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KR101666644B1 - 레이더 안테나에서의 반사파 감쇄시스템 - Google Patents

레이더 안테나에서의 반사파 감쇄시스템 Download PDF

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KR101666644B1
KR101666644B1 KR1020160015547A KR20160015547A KR101666644B1 KR 101666644 B1 KR101666644 B1 KR 101666644B1 KR 1020160015547 A KR1020160015547 A KR 1020160015547A KR 20160015547 A KR20160015547 A KR 20160015547A KR 101666644 B1 KR101666644 B1 KR 101666644B1
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KR
South Korea
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signal
reflected wave
coupler
demodulator
modulator
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KR1020160015547A
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우석근
김원중
정광회
오세호
우희범
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주식회사 휴미디어
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Abstract

본 발명은 저피탐 레이더에 사용되는 단일 안테나에서 되돌아오는 반사파를 위상 반전 신호로 상쇄시켜 표적신호를 용이하게 탐지할 수 있도록 하는 시스템으로서, 보다 상세하게는 표적신호와 함께 입력되는 반사파를 디지털 소자인 FPGA에서 오프셋 보정을 한 후 출력함으로써 광대역에서 동작이 가능해지도록 하는 레이더 안테나에서의 반사파 감쇄시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따르면 표적신호와 함께 입력되는 반사파를 효과적으로 제거하여 신호처리부가 표적신호를 분리해내는 능력을 향상시킬 수 있고, 광대역에서 동작하면서 주파수를 변화시킬 수 있어서 현장의 상황에 따른 적절한 대처가 가능해지는 효과가 있다.

Description

레이더 안테나에서의 반사파 감쇄시스템{A SYSTEM FOR REFLECTION POWER CANCELLATION IN RADAR ANTENNA}
본 발명은 저피탐 레이더에 사용되는 단일 안테나에서 되돌아오는 반사파를 위상 반전 신호로 상쇄시켜 표적신호를 용이하게 탐지할 수 있도록 하는 시스템으로서, 보다 상세하게는 표적신호와 함께 입력되는 반사파를 디지털 소자인 FPGA에서 오프셋 보정을 한 후 출력함으로써 광대역에서 동작이 가능해지도록 하는 레이더 안테나에서의 반사파 감쇄시스템에 관한 것이다.
저피탐 레이더를 포함하는 FMCW(Frequency Modulation Continuous Wave; 주파수변조 연속파) 레이더는 주파수가 변화는 RF신호를 연속적으로 송신하고, 표적에 반사되어 수신되는 RF신호를 분석하여 표적의 위치와 거리를 감지하는 장치이다.
FMCW 레이더는 주파수를 연속해서 발생시키며 별도의 송신 정지 시간이 없어 송신과 수신이 동시에 되므로 시스템의 내부 구성이 더 복잡해지는 단점이 있다.
도 1은 일반적인 레이더 시스템의 구조를 나타낸 블럭도이며, 도 2는 레이더 시스템에 입력되는 반사파와 표적신호의 특성을 나타낸 그래프이다.
일반적으로 레이더 시스템은 표적의 감지를 위해 필요한 RF신호를 발생시키도록 제어하거나 수신하여 분석하는 신호처리장치(10), 신호처리장치(10)의 제어에 따라 적절한 방식의 RF신호를 발생시키는 송수신장치(20), 송수신장치(20)에서 발생된 RF신호를 송신하거나 표적에서 반사된 RF신호를 수신하는 안테나(30)로 구성된다.
그런데 안테나(30)에서 송수신장치(20)로 입력되는 RF신호에는 감시 대상이 되는 표적에 부딪혀서 반사된 표적신호와, 안테나(30) 자체에서 반사되어 들어오는 반사파가 혼재되어 있다. 안테나(30)가 송신용과 수신용으로 분리된 경우에는 RF신호가 격리되기 때문에 반사파의 영향이 없이 신호 처리가 가능하지만, 송신 및 수신 겸용으로 하나의 안테나(30)를 사용하는 경우에는 반사파가 큰 영향을 미치게 된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 대부분의 FMCW 레이더에서 입력되는 반사파는 표적신호 보다 출력이 훨씬 더 크기 때문에 반사파를 적절히 감쇄시키지 않으면 표적신호의 정확한 추출이 어려운 문제가 있다.
이를 개선하기 위해 중간주파수를 이용하거나 특정 대역에만 적용되는 디지털모듈을 사용하여 반사파를 감쇄시키는 시스템이 개시되었는데, 입력되는 반사파를 표적신호와 충분히 분리시키지 못하는 경우에 신호처리 성능이 떨어지는 문제점이 있었다.
또한 특정 대역에 대해서만 적용이 가능한 시스템이 대부분이어서 광대역 및 가변 영역에 대한 반사파 제거 기능이 미흡해서 이의 개발 필요성이 대두되었다.
KR 10-2015-0093488 A KR 10-1557823 B1
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 안테나의 반사파를 IQ신호로 분리하여 믹서와 FPGA를 통해 위상을 반전시키고, 차단기를 통해 반사파와 표적신호의 분리도를 향상시켜 반사파의 감쇄 효율을 향상시키도록 하는 레이더 안테나에서의 반사파 감쇄시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 광대역 시스템에 적용이 가능하며, 외부 시스템에서 입력된 정보를 바탕으로 감쇄 대상이 되는 주파수를 변경시킬 수 있어서 가변 영역에 대한 감쇄 기능을 구현할 수 있는 레이더 안테나에서의 반사파 감쇄시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
전술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명은 레이더에 사용되는 단일 안테나(30)에서 되돌아오는 반사파를 감쇄시키는 반사파 감쇄시스템으로서, 감시대상이 되는 표적에 송신할 RF신호를 발생시키는 신호발생부(102)와; 상기 표적에 반사되어 들어오는 표적신호와 상기 안테나(30)에서 반사되어 들어오는 반사파가 합쳐진 RF신호를 분리하여 통과시키는 순환기(116)와; 상기 순환기(116)을 통과한 RF신호를 분기하여 출력하는 제4커플러(120)와; 상기 제4커플러(120)가 분기시킨 RF신호를 수신하여 I신호와 Q신호로 분리하여 출력하는 디모듈레이터부(126)와; 상기 디모듈레이터부(126)가 출력한 I신호 및 Q신호의 오프셋값을 적용하여 위상을 변화시키는 제어부(128)와; 상기 오프셋값이 보정된 I신호와 Q신호를 RF신호로 상향 변환하여 출력하는 모듈레이터부(130)와; 상기 순환기(116)와 상기 제4커플러(120)의 신호 경로 사이에 설치되며, 상기 모듈레이터부(130)에서 입력되는 상기 RF신호와 상기 안테나(30)에서 반사된 반사파를 결합시키는 제3커플러(118);를 포함한다.
상기 신호발생부(102)와 상기 순환기(116)의 신호 경로 사이에 설치되어 상기 신호발생부(102)가 발생시킨 RF신호의 일부를 분기시키는 제1커플러(106)와; 상기 제1커플러(106)가 분기시킨 RF신호를 상기 디모듈레이터부(126)와 상기 모듈레이터부(130)로 분리하여 입력하는 분배기(122);를 더 포함한다.
상기 디모듈레이터부(126)는 상기 제4커플러(120)로부터 입력되는 RF신호를 분리하여 출력하는 제3차단기(126b)와; 상기 제3차단기가 출력한 RF신호를 기저 대역신호로 변환하고, 상기 기저대역 신호에 포함된 I(In-phase)신호와 Q(Quadrature-phase)신호를 각각 분리하여 상기 제어부(128)에 전달하는 IQ디모듈레이터(126c);를 포함한다.
상기 모듈레이터부(130)는 상기 제어부(128)에 의해 오프셋값이 보정된 I신호와 Q신호를 결합하여 RF신호로 상향 변환하여 출력하는 IQ모듈레이터(130c)와; 상기 IQ모듈레이터(130c)로부터 입력되는 RF신호를 분리하여 출력하는 제5차단기(130e);를 포함한다.
본 발명에 따르면 표적신호와 함께 입력되는 반사파를 효과적으로 제거하여 신호처리부가 표적신호를 분리해내는 능력을 향상시킬 수 있고, 광대역에서 동작하면서 주파수를 변화시킬 수 있어서 현장의 상황에 따른 적절한 대처가 가능해지는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 레이더 시스템의 구조를 나타낸 블럭도.
도 2는 레이더 시스템에 입력되는 반사파와 표적신호의 특성을 나타낸 그래프.
도 3은 본 발명의 감쇄시스템의 구조를 나타낸 블럭도.
도 4는 디모듈레이터부의 구조를 나타낸 블럭도.
도 5는 제어부의 구조를 나타낸 블럭도.
도 6은 모듈레이터부의 구조를 나타낸 블럭도.
도 7은 감쇄시스템에 의해 감쇄된 반사파의 특성을 나타낸 그래프.
이하에서 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 "레이더 안테나에서의 반사파 감쇄시스템"(이하, '감쇄시스템'이라 함)을 설명한다.
도 3은 본 발명의 감쇄시스템의 구조를 나타낸 블럭도이며, 도 4는 디모듈레이터부의 구조를 나타낸 블럭도, 도 5는 제어부의 구조를 나타낸 블럭도, 도 6은 모듈레이터부의 구조를 나타낸 블럭도, 도 7은 감쇄시스템에 의해 감쇄된 반사파의 특성을 나타낸 그래프이다.
본 발명의 감쇄시스템(100)은 종래기술에 포함된 신호처리장치(10)와 안테나(30) 사이에 설치되어 사용되는 것이 일반적이지만, 다른 형태로 구성될 수도 있다.
신호발생부(102)는 레이더 시스템에서 정해진 대역에 맞게 설정된 주파수의 RF신호를 발생시키고, 제1증폭기(104)는 발생된 RF신호의 출력이 정해진 조건에 맞도록 증감시킨다.
본 발명의 감쇄시스템(100)을 구현하기 위해서 필요한 로컬신호를 스윕(sweep) 송신 파형신호로 사용하기 때문에 분배기(122)를 사용하여 디모듈레이터부(126)와 모듈레이터부(130)에 입력한다. 만약 로컬신호의 출력 레벨이 변하면 감쇄성능이 열화되므로 송신 RF신호의 출력 변화는 로컬신호의 분배 후에 실행한다.
제1커플러(106)는 출력이 조절된 RF신호를 송신경로(안테나) 또는 위상반전경로(디모듈레이터부)로 분기시킨다.
제1커플러(106)를 통과한 RF신호는 대역필터(BPF; 108)를 거치면서 하모닉성분과 중간주파수성분이 제거된다.
대역필터(108)를 통과한 RF신호는 가변감쇄기(110)에 입력된다. 가변감쇄기(110)는 마이컴(128d)에 입력된 정보에 포함된 출력 레벨에 맞추어 RF신호의 출력 레벨을 조절한다. 이 때문에 로컬 RF신호의 출력 레벨은 변화가 없으므로 감쇄시스템(100)의 내구 믹스의 구현이 안정적으로 이루어진다.
가변감쇄기(110)에서 출력 레벨이 조절된 RF신호는 제1차단기(Isolator; 112)를 통과한 후 제2커플러(114)에 입력되는데, 제1차단기(112)에 의해 송신 RF신호와 안테나(30) 반사파가 분리된다.
제1차단기(112)를 통과한 RF신호는 제2커플러(114)에 의해 순환기(Circulator; 116)와 RF감지기(124)로 분기된다. 순환기(116)로 입력된 RF신호는 안테나(30)를 거쳐서 감시대상이 되는 표적에게 송신된다.
RF감지기(124)는 송신되는 RF신호의 출력을 모니터링하는 장치로서, 신호처리장치(10)가 정상적으로 동작하여 원하는 출력 레벨의 RF신호가 송신되고 있는지를 확인한다.
안테나(30)를 통하여 송신된 RF신호는 표적에 맞고 반사되어 다시 안테나(30)로 들어온다. 안테나(30)가 신호처리장치(10)로 전송하는 신호에는 표적에 맞고 반사된 표적신호와, 안테나(30)의 연결부위에서 반사되어 들어오는 반사파가 모두 포함된다. 그리고 두 가지의 신호는 순환기(116)에 의해 분리되어 모두 제3커플러(118)에 입력된다. 필요에 따라서는 제3커플러(118)의 앞쪽에 RF신호의 출력을 제한하는 리미터를 설치하여 과출력 신호가 신호처리장치(10)로 입력되는 것을 방지할 수 있다.
제3커플러(118)는 안테나(30)와 신호처리장치(10) 사이의 송수신경로에 설치되는데, 후술하겠지만 제3커플러(118)에 입력되는 신호에 의해 반사파의 감쇄가 이루어진다.
제3커플러(118)를 통과한 RF신호는 제4커플러(120)에 의해 디모듈레이터부(126)와 스펙트럼 분석장치(50)로 각각 입력된다. 스펙트럼 분석장치(50)는 제4커플러(120)를 통과한 RF신호(또는 반사파)의 출력 레벨을 측정한다. 스펙트럼 분석장치(50)의 측정값을 확인하면 제3커플러(118)를 통과하면서 감쇄된 반사파의 출력 레벨을 확인할 수 있게 된다.
제4커플러(120)에서 분기된 RF신호(반사파)는 디모듈레이터부(126)와 제어부(128), 모듈레이터부(130)를 통과하면서 위상이 반전된 RF신호가 된다.
디모듈레이터부(126)의 RF 입력포트에 입력된 RF신호는 제3차단기(126b)를 거쳐서 IQ디모듈레이터(126c)에 입력된다. IQ디모듈레이터(126c)에는 분배기(122)에서 출력된 로컬신호도 입력되는데, 로컬신호는 디모듈레이터부(126)에 포함된 제2차단기(126a)를 통과하여 IQ디모듈레이터(126c)에 입력된다. 디모듈레이터부(126)에 입력된 로컬신호는 제2증폭기(126d)에 의해 모듈레이터부(130)가 정상적으로 작동할 수 있는 레벨이 되도록 증폭된다. 이로 인해 안정된 광대역 복조 성능을 얻을 수 있다.
IQ디모듈레이터(126c)는 입력된 반사파를 기저 대역신호로 변환한다. 기저대역 신호에 포함된 I(In-phase)신호와 Q(Quadrature-phase)신호는 제1믹서(126c-1)와 제2믹서(126c-2)에 의해 각각 분리되고, 분리된 I신호와 Q신호는 제어부(128)에 전달된다.
전달된 I신호와 Q신호는 제1A/D컨버터(128a)와 제2A/D컨버터(128b)에 의해 각각 디지털 신호로 변환되어 FPGA(128c)에 입력된다. 필요에 따라 제1A/D컨버터(128a)와 제2A/D컨버터(128b) 각각의 입력단에 저역통과필터(LPF)를 설치하여 사용할 수 있다.
FPGA(128c)는 입력된 I신호와 Q신호를 분석하여 기존 설정된 오프셋값(offset)을 계산한 후 제1D/A컨버터(128e)와 제2D/A컨버터(128f)로 각각 출력한다. FPGA(128c)는 마이컴(128d) 또는 외부의 제어시스템(40)으로부터 전송되는 제어명령에 따라 오프셋값을 변화시킬 수 있다.
I신호와 Q신호는 제1D/A컨버터(128e)와 제2D/A컨버터(128f)에 의해 각각 아날로그 신호로 변환된다.
아날로그로 변환된 I신호와 Q신호는 제1오프셋조절부(128g)와 제2오프셋조절부(128h)에 각각 입력된다. 제1오프셋조절부(128g)와 제2오프셋조절부(128h)에 의해 I신호와 Q신호는 오프셋값의 보정과정이 진행되며, 이로 인해 신호의 위상이 변화된다. 오프셋값의 설정이나 변경은 FPGA(128c)에 의해 제어된다.
오프셋값이 보정된 I신호와 Q신호는 모듈레이터부(130)에 입력된다.
IQ모듈레이터(130c)에 입력된 I신호와 Q신호는 제3믹서(130c-1)와 제4믹서(130c-2)를 통과하면서 결합되어 RF신호로 상향 변환된다. 또한 IQ모듈레이터(130c)에는 분배기(122)에서 출력된 로컬신호가 제3증폭기(130b)에 의해 출력이 조절된 상태로 입력된다. IQ모듈레이터(130c)는 제어부(128)에서 전달된 신호와 분배기(122)에서 전달된 로컬신호를 함께 처리하여 상향 변환 과정을 수행한다.
위상이 보정된 RF신호는 제4증폭기(130d)를 거치면서 출력이 조정되고, 제5차단기(130e)를 거쳐서 제3커플러(118)에 입력된다. 제3커플러(118)에서 위상이 보정된 RF신호와 안테나(30)에서 반사되어 들어온 반사파는 서로 합쳐지고, 위상이 반전된 두 개의 신호가 서로 겹쳐지는 감쇄효과로 반사파의 출력이 줄어들게 된다. 스펙트럼 분석장치(50)는 반사파의 감쇄를 신호의 출력 레벨 측정을 통해 확인할 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였지만, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10 : 신호처리장치 20 : 송수신장치
30 : 안테나 40 : 제어시스템
100 : 감쇄시스템 102 : 신호발생부
104 : 증폭기 106 : 제1커플러
108 : 대역필터 110 : 가변감쇄기
112 : 제1차단기 114 : 제2커플러
116 : 순환기 118 : 제3커플러
120 : 제4커플러 122 : 분배기
124 : RF감지기 126 : 디모듈레이터부
126a : 제2차단기 126b : 제3차단기
126c : IQ디모듈레이터 126c-1 : 제1믹서
126c-2 : 제2믹서 126d : 증폭기
128 : 제어부 128a : 제1A/D컨버터
128b : 제2A/D컨버터 128c : FPGA
128d : 마이컴 128e : 제1D/A컨버터
128f : 제2D/A컨버터 128g : 제1오프셋조절부
128h : 제2오프셋조절부 130 : 모듈레이터부
130a : 제4차단기 130b : 증폭기
130c : IQ모듈레이터 130c-1 : 제3믹서
130c-2 : 제4믹서 130d : : 증폭기
130e : 제5차단기

Claims (4)

  1. 레이더에 사용되는 단일 안테나(30)와 신호처리장치(10)의 연결부위에서 되돌아오는 반사파를 감쇄시키는 반사파 감쇄시스템으로서,
    감시대상이 되는 표적에 송신할 RF신호를 발생시키는 신호발생부(102)와;
    상기 표적에 반사되어 들어오는 표적신호와, 상기 안테나(30)와 신호처리장치(10)의 연결부위에서 반사되어 들어오는 반사파가 합쳐진 RF신호를 분리하여 통과시키는 순환기(116)와;
    상기 순환기(116)을 통과한 RF신호를 분기하여 출력하는 제4커플러(120)와;
    상기 제4커플러(120)가 분기시킨 RF신호를 수신하여 I신호와 Q신호로 분리하여 출력하는 디모듈레이터부(126)와;
    상기 디모듈레이터부(126)가 출력한 I신호 및 Q신호의 오프셋값을 적용하여 위상을 변화시키는 제어부(128)와;
    상기 오프셋값이 보정된 I신호와 Q신호를 RF신호로 상향 변환하여 출력하는 모듈레이터부(130)와;
    상기 순환기(116)와 상기 제4커플러(120)의 신호 경로 사이에 설치되며, 상기 모듈레이터부(130)에서 입력되는 상기 RF신호와, 상기 안테나(30)와 신호처리장치(10)의 연결부위에서 반사된 반사파를 결합시키는 제3커플러(118);를 포함하는, 레이더 안테나에서의 반사파 감쇄시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 신호발생부(102)와 상기 순환기(116)의 신호 경로 사이에 설치되어 상기 신호발생부(102)가 발생시킨 RF신호의 일부를 분기시키는 제1커플러(106)와;
    상기 제1커플러(106)가 분기시킨 RF신호를 상기 디모듈레이터부(126)와 상기 모듈레이터부(130)로 분리하여 입력하는 분배기(122);를 더 포함하는, 레이더 안테나에서의 반사파 감쇄시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 디모듈레이터부(126)는
    상기 제4커플러(120)로부터 입력되는 RF신호를 분리하여 출력하는 제3차단기(126b)와;
    상기 제3차단기(126b)가 출력한 RF신호를 기저 대역신호로 변환하고, 상기 기저대역 신호에 포함된 I(In-phase)신호와 Q(Quadrature-phase)신호를 각각 분리하여 상기 제어부(128)에 전달하는 IQ디모듈레이터(126c);를 포함하는, 레이더 안테나에서의 반사파 감쇄시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 모듈레이터부(130)는
    상기 제어부(128)에 의해 오프셋값이 보정된 I신호와 Q신호를 결합하여 RF신호로 상향 변환하여 출력하는 IQ모듈레이터(130c)와;
    상기 IQ모듈레이터(130c)로부터 입력되는 RF신호를 분리하여 출력하는 제5차단기(130e);를 포함하는, 레이더 안테나에서의 반사파 감쇄시스템.
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