KR100222668B1 - 선형편파 및 원형편파 겸용 편파기 - Google Patents

Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야

편파회로

2. 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제

구형 도파관과 원형 도파관 사이의 결합에너지를 반사없이 전송시키고자 한다.

3. 발명의 해결 방법의 요지

구형 도파관과 원평 도파관 사이의 편파 변환기를 제공한다.

4. 발명의 중요한 용도

위성 통신 기지국용 C-밴드 2중 편파 급전 시스팀

Description

선형편파 및 원형편파 겸용 편파기{COMBINATION POLARIZER FOR LINEAR AND CIRCULAR POLARIZED WAVE}

본 발명은 선형편파 및 원형편파 겸용 편파기에 관한 것이다.

일반적으로, 선형편파된 마이크로파 신호를 원형편파된 마이크로파 신호로 변환, 또는 역으로 변환하는 방법은 다음과같이 다양한 방법으로 사용되어져 왔다.

첫째, 구형도파관에 자성체를 삽입시켜 편파기를 구성하는 방법이 있는데 이 방법은 자기장을 이용하여 선형편파 신호를 임의의 각도와 방향으로 회전시켜 좌선회편파 및 우선회편파를 발생시키는 것인데, 자성체의 보자력에 따라 위상편이현상이 발생하여 정확한 원편파를 만들기가 어려운 문제점이 있었다.

둘째, 도파관의 내부 구조물을 주름형으로 구성시켜 수평과 수직전계간에 위상차를 90⁰편이시켜 원형편파를 발생시키는 방법으로 내부 주름형 구조물이 정교해야되고 복잡하므로 제작이 어려운 단점이 있었다.

셋째, 위성용 안테나에서 반사판 안테나의 곡면상단부를 주름형으로 만들어 수신되는 원편파신호를 선편파로 직접 변환하여 수신하는 방법이 있는데 이 방법 또한 곡면 반사판의 주름형 구조물 설계 및 제작이 매우 어려운 문제점이 있었다.

넷째, 혼안테나 내부에 유전체를 삽입하여 급전에너지를 원편파로 변환시켜 전송하거나 수신하는 방법이 있는데 이 방법은 유전체판이 고정되어 있기 때문에 좌-우선회편파를 선택적으로 변환할 수 없다.

다섯째, 유전체판의 모양이 직선형태로 된 것이 있지만 이 방법은 내부유전체판의 정합조건을 정확히 맞추기 어렵고 판을 직선형태로 만들 경우 입사에너지의 손실이 생기는 등의 문제점이 있다.

그리고, 급전편파시스팀은 위성통신 기지국설비중 위성과의 송수신과 위성방송을 가능하게 하는 것이다. 그런데, 급전편파시스팀에 대한 국내 기술은 선진국에 비해 아주 뒤떨어져 있으며 앞으로 선진국의 통신개방압력에 대처하기 위하여 이 부품에 대한 개발이 시급하며, 각종 위성 및 기지국 급전시스팀에 필요하기 때문에 활용범위가 넓고 국내 위성통신 기술 발전을 고려할 때 편파기 개발의 중요성은 날로 커지고 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 2개의 주파수에 해당되는 편파를 합성 및 분리하고, 동일 주파수대의 전파를 동시에 송수신할 수 있도록 선형편파와 원형편파를 선택적으로 변환할 수 있는 선형편파 및 원형편파 겸용 편파기를 제공하는 데 그 목적이 있다.

도1은 본 발명에 따른 선형편파 및 원형편파 겸용 편파기의 일실시예 사시도,

도2 내지 도4는 도1의 회전핀의 결합위치에 따른 전계의 직교모드성분에 대한 특성 예시도,

도5는 도1의 유전체판에 대한 설명 예시도,

도6 내지 8은 본 발명에 따른 선형편파 및 원형편파 겸용 편파기의 성능 측정에 대한 특성도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

20 : 구형 도파관 30 : 모드변환기

31,32 : 원형 플랜지 33 : 도파관테이퍼

40 : 유전체판이 삽입된 원형 도파관

41,42,43 : 회전핀 45 : 원형 플랜지

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 신호 접속용 도파관을 통해 입력되는 신호의 모드를 변환시켜 출력용 도파관을 통해 출력하는 선형편파 및 원형편파 겸용 편파기에 있어서, 양 끝단에 각각 원형 플랜지(flange)를 갖고, 내부에 선형편파와 원형편파가 선택적으로 이루어지는 원형 도파관; 상기 원형 도파관 내부에 일체로 형성되며, 상기 원형 도파관의 회전 각도에 따라, 상기 신호 접속용 도파관을 통해 입력되는 신호를 접선성분모드와 법선성분모드로 위상 지연시켜 출력편파를 변화시키는 유전체판; 상기 원형 도파관과 및 상기 출력용 도파관에 각각 설치되도록 일측 끝단에는 원형 플랜지가 구비되고 타측 끝단에는 구형 플랜지가 구비되며, 상기 원형 도파관으부터 전송되는 결합에너지를 반사되지 않도록 전송하여, 상기 원형 도파관과 상기 출력용 도파관 간의 전파 모드를 손실없이 변환시키는 모드변환기; 및 상기 원형 도파관과 상기 모드변환기 간의 결합상태를 소정의 각도 만큼씩 회전된 상태로 변환시키기 위한 회전결합수단을 포함한다.

한편, 편파기는 유전체판이 삽입된 원형 도파관인 편파기와 모드변환기가 3개의 회전핀으로 결합되어 있다.

먼저, 첫 번째 회전핀은 선형편파된 신호가 편파기를 통하여 지나가도 선형편파로 남을 수 있게 한다. 두 번째 회전핀에서는 선형편파와 우선회편파사이에 변환이 이루어지고, 세 번째 회전핀에서는 선형편파와 좌선회 원형편파 사이에 변환이 이루어진다.

따라서, 편파변환회로에서 원형 도파관 내부에 삽입된 유전체판의 위치가 출력 편파를 결정한다. 그리고, 구형단면에서 원형단면으로 변환되도록 설계된 모드변환기는 편파변환회로인 원형 도파관과 송신기 또는 수신기에 연결되는 구형 도파관 사이에 결합되어 있다. 이 변환기는 구형 도파관의 기본모드인 TE₁₀모드를 원형 도파관의 기본모드인 TE₁₁모드로 변환시키는 인터페이스 작용을 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예를 상세히 설명한다.

도1은 본 발명에 따른 선형편파 및 원형편파 겸용 편파기의 일실시예 사시도로서, 모드변환기(30)와, 유전체판이 삽입된 원형 도파관(40)으로 이루어져 있다.

도면에서, 신호 접속용 원형 도파관(10)은 외부로부터 전달되는 신호를 편파기(50)로 접속하여 주는 입력포트 기능을 수행하며, 그리고 구형 도파관(20)은 편파기(50)에 의해 모드가 변환된 신호를 외부로 전달하는 출력포트 기능을 수행한다. 여기서, 편파기(50)는 신호 접속용 원형 도파관(10)을 통해 전달되는 신호의 모드를 변화시킨 후, 구형 도파관(20)으로 전달하는 것이다.

편파기(50)는 좌측으로 원형 도파관(40)에, 우측으로는 송신기 혹은 수신기에 결합된다. 구형 도파관(20)과 원형 도파관(40)과의 사이에 결합된 모드변환기(30)는 구형단면에서 원형단면으로 변환되도록 설계되었으며 구형 도파관의 기본모드인 TE₁₀를 원형 도파관의 기본모드인 TE₁₁모드로 변환시키는 인터페이스 기능을 한다.

원형도파관(40) 내부에 유전체판을 삽입하는 방법은 도1에서와 같이 원형도판관 내벽에 내벽홈(47)을 만들어 유전체판이 삽입될 수 있도록 구성하고, 내벽홈(47)을 통하여 유전체판(44)을 밀어 넣으면, 고정된 상태가 되도록 설치한다.

그리고, 유전체가 삽입된 원형 도파관(40)은 모드변환기(30)와 결합되어 TE₁₁모드로 전송된 전자파를 원형편파 혹은 선형편파로 변환한다. 원형 도파관(40)은 모드변환기(30)에 대해 상대적으로 회전 가능하며 이들간의 결합방법은 원형 플랜지(45)에 있는 회전핀(41,42,43)과 모드변환기(30)의 원형 플랜지(31) 상의 핀(34)과 선택적으로 맞물려 질 수 있다.

상기 모드 변환기상의 핀(34)은 회전핀(41)과 결합하면 선형편파 신호가 편파기를 통하여 지나가도 선형편파로 남는다. 그리고, 핀(34)을 회전핀(42)에 결합시키면 선형편파와 우선회 원형편파사이에 변환이 이루어지고 핀(34)을 회전핀(43)에 결합시키면 선형편파와 좌선회 원형편파사이에 변환이 이루어진다.

그리고, 상기 모드 변환기(30)를 설명하면, 다음과 같다. 31 및 32는 플랜지부, 33은 도파관테이퍼를 각각 나타낸다.

상기 모드변환기(30)는 원형 도파관(40)에 플랜지(31)로 연결되며, 송신기 또는 수신기에 연결되는 구형 도파관(20)에 플랜지부(32)와 결합되도록 되어 있다.

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 구형 도파관(20)에 유기된 TE₁₀모드를 TE₁₁모드로 변환시켜 유전체가 삽입된 원형 도파관(40)에 전달하는 인터페이스 기능을 한다.

선형-원형편파 변환에 의한 원형 도파관(40)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(40)과 구형 도파관(20) 사이에 완만한 곡선을 이루어 모드 손실없이 모드변환이 이루어지게 하기 위해서는 알맞은 테이퍼 함수를 선정해야 한다.

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.

먼저, 쉘크노프의 모드 변환이론인 텔레그래피스트 방정식을 도파관 테이퍼에 적용하면 다음 [수학식 1]과 같은 반사 계수식을 구할 수 있다.

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 다음 [수학식 2]와 같다.

상기 [수학식 2]에서 최소가 되는 반사 계수값을 구하기 위해서는 정규화된 임피던스의 미분항을 적당한 테이퍼 함수로 대치하기 위하여 반사계수값을 푸리에 변환함수를 이용한다. 상기 [수학식 2]를 역변환시켜 찾고자 하는 테이퍼 함수를 계산하면 다음 [수학식 3]과 같다.

상기 [수학식 3]에서 반사계수의 특성곡선 함수를 특정함수로 결정하게 되면 테이퍼 함수를 쉽게 찾을 수 있다.

계산과정을 편리하게 하기 위하여 특정함수를 다음 [수학식 4] 및 [수학식 5]와 같이 정의한다.

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).

여기서, p는 다음 [수학식 7]과 같고, u는 다음 [수학식 8]과 같다.

다음은 모드변환기 설계에 대하여 설명한다.

푸리에 변환함수 테이퍼를 이용하여 구형 도파관과 원형 도파관을 연결시켜주는 도파관 모드변환기를 설계한다.

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.

, 2π-θ_1 ≤ θ≤θ_1

, θ_1 ＜ θ≤π-θ_1

, π-θ_1 ＜ θ≤π+θ_1

, π+θ_1 ＜ θ≤2π-θ_1

구형 도파관은 각 θ가 변함에 따라 도파관 폭이 달라지지만 원형 도파관의 도파관 폭은 각θ에는 관계없이 일정하다. 따라서 구형 도파관을 1부터 4 까지의 구간으로 나누어 원형 도파관을 이 구간에 대응하도록 설계한다.

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 상기 [수학식 6]에 적용하여 테이퍼 길이 z에 따라 달라지는 각 지점의 x, y값을 산출하면 모드 변환기의 설계치를 얻을 수 있다.

도2는 도1의 핀(34)을 회전핀(43)에 결합시켰을 때 나타나는 전계의 직교모드 성분에 대한 특성 예시도이다.

유전체판이 삽입된 원형 도파관과 원형 도파관(40)는 4단자망으로 구성되는데, 입력측에 수직인 y방향은 단자 1, x방향은 단자 2이고 이에 대응되는 출력측 단자는 각각 단자 3, 단자 4이다. 원형 도파관(40)에 입사된 전계성분은 그림 2에서와 같이 유전체판(44)에 접하는 접선성분과 유전체판(44)에 직교하는 법선성분으로 분리시킬 수 있다.

도2에 도시된 바와 같이, y축을 기준으로 θ가 45°인 경우이며, 좌선회 원형편파 발생원리는 원형 도파관(40)에 입사된 선형편파(a)성분중 유전체판(44)에 접하는 접선성분(b)이 유전체판에 의해서 90°위상지연이 되므로써 출력측에 좌선회 원형편파가 발생한다. 이때, 유전체판에 평행인 접선성분 모드와 수직인 법선성분 모드는 다음 [수학식 13] 및 [수학식 14]와 같이 나타낼 수 있다.

여기서 J_1는 제 1종 베셀(Bessel)함수이고, J_1 '은 J_1 함수의 미분형을 나타내며, k_11는 TE₁₁모드 함수의 고유치, a는 원형 도파관의 반경, rho , phi는 원통좌표 성분, beta _t~ 와~ beta _n은 각각 전계의 접선성분의 전파상수와 법선성분의 전파상수를 나타낸다.

도3은 도1의 핀(34)을 회전핀(42)에 결합시켰을 때 나타나는 전계의 직교모드 성분에 대한 특성 예시도로서,

인 경우이며 유전체판(44)에 접하는 접선성분(b)을 -90°위상지연시킴으로서 출력측에 우선회 선형편파가 나타난다.

도4는 도1의 핀(34)이 회전핀(41)에 결합된 경우에 대한 특성 예시도로서, 원통도파관 내에 삽입된 유전체판(44)이 평행이거나 수직으로 놓인 경우 입사된 전계방향이 굴절되거나 반사되지 않는다. 도4(a)의 경우는 θ=0°이며 유전체판(44)에 접하는 접선성분을 180°위상지연시켜 출력측에 접선성분모드만 존재한다. 또한 유전체판(44)의 도4(b)와 같이 삽입될 경우 θ=90°이며 입사된 선형편파는 위상지연없이 그대로 출력측에 나타난다.

도5는 설계된 유전율 2.5인 테프론 유전체판(44)에 대한 설명 예시도로서, 신호 접속용 원형 도파관(10)과 원형 도파관(40) 그리고 원형 도파관(40)과 모드변환기(30) 사이의 불연속 특성에 의한 부정합 조건을 고려하여 설계된 것이다.

각 도파관과 유전체가 삽입된 원형 도파관 간에 정합조건을 유도하려면 유전체판(44)의 전파상수를 점차적으로 테이퍼시켜 입력 원형 도파관(40)의 전파상수와 일치하도록 설계하여야 한다. 따라서 유전체판 테이퍼 함수를 푸리에 변환함수를 이용하여 반사계수를 줄이면서 lambda _g /4길이로 짧게 설계되었다.

도6 내지 8은 본 발명에 따른 선형편파 및 원형편파 겸용 편파기의 성능 측정에 대한 특성도로서, 도6은 우선회 원편파의 수평성분과 수직성분의 크기를 나타낸 것으로 동일한 크기임을 보여주고 있고, 도7은 우선회 원편파의 위상차를 나타낸 것으로 수직성분과 수평성분의 위상차가 -90°임을 보여주고 있으며, 그리고 도8은 좌선회 원편파의 수직성분과 수평성분에 대한 위상차를 나타내는 것으로 90° 위상차를 보여주고 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로, 전술한 실시예 및 도면에 한정되는 것이 아니다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은, 구형단면을 갖는 구형 도파관과 원형단면을 갖는 원형 도파관이 연결부에 의하여 서로 결합되어 구형 도파관에서 원형 도파관 간의 전송되는 결합에너지를 반사없이 전송시키기 위해서 구형 도파관과 원형 도파관간의 변환회로인 도파관 테이퍼를 결합시켰으며, 또한 원형 도파관으로 전송된 에너지가 선형편파와 원형편파사이에 상호 변환되도록 원형 도파관 내부에 유전체를 삽입시켜, 다음과 같은 효과들을 갖는다.

첫째, 구형 도파관과 원평 도파관 사이에 전송되는 결합 에너지를 반사없이 전송시킬 수 있다.

둘째, 원형도파관에 유전체만을 삽입하여 구성하므로 제작하기가 쉬워 매우경제적이다.

셋째, 45⁰간격으로 설치된 회전핀을 이용하여 좌-우선회 편파를 선택적으로 변환할 수 있고, 이에 따라 좌-우선회 편파장치를 따로 구성할 필요가 없다.

넷째, 유전체판의 홈을 곡선형태로 만들어 전술한 다섯 번째 선행기술에서 판을 직선형태로 만들 때 생기는 반사손실을 현저하게 줄일 수 있다.

Claims (13)

1. (삭제)
2. (삭제)
3. (삭제)
4. (삭제)
5. (삭제)
6. (삭제)
7. (정정)

   신호 접속용 도파관을 통해 입력되는 신호의 모드를 변환시켜 출력용 도파관을 통해 출력하는 선형편파 및 원형편파 겸용 편파기에 있어서,

   양 끝단에 각각 원형 플랜지(flange)를 갖고, 내부에 선형편파와 원형편파가 선택적으로 이루어지는 원형 도파관;

   상기 원형 도파관 내부에 일체로 형성되며, 상기 원형 도파관의 회전 각도에 따라, 상기 신호 접속용 도파관을 통해 입력되는 신호를 접선성분모드와 법선성분모드로 위상 지연시켜 출력편파를 변화시키는 유전체판;

   상기 원형 도파관과 및 상기 출력용 도파관에 각각 설치되도록 일측 끝단에는 원형 플랜지가 구비되고 타측 끝단에는 구형 플랜지가 구비되며, 상기 원형 도파관으부터 전송되는 결합에너지를 반사되지 않도록 전송하여, 상기 원형 도파관과 상기 출력용 도파관 간의 전파 모드를 손실없이 변환시키는 모드변환기; 및

   상기 원형 도파관과 상기 모드변환기 간의 결합상태를 소정의 각도 만큼씩 회전된 상태로 변환시키기 위한 회전결합수단

   을 포함하는 선형편파 및 원형편파 겸용 편파기.
8. (정정)

   제7항에 있어서,

   상기 유전체판은 실질적으로 유전율이 2.5인 테프론인 것을 특징으로 하는선형편파 및 원형편파 겸용 편파기.
9. (정정)

   제7항에 있어서,

   상기 회전결합수단은,

   45。간격으로 상기 원형 플랜지 상에 배치된 제1 내지 제3 회전핀

   을 포함하는 선형편파 및 원형편파 겸용 편파기.
10. (정정)

    제7항에 있어서,

    상기 모드변환기는,

    상기 원형 도파관과 결합되도록 상기 원형 도파관의 플랜지와 동일 크기 및 형상을 갖는 제1 플랜지;

    상기 출력용 도파관과 결합되도록 상기 구형 도파관의 플랜지와 동일 크기 및 형상을 갖는 제2 플랜지; 및

    상기 제1 및 제2 플랜지가 양 끝단이 되도록 일체로 형성되며, 상기 신호 접속용 도파관과 상기 출력용 도파관의 불연속 경계면을 완만한 연속 경계면으로 변환시키기 위해, 푸리에(Fourier)변환 테이퍼 함수를 이용하되, 상기 신호 접속용도파관과 상기 출력용 도파관의 서로 다른 구조의 좌표계를 동일 구조의 좌표계로 변환하여 각도에 따라 상호 대응시켜 구성한 도파관 테이퍼

    를 포함하는 선형편파 및 원형편파 겸용 편파기.
11. (정정)

    제10항에 있어서,

    상기 도파관 테이퍼는,

    상기 상기 신호 접속용 도파관과 상기 출력용 도파관의 서로 다른 구조의 좌표계를 상기 동일 구조의 좌표계로 변환하여 각도에 따라 상호 대응시키되, 상기 동일 구조의 좌표상에서 상기 출력용 도파관의 대각선이 이루는 각도에 따라 4구간으로 나누어, 각각 대응시켜 구성한 것을 특징으로 하는 선형편파 및 원형편파 겸용 편파기.
12. (정정)

    제10항 또는 제11항에 있어서,

    상기 도파관 테이퍼는, 실질적으로 '0'에 근사하는 반사계수를 갖는 것을 특징으로 하는 선형편파 및 원형편파 겸용 편파기.
13. (정정)

    제12항에 있어서,

    상기 도파관 테이퍼는,

    특정 각도에서, 상기 출력용 도파관과 상기 신호 접속용 도파관간의 폭비값을 소정의 정규화된 부하 임피던스값으로 표현한 후, 상기 푸리에 변환 테이퍼 함수에 대입하여 반사계수가 최소인 설계길이를 설정하고, 그 값을 이용하여 상기 도파관 테이퍼의 길이에 따라 달라지는 각 지점의 x축 및 y축 좌표값을 산출하여 설계하는 것을 특징으로 하는 선형편파 및 원형편파 겸용 편파기.

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