KR101102575B1 - 유전율 측정을 위한 프로브와 유전율 측정 시스템 및 방법 - Google Patents

유전율 측정을 위한 프로브와 유전율 측정 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 공진 주파수를 이용하여 유전율 변화를 측정할 수 있도록 한 유전율 측정을 위한 프로브와 유전율 측정 시스템 및 방법에 관한 것으로, 측정 대상 매질이 충진되어 전자파 급전시 공진을 형성하는 공진부; 상기 공진부 내로 돌출되어 전자파를 방사하고, 반사파를 수신하는 안테나 로드; 및 상기 안테나 로드로 상기 전자파를 급전하고, 상기 반사파를 전달받는 연결포트를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

유전율 측정을 위한 프로브와 유전율 측정 시스템 및 방법{PROBE FOR MEASURING THE DIELECTRIC CONSTANT AND SYSTEM FOR MEASURING USING ITS AND METHOD THEREOF}
본 발명은 유전율 측정을 위한 프로브와 유전율 측정 시스템 및 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 공진 주파수의 변화를 이용하여 유전율 변화를 측정할 수 있도록 한 유전율 측정을 위한 프로브와 유전율 측정 시스템 및 방법에 관한 것이다.
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.
따라서, 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.
또한, 특정 매질 내의 유전율을 측정하여, 매질의 수분 함수량을 측정할 수가 있는데, 이 기술은 다양한 분야에서 응용되고 있다. 예를 들면, 분말 내의 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.
이러한 산업적 수요 때문에, 간편하고 제작이 상대적으로 쉬운, 마이크로파를 이용한 매질 내의 유전율을 측정하는 기술은 오래전부터 연구되어 왔지만, 현재까지의 유전율 측정방법은 주로 매질의 전기저항, 축전용량을 측정하여 매질의 유전율을 측정하는 방법들이 대부분이다.
상기한 기술구성은 본 발명의 이해를 돕기 위한 배경기술로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 널리 알려진 종래기술을 의미하는 것은 아니다.
본 발명은 공진 주파수의 변화를 이용하여 유전율 변화를 측정할 수 있도록 한 유전율 측정을 위한 프로브와 유전율 측정 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명에 의한 유전율 측정을 위한 프로브는, 측정 대상 매질이 충진되어 전자파 급전시 공진을 형성하는 공진부; 상기 공진부 내로 돌출되어 전자파를 방사하고, 반사파를 수신하는 안테나 로드; 및 상기 안테나 로드로 상기 전자파를 급전하고, 상기 반사파를 전달받는 연결포트를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 공진부는 전면과 후면의 양단의 일부를 절개하여 유로를 형성한 육면체의 도체 벽으로 구성한 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 공진부는 다수의 홀을 육면에 구비하여 유로를 형성한 육면체의 도체 벽으로 구성한 것을 특징으로 한다.
그리고, 본 발명에 의한 유전율 측정 시스템은, 전자파를 발생하는 전자파 발생부; 상기 전자파를 급전받아 공진을 형성하고, 반사파를 수신하는 프로브; 상기 반사파에서 공진주파수를 검출하는 주파수 검출부; 및 유전율을 알고 있는 매질로부터 검출되는 제1공진주파수와 측정 대상 매질로부터 검출되는 제2공진주파수를 비교하여 공진주파수의 변화율을 산출하고, 상기 공진주파수의 변화율을 이용하여 유전율을 산출하는 유전율 산출부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 프로브는 측정 대상 매질을 충진하여 전자파 급전시 공진을 형성하는 공진부; 상기 공진부 내로 돌출되어 전자파를 방사하고, 반사되는 전자파를 수신하는 안테나 로드; 및 상기 안테나 로드로 상기 전자파를 급전하고, 상기 반사되는 전자파를 전달받는 연결포트를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 본 발명에 의한 유전율 측정 방법은, 유전율을 알고 있는 매질에 전자파를 급전하여 제1공진주파수를 측정하는 단계; 측정 대상 매질에 상기 전자파를 급전하여 제2공진주파수를 측정하는 단계; 상기 제1공진주파수와 상기 제2공진주파수를 비교하여 공진주파수의 변화율을 산출하는 단계; 및 상기 공진주파수의 변화율을 이용하여 유전율을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 제1공진주파수와 상기 제2공진주파수는 도미넌트 모드에서의 공진주파수인 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 공진 주파수의 변화를 이용하여 유전율을 측정할 뿐만 아니라 미세한 유전율 변화를 측정함으로써 많은 전자소자의 정확한 설계 파라미터를 제공하는 중요한 정보가 될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유전율 측정을 위한 프로브와 유전율 측정 시스템의 구성을 설명하기 위한 블럭도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1의 공진부의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 도 1의 본 발명의 다른 실시예에 따른 도 1의 공진부의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 공진부에 전계가 형성된 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 유전율 측정을 위한 프로브를 통해 검출한 공진주파수를 도시한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 유전율 측정 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 이들 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 권리 보호 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.
이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유전율 측정을 위한 프로브와 유전율 측정 시스템의 구성을 설명하기 위한 블럭도이다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 유전율 측정을 위한 프로브(10)는 공진부(1), 안테나 로드(2) 및 연결포트(3)를 포함한다.
공진부(1)는 측정 대상 매질이 충진되어 전자파 급전시 전계(Transverge Electronic)를 형성한다. 이러한 공진부(1)는 육면체의 도체 벽으로 구성하고, 측정 대상 매질의 흐름을 안내하는 유로(11)를 구비한다. 여기서, 유로(11)는 전계 형성에 영향을 주지 않도록 구성한다.
안테나 로드(2)는 공진부(1) 내로 돌출되어 전자파를 방사하고, 공진부(1) 내의 측정 대상 매질에 의한 반사파를 수신한다.
연결포트(3)는 전자파 발생부(20)로부터 발생하는 전자파를 안테나 로드(2)로 급전하고, 반사파를 주파수 검출부(30)로 전달한다.
이와 같이 구성된 프로브(10)는 전자파 발생부(20)로부터 전자파가 연결포트(3)와 안테나 로드부(2)를 통해 공진부(1)로 급전되면 공진부(1) 내에 전계를 형성한다. 이때 공진부 내에 삽입된 측정 대상 매질로부터 반사되는 반사파를 수신하여 주파수 검출부(30)로 전달한다.
측정 대상 매질인 유전체 내에서 평소에 각자 흩어져있던 모멘트 성분은 외부에서 걸린 전자계의 교류 변화에 맞추어 정렬되는데, 모멘트 성분들이 전자계의 변화방향에 맞추어 따라 변함으로써, 부도체이면서도 내부에서 전자파의 진행을 가능하게 한다. 이러한 외부의 전자계의 변화에 대해 물질 내부의 모멘트가 얼마나 민감하게 잘 반응하여 움직이느냐의 정도를 공진주파수 검출을 통해 유전율을 측정한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1의 공진부의 구성을 설명하기 위한 도면이고, 도 3은 도 1의 본 발명의 다른 실시예에 따른 도 1의 공진부의 구성을 설명하기 위한 도면이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 공진부에 전계가 형성된 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 2와 도 4를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 공진부(1)는 급전되는 전자파에 의해 내부에 전계를 형성하는데, 전계 형성에 영향을 미치지 않는 육면체의 전면과 후면의 양단의 일부를 절개하여 측정 대상 매질 즉 유전체의 흐름을 안내하도록 유로(11)를 형성시켜 구성한다.
한편, 도 3에 도시한 바와 같이, 공진부(1)는 육면체의 면에 다수의 홀을 구비하여 유로(11)를 형성시켜 구성할 수도 있다. 이러한 홀의 직경은 전계 형성에 영향을 미치지 않으면서 유전체의 흐름을 안내할 수 있도록 구성하는 것이 바람직하다.
그리고, 도 1 내지 도 4를 참고하면 본 발명의 일 실시예에 따른 유전율 측정 시스템은 프로브(10), 전자파 발생부(20), 주파수 검출부(30) 및 유전율 산출부(40)를 포함한다.
전자파 발생부(20)는 전자파를 발생하여 프로브(10)로 급전한다. 전자파의 주파수 범위는 5.0 GHz 내지 15.0 GHz의 전자파를 발생한다.
주파수 검출부(30)는 프로브(10)로부터 수신되는 반사파에서 공진주파수를 검출한다. 여기서 공진주파수는 도미넌트(dominant) 모드에서의 공진주파수이다.
유전율 산출부(40)는 주파수 검출부(30)를 통해 검출되는 공진주파수를 이용하여 유전율을 산출한다. 이러한 유전율 산출부(40)는 유전율을 알고 있는 매질로부터 검출되는 제1공진주파수와 측정 대상 매질로부터 검출되는 제2공진주파수를 비교하여 공진주파수의 변화율을 산출하고, 공진주파수의 변화율을 이용하여 유전율을 산출한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 유전율 측정을 위한 프로브를 통해 검출한 공진주파수를 도시한 그래프이다. 공진주파수의 변화율을 산출하고, 공진주파수의 변화율을 이용하여 유전율을 산출하는 과정을 설명하면 다음과 같다.
도 5를 참고하면, 유전율을 알고 있는 매질로부터 검출되는 제1공진주파수는 10.3GHz로 검출되고, 측정 대상 매질로부터 검출되는 제2공진주파수는 10.41GHz이다.
Figure 112010019495171-pat00001
이렇게 검출된 제1공진주파수와 제2공진주파수의 변화율을 연산하면 y=0.979x의 변화율을 갖는다.
즉, 유전율을 알고 있는 매질의 제1공진주파수를 검출하고, 측정 대상 매질의 제2공진주파수를 검출한 후, 제1공진주파수와 제2공진주파수의 비교 연산을 통해 공진주파수의 변화율을 산출한다.
이러한 공진주파수의 변화율을 통해 유전율을 연산하면 다음과 같다.
Figure 112010019495171-pat00002
여기서, 전계모드가 TE101 모드인 경우이고, 매질의 유전율은 2.15이며, a, b, c 는 공진부(1)의 가로와 세로 및 높이의 길이이다.
매질의 유전율과 제1공진주파수 값을 통해 해당 매질에 대한 상수 P를 산출하고, 산출한 P값과 측정 대상 매질의 제2공진주파수 값을 통해 측정 대상 매질의 유전율을 산출한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 유전율 측정 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 6을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 유전율 측정 방법은 유전율을 알고 있는 매질에 전자파를 급전하여 제1공진주파수를 측정하고(S1), 측정 대상 매질에 전자파를 급전하여 제2공진주파수를 측정한다(S2).
공진주파수 측정은 전자파 발생부(20)에서 프로브(10)로 5.0 GHz 내지 15.0 GHz의 전자파를 급전한다. 그러면, 프로브(10)의 공진부(1)에서 전계가 형성되고, 공진부에 삽입된 측정 대상 매질로부터 반사되는 반사파로부터 공진주파수를 검출한다. 이때, 주파수 검출부(30)는 도미넌트(dominant) 모드에서의 공진주파수를 검출한다.
이어서, 제1공진주파수와 상기 제2공진주파수를 비교하여 공진주파수의 변화율을 산출하고(S3), 공진주파수의 변화율을 이용하여 유전율을 산출한다(S4).
공진주파수의 변화율 산출은 유전율 산출부(40)가 유전율을 알고 있는 매질로부터 검출되는 제1공진주파수와 측정 대상 매질로부터 검출되는 제2공진주파수를 비교하여 공진주파수의 변화율을 산출한다. 그러면, 유전유 산출부(40)가 공진주파수의 변화율을 이용하여 유전율을 산출한다.
이와 같이 본 발명은 공진 주파수를 이용하여 유전율을 측정할 뿐만 아니라 미세한 유전율 변화를 측정함으로써 많은 전자소자의 정확한 설계 파라미터를 제공하는 중요한 정보가 될 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
1 : 공진부 2 : 안테나 로드부
3 : 연결포트 10 : 프로브
11 : 유로 20 : 전자파 발생부
30 : 주파수 검출부 40 : 유전율 산출부

Claims (7)

  1. 측정 대상 매질이 충진되어 전자파 급전시 공진을 형성하는 공진부;
    상기 공진부 내로 돌출되어 전자파를 방사하고, 반사파를 수신하는 안테나 로드; 및
    상기 안테나 로드로 상기 전자파를 급전하고, 상기 반사파를 전달받는 연결포트를 포함하되,
    상기 공진부는 상기 전자파 급전시 도미넌트 모드에서의 공진주파수가 측정될 수 있도록 육면체의 도체 벽으로 구성하고,
    상기 도체 벽에는 측정 대상 매질의 흐름을 안내하는 유로를 형성하되,
    상기 유로는 상기 전자파 급전시 전계 형성에 영향을 주지 않도록 전면과 후면의 양단의 일부를 절개하여 구성한 것을 특징으로 하는 유전율 측정을 위한 프로브.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 전자파를 발생하는 전자파 발생부;
    상기 전자파를 급전받아 공진을 형성하고, 반사파를 수신하는 프로브;
    상기 반사파에서 공진주파수를 검출하는 주파수 검출부; 및
    유전율을 알고 있는 매질로부터 검출되는 제1공진주파수와 측정 대상 매질로부터 검출되는 제2공진주파수를 비교하여 공진주파수의 변화율을 산출하고, 상기 공진주파수의 변화율을 이용하여 유전율을 산출하는 유전율 산출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 유전율 측정 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 프로브는
    측정 대상 매질을 충진하여 전자파 급전시 공진을 형성하는 공진부;
    상기 공진부 내로 돌출되어 전자파를 방사하고, 반사되는 전자파를 수신하는 안테나 로드; 및
    상기 안테나 로드로 상기 전자파를 급전하고, 상기 반사되는 전자파를 전달받는 연결포트를 포함하는 것을 특징으로 하는 유전율 측정 시스템.
  6. 유전율을 알고 있는 매질에 전자파를 급전하여 제1공진주파수를 측정하는 단계;
    측정 대상 매질에 상기 전자파를 급전하여 제2공진주파수를 측정하는 단계;
    상기 제1공진주파수와 상기 제2공진주파수를 비교하여 공진주파수의 변화율을 산출하는 단계; 및
    상기 공진주파수의 변화율을 이용하여 유전율을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유전율 측정 방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 제1공진주파수와 상기 제2공진주파수는
    도미넌트 모드에서의 공진주파수인 것을 특징으로 하는 유전율 측정 방법.
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