[논문]도플러 효과를 이용한 마이크로파 센서의 구현

김태진; 이영철; 김선효

도플러 효과를 이용한 마이크로파 센서의 구현
Implementation of a Microwave Doppler Sensor 원문보기

한국전자통신학회 논문지 = The Journal of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, v.4 no.2, 2009년, pp.75 - 81

김태진 (경남대학교 정보통신공학과) , 이영철 (경남대학교 정보통신공학과) , 김선효 (한국폴리텍 VII창원대학 전자과)

초록
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본 논문에서는 10.525GHz에서 동작하는 마이크로파 도플러 레이더 센서를 설계/제작하였다. 움직이는 물체를 이용한 측정을 통해 도플러 효과에 따른 센서의 특성을 연구 분석하였으며, 측정 결과를 통해 물체의 속도와 물체와 센서 사이의 거리에 따라 특성에 주파수의 차이를 보임을 알 수 있었다. 측정된 결과를 이용해 마이크로파 도플러 레이더 센서의 FMCW 신호에 의하여 댁내 보안탐지와 같은 용도로 활용할 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, Microwave doppler radar sensor operated in 10.525GHz is designed by dielectric resonant oscillator. According to doppler effects, a characteristic of Microwave sensor with FMCW was analyzed. The qualities of objects velocity and distance between object and microwave sensor by sensor output frequency difference was measured. As a result of Microwave doppler radar sensor, the prototype sensor is available for indoor burglar alarms and other application through FMCW signal.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

최근에는 RF기술과 하드웨어 설계기술의 발달로 저렴하면서도 소형화된 소자들이 사용되고 있다. 본 논문에서 10.525GHz의 X-대역에서 동작하는 마이크로파 도플러 레이더 센서를 설계하였다. 0.
본 논문에서는 10.525GHz대에서 동작하는 마이크로파 도플러 레이더 센서를 제작하고 분석하였다. 센서의 안정적인 설계를 위해 발진기의 위상잡음을 고려하여 유전체 공진기를 이용한 발진기를 설계하였다.
본 논문에서는 게이트 바이어스 전압제어 방식의 유전체 공진 발진기를 설계하였다. 본 논문에서 이용한 게이트 바이어스 전압제어 방식은 직렬형 유전체 공진 발진기의 형태를 기본으로 하고, 주파수 동조를 유전체 공진기를 이용하는 것이 아니라, 능동소자의 동작점을 조정하는 방식이다.

제안 방법

525GHz의 X-대역에서 동작하는 마이크로파 도플러 레이더 센서를 설계하였다. 0.6mm Epoxy Glass 기판(FR4)과 플라스틱 패키지소자(SOT23)의 사용으로 크기의 최적화를 이루고 동시에 높은 신뢰도와 경제성을가지는 우수한 성능의 회로를 구현하였다. 이 회로는 단일 양전압(V_cc = 5V ± 0.
그림7은 믹서의 레이아웃을 나타내고 있다. 레이아웃에서 보여진 바와 같이 송신신호와 수신신호가 서로 반대방향으로 입력됨을 알 수 있다, 이를 위해 역방향 직렬 쌍 형태의 내부구조를 가진 SOT-23 패키지 쇼트키 다이오드를 사용하였다. 안테나는 앞서 언급한 바를 토대로 FR-4기판을 사용하여 2개의 2-패치 마이크로스트립 안테나를 설계하였다.
본 논문에서 이용한 게이트 바이어스 전압제어 방식은 직렬형 유전체 공진 발진기의 형태를 기본으로 하고, 주파수 동조를 유전체 공진기를 이용하는 것이 아니라, 능동소자의 동작점을 조정하는 방식이다. 바이어스 동작점을 이용하여 우수한 위상잡음을 가지는 X-대역 게이트 전압 제어 유전체 공진 발진기를 설계하였으며, 그 방식은 일반적으로 사용되어지는 방식인 바렉터 다이오드를 이용한 전압제어방식과 달리 능동소자의 게이트 바이어스 전압튜닝 방식을 이용하였다. 설계된 유전체 공진 발진기는 마이크로파 도플러 레이더 센서의 상용 주파수인 10.
52V, Ids=10mA로 선정하였다. 설계한 유전체 공진기와 비선형 해석된 NE3210S01소자를 이용하여 ADS툴에서 유전체 공진 발진기를 설계하였으며, 이는 그림 5에 나타내었다. 유전체 공진 발진기의 시뮬레이션 결과는 그림 6에 나타나 있다.
525GHz대에서 동작하는 마이크로파 도플러 레이더 센서를 제작하고 분석하였다. 센서의 안정적인 설계를 위해 발진기의 위상잡음을 고려하여 유전체 공진기를 이용한 발진기를 설계하였다. 그리고 실제 마이크로파 도플러 레이더 센서의 응용을 고려하여 실질적으로 요구되는 25cm2에 맞추어 제작하였다.
소자의 바이어스 동작점은 비선형 해석을 통해 Vds=2V, Vgs=−0.52V, Ids=10mA로 선정하였다.
레이아웃에서 보여진 바와 같이 송신신호와 수신신호가 서로 반대방향으로 입력됨을 알 수 있다, 이를 위해 역방향 직렬 쌍 형태의 내부구조를 가진 SOT-23 패키지 쇼트키 다이오드를 사용하였다. 안테나는 앞서 언급한 바를 토대로 FR-4기판을 사용하여 2개의 2-패치 마이크로스트립 안테나를 설계하였다. 안테나의 반사손실을 시뮬레이션한 결과는 그림 8(a)와 그림 8(b)에 나타내었다.
제작된 마이크로파 도플러 센서의 시스템 특성 측정은 센서의 위치를 고정시킨 후 사람이 직접 움직이는 물체가 되어 측정하였다. 측정은 일정한 거리에서 움직이는 물체의 속도에 따른 출력과 센서 쪽을 향해 직선방향으로 움직일 때, 즉 물체와 센서 사이에 거리 변화가 있을 경우의 출력을 측정하였다.
제작된 마이크로파 도플러 센서의 시스템 특성 측정은 센서의 위치를 고정시킨 후 사람이 직접 움직이는 물체가 되어 측정하였다. 측정은 일정한 거리에서 움직이는 물체의 속도에 따른 출력과 센서 쪽을 향해 직선방향으로 움직일 때, 즉 물체와 센서 사이에 거리 변화가 있을 경우의 출력을 측정하였다. 거리변화는 1m와 2m를 기준으로 하였다.

대상 데이터

바이어스 동작점을 이용하여 우수한 위상잡음을 가지는 X-대역 게이트 전압 제어 유전체 공진 발진기를 설계하였으며, 그 방식은 일반적으로 사용되어지는 방식인 바렉터 다이오드를 이용한 전압제어방식과 달리 능동소자의 게이트 바이어스 전압튜닝 방식을 이용하였다. 설계된 유전체 공진 발진기는 마이크로파 도플러 레이더 센서의 상용 주파수인 10.525GHz에 맞추어 설계하였다. 유전율이 3.
525GHz에 맞추어 설계하였다. 유전율이 3.6인 FR-4기판을 사용하였고, NEC사의 NE3210S01 소자를 사용하여 설계하였다. 그림 3과 4는 ADS툴을 사용하여 설계한 유전체 공진기와 유전체 공진기의 시뮬레이션 특성을 보여준다.

성능/효과

67dBm을 나타내었다. 상용화된 MMIC와 마이크 로스트립 패치안테나를 이용하여 경량 소형화가 가능하였다. 제작된 센서는 움직이는 물체를 이용한 측정에서도 움직이는 물체의 움직임에 대한 정보를 이용할 수 있을 정도의 신호 검출이 가능함을 알 수 있었다.
상용화된 MMIC와 마이크 로스트립 패치안테나를 이용하여 경량 소형화가 가능하였다. 제작된 센서는 움직이는 물체를 이용한 측정에서도 움직이는 물체의 움직임에 대한 정보를 이용할 수 있을 정도의 신호 검출이 가능함을 알 수 있었다. 이러한 특성을 이용하면 노령화와 만성질환 환자의 증가로 주목받고 있는 원격진료나 댁내 모니터링과 같은 의료사업에 적용할 수 있고, 또한 댁내 침입감지와 같은 시스템에 모션센서로서 이용이 가능하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	심장과 호흡의 속도와 생명징후의 원격 비침습성 검출은 무엇을 사용하여 가능한가?	심장과 호흡의 속도와 생명징후의 원격 비침습성 검출은 마이크로파 도플러 레이더 센서를 사용하여 가능하다. 호흡과 혈액순환의 수축과 팽창에 의해 야기된 몸의 움직임은 물체를 노출시키는 마이크로파 신호로 도플러 천이를 일으킨다.
	최근 RF 기술과 통신기술이 발전함에 따라 저렴하면서도 소형화된 무선통신기기들을 사용할 수 있게 되었는데 어느 분야에서 이용되고 있는가?	최근 RF 기술과 통신기술이 발전함에 따라 저렴하면서도 소형화된 무선통신기기들을 사용할 수 있게 되었다. 이로 인해 공학, 의학을 비롯한 많은 분야에 다양하게 이용되고 있다.
	일정한 주기를 갖고 움직이는 물체로부터 반사된 신호의 주파수의 위상은 무엇에 의해 변화하는가?	마이크로파 신호가 움직이는 물체에 반사될 때, 도플러 효과로 인해 신호의 주파수가 물체의 속도에 비례하여 변화된다. 일정한 주기를 갖고 움직이는 물체로부터 반사된 신호의 주파수는 동일하게 유지되나 위상이 시간에 따라 변화한다. 부하를 갖는 전송선로의 위상변화는 그림1에 나타내었는데, 시간에 따라 변화되는 위상은 변위 x(t)에 비례한다.

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