KR102401794B1 - 지능형 안테나 메타물질 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 메타 물질 기반 물체 검출 시스템이다. 지능형 안테나 메타 물질 인터페이스(IAM)는 특정 메타 물질 단위 셀을 서브 어레이에 연결하여 전송된 신호의 빔 폭을 조정한다. IAM은 예컨대 차량 내에서의 복수의 센서를 조정하여 성능을 최적화하는 센서 융합 시스템의 일부이다. 일 실시예에서, MTM 안테나 구조물은 프로브 공브(probe-fed) 단위 셀을 가로질러 정재파(standing wave)를 생성한다.

Description

지능형 안테나 메타 물질 방법 및 장치
본 발명은 메타 물질 단위 셀의 동적 제어를 이용하는 메타 물질 구조물을 사용하는 지능형 안테나에 관한 것이다.
일상 생활에서 통신 시스템, 감지 장치, 레이더 시스템 등을 위한 안테나가 사용된다. 최근 자율 주행 또는 자율 운전 차량이 주목받는다. 오늘날 생각되는 설계 및 제품은 차량의 효과적인 제어를 위해 요구되는 모든 기상 조건, 전력 소비 제한 및 타이밍을 고려하지 않는다. 일관되고 안정적인 서비스를 유지하면서, 도로, 날씨, 온도, 가시성, 교통 상황 등의 범위에 걸쳐 작동하는 감지 시스템을 제공할 필요가 있다.
본 발명의 실시예는 도면을 참조하여 설명된다. 이들은 실제 크기로 도시된 것이 아니며, 출원인이 본 발명으로서 주장하는 것을 명확하게 식별하기 위해 도시된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 메타 물질 안테나 시스템을 도시한다.
도 2는 본 발명의 예에 따른, 도 1의 메타 물질 안테나 시스템을 제어하기 위한 프로세스를 도시한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른, 메타 물질 안테나 시스템을 도시한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른, 메타 물질 안테나 시스템에서의 방사 패턴을 도시한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른, 차량 애플리케이션에서의 메타 물질 안테나 시스템의 동작을 도시한다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른, 메타 물질 안테나 시스템에서 사용하기 위한 시야 대 메타 물질 맵핑을 위한 구성을 도시한다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른, 메타 물질 안테나 시스템의 동작에 대응하는 다양한 시야(FoV)를 도시한 것이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 실시예에 따른, 메타 물질 안테나 시스템 구성 요소의 배치를 도시한다.
도 10 및 도 11은 본 발명의 실시예에 따른, 프로브 공급 메타 물질 안테나 구조물를 도시한다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른, 센서 융합 시스템을 도시한다.
도 13 및 14는 본 발명의 실시예에 따른, 지능형 안테나 메타 물질 인터페이스에 의해 제어를 통합하는 센서 융합 시스템을 위한 프로세스를 도시한다.
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 다중 범위 물체 검출을 위한 방사 패턴을 도시한다.
본 발명은 메타 물질(MTM : metamaterial) 셀로 구성되고 지능형 안테나 MTM 인터페이스(IAM : Intelligent Antenna Metamaterial interface)에 의해 제어되는 안테나를 갖는 안테나 시스템을 개시한다. 안테나 시스템은 셀룰러 통신 네트워크, 차량 대 차량 통신 시스템, 물체 검출 시스템, 자율 주행 차량 센서 시스템, 드론 제어 및 통신 시스템 등을 포함하는 응용 분야에서 사용될 수 있다. MTM 안테나 구조물은 IAM에 의해 동적으로 제어, 즉 안테나 구조물의 전기적 또는 전자기적 구성을 변경함으로써 제어가 이루어질 수 있다. 일부 실시예에서, 버랙터(varactor)는 방사 패턴의 조정을 가능하게 하기 위해 MTM 안테나 구조물에 연결된다. 일부 실시예에서, MTM 단위 셀은 특정 특성을 갖는 서브 어레이로 구성될 수 있다. 자율 주행 차량에서 사용하기 위해, 시스템은 주변 조건에 따라 큰 빔 폭으로 개략 포커싱을 수행한 다음, 안테나 구조물의 방사 패턴의 시야 내에 물체가 있다는 것을 가리키는 에코가 수신될 때 빔 폭을 좁힐 수 있다. 이러한 방식으로, 안테나 구조물의 전체 시야(FOV)를 보다 큰 빔 폭으로 스위핑(sweep)하여, FoV를 스캔하는 시간을 감소시킬 수 있다. 일부 실시예에서, IAM은 검출된 물체의 FoV의 영역을 검출하고, 빔을 포커싱하기 위해, 즉 빔 폭을 좁히기 위해, 이를 MTM 단위 셀 및/또는 서브 어레이의 특정 구성에 맵핑할 수 있다. 추가로, 일부 실시예에서, 안테나 구조물에 대한 이동 속도와 같은 검출된 물체의 특정 치수 및 다른 특성이 분석되고, 다음 행동(들) 또는 행동 과정(들)이 결정된다. 그 다음 일부 실시예에서의 검출된 물체는 차량의 승객을 위한 백업 보안 기능으로 작동할 수 있는 시각 또는 그래픽 디스플레이로 사용된다.
도 1은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 안테나 시스템(100)을 도시한다. 시스템(100)은 MTM 단위 셀(140)과 같은 다수의 MTM 단위 셀을 포함하는 MTM 안테나 구조물(110)을 포함한다. 각 MTM 단위 셀(140)은, 진폭, 위상 및 파장을 포함하는 신호의 전자기(EM : electromagnetic) 특성과 같은 물리적 현상을 제어하고 처리하는데 사용되는 인공적으로 구조화된 요소이다. 메타 물질 구조물은 그 구성 물질의 고유 특성뿐만 아니라 전형적인 응용 분야의 공간적 변동 규모에 비해 크기와 간격이 훨씬 작은 이들 재료의 기하학적 배열에서 파생된 것처럼 작동한다. 개별 MTM 구성 요소는 단위 셀, 예를 들어 MTM 단위 셀(140)로서 간주된다. 메타 물질은 실재하는 새로운 물질이 아니라 특정 방식으로 작동하는 도체와 같은 주지의 물질의 기하학적 디자인이다.
셀(140)과 같은 MTM 단위 셀은 직렬 커패시터 및 션트(shunt) 인덕터의 조합과 동등한 작동을 갖는 다중 마이크로 스트립, 갭 및 비아를 포함한다. 특정 구성을 구현하고 특정 제약 조건을 충족시키기 위해 다양한 구성, 모양, 디자인 및 치수가 사용된다. MTM 안테나 구조물(110)은 셀(140)과 같은 단위 셀을 함께 그룹화하는 서브 어레이로 구성될 수 있다. IAM(50)은 MTM 안테나 구조물(110)의 동작 파라미터를 제어하도록 작용한다. 일부 실시예에서, 이들 파라미터는 단위 셀(140)과 같은 개별 MTM 단위 셀에 인가된 전압을 포함한다. IAM(50)에는 명령을 캡처, 측정, 저장, 분석 및 제공하는 모듈 및 구성 요소가 포함된다. IAM(50)의 능력의 범위는 강력하고 유연하며, 응용 분야에 점점 더 많은 정보가 필요하므로 IAM(50)은 추가 기능을 구축할 수 있다. 이러한 방식으로, IAM(50)은 IAM(50) 내의 동작을 제어하는 IAM 제어기(52)를 갖는 하드웨어로 구현된 소프트웨어 프로그래밍 가능 모듈이다.
본 명세서에 설명된 본 실시예에서, 응용 분야는 자율 주행 자동차를 위한 것이며, 시스템(100)은 레이더를 사용하여 물체를 식별하는 감지 시스템이다. 레이더를 사용하면, 좋지 않은 기상 조건에서 물체를 신뢰할 수 있게 감지하기 위한 방식을 제공한다. 예를 들어, 가시성이 감소함에 따라 주행 속도가 감소하므로, 역사적으로 운전자는 짙은 안개 속에서 급격히 느려질 것이다. 예를 들어, 제한 속도가 115㎞/h인 유럽의 고속도로에서 시야가 나쁘면 운전자는 40㎞/h로 감속해야 할 수 있다. 본 실시예를 사용하면, 운전자(또는 무인 자동차)는 날씨 조건에 관계없이 최대 안전 속도를 유지할 수 있다. 다른 운전자가 감속하더라도 본 실시 예에 의해 활성화된 자동차는 느리게 움직이는 자동차 및 도로 내의 장애물을 감지하여 그들 주변을 회피/탐색할 수 있을 것이다.
또한, 혼잡한 지역에서, 자율 주행 차량은 반응 및 조치를 취하는 데 충분한 시간 내에 물체를 감지할 필요가 있다. 본 발명은 반응하기 위한 시간 내에 임의의 에코를 감지하기 위해, 레이더 신호의 스위프 시간을 증가시킨다. 이동 중 장애물이 거의 없는 시골 지역 및 기타 지역에서, IAM(50)은 빔의 초점을 보다 큰 빔 폭으로 조정함으로써 에코가 거의 없는 지역을 더 빨리 스캔할 수 있게 한다. IAM(50)은 주어진 시간 내에 수신된 에코의 수를 평가하고 그에 따라 빔 크기를 조정함으로써 이러한 상황을 검출할 수 있다. 물체가 감지되면, IAM(50)은 빔 초점을 조정하는 방법을 결정한다. 이것은 MTM 안테나 구조물(110)의 특정 구성 및 조건을 변경함으로써 달성된다. 예를 들어, 한 시나리오에서 버랙터의 전압이 조정된다. 다른 시나리오에서, 단위 셀의 서브 세트는 서브 어레이로 구성된다. 이 구성은 이 세트가 단일 단위로 취급될 수 있으며 모든 버랙터가 유사하게 조정된다는 것을 의미한다. 다른 시나리오에서, 서브 어레이는 상이한 개수의 단위 셀을 포함하도록 변경된다.
이러한 모든 탐지 시나리오, 분석 및 반응은 IAM(50)에 저장되어 추후 분석 또는 단순화된 반응에 사용될 수 있다. 예를 들어, 주어진 시간 또는 특정 고속도로에서 수신된 에코가 증가하면, 그 정보는 MTM 안테나 구조물(110)의 사전 준비 및 구성을 돕기 위해 IAM 제어기(52)로 공급된다. 또한, 원하는 결과를 달성하기 위해 성능이 더 좋은 일부 서브 어레이 조합이 있을 수 있으며, 이는 IAM 메모리(54)에 저장된다.
동작시, MTM 안테나 구조물(110)은 시스템(100)의 FoV를 스캔하기 위해 레이더 방사 패턴(들)을 제공한다. 일부 실시예에서, FoV 합성 데이터 유닛(112)은 FoV를 설명하는 정보를 저장한다. 이것은 추세를 추적하고 행동과 교통 상황을 예측하는 데 사용되는 이력 데이터이거나, 적시의 순간에 또는 적시의 구간(window)에 걸쳐 FoV를 설명하는 순시 데이터 또는 실시간 데이터일 수 있다. 이 데이터를 저장하는 기능은 IAM(50)이 FoV 내 특정 지점 또는 영역을 전략적 대상이 되게 하는 결정을 내리게 할 수 있다. 예를 들어, FoV가 5분 동안 비워지고(에코가 수신되지 않음)나서 FoV의 특정 영역에서 하나의 에코가 도착할 수 있으며, 이것은 자동차의 앞면을 감지하는 것과 유사하다. 이에 응답하여, IAM(50)은 FoV에서 그 섹터 또는 영역을 보다 집중해서 보기 위해 빔 폭을 좁히기로 결정할 수 있다. 다음 스캔은 물체의 길이 또는 다른 치수를 나타낼 수 있고, 물체가 자동차인 경우, IAM(50)은 물체가 어떤 방향으로 이동하는지 고려하여 그 영역에 빔을 포커싱할 수 있다. 유사하게, 에코는 작고 차의 경로에서 빠르게 움직이는 조류와 같은 가짜 물체로부터의 것일 수 있다. 이전 검출에 기초하여 특정 유형의 물체를 식별하는 능력을 포함하는, FoV 합성 데이터 유닛(112)에 대한 다양한 다른 용도가 있다.
물체 검출 모듈(114)은 IAM 제어기(52)로부터 제어 정보를 수신하고, 만약 있다면 조정이 결정된다. 일부 실시예에서, 스캔은 큰 대역폭을 갖는 개략 스캔으로 시작한다. 물체 감지시 빔 폭이 좁아진다. 가변 빔 치수 모듈(116)은 물체 검출 모듈(114)에 응답하여 원하는대로 신속하게 또는 느리게 빔 폭을 변경할 수 있다. 일부 실시예에서, 빔 폭은 이진값이고, 다른 경우에는 연속적인 값을 취할 수 있다. 물체 검출 모듈(114)은 빔 지향 모듈(118)에게 예컨대 서브 어레이로부터와 같이 빔이 향할 위치를 지시한다. 물체 치수 분석 모듈(120)은 수신된 정보(에코)로부터 검출된 물체의 파라미터 및 치수를 결정한다.
시스템(100)을 계속 살펴보면, 송신/수신 제어(130)는 제어기(132)에 의해 제어되어 MTM 안테나 구조물(110)과의 송수신 경로를 제어한다. 단위 셀(140)과 같은 단위 셀의 일부는 수신 전용이고, 또 다른 일부는 송신 전용일 수 있거나, 또는 MTM 안테나 구조물(110)은 송수신 안테나일 수 있다. 일부 실시예에서, IAM(50)은 특정 단위 셀 또는 서브 어레이를 수신 전용, 송신 전용 또는 송신 및 수신으로서 할당할 수 있다. 이들 실시예에 대한 임의의 수의 조합 및 설계가 존재한다.
MTM 안테나 구조물(110)이 적용, 내장, 제어 등을 위해 IAM(50)과 관련하여 사용할 수 있는 방법 및 시스템이 많이 있다. MTM 안테나 구조물(110)의 동적 제어를 위한 실시예가 도 2에 도시되어 있다. MTM 안테나 구조물(110)에 의해 에코가 수신되는지를 결정하는 시스템(100)에 의해 프로세스(200)가 시작된다(단계 202). 그러면, 시스템(100)은 FoV 파라미터를 추출하고(단계 204), 그렇지 않으면 시스템(100)은 계속 빔을 송신하고 에코를 청취한다. FoV 파라미터는, 물체에 의해 반사된 신호의 도달 방향뿐만 아니라, 시스템(100)으로부터 검출된 물체까지의 범위, 물체의 속력, 물체의 크기 등을 포함할 수 있다. 본 실시예에서, IAM(50)은 전송 빔의 초점을 좁히고나서(단계 206), 조정이 충분한지 확인한다(단계 208). 조정은 일부 추가 피드백을 요구하거나, 하나 이상의 단계에서 수행될 수 있다. 빔은 감지된 물체에 대한 추가 정보를 캡처하도록 포커싱된다. 그 다음 IAM(50)은 FoV를 평가하여 물체가 어디에서 감지되는지를 식별한다(단계 210). 예를 들어, 검출된 물체는 차량의 우측에 있을 수 있고, 도로 레벨 등에 있을 수 있다. 이어서, IAM(50)은 FoV에서 검출된 물체의 위치에 대응하도록 MTM 안테나 구조물(110)에서 단위 셀의 서브 어레이 또는 서브 어레이를 구성한다(단계 212). 좁은 빔은 FoV의 원하는 부분을 통해 전송된다(단계 214).
일부 실시에서, 프로세스(200)는 검출된 물체의 실루엣을 식별할 수 있고(단계 216), 이것은 버스에서 자동차를 식별하고 차량에서 사람을 식별하는 등에 사용될 수 있다. 또한, 프로세스(200)는, MTM 안테나 구조물(110) 및 그것이 상주하는 차량에 대한 물체의 예상되는 미래 위치를 식별하기 위해, MTM 안테나 구조물(110)에 대해 검출된 물체의 주행 파라미터를 비교하는 단계를 포함할 수 있다(단계 218). 감지된 물체의 속력과 속도는, 차량의 주행 경로를 지능적으로 제어하고 조정할 수 있게 한다. 이것은, IAM(50)이 실루엣 데이터 및 주행 파라미터로부터 물체 유형을 결정할 때 향상된다(단계 220). IAM(50)은 반응 방법에 대해 결정하는 차량 제어기(도시되지 않음)에, 이 정보의 일부 또는 전부로부터의 정보를 제공한다(단계 222).
일부 실시예에서, 프로세스(200)는 응용 분야 내의 다양한 다른 시스템과 접속된다. 예를 들어, 차량 응용 분야에서, 안테나에서 수신된 정보 및 그 데이터의 적어도 일부의 분석은 처리를 위해 다른 모듈, 예컨대 자동차의 인식 계층 또는 네비게이션 스크린에 제공된다.
도 3은 N×N 단위 셀의 어레이로 배열된 복수의 MTM 셀을 갖는 메타 물질(MTM) 안테나 구조물(300)(또는 구조물의 일부)을 도시하며, 본 명세서에서 명확성 및 논의를 위해 각 단위 셀은 행, 열 지수(ij)에 의해 식별된다. 어레이는 비대칭 N×M 어레이일 수도 있다. 단순화하기 위해, 대칭 N×N 경우를 설명한다. 예를 들어, 보는 사람의 관점에서 상단 모서리의 단위 셀은 340(1, 1)로 식별되고, 오른쪽 하단의 단위 셀은 340(N, N)으로 식별된다. 구조물(300)과 같은 안테나 구조물의 적용, 구조, 물리 및 목표에 기초하여 다른 구성이 가능하다. 안테나 구조물(300)은 본 도면에서 일부가 도시되지 않은 다른 모듈을 포함하는 안테나 시스템의 일부이다. 유사하게, 단위 셀의 특정 형상은, 메타 물질의 특성 및 행동을 야기하고 정사각형 또는 직사각형 또는 임의의 다른 규칙적인 형상으로 제한되지 않는, 임의의 다양한 형상을 취할 수 있다.
안테나 구조물(300)의 각각의 단위 셀(340(i,j))은 개별적으로 또는 서브 어레이의 부분으로서 동작할 수 있다. 도시된 바와 같이, IAM(350)은 특정 단위 셀을 서브-어레이 (302, 304, 306 및 308)로 연관시키거나 그룹화한다. IAM(350)은 방사된 빔이 지향될 곳, 빔의 형상 및 빔의 치수를 결정한다. 빔은 상황, 검출된 물체 및 검출 타이밍, 및 다른 고려 사항에 따라 개략적이거나 큰 대역폭 빔, 중형화된 빔 또는 작고 좁은 대역폭 빔일 수 있다. IAM(350)은 다음 동작을 예상하기 위해 하나 이상의 서브 어레이를 미리 구성할 수 있거나, 스캔 속도 또는 스위프 시간을 보다 빠르게 할 수 있는 넓은 대역폭으로 시작하는 바와 같은 기본 구성을 사용할 수 있다. 각 스위프에 대해, FoV는, 일정한 치수를 갖거나, 상이한 치수를 갖거나, 또는 동적으로 조정될 수 있는, 부분으로 분할된다. 일부 실시예에서, IAM은 차량 바로 앞과 같이 좁은 빔을 갖도록 특정 방향을 선택하고, FoV의 가장자리와 같은 다른 방향은 넓은 빔으로 스캔될 수 있다. 이들 및 다른 설계 고려 사항은 IAM(350)을 설정할 때 설계자에 의해 이루어지며, 일부 IAM(350)은 유연하고 구성 가능하다. 예시된 예에서, MTM 안테나 구조물(300)은 빔을 지향시켜 원하는 방사 패턴을 형성하도록 의도된 몇몇 서브 어레이를 갖는다.
객체가 검출되면, FoV 대 MTM 맵핑(360)은 IAM(350)에 대한 FoV의 일부를 식별하고, 그 위치를 특정 MTM 단위 셀 또는 서브 어레이에 맵핑하여, 물체에 대해 초점을 맞춰 더 많은 정보를 캡처한다. 일부 실시예에서, IAM(350)은 다양한 시나리오에 액세스할 수 있고, 감지된 정보를 사용하여 도로 상의 미래 상태를 예측할 수 있다. 예를 들어, MTM 안테나 구조물(300)이 알려진 사슴 경로가 포함되는 영역에서 도로를 가로질러 달리는 사슴을 감지하는 경우, IAM(350)은 사슴의 방향을 예측할 수 있을뿐만 아니라 뒤따를 수 있는 다른 사슴을 예측할 수 있다.
도 4는 다수의 MTM 단위 셀을 갖는 MTM 안테나 구조물(400)의 동작을 도시한다. 안테나 빔은 FoV(420)의 한 측면에서 다른 측면으로 빔 스위핑(410)의 예로서 주어진다. 시각 시야와 안테나 시야가 반드시 동일할 필요는 없다는 점에 유의해야 한다. 이 경우, 안테나 FoV는, x 및 y 방향, 또는 2D 관점에서 형상(470)으로 도시되고, x, y, z 방향 또는 3D 관점에서 구성 요소를 갖는 형상(472)로서 도시된다.
도 5는 빔(510)을 생성하기 위해 활성화된 적어도 하나의 서브 어레이(502)를 갖는 MTM 안테나 구조물(500)을 도시한다. 자동차가 감지될 때, IAM(미도시)은 FoV(520)의 관련 부분(506)을 식별한다. 이것은 그 영역에서 포커싱된 빔을 생성할 MTM 안테나 구조물(500)의 일부에 맵핑되고, 그 부분은 서브 어레이(502)이다.
도 6에 도시된 바와 같이, MTM 안테나 구조물(500)과 FoV(520) 사이의 맵핑은, 이러한 상관 관계에 대한 다양한 엔트리를 포함하는 FoV 대 MTM 맵핑 유닛(560)에 의해 제공된다.
이것은 룩업 테이블 또는 다른 맵핑 포맷일 수 있으며, 차량의 움직임에 보조를 맞추기 위해 동적으로 조정될 수 있고, 또한, 이 정보는 IAM(550)이 시간이 지남에 따라 학습하고 개선하는 것을 돕기 위해 관계형 데이터베이스 또는 다른 장치에 저장될 수 있다. 이러한 방식에서, IAM(550)은 인공 지능(AI : artificial intelligence), 전문가 시스템, 신경망 또는 다른 기술을 사용하여, 물체 감지를 위한 시스템의 성능을 향상시킬 수 있다.
차량이 주행함에 따라, 근거리에서 원거리 슬라이스까지와 같은 상이한 FoV 스냅 샷 또는 슬라이스가 존재한다. 도 7에서, 자동차(720)의 관점에서, 근거리 FoV(702), 원거리 FoV(708) 및 슬라이스(704, 706)와 같은 FoV를 위한 몇몇 중거리 슬라이스가 있다. 각 슬라이스는 자동차(720)가 주행하는 시간적인 순간에 대응한다. IAM(550)은, 어떠한 유형의 빔이 각 FoV에 대해 방송되는지를, 예를 들어 차량과 관련하여 차량의 속력 및 검출된 물체의 속력을 포함하는 많은 파라미터의 함수로서 결정한다. IAM(550)은, 자동차가 느리게 이동하는 경우, FoV(702)가 충분할 수 있는 것과 같이, 특정 조건에 대해 빔이 특정 FoV에 도달하는 것으로 결정될 수 있지만, 자동차가 빠르게 이동하는 경우 FoV(708)에 도달하기를 원하는 바람이 있다. 게다가 날씨 조건도 영향을 미치므로, 자동차가 현재 운전 조건을 반응, 정지 또는 달리 변경하는 데 더 오래 걸리면, IAM(550)은 자동차 시간이 반응할 수 있게 가장 긴 FoV(708)에 도달하기를 원할 수 있다. 이것은 자동차가 얼마나 빨리 감속 및/또는 정지될 수 있는지에 큰 영향을 미치는 눈 또는 빙판 조건에서 활용될 수 있다.
본 명세서에서 논의된 바와 같이, MTM 안테나 구조물의 배치는 적용 분야에 따라 설계 및 구현될 수 있다. 도 8은 트럭(800)의 범퍼 내에 MTM 안테나 구조물(806)를 배치하는 것과 같은 몇 가지 고려 사항을 도시한다. 이 경우, 구조물(806)은 평평하지 않고 오히려 만곡된 범퍼의 측면에 배치된다. 트럭 주위의 주행 조건의 감지를 향상시키기 위해, 추가 MTM 안테나 구조물(802)이 트럭(804)의 측면에 배치된다.
일부 실시예에서, 도로를 따라 배치된 광고판(bill board)(808)은 도로를 따라 이동하는 물체를 감지하는 MTM 안테나 구조물(810)을 갖는다. 광고판(808)은 조명, 전환 효과, 메시징 또는 다른 전원 공급 효과를 가질 수 있다. 전력 효율을 위해, 광고판은 이러한 효과를 사용하지 않는 정적 메시지로 변경할 수 있다. 일부 실시예에서, 광고판은 혼잡한 고속도로를 여행하는 차량의 유형을 감지한 다음 그들 운전자가 선호하는 광고를 게시할 수 있다. 예를 들어, 전기 자동차를 위해 더 빨리 여행할 수 있는 길이 있다면, 광고판은 다른 레인이 혼잡한 동안, 레인이 비었거나 드문드문 사용되는 시간을 감지할 수 있다. 이 경우에, 광고판(808)은 전기 차량을 광고하기를 원할 수 있다. 문구 광고판과 같은 기반 시설이 주변에서 무슨 일이 일어나고 있는지 이해하는 능력은 특정 차량과 통신하거나 모든 차량에 메시지를 방송함으로써 향상될 수 있다. 광고판(930)은, 차량과의 무선 신호를 통해 특정 운전자를 감지하지만, 이러한 통신이 가능하지 않은 차량과는 통신할 수 없는 의사소통 광고판이다. MTM 안테나 구조물을 사용하면, 이들 광고판은 그들의 환경에 대해 더 이해할 수 있다.
도 9는 MTM 안테나 구조물이 범퍼 내에 위치하고 MTM 안테나 구조물(912, 914)과 같이 범퍼의 측면을 따라 만곡된, 차량의 전방 범퍼(910)를 도시한다. 이들 및 다른 응용에서 MTM 안테나 구조물은 배치 형태를 수용하도록 구성되고, 주변 환경 및 현재 상태를 가장 잘 이해하도록 결정된 바와 같이 범퍼, 미러, 루브(roove) 등에 배치될 수 있다.
MTM 안테나 구조와 협력하여 작동하는 다른 센서가 있을 수 있으며, 각기 특별한 감지 영역을 갖는다. 도 12에 도시된 일 실시예에서, 시스템(1200)은 카메라 센서(1204), 기반 시설 센서(1206), 레이저 센서(1212), 조작 센서(1214), 사용자 선호도 센서(1216), 환경 센서(1218) 및 무선 통신 모듈(1208)과 협력하여 작동하는 MTM 안테나 센서(1202)를 포함한다. 센서 융합 제어기(1210)는 센서(1202, 1204, 1206, 1212, 1214, 1216, 1218)로부터의 정보의 조정을 제어한다. IAM(1250)은 이들 다양한 모듈과 접속된다. 카메라 또는 시각 센서(1204)는 센서(1204)의 FoV에서 물체, 환경 및 다른 요소의 캡처에 적합하다. 레이저 센서(1212)는 물체를 식별하도록 작용하지만, 거리, 날씨 및 광 억제 조건에 따라 성능이 저하된다. MTM 안테나 센서(1202)의 추가는 다른 유형의 센서가 그렇지 않을 때 강력하고 일관된 정보를 제공한다.
차량에 사용되는 레이더 안테나와 같은 안테나 응용 분야에 대한 몇 가지 다른 고려 사항에는 안테나 설계, 기능, 수신기 및 송신기 구성이 포함된다. 안테나 어레이를 구비하는 일반적인 전자 시스템은 둘 이상의 안테나 요소, 빔 형성 네트워크 및 수신기 또는 송신기로 구성된다. 빔 형성 네트워크는 버틀러(Butler) 매트릭스 또는 위상 시프트 요소와 결합된 다른 안테나 어레이로 구성될 수 있다. 단순 다이폴, 모노폴, 인쇄 패치 설계, 야기(Yagi) 안테나 등 안테나 어레이에서 안테나 요소로서 많은 상이한 안테나 구성을 사용할 수 있다. 차량 상에/내에 장착된 안테나의 주요 목표 중 하나는 작고 심미적인 디자인을 달성하는 것이다. 다른 목표는 레이더 빔에 사용되는 통신 신호의 유형과 관련이 있다. 사용되는 변조 유형 중 하나는 FMCW(Frequency Modulation Continuous Wave)이고, 레이더가 펄스를 필요로 하지 않고 오히려 연속적으로 전송되므로, 이것은 레이더 응용 분야에 효과적이다. FMCW는 정현파, 톱니파, 삼각파 등과 같은 연속 주기 함수로 전송되는 연속 반송파 변조 파형이다. 스위프 시간 또는 스위프 기간(T)은 파형의 한 주기를 전송하는 시간이다. 하나의 스위프 기간 동안 전송된 신호를 처프(chirp)라고 한다. 비트 주파수(bt)라고 하는 송신 및 수신 신호의 주파수에는 차이가 있다. 안테나의 범위(R)는 안테나에서 감지된 물체까지의 거리이며, 스위프 주기, 비트 주파수, 광속(c) 및 스위프 대역폭(B)의 함수이다. 움직이는 목표물은 도플러 주파수 시프트를 유도하여 레이더가 안테나에 대한 목표물의 상대 속도를 감지할 수 있게 한다. 송신 및 수신 신호 간의 위상차는 위치 정보를 제공하는 반면, 주파수 시프트는 속력을 식별한다.
움직이는 물체의 경우, 신호 위상 왜곡이 안테나 어레이의 성능에 영향을 줄 수 있다. 이러한 왜곡을 상쇄하는 한 가지 방법은, Tx 및 Rx 측에서 여러개의 서브 어레이를 사용하여 이러한 불순물을 걸러내는 것이다. 다른 방법은 움직이는 물체의 위상 왜곡을 줄이기 위해 안테나 교정을 즉석에서(on-the-fly) 조정하는 것이다.
기존의 위상 시프트는 안테나 빔을 제어하는 데 사용된다. 위상 어레이 안테나는 각 요소에서 가변 위상 또는 시간 지연을 가져 빔이 상기한 각도로부터 스캔되도록 공급되는 다수의 요소를 가진다. 다수의 요소는 더 낮은 사이드 로브(sidelobe)를 가진 방사 패턴을 제공하여 신중한 빔 성형을 가능하게 한다. 보다 지향적이고 효율적인 작동을 위해 빔을 재배치할 수 있다.
본 발명은 위상을 변경하는데 필요한 능동 소자 없이 또는 전통적인 방식으로 위상 시프트를 제공하는 MTM 안테나 구조물을 제공한다. 다양한 실시예의 MTM 안테나 구조물은 메타 물질 형상 및 구성의 특성을 사용하여 기계적 또는 전기적 위상 시프터를 사용하지 않고 위상 시프트를 제공한다.
MTM 안테나 구조물(1000)의 일례가 도 10에 도시되어 있으며, 신호원은 접지면(1002)에 연결된 프로브(1004)로서 제공된다. 프로브(1004)는 변조된 EM 파형을 생성하기 위해 MTM 안테나 구조물(1000)에 대한 소스 신호를 공급한다. 접지면층(1002) 위에 제 2 층(1006)이 배치된다. 제 2 층(1006)은 유전체 재료로 이루어지고, 그 위에 구성된 안테나 구조물(1008)을 갖는다. 이 안테나 구조물(1008)은 소스 신호를 수신하고 MTM층(1010)을 충족시키기 위해 비교적 평탄한 파면(wave front)을 생성하도록 설계된다. 안테나 구조물(1008)은 다이폴 안테나 또는 제 2 층(1006) 전체에 걸쳐 비교적 균일하고 평탄한 파면을 생성할 수 있는 임의의 다른 안테나일 수 있다.
2층 프로브 공급 MTM 안테나 구조물(1100)인 다른 실시예가 도 11에 도시되어 있다. 도 10의 예에서와 같이, 프로브(1104)는 신호를 접지면층(1102)에 공급한다. 본 실시예에서, MTM 안테나 구조물(1106)은 중간층 없이 접지면 위에 배치된다. 소스 신호는 접지면층(1102)에 걸쳐 분포되어 비교적 평평한 파형이 MTM 안테나 구조물(1106)에 제공된다. 그 다음 MTM 안테나 구조물(1106)은 본 명세서에 기술된 바와 같이 전송 신호를 방사하며, 여기서 각 단위 셀은 개별적으로 전송되거나 서브 어레이로서 전송될 수 있다.
현재의 기술은 다양한 카메라, 레이저, 레이더, 온도 및 기타 센서를 포함할 수 있는 자동차와 같은 다양한 센서를 제공한다. 도 12에 도시된 바와 같이, 센서 융합 제어기(1210)는 시스템(1200) 내의 다양한 센서의 동작을 조정하고 제어한다. MTM 안테나 센서(1202)는 자동차 경로에서 검출된 물체에 관한 정보를 제공하고, 아직 트리거 또는 검출되지 않은 다른 센서에 사전 정보를 제공할 수 있다. 이 정보는 자동차 내의 다른 모듈 및 제어기가 동작을 준비하는 데 도움이 될 수 있다. 이것은 센서 융합 제어기(1210)에 의해 자동차를 효과적으로 사전 구성한다.
도시된 바와 같이, 시스템(1200)은 가시 물체 및 조건을 검출하고 사용자가 차량을 보다 잘 제어할 수 있게 하는 후방 카메라에 사용되는 카메라 센서(1204)를 포함한다. 카메라 센서(1204)는 사용자 또는 운전자에게 보이지 않는 일부를 포함하는 다양한 기능을 위해 사용될 수 있다. 기반 시설 센서(1206)는 스마트 도로 구성, 광고판 정보, 교통 신호 및 신호등, 정지 신호, 교통 경고 등을 포함하는 지시자로부터와 같은, 운전중 기반 시설로부터의 정보를 제공할 수 있다. 이것은 성장 분야이며, 이 정보로부터 파생된 용도와 기능은 어마어마하다. 환경 센서(1218)는 온도, 습도, 안개, 가시성, 강수량 등과 같은 외부의 다양한 조건을 감지한다. 레이저 센서(1212)는 차량 외부의 아이템을 검출하고 이 정보를 제공하여 차량의 제어를 조정한다. 이 정보는 고속도로의 혼잡, 도로 상황 및 센서, 차량의 동작 또는 작동에 영향을 미칠 기타 조건과 같은 정보도 제공할 수 있다. 센서 융합 제어기(1210)는 이러한 다양한 기능을 최적화하여 차량 및 환경에 대한 종합적인 관점을 개략적으로 제공한다.
도 12를 계속하면, V2V 통신이라 부르는, 다른 차량과 통신하기 위한 통신 모듈(1208)이 제공된다. 이 정보는 사용자, 운전자 또는 운전자에게 보이지 않는 정보를 포함할 수 있으며, 사고를 피하기 위해 차량이 조정하는 것을 도울 수 있다. 조작 센서(1214)는 차량의 기능 조작에 관한 정보를 제공한다. 이것은 타이어 압력, 연료량, 브레이크 마모 등일 수 있다. 사용자 선호도 센서(1216)는 사용자 선호도의 일부인 조건을 검출하도록 구성될 수 있다. 이것은 온도 조정, 스마트 창 음영 등일 수 있다.
많은 유형의 센서가 센서 융합 제어기(1210)에 의해 제어될 수 있다. 이들 센서는 서로 협력하여 정보를 공유하고 한 제어 동작이 다른 시스템에 미치는 영향을 고려할 수 있다. 일 예에서, 혼잡한 운전 조건에서, 소음 검출 모듈(미도시)은 당신의 차량을 방해할 수 있는 다수의 레이더 신호가 있다는 것을 식별할 수 있다. 이 정보는 이러한 다른 신호를 피하고 간섭을 최소화하기 위해 MTM 안테나 센서(1202)의 빔 크기를 조정하기 위해 IAM(1250)에 의해 사용될 수 있다.
환경 센서(1218)는 날씨가 변하고 가시성이 감소하고 있다는 것을 검출할 수 있다. 이 상황에서, 센서 융합 제어기(1210)는 이러한 새로운 조건을 탐색하는 차량의 능력을 향상시키기 위해 센서를 구성하도록 결정할 수 있다. 동작에는 카메라 또는 레이저 센서를 끄거나 가시성 기반 센서의 샘플링 속도를 줄이는 것이 포함될 수 있다. 이것은 현재 상황에 맞게 조정된 센서(들)에 효과적으로 의존하게 한다. 이에 응답하여, IAM(1250)은 이들 조건에 대해서도 MTM 안테나 센서(1202)를 구성한다. 예를 들어, MTM 안테나 센서(1202)는 빔 폭을 감소시켜서, 보다 포커싱된 빔과, 그에 따른 보다 미세한 감지 능력을 제공할 수 있다.
일부 실시예에서, 센서 융합 제어기(1210)는 이력 조건 및 제어에 기초하여 IAM(1250)에 직접 제어를 전송할 수 있다. 센서 융합 제어기(1210)는 또한 시스템(1200) 내의 일부 센서를 사용하여 다른 센서에 대한 피드백 또는 보정으로서 작용할 수 있다. 이러한 방식에서, 조작 센서(1214)는 템플릿, 패턴 및 제어 시나리오를 생성하기 위해 IAM(1250) 및/또는 센서 융합 제어기(1210)에 피드백을 제공할 수 있다. 이들은 성공적인 행동에 기초하거나 열악한 결과에 기초할 수 있으며, 센서 융합 제어기(1210)는 과거의 동작으로부터 학습한다.
도 13 및 도 14는 센서 융합 제어기(1210)에서 구현된 프로세스 및 센서 판독에 기초한 동작을 도시한다. 도 13에서, 프로세스(1300)는 도 12의 시스템(1200)과 같은 시스템(1302) 내의 임의의 센서로부터 신호가 수신되는지를 관찰한다. 신호가 수신되지 않으면 프로세스는 센서 신호를 계속 수신한다. 신호가 수신되면(단계 1302), 센서 융합 제어기(1210)는 센서로부터 수신된 정보 유형을 포함하는 센서 파라미터를 결정한다(단계 1304). 이 정보는 차량에 의해 취해진 동작에 관한 분석을 위해 저장되어, 지능적이고 유연하며 역동적인 제어를 가능하게 할 수 있다. 그 후 프로세스(1300)는 센서 융합 제어기(1210)에 의해 저장된 데이터와 수신된 신호를 계속해서 비교하며(단계 1306), 이러한 데이터는 메모리(미도시)에 저장되거나, 클라우드 데이터베이스 및 시스템(미도시)과 같은 네트워크화된 저장소에 저장될 수 있다. 이 지점에서, 제어 동작이 단계 1308에서 지시되면, 프로세스는 계속해서 이 제어 동작 및/또는 센서로부터 수신된 정보가 이 동작 또는 다른 동작에 대한 조기 검출을 제공할지를 결정한다. 이 조기 감지 검사(단계 1310)는 전체 센서 에코 시스템이 시스템(1200) 내의 임의의 센서로부터의 정보를 활용할 수 있게 한다. 센서 정보가 조기 감지를 위해 사용될 수 있으면(단계 1310), 정보는 하나 이상의 모듈로 전송되거나(단계 1312), 현재 시나리오에서 데이터 포인트로서 메모리에 저장된다. 시스템은 지시된 동작을 수행하고(단계 1314), 단계 1302에서 신호를 청취하기 위해 복귀한다. 정보가 단계 1310에서 조기 검출에 사용되지 않으면, 프로세스는 단계 1314에서 지시된 동작을 계속한다. 단계 1308에서 제어 동작이 지시되지 않으면, 프로세스는 센서 신호를 청취하기 위해 복귀한다.
도 14는 단계 1402에서의 동작을 위해 센서 융합 제어기(1210)가 센서 및 제어를 구성하는 일부 실시예에 따른 다른 프로세스(1400)를 도시한다. 이는 동적 단계일 수 있고, 또는 지속적 구성일 수 있다. 단계 1404에서 MTM 안테나 센서(1202)에 의해 물체가 검출되면, 프로세스(1400)는 그 정보를 사용하여 안테나 위치에 대한 물체에 관한 세부 사항을 계산하거나 결정한다. 도달각(AoA : angle of arrival)은 전송각과 비교되거나, MTM 안테나 센서(1406)의 서브 어레이에 맵핑된다(단계 1406). 이 정보는 2D 또는 3D 공간에서 검출된 물체의 위치를 결정하는데 사용된다(단계 1408). 안테나에서 물체까지의 범위 또는 거리는 레이더 칩 지연의 함수이다(단계 1410). MTM 안테나 센서(1202) 및 다른 센서로부터의 정보는 물체의 실루엣 및/또는 족적을 결정하는데 사용된다(단계 1412). 선택적으로, 센서(들)로부터의 정보는 재료 등에 따라 물체의 물체 서명을 제공할 수 있다(단계 1414). 이것은 물체의 반사율의 지표일 수 있다. 물체 서명은 물체에 대한 보다 자세한 이해로, 치수, 무게 등을 제공할 수 있다. 센서 융합 제어기(1210)는 제어 동작을 결정하기 위해 센서 정보에 액세스하고(단계 1416), 동작을 취하도록 지시한다(단계 1418).
다양한 정보가 MTM 안테나 센서(1202)로부터 결정되고, 이러한 정보는 변조 파형 및 기술, 주파수, 처프 지연, 수신 신호의 주파수 변화 등의 함수일 수 있다. 사용된 특정 방사선 패턴은 응용에 따라 특정 목표를 달성하도록 제작될 수 있다. 센서 융합 제어기(1210)는 그러한 제어가 시스템을 최적화하여 필요한 프로세스를 감소시킬 수 있게 한다. 예를 들어, MTM 안테나 센서(1202)는 센서의 수 및/또는 각 센서의 활성 시간을 감소시키기 위해 사용될 수 있다. 이러한 방식에서, 특정 조건에서 일부 센서가 비활성화되고, 그 조건의 변경되면 활성화될 수 있다.
일 시나리오에서, MTM 안테나 센서(1202)는 다른 물체 검출 센서 대신에 사용될 수 있으며, 방사 파형이 FMCW 신호로서 전송되고, 주파수는 근거리, 중간 범위 및 장거리에서 데이터를 캡처하기 위해 변조된다. 도 15는 파형(1505)을 도시하고, 여기서 파형 1, 파형 2 및 파형 3의 진폭은 시간에 따라 상이하다.

Claims (20)

  1. 차량 내의 안테나 구조물로서,
    신호원과,
    상기 신호원으로부터 입력 신호를 수신하도록 구성된 접지면 층(ground plane layer)과,
    상기 신호원 및 상기 접지면 층의 위에 배치된 유전체 층과,
    상기 유전체 층의 위에 배치되어 상기 신호원으로부터 수신된 신호를 방사하는 메타 물질 층 - 상기 메타 물질 층은 복수의 서브 어레이로 구성될 수 있는 복수의 메타 물질 단위 셀을 포함함 - 을 포함하며,
    상기 복수의 서브 어레이 중 하나의 서브 어레이는 상기 차량의 경로에서 검출된 물체에 기초하여 상이한 수의 메타 물질 단위 셀을 포함하도록 구성되는
    안테나 구조물.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 안테나 구조물은 지능형 안테나 메타 물질 인터페이스(IAM) 구조물에 연결되어 상기 안테나 구조물의 동작 파라미터를 제어하고, 상기 동작 파라미터는 상기 복수의 메타 물질 단위 셀에 인가되는 적어도 하나의 세트의 전압을 포함하는
    안테나 구조물.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 IAM 구조물은 상기 차량의 상기 경로 내의 상기 물체를 검출하는 물체 검출 모듈을 포함하고, 상기 IAM 구조물은 상기 검출된 물체의 위치에 기초하여 빔을 조정하도록 상기 복수의 서브 어레이 중 적어도 하나를 구성하는
    안테나 구조물.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 서브 어레이는 상기 물체가 이동하는 방향에 기초하여 구성가능한 복수의 서브 어레이를 포함하는
    안테나 구조물.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 서브 어레이는 다음 행동를 예상하도록 미리 구성되는
    안테나 구조물.
  6. 차량 내의 안테나 시스템으로서,
    안테나 구조물을 포함하며,
    상기 안테나 구조물은,
    신호원과,
    상기 신호원으로부터 입력 신호를 수신하도록 구성된 접지면 층과,
    상기 신호원 및 상기 접지면 층 위에 배치된 유전체 층과,
    상기 유전체 층 위에 배치된 메타 물질 단위 셀의 어레이 - 상기 메타 물질 단위 셀의 어레이는 복수의 서브 어레이로 구성될 수 있음 - 와,
    상기 안테나 구조물에 연결되어 수신된 에코에 기초하여 상기 복수의 서브 어레이로부터 방사된 신호의 빔 폭을 제어하는 제어기를 포함하고,
    상기 복수의 서브 어레이 중 하나의 서브 어레이는 상기 차량의 경로 내에서 검출된 물체에 기초하여 상이한 수의 메타 물질 단위 셀을 포함하도록 구성되는
    안테나 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 안테나 구조물에 대한 스위프 시간에 기초하여 미리 구성된 빔 폭을 갖는 신호를 방사하도록 상기 복수의 서브 어레이의 적어도 하나의 서브 어레이를 미리 구성하는
    안테나 시스템.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 제어기는 변화하는 날씨 및 가시성 조건에 기초하여 상기 방사된 신호의 빔 폭을 변경하는
    안테나 시스템.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 입력 신호를 수신하도록 구성된 접지면 층(ground plane layer)과,
    상기 접지면 층 위에 배치되고 방사 구조를 갖는 유전체 층과,
    상기 유전체 층 위에 배치된 메타 물질 층―상기 메타 물질 층은 서브 어레이로 구성될 수 있는 메타 물질 단위 셀의 어레이를 포함하고, 상기 서브 어레이는 검출된 물체에 응답하여 상이한 수의 메타 물질 단위 셀을 포함하도록 구성됨 - 을 포함하는
    안테나 구조물.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 방사 구조는 상기 메타 물질 층을 충족시키도록 상기 유전체 층에 걸쳐 평탄한 파면(wave front)을 생성하는
    안테나 구조물.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 메타 물질 단위 셀은 위상 시프트를 제공하도록 메타 물질 형상 및 구성을 포함하는
    안테나 구조물.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 메타 물질 단위 셀은 상기 안테나 구조물의 시야(field of view)에 기초하여 빔 포커스를 조정하도록 적어도 하나의 제어가능한 동작 파라미터를 포함하는
    안테나 구조물.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 안테나 구조물은 차량의 제어를 위한 복수의 센서에 연결되는
    안테나 구조물.
  16. 제 11 항에 있어서,
    상기 서브 어레이는 다수의 전송 빔용으로 구성되는
    안테나 구조물.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 복수의 센서는 카메라 센서, 레이저 센서, 조작 센서, 기반 시설 센서, 사용자 선호도 센서 및 환경 센서 중 적어도 하나를 포함하는
    안테나 구조물.
  18. 제 11 항에 있어서,
    상기 접지면 층에 연결된 안테나 프로브 공급 구조물을 더 포함하는
    안테나 구조물.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 안테나 프로브 공급 구조물은 평탄한 파면을 생성하도록 입력 신호를 공급하는
    안테나 구조물.
  20. 제 11 항에 있어서,
    상기 메타 물질 유닛 셀의 상기 어레이의 각각의 메타 물질 유닛 셀은 입력 신호를 개별적으로 방사하는
    안테나 구조물.
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