KR20160039358A - 도플러 레이더 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 도플러 레이더에 관한 것이다. 상기 도플러 레이더는, 동일한 발진 주파수(f0)를 갖는 제1 및 제2 발진 신호를 출력하는 차동 발진기; 차동 발진기의 제1 발진 신호를 제공받아 송신하는 송신 안테나; 외부로부터 반사 신호를 수신하여 제공하는 수신 안테나; 차동 발진기의 제2 발진 신호를 국부 발진 신호로 제공받고, 수신 안테나로부터 반사 신호를 제공받으며, 상기 국부 발진 신호와 반사 신호를 혼합하여 중간 주파수 신호로 변환시켜 출력하는 믹서; 상기 믹서로부터 제공된 중간 주파수 신호를 필터링하여 제공하는 저역 통과 필터; 를 구비한다.
전술한 특징에 따른 도플러 레이더에 있어서, 상기 제1 및 제2 발진 신호는 동일한 발진 주파수(f0)를 갖는 신호들로서, 180°의 위상차가 있는 신호들인 것이 바람직하다.
전술한 특징에 따른 도플러 레이더에 있어서, 상기 제1 및 제2 발진 신호는 동일한 발진 주파수(f0)를 갖는 신호들로서, 180°의 위상차가 있는 신호들인 것이 바람직하다.
Description
본 발명은 도플러 레이더에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 차동 발진기를 이용한 도플러 레이더에 관한 것이다.
도플러 레이더(Doppler RADAR)는 도플러 효과(Doppler effect)를 이용하여 이동하는 물체의 방향과 속도를 측정하는 레이더로서, 물체로부터 반사되는 반사파의 주파수 변화 즉, 파의 도플러 효과를 이용한 레이더이다. 도플러 레이더에는 펄스 변조되지 않는 사인파를 송ㆍ수신하는 연속파(CW) 레이더와 전자파 신호파형으로서 방형파에 펄스 변조된 전파를 사용하는 펄스 레이더가 있다.
연속파 레이더에서는 도플러 주파수 필터의 성능을 얻기 쉽게 하기 위해서 변조주파수를 비교적 높게 취하기 때문에 원거리를 대상으로 한 레이더에는 부적당하다. 그러나 도플러 주파수를 낮은 주파수대로 택함으로써 인체나 차량 등의 움직임을 안정감 있는 주파수 신호로서 재생할 수 있는 특징이 있다. 한편, 펄스 레이더는 펄스 송신에서 반사 에코 수신까지의 시간에 의해 목표까지의 거리를 계측한다. 송신 펄스폭 내에서 주파수 변조나 위상 변조를 가하는 펄스 압축 레이더라 일컬어지는 방식이 있다. 전술한 펄스형 레이더에서는 레이더 신호의 점유주파수 대폭이 넓어지고 정보량이 증가하는 이점이 있으며, 거리 분해력이 우수한 특징이 있으며, 하나의 안테나로 송수신을 겸용할 수 있기 때문에 항공기나 미사일에 많이 사용한다.
도 1은 종래의 도플러 레이더를 도시한 회로도이다. 도 1을 참조하면, 종래의 도플러 레이더(10)는 발진기(100), 발진기로부터 출력된 발진 신호를 분배하여 송신 신호와 국부 발진 신호를 출력하는 분배기(110), 상기 분배기의 송신 신호를 송신하는 송신 안테나(120), 수신 신호를 수신하는 수신 안테나(130), 상기 분배기의 국부 발진 신호와 수신 안테나의 수신 신호를 믹싱하여 중간 주파수 신호로 변환시켜 출력하는 믹서(140) 및 믹서로부터 출력된 중간 주파수 신호를 필터링하여 출력하는 저역 통과 필터(150)를 구비한다.
전술한 구조를 갖는 종래의 도플러 레이더는 발진기의 발진 신호를 국부 발진 신호와 송신 신호로 분배하기 위한 분배기(Power Splitter)를 구비함에 따라, 삽입 손실이 크고, 전체 크기가 크게 될 뿐만 아니라, 반도체 단일 칩(MMIC:Monolithic Microwave Integrated Circuit)으로 구성시에는 칩 면적이 증가되어 제조 단가가 증가되는 문제점이 있다.
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 차동 발진기를 이용함으로써 별도의 분배기없이 구성된 도플러 레이더를 제공하는 것이다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 제1 특징에 따른 도플러 레이더는, 동일한 발진 주파수(f0)를 갖는 제1 및 제2 발진 신호를 출력하는 차동 발진기; 차동 발진기의 제1 발진 신호를 제공받아 송신하는 송신 안테나; 외부로부터 반사 신호를 수신하여 제공하는 수신 안테나; 차동 발진기의 제2 발진 신호를 국부 발진 신호로 제공받고, 수신 안테나로부터 반사 신호를 제공받으며, 상기 국부 발진 신호와 반사 신호를 혼합하여 중간 주파수 신호로 변환시켜 출력하는 믹서; 상기 믹서로부터 제공된 중간 주파수 신호를 필터링하여 제공하는 저역 통과 필터; 를 구비한다.
본 발명의 제2 특징에 따른 도플러 레이더는, 동일한 발진 주파수(f0)를 갖는 제1 및 제2 발진 신호를 출력하는 차동 발진기; 외부로 고주파 신호를 송신하거나 외부로부터 반사신호를 수신하는 송수신 안테나; 차동 발진기의 제1 발진 신호를 제공받아 송수신 안테나로 송신하고, 안테나를 통해 제공된 반사 신호를 제1 발신 신호와 분리하여 제공하는 서큘레이터(circulator); 차동 발진기의 제2 발진 신호를 국부 발진 신호로 제공받고, 서큘레이터로부터 반사 신호를 제공받으며, 상기 국부 발진 신호와 반사 신호를 혼합하여 중간 주파수 신호로 변환시켜 출력하는 믹서; 상기 믹서로부터 제공된 중간 주파수 신호를 필터링하여 제공하는 저역 통과 필터;를 구비한다.
전술한 제1 및 제2 특징에 따른 도플러 레이더에 있어서, 상기 제1 및 제2 발진 신호는 동일한 발진 주파수(f0)를 갖는 신호들로서, 180°의 위상차가 있는 신호들인 것이 바람직하다.
전술한 제1 및 제2 특징에 따른 도플러 레이더에 있어서, 상기 차동 발진기는 제1 및 제2 발진 신호 중 어느 하나가 최대 발진 전력으로 출력되도록 구성된 것이 바람직하다.
전술한 제1 및 제2 특징에 따른 도플러 레이더에 있어서, 상기 도플러 레이더는 반도체 단일 칩(Monolithic Microwave Integrated Circuits: MMIC), 하이브리드 마이크로파 집적회로(Hybrid Microwave Integrated Circuits: HMIC) 및 인쇄회로기판(PCB) 중 어느 하나로 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 도플러 레이더는 차동 발진기를 사용함으로써 전력 분배기없이 구성될 수 있게 된다. 그 결과, 도플러 레이더를 반도체 단일 칩(Monolithic Microwave Integrated Circuit :'MMIC')로 구성시에 칩 면적을 최소화시킬 수 있게 되어, 제조 단가를 감소시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 도플러 레이더는 차동 발진기의 두 출력단의 출력 전력을 서로 다르게 구성할 수 있으며, 안테나로의 출력 전력과 믹서로의 출력 전력을 서로 다르게 구성하여, 출력 전력과 센싱 감도를 조절할 수 있게 된다.
도 1은 종래의 도플러 레이더를 도시한 회로도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 도플러 레이더를 전체적으로 도시한 회로도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 도플러 레이더에 있어서, 차동 발진기의 일 실시 형태를 도시한 회로도이다.
도 4는 일반적인 음의 저항과 전류의 관계를 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 도플러 레이더를 전체적으로 도시한 회로도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 도플러 레이더를 전체적으로 도시한 회로도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 도플러 레이더에 있어서, 차동 발진기의 일 실시 형태를 도시한 회로도이다.
도 4는 일반적인 음의 저항과 전류의 관계를 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 도플러 레이더를 전체적으로 도시한 회로도이다.
본 발명에 따른 도플러 레이더는 차동 발진기를 사용하여 분배기없이 구성함으로써, 전체 크기를 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라 제1 발진 신호인 송신 신호의 출력과 믹서의 국부 발진 신호의 출력을 최적화시킬 수 있게 되어 레이더의 출력 전력과 센싱 감도를 조절할 수 있게 된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 도플러 레이더의 구조 및 동작에 대하여 구체적으로 설명한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 도플러 레이더를 전체적으로 도시한 회로도이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 도플러 레이더(20)는 차동 발진기(200), 송신 안테나(210), 수신 안테나(220), 믹서(230), 저역 통과 필터(240)를 구비한다.
상기 차동 발진기(200)는 제1 및 제2 출력단을 구비하고, 동일한 발진 주파수(f0)를 갖는 제1 및 제2 발진 신호를 생성하여 제1 및 제2 출력단으로 각각 출력한다. 제1 및 제2 출력단은 각각 송신 안테나(210) 및 믹서(230)와 연결되어, 제1 및 제2 발진 신호를 각각 송신 안테나 및 믹서로 제공한다. 상기 제1 및 제2 발진 신호는 동일한 발진 주파수(f0)를 갖는 신호들로서, 180°의 위상차가 있는 신호들로 구성된 것이 바람직하다.
도 3은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 도플러 레이더에 있어서, 차동 발진기의 일 실시 형태를 도시한 회로도이다. 도 3을 참조하면, 차동 발진기(Differential Oscillator)는 전압원으로부터 구동 전압(VDD)이 인가되면 사전 설정된 발진 주파수(f0)를 갖되 180°의 위상차가 있는 제1 및 제2 발진 신호(V+, V-)가 생성되어 각각 출력된다. 본 발명에 따른 도플러 레이더에 사용되는 차동 발진기는 도 3의 실시형태에 한정하는 것은 아니며, 종래의 다양한 형태의 차동 발진기들을 선택하여 사용할 수 있다.
상기 송신 안테나(210)는 차동 발진기의 제1 발진 신호를 제공받아 송신한다. 상기 수신 안테나(220)는 외부로부터 반사 신호를 수신하여 상기 믹서(230)로 제공한다. 상기 송신 안테나로부터 송신된 제1 발진 신호가 이동하는 물체 등에 의해 반사되면, 반사된 RF 신호는 물체의 이동 속도에 따라 주파수가 천이하게 된다. 따라서, 수신 안테나로 수신된 RF 신호는 물체의 움직임에 따라 천이된 도플러 주파수(fd)를 갖게 된다.
상기 천이된 도플러 주파수(fd)는 아래의 수학식 1에 의해 구해진다.
여기서, v는 물체의 속도이며, fo는 LO 주파수이며, c는 광속이다. 제1 발진 신호가 물체로부터 반사된 RF 신호는 믹서(230)에 의해 제2 발진 신호와 혼합되어 중간 주파수(Intermediate Frequency;IF)로 다운 컨버팅된다.
상기 믹서(230)는 차동 발진기의 제2 발진 신호를 국부 발진(LO) 신호로 제공받고, 수신 안테나로부터 수신된 RF 신호를 제공받으며, 상기 LO 신호와 RF 신호를 혼합하여 중간 주파수(IF) 신호로 변환시켜 출력한다.
상기 저역 통과 필터(240)는 상기 믹서로부터 제공된 중간 주파수 신호를 필터링하여 상기 IF 신호에 포함된 국부 발진 성분과 RF 성분을 제거한 후 출력한다.
신호 처리부는 상기 저역 통과 필터로부터 제공된 출력 신호를 분석하여 도플러 레이더의 주변 영역에 움직이는 물체가 존재하는지 여부를 판단하며, 더 나아가서 움직이는 물체의 속도를 계산해서 제공할 수 있다.
한편, 상기 차동 발진기는 제1 및 제2 발진 신호가 서로 다른 출력 전력을 갖도록 구성하는 것이 바람직하다. 특히, 차동 발진기의 제1 및 제2 출력단 중 어느 하나로 출력되는 신호가 최대 발진 전력으로 출력되도록 구성된 것이 바람직하다. 따라서, 차동 발진기 중 하나의 출력단은 최대 발진 조건을 만족하도록 임피던스를 정하고, 다른 출력단은 최대 발진 조건을 만족하지 않도록 임피던스를 정함으로써, 제1 및 제2 발진 신호가 서로 다른 출력 전력을 갖도록 구성하게 된다.
일반적으로, 회로가 발진하기 위하여는 음의 저항이 필요하다. 전류의 크기 A 에 대하여, 음의 저항이 선형적으로 감소하는 경우, 도 4와 같이 그래프로 나타낼 수 있다. 이 때, 전류 A에 대한 저항 RIN(A)는 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.
RIN(A)에 의해 부하저항 RL에 전달되는 전력은 수학식 3과 같이 표현되며, 여기서 최대 전력이 전달된 조건은 수학식 4와 같이 구하게 된다.
즉, 최대전력이 전달될 조건은 Ao , max = 2/3 AM에서,
즉 능동소자의 입력저항이 A=0 일때의 RIN의 값 (전류의 크기가 아주 작은 소신호에서의 능동소자의 입력저항)의 1/3 일때 최대 발진전력을 얻을 수 있다.
여기서, RIN 은 능동소자의 입력저항, Ro 은 A=0 일때의 RIN의 값 (전류의 크기가 아주 작은 소신호에서의 능동소자의 입력저항), RL 은 부하저항, Ao , max 는 최대 발진전력에서의 A의 값, AM 는 RIN(A)=0 에서의 A의 값을 의미한다.
본 발명에 따른 도플러 레이더는 반도체 단일 칩(Monolithic Microwave Integrated Circuits: MMIC), 하이브리드 마이크로파 집적회로(Hybrid Microwave Integrated Circuits: HMIC) 및 인쇄회로기판(PCB) 중 어느 하나로 구성될 수 있다.
이하, 본 발명의 제2 실시예에 따른 도플러 레이더의 구조 및 동작에 대하여 설명한다. 본 발명의 제2 실시예에 따른 도플러 레이더는 단일의 송수신 안테나를 사용하며, 송수신 안테나로 제공되는 신호와 송수신 안테나가 수신한 신호를 서로 분리하여 제공하기 위한 서큘레이터를 구비하는 것을 특징으로 한다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 도플러 레이더를 개략적으로 도시한 회로도이다. 도 5를 참조하면, 본 실시예에 따른 도플러 레이더(40)는 차동 발진기(400), 송수신 안테나(410), 서큘레이터(Circulator; 420), 믹서(430), 저역 통과 필터(440)를 구비한다.
상기 차동 발진기(400), 믹서(430) 및 저역 통과 필터(440)는 제1 실시예의 그것들과 동일하므로 중복되는 설명은 생략한다. 상기 송수신 안테나(410)는 외부로 고주파 신호를 송신하거나 외부로부터 반사신호를 수신한다. 서큘레이터(420)는 차동 발진기의 제1 발진 신호를 제공받아 송수신 안테나로 송신하고, 안테나를 통해 제공된 반사 신호를 제1 발신 신호와 분리하여 믹서로 제공한다.
상기 믹서(430)는 차동 발진기의 제2 발진 신호를 국부 발진 신호로 제공받고, 서큘레이터로부터 반사 신호를 제공받으며, 상기 국부 발진 신호와 반사 신호를 혼합하여 중간 주파수 신호로 변환시켜 출력한다.
본 실시예에 따른 도플러 레이더는 제1 실시예의 도플러 레이더와 동일하게 동작된다.
이상에서 본 발명에 대하여 그 바람직한 제1 실시예를 중심으로 설명하였으나, 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 그리고, 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
본 발명에 따른 도플러 레이더는 감지 회로, 모션 검출기(Motion Detector) 등에 널리 사용될 수 있다.
20 : 도플러 레이더
200 : 차동 발진기
210 : 송신 안테나
220 : 수신 안테나
230 : 믹서
240 : 저역 통과 필터
200 : 차동 발진기
210 : 송신 안테나
220 : 수신 안테나
230 : 믹서
240 : 저역 통과 필터
Claims (8)
- 동일한 발진 주파수(f0)를 갖는 제1 및 제2 발진 신호를 출력하는 차동 발진기;
차동 발진기의 제1 발진 신호를 제공받아 송신하는 송신 안테나;
외부로부터 반사 신호를 수신하여 제공하는 수신 안테나;
차동 발진기의 제2 발진 신호를 국부 발진 신호로 제공받고, 수신 안테나로부터 반사 신호를 제공받으며, 상기 국부 발진 신호와 반사 신호를 혼합하여 중간 주파수 신호로 변환시켜 출력하는 믹서;
상기 믹서로부터 제공된 중간 주파수 신호를 필터링하여 제공하는 저역 통과 필터;
를 구비하는 도플러 레이더. - 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 발진 신호는 동일한 발진 주파수(f0)를 갖는 신호들로서, 180°의 위상차가 있는 신호들인 것을 특징으로 하는 도플러 레이더.
- 제1항에 있어서, 상기 차동 발진기는 제1 및 제2 발진 신호 중 어느 하나가 최대 발진 전력으로 출력되도록 구성된 것을 특징으로 하는 도플러 레이더.
- 제1항에 있어서, 상기 도플러 레이더는 반도체 단일 칩(Monolithic Microwave Integrated Circuits: MMIC), 하이브리드 마이크로파 집적회로(Hybrid Microwave Integrated Circuits: HMIC) 및 인쇄회로기판(PCB) 중 어느 하나로 구성된 것을 특징으로 하는 도플러 레이더.
- 동일한 발진 주파수(f0)를 갖는 제1 및 제2 발진 신호를 출력하는 차동 발진기;
외부로 고주파 신호를 송신하거나 외부로부터 반사신호를 수신하는 송수신 안테나;
차동 발진기의 제1 발진 신호를 제공받아 송수신 안테나로 송신하고, 안테나를 통해 제공된 반사 신호를 제1 발신 신호와 분리하여 제공하는 서큘레이터(circulator);
차동 발진기의 제2 발진 신호를 국부 발진 신호로 제공받고, 서큘레이터로부터 반사 신호를 제공받으며, 상기 국부 발진 신호와 반사 신호를 혼합하여 중간 주파수 신호로 변환시켜 출력하는 믹서;
상기 믹서로부터 제공된 중간 주파수 신호를 필터링하여 제공하는 저역 통과 필터;
를 구비하는 도플러 레이더. - 제5항에 있어서, 상기 제1 및 제2 발진 신호는 동일한 발진 주파수(f0)를 갖는 신호들로서, 180°의 위상차가 있는 신호들인 것을 특징으로 하는 도플러 레이더.
- 제5항에 있어서, 상기 차동 발진기는 제1 및 제2 발진 신호 중 어느 하나가 최대 발진 전력으로 출력되도록 구성된 것을 특징으로 하는 도플러 레이더.
- 제5항에 있어서, 상기 도플러 레이더는 반도체 단일 칩(Monolithic Microwave Integrated Circuits: MMIC), 하이브리드 마이크로파 집적회로(Hybrid Microwave Integrated Circuits: HMIC) 및 인쇄회로기판(PCB) 중 어느 하나로 구성된 것을 특징으로 하는 도플러 레이더.
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