KR20180003026A - 숏 플레이트에 버튼 구조물을 가진 광대역 특성의 직각도파관 워터로드 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전자기파 종단을 위한 도파관 종단 장치로서, 물을 사용하는, 도파관 워터로드 종단 장치에 관한 것이며, 특이적으로 도파관의 숏플레이트에 버튼구조물을 설치하여 광대역 특성을 향상시킨 도파관 종단 장치에 관한 것이다.

Description

숏 플레이트에 버튼 구조물을 가진 광대역 특성의 직각도파관 워터로드{A rectangular microwave guide waterload with a button on short plate for broadband enhancement}

본 발명은 전자기파 종단을 위한 도파관 종단 장치로서, 물을 사용하는, 도파관 워터로드 종단 장치에 관한 것이며, 특이적으로 도파관의 숏플레이트에 버튼구조물을 설치하여 광대역 특성을 향상시킨 도파관 종단 장치에 관한 것이다.

전자기파 장치에서는 전송선로(transmission line)을 종단(termination) 시키는 장치가 필요하다. 특히 고출력의 전자기파 장치에서는 전자기파 전송선로의 종단은 더욱 필요하다.

이처럼 고출력 전자기파 장치의 종단을 위해서, 높은 전자기파 흡수체 매체를 통한 전자기파의 흡수를 통한 종단을 사용한다. 상기 흡수체로서 물을 사용하는 워터로드는 전자기파 분야에서 널리 사용되고 있다.

특히 고출력의 전자기파가 사용되는 분야에서는, 이의 종단 흡수율이 높아야 할 것이다. 또한 이러한 높은 에너지의 흡수에 따라 흡수체는 고온이 될 것이며, 이의 냉각의 필요성이 있을 것이다.

이러한 종래 기술의 요구 사항에 맞춰진 종래 기술로서 미국 특허 4,516,088을 찾을 수 있다. 이 미국 특허는 도파관 내부에 유체를 흐르도록 구성된 유체 수송 유전 테이퍼(taper)를 배치하였다. 이러한 구성은 유체의 냉각의 효율이 높지 않은 단점이 있다. 나아서 유체의 양도 제한될 수밖에 없는 단점이 있다. 특히, 높은 주파수의 전송은 좁은 도파관에 의해 가능함을 감안하면, 도파관 내부를 길게 배치된 유체 수송 유전 테이퍼는 높은 주파수의 고에너지 흡수에는 적합하지 못하다.

이러한 종래 기술의 단점이 보완되고 고주파에 적합한 좁은 도파관에서, 흡수체의 양을 적절히 늘릴 수 있고, 냉각 효율을 높일 수 있으며, 전자기파 장치에의 용이한 장착이 가능한 구성 형태를 가진, 전자기파 흡수 장치로서, 한국등록특허 10-1361648이 있다. 본 발명은 이 한국등록특허보다 향상된 광대역 특성을 가지고, 주파수 특성이 제어 가능한 전자기파 흡수 장치를 제공함을 목적으로 한다.

본 발명은 관 형태로서, 일면에 전자기파를 흡수하는 파워수용부를 가지며, 타면이 폐쇄된 도파관; 상기 도파관의 폐쇄 부분의 가이드월에 수직으로 소통되도록 결합된 유체수용부하우징; 상기 유체수용부하우징 내에 위치되고 첨단부를 가진 유체수용부로서, 상기 유체수용부의 첨단부는 상기 도파관 내부에 노출된 유체수용부; 상기 첨단부의 반대편에 위치되고, 상기 유체수용부하우징의 외부로부터 상기 유체수용부 내로 유체를 유입시키는 유체유입관; 상기 유체수용부의 첨단부의 반대편에 위치되고 상기 유체수용부로부터 상기 유체수용부하우징의 외부로 유체를 유출시키는 유체유출관; 및 상기 도파관 내의 상기 타면에서 상기 첨단부 쪽으로 돌출된 버튼구조물을 포함하는, 전자기파 흡수를 위한 도파관 워터로드를 제공한다.

전자기파 매칭을 위해, 상기 도파관 내부에 튜닝핀을 추가로 포함하며, 상기 튜닝핀은 상기 유체수용부의 첨단부가 노출된 반대편 가이드월 위에, 배치됨을 특징으로 한다.

상기 유체유입관은 상기 유체수용부의 첨단부 위치로 삽입되어 있음을 특징으로 한다.

상기 유체수용부하우징은 상기 유체수용부를 밀봉하는 상부 덮개를 가지며, 상기 유체수용부는 상기 첨단부의 반대편에 유체수용부 플랜지를 가지고, 상기 유체수용부 플랜지의 원주형 림에, 상기 상부 덮개의 안쪽면과 상기 유체수용부하우징의 내부의 상기 플랜지의 림의 대항부가 밀착되어 상기 도파관 내부는 진공을 유지함을 특징으로 한다.

상기 유체수용부는 전자기파 투과 손실이 낮은 물질로 이뤄져 있다. 예를 들어, 쿼츠, 알루미나 또는 테프론으로 이뤄져 있다.

상기 유체수용부의 내부는 마이크로웨이브 손실이 큰 물질, 예를 들어 물로 채워진다. 상기 물은 상기 유체유입관 및 상기 유체유출관을 통해 순환된다. 상기 순환은 물의 냉각을 달성시킨다. 상기 유체유입관은 상기 유체수용부의 첨단부 위치로 삽입되어 있어, 냉각의 효율을 높일 수 있다. 유체유입관은 외부에 위치한 냉각수 공급원과 연결되어 있다. 유체유출관은 가온된 유체를 수용하는 장치에 연결될 수 있다. 상기 가온된 유체는 다른 장치에서 사용될 수 있고, 다시 냉각장치로 유입될 수 있다.

상기 유체유입관 및 유체유출관은 장축을 중심으로 회전가능하도록 구성된다. 이러한 구성을 통해 외부에 배치될 냉각수 공급원의 배치를 유연하게 할 수 있다.

상기 유체수용부하우징은 상기 유체수용부를 밀봉하는 상부 덮개를 가지며, 상기 유체수용부는 상기 첨단부의 반대편에 유체수용부 플랜지를 가지고, 상기 유체수용부 플랜지의 원주형 림에, 상기 상부 덮개의 안쪽면과 상기 유체수용부하우징의 내부의 상기 플랜지의 림의 대항부가 밀착되어 상기 도파관 내부는 진공을 유지한다.

상기 진공의 더욱 보장하기 위해, 상기 덮개와 상기 플랜지의 림 상기 플랜지의 림과 상기 유체수용부하우징 내부 대항부의 접촉부는 오링을 가진다.

도 1은 본 발명의 도파관 워터로드의 개략적 단면도이다.
도 2는 본 발명의 내부 모습을 보여주는 도면이다.
도 3a는 본 발명의 도파관 워터로드의 유체수용부하우징의 단면도이다.
도 3b는 본 발명의 도파관 워터로드이 유체수용부의 단면도이다.
도 3c는 본 발명의 도파관 워터로드의 유체수용부가 유체수용부하우징에 결합된 모습을 예시하는 단면도이다.
도 4a은 본 발명의 버튼구조물이 없는 경우의 시뮬레이션 결과이며, 도 4b 내지 도 4g는 반지름이 55mm 인 원기둥형상의 버튼구조물의 있는 경우의 결과이며, 도 4b는 버튼구조물의 높이가 5mm이고, 도 4c는 버튼구조물의 높이가 10mm이고, 도 4d는 버튼구조물의 높이가 15mm이고, 도 4e는 버튼구조물의 높이가 20mm이고, 도 4f는 버튼구조물의 높이가 25mm인 경우의 시뮬레이션 결과이다.
도 5는 도 4의 시뮬레이션 결과를 결합하여 보여준다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

도 1 및 2는 본 발명의 도파관 워터로드를 개략적으로 예시하는 도면이다. 실선은 도파관의 외부를 나타내고, 점선은 내부를 나타낸다.

도 1 및 2에 예시된 바와 같이, 본 발명의 도파관 워터로드는, 도파관(110) 부분, 유체수용부하우징(120) 부분을 포함한다.

상기 도파관(110)은 직각 도파관이며, 상기 직각 도파관의 윗면, 아랫면, 및 두 측면의 가이드월이 직각 단면의 관 형태를 이룬다.

상기 도파관의 가이드월의 진행 방향의 일면은 전자기파를 흡수하는 파워수용부(111)로서 개방되어 있고, 가이드월의 진행방향의 타면은 숏 플레이트(112)로 폐쇄되어 있다.

상기 숏 플레이트(112)의 안쪽면에 버튼구조물(170)을 포함한다. 버튼구조물은 상기 숏 플레이트 안쪽면에서 상기 첨단부(131) 방향으로 돌출되어 있다. 상기 버튼구조물은 도파관과 같은 금속재질일 수 있다. 상기 버튼구조물은 상기 숏 플레이트 중심을 커버하되, 안쪽면을 전부를 더 커버하지 않도록 설치된다. 상기 버튼구조물을 바람직하게 원기둥 형상일 수 있다. 이러한 버튼구조물은 광대역특성을 향상시킨다.

상기 폐쇄된 부분의 근처의 상기 가이드월과 상기 유체수용부하우징(120) 부분은 전자파 소통되도록 결합되어 있거나, 개방되어 연결되어 있거나, 두 부분은 소통되도록 일체형을 이루고 있을 수 있다. 유체수용부하우징(120)과 도파관의 가이드월의 진행방향은 수직을 이루고 있다.

상기 유체수용부하우징(120)은 예시적으로 원통형이다. 이러한 형태에 제한되지 않음은 이해될 것이다. 앞서 언급하고, 도 1에 예시된 바와 같이, 상기 유체수용부하우징(120)의 일면은 도파관의 가이드월과 전자파 소통가능하게 결합되어 있다. 상기 유체수용부하우징(120)의 타면에는 덮개(121)를 가진다. 상기 유체수용부하우징(120) 내부에는 유체수용부(130)가 있다. 상기 유체수용부하우징(120)의 덮개가 덮이는 부분은 플랜지(123)를 가진다. 상기 덮개(121)와 상기 플랜지(123)는 체결부(122)에 의해 고정된다.

유체유입관(140) 및 유체유출관(150)이 상기 덮개(121) 면 및 유체수용부(130)의 상부면을 관통하여 유체수용부(130) 내부와 유체 소통되도록 연결되어 있다. 상기 유체유입관(140)은 상기 유체수용부하우징(120)의 외부로부터 상기 유체수용부(130) 내로 유체를 유입시키고, 상기 유체유출관(150)은 상기 유체수용부(130)로부터 상기 유체수용부하우징(120)의 외부로 유체를 유출시킨다. 상기 유체유입관(140)은 유체수용부(130) 내부 깊숙하게 가능한 첨단부(131) 쪽으로 삽입되어 있다.

상기 유체수용부(130)는 원뿔형 부분을 포함하고, 상기 원뿔형 부분의 원뿔의 끝은 유체수용부 첨단부(131)이며, 상기 유체수용부의 첨단부(131)는 상기 도파관 내부에 위치한다. 상기 도파관의 개방부인 파워수용부(111)로부터 진입하는 고주파 전자기 에너지는 도파관을 따라 진행하고, 상기 진입된 에너지는 상기 유체수용부의 첨단부(131)로 흡수된다. 이 흡수에 의해 가열되는 물은 상기 유체유입관(140)과 상기 유체유출관(150)에 따른 물의 흐름으로 냉각된다.

본 발명의 도파관 워터로드는, 바람직하게는 상기 도파관 내부에 튜닝핀(160)을 추가로 포함할 수 있다. 상기 튜닝핀(160)은 상기 유체수용부의 첨단부가 노출된 반대편 가이드월 위의, 배치된다. 튜닝핀의 높이, 두께, 배치 위치는 다양할 수 있다. 당업자는 도파관 내의 주파수를 미세 조정하기 위해, 상기 변수들을 임의 조정할 수 있을 것이다.

도 3a은 본 발명의 도파관 워터로드의 유체수용부하우징(120)을 예시한다. 도 3b는 본 발명의 도파관 워터로드의 유체수용부(120)를 예시한다. 도 3c는 본 발명의 도파관 워터로드의 유체수용부가 유체수용부하우징에 결합된 모습을 예시하는 단면도이다.

유체수용부(120)는 도 3a에 예시된 형태일 수 있다. 예를 들어, 윗부분의 원통형 부분과 아랫부분의 원뿔형태가 결합된 형태일 수 있다. 원뿔형의 꼭지점 부분이 본 발명의 첨단부에 해당하고 도파관의 내부에 노출된다. 이 부분을 통해 전자파가 흡수된다. 유체수용부의 윈통형 부분으로서 상기 첨단부가 위치하는 반대편 말단부분에는 플랜지(131)를 포함한다. 상기 유체수용부하우징(120)은 이의 내부가 유체수용부의 외부 형상을 가진다. 따라서 상기 유체수용부는 상기 유체수용부하우징 내부에 딱 맞게 삽입될 수 있다.

본 발명의 도파관 및 유체수용부하우징 내부는 진공이 유지됨이 바람직하다. 상기 진공 유지가 보장되도록, 상기 유체수용부의 플랜지의 림에, 상기 덮개의 안쪽면과 상기 유체수용부하우징의 상기 플랜지 림의 대항부가 밀착되어 진공을 유지하도록 한다. 상기 유체수용부의 플랜지의 접촉부의 밀봉을 보장하기 위해, 오링이 추가될 수 있다.

상기 버튼구조물의 광대역특성 향상을 확인하기 위해 시뮬레이션 실험을 하였다. WR975 규격의 도파관에 상기 워터로드의 첨단부가 높이 10mm에 직경 20mm가 되도록 하여 주파수에 따른 S11(dB)의 값을 시뮬레이션(ANSYS의 HFSS 시뮬레이터 이용) 하였다.

도 4a은 본 발명의 버튼구조물이 없는 경우의 시뮬레이션 결과이며, 도 4b 내지 도 4g는 반지름이 55mm 인 원기둥형상의 버튼구조물의 있는 경우의 결과이며, 도 4b는 버튼구조물의 높이가 5mm이고, 도 4c는 버튼구조물의 높이가 10mm이고, 도 4d는 버튼구조물의 높이가 15mm이고, 도 4e는 버튼구조물의 높이가 20mm이고, 도 4f는 버튼구조물의 높이가 25mm인 경우의 시뮬레이션 결과이다. 도 5은 도 4의 시뮬레이션 결과를 결합하여 보여준다.

상기 시뮬레이션 결과에서 확인되는 바와 같이, 버튼구조물에 의해 특정 주파수 대역에서 S11(dB) 값이 조절됨을 알 수 있었고, 특히 높이가 10mm 인 버튼구조물을 설치한 경우 넓은 대역(0.85 GHz ~ 1.1 GHz)에서 -20dB 이하 S11의 특성을 확인할 수 있었다.

Claims (4)

1. 관 형태로서, 일면에 전자기파를 흡수하는 파워수용부를 가지며, 타면이 폐쇄된 도파관;
   상기 도파관의 폐쇄 부분의 가이드월에 수직으로 소통되도록 결합된 유체수용부하우징;
   상기 유체수용부하우징 내에 위치되고 첨단부를 가진 유체수용부로서, 상기 유체수용부의 첨단부는 상기 도파관 내부에 노출된 유체수용부;
   상기 첨단부의 반대편에 위치되고, 상기 유체수용부하우징의 외부로부터 상기 유체수용부 내로 유체를 유입시키는 유체유입관;
   상기 유체수용부의 첨단부의 반대편에 위치되고 상기 유체수용부로부터 상기 유체수용부하우징의 외부로 유체를 유출시키는 유체유출관; 및
   상기 도파관 내의 상기 타면에서 상기 첨단부 쪽으로 돌출된 버튼구조물을 포함하는,
   전자기파 흡수를 위한 도파관 워터로드.
   
2. 제 1항 있어서,
   전자기파 매칭을 위해, 상기 도파관 내부에 튜닝핀을 추가로 포함하며, 상기 튜닝핀은 상기 유체수용부의 첨단부가 노출된 반대편 가이드월 위에, 배치된,
   전자기파 흡수를 위한 도파관 워터로드.
   
3. 제 1항 있어서,
   상기 유체유입관은 상기 유체수용부의 첨단부 위치로 삽입되어 있는,
   전자기파 흡수를 위한 도파관 워터로드.
   
4. 제 1항 있어서,
   상기 유체수용부하우징은 상기 유체수용부를 밀봉하는 상부 덮개를 가지며,
   상기 유체수용부는 상기 첨단부의 반대편에 유체수용부 플랜지를 가지고,
   상기 유체수용부 플랜지의 원주형 림에, 상기 상부 덮개의 안쪽면과 상기 유체수용부하우징의 내부의 상기 플랜지의 림의 대항부가 밀착되어 상기 도파관 내부는 진공을 유지하는,
   전자기파 흡수를 위한 도파관 워터로드.

Images