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ABSTRACT

Contents

목차

제1장 과제개요 28

제1절 연구 필요성 및 중요성 28

1. 필요성 28

2. 중요성 28

제2절 연구목표 및 내용 29

1. 최종목표 29

2. 연차별 연구목표 29

3. 당해년도 연구내용 32

제3절 보고서 체계 33

제2장 지능형 전파 영상센서 기술 34

제1절 MIMO 이미징 레이다 해상도 개선 알고리즘 34

1. MIMO FMCW 레이다 기술 34

2. 방위각 해상도 개선을 위한 알고리즘 연구 36

3. 해상도 개선 알고리즘 검증 시험 39

4. 방위각 해상도 개선을 위한 OAM 모드 발생 기술 42

제2절 디지털 OFDM 레이다 기술 분석 및 송수신 방식 연구 44

1. 기존 아날로그 FMCW 레이다 개요 44

2. OFDM 레이다 45

3. CP-less OFDM 레이다 waveform 생성 및 수신 알고리즘 50

제3절 딥러닝 기반 레이다 영상 인식 알고리즘 기초 연구 57

1. 딥러닝 기반 레이다 영상 인식 개념[원문불량;p.31] 57

2. 딥러닝 기반 레이다 영상 인식 알고리즘[원문불량;p.37] 58

제3장 튜너블 테라헤르츠 트랜시버 기술 67

제1절 테라헤르츠 트랜시버 구성용 핵심 소자 및 모듈 기술 67

1. 광대역 테라헤르츠파 발생 칩 및 모듈 기술 개발 67

2. 광대역 테라헤르츠파 검출 소자 및 모듈 기술 개발[원문불량;p.47] 69

제2절 RTD 및 나노전극 검출기 원천기술 개발 77

1. RTD(resonant tunneling diode) 설계 기술 개발 77

2. 나노전극 기반 테라헤르츠파 검출기 원천기술 개발 93

제3절 테라헤르츠 파면제어 기초기술 연구 95

1. 테라헤르츠 파면제어 원천기술 95

2. 테라헤르츠 응용기술 개발 104

제4장 중거리 무선 에너지 전송 원천 기술 113

제1절 중거리 전송용 단일 코일 전자기공명(EMCR) 해석 113

1. 공진기 결합계수 및 중거리에서 웨이브 임피던스 변화량 해석 113

2. 송수신 공진기 주변에서 전자기장 변환 방법 연구 118

3. 공진구조에 따른 전송거리 분석 연구와 중거리 전송을 위한 공진기 모델 120

제2절 고효율 송수신 회로 설계 기술 개발 122

1. 낮은 결합계수 환경 무선전력전송 송수신 회로 설계 및 제작 122

2. 중거리 무선전력전송 통신 및 제어 회로 개발 129

제5장 연차 성과목표 달성도 136

제1절 기술개발 목표 및 성과 136

제2절 연구산출물 목표 및 성과 137

제6장 연구결과 활용정도 및 파급효과 145

제7장 중간점검 지적사항 개선실적 148

제8장 결론 149

참고문헌 150

약어 152

표목차

(표 2.1) OFDM 및 FMCW 주요 지표 비교 50

(표 2.2) Range-Velocity 성능 확인을 위한 시뮬레이션 파라미터 설정 55

(표 3.1) 측정 예정인 신뢰성 시험 규격 및 항목 76

(표 3.2) RTD 에피 구조의 주요 성능 지표 78

(표 3.3) RTD 에피 설계 결과 78

(표 3.4) XRD Curve Fitting 결과 80

(표 3.5) RTD 설계 파라미터 82

(표 3.6) RTD 주요 설계 파라미터 83

(표 3.7) RTD 설계 반영 파라미터 85

(표 3.8) RTD 소자 설계 결과 86

(표 3.9) TLM 측정 결과 90

(표 4.1) 설계 개선 전후 비복사 전자기 공진코일의 S 파라미터 특성 비교 118

(표 4.2) 설계 개선 전후 전자기공명 공진코일 주변의 전자기장 분포 비교 119

(표 4.3) 낮은 결합계수 환경 무선전력전송 제작 사양 124

(표 4.4) 저전력 근거리 통신 규격 비교 131

(표 4.5) Qi 프로토콜 구현 제품 비교 133

그림목차

(그림 2.1) MIMO FMCW 레이다 개념도 34

(그림 2.2) 반복적인 변환 기법을 이용한 방위각 획득 알고리즘 36

(그림 2.3) 균일 가상안테나를 이용한 방위각 성능 비교 37

(그림 2.4) 불균일 가상안테나를 이용한 방위각 성능 비교 38

(그림 2.5) 레이다 이미지 해상도 실험에 이용된 표적 모델과 가상안테나 배치 38

(그림 2.6) 레이다 이미지 해상도 시뮬레이션 결과 39

(그림 2.7) 표적 영상획득을 위한 레이다 측정 환경 39

(그림 2.8) 표적 영상획득을 위한 레이다 측정 환경 평면도 40

(그림 2.9) 실험에 이용된 가상안테나 좌표 40

(그림 2.10) 불균일 가상안테나를 이용한 레이다 이미지 획득 결과 41

(그림 2.11) URA 구조를 활용한 제1번 OAM 모드(ℓ=+1)의 방위각 집속도 변화 42

(그림 2.12) URA 가중치 조정에 대한 제5번 OAM 모드(ℓ=+5)의 근역장 위상 분포 비교 43

(그림 2.13) FMCW 레이다 블록 다이어그램 44

(그림 2.14) FMCW chirp sequence 구성 예 44

(그림 2.15) 레이다 waveform 시간 길이 관점 발전 동향 45

(그림 2.16) OFDM 레이다 주요 기능 블록 다이어그램 46

(그림 2.17) OFDM 송신 프레임 구조 47

(그림 2.18) OFDM 프레임의 시간 영역 구조 48

(그림 2.19) range-velocity 2차원 채널 응답 예시 49

(그림 2.20) CP-less OFDM 송신 프레임 구조 51

(그림 2.21) CP-less OFDM 레이다 송수신 블록다이어그램 51

(그림 2.22) 수신단 FFT를 위한 windowing 예시 개념도 53

(그림 2.23) OFDM 프레임 송수신 시 발생하는 수신단 심볼 간 간섭현상 54

(그림 2.24) OFDM 전송 프레임의 시간적 길이 비교 55

(그림 2.25) CP-less OFDM 레이다 방식을 적용한 거리-속도 추정 결과 56

(그림 2.26) 딥러닝 기반 레이다 영상 인식[원문불량;p.31] 58

(그림 2.27) 딥러닝 기반 레이다 영상 인식을 위한 측정 실험 58

(그림 2.28) 레이다 신호처리 결과 : 거리 59

(그림 2.29) 레이다 신호처리 결과 : 정면맵(Range-Angle Map) 59

(그림 2.30) 레이다 신호처리 결과 : 평면맵(Range-Angle Map) 59

(그림 2.31) 레이다 영상 정규화 60

(그림 2.32) Transfer Learning 60

(그림 2.33) Transfer Learning(Xception) 학습결과 61

(그림 2.34) Xception 재학습결과 61

(그림 2.35) Transfer Learning(MobileNet) 학습결과 62

(그림 2.36) MobileNet 재학습결과 62

(그림 2.37) Custom CNN 구조 63

(그림 2.38) Custom CNN 학습결과 63

(그림 2.39) 자세 분류 실험 64

(그림 2.40) 자세 분류 실험 결과[원문불량;p.37] 64

(그림 2.41) Range-Doppler Map 측정 실험 65

(그림 2.42) 물체별 Range-Doppler Map 65

(그림 2.43) Range-Doppler Map 분류를 위한 CNN 네트워크 구조 66

(그림 2.44) CNN을 이용한 Range-Doppler Map 분류 결과 66

(그림 3.1) 설계된 UTC-PD 에피 구조와 공정과정 및 완료된 칩 사진 67

(그림 3.2) 공정 완료된 UTC-PD 칩의 모듈화 및 특성 분석 데이터 68

(그림 3.3) UTC-PD 출력 파워 측정 셋업 및 측정값 68

(그림 3.4) 테라헤르츠 밀폐형 검출 모듈 69

(그림 3.5) SBD 전류-전압 특성 70

(그림 3.6) (a) 패키지 모듈 전류-전압 특성 (b) THz 대역 검출 특성 70

(그림 3.7) InGaAs SBD 박막구조 72

(그림 3.8) 샘플 a의 (a) THz 검출신호, (b) differential resistance와 (c) I-V curve 72

(그림 3.9) 샘플 a, b, c, d의 IV curve 73

(그림 3.10) Horn 모듈용 (a) SBD 소자 SEM이미지와 (b) 하우징 현미경 사진[원문불량;p.47] 74

(그림 3.11) 주파수별 power dependence responsivity 74

(그림 3.12) (a) 노이즈 측정 셋업 모식도 (b) 실제 측정 셋업 75

(그림 3.13) (a) 노이즈 검증 테스트 측정 (b) SBD voltage noise PSD 75

(그림 3.14) (a) 제작된 충격 낙하 시험용 테스트 지그 (b) 열충격 테스트 챔버... 76

(그림 3.15) (좌) RTD 소자의 바이어스별 전도밴드 구조 (우) RTD 소자의 I-V 곡선 77

(그림 3.16) (좌) XRD 측정 결과 (우) 확대그림 80

(그림 3.17) RTD Epi Wafer 구조 분석(전체) 81

(그림 3.18) RTD Epi Wafer 구조 분석(Critical Layers) 81

(그림 3.19) RTD 공진 구조 등가 회로 82

(그림 3.20) RTD 소자 구조도 83

(그림 3.21) RTD mesa 평면도 (좌) 및 단면도 (우) 84

(그림 3.22) 전송선로 특성 84

(그림 3.23) 메사 길이에 따른 공진 선로 길이에 따른 공명 주파수 85

(그림 3.24) 공진 주파수별 최대 예상 출력 계산 결과 86

(그림 3.25) RTD 소자 단면도 및 마스크 그림(안테나 및 전극 제외) 87

(그림 3.26) RTD 소자 공정 개략도 87

(그림 3.27) RTD 소자부 형성 후 현미경 사진 88

(그림 3.28) (좌측 위) RTD 소자 공정 사진 (우측 위) 소자부 확대도 (좌측 아래) 테스트... 89

(그림 3.29) RTD 및 나노전극 소자 측정 셋업(구축 중) 90

(그림 3.30) 제작된 RTD 소자의 I-V 특성 91

(그림 3.31) Shunt Resistance 측정 결과(실선은 기울기가 1인 선) 91

(그림 3.32) Wafer 1의 주요 에피 파라미터 정리(메사 크기별) 92

(그림 3.33) Wafer 3의 주요 에피 파라미터 정리(메사 크기별) 92

(그림 3.34) 나노전극 THz 정류 소자 공정 사진 93

(그림 3.35) 나노전극 정류 소자 설계 안 94

(그림 3.36) 나노 정류 소자의 위치별 band diagram 및 Carrier Density 95

(그림 3.37) 5G 모바일 터미널을 위한 28GHz 안테나 어레이 구성 및 4G 표준과의 비교 96

(그림 3.38) (좌) 계산에 사용된 주요 파라미터 (우) 일반 보우타이 안테나(a)와 직교형... 97

(그림 3.39) 공기 중에 InP 기판 200μm만 있는 경우의 방사 패턴 98

(그림 3.40) 실리콘 렌즈를 하부에 장착한 경우의 방사패턴 99

(그림 3.41) 실리콘 렌즈를 하부에 장착한 경우의 방사패턴 99

(그림 3.42) 직교형 보우타이 안테나 제작을 위한 마스크 패턴의 예 101

(그림 3.43) LT-InGaAs/InAlAs MQW 구조 102

(그림 3.44) 성장된 LT-InGaAs MQW 표면 저항과 점결함 102

(그림 3.45) 열처리에 따른 LT-InGaAs epilayer의 hall effect 측정 103

(그림 3.46) LT-InGaAs MQW의 HR-XRD 전산모사와 실제 측정결과 104

(그림 3.47) (좌) 2D polygon mirror scanner의 동작 구조 (우) Polygon mirror의 modeling 104

(그림 3.48) Polygon mirror의 기계적 움직임을 고려한 (좌) focal plane의 spot diagram과... 105

(그림 3.49) THz collimation module far-field 측정 결과 106

(그림 3.50) ±3.8° 방사각을 갖는 광원의 focusing 106

(그림 3.51) (좌) 기존 렌즈의 150mm 초점면의 초점 특성과 (우) 방사각과 polygon의 동작... 107

(그림 3.52) (좌) 기존 100mm 설계 렌즈의 150mm거리 이미징, (우)방사각을 고려하여 150mm로... 108

(그림 3.53) 렌즈에 따른 이미징 결과 108

(그림 3.54) 테라헤르츠 태깅 시스템 데모 109

(그림 3.55) (좌) 도핑 농도가 다른 반도체 웨이퍼 샘플 및 THz 이미지,... 110

(그림 3.56) 이미지 보정(warping) 개념도 및 실제 보정된 THz 이미지 111

(그림 3.57) ME:WEek 2019 전시된 (좌) THz 두께 모니터링 시스템, (우) 2차원 이미징 시스템 112

(그림 4.1) 송수신간 전기장, 자기장 결합 114

(그림 4.2) 웨이브 임피던스 해석을 위한 공진기 모델 115

(그림 4.3) 직경대비 전송거리에 따른 공진기 전송효율 115

(그림 4.4) 직경대비 3배 전송거리에서 계산한 정규화된 (a) 전기장과 (b) 자기장 분포 115

(그림 4.5) 직경대비 3배 전송거리에서 계산한 정규화된 웨이브 임피던스 116

(그림 4.6) 직경대비 전송거리에 따른 전기장 분포의 계산결과 116

(그림 4.7) 직경대비 전송거리에 따른 자기장 분포의 계산결과 117

(그림 4.8) 직경대비 전송거리에 따른 웨이브 임피던스의 계산결과 117

(그림 4.9) 커패시터가 추가된 공진기의 전기적 모델 120

(그림 4.10) 커패시터의 내부저항에 따른 전송효율 감소 120

(그림 4.11) 직경대비 전송거리 4배에서 공진기 전송효율 측정 및 결과 121

(그림 4.12) 전송거리에 따른 전송효율 결과 비교 121

(그림 4.13) 낮은 결합계수 환경 무선전력전송 송수신회로 구조 123

(그림 4.14) 자동차시트 무선전력전송 송수신회로 구성 123

(그림 4.15) 낮은 결합계수 환경 무선전력전송 송수신 회로 125

(그림 4.16) 낮은 결합계수 환경 무선전력전송 송수신 회로 시험 결과 126

(그림 4.17) 낮은 결합계수 극복 무선전력전송 구조 126

(그림 4.18) 다중 송신코일 무선전력전송 회로 해석 127

(그림 4.19) 낮은 결합계수 극복 무선전력전송 회로 구현 128

(그림 4.20) 결합계수 비가 1:2인 경우 송신코일 전류 129

(그림 4.21) 결합계수 비가 변화하는 환경에서의 실시간 전류제어 특성 129

(그림 4.22) 무선전력전송 시스템 제어방식 구성도 131

(그림 4.23) Qi 제어 프로토콜(예 : NXP core 사용) 개발 및 시험 환경 구성도 133

(그림 6.1) 차량용 전파센서 핵심 요소 기술 개념 145

(그림 6.2) 고해상도 지능형 레이다 기술 활용 사례 145

(그림 6.3) 다중 무선충전 시스템 개념도 147

(그림 6.4) 중거리 무선전력전송 미래 서비스 147