KR20240010891A - 동기화된 pll을 이용한 캐스케이드 fmcw 레이다 - Google Patents

Abstract

본 명세서는 캐스케이드 FMCW 레이다에 관한 것으로 보다 상세하게는, 동기화된 PLL을 이용한 캐스케이드 FMCW 레이다에 관한 것이다. 본 명세서의 일 실시예에 따른 캐스케이드 FMCW 레이다는 저주파 특성의 기준 주파수를 갖는 RF 신호를 생성하는 크리스탈 발진기, 내부에 구비된 신호 발생기를 통해 상기 RF 신호를 변조하여 고주파 특성을 갖는 출력 신호를 생성하는 캐스케이드 배열의 송수신칩 및 출력 신호를 외부에 전자기파 형태로 송신하거나 외부로부터 전자기파를 수신하는 안테나를 포함한다.

Description

동기화된 PLL을 이용한 캐스케이드 FMCW 레이다{CASCADED FMCW RADAR WITH SYNCHRONIZED PLL}

본 명세서는 캐스케이드 FMCW 레이다에 관한 것으로 보다 상세하게는, 동기화된 PLL을 이용한 캐스케이드 FMCW 레이다에 관한 것이다.

자동차 산업뿐만 아니라 산업 현장, 집, 빌딩 내의 보안 센서, 위험 상황 감지 센서 등등 다양한 분야에서 FMCW 레이다의 수요가 증가하고 있다.

FMCW 레이다는 시간 영역에 따라 주파수가 선형적으로 변하는 신호를 송신하고, 전방의 타겟으로부터 반사된 신호를 수신하여 타겟과의 거리 및 속도를 검출하는 장치로써, FMCW 레이다의 송수신칩이 가지는 수신단 채널 개수에 의해 각도 분해능이 결정된다.

종래의 FMCW 레이다는 한정적인 수신단 채널 개수를 가진 송수신칩 하나만을 사용하기 때문에 각도 분해능이 많이 떨어진다. 따라서, 최근 송수신칩 여러개를 동시에 사용하여 레이다 수신단 채널의 전체 개수를 늘리는 방법인 캐스케이드 FMCW 레이다를 연구하는 움직임이 활발하다.

한편, 캐스케이드 FMCW 레이다를 구동시키기 위해서는 전체 시스템의 송신단에서 방사되는 출력 신호의 주파수 특성이 동일해야한다. 그러나, 종래의 캐스케이드 FMCW 레이다는 고주파수 특성을 가진 신호를 이용하므로 회로의 구현 및 확장이 어렵고, 출력 신호의 주파수 특성을 동기화 시키는 것이 매우 어렵다.

또한, 종래의 캐스케이드 FMCW 레이다는 하나의 송수신칩이 마스터가 되어 위상 고정 루프를 동작시키고 나머지 송수신칩은 슬레이브가 되어 마스터 송수신칩이 출력하는 주파수 신호를 입력받아 수신단의 믹서 및 송신단의 출력으로 사용하는 구조를 갖는다. 이에 따라, 트랜스미션 라인 및 전력 분배기가 필수적으로 요구되며, 이는 레이다 시스템의 면적 증가로 이어지는 문제점이 있다.

본 명세서의 목적은 저주파 특성을 갖는 기준 주파수를 이용함으로써 회로를 손쉽게 구현 및 확장할 수 있는 캐스케이드 FMCW 레이다를 제공하는 것이다.

또한, 본 명세서의 목적은 트랜스미션 라인 및 전력 분배기를 제거하여 회로를 소형화하고, 경제성을 향상시킬 수 있는 캐스케이드 FMCW 레이다를 제공하는 것이다.

또한, 본 명세서의 목적은 전력 증폭기의 요구 성능을 감소시켜 시스템 전체의 소모 전력을 줄일 수 있는 캐스케이드 FMCW 레이다를 제공하는 것이다.

본 명세서의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 명세서의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 명세서의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 명세서의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

본 명세서의 일 실시예에 따른 캐스케이드 FMCW 레이다는 저주파 특성의 기준 주파수를 갖는 RF 신호를 생성하는 크리스탈 발진기, 내부에 구비된 신호 발생기를 통해 상기 RF 신호를 변조하여 고주파 특성을 갖는 출력 신호를 생성하는 캐스케이드 배열의 송수신칩 및 출력 신호를 외부에 전자기파 형태로 송신하거나 외부로부터 전자기파를 수신하는 안테나를 포함한다.

또한, 본 명세서의 일 실시예에서 송수신칩은 트리거 신호를 생성하는 하나의 마스터 송수신칩 및 상기 트리거 신호를 수신하는 적어도 하나의 슬레이브 송수신칩을 포함한다.

또한, 본 명세서의 일 실시예에서 슬레이브 송수신칩 및 마스터 송수신칩은 트리거 신호에 기반하여 주파수 변조를 시작함으로써 동기화된다.

또한, 본 명세서의 일 실시예에서 신호 발생기는 위상 고정 루프(Phase lock Loop; PLL)이다.

또한, 본 명세서의 일 실시예에서 RF 신호 및 출력 신호는 각각 80MHz 및 77GHz의 주파수를 갖는다.

또한, 본 명세서의 일 실시예에서 송수신칩은 신호 발생기의 전기적 성능을 증폭시켜 상기 출력 신호 생성을 돕는 전력 증폭기(Power AMP)를 포함한다.

본 명세서의 일 실시예에 따른 캐스케이드 FMCW 레이다는 저주파 특성을 갖는 기준 주파수를 이용함으로써 회로를 손쉽게 구현 및 확장할 수 있다.

또한, 본 명세서의 일 실시예에 따른 캐스케이드 FMCW 레이다는 트랜스미션 라인 및 전력 분배기를 제거하여 회로를 소형화하고, 경제성을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 명세서의 일 실시예에 따른 캐스케이드 FMCW 레이다는 전력 증폭기의 요구 성능을 감소시켜 시스템 전체의 소모 전력을 줄일 수 있다.

도 1 및 도 2는 종래의 캐스케이드 FMCW 레이다의 구조를 나타낸 블록도이다.
도 3 및 도 4는 본 명세서의 일 실시예에 따른 캐스케이드 FMCW 레이다의 구조를 나타낸 블록도이다.
도 5는 종래의 캐스케이드 FMCW 레이다의 PCB를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 명세서의 일 실시예에서 캐스케이드 FMCW 레이다의 PCB를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 명세서의 일 실시예에 따른 캐스케이드 FMCW 레이다의 효과를 나타낸 그래프이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.

제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

도 1 및 도 2는 종래의 캐스케이드 FMCW 레이다의 구조를 나타낸 블록도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 종래의 캐스케이스 FMCW 레이다는 크리스탈 발진기(XTAL), 송수신칩(IC), 안테나(TX ANT) 및 전력 분배기(Power Divider)를 포함할 수 있다.

크리스탈 발진기(Cristal Oscillator; XTAL)는 압전기 물질의 결정이 진동할 때 발생하는 기계적인 공명을 이용하여 기준 주파수(REF FREQ)를 갖는 RF 신호를 생성한다. 생성되는 RF 신호는 수십 kHz부터 수십 MHz까지의 저주파 특성을 가지며, 이하 본 명세서에서 사용되는 크리스탈 발진기로부터 생성되는 RF 신호는 80MHz임을 전제로하여 설명하도록 한다.

송수신칩(IC)은 무선 신호를 송신 또는 수신하는 집적 회로로써, 복수일 수 있다. 복수의 송수신칩 중 하나는 크리스탈 발진기로부터 생성되는 RF 신호를 수신하며, 마스터 송수신칩(MASTER IC)으로 동작 한다.

마스터 송수신칩 내부에 구비된 신호 발생기(Phase lock Loop; PLL)는 RF 신호를 수신하여 고주파수의 출력 신호로 변조시킨다. 이때, 변조된 출력 신호는 77GHz의 주파수를 가질 수 있다.

한편, 마스터 송수신칩을 제외한 나머지 송수신칩은 슬레이브 송수신칩(SLAVE IC)으로 동작하며, 마스터 송수신칩이 출력하는 출력 신호는 도 2에 도시된 바와 같이, 전력 분배기(Power Divider)를 거쳐 슬레이브 송수신칩에 전달된다.

전력 분배기는 입력 신호를 두개의 출력 신호로 분배하며, 이 과정에서 전력이 분배되므로 마스터 송수신칩은 내부에 포함된 전력 증폭기(Power AMP,미도시)는 이를 고려하여 높은 전력을 출력하여야한다. 따라서, 전력 증폭기는 높은 증폭 성능이 요구된다.

슬레이브 송수신칩은 바이패스 모드로 동작한다. 즉, 슬레이브 송수신칩에 포함된 신호 발생기가 동작하지 않고 입력된 신호가 그대로 출력된다. 다시 도 1을 참조하면, 전력 분배기로부터 전달된 고주파 특성의 출력 신호는 각 슬레이브 송수신칩(SLAVE 1 IC, SLAVE 2 IC, SLAVE 3 IC)의 신호 발생기(PLL)에 입력되지 않고 버퍼(BUF)를 통해 그대로 안테나(TX ANT)에 출력된다

이때, 종래의 캐스케이드 FMCW 레이다는 안테나로 송신되는 RF 전송 라인(RF Transmission Line; RF TL)뿐만 아니라 마스터 송수신칩과 전력 분배기 사이(Length: A) 및 전력 분배기와 슬레이브 송수신칩 사이(Length: B)의 RF 전송 라인이 추가적으로 필요하다.

도 3 및 도 4는 본 명세서의 일 실시예에 따른 캐스케이드 FMCW 레이다의 구조를 나타낸 블록도이다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 본 명세서의 캐스케이드 FMCW 레이다는 크리스탈 발진기(XTAL), 송수신칩(IC), 안테나(TX ANT)를 포함할 수 있다.

크리스탈 발진기(XTAL)는 저주파 특성의 기준 주파수를 갖는 RF 신호를 생성한다. 또한, 송수신칩(IC)은 복수개의 캐스케이드 형태로 배열되며, 생성된 RF 신호는 각각의 송수신칩 내부에 구비된 신호 발생기를 통해 고주파 특성을 갖는 출력 신호로 변조된다. 즉, RF 신호는 하나의 송수신칩에만 전달되어 변조된 고주파 출력 신호가 나머지 송수신칩에 분배되는 것이 아니라 기준 주파수가 모든 송수신칩에 동시에 입력된다.

RF 신호의 기준 주파수는 저주파 특성을 가지므로 고주파 특성을 갖는 주파수보다 회로 설계 및 구현이 쉽다. 또한, 송수신칩 간의 간섭이 적어 회로의 소형화가 가능한 장점을 갖는다.

이때, 신호 발생기는 국부 발진기(Local Oscillaor; LO) 또는 위상 고정 루프(Phase lock Loop; PLL)일 수 있으며, 송수신칩은 송신 4채널, 수신 4채널을 포함는 4개의 송수신칩일 수 있다. 또한, 크리스탈 발진기로부터 생성되는 RF 신호는 80MHz의 기준 주파수를 가질 수 있고, 변조된 출력 신호는 77GHz의 주파수를 가질 수 있다. 그러나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 저주파 및 고주파 특성을 갖는 모든 무선 신호를 포함할 수 있다.

한편, 캐스케이드 FMCW 레이다를 구동시키기 위해서는 레이다의 송신단에서 출력되는 출력 신호의 주파수 특성이 동일해야한다. 즉, 다수의 송수신칩이 캐스케이드 배열로 동시에 동작하므로 모든 클럭(CLOCK)이 같도록 동기화되어야 하며, 동기화 되지 않는 경우 각각의 송수신칩의 시간차로 인해 레이다가 제대로 동작하지 않는 문제가 발생한다.

이를 위해, 본 명세서의 캐스케이드 FMCW 레이다는 트리거 신호(TRIGER)를 생성하는 하나의 마스터 송수신칩(MASTER IC) 및 트리거 신호를 수신하는 적어도 하나의 슬레이브 송수신칩(SLAVE IC)을 포함한다.

즉, 슬레이브 송수신칩 및 마스터 송수신칩은 트리거 신호에 기반하여 주파수 변조를 시작함으로써 동기화를 진행한다. 구체적으로, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 마스터 송수신칩에서 생성된 트리거 신호는 슬레이브 송수신칩뿐만 아니라 마스터 송수신칩에도 입력되며 출력 신호의 주파수 특성을 동기화시킨다.

이때, 마스터 송수신칩 및 슬레이브 송수신칩 내부의 신호 발생기(PLL)은 모두 트리거 신호에 따라 동작하며, 변조된 고주파 특성의 출력 신호는 안테나(TX ANT)로 전달된다.

도 5는 종래의 캐스케이드 FMCW 레이다의 PCB를 나타낸 도면이고, 도 6은 본 명세서의 일 실시예에서 캐스케이드 FMCW 레이다의 PCB를 나타낸 도면이다.

RF 신호 전송을 위한 RF 전송 라인은 각 송수신칩과의 거리가 동일하게 유지해야한다. 따라서, 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 마스터 송수신칩과 가까이 배치된 슬레이브 송수신칩은 마스터 송수신칩으로부터 멀리 배치된 슬레이브 송수신칩에 비해 RF 전송 라인을 꼬아서 만들 수 밖에 없다. 그러나, RF 전송 라인의 RF 신호가 고주파 특성을 갖는 경우 주파수 간섭에 의해 RF 전송 라인을 꼬아서 회로를 설계하는 것이 매우 어렵다. 또한, 기존의 PCB에 추가적인 송수신칩을 확장하려는 경우 처음부터 다시 회로 설계를 해야만 한다.

본 명세서의 캐스케이드 FMCW 레이다는 RF 전송 라인이 기준 주파수의 Low Frequency Line으로 설계되므로 RF 전송 라인에 대한 PCB설계가 쉬울 뿐만 아니라 주파수 간섭이 적어 추가적인 송수신칩 확장시에도 회로 설계가 매우 용이하다.

또한, 본 명세서의 캐스케이드 FMCW 레이다는 크리스탈 발진기에서 생성된 RF 신호가 송수신칩에 즉시 전달되므로 RF 전송 라인의 길이가 줄어들고, 전력 분배기(Power Divider)가 요구되지 않는다. 따라서, 회로를 소형화할 수 있고, 경제적 측면에서 비용 절감의 효과를 가질 수 있다.

또한, 본 명세서에서 송수신칩은 신호 발생기의 전기적 성능을 증폭시켜 출력 신호 생성을 돕는 전력 증폭기(Power AMP, 미도시)를 포함할 수 있다. 전술한 바와 같이, 본 명세서의 캐스케이드 FMCW 레이다는 전력 분배기(Power Divider)가 요구되지 않으므로 전력 증폭기의 요구 성능을 줄일 수 있고, 레이다 전체에 소모되는 전력 또한 줄일 수 있다.

도 7은 본 명세서의 일 실시예에 따른 캐스케이드 FMCW 레이다의 효과를 나타낸 그래프이다.

본 명세서의 캐스케이드 FMCW 레이다(100)는 송수신칩을 복수개 사용하여 레이다 전체의 채널 개수를 늘림으로써(16TX-16RX), 적은 채널수(1TX-2RX)의 종래 레이다(Infineon)와 비교할 때, 레이다의 성능인 각도 해상도(Angle Resolution)가 높다.

또한, 도 1 및 도 2의 전력 분배기를 이용한 종래 캐스케이드 FMCW 레이다(TI)와 비교할 때, 본 명세서의 캐스케이드 FMCW 레이다(100)는 각도 해상도(Angle Resolution)를 비슷하게 유지하면서도 비용, 크기, 전력 소비(Cost, Size, Power Consumption)가 적은 것을 확인할 수 있다.

이와 같이, 본 명세서의 일 실시예에 따른 캐스케이드 FMCW 레이다는 저주파 특성을 갖는 기준 주파수를 이용함으로써 회로를 손쉽게 구현 및 확장할 수 있다.

또한, 본 명세서의 일 실시예에 따른 캐스케이드 FMCW 레이다는 트랜스미션 라인 및 전력 분배기를 제거하여 회로를 소형화하고, 경제성을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 명세서의 일 실시예에 따른 캐스케이드 FMCW 레이다는 전력 증폭기의 요구 성능을 감소시켜 시스템 전체의 소모 전력을 줄일 수 있다.

이상과 같이 본 발명에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시 예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다. 아울러 앞서 본 발명의 실시 예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.

Claims (6)

1. 저주파 특성의 기준 주파수를 갖는 RF 신호를 생성하는 크리스탈 발진기;
   내부에 구비된 신호 발생기를 통해 상기 RF 신호를 변조하여 고주파 특성을 갖는 출력 신호를 생성하는 캐스케이드 배열의 송수신칩; 및
   상기 출력 신호를 외부에 전자기파 형태로 송신하거나 외부로부터 전자기파를 수신하는 안테나를 포함하는
   캐스케이드 FMCW 레이다
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 송수신칩은
   트리거 신호를 생성하는 하나의 마스터 송수신칩 및 상기 트리거 신호를 수신하는 적어도 하나의 슬레이브 송수신칩을 포함하는
   캐스케이드 FMCW 레이다
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 슬레이브 송수신칩 및 마스터 송수신칩은
   상기 트리거 신호에 기반하여 주파수 변조를 시작함으로써 동기화되는
   캐스케이드 FMCW 레이다
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 신호 발생기는
   위상 고정 루프(Phase lock Loop; PLL)인
   캐스케이드 FMCW 레이다
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 RF 신호 및 출력 신호는
   각각 80MHz 및 77GHz의 주파수를 갖는
   캐스케이드 FMCW 레이다
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 송수신칩은
   상기 신호 발생기의 전기적 성능을 증폭시켜 상기 출력 신호 생성을 돕는 전력 증폭기(Power AMP)를 포함하는
   캐스케이드 FMCW 레이다
   
   

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