KR20110087533A

KR20110087533A - 개방형 동축선로를 이용한 유전율 측정 방법

Info

Publication number: KR20110087533A
Application number: KR1020100006998A
Authority: KR
Inventors: 김남곤; 권영우
Original assignee: 서울대학교산학협력단
Priority date: 2010-01-26
Filing date: 2010-01-26
Publication date: 2011-08-03
Also published as: KR101144241B1

Abstract

본 발명은 2차원 구조의 개방형 동축선로의 유전율을 측정할 때, 광대역 주파수 범위에서 상온뿐만 아니라, 고온 또는 저온에서도 유전율을 정확하게 측정할 수 있도록 한 기술에 관한 것이다.
이와 같은 본 발명은, 탐침의 열 팽창과 수축이 최소화 되도록 매우 낮은 열팽창 계수를 갖는 물질을 탐침의 재질로 선택하고, 특정의 [수학식]을 이용하여 상기 탐침의 열적 변형에 따른 측정 오차를 보정하며, 극 저온과 고온에서의 과도한 열 수축과 팽창에 따른 유전율 측정 오차를 추가적으로 보정하는 일련의 처리과정에 의해 달성된다.

Description

개방형 동축선로를 이용한 유전율 측정 방법{MEASUREMENT METHOD FOR THE DIELECTRIC CONSTANT BY USING THE OPEN-ENDED COAXIAL CABLE}

본 발명은 2차원 구조의 개방형 동축선로의 유전율을 측정하는 기술에 관한 것으로, 특히 광대역 주파수 범위에서 상온뿐만 아니라, 고온 또는 저온에서도 유전율을 정확하게 측정할 수 있도록 한 개방형 동축선로를 이용한 유전율 측정 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 의용공학 분야에 동축선로가 많이 사용되고 있는데 이에 대한 유전율 측정 결과가 고열요법과 같은 무선주파수(RF: Radio Frequency)나 마이크로파를 이용한 암 치료 탐침의 개발 시 설계의 기초 자료로 사용된다.

통상의 2차원 구조의 탐침의 경우 상온에서는 동축선로의 유전율을 비교적 정확하게 측정하였다. 의용공학 분야에 적용되는 동축선로의 경우 비상온에서 운용되는 경우가 종종 발생되는데, 종래의 동축선로용 탐침의 경우 비상온에서는 유전율을 정확하게 측정할 수 없는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명이 해결하려는 과제는 고온과 저온에 탐침이 노출됨에 따라 발생하는 탐침의 물리적인 열 팽창과 수축을 최소화 하고, 필연적인 열 팽창과 수축에 따른 탐침 특성의 변화가 추출된 유전율 측정 결과에 미치는 영향을 최소화 되도록 하는 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 해결과제들은 앞에서 언급한 해결과제로 제한되지 않는다. 본 발명의 다른 해결과제 및 장점들은 아래 설명에 의해 더욱 분명하게 이해될 것이다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명은,

탐침의 열 팽창과 수축이 최소화 되도록 매우 낮은 열팽창 계수를 갖는 물질을 탐침의 재질로 선택하는 재질 선택과정;

특정의 [수학식]을 이용하여 상기 탐침의 열적 변형에 따른 측정 오차를 보정하는 민감도 분석과정;

극 저온과 고온에서의 과도한 열 수축과 팽창에 따른 유전율 측정 오차를 추가적으로 보정하는 오차보정과정;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 개방형 동축선로를 이용하여 유전율을 측정함에 있어서, 재질 선택, 민감도 분석 및 오차 보정 과정을 수행함으로써, 고온과 저온에 탐침이 노출됨에 따라 발생하는 탐침의 물리적인 열 팽창과 수축을 최소화 하고, 필연적인 열 팽창과 수축에 따른 탐침 특성의 변화가 추출된 유전율 측정 결과에 미치는 영향을 최소화할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명이 적용되는 동축선로의 유전율 측정용 탐침의 구조도.
도 2는 본 발명에 사용되는 탐침 재질들의 열팽창 계수를 비교한 표.
도 3a 및 도 3b는 동축 개구면의 내경과 외경 크기에 따른 유전율 측정 불확정도의 그래프.
도 4는 메탄올에 대한 복소유전율과 주파수 간의 관계 그래프.
도 5는 본 발명에 의한 개방형 동축선로를 이용한 유전율 측정 방법의 제어 흐름도.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명이 적용되는 동축선로의 유전율 측정용 탐침의 구조를 나타낸 것이다. 마이크로파 입사부(1)에 마이크로파가 입사되며 동축 개구면(2)에 접촉하고 있는 물질에 의해 반사된 반사파를 마이크로파 입사부(1)에서 다시 측정하는 방식으로 동축 개구면(2)에 접한 물질의 유전율을 측정한다.

참고로, 본 발명은 개방형 동축선로를 이용하여 유전율을 측정하는 것을 목표로 하지만, 외부 분석 장비와 연결하기위한 커넥터를 연결하기 위하여 마이크로스트립 선로(4)를 이용한다.

본 발명은 광대역 주파수 범위에서 상온뿐만 아니라, 고온 또는 저온에서도 유전율 정확하게 측정하기 위하여 다음과 같은 일련의 과정을 수행한다.

먼저, 재질 선택과정(S1)을 수행하는데, 이 과정은 매우 낮은 열팽창 계수를 갖는 물질을 탐침의 재질로 선택하여 탐침의 열 팽창과 수축이 최소화 되도록 하는 과정이다.

도 2는 종래의 개방형 동축선로의 재질로 자주 사용되던 테프론(Teflon)과 본 발명에서 제안하는 몇 가지 종류의 탐침 재질들의 열팽창 계수를 비교한 표이다. 도 2에서 알 수 있듯이, 테프론과 비교하여 유리(Glass), 석영(Quartz), 실리콘(Silicon), RT/Duroid 6002와 같은 물질들은 매우 낮은 열팽창 계수를 갖고 있으며, 실험결과 이러한 재질들로 제작된 탐침은 테프론으로 제작된 탐침과 비교하여 매우 뛰어난 열적 안정성을 나타내는 것으로 확인되었다.

상기와 같이 매우 낮은 열팽창 계수를 갖는 재질을 탐침의 재료로 사용한다고 하더라도, 열팽창 계수가 0이 아니기 때문에 필연적으로 고온과 저온 물질에 탐침이 노출될 경우 탐침의 열 팽창과 수축이 일어날 수 밖에 없다. 이러한 피할 수 없는 탐침의 열적 변형에 따른 측정 오차를 보정할 필요가 있다.

상기 탐침의 열적 변형에 따른 측정 오차를 보정하기 위해 민감도 분석과정(S2-S5)을 수행한다. 상기 민감도 분석이란 약간의 반사파 측정 오차가 추출된 유전율에 미치는 영향의 정도를 분석하는 것을 말한다. 측정된 반사파로부터 유전율이 추출되는 과정까지 각 과정(S2-S4)의 결과치를 미분하여 곱함으로써 전체적인 측정 불확정도를 구할 수 있으며(S5), 이 결과는 아래의 [수학식 1]과 같이 표현된다.

여기서,

: 테스트 물질의 측정된 반사계수

: 테스트 물질의 동축 개구면에서의 반사계수

: 테스트 물질의 동축 개구면에서의 어드미턴스

: 테스트 물질의 유전율

a : 동축 개구면의 내반경

b : 동축 개구면의 외반경

상기 [수학식 1]에 대하여 좀 더 상세히 설명하면, 테스트 물질의 측정된 반사계수

으로부터 유전율

을 획득하기 위해 세 번의 변환 과정이 필요하다. 먼저, 측정된 반사계수

을 동축 개구면에서의 반사계수

으로 변환한다. 다음으로, 변환된 동축 개구면에서의 반사계수

을 동축 개구면에서의 어드미턴스

으로 변환한다. 마지막으로, 동축 개구면에서의 어드미턴스

으로부터 테스트 물질의 유전율

을 얻는다.

상기와 같은 총 세 번의 수식적 변환 과정의 결과치를 각각 미분해서 곱하면(맨 처음의 식처럼) 이 결과치는 측정된 반사계수

이 변할 때 추출될 유전율

이 얼마나 많이 변할 수 있는지를 나타낸다. 즉, 탐침에 열 팽창이나 수축이 일어나게되면 측정된

는 필연적으로 약간의 오차가 생기게 되는데 이 오차가 얼마나 많이

값에 영향을 미치는지를 나타내는 식이 상기 [수학식 1]이다. 그러므로, 상기 [수학식 1]을 측정 불확정도라고 정의할 수 있다. 상기 [수학식 1]의 값이 크면 클수록 약간의 측정 오차만으로도 최종적으로 추출되는 유전율 값이 크게 잘못 계산될 수 있다는 것을 의미한다. 상기 [수학식 1]에서 두번째, 세번째, 네번째의 식은 각각 세번의 변환과정을 미분한 계산식이고, 맨 마지막 적분식은 네번째 식에 나오는 하나의 상수 값을 계산하는 식을 정의한 것이다.

본 발명에서는 상기 [수학식 1]에서 제안한 유전율 측정 불확정도 계산 방법을 이용하여 동축 개구면(2)의 크기에 따른 측정 불확정도를 계산하였으며 그 값이 가장 작게 나오는 동축 개구면의 내경과 외경의 크기를 선택하였다. 몇몇 동축 개구면(2)의 내경과 외경 크기에 따른 유전율 측정 불확정도를 도 3a 및 도 3b에 나타내었다.

마지막으로, 극 저온과 고온에서의 과도한 열 수축과 팽창에 따른 유전율 측정 오차를 추가적으로 보정하기 위하여 다음의 설명에서와 같은 오차보정과정(S6)을 수행한다.

먼저, 목표 물질의 유전율을 측정하기에 앞서 유전율이 알려진 물질의 반사계수를 상온에서 측정한다.

이후, 고온 또는 저온의 목표 물질의 반사계수를 측정하고 탐침의 열 팽창 또는 수축이 유지된 상태에서 상기 처음에 측정했던 물질의 반사계수를 상온에서 다시 측정한다.

이렇게 측정된 동일한 물질의 반사계수의 측정 결과의 비를 목표물질의 측정 결과에 곱해줌으로써, 탐침의 열 팽창에 따른 효과를 추가적으로 반영할 수 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하였지만, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것이 아니라 다음의 청구범위에서 정의하는 본 발명의 기본 개념을 바탕으로 보다 다양한 실시예로 구현될 수 있으며, 이러한 실시예들 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

1 : 마이크로파 입사부
2 : 동축 개구면
3 : 스트립 선로
4 : 마이크로스트립 선로

Claims

탐침의 열 팽창과 수축이 최소화 되도록 매우 낮은 열팽창 계수를 갖는 물질을 탐침의 재질로 선택하는 재질 선택과정;
하기의 [수학식]을 이용하여 상기 탐침의 열적 변형에 따른 측정 오차를 보정하는 민감도 분석과정;
극 저온과 고온에서의 과도한 열 수축과 팽창에 따른 유전율 측정 오차를 추가적으로 보정하는 오차보정과정;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 개방형 동축선로를 이용한 유전율 측정 방법.

여기서,
: 테스트 물질의 측정된 반사계수

: 테스트 물질의 동축 개구면에서의 반사계수

: 테스트 물질의 동축 개구면에서의 어드미턴스

: 테스트 물질의 유전율
a : 동축 개구면의 내반경
b : 동축 개구면의 외반경
제1항에 있어서, 재질 선택과정은 유리, 석영, 실리콘, RT/Duroid 6002 중에서 하나를 탐침의 재질로 선택하는 것을 특징으로 하는 개방형 동축선로를 이용한 유전율 측정 방법.
제1항에 있어서, 민감도 분석과정은 약간의 반사파 측정 오차가 추출된 유전율에 미치는 영향의 정도를 분석하는 과정인 것을 특징으로 하는 개방형 동축선로를 이용한 유전율 측정 방법.
제1항에 있어서, 민감도 분석과정은
측정된 반사계수(
)를 동축 개구면에서의 반사계수(
)로 변환하는 단계;
상기 변환된 동축 개구면에서의 반사계수(
)를 동축 개구면에서의 어드미턴스(
)로 변환하는 단계;
상기 동축 개구면에서의 어드미턴스(
)로부터 테스트 물질의 유전율(
)을 획득하는 단계;
상기 각 단계에서 획득된 결과치를 각각 미분해서 곱하여 측정 불확정도를 구하는 단계;로 이루어지는 것을 특징으로 하는 개방형 동축선로를 이용한 유전율 측정 방법.
제1항 또는 제4항에 있어서, 측정 불확정도 계산값이 가장 작게 나오는 동축 개구면의 내경과 외경의 크기를 선택하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 개방형 동축선로를 이용한 유전율 측정 방법.
제1항에 있어서, 오차보정 과정은
목표 물질의 유전율을 측정하기 이전에 유전율이 알려진 물질의 반사계수를 상온에서 측정하는 단계;
고온 또는 저온의 목표 물질의 유전율을 측정하고 탐침의 열 팽창 또는 수축이 유지된 상태에서 상기 처음에 측정했던 물질의 반사계수를 상온에서 다시 측정하는 단계;

상기 측정된 동일한 물질의 반사계수의 측정 결과의 비를 목표물질의 측정 결과에 곱하여 탐침의 열 팽창에 따른 효과를 추가적으로 반영하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 개방형 동축선로를 이용한 유전율 측정 방법.