KR102407898B1 - 넓은 빔폭을 출력하기 위한 블랙 박스용 안테나 장치 - Google Patents

넓은 빔폭을 출력하기 위한 블랙 박스용 안테나 장치 Download PDF

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Abstract

넓은 빔폭을 출력하기 위한 블랙 박스용 안테나 장치를 개시한다.
본 실시예는 두 개의 어레이 안테나 장치 간이 기 설정된 임계치 이하의 간격으로 좁게 배치하여 두 개의 어레이 안테나 각각으로 동작할 때 빔폭이 넓어지도록 하며, 하나의 스위치만을 연결하여 두 개의 어레이 안테나 중 하나의 어레이 안테나만 동작하도록 하는 넓은 빔폭을 출력하기 위한 블랙 박스용 안테나 장치를 제공한다.

Description

넓은 빔폭을 출력하기 위한 블랙 박스용 안테나 장치{Antenna Apparatus for Outputting Wide Beam}
본 발명의 일 실시예는 어레이 안테나 배치를 이용하여 넓은 빔폭을 출력하기 위한 블랙 박스용 안테나 장치에 관한 것이다.
이하에 기술되는 내용은 단순히 본 실시예와 관련되는 배경 정보만을 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것이 아니다.
최근 들어, 블랙박스의 이용이 대중화되면서, 대부분의 차량 내에 블랙박스가 구비되고 있는 추세이다. 블랙박스는 차량의 시동이 온된 상태에서 주행영상을 촬영하여 저장하거나 차량의 시동이 오프되더라도 주차된 상태에서 주차영상을 촬영하여 저장한다.
블랙박스는 촬영된 영상 내에서 객체(차량 번호판 등)를 식별하기 위해서 고화질로 영상을 촬영해야하므로, 촬영된 영상의 파일 사이즈가 증가하게 되어 많은 저장용량을 차지하게 된다. 블랙박스는 주행 영상 또는 주차 영상을 저장할 때, 내부 스토리지의 저장용량 때문에, 먼저 저장된 영상을 삭제하고 새로운 영상을 저장한다.
운전자 입장에서는 사고 또는 충격이 발생한 영상뿐만 아니라, 위협운전, 보복운전, 불법신고를 위해서는 블랙박스를 직접 조작하여 해당 사건이 발생하는 순간의 영상을 수동으로 별도의 저장폴더에 저장하도록 선택해야 한다. 하지만, 운전중에 운전자가 블랙박스를 직접 조작하여 사건이 발생하는 순간의 영상을 저장하기는 어렵고 사고의 위험성이 존재하는 문제가 있다.
전형적으로 블랙박스에 사용되는 레이더 센서는 자동차의 주위 영역 내의 물체 또는 장애물을 검출하기 위해 사용된다. 레이더 센서는 구비된 송신 안테나를 이용하여 전자기파의 형태로 송신 신호를 방출한다.
레이더 센서는 방출된 송신 신호가 주위 영역 내의 물체 상에서 반사된 반사 신 신호를 수신 안테나로 수신한다.
레이더 센서는 반사 신호를 기반으로 자동차의 위치, 속도 및 각도를 획득한다. 레이더 센서는 반사 신호를 분석할 때, 수평각, 방위각, 수직각을 모두 확인한다.
레이더 센서는 2 개의 송신 안테나를 포함한다. 송신 안테나는 그 동작방향이 고도 및 방위에 있어서 서로 다르다. 레이더 센서는 적응 주행 제어장치(automatic adaptive cruise control), 차선 변경 보조장치 등의 자동차의 운전자 보조 시스템에 적용될 수 있다. 비상 자동 제동 보조장치는 레이더 센서로부터 수신된 반사 신호를 기반으로 장애물, 자동차 충돌 임박 정보를 수신하여 자동 비상 자동 제동 절차를 수행할 수 있다.
레이더 센서에 적용되는 종래의 안테나는 카세그레인 혼(Cassegrain Horn), 렌즈(lens), 접시형 반사기(Parabolic Reflector)를 이용하고, 비교기(Comparator; sum and difference network) 부분은 도파관(Waveguide)을 이용한 방법이 주로 사용되었다. 종래의 안테나 구조는 크기가 크고, 무겁고, 복잡하며, 비용이 비싸고, 평면형 마이크로파(Microwave) 부품들과 같이 집적하기 어렵다는 문제가 있다.
본 실시예는 하나의 스위치로 동작 모드가 제어되는 두 개의 어레이 안테나 장치 간격이 기 설정된 임계치 이하의 간격으로 좁게 배치하여 넓은 빔폭을 출력하도록 하는 넓은 빔폭을 출력하기 위한 블랙 박스용 안테나 장치를 제공하는 데 목적이 있다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 차량용 블랙박스에 탑재되어 기 설정된 영역으로 레이더 신호를 송출하는 Tx 안테나; 상기 기 설정된 영역 내에 존재하는 객체로부터 상기 레이더 신호에 대응하여 반사되는 반사 신호를 수신하는 Rx 안테나; 상기 Rx 안테나는, 상기 반사 신호를 수신하는 복수의 안테나를 포함하는 제1 어레이 안테나(Rx Array Antenna1); 상기 반사 신호를 수신하는 복수의 안테나를 포함하는 제2 어레이 안테나(Rx Array Antenna2); 상기 제1 어레이 안테나와 상기 제2 어레이 안테나 간의 신호를 스위칭하는 비교기(Switchable Comparator)를 포함하며, 상기 제1 어레이 안테나와 상기 제2 어레이 안테나는 서로 대칭적으로 배치되며, 상기 제1 어레이 안테나와 상기 제2 어레이 안테나 간의 간격을 기 설정된 임계치 미만으로 좁게 배치하여, 상기 제1 어레이 안테나와 상기 제2 어레이 안테나가 커플링(Coupling)되어 빔폭이 넓어지도록 하는 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 블랙 박스용 안테나 장치를 제공한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 실시예에 의하면, 블랙 박스용 안테나 장치 내의 하나의 스위치로 동작 모드가 제어되는 두 개의 어레이 안테나 장치 간격이 기 설정된 임계치 이하의 간격으로 좁게 배치하여 넓은 빔폭을 출력하도록 하는 효과가 있다.
본 실시예에 의하면, 블랙 박스용 안테나 장치 내의 두 개의 어레이 안테나가 동시에 동작할 때 차 모드의 빔폭이 넓어지도록 하여, 하나의 어레이 안테나만 동작하는 1 모드와 빔 합성 시, 넓은 빔폭을 가지며 하나의 스위치로 두 개의 모드를 운용할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 실시예에 따른 블랙박스 내 안테나의 전방 및 측방 빔을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 실시예에 따른 모노 펄스 안테나의 빔 패턴을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 실시예에 따른 두 개의 어레이 안테나 간격을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 실시예에 따른 안테나의 빔 패턴을 나타낸 도면이다.
도 5a,b는 본 실시예에 따른 모드별 빔 패턴을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 실시예에 따른 비교기 구조를 나타낸 도면이다.
도 7a,b은 본 실시예에 따른 반사 손실과 삽입 손실을 나타낸 도면이다.
도 8a,b은 본 실시예에 따른 블랙박스의 안테나 부분을 나타낸 도면이다.
도 9a,b은 본 실시예에 따른 송수신 안테나 방위각을 나타낸 도면이다.
도 10a,b은 본 실시예에 따른 전방 목표물 감지를 나타낸 도면이다.
도 11a,b은 본 실시예에 따른 측방 목표물 감지를 나타낸 도면이다.
이하, 본 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 실시예에 따른 블랙박스 내 안테나의 전방 및 측방 빔을 나타낸 도면이다.
차량에 설치된 블랙박스(110)는 차량이 주차 또는 주행 상태에 있을 때, 만일의 사고 상황을 대비하여, 근거리에 있는 전방, 측방의 움직이는 물체를 감지하고 영상을 기록한다.
블랙박스(110)는 물체 감지를 위해 FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave) 레이더 신호를 송출하기 위한 안테나 장치(300)를 포함한다. 블랙박스(110)는 차량의 전방뿐만 아니라 측방도 감지해야 하기 때문에 보다 넓은 빔폭을 수신할 수 있는 안테나 장치(300)를 탑재한다. 본 실시예에 따른 안테나 장치(300)는 모노 펄스 안테나 구조를 갖는다.
블랙박스(110)는 차량이 주차 또는 주행 상태에서 만일의 사고 상황을 대비하기 위해 영상을 기록하는 과정에서, 전방뿐 아니라 측방의 움직이는 물체를 감지할 때, 모노 펄스 안테나 구조가 적용된 광각 안테나를 이용하여 보다 넓은 영역에 존재하는 객체를 감지할 수 있다. 블랙박스(110)는 레이더 신호를 방출하고 주위 영역 내의 물체 상에서 반사된 반사 신 신호를 수신한다.
도 2는 본 실시예에 따른 모노 펄스 안테나의 빔 패턴을 나타낸 도면이다.
안테나의 빔은 전기적 방식, 기계적 방식으로 조절된다. 기계적 방식은 부피가 크며, 고속으로 빔 스캐닝을 필요로 하는데 적합하지 않다. 전기적 방식은 위상 어레이(Phased Array)가 주로 사용되며 일반적으로 위상 천이기(Phase Shifter)로 구현된다. 위상 천이기는 삽입손실을 가지며, 상대적으로 고가이다.
보다 단순한 구조의 위상 어레이 안테나로 동위상(In Phase)과 역위상(Out of Phase) 급전을 이용하여 합(Sum) 빔 패턴과 차(Difference) 빔 패턴을 형성 방식의 모노 펄스 안테나가 존재한다.
이때, 위상 천이기는 비교기(Comparator) 역할을 수행하며 링 하이브리드 커플러(Ring Hybrid Coupler) 또는 브랜치 라인 커플러(Branchline Coupler) 등의 커플러를 사용하여 구현할 수 있다. 단순히 기판에 해당 패턴을 추가하면 되기 때문에 일반적인 위상 천이기에 비해 저렴하다. 모노 펄스 안테나는 합 빔 패턴과 차 빔 패턴을 이용하여 물체 감지 및 물체의 도래각을 추적하는 안테나를 의미한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 모노 펄스 안테나는 주엽 영역에서 합 빔 패턴과 차 빔 패턴의 차이는 도래각(AoA, Angle of Arrival)과 선형적인 관계에 있으므로, 합 빔 패턴과 차 빔 패턴을 이용해 물체가 위치한 도래각을 추정할 수 있다.
모노 펄스 안테나에 사용되는 합차의 비교기(Comparator)는 스위치형 비교기(830)가 적용될 수 있다.
합 빔 패턴과 차 빔 패턴은 앙각(Elevation) 또는 방위각(Azimuth)만 감지하는 경우(1-D), 2Rx 구조, 1Rx 구조를 가질 수 있다. 각 어레이에서 합 빔과 차 빔을 수신하기 위해 2Rx 수신기 구조와 합 빔과 차 빔을 스위칭하여 수신하는 1Rx 구조가 있으며, 스위칭시에는 다이오드를 필요로 한다.
도 3은 본 실시예에 따른 두 개의 어레이 안테나 간격을 나타낸 도면이다.
일반적인 안테나 장치는 동위상(In Phase) 신호 급전시 차(difference) 빔 패턴, 역위상(Out of Phase) 신호 급전시 합 빔 패턴을 형성하는데, 본 실시예에 따른 블랙박스(110)에 적용되는 안테나 장치(300)는 제1 어레이 안테나 장치(300)와 제2 어레이 안테나 장치(300)를 대칭적으로 배치하는 구조를 갖는다. 제1 어레이 안테나 장치(300)와 제2 어레이 안테나 장치(300)는 어레이 간 간격이 기 설정된 임계치(λ/2) 미만으로 약 λ/12의 안테나 간 간격의 가까운 거리를 갖도록 배치된다.
안테나 장치(300)는 바람직하게는 24 GHz 대역에 적용되어 레이더를 송수신하는 구조를 갖는다. 안테나 장치(300)는 제1 어레이 안테나(310)와 제2 어레이 안테나(320) 중 하나의 어레이 안테나만 가지고 빈 커버리지를 커버할 수 있다. 차량용 블랙박스용 레이더의 경우 최대한 넓은 광각을 필요로 하는 분야이며, 스위치(640)를 하나만을 사용하여 빔폭이 넓어지도록 광각을 구현한다.
안테나 장치(300)는 빔폭을 넓히기 위해서 제1 어레이 안테나(310)와 제2 어레이 안테나(320) 간의 간격을 줄여서 구현을 했다. 안테나 장치(300)의 면적이 줄이게 되면 안테나가 차지하는 PCB 면적이 줄어들기 때문에 여러 가지 유리한 면이 있다.
본 실시예에 따른 안테나 장치(300)는 제1 어레이 안테나(310)와 제2 어레이 안테나(320) 간의 거리를 기 설정된 임계치 미만으로 가깝게 배치하여 제1 어레이 안테나(310)와 제2 어레이 안테나(320) 간에 커플링이 발생하도록 한다.
도 4는 본 실시예에 따른 안테나의 빔 패턴을 나타낸 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 안테나 장치(300)는 제1 어레이 안테나 장치(300)와 제2 어레이 안테나 장치(300) 간격을 기 설정된 임계치 미만으로 배치하여 커플링(Coupling) 시키는데, 제1 어레이 안테나 장치(300)와 제2 어레이 안테나 장치(300) 모두 동작하는 경우 차 모드(Difference Mode)로 운용되어 보다 큰 광각 빔 패턴을 형성하도록 한다.
안테나 장치(300)는 제1 어레이 안테나(310)와 제2 어레이 안테나(320) 간의 거리를 기 설정된 임계치 미만으로 가깝게 배치하여 커플링이 발생하면 차 모드로 동작할 때 빔폭이 바깥쪽으로 출력되는 빔폭이 도 4에 도시된 바와 같이 넓어 지도록 한다.
일반적인 안테나 구조에서 사용할 때보다 제1 어레이 안테나(310)와 제2 어레이 안테나(320) 간의 거리를 기 설정된 임계치 미만으로 가깝게 배치하여 커플링이 발생한 상태로 차 모드를 운영하면, 안테나의 빔폭이 넓어진다.
안테나 장치(300) 내에 제1 어레이 안테나(310)와 제2 어레이 안테나(320)가 기 설정된 임계치 거리(λ/2)보다 대략 λ/12의 안테나 간 간격으로 거리를 가깝게 배치한다. 안테나 장치(300)는 제1 어레이 안테나(310)와 제2 어레이 안테나(320)가 기 설정된 임계치 거리(λ/2)보다 대략 λ/12의 안테나 간 간격으로 거리를 가깝게 배치하여 제1 어레이 안테나(310)와 제2 어레이 안테나(320) 간에 커플링을 이용해서 차 모드로 동작할 때 빔폭을 넓혀서 출력한다.
도 5a,b는 본 실시예에 따른 모드별 빔 패턴을 나타낸 도면이다.
안테나 장치(300)는 제1 어레이 안테나 장치(300)와 제2 어레이 안테나 장치(300) 간격을 기 설정된 임계치 미만으로 배치된 경우, Σ/Δ 모드로 동작시, -71°~ +71°에서 7.34 dB 이상의 안테나 이득(5-dB gain fluctuation, max Gain 12.3 dB)을 갖는다.
안테나 장치(300)는 제1 어레이 안테나 장치(300)와 제2 어레이 안테나 장치(300) 간격을 기 설정된 임계치 이상으로 배치된 경우, Σ/Δ 모드로 동작시, -58°~ +58°에서 9 dB 이상의 안테나 이득(5-dB gain fluctuation, max Gain 14 dB)을 갖는다.
안테나 장치(300)는 제1 어레이 안테나 장치(300)와 제2 어레이 안테나 장치(300) 간 거리를 기 설정된 임계치 미만으로 배치하여 제1 어레이 안테나 장치(300)와 제2 어레이 안테나 장치(300)를 서로 가깝게 하여 측면에서 7.34 dB 이상의 안테나 이득을 갖는 빔폭을 130°에서 142°로 향상시킨다..
안테나 장치(300)는 PIN 다이오드를 1개만 사용한 1/Δ 모드를 사용한다. 안테나 장치(300)는 Σ 모드로 동작시에 비해 정면에서의 안테나 이득은 다소 감소되지만, 차 모드로 동작은 1/Δ 모드와 Σ/Δ 모드의 경우 이론적으로는 동일하지만, 실제 적용에 있어 1/Δ 모드에서는 1개의 스위치만 사용하기 때문에 2개의 스위치를 사용하는 Σ/Δ 모드에 비해 우수한 진폭 균형 성능을 갖는다.
안테나 장치(300)는 1 모드로 동작할 때, 합 모드(Sum Mode) 대신 제1 어레이 안테나(310)와 제2 어레이 안테나(320) 중 하나의 어레이 안테나만을 사용하여 동작한다.
안테나 장치(300)는 1/Δ 모드 동작시 제1 어레이 안테나 장치(300)와 제2 어레이 안테나 장치(300) 간격을 기 설정된 임계치 미만으로 좁게 배치된 경우, -71°~ +71°에서 7.34 dB 이상의 안테나 이득(3-dB gain fluctuation max Gain 10.4 dB)을 갖는다.
일반적으로 합 빔 패턴 시 두 개의 다이오드를 필요로 하나, 본 실시예에 따른 안테나 장치(300)는 구비된 두 개의 스위치 상태(State)가 다르기 때문에 인버터(Inverter)를 추가로 요구하는데, 1 모드 빔 패턴시 인버터 없이 한 개의 다이오드만을 사용한다.
도 6은 본 실시예에 따른 비교기 구조를 나타낸 도면이다.
비교기(830)에 적용되는 고가의 다이오드를 하나만 적용하여 차 모드에서 동일하게 동작하도록 한다. 비교기(830)에 하나의 다이오드만을 이용하여 합 모드에서 사용하지 않고 1 모드에서만 사용되도록 한다.
다시 말해서, 합 모드를 사용하는 경우, 고가의 다이오드가 두 개 필요하므로 비용을 절감하기 위해 1 모드로만 동작하도록 한다. 합 모드를 사용하는 경우, 정면에서의 안테나 이득이 1 모드보다는 더 클 수 있으나 빔각이 도 4에 도시된 바와 같이 증가한다.
비교기(830)는 위상 천이기를 사용하지 않아 면적을 줄이고, PIN 다이오드를 1 개만 사용하여 비용을 줄이는 1/Δ 모드 빔 패턴을 위한 구조를 갖는다.
일반적인 안테나 장치에 포함된 비교기가 동위상으로 급전하는 모드와 180˚ 위상차가 발생하는 역위상으로 급전하는 모드, 즉 두 가지 모드로 동작해야 합 모드와 차 모드로 각각 동작한다. 일반적인 안테나 장치는 두 가지 모드(합 모드와 차 모드)를 다 운영하려면 복수의 포트마다 각각 스위치를 필요로 한다.
일반적인 안테나 장치에 스위치가 2개 적용되나, 본 실시예에 따른 안테나 장치(300)는 한 개의 스위치(640)만 적용되어 한쪽 방향으로 항상 신호가 출력되도록 하고, 나머지 방향으로는 신호를 온/오프되도록 한다.
안테나 장치(300)는 스위치(640)가 온되는 경우, 분기점에서 제2 어레이 안테나(320)로의 회로가 전기적으로 개방 상태를 만든다. 안테나 장치(300)는 제1 포트(610)로 신호가 급전될 때 제2 포트(620)로만 빔이 출력되도록 한다.
안테나 장치(300)는 스위치(640)가 온되어 제1 어레이 안테나(310)와 제2 어레이 안테나(320) 간의 일부인 다이오드가 온되고, 전송 선로를 포함한 다이오드 네트워크(640)가 단락되어 제1 어레이 안테나(310)로만 동작하는 방식을 1 모드라 칭한다.
안테나 장치(300)는 스위치(640)가 오프 되어 제1 어레이 안테나(310)와 제2 어레이(320) 안테나 간의 회로가 연결되면서, 제1 어레이 안테나(310)와 제2 어레이(320) 안테나로 각각 신호가 분기되어 출력되도록 한다.
안테나 장치(300)는 스위치(640)가 오프되어 제1 어레이 안테나(310)와 제2 어레이 안테나(320) 간의 회로가 연결되면서, 제1 어레이 안테나(310)와 제2 어레이(320) 안테나로 각각 신호가 분기되어 출력되는 동작하는 방식을 차 모드라 칭한다.
다시 말해, 안테나 장치(300)는 제1 어레이 안테나(310)와 제2 어레이 안테나(320)가 서로 마주보고 있기 때문에, 동위상으로 급전되면 빔을 서로 밀어내서 차 모드로 동작하도록 한다.
안테나 장치(300)는 스위치(640)가 온되어 회로의 일부가 끊어지면 1 모드로 동작하도록 한다. 안테나 장치(300)는 스위치(640)가 오프되면 회로가 연결되면서 두 신호가 각각 출력되는 차 모드로 동작하도록 한다.
안테나 장치(300)에 사용된 다이오드는 K 대역에서 사용 가능한 PIN 다이오드(예컨대, Beamlead PIN diode)가 적용된다.
Vctl이 온(on) 되면, A 지점은 단락(Short) 회로로 된다.
θ2가 90°이기 때문에, B 지점에서 제3 포트(630)를 바라본 임피던스는 개방 회로가 된다.
제1 포트(610)에 급전된 신호는 제2 포트(620)로 전달된다.
Vctl이 오프(off) 되면, A 점에서 다이오드를 바라본 임피던스는 오픈되기 때문에, 제1 포트(610)로 급전된 신호는 제2 포트(620)와 제3 포트(630)로 동일한 전력이 전달된다.
B 지점에 연결된 적절한 특성 임피던스 Z1(예컨대 41.5 Ω)를 갖는 선로는 λ/4 임피던스 변환기 1/Δ 모드 에서 제1 포트(610)는 임피던스 정합을 이룰 수 있다.
비교기(830)는 바이패스 캐패시터, 저항, 전송 선로를 포함하는 DC 바이어스 네트워크로 구성된다.
전송 선로는 λ/4 라디얼 스터브와 λ/4 길이의 선로로 구성하여 동작 주파수에서 개방 회로가 되도록 한다. DC 바이어스 네트워크의 저항은 PIN 다이오드에 인가되는 전류를 제어한다.
비교기(830)의 회로상에 구성된 제1 결합 선로 통과대역필터(Coupled line BPF)(660)는 제1 포트(610)(급전부)로의 DC 신호의 유입을 차단한다. 제2 결합 선로 통과대역필터(662)는 제2 포트(620)와 제1 어레이 안테나(310)로의 DC 신호의 유입을 차단한다. 제3 결합 선로 통과대역필터(664)는 제3 포트(630)와 제2 어레이 안테나(320)로의 DC 신호의 유입을 차단한다.
제1 포트(610)는 제1 결합 선로 통과대역필터(660)의 일단과 연결된다. 제1 결합 선로 통과대역필터(660)의 일단은 제1 포트(610)와 연결된다. 제1 결합 선로 통과대역필터(660)의 타단은 제1 임피던스 변환기(670)의 일단과 연결된다. 제1 임피던스 변환기(670)의 일단은 제1 결합 선로 통과대역필터(660)의 타단과 연결된다. 제1 임피던스 변환기(670)의 타단은 분기점 B를 기점으로 제2 임피던스 변환기(672)의 일단 및 제3 임피던스 변환기(674)의 일단으로 각각 연결된다.
제2 임피던스 변환기(672)의 일단은 분기점 B를 기점으로 제1 임피던스 변환기(670)의 타단에 연결된다. 제2 임피던스 변환기(672)의 타단은 제2 결합 선로 통과대역필터(662)의 일단에 연결된다. 제2 결합 선로 통과대역필터(662)의 일단은 제2 임피던스 변환기(672)의 타단에 연결된다. 제2 결합 선로 통과대역필터(662)의 타단은 제2 포트(620)의 일단에 연결된다. 제2 포트(620)의 일단은 제2 결합 선로 통과대역필터(662)의 타단에 연결된다. 제2 포트(620)의 타단은 제1 어레이 안테나(310)와 연결된다.
입력단(650)은 제3 임피던스 변환기(674)의 제어 입력단에 연결된다.
제3 임피던스 변환기(674)의 일단은 분기점 B를 기점으로 제1 임피던스 변환기(670)의 타단에 연결된다. 제3 임피던스 변환기(674)의 타단은 제3 결합 선로 통과대역필터(664)의 일단에 연결된다. 제3 결합 선로 통과대역필터(664)의 일단은 제3 임피던스 변환기(674)의 타단에 연결된다. 제3 결합 선로 통과대역필터(664)의 타단은 제3 포트(630)의 일단에 연결된다. 제3 포트(630)의 일단은 제3 결합 선로 통과대역필터(664)의 타단에 연결된다. 제3 포트(630)의 타단은 제2 어레이 안테나(320)와 연결된다.
‘1 모드’ 동작 과정은 다음과 같다.
입력단(650)으로 제어전압 (Vctl)이 인가되면, 스위치(640)의 다이오드가 온 으로 동작한다. 스위치(640)의 다이오드 네트워크가 단락 회로로 동작하여 A 지점을 단락시킨다. A-B 사이의 TL2의 길이는 λ/4이므로, 분기점 B에서 제2 어레이 안테나(320) 방향을 바라본 임피던스가 개방된다. 제1 포트(610)로부터 급전된 신호는 분기점 B에서 제1 어레이 안테나(310)로만 흐르게 된다. 제1 어레이 안테나(310)만 동작하며, 안테나는 ‘1 모드’의 빔 패턴을 갖는다.
‘차 모드’ 동작 과정은 다음과 같다.
입력단(650)으로 제어전압 (Vctl)이 오프되면, 스위치(640)의 다이오드가 오프로 동작한다. 스위치(640)의 다이오드 네트워크가 개방 회로로 동작하여 A 지점을 개방시킨다. 분기점 B에서 제1 어레이 안테나(310), 제2 어레이 안테나(320) 각각을 바라본 임피던스는 동일하다. 제1 포트(610)에 급전된 신호는 분기점 B에서 제1 어레이 안테나(310), 제2 어레이 안테나(320) 각각으로 동일하게 흐르게 된다. 제1 어레이 안테나(310), 제2 어레이 안테나(320)가 동시 동작하며, 안테나 구조는 대칭이므로, 안테나는 차 모드의 빔 패턴을 갖는다. 1 모드와 차 모드 운용 시, 분기점 B에서 임피던스 부정합으로 인한 신호의 손실을 줄이기 위해 λ/4의 제1 임피던스 변환기(670)가 삽입된다.
도 7a,b은 본 실시예에 따른 반사 손실과 삽입 손실을 나타낸 도면이다.
안테나 장치(300)는 차 모드로 동작 시 제1 어레이 안테나(310)와 제2 어레이 안테나(320)의 간격을 기 설정된 임계치(λ/2) 보다 가까운 거리에 배치하여 커플링이 되도록 하여 차 모드에서 빔폭이 넓게 출력되도록 한다.
본 실시예에 따른 안테나 장치(300)가 블랙박스(110)에 적용되어 근거리에서 객체(사람, 차량)을 감지하는 경우, 1 모드로 동작하는 것이 더 적합하다.
안테나 장치(300)는 제1 어레이 안테나(310)와 제2 어레이 안테나(320) 간의 간격을 좁혀서 차 모드로 동작할 때, 빔폭이 넓어지도록 한다. 안테나 장치(300)는 합 모드를 사용하지 아만, 스위치를 두 개 쓰지 않고 하나의 스위치(640)만을 연결하여 1 모드로 하나의 어레이 안테나만 동작하도록 한다.
도 8a,b은 본 실시예에 따른 블랙박스의 안테나 부분을 나타낸 도면이다.
본 실시예에 따른 안테나 장치(300)는 제1 어레이 안테나(310)와 제2 어레이 안테나(320) 간의 결합과 차 빔을 이용한 광각 안테나를 의미한다.
안테나 장치(300)는 블랙박스(110) 내에 탑재되어 주차 시 감시 모드를 사용할 때, 레이더 신호를 방출하는 Tx 안테나(810)와 주변 영역에 존재하는 객체로부터 반사되는 반사 신호를 수신하는 Rx 안테나(820)를 포함한다. 안테나 장치(300)는 광각 안테나로서, 넓은 빔폭을 이용하여 신호를 송수신한다.
일반적인 광각 안테나가 합 모드로 동작할 때 두 빔이 합쳐져서 전방을 방향으로 향해서 빔을 송신한다.
안테나 장치(300)는 제1 어레이 안테나(310)와 제2 어레이 안테나(320)가 서로 대칭이기 때문에 동위상 급전시 제1 어레이 안테나(310)와 제2 어레이 안테나(320)의 빔 패턴은 서로 밀어내는 차 모드 형태가 된다.
일반적인 안테나 장치는 합 모드로 동작할 때, 전방으로 안테나 이득이 커지고, 차 모드로 동작할 때, 측면으로 안테나 이득이 크게 나타난다. 일반적인 안테나 장치는 합 모드와 차 모드를 같이 운용했을 때 광각 형태를 갖는 안테나로 동작한다. 일반적으로 합 차 모드로 동작할 때, 제1 어레이 안테나(310)와 제2 어레이 안테나(320)가 λ/2 거리를 유지하고, 합 모드와 차 모드로 운영하면서 광각 형태의 안테나 빔 패턴을 형성한다.
도 8a에 도시된 자동차 블랙박스(110) 내에 있는 안테나 장치(300)는 도 8b에 도시된 바와 같이 Tx 안테나(810), Rx 안테나(820), 비교기(830)를 포함한다.
Tx 안테나(810)는 다이폴(Dipole)과 같이 빔폭이 넓은 안테나를 사용한다. Tx 안테나(810)는 차량용 블랙박스(110)에 탑재되어 기 설정된 영역으로 레이더 신호를 송출한다.
Rx 안테나(820)는 스위칭 가능한 비교기(Switchable Comparator)(830)의 상태(State)에 따라, 제1 어레이 안테나(310)와 제2 어레이 안테나(320) 중 하나의 어레이 안테나만 동작하는 경우, 1 모드 빔 패턴을 출력한다. Rx 안테나(820)는 비교기(830)의 상태에 따라, 제1 어레이 안테나(310)와 제2 어레이 안테나(320)는 차(Δ, difference) 모드 빔 패턴을 출력된다.
Rx 안테나(820)는 기 설정된 영역 내에 존재하는 객체로부터 레이더 신호에 대응하여 반사되는 반사 신호를 수신한다. Rx 안테나(820)는 제1 어레이 안테나(310), 제2 어레이 안테나, 비교기(830)를 포함한다.
제1 어레이 안테나(310)는 반사 신호를 수신하는 복수의 안테나를 포함한다. 제2 어레이 안테나(320)는 반사 신호를 수신하는 복수의 안테나를 포함한다.
제1 어레이 안테나(310)와 제2 어레이 안테나(320)는 서로 대칭적으로 배치된다. 제1 어레이 안테나(310)와 제2 어레이 안테나(320) 간의 간격을 기 설정된 임계치 미만으로 좁게 배치하여, 제1 어레이 안테나(310)와 제2 어레이 안테나(320)가 커플링(Coupling)되어 빔폭이 넓어지도록 하는 구조를 갖는다.
제1 어레이 안테나(310)와 제2 어레이 안테나(320) 간의 간격을 기 설정된 임계치 미만으로 좁게 배치하여 1-차 모드 동작시 -71°~ +71°의 방위각에서 7.34 dB 이상의 안테나 이득을 갖도록 하며, 빔폭은 142°로 기존 합-차 모드의 빔폭 130°보다 12° 더 넓어지도록 한다.
제1 어레이 안테나(310)와 제2 어레이 안테나(320) 간의 간격을 기 설정된 임계치 미만으로 좁게 배치하여 차 모드 동작시 -71°~ +71°의 방위각에서 7.34 dB 이상의 안테나 이득(5-dB gain fluctuation, max Gain 12.3 dB)을 갖도록 한다.
비교기(830)는 제1 어레이 안테나(310)와 제2 어레이 안테나(320) 간의 신호를 스위칭한다. 비교기(830)는 제1 어레이 안테나(310)와 제2 어레이 안테나(320) 간의 신호를 스위칭하여 제1 어레이 안테나(310)와 제2 어레이 안테나(320) 중 하나만 동작하도록 하는 1 모드로 동작한다.
비교기(830)는 제1 어레이 안테나(310)와 제2 어레이 안테나(320) 간의 신호를 스위칭하여 제1 어레이 안테나(310)와 제2 어레이 안테나(320) 모두 동작하도록 하는 차 모드로 동작한다.
비교기(830)는 제1 어레이 안테나(310)와 제2 어레이 안테나(320) 간에 하나의 스위치(640)만을 연결하여 하나의 스위치(640)만을 동작시켜서 1 모드 또는 차 모드 중 어느 하나로 동작하도록 한다. 여기서, 스위치(640)는 PIN 다이오드가 적용된다.
비교기(830)는 스위치(640)가 온되면 분기점에서 제2 어레이 안테나(320)로의 회로가 전기적으로 개방되면서 1 모드로 동작하도록 한다. 비교기(830)는 스위치(640)가 오프되면 제1 어레이 안테나(310)와 제2 어레이 안테나(320) 간의 회로가 연결되면서 차 모드로 동작하도록 한다.
비교기(830)는 제1 포트(610), 제2 포트(620), 제3 포트(630), 스위치(640)를 포함한다.
제1 포트(610)는 신호를 인가받아 전달한다. 제2 포트(620)는 제1 포트(610)에서 분기되어 제1 어레이 안테나(310)와 연결된다. 제3 포트(630)는 제1 포트(610)에서 분기되어 제2 어레이 안테나(320)와 연결된다. 스위치(640)는 제3 포트(630)에 연결되어 스위칭을 수행한다. 제2 포트(620)는 제1 포트(610)와 θ2(90˚)만큼 차이를 갖도록 설치된다. 제3 포트(630)는 제1 포트(610)와 θ2(90˚)만큼 차이를 갖도록 설치된다.
제3 포트(630)의 입력단으로 전압(Vctl)이 인가되면, 제3 포트(630)와 제1 포트(610)의 연결지점(B지점)을 개방시켜서, 제1 포트(610)로 급전된 신호가 제2 포트(620)로만 출력되도록 한다. 제3 포트(630)의 입력단으로 전압(Vctl)이 미인가되면, 제3 포트(630)와 제1 포트(610)의 연결지점(B지점)을 연결시켜서, 제1 포트(610)로 급전된 신호가 제2 포트(620)와 제3 포트(630)로 동일한 비율로 출력되도록 한다.
제1 포트(610)에서 제2 포트(620) 및 제3 포트(630)로 분기되는 지점(B 지점)에 연결된 전송 선로(670)는 적절한 특성 임피던스 Z1(예컨대, 41.5 Ω)를 갖도록 한다. 비교기(830)는 1-차 모드로 동작할 때, 특성 임피던스 Z1를 갖는 전송 선로(670)는 임피던스 변환기 역할을 하며, 제1 포트(610)가 임피던스 정합을 이루도록 한다.
도 9a,b은 본 실시예에 따른 송수신 안테나 방위각을 나타낸 도면이다.
안테나 장치(300)는 차 모드와 1 모드로 동작한다. 안테나 장치(300)는 하나의 스위치(640)만을 적용하여 생산 단가를 낮출 수 있으며, 우수한 진폭 균형 성능을 갖는다. 안테나 장치(300)는 제1 어레이 안테나(310)와 제2 어레이 안테나(320) 간의 간격을 λ/2보다 줄여서 사용하므로 전체적인 안테나 면적을 줄일 수 있다. 안테나 장치(300)는 안테나간 커플링을 이용한 차 모드 동작시 빔폭이 130˚에서 142˚로 넓어지도록 한다.
도 9a에 도시된 바와 같이, Tx 안테나(810)는 기 설정된 방위각(ψ) 범위로 레이더 신호를 방출한다. 도 9b에 도시된 바와 같이, Rx 안테나(820)는 주위 영역 중 ψ1 -mode의 전방에 위치한 물체 상에서 반사된 반사 신호를 ‘1 모드’로 수신한다. 도 9b에 도시된 바와 같이, Rx 안테나(820)는 주위 영역 중 ψ△-mode의 측면에 위치한 물체 상에서 반사된 반사 신호를 ‘차 모드’로 수신한다.
도 10a,b은 본 실시예에 따른 전방 목표물 감지를 나타낸 도면이다.
도 10a에 도시된 바와 같이, Tx 안테나(810)는 기 설정된 방위각(ψ) 범위 내의 전방 타겟(Target)이 존재하는 경우, 전방에 위치한 타겟으로 레이더 신호를 방출한다. 도 10b에 도시된 바와 같이, Rx 안테나(820)는 주위 영역 중 ψ1 -mode의 전방에 위치한 타겟으로부터 반사된 반사 신호를 ‘1 모드’로 수신한다.
도 11a,b은 본 실시예에 따른 측방 목표물 감지를 나타낸 도면이다.
도 11a에 도시된 바와 같이, Tx 안테나(810)는 기 설정된 방위각(ψ) 범위 내의 측면에 타겟(Target)이 존재하는 경우, 측면에 위치한 타겟으로 레이더 신호를 방출한다. 도 11b에 도시된 바와 같이, Rx 안테나(820)는 주위 영역 중 ψ△-mode의 측면에 위치한 타겟으로부터 반사된 반사 신호를 ‘차 모드’로 수신한다.
이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
110: 블랙박스
310: 제1 어레이 안테나
320: 제2 어레이 안테나
610: 제1 포트
620: 제2 포트
630: 제3 포트
640: 스위치
810: Tx 안테나
820: Rx 안테나
830: 비교기

Claims (5)

  1. 차량용 블랙박스에 탑재되어 기 설정된 영역으로 레이더 신호를 송출하는 Tx 안테나;
    상기 기 설정된 영역 내에 존재하는 객체로부터 상기 레이더 신호에 대응하여 반사되는 반사 신호를 수신하는 Rx 안테나;
    상기 Rx 안테나는,
    상기 반사 신호를 수신하는 복수의 안테나를 포함하는 제1 어레이 안테나(Rx Array Antenna1);
    상기 반사 신호를 수신하는 복수의 안테나를 포함하는 제2 어레이 안테나(Rx Array Antenna2);
    상기 제1 어레이 안테나와 상기 제2 어레이 안테나 간의 신호를 스위칭하는 비교기(Switchable Comparator)
    를 포함하며, 상기 제1 어레이 안테나와 상기 제2 어레이 안테나는 서로 대칭적으로 배치되며, 상기 제1 어레이 안테나와 상기 제2 어레이 안테나 간의 간격을 λ/12 미만으로 좁게 배치하여, 상기 제1 어레이 안테나와 상기 제2 어레이 안테나가 커플링(Coupling)되어 빔폭이 넓어지도록 하는 구조를 가지며,
    상기 제1 어레이 안테나와 상기 제2 어레이 안테나 간의 간격을 상기 λ/12 미만으로 좁게 배치하여 차 모드 동작시 -71°~ +71°의 방위각에서 7.34 dB 이상의 안테나 이득(5-dB gain fluctuation, max Gain 12.3 dB)을 갖도록 하며,
    상기 비교기는 신호를 인가받아 전달하는 제1 포트(Port1); 상기 제1 포트에서 분기되어 상기 제1 어레이 안테나와 연결되는 제2 포트(Port2); 상기 제1 포트에서 분기되어 상기 제2 어레이 안테나와 연결되는 제3 포트(Port3);를 포함하며,
    상기 제2 포트는 상기 제1 포트와 θ2(90˚)만큼 차이를 갖도록 설치되며, 상기 제3 포트는 상기 제1 포트와 θ2(90˚)만큼 차이를 갖도록 설치되며,
    상기 제3 포트의 입력단으로 전압(Vctl)이 인가되면, 상기 제3 포트와 상기 제1 포트의 연결지점(A-B지점)을 단락시켜서, 상기 제1 포트로 급전된 신호가 상기 제2 포트로만 출력되도록 하며,
    상기 제3 포트의 입력단으로 전압(Vctl)이 미인가되면, 상기 제3 포트와 상기 제1 포트의 연결지점(A-B지점)을 연결시켜서, 상기 제1 포트로 급전된 신호가 상기 제2 포트와 상기 제3 포트로 동일한 비율로 출력되도록 하며,
    상기 제1 포트에서 상기 제2 포트 및 상기 제3 포트로 분기되는 지점(B 지점)에 연결된 기 설정된 특성 임피던스 Z1를 갖도록 하며, 상기 비교기는 상기 차 모드로 동작할 때, 특성 임피던스 Z1과 상기 제1 포트가 임피던스 정합을 이루도록 하는 것을 특징으로 하는 블랙 박스용 안테나 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 비교기는,
    상기 제1 어레이 안테나와 상기 제2 어레이 안테나 간의 신호를 스위칭하여 상기 제1 어레이 안테나와 상기 제2 어레이 안테나 중 하나만 동작하도록 하는 1 모드(1 Mode)로 동작하거나
    상기 제1 어레이 안테나와 상기 제2 어레이 안테나 모두 동작하도록 하는 상기 차 모드(Difference Mode)로 동작하는 것을 특징으로 하는 블랙 박스용 안테나 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 비교기는,
    상기 제1 어레이 안테나와 상기 제2 어레이 안테나 간에 하나의 스위치만을 연결하여 상기 하나의 스위치만을 동작시켜서 상기 1 모드 또는 상기 차 모드 중 어느 하나로 동작하도록 하는 것을 특징으로 하는 블랙 박스용 안테나 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 비교기는,
    상기 스위치가 온되면 상기 제1 어레이 안테나와 상기 제2 어레이 안테나 간의 회로 일부를 끊어지면서 상기 1 모드로 동작하도록 하며,
    상기 스위치가 오프되면 상기 제1 어레이 안테나와 상기 제2 어레이 안테나 간의 회로가 연결되면서 상기 차 모드로 동작하도록 하는 것을 특징으로 하는 블랙 박스용 안테나 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 어레이 안테나와 상기 제2 어레이 안테나 간의 간격을 상기 λ/12 미만으로 좁게 배치하여 1-차 모드 동작시 -71°~ +71°의 방위각에서 7.34 dB 이상의 안테나 이득을 갖도록 하며, 빔폭이 130°에서 142°로 빔폭이 넓어지도록 하는 것을 특징으로 하는 블랙 박스용 안테나 장치.

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20120085989A (ko) * 2011-01-25 2012-08-02 주식회사 만도 감지 센서
KR20200076971A (ko) * 2018-12-20 2020-06-30 주식회사 만도 자동차 레이더용 어레이 안테나 구조 및 그 배치 방법

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