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공명기

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목차

1. 개요

공명기는 물리 시스템이 특정 주파수에서 진동하는 현상 또는 장치를 의미한다. 공명기는 자유도 수에 따라 다양한 공진 주파수를 가지며, 조화 진동자처럼 작동한다. 전자기학에서는 회로, 공동, 전송선 등에서 활용되며, 특히 공동 공진기는 마이크로파 발진기 등에서 주파수 결정 요소로 사용된다. 기계적 공진은 결정 발진기와 같은 전자 회로에서 정확한 주파수 신호를 생성하는 데 사용되며, 음향 공진은 악기에서 소리를 증폭하고 변형하는 데 활용된다. 또한, 고주파 공진기는 다양한 형태로 존재하며, 직사각형 공진기, 공동 공진기, 유전체 공진기, 나선형 공진기 등이 있다.

2. 설명

물리 시스템은 자유도의 수만큼 공진 주파수를 가질 수 있다. 각 자유도는 조화 진동자처럼 진동할 수 있다. 용수철에 매달린 질량, 진자, 균형추, LC 공진 회로와 같이 자유도가 하나인 시스템은 하나의 공진 주파수를 갖는다. 결합된 진자와 공진 변압기와 같이 자유도가 두 개인 시스템은 두 개의 공진 주파수를 가질 수 있다. ''N''개의 원자가 결합된 결정 격자는 ''N''개의 공진 주파수를 가질 수 있다. 결합된 조화 진동자의 수가 증가함에 따라 에너지를 하나에서 다음으로 전달하는 데 걸리는 시간이 중요해진다. 그 안의 진동은 결합된 조화 진동자를 통해 파동으로, 한 진동자에서 다음 진동자로 이동하기 시작한다.

'공진기'라는 용어는 대부분 진동이 파동으로, 거의 일정한 속도로 공진기의 양쪽 사이를 앞뒤로 반사하며 이동하는 균질한 물체에 사용된다. 파동이 흐르는 공진기의 재료는 수백만 개의 결합된 움직이는 부분(예: 원자)으로 구성된 것으로 볼 수 있다. 따라서 수백만 개의 공진 주파수를 가질 수 있지만, 실제 공진기에서는 몇 개만 사용될 수 있다. 서로 반대 방향으로 이동하는 파동은 간섭하고, 공진 주파수에서는 서로 강화되어 공진기 내에 정상파 패턴을 만든다. 측면 사이의 거리가 d\,이면 왕복 거리는 2d\,이다. 공진을 일으키려면 왕복 후 사인파의 위상이 초기 위상과 같아야 하므로 파동이 자체적으로 강화된다. 공진기의 공진 조건은 왕복 거리 2d\,가 파장 \lambda\,의 정수배와 같다는 것이다.

:2d = N\lambda,\qquad\qquad N \in \{1,2,3,\dots\}

파동의 속도가 c\,이면 주파수는 f = c / \lambda\,이므로 공진 주파수는 다음과 같다.

:f = \frac{Nc}{2d}\qquad\qquad N \in \{1,2,3,\dots\}

따라서 정상 모드라고 하는 공진기의 공진 주파수는 기본 주파수라고 하는 가장 낮은 주파수의 등간격 배수(배음)이다. 위 분석은 공진기 내부 매질이 균질하여 파동이 일정한 속도로 이동하고 공진기의 모양이 직선형이라고 가정한다. 공진기가 불균질하거나 원형 북 머리 또는 원통형 마이크로파 공진기와 같이 비직선형 모양인 경우 공진 주파수가 기본 주파수의 등간격 배수로 발생하지 않을 수 있다. 그러면 배음 대신 비배음이라고 한다. 단일 공진기에는 진동의 다양한 모드에 해당하는 여러 가지 공진 주파수 계열이 있을 수 있다.

2. 1. 공진기의 원리

공명기 내부의 매질이 균질하고 그 모양이 직선형인 경우, 공진 주파수는 기본 주파수의 등간격 배수, 즉 배음으로 나타난다. 그러나 공명기가 불균질하거나 비직선형 모양을 하고 있다면, 공진 주파수가 기본 주파수의 등간격 배수로 발생하지 않을 수 있다.

3. 전자기학

전자기학에서 공진은 다양한 형태로 나타나며, 회로, 공동, 전송선 등에서 활용된다.

공진기는 속이 빈 폐쇄된 도체로, 공동의 벽 사이를 앞뒤로 반사되는 전자기파(전파)를 포함하는 공동 공진기의 경우, 공동의 공진 주파수 중 하나에서 전파의 근원이 적용되면, 반대 방향으로 이동하는 파동이 정재파를 형성하고, 공동은 전자기 에너지를 저장한다. 가장 낮은 공진 주파수인 기본 주파수는 공동의 폭이 반파장(λ/2)과 같을 때의 주파수이므로, 공진기는 파장이 충분히 짧아서 공동의 크기가 편리하게 작아지는 마이크로파 주파수 이상에서만 사용된다. 도전성 벽의 저항이 낮기 때문에, 공진기는 매우 높은 Q 인자를 가지고 있다. 즉, 대역폭이 매우 좁다. 따라서 좁은 대역 통과 필터 역할을 할 수 있으며, 마이크로파 발진기에서 주파수 결정 요소로 널리 사용된다. 공진 주파수는 공동의 벽 중 하나를 안쪽 또는 바깥쪽으로 이동시켜 크기를 변경하여 조정할 수 있다.

공진 자전관은 진공 상태의, 구획이 나뉘어진 원형 공진기 중앙에 필라멘트가 있는 진공관이다. 영구 자석에 의해 수직 자기장이 가해진다. 이 자기장은 전자가 양극인 외곽 부분으로 끌리는 대신, 음극에서 방출된 전자가 직접 양극으로 이동하는 대신, 원형 경로를 따라 나선형으로 바깥쪽으로 이동하게 한다. 챔버 가장자리 주위에는 원통형 공진기가 배치되어 있다. 이 공진기는 길이 방향으로 열려 있어 공통 공진기 공간과 연결된다. 전자가 이 개구부를 지나갈 때, 공진기 내부에 고주파 전자기장을 유도하고, 이는 다시 전자를 그룹으로 묶이게 한다. 이 전자기장의 일부는 도파관에 연결된 짧은 안테나로 추출된다. 도파관은 추출된 고주파 에너지를 부하로 안내하는데, 이 부하는 마이크로웨이브 오븐의 조리실 또는 레이더의 고이득 안테나일 수 있다.

클라이스트론은 관형 도파관으로, 두 개 이상의 구멍이 뚫린 공진기가 있는 빔관이다. 대전 입자 빔이 공진기의 구멍을 통과하며, 집전극은 공진기를 통과한 빔을 가로챈다. 첫 번째 공진기는 빔을 밀집시키고, 밀집된 입자는 무장 지역을 거쳐 두 번째 공진기에 들어가 에너지를 방출하여 진동을 일으킨다. 이는 특정 주파수에 맞춰진 공진기와 함께 작동하는 입자 가속기이다. 반사 클라이스트론은 하나의 구멍이 뚫린 공진기만을 사용하며, 대전 입자 빔이 한 방향으로 통과한다. 반발전극은 빔을 반대 방향으로 반발시켜 다시 공진기를 통과하게 하여 공진기에서 발생하는 진동을 강화한다.

가속기 시스템의 빔라인에는 고주파(RF) 방사선을 위한 특정 구간의 공진기가 존재한다. 가속될 대전 입자들은 이 공진기를 통과하면서 마이크로파 전기장이 입자에 에너지를 전달, 운동 에너지를 증가시켜 입자를 가속시킨다. 여러 대형 가속기 시설에서는 금속(구리) 공진기에 비해 성능이 향상된 초전도 니오브 공진기를 사용한다.

루프 갭 공진기(LGR)는 도체관의 길이를 따라 좁은 슬릿을 잘라 제작한다. 슬릿은 유효 커패시턴스를 가지며, 공진기의 보어는 유효 인덕턴스를 가진다. 따라서 LGR은 RLC 회로로 모델링할 수 있으며, 일반적으로 200MHz에서 2GHz 사이의 공진 주파수를 가진다. 복사 손실이 없는 경우, LGR의 유효 저항은 공진기를 만드는 데 사용되는 도체의 저항률과 전자기 스킨 깊이에 의해 결정된다. LGR의 주요 장점 중 하나는 공진 주파수에서 그 크기가 전자기장의 자유 공간 파장에 비해 작다는 것이다. 따라서 LGR을 사용하여 상대적으로 낮은 주파수에서 작동하는 소형 고Q 공진기를 구성할 수 있으며, 이는 공동 공진기의 경우 비실용적으로 큰 크기가 될 주파수 영역이다.
유전체 공진기는 유전율이 매우 큰 물질이 유전율이 훨씬 작은 물질로 둘러싸여 있을 때, 유전율의 급격한 변화로 인해 전자기파가 공간적으로 제한될 수 있으며, 이는 공진기와 유사하게 작용하는 공진기를 만든다.[1]
전송선 공진기에서 임피던스의 급격한 변화(예: 개방 또는 단락)는 전송 신호의 반사를 일으킨다. 전송선상의 두 개의 반사체는 그 사이에 정재파를 발생시켜 1차원 공진기 역할을 하며, 공진 주파수는 그 거리와 전송선의 유효 유전율에 의해 결정된다.[1] 일반적인 형태는 공진 스터브로, 단락 회로 또는 개방 회로로 종단된 전송선의 길이이며, 주 전송선과 직렬 또는 병렬로 연결된다. 평면 전송선 공진기는 공면, 스트립선, 및 마이크로스트립 전송선에 일반적으로 사용된다. 이러한 평면 전송선 공진기는 크기가 매우 작을 수 있으며 마이크로파 회로에서 널리 사용되는 요소이다. 극저온 고체 연구에서 초전도 전송선 공진기는 고체 분광학[2] 및 양자 정보 과학에 기여한다.[3][4]

레이저에서 빛은 일반적으로 두 개 이상의 거울로 구성된 공진기에서 증폭된다. 따라서 광 공진기(optical cavity)는 공명기라고도 하며, 전자기파(즉, 빛)를 반사하는 벽을 가진 공동이다. 이를 통해 정재파 모드가 거의 손실 없이 존재할 수 있다.

3. 1. 공진 회로

분리된 부품들로 구성된 전기 회로는 인덕터와 커패시터가 모두 포함될 때 공진기 역할을 할 수 있다. 진동은 특정 저항 부품을 통해서 또는 인덕터 권선의 저항으로 인해 저항이 포함됨으로써 제한된다. 이러한 공진 회로는 부품의 회로 기호에 따라 RLC 회로라고도 한다.

분포 정수 공진기는 별도의 집중된 커패시터, 인덕터 또는 저항으로 분리할 수 없는 정전 용량, 인덕턴스 및 저항을 갖는다. 필터링에 많이 사용되는 이것의 예로 헬리컬 공진기가 있다.

와이어 코일로 구성된 인덕터는 회전 사이의 기생 정전 용량으로 인해 특정 주파수에서 자체 공진한다. 이것은 종종 RF 회로에서 기생 진동을 유발할 수 있는 원치 않는 효과이다. 인덕터의 자체 공진은 테슬라 코일과 같은 소수의 회로에 사용된다.

  • 직사각형 공진기
  • 공동 공진기
  • 유전체 공진기
  • 나선형 공진기

3. 2. 공동 공진기

공진기는 금속 상자 또는 금속 블록 내부의 공동과 같이 속이 빈 폐쇄된 도체로, 공동의 벽 사이를 앞뒤로 반사되는 전자기파(전파)를 포함한다. 공동의 공진 주파수 중 하나에서 전파의 근원이 적용되면, 반대 방향으로 이동하는 파동이 정재파를 형성하고, 공동은 전자기 에너지를 저장한다.

공동의 가장 낮은 공진 주파수인 기본 주파수는 공동의 폭이 반파장(λ/2)과 같을 때의 주파수이므로, 공진기는 파장이 충분히 짧아서 공동의 크기가 편리하게 작아지는 마이크로파 주파수 이상에서만 사용된다.

도전성 벽의 저항이 낮기 때문에, 공진기는 매우 높은 Q 인자를 가지고 있다. 즉, 대역폭(공진 주파수 주변에서 공진하는 주파수 범위)이 매우 좁다. 따라서 좁은 대역 통과 필터 역할을 할 수 있다. 공진기는 마이크로파 발진기에서 주파수 결정 요소로 널리 사용된다. 공진 주파수는 공동의 벽 중 하나를 안쪽 또는 바깥쪽으로 이동시켜 크기를 변경하여 조정할 수 있다.

  • 직사각형 공진기
  • 공동 공진기
  • 유전체 공진기
  • 나선형 공진기

3. 2. 1. 공동 자전관

공진 자전관(en:Cavity magnetron)은 진공 상태의, 구획이 나뉘어진 원형 공진기 중앙에 필라멘트가 있는 진공관이다. 영구 자석에 의해 수직 자기장이 가해진다. 이 자기장은 전자가 양극인 외곽 부분으로 끌리는 대신, 음극에서 방출된 전자가 직접 양극으로 이동하는 대신, 원형 경로를 따라 나선형으로 바깥쪽으로 이동하게 한다. 챔버 가장자리 주위에는 원통형 공진기가 배치되어 있다. 이 공진기는 길이 방향으로 열려 있어 공통 공진기 공간과 연결된다. 전자가 이 개구부를 지나갈 때, 공진기 내부에 고주파 전자기장을 유도하고, 이는 다시 전자를 그룹으로 묶이게 한다. 이 전자기장의 일부는 도파관(en:Waveguide (electromagnetism))에 연결된 짧은 안테나로 추출된다. 도파관은 추출된 고주파 에너지를 부하로 안내하는데, 이 부하는 마이크로웨이브 오븐의 조리실 또는 레이더의 고이득 안테나일 수 있다.

3. 2. 2. 클라이스트론

클라이스트론은 관형 도파관으로, 두 개 이상의 구멍이 뚫린 공진기가 있는 빔관이다. 대전 입자 빔이 공진기의 구멍을 통과하며, 집전극은 공진기를 통과한 빔을 가로챈다. 첫 번째 공진기는 빔을 밀집시키고, 밀집된 입자는 무장 지역을 거쳐 두 번째 공진기에 들어가 에너지를 방출하여 진동을 일으킨다. 이는 특정 주파수에 맞춰진 공진기와 함께 작동하는 입자 가속기이다.

반사 클라이스트론은 하나의 구멍이 뚫린 공진기만을 사용하며, 대전 입자 빔이 한 방향으로 통과한다. 반발전극은 빔을 반대 방향으로 반발시켜 다시 공진기를 통과하게 하여 공진기에서 발생하는 진동을 강화한다.

3. 2. 3. 입자 가속기에서의 응용

가속기 시스템의 빔라인에는 고주파(RF) 방사선을 위한 특정 구간의 공진기가 존재한다. 가속될 대전 입자들은 이 공진기를 통과하면서 마이크로파 전기장이 입자에 에너지를 전달, 운동 에너지를 증가시켜 입자를 가속시킨다.

여러 대형 가속기 시설에서는 금속(구리) 공진기에 비해 성능이 향상된 초전도 니오브 공진기를 사용한다.

3. 3. 루프-갭 공진기

루프 갭 공진기(LGR)는 도체관의 길이를 따라 좁은 슬릿을 잘라 제작한다. 슬릿은 유효 커패시턴스를 가지며, 공진기의 보어는 유효 인덕턴스를 가진다. 따라서 LGR은 RLC 회로로 모델링할 수 있으며, 일반적으로 200MHz에서 2GHz 사이의 공진 주파수를 가진다. 복사 손실이 없는 경우, LGR의 유효 저항은 공진기를 만드는 데 사용되는 도체의 저항률과 전자기 스킨 깊이에 의해 결정된다.

LGR의 주요 장점 중 하나는 공진 주파수에서 그 크기가 전자기장의 자유 공간 파장에 비해 작다는 것이다. 따라서 LGR을 사용하여 상대적으로 낮은 주파수에서 작동하는 소형 고Q 공진기를 구성할 수 있으며, 이는 공동 공진기의 경우 비실용적으로 큰 크기가 될 주파수 영역이다.

3. 4. 유전체 공진기

유전율이 매우 큰 물질이 유전율이 훨씬 작은 물질로 둘러싸여 있을 때, 유전율의 급격한 변화로 인해 전자기파가 공간적으로 제한될 수 있으며, 이는 공진기와 유사하게 작용하는 공진기를 만든다.[1]

3. 5. 전송선 공진기

전송선에서 임피던스의 급격한 변화(예: 개방 또는 단락)는 전송 신호의 반사를 일으킨다. 전송선상의 두 개의 반사체는 그 사이에 정재파를 발생시켜 1차원 공진기 역할을 하며, 공진 주파수는 그 거리와 전송선의 유효 유전율에 의해 결정된다.[1] 일반적인 형태는 공진 스터브로, 단락 회로 또는 개방 회로로 종단된 전송선의 길이이며, 주 전송선과 직렬 또는 병렬로 연결된다.

평면 전송선 공진기는 공면, 스트립선, 및 마이크로스트립 전송선에 일반적으로 사용된다. 이러한 평면 전송선 공진기는 크기가 매우 작을 수 있으며 마이크로파 회로에서 널리 사용되는 요소이다. 극저온 고체 연구에서 초전도 전송선 공진기는 고체 분광학[2] 및 양자 정보 과학에 기여한다.[3][4]

3. 6. 광 공진기

레이저에서 빛은 일반적으로 두 개 이상의 거울로 구성된 공진기에서 증폭된다. 따라서 광 공진기(optical cavity)는 공명기라고도 하며, 전자기파(즉, 빛)를 반사하는 벽을 가진 공동이다. 이를 통해 정재파 모드가 거의 손실 없이 존재할 수 있다.

4. 기계적 공진

기계적 공진기는 정확한 주파수의 신호를 생성하는 데 전자 회로에서 사용된다. 일반적으로 석영으로 만들어진 압전 공진기는 주파수 기준으로 활용되며, 고주파 응용 분야에는 직사각형 판 모양, 저주파 응용 분야에는 음차 모양으로 석영 조각에 전극을 부착한 형태가 일반적이다. 석영의 높은 치수 안정성과 낮은 온도 계수는 공진 주파수를 안정적으로 유지하는 데 기여한다. 석영의 압전 특성은 기계적 진동을 전압으로 변환하며, 이는 전극을 통해 감지된다. 이러한 결정 발진기는 석영 시계와 손목시계에서 클럭 신호를 생성하고 무선 송신기의 출력 신호를 안정화하는 데 사용된다.

기계적 공진 현상은 다른 매질에서 정상파를 유도하는 데에도 응용될 수 있다. 예를 들어, 캔틸레버 빔에 기저 여기(base excitation)를 가하면 다자유도계를 구성할 수 있다. 이러한 시스템은 센서로 사용되어 섬유의 공진 주파수 또는 위상 변화를 추적할 수 있으며, 차원 측정 장치 등의 응용 분야가 존재한다.[5][6]

4. 1. 압전 공진기

기계적 공진기는 정확한 주파수의 신호를 생성하는 데 전자 회로에서 사용된다. 일반적으로 석영으로 만들어진 압전 공진기는 주파수 기준으로 사용된다. 일반적인 설계는 고주파 응용 분야의 경우 직사각형 판 모양으로, 저주파 응용 분야의 경우 음차 모양으로 석영 조각에 부착된 전극으로 구성된다. 석영의 높은 치수 안정성과 낮은 온도 계수는 공진 주파수를 일정하게 유지하는 데 도움이 된다. 또한, 석영의 압전 특성은 기계적 진동을 진동하는 전압으로 변환하며, 이는 부착된 전극에 의해 감지된다. 이러한 결정 발진기는 석영 시계와 손목시계에서 사용되어 컴퓨터를 실행하는 클럭 신호를 생성하고 무선 송신기의 출력 신호를 안정화한다.

기계적 공진기는 다른 매질에서 정상파를 유도하는 데에도 사용할 수 있다. 예를 들어, 캔틸레버 빔에 기저 여기(base excitation)를 가함으로써 다자유도계(multiple degree of freedom system)를 생성할 수 있다. 이 경우 정상파는 빔에 가해진다.[5] 이러한 유형의 시스템은 센서로 사용되어 섬유의 공진의 주파수 또는 위상 변화를 추적할 수 있다. 한 가지 응용 분야는 차원 측정을 위한 측정 장치이다.[6]

4. 2. 다자유도계

캔틸레버 빔에 기저 가진을 가하면 정상파가 유도된다. 이러한 현상을 이용하여 센서로 활용할 수 있으며, 섬유의 주파수 또는 위상 변화를 추적하는 데 응용될 수 있다.

5. 음향 공진

음향 공진기는 악기에서 가장 흔하게 찾아볼 수 있다. 모든 악기에는 공진기가 존재하며, 실로폰의 나무 막대, 북의 북면, 현악기의 현, 오르간의 파이프처럼 소리를 직접 발생시키는 것도 있고, 기타나 바이올린의 소리상자처럼 특정 주파수를 증폭하여 소리를 변형시키는 것도 있다. 오르간 파이프, 목관악기의 몸체, 현악기의 소리 상자는 음향 공동 공진기의 대표적인 예시이다.

많은 건반 타악기에서는 각 음표의 중앙 아래에 관이 있는데, 이는 음향 공동 공진기 역할을 한다. 관의 길이는 음높이에 따라 달라지며, 높은 음표일수록 공진기가 짧다. 관은 위쪽 끝이 열리고 아래쪽 끝이 닫혀 있어 음표를 칠 때 공진하는 기둥 모양의 공기층을 만들어 깊이와 볼륨을 더한다. 비브라폰의 트레몰로 효과는 공진기를 여닫는 방식으로 만들어진다.

블루그래스 반조와 같은 현악기는 레조네이터를 탈착하여 사용할 수 있다. '레조네이터'는 레조네이터 기타를 가리키기도 한다.

나르시소 예페스(Narciso Yepes)가 발명한 현대적인 10현 기타는 전통적인 클래식 기타에 4개의 공명현을 추가하여 기타의 저음 현이 크로매틱 옥타브의 12개 음과 동등하게 공명하도록 한다. 기타 레조네이터는 전자기장을 이용하여 기타 현의 배음을 구동하는 장치로, 피드백 루프를 통해 기본음, 옥타브, 5도, 3도를 무한한 서스테인으로 구동한다.

5. 1. 자동차



자동차 배기 시스템의 배기관은 소리를 상쇄시켜 소음을 줄이기 위해 머플러와 함께 작동하는 음향 공명기로 설계되었다.[7] "배기음"은 일부 차량 소유자에게 중요한 기능이므로, 완성차 제조업체와 애프터마켓 공급업체 모두 공명기를 사용하여 소리를 향상시킨다. 성능을 위해 설계된 "튜닝 배기 시스템"에서는 배기관의 공명을 사용하여 특정 엔진 속도 또는 속도 범위에서 연소실에서 연소 생성물을 제거할 수도 있다.[8]

5. 2. 타악기

많은 건반 타악기에서 각 음표의 중앙 아래에는 음향 공동 공진기 역할을 하는 관이 있다. 관의 길이는 음높이에 따라 다르며, 높은 음표일수록 공진기가 짧다. 관은 위쪽 끝이 열리고 아래쪽 끝이 닫혀 있어 음표를 칠 때 공진하는 기둥 모양의 공기층을 만든다. 이는 음표에 깊이와 볼륨을 더한다. 현악기에서는 악기의 본체가 공진기 역할을 한다. 비브라폰의 트레몰로 효과는 공진기를 열고 닫는 메커니즘을 통해 얻어진다.

5. 3. 현악기



블루그래스 반조와 같은 현악기는 레조네이터를 가지고 있을 수도 있다. 많은 5현 반조는 레조네이터를 탈착할 수 있으므로 연주자는 블루그래스 스타일에서 레조네이터를 사용하거나, 포크 음악 스타일에서는 레조네이터 없이 사용할 수 있다. '레조네이터'라는 용어는 그 자체로 레조네이터 기타를 가리키기도 한다.

나르시소 예페스(Narciso Yepes)가 발명한 현대적인 10현 기타는 전통적인 클래식 기타에 4개의 공명현(sympathetic string resonators)을 추가한다. 이러한 공명현을 매우 특별한 방식(C, B♭, A♭, G♭)으로 조율하고 가장 강한 부분음(현의 기본음의 옥타브와 5도에 해당)을 활용함으로써, 기타의 저음 현은 이제 크로매틱 옥타브의 12개 음 중 어떤 음과도 동등하게 공명한다. 기타 레조네이터는 전자기장을 이용하여 기타 현의 배음을 구동하는 장치이다. 이러한 공명 효과는 피드백 루프에 의해 발생하며, 기본음, 옥타브, 5도, 3도를 무한한 서스테인으로 구동하는 데 사용된다.

6. 고주파 공진기

고주파 공진기는 다양한 형태로 존재하며, 각각 특정 용도에 맞게 설계된다. 대표적인 예로 직사각형 공진기, 공동 공진기, 유전체 공진기, 나선형 공진기 등이 있다.

공동 공진기는 금속 상자나 금속 블록 내부의 공동처럼 속이 빈 폐쇄된 도체로 구성된다. 이 공동 내부에서는 전자기파(전파)가 벽 사이를 반복적으로 반사하며 진행한다. 특정 공진 주파수에서 전파가 인가되면, 반대 방향으로 진행하는 파동들이 정재파를 형성하고 공동은 전자기 에너지를 저장한다. 공동의 기본 공진 주파수는 공동 폭이 반파장(λ/2)과 같을 때의 주파수이므로, 주로 마이크로파 주파수 이상에서 사용된다. 도전성 벽의 낮은 저항 덕분에 높은 Q 인자를 가지며, 좁은 대역 통과 필터로 활용되거나 마이크로파 발진기에서 주파수 결정 요소로 사용된다. 공진 주파수는 공동의 크기를 조절하여 변경할 수 있다.

한편, 유전체 공진기는 유전율이 큰 물질이 유전율이 작은 물질로 둘러싸인 구조를 가진다. 유전율의 급격한 변화로 인해 전자기파가 공간적으로 제한되어 공진기와 유사하게 작동한다.[1]

나선형 공진기는 특정 주파수에서 전자기 에너지를 저장하고 집중시키는 데 사용되는 공진 회로의 한 형태로, 코일 형태의 도체로 구성된다. 인덕턴스와 커패시턴스의 결합으로 특정 공진 주파수를 가지며, 높은 Q 인자와 소형화된 구조 덕분에 무선 통신, 의료 기기, 과학 장비 등 다양한 분야에서 활용된다. 특히 좁은 공간에서 특정 주파수 신호를 효율적으로 처리해야 하는 응용 분야에 적합하다.

6. 1. 직사각형 공진기


  • 직사각형 공진기
  • 공동 공진기
  • 유전체 공진기
  • 나선형 공진기

6. 2. 공동 공진기

공진기는 금속 상자 또는 금속 블록 내부의 공동과 같이 속이 빈 폐쇄된 도체로, 공동의 벽 사이를 앞뒤로 반사되는 전자기파(전파)를 포함한다. 공동의 공진 주파수 중 하나에서 전파의 근원이 적용되면, 반대 방향으로 이동하는 파동이 정재파를 형성하고, 공동은 전자기 에너지를 저장한다.

공동의 가장 낮은 공진 주파수인 기본 주파수는 공동의 폭이 반파장(λ/2)과 같을 때의 주파수이므로, 공진기는 파장이 충분히 짧아서 공동의 크기가 편리하게 작아지는 마이크로파 주파수 이상에서만 사용된다.

도전성 벽의 저항이 낮기 때문에, 공진기는 매우 높은 Q 인자를 가진다. 즉, 대역폭(공진 주파수 주변에서 공진하는 주파수 범위)이 매우 좁다. 따라서 좁은 대역 통과 필터 역할을 할 수 있다. 공진기는 마이크로파 발진기에서 주파수 결정 요소로 널리 사용된다. 공진 주파수는 공동의 벽 중 하나를 안쪽 또는 바깥쪽으로 이동시켜 크기를 변경하여 조정할 수 있다.

  • 직사각형 공진기
  • 공동 공진기
  • 유전체 공진기
  • 나선형 공진기

6. 3. 유전체 공진기



유전율이 매우 큰 물질이 유전율이 훨씬 작은 물질로 둘러싸여 있으면, 유전율의 급격한 변화로 전자기파가 공간적으로 제한될 수 있다. 이러한 구조는 공진기와 유사하게 작용하는 공진기를 만든다.[1]

  • 직사각형 공진기
  • 공동 공진기
  • 유전체 공진기
  • 나선형 공진기

6. 4. 나선형 공진기

나선형 공진기는 특정 주파수에서 전자기 에너지를 저장하고 집중시키는 데 사용되는 공진 회로의 한 형태이다. 일반적으로 코일 형태의 도체로 구성되며, 인덕턴스와 커패시턴스이 결합되어 특정 공진 주파수를 갖는다. 나선형 공진기는 높은 Q 인자(Quality factor)와 소형화된 구조 덕분에 무선 통신, 의료 기기, 과학 장비 등 다양한 분야에서 활용된다. 특히 좁은 공간에서 특정 주파수 신호를 효율적으로 처리해야 하는 응용 분야에 적합하다.

참조

[1] 서적 Microwave Engineering Wiley
[2] 논문 Surface-resistance measurements using superconducting stripline resonators
[3] 논문 Fabrication and Characterization of Superconducting Circuit QED Devices for Quantum Computation
[4] 논문 Coplanar waveguide resonators for circuit quantum electrodynamics
[5] 논문 The development of a virtual probe tip with application to high aspect ratio microscale features Rev. Sci Instrum
[6] 웹사이트 Precision Engineering and Manufacturing Solutions - IST Precision http://www.insitutec[...] 2018-05-07
[7] 웹사이트 How Mufflers Work http://auto.howstuff[...] 2001-02-19
[8] 서적 Advanced Automotive Technology http://www.princeton[...] United States Office of Technology Assessment 1995-09-01


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