KR20200048125A - Cms를 이용한 도파관형 방향성 결합기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 도파관형 방향성 결합기에 관한 것으로, 입력부와 출력부를 구비하는 제1도파관; 커플링 출력부(220)와 아이솔레이션부를 구비하는 제 2도파관; 상기 입력부로 입사된 신호를 상기 출력부와 상기 커플링 출력부(220)로 출력하도록 하고, 상기 아이솔레이션부로는 신호를 차단하는 중앙부를 포함하고, 상기 제1 도파관과 상기 제2 도파관은 접해 있으며, 상기 중앙부에서 일부분이 서로 개방되고, 상기 중앙부의 개방된 부분에 커플링 매칭 스터부가 형성되는 것을 특징으로 한다. 이러한 본 발명의 실시예에서는, 위성용 케이에이밴드(Ka-band) 입력 멀터플렉서에서 요구하는 도파관형 방향성 결합기를 CMS를 이용한 알에스씨(RSC: Riblet Short Slot) 형태로 형성하여 낮은 삽입손실과 높은 격리도를 보다 용이하게 구현할 수 있다.

Description

CMS를 이용한 도파관형 방향성 결합기 {Waveguide type directional coupler using Coupling Matching Stub(CMS)}
본 발명은 CMS(Coupling Matching Stub)를 이용한 도파관형 방향성 결합기에 관한 것으로, 특히 위성용 케이에이밴드(Ka-band) 입력 멀터플렉서에서 요구하는 도파관형 방향성 결합기를 CMS를 이용한 알에스씨(RSC: Riblet Short Slot) 형태로 형성하여 낮은 삽입손실과 높은 격리도를 보다 용이하게 구현하는 CMS를 이용한 도파관형 방향성 결합기에 관한 것이다.
일반적으로, 안테나 등에 전력을 공급하는 전송선로에는 크게 2선 또는 4선식 급전선, 동축 케이블, 도파관 등이 있는데, 300~3,000MHz의 주파수를 사용하는 유에이치에프(UHF) 대역 이상의 주파수에서는 평행 2선식이나 동축 케이블은 부적당하며, 저항에 의한 손실과 전파중의 전파에너지의 손실이 적고 큰 전력을 공급할 수 있는 이점이 있는 도파관이 주로 사용된다.
여기서, 도파관은 속이 빈 금속관으로 이루어진 마이크로파 전송로로서, 상기 금속관을 통해 전파가 전송됨으로써 전력을 공급하게 되며, 일종의 고역필터 역할을 하여 특정한 차단파장을 가지므로 그보다 긴 파장의 전파는 통과시키지 않는다.
한편, 이러한 도파관에 있어서 원하는 방향으로만 전파를 전파할 필요가 있는데, 이때 두 개의 도파관에서 특정방향으로만 전파를 전파하고 다른 방향으로는 전파를 차단하는 방향성 결합기를 사용한다.
상기 도파관형 방향성 결합기는 두 도파관을 적당히 조합시켜 전자파를 방향에 따라서 분리할 때 사용할 수 있어, 입사파와 반사파의 분리나 전송전력의 감시, 임피던스의 측정, 및 정재파비의 측정 등에 이용된다.
도파관형 방향성 결합기는 기본적으로 4 포트로 구성되며 전형적인 리블렛 쇼트 슬롯 커플러(Riblet Short Slot Coupler)는 도 1에서 보여주는 바와 같은 형상을 지닌다.
도 1을 참조하면, 리블렛 쇼트 슬롯 커플러는, 입력, 출력, 커플링, 아이솔레이션의 4개 포트를 가진다.
입력포트는 신호가 입력된다.
출력포트는 입력된 신호를 출력하게 된다.
커플링 포트는 입력된 신호를 커플링하여 출력한다.
그리고 아이솔레이션 포트는 신호가 출력되지 않는다,
그리고 이러한 리블렛 쇼트 슬롯 커플러는 입력측과 출력측이 대칭되게 형성되므로 입출력 포트를 반대로 연결하여 사용할 수도 있다.
이러한 도파관형 방향성 결합기는 낮은 삽입손실과 규정된 커플링 그리고 높은 격리도를 확보하여야만 시스템에서 안정적인 성능을 확보할 수 있다.
또한, 각 포트에서의 반사손실은 최소화 하여야 한다.
그런데 리블렛 쇼트 슬롯 구조를 지닌 도파관형 방향성 결합기는 구조가 간단하고 설계가 용이하여 도파관형 방향성 결합기에 매우 광범위하게 사용되는 구조이나 낮은 삽입손실과 규정된 커플링 그리고 낮은 반사손실을 구현하면서 높은 격리도를 구현하기가 매우 어렵다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 광범위하게 사용되는 구조이나 낮은 삽입손실과 규정된 커플링 그리고 낮은 반사손실을 구현하면서 높은 격리도를 구현하는 CMS를 이용한 도파관형 방향성 결합기를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 위성용 케이에이밴드(Ka-band) 입력 멀터플렉서에서 요구하는 도파관형 방향성 결합기를 CMS를 이용한 알에스씨(RSC: Riblet Short Slot) 형태로 형성하여 낮은 삽입손실과 높은 격리도를 보다 용이하게 구현하는 CMS를 이용한 도파관형 방향성 결합기를 제공하는 것이다.
이러한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 특징에 따른 도파관형 방향성 결합기는,
도파관형 방향성 결합기로서,
입력부(110)와 출력부(120)를 구비하는 제1 도파관(100);
커플링 출력부(220)와 아이솔레이션부(210)를 구비하는 제 2도파관(200);
상기 입력부(110)로 입사된 신호를 상기 출력부(120)와 상기 커플링 출력부(220)로 출력하도록 하고, 상기 아이솔레이션부(210)로는 신호를 차단하는 중앙부(300)를 포함하고,
상기 제1 도파관(100)과 상기 제2 도파관(200)은 접해 있으며, 상기 중앙부(300)에서 일부분이 서로 개방되고, 상기 중앙부(300)의 개방된 부분에 커플링 매칭 스터부(311)가 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 입력부(110) 및 아이솔레이션부(210)에서 상기 중앙부(300)로 갈수록 계단형으로 내부 통로 폭이 작아지는 것을 특징으로 한다.
상기 중앙부(300)에서 상기 출력부(120) 및 커플링 출력부(220)로 갈수록 계단형으로 내부 통로 폭이 커지는 것을 특징으로 한다.
상기 계단수는 3개이고, 19~20GHz의 사용대역을 확보하는 것을 특징으로 한다.
상기 커플링 매칭 스터브의 직경은 3.5mm 내지 4.5mm인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에서는 광범위하게 사용되는 구조이나 낮은 삽입손실과 규정된 커플링 그리고 낮은 반사손실을 구현하면서 높은 격리도를 구현하는 CMS를 이용한 도파관형 방향성 결합기를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는, 위성용 케이에이밴드(Ka-band) 입력 멀터플렉서에서 요구하는 도파관형 방향성 결합기를 CMS를 이용한 알에스씨(RSC: Riblet Short Slot) 형태로 형성하여 낮은 삽입손실과 높은 격리도를 보다 용이하게 구현하는 CMS를 이용한 도파관형 방향성 결합기를 제공할 수 있다.
도 1은 일반적인 리블렛 쇼트 슬롯 커플러를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 방향성 결합기의 전계강도 해석 결과를 나타낸 도면이다.
도 3 및 도 4는 도 2의 점선에 해당하는 부분으로서 본 발명의 실시예에 따른 방향성 결합기의 내부 평면도이다.
도 5는 도 2의 점선에 해당하는 부분으로서 본 발명의 실시예에 따른 방향성 결합기의 내부 정면도이다.
도 6은 도 2의 점선에 해당하는 부분으로서 본 발명의 실시예에 따른 방향성 결합기의 내부 측면도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 방향성 결합기를 실제 제작한 예를 보인 도면이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 방향성 결합기를 실제 제작하기 위한 하면과 상면을 각각 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 방향성 결합기의 시뮬에이션 결과 및 실험치를 나타낸 표이다.
도 11 내지 도 13은 본 발명의 실시예에 따른 방향성 결합기를 실험한 결과치를 나타낸 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 방향성 결합기의 전계강도 해석 결과를 나타낸 도면이다.
도 3 및 도 4는 도 2의 점선에 해당하는 부분으로서 본 발명의 실시예에 따른 방향성 결합기의 내부 평면도이다.
도 5는 도 2의 점선에 해당하는 부분으로서 본 발명의 실시예에 따른 방향성 결합기의 내부 정면도이다.
도 6은 도 2의 점선에 해당하는 부분으로서 본 발명의 실시예에 따른 방향성 결합기의 내부 측면도이다.
도 2 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 방향성 결합기는,
입력부(110)와 출력부(120)를 구비하는 제1 도파관(100);
커플링 출력부(220)와 아이솔레이션부(210)를 구비하는 제2도파관(200);
상기 입력부(110)로 입사된 신호를 상기 출력부(120)와 상기 커플링 출력부(220)로 출력하도록 하고, 상기 아이솔레이션부(210)로는 신호를 차단하는 중앙부(300)를 포함하고,
상기 제1 도파관(100)과 상기 제2 도파관(200)은 접해 있으며, 상기 중앙부(300)에서 일부분이 서로 개방된 개방된 부분이 있고, 상기 개방된 부분에는 커플링 매칭 스터부(311)가 형성되는 것을 특징으로 한다.
도 2는 도 3의 방향성 결합기에 각 포트에 통로를 연결한 것으로서, 특정에는 큰 변화가 없으므로 편의상 도 3 내지 도 6을 참조하여 설명한다.
입력부(110)는 외부의 신호를 입력받는다.
출력부(120)는 상기 입력부(110)의 신호를 출력한다.
상기 입력부(110) 및 아이솔레이션부(210)에서 상기 중앙부(300)로 갈수록 계단형으로 내부 통로 폭이 작아지는 것을 특징으로 한다.
상기 중앙부(300)에서 상기 출력부(120) 및 커플링 출력부(220)로 갈수록 계단형으로 내부 통로 폭이 커지는 것을 특징으로 한다.
상기 계단(321, 322, 323)의 수는 3개이고, 19~20GHz의 사용대역을 확보하는 것을 특징으로 한다.
상기 커플링 매칭 스터브의 직경은 3.5mm 내지 4.5mm인 것을 특징으로 한다.
이러한 구성을 가진 방향성 결합기에서 입력부(110)의 입력포트에 신호가 입력되면, 제1 도파관(100)을 통해 출력부(120)의 출력포트는 입력된 신호를 출력하게 된다.
그리고 중앙부(300)에서 일부분이 서로 개방된 개방된 부분이 있는데, 상기 개방된 부분의 커플링 매칭 스터부(311)가 상기 입력부(110)로 입사된 신호를 상기 출력부(120)와 상기 커플링 출력부(220)로 출력하도록 하고, 상기 아이솔레이션부(210)로는 신호를 차단하게 된다.
그러면, 제2 도파관(200)의 커플링 출력부(220)의 커플링 포트는 입력된 신호를 커플링하여 출력한다.
이러한 구성을 가진 방향성 결합기의 수치에 관하여 설명하면 다음과 같다.
도 4 내지 도 6을 참조하면, 1번은 입출력 포트의 가로 길이로써 도파관의 사용주파수를 결정한다. 본 발명의 실시예에서는 11.8mm로 최적화하였다.
2번~4번은 방향성 결합기내 각각의 포트와 결합되는 위치를 연결하는 임피던스 매칭을 위한 계단형 구조를 지니며, 계단(321, 322, 323)의 수가 많을수록 넓은 사용 주파수 대역을 확보할 수 있으나 본 발명의 실시예에서는 19~20GHz의 사용대역을 확보하기 위하여 3단 구조를 사용하였다. 본 발명의 실시예에서는 2번 10.8mm, 3번 11.1mm, 4번 10.0mm로 최적화하였다.
5번은 커플링 매칭 스터브(311, Coupling Matching Stub, CMS)의 직경을 의미한다. 커플링 매칭 스터브의 직경이 너무 작으면 역할의 세기가 너무 약해지며 너무 크면 커플링을 매칭시키기 어려운데 본 발명의 실시예에서는 4mm로 최적화 하였다.
6번은 개방된 부분의 길이로서, 본 발명의 실시예에서는 15.2mm로 최적화하였다.
7번은 입력부(110) 또는 출력부(120)의 신호 방향으로의 길이인데, 외부 포트의 임피던스와 같기 때문에 제품의 크기만 결정할 뿐 전기적 성능과는 크게 관계가 없다. 본 발명의 실시예에서는 9.1mm로 하였다.
8번~10번은 방향성 결합기내 각각의 포트와 결합되는 위치를 연결하는 임피던스 매칭을 위한 계단형 구조에서 해당 길이는 방향성 결합기의 중심주파수를 기준으로 약 1/4 λ의 길이를 가지고 이를 최적화된 반사손실을 확보하도록 튜닝하여 최종 길이를 결정한다. 본 발명의 실시예에서는 8번 7.2mm, 9번 4.0mm, 10번, 8.4mm로 최적화 하였다.
11번은 커플링 매칭 스터브(Coupling Matching Stub, CMS)의 길이를 의미하며, 시뮬레이션 결과 길이가 0mm에서 0.4mm로 길어질수록 출력2의 세기가 점점 세지면서 반사손실과 격리도의 성능이 향상된다. 하지만, 본 발명의 실시예에서는 출력부(120)의 출력과 커플링 출력부(220)의 출력의 세기를 동일하게 하는 출력을 얻기 위하여 0.3mm를 선택하였다.
12번은 입력부(110) 또는 출력부(120)의 입력 포트 또는 출력포트의 세로 길이로써 도파관의 사용 모드를 결정한다. 외부 인터페이스를 감안하여 포트의 세로 길이는 가로길이의 약 1/2 크기이며 사용 모드는 TE10모드이다.
이러한 구성을 가진 방향성 결합기를 실제 제작한 예를 도 7에 도시하였다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 방향성 결합기를 실제 제작한 예를 보인 도면이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 방향성 결합기를 실제 제작하기 위한 하면과 상면을 각각 나타낸 도면이다.
도 8은 상부이고 도 9는 하부이며 이를 결합하여 도 7의 방향성 결합기를 완성하였다.
이렇게 완성된 방향성 결합기를 시뮬레이션 결과 및 실험치를 도 10 내지 도 13에 도시하였다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 방향성 결합기의 시뮬에이션 결과 및 실험치를 나타낸 표이다.
도 11 내지 도 13은 본 발명의 실시예에 따른 방향성 결합기를 실험한 결과치를 나타낸 도면이다.
도 10 내지 도 13을 참조하면, 시뮬레이션 결과는 이상적인 조건이므로 보통 시험제작 결과의 성능이 감소되는 경우를 감안하더라도 매우 만족스러운 시험결과를 확보하였다.
도 10은 CMS 길이에 따른 시뮬레이션 결과와 시험결과 비교한 표로서, CMS 길이가 0.3mm일때가 가장 좋은 결과를 볼 수 있다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 방향성 결합기의 출력 1과 출력2의 상태로서 동일한 출력이 유지됨을 알수 있다.
도 12는 방향성 결합기의 반사손실 특성이고, 도 13은 방향성 결합기의 격리도 특성이다.
본 발명의 실시예에서는 광범위하게 사용되는 구조이나 낮은 삽입손실과 규정된 커플링 그리고 낮은 반사손실을 구현하면서 높은 격리도를 구현할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는, 위성용 케이에이밴드(Ka-band) 입력 멀터플렉서에서 요구하는 도파관형 방향성 결합기를 CMS를 이용한 알에스씨(RSC: Riblet Short Slot) 형태로 형성하여 낮은 삽입손실과 높은 격리도를 보다 용이하게 구현할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (5)

  1. 도파관형 방향성 결합기로서,
    입력부와 출력부를 구비하는 제1도파관;
    커플링 출력부와 아이솔레이션부를 구비하는 제 2도파관;
    상기 입력부로 입사된 신호를 상기 출력부와 상기 커플링 출력부로 출력하도록 하고, 상기 아이솔레이션부로는 신호를 차단하는 중앙부를 포함하고,
    상기 제1 도파관과 상기 제2 도파관은 접해 있으며, 상기 중앙부에서 일부분이 서로 개방되고, 상기 중앙부의 개방된 부분에 커플링 매칭 스터부가 형성되는 것을 특징으로 하는 도파관형 방향성 결합기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 입력부 및 아이솔레이션부에서 상기 중앙부로 갈수록 계단형으로 내부 통로 폭이 작아지는 것을 특징으로 하는 도파관형 방향성 결합기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 중앙부에서 상기 출력부 및 커플링 출력부로 갈수록 계단형으로 내부 통로 폭이 커지는 것을 특징으로 하는 도파관형 방향성 결합기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 계단수는 3개이고, 19~20GHz의 사용대역을 확보하는 것을 특징으로 하는 도파관형 방향성 결합기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 커플링 매칭 스터브의 직경은 3.5mm 내지 4.5mm인 것을 특징으로 하는 도파관형 방향성 결합기.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20050061769A (ko) * 2003-12-18 2005-06-23 한국전자통신연구원 도파관형 방향성 결합기
KR20090008550A (ko) * 2007-07-18 2009-01-22 주식회사 이엠따블유안테나 광대역 안테나

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