KR100750967B1

KR100750967B1 - 가상 배열형 안테나 시스템 기반의 근거리 고해상도 차량용레이더 시스템

Info

Publication number: KR100750967B1
Application number: KR1020060039691A
Authority: KR
Inventors: 박영진; 김관호; 이순우
Original assignee: 한국전기연구원
Priority date: 2006-05-02
Filing date: 2006-05-02
Publication date: 2007-08-22

Abstract

본 발명은 디지털 빔 포밍(Digital Beam Forming) 기술을 이용한

밀리미터/서브밀리미터 대역에서 차량충돌 방지 및 안전운행을 위한 레이더 신호를 송신하는 레이더 송신부와, 상기 송신된 신호 중 반사되어 돌아온 신호를 수신하고 디지털 신호로 출력하는 레이더 수신부와, 상기 레이더 수신부에서 출력되는 상기 디지털 신호에 디지털 빔 포밍 기술을 적용하여 거리, 속도 및 목표물의 방위각을 계측하는 신호 처리부를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 레이더 시스템이다.

본 발명에 따른 차량용 레이더 시스템은 이득이 작은 저가의 소형 안테나를 사용하며 복잡한 RF 시스템을 간소화하고, 송신/수신 /송수신 부 각각 시스템의 사양에 따라 가상 안테나 어레이 시스템을 사용함으로써 근거리 고해상도 특성과 향상된 수신 성능의 효과를 갖는다.

디지털 빔 포밍, 적응 배열형 안테나, 가상 배열형 안테나, 근거리 고해상도 레이더

Description

가상 배열형 안테나 시스템 기반의 근거리 고해상도 차량용 레이더 시스템{high resolution short range radar system using virtual array antenna system}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 차량용 레이더 시스템에 대한 전체 블록구성도이고,

도 2는 송수신 안테나 배열 각각에 연결된 DBF 수신기와 DBF 송신기를 보다 상세하게 나타내는 블록도이고,

도 3a는 종래의 적응 배열형 안테나 시스템을 나타내는 도면이고,

도 3b는 종래의 적응 배열형 안테나 시스템에서 송신되는 안테나 빔 패턴을 나타내는 도면이고,

도 3c는 종래의 적응 배열형 안테나 시스템에서 수신되는 안테나 빔 패턴을 나타내는 도면이고,

도 4a는 본 발명에 따른 가상 배열형 안테나 시스템을 나타내는 도면이고,

도4b는 본 발명에 따른 가상 배열형 안테나 시스템에서 가상의 송수신 안테나를 위치시키는 알고리즘을 나타내는 도면이고,

도 5a는 본 발명에 따른 가상 배열형 안테나 시스템에서 신호처리를 통해 송신되는 안테나 빔 패턴을 나타낸 도면이고,

도 5b는 본 발명에 따른 가상 배열형 안테나 시스템에서 신호처리를 통해 수신되는 안테나 빔 패턴을 나타낸 도면이고,

도 5는 본 발명에 따른 차량용 레이더 시스템을 차량에 적용하는 경우의 안테나 빔 패턴을 나타낸 도면이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 레이더 시스템의 수신부

20 : 레이더 시스템의 송신부

30 : 레이더 시스템의 신호처리부

120 : 수신부의 DBF 수신기

230 : 송신부의 DBF 송신기

1200 : DBF 수신기 내의 I/Q다운 컨버터

1220 : 국부발진기

2300 : DBF 송신기 내의 I/Q업 컨버터

본 발명은 차량용 레이더 시스템에 관한 것으로, 상세하게는 디지털 빔 포밍(Digital beam forming:이하'DBF')기술을 적용한 밀리미터/서브밀리미터 대역에서의 가상 배열형 안테나 시스템 기반의 근거리 고해상도 차량용 레이더 시스템에 관한 것이다.

최근, 밀리미터/서브밀리미터 대역에서의 수십 미터 이내의 고해상도 레이더에 대한 수요가 증대되면서 이에 대한 연구가 계속되고 있다. 근접해 있는 물체간의 거리를 판별하거나 분해할 수 있는 고해상도 레이더 시스템은 산업용, 군수용으로 다양하게 활용되고 있으며 실생활에서는 차량용 레이더 시스템에 주로 사용되고 있다. 차량용 레이더 시스템이란, 지능형 교통시스템을 구현하기 위한 필수 기술로서 약 10m 내지 그 이상의 반경에서 움직이거나 정지해있는 다른 차량이나 물체의 움직임을 감지함으로써, 열악한 기상조건 또는 운전자의 부주의로 인해 발생 가능한 사고를 미연에 방지할 목적으로 개발된 차량의 안전 운행 시스템이다. 최근까지 70m 에서부터 200m 범위 내의 물체 탐지를 위하여, 76/77GHz 대역의 밀리미터파(millimeter wave) 대역을 사용하고, 대략 70m 범위내의 물체를 탐지하기 위해서는 24GHz 대역의 서브 밀리미터파를 주로 사용한다.

종래의 고해상도 레이더 시스템은, 적은 탐지각 내에서 고해상도의 공간해상도를 얻기 위해 높은 이득을 갖는 다중 빔 안테나를 사용하여 제한된 범위 내에서 전방의 물체를 탐지하는 방법을 사용한다. 특히, 다중 빔 안테나는 각각의 안테나 또는 각각의 빔이 단지 하나의 목표물만을 탐지할 수 있기 때문에, 많은 수의 목표물을 탐지하기 위해서는 많은 수의 고 이득을 갖는 안테나를 사용해야 하므로, 안테나 수가 증가하는 만큼 시스템의 부피가 커지게 되어 차량용 레이더 시스템에 적합하지 못하다.

또한, 종래의 차량용 레이더 시스템은 송수신 안테나로 높은 이득을 갖는 부피가 큰 다중 안테나를 사용하고 있어 전체 시스템의 부피가 크고, 송수신되는 RF신호를 IF신호로 변환시키는 과정에서 여러 단의 중간주파수(IF) 변환과정을 거쳐야 하는 바 RF시스템이 상대적으로 복잡하다. 이러한 RF시스템에 사용되는 RF 부품 각각의 가격이 매우 높아 전체 시스템의 단가가 높아져서 고해상도 레이더 시스템의 상용화에 큰 어려움이 있다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 차량용 레이더 시스템에 있어서 가격대비 성능 및 보급화의 요구에 맞추어 저가의 안테나를 사용하면서도 수신특성이 향상될 수 있도록 주파수 변환시스템을 간소화하였으며, 물체의 탐지 능력을 행상시키기 위해 가상의 배열형 안테나 시스템을 제공하기 위한 것이다.

또한 본 발명은, DBF 기술을 이용함으로써, 안테나 및 RF 시스템의 복잡도와 가격을 낮추면서도 초고해상도를 얻을 수 있으며, 송신/수신 /송수신 부 각각 시스템의 사양에 따라 가상 배열형 안테나 시스템을 사용함으로써 수신특성을 향상시킬 수 있는 차량용 레이더 시스템을 제공하기 위한 것이다.

상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 차량용 레이더 시스템은, 밀리미터/서브밀리미터 대역에서 차량충돌 방지 및 안전운행을 위한 레이더 신호를 송신하는 레이더 송신부와, 상기 송신된 레이더 신호 중 반사되어 돌아온 레이더 신호를 수신하고 디지털 신호로 출력하는 레이더 수신부와, 상기 레이더 수신부에서 출력되는 상기 디지털 신호에 DBF 기술을 적용하여 거리, 속도 및 방위각을 계측하는 신호처리부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서 상기 레이더 수신부는, 상기 송신된 레이더 신호 중 반사되어 돌아오는 마이크로파 신호를 수신하기 위해 등간격 또는 비등간격으로 배열되는 3개 이상의 안테나 소자를 포함하여 이루어지는 안테나 배열과, 상기 안테나 배열에 수신된 신호를 중간주파수(IF)로 변환하고 I/Q벡터로 변환시키는 DBF 수신기를 포함하고 있다. 거기에 상기 DBF 수신기에서 출력되는 중간주파수(IF) 신호의 잡음을 제거하기 위한 이미지 리젝트 필터와, 상기 변환된 중간주파수(IF) 신호의 위상과 이득을 조절하기 위한 AGC(Automatic Gain Control)와, 상기 AGC의 아날로그 출력신호인 중간주파수(IF) 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D변환기를 포함할 수 있다.

또한 상기 DBF 수신기는, 상기 안테나 배열에 수신된 신호를 증폭시키기 위한 저 잡음 증폭기(LNA)와, 상기 증폭된 신호를 I/Q벡터로 변환하고 중간주파수(IF) 신호로 변환시키는 I/Q다운 컨버터와, 상기 각각의 I/Q다운 컨버터에 연결되는 국부발진기와 전력분배기를 포함할 수 있다.

그리고, 상기 I/Q다운 컨버터는 상기 증폭된 신호를 중간주파수(IF) 신호로 변환시킴과 동시에 I/Q벡터로 출력하기 위한 복조기와, 상기 I/Q벡터로 출력된 중간주파수(IF) 신호를 증폭하기 위한 가변 증폭기(Variable Gain Amplifier)와, 상기 가변 증폭기의 출력신호 중 I채널과 Q채널의 신호의 변복조를 위한 믹서를 포함하는 것이 바람직하다.

또한 상기 레이더 송신부는, 분석된 신호를 아날로그 신호로 변환하기 위한 D/A변환기와, 상기 D/Q변환기에 의해 변환된 신호를 특정대역만 통과시키기 위한 대역통과필터와, 상기 대역통과필터를 통과하는 신호를 I/Q벡터로 변환하고 중간주파수(IF) 신호를 송신하기 위한 신호로 변환하는 DBF 송신기와, 상기 DBF 송신기에 의해 변환된 신호를 송신하기 위해 일정한 간격으로 배열되는 2개 이상의 안테나소자를 포함하여 이루어지는 안테나 배열을 포함할 수 있다.

이때, 상기 DBF 송신기는, 상기 대역통과필터를 통과한 신호를 I/Q벡터로 변환하고 중간주파수(IF) 신호를 송신하기 위한 신호로 변환시키는 I/Q업 컨버터와, 상기 각각의 I/Q업 컨버터에 연결되는 국부발진기와 전력분배기와, 상기 변환된 신 호를 증폭하기 위해 상기 I/Q업 컨버터에 연결된 고출력 증폭기(Power Amplifier)를 포함할 수 있다. 그리고 상세하게는, 상기 I/Q업 컨버터는 상기 대역통과필터를 통과한 신호를 I/Q벡터로 변환시킨 신호를 증폭하기 위한 가변 증폭기(Variable Gain Amplifier)와, 상기 증폭된 I/Q벡터로 변환된 신호를 송신하기 위한 중간주파수(IF)　신호로 변환시키는 변조기와, 상기　변조기에서 출력되는 I채널과 Q채널의 신호의 변복조를 위한 믹서를 포함하는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 안테나 배열에서 송수신 안테나는 소형의 저가형 평판형 안테나로서, 안테나 각각의 가중(weight)에 의해서 상기 복수의 안테나에 의해 송수신되는 신호를 가중하고 합성함으로써 복수의 신호처리기에서 송수신되는 복수의 도래파를 더 합성하여 원하는 신호를 얻기 위해서 복수의 안테나 소자를 배열하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 안테나 배열은, 신호처리부에서 실제의 송수신 안테나에 대하여 각각의 안테나 사이의 간격을 이용한 알고리즘을 적용하는 변환과정을 통해 가상으로 송신 안테나 수와 수신 안테나 수를 증가시킴으로써, 수신기의 해상도 및 물체 탐지 수를 증가시키는 가상 배열형 안테나 시스템인 것을 특징으로 한다.

또한 상기 안테나 배열을 제외한 레이더 수신부와 송신부 부분을 저가형 밀리미터/서브밀리미터 대역 CMOS RF 공정방법을 이용하여 제조될 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 차량용 레이더 시스템의 바람직한 실시예를 도면과 함께 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 차량용 레이더 시스템에 대한 전체 블록구성도이다.

본 발명은 밀리미터/서브밀리미터 대역에서 차량충돌 방지 및 안전운행을 위한 레이더 신호를 송신하는 송신부(20)와, 송신된 신호 중 반사되어 들어오는 전파를 수신하는 수신부(10)와, 상기 레이더 수신부에서 출력되는 디지털 신호에 디지털 빔 포밍 알고리즘을 적용하여 거리 및 속도를 계측하는 신호처리부(30)로 크게 나눌 수 있다.

본 발명에 따른 레이더 수신부(10)는 송신부(20)에서 송신된 신호 중 장애물에 부딪혀 반사되어 돌아오는 신호를 수신하기 위해, 예를 들어 반 파장 간격으로 배열되는 3개 이상의 안테나소자를 포함하는 안테나 배열(110)과, 상기 수신되는 신호를 중간주파수(IF) 신호로 변환하고 I/Q벡터로 변환하는 DBF 수신기(120)를 포함하고 있다. 그리고 DBF 수신기(120)에는 상기 I/Q변복조가 이루어진 신호에서 부가적인 잡음을 제거하고 수신 신호단과 중간주파수(IF) 신호단을 분리하여 수신부의 안정성을 도모하기 위한 이미지 리젝트 필터(image reject filter, 130)와, I/Q 다운 컨버터(1210)에서 변환된 중간주파수(IF)　신호의 위상과 이득을 조절하기 위한 AGC(140)와, AGC(140)의 아날로그 출력신호인 중간주파수(IF) 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D변환기(150)가 연결되어 있다.

상기 레이더 시스템의 송신부(20)는 신호처리부(30)로부터의 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하기 위한 D/A변환기(210)와, 상기 변환된 신호를 특정대역만 통과시키기 위한 대역통과필터(220)와, 이를 통과한 중간주파수(IF) 신호를 I/Q벡터로 변환하고 송신하기 위한 신호로 변환시키는 DBF 송신기(130)와, 상기 변환된 신호를 송신하기 위해, 예를 들어 반 파장 간격으로 배열되는 2개 이상의 안테나 소자를 포함하여 이루어지는 안테나 배열(240)을 포함하여 이루어진다.

본 발명에 따른 레이더 시스템에서 신호처리부(30)는 레이더 수신부(10)에서 출력되는 상기 디지털 신호에 대해서 DBF 기술을 적용하여 당해 신호의 주파수를 측정하고 장애물과의 거리, 속도 및 방위각을 계측한다.

도 2는 도 1의 송수신 안테나 어레이 각각에 연결된 DBF 수신기(120)와 DBF 송신기(230)를 보다 상세하게 나타낸 블록도이다.

DBF 수신기(120)는 안테나 배열(110)에 수신된 신호를 증폭시키기 위한 저잡음 증폭기(LNA, 1200)와, 상기 증폭된 신호를 중간주파수(IF) 신호로 변환시키고 I/Q벡터로 출력시키는 I/Q다운 컨버터(1210)와, 각각의 I/Q다운 컨버터(1210)에 연결되는 국부발진기(1220)와 전력분배기(1230)를 포함하여 이루어진다. 저잡음 증폭 기(LNA, 1200)는 수신되는 신호의 강도를 증가시키고, 수신기의 노이즈를 감소시키면서 안테나 신호를 증폭시키는 역할을 한다. 국부발진기(1220)는 주파수 합성을 위한 LO주파수를 공급해주고, 채널 선택이 필요한 경우 LO주파수를 변화시켜 채널선택을 할 수 있다.

보다 상세하게, I/Q다운 컨버터(1210)는 상기 증폭된 신호를 중간주파수(IF) 신호로 변환시키면서 동시에 I/Q벡터로 출력하기 위한 안테나소자와 동일한 개수의 복조기(1212)와, 상기 I/Q벡터로 출력된 중간주파수(IF) 신호를 증폭시키는 가변 증폭기(Variable Gain Amplifier, 1214)와, 상기 주파수 변환된 90도 위상차가 나는 I채널과 Q채널의 신호의 변복조를 위한 믹서(1216)로 이루어진다. 이때, 국부발진기(1220)에 의해 생성된 LO주파수가 I채널 또는 Q채널 중 하나에 90도 위상 지연을 두면서 복조기에 입력됨에 따라 수신되는 신호에 실린 데이터는 I/Q벡터로 변환된다. DBF 수신기(120) 내의 VGA(1214)나 AGC(140)는 수신단의 저잡음 증폭기(LNA, 1200)만으로는 미약한 수신신호를 충분하게 증폭시킬 수 없기 때문에 정교한 전력조절이 필요한 경우 신호의 이득이나 위상의 임의조절을 위하여 사용한다.

일반적으로, 중간주파수(IF) 신호를 사용한다는 것은 주파수변환을 여러 차례 추가적으로 이루어주어야 하기 때문에 다수의 복조기가 사용되고 각각의 복조기마다 필터가 사용되며 그에 따른 고가의 IF소자를 사용하게 되어 레이더 시스템의 단가가 커지게 된다. 또한, 성능 면에서는 반복되는 주파수변환으로 인해 잡음이 많이 발생하게 된다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 본 발명에 따른 레이더 시스템에서는 RF신호를 IF신호로 변환하는 과정을 최대한 간소화시킴으로써 전체적으로 생산단가를 낮추는 한편, 수신 성능도 더욱 향상되는 장점을 갖는다.

다음으로 DBF 송신기(230)는 상기 대역통과필터를 통과한 신호를 I/Q벡터로 변환하고 중간주파수(IF) 신호를 송신하기 위한 신호로 변환시키는 I/Q업 컨버터(2300)와, 각각의 I/Q업 컨버터(2300)에 연결되는 국부발진기(1220)와 전력분배기(1230)와, 상기 변환된 신호를 증폭하기 위해 I/Q업 컨버터(2300)에 각각 연결되는 고출력 증폭기(PA, 2310)를 포함하여 이루어진다.

보다 상세하게는, I/Q업 컨버터(2300)는 대역통과필터(220)를 통과한 90도 위상지연이 이루어진 중간주파수(IF) 신호를 증폭하기 위한 가변 증폭기(Variable Gain Amplifier, 2302)와, 상기 증폭된 I/Q벡터로 변환된 중간주파수(IF) 신호를 송신하기 위한 신호로 변환시키는 변조기(2304)와, 상기 주파수 변환된 90도 위상차가 나는 I채널과 Q채널의 신호의 변복조를 위한 믹서(2306)를 포함하여 이루어지며, 상기 변환되어 송신되는 신호는 국부발진기(1220)에 의해 생성된 LO주파수와 I/Q 벡터의 중간주파수(IF) 신호의 합과 같은 신호이다.

이상 차량용 레이더 시스템에서 DBF 기술을 이용한 RF 시스템을 살펴보았다. 종래의 레이더 시스템은 이동 중인 차량이 신호를 송수신하는 과정에서 광범위한 주파수 범위 내에서 잡음까지 수신 받으며, 복잡한 RF시스템으로 인해 효율성이 떨어진다는 문제점이 있는데, 본 발명에 따른 레이더 시스템은 DBF 기술을 이용하여 원하는 주파수범위대의 신호만을 수신 받고, 그 외의 다중접속 간섭에 의한 잡음 신호레벨을 크게 감소시킴으로써, 종래 기술의 문제점을 해결할 수 있게 되었다. 또한, 본 발명은 종래의 DBF 기술에서 사용되는 RF 시스템보다 더욱 간소화된 DBF 수신기 및 DBF 송신기를 사용함으로써 시스템의 하드웨어적인 복잡도를 줄일 수 있다는 장점이 있다.

다음으로, 본 발명에 따른 차량용 레이더 시스템에서 사용하는 송수신 안테나로는, 이득이 상대적으로 낮고 수 도(degree) 이상의 3dB 빔 폭을 갖는 저가형 소형 평판형 안테나를 사용할 수 있다. 아래 표1은 당해 시스템에 사용되는 안테나의 사양을 나타낸 것이다.

PARAMETERS	SPECIFICATION
RF frequency	24 GHz
Range	1m < Range < 150m
Number of receiving	> 3
ADC	> 4CHs
Scanning angle	± 20 degree
인접 안테나 간격	> λ/2

종래의 차량용 레이더 시스템의 경우, 고해상도의 공간 해상도와 전방 탐지 범위를 넓게 하기 위해 많은 수의 높은 이득을 갖는 다중 빔 안테나를 사용함에 따라 차량 내 레이더 시스템이 차지하는 공간상의 문제와 생산단가 상승이라는 문제점이 있는데, 상기 소형의 저가형 안테나를 사용함으로써 이러한 문제점을 해결할 수 있다. 이때, 안테나 간격은 탐지하고자 하는 범위를 고려하여, 중심 주파수의 반파장이 넘도록 설계할 수 있다. 한편, 상기 송수신 안테나 수는 신호 처리 유형에 따라 변경될 수 있으며, 안테나 사이의 물리적 거리 또한 사용된 알고리즘에 따라 최적화될 수 있다.

다음으로, 도 3a 내지 도3c는 종래의 적응 배열형 안테나 시스템과 각각의 송수신 빔 패턴을 나타내는 도면이다.

도 3a는 종래의 적응 배열형 안테나 시스템을 나타내는 도면이다. 차량용 레이더 시스템에서는 배열안테나와 첨단 고성능 디지털 신호처리 기술을 이용하여 RF 신호 환경의 변화에 따른 적응형 안테나 빔 패턴 제어에 의해 송수신 성능 및 용량의 극대화를 가능케 하는 적응 배열형 안테나 시스템을 기반으로 한다. 송신안테나(50)는 두 개, 수신안테나(60)는 하나로 적응 배열형 안테나 시스템의 일부를 도시하였다. 송신 안테나가 두 개, 수신 안테나가 세 개인 배열형 안테나의 경우, 최대 목표물 탐지 개수는 3개 이하이다.

도 3b는 종래의 적응 배열형 안테나 시스템에서 송신부의 빔 패턴을 나타내는 도면이고, 도 3c는 종래의 적응 배열형 안테나 시스템에서 수신부의 빔 패턴을 나타내는 도면이다. 도면에서 나타나는 바와 같이, 다수의 안테나로 구성되어 원하는 안테나 빔 패턴을 생성하는데, 안테나 소자의 수가 증가할수록 빔 패턴이 좁아져서 성능이 증가하지만 안테나가 처리할 수 있는 범위를 초과하는 많은 간섭 신호가 안테나로 입사됨에 따라, 용량을 증가시키는데 있어서 물리적인 한계가 있다.

도 4a 내지 도 5b는 본 발명에 따른 가상 배열형 안테나 시스템과 각각의 송수신 빔 패턴을 나타내는 도면이다.

도 4a는 본 발명에 따른 가상 배열형 안테나 시스템을 나타내는 도면이고, 도4b는 본 발명에서 가상의 송수신 안테나를 위치시키는 원리를 나타내는 도면이다. 가상 배열형 안테나 시스템은, 실제 안테나 개수를 신호처리부에서 변환과정을 거쳐 다수의 수신 또는 다수의 송신 안테나소자를 갖는 시스템으로 데이터를 변환하여 초고해상도 시스템 구현이 가능하도록 한다. 도 4b에서는 하나의 수신 안테나에 대한 원리만을 나타냈고, 나머지 두 개의 수신 안테나에 대하여 가상 배열로 변환하면 전체 가상 수신 배열 안테나 시스템은 6개로 바뀌게 된다.

도 5a는 본 발명에 따른 가상 배열형 안테나 시스템에서 신호처리를 통해 송신되는 안테나 빔 패턴을 나타낸 도면이다. 두 개의 송신 안테나는 신호처리부에서 변환과정을 통하여 하나의 전방향성 송신 빔으로 변환된 신호를 방사함으로써, 적응 배열형 안테나 시스템보다 더 많은 목표물을 감지할 수 있다.

도 5b는 본 발명에 따른 가상 배열형 안테나 시스템에서 신호처리를 통해 수신되는 안테나 빔 패턴을 나타낸 도면이다. 수신 빔은 송신 안테나의 방사 패턴과 수신 안테나의 방사 패턴의 곱으로 변환이 된다. 이때, 송신 안테나와 수신 안테나의 간격 차에 의해 두 개의 위상이 다른 수신 빔이 얻어지며, 도 5b는 전체 6개의 수신되는 안테나 빔 패턴을 나타낸 것으로, 하나의 빔은 위치가 중복되어 5개의 빔 패턴을 볼 수 있다. 안테나 시스템의 최대 물체 탐지 능력은 수신부의 안테나 수에 비례하므로, 수신부의 안테나 개수가 많아질수록 많은 목표물을 찾을 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 가상 배열형 안테나 시스템에서는, 송신부의 안테나의 위치 및 전자장 방사 특성을 이용하여 신호처리부에서 수신부의 안테나 수를 증가시키고, 해상도를 향상시키는 방법으로 동일한 수신부 안테나로 더 많은 목표물을 탐지하면서 해상도를 높일 수 있다.

종래 차량용 레이더의 경우, 전방의 제한된 범위내의 방위각만을 탐지할 필요가 있기 때문에, 안테나 간격을 중심 주파수 파장의 반 이상으로 높였으나, 이 경우 안테나 간격의 증가에 따른 Grating lobe의 발생으로 잘못된 목표물을 찾을 수 있다는 문제점이 있어 그 사용이 어려웠다. 반면, 본 발명에 따른 가상 배열형 안테나 시스템은 제한된 범위의 방위각을 사용할 수 있으므로 안테나 사이의 간격을 한 파장 이상으로 설계할 수 있으며, 이 경우 안테나 사이의 간격은 등간격 또는 비등간격이 될 수 있다.

다음으로 도 6은 본 발명에 따른 레이더 시스템을 차량에 적용하는 경우의 안테나 빔의 일예를 나타낸 도면이다.

도 6에 예시로서 도시된 안테나 빔은 30도의 각도로 약 50m 거리에서 전방차량을 스캔할 수 있으며, 송수신 안테나를 차량의 번호판 내부에 위치시킴으로서 자동차의 외부에 파손을 입히거나 별도의 기구물을 부착하는 등의 불편한 점을 개선할 수 있다.

다음으로, 본 발명에 따른 차량용 레이더 시스템은 안테나를 제외한 수신부와 송신부 부분을 저가의 밀리미터/서브밀리미터 CMOS 공정 기법을 이용하여 제조한다. 최근 들어 RF분야에서도 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)를 이용한 기술을 점차 적용함으로써, 현재의 GaAs, SiGe공정의 고가격을 낮출 수 있고, 신호처리부와 함께 RF부가 단일 CMOS칩으로 제작이 가능하여 종래 차량용 레이더 시스템의 가격을 현격하게 낮출 수 있다. CMOS는 하나의 반도체 기판위에 반도체 소자와 함께 각종 수동소자, 부품들을 한꺼번에 찍어낸 회로로서, 이를 이용한 MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit)와 RFIC(Radio Frequency Integrated Circuit)기술이 있다. MMIC란 보통 증폭기 하나, 증폭기 2~3개의 회로 조합으로 만들어진 단품을 말하며, RFIC는 이러한 회로들을 섞은 경우를 말한다. RF에서 CMOS를 이용하는 것은 RF처리부에 있어서 아날로그 RF뿐만 아니라 디지털 부분까지 손쉽게 집적할 수 있어서 그 부가가치는 매우 높다. 본 발명에 따른 차량용 레이더 시스템에서도 전체 시스템의 수신부(10)와 송신부(20)를 CMOS공정기법을 이용하여 하나의 회로기판에 인쇄함으로써 종래의 복잡한 레이더 시스템을 간소화시킬 수 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대해서 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

본 발명에 따른 레이더 시스템은 DBF 기술을 이용하는 차량용 레이더 시스템으로, 종래의 고해상도 레이더 시스템에 비해 상대적으로 공간 해상도가 매우 우수하며 간단한 구조의 IF 시스템을 이용하여, 종래의 RF 시스템의 복잡한 구조를 간략화시킴으로서, 주파수 변환과정에서 동반하는 잡음 발생을 줄일 수 있어 수신 성능이 향상되는 효과를 갖는다.

뿐만 아니라, 종래의 고해상도 레이더 시스템에서 사용하는 높은 이득의 부피가 큰 다중 안테나 대신에 작은 이득을 가진 3dB 빔 폭의 저가형 소형 평판형 안테나를 사용할 수 있게 됨으로써, 생산단가를 낮출 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 가상 배열형 레이더 시스템의 사용 시, 송신부에서는 하나의 전방향성 송신 빔으로 변환되고, 신호처리부에서 수신부의 안테나 수를 증가시켜, 더욱 집적된 형태의 수신 빔 특성을 보이게 됨에 따라, 종래의 배열형 안테나 시스템보다 더 많은 목표물을 탐지하고 해상도를 높을 수 있다.

다음으로, 본 발명에 따른 차량용 레이더 시스템은 저가의 CMOS공정기법을 사용하여 안테나부를 제외한 레이더 송신부와 수신부를 하나의 반도체 기판 상에 인쇄함으로써 시스템의 복잡도를 감소시키면서 생산단가를 줄일 수 있다.

따라서, 본 발명은 근거리에서 고해상도를 요구하는 레이더 시스템으로서 차량과 같은 운송수단의 자동운행 시스템 및 안전운행을 위한 중요한 보조 장치로 활용될 수 있다.

Claims

밀리미터/서브밀리미터 대역에서 차량충돌 방지 및 안전운행을 위한 레이더 신호를 송신하는 레이더 송신부;

상기 송신된 레이더 신호 중 반사되어 돌아온 레이더 신호를 수신하고 디지털 신호로 출력하는 레이더 수신부 및,

상기 레이더 수신부에서 출력되는 상기 디지털 신호에 DBF 기술을 적용하여 거리, 속도 및 방위각을 계측하는 신호 처리부를 포함하고,

상기 레이더 송신부 및 상기 레이더 수신부는 복수의 안테나 소자들을 포함하는 안테나 배열을 이용하여 레이더 신호를 각각 송신 및 수신하며,

상기 신호처리부에서 상기 안테나 배열을 가상 배열형 안테나로 변환하여, 실제의 상기 레이더 신호 송수신을 위한 안테나 소자들 사이의 각 간격을 이용한 알고리즘을 적용하는 변환과정을 통해 가상으로 송신을 위한 안테나 수 또는 수신을 위한 안테나 수를 변경시킴으로써, 수신 해상도 및 물체 탐지 수를 증가시키는 것을 특징으로 하는 가상 배열형 안테나 시스템 기반의 근거리 고해상도 차량용 레이더 시스템.
제 1항에 있어서,

상기 레이더 수신부는

상기 송신된 레이더 신호 중 반사되어 돌아오는 마이크로파 신호를 수신하기 위해 등간격 또는 비등간격으로 배열되는 3개 이상의 안테나 소자를 포함하여 이루어지는 안테나 배열;

상기 안테나 배열에 수신된 신호를 중간주파수(IF) 신호로 변환하고 I/Q벡터로 변 환시키는 DBF 수신기;

상기 DBF 수신기에서 출력되는 중간주파수(IF) 신호의 잡음을 제거하기 위한 이미지 리젝트 필터;

상기 변환된 중간주파수(IF) 신호의 위상과 이득을 조절하기 위한 AGC(Automatic Gain Control) 및,

상기 AGC의 아날로그 출력신호인 중간주파수(IF) 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D변환기를

포함하는 것을 특징으로 하는 가상 배열형 안테나 시스템 기반의 근거리 고해상도 차량용 레이더 시스템.
제 2항에 있어서,

상기 DBF 수신기는

상기 안테나 배열에 수신된 신호를 증폭시키기 위한 저잡음 증폭기(LNA);

상기 증폭된 신호를 I/Q벡터로 변환하고 중간주파수(IF) 신호로 변환시키는 I/Q다운 컨버터 및,

상기 각각의 I/Q다운 컨버터에 연결되는 국부발진기와 전력분배기를

포함하는 것을 특징으로 하는 가상 배열형 안테나 시스템 기반의 근거리 고해상도 차량용 레이더 시스템.
제 3항에 있어서,

상기 I/Q다운 컨버터는

상기 증폭된 신호를 중간주파수(IF) 신호로 변환시킴과 동시에 I/Q벡터로 출력하기 위한 복조기;

상기 I/Q벡터로 출력된 중간주파수(IF) 신호를 증폭하기 위한 가변 증폭기(Variable Gain Amplifier) 및,

상기 가변 증폭기의 출력신호 중 I채널과 Q채널의 신호의 변복조를 위한 믹서를

포함하는 것을 특징으로 하는 가상 배열형 안테나 시스템 기반의 근거리 고해상도 차량용 레이더 시스템.
제 1항에 있어서,

상기 레이더 송신부는

분석된 신호를 아날로그 신호로 변환하기 위한 D/A변환기;

상기 D/A변환기에 의해 변환된 신호를 특정대역만 통과시키기 위한 대역통과필터;

상기 대역통과필터를 통과하는 신호를 I/Q벡터로 변환하고 중간주파수(IF) 신호를 송신하기 위한 신호로 변환하는 DBF 송신기 및,

상기 DBF 송신기에 의해 변환된 신호를 송신하기 위해 등간격 또는 비등간격으로 배열되는 2개 이상의 안테나소자를 포함하여 이루어지는 안테나 배열을

포함하는 것을 특징으로 하는 가상 배열형 안테나 시스템 기반의 근거리 고해상도 차량용 레이더 시스템.
제 5항에 있어서,

상기 DBF 송신기는

상기 대역통과필터를 통과한 신호를 I/Q벡터로 변환하고 중간주파수(IF) 신호를 송신하기 위한 신호로 변환시키는 I/Q업 컨버터;

상기 각각의 I/Q업 컨버터에 연결되는 국부발진기와 전력분배기 및,

상기 변환된 신호를 증폭하기 위해 상기 I/Q업 컨버터에 연결된 고출력 증폭기(Power Amplifier)를

포함하는 것을 특징으로 하는 가상 배열형 안테나 시스템 기반의 근거리 고해상도 차량용 레이더 시스템.
제 6항에 있어서,

상기 I/Q업 컨버터는

상기 대역통과필터를 통과한 신호를 I/Q 벡터로 변환시킨 신호를 증폭하기 위한 가변 증폭기(Variable Gain Amplifier);

상기 증폭된 I/Q벡터로 변환된 신호를 송신하기 위한 중간주파수(IF) 신호로 변환시키는 변조기 및,

상기 변조기에서 출력되는 I채널과 Q채널의 신호의 변복조를 위한 믹서를

포함하는 것을 특징으로 하는 가상 배열형 안테나 시스템 기반의 근거리 고해상도 차량용 레이더 시스템.
제 2항 또는 제 5항에 있어서,

상기 안테나 배열의 송수신 안테나는 소형의 저가형 평판형 안테나로서, 안테나 각각의 가중(weight)에 의해서 상기 복수의 안테나에 의해 송수신되는 신호를 가중하고 합성함으로써 복수의 신호처리기에서 송수신되는 복수의 도래파를 더 합성하여 원하는 신호를 얻기 위해서 복수의 안테나 소자를 배열하는 것을 특징으로 하는 가상 배열형 안테나 시스템 기반의 근거리 고해상도 차량용 레이더 시스템.
삭제
제 1항에 있어서,

상기 차량용 레이더 시스템은 상기 안테나 배열을 제외한 레이더 수신부와 송신부 부분을 저가형 밀리미터/서브밀리미터 대역 CMOS RF 공정방법으로 공정하는 것을 특징으로 하는 가상 배열형 안테나 시스템 기반의 근거리 고해상도 차량용 레이더 시스템.