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문제 정의
- 따라서 본 논문에서는 UWB high 대역 (중심 주파수 : 9.5 GHz, -10 dB 대역폭 : 600 MHz, 6.4 %)의 차량 측후방 레이더 센서용 안테나에 대해 연구하였다. 레이더 센서용 안테나는 구조가 간단하여 설계 및 제작이 용이하고 대역폭이 넓으며 실제의 시스템 모듈로부터 직접 급전이 가능한 프로브 급전 직사각형 도파관 안테나[6]를 이용하여 설계 하였으며, 안테나가 케이스에 내장되도록 작고 간단한 최적화된 모듈을 선택하였다.
- 본 연구에서 레이더는 바이스테틱 레이더를 사용하기 때문에 송수신 안테나가 분리되어 있어 송수신 안테나 간 격리도 특성이 중요한 설계 파라미터이다. 따라서 본 장에서는 송수신 도파관 안테나의 E-면 배열 및 H-면 배열에 따른 격리도 특성을 시뮬레이션을 통해 확인하였다.
- 본 논문에서는 UWB high 대역 (중심 주파수 : 9.5 GHz, 대역폭 : 600 MHz (6.4 %))의 차량 측후방 레이더 센서용 도파관 안테나를 연구하였다. 먼저 구형 도파관 안테나의 임피던스 매칭 파라미터를 시뮬레이션하여 그 특성을 확인하였고 9.
- 본 연구에서 레이더는 바이스테틱 레이더를 사용하기 때문에 송수신 안테나가 분리되어 있어 송수신 안테나 간 격리도 특성이 중요한 설계 파라미터이다. 따라서 본 장에서는 송수신 도파관 안테나의 E-면 배열 및 H-면 배열에 따른 격리도 특성을 시뮬레이션을 통해 확인하였다.
가설 설정
- 여기에서 차량의 크기를 보통 중형 세단 (1.6 × 4 m2)의 크기로 가정하였으며, 이때 최대 레이더의 탐지거리를 2 m로 상정하면 요구되는 측방의 안테나 빔 폭은 100°, 후방의 빔폭은 45°가 된다.
제안 방법
- 특성과 입력 임피던스 특성을 나타내었다. L1=44 mm, L2=5.5 mm로 고정시키고, 급전 프로브와 도파관 내벽 사이의 거리 d를 6.5 mm에서 8 mm 까지 0.5 mm 간격으로 변화시켰다.
- T-형 모듈에 장착된 안테나의 방사패턴을 에 시뮬레이션과 측정을 비교하여 나타내었다.
- 5 GHz에서 구형 도파관 안테나 2 개를 설계 제작하였다. 그리고 E-면과 H-면 격리도 특성을 시뮬레이션 하여 격리도 특성이 좋은 H-면 배열을 채택하여 도파관 모듈에 장착하였다. 도파관 모듈은 격리도 향상과 레이더 모듈의 높이를 줄일 수 있는 구조로 T-형 모듈을 최종적으로 선택하였다.
- 그리고 급전 프로브의 길이에 따라서도 임피던스가 변화하여 본 논문에서는 안테나의 길이를 작게 할 수 있는 길이인 1λg (44 mm)로 안테나의 최적 길이를 설정하였다.
- 그리고 안테나의 빔폭은 송신의 경우 E-면 80.5°, H-면 64°로 측정되었고 수신 안테나의 측정된 E-면 82°, H-면 65°로 측정되어 요구 이득 및 빔폭을 만족시켰다.
- 본 장에서는 앞서 설계된 도파관 안테나를 격리도가 좋은 H-면으로 배열하였다. 그리고 직육면체 형태의 레이더 모듈에 장착된 경우, 플레이트가 도파관 안테나 사이에 부착된 경우, 그리고 T-형 모듈에 장착되었을 경우에 대해 각각 안테나의 특성을 연구하였다.
- 논문의 구성으로, II 장에서는 안테나의 설계 사양을 설명하였고, 도파관 안테나의 기본적인 파라미터 특성을 시뮬레이션 하여 설계 주파수에 맞는 도파관 안테나를 설계 및 제작하였다. 다음으로 III 장에서는 본 연구의 레이더 시스템이 바이스테틱레이더를 사용하고 있어 설계된 도파관 안테나간 격리도 특성을 E-면 배열과 H-면 배열에 대해서 시뮬레이션 하였다.
- 논문의 구성으로, II 장에서는 안테나의 설계 사양을 설명하였고, 도파관 안테나의 기본적인 파라미터 특성을 시뮬레이션 하여 설계 주파수에 맞는 도파관 안테나를 설계 및 제작하였다. 다음으로 III 장에서는 본 연구의 레이더 시스템이 바이스테틱레이더를 사용하고 있어 설계된 도파관 안테나간 격리도 특성을 E-면 배열과 H-면 배열에 대해서 시뮬레이션 하였다. 그리고 IV 장에서는 격리도가 좋은 H-면 배열을 이용하여 설계된 도파관 안테나를 레이더 모듈에 장착하였을 경우 모듈형상에 따른 격리도 특성에 대해 설명하였다.
- 그리고 E-면과 H-면 격리도 특성을 시뮬레이션 하여 격리도 특성이 좋은 H-면 배열을 채택하여 도파관 모듈에 장착하였다. 도파관 모듈은 격리도 향상과 레이더 모듈의 높이를 줄일 수 있는 구조로 T-형 모듈을 최종적으로 선택하였다. 송수신 안테나의 특성을 시뮬레이션 및 측정을 통하여 확인하였다.
- 두 격리도 특성 모두 30 ~ 90 mm (0.95 ~ 2.85λ0, λ0 : 자유공간 파장)까지 30 mm (0.95λ0)간격으로 변화시켰다.
- 그 이유는 모듈상면 표면으로 방사되는 전류가 유기되기 때문이다. 따라서 격리도를 향상시키기 위해 도파관 안테나 사이에 플레이트를 추가하였다.
- 따라서 레이더 안테나의 요구 빔폭을 이 두 빔 폭의 중간 정도인 60° ~ 70°로 결정하였다.
- 하지만 이러한 구조는 차량용 레이더의 높이를 증가시키는 단점이 있다. 따라서 상기 결과들로부터 레이더 모듈의 크기를 줄이고, E-면 패턴의 수평면 회절성분에 의한 결합 영향을 줄이고자 T-형 레이더 모듈 구조를 고안하여 도파관 안테나를 장착하였다.
- , 그리고 프로브와 도파관 내벽의 거리 d로 결정된다. 따라서 세가지 파라미터 변화에 대해서 시뮬레이션하여 그 특성을 확인하였다.
- 4 %)의 차량 측후방 레이더 센서용 안테나에 대해 연구하였다. 레이더 센서용 안테나는 구조가 간단하여 설계 및 제작이 용이하고 대역폭이 넓으며 실제의 시스템 모듈로부터 직접 급전이 가능한 프로브 급전 직사각형 도파관 안테나[6]를 이용하여 설계 하였으며, 안테나가 케이스에 내장되도록 작고 간단한 최적화된 모듈을 선택하였다.
- 4 %))의 차량 측후방 레이더 센서용 도파관 안테나를 연구하였다. 먼저 구형 도파관 안테나의 임피던스 매칭 파라미터를 시뮬레이션하여 그 특성을 확인하였고 9.5 GHz에서 구형 도파관 안테나 2 개를 설계 제작하였다. 그리고 E-면과 H-면 격리도 특성을 시뮬레이션 하여 격리도 특성이 좋은 H-면 배열을 채택하여 도파관 모듈에 장착하였다.
- 본 절에서는 레이더 안테나로 사용될 구형 도파관 안테나의 파라미터 변화에 따른 임피던스 매칭 특성을 시뮬레이션 하였으며, 레이더의 송신과 수신 안테나를 위해 동일한 구형 도파관 안테나 2개를 제작하였다.
- 도파관 모듈은 격리도 향상과 레이더 모듈의 높이를 줄일 수 있는 구조로 T-형 모듈을 최종적으로 선택하였다. 송수신 안테나의 특성을 시뮬레이션 및 측정을 통하여 확인하였다. 그 결과 설계된 차량 측후방 레이더 안테나가 설정한 요구특성을 만족시켰다.
- 앞 절의 도파관 파라미터 시뮬레이션 결과를 이용하여 설계 주파수 9.5 GHz로 도파관 안테나를 설계 제작하였다.
- 9λ0)가 격리도의 포화점이기 때문이다. 이와 같은 시뮬레이션 결과를 이용하여 본 연구에서는 도파관 안테나를 H-면으로 배열하여 레이더 모듈에 배치시켰다.
- 차량용 레이더 모듈의 높이를 줄이면서 격리도를 향상 시킬 수 있도록 본 절에서는 T-형 레이더 모듈 구조를 고안하여 도파관 안테나를 장착하였다.
대상 데이터
- 9°의 특성을 보였고, 제작된 송신 안테나는 E-면은 80°, H-면은 50°로 측정되었다. H-면 빔폭이 목표보다 낮지만 본 연구에서는 레이더 시스템 모듈에 장착시도 고려했기 때문에 제작된 구형 도파관 안테나를 이용하였다. E-면의 빔폭에 비해 H-면의 빔폭이 좁은 것은 구형 도파관 안테나의 기본모드인 TE10 모드로 동작하여 H-면의 개구 길이가 크기 때문이다.
- 구형 도파관 안테나는 동축 프로브로 급전이 되며 X 대역 표준 도파관인 WR-90 (도파관 내부 크기: 23 × 10.3 mm2)을 이용하였고 도파관의 한쪽이 개방된 구조를 가지고 있다.
- 레이더 모듈의 크기는 앞의 모듈과 같으며 90 × 18.3 mm2의 도체 플레이트를 추가하였다.
- 안테나가 장착될 레이더 모듈의 크기는 150 × 100 × 20 mm3 이다. 레이더 안테나로 사용될 안테나는 대역폭이 넓고 구조가 간단한 프로브 급전 구형 도파관 안테나를 선택하였다. <표 1>에는 레이더 안테나의 설계 목표 설정 사양을 정리하였다.
- 5 mm, d=7 mm로 결정되었다. 본 연구의 차량용 레이더 시스템에서는 송신용 안테나와 수신용 안테나로 나뉘어 사용되기 때문에 도파관 안테나 2개를 설계 및 제작하였다. <그림 7>에는 제작된 도파관 안테나의 시뮬레이션 및 측정된 S11을 비교하여 나타내었다.
- 본 연구의 차량용 측후방 레이더 안테나 설계 중심 주파수는 UWB high 대역의 9.5 GHz 이며, -10 dB 대역폭은 600 MHz (6.4 %)이다. 그리고 바이스테틱 레이더 시스템을 사용하기 때문에 송수신 안테나가 분리되어 있어 높은 격리도 특성을 요구한다.
- 차량용 레이더의 사용 주파수는 국내 기준으로 77 GHz (대역폭: 1 GHz, 1.3 %) 와 24 GHz (대역폭: 200 MHz, 0.8 %) 대역이 할당되어 있으며 77 GHz 대역은 주로 충돌 방지 전방 감시 레이더로 사용되고 전방 30 m 이상 떨어져 있는 차량을 검출하고자 한다. 이러한 시스템은 기본적으로 측정 목표 차량과의 거리가 멀기 때문에 고 이득을 갖는 안테나가 요구된다[1-3].
데이터처리
- <그림 8>에 설계된 도파관 안테나의 측정된 방사패턴을 시뮬레이션과 비교하였다. 측정된 안테나의 방사패턴은 송신 안테나의 방사패턴으로 수신 안테나와 동일한 안테나이므로 측정된 송신 안테나의 방사패턴만 시뮬레이션과 비교하여 나타내었다.
- <그림 8>에 설계된 도파관 안테나의 측정된 방사패턴을 시뮬레이션과 비교하였다. 측정된 안테나의 방사패턴은 송신 안테나의 방사패턴으로 수신 안테나와 동일한 안테나이므로 측정된 송신 안테나의 방사패턴만 시뮬레이션과 비교하여 나타내었다.
성능/효과
- <그림 6> 에는 설계 및 제작된 구형 도파관 안테나의 구조와 치수를 나타내었다. 9.5 GHz에서 설계된 도파관 안테나의 파라미터는 L1=44 mm, L2=5.5 mm, d=7 mm로 결정되었다. 본 연구의 차량용 레이더 시스템에서는 송신용 안테나와 수신용 안테나로 나뉘어 사용되기 때문에 도파관 안테나 2개를 설계 및 제작하였다.
- 47 %)로 측정되어 두 개의 안테나 모두 요구 -10 dB 대역폭을 만족시키는 것을 확인하였다. 격리도 (S21) 특성은 직사각형 모듈에서 도파관 안테나의 크기만큼 잘라낸 부분에 안테나를 장착하였으므로 두 안테나간 격리도를 향상시킬 수 있었으며 요구되는 대역폭 내에서 모두 -50 dB 이하로, 목표했던 -45 dB 이하의 값을 만족시켰다. 격리도 측정 시 실제 환경을 고려하여 자유공간에서 측정을 하였고, 격리도가 매우 낮은 레벨값을 가지기 때문에 측정 결과에 굴곡이 나타났다.
- 송수신 안테나의 특성을 시뮬레이션 및 측정을 통하여 확인하였다. 그 결과 설계된 차량 측후방 레이더 안테나가 설정한 요구특성을 만족시켰다.
- 52 %)로 측정되었다. 그리고 제작된 수신용 안테나의 S11은 -27.54 dB, -10 dB 대역폭은 1090 MHz (11.47 %)로 측정되어 두 개의 안테나 모두 요구 -10 dB 대역폭을 만족시키는 것을 확인하였다. 격리도 (S21) 특성은 직사각형 모듈에서 도파관 안테나의 크기만큼 잘라낸 부분에 안테나를 장착하였으므로 두 안테나간 격리도를 향상시킬 수 있었으며 요구되는 대역폭 내에서 모두 -50 dB 이하로, 목표했던 -45 dB 이하의 값을 만족시켰다.
- 도체 플레이트를 송수신 안테나 사이에 추가하면 송수신 안테나의 S11 및 대역폭에는 변화가 없었으며 격리도가 향상되었다. 그 이유는 플레이트가 E-면 패턴의 수평면 회절성분에 의해 유기되는 모듈 상면 반사 전류를 차단하고 방사되는 필드를 플레이트 반대편으로 반사시키기 때문이다.
- 또한 의 입력 임피던스도 프로브의 길이가 증가할수록 모노폴 안테나 특성과 같이 저항 및 인덕턴스 성분이 증가되는 것을 확인할 수 있다.
- 반면, 의 H-면 격리도 특성은 두 안테나의 거리 30 mm (0.95λ0) 이상에서 격리도가 -45 dB 이하를 만족하였으며, 거리가 멀어질수록 격리도 특성이 좋아지는 특성을 보였다.
- <그림 7>에는 제작된 도파관 안테나의 시뮬레이션 및 측정된 S11을 비교하여 나타내었다. 시뮬레이션과 측정 결과는 잘 일치하였으며 시뮬레이션된 S11은 설계 주파수 9.5 GHz에서 -26.4 dB이고, -10 dB 대역폭은 834.2 MHz (8.78 %)이다. 측정된 안테나의 S11은 9.
- 및 격리도 특성을 시뮬레이션과 비교하여 나타내었다. 시뮬레이션과 측정은 잘 일치하였으며 시뮬레이션된 안테나의 S11은 송수신 안테나 모두 9.5 GHz에서 -25 dB, -10 dB 대역폭은 778 MHz (8.19 %)이다. 측정된 도파관 안테나의 S11은 송신 안테나의 경우 9.
- T-형 모듈에 장착된 안테나의 방사패턴을 <그림 13>에 시뮬레이션과 측정을 비교하여 나타내었다. 시뮬레이션과 측정은 잘 일치하였으며 측정된 송신 및 수신 안테나의 이득은 각각 7.65 dBi, 7.26 dBi로 측정되었다. 그리고 안테나의 빔폭은 송신의 경우 E-면 80.
- <그림 12 (a), (b)>에 나타낸바와 같이 T-형 레이더 모듈 구조와 제작된 안테나를 모듈의 양 끝에 내장하였다. 이렇게 설계함으로써 레이더 모듈의 높이를 줄일 수 있으며, 전 절에서 기술된 바와 같이 안테나 사이에 도체가 존재하여 격리도를 향상시킬 수 있었다. 여기서 모듈의 크기는 <그림 11 (a)>의 모듈의 크기와 같이 150 × 100 × 20 mm3 로 제작되었다.
- 이론적으로 계산된 안테나의 지향성과 시뮬레이션된 이득, 그리고 측정된 이득은 각각 7.7 dBi, 7.2 dBi, 7.4 dBi으로 서로 유사한 값을 나타내었다. 시뮬레이션 E-면과 H-면의 빔폭은 각각 92.
- 47 %)로 측정되었다. 측정 결과 설계 목표 대역폭을 만족시키는 것으로 나타났다.
- 78 %)이다. 측정된 안테나의 S11은 9.5 GHz에서 송신 안테나와 수신 안테나 각각 -24.07 dB, -27.54 dB로 나타났고 -10 dB 대역폭은 1000 MHz (10.52 %), 1090 MHz(11.47 %)로 측정되었다. 측정 결과 설계 목표 대역폭을 만족시키는 것으로 나타났다.
- 한편, 송신 안테나의 H-면 90°에서 null이 형성된 것을 확인하였고, 수신 안테나의 H-면 270°에 null이 형성된 것을 확인할 수 있었다.
후속연구
- 따라서 설계된 도파관 안테나는 구조가 간단하고 견고하여 차량용 측후방 레이더용 안테나로 유용할 것이라 사료된다.
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