KR100683007B1 - 에어라인 동축선로가 포함된 동축선로-도파관 천이 장치 - Google Patents

에어라인 동축선로가 포함된 동축선로-도파관 천이 장치 Download PDF

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Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야
본 발명은 에어라인 동축선로가 포함된 동축선로-도파관 천이 장치에 관한 것임.
2. 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제
본 발명은 추가 공정 및 프로브 제작없이도, 차단주파수가 26GHz인 범용 SMA 커넥터와 도파관만을 사용하여 주파수 특성이 우수하면서도, 소형, 경량, 저가의 천이 구조를 실현할 수 있는, 에어라인 동축선로가 포함된 동축선로-도파관 천이 장치를 제공하는데 그 목적이 있음.
3. 발명의 해결방법의 요지
본 발명은, 동축선로-도파관 천이 장치(구조)에 있어서, 상기 동축선로 및 상기 도파관 간 신호를 전달하기 위하여, 상기 동축선로로 SMA(Sub Miniature A) 커넥터를 사용하며, 상기 도파관; 상기 SMA 커넥터의 유전체와 내부도체로 구성된 유전체 동축선로; 상기 SMA 커넥터의 내부도체 중 상기 도파관에 침투된 프로브용 도체; 및 상기 유전체 동축선로와 상기 프로브용 도체 사이에 존재하며, 공기와 상기 SMA 커넥터의 내부도체로 구성된 에어라인 동축선로를 포함한다.
4. 발명의 중요한 용도
본 발명은 초고주파 및 마이크로파 대역의 통신 장치 및 부품 등에 이용됨.
도파관, 동축선로, SMA 커넥터, 에어라인 동축선로, 유전체 동축선로

Description

에어라인 동축선로가 포함된 동축선로-도파관 천이 장치{Coaxial to waveguide transition apparatus for embodying airline coaxial line}
도 1 은 본 발명에 따른 에어라인 동축선로가 포함된 동축선로-도파관 천이 장치의 일실시예 사시도,
도 2 는 상기 도 1의 일실시예 측면도,
도 3 은 상기 도 1의 동축선로-도파관 천이 장치의 성능 시뮬레이션 결과를 설명하기 위한 일실시예 그래프이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명
101 : 도파관
102 : SMA 커넥터의 내부도체 중 프로브용 도체
103 : 백쇼트 평면 104 : 공기
105 : SMA 커넥터의 내부도체 106 : SMA 커넥터의 테프론 유전체
107 : 에어라인 동축선로 108 : 유전체 동축선로
109 : SMA 커넥터 110 : 금속도체
본 발명은 에어라인 동축선로(Airline Coaxial Line)가 포함된 동축선로(Coxial Line)-도파관(Waveguide) 천이(Transition) 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 동축선로로 범용 SMA(Sub Miniature A) 커넥터를 사용하고, 프로브용 도체와 동축선로 사이에 에어라인 동축선로를 추가하여 주파수 특성을 향상시킨, 초고주파 및 마이크로파 대역의 동축선로-도파관 천이 장치에 관한 것이다.
마이크로파 및 밀리미터 주파수 대역의 회로들의 중요 적용 분야는 우주 항공 및 군사 분야이다. 그런데, 이 대역의 주파수의 회로로 이루어진 모듈의 입력 및 출력 포트는 도파관이나 SMA 커넥터를 사용하게 되므로 모듈간의 전기적 연결을 위하여 도파관과 SMA 커넥터의 천이 구조가 반드시 필요하게 된다. 또한, 이들 분야에서 사용되는 회로들은 강력한 기계적인 진동 및 충격에 노출되므로, 기계적 안정성 또한 매우 중요하다.
일반적으로, SMA 커넥터의 차단주파수에 해당하는 26GHz 이상의 주파수에서의 동축선로-도파관의 천이 구조는, 차단주파수 특성이 26GHz 이상인 코엑셜 피드쓰루(Coaxial FeedThru)를 사용하여 제작한다. 그러나, 이 경우 코엑셜 피드쓰루의 내부도체의 직경이 작아서 천이 구조를 위한 프로브로 적합하지 않기 때문에, 천이(Transition)를 위한 프로브를 추가로 제작하여야만 한다. 이 프로브와 내부도체는 접착이 되어야 하므로, 프로브 중심에 구멍을 파는 가공이 필요하고, 도전성 에폭 시로 접착하는 등의 추가 공정이 반드시 필요하게 된다.
하지만, 이러한 추가 공정시에 발생하는 오차는 천이 구조의 전기적 특성에 영향을 주게 되므로 안정적인 성능을 예측하기 어려운 문제점이 있다. 또한, 추가되는 공정 및 프로브 제작 등으로 인하여 동축선로-도파관 천이 구조는 경량, 저가로 구현될 수 없는 문제점이 있다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 추가 공정 및 프로브 제작없이도, 차단주파수가 26GHz인 범용 SMA 커넥터와 도파관만을 사용하여 주파수 특성이 우수하면서도, 소형, 경량, 저가의 천이 구조를 실현할 수 있는, 에어라인 동축선로가 포함된 동축선로-도파관 천이 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 동축선로-도파관 천이 장치(구조)에 있어서, 상기 동축선로 및 상기 도파관 간 신호를 전달하기 위하여, 상기 동축선로 로 SMA(Sub Miniature A) 커넥터를 사용하며, 상기 도파관; 상기 SMA 커넥터의 유전체와 내부도체로 구성된 유전체 동축선로; 상기 SMA 커넥터의 내부도체 중 상기 도파관에 침투된 프로브용 도체; 및 상기 유전체 동축선로와 상기 프로브용 도체 사이에 존재하며, 공기와 상기 SMA 커넥터의 내부도체로 구성된 에어라인 동축선로를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명은 초고주파 및 마이크로파 대역의 통신 장비 및 부품에 사용되는 천이 구조(동축선로-도파관 천이 장치)에 관한 것으로서, 특히 동축선로-도파관의 천이 구조(장치)를 도파관과 SMA 커넥터만을 사용하여 주파수가 SMA 커넥터의 차단주파수인 26GHz 이상의 특성(바람직하게는 30GHz 이상)을 갖도록 설계하고자 한다.
즉, 본 발명은 초고주파 및 마이크로파 대역의 동축선로-도파관 천이 구조(장치)에 관한 것으로, 별도의 프로브를 사용하지 않고, 약 26GHz의 차단주파수를 갖는 SMA 커넥터와 도파관만으로 구성하여, 30GHz 이상의 주파수 특성을 갖도록 천이 구조(장치)를 설계한다.
이를 위해, 본 발명은, 추가의 프로브 사용없이, 동축선로로 차단주파수가 26GHz인 범용 SMA 커넥터를 사용하고, 프로브용 도체와 동축선로 사이에 에어라인 동축선로를 추가함으로써, 주파수 특성을 향상시킬 뿐만 아니라, 구조적으로 간단하고 경량, 저가의 천이 구조(장치)를 실현할 수 있다.
본 발명에 따르면, 30GHz 이상의 주파수에서도 차단주파수가 약 26GHz인 SMA커넥터와 도파관 사이의 천이구조를 프로브없이 만들어 질 수 있으며, 특히 이렇게 만들어진 천이구조는 그 대역에서 2GHz 이상의 대역폭 특성을 가지고 있다. 따라 서, 본 발명으로 제작된 천이 구조는 기존 K-형 커넥터를 이용한 트랜지션에 비해 소형, 경량, 저가로 제작될 수 있는 장점을 갖고 있다.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1 은 본 발명에 따른 에어라인 동축선로가 포함된 동축선로-도파관 천이 장치의 일실시예 사시도로서, 특히 Ka-대역의 회로를 위한 동축선로-도파관 천이 구조를 보여준다. 그리고, 도 2 는 상기 도 1의 일실시예 측면도이다. 이하에서는 설명의 편의를 위하여, 도 1 및 도 2를 함께 설명하기로 한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 에어라인 동축선로(107)가 포함된 동축선로-도파관 천이 장치(구조)는, 동축선로(107,108) 및 도파관(101) 간 신호를 전달하기 위하여, 동축선로(107,108)로 SMA(Sub Miniature A) 커넥터(도 2의 109 참조)를 사용하며, 도파관(101)과, SMA 커넥터(109)의 테프론 유전체(106)와 내부도체(105)로 구성된 유전체 동축선로(108)와, SMA 커넥터(109)의 내부도체(105) 중 도파관(101)에 침투된 프로브용 도체(SMA 커넥터의 내부도체 중 도파관에 침투된 부분의 도체임)(102)와, 유전체 동축선로(108)와 프로브용 도체(102) 사이에 존재 하며, 공기(104)와 SMA 커넥터(109)의 내부도체(105)로 구성된 에어라인 동축선로(Airline Coaxial Line)(107)를 포함한다.
본 발명의 바람직한 일실시예에서는 Ka-대역의 회로를 위해 표준 도파관 WR-34를 설계 목표로 채택하였으며, 표준 도파관 WR-34의 TE10 모드의 주파수 대역은 21.7GHz 부터 33GHz 까지이다.
SMA 커넥터(109)의 내부도체(105) 중 도파관(101)에 침투된 부분의 도체(프로브용 도체)(102)는 도파관(101)으로 전달된 신호를 수집하거나 SMA 커넥터(109)로부터 전달된 신호를 송신하는 프로브의 역할을 수행하고, 별도의 프로브 제작과 내부도체(105)와의 접착의 공정이 필요없다. 따라서, 기계적인 충격과 진동에 덜 민감하고, 제작비용 또한 줄일 수 있다.
도 2의 도파관(101)에서 SMA 커넥터(109)의 내부도체(105) 중 도파관(101)에 침투된 부분의 도체(프로브용 도체)(102) 까지를 살펴보면, SMA 커넥터(109)의 내부도체(105) 중 도파관(101)에 침투된 부분의 도체(프로브용 도체)(102)의 직경 "CD(프로브용 도체의 직경)"가 1.92mm로 고정되어 있고, 도파관(101)에 침투된 부분의 도체(프로브용 도체)(102)의 길이 "PL(프로브용 도체의 길이)"과 내부도체(105) 중심에서 도파관(101)의 백쇼트(Back Short) 평면(103) 까지의 거리 "BD(내부도체 중심에서 백쇼트 평면 까지의 거리)"를 변수로 두어, 3차원 전자기장 해석 시뮬레이터를 이용해 최적화할 수 있다.
여기서, 내부도체(105) 중심에서 도파관(101)의 백쇼트(Back Short) 평면 (103) 까지의 거리 "BD"는 전기적으로 고 임피던스를 갖도록 λ/4의 길이를 형성하여야 한다. 또한, WR-34 도파관의 λ/4의 길이가 Ka-대역인 30GHz에서는 약 1.53mm로 작아서, 구조적으로 제작에 문제가 있을 경우 "λ/4 + λ"의 길이를 형성하면 동일한 전기적인 특성을 얻을 수 있다. 다만, 도 2에서는 내부도체(105) 중심에서 도파관(101)의 백쇼트(Back Short) 평면(103) 까지의 거리 "BD"를 "λ/4 + λ"의 길이로 표현하였다.
에어라인 동축선로(107)는 공기(104)와 SMA 커넥터(109)의 내부도체(105)로 구성되며, 특성 임피던스는 내부도체(105)의 직경("CD")과 공기(104)의 유전율(ε) 및 가공된 홀의 직경("AD")에 의해 결정된다. 이때, 특성 임피던스를 50 Ohm으로 맞추기 위해서, "AD"는 2.9mm로 하고, 에어라인 동축선로(107)의 길이 "AL"은 SMA 커넥터(109)의 고정 스크류의 깊이를 고려하여 4mm로 충분히 길게 설계한다. 즉, 에어라인 동축선로(107)의 길이는, 특성 임피던스를 50 Ohm으로 맞추기 위해서, SMA 커넥터(109)의 고정 스크류의 깊이를 고려하여, 가공된 홀의 직경 2.9mm 보다 충분히 길게 4mm로 설계한다. 따라서, 도파관(101)에서 전달된 신호는 프로브용 도체(102)에 의해서 수집되고, 수집된 신호는 특성 임피던스가 50 Ohm인 에어라인 동축선로(107)를 통과하게 된다. 이때, 에어라인 동축선로(107)의 차단주파수는 약 46GHz로 유전체 동축선로(108)의 차단주파수인 약 26GHz보다 높다. 이와 같이 에어라인 동축선로(107)를 형성하여야 고차모드 등으로 인한 공진 등의 현상을 피하여 설계할 수 있다.
이후, 에어라인 동축선로(107)를 통과한 신호는 유전체 동축선로(108)를 통과하게 된다. 여기서, 유전체 동축선로(108)는 SMA 커넥터(109)의 주 구성 부분으로, 테프론 유전체(106)의 직경 "SD"와 내부도체(105)의 직경 "CD"에 의해서 특성 임피던스가 50 Ohm으로 맞추어져 있다.
이때, 테프론 유전체(106)는 천이 구조의 몸체인 금속도체(110)에 기계적 및 전기적으로 안정적인 장착을 위해서 깊이 "SL" 만큼 포함되도록 설계하고, 이때 "SL"은 1mm 정도가 적당하다.
또한, 유전체 동축선로(108)의 길이는 SMA 커넥터(109)의 몸체에 포함된 길이를 고려하여 3차원 전자기장 해석 시뮬레이션을 수행하여야 보다 정확한 전기적 특성을 예측할 수 있다.
도 3에 본 발명의 동축선로-도파관 천이 장치(구조)의 전기적 특성을 나타내었다. 이 특성은 도 2의 3차원 전자기장 해석 시뮬레이션 결과로 차단주파수가 약 26GHz인 SMA 커넥터(109)를 사용하여 차단주파수보다 큰 주파수인 30GHz 주파수를 중심으로 설계한 결과이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 주파수가 28.9GHz 부터 31.3GHz 까지 반사손실이 20dB 이상이며, 삽입손실은 약 0.1dB로 저손실 특성을 나타냄을 알 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.
상기와 같은 본 발명은, 추가의 프로브가 없으면서 차단주파수가 약 26GHz인 SMA 커넥터만을 사용하여 주파수가 26GHz 이상에서 전기적으로 저손실 특성을 가지 며, 프로브가 필요없이 저가의 범용 SMA 커넥터만을 사용하여 구조적으로 간단하고 소형, 경량, 저가의 동축선로-도파관 천이 구조 제작이 가능한 효과가 있다.
또한, 본 발명은 프로브의 접착 등의 추가 공정이 필요없으므로 기구적으로 아주 안정하여 기계적인 충격과 진동에 손상될 우려가 아주 적은 우수한 효과가 있다.

Claims (6)

  1. 동축선로-도파관 천이 장치(구조)에 있어서,
    상기 동축선로 및 상기 도파관 간 신호를 전달하기 위하여, 상기 동축선로로 SMA(Sub Miniature A) 커넥터를 사용하며,
    상기 도파관;
    상기 SMA 커넥터의 유전체와 내부도체로 구성된 유전체 동축선로;
    상기 SMA 커넥터의 내부도체 중 상기 도파관에 침투된 프로브용 도체; 및
    상기 유전체 동축선로와 상기 프로브용 도체 사이에 존재하며, 공기와 상기 SMA 커넥터의 내부도체로 구성된 에어라인 동축선로
    를 포함하는 에어라인 동축선로가 포함된 동축선로-도파관 천이 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 프로브용 도체는,
    상기 도파관으로 전달된 신호를 수집하거나, 상기 SMA 커넥터로부터 전달된 신호를 송신하는 프로브의 역할을 수행하고, 상기 SMA 커넥터의 내부도체 중 상기 도파관에 침투된 부분의 도체로서, 전기적 및 기계적으로 안정적인 특성을 제공하는 것을 특징으로 하는 에어라인 동축선로가 포함된 동축선로-도파관 천이 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 에어라인 동축선로의 차단주파수는, 고차모드로 인한 공진 현상을 피하기 위하여, 상기 유전체 동축선로의 차단주파수보다 높게 설계되며,
    상기 에어라인 동축선로의 길이는, 특성 임피던스를 소정의 값으로 맞추기 위해, 상기 SMA 커넥터의 고정 스크류의 깊이를 고려하여, 가공된 홀의 직경보다 길게 설계되는 것을 특징으로 하는 에어라인 동축선로가 포함된 동축선로-도파관 천이 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 에어라인 동축선로의 상기 특성 임피던스는,
    상기 내부도체의 직경과 상기 공기의 유전율 및 상기 가공된 홀의 직경에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 에어라인 동축선로가 포함된 동축선로-도파관 천이 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 내부도체의 중심에서 상기 도파관의 백쇼트 평면 까지의 거리는,
    전기적으로 고 임피던스를 갖도록, "λ/4" 혹은 "λ/4 + λ"의 길이를 형성하는 것을 특징으로 하는 에어라인 동축선로가 포함된 동축선로-도파관 천이 장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 에어라인 동축선로의 길이는, 4mm이고,
    상기 가공된 홀의 직경은, 2.9mm이며,
    상기 내부도체의 직경은, 1.92mm인 것을 특징으로 하는 에어라인 동축선로가 포함된 동축선로-도파관 천이 장치.
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RU2774796C1 (ru) * 2021-05-26 2022-06-23 Акционерное общество "Информационные спутниковые системы" имени академика М.Ф. Решетнёва (АО "ИСС") Согласующее устройство двух разнодиапазонных прямоугольных волноводов с объединенными коаксиальным и круглым волноводами

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