KR20090056129A - 유전율 측정 장치 및 방법 - 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.
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.
유전율 측정, 레이더 센서, 6-포트 네트워크, 유전율 이미지, 반사 계수 측정, 상대 유전율

Description

유전율 측정 장치 및 방법 {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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 6-포트 네트워크를 이용하여 원격으로 상대 유전율을 간단한 신호 처리만으로 측정하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 초소형으로 제작할 수 있는 레이더 센서로 구현이 가능한 유전율 측정 장치를 제공하는 것이다.
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.
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.
바람직하게는, 상기 6-포트 네트워크는 제 1 방향성 커플러 및 90도 지연 전송 선로를 포함하는 것을 특징으로 한다.
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.
또한 바람직하게는, 상기 송신 신호를 증폭하는 전력 증폭기;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
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.
그리고 바람직하게는, 상기 중앙 연산 처리 장치는 상기 안테나의 빔 방향을 제어함으로써 유전율 이미지를 생성하는 기능을 포함하는 것을 특징으로 한다.
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.
바람직하게는, 상기 (a) 단계 이전에, (a-1) 직류 오프셋(offset) 전압을 제거하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 바람직하게는, 상기 (a) 단계 이전에, (a-2) 6-포트 네트워크의 특성 오차를 제거하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유전율 측정 장치에 사용되는 6-포트 네트워크에 관하여 도 1을 참조하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 6-포트 네트워크의 구성도이다.
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.
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.
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.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유전율 측정 장치에 관하여 도 2를 참조하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유전율 측정 장치의 구성도이다.
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.
상기 주파수 신호 생성기(211)는 고주파 신호를 생성한다.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
다음으로, 상기 전력 검출기(202)는 수동 소자 형태의 상기 6-포트 네트워크(201)의 출력 포트에서 출력되는 고주파 신호를 직류 전압으로 변환한다.
다음으로, 상기 신호 처리 블록(207)은 변환된 직류 전압 신호를 증폭하며 저역 통과 필터(LPF) 처리를 수행한다.
다음으로, 상기 아날로그 디지털 변환기(208)는 증폭 및 저역 통과 필터 처리된 직류 전압 신호를 디지털 신호로 복원한다.
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.
마지막으로, 상기 6-포트 네트워크(201)에 대하여는 상술한 바 있으므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.
이하, 상술한 바와 같은 유전율 측정 장치를 이용하여 측정 대상의 유전율을 계산하는 과정을 설명하면 다음과 같다.
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.
a1 (LO) a2 (RF)
b3 (포트 3) 360° 180°
b4 (포트 4) 270° 270°
b5 (포트 5) 270° 360°
b6 (포트 6) 360° 270°
Figure 112007086323519-PAT00001
Figure 112007086323519-PAT00002
Figure 112007086323519-PAT00003
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.
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.
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.
Figure 112007086323519-PAT00006
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.
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.
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.
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.
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.
a1 (LO) a2 (RF)
b3 (포트 3) 360°+ Φ1 + Φ2 180°
b4 (포트 4) 270°+ Φ2 270°+ Φ1
b5 (포트 5) 270°+ Φ1 360°+ 2Φ1
b6 (포트 6) 360°+ 2Φ1 270°+ Φ1
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.
Figure 112007086323519-PAT00009
상기 [수학식 9]를 이용한 오차 보정에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유전율 측정 방법에 관하여 도 3을 참조하여 설명한다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유전율 측정 방법에 관한 전체 흐름도이다.
상기 도 3에 도시된 바와 같이, 먼저, 직류 오프셋 전압을 제거한다(S10).
다음으로, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유전율 측정 장치의 보정 상수를 알아내어 6-포트 네트워크(201)의 특성 오차를 제거한다(S20).
다음으로, 표준 측정 대상에 대한 반사 계수를 측정한다(S30). 표준 측정 대 상은 3개 이상인 것이 바람직하다.
다음으로, 측정 대상에 대한 반사 계수를 측정한다(S40).
다음으로, 측정된 표준 측정 대상에 대한 반사 계수 데이터를 이용하여 측정 대상에 대한 유전율을 계산하고 이를 저장한다(S50).
다음으로, 저장된 유전율에 대한 변화가 임계값 미만인지 판단한다(S60).
마지막으로, 상기 S60 단계의 판단 결과, 임계값 미만인 경우 측정 대상에 대하여 측정된 유전율 정보를 출력한다(S70).
상기 S60 단계의 판단 결과, 저장된 유전율에 대한 변화가 임계값 이상인 경우, 모든 데이터를 초기화(S80)하고 상기 S30 단계로 피드백한다.
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.
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.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 6-포트 네트워크의 구성도.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유전율 측정 장치의 구성도.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유전율 측정 방법의 전체 흐름도.
< 도면의 주요부분에 대한 설명 >
101: 제 1 방향성 커플러 102: 90도 지연 전송 선로
103: 터미네이션 포트 201: 6-포트 네트워크
202: 전력 검출기 203: 신호 감쇄기
204: 저잡음 증폭기 205: 제 2 방향성 커플러
206: 안테나 207: 신호 처리 블록
208: 아날로그 디지털 변환기 209: 중앙 연산 장치
210: 측정 대상 물체 211: 주파수 신호 생성기

Claims (9)

  1. 기준 신호 및 유전율 측정 대상 물체로 송신되는 송신 신호를 생성하는 주파수 신호 생성기(211);
    상기 송신 신호 및 상기 측정 대상 물체에서 반사되는 수신 신호를 송수신하는 안테나(206);
    상기 수신 신호를 증폭하는 저잡음 증폭기(204);
    상기 기준 신호 및 상기 수신 신호를 입력받아 두 신호의 위상 차이를 이용하여 고주파 신호의 전력으로 표현되는 거리 정보를 생성하는 6-포트 네트워크(201);
    상기 6-포트 네트워크(201)에서 출력하는 상기 고주파 신호의 전력을 직류 전압으로 변환하는 전력 검출기(202);
    상기 전력 검출기(202)에서 변환된 직류 전압을 연산처리 가능한 데이터로 변환하는 아날로그 디지털 변환기(208); 및
    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 계수 및 유전율을 계산하는 중앙 연산 처리 장치(209);를 포함하는 유전율 측정 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    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.
  3. 제 1 항에 있어서,
    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.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 송신 신호를 증폭하는 전력 증폭기;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유전율 측정 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    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.
  6. 제 1 항에 있어서,
    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.
  7. 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,
    (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 포함하는 유전율 측정 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 (a) 단계 이전에,
    (a-1) 직류 오프셋(offset) 전압을 제거하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유전율 측정 방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 (a) 단계 이전에,
    (a-2) 6-포트 네트워크(201)의 특성 오차를 제거하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유전율 측정 방법.
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