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Ⅰ. 서 론
커피의 주요 원료인 원두는 볶는 과정인 로스팅 과정을 통해 향과 맛을 낸다. 이러한 로스팅 과정에서 커피콩의 수분량은 2 %～15 % 정도로 달라지며 원하는 맛과 향을 내기 위해서는 로스팅 과정에서 적당한 숙달이 필요하다. 이러한 수분의 변화는 커피콩의 유전율을 변화시키며, 맛에도 영향을 미치게 된다.
수분의 변화에 따른 물체의 유전율 변화는 연구되었으며[1], 레이다를 통한 토양의 수분함량 측정연구 또한 연구되었다.[2] 유전율의 변화는 안테나의 반사손실의 크기 변화와 주사수의 변화에 따라서 유추 가능하며, 이는 곧 커피콩의 수분을 유추 가능하게 한다. 측정용도에 맞도록 주파수를 설정하여 설계를 하는데, 대체적으로 설계가 쉬운 패치안테나의 이중대역 구조가 많이 사용되어 왔다[3]～[5]. 최적화된 아주 작은 다이형 패치 안테나의 군집된 형태로서 비교적 낮은 대역에서 유전율 변화를 측정하여 흙의 수분 변화를 측정하는 동시에 측정된 값을 통신대역을 통해 전송 가능한 이중대역 안테나가 소개되었었다[6].
본 논문은 커피를 측정 부분 안테나의 방사면 위에 밀착된 커피콩을 올려놓고 반사손실과 주파수의 변화를 측정함으로써 커피의 수분을 측정한다. 이렇게 측정된 값은 Wi-Fi 대역으로 송신 또는 수신을 할 수 있는 이중대역 안테나를 설계하는 것을 목적으로 한다. 통신 대역은 Wi-Fi, Bluetooth에 사용되는 IEEE 802.15 규격 2.47 GHz 대역에서 동작하며, 이 통신 대역은 콩의 수분 함량과 유전율의 변화에도 주파수가 변화하지 않도록 설계를 하였다. 커피콩의 수분을 측정하는 패치 안테의 부분은 수분을 측정하는 3.6～4 GHz 대역을 사용하도록 안테나를 설계하였다.
Ⅱ. 본 론
그림 1은 커피콩의 수분 측정안테나로 그림에서 보여주는 파라미터들로 설계되었으며 유전율 3.2를 가지는 30 mil 두께를 가진 IS680 RF 보드를 사용하였다. 안테나는 Wi-Fi, Bluetooth 통신에 사용하는 2.47 GHz 대역과 다른 통신대역에 영향을 미치지 않으면서 고주파 대역으로 안테나의 측정에 민감한 3.6～4 GHz 두 가지 대역을 많은 simulation과 제작과정을 통하여 결정하였다.
그림 1에서 안테나의 왼쪽과 위쪽 부분은 통신용 안테나 부분이고, 오른쪽 아래의 부분은 수분 측정용 안테나 부분이다.
그림 2는 그림 1에서 소개된 안테나에 갈아진 커피콩을 측정 부분 안테나 위에 약 10 mm 두께로 커피가 놓아진 모습이다. 커피를 특정 해당 위치에만 올려 설계한 이유로는 통신에 사용되는 주파수가 커피의 유전율 변화가 영향을 끼치도록 하지 않기 위해서이다. 커피가 올려진 부분은 커피의 수분의 함량을 측정하기 위한 부분으로 유전율 변화에 민감하도록 많은 안테나 구조를 simulation하고, 여러 구조를 제작하여 측정을 한 결과를 통해 설계되었다.
커피콩의 수분변화는 커피의 맛과 콩의 유전율의 변화에 영향을 미치므로, 본 안테나를 사용하여 커피콩의 수분에 따른 유전율의 변화를 측정하였다. 유전율의 측정에 사용된 유전율 측정기는 Agilent 85070E Dielectric Probe kit를 사용하였으며, 측정은 총 10회 반복하여 평균값을 사용하였고, 수분측정은 일반적으로 많이 사용되는 수분 측정기를 사용하여 측정하였다. 그 결과, 생두의 수분은 15 %에서의 유전율은 약 3.2가 나타났으며, 수분이 2 % 가량의 원두의 유전율은 약 1.56으로 측정되었다.
그림 3은 유전율에 따라 안테나의 반사계수를 보여준다. 그림 3에서 A는 유전율 3.2를 가지는 생두(수분 15 %)의 반사손실 값을 나타내며 이는 3.84 GHz에서 −8 dB의 수치를 가진다. B(수분이 약 9 %)는 유전율 2.5인 커피로서 반사손실 값이 3.89 GHz에서 −9 dB의 수치를 가진다. C(수분 약 2 %)는 유전율이 1.3으로서 반사손실 값은 3.96 GHz에서 −16 dB의 수치를 가진다. 2.47 GHz의 통신대역에서의 주파수 변화와 반사손실 값이 거의 변화가 없으며, 3.8～4 GHz까지 반사손실의 변화가 유전율에 따라서 크게 변화함을 보여준다. 이를 통하여 유전율 변화에 따른 통신대역의 주파수와 반사손실 값의 변화를 주지 않으면서 측정을 위한 주파수 대역의 반사손실의 변화는 크게 나타나는 것을 볼 수 있었다.
이러한 측정을 통해 3.6～4 GHz의 반사계수 측정이 가능한 시스템을 설계한다면 반사계수 변화에 따른 콩의 변화와 수분을 측정할 수 있으며, 측정한 수분에 따른 맛의 선별이 가능하다.
그림 4의 두 그림은 통신대역(2.47 GHz)에서 안테나 방사패턴이다. 그림 4(a)는 Phi 방향(x-y평면)의 패턴이며, 안테나의 이득은 최대 1.7 dBi이다. 그림 4(b)는 Theta 방향(x-z평면)의 패턴이며 최대 이득은 6.55 dBi이다.
그림 5의 두 그림은 측정 대역(3.857 GHz)에서 안테나 방사패턴이다. 그림 5(a)는 Phi 방향(x-y평면)의 패턴이며, 안테나의 주엽의 이득은 279°에서 최대 2.39 dBi이다. 그림 5(b)는 Theta 방향(x-z평면)의 패턴이다.
그림 6은 유전율 3.2를 가지는 30 mil 두께를 가진 IS680 RF 보드를 사용하여 실제 제작한 패치 안테나의 모습이다.
그림 7은 제작한 안테나를 Network Analyzer를 통하여 측정한 S11의 그림이다. 측정결과, 2.48 GHz의 통신대역에서 약 −24 dB의 반사손실을 보였고, 측정하는 콩에 따라서 크기의 변화가 거의 없었다. 생두(수분 약 15 %)와 원두(수분 2 %)의 두 가지를 안테나로 측정하였다. 생두는 3.64 GHz에서 반사 손실이 약 −4.4 dB의 반사손실을 보였으며, 원두는 3.69 GHz에서 −4.5 dB의 반사손실을 보였다. 실제 실험수치와 약간의 오차는 있지만 해당 측정 결과와 유사한 결과를 볼 수 있다.
Ⅲ. 결 론
본 논문은 커피의 수분을 패치 안테나를 통하여 측정 가능한 이중대역 안테나를 설계하였다. 설계 결과, 시뮬레이션에서는 통신이 가능한 2.48 GHz에서 측정된 반사계수의 수치가 약 −24 dB로서 simulation보다 개선된 결과를 보여 주었다. 커피 수분 측정을 위한 3.6～4 GHz 대역에서 simulation 통해 유전율 3.2를 가지는 생두(수분 약 15 %)의 반사손실의 결과는 3.84 GHz에서 −8 dB의 수치를, 수분 9 %인 콩(유전율 2.5)의 반사손실은 3.89 GHz에서 −9 dB의 수치를, 그리고 수분 2% 콩(유전율 1.3)의 반사손실은 3.96 GHz에서 −16 dB의 수치를 보여주었다. 측정치에서는 두 가지만을 측정하였다. 수분이 15 %인 생두는 약 3.64 GHz에서 −4.4 dB의 반사손실을 보여 주었으며, 약 9 %의 원두는 3.69 GHz에서 −4.5 dB의 반사손실을 보였다. 두 가지의 측정치는 simulation과 유사한 주파수 대역을 보여주며, 다만 반사계수의 크기 면에서는 다른 면을 보여주었다.
본 안테나의 설계를 통하여 커피 원두의 유전율 변화에 따른 수분을 안테나의 반사계수의 변화와 주파수의 변화를 확인할 수 있으며, 수분변화를 예측할 수 있었다. 본 결과를 바탕으로 다른 곡물에도 적용이 가능함을 보여주었다. 추후에 작은 하나의 안테나로서 측정과 통신이 가능한 안테나로서 동작이 가능한 안테나를 설계하는 것을 목표로 한다.
