[논문 리뷰] An improved method to measure microwave induced impulsive forces with a torsion balance or weighing scale

Chris P. Duif|arXiv (Cornell University)|2017. 01. 01.

Mechanical and Optical Resonators참고 문헌 2인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 테스트 중인 장치(예: EmDrive)에 직접 전기적 연결 없이 마이크로파 에너지를 공급하기 위해 조정 가능한 커플링 캐비티를 사용하는 새로운 비접촉 마이크로파 전력 공급 방법을 제시한다. 마이크로파 소스를 토크 밸런스 또는 저울과 같은 힘 측정 시스템에서 분리함으로써 열적 및 전자기적 간섭을 줄이며, 최대 15 W에서 >75%의 전력 전송 효율(−1.3 dB 손실)과 극히 미미한 간섭력(<10−5 N)을 달성하여, 이례적인 추진력 실험의 측정 정확도를 크게 향상시킨다.

ABSTRACT

A novel method is presented for measuring impulsive forces generated by devices which are fed with medium power microwave signals. The forces are measured with a torsion balance or weighing scale, as usual, but the microwave signal is coupled directly to the device under test via a special coupling cavity instead of being generated on the measurement device. The method was verified at power levels up to 15 W, has a transmission of at least 75% (-1.3 dB attenuation) and is shown not to exert disturbing forces at this power level (vertical forces smaller then 10 micronewton). The application of this way of supplying microwave signals could significantly improve experiments which otherwise suffer from heat dissipation and Lorentz forces by components present on the force measurement device. A particular field of application, where previous research has failed to prove or disprove the existence of certain anomalous forces, is discussed.

연구 동기 및 목표

• 마이크로파 유도 충격력 측정에 발생하는 실험적 불확실성을 해결하기 위해, 특히 EmDrive 유형 실험에서의 문제를 다루기 위해.
• 장치 내 마이크로파 부품과 직류 전류로 인한 열 방출 및 로렌츠 힘을 힘 측정 장치에 미치는 영향을 제거하기 위해.
• 측정 감도를 유지하면서도 정밀한 비접촉 방식으로 테스트 대상 장치에 마이크로파 전력을 공급할 수 있는 방법을 개발하기 위해.
• 외부 간섭원을 최소화하여 이례적인 추진력 장치에 대한 보다 신뢰성 있고 반복 가능한 실험을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 특수 설계된 커플링 캐비티가 비접촉 이동식 끝판을 통해 마이크로파 전력 전달을 위한 조정 가능한 대역폭 필터 역할을 하며, 물리적 연결 없이 전력 전달을 수행한다.
• 마이크로파 전력은 외부에서 생성되어 비접촉 끝판을 통해 자기 결합 방식으로 시험 캐비티에 공급된다.
• 방향성 결합기와 배터리 구동 광학 읽기 전력 센서를 사용하여 정방향 및 반사 전력을 모니터링함으로써 전기적 간섭을 피한다.
• 필요에 따라 물을 순환시키는 냉각 몰드를 사용하여 커플링 캐비티 벽면의 열 방출을 관리한다.
• 전자기 방사와 외부 간섭을 최소화하기 위해 커플링 캐비티를 설계하였으며, 산산이 흩어지는 전자기파를 억제하기 위해 마이크로파 흡수 재료를 사용한다.
• 측정 장치에 무선 제어 장치나 자성 부품을 필요로 하지 않으며, 주파수와 전력에 대한 정밀한 제어가 가능하다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 직접 전기적 연결 없이 마이크로파 전력을 힘 측정 장치에 공급할 수 있는가? 이를 통해 열적 및 전자기적 간섭을 줄일 수 있는가?
• RQ2 최대 15 W의 전력 수준에서 커플링 캐비티가 토크 밸런스나 저울에 측정 가능한 간섭력을 유도하는가?
• RQ3 고효율 전력 전달(>75%)을 달성하면서도 측정 플랫폼의 열 발생과 로렌츠 힘을 최소화할 수 있는가?
• RQ4 비접촉 커플링 방법이 공진 마이크로파 캐비티에서 이례적인 추진력 측정의 신뢰성과 정확도를 어느 정도 향상시키는가?
• RQ5 이 방법을 사용하여 운동량 보존 법칙을 위반하지 않고 EmDrive의 주장하는 순추력의 타당성을 검증할 수 있는가?

주요 결과

• 커플링 캐비티는 ≥75%의 전력 전송 효율(−1.3 dB 손실)을 달성하였으며, 커플링 루프 최적화를 통해 약 0.5 dB 향상 가능성이 확인되었다.
• 측정 장치에 유도된 전자기 간섭력은 극히 미미하여 15 W 입력 전력에서 10−5 N 이하로 측정되었다.
• 기존의 내장 마이크로파 증폭기 장치를 사용하는 전통적 설정 대비 힘 측정 장치의 열 방출이 1~2개의 주기 감소되었다.
• 이 방법은 마이크로파 소스를 측정 시스템에서 완전히 분리하여 직류 전류로 인한 로렌츠 힘을 제거하였으며, 측정 플랫폼의 질량을 수 킬로그램 감소시켰다.
• 마이크로파 누설이 있었음에도 불구하고 밸런스 전자기기에서 유의미한 전자기 간섭이 관찰되지 않아 실용적 사용에서의 견고성을 입증하였다.
• 시스템은 다양한 주파수 및 전력 수준에서 안정적으로 작동하였으며, 최대 몇 100 와트까지 및 100 MHz에서 20 GHz 범위에서의 응용 가능성이 확인되었다.