요약
GMRES 연산법과 유한 요소법(FEM)이 결합된 솔버가 도파관 구조에서 반사 계수를 정밀하게 산출한다는 점입니다. 이 기술은 전기장을 기반으로 반사 계수를 병렬 연산 방식으로 신속하게 계산하여 기존 방식보다 설계 시간을 크게 단축시킬 수 있습니다. 이를 통해 RF 컴포넌트 설계 시 정확도와 효율성을 동시에 높일 수 있으며, 통신 및 레이더 시스템 등의 성능 향상에 기여하는 구체적인 이점을 제공합니다.
기본 정보
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특허명: 유한 요소법에 기초하여 도파관 구조의 수치 해석에 사용하기 위한 반사 계수를 산출할 수 있는 솔버 장치 및 그 동작 방법
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발명자: 이우찬 교수
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출원번호: 10-2023-0064778
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등록번호: 10-2690351
상세 정보
배경 기술
발명의 배경
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유한 요소법(FEM)은 RF(Radio Frequency) 컴포넌트인 도파관 설계를 위한 전자기 수치 해석에 주요하게 사용됨. 도파관 구조 설계 시, 주파수 대역에서의 반사 계수를 수치 해석에 사용하는 요소로 활용함. 도파관 구조의 반사 계수 산출에는 경계 조건에 따른 미분 방정식을 풀어야 하며, 이 과정에 유한 요소법이 활용됨.
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일반화된 최소 잔차법을 이용한 해법이 제안되었으며, 이는 초기 조건을 기반으로 반복 해법을 통해 근사치 해를 산출하는 기법임.
기술의 필요성
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본 발명은 유한 요소법 기반 도파관 구조의 수치 해석을 위한 반사 계수를 산출하는 솔버 장치 및 동작 방법에 관한 것임. 병렬적 연산을 통해 반사 계수 산출 속도 향상을 지원함.
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기존 방식보다 빠른 반사 계수 산출을 지원하여 도파관 설계 효율을 높일 필요성이 있음.
구현 방법
구체적인 구현 방법
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RF(Radio Frequency) 컴포넌트인 도파관 설계에 유한 요소법이 주요하게 사용됨.
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도파관 구조의 주파수 대역에서의 반사 계수는 수치 해석에 사용되는 주요 요소임.
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도파관 구조에 대한 반사 계수 산출 명령이 입력되면, 2차 미분 방정식을 이용하여 전기장에 변분 원리를 적용하여 범함수를 생성함. 이후, 범함수를 요소 행렬로 표현되는 유한 요소법 적용 방정식으로 구성함.
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일반화된 최소 잔차법을 기반으로 방정식의 해를 연산하여 도파관 구조의 전기장을 유도함. 유도된 전기장을 사용하여 사전 설정된 주파수 대역에서의 반사 계수를 산출함.
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주파수 대역은 동일한 크기의 n개의 부분 주파수 대역으로 분할되고, 각 부분 주파수 대역에 대한 반사 계수 산출 과정이 병렬적으로 동시에 수행됨.
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n개의 부분 주파수 대역 각각에서의 반사 계수를 산출한 후, 이들을 조합하여 전체 주파수 대역에서의 반사 계수를 산출함.
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어떤 부분 주파수 대역에 대한 반사 계수를 산출할 때, 시작 지점으로부터 사전 설정된 제1 크기의 대역만큼 전단에 위치하는 전단 지점을 확인함.
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전단 지점이 확인되면, 전단 지점과 부분 주파수 대역의 끝 지점 사이의 확장 주파수 대역을 지정함.
실험 및 결과
실험 방법 및 과정
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솔버 장치는 사전 설정된 경계 조건에 따른 2차 미분 방정식을 이용하여 도파관 구조의 전기장을 유도함.
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일반화된 최소 잔차법을 사용하여 방정식을 풀어 도파관 구조의 전기장을 유도하고, 이를 기반으로 사전 설정된 주파수 대역에서의 반사 계수를 산출함.
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주파수 대역은 동일한 크기의 n개의 부분 주파수 대역으로 나누어 병렬적으로 연산을 수행함.
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확장 주파수 대역에 대해 GMRES를 적용하여 전기장을 유도하고 반사 계수를 산출한 후, 해당 부분 주파수 대역의 반사 계수를 추출함.
실험 결과
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병렬 처리를 통해 기존 방법보다 빠르게 도파관 구조의 반사 계수를 산출하는 솔버 장치 및 방법을 제시함.
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GMRES 알고리즘을 이용하여 유한 요소법의 해를 효율적으로 구함으로써 정확도를 높이고 계산 시간을 단축하는 결과를 얻음.
활용 방안 및 기대효과
활용 방안
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본 발명은 유한 요소법(FEM)을 이용하여 도파관 구조의 수치 해석에 사용되는 반사 계수를 산출하는 솔버 장치 및 방법에 관한 것임.
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RF 컴포넌트 설계, 특히 도파관 설계에 직접적으로 적용 가능함. 도파관의 주파수 대역에서의 반사 계수를 정확하게 계산하여 최적의 도파관 구조 설계를 지원함.
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본 발명의 솔버 장치는 일반화된 최소 잔차법을 이용하여 유한 요소법에 기반한 방정식을 풀어 도파관의 전기장을 유도하고, 이를 통해 반사 계수를 산출함.
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이는 전자기 시뮬레이션 소프트웨어나 하드웨어에 통합되어 사용될 수 있으며, 통신, 레이더, 위성통신 등 전자기파를 이용하는 다양한 산업 분야에 적용 가능함.
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주파수 대역을 여러 부분 주파수 대역으로 나누어 병렬적으로 계산함으로써, 기존 방법보다 빠르게 반사 계수를 산출할 수 있음.
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이는 대규모 도파관 시스템이나 고주파수 대역의 설계에 유용하게 활용될 수 있으며, 설계 시간 단축 및 효율 향상에 기여함. 특히 고성능 컴퓨팅 환경에서 효과적임.
기대효과
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본 발명은 기존의 도파관 설계 방식보다 정확하고 효율적인 수치 해석 결과를 제공함으로써, 설계 오류를 최소화하고 제품의 성능을 향상시킬 수 있음. 이는 제품 개발 기간 단축과 비용 절감으로 이어짐.
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병렬 연산 기법을 통해 계산 속도를 향상시켜 설계 시간을 단축하고 생산성을 증대시킬 수 있음. 이는 경쟁력 강화에 직접적으로 기여함.
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고주파 통신 시스템, 레이더 시스템 등의 개발 속도를 크게 높일 수 있음.
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본 발명은 도파관 설계 분야의 기술 경쟁력을 강화하고, 관련 산업의 발전에 기여할 수 있음. 새로운 도파관 설계 기술의 개발과 상용화를 통해 국내외 시장 점유율 확대가 기대됨.
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향후 5G, 6G 등 차세대 통신 시스템 개발에도 필수적인 기술로 자리매김할 것으로 예상됨.
시장 동향
도파관 기술 시장 동향
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5G/6G 통신 인프라 확대에 따라 고주파 대역에서의 신호 전송 및 처리를 위한 도파관 구조의 중요성이 증대되고 있으며, 기지국, 안테나, 위성 통신 등 다양한 분야에서 도파관 설계 기술 수요가 확대되고 있다.[웹 출처]
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고성능 컴퓨팅 리소스를 활용한 클라우드 기반 도파관 설계 및 해석 서비스가 증가하고 있으며, 협업 및 원격 작업 환경 지원을 통한 설계 프로세스 효율화가 이루어지고 있다.[웹 출처]
도파관 기술 응용분야
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공항, 항만 등 주요 시설의 보안 강화를 위한 고해상도 이미징 레이더 개발에 도파관 기술이 활용되며, 은닉 물체 탐지 능력 향상을 위한 도파관 구조 설계가 이루어지고 있다.[웹 출처]
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