KR20120065652A

KR20120065652A - 레이더 센서용 ｒｆ 송수신기

Info

Publication number: KR20120065652A
Application number: KR1020100126896A
Authority: KR
Inventors: 강동민
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2010-12-13
Filing date: 2010-12-13
Publication date: 2012-06-21
Also published as: US20120146842A1

Abstract

본 발명은 마이크로파 및 밀리미터파 대역 레이더 센서용 RF 송수신기(Transceiver)를 구성함에 있어, 각각의 핵심부품은 MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit)를 이용하고 송신단, 수신단, SP3T 스위치, 로트만렌즈(Rotman Lens) 그리고 5개의 송신용 패치어레이안테나(Patch array antenna)와 5개의 수신용 패치어레이 안테나로 구성된 레이더 센서용 RF 송수신기에 대한 것이다. 본 발명에서는 패치어레이 안테나와 로트만렌즈 그리고 스위치를 이용하여 3개의 빔을 보다 원활하게 빔스캐닝을 할 수 있고, 송수신기의 구조를 복잡한 헤테로다인(Heterodyne)방식이 아닌 호모다인(Homodyne) 방식으로 구성하였으며, 호모다인방식의 단점인 송수신 신호간의 분리도 특성을 우수하게 하기 위하여 이중 평형 혼합기(Double Balanced Mixer)를 적용하였다. 단순한 구조와 동일기판상에 패치어레이 안테나와 로트만렌즈 그리고 스위치와 증폭기 등의 능동부품을 구성함으로써 레이더 센서용 RF송수신기의 제작단가를 절감할 수 있다.

Description

레이더 센서용 ＲＦ 송수신기{Homodyne RF Transceiver for Radar Sensor}

본 발명은 레이더 센서용 RF 송수신기에 관한 것으로서, 상세하게는 단순한 구조인 호모다인(Homodyne) 방식을 적용하고, 송수신 신호간의 분리도 특성을 향상시키기 위한 레이더 센서용 RF 송수신기에 관한 것이다.

레이더(radar)는 목표 물체를 향하여 마이크로파를 발사하고 그 반사파를 받아서 물체의 상태나 위치를 수상관에 비춤으로써 목표 물체를 찾아내는 장치이다. 레이더 시스템에는 어레이 안테나가 사용되며, 예리한 지향성 빔 형성을 위해 사용되어 왔다. 어레이 안테나의 특성은 방사기 소자의 기하학적 위치 및 그 각각의 여자에 의한 진폭과 위상에 의해 결정된다. 마그네트론 및 기타의 고출력 마이크로파 송신기와 같은 레이더의 발전은 공통으로 사용되는 레이더 주파수의 상향을 가속하는 효과를 가져왔다. 이러한 더 높은 주파수에서는 더 간단한 안테나가 실용적이며, 이러한 것으로는, 호온 피이드(Horn feed)또는 기타 간단한 일차 안테나에 의해 조사(illuminate)되는 파라볼릭 형태의 반사기가 통상적으로 사용된다.

나아가, 전자주사(비관성)는 주사속도 및 무작위 또는 프로그램된 빔을 초점화하는 성능을 포함하는 몇 가지 이유 때문에 중요하게 되었다. 전자적으로 제어되는 위상 천이기 및 스위치의 개발로 인해, 각각의 방사소자가 개별적이고 전자적으로 제어될 수 있는 어레이 형태 안테나 쪽으로 관심이 바뀌고 있다. 위상 어레이 기술에 있어서 제어 가능한 위상 천이 장치는 빔을 급속하고 정확하게 스위칭하는 성능을 제공함으로써, 레이더가 시간적으로 엇갈리게 또는 동시에 다중기능을 수행하게 한다.

통상적으로 레이더 센서용 RF 송수신기는 크게 전압제어발진기(Voltage controlled Oscillator: VCO)를 이용한 신호원과 송신변조전력을 전송하는 송신부 그리고 수신된 신호를 전송하는 수신부로 구분하여 볼 수 있는데, 송신부에서 전송된 송신변조신호는 커플러(Coupler)를 통해서 하나는 반송파로써 송신안테나를 통해 외부로 방사되고 다른 하나는 수신부의 혼합기(Mixer)에 국부발진신호(LO)로 입력되게 되며, 이러한 방식의 송수신기를 호모다인(homodyne) 방식의 RF 송수신기라고 한다.

그러나 전술한 호모다인 방식의 RF 송수신기의 수신감도는 송신변조신호가 수신신호에 영향을 끼치게 되어 결국 수신부의 분리도 특성이 떨어지고, 그에 따라 레이더 센서의 고감도 수신이 불가능하게 되는 문제점이 있다. 한편, 헤테로다인(heterodyne) 방식의 RF 송수신기는 송신부와 수신부의 분리도 특성은 우수하나 구조적으로 복잡하다는 단점이 있다.

따라서, 단순한 구조인 호모다인 방식을 사용하면서도 송신부와 수신부의 분리 특성이 우수한 레이더 센서용 RF 송수신기 개발이 절실히 요구되고 있다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 헤테로다인 방식에 비해 구조적으로 간단하면서 송수신 신호 간의 분리도를 향상시킬 수 있는 레이더 센서용 RF 송수신기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 빔스캐닝을 위하여 패치어레이안테나, 로트만렌즈 및 SP3T 스위치를 단일 기판상에서 구현함으로써 구조적으로 간단한 레이더 센서용 RF 송수신기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

이를 위하여, 본 발명에 따른 레이더 센서용 RF 송수신기는 RF 신호를 발생시키는 전압 제어 발진기; 상기 발생된 RF 신호의 전력을 송신측 및 수신측으로 분배하는 신호 분배기; 상기 신호 분배기에서 송신측으로 분배되는 출력을 복수의 출력 신호로 스위칭하는 송신단 스위치; 상기 송신단 스위치에서 스위칭된 출력 신호를 빔포밍하는 송신단 로트만렌즈; 상기 송신단 로트만렌즈의 각 포트에 연결되어 상기 빔포밍된 신호를 방사하는 송신단 마이크로스트립 패치 어레이 안테나; 무선 공간을 통해 RF 신호를 수신하는 수신단 마이크로스트립 패치 어레이안테나; 상기 수신단 마이크로스트립 패치어레이안테나를 통해 수신된 신호를 빔포밍하는 수신단 로트만렌즈; 상기 수신단 로트만렌즈를 통해 빔포밍된 복수의 수신신호를 스위칭하는 수신단 스위치; 및 상기 수신단 스위치를 통해 출력되는 수신신호와 상기 신호 분배기에서 수신측으로 분배되는 출력을 혼합하는 혼합기를 포함한다.

본 발명에 따른 레이더 센서용 RF 송신기는 RF 신호를 발생시키는 전압 제어 발진기; 상기 발생된 RF 신호의 전력을 송신측 및 수신측으로 분배하는 신호 분배기; 상기 신호 분배기에서 송신측으로 분배되는 출력을 복수의 출력 신호로 스위칭하는 스위치; 상기 스위치에서 스위칭된 출력 신호를 빔포밍하는 로트만렌즈; 및 상기 로트만렌즈의 각 포트에 연결되어 상기 빔포밍된 신호를 방사하는 마이크로스트립 패치 어레이 안테나를 포함한다.

본 발명에 따른 레이더 센서용 RF 수신기는 무선 공간을 통해 RF 신호를 수신하는 마이크로스트립 패치 어레이안테나; 상기 마이크로스트립 패치어레이안테나를 통해 수신된 신호를 빔포밍하는 로트만렌즈; 상기 로트만렌즈를 통해 빔포밍된 복수의 수신신호를 스위칭하는 스위치; 및 상기 스위치를 통해 출력되는 수신신호와 송신기의 신호 분배기에서 수신측으로 분배되는 출력을 혼합하는 혼합기를 포함한다.

본 발명에 따른 레이더 센서용 RF 송수신기는 구조가 복잡한 종래의 헤테로다인(Heterodyne) 방식 송수신기에 비해 구조적으로 아주 단순하면서도 송수신 신호간에 분리도 특성이 우수한 효과가 있다.

또한, 빔스캐닝을 위하여 송수신기의 단일기판상에 스위치, 로트만렌즈와 패치어레이 안테나를 구성하여 3개의 빔을 조향할 수 있도록 함으로써 제작단가와 개발 기간을 단축할 수 있는 효과가 있다.

아울러, 본 발명은 기존 마이크로파 및 밀리미터파 대역의 레이더 센서 등에 적용 가능하다는 장점이 있다.

도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더 센서용 RF 송수신기의 구성도이다.

본 발명은 레이더 센서용 RF 송수신기에서 헤테로다인(Heterodyne) 방식에 비해 단순한 구조인 호모다인(Homodyne) 방식을 적용하고, 송수신 신호간의 분리도 특성을 향상시키기 위한 레이더 센서용 RF 송수신기를 제안한다.

이를 위해, 본 발명에서는 신호혼합기인 믹서(Mixer)를 분리도 특성이 우수한 이중 평형 혼합기(Double balanced mixer)로 사용하였다. 또한, 본 발명의 실시예에 따라 빔스캐닝을 위하여 SP3T 스위치와 로트만렌즈 그리고 패치어레이 안테나를 단일기판상에 배치하였다.

통상적으로 레이더 센서용 RF 송수신기는 크게 VCO(Voltage Controlled Oscillator)를 이용한 신호원과 송신변조전력을 전송하는 송신부 그리고 수신된 신호를 전송하는 수신부로 구분하여 볼 수 있다. 이때, 송신부에서 전송된 송신변조신호는 분배기를 통해서 하나는 반송파로서 송신안테나를 통해서 외부로 방사되고 다른 하나는 수신부의 믹서에 국부발진파(Local Oscillator; LO)로 입력되게 되는데 이러한 호모다인 방식의 송수신기의 수신감도는 송신변조신호가 수신신호에 영향을 끼치게 되어 결국 수신부의 분리도 특성이 떨어짐에 따라 레이더 센서의 고감도 수신이 불가능하게 된다. 따라서, 본 발명에서는 이러한 수신감도의 성능 향상을 얻을 수 있는 호모다인 방식의 RF 송수신기를 제안한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시 예를 상세하게 설명한다. 본 발명의 구성 및 그에 따른 작용 효과는 이하의 상세한 설명을 통해 명확하게 이해될 것이다. 본 발명의 상세한 설명에 앞서, 동일한 구성요소에 대해서는 다른 도면 상에 표시되더라도 가능한 동일한 부호로 표시하며, 공지된 구성에 대해서는 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 구체적인 설명은 생략하기로 함에 유의한다.

본 발명에 따른 레이더 센서용 RF 송수신기는 송신부에서 신호분배기를 거쳐서 나오는 송신신호와 수신부 안테나를 통해서 수신되는 수신신호간의 분리도 특성을 향상시키기 위하여 이중 평형 혼합기(Double Balanced Mixer)를 수신부 혼합기로 구성하였고, 빔스캐닝을 위하여 5채널 패치어레이안테나와 로트만렌즈 그리고 스위치를 사용하여 3개의 빔을 조향할 수 있도록 구성하였다. 이와 같이, 단일기판상에 안테나와 로트만렌즈 그리고 스위치와 증폭기를 포함하는 능동부품들을 구성함으로써 구조적으로 간단해지게 된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더 센서용 RF 송수신기의 구성도로서, RF 신호를 발생시키는 신호원인 전압제어발진기(Voltage Controlled Oscillator; 이하, 'VCO'라 한다.)(101)의 출력단에 VCO(101)의 발진주파수를 2체배하는 주파수체배기(102)가 배치되고 주파수 체배기(102)의 출력단에는 전력증폭을 하기 위해서 전력증폭기(103)가 위치하게 된다.

그리고 전력증폭기(103)의 출력단에는 전력 분배를 위해서 신호 분배기(104)가 배치되며, 신호 분배기(104)의 출력중 하나에는 송신용 SP3T 스위치(105)가 배치되고 스위치(105)의 출력단에는 3개의 빔을 빔포밍할 수 있는 송신용 로트만렌즈(106)가 배치된다. 그리고 로트만렌즈(106)의 각 포트(port)에는 마이크로스트립 패치어레이 안테나(107)가 배치된다.

한편, 상기 신호 분배기(104)에서 분배되는 또 다른 신호는 수신단의 이중 평형 혼합기(Double balanced mixer; 112)에 국발 발진기(Local Oscillator; LO) 신호로 공급된다.

수신단에서는 수신용 마이크로스트립 패치어레이안테나(108)를 통해서 수신된 신호를 빔포밍을 할 수 있도록 수신용 로트만렌즈(109)가 배치되고 3개의 각각 빔포밍된 수신신호를 스위칭할 수 있도록 수신용 스위치(110)가 배치된다. 스위치(110)를 통과한 수신신호는 저잡음/고이득 증폭을 할 수 있는 저잡음 증폭기(111)에 입력되고, 저잡음 증폭기(111)에서 저잡음/고이득 증폭된 수신신호는 송신단에서 공급된 LO신호와 함께 송수신 신호간의 분리도 특성이 아주 우수한 이중 평형 혼합기(Double balanced mixer; 112)에 입력된다. 상기 이중 평형 혼합기(112)를 통과한 수신신호는 중간주파수로 변환되어 신호분석기(미도시)에 입력된다.

이하, 송수신기의 세부 동작을 설명하면, VCO(101)는 RF 신호를 발생시키는 신호원으로서, MMIC(Microwave Monolithic Integrated Circuit) 또는 건 다이오드(Gunn Diode)로 제작될 수 있다. 상기 VCO(101)에서 변조 발진된 송신신호는 입력된 변조 발진 송신신호의 주파수를 두 배로 체배 역할을 하는 주파수 체배기(102)로 전송되는데, 주파수 체배기(102)는 2fo에 대한 fo의 억압특성과 입출력정합 특성이 우수하여야 한다.

이와 같이 체배된 송신신호는 주파수 체배기(102)에서의 변환손실을 보정하고 전력증폭을 하기 위하여 전력증폭기(103)로 전송된다. 전력증폭된 전송신호는 송신단 안테나와 수신단 혼합기(즉, 이중 평형 혼합기(112))의 LO신호로 공급하기 위하여 분배가 되고, 송신단 안테나측으로 분배된 신호는 빔스캐닝을 위하여 송신단 스위치(105)로 입력된다.

스위치(105)는 3개의 빔을 제어하기 위하여 SP3T(Single Pole 3 Throw) 스위치가 적용될 수 있으며, 스위치 제어기(미도시)를 통하여 스위칭속도를 제어하게 된다. 도 1에 도시된 바와 같이 스위치(105)의 출력단 1, 2, 3 에서 스위칭된 신호는 3개의 빔으로 스캐닝 하기 위하여 로트만렌즈(106)로 입력된다. 로트만렌즈(106)은 3개의 스위칭 신호를 빔포밍하고, 패치어레이안테나(107)는 도 1에 도시된 바와 같은 빔패턴(Beam1, Beam2, Beam3)을 방사한다.

한편, 마이크로스트립 패치어레이안테나(107)는 배열수가 많아질수록 안테나 이득이 증가하므로, 시스템의 사양에 맞도록 설계하여 최적의 배열수를 결정하게 된다. 패치어레이안테나(107)는 스위치(105)의 제어 하에 3개의 빔패턴으로 송신신호를 방사하게 된다.

그리고, 상기 신호 분배기(104) 다른 하나의 출력은 종래의 헤테로다인(Heterodyne) 방식 송수신기와 달리 곧바로 수신부의 하향 혼합기(즉, 이중 평형 혼합기(112))의 LO단으로 연결된다. 수신부에서는 5개의 마이크로스트립 패치어레이 타입의 수신안테나(108)를 통해 수신된 신호가 3개의 빔포밍을 위한 로트만렌즈(109)를 통과한 후 빔포밍된 3개의 수신신호를 스위칭할 수 있는 스위치(110)를 통해서 저잡음 증폭기(111)에 입력된다. 각각의 수신안테나에서 수신된 신호는 저잡음 증폭기(111)를 통해 저잡음 증폭된다.

그런 다음, 이중 평형 혼합기(112)의 RF단으로 2fo+δf의 도플러 수신 신호를 전송하게 되고 하향혼합기의 LO단에서 전송된 2fo 대역 LO 신호와 변환되어 IF 신호를 DSP(미도시)로 전송하게 된다. 여기서 δf는 도플러 효과에 의한 수신주파수 편이를 말한다. 한편, 본 발명의 실시예에 따라 하향 혼합기로는 송신신호와 수신신호간의 분리도를 높이기 위하여 분리도 특성이 우수한 이중 평형 혼합기(112)를 적용하여 상당히 우수한 분리도 특성을 얻을 수 있다. 송수신신호간의 분리도가 우수해지면 상당히 가까운 송신신호 주파수와 수신신호 주파수간에 혼선이 발생하지 않아서 수신기의 수신감도가 월등히 우수해진다.

이상의 설명은 본 발명을 예시적으로 설명한 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명의 명세서에 개시된 실시 예들은 본 발명을 한정하는 것이 아니다. 본 발명의 범위는 아래의 특허청구범위에 의해 해석되어야 하며, 그와 균등한 범위 내에 있는 모든 기술도 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석해야 할 것이다.

101 : 전압제어발진기(Voltage Controlled Oscillator, VCO)
102 : 주파수 체배기(Frequency Doubler)
103 : 전력 증폭기(Power Amplifier)
104 : 신호 분배기(Divider)
105, 110 : SP3T 스위치(SP3T Switch)
106, 109 : 로트만렌즈(Rotman Lens)
107, 108 : 패치어레이 안테나(Patch array antenna)
111 : 저잡음 증폭기(Low Noise Amplifier, LNA)
112 : 이중 평형 혼합기(Double Balanced Mixer)

Claims

RF 신호를 발생시키는 전압 제어 발진기;
상기 발생된 RF 신호의 전력을 송신측 및 수신측으로 분배하는 신호 분배기;
상기 신호 분배기에서 송신측으로 분배되는 출력을 복수의 출력 신호로 스위칭하는 스위치;
상기 스위치에서 스위칭된 출력 신호를 빔포밍하는 로트만렌즈; 및
상기 로트만렌즈의 각 포트에 연결되어 상기 빔포밍된 신호를 방사하는 마이크로스트립 패치 어레이 안테나를 포함하는 레이더 센서용 RF 송신기.
제1항에 있어서,
상기 전압 제어 발진기, 상기 신호 분배기, 상기 스위치, 상기 로트만렌즈, 상기 마이크로스트립 패치 어레이 안테나 중에서 선택된 어느 하나 이상을 마이크로웨이브 모놀리식 집적 회로(MMIC)로 구성하는 것을 특징으로 하는 레이더 센서용 RF 송신기.
제1항에 있어서,
상기 전압 제어 발진기의 출력 신호를 정수배로 체배하는 주파수 체배기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이더 센서용 RF 송신기.
제3항에 있어서,
상기 주파수 체배기의 출력 신호의 전력을 증폭시키는 전력 증폭기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이더 센서용 RF 송신기.
제1항에 있어서, 상기 전압 제어 발진기는,
건 다이오드로 제작되는 것을 특징으로 하는 레이더 센서용 RF 송신기.
무선 공간을 통해 RF 신호를 수신하는 마이크로스트립 패치 어레이안테나;
상기 마이크로스트립 패치어레이안테나를 통해 수신된 신호를 빔포밍하는 로트만렌즈;
상기 로트만렌즈를 통해 빔포밍된 복수의 수신신호를 스위칭하는 스위치; 및
상기 스위치를 통해 출력되는 수신신호와 송신기의 신호 분배기에서 수신측으로 분배되는 출력을 혼합하는 혼합기를 포함하는 레이더 센서용 RF 수신기.
제6항에 있어서, 상기 혼합기는,
이중 평형 혼합기(Double Balanced Mixer)인 것을 특징으로 하는 레이더 센서용 RF 수신기.
제1항에 있어서,
상기 스위치를 통해 출력되는 수신신호를 저잡음/고이득 증폭시키는 저잡음증폭기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이더 센서용 RF 수신기.
제1항에 있어서,
상기 마이크로스트립 패치 어레이안테나, 상기 로트만렌즈, 상기 스위치, 상기 혼합기 중에서 선택된 어느 하나 이상을 마이크로웨이브 모놀리식 집적 회로(MMIC)로 구성하는 것을 특징으로 하는 레이더 센서용 RF 수신기.