The radar which was initially developed for military purpose is now used more and more in our industry. It is used in many different fields such as vehicular radar, marine radar, aviation radar and weather radar. In this paper, RF front-end system which can be adopted to many different radars is studied. Frequency was selected as X-band and it was designed so that the maximum searching distance could be 1.8km when RCS (radar cross section) is $10m^2$.
First of all, before designing the RF system as a block level appropriate values were calculated by radar equation. As a result, transmission power and minimum receiving power was designed to be 30dBm and -105dBm respectively and manufacturing antenna`s gain was set to be more than 25dBi.
This paper developed a heterodyne X-band radar RF front-end system which uses 10 GHz and 1.8GHz local oscillator. Local oscillator affects the most to the system`s stability so it is classified as one of the key components of the transceiver module. Phase noise, frequency stability, temperature stability and output power affects the oscillator`s performance. Especially, phase noise is one of the most important parts because it decreases the SNR (signal to noise ratio) of the analogue receiver, increases the BER of transceiver for digital communication, limits channel width and it degrades the resolution of the radar system. So, many different methods are used to design a stable local oscillator for microwave communication system. In this paper, PLO (Phase Locked Oscillator) is used which generates 100MHz fundamental frequency and acquires 1.8GHz and 10GHz frequency by using Sampling Phase Detector (SPD). PLO for 1.8GHz has 8.3dBm output power and -113dBc/Hz phase noise at 10 kHz. PLO for 10 GHz has 3dBm output power and -104dBc/Hz phase noise at 10 kHz.
In this paper, to follow the radar trend of having high power transmission source and developing their own radar technique along with strong countries, lightening the weight by using MMIC components was introduced instead of the method using magnetron. Chapter 1 introduces the fundamental and the background of the radar development. Chapter 2 explains some general structures of radar, why heterodyne method is used and about the radar equation. It also explains how the distance can be measured by Doppler Effect and some important parts for each component. Chapter 3 shows the photograph and the measured results for the fabricated components. Efforts to reduce Return Loss and isolating the bias circuit and the RF circuit due to the parasitic components were discovered. Consequently, in order to increase the isolation when PLO is used for both transmission part and receiver part, isolator or filter was added between the end part of the power divider and the transmission part so the signal flow from the transmission part to the receiver part could be reduced.
Design of the RF front-end system that can be used for X-band and its validity (final result) is discussed in the final chapter. Also, RF system designed through this study is mentioned and some future development methods are considerable as well.
군사용도로 개발된 레이더는 점점 우리의 산업 속에서 활용되고 있다. 예를 들면 차량용 레이더, 선박용 레이더, 항공용 레이더, 기상용 레이더 등의 여러 분야에서 활용되고 있다. 논문에서는 이런 시장 상황에 맞추어서 여러 가지 레이더에 적용 될 수 있는 radar의 RF front-end system을 연구하였다. 주파수는 마이크로파 영역 중에 X - band으로 결정하였으며 RCS가 $10m^2$ 일 때 최대탐지거리 1.8km를 얻어내기 위하여 제작되었다.
우선 RF system을 block level로 설계하기 전에 radar equation을 통하여 적정 값을 산출하였다. 그 결과로 송신 출력이 30dBm, 수신되는 최소 신호의 크기는 -105dBm 이상이 되도록 하였고 현재 제작중인 안테나 gain이 25dBi 이상이 되도록 하여 설계하였다.
본 논문은 10Ghz 와 1.8GHz의 국부 발진기를 사용하는 heterodyne X-band radar RF front-end system을 구현하였다. 통신시스템에 사용되는 국부 발진기는 전체 시스템의 안정성에 가장 큰 영향을 미치므로 다른 송수신 모듈의 핵심부품 중의 하나로서 분류된다. 발진기의 성능을 나타내는 지표에는 위상잡음, 주파수 안정도, 온도 안정도 그리고 출력 등이 있는데, 특히 발진기의 위상잡음은 아날로그 수신기의 SNR을 감소시키고, 디지털 통신용 송수신기의 BER을 높이며, 통신채널간의 간격을 제한하고, 레이더 시스템에서는 해상도를 저해하는 등의 각종 문제를 야기하기 때문에 매우 중요한 요소로 분류되고 있다. 이에 마이크로파 영역의 통신시스템에서 안정된 국부 발진기를 설계하기 위하여 여러 가지 방식이 적용되고 있다. 여기서는 100MHz의 기본주파수 발생부를 구성하고 이후에 Sampling Phase Detector (SPD)를 이용하여 1.8GHz와 10GHz 주파수를 얻을 수 있도록 만든 PLO(Phase Locked Oscillator)를 활용하였다. 제작된 1.8GHz, 10GHz PLO는 각각 약 8.3dBm와 3dBm의 output power를 가지며 phase noise는 -113dBc/Hz 와 -104dBc/Hz at 10KHz를 갖도록 만들어 졌다.
본 논문에서는 기술의 세계적인 발전추세에 부합되면서 post 통일시대에 주변 강대국들과의 같이 자신만의 레이더 기술을 가지고자 시작하였으며 특히 레이더의 성능을 결정하는 주요 변수인 고출력 송신 전력 원의 기술 발전 추세에 맞추어서 magnetron을 사용하는 방식이 아닌 반도체 증폭기인 MMIC 소자들을 이용함으로써 소형화와 무게를 줄이도록 하기 위한 연구가 제시되었다. 1장에서는 기본적인 radar의 발전배경 및 소개를 하였으며 2장에서는 radar의 일반적인 구조를 설명하고 heterodyne 방식을 사용한 이유와 radar equation에 대해서 나타내었으며 어떻게 거리를 측정할 수 있는지 나타내는 Doppler effect에 대해 설명하였다. 또한, 각각의 소자에서 중요한 요소들에 대해서도 간략하게 설명하였다. 그 후 3장에서는 제작된 각각 component 들의 결과 값들을 첨부하였으며 그리고 현재 제작중인 안테나의 simulation의 결과도 첨부하였다. RF system을 설계하면서 반사손실을 향상시키기 위한 노력이 필요하며 모든 기생성분을 줄이는 바이어스 회로와 RF 회로와의 분리도를 향상시키는 것의 중요성을 알 수 있었다. 따라서 PLO를 송신단과 수신단에서 같이 사용함으로써 생기는 isolation 의 반감효과를 줄이기 위해서 각각의 power divider후단과 송신단 사이에 isolator나 filter를 추가함으로써 송신단의 강한 신호가 수신단으로 타고 넘어 들어가는 효과를 줄이도록 하였다.
마지막으로 결론에서는 X - band에서 활용될 수 있는 RF front-end 시스템을 설계하고 그에 대한 결과값을 나타내었다. 그리고 이번 연구를 통해 현재 만들어진 RF system에 대해서 다시 한 번 생각해보고 앞으로의 발전 방향에 대해서도 알아볼 수 있는 계기가 되었다.
