KR100597816B1 - 차량용레이더센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 안테나 어레이가 집속 수단과 세 개 이상의 본래의 여자기 소자(311, 321, 331)로 구성되는 차량용 레이더 센서에 관한 것이다. 이 세 개의 여자기 소자는 집속 수단과 함께 부분적으로 중복되는 세 개 이상의 안테나 로브를 형성하고, 레이더 센서의 첫 번째 송신 회로 및/또는 수신 회로(313)와 접속 및 해체 가능하게 또는 영구적인 결합이 가능하게 결합된다. 여기에, 하나 이상의 여자기 소자(312, 332)가 추가되며, 이 여자기 소자(312, 332)는 본래의 여자기 소자들 중 하나에 직접적으로 병렬 접속되고, 이 두 여자기 소자가 신호를 동일한 송신 회로로부터 공동으로 받거나 동일한 수신 회로에 공동으로 발신한다. 본 발명에 따른 이같은 배치를 통해 레이더 센서의 안테나 패턴에 주 로브의 견부형 돌출부(shoulder-like protrusion)를 형성할 수 있고, 이 견부형 돌출부가 특히 가까운 범위에서 관측가능 각도를 확대시키기 때문에 바람직하다.

Description

차량용 레이더 센서{Motor vehicle radar sensor}
본 발명은 특히, 자동 간격 경보 시스템 또는 적응성 차속 규제 시스템 분야의 차량 레이더 센서에 관한 것이다.
PCT 국제 출원 제 97/02496 호에 레이더 센서가 기술되어 있다. 이 문헌은 하나 이상의 안테나 궤전선이 유전체 렌즈와 연계되어 대응 반사파 신호를 송수신하는 정압 주파수 변조 지속파 레이더 센서(monostatic FMCW-radar sensor)에 관해 설명하고 있다. 한 실시예에 따르면 이 레이더 센서에는 각각 송신과 수신에 이용되는 세 개의 안테나 궤전선이 있다. 송수신을 위해 각각의 안테나 궤전선은 송신/수신 다이플렉서를 거쳐 바로 다음의 송신 내지 수신 회로와 연결된다. 송신/ 수신 다이플렉서는 링 커플러(ring coupler)의 형태로 구현된다. 여기서 설명된 레이더 센서는 검출된 레이더 목표물의 각도를 규정하는데 적합한 3빔 레이더 센서(three beam radar sensor)이다.
그러나, 레이더 센서를 개발하는 과정에서 하기와 같은 문제점이 나타나기 시작했다. 검출된 대상이 속하는 각각의 차선을 식별하기 위해 필요한 각도 분해능(angular resolution)에 도달하려면 각각의 안테나 궤전선에 속한 안테나 로브가 비교적 좁아야 한다. 그러나, 여기에는 가령 한 대의 차량이 인접한 차선에서 비교적 가까운 거리에서 이같은 레이더 센서를 장착한 차량의 앞을 달릴 경우 이 앞서 가는 차량을 검출하기가 매우 어렵거나 아예 검출하지 못하는 단점이 있다. 가령 관측가능 각도가 ±5˚인 레이더 센서로는 인접한 차선에서 측면으로 1m의 거리를 두고 나란히 달리는 차량은 15m의 거리에서야 비로소 검출할 수 있게 된다. 따라서, 이같은 레이더 센서와 가까운 범위에서는 관측가능 각도를 확대하는 것이 바람직하다. 이를 위해 여러 가지 방법을 생각해 볼 수 있지만, 모두 단점이 따른다. 안테나 로브를 넓혀서 관측가능 각도를 크게 하면 각도 분해능이 떨어지고 검출 범위가 축소될 것이다. 이에 비해 몇 개의 안테나 로브를 추가하면 신호 처리 회로도 추가해야 하기 때문에 비용이 많이 소요된다. 안테나 로브를 추가하지 않고 기존 안테나 로브의 방향을 기계적 혹은 전자공학적으로 조정하는 경우에도 마찬가지이다. 소위 파형 수정 렌즈(shaped lens)를 사용하는 것도 한 가지 방법이다. 이 경우 렌즈의 표면을 적절하게 만들어서 안테나 패턴을 변화시킬 수 있다. 그러나, 이같은 렌즈는 일반적인 안테나 렌즈보다 훨씬 두껍다는 단점이 있다. 그 결과 중량이 무겁고 손실이 커진다. 더욱이, 하나의 안테나 궤전선에 대해서만 파형을 정확하게 수정할 수 있다. 그러므로, 멀티빔 레이더 장치의 나머지 안테나 로브에서는 성능 저하가 나타난다. 그리고, 이같은 렌즈는 특히 레이더 센서를 차량에 조립할 때 발생하는 기계적인 공차에 대해 매우 민감하다.
가까운 범위에서도 옆을 달리는 차량을 검출하기 어렵다는 상기 문제점은 심지어 레이더 센서를 차량 세로축의 중앙에 조립할 수 없는 경우 더욱 심각해진다. 레이더 센서를 예를 들어 차량의 우측 헤드라이트 아래에 조립하면 차량의 좌측에서는 레이더에 검출되지 않는 범위("blind range")가 더욱 확대된다.
본 발명의 목적은 가까운 범위를 관측할 수 있는 차량용 레이더 센서의 각도가 간단하고 저렴하게 확대되거나, 필요시에 가까운 범위를 관측할 수 있는 각도를 간단하고 저렴하게 확대할 수 있는 방법을 제시하는 것이다. 후자는 본 발명에 의한 레이더 센서를 다양한 유형의 차량에 채용할 때 특히 필요하다. 이 경우 예를 들어 각도 분해능이나 도달 범위, 전력의 효율적인 소비 등과 같이 본 발명의 유형과 같은 레이더 센서가 지금까지 이루어놓은 특성들에 미치는 영향을 최소화하거나 이같은 특성들을 전혀 악화시키지 않아야 한다.
본 발명에 의해 이 과제는 주 청구항에 따라 본 발명의 유형과 같은 레이더 센서에 본래의 여자기 소자들(exciter elements) 중 하나에 직접 병렬 접속되어 이 두 개의 여자기 소자가 신호를 동일한 송신 회로로부터 공동으로 받거나 동일한 수신 회로에 공동으로 발신하는 하나 이상의 여자기 소자를 추가함으로써 해결된다. 본 발명의 유리한 한 형태에 따르면 추가된 여자기 소자가 배전기를 거쳐 본래의 여자기 소자와 연결되고, 이때 배전기는 송신이 이루어지는 경우 추가된 여자기 소자에 보다 적은 전류가, 그리고 본래의 여자기 소자에 보다 많은 전류가 공급되도록 한다. 이로써, 본 발명에 의해 안테나 어레이가 집속 수단(focusing means) 및 두 개 이상의 여자기 소자로 구성되는 차량용 레이더 센서가 만들어지는데, 여기서 여자기 소자는 집속 수단과 함께 두 개 이상의 주 로브가 부분적으로 중복되는 안테나 패턴을 형성하고, 이 주 로브 중 하나 이상의 측면에 견부형 돌출부(shoulder-like protrusion)가 있다. 이 견부형 돌출부는 안테나 패턴에서 최초의 영위치가 채워져 있을 정도로 높은 진폭 레벨에 위치한다. 견부형 돌출부는 안테나 패턴에서 최대의 사이드 로브가 도달하는 최고 진폭값보다 더 높은 것이 바람직하다. 다른 한편으로 이 견부형 돌출부는 대개 안테나 패턴의 주 로브의 3dB 포인트 아래에 놓인다. 이때 견부형 돌출부의 진폭 레벨의 높이는 특히 본 발명에 의한 배전기의 배전 상태에 따라 결정된다. 본 발명의 유리한 실시예들이 그밖의 하위 청구항에 제시되어 있다.
본 발명에 의한 레이더 장치의 장점은 가까운 범위를 관측할 수 있는 각도를 간단하고 저렴하게 확대할 수 있다는 것이다. 이로써 본 발명에 의한 레이더 센서는 다양한 유형의 차량에 채용하기가 매우 적합하다. 본 발명에 의한 레이더 센서의 또다른 장점은 전달 전력이 같을 때 센서의 도달 범위가 축소되는 정도가 크지 않다는 점이다. 반대로, 동일한 도달 범위에 이르기 위해 필요한 전달 전력도 본 발명과 같은 유형의 레이더 센서에 비해 증가되는 정도가 크지 않다. 본 발명에 의한 레이더 센서는 파형 수정 렌즈를 사용할 때에 비해 설치시 기계적인 공차에 대해 훨씬 덜 민감하다.
도 1은 종래 기술 수준에 따른 본 발명과 같은 유형의 레이더 센서의 계통도를 나타낸 것이다. 이 레이더 센서는 차량에 조립된 컴팩트한 본체(10) 안에 설치되는데, 본체(10)는 유전체 렌즈(11)와 세 개의 여자기 소자(12)로 구성된 안테나 어레이를 포함한다. 각각의 여자기 소자(12)가 유전체 렌즈와 결합해서 안테나 로브(13, 14, 15)를 형성한다. 안테나 로브(13, 14, 15)는 나란히 배치되어 있고, 서로 부분적으로만 중복된다. 상이한 안테나 로브를 순차적으로 전환하거나 각 안테나 로브의 수신 신호들 간의 진폭 비교 및/또는 위상 비교를 통해 검출된 레이더 목표물의 각도를 규정할 수 있게 된다. 이 과정은 이미 널리 알려져 있다.
도 2는 종래 기술 수준에 따른, 본 발명과 같은 유형의 레이더 센서의 산출된 안테나 패턴을 나타낸 것이다. 레이더 목표물이 레이더 센서에 대해 상대적으로 놓일 수 있는 각도가 가로 좌표를 따라 중심축에 대해 좌우 대칭으로 기입되어 있다. 세로 좌표에는 스케일링되어 데시벨로 표시된, 안테나 패턴 혹은 기준 신호의 진폭값이 최고치로 기입되어 있다. 여기서, 선(20)은 안테나 패턴의 최고치보다 3 dB 낮다. 도 1에 비유적으로 그려진 안테나 로브(13, 14, 15)에 해당하는, 세 개의 주 로브(21, 22, 23)를 분명하게 볼 수 있다. 또한, 실제의 모든 안테나 패턴에 일반적으로 존재하는 수많은 사이드 로브(24)도 볼 수 있다. 주 로브(21, 22, 23)는 도 1에서 이미 알 수 있었던 것처럼 부분적으로 서로 중복된다.
도 3은 여자기 소자가 본 발명에 따라 배치된 스트립라인 구조를 나타낸 것이다. 여기서는 배전기(302) 및 공동의 입구(301)를 거쳐 전류를 공급받는 세 개의 평행한 신호 경로(310, 320, 330)를 볼 수 있다. 각 신호 경로마다 제 1 신호 처리 회로(305)가 있다. 이 회로(305)는 송신 신호와 수신 신호를 분리하기 위한 두 개의 링 커플러(306, 307)와 두 개의 회로 구조(308)를 포함한다. 회로 구조(308)에는 수신된 레이더 신호를 최초로 처리하기 위한 혼합 단계가 포함된다. 이때 입구(301)를 거쳐 공급된 전달 전력의 일부가 여기에 적용된 주파수 변조 지속파 레이더 원리에 따라 혼합을 위해 사용된다. 회로(305)는 송신/수신 다이플렉서와 제 1 수신 혼합 단계의 기능을 결합한다. 수신되어 서로 혼합된 레이더 신호들은 회로 구조(308)로부터 도면에는 그려지지 않은 피드 스루(feedthrough)에 의해 스트립라인 구조의 아래면에서 주로 감지된다.
각 신호 처리 회로(305)의 또다른 접속부는 하나의, 내지는 본 발명에 의하면 직접 병렬 접속된 두 개의 여자기 소자(311, 312, 321, 331, 332)로 이어진다. 이 여자기 소자(311, 312, 321, 331, 332)들은 앞의 예에서 패치 소자(patch element)의 형태로 제작되어 일렬로 배치된다. 본 발명의 핵심은 이 열의 처음과 끝에 놓인 여자기 소자(312, 332)이다. 이 여자기 소자들(312, 332)은 주로 배전기(303, 304)를 거쳐 직접 여자기 소자(311, 331)에 병렬 접속되거나 최소한 병렬로 접속할 수 있다. 여자기 소자(311과 312) 내지 여자기 소자(331과 332) 간의 거리 d2는 대개 여자기 소자(311과 321 내지 321과 331) 간의 거리 d1보다 크다.
도 4는 도 3에 따라 여자기가 배치된 본 발명에 의한 레이더 장치의 안테나 패턴을 예시적으로 나타낸 것이다. 여기서도 세 개의 주 로브(41, 42, 43)와 수많은 사이드 로브(44, 46)를 볼 수 있다. 본 발명에 따라 우측의 주 로브(43)에 견부형 돌출부(45)가 있는데, 견부형 돌출부(45)의 진폭 레벨은 최대의 사이드 로브(44)의 최고 진폭값보다 크다. 반대로 이 실시예에서는 견부형 돌출부의 진폭 레벨은 주 로브(42)의 최고치보다 12 dB 정도 낮다. 여기서 주 로브(43)의 진폭 레벨은 주 로브(41, 42)의 최고치보다 낮음을 알 수 있다. 이는 이 경우 배전기(303)의 배전 상태에 의해 결정된 전달 전력의 양이 여자기 소자(312)를 통해 방사된 결과이다. 이 여자기 소자(312)는 여자기 소자(311)에 비해 옆으로 옮겨져 있기 때문에, 배전 상태에 알맞는 적은 양의 전력이 여자기 소자(311)의 최대 방사 방향(direction of maximum radiation)으로 전달된다. 보다 이해하기 쉽게 설명하면 이 적은 부분의 전달 전력이 다른 경로로 전달됨으로써 견부형 돌출부가 형성되는 것이다. 필요하면 신호 경로(310)에 적절한 크기의 전달 전력을 공급함으로써 축소된 도달 범위를 상쇄할 수 있다. 그러나 이 실시예에서는 축소되는 크기가 작기 때문에 이를 상쇄할 필요가 없다.
견부형 돌출부(45)는 안테나 패턴의 중요도에 따라 가까운 범위에서 종래의 레이더 센서에 비해 본 발명에 의한 레이더 센서의 관측가능 각도를 우측으로 확대하도록 한다. 그 결과 앞서 언급한 것처럼 이 경우 우측 주 로브(43)의 도달 범위가 약간 축소되지만, 축소되는 크기가 작기 때문에 무시해도 무방하다. 견부형 돌출부(45)가 생기는 원인은 본 발명에 따라 여자기 소자(312)를 추가하기 때문이다. 견부형 돌출부의 진폭 레벨 뿐만 아니라 주 로브(43)의 도달 범위가 축소되는 크기도 배전기(303)의 배전 상태로 조절할 수 있다. 견부형 돌출부(45)의 위치는 여자기 소자(312)의 기하학적 치수(geometrical dimension)에 의해 나머지 여자기 소자들을 고려해서 결정된다. 거리 d2를 선택함으로써 견부형 돌출부(45)의 위치 및 형태를 조절할 수 있다. 선택된 거리 d2가 크면 클수록 견부형 돌출부(45)는 바깥쪽으로 이동한다. 그러나 동시에 주 로브(43)와 견부형 돌출부(45) 사이의 만입부가 더욱 휘어져 들어가게 되어 견부형 돌출부(45)가 오히려 또 하나의 사이드 로브(44)와 같은 역할을 하게 된다.
여기서 전문가라면 견부형 돌출부(45)를 포함한 주 로브(43)의 폭을 원하는 대로 조절하면서 동시에 주 로브의 측면에서 진폭의 추이가 최대한 균일하게, 다시 말해 진폭이 거의 단조 감소(monotone decreasing)하도록 두 가지를 절충할 수 있다. 이때 거리 d2를 여자기 소자(311과 321 내지 321과 331) 간의 거리 d1보다 큰 값으로 선택하는 것이 바람직하다는 사실이 증명되었다. 폭 d2는 추가된 여자기 소자(312, 332)가 주 로브(43, 41)의 3 dB 개구각의 외부에 놓이도록 선택하는 것이 유리하다.
서두에 언급한 과제에 따라 본 발명에 의한 레이더 센서는 대개 견부형 돌출부(45)가 외부에 놓인 안테나 로브(43)의 외부에 위치하도록 제작된다. 그러나 하나 혹은 여러 개의, 나란히 놓인 주 로브의 "주시 방향(viewing direction)"이 옆쪽으로 확대되어야 하는 경우 견부형 돌출부가 이 주 로브의 내부에 놓이는 방법도 생각해 볼 수 있다.
필요시 외부에 놓인 두 번째 안테나 로브(41)에서도 앞서 언급한 방법으로 견부형 돌출부(45)를 이룰 수 있다. 그러나, 특히 본 발명에 의한 레이더 센서가 차량의 우측 정면이나 좌측 정면에 조립되는 경우 그럴 필요가 없어진다. 그러나, 이같은 경우 도 3에 따라 하나의 여자기 소자만 레이더 센서의 송신/수신 회로에 추가로 연결하면 레이더 센서를 채용하는 비용을 줄일 수 있다. 이같은 방법은 레이더 센서를 대량생산하는 과정에서 두 개의 여자기 소자(312, 332)를 레이더 센서의 송신/수신 회로에 추가로 연결하는 반면 레이더 센서의 최종 조립시에는 불필요하게 된 연결 부위를 다시 분리함으로써 저렴하게 구현할 수 있다. 이는 도 3의 배전기(304)에 나타나 있다. 반대로 물론 두 개의 여자기 소자(312, 332)를 우선은 접촉되지 않은 상태로 두고, 그때그때 필요한 여자기 소자만 마지막 공정에서 예를 들어 센서의 송신/수신 회로와 본딩(bonding)시킴으로써 접촉시킬 수도 있다. 배전기에 가령 PIN 다이오드 스위치를 설치하면 견부형 돌출부를 선택적으로, 그리고 경우에 따라서는 레이더 센서를 작동시키는 중에도 삽입할 수 있게 된다.
여기서 설명된 실시예 외에도 본 발명은 여기서 제시된 주파수 변조 지속파 레이더는 물론 펄스 레이더에도 적용할 수 있다. 여기서 설명된 스트립라인 구조와 이때 사용되는 패치 소자 대신 여자기 소자를 다이폴의 형태로 제작하거나 가령 도파관(waveguide) 기술로도 제작할 수 있다. 여자기 소자와 연결된 배전선이나 배전기도 마찬가지이다. 게다가 여러 개의 여자기 소자를 추가로 병렬 접속함으로써 안테나 로브에서 진폭 레벨이 상이한, 그러나 대개는 진폭 레벨이 감소하는 계단형을 한 여러 개의 견부형 돌출부를 형성할 수도 있다. 이는 레이더 센서 주변의 가까운 범위는 매우 넓게, 그리고 이에 비해 먼 범위는 비교적 좁게 비추고자 할 때 사용하면 매우 유리하다.
본 발명에 따라 가까운 범위를 관측할 수 있는 차량용 레이더 센서의 각도가 단순하고 저렴하게 확대되어 있거나, 필요시에 가까운 범위를 관측할 수 있는 각도를 단순하고 저렴하게 확대할 수 있는 방법이 제시된다.
도 1은 종래 기술에 따른 본 발명과 같은 유형의 레이더 센서의 계통도.
도 2는 종래 기술에 따른 레이더 센서의 안테나 다이어그램.
도 3은 본 발명에 따라 여자기 소자의 예시적 배열의 스트립라인 구조를 도시하는 도면.
도 4는 본 발명에 따른 레이더 센서의 예시적인 안테나 다이어그램.

Claims (12)

  1. 안테나 배열을 가지는 차량용 레이더 센서에 있어서,
    집속 소자와,
    셋 이상의 여자기 소자와,
    상기 셋 이상의 여자기 소자 중 하나 이상과 평행하게 직접적으로 연결된 하나 이상의 추가 여자기 소자를 포함하고,
    상기 셋 이상의 여자기 소자 중 각각의 하나는 레이더 센서의 송신 회로와 수신 회로 중 하나에 스위칭가능하게 또는 영구적으로 연결된 것이고, 상기 셋 이상의 여자기 소자와 상기 집속 소자는 최대 부분적으로 중첩하는 셋 이상의 주 로 브를 형성하며,
    상기 하나 이상의 추가 여자기 소자와 상기 셋 이상의 여자기 소자 중 하나이상은 함께 상기 송신 회로로부터 제 1 신호를 획득하고, 함께 상기 수신 회로에제 2 신호를 전달하는 자동차용 레이더 센서.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 하나 이상의 추가 여자기 소자를 상기 셋 이상의 여자기 소자 중 하나 이상에 연결하기 위한 전력 분할기를 추가로 포함하고,
    상기 파워 분할기는 상기 하나 이상의 추가 여자기 소자에 보다 적은 비율의 전력을 전송하고, 상기 셋 이상의 여자기 소자 중 하나 이상에 보다 큰 비율의 전력을 전송하는 차량용 레이더 센서.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 셋 이상의 여자기 소자는 실질적으로 일 열로 배열되고,
    상기 하나 이상의 추가 여자기 소자는 상기 열의 시작 또는 종결부 중 한쪽에 배열되는 차량용 레이더 센서.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 하나 이상의 추가 여자기 소자와 상기 셋 이상의 여자기 소자 중 하나 이상 사이의 간격은 상기 하나 이상의 추가 여자기 소자가 상기 셋 이상의 여자기 소자 중 하나 이상과 연계된 상기 셋 이상의 주 로브 중 하나 이상의 3-dB 개구각 외측에 놓이기에 충분한 차량용 레이더 센서.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 하나 이상의 추가 여자기 소자와 상기 셋 이상의 여자기 소자 중 하나 이상 사이의 제 1 간격은 상기 셋 이상의 여자기 소자 중 하나 이상과 상기 셋 이상의 여자기 소자 중 인접한 하나 사이의 제 2 간격 보다 큰 차량용 레이더 센서.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 하나 이상의 추가 여자기 소자는 두 개의 추가 여자기 소자를 포함하고,
    상기 두 개의 추가 여자기 소자 중 하나 이상은 상기 셋 이상의 여자기 소자에 대한 전기 도전성 접속부를 구비하지 않는 차량용 레이더 센서.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 셋 이상의 여자기 소자와, 상기 셋 이상의 여자기 소자의 배전선은 스트립라인 기술을 사용하여 구성되는 차량용 레이더 센서.
  8. 안테나 어레이를 가지는 멀티빔 자동차 레이더 센서에 있어서,
    접속 소자와, 셋 이상의 여자기 소자를 포함하고,
    상기 셋 이상의 여자기 소자와 상기 접속 소자는 최대 부분적으로 중첩하는 셋 이상의 주 로브를 구비하는 안테나 다이어그램을 형성하고,
    상기 셋 이상의 주 로브 중 하나 이상은 측부에 하나 이상의 견부형 돌출부를 구비하는 차량용 멀티임 레이더 센서.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 하나 이상의 견부형 돌출부는 2차 로브에 의해 도달되는 최대 진폭 보다 높은 진폭 레벨에 놓여지는 차량용 멀티임 레이더 센서.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 하나 이상의 견부형 돌출부는 상기 하나 이상의 견부형 돌출부를 가지는 상기 셋 이상의 주 로브 중 하나 이상의 최대 진폭의 최소 3dB 아래에 놓여지는 차량용 멀티빔 레이더 센서.
  11. 제 8 항에 있어서, 상기 셋 이상의 주 로브는 실질적으로 일 열로 배열되고,
    상기 하나 이상의 견부형 돌출부는 상기 하나 이상의 견부형 돌출부를 가지는 상기 셋 이상의 주 로브 중 하나 이상의 외측에 배열되는 차량용 멀티빔 레이더센서.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 차량용 레이더 센서의 관측가능 각도 영역은 클로즈-인 범위에서 빛을 향해 넓어지는 차량용 레이더 센서.
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