KR101967302B1 - 전자기파의 수직/수평 편파 전환용 도파관 - Google Patents

Abstract

전자기파의 수직/수평 편파 전환용 도파관에 대해 개시한다.
본 발명에 따른 전자기파의 수직/수평 편파 전환용 도파관은 제1 축 방향이 장축을 이루는 직사각형 단면 형태의 전자기파의 입력단과 전송로가 구성된 입력단 도파관, 및 제1 축 방향과는 수직 방향인 제2 축 방향이 장축을 이루는 직사각형 단면 형태의 전자기파 전송로와 출력단이 구성된 출력단 도파관을 포함하며, 입력단 도파관과 출력단 도파관은 서로 마주하는 면이 결합되어, 서로 결합되어 연결된 내부 전송로를 통해 전자기파가 전송되도록 한다.
따라서, 본 발명에 따른 전자기파의 수직/수평 편파 전환용 도파관은 직사각형의 스텝 연결구조와 트위스트 구조가 결합된 형태로 구성되는바, 입력 전자기파의 편파 방향을 수직 또는 수평으로 90도 전환시켜 출력할 수 있는 도파관의 기계 가공 제작을 용이하게 할 수 있으며, 주파수 대역폭을 더욱 넓힐 수 있다.

Description

전자기파의 수직/수평 편파 전환용 도파관{WAVEGUIDE FOR HORIZONTAL OR VERTICAL POLARIZATION CHANGE OF ELECTRON WAVE}

본 발명은 도파관 안테나 및 도파관 회로에 이용되는 도파관에 관한 것으로, 직사각형의 스텝 연결구조와 트위스트 구조가 결합된 형태로 구성되어 입력 전자기파의 편파 방향을 수직/수평으로 전환시켜 출력할 수 있는 전자기파의 수직/수평 편파 전환용 도파관에 관한 것이다.

도파관은 마이크로파(Micro Wave) 이상 높은 주파수의 전자기파 에너지를 전송하는 전송 선로의 일종으로, 구리 등의 전기도체로 형성된 관(Tube)의 내부로 전자기파가 전송되도록 한 것이다, 이러한 도파관은 고역 차단필터 특성이 있으며, 차단 파장보다도 긴 파장의 전자기파는 전달되지 않는다. 이때, 도파관의 축을 따라 전달되는 전자기파의 파장을 관내파장(管內波長)이라 한다.

도파관은 속이 빈 금속관이고, 관내 전달되는 파장의 기본 모드(Mode)는 도파관의 크기에 의해 결정되는 일정한 차단 파장을 가진다.

일반적으로 저주파 신호는 도체인 2개의 구리선 등을 통하여 전송되지만, 고주파가 되면 도체의 표면효과로 인하여 도체 손실이 늘어나고 주위의 절연물 등에 의한 유전체 손실도 증가한다.

그러나 도파관은 전자기파가 내부의 벽 사이를 반사하면서 전송하므로 손실(감쇄)이 적고, 외부로부터 잡음 유입을 차단하는 동시에 전자기파의 불필요한 외부 방사를 차단하는 특성에 의하여 고출력의 마이크로파 등을 전송하는 전송선로에 적합하며, 단면은 원형, 사각형, 타원형 등과 같이 다양한 모양으로 구성될 수 있다.

이러한 도파관의 관 내에 전송되는 전자기파를 공기 중으로 방사(Radiation, 또는 송신)하는 경우 안테나 기능을 하며, 이를 도파관 안테나 또는 혼(HORN) 안테나라고 한다. 따라서 도파관 안테나는 송신과 수신 기능을 한다.

하지만, 도파관 안테나(또는, 혼 안테나)와 도파관을 결합하기 위해서는 도파관 안테나와 도파관 간의 편파 모드를 동일하게 맞추어야 한다. 예를 들어, 도파관 안테나는 수직 편파 모드의 전자기파를 방사하지만, 도파관은 수평 편파 모드의 전자기파를 전송하는 경우, 수평 편파 모드의 전자기파를 수직 편파 모드의 전자기파로 변환시켜야 한다.

이를 위해, 종래에는 다수개의 직사각형 도파관을 다수개의 스텝 형태로 꼬아서 최종적으로는 90도 전환되도록 제작한 후, 도파관 안테나와 도파관의 결합 부위에 90도 전환되도록 제작된 도파관을 결합시켜 이용하였다.

하지만, 종래 기술에 따른 전자기파의 편파 모드 전환 도파관은 다수의 스텝으로 꼬아서 제작하기가 어렵고, 표준 도파관의 주파수 파장의 2배 길이의 긴 도파관들을 이용해야 했기 때문에 집적화하기 어려운 문제점이 있었다.

특히, 위성 통신 또는 레이더의 도파관 배열 안테나 등과 같이 시스템적인 고 집적화가 요구되는 경우에는 스텝 구조 외에 다수의 슬롯을 결합한 슬롯 결합 구조가 이용되기도 했지만, 대역폭이 좁아지는 등의 문제를 해결할 수는 없었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위한 것으로, 직사각형의 스텝 연결구조와 트위스트 구조가 결합된 형태로 구성되어, 입력 전자기파의 편파 방향을 수직 또는 수평으로 90도 전환시켜 출력할 수 있는 전자기파의 수직/수평 편파 전환용 도파관을 제공하는데 그 목적이 있다.

전술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 전자기파의 수직/수평 편파 전환용 도파관은 제1 축 방향이 장축을 이루는 직사각형 단면 형태의 전자기파의 입력단과 전송로가 구성된 입력단 도파관, 및 제1 축 방향과는 수직 방향인 제2 축 방향이 장축을 이루는 직사각형 단면 형태의 전자기파 전송로와 출력단이 구성된 출력단 도파관을 포함하며, 입력단 도파관과 출력단 도파관은 서로 마주하는 면이 결합되어, 서로 결합되어 연결된 내부 전송로를 통해 전자기파가 전송되도록 한다.

입력단 도파관과 출력단 도파관은 서로의 내부 공간이 미리 설정된 공간만큼 중첩되는 형태로 서로 결합 됨과 아울러, 전자기파의 전송 방향과 동일한 방향의 어느 하나의 모서리가 서로 일치되도록 결합된다.

입력단 도파관과 출력단 도파관의 중첩된 결합 부위 내부에는 입력단 도파관의 내부를 통해 전송되는 전자기파의 편파 방향이 90도 전환되면서 출력단 도파관으로 전송되도록 하는 편파 회전 전송로가 구성된다.

전술한 바와 같은 다양한 기술 특징을 갖는 본 발명의 실시 예에 따른 전자기파의 수직/수평 편파 전환용 도파관은 직사각형의 스텝 연결구조와 트위스트 구조가 결합된 형태로 구성되도록 한다. 이에, 본 발명에서는 입력 전자기파의 편파 방향을 수직 또는 수평으로 90도 전환시켜 출력할 수 있는 도파관의 기계 가공 제작을 용이하게 할 수 있으며, 종래의 스텝 구조나 슬롯 결합 구조보다 대역폭을 더 넓힐 수 있는 도파관을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 전자기파의 수직/수평 편파 전환용 도파관을 구체적으로 나타낸 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 도파관의 내부 구조를 설명하기 위한 투시 구성도이다.
도 3은 도 1 및 도 2에 도시된 도파관의 내부 구조와 모드 변환기 구조를 구체적으로 설명하기 위한 절개 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 도파관의 광대역 특성 향상 효과를 설명하기 위한 그래프이다.

전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 전자기파의 수직/수평 편파 전환용 도파관을 구체적으로 나타낸 사시도이다.

도 1에 도시된 도파관은 제1 축 방향이 장축을 이루는 직사각형 단면 형태의 전자기파의 입력단과 전송로가 구성된 입력단 도파관(100), 및 제1 축 방향과는 수직 방향인 제2 축 방향이 장축을 이루는 직사각형 단면 형태의 전자기파 전송로와 출력단이 구성된 출력단 도파관(200)을 포함하며, 입력단 도파관(100)과 출력단 도파관(200)의 서로 마주하는 면이 결합된 형태로 구성된다.

이때, 입력단 도파관(100)과 출력단 도파관(200)은 서로 마주하는 면이 결합된 형태로 구성됨으로써, 서로 결합되어 연결된 내부 전송로를 통해 전자기파가 전송된다.

입력단 도파관(100)은 금속으로 이루어진 직사각형의 관 형태이며. 전자기파의 입력단과 전자기파 전송로는 직사각형 단면 형상을 유지하도록 구성된다. 이때, 입력단 도파관(100)의 내부 단면은 제1 축 방향이 장축을 이루는 직사각형 형태를 갖는다. 여기서, 제1 축 방향은 x축 방향 또는 지면과 평행하는 수평 방향이 될 수 있다.

출력단 도파관(200)은 입력단 도파관(100)과 동일한 재질의 금속으로 이루어진 직사각형의 관 형태이며, 전자기파 전송로와 전자기파 출력단은 제1 축 방향과는 수직 방향인 제2 축 방향이 장축을 이루는 직사각형 단면 형상을 유지하도록 구성된다. 즉, 출력단 도파관(200)의 내부 단면은 제1 축 방향과는 90도 각도가 되는 제2 축 방향이 장축을 이루는 직사각형 형태를 갖는다. 이에, 제2 축 방향은 y축 방향 또는 지면과는 수직 방향이 될 수 있다.

입력단 도파관(100)과 출력단 도파관(200)은 마이크로파 이상의 전자기파를 C band, L band, K band, Ku band, Ka band, mm wave band 등의 주파수 대역으로 전송할 수 있도록 구성된다.

이렇게 구성된 입력단 도파관(100)과 출력단 도파관(200)은 서로 마주하는 면이 결합되도록 구성됨으로써, 서로 결합되어 연결된 내부 전송로에서 전자기파의 편파가 전환되도록 한다.

입력단 도파관(100)으로는 전자기파가 제1 축 방향의 편파(예를 들면, 수직 편파)를 갖도록 입력된다. 이에, 입력된 전자기파는 제1 축 방향의 편파를 유지하여 전송되다가 출력단 도파관(200)이 연결된 내부 전송로에서 출력단 도파관(200)의 전송로 구조에 따라 제2 축 방향의 편파(예를 들면, 수평 편파)로 전환된다. 이에, 편파 방향이 제2 축 방향으로 전환된 전자기파는 출력단 도파관(200)의 출력부으로 출력된다.

입력단 도파관(100)과 출력단 도파관(200)의 마주하는 면이 단순하게 결합되어서는 결합부위의 결합 면적이 좁아지기만 한다. 이에, 도 1에 도시된 바와 같이, 입력단 도파관(100)과 출력단 도파관(200)은 서로의 내부 공간이 미리 설정된 공간만큼 중첩되는 형태로 결합 됨이 바람직하다.

서로의 내부 공간이 미리 설정된 공간만큼 중첩되는 형태로 입력단 도파관(200)과 출력단 도파관(200)이 결합 되면, 중첩되는 공간의 크기에 대응되도록 결합 부위의 면적이 커지기 때문에 전자기파의 편파 방향이 전환되는 전환 및 전송 공간이 넓게 구성될 수 있다. 이를 좀 더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

도 2는 도 1에 도시된 도파관의 내부 구조를 설명하기 위한 투시 구성도이다.

도 2를 참조하면, 입력단 도파관(100)과 출력단 도파관(200)은 서로의 내부 공간이 미리 설정된 공간만큼 중첩되는 형태로 서로 결합 되면서도, 전자기파의 전송 방향과 동일한 방향의 어느 하나의 모서리가 서로 일치되도록 결합 된다.

이렇게, 전자기파의 전송 방향과 동일한 방향의 어느 하나의 모서리가 서로 일치되도록 하면서, 입력단 도파관(100)과 출력단 도파관(200)의 내부 공간이 중첩되도록 결합 되면, 중첩되는 공간의 크기에 따라 결합 부위의 면적도 커지기 때문에 전자기파의 편파 방향이 전환되는 전송 공간이 넓게 구성될 수 있다.

다만, 내부 공간이 서로 중첩되지 않는 주변부 공간, 즉 서로 중첩된 공간 이외의 내부 공간은 사각 형태의 벽면으로 모두 막혀있기 때문에, 전자기파 전송시에는 주변부 공간의 벽면에 막히는 전자기파가 감쇄될 수 있다.

이에, 입력단 도파관(100)과 출력단 도파관(200)의 중첩된 결합 부위 내부에는 입력단 도파관(100)의 내부로 전송되는 전자기파의 편파 방향이 90도 전환되어 출력단 도파관(200)으로 전송되도록 하는 편파 회전 전송로가 구성된다.

제1 축 방향이 장축으로 이루어진 입력단 도파관(100)의 전자기파 입력부(110)로는 편파 방향이 제1 축 방향인 전자기파가 입력되어, 그 내부 전송로를 따라 전자기파가 전송된다. 이어, 편파 방향이 제1 축 방향인 전자기파는 편파 회전 전송로에서 편파 회전 전송로의 변형 형태에 따라 편파 방향이 제2 축 방향으로 전환된다. 따라서, 출력단 도파관(200)으로는 편파 방향이 제2 축 방향으로 전환된 전자기파가 전송되어 출력단 도파관(200)의 출력부(210)로는 편파 방향이 제2 축 방향인 전자기파가 출력된다.

이에, 편파 회전 전송로는 입력단 도파관(100)을 통해 전송되는 제1 축 방향인 전자기파 편파 방향이 점진적으로 90도 전환되어, 제2 축 방향의 편파를 갖고 출력단 도파관(200)으로 전송될 수 있도록 구성된다.

편파 회전 전송로는 하면, 상면, 좌면, 우면이 각각 갖추어진 관통형 사각 관 형태로 구성된다. 이때, 편파 회전 전송로의 하면, 상면, 좌면, 우면은 각각의 넓이, 면적, 폭, 기울기, 경사도 중 적어도 하나씩이 각각 변환되는 형태로 구성될 수 있다.

더욱 구체적으로, 편파 회전 전송로의 하면은 제1 축 방향의 면적이 점점 좁아지는 형태로 구성된다. 반면, 상면은 상면의 면적 중 절반의 면적이 하면 대비 제2 축 방향으로 경사지도록 구성되며, 상면의 면적 중 나머지 절반의 면적은 제1 축 방향에서 제2 축 방향으로 점점 기울어지는 형태로 구성될 수 있다.

편파 회전 전송로의 좌면은 제2 축 방향으로 면적이 점점 넓어지는 형태로 구성된다. 반면, 편파 회전 전송로의 우면은 좌면과 마주하되, 좌면과 점점 가까워지는 방향으로 좁아지는 방향으로 경사지게 구성될 수 있다.

도 3은 도 1 및 도 2에 도시된 도파관의 내부 구조와 모드 변환기 구조를 구체적으로 설명하기 위한 절개 구성도이다.

도 3에 도시되 바와 같이, 입력단 도파관(100)과 출력단 도파관(200)의 중첩된 결합 부위 내부면, 즉 편파 회전 전송로의 내부 면에는 편파 방향이 전환되면서 전송되는 전자기파의 반사각을 불규칙하게 가변시켜서, 전자기파의 편파 방향 전환 효율을 높이는 적어도 하나의 모드 변환기(300)가 더 구성될 수 있다.

구체적으로, 입력단 도파관(100)과 출력단 도파관(200)은 서로의 내부 공간이 미리 설정된 공간만큼 중첩되는 형태로 서로 결합 되면서도, 전자기파의 전송 방향과 동일한 방향의 어느 하나의 모서리가 서로 일치되도록 결합 되는바, 중첩된 결합 부위의 내부 적어도 어느 한 면에는 적어도 하나의 모드 변환기(300)가 구성될 수 있다.

입력단 도파관(100)을 통해서 전송되고 있는 편파 방향이 제1 축 방향인 전자기파는 편파 회전 전송로에서 그 내부 구조 변환 형태에 따라 90도 전환되어, 제2 축 방향의 편파를 갖고 출력단 도파관(200)으로 출력된다. 이때, 편파 방향을 제1 축 방향 그대로 유지하려고 하는 전자기파들은 적어도 하나의 모드 변환기(300)에 의해 그 반사각이 불규칙하게 가변되고, 결과적으로는 편파 회전 전송로의 내부 구조 변환 형태에 맞게 전환되어 출력단 도파관(200)으로 출력된다.

이를 위해, 적어도 하나의 모드 변환기(300)는 편파 회전 전송로의 내부 면 중, 전자기파의 전송 방향과 동일한 방향의 모서리에 구성될 수 있다.

적어도 하나의 모드 변환기(300)는 굴곡진 돔 형태로 돌출되도록 구성되거나, 원뿔, 삼각 뿔, 사각 뿔, 그리고 오각형 이상의 다각형 뿔 중 적어 하나의 뿔 형태로 구성될 수 있다.

또한, 적어도 하나의 모드 변환기(300)는 복수의 삼각 뿔(300a,300b)이 서로 결합되거나 조립된 형태로 구성될 수도 있다.

적어도 하나의 모드 변환기(300)는 편파 회전 전송로의 내부 벽면에 일체로 구성되거나, 편파 회전 전송로의 내부 벽면에 실장 또는 조립되는 형태로 구성될 수 있다.

이에, 편파 방향이 제1 축 방향인 전자기파는 전송 과정에서 편파 회전 전송로에서 90도 전환되되, 편파 방향을 제1 축 방향 그대로 유지하려고 하는 전자기파들은 적어도 하나의 모드 변환기(300)에 의해 그 반사각이 불규칙하게 가변 된다. 따라서, 최종적으로 전자기파들은 편파 회전 전송로에서 제2 축 방향의 편파 방향을 갖도록 전환되어 출력단 도파관(200)으로 출력된다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 도파관의 광대역 특성 향상 효과를 설명하기 위한 그래프이다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 도파관은 마이크로파 이상의 전자기파를 C band, L band, K band, Ku band, Ka band, mm wave band 등의 주파수 대역으로 전송할 수 있도록 구성된다.

도 4에서는 Ku band의 위성 통신에 적용되는 주파수 대역에서의 반사 계수(S11)와 전달 계수(S21)의 성능을 나타낸다.

Ku band의 수신 주파수 대역에서 -10dB 이하의 반사계수(S11) 대역폭은 10.5GHz 내지 15GHz까지의 광대역 특성을 나타내고 있음을 알 수 있다. 결과적으로는 스텝 구조의 도파관이나 슬롯 결합 구조의 도파관 구조보다는 대역폭을 더 넓힐 수 있게 된다.

이상 상술한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 전자기파의 수직/수평 편파 전환용 도파관(100,200)은 직사각형의 스텝 연결구조와 트위스트 구조가 결합된 형태로 구성되도록 한다.

이에, 본 발명에서는 입력 전자기파의 편파를 수직 또는 수평으로 90도 전환시켜 출력할 수 있는 도파관의 기계 가공 제작을 용이하게 할 수 있으며, 종래의 스텝 구조나 슬롯 결합 구조보다 대역폭을 더 넓힐 수 있는 도파관을 제공할 수 있다.

상기에서는 도면 및 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 실시 예의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 실시 예는 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음은 이해할 수 있을 것이다.

100: 입력단 도파관
110: 도파관 입력부
200: 출력단 도파관
210: 도파관 출력부
300: 모드 변환기

Claims (7)

1. 제1 축 방향이 장축을 이루는 직사각형 단면 형태의 전자기파의 입력단과 전송로가 구성된 입력단 도파관; 및
   상기 제1 축 방향과는 수직 방향인 제2 축 방향이 장축을 이루는 직사각형 단면 형태의 전자기파 전송로와 출력단이 구성된 출력단 도파관을 포함하며,
   상기 입력단 도파관과 상기 출력단 도파관은 서로 마주하는 면이 결합되어, 서로 결합되어 연결된 내부 전송로를 통해 상기 전자기파가 전송되도록 하며,
   상기 입력단 도파관과 상기 출력단 도파관은
   서로의 내부 공간이 미리 설정된 공간만큼 중첩되는 형태로 서로 결합되고, 상기 중첩된 결합 부위 내부 면에는 상기 전자기파의 반사각을 불규칙하게 가변시켜서 상기 불규칙한 전자기파의 편파 방향이 전환되면서 전송되도록 하는 적어도 하나의 모드 변환기를 포함하는 수직/수평 편파 전환용 도파관.
   
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 입력단 도파관과 출력단 도파관은
   상기 전자기파의 전송 방향과 동일한 방향의 어느 하나의 모서리가 서로 일치되도록 결합된 수직/수평 편파 전환용 도파관.
   
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 입력단 도파관과 상기 출력단 도파관의 중첩된 결합 부위 내부에는
   상기 입력단 도파관의 내부를 통해 전송되는 전자기파의 편파 방향이 90도 전환되면서 상기 출력단 도파관으로 전송되도록 하는 편파 회전 전송로가 구성된 수직/수평 편파 전환용 도파관.
   
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 편파 회전 전송로를 이루는 하면, 상면, 좌면, 우면은
   넓이, 면적, 폭, 기울기, 경사도 중 적어도 하나씩이 각각 변환되는 형태로 구성되어, 상기 제1 축 방향인 전자기파 편파 방향이 점진적으로 90도 전환되어 상기 제2 축 방향의 편파를 갖고 전송될 수 있도록 구성된 수직/수평 편파 전환용 도파관.
   
6. 삭제
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 적어도 하나의 모드 변환기는
   상기 중첩된 결합 부위 내부면 중 상기 전자기파의 전송 방향과 동일한 방향의 적어도 하나의 모서리에 구성되며,
   굴곡진 돔 형태로 돌출되도록 구성되거나, 원뿔, 삼각 뿔, 사각 뿔, 그리고 오각형 이상의 다각형 뿔 중 적어 하나의 뿔 형태로 구성되거나, 복수의 삼각 뿔이 서로 결합되거나 조립된 형태로 구성된 수직/수평 편파 전환용 도파관.
   

Images