The spiral-dipole antenna for the generation of circular polarization has been shown to be suitable for diversity techniques such as space, pattern, and polarization diversities in MIMO systems, achieving high isolation between antennas. The proposed antenna employs independent circular polarization by combining a dipole antenna and a spiral antenna. The dipole antenna is employed to generate vertical polarization and the spiral antenna to generate horizontal polarization. A decoupling technique is realized by two orthogonal polarizations, RHCP and LHCP. A phase change of 0˙ or 180˙ in one of the antennas can provide an interchangeable beam pattern, which is adoptable in the pattern diversity technique. The advantage of using the spiral is that its virtual current distribution is uniform, and thus it can emulate small loop current and thereby generate a smooth radiation pattern. An envelope correlation is compared with the dipole array, and it is shown that the proposed antenna will be applicable to MIMO systems.
The PN sequence radar and the network analyzer are the most commonly used channel sounding devices. The PN sequence radar is used with a time domain analysis, whereas the network analyzer is based on a frequency domain analysis. The drawback of the PN sequence radar is that the spectral response of the rectangular pulse covers the overall frequency range. However, the network analyzer uses only specific frequency bandwidth to measure the magnitude and the phase of a signal. If the operating frequency of the network analyzer is increased, the measurement accuracy is degraded, because the scattering parameters are critically dependent on the experimental setup conditions. Moreover, the network analyzer is rarely applied to measure Doppler frequency. Instead a linear frequency modulated continuous wave (FMCW) radar based on a frequency domain analysis can be used. The whole system can be realized by an individual module for easy implementation. The FMCW radar can imitate the scattering parameter (S21) of the network analyzer when the modulation time is sufficiently long. Thus, the power delay profile can be measured from the received signals, and the Rician K-Factor can be estimated. The FMCW radar system is based on PLLs and DDSs, and this combination is suitable for precise wideband linear frequency modulation. The FMCW radar has been tested in conjunction with the channel sounding technique in a reverberation chamber, and experiments have been performed in Rayleigh and Rician channel conditions. The envelope distributions of both conditions correspond to the experimental results, and the Rician K-factor has been estimated.
The linear chirp modulation technique is used in many radar systems to detect targets. The FMCW radar is suitable for short range target detection systems due to the inevitable problem of leakage. On the contrary, the pulse radar can handle a high power signal and is more suitable for long range operation. In order to operate a radar system efficiently for short and long range target detection, a multimode radar system based on the FPGA has been fabricated in this study. A narrow bandwidth dual-mode radar system can be flexibly used in detecting targets in different ways due to the nature of each radar system’s properties. In FMCW radar mode, undesired amplitude modulation is compensated by modifying the input signal amplitude in the FPGA. In PD radar mode, accurate timing control is achieved by the FPGA. The operation of 4 μs pulse width in the PD radar mode has been tested and compared with the satellite view for distance measurement.
본 논문은 다이버시티(Diversity) 기법을 위한 MIMO 안테나 설계와 선형 주파수 변조 연속 파 (FMCW) 레이더를 이용한 채널 사운딩 (Channel Sounding) 기법, 그리고 FMCW 레이더와 Chirp 신호를 사용한Pulse-Doppler레이더와 혼용하여 사용할 수 있는 근거리 감시용 다기능 레이더 시스템에 관한 제작 및 실험 결과를 다루고 있다.
첫째로, 다이버시티 기법이란 다중 경로 환경 (Multipath Environment)에서 통신 장애를 야기하는 페이딩 (Fading) 현상을 효과적으로 억제하기 위한 기법으로서, 안테나를 이용한 다이버시티 기법 종류에는 공간(Space), 패턴(Pattern), 편파(Polarization)가 있다. 특히 MIMO 안테나 시스템은 2개 이상의 안테나를 사용하며, 다이폴 안테나 또는 루프 안테나를 혼합하여 다이버시티 기법을 구연할 수 있다. 그러나 루프 안테나와 혼용 사용시에는 안테나의 크기와 정합 문제로 고주파에서 구현하는데 기술적 문제가 있으며, 편파 다이버시티 기법만 가능하다는 단점이 있다. 또한 다수의 다이폴 안테나를 사용하여 직교하는 방사 패턴을 발생하는 방법은 급전 구조의 복잡도가 증가하여 안테나간 correlation이 증가할 수 있는 단점이 있다. 이에 다양한 다이버시티 기법을 동시에 사용할 수 있고, 격리도(Isolation)를 향상시켜, 안테나간의 correlation을 줄일 수 있는 방법으로 원형 편파 안테나를 사용하는 방법과 동작 원리에 대하여 기술한다. 기본적인 다이폴 안테나에 수평 편파 발생을 위한 스파이랄 (Spiral) 안테나를 결합한 구조는 좌수원형편파(LHCP), 우수원형편파(RHCP)를 발생시킬 수 있으며, 또한 상호 직교하는 특성으로 격리도를 향상시키는 장점이 있다. 각각의 원형 편파는 서로 독립적이기 때문에 편파 신호를 선택적으로 송수신 할 수 있어 편파 또는 공간 다이버시티가 가능하고, 위상 차이가 0 도, 또는 180 도인 경우에 대해서는 수평, 수직 편파를 상호 교환하는 패턴 다이버시티를 구현할 수 있는 장점이 있다.
두 번째로, 소규모 페이딩(Small-Scale) 조건에서 FMCW 레이더를 이용한 채널 사운딩 (Channel Sounding)기법에 관한 연구하였다. 채널 사운딩 기법에는 다양한 방법이 있는데, PN (Pseudo-noise) 수열을 이용한 레이더와 회로망 분석기(Network Analyzer)를 이용한 방법이 일반적으로 연구되고 있다. PN 레이더를 이용한 방법은 시간영역에서 펄스 파를 사용하므로, 주파수 영역에서는 Sinc함수 형태로, 다른 주파수 영역까지 영향을 미치는 특징이 있다. 반면, 회로망 분석기는 주파수 영역에서 해석하여, 대역폭 제한 (Bandwidth Skirt) 특성이 우수한 점이 있다. 그러나 회로망 분서기는 사용 주파수가 증가할수록 실험 환경에 민감해지는 특성이 있고, 움직임이 있을 경우 도플러 주파수를 측정하는데 한계가 있다. 이에, 이러한 점들을 보완하고자 FMCW 레이더를 이용한 채널 사운딩 기법을 제안한다. FMCW 레이더는 독립된 모듈에 의해 제작되어, 회로망 분석기 보다 운용이 용이하며, 또한 주파수 변조를 느리게 할 경우에 회로망 분석기의 산란계수 (Scattering Parameter; S21)를 모방할 수 있는 장점을 나타낸다. 즉, FMCW 레이더를 사용하여 수신된 신호는 주파수 영역의 신호와 시간 영역의 신호를 동시에 표현하는 특징을 보이게 된다. 주파수 영역의 신호로 간주할 때는 Rician K-factor를 S21을 사용하여 계산하듯이 IF 신호를 이용하여 계산이 가능해지며, 시간 영역의 신호로 간주할 때는 푸리에 변환(Fourier Transform)통하여 수신 신호의 지연 시간을 관찰할 수 있다. FMCW 레이더는 PLL과 DDS를 혼용하여 제작하였고, 채널 사운딩을 위한 실험은 잔향 챔버 (Reverberation Chamber) 안에서 Rayleigh 조건과 Rician 조건을 구성하여 수행하였다. 측정된 포락선 분포 (Envelope Distribution) 는 각각 Rayleigh분포와 Rician 분포와 거의 일치하였고, Rician 조건에서 K-factor를 측정하였다.
세 번째로, 감시용이면서 휴대형으로 응용 가능한 레이더에 관하여 제작 및 실험을 하였다. 선형 주파수 변조를 이용한 레이더 기법에는, 송수신 주파수 신호의 차이를 이용하여 물체의 위치와 속도를 탐지하는FMCW 레이더와, Chirp 신호를 이용한 펄스 파 신호의 지연 시간을 측정하여 물체의 위치와 속도를 판별하는 Pulse-Doppler 레이더로 구분된다. 다양한 적용이 가능하지만, FMCW 레이더는 주로 근거리의 물체 탐지에 적합하며, Pulse-Doppler 레이더는 원거리의 물체 탐지에 적합한 구조이다. 이러한 특징을 이용하여, 다기능으로 동작할 수 있는 레이더 시스템을 FPGA를 사용하여 구현하였다. FPGA는 타이밍 제어에 효과적으로 사용되며, 계산치를 입력하여 원하는 파형을 발생시킬 수 있는 장점이 있다. 실험을 위한 송수신 베이스 밴드, DDS, 배열 안테나, 그리고 주파수 혼합기(Mixer)를 제작하여 FMCW 레이더의 거리 측정을 하였고, 대역폭 1 MHz, 펄스 폭4 μs의 신호를 이용하여 KAIST-ICC 건물 옥상에서 송수신되는 Chirp 신호를 측정하여, Pulse-Doppler 레이더 동작을 확인하고, 위성 사진을 통하여 거리 측정을 하였다.
