KR101604171B1 - 공진기와 안테나 필터를 이용한 ｓｏｍ 방식 도플러 레이더 - Google Patents

Abstract

본 발명의 SOM 방식 도플러 레이더는 발진 신호를 방사하고, 물체에 반사되어 도플러 주파수만큼 천이하여 되돌아 온 고주파 신호를 수신하기 위한 안테나, 상기 안테나와 커플링(Coupling)되어 발진 신호를 생성하기 위한 공진기(Resonator), 상기 안테나 및 공진기에서 발진하도록 하기 위한 매칭 회로(matching network), 상기 안테나 및 공진기를 커플링시켜서 병렬 궤환 발진이 발생하도록 하고, 상기 안테나에서 수신한 고주파 신호와 상기 발진 신호를 혼합하여 중간 주파수(Intermediate Frequency, IF)를 출력하는 트랜지스터 및 상기 트랜지스터에서 출력된 중간 주파수의 발진 성분 및 고주파 성분을 제거하기 위하여 상기 중간 주파수를 필터링하기 위한 IF 저역 통과 필터(Low Pass Filter)를 포함한다. 본 발명에 의하면 공진기와 안테나를 결합하여 SOM 방식 도플러 레이더를 구현할 수 있으므로, 발진기의 위상 잡음 특성이 개선되어 도플러 레이더의 성능이 개선되는 효과가 있다.

Description

공진기와 안테나 필터를 이용한 ＳＯＭ 방식 도플러 레이더 {SOM type doppler radar using filter of resonator and antenna}

본 발명은 도플러 레이더에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 SOM(Self Oscillating Mixer) 방식 도플러 레이더에 관한 것이다.

일반적으로 레이더(RADAR: Radio Detection And Ranging)는 인간의 가시 거리 한계를 초월하여 원거리에 있는 물체의 존재를 탐지하는 센서로서, 기상 여건이나 주야에 관계없이 전천후 기능으로 단거리부터 수평선 너머 지구 반대편의 장거리 물체까지 탐지할 수 있는 고유한 신호의 특성이 있기 때문에, 기존의 광학 수단을 이용한 방식과는 완전히 다른 전자파 센서이다. 이러한 레이더는 여러 가지 형태가 있으며, 전파 형태에 따라 연속파 레이더 및 펄스 레이더로 분리되며, 연속파 레이더는 도플러 레이더 및 FMCW 레이더로 나뉘고, 펄스 레이더는 펄스 도플러 레이더 및 펄스 압축 레이더로 나뉜다.

도 1은 종래의 단일 안테나 방식 도플러 레이더의 개념도이다.

도 1을 참조하면, 송신기(110)에서 나온 국부 발진(LO) 신호와 안테나(120)를 통해 수신되는 고주파(radio frequency; 이하 'RF'라 함) 신호를 분리하기 위하여 서큘레이터(130)가 사용되고 신호의 혼합을 위해 혼합기(Mixer)(140)가 추가된다. IF LPF(Low Pass Filter)(150)는 혼합기(140)의 출력을 필터링하여 중간 주파수(intermediate frequency; 이하 'IF'라 함) 신호를 출력한다.

도 2는 종래의 이중 안테나 방식 도플러 레이더의 개념도이다.

도 2를 참조하면, 신호의 송수신을 위하여 두 개의 안테나(210)가 사용되고 혼합기(220)에서 신호의 혼합을 위해 방향성 결합기(Directional Coupler)(230)가 사용된다. IF LPF(240)는 혼합기(220)의 출력을 필터링하여 IF 신호를 출력한다.

한편, 위상 잡음 마이크로웨이브 발진기는 주파수를 상향 변환 또는 하향 변환하기 위한 국부 발진기로 널리 사용되고 있다. 이러한 발진기는 위상 잡음 특성을 향상시키기 위해 주로 유전체 공진기와 같은 높은 Q값을 갖는 공진기를 사용한다. 그러나, 유전체 공진기는 높은 Q값에도 불구하고 3차원적인 입체 구도로 인해 MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit)로 집적화하는데 많은 제약이 따른다.

도플러 레이더는 일반적으로 송신된 신호가 물체로부터 반사되는 신호를 수신하여 복조하는 시스템이다. 도플러 이론에 따르면, 수신된 신호는 물체의 움직임에 따라 송신 주파수에 비해 주파수와 위상이 복조된다.

자체 발진 주파수 혼합기(Self Oscillator Mixer, 이하 'SOM'이라 함)는 신호의 혼합과 발진 기능을 동시에 수행하기 위해 능동 믹서와 오실레이터가 결합된 회로로서, 회로의 소형화, 간소화, 적은 제작 비용, 적은 전력 소모 등의 이점을 갖는다.

기존의 SOM식 도플러 레이더는 게이트 단에 공진기만을 가지고 직렬 피드백 시켜 신호를 발생시키며, 이러한 신호를 물체로 송신하기 위해서는 외부에 안테나를 따로 달아 주어야 하므로 시스템의 크기가 커진다는 단점이 있다. 또한, 안테나만을 이용한 발진기는 위상잡음 특성이 현저하게 나빠진다는 단점이 있다.

대한민국 등록특허 10-1035267

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 안테나와 공진기를 커플링(Coupling)하여 낮은 위상잡음 특성을 갖도록 설계하고, 하나의 트랜지스터를 이용하여 발진 및 혼합이 동시에 이루어지도록 하여 회로 구성을 단순화할 수 있는 자기 발진 믹서(SOM: Self Oscillating Mixer) 방식 도플러 레이더를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 SOM 방식 도플러 레이더는 발진 신호를 방사하고, 물체에 반사되어 도플러 주파수만큼 천이하여 되돌아 온 고주파 신호를 수신하기 위한 안테나, 상기 안테나와 커플링(Coupling)되어 발진 신호를 생성하기 위한 공진기(Resonator), 상기 안테나 및 공진기에서 발진하도록 하기 위한 매칭 회로(matching network), 상기 안테나 및 공진기를 커플링시켜서 병렬 궤환 발진이 발생하도록 하고, 상기 안테나에서 수신한 고주파 신호와 상기 발진 신호를 혼합하여 중간 주파수(Intermediate Frequency, IF)를 출력하는 트랜지스터 및 상기 트랜지스터에서 출력된 중간 주파수의 발진 성분 및 고주파 성분을 제거하기 위하여 상기 중간 주파수를 필터링하기 위한 IF 저역 통과 필터(Low Pass Filter)를 포함한다.

상기 트랜지스터는 FET(Field effect transistor)로 구현될 수 있다.

상기 FET는 게이트(Gate) 단에 상기 공진기가 연결되고, 드레인(Drain) 단에 상기 안테나와 연결되어 있는 상기 매칭 회로와 연결되고, 소스(Source) 단에 상기 IF 저역 통과 필터가 연결될 수 있다.

상기 안테나는 마이크로스트립 패치 안테나로 구현될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 SOM 방식 도플러 레이더는 상기 트랜지스터와 상기 IF 저역 통과 필터 사이에 연결되어, 상기 트랜지스터에서 출력되는 중간 주파수 신호가 상기 IF 저역 통과 필터로 전송되도록 임피던스를 매칭하기 위한 임피던스 매칭용 선로를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 의하면 공진기와 안테나를 결합하여 SOM 방식 도플러 레이더를 구현할 수 있으므로, 발진기의 위상 잡음 특성이 개선되어 도플러 레이더의 성능이 개선되는 효과가 있다.

본 발명에서 공진기나 안테나는 각각 여러 패턴이나 다단으로 설계가 될 수 있으며, 각각의 단수를 높이거나 높은 Q값을 갖는 구조로 공진기를 설계하여 크기 감소나 위상잡음 특성을 더욱 개선시킬 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명은 하나의 트랜지스터로 혼합(mixing)과 발진(oscillating)을 동시에 수행하는 SOM방식을 적용함으로써, 회로의 소형화 및 간소화, 저 제작 비용, 저 전력소모의 장점을 가지며, 시스템 내부에 안테나를 설계하였기 때문에 추가적인 외부 안테나가 필요하진 않기 때문에 레이더 회로를 더욱 소형화할 수 있는 효과가 있다.

본 발명에 따른 안테나와 공진기를 결합한 SOM 방식 도플러 레이더는 항공 운항 및 관제. 지구 및 우주 탐사, 스마트 조명 시스템, 기상 관측. 선박 항해, 음향 진동 감지, 비접촉 심폐 모니터링, 자동차 속도 측정 및 충돌 방지 등의 민수용뿐만 아니라 조기 경보, 항만감시, 대공방어, 미사일 유도 통제 등의 군사용으로 사용될 것으로 기대된다.

또한, 본 발명에서 공진기와 안테나는 집적화가 가능한 여러 패턴으로 설계가 가능하므로, 크기나 기판에 제한을 받지 않아 모든 레이더 시스템에 적용이 가능하며, DSP 시스템 같은 제어 시스템에 결합시켜 새로운 시스템을 설계하는데 응용될 수 있을 것으로 기대된다.

도 1은 종래의 단일 안테나 방식 도플러 레이더의 개념도이다.
도 2는 종래의 이중 안테나 방식 도플러 레이더의 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 SOM 방식 도플러 레이더의 구성을 보여주는 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 실제로 제작된 SOM 방식 도플러 레이더의 샘플이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 갖는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 SOM 방식 도플러 레이더의 구성을 보여주는 블록도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 SOM 방식 도플러 레이더(300)는 공진기(Resonator)(310), 안테나(320), 매칭 회로(matching network)(330), FET(Field effect transistor)(340), IF 저역 통과 필터(Low Pass Filter)(350), 임피던스 매칭용 선로(360)를 포함한다.

안테나(320)는 발진 신호를 방사하고, 물체(10)에 반사되어 도플러 주파수만큼 천이하여 되돌아 온 고주파 신호를 수신하는 역할을 한다. 본 발명의 일 실시예에서 안테나(320)는 마이크로스트립 패치 안테나로 구현될 수 있다.

공진기(310)는 안테나(320)와 커플링(Coupling)되어 발진 신호를 생성하는 역할을 한다. 본 발명의 일 실시예에서 공진기(310)는 λ/2 SSPR(slotted square patch resonator)로 구현될 수 있다.

매칭 회로(330)는 안테나(320) 및 공진기(310)에서 발진하도록 하는 회로이다. 본 발명에서 매칭 회로(330)는 공개 스터브(open stub) 형태로 구현될 수 있으며, 안테나(320)의 방사특성에 영향을 미치지 않으면서 높은 변환이득을 갖고, 회로가 발진하도록 설계되는 것이 바람직하다.

FET(340)는 안테나(320) 및 공진기(310)를 커플링시켜서 병렬 궤환 발진이 발생하도록 하고, 안테나(320)에서 수신한 고주파 신호와 발진 신호를 혼합하여 중간 주파수(Intermediate Frequency, IF)를 출력한다.

IF 저역 통과 필터(350)는 FET(340)에서 출력된 중간 주파수의 발진 성분 및 고주파 성분을 제거하기 위하여 중간 주파수를 필터링하여 출력한다.

FET(340)는 게이트(Gate) 단에 공진기(310)가 연결되고, 드레인(Drain) 단에 안테나(320)와 연결되어 있는 매칭 회로(330)와 연결되고, 소스(Source) 단에 IF 저역 통과 필터(350)가 연결되어 있다.

임피던스 매칭용 선로(360)는 FET(340)와 IF 저역 통과 필터(350) 사이에 연결되어, FET(340)에서 출력되는 중간 주파수 신호가 IF 저역 통과 필터(350)로 전송되도록 임피던스를 매칭하는 역할을 한다.

도 3에서, FET(340)의 게이트 단의 공진기(310)와 드레인 단의 안테나(320)를 결합시켜 병렬 궤환 발진이 되도록 설계되며, 발진된 신호의 대부분은 안테나(320)를 통해 방사하게 되고 일부분만 게이트 단의 공진기(310)로 전달되어 궤환 발진이 계속 발생하게 된다. 그리고, 물체(10)로부터 반사되어 안테나(320)로 수신된 신호는 발진주파수와 자체 혼합되어 소스 단의 IF 저역 통과 필터(350)를 거쳐 도플러 주파수의 형태로 출력된다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 실제로 제작된 SOM 방식 도플러 레이더의 샘플이다.

도 4를 참조하면, 공진기는 높은 Q값을 갖고, 기판에 집적이 가능한 λ/2 SSPR(slotted square patch resonator) 공진기를 사용하였다. 그리고 드레인 단의 안테나는 설계가 비교적 간단한 마이크로스트립 사각패치 안테나를 사용하였다. 드레인단에 매칭회로는 용이한 발진 및 높은 변환이득을 얻기 위해 최적화하였으며, 출력 특성과 위상잡음 특성을 실험적으로 확인하기 위하여 안테나 전에 -20dB 커플러를 구비하였다.

본 발명의 SOM 방식 도플러 레이더는 FET의 게이트 단에 공진기가 높은 Q값을 갖고, 기판에 집적이 가능한 마이크로 스트립 공진기를 사용하며, 출력 부분인 드레인 단에는 신호를 송수신하기 위한 기판형 안테나를 설계한다. 또한 각각 자체 공진 특성을 갖는 공진기와 안테나가 커플링되도록 위치를 조절함으로써, 2단 필터 특성을 갖도록 하여 낮은 위상 잡음 특성을 갖도록 하였다. 본 발명에서 제안된 도플러 레이더는 병렬 궤환 형태로 설계되며, 발진된 신호는 드레인 단의 안테나를 통해 송신되고, 물체로부터 수신된 신호와 자체 혼합되어 소스 단에서 IF 저역 통과 필터를 거쳐 도플러 주파수를 출력한다.

발진기는 밴드 패스 필터(Band pass filter)에서 높은 군지연 특성을 갖는 주파수로 발진이 되도록 설계했을 때 낮은 위상잡음 특성을 얻을 수 있다. 이러한 높은 군지연 특성은 필터의 단수가 증가할수록 높은 값을 갖게 된다. 따라서 신호를 송수신하기 위해 설계된 안테나와 높은 Q값을 갖는 마이크로스트립 공진기를 커플링 시켜 2단 필터 특성을 갖는 병렬 궤환형 SOM을 만들 수 있으며. 이를 통해 본 발명에서는 동일한 구조의 공진기 하나로 설계된 발진기나 안테나로 설계된 발진기 보다 매우 우수한 위상잡음 특성을 가지면서 자체 발진 및 혼합되는 도플러 레이더 시스템을 구현할 수 있다.

본 발명에서 공진기나 안테나는 각각 여러 패턴이나 다단으로 설계가 될 수 있으며, 각각의 단수를 높이거나 높은 Q값을 갖는 구조로 공진기를 설계하여 크기 감소나 위상잡음 특성을 더욱 개선시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 하나의 트랜지스터로 혼합(mixing)과 발진(oscillating)을 동시에 수행하는 SOM방식을 적용하여 회로의 소형화 및 간소화, 저 제작 비용, 저 전력소모의 장점을 가지며, 시스템 내부에 안테나를 설계하였기 때문에 추가적인 외부 안테나가 필요하진 않아 레이더 회로를 더욱 소형화할 수 있다.

이상 본 발명을 몇 가지 바람직한 실시예를 사용하여 설명하였으나, 이들 실시예는 예시적인 것이며 한정적인 것이 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 사상과 첨부된 특허청구범위에 제시된 권리범위에서 벗어나지 않으면서 다양한 변화와 수정을 가할 수 있음을 이해할 것이다.

300 SOM 방식 도플러 레이더 310 공진기
320 안테나 330 매칭 회로
340 FET 350 IF 저역 통과 필터
360 임피던스 매칭용 선로 10 물체

Claims (5)

1. 발진 신호를 방사하고, 물체에 반사되어 도플러 주파수만큼 천이하여 되돌아 온 고주파 신호를 수신하기 위한 안테나;
   상기 안테나와 커플링(Coupling)되어, 발진 신호를 생성하기 위한 공진기(Resonator);
   상기 안테나 및 공진기에서 발진하도록 하는 매칭 회로(matching network);
   그 게이트 단에 상기 공진기가 연결되고, 그 드레인 단에 상기 매칭 회로를 거쳐 상기 안테나가 연결되어, 상기 공진기, 상기 안테나 및 상기 매칭 회로에 의해 병렬 궤환 발진이 발생하도록 하고, 그 소스 단으로 상기 안테나에서 수신한 고주파 신호와 상기 발진 신호가 혼합된 중간 주파수(Intermediate Frequency, IF)를 출력하는 FET; 및
   상기 트랜지스터에서 출력된 중간 주파수의 발진 성분 및 고주파 성분을 제거하기 위하여 상기 중간 주파수를 필터링하기 위한 IF 저역 통과 필터(Low Pass Filter)를 포함하는 것을 특징으로 하는 SOM 방식 도플러 레이더.
   
2. 청구항 1에 있어서, 상기 공진기와 안테나는,
   각기 자체 공진 특성을 갖는 것임을 특징으로 하는 SOM 방식 도플러 레이더.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 소스(Source) 단에는 상기 IF 저역 통과 필터가 연결된 것임을 특징으로 하는 SOM 방식 도플러 레이더.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 안테나는 마이크로스트립 패치 안테나인 것임을 특징으로 하는 SOM 방식 도플러 레이더.
   
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 트랜지스터와 상기 IF 저역 통과 필터 사이에 연결되어, 상기 트랜지스터에서 출력되는 중간 주파수 신호가 상기 IF 저역 통과 필터로 전송되도록 임피던스를 매칭하기 위한 임피던스 매칭용 선로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 SOM 방식 도플러 레이더.
   

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