고호석
(Hoseok Goh)
1
한희제
(Heeje Han)
1
박순우
(Soonwoo Park)
1
김찬우
(Chan-woo Kim)
1
김홍준
(Hongjoon Kim)
2†
-
(Dept. of Electrical Engineering, Kyungpook National University, Korea)
-
(Dept. of Electrical Engineering, Kyungpook National University, Korea)
Copyright © The Korean Institute of Electrical Engineers(KIEE)
Key words
Radar, Phased Array Antenna, Localization, Doppler effect
1. 서론
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 주파수 변이가 발생하며 이를 이용하여 물체의 위치를 파악하기 위한 많은 연구가 진행되고 있다
(1-5).
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.
기존 도플러레이더를 이용한 위치 탐지 연구에서는 복수의 안테나를 사용하거나, 긴 분석시간을 요구하였다. 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. 위치탐색 구간은 부채꼴 모양으로써 안테나로부터 좌우 ±30°의 폭으로 0m~45m 거리를 15개의 구역으로 나누었으며, 각각의
구역에 빔을 방사하여 도플러 효과가 발생하는 구역의 위치를 파악하는 시스템을 구성하였다.
2. 위상배열안테나를 이용한 도플러 레이더
2.1 왼손법칙 전송선로형 위상변위기
위상변위기는 위상배열안테나의 핵심 부품이다. 본 논문에서는 소형이며, 표면실장이 용이하고, 삽입손실의 변화가 작은 왼손법칙 전송선로형(LHTL)의
위상변위기를 사용하였다
(6).
그림. 1은 LHTL 위상 변위기의 단위 구조이다. 직렬 연결된 버렉터 다이오드의 커패시턴스를 제어전압(V
dc)로 제어할 수 있으며, 이 구조에서 위상계수(β
LHTL)는 아래
식(1)과 같이 근사화할 수 있다.
그림. 1. LHTL 위상변위기의 단위 셀 구조
Fig. 1. The unit cell structure of a LHTL phase shfter
이러한 단위 셀을 직렬로 여러 개 연결하면, 원하는 만큼의 위상변위를 제어할 수 있다.
그림. 2는 Skyworks사의 버렉터 다이오드(SMV1231-079LF)를 이용하여 제작한 위상변위기이며,
그림. 3은 2.4GHz에서 인가전압에 따른 삽입 손실과 상대 위상 변화를 나타낸다. 0V~12V의 인가전압에 대해 삽입 손실 범위는 1.95dB ~3.69dB였으며,
4개의 단위 셀을 결합하여 0°~360° 범위의 연속적인 위상 변화가 가능하였다.
그림. 2. 제작한 LHTL 위상변위기
Fig. 2. Fabricated LHTL phase shifter
그림. 3. 제작한 LHTL 위상변위기의 제어전압에 따른 삽입손실과 위상 변화
Fig. 3. Insertion loss and phase variation of the fabricated phase shifter
2.2 8×8 위상배열 안테나
위상배열안테나의 주 빔의 편향과, 위상변위기에 주어진 위상의 관계는 아래
식(2)와 같다
(7).
이 때, △Φ는 주 빔의 각도 차이, λ는 파장의 길이, d는 배열 간격, θ
0는 빔의 편향 각도이다.
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. 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. 4. 제작한 8×8 위상 배열 안테나와 전체의 1/4 부분을 확대한 모습
Fig. 4. Fabricated 8×8 phased array antenna and a quarter of antenna
그림. 6. 제작한 위상배열안테나의 빔 패턴 측정 결과(a) E-Plane, (b) H-plane
Fig. 6. Beam Pattern of the Fabricated Antenna (a) E-Plane, (b) H-plane
설계한 안테나의 반사손실은
그림. 5와 같이 2.4 GHz에서 –14.09 dB이며, 약 30°의 빔 편향 범위를 가지고, 편향 각도에 따라 9.63 dBi~11.66 dBi의 이득을
가진다. 반전력 빔 폭은 약 14°이다.
그림. 5. 안테나의 반사손실
Fig. 5. Return Loss of Fabricated Antenna
2.3 위치탐지 레이더 수신부
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 2.4 GHz를 사용하였다.
그림. 7. 수신기 구조
Fig. 7. The structure of the receiver
그림. 8은 제작된 송수신 회로를 보여준다.
그림. 8. 제작된 송수신 회로
Fig. 8. The fabricated receiver circuit
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 10 Hz~60Hz)가 생겼으며, 움직이는 물체가 있는 지역과 가까운
지역에서는 보다 작은 크기의 신호가 수신되었다. 각각의 영역 당 약 0.2초의 스캔을 실시하였고, 전체 면적에 대한 스캔 시간은 3초이다.
그림. 9. 목표 지역을 도식화 한 모습
Fig. 9. Map of divided target area
수신단의 OP-Amp로 수신신호를 500배 증폭했을 경우, NI사의 16 bit PXIe-6341로 측정한 최대 잡음의 크기는 25 mV이므로, 도플러
효과가 있을 경우 이보다 큰 신호가 수신되어야 위치정보를 수집 할 수 있다. 측정 결과는
표 1에 정리하였다.
표 1. 거리와 수신전압의 크기 관계
Table 1. The relationship between the received signal voltage versus distance
|
영역 중앙 거리 [m]
|
영역 거리 범위 [m]
|
수신 전압 첨두치 [mV]
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10
|
0~14.9
|
80~110
|
|
25
|
14.9~30.9
|
50~90
|
|
45
|
30.9~45
|
3013060
|
또한 안테나의 높이가 높을수록 탐지지역을 명확히 구분할 수 있다. 본 실험에서는 8.8m 높이에서 빔을 방사하여 실험하였다.
그림. 10은 붉은색 점선 안에 움직임이 있을 때 5회의 빔 스캐닝을 실시하여 전압 첨두치의 평균을 낸 값이다. 움직임이 있는 영역에서의 전압 첨두치가 잡음보다
확실히 크며 구분됨을 알 수 있었다. 각각 다른 위치에 움직임이 있을 경우를 37회 연속적으로 스캐닝을 했을 경우 탐지 정확도는 78%였으며, 위치
오류가 발생한 경우는 모두 움직임이 있는 위치의 주위에서였다. 이 오류는 안테나의 높이, 알고리듬 보정을 통해 더욱 향상시킬 수 있을 것이다.
그림. 10. 빔 스캐닝 후 수신 신호의 영역 당 크기
Fig. 10. Maximum voltage at the receiver for each designated area
3. 결 론
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. 도플러 효과를 이용한 레이더는
광학 카메라를 이용한 CCTV나 적외선 카메라 등과 달리 빛의 유무, 온도의 높고 낮음에 영향을 거의 받지 않으므로 본 논문에서 제안된 도플러 효과를
이용한 위치추적 시스템은, 회사나 가정용 보안 시스템, 국방용 침입 감지 시스템 등으로 광범위하게 사용할 수 있을 것이다.
감사의 글
본 연구는 산업통상자원부의 "R&D재발견프로젝트"의 지원을 받아 수행된 연구결과임(N0002472, 2017).
References
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IEEE Microwave and Wireless Components Letters, Vol. 25, No. 10, pp. 690-692
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15, No. 4, pp. 517-521
Gu C., Peng Z., Li C., 2016, High-Precision Motion Detection Using Low-Complexity
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in IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, Vol. 42, No. 4, pp. 1405-1419
Kim Hongjoon, Kozyrev Alexander B., Karbassi Abdolreza, van der Weide D. W., 2005,
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Wireless Comp. Lett., Vol. 15, No. 5
Johnson Richard C., 1993, Antenna Engineering Handbook, McGraw-Hill, pp. 20-25
저자소개
1990년 9월 17일생
2017년 경북대학교 전기공학과 졸업(공학 학사)
2017.3~현재 경북대학교 전기공학과 석사과정 재학 중
Tel : 053-940-8601
E-mail :
hoseuk917@knu.ac.kr
1987년 7월 31일생
2013년 신라대학교 전자공학과 졸업(공학 학사)
2015년 경북대학교 전기공학과 졸업(공학 석사)
2016.3~현재 경북대학교 전기공학과 박사과정 재학 중
Tel : 053-940-8601
E-mail :
hjhan@knu.ac.kr
1988년 1월 11일생
2011년 부산대학교 바이오산업기계공학과 졸업(공학 학사)
2015년 경북대학교 전기공학과 졸업(공학 학사)
2017년 경북대학교 전기공학과 졸업(공학 석사)
2017.3~현재 경북대학교 전기공학과 박사과정 재학 중
Tel : 053-940-8601
E-mail :
soonwoo@knu.ac.kr
1992년 4월 26일생
2015년 강원대학교 전기전자공학과 졸업(공학 학사)
2015.9~현재 경북대학교 전기공학과 석사과정 재학 중
Tel : 053-940-8601
E-mail :
rlacksdn9380@naver.com
1972년 10월 4일생
1997년 경북대학교 전기공학과 졸업
1999년 University of Southern California 전기공학과 졸업(공학 석사)
2006년 University of Wisconsin-Madison 전기공학과 졸업(공학 박사)
2006.9~2011.2 미국 City University of New York 조교수
2011.3~현재 경북대학교 전기공학과 교수
Tel : 053-950-5601
E-mail :
hongjoon@knu.ac.kr