KR102562396B1 - 차량용 레이더 안테나 장치 및 이를 구비한 자율주행 차량 - Google Patents

Abstract

차량용 안테나 장치가 개시된다. 상기 안테나 장치는 제1인쇄회로기판 상에 인쇄되고 제1굴절율 범위와 제1굴절율 분포를 가지는 제1메타물질 스택; 제1메타물질 스택 아래에 이격되어 배치되고, 제2인쇄회로기판 상에 인쇄되며, 제2굴절율 범위와 제2굴절율 분포를 가지는 제2메타물질 스택; 그리고 제2메타물질 스택 아래에 이격되어 배치되고, 신호를 발신 또는 수신하도록 된 안테나를 포함하며, 제1메타물질 스택에는 복수의 메타물질의 유닛 셀들이 제어된 방식으로 배열되어 제1굴절율이 제1메타물질 스택의 중심에서 가장 크고, 반경에 따라 단계적으로 줄어들며, 제2메타물질 스택에는 복수의 메타물질의 유닛 셀들이 제어된 방식으로 배열되어 제2굴절율이 제2메타물질 스택의 중심에서 가장 크고, 반경에 따라 단계적으로 줄어들고, 제1굴절율 범위와 제2굴절율 범위는 동일할 수 있다.
상기 안테나 장치를 구비한 자율주행 차량이 더 개시된다.

Description

차량용 레이더 안테나 장치 및 이를 구비한 자율주행 차량{RADAR ANTENNA DEVICE FOR VEHICLE AND AUTONOMOUS VEHICLE EQUIPPED WITH THE SAME}

본 발명은 본 디지털 빔 스티어링(digital steer beam) 방식의 레이더 안테나 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 지향성 레이더 빔을 형성하여 높은 이득율의 빔으로 진행파의 거리에 따른 파형의 퍼짐(beam broadening)을 줄여 스캐닝 시에 원거리 각도 분해능을 향상할 수 있는 차량용 레이더 안테나 장치에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 레이더 안테나 장치를 구비한 자율주행 차량에 관한 것이다.

굴절률(refractive index)은 유전율(permittivity)과 투자율(permeability)의 곱에 대한 제곱근(square root)으로, 일반 자연계에서 물질은 항상 양(positive)의 값을 갖는다. 메타물질(meta-material)이란 일반적인 물질에 상응하는 개념으로, 양수, 0 혹은 음의 유전율, 음의 투자율 또는 음의 굴절률을 갖는 매질을 의미한다. 즉, 일반적으로 굴절률은 주파수에 따라 변화하는데, 메타물질의 경우, 특정 주파수 구간에서 0 또는 음의 굴절률을 가질 수 있다.

메타물질이 갖는 물리적 특성에 기반한 스넬 법칙의 역전(reversed Snell's law), 도플러 효과의 역전, 음의 위상 속도(negative phase velocity) 등과 같은 현상은 이미 널리 알려져 있다.

플라즈마와 같은 물질에서는 음의 유전율을 자연계에서 얻을 수 있다는 것이 알려져 있었지만, 음의 투자율을 얻는 방법은 1999년 펜드리(Pendry) 교수가 자신의 논문에서 '스위스롤(Swiss roll)' 혹은 'SRR(split ring resonator)' 구조를 통하여 밝힌 후에야 알려지기 시작하였다. 이론적으로만 연구되어 오다가 2001년에 '와이어(wire)' 구조와 'SRR' 구조가 결합된 인류 최초의 양수, 0 및 음수의 굴절률을 갖는 메타물질이 제작되었고, 실험을 통하여 실제 굴절률이 양수, 0 및 음수가 됨을 확인하였다.

이와 같은 메타물질은 음의 유전율을 얻기 위한 '와이어' 구조와 음의 투자율을 얻기 위한 'SRR' 구조의 결합으로 이루어졌으며, 현재까지 진행되어 온 메타물질 구조 개발에 있어 구현 방법의 주류를 이루고 있다. 그 후 많은 연구가 진행되어 다양한 메타물질 구조가 제안되었으며, 그 응용 분야 또한 다양하게 발전되어 오고 있다.

이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.

본 발명의 실시 예는 밀리미터파 레이더 신호 대역에서 광각 입사 시 임피던스 매칭에 따른 수신파의 감쇄를 줄일 수 있는 차량용 레이더 안테나 장치를 제공하고자 한다.

또한, 본 발명의 다른 실시 예는 장거리 모드(LRR mode)에서 각분해도 성능이 향상된 차량용 레이더 안테나 장치를 제공하고자 한다.

본 발명의 실시 예에 따른 차량용 안테나 장치는 제1인쇄회로기판 상에 인쇄되고 제1굴절율 범위와 제1굴절율 분포를 가지는 제1메타물질 스택; 제1메타물질 스택 아래에 이격되어 배치되고, 제2인쇄회로기판 상에 인쇄되며, 제2굴절율 범위와 제2굴절율 분포를 가지는 제2메타물질 스택; 그리고 제2메타물질 스택 아래에 이격되어 배치되고, 신호를 발신 또는 수신하도록 된 안테나를 포함하며, 제1메타물질 스택에는 복수의 메타물질의 유닛 셀들이 제어된 방식으로 배열되어 제1굴절율이 제1메타물질 스택의 중심에서 가장 크고, 반경에 따라 단계적으로 줄어들며, 제2메타물질 스택에는 복수의 메타물질의 유닛 셀들이 제어된 방식으로 배열되어 제2굴절율이 제2메타물질 스택의 중심에서 가장 크고, 반경에 따라 단계적으로 줄어들고, 제1굴절율 범위와 제2굴절율 범위는 동일할 수 있다.

제1굴절율 분포는 의 가우시안 확률 분포를 따르고, 제2굴절율 분포는 의 가우시안 확률 분포를 따를 수 있다. 여기서, A1, A2는 상수이고, σ1은 제1표준편차이며, σ2는 제2표준편차이고, r은 메타물질의 유닛 셀이 배치된 원의 반경이다.

σ1은 0.05 내지 0.1이고, σ2는 0.1 내지 0.2일 수 있다.

제1메타물질 스택과 제2메타물질 스택 사이의 거리(D1)는 λ/4 내지 2λ이고, 제2메타물질 스택과 안테나 사이의 거리(D2)는 λ/2 내지 2λ일 수 있다. 여기서, λ는 안테나에서 발신하고 수신하는 신호의 파장이다.

하나의 예에서, 상기 제1굴절율 범위와 제2굴절율 범위는 -4와 0.1 사이일 수 있다.

다른 하나의 예에서, 상기 제1굴절율 범위와 제2굴절율 범위는 0.1과 2.2 사이일 수 있다.

본 발명의 다른 실시 예에 따른 자율주행 차량은 본 발명의 실시 예에 따른 안테나 장치를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시 예들에 따르면, 메타물질의 렌즈에 의한 신호의 집속 효과로 레이다 안테나에 포착되는 탐지 물체에 대한 각도 분해능이 향상되어, 물체의 탐지 성능이 더욱 향상될 수 있다. 이로 인해 비탐지 물체로 인한 사고의 위험성이 줄어들어 차량, 특히 자율주행 차량의 안정성이 향상될 수 있다.

또한, 스캐닝시의 광각의 신호에 대한 스캐닝 최대 거리가 증가될 수 있다. 이로 인해, 다수의 물체를 동시에 탐지할 수 있는 능력이 향상될 수 있다.

그 외에 본 발명의 실시 예로 인해 얻을 수 있거나 예측되는 효과에 대해서는 본 발명의 실시 예에 대한 상세한 설명에서 직접적 또는 암시적으로 개시하도록 한다. 즉 본 발명의 실시 예에 따라 예측되는 다양한 효과에 대해서는 후술될 상세한 설명 내에서 개시될 것이다.

본 명세서의 실시예들은 유사한 참조 부호들이 동일하거나 또는 기능적으로 유사한 요소를 지칭하는 첨부한 도면들과 연계한 이하의 설명을 참조하여 더 잘 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 차량용 레이더 안테나 장치의 분해도로서, 메타물질의 유닛 셀의 배열을 보여준다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 차량용 레이더 안테나 장치의 다른 분해도로서, 메타물질의 유닛 셀들이 구현하는 굴절율을 보여준다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 차량용 레이더 안테나 장치의 측면도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 제1메타물질 스택 또는 제2메타물질 스택의 평면도로서, 메타물질의 유닛 셀들의 배열을 보여준다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 제1메타물질 스택이 구현하는 굴절율의 분포를 보여준다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 제2메타물질 스택이 구현하는 굴절율의 분포를 보여준다.
도 7은 본 발명의 실시 예들에 따른 1메타물질 스택 또는 제2메타물질 스택이 구현하는 굴절율의 범위를 보여준다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 차량용 레이더 안테나 장치에 적용될 수 있는 메타물질의 유닛 셀의 일 예를 보인 개략도이다.
위에서 참조된 도면들은 반드시 축적에 맞추어 도시된 것은 아니고, 본 개시의 기본 원리를 예시하는 다양한 선호되는 특징들의 다소 간략한 표현을 제시하는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, 특정 치수, 방향, 위치, 및 형상을 포함하는 본 개시의 특정 설계 특징들이 특정 의도된 응용과 사용 환경에 의해 일부 결정될 것이다.

여기에서 사용되는 용어는 오직 특정 실시 예들을 설명하기 위한 목적이고, 본 발명을 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 여기에서 사용되는 바와 같이, 단수 형태들은, 문맥상 명시적으로 달리 표시되지 않는 한, 복수 형태들을 또한 포함하는 것으로 의도된다. "포함하다" 및/또는 "포함하는"이라는 용어는, 본 명세서에서 사용되는 경우, 언급된 특징들, 정수들, 단계들, 작동들, 구성요소들 및/또는 컴포넌트들의 존재를 특정하지만, 다른 특징들, 정수들, 단계들, 작동들, 구성요소들, 컴포넌트들 및/또는 이들의 그룹들 중 하나 이상의 존재 또는 추가를 배제하지는 않음을 또한 이해될 것이다. 여기에서 사용되는 바와 같이, 용어 "및/또는"은, 연관되어 나열된 항목들 중 임의의 하나 또는 모든 조합들을 포함한다.

추가적으로, 아래의 방법들 또는 이들의 양상들 중 하나 이상은 적어도 하나 이상의 제어기에 의해 실행될 수 있음이 이해된다. "제어기"라는 용어는 메모리 및 프로세서를 포함하는 하드웨어 장치를 지칭할 수 있다. 메모리는 프로그램 명령들을 저장하도록 구성되고, 프로세서는 아래에서 더욱 자세히 설명되는 하나 이상의 프로세스들을 수행하기 위해 프로그램 명령들을 실행하도록 특별히 프로그래밍된다. 제어기는, 여기에서 기재된 바와 같이, 유닛들, 모듈들, 부품들, 장치들, 또는 이와 유사한 것의 작동을 제어할 수 있다. 또한, 아래의 방법들은, 당업자에 의해 인식되는 바와 같이, 하나 이상의 다른 컴포넌트들과 함께 제어기를 포함하는 장치에 의해 실행될 수 있음이 이해된다.

또한, 본 개시의 제어기는 프로세서에 의해 실행되는 실행 가능한 프로그램 명령들을 포함하는 비일시적인 컴퓨터로 판독 가능한 기록 매체로서 구현될 수 있다. 컴퓨터로 판독 가능한 기록 매체들의 예들은 롬(ROM), 램(RAM), 컴팩트 디스크(CD) 롬, 자기 테이프들, 플로피 디스크들, 플래시 드라이브들, 스마트 카드들 및 광학 데이터 저장 장치들을 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 컴퓨터 판독가능 기록 매체는 또한 컴퓨터 네트워크 전반에 걸쳐 분산되어 프로그램 명령들이, 예를 들어, 텔레매틱스 서버(telematics server) 또는 제어기 영역 네트워크(Controller Area Network; CAN)와 같은 분산 방식으로 저장 및 실행될 수 있다.

차량용 레이더 안테나 장치, 특히 자율주행 차량용 레이더 안테나 장치는 77GHz 대역을 주로 사용하고, 인쇄형 마이크로스트립 형태의 배열 안테나를 주로 사용한다. 또한, 넓은 범위를 스캐닝하기 위해 디지털 빔 스티어링(digital steer beam) 방식의 레이더 안테나 장치를 채택하고 있다.

자율주행 차량용 레이더 안테나 장치는 목표물의 거리 및 속도뿐만 아니라, 빔의 퍼짐에 의한 각도 분해능을 통해 원거리에 위치하며 서로 근접한 다른 탐지 물체를 구별한다.

탐지하고자 하는 물체에서 반사된 레이더의 신호는 탐지 거리의 4승에 반비례하여 신호가 감쇄되므로 일정 거리 이상에서는, 특히 광각의 급속한 신호 감쇄로 인해 반사 신호의 탐지가 어려워질 수 있다. 또한, 신호의 입사 각도에 따라 임피던스 매칭에 따른 광각 신호의 급속한 신호 감소가 존재하여 일정 수준 이하의 신호는 SNR(signal to noise ratio)이 낮아져 신호 탐지의 신뢰성을 저하시킬 수 있다.

77GHz 부근의 대역을 사용하는 전형적인 상업용 레이더 안테나 장치는 장거리 모드(LRR mode)에서 빔의 폭(-3dB, beamwidth)이 약 2° 내지 약 5°이므로, 약 150m미터 ~ 약 200m미터 거리에 있는 물체에서 반사된 신호에 대한 각도 분해능(angular resolution)이 약 2° 내지 약 5°일 것이 요구된다.

레이더 안테나 장치가 높은 지향성 빔(high directivity beam)을 구현하면, 물체에서 반사되어 레이더 안테나 장치에서 수신한 빔의 폭(-3dB, beamwidth)을 줄일 수 있다. 따라서, 각도 분해능이 향상될 수 있다.

각도 분해능이 향상될수록 원거리에서 탐지된 물체를 구별하는 성능이 향상되어 레이더 안테나 장치로 더 멀리 위치한 근접한 두 물체 사이의 거리 및 속도 정보를 구별할 수 있게 된다. 이로써 더 안전한 자율주행을 가능하게 하는 레이더 안테나 장치를 구현할 수 있다.

또한, 탐지 물체로부터 반사되는 레이더 신호는 패치 형태의 안테나에 입사하는 각도에 따라 신호의 임피던스 차에 의해 원하지 않는 감쇄가 생기게 된다. 이러한 임피던스 매칭에 따른 신호 손실은 레이더 안테나 장치의 최대 신호 도달 거리 및 스캐닝 범위를 줄일 수 있다.

본 발명의 실시 예는 서로 다른 굴절율 분포를 가진 제1, 2메타물질 스택을 설정 거리만큼 서로 이격하여 배치함으로써 제2메타물질 스택에 인접하게 배치된 안테나로 빔을 집속할 수 있다. 따라서, 각도 분해능을 향상시킬 수 있다.

또한, 굴절율이 중심으로부터 반지름에 따라 점진적으로 변화되도록 제1, 2메타물질 스택 내의 유닛 셀들을 동심원 형태로 배열하여 임피던스 매칭에 따른 신호 손실을 줄이고 수신 신호의 빔의 폭을 줄이는 집속 효과를 통해 각분해 성능을 높일 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참고로 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다.

본 발명의 실시 예에 따른 차량용 레이더 안테나 장치는 차량, 특히 자율주행 차량에 장착된다. 예를 들어, 상기 안테나 장치는 자율주행 차량의 헤드라이트, 전면 범퍼, 루프 등 신호를 발신하고 수신하기 적절한 위치에 장착될 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 차량용 레이더 안테나 장치의 분해도로서, 메타물질의 유닛 셀의 배열을 보여주고, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 차량용 레이더 안테나 장치의 다른 분해도로서, 메타물질의 유닛 셀들이 구현하는 굴절율을 보여주며, 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 차량용 레이더 안테나 장치의 측면도이다.

도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 차량용 레이더 안테나 장치(10)는 제1인쇄회로기판(PCB)(200) 상에 배치된 제1메타물질 스택(100), 제2인쇄회로기판(400) 상에 배치된 제2메타물질 스택(300), 그리고 안테나(500)를 포함한다. 여기서, 제1메타물질 스택(100), 제1인쇄회로기판(200), 제2메타물질 스택(300), 제2인쇄회로기판(400), 그리고 안테나(500)는 순차적으로 배치된다.

전도성 물질인 제1메타물질 스택(100)은 일정 두께를 가진 비전도성 유전체 재질의 제1인쇄회로기판(200) 상에 인쇄되며 그 중심으로부터 제1굴절율 분포를 가진다. 전도성 물질인 제2메타물질 스택(300)은 일정 두께를 가진 비전도성 유전체 재질의 제2인쇄회로기판(400) 상에 인쇄되며 그 중심으로부터 제2굴절율 분포를 가진다. 여기서, 제1, 2굴절율 분포는 서로 다를 수 있으며, 뒤에서 더 자세히 설명한다.

제1, 2메타물질 스택(100, 300)은 복수의 메타물질의 유닛 셀(U1, U2, …, Un)이 제어된 방식으로 배열되어 레이더 안테나 장치(10)로 입사한 빔의 폭을 줄이고, 폭이 줄어든 빔을 안테나(500)로 전달한다. 보다 구체적으로, 제1메타물질 스택(100)은 제1굴절율 분포를 가지며 입사한 빔의 폭을 줄여 제2메타물질 스택(300)으로 전달한다. 또한, 제2메타물질 스택(300)은 제2굴절율 분포를 가지며 입사한 빔의 폭을 더욱 줄여 안테나(500)로 전달한다. 이를 위하여, 제1메타물질 스택(100)과 제2메타물질 스택(300) 사이의 거리(D1)는 약 λ/4 내지 약 2λ이고, 제2메타물질 스택(300)과 안테나(500) 사이의 거리(D2)는 약 λ/2 내지 약 2λ이다. 여기서, λ는 빔의 파장이며 약 3.8mm(차량에서 주로 사용하는 76GHz 내지 81GHz 주파수대역인 경우)이다.

안테나(500)는 신호를 발신하고 물체에서 반사되어 제1, 2메타물질 스택(100, 300)을 통하여 집속된 신호를 수신하도록 되어 있다.

상기 레이더 안테나 장치(10)는 제1, 2메타물질 스택(100, 300) 및 안테나(500)에 전기적으로 연결된 제어기(도시하지 않음)를 더 포함한다. 상기 제어기는 제1, 2메타물질 스택(100, 300) 및 안테나(500)의 작동을 제어한다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 제1메타물질 스택 또는 제2메타물질 스택의 평면도로서, 메타물질의 유닛 셀들의 배열을 보여주고, 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 제1메타물질 스택이 구현하는 굴절율의 분포를 보여주며, 도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 제2메타물질 스택이 구현하는 굴절율의 분포를 보여주고, 도 7은 본 발명의 실시 예들에 따른 1메타물질 스택 또는 제2메타물질 스택이 구현하는 굴절율의 범위를 보여준다.

도 4에 도시된 바와 같이, 제1, 2메타물질 스택(100, 300)은 각각이 입력 및 출력되는 신호를 근거로 표면을 통과하는 레이더 밀리미터파의 신호 프로파일을 변화시키는 복수의 메타물질의 유닛 셀(U1, U2, …, Un)을 포함한다. 복수의 메타물질의 유닛 셀(U1, U2, …, Un)은 동심원 상에 배열된다. 구체적으로, 제1열의 유닛 셀(U1)은 1개이며 복수의 원들의 중심에 위치하고, 제2열의 유닛 셀(U2)은 제1열의 유닛 셀(U1)을 둘러싸며 제1열의 유닛 셀(U1)을 중심으로 한 제1원 상에 배치되고, 제3열의 유닛 셀(U3)은 제2열의 유닛 셀(U2)을 둘러싸며 제1열의 유닛 셀(U1)을 중심으로 한 제2원 상에 배치되고, 제n열의 유닛 셀(Un)은 제(n-1)열의 유닛 셀(U(n-1))을 둘러싸며 제1열의 유닛 셀(U1)을 중심으로 한 제(n-1)원 상에 배치된다.

도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 제1메타물질 스택(100) 또는 제2메타물질 스택(300)의 동일한 원 상에 배치된 제i열의 유닛 셀들(Ui)은 서로 동일한 전자기적인 공진 특성을 가지며, 그 값이 지름에 따라 단계적으로 줄어들어 입사파의 파형이 효율적으로 변화된다.

도 5에 도시된 바와 같이, 제1메타물질 스택(100) 상의 복수의 메타물질의 유닛 셀(U1, U2, …, Un)은 제1굴절율 분포를 가지도록 배치된다. 제1굴절율 분포는 중심에서 최대값을 가지고 반경에 따라 단계적으로 줄어든다. 보다 구체적으로, 제1굴절율 분포(A(r))는 제1굴절율 범위의 의 가우시안 확률 분포를 따른다. 여기서, A1, A2는 상수이고, σ1은 제1표준편차이며, r은 메타물질의 유닛 셀이 배치된 원의 반경이다. 제1굴절율 분포를 위한 제1표준편차(σ1)는 0.05 ~ 0.1이다. 또한, 제1굴절율 범위는 -4와 0.1 사이(도 7(a) 참고) 또는 0.1과 2.2 사이(도 7(b) 참고)이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 제2메타물질 스택(300) 상의 복수의 메타물질의 유닛 셀(U1, U2, …, Un)은 제2굴절율 분포를 가지도록 배치된다. 제2굴절율 분포는 중심에서 최대값을 가지고 반경에 따라 단계적으로 줄어든다. 보다 구체적으로, 제2굴절율 분포(A(r))는 제2굴절율 범위의 의 가우시안 확률 분포를 따른다. 여기서, A1, A2는 상수이고, σ2는 제2표준편차이며, r은 메타물질의 유닛 셀이 배치된 원의 반경이다. 제2굴절율 분포를 위한 제2표준편차(σ2)는 0.1 ~ 0.2이다. 또한, 제2굴절율 범위는 -4와 0.1 사이(도 7(a) 참고) 또는 0.1과 2.2 사이(도 7(b) 참고)이다.

여기서, 제1굴절율 분포와 제2굴절율 분포는 A1, A2가 동일하며(즉, 제1굴절율 범위와 제2굴절율 범위는 동일하다) 표준편차가 다르다. 즉, 제1굴절율 분포가 -4와 0.1 사이의 값이면, 제2굴절율 분포도 -4와 0.1 사이의 값이다. 또한, 제1굴절율 분포가 0.1과 2.2 사이의 값이면 제2굴절율 분포가 0.1과 2.2 사이의 값이다. 다만, 제1표준편차가 제2표준편차 이하이므로 제1굴절율 분포가 제2굴절율 분포보다 가파르다.

이와 같이, 제1메타물질 스택(100)의 제1굴절율 분포와 제2메타물질 스택(300)의 제2굴절율 분포를 그 표준편차만 다른 가우시안 함수를 따르도록 함으로써 입사 및 출력파에 대한 웨이브 진행방향(k-propagation wave)으로 임피던스 매칭을 제1메타물질 스택(100)과 제2메타물질 스택(300)을 투과하면서 단계적으로 변화시킬 수 있다. 웨이브 진행방향(k-propagation wave)으로 단계적 임피던스 매칭은 단위 출력 당 원거리에서 반사되어 안테나(500)로 돌아오는 신호의 감쇄를 줄일 수 있다. 특히, 디지털 스캐닝 시에 광각으로 입/출력되는 신호의 경우 감쇄가 더 심하므로 이경우에 효과적이다.

이와 같이, 제1, 2메타물질 스택(100, 300)의 제1, 2굴절율이 그 중심으로부터 반경에 따라 단계적으로 줄어드는 분포를 가지므로, 웨이브 진행파의 빔 폭을 줄여주는 마이크로파에 대한 집속빔 렌즈와 같은 기능을 제공한다.

이러한 특성으로 인해 출력파에서 중심 글로브 파와 주변 사이드 글로브의 게인율 차이를 증가시켜 효과적으로 레이더의 각도 분해능을 높일 수 있다. 또한, 단계적으로 감소하는 굴절율의 원형 배열은 안테나(500)에 조사되는 밀리미터 레이더 전자기파의 게인율 향상을 구현한다.

도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 차량용 레이더 안테나 장치에 적용될 수 있는 메타물질의 유닛 셀의 일 예를 보인 개략도이다.

제1, 2굴절율 분포를 구현하기 위하여, 예를 들어 도 8에 도시된 유닛 셀의 파라미터들(L1-L8)을 조정할 수 있다. 이러한 파라미터들(L1-L8)을 조정하여 원하는 굴절율을 생성할 수 있음은 다수의 논문들, 예를 들어 K. Singh, M. P. Abegaonkar and S. K. Koul, "A negative index metamaterial lens for antenna gain enhancement," 2017에 개시되어 있다.

본 발명의 실시 예에 따르면, 신호는 제1, 2메타물질 스택(100, 300)을 단계적으로 투과하며, 안테나(500)의 신호 입/출력단에 z축 방향으로 임피던스 매칭을 단계적으로 구현한다. 이에 따라, 디지털 스캐닝 방식의 광각으로 입/출력시에 각도에 따른 반사손실을 줄일 수 있고, 결과적으로 자율주행 차량의 레이더의 최대 신호 도달 거리 및 스캐닝 범위를 넓히는 성능 향상을 가져올 수 있다.

또한, 제1, 2메타물질 스택(100, 300)의 제1, 2굴절율은 중심으로부터 반경이 증가함에 따라 가우시안 확률 분포 형태로 부드럽게 변한다. 이러한 효과로 입/출력 전자기파의 위상정보(phase)가 연속적으로 변형된다. 따라서, 제1, 2메타물질 스택(100, 300)은 밀리미터파에 대해 반경 방향으로 집속 렌즈 역할을 하게 된다. 따라서, 레이더 신호의 메인 글로브의 이득 향상을 가져올 수 있고, 빔 폭의 집속을 통해 레이더 신호의 각도 분해능(angular resolution)의 향상을 가져올 수 있다.

이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.

Claims (7)

1. 제1인쇄회로기판 상에 인쇄되고 제1굴절율 범위와 제1굴절율 분포를 가지는 제1메타물질 스택;
   제1메타물질 스택 아래에 이격되어 배치되고, 제2인쇄회로기판 상에 인쇄되며, 제2굴절율 범위와 제2굴절율 분포를 가지는 제2메타물질 스택; 그리고
   제2메타물질 스택 아래에 이격되어 배치되고, 신호를 발신 또는 수신하도록 된 안테나;
   를 포함하며,
   상기 제1메타물질 스택과 상기 제2메타물질 스택 각각에는 제1열의 유닛 셀, 제2열의 유닛 셀, 제3열의 유닛 셀을 포함하는 복수의 메타물질의 유닛 셀들이 동심원들과 상기 동심원들의 중심에 배열되고, 상기 제1열의 유닛 셀은 상기 중심에 위치하고, 상기 제2열의 유닛 셀은 상기 제1열의 유닛 셀을 둘러싸며 상기 제1열의 유닛 셀을 중심으로 한 제1동심원상에 배치되고, 상기 제3열의 유닛 셀은 상기 제2열의 유닛 셀을 둘러싸며 상기 제1열의 유닛 셀을 중심으로 한 제2동심원상에 배치되고, 상기 유닛 셀들 중에서 상기 제1열의 유닛 셀의 굴절율이 가장 크고, 상기 동심원들 각각의 반경이 커질수록 상기 동심원들 각각에 배치된 유닛 셀의 굴절율은 줄어들며,
   제1굴절율 범위와 제2굴절율 범위는 동일한 차량용 안테나 장치.
2. 제1항에 있어서,
   제1굴절율 분포는 의 가우시안 확률 분포를 따르고,
   제2굴절율 분포는 의 가우시안 확률 분포를 따르는 차량용 안테나 장치.
   (여기서, A1, A2는 상수이고, σ1은 제1표준편차이며, σ2는 제2표준편차이고, r은 메타물질의 유닛 셀이 배치된 동심원의 반경임)
3. 제2항에 있어서,
   σ1은 0.05 내지 0.1이고, σ2는 0.1 내지 0.2인 차량용 안테나 장치.
4. 제1항에 있어서,
   제1메타물질 스택과 제2메타물질 스택 사이의 거리(D1)는 λ/4 내지 2λ이고, 제2메타물질 스택과 안테나 사이의 거리(D2)는 λ/2 내지 2λ인 차량용 안테나 장치.
   (여기서, λ는 안테나에서 발신하고 수신하는 신호의 파장임)
5. 제1항에 있어서,
   상기 제1굴절율 범위와 제2굴절율 범위는 -4와 0.1 사이인 차량용 안테나 장치.
6. 제1항에 있어서,
   상기 제1굴절율 범위와 제2굴절율 범위는 0.1과 2.2 사이인 차량용 안테나 장치.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 하나의 항에 따른 안테나 장치를 포함하는 자율주행 차량.

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