KR20030025071A - Millimeter Wave Radar Using NRD Guide - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 밀리미터파 레이더 장치에 관한 것으로, 구체적으로는 자동차에 장착되어 소정 거리내의 이동물체 또는 고정물체의 거리 및 속도를 감지할 수 있는NRD 가이드를 이용한 레이더 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a millimeter wave radar device, and more particularly, to a radar device using an NRD guide that can be mounted on a vehicle and detect the distance and speed of a moving object or a fixed object within a predetermined distance.
근래에 자동차의 보급이 늘어나게 됨으로써, 도로상에 주행중인 차량의 증가로 인해, 자동차간의 추돌, 대인사고 등이 상대적으로 증가하고 있다. 이러한 자동차 사고를 줄이고자 하는 노력의 일환으로 자동차에 레이더를 장착하는 연구가 이루어지고 있다. 이러한 자동차용 레이더는 비, 눈, 또는 안개 등의 악천후로 인해 운전중의 시야가 확보되지 않는 경우에 그 필요성이 더욱 증대되고 있다.Recently, as the spread of automobiles increases, the number of vehicles running on roads increases, and collision between cars and personal accidents is relatively increasing. As part of efforts to reduce such car accidents, researches on mounting radar on automobiles have been conducted. Such a radar for automobiles has an increasing need when a field of view during driving is not secured due to bad weather such as rain, snow, or fog.
자동차용 레이더는 다른 레이더와는 달리 감지하고자 하는 물체가 자동차, 오토바이, 사람 등 비교적 크기가 작기 때문에 측정용 빔 폭이 좁아야 물체의 판별 및 분리가 가능하게 된다.Unlike other radars, automotive radars are relatively small in size, such as automobiles, motorcycles, and humans.
이러한 이유로 인해 일반적인 레이저를 이용한 자동차용 레이더 장치의 개발이 연구되어 왔다. 이와 같은 장치는 레이저를 이용하기 때문에 레이더는 소형의 물체를 쉽게 판독 및 분리가 가능하게 된다. 그러나 이와 같은 종래의 장치는 레이저의 파장이 짧기 때문에 비 또는 안개에 쉽게 흡수되어 악천후 시에 사용하기 어려운 문제점이 있다.For this reason, the development of automotive radar devices using a general laser has been studied. Because such devices use lasers, radars can be easily read and separated from small objects. However, such a conventional device has a problem that it is difficult to use in bad weather because it is easily absorbed by rain or fog because the wavelength of the laser is short.
따라서, 악천후의 기상 상황에서도 안정된 동작을 할 수 있는 밀리미터파 식의 레이더 개발이 여러 연구기관에 의해 진행되고 있다. 이러한 밀리미터파 식의 레이더를 구현하는 기술로는 고전적인 MMIC방법에 의해 이루어지고 있다. 그러나 이와 같은 MMIC방법에 의한 레이더는 제조 시에 수급율이 낮은 문제점이 있기 때문에 양산하기에는 곤란하다.Therefore, the development of millimeter wave radar that can operate stably even in bad weather conditions is being progressed by various research institutes. The technology for implementing the millimeter wave radar is achieved by the classical MMIC method. However, such a radar by the MMIC method is difficult to mass-produce because there is a problem of low supply and demand at the time of manufacture.
이에, 본 발명은 상술한 제반 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, NRD 가이드를 이용하여 손실이 낮은 밀리미터파 레이더 장치를 제공함에 그 목적이 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a millimeter wave radar device having a low loss using an NRD guide as proposed to solve the above-mentioned problems.
또한, 본 발명은 이동차량에 장착되어 타 이동물체 또는 고정물체까지의 거리 및 속도를 감지할 수 있는 밀리미터파 레이더 장치를 제공함에 그 목적이 있다.In addition, an object of the present invention is to provide a millimeter wave radar device which can be mounted on a moving vehicle and can sense the distance and speed to another moving object or a fixed object.
더욱이 본 발명은 감지된 타 이동물체들간의 상대속도를 감지할 수 있는 밀리미터파 레이더 장치를 제공함에 그 목적이 있다.Furthermore, an object of the present invention is to provide a millimeter wave radar device capable of detecting the relative speed between the other moving objects.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 엔알디(NRD) 가이드를 이용한 밀리미터파 레이더 장치의 블럭도.1 is a block diagram of a millimeter wave radar device using an NRD guide according to an embodiment of the present invention.
도 2는 도 1에 도시된 밀리미터파 레이더의 주파수에 의한 차량의 거리 및 속도 측정의 예를 나타낸 도면.FIG. 2 is a diagram showing an example of a distance and speed measurement of a vehicle by the frequency of the millimeter wave radar shown in FIG.
도 3은 도 1에 도시된 등가회로에 대응시켜 구성된 엔알디(NRD) 가이드를 이용한 밀리미터파 레이더 장치를 나타낸 도면.FIG. 3 is a diagram illustrating a millimeter wave radar device using an NRD guide configured to correspond to the equivalent circuit shown in FIG.
도 4는 도 3에 도시된 밀리미터파 레이더 장치에 적용된 엔알디(NRD) 가이드의 직선과 곡선형 유전체 스트립을 나타낸 도면.4 shows a straight and curved dielectric strip of an NRD guide applied to the millimeter wave radar device shown in FIG.
도 5는 도 4에 도시된 엔알디(NRD) 가이드의 절단면에 있어서 거리에 따른 전압 정재파비의 예를 나타낸 도면.FIG. 5 is a diagram showing an example of voltage standing wave ratios according to distances in a cut plane of an NRD guide shown in FIG. 4; FIG.
도 6은 도 3에 도시된 FM변조기와 발진기의 구조를 상세히 나타낸 도면.6 is a view showing in detail the structure of the FM modulator and the oscillator shown in FIG.
도 7은 도 6에 도시된 스트립 공진기의 금속판의 길이에 따른 출력 및 공진 주파수의 특성을 나타낸 도면.7 is a view showing the characteristics of the output and the resonant frequency according to the length of the metal plate of the strip resonator shown in FIG.
도 8은 도 6에 도시된 바랙터 다이오드가 장착되는 유전체 기판 위의 금속 패턴을 상세히 나타낸 도면.FIG. 8 is a detailed view of a metal pattern on a dielectric substrate on which the varactor diode shown in FIG. 6 is mounted.
도 9는 도 6에 도시된 FM변조기에 인가되는 제어전압을 가변 시켰을 때 주파수의 특성을 나타낸 도면.9 is a view showing the characteristics of the frequency when the control voltage applied to the FM modulator shown in FIG.
도 10은 도 3에 도시된 방향성 결합기의 구조를 상세히 나타낸 도면.10 is a view showing in detail the structure of the directional coupler shown in FIG.
도 11은 도 3에 도시된 밸런스드 믹서의 구조를 상세히 나타낸 도면.FIG. 11 illustrates the structure of the balanced mixer shown in FIG. 3 in detail. FIG.
도 12는 도 11에 도시된 밸런스드 믹서의 주파수에 따른 변환손실 특성을 나타낸 도면.12 is a graph illustrating conversion loss characteristics according to the frequency of the balanced mixer shown in FIG.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 엔알디(NRD) 가이드를 이용한 밀리미터파 레이더 장치에 의해 20미터 와 52미터 전방의 물체를 감지했을 경우의 스펙트럼.13 is a spectrum when an object 20 meters and 52 meters in front is detected by a millimeter wave radar device using an NRD guide according to an embodiment of the present invention.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ><Description of Symbols for Main Parts of Drawings>
110 : 후방테프론111 : 바랙터 다이오드 마운트110: rear Teflon 111: varactor diode mount
120 : 건 다이오드를 장착한 건 다이오드 마운트120: gun diode mount with gun diode
121 : 스트립 공진기130 : 방향성결합기121: strip resonator 130: directional coupler
131 : 무반사 종단140 : 서큘레이터131: non-reflective terminal 140: circulator
150 : 모드 스프레서151 : 안테나150: mode compressor 151: antenna
160 : 밸런스드 믹서160: Balanced Mixer
상술한 목적을 달성하기 위해 제안된 본 발명의 특징에 의하면, NRD 가이드를 이용한 밀리미터파 레이더 장치는 레이더의 밀리미터파를 발생시키는 발진기와, 발진기로부터 생성된 밀리미터파에 변조신호를 부가하기 위한 변조기와, 변조기 전후방의 얇은 유전체 스트립과, 발진기로부터의 밀리미터파가 전송되는 유전체 스트립과, 상기 발진기로부터의 밀리미터파 주파수를 서큘레이터 방향과 밸런스드 믹서 방향으로 전송시키는 방향성 결합 가이드와, 레이더 변조된 밀리미터파를 공중파로 안테나를 통해 송출시키고 반사된 밀리미터파를 안테나를 통해 검출하는 서큘레이터와, 수신된 밀리미터파가 전송되는 유전체 스트립, 및 상기 유전체 스트립으로부터 전송된 수신된 밀리미터파와 방향성 결합 가이드로부터 전송된 발진기와 변조기를 통해 변조된 밀리미터파를 혼합하여 신호를 검출하는 밸런스드 믹서로 구비한다.According to a feature of the present invention proposed to achieve the above object, the millimeter wave radar device using the NRD guide is an oscillator for generating a millimeter wave of the radar, and a modulator for adding a modulated signal to the millimeter wave generated from the oscillator A thin dielectric strip before and after the modulator, a dielectric strip through which the millimeter wave from the oscillator is transmitted, a directional coupling guide that transmits the millimeter wave frequency from the oscillator in the circulator direction and the balanced mixer direction, and a radar modulated millimeter wave. A circulator that transmits through an aerial antenna and detects reflected millimeter waves through an antenna, a dielectric strip on which received millimeter waves are transmitted, and an oscillator transmitted from a received millimeter wave and a directional coupling guide transmitted from the dielectric strip. Via modulator Referenced by mixing the millimeter wave is provided by a balanced mixer for detecting the signal.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 NRD 가이드를 이용한 밀리미터파 레이더 장치의 블럭도이다. 도면에서 참조부호 111은 바랙터 다이오드가 장착된 유전체 기판(이하 FM변조기라 칭함), 120은 건 다이오드를 장착한 건 다이오드 마운트(이하 발진기라 칭함), 121은 건 다이오드로부터 발생한 밀리미터파를 NRD 가이드에 공급하기 위한 스트립 공진기, 130은 방향성결합기, 140은 서큘레이터(Circulator), 150은 서큘레이터의 각단자에 삽입되어 비가역성으로 인해 발행하는 불요모드를 억제하기 위한 모드 스프레서, 151은 안테나, 160은 밸런스드 믹서(Balanced Mixer), 170은 IF증폭기를 각각 나타낸 것이다.1 is a block diagram of a millimeter wave radar device using an NRD guide according to an embodiment of the present invention. In the drawing, reference numeral 111 denotes a dielectric substrate (hereinafter referred to as an FM modulator) with a varactor diode, 120 a gun diode mount (hereinafter referred to as an oscillator) with a gun diode, and 121 a millimeter wave generated from the gun diode is NRD guide. A strip resonator for supplying to a power supply, 130 is a directional coupler, 140 is a circulator, 150 is a mode compressor for suppressing an unnecessary mode issued due to irreversibility inserted into each terminal of the circulator, 151 is an antenna, 160 Are balanced mixers and 170 are IF amplifiers, respectively.
도면에 도시된 바와 같이, 레이더는 밀리미터파를 발진하기 위한 발진기(120)와 FM변조하여 변조파를 출력하기 위한 FM변조기(111)로 구성된 송신부와, 물체로부터 반사된 반사파를 수신하여 발진주파수와의 차이를 감지하는 밸런스드 믹서(160)로 구성된 수신부를 구비한다.As shown in the figure, the radar includes a transmitter comprising an oscillator 120 for oscillating a millimeter wave and an FM modulator 111 for outputting a modulated wave by FM modulation, and receiving a reflected wave reflected from an object, It includes a receiver configured as a balanced mixer 160 for detecting the difference.
이와 같은 레이더는 목표의 물체가 주로 차량, 오토바이, 자전거 또는 사람이기 때문에 측정 물체가 소형이면서 최소 계측정도가 1미터 이내가 되어야 목적을 이룰 수 있다. 그러므로 계측정도 및 소형 물체를 측정하기 위하여 사용주파수를 60GHz, 77GHz 또는 93GHz 밀리미터파 대역의 발진기(120)를 구성한다.Such a radar can achieve its purpose when the target object is mainly a vehicle, a motorcycle, a bicycle, or a person because the measurement object is small and the minimum measurement accuracy is within 1 meter. Therefore, in order to measure the accuracy of measurement and small objects, the oscillator 120 of 60 GHz, 77 GHz or 93 GHz millimeter wave band is used.
상기 밀리미터파 송신부는 계측하고자 하는 물체와의 거리 및 상대속도의 계측정도를 높이기 위하여 발진주파수를 안정화시키고 바이어스전압에 의한 주파수 변화 비율을 선형화 시키도록 선택된다.The millimeter wave transmitter is selected to stabilize the oscillation frequency and linearize the rate of change of the frequency due to the bias voltage in order to increase the measurement accuracy of the distance to the object to be measured and the relative speed.
또한 상기 밀리미터파 수신부는 FM 변조되어 차량의 전방에 방사되고 반사되어 수신된 밀리미터파에는 차량 전방에 위치한 물체들의 거리 정보가 포함된 주파수 변화된 밀리미터파의 형태로 나타나므로, 거리정보와 상대속도 정보만을 얻어내기 위해서는 송신된 FM변조신호와 수신신호와의 차이성분만을 얻도록 구성한다. 즉, 상기 차이성분은 수신된 신호와 발진주파수 신호를 커플러를 통하여 혼합한 후에 믹서를 통해 차이성분을 얻도록 구성된다.In addition, the millimeter wave receiver is FM-modulated, radiated and reflected in front of the vehicle, and the millimeter wave received appears in the form of a frequency-changed millimeter wave including distance information of objects located in front of the vehicle. In order to obtain, only the difference component between the transmitted FM modulated signal and the received signal is configured. That is, the difference component is configured to obtain the difference component through the mixer after mixing the received signal and the oscillation frequency signal through the coupler.
도 2는 도 1에 도시된 밀리미터파 레이더의 주파수에 의한 차량의 거리 및 속도 측정의 예를 나타낸 것이다.Figure 2 shows an example of the distance and speed measurement of the vehicle by the frequency of the millimeter wave radar shown in FIG.
본 발명의 실시예에 따른 FM-CW 레이더는 연속한 송신파 주파수 변조(일반적으로 삼각파로 조절)를 하고, 목표물로부터의 반사파에서 목표물의 상대속도 및 거리를 동시에 감지할 수 있도록 한다.The FM-CW radar according to the embodiment of the present invention performs continuous transmission wave frequency modulation (generally controlled by a triangular wave) and simultaneously detects the relative speed and distance of the target from the reflected wave from the target.
도 2에서, 실선(TS)은 송신된 신호를 나타내는 것이고, 점선(RS)은 수신된 신호를 예로 들어 나타낸 것이다. 그리고 fm은 반복주파수를 나타낸 것이다.In FIG. 2, the solid line TS represents the transmitted signal, and the dotted line RS represents the received signal as an example. And fm represents the repetition frequency.
이때, 송신파와 반사파를 혼합하여 얻을 수 있는 비트 주파수(Beat Frequency)는 도플러 효과에 의해 나타낼 수 있다.In this case, the beat frequency obtained by mixing the transmission wave and the reflected wave may be represented by the Doppler effect.
여기서 송신주파수가 증가하는 구간에서 비트 주파수를, 감소하는 구간에서 비트 주파수를라고 하면,과는 다음 수학식 1, 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.Here, the bit frequency in the section where the transmission frequency increases At the decreasing interval Speaking of and May be represented by Equations 1 and 2 below.
[수학식 1][Equation 1]
[수학식 2][Equation 2]
여기서,는 도플러 주파수, c는 광속,는 송신파의 중심주파수이다.here, Is the Doppler frequency, c is the luminous flux, Is the center frequency of the transmission wave.
상기 비트 주파수과의 합과 차를 구해서 목표 물체가지의 거리 R과 상대속도 v를 수학식 3, 수학식 4와 같이 계산할 수 있다.The beat frequency and The distance R and the relative speed v of the target object branch can be calculated by using Equation 3 and Equation 4 by calculating the sum and difference.
[수학식 3][Equation 3]
[수학식 4][Equation 4]
한편, 레이더와 목표의 물체가 모두 정지한 경우(즉, v=0)의 비트 주파수는가 되므로, 거리 R은 수학식 5와 같이 구할 수 있다.On the other hand, when both the radar and the target object are stationary (i.e. v = 0), the beat frequency Since the distance R can be obtained as in Equation 5.
[수학식 5][Equation 5]
도 3은 도 1에 도시된 밀리미터파 레이더 장치를 NRD 가이드를 이용하여 구성된 장치의 예를 나타낸 도면이다.FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a device in which the millimeter wave radar device illustrated in FIG. 1 is configured using an NRD guide.
도면에서 참조부호 111은 FM변조기, 120은 발진기, 121은 스트립 공진기,130은 방향성결합기, 131은 무반사 종단기, 140은 서큘레이터(Circulator), 150은 모드 스프레서, 151은 안테나, 160은 밸런스드 믹서를 각각 나타낸 것이다.In the drawings, reference numeral 111 denotes an FM modulator, 120 denotes an oscillator, 121 denotes a strip resonator, 130 denotes a directional coupler, 131 denotes an antireflection terminator, 140 denotes a circulator, 150 denotes a mode compressor, 151 denotes an antenna, and 160 denotes a balanced mixer. Will be shown respectively.
도면에 도시된 바와 같이, 발진기(120)와 서큘레이터(140), FM변조기(111)와 밸런스드 믹서(160), 서큘레이터(140)와 밸런스드 믹서(160) 간에는 각각 NRD 스트립 라인(NRDa, NRDb, NRDc)이 구성된다.As shown in the figure, between the oscillator 120 and the circulator 140, the FM modulator 111 and the balanced mixer 160, the circulator 140 and the balanced mixer 160, respectively, the NRD strip lines NRDa and NRDb. , NRDc).
도 4는 도 3에 도시된 밀리미터파 레이더 장치에 적용된 NRD 가이드의 일반적인 직선과 곡선 선로의 형태이다.4 is a form of a general straight and curved line of the NRD guide applied to the millimeter wave radar device shown in FIG.
도면에서 참조부호 MP는 금속판, NRD는 NRD 가이드를 각각 나타낸다.In the drawings, reference numeral MP denotes a metal plate, and NRD denotes an NRD guide.
상기 NRD 가이드는 이른바 PTFE(Poly Tetra Fluoro Ethylene)라고 하는 불소수지로서 비유전율이 2.04이다. 이때 FM 송신 주파수를 60GHz로 한다.The NRD guide is a fluororesin called PTFE (Poly Tetra Fluoro Ethylene) and has a relative dielectric constant of 2.04. At this time, the FM transmission frequency is 60 GHz.
이와 같이 하여 비방사유전체선로(NRD)의 높이(a)와 폭(b)을 계산하면 다음수학식 6, 수학식 7과 같다.In this way, the height (a) and the width (b) of the non-radiative dielectric line (NRD) is calculated as shown in Equations 6 and 7 below.
[수학식 6][Equation 6]
[수학식 7][Equation 7]
여기서,은 유전체선로의 비유전율,는 파장이다.here, Is the dielectric constant of the dielectric line, Is the wavelength.
이에 따라 구해진 높이(a)는 2.25mm, 폭(b)은 2.5mm가 된다.The height a obtained is 2.25 mm and the width b is 2.5 mm.
따라서, 금속판(MP)사이에 2.25mm의 PTFE 블록을 삽입시킨 후, 밀리미터파의전송선로 사용하여 발진 및 변조 회로를 제작한다.Therefore, after inserting a 2.25 mm PTFE block between the metal plates MP, an oscillation and modulation circuit is fabricated using a millimeter wave transmission line.
도 5는 도 4에 도시된 NRD 가이드의 절단면에 있어서 거리에 따른 전압 정재파비를 나타낸 것이다.FIG. 5 shows the voltage standing wave ratio according to the distance in the cut plane of the NRD guide shown in FIG. 4.
NRD 가이드(PTFE)를 금속판 사이에 삽입시킨 후 네트웍 분석기(Network Analyzer)로 60GHz의 주파수를 인가한다. 이때, 밀리미터파는 PTFE선로를 따라 전송되고 최종절단면에 도달하면 더 이상 진행되지 않고 다시 되돌아가게 된다.After inserting the NRD guide (PTFE) between the metal plate and applying a frequency of 60GHz to the Network Analyzer (Network Analyzer). At this time, the millimeter wave is transmitted along the PTFE line and when it reaches the final cut plane, it is not progressed any more and returns again.
이와 같은 특성은 금속판 사이의 PTFE 블록의 주변의 전압정재파 비를 측정하여 확인할 수 있다. 전압정재파비를 측정하기 위하여 시그널소스에서 전송파를 넣을 때에는 손실이 발생하지 않도록 웨이브 가이드형으로 하고 선로의 종단면을 단면으로 절단시켜 전 반송파를 반사하게 한다. 이때, 외부로 유출되는 전파를 측정하면 도면과 같다.Such characteristics can be confirmed by measuring the voltage standing wave ratio around the PTFE block between the metal plates. In order to measure the voltage standing wave ratio, when inserting the transmission wave from the signal source, the wave guide type is used to prevent any loss and the longitudinal section of the line is cut into the cross section to reflect the whole carrier wave. At this time, when measuring the radio waves flowing out to the outside as shown in the drawing.
도 5에 나타낸 바와 같이, 절단면에서 전송파는 전부 반사되어 시그널 소스로 되돌아가는 것을 확인할 수 있는데, 최고치와 최저치간에는 30dB 이상 차이가 나고, 진행방향을 향한 최고치들 간에는 차이가 별로 없음을 알 수 있다.As shown in FIG. 5, it can be seen that the transmission wave is reflected back to the signal source at the cut plane, and there is a difference of 30 dB or more between the highest value and the lowest value, and there is little difference between the highest values toward the traveling direction.
도 6은 도 3에 도시된 발진기(120)와 FM변조기(111)의 구조를 상세히 나타낸 도면이다.6 is a view showing in detail the structure of the oscillator 120 and the FM modulator 111 shown in FIG.
도면에 도시된 바와 같이, 발진기(120)는 건 다이오드(GUNN Diode)를 구비하게 되는데, 건 다이오드는 상기 발진기(120)와 스트립 공진기(121)의 접촉점에 구성된다. 상기 스트립 공진기(121)은 발진기(120)에서 발생한 밀리미터파를 NRD 가이드(NRDa)로 급전하는 역할을 한다.As shown in the figure, the oscillator 120 includes a gun diode (GUNN Diode), which is configured at the contact point of the oscillator 120 and the strip resonator 121. The strip resonator 121 feeds the millimeter wave generated by the oscillator 120 to the NRD guide NRDa.
도면에 도시된 바와 같이, 다이오드 마운트에 건 다이오드를 장착하고 바이어스 전압을 인가하면 밀리미터 웨이브가 발진된다. 이때, 상기 스트립 공진기(121)의 금속 패턴의 길이를 조절하여 공진 주파수를 제어하여 비방사유전체선로를 통해 전송시킬 수 있다.As shown in the figure, millimeter wave is oscillated by mounting the gun diode in the diode mount and applying a bias voltage. In this case, the resonance frequency may be controlled by adjusting the length of the metal pattern of the strip resonator 121 and transmitted through the non-radial dielectric line.
상기 발진주파수는 60GHz로 결정되어 있기 때문에 PTFE블록의 크기는 2.5mm × 2.25mm로 절단하여 전송선로로 사용하도록 구성한다.Since the oscillation frequency is determined to be 60 GHz, the size of the PTFE block is cut into 2.5 mm x 2.25 mm to be used as a transmission line.
상기 건 다이오드에서 발진된 60GHz 밀리미터파는 건 다이오드 자체의 구성소자가 코일과 콘덴서이므로 외부 온도나 바이어스 전압변화에 의해 쉽게 변화될 수 있기 때문에, 안정된 주파수의 확보와 발진주파수의 미세 조정을 위하여 스트립 공진기(121)의 길이로 조절하게 된다. 상기 스트립 공진기(121)의 길이는 사용주파수의 반파장 정도에서 공진 특성을 얻을 수 있다. 이때, 금속판의 길이가 사용 주파수의 반파장 보다 길게되면 공진 주파수가 줄어들게 되고, 금속판의 길이가 짧게되면 공진 주파수가 늘어나게 된다.The 60 GHz millimeter wave oscillated from the gun diode can be easily changed by external temperature or bias voltage change because the components of the gun diode itself are coils and capacitors, so that the strip resonator may be used to secure stable frequency and finely adjust the oscillation frequency. 121). The length of the strip resonator 121 can obtain a resonance characteristic at a half-wavelength of the use frequency. At this time, when the length of the metal plate is longer than the half wavelength of the use frequency, the resonance frequency is reduced, and when the length of the metal plate is short, the resonance frequency increases.
한편, FM변조기(111)는 상기 건 다이오드로부터 발진된 60GHz의 밀리미터파를 변조시키도록 구성된다. 도면에 도시된 바와 같이, 상기 건 다이오드에서 발진된 캐리어 신호를 FM변조하기 위해 선로(NRD 가이드)의 후방에 바랙터 다이오드를 장착한 FM변조기(111)를 장착하고 전후방에 테프론을 두어, 바랙터의 커패시터를 변화시켜 주파수를 변조하도록 구성된다.On the other hand, the FM modulator 111 is configured to modulate a 60 GHz millimeter wave oscillated from the gun diode. As shown in the figure, in order to FM modulate the carrier signal oscillated by the gun diode, an FM modulator 111 equipped with a varactor diode is mounted on the rear of the line (NRD guide) and the Teflon is placed in front and rear, and the varactor It is configured to modulate the frequency by varying its capacitor.
이와 동시에 상기 FM변조기(111)는 주파수 공진점에 부착되고, IF신호입력단에 역전압을 인가하여 전압을 가변시킴으로서 주파수 변화가 일어나도록 한다.At the same time, the FM modulator 111 is attached to the frequency resonance point, and the frequency change occurs by varying the voltage by applying a reverse voltage to the IF signal input terminal.
즉, IF신호입력단에 변조할 신호와 바이어스가 혼합된 전압을 인가한다. 그러면, 상기 건 다이오드에서 발진된 마이크로파는 스트립 공진기(121)을 통해 목적의 주파수로 공진되고, PTFE선로를 따라 외부로 전송되게 되는데, 이때 뒤쪽에 위치한 FM변조기(111)에서 또 다른 공진점이 형성되어 변조가 일어나게 된다. 상기 공진점은 바랙터와 PTFE선로의 L성분이 합쳐져서 형성되게 된다. 이때, PTFE의 크기는 고정되어 있으므로, 바랙터의 가변 콘덴서를 통해 공진 주파수를 바꿀 수 있게 되고, 이로써 FM변조가 이루어진다.That is, a voltage mixed with a signal to be modulated and a bias is applied to the IF signal input terminal. Then, the microwaves oscillated by the gun diode are resonated at a desired frequency through the strip resonator 121 and are transmitted to the outside along the PTFE line. At this time, another resonance point is formed in the FM modulator 111 located at the rear. Modulation will occur. The resonance point is formed by combining the L component of the varactor and the PTFE line. At this time, since the size of the PTFE is fixed, it is possible to change the resonant frequency through the variable capacitor of the varactor, thereby FM modulation.
도 7은 도 6에 도시된 스트립 공진기의 금속판의 길이에 따른 출력 및 공진주파수의 특성을 나타낸 것이다. 여기서 마름모는 전압, 네모는 전력, 세모는 주파수를 각각 나타낸다.FIG. 7 illustrates the characteristics of the output and the resonant frequency according to the length of the metal plate of the strip resonator shown in FIG. 6. The rhombus represents voltage, the square represents power, and the square represents frequency.
도 7에 나타낸 바와 같이 스트립 공진기의 길이의 변화에 따라 주파수가 변화하는 것을 알 수 있다. 이때, 발진출력의 변화는 미소하여 스트립 공진기의 길이조절에 의한 주파수가 변화되더라도 출력이 안정화된 것을 알 수 있다.As shown in FIG. 7, it can be seen that the frequency changes as the length of the strip resonator changes. At this time, it can be seen that the change of the oscillation output is minute and the output is stabilized even if the frequency by the length adjustment of the strip resonator is changed.
도 8은 도 6에 도시된 FM변조기(111)가 장착되는 유전체 기판의 금속패턴을 상세히 나타낸 도면이다.FIG. 8 is a view illustrating in detail a metal pattern of a dielectric substrate on which the FM modulator 111 illustrated in FIG. 6 is mounted.
본 발명의 실시예에 따른 FM변조기(111)의 각 부분별 치수는 다음과 같다. 111a는 2.25mm, 111b는 2.0mm, 111c는 0.2mm, 111d는 1.7mm, 111e는 0.3mm, 111f는 2.5mm, 111g는 1.1mm, 111h는 1.0mm, 111i는 0.205mm이다.The dimensions of each part of the FM modulator 111 according to the embodiment of the present invention are as follows. 111a is 2.25mm, 111b is 2.0mm, 111c is 0.2mm, 111d is 1.7mm, 111e is 0.3mm, 111f is 2.5mm, 111g is 1.1mm, 111h is 1.0mm and 111i is 0.205mm.
도면에서 상기 FM변조기(111)의 양단에 밀리미터파 필터와 바이어스 전압을 공급하기 위한 단자가 구성된다.In the drawing, a terminal for supplying a millimeter wave filter and a bias voltage is formed at both ends of the FM modulator 111.
도 9는 도 6에 도시된 FM변조기(111)에 인가되는 바이어스 전압을 가변시켰을 때 주파수의 특성을 나타낸 도면이다.FIG. 9 is a diagram illustrating frequency characteristics when the bias voltage applied to the FM modulator 111 shown in FIG. 6 is varied.
도 9에 나타낸 바와 같이, 바랙터의 인가전압이 2V에서 5V 사이일 경우에 주파수 변화에 따른 출력의 변화가 안정된다는 것을 알 수 있다. FM변조를 할 경우에 선형성(Linearity)을 유지하기 위하여 상기와 같은 바이어스 전압 변화에 의한 주파수 변화가 평탄한 부분을 사용할 필요가 있다. 이와 같이 선형성이 높게 되면 레이더에 의한 물체의 거리 및 상대속도 감지 정밀도가 높게된다.As shown in FIG. 9, it can be seen that the variation of the output according to the frequency change is stabilized when the voltage of the varactor is between 2V and 5V. In the case of FM modulation, in order to maintain linearity, it is necessary to use a portion having a flat frequency change caused by the bias voltage change as described above. If the linearity is high in this manner, the distance and relative speed detection accuracy of the object by the radar is high.
도 9에 나타낸 바와 같이, 바랙터의 인가전압을 0V에서 10V로 가변시키면 최대 약 1.2GHz의 주파수 변화 특성을 얻을 수 있다.As shown in FIG. 9, when the voltage applied to the varactor is changed from 0V to 10V, frequency change characteristics up to about 1.2 GHz can be obtained.
본 발명의 실시예에서는 FM변조기의 바이어스 전압 변화에 따른 주파수 변화가 비교적 평탄한 2V에서 5V범위에서 약 100MHz의 대역폭을 선택하여 사용한다.In the embodiment of the present invention, a bandwidth of about 100 MHz is selected and used in a range of 2V to 5V where the frequency change is relatively flat according to the bias voltage change of the FM modulator.
도 10은 도 3에 도시된 서큘레이터와 방향성 결합기(130)의 구조를 상세히 나타낸 것이다.10 illustrates the structure of the circulator and directional coupler 130 shown in FIG. 3 in detail.
도면에서 방향성 결합기는 상기 발진기의 출력의 일부를 Lo파로서 밸런스드 믹서(160)에 공급하기 위해 구성된다. 본 발명의 실시예에서 방향성 결합기(130)는 도면에 도시된 바와 같이 직선 NRD 가이드(NRDa)와 라운드 NRD 가이드(NRDb)에 의해 구성된다.The directional coupler in the figure is configured to supply part of the output of the oscillator to the balanced mixer 160 as Lo waves. In the embodiment of the present invention, the directional coupler 130 is constituted by a straight NRD guide (NRDa) and a round NRD guide (NRDb) as shown in the figure.
여기서 상기 라운드 NRD 가이드의 곡률 반경(ℓ) 및 각도(θ)는 소형화 및 손실방지를 고려해서 선택된다. 본 발명의 실시예에서는 상기 곡률 반경(ℓ)은 25mm, 각도(θ)는 120˚로 선택된다.Here, the radius of curvature l and the angle θ of the round NRD guide are selected in consideration of miniaturization and loss prevention. In an embodiment of the present invention, the radius of curvature l is selected to be 25 mm and the angle θ to 120 °.
그리고 서큘레이터(140)에는 불요모드를 제거하여 전송손실을 줄일 수 있도록 모드 스프레서(150)가 삽입된다.In addition, the mode compressor 150 is inserted into the circulator 140 so as to reduce the transmission loss by removing the unnecessary mode.
도 11은 도 3에 도시된 밸런스드 믹서의 구조를 상세히 나타낸 도면이다.FIG. 11 is a view showing in detail the structure of the balanced mixer shown in FIG.
도면에서 참조부호 MP는 금속판이고 NRDb는 방향성 결합기(130)의 NRD 가이드, NRDc는 수신측 NRD 가이드를 각각 나타낸 것이다.In the drawings, reference numeral MP denotes a metal plate, NRDb denotes an NRD guide of the directional coupler 130, and NRDc denotes a receiver NRD guide, respectively.
도면에 도시된 바와 같이, 밸런스드 믹서를 구성하는 각각의 NRD 가이드의 종단점에는 쇼트키 다이오드 마운트(161, 162)가 접속된다. 그리고 상기 쇼트키 다이오드 마운트(161, 162)의 공통접속단으로부터 IF출력이 이루어진다. 도면에서 NRD 가이드(NRDc)를 통해 입력되는 IF는 물체로부터 반사된 신호로서 물체의 거리정보와 상대속도 정보가 포함되어 있고, 방향성 결합기(130)로부터의 Lo신호는 발진기로부터의 주파수가 포함되어 있다.As shown in the figure, a Schottky diode mount 161, 162 is connected to an end point of each NRD guide constituting a balanced mixer. The IF output is performed from the common connection terminal of the Schottky diode mounts 161 and 162. In the drawing, the IF input through the NRD guide NRDc is a signal reflected from an object and includes distance information and relative speed information of the object, and the Lo signal from the directional coupler 130 includes a frequency from an oscillator. .
따라서, 상기 수신된 신호로부터 물체의 거리정보와 상대속도정보를 추출하기 위해서는 상기 IF와 Lo신호의 차이를 검출하면 된다. 상기 밸런스드 믹서(160)는 송신된 신호의 일부와 수신된 신호를 믹스하여 차이 신호를 검출하게 된다.Therefore, in order to extract distance information and relative speed information of an object from the received signal, a difference between the IF and Lo signals may be detected. The balanced mixer 160 detects a difference signal by mixing a portion of the transmitted signal with the received signal.
도 12는 도 11에 도시된 밸런스드 믹서의 주파수에 따른 변환손실 특성을 나타낸 것이다. 도 12에서 네모는 중심주파수로부터 높은 주파수 대역으로의 변환손실을 측정한 경우이고, 마름모는 중심주파수로부터 낮은 주파수 대역으로의 변환손실을 측정한 경우를 나타낸 것이다.FIG. 12 illustrates conversion loss characteristics according to the frequency of the balanced mixer shown in FIG. 11. In FIG. 12, a square represents a case where a conversion loss from a center frequency to a high frequency band is measured, and a diamond represents a case where a conversion loss from a center frequency to a low frequency band is measured.
도 12는 물체로부터 반사된 밀리미터파가 안테나를 통해 유입되어, 도면의 변환손실 만큼 뺀 레벨로 수신되는 것을 나타낸다. 상기 변환손실은 적으면 적을수록 수신감도가 양호하게 된다.FIG. 12 shows that the millimeter wave reflected from the object is introduced through the antenna and received at a level subtracted by the conversion loss in the drawing. The smaller the conversion loss, the better the reception sensitivity.
도 12에서, 주파수가 0으로부터 100MHz까지는 변환손실이 약 8dB 정도로 양호한 특성을 나타내는 것을 알 수 있으며, FM-CW 레이더에서의 비트 신호의 측정거리를 약 150미터를 기준으로 한다면 10MHz이내에서 얻어진다.In Fig. 12, it can be seen that the conversion loss exhibits a good quality of about 8 dB from 0 to 100 MHz. If the measurement distance of the bit signal in the FM-CW radar is about 150 meters, it can be obtained within 10 MHz.
따라서, 도면에서 근거리를 의미하는 저주파 대역에서의 변환손실이 낮기 때문에, 자동차용 레이더 수신부로서 수신감도가 우수하게 된다.Therefore, since the conversion loss in the low frequency band, which means short distance in the figure, is low, the reception sensitivity is excellent as an automobile radar receiver.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 NRD 가이드를 이용한 밀리미터파 레이더 장치에 의해 20미터 및 52미터 전방의 물체를 감지했을 경우의 스펙트럼을 나타낸 것이다.FIG. 13 shows a spectrum when an object 20 meters and 52 meters in front is detected by a millimeter wave radar device using an NRD guide according to an embodiment of the present invention.
여기서는 밀리미터파 레이더를 구동하기 위하여, FM변조용 삼각파를 발생시켜 FM변조시켜 송신하고, 물체로부터 반사된 비트 신호를 증폭한 경우의 스펙트럼을 나타낸 것이다.Here, the spectrum in the case of generating the FM modulation triangular wave, FM-modulating and transmitting to drive the millimeter wave radar, and amplifying the bit signal reflected from the object is shown.
도 13에서 비트 신호가 0이 되는 부분은 레이더의 시작위치를 나타내는 것이고, 오른쪽으로 이동할수록 비트 주파수가 높아지게 되어 레이더로부터 거리가 멀어지는 것을 나타낸다.In FIG. 13, a portion where the bit signal becomes 0 indicates the start position of the radar, and the greater the bit frequency, the greater the distance from the radar.
도 13을 참조하면 52M 전방에 위치한 고정 물체로부터의 반사 스펙트럼이 약 2.2MHz 부근(B)에 나타나고, 20M 전방에서 이동하는 물체로부터의 반사 스펙트럼이 약 0.8MHz 부근(A)에 나타나고 있다.Referring to FIG. 13, a reflection spectrum from a fixed object located in front of 52M is shown at about 2.2 MHz, and a reflection spectrum from an object moving in front of 20M is shown at about 0.8 MHz.
본 발명에 의하면, NRD 가이드를 이용하여 60GHz 출력 10mW 정도의 밀리미터파 FM-CW레이더를 제공하여 다중 이동물체까지의 거리 및 속도를 감지할 수 있으며, 각각의 고정 및 이동물체들간의 상대속도를 감지할 수 있다.According to the present invention, by using the NRD guide to provide a millimeter wave FM-CW radar of about 10mW output 60GHz can detect the distance and speed to multiple moving objects, the relative speed between each fixed and moving objects can do.
또한, 본 발명에 의한 레이더에 의하면, 약 150M 거리까지의 이동하는 자동차를 감지할 수 있으며, 반사특성이 나쁜 사람 또는 소형의 이동물체를 50M 이내에서 감지할 수 있다. 한편, FM변조 폭을 약 100MHz로 한 경우에는 0.7M에서 감지가 가능하게 된다.In addition, according to the radar according to the present invention, it is possible to detect a moving car up to a distance of about 150M, it is possible to detect a person or a small moving object having a bad reflection characteristics within 50M. On the other hand, when the FM modulation width is set to about 100 MHz, it is possible to detect at 0.7M.
따라서, 이와 같은 본원 발명에 의하면, NRD 가이드를 이용하게 됨으로써 제조단가를 낮출 수 있고, 성능이 우수하게 되며, 회로구성이 간단하게 된다. 더욱이 본원 발명은 재현성이 우수한 것이 가장 큰 장점이라고 할 수 있다.Therefore, according to the present invention, by using the NRD guide, the manufacturing cost can be reduced, the performance is excellent, and the circuit configuration is simplified. Moreover, the present invention is said to have the greatest advantage of excellent reproducibility.
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