Due to rapidly growing of radar sensor market such as object range detection sensors, collision-avoid sensors, speed-detection sensors, traffic-control sensors, health-care sensors, and human motion detection sensors, microwave and millimeter-wave radars have paid much attention. For these applications, high per-formance, small size, and low cost are crucial for the radars. Especially, in automotive safety applications, radar sensor is the key component to improve the convenience and the safety of the automobile. Compared with other range sensor such as ultrasonic and vision sensor, the radar sensor has the benefit in terms of ro-bustness against the unexpected circumstances such as fog, rain, and light. However, the cost inefficiency is the bottleneck of the radar sensor in automotive sensors. Furthermore, at least 6 to 10 short range and medium range radars are required to provide the $360^\circ$ safety with 0.1meter and 1meter resolution respectively. These features restrict the penetration of radar sensors in the automobile. Thus, development of cost effective radar sensor are urgent.
In K-band, frequency allocation for UWB radar is at least more than several GHz with extremely low output power constraint. The range resolution is directly determined by the bandwidth, thus the K-band UWB operation has the advantage in terms of range resolution at the short range. On the other hand, the bandwidth of FMCW radar allocated in K-band is excessively narrow. However, in terms of the transmit power and nar-row band nature, its maximum detectable range is 2~3 times longer than that of the UWB radar.
Thus, this thesis proposes K-band dual-mode radar including FMCW and UWB mode and the main contribution is to implement the K-band Radar transmitter suitable for dual-mode radar and to propose the key sub-circuits appropriate for dual-mode radar. The proposed radar concept has the benefits of both mode of radar, which suggests the possibility of short range detection capability with high range resolution and of medium range detection capability with moderate range resolution. Also, to improve the performance of both operation modes, the pulse compression technique using binary phase modulation schemes in the UWB mode and the closed loop linearization technique using Phase-locked loop in the FMCW mode is implemented.
The proposed dual mode radar transmitter is composed of RF front-end integrated in a single chip and external PLL using commercial product. The RF front-end is composed of the 24/26GHz dual band VCO using high Q asymmetric transformer, wideband frequency divider chain including dual band differential injection locking frequency divider, pulse former and wideband output balun stage. For 0.1meter range resolution, we propose and demonstrate the pulse former adopting the current steering for fast switching capability. The proposed pulse former operates as a switch to generate a pulse modulated carrier signal and a bi-phase modulator for pulse compression. The TX leakage is cancelled by pulse former’s own nature, ideally perfect leakage cancellation. The pulse former also operates as a differential gain amplifier for FMCW mode.
The dual-mode radar transmitter is fully integrated on a single chip using TSMC 0.13- $\mu m$ 1-poly 8-metal CMOS process, which provides a 3.35 um-thick Cu top metal layer. The maximum bandwidth of the output spectrum is more than 4 GHz in pulse compression mode, thus the expected range resolution is more than 0.075 meter. The operation frequency of the dual mode transmitter tunes from 23.885 GHz to 24.724 GHz for low band and 25.758 GHz to 26.801 GHz for high band which covers 24/26 GHz UWB band and 24 GHz FMCW band. The FMCW mode signal using external PLL is modulated linearly using Triangular wave-form and the absolute error is below 1.5MHz. The -5dBm output peak power is measured in the condition of wire bonding with 108mW power consumption. Finally, the leakage power as low as -59dBm is achieved.
The proposed dual-mode radar concept is demonstrated using dual-mode receiver which is integrated in a single chip with the transmitter. For FMCW mode, 42meter of maximum detection range and 0.6meter of range resolution are measured. In UWB mode, the demonstration is performed using a delay line based meas-urement. The DC power consumption of the dual-mode radar transceiver is 262mW.
차량용 레이더로 사용 가능한 K 밴드 주파수 대역은 Average EIRP -41.3dBm/MHz의 낮은 송신전력으로 4GHz 이상의 넓은 대역을 사용하는 UWB 레이더 대역과 250 MHz로 좁게 할당되었지만 송신전력이 Peak EIRP 20dBm 으로 큰 FMCW 대역(ISM 대역)으로 구분된다. 근접한 물체를 구분하는 물체 분해능(Range resolution)은 송신신호의 대역폭에 의해 결정되며, 0.1 m 이하의 물체 분해능을 요구하는 근거리 (Short range) 차량용 센서로 UWB 레이더가 적합하다. 하지만, 낮은 송신전력과 넓은 대역폭에 의해 발생하는 수신감도 (Receiver sensitivity) 저하로 인해 50~60 m의 최대탐지거리를 요구하는 중거리 (Medium range) 레이더로는 적합하지 않다. 반면, 송신전력이 크고 대역폭이 좁아 수신감도가 우수한 FMCW 레이더는 중거리 레이더로 주로 사용되지만 근거리 레이더로는 적합하지 않다.
본 논문에서는 UWB와 FMCW 모드를 혼합하여 근거리와 중거리 응용분야에 동시에 적용 가능한 이중모드(Dual-mode radar) 레이더와 그에 적합한 송신단 회로를 제안하고 동작여부를 검증하였다. 이중모드 레이더는 고도의 물체 분해능을 요구하는 근거리 영역과 긴 탐지거리를 요구하는 중거리 영역의 레이더로 동작이 가능하다. 차량용 거리 센서의 경우, 최대 10개의 근거리 및 중거리 센서가 필요하며, 물체 분해능은 0.1m와 1m, 최대탐지거리는 30m와 60m로 다른 요구조건을 가지고 있다. 이중모드 레이더는 근거리와 중거리 레이더에서 요구하는 개별조건들을 하나의 플랫폼을 통해서 만족시킬 수 있다.
UWB 레이더 송신단에 있어서 수신단의 감도를 향상시켜 탐지거리를 증가시키려면 주어진 송신전력 및 주파수대역에 관한 규약을 최대한 효율적으로 만족시켜야 한다. 이를 위해 본 논문에서는 carrier 기반 UWB 송신단의 고려 사항들을 분석하여 최대출력전력, 펄스 변조기의 누설신호크기 등의 송신단 회로 규격 및 측정거리와 분해능을 만족시키기 위한 시스템 규격을 제시하였다. 또한 물체 분해능을 유지하면서 수신감도를 향상시키는 위상변조를 이용한 Pulse compression 기법을 도입하였다. Pulse compression을 위해 추가의 회로를 이용하지 않고, 펄스 변조와 위상변조 기능이 가능한 펄스 변조기를 최초로 제안하였다. 제안된 펄스 변조기는 변조기능 외에carrier 기반 UWB 송신단의 누설신호를 원천적으로 제거하는 누설신호 제거 기능과 FMCW 모드로 동작할 때, 전압 이득을 갖는 증폭기로 동작이 가능한 다기능 펄스 변조기로서 이중모드 레이더 동작에 최적화된 구조이다.
제안된 규격을 만족시키는 이중모드 레이더 송신단은 이중대역 전압 제어 발진기 (Voltage-controlled oscillator), 광대역 주파수 분주기(Frequency divider), 광대역 출력단, 다기능 펄스 변조기(Pulse Former), 디지털 펄스 제어기(Pulse Generator)로 구성되며, 본 논문에서는 수신단과 하나의 칩으로 집적되었다. 이중모드 레이더 전단은 TSMC 0.13-mm CMOS 공정을 이용하여 제작되었으며, FMCW 레이더를 위한 선형 주파수 변조기는 상용 PLL을 이용해 모듈로 구현되었다. 제작된 레이더 송신단은 24GHz 와 26GHz에서 최대 4GHz이상의 펄스 변조된 신호를 발생시켜, 7.5cm의 물체 분해능을 가짐을 예상할 수 있다. 또한, 24~24.25GHz 대역의 선형 주파수 변조된 FMCW 신호는 변조신호와 변조대역폭의 가변 가능한 삼각파, 톱니파 형태를 가지며 오차범위는 1.5MHz 내로 측정이 되었다. 제작된 레이더는 거리측정과 RF cable을 이용한 시간지연측정으로 그 동작을 검증하였다. FMCW 레이더의 경우, 42m의 최대측정거리와 60cm의 물체 분해능을 나타내었다. UWB 레이더의 경우, 케이블과 감쇄기를 이용한 delay-line 기반의 측정으로 동작을 검증하였다. 이러한 결과들은, 제안된 레이더가 이중모드 동작에 매우 적합하며, 근거리와 중거리 응용분야의 요구조건들을 동시에 만족함을 입증한다.
