Resonator Analysis for Microwave Uniform Heating

https://doi.org/10.34163/jkits.2021.16.1.008

Journal of Knowledge Information Technology and Systems

ISSN 1975-7700 (Print), ISSN 2734-0570 (Online) http://www.kkits.or.kr

Resonator Analysis for Microwave Uniform Heating

Won-Hui Lee

^*

Department of Electrical and Electronic Engineering, Seoul Digital University

A B S T R A C T

In this paper, the main factors were analyzed by simulating the components of resonator in microwave range for uniform heating. The optimal resonator simulations were conducted to use the main mode resonance frequency favorable to uniform heating of food. The stirrer and turntable devices were also simulated in order to carry out accurate simulations, and the load of food was used as a basic load model with a relatively accurate dielectric constants. For the accuracy of simulation, the dielectric constants of turntable, and the dielectric constants of load must be accurately measured and calculated.

In this paper, dielectric constants were measured using cylindrical resonators and applied to simulations.

The simulation results determined the main mode resonance frequency according to the size of the resonator, and the center mode field was calculated the strongest at the main mode resonance frequency.

The initial design resonator size was designed to be resonator at 433 MHz, but was adjusted to operate at ISM band of the 915 MHz by optimizing the resonator size moderately small. At the size of the resonator adjusted to 915 MHz, the 898 MHz hybrid mode around it also works, which is thought to be more advantageous for uniform heating. In the future, we will optimize the size of the resonator that can be operated at 2.45 GHz and 5.8 GHz. We will study the structure for uniform and fast heating the application of microwave range by analyzing the resonant mode and uniform heating modes at 2.45 GHz and 5.8 GHz. If the main factors influencing uniform heating in this paper are well considered as design factors, the uniform heating performance of with different source frequencies can be easily determined.

Ⓒ 2021 KKITS All rights reserved K E Y W O R D S Microwave oven, Uniform heating, Stirrer, Turntable, Cylindrical resonator, ISM

band, Resonant mode

A R T I C L E I N F O : Received 10 January 2021, Revised 3 February 2021, Accepted 9 February 2021.

*Corresponding author is with the Department of Electrical and Electronic Engineering, Seoul Digital University, 424, Gonghang-daero, Gangseo-gu, Seoul,

Korea.

E-mail address: [email protected]

1. 서 론

2

차 세계 대전 후에 레이더 기술

[1]

을 활용한 마 이크로파 레인지인 레이더 레인지

(radar range)

가 등장하였다

.

레이더 레인지는

1946

년 처음으로 소 비자에게 판매되었지만 소비자들이 구매하기에는 크기가 크고 비싼 가격을 가졌다

.

이후에도 여러 종류의 마이크로파 레인지가 소개되었지만

,

가정에 서 사용할 수 있는 크기의 마이크로파 레인지가 등장한 것은

1967

년이었다

.

오랜 역사를 토대로 오 늘날의 마이크로파 레인지는 그 어느 때보다 안전 하고 에너지 효율이 높아져 일반 오븐에 비해

30

- 80 %

의 에너지로 작동한다

[2].

마이크로파 레인

지는

ISM

밴드

[3]

대역에서 설계되고

,

최적화 실험 을 진행한다

.

최적화 실험에는 균일가열을 위한 공 진기의 크기가 가장 크게 좌우하며 크기가 이미 결정되었다면

,

구조적인 포밍

(forming)

과 스터러

(stirrer)

의 형태를 변경함으로써 균일 가열 성능을 맞추게 된다

.

본 논문에서는 이제는 주방에 필수적인 요소로 자리 잡고 있는 마이크로파 레인지

(microwave range)

의 공진기

(resonator)[4]

에 대한 여러 가지 기 능적인 요소들을 시뮬레이션으로 분석함으로써 균 일 가열

[5]

을 위한 마이크로파 레인지의 주요 인자 를 파악하고

,

향후 전자파 공진기를 활용한 응용 시스템의 기초 자료로 활용하고자 한다

.

본 논문의 구성은 다음과 같다

.

제

2

장에서는 균 일 가열을 위한 주요 인자에 대해서 살펴보고

,

제

3

장에서는 공진기 시뮬레이션 결과를 기술하며

,

마 지막으로 결론을 기술한다

.

2. 균일 가열을 위한 주요 인자 2.1 공진기 크기

마이크로파 레인지에 있어 공진기의 크기는 마 이크로파 레인지의 용량을 결정하는 매우 중요한 인자이다

.

물리적으로는 단순히 어느 정도 크기의 음식물을 넣을 수 있는가의 문제이지만

,

기술적으 로 공진기의 크기에 따라 주모드 공진이 이루어지 며 또한 어느 정도의 복합 모드가 공진기의 내부 에 발생하는지를 결정한다

[6].

공진기를 더 큰 크기 로 만들고

,

여러 모드 생성을 위해서는 포밍을 이 용하기도 한다

.

포밍을 사용하게 되면 마이크로파 레인지의 용량을 증가시키면서 여러 복합 모드를 생성할 수 있어 균일 가열에 매우 유용하다

.

2.2 주파수

마이크로파 레인지의 주파수는

ISM

밴드 내에서 설계가 가능하다

. ISM

밴드는 산업

,

과학

,

의료용 기기에서 사용 가능한 면허가 불필요한 주파수 대 역으로

433 MHz, 915 MHz, 2.45 GHz, 5.8 GHz

대 역에서 설계할 수 있다

.

마이크로파 레인지에서 동 작하는 주파수는 침투깊이 및 파장과 관련이 있으 므로 목적에 맞는 주파수 선택이 필요하다

.

일반적 인 상용 마이크로파 레인지의 주파수는

2.45 GHz

이고

,

전파를 발생하는 소스는 마그네트론

(magnetron)

을 이용한다

.

마그네트론은 수십 년의 역사를 갖고 있으며

,

가장 주파수 특성이 안정적이 면서도 값이 싼 전자파 소스로 알려져 있다

[7-12].

2.3 교반 장치

마이크로파 레인지의 균일 가열을 위한 교반 장 치로는 스터러와 턴테이블

(turntable)

이 있다

.

두 가 지의 교반 장치는 공진기 내부의 주 모드 및 하이 브리드 모드를 흔들어 다양한 전자계 필드가 공진 기 내부에 작용하도록 한다

.

이로 인해 균일 가열 에 영향을 미치는 주요 인자로 작용한다

.

교반 장

치는 전자계 필드 또는 모드를 섞어주는 역할도 하지만

,

턴테이블의 경우는 평균적인 전계 강도를 부하에 작용하게 한다

.

따라서 주 모드와 혼합 모 드가 무엇이냐에 따라 부하 중심이 익어버리는 경 우도 있고

,

부하 중심이 가열되지 않는 상태로 남 을 수 있다

.

이는 주 모드 공진주파수가 무엇인지 또는 주 모드와 주변 모드를 적절히 어떻게 섞어 야 하는지에 따라 균일 가열에 가장 큰 영향을 미 치는 인자이다

[13,14].

따라서 교반 장치를 사용한 마이크로파 레인지와 교반 장치를 사용하지 않은 마이크로파 레인지의 균일 가열 특성은 매우 큰 차이점을 보이게 된다

. <

그림

1>

에는 마이크로파 레인지에 삽입되는 턴테이블을 나타내었다

.

재질은 강화 유리로 일반적인 유리에 열처리를 하여 만들 어지므로

,

충격에 매우 강하다

.

그림 1. 마이크로파 레인지의 턴테이블 유리 Figure 1. Turn table glass of microwave range

2.4 전자파 차폐장치

전자파 차폐 장치는 균일 가열을 위한 직접적인 인자는 아니지만, 마이크로파 레인지에서 빠질 수 없는 주요 인자이다. 마이크로파 레인지에서 전파 누설이 발생하면

ISM

밴드를 이용하는 다른 기기 와 간섭을 일으킬 수 있다. 특히 무선랜(Wireless

LAN)과는 같은 2.45 GHz와 5.8 GHz.를 사용하고

있으므로 특히 중요한 요소가 되며

,

전자파 누설에 의한 인체에 대한 영향도 무시하지 못해 매우 중 요하다

.

따라서 마이크로파 레인지 도어의 주기 필 터의 구조와 힌지 구조

,

그리고 도어 창의 주기적 인 홀

(hole)

에 대한 설계가 매우 중요하다

.

마이크로파 레이지에 있어서 보통은 힌지 구조 에 따라 도어의 힌지 윗부분과 아랫부분에 누설이 자주 발생한다

.

이러한 누설이 발생하였을 때 도어 의 주기 구조 필터의 최적화 설계를 함으로써 누 설을 막을 수 있다

.

3. EM 시뮬레이션 3.1 유전율 측정

원통형 공진기를 시뮬레이션 하여 유전율을 측 정하였다

.

유전율의 측정은 공진기 시뮬레이션의 물성치를 정확하게 하기 위함이다

.

마이크로파 레 인지의 턴테이블

,

음식물과 같은 유전율 데이터를 정확히 넣지 않는다면 시뮬레이션의 정확성을 장 담할 수 없다

[15-17].

따라서 정확한 유전율의 측정 을 하는 것이

EM

시뮬레이션에서는 첫 번째로 할 일이다

. <

그림

2>

와 같이 원통형 공진기를 구성하 고

,

내부에 구하고자 하는 유전체를 슬랩으로 만들 어 넣는다

.

이렇게 구성된 장치를 이용하여 빈 공 진기에서 공진주파수를 측정하고

,

유전체 슬랩을 삽입하여 공진주파수를 측정한 후 공진주파수의 변화량만큼 유전 상수를 변화시키면서 최적의 유 전율 값을 계산한다

. <

그림

3>

에는 유전체 슬랩을 삽입한 경우와 빈 공진기의 경우에서의 공진주파 수 변화량을 나타내었다

.

주 모드의 한 주파수에서 공진파수 변화량이 크게 나타나고 있으며

,

이 주파 수 변화량을 이용하여 유전체 슬랩의 유전율을 측 정한다

. <

표

1>

에는 이렇게 측정된 테플론과 베이 클라이트의 유전율 측정 결과를 나타내었다

.

문헌

에 있는 테플론과 베이클라이트 유전율과의 차이 가 거의 없음을 확인하였다

.

실제

EM

시뮬레이션 을 진행할 때 문헌값 데이터보다는 실제 측정 데 이터를 집어넣어 계산할 때 더 정확한 마이크로파 레인지의 시뮬레이션이 가능할 것으로 판단된다

.

그림 2. 유전체 슬랩이 삽입된 원통형 공진기 Figure 2. The dielectric slab loaded cylindrical cavity

그림 3. 공진주파수 변화량 Figure 3. Variation results of resonant frequency

표 1. 유전 상수 측정 값

Table 1. Measured results of dielectric constant

물질 유전율 측정 문헌값[18]

테플론

2.03 2.08

베이클라이트

4.44 3.64

3.2 공진기 시뮬레이션

<그림 4>에는 공진기를 구성하고, 턴테이블과 스

터러를 설계하였으며 부하를 정육면체로 설정한 구조를 나타내었다. 부하는 베이클라이트(bakelite) 를 이용하였다. 베이클라이트의 유전율은 표

1에서

측정한

4.44를 넣어 시뮬레이션에 적용하였다.

그림 4. 공진기의 시뮬레이션 구조 Figure 4. Simulation structure of resonator

<그림 5>에는 <그림 4>의 구조에서의 주 모드

공진주파수를 나타내었다. 433 MHz의 ISM 밴드 주 파수에서 공진주파수가 설정됨을 알 수 있다.

그림 5. 공진주파수 시뮬레이션 결과 Figure 5. Simulation results of resonant frequency

<

그림

6>

에는 공진주파수

433 MHz

의 전자계 필 드 분포를 나타내었다

. 433 MHz

에서 중심 필드가 강한 모드가 발생함을 확인하였다

.

[1] H-R. Kim, and S-J. Lee, Development of situation awareness for emergency situation of single-person households, Journal of Knowledge Information Technology and System(JKITS), Vol. 13, No. 4, pp. 429-439, 2018.

[2] https://www.ul.com/news/radarange-modern-day -microwaves, Jun. 14, 2016.

[3] J-Y. Choi, The design and performance analysis of fed inset patch antenna for ISM

그림 6. 433 MHz에서의 필드 시뮬레이션 결과

Figure 6. Field simulation results at 433 MHz

그림 7. 915 MHz에서의 시뮬레이션 결과 Figure 7. Simulation results at 915 MHz

<그림 7>에는 공진주파수를 915 MHz로 높이기

위해 공진기 크기를 최적화하여 설계하고 시뮬레 이션 한 결과를 나타내었다

. 915 MHz

에서 주 모드 공진이 이루어졌고, 898 MHz에서 하이브리드 모드 가 발생하였다. 이러한 크기의 공진기의 경우 스터 러와 턴테이블과 같은 교반 장치를 이용하면 더 많은 모드가 발생하여 균일 가열에 더 이로울 것 으로 예상된다.

4. 결 론

본 논문에서는 균일가열을 위한 마이크로파 레 인지의 공진기 구성 요소를 시뮬레이션 함으로써 주요 인자들을 분석하였다

.

음식물의 균일 가열에 유리한 주 모드 공진주파수를 사용하기 위해 최적 의 공진기 시뮬레이션을 진행하였으며

,

정확한 시 뮬레이션을 위해 스터러와 턴테이블의 교반 장치

도 설계에 넣어 시뮬레이션 하였다

.

음식물의 부하 는 비교적 정확히 유전율을 알고 있는 베이클라이 트를 기본 부하 모델로 사용하였다

.

시뮬레이션의 정확성을 위해서는 턴테이블의 유전율과 부하의 유전율을 정확히 측정 및 계산하여 넣어야 한다

.

따라서 본 논문에서는 원통형 공진기를 이용하여 유전율을 측정하여 시뮬레이션에 적용하였다

.

시뮬 레이션 결과 공진기 크기에 따라 주 모드 공진주 파수가 결정되었고

,

주 모드 공진주파수에서 중심 모드의 전자계 필드가 가장 강하게 측정되었다

.

초 기에 설계된 공진기 크기는

433 MHz

에 공진이 되 도록 설계되었으나

,

공진기 크기를 최적화하여

ISM

밴드인

915 MHz

에서 동작하도록 조정하였다

. 915 MHz

로 조정한 공진기 크기에서는 주변의

898 MHz

에서 하이브리드 모드가 동작을 하므로

,

균일 가열 에 더 유리할 것으로 생각된다

.

향후

, 2.45 GHz

와

5.8 GHz

에서도 동작이 가능하도록 공진기 크기를

최적화하고

, 2.45 GHz

와

5.8 GHz

에서의 공진 모드 및 균일 가열에 좋은 모드에 대한 분석을 통해 음 식물 가열이라는 마이크로파 레인지의 활용 외에 또 다른 응용을 위한 공진기 구조를 연구할 예정 이다

.

References

band, Journal of Knowledge Information Technology and System(JKITS), Vol. 13, No.

1, pp. 177-185, 2018.

[4] S. B. Cohn, Microwave coupling by large apertures, Process IRE 40, p. 696, 1952.

[5] J. G. Kretzschmar and F. P. Metaxas, Concentrated microwave heating in elliptical waveguide, Microwave Power, Vol. 6, No. 3, p. 207, 1971.

[6] A. C. Metaxas and R. J. Meredith, Industrial microwave heating, IEE Power Engineering Series 4, pp. 1-4, 1993.

[7] P. O. Risman, A microwave application for drying food samples, Microwave Power, Vol.

13, No. 4, p. 97, 1978.

[8] V. Hippel, Dielectric materials and applications, MIT Press, 1954.

[9] K. A. Zaki, and A. E. Atia, Modes in dielectric loaded waveguide and resonators, IEEE Transaction on Microwave and Theory and Technique, Vol. MTT-31, No. 12, 1983.

[10] S. Y. Lee, B. J. Soh, J. W. Ahn, J. Y. Cho, B. H. Park, C. S. Jung, V. B. Fedorov, A.

G. Denisov, Y. H. Kim, T. S. Hahn, S. S.

Choi, B. Oh, and S. H. Moon, Use of a dielectric-load cylindrical cavity in measurements for the microwave surface resistances of high-Tc superconducting thin films, IEEE Transaction on applied superconductivity, 1997.

[11] R. F. Harrington, Time harmonic electromagnetic fields, McGraw-Hill, 1961.

[12] D. Kajfez, P. Guillon, Dielectric resonators, Artech House, 1986.

[13] S. B. Cohn, and K. C. Kelly, Microwave measurement of high dielectric constant materials, IEEE Transaction on Microwave Theory and Techniques, Vol. MTT-14, No. 9,

pp. 406-410, 1966.

[14] P. Guillon, and Y. Garault, Accurate resonant frequencies of dielectric resonators, IEEE Transaction on Microwave Theory and Techniques, Vol. MTT-25, No. 11, pp.

916-922, 1977.

[15] Z. Y. Shen, C. Wilker, P. Pang, W. L.

Holstein, D. Face, and D. J. Kountz, High-Tc superconducting sapphire microwave resonator with extremely high Q-values up to 90 K, IEEE Transaction on Microwave Theory Technique, Vol. 40, pp. 2424-2432, 1992.

[16] Y. Kobyayashi, and M. Katoh, Microwave measurement of dielectric properties of low-loss materials by the dielectric rod resonator method, IEEE Transaction on Microwave Theory and Technique, Vol.

MTT-33, No. 7, pp. 586-592, 1985.

[17] A. Atanaskovic, V. Tasic and S. Ivkovic, Automatization of the complex dielectric constant measurement, TELSIKS 2001, pp.

691-694, 2001.

[18] D. M. Pozar, Microwave engineering, Addison Wesly, 1990.

마이크로파 균일 가열을 위한 공진기 분석

이원희

서울디지털대학교 전기전자공학과 교수 요 약

본 논문에서는 마이크로파 레인지의 균일 가열을 위해 마이크로파 공진기의 구성 요소를 시뮬레이션 하여 주요 요인을 분석하였다. 음식의 균일한 가열에 유리한 주 모드 공진주파수를 사용하기 위해 최적의 공진기 시뮬레이션을 수행하였다. 정확한 시뮬레이션

Won-Hui Lee received the M.S. and the Ph.D. degree in the Department of Electronics, Information and Communication Engineering from KonKuk University in 2000 and 2003, respectively. From 2002 to 2008, he was a researcher at LG Digital Appliance Laboratory. And from 2008 to 2009, he was a researcher at POSTECH. From 2009

to 2016, he was a researcher at ETRI. He was a professor in the Department of Information &

Communication Engineering at Seoil University from 2016 to 2020. He has been a professor in the Department of Electrical & Electronic Engineering at Seoul Digital University since 2020. His current research interests include wireless communication system, EMI shield coating, delay tolerant network and neural network. He is a life member of the KKITS.

E-mail address: [email protected] 을 수행하기 위해 교반기 및 턴테이블 장치를 포함하

여 시뮬레이션을 진행했으며 상대적으로 정확한 유전 상수를 갖는 기본 모델을 식품의 부하로 사용하였다. 시뮬레이션의 정확성을 위해 턴테이블의 유전 상수와 부하의 유전 상수를 정확하게 측정하고 계산해야 한 다. 본 논문에서는 원통형 공진기를 사용하여 유전 상 수를 측정하고 시뮬레이션에 적용하였다. 시뮬레이션 결과로부터 공진기의 크기에 따라 주 모드 공진주파 수를 결정하였으며, 중심 모드의 전자계 필드는 주 모 드 공진주파수에서 가장 강한 것으로 계산되었다. 초 기에 설계된 공진기의 크기는 433 MHz에서 공진되도 록 설계되었지만 공진기 크기를 작게 최적화하여 915 MHz의 ISM 대역에서 작동하도록 조정되었다. 공진기 의 크기를 915 MHz로 조정하면 주변의 898 MHz 하이 브리드 모드도 작동하며 이는 균일 가열에 더 유리할 것으로 생각된다. 향후 2.45 GHz 및 5.8 GHz에서 작 동할 수 있는 공진기를 최적화 할 것이다. 2.45 GHz 와 5.8 GHz에서 공진 모드와 균일 가열 모드를 분석 하면 마이크로파 적용 범위에서 균일하고 빠르게 가 열하기 위한 최적의 주파수를 선택할 수 있을 것으로 판단된다. 본 논문의 균일 가열에 영향을 주는 주요 인자들을 설계 요소로 잘 고려하면, 소스 주파수가 다 른 공진기 균일 가열 성능도 쉽게 결정할 수 있을 것 이다.

감사의 글

이 연구는

2020

년도 서울디지털대학교 대학연구 비의 지원으로 연구되었음

.