KR101640787B1 - 무선 신호 방향 탐지 시스템 - Google Patents

무선 신호 방향 탐지 시스템 Download PDF

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KR101640787B1
KR101640787B1 KR1020150066210A KR20150066210A KR101640787B1 KR 101640787 B1 KR101640787 B1 KR 101640787B1 KR 1020150066210 A KR1020150066210 A KR 1020150066210A KR 20150066210 A KR20150066210 A KR 20150066210A KR 101640787 B1 KR101640787 B1 KR 101640787B1
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antenna
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이정훈
이종환
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국방과학연구소
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Abstract

본 발명은, 광대역 주파수 범위에 포함되는 무선 신호의 주파수 범위에 영향을 받지 않으면서 상기 무선 신호의 방향 탐지의 정확도를 높일 수 있는 무선 신호 방향 탐지 시스템에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 외부로부터 특정 주파수 범위를 갖는 무선 신호를 수신하는 복수 개의 안테나, 상기 복수 개의 안테나 중 2개의 안테나 각각에서 측정된 무선 신호의 위상 값을 이용하여, 상기 2개의 안테나 상호 간의 위상 차를 계산하는 신호 처리부 및 상기 복수 개의 안테나 중 2개의 안테나로 구성된 안테나 조합을 형성하고, 상기 안테나 조합 각각에 대응되는 위상 차에 근거하여 상기 안테나 조합의 일부를 포함하는 안테나 배열을 형성하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는, 상기 특정 주파수 범위를 제1 주파수 범위 및 상기 제1 주파수 범위의 최저 주파수 값보다 작은 최고 주파수 값을 갖는 제2 주파수 범위로 나누고, 상기 제1 주파수 범위에 포함된 무선 신호가 수신되면 상기 제1 주파수 범위에 대응되는 안테나 배열을 이용하여 상기 무선 신호의 수신 방향을 탐지하고, 상기 제2 주파수 범위에 포함된 무선 신호가 수신되면 상기 제2 주파수 범위에 대응되는 안테나 배열을 이용하여 상기 무선 신호의 수신 방향을 탐지하는 것을 특징으로 한다.

Description

무선 신호 방향 탐지 시스템{THE SYSTEM FOR FINDING DIRECTION OF A WIRELESS SIGNAL}
본 발명은 서로 다른 주파수 범위를 갖는 무선 신호의 방향을 탐지하는데 서로 다른 안테나 배열을 적용할 수 있는 시스템에 관한 것이다.
무선 신호의 방향을 탐지하는 시스템으로, 위상인터페로미터 방향탐지 시스템이 이용될 수 있다. 위상인터페로미터 방향탐지 시스템은 두 개 혹은 그 이상의 개수로 안테나를 배열하고, 상기 배열에서 안테나 상호 간 위상 값의 차이를 이용하여 무선 신호가 수신된 방위각을 결정하여 상기 무선 신호의 방향을 탐지할 수 있다.
또한, 상기 무선 신호의 방향 탐지 시스템은, 여러 가지의 위협 이미터를 탐지하기 위하여 광대역의 무선 신호를 탐지할 수 있게 형성된다. 또한, 상기 무선 신호의 방향 탐지의 정확도를 높이면서 상기 방향 탐지의 모호성을 해결하고자, 무선 신호를 수신하기 위한 복수 개의 안테나를 포함하고, 상기 복수 개의 안테나의 다양한 조합을 이용할 수 있다.
한편, 상기 안테나 조합에 따른 위상 차는 무선 신호의 주파수에 근거하여 결정되므로, 광대역 주파수 범위의 최고 주파수 값을 기준으로 상기 안테나의 조합을 선택할 수 있다. 이 경우, 상기 무선 신호의 방향을 탐지하는 정확도를 높일 수 있으나, 광대역 주파수 범위 내에서 상기 무선 신호가 상대적으로 낮은 주파수를 갖는 경우, 상기 무선 신호의 방향 탐지의 정확도는 상기 무선 신호가 상대적으로 높은 주파수를 갖는 경우보다 낮아지는 문제점이 있다.
이에, 본 발명은 광대역 주파수 범위를 두 개의 주파수 범위로 나누고, 각 주파수 범위에 서로 다른 안테나 배열을 적용하여 무선 신호의 방향을 탐지할 수 있는 무선 신호 방향 탐지 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 무선 신호의 주파수 및 위상 값을 이용하여 상기 무선 신호의 수신 방향을 탐지하는 무선 신호 방향탐지 시스템으로, 외부로부터 특정 주파수 범위를 갖는 무선 신호를 수신하는 복수 개의 안테나, 상기 복수 개의 안테나 중 2개의 안테나 각각에서 측정된 무선 신호의 위상 값을 이용하여, 상기 2개의 안테나 상호 간의 위상 차를 계산하는 신호 처리부 및 상기 복수 개의 안테나 중 2개의 안테나로 구성된 안테나 조합을 형성하고, 상기 안테나 조합 각각에 대응되는 위상 차에 근거하여 상기 안테나 조합의 일부를 포함하는 안테나 배열을 형성하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는, 상기 특정 주파수 범위를 제1 주파수 범위 및 상기 제1 주파수 범위의 최저 주파수 값보다 작은 최고 주파수 값을 갖는 제2 주파수 범위로 나누고, 상기 제1 주파수 범위에 포함된 무선 신호가 수신되면 상기 제1 주파수 범위에 대응되는 안테나 배열을 이용하여 상기 무선 신호의 수신 방향을 탐지하고, 상기 제2 주파수 범위에 포함된 무선 신호가 수신되면 상기 제2 주파수 범위에 대응되는 안테나 배열을 이용하여 상기 무선 신호의 수신 방향을 탐지할 수 있다.
또한, 상기 복수 개의 안테나는, 특정 방향에 근거하여 순서를 가지면서 일렬로 배열된 4개의 안테나를 포함하고, 상기 안테나 배열은, 상기 4개의 안테나 중 2개의 안테나로 구성된 안테나 조합을 3개 포함하며, 상기 제어부는, 상기 안테나 조합 각각에 대응되는 위상 차가 상기 무선 신호의 주파수 범위에 따라 달라지는 것에 근거하여, 상기 제1 및 제2 주파수 범위 중 어느 하나의 범위에 포함되는 무선 신호에 의하여 상기 안테나 조합 각각에 대응되는 위상 차 상호 간의 관계를 도시한 위상 차 관계도에서, 상기 위상 차 상호 간의 간격을 일정한 값으로 도출하는 3개의 안테나 조합으로 상기 어느 하나의 주파수 범위에 대응되는 안테나 배열을 형성할 수 있다.
또한, 상기 제1 주파수 범위에 대응되는 안테나 배열에는, 두 번째와 네 번째의 안테나로 구성된 안테나 조합, 첫 번째와 두 번째의 안테나로 구성된 안테나 조합 및 세 번째와 네 번째의 안테나로 구성된 안테나 조합이 포함될 수 있다.
또한, 상기 제2 주파수 범위에 대응되는 안테나 배열에는, 첫 번째와 네 번째의 안테나로 구성된 안테나 조합, 두 번째와 세 번째의 안테나로 구성된 안테나 조합 및 두 번째와 네 번째의 안테나로 구성된 안테나 조합이 포함될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 무선 신호 방향 탐지 시스템은 광대역 주파수 범위를 상대적으로 높은 주파수 범위와 낮은 주파수 범위로 나누고, 각 주파수 범위에 서로 다른 안테나 배열을 적용함으로써, 무선 신호의 주파수 범위에 영향을 받지 않고 상기 무선 신호의 방향 탐지의 정확도를 높일 수 있다.
도 1은 2개의 안테나 소자를 포함하는 기본적인 방향 탐지 시스템의 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 4개의 안테나 소자를 포함하는 방향 탐지 시스템의 구성을 도시한 도면이다.
도 3은 도 2의 안테나 배치에 따른 무선 신호의 방향에 대한 오차를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명에서, 무선 신호의 주파수 범위에 따라 서로 다른 안테나 조합을 적용하여 방향을 탐지하는 방법에 관한 순서도이다.
도 5a 및 도 5b는 서로 다른 주파수 범위 각각에 대응되는 안테나 배열을 도시한 도면이다.
도 6a 및 도 6b는 제1 및 제2 주파수 범위 각각에 대응되는 안테나 배열에 포함된 안테나 조합의 위상 차로 생성된 위상 차 관계도를 도시한 도면이다.
도 7은 서로 다른 주파수 범위 각각에 서로 다른 안테나 배열을 적용한 경우 방향 탐지의 정확도를 도시한 도면이다.
본 명세서에서는 서로 다른 실시 예라도 동일·유사한 구성에 대해서는 동일·유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음으로 갈음한다. 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "구성된다." 또는 "포함한다." 등의 용어는 명세서상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계를 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 기술을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 기술의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
본 발명에 따른 무선 신호 방향 탐지 시스템은, 무선 신호를 수신하기 위한 복수 개의 안테나를 포함하고, 상기 복수 개의 안테나 각각에서 수신된 무선 신호의 위상 값을 이용하여 상기 무선 신호가 수신된 방향을 탐지할 수 있다. 보다, 구체적으로, 상기 복수 개의 안테나 각각에서 측정된 무선 신호의 위상 값 상호 간의 차이(위상 차)를 이용하여 방위각을 측정함으로써, 상기 무선 신호가 수신된 방향을 탐지할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 설명하는 무선 신호의 방향 탐지 시스템은 위상인터페로미터 방향 탐지 시스템에 적용될 수 있다.
도 1은 2개의 안테나 소자를 포함하는 기본적인 방향 탐지 시스템의 구성을 도시한 도면이다.
도 1에 도시된 방향 탐지 시스템은 두 개의 안테나(10, 11)을 포함하고, 상기 두 개의 안테나(10, 11) 각각에서 수신되는 무선 신호는 각 안테나에 구비된 위상 측정기에 의하여 위상이 검출될 수 있다. 즉, 첫 번째 안테나(10)에서 수신된 무선 신호의 위상은 상기 첫 번째 안테나(10)에 구비된 위상 검출기(20)에 의하여 검출되고, 두 번째 안테나(11)에서 수신된 무선 신호의 위상은 상기 두 번째 안테나(11)에 구비된 위상 검출기(21)에 의하여 검출될 수 있다.
또한, 각 위상 검출기(20, 21)에서 검출된 무선 신호의 위상 상호 간의 차이(위상 차)는 위상 비교기(30)에 의하여 산출될 수 있다. 여기에서, 상기 위상 차는 수학식 1과 같이 주어질 수 있다.
Figure 112015045514953-pat00001
여기에서, 상기 λ는 상기 무선 신호의 파장, d는 상기 두 개의 안테나(10, 11) 상호 간의 거리, θ는 상기 무선 신호의 도래각(AOA:Angle Of Arrival)일 수 있다. 이와 같은 위상 차를 이용하여 상기 무선 신호가 수신되는 방향을 탐지할 수 있다.
한편, 상기 위상 차에 따른 상기 무선 신호의 방향탐지에 대한 오차는 수학식 2와 같이 주어질 수 있다.
Figure 112015045514953-pat00002
여기에서, 상기
Figure 112015045514953-pat00003
: 방향탐지 오차[RMS:Root Mean Square], d: 상기 복수 개의 안테나 중 가장 멀리 위치한 안테나 상호 간의 간격, 및 SNR(Signal to Noise Ratio):신호대잡음비 일 수 있다.
수학식 2를 참조하면, 상기 방향 탐지의 정확도는, 상기 복수 개의 안테나 중 가장 멀리 위치한 안테나 상호 간의 간격 d가 커질수록 향상되는 것을 알 수 있다. 그러나, 상기 안테나 간의 간격이 λ/2보다 크게 되면, 방향 탐지의 모호성이 발생하기 때문에 방향 탐지의 정확도가 떨어질 수 있다. 따라서, 상기 무선 신호의 방향을 정확하게 탐지하는데에 있어 상기 안테나 간의 간격은 결정적인 역할을 할 수 있다.
상기 무선 신호가 수신되는 방향을 정확하게 탐지하는 방안으로, 상기 방향 탐지 시스템은 다양한 안테나 간격을 형성할 수 있도록 두 개 이상의 안테나를 포함할 수 있다.
도 2는 4개의 안테나 소자를 포함하는 방향 탐지 시스템의 구성을 도시한 도면이다.
도 2에 도시된 방향 탐지 시스템은, 4개의 안테나(50)를 포함하고, 상기 4개의 안테나는 무선 신호의 위상을 측정하기 위한 위상 측정기를 각각 구비할 수 있다. 또한, 상기 방향 탐지 시스템은 상기 위상 측정기 각각에서 측정된 위상을 상호 비교하여 안테나 간의 위상 차를 측정하기 위한 위상 비교기(30)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 4개의 안테나(50)로부터 2개의 안테나 상호 간의 간격이 복수 개 형성될 수 있다. 즉, 상기 복수 개의 안테나 중 2개의 안테나로 구성된 안테나 조합을 복수 개 형성할 수 있다. 또한, 상기 복수 개의 안테나 조합 각각은 상기 안테나 조합 각각에 포함되는 2개의 안테나 상호 간에 산출된 위상 차를 가질 수 있다.
도 1에서 상술한 것과 같이, 상기 위상 차에 의하여 상기 무선 신호의 방향 탐지가 이루어지고, 상기 안테나 상호 간의 간격에 의하여 상기 방향 탐지의 정확도가 결정될 수 있다. 도 2에서처럼, 복수 개의 안테나가 포함되는 경우, 상기 복수 개의 안테나 중 2개의 안테나로 구성된 다양한 안테나 조합에 따라 다양한 위상 차 값이 산출될 수 있다. 이 경우, 어떤 안테나 조합을 선택하느냐에 따라 상기 무선 신호의 방향 탐지의 정확도가 결정될 수 있다.
한편, 방향 탐지 시스템은 4개의 안테나를 포함하는 경우, 상기 4개의 안테나에 의하여 형성될 수 있는 다양한 안테나 조합 중 3개의 안테나 조합을 이용하여 무선 신호의 방향을 탐지할 수 있다.
즉, 도 2에서처럼, 상기 4개의 안테나(50)가 특정 방향에 근거하여 순서를 가지면서 일렬로 배열된 경우, 상기 4개의 안테나(50) 중 첫 번째와 네 번째 안테나 상호 간의 간격(d1)이 가장 큰 값을 가질 수 있다. 이 때, 상기 d1은 상기 무선 신호의 방향 탐지의 정확도에 결정적인 영향을 미칠 수 있다.
또한, 상기 방향 탐지에는 모호성이 발생할 수 있고, 상기 방향 탐지의 모호성은 나머지 안테나 조합에 대응되는 위상 차에 의하여 결정될 수 있다. 즉, 도 2에서처럼, 첫 번째와 두 번째 안테나의 조합(d2)에 따른 위상 차 및 첫 번째와 세 번째 안테나의 조합(d3)에 따른 위상 차에 의하여 상기 방향 탐지의 모호성이 결정될 수 있다.
이와 같은 안테나 구성에 따라 무선 신호를 탐지한 결과는 도 3과 같을 수 있다. 도 3은 도 2의 안테나 배치에 따른 무선 신호의 방향에 대한 오차를 도시한 도면이다.
도 3은 상기 복수 개의 안테나(50)가 수신하는 무선 신호의 주파수 범위가 2~8[GHz]이고, 시야각(FOV:Field Of View)이 θ≤π/3이며, 상기 안테나 배열 d1=2.2
Figure 112015045514953-pat00004
, d2=3.9
Figure 112015045514953-pat00005
, d3=7.2
Figure 112015045514953-pat00006
(여기에서,
Figure 112015045514953-pat00007
은 8GHz에서의 파장) 및 SNR=15[dB]일 때의 방향 탐지에 대한 오차를 도시한 것이다.
도 3을 참조하면, 광대역 주파수 범위에서 방향 탐지를 수행하는 방향 탐지 시스템은 상대적으로 낮은 주파수 영역에서 그 정확도가 감소함을 알 수 있다. 즉, 광대역 주파수 범위의 최고 주파수 값에 의하여 결정된 안테나 조합을 상기 광대역 주파수 범위 전 영역에서 사용할 때, 무선 신호가 상기 광대역 주파수 범위 내에서 상대적으로 낮은 주파수 영역을 가지는 경우에는 방향 탐지의 정확도가 떨어질 수 있다.
이에, 본 발명에 따른 무선 신호 방향 탐지 시스템은 광대역 주파수 범위를 두 개로 나누고, 각 주파수 범위에 서로 다른 안테나 조합을 사용하여 무선 신호의 방향을 탐지할 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 무선 신호 방향 탐지 시스템은 수신되는 무선 신호의 주파수 범위에 따라 안테나 상호 간의 위상 차가 달라지는 것에 근거하여, 서로 다른 주파수 범위에 서로 다른 안테나 조합을 적용할 수 있다. 이에 의하여, 무선 신호의 주파수 범위에 따라 방향 탐지의 정확도가 달라지는 문제를 해결할 수 있다.
도 4는 본 발명에서, 무선 신호의 주파수 범위에 따라 서로 다른 안테나 조합을 적용하여 방향을 탐지하는 방법에 관한 순서도이다.
먼저, 본 발명에 따른 무선 신호 방향 탐지 시스템은, 복수 개(최소 4개)의 안테나를 포함할 수 있다. 또한, 상기 복수 개의 안테나는, 특정 방향에 근거하여 순서를 가지면서 일렬로 배열될 수 있다. 이와 같이 배열된 복수 개의 안테나를 통하여 외부로부터 특정 주파수 범위를 갖는 무선 신호가 수신될 수 있다(S401).
상기 특정 주파수 범위는 광대역 주파수 범위를 의미할 수 있다. 일 예로, 상기 특정 주파수 범위는 2~8[GHZ]일 수 있다.
또한, 상기 복수 개의 안테나는 상기 복수 개의 안테나 각각에서 수신된 무선 신호의 위상 값을 측정하기 위한 위상 측정기가 구비될 수 있다. 그리고, 상기 무선 신호 방향 탐지 시스템에는, 상기 복수의 안테나 상호 간의 위상 차를 계산하는 위상 비교기를 구비한 신호 처리부가 포함될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 신호 처리부는, 상기 복수 개의 안테나 중 2개의 안테나 각각에서 측정된 무선 신호의 위상 값을 이용하여, 상기 2개의 안테나 상호 간의 위상 차를 계산할 수 있다(S402).
한편, 도 2에서 상술한 것과 같이, 4개의 안테나를 포함하는 경우, 상기 4개의 안테나 중 2개의 안테나로 구성된 안테나 조합을 형성하고, 상기 안테나 조합 각각에 대응되는 위상 차를 이용하여 무선 신호의 방향을 탐지할 수 있다. 이 때, 상기 무선 신호의 방향 탐지에는 3개의 안테나 조합 각각에 대응되는 위상 차 값이 이용될 수 있다.
이를 위하여, 본 발명에 따른 방향 탐지 시스템은 제어부를 포함하고, 상기 제어부는 복수 개의 안테나 중 2개의 안테나로 구성된 안테나 조합을 복수 개 형성할 수 있다. 또한, 상기 무선 신호의 방향 탐지에 이용될 안테나 조합의 일부를 포함하는 안테나 배열을 형성할 수 있다(S403).
이와 같이, 상기 안테나 조합의 일부로 구성된 안테나 배열은 복수 개 형성될 수 있다. 그리고, 상기 복수 개의 안테나 배열 중 어떤 안테나 배열이 사용되는지는 상기 복수 개의 안테나 각각에 수신되는 무선 신호의 주파수 범위로 결정될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 특정 주파수 범위를 제1 주파수 범위 및 제2 주파수 범위로 나눌 수 있다(S404). 보다 구체적으로, 상기 특정 주파수 범위의 적어도 일부로 구성되는 제1 및 제2 주파수 범위는 각각 상기 특정 주파수 범위에 포함되는 최저 주파수 값 및 최고 주파수 값을 가질 수 있다. 이 때, 상기 제2 주파수 범위는 상기 제1 주파수 범위의 최저 주파수 값보다 작은 최고 주파수 값을 갖는 범위로 설정될 수 있다.
상기 제1 주파수 범위는 일 예로, 상기 특정 주파수 범위의 최고 주파수 값(
Figure 112015045514953-pat00008
)에서 1/2되는 주파수 값(
Figure 112015045514953-pat00009
)을 중앙으로 하는 구간의 범위로 설정될 수 있다. 그리고, 기 설정된 범위의 주파수 값(
Figure 112015045514953-pat00010
)을 추가로 하여 상기 구간의 범위를 조정할 수 있다. 즉, 수학식 3과 같이 설정될 수 있다.
Figure 112015045514953-pat00011
만약, 상기 특정 주파수 범위가 2~8[GHz]이고, 기 설정된 범위의 주파수 값이 1[GHz]라면, 상기 제1 주파수 범위는 5[GHz]를 중앙으로 하는 4~6[GHz]일 수 있다.
이와 같이, 제1 및 제2 주파수 범위가 설정되면, 상기 제어부는 상기 제1 및 제2 주파수 범위 각각에 적용될 수 있는 안테나 배열을 선택할 수 있다. 즉, 상기 제어부는 상기 안테나 조합 각각에 대응되는 위상 차가 상기 무선 신호의 주파수 범위에 따라 달라지는 것에 근거하여, 상기 제1 및 제2 주파수 범위 각각에 대응되는 안테나 배열을 다르게 결정할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 제어부는, 상기 제1 및 제2 주파수 범위 중 어느 하나의 범위에 포함되는 무선 신호에 의하여 안테나 조합 각각에 대응되는 위상 차를 계산할 수 있다. 그리고, 상기 안테나 조합 각각에 대응되는 위상 차의 간격을 나타내는 위상 차 관계도를 생성할 수 있다. 여기에서, 상기 위상 차 관계도는 안테나 조합 3개에 각각 대응되는 위상 차 값을 x, y, z 축으로 하여 생성될 수 있다. 또한, 여기에서 상기 위상 차는 2π 모듈러 수행을 하여 구할 수 있다.
위상차 관계도를 생성한 뒤, 상기 위상 차 관계도에서 위상 차 간격이 일정한 값이 되는 3개의 안테나 조합을 이용하여 상기 어느 하나의 주파수 범위에 대응되는 안테나 배열을 결정할 수 있다.
이와 같은 방법에 의하여, 상기 제어부는 상기 제1 및 제2 주파수 범위 각각에 대응되는 안테나 배열을 결정할 수 있다. 그리고, 상기 제1 및 제2 주파수 범위 각각에 대응되는 무선 신호가 수신되면, 상기 제1 및 제2 주파수 범위 각각에 서로 다른 안테나 배열을 이용하여 상기 무선 신호의 방향을 탐지할 수 있다(S404).
이와 같이, 어느 하나의 주파수 범위에 대응되는 안테나 배열을 이용하여 상기 어느 하나의 주파수 범위에 포함된 무선 신호의 방향을 탐지함으로써, 무선 신호의 주파수 범위에 따라 방향 탐지의 정확도가 달라지는 문제를 해결할 수 있다.
이하, 도 5a 및 도 5b를 참조하여, 어느 하나의 주파수 범위를 갖는 무선 신호에 따른 안테나 배열에 대하여 보다 구체적으로 살펴본다.
도 5a 및 도 5b는 서로 다른 주파수 범위 각각에 대응되는 안테나 배열을 도시한 도면이다.
먼저, 도 5a는 제1 주파수 범위에 포함되는 무선 신호가 수신된 경우, 상기 무선 신호의 방향을 탐지하기 위한 안테나 배열일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 제1 주파수 범위에 대응되는 안테나 배열은, 두 번째와 네 번째의 안테나로 구성된 안테나 조합(200), 첫 번째와 두 번째의 안테나로 구성된 안테나 조합(210) 및 세 번째와 네 번째로 구성된 안테나 조합(220)을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 무선 신호 방향 탐지 시스템의 신호 처리부(230)는, 상기 안테나 배열에 포함된 안테나 조합 각각에 대응되는 위상 차 값을 계산함에 있어 2π모듈러 수행을 할 수 있다. 이에 따라, 각 위상 차 값은 수학식 4와 같이 계산될 수 있다.
Figure 112015045514953-pat00012
여기에서, 세 번째와 네 번째의 안테나 조합에 대응되는 위상 차가 Φ1, 첫 번째와 두 번째의 안테나 조합에 대응되는 위상 차가 Φ2, 두 번째와 네 번째의 안테나 조합에 대응되는 위상 차가 Φ3일 수 있다.
이와 달리, 도 5b는 제2 주파수 범위에 포함되는 무선 신호가 수신된 경우, 상기 무선 신호의 방향을 탐지하기 위한 안테나 배열일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 제2 주파수 범위에 대응되는 안테나 배열은, 첫 번째와 네 번째의 안테나로 구성된 안테나 조합(250), 두 번째와 세 번째의 안테나로 구성된 안테나 조합(270) 및 두 번째와 네 번째의 안테나로 구성된 안테나 조합(260)을 포함할 수 있다.
마찬가지로, 상기 신호 처리부(230)에 의하여 2π모듈러 수행을 하면, 상기 안테나 조합 각각에 대응되는 위상 차 값은 수학식 5와 같이 계산될 수 있다.
Figure 112015045514953-pat00013
여기에서, 두 번째와 세 번째의 안테나 조합에 대응되는 위상 차가 Φ1, 두 번째와 네 번째의 안테나 조합에 대응되는 위상 차가 Φ2, 첫 번째와 네 번째의 안테나 조합에 대응되는 위상 차가 Φ3일 수 있다.
이와 같이, 제1 및 제2 주파수 범위 각각에 대응되는 안테나 배열에 포함된 안테나 조합의 위상 차 값을 이용하여 위상 차 관계도를 생성하는 경우, 위상 차 간격이 일정한 값이 도출될 수 있다.
도 6a 및 도 6b는 제1 및 제2 주파수 범위 각각에 대응되는 안테나 배열에 포함된 안테나 조합의 위상 차로 생성된 위상 차 관계도를 도시한 도면이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명에 대한 일 실시 예로, 상기 특정 주파수 범위가 2~8[GHz], 시야각(FOV:Field Of View)이 θ≤π/3 및 SNR=15[dB]의 조건에 근거한 위상 차 관계도이다.
또한, 제1 주파수 범위는 상기 수학식 3에서 서술된 예와 같이, 최고 주파수를 8[GHz]로 하여 4~6[GHz]의 범위로 설정하되, 주파수 변동을 적용하여 5.06[GHz]≤f≤8[GHz]로 설정할 수 있다. 이 경우, d1=4.1
Figure 112015045514953-pat00014
, d2=4.6
Figure 112015045514953-pat00015
, d3=7.2
Figure 112015045514953-pat00016
(여기에서,
Figure 112015045514953-pat00017
은 8[GHz]에서의 파장)와 같이 안테나 간격이 형성될 수 있고, 도 6a와 같이, 위상 차 관계도에서 위상 차 간격(직선 R(200))이 70[deg] 값으로 일정하게 도출될 수 있다.
한편, 제2 주파수 범위는 2[GHz]≤f≤5.06[GHz]로 설정될 수 있으며, d1=1.96
Figure 112015045514953-pat00018
, d2=4.87
Figure 112015045514953-pat00019
, d3=7.46
Figure 112015045514953-pat00020
(여기에서,
Figure 112015045514953-pat00021
는 5.06[GHz]에서의 파장)와 같이 안테나 간격이 형성될 수 있고, 도 6b와 같이, 위상 차 관계도에서 위상 차 간격(직선 R(100))이 100[deg] 값으로 일정하게 도출될 수 있다.
이와 같이, 서로 다른 주파수 범위에 대하여 서로 다른 안테나 배열을 적용하여 무선 신호의 방향을 탐지하는 경우 상대적으로 낮은 주파수 영역에서도 방향 탐지에 대한 정확도를 높일 수 있다.
도 7은 서로 다른 주파수 범위 각각에 서로 다른 안테나 배열을 적용한 경우 방향 탐지의 정확도를 도시한 도면이다.
즉, 도 7을 참조하면, 상대적으로 낮은 주파수 범위(제2 주파수 범위, 상술한 실시 예에서, 2[GHz]≤f≤5.06[GHz]범위의 주파수)에서, 하나의 안테나 배열을 적용하여 방향을 탐지한 경우(310)보다 그 정확도(300)가 더 향상됨을 알 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 무선 신호 방향 탐지 시스템은 광대역 주파수 범위를 상대적으로 높은 주파수 범위와 낮은 주파수 범위로 나누고, 각 주파수 범위에 서로 다른 안테나 배열을 적용함으로써, 무선 신호의 주파수 범위에 영향을 받지 않고 상기 무선 신호의 방향 탐지의 정확도를 높일 수 있다.
본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (4)

  1. 무선 신호의 주파수 및 위상 값을 이용하여 상기 무선 신호의 수신 방향을 탐지하는 무선 신호 방향탐지 시스템에 있어서,
    외부로부터 특정 주파수 범위를 갖는 무선 신호를 수신하는 복수 개의 안테나;
    상기 복수 개의 안테나 중 2개의 안테나 각각에서 측정된 무선 신호의 위상 값을 이용하여, 상기 2개의 안테나 상호 간의 위상 차를 계산하는 신호 처리부; 및
    상기 복수 개의 안테나 중 2개의 안테나로 구성된 안테나 조합을 형성하고, 상기 안테나 조합 각각에 대응되는 위상 차에 근거하여 상기 안테나 조합의 일부를 포함하는 안테나 배열을 형성하는 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 특정 주파수 범위를 제1 주파수 범위 및 상기 제1 주파수 범위의 최저 주파수 값보다 작은 최고 주파수 값을 갖는 제2 주파수 범위로 나누고,
    상기 제1 주파수 범위에 포함된 무선 신호가 수신되면 상기 제1 주파수 범위에 대응되는 안테나 배열의 제1조합을 이용하여 상기 무선 신호의 수신 방향을 탐지하고, 상기 제2 주파수 범위에 포함된 무선 신호가 수신되면 상기 제2 주파수 범위에 대응되는 안테나 배열의 제2조합을 이용하여 상기 무선 신호의 수신 방향을 탐지하고,
    상기 제1조합 및 상기 제2조합은 인접하는 안테나 소자 간 간격이 고정되고, 동일한 개수의 안테나 소자를 이용하여 상기 제1주파수 범위 및 상기 제2주파수 범위에서 위상 차가 각각 일정한 값이 되도록 선택되고,
    상기 제1조합 및 상기 제2조합은 서로 다른 안테나 소자들의 조합에 의해 상이한 조합인 것을 특징으로 하는 무선 신호 방향 탐지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수 개의 안테나는, 특정 방향에 근거하여 순서를 가지면서 일렬로 배열된 4개의 안테나를 포함하고,
    상기 안테나 배열은, 상기 4개의 안테나 중 2개의 안테나로 구성된 안테나 조합을 3개 포함하며,
    상기 제어부는,
    상기 안테나 조합 각각에 대응되는 위상 차가 상기 무선 신호의 주파수 범위에 따라 달라지는 것에 근거하여, 상기 제1 및 제2 주파수 범위 중 어느 하나의 범위에 포함되는 무선 신호에 의하여 상기 안테나 조합 각각에 대응되는 위상 차 상호 간의 관계를 도시한 위상 차 관계도에서, 상기 위상 차 상호 간의 간격을 일정한 값으로 도출하는 3개의 안테나 조합으로 상기 어느 하나의 주파수 범위에 대응되는 안테나 배열을 형성하는 것을 특징으로 하는 무선 신호 방향 탐지 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제1 주파수 범위에 대응되는 안테나 배열에는,
    두 번째와 네 번째의 안테나로 구성된 안테나 조합, 첫 번째와 두 번째의 안테나로 구성된 안테나 조합 및 세 번째와 네 번째의 안테나로 구성된 안테나 조합이 포함되는 것을 특징으로 하는 무선 신호 방향 탐지 시스템.
  4. 제2항에 있어서, 상기 제2 주파수 범위에 대응되는 안테나 배열에는,
    첫 번째와 네 번째의 안테나로 구성된 안테나 조합, 두 번째와 세 번째의 안테나로 구성된 안테나 조합 및 두 번째와 네 번째의 안테나로 구성된 안테나 조합이 포함되는 것을 특징으로 하는 무선 신호 방향 탐지 시스템.
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