KR100269587B1 - 마이크로웨이브 서큘레이터 - Google Patents

Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야

마이크로웨이브 서큘레이터

2. 발명이 해결하려고 하는 기술적 요지

본 발명은 최적상태의 통신을 제공함과 동시에 주파수대의 운영 범위를 확장시키고 삽입손실을 감소시키므로써, 운영상 및 기능상의 가능성을 향상시킨 마이크로웨이브 서큘레이터를 제공하는데 그 목적이 있다.

3. 발명의 해결방법의 요지

본 발명은 서로 교차하는 마이크로스트립포트를 가지며, 교차부에 가이드 홀이 형성된 웨이브가이드 부재; 상기 웨이브가이드 부재의 가이드 홀과 연통하는 홀을 가지며, 상기 웨이브가이드 부재를 지지하는 실린더; 상기 웨이브가이드 부재의 교차부에서 자장을 형성하는 자기부재; 상기 실린더의 홀에서 웨이브가이드 부재의 가이드 홀측으로 축운동하는 삽입부재; 및 상기 삽입부재에 구동력을 제공하는 수단을 포함하는 마이크로웨이브 서큘레이터를 제공한다.

4. 발명의 중요한 용도

본 발명은 주파수의 운용범위를 확대시킬 수 있는 서큘레이터에 관한 것임.

Description

마이크로웨이브 서큘레이터{Microwave circulator}

본 발명은 마이크로웨이브 서큘레이터(microwave circulator)에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 마이크로웨이브의 운영 범위를 확장시키고 삽입손실을 감소시키므로써, 항공기의 무선통신, 레이다 시스템등과 같은 능동 송 수신 마이크로웨이브 시스템에서 독립적으로 이용되는 마이크로웨이브 서큘레이터에 관한 것이다.

일반적으로, 마이크로웨이브 기술에서는 일측 단자쌍으로부터의 입력이 적어도 2개이상의 타측 단자쌍으로 출력될 경우, 순차적으로 출력되는 것이 요구되고 있다. 이에 따라, 종래에는 도1에 도시된 바와 같이, 여자된 페라이트(ferrite) 재질로 이루어진 기판(1)상에 웨이브가 입력 또는 출력될 수 있는 Y-교차점으로 형성되는 마이크로스트립(microstrip)선(2)이 구비되고, 상기 마이크로스트립(2)선의 중앙부에 자기시스템이 장착된 마이크로웨이브 서큘레이터가 채용되어 왔다.

그러나, 상기한 종래 기술에 따른 마이크로웨이브 서큘레이터는, 마이크로스트립선이 mm웨이브 범위에서 허용할 수 있는 자기 포화된 페라이트 기판(1)으로 만들어지고, 마이크로스트립선을 구성하는 전류 전도체에 마이크로웨이브 전류가 높게 집중되므로, 노출된 마이크로스트립선에 상대적으로 전자기 방사가 높게되고, 상대적으로 열전도성이 낮게 되었다.

이와 같은 종래의 마이크로웨이브 서큘레이터는, 내부에 남아있는 복사에너지를 제거할 필요가 있을 경우, 삽입손실이 큰 것에 비하여 통과(pass) 마이크로웨이브의 전력이 낮게 되므로, 이를 개선하기 위하여 종래에는 다음과 같은 구조를 갖는 마이크로웨이브 서큘레이터가 개발되었다.

그러면, 첨부된 도2 및 도3을 참조하여 종래 기술에 따른 마이크로웨이브 서큘레이터에 대하여 간략히 설명하면 다음과 같다.

도2에 도시된 바와 같이, 종래 기술에 따른 마이크로웨이브 서큘레이터는, 일단부가 만나서 교차되는 부분(3a)이 형성된 Y-형상의 도파관(3)과, 상기 도파관(3)의 교차부(3a) 중심위치에 장착되는 여자된 페라이트 재질의 삽입부재(4)와, 상기 삽입부재(4)의 하측에 고정되어 상기 삽입부재(4)에 회전력을 제공하는 구동수단(5)을 포함하고 있다.

여기서, 상기 구동수단(5)은 표면이 전도성 물질로 되어 있으며, 그 하부는 상기 도파관(3)의 교차부(3a) 외부로 돌출되어 있다.

그러나, 상기한 바와 같은 종래의 마이크로웨이브 서큘레이터가, 혼성 집적(hybrid integrated)회로, 마이크로스트립선 및 마이크로웨이브 회로에 이용되기 위해서는 반드시 그들의 연결 매개체가 되는 마이크로웨이브 어댑터(adapter)가 채용되어야하므로 운용상에 제한이 생기게 되고, 도파관 교차부의 하측에 위치되는 여자된 페라이트 재질로 이루어진 삽입부재의 일부가 구동수단의 전도성 표면과 접촉면을 가진다는 점에서 상대적으로 삽입손실이 큰 문제점이 있었다.

또한, 페라이트 삽입부재가 상기 웨이브가이드 교차부에 내재되는 구조로 인하여, 구동수단을 통하여 마이크로웨이브 전력이 누설(leakage)되고, 상기 삽입부재내에서 시작되는 전자기 형태로 된 두꺼운 스펙트럼을 갖는 비운용 웨이브의 주파수 응답에 가파른 변동이 존재하게 되는데 다른 문제점이 있었다.

그리고, 상기 웨이브가이드 서큘레이터의 특성상, 도파관 내부에 삽입된 페라이트 삽입부재의 주변공간이 넓기 때문에 제품의 전체적인 크기가 커지는데 또 다른 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 마이크로스트립선을 이용한 서큘레이터와 웨이브가이드를 이용한 서큘레이터를 혼합한 구조를 구현하여, 삽입손실을 감소시킬 수 있는 마이크로웨이브 서큘레이터를 제공함에 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 서큘레이터 전체의 크기를 감소시킬 수 있고, 마이크로웨이브 주파수대의 운영 범위를 확장시키므로써 항공기의 무선통신, 레이다 시스템 등과 같은 능동 송,수신 마이크로웨이브 시스템에서 독립적으로 이용될 수 있도록한 마이크로웨이브 서큘레이터를 제공함에 다른 목적이 있다.

도1은 종래 기술에 따른 마이크로웨이브 서큘레이터의 일예를 나타낸 사시도.

도2는 종래 기술에 따른 마이크로웨이브 서큘레이터의 다른 일예를 나타낸 사시도.

도3은 도2의 A-A선 단면도.

도4는 본 발명에 따른 마이크로웨이브 서큘레이터의 실시예 구성을 개략적으로 나타낸 사시도.

도5는 도4의 B-B선을 따른 단면도.

도6(a) 내지 도6(c)는 도4의 마이크로스트립포트가 변형된 실시예도.

도7은 도4의 구동수단의 변형된 실예시도.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10 : 웨이브가이드 부재 10a : 마이크로스트립포트

11 : 가이드 홀 20 : 자기부재

30 : 삽입부재 40 : 실린더

41 : 실린더홀 42 : 카트리지

42a : 나사홀 43 : 원뿔대

43a : 관통홀 44 : 체결나사

45,51 : 원통형홈 50 : 제2구동수단

52 : 절단면 53 : 노치

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 유전체 물질이 충전된 다수의 마이크로스트립포트가 형성되고, 그 중앙부에 중공의 가이드 홀이 형성된 웨이브가이드 부재; 상기 웨이브가이드 부재의 하측에 장착되어 상기 웨이브가이드 부재를 지지하며, 상기 웨이브가이드 부재의 가이드 홀과 연통되는 홀이 내부에 형성된 실린더; 상기 웨이브가이드 부재의 중앙부 상측에 장착되며, 자기장을 형성하는 자기부재; 상기 실린더에 내장되며, 상기 실린더의 홀과 상기 가이드 홀 사이에서 이동가능하도록 장착된 페라이트 재질의 삽입부재; 및 주파수 응답의 진폭이 가파르게 변동되는 것을 방지하기 위해, 상기 삽입부재를 운동시키는 구동력을 제공하는 구동력 제공수단을 포함하는 마이크로웨이브 서큘레이터를 제공한다.

이하, 도4 내지 도7을 참조하여 본 발명의 실시예의 구성 및 작용에 대해 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 마이크로웨이브 서큘레이터는, 도4 및 도5에 도시된 바와 같이, 내부에 유전체 물질이 채워져있는 적어도 3개 이상(도시예에서는 다섯개)의 마이크로스트립포트(10a)를 가지며, 중앙부분에 중공의 원반형 가이드홀(11)이 형성되는 웨이브가이드 부재(10)와, 상기 웨이브가이드 부재(10)의 중앙부분 상측에 장착되어 자기장을 형성하는 자기부재(20)와, 여자된 페라이트 물질로 이루어지고, 상단부가 웨이브가이드 부재(10)의 가이드홀(11) 내부에 위치되는 삽입부재(30)와, 상기 삽입부재(30)의 하단부를 수용할 수 있는 실린더홀(41)이 가이드홀(11)의 축방향 연장선상에 형성되고, 상기 삽입부재(30)에 운동력을 제공하는 제1구동수단이 설치되는 전도성 재질의 실린더(40)를 포함한다.

상기 실린더홀(41)은 가이드홀(11)과 실질적으로 동일한 직경을 갖도록 형성된다. 그리고, 상기 제1구동수단은, 실린더홀(41)의 하측에 장착되는 전도성 재질의 카트리지(42)와, 상기 카트리지(42)의 상측에 장착되는 원뿔대(43)와, 상기 카트리지(42) 및 원뿔대(43)에 체결된 체결나사(44)를 구비한다.

여기서, 상기 카트리지(42)는 그 외주면에 나사산이 형성되고, 그 상단부에는 끝이 잘린 원뿔꼴, 즉 원뿔대 형상의 홈이 형성되되 좁은 면이 하측에 위치되는 형상으로 형성되며, 이 홈에 상기 원뿔대(43)의 일단부가 장착된다. 또한, 상기 원뿔대(43)의 상단부에는 상측으로 개구된 원통형상의 홈(45)이 형성되며, 상기 원통형홈(45) 상에는 상기 여자된 페라이트 삽입부재(30)의 하단부가 장착된다.

한편, 상기 가이드홀(11)의 직경(D_hole)은 df＜Dhole＜0.4λ라는 관계식으로부터 선택되어지며, 상기 원통형홈(45)의 직경은 최소한 0.02λ이상으로 적어도 자기부재(20)의 외주면 직경보다 크고, 상기 원통형홈(45)의 깊이는 0.25λ을 넘지않도록 형성된다. 여기서, 상기 df는 원통형으로 형성된 삽입부재(30)의 직경을 나타내고, 상기 Dhole은 가이드홀(11)의 직경을 나타내며, 상기 λ는 웨이브의 운용 범위에서 평균 파장을 나타낸다.

또한, 상기 카트리지(42)에는 그 중앙부분을 상 하방향으로 관통하되 내면에 나사산이 형성된 나사홀(42a)이 형성되며, 상기 원뿔대(43)의 중앙부분에는 나사홀(42a)에 연통되되 역시 내면에 나사산이 형성된 관통홀(43a)이 형성된다. 상기 나사(44)는 나사홀(42a) 및 관통홀(43a)을 관통하도록 체결된다. 이때, 상기 체결나사(44)의 머리는 카트리지(42)의 하단부에 돌출되도록 위치되며, 외력에 의하여 상기 체결나사(44)가 회전하여 상하이동할 경우, 자기부재(20)가 운동하도록 되어 있다.

그리고, 상기 가이드홀(11), 자기부재(20), 나사홀(42a), 관통홀(43a), 원통형 홈(45), 여자된 페라이트 삽입부재(30) 및 체결나사(45)는 동일한 수직축(00')을 갖도록 위치된다.

한편, 상기 마이크로스트립포트(10a)의 폭은 그 외측으로 가면서 점진적으로 감소 또는 증가되는 것이 바람직하며, 그의 몇 가지 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

즉, 도6(a)는 마이크로스트립포트(10a)의 폭이 그 외측으로 갈수록 점차 줄어들되 선형으로 감소되는 형상을 나타내며, 도6(b)는 마이크로스트립포트(10a)의 자유단부 폭이 축소된 직사각형의 평면을 가지는 형상이며, 도6(c)는 마이크로스트립포트(10a)의 폭이 그 외측에서 곡선형으로 점차 줄어드는 형상이다.

이와 같은 구성으로 이루어진 본 발명의 실시예는, 상기 카트리지(42)의 외부로 돌출되어 있는 체결나사(44)의 머리를 회전시키므로써, 주파수 응답의 진폭이 가파른 변동이 일어나는 것을 방지하며, 결과적으로 삽입손실을 감소시키고 운용 주파수 범위를 확대시킨다.

한편, 상기한 마이크로웨이브 서큘레이터의 구동수단의 다른 실시예를 도7을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도7에 도시된 바와 같이, 실린더(40)의 내부에는 제2구동수단(50)이 장착된다. 상기 제2구동수단(50)의 상단부에는 직경이 최소한 0.02λ이상이며 깊이가 0.25λ을 넘지않는 원통형의 홈(51)이 형성되고, 상기 원통형홈(51)의 중앙에는 여자된 페라이트 삽입부재(30)가 장착된다. 이때, 상기 삽입부재(30), 실린더(40) 및 원통형 홈(51)은 동일한 수직축(00')을 갖도록 위치된다.

또한, 상기 제2구동수단(50)에는 그 길이방향을 따라 소정 길이만큼의 절단면(52)이 형성되고, 상기 절단면(52)의 내측으로는 실린더(40)의 길이방향 축과 직교되는 적어도 하나 이상의 노치(notch)(53)가 형성되며, 상기 노치(53)의 길이는 적어도 상기 제2구동수단(50)의 반경보다 크도록 형성된다. 이와 같은 노치(53)들에 의하여 제2구동수단(50)의 길이가 탄력적으로 증가 또는 감소하게 된다.

상기한 본 발명의 구조는 다음과 같은 두 가지의 운용 모드를 제공하며, 이하 후술되는 모드에 대하여 본 발명의 작용을 상세히 살펴보면 다음과 같다.

1) 표면 페라이트 웨이브 모드(mode) :

2) 볼륨(volume) 전자기파 모드 :

먼저, 표면 페라이트 웨이브 모드에서의 마이크로웨이브 서큘레이터는 다음과 같이 작동한다.

도4에 도시된 바와 같이, 상기 마이크로스트립포트(10a)들 중 선택된 하나, 예를 들면 마이크로스트립포트 Ⅰ이 여자될 경우, 자기부재(20)에 의하여 형성된 자기장의 외측 방향으로 향하는 마이크로웨이브 신호는 Ⅰ-＞Ⅱ-＞Ⅲ-＞Ⅳ-＞Ⅴ-＞Ⅰ의 방향으로 전파된다. 다시말해, 상기 각 마이크로스트립포트(10a)의 측면으로부터 여자된 삽입부재(30)에서, 즉 원통형홈(51)으로부터의 공기 경계면에서 마이크로웨이브 필드(field)가 밀집됨에 의하여 전파된다. 여기서, 상기 표면 페라이트가 웨이브 여자되는 방식은 전자기파가 표면 자기장으로 변형되는 높은 계수를 제공하며, 그것은 본 발명에 의한 마이크로웨이브 서큘레이터에 높은 주파수 범위와 낮은 삽입손실을 제공하게 된다. 이는, 페라이트 표면 웨이브의 발진이 최적으로 이루어지고, 웨이브 타입간에 최적의 상호관계를 형성할 수 있으며, 또한 페라이트 단면 표면과 페라이트를 동축으로 움직이게하는 장치 사이의 직접적인 접촉이 없으므로 해서 발생할 수 있는 정자기파(magnetic-static wave)의 형성 가능성이 없어지기 때문이다.

다음, 상기 볼륨 전자기파 모드에서의 마이크로웨이브 서큘레이터는 다음과 같이 작동한다.

도6a에 도시된 바와 같이, 상기 웨이브가이드 부재(10)의 마이크로스트립포트(10a)들 중 어느 하나, 예를 들면 마이크로스트립포트 Ⅰ이 여자될 경우, 상기 자기부재(20)에 의하여 형성된 자기장의 외측 방향으로 향하는 초고주파 신호는 Ⅰ-＞Ⅱ-＞Ⅲ-＞Ⅰ의 방향으로 전파된다. 여기서, 상기 신호의 순환은 여자된 삽입부재(30)에서 여자된 전자기장의 이중극 구조에 의하여 제공된다.

상기한 본 발명의 원통형홈(51)의 직경이 관계식, 즉 df＜Dhole＜0.4λ로부터 원통형홈(51)의 직경이 선택되어지는 것은, 삽입손실의 감소 및 주파수 운용 범위의 확대되도록 하며, 이것은 공진기의 표준 크기를 가진 삽입부재(30)의 일측에 장착된 공진기에서 여자된 하이 오더 모드(high order mode)의 억제 및 주파수 정화로부터 기인한다.

그리고, 원통형홈(51)의 깊이가 0.25λ를 넘지 못하며 이것은 그들간 최적상태 변화의 증가에 따른 공진 회전 모드에서의 운용 주파수대 범위를 확장시키게된다.

또한, 본 발명은 웨이브가이드 부재(10)의 중앙부분으로부터 마이크로웨이브 신호의 잔여 복사에너지를 제거하기 때문에, 상기 웨이브가이드 부재(10)의 벽면들과 체결나사(44)에 의해 연결되어 접촉하는 견고한 마이크로웨이브를 제공한다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 도면에 의해 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

상기한 바와 같은 본 발명에 따른 마이크로웨이브 서큘레이터는, 카트리지의 외부로 돌출되어 있는 체결나사의 머리를 회전시키므로써, 주파수 응답의 진폭이 가파른 변동이 일어나는 것을 방지하며, 특히 운용 주파수 범위를 확대시키고 삽입손실을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 상기한 구성에 의해 이루어진 본 발명에 따른 마이크로웨이브 서큘레이터는 소형화가 가능하다.

Claims (8)

1. 유전체 물질이 충전된 다수의 마이크로스트립포트가 형성되고, 그 중앙부에 중공의 가이드 홀이 형성된 웨이브가이드 부재;

   상기 웨이브가이드 부재의 하측에 장착되어 상기 웨이브가이드 부재를 지지하며, 상기 웨이브가이드 부재의 가이드 홀과 연통되는 홀이 내부에 형성된 실린더;

   상기 웨이브가이드 부재의 중앙부 상측에 장착되며, 자기장을 형성하는 자기부재;

   상기 실린더에 내장되며, 상기 실린더의 홀과 상기 가이드 홀 사이에서 이동가능하도록 장착된 페라이트 재질의 삽입부재; 및

   주파수 응답의 진폭이 가파르게 변동되는 것을 방지하기 위해, 상기 삽입부재를 운동시키는 구동력을 제공하는 구동력 제공수단을 포함하는 마이크로웨이브 서큘레이터.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 구동력 제공수단이,

   상기 실린더의 홀내에 삽입되며, 그 중앙부분을 관통하되 내주면에 나사산이 형성된 나사홀을 가진 카트리지;

   상기 카트리지의 상측에 장착되고, 그 내부에 상기 카트리지의 나사홀과 연통되는 관통홀이 형성되며, 그 상단부에 상기 삽입부재가 장착되는 소정크기의 홈이 형성된 전도성 재질의 원뿔대; 및

   상기 카트리지의 나사홀과 상기 원뿔대의 관통홀에 삽입되며, 상기 카트리지의 나사홀을 따라 상하이동하여 원뿔대 상에 장착된 삽입부재를 운동시키는 구동스크류를 포함하는 마이크로웨이브 서큘레이터.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 원뿔대의 상단부에 형성된 홈이 상기 삽입부재의 직경보다 크게 형성되되, 0.02λ(λ는 웨이브 운용범위에서의 평균파장)를 초과하지 않는 직경으로 형성되며, 그 깊이가 0.25λ이하인 마이크로웨이브 서큘레이터.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 구동력 제공수단이,

   상기 실린더의 홀에 끼워지며, 그 상단부에 상기 삽입부재가 장착되는 홈이 형성되고, 그 측면에는 상기 실린더 홀의 중심축방향에 실질적으로 평행한 홈이 형성되며, 외력에 의해 상하이동되어 상기 삽입부재를 운동시키는 이동부재를 포함하는 마이크로웨이브 서큘레이터.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 이동부재의 홈이 형성된 측면 상에 형성되며, 상기 실린더 홀의 중심축에 직교되는 적어도 하나 이상의 노치를 더 포함하는 마이크로웨이브 서큘레이터.
6. 제 5 항에 있어서,

   주파수 증폭응답에서의 미세한 파동을 감소시킬 수 있도록 상기 노치의 깊이가 이동부재의 홈이 깊이보다 소정길이만큼 크게 형성된 마이크로웨이브 서큘레이터.
7. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,

   상기 이동부재의 길이가 상기 노치에 의해 탄력적으로 가변되는 마이크로웨이브 서큘레이터.
8. 제 4 항에 있어서,

   상기 이동부재의 상단부에 형성된 홈의 직경이, 상기 삽입부재의 직경보다 크게 형성되되, 0.02λ를 초과하지 않는 직경으로 형성되며, 깊이는 0.25λ이하인 마이크로웨이브 서큘레이터.

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