국내 연구팀이 초저잡음의 마이크로파 주파수 합성기를 개발했다. KAIST 기계항공공학부 김정원 교수 연구팀은 광섬유 광학 기술을 이용해 X-밴드 레이더에 활용할 수 있는 초저잡음의 마이크로파 주파수 합성기를 개발하는 데 성공했다. 이번 연구 성과는 포토닉스 리서치 이달호에 게재됐다.

레이더는 자율주행 자동차·기상관측·천문연구·항공관제·군용탐지 등 민간 및 군용 분야에서 다양하게 활용되고 있다. 고성능 레이더에서의 속도 탐지 및 이미지 분해능 개선, 통신 및 신호처리 능력 향상을 위해선 레이더 송신신호의 위상잡음을 낮추는 것이 필수적이다. 또 우수한 주파수 스위칭과 변조 성능 역시 레이더 신호원의 중요한 요구 조건이다. 그러나 위상잡음이 낮은 마이크로파 주파수 합성기는 고가인데다 수출승인(EL) 품목이어서 수출이 금지되거나 특별 허가를 받아야 한다.

연구팀은 고가의 재료나 실험실 밖 환경에서 사용이 어려운 기술 없이도 부품의 신뢰성과 가격경쟁력이 확보된 광섬유광학 기술과 상용 디지털신디사이저(DDS) 부품만을 이용했다. 이를 통해 우수한 위상잡음 수준을 가지면서 주파수 스위칭 및 다양한 변조가 가능한 마이크로파 주파수 합성기를 개발해냈다. 이 주파수 합성기는 광섬유 레이저 기술을 이용해 펄스 형태의 빛을 생성한다. 이 때 빛 펄스간 시간 간격을 일정하게 만들어 1초 동안 1 펨토초(1000조 분의 1초)라는 초미세 오차를 갖는 빛 펄스들을 생성했다. 또 이 빛 펄스들을 전기신호로 변환하는 가운데 이 때 펄스간 시간 간격에 의해 정해지는 반복률의 정수배에 해당하는 임의의 사인파 형태의 전기신호를 생성하는 데 성공했다.

이번 연구에선 여러 가능한 주파수 대역들 중에서 최근 이슈가 된 사드(THAAD) 레이더를 비롯한 고성능 레이더와 우주 통신 분야에서 중요성이 커지는 X-밴드(8-12 ㎓) 마이크로파 주파수 대역에서 동작하는 주파수 합성기를 구현해냈다. 이 기술은 기존 최고 성능 오븐제어 수정발진기(OCXO) 기반 주파수 합성기들의 위상잡음보다 우수한 성능을 보였다. 더불어 전자전 및 레이더 시스템에서 중요하게 여겨지는 빠른 주파수 변환 속도와 다양한 주파수 변조 기능도 가능하다.

또 다른 장점은 기존 마이크로파 주파수 합성기와 달리 매우 낮은 잡음의 광신호 또한 함께 생성할 수 있다는 거다. 이러한 저잡음 광신호를 이용하면 레이더 수신기에서 이전에는 없던 새로운 신호 분석 기능도 제공할 수 있다. 김 교수는 '이번 기술은 레이더뿐만 아니라 통신·센서·정밀계측 등 다양한 분야에서 활용 가능하고 기술이전을 통한 국산화도 가능하다'고 말했다.

강정의 기자 justice@ggilbo.com