KR20240059179A

KR20240059179A - Antenna module and mimo radar system with the same

Info

Publication number: KR20240059179A
Application number: KR1020220140113A
Authority: KR
Inventors: 최준혁; 이창현
Original assignee: 엘아이지넥스원 주식회사
Priority date: 2022-10-27
Filing date: 2022-10-27
Publication date: 2024-05-07

Abstract

MIMO(Multiple-Input Multiple-Output) 레이더 시스템 및 안테나 모듈이 개시될 수 있다. 일 실시예에 따른 MIMO 레이더 시스템은 레이저 신호를 동시에 방사하고 대상체로부터 반사되는 반사 신호를 동시에 수신하여 ADC(Analog to Digital Conversion) 데이터를 생성하는 복수의 안테나 모듈; 및 복수의 안테나 모듈에 연결되고, ADC 데이터를 저장하고, ADC 데이터에 빔 포밍 처리를 수행하는 데이터 수신 모듈을 포함하고, 복수의 안테나 모듈은 가로 방향으로 배열되어 확장될 수 있다.A multiple-input multiple-output (MIMO) radar system and antenna module may be disclosed. A MIMO radar system according to an embodiment includes a plurality of antenna modules that simultaneously radiate laser signals and simultaneously receive reflected signals reflected from an object to generate ADC (Analog to Digital Conversion) data; and a data reception module connected to a plurality of antenna modules, storing ADC data, and performing beamforming processing on the ADC data. The plurality of antenna modules may be arranged and expanded in the horizontal direction.

Description

Antenna module and MIMO radar system including same {ANTENNA MODULE AND MIMO RADAR SYSTEM WITH THE SAME}

본 발명은 안테나 모듈 및 이를 포함하는 MIMO(Multiple-Input Multiple-Output) 레이더 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to an antenna module and a MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) radar system including the same.

레이더는 전파의 반사 및 산란 특성을 이용하여 목표 물체의 방위 및 거리를 결정함으로써 물체의 위치에 관한 정보를 얻는 장치이다. 즉, 레이더는 전파를 대상체에 방사하고, 그 전파 에너지의 반사파를 수신하며 전파의 직진성과 정속성을 이용하여 그 왕복 시간과 안테나의 지향 특성에 의해 목표물의 위치를 측정하고 있다.Radar is a device that obtains information about the location of an object by determining the direction and distance of the target object using the reflection and scattering characteristics of radio waves. In other words, the radar radiates radio waves to an object, receives reflected waves of the radio wave energy, and uses the straight-line and constant speed of radio waves to measure the target's position based on the round-trip time and the directivity characteristics of the antenna.

한편, 레이더의 소형화와 높은 해상도에 따른 표적 식별 성능을 위하여, 높은 주파수 대역인 W대역(56GHz 내지 110GHz)에서 정확하게 표적을 탐색하기 위한 레이더 시스템의 개발이 요구되고 있다.Meanwhile, for the miniaturization of radar and target identification performance with high resolution, the development of a radar system to accurately search for targets in the high frequency band, W band (56 GHz to 110 GHz), is required.

종래에는 일반적인 MIMO(Multiple-Input Multiple-Output) 안테나를 개발하여 개발 목적에 부합하는 시스템을 제작하여 사용하고 있다. 이러한 시스템은 개발 목적에 부합하는 플랫폼에 적용할 수 있지만, 다른 플랫폼이나 기술에 적용하기 어려운 문제점이 있다.Conventionally, a general MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) antenna has been developed and a system that meets the development purpose is manufactured and used. Although this system can be applied to a platform that meets the development purpose, there are problems that make it difficult to apply to other platforms or technologies.

본 발명은 확장 가능한 안테나 모듈을 이용하여 다양한 플랫폼에 적용할 수 있는 MIMO(Multiple-Input Multiple-Output) 레이더 시스템 및 안테나 모듈을 제공할 수 있다.The present invention can provide a MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) radar system and antenna module that can be applied to various platforms using an expandable antenna module.

본 발명의 일 실시예에 따르면, MIMO(Multiple-Input Multiple-Output) 레이더 시스템이 개시될 수 있다. 일 실시예에 따른 MIMO 레이더 시스템은 레이저 신호를 동시에 방사하고 대상체로부터 반사되는 반사 신호를 동시에 수신하여 ADC(Analog to Digital Conversion) 데이터를 생성하는 복수의 안테나 모듈; 및 상기 복수의 안테나 모듈에 연결되고, 상기 ADC 데이터를 저장하고, 상기 ADC 데이터에 빔 포밍 처리를 수행하는 데이터 수신 모듈을 포함하고, 상기 복수의 안테나 모듈은 가로 방향으로 배열되어 확장될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, a Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) radar system may be disclosed. A MIMO radar system according to an embodiment includes a plurality of antenna modules that simultaneously radiate laser signals and simultaneously receive reflected signals reflected from an object to generate ADC (Analog to Digital Conversion) data; and a data receiving module connected to the plurality of antenna modules, storing the ADC data, and performing beamforming processing on the ADC data, wherein the plurality of antenna modules can be arranged and expanded in the horizontal direction.

일 실시예에 있어서, 상기 복수의 안테나 모듈 각각은 상기 반사 신호를 수신하는 수신 안테나; 상기 레이저 신호를 방사하는 송신 안테나; 및 상기 수신 안테나 및 상기 송신 안테나에 연결되는 MMIC 칩을 포함하는 보드로 제작될 수 있다.In one embodiment, each of the plurality of antenna modules includes a receiving antenna that receives the reflected signal; a transmitting antenna that radiates the laser signal; and an MMIC chip connected to the receiving antenna and the transmitting antenna.

일 실시예에 있어서, 상기 보드는 가로 103㎜ × 세로 89㎜의 크기를 가질 수 있다.In one embodiment, the board may have a size of 103 mm in width x 89 mm in height.

일 실시예에 있어서, 상기 수신 안테나는 제1 사전 설정된 간격으로 방위각 방향으로 4개 배열된 형상이 제2 사전 설정된 간격으로 2개 배치될 수 있다.In one embodiment, four receiving antennas may be arranged in the azimuth direction at a first preset interval, and two receiving antennas may be arranged at a second preset interval.

일 실시예에 있어서, 상기 제1 사전 설정된 간격은 2.15㎜을 포함하고, 상기 제2 사전 설정된 간격은 51.6㎜을 포함할 수 있다.In one embodiment, the first preset spacing may include 2.15 mm and the second preset spacing may include 51.6 mm.

일 실시예에 있어서, 상기 수신 안테나는 양 끝에 위치하고, 상기 MMIC 칩에 연결되지 않는 더미 안테나를 포함할 수 있다.In one embodiment, the receiving antennas may include dummy antennas located at both ends and not connected to the MMIC chip.

일 실시예에 있어서, 상기 송신 안테나는 제3 사전 설정된 간격으로 6개 배열될 수 있다.In one embodiment, six transmitting antennas may be arranged at a third preset interval.

일 실시예에 있어서, 상기 제3 사전 설정된 간격은 8.6㎜을 포함할 수 있다.In one embodiment, the third preset spacing may include 8.6 mm.

일 실시예에 있어서, 상기 복수의 안테나 모듈은 짝수개로 확장될 수 있다.In one embodiment, the plurality of antenna modules may be expanded to an even number.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 안테나 모듈이 개시될 수 있다. 일 실시예에 따른 안테나 모듈은 레이저 신호를 방사하는 송신 안테나; 대상체에 의해 반사되는 반사 신호를 수신하는 수신 안테나; 및 상기 수신 안테나 및 상기 송신 안테나에 연결되는 MMIC 칩을 포함할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, an antenna module may be disclosed. An antenna module according to an embodiment includes a transmission antenna that radiates a laser signal; a receiving antenna that receives a reflected signal reflected by an object; and an MMIC chip connected to the receiving antenna and the transmitting antenna.

일 실시예에 있어서, 상기 안테나 모듈은 가로 103㎜ × 세로 89㎜의 크기를 갖는 보드로 제작될 수 있다.In one embodiment, the antenna module may be manufactured as a board with a size of 103 mm in width x 89 mm in height.

본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 안테나 모듈을 확장할 수 있고, 확장 가능한 안테나 모듈을 이용하여 다양한 플랫폼의 목적에 부합하는 레이더 설계 시에 활용도를 증대시킬 수 있다.According to various embodiments of the present invention, the antenna module can be expanded, and the usability can be increased when designing a radar that meets the purpose of various platforms by using the expandable antenna module.

또한, 안테나 모듈의 단순한 확장만으로도 높은 이득과 높은 방위각 분해능을 갖는 레이더 시스템을 설계할 수 있다.Additionally, a radar system with high gain and high azimuth resolution can be designed by simply expanding the antenna module.

또한, 안테나 모듈을 짝수개로 확장시킬 수 있어, 6dB씩 이득을 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라, 레이더의 탐지 거리를 이론적으로 동일조건에서 30% 증가시킬 수 있다.In addition, the antenna modules can be expanded to an even number, not only increasing the gain by 6dB, but also theoretically increasing the radar detection range by 30% under the same conditions.

또한, 안테나 모듈을 짝수개로 확장시킴에 따라, 안테나 모듈에 의해 생성된 데이터에 디지털 빔 포밍을 수행하였을 때 빔폭을 2배 이상씩 좁힐 수 있어, 고해상도의 방위각을 획득할 수 있다.Additionally, by expanding the antenna module to an even number, the beam width can be narrowed by more than two times when digital beam forming is performed on the data generated by the antenna module, making it possible to obtain a high-resolution azimuth.

또한, 48개의 채널을 갖는 안테나 모듈을 짝수개로 확장시킴에 따라, 많은 채널을 갖는 안테나의 빔 합성 결과를 도출할 수 있다.Additionally, by expanding the number of antenna modules with 48 channels to an even number, beam synthesis results for antennas with many channels can be derived.

본 발명의 다양한 실시예에 따르면, FOD(Foreign Object Debris) 탐지 시스템, UAM(UrbanAir Mobility)에서의 센서, 무인 수상정에서의 항해용 레이더 센서 또는 충돌 방지용 센서 분야에 적용 가능하다.According to various embodiments of the present invention, it can be applied to the fields of Foreign Object Debris (FOD) detection systems, sensors in UAM (Urban Air Mobility), radar sensors for navigation in unmanned watercraft, or sensors for collision prevention.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 MIMO(Multiple-Input Multiple-Output) 레이더 시스템을 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 2는 MIMO 안테나의 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 MIMO 안테나의 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 모듈을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 안테나 모듈을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 모듈을 1개 배열한 경우의 빔 특성을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 모듈을 가로 방향으로 4개 배열한 경우의 빔 특성을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 모듈을 가로 방향으로 8개 배열한 경우의 빔 특성을 나타낸 도면이다.Figure 1 is a block diagram schematically showing a Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) radar system according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a diagram to explain the concept of a MIMO antenna.
Figure 3 is a diagram for explaining the concept of a MIMO antenna according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 is a diagram showing an antenna module according to an embodiment of the present invention.
Figure 5 is a diagram showing a plurality of antenna modules according to an embodiment of the present invention.
Figure 6 is a diagram showing beam characteristics when one antenna module is arranged according to an embodiment of the present invention.
Figure 7 is a diagram showing beam characteristics when four antenna modules are arranged in the horizontal direction according to an embodiment of the present invention.
Figure 8 is a diagram showing beam characteristics when eight antenna modules are arranged in the horizontal direction according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것이다. 본 발명에 따른 권리범위가 이하에 제시되는 실시예들이나 이들 실시예들에 대한 구체적 설명으로 한정되는 것은 아니다.Embodiments of the present invention are illustrated for the purpose of explaining the technical idea of the present invention. The scope of rights according to the present invention is not limited to the embodiments presented below or the specific description of these embodiments.

본 발명에 사용되는 모든 기술적 용어들 및 과학적 용어들은, 달리 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해되는 의미를 갖는다. 본 발명에 사용되는 모든 용어들은 본 발명을 더욱 명확히 설명하기 위한 목적으로 선택된 것이며 본 발명에 따른 권리범위를 제한하기 위해 선택된 것이 아니다.All technical and scientific terms used in the present invention, unless otherwise defined, have meanings commonly understood by those skilled in the art to which the present invention pertains. All terms used in the present invention are selected for the purpose of more clearly explaining the present invention and are not selected to limit the scope of rights according to the present invention.

본 발명에서 사용되는 "포함하는", "구비하는", "갖는" 등과 같은 표현은, 해당 표현이 포함되는 어구 또는 문장에서 달리 언급되지 않는 한, 다른 실시예를 포함할 가능성을 내포하는 개방형 용어(open-ended terms)로 이해되어야 한다.Expressions such as "comprising", "comprising", "having", etc. used in the present invention are open terms that imply the possibility of including other embodiments, unless otherwise stated in the phrase or sentence containing the expression. It should be understood as (open-ended terms).

본 발명에서 기술된 단수형의 표현은 달리 언급하지 않는 한 복수형의 의미를 포함할 수 있으며, 이는 청구범위에 기재된 단수형의 표현에도 마찬가지로 적용된다.Singular expressions described in the present invention may include plural meanings unless otherwise specified, and this also applies to singular expressions recited in the claims.

본 발명에서 사용되는 "제1", "제2" 등의 표현들은 복수의 구성요소들을 상호 구분하기 위해 사용되며, 해당 구성요소들의 순서 또는 중요도를 한정하는 것은 아니다.Expressions such as “first” and “second” used in the present invention are used to distinguish a plurality of components from each other and do not limit the order or importance of the components.

본 발명에서 사용되는 용어 "부"는, 소프트웨어, 또는 FPGA(field-programmable gate array), ASIC(application specific integrated circuit)과 같은 하드웨어 구성요소를 의미한다. 그러나, "부"는 하드웨어 및 소프트웨어에 한정되는 것은 아니다. "부"는 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고, 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다. 따라서, 일 예로서, "부"는 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스, 함수, 속성, 프로시저, 서브루틴, 프로그램 코드의 세그먼트, 드라이버, 펌웨어, 마이크로코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조, 테이블, 어레이 및 변수를 포함한다. 구성요소와 "부" 내에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소 및 "부"로 결합되거나 추가적인 구성요소와 "부"로 분리될 수 있다.The term “unit” used in the present invention refers to software or hardware components such as a field-programmable gate array (FPGA) or an application specific integrated circuit (ASIC). However, “wealth” is not limited to hardware and software. The “copy” may be configured to reside on an addressable storage medium and may be configured to reproduce on one or more processors. Thus, as an example, “part” refers to software components, such as object-oriented software components, class components, and task components, processes, functions, properties, procedures, subroutines, Includes segments of program code, drivers, firmware, microcode, circuits, data, databases, data structures, tables, arrays, and variables. The functionality provided within components and “parts” may be combined into smaller numbers of components and “parts” or may be separated into additional components and “parts”.

본 발명에서 사용되는 "~에 기초하여"라는 표현은, 해당 표현이 포함되는 어구 또는 문장에서 기술되는, 결정 판단의 행위 또는 동작에 영향을 주는 하나 이상의 인자를 기술하는데 사용되며, 이 표현은 결정, 판단의 행위 또는 동작에 영향을 주는 추가적인 인자를 배제하지 않는다.The expression "based on" as used in the present invention is used to describe one or more factors that influence the act or operation of a decision judgment described in the phrase or sentence containing the expression, and this expression refers to the decision , it does not exclude additional factors that influence the act or operation of judgment.

본 발명에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 경우, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수 있거나 접속될 수 있는 것으로, 또는 새로운 다른 구성요소를 매개로 하여 연결될 수 있거나 접속될 수 있는 것으로 이해되어야 한다.In the present invention, when a component is referred to as being “connected” or “connected” to another component, it means that the component can be directly connected or connected to another component, or in a new different configuration. It should be understood as something that can be connected or connected through elements.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명한다. 첨부된 도면에서, 동일하거나 대응하는 구성요소에는 동일한 참조부호가 부여되어 있다. 또한, 이하의 실시예들의 설명에 있어서, 동일하거나 대응하는 구성요소를 중복하여 기술하는 것이 생략될 수 있다. 그러나, 구성요소에 관한 기술이 생략되어도, 그러한 구성요소가 어떤 실시예에 포함되지 않는 것으로 의도되지는 않는다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the attached drawings. In the accompanying drawings, identical or corresponding components are given the same reference numerals. Additionally, in the description of the following embodiments, overlapping descriptions of identical or corresponding components may be omitted. However, even if descriptions of components are omitted, it is not intended that such components are not included in any embodiment.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 MIMO(Multiple-Input Multiple-Output) 레이더 시스템을 개략적으로 나타낸 블록도이다. 도 1을 참조하면, MIMO 레이더 시스템(100)은 복수의 안테나 모듈(110_1 내지 110_N) 및 데이터 수신 모듈(120)을 포함할 수 있다.Figure 1 is a block diagram schematically showing a Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) radar system according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, the MIMO radar system 100 may include a plurality of antenna modules 110_1 to 110_N and a data reception module 120.

복수의 안테나 모듈(110_1 내지 110_N)은 레이더 신호를 방사하고, 대상체로부터 반사되는 반사 신호를 수신할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 복수의 안테나 모듈(110_1 내지 110_N)은 레이더 신호를 동시에 방사하고, 반사 신호를 동시에 수신할 수 있다.The plurality of antenna modules 110_1 to 110_N may radiate radar signals and receive reflected signals reflected from an object. In one embodiment, the plurality of antenna modules 110_1 to 110_N may simultaneously radiate radar signals and receive reflected signals simultaneously.

다양한 실시예에 따르면, 복수의 안테나 모듈(110_1 내지 110_N)은 레이더 신호를 동시에 방사할 수 있어, 탐지 거리를 증대시킬 수 있다. 또한, 복수의 안테나 모듈(110_1 내지 110_N)은 반사 신호를 동시에 수신할 수 있어, 복수의 안테나 모듈(110_1 내지 110_N)에 대응하는 어레이(array)와 같은 효과를 얻을 수 있다. 즉, 복수의 안테나 모듈(110_1 내지 110_N)은 빔폭 및 부엽준위에 대해 안테나 모듈의 개수에 대응하는 어레이와 같은 효과를 얻을 수 있다.According to various embodiments, the plurality of antenna modules 110_1 to 110_N can simultaneously emit radar signals, thereby increasing the detection distance. Additionally, the plurality of antenna modules 110_1 to 110_N can simultaneously receive reflected signals, so that an effect similar to an array corresponding to the plurality of antenna modules 110_1 to 110_N can be obtained. That is, the plurality of antenna modules 110_1 to 110_N can achieve the same effect as an array corresponding to the number of antenna modules with respect to beam width and side lobe level.

다양한 실시예에 따르면, 복수의 안테나 모듈(110_1 내지 110_N)은 W대역(75GHz 내지 79GHz)에서 사용 가능한 안테나 모듈을 포함할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 복수의 안테나 모듈(110_1 내지 110_N)은 모듈화된 MIMO 안테나 모듈을 포함할 수 있다. 따라서, 복수의 안테나 모듈(110_1 내지 110_N)은 모듈화된 MIMO 안테나를 이용하여 용이하게 확장될 수 있다.According to various embodiments, the plurality of antenna modules 110_1 to 110_N may include antenna modules usable in the W band (75 GHz to 79 GHz). In one embodiment, the plurality of antenna modules 110_1 to 110_N may include modularized MIMO antenna modules. Accordingly, the plurality of antenna modules 110_1 to 110_N can be easily expanded using modularized MIMO antennas.

다양한 실시예에 따르면, 복수의 안테나 모듈(110_1 내지 110_N)은 수신된 반사 신호에 기초하여 ADC(Analog to Digital Conversion) 데이터를 생성할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 복수의 안테나 모듈(110_1 내지 110_N)은 반사 신호에 아날로그 디지털 변환을 수행하여 ADC 데이터를 생성할 수 있다.According to various embodiments, the plurality of antenna modules 110_1 to 110_N may generate analog to digital conversion (ADC) data based on received reflected signals. In one embodiment, the plurality of antenna modules 110_1 to 110_N may generate ADC data by performing analog-to-digital conversion on reflected signals.

데이터 수신 모듈(120)은 복수의 안테나 모듈(110_1 내지 110_N)에 연결될 수 있다. 데이터 수신 모듈(120)은 복수의 안테나 모듈(110_1 내지 110_N)에 의해 생성된 ADC 데이터를 저장하고, 저장된 ADC 데이터에 빔 포밍 처리를 수행할 수 있다.The data reception module 120 may be connected to a plurality of antenna modules 110_1 to 110_N. The data reception module 120 may store ADC data generated by the plurality of antenna modules 110_1 to 110_N and perform beam forming processing on the stored ADC data.

다양한 실시예에 따르면, 데이터 수신 모듈(120)은 LVDS(Low Voltage Differential Signaling) 방식의 수신기를 포함할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 데이터 수신 모듈(120)은 LVDS 방식의 수신기를 이용하여 복수의 안테나 모듈(110_1 내지 110_N)로부터 제공되는 ADC 데이터를 저장할 수 있다.According to various embodiments, the data reception module 120 may include a Low Voltage Differential Signaling (LVDS) type receiver. In one embodiment, the data reception module 120 may store ADC data provided from a plurality of antenna modules 110_1 to 110_N using an LVDS type receiver.

다양한 실시예에 따르면, 데이터 수신 모듈(120)은 복수의 안테나 모듈(110_1 내지 110_N)로부터 제공된 ADC 데이터를 이용하여 패턴 합성을 수행할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 데이터 수신 모듈(120)은 ADC 데이터에 대해 디지털 빔 포밍을 수행할 수 있다. 예를 들면, 데이터 수신 모듈(120)은 ADC 데이터를 모아서 디지털 빔 포밍을 수행할 수 있다. 이와 같이, ADC 데이터를 모아서 디지털 빔 포밍을 수행하는 방위각 해상도가 우수한 레이더 시스템을 용이하게 설계할 수 있다.According to various embodiments, the data reception module 120 may perform pattern synthesis using ADC data provided from a plurality of antenna modules 110_1 to 110_N. In one embodiment, the data reception module 120 may perform digital beamforming on ADC data. For example, the data reception module 120 may collect ADC data and perform digital beamforming. In this way, a radar system with excellent azimuth resolution that collects ADC data and performs digital beam forming can be easily designed.

다양한 실시예에 따르면, 데이터 수신 모듈(120)은 복수의 안테나 모듈(110_1 내지 110_N)이 동시에 레이저 신호를 송신하고, 동시에 반사 신호를 수신함으로써, 송신(Tx)의 그레이팅 로브(grating lobe) 위치가 수신(Rx)의 널(null) 위치와 완전히 겹치며 동일한 가중치에선 MIMO와 완전히 동일한 패턴의 빔을 형성할 수 있다.According to various embodiments, the data reception module 120 has a plurality of antenna modules 110_1 to 110_N simultaneously transmit laser signals and simultaneously receive reflected signals, so that the location of the grating lobe of the transmission (Tx) is It completely overlaps the null position of the reception (Rx) and can form a beam with the exact same pattern as MIMO at the same weight.

이하, 도 2 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 모듈을 설명하기로 한다. 도 2는 MIMO 안테나의 개념을 설명하기 위한 도면이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 MIMO 안테나의 개념을 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 모듈을 나타낸 도면이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 안테나 모듈을 나타낸 도면이다.Hereinafter, an antenna module according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 2 to 5. FIG. 2 is a diagram illustrating the concept of a MIMO antenna, FIG. 3 is a diagram illustrating the concept of a MIMO antenna according to an embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a diagram illustrating an antenna module according to an embodiment of the present invention. 5 is a diagram showing a plurality of antenna modules according to an embodiment of the present invention.

도 2는 MIMO 안테나의 개념을 설명하기 위한 도면으로, 방위각 동작 범위에서 그레이팅 로브가 발생하지 않는 안테나 간격을 고려하여 선택된 안테나 배열 형상을 나타낸다. 도 2를 참조하면, 수신 안테나는 2.15㎜(=d) 간격으로, 그리고 방위각 방향으로 8개 배열되어 있으며, 송신 안테나는 17.2㎜(=8×d) 간격으로 6개 배열되어 있어, MIMO 안테나의 동작 시에 등간격으로 배열된 48개의 가상 배열 안테나가 형성될 수 있다.FIG. 2 is a diagram to explain the concept of a MIMO antenna, and shows the antenna array shape selected in consideration of the antenna spacing at which no grating lobe occurs in the azimuth operating range. Referring to Figure 2, eight receiving antennas are arranged at intervals of 2.15 mm (=d) and in the azimuth direction, and six transmitting antennas are arranged at intervals of 17.2 mm (=8 × d), so that the MIMO antennas During operation, 48 virtual array antennas arranged at equal intervals can be formed.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 MIMO 안테나의 개념을 설명하기 위한 도면으로, 방위각 동작 범위(±50 degree)에서 그레이팅 로브가 발생하지 않는 안테나 간격을 고려하여 선택된 안테나 배열 형상을 나타낸다. 도 3을 참조하면, 수신 안테나는 2.15㎜(=d) 간격으로, 그리고 방위각 방향으로 4개 배열된 형상이 51.6㎜(=24*d) 간격으로 2개 배치되어 있으며, 송신 안테나는 8.6㎜(=4×d) 간격으로 6개 배열되어 있어, MIMO 안테나의 동작 시에 도 2에 도시된 바와 같은 배열 형상과 동일하게 등간격으로 배열된 48개의 가상 배열 안테나가 형성될 수 있다. Figure 3 is a diagram to explain the concept of a MIMO antenna according to an embodiment of the present invention, and shows the antenna array shape selected in consideration of the antenna spacing at which no grating lobe occurs in the azimuth operating range (±50 degrees). Referring to FIG. 3, two receiving antennas are arranged at 2.15 mm (=d) intervals, four arrays in the azimuth direction are arranged at 51.6 mm (=24*d) intervals, and the transmitting antennas are 8.6 mm ( = 4

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 모듈을 나타낸 도면이다. 도 4를 참조하면, 안테나 모듈(110_i(1≤i≤N))은 수신 안테나(410_1, 410_2), 송신 안테나(420) 및 MMIC 칩(430)을 포함할 수 있다.Figure 4 is a diagram showing an antenna module according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 4 , the antenna module 110_i (1≤i≤N) may include receiving antennas 410_1 and 410_2, a transmitting antenna 420, and an MMIC chip 430.

수신 안테나(410_1, 410_2)는 도 3에 도시된 바와 같이, 2.15㎜(=d) 간격으로, 그리고 방위각 방향으로 4개 배열된 형상이 51.6㎜(=24×d) 간격으로 2개 배치될 수 있다. 수신 안테나(410_1) 및 수신 안테나(410_2) 각각의 양 끝에 있는 안테나는 더미(dummy) 안테나(즉, 더미 채널)일 수 있다. 더미 안테나는 도 4에 도시 된 바와 같이 MMIC 칩(430)에 연결되지 않는다.As shown in FIG. 3, the receiving antennas 410_1 and 410_2 can be arranged two at intervals of 2.15 mm (=d), and four arranged in the azimuth direction at intervals of 51.6 mm (=24×d). there is. Antennas at both ends of the receiving antenna 410_1 and the receiving antenna 410_2 may be dummy antennas (i.e., dummy channels). The dummy antenna is not connected to the MMIC chip 430 as shown in FIG. 4.

송신 안테나(420)는 8.6㎜(=4×d) 간격으로 6개 배열될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 송신 안테나(420)는 가로 51.52㎜ × 세로 26.27㎜의 크기로 배열될 수 있다.Six transmitting antennas 420 may be arranged at intervals of 8.6 mm (=4 × d). In one embodiment, the transmitting antenna 420 may be arranged in a size of 51.52 mm in width x 26.27 mm in height.

MMIC 칩(430)은 수신 안테나(410) 및 송신 안테나(420)에 연결될 수 있다. MMIC 칩(430)은 수신 안테나(410_1, 410_2)로부터 제공되는 반사 신호에 대해 신호 처리를 수행하고, 송신 안테나(420)에 제공할 레이저 신호를 생성할 수 있다. 일 실시예에 있어서, MMIC 칩(430)은 상용 MMIC 칩이 이용될 수 있다.The MMIC chip 430 may be connected to the receiving antenna 410 and the transmitting antenna 420. The MMIC chip 430 may perform signal processing on reflected signals provided from the receiving antennas 410_1 and 410_2 and generate a laser signal to be provided to the transmitting antenna 420. In one embodiment, the MMIC chip 430 may be a commercially available MMIC chip.

다양한 실시예에 따르면, 안테나 모듈(110_i(1≤i≤N))은 MMIC 칩(430)을 이용하여 설계 및 제작한 마이크로스트립 안테나를 포함할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 안테나 모듈(110_i(1≤i≤N))은 2개의 MMIC 칩(430)을 이용하여 제작될 수 있다.According to various embodiments, the antenna module 110_i (1≤i≤N) may include a microstrip antenna designed and manufactured using the MMIC chip 430. In one embodiment, the antenna module 110_i (1≤i≤N) may be manufactured using two MMIC chips 430.

다양한 실시예에 따르면, 안테나 모듈(110_i(1≤i≤N))은 수신 안테나(410_1, 410_2), 송신 안테나(420) 및 MMIC 칩(430)을 포함하는 보드로 제작될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 보드는 가로 103㎜ × 세로 89㎜의 크기의 보드로 제작될 수 있다. 일반적으로, MIMO 안테나의 특성에서 그레이팅 로브를 방위각 동작 범위(±50 degree)에서 상쇄시키는 것이 중요하다. 안테나 모듈(110_i(1≤i≤N))의 보드는 송신 안테나(420)의 면적만 약 95㎜에 해당하며, 8개의 수신 안테나(410_1, 410_2)에 연결된 CPWG(Coplanar-Waveguide with Ground) 급전 선로에 대해 위상 및 손실차를 최소화하기 위해 20.5㎜로 동일하게 설계하였고, 6개의 송신 안테나(420)에 연결된 CPWG 급전 선로에 대해 28.27㎜로 동일하게 설계하였다. 송신 안테나(420)와 수신 안테나(410_1, 410_2)의 CPWG(도파관 전이 구조) 선로는 4개씩 대칭으로 설계하여 채널간 위상 및 손실 차이를 최소화하였고, 방위각 방향의 양 끝단으로 수신 안테나(410)간의 빔 패턴 차이를 줄이기 위하여 더미 안테나를 배치하였다. 따라서, 안테나 모듈(110_i(1≤i≤N))의 모듈화된 보드는 가로 103㎜ × 세로 89㎜의 크기를 가질 수 있다.According to various embodiments, the antenna module 110_i (1≤i≤N) may be manufactured as a board including receiving antennas 410_1 and 410_2, a transmitting antenna 420, and an MMIC chip 430. In one embodiment, the board may be manufactured with a size of 103 mm in width x 89 mm in height. Generally, in the characteristics of MIMO antennas, it is important to offset the grating lobes in the azimuth operating range (±50 degrees). The board of the antenna module (110_i (1≤i≤N)) corresponds to the area of the transmitting antenna (420) of about 95 mm, and the CPWG (Coplanar-Waveguide with Ground) feed connected to the eight receiving antennas (410_1, 410_2) To minimize the phase and loss difference for the line, it was designed to be the same at 20.5 mm, and for the CPWG feed line connected to the six transmission antennas 420, it was designed to be the same at 28.27 mm. Four CPWG (waveguide transition structure) lines of the transmitting antenna 420 and the receiving antennas 410_1 and 410_2 were designed symmetrically to minimize phase and loss differences between channels, and the distance between the receiving antennas 410 at both ends in the azimuth direction was designed symmetrically. A dummy antenna was placed to reduce beam pattern differences. Accordingly, the modularized board of the antenna module 110_i (1 ≤ i ≤ N) may have a size of 103 mm in width x 89 mm in height.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 안테나 모듈을 나타낸 도면이다. 도 5를 참조하면, 복수의 안테나 모듈(110_1 내지 110_N)은 안테나 모듈(110_i(1≤i≤N))을 N개 확장한 것을 나타내며, MIMO 개념을 갖는 안테나를 포함할 수 있다. 복수의 안테나 모듈(110_1 내지 110_N) 각각의 안테나는 6개의 송신 채널과 8개의 수신 채널을 갖는 안테나를 포함할 수 있으며, 48 채널의 빔 특성을 보유한 안테나를 포함할 수 있다. 따라서, 복수의 안테나 모듈(110_1 내지 110_N)은 48 채널 × N(N은 안테나 모듈의 개수) 채널의 빔 특성을 가질 수 있다.Figure 5 is a diagram showing a plurality of antenna modules according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 5, the plurality of antenna modules 110_1 to 110_N represent N extensions of the antenna module 110_i (1≤i≤N), and may include antennas with a MIMO concept. Each antenna of the plurality of antenna modules 110_1 to 110_N may include an antenna having 6 transmission channels and 8 reception channels, and may include an antenna having beam characteristics of 48 channels. Accordingly, the plurality of antenna modules 110_1 to 110_N may have beam characteristics of 48 channels × N (N is the number of antenna modules) channels.

일 실시예에 있어서, 복수의 안테나 모듈(110_1 내지 110_N) 각각은 103㎜의 가로 크기와 89㎜의 세로 크기를 가지며, 송신과 수신의 분리 구조를 통해 MIMO 개념을 도입할 수 있다.In one embodiment, each of the plurality of antenna modules 110_1 to 110_N has a horizontal size of 103 mm and a vertical size of 89 mm, and the MIMO concept can be introduced through a transmission and reception separation structure.

본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 안테나 모듈(110_1 내지 110_N)의 채널은 단일 안테나 모듈(110_i(1≤i≤N))의 채널을 안테나 모듈의 개수만큼 확장시킨 구조를 가질 수 있다. 구체적으로, 종래의 일반적인 MIMO 개념에서는 단일 안테나 모듈에 6개의 송신 채널과 8개의 수신 채널에 해당하는 48 채널의 가상 배열이 생성되고, 2개의 안테나 모듈을 MIMO 개념에서 사용하게 되면 12개의 송신 채널과 16개의 수신 채널에 해당하는 192 채널의 가상 배열이 생성된다. 그러나, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 단일 안테나 모듈에 대해 48 채널의 가상 배열이 생성되고, 2개의 안테나 모듈에 대해 96채널(48채널 + 48채널)의 가상 배열이 생성될 수 있다. 즉, 본 발명에 일 실시예에 따르면, 안테나 모듈이 1개씩 확장될 때마다, 48채널씩 확장되는 구조를 가질 수 있다. 따라서, 안테나 모듈을 4개 확장시키면, 192채널의 가상 배열과 같은 빔폭 및 부엽준위가 획득될 수 있고, 송신 출력 입장에서 3dB 증가된 효과가 있다.The channels of the plurality of antenna modules 110_1 to 110_N according to an embodiment of the present invention may have a structure in which the channel of the single antenna module 110_i (1≤i≤N) is expanded by the number of antenna modules. Specifically, in the conventional general MIMO concept, a virtual array of 48 channels corresponding to 6 transmission channels and 8 reception channels is created in a single antenna module, and when two antenna modules are used in the MIMO concept, 12 transmission channels and A virtual array of 192 channels corresponding to 16 receiving channels is created. However, according to one embodiment of the present invention, a virtual array of 48 channels can be created for a single antenna module, and a virtual array of 96 channels (48 channels + 48 channels) can be created for two antenna modules. That is, according to one embodiment of the present invention, each time the antenna module is expanded, it can have a structure in which 48 channels are expanded. Therefore, by expanding four antenna modules, the same beamwidth and sidelobe level as a virtual array of 192 channels can be obtained, and there is an effect of increasing the transmission output by 3dB.

이와 같이, 안테나 모듈을 복수개로 확장함으로써, 안테나 이득을 증대시킬 수 있을 뿐만 아니라, 방위각 빔폭의 감소를 통한 방위각 방향의 고해상도 레이더를 설계할 수 있다. 따라서, 안테나 송수신 이득이 증가함에 따라 탐지 거리가 증대될 수 있다.In this way, by expanding the antenna module to a plurality, not only can the antenna gain be increased, but it is also possible to design a high-resolution radar in the azimuth direction by reducing the azimuth beamwidth. Therefore, as the antenna transmission/reception gain increases, the detection distance can be increased.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 모듈화된 MIMO 안테나 모듈을 가로로 확장하기만 하면 방위각 동작 범위(±50 degree) 이내에서 이득은 증가하고 부엽준위도 향상되며 빔폭도 좁아져서, 장거리 및 고해상도의 레이더를 제작할 수 있는 효과를 갖는다.According to one embodiment of the present invention, simply by expanding the modularized MIMO antenna module horizontally, the gain is increased within the azimuth operating range (±50 degrees), the sidelobe level is improved, and the beam width is narrowed, enabling long-range and high-resolution radar. It has the effect of being able to produce.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 모듈을 1개 배열한 경우의 특성을 나타낸 도면이다. 도 6을 참조하면, 안테나 모듈(110_1)에 대한 송수신 패턴은 24.23의 이득을 갖는다. 또한, 안테나 모듈(110_1)은 레이저 신호를 송수신한 경우, 48.57의 이득과 -13.20의 부엽준위 특성을 가지며, 2-way 2.62 degree의 빔폭을 갖는다.Figure 6 is a diagram showing characteristics when one antenna module is arranged according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 6, the transmission/reception pattern for the antenna module 110_1 has a gain of 24.23. In addition, when transmitting and receiving a laser signal, the antenna module 110_1 has a gain of 48.57, a sidelobe level characteristic of -13.20, and a 2-way beam width of 2.62 degrees.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 모듈을 가로 방향으로 4개 배열한 경우의 빔 특성을 나타낸 도면이다. 도 7을 참조하면, 복수의 안테나 모듈(110_1 내지 110_4)에 대한 송신 이득은 30.34dBi이며, 수신 이득은 30.23dBi이다. 복수의 안테나 모듈(110_1 내지 110_4)은 레이저 신호를 송수신한 경우, 60.57의 이득과 -23.70의 부엽준위 특성을 가지며, 2-way 0.49 degree의 빔폭을 가질 수 있다. 이는 안테나 모듈을 1개 배치한 구성과 대비하여 가로 길이 방향으로 크기가 4배 증대하였고, 이득은 12dB 증가하였으며, 빔폭은 5배 이상 좁아짐에 따라, 양호한 방위각 해상도를 보유할 수 있다.Figure 7 is a diagram showing beam characteristics when four antenna modules are arranged in the horizontal direction according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 7, the transmission gain for the plurality of antenna modules 110_1 to 110_4 is 30.34dBi, and the reception gain is 30.23dBi. When transmitting and receiving a laser signal, the plurality of antenna modules 110_1 to 110_4 have a gain of 60.57 and a side lobe level characteristic of -23.70, and may have a 2-way beam width of 0.49 degrees. Compared to a configuration in which a single antenna module is placed, the size is increased by 4 times in the horizontal and longitudinal directions, the gain is increased by 12 dB, and the beam width is narrowed by more than 5 times, enabling good azimuth resolution.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 모듈을 가로 방향으로 8개 배열한 경우의 빔 특성을 나타낸 도면이다. 도 8을 참조하면, 복수의 안테나 모듈(110_1 내지 110_8)에 대한 송신 이득은 33.34dBi이며, 수신 이득은 33.23dBi이다. 또한, 레이저 신호를 송수신한 경우, 66.57의 이득과 -26.06의 부엽준위 특성을 가지며, 빔폭은 2-way 0.24 degree를 갖는다. 이는 안테나 모듈을 4개 배열한 구성과 대비하여 가로 길이 방향으로 크기가 2배 증대되었고, 이득은 6dB 증가하였으며, 빔폭은 2배 이상 좁아짐에 따라, 양호한 방위각 해상도를 보유할 수 있다.Figure 8 is a diagram showing beam characteristics when eight antenna modules are arranged in the horizontal direction according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 8, the transmission gain for the plurality of antenna modules 110_1 to 110_8 is 33.34dBi, and the reception gain is 33.23dBi. In addition, when transmitting and receiving a laser signal, it has a gain of 66.57 and a side lobe level characteristic of -26.06, and the beam width is 2-way 0.24 degrees. Compared to a configuration in which four antenna modules are arranged, the size is doubled in the horizontal and longitudinal directions, the gain is increased by 6 dB, and the beam width is narrowed by more than two times, enabling good azimuth resolution.

이와 같이, 안테나 모듈이 짝수개로 확장됨에 따라 6dB씩 이득이 증가하며, 레이더 탐지 거리는 이론적으로 동일 조건에서 30% 증가할 수 있으며, 빔폭은 2배 이상씩 좁아져서, 고해상도의 방위각을 획득할 수 있는 조건을 가질 수 있다.In this way, as the antenna modules are expanded to an even number, the gain increases by 6 dB, the radar detection distance can theoretically increase by 30% under the same conditions, and the beam width becomes narrower by more than two times, enabling high-resolution azimuth angles to be obtained. There can be conditions.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 단순히 확장 가능한 안테나 모듈을 이용하여 다양한 플랫폼의 목적에 부합하는 레이더 설계 시에 활용도가 증대될 수 있으며, 단순한 확장만으로도 높은 이득과 높은 방위각 분해능의 레이더를 설계 가능한 장점을 갖는다.According to one embodiment of the present invention, the utility can be increased when designing a radar that meets the purpose of various platforms by simply using an expandable antenna module, and the advantage is that a radar with high gain and high azimuth resolution can be designed just by simple expansion. has

이상 일부 실시예들과 첨부된 도면에 도시된 예에 의해 본 발명의 기술적 사상이 설명되었지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 이해할 수 있는 본 발명의 기술적 사상 및 범위를 벗어나지 않는 범위에서 다양한 치환, 변형 및 변경이 이루어질 수 있다는 점을 알아야 할 것이다. 또한, 그러한 치환, 변형 및 변경은 첨부된 청구범위 내에 속하는 것으로 생각되어야 한다.Although the technical idea of the present invention has been explained through some embodiments and examples shown in the accompanying drawings, it does not go beyond the technical idea and scope of the present invention that can be understood by a person skilled in the art to which the present invention pertains. It should be noted that various substitutions, modifications and changes may be made within the scope. Furthermore, such substitutions, modifications and alterations are intended to fall within the scope of the appended claims.

100: MIMO 레이더 시스템, 110_1 내지 110_N: 안테나 모듈, 120: 데이터 수신 모듈, 410_1, 410_2: 420: 송신 안테나, 430: MMIC 칩100: MIMO radar system, 110_1 to 110_N: antenna module, 120: data reception module, 410_1, 410_2: 420: transmit antenna, 430: MMIC chip

Claims

As a MIMO radar system,
A plurality of antenna modules that simultaneously radiate laser signals and simultaneously receive reflected signals reflected from an object to generate ADC (Analog to Digital Conversion) data; and
A data receiving module connected to the plurality of antenna modules, storing the ADC data, and performing beamforming processing on the ADC data.
Including,
A MIMO radar system wherein the plurality of antenna modules are arranged and expanded in the horizontal direction.

The method of claim 1, wherein each of the plurality of antenna modules
a receiving antenna that receives the reflected signal;
a transmitting antenna that radiates the laser signal; and
MMIC chip connected to the receiving antenna and the transmitting antenna
A MIMO radar system manufactured with a board containing.

The MIMO radar system of claim 2, wherein the board has a size of 103 mm in width x 89 mm in height.

The MIMO radar system according to claim 2, wherein four receiving antennas are arranged in the azimuth direction at a first preset interval and two are arranged at a second preset interval.

5. The MIMO radar system of claim 4, wherein the first preset spacing comprises 2.15 mm and the second preset spacing comprises 51.6 mm.

The MIMO radar system of claim 4, wherein the receiving antennas are located at both ends and include dummy antennas that are not connected to the MMIC chip.

The MIMO radar system of claim 2, wherein six transmitting antennas are arranged at a third preset interval.

8. The MIMO radar system of claim 7, wherein the third preset spacing includes 8.6 mm.

The MIMO radar system of claim 7, wherein the plurality of antenna modules are expanded to an even number.

As an antenna module,
A transmitting antenna that radiates a laser signal;
a receiving antenna that receives a reflected signal reflected by an object; and
MMIC chip connected to the receiving antenna and the transmitting antenna
An antenna module containing a.

The antenna module of claim 10, wherein the antenna module is manufactured from a board having a size of 103 mm in width x 89 mm in height.

The antenna module of claim 10, wherein four receiving antennas are arranged in the azimuth direction at a first preset interval and two are arranged at a second preset interval.

13. The antenna module of claim 12, wherein the first preset spacing comprises 2.15 mm and the second preset spacing comprises 51.6 mm.

The antenna module of claim 12, wherein the receiving antennas include dummy antennas located at both ends and not connected to the MMIC chip.

The antenna module of claim 12, wherein six transmitting antennas are arranged at a third preset interval.

16. The antenna module of claim 15, wherein the third preset spacing comprises 8.6 mm.