KR101228014B1

KR101228014B1 - 위성용 도파관 셉텀 편파기

Info

Publication number: KR101228014B1
Application number: KR1020110084072A
Authority: KR
Inventors: 김지흥; 윤성식; 이재욱
Original assignee: 한국항공대학교산학협력단
Priority date: 2011-08-23
Filing date: 2011-08-23
Publication date: 2013-02-01

Abstract

본 발명은 위성용 도파관 편파기에 관한 것으로, 더 자세히는 원형 편파를 구성하는 TE10 및 TE01 모드의 에너지 전송면에서 향상된 전기적 특성을 가질 수 있도록 하는 도파관 편파기 내부의 개선된 릿지 구조에 관한 것으로, 본 발명에 따른 도파관 편파기는 정사각형의 도파관몸체 및 상기 도파관몸체의 내부 상판부에 삼각 형태의 릿지를 적어 하나 이상 형성하는 것을 기술적 특징으로 하며, 원형 편파 형성에 영향을 주는 요소들을 방지하여, 관심 주파수대역에서 반사손실 및 두 입력포트 사이의 격리도 특성, 좌수/우수원형편파에서 동일편파와 교차편파의 차이를 향상시키는 것을 기술적 목적으로 한다.

Description

위성용 도파관 셉텀 편파기{Satellite Waveguide Septum Polarizer}

본 발명은 위성용 도파관 편파기에 관한 것으로, 더 자세히는 원형 편파를 구성하는 TE10 및 TE01 모드의 에너지 전송면에서 향상된 전기적 특성을 가질 수 있도록 하는 도파관 편파기 내부의 개선된 릿지 구조에 관한 것이다.

최근 위성통신은 높은 데이터 전송률 (High Data Rate) 과 높은 전송 속도에 대한 요구가 증가함에 따라, 위성통신의 중요한 특징인 시간적 제약 내에서, 지상국과 위성사이의 높은 신뢰도를 갖는 데이터 전송 시스템에 대한 개발 및 관심이 증가하고 있는 실정이다.

신호전달에 따른 편파특성에 있어서, 위성통신은 원형편파 (Circular-Polarization) 특성이 요구되는데, 이는 전파의 전리층 투과 시 발생할 수 있는 파형의 회절현상을 극복함으로써, 전송신호의 신뢰도와 정확도를 높이기 위함이다. 또한 송신안테나는 장거리 통신환경을 극복하기 위해, 편파특성의 정합 (Matching) 능력과 저 손실 데이터 전송을 위한 고이득 및 고전력 수용 능력을 가져야 한다.

이러한 위성통신의 요구조건을 충족시키기 위해서는 안테나 급전시스템과 원형편파 발생기가 조합된 도파관 형태의 편파기가 적합하다.

본 발명의 배경이 되는 기술로는 Davis, D., Digiondomenico, O., Kempic, J.의 "A new type of circularly polarized antenna element"를 들 수 있으며, 도파관 형태의 편파기의 초기 형태로 셉텀 편파기 (Septum Polarizer)는 경사진 격막이 정사각형 도파관 내부에 위치한 형태로서 제조가 쉽고 구조가 간단하여 위성통신에 적합하였다.

이후, Ming Chen, Tsandoulas, G.의 "A Wide-band Square-Waveguide Array Polarizer"에서 제안된 계단식 격막을 갖는 편파기는 경사진 격막을 갖는 편파기와 비교하여 우수한 광대역 특성을 갖으나, 원형편파를 구성하는 수직 및 수평 편파의 위상정합 (Phase Matching) 조건을 위해 유전체 슬랩 (Dielectric-slab) 이 요구되는 단점이 있다.

이외에도, 위성정합을 위해 부가적인 커러게이션 (Corrugation) 구조를 추가한 셉텀 편파기가 제안되기도 하였다.

[도 11]은 기존의 계단식 격막을 사용한 도파관 편파기를 나타내는 도면으로서, 기존의 편파기는 정사각형 출력포트와 반대편에 계단형 격막으로 분리된 두 개의 직사각형 입력포트로 구성된다.

[표 1]은 Bornemann, J., Labay, V.A.의 "Ridged Waveguide Polarizer with Finite and Stepped-Thickness Septum"에 기재된 기존의 계단형 격막을 사용한 편파기에서 높은 순도의 원형편파 (CP) 발생을 위해 최적화된 설계 변수를 나타낸다.

L1	16.634mm	H1	5.928mm
L2	3.619mm	H2	5.805mm
L3	11.163mm	H3	3.812mm
L4	11.474mm	H4	4.473mm
L5	12.468mm	H5	2.842mm
L6	25.60976mm	T	1.27mm

[도 12]는 기존의 도파관 편파기의 우수/기수 모드 분석법으로 원형편파의 생성원리를 도시한 것으로서, (a)는 좌수편파 (Left-Handed CP) 생성을 나타내는 개념도이며, (b)는 우수편파 (Right-Handed CP) 생성을 나타내는 개념도이다.

입력포트로 여기된 전파는 직사각형 도파관의 기본모드인 TE10 모드와 계단형 격막에 의해 인가된 기본모드와 90도 위상차를 갖는 TE01 모드로 도파관 내부를 진행하게 된다.

우수 모드 해석에 의한 TE10 모드는 격막의 양쪽 면에 서로 다른 표면전류를 분포시켜 동일한 방향을 갖는 전계를 형성시키게 된다. 따라서 TE10 모드는 격막에 의한 전계 변형 없이 출력포트로 진행하게 된다.

기수 모드에서는 우수 모드와는 반대로, 격막의 양쪽 면에 동일한 표면전류를 분포시켜 서로 다른 방향의 전계를 형성시키게 되고, 출력포트로 진행함에 따라 양쪽의 수평전계성분의 상쇄를 통해 TE01 모드를 생성시키게 된다.

이러한 계단형 격막 구조를 적용한 편파기에서 출력되는 원형편파의 방향은 입력포트에 대한 격막의 슬롯 (Slot) 에 의해 결정된다.

높은 순도의 원형편파를 얻기 위해서는 원형편파를 구성하는 TE10/TE01 두 모드가 셉텀에 의해 균등한 에너지로 분할되어야 하며, 각 모드의 전송 시, 손실을 최소화하여 출력포트로 전달되어야 한다.

Davis, D., Digiondomenico, O., Kempic, J., "A new type of circularly polarized antenna element", in 1967 G-AP Symp. Dig., pp. 26-33. Ming Chen, Tsandoulas, G. "A Wide-band Square-Waveguide Array Polarizer", IEEE Trans. Antennas and Propagation, vol. AP-21, pp. 389-391, May 1973. Bornemann, J., Labay, V.A., "Ridged Waveguide Polarizer with Finite and Stepped-Thickness Septum", IEEE Trans. Microwave Theory and Tech., vol. 43, No. 8. Aug. 1995.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로,

본 발명에 따른 도파관 편파기의 목적은 정사각형의 도파관몸체에 삼각 형태의 릿지를 형성하여, 향상된 반사 손실 특성과 두 입력포트 사이의 격리도 특성을 갖는 격막 편파기를 제공하는데 있다.

다른 목적은, 릿지를 도파관몸체에 계단식으로 형성하여, 전계 파열을 최소화하고, 순도 높은 축비를 형성하는데 있다.

또 다른 목적은, 한 쌍의 분리 릿지를 이용하여, 정사각형의 도파관 몸체를 두 개의 직사각형 도파관으로 분리하는데 있다.

본 발명에 따른 도파관 편파기는 정사각형의 도파관몸체 및 상기 도파관몸체의 내부 상판부에 삼각 형태의 릿지를 적어도 하나 이상 형성하는 것을 특징으로 한다.

또 다른 본 발명에 따른 도파관 편파기의 릿지는 각각의 높이가 차이 나도록 형성되며, 상기 도파관 몸체의 내부 상판부에 일측에서 타측 방향으로 갈수록 높이가 낮은 릿지를 일렬로 배치하여, 전체적으로 계단식으로 형성되는 것을 특징으로 한다.

또 다른 본 발명에 따른 도파관 편파기에 있어, 도파관몸체의 일측에는 도파관몸체의 단면을 절반으로 분리할 수 있는 한 쌍의 분리 릿지를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 도파관 편파기는 정사각형의 도파관몸체에 삼각 형태의 릿지를 형성함으로써, 원형 편파 형성에 영향을 주는 요소들을 방지하여, 관심 주파수대역에서 반사손실, 입력포트 사이의 격리도, 동일 편파(co-polarization) 와 교차 편파 (cross-polarization) 특성의 차이를 보장하는 편파기를 제공할 수 있는 효과가 있다.

또한, 릿지를 도파관몸체에 계단식으로 형성함으로써, 전계 파열을 최소화하고, 순도 높은 축비를 형성할 수 있는 효과가 있으며, 리턴 손실 및 절연 특성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 한 쌍의 분리 릿지를 이용함으로써, 정사각형의 도파관 몸체를 두 개의 직사각형 도파관으로 분리할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 도파관 편파기의 실시예를 나타내는 사시도.
도 2는 본 발명에 따른 도파관 편파기의 실시예를 나타내는 정면도.
도 3은 본 발명에 따른 도파관 편파기와 기존 도파관 편파기의 TE10 모드에서의 전계 비교를 나타내는 개념도.
도 4는 본 발명에 따른 도파관 편파기와 기존 도파관 편파기의 TE01 모드에서의 전계 비교를 나타내는 개념도.
도 5는 본 발명에 따른 도파관 편파기의 좌수/우수 원형편파 생성을 우수/기수 모드 해석법으로 나타내는 개념도.
도 6은 본 발명에 따른 도파관 편파기와 기존 편파기의 반사손실 특성을 나타내는 비교 그래프.
도 7은 본 발명에 따른 도파관 편파기와 기존 편파기의 두 입력포트 사이의 격리도 특성을 나타내는 비교 그래프.
도 8은 본 발명에 따른 도파관 편파기와 기존 편파기의 축비 특성을 나타내는 비교 그래프.
도 9는 본 발명에 따른 도파관 편파기와 종래 편파기의 좌수원형편파 (LHCP) 동일 편파 및 교차 편파 특성을 나타내는 비교 그래프.
도 10은 본 발명에 따른 도파관 편파기와 종래 편파기의 우수원형편파 (RHCP) 동일 편파 및 교차 편파 특성을 나타내는 비교 그래프.
도 11은 기존의 계단식 격막 편파기를 나타내는 사시도.
도 12는 종래 도파관 편파기의 좌수/우수 원형편파 생성을 우수/기수 모드 해석법으로 나타내는 개념도.

이하, 본 발명에 따른 도파관 편파기를 실시하기 위한 구체적인 내용을 설명하면 다음과 같다.

[도 1]은 본 발명에 따른 도파관 편파기의 실시예를 나타내는 사시도로, 도파관몸체(4) 및 릿지(1)를 포함한다.

상기 도파관몸체(4)는 정사각형 관 형태로 구성되며, 전기에너지를 송신하는 역할을 하며, 도체로 형성된다.

상기 릿지(1)는 삼각 형태로 형성되며, 상기 도파관몸체(4)의 내부 상판부에 복수개가 연결되도록 한다.

본 발명에 따른 상기 릿지(1)는 복수 개로 형성 시, 각각의 높이가 차이 나도록 형성되며, 상기 도파관 몸체의 내부 상판부에 일측(입력포트)에서 타측(출력포트) 방향으로 갈수록 높이가 낮은 릿지를 일렬로 배치하여 전체적으로 계단식으로 형성하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 있어, 도파관몸체(4)의 일측(입력포트)에는 한 쌍의 분리 릿지(2, 3)를 더 포함하여, [도 2]에 도시된 바와 같이, 상기 도파관몸체(4)의 단면을 절반으로 분리하여, 제1, 2직사각형도파관(5.6)을 형성할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

[도 3]은 본 발명에 따른 도파관 편파기에 있어, TE10 모드에서의 전계 비교를 나타내는 개념도이고, [도 4]는 본 발명에 따른 도파관 편파기에 있어, TE01 모드에서의 전계 비교를 나타내는 개념도로, 각각 상이한 전송모드에 따라 전계 산란을 확인할 수 있다.

[도 3]에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 도파관 편파기는 종래 도파관 편파기에 비해 릿지에 의한 전계의 흐트러짐이 감소되는 것을 확인할 수 있다.

[도 4]에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 도파관 편파기는 종래 도파관 편파기에 비해 수직 성분이 증가하고, 수평 성분이 감소되는 것을 확인할 수 있다.

[도 5]는 본 발명에 따른 도파관 편파기에서, 우수원형편파 (RHCP) 및 좌수원형편파 (LHCP)의 생성 절차를 나타내는 것으로 최적의 공정에 의해, 관심 주파수대역에서 두 입력포트 사이의 격리도 특성이 우수한 수준으로 충족되는 것을 확인할 수 있다.

[도 6]은 본 발명에 따른 도파관 편파기와 기존 편파기의 반사손실 특성을 나타내는 비교 그래프로, 관심 주파수대역 8 내지 8.5GHz에 있어, -25dB 이하를 유지하는 것을 확인하여, 편파기 성능 조건을 만족하는 것을 확인할 수 있다.

또한, [도 7]은 본 발명에 따른 도파관 편파기와 기존 편파기의 두 입력포트 사이의 격리도 특성을 나타내는 비교 그래프로, 본 발명에 따른 도파관 편파기는 관심 주파수대역에서 확인할 수 있으며, 두 입력포트 사이의 격리도 수준은 -5 내지 -30dB 더 낮은 것을 확인할 수 있다.

[도 8]은 본 발명에 따른 도파관 편파기와 종래 편파기의 축비 특성을 나타내는 비교 그래프로 본 발명에 따른 도파관 편파기의 축비 수준은 관심 주파수대역 8 내지 8.5GHz에 있어, 종래 도파관 편파기와 유사한 수준의 결과를 도출한 것을 확인할 수 있다.

[도 9]는 본 발명에 따른 도파관 편파기와 기존 편파기의 좌수 원형편파에서 동일 편파 및 교차 편파 특성을 나타내는 비교 그래프이고, [도 10]은 본 발명에 따른 도파관 편파기와 기존 편파기의 우수 원형편파에서 동일 편파 및 교차 편파를 나타내는 비교 그래프이다.

기존 편파기의 경우, 동일편파와 교차편파의 수준 차이는 약 42B 정도인데, [도 9] 내지 [도 10]에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 도파관 편파기의 동일편파 수준은 종래 편파와 동일한 수준을 유지하는 것으로 확인되나 교차 편파 수준은 2dB 낮아진 것을 확인할 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 도파관 편파기는 정사각형 도파관 본체의 내부 상판부에 삼각 형태의 계단식 릿지를 형성하여, 편파기의 전기적 특성을 향상시킬 수 있는 효과가 있음을 확인할 수 있다.

즉, 본 발명에 따른 도파관 편파기를 적용함으로써, TE10 슬롯으로 인해 전계가 파열되는 현상을 개선하고, 이를 EM 시뮬레이터를 통해 검증할 수 있었다.

또한 삼각형의 릿지를 도파관 내부에 삽입한 것이 릿지 양측의 전계의 흐트러짐와 산란 현상을 최소화하는 것을 확인할 수 있었다.

이처럼 본 발명에 따른 도파관 편파기를 적용하면, 원형 편파 형성에 영향을 주는 요소들을 방지하여, 반사손실, 두 입력포트 사이의 격리도, 동일 편파 (co-polarization) 와 교차 편파 (cross-polarization) 특성의 차이를 보장하는 편파기를 제공할 수 있는 효과를 누릴 수 있는 것이다.

이상 본 발명의 실시예로 설명하였으나 본 발명의 기술적 사상이 상기 실시예로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범주에서 다양한 도파관 편파기로 구현할 수 있다.

1 : 릿지
2, 3 : 분리릿지
4 : 도파관몸체
5, 6 : 제1, 2 직사각형도파관

Claims

정사각형 관 형태의 도파관몸체 및
상기 도파관몸체의 내부 상판부에 삼각 형태의 릿지를 적어도 하나 이상 형성하는 것을 특징으로 하는 위성용 도파관 셉텀 편파기.
제1항에 있어서,
상기 릿지는,
각각의 높이가 차이 나도록 형성되며, 상기 도파관 몸체의 내부 상판부에 일측에서 타측 방향으로 갈수록 높이가 낮은 릿지를 일렬로 배치하여 전체적으로 계단식으로 형성되는 것을 특징으로 하는 위성용 도파관 셉텀 편파기.
제2항에 있어서,
상기 도파관몸체의 일측에는 도파관몸체의 단면을 절반으로 분리할 수 있는 한 쌍의 분리 릿지를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 위성용 도파관 셉텀 편파기.
제3항에 있어서,
도파관 셉텀 편파기는 TE10 또는 TE01 모드의 전송에서, 관심 주파수 대역이 8~8.5GHz 범위이며, 반사손실 특성이 -27 내지 -34dB 이며, 두 입력포트 사이의 격리도 특성이 -28 내지 -56dB로 구성되는 것을 특징으로 하는 위성용 도파관 셉텀 편파기.