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
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특허명: 벽 투과 레이다용 기판집적도파관 슬롯배열 고이득 안테나와 결합하는 벽 접촉 메타재질표면 장치
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대표 발명자: 강승택 교수
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출원번호: 10-2023-0099654
발명의 배경 및 필요성
기술 발전의 중요성
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벽을 통과하는 레이더 시스템은 법 집행, 군사 작전, 수색 및 구조, 건설 산업 등 다양한 분야에서 응용될 수 있어 연구와 개발이 중요함
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이 기술은 무거운 재료를 통한 신호 전송과 수신 능력 향상이 주요 도전 과제임
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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
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메타물질 사용과 고이득 안테나, 기판 도파관 슬롯 배열의 통합을 통해 레이더 신호의 지향성과 초점을 향상시키는 새로운 접근법을 제시함
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벽 접촉 메타물질 표면의 추가는 레이더 시스템과 벽의 임피던스 매칭을 통해 신호 반사 및 흡수를 줄이는 데 기여함
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이 발명은 레이더 기술 산업에서 보다 정밀하고 신뢰할 수 있는 시스템 개발을 위한 추세에 부합함
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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
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본 기술은 벽을 투과하는 레이더 시스템의 안테나와 관련되어, 전자기파가 벽을 효과적으로 통과하도록 돕는 변환 물질로 만들어진 표면으로 구성됨
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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
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유전체의 공기 구멍 수와 반경을 조절하여 전자기파의 유효 유전율과 지연을 결정하고, 벽에 반사된 후 수신기에서 감지할 수 있게 함
기술의 장점
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벽과 접촉해도 신호 투과가 원활하며, 임피던스 정합 및 집중으로 높은 지향성을 갖춤
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공기 구멍 패턴을 통해 변환 물질 평면 렌즈 기능을 하며, 전자기파 시뮬레이션 테스트로 성능을 검증함
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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
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변환 물질 평면 렌즈와 고이득 안테나의 조합이 벽에 의한 감쇠를 줄이고 감지 능력을 향상시키는지 확인하고, 전기장 분포를 통해 임피던스 정합과 전자기파 집중의 효과를 입증함
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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
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변환 물질 평면 렌즈를 통해 전자기파의 투과력을 높일 수 있으며, 벽이 있어도 전자기파가 잘 전송됨을 확인함
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신호 발생기와 네트워크 분석기를 사용하여 전자기파를 생성, 제어 및 분석하는 구조의 효과를 입증함
발명의 활용 방안
다양한 분야에서의 적용 가능성
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건물 내 숨겨진 금속 물체를 찾는 데 사용되는 이 레이다 시스템은 작고 효율적인 안테나를 벽에 부착하여 전력 손실을 최소화하고 탐지 효율을 향상시킴
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메타재질 표면은 임피던스 부정합 문제를 해결하고 벽을 통과하는 전파의 손실을 줄여줌
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경찰과 구조대의 긴급 구조 서비스에 중요한 역할을 하며, 보안 강화에도 활용 가능함
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평평하고 부피가 작은 안테나는 PCB 에칭 공정으로 경제적으로 제작되며 설치가 간편함
기대효과
사회적 및 경제적 기대 효과
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벽 뒤 금속 물체 탐지에 있어 높은 정확도와 효율성을 제공함
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전파 손실 감소와 전력 소비 절약을 통해 에너지 효율성 증대 및 운영 비용 절감이 기대됨
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긴급 상황에서 신속한 대응과 보안 강화로 사회적 가치 및 안전성 향상에 기여함
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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
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메타물질과 고이득 안테나, 기판 도파관 슬롯 배열의 통합으로 레이더 신호의 지향성과 초점이 향상되었습니다.
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임피던스 매칭을 통해 신호 반사 및 흡수를 줄이고, 벽을 통과하는 전파의 손실을 감소시킵니다.
기술 발전에 따른 해상도 및 범위 향상
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다양한 주파수, 안테나 설계 및 신호 처리 기술의 개선으로 초기 기술적 한계를 극복하고 해상도와 범위가 향상되었습니다.
Weaknesses
신호 전송과 수신의 기술적 도전
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무거운 재료를 통한 신호 전송과 수신 능력 향상이 주요 도전 과제로 남아있습니다.
Opportunities
다양한 분야에서의 응용 가능성
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법 집행, 군사 작전, 수색 및 구조, 건설 산업 등 다양한 분야에서 응용될 수 있는 기술입니다.
응용 범위의 확장
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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
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기술적 한계로 인한 초기 해상도와 침투 깊이의 제한이 있었으며, 지속적인 기술 발전이 필요합니다.
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경쟁 기술의 발전으로 인해 시장에서의 우위를 유지하기 위한 지속적인 연구 및 개발이 요구됩니다.
Summary
Strengths
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메타물질과 고이득 안테나의 통합으로 레이더 신호의 지향성과 초점이 향상되었으며, 기술 발전에 따라 해상도와 범위가 개선되었습니다.
Weaknesses
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무거운 재료를 통한 신호 전송과 수신 능력 향상이 주요 도전 과제로 남아있습니다.
Opportunities
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법 집행, 군사 작전, 수색 및 구조, 건설 산업 등 다양한 분야에서 응용될 수 있는 기술로 응용 범위가 확장될 수 있습니다.
Threats
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기술적 한계와 경쟁 기술의 발전으로 인해 시장에서의 우위를 유지하기 위한 지속적인 연구 및 개발이 요구됩니다.
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