KR101196419B1 - 워터 로드를 이용한 고주파 전력 측정 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 워터 로드를 이용한 고주파 전력 측정 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 워터 로드 내의 물의 유량과 온도를 이용하여 고주파 전력을 측정함으로써, 궁극적으로 고주파 전력원과, 고주파 전력을 전송하는 도파관(부품) 및 전체 도파관 시스템의 성능 평가에 이용하는 응용에 관한 것이다.
본 발명의 실시 예에 따른, 고주파 전력 측정 방법은 고주파 전력원에 연결된 워터 로드를 이용한 고주파 전력 측정 방법으로서, 유량계를 이용하여 워터 로드를 통과하는 물의 유량(Q)을 측정하고, 온도계를 이용하여 물의 유입 온도(T1)와, 물의 유출 온도(T2)를 측정하여, 측정된 물의 유량(Q), 물의 유입 온도(T1), 및 물의 유출 온도(T2)를 이용하여 소모 전력을 구하는 방법이다.

Description

워터 로드를 이용한 고주파 전력 측정 장치 및 방법{Appartus and method for measuring high-frequency power using of water load}

본 발명은 워터 로드를 이용한 고주파 전력 측정 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 워터 로드 내의 물의 유량과 온도를 이용하여 고주파 전력을 측정함으로써, 궁극적으로 고주파 전력원과, 고주파 전력을 전송하는 도파관(부품) 및 전체 도파관 시스템의 성능 평가에 이용하는 응용에 관한 것이다.

고주파 전력원이나 도파관 구성 요소의 출력 전력 및 전송 전력 측정은 전체 고주파 시스템의 설계에 있어서 중요한 요소이다.

도 1 및 도 2는 종래에 일반적으로 수행되어지는 고주파 전력 측정 방법의 개략도로서, 도 1은 종래의 방식에 따른, 고주파 전력원의 성능평가를 위한 시스템 구성도이며, 도 2는 종래의 방식에 따른, 도파관 파트의 성능평가를 위한 시스템 구성도이다.

먼저, 도 1을 참조하면, 고주파 전력원의 성능 평가를 위해서, 고주파원에 방향성 결합기를 결합하고, 방향성 결합기에 로드를 결합한다. 그리고, 방향성 결합기의 일측에 감쇠기를 결합하고, 볼로미터, 전력계를 순차적으로 연결한다.

도 1은 볼로미터에 의한 전력 측정 장치를 표현한 것으로서, 볼로미터법은 온도에 의해 저항값이 변화하는 소자(bolometer)에 고주파 전력을 흡수시켜 줄열에 의한 온도 상승에 따른 저항 변화값을 측정하여 고주파 전력을 측정하는 방법이다. 볼로미터 소자로는 주로 써미스터(thermister)와 바렛터(barretter)가 사용된다. 써미스터(thermister)는 금속 산화물을 증착시켜 만든 반도체이며, 온도계수는 부(-)가 된다. 또한, 바렛터(barretter)는 직경 1㎛ ～ 2㎛ 의 아주 작은 백금선을 사용하여 만들며 온도계수는 정(+)을 갖는다. 측정가능한 전력은 수십㎽ 이하가 된다. 써미스터(thermister)는 바렛터(barretter)와 비교하여 저항변화가 크며 기계적로나 전기적 성능이 우수하다. 또한 시정수가 길어 평균전력의 측정에 적용되며, 펄스변조파와 구형파변조파의 측정에 사용된다. 한편, 바렛터는 시정수가 짧아서 1㎑ 변조주파수에도 측정이 가능하며, 검파 특성의 포작도 가능하나, 과전류에 약해 단선이 쉽게나는 단점이 있다.

도 1과 같이 볼로미터 방식으로 고주파 전력원의 성능을 평가하기 위해서는 감쇠기, 볼로미터, 전력계를 순차적으로 연결하여야 함으로, 고주파 전력의 손실이 발생되고, 별도의 장비를 구입하여야 하는 단점이 있었다.

한편, 도 2를 참조하면, 도파관 파트의 성능평가를 위해서는, 고주파원에 방향성 결합기를 결합하고, 방향성 결합기에 도파관 파트를 연결하고, 다시 제2의 방향성 결합기를 체결한 후, 로드를 마지막 단에 설치한다. 그리고, 각각의 방향성 결합기에는 감쇠기, 볼로미터, 전력계를 순차적으로 연결한다. 즉, 도파관 파트의 성능을 평가하기 위해서는 양단에 방향성 결합기에 설치되어야 한다.

종래에는 도파관 파트의 성능 평가를 위해서도, 또한 볼로미터법을 이용하여 고주파 전력을 측정하였다. 즉, 일반적으로 고주파 전력을 측정할 때 고주파 전력 출력단과 도파관 파트의 끝단에 방향성 결합기를 각각 결합하여, 양단의 방향성 결합기에서 측정된 값으로 고주파 전력을 측정하였다.

하지만, 기존의 고주파 전력 측정의 방법에서 이러한 방향성 결합기는 출력전력의 일부를 커플링을 통하여 측정하기 때문에 약간의 고주파 전력의 손실이 발생하고, 워터로드는 단지 출력전력의 소비만을 위하여 수동적으로만 사용된다.

또한, 고주파 전력의 전송을 위한 도파관 시스템에서 각각의 도파관 파트 및 전체 시스템의 성능을 평가하는 것이 어려운 문제점이 있으며, 추가적으로 워터로드와 도파관 파트 사이에 방향성 커플러가 필요한 경제적 문제점이 또한 발생한다.

본 발명은 상기의 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 고주파 전력원의 성능평가와 도파관의 성능평가를 위해서, 워터 로드를 이용하여 고주파 전력을 측정하는 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위한 것으로서, 본 발명의 실시 예에 따른, 고주파 전력 측정 방법은 고주파 전력원에 연결된 워터 로드를 이용한 고주파 전력 측정 방법으로서, 유량계를 이용하여 워터 로드를 통과하는 물의 유량(Q)을 측정하고, 온도계를 이용하여 물의 유입 온도(T1)와, 물의 유출 온도(T2)를 측정하여, 측정된 물의 유량(Q), 물의 유입 온도(T1), 및 물의 유출 온도(T2)를 이용하여 소모 전력을 구하는 방법이다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른, 워터 로드를 이용한 고주파 전력 측정 방법은, 고주파원에 방향성 결합기를 결합하고, 상기 방향성 결합기의 타단에 도파관을 체결하고, 상기 도파관의 타단에 워터 로드를 설치하는 단계; 유량계를 이용하여 상기 워터 로드를 통과하는 물의 유량(Q)을 측정하고, 온도계를 이용하여 물의 유입 온도(T1)와, 물의 유출 온도(T2)를 측정하는 단계; 및 상기 물의 유량(Q), 상기 물의 유입 온도(T1), 및 상기 물의 유출 온도(T2)를 이용하여 전력을 구하는 단계;를 포함한다. 바람직한 실시 예에 따르면, 상기 도파관의 성능을 평가하기 위해서, 상기 방향성 결합기에서 측정된 전력과, 상기 워터 로드를 통해 측정된 전력을 비교하게 된다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른, 워터 로드를 이용한 고주파 전력 측정 장치는 고주파원, 상기 고주파원에 부착된 방향성 결합기, 상기 방향성 결합기의 타단에 설치되는 워터 로드, 상기 워터 로드를 통과하는 물의 유량을 측정하는 유량계, 및 상기 워터 로드로 유출입되는 물의 유입 온도와 유출 온도를 측정하는 온도계를 포함한다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른, 워터 로드를 이용한 고주파 전력 측정 장치는 고주파원, 상기 고주파원에 결합된 방향성 결합기, 상기 방향성 결합기의 타단에 부착된 도파관, 상기 도파관의 타단에 설치되는 워터로드, 상기 워터 로드를 통과하는 물의 유량을 측정하는 유량계, 및 상기 워터 로드로 유출입되는 물의 유입 온도와 유출 온도를 측정하는 온도계를 포함한다.

이상에서 상술한 바와 같이, 본 발명의 전력 측정 장치 및 방법은 종래에 전력을 소비하는 수동적인 용도로만 사용되던 워터 로드에 온도계와 유량계를 설치하여 워터 로드를 흐르는 유량과 유출입온도를 측정함으로써, 이를 이용하여 전력을 측정하는 방법을 제시한 것이다. 따라서, 본 발명은 방향성결합기에 의한 발생되는 고주파 전력의 손실을 없앨 수 있으며, 써미스터 등의 별도의 측정기구를 필요로 하지 않는다는 장점이 있다. 또한, 방향성 결합기에 비하여 절대 떨어지지 않은 우수한 측정능력을 지니며, 고주파원의 성능 및 도파관의 성능에 대한 평가를 휼륭하게 수행할 수 있다는 장점이 있다.

도 1은 종래의 방식에 따른, 고주파 전력원의 성능평가를 위한 시스템 구성도.
도 2는 종래의 방식에 따른, 도파관의 성능평가를 위한 시스템 구성도.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른, 고주파 전력원의 성능평가를 위한, 고주파 전력 측정 장치의 구성도.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른, 도파관 파트의 성능평가를 위한, 고주파 전력 측정 장치의 구성도.
도 5는 본 발명의 실시예 1에 따른, 고주파 전력원의 출력값에 대한 워터로드에서 측정한 소비전력값에 대한 그래프.

본 발명은 가장 큰 특징은 종래에도 고주파 전력을 측정하기 위해서는 볼로미터 등의 측정 장비 이외에 말단에 전력을 모두 흡수하는 로드(특히, 워터로드)가 필수적으로 사용되었는데, 워터 로드에 유입되는 물(냉각수)를 이용하여 전력을 측정하는 방법을 제시한 것이다.

즉, 본 발명은 워터 로드 냉각수의 주입구와 출구에 각각 온도센서와 유량계를 장착하여 냉각수의 온도차(유출온도(T2) - 유입온도(T1))와, 유량(Q)을 측정하여, 워터 로드 내에서 소모되는 전력을 측정하는 방법을 제시한 것이다.

고주파는 워터 로드에 의해 반사 없이 모두 워터 로드의 냉각수에 흡수되어야 함으로, 냉각수가 흡수한 전력을 측정 계산함으로써, 별도의 전력측정장치 없이 전력을 측정 계산할 수 있는 것이다.

워터 로드에서 소모되는 전력(P)는,

P = c×Q×d×ㅿT ----------- 식(1)

여기서, P는 전력[W],

c: 물의 비열[J/kg℃],

d: 물의 밀도[㎏/m³],

ㅿT: 워터 로드 양단의 물의 온도 차이(유출온도(T2) - 유입온도(T1))).

한편, 본 발명의 전력 측정 방법을 이용하여 도파관의 성능을 평가할 수 있는 데, 이 또한 도파관의 끝단에 설치되는 워터 로더의 소비전력을 측정하여, 도파관 파트의 전단에 설치되는 방향성 결합기의 출력 전력과 워터로드에서 소모되는 전력을 비교함으로써 도파관의 성능을 평가하는데 활용할 수 있다.

여기서, 도파관은 전송로(電送路)로 사용하는 도체로 만든 속이 빈 도관으로서, 도파관 파트, 도파관 부품, 도파관 시스템 등으로 혼용되어 사용되며, 동일한 의미로 이해될 것이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 전력측정방법을 보다 상세히 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른, 고주파 전력원의 성능평가를 위한, 고주파 전력 측정 장치의 구성도이다.

도 3을 참조하면, 고주파원에는 방향성 결합기가 결합되고, 방향성 결합기의 타단에는 워터 로드가 설치된다. 워터 로드에는 워터 로드를 통과하는 물의 유량을 측정하는 유량계가 설치되고, 물의 유입 온도와 유출 온도를 측정하는 온도계가 설치된다. 도시된 바와 같이 온도계는 반드시 2개의 온도계가 설치되어야 하는 것은 아니며, 하나의 온도계로서 각각의 온도(유출입온도)를 측정하여 디스플레이할 수 있는 하나로 통합된 온도계가 사용될 수 있음은 물론이다.

도 3과 같이 장치를 구성하여, 유량계를 통해 워터 로드를 통과하는 물의 유량(Q)을 측정하고, 온도계를 이용하여 물의 유입 온도(T1)와, 물의 유출 온도(T2)를 측정한 후, 식 1을 이용하여 워터 로드에서 소비된 전력을 측정할 수 있다.

워터로드에서 소비된 전력을 측정함으로써, 고주파 전력원의 성능평가에 이용할 수 있는 것이다.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른, 도파관 파트의 성능평가를 위한, 고주파 전력 측정 장치의 구성도이다.

도 4를 참조하면, 고주파원에는 방향성 결합기가 결합되고, 상기 방향성 결합기의 타단에는 도파관이 부착되고, 상기 도파관의 타단에 워터로드가 설치된다. 또한, 상기 워터 로드를 통과하는 물의 유량을 측정하기 위한 유량계가 설치되고, 워터 로드로 유출입되는 물의 유입 온도와 유출 온도를 측정하는 온도계가 각각 설치된다.

도 4의 장치의 구성에서도 도 3과 동일하게, 유량계를 통해 물의 유량(Q)을 측정하고, 온도계를 이용하여 물의 유입 온도(T1)와 유출 온도(T2)를 측정하게 된다. 또한, 식 1을 이용하여 워터 로드에서 소비된 전력을 측정할 수 있다.

상기 도파관의 성능을 평가하기 위해서, 상기 방향성 결합기에서 측정된 전력과, 상기 워터 로드를 통해 측정된 전력을 비교함으로써 이루어진다.

종래에 도파관의 성능을 평가하기 위해서는 도파관의 양단에 방향성 결합기를 설치하고, 방향성 결합기에서 측정된 전력을 비교함으로써, 도파관의 성능을 평가하였으나, 본 발명에서는 워터 로드와 도파관 사이의 설치되는 방향성 결합기를 없애는 대신에 워터 로드에 온도계와 유량계를 설치하여, 워터로드로 유입되는 물의 유량(Q)과 물의 유입 온도(T1)와 유출 온도(T2)를 측정함으로써 도파관을 통과한 후의 전력을 측정하여, 이를 도파관 전단의 방향성 결합기와 비교함으로써 도파관의 성능을 평가할 수 있는 것이다.

이와 같은 본 발명의 방법은 전력을 소비하기 위해 수동적으로 사용되던 워터로드를 측정을 위한 장치로서 적극적으로 이용하며, 방향성결합기에 의한 발생되는 고주파 전력의 손실을 없앨 수 있으며, 써미스터 등의 별도의 측정기구를 필요하지 않는다는 장점이 있다.

실시예 1

도 3에서와 같이, 장치를 구성하고, 고주파원의 출력을 1 ~ 10 kW 까지 변화시키면서 방향성 결합기(28GHz, Coupling approximately 45 dB)와 워터로드에서 전력을 각각 측정하였다. 워터 로드로 유입되는 냉각수의 온도는 20 ℃, 냉각수 유량은 10 L/min 으로 고정하였다.

워터 로드에서 소비되는 전력은 상기 식 (1)을 이용하여 구하였으며, 물의 비열(C)는 1 [cal/g℃], 물 20℃에서의 밀도(d)는 0.9982 [g/ml]를 수식에서 사용하였다. 유출되는 냉각수의 온도(T2)를 각각 측정하였다.

하기의 표 1은 고주파원의 출력값에 따른 워터로드 측정값 및 방향성결합기의 측정값이다.

출력값(kW)	10	8	6	4	2	1
T2-T1 (℃)	13.36	10.75	8.14	5.32	2.61	1.3
워터로드 측정값(kW)	9.77	7.86	5.95	3.89	1.91	0.95
방향성결합기 측정값(kW)	9.97	7.94	5.98	3.93	1.93	0.97

상기 표 1에서 확인되는 바와 같이, 워터 로드에서 측정된 값은 방향성결합기의 측정값과 오차범위 2% 이내에 속함을 확인할 수 있다. 즉, 워터 로드에서 측정된 값은 우수한 신뢰성을 확보할 수 있음을 확인 할 수 있다.

본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예 들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타낼 수 있으며, 특허청구의 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (5)

1. 고주파 전력원에 연결된 워터 로드를 이용한 고주파 전력 측정 방법에 있어서,
   유량계를 이용하여 워터 로드를 통과하는 물의 유량(Q)을 측정하고, 온도계를 이용하여 물의 유입 온도(T1)와, 물의 유출 온도(T2)를 측정하여,
   측정된 물의 유량(Q), 물의 유입 온도(T1), 및 물의 유출 온도(T2)를 이용하여 소모 전력을 구하는 것을 특징으로 하는 워터 로드를 이용한 고주파 전력 측정 방법.
2. 워터 로드를 이용한 고주파 전력 측정 방법에 있어서,
   고주파원에 방향성 결합기를 결합하고, 상기 방향성 결합기의 타단에 도파관을 체결하고, 상기 도파관의 타단에 워터 로드를 설치하는 단계;
   유량계를 이용하여 상기 워터 로드를 통과하는 물의 유량(Q)을 측정하고, 온도계를 이용하여 물의 유입 온도(T1)와, 물의 유출 온도(T2)를 측정하는 단계; 및
   상기 물의 유량(Q), 상기 물의 유입 온도(T1), 및 상기 물의 유출 온도(T2)를 이용하여 전력을 구하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 워터 로드를 이용한 고주파 전력 측정 방법.
3. 제 2항에 있어서,
   상기 도파관의 성능을 평가하기 위해서,
   상기 방향성 결합기에서 측정된 전력과, 상기 워터 로드를 통해 측정된 전력을 비교하는 것을 특징으로 하는 워터 로드를 이용한 고주파 전력 측정 방법.
4. 고주파원,
   상기 고주파원에 부착된 방향성 결합기,
   상기 방향성 결합기의 타단에 설치되는 워터 로드,
   상기 워터 로드를 통과하는 물의 유량을 측정하는 유량계, 및
   상기 워터 로드로 유출입되는 물의 유입 온도와 유출 온도를 측정하는 온도계를 포함하는 것을 특징으로 하는 워터 로드를 이용한 고주파 전력 측정 장치.
5. 고주파원,
   상기 고주파원에 결합된 방향성 결합기,
   상기 방향성 결합기의 타단에 부착된 도파관,
   상기 도파관의 타단에 설치되는 워터로드,
   상기 워터 로드를 통과하는 물의 유량을 측정하는 유량계, 및
   상기 워터 로드로 유출입되는 물의 유입 온도와 유출 온도를 측정하는 온도계를 포함하는 것을 특징으로 하는 워터 로드를 이용한 고주파 전력 측정 장치.

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