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벽 관통 레이더 시스템의 성능 향상을 위한 메타물질 및 고이득 안테나 기술 개발

요약 인천대학교 산학협력단은 법 집행, 군사 작전, 수색 및 구조, 건설 산업 등에 응용 가능한 벽 관통 레이더 시스템의 성능을 향상시키기 위한 새로운 기술을 개발했습니다. 이 기술은 메타물질 사용과 고이득 안테나, 기판 도파관 슬롯 배열의 통합을 통해 레이더 신호의 지향성과 초점을 향상시키는 혁신적인 접근법을 제시합니다. 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 지원을 받아 진행된 이 연구는 레이더 기술의 정밀성과 신뢰성을 높이는 데 기여할 것으로 기대됩니다. 실험을 통해 벽 접촉 메타물질 표면이 신호 반사 및 흡수를 줄이고, SIW 슬롯 배열 안테나가 신호를 정확하게 목표물에 전송하는 것이 확인되었습니다. 이 기술은 생존자 탐색, 보안 시설 내 위협 탐지, 벽과 기초의 무결성 검사 등 다양한 분야에 응용될 수 있으며, 안전, 보안 및 효율성 향상에 크게 기여할 것으로 예상됩니다.

기본 정보

특허명: 벽 투과 레이다용 기판집적도파관 슬롯배열 고이득 안테나와 결합하는 벽 접촉 메타재질표면 장치
대표 발명자: 강승택 교수
출원번호: 10-2023-0099654

발명의 배경 및 필요성

기술 발전의 중요성

벽을 통과하는 레이더 시스템은 법 집행, 군사 작전, 수색 및 구조, 건설 산업 등 다양한 분야에서 응용될 수 있어 연구와 개발이 중요함
이 기술은 무거운 재료를 통한 신호 전송과 수신 능력 향상이 주요 도전 과제임
20세기 후반부터 탐구된 벽 관통 레이더 기술은 기술적 한계로 인해 초기에는 해상도와 침투 깊이가 제한적이었으나, 기술 발전으로 다양한 주파수, 안테나 설계 및 신호 처리 기술이 개선되어 해상도와 범위가 향상됨

기술의 필요성과 응용 가능성

메타물질 사용과 고이득 안테나, 기판 도파관 슬롯 배열의 통합을 통해 레이더 신호의 지향성과 초점을 향상시키는 새로운 접근법을 제시함
벽 접촉 메타물질 표면의 추가는 레이더 시스템과 벽의 임피던스 매칭을 통해 신호 반사 및 흡수를 줄이는 데 기여함
이 발명은 레이더 기술 산업에서 보다 정밀하고 신뢰할 수 있는 시스템 개발을 위한 추세에 부합함
이 기술은 수색 및 구조 작업에서 생존자를 신속하게 찾는 데, 법 집행 기관의 보안 시설 내 위협 탐지에, 그리고 건설 산업에서 벽과 기초의 무결성 검사에 활용될 수 있어 응용 범위가 매우 넓음

구현방법

기술의 원리 및 구현

본 기술은 벽을 투과하는 레이더 시스템의 안테나와 관련되어, 전자기파가 벽을 효과적으로 통과하도록 돕는 변환 물질로 만들어진 표면으로 구성됨
SIW 슬롯 배열 안테나는 마이크로스트립-파동관 전환 구조, 전력 분배기 및 신호 방출을 위한 슬롯을 포함하며, 발신기와 수신기에는 유전체로 만들어진 변환 물질 평면 렌즈가 포함됨
유전체의 공기 구멍 수와 반경을 조절하여 전자기파의 유효 유전율과 지연을 결정하고, 벽에 반사된 후 수신기에서 감지할 수 있게 함

기술의 장점

벽과 접촉해도 신호 투과가 원활하며, 임피던스 정합 및 집중으로 높은 지향성을 갖춤
공기 구멍 패턴을 통해 변환 물질 평면 렌즈 기능을 하며, 전자기파 시뮬레이션 테스트로 성능을 검증함
SIW 슬롯 배열 안테나로 신호를 정확하게 목표물에 전송하고, 유전체의 공기 구멍을 통해 전자기파의 유효 유전율과 지연을 정밀하게 제어함

실험 및 결과

실험 목적 및 방법

변환 물질 평면 렌즈와 고이득 안테나의 조합이 벽에 의한 감쇠를 줄이고 감지 능력을 향상시키는지 확인하고, 전기장 분포를 통해 임피던스 정합과 전자기파 집중의 효과를 입증함
전자기파 시뮬레이션 실험을 통해 원하는 전기장 강도 분포를 생성하고, 무향실에서 변환 물질 평면 렌즈와 고이득 안테나를 테스트하여 높은 이득과 좁은 빔 폭을 가지는지 확인함

실험 결과

변환 물질 평면 렌즈를 통해 전자기파의 투과력을 높일 수 있으며, 벽이 있어도 전자기파가 잘 전송됨을 확인함
신호 발생기와 네트워크 분석기를 사용하여 전자기파를 생성, 제어 및 분석하는 구조의 효과를 입증함

발명의 활용 방안

다양한 분야에서의 적용 가능성

건물 내 숨겨진 금속 물체를 찾는 데 사용되는 이 레이다 시스템은 작고 효율적인 안테나를 벽에 부착하여 전력 손실을 최소화하고 탐지 효율을 향상시킴
메타재질 표면은 임피던스 부정합 문제를 해결하고 벽을 통과하는 전파의 손실을 줄여줌
경찰과 구조대의 긴급 구조 서비스에 중요한 역할을 하며, 보안 강화에도 활용 가능함
평평하고 부피가 작은 안테나는 PCB 에칭 공정으로 경제적으로 제작되며 설치가 간편함

기대효과

사회적 및 경제적 기대 효과

벽 뒤 금속 물체 탐지에 있어 높은 정확도와 효율성을 제공함
전파 손실 감소와 전력 소비 절약을 통해 에너지 효율성 증대 및 운영 비용 절감이 기대됨
긴급 상황에서 신속한 대응과 보안 강화로 사회적 가치 및 안전성 향상에 기여함
비용 효율적인 제작 방법은 다양한 적용 가능성을 제공하며 관련 산업의 경제적 이익 창출에 도움이 됨

기술 SWOT 분석

Strengths

신호 전송 및 수신 능력의 향상

메타물질과 고이득 안테나, 기판 도파관 슬롯 배열의 통합으로 레이더 신호의 지향성과 초점이 향상되었습니다.
임피던스 매칭을 통해 신호 반사 및 흡수를 줄이고, 벽을 통과하는 전파의 손실을 감소시킵니다.

기술 발전에 따른 해상도 및 범위 향상

다양한 주파수, 안테나 설계 및 신호 처리 기술의 개선으로 초기 기술적 한계를 극복하고 해상도와 범위가 향상되었습니다.

Weaknesses

신호 전송과 수신의 기술적 도전

무거운 재료를 통한 신호 전송과 수신 능력 향상이 주요 도전 과제로 남아있습니다.

Opportunities

다양한 분야에서의 응용 가능성

법 집행, 군사 작전, 수색 및 구조, 건설 산업 등 다양한 분야에서 응용될 수 있는 기술입니다.

응용 범위의 확장

수색 및 구조 작업, 법 집행 기관의 보안 시설 내 위협 탐지, 건설 산업에서의 벽과 기초의 무결성 검사 등에 활용될 수 있습니다.

Threats

기술적 한계와 경쟁 기술의 발전

기술적 한계로 인한 초기 해상도와 침투 깊이의 제한이 있었으며, 지속적인 기술 발전이 필요합니다.
경쟁 기술의 발전으로 인해 시장에서의 우위를 유지하기 위한 지속적인 연구 및 개발이 요구됩니다.

Summary

Strengths

메타물질과 고이득 안테나의 통합으로 레이더 신호의 지향성과 초점이 향상되었으며, 기술 발전에 따라 해상도와 범위가 개선되었습니다.

Weaknesses

무거운 재료를 통한 신호 전송과 수신 능력 향상이 주요 도전 과제로 남아있습니다.

Opportunities

법 집행, 군사 작전, 수색 및 구조, 건설 산업 등 다양한 분야에서 응용될 수 있는 기술로 응용 범위가 확장될 수 있습니다.

Threats

기술적 한계와 경쟁 기술의 발전으로 인해 시장에서의 우위를 유지하기 위한 지속적인 연구 및 개발이 요구됩니다.

대표도면

기술이전 담당자 연락처

담당자명: 이미정 계장
부서: 기술사업화팀
전화번호: 032-835-9766
이메일: mijung@inu.ac.kr
인천대학교 산학협력단
(21999) 인천광역시 연수구 갯벌로 27(송도동) INU이노베이션센터 202호
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