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메타표면 렌즈를 활용한 빔포밍 안테나 기술 개발

요약 메타표면 기술을 이용한 빔포밍 안테나는 전자기파의 위상을 정밀하게 조절하여 빔 방향을 제어할 수 있습니다. 이 기술은 레이더, 위성 통신, 자율 주행 차량 등 다양한 분야에 적용 가능하며, 5G 및 6G 이동통신 기술의 안테나 성능을 향상시키는 데 기여할 것으로 기대됩니다. 경제적이고 효율적인 빔 조향이 가능해져 통신 효율성이 증대되고 전력 소비를 절감하는 효과가 있습니다.

기본 정보

특허명: 칩셑 능동 위상 천이기가 불필요한 전자파 소-스 선택에 의해 전자파 빔 지향각 조절이 가능한 메타표면 평면렌즈형 레이다 및 통신용 빔포밍 안테나
대표 발명자: 강승택 교수
출원번호: 10-2023-0099651

발명의 배경 및 필요성

빔포밍 안테나 기술의 역사적 진화

빔포밍 안테나 기술은 레이더 및 무선 통신 시스템 발전의 핵심으로, 20세기 초 개발이 시작되어 제2차 세계대전을 거치며 급속히 발전함
위성 통신, Wi-Fi, 셀룰러 통신 등 다양한 분야에서 필수적으로 활용되며, 1G에서 5G로 넘어가는 과정에서 안테나 기술의 지속적인 개선이 요구됨
특히 4G에서 5G로의 전환은 고주파 대역(밀리미터파) 사용 증가로 빔포밍 안테나의 중요성을 더욱 부각시킴

빔포밍 안테나 기술의 현대적 필요성

빔포밍 안테나는 스펙트럼의 효율적 사용, 신호 품질 개선, 간섭 감소에 기여하며, 특정 방향으로 라디오 파동을 집중시킬 수 있음
능동 위상 천이기를 통해 기계적 움직임 없이 빔 방향을 동적으로 제어할 수 있으나, 이의 구현 복잡성과 비용은 중대한 장애물임
높은 주파수에서의 정밀한 빔포밍 요구는 5G 및 미래 6G 네트워크로의 전환에 따라 더욱 증가하고 있음

구현방법

메타표면 평면 렌즈의 원리

메타표면 평면 렌즈는 전자기파의 진행 방향과 상태를 조작할 수 있는 특수 설계된 표면을 활용함
메타물질로 구성된 렌즈는 단일층 또는 다층의 유닛 셀 구조를 통해 전자기파의 위상을 교정하고, 이를 통해 높은 이득과 빔 방향을 조절함
이 메타물질은 금속 링과 원형 패치를 배열하여 전자기파의 위상을 조절하며, 인덕턴스와 커패시턴스의 조합으로 위상 보정을 달성함

메타표면 렌즈의 구현

방사 패치 배열과 메타물질 렌즈를 특정 거리에 배치하여 전자기파의 위상을 교정함
금속 링과 수정된 원형 패치를 포함하는 유닛 셀 구조를 사용하여 간격과 지름을 조절함으로써 위상 교정값을 변화시킬 수 있음
RF 스위치와 스위치 컨트롤러를 포함하여 전자기파를 특정 방향으로 조향할 수 있음
유닛 셀 구조는 단일층 또는 다층으로 구성되며, 이를 통해 전자기파의 위상을 조절하고 빔을 형성함

기술의 주요 장점

활성 위상 천이기 없이도 전자기파 빔의 방향을 제어할 수 있는 능력을 제공함
메타물질 구조를 통해 전자기파의 위상을 정밀하게 제어하고, 이득을 강화하며 빔을 조향함
편파에 덜 민감한 대칭 구조로 전자기파의 전송과 수신 효율을 높임
저전력 소비 RF 스위치를 사용하여 방사 패치를 선택적으로 활성화함

활용 방안 및 기대효과

기술의 적용 범위

레이다 시스템, 위성 통신, 자율 주행 차량, 차량 간 통신(V2X), 무선 전력 전송 등 다양한 분야에 적용 가능
5G 및 6G 이동통신 기술의 안테나 성능 향상에 기여
메타재질을 활용한 구조로 제작 비용과 전력 소모를 줄임

기대효과

전자파 방향 조절의 정밀성 향상으로 통신 효율성 증대 및 전력 소비 절감 기대
위상 변위기를 사용하지 않고도 효과적인 빔 조향 가능, 경제적 이점 제공
기존 방식 대비 무게 감소로 휴대성 및 친환경성 향상
통신 및 레이다 기술 발전에 기여, 사회적 가치와 산업 경쟁력 강화 예상

기술 SWOT 분석

Strengths

위상 제어 능력

메타물질 구조를 통해 전자기파의 위상을 정밀하게 제어할 수 있습니다.
활성 위상 천이기 없이도 빔의 방향을 동적으로 제어할 수 있는 능력을 제공합니다.

효율성 및 경제성

저전력 소비 RF 스위치를 사용하여 방사 패치를 선택적으로 활성화함으로써 에너지 효율성을 높입니다.
메타재질을 활용한 구조로 제작 비용과 전력 소모를 줄일 수 있습니다.

신호 품질 개선

편파에 덜 민감한 대칭 구조로 전자기파의 전송과 수신 효율을 높입니다.

Weaknesses

구현 복잡성

메타표면 평면 렌즈의 설계와 제작이 복잡하여 기술적인 난이도가 높습니다.

비용 문제

비록 비용 절감을 목표로 하지만, 초기 투자 비용이 클 수 있습니다.

Opportunities

적용 범위 확장

레이다 시스템, 위성 통신, 자율 주행 차량 등 다양한 분야에 적용 가능합니다.
5G 및 6G 이동통신 기술의 안테나 성능 향상에 기여할 수 있습니다.

Threats

시장 변화

통신 기술의 빠른 변화에 대응하기 위한 지속적인 연구개발이 필요합니다.

Summary

Strengths

메타물질 구조를 통한 정밀한 위상 제어와 에너지 효율성이 높은 안테나 기술입니다.

Weaknesses

구현의 복잡성과 초기 투자 비용이 높은 기술입니다.

Opportunities

다양한 분야로의 적용 가능성과 5G, 6G 기술에 대한 기여도가 높습니다.

Threats

기존 기술과의 경쟁과 시장의 빠른 변화에 대응해야 하는 도전이 있습니다.

대표도면

기술이전 담당자 연락처

담당자명: 이미정 계장
부서: 기술사업화팀
전화번호: 032-835-9766
이메일: mijung@inu.ac.kr
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