김정원 교수 연구팀 초저잡음 마이크로파 주파수 합성기 개발

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김정원 교수 연구팀이 광섬유 광학 기술로 X-밴드 레이더에 활용할 수 있는 초저잡음 마이크로파 주파수 합성기를 개발하였습니다.

레이더(radar)는 자율주행 자동차에서부터 기상관측, 천문연구, 항공관제, 군용탐지에 이르기까지 다양한 민간 및 군용 분야에서 활용되는데 고성능 레이더의 구현을 위해서는 레이더 송신신호의 위상잡음(phase noise)을 낮추는 것이 필수적입니다. 특히 속도 탐지, 이미징 분해능 개선, 통신 및 신호처리 능력 향상에 중요합니다. 또한 우수한 주파수 스위칭과 변조 성능 역시 레이더 신호원의 중요한 요구 조건입니다. 하지만 매우 낮은 위상잡음을 가지는 마이크로파 주파수 합성기는 고가인데다, 수출승인(EL) 품목으로서 자국 밖 수출이 금지되거나 특별한 허가를 받아야 하는 경우가 많습니다.

김교수 연구팀은 고가의 특수제작된 소자들이나 실험실 밖 환경에서 사용이 어려운 특수기술을 사용하지 않고, 부품의 신뢰성과 가격경쟁력이 확보된 광섬유광학 기술과 상용 디지털신디사이저(DDS) 부품만을 이용하여 가장 우수한 위상잡음 수준을 가지면서 주파수 변조 및 스위칭이 가능한 마이크로파 주파수 합성기를 개발하였습니다.

우선 저잡음 광섬유 모드잠금 레이저(mode-locked laser)의 펄스 반복률을 마이켈슨(Michelson) 광섬유 간섭계 기반의 안정화 장치에 주파수 잠금하면 1초 동안 1펨토초(1000조분의 1) 수준의 매우 작은 시간 오차만을 가지는 광펄스열(optical pulse train)을 생성할 수 있고, 그 다음에는 이러한 저잡음 광신호를 광섬유광학 기반의 광마이크로파 변환 장치를 이용하여 초저잡음 10-GHz 마이크로파 신호로 변환하게 됩니다. 마지막으로 DDS 회로를 이용하여 9-11 GHz 범위에서 동작하는 주파수 가변형 마이크로파 신호원을 구현하였습니다. 측정된 10-GHz 마이크로파 신호의 위상잡음 성능은 기존의 상용화된 최고 성능 크리스탈 발진기(OCXO) 기반 주파수 합성기의 위상잡음보다 전체 오프셋 주파수(offset frequency) 영역에서 우수한 위상잡음 성능을 보입니다.    

여기에 더해 마이크로초 이하의 빠른 주파수 스위칭 시간과 다양한 주파수 변조 기능 역시 가능함을 보여줬습니다

이 시스템이 가지는 또 한가지의 장점은 기존의 마이크로파 주파수 합성기들과 달리 마이크로파 신호 뿐 아니라 매우 낮은 타이밍 잡음을 가지는 광펄스열 또한 생성할 수 있다는 것입니다. 이러한 저잡음 광펄스열은 레이더 수신기에서 받은 신호의 고분해능 아날로그디지털 변환(analog-to-digital converter, ADC)이나 주파수 업다운컨버전(up-conversion/down-conversion)에도 활용될 수 있어 고성능 레이더에서 이전에는 없던 새로운 신호변환 및 분석 기능들도 제공할 수 있습니다. 이 연구에서는 X-밴드(8-12 GHz) 신호원을 선보였지만, 레이저 반복률의 정수배인 어떤 주파수도 사용할 수 있기 때문에, 같은 원리를 활용해서 보다 고주파인 W-밴드(75-110 GHz) 신호까지도 발생하게 제작할 수 있습니다.

이 시스템을 구성하는 가장 중요한 요소기술들인 “광섬유 간섭계 기반의 타이밍 안정화 시스템”과 “광마이크로파 위상검출기 및 위상잠금장치”는 이미 국내외 특허들을 출원 및 등록 받은 상태이며, 국내외에서 많은 활용이 가능하고 기술이전을 통한 국산화도 가능할 것으로 기대됩니다. 특히 이 연구는 최근 이슈가 된 사드(THAAD) 레이더를 비롯한 고성능 레이더들과 우주통신 분야에서 그 중요성이 커지고 있는 X-밴드에서 동작하는 신호원으로서 더 의미가 있습니다.

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