KR100732935B1 - Measurement probe and system of material's dielectric constant using a transmitted reference impulse, and measurement method thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 유전율 측정 프로브 와 측정장치 및 그 측정방법에 관한 것으로, 유전체 기판, 상기 유전체 기판 일면에 임펄스가 통과되는 마이크로스트립 라인으로 형성된 기준선로, 상기 기준선로에서 분리되어 상기 임펄스의 지연시간 측정을 위한 마이크로스트립 라인으로 형성된 지연선로; 및 상기 기준선로가 패턴화된 면과 상기 유전체 기판 반대면에 형성된 그라운드층(GND)을 포함하는 평판형 도파관으로 형성된 측정 프로브와 상기 측정 프로브를 이용하여 임펄스 발생기와 검출기로 구성되어 유전율을 측정하는 유전율 측정장치 및 그 측정방법이다.The present invention relates to a dielectric constant probe, a measuring device, and a measuring method thereof, comprising: a reference line formed of a dielectric substrate and a microstrip line through which an impulse passes through one surface of the dielectric substrate, separated from the reference line to measure the delay time of the impulse. Delay line formed of a microstrip line for; And a measurement probe formed of a flat waveguide including a patterned surface and a ground layer (GND) formed on an opposite surface of the dielectric substrate, and an impulse generator and a detector using the measurement probe to measure dielectric constant. Dielectric constant measuring device and its measuring method.

본 발명에 따른 유전율 측정 프로브 와 측정장치 및 유전율 측정방법을 제공하면, 측정 매질에 투입되는 평판형 도파관 형태의 측정 프로브를 투과하는 펄스의 지연시간을 측정함으로써, 신호의 동기화 과정 없이 실시간으로 측정매질의 유전율을 측정할 수 있게 되고, 낮은 가격으로 프로브 제작이 가능하게 되며, 시스템 보정이 필요없어 측정이 간편하게 된다. According to the present invention, there is provided a dielectric constant measuring probe, a measuring device, and a dielectric constant measuring method, by measuring a delay time of a pulse passing through a measuring probe in the form of a flat waveguide input to a measuring medium, thereby measuring the measuring medium in real time without synchronizing a signal. The permittivity can be measured, probes can be manufactured at low cost, and system calibration is not necessary, making measurement simple.

유전율, CMOS, TDR, 도파관, 프로브, 마이크로스트립, 임펄스 발생기 Permittivity, CMOS, TDR, waveguide, probe, microstrip, impulse generator

Description

송신기준 임펄스를 이용한 유전율 측정 프로브 와 측정장치 및 그 측정방법{Measurement probe and system of material's dielectric constant using a transmitted reference impulse, and measurement method thereof}Measurement probe and system of material's dielectric constant using a transmitted reference impulse, and measurement method

도 1은 일반적인 유전율 측정을 위한 시간영역 반사측정기법(TDR)을 도시한 도면,1 illustrates a time domain reflectometry (TDR) method for measuring a dielectric constant in general;

도 2a는 본 발명에 따른 매질속에 투입된 평판형 도파관으로 형성된 측정 프로브의 측면도를 도시한 도면,Figure 2a shows a side view of a measuring probe formed of a flat waveguide introduced into a medium according to the present invention,

도 2b는 본 발명에 따른 매질속에 투입된 평판형 도파관으로 형성된 측정 프로브의 평면도를 도시한 도면,2b is a plan view of a measuring probe formed of a flat waveguide introduced into a medium according to the present invention;

도 3은 본 발명에 따른 유전율 측정장치 구조의 블럭도를 도시한 도면,3 is a block diagram of a structure of a dielectric constant measuring apparatus according to the present invention;

도 4는 본 발명에 따른 유전율 측정장치의 구성요소의 하나인 임펄스 발생기의 내부 회로의 블록도를 도시한 도면,4 is a block diagram of an internal circuit of an impulse generator which is one of the components of the dielectric constant measuring apparatus according to the present invention;

도 5는 본 발명에 따른 유전율 측정장치가 매질의 유전율을 측정하고 계산 및 표시하는 하나의 예를 도시한 도면,5 is a diagram illustrating an example in which the dielectric constant measuring apparatus according to the present invention measures, calculates, and displays a dielectric constant of a medium;

도 6은 본 발명에 따른 유전율 측정방법의 흐름도를 예시한 도면이다.6 is a flowchart illustrating a dielectric constant measuring method according to the present invention.

본 발명은 유전율 측정장치 및 그 측정방법에 관한 발명으로, 더욱 상세하게는 임펄스가 통과하는 두 경로를 형성하고 각 경로를 통과한 펄스의 전파 지연속도를 측정하여, 보다 간편하고 정확하게 균일 매질 내의 유전율 및 나아가 상기 균일 매질의 수분 함수량을 측정할 수 있는 유전율 측정장치 및 그 측정방법에 관한 것이다.The present invention relates to a dielectric constant measuring device and a method of measuring the same, and more particularly, to form two paths through which an impulse passes, and to measure the propagation delay rate of pulses passing through each path, thereby permitting the dielectric constant in a uniform medium more easily and accurately. And further relates to a dielectric constant measuring apparatus and a measuring method thereof capable of measuring the water content of the uniform medium.

유전율(Permittivity:ε)이란 유전체(Dielectric Material), 즉 부도체의 전기적인 특성을 나타내는 중요한 특성값이다. 유전율은 DC전류에 대한 전기적 특성을 나타내는 것이 아니라 AC 전류, 특히 교류 전자기파의 특성과 직접적인 관련이 있다. Permittivity (ε) is an important characteristic value that represents the electrical properties of dielectric materials, that is, insulators. The dielectric constant does not represent the electrical characteristics of the DC current, but is directly related to the characteristics of the AC current, in particular alternating electromagnetic waves.

유전체(부도체)에서 유전율의 의미를 살펴보면, 유전율을 개념적으로 더욱 명확하게 이해할 수 있을 것이다. 유전체 내에서 평소에 각자 흩어져있던 +- moment 성분은, 외부에서 걸린 전자계의 교류 변화에 맞추어 정렬된다. 즉 moment성분들이 전자계의 변화방향에 맞추어 따라 변함으로써, 부도체이면서도 내부에서 전자기파의 진행을 가능하게 하는 것이다. 이러한 외부의 전자계의 변화에 대해, 물질 내부의 moment가 얼마나 민감하게 잘 반응하여 움직이느냐의 정도를 유전율이라고 한다.Looking at the meaning of permittivity in dielectrics (insulators), one can understand the permittivity more conceptually. The +-moment components, which are usually scattered within the dielectric, are aligned with the alternating alternating current in the electromagnetic field. That is, the moment components change in accordance with the change direction of the electromagnetic field, thereby enabling the progress of electromagnetic waves in the insulator. In response to such changes in the external electromagnetic field, how sensitively the moment inside the material reacts is called the permittivity.

이처럼 모든 물질은 유전율에 의존되는 전기적 성질을 가지고 있는데, 유전율의 정확한 측정은 과학자나 공학자들에게 다양한 분야에서 응용되는 물질의 중요한 정보들을 제공한다.As such, all materials have electrical properties that are dependent on the dielectric constant. Accurate measurement of the dielectric constant provides scientists and engineers with important information about materials used in various fields.

즉, 유전율 측정은 많은 전자소자의 정확한 설계 파라미터를 제공하는 중요한 정보가 될 수 있다. 예를 들어, 절연 케이블의 전력손실, 물질의 저항, 유전율과 밀접한 관련이 있는 유전체 고유 진동수 등을 유전율의 측정으로부터 알 수 있다.In other words, permittivity measurement can be important information that provides accurate design parameters for many electronic devices. For example, the dielectric loss, which is closely related to the power loss of the insulated cable, the resistance of the material, and the dielectric constant, can be obtained from the measurement of the dielectric constant.

또한, 특정 매질 내의 유전율을 측정하여, 매질의 수분 함수량을 측정할 수가 있는데, 이 기술은 다양한 분야에서 응용되고 있다. 예를 들면, 분말내의 수분 함수량을 측정하거나, 곡식의 건조 정도를 점검하기 위해서도 사용되기도 하며, 모래와 같은 건축자재 내의 함수량은 건축물의 경도를 결정하는 중요한 요소이므로 건축용 모래의 함수량 측정은 매우 중요하다.In addition, by measuring the dielectric constant in a specific medium, it is possible to measure the moisture water content of the medium, this technique has been applied in various fields. For example, it is also used to measure the moisture content of the powder or to check the dryness of the grain. It is very important to measure the moisture content of building sand because the moisture content in building materials such as sand is an important factor in determining the hardness of the building. .

이러한 산업적 수요 때문에, 간편하고 제작이 상대적으로 쉬운, 마이크로파를 이용한 매질 내의 유전율을 측정하는 기술은 오래전부터 연구되어 왔지만, 현재까지의 유전율 측정방법은 주로 매질의 전기저항, 축전용량(Capacitance)을 측정하여 매질의 유전율을 측정하는 방법들이 대부분이다.Because of this industrial demand, techniques for measuring dielectric constant in medium using microwaves, which are simple and relatively easy to manufacture, have been studied for a long time, but to date, the method of measuring dielectric constant mainly measures electric resistance and capacitance of a medium. Most of the methods to measure the dielectric constant of the medium.

최근에는 시간영역에서의 극초단 임펄스를 사용하여, 균일 매질의 상대 유전율을 측정하는 방법이 개발되었다. 극초단 임펄스를 사용하는 방법은 전기저항, 축전용량을 측정하는 방법에 비해, 측정 속도가 빨라 그 활용법위를 급속도로 넓히고 있다. 대표적인 관련 특허로서 'Measurement of moisture content an electrical conductivity'(특허번호: AU628356 )이 있다.Recently, a method for measuring the relative dielectric constant of a homogeneous medium using ultrashort impulses in the time domain has been developed. Ultra-short impulse method is faster than the method of measuring the electrical resistance and capacitance, and the use of the method is rapidly expanding. A representative related patent is 'Measurement of moisture content an electrical conductivity' (Patent No. AU628356).

이와 같은 기술은 대부분 시간영역 반사측정기법 (TDR; time domain reflectometry)을 이용하여 유전율을 측정하는데, TDR은 피측정 장치의 시간영역에 서의 스텝응답 또는 임펄스 응답 특성을 측정하는 기법이다. Most of these techniques measure the dielectric constant using time domain reflectometry (TDR), which measures the step response or impulse response characteristics in the time domain of the device under measurement.

시간영역 반사측정기법(TDR)은 시간영역에서 스텝 신호 또는 임펄스 신호를 직접 피측정 장치에 인가하여 방향성 결합기, 샘플러, 오실로스코프 등을 이용하여 시간영역 응답특성을 직접 측정하는 직접 측정 방법과 광대역 벡터 회로망분석기를 사용하여 얻은 주파수영역에서의 특성을 역푸리에 변환하여 시간영역에서의 응답 특성을 얻는 간접측정방법으로 분류할 수 있다.Time-domain reflectometry (TDR) is a direct measurement method and broadband vector network that directly measures time-domain response characteristics using a directional coupler, sampler, oscilloscope, etc. by applying a step signal or an impulse signal directly to the device under measurement in the time domain. It can be classified into an indirect measurement method that obtains the response characteristics in the time domain by inverse Fourier transform of the characteristics in the frequency domain obtained by using the analyzer.

구체적으로 살펴보면, 도 1에서 일반적인 시간영역 반사측정기법(TDR)을 도시한 도면인데, 직접측정방식의 TDR 측정기의 구성도이다. 스텝신호 (또는 펄스신호) 발생기에서 발생된 신호는 저항 R을 갖는 동축선을 통과하여 피측정 장치에 인가된다. 스텝신호 발생기에 연결된 샘플링 헤드에서는 스텝신호의 입사파와 반사파가 합해져서 고속 샘플링 오실로스코프에 인가된다.Specifically, FIG. 1 illustrates a general time domain reflection measuring technique (TDR), which is a configuration diagram of a TDR measuring apparatus of a direct measurement method. The signal generated by the step signal (or pulse signal) generator is applied to the device under measurement through the coaxial line having the resistance R. In the sampling head connected to the step signal generator, the incident and reflected waves of the step signal are summed and applied to the high speed sampling oscilloscope.

즉, 입사파와 반사파에 의하여 펄스지연 시간을 측정하고, 이 측정된 펄스지연 시간을 이용하여 유전율이나 수분 함수량을 측정하는 것이다.That is, the pulse delay time is measured by the incident wave and the reflected wave, and the dielectric constant and the moisture water content are measured using the measured pulse delay time.

시간영역 반사측정기법의 주요한 용도로는 전송선 상의 결함 진단, 매질내의 전송속도 측정 및 이의 응용 (예: 사료와 시료의 혼합과 건조 과정에서의 수분 함수량 측정, 토양의 수분 함수량 측정, 유전율 측정, 지하수 수위 측정, 지반변형 측정), 고속 디지털 신호의 왜곡과 상호간섭 측정 등이 있다.The main applications of time-domain reflectometry include diagnosing defects on transmission lines, measuring transmission rates in media, and their applications (e.g., measuring moisture moisture in feed and sample mixing and drying, soil moisture content, permittivity, groundwater) Level measurement, ground deformation measurement), and measurement of distortion and mutual interference of high-speed digital signals.

그러나 이러한 TDR 방식은 특별한 측정 프로브(Probe)가 필요하고, 특히 송신펄스와 반사되는 펄스 사이의 지연 시간을 측정하기 위해 신호 동기화 과정이 필요하기 때문에 시스템이 복잡하고 제조단가가 고가이다. 또한, 실시간으로 유전율 계측이 어려우며, 정확한 측정을 위해 시스템 보정이 필요하다는 문제점이 있다. However, such a TDR method requires a special measurement probe, and in particular, a signal synchronization process is required to measure a delay time between a transmission pulse and a reflected pulse, which makes the system complicated and expensive. In addition, it is difficult to measure the dielectric constant in real time, and there is a problem that a system calibration is required for accurate measurement.

상술한 문제점을 해결하기 위해 본 발명은 극초단 펄스를 사용하며, 두 경로가 형성된 평판형 도파관 형태의 측정 프로브를 측정매질에 놓고 상기 프로브를 통과하는 펄스의 지연시간을 측정함으로써, 신호의 동기화 과정없이 용이하고 정확하게 유전율을 측정할 수 있도록 하는 유전율 측정 프로브 및 그 측정방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.In order to solve the above-mentioned problems, the present invention uses ultra-short pulses, and by placing a measurement probe in the form of a flat waveguide in which two paths are formed on a measurement medium, measuring a delay time of a pulse passing through the probe, thereby synchronizing a signal Disclosure of Invention It is an object of the present invention to provide a dielectric constant probe and a method for measuring the dielectric constant so that the dielectric constant can be easily and accurately measured without using the same.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 평판형 도파관으로 형성된 측정 프로브는 유전체 기판, 상기 유전체 기판 일면에 임펄스가 입출력되도록 직선의 마이크로스트립 라인으로 형성된 기준선로, 및 상기 기준선로의 입출력단 사이에서 일부 분리되어, 상기 기준선로의 입력단에서 입력된 임펄스가 우회하여 상기 기준선로의 출력단으로 출력되도록 마이크로스트립 라인으로 형성된 지연선로, 및 상기 기준선로가 형성된 면과 상기 유전체 기판 반대면에 형성된 그라운드층(GND)를 포함한다.Measurement probe formed of a flat waveguide according to the present invention for achieving the above object is a dielectric substrate, a reference line formed of a straight microstrip line so that the impulse input and output on one surface of the dielectric substrate, and between the input and output terminals of the reference line Partially separated, a delay line formed of a microstrip line so that an impulse input from the input end of the reference line is bypassed and output to the output end of the reference line, and a ground layer formed on the surface on which the reference line is formed and on the opposite surface of the dielectric substrate ( GND) .

여기서 상기 지연선로는 양 끝단이 상기 기준선로에 연결되는 U자 형태의 도파관으로 형성되어 상기 기준선로에 입력된 임펄스가 우회하여 출력되도록 하는 것이 바람직하다.Here, the delay line is preferably formed by a U-shaped waveguide connected to both ends of the reference line so that the impulse input to the reference line is bypassed and output .

그리고 본 발명에 따른 유전율 측정 시스템은 극초단 임펄스를 발생하는 임펄스 발생기; 유전체로 형성된 기판, 상기 기판 일면에 직선의 마이크로스트립 라인으로 형성되어 상기 발생된 임펄스가 입출력되는 기준선로, 상기 기준선로의 일부에서 분리되는 마이크로스트립 라인으로 형성되어 상기 기준선로에 입력된 임펄스가 우회하여 출력되는 지연선로, 상기 기준선로가 형성된 면과 상기 기판 반대면에 형성된 그라운드층을 포함하는 평판형 도파관으로 형성되어 측정하고자 하는 매질 내에 투입되는 측정 프로브; 및 상기 기준선로 및 지연선로를 통과한 신호의 펄스 지연시간을 측정하고, 상기 펄스지연시간을 이용하여 상기 측정 프로브 주위 매질의 유전율을 계산 및 표시하는 검출부를 포함한다. And the dielectric constant measuring system according to the present invention is an impulse generator for generating an ultra-short impulse; A substrate formed of a dielectric material, a reference line formed by a straight microstrip line on one surface of the substrate, and the generated impulse is input and output, and formed by a microstrip line separated from a portion of the reference line, and an impulse input to the reference line is bypassed. A measurement probe inputted into a medium to be measured by being formed as a flat waveguide including a delay line outputted through the substrate and a ground layer formed on a surface opposite to the substrate; And a detector configured to measure a pulse delay time of the signal passing through the reference line and the delay line, and to calculate and display a permittivity of a medium around the measurement probe using the pulse delay time.

상기 임펄스 발생기는 CMOS 공정으로 제조된 것이 바람직하고, 바람직하게는 초기신호의 발생을 위한 클럭(clock)과 상기 클럭된 신호파형을 유지시키기 위한 버퍼, 기저 대역으로부터의 디지털 데이터 정보의 임펄스 신호처리를 위한 D래치, 상기 발생된 신호를 최종 처리하는 AND Gate, 및 상기 AND Gate를 통과한 신호의 안정된 출력을 위한 출력드라이브를 포함하는 것일 수 있다.The impulse generator is preferably manufactured in a CMOS process, preferably a clock for generating an initial signal, a buffer for maintaining the clocked signal waveform, and an impulse signal processing of digital data information from a base band. D latch, an AND gate for finally processing the generated signal, and an output drive for stable output of the signal passing through the AND gate.

상기 출력 드라이브는 인버터체인(Inverter chain)으로 구현된 것이 바람직하고, 상기 검출부는 수분 함수량 표시부가 포함된 것이 바람직하다.Preferably, the output drive is implemented by an inverter chain, and the detection unit preferably includes a water content indicator.

한편, 상기 검출부는 고속 상관기를 포함하는 것일 수 있다.The detector may include a high speed correlator.

또한, 본 발명에 따른 유전율을 측정하는 방법은 극초단 임펄스를 발생하는 단계; 피측정매질에 투입되는 측정프로브로서, 유전체로 형성된 기판, 상기 기판 일면에 상기 발생된 임펄스가 입출력되도록 직선의 마이크로스트립 라인으로 형성된 기준선로, 상기 기준선로의 일부에서 분리되어 입력된 임펄스가 우회하도록 마이크로스트립 라인으로 형성된 지연선로 및 상기 기준선로가 패턴화된 면과 상기 기판 반대면에 형성된 그라운드층을 포함하며, 상기 기준선로 및 지연선로를 통과한 임펄스가 출력되는 단계; 상기 기준선로를 통과한 펄스를 기준으로 상기 지연선로를 통과한 펄스의 지연시간을 측정하는 단계; 및 상기 측정된 펄스지연시간을 이용하여 유전율을 계산 및 표시하는 단계를 포함한다.In addition, the method for measuring the dielectric constant according to the present invention comprises the steps of generating an ultra-short impulse; A measurement probe input to a medium to be measured, a substrate formed of a dielectric material, a reference line formed of a straight microstrip line to input and output the generated impulses on one surface of the substrate, and a pulse input separated from a portion of the reference line to bypass. A delay line formed of a microstrip line and a ground layer formed on a surface on which the reference line is patterned and the substrate, and outputting an impulse passing through the reference line and the delay line; Measuring a delay time of a pulse passing through the delay line based on the pulse passing through the reference line; And calculating and displaying permittivity using the measured pulse delay time.

더 나아가, 상기 기준선로 및 지연선로에서 출력되는 펄스는 단일 펄스에서 발생되는 것이 바람직하고, 상기 유전율을 계산 및 표시하는 단계는 수분 함수량을 표시하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.Furthermore, the pulses output from the reference line and the delay line are preferably generated in a single pulse, and the step of calculating and displaying the permittivity preferably includes displaying the moisture content.

이하에서, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 유전율 측정 프로브와 측정 시스템 및 그 측정방법의 바람직한 실시 예에 관하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail with respect to a preferred embodiment of the dielectric constant probe and measurement system according to the present invention and its measuring method.

도 2a 는 본 발명에 따른 측정매질(10)에서의 유전율 측정 프로브의 일례로서, 그 측면도를 도시한 도면이다. 이 유전율 측정 프로브는 베이스 기판(20) 일면에 임펄스가 통과되는 도파관으로서, 마이크로스트립 라인으로 형성된 선로(30)가 형성되어 있고, 그 기판(20) 반대면에는 그라운드(GND)(60)층으로 형성되어 있다.2A is a diagram showing a side view of an example of a dielectric constant probe in a measurement medium 10 according to the present invention. The dielectric constant measuring probe is a waveguide through which an impulse passes on one surface of the base substrate 20, and has a line 30 formed of a microstrip line, and a layer of ground (GND) 60 on the opposite surface of the substrate 20. Formed.

여기서 마이크로스트립 라인은 고주파용 distributed 회로를 구현하기 위한 회로형식으로서, RF&Microwave에서 매우 널리 사용된다. Microstrip은 바닥에는 GND(60)를 완전히 깔고, 윗면에 신호선만(30)을 배치하여 신호선과 GND 사이로 신호가 전송 되도록 한 회로구조이다. 즉 기판종류를 말하는 것이 아니라 회로의 패턴을 구현하는 한 방식을 말하는 것이다.Here, the microstrip line is a circuit type for implementing a high frequency distributed circuit, and is widely used in RF & Microwave. Microstrip is a circuit structure in which the GND 60 is completely laid on the bottom, and only the signal line 30 is disposed on the top surface so that the signal is transmitted between the signal line and the GND. In other words, it does not refer to the type of substrate, but to a method of implementing a circuit pattern.

이러한 마이크로스트립의 구조는 맨 아래에는 GND 금속으로 완전히 코팅되어 있으며, 중간 유전체의 높이와 유전율이 명확하게 정의되어 있다The structure of this microstrip is completely coated with GND metal at the bottom and the height and permittivity of the intermediate dielectric are clearly defined.

즉 그 높이/유전율 조건에 맞추어 맨 윗면에 신호선을 배치하면서 회로를 구성하게 만든, 그런 형태의 기판을 바로 Microstrip이라고 부르는 것이다. In other words, the type of substrate that makes up the circuit by arranging signal lines on the top surface according to the height / dielectric constant conditions is called a microstrip.

실제 회로에서는 부품연결상 신호선쪽 면에도 GND 패턴이 있는 경우가 많지 만, 그런 경우도 GND와 신호선과의 간격을 어느 정도 유지하여 마이크로스트립의 특성임피던스에 영향이 없도록 패턴을 디자인하게 된다. In actual circuits, the GND pattern is often present on the signal line side of component connections, but in such a case, the pattern is designed so that the gap between the GND and the signal line is maintained to some extent so as not to affect the characteristic impedance of the microstrip.

도 2b는 본 발명에 따른 측정 프로브의 일예로 도파관형 측정 프로브의 평면도를 도시한 것인데, 이러한 마이크로스트립 라인으로 형성된 선로(30)는 임펄스가 통과되는 기준선로(33)와 그 기준선로(33)로부터 분리되어 임펄스의 지연시간 측정을 위한 지연선로(32)가 형성된다.2b shows a plan view of a waveguide-type measuring probe as an example of the measuring probe according to the present invention. The line 30 formed of such a microstrip line has a reference line 33 through which an impulse passes and the reference line 33. Separated from the delay line 32 for measuring the delay time of the impulse is formed.

이렇게 분리된 지연선로(32)를 따로 두는 것은 기준선로(33)에 대한 지연선로(32)를 두어 펄스의 지연시간을 측정하기 위한 것이고, 또한 단일 입력 펄스를 사용함으로써, 송신기준 임펄스(Transmitted reference impulse)에 대한 지연시간을 측정하여, 송수신 신호의 동기화 과정이 필요 없다는 장점이 있다.The separate delay line 32 is provided to measure the delay time of the pulse by placing the delay line 32 with respect to the reference line 33, and also by using a single input pulse, a transmission reference impulse (Transmitted reference) By measuring the delay time for the impulse, there is an advantage that the synchronization process of the transmission and reception signal is not necessary.

또한, 이러한 측정을 위해, 측정매질이 없는 경우의 측정을 기준으로 이루어지기 때문에 시스템의 보정(Calibration)이 특별히 필요없어 측정이 간편하다. In addition, for this measurement, since the measurement is made based on the measurement in the absence of the measurement medium, the calibration of the system is not particularly necessary and thus the measurement is easy.

이러한 펄스의 지연시간을 측정하는 원리를 구체적으로 살펴보면, 유전체 기판(20)을 통과한 임펄스의 전파 속도는 측정 매질속에 위치한 평판형 도파관 측정 프로브의 유효 유전상수(εeff)에 의해 결정된다. 즉, Looking specifically at the principle of measuring the delay time of the pulse, the propagation speed of the impulse passing through the dielectric substrate 20 is determined by the effective dielectric constant (ε eff ) of the flat waveguide measurement probe located in the measurement medium. In other words,

Figure 112005063253817-pat00001
Figure 112005063253817-pat00001

임펄스 발생기에서 만들어진 임펄스는 측정 프로브의 입력(11)으로 들어가 고, 입력된 임펄스는 경로 1)(33)을 통과한 신호와 경로 2)(32)를 통과한 신호의 합으로 출력된다. The impulse produced by the impulse generator enters the input 11 of the measurement probe, and the input impulse is output as the sum of the signal passing through the paths 1) and 33 and the signal passing through the paths 2) 32.

출력된 신호는 2개의 임펄스가 얻어지는데, 우선 첫 번째 임펄스는 경로 1)(33)을 통과한 신호로서 송신 기준 임펄스(Transmitted reference impulse)로 사용되며, 두 번째 임펄스는 경로 2)(32)를 통과한 임펄스이다.The output signal has two impulses. First, the first impulse is a signal passed through path 1) 33, and is used as a transmitted reference impulse, and the second impulse is path 2) 32. It is an impulse that passed.

실제로 경로 2)(32)와 경로 1)(33)은 길이 (a)와 (b)를 합한 길이(L)만큼 차이가 발생한다. 따라서 송신기준 임펄스와 두 번째 임펄스의 지연시간(D)을 측정하면, 임펄스의 전파속도가 결정된다. 즉,In practice, paths 2) 32 and 1) 33 differ by the length L of the sum of the lengths (a) and (b). Therefore, by measuring the transmission time impulse and the delay time (D) of the second impulse, the propagation speed of the impulse is determined. In other words,

Figure 112005063253817-pat00002
----------------(2)
Figure 112005063253817-pat00002
----------------(2)

식 (1)과 (2)로부터, 유효 유전상수는 다음과 같이 계산된다.From equations (1) and (2), the effective dielectric constant is calculated as follows.

Figure 112005063253817-pat00003
Figure 112005063253817-pat00003

식 (3)의 유효 유전상수는 유전체 기판의 유전상수(εr)와 측정 매질의 유전 상수(εs)에 의해 결정된다. 유전체 기판의 유전상수는 주어지므로, 측정 매질속에 있는 측정 프로브에 의해 측정된 유효 유전상수에 의해 측정매질의 유전상수가 결정된다.The effective dielectric constant of equation (3) is determined by the dielectric constant ε r of the dielectric substrate and the dielectric constant ε s of the measurement medium. Since the dielectric constant of the dielectric substrate is given, the dielectric constant of the measurement medium is determined by the effective dielectric constant measured by the measurement probe in the measurement medium.

예를 들어, 건축용 모래의 함수량을 측정할 경우, 수분 함수량이 많아 질수록, 유효 유전율은 증가하고, 측정 매질의 상대 유전율도 높게 측정된다.For example, in the case of measuring the water content of building sand, the higher the water content, the higher the effective permittivity and the higher the relative permittivity of the measurement medium.

특히 도 2a에서 유전체 기판의 두께(h)(50)가 마이크로스트립 라인 선로의 두께(w)(40) 보다 아주 작다면(w/h>>1), 식 (3)의 유효 유전상수는 측정 매질의 유전상수(εs)와 유전체 기판의 유전상수(εr)의 중간값으로 주어진다.In particular, if the thickness h 50 of the dielectric substrate in FIG. 2A is much less than the thickness w 40 of the microstrip line (w / h >> 1), the effective dielectric constant of equation (3) is measured. It is given by the median of the dielectric constant ε s of the medium and the dielectric constant ε r of the dielectric substrate.

즉,In other words,

Figure 112005063253817-pat00004
이다.
Figure 112005063253817-pat00004
to be.

여기서 신호지연을 위한 지연선로(32, a), b))는 U자 형태의 도파관을 추가 하였는데, 이와같은 기본적인 개념상 다양한 구조의 지연선로의 형태가 가능하다.In this case, the delay lines 32, a, and b) for signal delay have added waveguides having a U-shape. In this basic concept, delay lines having various structures are possible.

그리고 기판(20)을 유전체 기판으로 사용함으로써, 가격이 저렴하고, 제작이 용이하게 되고, 정밀한 가공이 가능하며, 측정 오차를 최대한 줄일 수 있게 된다.In addition, by using the substrate 20 as a dielectric substrate, the cost is low, manufacturing is easy, precision processing is possible, and measurement errors can be minimized.

도 3은 본 발명에 따른 유전율 측정장치에 대한 구조의 일예로서, 그 블록도를 도시한 것이다. 임펄스를 발생하는 임펄스 발생기(110), 발생된 임펄스가 입력되고 측정매질(122)을 탐침하는 측정 프로브(121), 측정 프로브(121)에서 출력된 신호를 이용하여 지연시간을 측정하는 검출부(130)로 구성된다.3 is a block diagram showing an example of the structure of the dielectric constant measuring apparatus according to the present invention. An impulse generator 110 for generating an impulse, a measurement probe 121 for inputting the generated impulse and probing the measurement medium 122, and a detector 130 for measuring a delay time using a signal output from the measurement probe 121. It is composed of

임펄스 발생기(110)에서 발생된 임펄스가 측정 프로브(121)로 입력되고, 측정 프로브(121)에 형성된 마이크로스트립 라인의 기준선로 및 지연선로를 통하여 임펄스 신호가 통과하여 출력됨으로써, 신호 동기화 과정 없이 바로 펄스의 지연시간(D)을 검출부(130)에서 측정하여 유전율을 계산 및 표시(140)하게 된다.The impulse generated by the impulse generator 110 is input to the measurement probe 121, and the impulse signal is passed through the reference line and the delay line of the microstrip line formed in the measurement probe 121 to be output, thereby immediately without signal synchronization. The delay time D of the pulse is measured by the detector 130 to calculate and display the dielectric constant 140.

도 4는 본 발명에 따른 유전율 측정장치의 한 구성요소인 임펄스 발생기의 블록도를 도시한 도면이다. 임펄스 발생기(110)는 CMOS 기술을 이용하여 구현된다. CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)란 반도체소자의 일종으로서, N type과 P type의 조합으로 구성되어 스위칭(switching) 로직을 가지는 소자를 말한다. 집적도가 높고 대량생산에 용이하여 가격 경쟁력이 뛰어난 장점이 있다.4 is a block diagram of an impulse generator as one component of the dielectric constant measuring apparatus according to the present invention. Impulse generator 110 is implemented using CMOS technology. CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) is a kind of semiconductor device, a device composed of a combination of N type and P type having a switching logic. It has a high degree of integration and is easy to mass production, and has an advantage of excellent price competitiveness.

더하여, 위의 임펄스 발생기(110)는 임펄스 발생을 위하여 클럭이 사용되어 신호(111)가 생성되고, 기준(reference) 신호(112)를 형성하며, 기저 대역으로부터의 송신기준 임펄스 신호를 만들기 위해 D래치(114)를 사용하게 된다.In addition, the above impulse generator 110 uses a clock to generate an impulse to generate a signal 111, to form a reference signal 112, and to generate a transmission reference impulse signal from the baseband. The latch 114 is used.

또한, 버퍼(113)를 사용하여 입력의 변동에도 일정한 구형파 발생이 가능 하도록 한다. D래치(114)를 통과한 신호는 원래의 구형펄스를 적정한 시간동안 지연시키기 위해 지연경로(115)를 거쳐, 논리신호 AND Gate(116)를 통과하게 된다.In addition, the buffer 113 is used to allow a constant square wave to be generated even with a change in the input. The signal passing through the D latch 114 passes through the delay path 115 and the logic signal AND gate 116 in order to delay the original rectangular pulse for an appropriate time.

그리고 AND Gate를 통과한 신호의 적정한 출력성능을 위해 출력드라이브(117)가 최종적으로 구성된다.The output drive 117 is finally configured for proper output performance of the signal passing through the AND gate.

여기서 논리회로는 D래치(D-Latch)(114)로 구현되어 입력된 신호가 변화됨이 없이 구형펄스를 그대로 유지시킨다. 래치(latch)는 시간적으로 변화하는 레지스터 및 카운터, 데이터 신호 버스상의 디지털 정보를 원하는 시각에 판독하여 등록하는 동작, 또는 그 회로를 말한다. Here, the logic circuit is implemented with a D-Latch 114 to maintain the spherical pulse without changing the input signal. Latch refers to a register and counter that change in time, an operation of reading and registering digital information on a data signal bus at a desired time, or a circuit thereof.

보통 D 플립플롭으로 구성된 레지스터로 입력 정보는 클록 펄스의 상승 시각에서 표본화되어 입력되고 다음 클럭 펄스까지 그 이후의 입력에 관계없이 출력이 보존된다.Usually a register consisting of a D flip-flop, the input information is sampled at the clock pulse's rise time and the output is preserved regardless of subsequent inputs until the next clock pulse.

나아가, 위의 출력 드라이브(117)는 인버터체인(Inverter chain)으로 구현됨으로써, AND Gate에 통과된 신호가 대역 통과 필터에 직접 연결하면 펄스의 상승시간이 낮아져 펄스의 성능을 떨어뜨림으로, 출력단에 적정한 전류를 공급해 줄 수 있는, 인버터 체인으로 구현된 출력 드라이브가 사용된다.In addition, the output drive 117 is implemented as an inverter chain, so that when the signal passed through the AND gate is directly connected to the band pass filter, the rise time of the pulse is lowered, thereby degrading the performance of the pulse. An output drive implemented in an inverter chain is used to supply the proper current.

인버터 체인으로 구현된 출력 드라이브는 적은 개수의 트랜지스터로 구현 가능하고 주파수 가변범위가 넓고 단일 출력을 갖는 장점이 있다.Output drives implemented as an inverter chain have the advantage of being able to be implemented with fewer transistors, a wide frequency range and a single output.

도 5는 본 발명에 따른 유전율 측정장치의 용도로서, 수분이 함유된 건축용 모래의 함수량 측정하는 모습의 개략도를 도시한 것이다.5 is a schematic view of the water content measurement of the building sand containing moisture as a use of the dielectric constant measuring apparatus according to the present invention.

모래저장 용기(210)에 수분이 함유된 건축용 모래(220)가 저장되 있고 그 모래속에 즉, 측정매질내(220)에 측정프로브(230)이 투입되어 신호가 입, 출력 됨으로써, 신호지연 검출기(240)를 통하여 유전율을 측정하게 된다. 더하여, 신호지연 검출기(240)는 유전율 계산 및 표시부가 포함될 수 있고, 그 유전율에 의한 수분 함수량을 계산 및 표시하는 표시부가 더 포함 될 수 있다.Building sand 220 containing moisture is stored in the sand storage container 210 and the measurement probe 230 is input into the sand, that is, the measurement medium 220 in the measurement medium, so that a signal is input and output. The dielectric constant is measured through 240. In addition, the signal delay detector 240 may include a dielectric constant calculation and display unit, and may further include a display unit that calculates and displays the moisture water content according to the dielectric constant.

여기서 상기 검출기(240)는 고속상관기를 포함하는 것이 바람직한데,Wherein the detector 240 preferably comprises a high speed correlator,

상관기는 두 신호의 유사성과 시간차를 나타내며 잡음이 포함되어 있는 신호의 검출 및 복원하는 장치를 말하고, 고속 상관기를 사용함으로써, 빠르고 정밀하게 유전율을 실시간 측정할 수 있다는 장점이 있다.The correlator refers to a device for detecting and restoring a signal containing noise and showing similarity and time difference between two signals, and by using a high speed correlator, a dielectric constant can be measured quickly and accurately in real time.

여기서 수분 함수량은 일반적인 유전율에 의한 수분 함수량을 측정하는 방법을 사용하게 된다.Here, the water content is to use the method of measuring the water content by the dielectric constant.

도 6은 본 발명에 따른 유전율 측정방법의 흐름도를 예시한 도면이다. 즉, 도 3에서의 유전율 측정장치의 블록도와 비교하여 설명하면, 임펄스 발생기(110)에 의하여 임펄스를 발생하는 단계(S310), 측정매질속에서 측정 프로브(121)에 의하여 탐침하는 단계(S320), 측정 프로브에서 출력된 신호를 검출부(130)에서 유전율을 계산 및 표시하는 단계(S330)로 형성된다.6 is a flowchart illustrating a dielectric constant measuring method according to the present invention. That is, when compared with the block diagram of the dielectric constant measuring apparatus in FIG. 3, the step of generating an impulse by the impulse generator 110 (S310), the step of probing by the measuring probe 121 in the measurement medium (S320) In operation S330, the signal output from the measurement probe is calculated and displayed by the detector 130.

더하여 상기 기준선로 및 지연선로에서 출력되는 펄스는 단일 펄스에서 발생되는 것이 바람직하다. 그리고 측정된 유전율을 이용하여 수분함수량을 계산 및 표시(140)하는 단계(S331)를 포함하는 것일 수 있다.In addition, the pulses output from the reference line and the delay line are preferably generated from a single pulse. And it may include the step (S331) of calculating and displaying the moisture function 140 using the measured dielectric constant.

즉, 임펄스 발생기(110)에서 발생(S310)된 임펄스(115)가 측정 프로브(121)로 입력되고, 측정 프로브(121)에 형성된 마이크로스트립 라인의 기준선로 및 지연선로를 통하여 임펄스 신호가 통과하여 출력됨(S320)으로써, 펄스의 지연시간(116)을 측정하여 실시간으로 유전율을 측정할 수 있게 되고(S330), 단일 펄스를 사용하여 송수신 신호의 동기화과정이 필요 없게 되는 장점이 있다.That is, the impulse 115 generated in the impulse generator 110 (S310) is input to the measurement probe 121, and the impulse signal passes through the reference line and the delay line of the microstrip line formed in the measurement probe 121. By outputting (S320), it is possible to measure the dielectric constant in real time by measuring the delay time 116 of the pulse (S330), there is an advantage that the synchronization process of the transmission and reception signals using a single pulse is not necessary.

이상의 설명에서 본 발명은 특정의 실시 예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.While the invention has been shown and described in connection with specific embodiments thereof, it is well known in the art that various modifications and changes can be made without departing from the spirit and scope of the invention as indicated by the claims. Anyone who owns it can easily find out.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 유전율 측정프로브와 측정장치 및 그 측정방법을 제공하면, 평판형 도파관 형태의 측정 프로브를 측정하고자 하는 매질에 투입하고, 상기 프로브를 통과하는 펄스의 지연시간을 측정함으로써 신호의 동기화 과정 및 시스템 보정없이 용이하고 정확하게 실시간으로 유전율을 측정할 수 있을 뿐만 아니라 유전체 기판을 사용하여 적은 비용으로 상기 프로브를 제작할 수 있는 효과가 있다.As described above, when the dielectric constant probe and the measuring device and the measuring method according to the present invention are provided, a measurement probe in the form of a flat waveguide is introduced into a medium to be measured, and a delay time of a pulse passing through the probe is measured. By measuring, not only can the dielectric constant be measured in real time easily and accurately without signal synchronization process and system correction, but also the dielectric substrate can be manufactured at low cost.

Claims (10)

유전체 기판;Dielectric substrates; 상기 유전체 기판 일면에 임펄스가 입출력되도록 직선의 마이크로스트립 라인으로 형성된 기준선로;A reference line formed of a straight microstrip line to input and output an impulse to one surface of the dielectric substrate; 상기 기준선로의 입출력단 사이에서 일부 분리되어, 상기 기준선로의 입력단에서 입력된 임펄스가 우회하여 상기 기준선로의 출력단으로 출력되도록 마이크로 스트립 라인으로 형성된 지연선로; 및A delay line partially separated between input and output ends of the reference line, the delay line being formed of a micro strip line so that an impulse input from the input end of the reference line is bypassed and output to the output end of the reference line; And 상기 기준선로가 형성된 면과 상기 유전체 기판 반대면에 형성된 그라운드층(GND)A ground layer GND formed on a surface on which the reference line is formed and an opposite surface of the dielectric substrate 를 포함하는 평판형 도파관으로 형성된 측정 프로브.Measurement probe formed of a flat waveguide comprising a. 극초단 임펄스를 발생하는 임펄스 발생기;An impulse generator for generating an ultra-short impulse; 유전체로 형성된 기판, 상기 기판 일면에 직선의 마이크로 스트립 라인으로 형성되어 상기 발생된 임펄스가 입출력되는 기준선로, 상기 기준선로의 일부에서 분리되는 마이크로 스트립 라인으로 형성되어 상기 기준선로에 입력된 임펄스가 우회하여 출력되는 지연선로, 상기 기준선로가 형성된 면과 상기 기판 반대면에 형성된 그라운드층을 포함하는 평판형 도파관으로 형성되어 측정하고자 하는 매질에 투입되는 측정 프로브; 및A substrate formed of a dielectric, a reference line formed by a straight microstrip line on one surface of the substrate, and the generated impulse is input and output, a microstrip line separated from a portion of the reference line, and an impulse input to the reference line is bypassed. A measurement probe inputted into a medium to be measured by being formed as a flat waveguide including a delay line outputted through the substrate and a ground layer formed on a surface opposite to the substrate; And 상기 기준선로 및 지연선로를 통과한 신호의 펄스 지연시간을 측정하고, 상기 펄스지연시간을 이용하여 상기 측정 프로브 주위 매질의 유전율을 계산 및 표시하는 검출부를 포함하는 유전율 측정장치.And a detector configured to measure a pulse delay time of the signal passing through the reference line and the delay line, and to calculate and display a dielectric constant of the medium around the measurement probe using the pulse delay time. 제 2항에 있어서,The method of claim 2, 상기 지연선로는 양 끝단이 상기 기준선로에 연결되는 U자 형태의 도파관으로 형성되어 상기 기준선로에 입력된 임펄스가 우회하여 출력되도록 하는 것을 특징으로 하는 유전율 측정장치. The delay line is formed by a U-shaped waveguide connected to both ends of the reference line is a dielectric constant measuring apparatus characterized in that the impulse input to the reference line is bypassed and output . 제 2항에 있어서,The method of claim 2, 상기 임펄스 발생기는 초기신호의 발생을 위한 클럭(clock)과;The impulse generator includes a clock for generating an initial signal; 상기 클럭된 신호파형을 유지시키기 위한 버퍼; A buffer for maintaining the clocked signal waveform; 기저 대역으로부터의 디지털 데이터 정보의 임펄스 신호처리를 위한 For Impulse Signal Processing of Digital Data Information from Baseband D래치;  D latch; 상기 발생된 신호를 최종 처리하는 AND Gate; 및An AND gate for final processing the generated signal; And 상기 AND Gate를 통과한 신호의 안정된 출력을 위한 출력드라이브Output drive for stable output of the signal passing through the AND Gate 를 포함하여 CMOS 공정으로 제조되는 것을 특징으로 하는 유전율 측정장치.Dielectric constant measurement apparatus characterized in that it is manufactured by a CMOS process including. 제 4항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 출력 드라이브는 인버터체인(Inverter chain)으로 구현되는 것을 특징으로 하는 유전율 측정장치.The output drive is a dielectric constant measuring apparatus, characterized in that implemented by an inverter chain (Inverter chain). 제 2항에 있어서,The method of claim 2, 상기 검출부는 고속 상관기를 포함하는 것을 특징으로 하는 유전율 측정장 치.The detector comprises a high speed correlator. 제 2항에 있어서,The method of claim 2, 상기 검출부는 수분 함수량 표시부가 포함된 것을 특징으로 하는 유전율 측정장치.The detection unit is a dielectric constant measuring apparatus characterized in that it comprises a water content indicator. 극초단 임펄스를 발생하는 단계;Generating an ultrashort impulse; 측정매질에 투입되는 측정프로브로서, 유전체로 형성된 기판, 상기 기판 일면에 상기 발생된 임펄스가 입출력되도록 직선의 마이크로스트립 라인으로 형성된 기준선로, 상기 기준선로의 일부에서 분리되어 입력된 임펄스가 우회하도록 마이크로스트립 라인으로 형성된 지연선로 및 상기 기준선로가 패턴화된 면과 상기 기판 반대면에 형성된 그라운드층을 포함하며, 상기 기준선로 및 지연선로를 통과한 임펄스가 출력되는 단계;A measurement probe input to a measurement medium, comprising: a substrate formed of a dielectric material; a reference line formed of a straight microstrip line to input and output the generated impulse to one surface of the substrate; A delay line formed of a strip line and a ground layer formed on a surface on which the reference line is patterned and an opposite surface of the substrate, and outputting an impulse passing through the reference line and the delay line; 상기 기준선로를 통과한 펄스를 기준으로 상기 지연선로를 통과한 펄스의 지연시간을 측정하는 단계; 및Measuring a delay time of a pulse passing through the delay line based on the pulse passing through the reference line; And 상기 측정된 펄스지연시간을 이용하여 유전율을 계산 및 표시하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유전율 측정방법.Comprising a step of calculating the dielectric constant using the measured pulse delay time. 제 8항에 있어서,The method of claim 8, 상기 기준선로 및 지연선로에서 출력되는 펄스는 단일 펄스에서 발생되는 것을 특징으로 하는 유전율 측정방법.And a pulse output from the reference line and the delay line is generated from a single pulse. 제 8항에 있어서,The method of claim 8, 상기 유전율을 계산 및 표시하는 단계는 수분 함수량을 표시하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유전율 측정 방법. The calculating and displaying the dielectric constant includes displaying a moisture content.
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