KR20190127669A

KR20190127669A - 마이크로파 인가 방법 및 장치

Info

Publication number: KR20190127669A
Application number: KR1020197021328A
Authority: KR
Inventors: 그레이엄 브로디; 그리고리 트로고프니코브; 피터 퍼렐
Original assignee: 더 유니버시티 오브 멜버른; 그레인스 리서치 앤드 디벨롭먼트 코포레이션
Priority date: 2016-12-20
Filing date: 2017-12-20
Publication date: 2019-11-13
Also published as: WO2018112531A1; JP2020502771A; BR112019012593A2; US20200107539A1; MX2019007253A; AU2017379417A1; CN110612023A; CA3047308A1; EP3557988A1; EP3557988A4

Abstract

물질에 조사하기 위한 마이크로파 에너지 인가 장치로서, 마이크로파 에너지를 발생시키도록 구성된 적어도 하나의 마이크로파 에너지 공급원; 마이크로파 에너지를 조사될 물질 쪽으로 지향시키기 위한 유전체 공진기 또는 저속파 마이크로파 어플리케이터를 포함하는 마이크로파 에너지 방출 면을 갖는 적어도 하나의 마이크로파 어플리케이터; 및 처리될 물질에 적용하기 위한 마이크로파 에너지 공급원으로부터 마이크로파 어플리케이터로 마이크로파 에너지를 연결하는 도파관을 포함한다.

Description

마이크로파 인가 방법 및 장치

본 발명은, 예를 들어, 경작 시스템을 위한 잡초 제거기(weed killer)로서의 용도를 위한 마이크로파의 인가(application) 방법 및 인가 장치에 관한 것이다.

기존의 접근 방식에서는 혼(horn) 안테나를 사용하여 잡초를 죽이기 위한 마이크로파 에너지를 지향시킨다. 예를 들어, 미국 특허 제6,401,637호는 잡초를 죽이기 위해 마이크로파 에너지를 조사함으로써 토양 및 토양의 표면 아래를 처리하는 장치를 개시하고 있다. 상기 장치는 트럭에 부착되어 처리될 토양 위로 인출된다.

한편, 미국 특허 제7,560,673호는 지면을 벗어나서 마이크로파 에너지 인가 영역을 통과하는 컨베이어 상에서 토양 층을 추출하는 컨베이어 방식의 장치를 개시한다.

미국 특허출원 제2012/0091123A1호는 4개의 혼 도파관(horn waveguides)을 사용하여 마이크로파 에너지를 토양으로 지향하게 하는 마이크로파 시스템을 개시하고 있다. 상기 마이크로파 시스템은 차량에 장착 될 수도 있다.

Brodie G., et al.의 저술인 "Microwave Technologies as Part of an Integrated Weed Management Strategy: A Review, International Journal of Agronomy, Volume(2012)"에서는 혼 안테나와 같은 것에 의해 잡초에 인가되는 마이크로파의 영향에 대한 조사를 기술하고 있다.

본 개시의 다양한 실시예들에 따르면, 경작 시스템을 위한 잡초 제거기(weed killer)로서의 용도를 위한 마이크로파의 인가(application) 방법 및 인가 장치를 제공할 수 있다.

제1의 광의의 양태에 따르면, 본 발명은 물질에 조사(irradiating)하기 위한 마이크로파 에너지 인가 장치(microwave energy application apparatus)를 제공하는 것으로서, 상기 장치는, 마이크로파 에너지를 발생시키도록 구성된 적어도 하나의 마이크로파 에너지 공급원(source); 마이크로파 에너지를 상기 조사될 물질을 향해 지향시키는 유전체 공진기(dielectric resonator)를 포함하는 마이크로파 에너지 방출 면을 갖는 적어도 하나의 마이크로파 어플리케이터(microwave applicator); 및 처리될 물질에 인가하기 위해 상기 마이크로파 에너지 공급원으로부터 상기 마이크로파 어플리케이터로 마이크로파 에너지를 연결하는 도파관을 포함한다.

상기 유전체 공진기는, 예를 들어, 세라믹, 유리, 테플론(Teflon) 또는 다른 저손실 유전체 재료를 포함할 수도 있다.

제2의 광의의 양태에 따르면, 본 발명은 물질에 조사하기 위한 마이크로파 에너지 인가 장치를 제공하는 것으로서, 상기 장치는, 마이크로파 에너지를 발생시키도록 구성된 적어도 하나의 마이크로파 에너지 공급원; 상기 마이크로파 에너지의 전파 방향을 가로질러 평행으로 배열된 홈(groove)들을 구비하는 저속파(slow-wave) 마이크로파 어플리케이터(applicator)를 포함하는 마이크로파 에너지 방출 면을 갖는 적어도 하나의 마이크로파 어플리케이터; 및 처리될 물질에 인가하기 위해 상기 마이크로파 에너지 공급원으로부터 상기 마이크로파 어플리케이터로 마이크로파 에너지를 연결하는 도파관을 포함한다.

상기 홈은 6 내지 26mm의 깊이를 가질 수 있다. 바람직한 실시 예에서, 상기 홈은 6 내지 13mm의 깊이를 갖는다. 또 다른 바람직한 실시 예에서, 상기 홈은 13 내지 26mm의 깊이를 갖는다.

일 실시 예에 있어, 상기 홈들은 마이크로파 에너지의 전파 방향에 수직이다. 일 실시 예에 있어, 상기 홈들은 대체로 같은 거리에 서로 이격되어 있다.

제3의 광의의 양태에 따르면, 본 발명은 물질에 조사하기 위한 마이크로파 에너지 인가 장치를 제공하는 것으로서, 상기 장치는, 마이크로파 에너지를 발생시키도록 구성된 적어도 하나의 마이크로파 에너지 공급원; 마이크로파 에너지 방출을 위한 마이크로파 에너지 방출 면을 갖는 적어도 하나의 마이크로파 어플리케이터; 및 처리될 물질에 인가하기 위해 상기 마이크로파 에너지 공급원으로부터 상기 마이크로파 어플리케이터로 마이크로파 에너지를 연결하는 도파관을 포함하되, 상기 마이크로파 에너지는 그 마이크로파 에너지가 도파관으로부터 마이크로파 어플리케이터에 들어가는 방향에 대체로 수직인 방향으로 상기 마이크로파 어플리케이터로부터 방출된다.

일 실시 예에서, 상기 마이크로파 에너지 공급원은 약 2.45 GHz의 주파수로써 마이크로파 에너지를 출력하도록 구성된다.

또 다른 실시 예에서, 상기 마이크로파 에너지 공급원은 약 860 또는 960MHz 사이의 주파수로써 마이크로파 에너지를 출력하도록 구성된다.

또 다른 실시 예에서, 상기 마이크로파 에너지 공급원은 약 5.8GHz의 주파수로써 마이크로파 에너지를 출력하도록 구성된다.

선택적으로, 상기 마이크로파 에너지 방출 면은 평면이다.

일 실시 예에서, 상기 마이크로파 에너지 인가 장치는 상기 마이크로파 에너지 방출 면으로부터 방출된 마이크로파 에너지를 반사하도록 배치된 반사기(reflector)를 더 포함하며, 이로써 상기 물질은 상기 반사기와 상기 마이크로파 에너지 방출 면 사이에서 이동하도록 한다.

제4의 광의의 양태에 따르면, 본 발명은 상기한 제1의 양태의 하나 또는 다수의 마이크로파 에너지 인가 장치들을 포함하는, 잡초, 기생충, 박테리아, 포자(spore), 균류(fungi) 또는 종자를 죽이는 장치(killing device)를 제공한다.

제5의 광의의 양태에 따르면, 본 발명은 상기한 제1의 양태의 하나 또는 다수의 마이크로파 에너지 인가 장치들을 포함하는, 토양의 살균(sterilizing), 컨디셔닝(conditioning) 또는 질화(nitrification) 장치를 제공한다.

제6의 광의의 양태에 따르면, 본 발명은 상기한 제1의 양태의 하나 또는 다수의 마이크로파 에너지 인가 장치들을 포함하는 건조 장치를 제공한다.

제7의 광의의 양태에 따르면, 본 발명은 마이크로파 에너지 인가 방법을 제공하는 것으로서, 상기 방법은:

적어도 하나의 마이크로파 에너지 공급원으로써 마이크로파 에너지를 제공하는 동작;

적어도 하나의 마이크로파 어플리케이터로써 마이크로파 에너지 공급원으로부터의 마이크로파 에너지를 받아들이는 동작; 및

상기 마이크로파 어플리케이터로써 마이크로파 에너지를 처리될 물질에 인가하는 동작을 포함하되;

상기 마이크로파 어플리케이터는, 유전체 공진기, 및 상기 마이크로파 에너지의 전파 방향을 가로질러 평행하게 배열된 홈들을 갖는 저속파 마이크로파 어플리케이터 중의 하나를 포함한다.

제8의 광의의 양태에 따르면, 본 발명은 마이크로파 에너지 인가 방법을 제공하는 것으로서, 상기 방법은:

적어도 하나의 마이크로파 에너지 공급원으로써 마이크로파 에너지를 제공하는 동작; 적어도 하나의 마이크로파 어플리케이터로써 마이크로파 에너지 공급원으로부터 마이크로파 에너지를 받아들이는 동작; 및 상기 마이크로파 어플리케이터로써 마이크로파 에너지를 처리될 물질에 인가하는 동작을 포함하되; 상기 마이크로파 에너지는 상기 마이크로파 에너지가 상기 도파관으로부터 마이크로파 어플리케이터에 들어가는 방향과 대체로 수직인 방향으로 상기 마이크로파 어플리케이터로부터 방출된다.

상기한 처리될 물질은, 예를 들어, 잡초(weeds), 기생충(parasites), 박테리아, 포자(spores), 또는 종자(seeds), 균류(fungi) 또는 토양(soil)을 포함할 수도 있다.

본 발명의 상기한 양태들 각각의 다양한 개별적인 특징들 중의 어느 것, 그리고 후술하는 특허청구범위를 포함하여 본 명세서에 기술된 실시 예들의 다양한 개별적인 특징들 중 어떤 것은 적절하고 바람직한 형태로 조합될 수도 있다는 것을 유념하여야 할 것이다.

본 발명이 보다 명료하게 확인될 수 있도록, 이하 첨부된 도면을 참조하여 실시 예들을 예시적으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로파 에너지 인가 장치의 개략도이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 도 1의 마이크로파 에너지 인가 장치의 마이크로파 도파관 및 저속파 마이크로파 어플리케이터의 상면 정사영도(top orthographic view)를 도시한다.
도 2b는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 도 1의 마이크로파 에너지 인가 장치의 마이크로파 도파관 및 저속파 마이크로파 어플리케이터의 하면 정사영도(bottom orthographic view)를 도시한다.
도 2c 및 도 2D는 각각 마이크로파 에너지 인가 장치의 마이크로파 도파관 및 저속파 마이크로파 어플리케이터의 상면 정사영도 및 측면도를 도시한다.
도 3a 내지 3F는 트랙터에 의해 견인되는 트레일러에 전개된 도 1의 마이크로파 에너지 인가 장치의 다수의 예를 나타낸 도면들로서, 도 3a 내지 3C는 각각 전체적인 조립체의 측면도, 상면 정사영도 및 평면도이고, 도 3d 내지 3F는 각각 트레일러의 후면, 상면 정사영도 및 측면도이다.
도 3G는 도 3a 내지 3F의 트레일러의 변형 예의 일부 특정 구성 요소들을 도시하는 도면이다.
도 4는 저속파 구조와 연관되는 에너지의 강도를 갖는, 본 발명의 일 실시 예에 따른 도 1의 마이크로파 에너지 인가 장치의 저속파 마이크로파 어플리케이터의 빗살형(comb-like) 저속파 구조의 개략적인 단면도이다.
도 5는 본 실시 예의 저속파 마이크로파 어플리케이터의 동작을 예시하는 것으로서, 전송선에서의 분배 임피던스의 개략적 회로도이다.
도 6은 본 실시 예의 저속파 마이크로파 어플리케이터의 동작을 예시하는 것으로서, 유도 소자의 개략적 회로도이다.
도 7은 본 실시 예의 저속파 마이크로파 어플리케이터의 동작을 예시하는 것으로서, 션트 캐패시턴스(shunt capacitance)의 개략적인 회로도이다.
도 8은 본 실시 예의 저속파 마이크로파 어플리케이터의 동작을 예시하는 것으로서 등가 LC 네트워크의 개략적인 회로도이다.
도 9는 유전체 판 및 인접한 토양을 갖춘 본 발명의 일 실시 예에 따른 도 1의 마이크로파 에너지 어플리케이터의 저속파 마이크로파 어플리케이터의 빗살형 저속파 구조의 개략적인 단면도이다.
도 10a 및 10B는 2.45 GHz 주파수에서 55.5 kJ의 마이크로파 에너지가 공급될 때, 종래 기술의 혼 안테나 및 본 실시 예에 따른 저속파 어플리케이터의 온도 분포의 각각의 구성을 예시한다.
도 11은 홈 깊이가 d = 6mm인 도 1의 실시 예의 마이크로파 도파관 및 저속파 마이크로파 어플리케이터의 개략도이다.
도 12는 홈 깊이는 d = 13mm인 대안적인 실시 예의 마이크로파 도파관을 갖는 저속파 마이크로파 어플리케이터의 개략도이다.
도 13은 저속파 구조가 생략된 상태의 본 발명의 일 실시 예에 따른 저속파 마이크로파 어플리케이터의 측면도이다.
도 14 내지 16은 각각, 저속파 구조가 생략된 상태의 도 13의 저속파 마이크로파 어플리케이터의 저면도, 상면 정사영도 및 하면 정사영도이다.
도 17은 도 13의 저속파 마이크로파 어플리케이터의 어플리케이터 하우징의 하면 정사영도이다.
도 18a 내지 18C는 각각, 도 13의 저속파 마이크로파 어플리케이터의 전이 부의 상면도, 단면도 및 저면도이다.
도 19a는 도 13의 저속파 마이크로파 어플리케이터의 저속파 구조의 개략적인 측면도이다(홈 깊이 d = 6mm).
도 19b는 도 13의 저속파 마이크로파 어플리케이터의 저속파 구조의 개략적인 측면도이다(홈 깊이 d = 13 mm).
도 20a는 도 13의 저속파 마이크로파 어플리케이터의 저속파 구조의 하면 정사영도이다(홈 깊이 d = 6mm).
도 20b는 도 13의 저속파 마이크로파 어플리케이터의 저속파 구조의 하면 정사영도이다(홈 깊이 d = 13㎜).
도 21a 및 21B는 도 1의 마이크로파 에너지 인가 장치의 도파관의 굴곡부의 각각 하면 정사영도 및 측면도.
도 22a 및 22B는 각각, 도 1의 마이크로파 에너지 인가 장치의 도파관의 전이부의 정사영도 및 개략적인 평면도이다.
도 23은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 마이크로파 에너지 인가 장치의 개략도이다.
도 24a 내지 24C는 도 23의 마이크로파 에너지 인가 장치의 세라믹 블록에 대한 측면도, 평면도, 및 등각투영도(isometric view)이다.
도 25는 입사 면에 대하여 평행 편광에 대한 매체 계면에서 전자기파의 개략적인 분석을 도시한다.
도 26은 TE308 및 TE106 모드의 조합에 대한 도 23의 세라믹 블록에서의 마이크로파 필드 분포를 나타내는 도면이다.
도 27은 도 23의 마이크로파 어플리케이터를 사용하여 가열될 때 합판(plywood)의 열 화상이다.
도 28은 도 27의 열 화상의 열 등고선도(thermal contour map)이다.
도 29는 도 23의 마이크로파 어플리케이터를 사용하여 가열될 때의 토양의 열 화상이다.
도 30은 도 29의 열 화상의 열 등고선도이다.
도 31은 도 23의 마이크로파 어플리케이터를 사용하여 가열될 때 지면의 열 화상이다.
도 32는 도 31의 열 화상의 열 등고선도이다.
도 33은 약 40분 사용 후 도 23의 마이크로파 어플리케이터의 세라믹 블록의 열 화상이다.
도 34는 도 33의 열 화상의 열 등고선도이다.
도 35는 반사기를 포함하는 마이크로파 에너지 인가 장치를 도시한다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 도 1에 10으로 개략적으로 도시된 마이크로파 에너지 인가 장치(microwave energy application apparatus)가 제공된다. 마이크로파 에너지 인가 장치(10)의 의도하는 주된 용도는 경작 시스템을 위한 잡초 제초기(weed killer)로서 가열에 의해 작동하여 잡초 및/또는 잡초 씨앗의 생존 능력을 죽이거나 파괴하는 것이다. 또한, 대안적으로는, 예를 들어, 토양을 조절하고, 질산화를 촉진하고, 및/또는 토양의 박테리아 부담(bacterial burden)을 감소시키기 위해 사용될 수도 있다는 것을 이해하여야 할 것이다. 예를 들어, 일부 시험에서는 전체 토양 세균 부담을 약 90%까지 줄이는 것이 가능한 것으로 밝혀졌다. 마이크로파 에너지 인가 장치(10) 또는 그의 대안적인 실시 예는 또한, 기생충을 박멸하고, 토양에서 영양 성분의 이용 가능성을 증가시키기 위해, (온실, 또는 화물용 또는 판매용 토양에서 사용되는 것과 같은) 훈증법(fumigation)을 대신하여, 원예 분야에서 용도를 찾을 수도 있다.

마이크로파 에너지 인가 장치(10)는 트랙터 또는 다른 농장 차량과 같은 차량에 의해 견인되는 바퀴 달린 플랫폼에 장착되도록 구성되며, 따라서 본 실시 예에서는 궁극적으로 그 차량으로부터 동력을 끌어낸다. 이것은, 예를 들어, 차량의 차축, 휠 또는 동력 인출장치(Power Take Off: PTO)와 작동 상의 결합일 수 있다. 따라서, 도 1을 참조하면, 마이크로파 에너지 인가 장치(10)는 차량의 차축, 휠 또는 PTO와 맞물려 그에 의해 구동될 수 있는 발전기(12)(매우 개략적인 형태로 도시됨), 상기 발전기(12)의 전기 출력에 의해 전력이 공급되는 마이크로파 에너지 공급원(들)(14)(마찬가지로, 매우 개략적인 형태로 도시됨), 마이크로파 도파관(16), 및 하향의 마이크로파 에너지 방출 면(19)을 갖는 저속파 마이크로파 어플리케이터(18)의 형태인 마이크로파 어플리케이터를 포함한다.

본 실시 예에서, 마이크로파 에너지 공급원(14)는 2.45 GHz에서 마이크로파 에너지를 생성하고, 마이크로파 도파관(16) 및 저속파 마이크로파 어플리케이터(18)는 그에 상응하게 크기가 정해진다. 그러나 다른 실시 예들에서는, 860 내지 960 MHz 또는 5.8 GHz와 같은 다른 파장들에서 마이크로파 에너지를 생성하는 마이크로파 에너지 공급원(들)이 사용될 수도 있다. 주파수의 선택은, 예를 들어, 편의에 따라 달라질 수도 있는데, 상업적으로 이용 가능한 마이크로파 에너지 공급원은 일반적으로 전술한 주파수의 마이크로파 에너지를 출력하도록 적응되어 있으므로, 이들을 쉽고 경제적으로 이용할 수도 있지만 의도된 용도에 따라 다른 기준이 고려될 수도 있다. 예를 들어, 마이크로파가 인가되는 토양의 조성 및/또는 수분이 동작 주파수의 선택에 영향을 미칠 수도 있다.

도파관(16)은 마이크로파 에너지 공급원(14)의 마이크로파 에너지 출력을 마이크로파 어플리케이터(18)에 안내하도록 배열되며, 마이크로파 어플리케이터(18)는 원하는 방향으로, 본 예에서는, 사용시 차량에 장착되어, 지면을 향해 하향으로 그 출력을 지향시키도록 배열된다.

저속파 마이크로파 어플리케이터(18)는 이 실시 예에서 경작 시스템을 위한 잡초 제거기로서 사용하기에 적합하게 적응되어 있다. 이것은 저속파 구조(slow-wave structure)를 포함하고 있는데, 이 구조는 전자기장이 저속파 구조의 표면에 매우 가깝게 유지되고, 저속파 구조의 표면으로부터 거리에 따라 지수함수적으로 감소하도록 그 전자기장 분포를 제한하는 무-방사형 개방 전송선(non-radiating open transmission lines)을 포함하며, 그럼으로써 토양 또는 식물 처리의 효율 또는 효능을 향상시킨다.

도 2a는 도파관(16) 및 마이크로파 어플리케이터(18)의 정사영도이고, 도 2b는 2.45GHz 마이크로파로써 사용하기에 적합한, 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 마이크로파 에너지 인가 장치의 마이크로파 도파관(16') 및 저속파 마이크로파 어플리케이터(18')의 또 다른 정사영도(대체로 하면 방향의)이다. 도 2b에는 등거리로 이격되어 있고, 본 실시 예에서는, 마이크로파 에너지의 전파 방향에 수직인 평행한 홈들을 포함하는, 저속파 구조(20')가 도시되어있다. 상기 홈의 정확한 길이는 사용되는 마이크로파의 주파수에 따라 달라질 것이라는 점에 유의해야 한다.

도시된 바와 같이, 저속파 마이크로파 어플리케이터(18)는 대체로 평면인 면으로부터 마이크로파 에너지를 방출한다. 이해할 수 있는 바와 같이, 도파관(16)은 저속파 마이크로파 어플리케이터(18)로부터 마이크로파 에너지가 방출되는 방향에 대체로 수직인 각도로 마이크로파 에너지를 저속파 마이크로파 어플리케이터(18)로 지향시킨다.

또한, 상기 홈들은 마이크로파 에너지의 전파 방향에 수직일 필요는 없는 것으로 생각된다. 수직으로부터의 이탈은 마이크로파 장에서 섭동(perturbation)을 야기할 수도 있지만, 특히 마이크로파 에너지의 전파 방향에 수직인 구성에서 홈이 약간 벗어나게 하는 것으로써 유용한 실시 예가 여전히 가능할 수도 있는 것으로 예상된다. 수직으로부터의 이탈의 허용 가능한 정도는 간단한 시행착오법에 의해, 특히 저속파 구조(20, 20')에 의해 방출된 마이크로파 에너지의 측정을 통해 쉽게 확인될 수 있을 것이다.

도 2c 및 2D는 860MHz 내지 960MHz 마이크로파로써 사용하기에 적합한, 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 도 2b의 실시 예의 마이크로파 도파관(16') 및 저속파 마이크로파 어플리케이터(18')의 상면 정사영도 및 측면도이다.

도 3a 내지 3F는 트랙터(24)에 의해 견인되는 트레일러(22)에 배치된 마이크로파 에너지 인가 장치(10)의 다수의 예를 나타낸 도면들이다. 도 3a 내지 3C는 각각 전체적인 조립체의 측면도, 상면 정사영도 및 평면도이고, 도 3d 내지 3F는 각각 트레일러(22)의 배면도, 상면 정사영도 및 측면도이다.

도 3G는 트레일러(22)의 변형 예의 일부 특정 구성 요소들을 도시하는 도면이다. 도 3G를 참조하면, 이 변형 예에서(트레일러 22에서처럼), 상기 트레일러는 트레일러 데크(26) 및 (트랙터 24의 도시되지 않은 PTO에 결합된) PTO 발전기(28)를 포함한다. 도 3G는 또한 각각의 장치(10)의 각각의 스위치-모드 마이크로파 전원 공급장치들(30), 마이크로파 마그네트론 헤드들(32), 자동-튜너들(34)을 묘사하고 있다. 그렇지만, 도 3a 내지 3F의 트레일러(22)와는 달리, 이러한 변형된 트레일러는 각각의 마이크로파 도파관들(16) 및 저속파 마이크로파 어플리케이터들(18)을 지지하기 위한 각각의 지지 트러스들(36) 및 돌리 휠들(dolly wheels)(37)을 포함한다. 이 변형 예에서, 상기 장치(10)는 각각 마이크로파 도파관(16)과 자동-튜너(34) 사이의 가요성 도파관(38)의 짧은 부분을 포함하고, 지지 트러스들(36)은 트레일러 데크(26)에 회전 가능하게 장착되어, 돌리 휠(37)로 인하여, 상기 각각의 저속파 마이크로파 어플리케이터(18)는 지면 위의 대체로 일정한 높이에서 서로 독립적으로 지지된다.

빗살형(comb-like) 저속파 구조(20)의 기본 형태는 도 4의 하부 레지스터에서의 단면도로 개략적으로 도시된다. 저속파 구조(20)에 의해 출력된 에너지의 강도는 본 도면의 상부 레지스터에 도시되어 있다.

저속파 구조(20)의 효과는 다음과 같이 분석될 수 있다. 첫째로,

λ₀ = f/c

여기서, λ₀은 자유 공간에서의 파장(m), f는 주파수(Hz), c는 자유 공간에서의 광의 속도(ms^-1)이다.

ω = 2πf

여기서, ω는 각속도(rad s^-1)이고,

k = ω/c

그리고

θ = g/T'

여기서, g는 상기 구조의 갭 폭(m)이고, T는 상기 구조의 주기(m)이다.

균일한 전송 라인은 도 5에 개략적으로 도시된 바와 같이 "분산 회로(distributed circuit)"로 기술될 수도 있다. 분산 회로는 미소 길이 dz의 동일한 셀들의 캐스케이드(cascade)로 설명될 수 있다. 전송 라인에 사용되는 도체는 일정한 직렬 인덕턴스와 저항을 보유한다. 또한, 와이어를 절연하는 매체가 완벽한 절연체가 아니라면 전도체들과 분로 컨덕턴스(shunt conductance) 사이에도 분로 캐패시턴스(shunt capacitance)가 존재한다. 많은 경우, 도 6에 개략적으로 도시된 것처럼 전송 라인에서의 저항 효과를 무시할 수 있다.

이러한 분석으로부터 하기의 식이 이해될 수 있다:

따라서,

다음으로, 도 7에 개략적으로 나타낸 것처럼 분로 요소를 고려해야 한다. 이 요소의 커패시터에 흐르는 전류는 다음과 같다.

리미트

이고, 따라서

z에 대하여 수학식 (1)의 도함수를 취하여 수학식 (2)로부터 대입하면 하기의 식이 나온다:

.

이것은 파동 방정식으로서, 그의 해는 다음과 같다:

.

이 경우, 그의 일반 해는

의 파수(wave number) 및

의 속도로 +z 및 -z 양 방향으로 전파하는 파동을 표현한다.

저속파 구조는 전송선처럼 동작하므로 분산형 LC 네트워크로 간주 될 수 있다(등가 LC 회로를 도시하는 도 8 참조). 상기 저속파 구조(20)의 톱니들 사이의 간격은 단락된 전송선으로 간주 될 수 있다. 단락된 전송선은 그의 위상 상수(kd)가 90° 미만일 때는 유도성이고, 위상 상수가 90°일 때는 개방회로(open circuit) 상태이며, 상기 위상 상수가 90°보다 클 때는 용량성이다. 저속파 구조(20)의 경우, 상기 홈의 짧은 길이는 빗살의 개방 단에서의 입력 임피던스를 유도성으로 유지시킨다.

길이(d)와 단위 폭(dy)의 부하가 제공된 전송선의 입력 임피던스는 다음과 같이 주어진다:

이 경우,

이고, 따라서,

이것은 아래와 같이 되도록 처리 가능하다:

또는

.

이제,

및

이고, 따라서:

단락된 전송 라인일 경우, Z_L = 0 이므로, 따라서:

이 입력 임피던스의 등가 인덕턴스는 다음과 같다:

따라서,

.

단락된 전송선의 폭(즉, 저속파 구조의 홈)에 걸치는 전체 인덕턴스는 다음과 같다:

또는

그러므로,

,

여기서, W는 y 방향으로의 구조물의 폭(m)이다.

커패시턴스는 다음과 같이 정의된다.

,

여기서 A는 전도성 플레이트의 표면적이고, d는 통상의 커패시터에서의 플레이트들 간의 거리이다. 전도성 표면 위에 전계가 존재하는 경우, 표면의 단위 길이 당 캐패시턴스는 다음과 같다:

,

여기서 δ는 플레이트 위의 공간에서의 전계의 필드 침투 깊이이고, W는 rm 플레이트의 폭이다. 저속파 구조의 특정한 경우에, x 방향에서의 필드의 침투 깊이는

이고, 따라서 상기 구조의 단위 길이 당 커패시턴스는 다음과 같다:

.

에 인덕턴스와 커패시턴스를 대입하면 다음 식을 산출한다:

이것은 아래와 같이 단순화된다:

저속파의 위상 속도는 다음과 같이 결정될 수 있다:

도 9에 개략적으로 도시된 바와 같이, 저속파 구조(20)에 인접한 2개의 상이한 매체가 존재할 수도 있다. 도 9를 참조하면, 본 실시 예에 있어, 저속파 구조(20)에 인접하여 유전체 플레이트(40)가 존재하고, 이에 인접하여 토양(42)이 존재한다.

이 경우, 두 개의 미디어(40, 42)의 경계에서의 위상 속도는 그 경계를 가로지르는 파의 연속성을 유지하기 위해 동일하다. 제1 매질(예컨대, 유전체 플레이트 40)의 위상 속도는 다음과 같다:

그리고 제2 매질(예컨대, 토양 42)의 위상 속도는 다음과 같다:

수학식 (6)로부터 수학식 (5)를 빼면 다음 식이 나온다:

.

이를 재정렬하면:

또는

상기 구조에 대하여 둔화 인자(slowing factor)를 Verbitskii(1980)를 사용하여 결정할 수 있다.

및

.

다음으로, 둔화 인자는 다음과 같이 정의된다:

여기서,

는 디감마(digamma) 함수이다.

종 방향의 전계(longitudinal electric field)는 다음과 같이 정의된다:

주: y 방향으로, 즉 저속파 구조를 가로지르는 방향에서는 E 필드의 어떤 변화도 없다.

를 사용하여, 필드에 어떤 자유 전하도 없다고 가정하면:

를 사용하면,

개개의 좌표 방향에 대해 풀면,

파형 혼 안테나(corrugated horn antenna)에 대한 Mentzer and Peters의 연구(1976)에서, H_x= 0 이고,

이것은 다음 식으로 이어진다:

포인팅(Poynting)의 정리로부터:

필드에서의 전체 전력은:

따라서,

주: 도파관에서의 필드는 다음과 같다:

여기서, a 및 b는 도파관의 치수(m)이다.

따라서,

저속파 구조 및 도파관의 필드 비는 아래와 같다:

로시 물질(lossy material)에서는 유전체 매질에서 종 방향 필드 흡수(longitudinal field absorption)가 존재한다.

여기서

이제, 로시(lossy) 물질에서의 온도 상승은:

또는

여기서, ρ는 물질 밀도(kgm^- ³)이고, C는 그 물질의 열용량(J kg^-1K^-1)이다.

시스템이 이동한다면, 수학식 (12)는 변형되어 아래와 같이 될 수 있다:

이제

이고, 이것은 시스템의 종 방향 속도(longitudinal velocity)이며, 따라서,

또는

여기서, L_a 는 어플리케이터의 길이이다. 따라서,

이것은 다음과 같이 다시 쓸 수 있다:

예

도 1 내지 3을 참조하여 위에서 설명된 실시 예에 따라 2.45GHz에서 작동하는 2개의 저속파 어플리케이터를 테스트를 위해 설계하여 제작하였다. 하나는 d = 6mm의 홈 깊이를 갖는 빗살 구조를 가지며, 반면에 다른 하나는 d=13mm의 홈 깊이를 갖는다. d = 6mm 버전은 13mm 버전보다 더 작은 분산 상수를 가지며, 따라서 전자의 결과적인 마이크로파 필드를 구조 표면에서 더 멀리 확장시킬 수 있다. 이것은, 예를 들어, 토양의 상부 층뿐만 아니라 토양의 표면 위로 성장하는 임의의 식물을 가열하는데 유용할 수도 있다고 예상된다. 상기한 d=13mm 버전은 마이크로파 필드를 구조물의 표면과 매우 가깝게 제한하여야 하며, 따라서 예를 들어, 필드가 토양에 거의 침투하지 않고 재배 실물들을 신속하게 처리하는데 더욱 적합할 수도 있다. 또 다른 실시 예(도시되지 않음)에서는, d = 26mm의 홈 깊이가 이용된다.

도 10a 및 10B는 55.5 kJ의 마이크로파 에너지가 공급될 때 본 실시 예(도 10b)에 따른 저속파 어플리케이터와 배경 기술(도 10a)에서의 혼 안테나의 온도 증가의 계산된 분포를 비교하였으며, 저속파 어플리케이터가 적당량의 토양을 처리하여 잡초 씨앗을 죽이기에 충분한 것으로 예상되었다. 이 도면들에서 수직축은 토양 깊이 D_s(mm) 이다. 도 10a에서, 수평축들은 혼의 중심선으로부터의 거리 D_x(mm) 및 D_y(mm)이다. 도 10b에서, 수평축들은 어플리케이터를 따르는 거리 D_x(mm) 및 그것을 가로지르는 거리 D_y(mm)이다.

혼 안테나를 통해 55.5 kJ의 마이크로파 에너지를 전달함으로써 토양 온도를 30℃에서 33℃로 상승시키는데, 이것은 종자 생존 능력에 영향을 미치지 않는 것으로 이해될 것이다. 사실, 계산에 의해 저속파 어플리케이터로 얻은 것과 동일한 수준의 토양 처리를 달성하고 잡초 씨앗을 죽이기에 충분하기 위해서는 240 kJ의 마이크로파 에너지가 혼 안테나로부터 필요하다는 것이 나타났다. 따라서, 저속파 어플리케이터는 혼 안테나 배열과 비교하여 약 4배 향상된 마이크로파 토양 처리 효능을 제공한다.

저속파 어플리케이터의 흥미로운 특징은 우수한 잡초 방제를 달성하기 위한 총 에너지 요건이다. 예를 들어, 일년생 라이그라스류(annual ryegrass) 식물을 죽이는 데 필요한 500 Jcm^-2의 필요 에너지 밀도를 제공하기 위해 700W 마이크로파 공급원을 사용하여 20초간 처리가 필요며, 반면에 혼 안테나 시스템은 지면에서 동일한 에너지 밀도를 전달하기 위해 2kW 마이크로파 공급원에서 120초를 필요로 한다.

이 실험에서 테스트 한 다른 식물 종(야생 무, 야생 귀리, 일년생 라이그라스, 다년생 라이그라스, 앞마당 잔디, 피(barnyard grass), 개망초 무리 식물(fleabane), 페더톱(feathertop), 피 식물류 및 브롬 그라스(brome grass) 등을 포함한다)에 대해서도 유사한 총 에너지 절감 효과가 명백히 나타났다. 전체 마이크로파 에너지 요건의 관점에서 볼 때, 저속파 어플리케이터는 잡초를 처리함에 있어 더욱 효과적이어서, 혼 안테나 시스템에서 필요한 전체 에너지의 약 2 내지 6%만을 필요로 한다.

따라서 이러한 예의 저속파 어플리케이터는, 각각 약 4 및 17의 지수만큼 마이크로파 토양 및 식물 처리의 효능 개선을 제공하는, 농업 및 환경 시스템에 대해 실행 가능한 마이크로파 잡초 제거기의 유용한 선택을 가능하게 하는 것으로 판단된다.

도 11 내지 12는 본 발명의 두 개의 실시 예에 따른 마이크로파 도파관 및 저속파 마이크로파 어플리케이터의 도 3의 그것과 비교할만한 개략도로서, 경량화를 위해 대부분 알루미늄으로 구성되었지만 이들 구성 요소들의 여러 부분을 함께 결합하기 위해 강철 너트와 볼트를 갖춘 구성을 나타낸다. 마이크로파 도파관처럼 필요에 따라 그것들이 작동할 수만 있다면, 알루미늄 대신에 다른 금속(예를 들어, 스테인리스 스틸 또는 황동)을 사용할 수도 있다. 더 무거운 재료가 활용될 경우, 마이크로파 에너지 인가 장치(10)는 받침대(cradle) 또는 자키 휠(jockey wheel)과 같은, 저속파 마이크로파 어플리케이터(18)의 먼 쪽의 단부에, 추가적인 지지부가 전개 또는 제공될 수도 있다.

도 11은 홈 깊이가 d = 6mm인 도 1 내지 3의 실시 예의 마이크로파 도파관(16) 및 저속파 마이크로파 어플리케이터(18)의 개략도이고, 도 12는 유사한 실시 예의 마이크로파 도파관(16)을 구비하지만 d = 13mm의 홈 깊이를 갖는 저속파 마이크로파 어플리케이터(18)의 개략도이다.

도 13(저속파 구조 20가 생략된)의 측면도에서 개략적으로 도시된 바와 같이, 각각의 저속파 마이크로파 어플리케이터(18, 18')는 어플리케이터 하우징(52) 및 소정 각도로 이루어진 마이크로파 전이 도관(54)을 포함하고 있는데, 이것은 저속파 마이크로파 어플리케이터(18, 18')를 마이크로파 도파관(16)에 부착하기 위한 플랜지(56)가 제공되어 있다.

도 14 내지 16은 저속파 마이크로파 어플리케이터(18, 18')의 (저속파 구조 20가 생략된 상태로) 각각의 저면도, 상면 정사영도 및 하면 정사영도의 추가적인 도면들이다. 도 17은 어플리케이터 하우징(52)의 개략적인 하면 정사영도이다.

도 18a 내지 18C는 각각 저속파 마이크로파 어플리케이터(18, 18')의 전이 부분(60)의 평면도, 단면도 및 저면도를 도시하는 것으로서, 이 부분(60)은 소정의 각이 진 마이크로파 전이 도관(54)과 어플리케이터 하우징(52)/저속파 구조(20) 사이의 전이의 핵심 부분이다. 전이 부분(60)은 마이크로파 전이 도관(54)의 먼 쪽 부분에서의 대체로 수직인 방향으로부터 저속파 구조(20)에서의 대체로 수평인 배향으로 마이크로파 전계를 변환시킨다. 이러한 페이저 변환은 저속파 구조(20)의 초기 폭이 가늘어지는(테이퍼 진) 부분과 관련하여 이루어진다. 도 18a 및 18C에서 명백한 3개의 갈래들(62)은 이러한 변환을 덜 갑작스럽게 만들도록 구성되어 이러한 전계 변화 중 일어나는 임피던스 불일치를 감소시키도록 하는데, 그렇지 않을 경우 이것은 마이크로파 전이 도관(54)으로부터 저속파 구조(20)로의 에너지의 전달을 감소시키는 반사 현상을 형성할 것이다.

도 19a는 저속파 구조(20)를 어플리케이터 하우징(52)에 고정하기 위한 홈(68) 및 구멍(70)을 포함하는 저속파 마이크로파 어플리케이터(18)의 저속파 구조(20)(즉, d = 6mm의 홈 깊이를 갖는)의 개략적인 측면도이며, 도 19b는 저속파 구조(20')를 어플리케이터 하우징(52)에 고정하기 위한 홈(68') 및 구멍(70')을 포함하는 저속파 마이크로파 어플리케이터(18')의 어플리케이터(20')(즉, d = 13mm의 홈 깊이를 갖는)의 개략적인 측면도이다. 이들 도면에서, 저속파 구조(20)의 우측 단부는 조립된 저속파 마이크로파 어플리케이터(18, 18')에서 어플리케이터 하우징(52)의 먼 쪽 단부에 위치한다. 이 실시 예의 저속파 구조물(20)의 전체 길이는 대략 356mm이고, 폭은 100mm, 높이는 16mm이다. 그 길이는 어느 정도까지는 다양할 수 있는데, 예를 들어, 마이크로파 에너지의 대부분은 저속파 구조물의 말단부 앞에서 흡수되어 버리기 때문에, 약간의 효율 손실로써 짧아질 수도 있을 것이다. 그러나 저속파 구조물(20)의 폭은 마이크로파 방사의 파장의 약 절반이 되도록 선택되므로 따라서 중요한 치수이다. 그러나 파장의 반에서 폭이 약간 벗어나는 것은 여전히 실행 가능한 실시 예를 제공하는 것으로 기대된다. 예를 들어, 상기 폭이 약간 증가한다 하더라도 여전히 작동해야 하지만, 마이크로파 모드는 상기 어플리케이터에 걸치는 단지 하나의 피크 에너지 대신에 두 개가 제공될 수 있도록 변경될 수도 있다.

도 20a는 저속파 마이크로파 어플리케이터(18)의 저속파 구조(20)의 하면 정사영도이고, 도 20b는 저속파 마이크로파 어플리케이터(18')의 저속파 구조(20')의 하면 정사영도이다.

마이크로파 도파관(16)은 마이크로파 에너지 공급원(14)에 연결 가능한 굴곡 부분과, 그 굴곡 부분에 연결되고 저속파 마이크로파 어플리케이터(18, 18')에 연결 가능한 전이 부분을 포함한다. 도 21a는 굴곡 부분(80)의 하부 정사영도이고, 반면에 도 21b는 굴곡 부분(80)의 개략적인 측면도이다. 상기 굴곡 부분(80)은 그 굴곡 부분(80)을 마이크로파 에너지 공급원(14)에 연결하기 위한 제1 플랜지(82) 및 굴곡 부분(80)을 전이 부분(90)에 연결하기 위한 제2 플랜지(84)를 포함한다.

도 22a는 전이 부분(90)의 정사영도이고, 도 22b는 전이 부분(90)의 개략적인 평면도이다. 전이 부분(90)은 전이 부분(90)을 굴곡 부분(80)에 연결하기 위한 제1 플랜지(92) 및 전이 부분(90)을 마이크로파 어플리케이터(18, 18')에 연결하기 위한 제2 플랜지(94)를 포함한다.

사용시, 마이크로파 에너지 인가 장치(10)는 조사되는 물질(예를 들어, 토양)에 근접하게 위치되지만, 혼 안테나 장치에 대비한 마이크로파 에너지 인가 장치(10)의 이점은 2 내지 3cm의 침투 깊이를 가지며, 더 먼 거리에서도 현저한 강도로 방사하지 않는다는 것이다. 따라서, 조작자는 전술한 유형의 전형적인 용도에 있어 10cm 내에서 사용 시 (아마도 부주의로) 저속파 구조물(20)에 안전하게 접근할 수도 있는 반면, 약 2m 내에서, 10cm 정도의 침투 깊이를 갖는 비교 대상의 혼 안테나 장치에 접근하는 것은 일반적으로 안전하지 않을 수도 있다.

마이크로파 에너지 적용 장치(10)는 습기가 있는 토양에서 그의 침투 깊이가 감소될지라도, 가장 전형적인 기상 상태에서 사용될 수 있어야 한다. 이러한 효과는 어떤 경우에는 에너지 출력을 증가시켜 보상할 수 있다.

전형적인 적용 예에서, 처리되는 물질(예를 들어, 토양, 화물 등)을 통과하는 출력 및 속도의 적절한 조합을 설정함으로써 희망하는 효과를 한 번에 달성할 수 있을 것이라 상정된다. 선택적으로는, 처리된 물질의 온도는 물질의 상승 온도를 모니터링함으로써 모니터 가능하다. 해당 온도는 원하는 온도가 달성될 때까지 출력 전력 및/또는 속도를 변화시키는 기초로서 사용될 수 있다. 이것은, 마이크로파 에너지 공급원(14) 및/또는 마이크로파 에너지 인가 장치(10)와 상기 물질이 서로에 대해 이동하는 속도를 제어하는 구동 장치에 디지털 온도계의 출력(예를 들어, 물질과 접촉하거나 물질에 의해 방출된 적외선 복사에 민감한)을 결합하여, 처리된 물질에서 생성되는 원하는 온도로 피드백이 신속히 이어지도록 함으로써 수행될 수 있다.

변형 예(도시되지 않음)에서, 저속파 마이크로파 어플리케이터(18, 18')는 토양 손상으로부터의 사용 중 저속파 마이크로파 어플리케이터(18, 18')의 기계적 보호를 위해 세라믹, 유리 또는 기타 물질로 커버 되어 있다. 또한, 이러한 커버는 저속파 마이크로파 어플리케이터(18, 18')의 토양과 의보다 더 양호한 임피던스 정합을 제공할 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시 예에 따르면, 도 23에 100으로 개략적으로 도시된 마이크로파 에너지 인가 장치가 제공된다(단순화를 위해 그 발전기 및 마이크로파 에너지 공급원(들)은 생략됨). 이러한 마이크로파 에너지 인가 장치(100)는 도 1의 마이크로파 에너지 인가 장치(10)와 대부분의 관점에서 동일하고, 또한 주로 잡초를 죽이는 것을 목적으로 한다. 그러나 이것은 마이크로파 에너지 인가 장치(10) 및 그 변형들이 배치될 수 있는 다양한 방식으로 활용될 수도 있다.

따라서, 마이크로파 에너지 인가 장치(100)는 마이크로파 도파관(116) 및 마이크로파 어플리케이터(118)를 포함한다. 마이크로파 어플리케이터(118)는 어플리케이터 하우징(152) 및 소정의 각을 이루는 마이크로파 전이 도관(154)을 포함하는데, 이것에는 마이크로파 어플리케이터(118)를 마이크로파 도파관에 부착하기 위한 플랜지(156)가 제공된다. 그러나 이 실시 예에서, 마이크로파 어플리케이터(118)는 (9의 유전 상수 및 0.0006의 손실 탄젠트를 갖는) 알루미나계 세라믹 블록(120)을 포함하는 유전체 공진기(dielectric resonator)를 포함한다. 적절한 유전체 공진기로서 작용할 수 있다면, 이러한 세라믹 또는 기타 세라믹 대신에 유리(예를 들어, 용융 실리카 유리), 테프론(등록상표) 또는 운모(mica)와 같은 다른 재료가 사용될 수도 있다. 실제로, 알루미나(폴리에틸렌(polyethlylene), 폴리프로필렌(polypropylene), CPE, 폴리스티렌(polystyrene), 질화붕소(boron nitride), 사파이어(sapphire), 산화마그네슘(magnesium oxide), 산화베릴륨(beryllium oxide) 및 가교-결합된 폴리스티렌(cross-linked polystyrene)을 포함함)의 그것과 동등하거나 그것 미만의 손실 탄젠트(loss tangent)를 갖는 유전체 물질이 적합할 것으로 상정된다.

또한, 상기한 재료는 바람직하게는 (그러한 용도에 대해 의도된 경우) 사용 현장에서 여기저기 부딪히는 것에 대처할 정도로 충분한 물리적 반발력을 가져야 할 것이다.

도시된 바와 같이, 저속파 마이크로파 어플리케이터(18)를 포함하는 실시 예와 유사하게, 본 실시 예는 대체로 평면인 면으로부터 마이크로파 에너지를 방출한다. 도시된 바와 같이, 도파관(116)은 마이크로파 에너지가 유전체 공진기로부터 방출되는 방향에 대체로 수직인 각도로 마이크로파 에너지를 그 유전체 공진기에 지향시킨다.

도 24a 내지 24C는 도 23의 마이크로파 에너지 인가 장치(100)의 세라믹 블록(120)의 각각의 측면도, 평면도, 및 등각 투영도(isometric view)이다. 상기 세라믹 블록(120)은 도 1의 장치(10)의 어플리케이터 하우징(52)에 의해 수용될 수 있도록 하는 크기이지만, 그러나 이것은 단지 편의를 위한 것으로서 다른 치수도 가능하다.

마이크로파 어플리케이터(118)는 또한, 세라믹 블록(120)에 의하여, 하향으로 지향된 마이크로파 에너지 방출 면(119)으로부터 멀어지는 방향으로 지수함수적으로 감소하는 마이크로파 필드를 제공한다. 이것은 에버네센트(evanescent) 마이크로파 필드가 내부 반사 마이크로파 필드에 의해 생성되는 유전체 공진기로서 작용함으로써 그렇게 되며, 따라서 FTIR(Frustrated Total Internal Reflection) 마이크로파 어플리케이터로서 설명될 수도 있다.

상기한 에버네센트 필드는 어플리케이터의 길이 및 폭의 대부분에 대해 연장되고 어플리케이터 표면, 즉 마이크로파 에너지 방출 면(119) 아래에서 지수함수적으로 감소한다. 이것은 마이크로파 가열이 토양 내부로 가열되는 깊이를 최소화하고, 따라서 (본 실시 예에서는) 잡초를 가열하여 죽이기 위한 에너지 요건을 감소시킨다. 이것은 처리 효율을 최대화한다.

이론에 얽매이기를 바라지 않고, 가장 잘 이해되는 그대로, 유전 물질에 기초하는 실시 예의 동작은 다음과 같다. 도 25를 참조하면, 어떤 파가 전기적으로 조밀한 유전체 물질을 따라 전송되어 그 필드가 전기적으로 더 낮은 밀도의 물질과의 인터페이스에 입사되도록 할 때, 그 필드의 일부는 반사되고 그 필드의 일부는 전달될 것이다.

이 경우, 전달된 필드는 다음과 같이 기술될 수 있다:

제2 매체에서:

이제,

그리고,

여기서, n₁ 및 n₂는 두 매개체의 굴절률이다.

n₁ >> n₂일 경우, 어떠한 전송된 파도 거기에 존재하지 않은 것이 가능하다 (즉,

).

임계 입사 각(θ_c)은 아래의 경우일 때 일어난다:

공기와 알루미늄 유전체 블록 간의 인터페이스일 경우, 유전상수(n₂)는 약 9.8이다. 공기(n₁)의 유전상수는 1.0이다. 따라서,

18.6°이다. 그러므로, 마이크로파 필드가 18.6°보다 더 큰 입사각으로 매체(세라믹 블록과 같은)를 따라서 이동한다면, 해당 필드의 내부전반사가 존재해야만 하며, 세라믹 블록은 그 필드에 대한 유전체 공진기로서 작용할 것이다.

에 대해서도 가능한데, 이 경우 위 수학식 (23)는 아래와 같다:

이를 수학식 (21)에 대입하면:

이것은 재배열하여, 다음 식으로 대체된다:

이 수학식은 파동방정식

에 따라서 x 방향으로 경계면을 따라서 전파하는 z 방향으로 지수함수적으로 감소하는 필드를 기술한다.

이 경우,

여기서, ω는 파의 각 주파수(s^-1)이고, c는 광의 속도(m s^-1)이다.

수학식 (24) 및 (29)를 사용하여, 수학식 (28)은 다음과 같이 다시 쓸 수 있다:

여기서,

이다.

비-자기 물질에서, 상기 물질의 굴절율은

이고, 여기서

이다.

유전체 공진기의 경우, 세라믹 블록 내부에서 생성된 정상파(standing wave)가 존재할 것이다. 따라서, 필드는 다음과 같이 기술될 수 있다:

여기서, l, m, 및 n은 정수이며, a, b, 및 c는 세라믹 공진기의 횡, 수직 및 종 방향 치수로 유전체 블록의 크기(m)이다.

전술한 실시 예의 알루미나계 세라믹 블록은 k = 9.8, a = 140mm, b = 13mm 및 c = 355mm를 가지며 공진 중에 다수의 필드 모드를 지원하기에 전기적으로 충분히 크다. 예를 들어, 도 26은 TE₃₀₈(l = 3, m = 0, 및 n = 8) 모드 및 TE₁₀₆(l = 1, m = 0 및 n = 6) 모드에 대하여, 마이크로파 에너지가 왼쪽에서 오른쪽으로 (도 23의 도면에서) 블록으로 공급되고 있을 때, 세라믹 블록(120)의 필드 분포에 대한 등고선도이다. 이것은, 비록 합판 실험에서는 마이크로파 필드가 오른쪽에서 왼쪽으로 세라믹 블록(12)에 공급되었고 그것은 동시에 2개의 모드보다 더 많은 수를 지원할 가능성이 있다는 것을 유념해야 하지만, 바람직하게는 어플리케이터가 합판을 가열하는 데 사용되었을 때 관찰된 온도 분포와 비교된다.

도 25에서 인터페이스의 반사 계수는:

이것은 다음과 같이 된다:

비-자기 비-전도체를 고려할 때,

이고, 따라서,

n₁과 n₂의 상대 값에 따라서 반사파의 부호는 양수 또는 음수일 수 있다. 부호의 변화는 입사파와 반사파 사이의 π의 위상 변화에 해당한다. 전송된 파는 항상 입사파와 동 위상이다.

스넬(Snell)의 법칙으로부터

이므로, 수학식 (34)는 다음과 같이 다시 쓸 수 있다:

n₁ = n₂ 일 때 수학식 (33)의 분자는 단지 0일 수 있지만, 상기 수학식은 또한

일 때 영과 같으며, 이것은

일 때 일어난다. 이 조건은 물질 계면을 가로질러 입사 편파(incident polarized wave)의 전체 투과로 귀착되고, 그 입사각은 브루스터 각(Brewster's angle)(θ_B)으로 불린다. 브루스터 각은 다음 수학식을 사용하여 결정할 수 있다:

공기 및 알루미나 유전체 블록 사이의 계면의 경우, 유전 상수 n₂는 약 9.8이다. 공기의 유전 상수 n₁은 1.0이다. 따라서,

이다. 이런 이유로, 세라믹 블록(120)의 입사 면(122)에서의 72°의 사면(bevel)은 어플리케이터 내로 최적의 에너지 전달을 제공해야 한다.

예

도 23의 실시 예의 마이크로파 어플리케이터(118)에 따라 구성된 마이크로파 어플리케이터의 마이크로파 가열 효과를 테스트하기 위해 열 화상이 획득되었다. 초기 마이크로파 어플리케이터(118)는 합판 조각의 30㎜ 위에 있도록 배치되어 그의 정상적인 마이크로파 필드 분포를 결정하였다. 도 27은 마이크로파 어플리케이터(118)를 사용하여 가열될 때의 합판의 열 화상이다. 가열 패턴은 열 화상의 윤곽 분석에 의해보다 더욱 분명하게 드러난다. 도 28은 도 27의 열 화상의 열 등고선 지도이다. 이 실험은 합판이 건조하고 그 표면이 매끄럽기 때문에 어플리케이터의 가장 가능성이 있는 행동 특성을 나타낸다.

마이크로파 어플리케이터(118)가 지면 위에 계속 머물러 있을 때, 가열 패턴은 도 27에 도시된 것과 다소 유사한 것으로 나타났다. 이러한 시나리오를 탐구하기 위해 수행된 실험에서, 라이그라스의 화분 트레이를 테스트로 사용하였고, 어플리케이터는 그 트레이의 토양 표면에서 30mm 위쪽에 배치하였다. 도 29는 마이크로파 어플리케이터(118)를 사용하여 가열될 때 토양의 결과적인 가열 패턴의 열 화상이다. 가열 패턴은 열 화상(도 29) 및 상응하는 열 등고선 분석(도 30 참조) 모두에서 예시되고 있듯이 비교적 균일하다.

마이크로파 어플리케이터(118)가 (잡초를 처리하는 것과 같이) 지면에 배치되면, 에버네센트 필드(evanescent fields)가 흡수되어 가열 패턴이 변경된다. 이러한 테스트의 결과는 도 31의 결과적인 가열 패턴의 열 화상 및 상응한 열 등고선 분석에서 나타나 있다(도 32 참조).

모든 경우에 토양 온도는 50-65℃에 이르렀는데, 이는 토양 표층에서 식물과 씨앗들을 죽이기에 충분하다. 가열된 토양 및 잡초로부터의 흡수된 에너지와 마이크로파 에너지의 조합은 또한 세라믹 블록(120)을 약간 가열한다. 약 40분의 작동 후 세라믹 블록(120)의 결과적인 가열 패턴의 열 화상(도 33) 및 대응하는 열 등고선 분석(도 34)이 참조된다. 이것은 또한 토양에 적은 양의 적외선을 제공할 것이며, 이것은 잡초를 죽이는 데에 도움이 되는 것이다.

일 실시 예에서, 도 35에 도시된 바와 같이, 마이크로파 에너지 인가 장치(10)는 마이크로파 어플리케이터(18 또는 118)(예를 들어, 저속파 마이크로파 어플리케이터(18) 또는 유전체 공진기(118))로부터 방출된 마이크로파 방사를 반사하도록 배치된 반사기(61)를 포함한다. 도면은 저속파 마이크로파 어플리케이터(18)를 구비한 마이크로파 에너지 인가 장치(10)를 도시하고 있다. 상기 반사기(61)는 마이크로파 어플리케이터(18)의 방출구에 맞은 편에 위치하고, 조사되는 지형을 통해(예를 들어, 토양을 통해) 이동하도록 구성된다. 반사기(61)와 마이크로파 어플리케이터(18) 사이의 간격은 필요한 깊이(예를 들어, 토양의)의 조사를 허용하기에 충분하다.

본 실시 예의 일례에서, 주파수 922MHz에서, 마이크로파 에너지는 토양의 상부 30mm가 인가된 에너지의 약 43 내지 52%를 흡수하는 상태에서 토양의 깊은 곳(120mm)까지 침투한다. 반사기(61)는 비-흡수된 에너지를 반사시키도록 동작하여, 토양은 이러한 반사된 에너지의 일부를 흡수한다. 따라서, 반사기(61)는 토양에 의한 마이크로파 에너지 흡수 효율을 바람직하게 향상시킬 수 있다.

전술한 실시 예에서, 마이크로파 에너지 인가 장치(10)는 전형적으로, 예를 들면, 차량과 같은 이동 플랫폼 위에 장착되어 이동 가능한 것으로 기술된다. 다른 응용 분야에서는 이동식 갠트리(gantry) 또는 트롤리(trolley)와 같은 다른 이동 플랫폼이 적합할 수도 있다. 또 다른 적용 예에서, 처리될 물질은 컨베이어 벨트와 같이 마이크로파 에너지 인가 장치(10)를 지나서 이동되도록 할 수도 있다.

본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 범위를 벗어나지 않고도 많은 변형이 가능하다는 것을 이해할 것이다. 예를 들어, 이상 기술된 실시 예의 변형 예에서는, 마이크로파 누출을 감소시키기 위하여, 마이크로파 어플리케이터는 금속 섬유 함유물을 갖는 금속 스트립, 체인 또는 와이어 브러시(또는 다른 재료) 조직으로부터 커튼에 의해 둘러싸인다.

후술하는 청구범위 및 전술한 본 발명의 설명에서, 문맥상 명시적인 언어 또는 필요한 의미로 인해 다른 것을 요구하는 경우를 제외하고, "포함한다"와 같은 단어 또는 "포함하는" 또는 "갖는"과 같은 변형어들은 포괄적인 의미로 사용된다. 즉, 기술된 특징의 존재를 명기하지만 본 발명의 다양한 실시 예에서의 추가적인 특징의 존재 또는 부가를 배제하는 것은 아니다.

또한, 본 명세서에서의 임의의 선행 기술에 관한 언급은 그 선행 기술이 어느 나라에서의 공통적인 통상의 지식의 일부를 형성한다는 것을 인정하거나 어떠한 형태의 제안으로 받아들여서는 안 된다는 것을 이해하여야 할 것이다.

Claims

물질에 조사하기 위한 마이크로파 에너지 인가 장치에 있어서,
마이크로파 에너지를 발생시키도록 구성된 적어도 하나의 마이크로파 에너지 공급원;
마이크로파 에너지를 상기 조사될 물질을 향해 지향시키는 유전체 공진기를 포함하는 마이크로파 에너지 방출 면을 갖는 적어도 하나의 마이크로파 어플리케이터; 및
처리될 물질에 인가하기 위해 상기 마이크로파 에너지 공급원으로부터 상기 마이크로파 어플리케이터로 마이크로파 에너지를 연결하는 도파관을 포함하는 마이크로파 에너지 인가 장치.
제1항에 있어서,
상기 유전체 공진기는 세라믹, 유리 또는 테프론을 포함하는 것인 마이크로파 에너지 인가 장치.
물질에 조사하기 위한 마이크로파 에너지 인가 장치에 있어서,
마이크로파 에너지를 발생시키도록 구성된 적어도 하나의 마이크로파 에너지 공급원;
상기 마이크로파 에너지의 전파 방향을 가로질러 평행으로 배열된 홈들을 구비하는 저속파 마이크로파 어플리케이터를 포함하는 마이크로파 에너지 방출 면을 갖는 적어도 하나의 마이크로파 어플리케이터; 및
처리될 물질에 인가하기 위해 상기 마이크로파 에너지 공급원으로부터 상기 마이크로파 어플리케이터로 마이크로파 에너지를 연결하는 도파관을 포함하는 마이크로파 에너지 인가 장치.
제3항에 있어서,
상기 홈은 6 내지 26mm의 깊이를 갖는 것인 마이크로파 에너지 인가 장치.
제4항에 있어서,
상기 홈은 6 내지 13mm의 깊이를 갖는 것인 마이크로파 에너지 인가 장치.
제4항에 있어서,
상기 홈은 13 내지 26mm의 깊이를 갖는 것인 마이크로파 에너지 인가 장치.
제3항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 홈은 상기 마이크로파 에너지의 전파 방향에 수직인 것인 마이크로파 에너지 인가 장치.
제3항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 홈은 서로 같은 간격으로 이격되어 있는 것인 마이크로파 에너지 인가 장치.
물질에 조사하기 위한 마이크로파 에너지 인가 장치에 있어서,
마이크로파 에너지를 발생시키도록 구성된 적어도 하나의 마이크로파 에너지 공급원;
상기 마이크로파 에너지를 방출하기 위한 마이크로파 에너지 방출 면을 갖는 적어도 하나의 마이크로파 어플리케이터; 및
처리될 물질에 인가하기 위하여 상기 마이크로파 에너지 공급원으로부터 마이크로파 어플리케이터로 상기 마이크로파 에너지를 결합시키는 도파관을 포함하되,
상기 마이크로파 에너지가 상기 도파관에서 상기 마이크로파 어플리케이터로 진입하는 방향과 대체로 수직인 방향으로 상기 마이크로파 에너지가 상기 마이크로파 어플리케이터로부터 방출되는 것인 마이크로파 에너지 인가 장치.
선행하는 청구항들 중의 어느 한 항에 있어서,
상기 마이크로파 에너지 공급원은 약 2.45GHz의 주파수로써 마이크로파 에너지를 출력하도록 구성되는 것인 마이크로파 에너지 인가 장치.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 마이크로파 에너지 공급원은 약 860MHz 내지 960MHz의 주파수로써 마이크로파 에너지를 출력하도록 구성되는 것인 마이크로파 에너지 인가 장치.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 마이크로파 에너지 공급원은 약 5.8GHz의 주파수로써 마이크로파 에너지를 출력하도록 구성되는 것인 마이크로파 에너지 인가 장치.
선행하는 청구항들 중의 어느 한 항에 있어서,
상기 마이크로파 에너지 방출 면은 평면인 것인 마이크로파 에너지 인가 장치.
선행하는 청구항들 중의 어느 한 항에 있어서,
상기 마이크로파 에너지 방출 면으로부터 방출된 마이크로파 에너지를 반사시키도록 배치된 반사기를 더 포함하여, 상기 물질이 상기 반사기와 상기 마이크로파 에너지 방출 면 사이에서 이동하도록 구성하는 것인 마이크로파 에너지 인가 장치.
제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 하나 또는 다수의 마이크로파 에너지 인가 장치를 포함하는 잡초, 기생충, 박테리아, 균류, 포자(spore) 또는 종자를 죽이는 장치.
제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 하나 또는 다수의 마이크로파 에너지 인가 장치를 포함하는 토양 살균, 컨디셔닝 또는 질화 장치.
제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 하나 또는 다수의 마이크로파 에너지 인가 장치를 포함하는 건조 장치.
마이크로파 에너지 인가 방법에 있어서,
적어도 하나의 마이크로파 에너지 공급원으로써 마이크로파 에너지를 제공하는 동작;
적어도 하나의 마이크로파 어플리케이터로써 마이크로파 에너지 공급원으로부터 마이크로파 에너지를 받아들이는 동작; 및
상기 마이크로파 어플리케이터로써 마이크로파 에너지를 처리될 물질에 인가하는 동작을 포함하되;
상기 마이크로파 어플리케이터는 유전체 공진기, 및 상기 마이크로파 에너지의 전파 방향을 가로질러 평행하게 배열된 홈들을 갖는 저속파 마이크로파 어플리케이터 중의 하나를 포함하는 것인 마이크로파 에너지 인가 방법.
마이크로파 에너지 인가 방법에 있어서,
적어도 하나의 마이크로파 에너지 공급원으로써 마이크로파 에너지를 제공하는 동작;
적어도 하나의 마이크로파 어플리케이터로써 상기 마이크로파 에너지 공급원으로부터 마이크로파 에너지를 받아들이는 동작; 및
상기 마이크로파 어플리케이터로써 마이크로파 에너지를 처리될 물질에 인가하는 동작을 포함하되;
상기 마이크로파 에너지는 마이크로파 에너지가 상기 도파관으로부터 마이크로파 어플리케이터에 들어가는 방향과 대체로 수직인 방향으로 상기 마이크로파 어플리케이터로부터 방출되는 것인 마이크로파 에너지 인가 방법
제18항 또는 제19항에 있어서,
상기 처리될 물질은 잡초, 기생충, 박테리아, 균류, 포자, 종자 또는 토양을 포함하는 것인 방법.