In 2002, the Federal Communication Commission (FCC) approved the development of ultra-wideband (UWB) technologies for commercial application. Especially, 22-29 GHz UWB band has been expected to be used for many applications such as automotive radar sensor, robot vision, microwave camera due to its good performance (small size of antenna, high resolution). Therefore, many related research results are being published and the interest in 22-29 GHz UWB radar sensor is continuously increasing recently.
There are some requirements for designing the UWB radar sensor : minimizing the size, lowering the cost, maximizing the output power for long detection range, very short pulse duration for high resolution, high accuracy, fast data update time and high power efficiency. To satisfy these conditions, in this thesis, the new structure of pulse generator is proposed including the new method of BPSK(Binary Phase Shift Keying) modulation. And the clock signal generator which determines the pulse duration and phase of output signal is present with PPM(Pulse Position modulation) and BPSK modulator.
This UWB transmitter was fabricated using TSMC013 CMOS process and measured. The pulse generator is composed of conventional LC crossed-coupled oscillator and common source amplifier with NMOS switch which acts as active buffer and isolates LC-tank from output node (antenna). The proposed pulse generator consumes the power only a moment of radiating pulse, so it is very power-efficient structure. The oscillation frequency in CW (Continuous Wave) mode is 22GHz and a frequency tuning range is about 500MHz. In the pulse mode, the pulse width of output signal varies from 0.78ns to 1ns, and there is no leakage signal. Power consumption of pulse generator is 2.4mW at PRF = 50 MHz, and this value is proportional to PRF.
The proposed UWB radar transmitter has some advantages. The first thing is, as stated above, the property of low power consumption. The second thing is that it can be very easy to BPSK, PPM modulate. The modulation process operates in not RF band but baseband range, that is, tens of MHz PRF (Pulse Repetition Frequency). Because signal process in baseband range is relatively easier than in RF band, this property can be a good point. The effect of modulation is easily verified by measuring the PSD (Power Spectral Density) of output signals. By using both PPM and BPSK modulation, maximum level of spectrum can be compressed as 12dB.
2002년 FCC에서 UWB 기술을 상업적 용도에 맞게 사용할 수 있도록 승인하였다. 특별히 22-29GHz 대역의 경우 안테나 크기를 줄일 수 있고, 고 분해능을 가질 수 있다는 장점 때문에 자동차 레이더 센서, 로봇 비젼, 전자 카메라 등의 다양한 응용분야에 적용될 수 있다. 따라서 최근 이 대역에서의 레이더 센서에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다.
UWB 레이더 센서를 설계하는 데 있어서 고려해야할 사항에는, 전제 크기, 가격, 측정거리를 길게 하기 위한 큰 출력 파워, 고 분해능을 위한 초단파, 정확도, 전력 효율 등이 있다. 이러한 조건들을 만족시키기 위해 본 논문에서는 새로운 방식의 BPSK를 포함하는 펄스 발생기를 제안한다. 그리고 펄스 폭과 출력 파형의 위상을 결정할 수 있는 clock 신호 생성기와 펄스 위치 변조(PPM)와 펄스 위상 변조(BPSK)를 포함하는 변조기를 나타내었다.
제안된 UWB 송신단은 TSMC013 공정을 이용해 제작되었다. 펄스 발생기의 경우 기본적인 LC 교차 공진기와 CS 증폭기로 구성되어 있으며 펄스가 발생하는 순간에만 전력을 소모 하므로 전력 효율이 좋다. 발진 주파수는 22GHz 이며, 주파수 tuning 범위는 약 500MHz이다. 발생하는 펄스의 펄스 폭은 약 780ps ~ 1ns이며 누설 신호가 없다. PRF가 50MHz 일 때의 전력 소모는 약 2.4mW 정도의 값을 가졌다.
제안된 UWB 레이더 송신단의 장점으로는 첫번째로 앞서 설명한 대로 전력 효율이 좋다는 점이다. 두번째는 신호의 변조가 상대적으로 쉽다는 점이다. 고주파에 해당하는 신호를 직접 변조하는 방식이 아닌, 신호가 발생하기 전의 상태를 제어하는 방식에 따라 변조를 하게 되므로 저주파에서 변조 신호를 처리할 수 있게 되어 상대적으로 쉽게 변조가 가능하게 된다. 이 변조의 효과는 출력 신호의 PSD를 관찰함으로 확인하였고, 펄스 위치 변조와 펄스 위상 변조를 함께 사용하였을 때 스펙트럼의 최대 크기가 약 12dB 정도 줄어드는 것을 확인할 수 있었다.
