KR102176044B1 - Uwb 감지기를 위한 광대역 원형 편파 스위칭 교차 다이폴 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명 WB 감지기를 위한 광대역 원형 편파 스위칭 교차 다이폴 안테나는 상부 급전부와 상부 급전부에 90 간격으로 체결되어 전기적인 고속 스위칭을 이행하는 2개의 다이오드와 각각의 다이오드에 체결되는 상부 원형 편파 교차 다이폴 안테나 다리부 및 RF Choke Inductor로 구성되는 상부 원형 편파 교차 다이폴 안테나와, 상기 상부 원형 편파 교차 다이폴 안테나를 중심으로 평면 형태로 일정 간격으로 배치되는 4개의 기생 개방형 루프 공진기와, 상기 상부 원형 편파 교차 다이폴 안테나와 4개의 기생 개방형 루프 공진기가 결합되는 유전체와, 상기 유전체 하부에 체결되는 것으로 테프론(Teflon)과, 테프론의 상단에서 상기 상부 원형 편파 교차 다이폴 안테나와 대향되는 방향으로 결합되는 하부 원형 편파 교차 다이폴 안테나와, 상기 상기 하부 원형 편파 교차 다이폴 안테나의 급전부에서 테프론 내부로 연장되는 코엑스 케이블과, 상기 테프론 하부에 체결되는 접지면으로 구성되는 것을 특징으로 하는 것이다.

Description

UWB 감지기를 위한 광대역 원형 편파 스위칭 교차 다이폴 안테나{Dipole Antenna with Switching Means For Circular Polarization UWB}

일반적으로 UWB 감지기는 선형 편파(Liner Polarization)를 방사하는 선형 편파 안테나를 사용하고 있으며 이러한 선형 편파 구조는 실내의 다양한 환경으로 인하여 페이딩에 취약하고 높은 편파 손실로 인하여 신호대 잡음비를 향상시키는데 한계가 있으므로 본 발명은 UWB(Ultra Wide Band) 감지기에서 원형 편파(Circular Polarization)를 송신하고 수신할 수 있도록 하는 것에 관한 것이다.

본 발명과 관련된 종래의 기술은 대한민국 등록특허 제10-1921949(2018. 11. 26. 공고)에 게시되어 있는 것이다. 도 1은 상기 종래의 UWB 펄스 신호를 이용한 초근접 표적 감지 장치 구성도이다. 상기도 1에서 종래의 UWB 펄스 신호를 이용한 초근접 표적 감지 장치는 초근접 표적 감지 장치(10)는 안전장전장치(11), UWB 안테나(20), 송수신부(30), 신호 처리부(40) 및 전원부(50)를 포함한다. 종래 기술에서는 원거리에 있는 표적에 대해서는 높은 전력의 UWB 신호를, 근거리에 있는 표적에 대해서는 낮은 전력의 UWB 신호를 송수신부(30)에서 생성하여 표적 감지 장치의 측면에 있는 UWB 안테나(20)을 통하여 송신한다. 구체적으로, UWB 안테나(20)는 근접 표적 감지 장치의 둘레를 따라 배치되도록 구성된다. 한편, 송수신부(30)는 안테나(20)를 통해 표적으로 신호를 송신하고, 표적으로부터의 신호를 수신한다. 한편, 신호처리부(40)는 표적으로부터의 신호를 처리하여, CFAR (Constant False Alarm Rate) 레벨 이상의 수신 신호를 M회 누적시켜 표적의 거리를 획득하는 것이다. 상기와 같은 종래 기술은 탐지거리별로 송신신호와 수신신호의 이득을 제어하여 누설신호의 크기를 조절한다. 특히 초근거리에서는 누설신호의 크기를 최소화하여 최소 탐지 거리를 줄이는 방식을 사용하기 때문에 유효 지연 시간을 갖는 지연장치(지연 케이블) 없이도 기존의 어려움을 해결할 수 있다. 그리고 탐지거리에 따른 송수신부의 이득은 신호처리부(40)에서 직접 조절한다. 고속 ADC(Analog-to-Digital Converter)를 통하여 샘플링된 표적신호가 신호처리부(40)로 전송되면 신호처리부(40)에서 표적과 표적 감지 장치 간의 거리를 판단하여 송수신부(30)의 이득을 직접 조절한다. 즉, 신호처리부(40)에서 고속 ADC(Analog-to-Digital Converter)를 통하여 샘플링된 표적 반사 신호를 통하여 표적과 표적 감지 장치 간의 거리를 판단하여, 송수신부(30)의 이득을 직접 제어할 수 있으므로 감지거리 조정회로와 RF 부귀환 구조가 필요 없는 장점이 있다.

상기 종래 기술에 적용된 안테나는 구체적인 기재는 없으나 선형 편파(Linear Polarization)를 방사하여 실내에서는 페이딩(Fading)에 취약하고 높은 편파 손실로 인하여 신호대 잡음비를 향상시키는데 한계가 있는 것이다. 따라서 본 발명의 목적은 편파 손실이 발생하지 않는 원형 편파를 방사하고 수신할 수 있는 UWB 감지기용 안테나를 제공하기 위한 것이다. 또한, UWB 감지기는 통상 송신부와 수신부가 같이 있는 모노스태틱(Monostatic) 형태의 감지기로서 송신 모드와 수신 모드 동작 시 하나의 안테나를 이용하는 구조이므로 이때 원형 편파 안테나를 UWB감지기에 적용하기 위하여는 원형 편파 모드를 스위칭(우수 편파↔좌수 편파)할 수 있는 원형 편파 안테나 개발이 필수적으로 본 발명의 목적은 이와 같은 원형 편파 안테나를 제공하기 위한 것이다.

상기와 같은 목적을 가진 본 발명 UWB 감지기를 위한 광대역 원형 편파 스위칭 교차 다이폴 안테나는 상부 급전부와 상부 급전부에 90 간격으로 체결되어 전기적인 고속 스위칭을 이행하는 2개의 다이오드와 각각의 다이오드에 체결되는 상부 원형 편파 교차 다이폴 안테나 다리부 및 RF Choke Inductor로 구성되는 상부 원형 편파 교차 다이폴 안테나와, 상기 상부 원형 편파 교차 다이폴 안테나를 중심으로 평면 형태로 일정 간격으로 배치되는 4개의 기생 개방형 루프 공진기와, 상기 상부 원형 편파 교차 다이폴 안테나와 4개의 기생 개방형 루프 공진기가 결합되는 유전체와, 상기 유전체 하부에 체결되는 것으로 테프론(Teflon)과, 테프론의 상단에서 상기 상부 원형 편파 교차 다이폴 안테나와 대향되는 방향으로 결합되는 하부 원형 편파 교차 다이폴 안테나와, 상기 상기 하부 원형 편파 교차 다이폴 안테나의 급전부에서 테프론 내부로 연장되는 코엑스 케이블과, 상기 테프론 하부에 체결되는 접지면으로 구성되는 것을 특징으로 하는 것이다.

상기와 같이 구성된 본 발명 UWB 감지기를 위한 광대역 원형 편파 스위칭 교차 다이폴 안테나는 신호대 잡음비를 향상시킬 수 있는 효과가 있는 것이다. 또한, 본 발명의 다른 효과는 넓은 축비 대역폭을 형성시킬 수 있는 효과가 있고, 각 다이오드 쌍을 on, off 시킴에 따라 우수 및 좌수 편파를 쉽게 생성할 수 있는 효과가 있는 것이다.

도 1은 종래 UWB 펄스 신호를 이용한 초근접 표적 감지 장치 구성도,
도 2는 본 발명이 적용되는 UWB 감지기의 동작 상태 설명도,
도 3은 본 발명 UWB 감지기를 위한 광대역 원형 편파 스위칭 교차 다이폴 안테나 분해 사시도,
도 4는 본 발명 UWB 감지기를 위한 광대역 원형 편파 스위칭 교차 다이폴 안테나 평면 구성도,
도 5는 본 발명 UWB 감지기를 위한 광대역 원형 편파 스위칭 교차 다이폴 안테나 저면 구성도,
도 6은 본 발명 UWB 감지기를 위한 광대역 원형 편파 스위칭 교차 다이폴 안테나 측면 구성도,
도 7은 본 발명 UWB 감지기를 위한 광대역 원형 편파 스위칭 교차 다이폴 안테나의 우수 편파 모드 시 축비 및 이득 특성 그래프이다.

상기와 같은 목적을 가진 본 발명 UWB 감지기를 위한 광대역 원형 편파 스위칭 교차 다이폴 안테나를 도 2 내지 도 7를 기초로 하여 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명이 적용되는 UWB 감지기의 동작 상태 설명도 이다. 상기도 2에서 본 발명이 적용되는 UWB 감지기는 감지기의 송신부와 수신부가 하나의 감지기에 구성되고 또한, 하나의 원형 편파 안테나를 이용하기 위하여는 송신 모드와 수신 모드 시 편파 특성을 스위칭해 줄 수 있는 광대역 안테나가 필요한 것임을 나타내고 있는 것이다. 따라서 본 발명에 적용되는 원형 편파 안테나의 스위칭 회로는 UWB 감지기의 송신 모드 시에는 우수 편파 모드로 동작하여 원형 편파 안테나를 통하여 우수 편파(Right-Hand Circular Polarization)된 전파를 송신하게 되는 것이고, 물체에 반사되면 위상이 180도 변경되어 좌수 편파된 전파가 수신되므로 스위칭 회로는 좌수 편파(Left-Hand Circular Polarization) 모드로 스위칭되어 전파를 수신하게 되어야 하고 또한, 넓은 대역폭 특성을 가져야 하는 것임을 나타내고 있는 것이다.

도 3은 본 발명 UWB 감지기를 위한 광대역 원형 편파 스위칭 교차 다이폴 안테나 분해 사시도 이다. 상기도 3에서 본 발명 UWB 감지기를 위한 광대역 원형 편파 스위칭 교차 다이폴 안테나는 상부 급전부(205)와 상부 급전부에 90도 간격으로 체결되어 전기적인 고속 스위칭을 이행하는 2개의 다이오드와 각각의 다이오드에 체결되는 교차 다이폴 안테나 다리부 및 RF Choke Inductor로 구성되는 상부 원형 편파 교차 다이폴 안테나(200)와, 상기 상부 원형 편파 교차 다이폴 안테나를 중심으로 평면 형태로 일정 간격으로 배치되는 4개의 기생 개방형 루프 공진기(300)와, 상기 상부 원형 편파 교차 다이폴 안테나와 4개의 기생 개방형 루프 공진기가 결합되는 유전체(400)와, 상기 유전체 하부에 체결되는 것으로 테프론(Teflon, 500)과, 테프론의 상단에서 상기 상부 원형 편파 교차 다이폴 안테나와 대향되는 방향으로 결합되는 것으로 하부 급전부와 2개의 다이오드와 교차 다이폴 안테나 다리부 및 RF Choke Inductor로 구성되는 하부 원형 편파 교차 다이폴 안테나(600)와, 상기 하부 원형 편파 교차 다이폴 안테나의 급전부에서 테프론 내부로 연장되는 코엑스 케이블(700)과, 상기 테프론 하부에 체결되는 접지면(800)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 것이다. 상기에서 본 발명은 UWB 감지기의 송신 모드와 수신 모드 사이의 동작모드로 변환시키기 위하여 고속 스위칭이 가능한 4개의 다이오드를 원형 편파 다이폴 안테나의 급전부에 연결하였으며 다이오드 #1과 다이오드 #3가 ON하고 다이오드 #2와 다이오드 #4가 OFF일때 우수 편파 모드로 동작하게 되고, 반대로 다이오드 #1과 다이오드 #3가 OFF하고 다이오드 #2와 다이오드 #4가 ON일 때는 좌수 편파 모드로 동작하는 것이다. 따라서 수신 모드가 죄수 편판 모드로 동작하는 경우에 물체에 여러번 반사되어 우수 편파된 신호는 수신하지 않으므로 신호대 잡음비가 크게 향상되는 것이다. 또한, 본 발명은 0도 ~ 270도까지 연속적으로 전류 위상 회전 구조를 갖는 평면형 교차 다이폴 구조에다가 각각의 1λ 기생 개방형 루프 공진기 상에서도 0도 ~270도까지 원형 편파(우수/좌수 편파)를 발생시킬 수 있는 전류 위상 조건이 더해져서 더 넓은 축비 대역폭을 형성시킬 수 있으며, 이러한 광대역 축비 특성을 고속 스위칭 다이오드의 ON/OFF 조건에 따라 우수 편파 및 좌수 편파를 쉽게 생성할 수 있는 구조인 것이다.

도 4는 본 발명 UWB 감지기를 위한 광대역 원형 편파 스위칭 교차 다이폴 안테나 평면 구성도이다. 상기도 4에서 본 발명 UWB 감지기를 위한 광대역 원형 편파 스위칭 교차 다이폴 안테나는 유전체(400) 상부에 결합되는 것으로 상부 급전부(205)와 상기 상부 급전부에 90도 각도로 체결되는 다이오드 #1(210)와 다이오드 #2(220)와 상기 다이오드 #1(210)에 일체로 체결되는 제1다이폴 안테나 다리부(250)와 상기 제1다이폴 안테나 다리부에 체결되는 RF Choke Inductor(255) 및 상기 다이오드 #2에 체결되는 제2다이폴 안테나 다리부(260) 및 RF Choke Inductor(265)로 구성되는 상부 원형 편파 교차 다이폴 안테나(200)와, 상기 원형 편파 교차 다이폴 안테나를 중심으로 하여 주변에 90도 간격으로 평면 형태로 배치되는 4개의 기생 개방향 루프 공진기(300)의 구성을 나타내고 있는 것이다. 상기와 같이 구성된 원형 편파 스위칭 교차 다이폴 안테나는 기생 개방형 루프 공진기(Parasitic Open Loop Resonator)와 연속적으로 위상 회전된(Sequentially Phase Rotated) 평면형 교차 다이폴 구조로 이루어져 있으며, 우수 편파 모드와 좌수 편파 모드의 변환을 위하여 4개의 다리 부문에 전기적인 고속 스위칭을 위하여 4개의 다이오드가 구성되어 있는 것이고, 다이폴 안테나의 급전부에 RF 전력이 인가되면 교차 다이폴 안테나의 4개의 다리부분에 0도, 90도, 180도, 270도 위상 차이가 나는 전류가 유기되고 유기된 전류 중 일부는 공기중으로 원형 편파(일례, 우수 편파) 형태로 방사되고, 나머지 일부는 4개의 기생 루프 공진기와 결합(Couple)된 후 동일한 원형 편파(일폐, 우수 편파)형태로 공기 중으로 방사되는 것이다. 또한, 상기 기생 개방형 루프 공진기(300)는 원래 총 루프 길이(l_c)가 반파장의 n배(

)일때 공진이 되는 특성을 갖으며 기본적으로 n=1 인 반파장(Half wavelwngth) 공진 특성을 가지고 있는 것이다. 그러나 본 발명에 적용되는 기생 개방형 루프 공진기(300)는 더 넓은 원형 축비(Axial Ratio)를 얻기 위하여 기생 방사 소자로 사용하기 위하여 n=2 즉 1λ 공진기를 사용하였으며 따라서 기생 개방형 루프 공진기의 4면 둘레를 따라 연속적으로 0도, 90도, 180도, 270도의 위상을 갖는 전류가 흘러서 뛰어난 축비 특성을 갖는 원형 편파된 전파를 공기 중으로 방사할 수 있는 구조인 것이다. 상기에서 λ_g 는 한파장의 길이이다.

도 5 본 발명 UWB 감지기를 위한 광대역 원형 편파 스위칭 교차 다이폴 안테나 저면 구성도이다. 상기도 5에서 본 발명 UWB 감지기를 위한 광대역 원형 편파 스위칭 교차 다이폴 안테나는 유전체(400) 하부와 Teflon(500) 사이에 구성되는 것으로 상기 상부 원형 편파 교차 다이폴 안테나(200)의 다리부와 대각선방향으로 반대 방향으로 설치되고 하부 급전부(610)에 90도 각도로 체결되는 다이오드 #3(630)와 다이오드 #4(640)와 상기 다이오드 #3(630)에 일체로 체결되는 제3다이폴 안테나 다리부(660)와 RF Choke Inductor(665) 및 상기 다이오드 #4(640)에 체결되는 제4다이폴 안테나 다리부(670)와 RF Choke Inductor(675)로 구성되는 하부 원형 편파 교차 다이폴 안테나(600)의 구성을 나타내고 있는 것이다.

도 6은 본 발명 UWB 감지기를 위한 광대역 원형 편파 스위칭 교차 다이폴 안테나 측면 구성도이다. 상기도 6에서 본 발명 UWB 감지기를 위한 광대역 원형 편파 스위칭 교차 다이폴 안테나는 상부 원형 편파 교차 다이폴 안테나(200)와, 상기 상부 원형 편파 교차 다이폴 안테나가 결합되는 유전체(400)와, 상기 유전체 하부에 결합되는 하부 원형 편파 교차 다이폴 안테나(600)와, 상기 하부 원형 편파 교차 다이폴 안테나의 하부 급전부와 상부 급전부에 체결되는 코엑스 케이블과, 하부 원형 편파 교차 다이폴 안테나 하부에서 상기 코엑스 케이블을 둘러싸도록 구성되는 테프론(500)과, 상기 테프론 하부에 체결되는 접지면(800)과 접지면 하부로 돌출되는 코엑스 케이블에 체결되는 전원 커넥부(850)로 구성된 것임을 나타내고 있는 것이다.

도 7은 본 발명 UWB 감지기를 위한 광대역 원형 편파 스위칭 교차 다이폴 안테나의 우수 편파 모드 시 축비 및 이득 특성 그래프이다. 상기도 7에서 본 발명 UWB 감지기를 위한 광대역 원형 편파 스위칭 교차 다이폴 안테나의 우수 편파 모드 시 축비 특성은 중심 주파수(fc) 대비 30%에 이르는 넓은 대역폭 특성을 가지고 있기 때문에 만약 중심 주파수가 8.9GHz를 갖는 UWB 감지기에서도 2.5GHz 이상의 3dB 축비 대역폭을 제공할 수 있어서 광대역폭을 요구하는 원형 편파 UWB 감지기에 매우 적합한 특성을 가지고 있는 것이다. 또한, 이득(Gain)은 3dB 축비 대역폭 내에서 8.3dBic ~8.5dBic로 높은 이득을 유지하는 것이다. 또한, 각 다이오드 쌍(다이오드 #1&#3, #2&#4)을 ON/OFF 시킴에 따라 우수 및 좌수 편파 모드로 쉽게 스위칭 가능하여 각각의 모드에서 30%에 이르는 넓은 3dB 축비 대역폭과 이득을 얻을 수 있음을 나타내고 있는 것이다. 또한, 상기도 7에서 교차 다이폴 안테나만 있어도 원형 편파를 발생시킬 수 있으며 -0.1fc 부분에서 축비 커브가 아래로 내려가 있는 것은 교차 다이폴 안테나에 의하여 원천적으로 생성되는 것을 나타내는 것이고, 축비가 +0.1fc까지 넓게 형성된 것은 기생 개방형 루프 공진기가 교차 다이폴 안테나와 결합되면서 형성된 것으로 이러한 특성이 나오는 이유는 교차 다이폴 안테나의 4개의 다리 부분의 전류 위상이 0도, 90도 180도 270도를 갖기 때문이고, 1 파장 공진을 하는 기생 개방형 루프 공진기가 교차 다이폴 안테나의 4개의 다리 인근에 위치해 있으면 공진기 사이의 결합에 의하여 루프 공진기 한면에 전자기적 에너지가 유기되고 이렇게 유기된 에너지는 루프 공진기의 갭(gap)에 의해 저항이 낮은 쪽으로 흐르게 되는 것이다. 또한, 본 발명에서 설명한 우수 편파 모드의 경우를 예를 들면, 기생 개방형 루프 공진기에 흐르는 전류 위상과 교차 다이폴 안테나의 4개의 다리에 유기되는 전류 위상이 반시계 방향으로 동일하게 맞춰주는 경우에 상호 에너지 결합에 의하여 축비 특성이 더 넓게 나오게 되는 것는 것임을 나타내고 있는 것이다.

200 : 상부 원형 편파 교차 다이폴 안테나, 300 : 기생 개방형 루프 공진기,
400 : 유전체, 500 :테프론,
600 : 하부 원형 편파 교차 다이폴 안테나, 700 : 코엑스 케이블,
800 : 접지면

Claims (11)

1. UWB 감지기에 사용하는 원형 편파 교차 다이폴 안테나에 있어서,
   감시 구역으로 원형 편파의 송신 시에는 우수 편파 모드로 작동되고,
   물체에 반사되어 돌아오는 수신 시에는 좌수 편파 모드로 작동되도록 고속으로 스위칭되는 것을 특징으로 하는 원형 편파 스위칭 교차 다이폴 안테나.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 스위칭은,
   교차 다이폴 안테나의 입력 부분에 전류 위상에 0도, 90도, 180도, 270도 차이가 나도록 다이오드 #1, 다이오드 #2, 다이오드 #3, 다이오드 #4를 연결하여 스위칭하는 것을 특징으로 하는 원형 편파 스위칭 교차 다이폴 안테나.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 원형 편파 스위칭 교차 다이폴 안테나는,
   기생 개방형 루프 공진기를 다이폴 안테나 주변에 전류 위상이 0도, 90도, 180도, 270도 차이가 나도록 배치하여 원형 편파를 발생시킬 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 원형 편파 스위칭 교차 다이폴 안테나.
   
4. 제2항에 있어서,
   상기 원형 편파 스위칭 교차 다이폴 안테나는,
   다이오드 #1와 다이오드 #3가 ON하고 다이오드 #2와 다이오드 #4가 OFF 하는 경우에 우수 편파 모드로 동작하는 것을 특징으로 하는 원형 편파 스위칭 교차 다이폴 안테나.
   
5. 제3항에 있어서,
   상기 기생 개방형 루프 공진기는,
   총 루프의 길이가 한 파장일 때 공진이 되는 것을 특징으로 하는 원형 편파 스위칭 교차 다이폴 안테나.
   
   
   
   
   
   
   
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