[논문]유전율 측정을 위한 고감도 마이크로스트립 결함 접지 구조 기반 센서 설계

여준호; 이종익

doi:10.12673/jant.2019.23.1.69

유전율 측정을 위한 고감도 마이크로스트립 결함 접지 구조 기반 센서 설계
Design of Microstrip Defected Ground Structure-based Sensor with Enhanced-Sensitivity for Permittivity Measurement 원문보기

한국항행학회논문지 = Journal of advanced navigation technology, v.23 no.1 = no.94, 2019년, pp.69 - 76

여준호 (대구대학교 정보통신공학부) , 이종익 (동서대학교 메카트로닉스융합공학부)

초록
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본 논문에서는 평면 유전체 기판의 유전율 측정을 위해 마이크로스트립 결함 접지구조를 기반으로 한 고감도 마이크로파 센서의 설계 방법에 대하여 연구하였다. 제안된 센서는 H-모양 개구의 리지 구조를 커패시터 기호 모양으로 변형하여 설계하였다. 제안된 센서의 감도를 기존의 이중 링 상보형 분할 링 공진기를 기반으로 한 센서의 감도와 비교하였다. 두 센서는 피 시험 기판이 없는 상태에서 전송 계수가 1.5 GHz에서 공진하도록 0.76 mm 두께의 RF-35 기판 상에 설계하고 제작하였다. 피 시험 기판으로 비유 전율이 2.17에서 10.2 범위에 있는 타코닉 기판 5종을 선택하였다. 실험 결과, 전송계수 공진주파수의 이동으로 측정된 제안된 센서의 감도는 기존 이중 링 상보형 분할 링 공진기를 기반으로 한 센서와 비교할 때 1.31배에서 1.62배 증가하는 것을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, a design method for an enhanced-sensitivity microwave sensor based on microstrip defected ground structure was studied for the permittivity measurement of planar dielectric substrates. The proposed sensor was designed by modifying the ridge structure of an H-shaped aperture into the shape of a capacitor symbol. The sensitivity of the proposed sensor was compared with that of a conventional sensor based on a double-ring complementary split ring resonator(DR-CSRR). Two sensors were designed and fabricated on a 0.76-mm-thick RF-35 substrate so that the transmission coefficient would resonate at 1.5 GHz in the absence of the substrate under test. Five types of taconic substrates with a relative permittivity ranging from 2.17 to 10.2 were selected asthe substrate under test. Experiment results show that the sensitivity of the proposed sensor, which is measured by the shift in the resonant frequency of the transmission coefficient, is 1.31 to 1.62 times higher than that of the conventional DR-CSRR-based sensor.

주제어

표/그림 (11)

그림 그림 1. 제안된 마이크로스트립 CSS-DGS 기반 고감도 센서 구조와 S-변수 특성 Fig. 1. Geometry and S-parameter characteristics of proposed enhanced-sensitivity sensor based on microstrip CSS-DGS.
그림 그림 2. 기존의 DR-CSRR 기반 센서 구조와 S-변수 특성 Fig. 2. Geometry and S-parameter characteristics of conventional sensor based on DR-CSRR.
그림 그림 3. SUT의 비유전율 변화에 따른 두 센서의 S₂₁ 특성: (a) DR-CSRR 기반 센서, (b) CSS-DGS 기반 센서 Fig. 3. S₂₁ characteristics of two sensors for varying relative permittivity of SUT: (a) DR-CSRR-based sensor, (b) CSS-DGS-based sensor.
그림 그림 4. 두 센서의 성능 비교: (a) 공진 주파수 이동, (b) 감도, (c) DR-CSRR 기반 센서와 비교할 때 CSS-DGS 기반 센서의 감도 향상 Fig. 4. Comparison of performances for two sensors: (a) resonant frequency shift, (b) sensitivity, (c) sensitivity enhancement of CSS-DGS-based sensor compared to DR-CSRR-based sensor.
그림 그림 5. 제작된 센서 사진: (a) DR-CSRR 기반 센서, (b) CSS-DGS 기반 센서 Fig. 5. Photographs of fabricated sensors: (a) DR-CSRRbased sensor, (b) CSS-DGS-based sensor.
그림 그림 6. 표 1의 SUT 5종에 대한 두 센서의 S₂₁ 특성: (a) DR-CSRR 기반 센서, (b) CSS-DGS 기반 센서 Fig. 6. S₂₁ characteristics of two sensors for five SUTs in Table 1: (a) DR-CSRR-based sensor, (b) CSS-DGS-based sensor
그림 그림 7. SUT 5종에 대한 두 센서의 성능 시뮬레이션: (a) 공진 주파수 이동, (b) 감도, (c) DR-CSRR 기반 센서와 비교할 때 CSS-DGS 기반 센서의 감도 향상 Fig. 7. Simulated performances of two sensors for five SUTs: (a) resonant frequency shift, (b) sensitivity, (c) sensitivity enhancement of CSS-DGS-based sensor compared to DR-CSRR-based sensor
표 표 1. SUT로 사용된 5개 taconic 기판의 비유전율, 손실탄젠트 및 두께 Table 1. Relative permittivity, loss tangent, and thickness of five taconic substrates used as SUT.
그림 그림 8. 측정 사진: (a) SUT가 없을 때(unloaded), (b) SUT가 있을 때(loaded) Fig. 8. Photographs of experiment: (a) without SUT(unloaded), (b) with SUT(loaded)
그림 그림 9. SUT 5종에 대한 두 센서의 측정된 S₂₁ 특성: (a) DR-CSRR 기반 센서, (b) CSS-DGS 기반 센서 Fig. 9. Measured S₂₁ characteristics of two sensors for five SUTs: (a) DR-CSRR- based sensor, (b) CSS-DGS-based sensor
그림 그림 10. SUT 5종에 대한 두 센서의 측정된 성능 비교: (a) 공진 주파수 이동, (b) 감도, (c) DR-CSRR 기반 센서와 비교할 때 CSS-DGS 기반 센서의 감도 향상 Fig. 10. Measured performance comparison of two sensors for five SUTs: (a) resonant frequency shift, (b) sensitivity, (c) sensitivity enhancement of CSS-DGS-based sensor compared to DR-CSRR-based sensor,

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 유전율 측정을 위한 인터디지털 커패시터 모양의 마이크로스트립 결함 접지 구조를 기반으로 한 고감도 마이크로파 센서의 설계 방법에 대하여 연구하였다. 제안된 센서는 H-모양 개구의 리지 구조를 커패시터 기호 모양으로 변형하여 1.
본 논문에서는 평면 유전체 기판의 유전율 측정을 위해 마이크로스트립(microstrip) 결함 접지 구조(defected ground structure; DGS)를 기반으로 한 고감도 마이크로파 센서의 설계 방법에 대하여 연구하였다. 제안된 센서는 H-모양 개구의 리지(ridge) 구조를 변형하여 커패시터 기호 모양 결함 접지 구조 (CSS-DGS; capacitor-symbol-shaped DGS)를 설계하였다.

가설 설정

SUT의 비유전율은 1에서 10까지 1 간격으로 증가시키면서 S₂₁ 특성을 비교하였다. SUT의 손실탄젠트 는 0으로 하여 손실이 없는 것으로 가정하였다. 기존의 DR-CSRR 기반 센서의 경우, SUT의 비유전율이 1에서 10까지 1씩 증가할 때 S₂₁공진 주파수가 1.

제안 방법

SUT 5종에 대한 시뮬레이션 결과를 검증하기 위해 그림 8과 같이 Agilent 사의 N5230A 네트워크 분석기를 이용하여 제작된 두 센서의 접지면 뒤에 SUT 5종을 놓았을 때 S₂₁ 특성을 측정하였다. 먼저, SUT가 없을 때 DR-CSRR 및 CSS-DGS 기반 센 서의 S₂₁ 공진 주파수는 그림 9에 나타나 있듯이 1.
SUT의 비유전율은 1에서 10까지 1 간격으로 증가시키면서 S21 특성을 비교하였다.
비 공진 방식의 경우, 유전 물질의 유전율은 반사 및 투과 특성으로 측정된 전자파의 특성 임피던스 및 파속도의 변화로부터 유도한다. 이를 위해서 전자파를 시험 대상 물질 방향으로 유도한 다음 반사파와 전송파를 수집한다. 비 공진 방식에는 도파관 및 동축 전송선로 방식[3], 자유 공간 전송 방식[4], 개방형 전송선 방식[5] 및 평면 전송선 방식[6] 등이 있다.
제안된 센서는 마이크로스트립 전송선로의 접지면에 H-모양 개구의 리지 구조를 커패시터기호 모양으로 변형하여 설계하였다. 입력 임피던스 50옴과 정합되도록 마이크로스트립 전송선로의 폭은 w_f= 1.68 mm로 설계하였다. 기판의 길이와 폭은 각각 L = 100 mm와 W = 50 mm이다.
본 논문에서는 유전율 측정을 위한 인터디지털 커패시터 모양의 마이크로스트립 결함 접지 구조를 기반으로 한 고감도 마이크로파 센서의 설계 방법에 대하여 연구하였다. 제안된 센서는 H-모양 개구의 리지 구조를 커패시터 기호 모양으로 변형하여 1.5 GHz에서 설계하였고, 기존의 이중 링 상보형 분할 링 공진기를 기반으로 한 센서와 비교하였다.
본 논문에서는 평면 유전체 기판의 유전율 측정을 위해 마이크로스트립(microstrip) 결함 접지 구조(defected ground structure; DGS)를 기반으로 한 고감도 마이크로파 센서의 설계 방법에 대하여 연구하였다. 제안된 센서는 H-모양 개구의 리지(ridge) 구조를 변형하여 커패시터 기호 모양 결함 접지 구조 (CSS-DGS; capacitor-symbol-shaped DGS)를 설계하였다. 성능 검증을 위해 제안된 센서의 감도를 기존의 이중 링 상보형 분할링 공진기 (DR-CSRR; double-ring CSRR)를 기반으로 한 센서와 비교하였다.
그림 1에 제안된 CSS-DGS 기반 고감도 센서의 구조와 S-변수 특성이 나타나 있다. 제안된 센서는 마이크로스트립 전송선로의 접지면에 H-모양 개구의 리지 구조를 커패시터기호 모양으로 변형하여 설계하였다. 입력 임피던스 50옴과 정합되도록 마이크로스트립 전송선로의 폭은 w_f= 1.

대상 데이터

6 mm이고 길이와 폭은 센서와 동일하다. SUT의 두께는 실제 실험에서 사용할 taconic 기판 중에서 가장 두꺼운 기판의 두께가 1.6 mm 정도 되어 선택하였다. SUT의 비유전율은 1에서 10까지 1 간격으로 증가시키면서 S₂₁ 특성을 비교하였다.
68 mm로 설계하였다. 기판의 길이와 폭은 각각 L = 100 mm와 W = 50 mm이다. SUT가 없는 상태에서 전송 계수(S₂₁)가 1.
따라서 두 센서는 피 시험 기판 (SUT; substrate under test)이 없는 상태에서 전송 계수가 1.5 GHz에서 공진하도록 RF-35 기판(εr = 3.5, 두께= 0.76 mm, 손실 탄젠트= 0.0018)상에 설계하였다.
성능 검증을 위해 기존의 DR-CSRR 기반 센서와 제안된 CSS-DGS 기반 센서를 RF-35 기판(εr = 3.5, 두께= 0.76 mm, 손실탄젠트= 0.0018)을 이용하여 그림5와 같이 제작하였다.
성능 검증을 위해 제안된 센서의 감도를 기존의 이중 링 상보형 분할링 공진기 (DR-CSRR; double-ring CSRR)를 기반으로 한 센서와 비교하였다. 시뮬레이션과 해석을 위해 CST사의 Microwave Studio를 사용하였다. 일반적으로 유전율은 주파수의 함수로 분산되기 때문에 동일한 주파수에서 유전 특성을 비교할 필요가 있다.
표 1에 나타나 있듯이, 비유전율이 2.17에서 10.2이고 두께가 1.6 mm 근처인 taconic사의 표준 기판 5종을 SUT로 선정하였다[16]. SUT 5종의 비유전율, 손실탄젠트, 두께가 그림 3의 결과의 것과 다르므로 SUT 5종을 접지면 뒤에 놓았을 때 두 센서의 S₂₁ 특성을 다시 시뮬레이션 하였고 그림 6에 나타나 있다.

데이터처리

제안된 센서는 H-모양 개구의 리지(ridge) 구조를 변형하여 커패시터 기호 모양 결함 접지 구조 (CSS-DGS; capacitor-symbol-shaped DGS)를 설계하였다. 성능 검증을 위해 제안된 센서의 감도를 기존의 이중 링 상보형 분할링 공진기 (DR-CSRR; double-ring CSRR)를 기반으로 한 센서와 비교하였다. 시뮬레이션과 해석을 위해 CST사의 Microwave Studio를 사용하였다.

성능/효과

128 GHz이다. DR-CSRR 기반 센서와 비교할 때 CSS-DGS 기반 센서의 감도 향상은 1.62배로 시뮬레이션결과에 비해 약간 증가하였다.
33배이다. 따라서 기존의 DR-CSRR 기반 센서에 비해 제안된 CSS-DGS 기반 센서의 감도가 높음을 알 수 있다.
공진 주파수는 이러한 공진기 관련 커패시턴스에 대해 비선형적으로 변화한다. 따라서 센서의 감도는 비유전율의 변화에 따라 선형적으로 변하지 않고, 비유전율의 작은 값에 대해 더 높아진다는 것을 알 수 있다. 즉, 비유전율이 증가하면 센서의 감도는 단조함수처럼 감소한다[15].
특성을 측정하였다. 먼저, SUT가 없을 때 DR-CSRR 및 CSS-DGS 기반 센 서의 S₂₁ 공진 주파수는 그림 9에 나타나 있듯이 1.475 GHz와 1.5075 GHz로 시뮬레이션 공진주파수 1.5 GHz와 비교할 때 1.7%와 0.5%의 오차를 가진다. 이는 제작 및 측정 상의 오차에 의해 발생한 것으로 판단된다.
시뮬레이션 결과, DR-CSRR 기반 센서의 경우, SUT로 비유전율이 낮은 것부터 증가하도록 TLY-5A, RF-301, TRF-43, RF-60A, RF-10의 순서로 접지면 뒤에 놓을 경우 S₂₁의 공진 주파수가 1.399 GHz, 1.344 GHz, 1.262 GHz, 1.178 GHz, 1.039 GHz로 이동하였다.
041 GHz로 이동하였다. 제안된 CSS-DGS 기반 센서의 경우, S₂₁ 공진 주파수가 1.5 GHz에서 1.361 GHz, 1.258 GHz, 1.176 GHz, 1.108 GHz, 1.051 GHz, 1.002 GHz, 0.959 GHz, 0.923 GHz, 0.890 GHz로 더 많이 이동하였다.
제안된 CSS-DGS 기반 센서의 경우, SUT로 TLY-5A, RF-301, TRF-43, RF-60A, RF-10의 순서로 접지면 뒤에 놓을 경우 S₂₁의 공진 주파수가 1.343 GHz, 1.263 GHz, 1.151 GHz, 1.045 GHz, 0.886 GHz로 더 많이 이동하였다.
측정 결과, DR-CSRR 기반 센서의 경우, SUT로 TLY-5A, RF-301, TRF-43, RF-60A, RF-10의 순서로 접지면 뒤에 놓을 경우 S₂₁의 공진 주파수가 1.383 GHz, 1.343 GHz, 1.265 GHz, 1.178 GHz, 1.043 GHz로 이동하였다. 제안된 CSS-DGS 기반 센서의 경우, S₂₁의 공진 주파수가 1.
피 시험 기판으로 비유전율이 2.17에서 10.2 범위에 있는 타코닉 기판 5종을 선택하여 실험 결과, 전송 계수 공진 주파수의 이동으로 측정된 제안된 센서의 감도는 기존 이중링 상보형 분할 링 공진기를 기반으로 한 센서와 비교할 때 비유전율이 2.17일 때 1.62배 향상되고, 비유전율이 10.2일 때 1.31배 증가하는 것을 확인하였다.

후속연구

제안된 고감도 마이크로파 센서는 평면 고체 및 미세 유체 물질의 유전율 또는 생물학적 물질의 무선 감지에 사용될 것으로 기대된다. 또한 온도, 습도 및 기타 특성을 측정하기 위한 chipless RFID 센서의환경정보센싱장치로도적용될수있다.
제안된 고감도 마이크로파 센서는 평면 고체 및 미세 유체 물질의 유전율 또는 생물학적 물질의 무선 감지에 사용될 것으로 기대된다. 또한 온도, 습도 및 기타 특성을 측정하기 위한 chipless RFID 센서의환경정보센싱장치로도적용될수있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	마이 크로파 센서란 무엇인가?	다양한 방식의 센서 중에서 마이크로파 센서는 마이크로파 대역(0.3~300 GHz)에서 전자파와 물질과의 상호 작용을 기반 으로 유전율이나 투자율과 같은 물질의 특성을 측정한다. 마이 크로파 센서는 물질의 특성 뿐만 아니라 수분 함량, 밀도, 재료 의 구조 및 형태, 화학 반응에 관한 정보를 줄 수 있고, 비파괴 측정, 신속, 정밀, 완전자동화와같은기존센서에비해많은이 점을 제공한다. 특히, 전자파에 대한 유전 물질의 응답은 유전 율에 의존하기 때문에 정확한 유전율 측정은 안테나 및 마이크 로파회로설계및비파괴모니터링응용분야에매우중요하다 [2].
	공진 방식중 공진기 방법의 최근 사용법과 장점은 무엇인가?	최근 분할 링 공진기(split ring resonator; SRR) 혹은 상보형 분할 링 공진기(complimentary split ring resonator; CSRR) 구 조를 기반으로 한 평면형 공진기가 단순한 기하학적 구조, 제작의 용이성 및 저렴한 제작 비용과 같은 장점 때문에 공진기 방법으로 널리 사용되고 있다[9]-[12]. 그러나 기존의 SRR이나 CSRR 구조를 그대로 배치하여 유전율 변화에 대한 공진 주파 수 이동과 대역폭 변화만을 측정하였고 감도를 높이기 위한 새로운구조에대한연구는잘되어있지 않다.
	마이크로파를 이용한 유전율 측정 방법은 어떻게 분류 하는가?	마이크로파를 이용한 유전율 측정 방법은 공진 방식 (resonant method)과 비 공진 방식(non-resonant method)으로 분류 할 수 있다[2]. 비 공진 방식의 경우, 유전 물질의 유전율 은 반사 및 투과 특성으로 측정된 전자파의 특성 임피던스 및 파 속도의 변화로부터 유도한다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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