A radar measures the distance between the radar and targets. Multiple-radar arrays are used for two-dimensional location applications. The radar array with widely separated antennas finds the crossing of range circles for the target location. The multiple-input multiple-output (MIMO) operation jointly processes the multiple signals from the multiple radar transceivers (TRXs) of the array to acquire improved radar parameters, such as a spatial resolution and diversity and target coverage. Synchronization among the radar TRXs is very important for the MIMO operation. A new MIMO ultra-wideband (UWB) radar is presented with a wireless synchronization method.
Chapter 2 describes the UWB CMOS low-noise mixer. Low noise figure (NF) is required for a enough sensitivity with a minimum integration-number of echo signals. An UWB radar system should have a wide bandwidth to obtain high-range resolution using a pulse signal with a very short pulse width. The excessive power consumption from the multiple radar TRXs demands to decrease the power consumption of the radar TRX. There are trade-offs in the UWB radar receiver. Amplifying the pulse signal at the carrier frequency requires multiple stages of low noise amplifier (LNA) as a necessity. This multi-stage LNA with Q-load is suffered from the trade-offs. The merged LNA and mixer not only has the wide bandwidth but also decreases the power consumption. The noise sources of a mixer topology are reduced by a proposed bleeding path g m -boosting and a common-gate gm-boosting technique. These allow the minimum NF of 3.61 dB while consuming the DC power of 2.6 mW at a 1.5 V supply. The measurement results show a conversion gain of 9.15 dB, a P1dB of -13 dBm, and an RF bandwidth of 20 GHz-26 GHz. The circuit was fabricated in TSMC 0.13um one-poly eight-metal CMOS technology with a chip area of 0.68 × 1.07 mm2.
In Chapter 3, Coherent UWB radar TRX is described. UWB radar TRX has a feature of high accuracy distance estimation for not only standalone radar operation but also MIMO Operation. The TRX consists of a pulsed oscillator, a current-reusing low noise mixer, and a digital delay circuit. Fine-delay-based receiver can get phase information using coherency and fine delay. This phase information can be used as delay information which has high accuracy. Coherent correlation is completed during multiple cycles since the pulse signal is coherently repetitive. This relaxes the performance of the baseband signal processing circuits. A delay searching algorithm is applied by the digital delay circuits to reduce the scan time. The TRX chip size is 1.28 × 1.07 mm2 with a 0.13um CMOS process, and the total power consumption of the core circuit is only 6.89 mA with a supply voltage of 1.5 V Distance measurement results of the TRX show that the maximum mean error is 4 mm for the target in a range of 0.2 m-8.0 m.
The widely-separated UWB MIMO radar array is discussed in Chapter 4. We present a synchronization method and coherent UWB TRXs for a widely separated MIMO radar. Synchronization is essential for MIMO operation, but a spatially spread radar array is not a good structure for it. A wireless cooperative synchronization method finds the asynchronous time difference by analyzing the measured delays of each TRXs after receiving pulse signals from other TRXs. The wireless cooperative synchronization method is based on coherency of pulse signals and highly accurate delay estimation and they are implemented through a coherent pulse generator and a fine delay-based receiver. Synchronization measurements of two radar TRXs show that the maximum mean error of the asynchronous time-difference is 11 ps for the target in a range of 0.25 m-8.0 m. Diversity gain shows robust detection of fluctuational radar cross sections under MIMO operation using the proposed synchronization method. Two-dimensional images for multiple targets are achieved after ghost problem is solved. The ghost images are removed by using the MIMO operation.
레이더 시스템은 레이더와 목표물 사이의 거리를 측정하는 시스템이다. 다중 입출력 (MIMO) 레이더 배열 시스템은 2차원 위치 탐색 시스템에 사용된다. 넓게 배치된 안테나를 가진 레이더 배열 시스템은 거리 정보로부터 얻은 원의 교점을 통하여 목표물의 위치를 찾아 낼 수 있다. 다중 입출력 동작을 통하여 향상된 공간 분해능과 diversity, 그리고 탐지 범위를 얻을 수 있는데, 이는 다중 레이더 송수신기로부터 얻은 신호를 합동으로 처리하기 때문이다. 레이더 송수신기 사이의 동기화는 이러한 다중 입출력 동작을 위하여 매우 중요한 부분이다. 이 논문에서는 무선 동기화 방법과 이에 알맞은 새로운 다중 입출력 초광대역 레이더를 제안한다.
제 2장에서 초광대역 CMOS 저잡음 혼합기에 관해 설명한다. 최소한의 적분 횟수로 충분 한 탐지 민감도를 보장하기 위해서는 낮은 NF를 가지는 수신기가 필요하다. 매우 짧은 펄스 폭을 이용하여 높은 거리 분해능을 얻기 위해서 레이더 시스템은 넓은 대역폭을 가져야 한다. 다중 입출력 레이더 송수신기는 송수신단의 수가 늘어날 수록 그 이득이 커지기 때문에 과도한 전력 소모를 줄이기 위하여 송수신단 하나하나의 전력 소모량을 줄이는 것이 필요하다. 초광대역 레이더 수신기에는 서로 대립되는 요소들 사이의 균형 관계가 존재한다. 26 GHz의 높은 주파수에서 펄스 신호를 증폭하기 위해서는 다수의 증폭단을 가지는 저잡음 증폭기를 필요로 한다. 이러한 Q-로드를 가진 다단 저잡음 증폭기는 앞서 말한 균형 관계에 의해서 디자인하기 어렵다. 저잡음 증폭기와 혼합기를 합치는 구조는 넓은 대역폭을 가질 뿐만 아니라 전력 소모량을 줄일 수 있다. 혼합기 구조로부터 야기되는 잡음원은 제안된 bleeding path gm 증가 기술과 common-gate gm 증가 기술을 사용하여 억제한다. 이러한 기술들로 NF는 3.61dB의 값을 가지며 1.5 V 전원에서 2.6 mW의 전력을 소모한다. 측정 결과로부터 변환 이득은 9.15dB를 가지며 P1dB는 -13 dBm, 그리고 대역폭은 20 GHz 에서 26 GHz에 이른다. 회로들은 TSMC 0.13 um one-poly eight-metal 공정을 사용하며 칩 면적은 0.68 × 1.07 mm2 이다.
제 3장에서는 coherent 초광대역 레이더 송수신기에 대하여 설명한다. 초광대역 레이더 송수신기는 개별 레이더 동작뿐만 아니라 다중 입출력 동작 모두에 적용되는 높은 정확도의 거리 예측이 가능하다. 송수신기는 펄스 모드 발진기와 전류 재사용 저잡음 혼합기 그리고 디지털 시간 지연 회로로 이루어져 있다. 촘촘한 시간 지연 기반의 수신기는 coherency와 촘촘한 시간 지연을 사용하여 phase 정보를 얻을 수 있다. 이러한 phase 정보는 높은 정확도를 가지는 시간 지연 정보로 간주할 수 있다. coherent correlation은 펄스 신호가 coherent하게 반복되기 때문에 다수의 주기에 걸쳐서 이루어진다. 이것은 baseband 신호를 처리하는 회로의 성능에 지어진 부담을 덜어줄 수 있다. 디지털 시간 지연 회로는 탐색 시간을 줄이기 위하여 시간 지연 알고리즘을 적용한다. 송수신기의 칩 면적은 1.28 × 1.07 mm 2 이며 0.13 um CMOS 공정을 사용하였다. 전원 전압이 1.5 V일 때, 중심 회로는 6.89 mA 만을 소모하였다. 거리 측정 결과로부터 0.2 m-8.0 m의 구간에서 최대 평균 거리 오차는 4 mm를 얻을 수 있었다.
제 4장에서는 넓게 배치된 초광대역 다중 입출력 레이더 배열 시스템에 대하여 설명한다. 이 장에서는 넓게 배치된 다중 입출력 레이더를 위한 동기화 기술과 coherent 초광대역 송수신기를 제안한다. 송수신기 사이의 동기화는 다중 입출력 동작을 위해서 필수적이나 공간상에 펼쳐져 있는 레이더 배열 구조에는 적용하기가 어렵다. 무선 협동 동기화 방법은 두 개의 레이더 송수신기가 상대방의 펄스 신호를 자신의 기준으로 측정한 뒤에 이들의 관계로부터 비동기된 시간을 예상하는 방식이다. 무선 협동 동기화 방법은 펄스 신호의 coherency와 시간 지연의 높은 정확도가 필수적이다. 이는 제안된 coherent 펄스 생성기와 촘촘한 시간 지연 기반의 수신기를 통하여 구현한다. 두 개의 레이더 사이의 동기화 측정 결과로부터 0.25 m-8.0 m 사이의 목표물 측정 범위에서 비동기된 시간차의 최대 평균 오차는 11 ps를 얻었다. 제안된 동기화 방법을 통하여 다중 입출력 동작을 구현하고 이로부터 변화하는 RCS를 가진 물체에 대해 Diversity gain을 확인할 수 있었다. 다수 물체에 대하여 Ghost problem을 확인하고 다중입출력 동작을 적용하여 Ghost를 제거한 2차원 영상을 얻었다.
