KR100648035B1 - 간략한 구조를 갖는 마이크로파 센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 간략한 구조를 갖는 마이크로파 센서에 관한 것이다. 본 발명은 통상의 마이크로파 센서에 적용되는 국부신호발생기와 주파수혼합기가 하나로 결합된 구성을 가지며, 그에 따른 안테나 송신부와 수신부의 구성도 단일화로 구현하여 회로를 간소화한 것을 특징으로 한다.
마이크로파 센서, 도플러 효과, 직렬 궤환 자가 발진 혼합기, 병렬 궤환 자가 발진 혼합기, 단일 송ㆍ수신 안테나, FET(Field Effect Transistor)

Description

간략한 구조를 갖는 마이크로파 센서 {A microwave sensor having simplified structure}
도 1은 종래기술에 의한 마이크로파 센서의 기능부를 개략적으로 도시한 블록도이며,
도 2는 본 발명의 제 일실시예에 따른 것으로 직렬 궤환 자가 발진 혼합기를 적용한 마이크로파 센서의 감지부를 개략적으로 도시한 블록 회로도이며,
도 3은 본 발명의 제 이실시예에 따른 것으로 병렬 궤환 자가 발진 혼합기를 적용한 마이크로파 센서의 감지부를 개략적으로 도시한 블록 회로도이다.
본 발명은 마이크로파 센서에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 통상의 마이크로파 센서에 적용되는 국부신호발생기와 주파수혼합기가 하나로 결합 된 구성을 갖으며, 그에 따른 안테나 송신부와 수신부의 구성도 단일화로 구현하여 회로를 간소화함을 특징으로 하는 간략한 구조를 갖는 마이크로파 센서에 관한 것이다.
물체의 움직임을 감지하는 이동체 식별용 센서에 있어서 현재 응용도가 높은 센서로는 적외선 센서와, 초음파 센서와, 마이크로파 센서 등이 있다. 이러한 이동체 식별용 센서는 침입 경보기, 자동문, 남성용 소변기, 조명, 자동차 후방 물체 감지기 등 일상 생활에서 여러 가지 형태로 적용되어 사용되고 있다.
또한, 상기의 센서들은 그 작동원리가 각각 구별되며 응용에 있어서도 차이가 있어 일부 보안시스템에서는 상기와 같이 다양한 이동체 식별용 센서를 동시에 적용함으로써 오차율을 낮추기도 한다.
상기에서 적외선 센서는 주변에서 방사되는 열을 감지하여 전기적인 신호로 변환시키는 센서이다. 그에 따른 동작 원리로는 열형과 광전형이 있는데 열형은 적외선 흡수에 따른 소자의 기전력 변화를 감지하는 것이고 광전형은 반도체의 광전효과에 의해 생긴 전류를 전압으로 변환하여 감지하는 원리를 갖는다. 따라서, 물체의 온도를 감지할 수 있으며 열을 발생하는 이동체의 움직임이 있을 때 주변의 온도가 바뀜으로 생기는 전압변화에 따라 움직임을 감지하는 것이다. 움직임 감지는 보통 광전형 센서가 사용된다.
상기에서 초음파 센서는 인간의 귀로들을 수 없는 40kHz ~ 250kHz 대역을 갖는 단일 주파수 초음파 펄스를 송신한 다음 물체에 반사된 동일 주파수의 초음파 신호를 감지하여 물체의 존재 및 거리를 계산하는 센서이다. 더욱 상세하게는, 두께 2~3 ㎛의 진동막에 전압을 가하면 초음파가 발생하고 물체에 부딪혀 반사되어 되돌아오는 초음파를 다시 이 진동자에 의해 감지하면 물체까지의 거리가 멀수록 반사되어 되돌아 오는 기간이 길어지기 때문에 물체까지의 거리를 계산할 수 있는 것이다. 일 예로는 자동차 후방감지센서로 적용되고 있으며, 물속에서 해저 물체 식별장치에도 이용된다.
상기에서 마이크로파 센서는 마이크로파를 송신한 후 해당 신호의 반사파를 감지하는 것으로서 도플러 효과에 의하면 마이크로파의 반사체가 송신원으로부터 가까워지거나 멀어지면 그 속도에 비례하여 반사파의 주파수가 변한다는 원리를 이용하여 주파수를 감지하는 것이다.
[수식 1]은 도플러 효과에 의한 주파수 변화의 크기를 나타낸 것으로 f는 송신주파수, v는 이동체의 속도, c는 빛의 속도이다.
△f = fx (v/c) ------------------- [수식 1]
감도의 측면에서 보면 적외선 센서는 열을 발산하는 물체의 열을 감지하는 수동형이므로 감도는 센서의 수신부에서 결정되나, 초음파 및 마이크로파 센서는 수신부의 감도뿐 아니라 송신부의 송신전력이 커질수록 감도가 좋아지므로 감지수단의 성능을 향상시킬 경우에는 초음파 센서 및 마이크로파 센서를 적용함이 바람직하다.
구조적인 측면에서 보면 수신전용인 적외선 센서의 구조가 가장 간단하여 저가형으로 많이 채택되고 있다. 그러나, 주변의 온도와 이동체의 온도차를 감지하는 적외선 센서는 주위 환경에 따라 많은 오차가 발생할 수 있다는 문제점이 있었다.
좀 더 향상된 성능을 갖는 감지수단인 초음파 센서는 복잡한 구조로 저가의 소비자 시장에 응용하기에는 적합하지않는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 감도는 향상된 성능을 유지하되 간단한 구조로 가격을 최소화하여 제품의 경쟁력을 최대화한 마이크로파 센서를 제공함에 그 목적이 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 대해 상세하게 설명한다.
도 1은 종래기술에 의한 마이크로파 센서의 기능부를 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 종래기술에 의한 마이크로파 센서(10)는 소정의 주파수범위에 따른 초고주파(극초단파)를 연속적으로 발진시키는 능동소자로 이루어진 국부신호발생부(11)와, 상기 국부신호발생부(11)에서 생성된 주파수를 공간으로 송출하기 위한 수동소자인 안테나송신부(12)와, 상기 안테나송신부(12)로부터 송출된 신호를 수신하기 위한 수동소자인 안테나수신부(13)와, 대상물로 투여된 후 되돌아 온 주파수 출력신호와 송신주파수로부터 발신된 주파수가 서로 혼합되어 중심주파수의 변환이 일어날 수 있도록 하는 수단인 주파수혼합부(14)와, 상기 주파수혼합부(14)에서 고주파대역의 주파수가 저주파대역의 주파수로 변환될 때 바로 변환되지 않고 다른 형태의 주파수로 변환되게 하는 수단인 중간주파수출력단(15)과, 상기 마이크로파 센서(10)의 각 회로부에 동작전원을 인가하기 위한 전원공급부(16)를 포함하여 구성된다.
이러한 마이크로파 센서(10)의 동작은, 먼저 국부신호발생부(11)에서 생성된 X-band 대역의 마이크로파는 수동소자인 안테나송신부(12)를 통해 공간으로 송출되고, 송출된 전파는 공기중을 진행하다 특정 물체를 만나면 신호의 흡수, 통과, 반사가 일어나게 된다. 이때, 반사된 신호중 센서로 되돌아오는 신호를 수동소자인 안테나수신부(13)에서 수신한 후 주파수혼합부(14)를 통해 주파수 하향 변환하며, 주파수 하향 변환된 신호는 중간주파수출력단(15)을 통해 베이스밴드 파트로 전달된다.
상기에서 국부신호발생부(11)는 X-band 발진기의 경우 Q(quality factor)를 일정 이상 확보해야 하므로 대부분 절연체 공진기(DR:dielectric resonator)를 이용한 발진기를 이용하며, 능동소자는 일반적으로 pHEMT이며, 절연체 공진기를 이용하여 주파수를 조절하기 위한 것으로 절연체 공진기와 간격을 조절할 수 있는 나사를 삽입할 수 있도록 보통 금속으로 제작된 캔 모양의 캐비티(cavity)로 회로를 덮는다.
상기에서 주파수혼합부(14)는 일반적으로 다이오드 혼합기를 사용하는데 감도면에서 보면 pHEMT 등의 능동소자를 적용한 혼합기의 성능이 뛰어나다. 그러나 전원쪽의 리플(ripple)에 의한 잡음의 경우에는 능동소자로 이루어진 혼합기가 취약하므로 전원이 필요없는 수동소자 혼합기인 다이오드 혼합기가 많이 사용되고 있다. 보통 다이오드 혼합기는 anti-paralleled diode로 혼합기를 만드는데 이는 밸런스(balanced) 구조이므로 LO feed-thru를 최소화하는 장점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술에 의한 마이크로파 센서의 구조를 간략화하기 위한 것으로 발진기와 혼합기가 결합된 형태로 구현된다.
도 2는 본 발명의 제 일실시예에 따른 것으로 직렬 궤환 자가 발진(self-oscillating) 혼합기를 적용한 마이크로파 센서의 감지부를 개략적으로 도시한 블록 회로도이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 제 일실시예에 의한 본 발명은 하나의 트랜지스터 소자(110)가 적용되며, 상기 트랜지스터 소자(110)의 소스(S:source)단에 직렬 궤환을 위한 보통 마이크로스트립라인으로 이루어진 제1수동소자(120)와, 바이어스를 위한 사분의 일 람다선 및 저항, 바이패스 축전기 등으로 이루어진 소스단 바이어스회로부(130)가 연결되고, 게이트(G:gate)단에는 공진주파수를 결정하기 위한 절연체 공진기(140)와, 상기 절연체 공진기(140)를 게이트단과 커플링하기 위한 수동소자로 보통 직렬 마이크로스트립라인으로 이루어진 제2수동소자(150)가 연결되며, 드레인(D:drain)단에는 출력단 정합회로(160)와, 드레인단 바이어스회로부(170)가 연결되며, 각 회로부에 동작전원을 인가하는 전원공급단자(180)를 형성하고 있다.
도 2에서, 게이트단으로부터 연장된 소정의 위치에는 발신 신호의 송신과 수신이 가능하며 그 위치를 단일 송ㆍ수신부연결단(210)으로 도시하였다. 상기의 단일 송ㆍ수신부연결단(210)에는 마이크로파 발진 신호의 출력과 반송파의 수신기능을 겸하는 송ㆍ수신 안테나가 연결된다.
일반적으로 출력 전력이 최대가 되는 부분은 드레인단으로 출력 전력과 비례하는 센서의 감도는 해당 위치가 가장 좋다고 할 수 있으나, 드레인단에서는 궤환 이 일어나지 않으므로 해당 위치에서는 주파수 혼합이 일어나지 않아 센서로 동작할 수 없으며, 소스단은 50옴 정합이 용이하지 않으므로 발진 신호의 단일 송ㆍ수신부로 적합하지 않다. 이에 반해, 주파수 혼합이 일어나는 게이트단은 입력이 가능하므로 단일 송ㆍ수신부로 적용이 가능하다.
주파수 하향 변환된 신호의 출력단 역시 세 군데가 가능하다. 도 2에 도시한 바와 같이, 그 위치는 각각 220, 230, 240으로 표시할 수 있다. 상기에서 드레인단의 220 위치는 가장 일반적인 출력단으로 사용되나 전원에 의한 리플이 잡음으로 문제가 되는 경우에는 가장 취약한 부분이다. 따라서 소스단의 230 위치와, 게이트단의 240 위치가 더욱 좋은 감도를 형성한다.
상기에서 소스단의 230 위치를 주파수 하향 변환된 신호의 출력으로 하는 경우는 출력단의 전압이 발생하기 위해 소스단 바이어스회로부(130)에 저항이 필요하며 이 경우에는 자기-바이어스(self-bias) 효과로 전류가 줄어들어 출력 전력이 값이 작아져 감도가 나빠질 수 있다는 문제점이 작용한다. 또한, 게이트단의 240 위치를 주파수 하향 변환된 신호의 출력으로 사용시 출력단의 전압을 발생시키기 위해서는 그라운드로 연결된 저항(190)이 필요하나 이 경우에는 출력 전력의 값에 변동은 없다.
도 3은 본 발명의 제 이실시예에 따른 것으로 병렬 궤환 자가 발진(self-oscillating) 혼합기를 적용한 마이크로파 센서의 감지부를 개략적으로 도시한 블록 회로도이다.
도 3에 도시한 바와 같이, 제 이실시예에 의한 본 발명은 하나의 트랜지스터 소자(310)가 적용되며, 상기 트랜지스터 소자(310)의 게이트(G:gate)단과 드레인(D:drain)단의 병렬 궤환으로 발진신호를 얻는다.
발진주파수를 결정하기 위한 절연체 공진기(320)가 게이트(G:gate)단과 드레인(D:drain)단 사이에 위치하고, 게이트단과 드레인단과의 궤환을 주기 위한 보통 마이크로스트립라인으로 이루어진 제1수동소자(330) 및 제2수동소자(340)가 형성되며, 상기에서 제1수동소자(330)는 게이트단에 직렬로 연결되고, 제2수동소자(340)는 드레인단에 병렬 연결된 구조를 갖는다. 또한, 드레인(D:drain)단에는 출력단 정합회로(350)와, 드레인단 바이어스회로부(360)가 연결되며, 각 회로부에 동작전원을 인가하는 전원공급단자(370)를 형성하고 있다.
도 3에서, 발진 신호의 단일 송ㆍ수신이 가능한 위치는 게이트단(410)과, 드레인단(420)이 가능하다. 일반적으로 선호되는 부분은 센서의 감도와 비례하는 출력 전력이 가장 최대가 되는 드레인단(420)이다. 그러나, 주파수 혼합이 일어나는 부분은 게이트가 입력이 되므로 게이트단(410)을 단일 송ㆍ수신부로 사용하는 것도 바람직하다. 소스단(430)은 50옴 정합이 용이하지 않으므로 단일 송ㆍ수신부로 적합하지 않다.
주파수 하향 변환된 신호의 출력단 역시 세 군데가 가능하다. 도 3에 도시한 바와 같이, 그 위치는 각각 420, 430, 440으로 표시할 수 있다. 드레인단에 해당하는 420 위치는 가장 일반적인 출력단으로 사용되나 전원에 의한 리플 잡음으로 문제시에는 가장 취약한 부분이다. 따라서, 이러한 경우에는 소스단의 430과, 게이트 단의 440에 대한 위치가 더욱 좋은 감도를 준다고 볼 수 있다. 소스단의 430 위치에서 주파수를 하향 변환된 신호의 출력으로 적용시 출력단의 전압이 발생하기 위해서는 소스단에 저항(380)이 필요하며 이 경우에는 자기-바이어스(self-bias) 효과로 전류가 줄어들어 출력 전력의 값이 작아져 감도가 나빠질 수 있다.
또한, 게이트단의 440 위치를 주파수 하향 변환된 신호의 출력으로 사용시 출력단의 전압을 발생시키기 위해서는 그라운드로 연결된 저항(390)이 필요하나 이 경우에는 출력 전력의 값에 변동은 없다.
이상에서 본 발명에 대한 기술 사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 가장 양호한 실시 예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형과 모방이 가능함은 명백한 사실이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 간략한 구조를 갖는 마이크로파 센서에 의하면 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 제품의 성능은 유지하되 간략한 구조를 갖는 회로의 구성은 제조 원가를 줄일 수 있으므로 가격을 최소화할 수 있으며, 그에 따른 제품경쟁력을 향상시키는 효과가 있다.
둘째, 간략한 구조를 갖는 회로의 구성은 제품의 소형화, 경량화를 가능케 하는 효과도 있다.

Claims (8)

  1. 간략한 구조를 갖는 마이크로파 센서에 있어서,
    상기의 마이크로파 센서는 직렬 궤환 자가 발진 혼합기를 적용한 것으로 하나의 트랜지스터 소자(110)가 적용되며,
    상기 트랜지스터 소자(110)의 소스(S:source)단에 직렬 궤환을 위한 마이크로스트립라인으로 이루어진 제1수동소자(120)와, 바이어스를 위한 사분의 일 람다선 및 저항, 바이패스 축전기 등으로 이루어진 소스단 바이어스회로부(130)가 연결되고,
    게이트(G:gate)단에는 공진주파수를 결정하기 위한 절연체 공진기(140)와, 상기 절연체 공진기(140)를 게이트단과 커플링하기 위한 수동소자로 직렬 마이크로스트립라인으로 이루어진 제2수동소자(150)가 연결되며,
    드레인(D:drain)단에는 출력단 정합회로(160)와, 드레인단 바이어스회로부(170)가 연결되며, 각 회로부에 동작전원을 인가하는 전원공급단자(180)를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 간략한 구조를 갖는 마이크로파 센서.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기의 게이트단에서 연장된 소정의 위치에는 발진 신호의 송신과 수신이 가능한 단일 송ㆍ수신부연결단(210)을 포함하며, 마이크로파 발진 신호의 출력과 반 송파의 수신기능을 겸하는 송ㆍ수신 안테나가 연결되는 것을 특징으로 하는 간략한 구조를 갖는 마이크로파 센서.
  3. 간략한 구조를 갖는 마이크로파 센서에 있어서,
    상기의 마이크로파 센서는 병렬 궤환 자가 발진 혼합기를 적용한 것으로, 하나의 트랜지스터 소자(310)를 적용하며 상기 트랜지스터 소자(310)의 게이트(G:gate)단과 드레인(D:drain)단의 병렬 궤환으로 발진신호를 얻는 것으로,
    발진주파수를 결정하기 위한 절연체 공진기(320)가 게이트(G:gate)단과 드레인(D:drain)단 사이에 위치하고, 게이트단과 드레인단과의 궤환을 주기 위해 마이크로스트립라인으로 이루어진 제1수동소자(330)가 게이트단에 직렬로 연결되고, 마이크로스트립라인으로 이루어진 제2수동소자(340)가 드레인단에 병렬로 연결되며,
    드레인(D:drain)단에는 출력단 정합회로(350)와, 드레인단 바이어스회로부(360)가 연결되며, 각 회로부에 동작전원을 인가하는 전원공급단자(370)를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 간략한 구조를 갖는 마이크로파 센서.
  4. 제 3항에 있어서,
    발진 신호의 단일 송ㆍ수신이 가능한 위치는 게이트단 또는 드레인단이 가능하며, 마이크로파 발진 신호의 출력과 반송파의 수신기능을 겸하는 송ㆍ수신 안테 나가 게이트단 또는 드레인단 중 어느 한 위치에 연결되는 것을 특징으로 하는 간략한 구조를 갖는 마이크로파 센서.
  5. 제 4항에 있어서,
    송신 신호와 수신된 반송파가 주파수 혼합에 의해 주파수 하향 변환된 신호의 출력단은 송ㆍ수신 안테나의 위치와 상관없이 게이트단 또는 드레인단 중 어느 한 위치에 연결되는 것을 특징으로 하는 간략한 구조를 갖는 마이크로파 센서.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기에서 적용된 트랜지스터 소자는 FET(Field Effect Transistor)가 적용됨을 특징으로 하는 간략한 구조를 갖는 마이크로파 센서.
  7. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기에서 적용된 트랜지스터 소자는 BJT(Bipolar Junction Transistor)가 적용됨을 특징으로 하는 간략한 구조를 갖는 마이크로파 센서.
  8. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기에서 적용된 트랜지스터 소자는 HBT(Hetero-junction Bipolar Transistor)가 적용됨을 특징으로 하는 간략한 구조를 갖는 마이크로파 센서.
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