Design of Bent-Slotted High-Sensitivity Microstrip Patch Permittivity Sensor Antenna

https://doi.org/10.12673/jant.2019.23.5.415

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org/licenses/by-nc/3.0/) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

Received 29 August 2019; Revised 4 October 2019 Accepted (Publication) 28 October 2019 (30 October 2019)

*Corresponding Author: Junho Yeo Tel: +82-53-850-6642

E-mail: [email protected]

구부러진 슬롯이 추가된 고감도 마이크로스트립 패치 유전율 센서 안테나 설계

Design of Bent-Slotted High-Sensitivity Microstrip Patch Permittivity Sensor Antenna

여 준 호

^1*

· 이 종 익

²

1

대구대학교 정보통신공학부/정보통신연구소

2

동서대학교 메카트로닉스융합공학부

Junho Yeo

^1*

· Jong-Ig Lee

²

1

School of Computer and Communication Engineering/Information and Communication Research Center, Daegu University, Gyeongsangbuk-do 38453, Korea

2

Division of Mechatronics Engineering, Dongseo University, Busan 47011, Korea

Key word : High-sensitivity, Microstrip patch sensor antenna, Bent-slot, Superstrate, Permittivity sensor.

[요 약]

본 논문에서는 유전율 측정을 위한 구부러진 슬롯이 추가된 고감도 마이크로스트립 패치 센서 안테나의 설계 방법에 대하여 연 구하였다. 유전율에 대한 감도를 향상시키기 위해 단일 링 CSRR 구조와 유사한 구부러진 슬롯이 패치의 한쪽 방사면에 추가되었 다. 제안된 마이크로스트립 패치 센서 안테나의 감도를 기존의 직사각형 마이크로스트립 패치 센서 안테나와 얇은 직사각형 슬롯 이 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 2.17 에서 10.2 범위에 있는 타코닉 기판 5종을 사용하여 실험한 결과, 입력 반사계수의 공진 주파수의 이동으로 측정된 제안된 마이크 로스트립 센서 안테나의 감도는 기존의 직사각형 마이크로스트립 패치 센서 안테나와 비교할 때 4.1배에서 6.1배 증가하는 것을 확인하였다.

[Abstract]

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.

Ⅰ. 서 론

마이크로파 대역 (0.3~300 GHz)에서 전자파와 물질과의 상 호 작용을 이용하여 측정한 유전율이나 투자율과 같은 물질의 특성을 기반으로 동작하는 마이크로파 센서는 물질의 특성 뿐 만 아니라 수분 함량, 밀도, 재료의 구조 및 형태, 화학 반응에 관한 정보를 줄 수 있어 비파괴 측정에 많이 사용되고 있다. 최 근 마이크로파 기술의 급속한 발전으로 무선 통신 시스템에서 사용되는 주파수 스펙트럼은 밀리미터보다 작은 파장을 갖는 테라 헤르츠 주파수 대역까지 고려되어 높아지고 있는 추세이 며, 이러한 높은 주파수 대역의 안테나 및 마이크로파 회로 설 계를 위해 정확한 유전율 측정이 요구되고 있다[1].

여러 유전율 측정 방법 중에서, 분할 링 공진기 (SRR; split ring resonator) 혹은 상보형 분할 링 공진기 (CSRR;

complimentary SRR) 구조의 평면형 공진기를 이용한 공진기 방법이 단순한 기하학적 구조 , 작은 크기, 제작의 용이성 및 저 렴한 제작 비용 등의 장점 때문에 널리 사용되고 있다[2, 3]. 공 진기 방법에서는 측정 물질도 공진기의 일부로 간주되고 공진 주파수의 이동으로부터 유전율을 유추할 수 있다[1].

다양한 평면 구조 중에서 유전체 기판으로 분리된 스트립 도 체와 접지면으로 구성된 마이크로스트립 구조가 유전율 측정 에 널리 사용되고 있다. 2.45 GHz 대역의 유전체 물질 특성 분 석을 위해 향상된 감도를 가지는 인터디지털 커패시터 기반 SRR 구조를 갖는 마이크로스트립 공진 센서가 제안되었다[4].

또한, 1.5GHz 대역에서 인터디지털 커패시터 형태의 결함 접 지 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].

한편, 마이크로스트립 패치 안테나도 공진기로 간주될 수 있 기 때문에 고체 또는 액체 재료의 유전율 측정 센서로 연구되 어왔다. 코팅된 보호층, 빙결층, 플라즈마 접측 층과 같은 유전 체 층으로 덮힌 마이크로스트립 패치 안테나의 공진 주파수를 전체 구조의 유효 유전율을 이용하여 예측하는 방법이 제안되 었다[6]. 고체 및 액체 재료의 유전율 측정을 위해 공기가 공간 에 배치된 동축 급전 직사각형 마이크로스트립 패치 안테나를 센서로 적용하였다 [7]. 평면형 고체 재료의 경우, 시험 대상 물 질이 상판(superstrate)으로 추가된 마이크로스트립 안테나를 기반으로 한 센서 모델이 도출되었고, 상판이 추가된 마이크로 스트립 안테나의 유효 유전 상수는 기판 (substrate)과 상판의 충 전 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]. 35

% ~ 85 % 범위의 수분 함량을 가지는 Hevea 고무 라텍스가 추 가된 마이크로스트립 패치 안테나의 공진 주파수의 이동을 세 가지 수치 해석 방법을 사용하여 비교하였다 [9]. 해수의 염분 을 측정하기 위해 기판에 액체를 넣을 수 있는 공간이 있는

MPSA가 제안되었다[10]. 최근 얇은 직사각형 슬롯을 마이크 로스트립 패치 안테나의 한쪽 방사면(radiating edge)에 추가하 여 유전율 측정 감도를 향상시키는 방법이 제안되었다[11].

본 논문에서는 구부러진 슬롯이 패치에 추가된 마이크로스 트립 패치 안테나를 이용한 유전율 측정 감도를 향상시키는 방 법에 대하여 연구하였다. 단일 링 CSRR 구조와 유사한 구부러 진 슬롯이 패치의 한쪽 방사면에 추가하였다. 성능 검증을 위해 제안된 안테나 센서의 유전율 감도를 기존의 마이크로스트립 패치 안테나와 얇은 직사각형 슬롯이 추가된 패치 안테나와 비 교하였다. 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-35 기판(ε

r

= 3.5, 두께 = 0.76 mm, 손실 탄젠트 = 0.0018) 상에 설 계하였다.

Ⅱ. 구부러진 슬롯이 추가된 MPSA 구조 및 설 계

그림 1에 제안된 제안된 구부러진 슬롯이 추가된 MPSA, 직 사각형 슬롯이 추가된 MPSA, 그리고 기존의 직사각형 MPSA 의 구조가 나타나 있다. 그림 1(a)에 나타나 있듯이 제안된 MPSA는 마이크로스트립 패치 안테나의 한쪽 방사면에 CSRR 형태의 구부러진 슬롯이 추가되었다.

입력 임피던스 50 옴과 정합되도록 마이크로스트립 전송선 로에 1/4 파장 변환기를 사용하였다. SUT가 없는 상태에서 S

11

이 2.5 GHz에서 공진하기 위한 설계 변수는 L

g

= W

g

= 80 mm, L

1

= 21.7 mm, W

1

= 27.2 mm, w

f1

= 1.66 mm, l

qt1

= 18.7 mm, w

qt1

= 0.84 mm, l

f1

= 29.2 mm, l

is1

= 8 mm, w

is1

= 2 mm, l

rs1

= 25.2 mm, w

rs1

= 1 mm, w

o1

= 1 mm이다.

그림 1(b)의 직사각형 슬롯이 추가된 MPSA의 설계 변수는 L

g

= W

g

= 80 mm, L

2

= 25.4 mm, W

2

= 31.8 mm, w

f2

= 1.66 mm, l

f2

= 27.3 mm, l

is2

= 12 mm, w

is2

= 2.3 mm, l

rs2

= 29.8 mm, w

rs2

= 1 mm, w

o2

= 1 mm이다.

유전율 측정 감도를 비교하기 위한 기준으로 사용할 기존의 직사각형 MPSA의 설계 변수는 L

g

= W

g

= 80 mm, L

3

= 31.9 mm, W

3

= 40 mm, w

f3

= 1.66 mm, l

f3

= 24.5 mm, l

is3

= 9 mm, w

is3

= 2.8 mm이다. 기존의 직사각형 MPSA의 패치의 길이와 폭은 참고문헌 [12]의 방정식을 이용하여 계산하였다. 제안된 구부 러진 슬롯이 추가된 MPSA와 직사각형 슬롯이 추가된 MPSA 의 패치의 길이와 폭은 SUT가 없는 상태에서 2.5 GHz에서 공 진하도록 줄여서 조정하였다.

그림 2는 그림 1의 세 MPSA의 S

11

특성을 비교하였다. 기존

의 직사각형 MPSA는 2.5 GHz에서 하나의 공진 주파수를 가지

고 전압 정재파비(VSWR; voltage standing wave ratio) 2 이하를

기준으로 주파수 대역이 2.490—2.510 GHz(0.8%)이다.

(a)

(b)

(c)

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.

직사각형 슬롯이 추가된 경우, 두 개의 공진 주파수가 2.5 GHz와 3.465 GHz에 발생하고, 두 공진 주파수의 비는 1.39이다 [11]. 공진주파수 2.5 GHz에서의 주파수 대역은 2.496—2.503 GHz(0.28%)으로 줄어든다. 제안된 구부러진 슬롯이 추가된 경 우, 두 개의 공진 주파수가 2.5 GHz와 2.962 GHz에 발생하고, 두 공진 주파수의 비는 1.18로 줄어든다. 공진주파수 2.5 GHz에 서의 주파수 대역은 2.499—2.502 GHz(0.12%)으로 더 줄어든 다.

그림

2. 그림 1의 세 MPSA S

11 특성 비교

Fig. 2. S

11 characteristic comparison of three MPSAs in Fig. 1.

세 MPSA의 감도를 비교하기 위해 MPSA 위에 SUT를 두었 을 때 SUT의 비유전율 변화에 따른 S

11

의 공진 주파수 변화를 그림 3에 나타내었다. SUT의 두께는 1.6 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 간격으 로 증가시키면서 S

11

특성을 비교하였다. SUT의 손실탄젠트 는 0으로 하여 손실이 없는 것으로 가정하였다. 기존의 직사각 형 MPSA의 경우, SUT의 비유전율이 1에서 10까지 1씩 증가 할 때 S

11

공진 주파수가 2.5 GHz에서 2.468 GHz, 2.444 GHz, 2.420 GHz, 2.400 GHz, 2.380 GHz, 2.360 GHz, 2.344 GHz, 2.328 GHz, 2.312 GHz로 이동하였다. 직사각형 슬롯이 추가된 MPSA의 경우, S

11

공진 주파수가 2.5 GHz에서 2.387 GHz, 2.290 GHz, 2.205 GHz, 2.131 GHz, 2.066 GHz, 2.006 GHz, 1.952 GHz, 1.902 GHz, 1.857 GHz로 이동하였다. 제안된 구부 러진 슬롯이 추가된 MPSA의 경우, S

11

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 이동 하였다 .

세 MPSA의 유전율 측정 성능을 비교하기 위해 S

11

공진 주 파수의 이동(Δf

r

), 감도(sensitivity; S), 감도 향상(sensitivity enhancement; SE)을 다음과 같이 정의하고[11], 그림 4에 결과 를 나타내었다 .

∆

_

 

_

 

_

(1)

 _{ }

∆

_

∆

_

   ^



 

_



 ^



 

_



(2)

 _{ }





 (3)

여기서 

_

와 

_

은 SUT가 없을 때 S

11

공진 주파수와 비유전

율로서, 

_

는 2.5 GHz이고 

_

는 1이다. 

_

과 

_

은 SUT가 있

을 때 S

11

공진 주파수와 비유전율이다. 



은 기존

의 직사각형 MPSA의 감도이다.

(a)

(b)

(c)

그림

3. SUT의 비유전율 변화에 따른 세 MPSA의 S

11 특성: (a) 기존의 직사각형 MPSA, (b) 직사각형 슬롯이 추가된 MPSA, (c) 제안된 구부러진 슬롯이 추가된 MPSA

Fig. 3. S

11 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.

MPSA 위에 비유전율이 공기와 다른 SUT를 두게 되면 MPSA의 공진 주파수와 관련된 총 등가 커패시턴스에 영향을 미치게 되고, S

11

공진 주파수는 이러한 커패시턴스에 대해 비 선형적으로 변화한다. 따라서 MPSA의 감도는 비유전율의 변 화에 따라 선형적으로 변하지 않고, 비유전율의 작은 값에 대 해 더 높아진다는 것을 그림 4로부터 알 수 있다. 즉, 비유전율 이 증가하면 센서의 감도는 단조함수처럼 감소한다[13].

기존의 직사각형 예를 , SUT

직사 들면

각형

의 = 2 , MPSA,

슬롯이

비유전율이 ε 추가된

r

일 때

MPSA, 제안된 구부러진 슬롯이 추가 된 MPSA의 S

11

공진 주파수 이동은 각각 0.032 GHz, 0.116 GHz, 0.168 GHz이다. 이 경우 SUT가 있을 때와 없을 때의 비

유전율 차이가 1이므로 감도는 S

11

공진 주파수 이동과 동일하 다. 따라서 기존의 직사각형 MPSA와 비교할 때 직사각형 슬 롯이 추가된 MPSA와 제안된 구부러진 슬롯이 추가된 MPSA 의 감도 향상은 각각 3.8 배와 5.5배이다.

반면에 SUT의 비유전율이 ε

r

= 10으로 증가하면, 기존의 직 사각형 MPSA, 직사각형 슬롯이 추가된 MPSA, 제안된 구부러 진 슬롯이 추가된 MPSA의 S

11

공진 주파수 이동은 각각 0.188 GHz, 0.646 GHz, 0.859 GHz로 차이가 줄어든다. 감도는 각각 0.021 GHz, 0.072 GHz, 0.095 GHz이다.

(a)

(b)

(c)

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.

(a) (b)

(c)

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.

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.

No. SUT ε

r

tan  δ thickness 1 TLY‐5A 2.17±0.02 0.0009@10 GHz 1.58 mm 2 RF‐301 2.97±0.07 [email protected] GHz 1.52 mm 3 TRF‐43 4.3±0.15 0.0035@10 GHz 1.63 mm 4 RF‐60A 6.15±0.15 0.0028@10 GHz 1.52 mm 5 RF‐10 10.2±0.3 0.0025@10 GHz 1.52 mm

이 경우 기존의 직사각형 MPSA와 비교할 때 직사각형 슬롯 이 추가된 MPSA와 제안된 구부러진 슬롯이 추가된 MPSA의 감도 향상은 각각 3.4 배와 4.6배이다. 따라서 기존의 직사각형 MPSA에 비해 제안된 구부러진 슬롯이 추가된 MPSA의 감도 가 높음을 알 수 있다.

Ⅲ. 제작 및 실험 결과

성능 검증을 위해 제안된 구부러진 슬롯이 추가된 MPSA, 직사각형 슬롯이 추가된 MPSA, 기존의 직사각형 MPSA를 RF-35 기판(ε = 3.5, 두께 = 0.76 mm, 손실 탄젠트 = 0.0018)을

이용하여 그림 5와 같이 제작하였다.

비유전율이 2.17에서 10.2이고 두께가 1.6 mm 근처인 Taconic사의 표준 기판 5종을 SUT로 선정하였고, 상세한 유전 율과 두께 정보는 표 1에 나타나있다[14]. SUT 5종의 비유전율, 손실탄젠트 , 두께가 그림 3의 결과의 것과 다르므로 SUT 5종을 위에 놓았을 때 세 MPSA의 S

11

특성을 다시 시뮬레이션 하였고 그림 6에 나타나 있다. 그림 5에서 볼 수 있듯이, 제작된 MPSA 의 포트에 납땜을 하기 위해 SMA 커넥터에 두 개의 돌출 된 부 분이 있기 때문에 SUT의 길이는 75 mm로 약간 줄었다.

(a)

(b)

(c)

그림

6. 표 1의 SUT 5종에 대한 세 MPSA의 S

11 특성: (a) 기존의 직사각형 MPSA, (b) 직사각형 슬롯이 추가된 MPSA, (c) 제안된 구부러진 슬롯이 추가된 MPSA

Fig. 6. S

11 characteristics of three MPSAs for five SUTs in

Table 1: (a) conventional rectangular MPSA, (b) rectangular-slotted MPSA, and (c) proposed bent-slotted MPSA.

(a)

(b)

(c)

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.

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 S

11

의 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 S

11

의 공진 주파수가 각각 2.369 GHz, 2.294 GHz, 2.180 GHz, 2.059 GHz, 1.852 GHz로 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 S

11

의 공진 주파수가 2.306 GHz, 2.200 GHz, 2.046 GHz, 1.886 GHz, 1.634 GHz로 이

동하였다.

SUT 5종에 대한 세 MPSA의 성능을 비교하기 위해 그림 6으 로 부터 S

11

공진 주파수의 이동, 감도, 감도 향상을 계산하여 그 림 7에 나타내었다. SUT가 비유전율이 가장 낮은 TLY-5A인 경우, 기존의 직사각형 MPSA, 직사각형 슬롯이 추가된 MPSA, 제안된 구부러진 슬롯이 추가된 MPSA의 S

11

공진 주파수 이동 은 각각 0.035 GHz, 0.131 GHz, 0.194 GHz이다. 감도는 각각 0.030 GHz, 0.112 GHz, 0.166 GHz이다. 이 경우 기존의 직사각 형 MPSA와 비교할 때 직사각형 슬롯이 추가된 MPSA와 제안 된 구부러진 슬롯이 추가된 MPSA의 감도 향상은 각각 3.8 배 와 5.5배이다.

비유전율이 가장 높은 RF-10을 SUT로 사용하는 경우, 기존 의 직사각형 MPSA, 직사각형 슬롯이 추가된 MPSA, 제안된 구 부러진 슬롯이 추가된 MPSA의 S

11

공진 주파수 이동은 각각 0.188 GHz, 0.648 GHz, 0.866 GHz로 이다. 감도는 각각 0.020 GHz, 0.070 GHz, 0.094 GHz이다. 이 경우 기존의 직사각형 MPSA와 비교할 때 직사각형 슬롯이 추가된 MPSA와 제안된 구부러진 슬롯이 추가된 MPSA의 감도 향상은 각각 3.5 배와 4.6배이다. 따라서 S

11

공진 주파수 이동, 감도 및 감도 향상의 경향은 그림 4의 무손실 경우와 유사한 것을 알 수 있다.

(a)

(b)

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).

(a)

(b)

(c)

그림

9. SUT 5종에 대한 세 MPSA의 측정된 S

11 특성: (a) 기존의 직사각형 MPSA, (b) 직사각형 슬롯이 추가된 MPSA, (c) 제안된 구부러진 슬롯이 추가된 MPSA

Fig. 9. Measured S

11 characteristics of three MPSAs for

five SUTs: (a) conventional rectangular, (b) rectangular-slotted MPSA, and (c) proposed bent-slotted MPSA.

SUT 5종에 대한 시뮬레이션 결과를 검증하기 위해 그림 8과 같이 Agilent사의 N5230A 네트워크 분석기를 이용하여 제작된 세 MPSA 위에 SUT 5종을 놓았을 때 S

11

특성을 측정하였다.

먼저, SUT가 없을 때 기존의 직사각형 MPSA, 직사각형 슬롯 이 추가된 MPSA, 제안된 구부러진 슬롯이 추가된 MPSA의 S

11

공진 주파수는 그림 9에 나타나 있듯이 각각 2.528 GHz, 2.509 GHz, 2.506 GHz로 시뮬레이션 공진주파수 2.5 GHz와 비교할 때 1.1%, 0.3%, 0.24%의 오차를 가진다. 이는 제작 및 측정 상 의 오차에 의해 발생한 것으로 판단된다.

측정 결과, 기존의 직사각형 MPSA의 경우, SUT로 비유전

율이 낮은 것부터 증가하도록 TLY-5A, RF-301, TRF-43, RF-60A, RF-10의 순서로 위에 놓을 경우 S

11

의 공진 주파수가 2.497 GHz, 2.475 GHz, 2.445 GHz, 2.394 GHz, 2.328 GHz로 이 동하였고, 직사각형 슬롯이 추가된 MPSA의 경우, SUT 5종에 대해서 S

11

의 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 S

11

의 공진 주 파수가 각각 2.317 GHz, 2.227 GHz, 2.084 GHz, 1.892 GHz, 1.688 GHz로 이동하였다.

(a)

(b)

(c)

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.

SUT 5종에 대한 세 MPSA의 측정된 성능을 비교하기 위해 그림 9로 부터 S

11

공진 주파수의 이동, 감도, 감도 향상을 계산 하여 그림 10에 나타내었다. SUT가 비유전율이 가장 낮은 TLY-5A인 경우, 기존의 직사각형 MPSA, 직사각형 슬롯이 추 가된 MPSA, 제안된 구부러진 슬롯이 추가된 MPSA의 S

11

공진 주파수 이동은 각각 0.031 GHz, 0.139 GHz, 0.189 GHz이다. 감 도는 각각 0.027 GHz, 0.119 GHz, 0.162 GHz이다. 이 경우 기 존의 직사각형 MPSA와 비교할 때 직사각형 슬롯이 추가된 MPSA와 제안된 구부러진 슬롯이 추가된 MPSA의 감도 향상 은 4.5배와 6.1배로 시뮬레이션 결과인 3.8 배와 5.5배에 비해 조금 증가하였다.

RF-10을 SUT로 사용하는 경우, 기존의 직사각형 MPSA, 직 사각형 슬롯이 추가된 MPSA, 제안된 구부러진 슬롯이 추가된 MPSA의 S

11

공진 주파수 이동은 각각 0.200 GHz, 0.674 GHz, 0.818 GHz로 이다. 감도는 각각 0.022 GHz, 0.073 GHz, 0.089 GHz이다. 기존의 직사각형 MPSA와 비교할 때 직사각형 슬롯 이 추가된 MPSA와 제안된 구부러진 슬롯이 추가된 MPSA의 감도 향상은 각각 3.4 배와 4.1배로 시뮬레이션 결과보다 약간 감소하였다.

시뮬레이션 결과와 측정 결과의 차이는 제작 및 측정 시 발 생하는 오차 때문인 것으로 판단된다.

Ⅳ. 결 론

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

비유전율이 2.17에서 10.2 범위에 있는 타코닉 기판 5종을 피 시험 기판으로 선택하여 실험 결과, 입력 반사계수 S

11

의 공 진 주파수의 이동으로 측정된 제안된 MPSA의 감도는 기존의 직사각형 MPSA와 비교할 때 비유전율이 2.17일 때 6.1배 향 상되고, 비유전율이 10.2일 때 4.1배 증가하는 것을 확인하였 다.

제안된 마이크로스트립 패치 센서 안테나는 평면 고체, 미세 유체, 액체 물질의 유전율 또는 유전율을 이용한 생물학적 물질 의 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.

Acknowledgments

이 논문은 2018년도 정부(교육부)의 재원으로 한국연구재단

의 지원을 받아 수행된 기초연구사업임 (2018R1D1A1B070 46040)

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여 준 호 (Junho Yeo)

1992년 2월 : 경북대학교 전자공학과 (공학사) 1994년 2월 : 경북대학교 전자공학과 (공학석사) 1994년 3월 ~ 1999년 6월 : 국방과학연구소 연구원 2003년 8월 : 미국 Pennsylvania State University 전기공학과 (공학박사)

2003년 9월 ~ 2004년 6월 : 미국 Pennsylvania State University 박사 후 과정 2004년 8월 ~ 2007년 2월 : 한국전자통신연구원 RFID 시스템연구팀 선임연구원 2007년 3월 ~ 현재 : 대구대학교 정보통신공학부 교수

※ 관심분야 : RFID 및 광대역 안테나, 고감도 마이크로파 센서, Chipless RFID

이 종 익 (Jong-Ig Lee)

1992년 2월 : 경북대학교 전자공학과 (공학사) 1994년 2월 : 경북대학교 전자공학과 (공학석사) 1998년 8월 : 경북대학교 전자공학과 (공학박사) 1998년 3월 ~ 12월 : 금오공과대학교 연구교수

1999년 3월 ~ 현재 : 동서대학교 메카트로닉스융합공학부 교수

※ 관심분야 : 평면 안테나, 전자파 산란