W-대역 영상레이다를 위한 광대역 Chirp 신호 발생장치

Ⅰ. 서 론

합성개구레이다 SAR(Synthetic Aperture Radar)는 광대역의 선형주파수변조신호 LFM(Linear Frequency Modulation) 또는 첩(chirp) 신호를 range-Doppler 신호처리를 통하여 2차원의 영상을 획득하는 방법이다. 사용하는 주파수는 저주파수에서부터 밀리미터파 대역까지 사용하며, 최근에는 고해상도 영상을 얻기 위하여 1 GHz 이상의 대역폭을 사용하기도 한다^[1]. 고해상의 영상을 얻기 위하여서는 선형성과 평탄도가 우수한 광대역의 첩 신호가 요구되며, 첩 신호의 특성에 따라 영상의 성능이 결정된다. 첩 신호의 대역폭이 넓어지면 신호의 평탄도가 저하되며, 부엽신호(side lobe)가 커지는 현상이 발생한다. 본 논문에서는 밀리미터파 W-대역 SAR 시스템에 사용되는 광대역 첩 신호 발생장치 설계 및 제작에 대하여 고찰하고자 한다.

Ⅱ. W-대역 첩 발생기

본 논문에서는 약 15 cm의 거리 해상도를 가지는 SAR 를 설계하기 위하여 960 MHz 대역폭을 가지는 광대역 첩발생기를 설계 제작하였다. 첩 발생기는 그림 1에서 도시한 것처럼 FPGA에서 40 MHz의 기저대역폭을 가지는 첩 생성기와 I-Q 변조기, 그리고 40 MHz 기저 대역폭을 960 MHz 대역폭으로 변환하는 24체배의 주파수 체배기로 구성되었다. 각각의 모듈에 대한 세부적 설계에 대하여 다음 단락에 서술하도록 한다.

그림 1. | Fig. 1. W-대역 광대역 Chirp 발생기 구성도 | Configuration of W-band wideband chirp generator.

Download Original Figure

2-1 FPGA Chirp 발생기

첩 발생기는 VCO(Voltage Controlled Oscillator) 또는 PLL (Phase Lock Loop)를 이용한 아날로그 방식을 사용하지 않고, 신호의 side lobe 특성을 우수하게 하기 위하여, 디지털 방식을 채택하였다^[2]. 전치 왜곡된 NLFM(Non-Linear Frequency Modulation) 신호파형을 구현 가능하도록 하기 위하여 첩 신호를 프로그램이 가능한 FPGA 보드에 구현하였다. 그림 2에 도시한 것처럼 PROM에 전치 왜곡된 첩 신호를 저장하여 FPGA 보드에서 구동이 되도록 하는 메모리 저장 파형 생성 방식을 택하였다. 설계된 LFM^[3], NLFM^[4] 신호 파형에 대하여 시뮬레이션 신호와 이 신호의 펄스 압축된 신호 결과를 그림 3에 제시하였다. 시뮬레이션 결과, 펄스압축된 신호의 부엽은 LFM 경우 −13 dB, NLFM 경우 약 −30 dB의 우수한 결과를 보여주고 있다.

그림 2. | Fig. 2. FPGA 이용한 메모리방식의 첩 발생기 구성도 | Memory based FPGA chirp generator.

Download Original Figure

그림 3. | Fig. 3. 비선형 LFM, NLFM 첩 발생기와 펄스 압축된 신호 시뮬레이션 결과 | Simulation results for LFM, NLFM signal and its pulse compression.

Download Original Figure

2-2 I-Q 변조기

FPGA에서 생성된 기저대역의 I(Inphase), Q(quadrature) 첩 신호는 그림 4의 I-Q 변조기를 통하여 3.9 GHz의 RF 신호로 변환되도록 설계하였다. I-Q 변조기는 상용 보드를 이용하였으며, 보드에 내장된 주파수 발생기를 통하여 3.9 GHz의 첩 신호로 변환하였다. I-Q 변조된 첩 신호를 그림 6에, 그리고 출력 스펙트럼을 그림 7에 각각 제시하였다. FPGA보드는 Kintex-7^[5]을 사용하였으며, 출력 주파 수가 4 GHz까지 동작하는 FMCOMMS1^[6] I-Q 변조기를 이용하였다. 그림 6의 I-Q 변조된 3.9 GHz, 40 MHz RF 첩 신호는 그림 3의 설계에서 제시한 NLFM 파형이며, 대역폭 내에서의 평탄도, slope, side lobe 등에서 거의 simulation과 유사한 우수한 시험 결과를 보여주고 있다.

그림 4. | Fig. 4. I-Q 변조기 구조 | Block diagram of I-Q modulator.

Download Original Figure

그림 5. | Fig. 5. I-Q 변조기 출력 신호 @ 3.9 GHz | Output signal of I-Q modulator. at 3.9 GHz.

Download Original Figure

그림 6. | Fig. 6. I-Q 변조된 chirp 신호 스펙트럼 @ 3.9 GHz | Chirp signal spectrum of I-Q modulator at 3.9 GHz.

Download Original Figure

그림 7. | Fig. 7. W-대역 24 주파수 체배기 구성도 | W-band 24 multiplier block diagram.

Download Original Figure

Ⅲ. 실험 및 성능 분석

설계, 제작된 94 GHz 첩 발생기의 실제 사진을 그림 8에 제시하였다. 앞에서 언급한 것처럼 FPGA 보드는 상용 Kintex7, I-Q 변조기는 FMCOMMS1를 사용하였고, 체배기는 24 주파수 체배로 제작하였다. 설계된 첩 발생기의 스펙트럼을 그림 9에 제시하였으며, 94 GHz 첩 신호 스펙트럼은 스펙트럼분석기 HP70004A와 Agilent harmonic mixer 1,1970 W를 이용하여 측정하였다. 실험 결과 92.64～93.6 GHz, 960 MHz의 대역폭을 보여주고 있다. Spectral growth −20 dB이며, 주파수 체배 시 발생하는 고조파의 하모닉 신호에 의하여 발생하며, 주파수 체배기와 필터의 설계에 따라 약간의 특성이 다르게 나타날 수 가 있다. 제작된 첩 신호는 24 체배 후 960 MHz의 광대역 임에도 불구하고 대역폭에서의 평탄도는 약 2.0 dB 이내로 아주 우수한 특성을 보여주고 있다.

그림 8. | Fig. 8. 제작된 FPGA 첩신호 발생기와 24 주파수 체배기 | Manufactured chirp generator and 24 frequency multiplier.

Download Original Figure

그림 9. | Fig. 9. 제작된 W-대역 첩신호 스팩트럽 | Manufactured chirp spectrum at W-band.

Download Original Figure

그림 9에서 fundamental 신호와 harmonic 신호가 중첩되어 표시되는 것은 W-대역 스펙트럼 분석기에서 사용하는 external mixer가 harmonic mixer에 이어서 광대역 신호인 경우 고조파 신호에 의하여 두 개의 신호가 중첩되어 표시되는 이유이며, 실제 첩 신호에는 없는 스펙트럼이다.

Ⅳ. 결 론

본 논문에서는 국내에서는 처음으로 W-대역에서 960 MHz 광대역을 가지는 첩 신호 발생 장치를 제작하였으며, 이에 관한 연구 결과를 제시하였다. 제작된 첩 신호는 본 연구실에서 개발되고 있는 고해상도의 W-대역 영상레이다에 사용될 예정이다. 본 연구 결과를 토대로 향후 4 GHz의 대역폭을 가지는 첩 신호 발생기 설계, 제작에 활용할 예정이다. 개발된 첩 발생기는 W-대역의 고해상도 영상 레이다 SAR의 신호원으로 사용될 예정이다.