KR101822955B1 - Fan Beam Scanning Method Using Phased Array Antennas of Transceiver - Google Patents

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강용우
남욱원
송민규
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    • H—ELECTRICITY
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Abstract

The present invention relates to a fan beam scanning method using a phased array antenna of a transceiver, which includes the steps of: installing a transmission antenna and a reception antenna composed of patch array antennas in a transmission unit and a reception unit, respectively; and detecting a direction of an object within an arbitrary angle in a 90 degrees x 90 degrees range by electronically scanning fan beams in the transmission antenna and the reception antenna in an azimuth direction and an elevation direction, respectively by controlling a digital phase shifter with a phase controller. Accordingly, the present invention can reduce the manufacturing costs of a radar system.

Description

송수신부 위상배열 안테나를 이용한 팬 빔 스캐닝 방법{Fan Beam Scanning Method Using Phased Array Antennas of Transceiver}[0001] The present invention relates to a fan beam scanning method using a phased array antenna,

본 발명은 팬 빔 스캐닝 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 송수신부 위상배열 안테나를 이용한 팬 빔 스캐닝 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a fan beam scanning method, and more particularly, to a fan beam scanning method using a phased array antenna.

FMCW 레이다 시스템에서 물체의 거리, 속도와 함께 방향을 탐지하기 위하여 송수신 안테나의 빔 방향을 제어해야 하는 데 이때 기계적 방식보다는 전자적 빔 제어 방식이 월등히 우수하다. In the FMCW radar system, the beam direction of the transmitting and receiving antennas must be controlled to detect the direction and the direction of the object along with the distance. In this case, the electronic beam control method is superior to the mechanical method.

하지만 일반적으로 전자적 빔 제어를 위해서는 디지털 위상변위기(Digital Phase Shifter)가 배열안테나의 요소 개수만큼 필요하여 가격 및 성능비가 중요한 민수용 레이다 시스템의 경우 제작비용이 크게 증가하는 문제점이 있다. However, in general, a digital phase shifter is required for the number of elements of the array antenna for the electronic beam control, and cost of the civil radar system, in which the price and the performance ratio are important, is increased.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 패치 배열안테나로 각각 이루어진 송신안테나와 수신안테나를 위상변위기를 제어하여 방위각(Azimuth) 방향과 고각(Elevation) 방향으로 각각 팬 빔(Fan Beam)을 스캐닝하여 90도× 90도 범위에서 물체의 방향을 탐지할 수 있는 송수신부 위상배열 안테나를 이용한 팬 빔 스캐닝 방법을 제공하는 데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION In order to solve the above problems, an object of the present invention is to provide a method and apparatus for controlling a phase shifter of a transmitting antenna and a receiving antenna, each of which comprises a patch array antenna, And a method of scanning a fan beam using a transceiver phased array antenna capable of detecting the direction of an object in a range of 90 degrees × 90 degrees.

또한, 본 발명의 다른 목적은 송신안테나와 수신안테나를 분리하여 각각 팬 빔(Fan Beam)을 전자적으로 스캐닝함으로써 위상변위기 개수를 줄여 레이다 시스템의 제작비용을 절감할 있는 송수신부 위상배열 안테나를 이용한 팬 빔 스캐닝 방법을 제공하는 데 있다.It is another object of the present invention to provide a transceiver antenna capable of reducing the number of phase shifters by reducing the number of phase shifters by separating a transmitting antenna and a receiving antenna and electronically scanning a fan beam, And a method of scanning a fan beam.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 송수신부 위상배열 안테나를 이용한 팬 빔 스캐닝 방법은 패치 배열안테나로 이루어진 송신안테나와 수신안테나를 각각 송신부와 수신부에 설치하는 단계; 및 디지털 위상변위기를 위상제어기로 제어하여 상기 송신안테나와 상기 수신안테나를 방위각 방향과 고각 방향으로 각각 팬 빔(Fan Beam)을 전자적으로 스캐닝하여 90도× 90도 범위에서 임의 각도내에 있는 물체의 방향을 탐지하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of scanning a fan beam using a phased array antenna, the method comprising: providing a transmitting antenna and a receiving antenna, each including a patch array antenna, And a digital phase shifter are controlled by a phase controller to electronically scan a fan beam on the transmission antenna and the reception antenna in an azimuth direction and a high angle direction to detect a direction of an object within an arbitrary angle in a range of 90 degrees x 90 degrees, The method comprising the steps of:

상기 송신안테나는 N× 1 패치 배열안테나로 이루어진 것을 특징으로 한다.And the transmission antenna comprises an N × 1 patch array antenna.

상기 수신안테나는 1× N 패치 배열안테나로 이루어진 것을 특징으로 한다.And the reception antenna comprises a 1 x N patch array antenna.

상기 송신안테나의 팬 빔 방향을 고정하여 수신안테나의 빔 스캐닝이 종료되면 송신안테나를 구성하는 N× 1 패치 배열안테나의 N개 디지털 위상변위기를 조정하여 송신안테나의 팬 빔 방향을 변경하여 다시 수신안테나의 팬 빔을 스캐닝하여 물체를 탐지하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.When the beam scanning of the receiving antenna is completed by fixing the direction of the fan beam of the transmitting antenna, the N digital phase shifters of the N × 1 patch array antenna constituting the transmitting antenna are adjusted to change the fan beam direction of the transmitting antenna, And detecting the object by scanning the fan beam of the fan beam.

이상과 같이, 본 발명에 따르면 송신안테나와 수신안테나를 분리하여 각각 팬 빔을 스캐닝함으로써 임의의 방향으로 펜슬 빔(Pencil Beam)을 스캔하는 N× N 배열 안테나에 필요한 위상변위기 개수인 N× N에 비교하여 2× N의 위상변위기를 사용하여 위상변위기 개수를 획기적으로 줄일 수 있고, 90도× 90도 범위내에서 물체 방향을 탐지할 수 있다.As described above, according to the present invention, the number of phase shifters required for an N × N array antenna scanning a pencil beam in an arbitrary direction by scanning a fan beam by separating a transmitting antenna and a receiving antenna is N × N , The number of phase shifters can be drastically reduced by using a 2 × N phase shifter, and the object direction can be detected within a range of 90 ° × 90 °.

그리고, 본 발명에 따르면 팬 빔 스캐닝 방식을 전자적 빔 스캐닝(Electronically Beam Scanning) 배열 안테나 시스템에 적용함으로써 레이다 시스템의 제작비용을 줄일 수 있어 민수용 레이다 시스템 보급이 활성화될 수 있어 사회적으로 보안 및 감시 시스템 설치를 확대할 수 있다.According to the present invention, by applying the fan beam scanning method to the electron beam scanning antenna system, it is possible to reduce the manufacturing cost of the radar system, and the spread of the civil radar system can be activated, Can be enlarged.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 송수신 패치 배열안테나를 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 송수신부 위상배열 안테나를 이용한 팬 빔 스캐닝 방법을 나타낸 개념도이다.FIG. 1 is a configuration diagram of a transmitting / receiving patch array antenna according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a conceptual diagram illustrating a method of scanning a fan beam using a phased array antenna of a transmitter and receiver according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily carry out the present invention. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. In order to clearly illustrate the present invention, parts not related to the description are omitted, and similar parts are denoted by like reference characters throughout the specification.

그러면 도면을 참조하여 본 발명의 따른 송수신부 위상배열 안테나를 이용한 팬 빔 스캐닝 방법에 대하여 설명한다.A fan beam scanning method using the phased array antenna according to the present invention will now be described with reference to the drawings.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 송수신부 위상배열 안테나를 나타낸 구성도이다.1 is a block diagram of a transceiver phased array antenna according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 송수신부 위상배열 안테나는 송신시에는 송신부(10)의 전력증폭기(11)를 통해 전달된 송신전력이 디지털 위상변위기(12)를 통과한 후 송신안테나(13)를 통해서 공중으로 방사하고, 수신시에는 공중으로부터 전파를 수신안테나(21)에서 수신한 후 디지털 위상변위기(22)를 통해 수신부(20)에서 수신한다. 여기에서는 송수신부의 일반적인 구성 요소 및 기능은 이 출원 이전에 이미 다양하게 공지되어 시행되는 통상의 기술이므로 이에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다. Referring to FIG. 1, the transmitter and receiver phased array antenna of the present invention is characterized in that, during transmission, the transmission power transmitted through the power amplifier 11 of the transmitter 10 passes through the digital phase shifter 12, And receives the radio wave from the public by the receiving antenna 21 at the time of reception and receives it at the receiving unit 20 through the digital phase shifter 22. [ Here, the general components and functions of the transmitting / receiving unit are conventional techniques that have been variously known and practiced before this application, so a detailed description thereof will be omitted.

여기서, 상기 송신안테나(13)는 N× 1개의 패치 배열안테나가 수직 평면 형태로 배열될 수 있고, 상기 수신안테나(21)는 1× N개의 패치 배열안테나가 수평 평면 형태로 배열될 수 있다.The N × 1 patch array antennas may be arranged in the form of a vertical plane, and the reception antennas 21 may be arranged in a horizontal plane form with 1 × N patch array antennas.

상기 위상변위기(12,22)는 송수신안테나(13,22)인 패치 배열안테나에 인가되는 신호의 위상을 위상제어기(30)의 제어신호에 따라 복사 빔을 상하(또는 수직편파의 경우 좌우)로 제어(스캔)할 수 있다. The phase shifters 12 and 22 phase-shift the phase of a signal applied to the patch array antenna, which is the transmitting and receiving antennas 13 and 22, up and down (or left and right in the case of vertical polarization) according to a control signal of the phase controller 30, (Scan).

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 송수신부 위상배열 안테나를 이용한 팬 빔 스캐닝 방법을 나타낸 개념도이다.FIG. 2 is a conceptual diagram illustrating a method of scanning a fan beam using a phased array antenna of a transmitter and receiver according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG.

도 2를 참조하면, 본 발명의 송수신부 위상배열 안테나를 이용한 팬 빔 스캐닝 방법은 패치 배열안테나로 이루어진 송신안테나(13)와 수신안테나(21)를 각각 송신부(10)와 수신부(20)에 설치하고, 디지털 위상변위기(12, 22)를 위상제어기(30)로 제어하여 송신안테나(13)와 수신안테나(21)를 방위각(Azimuth) 방향과 고각(Elevation) 방향으로 각각 팬 빔을 전자적으로 스캐닝하여 90도× 90도 범위에서 임의 각도내에 있는 물체의 방향을 탐지할 수 있다. 2, a method of scanning a fan beam using a phased array antenna according to the present invention includes the steps of setting a transmitting antenna 13 and a receiving antenna 21, each of which is a patch array antenna, to a transmitter 10 and a receiver 20, The digital phase shifters 12 and 22 are controlled by the phase controller 30 so that the transmission antenna 13 and the reception antenna 21 are electrically connected to each other in the azimuth direction and the elevation direction, Scanning can detect the direction of an object within an arbitrary angle in the range of 90 degrees × 90 degrees.

예로써, 상기 N× 1 패치 배열안테나로 이루어진 송신안테나(13) 팬 빔(Fan Beam)의 HPBW(Half Power Beam Width)가 90도(Azimuth)× 6도(Elevation) 일 경우 팬 빔의 HPBW가 6도(Azimuth)× 90도(Elevation)인 1× N 패치 배열안테나로 이루어진 수신안테나(21)의 N개 디지털 위상변위기(Digital Phase Shifter)를 조정하여 수신안테나(21)의 팬 빔을 방위각 방향으로 스캔하여 FMCW 레이더 방식으로 물체의 방향을 탐지할 수 있다. 여기서, 상기 송신안테나(13)와 수신안테나(21)의 팬 빔의 HPBW가 90도 또는 6도는 임의로 바뀔 수 있으며, 예를 들면 더 정밀한 분해능이 필요하면 위상 배열안테나를 구성하는 패치안테나의 개수를 늘리면 위 각도는 더 작아지므로 분해능이 향상된다.For example, when the HPBW (Half Power Beam Width) of the transmission antenna 13 composed of the N × 1 patch array antenna is 90 degrees (Azimuth) × 6 degrees (Elevation), the HPBW of the fan beam N digital phase shifters of a receiving antenna 21 composed of a 1 x N patch array antenna having an azimuth of 6 degrees and an elevation of 90 degrees to adjust the fan beam of the receiving antenna 21 to an azimuth angle Direction and can detect the direction of the object by the FMCW radar system. Here, the HPBW of the fan beam of the transmission antenna 13 and the reception antenna 21 may be arbitrarily changed by 90 degrees or 6 degrees. For example, if finer resolution is required, the number of patch antennas constituting the phased array antenna is The larger the angle, the better the resolution.

상기 송신안테나(13)의 팬 빔 방향을 고정하여 수신안테나(21)의 빔 스캐닝(Beam Scanning)이 종료하면 송신안테나(13)를 구성하는 N× 1 패치 배열안테나의 N개 디지털 위상변위기를 조정하여 송신안테나(13)의 팬 빔 방향을 변경하여 다시 수신안테나(21)의 팬 빔을 스캐닝하여 물체를 탐지한다. 이 방식을 90도(Elevation) 범위내에서 반복하면 90도× 90도 범위내에서 임의의 방향에 있는 물체를 탐지할 수 있다. When the beam scanning of the receiving antenna 21 is completed by fixing the direction of the fan beam of the transmitting antenna 13 and adjusting the N digital phase shifters of the N × 1 patch array antennas constituting the transmitting antenna 13 Changes the direction of the fan beam of the transmitting antenna 13, and then scans the fan beam of the receiving antenna 21 to detect an object. Repeating this method within the 90 degree (Elevation) range can detect an object in any direction within the range of 90 degrees x 90 degrees.

본 발명은 송신안테나(13)와 수신안테나(21)를 분리하여 각각 팬 빔(Fan Beam)을 스캐닝하여 일반적으로 필요한 위상변위기 수보다 훨씬 더 적은 개수의 위상변위기를 이용하여 90도× 90도 범위내에서 물체 방향을 탐지할 수 있다.In the present invention, the transmission antenna 13 and the reception antenna 21 are separated from each other to scan a fan beam. Thus, the number of phase shifters is reduced to 90 degrees x 90 degrees The object direction can be detected within the range.

또한, 본 발명의 팬 빔 스캐닝 방식을 사용할 경우 임의의 방향으로 펜슬 빔(Pencil Beam)을 스캔하는 N× N 배열 안테나에 필요한 위상변위기 개수인 N× N에 비교하여 2× N의 위상변위기를 사용하여 위상변위기 개수를 획기적으로 줄일 수 있다.Also, when using the fan beam scanning method of the present invention, a 2 × N phase shifter is compared with N × N, which is the number of phase shifters necessary for an N × N array antenna scanning a pencil beam in an arbitrary direction The number of phase shifters can be drastically reduced.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, It belongs to the scope of right.

10: 송신부 11: 전력증폭기
12, 22: 위상변위기 13: 송신안테나
20: 수신부 21: 수신안테나
30: 위상제어기 10: Transmitter 11: Power amplifier
12, 22: phase shifter 13: transmitting antenna
20: Receiver 21: Receiving antenna
30: Phase controller

Claims (4)

패치 배열안테나로 이루어진 송신안테나와 수신안테나를 각각 송신부와 수신부에 설치하는 단계;
디지털 위상변위기를 위상제어기로 제어하여 상기 송신안테나와 상기 수신안테나를 방위각 방향과 고각 방향으로 각각 팬 빔(Fan Beam)을 전자적으로 스캐닝하여 90도× 90도 범위에서 임의 각도 내에 있는 물체의 방향을 탐지하는 단계; 및
상기 송신안테나의 팬 빔 방향을 고정하여 수신안테나의 빔 스캐닝이 종료되면 송신안테나를 구성하는 N× 1 패치 배열안테나의 N개 디지털 위상변위기를 조정하여 송신안테나의 팬 빔 방향을 변경하여 다시 수신안테나의 팬 빔을 스캐닝하여 물체를 탐지하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 송수신부 위상배열 안테나를 이용한 팬 빔 스캐닝 방법. Installing a transmit antenna and a receive antenna, each of which is composed of a patch array antenna, in a transmitter and a receiver;
A digital phase shifter is controlled by a phase controller to electronically scan a fan beam in the azimuth and elevation directions of the transmission antenna and the reception antenna to detect the direction of an object within an arbitrary angle in a range of 90 degrees x 90 degrees Detecting; And
When the beam scanning of the receiving antenna is completed by fixing the direction of the fan beam of the transmitting antenna, the N digital phase shifters of the N × 1 patch array antenna constituting the transmitting antenna are adjusted to change the fan beam direction of the transmitting antenna, And detecting an object by scanning the fan beam of the fan array. 제1항에 있어서,
상기 송신안테나는 N× 1 패치 배열안테나로 이루어진 것을 특징으로 하는 송수신부 위상배열 안테나를 이용한 팬 빔 스캐닝 방법. The method according to claim 1,
Wherein the transmitting antenna comprises an N × 1 patch array antenna. 제1항에 있어서,
상기 수신안테나는 1× N 패치 배열안테나로 이루어진 것을 특징으로 하는 송수신부 위상배열 안테나를 이용한 팬 빔 스캐닝 방법.The method according to claim 1,
Wherein the receiving antenna comprises a 1 x N patch array antenna. 삭제delete
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