KR102660678B1 - 넓은 각도로 사물 감지가 가능한 레이더 돔 전자파 메타 소재 - Google Patents

Abstract

본 발명은 메타소재 기반의 레이돔(Radome) 설계 및 제조기술이며, 메타소재를 적용하여 레이더의 송/수신 전자파의 방위각을 넓혀 광각의 탐지가 가능하게 하는 기술이며, 기존 차량에 적용되는 저렴한 소재의 사용이 가능하고 제조 용이성이 높아 상품화 가능성이 높은 기술이다.

Description

넓은 각도로 사물 감지가 가능한 레이더 돔 전자파 메타 소재{Wide-Angle Transmittable Metamaterial-Based Radome}

본 발명은 넓은 각도로 사물 감지가 가능한 레이더 돔 전자파 메타 소재에 관한 것이다.

레이돔은 레이더의 전단(front end)에 구성되는 부품으로 외부의 공기저항, 비, 우박, 습기, 먼지 등으로부터 레이더 안테나와 시스템을 보호하고 레이더신호와 사물에 의한 echo신호가 잘 통과할 수 있는 기능을 갖추기 위해 외부충격에 강한 강화플라스틱을 사용하고 공기층과 유사한 전자파 유전율을 가진다. 따라서, 기존의 레이돔은 레이더신호의 송수신의 특성을 제어하는 기능을 갖고있지 못하여, 레이더의 직진성 향상 및 방위각 향상과 같은 레이더신호제어를 위해선 별도의 부속 장치가 필수적이다.

일반적으로 레이더 장치에서 방출된 전자파는 필요에 따라 장거리 사물을 감지하거나 근거리 사물을 감지할 수 있게 설계하는데, 예를 들어 자동차에 장착이 되어 근거리 사물을 감지하는 레이더 장치의 경우 넓은 각도로 주변 사물을 감지해야 하는데, 레이더 장치에서 방출되는 전자파는 기존 사용되고 있는 레이더 돔을 지나면서 주변사물을 감지할 수 있는 각도가 좁아지는 단점을 가지고 있다.

본 발명은 레이더 장치에서 방출되어 레이더 돔 장치를 지나친 뒤 주변사물을 감지하는 전자파의 파형을 안정적으로 넓은 각도로 주변 사물을 감지할 수 있게 해주는 레이더 돔 전자파 메타 소재를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 레이더 장치에서 방출되어 레이더 돔 장치를 지나친 뒤 주변사물을 감지하는 전자파의 파형을 안정적으로 넓은 각도로 주변 사물을 감지할 수 있게 해주는 무전력 전자기파 메타소재에 대한 것으로써 전자기파 메타소재 및 전자파 변조 기술에 관한 것이다.

본 발명에 따른 레이더 돔 전자파 메타 소재는 레이더 장치에서 방출되어 레이더 돔을 지나치는 전자기파의 파형을 보정시켜주는 역할을 하여 기존의 레이더 돔보다 더 넓은 각도로 사물을 감지할 수 있다.

또한, 본 발명의 레이더 돔 전자파 메타 소재는 전력의 소모가 없으며 자동차의 근거리 감지 레이더 장치에 적용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 고광각 레이돔(Wide-Angle Transmitted Radome)의 적용분야인 (a) 자율주행차량 측방감지센서, (b) 항공기 광대역 레이더 (c) 차세대 육/해/공 레이더에 적용에 대한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 고광각 레이돔(Wide-Angle Transmitted Radome)의 적용분야를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따라 메타 원자를 배치하여 전자기파 메타물질을 형성한 것을 나타내는 평면도이다.
도 4는 기존의 레이더 장치에서 방출되어 레이더 돔을 통과한 전자파의 방사 그래프이다.
도 5는 레이더 돔에 본 발명의 메타소재를 부착한 경우의 전자파 방사그래프는 아래와 같다.

본 발명은 메타소재 기반의 레이돔(Radome) 설계 및 제조기술이며, 메타소재를 적용하여 레이더의 송/수신 전자파의 방위각을 넓혀 광각의 탐지가 가능하게 하는 기술이며, 기존 차량에 적용되는 저렴한 소재의 사용이 가능하고 제조 용이성이 높아 상품화 가능성이 높은 기술이다.

본 발명은 레이더의 방위각을 넓히는 레이돔 기술이며, 이를 통해 광범위 영역에서 주변의 사물을 인식할 수 있다. 레이더는 야간, 먼지, 안개, 눈, 비등의 가혹한 기후 조건에서도 초음파, 광학카메라에 비해 월등히 안정적으로 원거리 의사물을 탐지할 수 있으므로 기존의 비행기, 배뿐만 아니라 차량에도 급속히 보급되고 있는 실정이다. 레이더의 우수한 장점과 함께 성능적인 측면에서 40도내외의 최대 방위각은 먼 거리의 사물을 탐지하는데 매우 우수하나 넓은 범위내 사물들을 탐지하는 경우에는 약점으로 작용되고 있다. 본 발명은 이를 위해 외부의 공기저항, 비, 우박, 습기, 먼지 등으로부터 레이더 안테나와 시스템을 보호하고 레이더신호와 사물에 의한 echo신호가 잘 통과할 수 있는 기능만을 가지고 있는 종래의 레이돔에 고효율, 저비용으로 보다 넓은 방위각을 갖게 하는 기능성을 부여하고자 하는 기술이다.

본 발명은 레이더로부터 송신되는 전자파와 사물로부터 되돌아 오는 전자파의 각도인 방위각을 종래 최대 ±40도에서 최대 ±70도로 확장을 할 수 있는 주기적 구조를 갖는 메타구조체의 설계기술 및 제조기술을 확보하였다.

본 발명의 적용된 메타구조체는 2.5~5 정도의 유전율을 갖는 평판 형태의 플라스틱 소재 위에 전도체 패턴을 주기적 형태로 제작하는 형태로 구성되며, 이러한 전도체 패턴은 두께가 수십~수백 μm의 두께, 수백 μm~수 mm 의 패턴크기와 간격을 갖는 형태로 보편적으로 사용되고 있는 PCB회로 제작공정을 통해 제작이 가능하므로 제조공정이 용이하다.

현재 차량용 레이더는 주로 적응형 순항제어 (Advanced Cruise Control), 전방충돌 경보 (Forward collision Warning)용으로적용되고 있고, 차량의 전면에 설치되어 있으나, 반면에 후측면 경보 (Rear Cross Traffic Alert), 사각지대 탐지(Blind Spot Detection)은 탐지 방위각이 넓은 초음파센서가 적용되고 있다. 그러나, 향후 본 발명의 적용을 통해 넓은 방위각과 더불어 먼 탐지거리를 확보가 가능할 것이다. 또한, 본 발명은 항공기, 선박의 운행에 적용되는 안테나에 적용이 가능하고, 군사적으로도 적용이 가능하여 미사일, 항공기, 군함의 조기경보 및 대응시스템의 효율성 향상에 기여할 것이다.

본 발명은 레이더 장치에서 방출되어 레이더 돔 장치를 지나친 뒤 주변사물을 감지하는 전자파의 파형을 안정적으로 넓은 각도로 주변 사물을 감지할 수 있게 해주는 무전력 전자기파 메타소재에 대한 것으로써 전자기파 메타소재 및 전자파 변조 기술이다. 종래에 전자파를 흡수하거나 투과효율을 개선해주는 메타소재에 대한 기술이 있으나, 본 발명에서는 전자파의 각도를 유지시켜주는 메타소재에 대한 기술이며, 보다 상세하게는 전자파 파형 변조 기술과 밀접한 관련이 있다.

본 발명은 앞서 언급한 레이더 돔을 지나면서 주변사물을 감지각도가 줄어드는 것을 보완할 수 있는 기술로써 전자기파 메타소재를 기반으로 한 전자파 변조 기술에 관한 것으로, 해당 기술을 활용하면 넓은 각도로 사물을 감지할 수 있는 기술이며, 전자기파 메타소재를 활용하여 넓은 각도로 사물을 감지할 수 있는 기술은 현재까지 알려진 바 없다.

이에 본 발명은 종래 기술에 비하여 비교적 간단한 메타소재 제작 공정을 통하고, 전자파 변조기술을 적용하여 레이더 돔이 넓은 감지각도를 유지할 수 있는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 a) 메타 원자; 및 b) 상기 메타 원자를 일정한 패턴으로 배열하여 형성된 전자파 메타물질을 제공한다. 상기 메타 원자는 선 형태의 형상을 가질 수 있다. 상기 전자기파 메타물질은 메타 원자들을 주기적인 형태로 배열하여 형성될 수 있다. 상기 전자기파 메타물질은 레이더 장치에서 방출되는 전자파의 파형을 변조할 수 있으며, 레이더 돔 장치를 통하면서 감지각도가 줄어드는 단점을 보완하여 넓은 각도로 사물을 감지할 수 있다. 레이더 장치에서 발출되는 전자기파의 주파수는 76~81 GHz 의 대역을 가질 수 있다. 상기 메타 원자는 FR4, Rogers3003, 고분자 등의 유전체 소재 또는 구리, 은, 금 등의 금속으로 구성될 수 있다.

본 발명에 따른 전자기파 메타물질은, 레이더 장치에서 방출되어 레이더 돔을 지나치는 전자기파의 파형을 보정시켜주는 역할을 하여 기존의 레이더 돔보다 더 넓은 각도로 사물을 감지할 수 있다. 이와 같은 효과를 갖는 전자기파 메타물질은 전력의 소모가 없으며 자동차의 근거리 감지 레이더 장치에 적용될 수 있다.

실시예 1: 선 형태의 메타 원자를 배열한 전자기파 메타물질

메타원자는 유전체 판 위에 금속으로 구성되고 일방향으로 연장되는 선 형태의 형상이다. 유전체 판은 두께가 0.2 mm (0.1~0.5 mm) 이고, 가로와 세로의 길이는 2.6 mm (1~5 mm) 이다. 금속으로 구성된 선은 유전체 판의 한쪽면에 일방향과 직각인 타방향으로 이격되면서 배치되며, 선폭은 0.1 mm (0.05~2 mm) 일수 있고, 선의 두께는 0.036 mm (0.018~0.056mm) 이다. 이러한 메타원자는 주기적인 배열을 통하여 메타물질을 형성할 수 있으며 2.6 mm (1~5 mm) 간격으로 배열을 하였다.

기존의 레이더 장치에서 방출되어 레이더 돔을 통과한 전자파의 방사 그래프인 도 4를 참조하면, 각도 0도를 기준으로 -10dB 지점의 각도가 총합 110도에 불과한 것을 확인할 수 있다.

본 발명의 메타물질이 부착된 경우 각도 0도를 기준으로 -10dB 지점의 각도가 총합 130도를 넘어서는 것을 확인 할 수 있다. 이러한 결과는 메타소재가 부착된 레이더 돔을 통과한 전자파의 경우 넓은 각도로 사물을 인지할 수 있다는 것을 확인시켜 주는 결과이며, 이러한 전자파의 변조는 76~81 GHz 에서 모두 가능하다.

본 발명에 따른 전자파 메타물질은 레이더 장치에서 방출되는 전자파의 감지각도를 넓게 유지시켜 줄 수 있으므로 레이더 시스템에 직접적으로 적용이 가능할 것으로 판단된다. 또한, 본 발명에 따른 전자파 메타물질은 주변 사물을 넓은 각도로 감지해야 하는 레이더 및 안테나 시스템에 직/간접적으로 적용이 될 수 있을 것으로 판단된다.

Claims (1)

1. a) 메타 원자; 및 b) 상기 메타 원자를 일정한 패턴으로 배열하여 형성된 전자파 메타물질을 포함하며,
   상기 메타 원자는 유전체 판 위에 금속으로 구성되고 일방향으로 연장되는 선형태의 형상이며 상기 유전체 판의 한쪽면에 상기 일방향과 직각인 타방향으로 이격되면서 배치되어 형성되며,
   상기 금속으로 구성된 선은 선폭이 0.05 ∼ 2.0mm이며 선 두께가 0.018 ∼ 0.056mm인 것을 특징으로 하는 넓은 각도로 사물 감지가 가능한 레이더 돔 전자파 메타 소재.