KAIST(총장 신성철)는 김정원 기계항공공학부 교수 연구팀이 광섬유 광학 기술을 이용해 X-밴드 레이더에 활용할 수 있는 초저잡음 마이크로파 주파수 합성기를 개발했다고 18일 밝혔다.

레이더는 자율주행 자동차, 기상관측, 천문연구, 항공관제, 군용탐지 등 민간·군용 분야에서 다양하게 활용된다.

레이더의 능력을 향상하기 위해 송신 신호의 위상잡음(phase noise)을 낮추는 것이 필수적이다. 하지만 위상잡음이 낮은 마이크로파 주파수 합성기는 고가일 뿐만 아니라 수출승인 품목이다. 수출이 금지되거나 특별 허가를 받아야 하는 경우가 많다.

연구팀은 고가의 재료나 실험실 밖 환경에서 사용이 어려운 기술 없이도 부품의 신뢰성과 가격경쟁력이 확보된 광섬유 광학 기술과 상용 디지털신디사이저(DDS) 부품만을 이용했다. 이를 통해 우수한 위상잡음 수준을 가지며 주파수 스위칭과 다양한 변조가 가능한 마이크로파 주파수 합성기를 개발했다.

주파수 합성기는 광섬유 레이저 기술을 이용해 펄스(pulse) 형태의 빛을 생성한다. 이때 빛 펄스 간의 시간 간격을 일정하게 만들어 1초 동안 1 펨토초(1000조분의 1초)라는 아주 작은 시간의 오차를 갖는 빛 펄스들을 생성했다.

이 빛 펄스들을 전기 신호로 변환하는데 이 때 펄스 간 시간 간격에 의해 정해지는 반복률(repetition-rate)의 정수배에 해당하는 임의의 사인파(sinusoidal) 형태의 전기 신호를 생성할 수 있다.

이번 연구에서 여러 가능한 주파수 대역 중에서 최근 이슈가 된 사드(THAAD) 레이더를 비롯해 고성능 레이더 분야에서 중요성이 커지는 X-밴드(8-12 GHz) 마이크로파 주파수 대역에서 동작하는 주파수 합성기를 구현했다.

이번 기술은 기존의 최고 성능 오븐제어 수정발진기(OCXO) 기반 주파수 합성기들의 위상잡음보다 우수한 성능을 보였다. 또 기존 마이크로파 주파수 합성기와 달리 매우 낮은 잡음의 광신호 또한 함께 생성할 수 있다. 이전에는 없던 새로운 신호 분석 기능도 제공할 수 있다.

김정원 교수는 "이번 연구에서는 X-밴드 신호원을 선보였지만 같은 원리를 활용해서 보다 고주파 대역의 초저잡음 신호도 생성할 수 있다"라며 "드론처럼 소형, 저속 물체들에 대한 민감한 탐지에도 활용 가능할 것"이라고 말했다.

한편, 이번 연구 성과는 권도현 박사과정이 1저자로 참여했으며 '포토닉스 리서치(Photonics Research)'에 지난 1월호로 게재됐다.