KR20230011707A - Metamaterial surface cover for ready-made radars and commercial radars to improve the radiation patterns and dectection range, radar antenna, and radar antenna structure using metamaterial surface cover - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 기성품 차량 레이더, 모션센서 레이더의 방사파 성능을 향상시키는 메타표면 커버, 메타표면 커버를 사용한 레이더 안테나 및 레이더 안테나 구조체에 관한 것이다.The present invention relates to a metasurface cover for improving radiation performance of an off-the-shelf vehicle radar, a motion sensor radar, a radar antenna using the metasurface cover, and a radar antenna structure.
최근에는 지능형 교통 시스템(ITS: intelligent transportation system)에 대한 다양한 기술 개발과 신제품이 등장하고 있다. ITS는 운전자의 안전과 편의성을 높이고 첨단 운전자 보조 시스템(ADAS: advanced driver assistance systems)으로 상용화되었다. ADAS의 첫 번째 단계는 다양한 센서를 통해 차량 주변 환경을 감지하는 것이다. 환경 조건에 따라 센서가 앞차 또는 보행자와의 충돌 위험을 감지하면 경고음을 울리고 운전자가 브레이크를 작동하지 않거나 차선 이탈시 자동으로 브레이크를 제어하는 전방 충돌 방지가 있다. 경고음은 센서가 차선 이탈 위험을 감지할 때 경고음을 울리고 조향을 제어한다. ADAS에는 적응형 크루즈 컨트롤, 사각 지대 감지, 자동 비상 제동, 전방 충돌 경고, 후방 충돌 경고, 지능형 주차 지원과 같은 기능이 포함된다.Recently, various technological developments and new products for an intelligent transportation system (ITS) have emerged. ITS improves driver safety and convenience and has been commercialized as advanced driver assistance systems (ADAS). The first step in ADAS is to sense the environment around the vehicle through various sensors. Depending on environmental conditions, there is Forward Collision Avoidance, which sounds a warning when sensors detect a risk of collision with a vehicle or pedestrian in front and automatically controls the brakes if the driver does not apply the brakes or leaves the lane. The beep sounds a warning and controls the steering when the sensor detects a lane departure risk. ADAS includes features such as adaptive cruise control, blind spot detection, automatic emergency braking, forward collision warning, rear collision warning, and intelligent parking assistance.
ADAS의 효율적이고 안정적인 기능은 레이더, 라이다(LiDAR), 초음파, 적외선 센서 및 고화질 카메라와 같은 개별 구성 요소에 의존한다.The efficient and reliable functioning of ADAS relies on individual components such as radar, LiDAR, ultrasound, infrared sensors and high-definition cameras.
그 중에서 레이더 센서는 일반적으로 대부분의 자동차의 전면 및 후면 펜더, 윙 미러 또는 브랜딩 엠블럼 뒤에 배치되며 정확하고 정확한 정보를 제공하여 적응형 크루즈 컨트롤, 비상 제동 및 후방 충돌 경고와 같은 특징들을 가능하게 한다.Among them, radar sensors are usually placed behind the front and rear fenders, wing mirrors or branding emblems of most cars and provide accurate and accurate information to enable features such as adaptive cruise control, emergency braking and rear collision warning.
실제 자율 주행 차에서 센서는 융합으로 작동하지만 가장 다양한 응용 분야에 사용되는 기술은 레이더 센서이다.In real self-driving cars, sensors work by fusion, but the technology used for the most diverse applications is radar sensors.
레이더 센서가 계속 올바르게 작동하는지 확인하는 것은 주로 장치 자체의 구성 요소의 무결성과 차량에 장착되는 방법에 따라 달라진다. 예를 들어, 자동차 범퍼 뒤에 장착된 레이더 센서는 범퍼의 두께와 재질이 레이더의 방사 패턴을 쉽게 왜곡할 수 있다. 기술적 성능을 만족시키고 향상시키기 위해서 전파의 특성은 양호한 지향성과 이득, 양호한 에너지 전달 효율을 가져야 한다.Ensuring that the radar sensor continues to function properly depends primarily on the integrity of the components of the device itself and how it is mounted on the vehicle. For example, in a radar sensor mounted behind a car bumper, the thickness and material of the bumper can easily distort the radiation pattern of the radar. In order to satisfy and improve the technical performance, radio waves must have good directivity, good gain, and good energy transfer efficiency.
한편, 차량 충돌 방지를 위한 레이더 센서 및 물체의 존재와 물체의 다가옴을 인식하는 레이더 센서가 시중에서 팔리고 있다. 하지만, 전자파 빔 폭, 방향, 거리 및 감도를 더 향상시키고 싶을 때, 상용품을 사용하는 경우 설계 변경이 불가능하므로, 레이더 센서의 성능을 향상시키는 것은 용이하지 않다. Meanwhile, a radar sensor for vehicle collision avoidance and a radar sensor for recognizing the existence of an object and the approaching of an object are commercially available. However, when it is desired to further improve the width, direction, distance, and sensitivity of the electromagnetic wave beam, it is not easy to improve the performance of the radar sensor because it is impossible to change the design when commercially available products are used.
따라서, 기존의 레이더 상용품의 특성을 외부 장치를 사용하여 향상시키기 위한 기술이 요구된다.Therefore, a technique for improving the characteristics of existing commercial radar products using an external device is required.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 기존의 레이더 센서의 안테나 앞이나, 위, 또는 근처에 배치할 수 있는 얇고 평평한 구조로서 메타재질 표면을 설계함으로써, 레이더 센서의 안테나에서 방사되는 빔의 방사 강도를 향상시켜 물체 감지 거리를 증가시킬 수 있는, 기성품 차량 레이더, 모션센서 레이더의 방사파 성능을 향상시키는 메타표면 커버, 메타표면 커버를 사용한 레이더 안테나 및 레이더 안테나 구조체를 제공하는 것이다.The problem to be solved by the present invention is to design a metamaterial surface as a thin and flat structure that can be placed in front of, above, or near the antenna of a conventional radar sensor, thereby reducing the radiation intensity of a beam emitted from the antenna of a radar sensor. An object of the present invention is to provide a metasurface cover for improving radiation performance of an off-the-shelf vehicle radar and a motion sensor radar capable of increasing an object detection distance by improving the object detection distance, a radar antenna using the metasurface cover, and a radar antenna structure.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 의한 기성품 차량 레이더, 모션센서 레이더의 방사파 성능을 향상시키는 메타표면 커버는,The metasurface cover for improving the radiation performance of off-the-shelf vehicle radars and motion sensor radars according to an embodiment of the present invention for solving the above problems,
기판의 일면에 배치되는, 레이더 모듈의 송신용 안테나를 위한 제1 메타표면 패턴; 및A first metasurface pattern for a transmission antenna of a radar module disposed on one surface of the substrate; and
상기 제1 메타표면과 동일 면에 배치되며, 상기 레이더 모듈의 수신용 안테나를 위한 제2 메타표면 패턴을 포함하고,It is disposed on the same plane as the first metasurface and includes a second metasurface pattern for a reception antenna of the radar module,
상기 제1 메타표면 패턴 및 상기 제2 메타표면 패턴 각각은,Each of the first metasurface pattern and the second metasurface pattern,
메타물질 기반 메인 구조부,Metamaterial-based main structure,
상기 메인 구조부를 둘러싸는 메타물질 기반 제1 버퍼 구조부; 및a metamaterial-based first buffer structure surrounding the main structure; and
상기 제1 버퍼 구조부를 둘러싸는 메타물질 기반 제2 버퍼 구조부를 포함한다.A metamaterial-based second buffer structure surrounding the first buffer structure is included.
본 발명의 일 실시예에 의한 기성품 차량 레이더, 모션센서 레이더의 방사파 성능을 향상시키는 메타표면 커버에 있어서, 상기 메인 구조부는 n×n 배열로 배치된 복수의 전도성 정사각형 링 패턴을 포함할 수 있다.In the metasurface cover for improving radiation performance of off-the-shelf vehicle radars and motion sensor radars according to an embodiment of the present invention, the main structure may include a plurality of conductive square ring patterns arranged in an n×n array. .
또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 기성품 차량 레이더, 모션센서 레이더의 방사파 성능을 향상시키는 메타표면 커버에 있어서, 상기 n은 3일 수 있다.In addition, in the metasurface cover for improving radiation performance of off-the-shelf vehicle radars and motion sensor radars according to an embodiment of the present invention, n may be 3.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 기성품 차량 레이더, 모션센서 레이더의 방사파 성능을 향상시키는 메타표면 커버에 있어서, 상기 제1 메타표면 패턴의 메인 구조부의 중심은 상기 레이더의 수신용 안테나의 중심과 정렬되고,In addition, in the metasurface cover for improving radiation performance of off-the-shelf vehicle radars and motion sensor radars according to an embodiment of the present invention, the center of the main structure of the first metasurface pattern is the center of the antenna for receiving the radar. is aligned with
상기 제2 메타표면 패턴의 메인 구조부의 중심은 상기 레이더의 송신용 안테나의 중심과 정렬될 수 있다.The center of the main structure of the second metasurface pattern may be aligned with the center of the radar transmission antenna.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 기성품 차량 레이더, 모션센서 레이더의 방사파 성능을 향상시키는 메타표면 커버에 있어서, 상기 제1 버퍼 구조부는 한 줄로 배열되고 상기 메인 구조부의 정사각형 링 패턴의 크기보다 작은 복수의 전도성 정사각형 링 패턴을 포함하며,In addition, in the metasurface cover for improving radiation performance of off-the-shelf vehicle radars and motion sensor radars according to an embodiment of the present invention, the first buffer structure parts are arranged in one line and are larger than the size of the square ring pattern of the main structure part. a plurality of small conductive square ring patterns;
상기 제2 버퍼 구조부는 한 줄로 배열되고 상기 제1 버퍼 구조부의 정사각형 링 패턴의 크기보다 작은 복수의 전도성 정사각형 링 패턴을 포함할 수 있다.The second buffer structure may include a plurality of conductive square ring patterns arranged in one line and smaller in size than the size of the square ring pattern of the first buffer structure.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 기성품 차량 레이더, 모션센서 레이더의 방사파 성능을 향상시키는 메타표면 커버에 있어서, 상기 제1 메타표면 패턴과 상기 제2 메타표면 패턴은 동일한 평면상에서 서로 소정 거리 이격되어 배치되고,In addition, in the metasurface cover for improving radiation performance of off-the-shelf vehicle radar and motion sensor radar according to an embodiment of the present invention, the first metasurface pattern and the second metasurface pattern are a predetermined distance from each other on the same plane. placed apart,
서로 마주 보는, 상기 제1 메타표면 패턴의 일측과 상기 제2 메타표면 패턴의 일측에는 상기 제2 버퍼 구조부의 정사각형 링 패턴이 없을 수 있다.One side of the first metasurface pattern and one side of the second metasurface pattern facing each other may not have a square ring pattern of the second buffer structure.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 기성품 차량 레이더, 모션센서 레이더의 방사파 성능을 향상시키는 메타표면 커버에 있어서, 상기 정사각형 링 패턴들은 이웃하는 정사각형 패턴들의 중심에서 중심까지의 거리가 2.3mm가 되도록 배치되고,In addition, in the metasurface cover for improving radiation performance of off-the-shelf vehicle radar and motion sensor radar according to an embodiment of the present invention, the square ring patterns have a distance of 2.3 mm from center to center of adjacent square patterns. arranged so that
상기 정사각형 링 패턴들 각각의 패턴 폭은 0.3mm이며, 상기 제1 메인 구조부의 정사각형 링 패턴의 한 변의 길이는 1.9mm이고, 상기 제1 버퍼 구조부의 정사각형 링 패턴의 한 변의 길이는 1.4mm이며, 상기 제2 버퍼 구조부의 정사각형 링 패턴의 한 변의 길이는 1mm이고, The pattern width of each of the square ring patterns is 0.3 mm, the length of one side of the square ring pattern of the first main structure is 1.9 mm, and the length of one side of the square ring pattern of the first buffer structure is 1.4 mm, The length of one side of the square ring pattern of the second buffer structure is 1 mm,
상기 수신용 안테나 또는 상기 송신용 안테나와 상기 메타표면 커버 간의 거리는 6.6mm일 수 있다.A distance between the reception antenna or the transmission antenna and the metasurface cover may be 6.6 mm.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 의한 기성품 차량 레이더, 모션센서 레이더의 방사파 성능을 향상시키는 메타표면 커버를 사용한 레이더 안테나는,A radar antenna using a metasurface cover that improves radiation performance of off-the-shelf vehicle radars and motion sensor radars according to an embodiment of the present invention for solving the above problems,
송신용 안테나 및 수신용 안테나를 포함하는 레이더 모듈; 및A radar module including a transmission antenna and a reception antenna; and
상기 레이더 모듈에 소정 거리 이격되어 배치된 메타표면 커버를 포함하고,A metasurface cover disposed at a predetermined distance from the radar module,
상기 메타표면 커버는,The metasurface cover,
기판의 일면에 배치되는, 상기 레이더 모듈의 송신용 안테나를 위한 제1 메타표면 패턴; 및a first metasurface pattern for a transmission antenna of the radar module, disposed on one surface of the substrate; and
상기 제1 메타표면과 동일 면에 배치되며, 상기 레이더 모듈의 수신용 안테나를 위한 제2 메타표면 패턴을 포함하고,It is disposed on the same plane as the first metasurface and includes a second metasurface pattern for a reception antenna of the radar module,
상기 제1 메타표면 패턴 및 상기 제2 메타표면 패턴 각각은,Each of the first metasurface pattern and the second metasurface pattern,
메타물질 기반 메인 구조부,Metamaterial-based main structure,
상기 메인 구조부를 둘러싸는 메타물질 기반 제1 버퍼 구조부; 및a metamaterial-based first buffer structure surrounding the main structure; and
상기 제1 버퍼 구조부를 둘러싸는 메타물질 기반 제2 버퍼 구조부를 포함한다.A metamaterial-based second buffer structure surrounding the first buffer structure is included.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 의한 기성품 차량 레이더, 모션센서 레이더의 방사파 성능을 향상시키는 메타표면 커버를 사용한 레이더 안테나 구조체는,A radar antenna structure using a metasurface cover for improving radiation performance of off-the-shelf vehicle radar and motion sensor radar according to an embodiment of the present invention for solving the above problems,
기성품 차량 레이더, 모션센서 레이더의 방사파 성능을 향상시키는 메타표면 커버를 사용한 레이더 안테나 복수 개가 방사상으로 배치된 레이더 안테나 구조체로서,A radar antenna structure in which a plurality of radar antennas are radially arranged using a metasurface cover that improves the radiation performance of off-the-shelf vehicle radars and motion sensor radars,
상기 메타표면 커버를 사용한 레이더 안테나 각각은,Each of the radar antennas using the metasurface cover,
송신용 안테나 및 수신용 안테나를 포함하는 레이더 모듈; 및A radar module including a transmission antenna and a reception antenna; and
상기 레이더 모듈에 소정 거리 이격되어 배치된 메타표면 커버를 포함하고,A metasurface cover disposed at a predetermined distance from the radar module,
상기 메타표면 커버는,The metasurface cover,
기판의 일면에 배치되는, 상기 레이더 모듈의 송신용 안테나를 위한 제1 메타표면 패턴; 및a first metasurface pattern for a transmission antenna of the radar module, disposed on one surface of the substrate; and
상기 제1 메타표면과 동일 면에 배치되며, 상기 레이더 모듈의 수신용 안테나를 위한 제2 메타표면 패턴을 포함하며,It is disposed on the same plane as the first metasurface and includes a second metasurface pattern for a receiving antenna of the radar module,
상기 제1 메타표면 패턴 및 상기 제2 메타표면 패턴 각각은,Each of the first metasurface pattern and the second metasurface pattern,
메타물질 기반 메인 구조부,Metamaterial-based main structure,
상기 메인 구조부를 둘러싸는 메타물질 기반 제1 버퍼 구조부; 및a metamaterial-based first buffer structure surrounding the main structure; and
상기 제1 버퍼 구조부를 둘러싸는 메타물질 기반 제2 버퍼 구조부를 포함한다.A metamaterial-based second buffer structure surrounding the first buffer structure is included.
본 발명의 일 실시예에 의한 기성품 차량 레이더, 모션센서 레이더의 방사파 성능을 향상시키는 메타표면 커버, 메타표면 커버를 사용한 레이더 안테나 및 레이더 안테나 구조체에 의하면, 기존 레이더 센서의 설계를 변경하지 않고도, 방사되는 전자파 빔 또는 수신되는 전자파 빔의 방사 강도를 증가시킬 수 있어, 레이더 센서의 물체 탐지 성능을 향상시킬 수 있다.According to an embodiment of the present invention, a metasurface cover for improving radiation performance of an off-the-shelf vehicle radar and a motion sensor radar, a radar antenna and a radar antenna structure using the metasurface cover, without changing the design of an existing radar sensor, Radiation intensity of an radiated electromagnetic wave beam or a received electromagnetic wave beam may be increased, and thus object detection performance of a radar sensor may be improved.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 기성품 차량 레이더, 모션센서 레이더의 방사파 성능을 향상시키는 메타표면 커버, 메타표면 커버를 사용한 레이더 안테나 및 레이더 안테나 구조체에 의하면, 기존의 레이더 센서의 안테나 앞이나, 위, 또는 근처에 배치할 수 있는 얇고 평평한 구조로서 메타재질 표면을 설계함으로써, 레이더 센서에서 방사되는 방사파의 방사 강도를 향상시켜 물체 탐지 거리를 증가시킬 수 있다.In addition, according to the metasurface cover that improves the radiation performance of the off-the-shelf vehicle radar and motion sensor radar according to an embodiment of the present invention, the radar antenna and the radar antenna structure using the metasurface cover, in front of the antenna of the existing radar sensor or By designing the metamaterial surface as a thin and flat structure that can be placed on, above, or near, the object detection distance can be increased by improving the radiation intensity of the radiation emitted from the radar sensor.
도 1은 기판에 장착된 레이더 안테나를 도시한 도면.
도 2는 메타표면이 로드된 레이더 안테나를 도시한 도면.
도 3은 예시적인 메타표면 패턴의 구조를 도시한 도면.
도 4a는 링의 파라미터들의 변화에 따른 주파수 응답, 도 4b는 "레이더 안테나와 메타표면 간의 거리에 따른 주파수 응답을 도시한 도면.
도 5a 내지 도 5c는 다양한 메타표면 패턴들의 구조를 도시한 도면.
도 6a는 도 5에 도시된 메타표면 패턴들의 주파수 응답, 도 6b는 방사 패턴을 도시한 도면.
도 7a는 버퍼 구조 메타표면 패턴의 개념을 설명하기 위한 도면, 도 7b 내지 도 7d는 버퍼 구조를 포함하는 다양한 메타표면 패턴들의 구조를 도시한 도면.
도 8a는 도 7b 내지 도 7d에 도시된 메타표면 패턴들의 주파수 응답, 도 8b는 방사 패턴을 도시한 도면.
도 9a는 본 발명의 일 실시예에 의한 기성품 차량 레이더, 모션센서 레이더의 방사파 성능을 향상시키는 메타표면 커버의 구조를 도시한 도면.
도 9b 및 도 9c는 본 발명의 일 실시예에 의한 기성품 차량 레이더, 모션센서 레이더의 방사파 성능을 향상시키는 메타표면 커버의 각 부분의 치수를 도시한 도면.
도 10은 레이더 안테나의 방사 패턴 및 도 9a에 도시된 메타표면 커버를 사용하는 경우의 방사 패턴을 도시한 도면.
도 11은 테스트 환경을 위한 안테나 설계를 도시한 도면.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 의한 기성품 차량 레이더, 모션센서 레이더의 방사파 성능을 향상시키는 메타표면 커버를 사용한 레이더 안테나의 전기장을 도시한 도면.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 의한 기성품 차량 레이더, 모션센서 레이더의 방사파 성능을 향상시키는 메타표면 커버를 사용한 레이더 안테나의 3D 방사 패턴을 도시한 도면.
도 14a는 본 발명의 일 실시예에 의한 기성품 차량 레이더, 모션센서 레이더의 방사파 성능을 향상시키는 메타표면 커버를 레이더 안테나에 장작한 유닛 안테나 고정 장치의 3D 설계, 도 14b는 실제 레이더 안테나를 도시한 도면.
도 15는 8개의 레이더 안테나를 포함하는 8각형 어셈블리 안테나 고정물의 3D 설계를 도시한 도면.
도 16은 45도 각도로 간격을 둔 8각형 어셈블리 안테나 고정물을 위에서 본 도면.
도 17은 측정된 메타표면을 갖는 8각형 어셈블리 안테나 고정물 및 시뮬레이션된 메타표면을 갖는 8각형 어셈블리 안테나 고정물 간의 방사 패턴 비교 결과를 도시한 도면.
도 18은 측정된 메타표면을 갖지 않는 8각형 어셈블리 안테나 고정물 및 시뮬레이션된 메타표면을 갖지 않는 8각형 어셈블리 안테나 고정물 간의 방사 패턴 비교 결과를 도시한 도면.
도 19는 테스트 설정을 도시한 도면.
도 20a는 필드 테스트 설정, 도 17b는 금속판 및 레이더 센서를 도시한 도면.
도 21a는 메타표면이 없는 경우의 탐지 거리, 도 21b는 메타표면이 있는 경우의 탐지 거리를 도시한 도면.1 shows a radar antenna mounted on a substrate;
Figure 2 shows a radar antenna loaded with a metasurface;
3 shows the structure of an exemplary metasurface pattern;
4A is a diagram showing a frequency response according to changes in ring parameters, and FIG. 4B is a diagram showing a frequency response according to a distance between a radar antenna and a metasurface.
5A to 5C are diagrams showing structures of various metasurface patterns;
6A is a frequency response of the metasurface patterns shown in FIG. 5, and FIG. 6B is a diagram showing a radiation pattern.
7A is a diagram for explaining the concept of a metasurface pattern with a buffer structure, and FIGS. 7B to 7D are diagrams illustrating structures of various metasurface patterns including a buffer structure.
8A is a frequency response of the metasurface patterns shown in FIGS. 7B to 7D, and FIG. 8B is a diagram showing a radiation pattern.
FIG. 9A is a view showing the structure of a metasurface cover for improving radiation performance of off-the-shelf vehicle radars and motion sensor radars according to an embodiment of the present invention.
9B and 9C are diagrams showing dimensions of each part of a metasurface cover that improves radiation performance of off-the-shelf vehicle radars and motion sensor radars according to an embodiment of the present invention.
10 is a diagram showing a radiation pattern of a radar antenna and a radiation pattern when using the metasurface cover shown in FIG. 9A.
11 illustrates an antenna design for a test environment.
12 is a diagram illustrating an electric field of a radar antenna using a metasurface cover for improving radiation performance of off-the-shelf vehicle radar and motion sensor radar according to an embodiment of the present invention.
13 is a diagram showing a 3D radiation pattern of a radar antenna using a metasurface cover for improving radiation performance of off-the-shelf vehicle radar and motion sensor radar according to an embodiment of the present invention.
14a is a 3D design of a unit antenna fixing device in which a metasurface cover for improving radiation performance of off-the-shelf vehicle radars and motion sensor radars is mounted on a radar antenna according to an embodiment of the present invention, and FIG. 14b is an actual radar antenna. one drawing.
15 shows a 3D design of an octagonal assembly antenna fixture containing eight radar antennas.
16 is a top view of an octagonal assembly antenna fixture spaced at a 45 degree angle;
FIG. 17 shows a radiation pattern comparison result between an octagonal assembly antenna fixture with a measured metasurface and an octagonal assembly antenna fixture with a simulated metasurface.
FIG. 18 shows radiation pattern comparison results between an octagonal assembly antenna fixture without a measured metasurface and an octagonal assembly antenna fixture without a simulated metasurface.
Fig. 19 shows a test setup;
Fig. 20a shows a field test setup and Fig. 17b shows a metal plate and radar sensor.
21A is a diagram showing a detection range when there is no metasurface, and FIG. 21B is a diagram showing a detection distance when there is a metasurface.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서 본 명세서 및 청구항에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.Objects, specific advantages and novel features of the present invention will become more apparent from the following detailed description and preferred embodiments taken in conjunction with the accompanying drawings. Prior to this, the terms or words used in this specification and claims should not be interpreted in a conventional and dictionary sense, and the inventor can properly define the concept of the term in order to explain his/her invention in the best way. Based on the principle, it should be interpreted as a meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention.
또한, 본 명세서에 개시된 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.In addition, in describing the embodiments disclosed in this specification, if it is determined that a detailed description of a related known technology may obscure the gist of the embodiment disclosed in this specification, the detailed description thereof will be omitted. In addition, the accompanying drawings are only for easy understanding of the embodiments disclosed in this specification, the technical idea disclosed in this specification is not limited by the accompanying drawings, and all changes included in the spirit and technical scope of the present invention , it should be understood to include equivalents or substitutes.
도 1은 통상의 모션센서 레이더 안테나를 도시한 도면으로, 모션센서 레이더 안테나는 빔을 방사하기 위한 송신용 패치 안테나(100) 및 물체에서 반사되는 빔을 수신하기 위한 수신용 패치 안테나(102)를 포함한다.1 is a diagram showing a conventional motion sensor radar antenna. The motion sensor radar antenna includes a transmitting
자동차 범퍼 뒤에 장착된 도 1에 도시된 레이더 센서의 송신용 안테나(100) 및 수신용 안테나(102)는 범퍼의 두께와 재질이 레이더의 방사 패턴 및 수신 패턴을 쉽게 왜곡할 수 있다.In the transmitting
따라서, 본 발명은, 레이더 센서의 송신 안테나(100)과 수신 안테나(102) 각각의 앞에 배치되어, 레이더 센서의 안테나(100, 102)의 지향성과 이득을 향상시키는 메타표면 커버를 제공한다.Accordingly, the present invention provides a metasurface cover that is disposed in front of each of the transmitting
도 2는 레이더 센서(202)에 소정 거리(dist) 이격되어 배치된 메타표면 커버(204)를 포함하는 메타표면 커버가 로드된 레이더 센서 안테나(200)를 도시한 것이다. 참조번호 206은 레이더 센서(202)의 송신용 패치 안테나이고, 참조번호 208은 레이더 센서(202)의 수신용 패치 안테나이다. 그리고 참조번호 210은 송신용 패치 안테나(206)에 대응하여 배치되는 제1 메타표면 패턴이고, 참조번호 212는 수신용 패치 안테나(208)에 대응하여 배치되는 제2 메타표면 패턴이다.FIG. 2 shows a
도 2에 도시된 메타표면 커버가 로드된 안테나(200)는 패치 안테나(206) 자체와 비교할 때, 더 지향성을 갖는 방사 특성을 가지도록 설계되었다. 메타표면을 사용함으로써 상호 커플링의 감소를 달성할 수 있다. 상호 표면파 커플링 영향의 감소는 동작하는 대역폭을 개선한다.Compared to the
하지만, 높은 방사-효율을 얻기 위하여 패치 안테나(206, 208)와 메타표면 커버(204) 간의 거리(dist)를 적합하게 조절해야 한다. 제1 메타표면 패턴(210)과 제2 메타표면 패턴(212)은 0.8mm 두께의 기판 상에 형성되어 있다. 제1 메타표면 패턴(210)과 제2 메타표면 패턴(212) 각각의 중심은 대응되는 패치 안테나(206, 208) 각각의 중심과 정렬되어 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 메타표면 패턴(210)과 제2 메타표면 패턴(212)은 복수의 정사각형 링(300)을 포함한다.However, in order to obtain high radiation-efficiency, a distance (dist) between the
상기 정사각형 링(300)의 한 변의 길이(ring) 및 패치 안테나(206, 208)와 메타표면 커버(204) 간의 거리(dist)는, 레이더 센서 안테나(200)의 주파수 응답에 영향을 미친다.The length of one side of the square ring 300 (ring) and the distance (dist) between the
도 4a는 정사각형 링(300)의 한 변의 길이(ring)에 따른 레이더 센서 안테나(200)의 주파수 응답을 도시한 것이고, 도 4b는 패치 안테나(206, 208)와 메타표면 커버(204) 간의 거리(dist)에 따른 레이더 센서 안테나(200)의 주파수 응답을 도시한 것이다.4a shows the frequency response of the
레이더 센서 안테나(200)의 주파수 응답 특성을 고려할 때, 최선의 경우는 정사각형 링(300)의 한 변의 길이(ring)가 1.9mm이고, 패치 안테나(206, 208)와 메타표면 커버(204) 간의 거리(dist)가 6.6mm인 경우로 확인되었다.Considering the frequency response characteristics of the
이 경우, 반사 계수는 24.108GHz에서 -40.785dB이고, 주파수 대역은 리턴 로스(return loss) -10dB 이하에서 23.0~25.2GHz이다.In this case, the reflection coefficient is -40.785 dB at 24.108 GHz, and the frequency band is 23.0 to 25.2 GHz with a return loss of -10 dB or less.
어떤 크기의 메타표면 패턴을 레이더 센서의 안테나 앞에 배치해야 레이더 센서의 안테나의 지향성과 이득을 향상시킬 수 있는지를 확인하기 위하여 도 5a 내지 도 5c에 도시된 바와 같이 다양한 크기의 메타표면 패턴 구조를 사용하여 실험하였다.In order to determine what size of metasurface pattern should be placed in front of the antenna of the radar sensor to improve the directivity and gain of the antenna of the radar sensor, as shown in FIGS. was experimented with.
도 6a는 도 5에 도시된 다양한 크기의 메타표면 패턴들의 주파수 응답이고, 도 6b는 방사 패턴을 도시한 도면이다.6A is a frequency response of metasurface patterns of various sizes shown in FIG. 5, and FIG. 6B is a diagram showing a radiation pattern.
도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이, 전체 메타표면 패턴의 크기는 레이더 센서의 안테나로부터 방사되는 빔에 영향을 미침을 확인할 수 있다. 메타표면 패턴의 전체 크기가 작으면, 바람직하지 않은 방사 패턴을 형성할 수 있다. 하지만, 메타표면 패턴의 크기가 커지면, 로우 프로파일(low profile) 구조로 만드는 것이 어렵다.As shown in FIGS. 6A and 6B , it can be confirmed that the size of the entire metasurface pattern affects the beam emitted from the antenna of the radar sensor. If the total size of the metasurface pattern is small, an undesirable radiation pattern may be formed. However, when the size of the metasurface pattern increases, it is difficult to make it into a low profile structure.
표 1은 메타표면 패턴의 크기에 따른 레이더 센서의 안테나 방사 특성을 표시한 것이다.Table 1 shows the antenna radiation characteristics of the radar sensor according to the size of the metasurface pattern.
도 6a와 도 6b 및 표 1에 표시된 바와 같이, 메타표면 패턴의 크기가 큰 구조는 높은 피크 이득 및 좁은 빔 폭을 형성하는데 이점이 있다. 하지만, 메타표면 커버를 제한된 크기로 형성해야 하기 때문에, 무한적 넓은 메타표면을 구현하는 것은 힘들다. 따라서, 적절한 타협점이 필요하다.As shown in FIGS. 6A and 6B and Table 1, the large size of the metasurface pattern is advantageous in forming a high peak gain and a narrow beam width. However, since the metasurface cover must be formed in a limited size, it is difficult to implement an infinitely wide metasurface. Therefore, a suitable compromise is required.
도 7a는 본 발명의 일 실시예에 의한 기성품 차량 레이더, 모션센서 레이더의 방사파 성능을 향상시키는 메타표면 커버에서 사용되는 새로운 구조인 버퍼 구조 메타표면 패턴인 비균일 셀 메타표면의 개념을 설명하기 위한 도면이고, 도 7b 내지 도 7d는 버퍼 구조를 포함하는 다양한 메타표면 패턴들의 구조를 도시한 도면이다. 본 발명의 일 실시예에 의한 기성품 차량 레이더, 모션센서 레이더의 방사파 성능을 향상시키는 메타표면 커버에서는 비균일 셀로 빔폭과 방향을 조절한다.7A illustrates the concept of a non-uniform cell metasurface, which is a buffer structure metasurface pattern, which is a new structure used in a metasurface cover that improves radiation performance of off-the-shelf vehicle radars and motion sensor radars according to an embodiment of the present invention. 7B to 7D are diagrams showing structures of various metasurface patterns including a buffer structure. In the metasurface cover that improves radiation performance of off-the-shelf vehicle radars and motion sensor radars according to an embodiment of the present invention, beam width and direction are adjusted with non-uniform cells.
도 7a에서 참조번호 706은 레이더 센서의 송신 안테나를 위한 제1 메타표면 패턴이고, 참조번호 708은 레이더 센서의 수신 안테나를 위한 제2 메타표면 패턴이다.In FIG. 7A ,
도 7a에 도시된 바와 같이 제1 메타표면 패턴(706)과 제2 메타표면 패턴(708)의 구조는 기능향상이란 측면에서 실질적으로 동일하다.As shown in FIG. 7A , structures of the
도 7b 내지 도 7d에 도시된 메타표면 패턴들은, 가운데 부분에 복수의 정사각형 링을 포함하는 메인 구조부(700), 메인 구조부(700)의 정사각형 링의 크기보다 더 작은 크기를 갖고 메인 구조부(700)의 복수의 정사각형 링의 외곽을 둘러싸는 복수의 정사각형 링을 포함하는 버퍼 구조부(702, 704)를 포함한다.The metasurface patterns shown in FIGS. 7B to 7D have a size smaller than the size of the
버퍼 구조부(702, 704)는 메타표면 구조를 더 크게 형성하는 효과를 갖기 때문에, 레이더 센서 안테나의 방사파의 피크 이득 및 빔 폭은 도 7에 도시된 새로운 메타표면 패턴 구조를 사용하여 개선된다.Since the
도 8a는 도 7b 내지 도 7d에 도시된 신규한 버퍼 구조 메타표면 패턴들의 주파수 응답이고, 도 8b는 방사 패턴을 도시한 도면이다.8a is a frequency response of the novel buffer structure metasurface patterns shown in FIGS. 7b to 7d, and FIG. 8b is a diagram showing a radiation pattern.
표 2는 메타표면 패턴의 버퍼 구조에 따른 레이더 센서의 안테나 방사 특성을 표시한 것이다.Table 2 shows the antenna radiation characteristics of the radar sensor according to the buffer structure of the metasurface pattern.
도 8a와 도 8b 및 표 2에 표시된 바와 같이, "3×3+2" 패턴이 피크 이득과 빔 폭을 고려할 때, 레이더 센서의 안테나의 방사파 성능을 향상시키기 위한 최적의 버퍼 구조 메타표면 패턴임을 알 수 있다.As shown in FIGS. 8A and 8B and Table 2, when the "3×3+2" pattern considers the peak gain and beam width, the optimal buffer structure metasurface pattern for improving the radiation performance of the antenna of the radar sensor. It can be seen that
도 9a는 본 발명의 일 실시예에 의한 기성품 차량 레이더, 모션센서 레이더의 방사파 성능을 향상시키는 메타표면 커버의 구조를 도시한 도면이다.9A is a diagram showing the structure of a metasurface cover for improving radiation performance of off-the-shelf vehicle radars and motion sensor radars according to an embodiment of the present invention.
도 9a에 도시된 본 발명의 일 실시예에 의한 기성품 차량 레이더, 모션센서 레이더의 방사파 성능을 향상시키는 메타표면 커버(900)는, 기판(902)의 일면에 배치되는, 레이더 센서의 송신용 안테나를 위한 제1 메타표면 패턴(904a) 및 상기 제1 메타표면 패턴(904a)과 동일 평면에 배치되며, 레이더 센서의 수신용 안테나를 위한 제2 메타표면 패턴(904b)을 포함한다.The metasurface cover 900 for improving radiation performance of off-the-shelf vehicle radar and motion sensor radar according to an embodiment of the present invention shown in FIG. It includes a
상기 제1 메타표면 패턴(904a)은, 메타물질 기반 메인 구조부(906a), 상기 메인 구조부(906a)를 둘러싸는 메타물질 기반 제1 버퍼 구조부(908a) 및 상기 제1 버퍼 구조부(908a)를 둘러싸는 메타물질 기반 제2 버퍼 구조부(910a)를 포함한다.The
상기 메인 구조부(906a)는 3×3 배열로 배치된 9개의 전도성 정사각형 링 패턴을 포함한다.The
상기 제1 버퍼 구조부(908a)는 한 줄로 배열되고 상기 메인 구조부(906a)의 정사각형 링 패턴의 크기보다 작은 복수의 전도성 정사각형 링 패턴을 포함한다.The
상기 제2 버퍼 구조부(910a)는 한 줄로 배열되고 상기 제1 버퍼 구조부(908a)의 정사각형 패턴의 크기보다 작은 복수의 전도성 정사각형 링 패턴을 포함한다.The
상기 제2 메타표면 패턴(904b)은, 메타물질 기반 메인 구조부(906b), 상기 메인 구조부(906b)를 둘러싸는 메타물질 기반 제1 버퍼 구조부(908b) 및 상기 제1 버퍼 구조부(908b)를 둘러싸는 메타물질 기반 제2 버퍼 구조부(910b)를 포함한다.The
상기 메인 구조부(906b)는 3×3 배열로 배치된 9개의 전도성 정사각형 링 패턴을 포함한다.The
상기 제1 버퍼 구조부(908b)는 한 줄로 배열되고 상기 메인 구조부(906b)의 정사각형 링 패턴의 크기보다 작은 복수의 전도성 정사각형 링 패턴을 포함한다.The
상기 제2 버퍼 구조부(910b)는 한 줄로 배열되고 상기 제1 버퍼 구조부(908b)의 정사각형 패턴의 크기보다 작은 복수의 전도성 정사각형 링 패턴을 포함한다.The
상기 제1 메타표면 패턴(904a)과 상기 제2 메타표면 패턴(904b)은 동일한 평면상에서 서로 소정 거리 이격되어 배치된다.The
서로 마주 보는, 상기 제1 메타표면 패턴(904a)의 일측과 상기 제2 메타표면 패턴(904b)의 일측에는 상기 제2 버퍼 구조부(908a, 908b)의 정사각형 링 패턴들이 존재하지 않는다.Square ring patterns of the
레이다 센서의 안테나의 방사파의 주파수와 공진되도록, 상기 메인 구조부(906a)는 도 1에 도시된 레이더 센서의 송신용 패치 안테나(100)에 대응되는 위치에 배치되고, 상기 메인 구조부(906b)는 도 1에 도시된 레이더 센서의 수신용 패치 안테나(102)에 대응되는 위치에 배치된다.The
또한, 메타표면을 최대한 넓히기 위하여, 상기 제2 버퍼 구조부(910a, 910b)는 메인 구조부(906a, 906b)의 정사각형 링 패턴의 크기보다 작은 크기의 정사각형 링 패턴들을 포함한다.In addition, in order to maximize the metasurface, the
메타표면의 표면적을 넓힐수록 빔을 더 모을 수 있고, 더 멀리 빔을 보낼 수 있다. 하지만, 차량에 사용되는 레이더 센서의 크기에는 한계가 있기 때문에, 메인 구조부(906a, 906b)의 맨 외곽에 작은 정사각형 링들을 배치하여 메타표면을 최대한 넓힌다.The wider the surface area of the metasurface, the more the beam can be converged and the beam can be sent further. However, since there is a limit to the size of a radar sensor used in a vehicle, the metasurface is widened as much as possible by disposing small square rings on the outermost periphery of the
상기 제1 버퍼 구조부(908a, 908b)는 상기 메인 구조부(906a, 906b)와 상기 제2 버퍼 구조부(910a, 910b) 간의 전기장 흐름을 방해하지 않고 빔을 평탄화하기 위한 것이다.The
한편, 실험을 한 결과, 상기 제1 메타표면 패턴(904a)의 일측과 상기 제2 메타표면 패턴(904b)의 일측에 상기 제2 버퍼 구조부(908a, 908b)의 정사각형 링 패턴들이 존재하는 경우, 방사되는 빔이 분산되어 퍼짐으로써 방사파가 집중하는 특성이 저하되어 탐지 거리가 짧아지는 것을 확인할 수 있었다.Meanwhile, as a result of the experiment, when square ring patterns of the
이에 반하여, 상기 제1 메타표면 패턴(904a)의 일측과 상기 제2 메타표면 패턴(904b)의 일측에 상기 제2 버퍼 구조부(908a, 908b)의 정사각형 링 패턴들이 존재하지 않는 경우, 방사되는 빔이 집중되어 방사파가 집중하는 특성이 향상되어 탐지 거리가 길어지는 것을 실험을 통해 확인할 수 있었다.In contrast, when the square ring patterns of the
따라서, 서로 마주 보는, 상기 제1 메타표면 패턴(904a)의 일측과 상기 제2 메타표면 패턴(904b)의 일측에는 상기 제2 버퍼 구조부(908a, 908b)의 정사각형 링 패턴들을 배치하지 않는 것이 바람직하다.Therefore, it is preferable not to dispose the square ring patterns of the
도 9b 및 도 9c는 본 발명의 일 실시예에 의한 기성품 차량 레이더, 모션센서 레이더의 방사파 성능을 향상시키는 메타표면 커버의 각 부분의 치수를 도시한 도면이다. 9B and 9C are diagrams showing dimensions of each part of a metasurface cover that improves radiation performance of off-the-shelf vehicle radars and motion sensor radars according to an embodiment of the present invention.
도 9b 및 도 9c에 도시된 바와 같이, 복수의 정사각형 링 패턴들(912, 914, 916)은 이웃하는 정사각형 링 패턴들의 중심에서 중심까지의 거리인 갭이 2.3mm가 되도록 배치되고, 복수의 링 패턴들(912, 914, 916) 각각의 패턴 폭은 0.3mm이며, 제1 메인 구조부의 정사각형 링 패턴(912)의 한 변의 길이(W1)는 1.9mm이고, 제1 버퍼 구조부의 정사각형 링 패턴(914)의 한 변의 길이(W2)는 1.4mm이며, 제2 버퍼 구조부의 정사각형 링 패턴(916)의 한 변의 길이(W3)는 1mm이다.As shown in FIGS. 9B and 9C, the plurality of
도 10은 메타표면 커버를 사용하지 않는 통상적인 레이더 안테나의 방사 패턴 및 도 9a에 도시된 메타표면 커버를 사용하는 경우의 방사 패턴을 도시한 도면이다.FIG. 10 is a diagram showing a radiation pattern of a conventional radar antenna without using a metasurface cover and a radiation pattern in the case of using the metasurface cover shown in FIG. 9A.
표 3은 메타표면 패턴을 사용하지 않는 통상적인 레이더 센서의 안테나의 방사 특성 및 메타표면 패턴을 사용한 레이더 센서의 안테나 방사 특성을 표시한 것이다.Table 3 shows the radiation characteristics of the antenna of a typical radar sensor that does not use a metasurface pattern and the antenna radiation characteristics of a radar sensor that uses a metasurface pattern.
도 10 및 표 3에 표시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 의한 기성품 차량 레이더, 모션센서 레이더의 방사파 성능을 향상시키는 메타표면 커버를 사용한 레이더 센서의 방사파의 피크 이득 및 빔 폭은 메타표면 커버를 사용하지 않는 통상적인 레이더 안테나의 방사파의 피크 이득 및 빔 폭에 비해 상당히 개선됨을 확인할 수 있다.As shown in FIG. 10 and Table 3, the peak gain and beam width of the radiation wave of the radar sensor using the metasurface cover that improves the radiation performance of the off-the-shelf vehicle radar and motion sensor radar according to an embodiment of the present invention are meta It can be seen that the peak gain and beam width of the radiation wave of a conventional radar antenna that does not use a surface cover are significantly improved.
도 11은 테스트 환경을 위한 안테나 설계를 도시한 도면이다.11 is a diagram illustrating an antenna design for a test environment.
참조번호 1100은 레이더 모듈이고, 참조번호 1102는 본 발명의 일 실시예에 의한 모션센서 레이더의 방사파 성능을 향상시키는 메타표면 커버이다.
도 11에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 의한 기성품 차량 레이더, 모션센서 레이더의 방사파 성능을 향상시키는 메타표면 커버(1102)는 설계에 손을 댈 수 없는 기성품 레이더 모듈(1100)의 방사 구조에 기구적으로 적합한 구조로 되어 있다.As shown in FIG. 11, the
또한, 메타표면 커버(1102)와, 레이더 모듈(1100) 간의 떨어진 거리, 레이더 모듈(1100)의 송신용 패치 안테나와 수신용 패치 안테나 간의 간격에 따른 실제 전자파 간섭 및 이종 평면들을 전파방향으로 정확하게 정렬하는가에 따라 레이더의 송신과 수신의 불량과 양호가 결정되기 때문에, 본 발명의 일 실시예에 의한 기성품 차량 레이더, 모션센서 레이더의 방사파 성능을 향상시키는 메타표면 커버(1102)는 상기한 사항들을 고려하여 레이더 모듈(1100)에 적합하게 배치된다.In addition, the actual electromagnetic interference according to the distance between the
도 12는 본 발명의 일 실시예에 의한 기성품 차량 레이더, 모션센서 레이더의 방사파 성능을 향상시키는 메타표면 커버를 사용한 레이더 안테나의 전기장을 도시한 도면이다.12 is a diagram illustrating an electric field of a radar antenna using a metasurface cover for improving radiation performance of off-the-shelf vehicle radar and motion sensor radar according to an embodiment of the present invention.
도 12에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 의한 기성품 차량 레이더, 모션센서 레이더의 방사파 성능을 향상시키는 메타표면 커버를 사용한 레이더 안테나에서는 발생가능한 반사파에 의한 송신용 패치 안테나와 수신용 패치 안테나 간의 간섭이 없도록 메타표면 커버가 레이더 모듈에 장착된다. 참고로, 레이더에서 간섭은 시스템 품질인 표적 인식률을 저하시킨다.As shown in FIG. 12, in the radar antenna using the metasurface cover that improves the radiation performance of off-the-shelf vehicle radars and motion sensor radars according to an embodiment of the present invention, a patch antenna for transmission and reception by a possible reflected wave A metasurface cover is mounted on the radar module to prevent interference between patch antennas. For reference, interference in radar degrades the target recognition rate, which is system quality.
도 12를 참조하면, 하나의 패치 안테나에는 전기장 분포가 강하여 색깔이 밝으나, 옆의 패치 안테나는 어두운 상태로, 레이더 모듈의 송신용 및 수신용 패치 안테나들 간의 전자파 간섭이 거의 없는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 12, one patch antenna has a strong electric field distribution and is bright in color, but the patch antenna next to it is in a dark state, and it can be seen that there is almost no electromagnetic interference between the transmitting and receiving patch antennas of the radar module.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 의한 기성품 차량 레이더, 모션센서 레이더의 방사파 성능을 향상시키는 메타표면 커버를 사용한 레이더 안테나의 3D 방사 패턴을 도시한 도면이다.13 is a diagram illustrating a 3D radiation pattern of a radar antenna using a metasurface cover for improving radiation performance of off-the-shelf vehicle radar and motion sensor radar according to an embodiment of the present invention.
도 14a는 본 발명의 일 실시예에 의한 기성품 차량 레이더, 모션센서 레이더의 방사파 성능을 향상시키는 메타표면 커버를 레이더 안테나에 장착한 유닛 안테나 고정 장치의 3D 설계이고, 도 14b는 실제 레이더 안테나를 도시한 도면이다.14a is a 3D design of a unit antenna fixing device in which a metasurface cover for improving radiation performance of off-the-shelf vehicle radars and motion sensor radars is mounted on a radar antenna according to an embodiment of the present invention, and FIG. 14b is an actual radar antenna It is an illustrated drawing.
도 13 및 도 14를 참조하면, 전자파 특성 향상을 위해, 설계에 손을 댈 수 없는 기성품 레이더의 방사구조에 본 발명의 일 실시예에 의한 기성품 차량 레이더, 모션센서 레이더의 방사파 성능을 향상시키는 메타표면 커버를 장착함으로써, 전자파가 곤봉처럼 형성되어 방향성이 크게 향상됨을 알 수 있다.13 and 14, in order to improve the electromagnetic wave characteristics, the radiation structure of the off-the-shelf radar, which cannot be designed, improves the radiation performance of the off-the-shelf vehicle radar and motion sensor radar according to an embodiment of the present invention. It can be seen that by attaching the metasurface cover, electromagnetic waves are formed like clubs and the directionality is greatly improved.
도 15는 8개의 레이더 안테나를 포함하는 8각형 어셈블리 안테나 고정물의 3D 설계를 도시한 도면이고, 도 16은 45도 각도로 간격을 둔 8각형 어셈블리 안테나 고정물을 위에서 본 도면이다.Figure 15 shows a 3D design of an octagonal assembly antenna fixture containing eight radar antennas, and Figure 16 is a top view of the octagonal assembly antenna fixture spaced at a 45 degree angle.
도 15 및 도 16에 도시된 바와 같이, 길이 방향으로 거리를 식별하기 위한 1차원용의 설계에 손을 댈 수 없는 기성품 레이더의 방사구조에 본 발명의 일 실시예에 의한 기성품 차량 레이더, 모션센서 레이더의 방사파 성능을 향상시키는 메타표면 커버를 장착한 레이더 안테나 복수 개를 방사상으로 배치함으로써, 거리는 물론 방향까지 탐지할 수 있는 형태인 2차원 레이더로 확장할 수 있다.As shown in FIGS. 15 and 16, a ready-made vehicle radar and motion sensor according to an embodiment of the present invention in a radial structure of a ready-made radar that cannot be touched in a one-dimensional design for identifying a distance in the longitudinal direction By radially arranging a plurality of radar antennas equipped with a metasurface cover that improves the radiation performance of the radar, it can be expanded to a two-dimensional radar that can detect both distance and direction.
도 17은 측정된 메타표면을 갖는 8각형 어셈블리 안테나 고정물 및 시뮬레이션된 메타표면을 갖는 8각형 어셈블리 안테나 고정물 간의 방사 패턴 비교 결과를 도시한 도면이다.FIG. 17 is a diagram showing comparison results of radiation patterns between an octagonal assembly antenna fixture having a measured metasurface and an octagonal assembly antenna fixture having a simulated metasurface.
도 18은 측정된 메타표면을 갖지 않는 8각형 어셈블리 안테나 고정물 및 시뮬레이션된 메타표면을 갖지 않는 8각형 어셈블리 안테나 고정물 간의 방사 패턴 비교 결과를 도시한 도면이다.FIG. 18 is a diagram showing radiation pattern comparison results between an octagonal assembly antenna fixture without a measured metasurface and an octagonal assembly antenna fixture without a simulated metasurface.
도 19는 레이더 모듈을 테스트하기 위한 테스트 설정을 도시한 도면이다.19 is a diagram illustrating a test setup for testing a radar module.
메타표면을 고정시키기 위한 지그상에 장착된 레이더 모듈은 금속판으로부터 멀리 떨어져 있다. 금속판이 이동하면, 레이더 센서는 물체가 이동하는 것을 탐지한다. 상기 테스트는, 메타표면이 있는 경우 그리고 메타표면이 없는 경우, 레이더센서가 물체의 움직임을 얼마나 멀리 탐지하는 지를 비교하기 위한 것이다.The radar module mounted on the jig for fixing the metasurface is far from the metal plate. As the metal plate moves, the radar sensor detects the object moving. The test is to compare how far the radar sensor detects the movement of an object with and without the metasurface.
도 20a는 필드 테스트 설정을 도시한 도면이고, 도 20b는 금속판 및 레이더 센서를 도시한 도면이다.20A is a diagram showing a field test setup, and FIG. 20B is a diagram showing a metal plate and a radar sensor.
레이더 센서가 금속판의 이동을 탐지하는 경우, 레이더 센서에 장착된 LED가 발광한다.When the radar sensor detects the movement of the metal plate, the LED mounted on the radar sensor emits light.
도 21a는 실험 결과를 도시한 것으로서, 메타표면이 없는 경우의 탐지 거리를 나타낸 것이고, 도 21b는 메타표면이 있는 경우의 탐지 거리를 도시한 도면이다.FIG. 21A shows the experimental results, showing the detection distance when there is no metasurface, and FIG. 21B is a diagram showing the detection distance when there is the metasurface.
메타표면이 없는 레이더 센서는 120cm 거리에 있는 금속판을 탐지하였고, 메타표면이 있는 레이더 센서는 170cm 거리에 있는 금속판을 탐지하였다. 레이더 센서의 성능은 물체 탐지 거리의 관점에서 140% 개선되었다.A radar sensor without a metasurface detected a metal plate at a distance of 120 cm, and a radar sensor with a metasurface detected a metal plate at a distance of 170 cm. The performance of the radar sensor was improved by 140% in terms of object detection distance.
본 발명의 일 실시예에 의한 기성품 차량 레이더, 모션센서 레이더의 방사파 성능을 향상시키는 메타표면 커버는 24GHz 주파수를 사용하는 레이더 센서의 안테나 성능 향상을 위한 신개념 메타표면 구조이다. 신속한 안테나 설계 및 레이더 성능 검증을 위해 상용 레이더 모션센서를 사용하여 센서에 장착된 안테나를 시뮬레이션하고 그에 따라 메타표면을 설계하였다.The metasurface cover for improving radiation performance of off-the-shelf vehicle radar and motion sensor radar according to an embodiment of the present invention is a new concept metasurface structure for improving antenna performance of a radar sensor using a 24 GHz frequency. For rapid antenna design and radar performance verification, a commercial radar motion sensor was used to simulate the antenna mounted on the sensor, and the metasurface was designed accordingly.
메타표면 구조는 기존 안테나의 방사 패턴을 더 좁은 빔 폭으로 유도하여 이득을 향상시킨다. 제안된 메타표면은 42개의 정사각형 링 구조 패턴으로 설계되었다.The metasurface structure improves the gain by inducing the radiation pattern of the existing antenna to a narrower beam width. The proposed metasurface is designed with 42 square ring structure patterns.
시뮬레이션에서 메타표면이 있는 안테나는 안테나 단독에 비해 이득 향상되고 빔 폭의 지향성이 개선되었다. 또한, 현장 테스트 결과 최대 탐지 거리가 증가하고 탐지 각도가 감소한 것으로 확인되었다.In the simulation, the antenna with the metasurface improved the gain and the directivity of the beam width compared to the antenna alone. In addition, field tests confirmed that the maximum detection distance was increased and the detection angle was decreased.
본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명에 따른 구성요소를 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것이 명백할 것이다.The present invention is not limited by the foregoing embodiments and accompanying drawings. It will be clear to those skilled in the art that the components according to the present invention can be substituted, modified, and changed without departing from the technical spirit of the present invention.
100 : 송신용 패치 안테나
102 : 수신용 패치 안테나
200 : 메타표면 커버가 로드된 레이더 센서 안테나
202 : 레이더 센서
204 :
메타표면 커버
206 : 송신용 패치 안테나
208 : 수신용 패치 안테나
210 : 제1 메타표면 패턴
212 : 제2 메타표면 패턴
300 : 정사각형 링
700 : 메인 구조부
702 : 제1 버퍼 구조부
`
704 : 제2 버퍼 구조부
706 : 제1 메타표면 패턴
708 : 제2 메타표면 패턴
900 : 메타표면 커버
902 : 기판
904a : 제1 메타표면 패턴
904b : 제2 메타표면 패턴
906a, 906b : 메인 구조부
908a, 908b : 제1 버퍼 구조부
910a, 910b : 제2 버퍼 구조부
1100 : 레이더 모듈
1102 : 메타표면 커버100: patch antenna for transmission 102: patch antenna for reception
200: radar sensor antenna loaded with metasurface cover
202: radar sensor 204: metasurface cover
206: patch antenna for transmission 208: patch antenna for reception
210: first metasurface pattern 212: second metasurface pattern
300: square ring 700: main structure
702: first buffer structure ` 704: second buffer structure
706: first metasurface pattern 708: second metasurface pattern
900: metasurface cover 902: substrate
904a:
906a, 906b:
910a, 910b: second buffer structure 1100: radar module
1102: meta surface cover
Claims (9)
상기 제1 메타표면과 동일 면에 배치되며, 상기 레이더 모듈의 수신용 안테나를 위한 제2 메타표면 패턴을 포함하고,
상기 제1 메타표면 패턴 및 상기 제2 메타표면 패턴 각각은,
메타물질 기반 메인 구조부,
상기 메인 구조부를 둘러싸는 메타물질 기반 제1 버퍼 구조부; 및
상기 제1 버퍼 구조부를 둘러싸는 메타물질 기반 제2 버퍼 구조부를 포함하는, 기성품 차량 레이더, 모션센서 레이더의 방사파 성능을 향상시키는 메타표면 커버.A first metasurface pattern for a transmission antenna of a radar module disposed on one surface of the substrate; and
It is disposed on the same plane as the first metasurface and includes a second metasurface pattern for a reception antenna of the radar module,
Each of the first metasurface pattern and the second metasurface pattern,
Metamaterial-based main structure,
a metamaterial-based first buffer structure surrounding the main structure; and
A metasurface cover that improves radiation performance of off-the-shelf vehicle radars and motion sensor radars, including a metamaterial-based second buffer structure surrounding the first buffer structure.
상기 메인 구조부는 n×n 배열로 배치된 복수의 전도성 정사각형 링 패턴을 포함하는, 기성품 차량 레이더, 모션센서 레이더의 방사파 성능을 향상시키는 메타표면 커버.The method of claim 1,
The main structural part includes a plurality of conductive square ring patterns arranged in an n × n array, a metasurface cover for improving radiation performance of off-the-shelf vehicle radars and motion sensor radars.
상기 n은 3인, 기성품 차량 레이더, 모션센서 레이더의 방사파 성능을 향상시키는 메타표면 커버.The method of claim 1,
wherein n is 3, a metasurface cover that improves radiation performance of off-the-shelf vehicle radars and motion sensor radars.
상기 제1 메타표면 패턴의 메인 구조부의 중심은 상기 레이더의 수신용 안테나의 중심과 정렬되고,
상기 제2 메타표면 패턴의 메인 구조부의 중심은 상기 레이더의 송신용 안테나의 중심과 정렬되는, 기성품 차량 레이더, 모션센서 레이더의 방사파 성능을 향상시키는 메타표면 커버.The method of claim 2,
The center of the main structure of the first metasurface pattern is aligned with the center of the receiving antenna of the radar,
The center of the main structure of the second meta-surface pattern is aligned with the center of the antenna for transmitting the radar, a meta-surface cover that improves radiation performance of off-the-shelf vehicle radars and motion sensor radars.
상기 제1 버퍼 구조부는 한 줄로 배열되고 상기 메인 구조부의 정사각형 링 패턴의 크기보다 작은 복수의 전도성 정사각형 링 패턴을 포함하며,
상기 제2 버퍼 구조부는 한 줄로 배열되고 상기 제1 버퍼 구조부의 정사각형 링 패턴의 크기보다 작은 복수의 전도성 정사각형 링 패턴을 포함하는, 기성품 차량 레이더, 모션센서 레이더의 방사파 성능을 향상시키는 메타표면 커버.The method of claim 2,
The first buffer structure includes a plurality of conductive square ring patterns arranged in a line and smaller than the size of the square ring pattern of the main structure,
The second buffer structure includes a plurality of conductive square ring patterns arranged in one line and smaller than the size of the square ring pattern of the first buffer structure, a metasurface cover for improving radiation performance of off-the-shelf vehicle radars and motion sensor radars. .
상기 제1 메타표면 패턴과 상기 제2 메타표면 패턴은 동일한 평면상에서 서로 소정 거리 이격되어 배치되고,
서로 마주 보는, 상기 제1 메타표면 패턴의 일측과 상기 제2 메타표면 패턴의 일측에는 상기 제2 버퍼 구조부의 정사각형 링 패턴이 없는 것을 특징으로 하는 기성품 차량 레이더, 모션센서 레이더의 방사파 성능을 향상시키는 메타표면 커버.The method of claim 5,
The first metasurface pattern and the second metasurface pattern are disposed spaced apart from each other by a predetermined distance on the same plane,
One side of the first metasurface pattern and one side of the second metasurface pattern facing each other are free from the square ring pattern of the second buffer structure, improving the radiation performance of the off-the-shelf vehicle radar and motion sensor radar. Metasurface cover.
상기 정사각형 링 패턴들은 이웃하는 정사각형 패턴들의 중심에서 중심까지의 거리가 2.3mm가 되도록 배치되고,
상기 정사각형 링 패턴들 각각의 패턴 폭은 0.3mm이며, 상기 제1 메인 구조부의 정사각형 링 패턴의 한 변의 길이는 1.9mm이고, 상기 제1 버퍼 구조부의 정사각형 링 패턴의 한 변의 길이는 1.4mm이며, 상기 제2 버퍼 구조부의 정사각형 링 패턴의 한 변의 길이는 1mm이고,
상기 수신용 안테나 또는 상기 송신용 안테나와 상기 메타표면 커버 간의 거리는 6.6mm인 것을 특징으로 하는 기성품 차량 레이더, 모션센서 레이더의 방사파 성능을 향상시키는 메타표면 커버.The method of claim 2,
The square ring patterns are arranged so that the distance from center to center of neighboring square patterns is 2.3 mm,
The pattern width of each of the square ring patterns is 0.3 mm, the length of one side of the square ring pattern of the first main structure is 1.9 mm, and the length of one side of the square ring pattern of the first buffer structure is 1.4 mm, The length of one side of the square ring pattern of the second buffer structure is 1 mm,
A metasurface cover for improving radiation performance of off-the-shelf vehicle radars and motion sensor radars, characterized in that the distance between the reception antenna or the transmission antenna and the metasurface cover is 6.6 mm.
상기 레이더 모듈에 소정 거리 이격되어 배치된 메타표면 커버를 포함하고,
상기 메타표면 커버는,
기판의 일면에 배치되는, 상기 레이더 모듈의 송신용 안테나를 위한 제1 메타표면 패턴; 및
상기 제1 메타표면과 동일 면에 배치되며, 상기 레이더 모듈의 수신용 안테나를 위한 제2 메타표면 패턴을 포함하고,
상기 제1 메타표면 패턴 및 상기 제2 메타표면 패턴 각각은,
메타물질 기반 메인 구조부,
상기 메인 구조부를 둘러싸는 메타물질 기반 제1 버퍼 구조부; 및
상기 제1 버퍼 구조부를 둘러싸는 메타물질 기반 제2 버퍼 구조부를 포함하는, 기성품 차량 레이더, 모션센서 레이더의 방사파 성능을 향상시키는 메타표면 커버를 사용한 레이더 안테나.A radar module including a transmission antenna and a reception antenna; and
A metasurface cover disposed at a predetermined distance from the radar module,
The metasurface cover,
a first metasurface pattern for a transmission antenna of the radar module, disposed on one surface of the substrate; and
It is disposed on the same plane as the first metasurface and includes a second metasurface pattern for a reception antenna of the radar module,
Each of the first metasurface pattern and the second metasurface pattern,
Metamaterial-based main structure,
a metamaterial-based first buffer structure surrounding the main structure; and
A radar antenna using a metasurface cover that improves radiation performance of off-the-shelf vehicle radars and motion sensor radars, including a metamaterial-based second buffer structure surrounding the first buffer structure.
상기 메타표면 커버를 사용한 레이더 안테나 각각은,
송신용 안테나 및 수신용 안테나를 포함하는 레이더 모듈; 및
상기 레이더 모듈에 소정 거리 이격되어 배치된 메타표면 커버를 포함하고,
상기 메타표면 커버는,
기판의 일면에 배치되는, 상기 레이더 모듈의 송신용 안테나를 위한 제1 메타표면 패턴; 및
상기 제1 메타표면과 동일 면에 배치되며, 상기 레이더 모듈의 수신용 안테나를 위한 제2 메타표면 패턴을 포함하며,
상기 제1 메타표면 패턴 및 상기 제2 메타표면 패턴 각각은,
메타물질 기반 메인 구조부,
상기 메인 구조부를 둘러싸는 메타물질 기반 제1 버퍼 구조부; 및
상기 제1 버퍼 구조부를 둘러싸는 메타물질 기반 제2 버퍼 구조부를 포함하는, 기성품 차량 레이더, 모션센서 레이더의 방사파 성능을 향상시키는 메타표면 커버를 사용한 레이더 안테나 구조체.A radar antenna structure in which a plurality of radar antennas are radially arranged using a metasurface cover that improves the radiation performance of off-the-shelf vehicle radars and motion sensor radars,
Each of the radar antennas using the metasurface cover,
A radar module including a transmission antenna and a reception antenna; and
A metasurface cover disposed at a predetermined distance from the radar module,
The metasurface cover,
a first metasurface pattern for a transmission antenna of the radar module, disposed on one surface of the substrate; and
It is disposed on the same plane as the first metasurface and includes a second metasurface pattern for a receiving antenna of the radar module,
Each of the first metasurface pattern and the second metasurface pattern,
Metamaterial-based main structure,
a metamaterial-based first buffer structure surrounding the main structure; and
A radar antenna structure using a metasurface cover that improves radiation performance of off-the-shelf vehicle radars and motion sensor radars, including a metamaterial-based second buffer structure surrounding the first buffer structure.
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|---|---|---|---|
| KR1020210092312A KR102620679B1 (en) | 2021-07-14 | 2021-07-14 | Metamaterial surface cover for ready-made radars and commercial radars to improve the radiation patterns and dectection range, radar antenna, and radar antenna structure using metamaterial surface cover |
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| KR1020210092312A KR102620679B1 (en) | 2021-07-14 | 2021-07-14 | Metamaterial surface cover for ready-made radars and commercial radars to improve the radiation patterns and dectection range, radar antenna, and radar antenna structure using metamaterial surface cover |
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| KR20230011707A true KR20230011707A (en) | 2023-01-25 |
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2021
- 2021-07-14 KR KR1020210092312A patent/KR102620679B1/en active IP Right Grant
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| KR102620679B1 (en) | 2024-01-04 |
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| E701 | Decision to grant or registration of patent right |