KR20210125566A - 마이크로파 발진기 및 이를 기반으로 하는 매트릭스형 마이크로파 발진기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 마이크로파 방출 장비 분야, 특히 마이크로파 발진기에 관한 것이다. 발진기 및 매트릭스형 마이크로파 발진기의 제안된 변형은 하나 이상의 마이크로파 소스에서 마이크로파 방사선을 효율적으로 유도하고 마이크로파 방사선을 합산하여 높은 값의 효율 및 출력 전력, 장치의 우수한 기능적 성능, 마이크로파 소스에 의해 방출된 방사선의 높은 동기화 정도를 가능하게 하는 것이다. 마이크로파 발진기는 마이크로파 소스 및 내부에 마이크로파 채널이 형성된 공진기를 포함한다. 공진기는 서로 전기적으로 연결된 박스와 베이스를 포함하고, 마이크로파 채널은 후퇴파를 억제하기 위한 억제 수단을 수용한다. 매트릭스형 발진기는 서로 전기적으로 연결된 복수의 마이크로파 발진기를 포함한다.

Description

마이크로파 발진기 및 이를 기반으로 하는 매트릭스형 마이크로파 발진기

본 발명은 마이크로파 주파수 장비 분야에 관한 것으로, 보다 상세하게는 마이크로파 방사선 발진기 또는 마이크로파 발진기에 관한 것이다.

강력한 마이크로파선 방사 소스의 높은 비용으로 인하여 장래의 마이크로파 기술의 발전과 산업적 규모의 구현을 크게 저해된다. 동시에, 소비자 마이크로파 오븐용 마그네트론과 같은, 중전력(medium-power) 마이크로파 방사선 소스 또는 마이크로파 소스의 생산이 전 세계적으로 발전하고 있으며, 여기서 전력 단위의 비용은 고전력 마이크로파 소스의 비용보다 현저히 낮다. 따라서, 복수의 중전력 마이크로파 소스에 의해 방출되는 마이크로파 방사선을 효율적으로 합산하면, 누적된 강력한 마이크로파 방사선의 생성을 위한 장치의 비용을 줄이고, 무게와 치수를 줄이며, 방열 문제를 해결하는 측면에서 실제적인 작업이다. 그러나, 마이크로파 방사선의 총 전력을 증가시키기 위한 목적으로 복수의 마이크로파 소스에 의해 방출된 방사선을 합치는 것은 소스들이 함께 동작할 때 장치의 전체 효율을 현저히 감소시키지 않고 마이크로파 소스들의 상호 동기화 요건을 준수해야 하는 복잡성으로 인해 심각한 문제에 직면할 수 있다.

본 발명과 가장 가까운 것은 RU2394357(2010년 7월 10일 발행, IPC H03B9/10)에 공개된 여러 마이크로파 소스, 즉 마그네트론들의 전력을 합산하는 장치인 마이크로파 발진기입니다. 공지된 장치는 모서리가 단락되고 마그네트론들이 설치된 하나의 직사각형 도파관 형태의 공진기를 포함한다. 마그네트론들의 에너지 출력이 넓은 벽의 가운데를 통해 공진기로 들어가도록 마그네트론들은 공진기의 넓은 벽에 서로 가깝게 위치한다. 단락 회로 선택 인서트들은 공진기 내부 마그네트론들의 에너지 출력들 사이에 대칭으로 설치된다. 주변 공간으로 에너지를 출력하기 위한 방사 슬롯들은 각 마그네트론 반대편에 있는 공진기의 다른 넓은 벽에 배치된다. 공진기의 넓은 벽의 크기는 마그네트론들의 동작 주파수에 해당하는 반파장과 같다. 당업계에 공지된 이 장치는 상호 동기화 및 간섭성 방사 모드에서 마이크로파 방사의 더 높은 총 전력을 생성할 목적으로 각각 미리 결정된 전력을 갖는 복수의 마그네트론의 전력의 합산을 허용한다.

본질적으로, RU2394357에 개시된 장치는 매트릭스 타입의 마이크로파 발진기, 즉 여러 마이크로파 소스(마그네트론들)을 결합한 장치이다.

여러 마이크로파 소스들에 의해 방출된 마이크로파 방사선들의 합산은 상기 마이크로파 방사선들이 동기화될 때 발생하며, 이를 위해 이러한 마이크로파 소스들은 생성된 마이크로파의 진동이 이웃하는 마이크로파 소스들의 반대 위상 여기와 관련하여 위상이 합산되는 방식으로 공간에 배열되어야 한다.

일반적으로, 여러 마이크로파 소스들에서 방출되는 방사선들을 동기화하기 위한 조건은 다음과 같다.

|sin φ| < 1 / (n - 1),

여기서 φ는 마이크로파 소스의 발진과 동기화 신호 사이의 순시 위상차이고; n은 마이크로파 소스의 수이다. 그러나, 상기 조건은 마이크로파 소스들 간의 결합 방법을 고려하지 않는다.

일반적으로, 여러 마이크로파 소스들의 작동을 동기화하기 위해, 위에서 언급한 RU2394357에 설명된 것처럼, 양쪽 끝이 단락된 긴 직사각형 도파관인 안정화 공진기가 사용된다. 이러한 안정화 공진기에서, 공진 시 형성되는 파동들 H(101-104) 중 하나가 주요 발진 유형으로 간주될 수 있다. 이러한 유형의 발진들을 선택하기 위해, 폴(poles) 형태의 단락 회로 선택 인서트가 공진기의 넓은 벽들 사이에서 등간격으로 설치된다.

가장 가까운 유사 예에서, 4개의 마그네트론들이 일렬로 배열되고 그들의 마이크로파 방사선 주파수가 서로 가깝더라도, 마그네트론들에서 방출되는 마이크로파 방사선의 높은 수준의 동기화, 결과적으로 RU2394357의 표 1에서 분명히 나타나는 장치 효율성의 높은 값을 달성하기가 다소 어렵다. 그러나, 이 유사 예의 더 큰 단점은 마이크로파 방사선의 여러 선형 발진기들이 서로 병렬로, 즉 서로 옆에(그러나 차례로는 아님) 배열되어 마그네트론들의 2차원 매트릭스를 형성할 때, 허용 가능한 장치 효율성의 값을 실질적으로 달성하는 것이 불가능하는 것이다. 이 사실은 작은 면적에 배치될 수 있는 다수의 마이크로파 소스들에 대한 제약을 가하고, 결과적으로 마이크로파 방사선을 합산하기 위해 이 공지된 장치에 의해 방출되는 마이크로파 방사선의 총 전력을 제한한다.

본 발명의 목적은 복수의 마이크로파 소스들을 일렬로뿐만 아니라 2차원 매트릭스로 결합할 수 있는 마이크로파 발진기를 제공하는 것에 의하여 고효율 값 및 높은 마이크로파 방사선 전력을 확보하는 것이다.

본 발명의 한 실시예에 따르면, 마이크로파 발진기는 마이크로파 소스 및 공진기를 포함한다. 마이크로파 소스로부터의 방사선을 유도할 목적으로 마이크로파 채널이 공진기에 형성된다. 공진기는 마이크로파 소스가 설치되고 제1 채널이 형성된 박스와 제2 채널이 형성된 베이스를 포함한다. 박스와 베이스는 서로 전기적으로 연결되어 있다. 제2 채널은 제1 채널로부터 연장되며, 이에 따라 제1 채널 및 제2 채널은 마이크로파 채널을 형성한다. 마이크로파 채널은 후퇴파(back wave)를 억제하기 위한 억제 수단을 포함할 수 있다. 마이크로파 채널은 당업계에 공지된 장치들에게 일반적인 충분한 굴곡 없이 거의 직선으로 만들어질 수 있다.

마이크로파 발진기에서, 공진기는 박스와 베이스, 그리고 이를 통과하는 마이크로파 채널의 두 가지 요소로 구성된다. 마이크로파 소스에 의해 방출된 마이크로파 방사는 박스에 형성된 제1 채널을 통해 마이크로파 채널을 따라 통과하고 해당 마이크로파 방사를 사전 안내하는 역할을 수행한다. 그런 다음, 마이크로파 방사가 제2 채널을 통과할 때 마이크로파 방사가 최종적으로 형성된다.

박스와 베이스는 서로 전기적으로 연결되어 있기 때문에, 마이크로파 방사선이 마이크로파 채널을 통과할 때 발생하는 전류는 제1 채널과 제2 채널을 통과하는 동안 마이크로파 방사선에 영향을 준다.

또한, 억제 수단도 마이크로파 방사선에 영향을 미칠 수 있다. 한편으로, 억제 수단의 형태, 크기 및 위치가 정확하게 선택된다면, 상기 억제 수단은 심각한 손실 없이 마이크로파 방사선이 마이크로파 발진기로부터 나갈 수 있게 한다. 다른 한편으로, 억제 수단은 마이크로파 방사선이 외부 물체(예를 들어, 마이크로파 발진기에 의해 방출된 방사선에 의해 가열된 물체)로부터 반사될 때 마이크로파 채널로 되돌아가서 마이크로파 방사선의 총 출력 성능을 크게 감소시키고, 마이크로파 발진기를 가열하며, 당업자에게 잘 알려진 기타 다른 부작용을 유발하지 않는다.

그 결과, 제2 채널의 출구, 즉 마이크로파 채널의 출구에서 고전력 방사선이 형성되고, 마이크로파 발진기는 2차원 및 3차원 공간에서 마이크로파 방사선의 고효율 및 좁은 공간 분포를 특징으로 한다.

마이크로파 발진기에는 플레어(도파관)가 사용될 수 있으며, 이는 박스와 접촉하는 베이스의 다른 측면과 반대되는 한 측면에 배치될 수 있다. 플레어는 마이크로파 방사의 효율과 출력을 유지하면서 손실을 최소화하며 마이크로파 방사선이 출력되도록 한다.

더 나은 열 제거를 보장하기 위해, 마이크로파 소스는 박스에서 멀리 설치될 수 있다. 이러한 경우, 마이크로파 소스는 방사선 손실을 최소화하고 필드의 균일한 분포를 보장하기 위해 도파관을 통해 박스에 설치되는 것이 바람직하다.

마이크로파 소스에 의해 방출된 마이크로파 방사선을 효율적으로 전달하고 결과적으로 마이크로파 발진기의 효율을 높이기 위해, 마이크로파 채널은 가변 단면을 가질 수 있다.

마이크로파 채널의 표면은 전기 전도성 재료의 층으로 코팅될 수 있다. 이는 박스와 베이스를 전기 전도성 재료로 만들거나; 필름, 호일 등의 형태로 제1 채널 및 제2 채널의 표면에 (두께, 전도도, 열기계적 거동 등과 같은 특성이 유사하거나 다르도록) 전기 전도성 코팅을 적용하거나; 또는 채널들의 상기 표면에 전기 전도성 차폐물을 설치하거나; 또는 당업자에게 공지된 임의의 다른 방법과 같은 다양한 방법에 의해 수행될 수 있다.

박스와 베이스는 개별 부품 또는 단일 부품으로 만들어질 수 있다. 박스와 베이스를 개별 부품들로 만드는 것, 즉 하나의 복합 공진기를 만드는 것은 장치의 효율 및 방열 성능을 보장하는 박스와 베이스의 형태를 선택할 수 있게 한다. 박스와 베이스가 단일 부품으로 만들어진다면, 즉 공진기가 일체화된다면, 마이크로파 발진기의 효율과 출력이 높아질 수 있다.

마이크로파 발진기는 장치를 냉각하기 위한 적어도 하나의 냉각 채널을 포함할 수도 있다. 이를 통해 마이크로파 발진기의 동작 안정성을 유지할 수 있다.

본 발명의 제2 실시예에 따르면, 공진기들이 서로 전기적으로 연결된 적어도 2개의 전술한 마이크로파 발진기들을 포함하는 매트릭스형 마이크로파 발진기가 제안된다.

이미 언급한 바와 같이, 마이크로파 장치에 포함된 복수의 마이크로파 소스에 의해 방출된 방사선들의 효율적인 동기화와 관련된 문제로 인하여 당업계에 공지된 기존 장치가 상대적으로 낮은 효율을 갖는다. 또한, 그러한 기존의 장치들은 유사하거나 다소 가까운 방사선 주파수 및 방사선 전력을 갖는 마이크로파 소스의 사용을 필요로 한다.

본 발명에서 마이크로파 발진기들의 공진기들이 서로 전기적으로 연결되어 있기 때문에, 마이크로파 방사선이 매트릭스형 발진기의 모든 마이크로파 채널들을 통과할 때 발생하는 전류가 상호작용하여 결과적으로 마이크로파 채널들에서 마이크로파 방사선에 영향을 미친다. 이로 인해, 매트릭스형 발진기에 포함된 모든 마이크로파 소스들에 의해 방출된 마이크로파 방사선의 높은 수준의 동기화 및 이에 따른 높은 효율이 보장된다.

매트릭스형 발진기가 마이크로파 발진기들 사이에 형성되고, 이웃하는 마이크로파 채널들을 연결하는 동기화 채널들을 더 포함한다면, 여러 마이크로파 소스들에 의해 방출되는 방사선의 동기화 수준이 더욱 높아질 수 있다. 또는, 매트릭스형 발진기는 이웃하는 마이크로파 채널들 사이의 베이스들 및/또는 박스들에 위치한 동기화 인서트들을 포함할 수 있으며, 이 인서트들은 RU2394357의 장치에 사용된 것과 유사할 수 있다.

매트릭스형 발진기는 베이스들에 설치된 공통 플레어(도파관)를 포함하는 것이 바람직하며, 이에 따라 방사 전력의 손실 없이 마이크로파 방사선이 더욱 효율적으로 초점에 맞게 방출될 수 있다.

매트릭스형 발진기에 포함된 마이크로파 발진기들의 박스들 및 베이스들의 다양한 구현이 가능하다. 이는, 매트릭스형 발진기에서, 마이크로파 발진기들의 적어도 일부 베이스들, 또는 마이크로파 발진기들의 적어도 일부 박스들, 또는 마이크로파 발진기의 적어도 일부 공진기들이 단일 부품으로 만들어질 수 있도록 한다.

상술한 동기화 수준은 매트릭스형 발진기의 효율에 직접적인 영향을 미치며, 매트릭스형 발진기(즉, 매트릭스형 발진기에 포함된 모든 마이크로파 소스)에 공급되는 전기 에너지의 양을 매트릭스형 발진기에 의해 생산된 유효한 일의 양과 비교하여 결정될 수 있다. 이러한 유효한 일의 양을 결정하기 위해, 예를 들어 매트릭스형 발진기에 의해 가열된 물질의 온도가 어느 정도 상승할 것인지를 측정할 수 있다. 온도가 높게 상승할수록, 동기화 수준이 높아지므로, 매트릭스형 발진기의 효율이 높아진다.

본 발명의 기술적 효과는 마이크로파 발진기의 기능적 성능을 확장하고, 여러 마이크로파 발진기들에서 방출되는 방사의 높은 동기화 수준, 장치의 더 높은 효율 및 증가된 용량을 얻는 것이다.

아래에서, 청구된 마이크로파 발진기들은 본 발명의 일부 가능한 실시예를 도시하는 첨부 도면을 참조하여 더욱 상세히 논의될 것이며, 여기서:
도 1a는 마이크로파 발진기의 실시예의 전체도를 도시하고;
도 1b는 도파관을 갖는 마이크로파 발진기의 다른 실시예의 전체도를 도시하며;
도 2a는 가변 단면의 제1 채널 및 일정한 단면의 제2 채널을 갖는 마이크로파 발진기의 실시예의 단면도를 도시하고;
도 2b는 가변 단면의 제2 채널을 갖는 마이크로파 발진기의 다른 실시예의 단면도를 도시하며;
도 2c는 후퇴파를 억제하기 위한 억제 수단을 갖는 마이크로파 발진기의 또 다른 실시예의 단면도를 도시하고;
도 2d는 냉각 채널을 갖는 마이크로파 발진기의 또 다른 실시예의 단면도를 도시하며;
도 2e는 제1 채널 및 제2 채널의 표면 상에 전기 전도성 층을 갖는 마이크로파 발진기의 실시예의 일부의 확대 단면도를 도시하고;
도 3a는 원통형 형상을 갖는 박스를 갖는 마이크로파 발진기의 실시예를 도시하며;
도 3b는 구형 형상을 갖는 박스를 갖는 마이크로파 발진기의 실시예를 도시하고;
도 4a는 마이크로파 발진기들이 직선으로 배치되는 매트릭스형 마이크로파 발진기의 실시예의 전체도를 도시하며;
도 4b는 마이크로파 발진기들이 곡선으로 배치되는 매트릭스형 마이크로파 발진기의 또 다른 실시예의 전체도를 도시하고;
도 4c는 마이크로파 발진기들이 직선으로 배치되는, 공통 플레어를 갖는 매트릭스형 마이크로파 발진기의 또 다른 실시예의 전체도를 도시하며;
도 4d는 마이크로파 발진기들이 곡선으로 배치되는, 공통 플레어를 갖는 매트릭스형 마이크로파 발진기의 또 다른 실시예의 전체도를 도시하고,
도 5a는 4개의 독립적인 마이크로파 발진기에 의해 방출된 마이크로파 방사장의 분포를 개략적으로 도시하며;
도 5b는 본 발명의 4개의 마이크로파 발진기를 포함하는 본 발명에 따른 매트릭스형 마이크로파 발진기에 의해 방출된 마이크로파 방사장의 분포를 개략적으로 도시하고;
도 6a는 다수의 마이크로파 소스에 대한 (도 5a에 도시된 것과 유사한) 몇몇 독립 마이크로파 발진기들을 포함하는 장치의 효율 의존성을 도시하며;
도 6b는 다수의 마이크로파 소스에 대한 (도 5b에 도시된 것과 유사한) 본 발명에 따른 매트릭스형 마이크로파 발진기의 효율 의존성을 도시하고;
도 7a는 매트릭스형 마이크로파 발진기의 실시예의 단면도를 도시하며;
도 7b는 동기화 채널을 도시하는, 도 7a의 확대도이고;
도 8a는 매트릭스형 마이크로파 발진기의 또 다른 실시예의 전체도를 도시하며;
도 8b는 매트릭스형 마이크로파 발진기의 또 다른 실시예의 전체도를 도시하며;
도 8c는 매트릭스형 마이크로파 발진기의 또 다른 실시예의 전체도를 도시하고;
도 8d는 매트릭스형 마이크로파 발진기의 또 다른 실시예의 전체도를 도시하며;
도 8e는 매트릭스형 마이크로파 발진기의 또 다른 실시예의 전체도를 도시하고;
도 8f는 매트릭스형 마이크로파 발진기의 또 다른 실시예의 전체도를 도시하며;
도 8g는 매트릭스형 마이크로파 발진기의 또 다른 실시예의 전체도를 도시하고;
도 8h는 매트릭스형 마이크로파 발진기의 또 다른 실시예의 전체도를 도시하며;
도 8i는 매트릭스형 마이크로파 발진기의 또 다른 실시예의 전체도를 도시하고;
도 9는 상이한 전력 및 상이한 주파수의 마이크로파 방사선을 갖는 마이크로파 소스들을 포함하는 매트릭스형 마이크로파 발진기의 또 다른 실시예의 전체도를 도시한다.

일반적으로, 마이크로파 발진기(1)는 박스(3)에 설치된 마이크로파 소스(2) 및 박스(3)에 인접한 베이스(4)를 포함한다. 마이크로파 소스(2)는 박스(3)에 직접 설치되거나(도 1a) 도파관(5)을 통해 마이크로파 소스(2) 및 박스(3)가 연결될 수 있다(도 1b).

박스(3)와 베이스(4)는 발진기(1)의 공진기를 형성한다. 공진기는 단일 부품으로 만들어질 수도 있고, 박스(3)와 베이스(4)가 분리되어 서로 전기적으로 연결되는 형태로 만들어질 수도 있다.

도 2a-2e는 발진기(1)의 내부 배열을 개시하는 단면도를 도시한다.

박스(3)에서, 마이크로파 소스(2)에 의해 방출된 마이크로파 방사선이 베이스(4)로 통과하는 제1 채널(6)이 형성된다. 박스(3)는 속이 비어 있고, 제1 채널(6)이 박스(3)의 내부 캐비티일 수 있다(도 2a-2c). 대안적으로, 박스(3)는 거대(massive)할 수 있고, 즉 고체일 수 있고(도 2d), 제1 채널(6)은 박스(3)를 통과하는 관통 채널일 수 있다. 제1 채널은 도 2b, 2c, 2d에서 도시한 바와 같이 일정한 단면을 가지거나, 도 2a에 도시한 바와 같이 가변 단면, 즉 좁아지거나 넓어지는 원추형 관통 채널의 형태일 수 있다. 다른 형태의 제1 채널(6)도 가능하다.

베이스(4)에서, 제1 채널(6)에서 나오는 마이크로파 방사선이 베이스(4)를 통과하는 제2 채널(7)이 형성된다. 이러한 방식으로, 제1 채널(6)과 제2 채널(7)은 함께 공진기를 통해 연장되는 마이크로파 채널(8)을 형성한다. 소스(2)에 의해 방출된 마이크로파 방사선은 마이크로파 채널(8)의 출구를 통해 발진기(1)를 통과하고 빠져나간다.

바람직하게는, 베이스(4)는 중공으로 만들어질 수 있지만(도 2a), 거대한, 즉 고체로 만들어진다(도 2b, 2c, 2d). 제1 채널(6)과 유사하게, 제2 채널(7)은 베이스(4)의 내부 캐비티(도 2a) 또는 베이스(4)를 통과하는 관통 채널(도 2b, 2c, 2d)일 수 있다. 제2 채널(7)은 도 2a, 2c, 2d에 도시된 바와 같이 일정한 단면을 가지거나, 도 2b에 도시된 바와 같이 가변 단면을 가질 수 있다. 제1 채널(6) 및 제2 채널(7)의 다양한 단면 형상이 가능하며, 이는 사용되는 소스(2), 발진기(1)의 특정 적용 조건, 요구되는 효율 등에 따라 선택된다. 그러나, 제2 채널(7)은 제1 채널(6)에서 마이크로파 채널(8)의 출구로 연장되도록 만들어지는 것이 바람직하다.

발진기(1)는 도 2c에 도시된 바와 같이 마이크로파 채널(8)의 적어도 일부, 예를 들어 제2 채널(7)에 위치하는 후퇴파를 억제하기 위한 억제 수단(9)을 더 포함한다. 억제 수단(9)은 발진기(1)에 의해 방출된 방사선에 의해 조사될 때 외부 물체(의 표면)에 의해 반사된 마이크로파를 억제하기 위한 것이다.

반사된 마이크로파가 발진기(1)로 다시 들어가는 것은 많은 바람직하지 않은 효과를 야기한다. 첫째, 반사된 마이크로파는 베이스(4)와 박스(5)의 추가적인 가열을 유발하고, 그 다음에는 발진기(1)를 냉각시키기 위한 조치가 필요하다. 둘째, 발진기(1)의 총 출력 전력의 감소를 야기한다. 셋째, 반사된 마이크로파가 다시 마이크로파 채널(8)을 통해 소스(2)까지 제1 채널(6)을 따라 침투하면 소스(2)에 대한 부하가 증가하고 고장이 발생한다.

본 발명자들이 발견한 바와 같이, 상기 열거된 바람직하지 않은 효과는 적어도 부분적으로 마이크로파 채널(8)에 배치되는 억제 수단(9)을 사용함으로써 감소될 수 있다. 다른 이점을 제외하고, 당업계에 공지된 장치들은 후퇴파를 없애기 위해 길고 구부러진(즉, 서로 수직으로 위치한 여러 부분으로 이루어지는) 채널을 필요로 하지만, 이는 효율성 및 총 출력을 상당히 감소시키는 반면, 본 발명의 바람직한 모드에서 마이크로파 채널(8)을 거의 직선이고 상대적으로 짧게 만들어질 수 있다.

바람직하게는, 억제 수단(9)은 도 2c에 도시된 바와 같이 적어도 부분적으로 제2 채널(7)에 배치된다. 이 경우, 반사된 마이크로파는 발진기(1)의 출구에서 억제되어 실질적으로 제2채널(7)에는 들어가지 않는다. 억제 수단(9)에 대한 (예를 들어, 길쭉한, 원통형, 원추형, 구형) 형상, (브리지, 브래킷, 서스펜션 중 하나 이상을 이용하여 마이크로파 채널(8)과 일체로 만드는) 부착 방법은 마이크로파 채널(8)을 통하여 발진기(1) 밖으로 나가는 마이크로파 방사선에 대한 가능한 영향을 보장하고, 반사된 마이크로파가 제2 채널(7)로 침투하는 것을 최대한 방지하는 방법으로 선택되어야 한다. 그러나, 억제 수단(9)을 제1 채널(6), 제1 채널(6)의 일부 및 제2 채널(7)의 일부, 또는 제2 채널(7) 밖의 일부에 배치하는 것이 가능하다는 것은 당업자에게 자명하다.

실험에서 알 수 있는 바와 같이, 마이크로파 채널(8)과 억제 수단(9)의 단면의 최적 비율이 있다. 따라서, 마이크로파 방사선이 나가는 영역에서 마이크로파 채널(8)의 단면의 최소 면적, 즉 마이크로파 채널(8)의 출구의 면적은 억제 수단(9)의 단면의 최대 면적보다 약 8-12배 더 크다. 상기 비율보다 낮은 값, 즉 억제 수단(9)이 마이크로파 채널(8)의 단면의 더 큰 면적을 차지할 때, 발진기(1)의 효율이 낮아질 수 있다. 상기 비율보다 큰 값, 즉 억제 수단(9)이 마이크로파 채널(8)의 단면의 더 작은 면적을 차지하는 경우, 마이크로파 채널(8) 내로 후퇴 마이크로파의 침투를 증가시키고, 이에 따라 발진기(1)가 가열되며 효율이 줄어들 수 있다.

냉각 채널들(10)은 공진기에 만들어질 수 있다. 냉각 채널들(10)은 발진기(1)의 가열 온도를 모니터링할 수 있어 소스(2)의 작동이 방해받거나 바람직하지 않게 되는 임계값까지 가열온도를 증가시키지 않는다. 당업자는 냉각 채널들(10)이 또한 박스(3)에서만, 또는 베이스(4)에서만, 또는 박스(3) 및 베이스(4)에(이 실시예만이 도 2d에 도시) 만들어질 수 있다는 것을 이해할 것이다.

발진기(1)가 당업계에 공지된 유사한 솔루션에 대해 위의 이점을 달성하도록 하기 위해, 박스(3)와 베이스(4)가 전기적으로 연결될 필요가 있다. 그러면 마이크로파 방사선이 소스(2)에서 통과할 때 공진기에서 발생하는 전류가 베이스(4)와 박스(5)를 통해 흐르고, 결과적으로 제1 채널(6)과 제2 채널(7)을 통과하는 마이크로파 방사선에 영향을 준다. 박스(3)와 베이스(4)를 전기적으로 연결하기 위하여, 적어도 마이크로파 채널(8)의 표면, 즉, 제1 채널(6) 및 제2 채널(7)의 표면은 전기 전도성으로 만들어져야 한다. 이것은 당업자가 이해할 수 있는 다양한 방법, 즉 전기 전도성 재료로만 박스(3)와 베이스(4)를 만들거나; 도 2e에 도시된 바와 같이 마이크로파 채널(8)의 표면에 전기 전도성층(11)을 적용하거나(이 경우 박스(3) 표면 상의 코팅 및 베이스(4) 표면 상의 코팅은 재료, 두께 및 기타 특성이 상이할 수 있다); 또는 마이크로파 채널(8)의 표면 상에 또는 그 옆에 추가적인 전기 전도성 차폐물을 설치하는 등으로 행해질 수 있다.

박스(3)와 베이스(4)의 모양과 디자인은 다를 수 있다. 위에서 이미 논의한 바와 같이, 베이스(4)는 거대하게(massive)(고체로) 만들어질 수 있고, 박스(3)는 속이 비게 만들어질 수 있지만, 바람직하게는 박스(3)와 베이스(4)는 거대하게 만들어질 수 있다. 박스(3)의 형상은 직사각형 또는 원통형(도 3a), 구형(도 3b), 원추형 등일 수 있다.

여러 개의 발진기들(1)이 결합되어 그들의 공진기가 서로 전기적으로 연결되면, 이는 후술하는 매트릭스형 마이크로파 발진기를 형성할 수 있다.

본 발명의 본질을 더 잘 이해하기 위해, 마이크로파 방사의 매트릭스형 발진기는 서로 연결된 둘 이상의 마이크로파 발진기들(1)로 이해될 수 있다. 이들 2개 이상의 발진기들(1)는 직렬, 즉 통상적인 라인을 따라 차례로 배열될 수 있다. 이 통상적인 선은 직선이거나 곡선일 수 있다. 이러한 매트릭스형 발진기의 예는 도 4a 내지 4b에 도시되어 있다. 여러 발진기들(1)를 연결하는 다른 가능한 변형은 발진기들(1)의 매트릭스일 수 있으며, 이는 평면이거나 구부러질 수 있는 통상적인 표면에 배열된다. 이러한 매트릭스형 발진기의 예는 도 8a-8i, 9에 도시된다. 두 개 이상의 발진기들(1)을 연결하는 다른 변형도 가능하며, 그 중 일부는 아래에서 논의될 것이다.

도 4a 내지 4d는 매트릭스형 발진기(12)의 실시예를 도시하며, 여기서 매트릭스형 발진기(12)는 도 4a에 도시된 직선 밴드의 형상으로, 또는 4b에 도시된 구부러진 밴드로서, 또는 임의의 다른 형상으로 만들어질 수 있다.

발진기들(1)의 공진기들의 전기적 연결은, 예를 들어 특히 인접한 발진기들(1)을 연결하는 커넥터들(13)에 의해(도 4a, 4b), 또는 공통 플레어(14)에 의해(도 4c, 4d), 또는 공통 박스 및/또는 베이스에 의해(도 7a, 7b) 이루어질 수 있다. 당업자는 도면에 도시된 것과는 별개로 이웃하는 발진기들(1)을 전기적으로 연결하는 다른 변형도 가능하다는 것을 이해할 것이다.

매트릭스형 발진기(12)의 발진기들(1)은 출력되는 마이크로파 방사선의 필요한 공간 분포를 형성하는 역할을 하는 공통 플레어(14)를 가질 수 있다. 여기서, 발진기들(1)은 하나의 직선을 따라(도 4c) 또는 서로에 대해 비스듬히(도 4d) 배열될 수 있다.

도 5a는 서로 옆에 배치된 4개의 마이크로파 소스들(예를 들어, 소스 2)로부터의 마이크로파 방사선 필드의 분포를 개략적으로 도시한다. 어두운 영역은 마이크로파 방사선의 높은 비전력(specific power)(즉, 단위 면적당 마이크로파 방사 전력)에 해당하고 밝은 영역은 마이크로파 방사선의 낮은 비전력에 해당한다. 전체 마이크로파 방사선이 매우 불균일하다는 것을 분명히 알 수 있다.

발명자들이 실험을 통해 밝혀낸 바와 같이, RU2394357에 따른 공진기의 사용조차도 전체 마이크로파 방사선의 분포의 균일성을 충분히 증가시키는 것을 허용하지 않는다. 대신, 공지의 장치는 마이크로파 방사선의 총 출력 전력 값이 크게 감소, 즉, 낮은 효율을 갖는 것을 특징으로 한다: RU2394357의 표 1에 따르면, 4개의 마그네트론들이 제공하는 전력의 합은 3036W인 반면, RU2394357에 따른 합산 장치(summation device)의 출력 전력은 2200W에 불과하다. 즉 효율은 약 72%이다.

비교를 위해, 도 5b는 본 발명에 따른 매트릭스형 마이크로파 발진기(12)에 의해 방출되는 마이크로파 방사장의 분포를 개략적으로 도시하며, 여기서 사용되는 소스(2)의 수는 도 5a와 동일하다. 매트릭스형 발진기(12)에 의해 방출되는 총 마이크로파 방사장은 전력 분포의 소형화 및 높은 공간적 균질성을 특징으로 하며, 이는 당업계에 공지된 유사한 솔루션에 비해 본 발명의 중요한 이점이다.

그러나, 당업계에 공지된 유사한 솔루션에 비해 본 발명의 또 하나의 이점이 있으며; 이는 6a, 6b에 곡선으로 도시되어 있다. 이들 도면들은 많은 소스들에 대하여 서로 가깝게 배치된 여러 마이크로파 소스들를 포함하는 장치(도 6a, 이하 "공지의 마이크로파 장치"라고 함)의 효율과 본 발명에 따른 매트릭스형 마이크로파 발진기(12)(도 6b)의 효율의 의존성을 나타낸다. 도 6a, 6b에서 가로축은 소스(2)의 개수를 나타내고 세로축은 효율값을 나타낸다.

RU2394357에 따른 가장 유사한, 당업계에 공지된 장치에서, 하나 이상의 소스(2)를 추가하면 공지된 마이크로파 장치의 효율이 떨어진다(도 6a 참조). 이와는 대조적으로, 본 발명에 따른 매트릭스형 발진기(12)의 효율은 소스(2)를 추가할 때 감소하지 않고 심지어 증가한다(도 6b 참조). 또한, 매트릭스형 발진기(12)의 절대 효율값은 공지된 마이크로파 장치의 절대 효율값보다 높다.

따라서, 당업자는 2개 이상의 마이크로파 소스들을 포함하는 공지의 마이크로파 장치에 비해 매트릭스형 장치(12)의 이점을 인식할 것이다.

본 발명자들의 의견에 따르면, 상기 장점은 첫째, 마이크로파 방사선이 소스들(2)로부터 마이크로파 채널(8)(즉, 제1 채널(6) 및 제2 채널 7)을 통과할 때, 매트릭스형 장치(10)의 각 공진기에서 발생하는 전류는 상기 마이크로파 방사선에 영향을 미친다. 발진기들(1)의 공진기들이 서로 전기적으로 연결되어 있다는 점을 고려하면, 상기 전류는 "자신의" 공진기뿐만 아니라 이웃한 공진기에도 흐르고, 그 결과 매트릭스형 장치(12)의 모든 마이크로파 채널(8)에서 마이크로파 복사가 동기화된다.

둘째, 이러한 이점의 달성은 마이크로파 채널(8)에 있는 억제 수단(9)의 존재에 의해 촉진되며, 이는 후면 마이크로파의 직접적인 억제와는 별도로 전체 마이크로파 방사선의 필드의 균등화 및 가능하게는 매트릭스형 장치(12)의 모든 마이크로파 채널(8)에서 마이크로파 방사선의 동기화를 제공한다.

도 7a 및 도 7b의 확대도에서 도시된 바와 같이, 매트릭스형 발진기(12)에 인접 마이크로파 채널(8)을 연결하는 동기화 채널(15)이 제공된다면, 전체 마이크로파 방사장이 더 높은 효율 및 균일화를 가질 수 있음이 수많은 실험을 통해 밝혀졌다. 그러한 경우에, 마이크로파 채널(8)의 표면 뿐만 아니라 동기화 채널(15)의 표면은 전기 전도성이어야 하며, 이는 다양한 방법, 예를 들어, 제1 채널(6) 및 제2 채널(7)의 표면의 전기 전도도를 보장하는 것과 관련하여 전술한 방법에 의해 달성될 수 있다. 대안으로 또는 추가로, 동기화 채널(15)의 표면을 전기 전도성으로 만들기 위하여, 동기화 채널(15)은 전도성 액체, 금속, 전도성 파우더 또는 다른 전도성 물질로 채워질 수 있다.

동기화 채널들(15)은 제1 채널들(6)을 연결하기 위한 박스들(3), 제2 채널들(7)을 연결하기 위한 베이스들(4), 또는제1 채널들(6)과 제2 채널들(7)을 연결하기 위한 박스들(3)과 베이스들(4), 또는 커넥터들(13)에서 만들어질 수 있다.

다른 가능한 실시예에서, 동기화 채널들(15)은 RU2394357에 따른 공진기에서 수행되는 것처럼, 박스들(3) 및/또는 베이스들(4)에서 동기화 삽입물들의 형태로 구현될 수 있다.

매트릭스형 발진기(12)의 박스들(3) 및 베이스들(4)의 다양한 실시예가 가능하다. 따라서, 매트릭스형 발진기(12)를 형성하는 모든 또는 일부 발진기(1)의 박스들(3)은 제1 채널(6)이 드릴링, 밀링, 레이저 또는 플라즈마 연소 또는 임의의 다른 적절한 방법에 의해 만들어진 일체형(단일) 부품일 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 매트릭스형 발진기(12)를 형성하는 전체 또는 일부 발진기(1)의 베이스들(4)은 일체형(단일) 부품일 수 있으며, 여기서 제2 채널들(7) 및 적용 가능한 경우 동기화 채널들(15) 및/또는 냉각 채널들(10)은 드릴링, 밀링, 레이저 또는 플라즈마 연소 또는 기타 적절한 방법으로 만들어진다.

매트릭스형 발진기(12)의 박스들(3) 및 베이스들(4) 중 적어도 하나를 일체형 부품으로 만드는 것은 매트릭스형 발진기(12)에서 비교적 적은 수의 발진기들(1)을 사용하는 동안에도 박스들(3) 및 베이스들(4)에 유도된 전류를 보다 최적으로 분포하도록 하여 마이크로파 방사선의 높은 동기화 수준을 보장할 수 있고, 중요한 이점인 우수한 열 제거 성능을 보장할 수 있다.

또한, 박스들(3)과 베이스들(4)은 함께 일체형(단일) 부품으로 만들어질 수 있으며, 이는 상기 장점들과는 별도로 매트릭스형 발진기(12)의 생산성을 더욱 증가시킨다.

이미 언급한 바와 같이, 본 발명에 따른 매트릭스형 마이크로파 발진기(12)는 서로 전기적으로 연결된 2개 이상의 발진기들(1)을 포함한다. 상기 연결은 도 4a 내지 4d에 도시된 바와 같이 직렬이거나, 아래에서 도 8, 9로 설명되는 바와 같은 임의의 유형일 수 있다.

따라서, 도 8a-8i는 매트릭스형 발진기(12)의 일부 다른 실시예를 도시한다. 중요한 것은 모든 발진기들(1)이 이웃하는 베이스들(4)(도 8a, 8f, 8h)을 연결하거나, 이웃하는 박스들(3)을 연결하는(도면에서 도시되지 않음) 커넥터들(13)에 의해, 또는 이웃하는 베이스들(4) 및 이웃하는 박스들(3) 각각을 연결하는 커넥터들(13a, 13b)(도 8b)dp 의하여 서로 전기적으로 연결될 수 있다.

발진기(1)의 전기적 연결은 또한 공통 플레어(도파관)(도 8c), 공통 베이스(도 8d, 8e, 8i) 또는 공통 박스(도면에 도시되지 않음)에 의해 수행될 수 있다). 또한, 도 8g에 도시된 바와 같이， 일부 발진기(1)는， 예를 들어 베이스(4)에 의해 전기적으로 연결되고， 다른 발진기(1)는 커넥터(13)에 의해 연결되는， 조합된 변형이 가능하다. 당업자는 발진기(1)의 전기 연결의 다른 변형이 또한 가능하다는 것을 이해할 것이다.

커넥터(13, 13a, 13b)는 강성, 탄성, 이동 가능, 가요성일 수 있으며, 이는 전체 마이크로파 복사의 요구되는 필드를 형성하는 방식으로 매트릭스형 발진기(12)를 형성할 수 있게 한다.

매트릭스형 발진기(12)를 형성하는 발진기(1)의 공진기는 서로 전기적으로 연결되는 것이 필수적이다. 이것은 이미 말했듯이 모든 마이크로파 채널(8)에서 마이크로파 방사선의 동기화를 보장하고 결과적으로 전체 마이크로파 방사선 필드의 높은 균질성과 장치의 고효율을 보장한다.

제안된 매트릭스형 발진기(12)의 높은 수준의 마이크로파 방사선 동기화는 전체 마이크로파 방사선의 균일한 필드와 장치의 고효율을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 전력 및/또는 파장이 크게 다른 소스들(2)을 사용할 수 있다. 따라서, 본 발명자들은 도 9에 개략적으로 도시된 매트릭스형 발진기(12)의 안정적인 동작을 달성하는데 성공하였으며, 여기서 915MHz의 동작 주파수를 갖는 하나의 발진기(1a)와 2400MHz에 가까운 동작 주파수를 갖는 12개의 발진기(1b)가 사용된다. 여기에서 대략 80%의 효율이 달성되었다. 그러나, 매트릭스형 발진기(12)에 대한 최상의 효율 값은 발진기(1)의 동작 주파수의 확산이 25%를 초과하지 않을 때 달성될 수 있다. 그리고, 효율성 증가는 작동 주파수의 확산에 반비례한다.

또한, 실험에서 보여진 바와 같이, 마이크로파 채널(8)의 표면이 충분히 매끄럽다면, 복수의 발진기(1)의 방사를 동기화하고 매트릭스형 발진기(12)의 효율을 증가시키는 최상의 결과가 달성될 수 있다. 표면 거칠기가 낮을수록, 마이크로파 채널(8)을 통과하는 마이크로파 방사선은 마이크로파 채널(8)의 표면으로부터 적게 산란되고 상기 표면에 의해 흡수된다. 특히, 마이크로파 채널(8)의 표면 거칠기에 관한 파라미터 Rz가 2미크론보다 크지 않을 때, 효율 증가가 거칠기 값에 반비례하여 최상의 결과가 달성되었다.

따라서, 마이크로파 방사 장치의 제안된 변형, 즉 마이크로파 발진기(1) 및 매트릭스형 마이크로파 발진기(12)는 하나 이상의 마이크로파 소스(2)에 의해 방출된 마이크로파 방사선의 효율적인 지향 및 상기 상기 마이크로파 방사선의 합산을 가능하게 하여 고효율 및 높은 총 출력 전력으로 장치의 확장된 기능을 제공하고, 마이크로파 소스들(2) 에서 방출되는 마이크로파 방사선의 높은 수준의 동기화를 제공한다.

Claims (14)

1. 마이크로파 소스, 그리고
   상기 마이크로파 소스로부터 방사선을 가이드하기 위한 마이크로파 채널을 갖는 공진기를 포함하고,
   상기 공진기는:
   제1 채널을 가지며, 상기 마이크로파 소스가 설치되는 박스; 그리고
   제2 채널을 가지며, 상기 박스에 전기적으로 연결되는 베이스를 포함하고,
   상기 제2 채널은 상기 제1 채널의 연장부이고, 상기 제1 채널 및 상기 제2 채널은 마이크로파 방사선이 방출되는 출구를 갖는 마이크로파 채널을 형성하고,
   상기 마이크로파 채널은 후퇴파(back wave)를 억제하기 위한 억제 수단(suppressing means)을 적어도 부분적으로 수용하며,
   상기 출구에서 상기 마이크로파 채널의 최소 단면적은 상기 억제 수단의 최대 단면적의 8 내지 12배인 마이크로파 발진기.
2. 제1항에 있어서,
   상기 마이크로파 소스와 상기 박스를 연결하는 도파관을 더 포함하는 발진기.
3. 제1항에 있어서,
   상기 공진기는 단일 부품으로 이루어진 발진기.
4. 제1항에 있어서,
   상기 마이크로파 채널은 가변 단면을 갖는 발진기.
5. 제4항에 있어서,
   상기 제2 채널은 상기 제1 채널에서 상기 마이크로파 채널의 출구를 향하는 방향으로 연장되는 발진기.
6. 제1항에 있어서,
   상기 마이크로파 채널의 표면은 전기 전도 물질의 층으로 코팅되는 발진기.
7. 제1항에 있어서,
   상기 공진기에 배치된 적어도 하나의 냉각 채널을 더 포함하는 발진기.
8. 적어도 2개의 마이크로파 발진기들을 포함하고,
   각 마이크로파 발진기는,
   마이크로파 소스, 그리고
   상기 마이크로파 소스로부터 방사선을 가이드하기 위한 마이크로파 채널을 갖는 공진기를 포함하고,
   상기 공진기는:
   제1 채널을 가지며, 상기 마이크로파 소스가 설치되는 박스; 그리고
   제2 채널을 가지며, 상기 박스에 전기적으로 연결되는 베이스를 포함하고,
   상기 제2 채널은 상기 제1 채널의 연장부이고, 상기 제1 채널 및 상기 제2 채널은 마이크로파 방사선이 방출되는 출구를 갖는 마이크로파 채널을 형성하고,
   상기 마이크로파 채널은 후퇴파(back wave)를 억제하기 위한 억제 수단(suppressing means)을 적어도 부분적으로 수용하며,
   상기 적어도 2개의 마이크로파 발진기들의 공진기들은 서로 전기적으로 연결되는 매트릭스형 마이크로파 발진기.
9. 제8항에 있어서,
   상기 적어도 2개의 마이크로파 발진기들의 베이스들 상에 배치된 플레어들(flares)을 더 포함하는 매트릭스형 발진기.
10. 제9항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 마이크로파 발진기들의 모든 플레어들은 단일 부품으로 만들어지는 매트릭스형 발진기.
11. 제8항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 마이크로파 발진기들의 모든 베이스들은 단일 부품으로 만들어지는 매트릭스형 발진기.
12. 제8항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 마이크로파 발진기들의 마이크로파 채널들을 연결하는 동기 채널들을 더 포함하는 매트릭스형 발진기.
13. 제8항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 마이크로파 발진기들의 박스들 및/또는 베이스들에 배치된 동기 인서트들(synchronizing inserts)을 더 포함하는 매트릭스형 발진기.
14. 제8항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 마이크로파 발진기들 중 적어도 일부는 커넥터들에 의해 서로 전기적으로 연결되는 매트릭스형 발진기.

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