工學碩士學位論文 레벨測定을위한周波數變調連續波레이더開發에관한硏究 A Study on thedevelopmentof Frequency Modulated ContinuousW averadarforlevelgauge 指導敎授 朴東國 2004 年 2 月 韓國海洋大學校 大學院 電子通信工學科 朴仁龍
工學碩士學位論文 레벨測定을위한周波數變調連續波레이더開發에 관한硏究 指導敎授 朴東國 2004 年 2 月 韓國海洋大學校 大學院 電子通信工學科 朴仁龍
本論文을朴仁龍의工學碩士學位論文으로認准함 主審梁圭植 副審金基文 副審朴東國 2004 年 2 月 韓國海洋大學校大學院 電子通信工學科 朴仁龍
목 차 Abstract 제 1 장서론ㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍ 1 1.1 연구의배경ㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍ 1 1.2 연구의내용ㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍ 2 제 2장주파수변조연속파레이더ㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍ 4 2.1 레이더기본원리ㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍ 4 2.2 주파수변조연속파레이다의신호 ㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍ 6 2.3FMCW 를이용한거리측정원리ㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍ 9 2.4 단일안테나 FMCW 레이더 ㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍ 13 제 3장 FMCW 레이더의설계 ㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍ 17 3.1 송신단설계 ㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍ 17 3.2 수신단설계 ㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍ 29 3.3 신호처리부 ㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍ 31 제 4 장실험결과및검토ㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍ 35 제 5 장결론ㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍ 43 참고문헌ㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍ 44
표목차 < 표 3-1> VTO-8951 의특성파라미터ㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍ 18 < 표 3-2> CU9214B3L-105C 의전기적특성ㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍ 26 < 표 3-3> HMC412MS8G 의특성파라미터ㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍ 30 그림목차 < 그림 2-1> 기본적인 monostatic,bistatic 레이다시스템 ㆍㆍㆍㆍ 4 < 그림 2-2> FMCW 레이다의간략화된블록다이어그램 ㆍㆍㆍㆍ 7 < 그림 2-3> FMCW 레이다의송수신신호및차주파수ㆍㆍㆍㆍㆍ 8 < 그림 2-4> MonostaticFMCW radar ㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍ 14 < 그림 2-5> 안테나로부터의반사신호측정결과 ㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍ 15 < 그림 2-6> 벡터변조기를사용한 FMCW 레이다ㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍ 16 < 그림 3-1> VTO-8951 의 Functional 블록다이어그램ㆍㆍㆍㆍㆍㆍ 19 < 그림 3-2> 제작된전압제어발진기 ㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍ 19 < 그림 3-3> 튜닝전압에따른주파수와 modulationsensitivity ㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍ 20 < 그림 3-4> 전압제어발진기출력신호의스펙트럼 ㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍ 21 < 그림 3-5> 주기가 40ms 인삼각파 ㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍ 21 < 그림 3-6> 동작주파수의스펙트럼 ㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍ 22 < 그림 3-7> 제작된전력분배기 ㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍ 23
< 그림 3-8> 전력분배기의 S- 파라미터ㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍ 24 < 그림 3-9> 방향성결합기를이용한송신단의송수신분리 및전력분배ㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍ 25 < 그림 3-10> 제작된써큘레이터ㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍ 26 < 그림 3-11> 써큘레이터의 S- 파라미터 ㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍ 28 < 그림 3-12> 제작된혼합기 ㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍ 30 < 그림 3-13> 신호처리부블록도 ㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍ 32 < 그림 3-14> 프로그램흐름도ㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍ 34 < 그림 4-1> 측정환경ㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍ 36 < 그림 4-2> 결합보드형태의 RF 송수신단 ㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍ 36 < 그림 4-3> On-board 형태의 RF 송수신단ㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍ 37 < 그림 4-4> 측정을위한세팅 ㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍ 37 < 그림 4-5> 반사파의거리변화에따른 의변화 ㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍ 39 < 그림 4-6> 비트주파수의측정값과이론값의비교ㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍ 40 < 그림 4-7> 전압제어발진기의비선형성ㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍ 41
Abstract Therearemanymethodstomeasurelevelofliquidintankonship. One of methods is using frequency modulated continuous wave (FMCW)radar. In this paper,a X-band frequency-modulated continuous wave radar,using a single antenna for both transmiting and receiving electromagneticenergy,isdesignedandimplementedforaradarlevel gauge.main componentblocks ofthe radar are voltage controled oscilator, mixer, circulator, power divider, and signal processing circuit.the pyramidalhorn antenna that has about 16dBigain is used. The transmiting frequency sweep from 10GHz to 11GHz with 40ms sweep time. The distance between antenna and target is obtained from a beat frequency of FMCW radar. Beat frequency means a frequency diference between transmiting and receiving signalanddependsonthedistancetotarget. Duetothemismatching ofantennaimpedance,thereflected signal from theantennamay bedominantoverthesmaltargetechosignal, which could be overcomed by using a high pass filterto eliminate thereflectedsignalofthelow frequencyinthedemodulationunit. The minimum detectable signalofthe fabricated radar is about -90dBm.Thereceivedsignalisprocessedbyfastfouriertransform to find the distance to target.a smaltarget which has radar cross section of 0.8m 2 is set at 1m from antenna and moved to 4m gradualy.according to distance of the target the measured beat frequencyischangedfrom 0.7KHzto1.8KHz.
제 1 장서론 1.1 연구의배경 조선산업기술분야에서주된운송역할을담당하는화물선박의계측기술은점점고정밀성, 안정성및무인화를요구하고있으며, 이러한요구조건에가장각광을받고있는기술이설치및유지보수의용이성과정확성이우수한레이더빔형태의계측기기를사용하는기술이다. 그원리는레이더빔센서가초고주파펄스를표적에보내어그반사파를측정하여레벨 (Level) 을계측하는기술이다. 주파수변조연속파 (Frequency Modulated Continuous Wave : FMCW) 방식의레벨게이지를처음으로개발한 SAAB 사에서는 cargotank 에사용되기위한더신뢰성이높고정확한레벨측정시스템의필요성이크게성장할거라는점을지적하고,1975 년처음으로첫제품을제작판매하였다. 같은해에첫오일위기가일어나탱커선을제작하는조선산업이축소됨에도불구하고 1983 년까지설치되는주파수변조연속파방식의레벨게이지수는매년 100% 이상성장하였다. 고가임에도불구하고이런급성장의이유는더정확한레벨게이지에대한소비자의요구와맞물려바다에서 cargo tank 와같은악조건속에서의유일한해결책은레이더이기때문이다 [1]. 그러나이러한기술은상당히어려운기술로서국방기술의핵심이므로, 국가적으로기술보안을철저히하고있어기술이전이거의불가능한실정이다. 특히주파수변조연속파방식의레이더빔기술은국방및항공관련분야에서활발히활용되어왔으며, 미국및유럽등
선진국만이원천기술을이용하여각종분야에적용하여고부가가치시장을선점해가고있다. 반면전세계유류화물선의 65% 를공급하고있는국내실정은레이더빔형태의레벨계측시스템을전량수입에의존하고있다. 무인자동화의추세로레이더빔형태의계측시스템의시장규모가점점더급성장하고있고, 특히국제시장의조선시황도국제해사기구 (InternationalMaritimeOrganization :IMO) 규정의강화로이중선체구조변경등으로향후 10 년간유조선의수요확대가기대되므로개발의시급성이요구되고있다. 따라서레이더빔방식의선박화물의레벨계측기기의기술개발이필요하며, 이것에대한개발이성공하면수출및수입대체로서조선 해양산업의경쟁력강화는물론이고, 이러한원천요소기술을확보함으로인하여국가전반의기술산업전반에걸쳐커다란파급효과가기대된다. 1.2 연구내용 선박에서의레벨계측을위해주파수변조연속파방식을사용하는레이더빔형태의액체화물탱크의레벨센서개발이며, 이러한목표를달성하기위한본논문의연구내용은다음과같다. 첫째, 레이더빔형태의레벨센서의사용주파수인 X 밴드 (8~12 GHz) 에서 최대 50m 거리에위치하는표적으로부터신호를수신하여 거리를판독하기위한송 수신시스템전체의성능결정및각부품별 사양 (system budget) 을설계하는것이다. 이것은연구의방향설정단계 로가장중요한부분에해당한다.
둘째,X 밴드레이더빔레벨센서에서사용되는초고주파용부품들을설계하고제작하는것이다. 현재 X 밴드용의전압제어발진기 (Voltagecontroled Oscilator:VCO), 혼합기, 서큘레이터제작은아주힘든기술로서각부품의개발자체만으로도충분한학술적가치가인정될만큼고도의기술이필요한부분이다. 본논문에서는이러한부품의개발이목적이아니고, 레이더빔방식을이용한계측센서개발이목적이므로일차적으로이러한부품중에서본목적에사용이적합한개발된부품이있는지를먼저조사하여이것을구매하여사용하고자한다. 만약적합한부품이없을때는자체개발을통해개발하고자한다. 셋째, 표적으로부터돌아온신호로부터물체까지의거리를계산하고, 이것을디스플레이하는신호처리부를개발하는것이다. 차주파수와표적까지의거리의상관관계를이용하여거리를계산하기위한프로세서및이값을디스플레이하는부분으로구성이된다. 이러한연구내용을다음과같이본논문에기술하였다.2 장에서레이 더의이론과 FMCW 레이더에관하여설명하였고,3 장에서 FMCW 레 이더의설계및제작에대하여기술하였으며,4 장에서는제작된레이더 로측정한데이터를보이며,5 장에서결론을맺었다.
제 2 장 주파수변조연속파레이더 2.1 레이더의기본원리 레이더란전파의발사로물체에서반사되는반사파를이용하여목표물의존재와그거리를탐지하는무선감지장치이다. 사용하는안테나의개수에따라크게 monostatic 시스템과 bistatic 시스템으로분류할수있고, 각각을 < 그림 2-1> 에나타내었다 [2]. Pt G 목표물 Pr R 수신 / 처리 (a)monostatic 레이더시스템 Pt G 목표물 수신 / 처리 G (b)bistatic 레이더시스템 < 그림 2-1> 기본적인 monostatic 과 bistatic 레이더시스템 <Fig.2-1> Basicmonostaticandbistaticradarsystem
monostatic 시스템에서는 < 그림 2-1>(a) 처럼한개의안테나를갖고송 수신을동시에하며,bistatic 시스템에서는 < 그림 2-1>(b) 처럼송신과수신을각각별개의안테나를사용한다. 대부분의레이더시스템은미사일발사제어등특별한경우를제외하고는 monostatic 형태를사용한다. 본논문에서도 monostatic 시스템방식을사용하였으며, 본절에서 monostatic 시스템방식의거리측정원리에대해살펴보고자한다. < 그림 2-1>(a) 에서이득이 G인안테나를통해서송신단에서전력 를보내면목표물에서의입사파전력밀도 는다음과같이유도할수 있다 [2]. (2.1) 여기서, 은목표물까지의거리이며목표물이안테나의주빔에있다고가정한다. 목표물은입사파를여러방향으로산란시키며산란파를만든다. 이때입사파와산란파의전력비를목표물의 RCS(Radar Cross Section) 이라고하며 로표시하면아래와같이나타낼수있다. (2.2) 여기서, 는목표물에서수신단으로산란된총전력을의미한다. 이처럼 RCS 는목표물의성질및크기에따라다르게되며, 또한입사파와반사파의각도에따라서도큰변화를나타낼것이다. 목표물의크기는유한하기때문에되돌아오는전력은목표물과떨어질
수록 으로서감소될것이다. 이때산란파가수신안테나까지되 돌아온전력밀도는다음과같이될것이다. (2.3) 따라서이득이 G 인수신안테나에수신되는전력은다음과같다. (2.4) 식 (2.4) 에서처럼수신된전력은 으로감소하기때문에수신기는원거리목표물로부터의미약한신호를감지할수있도록수신기는저잡음특성을가져야한다. 즉안테나및수신기에서발생되는잡음으로인해수신기에서판별할수있는최소감지전력 (Minimum DetectableSignal :MDS) 의한계가있다. 최소감지전력이작을수록레이더가측정할수있는거리는늘어나고반대로최소감지전력이커질수록측정할수있는탐지거리는줄어든다. 2.2 주파수변조연속파레이더의신호 < 그림 2-2> 는주파수변조연속파레이더의간략화된블록도를나타 내고있다. 전압제어발진기 (VCO) 에서 < 그림 2-3> 과같이시간에따 라주파수가선형적으로증가및감소하는송신신호 s(t) 를발생시킨다.
써큘레이터 안테나 전압제어발진기 삼각파발생기 혼합기 필터 / 증폭기 아날로그 / 디지털컨버터 고속푸리에변환 < 그림 2-2> FMCW 레이더의블록다이어그램 <Fig.2-2> Blockdiagram offmcw radar 주파수변조된송신신호 s(t) 는안테나를통하여공간상으로나가게되며, 거리 R만큼떨어진위치에서물체를만나반사된신호가레이더의안테나로되돌아오게된다. 이때, 수신된신호 r(t) 는왕복거리 2R 에의한시간지연 뒤에수신된다. 그러므로 < 그림 2-3> 과같이안테나를통해송신되는신호 s(t) 와수신되는신호 r(t) 는주파수차이가나게되어, 이두신호를혼합기에넣어 < 그림 2-3> 과같은차주파수 (f beat) 를뽑아낸다.
주파수 송신신호 s(t) 2R c 대역폭 수신신호 r(t) 주기 (T) 시간 (a) 송신신호및수신신호 차주파수 (b) 차주파수 시간 < 그림 2-3> FMCW 레이더의송수신신호및차주파수 <Fig.2-3> Transmitandreceivesignalandbeatfrequencyof FMCW radar 이렇게구한차주파수는거리에비례하므로이것을측정하면목표물까지의거리 R을구할수있다. 구체적인수식은 2.3 절에서논하겠다. 혼합기에서나오는신호의주파수를측정하는데는여러가지방법이있으나, 본논문에서는이신호를고속푸리에변환 (Fast Fourier Transform :FFT) 을통해서구하였다.
2.3 FMCW 레이더를이용한거리측정원리 이절에서는 2.2 절에서알아본 FMCW 레이더의거리측정방법에 대해살펴보고자한다.< 그림 2-2> 와같은 monostatic 시스템의경우 수신전력 은식 (2.4) 에서다음과같이나타내었다 [3]. (2.5) 여기서 은수신전력, 는송신전력을나타내며,G 는송수신안테 나의이득, λ 는전자파의파장을나타내며, π 는상수로서 3.141592 이고, 은물체까지의거리를나타내며, σ 는물체의 RCS 을나타낸다. 송신신호 를 π α (2.6) 라하자. 여기서 는중심주파수, α 는 FMCW 의시간당주파수 의변화율로서, α (2.7) 을나타낸다. 수신신호 는전파시간지연 을고려하여 다음과같이쓸수있다. σ π τ α τ φ (2.8) 여기서 은왕복거리에따른전자파의감쇄량을나타내는데, 이는식
(2.5) 의레이더방정식에서 σ 를제외한항으로서, 안테나이득, 파장 λ 는상수이므로식 (2.8) 과같이표시할경우왕복거리에따른전자파 의감쇄항 ( ) 은거리 R 만의함수이다. 식 (2.8) 에서 σ 에제곱근이씌워 진것은전력 (power) 과장 (field) 의단위가다르기때문이다. 그리고 φ 는 전자파의물체와의산란 (scatering) 에의한위상변화량을나타낸다. 송신신호 와수신신호 를혼합한신호 를저역통과 필터의입력단자에인가하고, 저역통과필터의출력신호를 라하면, 는아래와같이표현된다. 여기서, σ π ατ φ (2.9) φ φ α τ τ (2.10) 혼합기출력신호 의주파수 는송신신호 와수신신호 의 차주파수 ( ) 가되며 은식 (2.8) 의 에 mixer 의변환손실을포 함한항을나타낸다. 이차주파수는아래의수식으로표현할수있다. 의주파수 는 ατ (2.11) 이므로이차주파수 로부터물체까지의거리 R 을구해보면다음과 같다.
(2.12) 즉, 차주파수를구하면물체까지의거리를식 (2.12) 로부터알수있 다. 이두정보를추출하기위해서는 의주파수스펙트럼을분석해 야한다. 이러한스펙트럼분석은고속푸리에변환알고리즘에의하여 고속으로처리할수있다. 한편, 식 (2.14) 에의해 이결정되면, 식 (2.4) 로부터시스템의 최대측정거리 는식 (2.13) 과같이쓸수있다. λ σ π (2.13) 레이더수신부의등가잡음대역폭 과잡음지수, 잡음에의한오판을줄이기위한검출가능한출력단의최소신호대잡음비 등을파악함으로써, 시스템의측정가능한최소입력신호수준 (Minimum DetectableSignal:MDS) 을다음과같이정의할수있다. (2.14) 여기서 는 Boltzmann 상수이고, 는절대온도 290 K 이다. 은 입력단의열잡음 (thermalnoise) 을나타내며, 은수신기의잡 음지수에의한최종출력단의잡음을나타내고있다.
식 (2.13) 에서보면, 최대측정거리 는파장 과 σ 가일정할 때, 에비례하므로, 송신출력 를높이는것보다, 안테나 를크게하여이득을높이는것이 를높이는데효과적임을알 수있다. 또한 을작게하여도측정거리 가커지는것을알수있다. 최소입력신호 는수신단의신호검출능력을나타낸다. 의결정하는데는다음의세가지요소가고려된다. 각각에대해살펴보면다음과같다. 첫째, 이작으면잡음을신호로오판 (falsealarm) 할가능성이커지게되나 이너무커지면찾으려하는물체 (target) 를놓칠염려가있다. 그러므로 은적정수준을유지해야한다 [17]. 둘째, 수신기잡음지수는증폭기특성과등가잡음대역폭에의해결정된다. 잡음지수를줄이기위해서는혼합기전단에저잡음증폭기 (LNA) 를다는방법과혼합기뒷단에서정합여파기를이용하여등가잡음대역폭을줄이는방법이필요하다. 본논문에서는 FFT 를이용하므로 matched filtering 은하고있으나초단에저잡음증폭기의사용은일단제외되어있다. 셋째, 수신기의입력잡음은다음과같다. 우선 입력단열잡음을계산 하면, 절대온도 T=290 k 라할때등가잡음대역폭 1KHz 에대한열 잡음전력은다음과같다. dbm
따라서만약수신기의 을 14dB 로하고잡음지수를 20dB 로가정하면 은다음과같이된다.Margin 은 20dB 로하였다. MDS = 입력잡음전력 + 잡음지수 + +Margin =-144dBm +20dB +14dB +20dB =-90dBm 여기에서 Margin 이라고불리우는항은 2.4 절에서언급되는안테나반 사신호에의한수신단의입력잡음및감도 (sensitivity) 의저하를고려 하여여유분을둔것이다. 식 (2.13) 에서만약송신전력 가 4.5dBm 이고, 안테나이득이약 16dBi, 주파수가 10.5GHz( = 0.02857m), RCS 가 1m 2,MDS 가 -90dBm 일때최대탐지거리는약 46m 가된다. 2.4 단일안테나 FMCW 레이더 한개의안테나를이용한연속파레이더는그림과같이송신신호의일부가안테나에서반사되어수신단으로들어오게되므로수신단의수신감도가현격하게떨어진다 [3],[5]~[7]. 펄스레이더의경우송신때에는수신단을닫아두므로시간차 (time-gating) 에의하여송신신호가수신단에유입되는것을막을수가있지만연속파레이더의경우송수신이동시에이루어져야하므로, 목표물로부터반사되어돌아온수 pw 의신호를수십 mw 의송신신호와분리해야만한다.
안테나 전압제어발진기 삼각파발생기 R L 차주파수 < 그림 2-4> MonostaticFMCW radar <Fig.2-4> MonostaticFMCW radar 일반적으로안테나로부터반사되어수신단으로들어오는신호는보통송신전력에비해약 -20dB 정도감쇄하여혼합기의 RF 단자에인가된다. < 그림 2-5> 에본논문에서사용한 NardaModel640 혼안테나 (Horn Antenna) 의측정한반사손실을나타내었다.< 그림 2-5> 로부터반사손실이약 17~23dB 정도되는것을확인할수있었다. 이안테나를사용하는경우물체로부터반사되어수신되는신호가송신신호에비하여약 80~100dB 가량감쇄되어돌아오는것을감안하면안테나로부터반사되어돌아오는신호는물체로부터반사되어수신되는신호보다약 60~ 80dB 큰신호이다.
0-5 S11[dB] -10-15 -20-25 10 10.2 10.4 10.6 10.8 11 Frequency[GHz] < 그림 2-5> 안테나로부터의반사신호측정결과 <Fig.2-5> Measurementofreflectionlevelfrom antenna 이와같은안테나의큰반사파신호는 수신단의감도를악화시킬수 있으므로설계시주의를요한다 [7]. 이러한안테나반사파의영향을줄이기위해여러가지방법들이발표되었다 [16]. < 그림 2-6> 에는반사파의일부를샘플링하여위상차가 180 되는신호를만들어주어반사파를제거하는기법이다.FMCW 의경우안테나에서반사되어오는신호는, 안테나를가까운거리에있는 물체라고생각하면 혼합기의출력단에서볼때수신신호에비하여 저주파에해당하므로적절한필터링에의하여분리가능하지만반사된 신호의 AM noise 와 FM noise 에의하여수신단의감도는약화된다.
써큘레이터 안테나 전압제어발진기 Vector modulator R L 혼합기 < 그림 2-6> 벡터변조기를사용한 FMCW 레이더 <Fig.2-6> FMCW radarusingavectormodulator 이와같은송수신분리문제를해결하기위한방법으로는송신용안테나와수신용안테나를분리하여 2개의안테나를사용하는 bistatic 시스템을사용하는것과,< 그림 2-6> 과같이안테나반사파와크기가같고 180 의위상차가나는신호를수신단에더해줌으로써반사파를줄이는방법이있다 [7]. 그러나본논문에서는 < 그림 2-6> 의방법을사용하지않았으며, 고주파통과필터를통해반사파를제거하고자하였다.
제 3 장 FMCW 레이더의설계및제작 3.1 송신단설계 송신단에는전압제어발진기, 안테나, 전력분배기, 써큘레이터등이필요하다. 송신단의설계는우선레이더방정식을이용하여수신전력을계산하는데서부터시작된다. 그리고나서, 수신단의수신가능최소입력신호수준 (MDS) 를결정하며, 최대탐지거리에서수신되는신호가 MDS 를넘도록송신전력과안테나의이득을결정한다. 이에따라본논문에서사용된주파수,sweep 주기, 주파수대역폭은다음과같은조건에의해결정하였다. 주파수는주파수가높아질수록흡수와산란이커지는환경에서의주파수오염도와주파수가낮아질수록빔폭이넓어지는특성때문에빔의각을고려하여최적주파수인 10~11GHz 로선택하였다. sweep 주기는전압제어발진기의 sweep 능력과분해능을고려하여 40ms 로정하였다. 주파수대역폭은식 (2.12) 에서보는것처럼차주파수와주기가일정하다고보았을때주파수대역폭이넓을수록작은거리까지측정가능하므로이러한분해능과전압제어발진기의주파수특성을고려하여 1GHz 로결정하였다. 3.1.1 전압제어발진기 (VCO) 송신단설계에있어서가장중요한변수는송신전력이다. 송신전력 이클수록탐지거리가늘어나지만,FMCW 레이더의경우송신전력이
크면안테나에서의반사에의하여수신단이파괴될수있기때문에적절한송신전력에대한고려가필요하다. 본논문에서는 AgilentTechnology 사의 VTO-8951 를사용하였다. 이것은 < 표 3-1> 에서보듯이동작주파수범위가 7.5GHz~11GHz 이며, 출력전력이 10dBm 이다. 다음으로는동작주파수로서본논문에서는분해능및측정거리를고려하여 10GHz~11GHz 범위에서동작하도록설계하였다. < 그림 3-2> 에제작한전압제어발진기의모양을나타내었다. 제작시바이어스단에는전원으로부터의잡음을줄이기위해바이패스 (bypass) 커패시터를달아주었다. 출력신호의일부는안테나를통해송신되고나머지일부는혼합기의 LO 단자에인가가된다. 본논문에서는이러한출력신호의분배는 3dB 전력분배기를사용하였다. < 표 3-1> VTO-8951 의특성파라미터 <Table3-1> CharacteristicparametersofVTO-8951 특성 단위 범위 동작주파수 GHz 9.5to11 출력파워 (50ΩLoad) dbm 10 변조감도 MHz/V 150to250 튜닝전압 V 0to10 인가전압 V 5.2 동작온도 C -10to+100
AMP Output < 그림 3-1> VTO-8951 의 Functional 블록다이어그램 <Fig.3-1> Functionalblockdiagram ofvto-8951 (a) 전면부 (b) 후면부 < 그림 3-2> 제작된전압제어발진기 <Fig.3-2> Fabricatedvoltagecontroledoscilator
11.5 Frequency[GHz] 11 10.5 10 9.5 측정값이론값 9 0.2 2.2 4.2 6.2 8.2 10.2 Tuning Voltage[Vdc] < 그림 3-3> 튜닝전압에따른주파수와 modulationsensitivity <Fig.3-3> Frequencyandmodulationsensitivityvstuningvoltage < 그림 3-3> 은전압조정발진기에 +5V 의바이어스를인가한다음튜닝전압을 0.2V 에서 11.2V 까지변화하였을때그에따른주파수의변화를나타낸것이다. 여기서이론치는전압변화에따른주파수의변화가선형적인것을나타낸것으로이상적인값이다. 실제측정치는선형적이지않으며그림에서보는것처럼약간의왜곡이있음을알수있다. < 그림 3-3> 에의하면본논문에서제작하고자하는 FMCW 레이더의동작주파수범위가 10~11GHz 이므로이출력신호를얻기위해서는튜닝전압을 4.2~9V 로인가해주어야하는것을알수있다. < 그림 3-4> 에각각 10GHz 와 11GHz 의주파수에서전압제어발진기의출력을스펙트럼분석기로측정하여나타내었다. < 그림 3-5> 는 Sweep/Function Generator(FG-7002C) 를사용하여주기 (T) 가 40ms 인
삼각파를만들어오실로스코프로측정한결과이다. (a)10ghz (b)11ghz < 그림 3-4> 전압제어발진기출력신호의스펙트럼 <Fig.3-4> Spectrum ofoutputsignalofvco < 그림 3-5> 주기가 40ms 인삼각파 <Fig.3-5> Trianglewaveofsweeptime40ms
< 그림 3-6> 동작주파수의스펙트럼 <Fig.3-6> Spectrum ofoperating frequency < 그림 3-6> 은 Sweep/Function Generator(FG-7002C) 를사용하여주기 (T) 가 40ms 인삼각파를전압제어발진기의입력단에 sweep 하였을때전압제어발진기의출력스펙트럼을나타내고있다.10-11GHz 대역에서고른출력레벨을나타내고있음을알수있다. 그러나 < 표 3-1> 에서보인특성과는달리실제측정한출력전력은 10dBm 이상이고사용주파수대역에서단일한출력이아니고약간의차이가있음을알수있다.
3.1.2 전력분배기 (Divider) 전압제어발진기에서출력된송신신호의일부를혼합기의 Local 단과송신안테나로나누어보내기위하여 3dB 전력분배기를이용하였다. 제작한분배기는 Wilkinson 전력분배기로서 < 그림 3-7> 에제작한분배기의모양을나타내었다. < 그림 3-7> 제작된전력분배기 <Fig.3-7> Fabricatedpowerdivider 분배기의설계시목표는 3dB 이었으나, 실제제작된분배기의 S- 파라 미터는 < 그림 3-8> 에서보는것처럼 10~11GHz 주파수대역에서 -4.5dB 정도였고, 단자 2 와 3 의격리도는약 30dB 이상이었다.
0 0-1 -1 S31[dB] -2-3 S21[dB] -2-3 -4-4 -5 10 10.1 10.2 10.3 10.4 10.5 10.6 10.7 10.8 10.9 11 Frequency[GHz] -5 10 10.1 10.2 10.3 10.4 10.5 10.6 10.7 10.8 10.9 11 Frequency[GHz] (a)s 31 (b)s 21 0-9 S23[dB] -18-27 -36-45 10 10.1 10.2 10.3 10.4 10.5 10.6 10.7 10.8 10.9 11 Frequency[GHz] (c)s 23 (isolation) < 그림 3-8> 전력분배기의 S- 파라미터 <Fig.3-8> S-parameterofpowerdivider 3.1.3 써큘레이터 (Circulator) bistatic 시스템의경우는송신과수신안테나가분리되어있지만본 논문과같은 monostatic 시스템에서는송 수신을하나의안테나를사용
하므로송 수신부분리가필요하다. 이것을하기위한방법으로는방향 성결합기를사용하거나써큘레이터를사용하는방법이있다. ANT 3 4 1 2 VCO MIXER < 그림 3-9> 방향성결합기를이용한송신단의송수신분리및전력분배 <Fig.3-9> Divisionoftransmissionandreceptionandpowerdivider by directionalcoupler < 그림 3-9> 와같이방향성결합기를이용하면전력분배와송수신분리를동시에할수도있다. 1번단자로들어간송신신호는 3번과 4번단자로 3dB 씩떨어져서나오게되며,3 번단자로들어오는레이더신호는 1번과 2번단자로반씩나누어져나오게된다. 그러므로 2번단자를이용하여, 혼합기의 RF 단의입력단으로사용할수있다. 이렇게구성을하면다음절에서설명할써큘레이터가필요없게되어회로구성이간단해지는장점이있다. 그러나실제로레이더에사용될경우 1번단자로송신전력이들어갈때,2 번단자의 isolation 이완전하지않기때문에송신신호의일부가수
신단으로유입된다. 이는안테나의반사파에비해작은양이므로시스템의특성에는큰영향을끼치지는않는다. 그러나수신전력의 3dB 손실이생기므로작은신호검출에는반드시써큘레이터를사용하여야한다. 본논문에서는송신신호와수신신호를분리하는데써큘레이터를사용하였다.< 표 3-2> 에사용한써큘레이터의사양을나타내었다. 써큘레이터는 TDK 사의 CU9214B3L-105C 를사용하였다. < 그림 3-10> 제작된써큘레이터 <Fig.3-10> Fabricatedcirculator < 표 3-2> CU9214B3L-105C 의전기적특성 <Table3-2> TypicalelectricalcharacteristicofCU9214B3L-105C 주파수범위 (GHz) 10to11.1 격리도 (db)min 20 삽입손실 (db)max 0.5 전압정재파비 maxz 0=50 1.2
0 0-0.3-0.3 S21[dB] -0.6-0.9 S32[dB] -0.6-0.9-1.2-1.2-1.5 10 10.1 10.2 10.3 10.4 10.5 10.6 10.7 10.8 10.9 11 Frequency[GHz] -1.5 10 10.1 10.2 10.3 10.4 10.5 10.6 10.7 10.8 10.9 11 Frequency[GHz] (a)s 21 (b)s 32 0 0-0.3-5 S13[dB] -0.6-0.9 S31-10 -15-1.2-20 -1.5 10 10.1 10.2 10.3 10.4 10.5 10.6 10.7 10.8 10.9 11 Frequency[GHz] -25 10 10.1 10.2 10.3 10.4 10.5 10.6 10.7 10.8 10.9 11 Frequency[GHz] (c)s 13 (d)s 31
0 0-5 -6 S23-10 -15 S12[dB] -12-18 -20-24 -25 10 10.1 10.2 10.3 10.4 10.5 10.6 10.7 10.8 10.9 11 Frequency[GHz] -30 10 10.1 10.2 10.3 10.4 10.5 10.6 10.7 10.8 10.9 11 Frequency[GHz] (e)s 23 (f)s 12 < 그림 3-11> 써큘레이터의 S- 파라미터 <Fig.3-11> S-parameterofcirculator 써큘레이터제작시가장염두해두어야할부분은 RF 신호와 LO 신호의격리도이다. 격리도가좋지않으면미약한 RF 신호가강한 LO 신호에묻혀버리거나, 두성분이합쳐져서다른하모닉성분을일으켜혼합기단에서정확한 IF 신호를얻을수없게된다. < 그림 3-11> 에서 (a) 가 RF 신호와 LO 신호의격리도를나타내고있다.CU9214B3L-105C 의특성파라미터에는격리도가최소 20dB 로나와있지만, 실제제작된써큘레이터는 10.7GHz 이상에서 20dB 보다작게측정되었다. 실제제작된써큘레이더의삽입손실은 < 그림 3-11> 에서보는바와같이 0.5dB 보다큰것을알수있다. 이는제작시각포트의폭과유전체기판의선로폭이같지않음으로해서발생된것이다.
3.2 수신단설계 수신단의설계에있어서가장중요한요소는수신단의잡음을줄여수신가능최소신호량을작게하는것이다. 일반적인레이더의경우, 수신초단에저잡음증폭기 (LNA) 를사용하여전체수신단의잡음지수 (Noise figure) 를줄여준다. 그러나주파수변조연속파레이더의경우입력단으로들어오는안테나반사신호가매우크기때문에 LNA 가포화되어수신신호를분리하기어렵다. 그러므로수신된신호는바로혼합기의 RF 단으로들어가게된다. 이때혼합기의변환손실에의하여수신단의잡음지수는 8dB 이상증가하게된다. 3.2.1 혼합기 (Mixer) 혼합기는비선형소자로서 RF 단자나 LO 단자로입사된두신호의하모닉성분들을 IF 단자로내보내는소자이다. 일반적으로 IF 단자에나타나는하모닉성분중에서 RF 단자와 LO 단자에입사된두신호의차주파수성분을대역필터를사용하여걸러낸다. 이신호를 IF 신호라부르며, 이것을신호처리과정을거쳐정보를축출하게된다. 본논문에서도 < 그림 3-12> 에서보듯이 LO 단자로전압제어발진기에서송신되는신호성분이인가되고,RF 단자로물체에서반사된시간지연된신호가입사된다. 따라서 IF 단자에는송신신호와수신신호의차주파수성분이나타나게되는데이주파수는식 (2.11) 에서보듯이물체와의거리에비례하며대략 0.33~10KHz 범위의값을갖는다. 따라서수신단에사용될혼합기는다음과같은조건을만족하도록선택한다. 첫째저잡음특성을가져야한다. 물체를맞고반사되어돌아오는신호는
매우미약하기때문에혼합기의잡음이크면잡음속에신호가묻혀버릴수있기때문이다. 둘째본논문에서제작하는 FMCW 레이더의동작주파수는 10~11GHz 이고, 차주파수범위는 0.33~10KHz 이므로, X-band 입력 (Local,RF) 과저주파 (DC~ 수 MHz) 출력특성을가져야한다. 셋째넓은동작영역을가져야한다. 이러한조건을만족시키며본논문에사용된혼합기는 Hitite 사의 HMC412MS8G 이고 < 표 3-3> 에사용한혼합기의특성을나타내었다. < 그림 3-12> 제작된혼합기 <Fig.3-12> Fabricatedmixer 제작된혼합기의 LO 단자에입력되는신호의크기는약 8dB 정도되므 로 < 표 3-3> 에나타낸 LO 전력보다작게인가되므로변환손실이 8dB 이상일것으로예측된다.
< 표 3-3> HMC412MS8G 의특성파라미터 <Table.3-3>CharacteristicparameterofHMC412MS8G 특성 IF=1.45GHz LO=+13dBm Units 최소 보통 최대 주파수범위,RF&LO 9.0-15.0 GHz 주파수범위,IF DC - 2.5 GHz 변환손실 8 11 db 잡음지수 (SSB) 8 11 db LO torf 격리도 30 40-50 db LO toif 격리도 33 40-50 db RF toif 격리도 8 17 db IP3(Input) 14 17 dbm 1dB Compression(Input) 7 9.5 dbm 3.3 신호처리부 레이더에서물체를맞고반사되어수신단에입력된신호는필터링과증폭을한뒤물체까지의거리정보를가지고있는차주파수를알아내기위해디지털화하여 FFT 과정을거치게된다. 본논문에서는능동형필터를이용해서증폭과필터링을하였으며,AVR 을통해아날로그디지털변환을하고이렇게처리된신호를컴퓨터상에서 FFT 처리하여차주파수를나타내었다. 이러한일련의과정을나타내는시스템구성도를 < 그림 3-13> 에나타내었다.
AMP & Filter AVR 마이컴 < 그림 3-13> 신호처리부블록도 <Fig.3-13> Blockdiagram ofsignalprocessing 3.3.1 증폭단 증폭단은혼합기의 IF 단자에서출력되는여러주파수성분중에서 RF 와 LO 단자의주파수차신호에해당하는주파수를필터를사용하여선별하여증폭하는부분에해당한다. 증폭단설계에있어서는다음의두가지사항을고려해야한다. 첫째안테나에서반사되어돌아오는큰저주파신호를제거해야한다. 둘째수신단의잡음을줄이기위하여주파수대역폭을줄인다. 이를위해서증폭기초단에는반드시고주파통과필터 (High Pass Filter) 를달아서수신신호보다약 80dB 가량큰안테나반사신호를제거해야한다. 잡음전력은대역폭에비례하므로잡음대역폭을줄이기위하여증폭기의수신대역폭을줄여야만한다. 본논문에서는 Salen- key 타입의능동필터를써서신호의증폭과필터링을하였다 [20]. 수신대역폭은 1KHz 로설계되었다.
3.3.2AVR AVR 은 8bit 마이크로컨트롤러로서내부의아날로그디지털변환기를 이용하여 IF 의신호를디지털신호로변환하고입력되는데이터를 PC 에 전달해주는역할을한다. 제작은 ATMEGA 128 을사용하였고특성은다음과같다. ISP(In-system programming) 기능으로 PC 에서바로프로그램을다운로딩이가능함 고성능, 저전력 AVR 8-bitMicrocontroler 121 개명령어 - 대부분한클럭에실행됨 32 개의 8bit 작업 register 16MHz 일경우 16MIPS 처리능력 Jtag interface FlashMemory:128K Bytes SRAM :4K Bytes EEPROM :4K Bytes 2개의 8-bitTimer/Counter with Separate Prescaler and Compare Mode 1개의 16-bit Timer/Counter with Separate Prescaler, Compare, CaptureModes 8개의 PWM 8-channel,10bitADC 2-wireSerialInterface ProgrammableSerialUSART Master/SlaveSPISerialInterface ProgrammableWatchdog TimerwithSeparateOn-chipOsilator Analog Comparator 53 개의 ProgrammableI/O Line TQFP-64 타입 동작전압 :4.5V ~5.5V 사용클럭 :0~16MHz < 그림 3-14> 에증폭단을거쳐필터링된신호를 AVR 내에서처리하는 프로그램흐름도를나타내었다.
포트초기화 전역인터럽트 Enable USART 초기화 Count==3072 NO 외부인터럽트초기화 YES 인터럽트금지 RESET 핀 LOW RESET LOW DELAY 데이터전송 RESET 핀 H IGH 데이터전송완료 < 그림 3-14> 프로그램흐름도 <Fig.3-14> Program flow chart
제 4 장실험결과및검토 제 3 장에서설명했던 FMCW 레이더이론을바탕으로 설계된 RF 송 수신단과데이터수집보드를연결하여소형 FMCW 레이더를만들었다. RF 송 수신단설계시사용된기판은타코닉 (Taconic) 사의 RF-35 기판 ( 유전율 3.5) 을사용하였고,HewletPackard 사의 8722ES 네트워크아날라이저를사용하여 S파라미터를측정하였다. 안테나는동 작주파수범위가 8~12GHz 인 16.46 dbi 의이득을갖는 Narda model 640 혼 (Horn) 안테나를사용하였다. 데이터의디스플레이는 National Instrument 사의 Labview 프로그램을설치한노트북을사용하였다. 실험을하려면 FMCW 레이더를실제탱크에장착하여측정을해야하나, 탱크가없는관계로 FMCW 레이더의동작특성을파악하고자실험실내에서측정하였다.< 그림 4-1> 은실험실에서측정한실험환경을나타내고있다. 제작한 FMCW 레이더를지상에서 1m 되는높이에설치하고 RCS 가 0.8m 2 반사판을 1m,1.6m,2.4m,3.2m,4m 순으로거리를늘 려가면서측정하였다.< 그림 4-2> 는 RF 단을각부분별로제작하여커 넥터를통해연결한결합형구조이며,< 그림 4-3> 은 On-board 형태로서각부품을일체형으로집적한것이다. 실제측정시결합구조형태보다단일보드형태가더좋은특성을보였다. 이는결합커넥터에의한손실이더적었기때문이라고판단된다.< 그림 4-4> 는 IF 신호처리및데이터를디스플레이하는노트북을연결하여실험을위한세팅을보여주고있다.
RCS 0.8m 2 인반사판 송 수신부 안테나 1~4m 1m < 그림 4-1> 측정환경 <Fig.4-1> Measurementcircumstance < 그림 4-2> 결합보드형태의 RF 송 수신단 <Fig.4-2> ConnectedtypeRF frontend
< 그림 4-3> On-board 형태의 RF 송 수신단 <Fig.4-3> On-boardtypeRF frontend < 그림 4-4> 측정을위한세팅 <Fig.4-4> Setingformeasurement
< 그림 4-5> 에 Labview 를이용한측정결과를나타내었다. 실험실에서 RCS 가 0.8m 2 인반사판의거리를바꿔가면서거리의변화 에따른 의변화를관측하기위해수신된신호를 디지털변환을거 친후주파수스펙트럼을나타내보았다. (a)1m (b)1.6m (c)2.4m (d)3.2m
(e)4m < 그림 4-5> 반사판의거리변화에따른 의변화 <Fig.4-5> changebydistanceofreflector < 그림 4-5> 에서보는바와같이반사판의거리가 1,1.6,2.4,3.2,4m 로늘어남에따라 가점차증가함을알수있다. 그러나이론상으로라면식 (2.11) 에의해 는단일주파수로나타나야하는데,< 그림 4-5> 에선약간의대역폭을갖는주파수형태로나타나고있다. 이같은현상은삼각파발생기를통해발생되는삼각파가완전히선형적이지못하기때문이다. 또한필터의수신대역폭이넓어노이즈성분을충분히제거하지못했기때문이다. 이는별도의보상법을적용하여만한다. 또한거리에상관없이 2.5KHz 부근에서신호가발생하는데, 이는데이터수집보드상에서발생한것으로판단된다. 식 (2.11) 과 (2.12) 를이용해서 < 그림 4-5> 에서측정된차주파수와설계치에따라계산된차주파수를 < 그림 4-6> 에나타내었다.< 그림 4-6> 에서보는바와같이차주파수의측정값이이론값보다높고비선형적인특성을보이며 ofset 을나타내고있다.
2 Beat frequency[khz] 1.6 1.2 0.8 0.4 이론값측정값 0 0 1 2 3 4 Targe t ra n ge [ m] < 그림 4-6> 비트주파수의측정값과이론값의비교 <Fig.4-6> Comparisonofmeasuredandcalculatedbeatfrequency 이처럼측정값과이론값이차이가나는이유는다음과같이유추해볼 수있다. 첫째, 주파수대역폭이설계값인 10~11GHz, 즉 1GHz 보다더클경 우이다.sweep 하였을때주파수출력은 < 그림 3-6> 에서보는것처럼스펙트럼아날라이저를통해확인하였다. 이때안테나최종단의출력을스펙트럼아날라이저에연결하여신호발생기를이용하여수동으로조작했기때문에육안으로관측되기힘든미세한크기의주파수대역폭의 ofset 이생겼을수도있다. 식 (2.11) 에의해주파수대역폭이커지면다른파라미터들이일정하다고가정했을때차주파수가커지게된다. 둘째, 삼각파의주기가설계값인 40ms 보다작은경우이다. 전압제어
발진기에신호발생기를이용하여튜닝전압인삼각파를 sweep 하였을때삼각파의주기및크기를아날로그오실로스코프를통해조절하였다. < 그림 3-5> 에서보는것처럼설계치에거의근접하게조절하였으나육안상으로관측되기힘든미세한크기의주기차이가생겨날수도있다. 이또한식 (2.12) 에의해차주파수가설계치보다커지게되는경우이다. FREQUENCY (1) (2) 송신신호 수신신호 TIME < 그림 4-7> 전압제어발진기의비선형성 <Fig.4-7> Non-linearityofVCO 마지막으로측정된차주파수가비선형성을띄는경우에대한해석이다.< 그림 2-3> 에서보는것처럼전압제어발진기가선형적일경우송신신호와물체를맞고반사되어되돌아오는수신신호사이에는거리에비례하는일정한크기의차주파수를나타낸다. 그러나 < 그림 4-7> 과같이전압제어발진기가시간에따라주파수변화가비선형적으로발생한
다면차주파수는일정한값이아니고주기내에서비선형적으로연속적으로변화하는차주파수값을나타낸다.< 그림 4-7> 의 (1) 의경우실제차주파수보다작은차주파수로나타나므로식 (2.11) 을이용하여거리를계산하게되면측정거리가실제보다작게나타난다. 반대로 (2) 의경우실제차주파수보다큰차주파수로나타나므로거리를계산하게되면측정거리가실제보다크게나타나게된다. < 그림 3-3> 에서보는것처럼본논문에서제작한전압제어발진기는비선형성을나타내므로 < 그림 4-6> 과같은차주파수가나온다.
제 5 장결론 본논문에서는선박용탱크의레벨게이지에사용될 FMCW 레이더를설계및제작하였으며, 제작된레이더를이용하여 RCS 가 0.8m 2 인물체의거리를측정하였다. 제작된레이더는전압제어발진기의 sweep 능력과분해능을고려하여 sweep 주기가 40ms 이고 10~11GHz 까지주파수가변하는주파수변조신호를이득이 16dBi 인혼안테나를통해송신하고, 물체를맞고반사된신호를수신하여고속푸리에변환을통해목표물까지의거리를측정하였다. 최소입력신호는 -90dBm 정도이다. 실험실내에서안테나와반사판과의거리를각각 1m,1.6m,2.4m, 3.2m,4m 순으로늘려가면서실험한결과거리를나타내는차주파수 는 0.7KHz~1.8KHz 로증가하였다. 측정결과전압제어발진기의비선형성과실험세팅시삼각파의주기및주파수대역폭의미소한오차로인하여비트주파수의이론치와실험치값의 ofset 및비선형성이나타났고잡음이신호전대역에걸쳐나타났다. 본실험을통하여, 한개의안테나를이용할경우송수신의분리가어려워많은문제점이생기고있음을알수있었다. 차후에는반사파를제거시키는기술을적용하고, 높은샘플링 rate 를가지는아날로그디지털변환기를사용하고, 수신단의잡음을최소화하기위해 FilterBank 의제작또한필요할것으로판단된다.
참고문헌 [1] htp://www.saabradar.com/html/technology.html [2] David M. Pozar, Microwave Engineering, 대영사, pp749-750, 1990. [3] Merril I. Skolnik, Introduction to radar Systems, 2nd ed, MacGraw-Hil,New York,1980. [4]Levanon,Nadav,RadarPrinciples,Wiley-Interscience,New York, 1988. [5]F.J.O'Hara,G.M.Moore, A high performance CW receiver using feedthrunuling, MicrowaveJournal,Sept,p.63,1963. [6] Arnold E. Acker, Eliminating Transmited Cluter in Doppler RadarSystem, MicrowaveJournal,Nov,pp47-50,1975. [7]P.D.L,Bcaswley,A.G.Stove,B.J.Reits,B-O,As, Solving Problems of a single antenna frequency modulated cw Radar, IEEE InternationalRadarConference,pp391-395,1990. [8]K.L.Fuler, To Seeand NotBeSeen, IEEE Proc,p.137,Feb 1990. [9]M.J.Howes,and D.V.Morgan,MicrowaveDevice,John Wiely, New York,1976. [10]MauriceW.Long,RadarReflectivityofLand and Sea,Lexington Books,D.C.HealthandCompany,1975. [11]Ray J.King,Microwave Homodyne Systems,PeterPeregrinus, Herts,England,1978.
[12] J. W. Cripson and K. M. Siegel, Methods of Radar Cross-SectionAnalysis,AcademicPress,New York,1968. [13] Athanasios Papoulis, Probability, Random Variables and StochasticProcess,2nded,McGraw-Hil,New York,1984. [14]ArthurB.Wiliams,and Fred J.Talor,ElectronicFilterDesign DesignHandBook,2nded.,McGraw-Hil,New York,1988. [15]FredE.Nathanson,RadarDesignPrinciples,McGraw-Hil,New York,1969. [16]Henry W.O t,noisereductiontechniqueinelectronicsystem, 2nded,WileyInterscience,New York,1989. [17]S.S.Hovanessian,Radar System Design and analysis,artech House,Washington,1984. [18] David K.Barton and Harold R.Ward,Handbook ofradar Measurements,Prentice-Hal,EnglewoodClifs,New Jersy,1969 [19] Eli Brookner, Radar Technology, Artech House, Washington, 1977. [20]P.Swerling, Probability ofdetectionforfluctuating targets, IRE TransonInformationTheory,IT-6,Apr,1960. [21] D.K.Barton,Modern Radar System Analysis,Artech House, Washington,1988. [22]Floyd,Electronicdevices, 4thed, 광문각,p.835,2000. [23]J.D.Kraus,Antennas,McGraw-Hil,New York,1950.