KR19990043900A

KR19990043900A - 마이크로 스트립 액티브 안테나를 이용한 전파식 근접감지시스템

Info

Publication number: KR19990043900A
Application number: KR1019970064947A
Authority: KR
Inventors: 이남재
Original assignee: 전주범; 대우전자 주식회사
Priority date: 1997-11-29
Filing date: 1997-11-29
Publication date: 1999-06-15

Abstract

본 발명은 마이크로-스트립 액티브 안테나를 이용한 전파식 근접감지시스템을 제공한다. 상세하게는, 소정 주파수를 갖는 신호를 발진하여 출력하는 신호발생기; 신호발생기로부터 인가되는 신호에 의하여 리액턴스가 변화되어 그 신호를 중심주파수를 갖는 주파수변조된 신호로 변환시키는 버랙터; 소정신호를 자유공간에 방사하고 방사된 신호가 목표물에 반사된 것을 수신하는 공진기와, 입력되는 신호와 공진기에서 수신된 신호 및 자체 발진신호를 귀환시키는 귀환회로, 및 귀환회로에서 입력되는 신호를 증폭시켜 공진기와 다른 장치로 출력시키는 발진회로를 포함하는 액티브 안테나 회로; 및 액티브 안테나 회로로부터 출력되는 신호를 처리하여 도플러신호를 검출하기 위한 신호처리회로를 포함하여 이루어진다.

이와 같은 본 발명의 구성에 의하면, 시스템을 구성하는 부품수를 현저히 줄일 수 있어서 제작단가가 저렴하고 소형으로 제작이 가능할 뿐만 아니라, 내잡음성이 뛰어나며 감지거리의 오차가 적은 근접감지시스템을 제공할 수 있다.

Description

마이크로 스트립 액티브 안테나를 이용한 전파식 근접감지시스템

본 발명은 전파식 근접감지시스템에 관한 것이며, 상세하게는 시스템을 구성하는 부품수를 현저히 줄일 수 있어서 제작단가가 저렴하고 소형으로 제작이 가능할 뿐만 아니라, 내잡음성이 뛰어나며 감지거리의 오차가 적도록 구성한 마이크로 스트립 액티브 안테나를 이용한 전파식 근접감지시스템에 관한 것이다.

일반적으로 근접감지시스템은 임의의 물체와의 거리가 시간에 따라 가까워기거나 멀어지는 것을 감지할 수 있는 시스템을 말하며, 예컨대 포탄이 목표물과 근접되는 것을 감지하여 그 기폭장치를 작동하기 위한 근접식 신관 등에 널리 적용되고 있다.

도 1에 종래의 UHF FM/CW 근접감지시스템(10)의 구성을 예시하는 개략적인 블록도가 도시되어 있다. 도시되어 있는 종래의 근접감지시스템(10)은 UHF대의 신호 즉 300MHz 내지 3000MHz 정도의 신호를 주파수변조(FM)한 연속파(CW: continous wave)로 송신하여 목표물에 반사되어 되돌아오는 신호를 수신함으로써, 목표물과의 거리가 달라짐에 따라 검출되는 도플러효과를 이용하는 시스템으로서, 예컨대 본 출원인에 의하여 1996년 11월 29일자 출원된 "주파수 변조방식의 근접거리 경보장치"(출원번호 96-59550)의 명세서에서 그 일예가 개시되어 있다.

도시되어 있는 종래의 근접감지시스템(10)은 신호발생기(11), 전압제어발진기(VCO : voltage controlled oscillator)(12), 커플러(13), 서큘레이터(14), 안테나(15), 믹서(16), 대역통과필터(BPF : band-pass filter)(17), 증폭기(18) 및 포락선 검파회로(19)를 포함하여 구성된다.

상기 신호발생기(11)에서 소정의 발진주파수 예컨대 UHF대의 주파수 fm를 가진 신호를 발생시켜 VCO(12)로 인가하면, VCO(12)에서는 이를 중심주파수 fc를 중심으로 주파수변조(FM)하여 출력한다. 이 주파수변조된 신호는 커플러(13)에서 분리되어 일부는 서큘레이터(14)를 거쳐 안테나(15)로 출력되고, 다른 일부는 믹서(16)의 로컬단자(LO)로 출력된다. 안테나(15)에서 자유공간으로 전송된 신호는 목표물에 반사되어 소정 시간(T) 후에 되돌아와 안테나(15)에서 수신된다.

안테나(15)에서 수신된 신호는 서큘레이터(14)를 거쳐 믹서(16)의 RF단자로 입력된다. 서큘레이터(14)는 수신된 신호가 커플러(13)측으로 되돌아가지 못하도록 신호의 방향을 제어하여 믹서(16)측으로만 출력되도록 한다. 믹서(16)에서는 그 LO단자에 앞서 커플러(13)에서 입력되는 본래의 송신신호와 이 송신신호가 소정 시간(T) 지연되어 안테나(15)로부터 수신된 수신신호가 혼합되고 그 IF단자로 출력된다. 믹서(16)에서 송신신호와 수신신호가 혼합되면 두 신호는 시간지연에 의한 위상차로 해서 소정 주파수 nfc (n은 정수)를 중심으로 각각 nfm (n은 정수) 떨어진 곳에서 진폭이 최대가 되는 고조파 신호로 변환된다.

이렇게 믹서(16)로부터 출력된 신호는 잡음을 제거하기 위하여 S/N비가 최대로 되는 2fm의 대역에 대하여 BPF(17)를 통과시켜 필터링을 한다. 그런다음, 필터링된 신호의 진폭을 크게 하기 위하여 증폭기(18)에서 증폭하고 계속해서 포락선 검파회로(19)에서 증폭된 신호을 검파하여 도플러신호를 검출하게 된다.

검출된 도플러신호는 목표물과 상기 근접감지시스템(10)과의 거리를 계산할 수 있도록 적절히 처리되어, 소정의 기능이 수행될 수 있도록 한다. 예컨대 근접식 신관의 경우에는 계산된 근접거리와 셋팅된 근접거리를 비교하여 소정거리에 이른 순간에 신관으로부터 포탄의 기폭장치가 작동되도록 하는 신호가 발생된다.

상술한 바와 같은 종래의 전파식 근접감지시스템(10)에 있어서는, 거리감지에 사용되는 신호를 자유공간에 방사하고 수신하여 처리하는 각각의 소자의 수가 많아서, 각각의 소자에 대한 임피던스 미스매칭이나 소자 자체의 특성 오차 등에 의하여 송신 또는 수신되는 각 신호가 영향을 받기 쉽다는 문제점이 있었다.

결과적으로 상술한 원인들에 의하여 발생되는 잡음이나 효율의 감소에 의하여 도플러신호의 레벨에 변화가 오고 감지된 근접거리의 산포가 크게 되어 정확한 근접거리의 감지에는 한계가 있다는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하고자 하는 것으로, 시스템을 구성하는 부품수를 현저히 줄일 수 있어서 제작단가가 저렴하고 소형으로 제작이 가능할 뿐만 아니라, 내잡음성이 뛰어나며 감지거리의 오차가 적도록 구성한 마이크로 스트립 액티브 안테나를 이용한 전파식 근접감지시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

도 1은 종래의 UHF FM/CW 전파식 근접감지시스템의 구성을 예시하는 개략적인 블록도.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 UHF FM/CW 전파식 근접감지시스템의 구성을 예시하는 개략적인 블록도.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 근접감지시스템에 있어서 액티브 안테나의 회로구성을 예시하는 개략적인 회로도.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 근접감지시스템에 있어서 액티브 안테나의 공진기의 예를 보여주는 사시도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 근접감지시스템(종래) 11 : 신호발생기

12 : 전압제어발진기(VCO) 13 : 커플러

14 : 서큘레이터 15 : 안테나

16 : 믹서 17 : 대역통과필터(BPF)

18 : 증폭기 19 : 포락선검파회로

20 : 근접감지시스템(본발명) 21 : 신호발생기

22 : 버랙터(varactor) 23 : 액티브 안테나회로

232 : 증폭회로 234 : 공진기

24 : 저역통과필터(LPF) 25 : 대역통과필터

26 : 증폭기 27 : 포락선검파회로

이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 목표물과의 거리를 감지하기 위한 전파식 근접감지시스템에 있어서, 소정 주파수를 갖는 신호를 발진하여 출력하는 신호발생기; 신호발생기로부터 인가되는 신호에 의하여 리액턴스가 변화되어 그 신호를 중심주파수를 갖는 주파수변조된 신호로 변환시키는 버랙터; 소정신호를 자유공간에 방사하고 방사된 신호가 목표물에 반사된 것을 수신하는 공진기와, 입력되는 신호와 공진기에서 수신된 신호 및 자체 발진신호를 귀환시키는 귀환회로, 및 귀환회로에서 입력되는 신호를 증폭시켜 공진기와 다른 장치로 출력시키는 발진회로를 포함하는 액티브 안테나 회로; 및 액티브 안테나 회로로부터 출력되는 신호를 처리하여 도플러신호를 검출하기 위한 신호처리회로를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로 스트립 액티브 안테나를 이용한 근접감지시스템을 제공한다.

또한 상기 구성에 추가하여, 액티브 안테나 회로의 공진기는 유전율

ε

인 유전체와 그 유전체의 일면에 부착되는 동박으로 이루어지는 그라운드판 및 그 유전체의 다른 일면에 부착되는 동박으로 이루어지는 마이크로 스트립 안테나를 포함하여 구성되며, 그 발진회로는 트랜지스터 또는 전계효과 트랜지스터를 갖는 증폭회로를 포함하는 것을 특징으로 하거나; 또는 마이크로 스트립 안테나는 두께 h이고, 그 가로길이 W은 로 주어지고,

그 세로길이L은 로 주어지며,

여기서,

c

는 광속,

fr

은 공진주파수,

ε_r

은 비유전율(

ε=ε₀ε_r

:

ε₀

는 자유공간의 유전율),

,

인 것을 특징으로하여 구성될 수도 있다. 이에 따라 시스템을 구성하는 부품수를 현저히 줄일 수 있어서 제작단가가 저렴하고 소형으로 제작이 가능할 뿐만 아니라, 내잡음성이 뛰어나며 감지거리의 오차가 적으며 고효율의 시스템이 제공될 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 UHF FM/CW 전파식 근접감지시스템의 구성을 예시하는 개략적인 블록도이며, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 근접감지시스템에 있어서 액티브 안테나의 회로구성을 예시하는 개략적인 회로도이고, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 근접감지시스템에 있어서 액티브 안테나의 공진기의 예를 보여주는 사시도이다.

본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 스트립 액티브 안테나를 이용한 전파식 근접감지시스템은, 목표물과의 거리를 감지하기 위한 전파식 근접감지시스템으로서, 도 1에 도시된 바를 참조하여 상술한 바있는 종래의 전파식 근접감지시스템(10)을 개량하여 부품수를 크게 줄이고 동작의 안정성이 향상되도록 구성하였는데, 도 2에 그 구성이 블록도로서 나타나 있다. 그 마이크로 스트립 액티브 안테나를 이용한 전파식 근접감지시스템(20)은 신호발생기(21)와 버랙터(22)와 액티브 안테나 회로(23) 및 신호처리회로(24, 25, 26, 27)을 포함하여 구성될 수 있다.

신호발생기(21)는 소정 주파수 fm을 갖는 신호를 발진하여 출력하는 장치이고, 버랙터(22)는 신호발생기(21)로부터 인가되는 신호에 의하여 리액턴스가 변화되어 그 신호를 중심주파수(fc)를 갖는 주파수변조(FM)된 신호로 변환시키는 장치이다.

액티브 안테나 회로(23)는 종래의 공진기능만을 갖는 안테나(15)와 달리 스스로 소정신호를 발진하는 발진회로를 갖는 안테나 회로이다. 이 액티브 안테나 회로(23)의 구성은 도 3에 더 자세히 도시되어 있는데, 다수의 임피던스값(Z₁, Z₂, Z₃, Z₄, Z₅)을 가지는 소자들로 이루어진 귀환회로와, 트랜지스터(Tr)나 전계효과 트랜지스터(FET)를 포함하는 증폭회로(232)를 갖는 발진회로와, 소정 신호를 자유공간에 송신하고 수신하는 공진기(234)를 포함하여 구성될 수 있다.

즉, 공진기(234)는 액티브 안테나 회로(23)에서 발진되는 신호를 자유공간에 방사하고 방사된 신호가 목표물에 반사된 것을 수신하는 안테나이다. 그 안테나인 공진기(234)에서 자유공간으로 방사되는 신호는 신호발생기(21)에서 버랙터(22)를 통해 주파수변조된 신호가 귀환회로와 발진회로를 통하여 발진되는 바로 그 신호이다.

도 3에 도시된 바와 같은 액티브안테나 회로(23)에서 캐패시터(C)를 중심으로 좌우의 임피던스값이 각각 Zd, Zp인 경우, 그 발진조건은 루프게인이 1이상이고 허수부가 0이 되어야 하므로,

|Re[Zd]| > 1.20|Re[Zp]|

Im[Zp] = - Im[Zd]

를 각각 만족하도록 구성하면 원하는 발진주파수를 갖도록 구성될 수 있다.

공진기(234)에서 방사된 신호는 목표물에서 반사되어 되돌아와 소정의 위상차를 가지고 공진기(234)에서 수신된다. 이 수신된 신호는 귀환회로를 통하여 발진회로로 입력되며, 발진회로를 구성하는 증폭회로(232)에서 혼합, 즉 믹싱된다.

신호처리회로(24, 25, 26, 27)는 이렇게 증폭회로(232)에 의하여 믹싱된 신호를 출력받아 처리하게 된다. 이 신호처리회로는 도 2에 도시된 바와 같이 저역통과필터(LPF)(24)와 대역통과필터(BPF)(25), 증폭기(IF-AMP)(26)와 포락선검파회로(27)로 구성될 수 있으며, 도 1에 도시된 바를 참조하여 설명한 바와 유사한 처리기능을 갖는다.

즉, 액티브 안테나 회로(23)에서 출력되어지는 혼합된 신호 중에서 IF 증폭처리에 적당한 주파수대 예컨대 변조주파수의 2배되는 주파수 신호를 LPF(24)와 BPF(25)를 통하여 얻는다. 그리고 이 신호의 포락선을 검파함으로써 최종적으로 도플러신호를 얻을 수 있다.

특히, 액티브 안테나 회로(23)의 공진기(234)는 도 4에 도시된 바와 같이, 유전율

ε

인 유전체(234b)와 그 유전체(234b)의 일면에 부착되는 동박으로 이루어지는 그라운드판(234c) 및 그 유전체(234b)의 다른 일면에 부착되는 동박으로 이루어지는 마이크로 스트립 안테나(234a)를 포함하여 구성될 수 있다. 그리고 발진회로는 트랜지스터(Tr) 또는 전계효과 트랜지스터(FET)를 갖는 증폭회로(232)를 포함하는 구성되는 것이 바람직하다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면 도 4에 도시된 바와 같은 마이크로 스트립 안테나(234a)는 두께 h (통상적으로는 h = 20 내지 30 mm)인 동박으로서, 그 가로길이 W은

로 주어지고,

그 세로길이 L은

로 주어지며,

여기서,

c

는 광속,

fr

은 공진주파수,

ε_r

은 비유전율(

ε=ε₀ε_r

:

ε₀

는 자유공간의 유전율),

,

인 것을 특징으로 하여 제작될 수 있다.

Δl

은 모서리효과(edge effect)를 상쇄시키기 위한 여유분이다.

이와 같은 구성을 하는 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 스트립 액티브 안테나를 이용한 전파식 근접감지시스템(20)에 있어서는, 종래의 근접감지시스템(10)의 VCO(12), 커플러(13), 서큘레이터(14), 안테나(15) 및 믹서(16)로 이루어지는 부분을 버랙터(22)와 액티브 안테나 회로(23)로 대체할 수 있다는 장점이 있다.

즉, 이 버랙터(22)와 액티브 안테나 회로(23)는 신호발생기(21)로부터 입력되는 신호를 중심주파수 fc를 갖는 FM신호로 변조시킨다. 이와 동시에 안테나(15)의 기능을 하여 변조된 FM신호를 자유공간에 방사하고, 또한 목표물에 부딪혀 반사되어 돌아오 신호를 수신한다. 수신된 신호는 액티브 안테나 회로(23)의 발진회로 중 증폭회로(232)를 구성하는 비선형소자(Tr 또는 FET)에 의하여 본래의 송신신호와 믹싱되어진다. 이와 같이, 버랙터(22)와 액티브 안테나 회로(23)에 의하여 기존의 VCO(12), 커플러(13), 서큘레이터(14), 안테나(15) 및 믹서(16)가 담당하던 역할을 모두 수행할 수 있다.

이에 따라 근접감지시스템(20)을 구성하는 부품의 수가 크게 줄어들게 되므로 부품간의 임피던스 매칭정도나 소자 자체의 특성오차에 의한 오차가 크게 감소될 수 있는 장점을 갖는다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 스트립 액티브 안테나를 이용한 전파식 근접감지시스템에 의하면, 시스템을 구성하는 부품수를 현저히 줄일 수 있어서 제작단가가 저렴하고 소형으로 제작이 가능할 뿐만 아니라, 내잡음성이 뛰어나며 감지거리의 오차가 적으며 고효율의 시스템이 제공될 수 있다.

이상에서 특정의 바람직한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구의 범위에 의해 마련되는 본 발명의 정신이나 분야를 이탈하지 않는 한도내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변화될 수 있다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진 자는 용이하게 알 수 있다.

Claims

목표물과의 거리를 감지하기 위한 전파식 근접감지시스템에 있어서,

소정 주파수를 갖는 신호를 발진하여 출력하는 신호발생기(21);

신호발생기(21)로부터 인가되는 신호에 의하여 리액턴스가 변화되어 그 신호를 중심주파수(fc)를 갖는 주파수변조(FM)된 신호로 변환시키는 버랙터(22);

소정신호를 자유공간에 방사하고 방사된 신호가 목표물에 반사된 것을 수신하는 공진기(234)와, 입력되는 신호와 공진기(234)에서 수신된 신호 및 자체 발진신호를 귀환시키는 귀환회로, 및 귀환회로에서 입력되는 신호를 증폭시켜 공진기(234)와 다른 장치로 출력시키는 발진회로를 포함하는 액티브 안테나 회로(23); 및

액티브 안테나 회로(23)로부터 출력되는 신호를 처리하여 도플러신호를 검출하기 위한 신호처리회로(24, 25, 26, 27)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로 스트립 액티브 안테나를 이용한 근접감지시스템.
제 1 항에 있어서, 액티브 안테나 회로(23)의 공진기(234)는 유전율 ε 인 유전체(234b)와 그 유전체(234b)의 일면에 부착되는 동박으로 이루어지는 그라운드판(234c) 및 그 유전체(234b)의 다른 일면에 부착되는 동박으로 이루어지는 마이크로 스트립 안테나(234a)를 포함하여 구성되며, 그 발진회로는 트랜지스터(Tr) 또는 전계효과 트랜지스터(FET)를 갖는 증폭회로(232)를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 스트립 액티브 안테나를 이용한 근접감지시스템.
제 2 항에 있어서, 마이크로 스트립 안테나(234a)는 두께 h이고, 그 가로길이 W은

로 주어지고,

그 세로길이L은

로 주어지며,

여기서, c 는 광속,

fr 은 공진주파수,

ε_r 은 비유전율( ε=ε₀ε_r : ε₀ 는 자유공간의 유전율),

,

인 것을 특징으로 하는 마이크로 스트립 액티브 안테나를 이용한 근접감지시스템.