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l 저 물 복제, 포, 전송, 전시, 공연 송할 수 습니다.

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Disclaimer

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공학석사학위논문

X-대역 도플러 레이더 탐지기 설계

Design of An X-Band Doppler Radar Detector

충 북 대 학 교 대 학 원

전기․전자․정보․컴퓨터학부 전파통신공학전공

박 세 웅

2017 년 2 월

공학석사학위논문

X-대역 도플러 레이더 탐지기 설계

Design of An X-Band Doppler Radar Detector

지도교수 안 병 철

전기․전자․정보․컴퓨터학부 전파통신공학전공

박 세 웅

이 논문을 공학석사학위 논문으로 제출함.

2017 년 2 월

본 논문을 박세웅의 공학석사학위 논문으로 인정함.

심 사 위 원 장 안 재 형 (인)

심 사 위 원 안 병 철 (인)

심 사 위 원 이 광 원 (인)

충 북 대 학 교 대 학 원

2017 년 2 월

- i -

차 례

Abstract ··························································································································ⅱ

List of tables ·················································································································ⅲ

List of figures ···············································································································ⅳ

Ⅰ. 서 론 ················································································································1

Ⅱ. 레이더 탐지기 설계 ·······················································································2

2.1 레이더 탐지기의 동작개념 및 설계 목표규격 ······································ 2

2.2 부품선택 및 설계 ·····························································································6

2.3 최종 설계 ··········································································································30

Ⅲ. 안테나 제작 및 측정 ··················································································37

Ⅳ. 결 론 ··············································································································51

참고문헌 ··························································································································52

- ii -

Design of An X-Band Doppler Radar Detector

Park, Se Woong

Radio and Communications Eng. Track

Dept. of Electrical, Electronics, Information and Computer Eng.

Graduate School of Chungbuk National University, Cheongju City, Korea

Supervised by Prof. Ahn, Bierng-Chearl

Abstract

This thesis presents a design of a device for detecting the X-band (10-11GHz)

police Doppler radar, which measures the speed of automobiles for law-enforcement

purpose. The detector is of double-conversion superheterodyne type consisting of a

receiving antenna, a low-noise amplifier, a VCO, a local oscillator, two mixers, two IF

amplifiers, a logarithmic detector, and an MCU. To reduce the cost, commercial

components have been employed as much as possible. Low-pass LC filters at RF and

video frequencies and the 680MHz local oscillator have been designed using a

high-frequency circuit simulation tool and implemented. The performance of the overall

system has been simulated. The designed detector has been fabricated and tested.

Measurements show that the detector has -80dBm sensitivity at 10.0-11.0GHz.

* A thesis for the degree of Master in February 2015.

- iii -

List of tables

표 2.1 레이더 탐지기 목표 설계 규격 ·······································································5

- iv -

List of Figures

그림 2.1 레이더 탐지기의 신호감지 체계 블록도 ·······························································2

그림 2.2 레이더 탐지기의 블록도 ···························································································3

그림 2.3 설계된 수신 안테나의 형상 (a) 앞면 형상 (b) 뒷면 형상 ····························7

그림 2.4 설계된 수신 안테나의 반사계수 ·············································································8

그림 2.5 설계된 수신 안테나의 3D 이득패턴 시뮬레이션 결과 ·····································9

그림 2.6 설계된 수신 안테나의 극좌표계 형태의 이득패턴 ··········································10

그림 2.7 RF AMP의 전체 회로도 ······················································································11

그림 2.8 1st 혼합기의 주파수 스펙트럼 ·············································································12

그림 2.9 HMC734의 데이터시트상의 전압 대비 출력주파수 ······································13

그림 2.10 ADS에 의한 1GHz 저역통과필터의 계산 모델 ···········································14

그림 2.11 ADS에 의한 1GHz 저역통과필터의 특성 시뮬레이션 결과 ·····················15

그림 2.12 ADS에 의한 IF 증폭기의 계산 모델 ······························································16

그림 2.13 ADS에 의한 IF 증폭기의 특성 시뮬레이션 결과 ········································17

그림 2.14 ADS에 의한 IF 증폭기의 잡음지수 시뮬레이션 결과 ································17

그림 2.15 IF 혼합기의 데이터시트 상에 첨부된 출력주파수 그래프 ·························19

그림 2.16 2nd 혼합기의 주파수 스펙트럼 ··········································································20

그림 2.17 IF 혼합기의 입력 전원을 위한 회로도 ···························································21

그림 2.18 ADS에 의한 680MHz 저역통과필터의 계산 모델 ·····································22

그림 2.19 ADS에 의한 680MHz 저역통과필터의 특성 시뮬레이션 결과 ···············23

그림 2.20 국부발진기의 회로 구성 ······················································································24

그림 2.21 ADS에 의한 국부발진기의 계산 모델 ·····························································25

그림 2.22 ADS에 의한 국부발진기의 특성 시뮬레이션 결과 ·······································26

- v -

그림 2.23 대역통과필터의 임피던스매칭을 위해 사용한 저항과 인덕터 ····················27

그림 2.24 MCU의 회로도 ·····································································································29

그림 2.25 대표 특성이 포함된 레이더 탐지기의 블록도 ················································30

그림 2.26 특성 계산을 위한 확대 블록도 ··········································································30

그림 2.27 계산 프로그램을 사용하여 계산한 잡음지수와 총 이득 계산 결과 ··········32

그림 2.28 RF 부분의 회로도 ································································································34

그림 2.29 Main Board의 회로도 ·······················································································35

그림 2.30 MCU의 프로그래밍 구조 ···················································································36

그림 3.1 RF 부분의 PCB Layout ·····················································································37

그림 3.2 Main board의 PCB Layout ············································································38

그림 3.3 제작된 레이더 탐지기 PCB ·················································································39

그림 3.4 최종 제작된 레이더 탐지기 ··················································································40

그림 3.5 측정용 1GHz 저역통과필터 회로 ·······································································41

그림 3.6 1GHz 저역통과필터 측정결과 (a) 반사계수 (b) 전달계수 ························42

그림 3.7 측정용 IF 증폭기 회로 ··························································································43

그림 3.8 IF 증폭기 측정결과 (a) 반사계수 (b) 전달계수 ···········································44

그림 3.9 측정용 680MHz 저역통과필터 회로 ·································································45

그림 3.10 680MHz 저역통과필터 측정결과 (a) 반사계수 (b) 전달계수 ·············46

그림 3.11 측정용 2nd 국부발진기 회로 ··············································································47

그림 3.12 2nd 국부발진기 출력신호 측정결과 ··································································48

그림 3.13 Sensitivity 측정용 실험 셋업 ·········································································49

그림 3.14 Sensitivity 측정 실험 ·······················································································49

그림 3.15 오실로스코프로 확인한 –110dBm에서의 신호 ···········································50

- 1 -

Ⅰ. 서 론

레이더를 활용한 기술은 과거부터 많은 발전을 이룩해왔다. 선박충돌 방지

용 레이더를 시작으로 2차 세계대전에서 독일군의 비행체를 감지하는 기술로

서 개발, 발전되어 왔다. 그 이후 현재까지 군사용 탐지장비 운용 뿐 아니라

자동차의 전 후방 감지용, 인체감지용, 기상관측용, 항공운항용 등 여러 분야

에서 적용되어 진다[1]-[4]. 미국이나 러시아 등 국토 면적이 넓은 나라에서

는 경찰들이 도플러 효과를 이용한 레이더 건을 통해 과속 단속을 많이 하고

있다. 이 때 레이더는 X-대역, Ku-대역, K-대역, Ka-대역 등 다양한 대역

이 사용 된다. 경찰이 레이더 건으로 과속 단속을 시작하면서 이를 사전에 감

지 하는 레이더 탐지기와 레이더 건을 무력화 시키는 재머가 개발 되었다

[5][6]. 이 중 경찰 레이더 탐지기의 경우에는 수신 전용 모듈로 써 흔히 안

테나와 수신 회로 등을 적용하여 개발되어지고 있다[7].

본 논문에서는 X-대역을 감지하고 알려주는 수신전용 모듈인 레이더 탐지

기를 설계하였으며 수신 회로는 설계 시 X-대역의 주파수 보다 낮은 중간 주

파수로 변환을 시키는 슈퍼헤테로다인 수신기 방식을 채택하였다. 필터와 발

진기등 기본 회로 설계시에는 Agilent사의 ADS를 사용하여 최적화를 진행하

였고 잡음지수와 이득을 고려한 주요 소자 선택을 통해 감지 거리를 늘리고

잡음지수를 낮출 수 있었다. 또한, 최종적으로 제작된 레이더 탐지기의 측정

을 통하여 설계의 타당성을 검증하였다.

- 2 -

Ⅱ. 레이더 탐지기 설계

2.1 레이더 탐지기의 동작개념 및 설계 목표규격

그림 2.1은 슈퍼헤테로다인 수신기 방식을 채택한 신호감지 시스템을 간략

하게 나타낸 블록도이다. 안테나에서 들어온 RF 신호는 1st 혼합기를 통해

IF 신호로 변환이 되고, 다시 한 번 2nd 혼합기를 통해 baseband 신호

10.7MHz로 변환이 되어 RF 감지기에서 감지가 된다.

그림 2.1 레이더 탐지기의 신호감지 체계 블록도

아래 그림 2.2는 레이더 탐지기의 전체적인 블록도이다. 레이더 탐지기는

크게 RF 파트와 Main board 파트로 구성된다. RF 파트는 안테나를 통해

입력되는 X-대역의 RF(Radio Frequency) 신호를 IF(Intermediate

Frequency)로 변환해주고, Main board 파트에서 IF 신호를 기저대역 신호

로 변환하여 원하는 대역의 주파수를 감지한다.

- 3 -

그림 2.2 레이더 탐지기의 블록도

블록도의 각 블록의 명칭은 아래와 같다.

(1) Low Noise Amplifier

(2) 1st Mixer

(3) 1st Local Oscillator (fvco=9.4 ~ 10.2GHz)

(4) Low Pass Filter @1GHz

(5) IF Amplifier

(6) 2nd Mixer

(7) Low Pass Filter @1GHz

(8) 2nd Local Oscillator (fLO=680MHz)

(9) Band Pass Filter @10.7MHz, Bandwidth 1MHz

(10) RF Detector

(11) RC Low Pass Filter

- 4 -

(12) MCU

(13) DC Amplifier

레이더 탐지기는 수신전용 모듈이다. RF 파트에서 안테나를 통에 들어온

X-대역의 신호를 저잡음 증폭기(1)를 통해 증폭한 후 RF 혼합기(2)를 사용

해 전압제어발진기(3)로부터 발생된 신호와 혼합해 IF주파수를 생성한다.

이후 Main board 파트로 전달된 신호는 Harmonic 등의 의도하지 않은 주

파수를 차단하기 위한 1GHz 저역통과필터(4)를 지나 앞의 혼합과정과 필터

링 과정 등에서 발생하는 손실을 보상하고 IF 혼합기(6)에서 처리 가능한 신

호레벨을 갖추기 위해 IF 증폭기(5)를 동해 신호를 증폭시킨다. 증폭된 신호

는 국부발진기(8)에서 발생된 680MHz 대역의 주파수와 IF 혼합기에서 혼

합되어 대역통과필터(9)를 통과해 10.7MHz의 주파수로 변환되어 RF 디텍

터(10)로 전달된다. RF 감지기에서 RF신호가 감지되면 DC 신호를 송출하

게 되고, 이 때 신호에 실려있는 잡음을 제거하기 위해 저역통과필터(11)를

지나게 한다. MCU(12)에서는 설정된 프로그램에 따라 RF 감지기로부터 정

해진 신호를 받게되면 알람을 울려 신호가 감지되었음을 나타낸다. 또한

MCU는 타이머와 컴퍼레이터 기능을 통해 0V~5V 사이의 전압을 발생시켜

전압제어발진기(3)를 동작시킨다. 이 때 MCU의 출력전압이 전압제어 발진

기의 동작전원에 비해 낮기 때문에 중간에 DC 증폭기(13)를 배치하였다.

- 5 -

본 논문에서 제시한 레이더 탐지기는 X-대역에서 동작하도록 설계하였으

며, 목표 설계규격은 아래 표 2.1에 제시하였다.

표 2.1 레이더 탐지기 목표 설계규격

항 목 목표규격

주파수 10.50GHz - 10.55GHz

Noise Figure 6.5dB 이하

Sensitivity -80dBm 이하

경찰의 레이더 건의 감지 거리를 고려해 –80dBm이하의 Sensitivity와

6.5dB 이하의 Noise Figure로 설계규격을 정하였다.

- 6 -

2.2 부품선택 및 설계

앞선 절 2.1에서의 블록도를 바탕으로 아래와 같은 부품선택 및 회로 설계

를 하였다.

2.2.1 Receive Antenna

X-대역 수신안테나는 소형화와 성능을 위해 인쇄 야기 안테나를 채택하였

다. 안테나의 기판 제원은 유전율이 4.4이고 손실 탄젠트가 0.002인 0.76

두께의 FR-4 기판을 사용하였으며, 15x35mm의 소형 크기로 레이더 탐지

기에 적합한 구조이다. 또한 안테나는 양면 인쇄 구조를 가지고 있다. 급전기

부분은 양면 다이폴 형태로 설계되었으며 GCPW형태로 급전되어 있고, 한

쪽 면에 지향기와 반사기가 인쇄되어 있다. 수신 안테나는 X-대역 수신을 위

해 10-11GHz 사이에서 –10dB 이하의 반사계수를 갖도록 설계되었다. 그

림 2.3은 설계된 인쇄 야기 안테나의 형상이다.

- 7 -

(a) 앞면 형상

(b) 뒷면 형상

그림 2.3 설계된 수신 안테나의 형상

- 8 -

그림 2.4는 수신 안테나의 반사계수 특성 그래프이다. -10dB 대역폭은

10-11GHz로 수신 주파수를 만족하고 동작 주파수인 10.525GHz에서 반사

계수는 –20dB이다.

그림 2.4 설계된 수신 안테나의 반사계수

- 9 -

그림 2.5는 수신 안테나의 이득패턴의 시뮬레이션 결과이다. 그 결과

10.525GHz에서 7.53dBi의 최대이득을 가진다.

그림 2.5 설계된 수신 안테나의 3D 이득패턴 시뮬레이션 결과

- 10 -

그림 2.6을 통해 수신 안테나의 이득패턴을 더욱 자세하게 확인 할 수 있다.

그림 2.6은 수신 안테나의 이득패턴을 극좌표계로 나타낸 것이다. 야기 안테

나를 채택하였기 때문에 지향성을 확인 할 수 있다.

그림 2.6 설계된 수신 안테나의 극좌표계 형태의 이득패턴

- 11 -

2.2.2 RF Amplifier

RF part의 증폭기로는 저잡음 증폭기(Low Noise Amplifier;LNA)를 사

용하며 제원으로는 Hittite사의 HMC564를 선택하였다. HMC564는 동작

주파수 7-13.5GHz이고 이득은 17dB, OIP3는 24dBm이고 동작전원이 3V

이다. 하지만 레이더 탐지기의 전체 전원은 5V를 사용하기 때문에 전압을 낮

춰 줄 필요가 있다. 따라서 트랜지스터를 이용한 전압강하를 채택하였다. 그

림 2.7은 HMC564와 전체적인 회로도이다.

그림 2.7 RF AMP의 전체 회로도

- 12 -

2.2.3 1st Mixer

RF Part의 혼합기로 Hittite사의 HMC526를 선택하였다. 선택한 부품의

RF와 LO의 동작주파수는 6-10GHz이고 IF의 주파수범위는 DC-3.5GHz이

고 LO와 RF의 격리도는 50dB이다.

아래 그림 2.8은 본 과제에서 사용된 1st 혼합기의 주파수 스펙트럼이다.

안테나를 통해 수신된 10.525GHz의 주파수를 전압제어발진기에서 나온

9.4-10.2GHz와 혼합되어 0.325-1.125GHz의 IF 주파수를 얻는다.

그림 2.8 1st 혼합기의 주파수 스펙트럼

- 13 -

2.2.4 1st Oscillator (VCO)

RF Part의 전압제어발진기의 제원으로는 Hittite사의 HMC734를 채택하

였다. 이 부품의 출력 주파수는 8.6-10.2GHz이다. 또한 출력 전원전력은

+18dBm이며 100KHz에서 Phase Noise는 –100dBc/Hz이다. 아래 그림

2.8은 데이터시트에 포함된 전압에 따른 출력 주파수 그래프이다. 1st 혼합기

에서 필요한 9.4-10.2GHz의 주파수를 생성하기 위해서는 5-12V의 전압이

필요하다는 것을 그림 2.9를 통해 확인할 수 있다.

그림 2.9 HMC734의 데이터시트상의 전압 대비 출력주파수

- 14 -

2.2.5 IF 1GHz Low Pass Filter

RF Part의 혼합기를 통해 IF 신호로 변환된 신호의 원치 않는 신호를 제

거하기 위해 사용하는 1GHz 저역통과필터의 경우 주파수가 올라갈수록 통과

가 잘 되지 않는는 인덕터의 특성과 주파수가 올라갈수록 통과가 잘 되는 캐

패시터의 특성을 활용하여 7차로 구현하였으며 butterworth 방식을 채택하

였다.

그림 2.10은 설계 결과를 상용소프트웨어인 ADS에 적용한 계산 모델이다.

그림 2.10 ADS에 의한 1GHz 저역통과필터의 계산 모델

- 15 -

그림 2.11 ADS에 의한 1GHz 저역통과필터의 특성 시뮬레이션 결과

ADS에 의한 시뮬레이션 결과 그림 2.11과 같은 특성을 얻을 수 있었다.

그래프를 통해 IF 주파수인 680MHz 대역에서 삽입손실 0.702dB를 가지

며, 그래프 상의 S11인 반사계수를 통해 680MHz 대역에서 동작한다는 것

을 알 수 있다. 또한 스커트 특성을 통해 1GHz 저역통과 필터가 제대로 작

동한다는 것을 보여준다.

- 16 -

2.2.6 IF Amplifier

IF 증폭기는 트랜지스터를 이용하여 설계 하였다. 사용된 트랜지스터는

Renesas사의 2SC5508를 사용 하였다. 그림 2.12는 설계 결과를 상용소프

트웨어인 ADS에 적용한 계산 모델이다.

그림 2.12 ADS에 의한 IF 증폭기의 계산 모델

- 17 -

그림 2.13 ADS에 의한 IF 증폭기의 특성 시뮬레이션 결과

그림 2.14 ADS에 의한 IF 증폭기의 잡음지수 시뮬레이션 결과

- 18 -

그림 2.13과 그림 2.14는 ADS에 의한 시뮬레이션 결과이다. 그림 2.13

을 통해 680MHz 대역에서 18dB의 이득을 확인 하였으며 그림 2.14를 통

해 잡음지수 5dB를 확인하였다.

- 19 -

2.2.7 2nd Mixer

IF 신호 변환에 사용되는 2번째 혼합기는 CEL 사의 μPC2757TB를 사용

하였다. 이 부품의 데이터시트를 살펴보면 동작주파수는 입력주파수

0.1-2GHz이고 출력주파수는 20-300MHz이다. 하지만 본 논문에서 사용되

는 출력주파수는 10.7MHz인데 데이터시트에 첨부된 그래프인 그림 2.15를

보면 10MHz 대역에서도 대략 17-18dB의 출력을 갖는 것을 알 수 있다.

그림 2.15 IF 혼합기의 데이터시트 상에 첨부된 출력주파수 그래프

- 20 -

그림 2.16은 2nd 혼합기의 주파수 스펙트럼이다. 2번째 국부발진기에서

680MHz의 신호를 보내고 기존의 IF 신호인 0.325-1.125GHz(실제로는

저역통과필터로 인해 0.325-1GHz의 신호)와 혼합되어 DC-445MHz의 신

호로 합성이 된다.

그림 2.16 2nd 혼합기의 주파수 스펙트럼

또한 사용된 혼합기의 동작전원은 2.7-3.3V이고 동작전류는 11mA이다.

따라서 앞선 2.2.2의 RF 증폭기와 마찬가지로 레이더 탐지기에 사용되는 기

본 전원인 5V를 혼합기의 동작 전원으로 낮출 필요가 있기 때문에 아래 그림

2.17과 같은 회로를 구성하였다.

- 21 -

그림 2.17 IF 혼합기의 입력 전원을 위한 회로도

- 22 -

2.2.8 Low Pass Filter for 2nd Local Oscillator

앞선 2.2.5의 저역통과필터와 마찬가지로 인덕터와 캐패시터로 설계하였

다. 차수는 5차로 설계를 하였으며 그림 2.18은 설계 결과를 상용소프트웨어

인 ADS에 적용한 계산 모델이다.

그림 2.18 ADS에 의한 680MHz 저역통과필터의 계산 모델

- 23 -

그림 2.19 ADS에 의한 680MHz 저역통과필터의 특성 시뮬레이션 결과

ADS에 의한 시뮬레이션 결과 그림 2.19와 같은 특성을 얻을 수 있었다.

그래프를 통해 680MHz 대역에서 손실이 1.306dB로 확인되었으며, 그래프

상의 S11인 반사계수를 통해 680MHz 대역에서 동작한다는 것을 알 수 있

다.

- 24 -

2.2.9 2nd Local Oscillator

국부발진기의 경우 RF 트랜지스터인 Renesas사의 2SC4226을 이용하여

회로를 설계하였다. 2SC4226은 NPN형의 고주파용 트랜지스터로 680MHz

신호를 발생시키는 국부발진기를 설계 하였으며 그림 2.20과 같다. 그림

2.20의 우측 최 하단에 있는 저항 3개는 Pi형 감쇠기로 –8dBm의 신호를

감쇠시키기 위해 8dB의 감쇠기를 설계해 추가 하였다.

그림 2.20 국부발진기의 회로 구성

- 25 -

그림 2.21 ADS에 의한 국부발진기의 계산 모델

그림 2.21은 그림 2.20의 회로도를 ADS에 적용한 계산 모델이다. 이 계

산모델로 시뮬레이션 결과 그림 2.22에서 676.4MHz의 주파수에서 출력신

호 6.334dBm의 결과값을 확인 하였다.

- 26 -

그림 2.22 ADS에 의한 국부발진기의 특성 시뮬레이션 결과

- 27 -

2.2.10 Band Pass Filter

대역통과필터는 muRata사의 SFECF10M7DF00-R0 제품을 사용하였다.

중심주파수는 10.7MHz이고 3dB 대역폭은 ±150KHz이며 차단대역폭은

990KHz이다. 하지만 입력과 출력 임피던스가 각각 330Ω으로 50Ω의 임피

던스 매칭을 위해 그림 2.23과 같이 저항과 인덕터를 사용하였다.

그림 2.23 대역통과필터의 임피던스매칭을 위해 사용한 저항과 인덕터

- 28 -

2.2.11 RF Detector

RF 감지기의 경우 Linear Technology 사의 LT5537을 채택하여 사용하

였다. 이 제원은 Log값을 이용해서 처리하는 detector로 동작주파수는

10MHz에서 1000MHz이고 –80dBm에서 20dBm까지 동작한다. RF 감지

기를 통해 10.7MHz 신호를 디지털 신호로 바꿔 준다.

2.2.12 MCU

MCU로는 Microchip사의 PIC16F1717을 사용하였다. 이 제품의 경우

디지털 아날로그 변환기 (Digital to analog convertor;DAC)가 칩 내에

내장되어 있기 때문에 선택하게 되었다. MCU에서는 RF 감지기로부터 신호

를 받아 비프음과 LED를 동작 시키고 디지털 아날로그 변환기를 통해 신호

를 전달한다. 그림 2.24는 MCU의 회로 구성도이다. RF 감지기에서 보낸

디지털 신호는 MCU의 9번 핀으로 연결되는데 이때 저항과 캐패시터를 이용

한 저역통과필터가 존재한다. 이 신호는 낮은 주파수의 소신호이기 때문에

RC 필터를 적용하였다.

- 29 -

그림 2.24 MCU의 회로도

2.2.13 DC Amplifier (OP-AMP)

MCU에서 나온 신호를 증폭시키는 용도로 OP-AMP인 Analog devices사

의 OP177GS를 선택하였다. MCU에서 0-5V의 신호가 발생하게 되는데, 이

를 전압제어발진기에서 사용하는 전압인 5-12V까지 증폭시키기 위한 회로를

구성하였다.

- 30 -

2.3 최종 설계

앞선 절 2.2에서 주요 부품 선택을 마친 후 특성과 부품명이 들어간 레이

더 탐지기의 블록도는 다음 그림 2.25와 같다.

그림 2.25 대표 특성이 포함된 레이더 탐지기의 블록도

그림 2.26의 블록도를 통해 특성을 계산 할 수 있다. 그림 2.25는 회로의

잡음을 계산 하기 위해 필요한 부분을 확대한 블록도이다.

RF Detector

LNA AMP

G=16dBNF=2dBTe=170k

G=-7dBNF=7dBTe=1163k

G=-1dBNF=1dBTe=75k

G=18dBNF=5dBTe=627k

G=17dBNF=9dBTe=2014k

G=-3dBNF=3dBTe=288.6k

1 2 3 4 5 6

2.26 특성 계산을 위한 확대 블록도

- 31 -

전체 열잡음 지수를 계산하기 위해 다음 식 2.1를 사용한다.

⋯ ⋯

(2.1)

혼합기의 경우 발진기에 따른 추가적인 잡음이 생성되기 때문에 그 결과를

고려한 열잡음 계산 결과 919.3k의 결과가 나온다. 이는 다음 식 2.2와 2.3

을 이용하여 Noise Figure 값을 구할 수 있다.

(2.2)

log (2.3)

이를 통해 구한 시스템 잡음지수의 값은 6.2dB 이며 총 이득은 42dB이

다. 그림 2.27은 RF 계산 프로그램을 사용하여 계산한 잡음지수와 이득의

결과 이다.

- 32 -

그림 2.27 계산 프로그램을 사용하여 계산한 잡음지수와 총 이득 계산 결과

또한 다음 식 2.4를 통해 대역통과필터의 대역폭에 따른 입력 잡음 전력을

구할 수 있다.

(2.4)

본 논문에서 사용한 대역 통과 필터의 경우 1MHz의 대역폭을 가지므로

–114dBm의 입력 잡음 전력 값을 얻을 수 있다.

다음 식 2.5를 통해 출력 잡음 전력의 값을 구할 수 있다.

(2.5)

- 33 -

그 결과 출력 잡음 전력의 값은 약 –66dBm이다. 출력의 신호 대 잡음비

는 12dB 이므로 다시 아래 식 2.6을 통해 출력 전력값을 계산한 결과

–56dBm의 값을 얻었다.

(2.6)

마지막으로 식 2.7을 통해 입력 전력값을 구할 수 있다.

(2.7)

그 계산 결과는 –96dBm 이다.

- 34 -

그림 2.28과 그림 2.29는 부품선택과 각 부품별 설계를 바탕으로 제작한

최종 회로도이다. 회로도 설계에는 Altium사의 Altium Designer를 사용하

였다.

그림 2.28 RF 부분의 회로도

- 35 -

그림 2.29 Main Board의 회로도

- 36 -

RF 감지기를 통해 감지한 신호는 최종적으로 MCU를 통해 동작 제어를

하게 되는데 그림 2.30은 제어를 위한 MCU의 프로그래밍 구조이다.

그림 2.30 MCU의 프로그래밍 구조

MCU는 디지털 아날로그 변환기를 통한 신호 전달과 부저와 LED를 통한

감지알람 발생 두 가지 동작을 수행한다. 이는 MCU 내의 타이머와 인터럽트

그리고 DAC 기능을 사용한다. 인터럽트를 통해 입력신호가 확인되면 LED

와 부저가 울리도록 설정을 하였고, 전압제어발진기에 사용되는 톱니파를 발

생시키기 위해 타이머인터럽트를 이용하여 DAC를 동작시켰다.

- 37 -

Ⅲ. 제작 및 측정

그림 2.28과 그림 2.29의 회로도를 바탕으로 상용프로그램인 Altium사의

Altium Designer로 설계한 RF부분과 Main Board의 회로도 이다. 이 회

로도를 바탕으로 아래 그림 3.1과 3.2의 PCB Layout을 설계하였다.

그림 3.1 RF 부분의 PCB Layout

기판으로는 0.8mm두께의 유전율 4.4와 손실탄젠트 0.002의 FR-4를 사

용했고, RF부분은 58.5x16.5mm의 크기로 설계하였으며 Main board는

68.2x88.5mm의 크기로 설계를 하였다. RF부분의 모듈의 경우 안테나와 일

체형으로 기판을 설계 했고 RF부분의 1st 혼합기와 Main Board의 1GHz

저역통과필터의 연결은 동축선을 통해서 이루어 지며 RF부분의 발진기와

Main Board의 증폭기의 경우 점퍼케이블을 통해 연결한다.

- 38 -

그림 3.2 Main board의 PCB Layout

- 39 -

그림 3.1과 3.2에서 설계한 레이더 탐지기의 PCB Layout을 바탕으로 그

림 3.3과 같이 PCB를 제작하였다.

그림 3.3 제작된 레이더 탐지기 PCB

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그림 3.2는 PCB위에 선택한 소자들을 납땜하여 최종 완성된 레이더 탐지

기의 모습이다.

그림 3.4 최종 제작된 레이더 탐지기

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각 제작된 레이더감지기의 파트 부분 측정을 위해 파트별 PCB를 따로 제

작하여 측정하였다. 측정을 위해 따로 제작된 부분은 기존에 있던 제품을 가

져다 쓰지 않은 저역통과필터 두개와 IF 증폭기 그리고 2nd 발진기이다.

그림 3.5는 측정용으로 제작한 1GHz 저역통과필터이다. 양단에 SMA 커

넥터를 연결해서 회로망 분석기로 측정을 하였다.

그림 3.5 측정용 1GHz 저역통과필터 회로

그림 3.6은 1GHz 저역통과필터의 측정결과이다. 반사계수와 전달계수는

그림 2.8의 시뮬레이션 결과와 거의 일치 한다.

- 42 -

(a) 반사계수

(b) 전달계수

그림 3.6 1GHz 저역통과필터 측정결과

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그림 3.7은 측정용으로 제작한 IF 증폭기이다. 공급되는 전원은 파워서플

라이를 통해 공급을 했으며 마찬가지로 양단에 SMA 커넥터를 연결해서 회로

망 분석기를 통해 측정을 하였다.

그림 3.7 측정용 IF 증폭기 회로

그림 3.8은 IF 증폭기의 측정결과이다. 반사계수와 전달계수는 그림 2.10

의 시뮬레이션 결과와 거의 일치한다.

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(a) 반사계수

(b) 전달계수

그림 3.8 IF 증폭기 측정결과

- 45 -

그림 3.9는 측정용으로 제작한 680MHz 저역통과필터이다. 양단에 SMA

커넥터를 연결해서 회로망 분석기를 통해 측정을 하였다.

그림 3.9 측정용 680MHz 저역통과필터 회로

그림 3.10은 680MHz 저역통과필터의 측정결과이다. 반사계수와 전달계수

는 그림 2.15의 시뮬레이션 결과와 거의 일치한다.

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(a) 반사계수

(b) 전달계수

그림 3.10 680MHz 저역통과필터 측정결과

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그림 3.11은 측정용으로 제작한 2nd 국부발진기의 회로이다. 공급되는 전원

은 파워 서플라이를 통해 공급을 했으며 스펙트럼분석기를 통해 측정하였다.

그림 3.11 측정용 2nd 국부발진기 회로

그림 3.12는 2nd 국부발진기 출력 측정결과이다. 그림 2.22의 시뮬레이션

결과와 비교 했을 때 676MHz에서 출력신호가 6.334dBm에서 5.86dBm으

로 약간 감소한 측정결과가 나왔다.

- 48 -

그림 3.12 2nd 국부발진기 출력신호 측정결과

- 49 -

그림 3.12는 Sensitivity 측정용 실험 셋업이다. 디지털 신호발생기를 통해

650-700MHz의 신호를 발생시키고 출력전력을 변경해가며 몇 dBm까지 동

작할 수 있는지 실험을 하였다.

Digital Signal

GeneratorOscilloscope

그림 3.12 Sensitivity 측정용 실험 셋업

그림 3.13은 그림 3.12의 측정 셋업을 바탕으로 한 실제 측정 사진이다.

그림 3.13 Sensitivity 측정 실험

- 50 -

측정결과 –110dBm까지 신호가 잡히는 것을 확인 하였고, 그때 오실로스

코프로 본 신호 파형은 다음 그림 3.14와 같다. 또한 –95dBm까지 RF 감

지기에서 감지를 하여 비프음이 울리는 것을 확인 하였다. 신호는 RF 감지기

를 통해 MCU로 전달되는데, 이때 MCU와 RF 감지기의 출력단 사이에 가

변 저항을 통해 전체 레이더 감지기의 Sensitivity를 낮출 수 있도록 하여

필요에 따라 Sensitivity를 낮춰 레이더 감지 거리를 조절 할 수 있도록 하

였다.

그림 3.14 오실로스코프로 확인한 –110dBm에서의 신호

- 51 -

Ⅳ. 결 론

본 논문에서는 X-대역의 경찰 레이더 건의 레이더를 감지하는 레이더 탐지

기를 제안하였다. 레이더 탐지기는 수신안테나와 수신회로로 증폭기, 발진기,

혼합기, 필터, 감지기 그리고 MCU로 구성되어진다. 경찰 레이더 건을 감지

할 수 있는 거리를 늘리기 위해 수신회로의 잡음과 이득을 고려하며 감지기를

설계 하고, 소자를 선택하였다. 안테나 설계와 해석은 상용 전자계 해석툴인

CST사의 Microwave Studio™를 이용하였으며, 회로에 대한 시뮬레이션과

설계는 Agilent사의 ADS를 사용하였다. 또한 인쇄회로기판 설계에는

Altium사의 Altium designer를 이용하여 설계하였다.

설계된 레이더 탐지기는 두께 0.8mm의 유전율 4.4, 손실탄젠트 0.002인

FR-4 기판에 인쇄를 하였고 그 위에 소자를 납땜하는 방식으로 제작 되었다.

레이더 탐지기는 두 가지 모듈로 나뉘는데, RF 부분의 모듈에서는 야기 안테

나와 저잡음증폭기, 혼합기와 전압제어발진기로 구성되어 진다. 나머지 Main

Board에서는 필터와 증폭기, 국부발진기, 혼합기, 감지기, MCU로 구성되어

진다. 두 개의 모듈은 동축선과 점퍼케이블을 이용하여 연결하였다. 제작된

감지기는 회로망 분석기, 스펙트럼 분석기 등을 통하여 출력신호와 반사계수,

전달계수 등을 측정하였다. 제작된 레이더 탐지기는 10.5±0.5GHz 대역에서

–95dBm의 Sensitivity와 6.2dB의 Noise Figure를 가진다. 최종적으로

감지한 신호는 MCU를 통해 비프음과 LED로 확인 할수 있도록 제작하였다.

본 논문에서 제안된 레이더 탐지기는 긴 감지거리와 소형화된 크기와 저렴

한 제작비용으로 다양한 수신모듈로 적용이 가능할 것으로 판단된다.

- 52 -

참 고 문 헌

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