 DSP(Digital Signal Processor)(402)를 이용하여 가변임피던스(401)를 가변시켜 안테나(104)와 같은 임피던스로 매칭되도록 미스매치 성분을 보정할 수도 있다.
상기한 바와 같이 본 발명은 밸런스 구조를 이용하여 송신단의 누설 신호를 서로 상쇄시켜 수신감도를 높일 뿐만 아니라 수신기가 송신단의 큰 누설신호에 의해 포화되는 것을 막을 수 있고 수신단이 송신단의 누설전력으로 인해 잡음지수가 높아지는 것을 막으며 송수신 안테나를 공유할 수 있어 레이더 시스템의 초소형, 고감도 특성을 동시에 얻을 수 있는 이점이 있다.
도 1은 일반적인 레이더 시스템을 나타낸 회로구성도로써 (가)는 송신 및 수신 안테나를 공유한 구조이고, (나)는 송신 및 수신 안테나를 분리한 구조이다.
도 2는 본 발명에 의한 밸런스 구조를 이용한 레이더 시스템을 간략하게 나타낸 회로구성도이다.
도 3은 본 발명에 의한 밸런스 구조를 이용한 레이더 시스템을 구체적으로 나타낸 회로구성도이다.
도 4는 밸런스 구조를 이용한 레이더 시스템에서 누설신호간의 크기와 위상의 미스매치에 따른 누설신호 감쇄정도를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명에 의한 밸런스 구조를 이용한 레이더 시스템에서 밸런스 신호의 미스매치를 보정할 수 있는 다른 실시예를 간략하게 나타낸 회로구성도이다.
- 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 -
101 : 발진기 102 : 전력 분배기
103 : 전력 증폭기 104 : 안테나
105 : 저잡음 증폭기 106 : 믹서
107 : 필터 201 : 서큘레이터
202 : 종단저항 301 : 밸런스 신호발생기
302a : 제 1커플러블록 302b : 제 2커플러블록
303 : 전력합성기 401 : 가변임피던스
402 : DSP ctrl : 제어신호
Rx : 수신신호 Tx : 송신신호

Claims (6)

  1. 위상차가 180°인 밸런스 신호를 발생시키는 밸런스 신호발생기와,
    상기 밸런스 신호발생기에서 발생된 밸런스 신호 중 한 신호를 안테나를 통해 방사시키는 제 1커플러블록과,
    상기 밸런스 신호발생기에서 발생된 밸런스 신호 중 다른 한 신호를 그라운드에 종단저항으로 종단시키는 제 2커플러블록과,
    상기 안테나를 통해 입력된 수신신호와 상기 제 1내지 제 2커플러블록에서 수신단으로 누설된 송신신호를 합성하는 전력합성부와,
    상기 전력합성부의 출력신호를 저잡음 증폭하고 상기 밸런스 신호발생기의 신호와 믹싱하며 필터링하여 기저대역신호로 출력하는 수신단
    으로 이루어진 것을 특징으로 하는 밸런스 구조를 이용한 레이더 시스템.
  2. 위상차가 180°인 밸런스 신호를 발생시키는 밸런스 신호발생기와,
    상기 밸런스 신호발생기에서 발생된 밸런스 신호 중 한 신호를 안테나를 통해 방사시키는 제 1커플러블록과,
    상기 밸런스 신호발생기에서 발생된 밸런스 신호 중 다른 한 신호를 그라운드에 가변임피던스로 종단시키는 제 2커플러블록과,
    상기 안테나를 통해 입력된 수신신호와 상기 제 1내지 제 2커플러블록에서 수신단으로 누설된 송신신호를 합성하는 전력합성부와,
    상기 전력합성부의 출력신호를 저잡음 증폭하고 상기 밸런스 신호발생기의 신호와 믹싱하며 필터링하여 기저대역신호로 출력하는 수신단과,
    상기 수신단에서 믹싱된 신호에서 나오는 DC 오프셋 신호를 모니터링하여 외부의 제어신호에 의해 상기 가변임피던스를 조절하는 DSP
    로 이루어진 것을 특징으로 하는 밸런스 구조를 이용한 레이더 시스템.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 밸런스 신호발생기는 차동결합발진기, 밸런스 발진기와 같은 발진기에서 자체적으로 밸런스 신호를 발생시키는 발진기와 발룬(Balun)을 이용하여 밸런스 신호를 발생시키는 구조 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 밸런스 구조를 이용한 레이더 시스템.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 제 1내지 제 2커플러블록은 디렉셔날 커플러와 랑게 커플러와 같은 4-포트 커플러 중 어느 하나와, 전력분배기 또는 서큘레이터로 구성된 것을 특징으로 하는 밸런스 구조를 이용한 레이더 시스템.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 종단저항은 상기 안테나와 같은 임피던스를 갖는 것을 특징으로 하는 밸런스 구조를 이용한 레이더 시스템.
  6. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 전력합성기는 윌킨슨 컴바이너와 T-정션 컴바이너와 같은 3-포트 합성기 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 밸런스 구조를 이용한 레이더 시스템.
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