[논문]W대역 자율주행 레이다용 MIMO 안테나 설계 및 빔 패턴 검증 방법

이창현; 최준혁; 이미림; 박신명; 백승열

doi:10.7236/jiibc.2023.23.5.123

W대역 자율주행 레이다용 MIMO 안테나 설계 및 빔 패턴 검증 방법
MIMO Antenna Design and Beam Pattern Verification for W-band Autonomous Driving Radar 원문보기

The journal of the institute of internet, broadcasting and communication : JIIBC, v.23 no.5, 2023년, pp.123 - 129

이창현 (LIG넥스원 초고주파기술개발단) , 최준혁 (LIG넥스원 레이다연구소) , 이미림 (LIG넥스원 레이다연구소) , 박신명 (LIG넥스원 레이다연구소) , 백승열 (LIG넥스원 레이다연구소)

초록
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MIMO 안테나는 오래 전부터 다양한 연구가 활발하게 수행되어온 분야로 그 설계 개념이 보편적으로 잘 알려져 있다. 하지만 최근 주목받고 있는 자율주행 레이더용 MIMO 안테나는 기존의 일반적인 MIMO 안테나들과 다르게 밀리미터파 대역인 W대역을 사용할 뿐만 아니라 자율주행 레이다의 성능을 만족하기 위한 새로운 설계 조건들을 충족시켜야 한다. 따라서 자율주행 레이다용 MIMO 안테나의 설계와 빔 패턴 검증은 기존과 다른 새로운 접근을 필요로 한다. 본 논문에서는 W대역 자율주행 레이다의 설계 조건들을 만족하는 MIMO 안테나를 설계하며, 그 설계 과정을 소개하고, 자율주행 레이다에 결합된 W대역 MIMO 안테나의 빔 패턴 검증 방법을 제안한다.

Abstract ▼ AI-Helper

MIMO antenna is a field in which various researches have been actively conducted for a long time, and its design concept is universally well known. However, Unlike conventional MIMO antennas, MIMO antennas for autonomous driving radars, which have recently been attracting attention, are designed in W-band which is a millimeter wave band, and must also meet novel design conditions to satisfy the performance of autonomous driving radars. Therefore, a novel and different approach is required for the design and beam pattern verification of the MIMO antenna for autonomous driving radar. In this paper, a MIMO antenna is designed and the design process to satisfy the conditions of a W-band autonomous driving radar is introduced, and proposes a beam pattern verification method for a W-band MIMO antenna mounted on an autonomous driving radar system.

주제어

표/그림 (17)

그림 그림 1. 직렬 급전 안테나 형상 Fig. 1. Series feed antenna Shape
그림 그림 2. 직렬 급전 안테나 성능(시뮬레이션) (상)1x8 배열 방향(고각) 패턴 (하)S-parameters Fig. 2. Series feed antenna performance(simulation) (Top)1x8 array orientation(elevation) pattern (Bottom)S-parameters
표 표 1. 직렬 급전 안테나 설계 수치 Table 1. Design parameters of series feed antenna
그림 그림 3. 시제의 안테나 배열 형상 Fig. 3. Concept of Antenna Array
그림 그림 4. 그레이팅 로브 발생 영역 Fig. 4. Figure of grating lobe free region
그림 그림 5. MIMO 안테나의 수신 빔 패턴 Fig. 5. Rx beam pattern of MIMO antenna
그림 그림 6. 측정 급전 선로 형상 및 곡률에 따른 손실 Fig. 6. Measurement feed line shape and loss by curvature
그림 그림 7. 급전 선로 형상 Fig. 7. Shape of feed line
그림 그림 8. 빔 운용 범위 내에 보강/상쇄 간섭 발생 패턴 예시 Fig. 8. Examples of constructive/destructive interference occurrence patterns within the beam operating range
그림 그림 9. 레이돔 포함 Tx 및 Rx 안테나 패턴 Fig. 9. Tx and Rx pattern with radome
그림 그림 10. 레이돔 포함 2-way 패턴 Fig. 10. 2-way pattern with radome
그림 그림 11. 제작 안테나 형상 및 반사계수 측정값(S11) Fig. 11. Fabricated antenna and measured S-parameter(S₁₁)
그림 그림 12. 측정 빔 패턴 Fig. 12. Measured beam pattern
그림 그림 13. 제작 레이다 보드 사진 Fig. 13. Picture of fabricated radar board
그림 그림 14. 보드 탑재 안테나 패턴 측정 구성도 Fig. 14. Configuration of mounted antenna pattern measurement
그림 그림 15. 방위각 합성 측정 패턴 Fig. 15. Measured synthetic pattern of azimuth
그림 그림 16. 수신 패턴 특성 (a) 수신패턴 Peak로 추정한 2-way 단일 패턴, (b) 부엽 수준 Fig. 16. Characteristic of 2-way peak pattern and sidelobe

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 W대역, 또는 자율주행 레이다의 특성으로 인해 발생하는 MIMO 안테나의 설계 주안점들을 확인하고, 이러한 점들을 고려하며 W대역 자율주행 레이다용 안테나를 설계하는 과정을 소개하였다. 또한, 실제 운용 시의 빔 패턴인 보드에 탑재한 안테나의 빔 특성검증을 위하여, 단일안테나를 별도로 제작하여 먼저 성능을 검증하였다.

제안 방법

고각 방향의 목표 탐지범위를 만족하며 최대의 이득을 확보하기 위해 1x8 배열로 설계하였으며, 배열 방향의 부엽 레벨을 낮추기 위하여 각 배열된 패치안테나의 폭을 조절하여 방사 파워를 테이퍼링 하였다. 직렬급전 안테나의 광대역 매칭 특성 확보를 위하여 입력단에 임피던스 정합 구조를 추가하였다.
또한, 실제 운용 시의 빔 패턴인 보드에 탑재한 안테나의 빔 특성검증을 위하여, 단일안테나를 별도로 제작하여 먼저 성능을 검증하였다. 그리고 이를 보드에 탑재하여 MIMO 레이다를 제작하고, 이를 이용하여 각도별 합성 수신패턴을 측정하고, 측정 결과를 이용해 단일안테나의 2-Way 빔 패턴과 MIMO 배열 안테나의 수신 패턴 등 설계한 MIMO 안테나의의 빔 패턴을 검증하고 그 특성을 확인하였다.
또한 급전 선로 길이 및 위치를 맞추기 위해 필수적으로 들어가야하는 곡선부분의 형상에 따라서도 길이당 손실에 차이가 발생하기 때문에 설계시 세심한 고려가 필요하다. 급전 선로의 곡률에 따른 손실을 확인하기 위하여 그림 6과 같은 형상으로 시제를 제작하여 CPWG(CoPlarnar Waveguide with Ground) 급전 선로의 손실을 측정하였다. 그림 6의 결과로 동일한 길이라 할지라도 급전 선로의 곡률에 따라 손실이 크게 차이가 나는 것을 확인 할 수 있다.
본 논문에서는 W대역 MIMO 안테나의 보드 및 급전선로 영향을 고려한 빔 패턴 검증을 위해서 단일안테나의 검증과 배열안테나 합성 패턴으로 나누어 측정을 수행하였다. 단일안테나 검증을 위하여 그림 11과 같이 단일안테나를 제작하고 목표대역에서의 반사계수 특성과 방사패턴을 측정하여 안테나의 동작여부를 판단하였다. 안테나의 전송선로는 CPWG 형상으로 신호선의 폭이 0.
본 논문에서는 W대역, 또는 자율주행 레이다의 특성으로 인해 발생하는 MIMO 안테나의 설계 주안점들을 확인하고, 이러한 점들을 고려하며 W대역 자율주행 레이다용 안테나를 설계하는 과정을 소개하였다. 또한, 실제 운용 시의 빔 패턴인 보드에 탑재한 안테나의 빔 특성검증을 위하여, 단일안테나를 별도로 제작하여 먼저 성능을 검증하였다. 그리고 이를 보드에 탑재하여 MIMO 레이다를 제작하고, 이를 이용하여 각도별 합성 수신패턴을 측정하고, 측정 결과를 이용해 단일안테나의 2-Way 빔 패턴과 MIMO 배열 안테나의 수신 패턴 등 설계한 MIMO 안테나의의 빔 패턴을 검증하고 그 특성을 확인하였다.
레이돔 설계 시 중요한 점은 레이돔으로 인한 손실을 최소화하면서, 레이다의 동작 빔 운용 범위에서 균일한 이득을 갖도록 하는 레이돔 두께와 거리를 결정하는 것이다. 레이돔에 의한 빔 패턴 변화는 빔 폭이 넓을수록 크게 나타나기 때문에 빔폭이 넓은 방위각 방향을 기준으로 높이와 두께를 최적화 하였다.
본 논문에서 설계한 W대역 자율주행 레이다용 MIMO 안테나의 정확한 빔 패턴을 확인하기 위해서는 급전 선로와 기타 보드 구성품에의한 빔 패턴 변화의 고려가 필요하다. 따라서, 실제 운용시 안테나를 탑재하는 보드를 급전 선로을 포함한 상태로 제작하여, 실제 레이다의 급전선로와 MMIC와의 연결부위에 포트를 연결하여 측정하는 것이 이상적이다.
본 논문에서는 W대역 MIMO 안테나의 보드 및 급전선로 영향을 고려한 빔 패턴 검증을 위해서 단일안테나의 검증과 배열안테나 합성 패턴으로 나누어 측정을 수행하였다. 단일안테나 검증을 위하여 그림 11과 같이 단일안테나를 제작하고 목표대역에서의 반사계수 특성과 방사패턴을 측정하여 안테나의 동작여부를 판단하였다.
MIMO 안테나의 배열 형상을 결정하는데에는 사용하는 MMIC의 송수신 채널 수와 사용 개수, 안테나의 배열면적 그리고 송수신빔 조향 범위이다. 본 논문의 MIMO 안테나를 적용하고자 하는 차량용 레이다는 송신 3채널, 수신 4채널을 가진 MMIC(TI, AWR2243P) 2개를 사용하는시스템이기 때문에 보다 균일한 특성의 급전선로 구성을 위하여 그림 3과 같은 배열 형상으로 결정하였다. 안테나의 배열간격(d)는 크면 클수록 배열 안테나가 갖는 이득은 증가하지만, 그레이팅 로브가 발생하여 빔 조향 범위는 좁아진다.
단일안테나 검증을 위하여 그림 11과 같이 단일안테나를 제작하고 목표대역에서의 반사계수 특성과 방사패턴을 측정하여 안테나의 동작여부를 판단하였다. 안테나의 전송선로는 CPWG 형상으로 신호선의 폭이 0.3mm이고 신호선과 측면의 접지면과의 거리가 0.1mm로 매우 좁고, W대역 특성상 커넥터 연결 시 작은 오차에도 민감하게 반응하기 때문에 전송선로의 끝단에는 CPWG와 WR-10 도파관의 전이구조를 설계하여 측정하였다. 그림 11에서 보여지듯, 측정 반사계수는 전이구조의 영향을 받아 대역특성이 시뮬레이션과 비교하면 다소 차이가 있지만 전체 동작 대역(76GHz ~77GHz)에서 약 10 dB 이하의 값을 가지는 것을 확인하였으며, 그림 12의 측정 빔 패턴이 시뮬레이션 결과와 매우 유사한 특성을 가짐을 확인함으로써 설계한 안테나가 목표대역에서 예상과 같이 동작함을 확인하였다.

이론/모형

이러한 경우 빔 운용 범위 내에서 상쇄 간섭과 보강 간섭이 교차로 발생하여 그림 8에서 보여지는것과 같이 이득 편차가 커지는 문제가 발생한다. 이러한 문제를 해결하기 위하여, Tx와 Rx 패턴의 차이를 이용한 2-Way 패턴 최적화방법을 사용 할 수 있다. Tx와 Rx 안테나는 동일한 안테나를 사용하지만 두 안테나 간의 배열 간격 차이로 인해 동일한 레이돔을 적용하더라도 상쇄 간섭과 보강 간섭이 발생하는 각도 달라지게 된다.

성능/효과

1mm로 매우 좁고, W대역 특성상 커넥터 연결 시 작은 오차에도 민감하게 반응하기 때문에 전송선로의 끝단에는 CPWG와 WR-10 도파관의 전이구조를 설계하여 측정하였다. 그림 11에서 보여지듯, 측정 반사계수는 전이구조의 영향을 받아 대역특성이 시뮬레이션과 비교하면 다소 차이가 있지만 전체 동작 대역(76GHz ~77GHz)에서 약 10 dB 이하의 값을 가지는 것을 확인하였으며, 그림 12의 측정 빔 패턴이 시뮬레이션 결과와 매우 유사한 특성을 가짐을 확인함으로써 설계한 안테나가 목표대역에서 예상과 같이 동작함을 확인하였다.
이득 15.8 dBi, 빔폭 13.4°를 가지며, 부엽레벨은 약 –20.2dB로 테이퍼링을 통해 각 패치에서의 방사파워가 잘 조절된 것을 확인하였다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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