ISSN 1226-3133 (Print)․ISSN 2288-226X (Online)
디지털 레이더 수신기의 RF-수신단 설계 및 분석
A Study on RF Receiver Design and Analysis of Digital Radar Receiver
임 은 재․황 희 근․이 영 철
Eun-Jae Lim․Hee-Geun Hwang․Young-Chul Rhee 요 약
본 논문에서는 디지털 레이더 수신기의 광대역 특성과 선형성을 확보하기 위해 동적 영역 파라미터를 중심으로 RF-수 신단을 분석 및 설계하였다. 광대역 특성과 수신기의 동적 영역 개선을 위해 8.8～9.8 GHz의 광대역폭에서 저잡음 증폭 기를 잡음원 매칭을 설계하여 잡음 지수를 최소화하였으며, 능동혼합기를 설계를 통한 수신기의 변환 이득 특성을 확보하 여 RF-수신단의 선형성을 개선시켰다. 설계된 RF-수신단은 8.8～9.8 GHz의 광대역에서 이득 63 dB, 잡음 지수 1.2 dB을 얻었으며, RF-수신단의 동작영역은 75.8 dB의 특성을 나타내며, X-Band 디지털 레이더 수신기에 응용 가능함을 보였다.
Abstract
In this paper, we have analyzed and designed a digital RF receiver based on the optimization of the dynamic range parameter to secure the wideband characteristics and linearity of digital radar receivers. To improve the wideband characteristics and dynamic range, a low noise amplifier is matching design with a noise source to minimize the noise figure in 1 GHz bandwidth and we improved the linearity of RF-receiver by securing the conversion gain characteristics of receiver through the design of active mixer. RF receiver is designed to give gain 63 dB, noise figure 1.2 dB and dynamic range of RF receiver has 75.8 dB in a wide band of 8.8～9.8 GHz.
It is shown to be applicable to X-band digital radar receiver.
Key words: RF Receiver, Digital Radar, Dynamic Range
「본 연구는 교육과학기술부와 한국연구재단의 지역혁신인력양성사업으로 수행된 연구 결과임.」
경남대학교 정보통신공학과(Department of Information & Communication Engineering, Kyung-nam University)
․Manuscript received December 6, 2013 ; Revised February 19, 2014 ; Accepted March 10, 2014. (ID No. 20131206-05S)
․Corresponding Author: Young-Chul Rhee (e-mail: [email protected])
Ⅰ. 서 론
디지털 레이더 시스템에서 효과적인 영상 신호를 얻기 위하여 RF-수신단 에서 신호처리를 위한 ADC(Analog to Digital Converter)까지 이어지는 디지털 수신기 구조가 레 이더 시스템에 널리 사용되고 있다[1],[2]. 디지털 레이더는 기존의 레이더보다 높은 거리분해능(range resolution), 안 정성(stability), 신뢰성(reliability) 그리고 주파수 유연성(fre- quency flexibility)의 장점을 가지며, 표적(target), 위치(lo-
cations), 속도(speed) 등의 정보 추출할 뿐만 아니라, 목표 의 이미지(image), 인식 (recognize) 분석을 위해 광대역 특 성을 요구하므로, 디지털 레이더 RF-수신단 설계는 높은 효율을 얻기 위해 매우 중요하다[2].
디지털 레이더의 RF-수신단은 주파수 대역을 광대역 화(wideband) 시킴에 따라 여러 채널을 한 대역에 전송하 는 데에 있어서 선형성(linearity)과 동적 영역(dynamic ran- ge)을 향상시키기 위하여 RF-수신단에서 잡음 지수(noise figure), 혼변조(intermodulation), 그 외 스퓨리어스(spurious)
등의 비선형성 요소들에 대해 분석을 필요로 하므로, 이 러한 파라미터와 연관되는 디지털 레이더 수신기의 동적 영역 개선 방안에 대한 필요성이 강조된다[3],[4].
디지털 레이더 RF-수신단의 성능을 좌우하는 동적 영 역이 작으면 가 작아지므로 실제 통신 환경에서 수 신기의 성능을 저하되며, 비선형성이 심해지므로 무선통 신 시스템의 성능까지 저하시킨다[5]. 디지털 레이더 수신 기에서 RF-수신단과 고속의 ADC 회로에서의 비선형 특 성으로 인해 광대역 디지털 레이더 수신기의 SFDR(Spur- Free Dynamic Range) 특성을 악화시키시므로 동적 영역 개선 방안에 대하여 많은 연구가 이루어지고 있다[6].
디지털 레이더 수신기의 동적 영역은 CDR, SFDR, DDR, NPRDR로 분류된다[7]. CDR(1-dB Compression Dynamic Range)은 최소 감지 신호의 전력값과 전력값 차로 나타내며, SFDR(Spur-Free Dynamic Range)은 원하지 않는 두 개의 간섭신호를 인가하여 증폭시켰을 경우 나타나는 2차, 3차 항에 대한 교차점의 전력값과 최소 감지 신호의 전력값으로 분석한 것이다. DDR(Desensitization Dynamic Range)는 잡음층에서부터 원하는 신호 중 가장 강한 간섭 신호 사이와의 차를 의미하며, NPRDR(Noise Power Ratio Dynamic Range)은 수신기의 출력에서 신호 전력을 측정 한다. 레이더 수신기 성능 분석에 결정적인 역할을 하는 CDR과 SFDR에 영향을 미치는 파라미터는 잡음 지수와 선형성이다[7],[8].
레이더 수신기의 동적 영역 개선을 위해서 디지털 레 이더 수신기의 RF-수신단의 특성을 나타내는 중요한 요 소인 수신기의 대역폭, 감도, 신호 대 잡음비와 잡음 지수 등에 대해 분석하여야 하며, 그에 따른 디지털 레이더 수 신기의 설계 기법의 변화가 필요하다[9].
따라서, 본 논문에서는 X-band 디지털 레이더 RF-수신 단을 구현하기 위하여 1 GHz의 광대역 특성을 갖는 디지 털 레이더 수신기의 대역폭에 따른 RF-수신단 동적 영역 개선과 광대역에서 잡음 정합법에 의한 LNA의 잡음을 최소화 시키고[12] 수신기의 민감도(sensitivity)와 동적 영 역 사이의 절충값(trade-off)을 최적화 시켜 디지털 레이 더 RF-수신단의 정량적인 설계 파라미터를 추출하고, 디 지털 레이더 RF-수신단을 제작하여 실험 결과를 제시하 였다.
그림 1. 디지털 레이더 RF-수신단의 블록 다이어그램 Fig. 1. Block diagram of digital radar RF-receiver.
Ⅱ. 디지털 레이더 RF-수신단의 특성 분석 디지털 레이더 RF-수신단의 특성 분석을 위한 디지털 레이더 수신기 블록도는 그림 1과 같다.
RF-수신단 구성도에서 저잡음 증폭기의 잡음 지수와 혼합기에서의 잡음 지수, 변환 이득과 를 개선함으 로써 수신기 전체에 대한 동적 영역을 개선할 수 있다. 동 적 영역을 나타내는 지표중 하나인 CDR은 1- dB 이득-압 축점과 최소 수신 가능한 신호 레벨 간의 차이를 나타내 는 측정 방식으로써[8], 수신기가 받아들일 수 있도록 처 리한 신호 레벨의 범위를 말하며, 아래의 식 (1)과 같이 나타낸다[10].
dBm
log
(1)
SFDR은 원하지 않는 두 개의 간섭 신호와 최소 수신 가능한 신호 레벨 간의 차이를 나타낸 것이며, 식 (2), (3) 과 같이 2차, 3차 입력 교차점으로 계산할 수 있다[8]. 입력 단에 두 개의 신호를 인가하여 증폭시켰을 때 비선형 특 성에 의해 생기는 고조파로서 원신호보다 증폭된다. 이를 이용한 2차 및 3차 교차점은 수신기의 선형성을 나타내 는 지표로 사용된다[11].
×
log
(2)
×
log
(3)Ⅲ. 디지털 레이더 RF-수신단 설계 및 성능 분석 3-1 디지털 레이더 수신기의 성능 분석
디지털 레이더 수신기의 전체 잡음 지수는 RF-수신단 뿐만 아니라, ADC의 잡음 지수도 고려하여야 한다. ADC 의 잡음 지수는 일반적으로 RF-수신단의 잡음 지수보다 상당히 높기 때문에 디지털 레이더 수신기의 잡음 지수 특성을 감소시킨다[10].
또한 디지털 레이더 수신기의 전체 이득을 높임으로써 ADC에 의한 잡음 지수 변화량(
)을 최소화시킬 수 있으며, 디지털 레이더 수신기의 민감도 특성을 개선시킬 수 있다. 그러나 동적 영역 관점에서 살펴보면, 시스템 레 벨에서 ADC의 풀 스케일 입력 레벨이 제한되어 있기 때 문에, RF-수신단의 이득이 높을 필요는 없으므로 동적 영 역과 민감도는 최적화된 절충(trade-off)을 필요로 한다.동적 영역과 민감도의 절충값을 구하기 위한 ADC의 잡음 지수는 식 (4)와 같이 주어진다[10].
log
(4)
본 논문에서 사용된 소자의 고려할 때 ADC의 풀스 케일 입력 레벨( )는 14.08 dBm이며, ADC의 SNR
( )은 —1 dBFS 입력 신호에서 63 dBFS이며, 샘
플링 주파수(
)는 1 GHz로 설정하였다. 여기서 는—174 dBc/Hz이다[6],[9].
이와 같은 파라미터를 고려하여 디지털 레이더 수신기 의 이득 변화에 따른 ADC에 의한 잡음 지수 변화량 (
)을 그림 2에 나타내었으며, 모의 실험값을 통하여 수신기의 동적 영역과 감도 간의 절충값을 표 1과 같이 정리하였다.3-2 디지털 레이더 RF-수신단 설계 및 성능 개선 방안
모의실험을 통하여 산출된 분석값으로 슈퍼헤테로다 인 방식의 X-band 디지털 레이더 RF-수신단을 설계하였 다. RF 입력부에는 3단 저 잡음증폭기를 적용하였으며, 주파수 변환부에는 능동혼합기를 설계하였다.
그림 2.
와 ∆
분석 결과 Fig. 2. Analysis result of
and ∆
.
표 1. RF- 수신단 감도와 동적 영역의 절충값
Table 1. Trade off of RF-receiver sensitivity and dynamic range.
Gain ∆
NF Sensitivity DR (dB) (dB) (dB) (dBm) (dB) 가장 높은
감도 50.42 0.1 2.23 —71.77 43.77 가장 높은
동적 영역 36.42 2.0 4.13 —69.87 55.87 절충값 48.93 0.6 2.73 -71.17 51.93
저 잡음 증폭기는 시스템의 전체 수신 감도를 결정하 는데 가장 큰 역할을 하는 부분으로, 이득과 잡음 지수, 정합, 선형성 특성이 최적의 상태를 가지도록 잡음 원을 이용한 정합법을 이용하여 잡음 지수를 최소화 시켰다[12]. 설계한 저 잡음증폭기는 8.8～9.8 GHz 대역을 가지며, 동 적 영역 개선을 위하여 설계된 최전단 1단 저 전력 증폭 기는 최저잡음 특성을 위해 최저 잡음원을 정합시킨 회로 는 그림 3과 같으며, 저 잡음 증폭단의 2단과 3단 증폭기 는 높은 이득과 낮은 반사 손실을 고려하여 설계하였다.
그림 4는 8.8～9.8 GHz의 1 GHz 대역폭에서 약 40 dB 이득과 0.45 dB의 잡음 지수 결과를 보여주고 있다. 동적 영역의 선형성 개선을 위해 GaAs 능동소자를 사용한 능 동혼합기는 그림 5와 같이 설계하였다.
설계된 능동혼합기는 그림 6과 같이 약 –2.5 dB 손실 을 가지고 있으며, 일반적인 수동 혼합기보다 약 4.5 dB 높은 변환 이득값을 보였다.
그림 3. 전단 저잡음 증폭기 등가회로 Fig. 3. Equivalent circuit of the 1
stLNA.
그림 4. 3 단 저잡음 증폭기의 잡음 지수와 이득 Fig. 4. NF and gain of 3-stage LNA.
그림 5. 능동혼합기 등가회로
Fig. 5. Equivalent circuit of the active mixer.
그림 6. 능동혼합기의 모의실험 결과 Fig. 6. Simulation result of active mixer.
Ⅳ. 디지털 레이더용 RF-수신단 제작 및 결과 분석 4-1 디지털 레이더용 RF-수신단 제작 및 측정 본 논문에서 설계한 RF-수신단은 유전율 2.17을 가지 는 테프론 기판을 사용하여 제작하였다. 저잡음 증폭기와 능동혼합기에는 X-band에서 우수한 특성을 보이는 GaAs 소자를 사용하였다. 그림 7은 제작된 모듈을 나타내고 있다.
기존 레이더의 성능과 비교하기 위하여 디지털 레이더 RF-수신단의 규격조건으로 1 GHz 대역폭을 가지며, 이득 이 최소 53 dB 이상을 가지고, 잡음 지수는 최대 1.2 dB이
그림 7. 제작된 모듈
Fig. 7. The photograph of the fabricated module.
그림 8. RF-수신단의 이득 및 잡음 지수 Fig. 8. Gain and NF of RF-receiver.
그림 9. 국부발진기의 위상잡음 분석
Fig. 9. Phase noise analysis of local oscillator.
하의 기준값으로 설정하였으며, 출력 은 최소 +5 dBm, 출력 IP3은 +17 dBm 이상의 값을 가지도록 설계하 였다.
디지털 RF-수신단의 이득, 잡음 지수, 위상잡음을 측정한 결과, 그림 8은 이득과 잡음 지수의 그래프이며, 이득이
약 62 dB, 잡음 지수 약 1.1 dB 값을 나타내었다. 그림 9는 국부 발진기의 위상잡음을 나타낸 결과로 90.33 dBc/Hz
@ 10 kHz의 특성이 나타냈다.
4-2 디지털 레이더 RF-수신단의 성능 분석
제작된 디지털 RF-수신단의 성능을 좌우하는 동적 영 역값을 구하는 과정은 다음과 같다. 그림 10에서 RF-수신 단의 출력 를 나타내며, 출력 주파수 950～1,950 MHz에서의 는 약 8 dBm의 결과를 얻었으며, 그림 11은 RF-수신단의 IMD를 측정한 결과로 약 —40 dBm를 나타냈다.
측정된 IMD 값에 아래 식 (5)를 이용하면 출력 IP3 점 의 값을 얻을 수 있으며, 식 (6)을 이용하면 출력 IP3 점을 이용하여 입력 IP3 점을 얻는다[6].
(5)
(6) 한편, RF-수신단의 감도를 분석하기 위하여 최소 감지 신호(Minimum Detectable Signal)는 식 (1)을 이용하여 계그림 10. RF-수신단의 출력
측정 결과
Fig. 10.
measurement of RF-receiver.
그림 11. RF- 수신단의 IMD 측정 결과 Fig. 11. IMD measurement of RF-receiver.
표 2. 디지털 레이더 RF-수신단 결과 비교 분석
Table 2. Result comparative analysis of digital radar RF- receiver.
모의실험 결과 측정 결과 비교 대상
[10]NF 1.1 1.3 2.3
Gain 61.1 62.0 48.9
MDS —82.9 —82.8 —74.3
Sensitivity —72.9 —72.8 —84.3
CDR 76.8 75.8 58.4
Bandwidth 1 GHz(8.8 ～9.8 GHz)
Freq. band X-band S-band
산한 결과, —82.8 dBm의 값을 얻었으며, 디지털 RF-수신 단의 성능을 좌우하는 동적 영역 CDR은 와 최소 감 지 신호의 차에 의해 75.8 dBm이며, SFDR은 입력 IP3점 과 최소 감지 신호의 차에 의해 33.2 dBm의 결과를 얻었 다. 설계한 디지털 RF-수신단에 대한 측정값과 설계값을 비교한 결과, 표 2와 같이 매우 근접한 결과를 얻었다.
Ⅴ. 결 론
본 논문에서는 8.8～9.8 GHz의 1 GHz 대역폭을 갖는
디지털 레이더 RF-수신단을 구현하기 위하여 대역폭에 따른 RF-수신단의 성능 분석을 위한 동적 영역 개선과 잡 음을 최소화 시키는 방안을 제시하였다. 디지털 레이더 RF-수신단의 측정 결과, 전체 이득은 63 dB, 잡음 지수는 1.2 dB를 얻었고, 수신기의 잡음 지수에 의한 최소 감지 신호와 입력 P1 dB, IP3점을 이용하여 동적 영역을 계산 한 결과, CDR은 75.8 dB, SFDR은 33.2 dB를 얻었다.
따라서 본 논문에서 제시한 모의실험 값과 실제 제작 하고 측정한 디지털 레이더 RF-수신단의 결과 값이 일치 하다는 결과를 이용하여 효율적인 디지털 레이더의 수신 모듈을 설계할 수 있음을 보였다.
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임 은 재
2010년 2월: 경남대학교 정보통신공학과 (공학석사)
2012년 3월～현재: 경남대학교 정보통신 공학과 박사과정
[주 관심분야] 마이크로파 능동소자 응용
황 희 근
2012 년 2월: 경남대학교 정보통신공학과 ( 공학사)
2012 년 3월～현재: 경남대학교 정보통신 공학과 석사과정
[주 관심분야] 마이크로파 능동 회로 설 계 및 응용
이 영 철
