[논문]고출력 마이크로파 수냉식 RF Load 설계

허예림; 이철언; 박수연; 최진주

doi:10.5515/kjkiees.2019.30.6.445

고출력 마이크로파 수냉식 RF Load 설계
High-Power Water-Cooled RF Load 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.30 no.6, 2019년, pp.445 - 451

허예림 (광운대학교 전자융합공학과) , 이철언 (광운대학교 전자융합공학과) , 박수연 (광운대학교 전자융합공학과) , (광운대학교 전자융합공학과) , 최진주 (광운대학교 전자융합공학과)

초록
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본 논문은 고출력 RF load 중 간단한 구조를 갖는 UHF 대역의 수냉식 RF load를 설계하였다. RF 정합에 영향을 주는 물성을 얻기 위한 수식을 정립 후, load에 채어줄 수돗물의 유전율과 $tan{\delta}$(Loss tangent)을 측정하였다. 또한, 높은 출력의 전자파가 인가될 경우, 수돗물의 온도가 올라가기 때문에 온도의 변화에 따른 유전율과 $tan{\delta}$의 변화도 측정하였다. Water-load의 길이를 줄이기 위해 molybdate를 수돗물과 혼합시켜 주어 농도에 따른 물성 변화도 측정하였다. 측정 결과, 일반 냉각수에 비해서 혼합물의 경우 $tan{\delta}$ 값이 약 26배 증가함을 확인하였다. 이를 바탕으로 수냉식 RF load를 제작하였고, 주파수 460 MHz에서 반사계수 -19 dB, 대역폭 15 %의 우수한 결과를 얻었다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents the design of a water-cooled radio-frequency(RF) load with simple structure, for use in the ultrahigh-frequency (UHF) band. After establishing a formula to obtain the physical properties that affect RF matching, we measure the permittivity and $tan{\delta}$(Loss tangent) of tap water. Because the temperature of tap water increases upon applying high power, we measure the permittivity and $tan{\delta}$ for all changes in the temperature of tap water. In order to reduce the length of the water-load, molybdate with high $tan{\delta}$ is mixed with tap water. The loss tangent of the mixture is found to be approximately 26 times higher than that of tap water. Finally, we manufacture a water-cooled RF load and measure its characteristics. A reflection coefficient of -19 dB and bandwidth of 15 % is obtained at 460 MHz.

주제어

표/그림 (14)

그림 그림 1. (a) 측정 배치도, (b) 등가 회로 Fig. 1. (a) The layout of probe measurement, (b) equivalent circuit.
표 표 1. 4개의 기준 물질 및 물질의 유전율 Table 1. 4 reference materials and permittivity.
그림 그림 2. 수돗물의 온도에 따른 유전율과 tanδ Fig. 2. Permittivity and loss tangent of changed tap water temperature.
그림 그림 3. Molybdate 농도에 따른 혼합물의 유전율과 Fig. 3. Permittivity and loss tangent of changed molybdate’s concentration.
표 표 2. Gauss Seidel 기법을 이용하여 구한 미지수 값 Table 2. Coefficients obtained from Gauss Seidel technique.
그림 그림 4. 혼합물의 온도에 따른 유전율과 tanδ Fig. 4. Permittivity and tanδ of changed molybdate mixture temperature.
그림 그림 5. Water-load의 초기 디자인 모델 Fig. 5. Early design of water-load.
그림 그림 6. 초창기 모델의 시뮬레이션 결과 Fig. 6. Simulation results of early design.
그림 그림 7. Water-cooled RF load의 CAD 도면 Fig. 7. CAD layout of water-cooled RF load.
그림 그림 8. 오링의 유무에 따른 water-load의 S₁₁ Fig. 8. S₁₁ of water-load with/without O-ring.
그림 그림 9. 실제 제작된 수냉식 RF load Fig. 9. Manufactured water-cooled RF load.
그림 그림 10. 제작된 수냉식 RF load의 S₁₁ Fig. 10. S₁₁ of manufactured water-cooled RF load.
그림 그림 11. Transformer 길이 변화에 따른 수냉식 RF load의 반사계수 특성 Fig. 11. S₁₁ of water-load based on change of length of transformer.
그림 그림 12. 혼합물과 수돗물을 넣었을 때의 특성 비교 그래프 Fig. 12. Comparison of the characteristics of a mixture and tap water.

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 논문에서는 높은 tanδ와 더불어 환경오염이 없고 부식도 방지해주는 molybdate를 선택하여 증류수와 섞어 혼합물을 만들어 물성을 측정하였다.

가설 설정

먼저, 유전율이약 80이라고 가정하고(물의 온도는 약 10 ℃ 라고 가정), 그림 5의 좌측 그림과 같이 λ/2(약 36 mm) 길이에 물을 채운 후, HFSS로 시뮬레이션하였다.

제안 방법

2절에서 언급한 것과 같이, 수돗물에 molybdate를 섞은 후 Water-load의 반사계수 특성을 측정하였다. 중심주파수는 molybdate를 섞기 전(그림 12의 실선)과 동일하게 약 460 MHz에서 나타났고(그림 12의 점선), 시뮬레이션 결과와도 유사하게 나타남을 확인할 수 있다.
Load에 high power가 인가되면 물의 온도가 올라감에 따라 유전율과 tanδ의 특성도 변하게 되므로, 온도의 변화에 따른 유전율과 tanδ의 변화를 관찰하였다.
더나아가 수냉식 RF load의 길이를 줄이기 위해 tanδ를 높여주도록 molybdate(MoO42− )를 혼합해 주었고, 농도에 따른 혼합물 특성 변화도 측정하였다.
,B,a )를 알아야 한다. 따라서 기존에 유전율 값을 알고 있는 기준이 되는 4개의 물질이 필요하게 되고, 본 논문에서는 이 4가지의 기준 물질로서 공기, 증류수, 메탄올, 아세톤을 선택하였다. 일반적으로 유전 상수 값은 주파수에 따라 다른 값을 지닌다.
본 논문에서는 수냉식 RF load에 채울 물질로서 수돗물을 선택하였다. 따라서 수돗물의 물성을 측정하였다. 실험은 1 GHz에서 진행하였고, 2 L의 수돗물을 HP 8510VNA를 사용하여 온도가 10℃에서 80℃까지 변할 때의 반사계수 값을 측정하였다.
또한, load의 길이를 줄이기 위해 감쇠 즉, 큰 tanδ 값을 갖는 molybdate를 혼합해 주어 농도와 온도에 따른 유전율과 tanδ 변화도 관찰하였다.
설계 과정에서 수냉식 RF load는 물의 특성이 전자파 정합 조건에 관련 있어 물성을 분석해야 하는 필요성을 갖게 된다. 또한, 고출력 전자파에 의해서 물의 온도가 상승한다는 점을 염두에 두어 온도에 따른 물성의 변화를 측정하였다. 더나아가 수냉식 RF load의 길이를 줄이기 위해 tanδ를 높여주도록 molybdate(MoO₄²⁻ )를 혼합해 주었고, 농도에 따른 혼합물 특성 변화도 측정하였다.
광대역을 위해 λ/2 길이의 2 step으로 설계하지 않고, 1,000m의 길이의 1 step line으로 물을 채워주었다. 물과 50전송 선로의 임피던스 매칭을 위해 stepped transformer도 추가하였다. 추가로 물과 전송 선로와의 차폐를 위해 trans-former와 water load 사이에 teflon을 넣어 주었으며, 플렌지 결합 부분의 물이 세지 않도록 고무재질의 O-ring을 넣어 보완하였다.
일반적으로 유전 상수 값은 주파수에 따라 다른 값을 지닌다. 본 논문에서는 정확히 460 MHz에서의 유전상수 값을 찾을 수 없기 때문에, 표 1과 같이 1 GHz에서 기준물질의 유전상수 값을 사용하였다. 각각의 기준 물질에 해당하는 4개의 복소수 방정식을 Gauss Seidel 기법을 사용하여 MATLAB에서 미지수를 구하여 주었고, 결과는 표 2와 같다.
본 논문은 물의 유전체와 tanδ을 측정하고, 이를 이용하여 수냉식 RF load를 설계 제작 및 특성을 측정하였다.
실제 설계과정에서 추가로 보완해준 O-ring의 유무에 따라 load의 특성이 변화할 수도 있어 HFSS로 O-ring을 넣어 모델링한 후 시뮬레이션을 했다. 그 결과, 그림 8과 같이 O-ring이 있는 경우(점선)가 없는 경우(실선)보다 S₁₁값이 더 좋게 나왔지만, 주파수가 down shifting되는 현상을 확인하였다.
따라서 수돗물의 물성을 측정하였다. 실험은 1 GHz에서 진행하였고, 2 L의 수돗물을 HP 8510VNA를 사용하여 온도가 10℃에서 80℃까지 변할 때의 반사계수 값을 측정하였다. 이를 통해 유전율과 tanδ의 값을 2절에서 구한 식을 이용하여 구하였다.
앞의 물성 측정 결과를 바탕으로 수냉식 RF load를 6-1/8" 동축선으로 선택하여 설계하였다.
유전체와 tanδ를 구하기 위해 공기, 증류수, 메탄올, 아세톤을 기준 물질로 선택하였고, 이를 통해 수식을 구하였다.
이 때, 80 kW의 고출력 전자파를 흡수하기 위해서 우리는 6-1/8" 동축선 구조의 수냉식 RF load를 선택하여 정합회로를 설계하였다.
또한, 온도가 증가함에 따라 물질의 유전율은 감소하는 추세를 보이며, tanδ은 처음에는 감소하다가 온도가 높아지면 증가와 감소를 반복하는 경향을 보였다. 이러한 특성을 이용해 수냉식 RF load를 설계 및 제작하였다. Load 를 수돗물로 채운 후 반사계수 특성을 측정한 결과, 리플이 발생하였고, 수돗물에 molybdate를 혼합하여 준 결과 리플이 크게 줄어들었다.
증류수 1 L에 molybdate 10 g을 섞은 혼합물의 온도를 10 ℃ 에서 80 ℃ 까지 변화시키며 유전율과 tanδ을 측정하였다.
물과 50전송 선로의 임피던스 매칭을 위해 stepped transformer도 추가하였다. 추가로 물과 전송 선로와의 차폐를 위해 trans-former와 water load 사이에 teflon을 넣어 주었으며, 플렌지 결합 부분의 물이 세지 않도록 고무재질의 O-ring을 넣어 보완하였다.
더나아가 수냉식 RF load의 길이를 줄이기 위해 tanδ를 높여주도록 molybdate(MoO₄²⁻ )를 혼합해 주었고, 농도에 따른 혼합물 특성 변화도 측정하였다. 측정된 물성 값을 사용 하여 HFSS로 동축선의 정합회로를 설계하여 제작하였다.

대상 데이터

본 논문에서는 수냉식 RF load에 채울 물질로서 수돗물을 선택하였다. 따라서 수돗물의 물성을 측정하였다.

이론/모형

수냉식 RF load의 정합회로 설계에 앞서, 임피던스 값에 영향을 주는 물성인 유전율과 tanδ를 측정하기 위해 그림1(a)와 같이 VNA(Vector Network Analyzer)와 Dielectric Probe를 사용하였다. VNA는 one-port calibration 방법으로 교정하였고, Dielectric probe는 0.141 inches semi-ridged coaxial cable을 사용하였다. Probe의 한쪽 끝은 평평하게 절단하여 측정하고자 하는 물속에 잠기게 하였다.
본 논문에서는 정확히 460 MHz에서의 유전상수 값을 찾을 수 없기 때문에, 표 1과 같이 1 GHz에서 기준물질의 유전상수 값을 사용하였다. 각각의 기준 물질에 해당하는 4개의 복소수 방정식을 Gauss Seidel 기법을 사용하여 MATLAB에서 미지수를 구하여 주었고, 결과는 표 2와 같다.

성능/효과

이러한 특성을 이용해 수냉식 RF load를 설계 및 제작하였다. Load 를 수돗물로 채운 후 반사계수 특성을 측정한 결과, 리플이 발생하였고, 수돗물에 molybdate를 혼합하여 준 결과 리플이 크게 줄어들었다.
Molybdate의 농도가 증가함에 따라 유전율은 약 70을 유지하였으며, tanδ는 점차 증가하는 것을 확인할 수 있다.
따라서 중심주파수를 460 MHz로 맞춰주기 위해 transformer의 길이를 줄여주었다. Transformer의 길이를 10 mm 줄여 주었을 때, HFSS 시뮬레이션 결과 중심주파수가 약 20 MHz 정도 올라감을 보였다. 이를 적용하여, 제작된 수냉식 RF load의 중심주파수 440 MHz를 460MHz로 이동시키기 위해 실제 transformer의 길이 10 mm를 줄여주었고, 예상대로 20 MHz가 이동되는 것을 확인할 수 있었다(그림 11).
그 결과, molybdate 혼합물의 tanδ는 수돗물의 약 26배 이상 높은 것을 확인하였다.
실제 설계과정에서 추가로 보완해준 O-ring의 유무에 따라 load의 특성이 변화할 수도 있어 HFSS로 O-ring을 넣어 모델링한 후 시뮬레이션을 했다. 그 결과, 그림 8과 같이 O-ring이 있는 경우(점선)가 없는 경우(실선)보다 S₁₁값이 더 좋게 나왔지만, 주파수가 down shifting되는 현상을 확인하였다. 하지만 원하는 주파수 460 MHz에서 S ₁₁ 이약 −20 dB로 적절하다고 판단하였다.
뒤에서 기술하겠지만, molybdate 혼합물을 사용함으로써 전자파가 충분히 감쇠되어 이러한 공진현상을 피할 수 있었다. 둘째, 시뮬레이션 결과로 예측한 것과 비교해 보았을 때, 주파수가 down shifting 되어 있었다. 이는 제작 시 발생한 길이 오차 때문에 발생한 것으로 판단된다.
65까지 크게 증가할 수 있음을 알 수 있다. 따라서 수냉식 RF load 의 길이를 줄일 수 있음을 확인하였다.
또한, 온도가 증가함에 따라 물질의 유전율은 감소하는 추세를 보이며, tanδ은 처음에는 감소하다가 온도가 높아지면 증가와 감소를 반복하는 경향을 보였다.
수돗물(그림 2)과 마찬가지로 온도가 증가함에 따라 혼합물의 유전율은 감소하는 추세를 보이며, tanδ 는 증가하다가 일정 온도에서 감소하다 증가하는 것을 확인할 수 있다.
추가로 대역폭을 넓히기 위해 그림 5의 우측 그림과 같이 물은 폭이 λ/2인 2개의 단에 넣어주고 시뮬레이션 하였다. 시뮬레이션 결과 1 step일 경우 460 MHz에서 공진이 일어나고(그림 6의 실선), 2 step 일 경우 460 MHz 주위로 약 60 MHz의 간격을 두고 공진 주파수가 추가로 생기는 것을 확인할 수 있다(그림 6의 점선).
Transformer의 길이를 10 mm 줄여 주었을 때, HFSS 시뮬레이션 결과 중심주파수가 약 20 MHz 정도 올라감을 보였다. 이를 적용하여, 제작된 수냉식 RF load의 중심주파수 440 MHz를 460MHz로 이동시키기 위해 실제 transformer의 길이 10 mm를 줄여주었고, 예상대로 20 MHz가 이동되는 것을 확인할 수 있었다(그림 11). 중심주파수 약 460 MHz에서 반사 계수 약 −23 dB를 얻을 수 있었고, −15 dB 기준으로 약 70 MHz의 대역폭을 갖는 것을 확인하였다.
중심주파수 약 460 MHz에서 반사 계수 약 −23 dB를 얻을 수 있었고, −15 dB 기준으로 약 70 MHz의 대역폭을 갖는 것을 확인하였다.
실제 측정 결과 2가지의 현상을 발견했다. 첫째, 시뮬레이션에서 보이지 않았던 주파수 약 17 MHz를 갖는 리플 현상이 발생하였다. 원인을 찾기 위해 수냉식 RF load가 λ/2 공진기라고 가정하면, load의 길이를 l , 물의 유전율을 ∊_r 이라고 할 때, 공진 주파수( f )는 다음과 같이 표현될 수 있다.
측정 결과, 온도가 1℃ 증가할 때 유전율은 약 0.5씩 선형적으로 감소하는 추세를 보이며, tanδ는 감소하다가 약 40℃ 이상에서 증가하고, 약 60℃에서는 다시 감소하는 것을 확인할 수 있다(그림 2).

후속연구

현재, high power 결합 시스템은 개발 중이고, 추후에 시스템에 수냉식 RF load를 넣어 high power test를 진행할 예정이다 ^[5] .

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	molybdate의 특징은 무엇인가?	앞에서 언급했듯이, 수냉식 RF load를 설계할 때, 파워 감쇠가 클수록 load의 길이를 줄일 수 있다. 따라서 본 논문에서는 높은 tanδ와 더불어 환경오염이 없고 부식도 방지해주는 molybdate를 선택하여 증류수와 섞어 혼합물을 만들어 물성을 측정하였다. 실험은 앞과 동일하게 1 GHz 에서 실행하였으며, 온도는 실온인 27.
	리플은 무엇인가?	이는 리플의 주파수와 유사한 값을 나타나게 된다. 따라 서, 리플은 load 내에서 신호가 반사되어 돌아와 공진기가 형성되어 나타나는 현상이다. 즉, 수돗물인 경우 전자 파가 충분히 감쇠되지 않고 일부가 반사되어 공진모드를 형성한다는 의미이다.
	본 논문에서 제안한 UHF 대역의 수냉식 RF load 설계를 통해 어떤 결과를 얻을 수 있는가?	Water-load의 길이를 줄이기 위해 molybdate를 수돗물과 혼합시켜 주어 농도에 따른 물성 변화도 측정하였다. 측정 결과, 일반 냉각수에 비해서 혼합물의 경우 $tan{\delta}$ 값이 약 26배 증가함을 확인하였다. 이를 바탕으로 수냉식 RF load를 제작하였고, 주파수 460 MHz에서 반사계수 -19 dB, 대역폭 15 %의 우수한 결과를 얻었다.

참고문헌 (5)

K. Ebihara, H. Nakanishi, and E. Ezura, "RF high power water-loads for KEKB," in Proceedings of the Asian Particle Accelarator Conference, Beijing, 2001, pp. 633-635.
M. Ebert, F. R. Ullrich, "Glycol substitue for high power RF waterloads," in Proceedings of the 2005 Particle Accelerator Conference, Knoxville, TN, May 2005, pp. 841-843.
E. Eves, V. Yakovles, "Analysis of operational regimes of a high power water load," Journal of Microwave Power & Electromagnetic Energy, vol. 37, no. 3, pp. 127-144, 2002.
F. T. Ulaby, T. Bengal, J. East, M. C. Dobson, J. Garvin, and D. Evans, "Microwave dielectric spectrum of rocks," The University of Michigan, NASA/GSFC Grant NAG-5843 and JPL Contract 947450, Mar. 1988.
S. Park, K. Jang, B. Kim, J. Park, and J. Choi, "Experiments on a 80 kW power combiner using RF LDMOS power transistors," in 2018 Asia-Pacific Microwave Conference(APMC), Kyoto, Nov. 2018, pp. 141-143.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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