KR100423820B1 - 모노스태틱에프엠시더블유레이더센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 의하면, 적어도 하나의 안테나 피드가 유전체렌즈와 접속되어서 상응하는 에코신호를 송신하거나 수신하도록으로 실현되고, 물체를 검출하기 위한 차량용 모노스태틱 FMCW 레이더 센서가 제안된다. 적어도 하나의 안테나 피드는 랫레이스 링 또는 이중 랫레이스 링을 거쳐서 링 혼합기에 접속되어 있으므로 번잡한 서큘레이터를 생략할 수가 있다. 고주파 구조는 유리하게는 평면 마이크로도체 스트립 기술에서 실현된다. 복수의 송수신 안테나는 하나의 공통 렌즈를 거쳐서 집속되고 있다.

Description

모노스태틱 에프엠시더블유 레이더센서
유럽 특허 출원 공개 제 498542호 공보에는 분리된 송신 및 수신 안테나를 사용하는 바이스태틱(bistatic) FMCW 레이더센서가 공지되어 있다. 이 장치에서는 고가인 서큘레이터를 사용하지 않는다. 그러나, 이 센서에서는 2개의 유전 렌즈를 구비한 송신 및 수신을 위한 별개의 안테나가 필요하다는 것이 단점이다. 따라서,비용이 높아진다.
본 발명은 독립 청구항의 전제부에 따른 물체를 검출하기 위한 차량용 FMCW(주파수 변조 연속파) 레이더센서에서 것이다. FMCW 레이더센서에 대해서 송신 및 수신을 위해 하나의 공통 안테나를 사용하는 것은 이미 공지되어 있다. 송신신호 및 수신신호의 분리는 도파관(waveguide) 기술에 의해 제조되는 서큘레이터(circulator)를 사용해서 행해진다. 이러한 기술은 매우 고가이므로 특별한 경우에만 사용이 가능하며 간단한 차량용으로는 사용할 수 없다.
도 1은 나란히 위치된 3 개의 방사 로브(radiating lobes)를 구비한 FMCW 레이더 센서 하우징을 도시하는 도면.
도 2는 모노스태틱(monostatic; 단일경로 방식) 센서로서의 FMCW 레이더 센서의 단면도.
도 3은 안정화 회로망의 파형도.
도 4는 레이더 센서 장치의 기능을 나타낸 블록도.
상기와는 달리, 하나 이상의 물체를 검출하기 위한 본 발명에 따른 차량용 FMCW 레이더센서는 송신 및 수신을 위해 동일한 안테나를 사용할 수 있다는 장점을 갖는다. 또한, 송신신호 및 수신신호를 분리하기 위한 고가의 서큘레이터가 불필요하기 때문에, FMCW 레이더센서의 구성이 간단해진다. 또한, 마이크로 도체 스트립 기술에 의해 그 구성이 매우 저렴해진다는 것도 장점이다. 안테나의 번잡한 조정작업도 생략된다.
특허청구범위 제1항에 기재된 FMCW 레이더센서의 유리한 개선은 종속청구항에 제시된 특징에 의해 가능해진다. 유전 폴리로드 안테나(dielectric polyrod antenna)에 의해, 송신 및 수신시의 렌즈의 조사(illumination)특성이 개선되는 것은 특히 유리하다.
렌즈는 유리하게는 타원형이므로, 특히 최적의 안테나 어레이에서 렌즈가 완전하게 조사된다. 따라서, 목표물이 항상 안테나의 방사 범위 내에 존재하기 때문에, 차량이 심하게 요동하더라도 목표물을 잃는 일이 없게 된다.
나란히 설치되어 있는 안테나(안테나 피드; antenna feeds)가 렌즈 축선에 대해서 대략 45° 각도만큼 회전됨으로써, 도로 위에서 반대 방향으로 다가오는 차량과 구별해야 하는 물체의 분리가 간단히 이루어진다. 이와는 달리, 3개의 안테나 피드를 갖는 실시예에서는 안테나 피드를 분리하기 위해, 중간의 안테나 피드를 바람직하게는 약 135° 만큼 회전시켜서 설치할 수가 있다.
또한, 건 발진기(Gunn oscillator)를 탭핑 트랜스를 거쳐서 도파관 평면에서 마이크로 스트립 평면으로 절환(switching)하는 것이 유리하다. 이에 따라 고주파신호의 간단한 결합이 행해진다.
평균 송신출력을 감소시키기 위해, 송신출력은 램프함수(ramp function)의 종료 후에 소멸될 수 있다. 그후, 건 발진기는 램프시간 중에만 그 주파수가 선형으로 변화된다.
또한, 특히 멀티램프 방법에 있어서, 다양한 거리에 위치된 물체가 보다 용이하게 검출될 수 있도록, 램프 함수를 사다리꼴 또는 삼각형으로 실현하는 것이 유리하다.
평가 회로의 사용에 의해, 차량속도, 거리 및 주행각도 뿐만 아니라 검출된 물체에 대한 상대적인 거리도 결정될 수 있다.
FMCW 레이더센서를 밀폐된 하우징에 내장시킴으로써, 민감한 소자를 먼지 및 습기와 같은 외부 영향으로부터 보호할 수 있다. 온도 변동으로부터 발생하는 압력차를 보상하기 위해, 바람직하게는 하우징의 외벽에 설치되는 압력보상 소자가 제공된다. 따라서, 일정한 내압이 형성되어, 하우징 내에 이슬이 형성되지 않는다.
FMCW 레이더센서의 유리한 용도는 센서가 주행속도 제어기와 함께 사용될 경우의 거리측정이고, 한편 차량의 파킹 보조장치로서도 사용된다.
본 발명의 실시예는 도면에 도시되며, 하기에 보다 상세하게 설명된다.
도 1은 나란히 위치된 3개의 방사 로브를 구비한 FMCW 레이더 센서의 하우징(10)을 도시하고 있다. 방사 로브는 부분적으로 겹칠 수가 있고 물체를 검출 할 수 있는 액티브 영역을 형성한다. 따라서, 차량에 사용되는 경우 복수의 물체를 동시에 검출할 수가 있다. 그때, 물체가 차량의 주행방향으로 주행하는가, 주행로의 가장자리에 정지하고 있는가 또는 마주달려오는가를 구별할 수가 있다. 대안으로서, 선박에서도 그에 상응하는 용도로 사용이 가능하다.
도 2에는 모노스태틱 센서로서의 FMCW 레이더 센서의 단면도가 도시되어 있다. 하우징(10)은 유리하게는 밀폐되어 있고 일측에 유전 렌즈(9)용 개구가 제공되어 있다. 벽의 적당한 지점 즉, 하우징(10)의 주위 또는 바닥에 압력 보상 소자(13)가 설치되어 있다. 하우징(10)의 내부에 기판(8)이 제공되어 있고, 그 기판의 중간 영역에는, 하나 이상의, 양호하게는 3개의 나란히 배치된 송수신 안테나 피드(2, 3, 4)가 공통 렌즈에 대해 마이크로도체스트립 기술로 구현되어 있다. 안테나 피드(2, 3, 4)는 안테나 피드 어레이, 소위 패치 어레이로서도 구현할 수 있다. 빔 집중을 위해, 유전 폴리로드 안테나(S)를 적어도 하나의 안테나 피드(2, 3, 4)에 부가로 부착시킬 수가 있다. 또한, 안정화 회로망(7)이 제공되어 있다. 이 안정화 회로망에 의해 건 발진기(5)의 주파수가 멀티램프 방법에 대해서 선형화되어 안정화된다. 건 발진기(5)와 마이크로스트립 도체(1) 사이에 탭핑 트랜스(6)가 제공되어 있다. 상기 트랜스는 도파관 기술로 제조된 건 발진기(5)의 고주파를 래터럴 마이크로스트립 도체(1)의 구조에 전송한다. 이 구조는 기판(8)에 의해 지지된다. 송신신호 및 수신신호를 평가하는 평가회로(11)가 기판(8)의 아래에 배치되어 있다. 평가회로(11)의 아래에는 접속면(12)이 제공되어 있고, 이 접속면을 거쳐서, 다양한 신호가 도시되지 않은 플러그 커넥터 또는 라인에 대해 외부로 전송된다.
송수신 안테나 피드(2, 3, 4)는 이들이 유전 렌즈(9)의 빔 경로 내에 위치되도록 거의 중앙에 배치되어 있다. 보다 양호한 정합을 위해, 유전 렌즈(9)는 타원형으로 구현되어 있다. 빔의 확산은 대략 좌측을 L로, 가운데를 M으로, 그리고 우측을 R로 도시하고 있다. 안테나의 설치 및 유전 렌즈(9)의 초점거리에 의해, 도 1에 도시되어 있는 바와 같이 다양한 전자기 전파 로브가 주어진다.
이러한 어레이의 작동 모드는 도 3 및 도 4를 참조로 하기에 상세히 설명된다. 건 발진기(5)는 안정화 회로망(7)에 의해 제어된다. 안정화 회로망(7)은 도 3의 파형도로 도시되어 있는 바와 같이 예를 들어, 4개의 에지를 구비한 멀티램프 방법에 따라 도시되는 주파수 경로를 가진 주파수 응답 곡선을 규정하는 주파수 제어기가 구비된 선형화 회로망을 포함하고 있다. 멀티빔 방법에 의해, 물체, 예컨대 선회중인 차량의 래터럴 위치 결정도 가능해진다. 빔을 기계적으로 선회시킬 필요가 없게된다.
대안으로서, 평균 에너지 소비를 절감하기 위해, 사다리꼴 주파수 응답이 종료될 때, 건 발진기(5)의 송신출력이 소멸될 수 있다. 그후, 새로운 측정을 위해 이러한 단계가 반복된다. 또한, 주파수 경로가 삼각형으로 이루어져서 사다리꼴 형상의 두 에지에서의 정점이 생략될 수도 있다. 이러한 제어는 유리하게는, 일반적으로 VCO 발생기로서 공지되어 있는 전압 제어 주파수 발생기에 의해 행해진다. 통상적으로, 건 발진기(5)는 도파관 기술에 의해 제조된다. 그 출력부는 마이크로스트립 도체(1)의 래터럴 구조의 입력부(52)에 결합되어 있다. 밀리미터파(millimeter waves)는 적절한 도선을 통해 3개의 병렬 접속된 랫레이스 링(43;rat-race ring)과 그 링에 접속되어 있는 송수신 안테나 피드(2, 3, 4), 소위 패치 또는 패치 어레이에 결합된다. 패치전에, 유전 렌즈(9)의 보다 양호한 조사를 실현하기 위해 유전 폴리로드 안테나(S)가 부가로 제공될 수도 있다. 또한, 복수의 패치를 하나의 어레이 형태로 배치함으로써 렌즈(9)의 보다 양호한 조사가 실현된다.
또한, 랫레이스 링(43)은 이중 랫레이스 링(double rat-race ring)으로서 구현될 수도 있다. 이들은 송수신 안테나(2, 3, 4)가 결합되어 있는 래터럴 링으로서 마이크로스트립 도체 기술로 실현되어 있다. 이들은 송수신 신호의 분리 및 혼합을 위해 사용된다. 패치 어레이의 3개의 송수신 안테나는 각각 하나의 랫레이스 링(43)에 접속되어 있다. 3개의 송수신 안테나(2, 3, 4)에서 방사되는 레이더 빔은 예를 들어, 앞에서 주행하는 차량에 의해 반사되고, 렌즈(9)에 의해 다시 송수신 안테나(2, 3, 4)에 집속된다. 신호는 3개의 랫레이스 링(43) 및 링 혼합기(44)를 거쳐서 후속 신호 처리를 위해 3개의 출력부(53)에 이른다. 링 혼합기(44)를 거쳐서, 건 발진기(5)의 에너지의 일부가 분기되고, 베이스 밴드로 복귀해 혼합된다. 건 발진기(5)의 주파수는 법적인 규정에 따른다. 그것은 예를 들어, 76 내지 77GHz의 주파수대에 있다. 이 주파수대에서는, 전자기 발진의 약간의 대기 감쇄만이 일어나므로, 낮은 신호 레벨에서도 약 150m의 충분한 범위가 얻어진다. 멀티램프 방법이 사용될 때 건 발진기의 주파수의 선형화는 공지되어 있으므로 추가 설명은 생략한다. 또한, 주파수 상승의 선형화는 회로 기술적으로 주파수 조정 루프에서 행해질 수 있다. 대안으로서, 힐버트 변환(Hilbert transformation)을 사용해서, 선 형성 편차 및 램프함수의 상응하는 보정이 결정될 수 있다. 이 방법은 예를 들어, 독일 특허 출원 공개 제 40 40 572호에 공지되어 있다.
마이크로스트립 도체(1)의 구조의 3개의 출력부(53)에 나타나는 개별 송신 안테나(2, 3, 4)의 하향 혼합된 수신신호는 유리하게는 3개의 별도 채널에서 평가된다. 그 이유는 이들 신호가 검출된 물체를 가진 여러 수신 로브에 상응하기 때문이다. 이를 위해, 기판(8)에서 신호가 먼저 증폭기(46)를 통해 증폭되고, 저역 필터(47)에서 필터링되고, 후속 접속된 가중치 처리 필터(48)에서, 거리에 따른 수신신호의 진폭 강하가 보상되도록 변화된다. A/D 변환기(49)에서의 A/D 변환 후, 평가부(50)에서 고속 푸리에 변환(fast Fourier transform)에 따라서 신호평가가 행해진다. 이것은 유리하게는 적절한 제어 프로그램을 사용하여 컴퓨터에서 행해진다. 송신되는 파와 동시에 수신되는 파간의 주파수 차이로부터 하나 이상의 물체에 대한 거리가 계산된다. 물체의 속도는 도 3에 도시된 바와 같이, 상승 에지와 하강 에지 동안 주파수 차이 간의 차이로부터 계산된다. 생성된 3개의 스펙트럼의 진폭평가에 의해, 위치 검출 영역에 존재하는 모든 물체의 각도 위치의 래터럴 분해능이 계산된다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, AD 변환기, 신호 프로세서, 필터 및 증폭기를 사용자 고유의 회로, 즉 ASIC로서 실현하도록 하고 있다. 이 경우,평가회로(11)는 마이크로스트립 도체(1)와는 분리되어 기판(8)에 배치된다. 평가부(50)의 출력측에 버스(51) 예를 들어, CAN 버스(computer area network bus)가 제공되고, 이것을 거쳐서 구해진 값이 적절한 장치 예를 들어, 차량의 디스플레이 또는 제어장치에 전송된다. 버스(51)에 대한 접속은 도 2에 도시된 바와 같이 접속면(12)에서 행해진다.
특히, FMCW 레이더 센서를 주행속도 제어기 및/또는 파킹 보조장치의 제어를 위해 사용한다.

Claims (18)

  1. 하나 또는 그 이상의 물체들을 검출하기 위한 차량용 FMCW 레이더 센서(Frequency Modulated Continuous Wave radar sensor)에 있어서,
    하우징과,
    건 발진기(Gunn oscillator)와,
    전자기 밀리미터 파들에 대해 유전체 렌즈와 정렬되고, 대응 에코 신호의 송수신을 위해 구현되는 적어도 하나의 안테나와,
    평가 회로와,
    링 혼합기와,
    상기 링 혼합기에 상기 적어도 하나의 안테나를 접속하는 랫레이스 링(rat-race ring)과,
    상기 적어도 하나의 안테나와 상기 렌즈 사이에 배치된 유전체 폴리로드 안테나(dielectric polyrod antenna)를 포함하고,
    상기 랫레이스 링 및 상기 링 혼합기로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나의 소자와 상기 적어도 하나의 안테나는 평면 마이크로스트립 형태(planar microstrip form)로 구현되는 FMCW 레이더 센서.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 안테나는 3개의 안테나들로 구성되는 FMCW 레이더 센서.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 랫레이스 링은 이중 랫레이스 링인 FMCW 레이더 센서.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 안테나는 안테나 배열로서 구현되는 FMCW 레이더 센서.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 안테나 배열은 타원형 렌즈를 조사하기 위해 형성되는 FMCW 레이더 센서.
  6. 제 2항에 있어서, 상기 안테나들 중 서로 인접하는 안테나들은 상기 렌즈의 중심축으로부터 약 45° 각도로 회전되는 FMCW 레이더 센서.
  7. 제 2 항에 있어서, 상기 3개의 안테나 중 중간의 안테나는 상기 렌즈의 중심축으로부터 약 125° 각도로 회전되는 FMCW 레이더 센서.
  8. 제 1 항에 있어서, 도파관 평면(wave guide plane)으로부터 상기 마이크로스트립 평면까지 상기 건 발진기의 송신 에너지가 결합되는 탭핑 트랜스(tapping transformer)를 더 포함하는 FMCW 레이더 센서.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 건 발진기는 램프 함수의 종료 후에 소멸될 수 있는(blankable) FMCW 레이더 센서.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 램프 함수는 사다리꼴(trapezoidal)로 구현되는 FMCW 레이더 센서.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 램프 함수는 삼각형으로 구현되는 FMCW 레이더 센서.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 평가 회로는 도플러 이동을 고려하여 송신 주파수들과 수신 주파수들을 비교하도록 형성되고, 상기 비교로부터 검출된 물체들로부터의 상대적인 거리가 결정되는 FMCW 레이더 센서.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 하우징은 밀폐(hermetically sealed)되는 FMCW 레이더 센서.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 하우징은 외벽을 구비하고, 그 외벽상에 압력 보상 소자가 제공되는 FMCW 레이더 센서.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 FMCW 레이더 센서는 주행 속도 제어기를 제어하는데사용될 수 있도록 형성되는 FMCW 레이더 센서.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 FMCW 레이더 센서는 파킹 보조(parking aide)를 제어하는데 사용될 수 있도록 형성되는 FMCW 레이더 센서.
  17. 하나 또는 그 이상의 물체들을 검출하기 위한 차량용 FMCW 레이더 센서에 있어서,
    하우징과,
    건 발진기와,
    전자기 밀리미터 파들에 대해 유전체와 정렬되며, 대응 에코 신호의 송수신을 위해 구현되는 적어도 하나의 안테나와,
    평가 회로와,
    링 혼합기와,
    상기 링 혼합기에 상기 적어도 하나의 안테나를 접속하며, T/R 다이플렉서(T/R diplexer)로서 형성되는 랫레이스 링을 포함하고,
    상기 랫레이스 링 및 상기 링 혼합기로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나의 소자와 상기 적어도 하나의 안테나는 평면 마이크로스트립 형태로 구현되는 FMCW 레이더 센서.
  18. 하나 또는 그 이상의 물체들을 검출하기 위한 차량용 FMCW 레이더 센서에 있어서,
    하우징과,
    건 발진기와,
    전자기 밀리미터 파들에 대해 유전체와 정렬되며, 대응 에코 신호의 송수신을 위해 구현되는 적어도 하나의 안테나와,
    평가 회로와,
    링 혼합기와,
    상기 링 혼합기에 상기 적어도 하나의 안테나를 접속하는 이중 랫레이스 링(double rat-race ring)을 포함하고,
    상기 이중 랫레이스 링 및 상기 링 혼합기로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나의 소자와 상기 적어도 하나의 안테나는 평면 마이크로스트립 형태로 구현되고, 상기 이중 랫레이스 링은 상기 혼합기용으로 제공된 하나의 랫레이스링과 다이플렉서용으로 제공된 다른 랫레이스 링을 갖는 FMCW 레이더 센서.
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