레이다 기술이 발전함에 따라 빠른 주파수변환시간, 광대역, 저잡음 등의 특성을 갖는 주파수합성기 설계에 관심이 높아지고 있다. 또한, 스텔스 기술이 발전함에 따른 0.01 이하의 RCS (Radar Cross Section)를 갖는 항공기의 탐지 및 수십 cm 급의 SAR (Synthetic Aperture Radar) 이미지를 촬영하기 위한 레이다들이 개발되고 있다. 이러한 항공기를 탐지하고, 고해상도의 SAR 이미지를 구현하기 위해서는 고해상, 저잡음 특성의 주파수합성기 개발이 필수적이다. 특히나, 항공기 레이다의 경우, look down 모드에서의 지표면 클러터의 제거와 낮은 RCS를 갖는 타겟의 검출 및 재밍에 대응하기 위하여 위상잡음에 대한 영향성 분석과 빠른 주파수 변환을 위한 기능들이 요구되고 있다. 동일한 조건에서 RCS가 10배 작아지게 되면, 이를 검출하기 위해 위상잡음은 10배 낮아져야 하며, 최근 0.01 이하의 RCS를 갖는 스텔스 타겟을 검출하기 위해서 –140dBc/Hz 이하의 위상잡음이 요구되는 경우도 있다.

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하지만, 운용 중심주파수 대비 10% 이상의 광대역 레이다에서 이러한 요구사항들을 만족하기에는 어려움이 있으며, 이를 해결하기 위해 많은 연구들이 진행되고 있다. 레이다용 주파수합성기를 설계하는 방법은 크게 직접 방식과 간접방식으로 구분할 수 있다. 직접방식은 아날로그 방식(DAS)과 디지털방식(DDS)으로 구분되며, 초기 레이다용 주파수합성기 설계 방식에서는 고순도 저잡음 설계를 위하여 직접 아날로그 방식을 적용하였으나, 디지털기술이 발전함에 따라 최근에는 디지털방식을 적용한 설계도 적용되고 있다. 간접방식은 광대역 신호의 생성과 소형화 제작을 위해 주로 사용되며, PLL (Phase Locked Loop) 방식이 대표적이다. 하지만, 이는 직접방식에 비해 주파수변환시간이 상당히 느리다는 단점을 가지고 있으며, 이를 극복하기 위한 많은 연구들이 이루어졌다. 최근에는 광대역에서 고속의 주파수변환 속도를 갖는 고성능 주파수합성기 설계를 위하여 두 가지 방식의 장점을 조합한 연구들이 진행 중이다.

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본 연구에서는 X대역에서 10% 이상의 운용 주파수를 생성할 수 있는 주파수합성기를 설계, 제작하고 실험을 통해 그 성능을 입증하였다. 고성능 주파수합성기 개발을 위하여 DDS와 DAS 방식의 장점만을 결합한 하이브리드 방식의 주파수합성기를 개발하였으며, 소형경량화를 통해 6U 사이즈의 2개의 모듈로 구성을 하였다.

제작된 하이브리드 고성능 주파수합성기는 항공기용 AESA 레이다를 목표로 설계 제작되었으며, 항공기 탑재를 위해 소형경량화를 위해 6U 사이즈 모듈 2개로 제한되었다. 운용 주파수대역은 X대역에서 10% 이상의 운용주파수 생성이 필요하며, 5MHz 간격으로 201개의 주파수를 생성하는 것이 목표이다. 모든 주파수에서 낮은 RCS를 갖는 타겟을 검출하기 위해 위상잡음은 10kHz offset에서 –130dBc/Hz 이하, 주파수변환시간은 1usec 이하로 정의하였다. 이를 구현하기 위해서 DDS와 DAS 방식의 장점만을 결합한 하이브리드 주파수합성기를 고안하고, 설계 제작하였다. 제안된 주파수합성기는 크게 4개의 부분으로 구성이 된다. 마스터 오실레이터를 포함한 기준신호생성부, 기준신호들을 조합하여 L대역생성부, C대역생성부 그리고, DDS에서 생성된 협대역 주파수를 L대역과 C대역 신호들을 혼합하여 대역을 확장하는 X대역생성부로 구성하였다.

고성능 레이다에 적용되는 주파수합성기를 설계하기 위해 가장 우선시되는 것이 바로 마스터 오실레이터이다. 일반적인 경우, 100MHz 이하의 위상잡음 특성이 우수하고, 안정도가 성능이 뛰어난 OCXO (Oven Controlled Crystal Oscillator)를 사용하게 된다. 하지만, 본 연구에서는 위상잡음 성능을 만족하기 위해 최근 고성능 레이다용으로 개발된 동일 크기의 고성능 저잡음의 640MHz OCSO (Oven Controlled Saw Oscillator)를 적용하였다. 80MHz의 OCXO의 경우, 위상잡음은 10kHz offset 에서 –168dBc/Hz의 아주 우수한 성능을 가지고 있다. 하지만, 6400MHz 출력주파수를 생성하기 위해 80배의 체배를 한다고 가정하면, 이때 위상잡음은 20logN으로 상승하게 되며, 이론적으로 38dB 이상이 증가하게 된다. 결론적으로, 6.4GHz에서 –130dBc/Hz로써 X대역으로 상향변환하게 되면 추가 위상잡음 저하로 인해 규격을 만족할 수 없게 된다. 최근 개발된 640MHz OCSO의 경우, 80MHz OCXO에 비해 출력주파수는 8배이지만, 10kHz 옵셋에서 위상잡음은 –165 dBc/Hz의 성능을 가지고 있다. 그 결과 80MHz OCXO에 비해 15dB의 위상잡음 개선 효과를 얻을 수 있으며, 640MHz를 10체배할 경우, 10kHz 옵셋에서 –145dBc/Hz로써 X대역까지 확장을 하여도 –130dBc/Hz의 위상잡음을 충분히 만족할 수 있게 된다.

광대역 주파수합성기 설계 시 가장 어려운 부분이 바로 대역 내 불요파 제거를 위한 주파수계획 설계이다. X대역에서 10% 이상의 주파수를 생성하기 위해서는 RF 혼합기에 의한 상호 간섭과 신호 간 격리도 설계, 필터 설계가 아주 중요하다. 먼저 5MHz 해상도의 160MHz 대역의 주파수를 생성하기 위해 AD9914를 사용하였다. 일반적으로 DDS의 출력신호는 입력 클럭의 주파수가 클수록, 그리고 출력주파수가 낮을수록 불요파 레벨이 작아지게 된다. 따라서, 본 연구에서는 DDS의 클럭을 3GHz 이상으로 설정하고, 출력주파수는 500MHz 이하로 설정하여 DDS 자체의 불요파를 60dBc 이하로 구현하였다.

하이브리드 고성능 주파수합성기는 항공기 탑재를 고려하여 6U 사이즈 2개의 모듈로 소형 경량화 설계를 수행하였다. 먼저, 주파수합성기1은 기준신호생성부와 L대역, C대역 생성부를 하나의 모듈로 구성하였으며, 3층 구조의 형태로 제작하였다. 두께는 40mm로 구현하였다. 주파수합성기2는 DDS 신호생성부와 L대역신호와 C대역신호를 혼합하여 X대역으로 확장하는 부분으로 제작되었으며, 전체 두께는 30mm로 구현하였다.

주파수합성기 최종 출력에서의 측정 결과는 다음과 같다. 출력 중심주파수 대비 10% 이상의 운용 주파수생성을 확인할 수 있으며, 5MHz 간격으로 201개의 주파수가 생성됨을 확인하였다. 모든 주파수에서 불요레벨은 70dBc 이상이며, 출력 대역 내 평탄도는 ±1.0dB 이내이다.

일반적으로 레이다의 순시대역폭은 5MHz이며, 이 대역 내에서의 SFDR (Spurious Free Dynamic Range) 성능은 80dB 이상을 확보하였다. 주파수합성기의 출력 위상잡음 성능은 10kHz 옵셋에서 –136.06dBc/Hz이며, 이는 기존 연구된 고성능 주파수합성기에 비해 10dB 이상 개선된 성능이다. 최종 위상잡음은 DDS의 위상잡음과 6400MHz의 위상잡음에 영향을 받으며 중첩의 원리를 적용하여 최종 위상잡음을 예상할 수 있으며, 예상치와 실험치가 모두 10KHz 옵셋주파수에서 –136dBc/Hz ±1dB 오차로 정확한 예측과 구현이 되었음을 알 수 있다.

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제작된 주파수합성기의 주파수변환시간은 1usec 이하를 목표로 하였으며, 측정결과 첫 주파수에서 마지막 주파수까지 변경 시 트리거 신호로부터 664nsec 이후에 주파수가 생성됨을 확인하였다. 이는 기존의 DDS와 PLL방식의 10usec 내외에 비해 1/10 이하 수준으로, 고속의 주파수변환을 구현하였다. 이는, 주파수 변경시간이 DDS의 레지스터 설정시간과 RF 스위치의 반응속도에만 기인하기 때문이다.

X대역에서 중심주파수 대비 10% 이상의 대역의 주파수를 생성하며, 전 대역에서 불요파 레벨을 70dBc 이하의 값을 갖도록 구현하였다. 또한, 최종 출력에서 –136dBc/Hz 이하의 위상잡음을 구현하였다. 이는 기존 고성능 DDS를 적용한 PLL 방식에 비해 위상잡음을 10dB 개선하였으며, 해외의 주파수합성기 연구에 비해서도 10dB 이상 우수한 성능이다. 주파수 변환시간 또한 1usec 이하로 고속의 주파수 변환이 가능하도록 구현하였다. 본 연구에서 구현된 하이브리드 주파수합성기를 통해 항공기용 AESA레이다에 충분히 적용이 가능하며, 더 나아가 고해상도 SAR레이다, 지상용 고성능 레이다에도 충분히 가능하다고 판단된다. 또한, 본 구조에서 생성되는 중간주파수 출력을 활용해 L대역과 C대역 고성능 레이다에도 적용이 가능하다.

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출처 : 고성능 레이다용 저잡음 하이브리드 주파수합성기 설계 및 제작(한국항공우주학회지, 2020.01)