코일 안테나를 이용한 지중의 SAW 센서 무선 측정 시스템 개발

Abstract

본 논문은 지상의 코일 형태로 제작된 안테나와, 지하의 안테나, 1-port SAW 센서로 구성된 무선 지중 센서 측정 시스템에 관한 연구를 다루고 있다. 무선 지하 센서 시스템은 코일 안테나 및 표면 탄성파 (SAW) 공진기를 기반으로 개발되어 매립 된 유틸리티 주변의 온도 변화를 측정하도록 설계되었다. ~ 250 MHz의 AC 신호를 코일 안테나에 인가하면, 지중의 코일 안테나로 신하고 전달되고, 수신된 신호는 SAW 센서로 전달되어 표면탄성파를 발생시킨다. 센서의 반사 막대로 인해 반환되는 SAW 에너지는 센서의 빗형 ​​전극 (IDT)에 의해 자속으로 재 변환되고 이후 지중 안테나를 통해 지상의 판독기로 전송된다. 온도에 따른 SAW 센서의 중심 주파수 변화를 관찰함으로써 실시간으로 지하 온도 변화를 모니터링하였다. 지상과 지하에 위치한 자기장 안테나는, COMSOL 시뮬레이션을 이용해 최적화 되었으며, 시뮬레이션 결과를 바탕으로 각각 Ni, Ni-Fe, CoNiFe 자기 코어에 구리 코일을 감은 구조로 제작되었다. 각각의 자기 코어는 높은 투자율을 가지면서, 표면의 질을 균일하게 유지할 수 있도록 SEM, AFM, EDS 측정 결과를 바탕으로 최적화 되었다. 온도 센서는 128º YX LiNbO3 위에 제작되었으며, COM Modeling 시뮬레이션을 통해 IDT의 수, 공진주파수, 대역폭 등을 최적화하였다. 설계된 전체 시스템을 바탕으로 한 토양 테스트에서 ~ 1m의 판독 거리가 관찰되었다. 온도 센서는 지하 온도 변화, 토양 유형 및 토양 컴팩트 (soil compactness) 측면에서 안정적인 성능을 제공했다. 센서의 감도 및 선형성은 각각 0.3 MHz / ºC 및 0.96로 분석되었다.

주제어 : 지중 무선 통신, 코일 안테나, 표면탄성파, 온도센서, 가스센서