KR100222665B1 - Mode converter - Google Patents
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Abstract
1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야1. TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
모드변환기Mode converter
2. 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제2. Technical problem to be solved by the invention
모드변화에 의한 모드손실이 적고 직사각형 도파관에서 원형 도파관으로 전송되는 결합에너지를 반사없이 전송시키고자 한다.The mode loss due to the mode change is small and the coupling energy transmitted from the rectangular waveguide to the circular waveguide is transmitted without reflection.
3. 발명의 해결 방법의 요지3. Summary of the Solution of the Invention
직사각형 도파관의 기본모드인 TE10모드를원형 도파관의 기본모드인 TE11모드로 변환시키는 모드 변환기이다.Mode converter that converts TE 10 mode, the basic mode of rectangular waveguide, to TE 11 mode, the basic mode of circular waveguide.
4. 발명의 중요한 용도4. Important uses of the invention
위성 통신 기지국용 C-밴드 2중 편파 급전 시스팀C-Band Dual Polarization Feeding System for Satellite Communications Base Stations
Description
본 발명은 모드변환기에 관한 것으로서, 특히 신호 접속용 원형 도파관을 통해 전달되는 신호의 모드를 변환시켜 출력용 구형 도파관을 통해 외부로 출력하는 모드변환기에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE
일반적으로, 원현 도파관의 기본 모드인 TE11모드를 구형 도파관의 기본 모드인 TE10모드로 변환시켜 서로 다른 도파관을 결합시키는 모드 변환기는 주로 편파기와 결합되어 사용되며 모드 변화에 의한 모드 손실이 적고 구형 도파관에서 원형 도파관으로 전송되는 결합에너지를 반사없이 전송시키도록 설계되어야 하는데, 쉘크노프(Schelkunoff)는 기하구조의 형태에 따라 가장 적당한 직교함수의 완전 집합을 도입하여 도파관 내의 전자계를 직교함수의 급수 전개로 표현한 모드 변환법을 적용하여 고차 모드를 무시하고 가장 큰 결합을 갖는 모드만 고려하여 일반적인 텔레그래피스트(telegraphist) 방정식으로 해석하기 때문에 복잡하게 변하는 경계조건을 갖는 도파관이나 결합전송선에 적용하기 편리하다. 그뿐아니라 3차원 문제를 1차원 문제로 줄일 수 있어 변수분리가 불가능한 곡선 좌표의 문제도 해결할수 있다.In general, a mode converter which converts TE 11 mode, which is the basic mode of the intrinsic waveguide, into TE 10 mode, which is the basic mode of the spherical waveguide, and combines different waveguides is mainly used in combination with a polarizer. It should be designed to transmit the coupling energy transmitted from the waveguide to the circular waveguide without reflection. Schelkunoff introduces a complete set of the most suitable orthogonal functions according to the geometry of the waveguide, and expands the electromagnetic field in the waveguide to the series of orthogonal functions. By applying the mode conversion method, which is considered to be the highest telegraphist and ignores the higher-order mode, it is easy to apply to waveguides or coupled transmission lines with complex boundary conditions. In addition, three-dimensional problems can be reduced to one-dimensional problems to solve the problem of curve coordinates that cannot be separated.
그러나, 쉘크노프가 제시한 방법은 급수 전개식과 볼테라(Volterra)적분방정식으로 표현된 결과이기 때문에 정확한 해를 얻기 위해서는 행렬수가 증가되고 수식 전개가 복잡해지는 단점이 있으며, 현재 국내의 모드변환기의 설계 및 제작기술은 국외 선진기술에 비해 매우 뒤떨어져 있어 국내 기술개발 및 장비의 국산화가 시급한 실정이다.However, the method proposed by Shelknov is a result of the series expansion and Volterra integral equations, so that the number of matrices is increased and the equation expansion is complicated to obtain an accurate solution. And the production technology is far behind the foreign advanced technology, so domestic technology development and localization of equipment is urgent.
여기서, 기존에 사용되어져 왔던 도파관테이퍼를 설명하면, 형태는 같지만 크기가 다른 두 개의 도파관(원형-원형, 구형-구형)을 연결해주는 장치로서, 이 장치는 모드변환기능은 없으며 단지 크기가 다름으로써 생기는 입사에너지에 대한 반사손실을 최소로 줄이기 위한 것이다.Here, referring to the waveguide taper, which has been used in the past, it is a device that connects two waveguides (circular-circular and spherical-spherical) having the same shape but different sizes. This is to minimize the return loss of incident energy.
그리고, 종래의 모드변환기는 구형도파관과 원형도파관의 모드가 서로 동일하지 않은 것에서 생기는 모드변화에 의한 모드손실을 줄이기 위한 장치로 선행기술의 한 예로 원형도파관에 홈을 판 후 구형도파관을 연결시켜 이 분기부분에서 모드변화를 일으키도록 하는 방법이 있는데, 이 방법은 정확한 설계이론을 토대로 분기되어지는 부분을 ??아야하며 분기되는 신호전력이 매우 적어서 에너지효율이 좋지 않은 문제점이 있었다.In addition, the conventional mode converter is a device for reducing the mode loss due to the mode change caused by the modes of the rectangular waveguide and the circular waveguide are not the same as one another in the prior art by connecting the rectangular waveguide after grooves in the circular waveguide. There is a method of causing a mode change in the branch part, which has to solve the branching part based on the exact design theory, and there is a problem in that energy efficiency is not good because branching signal power is very small.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 신호 접속용 원형 도파관과 출력용 구형 도파관 사이에 전송되는 결합에너지를 반사없이 전송시키기 위하여 도파관 불연속 경계면을 완만한 연속 경계면으로 변환하여 도파관 결합부에서 반사없이 에너지를 전달할 수 있는 모드 변환기를 제공하는데 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention has been made to solve the above problems, the waveguide by converting the waveguide discontinuous interface into a smooth continuous interface in order to transmit the coupling energy transmitted between the circular waveguide for signal connection and the spherical waveguide for output without reflection. It is an object of the present invention to provide a mode converter capable of transmitting energy without reflection at the coupling portion.
도1은 본 발명에 따른 모드 변환기의 일실시예 사시도,1 is a perspective view of an embodiment of a mode converter according to the present invention;
도2는 본 발명에 따른 모드 변환기의 설계 방법에 대한 설명 예시도,2 is an illustrative example of a method of designing a mode converter according to the present invention;
도3 및 도4는 본 발명에 따른 모드 변환기의 성능 측정에 대한 특성도.3 and 4 are characteristic diagrams for measuring performance of a mode converter according to the present invention;
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
10 : 원형 도파관 20 : 구형 도파관10: circular waveguide 20: spherical waveguide
30 : 모드 변환기30: mode converter
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 신호 접속용 원형 도파관을 통해 입력되는 신호의 모드를 변환시켜 출력용 구형 도파관을 통해 모드 변환기에 있어서, 상기 신호 접속용 원형 도파관과 결합되도록 상기 신호 접속용 원형 도파관의 플랜지와 동일 크기 및 형상을 갖는 제1 플랜지; 상기 출력용 구형 도파관과 결합되도록 상기 출력용 구형 도파관의 플랜지와 동일 크기 및 형상을 갖는 제2 플랜지; 및 상기 제1 및 제2 플랜지가 양 끝단이 되도록 일체로 형성되며, 상기 신호 접속용 원형 도파관과 상기 출력용 구형 도파관의 불연속 경계면을 완만한 연속 경계면으로 변환시키기 위해, 푸리에(Fourier)변환 테이퍼 함수를 이용하되, 상기 신호 접속용 도파관과 상기 출력용 도파관의 서로 다른 구조의 좌표계를 동일 구조의 좌표계로 변환하여 각도에 따라 상호 대응시켜 구성한 도파관 테이퍼를 포함한다.The present invention for achieving the above object, in the mode converter through the output rectangular waveguide by converting the mode of the signal input through the circular waveguide for signal connection, the circular for signal connection to be coupled with the circular waveguide for signal connection A first flange having the same size and shape as the flange of the waveguide; A second flange having the same size and shape as the flange of the output spherical waveguide so as to be coupled to the output spherical waveguide; And a Fourier transform taper function formed integrally with both ends of the first and second flanges, and for converting the discontinuous interface between the signal connection circular waveguide and the output spherical waveguide into a smooth continuous interface. And a waveguide taper configured to convert coordinate systems of different structures of the signal connection waveguide and the output waveguide into coordinate systems having the same structure and correspond to each other according to angles.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예를 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described an embodiment of the present invention;
도1은 본 발명에 따른 모드 변환기의 일실시예 사시도이다.1 is a perspective view of an embodiment of a mode converter according to the present invention.
도2는 본 발명에 따른 모드 변환기의 설계 방법에 대한 설명 예시도이다.2 is an exemplary view illustrating a method of designing a mode converter according to the present invention.
도1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 모드 변환기는, 플랜지(flange)(31, 32)들과, 도파관테이퍼(33)를 구비한다. 여기서, 모드변환기(30)는 신호 접속용 원형 도파관(10)에 플랜지(31)로 연결되며, 송신기 또는 수신기에 연결되는 출력용 구형 도파관(20)에 플랜지(32)와 결합되도록 되어 있다.As shown in Fig. 1, the mode converter of the present invention includes
그리고, 신호 접속용 원형 도파관(10)은 외부로부터 전달되는 신호를 모드 변환기(30)로 접속하여 주는 입력포트 기능을 수행하며, 그리고 출력용 구형 도파관(20)은 모드 변환기(30)에 의해 모드가 변환된 신호를 외부로 전달하는 출력포트 기능을 수행한다.The
모드변환기(30)의 기능은 구형 도파관(20)이 수신기에 연결된 경우 송신신호로부터 원형 도파관(10)에 유기된 기본모드인 TE11모드를 TE10모드로 변환시켜 구형 도파관(20)에 전달하며, 구형 도파관(20)이 송신기에 연결된 경우는 구형도파관(20)에 유기된 TE10모드를 TE11모드로 변환시켜 원형 도파관(10)에 전달하는 인터페이스 기능을 한다.The function of the
모드변환기(30)에 결합되는 원형도파관(10)이 유전체판이 삽입된 편파변환기일 경우 선형-원형편파 변환에 의한 원형 도파관(10)의 위치변화는 모드변환기(30)의 원형 도파관 연결면인 플랜지(flange)(31)에 45°간격으로 위치한 나사구멍에 의해 선택적으로 결합될 수 있다. 모드변환기(30)의 설계에 있어서 반사계수 특성이 거의 영에 가깝고 원형 도파관(10)과 구형 도파관(20) 사이에 완만한 곡선을 이루어 모드 손실없이 모드변환이 이루어지게 하기 위해서는 알맞은 테이퍼 함수를 선정해야 한다.In the case where the
도파관 테이퍼를 설계하기 위해서는 서로 다른 특성임피던스를 갖는 테이퍼된 전송선로의 입력반사계수식으로부터 최소가 되는 반사계수 값을 구하여야 한다. 최소값을 찾기 위해서는 정규화된 임피던스의 미분항을 적당한 테이퍼함수로 대치해야 하는데 여기서의 테이퍼 함수는 푸리에(Fourier) 변환 테이퍼 함수를 이용하였으며 테이퍼함수와 반사계수식은 다음과 같다.In order to design waveguide taper, the minimum reflection coefficient should be obtained from the input reflection coefficient of tapered transmission line with different characteristic impedance. To find the minimum value, we need to replace the normalized impedance derivative with an appropriate taper function. Here, the taper function uses Fourier transform taper function and the taper function and the reflection coefficient equation are as follows.
먼저, 쉘크노프의 모드 변환이론인 텔레그래피스트 방정식을 도파관 테이퍼에 적용하면 다음 [수학식 1]과 같은 반사 계수식을 구할 수 있다.First, applying the Telegraphist equation, which is the mode conversion theory of Shelknov, to the waveguide taper, the reflection coefficient equation as shown in [Equation 1] can be obtained.
여기서,는 정규화 임피던스이고, L 은 도파관 길이이다. 테이퍼가 완만할 경우 상기 [수학식 1]의 beta `` 에 대한 적분항을 선형함수로 바꾸어 서로 다른 특성 임피던스를 갖는 테이퍼된 전송선로의 입력 반사계수식으로 변환하면 다음과 같다.here, Is the normalized impedance and L is the waveguide length. When the taper is smooth, the integral term for beta `` in
상기 [수학식 2]에서 최소가 되는 반사 계수값을 구하기 위해서는 정규화된 임피던스의 미분항을 적당한 테이퍼 함수로 대치하기 위하여 반사계수값을 최소로 줄이면서 설계가 용이한 푸리에 변환함수를 이용한다. 상기 [수학식 2]를 역변환시켜 찾고자 하는 테이퍼 함수를 계산하면 다음 [수학식 3]과 같다.In order to obtain the minimum reflection coefficient in
상기 [수학식 3]에서 반사계수의 특성곡선 함수를 특정함수로 결정하게 되면 테이퍼 함수를 쉽게 찾을 수 있다.When the characteristic curve function of the reflection coefficient is determined as a specific function in Equation 3, the taper function can be easily found.
계산과정을 편리하게 하기 위하여 특정함수를 다음 [수학식 4] 및 [수학식5]와 같이 정의한다.In order to simplify the calculation process, a specific function is defined as shown in
상기 [수학식 4]를 푸리에 역변환시키면 테이퍼함수를 반사계수 함수로 바꿀수 있고 그 식을 복소 푸리에 급수로 표현하므로서 다음 [수학식 6]과 같이 최종적인 반사계수식을 구한다(참조 도2).The Fourier inverse transform of
여기서, p는 다음 [수학식 7]과 같고, u는 다음 [수학식 8]과 같다.Where p is equal to the following Equation 7 and u is equal to the following Equation 8.
다음은 모드변환기 설계에 대하여 설명한다.The following describes the mode converter design.
푸리에 변환함수 테이퍼를 이용하여 구형 도파관과 원형 도파관을 연결시켜주는 도파관 모드변환기를 설계한다.A waveguide mode converter is designed to connect the spherical and circular waveguides using the Fourier transform function taper.
구형-원형 도파관의 모드변환문제는 도파관의 크기도 다를 뿐 아니라 서로 다른 구조의 좌표계를 가지고 있다. 따라서 이들을 동일 구조를 갖는 좌표계로 변환시켜 각도 θ에 따라 두 개의 도파관을 도2에서와 같이 다음 [수학식 9] 내지 [수학식 12]에 따라 대응시킨다.The mode conversion problem of the spherical-circular waveguide has not only different waveguide sizes but also different coordinate systems. Therefore, they are converted into coordinate systems having the same structure, and the two waveguides are corresponded according to the following Equations 9 to 12 according to the angle θ as shown in FIG.
구형 도파관은 각도 θ가 변함에 따라 도파관 폭이 달라지지만 원형 도파관의 도파관 폭은 각도 θ에는 관계없이 일정하다. 따라서 구형 도파관을 1부터 4 까지의 구간으로 나누어 원형 도파관을 이 구간에 대응하도록 설계한다.Although the rectangular waveguide has a different waveguide width as the angle θ changes, the waveguide width of the circular waveguide is constant regardless of the angle θ. Therefore, the rectangular waveguide is divided into 1 to 4 sections and the circular waveguide is designed to correspond to this section.
구형 도파관의 각이 특정한 값θ일 때 구형 도파관과 원형 도파관간의 폭비 값을 정규화된 부하 임피던스 값으로 표현한 후 푸리에 변환테이퍼 함수에 대입하여 반사계수가 최소인 설계길이를 설정하고 이 값을 상기 [수학식 4]와 [수학식 6]에 적용하여 테이퍼 길이 z에 따라 달라지는 각 지점의 x, y값을 산출하면 모드 변환기의 설계치를 얻을 수 있다.When the angle of the rectangular waveguide is a specific value θ, the width ratio value between the rectangular waveguide and the circular waveguide is expressed as a normalized load impedance value, and then substituted into a Fourier transform taper function to set the design length with the smallest reflection coefficient. By applying to Equation 4] and [Equation 6], the design value of the mode converter can be obtained by calculating the x and y values of each point depending on the taper length z.
도3 및 도4는 본 발명에 따른 모드 변환기의 성능 측정에 대한 특성도로서, 도3은 전계의 주성분을 측정한 결과로 전송계수는 거의 0dB로 일정하게 나타나며 반사계수는 -18dB 이하이며, 그리고 도4는 전계의 교차성분을 측정한 결과로 주성분 전계에 비해 전송계수 값이 약 -20 내지 -30dB이다.3 and 4 are characteristic diagrams for measuring the performance of the mode converter according to the present invention. FIG. 3 shows the transmission coefficient as a result of measuring the principal component of the electric field, with a constant transmission coefficient of almost 0 dB, and a reflection coefficient of -18 dB or less. 4 is a result of measuring the cross component of the electric field, and the transmission coefficient is about -20 to -30 dB compared to the main component electric field.
이상에서 설명한 본 발명은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을가진자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로, 전술한 실시예 및 도면에 한정되는 것이 아니다.The present invention described above is capable of various substitutions, modifications, and changes without departing from the spirit of the present invention for those skilled in the art to which the present invention pertains. It is not.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은, 도파관 불연속 경계면을 완만한 연속 경계면으로 변환하여 도파관 결합부에서 반사없이 에너지를 전달하므로써, 위성통신 급전 시스템의 원형 도파관과 구형 도파관의 연결시 모드변화에 의한 모드손실을 제거할 수 있으며, 구형 도파관에서 원형 혼안테나로 급전시 사용되며 이 설계방법이 응용되어지는 도파관 트랜스퍼머, 임피던스 정합장치 및 혼 안테나 설계에도 유용하게 이용될 수 있다.As described above, the present invention converts the waveguide discontinuous interface into a smooth continuous interface and transfers energy without reflection from the waveguide coupling unit, thereby reducing the mode loss due to the mode change when the circular waveguide and the rectangular waveguide are connected in the satellite communication feeding system. It can be used to feed a circular horn antenna from a rectangular waveguide, and can be usefully used in waveguide transformer, impedance matching device and horn antenna design to which this design method is applied.
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