본 논문에서는 밀리미터파 대역에서 다양한 매질들에 대한 유전적 특성의 측정을 통해 유전율 결과를 제시하였다. 밀리미터파는 짧은 파장과 넓은 대역폭을 가지고 있어 부품의 소형화, 경량화가 가능하고, 정보의 대량 전송이 가능하다는 장점을 가지고 있기 때문에 그 연구의 필요성이 높아지고 있다. 이 대역의 전파는 직진성이 뛰어나고 회절성이 작으며 여러 물질들에서 전파가 흡수되어 불필요한 간섭이 잘 발생하지 않는 특징을 가지고 있다. 그렇기 때문에 밀리미터파 대역의 전파가 진행하는 과정에서 반사 투과하는 다양한 매질들의 전기적인 특성에 대한 분석이 중요할 것이다. 따라서 본 논문에서는 밀리미터파 대역에서 Free Space 방식을 이용하여 물질의 반사 투과 특성을 측정하였다. 이를 활용하여 Nicolson-Ross Weir 유전율 계산법을 이용해 다양한 매질들의 유전율을 도출하였다.
본 논문에서는 밀리미터파 대역에서 다양한 매질들에 대한 유전적 특성의 측정을 통해 유전율 결과를 제시하였다. 밀리미터파는 짧은 파장과 넓은 대역폭을 가지고 있어 부품의 소형화, 경량화가 가능하고, 정보의 대량 전송이 가능하다는 장점을 가지고 있기 때문에 그 연구의 필요성이 높아지고 있다. 이 대역의 전파는 직진성이 뛰어나고 회절성이 작으며 여러 물질들에서 전파가 흡수되어 불필요한 간섭이 잘 발생하지 않는 특징을 가지고 있다. 그렇기 때문에 밀리미터파 대역의 전파가 진행하는 과정에서 반사 투과하는 다양한 매질들의 전기적인 특성에 대한 분석이 중요할 것이다. 따라서 본 논문에서는 밀리미터파 대역에서 Free Space 방식을 이용하여 물질의 반사 투과 특성을 측정하였다. 이를 활용하여 Nicolson-Ross Weir 유전율 계산법을 이용해 다양한 매질들의 유전율을 도출하였다.
This paper presents the results of permittivities of various materials by measurements of the dielectric properties for the materials in millimeter-wave band. Since the advantages of millimeter wave band include the miniaturization, weight reduction of component and a lot of information transfer, it...
This paper presents the results of permittivities of various materials by measurements of the dielectric properties for the materials in millimeter-wave band. Since the advantages of millimeter wave band include the miniaturization, weight reduction of component and a lot of information transfer, its study has received increasing attention of researches. Also, because of the characteristics of the band have the superior straightness and the small diffractive, in the band, the analysis for the reflection and transmission characteristics of the materials will be very important. Moreover, a low interference is one of characteristics of the band due to the fact that the millimeter wave is absorbed in the materials. Therefore, in this paper, the reflection and transmission characteristics of materials are measured in the band by using the free space method. Based on the presented result, the permittivities of the materials are derived by the calculation of Nicolson-Ross Weir method.
This paper presents the results of permittivities of various materials by measurements of the dielectric properties for the materials in millimeter-wave band. Since the advantages of millimeter wave band include the miniaturization, weight reduction of component and a lot of information transfer, its study has received increasing attention of researches. Also, because of the characteristics of the band have the superior straightness and the small diffractive, in the band, the analysis for the reflection and transmission characteristics of the materials will be very important. Moreover, a low interference is one of characteristics of the band due to the fact that the millimeter wave is absorbed in the materials. Therefore, in this paper, the reflection and transmission characteristics of materials are measured in the band by using the free space method. Based on the presented result, the permittivities of the materials are derived by the calculation of Nicolson-Ross Weir method.
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문제 정의
[1][2][3] 그렇기 때문에 밀리미터파는 전파가 진행하는 과정에서 반사·투과하는 매질들의 유전적 성질 및 특성에 대한 분석이 중요한데 이러한 물질의 특성을 분석하기 위한 성질의 하나가 유전율이다. 따라서 본 논문에서는 밀리미터파 대역에서 실제 전파가 반사, 투과 할 수 있는 건축물 등에 사용되는 다양한 매질의 물질상수를 측정하고 이를 바탕으로 다양한 매질의 유전율을 도출하였다.
본 논문에서는 밀리미터파 대역의 다양한 주파수에서 다양한 매질의 유전율을 측정하기 때문에 매질의 종류가 자유롭고 특정한 지그가 필요 없는 Free Space 방식으로 유전율을 측정하고자 한다. Free Space 방식으로 유전율을 측정할 때, 측정하고자 하는 매질 이외의 물질에서 반사되는 전파 간섭을 방지하기 위해 그림 2와 같이 매질과 안테나 주변으로 전파흡수체를 배치하여 유전율 측정 시스템을 구축하였다.
제안 방법
본 논문에서는 밀리미터파 대역의 다양한 주파수에서 다양한 매질의 유전율을 측정하기 때문에 매질의 종류가 자유롭고 특정한 지그가 필요 없는 Free Space 방식으로 유전율을 측정하고자 한다. Free Space 방식으로 유전율을 측정할 때, 측정하고자 하는 매질 이외의 물질에서 반사되는 전파 간섭을 방지하기 위해 그림 2와 같이 매질과 안테나 주변으로 전파흡수체를 배치하여 유전율 측정 시스템을 구축하였다.
따라서 본 논문에서 구축한 유전율 측정 시스템의 검증을 위하여 그림 3과 같이 Free Space 방식에서 측정한 유전율과 도파관을 이용하여 Transmission line 방식에서 측정한 유전율을 비교·분석하였다.
본 논문에서는 13-28GHz 대역에서 다양한 매질의 유전적 특성을 Free Space 방식으로 측정하고 NRW 유전율 계산법을 이용하여 유전율을 도출하였다. 각 매질의 유전율을 살펴보면 나무, 합판, 석고보드, 유리, 타일, 대리석 순으로 그 값이 높아지고 있는데, 그 결과 매질에 따른 유전적 특징은 매질의 단단한 정도에 따라 다르게 나타나며 대체로 매질의 단단한 정도에 비례하여 유전율이 높아지는 것을 확인할 수 있었고, 주파수 대역으로 보면 28GHz 대역에서의 유전율이 13GHz 대역보다 높아지는 것을 확인 할 수 있었다.
매질의 두께는 특별히 제작한 것이 아니기 때문에 각각 다르게 나타나고 있지만 본 논문은 매질의 종류에 따른 유전율을 목표로 하고 있기 때문에 매질의 두께 변화는 언급하지 않는다. 안테나와 매질과의 거리는 300mm가 되고, 송신 안테나와 수신 안테나 사이의 거리는 600mm가 되도록 측정을 진행하였다.
유전율 측정을 위한 매질은 표 3과 같이 일반적으로 건물에 사용되는 매질들로 결정하였으며, 측정 주파수를 고려하여 최소 크기를 전파가 회절 되어 수신안테나에 입사되는 것을 방지하고자 전파의 방사 크기보다 여유 공간(2λ 이상, 80mm)을 갖도록 정하였다.
전파는 송·수신 안테나 사이에 매질이 존재하게 되면 위상의 변화와 수신 파워의 감쇠를 가져오게 되는데 이를 이용해 유전율을 구하기 때문에 유전율의 측정은 먼저 자유공간에서의 전파의 위상과 수신 파워를 측정하고 난 후, 송·수신 안테나 사이에 매질을 위치시키고 각각의 매질이 보이는 전파 특성을 본 논문의 측정 주파수인 13.5, 22.85, 25.75, 28 GHz에서 각각의 매질에 대하여 측정하였다.
성능/효과
본 논문에서는 13-28GHz 대역에서 다양한 매질의 유전적 특성을 Free Space 방식으로 측정하고 NRW 유전율 계산법을 이용하여 유전율을 도출하였다. 각 매질의 유전율을 살펴보면 나무, 합판, 석고보드, 유리, 타일, 대리석 순으로 그 값이 높아지고 있는데, 그 결과 매질에 따른 유전적 특징은 매질의 단단한 정도에 따라 다르게 나타나며 대체로 매질의 단단한 정도에 비례하여 유전율이 높아지는 것을 확인할 수 있었고, 주파수 대역으로 보면 28GHz 대역에서의 유전율이 13GHz 대역보다 높아지는 것을 확인 할 수 있었다. 하지만 유전율은 각각의 매질에서 13GHz ~ 28GHz의 주파수 대역에서 큰 변동이 없는 비슷한 값을 나타내는 것을 볼 수 있다.
위상은 유전율에 큰 영향 미치는 요소로 위상의 변화가 클수록 유전율이 큰 것을 결과를 통해 알 수 있다. 위상의 변화는 매질이 단단할수록 크게 나타나고 매질이 무른 나무, 석고보드 등에서 작게 나타나는 것을 볼 수 있었다.
표 4는 나무, 합판, 석고보드, 유리, 타일, 대리석의 유전율을 나타낸 것으로 각각의 매질에 대한 S parameter의 측정을 통해 NRW로 유전율을 계산한 결과이다. 표를 보면 대체로 딱딱한 매질에서 유전율이 높게 나오는 것을 알 수 있으며 10GHz 대역에서보다 20GHz 대역에서 유전율이 높게 나오는 것을 볼 수 있다. 주파수의 변화에 따라 유전율이 일정한 패턴으로 변하지 않는 것은 매질에 따른 주파수 반응의 특성에 기인할 수 있을 것이라 판단된다.
후속연구
하지만 유전율은 각각의 매질에서 13GHz ~ 28GHz의 주파수 대역에서 큰 변동이 없는 비슷한 값을 나타내는 것을 볼 수 있다. 따라서 각 주파수에서 측정된 데이터의 평균을 매질의 일반적인 유전율로 적용할 수 있을 것이고, 본 논문에서 측정을 통해 얻은 주파수별 매질의 유전율을 그대로 적용하여 매질에 따른 전파특성을 보다 자세히 분석할 수 있을 것이다.
정확한 유전율을 측정하기 위해서는 온도, 습도 등의 고려되어야 할 주변 환경이 많기 때문에 본 연구에서 구축한 측정 시스템이 신뢰할 수 있는 유전율을 측정할 수 있는지에 대한 검증이 필요할 것이다. 따라서 본 논문에서 구축한 유전율 측정 시스템의 검증을 위하여 그림 3과 같이 Free Space 방식에서 측정한 유전율과 도파관을 이용하여 Transmission line 방식에서 측정한 유전율을 비교·분석하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
유전율 측정을 위한 방법에는 무엇이 있는가?
물질의 유전율은 주파수에 영향을 받고, 유전율 측정 환경의 온도나 습도 등에도 영향을 받기 때문에 정확한 측정을 위해서는 측정 환경의 온도와 습도 등 주변 환경적 변수를 일정하게 유지시키는 것이 중요하다. 유전율 측정을 위한 방법은 표 1과 같이 측정하고자 하는 주파수의 범위, 측정 결과의 정밀도, 측정하고자 하는 재료의 특성 등에 따라 Resonant Cavity, Transmission Line, Coaxial Probe, Free Space 등의 방식이 있다.[4][5][9]
밀리미터파 대역의 전파는 어떠한 특징을 가지고 있는가?
밀리미터파는 짧은 파장과 넓은 대역폭을 가지고 있어 부품의 소형화, 경량화가 가능하고, 정보의 대량 전송이 가능하다는 장점을 가지고 있기 때문에 그 연구의 필요성이 높아지고 있다. 이 대역의 전파는 직진성이 뛰어나고 회절성이 작으며 여러 물질들에서 전파가 흡수되어 불필요한 간섭이 잘 발생하지 않는 특징을 가지고 있다. 그렇기 때문에 밀리미터파 대역의 전파가 진행하는 과정에서 반사 투과하는 다양한 매질들의 전기적인 특성에 대한 분석이 중요할 것이다.
밀리미터파의 장점은?
본 논문에서는 밀리미터파 대역에서 다양한 매질들에 대한 유전적 특성의 측정을 통해 유전율 결과를 제시하였다. 밀리미터파는 짧은 파장과 넓은 대역폭을 가지고 있어 부품의 소형화, 경량화가 가능하고, 정보의 대량 전송이 가능하다는 장점을 가지고 있기 때문에 그 연구의 필요성이 높아지고 있다. 이 대역의 전파는 직진성이 뛰어나고 회절성이 작으며 여러 물질들에서 전파가 흡수되어 불필요한 간섭이 잘 발생하지 않는 특징을 가지고 있다.
참고문헌 (9)
Dooyoung Youn, "Concepts and trends in millimeter-wave", KIDSI Information and Communications Policy, Vol. 18, No. 14, pp.52 -56, 2006.08.
Jingu Lee et al. "Study of improvement at the technical standards test methods for Millimeter-wave (60GHz, 76GHz)", National Radio Research Agency report, 2007.11.
Seung Eun Hong, Woo Young Lee, Hyun Kyu Jung, "A standardization trend of millimeter-wave wireless transmission technology for base on the 60GHz frequency band", TTA Journal , No. 130 87, pp.87 - 92, 2010.
Jong-Sung Park, Young-Joon Ko, Hong-Heon kim, "Review of Measurement Technipues for Dielectric Properties of Insulating materials", The Journal of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers, Vol. 10, No. 9, pp.960-967, 1997.11.
Agilent Technologies, "Free Space Materials Measurement Seminar", 2005.06
Fred I. Shimabukuro, Steven Lazar, Michael R. Chernick, Howell B. Dyson, "A Quasi-Optical Method for Measuring the Complex Permittivity of Materials", IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol.MTT-32, No. 7, 1984.07
www.scribd.com - NRW
Gyo-Yeong Cho, Wee-Sang Park, "A Permittivity Measurement of Dielectric Slabs Using a Parallel Plate Waveguide", The Journal of IWIT, VOL. 12 No. 2, 2012.04
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