기술 발달에 따라 차량용 레이더에 UWB 기술을 채용으로써 저가로 고정밀 레이더 시스템이 상용화될 수 있는 계기가 마련됐기 때문이다. 이는 향후 텔레매틱스 기술의 발달을 촉진시키는 계기가 될 것으로 예상된다.
한국전자통신연구원(ETRI)은 최근 'UWB를 이용한 차량용 레이더 기술 동향 및 전망'이라는 보고서를 통해 UWB 방식 차량용 레이더 시스템에 대한 연구가 본격화될 것이라고 전망했다.
이 보고서 내용을 중심으로 UWB 방식 차량용 레이더 개발 현황 및 기술에 대해 살펴본다.
UWB
수 GHz대의 초광대역을 사용하는 초고속의 무선 데이터 전송 기술을 말한다. 기존 IEEE 802.11과 블루투스 등에 비해 빠른 속도(500Mpbs/1Gbps)와 저전력(휴대폰과 무선랜의 100분의 1) 특성이 있다. 근거리(평균 10~20m, 최대 100m) 공간에서 PC와 주변기기 및 가전 제품들을 초고속 무선 인터페이스로 연결하는 근거리 개인 통신망이나 건물 벽을 투시하는 벽 투시용 레이더, 고정밀도의 위치 측정, 차량 충돌 방지 장치, 지뢰 매설 탐지, 분실 방지 시스템, 신체 내부 물체 탐지 등 여러 분야에서 활용 가능하다.
전파를 이용하므로 다른 통신에 사용되는 무선 주파수와 간섭 현상을 일으킬 수 있는 문제는 있으나, 사용 주파수의 범위 제한 등의 조치로 대처할 수 있다.
초기 짧은 단일 펄스에 의해 광대역 주파수 특성을 얻을 수 있었던 UWB 신호 생성 방법은 현재 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing), Multi-Band 등 여러 가지 방식으로 발전된 상황이며, 각각의 방식들은 IEEE 등과 같은 국제 표준화 회의에서 활발히 논의되고 있다.
UWB를 이용한 응용분야 중에서 현재 국내외적으로 가장 관심이 집중되는 분야는 옥내 및 휴대용 UWB 시스템으로, 국내에서는 유비쿼터스 환경하에서의 홈 네트워크 분야가 차세대 10대 신성장 동력으로 선정됨에 따라 그 중요성이 부각되고 있다.
또한 국내 자동차 산업과 이동통신 산업의 세계적인 경쟁력을 감안할 때 향후 텔레매틱스(Telematics) 분야의 발전 전망은 매우 높으며, 따라서 차량용 레이더 시스템에 대한 UWB 응용 연구가 활발해질 전망이다.
차량용 레이더 개념 및 구분
차량용 레이더는 지능형 교통시스템을 구현하기 위한 필수 기술로서 열악한 기상조건 또는 운전자의 부주의로 인해 발생 가능한 사고를 미연에 방지할 목적으로 개발된 차량의 안전 운행 시스템이다.
충돌 방지용 전방 감시 레이더와 후방 및 측면 감시 레이더 시스템으로 나눌 수 있다. 동작거리에 따라서는 5m 이하의 근거리(Near-range)와 20m 정도의 중거리(Mid-range)로 나눌 수 있다. 근거리 동작의 경우 목표물의 RCS(Radar Cross Section)의 넓은 동적 범위를 분해할 수 있도록 높은 분해능(Resolution)을 필요로 한다. 이 때문에 레이더 형태 중 PN-Coded 방식이나 FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave) 방식이 사용되게 될 것이다. 이 경우 송수신이 동시에 이뤄지므로 송신부와 수신부간의 적절한 격리(Isolation) 특성을 유지하는 것이 매우 중요하다. 중거리용 레이더의 경우 펄스 레이더를 사용하게 되는데 타이밍 회로가 복잡해지는 단점이 있지만 송수신부간에 격리 특성이 우수해 분해능을 높일 수 있는 장점이 있다.
차량용 레이더 개발 및 기술 기준 제정 현황
충돌 방지용 전방 감시 레이더는 동작거리 30m 이상의 차량을 검출할 수 있어야 한다. 기본적으로 고출력이 요구돼 최근까지 76/77GHz 대역의 밀리미터파 대역이 주로 사용되고 있다. 현재 국외의 유수 자동차 제조업체들이 이미 77GHz대역의 차량용 레이더의 장착을 옵션화해 제공하고 있다. 대표적인 업체로는 벤츠, BMW, 니산, 도요타, 혼다, 볼보, 포드 등을 들 수 있다. 이러한 차량용 레이더를 적용한 기술은 'Active cruise control(ACC)' 또는 'Intelligent cruise control' 등으로 불린다.
하지만 77GHz 대역은 매우 정밀한 분해능을 필요로 하는 측면과 후방 감시용으로 사용하기에는 그 대역폭이 너무 좁아서 사용하기에 부적절하다. 예를 들어 측면과 후방 감시용 자동차용 레이더에서 요구하는 7.5cm의 분해능을 갖기 위해서는 적어도 4GHz 이상의 대역폭을 갖는 레이더 시스템이 필요한 것으로 보고되고 있다. 따라서 이에 대한 요구사항을 반영하기 위해 2002년 미국 FCC는 UWB 기기의 운용에 대한 여러 가지 기술 기준을 제정, 공시했다. 그 주요 응용분야 중의 하나로 고해상도 차량용 레이더를 22~29GHz의 7GHz 대역폭을 사용하도록 명기했다.
국내의 경우는 현재까지 UWB 기기의 운용에 관한 별도의 기술적 조건이 아직 제정된 바가 없지만 현재 UWB 시스템에 대한 관심이 증대되고 있는 점을 감안하다면 조만간 차량용 레이더의 경우에 적용할 수 있는 기술기준이 제정될 것으로 기대되고 있다.
차량용 레이더 핵심 기술
△sub-nS 간격의 펄스를 사용함에 따른 회로의 분산 특성
UWB 시스템은 광대역 시스템이므로 일반 전송선로의 주파수에 따른 특성이 다를 경우 펄스의 지연 및 퍼짐 현상이 발생한다. 이는 회로 설계 및 패키징에도 영향을 줘 반도체 기판상의 PAD, wire-bond 등의 특성도 주파수 선택적 특성이 있으므로 시스템 설계시 이러한 상황을 충분히 고려해 설계해야 한다.
△저가격화를 위한 집적화 기술
20GHz대역의 회로가 저가로 구현되기 위해서는 어셈블리와 패키징이 중요한 문제가 된다. 어셈블리와 패키징은 차량에서 요구하는 높은 신뢰도와 생산성을 요구함과 동시에 경제성까지 가져야 한다. 종래에는 wire-bonding과 금속 패키징이 이 주파수 대역에 사용됐으나 wire-bond의 주파수 특성 및 생산성을 고려한다면 플립칩(flip-chip) 본딩, LTCC적층 기술을 이용한 멀티칩 모듈(Multi-Chip Module: MCM) 등의 기술이 향후에는 적용될 전망이다.
△밀리미터파 대역에서의 안테나 방사특성 조정
상향 방향으로의 부엽 특성을 낮추기 위해서는 배열 소자간의 적절한 가중치를 둬 설계해야 하므로 이는 밀리미터파 대역에서 고난이도의 기술이다. 또한 UWB의 특성상 밀리미터파 대역에서 광대역 설계를 해야 하므로 일반적인 마이크로스트립 안테나는 협대역 특성을 갖기 때문에 대역폭을 확장시킬 수 있는 광대역 설계 기법이 적용돼야 한다. 또한 안테나부와 RF모듈간의 일체화된 구조가 예상되면서 안테나 급전부와 RF모듈간의 급전부 설계 및 능동 안테나(Active Antenna) 등의 연구가 필요하다.
△신뢰성 있는 전자 부품
차량용 레이더 기술에서 중요한 고려사항 중의 하나는 차량의 온도범위, 진동 특성, 전원 등을 고려해 신뢰성 있는 RF기술을 사용해야 한다는 점이다. 예를 들어 컴퓨터의 경우 설계시 고려하는 동작온도는 0℃에서 55℃인데 반해 자동차의 경우 -40℃에서 55℃이다. 진동의 경우도 주요 고려사항이며, 자동차의 생명 주기가 10년 이상이어서 이를 고려한 신뢰성 있는 전자 부품 및 모듈 기술을 필요로 한다.
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