KR20130079868A - 밸런스 구조의 ｆｍｃｗ 레이더 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 FMCW 레이더 밸런스 장치에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 FMCW 레이더 밸런스 장치는 각 믹서의 RF/LO 입력을 모두 180°위상 차를 갖도록 하여 송신 누설 신호와 FM-AM 변환 잡음을 제거할 수 있고, 밸런스 구조 경로 상에서 발생하는 진폭/위상 오차를 보정하기 위해 각 경로에 위상천이기 및 가변 감쇄기를 적용함으로써 경로 상에서 발생할 수 있는 오차를 제거하여 송신 누설 신호 및 FM-AM 변환 잡음 제거 특성을 향상시킬 수 있는 것을 특징으로 한다.

Description

밸런스 구조의 ＦＭＣＷ 레이더 장치{FMCW Radar Apparatus of Balance Structure}

본 발명은 밸런스 구조의 FMCW 레이더 장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 송신 누설 신호와 FM-AM 변환 잡음을 제거할 수 있는 장치에 관한 것이다.

종래의 레이더 시스템은 밸런스 구조를 이용하여 송신 단의 누설 신호를 서로 상쇄시켜 수신감도를 높일 수 있을 뿐만 아니라, 수신기가 송신 단의 큰 누설 신호에 의해 포화되고, 송신 단의 누설전력으로 인해 잡음지수가 높아지는 것을 방지하며, 송수신 안테나를 공유할 수 있어서 레이더 시스템의 초소형, 고감도 특성을 동시에 얻을 수 있다.

전술한 바와 같이, 종래의 레이더 시스템은 소형화를 위해 송수신 안테나를 공유하고, 송신 단과 수신 단의 격리도를 높이기 위해 벡터 모듈레이터(Vector Modulator)를 이용하여 누설된 송신신호와 크기가 같고 위상이 180°차이가 나는 신호를 만들어 커플러를 통해 수신 단에 인가함으로써, 송신 단의 누설신호를 상쇄시켰다.

전술한 종래의 레이더 시스템은 주파수가 높아질 경우 고주파 벡터 모듈레이터 제작의 어려움으로 인해 상쇄신호를 만들기 어렵게 되어 고주파에 대한 격리가 어려울 뿐만 아니라, 레이더 시스템의 제작에 많은 부품이 사용되어 복잡하고 가격이 상승하는 문제점이 있다.

이러한 레이더 시스템의 문제를 해결하기 위해 밸런스 신호발생기에서 발생된 밸런스 신호 중 한 신호를 안테나를 통해 방사시키는 제1 커플러 블록, 밸런스 신호발생기에서 발생된 밸런스 신호 중 다른 한 신호를 그라운드에 가변 임피던스로 종단시키는 제 2커플러 블록, 안테나로 입력된 수신신호와 제1 내지 제2 커플러 블록에서 수신 단으로 누설된 송신신호를 합성하는 전력 합성부, 전력 합성부의 출력신호를 저잡음 증폭하고 밸런스 신호발생기의 신호와 믹싱하여 기저대역 신호로 출력하는 믹서부, 믹서부에서 믹싱된 신호에서 나오는 DC 오프셋 신호를 모니터링하여 외부의 제어신호에 의해 가변 임피던스를 조절하는 DSP로 이루어진 것을 특징으로 하는 레이더 시스템이 개발되었다.

또한, 90°위상 차를 가지는 4개의 고조파 신호를 생성한 후, 고조파 신호로부터 상호 밸런스된 두 개의 2차 고조파를 발생시키는 쿼드러처 푸쉬-퓌시 발진기, 2차 고조파 중 하나를 안테나를 통해 방사시키는 제1 커플러 블록 및 제2 커플러 블록으로부터 누설되는 송신신호를 안테나를 통해 수신된 수신신호와 합성한 후 출력하는 전력 합성부를 포함하고, 송신시 누설된 송신신호를 서로 상쇄시켜 수신감도를 높일 수 있으며, 하나의 안테나를 이용하여 송수신함으로써 전체 시스템 크기를 축소시킬 수 있고, 저가의 고성능 레이더 시스템으로서, 수신 단의 믹서로 쿼드러처 서브 하모닉 믹서를 이용하여 방해전파에 의한 짝수 차 왜곡과 믹서에서 국부발진기 신호의 누설로 인한 셀프 믹싱에 의해 발생한 DC-오프셋을 억제할 수 있으며, 목표물체가 접근하고 있는지 또는 멀어지는데에 대한 방향 정보도 파악할 수 있는 90°의 위상 차를 갖는 레이더 시스템이 개발되었다.

그러나, 이러한 종래의 레이더 시스템은 수신 RF 신호 및 송신 누설 전력에 의해 믹서에 발생한 FM-AM 변환 잡음의 제거가 불가능하고, 누설 신호 제거는 두 신호가 동일 진폭에 180°위상 차를 가질 때 가능하며, 안테나/커플러 간 부정합에 민감하고, 제조상의 공정 오차로 동일 특성의 커플러 제작이 어렵고, MMIC 밸런스 믹서라도 각각의 믹서가 동일한 특성을 갖기 어려우며, 밸런스 두 경로에서 선로 길이 및 선로 특성 임피던스 차에 민감하고, 가변 임피던스를 조절하더라도 정확한 진폭/위상 오차 보정이 어렵다는 이유로 두 차등 신호는 정확히 동일 진폭에 180°위상 차를 갖기 어려워 완전한 누설 신호 제거가 어렵다는 문제점이 있다.

또한, 종래의 레이더 시스템은 믹서의 제곱 검파 특성에 의해 인가 신호 대역 내 진폭 차의 주기적인 특성이 믹서 출력단에 주파수 잡음으로 나타나는 FM-AM 변환 잡음에 의해 수신단 감도가 저하되는 문제점이 있다.

종래의 Homodyne 구조 FMCW 레이더는 송신 출력 누설 문제와 FM-AM 변환 잡음 문제가 있다.

송신 출력 누설은 송/수신 안테나를 공유할 경우 커플러의 격리 특성에 의해 발생하거나 송수신 경로 간 커플링에 의해 발생하며, 송신 출력 일부가 수신부로 유입되어 수신부를 포화시켜 원 신호 왜곡 및 잡음을 증가시킨다.

RF/LO 신호 대역 내 진폭 차로 인해 믹서의 제곱 검파에 의해 발생하는 FM-AM 변환 잡음 역시 IF 원 신호에 인접하여 필터링이 어려워 수신부 포화 및 잡음을 증가시킨다.

즉, 종래의 Homodyne 구조 FMCW 레이더는 송신 출력 누설 문제와 FM-AM 변환 잡음 문제로 인해 수신부의 SNR이 나빠져 수신감도가 저하되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 창출한 것으로서, 각 믹서의 RF/LO 입력을 모두 180°위상 차를 갖도록 하여 송신 누설 신호와 FM-AM 변환 잡음을 제거할 수 있는 FMCW 레이더 밸런스 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 밸런스 구조 경로 상에서 발생하는 진폭/위상 오차를 보정하기 위해 각 경로에 위상천이기 및 가변 감쇄기를 적용함으로써 경로 상에서 발생할 수 있는 오차를 제거하여 송신 누설 신호 및 FM-AM 변환 잡음 제거 특성을 향상시킬 수 있는 FMCW 레이더 밸런스 장치를 제공함에 있다.

전술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일면에 따른밸런스 구조의 FMCW 레이더 장치는 입력된 신호를 동일 진폭의 180°위상 차를 갖는 두 개의 신호로 출력하는 커플러; 180°위상 차를 갖는 두 개의 LO 신호를 출력하는 신호 발생기; 및 상기 커플러의 출력 신호 및 상기 신호 발생기의 출력 신호를 입력받아 IF 단에서 180°위상 차로 상쇄시키는 밸런스 믹서부를 포함한다.

본 발명에 따르면, 송신 누설 신호 및 FM-AM 변환 잡음 제거 특성을 개선하여 레이더 수신 감도를 향상시킬 수 있다.

레이더 수신 감도 향상에 따른 측정 거리 증가로 운전자에게 넓은 시야를 확보해줄 수 있다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 밸런스 구조의 FMCW 레이더 장치를 설명하기 위한 도면.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 용이하게 이해할 수 있도록 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 기재에 의해 정의된다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자 이외의 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

본 발명은 밸런스 믹서를 포함하고, 밸런스 믹서는 RF/LO에 입력된 신호가 180°의 위상 차를 갖는 두 개의 신호로 출력되도록 하며, 180°의 위상 차를 갖는 두 신호로 송신 누설 신호 및 FM-AM 변환 잡음을 제거하는 것이다.

이하, 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 밸런스 구조의 FMCW 레이더 장치를 설명한다. 도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 밸런스 구조의 FMCW 레이더 장치를 설명하기 위한 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명은 안테나(110), 커플러(120,130), 신호발생기(140), 위상천이기(150), 가변 감쇄기(160) 및 밸런스 믹서부(170)를 포함한다.

본 발명은 송신 누설 전력을 제거하기 위해 송/수신 경로와 같은 경로에 커플러를 사용해 역상의 동일 진폭 신호를 생성하여 안테나(110)와 커플러(120, 130) 간 임피던스 부정합으로 인해 누설 전력 제거비가 크게 달라지는 영향을 받지 않도록 한 것이다.

또한, 본 발명은 위상천이기(6) 및 가변 감쇄기(7)를 이용하여 진폭/위상 오차를 보정함으로써 송신 누설 전력 및 FM-AM 변환 잡음의 제거 특성을 향상시킨 것이다.

전술한 바를 보다 구체적으로 설명하면, 송신 출력 누설 신호를 제거하기 위해 본 발명의 신호 발생기(140)는 180°위상 차를 갖는 LO 신호( 0°), LO 신호( 180°)를 발생시키고, 발생된 LO 신호( 0°), LO 신호( 180°) 중 LO 신호( 0°)를 커플러(120)에 전달한다.

커플러(120)는 신호 발생기(140)로부터 전달된 LO 신호( 0°)를 안테나(110)를 통해 송신 출력으로 방사시킨다.

이때 송신 출력으로 방사된 LO 신호( 0°) 중 일부는 커플러(120)의 격리 특성으로 인해, 도 2에 도시된 바와 같이 누설 신호(0°)로서 RF 수신 경로에 유입된다.

커플러(130)는 유입된 송신 출력 누설 신호(0°)를 동일 진폭의 180°위상 차를 갖는 누설 신호(0°), 누설 신호(180°)로 출력한다.

밸런스 믹서부(170)는 밸런스 믹서(170a)와 밸런스 믹서(170b)를 포함하고, 커플러(130)로부터 동일 진폭의 180°위상 차를 갖는 누설 신호(0°), 누설 신호(180°)를 입력받고, 신호 발생기(140)로부터 LO 신호( 0°), LO 신호( 180°)를 입력받는다.

밸런스 믹서(170a)는 입력된 LO 신호(180°)와 누설 신호(0°)를 IF 단에서 180°위상 차로 상쇄시킨다.

밸런스 믹서(170b)는 입력된 LO 신호(0°)와 누설 신호(180°)를 IF 단에서 180°위상 차로 상쇄시킨다.

본 발명의 FM-AM 변환 잡음 제거는 하기와 같다.

먼저 RF 신호에 의한 변환 잡음을 제거하기 위해, 본 발명의 커플러(130)는 안테나(110)를 통해 수신된 RF 신호(0°) 및 커플러(120)를 통해 유입된 송신 누설 신호(0°)를 동일 진폭의 180°위상 차를 갖는 RF 신호(0°) 및 누설 신호(0°), RF 신호(180°) 및 누설 신호(180°)로 만들어 밸런스 믹서부(170)에 전달한다.

각 밸런스 믹서(170a, 170b)는 커플러(130)로부터 전달된 RF 신호(0°) 및 누설 신호(0°), RF 신호(180°) 및 누설 신호(180°)에 대한 제곱 검파에 따라 180°위상 차로 발생된 RF FM-AM 잡음 신호(0°), RF FM-AM 잡음 신호(180°)를 IF 단에서 상쇄시킨다.

또한, LO 신호에 의한 변환 잡음을 제거하기 위해, 본 발명의 신호발생기(140)는 180°위상 차를 갖는 LO 신호(180°), LO 신호(0°)를 발생시켜 밸런스 믹서부(170)에 전달한다.

각 밸런스 믹서(170a, 170b)는 신호발생장치(140)로부터 입력된 LO 신호(180°), LO 신호(0°)에 대한 제곱 검파에 따라 180°위상 차로 발생된 LO FM-AM 잡음 신호(180°), LO FM-AM 잡음 신호(0°)를 IF 단에서 상쇄시킨다.

전술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 송신 누설 신호 및 FM-AM 변환 잡음 제거 특성을 개선하여 레이더 수신 감도를 향상시킬 수 있고, 레이더 수신 감도 향상에 따른 측정 거리 증가로 운전자에게 넓은 시야를 확보해줄 수 있다.

이상 바람직한 실시예와 첨부도면을 참조하여 본 발명의 구성에 관해 구체적으로 설명하였으나, 이는 예시에 불과한 것으로 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범주내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

110 : 안테나 120 : 커플러
130 : 커플러 140 : 신호발생기
150 : 위상천이기 160 : 가변 감쇄기
170 : 밸런스 믹서부

Claims (4)

1. 밸런스 구조의 FMCW 레이더 장치에 있어서,
   입력된 신호를 동일 진폭의 180°위상 차를 갖는 두 개의 신호로 출력하는 커플러;
   180°위상 차를 갖는 두 개의 LO 신호를 출력하는 신호 발생기; 및
   상기 커플러의 출력 신호 및 상기 신호 발생기의 출력 신호를 입력받아 IF 단에서 180°위상 차로 상쇄시키는 밸런스 믹서부
   를 포함하는 FMCW 레이더 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 밸런스 믹서부는 제1 및 제2 밸런스 믹서를 포함하고, 상기 커플러로부터 제1 누설 신호와 상기 제1 누설 신호와 180°위상 차의 제2 누설 신호를 입력받고, 신호 발생기로부터 제1 LO 신호와 제1 LO 신호와 180°위상 차의 제2 LO 신호를 입력받으며,
   상기 제1 밸런스 믹서는 입력된 제1 LO 신호와 제1 누설 신호를 IF 단에서 180°위상 차로 상쇄시키고, 상기 제2 밸런스 믹서는 입력된 상기 제2 LO 신호와 제2 누설 신호를 IF 단에서 180°위상 차로 상쇄시키는 것
   인 FMCW 레이더 장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 커플러는 안테나를 통해 수신된 RF 신호 및 유입된 송신 출력단의 누설 신호를 제1 RF 신호 및 제1 누설 신호와, 상기 제1 RF 신호 및 제1 누설 신호 각각에 동일 진폭의 180°위상 차를 갖는 제2 RF 신호 및 제2 누설 신호로 출력하고,
   상기 밸런스 믹서부는 상기 커플러로부터 입력된 상기 제1 RF 신호 및 제1 누설 신호, 상기 제2 RF 신호 및 제2 누설 신호의 제곱 검파에 의해 180°위상 차로 발생된 제1 RF FM-AM 잡음 신호, 제2 RF FM-AM 잡음 신호를 상기 IF 단에서 상쇄시키는 것
   인 FMCW 레이더 장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 신호 발생기는 제1 LO 신호와, 상기 제1 LO 신호에 180°위상 차를 갖는 제2 LO 신호를 출력하고,
   상기 밸런스 믹서부는 입력된 상기 제1 LO 신호와 제2 LO 신호의 제곱 검파에 의해 180°위상 차로 발생된 제1 LO FM-AM 잡음 신호, 제2 LO FM-AM 잡음 신호를 상기 IF 단에서 상쇄시키는 것
   인 FMCW 레이더 장치.

Images