KR101483567B1 - 도파관 임피던스 정합 구조체 및 이를 이용한 도파관 안테나 - Google Patents
도파관 임피던스 정합 구조체 및 이를 이용한 도파관 안테나 Download PDFInfo
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Abstract
도판관 임피던스 정합 구조체에 관한 것으로, 제 1 내부 직경을 가진 제 1 도파관; 및 상기 제 1 내부 직경보다 더 큰 제 2 내부 직경을 가진 제 2 도파관을 포함하되, 상기 제 1 도파관이 상기 제 2 도파관에 삽입되는 구성을 마련하여 도파관 급전 시스템의 소형화를 구현할 수 있으며, 동시에 우수한 전기적 특성을 가질 수 있어 안정적인 전파의 송신환경을 제공할 수 있는 효과가 얻어진다.
Description
본 발명은 도파관 임피던스 정합 구조체에 관한 것으로, 특히 겹쳐지는 단면을 적용한 도파관 임피던스 정합 구조체 및 이를 이용한 도파관 안테나에 관한 것이다.
RF(Radio Frequency) 통신과 같이 고주파 통신 분야에서는 임피던스 정합이 중요한 사항이다. 임피던스 정합이란 어떤 하나의 출력단과 입력단을 연결할 때, 서로 다른 두 연결단의 임피던스 차에 의한 신호 반사를 줄이는 방법을 의미한다.
이때, 도파관 임피던스 정합 구조체는 상이한 두 도파관의 임피던스를 완화시켜 원활한 전력을 전송하기 위한 구조로서, 고 전력 전송을 위한 통신 분야에서 광범위하게 사용되고 있다.
대표적으로, 종래의 임피던스를 정합시키는 방법은 테이퍼 정합(taper matching)과 λ/4 정합(Q-matching)이 있다.
도 1은 테이퍼 정합을 나타내는 개념도이며, 도 2는 λ/4 정합을 나타내는 개념도이다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 테이퍼 정합은 특성 임피던스가 다른 2개의 도파관 T1,T2를 임피던스 체변부 T0를 통해 정합을 시키는 방식이며, λ/4 정합은 특성 임피던스가 Z0(순저항)이고 길이가 λ/4인 무손실 선로의 수단에 부하 ZL을 접속하였을 때 입력 임피던스는 
가 되는 것을 이용하여 정합시키는 방식이다.
이와 관련하여, 테이퍼 정합이나 λ/4 정합은 본 발명의 기술분야에 속하는 통상의 기술자에게 널리 알려져 있는바, 본 명세서에서는 상세한 설명은 생략하기로 한다.
또한, 하기 특허문헌 1에는 입/출력단으로 기능하는 유전체의 끝 면을 경사면으로 형성하여 임피던스 특성을 개선한 정합 구조체를 개시하고 있다.
그러나 상기와 같은 특허문헌 1을 포함하는 종래기술에 따른 도파관 임피던스 정합 구조체는 길이가 증가하는 구조로서 최근에 요구되는 도파관 급전 시스템의 소형화, 경량화 및 고성능화에 부합되지 않는 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 물리적인 길이와 부피를 감소시킬 수 있는 도파관 임피던스 정합 구조체를 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 도파관 임피던스 정합 구조체는 제 1 내부 직경을 가진 제 1 도파관 및 상기 제 1 내부 직경보다 더 큰 제 2 내부 직경을 가진 제 2 도파관을 포함하며, 상기 제 1 도파관이 상기 제 2 도파관에 삽입되는 것을 특징으로 한다.
상기 제 1 도파관의 외주면이 제 2 도파관의 내주면과 동심을 갖도록 오버랩되는 것을 특징으로 한다.
상기 제 1 도파관은 4중 릿지(Ridge) 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.
상기 제 1 도파관의 삽입 깊이에 따라 인덕턴스 성분과 캐패시턴스 성분이 변화하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 바람직한 실시 예에 따른 도파관 안테나는 이러한 도파관 임피던스 정합 구조체가 적용되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 도파관 임피던스 정합 구조체에 의하면, 도파관 급전 시스템을 소형화로 구현할 수 있으며, 동시에 우수한 전기적 특성을 가질 수 있어 안정적인 전파의 송신환경을 제공할 수 있는 효과가 얻어진다.
도 1은 종래의 임피던스를 정합시키는 방법 중 테이퍼 정합을 나타내는 개념도,
도 2는 종래의 임피던스를 정합시키는 방법 중 λ/4 정합을 나타내는 개념도,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 도파관 임피던스 정합 구조체 제1 실시 예의 사시도,
도 4a는 도 3에 도시된 제 1 도파관이 제 2 도파관에 삽입되기 이전을 표현하는 등가 회로도,
도 4b는 도 3에 도시된 제 1 도파관이 제 2 도파관에 삽입된 이후를 표현하는 등가 회로도,
도 5에 도 3에 도시된 삽입 길이(Lin)에 따른 반사손실을 나타내는 그래프,
도 6은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 도파관 임피던스 정합 구조체 제2 실시 예의 사시도,
도 7은 도 6에 도시된 삽입 길이(Lin)에 따른 반사손실을 나타내는 그래프.
도 2는 종래의 임피던스를 정합시키는 방법 중 λ/4 정합을 나타내는 개념도,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 도파관 임피던스 정합 구조체 제1 실시 예의 사시도,
도 4a는 도 3에 도시된 제 1 도파관이 제 2 도파관에 삽입되기 이전을 표현하는 등가 회로도,
도 4b는 도 3에 도시된 제 1 도파관이 제 2 도파관에 삽입된 이후를 표현하는 등가 회로도,
도 5에 도 3에 도시된 삽입 길이(Lin)에 따른 반사손실을 나타내는 그래프,
도 6은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 도파관 임피던스 정합 구조체 제2 실시 예의 사시도,
도 7은 도 6에 도시된 삽입 길이(Lin)에 따른 반사손실을 나타내는 그래프.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 도파관 임피던스 정합 구조체를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 도파관 임피던스 정합 구조체 제1 실시 예의 사시도이고, 도 6은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 도파관 임피던스 정합 구조체 제2 실시 예의 사시도이다.
본 발명의 바람직한 제1 실시 예에 따른 도파관 임피던스 정합 구조체는 제 1 도파관(10) 및 제 2 도파관(20)을 포함한다. 또한, 본 발명의 바람직한 제2 실시 예에 따른 도파관 임피던스 정합 구조체는 제3 도파관(30) 및 제 4 도파관(40)을 포함한다. 여기서 도 3에 도시한 제1 도파관(10)과 도 6에 도시한 제3 도파관(30)은 동일한 작용을 하며, 제2 도파관(20) 및 제4 도파관(40) 또한 동일한 작용을 한다. 다만, 도 3에 도시한 도파관 임피던스 정합 구조체는 도파관을 원형으로 구현한 것이고, 도 6에 도시한 도파관 임피던스 정합 구조체는 도파관을 직사각형으로 구현한 것만이 차이가 있다. 따라서 이하에서는 설명의 편의를 위해 원형의 도파관에 대해서만 설명하기로 한다.
일반적으로, 제1 및 제2 도파관(10,20)은 마이크로파 이상의 높은 주파수(1GHz 이상)의 전기 에너지나 신호를 전송하기 위한 전송로의 일종인데, 구리 등의 전기도체로 된 관(管) 내부를 전자기파가 지나가게 한 것이다. 일종의 고역 필터 성질이 있으며, 차단 파장보다도 긴 파장의 전파는 전할 수 없다. 또 도파관의 축을 따라 전하는 파동의 파장은 관내파장이라 불리며 여진파장보다도 길다.
제1 및 제2 도파관(10,20)은 전파를 가두어 넣고 전송하므로 주위의 도체에 전기가 직접 흐르지 않기 때문에 저항손실이 적다. 또 관의 내부는 보통 속이 비어 있고 공기로 채워져 있을 뿐이므로 유전체손실도 적다. 관의 단면 형상은 정사각형, 직사각형 및 원형의 것이 많고, 내면은 금이나 은으로 도금되어 있다.
제 1 도파관(10)은 제 1 내부 직경을 가진다. 바람직하게는, 제 1 도파관(10)은 4중 릿지(ridge) 구조를 가진다. 4중 릿지 구조는 도 3에 도시된 바와 같이, 도파관 내부 4면에 대칭적으로 릿지(11)를 위치시키는 구조로서, 서로 수직하는 두 편파(좌수 원형 편파, 우수 원형 편파, 기운 선형 편파, 이중 선형 편파 등)의 기본 투과 모드를 지원한다.
제 2 도파관(20)은 제 2 내부 직경을 가진다. 바람직하게는, 제 2 내부 직경을 제 1 도파관(10)의 제 1 내부 직경보다 더 크다. 예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이, 단면이 원형인 원형 도파관의 경우에는 제 2 도파관(20)의 반경이 제 1 도파관(10)의 반경보다 더 크다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 도파관 임피던스 정합 구조체는 제 1 내부 직경을 가진 제 1 도파관(10)이 그보다 더 큰 제 2 내부 직경을 가진 제 2 도파관(20)에 삽입되는 구조이다. 바람직하게는, 제 1 도파관(10)과 제 2 도파관(20)이 겹쳐진 부분(오버랩)에서, 제 1 도파관(10)의 외주면이 제 2 도파관(20)의 내주면과 동심을 갖도록 오버랩된다. 따라서, 제 1 도파관(10)과 제 2 도파관(20)의 내부에 중첩되는 부분은 도파관 정합 구조체로서, 인덕턱스 성분과 캐패시턴스 성분을 발생시킨다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 도파관 임피던스 정합 구조체는 제 1 도파관(10)과 제 2 도파관(20)의 겹쳐진 부분의 길이(Lin)(또는, 제 1 도파관(10)의 삽입 깊이(Lin))에 따라 인덕턴스 성분과 캐패시턴스 성분을 변화시키고, 변화하는 인덕턴스 성분과 캐패시턴스 성분을 이용하여, 원하는 대역에서 원형 도파관의 TE11 모드의 반사손실 특성을 개선할 수 있다. 즉, 도파관 안테나 또는 레이더는 이러한 도파관 임피던스 정합 구조체를 적용함으로써 뛰어난 반사손실 특성을 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 도파관 임피던스 정합 구조체는 제 2 도파관(20)이 삽입되는 제 1 도파관(10)을 덮는 구조이다. 이러한 구조를 통해, 제 2 도파관(20)이 삽입되는 제 1 도파관(10)을 잡아줌으로써, 제 1 도파관(10)과 제 2 도파관(20)의 겹쳐진 부분이 고정될 수 있다. 여기서 상기 제 1 도파관(10) 및 제 2 도파관(20)은 망사체 개구를 구비한다.
도 4a는 도 3에 도시된 제 1 도파관(10)이 제 2 도파관(20)에 삽입되기 전을 표현하는 등가 회로도이며, 도 4b는 도 3에 도시된 제 1 도파관(10)이 제 2 도파관(20)에 삽입된 후를 표현하는 등가 회로도이다. 다만, 이러한 등가 회로도는 일 예로서, 설명의 편의를 위해 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 도파관 임피던스 정합 구조체를 단순화하여 가장 유사한 구조를 기준으로 모델링한 것이며, 본 발명의 기술분야에 속하는 통상의 기술자는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 도파관 임피던스 정합 구조체를 다양한 방법으로 모델링할 수 있다.
도 4a를 참고하면, 제 1 도파관(10)이 제 2 도파관(20)에 삽입되기 전을 표현하는 등가 회로도는 단 면적의 크기가 변하는 지점(즉, 제 1 도파관(10)과 제 2 도파관(20)의 경계 지점)을 서셉턴스(susceptance)(-jB/2)로 모델링할 수 있다. 즉, 제 1 원형 도파관(10)이 제 2 원형 도파관(20)에 삽입되기 전을 표현하는 등가 회로도는 서셉턴스의 정의에서 알 수 있듯이, 구조의 불연속면에 의한 교류 흐름 방해로서 모델링할 수 있다.
도 4b를 참고하면, 제 1 도파관(10)이 제 2 도파관(20)에 삽입되기 이후를 표현하는 등가 회로도는 겹쳐지는 부분에서 전류의 흐름으로부터 발생하는 인덕턴스 성분과 제 1 도파관(10)과 제 2 도파관(20) 간의 이격에 의해, 즉 두 도체의 갭(gap)에 의해 발생하는 캐패시턴스 성분으로 모델링할 수 있다. 또한, 전술한 바와 같이, 제 1 도파관(10)과 제 2 도파관(20)의 겹쳐진 부분의 길이(Lin)에 따라 인덕턴스 성분과 캐패시턴스 성분이 변화하는 것을 이용하며, 원하는 대역에서 도파관의 TE11 모드의 반사손실 특성을 개선할 수 있다.
도 5에 도 3에 도시된 삽입 길이(Lin)에 따른 반사손실을 나타내는 그래프이다.
도 5를 참고하면, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 도파관 임피던스 정합 구조체는 제 1 도파관(10)과 제 2 도파관(20)의 겹쳐진 부분의 길이(Lin)가 대략 11mm에 근접할 때 반사손실의 특성이 최적으로 개선되어 짐을 알 수 있다. 그러나, 이 같은 수치는 단순히 하나의 예시일 뿐, 제1 및 제2 도파관(10,20)의 구조, 재질, 형상 및 내부 폭 등에 따라 수치가 달라질 수 있음은 당연하다.
도 7에 도 6에 도시된 삽입 길이(Lin)에 따른 반사손실을 나타내는 그래프이다.
도 7을 참고하면, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 도파관 임피던스 정합 구조체는 제 3 도파관(30)과 제 4 도파관(30)의 겹쳐진 부분의 길이(Lin)가 대략 11mm에 근접할 때 반사손실의 특성이 최적으로 개선되어 짐을 알 수 있다. 그러나, 이 같은 수치는 단순히 하나의 예시일 뿐, 제3 및 제4 도파관(30,40)의 구조, 재질, 형상 및 내부 폭 등에 따라 수치가 달라질 수 있음은 당연하다.
이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.
10: 제 1 도파관
11: 릿지
20: 제 2 도파관
30: 제 3 도파관
31: 릿지
40: 제 4 도파관
11: 릿지
20: 제 2 도파관
30: 제 3 도파관
31: 릿지
40: 제 4 도파관
Claims (7)
- 제 1 내부 직경을 가진 제 1 도파관; 및
상기 제 1 내부 직경보다 더 큰 제 2 내부 직경을 가진 제 2 도파관을 포함하며,
상기 제 1 도파관이 상기 제 2 도파관에 삽입되며,
상기 제 1 도파관의 외주면이 제 2 도파관의 내주면과 동심을 갖도록 오버랩되며,
상기 제 1 도파관은 4중 릿지(Ridge) 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 도파관 임피던스 정합 구조체.
- 삭제
- 삭제
- 청구항 1에 있어서,
상기 제 1 도파관의 삽입 깊이에 따라 인덕턴스 성분과 캐패시턴스 성분이 변화하는 것을 특징으로 하는 도파관 임피던스 정합 구조체.
- 청구항 1에 있어서, 상기 제 1 도파관 및 제 2 도파관은 망사체 개구를 구비한 것을 특징으로 하는 도파관 임피던스 정합 구조체.
- 청구항 1에 있어서, 상기 제 1 도파관 및 제 2 도파관의 단면이 정사각형, 직사각형 및 원형 중 어느 하나의 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 도파관 임피던스 정합 구조체.
- 청구항 1 또는 청구항 4 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 따른 도파관 임피던스 정합 구조체가 적용된 도파관 안테나.
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