KR101037865B1 - 마이크로파 레조네이터를 작동하는 방법 및 마이크로파레조네이터 - Google Patents

마이크로파 레조네이터를 작동하는 방법 및 마이크로파레조네이터 Download PDF

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볼커 누스
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포르슝스첸트룸 칼스루에 게엠베하
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Abstract

본 발명은 짝수개의 변을 가진 다각형 형상의 마이크로파 레조네이터(1)에 관한 발명으로서, 하이 모드 마이크로파 모드가 형성되고 균질 필드 분포의 레조네이터 공간의 넓은 공간이 워크피스(18)의 열처리를 위해 제공된다.
두개의 벽체 세그먼트(2)가 만나는 길이 방향 벽체 변부(4)를 따라 그 양쪽에 번갈아가며 마이크로파 인-커플링 구조체 쌍(9)이 형성되며, 인-커플링 구조체 쌍들은 직사각형 마이크로파 가이드 채널(rectangular microwave guide channel)(7)을 통해 마이크로파 공급원과 연결된다. 마이크로파 공급원은 인-커플링 구조체 쌍에 마이크로파를 공급하는 역할을 한다. 따라서, 각각의 인-커플링 구조체(9)로부터 레조네이터(1)에 입사되는 마이크로파들이 레조네이터(1)의 맞은편 코너 영역을 향하게 되고, 맞은편 코너 영역으로부터 레조네이터(1)의 중심 영역을 향해 개별적인 빔(L1, L2)의 형태로 다시 반사되게 된다.

Description

마이크로파 레조네이터를 작동하는 방법 및 마이크로파 레조네이터{MICROWAVE RESONATOR AND METHOD OF OPERATING MICROWAVE RESONATOR}
본 발명은 2003년 7월 1일 자 독일 특허 출원 제 103 29 411. 2호에 기초한 우선권 주장 출원으로서, 2004년 4월 29일 출원된 국제 출원 PCT/EP2004/004516호의 일부 계속출원에 관한 것이다.
본 발명은 마이크로파 레조네이터에 관한 발명으로서, 이러한 마이크로파 레조네이터에 의하여 형성된 모듈식 플랜트(plant) 또는 조립체 라인과, 하이 모드 레조네이터 내에서 발생되는 마이크로파를 이용하여 열처리하는 방법 및 워크피스(work piece)에 관한 발명이다.
마이크로파에 의하여 음식물을 가열하는 것은 공지된 것이다. 레조네이터 챔버로 유입된 전자기장은 레조네이터 챔버의 형상(geometry)과, 마이크로파의 진동수(즉, 파장)에 의존하여 챔버내에서 정상 분포되어 진다. 가정용 마이크로파는 진공상태 또는 대기로 채워진 공간에서 대략 2,45 ㎓의 진동수(즉, 12cm의 파장 λ)를 가진다. 가정용 마이크로파 장치의 형상은 단순 입방 구조로 형상화되어 진다.
경험에 의하면, 레조네이터 챔버 내에서 마이크로파에 노출된 음식물은 균일하게 가열되지 않는다. 이는 음식물의 성분들마다 수분 함유량이 다르기 때문이며, 결과적으로, 다이폴 밀도가 국부적으로 다르기 때문이다. 그러나 가장 중요한 것은 레조네티어 내 전자기장의 분포로서, 전자기장에 의한 다이폴의 여기로부터 균일한 가열 여부가 결정된다. 유사한 물질을 가열할 때, 전체 물질 부피에 균일한 가열을 위해 전자기장 분포가 중요하다. 공간의 필드 변화(variation)를 방지하기 위하여, 불편하지만 효과적인 보조방법(aid)은 레조네이터 챔버 내에의 가능한 표면 영역이 움직이는 것이며, 이 경우 마이크로파 복사(microwave radiation)의 충돌 부분들이 반사되어 필드 강도 변화가 국부화되고 흐려진다. 이와 같은 경우, 처리 재료(process material)는 레조네이터 내에서 고정 상태에 있다. 다른 또는 부가적인 방법(measure)은 처리 재료를 움직이는 것으로서, 예를 들어 테이블을 이동시키거나 테이블을 회전시키는 것이다.
산업상 재료를 처리하는 기술에 있어서, 마이크로파들에 의하여 가공되는 제품들을 가열하는 동안 전자기장은 가능한 작게 적어도 레조네이터의 중앙 부분에서 또는 전체 레조네이터 체적 내에서 변화하여 열점(hot spot)들과 과열을 방지하기 위하여 이상적인 공간 균일화 분포에 근접한다.
독일 특허 제 196 33 245호에 공개된 다각형 레조네이터의 기하학적 구조에 있어서, 기하학적 구조로 유입되는 복사는 경사진 복사 축(inclined radiation axis)을 포함하는 전면 측부로부터 중심에서 벗어나도록 유입된다. 특히 레조네이터의 기하학적 구조의 육각형 단면에서, 상기와 같은 방법으로 필드 분포는 적어도 중앙 레조네이터 영역 내에서 형성되어 지며, 체적 영역(volume area)은 적합한 필드 균일성이 존재하도록 제공되어 진다. 전자기장이 인-커플링된 상태의 마이크로파를 포함하는 전체 레조네이터의 내부에 존재할지라도, 중앙 처리 체적에서 필드는 균일하거나 필드 변화들은 최소한 허용가능하며, 이는 상대적으로 작다. 상기와 같은 형태의 인-커플링된 상태의 레조네이터는 오직 개별적인 레조네이터로 사용되어 지며, 플랜트(plant)의 모듈 부분으로 이용되지 않는다.
본 발명의 목적은 레조네이터로 유입되어 지는 마이크로파를 위한 레조네이터를 제공함에 있으며, 다중 모드의 혼합물(mixture)은 상기 공간 내에서 이상적인 균일 분포에 이를 수 있는 모드 혼합물의 평균 필드 강도를 제공하는 열처리를 위하여 이용 가능한 길이방향 레조네이터 축 주위에서 가능한 처리 용적만큼 큰 레조네이터 체적 내에서 이와 같은 방식으로 형성되어 진다.
이와 같은 레조네이터는 한개의 모듈로 사용되어야 하며, 이와 같은 레조네이터들의 연속적인 배열(arrangement)에 의하여 워크 피스(work piece)들의 열처리를 위한 조립체 라인의 설정에 사용되어야 한다.
부가적으로, 각각의 레조네이터는 마이크로파를 이용하여 동작하여야 하며, 그 방식은 다음과 같다. 즉, 제어가능한 지정 주파수를 이용하여, 마이크로파들의 인-커플링에 의해 구축되는 레조네이터의 모드들은 국부적 발진으로 나타나거나 해당 공간 내에서의 움직임으로 나타난다.
이와 같은 레조네이터를 이용할 경우, 체적 가열(volumetric heating)에 기초한 마이크로파 공급에 의해 산업적인 스케일로 물체들 또는 워크 피스들을 처리할 수 있고, 이와 동시에 시간과 에너지를 절약할 수 있다. 가령, 합성수지가 침투된 합성 재료들, CFK 및/또는 GFK가 균일하게 경화되어, 고도의 형상 안정성 및 기계적 하중 용량을 구현할 수 있고, 구성요소 및 에폭시-수지 코팅 구조를 굳게 할 수 있다.
짝수 다각형의 마이크로파 레조네이터에 있어서, 하이 모드 마이크로파 모드(high mode microwave mode)가 형성되어 지고, 레조네이터 공간 내에서 균질 필드 분포가 워크 피스들의 열처리를 위해 형성되어 지는 경우에, 두개의 벽체 세그먼트가 만나는 길이 방향 벽체 변부를 따라 그 양쪽에 번갈아가며 마이크로파 인-커플링 구조체 쌍이 형성되며, 인-커플링 구조체 쌍들은 직사각형 마이크로파 가이드 채널(rectangular microwave guide channel)을 통해 마이크로파 공급원과 연결된다. 마이크로파 공급원은 인-커플링 구조체 쌍에 마이크로파를 공급하는 역할을 한다. 따라서, 각각의 인-커플링 구조체로부터 레조네이터에 입사되는 마이크로파들이 레조네이터의 맞은편 코너 영역을 향하게 되고, 맞은편 코너 영역으로부터 레조네이터의 중심 영역을 향해 개별적인 빔의 형태로 다시 반사되게 된다.
재료의 열처리를 위한 마이크로파 레조네이터는 기본적으로 독일 특허 제 196 33 245호에 공개된 형태를 가지며, 볼록한 다각형 단면들을 가지고 있다. 단면은 균일하다. 여러 실험 및 계산을 통해, 마이크로파를 레조네이터의 대형 중앙 공간 내에 인-커플링시키면서 고도의 균질 필드를 구축하기 위해서는 이러한 마이크로파 레조네이터의 단면이 짝수개의 다각형이거나 육각형인 것이 바람직하다는 것이 판명되었다. 레조네이터 내부는 단순한 형태로서 둥글지 않다. 레조네이터는 두개의 전면 벽체에 부가하여, 평면과 유사한 벽체 세그먼트들을 가지며, 결론적으로 균일한 단면을 가진다. 레조네이터로 유입된 마이크로파의 파장 λ에 따라, 하이 모드 전자기장이 설정되어 질 수 있는 치수를 레조네이터가 가지게 된다.
레조네이터 직경 D이 파장 λ보다 훨씬 크다면, 가령, 5배 크거나 10배 크다면, 또는 그 이상 크다면, 레조네이터를 하이 모드(high-mode) 또는 오버 모드(over-mode)라고 부른다. 이 경우, 아래의 조건에 따라,
L2 +m2 +n2 =(D/λ)2
다수의 양극(l,m,n)이 모드 갯수 l,m,n과 직경 D 사이에서 존재할 수 있으며, 들뜬 상태(excited)로 되어질 수 있고, 중첩되어 지며(superimpose), 결과적으로 오버 모드(over-mode) 상태에 놓인다. 참고로, 아래에 후술되는 'TE01 모드'라 함은, Transverse Elecdtric mode의 약자로서, '횡방향 전계 모드'라고도 하며, 이때, 속이 빈 도파관에서 m은 0, n=1에 해당하는 모드다. m>0 인 모드는 수평 방향으로 로브가 나타남을 제시하며, 일반적으로 m+1 개의 로브가 패턴에 나타난다. 반면, n>0 인 모드에서는 수직 방향으로 로브들이 나타나며, 일반적인 경우 n+1 개의 로브들이 패턴에 나타난다. 따라서, TE01 모드는 수평방향으로 1개의 로브와, 수직 방향으로 2개의 로브를 가진, 속이 빈 도파관에서의 횡방향 전계 모드다.
레조네이터 내부의 넓은 중앙 공간 영역 내에서 균질(homogeneity)의 전자기장, 또는 적어도 작은 공간적 변화를 가진 전자기장을 마이크로파용 한개 이상의 인-커플링 구조체 쌍에 의해 얻을 수 있다. 인-커플링 구조체들은 서로 비슷하다.
매우 넓은 어플리케이터(applicator)에 있어서, 이러한 인-커플링 구조체 쌍은 축방향으로 평행하게 연결되지 않은 여러개의 웨이브 전도체 트레인으로 구성될 수 있다. 외측의 길이방향 벽체 변부는 인-커플링 구조체 쌍 사이에서 뻗어가며, 그 뻗어가는 길이는 최대로 길어봐야 레조네이터 길이, 또는 길이방향 외측 변부의 길이에 해당한다. 이러한 방식으로 레조네이터의 둘레로 여러개의 인-커플링 구조체 쌍들이 배치될 수 있다. 레조네이터 둘레로 거의 N개에 달하는 인-커플링 구조체 쌍들이 제공될 수 있고, 이때, N은 자연수이고, 다각형의 변의 갯수를 의미한다.
각각의 인-커플링 구조체와 관련하여, 마이크로파 공급원에 연결된 직사각형 공동 전도체가 종료되는 지점에서 레조네이터 하우징 벽체에 길이방향으로 개구부들이 배열된다. 이러한 하우징 영역 세그먼트의 인-커플링 구조체는 겹쳐지지 않으면서 등기거로 이격된 일련의 인-커플링 윤곽(즉, 개구부)들을 포함하며, 이러한 개구부들은 길이방향 하우징 변부에 평행하게 뻗어가는 직선 라인(즉, 가이드 라인)을 따라 좌측 및 우측에 번갈아가며 배열된다. 기준 모드 TE01에서 직사각형 공동 전도체에 존재하는 마이크로파가 일정 위상으로 레조네이터 내로 인-커플링될 수 있고, 지정된 마이크로파 파장 λ와 회절각 θ에 대한 아래 관계로부터 슬롯의 가장 좁은 폭 d가 결정된다.
Tan θ= λ/d
이러한 근사치는 각 θ< 5˚ 인 경우 잘 들어맞으며, 즉, θ< 2˚ 인 경우, 탄젠트에 대한 수열의 1차항만으로 충분하다. 즉, 아래의 관계가 성립된다.
θ= λ/d
한편, 인-커플링 개구부들은 전개 파 전면(developing wave front)의 확장을 보장하기위하여 인-커플링 구조체로부터 인-커플링되는 마이크로파의 제 1 반사 거리 L1에 따라, 상기 언급된 회절각에 따른 폭 d를 가지며, 결과적으로, 서로 맞은편에 배열되어 교차하는 두개의 벽체 영역 세그먼트들에서 충분히 폭넓어지게 반사되도록 전개 웨이브 프론트의 폭이 넓어지는 것을 보장하게 된다. 다른 한편, 레조네이터 내로 인-커플링되는 1차 번들(primary bundle)이 후방 복사를 방지하기 위하여 마주보는 인-커플링 구조체를 덮지 않도록 회절각이 충분히 작게 선택되어진다. 1차 반사 후에 형성된 갈라진 복사 빔(split radiation beam)들은 인-커플링 구조체 또는 웨이브 전도체로부터 멀어지는 회전 방향성(a sense of rotation)을 가지며, 이에 따라, 추가적인 반사 및 분할과 이에 대응하는 노이즈같은, 그러나 탄성적인 손실없는 스트레이 현상과 관련한 복사 빔들이 발생된다.
대칭적인 인-커플링 구조체 쌍들을 이용함에 따라, 프레스넬 단폭 필드(fresnel short range field)에서 직접 레조네이터로 아웃 커플링 개구부를 통해 균일한 진폭 분포(uniform amplitude distribution)가 형성된다. 추가적인 자유 파동 전파를 굴절 확장(concurrent refraction widening)과 동시에 유지할 수 있다. 인-커플링 구조체로부터 전파되는 웨이브 프론트(wave front)는 편평한 금속성 내부 벽체 세그먼트들에 의하여 여러번 탄성적으로 반사되어 지고, 이와 동시에, 특성을 유지하며, 이에 따라 형성된 다양한 빔들의 폭이 지속적으로 넓어진다. 인-커플링 구조체의레조네이터 벽체 상의 웨이브 전도체의 단부에 배열되고, 일정 위상 방식으로 레조네이터에 인-커플링된다. 이러한 고려사항들에 기초하여, 길이방향 하우징 축에 대해 인-커플링 슬롯들을 배열하기 위한 라인을 얻을 수 있다. 이러한 설계 거리는 상술한 마이크로파 공정 요건에 기초하여 결정되며, 임계값 내에서 가변적이다.
직선 가이드 라인에 평행한 길이방향 축과 함께 인-커플링 개구부들이 배열될 경우, 각각의 인-커플링 구조체에 대하여, 레조네이터에 인-커플링되는 가장 강한 마이크로파가 제공된다. 인-커플링 개구부들이 가이드 라인에 대해 수직으로 뻗어간다면, 마이크로파 인-커플링이 가장 작을 것이다. 그 중간의 위치에서는 중간 강도의 웨이브 인-커플링이 제공된다.
서로에 대응하는 인-커플링구조체 쌍의 인-커플링 구조체들의 개구부들의 기하학적 구조의 위치(geometric position)에 부가하여, 레조네이터 내에서 전자기장 형성의 품질을 위해 상기 기하학적 구조의 형태(geometric shape)가 또한 중요하다.
제조를 위하여, 인-커플링 개구부의 가장 단순한 형태는 직사각형 공동 전도체 에서 기본 파 H10의 길이 L=λ/2와 폭 d를 가진 직사각형이다(청구항 제 3항 관련). 이러한 기하학적 구조에 있어서, 레조네이터에 공급된 복사선에서 마이크로파에 의한 물리적인 손실이 발생되며, 이는, 특히 인-커플링 형상의 코너 영역에서, 변부 전류(edge current)에 의한 더 강한 가열(즉, 쥴(joule) 가열 R2)로부터 명백하게 나타나는 것이다. 청구항 제 4항에 정의된, 단순한 최적화 인-커플링 형상은 기준 파장의 길이 L=λ/2에 걸쳐, 직사각형 공동 전도체의 벽체에서 기준 모드 TE01의 두개의 거울 대칭 전기장 라인들의 경로를 따른다. 앤티-노드(anti-node)에서는 두개의 전기장 라인들이 침투를 위해 상술한 폭만큼 이격된다.
이론적으로, 대부분의 단순한 다이폴 라디에이터(radiator)에 있어서, 점광원같은 복사광원은 지속적으로 증가하는 방향을 가진 일련의 다극 라디에이터로 구성된다. 이로 인하여 인-커플링 형상의 복잡한 형태가 도출될 수 있고, 이러한 복잡한 형태는 복사원과는 멀리 떨어진 상태에서, 미리 결정된 다극 특성의 이상적인 형태에 근접한다.
또한 인-커플링 구조체 쌍의 인-커플링 구조체에 형성된 개구부들의 위치는 레조네이터로 결합 된 필드의 형성을 위하여 중요하다. 바람직하게, 상대적인 배열은 기술되어 졌다. 서로에 대한 개구부들의 위치는 언커플링될 위상 일치를 얻기 위해 서로 등거리에 있으며, 가이드 라인으로부터 개구부까지의 거리는, 원거리 반사 필드(reflected distant field)에서 등방성 복사를 얻을 수 있도록 결정된다. 반사된 거리 필드 내에서 등방성 복사이다.
본 발명에 따른 배열에서는, 길이방향 벽체 변부에 걸쳐 뻗어가는 인-커플링 구조체 쌍의 두개의 복사면의 벽체 변부 직선 라인을 따라 모드 스터러가 장착되고, 이에 따라 두가지 결과를 얻을 수 있다. 먼저, 레조네이터의 처리 공간 내의 이상적이지 못한 균질 필드에서의 필드 균일성을 개선시키기 위해 인-커플링 구조체 쌍의 두개의 복사면의 직선 라인을 따라 회전 모드 스터러가 설비된다. 이러한 회전 모드 스터러는 하우징 변부의 길이에 걸쳐 뻗어가며, 가장 길 경우 하우징 변부의 길이와 일치한다. 상기 회전 모드 스터러는 인-커플링 구조체 쌍으로부터 두개의 인-커플링된 복사선의 중심에서 스트레이 기능을 한다. 따라서, 두 복사면 중 어느 것도 서로 마주보는 인-커플링 구조체 내에 속하지 못한다. 모드 스터러는 웨이브 전도체로부터 1차 복사선 번들의 후방 반사를 허용치 않는다. 아예 허용치 못할 수도 있고 거의 허용하지 않을 수도 있다. 어떤 경우에도 이러한 후방 반사는 최소화되어야 할 것이다. 따라서, 모드 스터러는 타원형의 단면 또는 원형의 단면을 가지며, 오목/볼록한 부분이 교대로 나타난다. 오목부에서는 초점이 인-커플링 구조체 내에 속하지 않도록 곡률반경이 결정된다. 이 경우에, 충돌하는 마이크로파의 선형 부분만이 반사될 것이고, 또는, 모드 스터러가 길이방향으로 추가적으로 비틀림 응력을 받을 때 점형태의 부분만이 반사될 것이다. 본 발명의 다른 해결책은 처리 라인의 제공에 있다. 최소한 2개의 마이크로파 레조네이터가 통로를 사이에 두고 서로 인접하게 배열되며, 처리되어 지는 물체는 근접한 전면 벽체들에 의하여 한 레조네이터로부터 근접한 레조네이터까지 이동할 수 있다. 레조네이터들은 직선형으로 배열될 수도 있고 소정 각도로 배열되거나 구불구불하게 배열될 수도 있다. 이에 따라 소정의 설계 조건이나 제약사항을 수용할 수 있게 된다. 이와 같은 처리 라인에 있어서, 수많은 워크 피스(work piece)들이 요망 곡선에 따라 연속적으로 열처리될 수 있다. 가령, 가열되고, 소정 온도로 유지되거나, 지정 시간동안 냉각되거나 할 수 있다. 소재들의 연속적 통로를 이용할 때, 처리 라인의 제 1 레조네이터에서는 소재를 가열하고, 제 2 레조네이터에서는 지정 시간동안 구워지게 되며, 제 3 레조네이터에서는 시간에 따라 냉각될 수 있다.
하나의 인-커플링 쌍에 있어서, 레조네이터는 최소한 균일한 전자기장 상태로 존재하고 균일한 필드 분포에서 크기가 큰 중앙 처리 공간을 가진다. 각각의 위치에서 상기 처리 공간으로 유입된 워크 피스는 동일한 필드 조건에 놓이게 되며, 그리하여 전체적으로 균일하게 가열되어 진다. 이러한 레조네이터 내의 EH하나의 인-커플링 구조체 쌍에 있어서, 마이크로파가 레조네이터 내로 인-커플링될 때 필드 조건들이 추가적으로 균질화되며, 이에 따라, 시간에 기초한 발진 방식으로 필드 분포에 영향을 미치도록 하는 동작 가능성들이 제공된다.
본 발명의 다른 실시예에서, 마이크로파는 서로에 대해 변위된 레조네이터의 인-커플링 구조체 쌍에 의하여 인-커플링 특징을 가지며, 동시에 순간 또는 일정한 평균값에 대하여 시간 대 진동을 한다. 이와 같은 결과, 레조네이터 내에서 모드 형성(mode formation)은 국부적으로 발진을 일으키거나, 이동파(walking wave)와 유사한 두 영역 사이에서 전방과 후방으로 이동한다. 심지어는 레조네이터 공간 내에서 회전을 한다. 이 방식으로, 처리되어지는 워크 피스의 미세한 온도 조절이 실현될 수 있다. 즉 이와 같은 방법에 따라, 처리 공간 내에 배열된 워크 피스가 균일하게 가열되어지거나 온간(keep warm)되어진다. 또한, 이 방법을 이용할 경우 가장 높은 온도 균일성으로 매우 큰 가열 속도가 가능해진다. 왜냐하면, 위상에 기초한 필드 변화가 매우 낮은 온도 변화를 보이며, 따라서, 소위 열 방출이나 열점 현상의 형성을 방지할 수 있기 때문이다.
상기 형태의 모드 움직임은 레조네이터에서 인-커플링 구조체 쌍들의 수에 의하여 제어될 수 있다. 왜냐하면, 최소 단위에서는 한개의 인-커플링 구조체 쌍이 레조네이터에 존재하고, 길이방향 하우징 변부에서는 최대 숫자의 인-커플링 구조체 쌍이 제공될 수 있기 때문이다. N개의 인-커플링 구조체 쌍에 대해 레조네이터로 인-커플링되는 전체 전자기 에너지는 다음과 같다.
Figure 112005076708030-pct00001
N은 레조네이터 단면의 변의 갯수이고, pi(t)는 i번째 인-커플링 구조체 쌍에서의 인-커플링 에너지이며, N1과 N은 자연수이다.
P(t)는 주어진 값으로서, 시간에 따라 일정할 수도 있고, 변수일 수도 있다. 즉, 증가하거나 감소할 수 있다. p(t)는 여러 개의 값을 합산한 것이다. 설비되거나 이용된 구조체 쌍들의 P(t) 컴포넌트들이 주어진 값 유지를 위해 반대로만 변화하여야 한다는 것을 쉽게 알 수 있다. 레조네이터 동작으로 넘어갈 때, 전체 에너지 입력 값 p(t)이 유지되도록 레조네이터에 인-커플링되는 타입을 "모드 스위핑"(mode sweeping)이라 부른다.
또한 인-커플링 구조체 쌍 I를 통한 인-커플링 에너지 P(t)는 미리 결정되어 있는 반면, 두 개의 인-커플링 구조체들에 의한 인-커플링 에너지 P우(t) 와 P좌( t)는 서로 반대로 진동하는 방법으로 조금씩 변화하는 것이 가능하다. 그리하여 몇몇의 작은 모드 스위핑(small mode sweeping)이 부가적으로 존재한다.
Pi(t)= P우(t) + P좌(t)
이와 같은 방법으로, 균질 열처리에서의 추가적인 미세 조정이 구현된다. HEPHAISTOS는 완벽하고 복합적인 제어를 가능하게 만든다.
공동 전도체의 단부에서 각각의 인-커플링 구조체를 통하여 직사각형 공동 전도체 라인에 의하여 마이크로파가 공급되어 지는 각각의 마이크로파 원 내에서 전자 빔의 강도를 지속적으로 제어함에 따라 또는 펄스의 폭을 제어함에 의하여 에너지가 인-커플링될 수 있다.
모든 물체들 또는 워크 피스들과 미완성의 제품들은 열처리되어지며, 마이크로파 레조네이터 내에서 또는 처리 라인 내에서 열처리되어 생산/형상화될 수 있다. 미완성의 제품들은 수지 함침 탄소 섬유 화합물(resin impregnated carbon fiber compound material: CFK), 수지 함침 글래스 섬유 화합물(resin impregnated glass fiber compound material: GFK), 열경화수지, 열처리형 폴리머, 세라믹 등등이 있다.
레조네이터 내에서 물체 처리를 위하여, 균질 필드 영역에, 또는, 가장 작은 국부 변화를 가진 필드 영역에 물체들이 노출되도록 하는 것이 워크피스 공간에서 균일한 가열을 위해 중요하다. 이를 위해, 레조네이터는 지지 구조체를 포함하는 데, 이러한 지지 구조체는 영구적으로 레조네이터 내부에 설비될 수도 있고, 또는, 로딩을 위해 제거했다가 처리를 위해 삽입되는 형태일 수도 있다. 이러한 지지 구조체는 전자기장을 교란하지 않는 내열성의 물질로 구성된다. 처리 공간 영역 내에서, 즉, 필드 균질성이 높은 영역에서, 지지 구조체가 금속성일 수도 있다. 왜냐하면, 처리 공간에 유입되는 소재의 표면 상에서, 전기장 라인들이 지지 구조체의 표면에 수직이거나 거의 수직인 주어진 필드 상황과 함께 뻗어가서, 어떤 전류도 이 표면에 유도되지 않고(유도되더라도 무시할만큼 작은 수준의 전류만이 유도됨), 이러한 처리 공정에 어떤 유해한 영향도 미치지 않기 때문이다.
상기와 같은 레조네이터 설계를 이용할 때, 복수의 반사에 의해 전파되면서 균일하게 분포되는 수많은 빔 번들들의 중첩에 의해 우수한 품질을 가진, 축방향으로 대칭인 필드 균질성을 얻을 수 있다. 그 결과, 레조네이터 공간에서는 중앙에 배열된 대형의 처리 공간을 얻을 수 있다.
이하 마이크로 레조네이터는 첨부된 도면내에 도시된 실시예에 기초하여 기술되어질 것이다.
도 1은 한개의 인-커플링 구조체 쌍을 포함하는 레조네이터의 단면도.
도 2는 두개의 인-커플링 구조체 쌍들을 포함하는 레조네이터의 단면도.
도 3은 일례의 모드 스터러의 단면도.
도 4는 인-커플링 구조체의 도.
도 5는 기준 모드에 적용된 인-커플링 형상의 도.
도 6a는 오븐 내에서 레조네이터를 도시하는 횡단면도.
도 6b는 오븐 내에서 레조네이터를 도시하는 길이방향 단면도.
도 7은 모드 스위핑의 도.
도 8은 시간에 따른 경화 곡선.
도 9는 경화될 수지로 코팅된 금속 몸체의 도.
합리적인 기술적 비용으로 마이크로파를 기술적으로 이용하려면, 10㎒ 내지 30㎓의 마이크로파 범위가 적절하다. 특히, 100㎒ 내지 25㎓의 마이크로파 범위가 적절한데, 이는 대략 33㎝ 내지 1.2㎝의 공기 또는 진공 상태의 파장과 동일하다. 이 대역에서는 통신용으로 여러 범위들이 여러 방식으로 사용된다. 그 결과, 915MHz, 2.45㎓(가정용 마이크로파들), 5.85㎓ 및 24.15㎓ 의 ISM 주파수들이 이 용도로 고려될 수 있다. 따라서, 레조네이터의 기하학적 구조(resonator geometry)들은 32.8㎝, 12.2㎝, 5.1㎝ 및 1.2㎝의 관련 파장에 적응된다.
이와 같은 경우, 균일한 정육각형 단면을 가진 프리즘 레조네이터 및 이러한 프리즘 레조네이터로부터 형성된 처리 라인(process line)이 이하에서 설명될 것이다. 레조네이터는 2,45㎓에서 작동한다. 레조네이터 공간 내에서, 상술한 하이 모드 작동(바람직함)이 2.45 GHz 마이크로파 인-커플링으로 형성되도록 하는 크기로 레조네이터가 구성된다. 레조네이터는 스테인레스 스틸로 구성된다. 일실시예에서는 해당 시간에 처리되고 있는 수지 함침 합성 재료(resin impregnated compound material)의 가열을 연속적으로 관찰하고 제어하기 때문에, 도어에 의해 닫힐 수 있는 레조네이터의 양 전면부를 통해 레조네이터에 액세스할 수 있다. 서로 다른 위치에 배치되어 전자기장에 의해 영향받지 않는 열 센서들에 의해 가열 상황을 모니터링할 수 있다. 추가적으로, 처리되고 있는 물체의 가열 이미지를 열 카메라로 연속적으로 관측할 수 있다. 가열 프로세스는 요망 온도로 가열하는 단계와, 온도를 일정하게 유지시키는 단계로 구성되며, 이러한 온도 제어는 헤파이스토스(HEPHAISTOS, high electromagnetic power heating autoclave inset oven system) 시스템의 가열 제어 구성을 이용하여 전자적으로 이루어진다.
도 1은 좌측 상단의 하우징 변부(edge)에 대해 평행하게 배열된 한 쌍의 인-커플링 구조체(9)('인-커플링 구조체 쌍'이라고도 표현함)를 포함하는 레조네이터(1)의 단면을 도시한다. 분할되지 않은 인-커플링 구조체는 직사각형 공동 전도체(rectangular hollow conductor)(7)를 포함하며, 이 전도체(7)는 레조네이터(1)의 외부로 뻗어가고 레조네이터 벽체(2)와 일체형으로 구성된다. 상기 전도체(7)는 본 발명의 일실시예에서 거의 전체 레조네이터 길이에 달하도록 뻗어간다(도 4b 참조). 레조네이터(1)와 일체인 벽체에서는 실제 인-커플링 구조체(9)가 공통 벽체의 중앙선을 따라 제공된다(도 6b 참조). 각각의 인-커플링 구조체(9)의 방사면(radiation plane)은 인접한 하우징 벽체 세그먼트(adjacent wall segment)(2)에 대해 수직으로 뻗어간다. 인-커플링 구조체(9)의 구성에 따라, 빔 체적(beam volume)은 소정의 오픈 각(open angle: 발산되는 빔의 내각을 의미)을 가지도록 구성되며, 이러한 오픈 각(A)은 직접적으로 서로 인접하게 배열된 두개의 하우징 벽체 세그먼트(2)에서 첫번째 반사가 이루어지도록 결정된다. 즉, 도 1의 중앙 상단에 위치한 인-커플링 구조체로부터의 방사선(6)은 좌측 하단 및 중앙 하단의 (서로 인접한 두개의) 벽체 세그먼트(2)에 도달하도록 그 오픈 각(A)이 결정되며, 도 1의 좌측 상단에 위치한 인-커플링 구조체(9)의 방사선은 우측 상단 및 우측 하단의 벽체 세그먼트(2)에 도달하도록 그 오픈 각(A)이 결정된다. 이와 같이 발산하는 형태의 방사선들이 평탄한 벽체 세그먼트들에 의해 반사되고 그 폭이 넓어진다. 둥근 레조네이터 벽체에서처럼, 레조네이터를 따라 작은 촛점 영역들이 형성된다.
빔 변부와 각각의 제 1 반사 영역들 위치에 도시된 작은 화살표(L1, L2)들은 제 1 반사를 나타내며, 곡선형 화살표들은 제 1 반사에 따라 빔의 빔 변부들이 측면으로 갈라져 나감을 나타낸다.
아직 반사되지 않은 두개의 메인 빔 로브(main beam lobe)(14)들의 교차 영역(13)에 모드 스터러(mode stirrer)(15)가 배열된다. 모드 스터러는 거의 전체 자유 내부 레조네이터 길이에 걸쳐 뻗어간다. 모드 스터러는 가령, 두개의 레조네이터의 전면 벽체 상에서 지지되어 지고, 전면 벽들 중 하나에서 침투(penetration)에 의하여 외부로부터 구동되어진다. 모드 스터러가 적절하게 전자기적으로 차폐되어진다면, 레조네이터(1)의 내부에 전기 구동부(electric drive)가 배열될 수도 있다. 모드 스터러(15)의 단면은 둥근 별 모양으로 도시된다. 다시 말해서, 4개의 볼록부와 4개의 오목부가 교대로 나타나는 모양을 가진다. 도시된 모드 스터러(15)는 찌그러지지 않은 단순한 형상을 가지며, 모드 스터러(15)의 회전 속도에 따라, 짧은 시간 주기 동안만, 그리고, 길이 방향을 따라서만, 인-커플링 구조체(9)를 향해 빔을 다시 반사시키는 조건을 만족시킨다. 어떤 경우에도, 모드 스터러(15)에 도달하는 두개의 빔 로브(14)들의 중앙 영역은 노출된 인벨롭 부분에서 폭이 크게 넓어진다.
도 2는 외측 레조네이터 벽체(2)에 장착된 두 쌍의 인-커플링 구조체(9)들을 포함하는 레조네이터를 도시하고 있다. 공통 하우징 벽체 세그먼트(2)의 길이 방향 레조네이터 하우징 변부에 제 2 인-커플링 구조체 쌍(9)이 배치된다. 인-커플링 구조체들이 모두 동일한 타입이기 때문에 빔들은 해당 경로 내에서 연장된다. 그리고 모든 마이크로파 빔 로브들의 폭이 넓어지고 모든 마이크로파 빔들이 평면형 벽체 세그먼트(2)들에 의해 반사되기 때문에, 레조네이터(2) 내부에서 전자기장 분포가 규칙적으로 형성되어진다. 두개의 모드 스터러(15)를 이용하여, 레조네이터(1)에 방금 커플링되어 모드 스터러(15)에 입사되는 비교적 고밀도의 마이크로파 빔 부분(6)이, 모드 스터러(15)에서의 반사 이후 그 폭이 넓어지고 약화된다. 그리고, 육각형의 대칭적 형태 때문에, 이러한 마이크로파 빔 부분(6)이 탄성적으로 반사되어 필드 밀도가 이러한 방식에 의해 더욱 균일해진다. 모드 스터러(15)는 인-커플링 구조체 쌍의 두개의 빔 평면의 교차점(13)의 라인 상에 배치되고, 이러한 방식에 따라, 두개의 방사면이 서로 마주하는 인-커플링 구조체(9)를 향해 뻗어가는 것을 방지할 수 있다.
모드 스터러(15)는 필드 균질성(field homogeneity)에 기여하는 측면에서 유용하다. 도 3은 모드 스터러 단면의 두가지 예로서, 둥글둥글한 별 모양(15)과 열쇠구멍 모양(15')의 모드 스터러를 도시하고 있다. 어떤 경우에도, 오목한 부분의 초점 라인이 인-커플링 구조체 내로 형성되지 않도록, 그리고 더 뒷편에 배치되도록, 오목한 부분의 곡률 반경이 결정되어야 한다. 이때, 초점 라인이란, 길이방향 스터러의 경우 직선이고, 비틀림 방향 스터러의 경우 모드 스터러의 축에 관해 스레드 라인(a thread line)에 해당한다. 모드 스터러(15)가 볼록한 단면을 가질 경우, 가령, 렌즈 형태나 타원형일 경우, 이러한 요건이 필요치 않다.
레조네이터의 기하학적 형태에 부가하여, 이용가능한 전자기장 조건을 얻기 위한 선결조건은, 마이크로파 인-커플링 구조체(9)의 구조에 있다. 도 4에 도시된 구조를 이용할 때, 필드 균질성을, 또는 공간적으로 허용할 수 있는 수준의 작은 필드 변화만을 얻을 수 있다는 것을 연산 및 실험을 통해 확인한 바 있다.
레조네이터 벽체(2)의 외측 벽체에 배치되는 직사각형 공동 전도체(rectangular hollow conductor)(7)의 공통 벽체부는 길이방향 중앙축의 양 측부에서 직사각형 슬롯 모양의 개구부(10)들을 가진다. 이 개구부(10)들은 레조네이터의 길이를 따라 균등하게 이격되어 분포된다. 가정용 마이크로파 주파수가 2.45 GHz 임에 입각하여 이러한 마이크로파 주파수를 기반으로 하여, 직사각형 슬롯의 길이 L = 62.8 mm 이고 폭 d는 아래와 같은 회절 조건에 의해 결정된다.
Tan θ= λ/d, 또는 θ= λ/d
그러나 인-커플링 윤곽의 크기는 고정적인 것이 아니며, 위 예시는 일례에 불과하다. 레조네이터(1)에 대한 일정 위상 아웃-커플링(out-coupling)이 제공되도록 인-커플링 개구부(10)들이 서로 이격되어 배치된다.
도 5에는 마이크로파의 물리적인 상태들을 고려한 단순한 인-커플링 윤곽이 도시된다. 직사각형 공동 전도체(7) 단부들 상의 레조네이터 벽체의 영역에서, 인-커플링 구조체의 인-커플링 윤곽들은 각각의 인-커플링 윤곽의 형태에 의해 기준 모드(base mode) TE01 이 선호되도록 형성된다. 이 윤곽(contour)은 직사각형 공동 전도체(7)의 벽체에서 기준 모드의 두개의 전기장 라인(16)을 따르며, 이러한 두개의 전기장 라인(16)은 인-커플링 윤곽의 길이방향 축에 대해 거울 대칭이다. 전기장 라인(16)의 두개의 노드들이 이러한 길이방향 축 상에 배치된다. 이 노드들은 기본파장의 λ/2 의 간격으로 이격되며, 인-커플링 형상의 단부들을 형성한다. 이러한 인-커플링 윤곽의 루프(loop)의 폭 d는 레조네이터로 인-커플링될 때의 회절각을 고려하여 결정된다. 이 윤곽을 정확히 따르면, E1= 0 인 상태가 존재한다. 이 윤곽은 기하학적으로 단순하다. 현대의 금속 가공 기술을 이용하여 레조네이터로부터 이러한 윤곽을 쉽게 잘라낼 수 있다. 복수의 부재를 차례로 발전시킨 광원들의 설정에 기초한 좀더 복잡한 형태를 가진 인-커플링 윤곽들 역시 기본적으로 가능하지만, 특정 응용 분야에 경제적으로 합리적인지에 관해 점검이 이루어져야 할 것이다.
도 6a 및 도 6b는 특정한 애플리케이션이나 각각의 설계 형태를 제시한다. 원형 단면을 가지는 것으로 도시된 오븐은 가령, 종래의 열처리로부터 잘 알려진 오토클레이브(17)(가령, 압력솥 등등)에 해당한다. 적절한 설계를 이용할 때, 이러한 오븐이 진공 처리 또는 압축 처리와 함께 사용될 수 있다. 이러한 오븐이 전자기적으로 차폐되도록 반구형으로 닫힐 수 있기 때문에, 정적 역학 관계없이 전파 기술을 이용하는 방식이 보장될 수 있다. 마이크로파 기술을 완전하게 탑재한 레조네이터(1)가 오븐(17) 내로 미끄러져 들어간다. 전체 프로세스에 따라 레조네이터(1)가 오븐(17)에 탈착가능하게 고정될 수도 있고 견고하게 고정될 수도 있다. 에너지 공급원 및 센서, 그리고 제어 케이블들이 오븐 내의 적절한 구멍을 통해 제공되며, 필요하다면 레조네이터 내부의 구멍을 통해서도 제공된다. 도 6a의 단면도와 도 6b의 축방향 단면도에서, 슬라이드 방식을 위한 레일의 기술적으로 간단한 이동 메커니즘이 표시된다. 중량이 클 경우, 레조네이터 외벽에 러그나 후크가 제공되고, 이를 통해 오븐이 크레인을 이용하여 이동할 수 있다.
도 7은 두개의 인-커플링 구조체 쌍(9)들의 가장 단순한 경우의 모드 스위핑(mode sweeping)을 도시한다. 마이크로파(6)들은 두개의 인-커플링 구조체 쌍(9)들을 통해 인-커플링되어, 단면으로 도시되는 중앙 프로세스 공간이 형성되게 된다. 두개의 인-커플링 구조체 쌍(9)을 통해 인-커플링 구조체들을 교대로 발진시킴으로써, 가령, 한개의 인-커플링 구조체로부터 뻗어가는 두개의 윤곽들에 의해 표시되는 바와 같이 외측방향 휨이 앞뒤로, 또는 원주 방향으로 이동한다. 이 경우에, 지정 에너지가 아래와 같이 인-커플링된다.
P(t)= P1(t) + P2(t)
도 8은 레조네이터 내의 한개의 워크피스, 또는 공정 라인 내의 수많은 워크 피스들의 시간에 따른 가열 T(t)의 예를 추가적으로 제시하고 있다. 먼저, 워크 피스가 선형으로 램프(ramp)를 따라 가열되어 지며, 이때, 최대 마이크로파 에너지 P(t) 가 인-커플링 되어진다. 그 뒤 온도는 지정 시간 간격에 걸쳐서 일정하게 유지되어지며, 이때, 워크 피스의 복사열 손실들은 마이크로파 인-커플링에 의하여 보충되어 진다. 이러한 과정에 있어서, 가열 단계에서보다는 적은 전자기 에너지가 요구된다. 결국, 미리 결정된 선형 냉각(cool-down) 절차가 따른다. 복사 손실(radiation loss)들은 완전히 보충되지 않는다. 이 과정을 위하여, 지정 온도 유지 과정보다 에너지가 덜 필요하게 된다. 예시적인 그리고 정성적인 형태의 온도 및 에너지 입력 곡선이 도 8에 도시되어 있다. 제어 공학 분야에 잘 알려진 장치들을 이용하여, 이러한 프로세스가 컴퓨터(내부적으로는 HEPHAISTOS)에 의해 뒷받침될 수 있다. 워크 피스의 순간적 상태는 워크 피스에 위치한 온도 센서들에 의해 결정되거나 열 감지 카메라에 의해 결정된다. 이러한 순간 상태들은 나중에 교정되어 제어 과정을 위해 컴퓨터에서 처리된다.
레조네이터의 중앙 처리 공간에서 균질 필드 분포의 중요성이 도 9를 참조하여 설명된다. 가정용 마이크로파 장치에서 금속성 물체는 말썽의 대상이며, 이러한 장치의 사용 설명서에는 금속성 물체를 레조네이터 내에 넣지 말 것을 언급하고 있다. 파장 λ의 레조네이터 크기에 기초한 필드 분포는 12cm이고, 이 경우 가정용 마이크로파 장치는 균질하지 못하다. 이보다 좀 더 좋은 장치에서 플레이트를 회전시키거나 이보다 좀더 간단한 장치에서 불균일하게 가열하면, 간접적으로 불균질의 특성을 파악할 수 있다. 환경적 요인들로부터 물체를 보호하기 위해 물체를 코팅하는 것은 자주 사용되는 마감 공정이다. 금속성 하우징을 완전하게 갭없이 에폭시 수지층으로 코팅하는 것은 비용 측면에서 문제가 있다. 수지층이 경화되어야 하기 때문에 문제가 된다. 이러한 경우에, 레조네이터 내에서 중앙 처리 공간의 균질 필드 분포의 중요도가 명백하게 나타난다. 이러한 처리 공간에서 금속 하우징이 위험 없이 빔에 노출될 수 있다. 왜냐하면, 균질 필드 분포의 결과로, 하우징의 금속 벽체에 전류를 유도할 수 있는 금속 표면에 평행하거나 접선 방향인 필드 컴포넌트들이 존재하지 않기 때문이다. 금속 표면에 증착된 층은 이러한 필드 내에 완전히 잠기게 되어, 층 공간이 균일하게 가열되게 된다. 이는 층 표면을 통해서만 이루어지는 것이 아니라 층 표면 내로부터 공간적으로 이루어진다. 왜냐하면 이는 적외선 조사에 의해 또는 오븐 내 기존의 가열 과정으로 이루어지기 때문이다.
선체와 같은 크기가 큰 금속 하우징들에는 육각형 단면의 프리즘형 레조네이터의 경화 에폭시 수지층이 제공될 수 있다.
직경 및 길이에 연관된 레조네이터 치수들은 다수의 미터 범위 내에 있다. 레조네이터(1)는 금속 시트 하우징으로서, 이러한 금속 시트 하우징을 따라 인-커플링 구조체(9)가 제공되며, 인-커플링 구조체(9)는 하우징 세그먼트의 길이방향 벽체 변부(4)들 중 하나를 따라 뻗어간다. 이와 같은 인-커플링 구조체 쌍(9)은 길이방향 벽체 변부(longitudinal edge)에 대해 대칭으로 배열되어 지며, 레조네이터 내부로 충분한 마이크로파 에너지를 공급하기 위하여, 복수 개의(예를 들어 2개) 인-커플링 구조체들을 가진다. 수 미터 범위의 치수를 이용하면서, 31 cm 파장에 대응하는 915 MHz 마이크로파를 이용할 때, 충분한 필드 균질성을 처리 공간 내에서 얻을 수 있다. 도 9에 정면도로 제시된 선체(18)는 완전히 처리 공간 내에 배치되고 있다. 전체 선체(18)에 균일하게 도포된 수지층은 도 8에 따른 정성적 시간 경로로 국부적 열점없이 경화된다.
레조네이터(1)에 대한 액세스가능성은 공정 라인 내 레조네이터(1)의 설비나수행될 프로세스에 따라 좌우된다. 따라서, 문이나 수로를 통해 벽체 세그먼트(2)에 또는 전면 벽체(3)를 통해 또는 일부 제거에 의해 레조네이터(1)에 액세스할 수 있다.
특정 워크 피스들을 진공 상태에서 또는 소정 압력 하에서 마이크로파로 처리하여야 하는 경우도 가능하다. 레조네이터 내부의 전자기장의 구조가 구획될 수 있도록 레조네이터 벽체(2)가 견고한 외관의 재료로 외부에서 강화된다.
수행될 프로세스에 의해 레조네이터 설정이 또한 결정된다. 따라서, 탈착가능하게 고정되는 전면부(3)나 하우징 벽체 세그먼트(2)로 레조네이터(1)가 지지될 수 있다. 이동을 위해, 레조네이터(1)는 썰매(sled)나 카트 상에 배치될 수 있고, 따라서, 후크 또는 손잡이를 이용하여 외부에 제공될 수도 있다.
[부호의 설명]
1 ... 마이크로파 레조네이터
2 ... 벽체 세그먼트
3 ... 전면부
4 ... 길이방향 벽체 변부
7 ... 직사각형 공동 전도체
8 ... 직선 라인
9 ... 인-커플링 구조체
10 ... (인-커플링) 개구부
13 ... 교차 라인
14 ... 방사면
15 ... 모드 스터러
16 ... 전기장 라인

Claims (11)

  1. 마이크로파를 이용하여 재료를 열처리하는 마이크로파 레조네이터(microwave resonator)에 있어서,
    상기 레조네이터(1)는 짝수개의 볼록한 다각형 단면을 가진 하이 모드 레조네이터로서, 다각형을 구성하는 벽체 세그먼트(2)들과, 평탄한 전면부(3)들과, 두 이웃한 벽체 세그먼트(2) 사이에 형성되어 레조네이터의 길이 방향 축에 평행하게 뻗어가는 길이방향 벽체 변부(4)를 포함하며,
    한개 이상의 길이방향 벽체 변부(4)를 따라 대칭으로 두개 이상의 인-커플링 구조체(9)가 배열되고, 각각의 인-커플링 구조체(9)는 레조네이터 벽체의 길이방향 벽체 변부(4)에 평행하게 뻗어가는 직선 라인(8)을 따라 배열되며,
    상기 직선 라인(8)은 길이방향 벽체 변부(4)에 이격되어 배치되어, 레조네이터(1)에 커플링된 마이크로파 빔이 두개의 이웃하는 벽체 세그먼트(2)에 의해 제 1 반사로 반사되고 두개의 빔 부분(L1, L2)으로 나누어지며,
    각각의 인-커플링 구조체(9)는 직사각형 공동 전도체(7)의 단부에 연결되고, 상기 직사각형 공동 전도체(7)는 마이크로파 공급원과 연결되어 TE01 모드로 마이크로파를 전달하며,
    상기 벽체 세그먼트(2)에 대해 인-커플링 구조체(9)는 겹쳐지지 않으면서 등거리로 이격된 일련의 인-커플링 개구부(10)들로 구성되고, 상기 인-커플링 개구부(10)들은 길이방향 벽체 변부(4)에 평행하게 뻗어가는 직선 라인(8)의 양쪽으로 교대로 배열되며,
    상기 인-커플링 개구부(10)들은 기준 모드인 TE01 모드로 직사각형 공동 전도체(7) 내에 존재하는 마이크로파에 대해 일정 위상의 아웃-커플링을 제공하도록 서로 이격되고, 상기 인-커플링 개구부(10)의 폭 d는 지정 마이크로파 파장 λ에서 굴절각 θ에 대한 아래의 관계에 의해 결정되며,
    Tan θ= λ/d
    θ< 2˚ 인 경우
    θ= λ/d
    에 근사하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 레조네이터.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 인-커플링 개구부(10)들은 가장 강한 마이크로파 인-커플링의 경우 직선 라인(8)에 평행하게 길이방향 축을 따라 뻗어가고, 가장 약한 마이크로파 인-커플링의 경우에 직선 라인(8)에 수직으로 뻗어가며, 가장 강한 경우와 가장 약한 경우의 사이에 놓인 마이크로파 인-커플링의 경우 평행한 방향과 수직인 방향 사이에서 비스듬하게 뻗어가는 것을 특징으로 하는 마이크로파 레조네이터.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 인-커플링 개구부(10)들은 직사각형 공동 전도체(7)의 기본파 H10의 길이 L = λ/2와 폭 d를 가진 직사각형(rectangular) 구조인 것을 특징으로 하는 마이크로파 레조네이터.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 인-커플링 개구부(10)들은 기본 파장의 길이 L = λ/2에 대해 거울 대칭 방식으로 뻗어가는 두개의 전기장 라인(16)의 경로를 따르며, 상기 전기장 라인(16)들은 직사각형 공동 전도체(7)의 벽체에서 기준 모드 TE01의 전기장 라인(16)들에 해당하고, 상기 전기장 라인(16)들이 로브 영역에서 d의 폭만큼 이격되는 것을 특징으로 하는 마이크로파 레조네이터.
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 인-커플링 개구부(10)들은 인-커플링될 마이크로파들의 위상 일치를 위해 등거리로 형성되고, 원거리 반사된 필드의 등방성 빔을 얻을 수 있도록 직선 라인(8)으로부터 인-커플링 개구부(10)까지의 거리가 결정되는 것을 특징으로 하는 마이크로파 레조네이터.
  6. 제 5 항에 있어서, 길이방향 벽체 변부(4)를 따라 뻗어가는 인-커플링 구조체 쌍(9)의 두개의 방사면(14)의 교차 라인(13)을 따라 모드 스터러(15)가 구성되는 것을 특징으로 하는 마이크로파 레조네이터.
  7. 제 1 항에 따른 두개 이상의 마이크로파 레조네이터들을 포함하는, 마이크로파를 이용하여 재료를 열처리하기 위한 플랜트(plant)에 있어서,
    인-커플링 개구부(10)들은 인-커플링될 마이크로파의 위상 일치를 위해 등거리로 배열되고, 원거리 반사된 필드의 등방성 빔을 얻을 수 있도록 상기 직선 라인(8)으로부터 인-커플링 개구부(10)까지의 거리가 결정되며,
    처리 중인 물체들이 두개의 인접한 전면 표면(adjacent front face)들 간의 통로를 통해 한개의 레조네이터로부터 또다른 레조네이터로 이송될 수 있도록 인접한 전면 표면들이 인-커플링 개구부(10)들에 대해 배치되는 것을 특징으로 하는 플랜트.
  8. 제 5 항에 따른 마이크로파 레조네이터를 작동하기 위한 방법에 있어서, 상기 방법은,
    시간에 대해 일정하게, 또는 시간에 따라 증가하게, 또는 시간에 따라 감소하도록 선택적으로 레조네이터의 인-커플링 구조체 쌍(9)을 통해 마이크로파의 인-커플링 파워 p(t)를 제공하는 단계와,
    지정 값의 인-커플링 파워 p(t) 주위에서 발진하도록 N개의 인-커플링 구조체 쌍을 통해 인-커플링 파워
    Figure 112011005799589-pct00002
    를 부가적이면서 선택적으로 제공하고, 인-커플링 파워들이 서로 다른 값을 가지면서도 지정 합계값을 유지하여, 레조네이터의 정상파 모드 형성(stationary mode formation)이, 레조네이터 벽체(2)에 제공되는 인-커플링 구조체 쌍의 갯수 N개에 따라, 두 파워(p1(t), p2(t))들의 위치 사이에서의 발진과 국부적으로 동기화되도록 발진하게 되거나, 또는 레조네이터 축(5) 둘레로 레조네이터 볼륨 내에서 이동하게 하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 레조네이터 작동 방법.
  9. 제 8 항에 있어서, i번째 인-커플링 구조체 쌍에 의한 인-커플링이, 인-커플링 파워 pi(t)의 평균값을 유지하면서 인-커플링 파워 pi(t)의 평균값 둘레에서 발진하거나, 또는, 균일한 것을 특징으로 하는 마이크로파 레조네이터 작동 방법.
  10. 삭제
  11. 제 1 항에 따른 두개 이상의 마이크로파 레조네이터들을 포함하는, 마이크로파를 이용하여 재료를 열처리하기 위한 처리 라인에 있어서,
    인-커플링 개구부(10)들은 인-커플링될 마이크로파의 위상 일치를 위해 등거리로 배열되고, 원거리 반사된 필드의 등방성 빔을 얻을 수 있도록 상기 직선 라인(8)으로부터 인-커플링 개구부(10)까지의 거리가 결정되며,
    처리 중인 물체들이 두개의 인접한 전면 표면(adjacent front face)들 간의 통로를 통해 한개의 레조네이터로부터 또다른 레조네이터로 이송될 수 있도록 인접한 전면 표면들이 인-커플링 개구부(10)들에 대해 배치되는 것을 특징으로 하는 처리 라인.
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