2차원 배열 이미징 소자를 갖는 밀리미터파 수동형 영상시스템에 관한 연구

Study of passive millimeter-wave imaging System with a two-dimensional imaging array receiver

Abstract

We present the development of a passive millimeter-wave imaging system with a two-dimensional imaging array receiver. Passive millimeter-wave imaging involves the detection of blackbody radiation emitted and/or reflected by objects at millimeter-wave frequencies, enabling non-invasive imaging under low-visibility conditions. By utilizing a two-dimensional receiver array, the system is capable of acquiring real-time images without mechanical scanning. To realize this system, we designed and fabricated a receiver in which key millimeter-wave components such as tapered slot antennas (TSAs), baluns, amplifiers, and detectors are integrated on a quartz substrate using gold plating and semiconductor bonding techniques. A critical element of the system is the transmission line transition between the antenna and the monolithic microwave integrated circuit (MMIC). This was implemented using a balun, which demonstrated low insertion loss and wide bandwidth performance in the 30-40 GHz range, as confirmed through fabrication and experimental measurements. For signal detection, we developed a compact, wideband, low-noise receiver module that integrates an MMIC amplifier with a Schottky barrier diode(SBD) detector. This detection system achieved a low noise figure of 1.9 dB at 13.5 GHz, demonstrating excellent noise performance suitable for high-sensitivity passive imaging applications.

1. 서론

밀리미터파는 비, 안개, 구름, 먼지, 불꽃등을 투과하는 특성을 가지며 마이크로파에 비해 고분해능을 얻을 수 있는 장점을 가지고 있다. 이것을 이미징 기술에 활용함으로써, 악천후상태에서의 비행기 착륙 보조시스템, 화재시 사람의 움직임 탐지, 사람의 옷안에 숨긴 무기나 폭발물 탐지 등에 응용할 수 있다. 군사기술로서는 비행체에서의 탱크탐지, 지면에 은폐된 군사시설 탐지등이 있으며, 교통 관련 응용으로는 터널 내부에서 사고에 의한 화재 시의 화염이나, 도로상의 안개에 의한 장해물 형상 관측 등 다양한 응용을 생각해 볼 수 있다[1][2][3].

이전 논문에서는 소형, 광대역, 저잡음인 W대역 수신기를 설계하여 1차원 배열과 기계적 스캔으로 2차원 영상을 얻는 구조를 제안하였다[4]. 이러한 구조에는 기계적인 스캔이라는 방법을 사용하기 때문에 실시간 영상을 얻을 수 없다. 즉 1초에 1프레임 또는 2초에 1프레임 정도의 수준으로 1초에 30프레임 정도의 실시간 영상을 얻을 수 없다. W 대역의 경우 부품의 가격이 고가이며, W대역 저잡음 증폭기의 경우 잡음지수가 높아 높은 온도감도를 얻기가 쉽지 않다. 따라서 밀리미터파 렌즈를 통하여 밀리미터파를 집광해 결상면에 소형, 저잡음의 Ka 대역의 수신기를 2차원 배열을 통하여 실시간 영상을 얻는 수동형 영상시스템에 관한 연구를 동시에 수행하고 있다. Ka 대역은 W대역보다 부품의 가격이 저렴하고, 저잡음 증폭기의 잡음지수가 낮아 온도감도 특성이 우수하며, 직접화의 난이도가 수월하여 2차원 배열 수신기 제작이 가능하다[5].

2. 2차원 배열 밀리미터파 수동형 영상 시스템

수동형 영상 시스템의 블록 다이어그램은 그림 1에 나타낸다. 안테나로 수신된 신호는 RF 증폭기에 의해 증폭되어 자승 검파기에 입력된다. 자승 검파된 출력은 직류 성분과 출력의 변동성분인 교류 성분으로 구성된다. 교류 성분은 저주파 증폭기와 적분기를 통해 대부분이 필터링되어 마지막으로 수신 강도에 따른 직류 출력이 얻어진다. 이 DC 출력을 신호처리기에 입력하여 영상을 얻는 것이 가능하다[6].

Fig. 1. Passive millimeter- wave imaging system block diagram

1차원 배열 수신기를 갖는 수동형 영상시스템은 스캔을위한 복잡한 메커니즘이 필요하며 측정에 많은 시간이 필요하기 때문에 실시간 영상를 얻을 수 없다는 단점이 있다[7]. 이에 본 논문에서는 이미징 소자를 2차원 배열하여 이미지를 얻는 방법을 제안하며, 스캐닝 메커니즘을 필요로하지 않기 때문에 실시간 이미징을 가능하게 한다.

대기 감쇠 창인 35GHz 대역에서 이미징소자의 2차원 배열을 실현하기 위해서 다음과 같이 사양을 설정하였다.

① Noise Figure: 5dB

② 대역 : 10GHz (30∼40GHz)

③ Gain: 30dB

④ 소자간격: 6mm

이것은 50m 전방을 평행으로 질주하는 자동차를 1K의 온도 분해능으로 실시간 이미징(초간 30프레임)하기 위한 사양이다.

이 사양을 바탕으로 두께 0.2mm의 1장의 석영(εr=3.8) 기판 상에 금도금 기술과 반도체 본딩기술을 이용하여 밀리미터파 회로 소자를 2차원 배열 형태의 이미징 어레이 방식용으로 제작했다. 그 수신 소자의 구조를 그림 2에 나타낸다. 이 수신 소자는 톱니 모양이 있는 페르미 테이퍼 슬롯 안테나 (FTSA), Slot-CPW 변환 회로 (Balun), MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuit) 증폭기, 쇼트 키 배리어 다이오드 (SBD) 검출기의 4개의 부분으로 구성된다.

Fig. 2. Imaging array receiver

페르미 테이퍼 슬롯 안테나에서 수신된 신호는 슬롯 선로(Slot line)로 전송된다. 수신단의 MMIC LNA증폭기의 경우 마이크로스트립 라인으로 구성되기 때문에, 변환 회로가 필요하며 코 플레너 선로(CPW : Coplanar Wave-guide)로 변환해야 한다. CPW에서는 신호선인 스트립 도체가 두 개의 접지 도체 사이에 끼워지는 구조로 신호가 전송된다. MMIC 증폭기는 뒷면이 접지되어 있기 때문에 CPW의 접지면에 장착하고 CPW의 신호선과 MMIC의 입력 패드를 와이어로 접속함으로써 안테나로 수신한 신호를 MMIC로 입력하는 것이 가능해진다. MMIC로 증폭 된 신호는 마이크로 스트립 선로로 구성된 검출 회로로 자승 검파되어 직류 출력이 얻어진다.

이 구조의 장점은 하나의 기판으로 수신 소자를 구성 할 수 있고, 소자 전체의 접지면을 통일 할 수 있다는 두 가지 장점을 가진다. 그림 3에 4 × 4로 수신 소자가 배치 된 영상 어레이의 모델을 나타낸다.

Fig. 3. 4 × 4 Imaging array receiver

2.1 광대역 안테나

2차원 배열 이미징 어레이 소자를 실현하기 위해 안테나에 요구되는 요소로는 렌즈와의 정합이 좋고, 광대역이면서 사이드 로브 레벨이 낮은 소형 일체화 구조가 중요하다. 종래에는 금속 도파관에 의한 구성이 주류였기 때문에 혼 등의 개구면 안테나가 사용되어 왔지만, 위의 요구를 만족시키기 위해서 소형의 평면형 안테나인 테이퍼⋅슬롯⋅안테나(TSA)의 구조를 선택하였다[8]. 이 연구에서는 테이퍼 모양이 페르미 디락 함수로 정의 된 페르미 안테나를 사용하였다. 이 안테나는 H면의 사이드 로브가 억제되어 E면과 H면의 메인 로브가 잘 일치하는 패턴을 가진다고 보고 되고 있다[9]. 이 특징은 원형 지향성을 필요로 하는 이미징 수신 시스템의 검출 안테나로서 유효하다. 또한, 안테나 기판의 폭이 좁아지면 방사 특성이 일반적으로 열화되지만, 기판의 양단에 주기적으로 콜르게이트 구조(corrugation structure)를 붙임으로써 방사 특성을 개선할 수 있는 것으로 보고 되고 있다[10]. 또한 FDTD 법을 사용하여 중심 주파수 35GHz에서 설계 가능함을 확인하였다. 그림 4는 FDTD 방법을 사용하여 설계하고 프로토 타입 콜르게이트 구조가 있는 페르미 안테나의 구조를 나타낸다.

Fig. 4. Tapered slot antenna structure

설계된 안테나의 치수는 다음과 같다. 설계 중심 주파수를 f₀, 그 파장을 λ₀, 설계 최저 주파수를 f_l, 그 파장을 λ_l로한다. 본 연구에서는 f₀을 35GHz, f_l을 25GHz로 하고 테이퍼 슬롯부의 최대 개구 치수를 6mm(λ_l/2), 테이퍼 슬롯부의 길이를 34.28mm(4λ₀)로 각각 선택하였다. 또한 슬롯 선로의 폭은 0.1mm로 설계하였다

프로토 타입 안테나의 VSWR을 그림 5에 나타낸다. 측정 주파수 범위는 26.5GHz∼ 40.0GHz이며, 필요한 대역 인 30∼40GHz에서 VSWR이 1.6 이하인 양호한 광대역 특성이 얻어졌다.

Fig. 5. Antenna VSWR

30∼40GHz를 2.5GHz 단위로 측정한 E-plane 및 H-plane 방사 패턴을 그림 6과 그림 7에 나타낸다. 모든 주파수에서 메인 로브의 반치각 각도가 거의 같고 사이드 로브 레벨도 낮게 억제된다는 것을 알 수 있다. 주파수에 따른 방사 패턴의 변화가 없다는 것은 광대역 렌즈 및 안테나 시스템을 사용하는 이미징 시스템에 매우 효과적이다.

Fig. 6. E-plane radiation pattern

Fig. 7. H-plane radiation pattern

2.2 Slot-CPW 변환 회로(Balun)

안테나로 수신 된 신호는 매우 미약하기 때문에 MMIC 증폭기에 의해 수신된 신호는 증폭된다. 안테나로부터의 신호라인은 슬롯 라인에 의해 전송되지만, MMIC 증폭기에 신호를 입력하기 위해 코 플레너 라인(CPW)으로 변환되어야 한다. 이 변환 회로를 발룬 (Balun)이라고 한다. 발룬의 특성은 광대역 신호를 저손실이면서 복잡한 구조 없이 입출력 선로를 일직선상으로 변환하는 것이 중요하다. 또한, 수신 소자를 대량으로 제작하는 것을 고려하면 에어 브리지등의 다층 구조가 없는 것이 바람직하다.

발룬의 레이아웃은 그림 8에 나타낸다. 크기는 1.6mm 정도이며, 슬롯 선로와 코플레나 선로가 일직선 상에 접속되어 있기 때문에 위의 조건을 만족하고 있다.

Fig. 8. Slotline - CPW Balun

슬롯 선로를 직렬 분기하고, 각 슬롯 선로의 CPW까지의 길이를 λ/4, 3λ/4로 한다. 이것은 2개의 경로 사이의 위상차가 λ/2이기 때문에 분기 직후에 동상이었던 슬롯 선로가 CPW로 변환되기 직전에 역상이 된다. CPW는 슬롯 선로가 역상으로 커플링 된 형태로 신호가 전송되고 있기 때문에, 2개의 슬롯 선로를 합성함으로써 효율적으로 CPW로 변환된다.

회로 시뮬레이터 ADS (Advanced Design System: Agilent사 제조)를 사용하여 35GHz 대역 수신기에 최적화 된 발룬의 반사 및 투과 특성의 시뮬레이션 특성 및 측정 결과를 그림 9에 나타낸다. 시뮬레이션 특성과 측정은 잘 일치하며, 이미징에 필요한 대역 30∼40GHz에서 Return Loss가 -10dB 이하, Insertion Loss가 약 –0.5dB 이기 때문에 안테나로부터의 신호를 저손실 및 광대역으로 선로 변환이 가능 할 수 있다.

Fig. 9. Retun loss and insertion loss of balun

2.3 MMIC 증폭단

밀리미터파 수동형 영상시스템의 이미징 수신기는 수신 신호 자체가 약한 열 잡음이기 때문에 고이득, 광대역, 고감도 및 저잡음 특성의 수신기가 요구된다. 또한 이미징 수신기를 어레이화 할 때 수신 소자 자체를 얼마나 작게 할 수 있는지도 중요한 요소이기 때문에 증폭기에는 MMIC를 사용하고, 검파 회로에는 SBD(쇼트키⋅배리어⋅다이오드)를 사용하였다[11].

본 연구에 사용 된 MMIC는 후지쯔사의 FMM5704X를 사용하였다. FMM5704X는 30∼40GHz에서 이득 20dB, 잡음 지수 2.0dB와 매우 높은 이득과 저잡음 특성이 우수한 MMIC이다. 수동형 영상시스템에서는 열잡음을 고감도, 광대역으로 수신할 필요가 있기 때문에 수신기에 필요한 증폭기의 목표 성능을 이득 35dB 이상, 대역폭 10GHz로 설정하고 FMM5704X를 2단 접속함으로써 이를 구현하였다. 그림 10에 실제 제작된 MMIC 2단 증폭기를 나타내었다. MMIC 칩의 구현은 다이 본딩에 의해 수행되었다. 다이 본딩은 금주석을 사용하고 300℃의 온도에서 질소 가스를 분사하여 산화를 방지하는 환경 하에서 실장했다. MMIC 간의 배선은 와이어 본딩에 의해 직경 18μm, 길이 250μm의 와이어를 병렬로 2개 이용하여 접속하였다.

Fig. 10. 2-Stage MMIC

그림 11은 FMM 5704X를 2 단 접속 한 MMIC 증폭기의 이득의 측정 결과를 나타낸다. 측정 결과는 30∼40GHz에서 평균 이득 39.3dB와 목표 특성을 충분히 만족하는 특성이 얻어졌다.

Fig. 11. 2-Stage MMIC Gain

본 연구에서 고안된 특징 중 하나는 수신 소자의 접지면의 공통화이다. MMIC의 접지면과 안테나 일체형 실장 기판의 접지면을 공통으로 하기위해, MMIC의 전단의 CPW의 신호면과 MMIC의 입력(마이크로 스트립 선로)면을 접속할 때, MMIC의 칩 두께분의 단차가 생긴다. 양선로 간의 접속 방법을 직접 금 와이어로 신호면을 접속하는 방법을 취했다. MMIC의 칩 두께는 100㎛이며, 양선로 사이를 와이어로 접속하기 위해서는 약 300㎛의 길이가 필요하다. 따라서 250μm, 500μm의 와이어를 2개 병렬로 접속했을 때의 전송 손실을 실제로 측정하고, ADS에 의한 와이어 손실 계산과 비교한 결과를 그림 12에 나타낸다.

Fig. 12. Wire bonding loss

와이어 본딩 손실 특성은 250μm에서 측정과 계산 값이 잘 일치하고 20∼40GHz에서 0.5dB 이하로 손실이 거의 없는 특성이 얻어졌다. 이상의 결과로부터, 와이어 길이 300㎛에 있어서 전송 손실은 0.5dB 정도인 것이 예상된다. 위의 결과를 토대로 CPW와 MMIC을 2 개의 금 와이어로 직접 연결 한 MMIC 2 단 증폭기를 그림 13에 나타내었다.

Fig. 13. CPW-MMIC connection

CPW 기판에는 두께 200㎛의 석영 기판을 사용했다. CPW의 접지면에 다이 본딩에 의해 MMIC⋅커패시터를 실장하고, 와이어 본딩에 의해 각 소자간을 접속했다. CPW와 MMIC 사이의 와이어 길이는 약 300㎛이다. MMIC 2단 증폭기와 CPW-MMIC 2단 증폭기의 이득의 차이는 거의 0.5dB내에 들어가는 것을 확인하였다. 이 결과, 300μm의 금 와이어에 의한 접속 방법은 충분히 저손실인 접속 방법이라고 할 수 있다.

2.4 SBD 검파 회로

MMIC 증폭기로 증폭 된 밀리미터 파는 검출 회로에서 자승검파되어 직류 출력이 얻어진다. 검출 회로는 MMIC로 증폭 된 신호를 광대역 및 고감도로 검출하는 성능이 요구되고, 회로 자체도 소형이어야 한다. 본 연구에서는 SBD MSS-20 141B10D(Metelics사)를 채용했다. 이 SBD는 감도가 규격상에는 8000V/W 로 매우 고감도이다. 또한 무바이어스로 동작하기 때문에 회로 설계에 바이어스 회로가 필요 없기 때문에 검출 회로를 소형화할 수 있다는 이점이 있다. 그림 14는 SBD의 정적 특성 측정을 보여준다. SBD가 무 바이어스로 동작하는 것을 확인할 수 있다

Fig. 14. MSS-20 static characteristic

고주파 성분을 제거하기 위해서는 정합 회로의 후단에 저역 통과 필터가 필요하여 정합 회로와 필터 회로를 일체화한 검파 회로를 설계 제작했다. 검파 회로 설계에서는 MMIC과의 접속 환경을 고려하여, 검파 회로의 기판에는 MMIC과 동일한 두께인 100㎛의 석영 기판을 사용하였다. 석영 기판의 유전율은 약 3.8이며, 정합 회로는 테이퍼형 정합 회로를 설계 중심 주파수 35GHz로 하여 설계하였다. 저역 통과 필터에는 목표 감쇠량을 -35dB로 설정했다. 그림 15는 실제 제작된 검출 회로를, 그림 16은 검파 회로의 고주파 특성을 나타낸다.

Fig. 15. Detector circuit

Fig. 16. Detector circuit retun Loss and insertion loss

검출 회로의 치수는 6.0mm × 7.6mm이고 측정 결과로부터 검출 회로의 정합 대역을 S11 이 10dB 감쇠하는 대역으로 정의하면, 이번 제작한 검출 회로의 정합 대역은 2GHz정도 이다. 저역 통과 필터의 감쇠 특성은 20∼40GHz에서 약 45dB이며, 고주파 성분을 제거하기에 충분한 감쇠 특성이다.

그림 17에서 SBD 검출 회로의 감도는 입력 전력 –30∼-50dBm에서 2200V/W였다. MMIC 증폭기로부터 검출 회로에 입력되는 신호 전력은 약 -35dBm이며, 패시브 이미징에서는 검출계의 동작 대역 모두에서 열 잡음을 검출하는 것을 고려하면 충분히 고감도인 특성이라고 할 수 있다.

Fig. 17. Detector circuit sensitivity

MMIC 2 단 증폭기와 SBD 검출 회로를 조합한 저잡음 광대역 검출 시스템을 실제로 제작한 것을 그림 18에 나타낸다.

Fig. 18. MMIC - detector circuit connection

실장 기판에는 두께 200㎛의 석영 기판을 사용했다. MMIC, 커패시터 및 검출 회로는 모두 다이 본딩에 의해 구현되었고, CPW와 MMIC는 300μm 길이의 금 와이어로 연결하였다. 열 잡음 입력에 대한 검파회로의 검출 특성을 그림 19에 나타낸다.

Fig. 19. Measured detector circuit sensitivity

입력 잡음의 대역폭은 26.5∼40GHz의 대역폭 13.5GHz이며, 잡음 입력 전력 -70∼-84dBm에서 충분히 선형 검출 특성을 갖는다. 위의 측정 결과로부터 검파회로의 노이즈 지수 (Noise Figure)를 계산 한 결과, 2.2dB의 매우 양호한 결과가 얻어졌고, 입력 전력의 온도 변환은 시스템 대역폭을 13.5GHz로 계산하였다. 잡음 지수 2.2dB로부터 온도 분해능을 수신기의 대역폭 13.5GHz, 적분 시간 1/30초의 조건에서 계산하면 온도 분해능 0.2K라는 결과가 얻어졌다. 0.2K라는 온도 분해능은 밀리미터파 수동형 영상시스템에서 물체를 감지하기에 충분한 해상도 임을 확인하였다.

3. 결론

본 논문에서는 밀리미터파 수동형 영상시스템의 실시간 이미징을 목표로 안테나 일체형 2차원 배열 이미징 소자를 제안하였다. 밀리미터파 수동형 영상시스템의 이미징 어레이를 실현함에 있어서 안테나에 대해서는 콜르게이트 구조를 갖는 페르미 안테나를 사용함으로써 30∼40GHz에 있어서 광대역에 걸쳐 양호한 특성을 얻을 수 있다. 안테나와 MMIC 사이의 선로 변환에는 발룬을 사용하여 30∼40GHz에서 저손실 및 광대역으로 선로변환을 제작 및 측정을 통해 확인했다. 신호의 검출계에는 MMIC 증폭기와 SBD검파회로를 이용한 저잡음⋅광대역 일체형 소자를 제안하고, 13.5GHz의 대역에서 검출계의 잡음지수 1.9dB 라는 매우 뛰어난 저잡음 특성이 얻어졌다.