KR101450765B1 - 곡물의 함수율 측정을 위한 마이크로파 송수신 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 곡물의 함수율 측정을 위한 마이크로파 송수신 장치에 관한 것으로, S-band의 2.38 GHz와 X-band의 10.5 GHz 두가지 주파수를 이용하여 샘플홀더의 투과된 마이크로파의 감쇄를 이용하여 곡물의 함수율 측정을 위한 마이크로파 송수신 장치를 설계 및 제작하였다. 송수신 장치의 송신부는 온도특성이 우수하고 Q값이 높은 유전체 공진기를 이용한 단일 바이어스 발진기와 아이솔레이터 및 송신용 패치안테나로 구성하였으며, 수신부는 수신용 패치안테나와 고주파 특성의 장점을 지닌 쇼트키다이오드를 이용한 검파기 및 디지털 전압측정기로 구성하였다. 측정장치의 핵심부품들은 HP EEsof ADS를 이용하여 설계하였으며 하이브리드 MIC형태로 제작하였다. 그리고 이 송수신 장치를 이용하여 1220 %의 함수율을 갖는 벼의 함수량과 출력전압과의 관계를 측정하였으며, 그 결과를 통계적 방법으로 회귀 분석하여 함수율 측정 모델을 제안하였다.
Description
본 발명은 두 개의 주파수에서 마이크로파 감쇄를 이용한 곡물(grain)의 함수율 측정을 위한 마이크로파 송수신 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 S-band의 2.38 GHz와 X-band의 10.5 GHz 두가지 주파수를 사용하여 샘플홀더의 투과된 마이크로파의 감쇄를 이용하여 곡물의 함수율 측정을 위한, 두 개의 주파수에서 마이크로파 감쇄를 이용한 마이크로파 송수신 장치에 관한 것이다.
수분의 측정은 매우 광범위한 영역에서 중요한 위치를 차지하고 있는 분야이다. 식품산업에서 반도체 산업에 이르기까지 다양한 분야에서 수분의 정밀한 측정이 보관이나 생산 공정상에서 절대적으로 중요한 부분을 차지하고 있다. 각종 농산물에 함유되어 있는 수분은 농산물의 물리적, 화학적 성질 및 생리적 작용에 큰 영향을 미칠 뿐만 아니라 농산물의 가공성 및 저장성 그리고 품질을 결정하는 매우 중요한 요인이다. 특히 최근의 농산물 및 식품의 가공 및 취급의 자동화에 대한 연구의 일환으로 각종 곡물의 저장, 건조 및 식품가공공정 등에서 유동상태에 있는 원료의 함수율 측정이 매우 중요한 문제점으로 대두되어 왔다. 이에 따라 정지된 상태에 있는 곡류의 함수율 측정뿐만 아니라 유동상태에 있는 곡류의 함수율을 보다 신속하고 정확하게 측정할 수 있는 방법에 대한 연구가 시급할 것으로 판단된다. 그 중에서 식생활에 직접적인 연관성이 있는 곡물관련 분야에서는 더욱 중요하다. 곡물(grain)은 상당기간의 저장과 보관이 필요하나, 이런 곡물의 저장기간의 단축과 보관의 상태를 저하시킬 수 있는 가장 큰 요인은 곡물의 수분함량과 온도이다. 온도는 온도계를 사용하여 간단하게 측정할 수 있지만, 수분 함량의 측정은 약간 복잡하다. 수분 함량이 높다는 것은 이용가치를 저하시킬 뿐만 아니라, 곰팡이, 세균 및 미생물의 번식을 용이하게 하여 변질의 원인이 된다. 그러나, 건조가 잘된 곡물은 병충해 발생 빈도를 감소시키며 수송, 저장, 조제 등에 대한 비용을 절감할 수 있다. 따라서, 적절하고 정확한 수분의 측정은 필수적이며 또한 저장과 생산성 향상에 알맞은 최적의 조건을 알 수 있다면 식생활 품질개선과 기술적 생산성 향상에 큰 도움을 줄 수 있을 것이다.
이러한 수분을 정확하게 측정하는데는 많은 방법들이 사용되고 있는데 크게 두 가지로 직접적인 방법과 간접적인 방법으로 나눌 수 있다. 직접적인 측정은 시료로부터 물리화학적인 방법으로 수분을 제거한 후 전후의 질량을 비교하여 상대수분율과 절대수분율을 정하는 방법이다. 이 방법 중 대표적인 것으로 전건법(method of vacuum oven)과 Karl-Fisher법이 있는데 측정정확도가 다른 방법에 비해 높아서 실험실에서 수분율의 표준을 정하는 방법으로 많이 사용되고 있다. 직접적인 측정 방법의 특징으로는 정확하고 절대적인 값을 얻을 수 있지만 측정에 소요되는 시간이 오래 걸린다는 단점이 있다. 간접적인 측정 방법은 물질 속에 포함되어 있는 수분이 나타내는 여러 가지 물리적인 현상들을 이용하여 시료의 수분율에 따른 반응의 정도를 수분율로 환산하는 방법을 사용하고 있다. 간접적인 측정 방법의 특징으로는 정확도는 직접적 측정 방법보다 떨어지나 측정이 빠르고 연속 측정, 자동측정 등의 장점이 있다는 것이다. 이러한 방법에는 전기저항을 측정하는 방법, 유전율을 측정하는 방법, 근적외선의 반사와 투과를 측정하는 방법, 마이크로파의 감쇠를 측정하는 방법, 중성자의 산란을 이용하는 방법 등 많은 방법들이 있는데, 그 중에서 비교적 측정이 용이하고 측정 장비의 가격이 저렴한 전기 저항식과 유전율방식이 많이 사용되고 있다. 전기 저항식 측정방법은 시료의 전기저항을 측정하여 수분율로 환산하는 방법을 이용하는데 수분율의 측정 범위가 10%20%로 한정되어 있다. 이 범위 외의 수분율에서는 전기저항의 변화가 매우 적어서 측정상의 많은 오차를 유발한다. 이에 반해 유전율 방식은 시료의 Capacitance을 측정하여 수분을 측정한다. 물의 유전상수는 RF(Radio Frequency)영역에서 80정도로 다른 물질들에 비해 상대적으로 큰 값을 가지고 있다. 그렇기 때문에 수분을 포함하고 있는 물질의 전기용량은 수분율에 따라 민감하게 변화하고, 이 변화를 관측 하므로써 물질 속에 포함되어 있는 수분율을 측정할 수 있다. 많이 사용되고 있다. 전기 저항식 측정방법은 시료의 전기저항을 측정하여 수분율로 환산하는 방법을 이용하는데 수분율의 측정 범위가 10%~20%로 한정되어 있다. 이 범위 외의 수분율에서는 전기저항의 변화가 매우 적어서 측정상의 많은 오차를 유발한다. 이에 반해 유전율 방식은 시료의 Capacitance을 측정하여 수분을 측정한다. 물의 유전상수는 RF(Radio Frequency)영역에서 80정도로 다른 물질들에 비해 상대적으로 큰 값을 가지고 있다. 그렇기 때문에 수분을 포함하고 있는 물질의 전기용량은 수분율에 따라 민감하게 변화하고, 이 변화를 관측함으로써 물질 속에 포함되어 있는 수분율을 측정할 수 있다. 측정 범위는 이론적으로 모든 수분율 영역에서 측정 가능하다. 또한 피 측정물을 변질시키지 않고 측정하는 간접적인 비파괴 측정과 변질을 수반하는 파괴식 측정법으로 나눌 수 있다.
마이크로파를 이용한 함수율 측정 연구는 주로 도파관이나 공동 공진기 방법을 사용하여 왔는데 이를 위하여 정교한 샘플홀더가 제작되어야 하며 정밀도가 높은 함수율 측정이 가능하나 샘플홀더의 구조 및 측정 원리상 시료의 함수율을 온라인으로 측정하기에는 다소 부적합한 단점을 가지고 있다. 최근, 각종 농산물의 가공 및 유통에 관련된 장치 및 시설에 대한 자동화 요구가 증가하고 있으며 특히 곡물의 건조, 저장 및 가공공정 등에서 유동상태에 있는 원료의 함수율을 비파괴비접촉식으로 측정할 수 있는 기술개발이 요구되어 송수신 안테나를 이용한 함수율 측정 방법이 제안되었는데 이 방법은 시료의 함수율에 따라 투과되는 마이크로파의 에너지 흡수에 의해서 발생되는 손실을 이용하여 넓은 범위의 함수율을 비접촉이면서 비파괴적으로 신속하게 온라인으로 측정할 수 있다는 장점이 있다.
지금까지의 연구들은 대부분 곡물의 함수율과 마이크로파의 투과 또는 반사 특성과의 관계를 이용한 유전특성에 대한 기초 연구가 주로 이루어져 왔으며 정확도가 높은 함수율 측정이 가능한 것으로 보고되고 있다. 그러나, 기존의 관련 연구는 실제의 함수율 측정장치의 설계 제작보다는 회로망 분석기와 같은 정밀한 측정장비를 이용한 연구가 대부분이므로 마이크로파를 이용한 함수율 측정센서 및 신호처리 회로의 개발이 요구되고 있는 실정이다.
종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 이러한 연구의 필요성을 인식하여 보다 간편하게 곡물의 함수율을 측정할 수 있는 S-band의 2.38 GHz와 X-band의 10.5 GHz 주파수를 이용한 마이크로파 송수신 장치를 설계 및 제작하였으며 곡물의 함수율에 대한 출력전압의 측정치를 통해 함수율 측정 모델을 개발하였고 함수율 측정 센서의 응용 가능성을 제시하는, 두 개의 주파수에서 마이크로파 감쇄를 이용한 곡물의 함수율 측정을 위한 마이크로파 송수신 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적을 달성하기 위해, 두 가지 주파수를 사용하여 마이크로파 감쇄를 이용한 곡물의 함수율 측정을 위한 마이크로파 송수신 장치는, S-band의 2.38 GHz와 X-band의 10.5 GHz 두 가지 주파수를 사용하여 발진, 오실레이션, 송신 패치 어레이 안테나를 통해 곡물이 채워진 샘플홀더를 투과하여 RF 신호를 전송하는 송신부; 마이크로파 송수신 패치 어레이 안테나 사이에 상기 곡물 시료가 채워지는 샘플 홀더; 수신 패치 어레이 안테나를 통하여 입력된 RF 신호를 DC 신호로 검파하고, 감쇄되는 신호를 검출하여 디지털 전압을 측정하는 수신부를 포함하고, 상기 샘플 홀더내 동일한 곡물 시료가 동일한 함수율에서 산출밀도에 따라 마이크로파의 감쇄가 다르게 나타나므로 마이크로파 투과 특성을 이용한 함수율 측정장치에서 상기 수신부의 출력전압과 함수율의 관계로 유추하여 곡물(grain)의 함수율을 결정하여 수분을 측정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 S-band의 2.38 GHz와 X-band의 10.5 GHz 두가지 주파수를 이용하여 마이크로파 감쇄를 이용한 곡물의 함수율 측정을 위한 마이크로파 송수신 장치는 X-band의 10.5 GHz와 S-band의 2.38 GHz 두가지 주파수를 이용하여 곡물의 함수율 측정을 위한 마이크로파 송수신 장치를 설계 및 제작하였다. 측정 장치들의 핵심부품인 발진기, 송수신 패치 안테나와 검파기는 HP EEsof ADS를 이용하여 설계하였으며 하이브리드 MIC형태로 제작하였다. 이 송수신 측정장치를 이용하여 측정된 데이터를 통계분석 프로그램으로 회귀 분석하여 밀도에 민감하지 않은 새로운 보정 모델을 제시하였다. 시료의 출력 전압을 독립변수로 한 함수율 측정 모델을 가지고 함수율의 예측값과 실측값을 비교한 결과 상관계수는 0.9276, 표준오차는 0.975 %로 나타나 산물밀도를 보정하면서 정확도가 높은 벼의 함수율 측정이 가능하였다.
두 개의 주파수에서 곡물의 함수율 측정은 정지 상태나 산물밀도의 영향을 감소하고, 정확도를 향상시킨다. 또한 유동상태의 함수율을 측정하기 위하여 두개의 주파수를 이용하여 마이크로파 주파수에 따른 감쇄특성에 관한 연구는 동일한 수분이라도 두 개의 주파수에서 감쇄 정도가 차이가 나므로 이러한 특성을 적극적으로 활용하여 보다 정확하고, 시료의 상태에 영향을 덜 받는 함수율 측정방법을 제시할 수 있다.
함수율 측정장치는 송신부와 수신부로 구분되며, 송신부는 발진기, 송신용 안테나, 아이솔레이터로 구성되고, 수신부는 수신용 안테나, 검파기, 디지틀 전압측정기로 구성되어 출력전압과 함수율의 관계로 유추하여 곡물의 함수율을 결정할 수 있다.
함수율에 따른 두 개의 주파수에서의 감쇄에 의해 검파기에서 출력되는 직류전압은 각기 함수율과의 관계를 얻을 수가 있고 온도에 대한 영향은 고정시킨다.
마이크로파 투과실험은 먼저 마이크로파 송수신 안테나 사이에 시료가 채워진 샘플홀더를 위치시킨 다음 수신안테나에서 감쇄되는 신호를 검출하였다. 샘플홀더 내에 시료가 동일한 함수율에서 산물밀도에 따라 마이크로파의 감쇄가 다르게 나타나므로 마이크로파 투과특성을 이용한 함수율 측정장치의 개발에서 산물밀도가 마이크로파 신호에 미치는 영향을 규명하기 위하여 동일한 함수율에서 산물밀도의 범위를 변화시켜 가면서 실험하였다.
측정된 데이타를 통계 분석 프로그램으로 회귀 분석하여 온도와 밀도에 민감하지 않은 새로운 보정 모델을 제시하였다. 보정 모델을 통한 함수율의 측정값과 예측값을 비교해 본 결과 일치하였다. 시료의 온도와 출력전압을 독립변수로 하여 함수율 측정 모델을 개발하여 산물밀도와 시료온도의 영향을 보정하면서 정확도가 높은 벼의 함수율이 측정 가능하였다.
도 1은 물 분자 구조(Structure of a water molecule)를 나타낸 도면이다.
도 2는 송수신기 회로의 구성도이다.
도 3은 본 발명에 따른 곡물의 함수율 측정을 위해 사용된 마이크로파 송수신 장치(microwave tranceiver)의 구성도이다.
도 4는 2-단자망 발진기 모델(Two port oscillator model)을 나타낸 도면이다.
도 5는 S-band의 2.38GHz에서 출력 전력을 나타낸 그래프이다.
도 6은 S-band의 2.38GHz에서 고조파 특성(Harmonic characteristic of 2.38GHz at S-band)을 나타낸 그래프이다.
도 7은 X-band의 10.5GHz에서 출력 전력을 나타낸 그래프이다.
도 8은 X-band의 10.5GHz에서 고조파 특성(Harmonic characteristic of 10.5GHz at X-band)을 나타낸 그래프이다.
도 9는 S-band의 2.38GHz에서 위상 잡음 특성(Phase noise charistic of S-band at 2.38GHz)을 나타낸 그래프이다.
도 10은 X-band의 10.5GHz에서 위상 잡음 특성(Phase noise charistic of X-band at 10.5GHz)을 나타낸 그래프이다.
도 11은 검파기(detector)의 회로 구성도를 나타낸 도면이다.
도 12는 검파기의 입력 반사 손실(Input return loss of the detector)을 나타낸 도면이다.
도 13은 검파기의 특성을 나타내는 Voltage sensitity를 나타낸 그래프이다.
도 14는 마이크로파 송수신 장치의 실물도(X-band의 10.5GHz)를 나타낸 사진이다.
도 15는 구형 마이크로스트립 패치 안테나(Rectangular microstrip patch antenna)를 나타낸 도면이다.
도 16은 마이크로스트립 패치 안테나의 구성도이다.
도 17은 단일 마이크로스트립 패치 안테나의 입력반사 손실과 이득의 설계 결과를 나타낸 그래프이다.
도 18은 입력 반사 손실(Input return loss)을 나타낸 그래프이다.
도 19는 H-plane의 원거리 패턴(Far-field pattern of H-plane)을 나타낸 도면이다.
도 20은 곡물의 함수율과 출력전압과의 관계(Relationship between the output voltage and moisture content of grain)를 나타낸 도면이다.
도 21은 함수율의 실측값과 예측값의 관계곡선을 나타낸 도면이다.
도 2는 송수신기 회로의 구성도이다.
도 3은 본 발명에 따른 곡물의 함수율 측정을 위해 사용된 마이크로파 송수신 장치(microwave tranceiver)의 구성도이다.
도 4는 2-단자망 발진기 모델(Two port oscillator model)을 나타낸 도면이다.
도 5는 S-band의 2.38GHz에서 출력 전력을 나타낸 그래프이다.
도 6은 S-band의 2.38GHz에서 고조파 특성(Harmonic characteristic of 2.38GHz at S-band)을 나타낸 그래프이다.
도 7은 X-band의 10.5GHz에서 출력 전력을 나타낸 그래프이다.
도 8은 X-band의 10.5GHz에서 고조파 특성(Harmonic characteristic of 10.5GHz at X-band)을 나타낸 그래프이다.
도 9는 S-band의 2.38GHz에서 위상 잡음 특성(Phase noise charistic of S-band at 2.38GHz)을 나타낸 그래프이다.
도 10은 X-band의 10.5GHz에서 위상 잡음 특성(Phase noise charistic of X-band at 10.5GHz)을 나타낸 그래프이다.
도 11은 검파기(detector)의 회로 구성도를 나타낸 도면이다.
도 12는 검파기의 입력 반사 손실(Input return loss of the detector)을 나타낸 도면이다.
도 13은 검파기의 특성을 나타내는 Voltage sensitity를 나타낸 그래프이다.
도 14는 마이크로파 송수신 장치의 실물도(X-band의 10.5GHz)를 나타낸 사진이다.
도 15는 구형 마이크로스트립 패치 안테나(Rectangular microstrip patch antenna)를 나타낸 도면이다.
도 16은 마이크로스트립 패치 안테나의 구성도이다.
도 17은 단일 마이크로스트립 패치 안테나의 입력반사 손실과 이득의 설계 결과를 나타낸 그래프이다.
도 18은 입력 반사 손실(Input return loss)을 나타낸 그래프이다.
도 19는 H-plane의 원거리 패턴(Far-field pattern of H-plane)을 나타낸 도면이다.
도 20은 곡물의 함수율과 출력전압과의 관계(Relationship between the output voltage and moisture content of grain)를 나타낸 도면이다.
도 21은 함수율의 실측값과 예측값의 관계곡선을 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 발명의 구성 및 동작을 상세하게 설명한다.
본 발명에서는 S-band의 2.38 GHz와 X-band의 10.5 GHz 주파수를 이용하여 곡물의 함수율 측정을 위한 마이크로파 송수신 장치를 설계 및 제작하였다. 송수신 장치의 송신부는 온도특성이 우수하고 Q값이 높은 유전체 공진기를 이용한 단일 바이어스 발진기와 아이솔레이터 및 송신용 패치안테나로 구성하였으며, 수신부는 수신용 패치안테나와 고주파 특성의 장점을 지닌 쇼트키다이오드를 이용한 검파기 및 디지털 전압측정기로 구성하였다. 측정장치의 핵심부품들은 HP EEsof ADS를 이용하여 설계하였으며 하이브리드 MIC형태로 제작하였다. 그리고 이 송수신 장치를 이용하여 12~20 %의 함수율을 갖는 벼의 함수량과 출력전압과의 관계를 측정하였으며, 그 결과를 통계적 방법으로 회귀 분석하여 함수율 측정 모델을 제안하였다.
본 발명의 구성은 2장에서는 기본적인 발진기 이론과 유전체 공진 발진기 이론을 소개하였다. 3장에서는 발진기, 아이솔레이터와 패치안테나로 구성한 송신부와 패치안테나, 검파기와 전압측정기로 구성한 수신부의 설계 및 제작방법과 발진기의 특성과 수분 측정 시스템을 설명하였다. 4장에서는 제작된 측정시스템을 이용하여 실제 곡물의 함수량 측정실험 과정을 소개하였고 측정된 데이터를 통계 분석 프로그램인 SAS 통계적 방법으로 분석하여 얻은 함수율 측정 모델을 개발하여 제시하였다. 그리고, 5장에서는 결론을 맺었다.
2.1 물의 구조 및 전자기장 내의 특성
도 1은 물 분자 구조(Structure of a water molecule)를 나타낸 도면이다.
물분자의 구조는 도 1에서 도시된 바와 같이, 산소(O) 한 원자와 수소(H) 두 원자가 결합하여 2개의 H가 약간 안쪽으로 좁혀져 약 104.5의 각을 이루고 있는 비대칭 구조를 하고 있어 +, - 극이 존재하는 것과 같은 구조를 이루고 있는데 이와 같은 구조를 쌍극자라 한다. 수분을 함유한 유전체가 전기장에 놓여지면 이러한 쌍극자들은 전기장의 방향으로 배열되고 이 때, 쌍극자 모멘트(Dipole moment)가 발생하며 쌍극자 모멘트의 영향으로 유전체내에는 전기적인 편극이 발생한다.
유전체가 놓여진 전기장이 바뀌면 그에 대응하여 물분자와 같이 쌍극자 모멘트를 가진 분자들은 쌍극자 모멘트가 전기장의 방향으로 배열하는 힘 때문에 회전과 진동이 발생하고, 그 내부 마찰에 의해서 열이 발생한다. 이러한 쌍극자 모멘트를 가진 유전체는 고주파와 같은 높은 주파수의 전기장에서는 쌍극자 모멘트에 의해 편극의 영향이 크게 되며 이러한 편극의 영향이 상대 유전율로 나타나게 된다. 마이크로파 영역(1~30 GHz)에서는 쌍극자의 배향이 전기장의 변화를 따라가지 못하고 마이크로파 에너지를 흡수하게 되며 물분자가 다른 물질에 비해 유전상수가 비교적 크므로 이러한 영역에서 물에 의한 에너지 흡수현상을 이용하여 함수율을 측정할 수 있다.
2. 이론
2.2 함수율 측정 방법
2.2.1 가열 건조 방법
가열건조방법은 먼저 수분을 함유하고 있는 곡물(grain)의 무게를 계량기로 측정하고 이때 곡물의 무게를 M1이라 표시하면, 건조전의 곡물의 무게 M1은 식 (2-1)과 같이 건조된 곡물의 무게 Md와 수분의 무게 Mw의 합으로 정의될 수 있다.
건조전 곡물의 무게 : M1 = Md + Mw (2-1)
이제 곡물의 전기정온 건조기에 넣고 가열한다. 여기서 가열건조 온도를 135로 유지하고 24시간에서 72시간동안 가열한다.
가열 건조과정이 끝나면 곡물을 건조기에서 꺼내 건조기로 옮겨서 곡물이 갑작스런 온도의 변화에 의한 대기중의 수분을 흡수하지 못하도록 방냉하도록 한다. 시료가 안정상태로 되면 건조기로부터 꺼내서 무게를 측정한다.
건조후 곡물의 무게 : M2 = Md (2-2)
건조후의 무게 Md를 측정함으로 건조전 시료의 무게와 건조후 시료의 무게의 차를 계산하면 곡물이 함유하였던 수분의 무게가 된다.
수분의 무게 : Mw = M1 - M2 (2-3)
이로부터 시료의 함수율을 계산하게 되는데 식 (2-4)와 같다.
가열건조 방법은 가장 정확하게 곡물의 함수율을 측정할 수 있는 장점을 갖고 있지만 측정과정에서 많은 장비를 필요로 하고 시간이 매우 오래 걸리는 단점을 가지고 있어서 현장에서 실제적으로 곡물의 함수율을 측정하기 위해서는 사용될 수가 없고 실험실이나 연구소에서 개발된 측정장치의 결과치와 비교 검토하기 위하여 주로 사용된다.
2.2.2 전기저항식 방법
전기 저항식 방법은 두 개의 평행판 사이에 측정하고자 하는 시료를 놓고 DC전압을 양 평행판 사이에 인가한다. 이때, 임피던스 측정기를 사용하여 각 시료에 의한 저항값을 측정한다. 여기서 측정된 저항값은 시료가 함유하고 있는 함수율에 따라 그 값이 변하게 됨으로 저항율과 함수율의 관계로부터 시료의 수분을 측정할 수 있다.
전기저항식은 비용이 저렴하고 제작이 간단하여 일반적으로 보급되어 사용되고 있는 방식이나 수분 측정시 시료의 층이 매우 얇아야 함으로 대부분이 원료를 분쇄해서 시료로 사용하고 있으며 특히 곡물의 모양, 크기에 따른 곡물밀도 변화에 매우 민감함으로 수분측정시 정확성이 결여될 수 있다.
2.2.3 전파를 이용한 방법
전파를 이용하는 방법에는 Capacitor 방식, Coaxial probe 방식, Transmission line 방식, Resonant cavity 방식과 Free space 방식의 5가지 방법이 있다.
먼저, 100 MHz 이하에서 사용하는 방식인 Capacitor 방식은 두 개의 평행판 사이에 측정하고자 하는 시료를 채워넣고 고주파 발진기를 이용하여 평행판 사이에서의 Capacitance와 Dissipation을 측정한다. 이때 측정된 Capacitance값, Dissipation값 그리고 함수율과의 관계로부터 시료의 유전율을 계산한다.
Coaxial probe 방식은 Coaxial probe를 측정하고자 하는 시료의 표면에 접촉시켜서 Probe로부터 조사된 고주파 신호가 시료면에 반사될때의 반사계수를 측정하고 이때 측정된 반사계수로부터 시료의 유전율을 계산한다. 이 방식은 주로 액체 또는 고체 물질에서의 유전율을 구하는데 주로 사용되며 200 MHz에서 20 GHz사이의 주파수대에서 측정이 가능하다.
Transmission line 방식은 원형 도파관이나 구형도파관과 같은 Transmission line안에 측정하고자 하는 시료의 일부 또는 가득 채우고 고주파 신호를 통과시킨 후 이때 발생되는 반사계수와 전송계수를 측정하여 이로부터 시료의 유전율을 계산하는 방법이다. 이때 사용 주파수 범위는 500 MHz에서 110 GHz사이로 가장 넓다.
Resonant cavity 방식은 Microwave resonant cavity안에 시료를 넣었을 때와 Cavity가 비어 있을 때 각각의 공진주파수와 Q-factor값을 측정한 다음 그 차이를 계산한다. 이때 시료의 유전율 값에 따라서 공진주파수와 Q-factor값이 다르고 이로부터 유전율을 계산한다. 이 방식은 일반적으로 단일시료, 즉 벼 한 알 또는 콩 한 알에 대한 유전율 측정에 적합하며 500 MHz에서 10 GHz사이의 주파수 범위에서 사용이 가능하다.
마지막으로 본 발명에서 이용한 방식인 Free space 방식은 송수신안테나를 이용하는 방법으로 이들 안테나 사이에 시료를 놓고 송신안테나에서 방사된 마이크로파신호가 시료를 투과하여 수신안테나에 검파되었을 때 신호의 감쇄를 측정한다. 이때 신호의 감쇄치가 시료의 함수율에 따라 다르므로 이 감쇄치로부터 시료의 유전율을 계산할 수 있게 된다. Free space 방식은 주로 마이크로파에서 사용되며 2 GHz에서 18 GHz사이의 범위에서 사용된다. 측정원리가 비교적 간단하고 온라인 함수율 측정 개발 시스템의 개발에 유리하다. 측정 주파수는 8~12 GHz인 X-band의 주파수가 많이 이용되고 있는데 그 이유는 이 대역의 주파수는 물분자의 쌍극자 모멘트 회전에너지 주파수에 포함되는 영역으로 자유수에서 물분자의 마이크로파 흡수가 크게 나타나기 때문이다.
함수율 측정에 대한 마이크로파의 장점은 첫 번째는 시료 표면의 수분을 측정하는 적외선 측정방법과는 달리 시료 내부의 수분까지 정확하게 측정할 수 있다. 두 번째는 아주 낮은 에너지(수 mW)를 이용하므로 위험성이 낮다. 세 번째는 비파괴적인 방법이다. 네 번째는 먼지나 수증기 등과 같은 요인의 영향을 덜 받는다. 다섯째는 다른 함수율 측정방법과 비교하여 정확도가 매우 높다. 여섯째는 온라인화에 따른 함수율 측정장치의 안정성이 높다는 점이다.
2.3 두가지 주파수에서 측정방법
본 발명에서는 기존에 발표한 S-band의 2.38 GHz와 X-band의 10.5 GHz에서는 출력전압과 함수율 관계를 유추하여 분석프로그램인 SAS를 통해 분석을 하였다. 기존에 발표하였던 한가지 주파수내에서 측정 방법과는 동일하나 한가지 주파수대를 더 첨가하여 더 정밀한 함수율 측정을 하였다. 두 개의 주파수에서 곡물의 함수율 측정은 정지 상태나 산물밀도의 영향을 감소하고, 정확도를 향상시킨다. 또한 유동상태의 함수율을 측정하기 위하여 두개의 주파수를 이용하여 마이크로파 주파수에 따른 감쇄특성에 관한 연구는 동일한 수분이라도 두 개의 주파수에서 감쇄 정도가 차이가 나므로 이러한 특성을 적극적으로 활용하여 보다 정확하고, 시료의 상태에 영향을 덜 받는 함수율 측정방법을 제시할 수 있다.
기존의 한가지 주파수에서 측정방법과는 동일하나 X-band에서의 출력전압의 감소가 더 크게 일어나는 것을 4장에서 출력전압과 함수율의 관계 그래프를 보면 쉽게 알 수가 있고 S-band에서는 출력전압의 감소가 X-band만큼이나 크게 일어나지 않는 점을 알 수가 있다. S-band를 선택한 이유가 유사한 주파수를 선정하면 함수율의 변화가 유사하기 때문에 S-band를 선택하여 함수율의 곡선의 차를 크게 두어 상호 비교를 할 수가 있고 분석프로그램인 SAS를 통해서 분석을 하면 기존의 한가지 주파수대에서 함수율 측정 방법보다는 더 정밀한 함수율을 측정할 수가 있다. 두가지 주파수대에서 측정방법은 먼저 장치를 셋업을 하고 나서 안테나 사이에 출력전압을 측정하여 동일한 전압(0.6 V)을 셋업을 시킨후에 밀도를 3~4수준으로 변화시키면서 출력전압을 측정하고 수분밀도가 증가에 따라 출력전압은 다항 함수적으로 감소하였으며 X-band 출력전압이 S-band의 전압보다 낮게 나타난 이유는 마이크로파 흡수가 X-band에서 더 크게 일어나기 때문이다.
표1은 한가지주파수대와 두가지 주파수에서 측정결과 분석(Table1. Measurement result analysis of one and two frequency)을 나타낸 것이다.
| X-band( 10.5 GHz) | X-band(10.5 GHz와S-band의 2.38 GHz) | |
| 측정방법 | 출력전압과 함수율 관계 | 출력전압과 함수율 관계 |
| 상관계수 | 0.9732 | 0.9732 이상 |
| 표준오차 | 0.9831 % | 0.975 % |
| 측정장치 | X-band의 장치(발진기,아이솔레이터,안테나,검파기) | X-band의 장치에 S-band장치를 추가 - 장치구성은 동일 |
| 보정계수 | 온도, 밀도 | 밀도 |
2.4 수분측정 방법
본 연구에서는 유동상테에 있는 곡물의 수분을 비접촉 및 비파괴식으로 측정하기 위하여 자유공간 전송방법 (Free space transmission method)을 사용하고자 한다. 자유공간 전송방법은 송수신 안테나를 이용하는 방법으로 이들 안테나 사이에 시료를 놓고 송신 안테나에서 방사된 마이크로파 신호가 시료를 투과하여 수신 안테나에서 검파되었을 때 신호의 감쇠 및 위상을 측정한다.
시료의 유전율은
ε = ε - jε (2-5)
이고, 시료를 통과하는 마이크로파의 전파상수는
γ = α + jβ (2-6)
이다.
유전율과 전파상수의 관계식
으로부터 유전상수와 손실계수를 계산하면 아래와 같다.
이때 측정 신호의 감쇠치와 위상차를 이용하여 시료의 복소 유전율을 얻을 수 있게 된다. 그리고 시료의 복소 유전율 값은 시료의 함수량에 따라 변하므로 함수랴의 변화와 복소 유전율의 변화로부터 수분 측정을 위한 calibration curve를 얻게 된다.
1) 송수신 회로 구성도
송수신회로의 설계는 본 연구기관에서 보유하고 있는 초고주파 집적회로 설계용 simulator인 Hewlett Packard사의 MDS(Microwave Design System) 또는 독일 Janse Microwave사의 LINMIC을 시용한다.
송신부는 발진기, 주파수 안정회로 그리고 송신 안테나로 구성된다. 사용 주파수는 자유수에서 물분자의 마이크로파 에너지 흡수가 크게 나타나는 X-band영역으로 하며 송신부의 CW-source로 10.5GHz의 발진 주파수를 갖는 발진기를 사용한다. 능동소자로는 잡음특성이 우수한 HEMT나 GaAs FET을 이용하며, 주파수 안정화 소자로는 온도특성이 우수하고 양호도가 높은 유전체 공진기가 사용된다. 회로의 구성은 위상잡음과 출력특성이 우수한 직렬궤환 형태로 이용되며, 발진기의 설계는 부성저항부와 공진회로부를 결합하는 일반적인 발진기 설계 기법을 따른다. 제작한 발진기와 안정회로는 Microsrtip -to-waveguide transition을 통하여 WR90 flange의 송신용 Horn 안테나와 연결된다.
송신부에서 전송된 RF출력은 시료를 통과한 후 20-30dB 감쇠되어 수신용 Horn 안테나에 전달된다. 비접촉 및 비파괴식 측정을 위해서는 이처럼 2개의 송수신용 표준 이득 혼 안테나 (Standard gain horn antenna)가 사용되는데 초기 실험과정에서는 약 20dB이득을 갖는 실험용 혼 안테나를 사용한다.
수신부는 수신 안테나, 검파기, 믹서, 저역통과 필터, 증폭기로 구성된다. RF신호의 검파를 위해 일반적으로 back diode, point contact diode 및 Schottky diode등이 사용되나, 본 연구에서는 전기적 및 기계적 충격에 가장 안정하면서도 우수한 voltage sensitivity를 갖는 Schottky diode를 이용한다. 그리고 저역통과 필터를 이용하여 RF전력 레벨에 비례하는 DC전압을 발생시킨다. 이 미약한 전압은 증폭기를 통하여 증폭된 후에 Oscilloscope나 power monitor로 감쇠정도를 나타낸다.
본 발명에서 설계하고자 하는 송수신기의 회로 구성도는 도 1과 같다. 이처럼 마이크로파의 감쇠와 위상변화를 측정하기 위한 시스템은 발진기, 아이솔레이터, 전력분배기 그리고 믹서 등으로 구성되어 있다. 마이크로파의 감쇠와 위상변화를 측정하기 위해서는 먼저 발진기(oscillator)를 이용하여 일정한 주파수를 갖는 마이크로파를 발진시킨다. 그리고 일정한 주파수 영역 내에서 원하는 주파수만을 선택하기 위해서 발진기에 직렬로 튜너를 연결하여 사용한다.
도 2는 송수신기 회로(Circuit construction of transmittere and reciever)의 구성도이다.
발진기에서 조사되는 마이크로파를 수학적으로 다음과 같이 정현파로 표현된다.
e(t) = E0 ㆍcos(ωt) (2-10)
여기서, E0 수로 표현할 수 있는데
E0 는 마이크로파 진폭, 그리고 ω=2πf를 나타낸다.
이처럼 일정한 주파수를 갖는 마이크로파가 시스템에 전달될 때 부정합에 의한 일부 마이크로파 전력이 반사되어 발진기에 손상을 줄 경우를 방지하기 위하여 튜너 다음에 isolator를 연결하여 입사전력은 감쇠없이 통과하고 반사전력은 감쇠시켜 준다. 전력분배기를 통과한 마이크로파의 일부는 곡물에 투과시키기 위하여 사용되어지고 나머지 일부는 기준 신호(reference signal) 로 사용되어지며 각각의 진폭은 1/2로 줄어든다.
곡물의 투과한 마이크로파 e1(t)는 곡물투과시 감쇠와 위상의 변화가 발생하므로 다음과 같은 식으로 표시할 수 있게 된다.
여기서, A는 곡물에 의한 마이크로파 감쇠를 나타내며, θ는 위상의 변화를 나타낸다.
그리고 곡물을 통과한 마이크로파와 기준 마이크로파는 각각 또 한번의 전력 분배기를 통한 후 믹서에 의해서 주파수가 채배되어진다. 따라서 첫 번째 믹서와 두 번째 믹서를 통해서 얻어지는 마이크로파를 각각 
와 
라 하면
여기서, 
와 
는 직류성분과 고주파 성분으로 구성되어있어서 각각의 믹서에 저역통과 필터를 연결하여 고주파 성분을 걸러내면 다음과 같은 직류성분만을 얻을 수가 있게 된다.
결국, 저역통과 필터로부터 얻어진 두 개의 파형으로부터 측정하고자하는 마이크로파의 감쇠와 위상변화를 계산할 수 있게 된다.
이와 같이 측정되어진 감쇠와 위상변화를 이용하여 곡물의 함수율에 따른 곡물의 복소 유전율 값을 계산할 수 있게 되며 이로부터 얻어진 데이터를 이용하여 calibration curve를 설정하게 되고, 임의의 함수율을 갖는 곡물에 마이크로파를 투과함으로 얻어지는 마이크로파의 감쇠량과 위상변화량으로부터 계산되어진 유전율 값에 의해 calibration curve로부터 함수량을 읽어서 미터기에 표시하여 준다.
3. 함수율 측정 시스템
본 발명에서는 하이브리드 MIC(Microwave Integrated Circuit)제작이 용이하면서도 마이크로파 흡수가 크게 일어나는 X-band의 10.5 GHz와 S-band의 2.38 GHz 주파수를 선택하여 자유공간 전송방식을 이용한 곡물의 함수율 측정 장치를 설계, 제작하였다.
도 3은 본 발명에 따른 곡물의 함수율 측정을 위해 사용된 마이크로파 송수신 측정장치의 구성도이다.
본 발명에서는 X-band의 10.5 GHz 와 S-band의 2.38 GHz 주파수를 이용하여 곡물(grain)의 함수량을 보다 간단히 측정하며 예측 가능한 함수율 측정을 위한 마이크로파 송수신 측정장치를 설계 및 제작하였다.
곡물의 함수율 측정을 위해 사용된 마이크로파 송수신 측정장치(수분 측정 장치)는 발진기(oscillator)(10), 아이솔레이터(isolator)(20), 패치 어레이 안테나(patch array antenna)(30a, 30b), 샘플 홀더(sample holder)(40), 검파기(detector)(50), 및 디지털 전압 측정기(voltmeter)(54)로 구성된다.
두 가지 주파수를 사용하여 마이크로파 감쇄를 이용한 곡물의 함수율 측정을 위한 마이크로파 송수신 장치는, S-band의 2.38 GHz와 X-band의 10.5 GHz 두 가지 주파수를 사용하여 발진, 오실레이션, 송신 패치 어레이 안테나를 통해 곡물이 채워진 샘플홀더를 투과하여 RF 신호를 전송하는 송신부; 마이크로파 송수신 패치 어레이 안테나 사이에 상기 곡물 시료가 채워지는 샘플 홀더; 수신 패치 어레이 안테나를 통하여 입력된 RF 신호를 DC 신호로 검파하고, 감쇄되는 신호를 검출하여 디지털 전압을 측정하는 수신부를 포함하고, 상기 샘플 홀더내 동일한 곡물 시료가 동일한 함수율에서 산출밀도에 따라 마이크로파의 감쇄가 다르게 나타나므로 마이크로파 투과 특성을 이용한 함수율 측정장치에서 상기 수신부의 출력전압과 함수율의 관계로 유추하여 곡물(grain)의 함수율을 결정하여 수분을 측정하는 것을 특징으로 한다.
수분측정장치는 송신부와 수신부로 나눠진다. 먼저, 송신부는 발진기(10), 아이솔레이터(20)와 송신용 패치 안테나(30a)로 구성되고, 수신부는 수신용 패치 안테나(30b), 검파기(50)와 디지틀 전압 측정기(54)로 구성되고, X-band와 S-band의 장치 구성은 동일하다.
송신부는 발진기(10), 아이솔레이터(20)와 송신용 패치 어레이 안테나(30)로 구성하였다. 송신단의 발진기(10)에서 잡음과 온도특성이 우수하고 Q값이 큰 유전체 공진기를 사용하여 안정한 출력을 발진시키고 아이솔레이터(20)를 사용하여 신호가 한쪽 방향으로 일정하게 흐르게 하였고 반사되는 신호에 대하여 발진기의 손상을 보호하였다.
발진기(10)는 S-band의 2.38 GHz에서 출력전력이 19.67 dBm이고 고조파 특성은 -23 dBc이고 위상잡음 특성은 -97.83 dBc/Hz이고 X-band의 10.5 GHz에서 출력전력은 11 dBm이고 고조파 특성은 -24 dBc이고, 위상잡음 특성은 -107.8 dBc/Hz이다.
먼저, 송신부의 핵심부품이라 할 수 있는 발진기(10)는 우수한 출력과 잡음지수가 낮은 능동소자인 HP사의 ATF-13786 MESFET과 제작후 Tuning이 용이한 공진기를 사용하였다. 본 발명에서는 (주)한원의 공진기 KFR-0531-C-212-A-30C를 사용하였다. 이때, 공진기의 직경은 5.31mm, 두께가 3.62mm (Support 포함), 온도상수는 0ppm/, Q값은 6000, 그리고 유전율은 38이다.
유전체 공진 발진기를 HP EEsof사의 ADS을 이용하여 설계하였다. 특히, 회로 구성이 간단하고 부하의 변동에 따른 발진 주파수 및 출력의 변화가 적은 직렬 궤환형으로 발진기를 설계하였다. 또한, 바이어스 전압인가를 용이하게 하기 위하여 Single Source 바이어스 형태로 바이어스를 인가하였다. 설계로부터 얻은 시뮬레이션 결과는 X-band의 10.5 GHz에서 13 dBm의 출력전력과 -28 dBc의 고조파 특성을 얻었다.또한 S-band의 2.38 GHz에서는 19 dBm의 출력전력과 -27 dBc의 고조파 특성을 얻었다. 설계한 발진기를 유전율이 2.6이고, 두께가 0.54 mm, 동판의 두께가 0.018 mm인 Teflon 기판 위에 직접 인쇄 방식으로 제작하였다.
아이솔레이터(20)는 신호가 한쪽 방향으로 일정하게 흐르게 함으로 반사되는 신호에 대하여 발진기의 손상을 보호하였다.
아이솔레이터(20)는 아이솔레이션이 20dB이고 최대 VSWR이 1.25인 RADITEK사의 아이솔레이터 모듈을 사용하였고, 송신 안테나는 주변신호의 영향을 최소화하기 위하여 10~11 dB 이득을 갖는 패치 어레이 안테나를 사용하였다.
샘플홀더(40)의 재질은 두께가 0.4 cm인 아크릴을 사용하였으며 넓이는 전파가 투과할 때 발생하는 패치 안테나의 누설을 최소화하기 위하여 패치안테나의 가로크기의 2배 이상으로 하여 실험 측정을 하였다. 샘플홀더(40)의 크기는 4.5x12.4x15.2cm로 제작하였다.
안테나(30a, 30b)는 기존의 혼 안테나(horn antenna)의 크기와 부피를 감소시킨 패치 안테나를 사용하여 곡물의 함수율을 측정 가능하였다.
수신부는 수신용 패치안테나(30b)와 고주파 특성의 장점을 지닌 쇼트키 다이오드(Schottky diode)를 이용한 검파기(50), 및 디지털 전압 측정기(54)로 구성하였다.
수신부의 검파기(detector)(50)는 다이오드의 비선형 특성을 이용하여 안테나를 통하여 입력된 RF 신호를 DC신호로 검파하는 회로로써 크게 다이오드와 정합회로로 구성된다. RF신호를 검파하기 위해 일반적으로 Back diode, Point contact diode 및 Schottky diode등이 사용되나 본 발명에서는 전기적 및 기계적 충격에 가장 안정하고 고주파특성이 우수한 bias를 인가하지 않는 단순한 회로의 구현을 위해 M/A-com사의 MA40070 Schottky diode를 이용하여 제작하였다.
디지털 전압 측정기(54)는 샘플 홀더(40)내 동일한 곡물 시료가 동일한 함수율에서 산출밀도에 따라 마이크로파의 감쇄가 다르므로 상기 검파기의 출력전압을 측정하였다.
송수신 장치를 이용하여 함수율의 범위가 각각 12 - 20%의 일품벼와 동진벼를 대상으로 하여 전파 투과특성을 실험하였다. 측정 데이터를 통하여 함수율과 산물밀도가 증가함에 따라 마이크로파 신호의 출력전압은 다항 함수적으로 감소하였으며 동일한 함수율내에서 출력전압이 감소하는 경향을 나타내었다.
3.1 발진기 이론
초고주파 발진기는 DC 전력을 RF 전력으로 변환시키는 장치이며 초고주파 시스템에 있어서 가장 기본적이고 필수적인 부품이다. 고체소자 발진기(Solid-state oscillator)는 능동소자를 수동회로와 함께 사용하여 정상적인 정현파 RF 출력을 만들어 낸다. 초기 발진은 능동소자에 공급되는 DC 전력이 변하여 잡음레벨이나 과도현상에 의해서 발진이 시작된다. 발진 출력은 점점 성장하여 정상상태에 이르러 안정된 정현파를 만들어 낸다. 즉 발진은 능동소자의 비선형 특성이 필요하다. 이때 비선형소자는 출력 단에서 RF 전력을 생성함으로 부성저항을 가져야 한다.
트랜지스터나 전계효과 트랜지스터를 이용한 발진기는 해석에 있어 증폭기와 매우 유사하다. 트랜지스터 발진기에서는 조건부 안정이 트랜지스터가 불안정한 영역에서 동작할 수 있도록 설계한 임피던스를 부가함으로써 부성저항을 효과적으로 얻을 수 있다. 트랜지스터는 단자가 세 개이지만 한 단자는 입력과 출력에 공동으로 이용하므로 한 단자는 입력단자로 다른 하나는 출력단자로 취급하는 2-단자 망으로 보고 해석하면 편리하다.
도 4는 2-단자망 발진기 모델(Two port oscillator model)을 나타내며, 입력 정합회로와 출력 정합회로로 나뉜다. 입력 정합회로는 발진이 시작되기 위해 
이 되도록 해주며 공진기에 의한 발진 주파수를 결정한다. 출력 정합회로는 부하에 전달되는 전력의 크기를 결정해 준다.
MESFET을 이용한 발진기의 경우에 소신호 S-파라미터를 이용한 회로 설계에서 발진이 일어나기 위해서는 다음 두 조건이 필요하다.
여기서, 
은 부성저항이다. 식 (3-1)은 
이 되어야 함을 나타내고 식 (3-2)은 발진 주파수를 결정한다. 임의의 전압 V에서 
이 RL보다 더 커지면 네트워크는 발진 가능성을 갖게 된다. 공급되는 전압 Vds, Vgs가 변하여 잡음 레벨에서 발진이 시작되고 발진기의 출력은 소자의 포화상태에 이를 때까지 계속 커진다. 그러므로 주어진 회로에서 발진이 시작되기 위한 트랜지스터의 능력은 잡음 레벨에 의해 결정된다. 이는 소신호 분석 방법에 의해 해석이 가능하다. 부성저항을 갖는 
은 전압의 함수이며, 발진 전력이 증가함에 따라 부성저항은 감소하며 부성저항이 감소하여 부하저항보다 작게 되면 발진은 멈추게 된다. 이런 문제는 V=0에서 부성저항의 크기를 부하보다 더 크게 하여 정상상태에서 발진이 지속되도록 할 수 있다. 식 (3-3)은 실질적으로 출력 정합회로를 설계할 때 자주 사용되는 식이다.
한편, 능동소자를 포함한 2-단자망 해석에서 반사계수와 안정화 계수를 이용한 발진 조건 세 가지는 다음과 같다.
발진조건1 : K < 1 (3-4)
발진조건2 : 
(3-5)
발진조건3 : 
(3-6)
여기서, K = 능동소자의 stability factor
△ = S11S22 -S12S21
Γin = 능동소자의 입력 반사계수
Γg = 공진회로의 반사계수
Γout = 능동소자의 출력 반사계수
ΓL = 부하 정합회로의 부한 반사계수
이다. 
과 
가 1보다 작으므로 식 (3-5)과 식 (3-6)에서 Γin > 1, Γout >1이 되어야 한다. 식 (3-6)에서 
이면 출력 단자에서 정상상태의 발진을 하게 된다. 한편, 2-단자망 회로에서 능동 소자에 대한 입력과 출력 반사계수에 관한 유도된 식은
이다. 위 식들을 이용하면 발진이 일어났을 때 입력단자와 출력단자에서 발진이 동시에 일어남을 증명할 수 있다. 식 (3-11)을 식 (3-1)에 대입하면
이다. 식 (3-12)을 ΓG에 대해 다시 정리하면
이 된다. 또, 식 (3-10)을 위와 같은 방법으로 식(3-11)에 대입하여 Γin에 대해 정리하면
로 표현할 수 있다. 그러므로 식 (3-12)와 식 (3-13)에 의해
이 된다. 그러므로 입력단자 역시 발진을 하게 된다. 즉, 발진기가 각각의 단자에서 동시에 발진하고 있음을 의미한다. 두 조건은 서로 상보적 이여서 둘 중 어느 하나를 만족하면 다른 하나도 동시에 만족하게 된다. 식 (3-7)에서 K는 안정화 계수로서 발진을 하기 위해 발진 주파수는 소자의 불안정한 영역에 있어야 하므로 1보다 작아야 한다. 따라서 발진기 회로를 설계할 때는 설정 주파수에서 불안정한 특성을 갖는 소자를 초기에 선택하여 사용해야 한다. 그렇지 않으면 공동 단자에 부품을 첨가하여 특성을 변화시켜 불안정하게 만들어 주거나 출력의 일부를 정궤환시켜 주어야 한다.
3.2 송신부
측정장치의 송신부는 발진기(10), 아이솔레이터(20)와 송신용 패치 안테나(30a)로 구성하였다. 송신부의 발진기(10)에서는 잡음과 온도특성이 우수하고 Q값이 큰 유전체 공진기를 사용하여 10.5 GHz의 안정한 출력을 발진시키고 아이솔레이터(20)를 사용하여 신호가 한쪽 방향으로 일정하게 흐르게 함으로 반사되는 신호에 대하여 발진기(10)의 손상을 보호하였다. 송신 안테나(송신 패치 어레이 안테나)(30a)는 부피와 크기를 감소시킨 패치 안테나를 설계 및 제작하였다.
먼저, 송신부의 핵심부품이라 할 수 있는 발진기는 우수한 출력과 잡음지수가 낮은 능동소자인 HP사의 ATF-13786 MESFET과 제작후 Tuning이 용이한 공진기를 사용하였다.
본 발명에서는 (주)한원의 공진기 KFR-0531-C-212-A-30C를 사용하였다. 이때, 공진기의 직경은 5.31 mm, 두께가 3.62 mm (Support 포함), 온도상수는 0 ppm/, Q값은 6000, 그리고 비유전율은 38이다.
선정된 능동소자와 공진기의 특성데이타를 이용하여 HP EEsof사의 회로설계 소프트웨어인 ADS를 이용하여 유전체 공진 발진기를 설계하였다. 특히, 회로 구성이 간단하고 부하의 변동에 따른 발진 주파수 및 출력의 변화가 적은 직렬 궤환형으로 발진기를 설계하였다. 또한, 바이어스는 Single source 형태로 하여 전압인가를 용이하도록 하였고 일정한 전압을 인가하기 위해서 레귤레이터를 삽입하여 제작하였다.
도 5는 S-band의 2.38GHz에서 출력 전력을 나타낸 그래프이다.
도 6은 S-band의 2.38GHz에서 고조파 특성(Harmonic characteristic of 2.38GHz at S-band)을 나타낸 그래프이다.
도 7은 X-band의 10.5GHz에서 출력 전력을 나타낸 그래프이다.
도 8은 X-band의 10.5GHz에서 고조파 특성(Harmonic characteristic of 10.5GHz at X-band)을 나타낸 그래프이다.
도 9는 S-band의 2.38GHz에서 위상 잡음 특성(Phase noise charistic of S-band at 2.38GHz)을 나타낸 그래프이다.
도 10은 X-band의 10.5GHz에서 위상 잡음 특성(Phase noise charistic of X-band at 10.5GHz)을 나타낸 그래프이다.
3.3 수신부
샘플 홀더(40)에 채워진 곡물 시료를 투과하는 마이크로파 신호를 수신하기 위한 검파기(detector)(50)는 다이오드의 비선형 특성을 이용하여 수신 패치 어레이 안테나(30b)를 통하여 입력된 RF신호를 DC신호로 검파하는 회로로서 크게 다이오드와 정합회로로 구성된다. RF신호를 검파하기 위해 일반적으로 Back 다이오드, Point Contact 다이오드 및 Schottky 다이오드 등이 사용되나 본 발명에서는 전기적 및 기계적 충격에 가장 안정하고 고주파특성이 우수한 Schottky 다이오드를 선정하였다.
본 발명에서는 바이어스를 인가하지 않는 단순한 회로의 구현을 위해 MA-com사의 MA40070 Zero bias schottky detector 다이오드를 사용하였다.
검파기(detector)의 회로 구성도는 도 11과 같다. 검파기(detector)는 크게 길이 ℓ1 과 ℓ2를 갖는 입력부의 정합회로와 캐패시터와 저항으로 구성된 출력부의 정류회로로 나눈다. 이 때 입력부의 인덕턴스 성분을 갖는 길이 ℓ2는 RF신호에 대해 개방되어 다이오드 입력 방향으로 신호가 흐르게 하였고 반사계수를 줄이기 위해 길이 l 1 과 함께 튜닝하여 임피던스 정합을 하였다. 또한, Bypass 캐패시터는 RF신호에 대해서는 단락시켜 저항에 걸리는 DC전압을 측정하도록 하였다.
도 12는 하이브리드 MIC로 제작한 검파기를 HP사의 8510C 회로망 분석기로 측정한 입력 반사손실을 나타내며 10.5 GHz에서 -20.424 dB를 나타내었으며 정재파비(VSWR)는 1.2096를 얻었다.
도 13은 검파기(detector)의 특성을 나타내는 주요한 파라메터인 Voltage sensitivity 특성 그래프이다. 발진기(10)의 전력을 검파기(50)에 가변 입력하여 출력되는 DC전압을 디지털 전압측정기(voltmeter)(54)로 측정하였다. 검파기(50)에 낮은 레벨의 신호가 입력되더라도 DC전압으로 충분히 검파할 수 있는 것으로 나타났다.
3.4 마이크로파 수분 측정 장치 시스템
본 발명에서는 S-band의 2.38 GHz와 X-band의 10.5 GHz 두 가지 주파수대를 이용한 수분 측정장치 시스템을 설계 및 제작하여 곡물의 수분 함유량을 측정 가능하도록 하였다. S-band의 2.38 GHz와 X-band의 10.5 GHz에서 수분 함유량을 측정하였고 두 주파수대에서 시스템의 구성은 동일하고 차이점은 S-band의 2.38 GHz에서는 VCO에 증폭소자를 추가하여 출력 전력을 높인 반면에 X-band의 10.5 GHz에서는 유전체 공진 발진기(10)로 사용하여 측정하였고, S-band의 2.38 GHz에서는 안테나를 단일로 제작한 반면에 X-band의 10.5 GHz에선 패치 어레이 안테나(30a,30b)를 제작하여 측정하였다. 아이솔레이터(isolator)(20)는 아이솔레이션이 20dB이고 최대 VSWR이 1.25인 RADITEK사의 아이솔레이터 모듈을 사용하였고, 송신안테나는 주변신호의 영향을 최소화하기 위하여 10~11 dB 이득을 갖는 패치 안테나를 사용하였다. 샘플홀더(40)의 재질은 두께가 0.4 cm인 아크릴을 사용하였으며 넓이는 전파가 투과할 때 발생하는 패치 안테나의 누설을 최소화하기 위하여 패치안테나의 가로 크기의 2배 이상으로 하여 실험 측정을 하였다.
X-band에서의 안테나간 거리를 6.2 cm로 그리고 S-band에서의 안테나간 거리를 7 cm로 고정하고, 출력 전압이 0.6 V로 고정하여 수분 측정 실험을 하였다. 샘플홀더(sample holder)(40)의 크기는 4.5x12.4x15.2cm로 제작하였다.
도 14는 본 발명에서 일실실예로 구성한 함수율 측정용 마이크로파 송수신 장치의 실물도(X-band의 10.5 GHz)이다
3.5 마이크로스트립 패치 안테나
도 15는 구형 마이크로스트립 패치 안테나(Rectangular microstrip patch antenna)를 나타낸 도면이다.
도 15와 같은 마이크로스트립 패치 안테나는 얇은 접지 도체판 위에 두께가 h이고, 비유전율이 εr인 유전체가 있으며 그 위에 두께가 t이고 폭이 W인 도체 스트립을 프린트한 것이다.
마이크로스트립 안테나의 기본구조는 패치(방사소자), 유전체 기판, 접지판, 급전부분으로 이루어져 있으며, 제작의 용이성, 경량, 소형, 박막형이며 물체에 쉽게 장착할 수 있는 등의 장점을 가지고 있으나 낮은 효율과 좁은 대역폭을 가지는 단점을 가지고 있다.
방사하는 패치의 구조는 사각, 원, 삼각형등 여러 가지 형태로 구현될 수 있다. 일반적인 마이크로스트립 안테나는 단일 유전체 위에 방사소자가 있으며 방사소자의 급전을 위해 마이크로스트립 급전선로나 동축선로를 사용한다.
마이크로스트립 패치에 급전하는 가장 쉬운 방법은 패치의 모서리에 직접 마이크로스트립 급전선로를 연결시키는 방법이다. 그러나 이 방법은 정확한 입력 임피던스 정합을 만들기가 어려우며 방사소자와 급전선로가 동일한 유전체위에 구성되기 때문에 동시에 효율적인 방사와 손실없는 에너지 전달 조건을 만족시킬 수 없다. 급전선로에 의한 기생방사는 안테나의 방사특성을 저하시키며 높은 Q값은 안테나의 대역폭 특성을 나쁘게 만든다. 또한 높은 유전율을 갖는 기판에서 요구되는 큰 입력임피던스 변화는 깊은 삽입(insert)이 필요하며, 이것은 교차편파와 방사패턴 형태에 영향을 미친다.
동축선로(Coaxial probe)를 사용해 급전하는 방법은 동축선로의 내부 도체를 방사소자와 직접 연결하고 외부 도체를 접지면에 연결하여 급전하는 방법이다. 그리고 동축선로 급전은 공정이 어려운 반면 정확히 50Ω을 가능하게 하고 동축선로상의 방사손실을 줄일 수 있다. 이 방법은 급전 위치에 따라 입력 임피던스를 조절할 수 있지만 임피던스 정합회로와 같은 마이크로스트립 회로를 구성하기가 어렵다. 또한 h가 0.1λ이상일 때 패치의 공진을 막는 인덕턴스(inductance)를 만든다는 것이다. 또한, 프로브 방사는 교차편파(Cross-polarization)의 원인이 될 수도 있다.
3.5.1 안테나 설계 및 제작
안테나 설계에 앞서 가장 우선될 것은 기판의 선택이다. 회로를 작게 하고 필요 없는 기생방사 성분을 제거하기 위하여 본 발명에서는 기판의 높이가 0.8 mm이고 동판의 두께가 0.032 mm이며 유전율이 2.5인 테프론 기판을 사용하였다.
마이크로스트립 패치 안테나를 설계하기 위하여 Momentmethod을 이용한 안테나 해석 Simulator를 사용하였다.
도 16은 단일 마이크로스트립 패치 안테나의 구성도이다.
단일 마이크로스트립 패치 안테나는 50Ω 마이크로스트립 급전방식을 사용하였고 패치 안테나의 높은 입력 임피던스와의 매칭을 위해 λ/4 변환기를 이용하였다. 단일 패치의 크기는 8.42 x 14.6 mm 이다.
도 17은 안테나의 설계 결과로 (a)는 입력 반사 손실(Input return loss)을 나타내며 10.5 GHz에서 -23 dB를 얻었다. (b)는 극좌표계로 나타낸 이득(Gain)의 패턴으로 10.5 GHz에서 6.22 dBi를 얻었다.
도 18은 단일 마이크로스트립 패치 안테나(single microstrip patch antenna)의 입력반사 손실(Input return loss)과 이득(Gain)의 설계 결과를 나타낸 그래프이다. 도 18은 HP 8510C 회로망 분석기로 안테나의 입력 반사 손실을 측정한 결과로 반사손실은 10.5 GHz에서 -31 dB를 나타내었다.
도 19는 FR959 자동 안테나 측정시스템을 이용하여 H-plane 원거리 패턴을 측정한 결과이다. 10.5 GHz에서 6.1 dBi의 이득을 갖아 설계값인 6.22 dBi와 유사한 값을 얻었다.
4. 함수율 측정 실험
4.1 실험 방법
곡물의 전파 특성을 연구하기 위하여 먼저 공시재료로 벼를 선택하였으며 벼는 서울대학교 농업생명대학 부속농장에서 수확한 것을 선정하여 사용하였다. 실험에 사용된 벼의 함수율은 13~20 % 사이 3~4수준으로 제작하였다. 시료제작을 위하여 표준 건조 방법인 가열건조 방법을 사용하여 벼의 전기정온 건조기에 넣고 온도를 135 로 유지하고 24시간 가열하였다.
마이크로파 투과실험은 먼저 마이크로파 송수신 안테나 사이에 시료가 채워진 샘플홀더를 위치시킨 다음 수신 안테나에서 감쇄되는 신호를 검출하였다. 이 때 샘플홀더 내에 채워지는 시료가 동일한 함수율에서 산물밀도에 따라 마이크로파의 감쇠가 다르게 나타나므로 마이크로파 투과특성을 이용한 함수율 측정장치의 개발에서 이러한 함수율이 마이크로파 신호에 미치는 영향을 규명하기 위하여 산물밀도를 고정시키고 3~4수준의 각기 다른 함수율을 갖는 시료를 가지고 실험하였다. 두 개의 주파수에서 곡물의 함수율 측정은 정지 상태나 산물밀도의 영향을 감소하고, 정확도를 향상시킨다. 또한 유동상태의 함수율을 측정하기 위하여 두 개의 주파수를 이용하여 마이크로파 주파수에 따른 감쇄특성에 관한 연구는 동일한 수분이라도 두 개의 주파수에서 감쇄 정도가 차이가 나므로 이러한 특성을 적극적으로 활용하여 보다 정확하고, 시료의 상태에 영향을 덜 받는 함수율 측정방법을 제시할 수 있다.
함수율에 따른 두 개의 주파수에서의 감쇄에 의해 검파기(50)에서 출력되는 직류전압은 각기 함수율과의 관계를 얻을 수 있고, 온도에 대한 영향은 고정시킨다.
마이크로파 투과실험은 먼저 마이크로파 송수신 안테나(송수신 패치 어레이 안테나)(30a,30b) 사이에 시료가 채워진 샘플홀더(40)를 위치시킨 다음 수신안테나에서 감쇄되는 신호를 검출하였다. 샘플홀더(40) 내에 시료가 동일한 함수율에서 산물밀도에 따라 마이크로파의 감쇄가 다르게 나타나므로 마이크로파 투과특성을 이용한 함수율 측정장치의 개발에서 산물밀도가 마이크로파 신호에 미치는 영향을 규명하기 위하여 동일한 함수율에서 산물밀도의 범위를 변화시켜 가면서 실험하였다. 이러한 요인분석 결과를 토대로 하여 벼의 함수율 측정 모델을 개발하였다.
4.2 함수율 측정 모델
회귀분석(Regression analysis)이란 둘 또는 그 이상의 변수들 간의 관련을 분석하는 통계기법으로 하나 또는 여러 개의 변수들이 특정의 다른 변수에 미치는 영향의 정도를 파악하거나 또는 예측할 수 있는 방법이다.
분석 대상으로 삼은 변수 또는 예측하고자 하는 관심이 있는 변수를 종속변수(Dependent variable)라 하고, 종속 변수의 결과를 설명해 주는 변수를 독립변수(Independent variable)라고 한다. 독립변수와 종속변수 사이의 함수 관계를 밝히고, 이 함수 관계를 이용하여 독립변수들이 종속변수에 미치는 영향을 파악하거나 독립변수의 값에 대응되는 종속변수의 값을 예측하는 것이 회귀분석의 주요 내용이다.
함수관계에서 독립변수의 수가 하나인 경우를 단순회귀(Simple regression)라 하고, 두 개 이상인 경우를 다중회귀(Multiple regression)라고 한다. 특히 독립변수의 수가 하나이고 함수관계가 직선관계인 경우를 단순선형회귀(Simple linear regression analysis)라 하고, 독립변수의 수가 두 개 이상이면서 함수관계가 직선관계인 경우를 다중선형회귀(Multiple linear regression analysis)라고 한다.
본 발명에서는 선형 회귀분석 방법중에서 단순 선형 회귀분석 방법(Simple linear regression analysis)을 사용하였다.
수분밀도는 단위체적당 수분의 무게를 나타내며 실험에 사용된 샘플홀더의 체적이 일정하므로 단위체적당 수분의 절대량을 나타내게 된다. 따라서 주어진 샘플홀더(40)내에서 투입되는 곡물 시료의 양이 증가하게 되면 수분의 양이 증가하게 되며 따라서 유전상수가 증가하게 되어 투과하는 마이크로파 신호의 감쇄에 영향을 미치게 된다. 따라서 각 측정 밴드에서 시료의 종류에 따른 마이크로파 출력전압을 도면에 나타내었다.
그림에서 보는 바와 같이 수분밀도의 증가에 따라 출력전압은 다항 함수적으로 감소함을 알 수 있으며 이러한 결과는 이전의 연구결과와 거의 같음을 알 수 있다. 한편 각 측정 밴드에서 그 감소율은 서로 다름을 알 수 있는데 즉, X-band에서의 감소 S-band에서의 감쇄보다 크게 나타났는데 이러한 결과는 일반적으로 알려진 물분자의 회전에 따른 마이크로파 에너지의 흡수가 X-band에서 크게 나타나는 결과와 일치하는 것이다.
도 20은 곡물의 함수율과 출력전압과의 관계(Relationship between the output voltage and moisture content of grain)를 나타낸 도면이다.
본 연구는 마이크로파 2개 주파수를 이용하여 함수율시 발생하는 측정요인들의 변동을 보정하고 측정의 정확도를 향상시키는 데 있으므로 실험에 사용된 마이크로파 2개 주파수를 이용하여 함수율을 측정할 수 있는 모델을 개발하였다. 먼저 상기의 분석에서 마이크로파 출력전압과 수분밀도와의 관계는 다항 함수적인 관계가 타당할 것으로 사료되며 이러한 분석은 이미 여러 연구자들에 의해 규명된 바 있다. 따라서 함수율을 측정하기 위한 다음과 같은 예측모델을 가정한 후 통계분석 프로그램인 소프트웨어 SAS version 6.11을 이용하여 분석하였다.
여기서, X = X-밴드에서의 마이크로파 출력전압(mV)
S = S-밴드에서의 마이크로파 출력전압(mV)
a~c = 회귀계수
상기 모델을 비교 분석하기 위하여 기존의 발표되었던 마이크로파 출력전압과 수분밀도와의 3차 다항 관계식과 비교하였다. 각 측정 주파수대역에서 3차 다항 관계식을 기술하면 다음과 같다.
분석결과 다음 표 4.1에서 보는 바와 같이 각 측정 밴드에서 개별적인 수분밀도 예측 모델을 개발하는 것보다 본 연구에서 제안한 식(4-2)으로 표현되는 예측 모델의 상관계수가 증가하였으며 오차도 감소하는 것으로 나타났다. 그러나 표 1에서 분석된 결과를 살펴보면 기존의 X-밴드 주파수에서의 모델 정확도보다 다소 낮게 나타나는 것으로 분석되었는데 이러한 원인으로서 우선 실험에 사용된 시료의 함수율 범위가 상대적으로 좁을 뿐만 아니라 시료의 1999년도에 수확하였기 때문에 시료의 저장상태가 양호하지 못하여 각 함수율별 시료내의 수분 구배로 인한 함수율의 불균일 문제가 마이크로파 전파특성에 큰 영향을 주는 것으로 분석되었다.
표 2는 수분 밀도에 따른 보정모델의 통계결과(Statistical results of the calibration models for the moisture density)이다. 식 (4-2)를 통한 예측모델이 식(4-3)과 식(4-4)의 예측모델보다 상관계수가 증가하였으며 오차도 감소하였다.
표 2의 식(4-2)에 대한 회귀분석 결과와 수분밀도의 정의 식(4-1)를 이용하여 다음과 같은 함수율 예측 방정식을 개발하였다.
도 21은 개발된 함수율 예측방정식을 이용하여 함수율의 측정값과 예측값을 비교한 결과이다. 상관계수는 0.9276, 표준오차는 0.975%로 나타나 산물밀도를 보정하면서 비교적 정확도가 높은 함수율 측정이 가능하다. 측정된 데이타를 통계 분석 프로그램으로 회귀 분석하여 밀도에 민감하지 않은 새로운 보정 모델을 제시하였다. 보정 모델을 통한 함수율의 측정값과 예측값을 비교해 본 결과 일치하였다. 시료의 출력전압을 독립변수로 하여 함수율 측정 모델을 개발하여 산물밀도의 영향을 보정하면서 정확도가 높은 벼의 함수율이 측정 가능하였다. 따라서, 마이크로파 2개 주파수의 전파특성을 이용할 경우 단일 주파수의 마이크로파를 이용할 경우 보다 함수율 측정의 정확도를 다소 향상시킬 수 있으며 향후 넓은 범위의 시료 함수율과 시료내 함수율을 균일하게 유지할 수 있는 저장상태에서 함수율 측정 실험을 수행한다면 정확도는 더욱 향상될 것으로 기대된다.
결론적으로, 본 발명에서는 X-band의 10.5 GHz 와 S-band의 2.38 GHz 주파수를 이용하여 곡물(grain)의 함수량을 보다 간단히 측정하며 예측 가능한 함수율 측정 송수신 장치를 설계 및 제작하였다.
수분측정장치는 송신부와 수신부로 나뉘어진다. 먼저 송신부는 발진기, 아이솔레이터와 송신용 패치 안테나로 구성되고 수신부로는 수신용 패치 안테나, 검파기와 디지틀 전압 측정기로 구성이 되고 X-band와 S-band의 장치 구성은 동일하다.
발진기는 S-band의 2.38 GHz에서 출력전력이 19.67 dBm이고 고조파 특성은 -23 dBc이고 위상잡음 특성은 -97.83 dBc/Hz이고 X-band의 10.5 GHz에서 출력전력은 11 dBm이고 고조파 특성은 -24 dBc이고 위상잡음 특성은 -107.8 dBc/Hz이다. 아이솔레이터는 신호가 한쪽 방향으로 일정하게 흐르게 함으로 반사되는 신호에 대하여 발진기의 손상을 보호하였다.
안테나는 기존의 혼안테나의 크기와 부피를 감소시킨 패치 안테나를 사용하여 곡물의 함수율을 측정 가능하였다.
검파기는 다이오드의 비선형 특성을 이용하여 안테나를 통하여 입력된 RF 신호를 DC신호로 검파하는 회로로써 크게 다이오드와 정합회로로 구성된다.
송수신 장치를 이용하여 함수율의 범위가 각각 12 - 20%의 일품벼와 동진벼를 대상으로 하여 전파 투과특성을 실험하였다. 측정 데이터를 통하여 함수율과 산물밀도가 증가함에 따라 마이크로파 신호의 출력전압은 다항 함수적으로 감소하였으며 동일한 함수율내에서 출력전압이 감소하는 경향을 나타내었다. 산물밀도를 보정하기 위한 인자로 함수율과 산물밀도의 곱으로 표현되는 수분밀도를 이용할 경우 정확도가 높은 함수율 측정이 가능할 것으로 분석되었다. 곡물 시료의 출력전압을 독립변수로 하여 함수율 측정 모델을 개발하여 함수율의 예측값과 실측값을 비교한 결과 상관계수는 0.9276, 표준오차는 0.975%로 나타나 산물밀도를 보정하면서 정확도가 높은 벼의 함수율측정이 가능한 것으로 분석되었다. 따라서 본 연구에서 개발된 함수율 측정 모델을 사용하여 마이크로파를 이용한 함수율 측정장치를 구성 할 수 있을 것으로 기대된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진자가 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변형하여 실시할 수 있다.
10: 발진기(oscillator)
20: 아이솔레이터(isolator)
30a, 30b: 패치 어레이 안테나(patch array antenna)
40: 샘플 홀더(sample holder)
50: 검파기(detector)
54: 디지털 전압 측정기(voltmeter)
20: 아이솔레이터(isolator)
30a, 30b: 패치 어레이 안테나(patch array antenna)
40: 샘플 홀더(sample holder)
50: 검파기(detector)
54: 디지털 전압 측정기(voltmeter)
Claims (11)
- 두 가지 주파수를 사용하여 마이크로파 감쇄를 이용한 곡물의 함수율 측정을 위한 마이크로파 송수신 장치에 있어서,
S-band의 2.38 GHz와 X-band의 10.5 GHz 두 가지 주파수를 사용하여 발진, 오실레이션, 송신 패치 어레이 안테나를 통해 곡물이 채워진 샘플홀더를 투과하여 RF 신호를 전송하는 송신부;
마이크로파 송수신 패치 어레이 안테나 사이에 상기 곡물 시료가 채워지는 샘플 홀더;
수신 패치 어레이 안테나를 통하여 입력된 RF 신호를 DC 신호로 검파하고, 감쇄되는 신호를 검출하여 디지털 전압을 측정하는 수신부를 포함하고,
샘플 홀더내 동일한 곡물 시료가 동일한 함수율에서 산출밀도에 따라 마이크로파의 감쇄가 다르게 나타나므로 마이크로파 투과 특성을 이용한 함수율 측정장치에서 상기 수신부의 출력전압과 함수율의 관계로 유추하여 곡물(grain)의 함수율을 결정하여 수분을 측정하는 것을 특징으로 하는 두 개의 주파수에서 마이크로파 감쇄를 이용한 곡물의 함수율 측정을 위한 마이크로파 송수신 장치. - 제1항에 있어서,
상기 송신부는,
유전체 공진 발진기를 사용하여 10.5GHz의 출력을 발진시키는 직렬 궤환형 발진기;
상기 발진기의 신호가 한쪽 방향으로 일정하게 흐르게 하였고 반사되는 신호에 대하여 상기 발진기의 손상을 보호하는 아이솔레이터; 및
패치 안테나를 사용하는 송신 패치 어레이 안테나;
를 포함하는 두 개의 주파수에서 마이크로파 감쇄를 이용한 곡물의 함수율 측정을 위한 마이크로파 송수신 장치. - 제2항에 있어서,
상기 발진기는
S-band의 2.38 GHz에서 출력전력이 19.67 dBm이고 고조파 특성은 -23 dBc이고 위상잡음 특성은 -97.83 dBc/Hz이고, X-band의 10.5 GHz에서 출력전력은 11 dBm이고 고조파 특성은 -24 dBc이고, 위상잡음 특성은 -107.8 dBc/Hz인 것을 특징으로 하는 두 개의 주파수에서 마이크로파 감쇄를 이용한 곡물의 함수율 측정을 위한 마이크로파 송수신 장치. - 제2항에 있어서,
상기 아이솔레이터는 아이솔레이션이 20dB이고 최대 VSWR이 1.25인 아이솔레이터 모듈을 사용하였고, 송신 안테나는 10~11 dB 이득을 갖는 패치 어레이 안테나를 사용한 것을 특징으로 하는 곡물의 함수율 측정을 위한 마이크로파 송수신 장치. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 수신부는
수신용 패치 어레이 안테나;
다이오드의 비선형 특성을 이용하여 안테나를 통하여 입력된 RF 신호를 DC신호로 검파하는 회로로써 크게 다이오드와 정합회로로 구성되며, RF신호를 검파하기 위해 쇼트키 다이오드(Schottky diode)를 이용하여 제작된 검파기(detector); 및
상기 샘플 홀더내 동일한 곡물 시료가 동일한 함수율에서 산출밀도에 따라 마이크로파의 감쇄가 다르므로 상기 검파기의 출력전압을 측정하는 디지털 전압 측정기;를 포함하고,
상기 마이크로파 송수신 장치를 이용하여 함수율의 범위가 각각 12 - 20%의 일품벼와 동진벼를 대상으로 하여 전파 투과특성을 실험하여 측정 데이터를 통하여 함수율과 산물밀도가 증가함에 따라 마이크로파 신호의 출력전압은 다항 함수적으로 감소하였으며 동일한 함수율내에서 출력전압이 감소된 것을 특징으로 하는 두 개의 주파수에서 마이크로파 감쇄를 이용한 곡물의 함수율 측정을 위한 마이크로파 송수신 장치. - 제6항에 있어서,
상기 검파기(detector)는 크게 길이 ℓ1 과 ℓ2를 갖는 입력부의 정합회로와 캐패시터와 저항으로 구성된 출력부의 정류회로로 나뉘며, 이 때 입력부의 인덕턴스 성분을 갖는 길이 ℓ2는 RF신호에 대해 개방되어 다이오드 입력 방향으로 신호가 흐르게 하였고 반사계수를 줄이기 위해 길이 l 1 과 함께 튜닝하여 임피던스 정합을 하였고, 또한, Bypass 캐패시터는 RF신호에 대해서는 단락시켜 저항에 걸리는 DC전압을 측정하도록 한 것을 특징으로 하는 곡물의 함수율 측정을 위한 마이크로파 송수신 장치. - 제1항에 있어서,
상기 마이크로파 송수신 장치(마이크로파 수분 측정 장치)는
S-band의 2.38 GHz와 X-band의 10.5 GHz 두 가지 주파수대를 이용한 수분 측정장치 시스템을 설계 및 제작하여 곡물의 수분 함유량을 측정하였으며, S-band의 2.38 GHz와 X-band의 10.5 GHz에서 수분 함유량을 측정하였고, 두 주파수대에서 시스템의 구성은 동일하고 차이점은 S-band의 2.38 GHz에서는 VCO에 증폭소자를 사용하며, X-band의 10.5 GHz에서는 유전체 공진 발진기를 사용하여 측정하였고, S-band의 2.38 GHz에서는 안테나를 단일로 제작한 반면에 X-band의 10.5 GHz에선 패치 어레이 안테나를 제작하여 측정한 것을 특징으로 하는 두 개의 주파수에서 마이크로파 감쇄를 이용한 곡물의 함수율 측정을 위한 마이크로파 송수신 장치. - 제1항에 있어서,
상기 송수신 안테나는
기판의 높이가 0.8 mm이고 동판의 두께가 0.032 mm이며 유전율이 2.5인 테프론 기판을 사용하였고, 마이크로스트립 패치 안테나를 설계하기 위하여 Moment method을 이용한 안테나 해석 Simulator를 사용하였으며, 단일 마이크로스트립 패치 안테나는 50Ω 마이크로스트립 급전방식을 사용하였고 패치 안테나의 입력 임피던스와의 매칭을 위해 λ/4 변환기를 사용하였으며, 단일 패치의 크기는 8.42 x 14.6 mm 인 것을 특징으로 하는 곡물의 함수율 측정을 위한 마이크로파 송수신 장치. - 제1항 또는 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 함수율 측정은
마이크로파 투과실험은 먼저 마이크로파 송수신 안테나(송수신 패치 어레이 안테나) 사이에 시료가 채워진 샘플홀더를 위치시킨 다음 수신 안테나에서 감쇄되는 신호를 검출하였으며, 상기 샘플홀더 내에 채워지는 시료가 동일한 함수율에서 산물밀도에 따라 마이크로파의 감쇠가 다르게 나타나므로 마이크로파 투과특성을 이용한 함수율 측정장치의 개발에서 이러한 함수율이 마이크로파 신호에 미치는 영향을 규명하기 위하여 산물밀도를 고정시키고 3~4수준의 각기 다른 함수율을 갖는 시료를 가지고 실험하였으며, 두 개의 주파수에서 곡물의 함수율 측정은 정지 상태나 산물밀도의 영향을 감소하고, 정확도를 향상시키며, 함수율에 따른 두 개의 주파수에서의 감쇄에 의해 상기 검파기에서 출력되는 직류전압은 각기 함수율과의 관계를 얻을 수가 있고 온도에 대한 영향은 고정시키는 것을 특징으로 하는 두 개의 주파수에서 마이크로파 감쇄를 이용한 곡물의 함수율 측정을 위한 마이크로파 송수신 장치. - 제1항에 있어서,
상기 함수율 측정시 수분밀도는 단위체적당 수분의 무게를 나타내며 실험에 사용된 샘플홀더의 체적이 일정하므로 단위체적당 수분의 절대량을 나타내게 되며,상기 샘플홀더내에서 투입되는 곡물 시료의 양이 증가하게 되면 수분의 양이 증가하게 되며 따라서 유전상수가 증가하게 되어 투과하는 마이크로파 신호의 감쇄에 영향을 미치게 되므로, 각 측정 밴드에서 곡물 시료의 종류에 따른 마이크로파 출력전압을 검출하여 수분밀도의 증가에 따라 출력전압은 다항 함수적으로 감소하며, 각 측정 밴드에서 그 감소율이 서로 다르고, 즉, X-band에서의 감소 S-band에서의 감쇄보다 크게 나타났는데 이러한 결과는 일반적으로 알려진 물분자의 회전에 따른 마이크로파 에너지의 흡수가 X-band에서 크게 나타나는 결과와 일치하였으며, 곡물의 함수율과 출력전압과의 관계(Relationship between the output voltage and moisture content of grain)를 사용하여 함수율을 측정하기 위한 예측모델을 가정한 후 통계분석 프로그램인 소프트웨어(SAS version 6.11)를 이용하여 분석한 것을 특징으로 하는 두 개의 주파수에서 마이크로파 감쇄를 이용한 곡물의 함수율 측정을 위한 마이크로파 송수신 장치.
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