KR100967153B1 - 매직 ｔ 구조의 도파관 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 매직 T 구조의 도파관을 개시한다. 본 발명은 매직 T 구조의 도파관은 도파관의 중심 영역에 다층으로 도체층이 적층된 임피던스 정합부를 설치함으로써, 약 10% 정도이던 종래 기술의 매직 T 구조의 주파수 대역폭을 2배 이상 크게 향상시키는 효과가 나타난다.

Description

매직 Ｔ 구조의 도파관{Waveguide magic T}
본 발명은 도파관에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 매직 T 구조의 도파관에 관한 것이다.
커플러, 서큘레이터(circulator), OMT(orthomode transducer) 및 매직 T(magic T)와 같은 도파관 접합부(waveguide junction component)는 통신 및 레이더 시스템에서 광범위하게 이용된다.
특히, 도파관 매직 T(이하, "매직 T"로 약칭함)는 모노펄스(monopulse) 추적 시스템에서 타겟의 위치 및 움직임을 감지하기 위한, 합 차 채널 네트워크를 제공하기 위해서 많이 이용된다.
매직 T 구조를 도시한 도 1을 참조하여, 매직 T 에 대해서 설명하면, 매직 T 는 마이크로웨이브의 대수적 신호 합성 및 분배 소자로 사용되는데, 매직 티에 의하여 대수적으로 신호가 합성되는 마이크로웨이브는 제2차 세계대전 때 레이더의 개발로 진보한 것으로 파장이 10mm(30 GHz)~1m(300 MHz)의 전자기파를 말한다. 초단파보다 주파수가 높아 극초단파라고도 하며, 파장영역별로 수mm의 파장을 가진 이에이치에프(Extremely High Frequency, EHF), 1~10cm의 파장을 가진 에스에이치 에프 (Super High Frequency, SHF), 0.1~1m의 파장을 가진 유에이치에프(Ultra High Frequency, UHF)로 분류된다.
이러한 마이크로웨이브의 전송 통로로는 도파관이 이용되는데, 도파관은 마이크로웨이브의 전송에 쓰이는 금속 파이프로서, 무선 송신기에서 송출된 전파를 안테나로 유도할 때, 금속도체를 이용하면 그 표면에서 전파가 공중으로 발산되는 경우가 있어 금속의 파이프 속으로 전파를 유도시키는 방법을 사용한 것이다.
특징으로는 저항의 손실과 유전체 손실이 적고, 방사물질이 없으며, 고역 필터로서 작용하고, 취급할 수 있는 전력이 크며, 외부 전자계와 완전히 격리할 수 있다.
도파관의 종류로는 사각형, 원형, 타원형 등이 있으며, 그 단면 치수는 전송 가능한 최저 주파수(차단 주파수)에 의하여 결정된다.
도 1은 종래 매직 티의 구조를 나타낸 도면이다. 도 1을 참조하면, 종래의 매직 티(10)는 중공 직육면체 형상의 제 2 포트(12)와 제 3 포트(13)를 직선으로 연결하며, 그 중간 부분에 중공 직육면체 형상의 제 1 포트(11) 및 제 4 포트(14)를 연결하는데, 제 4 포트(14)는 제 2 포트(12) 및 제 3 포트(13)에 수평으로 수직하게 체결되며, 제 1 포트(11)는 제 2 포트(12), 제 3 포트(13), 및 제 4 포트(14)가 이루는 평면에 수직하게 연결된다.
이러한 구조를 보이는 매직 티(10)는 입력되는 마이크로웨이브의 대수적 신호 합성 소자 또는 마이크로웨이브의 합성 및 분배에 사용되는데, 그 성질을 살펴보면 다음과 같다.
만약, 동일한 진폭 및 동위상의 두 파가 제 2 포트(12)와 제 3 포트(13)에 입사되면 제 1 포트(11)에서의 출력은 0 이되며, 제 4 포트(14)에서의 출력은 두 파를 합한 것이 된다.
만약, 하나의 파가 제 4 포트(14)에 입력되면, 제 2 포트(12) 및 제 3 포트 (13) 간에 동일 진폭, 동일 위상으로 균등하게 분할되어 출력되지만, 제 1 포트(11)에는 출력되지 않는다.
만약, 하나의 파가 제 1 포트(11)에 입력되면, 제 2 포트(12) 및 제 3 포트 (13)에는 동일 진폭, 반대 위상의 출력이 나타나지만, 제 4 포트(14)의 출력은 0이다.
만약, 하나의 파가 제 2 포트(12) 또는 제 3 포트(13)에 입사되면, 제 4 포트(14)의 도파관부는 위상 선행을 야기시키는 반면, 제 1 포트(11)의 도파관부는 위상 지연을 야기시키기 때문에 제 2 포트(12) 또는 제 3 포트(13)에는 출력이 나타나지 않는다.
이 밖에도, 종래에 [J. Ritter and F. Arndt, ""Efficient FDTD/matrix-pencil method for the full-wave scattering parameter analysis of waveguiding structures,"" IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol. 44, no. 12, pp. 2450-2456, Dec. 1996.] 및 [Z. Shen, C. L. Law, and C. Qian, ""Hybrid finite-element-modal-expansion method for matched magic T-junction,"" IEEE Trans. Magn., vol. 38, no. 2, pp. 385-388, Mar. 2002.] 등의 문헌 등에서 다양한 매직 T 구조가 제안되고 분석되었다. 그러나, 이러한 종래 기술들은 대부분 임피던스 정 합을 위해서 도체 스터브(stub)와 포스트(post)를 이용한 매직 T 의 설계 및 해석에 대해서 개시하고 있을 뿐이다.
그러나, 이러한 종래 기술들에 따른 매직 T 는 주파수 대역폭이 10% 정도로 좁을뿐만 아니라, 제작이 까다로운 단점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 넓은 주파수 대역을 갖는 광대역 매직 T를 제공하는 것이다.
상술한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 매직 T 구조의 도파관은, 복수의 도체층이 적층된 임피던스 정합부가 내부에 설치된다.
또한, 상기 임피던스 정합부의 상기 각 도체층의 외주면은 상부 및 하부에 적층된 도체층의 외주면과 서로 불연속적일 수 있다.
또한, 상기 임피던스 정합부의 상기 복수의 도체층은, 상부 도체층의 외경이 하부 도체층의 외경보다 작은 것일 수 있다.
또한, 상기 임피던스 정합부의 각 도체층은 하부에서 상부로 갈수록 외경이 감소할 수 있다.
또한, 상기 임피던스 정합부의 각 도체층의 외경은 일정할 수 있다.
또한, 상기 임피던스 정합부의 상기 복수의 도체층은 3 이상일 수 있다.
또한, 상기 임피던스 정합부의 상기 복수의 도체층은 서로 중심이 일치하도록 적층된 것일 수 있다.
또한, 상기 매직 T 구조의 도파관은 제 2 포트와 제 3 포트가 연결된 관형의 제 1 도파관에 제 1 포트와 제 4 포트가 수직으로 연결된 구조를 갖고, 상기 임피던스 정합부의 중심은 상기 제 1 도파관의 폭 방향의 중심으로부터 일정거리만큼 이격되어 배치될 수 있다.
또한, 상기 매직 T 구조의 도파관은 제 2 포트와 제 3 포트가 연결된 관형의 제 1 도파관에 제 1 포트와 제 4 포트가 수직으로 연결된 구조를 갖고, 상기 임피던스 정합부의 중심은 상기 제 1 도파관의 길이 방향의 중심으로부터 일정거리만큼 이격되어 배치될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 매직 T 구조의 도파관은 도파관의 중심 영역에 다층으로 도체층이 적층된 임피던스 정합부를 설치함으로써, 약 10% 정도이던 종래 기술의 매직 T 구조의 주파수 대역폭을 2배 이상 크게 향상시키는 효과가 나타난다.
본 발명은 일반적인 매직 T 구조 내부에, 전체적으로 원추형 형상의 도체로 구현된 임피던스 정합부를 포함한다. 임피던스 정합부는 도체가 다층으로 적층된 구조를 갖으며, 각 도체층은 그 외경이 서로 불연속적으로 적층되며, 상부에 적층된 도체층일수록 그 외경이 감소한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 매직 T 구조를 설명한다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 매직 T(20) 구조를 도시한 도면으로서, 도 2a는 본 발명의 매직 T(20) 구조의 사시도이고, 도 2b 는 매직 T(20) 구조에 포함된 임피던스 정합부(30)의 단면도 이고, 도 2c 는 본 발명 의 바람직한 실시예에 따른 매직 T(20) 구조의 단면도를 도시한다.
도 2a 내지 도 2c를 참조하면, 본 발명의 매직 T(20) 구조는 4개의 포트(제 1 포트(21), 제 2 포트(22), 제 3 포트(23) 및 제 4 포트(24))를 구비하는 일반적인 매직 T(20) 내부에 복수개의 도체층이 적층된 임피던스 정합부(30)가 설치된다. 일반적인 매직 T(20) 는 본질적으로 임피던스가 매칭되어 있지 않으므로, 임피던스 매칭을 위해서 메탈 스터브 또는 포스트가 요구된다. 본 발명에서는 입력 임피던스 매칭뿐만 아니라, 이용가능한 주파수 대역을 확장하기 위해서 임피던스 정합부(30)를 매직 T(20) 내부에 설치하였다.
도 2a 및 도 2c 에 도시된 바와 같이, 임피던스 정합부(30)의 중심은 z축 방향(도파관의 길이방향)으로는 제 2 포트(22) 및 제 3 포트(23) 사이의 중앙에 위치하는 것이 바람직하다. 또한, 임피던스 정합부(30)의 y축 방향(도파관의 폭 방향)의 중심은 매직 T(20) 의 중심(b/2)에 위치할 수도 있고, y축 방향의 중심으로부터 벗어나 위치할 수도 있다. 그러나, 후술하는 시뮬레이션 결과와 같이, y축 방향의 중심은 매직 T(20) 의 도파관 폭의 중심으로부터 벗어나서 배치되는 것이 바람직하다.
또한, 최하부에 위치하는 도체층 저면의 반지름(r5+s8)과, 임피던스 정합부(30)의 중심과 매직 T(20) 중심간의 이격 거리(l)를 합한 길이가 매직 T(20) 의 y축 방향의 폭의 절반을 초과하는 경우(r5+s8+l>b/2), 예컨대, 최적의 구조를 시뮬레이션한 결과, 도 2c에 도시된 바와 같이, 임피던스 정합부(30)의 일부가 매직 T(20)를 벗어나는 경우에 도 2c 에 빗금으로 표시된 부분만이 내부에 설치되고, 매 직 T(20)를 벗어나는 영역은 제거된다.
한편, 임피던스 정합부(30)는 복수의 도체층이 적층되어 형성되고, 각 도체층은 하부층에서 상부층으로 갈수록 외경이 감소하고, 각 층의 외주면은 상부 및 하부에 위치한 층의 외주면과 서로 불연속하도록 적층된다. 도 2b에 도시된 예에서는, 각 층은 5개의 도체층이 적층되어 형성되고 있으나, 5개 미만 또는 이상의 도체층을 적층하여 임피던스 정합부(30)를 구현할 수 있음은 물론이다. 다만, 3개 이상의 도체층을 적층하여 이용하는 것이 바람직하다.
또한, 도시된 예에서, 각 층은 원뿔에서 일부를 절단한 것처럼, 하부에서 상부로 갈수록 외경이 감소하는 구조로 형성되고, 최상부에 위치한 층은 원뿔형으로 형성된다.
본 발명의 바람직한 실시예에서는 도 2b에 도시된 바와 같이, 각 층의 높이를 h1~h5라 하고, 각 층에서 상부면의 반지름의 길이를 r1~r5라 하며, 각 층의 하부면의 반지름과 하부층의 상부면의 반지름간의 차이를 s1, s3, s5, 및 s7 이라 하고, 각 층의 상부면과 하부면의 반지름간의 차이를 s2, s4, s6, 및 s8라 설정하여, 각 변수들을 변화시키면서 도 4 내지 도 6 에 도시된 바와 같은 최적의 결과를 얻을 수 있는 임피던스 정합부(30)의 변수들을 결정하기 위해서 시뮬레이션을 수행하였다.
시뮬레이션을 수행한 결과 얻어진 최적의 임피던스 정합부(30)의 변수들을 아래의 표 1에 기재하였고, 표 1 에 기재된 사양에 따라서 제조한 임피던스 정합부(30)가 설치된 매직 T(20)를 도 3에 도시하였다.
Figure 112009022746341-pat00001
도 4는 도 3에 도시된 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 매직 T(20) 의 성능에 대한 시뮬레이션 결과 및 측정 결과(도파관의 제 1, 2, 4 포트 (21,22,24)에서의 산란계수)를 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 시뮬레이션 결과와 실제 측정 결과가 거의 일치함을 알 수 있다. 제 1, 2, 4 포트(21,22,24)에서의 -20dB 반사 대역폭은 각각 20.4 % (8.39-10.3 GHz), 22.1 % (8.55-10.67 GHz), 및 20.1 % (8.51-10.41 GHz)임을 알 수 있다. 상술한 종래 기술에 따른 -20dB 반사 대역폭이 약 10% 정도임을 감안하면, 본 발명의 대역폭 성능이 상술한 종래 기술에 비하여 매우 뛰어남을 알 수 있다.
또한, 본 발명의 제 1 포트(21) 및 제 4 포트(24) 간의 격리도(S41)는 모든 주파수 영역에서 -28dB 미만임을 알 수 있다.
도 5 는 전송 계수의 크기를 도시하는 도면이다.
도 5를 참조하면, 제 2 포트(22) 및 제 3 포트(23) 간의 전송 계수의 차가 0.12dB 이내인 것을 알 수 있고, 이는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 매직 T(20) 가 매우 양호한 전력 분배(splitting) 기능을 수행함을 나타낸다.
도 6 는 전송 계수의 위상 특성을 도시한다.
도 6을 참조하면, 위상차 ∠S24-∠S34 및 ∠S21-∠S31가 각각 0도 및 -180도임을 알 수 있다. 따라서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 매직 T(20) 는 넓은 주파수 범위에서 합 차 채널을 제공할 수 있음을 알 수 있다.
지금까지 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 매직 T 에 대해서 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 다양한 변형 실시예가 도출될 수 있음은 물론이다.
도 7 은 본 발명의 다른 실시예에 따른 매직 T 구조를 도시한 도면이고, 도 8 은 도 7 에 도시된 매직 T 의 성능에 대한 시뮬레이션 결과를 도시한 도면이다.
도 7 에 도시된 매직 T 구조에서는, 도 2a 내지 도 2c에 도시된 바와 마찬가지로, 5단으로 도체층이 적층된 구조로 형성된 임피던스 정합부(30-2)가 매직 T 내부에 설치되고, 임피던스 정합부(30-2)의 상부층으로 갈수록 각 도체층의 외경이 감소된다.
다만, 도 2a 내지 도 2c 에 도시된 임피던스 정합부(30)는 각 도체층에서 하부에서 상부로 갈수록 외경이 감소하도록 구성된 반면에, 도 7 에 도시된 매직 T 구조에서 임피던스 정합부(30-2)는 각 도체층 내부에서는 외경이 일정하다.
도 8을 참조하면, 도 7에 도시된 매직 T 의 경우에도 종래기술의 매직 T에 비하여 양호한 성능을 나타냄을 알 수 있다.
도 9 은 본 발명의 다른 실시예에 따른 매직 T 구조를 도시한 도면이고, 도 10은 도 9 에 도시된 매직 T 의 성능에 대한 시뮬레이션 결과를 도시한 도면이다.
도 9 에 도시된 매직 T 구조에서는, 임피던스 정합부(30-3)는 도체층이 7단으로 적층되어 형성된다는 점을 제외하면 6 에 도시된 매직 T 구조와 동일하다. 도 10을 참조하면, 도 8에 도시된 매직 T 의 경우에도 종래기술의 매직 T에 비하여 양호한 성능을 나타냄을 알 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시 예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1 은 종래 기술에 따른 매직 T 구조의 도파관을 도시한 도면이다.
도 2a는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 매직 T 구조의 사시도이고, 도 2b 는 매직 T 구조에 포함된 임피던스 정합부의 단면도 이고, 도 2c 는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 매직 T 구조의 단면도이다.
도 3 은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 매직 T 구조 도파관을 도시한 도면이다.
도 4 는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 매직 T 구조 도파관의 성능에 대한 시뮬레이션 측정 결과 및 실제 측정 결과를 도시한 그래프이다.
도 5 는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 매직 T 구조 도파관에 대해서 측정된 전송 계수의 크기를 도시하는 도면이다.
도 6 는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 매직 T 구조 도파관에 대해서 측정된 전송 계수의 위상 특성을 도시하는 도면이다.
도 7 은 본 발명의 다른 실시예에 따른 매직 T 구조를 도시한 도면이고, 도 8 은 도 7 에 도시된 매직 T 의 성능에 대한 시뮬레이션 결과를 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 매직 T 구조를 도시한 도면이고, 도 10 은 도 9 에 도시된 매직 T 의 성능에 대한 시뮬레이션 결과를 도시한 도면이다.

Claims (9)

  1. 삭제
  2. 복수의 도체층이 서로 중심이 일치하도록 적층된 임피던스 정합부가 내부에 설치되고,
    상기 복수의 도체층은 원통형이고, 상기 복수의 도체층의 외경은 각각 서로 다른 것을 특징으로 하는 매직 T 구조의 도파관.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 복수의 도체층은, 위에 적층된 도체층으로 갈수록 그 외경이 감소하는 것을 특징으로 하는 매직 T 구조의 도파관.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 복수의 도체층 각각은 중심축에 수직한 단면이 원형이고, 하면과 상면이 서로 평행하며, 하면에서 상면으로 갈수록 외경이 작아지는 것을 특징으로 하는 매직 T 구조의 도파관.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 복수의 도체층은, 위에 적층된 도체층으로 갈수록 그 상면과 그 하면의 외경이 작아지는 것을 특징으로 하는 매직 T 구조의 도파관.
  6. 제 2 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 도체층은 3개 이상인 것을 특징으로 하는 매직 T 구조의 도파관.
  7. 삭제
  8. 제 2 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 매직 T 구조의 도파관은 제 2 포트와 제 3 포트가 연결된, 단면이 직사각형인 관형의 제 1 도파관에, 제 1 포트가 상기 제 2 포트 및 상기 제 3 포트와 수직이 되도록 상기 제 2 포트 및 상기 제 3 포트의 연결부에 연결되고, 제 4 포트가 상기 제 1 포트, 상기 제 2 포트 및 상기 제 3 포트와 서로 수직이 되도록 상기 제 2 포트 및 상기 제 3 포트의 연결부에 연결된 구조를 갖고,
    상기 임피던스 정합부의 중심은 상기 제 1 도파관의 폭 방향의 중심으로부터 일정거리만큼 이격되어 배치된 것을 특징으로 하는 매직 T 구조의 도파관.
  9. 제 2 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 매직 T 구조의 도파관은 제 2 포트와 제 3 포트가 연결된, 단면이 직사각형인 관형의 제 1 도파관에, 제 1 포트가 상기 제 2 포트 및 상기 제 3 포트와 수직이 되도록 상기 제 2 포트 및 상기 제 3 포트의 연결부에 연결되고, 제 4 포트가 상기 제 1 포트, 상기 제 2 포트 및 상기 제 3 포트와 서로 수직이 되도록 상기 제 2 포트 및 상기 제 3 포트의 연결부에 연결된 구조를 갖고,
    상기 임피던스 정합부의 중심은 상기 제 1 도파관의 길이 방향의 중심에 배치된 것을 특징으로 하는 매직 T 구조의 도파관.
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