Ⅰ. 서 론

차량용 전방 감시 레이더는 전방에 있는 차량이 나 장애물의 유무를 감지하여 전방의 차량과 자동 으로 일정거리를 유지할 수 있게 하는 등 여러 가 지 정보를 운전자에 제공함으로써 사전에 차량 간 충돌을 예방할 수 있어 최근 고급 차량 위주로 장 착되고 있다.

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 사용되 고 전방 30 m 이상 떨어져 있는 차량을 검출하고자 한다. 이러한 시스템은 기본적으로 측정 목표 차량 과의 거리가 멀기 때문에 고 이득을 갖는 안테나가 요구된다[1-3]. 24 GHz 대역 레이더는 탐지 거리가 짧아 차량의 측후방 레이더로 사용되어지고 있다. 하지만 200 MHz의 대역폭만을 허용하고 있어 정밀 한 탐지를 위해서는 더 넓은 대역폭이 요구된다[4]. 반면에 UWB (Ultra Wide Band) 방식의 레이더는 대역폭이 넓어 거리 분해능이나 거리 정확도면에서 우수한 특성을 가질 수 있다[5].

따라서 본 논문에서는 UWB high 대역 (중심 주 파수 : 9.5 GHz, -10 dB 대역폭 : 600 MHz, 6.4 %) 의 차량 측후방 레이더 센서용 안테나에 대해 연구 하였다. 레이더 센서용 안테나는 구조가 간단하여 설계 및 제작이 용이하고 대역폭이 넓으며 실제의 시스템 모듈로부터 직접 급전이 가능한 프로브 급 전 직사각형 도파관 안테나[6]를 이용하여 설계 하 였으며, 안테나가 케이스에 내장되도록 작고 간단 한 최적화된 모듈을 선택하였다.

논문의 구성으로, II 장에서는 안테나의 설계 사 양을 설명하였고, 도파관 안테나의 기본적인 파라 미터 특성을 시뮬레이션 하여 설계 주파수에 맞는 도파관 안테나를 설계 및 제작하였다. 다음으로 III 장에서는 본 연구의 레이더 시스템이 바이스테틱 레이더를 사용하고 있어 설계된 도파관 안테나간 격리도 특성을 E-면 배열과 H-면 배열에 대해서 시 뮬레이션 하였다. 그리고 IV 장에서는 격리도가 좋 은 H-면 배열을 이용하여 설계된 도파관 안테나를 레이더 모듈에 장착하였을 경우 모듈형상에 따른 격리도 특성에 대해 설명하였다.

Ⅱ. 도파관 안테나 설계

1. 차량 측후방 레이더용 안테나 설계 목표

본 연구의 차량용 측후방 레이더 안테나 설계 중 심 주파수는 UWB high 대역의 9.5 GHz 이며, -10 dB 대역폭은 600 MHz (6.4 %)이다. 그리고 바이스 테틱 레이더 시스템을 사용하기 때문에 송수신 안 테나가 분리되어 있어 높은 격리도 특성을 요구한 다. 따라서 충분한 SNR(Signal to Noise Ratio) 확보 를 위해 송수신 안테나 간 요구 격리도는 45 dB 이 상으로 설정하였다.

<그림 1>에는 레이더 안테나의 빔폭 결정을 위 한 차량의 크기 및 차량 간 간격을 나타내었다. 여 기에서 차량의 크기를 보통 중형 세단 (1.6 × 4 m²) 의 크기로 가정하였으며, 이때 최대 레이더의 탐지 거리를 2 m로 상정하면 요구되는 측방의 안테나 빔 폭은 100°, 후방의 빔폭은 45°가 된다. 따라서 레이 더 안테나의 요구 빔폭을 이 두 빔 폭의 중간 정도 인 60° ~ 70°로 결정하였다. 또한 안테나의 이득을 5 dBi 이상으로 결정하였다. 안테나가 장착될 레이 더 모듈의 크기는 150 × 100 × 20 mm³ 이다. 레이 더 안테나로 사용될 안테나는 대역폭이 넓고 구조 가 간단한 프로브 급전 구형 도파관 안테나를 선택 하였다. <표 1>에는 레이더 안테나의 설계 목표 설 정 사양을 정리하였다.

2. 구형 도파관 안테나의 파라미터 특성 및 제작된 안테나

본 절에서는 레이더 안테나로 사용될 구형 도파 관 안테나의 파라미터 변화에 따른 임피던스 매칭 특성을 시뮬레이션 하였으며, 레이더의 송신과 수 신 안테나를 위해 동일한 구형 도파관 안테나 2개 를 제작하였다.

1) 구형 도파관 안테나의 파라미터 특성

<그림 2>에는 구형 도파관 안테나의 구조 및 파 라미터를 나타내었다. 구형 도파관 안테나는 동축 프로브로 급전이 되며 X 대역 표준 도파관인 WR-90 (도파관 내부 크기: 23 × 10.3 mm²)을 이용 하였고 도파관의 한쪽이 개방된 구조를 가지고 있 다. 도파관의 두께는 안테나의 견고성 및 레이더 모 듈에 장착시 스크류 나사를 이용할 수 있도록 4 mm 의 두께로 설정하였다.

도파관 안테나의 임피던스 매칭은 주로 도파관 의 길이 L₁, 동축 프로브의 길이 L₂, 그리고 프로브 와 도파관 내벽의 거리 d로 결정된다. 따라서 세가 지 파라미터 변화에 대해서 시뮬레이션하여 그 특 성을 확인하였다.

<그림 3>에는 도파관 안테나의 길이 L₁ 변화에 따른 S₁₁ 특성과 입력 임피던스 특성을 나타내었다. 길이 L₁을 33 ~ 66 mm (0.76 ~ 1.52λ_g, 관내파장 λ_g : 43.4 mm )까지 11 mm (0.25λ_g) 간격으로 변화시켰 다. 여기서 L₂는 5.5 mm, d는 7 mm로 고정시켰다. 이때 L₁이 0.25λ_g 주기로 특성이 변화하는 것을 알 수 있으며, 1λ_g와 1.52λ_g에서 50 Ω에 임피던스 매칭 이 되었다. 그 이유는 도파관 안테나를 전송선로로 가정하면 급전부 쪽 끝단을 단락된 전송선로로 볼 수 있으며, L₁이 1λ_g와 1.5λ_g 일 때 급전점은 단락으 로부터 거리 d 만큼 offset되어 있어 50 Ω 임피던스 매칭이 가능하기 때문이다. 그리고 급전 프로브의 길이에 따라서도 임피던스가 변화하여 본 논문에서 는 안테나의 길이를 작게 할 수 있는 길이인 1λ_g (44 mm)로 안테나의 최적 길이를 설정하였다.

다음으로 <그림 4>에는 급전 프로브 길이 L₂ 변화 에 따른 S₁₁ 특성과 임피던스 특성을 나타내었다. 급전 프로브 길이는 5.3 ~ 5.9 mm , 2 mm 간격으로 변화시 켰으며, 여기서 L₁=44 mm, d=7 mm로 고정시켰다.

<그림 4 (a)>에 나타내었듯이 급전 프로브의 길 이 L₂가 증가함에 따라 공진 주파수가 하향 이동하 는 것을 볼 수 있다. 이것은 도파관 내부에서 급전 프로브가 모노폴 안테나와 유사한 특성을 갖기 때 문에 급전 프로브 길이가 늘어날수록 공진 주파수 가 하향되는 것이다. 또한 <그림 4 (b)>의 입력 임 피던스도 프로브의 길이가 증가할수록 모노폴 안테 나 특성과 같이 저항 및 인덕턴스 성분이 증가되는 것을 확인할 수 있다.

<그림 5>에 급전 프로브와 도파관 내벽 사이 의 거리 d 변화에 따른 S₁₁ 특성과 입력 임피던스 특성을 나타내었다. L₁=44 mm, L₂=5.5 mm로 고 정시키고, 급전 프로브와 도파관 내벽 사이의 거 리 d를 6.5 mm에서 8 mm 까지 0.5 mm 간격으로 변화시켰다.

그 결과 급전 프로브와 도파관 내벽 사이의 거리d 가 멀어질수록 <그림 5 (a)>에 나타내었듯이 공진주 파수가 하향 이동하며 임피던스 매칭 특성이 안 좋아 지는 경향을 볼 수 있다. 그 이유는 급전 프로브가 도 파관 단락벽에서 멀어지면서 관내파장 분포상 50 Ω 에 적합한 급전 위치가 정해지므로 d가 커질수록 이 위치가 낮은 주파수 파장에 위치되기 때문이다. 이러 한 특성은 <그림 5 (b)>에서 확인 할 수 있다.

2) 제작된 직사각형 도파관 안테나

앞 절의 도파관 파라미터 시뮬레이션 결과를 이 용하여 설계 주파수 9.5 GHz로 도파관 안테나를 설 계 제작하였다.

<그림 6> 에는 설계 및 제작된 구형 도파관 안테 나의 구조와 치수를 나타내었다. 9.5 GHz에서 설계 된 도파관 안테나의 파라미터는 L₁=44 mm, L₂=5.5 mm, d=7 mm로 결정되었다. 본 연구의 차량용 레이 더 시스템에서는 송신용 안테나와 수신용 안테나로 나뉘어 사용되기 때문에 도파관 안테나 2개를 설계 및 제작하였다. <그림 7>에는 제작된 도파관 안테 나의 시뮬레이션 및 측정된 S₁₁을 비교하여 나타내 었다. 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 9.5 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 대역 폭을 만족시키는 것으로 나타났다.

<그림 8>에 설계된 도파관 안테나의 측정된 방 사패턴을 시뮬레이션과 비교하였다. 측정된 안테나 의 방사패턴은 송신 안테나의 방사패턴으로 수신 안테나와 동일한 안테나이므로 측정된 송신 안테나 의 방사패턴만 시뮬레이션과 비교하여 나타내었다.

이론적으로 계산된 안테나의 지향성과 시뮬레이션 된 이득, 그리고 측정된 이득은 각각 7.7 dBi, 7.2 dBi, 7.4 dBi으로 서로 유사한 값을 나타내었다. 시뮬레이 션 E-면과 H-면의 빔폭은 각각 92.6°, 62.9°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 고려했 기 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.

Ⅲ. 도파관 안테나의 격리도 특성

본 연구에서 레이더는 바이스테틱 레이더를 사 용하기 때문에 송수신 안테나가 분리되어 있어 송 수신 안테나 간 격리도 특성이 중요한 설계 파라미 터이다. 따라서 본 장에서는 송수신 도파관 안테나 의 E-면 배열 및 H-면 배열에 따른 격리도 특성을 시뮬레이션을 통해 확인하였다.

<그림 9>에는 시뮬레이션된 E-면 및 H-면 격리도 (S₂₁) 특성을 나타내었다. E-면 격리도는 도파관 안 테나의 전계 방향을 수평으로 두 안테나를 수평 배 열한 경우이고, H-면 격리도는 전계의 방향을 수직 으로 두 안테나를 수평 배열한 구조이다. 두 격리도 특성 모두 30 ~ 90 mm (0.95 ~ 2.85λ₀, λ₀ : 자유공 간 파장)까지 30 mm (0.95λ₀)간격으로 변화시켰다.

먼저 <그림 9 (a)>의 E-면 격리도 특성은 두 안테 나간의 거리가 멀어질수록 커지는 것을 볼 수 있다. 하지만 두 안테나 간의 거리가 90 mm (2.85λ₀) 되 어도 목표 격리도인 -45 dB까지 작아지지 않는 것 으로 나타났다.

반면, <그림 9 (b)>의 H-면 격리도 특성은 두 안 테나의 거리 30 mm (0.95λ₀) 이상에서 격리도가 -45 dB 이하를 만족하였으며, 거리가 멀어질수록 격리 도 특성이 좋아지는 특성을 보였다. 이는 도파관 안 테나의 개구에서 도파관의 기본 모드인 TE₁₀ 모드 가 형성되기 때문에 E-면 방향의 전계 분포가 일정 하고 H-면 방향의 전계 분포가 cosine 형태의 분포 를 가지고 있기 때문이다. 또한, 60 mm (1.9λ₀)와 90 mm (2.85λ₀)의 격리도 변화가 거의 없는 이유는 60 mm (1.9λ₀)가 격리도의 포화점이기 때문이다. 이와 같은 시뮬레이션 결과를 이용하여 본 연구에서는 도파관 안테나를 H-면으로 배열하여 레이더 모듈에 배치시켰다.

Ⅳ. 레이더 모듈에 장착된 도파관 안테나

본 장에서는 앞서 설계된 도파관 안테나를 격리 도가 좋은 H-면으로 배열하였다. 그리고 직육면체 형태의 레이더 모듈에 장착된 경우, 플레이트가 도 파관 안테나 사이에 부착된 경우, 그리고 T-형 모듈 에 장착되었을 경우에 대해 각각 안테나의 특성을 연구하였다.

1. 직육면체 모듈에 장착된 도파관 안테나

<그림 10 (a)>에 직육면체 모듈에 장착된 구형 도파관 안테나를 나타내었다. 직육면체 레이더 모 듈에는 레이더 회로들이 내장되며, 모듈의 크기는 150 × 100 × 20 mm³ 이다. 모듈 위에 장착 되었을 경우 시뮬레이션된 송신 안테나와 수신 안테나의 S₁₁ 및 격리도 특성을 <그림 10 (b)>에 나타내었다. 송수신 안테나의 S₁₁은 9.5 GHz에서 -24.6 dB이고, -10 dB 대역폭은 870 MHz (9.15 %)로 목표했던 대 역폭을 만족하였으며 모듈에 장착하기 전과 비교해 볼 때 대역폭이 다소 감소하였으나 요구 대역폭을 수용하였다.

하지만 격리도 특성은 설계 주파수 9.5 GHz에서 -43.08 dB로 상승하여 요구 격리도를 만족시키지 못했다. 그 이유는 모듈상면 표면으로 방사되는 전 류가 유기되기 때문이다. 따라서 격리도를 향상시 키기 위해 도파관 안테나 사이에 플레이트를 추가 하였다.

2. 플레이트 부착 직육면체 모듈에 장착된 도파관 안테나

<그림 11>에는 레이더 모듈에 장착된 도파관 안 테나의 격리도를 향상시키기 위해 송수신 안테나 사이에 도체 플레이트를 추가한 구조를 나타내었 다. 레이더 모듈의 크기는 앞의 모듈과 같으며 90 × 18.3 mm²의 도체 플레이트를 추가하였다. 그 이유 는 레이더 모듈상면으로 유기되는 전류를 차단하기 위해서이다. 이러한 구조의 레이더 모듈과 도파관 안테나를 시뮬레이션 하여 그 결과를 <그림 11 (a)> 에 나타내었다.

송수신 안테나의 S₁₁은 9.5 GHz에서 -24.15 dB, -10 dB 대역폭은 880 MHz (9.26 %)로 나타났고, 격 리도 (S₂₁)는 -58.34 dB로 목표했던 -45 dB이하를 만 족시켰다.

도체 플레이트를 송수신 안테나 사이에 추가하면 송수신 안테나의 S₁₁ 및 대역폭에는 변화가 없었으 며 격리도가 향상되었다. 그 이유는 플레이트가 E- 면 패턴의 수평면 회절성분에 의해 유기되는 모듈 상면 반사 전류를 차단하고 방사되는 필드를 플레 이트 반대편으로 반사시키기 때문이다.

하지만 이러한 구조는 차량용 레이더의 높이를 증가시키는 단점이 있다. 따라서 상기 결과들로부 터 레이더 모듈의 크기를 줄이고, E-면 패턴의 수평 면 회절성분에 의한 결합 영향을 줄이고자 T-형 레 이더 모듈 구조를 고안하여 도파관 안테나를 장착 하였다.

3. T-형 모듈에 장착된 도파관 안테나

차량용 레이더 모듈의 높이를 줄이면서 격리도를 향상 시킬 수 있도록 본 절에서는 T-형 레이더 모듈 구조를 고안하여 도파관 안테나를 장착하였다.

<그림 12 (a), (b)>에 나타낸바와 같이 T-형 레이 더 모듈 구조와 제작된 안테나를 모듈의 양 끝에 내장하였다. 이렇게 설계함으로써 레이더 모듈의 높이를 줄일 수 있으며, 전 절에서 기술된 바와 같 이 안테나 사이에 도체가 존재하여 격리도를 향상 시킬 수 있었다. 여기서 모듈의 크기는 <그림 11 (a)>의 모듈의 크기와 같이 150 × 100 × 20 mm³ 로 제작되었다.

<그림 12 (c)>에는 이렇게 제작된 안테나의 S₁₁ 및 격리도 특성을 시뮬레이션과 비교하여 나타내었 다. 시뮬레이션과 측정은 잘 일치하였으며 시뮬레 이션된 안테나의 S₁₁은 송수신 안테나 모두 9.5 GHz 에서 -25 dB, -10 dB 대역폭은 778 MHz (8.19 %)이 다. 측정된 도파관 안테나의 S₁₁은 송신 안테나의 경우 9.5 GHz에서 제작된 송신용 안테나의 S₁₁은 -24.27 dB, -10dB 대역폭은 1000 MHz (10.52 %)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 대역폭 을 만족시키는 것을 확인하였다. 격리도 (S₂₁) 특성 은 직사각형 모듈에서 도파관 안테나의 크기만큼 잘라낸 부분에 안테나를 장착하였으므로 두 안테나 간 격리도를 향상시킬 수 있었으며 요구되는 대역 폭 내에서 모두 -50 dB 이하로, 목표했던 -45 dB 이 하의 값을 만족시켰다. 격리도 측정 시 실제 환경을 고려하여 자유공간에서 측정을 하였고, 격리도가 매우 낮은 레벨값을 가지기 때문에 측정 결과에 굴 곡이 나타났다.

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 dBi 로 측정되었다. 그리고 안테나의 빔폭은 송신의 경 우 E-면 80.5°, H-면 64°로 측정되었고 수신 안테나 의 측정된 E-면 82°, H-면 65°로 측정되어 요구 이 득 및 빔폭을 만족시켰다.

한편, 송신 안테나의 H-면 90°에서 null이 형성된 것을 확인하였고, 수신 안테나의 H-면 270°에 null 이 형성된 것을 확인할 수 있었다. 이는 T-형 모듈 양단에 두 도파관 안테나를 장착시킴으로서 송수신 안테나 사이에 반사판이 형성되기 때문이며 격리도 또한 향상되었다.

<표 2>에는 설계, 제작된 안테나의 특성을 비교 하여 나타내었다.

Ⅴ. 결 론

본 논문에서는 UWB high 대역 (중심 주파수 : 9.5 GHz, 대역폭 : 600 MHz (6.4 %))의 차량 측후 방 레이더 센서용 도파관 안테나를 연구하였다. 먼 저 구형 도파관 안테나의 임피던스 매칭 파라미터 를 시뮬레이션하여 그 특성을 확인하였고 9.5 GHz 에서 구형 도파관 안테나 2 개를 설계 제작하였다. 그리고 E-면과 H-면 격리도 특성을 시뮬레이션 하 여 격리도 특성이 좋은 H-면 배열을 채택하여 도 파관 모듈에 장착하였다. 도파관 모듈은 격리도 향 상과 레이더 모듈의 높이를 줄일 수 있는 구조로 T-형 모듈을 최종적으로 선택하였다. 송수신 안테 나의 특성을 시뮬레이션 및 측정을 통하여 확인하 였다. 그 결과 설계된 차량 측후방 레이더 안테나 가 설정한 요구특성을 만족시켰다.

따라서 설계된 도파관 안테나는 구조가 간단하 고 견고하여 차량용 측후방 레이더용 안테나로 유 용할 것이라 사료된다.