KR20070072573A - 레이더 안테나 배열 - Google Patents

Abstract

레이더 안테나 배열이, 특히 차량용의 경우를 위하여 설명되어 있다. 이 배열은 최소한, 전자기파가 도파관의 세로방향(X)으로 진행되는 방식으로 연결 처리되는 1 개의 장방체형 도파관과, 여러 개의 금속 조각으로 구성된 전자기파 간섭구조물(12)로 구성되어 있는데, 전자기파 간섭구조물은 도파관의 가까운 곳에 있으며, 도파관의 1차 가로 방향(Y)으로 도파관에 거리를 두고 있고, 도파관의 세로 방향(X)과 적어도 평행에 가깝도록 배치되어 빔의 지향성 있는 방사를 가능하게 한다. 그리고 도파관은 2개의 금속판(31, 41)과 이 금속판들 사이에 1개의 유전체(32, 42)를 갖고 있으며, 금속판들(31, 41)은 세로 방향으로 놓여 있으며, 2차 가로방향(Z)으로 서로 떨어져 있으며, 2차 가로방향은 도파관의 제1차 가로방향(Y) 및 세로방향(X)에 수직으로 되어 있는 특징이 있다. 특히, 전자기파 간섭구조물은 회전이 가능한 회전통으로서 둘레가 변경된 금속조각으로 형성되어 있으며, 빔의 집중과 편파를 위한 반사기 배열이 고려되어 있다.

Description

레이더 안테나 배열{RADAR ANTENNA ASSEMBLY}

본 발명은 청구항 1 의 상위 개념에 따른 레이더 안테나 배열, 특히 차량용 레이더 센서를 위한 레이더 안테나에 관한 것이며, 안테나 특성의 변조를 가능하게 한다.

US 5572228 과 US 621186 에 의하여 리키 웨이브 안테나 배열(Leaky-Wave Antenna Array)이 알려져 있는데, 이 안테나 배열은 표면이 구조화된 회전통을 유전체 도파관의 바로 옆에서 회전하게 하여 기계적 튜닝이 되는 안테나로서 구현되어 있다. 회전통의 표면 구조는 US 5572228 에 따르면 금속띠들에 의하여 구성되어 있으며, 금속띠의 거리는 회전통의 회전 시에 유전체 도파관 영역에서 변경된다. 이로써 유전체 도파관에서 리키 웨이브를 거치면서 회전각에 따라 결정되는 출력이 이루어진다. 이 출력은 공간에서 지향성을 지닌 안테나 특성으로 기술될 수 있는 빔으로 방사되고, 이 빔의 방사형태를 앞으로 빔 패턴으로 부르기로 한다. 이 빔 패턴의 집중 최대치는 회전통의 회전각에 의하여 결정된다. 이 때, 방사된 주파수의 편파는 회전통에 있는 금속띠에 평행하게 맞추어진다.

회전통의 다른 용례는 US 621186 에 기술되어 있다. 거기에서는 표면구조가 적합한 길이와 폭의 치수를 갖춘, 회전통의 요철과 같은 매질의 연속들로 구현되어 있다. 이들을 적절하게 구성함으로써 목적에 맞추어 빔 패턴의 편파면에 영향을 줄 수도 있다. 이러한 방식으로 연속 변조도 가능한 반면에, 회전통에서 개별적인 매질의 구성을 통하여 빔 패턴의 불연속 변조도 물론발생한다.

리키 웨이브 방사를 목표로 변경 가능하고 구조화된 표면에 의하여 간섭을를 받는 유전체 도파관의 기본 원리는 이미 WO 87/01243에 나타나 있다.

편파와 관련하여 언급된 조건과 함께, 불연속 변조인 경우, 안테나의 실제 적용에 있어서 적어도 특정한 길이에 걸쳐 자유롭게 부유하면서 회전통의 바로 옆에서 아주 정확하게 (온도와 진동과 같은 환경의 영향 아래에서도) 배열되어야 하는 유전체 도파관이 특히 문제가 된다.

게다가 빔 패턴의 변조면(회전통과 유전 도체를 통한 인터페이스)과 직각을 이루는 면에 유전 도체의 기하 형상을 통하여, 추가 반사기, 그리고/또는 마이크로파 렌즈로 집중되어야 할 필요가 있는, 빔 패턴의 폭이 아주 넓은 특성을 갖게 되는 결과로 나타난다. 이로써 폭이 넓은, 특히 차량용으로 사용할 수 없는 전체 안테나 배열이 형성된다.

본 발명의 과제는 차량에 사용되는 레이더 센서 내 투입에 적합한 레이더 안테나 배열을 보여주는 데에 있다.

레이더 안테나 배열은 특히 간단하고 비용 부담이 적은 방식으로 한 개 또는 여러 개의 빔 패턴의 연속 변조 또는 불연속 변조를 다양한 방향으로 가능하게 하여, 비용 부담이 적으면서도 고성능인 레이더시스템의 투입, 특히 차량용 레이더 시스템 투입에 적절하도록 하는 것이다.

이 과제는 청구항 1 의 특징으로 해결된다. 유리한 장점을 지닌 발전 형태는 종속 청구항과 설명에서 찾을 수 있다.

본 발명에 따르면 대안으로서 또 다른 유형의 도파관이 있는데, 이 도파관은 전자기파를 간섭하는 구조물 가까이에, 예를 들면 위에 언급한 표면이 구조화된 회전통 가까이에 배치된다. 이 도파관은 거리를 두고 떨어져 있는 금속판과, 그 사이로 유전체가 있는 배열 형태로 되어 있다. 유전체로는 고체 유전 물질과 함께 기체, 예를 들면, 공기도 고려될 수 있다. 전자기파는 금속판 사이에서 세로 방향으로 연결된다. 금속판은 세로 방향으로 배열되고, 전자기파 간섭 구조물에 1차 가로 방향으로 만나고, 반대편으로 열려 있으며, 2차 가로방향으로 서로 마주보며 거리를 두고 있다. 여기에서 2차 가로방향은 도파관의 1차 가로방향과 세로 방향에 직각으로 만난다. 이 도파관은 금속으로 된 튼튼한 기판에서 유리하게 통합될 수 있고, 이는 특히 도파관의 재생산을 가능하게 하며 환경의 영향을 받지 않도록 만들어 준다.

그리고 유전물질의 추가 투입이 가능하다.

특히 레이더 안테나 배열이 빔 패턴의 변조면에 직각인 면에서 빔의 집중 에 적합한 반사기 시스템을 통하여 보완되고, 이 시스템은 전체 안테나 배열의 가장 작고 매우 간단한 구성 방법을 가능하게 한다. 여기에서, DE 19848722 에 소개된 기존의 여자기(예를 들면 웨이브가이드 또는 패치안테나)처럼, 편파기와 리플렉트 어레이(Reflect Array)로 구성된 접힌 반사기 투입에 장점이 있다. 이러한 배열로 빔 패턴의 편파면이 회전되는데, 이는 US 5572228 에 설명되어 있는 전체 배열로서는 추가 조치 없이는 불가능하다. 게다가 새로운 금속화구조로 갖춘 반사기에 대한 고려도 가능한데, 이는 아직 발표 되지 않은 PCT/DE 2004/001925 에서 볼 수 있다. 여기에서 금속화구조는 정의된 금속화가 없거나 추가되거나 하여 빔의 형태에 영향을 주도록 되어 있어서 일반적인 이익 최적화된 금속화구조와는 다르게 구성되어있다.

도 1은 회전통과 표본적인 도파관으로 구성된 배열의 종단면.

도 2는 회전통과 표본적인 도파관으로 구성된 배열의 횡단면

도 3은 도파관의 표본적인 예.

도 4는 빔의 지향성을 위한 혼이 달린 도파관의 횡단면.

도 5는 접힌 반사기 시스템을 갖춘 전체 배열 횡단면.

도 6은 접힌 반사기 시스템을 갖춘 전체 배열 횡단면의 다른 용례.

도 1 은 구조화된 표면을 갖춘 회전통 12 의 바로 옆에 있는 표본 도파관 11 을 보여 준다. 이 도파관 11 에는 고주파가 입력되고, 이 고주파는 도파관 11 을 따라서 전자기파 형태로 진행된다. 회전통 12 의 표면 구조는 도파관 주변의 전자장에 영향을 미치고, 고주파를 배열에서 분리시켜, 일정한 빔 패턴으로 공간에 방사한다. 빔 패턴의 음극(-) 방향 집중 최대치는 예를 들면 회전통 12 의 표면 구조의 주기적인 배열에서 다음의 공식으로 산출된다.

여기에서 λ₀ 는 자유공간 파장, λ_g 는 도파관 상의 파장, p 는 원통의 표면구조의 거리를 의미한다. 쌍대성 이론에 의거하여 배열은 수신의 경우에도 동일한 방식으로 작동한다.

현존하는 기술에 따르면 도파관 11은 공기로 둘러싸인 원형 또는 사각형 횡단면을 갖춘 유전체 도파관이다. 하지만 본 발명에 따르면, 도파관 11 은, 도 3 에서 도시된 바와 같이, 금속테 31 과 유전체 32 로 구성된 결합체로서 장점이 있다.

이 도파관은 횡단면에서 문헌에 나타나는 H-가이드(Guide)와 유사한데 -하지만 H-가이드와는 대조적으로 금속벽의 확장이 제한적임- 이 도파관은 배열에서 도 3 과 관련한 수평 편파에서 전기력선(electric flux line)이 있는 평행판 모드의 형태로 작동된다. 이를 지금부터 슬롯 도파관으로 부른다. 금속판 31 은 X 방향으로 진행되고, Z 방향으로 거리를 두고 있다. 금속판 31 은 반드시 평면일 필요는 없고, 막대기 형태일 수도 있다. 하지만 평면 형태는 사이에 있는 고체 유전체를 고정하는데 장점이 있다. 도파관은 전자기파 간섭구조물 및 출력이 이루어지는 반대 방향에 대하여 Y 방향으로 열려 있다.

여기에서 유전체 32 는 파장과 슬롯 도파관의 횡단면 치수에 결정적인 영향을 미치고, 슬롯 도파관은 존재하는 안테나 기능과 관련하여 조절 작동될 수 있다.

고체 유전체 32 의 횡단면으로서는 여러 가지 형태를 고려해 볼 수 있다. 실제 적용에 장점이 있는 것은 사각형, 사각형에 가까운 형태이거나, 육각형이다. 회 전통 12 표면의 전자장 연결의 세기는 도 2 에 도시되어 있는, 도파관 21 과 회전통 12 의 표면과의 거리 23 과 함께, 유전체의 재질 선택 32, 유전체 32의 횡단면 치수, 33, 34, 35, 36 의 치수를 통하여 제한된 범위 내에서 조절이 된다. 극단적인 경우에 도 3 의 슬롯 도파관은 공기를 유전체 32로 사용할 수도 있다.

유리한 장점을 지닌 슬롯 도파관의 발전 형태는 도 4 에 도시되어 있다. 금속테 41 과 유전체 42 로 구성된 슬롯 도파관은, 여기에서는 표본적인 횡단면 형상으로 나타나 있으며, 추가로 깔대기 구조 43 을 갖추고 있다. 이 깔대기 구조는 변조면(회전통과 슬롯 도파관의 인터페이스)에 직각을 이루는 면에서 빔 패턴의 지향성을 실현한다.

도 5 에서는 빔 패턴(회전통과 슬롯 도파관의 인터페이스)의 변조면에 직각인 면에서 빔의 지향성을 높이기 위하여 하부반사기와 주반사기로 구성되어 있는 반사기를 추가로 갖춘 전체 안테나 배열의 횡단면이 도시되어 있다. 도파관의 바로 옆에 있는 회전통 12 의 표면을 거쳐 도파관 51 로부터 방출되는 지향성 있는 빔 패턴은 편파기로서 기능하는 하부 반사기 53 을 만나는데, 이 장치는 금속 격자 54 또는 금속띠를 갖춘 유전체로 구성된다. 출력은 그 곳에서 완전히 반사되고, 트위스트 반사기라고 불리는 주반사장치 55 로 가게 되는데, 이 주반사기는 리플렉트 어레이(Reflect Array) 실행으로 유리한 장점을 보여준다. 이것은 장소에 영향을 받는 반사 형태를 통하여 빔 패턴을 추가로 원래의 빔 패턴의 변조면에 직각인 면에서 형성하거나 집중시키고, 동시에 빔 패턴의 90도 편파회전를 불러일으켜 출력이 편파기를 방해 받지 않고 통과할 수 있게 된다. 현존하는 기술과 비교할 때, 이 배열의 본질적인 장점은 콤팩트한 구성이 가능하며 작은 공간만을 필요로 한다는 것이다. 리플렉트 어레이는, 예를 들면, 한 개의 유전판으로 구성되는데, 이 판은 입사하는 전자기파를 향하는 측에서 다수의 금속 구조, 그리고 입사하는 전자기파의 반대측에서 직선형 금속판을 갖고 있다. 반사기의 유전판은 평면일 수도 있고, 아치형이어도 된다. 특히 유리한 장점이 있는 구성은 리플렉트 어레이에 의하여 위에서 언급한, 원래의 빔 패턴의 변조면에 직각인 면에서의 편파회전과 형성 외에 원래의 빔 패턴의 추가 형성 그리고/또는 변조가 이루어질 때이다. 이것은 유전판 위에서 금속구조가 적절하게 구성될 때 가능하다.

도 6 은 전체 안테나 배열 횡단면의 다른 대안이 도시되어 있다. 회전통 12의 가까이에 있는, 깔대기 구조를 갖춘 슬롯 도파관 61 은 다시 편파기로 기능하는 하부반사기 63 과 주반사기로 기능하는 트위스트반사기 65 를 갖춘 반사기 안테나를 여진한다. 이는 원래의 빔 패턴의 변조면에 직각인 면과 원래 빔 패턴의 변조면에서 위에서 설명한 추가로 바라는 빔 패턴을 얻고, 편파면을 90도 회전하기 위함이다.

유리한 장점을 갖춘 전체 안테나 배열의 발전된 구성은, 예를 들어, 도 5 또는 도 6 에 도시되어 있는 것처럼, 회전통의 가까이에 두게 되는 둘 또는 여러 개의 도파관의 위치에 있는데, 이 도파관은 마찬가지로 최소한 가능하면 구조화된 표면과 평행 상태로 진행된다. 이로써 둘 또는 여러 개의 서로 독립적이고, 동시에 사용 가능하며, 경우에 따라서 다양한 형태의 빔 패턴이 전체 안테나 배열 속에서 구현된다.

유리한 장점을 갖춘 전체 안테나 배열의 또 다른 발전된 구성은, 도 5 와 도 6 에 나타나 있는 것처럼, 예를 들면, 주반사기 55 또는 65 를 회전이 가능하도록 위치시켜, 반사기를 기울여, 예를 들면, 58 또는 68 의 방향으로 빔 패턴의 기계적 변조가 추가로 가능하도록 하는 것이다.

특별한 형태의 경우에 주반사기 55 내지 65 그리고/또는 하부반사기 53 내지는 63 은 아치형의 표면을 갖는다.

표본적인 예로서 설명된 전체 안테나 배열은 공간에서 한 개 또는 여러 개의 연속적 또는 불연속적으로 변조되는 빔 패턴을 갖춘 레이더 시스템의 구현을 가능하게 한다. 여기에서 빔의 변조를 위한 빔폭과 각도 범위는 표면의 적절한 구성을 통하여 넓은 범위에서 유연하게 조절될 수 있다. 회전통 표면의 사용에 있어서, 예를 들면, 빔 패턴의 변조 범위로서의 각도 범위를 각각 다른 빔 패턴의 형태로 실현하는 것이 가능하다.

Claims (14)

1. 특히 차량용 레이더 안테나의 배열로서,

   a) 전자기파가 도파관의 세로방향(X)으로 진행되는 방식으로 연결 처리되는 적어도 1 개의 장방체형 도파관과,

   b) 여러 개의 금속 조각으로 구성된 전자기파 간섭구조물(12)로 구성되어 있는데, 도파관에서 가까운 곳에 있는 전자기파 간섭구조물은 - 도파관에서 떨어져서 도파관을 1차 가로 방향(Y)으로 보고 있는 위치에서 - 도파관의 세로 방향(X)과 적어도 평행에 가깝도록 배치되어 레이더파의 지향성 있는 방사를 가능하게 하며,

   c) 그리고 도파관은 2개의 금속판(31, 41)과 이 금속판들 사이에 1개의 유전체(32, 42)를 갖고 있으며, 이 때, 금속판들(31, 41)은 세로 방향으로 놓여 있으며, 2차 가로방향(Z)으로 서로 떨어져 있으며, 2차 가로방향은 도파관의 1차 가로방향(Y) 및 세로방향(X)에 수직으로 되어 있는,

   레이더 안테나의 배열.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 도파관이 금속판(31, 41) 또는 금속막대로 둘러 싸인, 사각형 또는 육각형의 횡단면을 가진 유전체(32, 42)인,

   레이더 안테나의 배열.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 도파관이 2 개의 일정한 거리를 두고 배열된 금속판(31, 41) 또는 금속 막대로 이루어져 있으며, 그 사이에는 공기 또는 다른 기체가 유전체(32, 42)로서 자리잡고 있는,

   레이더 안테나의 배열.
4. 전술한 항들 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 도파관의 전자기파 간섭구조물(12)과는 다른 쪽에 도파관에서 열려 있는, 금속 깔대기장치(43)가 있는,

   레이더 안테나의 배열.
5. 전술한 항들 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 전자기파 간섭 구조물(12)을 유효한 금속 조각의 변경 또는 금속 조각 사이의 거리 변경으로 조정할 수 있는 수단이 있는,

   레이더 안테나의 배열.
6. 제 5항에 있어서,

   볼록한 그리고/또는 오목한 지점들로 형성이 된 표면 구조가 있는 하나의 회전통에 여러 개의 금속 조각이 있는 전자기파 간섭구조물(12)이 원주각을 통하여 연속 또는/그리고 불연속으로 될 수 있다는 것과 회전통의 회전을 통하여 전자기파 간섭구조물의 변경이 가능한,

   레이더 안테나의 배열.
7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 반사기 안테나(53, 55, 63, 65)의 또는 렌즈 안테나의 여자기 역할을 하는,

   레이더 안테나의 배열.
8. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 편파된 전자기파의 반사기안테나로서 기능하고, 이 반사기안테나는 원하는 편파의 전자기파를 통과하는 하위반사기(53, 63)와 원하는 방향으로 회전된 편파로 전자기파를 집중 반사하는 주반사기(55, 65)로부터 구성되는,

   레이더 안테나의 배열.
9. 제 7항 또는 제 8항에 있어서,

   상기 반사기 또는 주반사기(55, 56)가 하나의 유전판이며, 이 유전판은 입사하는 전자기파로 향하는 측에서 여러 개의 금속화된 구조물(55, 66)과 입사하는 전자기파의 반대편에서 직선 형태의 금속화판을 갖고 있는,

   레이더 안테나의 배열.
10. 제 8항 또는 제 9항에 있어서,

    상기 하위반사기(53, 63)가 편파격자의 형태를 가진 금속화된 유전판인,

    레이더 안테나의 배열.
11. 제 7항 내지 10항 중 어느 한 항에 있어서,

    하나 또는 여러 개의 반사기(53, 55, 63, 65)가 회전이 가능하도록 배치되고, 하나 또는 여러 개의 축으로 기울일 수 있는,

    레이더 안테나의 배열.
12. 전술한 항들 중 어느 한 항에 있어서,

    여러 개의 도파관이 전자기파 간섭구조물 부근에 배열되고, 전자기파 간섭구조물에 적어도 평행에 가깝도록 진행되는,

    레이더 안테나의 배열.
13. 전술한 항들 중 어느 한 항에 있어서,

    전자기파 간섭용 구조물의 변경을 통하여 공간에서 여러 각도 범위 또는 각의 섹터를 담당하기 위한, 하나 또는/그리고 여러 개의 도파관에서 방출되는 빔 패턴의 변조가 가능한,

    레이더 안테나의 배열.
14. 차량의 주변 물체 인식을 위한, 제 1항 내지 제 13항 중 어느 한 항에 따른 레이더 안테나 배열을 갖춘 차량.

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