KR101456314B1 - 트리플레이트 선로-도파관 변환기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 지도체 (1)의 도파관 (6)과의 접속 위치에 도파관 (6)의 내치수와 대략 동일한 치수의 관통 구멍을 설치하고, 추가로 필름 기판 (4)의 유지부에 유전체 (2a)와 동등한 두께의 금속 스페이서부 (7a)를 설치하고, 이 금속 스페이서부 (7a)의 내벽의 치수 E1과 E2를 소정의 주파수에 의해 변경하고, 이 금속 스페이서부 (7a)와 대략 동일한 치수의 금속 스페이서부 (7b)로 필름 기판 (4)를 협지하고, 추가로 이 금속 스페이서부 (7b)의 상부에 상부 지도체 (5)를 배치하고, 또한 필름 기판 (4)에 형성한 스트립 선로 도체 (3)의 선단의, 도파관 (6)의 변환부 선단에 대응하는 부분에 사각형 공진 패치 패턴 (8)을 형성하고, 사각형 공진 패치 패턴 (8)의 중심 위치와 도파관 (6)의 내치수의 중심 위치가 일치하도록 사각형 공진 패치 패턴 (8) 및 도파관 (6)을 배치한다.
트리플레이트 선로-도파관 변환기, 사각형 공진 패치 패턴, 하한 공진 주파수

Description

트리플레이트 선로-도파관 변환기 {TRIPLATE LINE/WAVEGUIDE CONVERTER}
본 발명은 밀리파대에서의 트리플레이트 선로-도파관 변환기의 구조에 관한 것이다.
최근 마이크로파·밀리파대의 평면 안테나에서는, 고효율의 특성을 실현하기 위해서 급전계를 트리플레이트 선로 구성으로 하는 방식이 주류를 이루고 있다. 이러한 트리플레이트 선로 급전 방식의 평면 안테나에 있어서, 각 안테나 소자의 급전 전력은 트리플레이트 선로에 의해 합성되지만, 이러한 합성 전력의 최종 출력부와 RF 신호 처리 회로와의 접속부에는, 조립이 용이하고 접속 신뢰성이 높은 트리플레이트 선로-도파관 변환기가 이용되는 경우가 많다.
여기서, 이러한 트리플레이트 선로-도파관 변환기의 종래 구성을 도 1에 나타낸다(예를 들면, 실용신안 공개 (평)06-070305호 공보 및 일본 특허 공개 제2004-215050호 공보 참조). 이 종래 구성에서는, 저손실로 도파관계와의 변환을 용이하게 하기 위해서, 지도체(地導體; ground conductor) (1)의 면 상에 유전체 (2a)를 개재시켜 스트립 선로 도체 (3)을 형성한 필름 기판 (4)를 적층 배치하고, 추가로 그의 면 상에 유전체 (2b)를 개재시켜 상부 지도체 (5)를 배치하여 트리플레이트 선로를 구성하고 있다.
또한, 도파관 (6)의 입력부에 대한 회로계의 접속시에, 지도체 (1)에 도파관 (6)의 내치수와 대략 동일한 치수의 관통 구멍을 설치하고, 추가로 필름 기판 (4)를 유지하기 위해서 유전체 (2a)와 동등한 두께의 금속 스페이서부 (7a)를 설치하고, 이 금속 스페이서부 (7a)와 대략 동일한 치수의 금속 스페이서부 (7b)에 의해 필름 기판을 협지하고, 추가로 이 금속 스페이서부 (7b)의 상부에 상부 지도체 (5)를 배치하고, 또한 필름 기판 (4)에 형성한 스트립 선로 도체 (3)의, 도파관 (6)의 변환부 선단에 대응하는 부분에 사각형 공진 패치 패턴 (8)을 형성하고, 상기 사각형 공진 패치 패턴 (8)의 중심 위치와 도파관 (6)의 중심 치수의 중심 위치가 일치하도록 배치하여 트리플레이트 선로-도파관 변환기가 구성되어 있다.
도 1(a)에 나타내는 상기 사각형 공진 패치 패턴 (8)의 선로 접속 방향의 치수 (L1)과, 선로 접속 방향과 직교하는 방향의 치수 (L2)를 소정의 치수로 함으로써, 소정의 주파수대에서 광대역이고 저손실의 특성을 갖는 트리플레이트 선로-도파관 변환기를 실현할 수 있다.
도 1에 나타내는 종래의 트리플레이트 선로-도파관 변환기에 있어서, 금속 스페이서 (7a, 7b)의 내벽의 치수에 의해서, 상기 사각형 공진 패치 패턴 (8)의 치수가 제한되고, 그에 따라 하한 공진 주파수도 제한된다는 문제점이 있었다.
<발명의 개시>
본 발명은 종래의 광대역이고 저손실인 특성을 손상시키지 않고, 종래 구조보다도 하한 공진 주파수를 낮출 수 있으며, 조립이 용이하고 접속 신뢰성이 높은 염가의 트리플레이트 선로-도파관 변환기를 제공하는 것이다.
본 발명의 트리플레이트 선로-도파관 변환기는, 도 2에 도시한 바와 같이 지도체 (1)의 면 상에 유전체 (2a)를 개재시켜 스트립 선로 도체 (3)을 형성한 필름 기판 (4)를 적층 배치하고, 추가로 그의 면 상에 유전체 (2b)를 개재시켜 상부 지도체 (5)를 배치하여 이루어지는 트리플레이트 선로와 도파관 (6)의 변환부 구조에 있어서, 상기 지도체 (1)의 도파관과의 접속 위치에 도파관 (6)의 내치수와 대략 동일한 치수의 관통 구멍을 설치하고, 추가로 필름 기판 (4)의 유지부에 유전체 (2a)와 동등한 두께의 금속 스페이서부 (7a)를 설치하고, 이 금속 스페이서부 (7a)와 대략 동일한 치수의 금속 스페이서부 (7b)로 필름 기판 (4)를 협지하고, 추가로 이 금속 스페이서부 (7b)의 상부에 상부 지도체 (5)를 배치하고, 또한 필름 기판 (4)에 형성한 스트립 선로 도체 (3)의 선단의, 도파관 (6)의 변환부 선단에 대응하는 부분에 사각형 공진 패치 패턴 (8)을 형성하고, 상기 사각형 공진 패치 패턴 (8)의 중심 위치와 도파관 (6)의 내치수의 중심 위치가 일치하도록 상기 사각형 공진 패치 패턴 (8) 및 도파관 (6)을 배치한 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 트리플레이트 선로-도파관 변환기는, 도 2에 도시한 바와 같이 상기 사각형 공진 패치 패턴 (8)의 선로 접속 방향의 치수 (L1)을 소정의 주파수의 자유공간 파장 λO의 대략 0.32배로 하고, 또한 상기 사각형 공진 패치 패턴 (8)의 선로 접속 방향과 직교하는 방향의 치수 (L2)를 소정의 주파수의 자유공진 파장 λO의 대략 0.38배로 한 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 트리플레이트 선로-도파관 변환기는, 도 2에 도시한 바와 같이 상기 금속 스페이서 (7a, 7b)의 도 3(b)에 나타내는 내벽의 치수 (E1, E2)를 소정의 주파수의 자유공간 파장 λO의 대략 0.59배로 한 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 금속 스페이서부 (7a, 7b), 상부 지도체 (5), 지도체 (1) 등의 구성 부품은, 원하는 두께를 갖는 금속판 등의 펀칭 가공으로 염가에 형성할 수 있기 때문에, 종래의 광대역이고 저손실인 특성을 손상시키지 않고, 종래 구조보다도 하한 공진 주파수를 낮출 수 있으며, 조립이 용이하고 접속 신뢰성이 높은 염가의 트리플레이트 선로-도파관 변환기를 실현할 수 있다.
[도 1] (a)는 종래예를 나타내는 상면도이고, (b)는 그의 단면도이다.
[도 2] (a)는 본 발명의 한 실시예를 나타내는 상면도이고, (b)는 그의 단면도이다.
[도 3] (a) 내지 (c)는 각각 본 발명의 한 실시예의 일부를 나타내는 상면도이다.
[도 4] 본 발명의 여진 모드의 변환 상황을 설명하는 단면도이다.
[도 5] 본 발명의 한 실시예의 주파수와 반사손실(return loss)의 관계를 나타내는 선도이다.
<발명을 실시하기 위한 최선의 형태>
이하, 도면을 기초하여 본 발명에 있어서의 트리플레이트 선로-도파관 변환기의 실시 형태를 상세히 설명한다.
도 2에 나타내는 트리플레이트 선로-도파관 변환기에 있어서는, 저손실로 도파관계와의 변환을 용이하기 하기 위해서, 지도체 (1)의 면 상에 유전체 (2a)를 개재시켜 스트립 선로 도체 (3)을 형성한 필름 기판 (4)를 적층 배치하고, 추가로 그의 면 상에 유전체 (2b)를 개재시켜 상부 지도체 (5)를 배치하여 트리플레이트 선로를 구성하고 있다.
또한, 도파관 (6)의 입력부에 대한 회로계의 접속시에, 지도체 (1)에 도파관 (6)의 내치수 a×b(도 3(a))와 대략 동일한 치수의 관통 구멍, 또는 타원형 관통 구멍을 설치하고, 추가로 필름 기판 (4)를 유지하기 위해서 유전체 (2a)와 동등한 두께의 금속 스페이서부 (7a)를 설치하고, 이 금속 스페이서부 (7a)와 대략 동일한 치수의 금속 스페이서부 (7b)에 의해 필름 기판을 협지하고, 추가로 이 금속 스페이서부 (7b)의 상부에 상부 지도체 (5)를 배치하고, 또한 필름 기판 (4)에 형성한 스트립 선로 도체 (3)의, 도파관 (6)의 변환부 선단에 대응하는 부분에 사각형 공진 패치 패턴 (8)을 형성하고, 상기 사각형 공진 패치 패턴 (8)의 중심 위치와 도파관 (6)의 내치수의 중심 위치가 일치하도록 배치하여, 트리플레이트 선로-도파관 변환기가 구성되어 있다.
또한, 도 2에 나타내는 본 발명의 트리플레이트 선로-도파관 변환기에 있어서, 도 3(b)에 나타내는 금속 스페이서부 (7a, 7b) 등은 원하는 두께의 금속판의 펀칭 가공품으로 형성할 수 있다.
본 발명에 있어서, 예를 들면 필름 기판 (4)의 면 상에 형성한 사각형 공진 패치 패턴 (8)에는, 상부 지도체 (5) 사이에서 도 4에 나타낸 바와 같이 TM01 모드의 여진 모드가 여기된다. 따라서, 필름 기판 (4)의 면 상에 형성된 스트립 선로 도체 (3)과 지도체 (1), (5)로 형성된 트리플레이트 선로의 여진 모드 TEM 모드는, 사각형 공진 패치 패턴 (8)과 지도체 (5) 사이에서 TM01 모드로 변환되고, 추가로 사각형 도파관의 여진 모드 TE10 모드로 모드 변환을 행할 수 있다.
또한, 각 구성 부재의 조립시에, 사각형 공진 패치 패턴 (8)의 중심 위치, 도파관 (6)의 내치수의 중심 위치, 지도체 (1)의 관통 구멍의 중심 위치 및 금속 스페이서부 (7a, 7b)의 치수 (E1), 치수 (E2)(도 3(b)에 나타냄)로 표시되는 내벽부의 중심 위치가 일치하도록, 각 구성 부품의 위치 정밀도를 가이드핀 등에 의해서 조립하여, 드라이버 등으로 고정하는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 사각형 공진 패치 패턴 (8)의 선로 접속 방향의 치수 (L1)(도 3(c)에 나타냄)을 소정의 주파수의 자유공간 파장 λO의 대략 0.32배로 하고, 또한 상기 사각형 공진 패치 패턴 (8)의 선로 접속 방향과 직교하는 방향의 치수 (L2)(도 3(c)에 나타냄)를 소정의 주파수의 자유공간 파장 λO의 대략 0.38배로 하는 것이 바람직하다.
L1을 소정의 주파수의 자유공간 파장 λO의 대략 0.32배로 하는 것은, 도파관의 내치수 a의 대략 0.98배 정도로서 상이한 전자계 모드를 원활하게 변환 가능하게 하기 때문이다. 바람직하게는, 자유공간 파장 λO의 0.30 내지 0.34배이다. L2를 소정의 주파수의 자유공간 파장 λO의 대략 0.38배로 하는 것은, 반사손실을 확보할 수 있는 대역을 보다 광대역으로 확보하기 때문이다. 바람직하게는, 자유공간 파장 λO의 0.32 내지 0.4배이다.
본 발명에 있어서, 금속 스페이서부 (7a, 7b)의 도 3(b)에 나타내는 내벽의 치수 (E1)과 (E2)를 소정의 주파수의 자유공간 파장 λO의 대략 0.59배로 하는 것이 바람직하다. 치수 (E1)과 (E2)를 소정의 주파수의 자유공간 파장 λO의 대략 0.59배로 하는 것은, 상기 사각형 공진 패치 패턴 (8)의 치수 제한을 완화시켜 하한 공진 주파수를 낮추기 위함이다. 바람직하게는 자유공간 파장 λO의 0.56 내지 0.62배이다.
필름 기판 (4)는 필름을 기재로 하고, 예를 들면 그 위에 동박 등의 금속박을 접합시킨 연성 기판이 불필요한 동박(금속박)을 에칭 제거함으로써 복수개의 방사 소자나 이들을 접속하는 스트립 도체 선로가 형성된다. 또한, 필름 기판은 유리 섬유에 수지를 함침시킨 얇은 수지판에 동박을 접합시킨 동장 적층판으로도 구성할 수 있다. 필름으로서, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리테트라플루오로에틸렌, 불화에틸렌폴리프로필렌 공중합체, 에틸렌테트라플루오로에틸렌 공중합체, 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리아미드이미드, 폴리아릴레이트, 열가소 폴리이미드, 폴리에테르이미드, 폴리에테르에테르케톤, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리스티렌, 폴리설폰, 폴리페닐렌에테르, 폴리페닐렌설파이드, 폴리메틸펜텐 등의 필름을 들 수 있고, 필름과 금속박의 적층에는 접착제를 사용할 수도 있다. 내열성, 유전 특성과 범용성으로 인하여 폴리이미드 필름에 동박을 적층한 연성 기판이 바람직하다. 유전 특성으로 인하여 불소계 필름이 바람직하게 이용된다.
지도체 (1) 및 상부 지도체 (5)는 어떠한 금속판 또는 플라스틱으로 도금한 판이어도 사용할 수 있지만, 특히 알루미늄판을 이용하면 경량이고 염가로 제조할 수 있어 바람직하다. 또한, 이들은 필름을 기재로 하고, 그 위에 동박을 접합시킨 연성 기판, 또한 유리 섬유에 수지를 함침시킨 얇은 수지판에 동박을 접합시킨 동장 적층판으로도 구성할 수 있다.
또한, 도파관 (6) 및 지도체 (1)에 설치한, 내치수가 대략 동일한 치수의 관통 구멍은 사각형, 또는 사각형과 동등한 주파수 전송이 가능한 타원형이 바람직하다. 또한, 유전체 (2a, 2b)로는 상대 공기 비유전율이 작은 발포체 등을 이용하는 것이 바람직하다. 발포체로는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 폴리올레핀계 발포체, 폴리스티렌계 발포체, 폴리우레탄계 발포체, 폴리실리콘계 발포체, 고무계 발포체를 들 수 있고, 폴리올레핀계 발포체의 상대공기 비유전율이 보다 작기 때문에 바람직하다.
이하, 본 발명을, 예를 들어 구체적으로 설명한다.
본 발명의 한 구체예를 도 2에 나타낸다. 본 구성에 있어서 지도체 (1)로서 두께 3 mm의 알루미늄판을 유전체 (2a, 2b)로서 두께 0.3 mm로 비유전율 약 1.1의 발포 폴리프로필렌 시트를, 필름 기판 (4)로서 두께 25 ㎛의 폴리이미드 필름에 두께 18 ㎛의 동박을 접합시킨 필름 기판을 이용하고, 지도체 (5)로서 두께 2.0 mm의 알루미늄판을 이용하였다. 또한, 금속 스페이서부 (7a, 7b)에는 두께 0.3 mm의 알루미늄판을 이용하였다.
여기서 지도체 (1)에는, 도 3(a)에 나타내는 바와 같이, 접속 도파관의 내치수와 동등한 a=1.27 mm, b=2.54 mm의 관통 구멍을 펀칭 가공에 의해 형성하였다. 또한, 도 3(b)에 나타내는 금속 스페이서부 (7a, 7b)의 각 치수는 E1=2.3 mm, E2=2.3 mm, c=1.0 mm, d=0.85 mm로서 펀칭 가공에 의해 형성하였다. 또한, 필름 기판 (4)에는, 도 3(c)에 나타내는 바와 같은 선로 폭 0.3 mm의 직선 선로의 스트립 선로 도체 (3)과 그의 선단의 도파관이 위치하는 부분에, 선로 접속 방향의 치수 (L1)을 소정의 주파수의 자유공간 파장 λO의 대략 0.32배, 즉 L1=1.25 mm, 선로 접속 방향과 직교하는 방향의 치수 (L2)를 소정의 주파수의 자유공간 파장 λO의 대략 0.38배, 즉 L2=1.5 mm로 한 사각형 공진 패치 패턴 (8)을 에칭에 의해 형성하였다.
또한, 도 2의 구성에 있어서, 지도체 (1)의 관통 구멍의 중심 위치, 금속 스페이서부 (7a, 7b)의 E1 치수, E2 치수로 표시되는 내벽부의 중심 위치 및 사각형 공진 패치 패턴 (8)의 중심 위치가 정밀도 좋게 일치하도록, 각부 재료를 관통시킨 가이드핀 등에 의해서 적층 배치하고, 상부 지도체 (5)의 상면으로부터 각 부재를 관통하고 지도체 (1)에 드라이버로 고정시켜 구성하였다.
이상 설명한 도 2의 구성에 의해 입력부와 출력부를 좌우대칭으로 형성하고, 한쪽 출력부에 도파관 종단을 접속하고, 입력부에 도파관을 접속하여 반사 특성을 측정한 결과를 도 5에 실선으로 나타내었다. 원하는 76.5 GHz 대에서 반사 손실은 -20 dB 이하의 특성을 갖고 있고, 또한 종래보다 낮은 주파수 대역에서도 -20 dB 이하의 저반사 손실 특성이 얻어졌다.
본 발명에 따르면, 금속 스페이서부 (7a, 7b), 상부 지도체 (5), 지도체 (1) 등의 구성 부품은, 원하는 두께를 갖는 금속판 등의 펀칭 가공으로 염가에 형성할 수 있기 때문에, 종래의 광대역이고 저손실인 특성을 손상시키지 않고, 종래 구조보다도 하한 공진 주파수를 낮출 수 있으며, 조립이 용이하고 접속 신뢰성이 높은 염가의 트리플레이트 선로-도파관 변환기를 실현할 수 있다.

Claims (3)

  1. 지도체 (1)의 면 상에 유전체 (2a)를 개재시켜 스트립 선로 도체 (3)을 형성한 필름 기판 (4)를 적층 배치하고, 추가로 그의 면 상에 유전체 (2b)를 개재시켜 상부 지도체 (5)를 배치하여 이루어지는 트리플레이트 선로와 도파관 (6)의 변환부 구조를 갖는 트리플레이트 선로-도파관 변환기로서,
    상기 지도체 (1)의 도파관과의 접속 위치에 도파관 (6)의 내치수와 동일한 치수의 관통 구멍을 설치하고, 추가로 필름 기판 (4)의 유지부에 유전체 (2a)와 동등한 두께와 도파관 (6)의 내치수보다도 큰 내벽 치수의 개구부를 갖는 금속 스페이서부 (7a)를 설치하고, 이 금속 스페이서부 (7a)와 동일한 치수의 금속 스페이서부 (7b)로 필름 기판 (4)를 협지하고, 추가로 이 금속 스페이서부 (7b)의 상부에 상부 지도체 (5)를 배치하고, 필름 기판 (4)에 형성한 스트립 선로 도체 (3)의 선단의, 도파관 (6)의 변환부 선단에 대응하는 부분에 사각형 공진 패치 패턴 (8)을 형성하고, 상기 사각형 공진 패치 패턴 (8)의 중심 위치와 도파관 (6)의 내치수의 중심 위치가 일치하도록 상기 사각형 공진 패치 패턴 (8) 및 도파관 (6)을 배치한 것을 특징으로 하는 트리플레이트 선로-도파관 변환기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 사각형 공진 패치 패턴 (8)의 선로 접속 방향의 치수 (L1)을 소정의 주파수의 자유공간 파장 λO의 0.30 내지 0.34배로 하고, 상기 사각형 공진 패치 패턴 (8)의 선로 접속 방향과 직교하는 방향의 치수 (L2)를 소정의 주파수의 자유공간 파장 λO의 0.32 내지 0.4배로 한 것을 특징으로 하는 트리플레이트 선로-도파관 변환기.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 금속 스페이서부 (7a, 7b)의 내벽의 치수 (E1, E2)를 소정의 주파수의 자유공간 파장 λO의 0.56 내지 0.62배로 한 것을 특징으로 하는 트리플레이트 선로-도파관 변환기.
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