KR20210019834A - Ｕｗｂ 안테나 모듈 및 이를 구비한 위치 측정 장치 - Google Patents

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유경현
안성제
허정근
이세호
전해운
이찬우
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Abstract

콤바이너를 이용해 복수의 UWB 안테나에서 수신한 신호를 합성 수신하도록 한 UWB 안테나 모듈 및 이를 구비한 위치 측정 장치를 제시한다. 제시된 UWB 안테나 모듈은 제1 수신단, 제2 수신단 및 제1 수신단 및 제2 수신단에서 수신한 신호들을 합성하는 콤바이너를 포함한다.

Description

ＵＷＢ 안테나 모듈 및 이를 구비한 위치 측정 장치{ULTRA WIDE BAND ANTENNA MODULE AND POSITION MEASURING DEVICE HAVING THE SAME}
본 발명은 UWB 안테나 모듈 및 이를 구비한 위치 측정 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 UWB(Ultra-Wide Band, 초광대역)을 통해 측위를 위한 신호를 송수신하는 UWB 안테나 모듈과, UWB 안테나 모듈에서 송수신한 신호를 이용하여 사용자 위치를 측위하는 위치 측정 장치에 관한 것이다.
최근 차량은 운전자와 차량 사이의 거리, 운전자 위치, 차량 위치 등을 이용하여 운전자에게 다양한 편의를 제공하고 있다. 일례로, 차량은 운전자 위치 및 차량 위치를 이용하여 운전자에게 주차된 차량까지의 경로를 안내하는 기능, 운전자와 차량 사이의 거리를 이용하여 운전자가 차량에 접근하면 차량의 도어를 오픈하고 운전자가 차량에서 멀어지면 차량 도어를 락(Lock)하는 기능 등을 제공한다.
종래의 차량은 운전자와 차량 사이의 거리, 운전자 위치 및 차량 위치를 측정하기 위해서 LF(Low Frequency) 또는 RF(Radio Frequency) 통신을 이용해 왔다.
최근에는 UWB(Ultra-Wide Band, 초광대역) 통신을 이용한 위치 측정 기술이 차량에 적용되고 있다. UWB 통신은 임펄스 신호를 통해 높은 정밀도를 갖는 무선 측위 및 통신 기능을 제공할 수 있다. UWB 통신은 대략 3.1㎓∼10.6㎓ 정도의 주파수 대역을 사용하면서 대략 10m∼1km 정도의 전송 거리를 갖는다. UWB 통신은 수 nsec pulse로 시간 분해능이 우수하여 거리 측정에 유리하고, Low duty cycle의 저전력 구현이 가능하다.
이에, 저속 위치인식 기반 응용 서비스에 대한 요구되는 위치 측정 분야 및 대략 +/- 10cm 정도의 정밀도를 갖는 위치 측정 분야에 UWB 통신이 적용되고 있다.
하지만, UWB 통신을 이용한 위치 측정 기술에서는 UWB 안테나 모듈의 방향성과 주변 환경에 따라 측위가 불가능해지는 문제점이 있다.
일례로, 도 1을 참조하면, UWB 안테나 모듈이 실장된 키 팝(10, Key FOB)이 사람(20)의 뒷주머니에 위치하거나, 사람(20)과 차량(20a) 사이에 다른 차량(20b)이 존재하는 경우에 UWB 안테나 모듈에 영향을 준다. 이에, UWB 안테나 모듈은 특정 방향에서 차량 금속부 또는 인체의 영향으로 인해 신호 손실 및 멀티패스 페이딩에 의한 측위 오차와 편차가 발생하는 문제점이 있다.
한국등록특허 제10-1836761호(명칭: 레이더를 이용한 비접촉식 호흡 감지 장치 및 그 방법)
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 콤바이너를 이용해 복수의 UWB 안테나에서 수신한 신호를 합성 수신하도록 한 UWB 안테나 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 UWB 안테나 모듈에서 수신한 신호를 분석하여 정밀 측위 데이터를 추출하도록 한 위치 측정 장치를 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 실시 예에 따른 UWB 안테나 모듈은 제1 수신단, 제2 수신단 및 제1 수신단 및 제2 수신단에서 수신한 신호들을 합성하는 콤바이너를 포함한다.
제1 수신단 및 제2 수신단은 방사 패턴, 필터, 저잡음 증폭기 및 이상기를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 UWB 안테나 모듈은 송신단과, 송신단과 콤바이너 중 하나로 스위칭하는 스위치를 더 포함하고, 송신단은 필터, 파워 증폭기 및 이상기를 포함할 수 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 실시 예에 따른 위치 측정 장치는 제1 UWB 안테나 및 제1 UWB 안테나와 이격된 제2 UWB 안테나를 포함한다. 이때, 제1 UWB 안테나 및 제2 UWB 안테나는 LDA, 칩 안테나, 연성인쇄회로기판 및 AiP 중 하나의 안테나이고, 제1 UWB 안테나 및 제2 UWB 안테나는 동종 안테나이거나, 이종 안테나일 수 있다.
본 발명에 의하면, UWB 안테나 모듈은 복수의 안테나에서 수신한 신호를 콤바이너를 통해 합성함으로써, 이득(Gain)이 증가한 신호를 출력할 수 있는 효과가 있다.
또한, UWB 안테나 모듈을 구비한 위치 측정 장치는 이득이 증가한 신호를 이용하여 위치를 측정함으로써, 스위칭 방식에 비해 정확한 측위 데이터를 추출할 수 있는 효과가 있다.
또한, UWB 안테나 모듈을 구비한 위치 측정 장치는 이종 또는 동종의 UWB 안테나를 서로 이격시켜 배치함으로써, 종래에 비해 측위 데이터의 정확도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, UWB 안테나 모듈을 구비한 위치 측정 장치는 각 앵커(Anchor)와 태그(Tag)의 CIR(Channel Impulse Response) 신호를 분석하여, 정밀 측위 데이터를 추출할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 UWB 통신을 이용한 위치 측정 기술을 설명하기 위한 도면.
도 2 내지 도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 UWB 안테나 모듈을 설명하기 위한 도면.
도 7 내지도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 위치 측정 장치를 설명하기 위한 도면.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시 예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
안테나 다이버시티는 공간 다이버시티(Space Diversity) 방식, 주파수 다이버시티(Frequency Diversity) 방식, 시간 다이버시티(Time Diversity) 방식 및 편파 다이버시티(Polarization Diversity) 방식으로 구분할 수 있다.
도 2를 참조하면, 공간 다이버시티 방식은 공간적으로 분리된 2 이상의 안테나를 이용하는 방식이다. 공간 다이버시티 방식은 2개 이상의 안테나를 페이딩 상관성이 적게 되는 위치에 이격 설치하여, 가장 좋은 신호를 선택 수신하여 페이딩 영향을 개선하는 방식이다.
주파수 다이버시티 방식은 주파수가 다르면, 수신 전계의 페이딩 상태가 달라지는 것을 이용하는 방식이다. 주파수 다이버시티 방식은 2개 이상의 주파수에서 주파수 간격이 클수록 페이딩 상관이 적어지는 것을 이용하는 방식이다.
시간 다이버시티 방식은 동일 정보를 시간 차이를 두어 반복적으로 보내는 방법 등을 통해 구현한다. 시간 다이버시티 방식은 일정 시간 구간에 집중 발생하는 에러(Burst Error)의 방지를 위해 인터리빙 등을 이용한다.
도 3을 참조하면, 편파 다이버시티 방식은 편파가 다르면 페이딩의 상태가 달라지는 것을 이용하는 방식이다. 편파 다이버시티 방식은 2개의 편파(수직편파, 수평편파)를 따로 송수신하여 페이딩의 영향을 개선한다.
본 발명의 실시 예에 따른 UWB 안테나 모듈은 상술한 방식의 다이버시티 안테나 중에서 선택된 하나의 방식으로 동작하는 복수의 UWB 안테나를 포함하여 구성된다.
본 발명의 실시 예에 따른 UWB 안테나 모듈은 복수의 UWB 안테나에서 수신된 신호를 합성 수신한다.
합성 수신 방법은 안테나전환법, 선택합성법, 등이득합성법, 최대비합성법 등으로 구분할 수 있다.
안테나전환법은 복수의 안테나 중 상태가 좋은 안테나로 전환하여 신호를 수신하는 방식이다. 선택합성법은 어느 주어진 시간에 서로 다른 수신된 모든 신호를 비교하여 가장 좋은 신호를 선택하는 방식이다.
도 4를 참조하면, 안테나전환법 및 선택합성법은 2개의 안테나와 하나의 스위치로 구성되어, 신호 상태에 따라 스위치가 2개의 안테나 중 하나로 스위칭(전환)하고, 스위칭된 안테나를 통해 신호를 수신한다.
등이득합성법은 각각의 신호를 모두 합하기 위해 위상이 고정된 합성회로를 사용하는 방식이다. 최대비합성법은 여러 개의 입력된 신호를 최적의 성능을 얻기 위해서 중첩하고, 합성 전에 동기를 취하는 방식이다.
도 5를 참조하면, 등이득합성법 및 최대비합성법은 2개의 안테나와 하나의 콤바이너(Combiner)로 구성되어, 콤바이너가 2개의 안테나에서 수신한 신호를 합성한다.
본 발명의 실시 예에 따른 UWB 안테나 모듈은 복수의 UWB 안테나 및 콤바이너를 이용하여 등이득합성법 및 최대비합성법으로 신호를 합성 수신한다. UWB 안테나 모듈은 2개 이상의 UWB 안테나를 포함한다. 각각의 UWB 안테나의 위치 및 방향은 UWG Tag와 Anchor 사이의 주변 환경을 고려하여 최적화된 위치에 배치된다.
본 발명의 실시 예에 따른 UWB 안테나 모듈은 측위 시 신호의 그룹 딜레이(Group Delay) 및 충실률(Fidelity Factor, 출력신호와 입력신호와의 주파수의 비율) 특성이 중요하다. 이에 UWB 안테나 모듈은 신호의 딜레이가 없도록 복수의 UWB 안테나를 배치한다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 UWB 안테나 모듈은 2개의 수신단(110, 130), 송신단(150), 콤바이너(170) 및 스위치(190)를 포함한다.
수신단(RX; 110, 130)은 신호의 세기 보상과 노이즈 제거를 위하여 방사 패턴(111, 131), 필터(Filter; 113, 133), 저잡음증폭기(LNA; 115, 135), 이상기(Phase Shifter; 117, 137)를 포함하여 구성된다.
송신단(TX; 150)은 방사 패턴(151), Filter(153), Power Amplifier(155), Phase Shifter(157)를 포함하여 구성된다.
콤바이너(170)는 2개의 수신단(110, 130)에서 수신된 신호를 합성한다. 스위치(190)는 수신단(110, 130)과 송신단(150)을 스위칭한다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 위치 측정 장치(200)는 서로 이격된 복수의 UWB 안테나(220, 240)를 포함하는 휴대 단말인 일례로 한다. 이때, UWB 안테나(220, 240)는 LDA, Chip Antenna, FPCB, AiP(Antenna in Package 형태일 수 있다. 이때, 복수의 UWB 안테나(220, 240)는 환경과 특성에 따라 동일한 안테나 형태로 구성되거나, 이종의 안테나 형태로 구성될 수 있다.
일례로, 도 8 및 도 9를 참조하면, 제1 UWB 안테나(220)는 AiP 형태로 구성되어 휴대 단말의 측면에 배치되고, 제2 UWB 안테나(240)는 FPCB 형태로 구성되어, 휴대 단말의 후면 커버에 배치된다. 이때, 제2 UWB 안테나(240)는 무선 전력 전송, 근거리 통신, 전자 결제 등을 위한 복수의 안테나 패턴(320, 330)이 형성된 인쇄회로기판(310) 상에 형성될 수 있다. 물론, 제2 UWB 안테나(240)는 다른 안테나와 독립된 인쇄회로기판 상에 형성될 수도 있다.
도 10을 참조하면, 위치 측정 장치는 차량에 설치된 각 앵커(Anchor)와 태그(Tag)의 CIR(Channel Impulse Response) 신호를 분석하여, 정밀 측위 데이터를 추출할 수 있다.
이상에서 본 발명에 따른 바람직한 실시 예에 대해 설명하였으나, 다양한 형태로 변형이 가능하며, 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 특허청구범위를 벗어남이 없이 다양한 변형 예 및 수정 예를 실시할 수 있을 것으로 이해된다.
110, 130: 수신단 150: 송신단
170: 콤바이너 190: 스위치
200: 위치 측정 장치 220: 제1 UWB 안테나
240: 제2 UWB 안테나

Claims (8)

  1. 제1 수신단;
    제2 수신단; 및
    상기 제1 수신단 및 제2 수신단에서 수신한 신호들을 합성하는 콤바이너를 포함하는 UWB 안테나 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 수신단 및 상기 제2 수신단은 방사 패턴, 필터, 저잡음 증폭기 및 이상기를 포함하는 UWB 안테나 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    송신단을 더 포함하고,
    상기 송신단은 필터, 파워 증폭기 및 이상기를 포함하는 UWB 안테나 모듈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 송신단과 상기 콤바이너 중 하나로 스위칭하는 스위치를 더 포함하는 UWB 안테나 모듈.
  5. 제1 UWB 안테나; 및
    상기 제1 UWB 안테나와 이격된 제2 UWB 안테나를 포함하는 위치 측정 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 UWB 안테나 및 상기 제2 UWB 안테나는 LDA, 칩 안테나, 연성인쇄회로기판 및 AiP 중 하나의 안테나인 위치 측정 장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제1 UWB 안테나 및 상기 제2 UWB 안테나는 동종 안테나인 위치 측정 장치.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 제1 UWB 안테나 및 상기 제2 UWB 안테나는 이종 안테나인 위치 측정 장치.
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