최근 근거리 레이더 시스템은 차량충돌방지 시스템을 비롯하여 건강진단, 보안, 로봇용 거리 감지 센서 등 다양한 응용 분야에 적용 될 수 있어서 그 수요가 증가하고 있다. 이러한 근거리 레이더 시스템에서는 소형화와 고감도 특성이 요구 되고 있다. 본 논문에서는 소형 및 고감도 특성을 가지는 다양한 근거리 레이더 구조 및 ROC(Radar On a Chip)에 적합한 MMIC회로와 집적 가능한 CPW-fed post-supported 구조를 가지는MEMS 패치 안테나를 제안하였고 이를 구현하였다.
레이더의 수신 감도를 높이기 위해서는 높은 송/수신 격리도가 요구되고, 송신 누설 신호를 줄이기 위한 새로운 밸런스 레이더 구조가 제안 되었다. 제안된 밸런스 레이더 구조는 크기가 같고 위상이 반대인 신호를 발생 시키기 위한 차동 발진기와 두 개의 차동 증폭기 및 Lange coupler 그리고 Wilkinson combiner로 구성되었고, 상용InGaP/GaAs HBT 공정을 이용하여 K-band 대역에서 구현하였다. 제작된 밸런스 레이더 구조는 K-band 대역에서 50 dB의 아주 높은 송/수신 격리 특성을 얻을 수 있었고, 제작된 밸런스 레이더 front-end IC를 이용하여 원격 인간 생체 신호 측정 시스템을 구현하였다. 원격 인간 생체 신호 측정 시스템은 2 * 2패치 어레이 안테나를 포함한 밸런스 레이더 front-end 모듈과 미약한 생체신호의 증폭 및 잡음 필터링을 위한 신호 전처리 회로 그리고 생체 신호의 DSP 처리를 위한 프로그램으로 구성 된다. 제작 된 시스템을 이용하여 50 cm 거리에서 원격으로 깨끗한 인간의 호흡 및 심박수를 측정할 수 있었다.
밸런스 레이더 구조의 성능을 더 개선하기 위하여 수정된 밸런스 레이더 구조를 제안하였다. 먼저 기존의 레이더 구조에서 발생하는 3 dB의 출력 전력 손실을 막기 위해서 전력효율이 높은 Doppler 레이더 구조를 제안하였다. 이 구조에서는 Lange coupler의 through port를 50 옴 저항으로 종단 시키는 대신 믹서의 LO switching 단과 바로 연결하여, 믹서의 LO 스위칭 신호를 위한 추가적인 전력분배기가 필요 없기 때문에 출력에서 발생하는 3 dB 전력 손실을 막을 수 있을 뿐만 아니라 전체 회로의 크기도 줄일 수 있다. 제안 된 Doppler 레이더 구조를 InGaP/GaAs 공정을 이용하여 front-end IC를 제작하였고, 이를 이용하여 원격으로 메트로놈의 진동수를 정확하게 측정 할 수 있었다. 제안된 Doppler 레이더 구조를 밸런스 레이더 구조에 적용하여 마찬가지로 밸런스 레이더 구조에서 발생하는 3 dB의 전력 손실을 개선하였고, 회로의 크기를 기존의 밸런스 레이더 구조의 2.25 mm × 2.00 mm 에서 1.55 mm × 1.65 mm 으로 줄일 수 있었고, 마찬가지로 원격으로 메트로놈의 진동수를 정확하게 측정할 수 있었다. 물체의 움직이는 방향과 거리를 측정하기 위해서 쿼드러처 믹싱이 필요하게 된다. 수신 감도를 높이기 위해서 높은 송/수신 격리도를 가지는 쿼드러처 Doppler 레이더 구조가 제안 되었다. 제안 된 레이더 구조는 4개의 Lange coupler와 90도 위상지연 회로와 Wilkinson combiner로 구성 되었고, 20.9 GHz에서 43 dB의 높은 송/수신 격리 특성을 얻을 수 있었다. 또한 밸런스 레이더 구조 및 수정된 밸런스 레이더 구조를 FMCW와 같이 넓은 주파수 범에서 동작하는 레이더 시스템에 적용하기 위해서는 높은 격리 특성을 가지는 주파수 대역을 넓혀야 한다. 이를 위해서 출력의 한 쪽 포트를 50 옴 저항이 아닌 안테나를 RLC 등가회로로 모델링 하여 이 회로를 종단하여 넓은 주파수 대역에서 높은 송/수신 격리특성을 얻을 수 있음을 시뮬레이션으로 확인하였다.
선형 편파를 이용한 레이더 구조의 특성을 개선을 하기 위해서 Lange coupler를 이용한 원형편파 안테나와 송신 누설신호를 믹서의 LO switching 신호로 이용한 레이더 구조를 제안하였다. 제안 된 원형 편파를 이용한 레이더 구조를 이용하면 선형 편파를 이용한 레이더 구조에 대해서 6 dB 의 SNR 의 향상을 얻을 수 있고 실험적으로 이를 확인하였다. 제안 된 원형 편파를 이용한 레이더 구조의 동작은 InGaP/GaAs HBT를 이용하여 front-end IC를 제작하였고, 이 회로를 이용하여 레이더 모듈을 구현하여 50 cm 거리에서 깨끗한 인간의 생체 신호를 측정할 수 있었다.
마지막으로CMOS 공정에 적용 가능한 60 GHz CPW-fed Post-supported MEMS 패치 안테나를 제안하였다. 제안 된 안테나는 방사를 위한 패치와 신호 인가를 위한 feed line을 동시에 최적화할 수 있을 뿐만 아니라 probe feed 방식을 이용하여 어레이 제작도 용이하다. 또한 MMIC와 집적도 가능해 향후 Radar On a Chip 에 적용가능 할 것으로 기대 된다. 제작된 안테나는 단일 패치 안테나의 경우 -10 dB 대역폭이 58.7 GHz 에서 64.5 GH 이고, 2 × 1 패치 어레이 안테나는 56.3 GHz 에서 65 GHz의 대역폭을 가진다.
본 논문에서는 다양한 근거리 레이더 구조를 제안하였고, InGaP/GaAs HBT 공정을 이용하여 직접 회로로 구현하여 그 동작을 확인하였다. 제안된 레이더 구조들은 단일 안테나를 이용한 소형 및 고감도 특성이 필요한 근거리 레이더 구조에 유용하게 이용될 것으로 기대된다.
