A K-band CMOS UWB radar front-end with coherent pulsed oscillator is proposed. At first, UWB transmitter with a bi-phase modulating pulsed oscillator is present. A variable delay circuits for calculating the distance to the target combines a synchronized 9-bit counter and Vernier delay line. The proposed bi-phase modulation technique in baseband control signal generator, which uses asymmetric control of an LC oscillator, has low complexity and a high level of efficiency. And a pulsed oscillator scheme is used because of its suitability for low power consumption and avoidance of LO leakage. The proposed output buffer structure operates as a set of TX/LO switches. The generated signal consequently has a minimum pulse width of about 280 ps which corresponds to the range resolution of 4.2 cm, and a peak power level of about 2 dBm. And the operation of bi-phase modulation and pulse position modulation is confirmed by the spread of spectral lines.
Additionally, a K-band UWB radar transceiver including the proposed radar transmitter is demonstrated. A merged LNA and mixer scheme is adopted for receiving the reflected signal. The measurement results show that the maximum error is only 3.75 mm in the range of 0.15 m ~ 8.4 m, and the range resolution is less than 10 cm. The total power consumption of the core circuit is 6.89 mA with the supply voltage of 1.5 V, which is the lowest power consumption of reported UWB transceiver chips.
Finally, a K-band UWB timed-array radar system for both range and direction detection is proposed. An RF delay line using a phase shifter is adopted for high angular resolution, and the trigger signal control method is used for resolving gain mismatch problem and for attaining wide angular coverage with small chip area. In addition, bi-directional beam-forming can achieve narrow beam-width, which is advantageous for accurate detection. The proposed timed-array UWB radar system can attain the angular resolution of 9° in the range of -45° to +45° with maximum angular error of 4.5°. Its chip size is relatively small (3.9 mm x 1.7 mm) and the pulsed operation of the transmitter blocks consumes only 4 x 6.9 pJ/pulse, which can drastically reduce the total power consumption.
소형 레이더 센서를 이용해 얻어진 목표물까지의 거리 및 방향 정보는 차량용 레이더, 로봇, 의료, 가전 등의 다양한 분야에서 활용될 수 있다. 레이더 센서는 목표물이 추가적인 태그를 가지고 잊지 않아도 정보를 검출해 낼 수 있다는 점이 장점이다. 특별히 K 밴드 UWB 레이더의 경우, 상대적으로 측정 거리는 짧지만, 거리 해상도 성능이 10 cm 이하로 매우 뛰어나며, 시스템의 크기를 크게 줄일 수 있다. 이 논문에서는 위상이 일정한 펄스 발진기를 이용해, 거리 및 방향 정보 검출 정확도가 높으며 전력 소모가 매우 적은 K 밴드 UWB 송수신단을 제안한다.
제 2장에서는 CMOS 공정을 이용한 K 밴드 UWB 레이더 송신단에 대해서 설명한다. 시간 지연 제어 회로는 동기화된 카운터와 Vernier Delay Line(VDL)을 이용해 구현하였다. VDL의 경우, 시간 지연 간격을 수 ps단위로 제어 가능하므로 거리 정확도를 수 mm 단위까지 높일 수 있다. 펄스 발진기의 경우, 펄스가 필요한 순간에만 전력을 소모함으로써 평균 소모 전력을 크게 줄이고, LO 누설 신호를 완벽히 제거할 수 있다. 또한, 펄스 발진기의 비대칭 제어를 통해, 짧은 펄스를 발생시키고, 추가적인 RF 블록 없이도 위상 변조가 가능하며, 발생하는 펄스 신호의 위상을 항상 일정하게 만들어 줄 수 있다. 출력 버퍼의 경우 역시 펄스가 필요한 순간에만 동작하며, 간단한 구조의 스위치를 연결하여 하나의 펄스 발생기가 TX, LO 신호 모두를 생성하도록 구현하였다. 설계된 칩의 측정 결과 최소 펄스폭은 약 270 ps로, 4.1 cm의 거리 해상도에 해당한다. 또한, 시간 지연 제어 회로의 최소 간격은 약 6 ps이며, 위상 변조 및 펄스 위치 변조의 동작을 확인하였다.
이를 이용하여 UWB 수신단과 함께 집적한 K 밴드 UWB 레이더 송수신단을 구성하였다. 측정 결과, 0.15 m ~ 8.4 m 의 범위에서 약 3.7 mm의 오차를 가지고 목표물까지의 거리 측정이 가능했으며, 거리 해상도는 약 10 cm 이내이다. 송수신단 전체의 전력 소모는 약 22.5 mW로 저전력 동작이 가능하다. 펄스 발생기가 항상 동일한 위상의 신호를 생성하므로 단지 1개의 채널만으로도 거리 측정이 가능한 점이 특징이다.
제 3장에서는 K 밴드UWB 시간-배열 레이더 송수신단을 구성하여 거리뿐 아니라 방향 정보 검출도 가능하도록 하였다. 시간-배열 레이더의 경우 높은 각 해상도를 가지면서 동시에 넓은 범위의 검출 범위를 갖도록 하는 것이 목표이다. 따라서, 기본적으로는 트리거 신호 제어 방법을 사용하여 방향 제어 값에 따른 경로 상의 불균형을 제거하고 넓은 각 검출 범위를 갖도록 하였다. 이 때, K 밴드 UWB 신호의 위상 동일성(phase coherency)을 위해 2장에서 제안한 펄스 발생기의 비대칭 제어 방법을 사용하였다. 이와 동시에, 높은 각 해상도를 위해 방향 제어 값의 LSB에 위상 천이기(Phase shifter)를 연결하였다. 추가적으로 TX 빔포밍과 LO 빔포밍을 동시에 함으로써 빔폭을 좁게 만들어 정확한 방향 검출이 가능하도록 구성하였다.
레이더 모듈의 측정 결과, -45°~ +45°의 넓은 범위에서 약 4.5°의 오차를 가지고 9°간격으로 정확한 방향 측정이 가능했다. 이를 이용해 다중 타겟 환경에서 각각의 방향에 따라 거리 측정이 가능한 것을 확인하였다.
