KR101833038B1 - 차량 추돌 방지를 위한 차량용 레이더 안테나시스템 - Google Patents

차량 추돌 방지를 위한 차량용 레이더 안테나시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 차량에 설치되어 주변 차량을 감지하여 차량 추돌을 방지할 수 있는 차량 추돌 방지를 위한 차량용 레이더 안테나시스템에 대한 것으로서, 파라볼라 반사면 및 상기 반사면 중앙 촛점부에 위치하여 전파를 송수신하는 급전부로 구성되며, 상기 급전부는 상기 파라볼라 반사면으로 전파를 송신하는송신용 패치 급전 안테나 및 상기 파라볼라 반사면으로부터 전파를 수신하는 수신용 패치 급전 안테나로 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

차량 추돌 방지를 위한 차량용 레이더 안테나시스템{A vehicle radar antenna system for preventing collision}
본 발명은 차량 추돌 방지를 위한 차량용 레이더 안테나시스템에 대한 것으로, 더욱 상세하게는 차량에 설치되어, 전방, 후방 및 측면 차량을 감지할 수 있는 차량용 추돌방지 레이더 시스템에 사용할 수 있는 파라볼라 송, 수신 안테나 시스템에 대한 것이다.
자동차 추돌방지용으로 사용하는 레이더용 주파수는 24GHz와 77GHz, 79GHz의 주파수를 사용하므로 단일 안테나 크기는 매우 작다. 따라서 대부분의 안테나는 마이크로스트립이나 코플라나 형태의 평면형 안테나 구조를 가지고 있다. 이러한 안테나는 주어진 이득과 안테나 패턴을 얻기 위해 단일 안테나 소자 여러개를 조합하여 어레이(array)형태로 만들어진다. 그러나 이러한 안테나는 높은 레이더용 주파수로 인하여 많은 손실이 발생하여 실효 이득이 저하되는 특성을 갖는다. 또한, 송신 안테나와 수신안테나를 별도로 사용할 경우, 송, 수신 안테나를 함께 사용하는 안테나에 비하여 기본적으로 안테나의 면적이 2배커져야 하고 두 안테나간 이격거리를 감안하면 대략 3배의 안테나 면적이 요구된다. 반면에 하나의 안테나를 이용하면서 안테나 뒷단에 써큘레이터(Circulator)를 부착하여 송.수신단을 분리하여 사용하는 방법이 있는데 이 경우 높은 아이솔레이션 값을 얻기가 어렵다. 아이솔레이션 값이 낮으면 수신단의 다이내믹 레인지(Dynamic Range)가 작아져서 먼 거리의 신호를 탐지할 수 없게 되는 단점이 있게 된다.
또한, 현재 후방 및 양 측면을 감시하기 위한 레이더 시스템은 각각 후면 중앙과 좌. 우 측면의 코너에 별도의 레이더를 두어서 감시하고 있는데 이것은 하나의 레이더를 사용하는 것에 비하여 3배의 가격상승 요인이 되며 시스템의 복잡도도 증가하는 단점이 있다.
공개특허공보 제10-2017-0036350 (등록일자 2017.04.03) 공개특허공보 제10-2016-0041633 (공개일자 2016.04.18)
본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 파라볼라 반사면과 상기 파라볼라 반사면의 중앙 촛점부에 전파를 송수신하는 급전부를 구성하고, 상기 급전부를 동일한 기판에 송신 및 수신 패치 안테나로 구현한 차량 추돌 방지를 위한 차량용 레이더 안테나시스템을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 파라볼라 반사면을 상하가 포물선으로 굽어진 형태로 하고, 중앙부와 중앙부에서 소정 각도로 만곡된 측면부로 구성함으로써, 대상체 감지 범위를 최대화할 수 있는 차량용 레이더 안테나시스템을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 송신 및 수신 급전부를 동일한 기판에 패치 형태로 구성하고, 중앙부에 송신용 급전 안테나를 두고 송신용 급전 안테나 양측에 수신용 급전 안테나를 두어 각 측면 파라볼라 반사면으로부터 수신되는 신호의 이득을 최대화하여, 보다 정확한 위치 정보를 제공하는 차량용 레이더 안테나시스템을 제공하기 위한 것이다.
상기한 바와 같이 본 발명의 목적은 파라볼라 반사면; 및 상기 반사면 중앙 촛점부에 위치하여 전파를 송수신하는 급전부로 구성되며, 상기 급전부는 상기 파라볼라 반사면으로 전파를 송신하는 송신용 패치 급전 안테나 및 상기 파라볼라 반사면으로부터 전파를 수신하는 수신용 패치 급전 안테나로 구성되는 것을 특징으로 하는 차량 추돌 방지를 위한 차량용 레이더 안테나시스템에 의해 달성된다.
여기서, 상기 송신용 패치 급전 안테나 및 수신용 패치 급전 안테나는 하나의 동일한 기판에 형성될 수 있으며, 상기 레이더 안테나시스템은 차량의 전방을 감시할 수 있도록, 차량의 전면에 설치되는 형태일 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 차량 추돌 방지용 레이더 안테나 시스템은 기존 안테나 시스템에 비하여 동일한 안테나 면적 대비 높은 안테나 이득을 얻을 수 있도, 평면형 패치 안테나에 비하여 손실이 적어 높은 안테나 이득을 얻을 수 있는 효과가 있다.
또한, 하나의 파라볼라 안테나를 사용하면서, 고가의 서큘레이터를 사용하지 않고 급전용 안테나를 이용하여 서큘레이터를 사용했을 때보다 높은 송.수신 분리를 얻을 수 있어서 넓은 다이내믹 레인지로 좀 더 먼 거리를 탐지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 상하로 굽은 하나의 파라볼라 반사면을 중앙부와 상기 중앙부로부터 절곡된 측면용 면으로 구성함으로써, 전파 에너지를 필요한 공간에 효과적으로 발사하고 수신하여 탐지거리를 늘이고 불필요한 신호의 수신을 최대한 억제할 수 있는 효과를 가지며, 아울러 기존 시스템이 3개의 레이더로 커버되는 범위를 하나의 레이더로 커버함으로써 가격적으로 기존 시스템에 비해 월등히 저렴하게 구현하는 효과가 있다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량 추돌 방지를 위한 차량용 레이더 안테나시스템의 정면도를 나타낸 도면이다
도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량 추돌 방지를 위한 차량용 레이더 안테나시스템의 상면도를 나타낸 도면이다.
도 1c는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량 추돌 방지를 위한 차량용 레이더 안테나시스템의 측면도를 나타낸 도면이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 중앙부 및 측면부로 구성된 파라볼라 면을 포함하는 차량 추돌 방지를 위한 차량용 레이더 안테나시스템의 상면도를 나타낸 도면이다.
도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 급전부를 나타낸 도면이다.
도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 중앙부 및 측면부로 구성된 파라볼라 면을 포함하는 차량 추돌 방지를 위한 차량용 레이더 안테나시스템의 정면도를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 이해를 돕기위한 파라볼라 안테나 시스템 도면이다.
도 4는 본 발명의 안테나 시스템 실 제작도를 나타낸 도면이다.
도 5는 종래 FMCW 레이더 시스템 구성도를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 FMCW레이더의 안테나 시스템을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 급전용 마이크로스트립 어레이 안테나 및 방사패턴을 나타낸 도면이다.
도 8은 종래 송.수신 마이크로스트립 어레이 안테나를 나타내는 도면이다.
도 9는 자율주행을 위한 ADAS 시스템의 레이더 배치도를 나타내는 도면이다.
첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
따라서, 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예들을 가질 수 있으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
한편, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제 1, 제 2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되는 것은 아니다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소는 제 1 구성요소로 명명될 수 있다.
및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 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 의미가 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미가 있는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구 범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 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.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 기상 장치 전원부 제어 장치에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량 추돌 방지를 위한 차량용 레이더 안테나시스템을 나타낸 도면이다. 파라볼라 반사면(100)과 상기 반사면 중앙 촛점부에 위치하여 전파를 송수신하는 급전부(200)로 이루어져 있으며, 상기 급전부는 파라볼라 반사면으로 전파를 송신하는 송신용 패치 급전 안테나(210) 및 전파를 수신하는 수신용 패치 급전 안테나(220)로 구성되어 있다. 여기서 상기 송신용 및 수신용 급전 패치 안테나는 동일한 기판에 형성되어 있으며, 차량의 전방을 감시할 수 있도록, 차량의 전면에 설치될 수 있다.
본 발명에서 차량 추돌 방지를 위한 레이더 안테나 시스템은 도 8과 같은 형태의 마이크로스트립 평판안테나에 비하여 동일한 크기에서 안테나 이득이 3~5dB 높고 손실이 적어서 적어도 마이크로스트립 어레이 안테나에 비하여 5dB이상 안테나 이득이 높다고 할 수 있다. 이는 마이크로스트립 평판 안테나의 경우 송신안테나와 수신안테나가 각각 따로 구성되어야 하고 두 안테나 사이에 분리된 공간적 면적이 있어야 하고, 이론적으로 하나의 안테나 면적은 실제 가용 평면에서 30%를 초과하기 힘들기 때문에 전체 면적을 100%사용하는 안테나에 비하여 5dB이상 적은 이득을 갖게 된다. 그리고 24GHz이상의 초 고주파수에서 마이크로 스트립선로의 손실은 매우 커서 사실상 마이크로스트립 어레이 안테나의 실효이득은 동일크기의 파라볼라 안테나에 비하여 6dB이상 적다.
또한 하나의 파라볼라 반사면을 사용하고 하나의 급전안테나를 사용하는 도 5와 같은 전통적인 FMCW레이더 시스템은 안테나 뒷단에 도 5와 같이 서큘레이터를 사용하게 되는데 서큘레이터는 가격이 매우 비싸고 또한 손실이 크며, 송.수신 분리도가 좋지 않아서 레이더의 탐지거리를 저하시키는 중요한 원인으로 작용한다.
이러한 단점을 개선하기위하여 도 6과같이 서큘레이터를 제거하고 송, 수신 안테나를 직접 동일한 평면상에 도 4와 같이 마이크로스트립 안테나로 최소한의 패치를 사용하여 구현하게 되면 도 7과 같이 마이크로스트립 안테나 간에 서로 널(null)이 형성되어 자연스럽게 35dB이상의 아이솔레이션이 이루어진다. 이정도의 아이솔레이션이면 보통의 서큘레이터가 가지는 20dB미만의 아이솔레이션 값보다 월등히 좋은 것이다.
따라서 본 발명에서는 도 5와 같은 기존의 전통적인 파라볼라 안테나와 레이더 시스템 대신에 도 6과 같이 송.수신 급전패치를 도 4와 같이 작은 공간에 함께 구현하고 동일한 파라볼라 반사면을 활용함으로써 파라볼라 안테나의 장점을 최대한 활용하면서 레이더 시스템의 송.수신분리에 요구되는 서큘레이터를 제거하는 효과를 얻음으로 레이더 시스템의 가격을 대폭 낮추고 안테나 이득을 최대로 얻을 수 있는 효과를 가질 수 있다.
도 2는 중앙부(320) 및 측면부(310, 330)로 구성된 파라볼라 반사면을 포함하는 차량 추돌 방지를 위한 차량용 레이더 안테나시스템(300)을 나타내는 도면이다. 여기서, 상기 파라볼라 반사면(300)은 상하로 굽은 곡면 형태이고, 소정 길이로 형성된 중앙부 파라볼라 반사면(320)과 상기 파라볼라 중앙부 반사면에서 소정 각도 이상 절곡되어 소정 길이로 형성된 하나 이상의 측면부 파라볼라 반사면(310, 330)으로 구성될 수 있다. 여기서 파라볼라 반사면이 상하로 굽은 정도와 측면부(310, 330)의 절곡 각도 및 길이는 감지하려는 방위각도에 따라 결정된다. 이러한 구성을 통하여, 팬빔 형태로 전파를 방사시킬 수 있고, 초점에 위치한 급전부의송신용 패치 급전 안테나(342)에서 발사한 전파가 평행으로 반사되도록 할 수 있다. 또한 이렇게 절곡된 파라볼라 반사면은 지면이나 주변 환경에서 오는 불필요한 신호들을 억제할 수 있는 효과를 가지게 된다. 그리고 급전을 위한 안테나는 도 2(b)와 같이 가운데 송신안테나(342)를 두고 양측에 수신안테나(341)를 두게 된다. 이에 따라, 상기 측면부 파라볼라 반사면(310, 330)의 절곡각도는 상기 양측 수신안테나(341)의 수신 이득이 최대가 되는 범위에서 결정되게 된다.
여기서 수신되는 신호를 통해 감지되는 대상체의 위치를 판단하는 것은 상기 파라볼라 반사면(310, 320, 330)으로부터 수신되는 전파의 위상차, 수신세기 및 거리를 비교하여 판단하게 된다. 그러면 두 수신안테나에서 수신된 신호의 크기 및 위상차로 신호의 방향 및 거리를 결정할 수 있으며, 후방은 물론이고 측방의 넓은 각도 범위에서 오는 신호를 수신할 수 있어서 운전자에게 후방 및 측방에서 접근하는 차량을 인지할 수 있게 하여준다.
이러한 레이더 안테나 시스템은 도 9와 같이 기존의 후방과 양 측면감시용 레이더가 3개 설치되는 것에 비하여 레이더 시스템의 개수를 1/3로 줄일 수 있게 하여주고 설치에 따르는 비용을 획기적으로 줄일 수 있게 하여준다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
100 : 파라볼라 반사면
200 : 급전부
210 : 송신용 패치 급전 안테나
220 : 수신용 패치 급전 안테나
300 : 팬빔 형태로 전파가 방사되는 파라볼라 안테나 구조도
310 : 제1 측면 파라볼라면
320 : 중앙부 파라볼라면
330 : 제2 측면 파라볼라면
340 : 급전부
341, 342 : 측면 급전 안테나

Claims (3)

  1. 포물선 형태의 면을 갖는 파라볼라 반사면; 및
    상기 파라볼라 반사면 중앙 촛점부에 위치하여 전파를 송수신하는 급전부; 로 구성되며,
    상기 급전부는 상기 파라볼라 반사면으로 전파를 송신하는 송신용 패치 급전 안테나; 및
    상기 파라볼라 반사면으로부터 전파를 수신하는 수신용 패치 급전 안테나로 구성되고,
    상기 파라볼라 반사면은 상하로 굽은 곡면 형태이고, 소정 길이로 형성된 중앙부 파라볼라 반사면과 상기 중앙부 파라볼라 반사면의 양측부에서 소정 각도 이상 절곡되어 소정 길이로 형성된 양측부 파라볼라 반사면으로 구성되고,
    상기 송수신 급전부는 중앙부에 송신용 패치 급전 안테나가 위치하고, 상기 송신용 패치 급전 안테나의 양측부에 수신용 패치 급전 안테나가 각각 위치하며,
    상기 양측부 파라볼라 반사면의 절곡 각도는 상기 양측부 수신용 패치 급전 안테나의 수신 이득이 최대가 되는 범위에서 결정되고,
    상기 양측부 수신용 패치 급전 안테나에서 상기 파라볼라 반사면에서 수신되는 신호를 통해 감지되는 대상체의 위치를 판단하는 것은 상기 파라볼라 반사면으로부터 수신되는 전파의 위상차 및 수신세기 그리고 거리를 비교하여 판단하는 것을 특징으로 차량 추돌 방지를 위한 차량용 레이더 안테나시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 송신용 패치 급전 안테나 및 수신용 패치 급전 안테나는 하나의 동일한 기판에 형성되는 것을 특징으로 하는 차량 추돌 방지를 위한 차량용 레이더 안테나시스템.
  3. 삭제
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