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문제 정의
- 본 논문에서는 마이크로파 영역에서 도파관을 이용하여 두 가지 종류의 레이돔 재료에 대해 고온 유전물성을 측정하였다. 측정에 사용한 재료는 석영유리(Quartz Glass)와 질화규소(Silicon Nitride)이었다.
제안 방법
- 측정에 사용한 재료는 석영유리(Quartz Glass)와 질화규소(Silicon Nitride)이었다. 온도 변화영역은 상온에서 800℃까지로 하였으며, 100℃ 온도 변화에 따라 각 재료의 유전율과 손실율을 측정하였다.
- 2g/cm3이었다. 질화규소는 Cold Isostatic Pressing(CIP) 방법으로 성형한 후 1800℃에서 98 kPa의 질소압으로 2시간 열처리하여 제조하였으며, 밀도는 3.1g/cm3이었다. 8.
- 시편 가열을 위해 장치의 상부면과 하부면에 각각 3개의 텅스텐 램프를 설치하였다. 가열로 내부는 brass를 이용하여 제작하였으며 가열 효율을 높이기 위해 도파관이 설치되는 내부면은 금으로 코팅하였다. 또한 가열하는 도중에 장치 외부로 방출되는 열을 차단하기 위해 수냉 장치를 부착하였다.
- 마이크로파 주파수 영역에서 도파관을 이용하여 석영유리와 질화규소에 대해 고온 유전물성을 측정하였다. 측정 온도 영역은 상온에서 800℃까지였다.
- 하지만 800℃까지 유전물성을 측정할 때 알루미늄 도파관은 사용할 수 없다. 따라서 800℃까지 측정할 수 있도록Inconel을 사용하여 X-band 주파수용 도파관을 제작하였으며 열을 차단하기 위해 도파관 양쪽 끝에 수냉장치를 부착하였다.
- 이와 같은 장치를 이용하여 레이돔 재료의 온도별 산란계수를 HP 8510C 네트워크 어날라이저를 사용하여 측정하였다. 측정한 산란계수를 Jarvis 방법을 이용하여 유전율과 손실율로 계산하였다.
- 이는 유전 물성 측정오차를 유발할 수 있다. 열팽창에 따른 도파관의 크기 변화가 유전물성 측정에 미치는 영향을 조사하기 위해 빈 도파관의 유전물성을 상온에서 800℃까지 100℃ 간격으로 측정하였다. 그림 3에 그 결과를 나타내었다.
대상 데이터
- 본 논문에서는 마이크로파 영역에서 도파관을 이용하여 두 가지 종류의 레이돔 재료에 대해 고온 유전물성을 측정하였다. 측정에 사용한 재료는 석영유리(Quartz Glass)와 질화규소(Silicon Nitride)이었다. 온도 변화영역은 상온에서 800℃까지로 하였으며, 100℃ 온도 변화에 따라 각 재료의 유전율과 손실율을 측정하였다.
- 8.2～12.4GHz (X-Band) 주파수 영역에서 고온 유전물성을 측정하기 위해 각각의 재료를 단면이 22.86×10.16mm인 직육면체로 가공하였다.
- 실험에 사용한 재료는 석영유리와 질화규소이었다. 석영유리는 GE Quartz사의 GE-124 제품을 사용하였다.
- 실험에 사용한 재료는 석영유리와 질화규소이었다. 석영유리는 GE Quartz사의 GE-124 제품을 사용하였다. 석영유리의 밀도는 2.
이론/모형
- 도파관을 이용한 측정 알고리즘은 Nicolson-Ross 방법과 Jarvis 방법이 있다. 본 연구에는 Jarvis 방법을 사용하였다. 이 방법은 Nicolson-Ross 방법에서 발생하는 기준 평면 위치보상 문제가 없다.
- 이 방법은 Nicolson-Ross 방법에서 발생하는 기준 평면 위치보상 문제가 없다. 이 방법은 산란계수 방정식들을 조합하여 여러 가지 방정식을 유도하고 반복계산법(Numerically Iterative Method)을 이용하여 유전율을 구한다.
- 시편 길이를 모르는 경우에는 식 (8)～(10) 중 한 식과 식 (11), (12)를 이용하여 유전율, 투자율 및 길이를 계산한다. 이때, 해를 구하기 위한 수치해석은 Newton-Raphson의 반복계산법(Numerically Iterative Method)을 이용하며, 초기조건은 Nicolson-Ross 방법의 해를 사용한다.
- 고온에서 레이돔 재료의 유전물성을 평가하기 위해 도파관 방법을 사용하였다. 상온에서 측정하는 일반적인 도파관 방법과는 달리 고온 유전물성 측정을 위해서는 별도의 장치가 필요하다.
- 이와 같은 장치를 이용하여 레이돔 재료의 온도별 산란계수를 HP 8510C 네트워크 어날라이저를 사용하여 측정하였다. 측정한 산란계수를 Jarvis 방법을 이용하여 유전율과 손실율로 계산하였다.
성능/효과
- 0014로 변한 경우에는 사실상 손실율이 변화가 없다고 볼 수 있다. 이상의 결과에서 알 수 있듯이 상온에서 800℃까지 측정할때 도파관의 열팽창에 의한 오차는 무시할 만한 수준이다.
- 300℃ 이상에서 두 재료의 증가율이 달라지는 원인에 대해서는 차후 연구가 필요하다. 최종적으로 800℃까지 가열하였을 때, 석영유리와 질화규소의 유전율은 상온에서의 유전율에 비해 각각 18.8%, 17.9% 증가하였다.
- 그림 6에서도 일부 온도 구간을 제외하면 전반적으로 온도가 증가할 때 손실율이 증가하는 경향을 보였다. 온도 증가에 따른 손실율 증가를 보면 석영유리와 질화규소 각각 최소값 대비 12.5%, 18.2% 증가하였다.
- 손실율의 경우도 일부 온도 구간을 제외하면 온도 증가에 따라 손실율이 증가하는 경향을 보였다. 온도 증가에 따른 손실율 최대 증가는 700℃에서 측정되었으며, 그 때 질화규소와 석영유리의 손실율은 각각 18.2%, 12.5% 증가하였다.
후속연구
- 300℃까지는 질화규소와 석영유리의 유전율 증가 양상이 유사하지만 300℃이상에서는 질화규소의 증가율이 다소 떨어지는 양상을 보인다. 300℃ 이상에서 두 재료의 증가율이 달라지는 원인에 대해서는 차후 연구가 필요하다. 최종적으로 800℃까지 가열하였을 때, 석영유리와 질화규소의 유전율은 상온에서의 유전율에 비해 각각 18.
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