KR102161767B1 - 빔 스캐닝을 이용한 동작위치 탐지 레이더 및 이의 제어 방법 - Google Patents

빔 스캐닝을 이용한 동작위치 탐지 레이더 및 이의 제어 방법 Download PDF

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Abstract

안테나의 위상을 제어할 수 있는 빔 스캐닝을 이용한 동작위치 탐지 레이더는 위상변위기가 연결된 적어도 하나의 안테나를 포함하고, 전파주파수를 송신하고, 물체에서 반사되는 반사주파수를 수신하는 안테나부, 발진기와 상기 안테나부의 사이에 위치되어 선로를 통과하는 주파수를 추출하는 주파수 추출부, 전파주파수와 반사주파수를 이용하여 잔여주파수를 출력하는 도플러부, 및 상기 도플러부에서 잔여주파수가 출력되면 상기 안테나부의 위상을 제어하는 제어부를 포함할 수 있다. 이에 따라, 목표물의 위치를 정확히 파악할 수 있고, 해당 목표물의 동작의 유무를 판별할 수 있고, 탐지영역 및 거리를 증가시킬 수 있다.

Description

빔 스캐닝을 이용한 동작위치 탐지 레이더 및 이의 제어 방법{MOTION POSITION DETECTION RADAR USING BEAM-SCANNING AND CONTROL METHOD THEREOF}
본 발명은 빔 스캐닝을 이용한 동작위치 탐지 레이더 및 이의 제어 방법 에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 빔 스캐닝을 수행하여 감시영역 내 동작의 위치를 파악하기 위한 레이더 시스템을 실현할 수 있는 빔 스캐닝을 이용한 동작위치 탐지 레이더 및 이의 제어 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 레이더(Radar)는 전자파를 방사하여 목표 물체의 표면으로부터 반사되는 전자파의 에코를 수신하는 장치로, 목표물의 존재를 에코의 검출 또는 목표물 내 자동응답기(레이더응답기)로부터의 응답신호를 수신하는 것에 의하여 확인할 때 주로 사용하는 장치이다.
최근 레이더에서 빔을 방사하기 위해 위상 배열 안테나(Phased Array Antenna)를 주로 이용한다. 위상 배열 안테나는 요구하는 방사특성을 얻기 위하여 수직 다단 복사소자 또는 수평 다단 복사소자를 전기적 기하학적으로 배열하여 빔(Beam)이 조사되도록 하고 있으며, 조사되는 빔은 2차원으로 배열되는 위상변위기에 의해 방향이 조정된다.
즉, 위상 배열 안테나는 위상변위기를 이용하여 전류의 세기 조정을 통한 자기장 세기의 변화로 각 배열소자에 급전되는 신호의 위상을 변화시켜 송수신시에 전자적으로 빔의 방향을 조향시킨다.
그러나, 위상 배열 안테나에는 송수신 빔을 형성하고 제어하기 위해 개별의 마이크로파 증폭기, 디지털 위상 변위기, 디지털 감쇠기가 추가로 사용된다. 따라서 시스템의 크기가 커지고 전력 소모가 많아지며 시스템의 가격이 비싼 문제점이 있다.
또한, 디지털 위상 변위기 및 디지털 감쇠기를 제어하기 위해서는 많은 제어 신호가 요구된다. 이러한 많은 제어 신호를 외부에서 입력하기 위해서는 많은 제어 선로가 필요하며 많은 제어 선로들이 차지하는 면적이 커짐으로 인해 시스템이 커지고 복잡해지는 문제점이 있다.
한국등록특허 제10-1822955호 한국등록특허 제10-1527771호 미국등록특허 US7659849B1
이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 전파빔(Electromagnetic Beam)을 포밍(Forming)하여 탐지영역 및 거리를 증가시키고, 감시영역 내 동작의 위치를 파악할 수 있는 빔 스캐닝을 이용한 동작위치 탐지 레이더를 제공한다.
본 발명의 다른 목적은 상기 빔 스캐닝을 이용한 동작위치 탐지 레이더의 제어 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 빔 스캐닝을 이용한 동작위치 탐지 레이더는, 전파빔을 형성하기 위한 위상변위기가 연결된 적어도 하나의 안테나를 포함하고, 전파주파수를 송신하고, 물체에서 반사되는 반사주파수를 수신하는 안테나부; 상기 전파주파수를 발생시키는 발진기와 상기 안테나부의 사이에 위치되어 선로를 통과하는 주파수를 추출하는 주파수 추출부; 상기 주파수 추출부에서 추출한 전파주파수와 반사주파수를 이용하여 잔여주파수를 출력하는 도플러부; 및 상기 도플러부에서 잔여주파수가 출력되면 상기 물체가 움직이는 것으로 판단하고, 상기 안테나부의 위상을 제어하는 제어부;를 포함한다.
상기 도플러부는, 상기 주파수 추출부에서 추출된 반사주파수를 증폭하는 제1증폭부; 및 상기 제1증폭부에서 증폭한 반사주파수와 상기 전파주파수를 믹서(mixer)하여 상기 잔여주파수를 출력하는 주파수 출력부;를 포함할 수 있다.
상기 도플러부는, 상기 주파수 출력부에서 출력된 잔여주파수를 증폭하여 상기 제어부로 전송하는 제2증폭부;를 더 포함할 수 있다.
상기 잔여주파수는, 움직이는 물체로부터 반사되는 반사주파수에 포함되는 에너지일 수 있다.
상기 제어부는, 상기 잔여주파수가 출력되면 잔여주파수가 출력된 해당 물체가 존재하는 위치를 감시구역으로 지정하는 구역지정부; 및 상기 구역지정부에서 감시구역이 지정되면, 각각의 안테나의 위상을 조절하여 상기 지정된 감시구역을 스캐닝할 수 있도록 하는 위상조절부;를 포함할 수 있다.
상기 위상조절부는, 상기 출력된 잔여주파수의 구간에 따라 상기 물체의 움직임의 속도를 추정하여 상기 추정된 속도에 따라 상기 위상변위기의 위상 변화 속도를 조절할 수 있다.
상기 안테나부는, 복수 개의 안테나가 배열되어 있을 수 있다.
상기 위상변위기는, 인가되는 역전압에 대해 커패시턴스가 변하는 소자를 사용할 수 있다.
상기 빔 스캐닝을 이용한 동작위치 탐지 레이더는, 상기 위상변위기에서 송출되는 전파의 조합을 통해 전파를 특정 방향으로 송신 또는 수신할 수 있는 상기 전파빔을 형성할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 위상변위기에서 송출되는 전파의 조합을 통해 전파를 특정 방향으로 송신 또는 수신할 수 있는 상기 전파빔을 형성할 수 있도록 상기 위상변위기의 위상을 제어할 수 있다.
상기 전파빔을 형성하는 것은, 상기 배열된 각각의 안테나에 상기 위상변위기가 고주파 신호의 위상을 조절하여 포밍된 빔을 조향하여 형성할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 빔 스캐닝을 이용한 동작위치 탐지 레이더의 제어 방법은, 전파빔을 형성하기 위한 위상변위기가 연결된 적어도 하나의 안테나를 통해 전파주파수를 송신하고, 상기 안테나를 통해 상기 전파주파수를 수신한 물체에서 반사되는 반사주파수를 수신하고, 상기 전파주파수를 발생시키는 발진기와 상기 안테나의 사이에서 선로를 통과하는 전파주파수 및 반사주파수를 추출하고, 상기 추출한 전파주파수와 반사주파수를 이용하여 잔여주파수를 출력하고, 상기 잔여주파수가 출력되면 상기 물체가 움직이는 것으로 판단하여 상기 안테나의 위상을 제어한다.
상기 잔여주파수를 출력하는 것은, 상기 추출된 반사주파수를 증폭시키고, 상기 증폭한 반사주파수와 상기 전파주파수를 믹서(mixer)하여 상기 잔여주파수를 출력할 수 있다.
상기 잔여주파수를 출력하는 것은, 상기 출력된 잔여주파수를 증폭하여 상기 안테나의 위상을 제어할 수 있도록 전송할 수 있다.
상기 잔여주파수는, 움직이는 물체로부터 반사되는 반사주파수에 포함되는 에너지일 수 있다.
상기 안테나의 위상을 제어하는 것은, 상기 잔여주파수가 출력되면 잔여주파수가 출력된 해당 물체가 존재하는 위치를 감시구역으로 지정하고, 상기 감시구역이 지정되면, 각각의 안테나의 위상을 조절하여 상기 지정된 감시구역을 스캐닝할 수 있다.
상기 전파주파수를 송신하는 것은, 복수 개의 안테나가 배열되어 있어 배열된 안테나로부터 형성된 전파주파수를 송신할 수 있다.
상기 위상변위기는, 인가되는 역전압에 대해 커패시턴스가 변하는 소자를 사용할 수 있다.
상기 빔 스캐닝을 이용한 동작위치 탐지 레이더는, 상기 위상변위기에서 송출되는 전파의 조합을 통해 전파를 특정 방향으로 송신 또는 수신할 수 있는 전파빔을 형성할 수 있다.
상기 안테나의 위상을 제어하는 것은, 상기 위상변위기에서 송출되는 전파의 조합을 통해 전파를 특정 방향으로 송신 또는 수신할 수 있는 상기 전파빔을 형성할 수 있도록 상기 위상변위기의 위상을 제어할 수 있다.
상기 안테나의 위상을 조절하여 상기 지정된 감시구역을 스캐닝하는 것은, 상기 출력된 잔여주파수의 구간에 따라 상기 물체의 움직임의 속도를 추정하여 상기 추정된 속도에 따라 상기 위상변위기의 위상 변화 속도를 조절할 수 있다.
상기 전파빔을 형성하는 것은, 상기 배열된 각각의 안테나에 상기 위상변위기가 고주파 신호의 위상을 조절하여 포밍된 빔을 조향하여 형성할 수 있다.
본 발명에서 제안하는 빔 스캐닝을 이용한 동작위치 탐지 레이더는 도플러 효과를 전파영역에서 이용하여 목표물의 위치를 정확히 파악할 수 있고, 해당 목표물의 동작의 유무를 판별할 수 있다.
또한, 본 발명에서 제안하는 빔 스캐닝을 이용한 동작위치 탐지 레이더는 설계 방식과 제어가 간단하기 때문에 전파빔을 쉽게 조향할 수 있고, 다수 개의 안테나를 배열함으로써 탐지영역 및 거리를 증가시킬 수 있으며, 송·수신이 모두 가능하여 시스템 전체의 면적 및 크기를 줄이는 한편 비용절감의 효과를 기대할 수 있다.
도 1은 본 발명의 빔 스캐닝을 이용한 동작위치 탐지 레이더를 설명하기 위한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 스캐닝을 이용한 동작위치 탐지 레이더의 블록도이다.
도 3은 도 2의 도플러부를 자세히 도시한 블록도이다.
도 4는 도 2의 제어부를 자세히 도시한 블록도이다.
도 5는 빔 스캐닝을 이용한 동작위치 탐지 레이더에서 전파빔의 송신을 설명하기 위한 도면이다.
도 6 및 도 7은 빔 스캐닝을 이용한 동작위치 탐지 레이더에 의해 전파빔이 형성되는 것을 설명하기 위한 도면들이다.
도 8은 빔 스캐닝을 이용한 동작위치 탐지 레이더의 제어를 구현하기 위한 예시적인 회로도이다.
도 9은 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 스캐닝을 이용한 동작위치 탐지 레이더의 제어 방법을 도시한 흐름도이다.
도 10은 도 9의 잔여주파수를 출력하는 과정을 구체적으로 도시한 흐름도이다.
도 11은 도 9의 안테나의 위상을 제어하는 과정을 구체적으로 도시한 흐름도이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예와 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명에서 제안하는 기술은 다수의 안테나를 배열함으로써 전파빔(Electromagnetic Beam)을 포밍(Forming)하여 탐지영역 및 거리를 증가시키고, 빔 스캐닝을 수행하여 감시영역 내에 동작의 위치를 파악할 수 있는 레이더이다.
도 1은 본 발명의 빔 스캐닝을 이용한 동작위치 탐지 레이더(100)를 설명하기 위한 개략도이다.
본 발명에 따른 빔 스캐닝을 이용한 동작위치 탐지 레이더(100)는 도플러 효과를 이용하여 물체의 움직임을 검출할 수 있다. 여기서 도플러 효과는, 파동을 발생시키는 파원과 그 파동을 관측하는 관측자 중 하나 이상이 운동하고 있을 때 발생하는 효과로서 파원과 관측자 사이의 거리가 좁아질 때 파동의 주파수는 더 높게 관측되고, 거리가 멀어질 때 파동의 주파수는 더 낮게 관측되는 효과를 의미한다.
예를 들어, 빔 스캐닝을 이용한 동작위치 탐지 레이더(100)에서 송신하는 전파주파수(
Figure 112018068092075-pat00001
)가 감시구역을 빔으로 스캐닝할 때 수신되는 반사주파수(
Figure 112018068092075-pat00002
)와 전파주파수(
Figure 112018068092075-pat00003
) 간의 합 또는 차이가 존재할 때 발생하는 잔여주파수(Δf)가 도플러 주파수를 의미할 수 있고, 도플러 주파수의 발생여부에 따라 물체(500)의 동작의 유무를 판별할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 스캐닝을 이용한 동작위치 탐지 레이더의 블록도이다.
빔 스캐닝을 이용한 동작위치 탐지 레이더(100)는 안테나부(110), 주파수 추출부(130), 도플러부(150) 및 제어부(170)를 포함할 수 있다.
안테나부(110)는 위상변위기(300, 도 5 참조)가 연결된 적어도 하나의 안테나(200)가 배열되어 있는 위상 배열 안테나일 수 있다. 안테나부(110)는 발진기(400)에서 발생시키는 전파주파수(
Figure 112018068092075-pat00004
)를 송신할 수 있고, 전파주파수(
Figure 112018068092075-pat00005
)가 송신되는 위치에 존재하는 물체(500)로부터 반사되는 반사주파수(
Figure 112018068092075-pat00006
)를 수신할 수 있다.
안테나부(110)에는 적어도 하나의 위상변위기(300)가 연결되어 있을 수 있고, 위상변위기(300)에서 송출되는 전파의 조합을 통해 전파를 특정 방향으로 송신 또는 수신할 수 있는 전파빔을 형성할 수 있다.
여기서 위상변위기(300)는 인가되는 역전압에 대해 커패시턴스가 변하는 소자를 사용할 수 있고, 전파빔은 배열된 각각의 안테나(100)에 위상변위기(300)가 고주파 신호의 위상을 조절하여 포밍된 빔을 조향하여 형성될 수 있고, 배열된 안테나(200)의 수가 증가할수록 빔은 더욱 날카롭게 형성될 수 있다.
주파수 추출부(130)는 전파주파수(
Figure 112018068092075-pat00007
)를 발생시키는 발진기(400)와 안테나부(110) 사이의 선로를 통과하는 주파수를 추출할 수 있다. 여기서, 추출하는 주파수는 안테나(200)가 송신하는 전파주파수(
Figure 112018068092075-pat00008
) 및 수신하는 반사주파수(
Figure 112018068092075-pat00009
)를 모두 포함할 수 있고, 주파수를 추출하는 방법으로는 커플러(coupler) 등의 주파수를 추출할 수 있는 장치 또는 회로를 구성하여 사용할 수 있다.
도플러부(150)는 주파수 추출부(130)에서 추출한 전파주파수(
Figure 112018068092075-pat00010
)와 반사주파수(
Figure 112018068092075-pat00011
)를 증폭시킬 수 있고, 증폭한 반사주파수(
Figure 112018068092075-pat00012
)와 전파주파수(
Figure 112018068092075-pat00013
)를 이용하여 잔여주파수(Δf)를 출력할 수 있고, 출력된 잔여주파수(Δf)를 제어부(170)로 전송할 수 있다.
여기서, 잔여주파수(Δf)는 움직이는 물체로부터 반사되는 반사주파수(
Figure 112018068092075-pat00014
=
Figure 112018068092075-pat00015
+ Δf)에 포함되는 에너지를 의미할 수 있다. 즉, 도플러부(150)는 전파주파수(
Figure 112018068092075-pat00016
)와 반사주파수(
Figure 112018068092075-pat00017
)를 혼합하여 전파주파수(
Figure 112018068092075-pat00018
)와 반사주파수의 차이를 출력할 수 있고, 전파주파수(
Figure 112018068092075-pat00019
)와 반사주파수(
Figure 112018068092075-pat00020
) 간의 차이를 나타내는 출력값이 잔여주파수(Δf)를 의미한다.
예를 들어, 도플러부(150)에서 출력값이 출력되지 않는 경우 잔여주파수(Δf)는 존재하지 않는 것을 의미하므로 전파주파수(
Figure 112018068092075-pat00021
)를 수신한 해당 물체(500)는 움직이지 않는 물체로 판단할 수 있고, 도플러부(150)에서 출력값이 출력되는 경우 잔여주파수(Δf)가 존재하는 것을 의미하므로 전파주파수(
Figure 112018068092075-pat00022
)를 수신한 해당 물체(500)를 움직이는 물체로 판단할 수 있다.
제어부(170)는 도플러부(150)로부터 잔여주파수(Δf)가 출력되면, 잔여주파수(Δf)가 출력된 해당 물체(500)가 움직이는 것으로 판단하여 해당 물체(500)가 존재하는 위치를 감시구역으로 지정할 수 있고, 감시구역이 지정된 후 안테나부(110)에 구비된 각각의 안테나의 위상을 조절하여 지정된 감시구역을 스캐닝할 수 있다.
도 3을 참조하여, 도플러부(150)를 자세히 설명하기로 한다.
도플러부(150)는 제1증폭부(151), 주파수 출력부(153) 및 제2증폭부(155)를 포함할 수 있다.
제1증폭부(151)는 주파수 추출부(130)에서 추출된 반사주파수(
Figure 112018068092075-pat00023
)를 증폭하여 주파수 출력부(153)로 전송할 수 있다. 예를 들어, 제1증폭부(151)는 저잡음 증폭기(LNA: Low Noise Amplifier) 등의 주파수를 증폭시킬 수 있는 장치 또는 회로를 구성하여 사용할 수 있다.
주파수 출력부(153)는 전파주파수(
Figure 112018068092075-pat00024
)와 반사주파수(
Figure 112018068092075-pat00025
)의 주파수를 혼합(mixer)하여 그 합 또는 차를 출력할 수 있고, 이 출력값을 잔여주파수(Δf)라고 할 수 있다. 여기서, 잔여주파수(Δf)는 움직이는 물체로부터 반사되는 반사주파수(
Figure 112018068092075-pat00026
=
Figure 112018068092075-pat00027
+ Δf)에 포함되는 에너지를 의미할 수 있다.
즉, 주파수 출력부(153)는 전파주파수(
Figure 112018068092075-pat00028
)와 반사주파수(
Figure 112018068092075-pat00029
)를 혼합하여 전파주파수(
Figure 112018068092075-pat00030
)와 반사주파수(
Figure 112018068092075-pat00031
)의 합 또는 차이를 출력할 수 있고, 전파주파수(
Figure 112018068092075-pat00032
)와 반사주파수(
Figure 112018068092075-pat00033
) 간의 합 또는 차이를 나타내는 출력값이 잔여주파수(Δf)를 의미할 수 있다.
예를 들어, 주파수 출력부(153)에서 출력값이 존재하지 않는 경우 잔여주파수(Δf)는 존재하지 않는 것을 의미하므로 전파주파수(
Figure 112018068092075-pat00034
)를 수신한 해당 물체(500)는 움직이지 않는 물체로 판단할 수 있고, 도플러부(150)에서 출력값이 존재하는 경우 잔여주파수(Δf)가 존재하는 것을 의미하므로 전파주파수(
Figure 112018068092075-pat00035
)를 수신한 해당 물체(500)를 움직이는 물체로 판단할 수 있다.
제2증폭부(155)는 주파수 출력부(153)에서 출력된 잔여주파수(Δf)를 증폭하여 안테나(200)의 위상을 움직이는 물체가 존재하는 구역으로 조절하기 위해 빔 스캐닝을 이용한 동작위치 탐지 레이더(100)의 제어부(170)로 전송할 수 있다.
도 4를 참조하여, 제어부(170)를 자세히 설명하기로 한다.
제어부(170)는 구역지정부(171) 및 위상조절부(173)를 포함할 수 있다.
구역지정부(171)는 도플러부(150)에서 잔여주파수(Δf)가 출력되면 잔여주파수(Δf)가 출력된 해당 물체가 존재하는 위치를 파악할 수 있고, 해당 위치를 감시구역으로 지정할 수 있다.
구역지정부(171)에서 감시구역으로 지정하면, 해당 감시구역으로 전파빔을 송신하기 위해 위상조절부(173)는 안테나부(110)의 위상을 조절하는 위상변위기(300, 도 5 참조)에 전압을 인가할 수 있고, 안테나부(110)는 위상변위기(300)에서 송출되는 전파를 조합하여 전파를 특정 방향으로 송신할 수 있는 전파빔을 형성할 수 있다.
또한, 위상조절부(173)는 출력된 잔여주파수(Δf)의 구간에 따라 위상 변화의 속도를 조절할 수 있다. 여기서 잔여주파수의 구간은, 잔여주파수(Δf)의 크기에 따른 범위를 설정하여 정해놓는 것을 의미할 수 있다.
예를 들어, 잔여주파수(Δf)의 크기가 1hz 내지 5hz이면 물체(500)의 움직임이 작은 것으로 판단하여 위상조절부(173)는 1의 속도로 위상변위기(300)를 조절할 수 있고, 잔여주파수(Δf)의 크기가 6hz 내지 10hz이면 물체(500)의 움직임이 큰 것으로 판단하여 위상조절부(173)는 2의 속도로 위상변위기(300)를 조절할 수 있다.
즉, 잔여주파수(Δf)가 출력되고 잔여주파수(Δf)의 값이 위상변위기(300)의 위상 변화 속도를 1로 조절하는 구간 내에 존재한다면, 위상조절부(173)는 위상변위기(300)의 위상을 1의 속도로 조절할 수 있음을 의미한다.
이와 같이 빔 스캐닝을 이용한 동작위치 탐지 레이더(100)에는 위상변위기(300)가 연결된 위상 배열 안테나(200)가 적어도 하나 설치되어 있어 인가되는 전압에 따라 고주파 신호의 위상을 조절하여 포밍된 빔을 조향할 수 있고, 이로부터 위상 배열 안테나(200)는 기계적인 움직임 없이 전기신호만으로도 전자파의 방향을 조절할 수 있다.
도 5는 빔 스캐닝을 이용한 동작위치 탐지 레이더에서 전파빔의 송신을 설명하기 위한 도면이다.
빔 스캐닝을 이용한 동작위치 탐지 레이더(100)의 안테나부(110)에는 위상변위기(300)가 연결된 위상 배열 안테나(200)가 적어도 하나 설치되어 있어 인가되는 전압에 따라 고주파 신호의 위상을 조절하여 포밍된 빔을 조향할 수 있고, 이로부터 위상 배열 안테나(200)는 기계적인 움직임 없이 전기신호만으로도 전자파의 방향을 조절할 수 있다.
위상변위기(300)는 위상 배열 안테나(200)에서 특정 각도로 빔 조향을 하기 위해 필요한 어떠한 위상변위라도 충족하기 위해 인가되는 역전압에 대해 커패시턴스가 변하는 소자인 버렉터 다이오드(varactor diode) 등의 소자가 사용될 수 있다.
전파빔은 안테나(200)에 연결된 위상변위기(300)에 전압이 인가되면, 위상변위기(300)가 고주파 신호의 위상(3ΔΦ, 2ΔΦ, ΔΦ, 0 …)을 원하는 각도값(θ)으로 조절하여 포밍된 빔을 조향하여 형성할 수 있다.
여기서, 위상변위기(300)가 조절하는 고주파 신호의 위상(3ΔΦ, 2ΔΦ, ΔΦ, 0 …)값은 전파빔을 조향하고 싶은 각도값(θ)에 따라 [수학식 1]의 식을 이용하여 조절할 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112018068092075-pat00036
전파빔을 특정 방향으로 집중시킬 수 있는 방법 중 하나는 복수 개의 안테나(200)를 배열하는 것이다. 복수 개의 안테나(200)를 배열하게 되면 전자파 에너지는 특정 방향으로 집중시킬 수 있고, 배열된 안테나(200)의 수가 증가할수록 전파빔은 더욱 날카롭게 형성될 수 있다. 이로부터, 퍼져나가야 되는 전파빔을 한 곳으로 집중시킬 수 있기 때문에 탐지거리를 증가시킬 수 있는 효과를 기대할 수 있다.
도 6 및 도 7은 빔 스캐닝을 이용한 동작위치 탐지 레이더(100)에 의해 전파빔이 형성되는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 6을 참조하여, 빔 스캐닝을 이용한 동작위치 탐지 레이더(100)의 전파빔을 특정 방향으로 집중시키는 것에 대하여 설명하기로 한다.
전파빔은 빔 스캐닝을 이용한 동작위치 탐지 레이더(100)에 배열된 안테나(200)의 수에 의해 탐지영역과 거리가 정해질 수 있고, 배열된 안테나(200)의 수가 증가할수록 탐지영역과 거리가 증가할 수 있다.
예를 들어, 다수 개의 안테나(200)가 배열되어 설치된 빔 스캐닝을 이용한 동작위치 탐지 레이더(100)에 의해 형성된 전파빔의 탐지거리는 하나의 안테나(200)가 설치된 빔 스캐닝을 이용한 동작위치 탐지 레이더(100)에 의해 형성된 전파빔보다 더 길어질 수 있다.
다수 개의 안테나(200)를 배열하고, 각각의 안테나(100)에 위상변위기(300)가 연결되어 있어 빔 스캐닝을 이용한 동작위치 탐지 레이더(100)은 기계적인 움직임 없이 전기 신호만으로 파동의 방향을 조절할 수 있다. 이로부터 빔 스캐닝을 이용한 동작위치 탐지 레이더(100)는 전파빔을 원하는 방향으로 조향할 수 있고, 이동하는 물체(500)를 보다 정확하게 검출해낼 수 있다.
예를 들어, 도 6의 (a)는 빔 스캐닝을 이용한 동작위치 탐지 레이더(100)에 안테나가 하나 설치되어 있는 경우 전파빔의 형태를 나타낸 것이고, 도 6의 (b)는 안테나가 8ⅹ8 행렬로 배열되어 있는 경우 전파빔의 형태를 나타낸 것이고, 도 6의 (c)는 안테나가 16ⅹ16 행렬로 배열되어 있는 경우 전파빔의 형태를 나타낸 것이고, 도 6의 (d)는 안테나가 32ⅹ32 행렬로 배열되어 있는 전파빔의 형태를 나타낸 것이다.
도 6의 (a)레이더의 경우, 전파빔이 비교적 둥글게 형성되어 있는 것을 확인할 수 있고, 도 6의 (a)보다 더 많은 수의 안테나가 배열된 도 6의 (b)레이더는 조금 더 날카로운 형태의 전파빔을 형성할 수 있다.
도 6의 (b)레이더보다 더 많은 수의 안테나가 배열된 도 6의 (c)레이더는 도 6의 (b)레이더보다 더 날카로운 형태의 전파빔을 형성할 수 있고, 도 6의 (d)레이더는 도 6의 (c)레이더보다 더 날카로운 형태의 전파빔을 형성할 수 있다.
도 7을 참조하여, 빔 스캐닝을 이용한 동작위치 탐지 레이더(100)의 탐지거리를 증가시키는 것에 대하여 설명하기로 한다.
도 7과 같이 다수 개의 안테나를 배열한 레이더의 경우, 각 안테나의 위상을 조절하여 전파빔을 특정방향으로 조향할 수 있다. 그러나, 도 7에서 나타난 예보다 더 많은 수의 안테나를 배열하게 되면 각 안테나로부터 형성된 전파빔이 특정방향으로 집중될 수 있으므로, 탐지거리를 더 증가시킬 수 있다.
도 6 및 도 7을 참조하여 설명한 바와 같이 배열되어 있는 안테나의 수가 많아질수록 전파빔이 날카롭게 형성되어 빔 스캐닝을 이용한 동작위치 탐지 레이더(100)는 전파빔을 특정 방향으로 집중시킬 수 있고, 퍼져나가는 전파빔을 한 곳으로 집중시켰기 때문에 탐지거리를 증가시킬 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 스캐닝을 이용한 동작위치 탐지 레이더(100)의 제어 방법을 회로로 구현한 회로도이다.
전파주파수(
Figure 112018068092075-pat00037
)를 발생시키는 발진기(400)는 안테나부(110)와 연결되어 있을 수 있고, 발진기(400)와 안테나부(110) 사이의 선로에는 전파주파수(
Figure 112018068092075-pat00038
)와 반사주파수(
Figure 112018068092075-pat00039
)를 추출하기 위한 주파수 추출부(130)가 형성되어 있을 수 있다.
여기서, 발진기(400)는 오실레이터(Oscillator)등의 교류를 발생시키는 장치일 수 있고, 주파수 추출부(130)는 커플러(Coupler) 등의 선로에 흐르는 전압을 추출할 수 있는 장치일 수 있다.
안테나부(110)는 안테나(200)에 연결된 위상변위기(300)가 조절하는 위상에 따라 전파빔을 형성할 수 있고, 안테나부(110)는 전파주파수(
Figure 112018068092075-pat00040
)를 송신할 뿐만 아니라 물체(500)로부터 반사되어 오는 반사주파수(
Figure 112018068092075-pat00041
)도 수신할 수 있다.
주파수 추출부(130)는 도플러부(150)와 연결되어 있을 수 있어 추출한 주파수(
Figure 112018068092075-pat00042
)를 도플러부(150)로 전송할 수 있고, 도플러부(150)에는 제1증폭부(151), 주파수 출력부(153) 및 제2증폭부(155)가 형성되어 있을 수 있다.
주파수 출력부(153)는 주파수 추출부(130)에서 제공받은 전파주파수(
Figure 112018068092075-pat00043
)와 제1증폭부(151)에서 제공받은 반사주파수(
Figure 112018068092075-pat00044
)를 혼합하여 그 합 또는 차를 출력할 수 있고, 전파주파수(
Figure 112018068092075-pat00045
)와 반사주파수(
Figure 112018068092075-pat00046
) 간의 합 또는 차이를 나타내는 출력값이 잔여주파수(Δf)를 의미할 수 있다.
여기서, 주파수 출력부(153)는 믹서(Mixer)등의 두가지 이상의 주파수를 혼합하여 각 주파수의 합 또는 차를 출력하는 장치일 수 있고, 제1증폭부(151)는 LNA등의 주파수를 증폭할 수 있는 장치일 수 있다.
주파수 출력부(153)에서 잔여주파수(Δf)가 출력되면, 출력된 잔여주파수(Δf)를 제2증폭부(155)로 전송할 수 있고, 제2증폭부(155)는 제어부(170)와 연결되어 있을 수 있어 잔여주파수(Δf)가 출력된 위치로 안테나부(110)의 위상을 조절할 수 있다. 여기서, 제2증폭부(155)는 Op-Amp등의 주파수를 증폭할 수 있는 장치일 수 있다.
이하에서는, 도 9 내지 도 11을 참조하여 빔 스캐닝을 이용한 동작위치 탐지 레이더(100)의 제어 방법을 구체적으로 설명하도록 한다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 스캐닝을 이용한 동작위치 탐지 레이더(100)의 제어 방법을 도시한 흐름도이다.
전파빔을 형성하기 위한 위상변위기(300)가 연결된 적어도 하나의 안테나(200)를 통해 전파주파수(
Figure 112018068092075-pat00047
)를 송신할 수 있고(S1000), 안테나(200)에서 송신한 전파주파수(
Figure 112018068092075-pat00048
)를 수신한 물체(500)에서 반사되는 반사주파수(
Figure 112018068092075-pat00049
)를 수신할 수 있다(S1100).
발진기(400)와 안테나(200) 사이에 위치된 선로를 통과하는 전파주파수(
Figure 112018068092075-pat00050
) 및 반사주파수(
Figure 112018068092075-pat00051
)를 추출할 수 있고(S1300), 추출된 전파주파수(
Figure 112018068092075-pat00052
)와 반사주파수(
Figure 112018068092075-pat00053
)를 이용하여 잔여주파수(Δf)를 출력할 수 있다(S1500).
출력값이 존재하지 않는 경우 잔여주파수(Δf)는 존재하지 않는 것을 의미하므로 전파주파수(
Figure 112018068092075-pat00054
)를 수신한 해당 물체(500)는 움직이지 않는 물체로 판단할 수 있고, 출력값이 존재하는 경우 잔여주파수(Δf)가 존재하는 것을 의미하므로 전파주파수(
Figure 112018068092075-pat00055
)를 수신한 해당 물체(500)를 움직이는 물체로 판단할 수 있다(S1700).
잔여주파수(Δf)가 존재하여 해당 물체(500)가 움직이는 것으로 판단되는 경우, 안테나(200)의 위상을 해당 물체(500)가 존재하는 구역으로 전파빔을 송신할 수 있도록 제어할 수 있다(S1900).
도 8은 잔여주파수를 출력하는 과정을 구체적으로 도시한 흐름도이다.
잔여주파수(Δf)는 추출된 반사주파수(
Figure 112018068092075-pat00056
)를 증폭기를 통해 증폭시킬 수 있고(S1510), 증폭된 반사주파수(
Figure 112018068092075-pat00057
)와 전파주파수(
Figure 112018068092075-pat00058
)를 믹서(mixer)하여 합 또는 차이를 출력할 수 있다(S1530).
여기서, 전파주파수(
Figure 112018068092075-pat00059
)와 반사주파수(
Figure 112018068092075-pat00060
) 간의 합 또는 차이를 나타내는 출력값은 잔여주파수(Δf)를 의미할 수 있다. 즉, 잔여주파수(Δf)는 움직이는 물체(500)로부터 반사되는 반사주파수(
Figure 112018068092075-pat00061
=
Figure 112018068092075-pat00062
+Δf)에 포함되는 에너지를 의미할 수 있다.
반사주파수(
Figure 112018068092075-pat00063
)와 전파주파수(
Figure 112018068092075-pat00064
)를 믹서(mixer)한 결과로 잔여주파수(Δf)가 출력되면, 해당 잔여주파수(Δf)를 증폭하여 안테나(200)의 위상을 제어할 수 있도록 전송할 수 있다.
도 9은 안테나의 위상을 제어하는 과정을 구체적으로 도시한 흐름도이다.
도 8에서 언급한 바와 같이, 잔여주파수(Δf)가 존재하는 경우 해당 물체(500)는 움직이는 물체인 것으로 판단할 수 있고, 해당 물체(500)가 존재하는 위치를 감시구역으로 지정할 수 있다(S1710).
감시구역으로 지정되면, 안테나(200)에 연결된 위상변위기(300)로 전압을 인가할 수 있고, 전압이 인가된 위상변위기(300)는 감시구역으로 안테나(200)의 위상을 조절할 수 있어 감시구역을 빔으로 스캐닝할 수 있다(S1730).
전술한 바와 같이, 본 발명의 안테나(200)는 주파수 송신뿐만 아니라 주파수를 수신할 수 있는 기술을 제시하고 있어 비용절감의 효과를 기대할 수 있고, 반사주파수(
Figure 112018068092075-pat00065
)에 포함된 잔여주파수(Δf)의 존재 여부로 동작의 정보를 획득할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 빔 스캐닝을 이용한 동작위치 탐지 레이더(100)를 제공하는 기술은 다수의 안테나를 배열함으로써 전파빔(Electromagnetic Beam)을 포밍(Forming)하여 탐지영역 및 거리를 증가시킬 수 있고, 빔 스캐닝을 수행하여 감시영역 내에 동작의 위치를 파악할 수 있는 레이더 시스템을 실현할 수 있다.
이상에서 대표적인 실시 예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시 예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리 범위는 설명한 실시 예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 특허청구범위와 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태에 의하여 정해져야 한다.
1: 빔 스캐닝을 이용한 동작위치 탐지 레이더 시스템
100: 빔 스캐닝을 이용한 동작위치 탐지 레이더
110: 안테나부
130: 주파수 추출부
150: 도플러부
151: 제1증폭부
153: 주파수 출력부
155: 제2증폭부
170: 제어부
171: 구역지정부
173: 위상조절부
200: 안테나
300: 위상변위기
400: 발진기

Claims (20)

  1. 전파빔을 형성하기 위한 위상변위기가 연결된 적어도 하나의 안테나를 포함하고, 전파주파수를 송신하고, 물체에서 반사되는 반사주파수를 수신하는 안테나부;
    상기 전파주파수를 발생시키는 발진기와 상기 안테나부의 사이에 위치되어 선로를 통과하는 주파수를 추출하는 주파수 추출부;
    상기 주파수 추출부에서 추출한 전파주파수와 반사주파수를 이용하여 잔여주파수를 출력하는 도플러부; 및
    상기 도플러부에서 잔여주파수가 출력되면 상기 물체가 움직이는 것으로 판단하고, 상기 안테나부의 위상을 제어하는 제어부;를 포함하며,
    상기 도플러부는,
    상기 주파수 추출부에서 추출된 반사주파수를 증폭하는 제1증폭부;
    상기 제1증폭부에서 증폭한 반사주파수와 상기 전파주파수를 믹서(mixer)하여 상기 잔여주파수를 출력하는 주파수 출력부; 및
    상기 주파수 출력부에서 출력된 잔여주파수를 증폭하여 상기 제어부로 전송하는 제2증폭부;를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 잔여주파수가 출력되면 잔여주파수가 출력된 해당 물체가 존재하는 위치를 감시구역으로 지정하는 구역지정부; 및
    상기 구역지정부에서 감시구역이 지정되면, 각각의 안테나의 위상을 조절하여 상기 지정된 감시구역을 스캐닝할 수 있도록 하는 위상조절부;를 포함하고,
    상기 위상조절부는,
    상기 출력된 잔여주파수의 구간에 따라 상기 물체의 움직임의 속도를 추정하고, 상기 추정된 속도에 따라 상기 위상변위기의 위상 변화 속도를 조절하되, 상기 출력된 잔여주파수가 제 1 구간 내에 속하면 상기 물체의 움직임이 작은 것으로 판단하여 상기 위상변위기의 위상변화속도를 제 1 속도로 조절하며, 상기 잔여주파수가 제 2 구간 내에 속하며 상기 물체의 움직임이 상기 잔여주파수가 상기 제 1 구간 내에 속할 때보다 큰 것으로 판단하여 상기 위상변위기의 위상 변화속도를 상기 제 1 속도보다 큰 제 2 속도로 조절하는 것을 특징으로 하는, 빔 스캐닝을 이용한 동작위치 탐지 레이더.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 잔여주파수는,
    움직이는 물체로부터 반사되는 반사주파수에 포함되는 에너지인, 빔 스캐닝을 이용한 동작위치 탐지 레이더.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 안테나부는,
    복수 개의 안테나가 배열되어 있는, 빔 스캐닝을 이용한 동작위치 탐지 레이더.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 위상변위기는,
    인가되는 역전압에 대해 커패시턴스가 변하는 소자를 사용하는, 빔 스캐닝을 이용한 동작위치 탐지 레이더.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 위상변위기에서 송출되는 전파의 조합을 통해 전파를 특정 방향으로 송신 또는 수신할 수 있는 상기 전파빔을 형성할 수 있도록 상기 위상변위기의 위상을 제어하는, 빔 스캐닝을 이용한 동작위치 탐지 레이더.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 전파빔을 형성하는 것은,
    상기 배열된 각각의 안테나에 상기 위상변위기가 고주파 신호의 위상을 조절하여 포밍된 빔을 조향하여 형성하는, 빔 스캐닝을 이용한 동작위치 탐지 레이더.
  11. 전파빔을 형성하기 위한 위상변위기가 연결된 적어도 하나의 안테나를 통해 전파주파수를 송신하고,
    상기 안테나를 통해 상기 전파주파수를 수신한 물체에서 반사되는 반사주파수를 수신하고,
    상기 전파주파수를 발생시키는 발진기와 상기 안테나의 사이에서 선로를 통과하는 주파수를 추출하고,
    상기 추출한 전파주파수와 반사주파수를 이용하여 잔여주파수를 출력하고,
    상기 잔여주파수가 출력되면 상기 물체가 움직이는 것으로 판단하여 상기 안테나의 위상을 제어하며,
    상기 잔여주파수를 출력하는 것은,
    상기 추출된 반사주파수를 증폭시키고, 상기 증폭한 반사주파수와 상기 전파주파수를 믹서(mixer)하여 상기 잔여주파수를 출력하고, 상기 출력된 잔여주파수를 증폭하여 상기 안테나의 위상을 제어할 수 있도록 전송하는 것이며,
    상기 안테나의 위상을 제어하는 것은,
    상기 잔여주파수가 출력되면 잔여주파수가 출력된 해당 물체가 존재하는 위치를 감시구역으로 지정하고,
    상기 감시구역이 지정되면, 각각의 안테나의 위상을 조절하여 상기 지정된 감시구역을 스캐닝할 수 있도록 하며,
    상기 안테나의 위상을 조절하여 상기 지정된 감시구역을 스캐닝하는 것은,
    상기 출력된 잔여주파수의 구간에 따라 상기 물체의 움직임의 속도를 추정하여 상기 추정된 속도에 따라 상기 위상변위기의 위상 변화 속도를 조절하되, 상기 출력된 잔여주파수가 제 1 구간 내에 속하면 상기 물체의 움직임이 작은 것으로 판단하여 상기 위상변위기의 위상 변화속도를 제 1 속도로 조절하며, 상기 잔여주파수가 제 2 구간 내에 속하면 상기 물체의 움직임이 상기 잔여주파수가 상기 제 1 구간 내에 속할 때보다 큰 것으로 판단하여 상기 위상변위기의 위상 변화속도를 상기 제 1 속도보다 큰 제 2 속도로 조절하는 것을 특징으로 하는, 빔 스캐닝을 이용한 동작위치 탐지 레이더의 제어 방법.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 잔여주파수는,
    움직이는 물체로부터 반사되는 반사주파수에 포함되는 에너지인, 빔 스캐닝을 이용한 동작위치 탐지 레이더의 제어 방법.
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 제 11 항에 있어서,
    상기 전파주파수를 송신하는 것은,
    복수 개의 안테나가 배열되어 있어 배열된 안테나로부터 형성된 전파주파수를 송신하는, 빔 스캐닝을 이용한 동작위치 탐지 레이더의 제어 방법.
  18. 제 11 항에 있어서,
    상기 위상변위기는,
    인가되는 역전압에 대해 커패시턴스가 변하는 소자를 사용하는, 빔 스캐닝을 이용한 동작위치 탐지 레이더의 제어 방법.
  19. 제 11 항에 있어서,
    상기 안테나의 위상을 제어하는 것은,
    상기 위상변위기에서 송출되는 전파의 조합을 통해 전파를 특정 방향으로 송신 또는 수신할 수 있는 상기 전파빔을 형성할 수 있도록 상기 위상변위기의 위상을 제어하는, 빔 스캐닝을 이용한 동작위치 탐지 레이더의 제어 방법.
  20. 제 17 항에 있어서,
    상기 전파빔을 형성하는 것은,
    상기 배열된 각각의 안테나에 상기 위상변위기가 고주파 신호의 위상을 조절하여 포밍된 빔을 조향하여 형성하는, 빔 스캐닝을 이용한 동작위치 탐지 레이더의 제어 방법.
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