KR101673200B1 - 중장비 차량용 근거리 패치배열 레이더 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 중장비 차량에 장착되어 넓은 빔폭을 이용하여 140도 이상의 감지범위를 갖고 30m 정도의 근거리를 체크하여 후면에 근접하는 물체를 감지할 수 있는 안테나에 관한 것이다.
본 발명은, 복수 개의 방사패치가 수직으로 배치되어 급전선으로 연결된 패치 배열부가 상하 대칭되게 한 쌍으로 구성되고, 상기 패치 배열부 사이에 전력을 급전하는 전력분배부를 구비하는 송신안테나; 및 상기 송신안테나가 서로 마주보는 형상으로 구비되되, 상기 방사패치의 중심선 사이의 간격은 반파장이 되도록 하여 180도 위상차가 나도록 구비된 수신안테나;를 포함하는, 중장비 차량용 근거리 패치배열 레이더 안테나에 관한 것이다.

Description

중장비 차량용 근거리 패치배열 레이더 안테나{MICROSTRIP PATCH ARRAY RADAR ANTENNA FOR HEAVY EQUIPMENT VEHICLE}

본 발명은 중장비 차량에 장착되어 넓은 빔폭을 이용하여 140도 이상의 감지범위를 갖고 30m 정도의 근거리를 체크하여 후면에 근접하는 물체를 감지할 수 있는 안테나에 관한 것이다.

안전을 위한 목적으로 전자기술이 차량에 많이 채용되는데 그 중에서도 차량 후면과 물체와의 간격을 자동으로 인식하여 위험 경고를 알리는 기술은 필수적으로 채용되어야 하는 기술로 인식되고 있는 추세이다.

왜냐하면 운전자의 시야 확보가 용이하지 않기 때문에 후면에 근접하여 사람이 순간적으로 지나갈 때에는 사고 위험성이 높기 때문이다.

그런데 일반 승용차량과 달리 포크레인 등과 같은 중장비 차량은 크기가 크고 이동할 때 광폭 타이어 소음이 많이 발생하기 때문에 더욱 차량 후면을 신경쓰지 않을 수 없다. 더욱이 중장비 차량이 궤도차량인 경우에는 소음이 더 많이 발생하기 때문에 운전자의 오감만 가지고는 안전운전을 장담할 수 없는 상황이다.

따라서 일반 승용차량과는 달리 중장비 차량은 더욱 넓은 폭의 감지범위가 갖는 기술이 적용되어야 하며, 특히 차량 후면으로 140도 이상의 넓은 감지 범위를 갖으면서 적어도 30m 정도의 근거리를 체크하여 후면에 근접하는 물체를 감지할 수 있는 기술이 필요하다.

한편 종래에는 중장비 차량 후면에 2~4개 정도의 레이더 안테나를 장착하여 사용하여 왔는데, 개략적으로 보면 중앙에 위치하는 안테나는 100m 정도의 거리로 20~30도 폭 감지를 하고, 그 좌우로는 20~30m 근거리로 80도 내외의 감지범위를 갖는 안테나들을 배치하여 사용했다.

도 9에는 본 기술분야에서 제일 넓은 빔폭을 갖는다고 알려진 안테나의 수평방사패턴이 나타나 있는데 3dB 빔폭이 80~85도에 머무르는 것을 알 수 있다.

그러나 이러한 안테나들을 복수 개 설치하는 것은 비용적인 면에서 부품 가격이 상승하는 요인이 되며, 안테나들간의 격리도에 따라 송수신이 원활하지 않은 문제점을 야기시킬 수 있다.

이와 관련된 선행특허를 살펴보면, 특허 등록번호 제10-0779896호에는 "송신파를 방사하는 송신용 안테나, 반사파를 수신하는 수신용 안테나, 및 금속 또는 금속 도금된 수지로 형성되고, 상기 송신용 안테나 및 상기 수신용 안테나의 주위가 각각의 안테나를 둘러싸듯이 안테나 면으로부터 융기되어 있는 프레임 본체를 포함하는 레이더 장치에 있어서, 상기 프레임 본체의 표면은 상기 송신용 안테나로부터 송신파가 방사되는 방향에 수직인 면에 대해 경사져 있는 것을 특징으로 하는 레이더 장치"가 기재되어 있다.

이는 다중반사를 방지하기 위한 프레임 구조를 특정한 것으로서, 송신용 안테나와 수신용 안테나의 구조가 기재되어 있지 않고, 송신용 안테나의 빔폭을 예측할 수 없도록 기재되어 있다.

한편 본 출원인은 특허 제10-1318660호(고격리 중계기용 이중대역 안테나) 및 특허 제10-1343991호(풋프린트 시뮬레이션을 이용한 안테나 설계 시스템)를 보유하고 있으며, 출원번호 제10-2013-0103673호 '플렛탑과 저 부엽 빔패턴 특성을 갖는 마이크로스트립 패치배열 안테나'의 절차를 진행 중에 있다.

따라서 본 출원인은 그 동안의 패치배열 안테나 연구 능력을 기반으로 하나의 패치배열 안테나 세트(송수신 분리형 또는 일체형)로 140도 이상의 넓은 감지 범위를 갖으면서 적어도 30m 정도의 근거리를 체크하여 후면에 근접하는 물체를 감지할 수 있는 기술을 제안하고자 한다.

본 발명은 위와 같은 안테나의 개발 필요성에 따라 안출된 것으로, 본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 중장비 차량에 부착되어 140도 이상의 넓은 감지범위를 갖으면서 30m 정도의 근거리를 체크하여 후면에 근접하는 물체를 감지할 수 있는 안테나를 제공하는데 있다.

본 발명은, 복수 개의 방사패치가 수직으로 배치되어 급전선으로 연결된 패치 배열부가 상하 대칭되게 한 쌍으로 구성되고, 상기 패치 배열부 사이에 전력을 급전하는 전력분배부를 구비하는 송신안테나; 및 상기 송신안테나가 서로 마주보는 형상으로 구비되되, 상기 방사패치의 중심선 사이의 간격은 반파장이 되도록 하여 180도 위상차가 나도록 구비된 수신안테나;를 포함하는, 중장비 차량용 근거리 패치배열 레이더 안테나를 제공함으로써, 기술적 과제를 해결하고자 한다.

본 발명에 있어서, 상기 방사패치에 수평방향으로 연결되는 급전선은,

수평방향의 시작점부터 방사패치(11)와의 연결까지의 길이는 파장의 3/4배가 되도록 하고, 굵기는 얇게 하며, 슬롯 형태로 방사패치에 연결되도록 배치되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 방사패치에 수직방향으로 연결되는 급전선에는, 얇은 굵기로 하이임피던스 급전부를 채용함으로써 낮은 부엽(sidelobe)을 얻도록 하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 송신안테나와 수신안테나는, 분리되거나 일체형인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 송신안테나의 빔폭은 140도 이상인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 안테나는, 중장비 차량에 부착되어 140도 이상의 넓은 감지범위를 갖으면서 30m 정도의 근거리를 체크하여 후면에 근접하는 물체를 감지할 수 있는 현저한 효과를 보유하고 있다.

도 1은 본 발명에 따른 중장비 차량용 근거리 패치배열 레이더 안테나 중에서 송신 안테나를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 중장비 차량용 근거리 패치배열 레이더 안테나 중에서 수신 안테나를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 중장비 차량용 근거리 패치배열 레이더 안테나가 일체형으로 구성된 것을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 송신 안테나의 수직방사패턴을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 송신 안테나의 수평방사패턴을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 수신 안테나의 수직방사패턴을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 수신 안테나의 수평방사패턴을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 송신 안테나와 수신 안테나의 격리도를 측정한 결과를 나타낸 도면이다.
도 9는 종래의 안테나 수평방사패턴을 나타낸 도면이다.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

이하, 도면을 참조하여 설명하기에 앞서, 본 발명의 요지를 드러내기 위해서 필요하지 않은 사항 즉 통상의 지식을 가진 당업자가 자명하게 부가할 수 있는 공지 구성에 대해서는 도시하지 않거나, 구체적으로 기술하지 않았음을 밝혀둔다.

먼저, 본 발명에 따른 안테나는 분리형 또는 일체형으로 구성될 수 있는 것으로서, 도 1은 본 발명에 따른 중장비 차량용 근거리 패치배열 레이더 안테나 중에서 송신 안테나를, 도 2는 수신 안테나를 각각 나타낸 것이다. 또한 도 3은 도 1과 도 2의 안테나가 일체형으로 구성된 것을 나타낸 도면이다.

본 발명에 따른 송신안테나(100)는 방사패치(11), 방사패치(11)를 급전선으로 복수 개 연결되는 패치 배열부(10)를 포함하여 구성되어 수평편파를 발생시킨다.

도 1의 (a)를 참조하면, 송신안테나(100)는 1x8 배치를 갖게되는데, 1x4의 배열이 상하로 대칭되는 수직배치 구조임을 알 수 있다.

또한 송신안테나(100)의 사용주파수 대역은 24.0GHz 대역에서 작동하도록 설계된다.

또한 전력분배부(14)를 중심으로 패치 배열부(10)는 상하 대칭으로 구비되도록 하여 직렬 급전되도록 한다.

여기에서, 전력분배부(14)는 안테나에 전력이 인가되는 지점으로서 패치 배열부(10)가 상하 대칭이므로 상하로 동일한 전력을 공급하게 된다.

송신안테나(100)의 구조를 보다 구체적으로 살펴보면, 방사패치(11)는 전력의 인가에 따라 빔을 방사하는 부분으로, 일정한 두께의 유전체 기판위에 사각형 형상으로 구성된다.

여기에서, 유전체 기판을 이루는 재질은 테프론(Tefron)이나 렉솔라이트(Rexolite) 및 PTFE(Polytetrafluroethylene)등의 유전체로 구성될 수 있다.

이 방사패치(11)는 급전선에 의해 연결되는데, 수평방향으로 연결되는 급전선의 굵기를 얇게 구성하고 슬롯 형태로 방사패치(11)에 연결하도록 구성한다.

즉 얇은 굵기의 급전선과 방사패치(11)를 연결하되 연결 부위를 임피던스 정합 슬롯(12) 형태가 되도록 함으로써 넓은 3dB 빔폭을 위한 임피던스 정합이 되도록 한다. 또한 수평방향의 시작점부터 방사패치(11)와의 연결까지 3/4λ가 되도록 함으로써 임피던스 정합이 되도록 한다.

또한 수직방향의 급전선에도 얇은 굵기로 하이임피던스 급전부(13)를 채용함으로써 낮은 부엽(sidelobe)을 얻을 수 있도록 한다. 도 1 (a)을 참조하면, 두 번째 방사패치 및 세 번째 방사패치에 각각 급전을 하고 수직방향으로 급전하는 지점에 하이임피던스 급전부(13)가 채용된 것을 확인할 수 있다.

도 1의 (b)를 참조하면, 송신안테나(100)의 후면에 결합되는 그라운드판이 도시되어 있는데, 안테나고정홀(15)과 안테나 입력홀(16)이 구비되어 있다. 여기에서, 안테나 입력홀(16)은 급전라인이 통과하는 급전통공이다.

그라운드판은 후방 방사의 크기를 최소화하기 위한 것으로서 금속재질로 이루어지며, 방사패치(11)에 의한 전면측으로 빔이 방사되어야 하는 데, 후방 방사가 발생될 경우에 대비한 것이다.

도 2 및 도 3을 참조하여 서술할 때에는, 상기에서 이미 서술한 내용은 중복하여 서술하지 않았음을 미리 밝힌다.

도 2의 (a)를 참조하면, 수신안테나(200)의 구조가 도시되어 있는데 송신안테나(100)가 서로 마주보는 형상으로 구비되도록 구성한다.

여기에서, 두 개의 1x8 배열 안테나는 방사패치의 중심선 사이의 간격이 λ/2가 되도록 배치함으로써 180도 위상차가 나게 하여 수신 각도의 추정이 용이하도록 구성한다.

도 3(a)를 참조하면, 송신안테나(100)와 수신안테나(200)가 높은 격리도를 갖도록 수직으로 일체형으로 배치한 것이 도시되어 있다. 여기에서, 실제 사용시에는 송신안테나(100)와 수신안테나(200) 전면에 레이돔을 배치하도록 구성된다.

도 8은 격리도를 측정한 결과를 나타낸 도면으로서, 좌측을 살펴보면 상하 격리도가 -63.25dB를 나타내며, 우측을 살펴보면 좌우 격리도가 -29.04dB를 나타낸다.

도 4는 본 발명에 따른 송신 안테나의 수직방사패턴을 나타낸 도면이고, 도 5는 본 발명에 따른 송신 안테나의 수평방사패턴을 나타낸 도면이며, 도 6은 본 발명에 따른 수신 안테나의 수직방사패턴을 나타낸 도면이고, 도 7은 본 발명에 따른 수신 안테나의 수평방사패턴을 나타낸 도면이다.

도 4 및 도 6을 참조하면 하이임피던스 급전부(13)를 도입하여 낮은 부엽을 갖는 것을 알 수 있으며, 도 5 및 도 7을 참조하면 3dB 에서 140도 이상의 빔폭을 갖는 것을 알 수 있다.

상기에서 도 1 내지 도 8을 이용하여 서술한 것은, 본 발명의 주요 사항만을 서술한 것으로, 그 기술적 범위 내에서 다양한 설계가 가능한 만큼, 본 발명이 도 1 내지 도 8의 구성 및 기능에 한정되는 것이 아님은 자명하다.

100: 송신안테나 10: 패치 배열부
11: 방사패치 12: 임피던스 정합슬롯
13: 하이임피던스 급전부 14: 전력분배부
15: 안테나 고정홀 16: 안테나 입력홀
200: 수신안테나 24: 전력분배부
25: 안테나 고정홀 26: 안테나 입력홀
300: 일체형 송수신안테나

Claims (5)

1. 복수 개의 방사패치가 수직으로 배치되어 급전선으로 연결된 패치 배열부가 상하 대칭되게 한 쌍으로 구성되고, 상기 패치 배열부 사이에 전력을 급전하는 전력분배부를 구비하는 송신안테나; 및
   상기 송신안테나가 서로 마주보는 형상으로 구비된 수신안테나;를 포함하되,
   상기 수신안테나에서,
   방사패치의 중심선 사이의 간격은 반파장이 되도록 하여 180도 위상차가 나도록 형성하고,
   상기 급전선은,
   제1타입 급전선 및 제2타입 급전선으로 이루어져 있으며,
   상기 방사패치에 수평방향으로 연결되는 급전선은,
   수평방향의 시작점부터 방사패치(11)와의 연결까지의 길이는 파장의 3/4배가 되도록 하고, 제1타입 급전선보다 굵기가 얇은 제2타입 급전선이며, 슬롯 형태로 방사패치에 연결되도록 배치되고,
   상기 방사패치에 수직방향으로 연결되는 급전선에는,
   제1타입 급전선이 상기 방사패치에 수평방향으로 연결되는 급전선과 연결되는 부위에서 수직방향으로 일정 구간 제2타입 급전선 구역을 형성하여, 상기 제2타입 급전선 구역이 하이임피던스 급전부로서 기능하여 낮은 부엽(sidelobe)을 얻도록 하며,
   상기 송신안테나와 수신안테나는 분리되거나 일체형이고,
   상기 송신안테나의 빔폭은 140도 이상인 것을 특징으로 하는, 중장비 차량용 근거리 패치배열 레이더 안테나.
   
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