KR100813937B1 - 가변 결합 계수를 갖는 도파관 어레이 커플러 - Google Patents

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KR100813937B1
KR100813937B1 KR1020070018065A KR20070018065A KR100813937B1 KR 100813937 B1 KR100813937 B1 KR 100813937B1 KR 1020070018065 A KR1020070018065 A KR 1020070018065A KR 20070018065 A KR20070018065 A KR 20070018065A KR 100813937 B1 KR100813937 B1 KR 100813937B1
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권혁중
조용섭
김한성
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한국원자력연구원
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Abstract

본 발명은 가변 결합 계수를 갖는 도파관 어레이 커플러에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 중공부 내에 길이 방향으로 구비되는 격벽에 형성되어 전자기 결합을 유도하는 결합홀을 부분적으로 개폐시키는 결합계수조절판을 구비하여, 결합계수조절판을 슬라이드시켜 결합홀의 개방된 영역의 크기를 변경시킴으로써, 격벽에 의해 분리되는 양 도파 공간 사이의 결합 계수를 변화시키고 이에 따라 장비를 교체할 필요 없이 분배되는 고주파 전력을 용이하게 조절할 수 있는 도파관 어레이 커플러에 관한 것이다.
본 발명에 따른 가변 결합 계수를 갖는 도파관 어레이 커플러는, 다수의 결합홀이 형성된 격벽이 중공부 내에 길이 방향을 따라 수직으로 구비되어, 내부에 상기 격벽에 의해 격리되는 두 개의 도파 공간을 가지는 중공형 결합관과; 상기 결합관에 삽입되어 상기 결합관의 내부 격벽에 형성된 결합홀을 전부 또는 부분적으로 차단할 수 있도록 구성되는 결합계수조절판과; 상기 결합계수조절판의 움직임을 조절하는 조절판구동부를 포함하여 구성되는 점을 특징으로 한다.
도파관 어레이 커플러, 결합 계수, 가속기, 고주파 전력

Description

가변 결합 계수를 갖는 도파관 어레이 커플러{A waveguide array coupler having variable coupling coefficient}
도 1은 종래 기술에 따른 도파관 어레이 커플러를 나타내는 사시도.
도 2는 하나의 원형 결합홀을 가지는 종래의 도파관 어레이 커플러를 간략화하여 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 도파관 어레이 커플러를 나타내는 사시도.
도 4는 도 3에 도시된 결합관 및 결합계수조절판을 나타내는 사시도.
도 5는 도 4의 A-A' 선에 따른 단면도.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 도파관 어레이 커플러에서 결합계수조절판의 작동 과정을 나타내는 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
110 : 결합관 11, 111 : 제1 도파 공간
12, 112 : 제2 도파 공간 15, 115 : 격벽
16, 116, 216 : 결합홀 119 : 슬라이드홈
120 : 구동장치 121 : 모터
122 : 구동기어 123 : 체인
124 : 구동볼트 124a : 나사산
125 : 체인기어 126 : 구동판
126a : 나사구멍 230, 130 : 결합계수조절판
239 : 조절홀
본 발명은 가변 결합 계수를 갖는 도파관 어레이 커플러에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 중공부 내에 길이 방향으로 구비되는 격벽에 형성되어 전자기 결합을 유도하는 결합홀을 부분적으로 개폐시키는 결합계수조절판을 구비하여, 결합계수조절판을 슬라이드시켜 결합홀의 개방된 영역의 크기를 변경시킴으로써, 격벽에 의해 분리되는 양 도파 공간 사이의 결합 계수를 변화시키고 이에 따라 장비를 교체할 필요 없이 분배되는 고주파 전력을 용이하게 조절할 수 있는 도파관 어레이 커플러에 관한 것이다.
고주파 가속기(radio-frequency accelerators)는 고주파 전력으로 입자를 반복적으로 가속시켜 차츰 그 에너지를 상승시킴으로써 최종에너지까지 가속시키는 장치로서, 통상 고주파 전력을 발생시켜 가속기 측으로 공급해주는 고주파 시스템과 도파관을 경유하여 연결되어 있다.
이러한 도파관을 따라 전송되는 고주파 전력은 관로 상의 특정 지점에서, 해 당 전력값의 측정을 위해 미량 추출될 수 있다. 또한 하나의 고주파 시스템에 다수의 가속기가 연결되는 경우 전송되는 고주파 전력을 각각의 가속기 측으로 분배하거나, 반대로 다수의 고주파 시스템에 하나의 가속기가 연결되는 경우 각 고주파 시스템으로부터 공급되는 고주파 전력을 하나로 합성할 필요가 있다.
이와 같이 전송되는 고주파 전력을 측정, 분배 또는 합성하기 위해 도파관의 관로 상에 도파관 어레이 커플러(array coupler)가 구비되는데, 종래의 도파관 어레이 커플러는 중공 사각형관으로서, 도 1에 도시된 바와 같이, 중공부를 두 개의 도파 공간 즉, 제1 도파 공간(11)과 제2 도파 공간(12)으로 분리시키는 격벽(15)이 길이 방향을 따라 형성되어 있다.
상기 격벽(15)에는 관로 방향을 따라 다수의 결합홀(16)이 형성되어 두 개의 도파 공간을 전자기 결합시켜주는데, 이로 인해 제1 도파 공간(11)으로 입력되는 입력 고주파 전력이 결합홀(16)을 통해 제2 도파 공간(12)으로 분배된다. 여기서, 전자기 결합에 의해 제2 도파 공간(12)으로 분배되는 고주파 전력을 결합 고주파 전력이라 한다.
어레이 커플러의 결합 계수는 격벽(15)에 의해 분리되는 양 도파 공간의 전자기적 결합 정도를 나타내는 지표로서, 아래의 수학식 1과 같이 결합 고주파 전력과 입력 고주파 전력의 전력비에 따른 함수로 표현된다.
결합 계수(dB) = 10log10(P3/P1)
(여기서, P1 : 입력 고주파 전력, P3 : 결합 고주파 전력)
결합 고주파 전력(P3)은 입력 고주파 전력(P1)보다 작기 때문에, 상기 수학식 1에서 얻어지는 결합 계수는 항상 0보다 작은 음수 값을 취하게 되며, 그 범위는 대개 -30dB ~ -3dB 정도이다. 이와 같은 결합 계수는 격벽(15)을 따라 형성되어 있는 결합홀(16)의 크기에 따라서 결정되는데, 결합 계수와 결합홀(16) 크기의 상관 관계에 대해서는 후술하여 상세히 설명하기로 한다.
종래의 도파관 어레이 커플러는 결합홀(16)의 크기가 고정되어 있어 결합 계수가 일정한 값을 갖게 되므로, 전송되는 고주파 전력값이 일정한 크기로 고정되어 있는 경우에는 문제가 없으나, 변동되는 고주파 전력을 사용해야 하는 경우나 분배되는 고주파 전력을 조절하고자 할 경우 그 사용의 한계점을 가지고 있다.
예를 들면, 변동되는 고주파 전력을 사용해야 할 때 도파관 어레이 커플러를 이용하여 전송 고주파 전력값을 측정하고자 하는 경우, 전력 측정을 위해 분배되는 고주파 전력값의 변동에 대응할 수 있는 넓은 동적 영역(dynamic range)을 가지는 전력 측정 장비를 사용해야 정확한 측정이 가능하다는 한계가 있다.
또한, 분배되는 고주파 전력을 조절하고자 하는 경우에는, 고주파 시스템 전체의 가동을 중지하고 다른 결합 계수를 갖는 즉, 다른 크기의 결합홀이 형성되어 있는 도파관 어레이 커플러로 교체해야 하므로, 교체에 따른 시간적, 비용적 손실이 발생하는 동시에, 분배되는 고주파 전력을 고주파 시스템 가동중에 실시간으로 신속히 조절하기가 어렵다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 종래 기술에 따른 도파관 어레이 커플러의 문제점을 해결하기 위한 것이다. 즉, 본 발명의 목적은, 결합홀을 전부 또는 일부 개폐하도록 슬라이드되는 결합계수조절판을 통해 결합홀의 개방된 영역의 크기를 변경하여 결합 계수를 변화시킴으로써, 변동 고주파 전력 운전시 혹은 분배되는 고주파 전력을 변경시킬 필요가 있는 경우에, 장비 교체 없이 하나의 도파관 어레이 커플러만을 이용하여 분배되는 고주파 전력값을 용이하게 조절하고자 하는 데에 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 기술적 사상으로서의 본 발명은, 다수의 결합홀이 형성된 격벽이 중공부 내에 길이 방향을 따라 수직으로 구비되어, 내부에 상기 격벽에 의해 격리되는 두 개의 도파 공간을 가지는 중공형 결합관과; 상기 결합관에 삽입되어 상기 결합관의 내부 격벽에 형성된 결합홀을 전부 또는 부분적으로 차단할 수 있도록 구성되는 결합계수조절판과; 상기 결합계수조절판의 움직임을 조절하는 조절판구동부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 가변 결합 계수를 갖는 도파관 어레이 커플러를 제공한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면에 의거하여 상세하게 설명하기로 한다.
먼저, 결합홀의 크기가 고정되어 있는 일반적인 도파관 어레이 커플러에서 결합홀의 크기와 결합 계수의 상관 관계에 대하여 살펴보기로 한다.
도 2는 하나의 원형 결합홀을 가지는 종래의 도파관 어레이 커플러를 간략화하여 나타낸 도면이다.
도 2에서 제1 도파 공간(11)으로 입력되는 입력 고주파 전력(P1)과 제2 도파 공간(12)으로 분배되는 결합 고주파 전력(P3)은 각각 아래의 수학식 2 내지 수학식 4로 표현될 수 있다.
P1 ∝ hz 2
(여기서, hz : 입력 고주파의 자기장 세기)
P3 ∝ (ω×μ×hz×M0)2
(여기서, ω : 각주파수(angular frequency), μ : 투자율(permeability), M0 : 자기 모멘트)
자기 모멘트(M0)는 격벽(15)에 형성된 결합홀(16) 직경(d)의 세제곱에 비례하므로, 결합 고주파 전력과 입력 고주파 전력의 비(P3/P1)는 상기 수학식 2 및 수학식 3으로부터 아래의 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.
P3/P1 ∝ M0 2 ∝ d6
상기 수학식 1 및 수학식 4로부터, 결합 계수는 결합홀(16)의 직경에 비례한다는 것을 알 수 있으며, 결국 결합홀(16)의 크기가 커질수록 결합 계수가 증가한다는 결론을 얻을 수 있다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 도파관 어레이 커플러를 나타내는 사시도이고, 도 4는 도 3에 도시된 결합관 및 결합계수조절판을 나타내는 사시도이다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 도파관 어레이 커플러는, 다수의 결합홀(116)이 벽면에 형성된 격벽(115)이 중공부 내에 구비되어, 내부에 격벽(115)에 의해 격리되는 두 개의 도파 공간(111, 112)을 가지는 사각 기둥형 결합관(110)과, 결합관(110)의 내부로 삽입되어 결합관(110)의 내부 격벽(115)에 형성되어 있는 결합홀(116)을 전부 또는 부분적으로 차단하도록 슬라이드되는 결합계수조절판(130)과, 결합계수조절판(130)의 움직임을 조절하는 조절판구동부(120)를 포함하여 구성된다.
상기 결합관(110)은 중공부 내에 길이 방향을 따라 수직으로 구비되는 격벽(115)에 의해 제1 도파 공간(111)과 제2 도파 공간(112)으로 분리되는데, 제1 도파 공간(111)으로 입력된 입력 고주파 전력은 격벽(115)에 형성된 결합홀(116)을 통한 전자기적 결합에 의해 제2 도파 공간(112)으로 일부 분리되어 결합 고주파 전력을 생성하며, 생성된 결합 고주파 전력은 제2 도파 공간(112)의 출구로 출력된 다.
또한, 결합관(110) 상면에는 결합관(110)의 길이 방향에 걸쳐 격벽(115)의 상부 지점으로부터 격벽(115)의 내부를 따라 결합홀(116)의 형성 지점을 지나도록 슬라이드홈(119; 도 4 참조)이 형성되어 결합계수조절판(130)이 결합관(110)의 상부로부터 하방으로 삽입될 수 있도록 안내한다.
결합계수조절판(130)은 상기 슬라이드홈(119)을 따라 수직 방향으로 슬라이드되면서 고주파 전력의 전자기적 결합을 유기하는 결합홀(116)을 개방시키거나 일부 폐쇄함으로써 결합홀(116)의 개방된 영역의 크기를 조절하게 된다. 이와 같이 결합계수조절판(130)을 이용하여 결합홀(116)의 크기를 조절함으로써, 결합 계수를 변경시켜 결합 고주파 전력의 전력값을 제어할 수 있는데, 이에 대한 보다 상세한 내용은 후술하여 설명하기로 한다.
조절판구동부(120)는 결합관(110)의 상부에 구비되는 모터(121)와, 모터(121)의 회전축과 연결되는 구동기어(122)와, 결합관(110)의 상부에 구비되고 몸체의 길이 방향을 따라 나사산(124a)이 형성되며 구동기어(122)와 체인(123)을 통해 연결되어, 구동기어(122)의 회동에 의해 고정축을 중심으로 회전하는 다수의 구동볼트(124)와, 각 구동볼트(124)의 나사산(124a)과 결합하는 나사구멍(126a)이 각 구동볼트(124)에 대응하는 위치에 형성되고 일면에 결합계수조절판(130)이 부착되어, 구동볼트(124)의 회전에 의해 상하 이동하며 결합계수조절판(130)을 수직 방향으로 슬라이드시키는 구동판(126)으로 구성된다.
상기 구동판(126)의 나사구멍(126a)과 이에 체결하는 구동볼트(124)는 결합 계수조절판(130)의 상단부를 중심으로 일측에 두 개씩 총 4개가 대칭적으로 배치되는 것이 바람직하며, 구동볼트(124)의 상부에는 체인(123)과 맞물리는 체인기어(125)가 형성되어 있고, 그 하부에는 구동판(126)의 각 나사구멍(126a)에 체결되는 나사산(124a)이 몸체의 길이 방향을 따라 형성되어 있어, 구동기어(122)에 의해 회동하는 체인(123)에 의해 각 구동볼트(124)가 회전하면 구동판(126)의 나사구멍(126a)이 구동볼트(124)의 나사산(124a)을 따라 상하로 이송되면서 결합계수조절판(130)을 수직 방향으로 슬라이드시키게 된다.
여기서, 결합계수조절판(130)이 슬라이드되도록 지지해주는 슬라이드홈(119)은 격벽(115)의 정확한 상부 지점 뿐만 아니라 상부 지점에서 일정 거리 이격된 지점에 형성되어, 결합계수조절판(130)이 격벽(115) 내부를 따라 슬라이드되는 대신 격벽(115)의 일면과 밀착하여 결합관(110)의 내부로 삽입되면서 결합홀(116)을 개폐시키도록 구성될 수도 있다.
또한, 조절판구동부(120)에서 모터(121)를 제거하고 기어축과 연결되는 수동핸들(미도시)을 설치하여 수동핸들로 체인(123)을 돌려 결합계수조절판(130)을 슬라이드시킬 수도 있다.
또한, 본 실시예와 같이 모터(121)와 체인(123)에 의해 발생하는 구동력을 구동볼트(124) 및 구동판(126)을 경유하여 결합계수조절판(130)으로 전달하는 간접 동력 전달 방식 대신, 직접 동력을 전달하는 다양한 방식으로 구동장치를 구성할 수도 있다. 예를 들면, 결합계수조절판(130)과 연결된 적어도 하나 이상의 수직 이송축을 구비하고, 실린더축이 수직 이송축과 각각 연결된 공압 실린더를 구비하여 공압 실린더의 구동에 의해 결합계수조절판(130)을 직접 슬라이드시켜 줄 수 있다.
도 5는 도 4의 A-A' 선에 따른 단면도이다.
이하, 도 5를 참조하여 결합계수조절판(130)을 슬라이드시켜 결합 계수를 조절하는 과정을 상세히 설명하기로 한다.
조절판구동부(120)를 동작시켜 결합계수조절판(130)을 수직 방향으로 슬라이드시키면, 결합계수조절판(130)이 슬라이드홈(119)을 따라 격벽(115) 내부에서 상하 이동하게 되는데, 도 5에 도시된 바와 같이, 결합계수조절판(130)의 하단부면이 격벽(115)에 형성되어 있는 결합홀(116)을 절반 가량 폐쇄하도록 결합계수조절판(130)을 이동시킨 상태를 기준으로 하였을 때, 결합계수조절판(130)이 위로 상승하게 되면 결합홀(116)의 개방된 영역이 증가하고, 반대로 아래로 하강하게 되면 결합홀(116)의 개방된 영역이 감소하게 된다.
이와 같이 조절판구동부(120)를 이용하여 결합계수조절판(130)이 슬라이드홈(119)을 따라 결합관(110)의 내부로 삽입되는 정도를 조절함으로써 결합홀(116)의 개방된 영역의 크기를 조절하고, 이로부터 양 도파 공간 사이의 결합 계수를 임의로 조절하여 요구되는 결합 고주파 전력값을 정확히 제어할 수 있게 된다.
예를 들면, 입력 고주파 전력이 변동되는 상황에서 고주파 전력값을 측정하고자 하는 경우, 입력 고주파 전력이 증가하면 결합계수조절판(130)을 하강시켜 결합 계수를 감소시켜 주고, 반대로 입력 고주파 전력이 감소하면 결합계수조절판(130)을 상승시켜 결합 계수를 증가시켜 줌으로써, 전력 측정 장비 측으로 분배 되는 고주파 전력을 일정한 범위 내로 유지 시켜 줄 수 있다.
또한, 일정한 입력 고주파 전력에 대하여 분배되는 고주파 전력량을 조절하고자 하는 경우에는, 가속기의 정식 가동 이전에 해당 전력값을 갖는 입력 고주파 전력이 공급되는 상태에서 결합계수조절판(130)을 일정 간격씩 슬라이드시키면서 각 슬라이드 위치에 대응한 결합 고주파 전력값을 미리 측정해 놓으면, 가속기의 정식 가동시에 원하는 결합 고주파 전력값을 얻을 수 있는 위치로 결합계수조절판(130)을 슬라이드시킴으로써, 일정한 입력 고주파 전력으로부터 다양한 범위의 결합 고주파 전력을 얻을 수 있다.
이하, 본 발명의 제2 실시예에 따른 도파관 어레이 커플러에 대하여 설명하기로 한다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 도파관 어레이 커플러에서 결합계수조절판의 작동 과정을 나타내는 도면이다.
전술한 제1 실시예에 따른 도파관 어레이 커플러는 결합계수조절판(130)의 하단부면으로 결합홀(116)을 일부 폐쇄시킴으로써 결합 계수를 조절하는데, 이 경우 결합계수조절판(130)의 하단부면과 중첩되지 않는 결합홀(116)의 개방 영역은 수평으로 절단된 원의 형태로서 기하학적으로 상하 방향으로 비대칭성을 가지므로 전자기적인 결합 손실이 발생할 수도 있다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 도파관 어레이 커플러는 전술한 제1 실시예와 동일한 구조로 구성되되, 도 6에 도시된 바와 같이, 결합계수조절판(230)의 하단부 에 격벽에 형성된 결합홀(216)과 각각에 대응하는 다수의 조절홀(239)을 형성함으로써, 결합홀(116)의 개방 영역을 되도록 원형 또는 타원형에 가까운 형태로 만들어 줄 수 있다.
여기서, 조절홀(239)의 직경은 결합홀(216)의 직경과 같거나 더 크도록 형성하는 것이 바람직한데, 조절홀(239)의 직경이 결합홀(216)의 직경과 동일하게 형성한 경우에 결합계수조절판의 작동 과정을 설명하면 다음과 같다.
도 6의 (a)에서와 같이, 각 조절홀(239)이 대응하는 결합홀(216)과 동일한 위치에 오도록 결합계수조절판(230)을 이송시키면, 결합홀(116)은 완전히 개방된 원형 형태가 되어 최대 결합 계수를 얻을 수 있다.
이 상태에서, 도 6의 (b)와 같이, 결합계수조절판(230)을 하방으로 이송시키면, 결합계수조절판(230)에 의해 결합홀(116)의 상부 영역이 폐쇄되어 결합홀(116)의 개방된 영역이 감소하므로 결합 계수 역시 감소하게 되는데, 여기서 결합홀(116)의 개방 영역은 결합홀(216)과 조절홀(239)이 중첩된 영역에 해당하며, 해당 영역은 타원형에 가까운 형태를 지니게 된다. 이와 같이 결합홀(116)의 개방 영역을 상하 방향으로 대칭을 이루는 원형 또는 타원형에 가까운 형태로 만들어 줌으로써, 결합홀(216)의 개방 영역의 형태 변화에 따른 전자기적인 결합 손실을 최소화시켜 줄 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치 환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백하다 할 것이다.
이상에서와 같이, 본 발명에 따른 가변 결합 계수를 갖는 도파관 어레이 커플러는 변동 고주파 전력 운전시 혹은 분배되는 고주파 전력을 변경시킬 필요가 있는 경우에, 결합홀의 크기를 변경시킬 수 있는 결합계수조절판을 이용하여 결합계수를 용이하게 조절할 수 있기 때문에, 가속기의 고주파 운전을 보다 효율적이고 안정적으로 가동할 수 있는 동시에 장치 교체에 따른 시간 및 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.

Claims (4)

  1. 가속기 고주파 시스템에서 전송하는 고주파 전력을 분배 또는 합성해주는 도파관 어레이 커플러에 있어서,
    다수의 결합홀(116)이 형성된 격벽(115)이 중공부 내에 길이 방향을 따라 수직으로 구비되어, 내부에 상기 격벽(115)에 의해 격리되는 두 개의 도파 공간을 가지는 중공형 결합관(110)과;
    상기 결합관(110)에 삽입되어 상기 결합관(110)의 내부 격벽(115)에 형성된 결합홀(116)을 전부 또는 부분적으로 차단할 수 있도록 구성되는 결합계수조절판(130)과;
    상기 결합계수조절판(130)의 움직임을 조절하는 조절판구동부(120);
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 가변 결합 계수를 갖는 도파관 어레이 커플러.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 결합관(110)은,
    상면에 상기 격벽(115)의 상부 지점으로부터 상기 격벽(115)의 내부를 따라 상기 결합홀(116)의 형성 지점을 지나도록 형성되어, 상기 결합계수조절판(130)이 상기 결합관(110)의 상부로부터 하방으로 삽입될 수 있도록 안내하는 슬라이드홈(119)이 구비되는 것을 특징으로 하는 가변 결합 계수를 갖는 도파관 어레이 커 플러.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 조절판구동부(120)는,
    상기 결합계수조절판(130)과 연결되어,
    상기 결합계수조절판(130)이 상기 슬라이드홈(119)을 따라 상기 결합관(110)의 내부로 삽입되는 정도를 조절하는 것을 특징으로 하는 가변 결합 계수를 갖는 도파관 어레이 커플러.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 결합계수조절판의 하단부에는,
    상기 격벽의 결합홀(216)과 각각 대응하는 위치에 다수의 조절홀(239)이 형성되는 것을 특징으로 하는 가변 결합 계수를 갖는 도파관 어레이 커플러.
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