[논문]8×8 위상배열안테나를 이용한 위치추적 시스템

고호석; 한희제; 박순우; 김찬우; 김홍준

doi:10.5370/kiee.2018.67.9.1197

8×8 위상배열안테나를 이용한 위치추적 시스템
Localization of Human Motion Using a 8×8 Phased Array Antenna 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.67 no.9, 2018년, pp.1197 - 1201

고호석 (Dept. of Electrical Engineering, Kyungpook National University) , 한희제 (Dept. of Electrical Engineering, Kyungpook National University) , 박순우 (Dept. of Electrical Engineering, Kyungpook National University) , 김찬우 (Dept. of Electrical Engineering, Kyungpook National University) , 김홍준 (Dept. of Electrical Engineering, Kyungpook National University)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, a Doppler radar for a localization of a human motion is demonstrated. In the system, we used a $8{\times}8$ phased array antenna using metamaterial phase shifters for easy and precise control of antenna beam pattern. Scanning area is a circular sector with an inscribed angle of $60^{\circ}$ and a diameter of 45m. This area is divided with 15 designated area and each area is scanned for 0.2 second. When there is a motion in a designated area, we are able to detect a frequency shift due to a Doppler effect. In this way it is possible to detect the location of motion. The experiment shows that 78% of position accuracy. The remaining 22% occurred the surroundings of the designated area.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

제안 방법

높은 지향성을 얻기 위해 단일 패치 안테나를 0.6λ 간격으로 배열하여 그림 4와 같이 마이크로스트립 8⨉8 위상 배열 안테나를 설계, 제작하였다. 단일 안테나의 급전 라인에 위상변위기를 삽입하였다.
본 논문에서는 메타물질 형태의 위상변위기를 이용하여 8⨉8 위상배열 안테나를 제작 후 이를 위치추적 시스템에 사용하였다. 직접적인 빔 스캐닝을 통해 부채꼴 형태 지역 내의 15개 구역에 대해 상당히 정확한 위치 파악이 가능했으며, 환경의 변화에 크게 영향을 받지 않았다.
또한 복잡한 알고리즘을 통하여 하드웨어의 단점을 보완하려고 하였다. 본 논문에서는 크기가 작고 성능 면에서 우수한 왼손법칙 전송선로 형의 위상변위기[6] 이용하여, 8⨉8 위상배열 안테나를 제작한 후, 도플러효과를 이용한 위치추적 시스템을 구성하여 하드웨어적으로 안정적인 시스템을 구축하였다. 하나의 배열 안테나로 넓은 범위를 기존보다 빠르고 정확하게 탐지 할 수 있었으며 또한 왼손법칙 전송선로형의 위상변위기를 사용하여 간단하게 안테나 급전부에 배치가 가능하였다.
하나의 배열 안테나로 넓은 범위를 기존보다 빠르고 정확하게 탐지 할 수 있었으며 또한 왼손법칙 전송선로형의 위상변위기를 사용하여 간단하게 안테나 급전부에 배치가 가능하였다. 위치탐색 구간은 부채꼴 모양으로써 안테나로부터 좌우 ±30°의 폭으로 0 m~45 m 거리를 15개의 구역으로 나누었으며, 각각의 구역에 빔을 방사하여 도플러 효과가 발생하는 구역의 위치를 파악하는 시스템을 구성하였다.

대상 데이터

단일 안테나의 급전 라인에 위상변위기를 삽입하였다. National Instrument (NI), Inc.의 64채널 PXie-6738을 사용하여 각각 위상변위기의 위상을 제어하였다. 0 V의 제어전압을 인가했을 때의 삽입손실을 그림 3에 나타내었으며, 제어전압에 따른 빔 패턴의 변화는 그림 6과 같다.
그림 7은 본 논문에 사용된 위치추적레이더의 수신부 구조이다. 송신신호와 수신신호가 동일 안테나를 사용하므로 10dB 커플러를 사용하여 신호를 분리하였으며, 이 두 신호는 믹서를 거쳐, OP-Amp로 증폭된 후 NI사의 ADC/DAC (PXIe-6341)를 통해 PC에서 수집하게 된다. 사용 주파수는 ISM밴드의 하나인 2.

이론/모형

위상변위기는 위상배열안테나의 핵심 부품이다. 본 논문에서는 소형이며, 표면실장이 용이하고, 삽입손실의 변화가 작은 왼손법칙 전송선로형(LHTL)의 위상변위기를 사용하였다 [6].
이 시스템을 이용하여 부채꼴 모양의 탐지 지역(거리 45m, 좌우 빔 폭 –30°~+30°)을 15개 지역으로 그림 9와 같이 세분화한 후 스캐닝을 진행하기 위해 National Instrument (NI), Inc.의 LabView 프로그램을 이용하였다. 각각의 스캔 지역에 대해 움직이는 물체에 의한 도플러 효과가 있을 경우 주파수 변이(약 10Hz~60 Hz)가 생겼으며, 움직이는 물체가 있는 지역과 가까운 지역에서는 보다 작은 크기의 신호가 수신되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	마이크로파를 이용한 레이더의 동작 원리는?	비접촉 센싱의 한 분야인 마이크로파를 이용한 레이더는 산업용, 민간용, 군사용으로 광범위하게 사용되어 왔으며, 또한 앞으로도 많이 사용될 분야로서 활발한 연구가 진행 중이다[1]. 일반적으로 안테나를 통하여 전자파 형태의 탐지 신호를 보낸 후 반사파의 신호를 해석하여 위치, 속도 등을 파악하게 된다. 특히 목표 대상이 움직이는 경우 도플러효과에 의해 반사 신호의 주파수변이가 발생하며 이를 이용하여 물체의 위치를 파악하기 위한 많은 연구가 진행되고 있다[1]-[5].
	레이더 시스템의 방법 중 위상배열안테나를 이용한 방법과 알고리듬을 이용한 방법의 장점 및 단점은 어떠한가?	물체의 위치를 파악하기 위한 레이더 시스템에 대한 연구는 크게 위상배열안테나를 이용한 방법과 알고리듬을 이용한 방법으로 나뉜다[1]. 일반적인 경우, 시스템의 단가 문제로 인해 하드웨어를 간단하게 구성하고 복잡한 알고리듬으로 이를 해결하고자 하나 [1]-[5], 정확도 측면에서 아주 미세한 차이(각도, 주파수)를 고려해야하므로 주위환경의 변화 등에 쉽게 오류를 보일수가 있다. 위상배열 안테나를 사용하여 빔 스캐닝을 할 경우 하드웨어적으로 복잡해지나, 환경의 변화 등에 성능이 좌우되지 않으므로 가장 확실한 방법이다.
	레이더 시스템에 대한 연구는 어떻게 나뉘는가?	물체의 위치를 파악하기 위한 레이더 시스템에 대한 연구는 크게 위상배열안테나를 이용한 방법과 알고리듬을 이용한 방법으로 나뉜다[1]. 일반적인 경우, 시스템의 단가 문제로 인해 하드웨어를 간단하게 구성하고 복잡한 알고리듬으로 이를 해결하고자 하나 [1]-[5], 정확도 측면에서 아주 미세한 차이(각도, 주파수)를 고려해야하므로 주위환경의 변화 등에 쉽게 오류를 보일수가 있다.

참고문헌 (7)

Z. Peng, L. Ran and C. Li, "A K-Band Portable FMCW Radar With Beamforming Array for Short-Range Localization and Vital-Doppler Targets Discrimination", in IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 65, No. 9, pp. 3443-3452, Sept. 2017.

상세보기
L. Ren, Y. S. Koo, H. Wang, Y. Wang, Q. Liu and A. E. Fathy, "Noncontact Multiple Heartbeats Detection and Subject Localization Using UWB Impulse Doppler Radar", in IEEE Microwave and Wireless Components Letters, Vol. 25, No. 10, pp. 690-692, Oct. 2015.

상세보기
X. Lin, Y. Ding, X. Xu and K. Sun, "Human Target Localization Algorithm Using Energy Operator and Doppler Processing", in IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters, Vol. 15, No. 4, pp. 517-521, Apr. 2018.

상세보기
C. Gu, Z. Peng and C. Li, "High-Precision Motion Detection Using Low-Complexity Doppler Radar With Digital Post-Distortion Technique", in IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 64, No. 3, pp. 961-971, March 2016.

상세보기
F. Ahmad and M. G. Amin, "Noncoherent approach to through-the-wall radar localization," in IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, Vol. 42, No. 4, pp. 1405-1419, October 2006.

상세보기
Hongjoon Kim, Alexander B. Kozyrev, Abdolreza Karbassi and D. W. van der Weide, "Linear Tunable Phase Shifter Using a Left-Handed Transmission Line", IEEE Microwave Wireless Comp. Lett., Vol. 15, No. 5, May 2005.
Richard C. Johnson, Antenna Engineering Handbook, McGraw-Hill, pp. 20-5, 1993.

저자의 다른 논문 :

LOADING...

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증