KR102133701B1 - 차량용 레이더 장치 - Google Patents

Abstract

안테나의 방사 패턴 빔폭을 넓힐 수 있는 레이돔을 갖는 차량용 레이더 장치가 제공된다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량용 레이더는 편파 방향이 제1방향으로 형성된 안테나, 안테나를 수용하는 레이돔, 레이돔에 구비되며 제2방향으로 연장 형성되는 하나 이상의 금속라인으로 이루어지는 금속라인부를 포함할 수 있다. 그리고 제1방향과 제2방향은 상호 교차한다.

Description

차량용 레이더 장치{RADAR DEVICE FOR VEHICLE}

본 발명은 차량용 레이더 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 내부 금속 구조를 통해 안테나의 FOV(Field of View)를 120도 이상으로 확장할 수 있는 레이돔을 포함하는 차량용 레이더 장치에 관한 것이다.

현재 사용되는 77 GHz 차량용 레이더의 경우 안테나의 FOV가 120도 정도이다. 하지만 안테나를 덮는 용도인 레이돔을 부착할 경우 안테나의 FOV는 102도 정도로 줄어들게 된다.

종래에는 레이돔 구조가 광각 특성을 가지도록 하여 안테나의 FOV가 줄어드는 것을 방지하고자 하였다. 하지만 광각 특성을 갖도록 하기 위해서는 레이돔 내부에 주기적인 구조를 이용하여야 했는데, 주파수 대역이 높아질수록 주기적 구조의 크기가 점점 작아지기 때문에 높은 난이도의 제작 기술이 필요했고 제작 공차에도 민감한 문제점이 발생하였다.

또한 안테나를 인접하게 복수 개 배치할 경우, 종래의 주기적인 구조를 이용한 레이돔에서는 안테나 위치별로 광각 특성이 열화되는 문제가 있었고, 이를 해결하기 위해 추가적인 레이돔 형상이 필요했다. 특히 안테나 사이의 간격이 2mm 이하가 되면 주기 구조의 주기 및 형상에 의한 광각 특성을 구현할 수 조차 없다는 문제점이 있었다.

본 발명에서는 상술한 문제점이 발생하지 않으면서도 레이돔을 적용한 경우에도 안테나의 FOV가 120도 이상인 레이돔을 포함하는 차량용 레이더 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 해결하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량용 레이더 장치는 편파 방향이 제1방향으로 형성된 안테나, 상기 안테나를 수용하는 레이돔(radome) 및 상기 레이돔에 구비되며, 제2방향으로 연장 형성되는 하나 이상의 금속라인으로 이루어지는 금속라인부를 포함하며, 상기 제1방향과 상기 제2방향은 상호 교차하는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고 상기 제1방향과 상기 제2방향은 직교할 수 있다.

또한, 상기 안테나 양단의 길이는 상기 금속라인부의 제2방향에 수직한 방향의 너비보다 작은 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고 상기 금속라인부는 상기 금속라인이 복수개로 이루어지며, 상기 금속라인은 상호 절연되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 금속라인부는, 상기 금속라인이 상기 레이돔에 매립되는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 다양한 실시 예에 의하면 안테나 간격을 2mm 이하로 하여 복수 개 배치하더라도 안테나 별로 광각 특성에 차이가 거의 없고, 제작 공차에도 둔감한 레이돔을 제작할 수 있다.

도 1은 종래의 평면 레이돔을 포함하는 차량용 레이더 장치의 형상을 도시한 도면,
도 2는 종래의 평면 레이돔을 가지고 안테나의 방사 패턴을 시뮬레이션한 결과를 도시한 그래프,
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량용 레이더 장치의 형상을 도시한 도면,
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 레이돔에 삽입된 금속라인의 배치 방향을 설명하기 위한 도면,
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 레이돔을 가지고 안테나의 방사 패턴을 시뮬레이션한 결과를 도시한 그래프,
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량용 레이더 장치를 상부에서 바라본 도면,
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량용 레이더 장치를 측면에서 바라본 도면,
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나의 방사 패턴을 설명하기 위한 도면,
도 10는 레이돔 상부에서 Near Field 전기장 관찰 지점을 도시한 도면, 그리고,
도 11은 Near Field 전기장의 위상 변화 그래프이다.

이하에서는 본 개시의 바람직한 실시 예가 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 개시를 설명함에, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 개시의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 그리고 후술되는 용어들은 본 개시에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

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

도 1은 종래의 레이돔을 포함하는 차량용 레이더 장치의 형상을 도시한 도면이다. 도 1을 참조하면 평면 레이돔 하단에 안테나가 위치해 있음을 알 수 있다. 도 2는 종래의 평면 레이돔을 가지고 안테나의 방사 패턴을 시뮬레이션한 결과를 도시한 그래프이다. 도 2의 그래프에서 Y축은 안테나의 이득을 나타내고, X축은 레이돔 평면과 수직한 축(도 9의 Z축)과 이루는 각도를 나타낸다. 또한 도 2의 그래프에서 빨간색 선은 레이돔이 없는 경우의 안테나 단품에 대한 방사 패턴이고, 파란색 선은 레이돔이 있는 경우의 방사 패턴이다.

도 2에서 금속라인이 적용되지 않은 종래의 일반 레이돔을 적용한 파란색 선으로 표시된 방사 패턴들 중 가장 넓은 패턴(Az 방사 패턴)의 -10dB 빔폭은 102.67도이다. 즉, 레이돔 없는 안테나 단품의 방사 패턴의 빔폭에 비해 줄어든 값을 나타냄을 확인할 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량용 레이더 장치(1000)의 형상을 도시한 도면이다. 차량용 레이더 장치(1000)는 레이돔(100)과 안테나(200)를 포함할 수 있다. 또한 레이돔(100)에는 금속라인부(110)가 구비되어 있다. 금속라인부(110)는 하나 이상의 금속라인으로 이루어지며, 금속라인이 레이돔(100)에 매립되어 있을 수 있다. 내부에 삽입된 금속라인부(110)의 패턴에 의해 본 발명의 일 실시 예에 따른 레이돔(100)은 종래의 레이돔의 FOV에 비해 높은 FOV를 갖게 된다. 종래에 레이돔에 금속 구조를 적용한 경우는 있으나 용도가 외부에서 들어오는 전파를 감쇠하기 위한 목적으로 사용된 것에 불과하고, 구조에 있어서도 본 발명과 동일한 구조가 아니다.

금속라인부(110)는 도 4나 도 5와 같이 주기 구조를 갖는 금속라인으로 구성될 수 있다. 그리고 금속라인부(110)는 레이돔(100) 내부에 삽입될 수 있다. 금속라인의 배열 주기와 금속라인의 폭은 광각 특성을 지닐 수 있는 구조로 형성되어 있다.

또한 금속라인부(110)를 구성하는 복수의 금속라인은 서로 전기적으로 연결되어 있지 않는 특징을 갖는다. 그리고 도 4 및 도 5에서 확인할 수 있듯이 안테나(200)가 가지는 전파의 편파와 수직방향으로 금속라인이 배치되는 것을 특징으로 한다. 안테나(200)의 편파(polarization) 방향을 제1방향으로 정의할 수 있다. 안테나(200)가 연장 형성된 방향과 편파 방향은 항상 일치하는 것은 아니다. 패치 안테나에 급전선을 붙이는 방법에 따라 편파 방향이 연장 형성된 방향과 달라질 수 있기 때문이다. 예를 들어, 도 7 내지 10의 실시 예에서는 설명의 편의를 위해 안테나의 연장 형성 방향과 안테나의 편파 방향이 동일한 방향으로 도시되었다. 그리고 금속라인부(110)를 구성하는 금속라인이 연장 형성된 방향을 제2방향으로 정의할 수 있다. 제1방향과 제2방향은 상호 교차하는 것을 특징으로 한다. 가장 바람직하게는 제1방향과 제2방향은 직교해야 한다. 예를 들어, 도 4와 같이 안테나(200)의 편파 방향이 수직방향인 경우, 금속라인의 배열은 안테나 편파 방향과 수직인 방향으로 주기를 가지고 배열된다. 도 5와 같이 안테나(200)의 편파 방향이 수평방향인 경우에도 마찬가지로, 금속라인의 배열은 안테나 편파 방향과 수직인 방향으로 주기를 가지고 배열된다. 금속라인을 안테나의 편파 방향과 수직으로 형성하고 금속라인 상호간에 전기적으로 연결되지 않도록 배치하면, 각각의 금속라인은 Parallel Plate 도파관과 같이 동작하게 된다.

도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 금속라인이 적용된 레이돔을 가지고 안테나의 방사 패턴을 시뮬레이션한 결과를 도시한 그래프이다. 도 2와 마찬가지로, 도 6의 그래프에서 Y축은 안테나의 이득을 나타내고, X축은 레이돔 평면과 수직한 축(도 9의 Z축)과 이루는 각도를 나타낸다. 또한 도 6의 그래프에서 빨간색 선은 레이돔이 없는 경우의 안테나 단품에 대한 방사 패턴이고, 파란색 선은 레이돔이 있는 경우의 방사 패턴이다.

도 6에서 금속라인이 적용된 레이돔을 적용한 파란색으로 표시된 방사 패턴들 중 가장 넓은 패턴(Az 방사 패턴)의 -10dB 빔폭은 145.03도로, 종래의 일반 레이돔을 적용한 방사 패턴 빔폭뿐 아니라, 레이돔이 없는 안테나 단품의 빔폭에 비해서도 넓은 빔폭을 갖는 것을 확인할 수 있다.

이하에서는 보다 상세한 차량용 레이더 장치(1000)의 구조와 동작 원리에 대해서 설명하기로 한다. 우선 도 7과 도 8을 통해 차량용 레이더 장치(1000)를 구성하는 구성요소들의 배치 형태에 대해 설명하기로 한다. 도 7 및 도 8의 실시 예에서는 설명의 편의를 위해 안테나의 연장 형성 방향과 안테나의 편파 방향이 동일한 방향으로 도시되었다. 다만 앞서 설명한 바와 같이 안테나의 연장 형성 방향과 안테나의 편파 방향이 반드시 일치해야 하는 것이 아님은 물론이다.

도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량용 레이더 장치(1000)를 상부에서 바라본 도면이다. 최하부에 안테나(200)가 배치되고, 상부에 안테나(200)를 수용하는 레이돔(100)이 배치된다. 또한 레이돔(100)에는 적어도 하나의 금속라인으로 이루어지는 금속라인부(110)가 구비될 수 있다. 도 7에서 노란색으로 표시된 부분은 금속 재질로 이루어진 부분이다. 그리고 안테나 PCB의 재질은 테플론 기반의 PCB 재질일 수 있다. 도 7을 살펴보면 안테나(200)의 편파 방향이 상하로 연장된 방향임을 확인할 수 있다. 이는 앞서 설명한 바와 같이 안테나(200) 연장 형성 방향이 편파 방향과 동일한 방향임을 가정하고 있기 때문이다. 또한 도 7을 살펴보면 금속라인부(110)를 구성하는 금속라인들의 연장 형성 방향은 좌우로 연장된 방향임을 확인할 수 있다. 이와 같이 안테나(200)의 편파 방향과 금속라인부(110)의 금속라인의 형성 방향은 교차(바람직하게는 직교)되어야 한다.

도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량용 레이더 장치(1000)를 측면에서 바라본 도면이다. 안테나(200)가 하부에 배치되고 상부에 레이돔(100)이 배치됨을 알 수 있다. 또한 레이돔(100)에는 하나 이상의 금속라인으로 이루어지는 금속라인부(110)가 매립될 수 있다.

도 9은 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나(200)의 방사 패턴을 설명하기 위한 도면이다. 안테나(200)의 방사 패턴은 아래의 수학식 1을 이용하여 도출할 수 있다. 안테나(200)의 far field에서의 방사 패턴은 안테나(200)의 near field에서의 전기장(E field) 분포를 푸리에 변환(Fourier Transform)하여 계산할 수 있다.

수학식 1에서 a는 레이돔 좌우의 폭의 절반에 해당하는 길이, E(x)는 레이돔 상부면에서 0.1mm 이격된 위치에서의 전기장, k는 전파 상수, θ는 도 8의 z축과 이루는 각도를 의미한다.

푸리에 변환의 성질에 따를 때, 안테나의 방사 패턴은 안테나의 Near Field에서의 전기장 위상 변화 속도에 관계됨을 알 수 있다. 전기장 위상 변화가 빠를수록 빔폭이 넓어지고, 위상 변화가 느릴수록 빔폭이 좁아진다.

도 10는 레이돔 상부에서 Near Field 전기장 관찰 지점을 도시한 도면이다. 도 10에서 분홍색 라인으로 도시된 부분이 레이돔 상부면에서 0.1mm 이격된 지점으로써 Near Field 전기장을 관찰하는 지점이다. 레이돔에 금속라인이 포함된 경우와 포함되지 않은 경우 각각에 대해 Near Field 전기장의 위상 변화를 확인한 결과는 도 11과 같다. 도 11은 전기장의 위상 변화 그래프로 Y축은 위상 변화 각도(deg)를 나타내고, X축은 도 10의 분홍색 선의 좌측부터 우측까지의 위치를 나타낸다.

도 11을 참조하면 금속라인이 포함된 경우에 위상 변화 그래프의 기울기가 더 가파름을 알 수 있다. 즉, 금속라인이 레이돔 내부에 포함되어 있는 경우에 위상 변화가 더 빠른 것을 확인할 수 있다. 이로 인해 금속라인이 레이돔 내부에 포함된 경우 안테나 방사 패턴의 빔폭이 넓어짐을 확인할 수 있다.

또한 금속라인부를 구성하는 금속라인의 배열 주기, 간격, 패턴 중 적어도 하나를 변경함으로써 안테나 방사 패턴의 빔폭을 조정할 수 있다. 따라서 안테나를 교체하지 않고, 내부에 금속라인을 구비한 레이돔을 교체하는 것만으로 안테나 방사 빔폭을 조정할 수 있다. 그리고 안테나 방사 빔폭을 조정할 수 있기 때문에 넓은 빔폭을 필요로 하는 경우뿐 아니라, 특정한 목표로 방사되도록 지향할 필요가 있을 때에도 본 발명의 일 실시 예에 따른 레이돔을 적용할 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명의 다양한 실시 예에 따른 금속라인을 구비한 레이돔을 갖는 차량용 레이더 장치를 이용하면 안테나 방사 패턴의 빔폭을 확장하는 효과를 얻을 수 있다. 일반적으로 레이돔을 덮으면 안테나의 빔폭이 줄어드는 것에 반하여, 본 발명의 다양한 실시 예에 따른 레이돔을 덮으면 오히려 안테나의 빔폭이 확장된다는 점이 본 발명을 기존 레이돔과 차별화하는 특징이라 할 수 있다.

이상과 같이 본 개시는 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 개시는 상기의 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 본 개시가 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 개시의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

1000: 차량용 레이더 장치
100: 레이돔
110: 금속라인부
200: 안테나

Claims (6)

1. 편파 방향이 제1방향으로 형성된 안테나;
   상기 안테나를 수용하는 레이돔(radome); 및
   상기 레이돔에 구비되며, 제2방향으로 연장 형성되는 복수의 금속라인으로 이루어지는 금속라인부;를 포함하며,
   상기 제1방향과 상기 제2방향은 상호 교차하고,
   상기 복수의 금속라인은 기설정된 배열 주기에 따라 상호 절연되게 배치되어 도파관으로 동작하여 상기 안테나의 방사 패턴 빔폭을 확장하며,
   상기 금속라인의 배열 주기를 변경하여 상기 안테나의 방사 패턴 빔폭 확장 정도를 조정하는 차량용 레이더 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1방향과 상기 제2방향은 직교하는 차량용 레이더 장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 안테나 양단의 길이는 상기 금속라인부의 제2방향에 수직한 방향의 너비보다 작은 것을 특징으로 하는 차량용 레이더 장치.
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 금속라인부는,
   상기 금속라인이 상기 레이돔에 매립되는 것을 특징으로 하는 차량용 레이더 장치.
6. 삭제

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