KR101007668B1

KR101007668B1 - 원형 편파 발생이 가능한 도파관 어댑터

Info

Publication number: KR101007668B1
Application number: KR1020090007483A
Authority: KR
Inventors: 이광재; 우덕제; 이택경
Original assignee: 한국항공대학교산학협력단
Priority date: 2009-01-30
Filing date: 2009-01-30
Publication date: 2011-01-13
Also published as: WO2010087580A2; WO2010087580A3; US8305157B2; US20110018656A1; KR20100088330A

Abstract

도파관 형태의 혼 안테나와 결합하며, 선형 편파 신호와 원형 편파 신호 간 상호 변환하기 위한 편파 변환기능과 도파관 신호를 외부 선로 신호로 변환하기 위한 어댑터 기능을 하나의 도파관 어댑터로 구현함으로써, 원형 편파 통신 시스템의 구성을 단순화하고 소형화할 수 있는 원형 편파 발생이 가능한 도파관 어댑터가 개시된다.

개시된 원형 편파 발생기능을 가지는 도파관 어댑터는, 시스템에서 외부 선로를 통해 전달받은 신호를 도파관 전송선로로 전달하기 위한 프루브(probe)와; 프루브 후방에 수직 편파 신호를 수평 편파신호로 변환하기 위한 편파변환 선로반사기와; 후방 신호를 전방으로 보내기 위한 백숏(backshort)으로 도파관 어댑터를 구현함으로써, 인공위성 통신용을 비롯한 원형 편파를 사용하는 모든 통신 시스템에서의 원형 편파 신호 발생 기능과 신호 연결이 가능하다.

원형 편파, 편파변환 선로반사기, 백숏, 도파관 어댑터

Description

원형 편파 발생이 가능한 도파관 어댑터{Waveguide adapter able to generate circularly polarized wave}

본 발명은 인공위성 통신과 원형 편파 신호를 이용하는 통신 시스템에서 사용하기 위한 원형 편파 신호를 최적으로 발생하기 위한 원형 편파 발생이 가능한 도파관 어댑터에 관한 기술이다.

위성 탑재 통신 시스템은 우주 궤도에서 위성과 지상국 간에 통신을 하기 위해 위성에 탑재되는데, 인공위성에 탑재하기 위해서는 특성상 견고하면서도 무게가 적어야하는 특징을 수반한다. 따라서 위성 탑재 통신 시스템을 최대한 단순화하고 소형화하여야 한다.

한편, 위성통신 시스템은 지상의 신호전달의 용이성을 위해 원형 편파 신호를 사용하게 되는데, 일반적인 신호발생기 및 안테나는 선형 편파 특성을 갖는 형태가 대부분이어서 특별한 편파 변환구조가 필요하게 된다.

위성통신 시스템에 있어서, 도파관은 견고하고 고출력 신호를 전달하기 위해 많이 이용되고 있으며, 이러한 도파관 선로에서는 시스템에서 처리된 신호를 혼 안 테나로 전달하기 위해서 도파관과 시스템간의 전송선로를 연결해주는 변환장치(어댑터)가 필요하게 된다.

원형 편파를 이용한 통신 시스템은 주위 환경에 대한 신호전달 특성이 좋다는 장점 외에도 좌, 우수 편파의 신호 분리성 때문에 위성 통신뿐만 아니라 이동 통신, RFID 등 다방면으로 적용되고 있다. 이러한 추세 때문에 원형 편파 발생기 및 도파관 어댑터는 많은 수요를 요하고 있다.

그러나 이러한 종래의 원형 편파 통신 시스템은, 원형 편파를 발생하기 위해서 필수적으로 원형 편파 발생기와 도파관 어댑터를 사용하기 때문에, 시스템의 사이즈가 커지고 구조가 복잡하다는 문제점을 초래하였다.

이에 본 발명은 상기와 같은 종래 원형 편파 통신 시스템에서 발생하는 제반 문제점을 해결하기 위해서 제안된 것으로서,

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 인공위성 통신을 비롯한 원형 편파 신호를 이용하는 통신 시스템에서 사용하기 위한 원형 편파 신호를 최적으로 발생하기 위한 원형 편파 발생이 가능한 도파관 어댑터를 제공하는 데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 도파관 형태의 혼 안테나와 결합하며, 선형 편파 신호와 원형 편파 신호 간 상호 변환하기 위한 편파 변환기능과 도파관 신호를 외부선로 신호로 변환하기 위한 어댑터 기능을 하나의 도파관 어댑터 로 구현함으로써, 원형 편파 통신 시스템의 구성을 단순화하고 소형화할 수 있도록 한 원형 편파 발생이 가능한 도파관 어댑터를 제공하는 데 있다.

상기와 같은 과제들을 해결하기 위한 본 발명에 따른 "원형 편파 발생이 가능한 도파관 어댑터"는,

외부 선로로 유입된 선형 편파 신호를 도파관으로 전송해주는 프루브의 후방에 구비되어, 수직 편파를 수평 편파로 변환하기 위한 편파변환 선로 반사기와;

상기 편파 변환 선로 반사기를 통해 후방으로 전달된 신호를 전방으로 보내기 위한 백숏(backshort)을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 "원형 편파 발생이 가능한 도파관 어댑터"에서 상기 외부 선로는,

동축 선로, 마이크로스트립 선로, CPW, 스트립 선로 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 원형 편파 발생이 가능한 도파관 어댑터는,

편파 대역폭을 증가시키기 위한 유전체를 더 포함하는 것을 특징으로 하며, 이러한 유전체는 프루브와 선로 반사기의 사이에 설치되는 것이 바람직하고, 도파관 내의 전파 파장을 부분적으로 변환하도록 모양을 가지는 것이 바람직하다.

임피던스 정합을 향상시키기 위한 금속 체를 더 포함하는 것이 바람직하며, 특히 상기 금속 체는 상기 프루브 근처에 삽입하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 인공위성 통신을 비롯한 원형 편파 신호를 이용하는 통신 시스템에서 사용하기 위한 원형 편파 신호를 최적으로 발생할 수 있는 장점이 있다.

본 발명에 따르면 도파관 형태의 혼 안테나와 결합하며, 선형 편파 신호와 원형 편파 신호 간 상호 변환하기 위한 편파 변환기능과 도파관 신호를 외부선로 신호로 변환하기 위한 어댑터 기능을 하나의 장치로 구현할 수 있으므로, 원형 편파 통신 시스템의 구성을 단순화하고 소형화할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 무게가 가벼운 소형의 구조로 편파 변환기와 도파관 어댑터를 동시에 구현할 수 있으므로, 위성 탑재 통신용 시스템에 최적으로 적용 가능한 장점이 있다.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명을 설명하기에 앞서 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명에 따른 원형 편파 발생이 가능한 도파관 어댑터의 구성을 보 인 개략 구조도이고, 도 2a는 도파관과 결합되는 동축 선로의 형태를 나타낸 것이고, 도 2b는 도파관과 결합되는 마이크로스트립 선호의 형태이며, 도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 원형 편파 발생이 가능한 도파관 어댑터 내의 전계 흐름 및 편파 변화도이고, 도 4는 도파관 내의 기본 모드인 TE₁₁ 모드의 전계 분포도이고, 도 5a는 편파변환 선로반사기의 모양이고, 도 5b는 편파 가변장치이고, 도 6은 본 발명에 따른 원형 편파 발생이 가능한 도파관 어댑터와 혼 안테나의 결합도이다.

이에 도시된 바와 같이, 외부 선로(1)(도 2a와 같은 동축 선로, 도 2b와 같은 마이크로스트립 선로)에서 신호가 실린 선형 편파 신호를 도파관(2)으로 전송해주는 프루브(3)와; 상기 프루브(3)의 후방에 수직 편파를 수평 편파로 변환하기 위한 편파변환 선로 반사기(4)와; 상기 편파변환 선로 반사기(4)를 통해 후방으로 전달된 신호를 전방으로 보내기 위한 백숏(backshort)(5)을 구비한다. 여기서 프루브(3)는 해당 동작 주파수에서 임피던스 정합을 위해 일정 높이나 특정 모양을 가지게 된다.

또한, 상기 프루브(3)의 후방에는 도 3에 도시한 바와 같이, 해당 주파수의 1/8 관내파장((2n+1)/8, n=0, 1, 2, 3 ...)의 간격(100)을 가지고 위치한 편파 변환 선로 반사기(4)를 필요로 한다. 여기서 편파 변환 선로 반사기(4)는 기판(4a)과, 상기 기판(4a)상에 소정 간격을 갖고 빗살무늬 형태로 구현되는 선로(4b)로 구현되며, 이러한 선로(4b)는 금속으로 구현되는 것이 바람직하다.

이러한 편파 변환 선로 반사기(4)의 후방에는 1/4 관내파장(101)의 간격을 가지고 신호를 전부 전방으로 반사하는 백숏(5)이 위치하게 된다.

그 밖에 도파관(2) 내에는 편파대역 향상을 위해 상기 프루브(3)와 상기 편파변환 선로 반사기(4)의 사이에 공기와 상이한 유전율을 갖는 유전체(6)를 추가 적으로 삽입하거나 임피던스 정합을 향상하기 위해 프루브(3)의 근처에 금속 체(7)를 추가로 삽입 가능하다.

이와 같은 구조로 이루어진 본 발명에 따른 원형 편파 발생이 가능한 도파관 어댑터의 동작에 대하여 자세히 살펴보면 다음과 같다.

외부 선로(1)에서 전달된 선형 편파 신호(10)는 프루브(3)를 통해 도파관(2)으로 전달된다. 프루브(3)는 도파관(2) 내에서 기본 모드인 TE₁₁(또는, TE₁₀)모드 전계(11)를 형성하기 위해 수직으로 형태를 가져야 하나 임피던스 정합 및 편파 대역폭의 확장을 꾀하기 위해 그 형태가 다소 변형될 수 있다. 원형(타원, 구형, 정방형) 도파관(2)에서는 도 4에서 도시하는 바와 같은 TE₁₁ 모드의 전계의 모양(11)이 형성된다(구형 및 정방형은 TE₁₀모드가 형성). 도 4의 수직 전계 모양(11)을 가지는 신호가 프루브(3)의 전방 및 후방으로 각각 나뉘어 균등하게 전달되는데, 특히 후방으로 전달된 수직 전계 신호(12)는 해당 주파수의 1/8 관내파장의 간격(100)을 가지고 위치한 편파 변환 선로 반사기(4)를 만나며 45°(45·2n+1)°, n=0, 1, 2, 3 ...)의 위상변화(위상천이)를 가진다. 이때 편파 변환 선로 반사기(4)는 입사된 수직 전계(11, 12) 방향에 대해 45°의 각을 가지는 도 5a와 같은 모양의 선로형태를 취한다. 여기서 선로(4b)는 금속으로 구성되며, 폭과 선로 간의 간격은 동작 주 파수에 의해 적절히 조절될 수 있다.

상기 프루브(3)에서 전달되어온 TE₁₁ 모드 수직 편파(11, 12) 신호는 도 3과 같이 45°각을 가진 선로(4b)와 수직방향 성분(13)과 수평방향 성분(14)의 벡터 합으로 표현될 수 있다. 여기서 선로(4b)와 수직방향 성분(13)은 편파변환 선로 반사기(4)에서 선택적으로 통과하게 되는 반면, 선로(4b)와 수평방향 성분(14)은 반사하게 된다. 우선 선로(4b)의 수평방향 성분(14)은 반사기(4)에 의해 180° 위상변화를 가지며 전방으로 반사된다(15). 한편, 선로(4b)와 수직방향 성분(13)은 편파 변환 선로 반사기(4)를 통과한 후 1/4 관내파장 간격(101)을 통과하며 90°위상변화를 가지게 되고, 백숏(5)에 의해 180° 추가적인 위상변화를 가진 후 전방을 향해 반사가 된다. 이후 1/4 관내파장 간격(101)을 통과하게 되어 90°추가적인 위상변화를 가지고 편파 변환 선로반사기(4)를 만나게 되나, 선로방향에 수직이므로 신호(16)는 모두 통과하게 된다. 이때 총 위상변화는 360°이므로 선로 수평 방향 반사 신호(15)의 벡터 합을 통해 결국 전방으로 진행되어, TE₁₁ 모드 수직 편파 신호(12)는 수평 편파 신호(17)로 변하여 반사된다. 이렇게 변환된 편파는 다시 프루브(3)가 위치한 전방으로 진행하며 1/8 관내파장의 간격(100)을 통과, 45°의 위상변화를 가지게 돼 최종적으로 최초 프루브(3)에서 후방으로 진행된 TE₁₁ 모드 수직 편파 신호(12)는 90°의 위상차를 가지는 수평 편파(18)로 변화하여 최초 프루브(3)에서 전방으로 진행된 수직 편파(19)와 합성되어 원형 편파(20)를 이루며 진행하게 된다.

여기서 도 5a에서와 같이 프루브(3)와 편파변환 선로 반사기(4)와의 간격(100)과 선로의 45°각을 가지는 방향(시계방향 (+45°) 또는 반 시계 방향(-45°)의 조합에 따라 좌수편파(LHCP)(21)와 우수편파(RHCP)(22)를 결정짓는다.

여기서 편파 결정식은 다음과 같다.

P = -1: 좌수 편파(21), P = 1 : 우수편파(22)

예1) 1/8 관내파장 간격(100) + 반 시계방향 선로반사기(-45°) = 좌수 편파(21)

예2) 1/8 관내파장(100) 간격 + 시계방향 선로반사기(+45°) = 우수편파(22)

한편, 상기 편파변환 선로반사기(4)는 원형 도파관의 경우 반사기의 결합을 도 5b 같은 가변장치(프린지의 결합 위치의 변화)(30)로 직선편파, 좌수 및 우수 원형편파로 변환할 수도 있다.

이렇게 생성된 원형 편파(20)는 적당한 길이(102)의 도파관을 통과하여 원형 편파로 변환 천이되며, 도 6에 도시한 바와 같이, 혼 개구면(8)을 통해 공기 중으로 방사된다. 이때, 그 길이(102)는 축 비(axial ratio)에 영향을 준다.

안테나에서 원형 편파 신호 수신시의 시스템으로 원형 편파 신호가 선형 편파 신호로 변환, 전달되는 과정은 지금까지 언급한 내용의 역순으로 진행된다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

도 1은 본 발명에 따른 원형 편파 발생이 가능한 도파관 어댑터의 구성을 보인 개략 구조도.

도 2a는 도파관과 결합되는 동축 선로의 형태를 나타낸 것이고, 도 2b는 도파관과 결합되는 마이크로스트립 선호의 형태 예시도.

도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 원형 편파 발생이 가능한 도파관 어댑터 내의 전계 흐름 및 편파 변화도.

도 4는 도파관 내의 기본 모드인 TE₁₁ (또는, TE₁₀ ) 모드의 전계 분포도.

도 5a는 편파변환 선로반사기의 일 예를 보인 예시도.

도 5b는 편파변환 선로반사기의 일 예를 보인 예시도.

도 6은 본 발명에 따른 원형 편파 발생이 가능한 도파관 어댑터와 혼의 결합도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

2… 도파관

3… 프루브

4… 편파변환 선로 반사기

5… 백숏

Claims

외부 선로로 유입된 선형 편파 신호를 도파관으로 전송해주는 프루브의 후방에 구비되어, 수직 편파를 수평 편파로 변환하기 위한 편파변환 선로 반사기와;

상기 편파변환 선로 반사기를 통해 후방으로 전달된 신호를 전방으로 보내기 위한 백숏을 포함하되,

상기 편파변환 선로 반사기는 기판에 일정 간격을 갖고 빗살무늬 형태로 형성되는 선로를 구비하며, 1/8 관내파장의 간격을 갖는 위치에 형성되는 것을 특징으로 하는 원형 편파 발생이 가능한 도파관 어댑터.
삭제
제1항에 있어서,

편파 대역폭을 증가시키기 위한 유전체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원형 편파 발생이 가능한 도파관 어댑터.
제3항에 있어서, 상기 유전체는 상기 프루브와 상기 편파변환 선로 반사기의 사이에 설치되는 것을 특징으로 하는 원형 편파 발생이 가능한 도파관 어댑터.
제1항에 있어서,

임피던스 정합을 향상시키기 위한 금속 체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원형 편파 발생이 가능한 도파관 어댑터.
제5항에 있어서, 상기 금속 체는 상기 프루브에 근접되게 삽입되는 것을 특징으로 하는 원형 편파 발생이 가능한 도파관 어댑터.
삭제
제1항에 있어서, 상기 선로는 금속인 것을 특징으로 하는 원형 편파 발생이 가능한 도파관 어댑터.
제1항에 있어서,

상기 도파관의 일단에 접속되어 변환된 원형 편파를 공기 중으로 방사하는 혼을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원형 편파 발생이 가능한 도파관 어댑터.