KR102218965B1 - 안테나 및 이를 포함하는 레이더 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 안테나는, 유전체 기판, 상기 유전체 기판의 제 1 면 상에 형성된 접지 도체; 및 상기 유전체 기판의 상기 제 2 면 상에 서로 이격되어 형성되고, 전자기파를 방사하는 제 1 방사 소자 및 제 2 방사 소자를 포함하고, 상기 제 1 방사 소자와 상기 제 2 방사 소자는 서로 직교하는 편파를 가질 수 있다.

Description

안테나 및 이를 포함하는 레이더 장치{MICROSTRIP ARRAY ANTENNA AND RADAR DEVICE COMPRISING THE SAME}

본 발명은 안테나 기술에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 마이크로스트립 어레이 안테나 및 이를 포함하는 레이더 장치에 관한 것이다.

근접한 사물과의 거리 및 사물의 이동을 감지할 수 있는 레이더 장치는 차량용 레이더 등의 산업용, 군수용으로 다양하게 활용되고 있다. 예컨대, 차량용 레이더 센서는 운행 중 발생할 수 있는 충돌 방지 및 회피를 위해 요구되고, 안테나를 이용하여 전자기파를 송신하고 사물로부터 반사된 전자기파를 수신하여 목표물과의 거리, 방향, 속도 정보 등을 검출한다.

레이더 장치를 이용하여 사물을 감지하는 경우에, 좁은 폭의 감지 영역과 넓은 폭의 감지 영역을 모두 커버하기 위해서는 좁은 폭을 감지하는 안테나와 넓은 폭을 감지하는 안테나가 각각 필요하다. 그러나 하나의 레이더 장치에 2개 이상의 안테나가 배치된 경우에, 2개 이상의 안테나를 유사한 주파수에서 동시에 구동하게 되면 안테나들 간의 간섭에 의해 전체 감지 영역에 왜곡이 생기고 전체 안테나의 감지 영역이 더 좁아질 수 있다.

또한, 복수의 안테나들의 구동 시간을 순차 제어함으로써 안테나들 간의 간섭을 방지하는 방법이 존재한다. 그러나, 이러한 경우에는 복수의 안테나들의 구동 시간을 분할하여 각 안테나를 순차적으로 제어하기 위해서는 복잡한 구성이 필요하다.

마이크로스트립 어레이 안테나는 에칭과 같은 공정으로 제작이 용이하고 크기가 작으며 경량 박형이라는 장점이 있어서 널리 사용되고 있다. 일반적인 환경에서는 안테나 이득이 커지면 기기의 전력 소비를 줄일 수 있고, 다른 전자파와의 간섭이 줄어드는 장점이 있다. 이에 따라, 마이크로스트립 어레이 안테나의 안테나 이득의 향상에 대한 요구가 증가하고 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 복잡한 구성을 필요로 하지 않고, 상이한 감지 영역을 동시에 감지할 수 있는 복수의 안테나를 독립적으로 동작시킬 수 있는 마이크로스트립 어레이 안테나를 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 안테나 이득이 향상된 마이크로스트립 어레이 안테나를 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 상기 마이크로스트립 어레이 안테나를 포함하는 레이더 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 유전체 기판; 상기 유전체 기판의 제 1 면 상에 형성된 접지 도체; 및 상기 유전체 기판의 상기 제 2 면 상에 서로 이격되어 형성되고, 전자기파를 방사하는 제 1 방사 소자 및 제 2 방사 소자를 포함하고, 상기 제 1 방사 소자와 상기 제 2 방사 소자는 서로 직교하는 편파를 갖는 안테나가 제공될 수 있다.

상기 제 1 방사 소자는 수직 편파를 갖고, 상기 제 2 방사 소자는 수평 편파를 가질 수 있다. 상기 제 1 방사 소자를 통해 흐르는 RF 에너지의 진행 방향과 상기 제 2 방사 소자를 통해 흐르는 RF 에너지의 진행 방향이 직교할 수 있다.

상기 제 1 방사 소자는 행렬로 배열된 복수의 제 1 단위 방사셀을 포함하고, 상기 제 2 방사 소자는 행렬로 배열된 복수의 제 2 단위 방사셀을 포함할 수 있다.

상기 제 1 단위 방사셀 및 상기 제 2 단위 방사셀은 RF 에너지가 공급되는 급전 스트립 및 전자기파를 안테나 외부로 방사하는 방사 스트립을 포함할 수 있다. 복수의 상기 제 1 단위 방사셀이 결합되는 제 1 결합 방향과 복수의 상기 제 2 단위 방사셀이 결합되는 제 2 결합 방향은 직교할 수 있다.

복수의 상기 제 1 단위 방사셀들은 열(column) 방향으로 전기적으로 결합되고, 복수의 상기 제 2 단위 방사셀은 행(row) 방향으로 전기적으로 결합될 수 있다. 상기 제 1 방사 소자에 의해 생성되는 제 1 감지 영역과 상기 제 2 방사 소자에 의해 생성되는 제 2 감지 영역은 상이한 폭과 길이를 가질 수 있다.

상기 제 1 방사 소자 및 상기 제 2 방사 소자에 의해 상기 제 1 감지 영역 및 상기 제 2 감지 영역을 동시에 감지할 수 있다. 상기 유전체 기판의 상기 제 2 면으로부터 이격되어 배치되고, 유전체를 포함하는 상부 기판을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, RF 신호를 생성하는 발진기; 제 1 항 내지 제 9항 중 어느 하나의 항에 기재된 안테나를 포함하고, 상기 발진기에 의해 생성된 RF 신호에 의해 생성된 전자기파를 외부로 방사하고, 사물로부터 반사된 전자기파를 수신하는 안테나부; 상기 안테나부로부터 송신된 RF 신호와 상기 안테나부에서 수신된 전자기파를 비교하여 그 차분 신호를 출력하는 비교기; 상기 비교기로부터 출력되는 차분 신호를 증폭하는 증폭기; 상기 증폭된 차분 신호를 샘플링 처리에 의해 디지털 신호로 변환하는 AD 컨버터; 및 상기 디지털 신호로부터 사물의 위치 또는 움직임을 탐지하는 신호 처리를 수행하는 신호 처리부를 포함하는 레이더 장치가 제공될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 유전체 기판의 동일한 평면상에 서로 직교하는 편파를 갖는 제 1 방사 소자 및 제 2 방사 소자를 배치함으로써, 복잡한 구성을 필요로 하지 않고, 동시에 상이한 감지 영역을 감지할 수 있는 복수의 안테나가 독립적으로 동작가능한 마이크로스트립 어레이 안테나가 제공될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 유전체 기판의 상면에 유전체를 포함하는 상부 기판을 이격하여 배치함으로써, 안테나 이득이 향상된 마이크로스트립 어레이 안테나가 제공될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상술한 효과를 갖는 마이크로스트립 어레이 안테나를 포함하는 레이더 장치가 제공될 수 있다.

도 1a는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 안테나의 사시도이다.
도 1b는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 안테나의 평면도이다.
도 2a는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 안테나의 사시도이다.
도 2b는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 안테나의 평면도이다.
도 3a는 안테나가 수평 편파를 갖는 경우에 안테나로부터 방사되는 전자기파의 진행 방향을 도시하는 도면이다.
도 3b는 안테나가 수직 편파를 갖는 경우에 안테나로부터 방사되는 전자기파의 진행 방향을 도시하는 도면이다.
도 4a는 동일한 편파 방향을 갖는 경우의 송신 안테나 및 수신 안테나를 도시하는 도면이다.
도 4b는 직교하는 편파 방향을 갖는 경우의 송신 안테나 및 수신 안테나를 도시하는 도면이다.
도 5a 및 도 5b는 복수의 단위 방사셀로 구성된 마이크로스트립 어레이 안테나의 감지 영역의 크기를 나타내는 도면이다.
도 6은 2개의 안테나를 근접 위치시킨 경우의 감지 영역의 변화를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 안테나의 감지 영역 및 편파를 도시하는 도면이다.
도 8a 내지 도 8d는 빔패턴이 상이한 2개의 안테나 각각의 빔패턴, 동일한 편파 방향을 갖는 2개의 안테나의 합성 빔패턴 및 직교하는 편파 방향을 갖는 2개의 안테나의 합성 빔패턴을 도시한다.
도 9a는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 안테나의 사시도이다.
도 9b는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 안테나의 단면도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 11은 2개의 레이더를 사용하는 종래의 레이더 장치의 제어 방식을 도시하는 개념도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.

이하, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명된다. 도면들에 있어서, 예를 들면, 표시 영역들의 크기와 형상은 설명의 편의와 명확성을 위하여 과장될 수 있으며, 실제 구현시, 도시된 영역의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예는 본 명세서에 도시된 구성 또는 영역의 특정 크기 및 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 된다.

도 1a는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 안테나의 사시도이고, 도 1b는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 안테나의 평면도이다.

도 1a 및 1b를 참조하면, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 안테나(1)는 복수의 마이크로스트립이 어레이 형태로 배열된 마이크로스트립 어레이 안테나로서, 유전체 기판(10), 접지 도체(20), 제 1 방사 소자(31) 및 제 2 방사 소자(41)를 포함할 수 있다.

유전체 기판(10)은 절연체이고, PCB 재료로 사용되는 FR4 또는 유전율이 높은 재료인 세라믹 또는 테프론으로 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 유전체 기판(10)은 단면이 직사각형인 평편한 판상으로 구성될 수 있다.

접지 도체(20)는 유전체 기판(10)의 하면(제 1 면)에 형성되고, 구리, 은, 금을 포함하는 금속 도전체로 형성될 수 있다. 접지 도체(20)는 유전체 기판(10)의 전체 면적과 동일하게 형성될 수 있다. 접지 도체(20)는 제 1 방사 소자(31) 및 제 2 방사 소자(41)와 함께 도파관을 형성하여 안테나(1) 외부로 전자기파를 방사할 수 있다.

제 1 급전 라인(30)은 유전체 기판(10)의 상면(제 2 면)에 형성되고, 제 1 방사 소자(31)와 전기적으로 결합될 수 있다. RF 에너지가 제 1 급전 라인(30)에 공급되면 제 1 방사 소자(31)에 의해 안테나(1) 외부로 전자기파가 방사될 수 있다.

제 2 급전 라인(40)은 유전체 기판(10)의 상면(제 2 면) 상에 제 1 급전 라인(30)과 이격하여 배치되고, 제 2 방사 소자(41)와 전기적으로 결합될 수 있다. RF 에너지가 제 2 급전 라인(40)에 공급되면 제 2 방사 소자(41)에 의해 안테나(1) 외부로 전자기파가 방사될 수 있다.

제 1 방사 소자(31) 및 제 2 방사 소자(41)는 유전체 기판(10)에 사각형, 원형, 타원형 등의 형상을 갖는 금속 패턴으로 형성될 수 있다. 제 1 방사 소자(31) 및 제 2 방사 소자(41)는 구리, 은, 금을 포함하는 금속 도전체로 형성될 수 있다.

제 1 방사 소자(31) 및 제 2 방사 소자(41)는 후술하는 실시예와 같이 복수의 단위 방사셀의 배열로 구성될 수 있다. 그러나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니고, 제 1 방사 소자(31) 및 제 2 방사 소자(41) 각각을 하나의 단위 방사셀로 구성하는 것도 본 발명의 범위에 포함될 수 있다.

제 1 방사 소자(31)와 제 2 방사 소자(41)는 서로 직교하는 편파를 가질 수 있다. 일 실시예에서, 제 1 방사 소자(31)는 수직 편파를 갖고, 제 2 방사 소자(41)는 수평 편파를 가질 수 있다. 제 1 방사 소자(31)와 제 2 방사 소자(41)의 편파 방향이 서로 직교하기 때문에, 제 1 방사 소자(31)와 제 2 방사 소자(41)로부터 방사되는 전자기파간의 간섭이 저감될 수 있다. 이에 따라, 제 1 방사 소자(31)와 제 2 방사 소자(41)를 동시에 독립적으로 작동시킬 수 있다.

제 1 방사 소자(31)는 RF 에너지가 공급되는 급전 스트립(31b)과 전자기파를 안테나 외부로 방사하는 방사 스트립(31a)를 포함하는 제 1 단위 방사셀을 행렬로 배열함으로써 구성될 수 있다. 도 1b를 참조하면, 일 실시예에서 제 1 방사 소자(31)는 제 1 단위 방사셀이 2행 1열로 배열된 것일 수 있다. 그러나, 본 발명은 이러한 실시예로 한정되는 것이 아니고, 4행 1열, 4행 2열 등 다양한 실시예를 포함한다.

제 2 방사 소자(41)는 RF 에너지가 공급되는 급전 스트립(41b)과 전자기파를 안테나 외부로 방사하는 방사 스트립(41b)를 포함하는 제 2 단위 방사셀을 행렬로 배열함으로써 구성될 수 있다. 도 1b를 참조하면, 일 실시예에서 제 2 방사 소자(41)는 제 2 단위 방사셀이 2행 2열로 배열된 것일 수 있다. 그러나, 본 발명은 이러한 실시예로 한정되는 것이 아니고, 4행 1열, 4행 2열 등 다양한 실시예를 포함한다.

제 1 방사 소자(31) 및 제 2 방사 소자(41)을 복수의 단위 방사셀의 배열에 의해 구성하면, 각 단위 방사셀의 빔패턴이 합성되어 더욱 좁은 각도를 갖는 빔패턴을 형성할 수 있다. 하나의 단위 방사셀에 의해서 소정 감지 영역을 감지하기 위한 희망하는 각도 및 거리의 빔패턴을 형성할 수 없는 경우에는, 여러 개의 단위 방사셀을 특정한 배열, 간격, 배치로 어레이 형태로 형성함으로써, 안테나 전체의 빔 패턴을 더욱 샤프(sharp)하게 만들 수 있고, 각 단위 방사셀의 복사 전력이 합성되어 더욱 멀리까지 전달되는 강한 빔패턴을 만들 수 있다.

복수의 상기 제 1 단위 방사셀이 결합되는 제 1 결합 방향(D1)과 복수의 상기 제 2 단위 방사셀이 결합되는 제 2 결합 방향(D2)은 직교할 수 있다. 도 1b를 참조하면, 상기 제 1 결합 방향(D1)은 열(column) 방향이고, 상기 제 2 결합 방향(D2)는 행(row) 방향일 수 있다. 즉, 복수의 상기 제 1 단위 방사셀은 열 방향으로 전기적으로 결합되고, 복수의 상기 제 2 단위 방사셀은 행 방향으로 전기적으로 결합될 수 있다. 이러한 구성에 의해 제 1 방사 소자(31)과 제 2 방사 소자(41)가 서로 직교하는 편파를 갖게 된다. 후술하는 바와 같이, 서로 직교하는 편파를 갖는 2 개의 방사 소자(31, 41)는 서로의 빔패턴에 영향을 미치지 않기 때문에, 2개의 방사 소자(31, 41)이 근접하여 하나의 안테나 장치에 배치되더라도 각각의 빔패턴이 독립적으로 형성될 수 있다.

제 1 방사 소자(31)에 의해 방사되는 전자기파에 의해 형성되는 제 1 감지 영역은 제 2 방사 소자(41)에 의해 방사되는 전자기파에 의해 형성되는 제 2 감지 영역과 상이한 폭과 길이를 가질 수 있다. 제 1 방사 소자(31)와 제 2 방사 소자(41)를 구성하는 단위 방사셀의 개수 및 배열 형태에 따라 발생되는 전자기파에 의해 형성되는 빔패턴이 상이하게 되고, 제 1 감지 영역과 제 2 감지 영역은 상이한 폭과 길이를 가질 수 있다.

일 실시예에서, 제 1 방사 소자(31)에 의해 생성되는 제 1 감지 영역은 좁은 폭을 가지면서 먼 거리까지 감지할 수 있고, 제 2 방사 소자(41)에 의해 생성되는 제 2 감지 영역은 넓은 폭을 가지면서 가까운 거리까지 감지할 수 있다. 제 1 방사 소자(31)와 제 2 방사 소자(41)의 편파 방향이 서로 직교하기 때문에, 제 1 방사 소자(31)와 제 2 방사 소자(41)로부터 방사되는 전자기파간의 간섭이 저감될 수 있고, 이에 따라 상이한 폭과 거리의 감지 영역을 갖는 2개의 방사 소자를 동시에 독립적으로 작동시킬 수 있다.

도 2a는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 안테나의 사시도이고, 도 2b는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 안테나의 평면도이다.

도 2a 및 도 2b를 참조하면, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 안테나(2)는 복수의 마이크로스트립이 어레이 형태로 배열된 마이크로스트립 어레이 안테나로서, 유전체 기판(10), 접지 도체(20), 제 1 방사 소자(32) 및 제 2 방사 소자(42)를 포함할 수 있다. 도 2a 및 도 2b에서 도 1a 및 도 1b와 동일한 도면 부호는 동일한 구성을 나타내며, 해당 구성에 대한 설명은 도 1a 및 도 1b와 관련하여 상술한 설명이 참조될 수 있다.

제 1 방사 소자(32)와 제 2 방사 소자(42)는 서로 직교하는 편파를 가질 수 있다. 일 실시예에서, 제 1 방사 소자(32)는 수직 편파를 갖고, 제 2 방사 소자(42)는 수평 편파를 가질 수 있다. 제 1 방사 소자(32)와 제 2 방사 소자(42)의 편파 방향이 서로 직교하기 때문에, 제 1 방사 소자(32)와 제 2 방사 소자(42)로부터 방사되는 전자기파간의 간섭이 저감될 수 있다. 이에 따라, 제 1 방사 소자(32)와 제 2 방사 소자(42)를 동시에 독립적으로 작동시킬 수 있다.

제 1 방사 소자(32)는 RF 에너지가 공급되는 급전 스트립(32b)과 전자기파를 안테나 외부로 방사하는 방사 스트립(32a)을 포함하는 제 1 단위 방사셀을 행렬로 배열함으로써 구성될 수 있다. 도 2b를 참조하면, 일 실시예에서 제 1 방사 소자(32)는 제 1 단위 방사셀이 4행 2열로 배열된 것일 수 있다.

제 2 방사 소자(42)는 RF 에너지가 공급되는 급전 스트립(42b)과 전자기파를 안테나 외부로 방사하는 방사 스트립(42b)를 포함하는 제 2 단위 방사셀을 행렬로 배열함으로써 구성될 수 있다. 도 2b를 참조하면, 일 실시예에서 제 2 방사 소자(42)는 제 2 단위 방사셀이 4행 4열로 배열된 것일 수 있다.

복수의 상기 제 1 단위 방사셀들이 결합되는 제 1 결합 방향(D1)과 복수의 상기 제 2 단위 방사셀들이 결합되는 제 2 결합 방향(D2)은 직교할 수 있다. 도 2b를 참조하면, 상기 제 1 결합 방향(D1)은 열(column) 방향이고, 상기 제 2 결합 방향(D2)는 행(row) 방향일 수 있다. 즉, 복수의 상기 제 1 단위 방사셀들은 열 방향으로 전기적으로 결합되고, 복수의 상기 제 2 단위 방사셀들은 행 방향으로 전기적으로 결합될 수 있다. 이러한 구성에 의해 제 1 방사 소자(32)과 제 2 방사 소자(42)가 서로 직교하는 편파를 갖게 된다.

제 1 방사 소자(32)에 의해 방사되는 전자기파에 의해 형성되는 제 1 감지 영역은 제 2 방사 소자(42)에 의해 방사되는 전자기파에 의해 형성되는 제 2 감지 영역과 상이한 폭과 길이를 가질 수 있다. 제 1 방사 소자(32)와 제 2 방사 소자(42)를 구성하는 단위 방사셀의 개수 및 배열 형태에 따라 발생되는 전자기파에 의해 형성되는 빔패턴이 상이하게 되고, 제 1 감지 영역과 제 2 감지 영역은 상이한 폭과 길이를 가질 수 있다.

일 실시예에서, 제 1 방사 소자(32)에 의해 생성되는 제 1 감지 영역은 좁은 폭을 가지면서 먼 거리까지 감지할 수 있고, 제 2 방사 소자(42)에 의해 생성되는 제 2 감지 영역은 넓은 폭을 가지면서 가까운 거리까지 감지할 수 있다. 제 1 방사 소자(32)와 제 2 방사 소자(42)의 편파 방향이 서로 직교하기 때문에, 제 1 방사 소자(32)와 제 2 방사 소자(42)로부터 방사되는 전자기파간의 간섭이 저감될 수 있고, 이에 따라 상이한 폭과 거리의 감지 영역을 갖는 2개의 방사 소자를 동시에 독립적으로 작동시킬 수 있다.

도 3a는 안테나가 수평 편파를 갖는 경우에 안테나로부터 방사되는 전자기파의 진행 방향을 도시하는 도면이고, 도 3b는 안테나가 수직 편파를 갖는 경우에 안테나로부터 방사되는 전자기파의 진행 방향을 도시하는 도면이다.

도 3a 및 도 3b를 참조하면, 전기장(E) 및 자기장(H)는 서로 수직하며, 전자기파는 전기장(E) 및 자기장(H) 모두에 수직한 방향으로 진행한다. 도 3a는 전기장(E)이 수평 방향으로 진동하고 있으므로, 전기장(E)에 대하여 수평 편파 특성을 갖는다. 도 3b는 전기장(E)이 수직 방향으로 진동하고 있으므로, 전기장(E)에 대하여 수직 편파 특성을 갖는다.

일 실시예에서, 제 1 방사 소자(31, 32)는 수직 편파를 갖고, 제 2 방사 소자(41, 42)는 수평 편파를 가질 수 있다. 다른 실시예에서, 제 1 방사 소자(31, 32)는 수평 편파를 갖고, 제 2 방사 소자(41, 42)는 수직 편파를 가질 수 있다.

도 4a는 동일한 편파 방향을 갖는 경우의 송신 안테나 및 수신 안테나를 도시하는 도면이고, 도 4b는 직교하는 편파 방향을 갖는 경우의 송신 안테나 및 수신 안테나를 도시하는 도면이다.

도 4a에 도시된 바와 같이 송신 안테나와 수신 안테나가 동일한 수직 편파를 갖고, 송수신시에 로스가 최소화될 수 있다. 도 4b에 도시된 바와 같이 송신 안테나와 수신 안테나의 편파 방향이 직교하는 경우에는 송신 안테나로부터 방사되는 신호가 수신 안테나에서 수신되지 않는다.

도 5a 및 도 5b는 복수의 단위 방사셀로 구성된 마이크로스트립 어레이 안테나의 감지 영역의 크기를 나타내는 도면이다.

도 5a를 참조하면, 복수의 단위 방사셀이 4행 2열의 배열로 어레이 형태로 구성될 수 있다. 도 5b를 참조하면, 복수의 단위 방사셀이 4행 4열의 배열로 어레이 형태로 구성될 수 있다.

하나의 단위 방사셀로 안테나를 구성하는 경우에는 방사되는 전자기파의 지향성이 약할 수 있다. 따라서, 안테나 설계자는 감지하고자 하는 영역에 따라 안테나를 구성하기 위한 단위 방사셀의 개수를 결정하고, 복수의 단위 방사셀을 전기적으로 결합하여 지향성이 높은 안테나를 구성할 수 있다.

일반적으로 안테나를 구성하는 단위 방사셀의 개수가 증가할수록 단위 방사셀 간의 상호 작용에 의해서 감지 영역의 각도(폭)가 좁아지게 된다. 또한, 안테나를 구성하는 단위 방사셀의 개수가 증가할수록 전자기파의 합성에 의해 더 먼 거리까지 감지가 가능하고, 안테나 이득이 큰 값을 갖는다. 감지 영역의 각도(폭)와 감지 거리(안테나 이득)는 트레이드오프 관계이다.

감지 영역(빔패턴)의 각도는 최대 빔방향의 전력(Pmax)을 기준으로 전력이 반(-3dB)로 줄어드는 반전력 빔폭(HPBW: Half Power Beam Width)에 의해 계산될 수 있다. 이하에서 특별히 설명하지 않는 한, 감지 영역의 '각도'는 반전력 빔폭에 의해 측정되는 각도를 의미한다.

안테나 이득은 방향성(directivity)로 인해 파생되는 상대적 이득을 의미한다. 즉, 안테나 이득이란 최대 전계 방향을 기준으로 등방성 안테나의 빔패턴에 대한 해당 안테나 빔패턴의 비율을 의미한다. 안테나의 이득이 크면, 특정 방향으로 더욱 샤프하게 전자파가 향하게 되고, 이득이 큰 안테나에 의해 전자기파를 전달하기를 원하는 특정 방향으로 더욱 강한 전자기파를 방사할 수 있다.

도 5a에 도시된 4행 2열의 배열로 어레이 형태로 구성된 안테나는 도 5b에 도시된 4행 4열의 배열로 어레이 형태로 구성된 안테나 보다 감지 영역의 각도가 더 넓다. 한편, 도 5a에 도시된 4행 2열의 배열로 어레이 형태로 구성된 안테나의 감지 영역은 도 5b에 도시된 4행 4열의 배열로 어레이 형태로 구성된 안테나의 감지 영역 보다 감지 거리가 더 짧다.

도 6은 2개의 안테나를 근접 위치시킨 경우의 감지 영역의 변화를 나타내는 도면이다.

도 6을 참조하면, 도 5a에 도시된 4행 2열의 배열로 어레이 형태로 구성된 좌측 안테나와 도 5b에 도시된 4행 4열의 배열로 어레이 형태로 구성된 우측 안테나가 근접하여 배치된다. 2개의 안테나가 근접하여 배치되면 전체 안테나를 구성하는 단위 방사셀의 개수가 증가하므로, 전자기파의 합성에 의해 감지 영역의 감지 거리가 증가하게 된다.

그러나, 전체 안테나를 구성하는 단위 방사셀의 개수가 증가하므로, 단위 방사셀 간의 상호 작용에 의해서 전체 감지 영역의 각도가 더 좁아지게 된다. 즉, 도 6에 도시된 감지 영역의 각도는 도 5a 및 도 5b에 도시된 안테나의 감지 영역의 각도보다 좁다.

도 7은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 안테나(2)의 감지 영역 및 편파를 도시하는 도면이다.

도 7을 참조하면, 안테나(2)는 수직 편파를 갖는 제 1 방사 소자(32)와 수평 편파를 갖는 제 2 방사 소자(42)를 포함하고, 제 1 방사 소자(32)를 통한 에너지의 진행 방향과 제 2 방사 소자(42)를 통한 에너지의 진행 방향은 직교한다.

제 1 방사 소자(32)와 제 2 방사 소자(42)는 서로 직교하는 편파를 갖기 때문에, 서로 영향을 미치지 않고 간섭이 일어나지 않는다. 이에 따라, 제 1 방사 소자(32)와 제 2 방사 소자(42)는 서로 독립적인 감지 영역을 가질 수 있다. 또한, 제 1 방사 소자(32)와 제 2 방사 소자(42)는 포함하는 단위 방사셀의 개수가 상이하기 때문에 감지 영역의 각도 및 거리도 상이하게 된다. 서로 간섭이 없기 때문에, 제 1 방사 소자(32)와 제 2 방사 소자(42) 각각이 형성하는 상이한 감지 영역에 대하여 독립적으로 감지를 수행할 수 있다.

또한, 제 1 방사 소자(32)와 제 2 방사 소자(42)는 서로 영향을 미치지 않고, 독립적으로 동작한다. 따라서, 제 1 방사 소자(32) 및 제 2 방사 소자(42)를 포함하는 안테나(2)에 의하면, 도 10과 관련하여 후술하는 바와 같이 2개의 안테나의 동작 순서를 순차적으로 제어하기 위한 순차 제어기가 필요 없으므로, 종래 기술에 비하여 적은 수의 부품에 의해 구현이 가능하다.

도 8a 내지 도 8d는 각각 넓은 감지 폭과 짧은 감지 거리를 갖는 안테나의 빔패턴, 좁은 감지 폭과 긴 감지 거리를 갖는 안테나의 빔패턴, 동일한 편파 방향을 갖는 안테나의 합성 빔패턴, 서로 수직하는 편파 방향을 갖는 안테나의 합성 빔 패턴을 도시한다.

도 8a는 넓은 감지 폭과 짧은 감지 거기를 갖는 빔패턴을 도시하고, 예를 들면 도 5a에 도시된 안테나의 빔패턴일 수 있다. 도 8b는 좁은 감지 폭과 긴 감지 거리를 갖는 안테나의 빔패턴을 도시하고, 도 5b에 도시된 안테나의 빔패턴일 수 있다.

도 8c는 동일한 편파 방향을 갖는 2개의 안테나의 합성 빔패턴을 도시한다. 도 8c를 참조하면, 동일한 편파 방향을 갖기 때문에 빔패턴(방사 패턴)이 서로 합성되어 원하지 않는 임의의 빔패턴으로 왜곡되는 것을 확인할 수 있다.

도 8d는 서로 직교하는 편파 방향을 갖는 2개의 안테나의 합성 빔패턴을 도시한다. 도 8d를 참조하면, 서로 직교하는 편파 방향을 갖기 때문에, 각각의 빔패턴이 서로 영향을 미치지 않고, 독립된 빔패턴을 형성함을 확인할 수 있다.

도 9a는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 안테나(3)의 사시도이고, 도 9b는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 안테나(3)의 단면도이다.

도 9a를 참조하면, 안테나(3)는 제 2 실시예에 따른 안테나(2)의 구성에 추가하여 유전체 기판(10)의 상면으로부터 이격되어 배치된 상부 기판(50)을 더 포함할 수 있다.

상부 기판(50)은 절연체이고, PCB 재료로 사용되는 FR4 또는 유전율이 높은 재료인 세라믹 또는 LTCC로 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 상부 기판(50)은 단면이 직사각형인 평편한 판상이고, 유전체 기판(10)와 동일한 면적을 갖도록 구성될 수 있다.

유전체 기판(10)가 PCB 재료로 사용되는 FR4로 구성된 경우에, 상부 기판(50)을 유전율이 높은 재료인 세라믹 또는 LTCC로 형성함으로써 안테나(3)는 상부 기판(40)이 없는 안테나(2) 보다 더 높은 안테나 이득을 가질 수 있다.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더 장치(100)의 구성을 나타내는 블록도이다.

도 10을 참조하면, 레이더 장치(100)는 발진기(91), 송신 안테나(92a), 수신 안테나(92b), 비교기(93), 증폭기(94), AD 컨버터(95) 및 신호처리기(96)를 포함할 수 있다.

발진기(91)는 송신 신호를 생성하여 송신 안테나(92a)에 전송한다. 송신 안테나(92a)는 전송된 송신 신호를 이용하여 전자기파를 외부로 방사한다. 수신 안테나(92b)는 사물로부터 반사된 전자기파를 수신한다.

송신 안테나(92a) 및 수신 안테나(92b)는 제 1 실시예에 따른 안테나(1), 제 2 실시예에 따른 안테나(2) 또는 제3 실시예에 따른 안테나(3)로 구성될 수 있다. 동일한 안테나를 송신 안테나(92a) 및 수신 안테나(92b)로 사용할 수 있다. 또는, 송신 안테나(92a)와 수신 안테나(92b)를 별도로 설치할 수 있다.

비교기(93)는 송신 안테나(92a)로부터 방사된 전자기파와 수신 안테나(92b)에서 수신된 신호를 비교하여 그 차분 신호를 출력한다. 증폭기(94)는 비교기(93)로부터 출력되는 차분 신호를 증폭한다.

AD 컨버터(95)는 증폭된 차분 신호를 샘플링 처리에 의해 디지털 신호로 변환한다. 신호 처리부(96)는 변환된 디지털 신호로부터 사물의 위치 또는 움직임을 탐지하는 신호 처리를 수행한다.

제 1 방사 소자(31, 32)와 제 2 방사 소자(41, 42)가 서로 직교하는 편파를 갖기 때문에, 레이더 장치(100)는 제 1 방사 소자(31, 32)에 의해 형성된 제 1 감지 영역과 제 2 방사 소자(41, 42)에 의해 형성된 제 2 감지 영역을 동시에 독립적으로 감지할 수 있다.

도 11은 2개의 레이더를 사용하는 종래의 레이더 장치의 제어 방식을 도시하는 개념도이다.

종래의 레이더 장치에서 서로 다른 영역을 감지하는 2개의 레이더를 사용하기 위해서는 2개의 레이더의 동작 시간을 순차 제어하기 위한 순차 제어기가 필요하다.

도 11을 참조하면, 레이더 장치는 좁은 감지 각도와 먼 감지 거리를 갖는 제 1 레이더와 넓은 감지 각도와 가까운 감지 거리를 갖는 제 2 레이더를 포함한다. 제 1 레이더와 제2 레이더를 대략 동일한 주파수에서 동시에 동작시키는 경우에, 제 1 레이더와 제 2 레이더로부터 방사되는 전자기파의 간섭 및 합성에 의해 도 6과 관련하여 전술한 바와 같이 전체 레이더는 매우 좁은 감지 영역을 갖게 되므로, 레이더 간의 전자기파의 합성 및 간섭을 방지하기 위해, 각 레이더를 순차 제어하기 위한 순차 제어기가 필요하다.

순차 제어기는 상이한 감지 영역을 갖는 제 1 레이더와 제 2 레이더가 동시에 작동하지 않도록, 제 1 시간 간격 동안에는 제 1 레이더가 구동되고 제 2 레이더는 구동되지 않도록 제어한다. 그 후, 제 1 시간 간격이 지난 후, 제 2 시간 간격 동안에는 제 2 레이터가 구동되고, 제 1 레이더는 구동되지 않도록 제어한다. 제 1 시간 간격 및 제 2 시간 간격을 반복함으로써 제 1 레이더와 제 2 레이더를 순차 제어한다.

본 발명에 따른 제 1 방사 소자(31, 32) 및 제 2 방사 소자(41, 42)를 포함하는 안테나(1, 2, 3)에 의하면, 2개의 안테나의 동작 순서를 순차적으로 제어하기 위한 순차 제어기가 필요 없으므로, 도 10에 도시된 종래 기술과 대비하여 더 적은 수의 부품에 의해 구현이 가능하다.

이상에서 설명한 본 발명이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

Claims (11)

1. 유전체 기판;
   상기 유전체 기판의 제 1 면 상에 형성된 접지 도체; 및
   상기 유전체 기판의 제 2 면 상에 서로 이격되어 형성되고, 전자기파를 방사하는 제 1 방사 소자 및 제 2 방사 소자를 포함하고,
   상기 제 1 방사 소자와 상기 제 2 방사 소자는 서로 직교하는 편파를 가지며,
   상기 제 1 방사 소자는 수직 편파를 갖고, 상기 제 2 방사 소자는 수평 편파를 가지며,
   상기 제 1 방사 소자를 통해 흐르는 RF 에너지의 진행 방향과 상기 제 2 방사 소자를 통해 흐르는 RF 에너지의 진행 방향이 직교하며,
   상기 제 1 방사 소자는 행렬로 배열된 복수의 제 1 단위 방사셀을 포함하고,
   상기 제 2 방사 소자는 행렬로 배열된 복수의 제 2 단위 방사셀을 포함하고,
   상기 제 1 단위 방사셀 및 상기 제 2 단위 방사셀은 상기 RF 에너지가 공급되는 급전 스트립 및 전자기파를 안테나 외부로 방사하는 방사 스트립을 포함하고,
   복수의 상기 제 1 단위 방사셀들은 열(column) 방향으로 전기적으로 결합되고, 복수의 상기 제 2 단위 방사셀은 행(row) 방향으로 전기적으로 결합되며,
   상기 제 1 방사 소자에 의해 생성되는 제 1 감지 영역과 상기 제 2 방사 소자에 의해 생성되는 제 2 감지 영역은 상이한 폭과 길이를 가지며,
   상기 제 1 방사 소자 및 상기 제 2 방사 소자에 의해 상기 제 1 감지 영역 및 상기 제 2 감지 영역을 동시에 감지하는 안테나.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제
9. 삭제
10. 삭제
11. RF 신호를 생성하는 발진기;
    제 1 항에 기재된 안테나를 포함하고, 상기 발진기에 의해 생성된 RF 신호에 의해 생성된 전자기파를 외부로 방사하고, 사물로부터 반사된 전자기파를 수신하는 안테나부;
    상기 안테나부로부터 송신된 RF 신호와 상기 안테나부에서 수신된 전자기파를 비교하여 그 차분 신호를 출력하는 비교기;
    상기 비교기로부터 출력되는 차분 신호를 증폭하는 증폭기;
    상기 증폭된 차분 신호를 샘플링 처리에 의해 디지털 신호로 변환하는 AD 컨버터; 및
    상기 디지털 신호로부터 사물의 위치 또는 움직임을 탐지하는 신호 처리를 수행하는 신호 처리부
    를 포함하는 레이더 장치.

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