WO2016068505A1 - 전자파를 이용한 신호 처리 장치 및 이의 제어 방법 - Google Patents

전자파를 이용한 신호 처리 장치 및 이의 제어 방법 Download PDF

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WO2016068505A1
WO2016068505A1 PCT/KR2015/010498 KR2015010498W WO2016068505A1 WO 2016068505 A1 WO2016068505 A1 WO 2016068505A1 KR 2015010498 W KR2015010498 W KR 2015010498W WO 2016068505 A1 WO2016068505 A1 WO 2016068505A1
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signal
medium
channels
frequency
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PCT/KR2015/010498
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박승모
임태욱
임재홍
이광원
김상진
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(주)뮤트로닉스
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Publication date
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    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/05—Detecting, measuring or recording for diagnosis by means of electric currents or magnetic fields; Measuring using microwaves or radio waves 
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01V—GEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
    • G01V3/00—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation
    • G01V3/12—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation operating with electromagnetic waves

Definitions

  • the present application relates to signal processing using electromagnetic waves.
  • Media inspection equipment such as medical equipment, mine detection equipment, geological survey equipment, etc. mainly use sensors such as electromagnetic waves, ultrasonic waves, and X-rays.
  • the dual X-ray uses strong straightness and different transmittances depending on the composition of the medium, which is harmful to the human body.
  • Ultrasonic waves and electromagnetic waves take advantage of the characteristics that the attenuation rate and propagation speed are different according to the components of the medium and that the characteristics such as reflection, transmission, refraction, and scattering appear at the interface of different media.
  • Korean Patent Publication No. 2010-0007078 ('A human cancer diagnosis apparatus and method using electromagnetic wave characteristics', publication date: January 22, 2010).
  • a signal processing apparatus using an electromagnetic wave and a control method thereof which can omit a complicated switching matrix and can dramatically shorten a measurement time.
  • each of the plurality of channels irradiates the RF signal to a medium in a transmission mode, and is reflected by the medium in a reception mode.
  • An antenna for receiving an RF signal scattered or transmitted through the medium;
  • a transmission / reception module configured to generate the RF signal in the transmission mode and transmit the RF signal to the antenna, and to detect a phase and a magnitude of the RF signal received by the antenna in the reception mode, wherein any one of the plurality of channels is provided.
  • the irradiated RF signal is reflected, scattered or scattered by the medium.
  • a signal processing apparatus for simultaneously receiving a transmitted RF signal is provided.
  • the signal processing method having a plurality of channels, when the liquid is filled in the tank, when irradiating the liquid to the RF signal through any one of the plurality of channels And receiving the RF signal through which the irradiated RF signal is reflected, scattered, or transmitted by the liquid through the remaining channels except for the channel irradiated with the RF signal among the plurality of channels.
  • a first step of generating first data comprising phase and magnitude; When the medium is inserted into the tank filled with the liquid, when the RF signal is irradiated to the medium through any one of the plurality of channels, except for the channel irradiated with the RF signal among the plurality of channels.
  • a signal processing method is provided in which a signal is simultaneously received in all the channels except for the channel irradiated with the RF signal among the plurality of channels.
  • the irradiated RF signal when irradiating a medium with an RF signal in one of a plurality of channels, in the remaining channels, the irradiated RF signal is reflected, scattered, or transmitted through the medium.
  • complicated switching matrices can be eliminated and measurement time can be dramatically reduced.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a signal processing apparatus using electromagnetic waves according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a view for explaining the transmission and reception of the RF signal according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a diagram illustrating a moving direction of the antennas and the antennas arranged along the circumference of the tank according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is an internal block diagram of a transmission / reception module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a view illustrating actual elements used in the RF unit of the transmission and reception module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a method of providing a reference clock and a sampling clock to a transmission / reception module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating a method of providing a reference clock and a sampling clock to a transmission / reception module according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a configuration diagram of a signal processing apparatus using electromagnetic waves according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a flowchart illustrating a signal processing method using electromagnetic waves according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a signal processing apparatus using electromagnetic waves according to an embodiment of the present invention.
  • 2 is a view for explaining the transmission and reception of the RF signal according to an embodiment of the present invention
  • Figure 3 is an antenna and antenna actuators arranged along the perimeter of the tank according to an embodiment of the present invention
  • the signal processing apparatus may include an antenna unit 100 including a plurality of antennas ANT1 to ANT16, and a plurality of transmission / reception modules TRM1 to TRM16.
  • an antenna unit 100 including a plurality of antennas ANT1 to ANT16, and a plurality of transmission / reception modules TRM1 to TRM16.
  • the controller 150, the base module 120, the controller 150, and the antenna actuator 130 may be connected by an RS232 cable.
  • the plurality of antennas ANT1 to ANT16 may be spaced at the same angle along the circumferential direction of the water tank 10, and the liquid having the same dielectric constant as the medium in the water tank 10. (11) can be filled.
  • the term channel includes one antenna and one transmission / reception module.
  • the first channel 1 ch includes a first antenna ANT1 and a first transmit / receive module TRM1
  • the second channel ch2 includes a second antenna ANT2 and a second transmit / receive module TRM2.
  • the sixteenth channel 16ch includes a sixteenth antenna ANT16 and a sixteenth transmission / reception module TRM16.
  • each of the plurality of channels, the antenna for irradiating the RF signal to the medium in the transmission mode, and receiving the RF signal reflected, scattered or transmitted through the medium in the reception mode, and the RF signal in the transmission mode It generates and transmits to the antenna, in the reception mode may be composed of a transmission and reception module for detecting the phase and magnitude of the RF signal received by the antenna.
  • the irradiated RF when irradiating an RF signal to a medium in any one of the plurality of channels, in the remaining channels other than the channel irradiated with the RF signal of the plurality of channels, the irradiated RF The signal may be simultaneously received, reflected or scattered by the medium, or transmitted through the medium.
  • the RF signal is irradiated onto the medium S through the first channel ch1, and reflected or scattered by the medium S in the remaining channels ch2 to ch16. It is configured to simultaneously receive the RF signal transmitted through the medium (S) (S201). Thereafter, the RF signal is irradiated to the medium S through the second channel ch2, and the remaining channels ch1 and ch3 to ch16 are reflected, scattered or transmitted through the medium S in the remaining channels ch1 and ch16. It is configured to receive the RF signal at the same time (S202).
  • the RF signal is irradiated to the medium S through the third channel ch3, and the remaining channels ch1 to ch2 and ch4 to ch16 are reflected, scattered, or scattered by the medium S. It is configured to receive the transmitted RF signal at the same time (S203). This is sequentially performed for all channels until the last sixteenth channel ch16 is reached (S2016).
  • the frequency of the irradiated RF signal has a frequency range of 3 ⁇ 6GHz
  • the frequency variable unit may be adjusted to any value, such as 500MHz or 1GHz unit.
  • reference numeral 10 denotes a tank
  • Tx ch denotes a transmission channel
  • Rx ch denotes a reception channel.
  • the frequency sweep unit is 1 GHz
  • the time required for the conventional method is determined. There is an advantage that can be shortened significantly.
  • the base module 120 distributes the reference clock and / or the sampling clock according to the number of the channels ch1 to ch16 to synchronize the plurality of transmission / reception modules TRM1 to TRM16 to provide a plurality of transmission / reception modules ( TRM1 to TRM16) at the same time.
  • the antenna actuator 130 controls each of the antennas ANT1 to ANT16 included in each of the plurality of channels under a control of the controller 150 by a predetermined angle with respect to the medium S. It may be rotated (see D1) or moved up and down the tank 10 (see D2) at regular intervals.
  • the power supply 140 may supply power to the base module 120 described above as a power supply.
  • controller 150 controls the transceiver 110 and the antenna actuator 130, and applies a backscatter analysis program to the output data (phase and frequency of the RF signal) of the transceiver 110 to apply the dielectric constant of the medium. And conductivity information.
  • FIG. 4 is an internal block diagram of a transmission / reception module according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 5 is a diagram illustrating actual elements used in an RF unit of the transmission / reception module according to an embodiment of the present invention.
  • each of the plurality of transmission / reception modules TRM1 to TRM16 may include an RF unit 400 and a signal processing unit 470, and the RF unit 400 has a reference frequency having a reference frequency in a transmission mode.
  • the RF signal RF generated based on the clock may be irradiated to the medium, and in the reception mode, the intermediate frequency signal IF may be generated from the RF signal RF received by the antenna.
  • the RF unit 400 as shown in Figures 4 and 5, the frequency synthesizer 410 for generating an RF signal and a local oscillation signal (LO) from the reference frequency of the reference clock, and RF in the transmission mode
  • the path RF converter 420 transmits the signal RF to the power amplifier 430 and transmits the local oscillation signal LO to the mixer 460 in the reception mode, and amplifies the RF signal RF in the transmission mode.
  • the power amplifier 430 a low noise amplifier 450 that amplifies the RF signal RF received in the reception mode, and transmits the RF signal RF amplified by the power amplifier 430 in the transmission mode to the antenna
  • the transmission and reception switching unit for transmitting the RF signal (RF) received by the antenna to the low noise amplifier 450, the intermediate frequency by mixing the local oscillation signal (LO) and the received RF signal (RF) in the reception mode It may be configured as a mixer 460 for generating a signal IF.
  • the maximum transmission signal size is 25dBm so as not to affect the human body
  • the minimum received signal size is -125dBm dynamic range (minimum received signal at the size of the maximum transmission signal)
  • the value of minus the value of) is set to 150 dB.
  • the magnitude of the maximum transmission signal and the minimum reception signal may be larger or smaller depending on the measurement conditions.
  • the frequency synthesizer 410 and the path converter 420 is provided with a transmission signal variable unit 510, and a low noise amplifier 450 and between the mixers 460 may further include a receiving signal variable unit 520.
  • the transmission signal variable unit 510 includes an attenuator 512, and in the transmission mode, appropriately attenuates the size of the RF signal to be irradiated to the medium S, and the received signal variable unit 520 is configured to switch 521 and 523. And an attenuator 522 and two low noise amplifiers 522 and 525, which can appropriately vary the magnitude of the RF signal received in the receive mode.
  • the path is large depending on the size of the received RF signal, if the size is large, only the attenuator 512 on the left side passes through the attenuator. 522) and two low-noise amplifiers 522 and 525, configured to attenuate with amplification.
  • the two low noise amplifiers 522 and 525 described above can be configured as one low noise amplifier according to performance.
  • the power amplifier 430 includes two amplifiers 432 and 434, an attenuator 431, and a filter 433, and reference numeral 411 denotes a filter 511, 513, 452,. 461 means an amplifier.
  • the switches 420, 440, 521, and 523 described above may be implemented as a single pole double throw (SPDT) switch.
  • the signal processor 470 may convert the intermediate frequency signal into a digital signal based on a sampling clock having a sampling frequency, and detect the phase and magnitude of the converted digital signal. The detected phase and magnitude may be transmitted to the controller 150 and used to calculate dielectric constant and conductivity information of the medium S.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a method of providing a reference clock and a sampling clock to a transmission / reception module according to an embodiment of the present invention.
  • the base module may include a reference clock generator 121 and a reference clock distribution module 600.
  • the reference clock generator 121 may generate a reference clock having a reference frequency of 5.35 MHz by using an oven-controlled crystal oscillator (OXCO), and the generated reference clock is provided to the reference clock distribution module 600. And distributed to the plurality of RF units TRM1 to TRM16 at the same time, thereby achieving synchronization.
  • the reference clock distribution module 600 described above may be configured with one 1: 2 clock divider 122 and two 1: 8 clock divider 123.
  • the plurality of RF units TRM1 to TRM16 may generate a sampling clock having a sampling frequency of 42.8 MHz based on the reference clock and transmit the generated sampling clock to each signal processor.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating a method of providing a reference clock and a sampling clock to a transmission / reception module according to an embodiment of the present invention. Unlike FIG. 6, the sampling clock is also signaled through a separate clock distribution module. And to deliver to the processing unit.
  • the phase locked loop (PLL) 125 receives the reference clock generated by the reference clock generator 121 to generate a sampling clock having a sampling frequency of 42.8 MHz, and the generated sampling clock is a sampling clock distribution module ( By being distributed by 700) and simultaneously provided to a plurality of signal processing units, synchronization can be achieved to increase measurement accuracy and stability.
  • the sampling clock distribution module 700 described above may be configured with one 1: 2 clock divider 126 and two 1: 8 clock divider 127.
  • FIG. 8 is a block diagram of a signal processing apparatus using electromagnetic waves according to another embodiment of the present invention.
  • one base module is divided into a master base module 810 and a slave base module 820, and the master base module 810 includes eight transmit / receive modules TRM1 to TRM8. Eight transmit / receive modules TRM9 to TRM16 are connected to the 820 to be configured to receive a reference clock and / or a sampling clock.
  • the 1: 8 clock divider 123 at the upper end of the reference clock generator 121 and the reference clock distribution module 600 illustrated in FIG. 6 is connected to the master base module 810.
  • the bottom 1: 8 clock divider 123 may be included.
  • the irradiated RF signal when irradiating a medium with an RF signal in one of a plurality of channels, in the remaining channels, the irradiated RF signal is reflected, scattered by the medium, or By simultaneously receiving the RF signal transmitted through the medium, the complicated switching matrix can be omitted and the measurement time can be drastically reduced.
  • FIG. 9 is a flowchart illustrating a signal processing method using electromagnetic waves according to an embodiment of the present invention.
  • descriptions of parts overlapped with those described in FIGS. 1 to 8 will be omitted.
  • the RF signal irradiated through the channel receives the RF signal reflected, scattered or transmitted through the liquid, and generates first data including the phase and the magnitude of the received RF signal (S910).
  • the irradiated RF signal receives the RF signal reflected, scattered or transmitted through the medium, and generates second data including the phase and the magnitude of the received RF signal (S920).
  • the permittivity and conductivity information of the medium may be calculated based on the difference between the first data and the second data (S930).
  • steps S910 to S920 may be performed sequentially for each of the plurality of channels, and the frequency of the RF signal irradiated to the medium has a frequency within a predetermined frequency range with a predetermined frequency interval. It can be swept as described above.
  • each of the antennas included in each of the plurality of channels is rotated by a predetermined angle around the medium or moved up and down the tank at regular intervals
  • the method may further include performing a second step.
  • the irradiated RF signal when irradiating a medium with an RF signal in one of a plurality of channels, in the remaining channels, the irradiated RF signal is reflected, scattered by the medium, or By simultaneously receiving the RF signal transmitted through the medium, the complicated switching matrix can be omitted and the measurement time can be drastically reduced.

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Abstract

본 발명의 일 실시 형태에 따른 전자파를 이용한 신호 처리 장치는 복수개의 채널들 중 어느 하나의 채널에서, RF 신호를 매질에 조사할 때, 복수개의 채널들 중 RF 신호를 조사한 채널을 제외한 나머지 채널에서는, 조사된 RF 신호가 매질에 의해 반사, 산란되거나 또는 매질을 투과한 RF 신호를 동시에 수신할 수 있다.

Description

전자파를 이용한 신호 처리 장치 및 이의 제어 방법
본 출원은, 전자파를 이용한 신호 처리에 관한 것이다.
의료장비, 지뢰탐지장비, 지질탐사장비 등의 매질검사장비들은 전자파, 초음파, X-ray 등의 센서를 주로 사용한다.
이중 X-ray는 강한 직진성과 매질의 성분에 따른 투과율이 다른 특성을 이용하는데, 인체에 유해한 단점이 있다.
초음파와 전자파는 매질의 성분에 따라 감쇄율 및 전파속도가 다르다는 특성과 또한 종류가 다른 매질의 경계면에서 반사, 투과, 굴절, 산란 등의 특성이 나타나는 점을 이용한다.
종래의 전자파 측정장치는 단일 송수신기로 스위칭 메트릭스를 이용하여 순차적으로 수신채널을 변경하면서 측정하였다. 따라서, 측정시간이 긴 단점이 있었다.
관련 기술로는, 예를 들면, 한국공개특허 제2010-0007078호(' 전자파 특성을 이용한 인체 암 진단 장치 및 방법', 공개일: 2010년01월22일)이 있다.
본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 복잡한 스위칭 매트릭스를 생략할 수 있음과 동시에 측정시간을 획기적으로 단축할 수 있는 전자파를 이용한 신호 처리 장치 및 이의 제어 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 복수개의 채널들을 구비한 신호 처리 장치에 있어서, 상기 복수개의 채널들 각각은, 송신 모드에서 상기 RF 신호를 매질에 조사하고, 수신 모드에서는 상기 매질에 의해 반사, 산란되거나 또는 상기 매질을 투과한 RF 신호를 수신하는 안테나; 및 상기 송신 모드에서 상기 RF 신호를 생성하여 상기 안테나로 전달하고, 상기 수신 모드에서는 상기 안테나에 의해 수신된 RF 신호의 위상 및 크기를 검출하는 송수신 모듈을 포함하며, 상기 복수개의 채널들 중 어느 하나의 채널에서, 상기 RF 신호를 매질에 조사할 때, 상기 복수개의 채널들 중 상기 RF 신호를 조사한 채널을 제외한 나머지 채널에서는, 상기 조사된 RF 신호가 상기 매질에 의해 반사, 산란되거나 또는 상기 매질을 투과한 RF 신호를 동시에 수신하는 신호 처리 장치가 제공된다.
본 발명의 다른 실시 형태에 의하면, 복수개의 채널들을 구비한 신호 처리 방법에 있어서, 수조내에 액체가 채워진 상태에서, 상기 복수개의 채널들 중 어느 하나의 채널을 통해 RF 신호를 상기 액체에 조사할 때, 상기 복수개의 채널들 중 상기 RF 신호를 조사한 채널을 제외한 나머지 채널을 통해서 상기 조사된 RF 신호가 상기 액체에 의해 반사, 산란되거나 또는 상기 액체를 투과한 RF 신호를 수신하고 상기 수신된 RF 신호의 위상 및 크기를 포함하는 제1 데이터를 생성하는 제1 단계; 상기 액체가 채워진 수조내에 매질을 삽입한 상태에서, 상기 복수개의 채널들 중 어느 하나의 채널을 통해 상기 RF 신호를 상기 매질에 조사할 때, 상기 복수개의 채널들 중 상기 RF 신호를 조사한 채널을 제외한 나머지 채널을 통해서 상기 조사된 RF 신호가 상기 매질에 의해 반사, 산란되거나 또는 상기 매질을 투과한 RF 신호를 수신하고 상기 수신된 RF 신호의 위상 및 크기를 포함하는 제2 데이터를 생성하는 제2 단계; 및 상기 제1 데이터 및 상기 제2 데이터의 차에 기초하여 상기 매질의 유전율 및 도전율 정보를 계산하는 제3 단계를 포함하며, 상기 액체 또는 상기 매질에 의해 반사, 산란되거나 또는 상기 액체를 투과한 RF 신호는, 상기 복수개의 채널들 중 상기 RF 신호를 조사한 채널을 제외한 나머지 채널 모두에서 동시에 수신되는 신호 처리 방법이 제공된다.
본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 복수개의 채널들 중 어느 하나의 채널에서 RF 신호를 매질에 조사할 때, 나머지 채널에서는, 조사된 RF 신호가 매질에 의해 반사, 산란되거나 또는 매질을 투과한 RF 신호를 동시에 수신하도록 함으로써, 복잡한 스위칭 매트릭스를 생략할 수 있음과 동시에 측정시간을 획기적으로 단축할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시 형태에 의하면, 기준 클록 및/또는 샘플링 클록을 복수개의 송수신 모듈에 동시에 제공함으로써, 동기화를 이뤄 측정의 정확도와 안정도를 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 전자파를 이용한 신호 처리 장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 RF 신호의 송신 및 수신을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 수조 둘레를 따라 배치된 안테나들과 액츄에이터에 의한 안테나들의 이동 방향을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 송수신 모듈의 내부 블록도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 송수신 모듈의 RF부에서 사용되는 실제 소자들을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 송수신 모듈에 기준 클록 및 샘플링 클록을 제공하는 방식을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 송수신 모듈에 기준 클록 및 샘플링 클록을 제공하는 방식을 도시한 도면을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 전자파를 이용한 신호 처리 장치의 구성도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 전자파를 이용한 신호 처리 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나 본 발명의 실시형태는 여러 가지의 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로만 한정되는 것은 아니다. 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 전자파를 이용한 신호 처리 장치의 구성도이다. 그리고, 도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 RF 신호의 송신 및 수신을 설명하기 위한 도면이며, 도 3은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 수조 둘레를 따라 배치된 안테나들과 안테나 액츄에이터에 의한 안테나들의 이동 방향을 도시한 도면이다.
우선, 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 신호 처리 장치는, 복수개의 안테나들(ANT1 내지 ANT16)을 포함하는 안테나부(100), 복수개의 송수신 모듈들(TRM1 내지 TRM16)을 포함하는 송수신부(110), 베이스 모듈(120), 안테나 액츄에이터(130), 파워 서플라이(140) 및 제어부(150)를 포함할 수 있다. 제어부(150)와 베이스 모듈(120), 제어부(150)와 안테나 액츄에이터(130)는 RS232 케이블로 연결될 수 있다.
복수개의 안테나들(ANT1 내지 ANT16)은, 도 3에 도시된 바와 같이, 수조(10)의 둘레 방향을 따라 동일한 각도로 이격 배치될 수 있으며, 수조(10) 내에는 매질과 동일한 유전율을 가진 액체(11)가 채워질 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시 형태를 설명함에 있어, 채널이라는 용어는 하나의 안테나와 하나의 송수신 모듈을 포함한다. 예를 들면, 제1 채널(1 ch)은 제1 안테나(ANT1)와 제1 송수신 모듈(TRM1)로 구성되며, 제2 채널(ch2)은 제2 안테나(ANT2)와 제2 송수신 모듈(TRM2), 제16 채널(16ch)은 제16 안테나(ANT16)와 제16 송수신 모듈(TRM16)로 구성된다. 비록 도 1에서는 16개의 채널을 도시하고 있으나, 이는 발명의 이해를 돕기 위한 것으로, 당업자의 필요에 따라서는 채널의 수가 16개보다 많거나 더 적을 수도 있음에 유의하여야 한다.
구체적으로, 복수개의 채널들 각각은, 송신 모드에서 RF 신호를 매질에 조사하고, 수신 모드에서는 매질에 의해 반사, 산란되거나 또는 매질을 투과한 RF 신호를 수신하는 안테나와, 송신 모드에서 RF 신호를 생성하여 안테나로 전달하고, 수신 모드에서는 안테나에 의해 수신된 RF 신호의 위상 및 크기를 검출하는 송수신 모듈로 구성될 수 있다.
특히, 본 발명의 일 실시 형태에 따르면, 복수개의 채널들 중 어느 하나의 채널에서, RF 신호를 매질에 조사할 때, 복수개의 채널들 중 RF 신호를 조사한 채널을 제외한 나머지 채널에서는, 조사된 RF 신호가 매질에 의해 반사, 산란되거나 또는 매질을 투과한 RF 신호를 동시에 수신할 수 있다.
구체적으로, 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 채널(ch1)을 통해 RF 신호를 매질(S)에 조사하며, 나머지 채널들(ch2 내지 ch16)에서는 매질(S)에 의해 반사, 산란되거나 또는 매질(S)을 투과한 RF 신호를 동시에 수신하도록 구성된다(S201). 이후, 제2 채널(ch2)을 통해 RF 신호를 매질(S)에 조사하며, 나머지 채널들(ch1, ch3 내지 ch16)에서는 매질(S)에 의해 반사, 산란되거나 또는 매질(S)을 투과한 RF 신호를 동시에 수신하도록 구성된다(S202).
이후, 제3 채널(ch3)을 통해 RF 신호를 매질(S)에 조사하며, 나머지 채널들(ch1 내지 ch2, ch4 내지 ch16)에서는 매질(S)에 의해 반사, 산란되거나 또는 매질(S)을 투과한 RF 신호를 동시에 수신하도록 구성된다(S203). 이는 마지막 제16 채널(ch16)에 이를 때까지 모든 채널에 대해 순차적으로 수행된다(S2016).
한편, 각 단계(S201 내지 S2016)에서, 조사되는 RF 신호의 주파수는 3~6GHz의 주파수 범위를 가지며, 주파수 가변 단위는 500MHz 또는 1GHz 단위 등 임의의 값으로 조절될 수 있다.
이와 같은 방식으로 RF 신호의 조사 및 수신은, 복수개의 채널들 모두에 대해 순차적으로 수행될 수 있다. 도 2에서 미설명된 부호 10은 수조이며, Tx ch는 송신 채널을, Rx ch는 수신 채널을 의미한다.
상술한 본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 주파수 스윕 단위가 1GHz라고 가정할 때, 기존 순차적 수신 방식의 경우 Tx 채널수(16) × Rx 채널의 측정 횟수(15) × 주파수 스윕(4) = 960이 측정 회수임에 반해, 본 발명의 실시 형태에 의하면, Tx 채널수(16) × Rx 채널의 측정 횟수(1) × 주파수 스윕(4) = 64가 측정 횟수이므로, 기존 방식에 소요되는 시간을 획기적으로 단축할 수 있는 이점이 있다.
한편, 베이스 모듈(120)은, 복수개의 송수신 모듈(TRM1 내지 TRM16) 간의 동기화를 위해 기준 클록 및/또는 샘플링 클록을 복수개의 채널들(ch1 내지 ch16)의 수에 따라 분배하여 복수개의 송수신 모듈(TRM1 내지 TRM16)에 동시에 제공하도록 구성될 수 있다.
안테나 액츄에이터(130)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 제어부(150)의 제어에 따라 복수개의 채널들 각각에 포함된 안테나(ANT1 내지 ANT16) 각각을, 매질(S)을 중심으로 일정 각도만큼 회전(D1 참조)시키거나 또는 수조(10)의 상하로(D2 참조) 일정 간격으로 이동시킬 수 있다.
파워 서플라이(140)는, 전원 공급 장치(power supply)로, 상술한 베이스 모듈(120)에 전원을 공급할 수 있다.
마지막으로, 제어부(150)는 송수신부(110)와 안테나 액츄에이터(130)를 제어하며, 송수신부(110)의 출력 데이터(RF 신호의 위상 및 주파수)에 역산란 해석 프로그램을 적용하여 매질의 유전율 및 도전율 정보를 계산할 수 있다.
한편, 도 4는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 송수신 모듈의 내부 블록도이며, 도 5는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 송수신 모듈의 RF부에서 사용되는 실제 소자들을 도시한 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 복수개의 송수신 모듈(TRM1 내지 TRM16) 각각은 RF부(400)와 신호 처리부(470)로 구성될 수 있으며, RF부(400)는 송신 모드에서 기준 주파수를 가지는 기준 클록에 기초하여 생성된 RF 신호(RF)를 매질에 조사하고, 수신 모드에서는 안테나에 의해 수신된 RF 신호(RF)로부터 중간 주파수 신호(IF)를 생성할 수 있다.
구체적으로, RF부(400)는, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 기준 클록의 기준 주파수로부터 RF 신호 및 국부 발진 신호(LO)를 생성하는 주파수 합성기(410)와, 송신 모드에서 RF 신호(RF)를 전력 증폭부(430)로 전달하며 수신 모드에서는 국부 발진 신호(LO)를 믹서(460)로 전달하는 경로 변환부(420)와, 송신 모드에서 RF 신호(RF)를 증폭하는 전력 증폭부(430)와, 수신 모드에서 수신된 RF 신호(RF)를 증폭하는 저잡음 증폭기(450)와, 송신 모드에서 전력 증폭부(430)에 의해 증폭된 RF 신호(RF)를 안테나로 전달하며 수신 모드에서는 안테나에 의해 수신된 RF 신호(RF)를 저잡음 증폭기(450)로 전달하는 송수신 스위칭부와, 수신 모드에서 국부 발진 신호(LO)와 수신된 RF 신호(RF)를 혼합하여 중간 주파수 신호(IF)를 생성하는 믹서(460)로 구성될 수 있다.
도 5에서, 송수신 모듈의 요구 사양을 만족시키기 위해 최대 송신 신호의 크기는 인체의 영향이 없도록 25dBm으로 하였으며, 최소 수신 신호의 크기는 -125dBm으로 하여 동적 범위(최대 송신 신호의 크기에서 최소 수신 신호의 크기를 뺀 값)를 150dB로 설정하였다. 이때 최대 송신 신호와 최소 수신 신호의 크기는 측정 조건에 따라 더 크거나 작아질 수 있다.
한편, 도 5에서 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 주파수 합성기(410)와 경로 변환부(420) 사이에는 송신 신호 가변부(510)를 구비하며, 저잡음 증폭기(450)와 믹서(460) 사이에는 수신 신호 가변부(520)를 더 구비할 수 있다.
송신 신호 가변부(510)는 감쇄기(512)를 포함하며, 송신 모드에서, 매질(S)에 조사할 RF 신호의 크기를 적절히 감쇄시키며, 수신 신호 가변부(520)는 스위치(521, 523), 감쇄기(522) 및 2개의 저잡음 증폭기(522, 525)를 포함하며, 수신 모드에서 수신된 RF 신호의 크기를 적절히 가변시킬 수 있다.
특히, 본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 수신된 RF 신호의 크기에 따라 경로를 달리하여 크기가 클 경우는 좌측의 감쇄기(512)만을 통과시켜 적절히 감쇄시키고, 크기가 작을 경우는 우측의 감쇄기(522) 및 2개의 저잡음 증폭기(522, 525)를 통과하도록 하여 증폭과 함께 감쇄시키도록 구성하였다. 상술한 2개의 저잡음 증폭기(522, 525)는 성능에 따라 1개의 저잡음 증폭기로 구성 가능함에 유의하여야 한다.
한편, 도 5에서 전력 증폭부(430)는 2개의 증폭기(432, 434), 감쇄기(431), 필터(433)로 구성하였으며, 미설명된 도면 부호 411은 필터를, 511, 513, 452, 461은 증폭기를 의미한다. 상술한 스위치들(420, 440, 521, 523)은 SPDT(Single Pole Double Throw) 스위치로 구현 가능하다.
한편, 신호 처리부(470)는 샘플링 주파수를 가지는 샘플링 클록에 기초하여 중간 주파수 신호를 디지털 신호로 변환하고, 변환된 디지털 신호의 위상 및 크기를 검출할 수 있다. 검출된 위상 및 크기는 제어부(150)로 전달되어 매질(S)의 유전율 및 도전율 정보를 계산하는데 이용될 수 있다.
한편, 도 6은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 송수신 모듈에 기준 클록 및 샘플링 클록을 제공하는 방식을 도시한 도면이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 베이스 모듈(도 1의 120 참조)은 기준 클록 생성부(121)와 기준 클록 분배 모듈(600)로 구성될 수 있다.
구체적으로, 기준 클록 생성부(121)는 OXCO(Oven-Controlled Crystal Oscillator)을 사용하여 5.35MHz의 기준 주파수를 가진 기준 클록을 생성할 수 있고, 생성된 기준 클록은 기준 클록 분배 모듈(600)에 의해 분배되어 복수개의 RF 부(TRM1 내지 TRM16)에 동시에 제공됨으로써, 동기화를 이룰 수 있다. 상술한 기준 클록 분배 모듈(600)은 하나의 1:2 클록 분배기(122)와 2개의 1:8 클록 분배기(123)로 구성될 수 있다.
이후, 복수개의 RF부(TRM1 내지 TRM16)는 내부에서 기준 클록에 기초하여 42.8MHz의 샘플링 주파수를 가진 샘플링 클록을 생성하여 각각의 신호 처리부로 전달할 수 있다.
한편, 도 7은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 송수신 모듈에 기준 클록 및 샘플링 클록을 제공하는 방식을 도시한 도면을 도시한 도면으로, 도 6과 달리 샘플링 클록 역시 별도의 클록 분배 모듈을 통해 신호 처리부로 전달하도록 구성된다.
즉, 위상 고정 루프(PLL)(125)는 기준 클록 생성부(121)에서 생성된 기준 클록을 전달받아 42.8MHz의 샘플링 주파수를 가지는 샘플링 클록을 생성하며, 생성된 샘플링 클록은 샘플링 클록 분배 모듈(700)에 의해 분배되어 복수개의 신호 처리부에 동시에 제공됨으로써, 동기화를 이뤄 측정 정확도와 안정도를 높일 수 있다. 상술한 샘플링 클록 분배 모듈(700)은 하나의 1:2 클록 분배기(126)와 2개의 1:8 클록 분배기(127)로 구성될 수 있다.
상술한 도 6 및 도 7에서 도시된 구체적인 수치들은 발명의 이해를 돕기 위한 것에 불과하며, 필요에 따라 변경 실시될 수 있는 값들임에 유의하여야 한다.
한편, 도 8은 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 전자파를 이용한 신호 처리 장치의 구성도이다.
도 1과 달리, 하나의 베이스 모듈은, 마스터 베이스 모듈(810)과 슬레이브 베이스 모듈(820)로 분리되었으며, 마스터 베이스 모듈(810)에는 8개의 송수신 모듈(TRM1 내지 TRM8)이, 슬레이브 베이스 모듈(820)에는 8개의 송수신 모듈(TRM9 내지 TRM16)이 연결되어 기준 클록 및/또는 샘플링 클록을 제공받도록 구성된다. 이 경우, 마스터 베이스 모듈(810)에 도 6에 도시된 기준 클록 생성부(121) 및 기준 클록 분배 모듈(600) 중 상단의 1:8 클록 분배기(123)가, 슬레이브 베이스 모듈(820)에는 하단의 1:8 클록 분배기(123)가 포함될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 복수개의 채널들 중 어느 하나의 채널에서 RF 신호를 매질에 조사할 때, 나머지 채널에서는, 조사된 RF 신호가 매질에 의해 반사, 산란되거나 또는 매질을 투과한 RF 신호를 동시에 수신하도록 함으로써, 복잡한 스위칭 매트릭스를 생략할 수 있음과 동시에 측정시간을 획기적으로 단축할 수 있다.
한편, 도 9는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 전자파를 이용한 신호 처리 방법을 설명하기 위한 흐름도이다. 다만, 발명의 간명화를 위해 도 1 내지 도 8에서 설명된 사항과 중복된 부분에 대한 설명은 생략한다.
도 9에 도시된 바와 같이, 우선 수조내에 액체가 채워진 상태에서, 복수개의 채널들 중 어느 하나의 채널을 통해 RF 신호를 액체에 조사할 때, 복수개의 채널들 중 RF 신호를 조사한 채널을 제외한 나머지 채널을 통해서 조사된 RF 신호가 액체에 의해 반사, 산란되거나 또는 액체를 투과한 RF 신호를 수신하고 수신된 RF 신호의 위상 및 크기를 포함하는 제1 데이터를 생성한다(S910).
다음, 액체가 채워진 수조내에 매질을 삽입한 상태에서, 복수개의 채널들 중 어느 하나의 채널을 통해 RF 신호를 매질에 조사할 때, 복수개의 채널들 중 RF 신호를 조사한 채널을 제외한 나머지 채널을 통해서 조사된 RF 신호가 매질에 의해 반사, 산란되거나 또는 매질을 투과한 RF 신호를 수신하고 수신된 RF 신호의 위상 및 크기를 포함하는 제2 데이터를 생성한다(S920).
마지막으로, 제1 데이터 및 제2 데이터의 차에 기초하여 매질의 유전율 및 도전율 정보를 계산할 수 있다(S930).
본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 단계 S910 내지 S920은 복수개의 채널들 각각에 대하여 순차적으로 수행될 수 있으며, 매질에 조사되는 RF 신호의 주파수는, 미리 설정된 주파수 간격을 가지고 일정 주파수 범위 내에서 주파수 스윕될 수 있음은 상술한 바와 같다.
또한, 본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 상술한 신호 처리 방법은, 복수개의 채널들 각각에 포함된 안테나 각각을, 매질을 중심으로 일정 각도만큼 회전시키거나 또는 수조의 상하로 일정 간격으로 이동시킨 후 제2 단계를 수행하는 단계를 더 포함할 수 있음은 상술한 바와 같다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 복수개의 채널들 중 어느 하나의 채널에서 RF 신호를 매질에 조사할 때, 나머지 채널에서는, 조사된 RF 신호가 매질에 의해 반사, 산란되거나 또는 매질을 투과한 RF 신호를 동시에 수신하도록 함으로써, 복잡한 스위칭 매트릭스를 생략할 수 있음과 동시에 측정시간을 획기적으로 단축할 수 있다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되지 아니한다. 첨부된 청구범위에 의해 권리범위를 한정하고자 하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.

Claims (16)

  1. 복수개의 채널들을 구비한 신호 처리 장치에 있어서,
    상기 복수개의 채널들 각각은,
    송신 모드에서 상기 RF 신호를 매질에 조사하고, 수신 모드에서는 상기 매질에 의해 반사, 산란되거나 또는 상기 매질을 투과한 RF 신호를 수신하는 안테나; 및
    상기 송신 모드에서 상기 RF 신호를 생성하여 상기 안테나로 전달하고, 상기 수신 모드에서는 상기 안테나에 의해 수신된 RF 신호의 위상 및 크기를 검출하는 송수신 모듈을 포함하며,
    상기 복수개의 채널들 중 어느 하나의 채널에서, 상기 RF 신호를 매질에 조사할 때,
    상기 복수개의 채널들 중 상기 RF 신호를 조사한 채널을 제외한 나머지 채널에서는, 상기 조사된 RF 신호가 상기 매질에 의해 반사, 산란되거나 또는 상기 매질을 투과한 RF 신호를 동시에 수신하는 신호 처리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 송수신 모듈은,
    상기 송신 모드에서 기준 주파수에 기초하여 생성된 RF 신호를 상기 매질에 조사하고, 상기 수신 모드에서는 상기 안테나에 의해 수신된 RF 신호로부터 중간 주파수 신호를 생성하는 RF 부; 및
    샘플링 주파수에 기초하여 상기 생성된 중간 주파수 신호를 디지털 신호로 변환하고, 변환된 디지털 신호의 위상 및 크기를 검출하는 신호 처리부를 포함하는 신호 처리 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 RF부는,
    상기 기준 주파수로부터 상기 RF 신호 및 국부 발진 신호를 생성하는 주파수 합성기;
    상기 송신 모드에서, 상기 생성된 RF 신호를 증폭하는 전력 증폭부;
    상기 수신 모드에서, 상기 수신된 RF 신호를 증폭하는 저잡음 증폭기; 및
    상기 수신 모드에서, 상기 국부 발진 신호와 상기 수신된 RF 신호를 혼합하여 중간 주파수 신호를 생성하는 믹서를 포함하는 신호 처리 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 RF부는,
    상기 송신 모드에서 상기 RF 신호를 상기 전력 증폭부로 전달하며, 상기 수신 모드에서는 상기 국부 발진 신호를 상기 믹서로 전달하는 경로 변환부; 및
    상기 송신 모드에서 상기 전력 증폭부에 의해 증폭된 RF 신호를 안테나로 전달하며, 상기 수신 모드에서는 상기 안테나에 의해 수신된 RF 신호를 상기 저잡음 증폭기로 전달하는 송수신 스위칭부를 더 포함하는 신호 처리 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 신호 처리 장치는,
    상기 기준 주파수를 가지는 기준 클록을 생성하는 기준 클록 생성부; 및
    상기 생성된 기준 클록을 상기 복수개의 채널들의 수에 따라 분배하여 복수개의 RF 부에 동시에 제공함으로써, 상기 복수개의 RF 부를 동기화하는 기준 클록 분배 모듈이 구비된 베이스 모듈을 더 포함하는 신호 처리 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 복수개의 RF 부 각각은,
    상기 기준 클록으로부터 상기 샘플링 주파수를 가지는 샘플링 클록을 생성하여 상기 신호 처리부에 제공하는 신호 처리 장치.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 신호 처리 장치는,
    상기 기준 클록으로부터 상기 샘플링 주파수를 가지는 샘플링 클록을 생성하는 위상 고정 루프; 및
    상기 생성된 샘플링 클록을 상기 복수개의 채널들의 수에 따라 분배하여 복수개의 신호 처리부에 동시에 제공함으로써, 상기 복수개의 신호 처리부를 동기화하는 샘플링 클록 분배 모듈이 구비된 베이스 모듈을 더 포함하는 신호 처리 장치.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 RF부는,
    상기 송신 모드에서, 상기 매질에 조사할 RF 신호의 크기를 감쇄시키는 송신 신호 가변부; 및
    상기 수신 모드에서, 상기 수신된 RF 신호의 크기를 가변시키는 수신 신호 가변부를 더 포함하는 신호 처리 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 수신 신호 가변부는,
    상기 수신된 RF 신호의 크기에 따라 수신된 RF 신호의 크기를 감쇄만 시키거나 또는 증폭과 함께 감쇄시키는 신호 처리 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 RF 신호의 조사 및 수신은,
    상기 복수개의 채널들 모두에 대해 순차적으로 수행되는 신호 처리 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 매질에 조사되는 RF 신호의 주파수는,
    미리 설정된 주파수 간격을 가지고 일정 주파수 범위 내에서 주파수 스윕되는 신호 처리 장치.
  12. 복수개의 채널들을 구비한 신호 처리 방법에 있어서,
    수조내에 액체가 채워진 상태에서, 상기 복수개의 채널들 중 어느 하나의 채널을 통해 RF 신호를 상기 액체에 조사할 때, 상기 복수개의 채널들 중 상기 RF 신호를 조사한 채널을 제외한 나머지 채널을 통해서 상기 조사된 RF 신호가 상기 액체에 의해 반사, 산란되거나 또는 상기 액체를 투과한 RF 신호를 수신하고 상기 수신된 RF 신호의 위상 및 크기를 포함하는 제1 데이터를 생성하는 제1 단계;
    상기 액체가 채워진 수조내에 매질을 삽입한 상태에서, 상기 복수개의 채널들 중 어느 하나의 채널을 통해 상기 RF 신호를 상기 매질에 조사할 때, 상기 복수개의 채널들 중 상기 RF 신호를 조사한 채널을 제외한 나머지 채널을 통해서 상기 조사된 RF 신호가 상기 매질에 의해 반사, 산란되거나 또는 상기 매질을 투과한 RF 신호를 수신하고 상기 수신된 RF 신호의 위상 및 크기를 포함하는 제2 데이터를 생성하는 제2 단계; 및
    상기 제1 데이터 및 상기 제2 데이터의 차에 기초하여 상기 매질의 유전율 및 도전율 정보를 계산하는 제3 단계를 포함하며,
    상기 액체 또는 상기 매질에 의해 반사, 산란되거나 또는 상기 액체를 투과한 RF 신호는, 상기 복수개의 채널들 중 상기 RF 신호를 조사한 채널을 제외한 나머지 채널 모두에서 동시에 수신되는 신호 처리 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 복수개의 채널들 각각은,
    송신 모드에서 상기 RF 신호를 상기 액체 또는 상기 매질에 조사하고, 수신 모드에서는 상기 액체 또는 상기 매질에 의해 반사, 산란되거나 또는 상기 액체 또는 상기 매질을 투과한 RF 신호를 수신하는 안테나; 및
    상기 송신 모드에서 상기 RF 신호를 생성하여 상기 안테나로 전달하고, 상기 수신 모드에서는 상기 안테나에 의해 수신된 RF 신호의 위상 및 크기를 검출하는 송수신 모듈을 포함하는 신호 처리 방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 제1 단계 및 상기 제2 단계는,
    상기 복수개의 채널들 모두에 대해 순차적으로 수행되는 신호 처리 방법.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 매질에 조사되는 RF 신호의 주파수는,
    미리 설정된 주파수 간격을 가지고 일정 주파수 범위 내에서 주파수 스윕되는 신호 처리 방법.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 신호 처리 방법은,
    상기 복수개의 채널들 각각에 포함된 안테나 각각을, 상기 매질을 중심으로 일정 각도만큼 회전시키거나 또는 상기 수조의 상하로 일정 간격으로 이동시킨 후 상기 제2 단계를 수행하는 단계를 더 포함하는 신호 처리 방법.
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