KR102226213B1 - 미앤더 라인 슬롯이 장하된 고감도 마이크로스트립 패치 센서 안테나 - Google Patents

미앤더 라인 슬롯이 장하된 고감도 마이크로스트립 패치 센서 안테나 Download PDF

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Abstract

마이크로스트립 패치 센서 안테나는 직사각형 모양의 패치가 형성되되, 패치의 한쪽 방사면에 미앤더 라인 슬롯(meander-line-slot)이 장하되는 것을 특징으로 하며, 고체, 미세 유체, 액체 물질의 유전율 또는 유전율을 이용한 생물학적 물질의 무선 감지에 사용될 것으로 기대된다. 또한 온도, 습도 등의 환경 정보를 측정하고 동시에 리더와 다른 대역에서 통신을 할 수 있는 chipless RFID 센서 태그를 위한 통신 및 센서 안테나로 적용될 수 있다.

Description

미앤더 라인 슬롯이 장하된 고감도 마이크로스트립 패치 센서 안테나{Meander-Line-Slot-Loaded Microstrip Patch Sensor Antenna for High-Sensitivity Permittivity Characterization}
본 발명은 마이크로스트립 패치 센서 안테나에 관한 것으로서, 미앤더 라인 슬롯(meander-line-slot)이 장하된 고감도 마이크로스트립 패치 센서 안테나에 관한 것이다.
마이크로파 대역(0.3~300 GHz)에서 전자파와 물질과의 상호 작용을 이용하여 측정한 유전율이나 투자율과 같은 물질의 특성을 기반으로 동작하는 마이크로파 센서는 물질의 특성 뿐만 아니라 수분 함량, 밀도, 재료의 구조 및 형태, 화학 반응에 관한 정보를 줄 수 있어 비파괴 측정에 많이 사용되고 있다. 최근 마이크로파 기술의 급속한 발전으로 무선 통신 시스템에서 사용되는 주파수 스펙트럼은 밀리미터보다 작은 파장을 갖는 테라 헤르츠 주파수 대역까지 고려되어 높아지고 있는 추세이며, 이러한 높은 주파수 대역의 안테나 및 마이크로파 회로 설계를 위해 정확한 유전율 측정이 요구되고 있다.
여러 유전율 측정 방법 중에서, 분할 링 공진기(SRR; split ring resonator) 혹은 상보형 분할 링 공진기(CSRR; complimentary SRR) 구조의 평면형 공진기를 이용한 공진기 방법이 단순한 기하학적 구조, 작은 크기, 제작의 용이성 및 저렴한 제작 비용 등의 장점 때문에 널리 사용되고 있다. 공진기 방법에서는 측정 물질도 공진기의 일부로 간주되고 공진주파수의 이동으로부터 유전율을 유추할 수 있다.
다양한 평면 구조 중에서 유전체 기판으로 분리된 스트립 도체와 접지면으로 구성된 마이크로스트립 구조가 유전율 측정에 널리 사용되고 있다. 2.45 GHz 대역의 유전체 물질 특성 분석을 위해 향상된 감도를 가지는 인터디지털 커패시터 기반 SRR 구조를 갖는 마이크로스트립 공진 센서가 제안되었다. 또한, 1.5GHz 대역에서 인터디지털 커패시터 형태의 결함 접지 구조의 고감도 CSRR 기반 마이크로 스트립 센서가 제안되었으며, 이중 링, 단일 링 및 90도 회전한 단일 링 구조의 CSRR 기반 센서와 감도를 비교하였다.
한편, 마이크로스트립 패치 안테나도 공진기로 간주될 수 있기 때문에 고체 또는 액체 재료의 유전율 측정 센서로 연구되어왔다. 코팅된 보호층, 빙결층, 플라즈마 접측 층과 같은 유전체 층으로 덮힌 마이크로스트립 패치 안테나의 공진 주파수를 전체 구조의 유효 유전율을 이용하여 예측하는 방법이 제안되었다. 고체 및 액체 재료의 유전율 측정을 위해 공기가 공간에 배치된 동축 급전 직사각형 마이크로스트립 패치 안테나를 센서로 적용하였다. 평면형 고체 재료의 경우, 시험 대상 물질이 상판(superstrate)으로 추가된 마이크로스트립 안테나를 기반으로 한 센서 모델이 도출되었고, 상판이 장하된 마이크로 스트립 안테나의 유효 유전 상수는 기판(substrate)과 상판의 충전 인자(filling factor)를 사용하여 계산되었다. 이탄(peat soil) 및 양토(loam soil)에서 0-30 % 범위의 수분 함량을 측정하기 위한 단일 및 이중 공진 마이크로스트립 패치 센서 안테나(MPSA; microstrip patch sensor antenna)가 제안되었다. 35% ~ 85% 범위의 수분 함량을 가지는 Hevea 고무 라텍스가 장하된 마이크로스트립 패치 안테나의 공진 주파수의 이동을 세 가지 수치 해석 방법을 사용하여 비교하였다. 해수의 염분을 측정하기 위해 기판에 액체를 넣을 수 있는 공간이 있는 MPSA가 제안되었다. 최근 얇은 직사각형 슬롯을 마이크로스트립 패치 안테나의 한쪽 방사면(radiating edge)에 추가하여 유전율 측정 감도를 향상시키는 방법이 제안되었다.
K. T. M. Shafi, A. K. Jha, and M. J. Akhtar, "Improved planar resonant RF sensor for retrieval of permittivity and permeability of materials," IEEE Sensors Journal, Vol. 17, No. 17, pp. 5479-5486, Sep. 2017.
본 발명은 미앤더-라인-슬롯이 패치에 장하된 패치를 이용한 유전율 측정 감도를 향상시킬 수 있는 고감도 마이크로스트립 패치 센서 안테나를 제공한다.
본 발명은 상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해 제안된 것으로, 직사각형 모양의 패치가 형성되되, 상기 패치의 한쪽 방사면에 미앤더 라인 슬롯(meander-line-slot)이 장하되는 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 패치 센서 안테나가 제공된다.
또한, 직사각형 모양의 패치가 형성되되, 상기 패치의 한쪽 방사면에 미앤더 라인 슬롯(meander-line-slot)이 장하되는 구조로 형성됨에 있어서, 상기 미앤더 라인 슬롯(meander-line-slot)은, 단일 원형(Circular) CSRR(Complimentary Split Ring Resonator) 슬롯 구조의 일단 및 타단에 L-모양의 슬롯이 각각 추가되는 구조로 형성되는 마이크로스트립 패치 센서 안테나가 제공된다.
또한, 직사각형 모양의 패치가 형성되되, 상기 패치의 한쪽 방사면에 미앤더 라인 슬롯(meander-line-slot)이 장하되는 구조로 형성됨에 있어서, 상기 미앤더 라인 슬롯(meander-line-slot)은, 단일 사각형(Square) CSRR(Complimentary Split Ring Resonator) 슬롯 구조의 일단 및 타단에 L-모양의 슬롯이 각각 추가되는 구조로 형성되는 마이크로스트립 패치 센서 안테나가 제공된다.
본 발명은 미앤더-라인-슬롯이 패치에 장하된 마이크로스트립 패치 안테나를 이용하여 유전율 측정 감도를 향상시키는 방법에 대하여 제안하였다. 제안된 MPSA의 유전율 감도를 기존의 직사각형 MPSA와 얇은 직사각형 슬롯이 장하된 MPSA와 비교하여 성능을 검증하였다.
비유전율이 2.17에서 10.2 범위에 있는 타코닉 기판 5종을 피 시험 기판으로 선택하여 실험 결과, 입력 반사계수 S11의 공진 주파수의 이동으로 측정된 제안된 MPSA의 감도는 기존의 직사각형 MPSA와 비교할 때 비유전율이 2.17일 때 6.84배 향상되고, 비유전율이 10.2일 때 4.57배 증가하는 것을 확인하였다.
제안된 미앤더-라인-슬롯이 장하된 MPSA의 패치 크기는 기존의 MPSA에 비해 약 44.9% 감소되어 소형화 되었다. SUT 5종에 대한 추출된 유전 상수의 최대 오차가 기준 유전 상수에 비해 2.68 % 미만으로 잘 일치하여 제안된 MPSA의 성능이 입증되었다.
제안된 마이크로스트립 패치 센서 안테나는 평면 고체, 미세 유체, 액체 물질의 유전율 또는 유전율을 이용한 생물학적 물질의 무선 감지에 사용될 것으로 기대된다. 또한 온도, 습도 등의 환경 정보를 측정하고 동시에 리더와 다른 대역에서 통신을 할 수 있는 chipless RFID 센서 태그를 위한 통신 및 센서 안테나로 적용될 수 있다.
도 1은 기존의 직사각형 MPSA, 직사각형 슬롯이 장하된 MPSA, 그리고 제안된 미앤더-라인-슬롯이 장하된 MPSA의 구조
도 2는 도 1의 세 MPSA의 S11 특성을 비교한 도면
도 3은 첫 번째 공진 주파수인 2.5GHz에서 기존의 직사각형 MPSA(a), 직사각형 슬롯이 장하된 MPSA(b), 제안된 미앤더-라인-슬롯이 장하된 MPSA(c)의 전기장 분포
도 4는 SUT의 비유전율 변화에 따른 S11의 공진 주파수 변화를 나타낸 도면 - 직사각형 MPSA(a), 직사각형 슬롯이 장하된 MPSA(b), 제안된 미앤더-라인-슬롯이 장하된 MPSA(c) -
도 5는 세 MPSA의 감도 비교에 대한 도면 - (a) Δfr; (b) PRFS; (c) PRFSE; (d) S; (e) SE -
도 6은 제안된 미앤더-라인-슬롯이 장하된 MPSA의 PRFS에 대한 시뮬레이션 및 곡선 접합된 SUT의 유전 상수 비교에 대한 도면
도 7은 제작된 MPSA 사진 - 직사각형 MPSA(a), 직사각형 슬롯이 장하된 MPSA(b), 제안된 미앤더-라인-슬롯이 장하된 MPSA(c) -
도 8은 표 2의 SUT 5종에 대한 따른 세 MPSA의 시뮬레이션 S11 특성
도 9는 SUT 5종에 대한 세 MPSA의 시뮬레이션 성능 비교: (a) Δfr; (b) PRFS; (c) PRFSE; (d) S; (e) SE
도 10은 측정과정을 나타낸 사진: (a) SUT가 없을 때; (a) SUT가 있을 때
도 11은 표 2의 SUT 5종에 대한 따른 세 MPSA의 측정된 S11 특성: (a) 기존의 직사각형 MPSA, (b) 직사각형 슬롯이 장하된 MPSA, (c) 제안된 미앤더-라인-슬롯이 장하된 MPSA
도 12는 SUT 5종에 대한 세 MPSA의 측정 성능 비교: (a) Δfr; (b) PRFS; (c) PRFSE; (d) S; (e) SE
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
본 발명에서는 미앤더-라인-슬롯이 패치에 장하된 마이크로스트립 패치 안테나를 이용하여 유전율 측정 감도를 향상시키는 방법을 제안하였다. 즉, 미앤더-라인-슬롯을 패치의 한쪽 방사면에 추가하였다. 성능 검증을 위해 제안된 안테나 센서의 유전율 감도를 기존의 마이크로스트립 패치 안테나와 얇은 직사각형 슬롯이 장하된 패치 안테나와 비교하였다. 시뮬레이션과 해석을 위해 CST사의 Microwave Studio를 사용하였다. 안테나 센서는 피 시험 상판 (SUT; superstrate under test)이 없는 상태에서 입력 반사계수(S11; input reflection coefficient)가 2.5 GHz에서 공진하도록 RF-35 기판(εr = 3.5, 두께 = 0.76 mm, 손실 탄젠트 = 0.0018) 상에 설계하였다.
도 1은 기존의 직사각형 MPSA, 직사각형 슬롯이 장하된 MPSA, 그리고 제안된 미앤더-라인-슬롯이 장하된 MPSA의 구조가 나타나 있다.
유전율 측정 감도를 비교하기 위한 기준으로 사용할 기존의 직사각형 MPSA의 설계 변수는 L g = W g = 80 mm, L 1 = 31.9 mm, W 1 = 40 mm, w f1 = 1.66 mm, l f1 = 24.5 mm, l is1 = 9 mm, w is1 = 2.8 mm이다. 기존의 직사각형 MPSA의 패치의 길이와 폭은 참고문헌 "Y. Huang and K. Boyle, Antennas: From Theory to Practice, Hoboken, NJ; John Wiley & Sons, 2008" 의 방정식을 이용하여 계산하였다. 제안된 구부러진 슬롯이 장하된 MPSA와 직사각형 슬롯이 장하된 MPSA의 패치의 길이와 폭은 SUT가 없는 상태에서 2.5 GHz에서 공진하도록 줄여서 조정하였다.
도 1(b)의 직사각형 슬롯이 장하된 MPSA의 설계 변수는 L g = W g = 80 mm, L 2 = 25.4 mm, W 2 = 31.8 mm, w f2 = 1.66 mm, l f2 = 27.3 mm, l is2 = 12 mm, w is2 = 2.3 mm, l rs2 = 29.8 mm, w rs2 = 1 mm, w o1 = 1 mm이다. 패치의 크기는 기존의 직사각형 MPSA에 비해 20.4% 줄어들었다.
도 1(c)에 나타나 있듯이 제안된 MPSA는 마이크로스트립 패치 안테나의 한쪽 방사면에 미앤더-라인-슬롯이 추가되었다. 입력 임피던스 50 옴과 정합되도록 마이크로스트립 전송선로에 1/4 파장 변환기를 사용하였다. 즉, 도 1(c)에 도시된 바와 제안된 마이크로스트립 패치 센서 안테나는 직사각형 모양의 패치가 형성되되, 패치의 한쪽 방사면에 미앤더 라인 슬롯(meander-line-slot)이 장하되는 구조로 형성되는데, 미앤더 라인 슬롯(meander-line-slot)을 자세히 살펴보면, 직사각형 슬롯의 좌측 끝단에 연결되는 좌측 L-모양의 슬롯과, 좌측 L-모양의 슬롯의 끝단에 연결되는 좌측 역L-모양의 슬롯과, 직사각형 슬롯의 우측 끝단에 연결되는 우측 역L-모양의 슬롯과, 우측 역L-모양의 슬롯의 끝단에 연결되는 우측 L-모양의 슬롯을 포함하는 구조를 이루고, 좌측 L-모양의 슬롯과 우측 역L-모양의 슬롯은 서로 대칭되는 형태이고, 좌측 역L-모양의 슬롯과 우측 L-모양의 슬롯은 서로 대칭되는 형태를 이룬다. SUT가 없는 상태에서 S11이 2.5 GHz에서 공진하기 위한 설계 변수는 L g = W g = 80 mm, L 3 = 17.6 mm, W 3 = 22.0 mm, w f3 = 1.66 mm, l qt = 18.3 mm, w qt= 0.6 mm, l f3 = 31.2 mm, l is3 = 4 mm, w is3 = 1.5 mm, l rs3 = 15.6 mm, w rs2 = 1 mm, w o2 = 1 mm, g = 1 mm이다. 제안된 MPSA의 패치의 크기는 기존의 직사각형 MPSA에 비해 44.9% 줄어들었다.
즉, 제안된 마이크로스트립 패치 센서 안테나는 직사각형 모양의 패치가 형성되되, 패치의 한쪽 방사면에 미앤더 라인 슬롯(meander-line-slot)이 장하된다.
구체적으로, 마이크로스트립 패치 센서 안테나는 직사각형 모양의 패치가 형성되되, 패치의 한쪽 방사면에 미앤더 라인 슬롯(meander-line-slot)이 장하되는 구조로 형성됨에 있어서, 미앤더 라인 슬롯(meander-line-slot)은 단일 사각형(Square) CSRR(Complimentary Split Ring Resonator) 슬롯 구조의 일단 및 타단에 L-모양의 슬롯이 각각 추가되는 구조로 형성된다.
또한, 다른 예로써, 마이크로스트립 패치 센서 안테나는 직사각형 모양의 패치가 형성되되, 상기 패치의 한쪽 방사면에 미앤더 라인 슬롯(meander-line-slot)이 장하되는 구조로 형성됨에 있어서, 미앤더 라인 슬롯(meander-line-slot)은 단일 원형(Circular) CSRR(Complimentary Split Ring Resonator) 슬롯 구조의 일단 및 타단에 L-모양의 슬롯이 각각 추가되는 구조로 형성될 수도 있다.
도 2는 도 1의 세 MPSA의 S11 특성을 비교하였다. 기존의 직사각형 MPSA는 2.5 GHz에서 하나의 공진 주파수를 가지고 전압 정재파비(voltage standing wave ratio; VSWR) 2 이하를 기준으로 주파수 대역이 2.490 - 2.510 GHz(0.8%)이다. 직사각형 슬롯이 장하된 경우, 두 개의 공진 주파수가 2.5 GHz와 3.465 GHz에 발생하고, 두 공진 주파수의 비는 1.39이다. 공진주파수 2.5 GHz에서의 주파수 대역은 2.496 - 2.503 GHz(0.28%)으로 줄어든다. 제안된 미앤더-라인-슬롯이 장하된 경우, 두 개의 공진 주파수가 2.5 GHz와 3.233 GHz에 발생하고, 두 공진 주파수의 비는 1.29로 줄어든다. 공진주파수 2.5 GHz에서의 주파수 대역은 2.498 - 2.502 GHz(0.16%)으로 더 줄어든다.
도 3은 첫 번째 공진 주파수인 2.5GHz에서 기존의 직사각형 MPSA, 직사각형 슬롯이 장하된 MPSA, 제안된 미앤더-라인-슬롯이 장하된 MPSA의 전기장 분포를 나타내고 있다. 기존의 직사각형 MPSA의 경우, 패치의 두 방사 에지를 따라 전기장이 넓게 분포되어 있음을 알 수 있다. 얇은 직사각형 슬롯이 장하된 경우 전기장은 도 3(b)와 같이 직사각형 슬롯을 따라 집중된다. 제안된 미앤더-라인-슬롯이 장하된 경우, 전기장은 면적이 감소된 미앤더-라인-슬롯 근처에 더 집중되어있다. 따라서, SUT의 크기는 기존의 MPSA에 비해 크게 줄일 수 있다.
세 MPSA의 감도를 비교하기 위해 MPSA 위에 SUT를 두었을 때 SUT의 비유전율 변화에 따른 S11의 공진 주파수 변화를 도 4에 나타내었다. SUT의 두께는 1.6 mm이고 길이와 폭은 안테나와 동일하다. SUT의 두께는 실제 실험에서 사용할 Taconic 기판 중에서 가장 두꺼운 기판의 두께가 1.6 mm 정도 되어 선택하였다. SUT의 비유전율은 1에서 10까지 1 간격으로 증가시키면서 S11 특성을 비교하였다. SUT의 손실탄젠트는 0으로 하여 손실이 없는 것으로 가정하였다.
<표 1> SUT의 비유전율 변화에 따른 세 MPSA의 S11 공진 주파수의 변화 비교 (GHz)
Figure 112019116997490-pat00001
기존의 직사각형 MPSA의 경우, SUT의 비유전율이 1에서 10까지 1씩 증가할 때 S11 공진 주파수가 2.5 GHz에서 2.468 GHz, 2.444 GHz, 2.420 GHz, 2.400 GHz, 2.380 GHz, 2.360 GHz, 2.344 GHz, 2.328 GHz, 2.312 GHz로 이동하였다. 직사각형 슬롯이 장하된 MPSA의 경우, S11 공진 주파수가 2.5 GHz에서 2.384 GHz, 2.287 GHz, 2.202 GHz, 2.128 GHz, 2.063 GHz, 2.003 GHz, 1.949 GHz, 1.899 GHz, 1.854 GHz로 이동하였다. 제안된 미앤더-라인-슬롯이 장하된 MPSA의 경우, S11 공진 주파수가 2.5 GHz에서 2.313 GHz, 2.164 GHz, 2.041 GHz, 1.937 GHz, 1.848 GHz, 1.769 GHz, 1.701 GHz, 1.6395 GHz, 1.585 GHz로 더 많이 이동하였다. 표 1은 SUT의 비유전율이 1에서 10까지 1씩 증가할 때 세 MPSA의 S11 공진 주파수의 변화를 비교하였다.
세 MPSA의 유전율 측정 성능을 비교하기 위해 S11 공진 주파수의 이동(Δf r), 백분율 상대 주파수 이동(percent relative frequency shift; PRFS), 백분율 상대 주파수 이동 향상(percent relative frequency shift enhancement; PRFSE),감도(sensitivity; S), 감도 향상(sensitivity enhancement; SE)을 다음과 같이 정의하고 도 5에 결과를 나타내었다.
Figure 112019116997490-pat00002
여기서
Figure 112019116997490-pat00003
와
Figure 112019116997490-pat00004
은 SUT가 없을 때 S11 공진 주파수와 비유전율로서,
Figure 112019116997490-pat00005
는 2.5 GHz이고
Figure 112019116997490-pat00006
는 1이다.
Figure 112019116997490-pat00007
과
Figure 112019116997490-pat00008
은 SUT가 있을 때 S11 공진 주파수와 비유전율이다.
MPSA 위에 비유전율이 공기와 다른 SUT를 두게 되면 MPSA의 공진 주파수와 관련된 총 등가 커패시턴스에 영향을 미치게 되고, S11 공진 주파수는 이러한 커패시턴스에 대해 비선형적으로 변화한다. 따라서 MPSA의 감도는 비유전율의 변화에 따라 선형적으로 변하지 않고, 비유전율의 작은 값에 대해 더 높아진다는 것을 도 5로부터 알 수 있다. 즉, 비유전율이 증가하면 센서의 감도는 단조함수처럼 감소한다. 예를 들면, SUT의 비유전율이 εr = 2일 때, 기존의 직사각형 MPSA, 직사각형 슬롯이 장하된 MPSA, 제안된 미앤더-라인-슬롯이 장하된 MPSA의 S11 공진 주파수 이동은 각각 0.032 GHz, 0.116 GHz, 0.187 GHz이다. PRFS는 각각 1.28%, 4.64%, 7.48%이다. 직사각형 슬롯이 장하된 MPSA와 제안된 미앤더-라인-슬롯이 장하된 MPSA의 기존의 직사각형 MPSA와 비교할 때 PRFSE는 각각 3.63배와 5.84배이다. 이 경우 SUT가 있을 때와 없을 때의 비유전율 차이가 1이므로 감도는 S11 공진 주파수 이동과 동일하다. 따라서 기존의 직사각형 MPSA와 비교할 때 직사각형 슬롯이 장하된 MPSA와 제안된 구부러진 슬롯이 장하된 MPSA의 감도 향상은 각각 3.63배와 5.84배이다. PRFSE는 SE와 동일하나, 공진 주파수가 다른 경우 감도 향상을 사용할 수 없기 때문에 MPSA의 공진 주파수가 다른 경우 감도 향상을 추정하는 데 사용할 수 있다.
SUT의 비유전율이 εr = 3으로 증가하면, 기존의 직사각형 MPSA, 직사각형 슬롯이 장하된 MPSA, 제안된 미앤더-라인-슬롯이 장하된 MPSA의 S11 공진 주파수 이동은 각각 0.056 GHz, 0.213 GHz, 0.336 GHz이다. PRFS는 각각 2.24%, 8.52%, 13.44%이다. 직사각형 슬롯이 장하된 MPSA와 제안된 미앤더-라인-슬롯이 장하된 MPSA의 기존의 직사각형 MPSA와 비교할 때 PRFSE는 각각 3.80배와 6.00배이다. 세 MPSA의 S는 각각 0.028 GHz, 0.107 GHz, 0.168 GHz이다. 따라서 기존의 직사각형 MPSA와 비교할 때 직사각형 슬롯이 장하된 MPSA와 제안된 구부러진 슬롯이 장하된 MPSA의 SE는 각각 3.80배와 6.00배이다.
SUT의 비유전율이 εr = 10으로 더 증가하면, 기존의 직사각형 MPSA, 직사각형 슬롯이 장하된 MPSA, 제안된 미앤더-라인-슬롯이 장하된 MPSA의 S11 공진 주파수 이동은 각각 0.188 GHz, 0.646 GHz, 0.915 GHz이다. PRFS는 각각 7.52%, 25.84%, 36.60%이다. 직사각형 슬롯이 장하된 MPSA와 제안된 미앤더-라인-슬롯이 장하된 MPSA의 기존의 직사각형 MPSA와 비교할 때 PRFSE는 각각 3.44배와 4.87배이다. 세 MPSA의 S는 각각 0.021 GHz, 0.072 GHz, 0.102 GHz이다. 기존의 직사각형 MPSA와 비교할 때 직사각형 슬롯이 장하된 MPSA와 제안된 구부러진 슬롯이 장하된 MPSA의 SE는 각각 3.44배와 4.87배이다. 따라서 기존의 직사각형 MPSA에 비해 제안된 구부러진 슬롯이 장하된 MPSA의 감도가 4.87배 ~ 6.00배 높음을 알 수 있다.
다음으로 제안된 미앤더-라인-슬롯이 장하된 MPSA의 첫 번째 공진주파수의 PRFS와 SUT의 유전 상수 사이의 관계식을 결정하기 위해, Sigma Plot의 곡선 접합 (curve fitting) 기능과 5차 다항식을 이용하여 다음과 같은 관계식을 유도하였다.
Figure 112019116997490-pat00009
식 (6)을 이용하여 추출한 유전 상수는 시뮬레이션에서 사용한 유전 상수와 오차가 모든 입력 데이터 점에서 0.1% 이내이다.
성능 검증을 위해 기존의 직사각형 MPSA, 직사각형 슬롯이 장하된 MPSA, 제안된 미앤더-라인-슬롯이 장하된 MPSA를 RF-35 기판(εr = 3.5, 두께 = 0.76 mm, 손실 탄젠트 = 0.0018)을 이용하여 도 7과 같이 제작하였다.
비유전율이 2.17에서 10.2이고 두께가 1.6 mm 근처인 Taconic사의 표준 기판 5종을 SUT로 선정하였고, 상세한 유전율과 두께 정보는 표 2에 나타나 있다. SUT 5종의 비유전율, 손실탄젠트, 두께가 도 4의 결과의 것과 다르므로 SUT 5종을 위에 놓았을 때 세 MPSA의 S11 특성을 다시 시뮬레이션 하였고 도 8에 나타나 있다. 도 7에서 볼 수 있듯이, 제작된 MPSA의 포트에 납땜을 하기 위해 SMA 커넥터에 두 개의 돌출 된 부분이 있기 때문에 SUT의 길이는 75 mm로 약간 줄었다.
시뮬레이션 결과, 기존의 직사각형 MPSA의 경우, SUT로 비유전율이 낮은 것부터 증가하도록 TLY-5A, RF-301, TRF-43, RF-60A, RF-10의 순서로 위에 놓을 경우 S11의 공진 주파수가 2.465 GHz, 2.444 GHz, 2.412 GHz, 2.379 GHz, 2.312 GHz로 이동하였다. 직사각형 슬롯이 장하된 MPSA의 경우, SUT 5종에 대해서 S11의 공진 주파수가 각각 2.369 GHz, 2.294 GHz, 2.180 GHz, 2.059 GHz, 1.852 GHz로 이동하였다. 제안된 미앤더-라인-슬롯이 장하된 MPSA의 경우, SUT로 비유전율이 낮은 것부터 증가하도록 TLY-5A, RF-301, TRF-43, RF-60A, RF-10의 순서로 위에 놓을 경우 S11의 공진 주파수가 2.285 GHz, 2.169 GHz, 2.005 GHz, 1.837 GHz, 1.577 GHz로 이동하였다.
<표 2> SUT로 사용된 5종의 taconic 기판의 비유전율, 손실탄젠트 및 두께
Figure 112019116997490-pat00010
<표 3> SUT 5종에 대한 세 MPSA의 시뮬레이션 S11 공진 주파수의 변화 비교 (GHz)
Figure 112019116997490-pat00011
SUT 5종에 대한 세 MPSA의 성능을 비교하기 위해 도 8로 부터 Δf r, PRFS, PRFSE, S, SE를 계산하여 도 9에 나타내었다. SUT가 비유전율이 가장 낮은 TLY-5A인 경우, 기존의 직사각형 MPSA, 직사각형 슬롯이 장하된 MPSA, 제안된 구부러진 슬롯이 장하된 MPSA의 S11 공진 주파수 이동은 각각 0.035 GHz, 0.131 GHz, 0.215 GHz이다. PRFS는 각각 1.40%, 5.24%, 8.60%이다. 직사각형 슬롯이 장하된 MPSA와 제안된 미앤더-라인-슬롯이 장하된 MPSA의 기존의 직사각형 MPSA와 비교할 때 PRFSE는 각각 3.74배와 6.14배이다. 세 MPSA의 S는 각각 0.030 GHz, 0.112 GHz, 0.184 GHz이다. 따라서 기존의 직사각형 MPSA와 비교할 때 직사각형 슬롯이 장하된 MPSA와 제안된 구부러진 슬롯이 장하된 MPSA의 SE는 각각 3.74배와 6.14배이다.
비유전율이 가장 높은 RF-10을 SUT로 사용하는 경우, 기존의 직사각형 MPSA, 직사각형 슬롯이 장하된 MPSA, 제안된 구부러진 슬롯이 장하된 MPSA의 S11 공진 주파수 이동은 각각 0.188 GHz, 0.648 GHz, 0.923 GHz이다. PRFS는 각각 7.52%, 25.92%, 36.92%이다. 직사각형 슬롯이 장하된 MPSA와 제안된 미앤더-라인-슬롯이 장하된 MPSA의 기존의 직사각형 MPSA와 비교할 때 PRFSE는 각각 3.45배와 4.91배이다. 세 MPSA의 S는 각각 0.020 GHz, 0.070 GHz, 0.100 GHz이다. 따라서 기존의 직사각형 MPSA와 비교할 때 직사각형 슬롯이 장하된 MPSA와 제안된 구부러진 슬롯이 장하된 MPSA의 SE는 각각 3.45배와 4.91배이다. 따라서 Δf r, PRFS, PRFSE, S, SE의 경향은 그림 5의 무손실 경우와 유사한 것을 알 수 있다.
SUT 5종에 대한 시뮬레이션 결과를 검증하기 위해 도 10과 같이 Agilent사의 N5230A 네트워크 분석기를 이용하여 제작된 세 MPSA 위에 SUT 5종을 놓았을 때 S11 특성을 측정하였다. 먼저, SUT가 없을 때 기존의 직사각형 MPSA, 직사각형 슬롯이 장하된 MPSA, 제안된 미앤더-라인-슬롯이 장하된 MPSA의 S11 공진 주파수는 도 11에 나타나 있듯이 각각 2.528 GHz, 2.509 GHz, 2.506 GHz로 시뮬레이션 공진주파수 2.5 GHz와 비교할 때 1.12%, 0.36%, 0.24%의 오차를 가진다. 이는 제작 및 측정 상의 오차에 의해 발생한 것으로 판단된다.
<표 4> SUT 5종에 대한 세 MPSA의 측정된 S11 공진 주파수의 변화 비교 (GHz)
Figure 112019116997490-pat00012
SUT가 비유전율이 가장 낮은 TLY-5A인 경우, 기존의 직사각형 MPSA, 직사각형 슬롯이 장하된 MPSA, 제안된 구부러진 슬롯이 장하된 MPSA의 측정된 S11 공진 주파수 이동은 각각 0.031 GHz, 0.133 GHz, 0.212 GHz이다. PRFS는 각각 1.23%, 5.30%, 8.46%이다. 직사각형 슬롯이 장하된 MPSA와 제안된 미앤더-라인-슬롯이 장하된 MPSA의 기존의 직사각형 MPSA와 비교할 때 PRFSE는 각각 4.32배와 6.90배이다. 세 MPSA의 S는 각각 0.027 GHz, 0.114 GHz, 0.181 GHz이다. 따라서 기존의 직사각형 MPSA와 비교할 때 직사각형 슬롯이 장하된 MPSA와 제안된 구부러진 슬롯이 장하된 MPSA의 SE는 각각 4.29배와 6.84배이다.
비유전율이 가장 높은 RF-10을 SUT로 사용하는 경우, 기존의 직사각형 MPSA, 직사각형 슬롯이 장하된 MPSA, 제안된 구부러진 슬롯이 장하된 MPSA의 S11 공진 주파수 이동은 각각 0.200 GHz, 0.674 GHz, 0.914 GHz이다. PRFS는 각각 7.91%, 26.86%, 36.47%이다. 직사각형 슬롯이 장하된 MPSA와 제안된 미앤더-라인-슬롯이 장하된 MPSA의 기존의 직사각형 MPSA와 비교할 때 PRFSE는 각각 3.40배와 4.61배이다. 세 MPSA의 S는 각각 0.022 GHz, 0.073 GHz, 0.100 GHz이다. 기존의 직사각형 MPSA와 비교할 때 직사각형 슬롯이 장하된 MPSA와 제안된 구부러진 슬롯이 장하된 MPSA의 SE는 각각 3.37배와 4.57배이다.
따라서 제안된 미앤더-라인-슬롯이 장하된 MPSA의 측정된 감도는 기존의 MPSA에 비해 유전 상수가 2.17에서 10.2 사이에 있는 SUT 5종에 대해 4.57배에서 6.84배 향상되었다. 특히, TLY-5A, RF-301 및 RF-60A와 같은 저 유전율 SUT에 대해 제안된 MPSA의 SE 값은 시뮬레이션과 비교하여 증가하지만, 나머지 고 유전율 SUT에 대해서는 감소하였다. 시뮬레이션 결과와 측정 결과의 차이는 제작 및 측정 시 발생하는 오차 때문인 것으로 판단된다.
제안된 미앤더-라인-슬롯이 장하된 MPSA의 성능을 검증하기 위해, 측정된 PRFS와 식 (6)을 사용하여 SUT 5종의 유전 상수를 추출하고 제조사에서 제공하는 유전 상수 값과 비교하여 그 결과를 표 5에서 비교하였다. 추출 된 유전 상수와 제조사의 기준 유전 상수 사이의 최대 오차의 절대 값은 0.91%와 2.68% 사이이며 이는 Taconic사에서 제공한 제작 허용 오차 내에 있다.
<표 5> SUT 5종에 대한 추출 유전 상수 비교
Figure 112019116997490-pat00013
본 발명은 미앤더-라인-슬롯이 패치에 장하된 마이크로스트립 패치 안테나를 이용하여 유전율 측정 감도를 향상시키는 방법에 대하여 제안하였다. 제안된 MPSA의 유전율 감도를 기존의 직사각형 MPSA와 얇은 직사각형 슬롯이 장하된 MPSA와 비교하여 성능을 검증하였다.
비유전율이 2.17에서 10.2 범위에 있는 타코닉 기판 5종을 피 시험 기판으로 선택하여 실험 결과, 입력 반사계수 S11의 공진 주파수의 이동으로 측정된 제안된 MPSA의 감도는 기존의 직사각형 MPSA와 비교할 때 비유전율이 2.17일 때 6.84배 향상되고, 비유전율이 10.2일 때 4.57배 증가하는 것을 확인하였다. 제안된 미앤더-라인-슬롯이 장하된 MPSA의 패치 크기는 기존의 MPSA에 비해 약 44.9% 감소되어 소형화 되었다. SUT 5종에 대한 추출된 유전 상수의 최대 오차가 기준 유전 상수에 비해 2.68 % 미만으로 잘 일치하여 제안된 MPSA의 성능이 입증되었다.
제안된 마이크로스트립 패치 센서 안테나는 평면 고체, 미세 유체, 액체 물질의 유전율 또는 유전율을 이용한 생물학적 물질의 무선 감지에 사용될 것으로 기대된다. 또한 온도, 습도 등의 환경 정보를 측정하고 동시에 리더와 다른 대역에서 통신을 할 수 있는 chipless RFID 센서 태그를 위한 통신 및 센서 안테나로 적용될 수 있다.
요약하면, 제안된 고감도 마이크로스트립 패치 센서 안테나는 유전율에 대한 감도를 향상시키기 위해 미앤더-라인-슬롯이 패치의 한쪽 방사면에 장하되었다. 제안된 마이크로스트립 패치 센서 안테나의 감도를 기존의 직사각형 마이크로스트립 패치 센서 안테나와 얇은 직사각형 슬롯이 장하된 마이크로스트립 패치 센서 안테나와 비교하였다. 세 마이크로스트립 패치 센서 안테나는 피 시험 상판이 없는 상태에서 전송 계수가 2.5 GHz에서 공진하도록 0.76 mm 두께의 RF-35 기판 상에 설계하고 제작하였다. 피 시험 상판으로 비유전율이 2.17에서 10.2 범위에 있는 타코닉 기판 5종을 사용하여 실험한 결과, 입력 반사계수의 공진 주파수의 이동으로 측정된 제안된 마이크로스트립 센서 안테나의 감도는 기존의 직사각형 마이크로스트립 패치 센서 안테나와 비교할 때 4.57배에서 6.84배 증가하는 것을 확인하였다. 제안된 미앤더-라인-슬롯이 장하된 마이크로스트립 패치 센서 안테나는 기존의 마이크로스트립 패치 안테나에 비해 패치 크기가 44.9% 줄어들어 센싱 영역이 감소하는 장점이 있다. 타코닉 기판 5종에 대해 시뮬레이션 결과를 바탕으로 추출한 유전상수도 제조사에서 제공하는 유전상수와 최대 2.68%의 오차 범위 내에서 잘 맞는 것을 확인하였다.
이와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (3)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 직사각형 모양의 패치가 형성되되, 상기 패치의 한쪽 방사면에 미앤더 라인 슬롯(meander-line-slot)이 장하되는 구조로 형성됨에 있어서,
    상기 미앤더 라인 슬롯(meander-line-slot)은,
    직사각형 슬롯;
    상기 직사각형 슬롯의 좌측 끝단에 연결되는 좌측 L-모양의 슬롯;
    상기 좌측 L-모양의 슬롯의 끝단에 연결되는 좌측 역L-모양의 슬롯;
    상기 직사각형 슬롯의 우측 끝단에 연결되는 우측 역L-모양의 슬롯; 및
    상기 우측 역L-모양의 슬롯의 끝단에 연결되는 우측 L-모양의 슬롯;을 포함하고, 상기 좌측 L-모양의 슬롯과 상기 우측 역L-모양의 슬롯은 서로 대칭되는 형태이고, 상기 좌측 역L-모양의 슬롯과 상기 우측 L-모양의 슬롯은 서로 대칭되는 형태를 이루는 것을 특징으로 하고,
    상기 패치의 다른쪽 방사면에 마이크로스트립 급전라인이 연결되되, 상기 마이크로스트립 급전라인에는 1/4 파장 변환기의 마이크로스트립 전송라인이 연결되는 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 패치 센서 안테나.
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