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KR101477909B1 - 레이더 장치 및 안테나 장치 - Google Patents

레이더 장치 및 안테나 장치 Download PDF

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KR101477909B1
KR101477909B1 KR1020130063531A KR20130063531A KR101477909B1 KR 101477909 B1 KR101477909 B1 KR 101477909B1 KR 1020130063531 A KR1020130063531 A KR 1020130063531A KR 20130063531 A KR20130063531 A KR 20130063531A KR 101477909 B1 KR101477909 B1 KR 101477909B1
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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.
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.
전술한 목적을 달성하기 위하여, 일 측면에서, 본 발명은, 레이더 장치에 있어서, 소정의 송신 안테나 간격을 갖고 배치되는 복수의 송신 안테나를 포함하고, 상기 복수의 송신 안테나를 이용하여 송신 신호를 방사하는 송신부; 상기 송신 안테나 간격에 따라 정해지는 수신 안테나 간격을 갖고 배치되는 복수의 수신 안테나를 포함하고, 상기 송신 신호가 반사된 수신 신호를 상기 복수의 수신 안테나를 통해 수신하는 수신부; 및 상기 수신 신호에 근거하여 물체를 검출하는 신호 처리부를 포함하는 레이더 장치를 제공한다.
다른 측면에서, 본 발명은, 신호 송수신을 위한 안테나 장치에 있어서, 소정의 송신 안테나 간격을 갖고 배치되는 복수의 송신 안테나를 포함하는 송신 안테나부; 및 상기 송신 안테나 간격에 따라 정해지는 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.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더 장치에 대한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더 장치에서 일반화된 안테나 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 안테나 구조의 일 예로서, 송신 안테나 개수가 2개이고 수신 안테나 개수가 5개인 경우, 가상 애퍼추어(Synthetic Aperture) 구조를 갖는 안테나 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 안테나 구조의 다른 예로서, 송신 안테나 개수가 3개이고 수신 안테나 개수가 4개인 경우에서 가상 애퍼추어(Synthetic Aperture) 구조를 갖는 안테나 구조이다.
도 5 및 도 6은 도 3의 안테나 구조 하에서 신호 처리 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 안테나 구조의 또 다른 예를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 장치에 대한 블록도이다.
본 발명은 해상도를 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.
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)에 대한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더 장치(100)는, 소정의 송신 안테나 간격을 갖고 배치되는 복수의 송신 안테나를 포함하고, 상기 복수의 송신 안테나를 이용하여 송신 신호를 방사하는 송신부(110)와, 소정의 수신 안테나 간격을 갖고 배치되는 복수의 수신 안테나를 포함하고, 송신 신호가 물체에 의해 반사된 수신 신호를 복수의 수신 안테나를 통해 수신하는 수신부(120)와, 수신부(120)에서 수신된 수신 신호에 근거하여 물체까지의 거리, 물체의 속도 및 방위를 검출하는 신호 처리부(140) 등을 포함한다.
전술한 바와 같이, 레이더 장치(100)는 신호 송수신을 위해 여러 개의 안테나를 갖다. 레이더 장치(100)가 갖는 안테나는, 신호 송신을 위한 송신 단의 복수의 송신 안테나와 신호 수신을 위한 수신 단의 복수의 수신 안테나를 포함한다. 레이더 장치(100)가 갖는 안테나에 대한 안테나 구조(예: 안테나 간격, 안테나 개수 등)에 대하여, 도 2를 참조하여 더욱 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더 장치(100)에서 일반화된 안테나 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 레이더 장치(100)는 소정의 개수(송신 안테나 개수)의 송신 안테나(a1, a2, ...)와 소정의 개수(수신 안테나 개수)의 수신 안테나(A1, A2, ...)를 포함한다.
도 2를 참조하여 안테나 구조를 살펴보면, 복수의 송신 안테나(a1, a2, ...)는 소정의 간격(송신 안테나 간격)을 갖고 배치되고, 복수의 수신 안테나(A1, A2, ...)도 소정의 간격(수신 안테나 간격)을 갖고 배치된다.
안테나 간격과 관련하여, 수신 안테나 간격은, 송신 안테나 간격에 따라 정해질 수 있다.
또한, 수신 안테나 간격은, 일 예로, 송신 안테나 개수 및 송신 안테나 간격에 기초하여 정해질 수도 있다. 더욱 구체적인 일 예로서, 하기 수학식 1과 같이, 수신 안테나 간격은 송신 안테나 개수와 송신 안테나 간격을 곱한 값일 수 있다.
Figure 112013049290507-pat00001
상기 수학식 1에서, Dr은 수신 안테나 간격을 의미하고, Nt는 송신 안테나 개수를 의미하며, Dt는 송신 안테나 간격을 의미한다.
다른 예로서, 수신 안테나 간격은, 상기 수학식 1을 만족하지 않을 수도 있는데, 이 경우, 수신 안테나 간격은, 처음 배치된 수신 안테나의 배치 위치를 기준으로 송신 안테나 간격만큼 떨어진(쉬프트 시킨) 위치가 이웃한 두 개의 수신 안테나 사이에 존재하도록 하는 간격일 수 있다. 이 경우에 해당하는 안테나 배치 구조는, 도 7에 예시적으로 나타낸다.
한편, 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 수행하는데, 이때, 물체 검출의 정확도를 높이기 위해(즉, 해상도를 높이기 위해), 수신 안테나 간격을 넓히는 "확장된 애퍼추어(Aperture) 구조"의 안테나 구조를 갖는다. 본 명세서에서 해상도는, 분해능이라고도 하는데, 접근한 두 물체를 정확하게 분별하는 능력을 의미한다. 이는 레이더 장치(100)의 매우 중요한 성능 요소 중 하나이다.
이와 같이, 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 애퍼추어(Synthetic Aperture) 구조"를 갖는 안테나 구조를 더 가질 수 있다.
이와 같이, 가상 애퍼추어 구조를 더 가지기 위하여, 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더 장치(100)는, 복수의 가상 수신 안테나가 형성되도록 제어하는 가상 수신 안테나 형성부(130)를 더 포함할 수 있다.
가상 수신 안테나 형성부(130)는, 실제의 수신 안테나가 수신한 신호를 기준으로, 수신 안테나 간격(Dr')에 따라 결정될 수 있는 소정의 위상차이를 갖는 신호를 만들어내는 신호처리를 수행한다.
즉, 가상 수신 안테나 형성부(130)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 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.
가상 수신 안테나 형성부(130)에 의해, 수신 단에는, 복수의 수신 안테나가 실제로 존재할 뿐만 아니라, 복수의 가상 수신 안테나가 가상으로 존재하는 수신단 안테나 구조를 가질 수 있다.
이와 같이, 수신단에 복수의 가상 수신 안테나가 가상으로 더 존재하는 안테나 구조를 "가상 애퍼추어(Synthetic Aperture) 구조를 갖는 안테나 구조"라고 한다. 이러한 가상 애퍼추어(Synthetic Aperture) 구조를 갖는 안테나 구조에 대하여 도 3 내지 도 6을 참조하여 더욱 상세하게 설명한다.
도 3은 안테나 구조의 일 예로서, 송신 안테나 개수가 2개이고 수신 안테나 개수가 5개인 경우, 가상 애퍼추어(Synthetic Aperture) 구조를 갖는 안테나 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 가상 수신 안테나 형성부(130)는, 복수의 송신 안테나 및 복수의 수신 안테나의 배치 구조에 따라 수신 단에 복수의 가상 수신 안테나가 형성되도록 제어할 때, 복수의 가상 수신 안테나가 각 수신 안테나 사이마다 분산되어 형성되도록 제어한다.
가상 수신 안테나 배치 방식의 예로서, 가상 수신 안테나 형성부(130)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 복수의 가상 수신 안테나(A1', A2', A3', A4', A5')가 각 수신 안테나 사이마다 분산되어 형성되도록 제어함에 있어서, 복수의 수신 안테나(A1, A2, A3, A4, A5) 중 특정 지점으로 기준으로 처음 배치되는 수신 안테나(A1)의 위치를 기준으로 송신 안테나 간격(Dt)만큼 이동시킨 위치(도 3의 (a) 및 (b)에서는 A1' 위치)부터 복수의 가상 수신 안테나(A1', A2', A3', A4', A5')가 수신 안테나 간격(Dr)만큼 떨어져 배치되어 형성되도록 제어할 수 있다.
이와 같이, 복수의 가상 수신 안테나를 배치하면, 도 3의 (a)와 같이 될 수 있다.
한편, 안테나 애퍼추어 사이즈(Antenna Aperture Size)를 유지 또는 축소하기 위하여, 가장 바깥쪽에 있는 실제의 수신 안테나(A5)보다 더 바깥쪽에 가상으로 형성된 가상 수신 안테나는 사용하지 않을 수 있는데, 이 경우는 도 3의 (b)와 같이 될 수 있다.
아래에서는 도 3의 (a)와 (b)를 각기 참조하여 안테나 구조를 보다 상세하게 설명한다.
도 3의 (a)를 참조하면, 가상 수신 안테나 형성부(130)는, 송신 단에서의 복수의 송신 안테나(a1, a2) 및 수신 단에서의 복수의 수신 안테나(A1, A2, A3, A4, A5)의 배치 구조에 따라 복수의 가상 수신 안테나(A1', A2', A3', A4', A5')가 수신 단에 가상으로 형성되도록 제어할 수 있다.
또한, 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, 가상 수신 안테나 형성부(130)는, 실제로 존재하는 복수의 수신 안테나(A1, A2, A3, A4, A5)가 배치되고, 이어서 복수의 가상 수신 안테나(A1', A2', A3', A4', A5')가 배치될 수도 있지만, 즉, A1, A2, A3, A4, A5, A1', A2', A3', A4', A5'의 순서로 배치될 수도 있지만, 복수의 가상 수신 안테나(A1', A2', A3', A4', A5')가 각 수신 안테나(A1, A2, A3, A4, A5) 사이마다 분산되어 가상으로 형성되도록 제어할 수 있다.
일 예로, 가상 수신 안테나 형성부(130)는, 복수의 가상 수신 안테나(A1', A2', A3', A4', A5')가 각 수신 안테나 사이마다 분산되어 가상으로 형성되도록 제어함에 있어서, 실제로 존재하는 각 수신 안테나 사이마다 동일한 개수의 가상 수신 안테나가 분산되어 형성되도록 제어할 수 있다.
도 3의 (a)에 도시된 예시를 참조하면, 실제로 존재하는 수신 안테나 A1 과 수신 안테나 A2 사이에 가상 수신 안테나 A1' 이 가상으로 형성되고, 실제로 존재하는 수신 안테나 A2 와 수신 안테나 A3 사이에 가상 수신 안테나 A2' 가 가상으로 형성되며, 실제로 존재하는 수신 안테나 A3 과 수신 안테나 A4 사이에 가상 수신 안테나 A3' 이 가상으로 형성되고, 실제로 존재하는 수신 안테나 A4 와 수신 안테나 A5 사이에 가상 수신 안테나 A4' 가 가상으로 형성되며, 실제로 존재하는 수신 안테나 A5 바깥쪽에 가상 수신 안테나 A5' 가 가상으로 형성될 수 있다.
즉, 도 3의 (a)에서 예시된 안테나 구조에서는, 실제로 존재하는 각 수신 안테나 사이마다 1개의 가상 수신 안테나가 동일하게 가상으로 형성된다. 이에 따라, 수신 단에서 안테나는, A1, A1', A2, A2', A3, A3', A4, A4', A5, A5'의 순서로 배치된다.
송신 안테나 개수 및 수신 안테나 개수가 결정된 경우, 실제로 존재하는 수신 안테나들의 수신 안테나 간격은, 일 예로, 송신 안테나 개수 및 송신 안테나 간격에 기초하여 정해질 수도 있다. 더욱 구체적으로는, 하기 수학식 2와 같이, 수신 안테나 간격은 송신 안테나 개수와 송신 안테나 간격을 곱한 값일 수 있다.
Figure 112013049290507-pat00002
상기 수학식 2에서, Dr은 수신 안테나 간격을 의미하고, Nt는 송신 안테나 개수를 의미하며, Dt는 송신 안테나 간격을 의미한다.
수신 안테나 간격 결정의 다른 예로서, 수신 안테나 간격은, 상기 수학식 2를 만족하지 않을 수도 있는데, 이 경우, 수신 안테나 간격은, 처음 배치된 수신 안테나의 배치 위치를 기준으로 송신 안테나 간격만큼 떨어진(쉬프트 시킨) 위치가 이웃한 두 개의 수신 안테나 사이에 존재하도록 하는 간격일 수 있다. 이 경우에 해당하는 안테나 배치 구조는, 도 7에 예시적으로 나타낸다.
도 3의 (a)에서 예시된 안테나 구조에서, 수학식 2를 적용하여, 수신 안테나 간격 Dr을 구해보면, 수신 안테나 간격 Dr 는 2×Dt 가 된다. 도 3의 (b)에 예시된 안테나 구조에서도 수신 안테나 간격 Dr은 동일하게 2×Dt 가 된다. 즉, 5개의 수신 안테나(A1, A2, A3, A4, A5)는 2개의 송신 안테나(a1, a2) 각각이 떨어진 간격(송신 안테나 간격, Dt)보다 2배 멀리 서로 떨어져서 배치된다.
또한, 가상 수신 안테나 형성부(130)는, 복수의 수신 안테나(A1, A2, A3, A4, A5)와 복수의 가상 수신 안테나(A1', A2', A3', A4', A5')를 포함하는 수신단 안테나(A1, A1', A2, A2', A3, A3', A4, A4', A5, A5')간의 간격(즉, 수신 단 안테나 간격)을 송신 안테나 개수 및 수신 안테나 간격에 기초하여 결정하고, 이렇게 결정된 수신 단 안테나 간격에 따라 복수의 가상 수신 안테나가 각 수신 안테나 사이마다 분산되어 형성되도록 제어할 수 있다.
전술한 수신단 안테나 간격은, 일 예로, 하기 수학식 3과 같이, 송신 안테나 간격과 동일할 수 있다.
Figure 112013049290507-pat00003
상기 수학식 3에서, Dr'는 수신단 안테나 간격이고, Dr는 수신 안테나 간격이며, Nt는 송신 안테나 개수이다.
한편, 가상 수신 안테나 형성부(130)는, 일 예로, 가상 수신 안테나 개수를 결정하기 위하여, 송신 안테나 개수 및 수신 안테나 개수에 기초하여 가상 수신 안테나 개수를 결정할 수 있다.
더 구체적으로는, 가상 수신 안테나 형성부(130)는, 하기 수학식 4와 같이, 송신 안테나 개수에서 1을 뺀 값과 수신 안테나 개수를 곱하여 가상 수신 안테나 개수를 결정할 수도 있다.
Figure 112013049290507-pat00004
상기 수학식 4에서, Nv는 가상 수신 안테나 개수이고, Nt는 송신 안테나 개수이며, Nr은 수신 안테나 개수이다.
이러한 가상 수신 안테나 개수를 결정하는 방식을 도 3의 (a)에 예시된 안테나 구조에 적용해보면, 도 3의 (a)의 안테나 구조에서, Nt=2, Nr=5이므로, Nv=(2-1)×5=5가 된다. 즉, 도 3의 (a)에서는 A1', A2', A3', A4', A5'를 포함하는 5개의 가상 수신 안테나가 신호 처리 과정에 사용된다.
도 3의 (a)의 안테나 구조에서, 신호 처리부(140)는, 신호 처리 시, 실제로 존재하는 5개의 수신 안테나(A1, A2, A3, A4, A5)를 통해 송신 안테나 a1에서 송신된 송신 신호가 물체에 반사되어 들어오는 신호(수신 신호)를 수신한 것으로 신호 처리에 적용하고, 가상으로 존재하는 5개의 가상 수신 안테나(A1', A2', A3', A4', A5')를 통해서는 송신 안테나 a2에서 송신된 송신 신호가 물체에 반사되어 들어오는 신호(수신 신호)를 수신하는 것으로 신호 처리에 적용한다. 신호 처리란, 뒤에서 다시 설명하겠지만, 수신단의 모든 안테나(실제로 존재하는 수신 안테나 및 가상으로 형성된 가상 수신 안테나 모두 포함) 간의 위상 차이를 보상해주는 위상 차이 보상 처리와, 위상 차이가 보상된 신호들을 합성하는 신호 합성 처리 등을 의미한다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더 장치(100)는, 안테나 애퍼추어 사이즈(Antenna Aperture Size)를 유지 또는 축소하기 위하여, 가장 바깥쪽에 있는 실제의 수신 안테나보다 더 바깥쪽에 가상으로 형성된 가상 수신 안테나는 사용하지 않을 수 있다. 즉, 복수의 가상 수신 안테나를 가상으로 형성한 이후, 가상으로 형성된 복수의 가상 수신 안테나 중에서, 가장 바깥쪽에 있는 실제의 수신 안테나보다 더 바깥쪽에 가상으로 형성된 가상 수신 안테나를 신호 처리 과정에서 사용하지 않을 수 있다.
다른 관점에서 설명하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더 장치(100)는, 복수의 가상 수신 안테나를 형성하는 과정에서, 안테나 애퍼추어 사이즈(Antenna Aperture Size)를 유지 또는 축소하기 위하여, 가장 바깥쪽에 있는 실제의 수신 안테나보다 더 바깥쪽에는 가상 수신 안테나가 가상으로 형성되지 않도록 제한할 수 있다.
전술한 바와 같이, 가장 바깥쪽에 있는 실제의 수신 안테나보다 더 바깥쪽에는 가상 수신 안테나가 형성되지 않는 안테나 구조를 도 3의 (b)에 예시적으로 나타낸다.
도 3의 (b)를 참조하면, 도 3의 (a)와는 다르게, 가장 바깥쪽에 있는 실제의 수신 안테나 A5 보다 더 바깥쪽에는 가상 수신 안테나 A5'가 가상으로 아예 형성되지 않거나 형성한 이후 사용하지 않을 수 있다.
이와 같이, 가장 바깥쪽에 있는 실제의 수신 안테나보다 더 바깥쪽에는 가상 수신 안테나가 형성되지 않는 안테나 구조를 채택하는 경우, 가상 수신 안테나 형성부(130)는, 송신 안테나 개수에서 1을 뺀 값과 수신 안테나 개수에서 1을 뺀 값을 곱하여 가상 수신 안테나 개수를 결정할 수 있다.
전술한 가상 수신 안테나 개수 결정 방식의 다른 예로서, 하기 수학식 5와 같이, 가상 수신 안테나 개수를 산출하여 결정할 수 있다.
Figure 112013049290507-pat00005
상기 수학식 5에서, Nv는 가상 수신 안테나 개수이고, Nt는 송신 안테나 개수이며, Nr은 수신 안테나 개수이다.
이러한 가상 수신 안테나 개수를 결정하는 방식을 도 3의 (b)에 예시된 안테나 구조에 적용해보면, 도 3의 (b)의 안테나 구조에서, Nt=2, Nr=5이므로, Nv=(2-1)×(5-1)=4가 된다. 즉, 도 3의 (b)에서는 A1', A2', A3', A4'를 포함하는 4개의 가상 수신 안테나가 실질적으로 신호 처리 과정에 사용된다.
도 3의 (b)의 안테나 구조에서, 신호 처리부(140)는, 신호 처리 시, 실제로 존재하는 5개의 수신 안테나(A1, A2, A3, A4, A5)를 통해 송신 안테나 a1에서 송신된 송신 신호가 물체에 반사되어 들어오는 신호(수신 신호)를 수신한 것으로 신호 처리에 적용하고, 가상으로 존재하는 4개의 가상 수신 안테나(A1', A2', A3', A4')를 통해서는 송신 안테나 a2에서 송신된 송신 신호가 물체에 반사되어 들어오는 신호(수신 신호)를 수신하는 것으로 신호 처리에 적용한다. 신호 처리란, 뒤에서 다시 설명하겠지만, 수신단의 모든 안테나(실제로 존재하는 수신 안테나 및 가상으로 형성된 가상 수신 안테나 모두 포함) 간의 위상 차이를 보상해주는 위상 차이 보상 처리와, 위상 차이가 보상된 신호들을 합성하는 신호 합성 처리 등을 의미한다.
이상에서 안테나 구조를 설명하기 위하여 참조한 도 3은 송신 안테나 개수가 2개이고 수신 안테나 개수가 5개인 경우에서 가상 애퍼추어(Synthetic Aperture) 구조를 갖는 안테나 구조이다.
도 4는 안테나 구조의 다른 예로서, 송신 안테나 개수가 3개이고 수신 안테나 개수가 4개인 경우에서 가상 애퍼추어(Synthetic Aperture) 구조를 갖는 안테나 구조이다.
도 4의 (a)는 가장 바깥쪽에 있는 실제의 수신 안테나(A4) 보다 더 바깥쪽에는 가상 수신 안테나(A4', A4")가 형성되는 안테나 구조이고, 도 4의 (b)는 가장 바깥쪽에 있는 실제의 수신 안테나(A4) 보다 더 바깥쪽에는 가상 수신 안테나(A4', A4")가 형성되지 않는 안테나 구조이다.
도 4의 (a) 및 (b)에 예시된 안테나 구조는, 송신 안테나 개수가 3개이고, 수신 안테나 개수가 4개인 경우이다. 즉, Nt=3, Nr=4 이다.
따라서, 수신 안테나 간격 Dr 은, 수학식 2를 적용하면, "3×Dt"가 된다. 즉, 도 4의 (a) 및 (b)에 예시된 안테나 구조에서, 4개의 수신 안테나(A1, A2, A3, A4)는 3개의 송신 안테나(a1, a2, a3) 각각이 떨어진 간격(송신 안테나 간격, Dt)보다 3배 멀리 서로 떨어져서 배치된다.
도 4의 (a)에 예시된 안테나 구조에서, 수신 단에 가상으로 형성되는 가상 수신 안테나 개수를 상기 수학식 4를 적용하여 산출해보면, 가상 수신 안테나 개수는 8개가 된다(즉, Nv=(3-1)×4 = 8)
도 4의 (a)에 예시된 안테나 구조에서, 8개의 가상 수신 안테나 중에서, 가상 수신 안테나 A1' 및 A1"는 수신 안테나 A1과 A2 사이에 형성되고, 가상 수신 안테나 A2' 및 A2"는 수신 안테나 A2과 A3 사이에 형성되며, 가상 수신 안테나 A3' 및 A3"는 수신 안테나 A3과 A4 사이에 형성되고, 가상 수신 안테나 A4' 및 A4"는 수신 안테나 A4 바깥쪽에 형성된다.
도 4의 (a)의 안테나 구조에서, 수신 안테나 A1, A2, A3, A4는 송신 안테나 a1과 대응되는 수신단의 안테나이고, 가상 수신 안테나 A1', A2', A3', A4'는 송신 안테나 a2와 대응되는 수신단의 안테나이며, 가상 수신 안테나 A1", A2", A3", A4"는 송신 안테나 a3과 대응되는 수신단의 안테나이다.
한편, 도 4의 (b)의 안테나 구조와 같이, 가장 바깥쪽에 있는 실제의 수신 안테나(A4) 보다 더 바깥쪽에는 가상 수신 안테나(A4', A4")가 형성되지 않는 경우, 수신 단에 가상으로 형성되는 가상 수신 안테나 개수를 상기 수학식 5를 적용하여 산출해보면, 가상 수신 안테나 개수는 6개가 된다(즉, Nv=(3-1)×(4-1) = 6)
도 4의 (b)에 예시된 안테나 구조에서, 6개의 가상 수신 안테나 중에서, 가상 수신 안테나 A1' 및 A1"는 수신 안테나 A1과 A2 사이에 형성되고, 가상 수신 안테나 A2' 및 A2"는 수신 안테나 A2과 A3 사이에 형성되며, 가상 수신 안테나 A3' 및 A3"는 수신 안테나 A3과 A4 사이에 형성된다.
도 4의 (b)의 안테나 구조에서, 수신 안테나 A1, A2, A3, A4는 송신 안테나 a1과 대응되는 수신단의 안테나이고, 가상 수신 안테나 A1', A2', A3'는 송신 안테나 a2와 대응되는 수신단의 안테나이며, 가상 수신 안테나 A1", A2", A3"는 송신 안테나 a3과 대응되는 수신단의 안테나이다.
한편, 도 1에서 도시된 레이더 장치(100)에 포함된 신호 처리부(140)는, 복수의 수신 안테나를 통해 수신된 실제의 수신 신호와 복수의 가상 수신 안테나를 통해 가상으로 수신될 것으로 추정되는 가상의 수신 신호에 근거하여 물체까지의 거리, 물체의 속도 및 방위를 검출할 수 있다.
도 3의 안테나 구조 하에서 신호 처리 방식을 설명하기 위한 도 5를 참조하면, 송신 안테나 a1에 의해 송신 신호(Tx1)가 송신되고, 송신 안테나 a2에 의해 송신 신호(Tx2)가 송신된 이후, 실제로 존재하는 5개의 수신 안테나(A1, A2, A3, A4, A5) 각각이 수신 신호(Rx1, Rx3, Rx5, Rx7, Rx9)를 수신한다.
여기서, 가상 수신 안테나 형성과 관련하여, 수신 안테나 A1을 기준으로 가장 바깥쪽에 있는 수신 안테나 A5보다 더 바깥에 가상 수신 안테나 A5'가 형성되지 않거나 형성되더라도 이용되지 않는다고 가정할 때, 가상 수신 안테나 형성부(130)에 의해 형성된 4개의 가상 수신 안테나(A1', A2', A3', A4')가 도 5와 같이 배치된다.
이때, 5개의 수신 안테나(A1, A2, A3, A4, A5)는 송신 안테나 a1이 송신한 송신 신호 Tx1에 대응되는 실제 수신 엘리먼트들(Real Receive Elements) 이다. 그리고, 4개의 가상 수신 안테나(A1', A2', A3', A4')는 송신 안테나 a2가 송신한 송신 신호 Tx2에 대응되는 가상 수신 엘리먼트들(Synthentic Receive Elements) 이다.
이러한 안테나 구조 하에서, 신호 처리부(140)는, 실제로 존재하는 5개의 수신 안테나(A1, A2, A3, A4, A5) 각각이 수신한 수신 신호(Rx1, Rx3, Rx5, Rx7, Rx9)를 기준으로 하여, 4개의 가상 수신 안테나(A1', A2', A3', A4') 각각이 수신할 것 같은 가상의 수신 신호(Rx2, Rx4, Rx6, Rx8)를 추정한다.
이에 따라, 신호 처리부(140)는, 실제로 존재하는 5개의 수신 안테나(A1, A2, A3, A4, A5)를 통해 수신된 실제의 수신 신호(Rx1, Rx3, Rx5, Rx7, Rx9)와, 4개의 가상 수신 안테나(A1', A2', A3', A4')를 통해 수신될 것으로 추정되는 가상의 수신 신호(Rx2, Rx4, Rx6, Rx8)에 근거하여 물체를 검출할 수 있다.여기서, 물체 검출은, 물체까지의 거리, 물체의 속도 및 방위를 검출하는 것을 의미한다.
신호 처리부(140)는, 물체 검출 시, 실제로 존재하는 5개의 수신 안테나(A1, A2, A3, A4, A5)를 통해 수신된 실제의 수신 신호(Rx1, Rx3, Rx5, Rx7, Rx9)와, 4개의 가상 수신 안테나(A1', A2', A3', A4')를 통해 수신될 것으로 추정되는 가상의 수신 신호(Rx2, Rx4, Rx6, Rx8)에 대하여, 신호 간 위상 차이를 보상하고, 위상 차이가 보상된 수신 신호들을 합성한 하나의 합성 신호에 근거하여 물체를 검출할 수 있다.
여기서, 신호 간 위상 차이(예: Rx1과 Rx2의 위상 차이, Rx2와 Rx3의 위상 차이, .... 등)는, 수신 단 안테나 간격(Dr': A1와 A1' 간의 간격, A1'와 A2의 간격, ... 등)에 의해 발생하는 수신 신호 간의 경로 차이 때문에 발생할 수 있다.
한편, 이상에서 설명한 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 구조를 이용하면, 물리적으로 구현이 불가능한 수신 배치 구조를 설계할 수 있다.
일 예로, 수신단 안테나(A1, A1', A2, A2', A3, A3', A4, A4', A5, A5')를 소정의 개수만큼 묶어서 수신 신호에 대한 신호 처리를 할 수 있다. 이와 같이, 안테나를 소정의 개수만큼 묶는 구조를 "서브 안테나 구조(또는 서브 어레이 구조)"라고 한다.
이러한 서브 안테나 구조가 적용된 안테나 구조는, 도 6에서 예시적으로 나타낸다. 단, 가상 수신 안테나 형성과 관련하여, 수신 안테나 A1을 기준으로 가장 바깥쪽에 있는 수신 안테나 A5보다 더 바깥에 가상 수신 안테나 A5'가 형성되지 않거나 형성되더라도 이용되지 않는다고 가정한다.
도 6의 안테나 구조는, A1과 A1'가 하나로 묶인 서브 안테나 구조, A1'과 A2가 하나로 묶인 서브 안테나 구조, A2과 A2'가 하나로 묶인 서브 안테나 구조, A2'과 A3가 하나로 묶인 서브 안테나 구조, A3과 A3'가 하나로 묶인 서브 안테나 구조, A3'과 A4가 하나로 묶인 서브 안테나 구조, A4과 A4'가 하나로 묶인 서브 안테나 구조, A4'과 A5가 하나로 묶인 서브 안테나 구조, A5과 A5'가 하나로 묶인 서브 안테나 구조를 갖는다.
도 6을 참조하면, 신호 처리부(140)는, 위에서 언급한 9개의 서브 안테나 구조 각각을 통한 수신 신호(Rx1, Rx2, ... , Rx9)에 근거하여 물체를 감지한다.
전술한 서브 안테나 구조를 이용한 신호 처리 방식과 관련하여, 신호 처리부(140)는, 복수의 수신 안테나 및 복수의 가상 수신 안테나의 배치 위치를 토대로, 복수의 수신 안테나 및 복수의 가상 수신 안테나를 포함하는 수신 단의 안테나들에 대하여 복수의 수신 안테나 그룹(서브 안테나 구조)으로 인식하고, 각 수신 안테나 그룹을 통한 수신 신호에 근거하여 물체까지의 거리, 물체의 속도 및 방위를 검출할 수 있다.
도 7은 안테나 구조의 또 다른 예를 나타낸 도면이다.
도 7은, 수신 안테나 간격이 송신 안테나 간격에 따라 정해지되, 수학식 1(수학식 2)와 같은 관계식(Dr=Nt*Dt)을 만족하지 않는 경우에 대한 안테나 구조이다.
도 7을 참조하면, 송신 단에는, 6개의 송신 안테나 소자(a11, a12, a13, a21, a22, a23)가 있지만, 3개씩 묶이어 2개의 송신 안테나(a1, a2)로 작용한다. 따라서, 송신 안테나 개수는 2개이다. 또한, 실질적인 2개의 송신 안테나(a1, a2)에 대한 송신 안테나 간격(Dt)은, 일 예로, 기준길이(d)의 3배인 것으로 가정한다.
그리고, 수신 단에는, 5개의 실제 수신 안테나(A1, A2, A3, A4, A5)가 있고, 5개의 실제 수신 안테나(A1, A2, A3, A4, A5)에 대한 수신 안테나 간격(Dr)은, 일 예로, 기준길이(d)의 2배인 것으로 정한다.
즉, 송신 단과 수신 단의 안테나 구조 관련 정보는 아래와 같다.
1. 송신 단 안테나 구조 관련 정보: Nt=2, Dt=3d
2. 수신 단 안테나 구조 관련 정보: Nr=5, Dr=2d
수신 안테나 간격(Dr)은, 송신 안테나 간격에 따라 정해지되, 다른 예로서, 수신 안테나 간격은, 수학식 2 ( Dr=Nt*Dt)의 관계식을 만족하지 않을 수 있는데, 도 7이 이러한 경우이다. 이 경우에, 수신 안테나 간격은, 처음 배치된 수신 안테나(A1)의 배치 위치를 기준으로 송신 안테나 간격(Dt)만큼 떨어진(쉬프트 시킨) 위치(즉, A1' 위치)가 이웃한 두 개의 수신 안테나 사이(즉, A2와 A3 사이)에 존재하도록 하는 간격일 수 있다.
가상 안테나 형성을 고려하면, 복수의 가상 수신 안테나(A1', A2', A3', A4', A5')가 각 수신 안테나(A1, A2, A3, A4, A5) 사이마다 분산되어 형성되도록 제어하되, 복수의 수신 안테나(A1, A2, A3, A4, A5) 중 처음 배치되는 수신 안테나(A1)의 위치를 기준으로 송신 안테나 간격(Dt)만큼 이동시킨 위치부터 복수의 가상 수신 안테나(A1', A2', A3', A4', A5')가 수신 안테나 간격(Dr)만큼 떨어져 배치되어 형성된다.
이와 같은 방식으로 가상 안테나를 가상으로 형성하여 배치하게 되면, 도 7과 같이 되는데, 이때, 수신 안테나 A1 및 A2의 간격과, 가상 수신 안테나 A4' 및 A5'의 간격은 나머지 수신단에서의 안테나 간격(Dr')과는 다르다.
이와 같은 경우, 수신 안테나 A1과 가상 수신 안테나 A5'는 사용하지 않을 수 있다. 즉, 수신 단에서 실제로 존재하는 복수의 수신 안테나와 가상으로 형성된 복수의 가상 수신 안테나 중에서, 양측에 있는 수신 안테나 및/또는 가상 수신 안테나를 사용하지 않을 수 있다. 즉, 수신 신호 Rx1 및 Rx10은 신호 처리에 이용하지 않고, 나머지 수신 신호들만을 이용하여 신호 처리가 수행될 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 장치(800)에 대한 블록도이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 장치(800)는, 신호 송수신을 위해, 소정의 송신 안테나 간격을 갖고 배치되는 복수의 송신 안테나를 포함하는 송신 안테나부(810)와, 송신 안테나 간격에 따라 정해지는 수신 안테나 간격을 갖고 배치되는 복수의 수신 안테나를 포함하는 수신 안테나부(820) 등을 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 장치(800)는, 복수의 송신 안테나 및 복수의 수신 안테나의 배치 구조에 따라 수신 단에 복수의 가상 수신 안테나가 형성되도록 제어하는 가상 수신 안테나 형성부(830)를 더 포함할 수 있다.
도 8에서 송신 안테나부(810), 수신 안테나부(820) 및 가상 수신 안테나 형성부(830)는, 도 1의 송신부(110), 수신부(120) 및 가상 수신 안테나 형성부(130)와 각각 동일한 구성일 수 있다.
또한, 도 1 내지 도 7을 참조하여 설명한 모든 안테나 구조는, 도 7의 안테나 장치(700)에 동일하게 적용될 수 있다.
본 명세서에서 기재된 송신 안테나, 수신 안테나 등의 모든 안테나는 어레이 안테나(Array Antenna)일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 레이더 장치(100) 및 안테나 장치(800)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(800)의 매우 중요한 성능 요소 중 하나이다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더 장치(100) 및 안테나 장치(800)는 그레이팅 로브(Grating Lobe) 회피하는 것을 또 다른 목적으로 하고 있으며, 이 또한, 레이더 장치(100) 및 안테나 장치(800)의 매우 중요한 성능 요소 중 하나이다.
그레이팅 로프 현상을 피하기 위한 원리를 설명하면, 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 6와 같은 조건을 만족해야 한다.
Figure 112013049290507-pat00006
상기 수학식 6에서, kd는 신호의 투사(송신) 반경이고, d는 안테나 간격이며, λ는 신호의 파장이다.
상기 수학식 6에 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(800)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 형성하는 것이다.
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.

Claims (10)

  1. 레이더 장치에 있어서,
    소정의 송신 안테나 간격을 갖고 배치되는 복수의 송신 안테나를 포함하고, 상기 복수의 송신 안테나를 이용하여 송신 신호를 방사하는 송신부;
    상기 송신 안테나 간격에 따라 정해지는 수신 안테나 간격을 갖고 배치되는 복수의 수신 안테나를 포함하고, 상기 송신 신호가 반사된 수신 신호를 상기 복수의 수신 안테나를 통해 수신하는 수신부;
    상기 수신 신호에 근거하여 물체를 검출하는 신호 처리부; 및
    상기 복수의 송신 안테나 및 상기 복수의 수신 안테나의 배치 구조에 따라 수신 단에 복수의 가상 수신 안테나가 상기 각 수신 안테나 사이마다 동일한 개수로 분산되어 형성되도록 제어하는 가상 수신 안테나 형성부를 포함하되,
    상기 가상 수신 안테나 형성부는,
    상기 복수의 수신 안테나와 상기 복수의 가상 수신 안테나를 포함하는 수신단 안테나 간의 간격을 상기 송신 안테나 개수 및 상기 수신 안테나 간격에 기초하여 결정하고, 상기 결정된 간격에 따라 상기 복수의 가상 수신 안테나가 상기 각 수신 안테나 사이마다 분산되어 형성되도록 제어하는는 레이더 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 수신 안테나 간격은,
    송신 안테나 개수 및 상기 송신 안테나 간격에 기초하여 정해지는 것을 특징으로 하는 레이더 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 가상 수신 안테나 형성부는,
    상기 송신 안테나 개수에서 1을 뺀 값과 상기 수신 안테나 개수를 곱하여 상기 가상 수신 안테나 개수를 결정하는 것을 특징으로 하는 레이더 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 가상 수신 안테나 형성부는,
    상기 복수의 가상 수신 안테나가 상기 각 수신 안테나 사이마다 분산되어 형성되도록 제어하되, 상기 복수의 수신 안테나 중 처음 배치되는 수신 안테나의 위치를 기준으로 상기 송신 안테나 간격만큼 이동시킨 위치부터 상기 복수의 가상 수신 안테나가 상기 수신 안테나 간격만큼 떨어져 배치되어 형성되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 레이더 장치.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 신호 처리부는,
    상기 복수의 수신 안테나를 통해 수신된 실제의 수신 신호와 상기 복수의 가상 수신 안테나를 통해 가상으로 수신될 것으로 추정되는 가상의 수신 신호에 근거하여 물체까지의 거리, 물체의 속도 및 방위를 검출하는 것을 특징으로 하는 레이더 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 신호 처리부는,
    상기 복수의 수신 안테나를 통해 수신된 실제의 수신 신호와 상기 복수의 가상 수신 안테나를 통해 가상으로 수신될 것으로 추정되는 가상의 수신 신호에 대하여, 신호 간 위상 차이를 보상하고, 위상 차이가 보상된 수신 신호들을 합성한 하나의 합성 신호에 근거하여 물체까지의 거리, 물체의 속도 및 방위를 검출하는 것을 특징으로 하는 레이더 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 신호 처리부는,
    상기 복수의 수신 안테나 및 상기 복수의 가상 수신 안테나의 배치 위치를 토대로, 상기 복수의 수신 안테나 및 상기 복수의 가상 수신 안테나를 포함하는 수신 단의 안테나들을 복수의 수신 안테나 그룹으로 인식하고, 상기 각 수신 안테나 그룹을 통한 수신 신호에 근거하여 물체까지의 거리, 물체의 속도 및 방위를 검출하는 것을 특징으로 하는 레이더 장치.
  9. 신호 송수신을 위한 안테나 장치에 있어서,
    소정의 송신 안테나 간격을 갖고 배치되는 복수의 송신 안테나를 포함하는 송신 안테나부;
    상기 송신 안테나 간격에 따라 정해지는 수신 안테나 간격을 갖고 배치되는 복수의 수신 안테나를 포함하는 수신 안테나부; 및
    상기 복수의 송신 안테나 및 상기 복수의 수신 안테나의 배치 구조에 따라 수신 단에 복수의 가상 수신 안테나가 상기 각 수신 안테나 사이마다 분산되어 형성되도록 제어하는 가상 수신 안테나 형성부를 포함하되,
    상기 가상 수신 안테나 형성부는,
    상기 복수의 수신 안테나와 상기 복수의 가상 수신 안테나를 포함하는 수신단 안테나 간의 간격을 상기 송신 안테나 개수 및 상기 수신 안테나 간격에 기초하여 결정하고, 상기 결정된 간격에 따라 상기 복수의 가상 수신 안테나가 상기 각 수신 안테나 사이마다 동일한 개수로 분산되어 형성되도록 제어하는 것을 특징으로 하는를 포함하는 안테나 장치.
  10. 삭제
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