KR102354167B1 - 패치 어레이 안테나 및 이를 구비하는 레이더 신호 송수신 장치 - Google Patents

패치 어레이 안테나 및 이를 구비하는 레이더 신호 송수신 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 패치 어레이 안테나 및 이를 구비하는 레이더 신호 송수신 장치에 관한 것이다. 본 발명은 방위각과 고각을 동시에 측정하기 위한 디지털 빔포밍을 구현하는 패치 어레이 안테나 및 이를 구비하는 레이더 신호 송수신 장치를 제안한다. 본 발명에 따른 안테나는 미리 정해진 방사 패턴을 생성하며 동일 평면 상에 위치하는 패치들을 포함하는 패치 그룹; 및 상기 패치들 중에서 일방향으로 배열된 패치들을 연결하는 제1 급전선들과 상기 패치들 중에서 타방향으로 배열된 패치들을 연결하는 제2 급전선들을 포함하는 급전선 그룹을 포함한다.

Description

패치 어레이 안테나 및 이를 구비하는 레이더 신호 송수신 장치 {Patch array antenna and apparatus for transmitting and receiving radar signal with patch array antenna}
본 발명은 패치 어레이 안테나 및 이를 구비하는 레이더 신호 송수신 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 밀리미터 대역에서 이용 가능한 패치 어레이 안테나 및 이를 구비하는 레이더 신호 송수신 장치에 관한 것이다.
근래 들어 운전자의 안전 및 편의를 위해 차량 주변을 감지하는 감지 시스템에 대한 연구가 가속화되고 있다. 차량 감지 시스템은 차량 주변의 사물을 감지하여 운전자가 인지하지 못한 사물과의 충돌을 막는 것은 물론 빈 공간 등을 감지하여 자동 주차를 수행하는 것과 같이 다양한 용도로 사용되고 있으며, 차량 자동 제어에 있어서 가장 필수적인 데이터를 제공하고 있다.
근래에는 적외선 센서, 초음파 센서 등과 같은 감지 센서에 비해 감지 성능이 우수한 레이더를 이용한 감지에 대한 관심이 높아지고 있으며, 보다 정확한 감지를 위해 많은 차량들이 레이더를 이용하고 있다.
레이더는 빔을 방사하고 반사되는 신호를 이용하여 주변을 감지하며, 미세한 각도로 스캔이 가능하여 주변 사물을 정확하게 감지하는 것이 가능하다. 레이더는 이를 위해 어레이 안테나 등을 구비한다.
그런데 종래의 어레이 안테나는 복수개의 안테나가 배열되는 방향에 대해서만 디지털 빔포밍(DBF)을 수행할 수 있으며, 이에 따라 방위각 DBF용 수신 안테나와 고각 DBF용 수신 안테나를 별도로 구비해야 하는 문제점이 있었다.
한국공개특허 제2013-0105949호는 패치 배열 안테나에 대하여 제안하고 있다. 그러나 이 안테나도 배열되는 방향에 대해서만 디지털 빔포밍을 수행할 수 있기 때문에 상기한 문제점을 해결할 수 없다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 방위각과 고각을 동시에 측정하기 위한 디지털 빔포밍을 구현하는 패치 어레이 안테나 및 이를 구비하는 레이더 신호 송수신 장치를 제안하는 것을 목적으로 한다.
그러나 본 발명의 목적은 상기에 언급된 사항으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위해 안출된 것으로서, 미리 정해진 방사 패턴을 생성하며 동일 평면 상에 위치하는 패치들을 포함하는 패치 그룹; 및 상기 패치들 중에서 일방향으로 배열된 패치들을 연결하는 제1 급전선들과 상기 패치들 중에서 타방향으로 배열된 패치들을 연결하는 제2 급전선들을 포함하는 급전선 그룹을 포함하는 것을 특징으로 하는 패치 어레이 안테나를 제안한다.
바람직하게는, 상기 패치들 중에서 적어도 일부는 상기 일방향으로 배열된 패치들을 포함하는 제1 패치군과 상기 타방향으로 배열된 패치들을 포함하는 제2 패치군에 동시에 포함된다.
바람직하게는, 상기 패치 그룹은 적어도 하나의 열(Column)을 구성하는 상기 제1 패치군과 적어도 하나의 행(Row)을 구성하는 상기 제2 패치군을 포함한다.
바람직하게는, 상기 패치들은 바둑판식으로 배열된다.
바람직하게는, 상기 패치 그룹은 인접하는 패치들끼리 제1 거리를 형성하는 상기 제1 패치군과 인접하는 패치들끼리 제2 거리를 형성하는 상기 제2 패치군을 포함한다.
바람직하게는, 상기 제1 패치군에 포함되는 패치들 간 제1 거리는 상기 제2 패치군 간 제2 거리와 다르다.
바람직하게는, 상기 제1 급전선들은 상기 일방향으로 배열된 패치들 중에서 인접하는 패치들끼리 상호 연결하며, 상기 제2 급전선들은 상기 타방향으로 배열된 패치들 중에서 인접하는 패치들끼리 상호 연결한다.
바람직하게는, 상기 패치 어레이 안테나는 상기 패치들과 상기 제1 급전선들을 이용하여 타겟에 대한 제1 정보를 얻기 위한 제1 신호들을 획득하는 제1 수신 모듈; 및 상기 패치들과 상기 제2 급전선들을 이용하여 상기 타겟에 대한 제2 정보를 얻기 위한 제2 신호들을 획득하는 제2 수신 모듈을 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 제1 수신 모듈은 상기 제1 정보로 상기 타겟의 x축 방향 정보를 획득하며, 상기 제2 수신 모듈은 상기 제2 정보로 상기 타겟의 y축 방향 정보를 획득한다.
바람직하게는, 상기 제1 급전선들은 상기 제2 급전선들보다 길이가 더 길다.
바람직하게는, 상기 패치 어레이 안테나는 차량에 장착되어 레이더 신호를 송수신할 때 이용된다.
바람직하게는, 상기 패치 그룹에 포함되는 적어도 하나의 패치는 적어도 하나의 제1 급전선 및 적어도 하나의 제2 급전선과 연결된다.
바람직하게는, 상기 제1 급전선은 상기 제2 급전선에 직교한다.
바람직하게는, 상기 패치 어레이 안테나는 금속 성분의 것으로서, 상기 패치 그룹에 포함되는 어느 하나의 패치에 연결되는 제1 급전선과 제2 급전선 사이에 위치하는 구조체를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 구조체는 유전체 기판의 접지면과 전기적으로 연결되는 비아 홀을 포함한다.
바람직하게는, 상기 구조체는 에칭(Etching)을 이용하여 상기 패치 어레이 안테나의 유전체 기판 상에 동박(Copper foil) 형태로 형성된다.
바람직하게는, 제1 패치는 상기 제1 급전선들 중 어느 하나인 제1a 급전선 및 상기 제2 급전선들 중 어느 하나인 제2a 급전선을 통하여 제2 패치 및 제3 패치와 연결되고, 제4 패치는 상기 제1 급전선들 중 다른 하나인 제1b 급전선 및 상기 제2 급전선들 중 다른 하나인 제2b 급전선을 통하여 상기 제2 패치 및 상기 제3 패치와 연결되며, 상기 패치 어레이 안테나는 금속 성분의 것으로서, 상기 제1 패치, 상기 제2 패치, 상기 제3 패치 및 상기 제4 패치에 둘러싸인 공간에 형성되는 구조체를 더 포함한다.
상기 제1 패치군 또는 상기 제2 패치군에서 적어도 일단에 위치하는 패치에 연결되는 제1 급전선 또는 제2 급전선은 상기 일단에 위치하지 않는 패치에 연결되는 제1 급전선 또는 제2 급전선보다 폭이 넓다.
또한 본 발명은 레이더 신호를 생성하는 레이더 신호 생성부; 및 상기 레이더 신호를 외부로 출력하며, 반사되어 돌아온 상기 레이더 신호를 수신하는 것으로서, 미리 정해진 방사 패턴을 생성하며 동일 평면 상에 위치하는 패치들을 포함하는 패치 그룹, 및 상기 패치들 중에서 일방향으로 배열된 패치들을 연결하는 제1 급전선들과 상기 패치들 중에서 타방향으로 배열된 패치들을 연결하는 제2 급전선들을 포함하는 급전선 그룹을 포함하는 패치 어레이 안테나를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이더 신호 송수신 장치를 제안한다.
바람직하게는, 상기 레이더 신호 송수신 장치는 상기 패치들과 상기 제1 급전선들을 이용하여 타겟의 x축 방향 정보를 획득하고 상기 패치들과 상기 제2 급전선들을 이용하여 상기 타겟의 y축 방향 정보를 획득하며, 상기 타겟의 x축 방향 정보와 상기 타겟의 y축 방향 정보는 상기 타겟의 3차원 위치 정보를 생성하는 데에 이용된다.
바람직하게는, 상기 레이더 신호 송수신 장치는 차량에 장착된다.
본 발명은 상기한 목적 달성을 위한 구성들을 통하여 다음 효과를 얻을 수 있다.
첫째, 방사 소자가 공유되어 동작하도록 설계함으로써 하나의 안테나에서 방위각과 고각을 동시에 측정하기 위한 디지털 빔포밍을 구현할 수 있다.
둘째, 방위각 DBF용 수신 안테나와 고각 DBF용 수신 안테나를 별도로 구비하지 않아도 되므로 송수신 장치의 부피를 감축시킬 수 있으며, 비용 절감이 가능해진다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 패치 어레이 안테나의 평면도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 패치 어레이 안테나의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 패치 어레이 안테나에서 급전 포트의 위치를 설명하기 위한 참고도이다.
도 4와 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 패치 어레이 안테나에서 3번 포트로만 급전될 경우의 안테나 특성을 설명하기 위한 참고도이다.
도 6과 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 패치 어레이 안테나에서 9번 포트로만 급전될 경우의 안테나 특성을 설명하기 위한 참고도이다.
도 8은 수신 채널의 방위각 및 고각별 DBF 합성 빔 패턴을 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 패치 어레이 안테나의 평면도이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 패치 어레이 안테나의 부분 확대도이다.
도 11은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 패치 어레이 안테나의 평면도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.
본 발명은 차량용 레이더의 방위각 및 고각 동시 추정을 위한 수신 배열 안테나 구조에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 패치 어레이 안테나의 평면도이다.
패치 어레이 안테나(Patch array antenna; 100)는 레이더(ex. 차량용 레이더)의 수평 방향의 표적 뿐만 아니라 수직 방향의 표적의 각도를 추정하기 위한 디지털 빔포밍을 구현할 수 있는 배열 안테나이다. 이때 수평 및 수직 방향의 안테나는 개구면을 서로 공유하여 별도의 크기 증가가 발생하지 않는 것을 특징으로 한다.
이하 도면을 참조하여 보다 자세하게 설명한다.
도 1에 따르면, 패치 어레이 안테나(100)는 패치 그룹 및 급전선 그룹을 포함한다.
패치 그룹은 유전체 기판(140)의 동일 평면 상에 위치하는 패치(110)들을 포함한다. 패치(110)는 미리 정해진 방사 패턴을 생성하는 것이다.
제1 패치군(111)은 패치 그룹을 구성하는 패치들 중 적어도 일부에 의해 형성되는 것으로서, 일방향으로 배열된 소정 개수의 패치들에 의해 형성될 수 있다.
제1 패치군(111)은 적어도 하나의 열(Column)을 구성할 수 있다.
제1 패치군(111)은 인접하는 패치들끼리 제1 거리를 형성할 수 있다.
제2 패치군(112)은 패치 그룹을 구성하는 패치들 중 적어도 일부에 의해 형성되는 것으로서, 타방향으로 배열된 소정 개수의 패치들에 의해 형성될 수 있다.
제2 패치군(112)은 적어도 하나의 행(Row)을 구성할 수 있다.
제2 패치군(112)은 인접하는 패치들끼리 제2 거리를 형성할 수 있다. 본 실시예에서는 제1 패치군(111)에 포함되는 패치들 간 제1 거리와 제2 패치군(112)에 포함되는 패치들 간 제2 거리가 서로 다른 값을 가진다. 예컨대 제1 패치군(111)에 포함되는 패치들 간 제1 거리가 제2 패치군(112)에 포함되는 패치들 간 제2 거리보다 큰 값을 가질 수 있다. 한편 본 실시예에서는 제1 패치군(111)에 포함되는 패치들 간 제1 거리와 제2 패치군(112)에 포함되는 패치들 간 제2 거리가 동일한 값을 가지는 것도 가능하다.
패치 그룹을 구성하는 패치들 중에서 적어도 일부는 제1 패치군(111)과 제2 패치군(112)에 동시에 포함될 수 있다. 예컨대 도 1에서 도면부호 113의 패치가 이에 해당한다.
패치 그룹을 구성하는 패치들은 도 1에 도시된 바와 같이 바둑판식으로 배열될 수 있다.
패치 그룹에 포함되는 패치들은 모두 동일한 크기를 갖는다. 그러나 본 실시예가 이에 한정되는 것은 아니며, 서로 다른 크기를 갖는 패치들로 패치 그룹을 구성하는 것도 가능하다.
패치 그룹에 포함되는 패치들은 정사각형 형태의 것으로 구현될 수 있다. 그러나 본 실시예가 이에 한정되는 것은 아니며, 패치들의 형상은 원형, 직사각형, 다각형 등인 것도 가능하다.
급전선 그룹은 제1 급전선(121)들과 제2 급전선(122)들을 포함한다.
제1 급전선(121)들은 패치 그룹에 포함되는 패치들 중에서 제1 패치군(111)에 포함되는 패치들을 서로 연결하는 것들이다. 그리고 제2 급전선(122)들은 패치 그룹에 포함되는 패치들 중에서 제2 패치군(112)에 포함되는 패치들을 서로 연결하는 것들이다.
제1 급전선(121)들은 제1 패치군(111)에 포함되는 패치들 중에서 인접하는 패치들끼리 상호 연결할 수 있다. 그리고 제2 급전선(122)들은 제2 패치군(112)에 포함되는 패치들 중에서 인접하는 패치들끼리 상호 연결할 수 있다.
상기에서 제1 급전선(121)들은 제1 길이값으로 형성되며, 제2 급전선(122)들은 제2 길이값으로 형성된다. 이때 제1 길이값은 제2 길이값보다 크게 형성될 수 있는데, 본 실시예에서는 이에 한정되지 않고 제1 길이값과 제2 길이값을 동일하게 형성하는 것도 가능하다.
패치 어레이 안테나(100)는 제1 수신 모듈(131)과 제2 수신 모듈(132)을 포함할 수 있다.
제1 수신 모듈(131)은 패치 그룹에 포함되는 패치들(ex. 제1 패치군(111)과 제2 패치군(112))과 제1 급전선(121)들을 이용하여 타겟에 대한 제1 정보를 얻기 위한 제1 신호들을 획득하는 기능을 수행한다.
제1 수신 모듈(131)은 타겟에 대한 제1 정보로 타겟의 x축 방향 정보를 획득할 수 있다. 제1 수신 모듈(131)은 타겟의 x축 방향 정보로 방위각 정보를 획득할 수 있다.
제2 수신 모듈(132)은 패치 그룹에 포함되는 패치들(ex. 제1 패치군(111)과 제2 패치군(112))과 제2 급전선(122)들을 이용하여 타겟에 대한 제2 정보를 얻기 위한 제2 신호들을 획득하는 기능을 수행한다.
제2 수신 모듈(132)은 타겟에 대한 제2 정보로 타겟의 y축 방향 정보를 획득할 수 있다. 제2 수신 모듈(132)은 타겟의 y축 방향 정보로 고각 정보를 획득할 수 있다.
한편 본 실시예에서는 제1 수신 모듈(131)이 타겟의 방위각 정보를 획득하고 제2 수신 모듈(132)이 타겟의 고각 정보를 획득하는 점을 고려하여 제1 급전선(121)들을 제2 급전선(122)들보다 더 길게 형성할 수 있다.
한편 본 실시예에서는 안테나의 수신 처리 성능을 고려하여 제1 수신 모듈(131)을 2개의 모듈들(131a, 131b)로 구현할 수 있는데, 본 실시예가 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
패치 어레이 안테나(100)는 방위각 DBF용 수신 안테나와 고각 DBF용 수신 안테나를 단일 형태의 안테나로 구현하기 위해 각 배열의 구성 방사 소자를 중첩되어 동작하도록 설계한 것이다. 패치 어레이 안테나(100)는 RF Rx 칩(Chip)들(131, 132)을 위한 공간을 필요로 하나, 방위각 DBF용 수신 안테나와 고각 DBF용 수신 안테나를 별개로 구비할 때보다 안테나의 크기를 감축시킬 수가 있다. 또한 패치 어레이 안테나(100)는 설계시 다음 사항들이 고려될 필요가 있다.
① 방위각 및 고각 배열 안테나 간 상호 간섭으로 인한 성능 열화(Isolation 및 방사 패턴의 왜곡).
② 방위각 및 고각 직교 편파 이용에 따른 시스템 이득 감소 → 송신 안테나 조합으로 보완 가능.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 패치 어레이 안테나의 사시도이다.
도 2에 도시된 패치 어레이 안테나(100)의 구조는 제안된 개념의 실시상의 예를 나타낸다. 안테나 복수개가 특정 방향으로 균등하게 배열되어 있는 것을 가정하고 배열 방향과 직교하는 방향으로 복수개의 안테나가 균등하게 배열되며, 이때 각 단위 방사 소자는 서로 중첩되며 서로 공유되지만 독립적으로 동작한다.
본 발명에 따른 패치 어레이 안테나(100)에서 직교 배열의 추가에 따른 안테나 개구면의 크기 변화가 없어 레이더의 크기 축소의 효과가 크다. 또한 안테나의 직교하는 배열 구성으로 방위각 방향 뿐 아니라 고각 방향의 표적 각도 추정이 가능하다.
다음으로 본 발명에 따른 패치 어레이 안테나(100)의 방사 패턴(Radiation Pattern)에 대하여 설명한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 패치 어레이 안테나에서 급전 포트의 위치를 설명하기 위한 참고도이다.
도 3의 (a)에서 도면부호 210은 3번 포트(3 Port)를 의미한다. 3번 포트는 타겟의 방위각 추정을 위한 정보를 획득하는 것이다.
도 3의 (b)에서 도면부호 220은 9번 포트(9 Port)를 의미한다. 9번 포트는 타겟의 고각 추정을 위한 정보를 획득하는 것이다.
도 4와 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 패치 어레이 안테나에서 3번 포트로만 급전될 경우의 안테나 특성을 설명하기 위한 참고도이다.
도 4의 (a)는 이득의 Theta 성분별 색상값을 나타낸다.
도 4의 (b)는 3번 포트만으로 급전될 때 패치 어레이 안테나(100)의 시뮬레이션 결과를 도시한 것으로서, Theta 성분을 3차원 방사 패턴(3D Radiation Pattern)으로 나타낸 것이다.
도 4의 (c)는 방위각 방향의 방사 패턴을 나타내는 그래프이다. 도 4의 (c)는 HFSS(High Frequency Structural Simulator)의 결과로서, Theta 성분의 방사 패턴(310)과 Phi 성분의 방사 패턴(320)을 2차원으로 나타낸 것이다. Theta 성분의 방사 패턴(310)과 Phi 성분의 방사 패턴(320) 각각의 곡선 정보(Curve info)는 다음과 같다.
310 : dB(Gain Theta), Freq = 76.5GHz, Theta = 90 deg
320 : dB(Gain Phi), Freq = 76.5GHz, Theta = 90 deg
도 5의 (a)는 이득의 Phi 성분별 색상값을 나타낸다.
도 5의 (b)는 3번 포트만으로 급전될 때 패치 어레이 안테나(100)의 시뮬레이션 결과를 도시한 것으로서, Phi 성분을 3차원 방사 패턴(3D Radiation Pattern)으로 나타낸 것이다.
도 5의 (c)는 고각 방향의 방사 패턴을 나타내는 그래프이다. 도 5의 (c)는 HFSS(High Frequency Structural Simulator)의 결과로서, Theta 성분의 방사 패턴(330)과 Phi 성분의 방사 패턴(340)을 2차원으로 나타낸 것이다. Theta 성분의 방사 패턴(330)과 Phi 성분의 방사 패턴(340) 각각의 곡선 정보(Curve info)는 다음과 같다.
330 : dB(Gain Theta), Freq = 76.5GHz, Phi = 0 deg
340 : dB(Gain Phi), Freq = 76.5GHz, Phi = 0 deg
도 6과 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 패치 어레이 안테나에서 9번 포트로만 급전될 경우의 안테나 특성을 설명하기 위한 참고도이다.
도 6의 (a)는 이득의 Theta 성분별 색상값을 나타낸다.
도 6의 (b)는 9번 포트만으로 급전될 때 패치 어레이 안테나(100)의 시뮬레이션 결과를 도시한 것으로서, Theta 성분을 3차원 방사 패턴(3D Radiation Pattern)으로 나타낸 것이다.
도 6의 (c)는 방위각 방향의 방사 패턴을 나타내는 그래프이다. 도 6의 (c)는 HFSS(High Frequency Structural Simulator)의 결과로서, Phi 성분의 방사 패턴(350)과 Theta 성분의 방사 패턴(360)을 2차원으로 나타낸 것이다. Phi 성분의 방사 패턴(350)과 Theta 성분의 방사 패턴(360) 각각의 곡선 정보(Curve info)는 다음과 같다.
350 : dB(Gain Phi), Freq = 76.5GHz, Theta = 90 deg
360 : dB(Gain Theta), Freq = 76.5GHz, Theta = 90 deg
도 7의 (a)는 이득의 Phi 성분별 색상값을 나타낸다.
도 7의 (b)는 9번 포트만으로 급전될 때 패치 어레이 안테나(100)의 시뮬레이션 결과를 도시한 것으로서, Phi 성분을 3차원 방사 패턴(3D Radiation Pattern)으로 나타낸 것이다.
도 7의 (c)는 고각 방향의 방사 패턴을 나타내는 그래프이다. 도 7의 (c)는 HFSS(High Frequency Structural Simulator)의 결과로서, Phi 성분의 방사 패턴(370)과 Theta 성분의 방사 패턴(380)을 2차원으로 나타낸 것이다. Phi 성분의 방사 패턴(370)과 Theta 성분의 방사 패턴(380) 각각의 곡선 정보(Curve info)는 다음과 같다.
370 : dB(Gain Phi), Freq = 76.5GHz, Phi = 0 deg
380 : dB(Gain Theta), Freq = 76.5GHz, Phi = 0 deg
도 8은 수신 채널의 방위각 및 고각별 DBF 합성 빔 패턴(조향)을 도시한 도면이다. 도 8의 (a) 내지 (d)에서 좌측도는 이득의 성분별 색상값을 나타낸 것이다.
도 8의 (a)에서 우측도는 Theta 성분을 3차원 방사 패턴(3D Radiation Pattern(E-theta))으로 나타낸 것으로서, 방위각 수신 안테나만 합성한 것이다.
도 8의 (b)에서 우측도는 Theta 성분을 3차원 방사 패턴으로 나타낸 것으로서, 방위각 수신 안테나만 합성한 것이다.
도 8의 (c)에서 우측도는 Phi 성분을 3차원 방사 패턴(3D Radiation Pattern(E-phi))으로 나타낸 것으로서, 고각 수신 안테나만 합성한 것이다.
도 8의 (d)에서 우측도는 Phi 성분을 3차원 방사 패턴으로 나타낸 것으로서, 고각 수신 안테나만 합성한 것이다.
도 8의 (a) 내지 (d)는 1 ~ 12번 포트를 전체 사용한 안테나의 합성 빔 패턴을 나타낸다. 도 8의 (a) 및 (b)는 수평 방향의 안테나만을 이용하여 DBF를 할 경우 방위각 방향으로 합성 빔패턴이 조향되는 실시상의 예를 각각 나타내며, 도 8의 (c) 및 (d)는 수직 방향의 안테나만을 이용하여 DBF를 할 경우 고각 방향으로 합성 빔패턴이 조향되는 실시상의 예를 각각 나타낸다.
본 발명은 별도의 안테나 개구 면적 증가 없이 방위각 및 고각 방향으로 빔 패턴을 조향할 수 있어 표적의 3D 좌표를 추정할 수 있는 장점을 갖는 배열 구조 및 배열 안테나의 실시상의 예를 효과적으로 나타낸다.
이상 설명한 패치 어레이 안테나(100)는 차량에 장착되어 레이더 신호를 송수신할 때 이용될 수 있다.
이상 설명한 본 발명은 안테나 방사 소자를 중첩 사용함으로써 즉, 방위각 추정을 위한 방사 소자와 고각 추정을 위한 방사 소자가 공유되도록 패치 어레이 안테나(100)를 구성함으로써, 별도의 안테나 개구 면적 증가 없이 방위각 및 고각 방향으로 빔 패턴 조향 가능한 안테나를 제안한다. 본 발명에 따르면, 안테나 크기의 소형화에 용이하고 급전 포트에 따른 빔 패턴 조향성도 우수하다.
이상 설명한 본 발명은 77GHz Long Range 전방 레이더 시스템에 적용될 수 있다.
이상 도 1 내지 도 8을 참조하여 본 발명의 일실시 형태에 대하여 설명하였다. 이러한 본 발명의 효과에 대해 살펴보면 다음과 같다.
첫째, 제안된 안테나 배열 구성 및 배열 안테나는 차량용 레이더에 적용시 방위각 뿐만 아니라 고각 방향의 표적을 별도의 크기 증가 없이 DBF를 구성하여 추정할 수 있는 구조이다. 이는 차량용 레이더의 전면 표적의 고각을 추정하여 위험 표적이 아닌 맨홀 뚜껑, 신호등 등과 같은 표적을 구별할 수 있어 레이더 시스템의 다기능 구현에 효과적이다.
둘째, 단일 기판에 서로 직교하게 배열되는 복수개의 안테나를 구비할 수 있고, RF 칩과 서로 직접화가 용이한 구조이다. 또한 일반 PCB 공정을 통해 제작이 용이하다.
세째, 고각 추정을 위한 배열 구조를 추가할 경우에도 안테나의 개구 면적이 증가하지 않아 상대적으로 PCB 기판의 크기 축소 효과를 갖는다.
네째, PCB 기판의 축소 효과를 갖는다.
다섯째, 안테나 개구 면적이 별도로 필요하지 않아 기판 크기의 변화 없이 다기능 구현이 가능하여 원가 절감의 효과를 갖는다.
한편 도 1 내지 도 8을 참조하여 설명한 본 발명의 일실시 형태는 간섭을 방지하는 구조를 더 포함할 수 있다. 이하 이에 대하여 설명한다. 도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 패치 어레이 안테나의 평면도이다.
패치 그룹에 포함되는 적어도 하나의 패치(110)는 적어도 하나의 제1 급전선(121) 및 적어도 하나의 제2 급전선(122)과 연결된다. 이때 제1 급전선(121)은 제2 급전선(122)에 직교할 수 있다.
패치 어레이 안테나(100)는 단일 방사 소자(즉 패치(110))들이 근접하게 배열되기 때문에 소자들 사이의 간섭에 의해 성능 변화가 발생할 수 있다. 본 발명에서는 단일 방사 소자를 공통적으로 사용하기 위하여 하나의 단일 방사 소자에 복수 방향의 급전선들(ex. 제1 급전선(121)과 제2 급전선(122))이 서로 연결되어 있다. 본 발명에서는 이때 발생할 수 있는 간섭을 최소화하기 위하여 급전선들의 급전 방향을 서로 직교하게 형성한다.
한편 필연적으로 발생할 수밖에 없는 간섭을 억제하기 위해 유전체상 표면파(Surfacewave Current)를 억압하는 구조를 포함할 수 있다.
도 9는 패치 어레이 안테나(100)에 표면파를 억압하는 구조체(150)를 삽입한 예를 도시한 것이다.
구조체(150)는 금속 성분의 것으로서, 패치 그룹에 포함되는 어느 하나의 패치(110)에 연결되는 제1 급전선(121)과 제2 급전선(122) 사이에 위치한다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 패치 어레이 안테나의 부분 확대도이다.
바람직하게는, 구조체(150)는 도 10에 도시된 바와 같이 패치 그룹에 포함되는 제1 패치(210), 제2 패치(220), 제3 패치(230) 및 제4 패치(240)에 의해 둘러싸인 공간에 형성될 수 있다. 이때 제1 패치(210)는 제1 급전선들 중 어느 하나인 제1a 급전선(251) 및 제2 급전선들 중 어느 하나인 제2a 급전선(252)을 통하여 제2 패치(220) 및 제3 패치(230)와 연결되고, 제4 패치(240)는 제1 급전선들 중 다른 하나인 제1b 급전선(253) 및 제2 급전선들 중 다른 하나인 제2b 급전선(254)을 통하여 제2 패치(220) 및 제3 패치(230)와 연결된다.
구조체(150)는 유전체 기판의 접지면과 전기적으로 연결되는 비아 홀(151)을 포함할 수 있다. 비아 홀(151)은 구조체(150)의 일측(ex. 중앙 부분)에 형성되어 구조체(150)를 유전체 기판의 접지면에 전기적으로 연결시킨다.
구조체(150)는 동박(Copper foil) 형태의 것으로 패치 어레이 안테나(100)의 유전체 기판 상에 형성될 수 있다. 구조체(150)는 동박 외 다른 금속 성분으로 필름 형태로 얇게 형성되는 것도 가능하다.
구조체(150)는 안테나의 제조 공정과 같은 에칭(Etching) 공정을 이용하여 패치 어레이 안테나(100)에 형성될 수 있다.
구조체(150)는 유전체 기판 상에 사각형, 육각형, 십자가형 등 다양한 형태의 금속으로 형성될 수 있다.
한편 패치 어레이 안테나(100)는 부엽 레벨의 확보를 위해 동일한 방사 소자를 연결하는 급전부의 폭을 서로 상이하게 형성할 수 있다. 이하 도면을 참조하여 설명한다. 도 11은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 패치 어레이 안테나의 평면도이다.
제1 패치군(111) 또는 제2 패치군(112)에서 적어도 일단에 위치하는 패치에 연결되는 제1 급전선(161) 또는 제2 급전선(162)은 일단에 위치하지 않는 패치에 연결되는 제1 급전선 또는 제2 급전선(ex. 제1 패치군(111) 또는 제2 패치군(112)에서 중앙에 위치하는 패치에 연결되는 제1 급전선(163) 또는 제2 급전선(164))보다 폭이 넓게 형성된다.
즉 각 배열의 중심부에 있는 방사 소자를 연결하는 급전부의 폭을 각 배열의 가장자리에 있는 방사 소자를 연결하는 급전부의 폭에 비해 얇게 구성할 수 있다.
한편 동일한 방사 소자를 연결하는 급전부의 폭은 부엽 레벨 확보를 위해 서로 불규칙적으로 연결될 수도 있다.
본 발명에 따른 레이더 신호 송수신 장치는 레이더 신호 생성부 및 패치 어레이 안테나(100)를 포함한다. 이러한 레이더 신호 송수신 장치는 차량에 장착될 수 있다.
레이더 신호 생성부는 레이더 신호를 생성하는 것으로서, RF 모듈과 동일한 개념이다.
레이더 신호 송수신 장치는 패치 그룹에 포함되는 패치들(ex. 제1 패치군(111))과 제1 급전선들을 이용하여 타겟의 x축 방향 정보를 획득한다. 또한 레이더 신호 송수신 장치는 패치 그룹에 포함되는 패치들(ex. 제2 패치군(112))과 제2 급전선들을 이용하여 타겟의 y축 방향 정보를 획득한다. 이렇게 레이더 신호 송수신 장치에 의해 획득된 타겟의 x축 방향 정보와 타겟의 y축 방향 정보는 타겟의 3차원 위치 정보를 생성하는 데에 이용될 수 있다.
패치 어레이 안테나(100)는 레이더 신호 생성부에 의해 생성된 레이더 신호를 외부로 출력하며, 반사되어 돌아온 레이더 신호를 수신하는 것이다. 패치 어레이 안테나(100)의 특징에 대해서는 도 1 내지 도 8을 참조하여 전술하였는 바, 이하 보다 자세한 설명을 생략한다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 기재되어 있다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 그 모든 구성요소들이 각각 하나의 독립적인 하드웨어로 구현될 수 있지만, 각 구성요소들의 그 일부 또는 전부가 선택적으로 조합되어 하나 또는 복수개의 하드웨어에서 조합된 일부 또는 전부의 기능을 수행하는 프로그램 모듈을 갖는 컴퓨터 프로그램으로서 구현될 수도 있다. 또한, 이와 같은 컴퓨터 프로그램은 USB 메모리, CD 디스크, 플래쉬 메모리 등과 같은 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체(Computer Readable Media)에 저장되어 컴퓨터에 의하여 읽혀지고 실행됨으로써, 본 발명의 실시예를 구현할 수 있다. 컴퓨터 프로그램의 기록매체로서는 자기 기록매체, 광 기록매체, 캐리어 웨이브 매체 등이 포함될 수 있다.
또한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 상세한 설명에서 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구 범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (20)

  1. 미리 정해진 방사 패턴을 생성하며 동일 평면 상에 위치하는 패치들을 포함하는 패치 그룹;
    상기 패치들 중에서 일방향으로 배열된 패치들을 연결하는 제1 급전선들과 상기 패치들 중에서 타방향으로 배열된 패치들을 연결하는 제2 급전선들을 포함하는 급전선 그룹; 및
    금속 성분의 것으로서, 상기 패치 그룹에 포함되는 어느 하나의 패치에 연결되는 제1 급전선과 제2 급전선 사이에 위치하는 구조체;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 패치 어레이 안테나.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 패치들 중에서 적어도 일부는 상기 일방향으로 배열된 패치들을 포함하는 제1 패치군과 상기 타방향으로 배열된 패치들을 포함하는 제2 패치군에 동시에 포함되는 것을 특징으로 하는 패치 어레이 안테나.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 패치 그룹은 적어도 하나의 열(Column)을 구성하는 상기 제1 패치군과 적어도 하나의 행(Row)을 구성하는 상기 제2 패치군을 포함하는 것을 특징으로 하는 패치 어레이 안테나.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 패치들은 바둑판식으로 배열되는 것을 특징으로 하는 패치 어레이 안테나.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 패치 그룹은 인접하는 패치들끼리 제1 거리를 형성하는 상기 제1 패치군과 인접하는 패치들끼리 제2 거리를 형성하는 상기 제2 패치군을 포함하는 것을 특징으로 하는 패치 어레이 안테나.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제1 패치군에 포함되는 패치들 간 제1 거리는 상기 제2 패치군 간 제2 거리와 다른 것을 특징으로 하는 패치 어레이 안테나.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 급전선들은 상기 일방향으로 배열된 패치들 중에서 인접하는 패치들끼리 상호 연결하며, 상기 제2 급전선들은 상기 타방향으로 배열된 패치들 중에서 인접하는 패치들끼리 상호 연결하는 것을 특징으로 하는 패치 어레이 안테나.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 패치들과 상기 제1 급전선들을 이용하여 타겟에 대한 제1 정보를 얻기 위한 제1 신호들을 획득하는 제1 수신 모듈; 및
    상기 패치들과 상기 제2 급전선들을 이용하여 상기 타겟에 대한 제2 정보를 얻기 위한 제2 신호들을 획득하는 제2 수신 모듈
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 패치 어레이 안테나.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제1 수신 모듈은 상기 제1 정보로 상기 타겟의 x축 방향 정보를 획득하며, 상기 제2 수신 모듈은 상기 제2 정보로 상기 타겟의 y축 방향 정보를 획득하는 것을 특징으로 하는 패치 어레이 안테나.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제1 급전선들은 상기 제2 급전선들보다 길이가 더 긴 것을 특징으로 하는 패치 어레이 안테나.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 패치 어레이 안테나는 차량에 장착되어 레이더 신호를 송수신할 때 이용되는 것을 특징으로 하는 패치 어레이 안테나.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 패치 그룹에 포함되는 적어도 하나의 패치는 적어도 하나의 제1 급전선 및 적어도 하나의 제2 급전선과 연결되는 것을 특징으로 하는 패치 어레이 안테나.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제1 급전선은 상기 제2 급전선에 직교하는 것을 특징으로 하는 패치 어레이 안테나.
  14. 삭제
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 구조체는 유전체 기판의 접지면과 전기적으로 연결되는 비아 홀을 포함하는 것을 특징으로 하는 패치 어레이 안테나.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 구조체는 에칭(Etching)을 이용하여 상기 패치 어레이 안테나의 유전체 기판 상에 동박(Copper foil) 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 패치 어레이 안테나.
  17. 제 1 항에 있어서,
    제1 패치는 상기 제1 급전선들 중 어느 하나인 제1a 급전선 및 상기 제2 급전선들 중 어느 하나인 제2a 급전선을 통하여 제2 패치 및 제3 패치와 연결되고,
    제4 패치는 상기 제1 급전선들 중 다른 하나인 제1b 급전선 및 상기 제2 급전선들 중 다른 하나인 제2b 급전선을 통하여 상기 제2 패치 및 상기 제3 패치와 연결되며,
    상기 구조체는 상기 제1 패치, 상기 제2 패치, 상기 제3 패치 및 상기 제4 패치에 둘러싸인 공간에 형성되는 것을 특징으로 하는 패치 어레이 안테나.
  18. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 패치군 또는 상기 제2 패치군에서 적어도 일단에 위치하는 패치에 연결되는 제1 급전선 또는 제2 급전선은 상기 일단에 위치하지 않는 패치에 연결되는 제1 급전선 또는 제2 급전선보다 폭이 넓은 것을 특징으로 하는 패치 어레이 안테나.
  19. 레이더 신호를 생성하는 레이더 신호 생성부; 및
    상기 레이더 신호를 외부로 출력하며, 반사되어 돌아온 상기 레이더 신호를 수신하는 것으로서, 미리 정해진 방사 패턴을 생성하며 동일 평면 상에 위치하는 패치들을 포함하는 패치 그룹과, 상기 패치들 중에서 일방향으로 배열된 패치들을 연결하는 제1 급전선들과 상기 패치들 중에서 타방향으로 배열된 패치들을 연결하는 제2 급전선들을 포함하는 급전선 그룹 및 금속 성분의 것으로서, 상기 패치 그룹에 포함되는 어느 하나의 패치에 연결되는 제1 급전선과 제2 급전선 사이에 위치하는 구조체를 포함하는 패치 어레이 안테나;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이더 신호 송수신 장치.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 레이더 신호 송수신 장치는 상기 패치들과 상기 제1 급전선들을 이용하여 타겟의 x축 방향 정보를 획득하고 상기 패치들과 상기 제2 급전선들을 이용하여 상기 타겟의 y축 방향 정보를 획득하며,
    상기 타겟의 x축 방향 정보와 상기 타겟의 y축 방향 정보는 상기 타겟의 3차원 위치 정보를 생성하는 데에 이용되는 것을 특징으로 하는 레이더 신호 송수신 장치.
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