KR101274189B1 - 안테나 연결구조를 개선한 레이더 레벨측정시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 선박에서 그 내부에 위치한 탱크 내에 수용된 충진물의 높이(레벨)을 측정하는 레이더 레벨측정시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 안테나에서 전자기파를 가이드하는 웨이브가이드의 일측면에 엘리먼트설치공을 관통형성하고 엘리먼트삽입공을 통해 PCB에 연결된 안테나 엘리먼트가 직접 웨이브가이드 내에 삽입되도록 하여, 별도의 케이블을 사용하지 않고도 전자기파를 안테나에 송수신할 수 있고 그에 따라 전자기파의 간섭을 최소화하여 전송효율을 높일 수 있으며, 또한 PCB의 일측면 상부에서 안테나 엘리먼트가 회로의 부품과 연결되는 지점에 내측으로 함입된 함입홈을 형성하고 상기 함입홈을 통해 PCB가 안테나 엘리먼트와 용이하게 탈착될 수 있게 함으로써, 레이더 레벨측정시스템의 회로 장착 및 연결을 용이하게 할 수 있도록 하는 안테나연결구조를 개선한 레이더 레벨측정시스템에 관한 것이다.

Description

안테나 연결구조를 개선한 레이더 레벨측정시스템{A Radar Level Gauge System improving antenna connection structure}
본 발명은 선박에서 그 내부에 위치한 탱크 내에 수용된 충진물의 높이(레벨)을 측정하는 레이더 레벨측정시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 안테나에서 전자기파를 가이드하는 웨이브가이드의 일측면에 엘리먼트설치공을 관통형성하고 엘리먼트삽입공을 통해 PCB에 연결된 안테나 엘리먼트가 직접 웨이브가이드 내에 삽입되도록 하여, 별도의 케이블을 사용하지 않고도 전자기파를 안테나에 송수신할 수 있고 그에 따라 전자기파의 간섭을 최소화하여 전송효율을 높일 수 있으며, 또한 PCB의 일측면 상부에서 안테나 엘리먼트가 회로의 부품과 연결되는 지점에 내측으로 함입된 함입홈을 형성하고 상기 함입홈을 통해 PCB가 안테나 엘리먼트와 용이하게 탈착될 수 있게 함으로써, 레이더 레벨측정시스템의 회로 장착 및 연결을 용이하게 할 수 있도록 하는 안테나연결구조를 개선한 레이더 레벨측정시스템에 관한 것이다.
탱크와 같은 컨테이너(용기) 내에 저장된 충진물(통상적으로 액체인 경우가 많다)의 충진레벨을 측정하기 위한 방법으로 레이더 레벨게이지와 같은 측정시스템이 사용되어 오고 있다.
레이더(radar)는 무선탐지와 거리측정(RAdio Detecting And Ranging)의 약어로, 전자기파를 측정물에 발사시켜 그 측정물에서 반사되는 전자기파를 수신하여 물체와의 거리, 방향 등을 탐지,측정해내는 무선감시장치를 의미한다. 레이더는 전파 형태에 따라 크게 연속파 레이더와 펄스 레이더로 구분되는데, 상기 연속파 레이더에는 FMCW 레이더가 있다.
해양을 운행하는 선박에서도 선박 내 밸러스트수 탱크에서의 수위를 측정하거나 또는 원유 등을 운반하는 선박 등의 경우에는 탱크 내에 수용된 원유의 수위를 측정하는 데에 위와 같은 레이더 레벨측정시스템을 사용하고 있다.
그러나, 종래 레이더 레벨측정시스템에서는 전자기파를 생성시키는 회로의 PCB와 생성된 전자기파를 송수신하는 안테나 사이를 동축케이블을 사용하여 연결시키는 방식을 사용하고 있으나, 이러한 종래의 방식에서는 양자를 연결하는 동축케이블이 별도로 사용되어야 함에 따른 재료의 손실은 물론 케이블로 인해 중간주파수의 케이블 간섭이 발생하게 되는 문제가 있고, 다른 한편으로는 안테나의 웨이브가이드에서 내측으로 함입되는 홈을 형성한 후 형성된 홈 내로 회로의 PCB 및 안테나 엘리먼트를 삽입하는 방식도 사용되고 있으나, 이러한 종래의 방식에서는 웨이브가이드의 내측으로 함입되는 홈의 형성에 따른 고주파 송수신효율의 저감 문제가 발생하게 된다.
또한, 종래 레이더 레벨측정시스템에서는 단지 회로의 PCB(인쇄회로기판)에 부착되는 안테나커넥터의 그라운드와 연결시키는 방식에 국한되기 때문에, PCB 전체면(전체 바닥면)에 그라운드 상태가 고루 미치지 않게 되고 PCB의 전체 표면에 정전 용량(electrostatic capacity, 이는 절연되어 있는 물체에 전하를 줄 때 물체가 갖는 전위와의 비로, PCB 회로가 그 맡은 전압에 따라 거기에 전하를 쌓아두는 능력 즉, 축전능력을 의미한다)이 골고루 퍼지지 않게 되므로 레이더 레벨측정시스템의 PCB에서 생성되는 고주파의 손실이 커지고 그에 따라 고주파의 출력효율이 저감되는 문제를 안게 된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로,
본 발명의 목적은 전자기파를 가이드하는 웨이브가이드의 일측면에 엘리먼트설치공을 관통형성하고 엘리먼트삽입공을 통해 PCB에 연결된 안테나 엘리먼트가 직접 웨이브가이드 내에 삽입되도록 하여, 별도의 케이블을 사용하지 않고도 전자기파를 안테나에 송수신할 수 있고 그에 따라 전자기파의 간섭을 최소화하여 전송효율을 높일 수 있는 안테나연결구조를 개선한 레이더 레벨측정시스템을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 PCB의 일측면 상부에서 안테나 엘리먼트가 회로의 부품과 연결되는 지점에 내측으로 함입된 함입홈을 형성하고 상기 함입홈을 통해 PCB가 안테나 엘리먼트와 용이하게 탈착될 수 있게 함으로써, 레이더 레벨측정시스템의 회로 장착 및 연결을 용이하게 할 수 있도록 하는 안테나연결구조를 개선한 레이더 레벨측정시스템을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 레이더 레벨측정시스템에서 전자기파를 생성하여 송수신하고 이를 분석하는 회로유닛의 PCB 최하부면 전체가 선박의 프레임과 부동접지되면서 접촉되어 PCB 전체에 정전용량이 균일하게 분포될 수 있도록 함으로써, 전자기파(고주파)의 손실을 최소화하고 출력효율을 높일 수 있게 하는 안테나연결구조를 개선한 레이더 레벨측정시스템을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 볼트를 사용하여 회로유닛의 PCB 전체를 골고루 선박의 프레임과 접촉결합시킴으로써, PCB 전체면에 그라운드 상태가 균일하게 분포되도록 하는 안테나연결구조를 개선한 레이더 레벨측정시스템을 제공하고자 하는 것이다.
상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 안테나연결구조를 개선한 레이더 레벨측정시스템은 다음과 같은 구성을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 안테나연결구조를 개선한 레이더 레벨측정시스템은 선박의 탱크 내 레벨을 측정하기 위해 탱크 내부에 위치하여 전자기파를 송수신하는 안테나; 상기 안테나에 송신되는 전자기파를 생성하고 상기 안테나로부터 수신되는 전자기파를 분석하여 탱크 내 레벨을 측정하는 회로유닛;을 포함하며, 상기 안테나에 송수신되는 전자기파를 가이드하는 웨이브가이드의 일측면에 엘리먼트설치공을 관통형성하고, 상기 엘리먼트삽입공을 통해 PCB에 연결된 안테나 엘리먼트가 직접 상기 웨이브가이드 내에 삽입되도록 하여, 별도의 케이블을 사용하지 않고 전자기파를 안테나에 송수신하고 전자기파의 간섭을 최소화할 수 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 레이더 레벨측정시스템에 있어서 상기 회로유닛은 PCB의 일측면 상부에서 상기 안테나 엘리먼트가 회로의 부품과 연결되는 지점에 함입홈을 형성하여, 상기 함입홈을 통해 PCB가 상기 안테나 엘리먼트와 용이하게 탈착될 수 있게 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 레이더 레벨측정시스템에 있어서 상기 회로유닛은 회로의 부품이 안착되고 전기적으로 연결되는 PCB가 다층으로 이루어지고, 다층으로 형성된 PCB의 최하부층 기판을 제외한 나머지층 기판들에만 비아홀을 형성하여 상기 PCB의 최하부층 기판 전체가 회로와 연결되지 않고 선박의 프레임과 부동접지되어 PCB 전체에 정전용량이 균일하게 분포되도록 함으로써, 전자기파의 손실을 최소화할 수 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 레이더 레벨측정시스템에 있어서 상기 회로유닛은 다층으로 형성된 PCB의 최하부층 기판 전체가 골고루 선박의 프레임과 접촉결합되도록 볼트를 사용하여 PCB와 프레임 간을 결합시켜, PCB 전체면에 그라운드 상태가 균일하게 분포되도록 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 레이더 레벨측정시스템에 있어서 상기 회로유닛은 다층으로 형성된 PCB의 최하부층 기판을 포함한 모든 층의 기판들에 비아홀을 형성하고, 상기 PCB의 최하부층 기판의 하부면에 절연층을 형성하여 선박의 프레임과 부동접지시켜 PCB 전체에 정전용량이 균일하게 분포되도록 함으로써, 전자기파의 손실을 최소화할 수 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 앞서 본 실시예와 하기에 설명할 구성과 결합, 사용관계에 의해 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.
본 발명은 전자기파를 가이드하는 웨이브가이드의 일측면에 엘리먼트설치공을 관통형성하고 엘리먼트삽입공을 통해 PCB에 연결된 안테나 엘리먼트가 직접 웨이브가이드 내에 삽입되도록 하여, 별도의 케이블을 사용하지 않고도 전자기파를 안테나에 송수신할 수 있고 그에 따라 전자기파의 간섭을 최소화하여 전송효율을 높일 수 있는 효과를 갖는다.
본 발명은 PCB의 일측면 상부에서 안테나 엘리먼트가 회로의 부품과 연결되는 지점에 내측으로 함입된 함입홈을 형성하고 상기 함입홈을 통해 PCB가 안테나 엘리먼트와 용이하게 탈착될 수 있게 함으로써, 레이더 레벨측정시스템의 회로 장착 및 연결을 용이하게 할 수 있도록 하는 효과를 갖는다.
본 발명은 레이더 레벨측정시스템에서 전자기파를 생성하여 송수신하고 이를 분석하는 회로유닛의 PCB 최하부면 전체가 선박의 프레임과 부동접지되면서 접촉되어 PCB 전체에 정전용량이 균일하게 분포될 수 있도록 함으로써, 전자기파(고주파)의 손실을 최소화하고 출력효율을 높일 수 있게 하는 효과를 갖는다.
본 발명은 볼트를 사용하여 회로유닛의 PCB 전체를 골고루 선박의 프레임과 접촉결합시킴으로써, PCB 전체면에 그라운드 상태가 균일하게 분포되도록 하는 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더 레벨측정시스템이 선박의 탱크에 설치된 상태를 도시한 참고도
도 2는 종래 동축케이블을 이용한 PCB와 안테나의 연결구조를 도시한 참고도
도 3은 도 1의 레이더 레벨측정시스템에서 PCB와 안테나 연결구조를 도시한 단면구조도
도 4는 도 3에서의 PCB 상부면을 도시한 평면도
도 5는 도 1의 레이더 레벨측정시스템에서 회로유닛의 PCB를 도시한 사시도
도 6은 도 5의 PCB가 설치된 구조를 도시한 단면구조도
도 7은 도 5의 PCB가 설치된 다른 구조를 도시한 단면구조도
도 8은 도 1의 레이더 레벨측정시스템에서 회로유닛의 PCB의 다른 예를 도시한 사시도
도 9는 도 8의 PCB가 설치된 구조를 도시한 단면구조도
도 10은 발진주파수와 수신주파수의 시간에 따른 차이를 도시한 그래프
도 11은 도 1의 레이더 레벨측정시스템에서 직접 디지털 합성기를 이용하여 직선성 및 정밀성을 향상시키는 전자기파발생 회로도
이하에서는 본 발명에 따른 안테나연결구조를 개선한 레이더 레벨측정시스템의 바람직한 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더 레벨측정시스템이 선박의 탱크에 설치된 상태를 도시한 참고도이고, 도 2는 종래 동축케이블을 이용한 PCB와 안테나의 연결구조를 도시한 참고도이고, 도 3은 도 1의 레이더 레벨측정시스템에서 PCB와 안테나 연결구조를 도시한 단면구조도이고, 도 4는 도 3에서의 PCB 상부면을 도시한 평면도이고, 도 5는 도 1의 레이더 레벨측정시스템에서 회로유닛의 PCB를 도시한 사시도이고, 도 6은 도 5의 PCB가 설치된 구조를 도시한 단면구조도이고, 도 7은 도 5의 PCB가 설치된 다른 구조를 도시한 단면구조도이고, 도 8은 도 1의 레이더 레벨측정시스템에서 회로유닛의 PCB의 다른 예를 도시한 사시도이고, 도 9는 도 8의 PCB가 설치된 구조를 도시한 단면구조도이고, 도 10은 발진주파수와 수신주파수의 시간에 따른 차이를 도시한 그래프이고, 도 11은 도 1의 레이더 레벨측정시스템에서 직접 디지털 합성기를 이용하여 직선성 및 정밀성을 향상시키는 전자기파발생 회로도이다.
도 1 내지 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나연결구조를 개선한 레이더 레벨측정시스템은 선박의 탱크(5) 내 레벨을 측정하기 위해 탱크(5) 내부에 위치하여 전자기파를 송수신하는 안테나(3); 상기 안테나(3)에 송신되는 전자기파를 생성하고 상기 안테나(3)로부터 수신되는 전자기파를 분석하여 탱크(5) 내 레벨을 측정하는 회로유닛(1);을 포함하며, 상기 안테나(3)에 송수신되는 전자기파를 가이드하는 웨이브가이드(31)의 일측면에 엘리먼트설치공(311)을 관통형성하고, 상기 엘리먼트설치공(311)을 통해 PCB(15)에 연결된 안테나 엘리먼트(18)가 직접 상기 웨이브가이드(31) 내에 삽입되도록 하여, 별도의 케이블을 사용하지 않고 전자기파를 안테나(3) 즉, 혼(32)에 송수신하고 전자기파의 간섭을 최소화할 수 있는 것을 특징으로 한다.
먼저, 본 발명에 따른 레이더 레벨측정시스템이 탱크(5) 내 충진물(통상, 액체)의 레벨을 측정하는 원리에 대해 살펴보면, 레이더 레벨측정시스템에서는 상기 회로유닛(1)을 통해 전자기파(본 발명에서는 특히, 고주파를 의미한다)를 생성시켜 이를 상기 안테나(3)를 통해 탱크(5) 내 충진된 충진물을 향해 발사시키게 되면 직진성을 갖는 전자기파는 충진물까지 직진으로 진행한 후 반사되어 되돌아오는데, 그 충진물 표면에 반사되어 상기 안테나(3)를 통해 유입되는 전자기파를 수신하여 상기 회로유닛(1)에서 반사되어 돌아온 전자기파의 시간을 측정하여 탱크(5) 내 채워진 충진물의 높이를 탐지,측정해내게 된다.
상기 안테나(3)는 선박의 탱크(5) 내 레벨을 측정하기 위해 탱크(5) 내부에 위치하며, 후술할 회로유닛(1)에서 생성된 전자기파(고주파)를 탱크(5) 내 충진된 충진물을 향해 송신하고, 상기 충진물에서 반사되어 되돌아오는 반사파를 수신하여 회로유닛(1)에 전송하는 기능을 수행한다. 이를 위해 상기 안테나(3)의 일 예로는 도 3에 도시된 바와 같이, 후술할 회로유닛(1)에서 생성된 전자기파를 탱크(5) 내부까지 가이드하기 위해 내부에 중공(전자기파가 이동하는 공간)이 형성되어 길이방향으로 연장되는 웨이브가이드(31)와, 상기 웨이브가이드(31)의 말단 즉, 탱크(5) 내부에 위치하여 웨이브가이드(31)를 통해 전송된 전자기파를 탱크(5) 내 충진물을 향해 전송하고 충진물에서 반사되어 되돌아오는 반사파를 수신하는 송신기와 수신기 기능을 하는 혼(32)을 포함한다.
상기 회로유닛(1)은 상기 안테나(3)에 송신되는 전자기파를 생성하고 상기 안테나(3)로부터 수신되는 전자기파를 분석하여 탱크(5) 내 레벨을 측정하는 신호생성 및 연산기능을 수행하는 구성으로, 이를 위해 상기 회로유닛(1)에는 전자기파를 생성하고 각종 연산과정을 수행하는 다양한 회로 부품들이 PCB(15) 상에 전기적으로 연결되게 된다.
이와 같은 레이더를 이용한 레벨측정시스템은 종래에도 있어 왔으나, 도 2를 참조하면, 종래의 레이더 레벨측정시스템의 경우 전자기파를 생성시키는 회로의 PCB(15)에 부착된 안테나 커넥터(16)에 별도의 동축케이블(17)을 결합시켜 PCB(15)에서 생성된 전자기파를 안테나로 전송하는 방식을 사용하고 있고, 이러한 종래의 방식에서는 회로의 PCB(15)와 안테나 사이를 연결하는 동축케이블(17)이 별도로 사용되어야 함에 따른 재료의 손실은 물론 동축케이블(17)로 인해 전자기파 중간주파수의 케이블 간섭이 발생하게 되는 문제가 있게 된다. 다른 한편으로는 종래의 방식 중 안테나의 웨이브가이드에서 내측으로 함입되는 홈을 형성한 후 함입된 홈 내로 회로의 PCB 및 안테나 엘리먼트를 삽입하는 방식도 사용되고 있으나, 이러한 종래의 방식에서는 웨이브가이드의 내측으로 함입되는 홈의 형성에 따른 고주파 송수신효율의 저감 문제가 발생하게 된다.
따라서, 본 발명에서는 위와 같은 종래의 문제점들을 개선시킬 수 있도록 도 3에 도시된 바와 같이, 전자기파를 가이드하는 웨이브가이드(31)의 일측면에 엘리먼트설치공(311)을 관통형성하고, 상기 엘리먼트설치공(311)을 통해 PCB(15)에 연결된 안테나 엘리먼트(18)(이는 전자기파(고주파)의 전송과 수신 기능을 수행하는 구성으로, 통상 황동과 같은 재질로 형성되는 봉 형상의 구성이다)가 직접 상기 웨이브가이드(31) 내에 삽입되어 웨이브가이드(31) 내에서 전자기파를 안테나의 혼(32)으로 전송할 수 있도록 하는 구조를 형성하게 된다.
상기 엘리먼트설치공(311)은 전자기파를 가이드하는 웨이브가이드(31)의 일측면에 관통형성되는 통공으로, 상기 PCB(15)에 연결된 안테나 엘리먼트(18)가 삽입될 수 있게 안테나 엘리먼트(18) 보다 넓은 크기로 형성되며 안테나 엘리먼트(18)가 삽입된 후의 안테나 엘리먼트(18)와 상기 엘리먼트설치공(311) 사이의 남은 공간에는 테프론(312) 등에 의해 채워져 절연되게 된다.
이와 같이 전자기파를 가이드하는 웨이브가이드(31)의 일측면에 관통형성된 상기 엘리먼트설치공(311)을 통해 상기 PCB(15)에 연결된 안테나 엘리먼트(18)를 직접 웨이브가이드(31) 내에 삽입,설치함으로써, 상기 PCB(15)의 회로에서 생성된 전자기파(고주파)는 상기 안테나 엘리먼트(18)를 통해 상기 웨이브가이드(31) 내에서 발신되어 안테나의 혼(32)으로 전송되는바, 종래와 같이 별도의 케이블이 불필요하게 되므로 이러한 케이블에 의한 전자기파(고주파)의 간섭이 발생하지 않게 됨은 물론 전자기파가 직접 웨이브가이드(31) 내에서 전송, 전달 및 수신되므로 전달 손실을 최소화하고 송수신효율을 높일 수 있게 된다. 상기 엘리먼트설치공(311)을 통해 삽입되는 안테나 엘리먼트(18)는 엘리먼트설치공(311)으로부터 웨이브가이드(31) 내로 돌출되는 부분이 전체 안테나 엘리먼트(18) 길이의 1/4 내외의 길이가 되도록 함이 바람직하며, 이는 안테나 엘리먼트(18)를 통해 전송되는 전자기파의 간섭이나 전달손실을 최소화할 수 있게 하기 위함이다.
이때, 상기 엘리먼트설치공(311)을 통한 안테나 엘리먼트(18)의 삽입 및 안테나 엘리먼트(18)와 PCB(15)의 결합, PCB(15)와 웨이브가이드(31) 간의 결합을 용이하게 할 수 있도록 하기 위한 구조로, 도 3 및 4에 도시된 바와 같이 상기 PCB(15)의 일측면(안테나 엘리먼트(18)가 결합하는 측면) 상부에서 상기 안테나 엘리먼트(18)가 회로의 부품과 연결되는 지점에 함입홈(157)을 형성하여, 상기 함입홈(157)을 통해 PCB(15)가 상기 안테나 엘리먼트(18)와 용이하게 탈부착될 수 있게 할 수 있다.
상기 함입홈(157)은 도 3 및 4에 도시된 바와 같이, 상기 PCB(15)의 일측면 상부에서 안테나 엘리먼트(18)의 두께(직경)에 해당하는 깊이 정도로, 안테나 엘리먼트(18) 전체 길이의 2/3~3/4 내외의 길이에 해당하는 길이 정도로 함입되어 형성되는 부분으로, 상기 PCB(15)의 일측면에 상기와 같은 함입홈(157)이 형성되는 경우 상기 함입홈(157) 내에 상기 함입홈(157)에 꼭 끼워 맞게 안테나 엘리먼트(18)를 삽입한 후 안테나 엘리먼트(18)와 함입홈(157) 간을 접합하는 방식으로 PCB(15)와 안테나 엘리먼트(18) 상호 간을 용이하게 탈부착시킬 수 있게 되며, 이 경우 안테나 엘리먼트(18)를 상기 엘리먼트설치공(311) 내에 삽입시 PCB(15)의 일측면과 웨이브가이드(31) 간에도 밀접되어 용이하고 견고하게 결합시킬 수 있게 된다.
도 1, 5 내지 7을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 안테나연결구조를 개선한 레이더 레벨측정시스템은 선박의 탱크(5) 내 레벨을 측정하기 위해 탱크(5) 내부에 위치하여 전자기파를 송수신하는 안테나(3); 상기 안테나(3)에 송신되는 전자기파를 생성하고 상기 안테나(3)로부터 수신되는 전자기파를 분석하여 탱크(5) 내 레벨을 측정하는 회로유닛(1);을 포함하며, 상기 회로유닛(1)은 회로의 부품이 안착되고 전기적으로 연결되는 PCB(15)가 다층으로 이루어지고, 상기 PCB(15)의 최하부층 기판(153) 전체가 회로와 연결되지 않고 선박의 프레임과 부동접지(floating ground, 이는 레벨측정시스템에 사용되는 회로의 접지를 선박의 프레임으로부터 절연시키는 것으로, 선박에 사용되는 레이더 레벨측정시스템의 특성상 회로를 선박의 그라운드와 절연시키는 것을 의미한다)되는 것을 특징으로 한다.
종래의 레이더 레벨측정시스템의 경우 레벨측정시스템에 사용되는 회로가 회로의 PCB에 부착되는 안테나커넥터(도 5 및 6에서의 안테나 커넥터(16) 참조)의 그라운드(ground)를 이용하는 방식에 국한되기 때문에, 이러한 종래의 구조에서는 PCB 전체면(하부 바닥면)에 걸쳐 그라운드(ground) 상태가 고루 미치지 않게 되고 PCB의 전체 표면에 정전 용량(electrostatic capacity, 이는 절연되어 있는 물체에 전하를 줄 때 물체가 갖는 전위와의 비로, PCB 회로가 그 맡은 전압에 따라 거기에 전하를 쌓아두는 능력 즉, 축전능력을 의미한다)이 골고루 퍼지지 않게 되므로, 레이더 레벨측정시스템의 PCB에서 생성되는 고주파의 손실이 커지고 그에 따라 고주파의 출력효율이 저감되는 문제를 안게 된다.
따라서, 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이더 레벨측정시스템에서는 상기와 같은 문제를 근본적으로 개선시키기 위한 구조로, 도 5 및 6에 도시된 바와 같이 상기 회로유닛(1)에서 회로의 부품이 안착되고 전기적으로 연결되는 PCB(15)를 3층 이상의 기판을 갖는 다층으로 형성함과 아울러, 상기 PCB(15)의 최하부층 기판(153)은 전체가(바닥면 전체가) 그 상측에 위치하는 다른 기판들과는 회로적으로(전기적으로) 연결되지 않게 형성한 다음, 상기 PCB(15)의 최하부층 기판(153)의 바닥면 전체를 선박의 프레임(7)(여기서 선박의 프레임이란 선박의 그라운드와 접촉되어 있는 구성을 의미하는 것으로, 방열기능을 수행하면서 선박 그라운드와 연결되는 방열판이나 또는 선박 그라운드와 연결된 케이싱 등 선박의 그라운드와 접촉되어 있는 도전성 구성들을 모두 통칭하는 포괄적인 의미이다)과 부동접지시키는 구조를 갖을 수 있다(이때, PCB(15)의 측면에 결합하는 안테나 커넥터(16)의 외부 하우징은 프레임(7)과 함께 선박의 그라운드에 접촉되게 되고, 안테나 커넥터(16)의 외부 하우징과는 절연되어 있는 내부의 안테나 엘리먼트(RF Feeder)는 PCB(15)의 회로와 연결되게 된다).
일 예로, 도 6을 참조하면, 본 발명의 레이더 레벨측정시스템에 사용되는 회로유닛(1)의 상기 PCB(15)는 최상부층 기판(151), 중간 기판(152), 최하부층 기판(153)을 갖는 다층구조로 형성되게 되는데, 상기 중간 기판(152)의 개수에 따라 전체적으로 3층, 4층 또는 그 이상의 층을 갖는 다층 PCB(15)로 형성되게 된다. 이때, 상기 다층 PCB(15)에서 최하부층 기판(153)을 제외한 나머지 기판들은 회로유닛(1)의 각종 기능을 수행하기 위한 회로부품들과 전기적으로 연결되게 되는데, 이를 위해 상기 다층 PCB(15)에는 최하부층 기판(153)을 제외하고 최상부층 기판(151)과 중간 기판(152)들을 관통하는 비아홀(154)이 형성될 수 있다.
상기 비아홀(154)은 상기 다층 PCB(15)에서 최하부층 기판(153)을 제외하고 최상부층 기판(151)과 중간 기판(152)들을 관통하여 최상부층 기판(151)과 중간 기판(152)들이 전기적으로 연결될 수 있게 하는 구성으로, 상기 비아홀(154) 내에는 전기적 신호의 전송을 위해 동(copper)이 코팅될 수 있다. 이와 같이 상기 비아홀(154)에 의해 연결된 다층 PCB(15)의 최상부층 기판(151)과 중간 기판(152)들은 서로 전기적으로 연결되어 있기 때문에 상기 최상부층 기판(151)과 중간 기판(152)들을 활용하여 많은 회로부품과 회선을 보다 작은 크기의 PCB(15)에도 형성할 수 있게 된다.
상기 다층 PCB(15)의 최하부층 기판(153)의 경우 상기 비아홀(154)이 관통되어 형성되지 않을뿐더러 최하부층 기판(153)의 하부 바닥면은 그 상부에 위치하는 최상부층 기판(151)과 중간 기판(152)들과는 전기적으로 완전히 분리되게 형성되기 때문에, 도 6에 도시된 바와 같이 회로유닛(1)의 상기 다층 PCB(15)를 최하부층 기판(153)의 하부 바닥면이 선박의 프레임(7)에 접하도록 결합시키게 되면, 상기 다층 PCB(15)는 선박의 프레임(7)과 접하는 최하부층 기판(153)이 선박과 PCB(15)의 회로들 사이를 완전히 절연시키게 되는 즉, 부동접지(floating ground)시키게 된다. 따라서, 상기 최하부층 기판(153)의 하부 바닥면 전체를 통해 선박의 프레임(7)과 부동접지되어 결합하는 고주파를 생성하는 상기 다층 PCB(15)는 선박과 PCB(15)의 회로들 사이를 완전히 절연시키는 최하부층 기판(153)에 의해 선박 프레임(7)과 PCB(15) 회로가 DC(직류)적으로는 떨어지게 되나, AC(교류)적으로는 상기 최하부층 기판(153)의 하부 바닥면만큼 AC(교류) 그라운드(ground) 면적이 넓어지고 PCB(15)의 전체 표면에 걸쳐 정전용량이 골고루 퍼지면서 극대화할 수 있게 되어 PCB(15)에서 생성되는 고주파의 손실을 최소화하여 고주파의 출력효율을 높일 수 있게 된다(이때, 상기 최하부층 기판(153)의 하부 바닥면에는 동박층을 형성할 수도 있는데, 이와 같이 최하부층 기판(153)의 하부 바닥면에 동박층을 형성하는 경우에는 회로유닛의 PCB(15)를 선박의 프레임(7)에 접하도록 결합시키기 전에도 테스트가 가능한 장점을 갖게 된다).
도 7을 참조하면, 본 발명의 레이더 레벨측정시스템에 사용되는 회로유닛(1)의 상기 PCB(15)를 선박의 프레임(7)에 결합고정시킴에 있어 특히, 다층으로 형성된 PCB(15)의 최하부층 기판(153)의 하부 바닥면 전체가 골고루 선박의 프레임(7)과 접촉결합되도록 볼트(155)를 사용하여 PCB(15)와 프레임(7) 간을 결합시키게 되는데, 이와 같이 다층 PCB(15)의 전체 면적에 고루 걸쳐서 다수의 볼트(155)를 사용하여 PCB(15)의 최하부층 기판(153)의 하부 바닥면 전체가 빠짐없이 선박의 프레임(7)에 밀착 결합 되도록 함으로써, 노이즈를 감소시키고 PCB(15) 전체면에 걸쳐 그만큼 AC(교류) 그라운드(ground) 면적이 넓어지고 PCB(15)의 전체 표면에 걸쳐 정전용량이 골고루 퍼지면서 극대화할 수 있게 되어 PCB(15)에서 생성되는 전자기파(고주파)의 손실을 최소화하여 전자기파(고주파)의 출력효율을 높일 수 있게 된다.
도 1, 8 및 9를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 안테나연결구조를 개선한 레이더 레벨측정시스템은 선박의 탱크(5) 내 레벨을 측정하기 위해 탱크(5) 내부에 위치하여 전자기파를 송수신하는 안테나(3); 상기 안테나(3)에 송신되는 전자기파를 생성하고 상기 안테나(3)로부터 수신되는 전자기파를 분석하여 탱크(5) 내 레벨을 측정하는 회로유닛(1);을 포함하며, 상기 회로유닛(1)은 회로의 부품이 안착되고 전기적으로 연결되는 PCB(15)가 다층으로 이루어지고, 상기 PCB(15)의 최하부층 기판(153)의 하부면에 절연층(156)을 형성하여 선박의 프레임과 부동접지되는 것을 특징으로 한다. 여기에서 상기 안테나(3), 회로유닛(1) 등의 구성은 앞서 실시예에서와 동일한 구성들이므로 그에 대한 설명은 중복기재를 피하기 위해 생략하도록 하며, 이하에서는 앞서 실시예와 다른 구조를 갖는 다층 PCB(15)의 구조 및 그로 인한 효과에 대해서 중점적으로 설명하도록 한다.
즉, 본 발명의 또 다른 실시예에서는 앞서 설명한 다층 PCB(15)와 다른 구조의 다층 PCB(15)를 활용하게 되는데, 여기에서 사용되는 다층 PCB(15)는 도 8 및 9에 도시된 바와 같이 최상부층 기판(151), 중간 기판(152), 최하부층 기판(153)으로 이루어진 3층 이상의 다층 기판들(중간 기판(152)의 수에 따라 전체 층수가 결정됨) 전체에 걸쳐 상기 비아홀(154)이 형성되어, 다층 PCB(15)의 모든 기판들이 상호 간에 전기적으로 연결될 수 있게 형성되며, 다만 상기 PCB(15)의 최하부층 기판(153)의 하부면에 절연층(156)을 형성하게 된다.
이러한 본 발명의 또 다른 실시예에서의 회로유닛(1)에서는 다층 PCB(15)의 최상부층 기판(151)과 중간 기판(152)은 물론 최하부층 기판(153)까지 모두 서로 전기적으로 연결되어 있기 때문에 상기 다층 PCB(15)의 모든 층의 기판들을 활용(즉, 최상부층 기판(151)의 상부면에서부터 최하부층 기판(153)의 하부면까지 활용)하여 앞서의 실시예에서 보다 상대적으로 많은 회로부품과 회선을 보다 작은 크기의 PCB(15)에도 형성할 수 있게 된다.
그러면서도, 상기 다층 PCB(15)의 최하부층 기판(153)의 하부면에는 절연층(156)(이는 PCB(15)의 하부면을 선박 프레임(7)의 그라운드로부터 절연시키기 위해 절연물질을 스크린 인쇄 등을 통해 도포하여 형성되는 일종의 코팅층으로, 이때 사용되는 절연물질로는 PS 등과 같은 절연수지 등이 활용될 수 있다)이 형성되어 절연층(156)을 중심으로 그 상부(PCB의 회로)와 하부(선박 그라운드)는 절연되기 때문에, 도 9에 도시된 바와 같이 회로유닛(1)의 상기 다층 PCB(15)를 최하부층 기판(153)의 하부면 즉, 상기 절연층(156)이 선박의 프레임(7)에 접하도록 결합시키게 되면, 상기 다층 PCB(15)는 선박의 프레임(7)과 접하는 절연층(156)이 선박과 PCB(15)의 회로들 사이를 완전히 절연시키게 되는 즉, 부동접지(floating ground)시키게 된다. 따라서, 상기 최하부층 기판(153)의 하부면에 형성된 절연층(156)을 통해 선박의 프레임(7)과 부동접지되어 결합하는 고주파를 생성하는 상기 다층 PCB(15)는 선박과 PCB(15)의 회로들 사이를 완전히 절연시키는 절연층(156)에 의해 선박 프레임(7)과 PCB(15) 회로가 DC(직류)적으로는 떨어지게 되나, AC(교류)적으로는 기판의 전체면(하부 바닥면) 만큼 AC(교류) 그라운드(ground) 면적이 넓어지고 PCB(15)의 전체 표면에 걸쳐 정전용량이 골고루 퍼지면서 극대화할 수 있게 되어 PCB(15)에서 생성되는 고주파의 손실을 최소화하여 고주파의 출력효율을 높일 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 또 다른 실시예에서도 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 PCB(15)를 선박의 프레임(7)에 결합고정시킴에 있어 특히, 다층으로 형성된 PCB(15)의 최하부층 기판(153)의 하부면 즉, 절연층(156) 전체가 골고루 선박의 프레임(7)과 접촉결합되도록 볼트(155)를 사용하여 PCB(15)와 프레임(7) 간을 결합시키게 되는데, 이와 같이 다층 PCB(15)의 전체 면적에 고루 걸쳐서 다수의 볼트(155)를 사용하여 PCB(15)의 최하부층 기판(153)의 하부면 즉, 절연층(156) 전체가 빠짐없이 선박의 프레임(7)에 밀착 결합 되도록 함으로써, 노이즈를 감소시키고 PCB(15) 전체면(하부 바닥면)에 걸쳐 그만큼 AC(교류) 그라운드(ground) 면적이 넓어지고 PCB(15)의 전체 표면에 걸쳐 정전용량이 골고루 퍼지면서 극대화할 수 있게 되어 PCB(15)에서 생성되는 전자기파(고주파)의 손실을 최소화하여 전자기파(고주파)의 출력효율을 높일 수 있게 된다.
도 1, 10 및 11을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 레이더 레벨측정시스템에서는 전자기파를 생성,분석하는 상기 회로유닛(1)의 회로를 설계함에 있어 상기 회로유닛(1)은 전자기파를 생성하고 각종 연산과정을 수행하는 전자기파발생회로(11)를 포함한다.
도 11을 참조하여 상기 전자기파발생회로(11)에 대해 설명하면, 이는 안테나에서 방사되는 전자기파를 실시간으로 발생시키는 구성으로, 직접 디지털 합성기(112)의 레퍼런스 주파수를 설정하는 디지털 신호 프로세서(Digital signal processor, DSP)(111)와, 상기 디지털 신호 프로세서(111)에 의해 설정된 레퍼런스 주파수를 발생시켜 위상고정루프 회로(113)로 전달하는 직접 디지털 합성기(Direct digital synthesizer, DDS)(112)와, 상기 직접 디지털 합성기(112)의 레퍼런스 주파수에 따라 위상 고정 신호를 생성해서 주파수를 발진하는 위상고정루프(Phase locked loop, PLL) 회로(113)와, 상기 위상고정루프 회로(113)에 의해 발진된 주파수를 증폭하여 안테나(3)로 전송하거나 안테나(3)의 수신 주파수를 전송받아 증폭시키는 증폭혼합회로(114)를 포함한다.
상기 디지털 신호 프로세서(111)는 직접 디지털 합성기(112)의 레퍼런스 주파수를 설정하는 구성으로, 보다 상세하게는 전자기파발생회로(11)를 전체적으로 제어하며, 특히 입력장치(6)를 통해 특정 주파수의 전자기파 발진요청이 있는 경우 직접 디지털 합성기(112)의 레퍼런스 주파수를 설정하여 이를 직접 디지털 합성기(112)로 전송하거나 혼합기(1143)를 거친 비트주파수를 증폭시켜 입력받아 내장된 A-D 변환기(Analog Digital Converter)를 통해 디지털 신호로 변환하고 푸리에 변환을 수행하여 주파수 성분을 추출하는 역할을 수행하는 집적 회로이다. 상기 푸리에 변환은 통상적으로 FFT(fast Fourier transform)알고리즘에 의한다. 상기 디지털 신호 프로세서(111)는 푸리에 변환을 통해 수신주파수의 시간에 따른 위상변화를 분석하여 수위를 측정한다.
상기 직접 디지털 합성기(112)는 상기 디지털 신호 프로세서(111)에 의해 설정된 레퍼런스 주파수를 발생시켜 위상고정루프 회로(113)로 전달하는 구성이다. 보다 상세하게 설명하면, 사용자는 원하는 발진 주파수를 입력장치(6)를 통해 입력할 수 있고, 이에 따라 상기 디지털 신호 프로세서(111)는 직접 디지털 합성기(112)에 레퍼런스 주파수를 설정해준다. 즉, 디지털 신호 프로세서(111)는 위상고정루프(1131)의 주파수를 변경해주는 PLL데이터를 생성하는 동시에 레퍼런스 주파수를 설정한다. 상기 과정은 1클럭에 이루어지는데, 레퍼런스 주파수는 주파수 변조 범위를 설정하여 이루어지므로 실제로는 1클럭에 복수의 레퍼런스 주파수 변조정보를 담고 있게 된다. 상기 레퍼런스 주파수 변조정보에 따라 직접 디지털 합성기(112)는 레퍼런스 주파수를 순차로 발생시켜 위상고정루프 회로(113)로 전달하게 되므로 결과적으로 주파수를 변경해주는 PLL데이터의 입력횟수를 줄여주게 된다. 후술하는 위상고정루프 회로(113)는 상기 직접 디지털 합성기(112)로부터 레퍼런스 주파수를 순차로 받아서 락킹을 수행한다. 상기 직접 디지털 합성기(112)와 위상고정루프 회로(113)의 구체적인 동작에 대해서는 뒤에 좀 더 자세히 설명한다.
상기 위상고정루프(Phase locked loop, PLL) 회로(113)는 직접 디지털 합성기(112)의 레퍼런스 주파수에 따라 위상 고정 신호를 생성해서 주파수를 발진하는 구성으로, 상기 직접 디지털 합성기(112)의 레퍼런스 주파수에 따라 위상 고정 신호를 생성해서 주파수를 발진하는 회로이다. 상기 위상고정루프 회로(113)는 직접 디지털 합성기(112)의 레퍼런스 주파수와 분주기(1135)에서 출력된 주파수(이하에서 이를 '피드백 주파수'라고 정의한다. 통상적으로 '비교주파수'란 용어도 동일한 의미로 사용된다.)를 비교하여 위상 차에 따른 조절신호(이하 '위상조절신호'라 한다)를 생성하여 전압제어발진기(1132)로 전송하는 위상고정루프(1131)와, 상기 위상고정루프(1131)로부터 위상조절신호를 전송받아 전자기파를 발진하는 전압제어발진기(1132)와, 상기 전압제어발진기(1132)에서 발진된 전자기파의 주파수(이하 '발진주파수'라 한다)를 필터링하는 저역통과필터(1133)와, 상기 저역통과필터(1133)를 통과한 발진주파수를 분배시키는 분배기(1134)와, 상기 분배기(1134)에 의해 분배된 발진주파수의 일부 세력을 상기 위상고정루프(1131)로 피드백시키는 분주기(1135)를 포함한다.
상기 위상고정루프(1131)는 직접 디지털 합성기(112)의 레퍼런스 주파수와 분주기(1135)에서 출력된 피드백 주파수를 비교하여 위상조절신호를 생성하여 전압제어발진기(1132)로 전송하는 구성이다. 발명의 배경이 되는 기술에서 설명한 바와 같이 이는 발진회로가 갖고 있는 고유의 비선형적 특징을 보완하는 회로구성이다. 즉, 발진장치의 발진주파수는 비선형의 특성을 나타내므로 이로 인해 측정 오차가 생기는 등의 문제가 발생한다. 위상고정루프(1131)는 일정한 목표 주파수(즉, 레퍼런스 주파수)를 설정하고 발진주파수를 비교하여 차이만큼 위상을 보정함으로써 발진주파수를 수정하는 일을 수행한다. 이를 좀 더 상세히 설명하면, 전압제어발진기(1132)의 초기 발진시 발진주파수는 일반적으로 어느 한 쪽에 치우쳐 있게 된다. 상기 발진주파수는 저역통과필터(1133)를 통과하여 분배기(1134)를 거쳐 일부는 안테나(3) 쪽으로 전송되고, 나머지는 분주기(1135)를 통해 위상고정루프(1131)로 피드백된다. 위상고정루프(1131)는 외부로부터 레퍼런스 주파수를 공급받는데(레퍼런스 주파수의 공급수단은 여러 방법이 될 수 있다.), 위상고정루프(1131)는 레퍼런스 주파수와 피드백 주파수를 비교한다. 전술한 것처럼 초기 발진시 전압제어발진기(1132)의 발진주파수는 레퍼런스 주파수와 큰 차이를 보일 것이므로 위상고정루프(1131)는 락킹 작업을 시작한다. 상기 락킹 작업은 상기 위상고정루프(1131)가 레퍼런스 주파수와 피드백 주파수의 위상 차를 검출하고 검출된 위상 차에 따라 전압제어발진기(1132)에 주파수를 업시키거나 다운시키는 신호(위상조절신호)를 전송하는 방식으로 이루어진다. 이 과정은 레퍼런스 주파수와 피드백 주파수(즉, 발진주파수)가 동일하게 될 때까지 반복적으로 이루어진다. 통상적으로 락킹이 완료될 때까지는 어느 정도의 시간이 소요되며, 회로의 효율을 떨어뜨리는 요인이 되기도 한다. 이는 피드백(Feed back) 회로의 특성이기도 하다.
상기 전압제어발진기(1132)는 상기 위상고정루프(1131)로부터 위상조절신호를 전송받아 전자기파를 발진하는 구성이다. 발진기는 직류 전력을 교류전력으로 변환하는 일종의 에너지 변환회로인데, 전압제어발진기(1132)는 바람직하게 내부에 공진기를 갖고 있으며, 공진주파수를 외부에서 인위적으로 변환시키면 이에 따라 발진주파수도 변하게 된다. 상기 전압제어발진기(1132)는 위상고정루프(1131)의 위상조절신호에 따라 공진주파수가 변화되고 이에 따라 발진주파수도 조절되어 락킹이 이루어진다.
상기 저역통과필터(1133)는 전압제어발진기(1132)에서 발진된 발진주파수를 필터링하는 구성으로, 불필요한 잡음을 제거하는 구성이다.
상기 분배기(1134)는 상기 저역통과필터(1133)를 통과한 발진주파수를 같은 위상으로 분배시키는 구성으로, 바람직하게는 발진주파수의 3/4세력을 후술하는 광대역 RF증폭기(1141)로 전달하고 1/4세력은 분주기(1135)로 전달한다.
상기 분주기(1135)는 상기 분배기(1134)에 의해 분배된 발진주파수의 일부 세력을 상기 위상고정루프(1131)로 피드백시키는 구성이다. 분주기(1135)는 고속회로와 저속회로의 주파수 정합을 위한 구성으로, 저속에 해당하는 위상고정루프(1131)의 레퍼런스 주파수를 통해 고속의 전압제어발진기(1132)를 제어할 수 있다. 본 발명에서 바람직하게 1/8분주기의 사용으로 8배 높은 주파수를 제어하고 있다. 분주되는 피드백 주파수는 위상고정루프(1131)가 락킹을 수행하기 위한 비교주파수로 사용된다.
이하에서는 먼저 직접 디지털 합성기(112)가 없는 경우의 위상고정루프 회로(113)의 동작을 설명한다. 이 경우 전술한 것처럼 수정발진기(Crystal Oscilator)를 이용해 처프신호(Chirp signal)를 발생시킬 수 있다. 수정발진기에서 발생되는 특정주파수의 처프신호가 레퍼런스 주파수가 된다. 즉, 상기 위상고정루프(1131)는 수정발진기를 통해 레퍼런스 주파수를 공급받고 전술한 바와 같이 전압제어발진기(1132)에서 발진된 피드백 주파수와 비교하여 전압제어발진기(1132)의 위상이 레퍼런스 주파수와 일치할 때까지 락킹 작업을 반복적으로 수행한다. 그런데, FMCW 레이더의 경우 지속적으로 레퍼런스 주파수를 변경시켜 주어야 하므로 수정발진기의 레퍼런스 주파수를 변경해 주기 위한 PLL 데이터를 지속적으로 입력해주는 과정이 필요하다. 수정발진기는 고정된 레퍼런스 주파수만을 공급하므로 레퍼런스 주파수의 변경은 위상고정루프(1131) 내에서 이루어져야 한다. 이를 위해 전술한 디지털 신호 프로세서(111)는 지속적으로 PLL 데이터를 인가한다. 예를 들면, 10GHz의 레퍼런스 주파수를 9GHz로 변경해야 하는 경우 수정발진기는 고정된 10GHz의 레퍼런스 주파수만을 공급하고 디지털 신호 프로세서(111)가 이를 수정하기 위한 PLL데이터를 지속적으로 발생시킨다. 레퍼런스 주파수는 선형적으로 입력되어야 하므로 단위 시간당 일정한 주파수 감소분(또는 증가분)으로 변경되어야 한다. 이 과정은 하나의 클럭을 필요로 하므로 매 클럭당 PLL데이터를 입력해주어야 한다. 그런데 이러한 종래의 방법은 시간이 많이 걸릴 뿐 아니라, PLL 데이터를 입력할 때 노이즈가 발생하여 중간주파수에 영향을 미치게 되는 문제가 있다. 결과적으로 시스템의 효율 및 정밀성이 떨어지며, 노이즈 제거를 위한 회로설계가 필요하므로 설계가 어렵다.
그러면, 본 발명에 따라 직접 디지털 합성기(112)를 이용한 경우의 위상고정루프 회로(113)의 동작을 살펴본다. 이 경우는 수정발진기가 아닌 디지털 신호 프로세서(111)의 제어에 의해 직접 디지털 합성기(112)가 레퍼런스 주파수를 공급한다. 다만, 레퍼런스 주파수는 고정된 하나의 주파수가 아닌 선형적으로 변화하는 변조정보로서 제공된다. 예를 들면, 현재 레퍼런스 주파수에서 10% 스윕 다운시키는 레퍼런스 주파수 변조 신호가 입력될 수 있다. 상기 직접 디지털 합성기(112)는 이같은 레퍼런스 주파수 변조정보에 따라 레퍼런스 주파수를 순차로 변조시켜 위상고정루프 회로(113)로 전달한다. 레퍼런스 주파수는 단위 시간당 일정한 주파수 감소분으로 변경되어 공급되며 최종적으로 10% 스윕 다운에 이를 때까지 반복하여 입력이 이루어진다. 위상고정루프 회로(113)는 전술한 것처럼 상기 직접 디지털 합성기(112)로부터 레퍼런스 주파수를 순차로 받아서 락킹을 수행한다. 이처럼 디지털 신호 프로세서(111)는 1클럭에 PLL데이터를 한 번 생성함과 동시에 레퍼런스 주파수 변조정보를 직접 디지털 합성기(112)로 전달한다. 상기 과정은 1클럭에 이루어지므로 직접 디지털 합성기(112)를 이용하지 않은 경우와 비교해 PLL데이터를 한 번만 입력하는 차이점이 있다. 이는 위상고정루프(1131)의 신호 처리 시간을 줄이고, PLL데이터를 입력할 때 발생하는 노이즈를 줄이게 되어, 시스템의 효율 및 정밀성을 높일 뿐 아니라, 노이즈에 주의를 기울여 설계할 필요가 없어 설계가 용이해지게 되는 것이다. 또한, 직접 디지털 합성기(112)를 통해 노이즈 없이 발진주파수를 쉽게 가변할 수 있게 되므로 안정적으로 발진주파수를 얻을 수 있다는 장점도 있다.
상기 증폭혼합회로(114)는 위상고정루프 회로(113)에 의해 발진된 주파수를 증폭하여 안테나(3)로 전송하거나 안테나(3)의 수신 주파수를 전송받아 증폭시키는 구성이다. 상기 증폭혼합회로(114)는 상기 위상고정루프 회로(113)에 의해 발생된 전자기파를 증폭시키는 RF증폭기(Radio frequency amplifier, RF amp)(1141)와, 상기 RF증폭기(1141)에 의해 증폭된 전자기파를 분기시켜 일부는 안테나(3) 단으로 전송하고 나머지는 혼합기(1143)로 전송하는 커플러(coupler)(1142)와, 상기 커플러(1142)에서 전송받은 전자기파와 상기 안테나(3)에서 수신한 전자기파를 혼합하여 IF증폭기(Intermediate Frequency amp, IF amp)(1144)로 전송하는 혼합기(1143)와, 상기 혼합기(1143)로부터 전송받은 비트주파수를 증폭시켜 디지털 신호 프로세서(111)로 전달하는 IF증폭기(1144)를 포함한다.
상기 RF증폭기(1141)는 위상고정루프 회로(113)에 의해 발진된 발진주파수를 증폭시키는 구성이다. 전술한 것처럼 발진주파수의 일부 세력은 분주기(1135)를 통과하여 피드백되며, 나머지는 RF증폭기(1141)로 전달되어 증폭된다. 증폭된 전자기파는 안테나(3)를 통한 방사와 비트주파수를 만드는데 사용된다.
상기 커플러(1142)는 RF증폭기(1141)에 의해 증폭된 전자기파를 분기시켜 일부는 안테나(3) 단으로 전송하고 나머지는 혼합기(1143)로 전송하는 구성이다. 커플러(1142)는 커플링의 정도를 인위적으로 조절하는 것으로, 선로의 길이와 간격을 임의로 조절하여 한쪽에 원하는 전력이 전달되도록 한다. 커플링(Coupling)이란 독립된 공간 또는 선로 간에서 전자계적으로 교류 신호 에너지가 상호 전달되는 현상을 의미한다. 본 발명에서는 바람직한 실시 예로 3db 하이브리드 커플러(Hybrid Coupler)를 사용하여 발진주파수를 반으로 배분하여 1/2은 방사시키고 나머지 1/2은 혼합기로 보낸다. 또한, 안테나(3)로부터 수신한 전자기파를 혼합기로 보내는 역할도 한다.
상기 혼합기(1143)는 상기 커플러(1142)에서 전송받은 전자기파와 상기 안테나(3)에서 수신한 전자기파를 혼합하여 IF증폭기(Intermediate Frequency amp)(1144)로 전송하는 구성이다. 이 과정을 통해 혼합된 전자기파의 주파수를 비트 주파수 또는 중간주파수라 한다. '비트'란 주파수가 근접한 두 주파수의 진동을 겹칠 때 양 주파수의 차로 진동하는 파가 생기는 것을 의미한다. 본 발명에서는 안테나(3)를 통해 수신한 수신주파수와 발진주파수를 혼합하여 비트주파수를 생성한다. 비트주파수는 IF증폭기로 전달된다.
상기 IF증폭기(1144)는 혼합기(1143)로부터 전송받은 비트주파수를 증폭시켜 디지털 신호 프로세서(111)로 전달한다. 디지털 신호 프로세서(111)는 전술한 것처럼 내장된 A-D 변환기(미도시)를 통해 이를 디지털 신호로 변환하고 푸리에 변환을 수행하여 주파수 성분을 추출하여 탱크의 수위를 측정한다.
이상에서, 출원인은 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명하였지만, 이와 같은 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 구현하는 일 실시예일 뿐이며 본 발명의 기술적 사상을 구현하는 한 어떠한 변경예 또는 수정예도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 해석되어야 한다.
1: 회로유닛
11: 전자기파발생회로 111: 디지털 신호 프로세서
112: 직접 디지털 합성기 113: 위상고정루프 회로
1131: 위상고정루프 1132: 전압제어발진기 1133: 저역통과필터
1134: 분배기 1135: 분주기
114: 증폭혼합회로 1141: RF증폭기 1142: 커플러
1143: 혼합기 1144: IF증폭기 Fd : 발진주파수와 수신주파수의 차이
15: PCB 151: 최상부층 기판 152: 중간 기판 153: 최하부층 기판
154: 비아홀 155: 볼트 156: 절연층 157: 함입홈
16: 안테나 커넥터 17: 동축케이블 18: 안테나 엘리먼트
3: 안테나
31: 웨이브가이드 311: 엘리먼트설치공 312: 테프론 32: 혼
5: 탱크
7: 선박 프레임

Claims (5)

  1. 선박의 탱크 내 레벨을 측정하기 위해 탱크 내부에 위치하여 전자기파를 송수신하는 안테나;
    상기 안테나에 송신되는 전자기파를 생성하고 상기 안테나로부터 수신되는 전자기파를 분석하여 탱크 내 레벨을 측정하는 회로유닛;을 포함하며,
    상기 안테나에 송수신되는 전자기파를 가이드하는 웨이브가이드의 일측면에 엘리먼트설치공을 관통형성하고, 상기 엘리먼트설치공을 통해 PCB에 연결된 안테나 엘리먼트가 직접 상기 웨이브가이드 내에 삽입되도록 하여, 별도의 케이블을 사용하지 않고 전자기파를 안테나에 송수신하고 전자기파의 간섭을 최소화할 수 있고,
    상기 회로유닛은 회로의 부품이 안착되고 전기적으로 연결되는 PCB가 다층으로 이루어지고, 다층으로 형성된 PCB의 최하부층 기판을 제외한 나머지층 기판들에만 비아홀을 형성하여 상기 PCB의 최하부층 기판 전체가 회로와 연결되지 않고 선박의 프레임과 부동접지되어 PCB 전체에 정전용량이 균일하게 분포되도록 함으로써, 전자기파의 손실을 최소화할 수 있는 것을 특징으로 하는 안테나연결구조를 개선한 레이더 레벨측정시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 회로유닛은 PCB의 일측면 상부에서 상기 안테나 엘리먼트가 회로의 부품과 연결되는 지점에 함입홈을 형성하여, 상기 함입홈을 통해 PCB가 상기 안테나 엘리먼트와 용이하게 탈착될 수 있게 하는 것을 특징으로 하는 안테나연결구조를 개선한 레이더 레벨측정시스템.
  3. 삭제
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