KR20230157688A - 임피던스 변환회로를 이용한 금속체 표면파 발생 장치 - Google Patents

임피던스 변환회로를 이용한 금속체 표면파 발생 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 임피던스 변환회로를 이용한 금속체 표면파 발생 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 금속체 표면파 발생 장치는 전자기장을 형성하는 방사체의 배면에 설치되며, 외부로부터 신호를 인가받는 교류전원, 상기 교류전원의 후단에 제1 단에 연결되고, 접지 전원에 제2단이 연결되는 인덕터, 상기 교류전원의 후단에 제1 단에 연결되고, 접지 전원에 제2단이 연결되는 캐패시터, 그리고 상기 인덕터 또는 캐패시터의 제1단에 연결되며 표면파를 발생시키는 표면파 발생기를 포함한다.
이와 같이 본 발명에 따르면, 구조물의 금속 재질에 따라 상이한 공진주파수에 대응하여 인덕터 또는 캐패시터의 시정수값을 가변시켜 표면파를 발생시키므로, 재질별로 표면파 발생기를 각각 설계 제작할 필요가 없어 장치 설계에 소요되는 공정시간 및 비용 절감을 도모할 수 있다.

Description

임피던스 변환회로를 이용한 금속체 표면파 발생 장치{Metal surface wave generator using impedance conversion circuit}
본 발명은 임피던스 변환회로를 이용한 금속체 표면파 발생 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 임피던스 매칭 변환회로를 이용하여 금속 재질에 따라 공진주파수의 변동을 제어하는 금속체 표면파 발생 장치에 관한 것이다.
현재 기술에서의 신호를 전달하는 기존의 방식은 유선 통신 방식과 무선(방사) 통신 방식을 포함한다.
먼저, 유선 통신 방식은 전송 효율이 좋고 데이터의 손실이 거의 없는 장점을 가진다. 다만, 유선 통신 방식은 전송 거리에 비례하는 길이의 케이블을 필요로 하며, 센서의 개수에 따라 케이블 또한 추가적으로 필요하게 된다. 따라서, 케이블을 지하에 매설하거나 수중을 통해 연결할 경우, 유선 방식은 설치 및 유지보수가 매우 어려운 단점이 있었다.
그리고 무선 통신 방식은 유선 방식에 비해 전송효율이 낮아 손실이 크게 발생되는 단점을 가지고 있으나, 전송 거리 또는 센서의 개수가 증가되어도 쉽게 설치 및 유지보수를 수행할 수 있는 장점을 지닌다.
다만, 무선 통신 방식은 전송 거리 중간에 장애물이 있거나 공기가 아닌 다른 매질이 있을 경우, 신호가 반사·굴절·흡수 등의 왜곡 현상이 일어나게 되어 신호의 손실이 급격하게 증가된다.
특히, 선박 내부, 컨테이너, 내부, 송유관 등은 금속으로 구성되므로 무선 통신이 불가능하다. 따라서, 극한 전파 환경에서도 데이터 통신을 수행할 수 있는 신기술을 필요로 한다.
본 발명의 배경이 되는 기술은 한국등록특허 제 10-1114041호(2012.02.01. 공고)에 개시되어 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 임피던스 매칭 변환회로를 이용하여 재질에 따라 공진주파수의 변동을 제어하는 금속체 표면파 발생 장치를 제공하기 위한 것이다.
이러한 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 실시예에 따르면 임피던스 변환회로를 이용한 금속체 표면파 발생 장치는 전자기장을 형성하는 방사체의 배면에 설치되며, 외부로부터 신호를 인가받는 교류전원, 상기 교류전원의 후단에 제1 단에 연결되고, 접지 전원에 제2단이 연결되는 인덕터, 상기 교류전원의 후단에 제1 단에 연결되고, 접지 전원에 제2단이 연결되는 캐패시터, 그리고 상기 인덕터 또는 캐패시터의 제1단에 연결되며 표면파를 발생시키는 표면파 발생기를 포함한다.
금속 재질에 따라 변화되는 공진주파수에 대응하는 인덕터 또는 캐패시터의 시정수값을 테이블형태로 저장하고, 외부로부터 금속 재질 정보를 입력 받으면, 상기 입력된 금속 재질 정보에 대응하는 시정수값을 이용하여 상기 인덕터 또는 캐패시터의 시정수 값을 가변시키는 제어부를 더 포함할 수 있다.
상기 표면파 발생기는, 2.4GHz 내지 2.5GHz 대역에서 공진이 발생되도록 설계될 수 있다.
상기 제어부는, 금속 재질에 따라 발생되는 공진 주파수가 상기 표면파 발생기의 설계 공진 주파수보다 높으면, 기 저장된 시정수값을 이용하여 캐패시터의 값을 증가시켜, 표면파 발생기로 하여금 설계 공진 주파수 대역에서 공진을 발생시킬 수 있다.
상기 제어부는, 금속 재질에 따라 발생되는 공진 주파수가 상기 표면파 발생기의 설계 공진 주파수보다 낮으면, 기 저장된 시정수값을 이용하여 인덕터의 값을 감소시켜, 표면파 발생기로 하여금 설계 공진 주파수 대역에서 공진을 발생시킬 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따르면, 구조물의 금속 재질에 따라 상이한 공진주파수에 대응하여 인덕터 또는 캐패시터의 시정수값을 가변시켜 표면파를 발생시키므로, 재질별로 표면파 발생기를 각각 설계 제작할 필요가 없어 장치 설계에 소요되는 공정시간 및 비용 절감을 도모할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 금속체 표면파 발생 장치(100)를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 금속 재질에 따라 각각 상이하게 출력되는 공진주파수를 설명하기 위한 예시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 금속체 표면파 발생 장치에 실장된 임피던스 변환회로를 도시한 도면이다.
도 4는 표면파 동작 원리를 설명하기 위한 예시도이다.
도 5는 가변된 인덕터에 따라 변동되는 공진주파수를 설명하기 위한 예시도이다.
도 6은 가변된 캐패시터에 따라 변동되는 공진주파수를 설명하기 위한 예시도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
이하에서는 도 1 및 도 2를 이용하여 금속체 표면파 발생 장치(100)의 구성에 대해 더욱 상세하게 설명한다.
먼저, 금속체 표면파 발생 장치(100)는 특정 주파수 대역에서 공진을 발생하고, 발생된 공진을 이용하여 표면파를 발생시킨다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 금속체 표면파 발생 장치(100)를 설명하기 위한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 금속체 표면파 발생 장치(100)는 제1 유전체 기판(110), 방사체(120) 및 제2 유전체 기판(130) 순으로 적층되며, 외부의 신호를 인가 받으면, 방사체(120)에서 발생된 전자기파를 사방으로 방사시킨다.
이때, 제2 유전체 기판(130)의 저면에는 주기적인 배열 형태로 형성되는 패치(140)를 위치시킨다. 패치(140)는 금속의 전도체로서, 방사체(120)와 금속 표면 사이에 발생하는 공진을 통해 표면파를 발생시켜 금속 표면을 따라 양측으로 전파를 전달한다. 부연하자면, 패치(140)는 금속면의 수직으로 형성된 전기장에 따라 자기장을 금속 표면의 수평으로 형성시키고, 자기장을 이용하여 금속 표면에 따라 전파를 전달시킨다.
한편, 방사체(120)와 금속의 표면 사이에 발생되는 공진 주파수는 금속의 재질에 따라 각각 상이하게 출력된다.
도 2는 금속 재질에 따라 각각 상이하게 출력되는 공진주파수를 설명하기 위한 예시도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 금속체 표면파 발생 장치(100)가 부착되는 금속 재질이 고속도로 가드레일(분홍색으로 표시됨)일 경우, 공진 주파수는 대략 2.6GHz에 해당된다. 그리고, 금속재질이 알루미늄(빨간색으로 표시됨)인 경우, 공진주파수는 대략 2.45 GHz에 해당된다.
즉, 매질에 따른 특성에 따라 각각 상이한 공진 주파수가 발생되므로, 금속체 표면파 발생 장치(100)는 부착되는 금속에 따라 각각 상이하게 설계되어야 한다.
따라서, 본 발명의 실시예에서는 금속체 표면파 발생 장치(100)에 임피던스 변환회로(200)를 적용하여 금속체에 따라 상이한 공진 주파수를 출력시킨다. 부연하자면, 임피던스 변환회로(200)는 도 1에 도시된 방사체(120)의 배면에 실장된다.
이하에서는 도 3을 이용하여 본 발명의 실시예에 따른 금속체 표면파 발생 장치(100)에 실장된 임피던스 변환회로에 대해 더욱 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 금속체 표면파 발생 장치에 실장된 임피던스 변환회로를 도시한 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 임피던스 변환회로(200)는 외부로부터 신호를 인가받는 교류전원(210)을 포함하고, 교류전원(210)의 후단에는 인덕터(220)를 연결시킨다. 부연하자면, 인덕터(220)의 제1 단은 교류전원(210)의 후단에 연결되고, 제2 단은 접지 전원에 연결된다.
그리고, 인덕터(220)와 병렬 연결되는 캐패시터(230)는 교류전원(210)의 후단에 제1 단이 연결되고, 제2단은 접지 전원에 연결된다.
표면파 발생기(240)는 인덕터(220) 또는 캐패시터(230)의 제1 단에 연결되며, 인가된 신호에 따라 표면파를 발생시킨다.
마지막으로 제어부(250)는 교류전원(210)의 후단과 표면파 발생기(240)의 전단에 위치하며, 인덕터(220) 또는 캐패시터(230)의 시정수값을 가변시켜 방사체(120)와 금속 표면 사이에 발생하는 공진주파수를 변화시킨다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 금속체 표면파 발생 장치(100)에는 금속체의 재질에 따라 공진수파수를 변화시키기 위하여 인덕터(220)와 캐패시터(230)를 모두 포함하고 있으나, 부착하고자 하는 금속 재질에 따라 인덕터(220)와 캐패시터(230) 중에서 어느 하나의 소자만 선택하여 실장시킬 수도 있다.
이하에서는 도 4 내지 도 6을 이용하여 본 발명의 실시예에 따른 금속체 표면파 발생 장치(100)에 설치된 제어부(250)를 통해 공진주파수를 가변시키는 방법에 대해 더욱 상세하게 설명한다.
도 4는 표면파 동작 원리를 설명하기 위한 예시도이다.
먼저, 본 발명의 실시예에 따른 표면파 발생기(240)는 2.4GHz 내지 2.5GHz 대역에서 공진이 발생되도록 설계된다.
도 4a에 도시된 바와 같이, 설계될 때 사용된 금속에 부착시키면, 표면파 발생기(240)는 2.4GHz 내지 2.5GHz 대역에서 공진을 발생시킨다.
반면에 설계될 때 사용된 금속이 아닌 다른 재질의 금속에 부착시켰을 경우에는 도 4b에 도시된 바와 같이, 2.4GHz 내지 2.5GHz 대역에서 공진이 발생되지 않고 사라지게 된다.
따라서, 설계자는 실험을 통해 금속 재질에 따라 발생되는 각각의 공진주파수 범위를 획득하고, 획득한 공진주파수를 출력할 수 있도록 인덕터(220) 또는 캐패시터(230)를 가변시킬 수 있는 시정수값을 산출한다.
그 다음, 설계자는 금속 재질에 따른 공진주파수와 그에 대응하는 인덕터(220) 또는 캐패시터(230)의 시정수값을 금속체 표면파 발생 장치(100)에 포함된 제어부(250)에 입력한다.
그러면 제어부(250)는 입력된 공진주파수에 그에 대응하는 인덕터(220) 또는 캐패시터(230)의 시정수값을 테이블 형태로 저장한다.
그리고, 설계자로부터 금속에 대한 정보를 전달받으면, 저장된 공진주파수에 대응하는 인덕터(220) 또는 캐패시터(230)의 시정수값을 이용하여 인덕터(220) 또는 캐패시터(230)를 제어한다.
도 5는 가변된 인덕터에 따라 변동되는 공진주파수를 설명하기 위한 예시도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 파란색 그래프는 설계된 표면파 발생기(240)에서 출력되는 공진 주파수를 나타낸 것으로서, 공진 주파수는 2.405GHz이다.
초록색 그래프는 인덕터(220)를 12nH 값으로 변경시켰을 경우에 표면파 발생기(240)에서 출력되는 공진 주파수를 나타낸 것으로서, 공진 주파수는 2.430GHz이다.
보라색 그래프는 인덕터(220)를 8.7nH 값으로 변경시켰을 경우에 표면파 발생기(240)에서 출력되는 공진 주파수를 나타낸 것으로서, 공진 주파수는 2.474GHz이다.
즉, 인덕터(220)에 인가되는 시정수값이 감소될수록 공진 주파수가 높게 출력된다.
도 6은 가변된 캐패시터에 따라 변동되는 공진주파수를 설명하기 위한 예시도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 연두색 그래프는 설계된 표면파 발생기(240)에서 출력되는 공진 주파수를 나타낸 것으로서, 공진 주파수는 2.410GHz이다.
초록색 그래프는 캐패시터(230)를 0.5pF 값으로 변경시켰을 경우에 표면파 발생기(240)에서 출력되는 공진 주파수를 나타낸 것으로서, 공진 주파수는 2.367GHz이다.
보라색 그래프는 캐패시터(230)를 1pF 값으로 변경시켰을 경우에 표면파 발생기(240)에서 출력되는 공진 주파수를 나타낸 것으로서, 공진 주파수는 2.340GHz이다.
즉, 캐패시터(230)에 인가되는 시정수값이 증가될수록 공진 주파수가 낮게 출력된다.
따라서, 제어부(250)는 부착되는 금속의 재질에 따라 해당되는 시정수 값을 추출하고, 추출된 시정수 값을 이용하여 인덕터(220) 값을 감소시키거나, 캐패시터(230) 값을 증가시켜 표면파 발생기(240)로 하여금 설계된 공진 주파수 대역에서 표면파를 발생시킨다.
예를 들어 금속체 표면파 발생 장치(100)가 고속도로 가드레일(강철)에 부착될 경우, 상기의 도 2에 도시된 바와 같이, 고속도로 가드레일(강철)에서 발생되는 공진주파수는 대략 2.61GHz에 해당되므로 설계된 공진주파수 즉, 2.4GHz 내지 2.5GHz 대역보다 높게 출력된다.
그러면, 제어부(240)는 기 저장된 시정수값을 이용하여 캐패시터(230)의 값을 증가시킴으로써, 표면파 발생기(240)로 하여금 2.4GHz 내지 2.5GHz 대역에서 공진을 발생시킨다. 이때, 제어부(240)는 인덕터(220)를 off시킨다.
반면에, 표면파 발생기(240)의 설계 공진주파수가 2.6GHz인 상태에서 알루미늄에 부착시킨다고 가정한다. 그러면, 상기의 도 2에 도시된 바와 같이, 알루미늄서 발생되는 공진주파수는 대략 2.43GHz이므로, 제어부(240)는 저장된 시정수값을 이용하여 인덕터(220)의 값을 감소시켜 표면파 발생기(240)로 하여금 설계된 2.6GHz 대역에서 공진을 발생시킨다. 이때, 제어부(240)는 캐패시터(230)를 off시킨다.
이와 같이 본 발명에 따른 금속체 표면파 발생 장치는 구조물의 금속 재질에 따라 상이한 공진주파수에 대응하여 인덕터 또는 캐패시터의 시정수값을 가변시켜 표면파를 발생시키므로, 재질별로 표면파 발생기를 각각 설계 제작할 필요가 없어 장치 설계에 소요되는 공정시간 및 비용 절감을 도모할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
100 : 금속체 표면파 발생 장치
110 : 제1 유전체 기판
120 : 방사체
130 : 제2 유전체 기판
140 : 패치
200 : 임피던스 변환회로
210 : 교류전원
220 : 인덕터
230 : 캐패시터
240 : 표면파 발생기
250 : 제어부

Claims (5)

  1. 임피던스 변환회로를 이용한 금속체 표면파 발생 장치에 있어서,
    전자기장을 형성하는 방사체의 배면에 설치되며, 외부로부터 신호를 인가받는 교류전원,
    상기 교류전원의 후단에 제1 단에 연결되고, 접지 전원에 제2단이 연결되는 인덕터,
    상기 교류전원의 후단에 제1 단에 연결되고, 접지 전원에 제2단이 연결되는 캐패시터, 그리고
    상기 인덕터 또는 캐패시터의 제1단에 연결되며 표면파를 발생시키는 표면파 발생기를 포함하는 금속체 표면파 발생 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    금속 재질에 따라 변화되는 공진주파수에 대응하는 인덕터 또는 캐패시터의 시정수값을 테이블형태로 저장하고, 외부로부터 금속 재질 정보를 입력 받으면, 상기 입력된 금속 재질 정보에 대응하는 시정수값을 이용하여 상기 인덕터 또는 캐패시터의 시정수 값을 가변시키는 제어부를 더 포함하는 금속체 표면파 발생 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 표면파 발생기는,
    2.4GHz 내지 2.5GHz 대역에서 공진이 발생되도록 설계되는 금속체 표면파 발생 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    금속 재질에 따라 발생되는 공진 주파수가 상기 표면파 발생기의 설계 공진 주파수보다 높으면, 기 저장된 시정수값을 이용하여 캐패시터의 값을 증가시켜, 표면파 발생기로 하여금 설계 공진 주파수 대역에서 공진을 발생시키는 금속체 표면파 발생 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    금속 재질에 따라 발생되는 공진 주파수가 상기 표면파 발생기의 설계 공진 주파수보다 낮으면, 기 저장된 시정수값을 이용하여 인덕터의 값을 감소시켜, 표면파 발생기로 하여금 설계 공진 주파수 대역에서 공진을 발생시키는 금속체 표면파 발생 장치.
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