High-Power Water-Cooled RF Load

고출력 마이크로파 수냉식 RF Load 설계

Abstract

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.

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.

그림 2. 수돗물의 온도에 따른 유전율과 tanδ Fig. 2. Permittivity and loss tangent of changed tap water temperature.

그림 3. Molybdate 농도에 따른 혼합물의 유전율과 Fig. 3. Permittivity and loss tangent of changed molybdate’s concentration.

그림 4. 혼합물의 온도에 따른 유전율과 tanδ Fig. 4. Permittivity and tanδ of changed molybdate mixture temperature.

그림 5. Water-load의 초기 디자인 모델 Fig. 5. Early design of water-load.

그림 6. 초창기 모델의 시뮬레이션 결과 Fig. 6. Simulation results of early design.

그림 7. Water-cooled RF load의 CAD 도면 Fig. 7. CAD layout of water-cooled RF load.

그림 8. 오링의 유무에 따른 water-load의 S₁₁ Fig. 8. S₁₁ of water-load with/without O-ring.

그림 9. 실제 제작된 수냉식 RF load Fig. 9. Manufactured water-cooled RF load.

그림 10. 제작된 수냉식 RF load의 S₁₁ Fig. 10. S₁₁ of manufactured water-cooled RF load.

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 12. 혼합물과 수돗물을 넣었을 때의 특성 비교 그래프 Fig. 12. Comparison of the characteristics of a mixture and tap water.

그림 1. (a) 측정 배치도, (b) 등가 회로 Fig. 1. (a) The layout of probe measurement, (b) equivalent circuit.

표 1. 4개의 기준 물질 및 물질의 유전율 Table 1. 4 reference materials and permittivity.

표 2. Gauss Seidel 기법을 이용하여 구한 미지수 값 Table 2. Coefficients obtained from Gauss Seidel technique.