KR20140144826A - 레이더 장치 및 안테나 장치 - Google Patents

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정성희
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Abstract

본 발명은 레이더 장치 및 안테나 장치에 관한 것으로서, 특히, 해상도를 높이면서도 그래이팅 로브(Grating Lobe)를 억제할 수 있는 안테나 구조를 갖는 레이더 장치와 안테나 장치에 관한 것이다.

Description

레이더 장치 및 안테나 장치{RADAR APPARATUS AND ANTENNA APPARATUS}
본 발명은 레이더 장치 및 안테나 장치에 관한 것이다.
종래의 레이더 장치는, 물체 감지의 정확도, 즉 해상도를 높이기 위하여, 수신단의 안테나 간격을 넓히는 안테나 구조를 이용한다.
하지만, 이러한 안테나 구조는, 해상도를 넓힐 수는 있지만, 수신단의 안테나 간격이 넓어짐으로 인해, 그래이팅 로브(Grating Lobe)의 발생 위치가 메인 빔(Main Beam)의 위치, 즉, 센터 위치에 가까워지는 문제점이 있어 왔다.
또한, 종래의 레이더 장치에서는, 관심이 있는 전방 영역 외에 사선 영역에서의 신호 수신이 많아 물체 감지 성능이 떨어지는 문제점이 있어 왔다.
이러한 배경에서, 본 발명의 목적은, 해상도를 높이면서도 그래이팅 로브(Grating Lobe)를 억제할 수 있는 안테나 구조를 갖는 레이더 장치와 안테나 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 관심이 있는 전방 영역 외에 사선 영역에서의 신호 수신을 줄이기 위하여 빔 폭이 더 작은 송신 안테나를 배치시켜 여러 송신 안테나를 하나로 묶어서 설계하는 안테나 그룹화 구조를 갖는 레이더 장치와 안테나 장치를 제공하는 데 있다.
전술한 목적을 달성하기 위하여, 일 측면에서, 본 발명은, 복수의 송신 안테나를 포함하는 송신 안테나부; 상기 복수의 송신 안테나를 결정된 송신 안테나 그룹 개수로 그룹화하여 상기 송신 안테나 그룹 개수만큼의 송신 안테나 그룹이 미리 결정된 송신 안테나 그룹 간격으로 배치되어 형성되도록 하는 송신 안테나 그룹화부; 상기 송신 안테나 그룹 개수 및 상기 송신 안테나 그룹 간격에 의해 정의되는 수신 안테나 간격을 갖고 배치되는 복수의 수신 안테나를 포함하는 수신 안테나부; 상기 송신 안테나 그룹 개수만큼의 송신 안테나 그룹을 통해 신호를 송신하고, 상기 송신된 신호가 반사된 신호를 상기 복수의 수신 안테나를 통해 수신하는 신호 송수신부; 및 상기 수신된 신호에 근거하여 물체를 감지하는 물체 감지부를 포함하는 레이더 장치를 제공한다.
다른 측면에서, 본 발명은, 복수의 송신 안테나를 포함하는 송신 안테나부; 상기 복수의 송신 안테나를 결정된 송신 안테나 그룹 개수로 그룹화하여 상기 송신 안테나 그룹 개수만큼의 송신 안테나 그룹이 미리 결정된 송신 안테나 그룹 간격으로 배치되어 형성되도록 하는 송신 안테나 그룹화부; 및 상기 송신 안테나 그룹 개수 및 상기 송신 안테나 그룹 간격에 의해 정의되는 수신 안테나 간격을 갖고 배치되는 복수의 수신 안테나를 포함하는 수신 안테나부를 포함하는 안테나 장치를 제공한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 해상도를 높이면서도 그래이팅 로브(Grating Lobe)를 억제할 수 있는 안테나 구조를 갖는 레이더 장치와 안테나 장치를 제공하는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 관심이 있는 전방 영역 외에 사선 영역에서의 신호 수신을 줄이기 위하여 빔 폭이 더 작은 송신 안테나를 배치시켜 여러 송신 안테나를 하나로 묶어서 설계하는 안테나 그룹화 구조를 갖는 레이더 장치와 안테나 장치를 제공하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더 장치의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더 장치의 전체 안테나 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더 장치의 송신 안테나 구조를 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더 장치에서, 가상 수신 안테나 형성 기법을 적용한 전체 안테나 구조를 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 장치의 블록도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더 장치 및 안테나 장치가 그레이팅 로프 현상을 피하기 위한 원리를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명은 해상도(분해능이라고도 함)를 높이면서도 그래이팅 로브(Grating Lobe)를 억제할 수 있는 안테나 구조를 갖는 레이더 장치와 안테나 장치에 관한 것이다.
본 발명에서 예시적으로 개시하는 안테나 구조는, 해상도를 높이고 그래이팅 로브를 억제하기 위하여, 개구부(Aperture)를 확장한 안테나 배치 구조를 가지고, 이와 함께, 가상 수신 안테나의 형성과 그 형성 위치가 조절된 안테나 배치 구조를 더 가질 수도 있다.
또한, 본 발명에서 예시적으로 개시하는 안테나 구조는, 관심이 있는 전방 영역 외에 사선 영역에서의 신호 수신을 줄이기 위하여 빔 폭이 더 작은 송신 안테나를 배치시켜 여러 송신 안테나를 하나로 묶어서 설계하는 안테나 그룹화 구조를 더 가질 수 있다.
본 발명에서 개시하는 안테나 구조에 대한 보다 상세한 설명과, 이를 이용한 레이더 장치 및 안테나 장치에 대해서는, 아래에서, 예시적인 도면들을 참조하여 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더 장치(100)의 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더 장치(100)는, 송신 안테나부(110), 송신 안테나 그룹화부(120), 수신 안테나부(130), 신호 송수신부(140), 물체 감지부(150) 등을 포함한다.
송신 안테나부(110)는 신호 송신을 위한 복수의 송신 안테나를 포함한다.
송신 안테나 그룹화부(120)는 복수의 송신 안테나를 결정된 송신 안테나 그룹 개수로 그룹화하여 송신 안테나 그룹 개수만큼의 송신 안테나 그룹이 미리 결정된 송신 안테나 그룹 간격으로 배치되어 형성되도록 한다.
수신 안테나부(130)는 소정의 수신 안테나 간격을 갖고 배치되는 복수의 수신 안테나를 포함한다. 여기서, 수신 안테나 간격은 송신 안테나 그룹 개수 및 송신 안테나 그룹 간격에 의해 정의될 수 있다. 수신 안테나 간격, 송신 안테나 그룹 개수 및 송신 안테나 그룹 간격은 관계식(예: 수신 안테나 간격=송신 안테나 그룹 개수*송신 안테나 그룹 간격)에 의해 정의될 수 있다. 즉, 수신 안테나 간격, 송신 안테나 그룹 개수 및 송신 안테나 그룹 간격 중 두 개를 미리 정해두고 나머지 하나를 미리 정해진 두 개에 따라 정의할 수 있다.
신호 송수신부(130)는 송신 안테나 그룹 개수만큼의 송신 안테나 그룹을 통해 신호를 송신하고, 이렇게 송신된 신호가 레이더 장치(100)의 주변에서 반사된 신호를 복수의 수신 안테나를 통해 수신할 수 있다.
물체 감지부(150)는 수신된 신호에 근거하여 물체를 감지할 수 있다.
이상에서 간략하게 설명한 각 구성에 대하여 아래에서 더욱 상세하게 설명한다.
전술한 송신 안테나부(110) 및 수신 안테나부(120)는 하나의 안테나부에 포함된 구성일 수 있다.
전술한 송신 안테나부(110)는, Nt(≥2)개의 송신 안테나를 포함할 수 있고, 수신 안테나부(130)는 Nr(≥2)개의 수신 안테나를 포함할 수 있는데, 이러한 Nt개의 송신 안테나와 Nr개의 수신 안테나는 해상도, 그레이팅 로브 등을 고려하여 특수한 구조(간격, 개수, 배치 위치, 그룹화 등)를 가질 수 있다. 여기서, Nt는 송신 안테나 총 개수이고, Nr은 실제의 수신 안테나 개수이다. 본 명세서에서 해상도는, 분해능이라고도 하는데, 접근한 두 물체를 정확하게 분별하는 능력을 의미한다. 이는 레이더 장치(100)의 매우 중요한 성능 요소 중 하나이다.
도 2를 참조하면, 송신 안테나 그룹화부(120)는, Nt개의 송신 안테나(A1, A2, ..., ANt)를 그룹화하여 송신 안테나 그룹 개수 Ng만큼의 송신 안테나 그룹(G1, G2, ... , GNg)이 만들어지도록 한다.
이러한 송신 안테나 그룹화에 의해 만들어진 각 송신 안테나 그룹에서 신호가 송신된다. 즉, 송신 안테나 그룹 G1에서는 Tx1 신호가 송신되고, 송신 안테나 그룹 G2에서는 Tx2 신호가 송신되고, ... , 송신 안테나 그룹 GNg에서는 TxNg 신호가 송신된다.
각 송신 안테나 그룹은, 일정한 간격(송신 안테나 그룹 간격)만큼 이격되어 있는 것으로 볼 수 있다. 즉, 레이더 장치(100)에서, 신호는 일정한 간격(송신 안테나 그룹 간격)만큼 이격되어 송신되는 것으로 볼 수 있다.
도 2와 하기 표 1을 참조하면, Nt개의 송신 안테나(A1, A2, ..., ANt)에 대한 송신 안테나 그룹화를 통한 송신 안테나 구조는, 송신 안테나 총 개수(Nt), 송신 안테나 그룹의 크기, 개수 및 간격(Ng, Dg) 등으로 정의할 수 있고, Nr개의 수신 안테나(B1, B2, ... , BNr)에 대한 수신 안테나 구조는 수신 안테나의 개수 및 간격(Nr, Dr) 등으로 정의할 수 있다.
송신 안테나 구조


 Nt 송신 안테나 총 개수
n 송신 안테나 그룹 크기
Ng 송신 안테나 그룹 개수
Dg 송신 안테나 그룹 간격
수신 안테나 구조
 Nr 수신 안테나 개수
Dr 수신 안테나 간격
상기 표 1에서의 6가지 정보(Nt, n Ng, Dg, Nr, Dr) 중에서 일부는 미리 정해진 설계 값이고, 나머지는 관계식에 따라 미리 정해진 설계 값에 의해 결정되는 정보일 수 있다. 예를 들어, 송신 안테나 그룹 개수 Ng, 송신 안테나 그룹 간격 Dg, 수신 안테나 개수 Nr은 레이더 장치(100)의 요구 조건(예: 해상도 조건, 그레이팅 로브 회피 조건, 빔 패턴 조건 등)에 따라 미리 정해진 설계 값일 수 있다. 또한, 송신 안테나 그룹 개수 Ng는 송신 안테나 총 개수 Nt와 송신 안테나 그룹 크기 n에 의해 결정되는 정보일 수 있다. 여기서, 송신 안테나 그룹 크기 n은 송신 안테나 그룹 내 송신 안테나 개수이다.
수신 안테나 간격 Dr, 송신 안테나 그룹 개수 Ng 및 송신 안테나 그룹 간격 Dg는, 하기 수학식 1과 같은 관계를 가질 수 있다.
Figure pat00001
상기 수학식 1에 따르면, 수신 안테나 간격 Dr은 송신 안테나 그룹 개수 Ng와 송신 안테나 그룹 간격 Dg를 곱한 값일 수 있다.
이와 같이, 수신 안테나 간격 Dr이 결정되므로, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더 장치(100)는, 복수의 수신 안테나를 통해 수신된 수신 신호를 이용하여 물체까지의 거리, 물체의 속도 및 방위를 검출하는 물체 검출 기능을 수행함에 있어서, 물체 검출의 정확도를 높일 수 있다. 즉, 높은 해상도 구현이 가능해진다. 이와 같이, 높은 해상도 구현을 위해, 수신 안테나 간격을 넓히는 안테나 구조를 "확장된 애퍼추어(Aperture) 구조"라 할 수 있다.
한편, 확장된 애퍼추어 구조의 안테나 구조를 가짐으로써, 수신단에서의 그래이팅 로브(Grating Lobe)가 발생하는 위치가 메인 빔(Main Beam)이 위치하는 센터 위치로 더 가까워지게 된다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더 장치(100)는, 그래이팅 로브(Grating Lobe)가 발생하는 위치가 메인 빔(Main Beam)이 위치하는 센터 위치에서 멀어지도록, 즉, 그래이팅 로브(Gragting Lobe)를 억제하도록 가상 수신 안테나 형성을 통해 "가상 애퍼추어(Synthetic Aperture) 구조"를 갖는 안테나 구조를 더 가질 수 있다. 이러한 가상 애퍼추어 구조에 대해서는 뒤에서 다시 설명한다.
전술한 송신 안테나 그룹화부(120)는 일 예로, 송신 안테나들을 연결하기 위한 회로로 구성으로 구현될 수 있다.
이러한 송신 안테나 그룹화부(120)의 송신 안테나 그룹화에 대하여 아래에서 더욱 상세하게 설명한다.
송신 안테나 그룹화부(120)는, 각 송신 안테나 그룹에 포함된 송신 안테나의 중복이 가능하도록 송신 안테나 그룹화를 할 수 있다. 즉, 송신 안테나 그룹화부(120)는 복수의 송신 안테나 중 적어도 하나가 둘 이상의 송신 안테나 그룹에 공통으로 포함되도록 할 수 있다.
전술한 송신 안테나 그룹화부(120)에 의한 송신 안테나 그룹화에 의해 만들어진 각 송신 안테나 그룹은 동일한 개수의 송신 안테나가 묶인 그룹일 수 있다.
전술한 송신 안테나 그룹화부(120)에 의한 송신 안테나 그룹화에 의해 만들어진 각 송신 안테나 그룹의 개수(송신 안테나 그룹 개수)는, 송신 안테나 총 개수와 송신 안테나 그룹 크기(송신 안테나 그룹 내 송신 안테나 개수)에 따라 결정될 수 있다.
예를 들어, 각 송신 안테나 그룹은, 동일한 개수의 송신 안테나가 묶인 그룹이라고 가정할 때, 송신 안테나 그룹 개수는, 하기 수학식 2와 같이, 송신 안테나 총 개수와 각 송신 안테나 그룹 내 송신 안테나를 곱한 값일 수 있다.
Figure pat00002
상기 수학식 2에서, Ng는 송신 안테나 그룹 개수이고, Nt는 송신 안테나 총 개수이며, n은 송신 안테나 그룹 크기(송신 안테나 그룹 내 송신 안테나 개수)이다.
전술한 송신 안테나 그룹화와 이에 따른 송신 안테나 그룹 개수를 도 3을 참조하여 예시적으로 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더 장치(100)의 송신 안테나 구조를 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 3의 (a)는 송신 안테나 총 개수가 4이고 송신 안테나 그룹 크기(송신 안테나 그룹 내 송신 안테나 개수)가 3인 경우에 대한 송신 안테나 그룹화를 나타낸 도면이다. 그리고, 도 3의 (b)는 송신 안테나 총 개수가 5이고 송신 안테나 그룹 크기가 3인 경우에 대한 송신 안테나 그룹화를 나타낸 도면이다.
도 3의 (a)를 참조하면, 4개의 송신 안테나(A1, A2, A3, A4)에 대한 그룹화에 따라, 2개의 송신 안테나 그룹(G1, G2)이 만들어진다.
도 3의 (a)를 참조하면, 송신 안테나 그룹 G1은 송신 안테나 A1, 송신 안테나 A2, 송신 안테나 A3가 묶인 그룹이고, Tx1 신호를 송신한다. 송신 안테나 그룹 G2는 송신 안테나 A2, 송신 안테나 A3, 송신 안테나 A4가 묶인 그룹이고, Tx2 신호를 송신한다.
도 3의 (b)를 참조하면, 5개의 송신 안테나(A1, A2, A3, A4, A5)에 대한 그룹화에 따라, 3개의 송신 안테나 그룹(G1, G2, G3)이 만들어진다.
도 3의 (b)를 참조하면, 송신 안테나 그룹 G1은 송신 안테나 A1, 송신 안테나 A2, 송신 안테나 A3가 묶인 그룹이고, Tx1 신호를 송신한다. 송신 안테나 그룹 G2는 송신 안테나 A2, 송신 안테나 A3, 송신 안테나 A4가 묶인 그룹이고, Tx2 신호를 송신한다. 송신 안테나 그룹 G3은 송신 안테나 A3, 송신 안테나 A4, 송신 안테나 A5가 묶인 그룹이고, Tx3 신호를 송신한다.
한편, 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더 장치(100)는, 실제로 존재하는 Nr(≥2)개의 수신 안테나(Real Receive Element)가 배치되지 않은 위치에 가상 수신 안테나(Synthetic Receive Element)가 가상으로 형성되도록 제어하는 가상 수신 안테나 형성부(160)를 더 포함할 수 있다.
전술한 가상 수신 안테나 형성부(160)는, 수신 안테나 배치 위치와 송신 안테나 그룹 간격 Dg에 근거하여 가상 수신 안테나가 가상으로 형성될 위치를 결정할 수 있다. 가령, 가상 수신 안테나는, 수신 안테나가 배치된 위치에서 송신 안테나 그룹 간격 Dg만큼 쉬프트 시킨 위치에서 가상으로 형성될 수 있다.
전술한 가상 수신 안테나 형성부(160)는, 복수의 수신 안테나를 통해 수신된 신호를 기준으로 송신 안테나 그룹 간격에 따라 정해질 수 있는 위상차이를 갖는 가상신호를 생성하는 신호처리를 수행함으로써, 복수의 수신 안테나가 배치되지 않은 위치에 가상 수신 안테나가 가상으로 형성되도록 제어할 수 있다. 이에 따라, 원하는 위치에서 실제 신호가 수신되는 것과 동일한 효과가 있다.
즉, 가상 수신 안테나 형성부(160)는, 실제의 수신 안테나가 배치되지 않은 위치에 가상으로 배치된 가상 수신 안테나를 통해 신호가 수신된 것처럼, 가상의 신호(실제로 수신된 신호를 기준으로 위상차이를 발생시킨 신호)를 만들어내는 신호 처리를 수행하는 것이다.
본 명세서에서, "가상 수신 안테나가 형성된다는 것"은, "실제로 수신되지 않은 수신 신호가 가상으로 만들어진다는 것"과 동일한 의미일 수 있다. 이러한 의미에서 볼 때, 가상 수신 안테나의 배치 구조(간격, 개수 등)는, 실제로 수신되지 않은 수신 신호가 만들어지는 구조(간격, 개수 등)와 동일한 의미일 수 있다.
전술한 가상 수신 안테나 형성부(160)는, 각 수신 안테나 사이마다 동일한 개수의 가상 수신 안테나가 가상으로 형성되도록 제어할 수 있다.
또한, 전술한 가상 수신 안테나 형성부(160)는, 송신 안테나 그룹 개수 Ng 및 수신 안테나 개수 Nr에 따라 결정되는 가상 수신 안테나 개수만큼의 가상 수신 안테나가 형성되도록 제어할 수 있다.
즉, 가상 수신 안테나 개수 Nv는, 하기 수학식 3에서와 같이, 송신 안테나 그룹 개수 Ng에서 1을 뺀 값과 수신 안테나 개수 Nr을 곱하여 결정될 수 있다.
Figure pat00003
한편, 레이더 장치(100)(안테나부)의 사이즈를 줄이기 위하여, 전술한 가상 수신 안테나 형성부(160)는, 실제로 존재하는 복수의 수신 안테나 중 가장 바깥쪽에 배치된 수신 안테나(최외각 수신 안테나)보다는 안쪽에만 가상 수신 안테나가 형성되도록 제어할 수 있다. 즉, 가상 수신 안테나 형성부(160)는 복수의 수신 안테나 중 최외각에 배치된 수신 안테나보다 더 외각에서는 가상신호를 미생성할 수 있다.
이와 같이, 최외각 수신 안테나보다 외각에서 가상 수신 안테나가 가상으로 형성되지 않도록 제어하는 경우, 물체 감지를 위해 이용하는 가상 수신 안테나 개수 Nv는, 하기 수학식 4에 따라 결정될 수 있다.
Figure pat00004
전술한 바와 같이, 수신단에서 가상 수신 안테나가 형성된 경우, 물체 감지부(150)는, 실제로 존재하는 Nr개의 수신 안테나를 통해 실제로 수신된 신호와, 가상으로 형성된 Nv개의 가상 수신 안테나를 통해 수신된 것 같은 가상신호(즉, 가상으로 생성된 가상신호)에 근거하여, 물체를 감지할 수 있다.
전술한 물체 감지부(150)는, 신호 처리 방식으로, 실제로 수신된 신호와 가상으로 생성된 가상신호에 대하여, 신호 간 위상 차이를 보상하고, 위상 차이가 보상된 신호들을 합성한 하나의 합성 신호에 근거하여 물체까지의 거리, 물체의 속도 및 방위를 검출할 수 있다. 이와 같이, 신호 처리 방식으로 신호 간 위상 차이를 보상하여 물체를 검출함으로써, 레이더 장치(100)에 대한 미스-얼라이먼트(Mis-Alignment)를 보정해주는 효과를 얻을 수 있다. 즉, 수평 또는 수직방향 측면에서, 레이더 장치(100)가 정확한 방향으로 신호가 송신(조사)되지 않는 미스-얼라이먼트를 레이더 장치(100)의 설치 각도 등을 물리적으로 수정하지 않고도 신호 처리 방식으로 미스-얼라이먼트(Mis-Alignment)를 보정해줄 수 있다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더 장치(100)에서, 가상 수신 안테나 형성 기법을 적용한 전체 안테나 구조를 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 4는, 송신 안테나 총 개수 Nt가 4이고, 수신 안테나 개수 Nr이 5인 안테나 구조를 나타낸 도면이다.
도 4에 예시된 전체 안테나 구조에서, 송신 안테나 구조는, 4개의 송신 안테나(A1, A2, A3, A4)를 갖고, 4개의 송신 안테나(A1, A2, A3, A4)에 대한 그룹화가 이루어진 구조이다.
송신 안테나 그룹화와 관련하여, 송신 안테나 구조는, 송신 안테나 그룹 크기 n은 3이고 이에 따라 2개의 송신 안테나 그룹(G1, G2)이 만들어진 구조를 갖는다. 즉, 4개의 송신 안테나(A1, A2, A3, A4)에 대한 그룹화에 따라, 송신 안테나 A1, 송신 안테나 A2, 송신 안테나 A3가 묶인 송신 안테나 그룹 G1과, 송신 안테나 A2, 송신 안테나 A3, 송신 안테나 A4가 묶인 송신 안테나 그룹 G2가 만들어진다.
그리고, 각 송신 안테나 그룹 간의 송신 안테나 그룹 간격 Dg는 D를 갖는다. 각 송신 안테나 그룹은 3개의 송신 안테나가 묶인 그룹이므로, 각 송신 안테나 그룹의 그룹 위치는 3개의 송신 안테나 중에서 가운데 배치된 송신 안테나의 위치와 동일하다. 도 4의 예시에 따르면, 송신 안테나 그룹 G1의 그룹 위치는 송신 안테나 A2의 배치 위치이고, 송신 안테나 그룹 G2의 그룹 위치는 송신 안테나 A3의 배치 위치이다. 따라서, 송신 안테나 그룹 G1과 송신 안테나 그룹 G2간의 간격 Dg는 송신 안테나 A21과 송신 안테나 A2 간의 간격 d와 동일하다.
도 4에 예시된 전체 안테나 구조에서, 수신 안테나 구조는 5개의 수신 안테나(B1, B2, B3, B4, B5)를 갖고 가상 수신 안테나가 가상으로 형성된 구조이다.
도 4를 참조하면, 수신 안테나 간격 Dr은 송신 안테나 그룹 개수 Ng와 송신 안테나 그룹 간격 Dg를 곱한 값일 수 있다. 즉, Dr=NgDg=2D
도 4를 참조하면, 가상 수신 안테나 형성 기법에 따라, 5개의 수신 안테나(B1, B2, B3, B4, B5)가 배치되지 않은 위치에, 5개의 가상 수신 안테나(b1, b2, b3, b4, b5)가 가상으로 형성된다.
가상 수신 안테나 개수 Nv는, 송신 안테나 그룹 개수 Ng에서 1을 뺀 값과 수신 안테나 개수 Nr을 곱하여 결정될 수 있다. 즉, Nv=Nr(Ng-1)=5(2-1)=5
가상 수신 안테나의 형성 위치는, 수신 안테나의 배치 위치와 송신 안테나 그룹 간격 Dg에 따라 결정된다. 즉, 수신 안테나 B1의 배치 위치에서 송신 안테나 그룹 간격 Dg(=D)만큼 이격된 위치에 가상 수신 안테나 b1이 가상으로 형성되고, 수신 안테나 B2의 배치 위치에서 송신 안테나 그룹 간격 Dg(=D)만큼 이격된 위치에 가상 수신 안테나 b2가 가상으로 형성되고, 수신 안테나 B3의 배치 위치에서 송신 안테나 그룹 간격 Dg(=D)만큼 이격된 위치에 가상 수신 안테나 b3이 가상으로 형성되고, 수신 안테나 B4의 배치 위치에서 송신 안테나 그룹 간격 Dg(=D)만큼 이격된 위치에 가상 수신 안테나 b4가 가상으로 형성되고, 수신 안테나 B5의 배치 위치에서 송신 안테나 그룹 간격 Dg(=D)만큼 이격된 위치에 가상 수신 안테나 b5이 가상으로 형성된다.
이와 같이 가상 수신 안테나 형성을 고려하면, 수신 단에서의 모든 안테나 각각의 간격 Dr'는 D가 된다.
도 4의 전체 안테나 구조에 따른 신호 송수신은 다음과 같다.
송신 안테나 그룹 G1을 통해 Tx1 신호가 송신되고, 송신 안테나 그룹 G2를 통해 Tx2 신호가 송신된다.
실제로 존재하는 5개의 수신 안테나(B1, B2, B3, B4, B5)는 Rx1 신호, Rx2 신호, Rx3 신호, Rx4 신호, Rx5 신호를 실제로 각각 수신한다.
가상으로 형성된 5개의 가상 수신 안테나(b1, b2, b3, b4, b5)는 실제로 수신된 신호를 기준으로 신호 처리 방식으로 가상으로 생성된 가상신호인 rx1 신호, rx2 신호, rx3 신호, rx4 신호, rx5 신호를 각각 수신한다고 볼 수 있다.
실제로 존재하는 5개의 수신 안테나(B1, B2, B3, B4, B5)를 통해 실제로 수신되는 신호(Rx1 신호, Rx2 신호, Rx3 신호, Rx4 신호, Rx5 신호)는 Tx1 신호가 반사되어 수신된 신호이고, 가상으로 형성된 5개의 가상 수신 안테나(b1, b2, b3, b4, b5)를 통해 가상으로 수신된 것으로 불 수 있는 가상 신호(rx1 신호, rx2 신호, rx3 신호, rx4 신호, rx5 신호)는 Tx2 신호가 반사되어 수신된 것과 같은 가상의 신호이다.
한편, 도 4를 참조하면, 실제로 존재하는 5개의 수신 안테나(B1, B2, B3, B4, B5) 중 최외각 수신 안테나(B1, B5)보다 더 외각에서는 가상 수신 안테나(도 4에서, b5)가 가상으로 형성되거나, 가상으로 형성되었더라도, 연산량 등을 고려하여, 해당 신호(도 4에서, rx5)를 이용하지 않을 수 있다.
도 4에 예시된 전체 안테나 구조를 관련 인자로 정리하면 다음의 표 2와 같다.
송신 안테나 구조


 Nt (송신 안테나 총 개수) 4
n (송신 안테나 그룹 크기) 3
Ng (송신 안테나 그룹 개수) 2
Dg (송신 안테나 그룹 간격) D
수신 안테나 구조


 Nr (수신 안테나 총 개수) 5
Dr (수신 안테나 간격) 2D
Nv (가상 수신 안테나 개수) 5 또는 4
Dr' (수신단 안테나 간격) D
도 5는 송신 안테나 총 개수 Nt가 5이고, 수신 안테나 개수 Nr이 4인 안테나 구조를 나타낸 도면이다.
도 5에 예시된 전체 안테나 구조에서, 송신 안테나 구조는, 5개의 송신 안테나(A1, A2, A3, A4, A5)를 갖고, 5개의 송신 안테나(A1, A2, A3, A4, A5)에 대한 그룹화가 이루어진 구조이다.
송신 안테나 그룹화와 관련하여, 송신 안테나 구조는, 송신 안테나 그룹 크기 n은 3이고 이에 따라 3개의 송신 안테나 그룹(G1, G2, G3)이 만들어진 구조를 갖는다. 즉, 45개의 송신 안테나(A1, A2, A3, A4, A5)에 대한 그룹화에 따라, 송신 안테나 A1, 송신 안테나 A2, 송신 안테나 A3가 묶인 송신 안테나 그룹 G1과, 송신 안테나 A2, 송신 안테나 A3, 송신 안테나 A4가 묶인 송신 안테나 그룹 G2가 만들어지고, 송신 안테나 A3, 송신 안테나 A4, 송신 안테나 A5가 묶인 송신 안테나 그룹 G2가 만들어진다.
그리고, 각 송신 안테나 그룹 간의 송신 안테나 그룹 간격 Dg는 D를 갖는다. 각 송신 안테나 그룹은 3개의 송신 안테나가 묶인 그룹이므로, 각 송신 안테나 그룹의 그룹 위치는 3개의 송신 안테나 중에서 가운데 배치된 송신 안테나의 위치와 동일하다. 도 5의 예시에 따르면, 송신 안테나 그룹 G1의 그룹 위치는 송신 안테나 A2의 배치 위치이고, 송신 안테나 그룹 G2의 그룹 위치는 송신 안테나 A3의 배치 위치이며, 송신 안테나 그룹 G3의 그룹 위치는 송신 안테나 A4의 배치 위치이다. 따라서, 송신 안테나 그룹 G1과 송신 안테나 그룹 G2간의 간격 Dg는 송신 안테나 A21과 송신 안테나 A2 간의 간격 d와 동일하다.
도 5에 예시된 전체 안테나 구조에서, 수신 안테나 구조는 4개의 수신 안테나(B1, B2, B3, B4)를 갖고 가상 수신 안테나가 가상으로 형성된 구조이다.
도 5를 참조하면, 수신 안테나 간격 Dr은 송신 안테나 그룹 개수 Ng와 송신 안테나 그룹 간격 Dg를 곱한 값일 수 있다. 즉, Dr=NgDg=3D
도 5를 참조하면, 가상 수신 안테나 형성 기법에 따라, 4개의 수신 안테나(B1, B2, B3, B4)가 배치되지 않은 위치에, 8개의 가상 수신 안테나(b'1, b"1, b'2, b"2, b'3, b"3, b'4, b"4)가 가상으로 형성된다.
가상 수신 안테나 개수 Nv는, 송신 안테나 그룹 개수 Ng에서 1을 뺀 값과 수신 안테나 개수 Nr을 곱하여 결정될 수 있다. 즉, Nv=Nr(Ng-1)=4(3-1)=8
가상 수신 안테나의 형성 위치는, 수신 안테나의 배치 위치와 송신 안테나 그룹 간격 Dg에 따라 결정된다.
다시 말해, 수신 안테나 B1의 배치 위치에서 송신 안테나 그룹 간격 Dg(=D)만큼 이격된 위치에 가상 수신 안테나 b'1이 가상으로 형성되고, 가상 수신 안테나 b'1의 형성 위치에서 송신 안테나 그룹 간격 Dg(=D)만큼 이격된 위치에 가상 수신 안테나 b"1이 가상으로 형성된다. 수신 안테나 B2의 배치 위치에서 송신 안테나 그룹 간격 Dg(=D)만큼 이격된 위치에 가상 수신 안테나 b'2가 가상으로 형성되고, 가상 수신 안테나 b'2의 형성 위치에서 송신 안테나 그룹 간격 Dg(=D)만큼 이격된 위치에 가상 수신 안테나 b"2가 가상으로 형성된다. 수신 안테나 B3의 배치 위치에서 송신 안테나 그룹 간격 Dg(=D)만큼 이격된 위치에 가상 수신 안테나 b'3이 가상으로 형성되고, 가상 수신 안테나 b'3의 형성 위치에서 송신 안테나 그룹 간격 Dg(=D)만큼 이격된 위치에 가상 수신 안테나 b"3이 가상으로 형성된다. 수신 안테나 B4의 배치 위치에서 송신 안테나 그룹 간격 Dg(=D)만큼 이격된 위치에 가상 수신 안테나 b'4가 가상으로 형성되고, 가상 수신 안테나 b'4의 형성 위치에서 송신 안테나 그룹 간격 Dg(=D)만큼 이격된 위치에 가상 수신 안테나 b"4가 가상으로 형성된다.
이와 같이 가상 수신 안테나 형성을 고려하면, 수신 단에서의 모든 안테나 각각의 간격 Dr'는 D가 된다.
도 5의 전체 안테나 구조에 따른 신호 송수신은 다음과 같다.
송신 안테나 그룹 G1을 통해 Tx1 신호가 송신되고, 송신 안테나 그룹 G2를 통해 Tx2 신호가 송신되고, 송신 안테나 그룹 G3을 통해 Tx3 신호가 송신된다.
실제로 존재하는 4개의 수신 안테나(B1, B2, B3, B4)는 Rx1 신호, Rx2 신호, Rx3 신호, Rx4 신호를 실제로 각각 수신한다.
가상으로 형성된 가상 수신 안테나들 중에서, 4개의 가상 수신 안테나(b'1, b'2, b'3, b'4)는 실제로 수신된 신호를 기준으로 신호 처리 방식으로 가상으로 생성된 가상신호인 rx'1 신호, rx'2 신호, rx'3 신호, rx'4 신호를 각각 수신한다고 볼 수 있다.
가상으로 형성된 가상 수신 안테나들 중에서, 나머지 4개의 가상 수신 안테나(b"1, b"2, b"3, b"4)는 실제로 수신된 신호를 기준으로 신호 처리 방식으로 가상으로 생성된 가상신호인 rx"1 신호, rx"2 신호, rx"3 신호, rx"4 신호를 각각 수신한다고 볼 수 있다.
실제로 존재하는 4개의 수신 안테나(B1, B2, B3, B4)를 통해 실제로 수신되는 신호(Rx1 신호, Rx2 신호, Rx3 신호, Rx4 신호)는 Tx1 신호가 반사되어 수신된 실제의 신호이다. 그리고, 가상으로 형성된 4개의 가상 수신 안테나(b'1, b'2, b'3, b'4)를 통해 가상으로 수신된 것으로 불 수 있는 가상 신호(rx'1 신호, rx'2 신호, rx'3 신호, rx'4 신호)는 Tx2 신호가 반사되어 수신된 것과 같은 가상의 신호이고, 가상으로 형성된 나머지 4개의 가상 수신 안테나(b"1, b"2, b"3, b"4)를 통해 가상으로 수신된 것으로 불 수 있는 가상 신호(rx"1 신호, rx"2 신호, rx"3 신호, rx"4 신호)는 Tx3 신호가 반사되어 수신된 것과 같은 가상의 신호이다.
한편, 도 5를 참조하면, 실제로 존재하는 4개의 수신 안테나(B1, B2, B3, B4) 중 최외각 수신 안테나(B1, B4)보다 더 외각에서는 가상 수신 안테나(도 5에서, b'4, b"4)가 가상으로 형성되거나, 가상으로 형성되었더라도, 연산량 등을 줄이기 위하여, 해당 신호(도 5에서, rx'4, rx"4)를 이용하지 않을 수 있다.
도 5에 예시된 전체 안테나 구조를 관련 인자로 정리하면 다음의 표 3과 같다.
송신 안테나 구조


 Nt (송신 안테나 총 개수) 5
n (송신 안테나 그룹 크기) 3
Ng (송신 안테나 그룹 개수) 3
Dg (송신 안테나 그룹 간격) D
수신 안테나 구조


 Nr (수신 안테나 총 개수) 4
Dr (수신 안테나 간격) 3D
Nv (가상 수신 안테나 개수) 8 또는 6
Dr' (수신단 안테나 간격) D
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 장치(600)의 블록도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 장치(600)는, 복수의 송신 안테나를 포함하는 송신 안테나부(610)와, 복수의 송신 안테나를 결정된 송신 안테나 그룹 개수로 그룹화하여 송신 안테나 그룹 개수만큼의 송신 안테나 그룹이 미리 결정된 송신 안테나 그룹 간격으로 배치되어 형성되도록 하는 송신 안테나 그룹화부(620)와, 송신 안테나 그룹 개수 및 송신 안테나 그룹 간격에 의해 정의되는 수신 안테나 간격을 갖고 배치되는 복수의 수신 안테나를 포함하는 수신 안테나부(630) 등을 포함한다.
송신 안테나 그룹 개수는, 송신 안테나 총 개수와 송신 안테나 그룹 크기에 따라 결정될 수 있다.
수신 안테나 간격은, 송신 안테나 그룹 개수 및 송신 안테나 그룹 간격을 곱한 값일 수 있다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 장치(600)는, 복수의 수신 안테나가 배치되지 않은 위치에 가상 수신 안테나가 가상으로 형성되도록 제어하는 가상 수신 안테나 형성부(640)를 더 포함할 수 있다.
가상 수신 안테나 형성부(640)는, 복수의 수신 안테나를 통해 수신된 신호를 기준으로 송신 안테나 그룹 간격에 따라 정해질 수 있는 위상차이를 갖는 가상신호를 생성하는 신호처리를 수행함으로써, 복수의 수신 안테나가 배치되지 않은 위치에 가상 수신 안테나가 가상으로 형성되도록 제어할 수 있다.
가상 수신 안테나 형성부(640)는, 각 수신 안테나 사이마다 동일한 개수(Ng-1)의 가상 수신 안테나가 가상으로 형성되도록 제어할 수 있다.
가상 수신 안테나 형성부(640)는, 송신 안테나 그룹 개수 및 수신 안테나 개수에 따라 결정되는 가상 수신 안테나 개수만큼의 가상 수신 안테나가 형성되도록 제어할 수 있다.
가상 수신 안테나 형성부(640)는, 복수의 수신 안테나 중 가장 바깥쪽에 배치된 수신 안테나보다는 안쪽에만 가상 수신 안테나가 형성되도록 제어할 수 있다.
도 6의 안테나 장치(600)의 안테나 구조는, 도 1 내지 도 5를 참조하여 전술한 안테나 구조와 동일하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 레이더 장치(100) 및 안테나 장치(600)는, 해상도를 높이는 것을 하나의 목적으로 하고 있는데, 여기서, 해상도는, 분해능이라고도 하는데, 접근한 두 물체를 정확하게 분별하는 능력을 의미한다. 이는 레이더 장치(100) 및 안테나 장치(600)의 매우 중요한 성능 요소 중 하나이다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더 장치(100) 및 안테나 장치(600)는 그레이팅 로브(Grating Lobe) 회피하는 것을 또 다른 목적으로 하고 있으며, 이 또한, 레이더 장치(100) 및 안테나 장치(600)의 매우 중요한 성능 요소 중 하나이다. 그레이팅 로브 발생과 회피 조건에 대하여 도 7을 참조하여 설명한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더 장치(100) 및 안테나 장치(600)가 그레이팅 로프 현상을 피하기 위한 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 7을 참조하면, 반경 kd인 원을 Ψ에 투사했을 때, 유니버셜 패턴(Universal Pattern) 상에 있는 하나 이상의 피크(Peak)가 이 범위에 속하면, 그래이팅 로브(Grating Lobe) 현상이 발생할 수 있다.
이때, 그래이팅 로브(Grating Lobe)는 메인 빔(Major Beam)과 동일한 크기를 갖고 존재하게 된다.
이러한 그래이팅 로브를 피하기 위해서는, 아래의 수학식 5와 같은 조건을 만족해야 한다.
Figure pat00005
상기 수학식 5에서, kd는 신호의 투사(송신) 반경이고, d는 안테나 간격이며, λ는 신호의 파장이다.
상기 수학식 5에 따르면, 그래이팅 로브 회피를 위해서는, 안테나 간격 d는 신호의 반파장(λ/2) 보다 작아야 한다.
그런데, 안테나 간격 d를 너무 작게 하면, 해상도(분해능)가 낮아지게 된다.
따라서, 그레이팅 로브 회피와 고 해상도를 고려하여, 안테나 간격 d는 신호의 반파장(λ/2) 보다 작고, 해상도를 너무 떨어뜨리지 않는 임계값(안테나 간격의 임계값)보다는 커야 한다.
이와 같이, 그레이팅 로브 회피와 고 해상도의 달성을 위한 안테나 간격 d의 조건을 충족시켜주기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더 장치(100) 및 안테나 장치(600)는, 수신 단의 안테나 간격 Dr'이 해상도를 너무 떨어뜨리지 않는 임계값(안테나 간격의 임계값)보다는 크고 신호의 반파장(λ/2) 보다는 작아지도록, 적절한 위치와 간격으로 가상 수신 안테나를 형성하고 그에 맞는 안테나 구조를 갖는다.
즉, 본 발명에 의하면, 해상도를 높이면서도 그래이팅 로브(Grating Lobe)를 억제할 수 있는 안테나 구조를 갖는 레이더 장치와 안테나 장치를 제공하는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 관심이 있는 전방 영역 외에 사선 영역에서의 신호 수신과 그레이팅 로브의 영향을 줄이기 위하여 빔 폭이 더 작은 송신 안테나를 배치시켜 여러 송신 안테나를 하나로 묶어서 설계하는 안테나 그룹화 구조를 갖는 레이더 장치와 안테나 장치를 제공하는 효과가 있다.
이 경우, 수신 안테나의 간격을 그레이팅 로브의 영향을 억제하는 선에서, 가상 어레이 안테나의 간격이 반 파장 이상이 되도록 하여 해상도를 더욱 높일 수 있다.

Claims (13)

  1. 복수의 송신 안테나를 포함하는 송신 안테나부;
    상기 복수의 송신 안테나를 결정된 송신 안테나 그룹 개수로 그룹화하여 상기 송신 안테나 그룹 개수만큼의 송신 안테나 그룹이 미리 결정된 송신 안테나 그룹 간격으로 배치되어 형성되도록 하는 송신 안테나 그룹화부;
    상기 송신 안테나 그룹 개수 및 상기 송신 안테나 그룹 간격에 의해 정의되는 수신 안테나 간격을 갖고 배치되는 복수의 수신 안테나를 포함하는 수신 안테나부;
    상기 송신 안테나 그룹 개수만큼의 송신 안테나 그룹을 통해 신호를 송신하고, 상기 송신된 신호가 반사된 신호를 상기 복수의 수신 안테나를 통해 수신하는 신호 송수신부; 및
    상기 수신된 신호에 근거하여 물체를 감지하는 물체 감지부를 포함하는 레이더 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 송신 안테나 그룹화부는,
    상기 복수의 송신 안테나 중 적어도 하나가 둘 이상의 송신 안테나 그룹에 공통으로 포함되도록 하는 것을 특징으로 하는 레이더 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 송신 안테나 그룹 개수는,
    송신 안테나 총 개수와 송신 안테나 그룹 크기에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 레이더 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 수신 안테나가 배치되지 않은 위치에 가상 수신 안테나가 가상으로 형성되도록 제어하는 가상 수신 안테나 형성부를 더 포함하는 레이더 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 가상 수신 안테나 형성부는,
    상기 각 수신 안테나 사이마다 동일한 개수의 가상 수신 안테나가 가상으로 형성되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 레이더 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 가상 수신 안테나 형성부는,
    상기 복수의 수신 안테나를 통해 수신된 신호를 기준으로 상기 송신 안테나 그룹 간격에 따라 정해질 수 있는 위상차이를 갖는 가상신호를 생성하는 신호처리를 수행함으로써, 상기 복수의 수신 안테나가 배치되지 않은 위치에 상기 가상 수신 안테나가 가상으로 형성되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 레이더 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 물체 감지부는,
    상기 수신된 신호와 상기 생성된 가상신호에 근거하여 상기 물체를 감지하는 것을 특징으로 하는 레이더 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 물체 감지부는,
    상기 수신된 신호와 상기 생성된 가상신호에 대하여, 신호 간 위상 차이를 보상하고, 위상 차이가 보상된 신호들을 합성한 하나의 합성 신호에 근거하여 상기 물체까지의 거리, 물체의 속도 및 방위를 검출하는 것을 특징으로 하는 레이더 장치.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 가상 수신 안테나 형성부는,
    상기 복수의 수신 안테나 중 최외각에 배치된 수신 안테나보다 더 외각에서는 가상신호를 미생성하는 것을 특징으로 하는 레이더 장치.
  10. 복수의 송신 안테나를 포함하는 송신 안테나부;
    상기 복수의 송신 안테나를 결정된 송신 안테나 그룹 개수로 그룹화하여 상기 송신 안테나 그룹 개수만큼의 송신 안테나 그룹이 미리 결정된 송신 안테나 그룹 간격으로 배치되어 형성되도록 하는 송신 안테나 그룹화부; 및
    상기 송신 안테나 그룹 개수 및 상기 송신 안테나 그룹 간격에 의해 정의되는 수신 안테나 간격을 갖고 배치되는 복수의 수신 안테나를 포함하는 수신 안테나부를 포함하는 안테나 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 송신 안테나 그룹 개수는,
    송신 안테나 총 개수와 송신 안테나 그룹 크기에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 복수의 수신 안테나가 배치되지 않은 위치에 가상 수신 안테나가 가상으로 형성되도록 제어하는 가상 수신 안테나 형성부를 더 포함하는 안테나 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 가상 수신 안테나 형성부는,
    상기 복수의 수신 안테나 및 상기 가상 수신 안테나를 포함한 수신단 안테나 간의 간격에 기초하여, 상기 복수의 수신 안테나를 통해 수신된 신호에 비해 소정의 위상차이를 갖는 가상의 신호를 생성하는 신호처리를 수행함으로써, 상기 복수의 수신 안테나가 배치되지 않은 위치에 가상 수신 안테나가 가상으로 형성되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
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