낮은 스퓨리어스 레벨의 Ku밴드용 선형 처프 소스 RF 체인 설계

Abstract

본 논문에서는 FMCW 레이다에서 주로 사용되는 선형 처프 신호를 만들 때 발생하는 스퓨리어스 성분이 성능에 끼치는 영향을 분석하고, 이런 스퓨리어스 성분의 레벨을 낮출 수 있는 RF 체인 설계 구조를 제시하였다. 현재 대부분의 FMCW 레이다 시스템에서 선형 처프 신호를 만드는 방식인 DDS와 체배기의 조합에서는 각 부품들의 비선형적인 특성 때문에 최종 출력단에서 만들고자 하는 선형 처프 신호 외에 다른 기울기를 갖는 스퓨리어스 성분들이 나타나게 된다. 그런 경우, 레이다 시스템이 쓰이고자 하는 환경에 따라 이러한 스퓨리어스 성분이 본래 탐지하고자 하는 타겟을 오인식하게 하는 정보를 만들어내게 되고, 본래 정보와 잘못된 정보를 구분하기 위한 Threshold 값을 시스템에 맞게끔 정해야 한다. 본 논문에서는 이러한 Threshold 값보다 낮은 스퓨리어스 레벨을 갖는 소스를 만드는 방법 중 하나로 기존의 DDS와 체배기만을 조합하여 만들던 방식에서 믹서를 도입하여 주파수 변환을 추가한 방식을 제안하였다. 이 주파수 변환을 이용하게 되면, 기존의 체배만을 통한 방식에서 문제가 되는, 하모닉 성분들이 in-band에 포함되어 스퓨리어스 레벨을 높이는 문제를 해결할 수 있게 된다. 주파수 변환으로 보다 높은 주파수 대역에서 체배를 하게 되면 본래 신호와 하모닉 성분의 간격이 멀어지게 되므로, 필터링이 더 용이해지는 것이다. 이 부분에 더하여 해당 구조를 시뮬레이션을 통해 결과를 예측하고, 실제 소스 보드를 제작하여 앞서 언급한 시스템에서 필요로 하는 Threshold 값보다 낮은 스퓨리어스 레벨을 갖는 것을 실험을 통해 확인하였다. 더 나아가, 해당 시스템에서 발생하는 스퓨리어스 성분들의 발생 원인을 분석하고, 이 소스 체인이 실제 FMCW 레이다 시스템에 사용되었을 때 예상되는 결과를 시뮬레이터를 통해 검증하였다.

In this paper, the effect of spurious on FMCW radar performance when a linear chirp signal is generated is analyzed. Plus, the RF chain is designed to reduce a level of the spurious. Most of modern linear chirp signal sources in FMCW radar systems are consisted of DDS(Digital Direct Synthesizer) and frequency multiplier. Due to non-linear characteristics of components in these sources, the spurious are generated. These spurious produce chirp signals which have different slope, and these signals are the causes of target detection error. So, the threshold is needed to separate the real information from the false one. This threshold can be selected by conditions or requirements of radar systems. In this paper, the design of RF chain to add mixers to reduce the spurious level is suggested. The conventional designs have only used frequency multipliers to make wide band chirp signal, and the frequency overlaps between targeted signal and harmonics have been followed. When the frequency conversion by mixer is applied, the gaps between targeted signal and harmonics are widen. So the harmonics can be filtered out from the desired signal. The simulation with this RF chain were done to predict the result, and the real PCB board was made. The result showed that the spurious level is lower than the threshold of the radar system need to meet. Furthermore, the causes of spurious in the RF chain were analyzed, and the estimation of result in FMCW radar was run by simulator.