KR100925016B1 - Apparatus for Measuring the Dielectric Constant and Method therefor - Google Patents

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Abstract

본 발명은 6-포트 네트워크를 이용한 유전율 측정 장치 및 방법에 관한 것으로서, 송수신 신호가 분리 전송되는 방향성 커플러, 송수신 신호의 크기와 위상을 직류 전압을 통해 알 수 있는 6-포트 네트워크 회로, 크기가 작은 직류 전압을 증폭하고 고주파 노이즈를 제거하기 위한 저잡음 증폭기, 그리고 직류 전압을 이용하여 유전율을 계산하는 중앙 연산 처리 장치를 포함한다. 이를 통해 고주파 신호를 안테나를 통해 송신하여 유전율 변화에 따라 변화하는 수신 신호를 확인함으로써 반사 계수를 알아낼 수 있고, 이미 저장된 상대 유전율과의 관계를 통해 원격으로 측정한 대상의 유전율을 계산할 수 있다.The present invention relates to an apparatus and method for measuring permittivity using a 6-port network, including a directional coupler for transmitting and receiving signals separately, a 6-port network circuit capable of knowing the magnitude and phase of a transmitted and received signal through a DC voltage, and having a small size. A low noise amplifier for amplifying a DC voltage and removing high frequency noise, and a central processing unit for calculating the dielectric constant using the DC voltage. Through this, a high frequency signal can be transmitted through an antenna to determine a reflection coefficient by checking a received signal that changes according to a change in dielectric constant, and a dielectric constant of a remotely measured object can be calculated through a relationship with a relative dielectric constant already stored.

본 발명에 따르면, 레이더 센서를 이용하여 원격으로 유전율을 측정할 수 있으므로 복잡한 신호 처리 없이 수신 신호의 직류 전압을 통한 단순 계산을 이용하여 유전율 인식을 할 수 있는 효과가 있다.According to the present invention, since the dielectric constant can be measured remotely using the radar sensor, the dielectric constant can be recognized using a simple calculation through the DC voltage of the received signal without complicated signal processing.

유전율 측정, 레이더 센서, 6-포트 네트워크, 유전율 이미지, 반사 계수 측정, 상대 유전율 Permittivity measurement, radar sensor, 6-port network, permittivity image, reflection coefficient measurement, relative permittivity

Description

유전율 측정 장치 및 방법 {Apparatus for Measuring the Dielectric Constant and Method therefor}Apparatus for Measuring the Dielectric Constant and Method therefor}

본 발명은 유전율 측정 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고주파 신호를 안테나를 통해 송신하여 유전율 변화에 따라 변화하는 수신 신호를 확인함으로써 측정 대상의 반사 계수를 측정할 수 있고, 측정된 반사 계수를 이용하여 원격으로 유전율을 정확히 측정할 수 있으며 초소형의 레이더 센서로 구현할 수 있는 유전율 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a dielectric constant measuring apparatus and method, and more particularly, it is possible to measure a reflection coefficient of a measurement target by transmitting a high frequency signal through an antenna and confirming a received signal that changes according to the change in dielectric constant, and the measured reflection coefficient The present invention relates to a dielectric constant measuring apparatus and method that can accurately measure dielectric constant remotely and can be realized by a compact radar sensor.

물체가 가지고 있는 다양한 특성 중, 유전율은 고주파 신호에 대한 반사 특성을 정해주는 성질로서, 물체의 상태를 알게 해주는 값이다. 특히 표면 반사가 잘되는 금속과 비금속은 유전율의 차이가 크므로, 이 차이를 인식하는 유전율 센서가 널리 활용되어 왔다.Among the various properties of an object, the dielectric constant is a property that determines the reflection characteristic of a high frequency signal, which is a value that informs the state of the object. In particular, metals and nonmetals with good surface reflection have a large difference in permittivity, and thus, a permittivity sensor for recognizing the difference has been widely used.

특히 땅속의 대인 지뢰나 지형 탐사, 해양 심해 지형 또는 광물 탐사와 같이 직접적인 접촉이 불가능한 경우에 유전율 인식 센서를 이용하여 지형 인식 또는 지뢰 발견이 가능해졌다. 또한 최근에는 이를 암 진단 센서에 응용하여 유방암 진단 장비에 활용하고 있고, 주로 금속 재질인 무기를 검출하기 위한 보안 센서로 그 활용이 점차 확대되고 있다.In particular, it is possible to recognize terrain or discover mines by using a dielectric constant sensor when direct contact is not possible, such as underwater mines, terrain exploration, marine deep sea terrain or mineral exploration. In addition, recently, it is applied to the cancer diagnostic sensor by applying it to the cancer diagnostic sensor, and its use as a security sensor for detecting weapons mainly made of metal is gradually expanded.

그러나 이와 같이 응용되는 유전율 인식 센서는 그 크기가 크고 많은 데이터 처리가 필요한 문제점이 있어서, 개인이 휴대하기가 매우 어렵고 제작에 필요한 가격도 상당한 고가이므로 다양한 활용 가능성이 있음에도 불구하고 널리 이용되지 못했다. However, the application of such a dielectric constant sensor has a problem that a large size and a large amount of data processing is required, so that it is very difficult for an individual to carry and the price required for manufacturing is quite expensive, but it has not been widely used despite its various applications.

일반적으로 레이더 원리를 사용하는 원격 유전율 센서는 펄스 레이더를 사용해왔다. 이는 펄스가 상대적으로 짧은 시간 동안 큰 신호를 송수신하여 투과성이 좋은 특성이 있으므로 어느 정도의 투과 특성이 필요한 땅속 지형물 인식 또는 지뢰 탐사, 그리고 해양 심해 지형 또는 광물 탐사에 유리하기 때문이다.In general, remote permittivity sensors using the radar principle have used pulse radar. This is because the pulse transmits and receives a large signal for a relatively short time, and thus has good permeability. Therefore, it is advantageous for underwater feature recognition or land mine exploration requiring some permeability, and marine deep sea terrain or mineral exploration.

펄스 레이더를 사용한 유전율 인식 센서는 유전율이 다른 물체가 나타나면 수신 신호의 펄스의 폭이 변화하는데, 이를 감지하여 유전율이 다른 물체가 존재하고 있음을 알 수 있다. 이를 인식하기 위해서는 수신 신호의 펄스 폭을 복잡한 계산과정으로 알아내야 하고 오차 발생을 방지하기 위해 임계값 이상으로 변화하는지 등의 다양하고 복잡한 알고리즘 수행을 통한 정보 추출이 필수적이므로 신호 처리 부분이 거대해지고 복잡해질 수밖에 없다. 또한 주변 환경과 비교하여 유전율이 다른 물체를 찾아내는 것이므로 상대 유전율이 다른 물체의 존재 유무를 확인할 수 있을 뿐이지 이 물체가 어떤 물체인지를 확인하는 것은 추가적인 신호 처리 알고리즘을 장시간 수행해야 한다.The dielectric constant recognition sensor using the pulse radar changes the width of the pulse of the received signal when an object having a different dielectric constant appears. By detecting this, an object having a different dielectric constant exists. To recognize this, it is necessary to find out the pulse width of the received signal through a complicated calculation process and extract information through the execution of various complex algorithms such as whether it changes beyond the threshold value to prevent errors. It can only be done. In addition, since the relative dielectric constant is found to find an object having a different dielectric constant compared to the surrounding environment, it is only possible to confirm the existence of an object having a different relative dielectric constant, but to determine what the object is, an additional signal processing algorithm must be performed for a long time.

따라서 기존의 펄스 레이더를 이용한 측정 방법으로는 실시간 상대 유전율 인식이 매우 어렵고 이 또한 주변 환경과의 유전율 차이를 인식하는 것이지 상대 유전율 값을 알아내는 데에는 많은 복잡함과 어려움이 있다.Therefore, it is very difficult to recognize the relative permittivity in real time using the conventional pulse radar measurement method, and also to recognize the difference in permittivity from the surrounding environment, and there is a lot of complexity and difficulty in determining the relative permittivity value.

유전율은 반사 계수와 밀접한 관련이 있다. 따라서 반사 계수를 측정할 수 있는 벡터 네트워크 분석기를 이용하면 상대 유전율을 알 수 있다. 벡터 네트워크 분석기에 맞게 제작된 샘플의 경우, 정확한 보정 후에 측정을 통해 상대 유전율의 값을 S-파라미터(parameter)로부터 얻을 수 있다.The dielectric constant is closely related to the reflection coefficient. Thus, a vector network analyzer capable of measuring the reflection coefficient gives the relative permittivity. For samples designed for vector network analyzers, the relative permittivity values can be obtained from S-parameters by measurement after accurate calibration.

벡터 네트워크 분석기는 포트에 연결된 신호를 송수신하여 이 신호의 크기와 위상 차이를 인식하는 방법을 통해 동작하는데, 이를 위해서 벡터 네트워크 분석기는 정밀한 주파수 신호 생성기, 고성능의 믹서(Mixer) 등 고성능 고가의 회로를 이용하여 설계 제작된다.The vector network analyzer operates by transmitting and receiving signals connected to the port and recognizing the magnitude and phase difference of the signals. For this purpose, the vector network analyzer uses high performance expensive circuits such as a precision frequency signal generator and a high performance mixer. It is designed and manufactured by using.

종래의 벡터 네트워크 분석기는 동축 케이블로 연결된 형태로, 멀리 떨어져 있는 유전율에 대한 측정이 거의 불가능하다. 동축 케이블까지의 특성은 기존의 Open, short, load, thru와 같은 표준 보정(standard calibration)을 수행하면 그 효과를 제거할 수 있으나 벡터 네트워크 분석기에 안테나를 연결하여 원격으로 유전율을 측정하고자 하는 경우에는 안테나 특성을 포함한 보정은 거의 불가능하다. 따라서 안테나를 통해 주변 환경을 스캔하는 경우, 앞서의 펄스 레이더를 이용한 것과 같이 측정 환경에서 유전율 비교 결과를 얻을 수는 있으나 상대 유전율의 값을 얻을 수 없는 문제점이 있다.Conventional vector network analyzers are connected by coaxial cables, making it almost impossible to measure distant permittivity. The characteristics up to the coaxial cable can be eliminated by performing standard calibration such as open, short, load, and thru.However, if the antenna is connected to a vector network analyzer and the dielectric constant is to be measured remotely Calibration, including antenna characteristics, is nearly impossible. Therefore, when scanning the surrounding environment through the antenna, it is possible to obtain a result of comparing the dielectric constants in the measurement environment as in the case of using the pulse radar, but there is a problem in that the relative dielectric constant values cannot be obtained.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 6-포트 네트워크를 이용하여 원격으로 상대 유전율을 간단한 신호 처리만으로 측정하는 것이다.The problem to be solved by the present invention is to solve the above problems, it is to measure the relative permittivity only by simple signal processing remotely using a 6-port network.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 초소형으로 제작할 수 있는 레이더 센서로 구현이 가능한 유전율 측정 장치를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to solve the above problems, and to provide a dielectric constant measuring apparatus that can be implemented as a radar sensor that can be manufactured in a very small size.

본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는, 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 주변 물체와의 유전율 차이 인식 및 상대 유전율의 측정과 이를 이용한 휴대용 원격 레이더 센서를 통해 물체의 구분 및 물체의 종류를 인식할 수 있도록 하는 것이다.Another problem to be solved by the present invention is to solve the above problems, and to recognize the difference between the dielectric constant and the relative dielectric constant with the surrounding objects and to recognize the classification of the object and the type of the object through a portable remote radar sensor using the same To make it possible.

본 발명은, 유전율 측정 장치에 관한 것으로서, 기준 신호 및 유전율 측정 대상 물체로 송신되는 송신 신호를 생성하는 주파수 신호 생성기; 상기 송신 신호 및 상기 측정 대상 물체에서 반사되는 수신 신호를 송수신하는 안테나; 상기 수신 신호를 증폭하는 저잡음 증폭기; 상기 기준 신호 및 상기 수신 신호를 입력받아 두 신호의 위상 차이를 이용하여 고주파 신호의 전력으로 표현되는 거리 정보를 생성하는 6-포트 네트워크; 상기 6-포트 네트워크에서 출력하는 상기 고주파 신호의 전 력을 직류 전압으로 변환하는 전력 검출기; 상기 전력 검출기에서 변환된 직류 전압을 연산처리 가능한 데이터로 변환하는 아날로그 디지털 변환기; 및 상기 주파수 신호 생성기에서 생성하는 기준 신호 또는 송신 신호의 주파수를 제어하며 상기 아날로그 디지털 변환기에서 변환하는 데이터를 이용하여 상기 측정 대상 물체에 대한 반사 계수 및 유전율을 계산하는 중앙 연산 처리 장치;를 포함한다.The present invention relates to a dielectric constant measuring apparatus, comprising: a frequency signal generator for generating a reference signal and a transmission signal transmitted to a dielectric constant measuring object; An antenna for transmitting and receiving the transmission signal and the reception signal reflected from the measurement object; A low noise amplifier for amplifying the received signal; A six-port network that receives the reference signal and the received signal and generates distance information represented by power of a high frequency signal using a phase difference between the two signals; A power detector for converting power of the high frequency signal output from the 6-port network into a DC voltage; An analog-digital converter for converting the DC voltage converted by the power detector into data capable of processing; And a central processing unit that controls a frequency of a reference signal or a transmission signal generated by the frequency signal generator and calculates a reflection coefficient and a dielectric constant of the object to be measured using data converted by the analog-to-digital converter. .

바람직하게는, 상기 6-포트 네트워크는 제 1 방향성 커플러 및 90도 지연 전송 선로를 포함하는 것을 특징으로 한다.Advantageously, said six-port network comprises a first directional coupler and a 90 degree delay transmission line.

또한 바람직하게는, 상기 주파수 신호 생성기로부터 생성된 주파수 신호를 기준 신호 및 송신 신호로 분리하는 제 2 방향성 커플러;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유전율 측정 장치.Also preferably, the dielectric constant measuring device further comprises; a second directional coupler for separating the frequency signal generated from the frequency signal generator into a reference signal and a transmission signal.

또한 바람직하게는, 상기 송신 신호를 증폭하는 전력 증폭기;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.Also preferably, a power amplifier for amplifying the transmission signal; characterized in that it further comprises.

또한 바람직하게는, 상기 중앙 연산 처리 장치는 유전율 계산을 위하여 적어도 3가지 이상의 표준 측정 대상 물체에 대해 미리 측정된 반사 계수 데이터를 저장하는 것을 특징으로 한다.Also preferably, the central processing unit stores the reflection coefficient data measured in advance for at least three or more standard measurement objects for the calculation of the dielectric constant.

그리고 바람직하게는, 상기 중앙 연산 처리 장치는 상기 안테나의 빔 방향을 제어함으로써 유전율 이미지를 생성하는 기능을 포함하는 것을 특징으로 한다.And preferably, the central processing unit is characterized in that it comprises a function of generating a dielectric constant image by controlling the beam direction of the antenna.

한편, 본 발명은 기준 신호 및 수신 신호를 입력받아 두 신호의 위상 차이를 이용하여 고주파 신호의 전력으로 표현되는 거리 정보를 생성하는 6-포트 네트워크를 이용한 유전율 측정 방법에 관한 것으로서, (a) 표준 측정 대상 및 측정 대상에 대한 반사 계수를 측정하는 단계; (b) 측정된 표준 측정 대상에 대한 반사 계수 데이터를 이용하여 측정 대상에 대한 유전율을 계산하고 저장하는 단계; 및 (c) 저장된 유전율에 대한 변화가 미리 설정된 임계값 미만인 경우 측정 대상에 대한 유전율 계산 결과를 출력하는 단계;를 포함한다.Meanwhile, the present invention relates to a method for measuring dielectric constant using a 6-port network that receives a reference signal and a received signal and generates distance information represented by power of a high frequency signal using a phase difference between two signals. Measuring a reflection object for the measurement object and the measurement object; (b) calculating and storing the dielectric constant for the measurement object using the reflection coefficient data for the measured standard measurement object; And (c) outputting a dielectric constant calculation result for the measurement object when the change in the stored dielectric constant is less than a preset threshold.

바람직하게는, 상기 (a) 단계 이전에, (a-1) 직류 오프셋(offset) 전압을 제거하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.Preferably, before the step (a), (a-1) removing the DC offset voltage (off); characterized in that it further comprises.

그리고 바람직하게는, 상기 (a) 단계 이전에, (a-2) 6-포트 네트워크의 특성 오차를 제거하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.And preferably, before the step (a), (a-2) removing the characteristic error of the six-port network; characterized in that it further comprises.

본 발명에 따르면, 일정 거리에 위치한 측정 대상에 대해 원격으로 유전율을 측정함으로써 복잡한 신호 처리 없이 수신 신호의 직류 전압을 통한 단순 계산을 이용하여 유전율 인식을 할 수 있는 효과가 있다.According to the present invention, by measuring the dielectric constant remotely for the measurement target located at a certain distance, there is an effect that can be recognized by using a simple calculation through the DC voltage of the received signal without complicated signal processing.

본 발명에 따르면, 종래의 시스템에서 요구하는 대형이며 고가인 하드웨어 필터 및 믹서 등을 사용하지 않고도 수동 소자로 구성된 6-포트 네트워크에 의하여 고감도 유전율 측정이 가능하므로 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.According to the present invention, a high-sensitivity permittivity measurement is possible by a six-port network composed of passive elements without using a large and expensive hardware filter and mixer required in the conventional system, thereby reducing costs.

본 발명에 따르면, 종래의 유전율 센서를 초소형화하면서도 그 감도를 증가시킬 수 있으므로, 종래의 응용 분야인 해양 탐사 또는 지뢰 탐지 장비뿐만 아니라 개인용 유방암 진단기, 과일 당도 측정기 등의 더욱 다양한 응용 분야에서 활용할 수 있는 효과가 있다.According to the present invention, it is possible to increase the sensitivity while miniaturizing the conventional dielectric constant sensor, it can be utilized in a variety of applications such as personal breast cancer diagnostic, fruit sugar meter as well as marine exploration or land mine detection equipment which is a conventional application field It has an effect.

본 발명에 따르면, 안테나 빔 방향 제어 및 이미지 처리 기법을 이용하여 용이하게 유전율 이미지를 획득할 수 있으므로 다양한 응용 분야에 활용할 수 있는 효과도 있다.According to the present invention, since the dielectric constant image can be easily obtained by using the antenna beam direction control and image processing technique, there is an effect that can be applied to various applications.

본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 설명하기에 앞서, 본 발명의 기술적 요지와 직접적 관련이 없는 구성에 대하여는 본 발명의 기술적 요지를 흩뜨리지 않는 범위 내에서 생략하였음을 유의하여야 할 것이다.Before describing the details for carrying out the present invention, it should be noted that configurations that are not directly related to the technical gist of the present invention are omitted within the scope of not distracting the technical gist of the present invention.

또한, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 할 것이다.In addition, the terms or words used in the present specification and claims are consistent with the technical spirit of the present invention on the basis of the principle that the inventor can appropriately define the concept of the term in order to explain the invention in the best way. It should be interpreted as meaning and concept.

본 발명에서는 고주파 신호를 송수신하는 레이더 센서를 통해 반사 계수를 정밀하게 측정함으로써 원거리에 위치한 측정 대상 물체의 유전율을 측정할 수 있다. 상기 레이더 센서는 2개의 입력 포트와 4개의 출력 포트로 구성되는 6-포트(six-port) 네트워크를 포함할 수 있다.In the present invention, by measuring the reflection coefficient precisely through a radar sensor that transmits and receives a high frequency signal, it is possible to measure the dielectric constant of a measurement target object located at a far distance. The radar sensor may comprise a six-port network consisting of two input ports and four output ports.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유전율 측정 장치에 사용되는 6-포트 네트워크에 관하여 도 1을 참조하여 설명한다.Hereinafter, a six-port network used in a dielectric constant measuring apparatus according to a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 6-포트 네트워크의 구성도이다.1 is a block diagram of a six-port network according to a preferred embodiment of the present invention.

상기 6-포트 네트워크는, 도 1에 도시된 바와 같이, 4개의 출력 포트에서 나 타나는 주파수 신호를 2개의 입력 포트로 들어오는 주파수 신호에 대한 선형 관계식으로 나타내며, 제 1 방향성 커플러(101), 90도 지연 전송 선로(102)와 같은 수동 소자의 조합을 포함한다. 또한 고주파 신호의 매칭을 위한 50 옴(ohm) 터미네이션(termination) 포트(103)를 포함한다.The six-port network, as shown in FIG. 1, represents the frequency signals appearing at the four output ports in a linear relationship to the frequency signals coming into the two input ports, the first directional coupler 101, 90. It also includes a combination of passive elements such as delayed transmission line 102. It also includes a 50 ohm termination port 103 for matching high frequency signals.

6-포트는 다른 형태의 수동 소자 또는 인덕터나 커패시터와 같은 소자 등을 이용하여 다양하게 구성할 수 있으며, 이들 구성은 2개의 입력 신호에 대한 선형 관계식으로 4개의 출력을 나타낼 수 있다는 점에서 동작 원리는 동일하다.The six-port can be configured in various ways using other types of passive devices or devices such as inductors or capacitors, and these configurations can operate with four outputs in a linear relationship to two input signals. Is the same.

상술한 바와 같은 6-포트 네트워크의 출력 포트로부터 전력 검출기를 이용하여 각각의 출력 전력에 해당하는 4개의 직류 전압을 얻으면, 이를 이용하여 2개의 입력 포트로 들어오는 주파수 신호의 크기와 위상의 비를 알 수 있다.When four DC voltages corresponding to the respective output powers are obtained from the output ports of the six-port network as described above, the ratio of the magnitude and phase of the frequency signal coming into the two input ports is obtained using the power detector. Can be.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유전율 측정 장치에 관하여 도 2를 참조하여 설명한다.Hereinafter, a dielectric constant measuring apparatus according to a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 2.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유전율 측정 장치의 구성도이다.2 is a block diagram of a dielectric constant measuring apparatus according to a preferred embodiment of the present invention.

상기 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유전율 측정 장치는 주파수 신호 생성기(211), 제 2 방향성 커플러(205), 안테나(206), 신호 감쇄기(203), 저잡음 증폭기(204), 전력 검출기(202), 신호 처리 블록(207), 아날로그 디지털 변환기(208), 중앙 연산 처리 장치(209) 및 6-포트 네트워크(201)를 포함한다.As shown in FIG. 2, the dielectric constant measuring apparatus according to the preferred embodiment of the present invention includes a frequency signal generator 211, a second directional coupler 205, an antenna 206, a signal attenuator 203, and a low noise amplifier ( 204, power detector 202, signal processing block 207, analog-to-digital converter 208, central processing unit 209, and six-port network 201.

상기 주파수 신호 생성기(211)는 고주파 신호를 생성한다.The frequency signal generator 211 generates a high frequency signal.

다음으로, 상기 제 2 방향성 커플러(205)는 서큘레이터(Circulator) 기능을 수행하여 상기 주파수 신호 생성기(211)로부터 생성된 고주파 신호를 분리한다. 또한, 상기 안테나(206)에서 수신한 고주파 신호를 분리한다.Next, the second directional coupler 205 performs a circulator function to separate the high frequency signal generated from the frequency signal generator 211. In addition, the high frequency signal received by the antenna 206 is separated.

다음으로, 상기 안테나(206)는 상기 제 2 방향성 커플러(205)에 의해 분리된 일부의 고주파 신호를 외부로 송신하여 원거리에 위치한 유전율 측정 대상 물체(210)에서 반사되도록 하며, 반사된 고주파 신호를 수신한다. 반사된 고주파 신호는 측정 대상 물체(210)의 유전 특성에 따라 고주파 신호의 크기와 위상이 변화한다. Next, the antenna 206 transmits a part of the high frequency signals separated by the second directional coupler 205 to the outside so that the antenna 206 is reflected from the dielectric constant measuring object 210 located at a long distance, and reflects the reflected high frequency signals. Receive. The reflected high frequency signal changes in magnitude and phase of the high frequency signal according to the dielectric properties of the object to be measured 210.

다음으로, 상기 신호 감쇄기(203)는 상기 제 2 방향성 커플러(205)에 의해 분리된 다른 일부의 고주파 신호를 감쇄시켜 6-포트 네트워크(201)의 기준 신호(LO) 역할을 수행하도록 한다.Next, the signal attenuator 203 attenuates some other high frequency signals separated by the second directional coupler 205 to serve as a reference signal LO of the 6-port network 201.

추가적으로, 유전율 측정 대상(210)까지의 거리가 멀거나 측정 대상(210)과의 사이에 땅 또는 바다와 같은 매질이 존재하는 경우, 상기 주파수 신호 생성기(211)와 제 2 방향성 커플러(205) 사이에는 전력 증폭기(도면에는 미도시됨)를 설치함으로써 송신 신호를 증폭하는 것이 바람직하다.In addition, when the distance to the dielectric constant measuring object 210 is long or there is a medium such as land or sea between the measuring object 210, the frequency signal generator 211 and the second directional coupler 205 are present. It is preferable to amplify the transmission signal by providing a power amplifier (not shown in the figure).

다음으로, 상기 저잡음 증폭기(204)는 상기 안테나(206)가 수신하여 상기 제 2 방향성 커플러(205)에 의해 분리된 일부의 주파수 신호를 증폭하여 상기 6-포트 네트워크(201)의 수신신호(RF)로 들어가도록 한다.Next, the low noise amplifier 204 amplifies a part of the frequency signal received by the antenna 206 and separated by the second directional coupler 205 to receive the received signal (RF) of the 6-port network 201. ).

상기 안테나(206)가 수신하여 상기 제 2 방향성 커플러(205)에서 분리된 나머지 신호는 상기 주파수 신호 생성기(211)로 진행하는데, 이 신호는 보통 크기가 -40~-50dBm이하의 낮은 주파수 전력을 가지고 있으므로 상기 주파수 신호 생성기(211) 또는 추가적으로 연결할 수 있는 전력 증폭기의 동작에 별다른 영향을 주지 않는다.The remaining signal received by the antenna 206 and separated from the second directional coupler 205 proceeds to the frequency signal generator 211, which typically has a low frequency power of -40 to -50 dBm or less in magnitude. It does not affect the operation of the frequency signal generator 211 or the power amplifier that can be additionally connected.

다음으로, 상기 전력 검출기(202)는 수동 소자 형태의 상기 6-포트 네트워크(201)의 출력 포트에서 출력되는 고주파 신호를 직류 전압으로 변환한다.Next, the power detector 202 converts a high frequency signal output from the output port of the six-port network 201 in the form of a passive element into a DC voltage.

다음으로, 상기 신호 처리 블록(207)은 변환된 직류 전압 신호를 증폭하며 저역 통과 필터(LPF) 처리를 수행한다.Next, the signal processing block 207 amplifies the converted DC voltage signal and performs a low pass filter (LPF) process.

다음으로, 상기 아날로그 디지털 변환기(208)는 증폭 및 저역 통과 필터 처리된 직류 전압 신호를 디지털 신호로 복원한다.Next, the analog-to-digital converter 208 restores the amplified and low pass filtered DC voltage signal to a digital signal.

다음으로, 상기 중앙 연산 처리 장치(209)는 복원된 디지털 신호로부터 반사 계수 값을 계산하여 궁극적으로 상대 유전율을 측정한다. 상기 중앙 연산 처리 장치(209)는 DSP(Digital Signal Processor) 또는 PC로 설정될 수 있다.Next, the central processing unit 209 calculates the reflection coefficient value from the restored digital signal and ultimately measures the relative dielectric constant. The central processing unit 209 may be configured as a digital signal processor (DSP) or a PC.

마지막으로, 상기 6-포트 네트워크(201)에 대하여는 상술한 바 있으므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.Finally, since the six-port network 201 has been described above, a detailed description thereof will be omitted.

이하, 상술한 바와 같은 유전율 측정 장치를 이용하여 측정 대상의 유전율을 계산하는 과정을 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a process of calculating the dielectric constant of a measurement target using the dielectric constant measuring device as described above will be described.

상기 6-포트 네트워크(201)에 의한 위상 변화를 다음의 [표 1]과 같이 구성하는 경우, 각 출력 포트에서 변환된 직류 전압은 다음의 [수학식 1] 내지 [수학식 4]와 같다.When the phase change by the 6-port network 201 is configured as shown in [Table 1], the DC voltage converted at each output port is shown in Equations 1 to 4 below.

a1 (LO)a 1 (LO) a2 (RF)a 2 (RF) b3 (포트 3)b 3 (Port 3) 360°360 ° 180°180 ° b4 (포트 4)b 4 (Port 4) 270°270 ° 270°270 ° b5 (포트 5)b 5 (Port 5) 270°270 ° 360°360 ° b6 (포트 6)b 6 (Port 6) 360°360 ° 270°270 °

Figure 112007086323519-pat00001
Figure 112007086323519-pat00001

Figure 112007086323519-pat00002
Figure 112007086323519-pat00002

Figure 112007086323519-pat00003
Figure 112007086323519-pat00003

Figure 112007086323519-pat00004
Figure 112007086323519-pat00004

상기 [수학식 1] 내지 [수학식 4]에서, Ki는 각 전력 검출기(202)의 변환 상수를 나타내며, α는 상기 6-포트 네트워크(201)로 들어오는 두 입력 신호의 크기의 비를 나타내고, Δθ는 위상의 차이를 나타낸다.In Equations 1 to 4, K i represents a conversion constant of each power detector 202, and α represents a ratio of magnitudes of two input signals coming into the six-port network 201. Represents the difference in phase.

상기 6-포트 네트워크(201)로 들어오는 송신 신호와 수신 신호 사이에 발생하는 반사 계수를 상술한 바와 같은 크기 및 위상을 이용하여 나타내면 다음의 [수학식 5]와 같다.The reflection coefficients generated between the transmission signal and the reception signal coming into the six-port network 201 are represented by the following equation and the following equation.

Figure 112007086323519-pat00005
Figure 112007086323519-pat00005

그리고, 상기 [수학식 1] 내지 [수학식 4]를 cos(Δθ)와 sin(Δθ)에 대하여 나타내면 다음의 [수학식 6] 및 [수학식 7]과 같다.In addition, when [Equations 1] to [Equation 4] are expressed with respect to cos (Δθ) and sin (Δθ), Equation 6 and Equation 7 are as follows.

Figure 112007086323519-pat00006
Figure 112007086323519-pat00006

Figure 112007086323519-pat00007
Figure 112007086323519-pat00007

상기 [수학식 6] 및 [수학식 7]을 이용하여 송신 신호와 수신 신호 사이에 발생하는 반사 계수를 나타내면 다음의 [수학식 8]과 같다.Equation 6 and Equation 7 show the reflection coefficients generated between the transmission signal and the reception signal as shown in Equation 8 below.

Figure 112007086323519-pat00008
Figure 112007086323519-pat00008

상기 [수학식 8]에 의하여, 상기 전력 검출기(202)의 변환 특성 값을 알면 출력 전압을 측정함으로써 바로 반사 계수를 계산할 수 있다. 고속 푸리에 변환(fast fourier transform, FFT) 등의 방법은 데이터량이 일정량 이상인 경우에만 유효한 것과는 달리, 주파수 송수신과 거의 동시에 획득하는 직류 전압을 바로 측정하여 반사 계수를 계산할 수 있으므로 실시간 동작이 가능하다.According to Equation 8, when the conversion characteristic value of the power detector 202 is known, the reflection coefficient can be calculated immediately by measuring the output voltage. Fast Fourier transform (FFT) and the like method is effective only when the amount of data is more than a certain amount, it is possible to real-time operation because the reflection coefficient can be calculated by directly measuring the DC voltage obtained at the same time as the frequency transmission and reception.

상술한 바와 같이 계산된 반사 계수를 유전율로 변환함에 있어서, 종래 알려 져 있는 유전율과 반사 계수의 직접적인 관계식을 사용하는 것은 바람직하지 않다. 수신 신호로 얻어진 상기 [수학식 8]의 반사 계수에는 송수신 선로에 의한 위상 변화 및 크기 변화가 항상 존재하고, 측정 대상까지의 거리 정보도 포함되어 있기 때문이다.In converting the calculated reflection coefficient into the dielectric constant as described above, it is not preferable to use a direct relationship between the dielectric constant and the reflection coefficient known in the art. This is because the reflection coefficient of [Equation 8] obtained as the received signal always includes the phase change and the magnitude change by the transmission / reception line, and also includes the distance information to the measurement target.

그리고 물체의 유전 정보가 직류 전압에 있기 때문에 주변 환경이나 회로 구성에 의해 필연적으로 발생하는 직류 오프셋(offset) 전압으로 인해 정보의 왜곡이 생길 수 있으므로 이를 보정하는 것이 바람직하다. 게다가 6-포트 네트워크(201)를 구성하는 수동 소자의 위상 오차로 인해 발생할 수 있는 측정의 부정확성을 극복하기 위해서는 수동 소자의 위상 오차를 보정해야 한다.Since the dielectric information of the object is in the DC voltage, the DC offset voltage inevitably generated by the surrounding environment or the circuit configuration may cause distortion of the information. In addition, in order to overcome the inaccuracies in measurement that may occur due to the phase error of the passive components constituting the 6-port network 201, the phase errors of the passive components must be corrected.

위의 문제 중 직류 오프셋 전압의 제거 및 6-포트 네트워크(201)를 구성하는 수동 소자의 위상 오차로 인한 특성 변화에 대한 보정은 거리 측정 시에 사용하는 오차 보정 방법을 응용하여 사용할 수 있다. 6-포트 네트워크(201)를 사용하는 위상 오차를 고려하여 6-포트 네트워크(201)에 의해 각 출력 포트까지 발생하는 고주파 신호의 위상 변화는 다음의 [표 2]와 같이 정리할 수 있다.Among the above problems, the DC offset voltage is eliminated and the correction for the characteristic change due to the phase error of the passive element constituting the 6-port network 201 may be applied by applying an error correction method used for distance measurement. Considering the phase error using the 6-port network 201, the phase change of the high frequency signal generated by the 6-port network 201 to each output port can be summarized as shown in Table 2 below.

a1 (LO)a 1 (LO) a2 (RF)a 2 (RF) b3 (포트 3)b 3 (Port 3) 360°+ Φ1 + Φ2 360 ° + Φ 1 + Φ 2 180°180 ° b4 (포트 4)b 4 (Port 4) 270°+ Φ2 270 ° + Φ 2 270°+ Φ1 270 ° + Φ 1 b5 (포트 5)b 5 (Port 5) 270°+ Φ1 270 ° + Φ 1 360°+ 2Φ1 360 ° + 2Φ 1 b6 (포트 6)b 6 (Port 6) 360°+ 2Φ1 360 ° + 2Φ 1 270°+ Φ1 270 ° + Φ 1

상기 [표 2]에서, 위상 오차 Φ1은 제 1 방향성 커플러(101)의 출력에서 발생하는 오차이고, 위상 오차 Φ2는 90도 신호 지연 선로(102)에서 발생하는 오차이다. 상기 [표 2]를 바탕으로 상기 [수학식 1] 내지 [수학식 4]를 보정하면, 직류 출력 신호에서 얻을 수 있는 반사 계수에 관한 상기 [수학식 8]은 다음의 [수학식 9]와 같이 개선될 수 있다.In Table 2, the phase error Φ 1 is an error occurring at the output of the first directional coupler 101, and the phase error Φ 2 is an error occurring at the 90 degree signal delay line 102. When [Equation 1] to [Equation 4] is corrected based on [Table 2], [Equation 8] regarding the reflection coefficient that can be obtained from the DC output signal is represented by the following [Equation 9]. It can be improved as well.

Figure 112007086323519-pat00009
Figure 112007086323519-pat00009

상기 [수학식 9]를 이용한 오차 보정에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.The error correction using Equation 9 will be described in detail as follows.

항상 일정한 주파수를 가지는 고주파 신호를 특정 거리에 위치한 물체로 송신하면, 송신 신호와 수신 신호 사이에 발생하는 위상은 물체까지의 거리에 대한 함수로 정의할 수 있다. 이로 인해, 거리가 일정한 경우 상기 [수학식 9]에서 얻어지는 반사 계수의 위상은 항상 일정해야 한다. 또한 송신 신호의 위상을 변화시켰을 때, 이에 해당하는 반사 계수의 위상도 같은 크기로 변화해야 한다. 이와 같은 원리를 이용하여, 금속과 같이 반사 계수가 커서 수신 신호의 크기가 큰 물체를 특정 거리에 두고 송신 신호의 위상을 변화시키며 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유전율 측정 장치를 동작시키면, 상기 [수학식 9]에서 정의된 보정 상수에 대한 방정식을 얻을 수 있으며, 간단히 보정 상수를 구할 수 있다. 이를 통해 6-포트 네트워크(201)에서 발생할 수 있는 오차가 보정된 반사 계수를 얻을 수 있다. When a high frequency signal having a constant frequency is always transmitted to an object located at a certain distance, the phase generated between the transmitted signal and the received signal may be defined as a function of the distance to the object. For this reason, when the distance is constant, the phase of the reflection coefficient obtained in Equation 9 should always be constant. In addition, when the phase of the transmission signal is changed, the phase of the corresponding reflection coefficient should also be changed to the same magnitude. By using such a principle, if the object having a large reflection coefficient, such as a metal, having a large size of a received signal is changed at a specific distance and the phase of the transmitted signal is changed, and the dielectric constant measuring apparatus according to the preferred embodiment of the present invention operates, [ The equation for the correction constant defined in Equation 9 can be obtained, and the correction constant can be obtained simply. This can result in reflection coefficients with errors that can occur in the six-port network 201 being corrected.

직류 오프셋 전압의 제거는 주파수 신호 생성기(211)를 제어함으로써 가능하다. 송신하는 주파수의 위상을 0도에서 360도까지 변화시키거나 이와 동일한 효과 를 얻기 위해 주파수를 수백 MHz정도로 일정한 범위에서 스위프(sweep)하면, 이때 얻어지는 직류 출력이 사인파를 형성하게 되는데 이 때 사인파의 중심 전압값에 해당하는 전압이 오프셋 전압이므로 이 시간 동안의 전압 평균을 구함으로써 직류 오프셋 전압을 구할 수 있다. 이렇게 구한 직류 오프셋 전압은 이후의 측정 시에 각 포트에서 직류 오프셋 전압만큼을 빼주어 이를 보정할 수 있다. 이렇게 측정한 직류 오프셋 전압은 일정시간 동안 유효하므로 일정시간이 지나면 위 과정을 반복하여 오프셋 전압을 다시 측정해 새로운 값을 사용한다.The removal of the DC offset voltage is possible by controlling the frequency signal generator 211. If you change the phase of the transmitting frequency from 0 degrees to 360 degrees or sweep the frequency in a certain range of about several hundred MHz to achieve the same effect, the DC output obtained at this time forms a sine wave. Since the voltage corresponding to the voltage value is the offset voltage, the DC offset voltage can be obtained by obtaining the voltage average during this time. The DC offset voltage thus obtained can be corrected by subtracting the DC offset voltage from each port in subsequent measurements. The measured DC offset voltage is valid for a certain time, so after a certain time, repeat the above procedure and measure the offset voltage again to use the new value.

측정 대상까지의 거리 정보는 다음의 [수학식 10]을 통해 제거할 수 있다. 반사 계수를 통해 상대 유전율을 얻는 방법에 있어서, 측정 장치의 측정에 의해 변화하는 오차는 반사 계수와 유전율의 관계에 기초한 다음의 [수학식 10]을 이용하여 고려할 수 있다.Distance information to the measurement target can be removed through the following [Equation 10]. In the method of obtaining the relative permittivity through the reflection coefficient, the error that is changed by the measurement of the measuring device can be considered using the following Equation 10 based on the relationship between the reflection coefficient and the dielectric constant.

Figure 112007086323519-pat00010
Figure 112007086323519-pat00010

상기 [수학식 10]에서, εsi와 Γsi는 유전율을 알고 있는 임의의 대상에 대한 유전율과 반사 계수를 나타내며, 서로 다른 조성을 가지는 3가지 이상의 물질에서 얻어질 수 있다. 대부분의 PCB 기판의 경우, 주파수에 따른 유전율 데이터를 별도의 측정 없이 주어진 자료를 통해 알 수 있으므로 이를 사용하면 더욱 정확한 측정이 가능하다.In Equation 10, ε si and Γ si represent dielectric constants and reflection coefficients for any object having a known dielectric constant, and may be obtained from three or more materials having different compositions. For most PCB substrates, the permittivity data over frequency can be obtained from the data given without any measurement, which can be used to make more accurate measurements.

고주파에서 유전율 특성은 주파수의 변화가 작은 경우 그 값이 대부분 일정하다. 더구나 상기 [수학식 10]과 같이 유전율의 비율로 정해지는 값은 주파수에 따른 특성 변화를 거의 무시할 수 있으므로 상기 [수학식 10]의 좌변항은 거의 상수라고 가정할 수 있다.The dielectric constant at high frequencies is mostly constant when the frequency change is small. In addition, since the value determined by the ratio of permittivity as shown in [Equation 10] can almost ignore the characteristic change according to frequency, it can be assumed that the left side term of [Equation 10] is almost constant.

반사 계수는 측정 대상까지의 거리에 따라 상당히 민감하게 변할 수 있다. 사용하는 주파수에 의해 파장의 길이가 정해지는데, 파장의 길이에 따라 위상의 변화가 360도만큼 발생하므로 사용하는 주파수가 높을수록 위상 변화에 일어나는 거리가 더 짧아져 측정 대상까지의 거리에 의해 반사 계수의 위상 값이 민감하게 변할 것이다. 그러나 세 가지 물질에 대한 측정된 반사 계수 값이 모두 동일한 거리에 위치한다고 하면, 거리에 의한 반사 계수 위상 변화는 모두 같은 정도로 영향을 미칠 것이고 이는 상기 [수학식 10]의 우변항과 같은 관계식에 의해 서로 상쇄될 것이다. 따라서 상기 [수학식 10]을 통해 특정 주파수에서 유전율을 확실하게 알고 있는 서로 다른 3가지 이상의 물질을 동일한 거리에 두고 측정하여 유전 특성을 보정한다면 매우 정확한 측정이 가능하다.The reflection coefficient can vary considerably depending on the distance to the measurement object. The length of the wavelength is determined by the frequency used, but the phase change occurs by 360 degrees according to the length of the wavelength.The higher the frequency used, the shorter the distance to the phase change is. The phase value of will change sensitively. However, if the measured reflection coefficient values for the three materials are all located at the same distance, the reflection coefficient phase change by distance will all affect the same degree, which is determined by a relational expression such as the right side term of Equation 10 above. Will be offset from each other. Therefore, through the above Equation 10, if the three or more different materials that know the dielectric constant at a certain frequency are measured at the same distance, and the dielectric properties are corrected, a very accurate measurement is possible.

또한 상기 [수학식 10]을 통해 [수학식 9]에서 나타난 위상 오차 Φ1은 우변항에서 서로 상쇄되므로 보정해야 하는 상수를 추가적으로 줄일 수 있다. 여기에 1개의 특정 포트를 지정하여 이를 다른 포트 특성과 정규화(Normalize)시키면, Ki 중의 하나의 파라미터를 상기 [수학식 10]을 통해 서로 상쇄시킬 수 있다. 따라서, 상기 [수학식 10]을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유전율 측정 장치 전 체의 특성 보정에 필요한 상수를 4개로 줄일 수 있다.In addition, since the phase errors Φ 1 shown in Equation 9 through Equation 10 cancel each other in the right side term, a constant to be corrected may be further reduced. Here if the one specifying a specific port to another port, this characteristic and normalized (Normalize), K i One of the parameters may be canceled with each other through Equation 10 above. Therefore, through [Equation 10], it is possible to reduce the constants required for the characteristic correction of the entire dielectric constant measuring apparatus according to the preferred embodiment of the present invention to four.

추가적으로 발생할 수 있는 문제점은 측정에 사용하고 있는 주파수 대역에 다른 통신이나 레이더 시스템이 존재하는 경우, 유전율 측정 장치의 오동작이 발생할 수 있다는 것이다. 이러한 문제점은 주파수 신호 생성기(211)에서 발생시키는 송수신 주파수를 스위프함으로써 해결할 수 있다. 송수신 주파수를 유전율이 거의 일정하다고 가정할 수 있는 범위 내에서 스위프하면, 파장에 의해 민감한 특성을 보이는 각각의 반사 계수는 그 값이 일정하게 변하지만 이때 얻어지는 유전율은 거의 같은 값을 유지할 것이다. 따라서 스위프하는 대역 내에 유전율 측정에 영향을 주는 다른 주파수 성분이 존재해도 노이즈 발생 주파수가 송수신 주파수의 스위프 범위와 일치하지 않는다면 거의 같은 값으로 측정되는 유전율 값을 인식할 수 있다.An additional problem that may occur is that a dielectric constant measuring device may malfunction if other communication or radar systems exist in the frequency band used for the measurement. This problem can be solved by sweeping the transmission / reception frequency generated by the frequency signal generator 211. If the transmit / receive frequency is swept within a range where the dielectric constant can be assumed to be nearly constant, each reflection coefficient exhibiting a characteristic sensitive to the wavelength will change constantly but the resulting dielectric constant will remain about the same. Therefore, even if there are other frequency components affecting the dielectric constant measurement in the swept band, it is possible to recognize the dielectric constant value measured at almost the same value if the noise generating frequency does not match the sweep range of the transmission / reception frequency.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유전율 측정 방법에 관하여 도 3을 참조하여 설명한다.Hereinafter, a dielectric constant measuring method according to a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 3.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유전율 측정 방법에 관한 전체 흐름도이다.3 is an overall flowchart of a dielectric constant measuring method according to a preferred embodiment of the present invention.

상기 도 3에 도시된 바와 같이, 먼저, 직류 오프셋 전압을 제거한다(S10).As shown in FIG. 3, first, the DC offset voltage is removed (S10).

다음으로, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유전율 측정 장치의 보정 상수를 알아내어 6-포트 네트워크(201)의 특성 오차를 제거한다(S20).Next, the correction constant of the dielectric constant measuring apparatus according to the preferred embodiment of the present invention is found to remove characteristic errors of the 6-port network 201 (S20).

다음으로, 표준 측정 대상에 대한 반사 계수를 측정한다(S30). 표준 측정 대 상은 3개 이상인 것이 바람직하다.Next, the reflection coefficient for the standard measurement object is measured (S30). It is preferable that three or more standard measurement targets are used.

다음으로, 측정 대상에 대한 반사 계수를 측정한다(S40).Next, the reflection coefficient for the measurement target is measured (S40).

다음으로, 측정된 표준 측정 대상에 대한 반사 계수 데이터를 이용하여 측정 대상에 대한 유전율을 계산하고 이를 저장한다(S50).Next, the dielectric constant for the measurement object is calculated and stored using the reflection coefficient data for the measured standard measurement object (S50).

다음으로, 저장된 유전율에 대한 변화가 임계값 미만인지 판단한다(S60).Next, it is determined whether the change in the stored dielectric constant is less than the threshold (S60).

마지막으로, 상기 S60 단계의 판단 결과, 임계값 미만인 경우 측정 대상에 대하여 측정된 유전율 정보를 출력한다(S70).Finally, when the determination result of step S60 is less than the threshold value, the dielectric constant information measured for the measurement target is output (S70).

상기 S60 단계의 판단 결과, 저장된 유전율에 대한 변화가 임계값 이상인 경우, 모든 데이터를 초기화(S80)하고 상기 S30 단계로 피드백한다.As a result of the determination of step S60, when the change in the stored dielectric constant is greater than or equal to a threshold value, all data are initialized (S80) and fed back to the step S30.

추가적으로, 본 발명을 이용한 유전율 이미지는 단순히 안테나의 제어를 통해 가능하다. 기계적 또는 전기적인 방법을 이용하여 안테나의 빔 방향을 제어함으로써 유전율 정보를 인식할 수 있으므로 안테나 빔을 제어할 수 있는 블록을 연결하여 이미지를 만들 수 있다. 안테나에서 최대로 가능한 빔을 전체 이미지 면적으로 고려하고 이를 픽셀(pixel)화시켜 나눈 후, 안테나 빔을 해당 픽셀에 포커스시켜 정보를 얻어내는 과정을 반복하여 이를 종합하면 유전율 이미지를 얻을 수 있다. 이미지를 얻는 데는 안테나 빔을 픽셀 수만큼 제어하는 데 걸리는 시간만이 소요되므로 전기적인 방법을 통한 안테나 빔의 제어를 통해 매우 빠른 시간에 유전율 이미지를 얻을 수 있다. In addition, the dielectric constant image using the present invention can be simply controlled through the antenna. Since the dielectric constant information can be recognized by controlling the beam direction of the antenna using a mechanical or electrical method, an image can be made by connecting blocks that can control the antenna beam. The dielectric constant image can be obtained by considering the maximum possible beam in the antenna as the whole image area, dividing it into pixels, and then repeating the process of obtaining the information by focusing the antenna beam on the pixel. Since it takes only a long time to control the antenna beam by the number of pixels to obtain an image, it is possible to obtain a permittivity image in a very fast time by controlling the antenna beam through an electrical method.

이상으로 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하 여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 이와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것이 아니며, 기술적 사상의 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대해 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.As described above and described with reference to a preferred embodiment for illustrating the technical idea of the present invention, the present invention is not limited to the configuration and operation as shown and described as such, it departs from the scope of the technical idea It will be apparent to those skilled in the art that many modifications and variations can be made to the present invention without this. Accordingly, all such suitable changes and modifications and equivalents should be considered to be within the scope of the present invention.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 6-포트 네트워크의 구성도.1 is a block diagram of a six-port network according to a preferred embodiment of the present invention.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유전율 측정 장치의 구성도.2 is a block diagram of a dielectric constant measuring apparatus according to a preferred embodiment of the present invention.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유전율 측정 방법의 전체 흐름도.3 is an overall flow chart of a dielectric constant measuring method according to a preferred embodiment of the present invention.

< 도면의 주요부분에 대한 설명 ><Description of main parts of drawing>

101: 제 1 방향성 커플러 102: 90도 지연 전송 선로101: first directional coupler 102: 90 degree delay transmission line

103: 터미네이션 포트 201: 6-포트 네트워크103: Termination port 201: 6-port network

202: 전력 검출기 203: 신호 감쇄기202: power detector 203: signal attenuator

204: 저잡음 증폭기 205: 제 2 방향성 커플러204: low noise amplifier 205: second directional coupler

206: 안테나 207: 신호 처리 블록206: antenna 207: signal processing block

208: 아날로그 디지털 변환기 209: 중앙 연산 장치208: analog-to-digital converter 209: central computing unit

210: 측정 대상 물체 211: 주파수 신호 생성기210: measurement object 211: frequency signal generator

Claims (9)

기준 신호 및 유전율 측정 대상 물체로 송신되는 송신 신호를 생성하는 주파수 신호 생성기(211);A frequency signal generator 211 for generating a transmission signal transmitted to the reference signal and the dielectric constant measurement object; 상기 송신 신호 및 상기 측정 대상 물체에서 반사되는 수신 신호를 송수신하는 안테나(206);An antenna 206 for transmitting and receiving the transmission signal and the reception signal reflected from the measurement object; 상기 수신 신호를 증폭하는 저잡음 증폭기(204);A low noise amplifier 204 for amplifying the received signal; 상기 기준 신호 및 상기 수신 신호를 입력받으며, 상기 반사되는 수신 신호에 상응하는 고주파 신호의 전력을 출력하는 6-포트 네트워크(201);A six-port network 201 receiving the reference signal and the received signal and outputting power of a high frequency signal corresponding to the reflected received signal; 상기 6-포트 네트워크(201)에서 출력하는 상기 고주파 신호의 전력을 직류 전압으로 변환하는 전력 검출기(202);A power detector (202) for converting power of the high frequency signal output from the six-port network (201) into a DC voltage; 상기 전력 검출기(202)에서 변환된 직류 전압을 연산처리 가능한 데이터로 변환하는 아날로그 디지털 변환기(208); 및An analog-digital converter (208) for converting the DC voltage converted by the power detector (202) into arithmetic data; And 상기 주파수 신호 생성기(211)에서 생성하는 기준 신호 또는 송신 신호의 주파수를 제어하며 상기 아날로그 디지털 변환기(208)에서 변환하는 데이터를 이용하여 상기 측정 대상 물체에 대한 반사 계수를 다음의 수학식에 의해 계산하고 계산한 반사 계수로부터 측정 대상 물체의 유전율을 계산하는 중앙 연산 처리 장치(209);를 포함하는 유전율 측정 장치.Controlling the frequency of the reference signal or the transmission signal generated by the frequency signal generator 211 and using the data converted by the analog-to-digital converter 208 to calculate the reflection coefficient for the object to be measured by the following equation And a central processing unit (209) for calculating the dielectric constant of the object to be measured from the calculated reflection coefficients.
Figure 112009037578856-pat00014
Figure 112009037578856-pat00014
 (상기 수학식에서, Γ는 측정 대상 물체에 대한 반사 계수이며, V3 내지 V6는 상기 전력 검출기(202)에서 변환된 상기 6-포트 네트워크(201)의 각 출력 포트의 직류 전압이고, K3 내지 K6는 각 전력 검출기(202)의 변환 상수이다.)(Wherein Γ is a reflection coefficient for the object to be measured, V 3 to V 6 are direct current voltages at each output port of the 6-port network 201 converted at the power detector 202, and K 3 K 6 are the conversion constants of each power detector 202.) 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 6-포트 네트워크(201)는 제 1 방향성 커플러(101) 및 90도 지연 전송 선로(102)를 포함하는 것을 특징으로 하는 유전율 측정 장치.The six-port network (201) comprises a first directional coupler (101) and a 90 degree delay transmission line (102). 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 주파수 신호 생성기(211)로부터 생성된 주파수 신호를 기준 신호 및 송신 신호로 분리하는 제 2 방향성 커플러(205);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유전율 측정 장치.And a second directional coupler (205) for separating the frequency signal generated from the frequency signal generator (211) into a reference signal and a transmission signal. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 송신 신호를 증폭하는 전력 증폭기;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유전율 측정 장치.And a power amplifier for amplifying the transmission signal. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 중앙 연산 처리 장치(209)는 유전율 계산을 위하여 적어도 3가지 이상의 표준 측정 대상 물체에 대해 미리 측정된 반사 계수 데이터를 저장하는 것을 특징으로 하는 유전율 측정 장치.The central processing unit (209) stores the coefficient of reflection data measured in advance for at least three or more standard measurement objects for the calculation of the dielectric constant. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 중앙 연산 처리 장치(209)는 상기 안테나(206)의 빔 방향을 제어함으로써 유전율 이미지를 생성하는 기능을 포함하는 것을 특징으로 하는 유전율 측정 장치.The central processing unit (209) includes a function of generating a dielectric constant image by controlling the beam direction of the antenna (206). 기준 신호 및 수신 신호를 입력받아 두 신호의 위상 차이를 이용하여 고주파 신호의 전력으로 표현되는 거리 정보를 생성하는 6-포트 네트워크(201)를 이용한 유전율 측정 방법에 있어서,In the dielectric constant measurement method using a 6-port network 201 to receive a reference signal and a received signal and generate distance information represented by the power of a high frequency signal using the phase difference between the two signals, (a) 표준 측정 대상 및 측정 대상에 대한 반사 계수를 측정하는 단계;(a) measuring a reflection coefficient for the standard measurement object and the measurement object; (b) 측정된 표준 측정 대상에 대한 반사 계수 데이터를 이용하여 측정 대상에 대한 유전율을 계산하고 저장하는 단계; 및(b) calculating and storing the dielectric constant for the measurement object using the reflection coefficient data for the measured standard measurement object; And (c) 저장된 유전율에 대한 변화가 미리 설정된 임계값 미만인 경우 측정 대상에 대한 유전율 계산 결과를 출력하는 단계;를 포함하는 유전율 측정 방법.and (c) outputting a dielectric constant calculation result for the measurement object when the change in the stored dielectric constant is less than a preset threshold. 제 7 항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 (a) 단계 이전에,Before step (a) above, (a-1) 직류 오프셋(offset) 전압을 제거하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유전율 측정 방법.(a-1) removing the DC offset voltage. 제 7 항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 (a) 단계 이전에,Before step (a) above, (a-2) 6-포트 네트워크(201)의 특성 오차를 제거하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유전율 측정 방법.(a-2) removing the characteristic error of the six-port network (201).
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