Microwave and millimeter-wave radars have garnered much attention in many applications, such as speed-detection sensors, collision-avoidance sensors, traffic control sensors, health-care sensors, and human motion detectors. For these applications, high performance, small size, and low cost are crucial for the radars.
Continuous wave (CW) radars are based on very simple structures, allowing small size with low-cost solutions. In CW radar systems such as FMCW radars or Doppler radars, a high Tx-to-Rx isolation is required to improve sensitivity [4]. A system with two antennas is likely to have high Tx-to-Rx isolation; however, the system size is two times larger than a system with a single antenna. A system with a single antenna must be implemented with a circulator or a coupler following the antenna. As circulators, and especially couplers, show low isolation characteristics, especially at mm-wave frequencies, there are significant Tx leakages from the transmitter to receiver. A reflected power canceller (RPC) has been proposed in order to achieve good Tx-to-Rx isolation in a single antenna system. Recently, an RPC based on DSP was reported. This RPC shows good Tx-to-Rx isolation performance up to K-band frequencies. Another approach to reduce Tx leakage, termed balanced radar topology, was proposed. However, in this approach, when a signal is transmitted, half of the transmitting signal power is dissipated at the terminating resistor of the coupler. In addition, half of the received signal power is dissipated.
Quadrature receivers can detect the speed and direction of a target and can also measure the displacement. Even human vital signals are detected very well with quadrature mixing. The receivers receive Doppler signals with much higher signal-to-noise ratios.
The two quadrature radar topologies with Tx leakage canceller using Lange couplers are proposed. Linear polarized quadrature Doppler radar with Tx leakage canceller using Lange coupler is fabricated using GaAs MMIC technology. The Tx-to-Rx isolation is 28.1 dB at 24 GHz. This radar can measure speeds as low as 2.5 mm/s, which corresponds to a 0.41 Hz Doppler shift. Quadrature radar with Tx leakage canceller using branch-line hybrid coupler suitable for PCB technology is proposed and fabricated for higher performance than that using Lange coupler. The Tx-to-Rx isolation is 35.27 dB at 24 GHz. The measured 30 dB isolation bandwidth is about 2 GHz. This radar can measure speed as low as 0.76 mm/s, which correspond to a 0.12 Hz Doppler shift.
Most radar systems use linear polarization because it can be implemented easily. However, linearly polarized radars with a single antenna without circulators are inefficient in the power aspect. Circular polarization is generally used in satellite communication but it is not used extensively in radars. Furthermore, because circular polarization needs two separate antennas with different polarization, the size of the radar system is inevitably very large. A single antenna circularly polarized radar topologies with Tx leakage canceller is proposed. A single antenna circularly polarized balanced radar topology is also proposed. There is only 3 dB loss in the receiving path. The linearly and circularly polarized balanced Doppler radars are fabricated. The received signals of the circularly polarized Doppler radar are about two times larger than those of a linearly polarized balanced Doppler radar due to the topology. A single antenna circularly polarized quadrature radar topology using QVCO is proposed. There are no losses in the transmitting and receiving path. The linearly and circularly polarized quadrature Doppler radars are fabricated. The received signals of the circularly polarized quadrature Doppler radar were about 1.4 times larger than those of the linearly polarized quadrature Doppler radar due to the topology. And QVCO using asymmetric coupled transmission lines for high performance is proposed. Two port impedance parameters of the asymmetric coupled transmission line are derived. Phase noise of -121.17 dBc/Hz at 1MHz offset and -185.6 dBc/Hz of FOM are achieved at an operating frequency of 22.83 GHz for 3 V supply voltage.
For small size, a single antenna radar structure is very important. The other approaches to compact modules involve the use of packaging technologies. The LTCC multilayer packaging technology has become popular for microwave and millimeter-wave applications. The LTCC process gives 3-D modules great flexibility. Recently, a 3-D LTCC multilayer package was proposed for compact RF front-end module including antennas. Linear polarized quadrature Doppler radar is implemented with LTCC process. The high performance branch-line hybrid coupler will be readily fabricated using LTCC process in mm-wave frequency. The packaging method of antenna-integrated RF module with PCB board is proposed for electrical and mechanical shielding can be readily achieved without any further effort. A Tx-to-Rx isolation level of -52 dB at 24.15 GHz is achieved. This result is due to the cancelling of the Tx leakage of the branch-line hybrid coupler. The asymmetric compensation method for low loss vertical transition is proposed with asymmetric ground slots. The 21.6 % improvement of loss is achieved. The impedance matching of proposed structure is minimally about 10 dB better for all measured range than that with symmetric ground slots.
CW radars may use FM waveforms so that both range and Doppler information can be measured. Linearization based on delay line is used for FMCW radar. LHTL structure is used for delay line. Parasitic reduced LHTL with ground slots using PCB technology is proposed. The time delay of proposed one is 2.6 times larger compared to conventional one. The input return loss and insertion loss of proposed one are better than those of conventional one. And also variable delay line using 0.18 μm CMOS technology is proposed. MOS varactor, for variable time delay, and microstrip line inductor are used. The linearization of VCO is achieved using coaxial transmission line. The deviation from average value is improved 36.5 % to 13.1 % through the linearization. The FMCW radar using linearization can detect 0.113 m to 1.6 m.
마이크로 또는 밀리미터 파 레이더는 속도 감지 센서, 충돌 방지 센서, 교통 제어 센서, 의료용 센서, 움직임 감지 센서 등의 다양한 분야에서 많은 관심을 받고 있다. 이런 응용분야에서는 레이더는 성능이 좋아야 하고, 크기는 작아야 하며, 가격이 낮아야 한다.
연속파 레이더는 구조가 간단하여 작은 사이즈로 값 싸게 만들 수 있다. FMCW레이더와 도플러 레이더와 같은 연속파 레이더는 높은 감도를 위해 송수신단 간의 높은 격리 특성이 필요하다. 송신 및 수신단에 각각 1개씩 안테나가 있는 레이더는 격리 특성이 좋지만 시스템의 사이즈가 한 개의 안테나로 구성된 레이더 보다 크기가 커진다는 단점이 있다. 한 개의 안테나로 구성된 레이더는 서큘레이터나 커플러 같은 것으로 송수신단이 분리 되어 있다. 서큘레이터나 또는 커플러의 경우 밀리미터파 대역 같은 높은 주파수에서는 송수신단 간에 격리 특성이 좋지 않다. 단일 안테나 레이더 시스템에서 격리도를 올리기 위해서 Reflected Power Canceller (RPC) 라는 것이 있다. 최근 DSP에 기반한 RPC가 보고 되었다. 이러한 RPC는 K밴드 대역에서 좋은 격리 특성을 보여 주고 있다. 또 다른 방법으로 제안된 것이 밸런스 레이더 구조이다. 그러나 이 방법은 송수신시에 손실이 각각 6 dB씩 크게 발생하는 문제점이 있다.
쿼드러쳐 수신단은 속력과 방향을 측정할 수 있고 또한 변위 측정이 가능하다. 생체신호 또한 쿼드러쳐 믹싱을 통해 null-point문제를 해결할 수 있다. 또한 도플러 레이더의 수신 신호는 쿼드러쳐 믹싱을 통해 SNR을 높일 수 있다.
본 연구에서 랑게 커플러를 이용하여 송신 누설신호제거기가 들어간 쿼드러쳐 레이더 구조를 제안 하였다. 랑게 커플러를 이용한 선형 편파 쿼드러쳐 레이더는 GaAs MMIC 기술을 이용해 전단을 제작하였다. 24 GHz 에서28.1 dB의 격리 특성을 보여주었고, 0.41 Hz의 도플러 시그널까지 탐지 할 수 있다. PCB 기술로 브랜치라인 하이브리드 커플러를 이용하여 누설신호제거기가 들어간 쿼드러쳐 레이더 전단을 제작하였다. 브랜치 라인 커플러는 랑게커플러에 비해 높은 격리특성을 갖기 때문에 누설신호제거기 또한 높은 격리특성을 가질 수 있고 24 GHz에서 35.27 dB의 높은 격리 특성을 보여 주었다. 또한 2 GHz의 밴드에서 30 dB의 격리 특성을 보여주었다. 본 레이더는 0.12 Hz만큼의 낮은 도플러 신호를 탐지 할 수 있었다.
대부분의 레이더는 제작의 용이성으로 인하여 선형 편파를 이용한다. 그러나 서큘레이터 없이 선형 편파 단일 안테나 레이더는 파워 측면에서 비 효율적이다. 원평 편파는 위성 통신에서 많이 사용하지만 레이더에서는 사용되지 않는다. 원형 편파를 레이더에 적용하기 위해서는 두 개의 서로 다른 편파 안테나가 필요하므로 레이더의 크기가 클 수 밖에 없다. 본 연구에서 누설 신호 제거기가 들어간 단일 안테나 원형편파 레이더 구조를 제안하였다. 또한 누설 신호 제거기가 들어간 단일 안테나 밸런스 레이더 구조가 제안 되었다. 본 레이더는 수신시에 오직 3 dB의 손실 만 존재한다. 선형 그리고 원형 편파 밸런스 레이더를 실제 제작하여 수신된 신호의 크기를 비교해 보았고 이때 구조상의 이점으로 인하여 원형 편파 밸런스 레이더에서 약 두 배 정도 큰 수신신호를 얻을 수 있었다. 쿼드러쳐 전압제어 발진기를 이용한 단일 안테나 쿼드러쳐 레이더 구조를 제안 하였다. 선형 편파 쿼드러쳐 레이더에 비해 1.4배 정도 큰 수신신호를 얻을 수 있었다. 그리고 비대칭 적으로 커플된 전송 라인을 이용한 쿼드러쳐 전압제어 발진기를 제안 하였다. 비대칭 커플 전송라인의 투포트 임피던스 파라미터를 유도하였다. 제작된 발진기는 22.83 GHz에서 발진을 하였고 1 MHz 오프셋에서 -121.17 dBc/Hz의 우수한 위상잡음 특성을 보여주었다.
사이즈를 줄이기 위한 단일 안테나 레이더 구조는 매우 중요하다. 사이즈를 줄이기 위한 또 다른 방법은 패키징 기술을 이용하는 것이다. 엘티씨씨를 이용한 멀티레이어 패키징 기술은 마이크로 또는 밀리미터파 대역에서 각광받고 있다. 엘티씨씨 기술은 안테나가 집적된 3차원 모듈이 가능하다. 선형 편파 쿼드러쳐 도플러 레이더를 엘티씨씨 기술을 이용하여 제작하였다. 엘티씨씨 기술을 이용하면 PCB위에 만들어진 것보다 좋은 성능의 브랜치 라인 하이브리드 커플러를 제작하는 것이 용이하다. 안테나가 집적된 엘티씨씨 RF 모듈과 기저대역 보드와의 패키징 방법을 제안하였다. 제안된 방법을 사용하면 RF 모듈부의 전기적 그리고 기계적 보호가 다른 특별한 노력없이 가능하다. 엘티씨씨 위에 만들어진 누설신호 제거기는 24.15 GHz에서 -52 dB의 높은 격리특성을 보여주었다. 비대칭 보상 방법을 저손실 신호 비아를 위해 제안 하였다. 비대칭 보상방법을 사용하여 21.6 %의 신호 손실이 향상 되었다. 또한 임피던스 매칭이 10 dB이상 좋은 결과를 보여주었다.
연속파 레이더는 거리를 측정하기위해 FM 변조를 사용한다. FMCW레이더에서 선형화는 매우 중요하다. 선형화의 방법 중에 지연라인을 이용한 방법은 단순한 구조를 갖는 다는 장점이 있다. LHTL구조를 이용한 지연라인을 제작하였다. 접지 슬롯을 통해 커패시터 부분의 기생 커패시턴스를 줄인 LHTL 을 제안 하였고, 시간 지연을 2.6배 정도 향상 된 결과를 얻었으며, 입력 매칭과 삽입손실 또한 향상 되었다. CMOS기술을 이용하여 가변 지연 라인을 제안 하였고 제작하였다. 동축게이블을 이용하여 FM 신호를 선형화 하였고 36.5 %의 표준편차를 13.1%로 줄였다. 선형화 모듈과 함께 누설 신호 제거기가 있는 쿼드러쳐 레이더를 제작하여 1.6 m 까지 측정할 수 있었다.
