2.1 왼손법칙 전송선로 형태의 위상 변위기

그림 1 제작한 2×4 위상 배열 안테나와 LHTL 위상 변위기의 구조

Fig. 1 Fabricated 2×4 phased array antenna and structure of LHTL phase shifter

위상 배열 안테나의 중요한 구성요소 중 하나인 위상 변위기는 위상 배열 안테나의 빔 편향 범위를 제어하는 역할을 한다. 본 논문에서는 간단한 제어와 주파수의 위상이 360° 변화하는 구간에서 삽입손실의 변화가 크지 않은 LHTL 형태의 위상 변위기를 사용하였다^[5].

본 논문에 사용한 LHTL 위상 변위기는 전압 가변 커패시터인 버렉터 다이오드를 직렬로 연결하고, 마이크로스트립 형태로 구현한 인덕터를 병렬로 연결한 구조이며, 이 구조에 대한 단위 셀은 그림 1에 나타내었으며, $C_{d}(V)$는 다이오드 커패시턴스, 은 라인 인덕턴스이다. 이러한 구조의 중요한 값인 위상 계수, 브래그 차단 주파수, 특성 임피던스는 참고문헌 ^[5]에 자세히 설명되어 있다. 이러한 값을 사용하여 위상 변위기의 단위 셀의 수를 결정하면, 사용 주파수의 위상을 360° 만큼 변화 시킬 수 있다. 그림 1에 제작한 위상 변위기를 나타내었다. 그림 2는 LHTL 위상 변위기의 인가전압에 따른 상대적 위상 변화와 삽입손실을 나타낸다. 제작된 위상 변위기는 삽입손실이 4 dB 이하를 유지하는 인가전압 범위 내에서, 사용 주파수의 위상이 0°~423.4°로 변화하는 것을 확인할 수 있었다.

그림 2 LHTL 위상 변위기의 인가전압에 따른 상대적 위상 변위와 삽입손실 측정결과

Fig. 2 Relative phase variation(RPV) and insertion loss measurement result of the LHTL phase shifter at each DC bias voltage

2.2 2×4 위상 배열 안테나

제작된 2×4 위상 배열 안테나는 그림 1에 나타내었다. 위상 배열 안테나는 다수의 안테나를 배열하고, 각각의 안테나의 급전 전류의 위상을 제어하여 방사되는 빔의 방향을 제어할 수 있는 안테나이다. 위상 배열 안테나에 사용한 안테나는 패치 안테나^[6]를 사용하였고, 패치 안테나 구조에 대한 변수는 그림 1에 나타내었다. 각각의 단일 패치 안테나의 급전선에 LHTL 위상 변위기를 삽입하여 2×4 배열로 위상 배열 안테나를 제작하였다. 그림 3과 그림 4에서 나타나듯이 제작한 단일 패치 안테나와 최소의 반사손실을 위해 위상 변위기에 전압을 인가한 위상 배열 안테나의 반사손실은 2.4 GHz에서 각각 –21.63 dB, -34.60 dB이고, 빔 편향 범위가 –20°, 0°, +20°일 때 수평방향의 빔 패턴의 경우 –20°, 0°, +20°에서 각각 6.76 dBi, 8.60 dBi, 7.51 dBi의 안테나 이득을 나타내었다. 대칭 구조이지만 이득의 차이가 나는 이유는 사용 전압에 따라 삽입손실이 변하는 위상 변위기의 특성 때문이다.

그림 3 단일 패치 안테나와 2×4 위상 배열 안테나의 반사손실 측정결과

Fig. 3 Return loss measurement result of single patch antenna and 2×4 phased array antenna

그림 4 위상 배열 안테나의 수평방향 빔 패턴 측정결과

Fig. 4 Horizontal direction beam pattern measurement result of the phased array antenna

2.3 호흡 탐지를 위한 레이더 시스템 구성과 실험 결과

그림 5 송･수신부의 개략도

Fig. 5 Schematic of receiver and transmitter

그림 5는 호흡 탐지를 위한 레이더 시스템의 송･수신부의 개략도이고, 그림 6은 실험 환경 구성도이다. 실험에서는 14 dBm의 전력을 사용하였으며, 이러한 시스템을 이용하여 탐지거리를 3 m, 빔의 편향 범위를 좌우 -20°, 0°, +20°로 설정하고 실험을 진행하였다. 그림 7은 거리 3 m에서 피험자가 -20°, 0°, +20°중 한 방향에 있을 때, 빔의 방향을 -20°, 0°, +20°로 조절하여 수집된 신호들을 나타낸 그래프이다. 수집된 신호들 중 호흡 신호는 규칙적인 들숨과 날숨으로 인해 일정한 주기를 가지는 신호가 된다.

그림 6 실험 환경 구성도

Fig. 6. Experiment setup configuration

그림 7 피험자가 (a) 0° 방향에 있을 때 (b) +20° 방향에 있을 때 (c) –20° 방향에 있을 때의 호흡 신호

Fig. 7 Respiratory signal of when the target is at (a) 0° direction (b) +20° direction (c) -20° direction

수집된 신호들의 DC 성분을 줄이기 위해 곡선 적합(Curve fitting)을 적용하였다. 곡선 적합을 통해 측정된 신호의 피크-피크는 호흡 신호가 탐지 되지 않았을 때 12.2 mVpp, 탐지 되었을 때는 91.5 mVpp의 크기를 보였다.

그림 7에 나타나듯이 빔 편향 각도와 피험자의 위치에 따라 수신 신호가 구분이 되었으며, 피험자의 생체신호 위치를 파악할 수 있는 시스템을 구성할 수 있었다. 본 실험에는 2×4 위상 배열 안테나를 사용하였으나, 이보다 크게 제작하여 3D로 스캐닝을 할 경우 건물 내 사람의 위치 파악 등이 필요한 경우 유용하게 사용될 수 있을 것이다.