KR102001423B1 - 개방 단말 동축선 프로브를 이용한 광대역 복소 유전율 측정 장치 및 그 방법 - Google Patents

개방 단말 동축선 프로브를 이용한 광대역 복소 유전율 측정 장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

실시예에 의한 개방 단말 동축선 프로브를 이용한 광대역 복소 유전율 측정 장치 및 방법이 개시된다. 상기 광대역 복소 유전율 측정 장치는 피측정 물질과 개방 교정 물질, 정합 교정 물질 각각에서 반사되는 전자기파를 감지하는 프로브; 상기 프로브와 동축선 케이블로 연결되고, 상기 프로부로부터 감지된 전자기파를 수신하여 상기 수신된 전자기파를 기초로 상기 피측정 물질의 제1 반사 계수, 상기 개방 교정 물질의 제2 반사 계수, 상기 정합 교정 물질의 제3 반사 계수를 측정하는 분석기; 및 측정된 상기 제 2 반사 계수를 기초로 단락 교정 물질의 제4 반사 계수를 추정하고, 추정된 상기 제4 반사 계수와 측정된 상기 제1 반사 계수, 상기 제2 반사 계수, 상기 제3 반사 계수를 기초로 상기 피측정 물질의 복소 유전율을 산출하는 단말기를 포함한다.

Description

개방 단말 동축선 프로브를 이용한 광대역 복소 유전율 측정 장치 및 그 방법{APPARATUS FOR MEASURING BROADBAND COMPLEX PERMITTIVITY USING OPEN-ENDED COAXIAL PROBE AND METHOD THEREOF}
실시예는 복소 유전율 측정 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 교정 절차를 줄이면서 정확한 복소 유전율 측정이 가능한 개방 단말 동축선 프로브를 이용한 광대역 복소 유전율 측정 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
통신 또는 초고주파(RF) 산업에서 새로운 매질 적용을 위해 매질의 전기적 특성 검출 방법에 대한 관심이 증가하고 있다. 특히 전자기파의 주파수 및 매질의 내부 손실 여부를 나타내는 복소 유전율의 측정이 중요해지고 있다. 최근에는 의용공학 분야에서 무선 통신 기능을 가진 신체 이식형 기기가 활발히 연구되고 있다. 신체 이식형 기기는 자유공간과는 달리 높은 유전율 및 손실 성분을 가지고 있는 신체 조직을 통해 무선 통신이 이루어지기 때문에 신체와 동일한 환경에서 성능 검증 실험을 진행해야 한다. 따라서 실제 신체 조직 및 신체 모사 팬텀 물질의 복소 유전율 검증에 대한 연구가 요구되고 있다.
이러한 복소 유전율은 대표적으로 공동공진기기법(cavity resonator method), 전송선로법(transmission line method), 동축선 프로브법(coaxial-line probe method)을 이용하여 도출이 가능하다. 그 중, 동축선 프로브법을 이용한 복소 유전율 도출은 다른 방법들에 비해 장비 구성이 간단하고 광대역 측정 및 피 측정 물질을 비 파괴적으로 측정이 가능하다는 장점이 있다. 하지만, 복소 유전율 도출을 위해 최소 3개의 교정 물질 측정이 이루어져야 한다. 따라서 매질의 복소 유전율 측정에서 측정 단계를 줄이면서도 정확도를 유지하거나 향상시킬 수 있는 방안이 필요하다.
등록특허공보 제10-1144241호 등록특허공보 제10-0601619호
실시예는, 교정 절차를 줄이면서 정확한 복소 유전율 측정이 가능한 개방 단말 동축선 프로브를 이용한 광대역 복소 유전율 측정 장치 및 방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 복소 유전율 측정 장치는 피측정 물질과 개방 교정 물질, 정합 교정 물질 각각에서 반사되는 전자기파를 감지하는 프로브; 상기 프로브와 동축선 케이블로 연결되고, 상기 프로부로부터 감지된 전자기파를 수신하여 상기 수신된 전자기파를 기초로 상기 피측정 물질의 제1 반사 계수, 상기 개방 교정 물질의 제2 반사 계수, 상기 정합 교정 물질의 제3 반사 계수를 측정하는 분석기; 및 측정된 상기 제 2 반사 계수를 기초로 단락 교정 물질의 제4 반사 계수를 추정하고, 추정된 상기 제4 반사 계수와 측정된 상기 제1 반사 계수, 상기 제2 반사 계수, 상기 제3 반사 계수를 기초로 상기 피측정 물질의 복소 유전율을 산출하는 단말기를 포함할 수 있다.
상기 단말기는 측정된 상기 개방 교정 물질의 상기 제 2 반사 계수에 (-) 극성을 적용하여 상기 단락 교정 물질의 상기 제4 반사 계수를 추정할 수 있다.
상기 단말기는 상기 개방 교정 물질의 복소 유전율과 정합 교정 물질의 복소 유전율을 산출하고, 산출된 개방 교정 물질의 복소 유전율, 정합 교정 물질의 복소 유전율과, 측정된 피측정 물질의 제1 반사 계수, 개방 교정 물질의 제2 반사 계수, 정합 교정 물질의 제3 반사 계수, 및 추정된 단락 교정 물질의 제4 반사 계수를 기초로 측정 대상인 피측정 물질의 복소 유전율을 산출할 수 있다.
상기 피측정 물질의 복소 유전율은 수학식
Figure 112018102862473-pat00001
에 의해 구하고, m은 피측정 물질, 1은 단락 교정 물질, 2는 개방 교정 물질, 3은 정합 교정물질을 나타내고, Δij는 i의 반사 계수 ρi - j의 반사 계수 ρj이고, 상기 ε2 *는 개방 교정 물질의 복소 유전율이고, 상기 ε3 *는 정합 교정 물질의 복소 유전율이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 광대역 복소 유전율 측정 방법은 피측정 물질과 개방 교정 물질, 정합 교정 물질 각각에서 반사되는 전자기파를 감지하는 단계; 상기 감지된 전자기파를 기초로 상기 피측정 물질의 제1 반사 계수, 상기 개방 교정 물질의 제2 반사 계수, 상기 정합 교정 물질의 제3 반사 계수를 측정하는 단계; 상기 측정된 개방 교정 물질의 제 2 반사 계수를 기초로 단락 교정 물질의 제4 반사 계수를 추정는 단계; 및 추정된 상기 제4 반사 계수와 측정된 상기 제1 반사 계수, 상기 제2 반사 계수, 상기 제3 반사 계수를 기초로 상기 피측정 물질의 복소 유전율을 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
실시예에 따르면, 피측정 물질, 개방 교정 물질, 정합 교정 물질 각각의 반사 계수를 측정하고, 측정된 개방 교정 물질의 반사 계수를 이용하여 단락 교정 물질의 반사 계수를 추정한 후, 추정된 단락 교정 물질의 반사 계수와 측정된 피측정 물질, 개방 교정 물질, 정합 교정 물질 각각의 반사 계수를 기초로 피측정 물질의 복소 유전율을 산출하도록 함으로써, 기존의 측정 방식 대비 교정 절차를 줄이면서 정확한 복소 유전율 측정이 가능할 수 있다.
실시예에 따르면, 광대역 측정이 가능하여 효율적인 복소 유전율 측정이 용이할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 복소 유전율 측정 장치를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 프로브의 단면도 및 등가회로를 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 단말기의 상세 구성을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 측정된 반사 계수를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 구현된 복소 유전율 측정 장치의 측정 모습을 보여주는 도면이다.
도 6은 메타올 액체의 복소 유전율 측정 결과를 비교 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 반 고체 물질의 복소 유전율 측정 결과를 비교 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 복소 유전율 측정 방법을 나타내는 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제2, 제1 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
실시예에서는, 피측정 물질, 개방 교정 물질, 정합 교정 물질 각각의 반사 계수를 측정하고, 측정된 개방 교정 물질의 반사 계수를 이용하여 단락 교정 물질의 반사 계수를 추정한 후, 추정된 단락 교정 물질의 반사 계수와 측정된 피측정 물질, 개방 교정 물질, 정합 교정 물질 각각의 반사 계수를 기초로 피측정 물질의 복소 유전율을 산출하도록 한 새로운 방안을 제안한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 복소 유전율 측정 장치를 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 복소 유전율 측정 장치는 지지대(100), 프로브(200), 분석기(300), 단말기(400)을 포함하여 구성될 수 있다.
지지대(100)는 피측정 물질(10)이 놓여질 수 있는데, 예컨대, 서포트 잭(support jack)이 사용될 수 있다. 지지대(100)는 프로브(200)와 피측정 물질(1)의 완전한 접촉을 위해 아래에서 위로 압력을 가할 수 있다.
프로브(200)는 매질의 전자기파를 감지할 수 있는데, 개방단말 동축선 프로브(open-ended coaxial probe)일 수 있다. 프로브(200)는 그 끝단의 종단면이 매질에 접촉되고, 매질에 전자기파를 입사시켜 매질로부터 반사된 전자기파를 감지할 수 있다. 여기서 매질은 피측정 물질과 교정 물질을 포괄하는 개념일 수 있다.
분석기(300)는 프로브(300)와 동축 케이블로 연결되고, 매질의 반사계수 S11(실수부, 허수부)를 측정할 수 있는데, 회로망 분석기일 수 있다. 즉, 분석기(300)는 특정 주파수대의 전자기파를 생성하여 생성된 전자기파를 프로브(200)에 제공하고 프로브와 접촉된 매질로부터 반사된 전자기파를 제공 받는다. 분석기(300)는 이렇게 반사된 전자기파로부터 매질의 반사 계수를 측정할 수 있다.
분석기(300)는 측정하고자 하는 피측정 물질의 반사 계수와 함께 2개의 교정 물질 즉, 개방 교정 물질과 정합 교정 물질 각각의 반사 계수를 측정할 수 있다. 이때, 교정 물질은 단락회로를 형성하는 단락 교정물질, 개방회로를 형성하는 개방 교정물질, 정합회로를 형성하는 정합 교정물질을 포함한다. 예컨대, 개방 교정 물질로는 공기, 정합 교정물질로는 증류수, 에탄올, 메탄올 등의 극성 액체가 사용될 수 있다.
단말기(400)는 분석기(300)와 연동하여, 분석기(300)로부터 측정된 매질의 반사 계수를 제공 받을 수 있다. 즉, 단말기(400)는 분석기(300)에 의해 측정된 피측정 물질, 개방 교정 물질, 정합 교정 물질 각각의 반사 계수를 제공 받을 수 있다.
단말기(400)는 제공 받은 피측정 물질, 개방 교정 물질, 정합 교정 물질 각각의 반사 계수를 기초로 측정 대상인 피측정 물질의 복소 유전율을 산출할 수 있다. 이때, 피측정 물질의 복소 유전율을 산출하기 위해서는 피측정 물질의 반사 계수와 함께 3개의 교정 물질의 반사 계수가 필요하다. 본 발명에서는 개방 교정 물질과 정합 교정 물질의 반사 계수만을 측정하기 때문에 단락 교정 물질의 반사 계수가 요구되는데, 이 단락 교정물질의 반사 계수를 개방 교정 물질의 반사 계수를 이용하여 추정하여 피측정 물질의 복소 유전율 산출에 이용하고자 한다.
이론상 개방 회로의 반사 계수와 단락 회로의 반사 계수는 절대값이 같지만 반대되는 극성을 가져야 한다. 따라서, 본 발명에서 단말기(400)는 측정된 개방 교정 물질의 반사 계수에 (-) 극성을 적용하여 단락 교정 물질의 반사 계수로 사용한다.
이러한 이유는 기존의 구리 테이프와 같은 금속 물질을 이용한 단락 회로 반사계수 측정은 측정할 때마다 접촉 불량으로 인해 측정 불확실성이 증가하는데, 이러한 측정 불확실성은 정밀 복소 유전율 도출 및 광대역 측정을 방해하는 요인이 되기 때문이다.
즉, 단말기(400)는 분석기(300)로부터 피측정 물질, 개방 교정 물질, 정합 교정 물질 각각의 반사 계수를 제공 받으면, 개방 교정 물질의 반사 계수를 이용하여 단락 교정 물질의 반사 계수를 추정한 후 추정된 단락 교정 물질의 반사 계수와 함께 피측정 물질의 반사 계수, 개방 교정 물질의 반사 계수, 정합 교정 물질의 반사 계수를 기초로 측정 대상인 피측정 물질의 복소 유전율을 산출할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 프로브의 단면도 및 등가회로를 보여주는 도면이다.
도 2의 (a)를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 프로브(200)는 내부 도체(210), 테플론(220), 외부 도체(230), 접지 플래지(240)를 포함하도록 구성될 수 있다.
내부 도체(210)는 중심부에 위치하고, 테플론(220)은 내부 도체(210)의 외주면을 둘러싸도록 형성되고, 외부 도체(230)는 테플론(220)의 외주면을 둘러싸도록 형성된다. 그리고 접지 플랜지(240)는 외부 도체(230)의 끝단부를 둘러싸도록 형성된다.
이렇게 구성된 프로브(200)의 일단은 분석기에 연결되고 타단의 종단면은 매질과 접촉한다.
도 2의 (b)를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 프로브(200)는 그림과 같은 등가회로로 해석될 수 있는데, 내부 커패시턴스 Cf, 피측정물질과의 경계면에서의 커패시턴스 C0, 방사 커패시턴스 G0를 포함하는 병렬 등가회로를 구성할 수 있다.
이러한 병렬 등가회로는 다음의 [수학식 1]과 같이 어드미턴스로 표현 가능하다.
[수학식 1]
Figure 112018102862473-pat00002
여기서, ym'은 피측정 물질의 어드미턴스, ε*는 피측정 물질의 복소 유전율, Cf는 내부 커패시턴스, C0는 경계면에서의 커패시턴스, G0는 방사 커패시턴스이다.
어드미턴스와 피측정 물질, 교정 물질의 반사 계수의 관계식은 다음의 [수학식 2]와 같이 표현된다.
[수학식 2]
Figure 112018102862473-pat00003
여기서, m은 피측정 물질, 1은 단락 교정 물질, 2는 개방 교정 물질, 3은 정합 교정물질을 나타낸다. 즉, ym'은 피측정 물질의 어드미턴스, y1'은 단락 교정 물질의 어드미턴스, y2'은 개방 교정 물질의 어드미턴스, y3'은 정합 교정 물질의 어드미턴스이다. 또한, ρi는 i의 반사 계수이고, ρj는 j의 반사 계수이다.
상기 [수학식 2]에서, 내부 커패시턴스Cf, 방사 커패시턴스 G0는 경계면에서의 커패시턴스 C0보다 훨씬 작기 때문에, Cf/ C0, G0/jwC0는 0으로 간주될 수 있다. 이를 적용하면, 상기 [수학식 2]는 다음의 [수학식 3]과 같이 표현된다.
[수학식 3]
Figure 112018102862473-pat00004
상기 [수학식 3]에서, 단락 교정 물질의 어드미턴스 y1 '은 무한대와 같기 때문에 각 분자, 분모에 단락 교정 물질의 어드미턴스 y1 '를 나누면 다음의 [수학식 4]와 같이 표현된다.
[수학식 4]
Figure 112018102862473-pat00005
여기서, ε2 *는 개방 교정 물질의 복소 유전율이고, ε3 *는 정합 교정 물질의 복소 유전율이다. 이때, 개방 교정 물질은 개방단말 동축선 프로브의 끝단에 어느 물질도 부착되지 않은 상태에서의 교정 물질로 공기이기 때문에 ε2 * = 1 + j0이 된다.
이때, 정합 교정 물질의 복소 유전율은 다음의 [수학식 5]의 디바이(debye) 모델로 표현된다.
[수학식 5]
Figure 112018102862473-pat00006
여기서, ε3*는 정합 교정 물질의 복소 유전율, ε∞i는 정합 교정 물질 유전율의 i번째 임계 값, εi는 특정 주파수에서의 정합 교정 물질의 유전율(i), ψ는 각 주파수, υi는 유전율의 주파수 종속적 표현을 위한 완화 시간(relaxation time), αi,βi는 지수적 감쇠 표현을 위한 파라미터이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 단말기의 상세 구성을 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 단말기(400)는 수집부(410), 추정부(420), 산출부(430), 표시부(440), 저장부(450)를 포함하여 구성될 수 있다.
수집부(410)는 분석기와 연동하여, 분석기에 의해 측정된 피측정 물질의 제1 반사 계수, 개방 교정 물질의 제2 반사 계수, 정합 교정 물질의 제3 반사 계수를 제공 받아 수집할 수 있다.
추정부(420)는 측정된 개방 교정 물질의 제2 반사 계수를 이용하여 단락 교정 물질의 제4 반사 계수를 추정할 수 있다. 즉, 추정부(420)는 개방 교정 물질의 제2 반사 계수에 (-) 극성을 적용하여 단락 교정 물질의 제4 반사 계수를 추정할 수 있다.
산출부(430)는 추정된 단락 교정 물질의 제4 반사 계수와 함께 측정된 피측정 물질의 제1 반사 계수, 개방 교정 물질의 제2 반사 계수, 정합 교정 물질의 제3 반사 계수를 기초로 측정 대상인 피측정 물질의 복소 유전율을 산출할 수 있다.
이때, 산출부(430)는 먼저 개방 교정 물질의 복소 유전율을 알고 있기 때문에, 상기 [수학식 5]을 이용하여 정합 교정 물질의 복소 유전율만을 산출한다.
이후, 산출부(430)는 산출된 개방 교정 물질의 복소 유전율과 정합 교정 물질의 복소 유전율 및 추정된 단락 교정 물질의 제4 반사 계수와 함께 측정된 피측정 물질의 제1 반사 계수, 개방 교정 물질의 제2 반사 계수, 정합 교정 물질의 제3 반사 계수를 기초로 상기 [수학식 4]를 이용하여 피측정 물질의 복소 유전율을 산출한다.
표시부(440)는 산출된 피측정 물질의 복소 유전율을 화면 상에 표시할 수 있다.
저장부(450)는 산출된 피측정 물질의 복소 유전율과 이를 산출하는데 필요한 모든 정보를 저장할 수 있다. 즉, 저장부(450)는, 측정된 피측정 물질의 제1 반사 계수, 개방 교정 물질의 제2 반사 계수, 정합 교정 물질의 제3 반사 계수와, 추정된 단락 교정 물질의 제4 반사 계수와, 개방 교정 물질의 복소 유전율, 정합 교정 물질의 복소 유전율와, 산출된 피측정 물질의 복소 유전율을 저장할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 측정된 반사 계수를 설명하기 위한 도면이다.
도 4의 (a)를 참조하면, 단락 회로의 반사 계수 S11(실수부)와 개방 회로의 반사 계수 S11(실수부)를 측정한 결과를 보여주고 있다. 이론 상으로 두 반사 계수의 절대값을 같고 반대되는 극성을 가져야 하지만, 파란색 점선과 같이 개방 회로의 반사 계수가 왜곡이 포함되어 있음을 알 수 있다. 이러한 현상은 이후 복소 유전율 산출에서 큰 영향을 미치기 때문에, 본 발명에서는 빨간색 점섬과 같이 점정색 실선의 개방 회로의 반사 게수에 (-) 극성을 적용하여 단락 회로의 반사 계수로 사용한다.
도 4의 (b)를 참조하면, 단락 회로의 반사 계수 S11(허수부)와 개방 회로의 반사 계수 S11(허수부)를 측정한 결과를 보여주고 있다. 이론 상으로 두 반사 계수의 절대값을 같고 반대되는 극성을 가져야 하지만, 파란색 점선과 같이 개방 회로의 반사 계수가 왜곡이 포함되어 있음을 알 수 있다. 이러한 현상은 이후 복소 유전율 산출에서 큰 영향을 미치기 때문에, 본 발명에서는 빨간색 점섬과 같이 점정색 실선의 개방 회로의 반사 게수에 (-) 극성을 적용하여 단락 회로의 반사 계수로 사용한다.
실시예에 따른 복소 유전율 측정 방식과 기존의 방식 간의 측정 결과를 비교하였다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 구현된 복소 유전율 측정 장치의 측정 모습을 보여주는 도면이고, 도 6은 메타올 액체의 복소 유전율 측정 결과를 비교 설명하기 위한 도면이고, 도 7은 반 고체 물질의 복소 유전율 측정 결과를 비교 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따라 실제 구현된 복소 유전율 측정 장치를 이용하여 피측정 물질의 복소 유전율을 측정하는 모습을 보여주고 있다.
도 6을 참조하면, 메타올 액체(99.5%)의 복소 유전율을 측정한 결과로, (a)에서는 실수부, (b)에서는 허수부를 보여주고 있다. 검은색 점선은 기존의 방식으로 직접적인 단락 회로를 이용한 측정 결과이고, 빨간색 점선은 제안한 방식으로 개방 회로 반사 계수의 반대 극성을 이용한 측정 결과이다.
기존의 방식은 참조 정보(Reference)와 정밀 측정 시스템(Agilent 85070E)의 측정 결과와 차이가 크고, 왜곡이 발생하여 3GHz 이상의 측정이 불가능함을 알 수 있다.
제안한 방식은 참조 정보와 정밀 측정 시스템의 측정 결과와 동일함을 알 수 있다.
실시예에 따른 복소 유전율 측정 기술은 액체 물질에 국한되지 않음을 비교하였다.
도 7을 참조하면, 특정 복소 유전율을 갖도록 제작된 반 고체 형태의 물질을 측정한 결과로, (a)에서는 실수부, (b)에서는 허수부를 보여주고 있다. 검은색 점선은 참조 정보이고, 파란색 점선은 정밀 측정 시스템의 측정 결과이고, 빨간색 점선은 제안한 방식으로 개방 회로 반사 계수의 반대 극성을 이용한 측정 결과이다.
제안한 방식은 참조 정보와 정밀 측정 시스템의 측정 결과와 동일하게 반 고체 형태의 물질 또한 안정적이면서 넓은 주파수 대역에서 측정이 가능함을 알 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 복소 유전율 측정 방법을 나타내는 도면이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 복소 유전율 측정 장치(이하 측정 장치라고 한다)는 피측정 물질의 제1 반사 계수, 개방 교정 물질의 제2 반사 계수, 정합 교정 물질의 제3 반사 계수를 측정할 수 있다(S810).
다음으로, 측정 장치는 측정된 개방 교정 물질의 제2 반사 계수를 이용하여 단락 교정 물질의 제4 반사 계수를 추정할 수 있다(S820). 즉, 측정 장치는 측정된 개방 교정 물질의 제 2 반사 계수에 (-) 극성을 적용하여 단락 교정 물질의 제4 반사 계수를 추정한다.
다음으로, 측정 장치는 개방 교정 물질과 정합 교정 물질의 복소 유전율을 산출할 수 있다(S830). 이때, 개방 교정 물질의 복소 유전율을 이미 알려진 값이고, 정합 교정 물질 특히, 증류수의 복소 유전율을 제안된 디바이 모델을 이용하여 산출한다.
다음으로, 측정 장치는 산출된 개방 교정 물질의 복소 유전율, 정합 교정 물질의 복소 유전율과, 측정된 피측정 물질의 제1 반사 계수, 개방 교정 물질의 제2 반사 계수, 정합 교정 물질의 제3 반사 계수, 및 추정된 단락 교정 물질의 제4 반사 계수를 기초로 측정 대상인 피측정 물질의 복소 유전율을 산출할 수 있다(S840).
본 실시예에서 사용되는 '~부'라는 용어는 소프트웨어 또는 FPGA(field-programmable gate array) 또는 ASIC과 같은 하드웨어 구성요소를 의미하며, '~부'는 어떤 역할들을 수행한다. 그렇지만 '~부'는 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. '~부'는 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다. 따라서, 일 예로서 '~부'는 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들, 및 변수들을 포함한다. 구성요소들과 '~부'들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 '~부'들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 '~부'들로 더 분리될 수 있다. 뿐만 아니라, 구성요소들 및 '~부'들은 디바이스 또는 보안 멀티미디어카드 내의 하나 또는 그 이상의 CPU들을 재생시키도록 구현될 수도 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 지지대
200: 프로브
300: 분석기
400: 단말기

Claims (5)

  1. 피측정 물질과 개방 교정 물질, 정합 교정 물질 각각에서 반사되는 전자기파를 감지하는 프로브;
    상기 프로브와 동축선 케이블로 연결되고, 상기 프로브로부터 감지된 전자기파를 수신하여 상기 수신된 전자기파를 기초로 상기 피측정 물질의 제1 반사 계수, 상기 개방 교정 물질의 제2 반사 계수, 상기 정합 교정 물질의 제3 반사 계수를 측정하는 분석기; 및
    측정된 상기 제 2 반사 계수를 기초로 단락 교정 물질의 제4 반사 계수를 추정하고, 추정된 상기 제4 반사 계수와 측정된 상기 제1 반사 계수, 상기 제2 반사 계수, 상기 제3 반사 계수를 기초로 상기 피측정 물질의 복소 유전율을 산출하는 단말기;
    를 포함하고,
    상기 피측정 물질의 복소 유전율은
    수학식
    Figure 112019502729908-pat00016
    에 의해 구하고, m은 피측정 물질, 1은 단락 교정 물질, 2는 개방 교정 물질, 3은 정합 교정물질을 나타내고, Δij는 i의 반사 계수 ρi - j의 반사 계수 ρj이고, 상기 ε2 *는 개방 교정 물질의 복소 유전율이고, 상기 ε3 *는 정합 교정 물질의 복소 유전율인, 광대역 복소 유전율 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 단말기는,
    측정된 상기 개방 교정 물질의 상기 제 2 반사 계수에 (-) 극성을 적용하여 상기 단락 교정 물질의 상기 제4 반사 계수를 추정하는, 광대역 복소 유전율 측정 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 단말기는,
    상기 개방 교정 물질의 복소 유전율과 정합 교정 물질의 복소 유전율을 산출하고,
    산출된 개방 교정 물질의 복소 유전율, 정합 교정 물질의 복소 유전율과, 측정된 피측정 물질의 제1 반사 계수, 개방 교정 물질의 제2 반사 계수, 정합 교정 물질의 제3 반사 계수, 및 추정된 단락 교정 물질의 제4 반사 계수를 기초로 측정 대상인 피측정 물질의 복소 유전율을 산출하는, 광대역 복소 유전율 측정 장치.
  4. 삭제
  5. 피측정 물질과 개방 교정 물질, 정합 교정 물질 각각에서 반사되는 전자기파를 감지하는 단계;
    상기 감지된 전자기파를 기초로 상기 피측정 물질의 제1 반사 계수, 상기 개방 교정 물질의 제2 반사 계수, 상기 정합 교정 물질의 제3 반사 계수를 측정하는 단계;
    상기 측정된 개방 교정 물질의 제 2 반사 계수를 기초로 단락 교정 물질의 제4 반사 계수를 추정는 단계; 및
    추정된 상기 제4 반사 계수와 측정된 상기 제1 반사 계수, 상기 제2 반사 계수, 상기 제3 반사 계수를 기초로 상기 피측정 물질의 복소 유전율을 산출하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 피측정 물질의 복소 유전율은
    수학식
    Figure 112019064388632-pat00017
    에 의해 구하고, m은 피측정 물질, 1은 단락 교정 물질, 2는 개방 교정 물질, 3은 정합 교정물질을 나타내고, Δij는 i의 반사 계수 ρi - j의 반사 계수 ρj이고, 상기 ε2 *는 개방 교정 물질의 복소 유전율이고, 상기 ε3 *는 정합 교정 물질의 복소 유전율인, 광대역 복소 유전율 측정 방법.
KR1020180124482A 2018-10-18 2018-10-18 개방 단말 동축선 프로브를 이용한 광대역 복소 유전율 측정 장치 및 그 방법 KR102001423B1 (ko)

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