[논문]구부러진 슬롯이 추가된 고감도 마이크로스트립 패치 유전율 센서 안테나 설계

여준호; 이종익

doi:10.12673/jant.2019.23.5.415

구부러진 슬롯이 추가된 고감도 마이크로스트립 패치 유전율 센서 안테나 설계
Design of Bent-Slotted High-Sensitivity Microstrip Patch Permittivity Sensor Antenna 원문보기

한국항행학회논문지 = Journal of advanced navigation technology, v.23 no.5, 2019년, pp.415 - 423

여준호 (대구대학교 정보통신공학부) , 이종익 (동서대학교 메카트로닉스융합공학부)

초록
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본 논문에서는 유전율 측정을 위한 구부러진 슬롯이 추가된 고감도 마이크로스트립 패치 센서 안테나의 설계 방법에 대하여 연구하였다. 유전율에 대한 감도를 향상시키기 위해 단일 링 CSRR 구조와 유사한 구부러진 슬롯이 패치의 한쪽 방사면에 추가되었다. 제안된 마이크로스트립 패치 센서 안테나의 감도를 기존의 직사각형 마이크로스트립 패치 센서 안테나와 얇은 직사각형 슬롯이 추가된 마이크로스트립 패치 센서 안테나와 비교하였다. 세 마이크로스트립 패치 센서 안테나는 피 시험 상판이 없는 상태에서 전송 계수가 2.5 GHz에서 공진하도록 0.76 mm 두께의 RF-35 기판 상에 설계하고 제작하였다. 피 시험 상판으로 비유전율이 2.17에서 10.2 범위에 있는 타코닉 기판 5종을 사용하여 실험한 결과, 입력 반사계수의 공진 주파수의 이동으로 측정된 제안된 마이크로스트립 센서 안테나의 감도는 기존의 직사각형 마이크로스트립 패치 센서 안테나와 비교할 때 4.1배에서 6.1배 증가하는 것을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, a design method for a high-sensitivity microstrip patch sensor antenna (MPSA) loaded with a bent-slot was studied for the permittivity measurement. The bent-slot similar to a single-ring complementary split ring resonator was added along a radiating edge of the patch in order to enhance the sensitivity to the permittivity. The sensitivity of the proposed MPSA was compared with that of a conventional rectangular MPSA and a thin rectangular-slotted MPSA. Three MPSAs were designed and fabricated on a 0.76-mm-thick RF-35 substrate so that the input reflection coefficient would resonate at 2.5 GHz in the absence of the superstrate under test. When five different Taconic substrates with a relative permittivity ranging from 2.17 to 10.2 were used as the superstrate under test, experiment results show that the sensitivity of the proposed MPSA, which is measured by the shift in the resonant frequency of the input reflection coefficient, is 4.1 to 6.1 times higher than that of the conventional MPSA.

주제어

표/그림 (11)

그림 그림 1. MPSA 구조: (a) 제안된 구부러진 슬롯이 추가된 MPSA, (b) 직사각형 슬롯이 추가된 MPSA, (c) 기존의 직사각형 MPSA Fig. 1. Geometries of MPSAs: (a) proposed bent-slotted MPSA, (b) rectangular-slotted MPSA, and (c) conventional rectangular MPSA.
그림 그림 2. 그림 1의 세 MPSA S₁₁ 특성 비교 Fig. 2. S₁₁ characteristic comparison of three MPSAs in Fig. 1.
그림 그림 3. SUT의 비유전율 변화에 따른 세 MPSA의 S₁₁ 특성: (a) 기존의 직사각형 MPSA, (b) 직사각형 슬롯이 추가된 MPSA, (c) 제안된 구부러진 슬롯이 추가된 MPSA Fig. 3. S₁₁ characteristic comparison of three MPSAs for varying relative permittivity of SUT: (a) conventional rectangular MPSA, (b) rectangular-slotted MPSA, and (c) proposed bent-slotted MPSA.
그림 그림 4. 세 MPSA의 성능 비교: (a) 공진 주파수 이동, (b) 감도, (c) 감도 향상 Fig. 4. Performance comparison for three MPSAs: (a) resonant frequency shift, (b) sensitivity, (c) sensitivity enhancement.
그림 그림 5. 제작된 MPSA 사진: (a) 제안된 구부러진 슬롯이 추가된 MPSA, (b) 직사각형 슬롯이 추가된 MPSA, (c) 기존의 직사각형 MPSA Fig. 5. Photographs of fabricated MPSAs: (a) proposed bent-slotted MPSA, (b) rectangular-slotted MPSA, and (c) conventional rectangular MPSA.
그림 그림 6. 표 1의 SUT 5종에 대한 세 MPSA의 S₁₁ 특성: (a) 기존의 직사각형 MPSA, (b) 직사각형 슬롯이 추가된 MPSA, (c) 제안된 구부러진 슬롯이 추가된 MPSA Fig. 6. S₁₁ characteristics of three MPSAs for five SUTs in Table 1: (a) conventional rectangular MPSA, (b) rectangular-slotted MPSA, and (c) proposed bent-slotted MPSA.
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 7. SUT 5종에 대한 세 MPSA의 성능 시뮬레이션: (a) 공진 주파수 이동, (b) 감도, (c) 감도 향상 Fig. 7. Simulated performances of three MPSAs for five SUTs: (a) resonant frequency shift, (b) sensitivity, (c) sensitivity enhancement.
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 세 MPSA의 측정된 S₁₁ 특성: (a) 기존의 직사각형 MPSA, (b) 직사각형 슬롯이 추가된 MPSA, (c) 제안된 구부러진 슬롯이 추가된 MPSA Fig. 9. Measured S₁₁ characteristics of three MPSAs for five SUTs: (a) conventional rectangular, (b) rectangular-slotted MPSA, and (c) proposed bent-slotted MPSA.
그림 그림 10. SUT 5종에 대한 세 MPSA의 측정된 성능 비교: (a) 공진 주파수 이동, (b) 감도, (c) 감도 향상 Fig. 10. Measured performance comparison of three MPSAs for five SUTs: (a) resonant frequency shift, (b) sensitivity, (c) sensitivity enhancement.

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 구부러진 슬롯이 패치에 추가된 마이크로스트립 패치 안테나를 이용한 유전율 측정 감도를 향상시키는 방법에 대하여 연구하였다. 단일 링 CSRR 구조와 유사한 구부러진 슬롯이 패치의 한쪽 방사면에 추가하였다.
본 논문에서는 단일 링 CSRR 구조와 유사한 구부러진 슬롯이 패치에 추가된 마이크로스트립 패치 안테나를 이용한 유전율 측정 감도를 향상시키는 방법에 대하여 연구하였다. 제안된 MPSA의 유전율 감도를 기존의 직사각형 MPSA와 얇은 직사각형 슬롯이 추가된 MPSA와 비교하여 성능을 검증하였다.

가설 설정

SUT의 비유전율은 1에서 10까지 1 간격으로 증가시키면서 S₁₁ 특성을 비교하였다. SUT의 손실탄젠트는 0으로 하여 손실이 없는 것으로 가정하였다. 기존의 직사각형 MPSA의 경우, SUT의 비유전율이 1에서 10까지 1씩 증가할 때 S₁₁ 공진 주파수가 2.

제안 방법

이탄(peat soil) 및 양토(loam soil)에서 0-30 % 범위의 수분 함량을 측정하기 위한 단일 및 이중 공진 마이크로스트립 패치 센서 안테나(MPSA; microstrip patch sensor antenna)가 제안되었다[8]. 35% ~ 85 % 범위의 수분 함량을 가지는 Hevea 고무 라텍스가 추가된 마이크로스트립 패치 안테나의 공진 주파수의 이동을 세가지 수치 해석 방법을 사용하여 비교하였다[9]. 해수의 염분을 측정하기 위해 기판에 액체를 넣을 수 있는 공간이 있는 MPSA가 제안되었다[10].
SUT 5종에 대한 시뮬레이션 결과를 검증하기 위해 그림 8과 같이 Agilent사의 N5230A 네트워크 분석기를 이용하여 제작된 세 MPSA 위에 SUT 5종을 놓았을 때 S₁₁ 특성을 측정하였다. 먼저, SUT가 없을 때 기존의 직사각형 MPSA, 직사각형 슬롯이 추가된 MPSA, 제안된 구부러진 슬롯이 추가된 MPSA의 S₁₁공진 주파수는 그림 9에 나타나 있듯이 각각 2.
6 mm 정도 되어 선택하였다. SUT의 비유전율은 1에서 10까지 1 간격으로 증가시키면서 S₁₁ 특성을 비교하였다. SUT의 손실탄젠트는 0으로 하여 손실이 없는 것으로 가정하였다.
코팅된 보호층, 빙결층, 플라즈마 접측 층과 같은 유전체 층으로 덮힌 마이크로스트립 패치 안테나의 공진 주파수를 전체 구조의 유효 유전율을 이용하여 예측하는 방법이 제안되었다[6]. 고체 및 액체 재료의 유전율 측정을 위해 공기가 공간에 배치된 동축 급전 직사각형 마이크로스트립 패치 안테나를 센서로 적용하였다[7]. 평면형 고체 재료의 경우, 시험 대상 물질이 상판(superstrate)으로 추가된 마이크로스트립 안테나를 기반으로 한 센서 모델이 도출되었고, 상판이 추가된 마이크로 스트립 안테나의 유효 유전 상수는 기판(substrate)과 상판의 충전 인자(filling factor)를 사용하여 계산되었다.
45 GHz 대역의 유전체 물질 특성 분석을 위해 향상된 감도를 가지는 인터디지털 커패시터 기반 SRR 구조를 갖는 마이크로스트립 공진 센서가 제안되었다[4]. 또한, 1.5GHz 대역에서 인터디지털 커패시터 형태의 결함 접지 구조의 고감도 CSRR 기반 마이크로 스트립 센서가 제안되 었으며, 이중 링, 단일 링 및 90도 회전한 단일 링 구조의 CSRR 기반 센서와 감도를 비교하였다[5].
단일 링 CSRR 구조와 유사한 구부러진 슬롯이 패치의 한쪽 방사면에 추가하였다. 성능 검증을 위해 제안된 안테나 센서의 유전율 감도를 기존의 마이크로스트립 패치 안테나와 얇은 직사각형 슬롯이 추가된 패치 안테나와 비교하였다. 시뮬레이션과 해석을 위해 CST사의 Microwave Studio를 사용하였다.
기존의 직사각형 MPSA의 패치의 길이와 폭은 참고문헌 [12]의 방정식을 이용하여 계산하였다. 제안된 구부러진 슬롯이 추가된 MPSA와 직사각형 슬롯이 추가된 MPSA의 패치의 길이와 폭은 SUT가 없는 상태에서 2.5 GHz에서 공진하도록 줄여서 조정하였다.
고체 및 액체 재료의 유전율 측정을 위해 공기가 공간에 배치된 동축 급전 직사각형 마이크로스트립 패치 안테나를 센서로 적용하였다[7]. 평면형 고체 재료의 경우, 시험 대상 물질이 상판(superstrate)으로 추가된 마이크로스트립 안테나를 기반으로 한 센서 모델이 도출되었고, 상판이 추가된 마이크로 스트립 안테나의 유효 유전 상수는 기판(substrate)과 상판의 충전 인자(filling factor)를 사용하여 계산되었다. 이탄(peat soil) 및 양토(loam soil)에서 0-30 % 범위의 수분 함량을 측정하기 위한 단일 및 이중 공진 마이크로스트립 패치 센서 안테나(MPSA; microstrip patch sensor antenna)가 제안되었다[8].

대상 데이터

6 mm이고 길이와 폭은 안테나와 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 S₁₁ 특성을 비교하였다.
비유전율이 2.17에서 10.2이고 두께가 1.6 mm 근처인 Taconic사의 표준 기판 5종을 SUT로 선정하였고, 상세한 유전율과 두께 정보는 표 1에 나타나있다[14]. SUT 5종의 비유전율, 손실탄젠트, 두께가 그림 3의 결과의 것과 다르므로 SUT 5종을 위에 놓았을 때 세 MPSA의 S₁₁ 특성을 다시 시뮬레이션 하였고 그림 6에 나타나 있다.
성능 검증을 위해 제안된 구부러진 슬롯이 추가된 MPSA, 직사각형 슬롯이 추가된 MPSA, 기존의 직사각형 MPSA를 RF-35 기판(εr = 3.5, 두께 = 0.76 mm, 손실 탄젠트 = 0.0018)을 이용하여 그림 5와 같이 제작하였다.
성능 검증을 위해 제안된 안테나 센서의 유전율 감도를 기존의 마이크로스트립 패치 안테나와 얇은 직사각형 슬롯이 추가된 패치 안테나와 비교하였다. 시뮬레이션과 해석을 위해 CST사의 Microwave Studio를 사용하였다. 안테나 센서는 피 시험 상판 (SUT; superstrate under test)이 없는 상태에서 입력 반사계수(S₁₁; input reflection coefficient)가 2.
안테나 센서는 피 시험 상판 (SUT; superstrate under test)이 없는 상태에서 입력 반사계수(S11; input reflection coefficient)가 2.5 GHz에서 공진하도록 RF-35기판(εr = 3.5, 두께 = 0.76 mm, 손실 탄젠트 = 0.0018) 상에 설계하였다.
유전율 측정 감도를 비교하기 위한 기준으로 사용할 기존의 직사각형 MPSA의 설계 변수는 Lg = Wg = 80 mm, L3 = 31.9 mm, W3 = 40 mm, wf3 = 1.66 mm, lf3 = 24.5 mm, lis3 = 9 mm, wis3 = 2.8 mm이다.
입력 임피던스 50 옴과 정합되도록 마이크로스트립 전송선 로에 1/4 파장 변환기를 사용하였다. SUT가 없는 상태에서 S₁₁이 2.
835 GHz로 이동하였다. 제안된 구부러진 슬롯이 추가된 MPSA의 경우, SUT 5종에 대해서 S₁₁의 공진 주파수가 각각 2.317 GHz, 2.227 GHz, 2.084 GHz, 1.892 GHz, 1.688 GHz로 이동하였다.

데이터처리

본 논문에서는 단일 링 CSRR 구조와 유사한 구부러진 슬롯이 패치에 추가된 마이크로스트립 패치 안테나를 이용한 유전율 측정 감도를 향상시키는 방법에 대하여 연구하였다. 제안된 MPSA의 유전율 감도를 기존의 직사각형 MPSA와 얇은 직사각형 슬롯이 추가된 MPSA와 비교하여 성능을 검증하였다.

이론/모형

8 mm이다. 기존의 직사각형 MPSA의 패치의 길이와 폭은 참고문헌 [12]의 방정식을 이용하여 계산하였다. 제안된 구부러진 슬롯이 추가된 MPSA와 직사각형 슬롯이 추가된 MPSA의 패치의 길이와 폭은 SUT가 없는 상태에서 2.

성능/효과

089 GHz이다. 기존의 직사각형 MPSA와 비교할 때 직사각형 슬롯이 추가된 MPSA와 제안된 구부러진 슬롯이 추가된 MPSA의감도 향상은 각각 3.4 배와 4.1배로 시뮬레이션 결과보다 약간 감소하였다.
6배이다. 따라서 기존의 직사각형 MPSA에 비해 제안된 구부러진 슬롯이 추가된 MPSA의 감도가 높음을 알 수 있다.
이 경우 SUT가 있을 때와 없을 때의 비유전율 차이가 1이므로 감도는 S₁₁ 공진 주파수 이동과 동일하다. 따라서 기존의 직사각형 MPSA와 비교할 때 직사각형 슬롯이 추가된 MPSA와 제안된 구부러진 슬롯이 추가된 MPSA의 감도 향상은 각각 3.8 배와 5.5배이다.
먼저, SUT가 없을 때 기존의 직사각형 MPSA, 직사각형 슬롯이 추가된 MPSA, 제안된 구부러진 슬롯이 추가된 MPSA의 S11 공진 주파수는 그림 9에 나타나 있듯이 각각 2.528 GHz, 2.509 GHz, 2.506 GHz로 시뮬레이션 공진주파수 2.5 GHz와 비교할때 1.1%, 0.3%, 0.24%의 오차를 가진다.
반면에 SUT의 비유전율이 εr = 10으로 증가하면, 기존의 직사각형 MPSA, 직사각형 슬롯이 추가된 MPSA, 제안된 구부러진 슬롯이 추가된 MPSA의 S11 공진 주파수 이동은 각각 0.188 GHz, 0.646 GHz, 0.859 GHz로 차이가 줄어든다.
비유전율이 2.17에서 10.2 범위에 있는 타코닉 기판 5종을 피 시험 기판으로 선택하여 실험 결과, 입력 반사계수 S₁₁의 공진 주파수의 이동으로 측정된 제안된 MPSA의 감도는 기존의 직사각형 MPSA와 비교할 때 비유전율이 2.17일 때 6.1배 향상되고, 비유전율이 10.2일 때 4.1배 증가하는 것을 확인하였다.
시뮬레이션 결과, 기존의 직사각형 MPSA의 경우, SUT로 비유전율이 낮은 것부터 증가하도록 TLY-5A, RF-301, TRF-43, RF-60A, RF-10의 순서로 위에 놓을 경우 S₁₁의 공진 주파수가 2.465 GHz, 2.444 GHz, 2.412 GHz, 2.379 GHz, 2.312 GHz로 이동하였다. 직사각형 슬롯이 추가된 MPSA의 경우, SUT 5종에 대해서 S₁₁의 공진 주파수가 각각 2.
857 GHz로 이동하였다. 제안된 구부러진 슬롯이 추가된 MPSA의 경우, S₁₁ 공진 주파수가 2.5 GHz 에서 2.332 GHz, 2.194 GHz, 2.079 GHz, 1.981 GHz, 1.896 GHz, 1.821 GHz, 1.754 GHz, 1.695 GHz, 1.641 GHz로 더 많이 이동하였다.
제안된 구부러진 슬롯이 추가된 MPSA의 경우, SUT로 비유 전율이 낮은 것부터 증가하도록 TLY-5A, RF-301, TRF-43, RF-60A, RF-10의 순서로 위에 놓을 경우 S₁₁의 공진 주파수가 2.306 GHz, 2.200 GHz, 2.046 GHz, 1.886 GHz, 1.634 GHz로 이동하였다.
28%)으로 줄어든다. 제안된 구부러진 슬롯이 추가된 경우, 두 개의 공진 주파수가 2.5 GHz와 2.962 GHz에 발생하고, 두 공진 주파수의 비는 1.18로 줄어든다. 공진주파수 2.
측정 결과, 기존의 직사각형 MPSA의 경우, SUT로 비유전율이 낮은 것부터 증가하도록 TLY-5A, RF-301, TRF-43, RF-60A, RF-10의 순서로 위에 놓을 경우 S₁₁의 공진 주파수가 2.497 GHz, 2.475 GHz, 2.445 GHz, 2.394 GHz, 2.328 GHz로 이동하였고, 직사각형 슬롯이 추가된 MPSA의 경우, SUT 5종에 대해서 S₁₁의 공진 주파수가 각각 2.370 GHz, 2.301 GHz, 2.187 GHz, 2.024 GHz, 1.835 GHz로 이동하였다. 제안된 구부러진 슬롯이 추가된 MPSA의 경우, SUT 5종에 대해서 S₁₁의 공진 주파수가 각각 2.

후속연구

제안된 마이크로스트립 패치 센서 안테나는 평면 고체, 미세 유체, 액체 물질의 유전율 또는 유전율을 이용한 생물학적 물질의 무선 감지에 사용될 것으로 기대된다. 또한 온도, 습도 등의 환경 정보를 측정하고 동시에 리더와 다른 대역에서 통신을 할 수 있는 chipless RFID 센서 태그를 위한 통신 및 센서 안테나로 적용될 수 있다.
제안된 마이크로스트립 패치 센서 안테나는 평면 고체, 미세 유체, 액체 물질의 유전율 또는 유전율을 이용한 생물학적 물질의 무선 감지에 사용될 것으로 기대된다. 또한 온도, 습도 등의 환경 정보를 측정하고 동시에 리더와 다른 대역에서 통신을 할 수 있는 chipless RFID 센서 태그를 위한 통신 및 센서 안테나로 적용될 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	본 실험에서 시뮬레이션과 해석을 위한 기본 조건은?	시뮬레이션과 해석을 위해 CST사의 Microwave Studio를 사용하였다. 안테나 센서는 피 시험 상판 (SUT; superstrate under test)이 없는 상태에서 입력 반사계수(S 11 ; input reflection coefficient)가 2.5 GHz에서 공진하도록 RF-35기판(ε r = 3.5, 두께 = 0.76 mm, 손실 탄젠트 = 0.0018) 상에 설계하였다.
	마이크로파 대역은?	마이크로파 대역 (0.3~300 GHz)에서 전자파와 물질과의 상호 작용을 이용하여 측정한 유전율이나 투자율과 같은 물질의 특성을 기반으로 동작하는 마이크로파 센서는 물질의 특성 뿐만 아니라 수분 함량, 밀도, 재료의 구조 및 형태, 화학 반응에 관한 정보를 줄 수 있어 비파괴 측정에 많이 사용되고 있다. 최근 마이크로파 기술의 급속한 발전으로 무선 통신 시스템에서 사용되는 주파수 스펙트럼은 밀리미터보다 작은 파장을 갖는 테라 헤르츠 주파수 대역까지 고려되어 높아지고 있는 추세이며, 이러한 높은 주파수 대역의 안테나 및 마이크로파 회로 설계를 위해 정확한 유전율 측정이 요구되고 있다[1].
	마이크로파 센서의 응용 분야는?	마이크로파 대역 (0.3~300 GHz)에서 전자파와 물질과의 상호 작용을 이용하여 측정한 유전율이나 투자율과 같은 물질의 특성을 기반으로 동작하는 마이크로파 센서는 물질의 특성 뿐만 아니라 수분 함량, 밀도, 재료의 구조 및 형태, 화학 반응에 관한 정보를 줄 수 있어 비파괴 측정에 많이 사용되고 있다. 최근 마이크로파 기술의 급속한 발전으로 무선 통신 시스템에서 사용되는 주파수 스펙트럼은 밀리미터보다 작은 파장을 갖는 테라 헤르츠 주파수 대역까지 고려되어 높아지고 있는 추세이며, 이러한 높은 주파수 대역의 안테나 및 마이크로파 회로 설계를 위해 정확한 유전율 측정이 요구되고 있다[1].

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상세보기
Taconic PTFE laminates [Internet]. Available: http://www.taconic.co.kr/pages/sub02_03.php.

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표제어: PCR

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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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