KR101158720B1 - Ｗ대역 광대역 라디오 주파수 윈도우 장치 및 이에 적용되는 내부 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 W대역 광대역 라디오 주파수 윈도우 장치 및 이에 적용되는 내부 장치를 개시한다. 본 발명에 따른 W대역 광대역 라디오 주파수 윈도우 장치 및 이에 적용되는 내부 장치는, 광대역에서의 동작 주파수 범위를 효율적으로 확대하기 위한 구성으로 이루어지며 이를 위해 원통형 도파관의 길이 및 세라믹 디스크의 두께를 각각 기 설정된 특정 값으로 구현하는 것을 특징으로 한다. 따라서, 본 발명은 가능한 동작 주파수의 폭이 중심 주파수를 기준으로 할 때 10% 이상 수준으로 확장하는 것이 가능하며, 세라믹 디스크의 두께가 반파장의 정수배 두께로 설계하는 것이 가능하여 원통형 도파관을 이용한 라디오 주파수 윈도우 장치를 설계된 대로 제작하는 것이 가능하다.

Description

Ｗ대역 광대역 라디오 주파수 윈도우 장치 및 이에 적용되는 내부 장치{BROADBAND RADIO FREQUENCY WINDOW APPARATUS IN W-BAND, INSIDE APPARATUS APPLIED TO THE SAME}

본 발명은 W대역 광대역 라디오 주파수 윈도우 장치 및 이에 적용되는 내부 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 특정 주파수대의 전자기파를 발진 및 증폭시키는 진공전자 장치(Vacuum Electronic Device)의 경우에 진공내부의 전자기파 신호를 손실없이 공기영역으로 전달하는 라디오 주파수 윈도우(RF window) 장치를 구현하는데 있어서, 이러한 라디오 주파수 윈도우 장치의 동작 주파수 범위를 효율적으로 확대하기 위한 W대역 광대역 라디오 주파수 윈도우 장치 및 이에 적용되는 내부 장치에 관한 것이다.

통상적으로, 라디오 주파수 윈도우 장치는 진공전자 장치(Vacuum Electronic Device)로부터 진공 영역을 거쳐 입력되는 주파수 신호를 공기 영역으로 전달함에 따라 출력단에 연결된 안테나를 통해 해당 주파수 신호를 출력하는 구조로 이루어진다.

또한, 라디오 주파수 윈도우 장치와 진공전자 장치(Vacuum Electronic Device) 간의 연결과, 라디오 주파수 윈도우 장치와 안테나 간의 연결은 도파관을 이용하여 이루어진다.

여기서, 도파관은 마이크로파 이상의 높은 주파수(1GHz 이상)의 전기 에너지나 신호를 전송하기 위한 전송로의 일종인데, 구리 등의 전기동체로 된 관 내부를 전자기파가 지나가게 한 것으로, 각종 전자제품에 널리 사용되고 있다.

이와 같은 도파관 중 직각형 도파관을 이용한 라디오 주파수 윈도우 장치는 도파관 내에 반파장 두께의 세라믹을 삽입하고 이를 진공 접합하여 제작된다.

하지만, 직각형 도파관을 이용한 라디오 주파수 윈도우 장치는 동작 주파수의 범위를 광대역(예 75~110GHz)으로 하여 구현되는 경우, 상기에 언급된 세라믹을 삽입하여 진공 접합하는 작업을 용이하게 수행하기가 곤란하며, 도 1 내지 도 3을 참고로 할 때 가능한 동작 주파수의 폭이 중심 주파수를 기준으로 할 때 5% 이내로 한정되는 한계가 있다.

한편, 원통형 도파관을 이용한 라디오 주파수 윈도우 장치도 있으며, 이는 상대적으로 짧은 원통형 디스크에 파장보다 매우 얇은 세라믹을 진공 접합한 뒤, 이를 직각형 도파관 사이에 진공 접합하여 제작된다.

따라서, 원통형 도파관을 이용한 라디오 주파수 윈도우 장치는 종래 기술에 의할 경우 광대역(예 75~110GHz)에서 파장에 비해 얇게(즉, 파장의 1/10 이하) 제작하는 것이 불가능하다 할 수 있다.

따라서, 본 발명은 상기의 문제점들을 해결하기 위해 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 라디오 주파수 윈도우 장치의 동작 주파수 범위를 효율적으로 확대하기 위해 라디오 주파수 윈도우 장치 내의 원통형 도파관의 길이 및 세라믹 디스크의 두께를 각각 기 설정된 특정 값으로 구현하기 위한 광대역 라디오 주파수 윈도우 장치 및 이에 적용되는 내부 장치를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제1 관점에 따른 광대역 라디오 주파수 윈도우 장치는, 진공 영역으로부터 제1 직각형 도파관을 통해 주파수 신호를 입력받기 위한 주파수 입력부, 상기 제1 직각형 도파관과 연결되는 원통형 도파관 내부로 상기 주파수 신호가 전달된 후 상기 원통형 도파관 내부의 세라믹 디스크를 관통하여 공기 영역으로 상기 주파수 신호를 전달하기 위한 신호출력 경계부 및 상기 신호출력 경계부와 연결되는 제2 직각형 도파관을 통해 상기 세라믹 디스크를 관통한 주파수 신호를 외부로 출력하기 위한 주파수 출력부를 포함하고, 상기 신호출력 경계부는 상기 원통형 도파관의 길이를 기 설정된 제1 특정 값으로 구비하고 상기 세라믹 디스크의 두께를 기 설정된 제2 특정 값으로 구비되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 제1 특정 값은 상기 주파수 신호를 이루는 전자파의 진행 방향에 대해 자계 성분은 존재하나 전계 성분은 존재하지 아니하는 전기적 횡파를 형성하는 모드 중 TE₁₁₁ 모드를 형성하는 값으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 TE₁₁₁ 모드를 형성하는 값은 아래 수식<1> 중 l_p 값인 것을 특징으로 한다.

수식<1>

(단, μ_p: 진공자화율, ε_p: 진공유전율, l_p: 원통형 도파관 길이(세라믹 디스크의 두께를 제한 길이), ^* p₁₁: 1.841, F_p: 중심 주파수, c: 빛의 속도, a_p는 원통형 도파관의 지름이다)

바람직하게는, 상기 제2 특정 값은 상기 주파수 신호를 이루는 전자파의 진행 방향에 대해 자계 성분은 존재하나 전계 성분은 존재하지 아니하는 전기적 횡파를 형성하는 모드 중 TE_11n(n<5) 모드를 형성하는 값으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 TE_11n(n<5)를 형성하는 값은 아래 수식<2> 중 t_c 값인 것을 특징으로 한다.

수식<2>

(단, μ_c: 세라믹 자화율, ε_c: 유전율, t_c: 세라믹 두께, ^* p₁₁: 1.841, F_c: 중심 주파수, c: 빛의 속도, a_c: 세라믹 도파관의 대각선 길이)

따라서, 본 발명에서는 라디오 주파수 윈도우 장치의 동작 주파수 범위를 효율적으로 확대하기 위해 라디오 주파수 윈도우 장치 내의 원통형 도파관의 길이 및 세라믹 디스크의 두께를 각각 기 설정된 특정 값으로 구현함으로써, 가능한 동작 주파수의 폭이 중심 주파수를 기준으로 할 때 10% 이상 수준으로 확장하는 것이 가능하며, 세라믹 디스크의 두께가 반파장의 정수배 두께로 설계하는 것이 가능하여 원통형 도파관을 이용한 라디오 주파수 윈도우 장치를 설계된 대로 제작하는 것이 가능한 이점이 있다.

도 1은 종래 기술에 의한 라디오 주파수 윈도우 장치의 동작 효율을 일실시 예로 나타내는 도면,
도 2는 종래 기술에 의한 라디오 주파수 윈도우 장치의 동작 효율을 다른 실시 예로 나타내는 도면,
도 3은 종래 기술에 의한 라디오 주파수 윈도우 장치의 동작 효율을 또 다른 실시 예로 나타내는 도면,
도 4는 본 발명에 의한 라디오 주파수 윈도우 장치를 일실시 예로 나타내는 도면,
도 5는 도 4에 도시된 라디오 주파수 윈도우 장치의 단면을 일실시 예로 나타내는 도면,
도 6은 도 4에 도시된 라디오 주파수 윈도우 장치 중 신호출력 경계부의 구조를 단순화하여 일실시 예로 나타내는 도면, 및
도 7은 본 발명에 의한 라디오 주파수 윈도우 장치의 동작 효율을 일실시 예로 나타내는 도면이다.

이하, 첨부도면들을 참조하여 본 발명에 따른 라디오 주파수 윈도우 장치의 바람직한 실시예를 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 4는 본 발명에 의한 라디오 주파수 윈도우 장치를 일실시 예로 나타내는 도면이다. 도 4에 단지 예로써 도시된 바와 같이, 라디오 주파수 윈도우 장치는 진공전자 장치(Vacuum Electronic Device)와 안테나 사이에 연결되어 진공전자 장치(Vacuum Electronic Device)로부터의 진공 영역과 안테나의 공기 영역 사이에 대한 경계를 이루는 구성이다.

즉, 라디오 주파수 윈도우 장치는 진공전자 장치(Vacuum Electronic Device)로부터 진공 영역을 거쳐 제공되는 주파수 신호를 입력받은 후 입력받은 주파수 신호를 진공 영역과 공기 영역 간의 경계를 이루는 세라믹 디스크(130)를 관통하도록 하여 공기 영역의 안테나를 통해 해당 주파수 신호를 외부로 출력하기 위한 구조로 이루어진다.

본 발명은 이와 같은 기본 구조의 라디오 주파수 윈도우 장치를 광대역(예 75~110GHz)의 동작 주파수 범위에서 동작하도록 구현되는 경우, 가능한 동작 주파수의 폭을 종래 기술에 의한 것보다 매우 크게 확장할 뿐만 아니라 이를 실현하기 위한 장치 구조도 용이한 제작 범위 내의 규격으로 이루어지는 것을 주요 특징으로 한다.

보다 구체적으로 설명하면, 본 발명의 광대역 라디오 주파수 윈도우 장치는 진공 영역으로부터 제1 직각형 도파관(110)을 통해 주파수 신호를 입력받는 주파수 입력부, 제1 직각형 도파관(110)과 연결되는 원통형 도파관(120) 내부로 주파수 신호의 전달이 이루어진 후 원통형 도파관(120) 내부의 세라믹 디스크(130)를 관통하여 공기 영역으로 주파수 신호를 전달하는 신호출력 경계부, 및 신호출력 경계부의 출력단에 연결되는 제2 직각형 도파관(110)을 통해 공기 영역으로 노출된 주파수 신호를 외부로 출력하는 주파수 출력부를 포함하는 구성을 갖춘다.

여기서, 신호출력 경계부는 광대역(예 75~110GHz)에서의 동작 주파수 범위를 확장하기 위해 원통형 도파관(120)의 길이를 기 설정된 제1 특정 값으로 구비하고, 세라믹 디스크(130)의 두께도 기 설정된 제2 특정 값으로 구비하는 것이 바람직하다.

도 5는 도 4에 도시된 라디오 주파수 윈도우 장치의 단면을 일실시 예로 나타내는 도면이다. 도 5에 단지 예로써 도시된 바와 같이, 원통형 도파관(120)과 직각형 도파관(110)의 연결은 소정의 플랜지(140)를 이용한 체결 방식으로 이루어지는데, 즉 제1 직각형 도파관(110)과 진공 영역 쪽의 원통형 도파관(120)의 연결을 제1 플랜지(140)를 이용하여 체결하며 제2 직각형 도파관(110)과 공기 영역 쪽의 원통형 도파관(120)의 연결을 제2 플랜지(140)를 이용하여 체결한다.

즉, 제1 직각형 도파관(110)은 진공전자 장치(Vacuum Electronic Device)의 커플러에 연결되어 주파수 신호의 입력단이 되며, 제2 직각형 도파관(110)은 안테나 및 다른 RF 부품과 연결되는 주파수 신호의 출력단이 된다.

원통형 도파관(120) 및 세라믹 디스크(130)(즉, AI₂O₃)의 지름은 제1 직각형 도파관(110) 및 제2 직각형 도파관(110)의 대각선 길이로 설계되는 것이 바람직하다.

이와 같이 라디오 주파수 윈도우 장치를 이루는 각 부품 간의 연결은 진공 접합으로 이루어지며, 이는 Stainless 304를 소재로 전용 지그를 제작하여, 진공 퍼니스 브레이징(Vacuum Furnace Brazing)를 실시하는 것으로 이루어진다.

도 6은 도 4에 도시된 라디오 주파수 윈도우 장치 중 신호출력 경계부의 구조를 단순화하여 일실시 예로 나타내는 도면이다. 도 6에 단지 예로써 도시된 바와 같이, 신호출력 경계부를 이루는 원통형 도파관(120)의 길이 및 세라믹 디스크(130)의 두께가 각각 고유한 특정 값으로 이루어진다.

즉, 원통형 도파관(120)의 길이는 제1 특정 값으로 이루어지며, 이러한 제1 특정 값은 주파수 신호를 이루는 전자파의 진행 방향에 대해 자계 성분은 존재하나 전계 성분은 존재하지 아니하는 전기적 횡파를 형성하는 모드 중 TE₁₁₁ 모드를 형성하는 값으로 이루어진다.

여기서, TE₁₁₁ 모드를 형성하는 값이라 함은 아래 수식<1> 중 l_p 값을 일컫는다.

수식<1>

여기에서, μ_p는 진공자화율이고, ε_p는 진공유전율이고, l_p는 원통형 도파관(120) 길이(세라믹 디스크(130)의 두께를 제한 길이)이고, ^* p₁₁는 1.841이고, F_p는 중심 주파수이고, c는 빛의 속도이며, a_p는 원통형 도파관의 지름이다.

한편, 세라믹 디스크(130)의 두께는 제2 특정 값으로 이루어지며, 이러한 제2 특정 값은 주파수 신호를 이루는 전자파의 진행 방향에 대해 자계 성분은 존재하나 전계 성분은 존재하지 아니하는 전기적 횡파를 형성하는 모드 중 TE_11n(n<5) 모드를 형성하는 값으로 이루어진다.

여기서, TE_11n(n<5)를 형성하는 값이라 함은 아래 수식<2> 중 t_c 값을 일컫는다.

수식<2>

(단, μ_c: 세라믹 자화율, ε_c: 유전율, t_c: 세라믹 두께, ^* p₁₁: 1.841, F_c: 중심 주파수, c: 빛의 속도)

세라믹 디스크의 지름은 -20um 오차 이내에서 직각 도파관 내부 구멍의 대각선 길이로 제작할 수 있다.

본 실시예에서 플랜지는 필박스와 직각도파관 사이를 진공접합하기 위해 양 부품과 동시에 결합되는 이음새 부품이다. 도파관의 W 대역 표준 규격인 WR-10규격(내부 홀 기준 1.27mm * 2.55mm)의 도파관의 외부가 약 0.8mm 삽입될 수 있는 직각 홈을 형성시키는 것이 바람직하다. 직각 홈 반대편에 원통형 필박스가 약 0.7mm 삽입되도록 원형 홈을 0.7mm 깊이로 형성하는 것이 바람직하다.

세라믹 디스크의 지름은 -20um의 오차 이내에서 직각 도파관 내부 구멍의 대각선 길이로 제작하는 것이 바람직하다.예를들어, WR-10규격의 경우 a_c ²=1.27² + 2.54² 이다. 세라믹의 두께는 세라믹 디스크를 하나의 공동으로 가정하여 내부에 TE_11n 모드가 생기도록 설계하는 것이 바람직하다.

원통형 도파관의 내부 지름은 세라믹 디스크 지름의 ±20um 오차 범위 내가 바람직하다. 원통형 도파관의 전체 길이에서 세라믹 디스크의 두께를 제외하고, 나머지를 반으로 나눈 값(lp)이 같은 값의 원통형 도파관 내에 TE₁₁₁ 모드가 형성되도록 구비되는 것이 바람직하다.

또한, TE_11n(n<5)에서 n은 4 이하로 설정되는 것이 바람직하다.

도 7은 본 발명에 의한 라디오 주파수 윈도우 장치의 동작 효율을 일실시 예로 나타내는 도면이다. 도 7에 단지 예로써 도시된 바와 같이, 광대역 라디오 주파수 윈도우 장치에서 운용 가능한 광대역의 동작 주파수 폭은 기존의 윈도우 장치에서 구현한 광대역의 동작 주파수 폭보다 4~5배 확장된 것으로 확인할 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

또한, 본 발명은 특정 주파수대의 전자기파를 발진 및 증폭시키는 진공전자 장치(Vacuum Electronic Device)의 경우에 진공내부의 전자기파 신호를 손실없이 공기영역으로 전달하는 라디오 주파수 윈도우(RF window) 장치를 구현하는데 있어서, 이러한 라디오 주파수 윈도우 장치의 동작 주파수 범위를 효율적으로 확대하기 위한 것임에 따라, 시판 또는 영업의 가능성이 충분할 뿐만 아니라 현실적으로 명백하게 실시할 수 있는 정도이므로 산업상 이용가능성이 있는 발명이다.

110: 직각형 도파관 120: 원통형 도파관
130: 세라믹 디스크 140: 플랜지

Claims (12)

1. 진공 영역으로부터 제1 직각형 도파관을 통해 주파수 신호를 입력받기 위한 주파수 입력부;
   상기 제1 직각형 도파관과 연결되는 원통형 도파관 내부로 상기 주파수 신호가 전달된 후 상기 원통형 도파관 내부의 세라믹 디스크를 관통하여 공기 영역으로 상기 주파수 신호를 전달하기 위한 신호출력 경계부; 및
   상기 신호출력 경계부와 연결되는 제2 직각형 도파관을 통해 상기 세라믹 디스크를 관통한 주파수 신호를 외부로 출력하기 위한 주파수 출력부;를 포함하고,
   상기 신호출력 경계부는 상기 원통형 도파관의 길이를 기 설정된 제1 특정 값으로 구비하고 상기 세라믹 디스크의 두께를 기 설정된 제2 특정 값으로 구비되는 것을 특징으로 하는 W대역 광대역 라디오 주파수 윈도우 장치.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 제1 특정 값은 상기 주파수 신호를 이루는 전자파의 진행 방향에 대해 자계 성분은 존재하나 전계 성분은 존재하지 아니하는 전기적 횡파를 형성하는 모드 중 TE₁₁₁ 모드를 형성하는 값으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 W대역 광대역 라디오 주파수 윈도우 장치.
3. 제2 항에 있어서,
   상기 TE₁₁₁ 모드를 형성하는 값은 아래 수식<1> 중 l_p 값인 것을 특징으로 하는 W대역 광대역 라디오 주파수 윈도우 장치.
   수식<1>
   

   

   
   (단, μ_p: 진공자화율, ε_p: 진공유전율, l_p: 원통형 도파관 길이(세라믹 디스크의 두께를 제한 길이), ^* p₁₁: 1.841, F_p: 중심 주파수, c: 빛의 속도, a_p: 원통형 도파관의 지름, λ: 관내 파장(guide wavelength))
4. 제1 항에 있어서,
   상기 제2 특정 값은 상기 주파수 신호를 이루는 전자파의 진행 방향에 대해 자계 성분은 존재하나 전계 성분은 존재하지 아니하는 전기적 횡파를 형성하는 모드 중 TE_11n(n<5) 모드를 형성하는 값으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 W대역 광대역 라디오 주파수 윈도우 장치.
5. 제4 항에 있어서,
   상기 TE_11n(n<5)를 형성하는 값은 아래 수식<2> 중 t_c 값인 것을 특징으로 하는 W대역 광대역 라디오 주파수 윈도우 장치.
   수식<2>
   

   

   
   (단, μ_c: 세라믹 자화율, ε_c: 유전율, t_c: 세라믹 두께, ^* p₁₁: 1.841, F_c: 중심 주파수, c: 빛의 속도, a_c: 세라믹 디스크의 지름, λ: 관내 파장(guide wavelength))
6. 제1 항에 있어서,
   상기 원통형 도파관 및 상기 세라믹 디스크의 내부 지름은 상기 직각형 도파관의 대각선 길이로 구비되는 것을 특징으로 하는 W대역 광대역 라디오 주파수 윈도우 장치.
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