KR102134332B1 - 도파관과 동축선을 개방형 결합구조로 접속시키는 어댑터 - Google Patents

도파관과 동축선을 개방형 결합구조로 접속시키는 어댑터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 도파관과 동축선을 개방형 결합구조로 접속시키는 어댑터에 관한 것으로서, 일측으로 중심도체를 갖는 동축선을 연결하기 위한 중공이 형성된 동축선 연결부; 상기 동축선과 반대측으로 도파관을 연결하기 위한 중공이 형성된 도파관 플랜지부; 및 상기 동축선 연결부 및 상기 도파관 플랜지부 사이에 배치되고 상기 동축선의 중심도체가 통과하는 중공이 형성된 결합 플레이트를 포함하며, 상기 도파관 플랜지부의 내부에는, 상기 결합 플레이트가 결합되는 측의 일면에서 이격되며, 상기 도파관 플랜지부의 중심축을 향하여 돌출되는 돌출부가 형성되고, 상기 동축선의 중심도체와 상기 돌출부는 근접한 비접촉식 구조(DC-Open)이고, 상기 도파관 플랜지부의 중공은 상기 돌출부의 상기 중심도체 측 일면을 경계로 나뉘어진 제1 및 제2 중공을 포함하고, 상기 제1 중공에는 상기 중심도체의 단부가 배치되며, 상기 제2 중공에는 상기 돌출부가 배치되며, 상기 돌출부와 마주보는 상기 제1 중공의 일측벽이 상기 제1 중공과 인접한 상기 제2 중공의 일측벽보다 일측으로 더 함몰된 제1 공간을 형성하고, 상기 돌출부 측의 상기 제1 중공의 타측벽이 상기 제2 중공의 타측벽보다 타측으로 더 함몰된 제2 공간을 형성할 수 있다.

Description

도파관과 동축선을 개방형 결합구조로 접속시키는 어댑터{ADAPTER CONNECTING WAVEGUIDE AND COAXIAL CABLE WITH OPEN TYPE COMBINATION STRUCTURE}
본 발명은 도파관과 동축선을 개방형 결합구조로 접속시키는 어댑터에 관한 것으로, 송수신기 내의 능동 부품이 파손될 가능성을 배제하면서도, 제한된 공간상에서도 광대역 저손실의 전송 특성을 달성할 수 있도록 도파관과 동축선을 개방형 결합구조로 접속시키는 어댑터에 관한 것이다.
일반적으로, 밀리미터 파 영역에서의 레이더 시스템이나 통신 시스템의 경우, 송수신기와 안테나 사이에는 동축선(coax cable)과 도파관(waveguide)이 전송선로로 이용된다.
동축선은, 중심도체가 그를 에워싼 원통형 외부도체의 중심에 오도록 하고 그 사이에 절연체를 끼운 케이블로, 초단파(VHF)나 극초단파(UHF)와 같은 고주파의 경우에도 케이블을 통과하는 전파의 전송 특성이 양호한 특성을 갖는다.
도파관은, 마이크로파 이상의 높은 주파수(1GHz 이상)의 전송선로로, 알루미늄, 구리 등의 전기 도체로 이루어진 관의 내측를 전자기파가 통과하도록 하므로, 주위의 도체에 전기가 직접 흐르지 않게 하므로 저항 손실이 적다. 또한, 도파관 내측은 속이 비어 있고 공기로 채워져 있을 뿐이므로 유전 손실도 적다.
이와 같은 동축선과 도파관은 이를 연결하는 어댑터를 통해, 동축선의 중심도체로부터 형성되는 전자기파가 도파관의 내측으로 전파되면서 고주파 대역의 전파를 전송할 수 있게 된다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 기존의 어댑터는, 직각형 어댑터(right-angle adapter)와 수평형 어댑터(end-launch adapter)로 구분할 수 있다(출처- Microwaves101.com, The world's microwave information resource since 2001(July 02, 2019), Waveguide to coax transitions).
직각형 어댑터는, 도 1에 도시된 바와 같이, 도파관 하우징(1)과 동축선(2)의 중심도체(3)가 직각으로 배열된 구조로서, 중심도체의 프로브(probe)의 길이, 위치 및 조정 스크류(screw)에 의해 전송특성(주파수 대역, 삽입손실, 반사손실 등)이 결정된다.
다만, 이와 같은 직각형 어댑터는, 동축선이 직각으로 도파관 하우징에 연결되는 구성이므로, 공간상의 자유도의 제약을 받게 되어 보다 큰 공간이 필요하다는 문제점이 있다.
수평형 어댑터는, 도 2에 도시된 바와 같이, 도파관의 하우징(4)과 동축선(5)의 중심도체(6)가 일직선으로 배열된 구조로서, 중심도체의 프로브의 길이, 및 프로브를 에워싼 쇼트 엘보(shorting elbow)(7)에 의해 전송특성(주파수 대역, 삽입손실, 반사손실 등)이 결정된다. 그러므로, 직각형 어댑터에 비하여 공간상의 자유도의 제약을 적게 받으므로, 작은 공간에서도 어댑터 시스템의 구성이 가능하다.
다만, 이와 같은 수평형 어댑터는, 쇼트 엘보가 동축선의 중심도체를 도파관 하우징에 쇼트시키는 구성이므로, 송수신기 내의 능동 부품이 파손될 가능성이 있으며, 이는 어댑터 시스템의 운용에 있어서의 신뢰성을 크게 저하시키게 되는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 동축선의 중심도체와 도파관이 개방형(DC-open) 구조로 결합되는 기술 등이 개발되어 왔다. 이러한 기술로서는 '전송 라인에서의 비대칭 불연속 매칭'이란 명칭으로 1990년 1월 2일 공개된 미국 특허공개공보 US4891614A(이하, 특허문헌 1이라 함)가 알려져 있다.
도 3은 종래의 특허문헌 1의 구성을 나타낸 단면도이다. 도 4는 특허문헌 1과 유사한 기존의 개방형(DC-open) 구조 어댑터의 전기장 분포를 시뮬레이션한 결과를 나타낸 단면도이다.
도 3을 참조하면, 중심도체(101)가 1/4파장 트랜스포머(100) 내로 개방형으로 돌출되며, 일측벽에 중심축에서 멀리 d만큼 돌출된 공간인 코너 섹션(116)을 갖고, 반대로 타측벽에는 중심축에 가깝게 Δb만큼 돌출된 단차부(117)를 갖는다. 또한, 도파관(115)에는 중심 도체로부터 멀리 떨어진 탈착식의 용량성 스터브(118)를 갖는다.
그러나, 도 3에 나타난 바와 같은 종래의 구성으로는 도 4와 같은 전기장 분포를 나타내는데, 종래와 같이 1/4파장의 백쇼트만을 사용하면 전송주파수의 대역은 동축선의 TEM 모드에서 도파관의 TE 모드로 전송할 때 높은 임피던스(high impedance)로 인하여 매우 제한된다.
따라서, 이러한 종래의 전기장 분포로는 밀리미터파 영역에서는 성능상 운용주파수의 대역폭(bandwidth) 측면에서 '풀 옥타브 대역(full octave bandwidth)'을 커버하지 못하므로 상업적 수요가 제한되어 제품화되지 못하고 있는 실정이다.
미국 특허공개공보 US4891614A (1990.01.02 공개)
본 발명의 목적은 밀리미터파 영역에서 운용하는 레이더시스템이나 통신시스템 등의 송수신기 내에서 능동 부품이 파손될 가능성을 배제하면서도, 제한된 공간상에서도 풀 옥타브 대역의 광대역 저손실(full an octave bandwidth, low loss)의 전송 특성을 달성할 수 있는, 도파관과 동축선을 개방형 결합구조(End-launch)로 접속시키는 어댑터를 제공함에 있다.
위와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명은 도파관과 동축선을 개방형 결합구조로 접속시키는 어댑터에 관한 것으로서, 일측으로 중심도체를 갖는 동축선을 연결하기 위한 중공이 형성된 동축선 연결부; 상기 동축선과 반대측으로 도파관을 연결하기 위한 중공이 형성된 도파관 플랜지부; 및 상기 동축선 연결부 및 상기 도파관 플랜지부 사이에 배치되고 상기 동축선의 중심도체가 통과하는 중공이 형성된 결합 플레이트를 포함하며, 상기 도파관 플랜지부의 내부에는, 상기 결합 플레이트가 결합되는 측의 일면에서 이격되며, 상기 도파관 플랜지부의 중심축을 향하여 돌출되는 돌출부가 형성되고, 상기 동축선의 중심도체와 상기 돌출부는 근접한 비접촉식 구조(DC-Open)이고, 상기 도파관 플랜지부의 중공은 상기 돌출부의 상기 중심도체 측 일면을 경계로 나뉘어진 제1 및 제2 중공을 포함하고, 상기 제1 중공에는 상기 중심도체의 단부가 배치되며, 상기 제2 중공에는 상기 돌출부가 배치되며, 상기 돌출부와 마주보는 상기 제1 중공의 일측벽이 상기 제1 중공과 인접한 상기 제2 중공의 일측벽보다 일측으로 더 함몰된 제1 공간을 형성하고, 상기 돌출부 측의 상기 제1 중공의 타측벽이 상기 제2 중공의 타측벽보다 타측으로 더 함몰된 제2 공간을 형성할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 제1 중공의 제1 공간은, 주파수가 증대될 때 고차 모드(higher order mode)가 발생되는 현상을 컨쥬게이트 매칭(conjugate matching)시킴으로써, 대역폭을 풀 옥타브(full octave)까지 증대시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 제1 중공의 제2 공간이 상기 제1 중공의 제1 공간보다 상기 중심도체의 축에서 수직방향으로 더 멀리 떨어져 있을 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 돌출부는 상기 도파관 플랜지부의 내벽과 일체로 결합되어 연장될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 도파관 플랜지부의 내부로 연장된 상기 중심도체의 일부는, 상기 도파관 플랜지부의 일부, 또는 상기 도파관 플랜지부와 연결되는 별도의 능동소자에 전기적으로 연결되지 않는 비접지 상태일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 제1 중공의 일측벽에서 연장되는 상기 제2 중공의 일측벽은 상기 중심도체의 폭과 같은 길이의 폭으로 상기 도파관 플랜지부의 중공의 내측을 향하여 테이퍼질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 도파관 플랜지부의 제2 중공의 내벽은, 상기 돌출부로부터 멀어질수록 상기 도파관 플랜지부의 중심축으로부터의 거리가 사전에 설정된 간격을 두고 불연속적으로 증가하도록 형성될 수 있다.
본 발명에 따르면, 밀리미터파 영역에서 회로 내 능동소자 부품의 파손 없이 공간을 최적으로 활용하면서도 풀 옥타브 대역의 광대역 저손실(full an octave bandwidth, low loss)의 전송 특성을 달성할 수 있다.
또한, 기존의 백쇼트에 대하여 고차 모드(Higher order mode)에 대한 백쇼트를 추가로 설계하여, 고차 모드에서 컨쥬게이트 매칭(conjugate matching)시킴으로써 대역폭을 풀 옥타브까지 증대시킬 수 있다.
또한, 도파관과 동축선을 개방형 결합구조로 접속시키는 어댑터에서, 도파관 플랜지부의 내벽을 주파수의 반사손실과 삽입손실을 최소화하도록 설계할 수 있다.
도 1은 종래의 직각형 어댑터(right-angle adapter)의 구성을 나타낸 단면도이다.
도 2는 종래의 수평형 어댑터(end-launch adapter)의 구성을 나타낸 단면도이다.
도 3은 종래의 특허문헌 1의 구성을 나타낸 단면도이다.
도 4는 특허문헌 1과 유사한 기존의 개방형(DC-open) 구조 어댑터의 전기장 분포를 시뮬레이션한 결과를 나타낸 단면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 어댑터의 결합구조를 나타낸 단면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 주파수의 반사손실과 삽입손실을 최소화하기 위한 도파관 플랜지부 내부의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 7은 본 발명에 따른 어댑터의 결합구조를 나타낸 사시도이다.
도 8은 도파관 플랜지부 내의 고차 모드에서 컨쥬게이트 매칭으로 인한 전파의 전자기장의 분포를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 9는 Ka 대역(Ka-band)의 전 작동주파수 대역에서 저주파 영역인 경우와 고주파 영역인 경우 각각에 있어서 본 발명에 따른 어댑터의 전기장 분포를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 10은 Ka 대역(Ka-band) 및 E 대역(E-band) 각각에 있어서, 본 발명에 따른 어댑터의 반사손실 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 11은 컨쥬게이팅 매칭 구조를 갖는 본 발명과 종래의 개방형 구조를 갖는 어댑터에 대한 각각의 반사손실 성능의 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 설명한다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능에 대하여 이 분야의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
도 5는 본 발명에 따른 어댑터의 전체 결합구조를 나타내는 단면도이다. 도 6은 본 발명에 따른 주파수의 반사손실과 삽입손실을 최소화하기 위한 도파관 플랜지부 내부의 구조를 나타낸 단면도이다. 도 7은 본 발명에 따른 어댑터의 결합구조를 나타낸 사시도이다.
도 5 내지 도 7을 참조하면, 본 발명의 도파관과 동축선을 개방형 결합구조로 접속시키는 어댑터는, 밀리미터파 대역에서 사용되는 송수신기에 적용될 수 있다. 본 발명의 도파관과 동축선을 개방형 결합구조로 접속시키는 어댑터는 Ka-band 대역의 어댑터 형상 및 성능 곡선을 나타내며, 밀리미터파(주파수 30GHz 내지 300GHz) 전 주파수 대역에서의 어댑터 설계에 적용되는 것이 바람직하다.
본 발명의 어댑터는 동축선 연결부(10)와 도파관 플랜지부(20)가 결합 플레이트(30)를 사이에 두고 동축으로 결합된 구조의 전파 전송선로를 갖는다. 결합 플레이트(30)의 길이방향의 중심축을 따른 중공(31)을 통과하는 중심도체(11)의 일부는 도파관 플랜지부(20) 내부까지 연장되며, 도파관 플랜지부(20) 내부의 중심도체(11)의 둘레로부터 형성되는 전자기장이 도파관 플랜지부(20) 내부로부터 도파관으로 전달된다. 이 전자기장이 도파관 플랜지부(20) 내부로 전달되면서 도파관 플랜지부(20) 내부의 중심도체(11)의 길이, 도파관 플랜지부(20) 내벽의 전체 구조에 따라 신호의 전송특성(주파수대역, 삽입손실, 반사손실)이 결정된다.
본 발명의 실시예에 따른 도파관과 동축선을 개방형 결합구조로 접속시키는 어댑터는, 동축선 연결부(10), 도파관 플랜지부(20), 및 결합 플레이트(30)를 포함한다.
동축선 연결부(10)는, 동축선이 연결되는 부분으로, 일측으로의 동축선의 연결을 위한 중공을 갖는 중공형의 형상으로 이루어질 수 있다.
동축선은 중심도체(11)를 그를 에워싼 원통형 외부도체의 중심에 오도록 배치하고 그 사이에 절연체를 끼운 케이블로, 예를 들어, VHF/UHF와 같은 고주파의 경우에도 흐르는 전파의 전송 특성이 양호하도록 하는 특성을 갖는다.
중심도체(11)는 결합 플레이트(30)의 길이방향의 중심부를 따른 중공(31)을 통과하며, 전파 신호는 중심도체(11)를 따라 전기적인 형태로 도파관 측을 향하여 흐르게 된다.
도파관 플랜지부(20)는 도파관이 연결되는 부분으로, 동축선과 반대측으로의 도파관의 연결을 위한 중공을 갖는 중공형으로 이루어질 수 있다. 동축선과 반대측이라 함은, 동축선 연결부에 동축선이 연결되는 측과 수평방향으로의 반대측을 의미한다.
중심도체(11)를 따라 전기적인 형태로 흐르는 신호는, 도파관 플랜지부(20)의 내부를 통해 전자기파의 형태로 전달되므로, 중심도체(11)의 일부는 도파관 플랜지부(20) 내부에 연장 돌출되도록 배치된다.
중심도체(11)가 동축선의 신호를 전달하기 위해서는, 동축선 연결부(10)는 도파관 플랜지부(20)에 결합되어야 하는데, 본 발명에서는 동축선 연결부(10)가 도파관 플랜지부(20)에 결합 플레이트(30)를 사이에 두고 길이방향 측, 즉 수평방향으로 결합되어 있다.
동축선 연결부(10)의 중공, 결합 플레이트(30)의 중공, 및 도파관 플랜지부(20)의 중공은 그 중심축이 일치하도록 배치될 수도 있다.
도파관 플랜지부(20)는 도파관이 연결되는 부분으로, 동축선과 반대측으로의 도파관의 연결을 위한 중공을 갖는 중공형으로 이루어질 수 있다. 동축선과 반대측이라 함은, 동축선 연결부에 동축선이 연결되는 측과 수평방향으로의 반대측을 의미한다.
중심도체(11)를 따라 전기적인 형태로 흐르는 신호는, 도파관 플랜지부(20)의 내부를 통해 전자기파의 형태로 전달되므로, 중심도체(11)의 일부는 도파관 플랜지부(20) 내부에 연장 돌출되도록 배치된다.
이때, 중심도체(11)가 동축선의 신호를 전달하기 위해서는, 동축선 연결부(10)는 도파관 플랜지부(20)에 결합되어야 하는데, 본 발명에서는 동축선 연결부(10)가 도파관 플랜지부(20)에 결합 플레이트(30)를 사이에 두고 길이방향 측, 즉 수평방향으로 결합되어 있다.
이때, 상기 동축선 연결부(10)의 중공, 상기 결합 플레이트(30)의 중공, 및 상기 도파관 플랜지부(20)의 중공은 그 중심축이 일치하도록 배치될 수 있다.
동축선 연결부(10)를 도파관 플랜지부(20)에 결합시키기 위하여, 도파관 플랜지부(20)은, 동축선 연결부(10)가 끼워지는 끼움부(21)를 구비할 수 있다. 끼움부(21)는 복수 개로 형성될 수 있으며, 동축선 연결부(10)가 결합되는 도파관 플랜지부(20)의 일면으로부터 도파관 플랜지부(20)의 길이방향으로 연장되는 원통형상의 홈의 형태로 이루어질 수 있다.
동축선 연결부(10)에는 도파관 플랜지부(20)의 끼움부(21)에 결합시키기 위하여, 도파관 플랜지부(20)의 끼움부(21)에 대응되는 형상으로 이루어진 홈부를 구비할 수 있다. 홈부도 끼움부(21)와 마찬가지로, 복수 개로 형성될 수 있으며, 도파관 플랜지부(20)과 결합되는 방향을 향하여 도파관 플랜지부(20)의 길이방향으로 연장되는 원통형상의 돌출된 형태로 이루어질 수 있다.
이를 통하여, 동축선 연결부(10)와 도파관 플랜지부(20)은 서로 동축으로 결합될 수 있다. 종래기술인 도 1과 같이 동축선 연결부(10)와 도파관 플랜지부(20)을 수직방향으로 결합하지 않고, 동축으로 결합시킴으로써, 어댑터를 포함하는 시스템 설계상 공간상 자유도의 제약을 최소화할 수 있게 된다.
그러나, 동축선 연결부(10)를 도파관 플랜지부(20)에 곧바로 연결시키게 되면, 도파관 플랜지부(20) 내측으로 돌출되는 중심도체(11)를 고정하고 접지하며, 주파수 특정을 결정하는 쇼트 엘보(shorting elbow)가 별도로 필요하게 된다.
본원발명은, 쇼트 엘보와 같은 접지 구조가 필요하지 않은 중심도체의 개방형 결합구조로서, 중심도체(11)를 도파관 플랜지부(20) 외측에서 고정하기 위한 결합 플레이트(30)를 더 포함할 수 있다.
결합 플레이트(30)는, 일측면이 상기 동축선 연결부(10)에 결합되고, 타측면이 상기 도파관 플랜지부(20)에 결합되며, 길이방향의 중심축을 따른 중공(31)을 구비할 수 있다. 이때, 중심도체(11)는 중공(31)을 통과하도록 배치될 수 있다.
즉, 결합 플레이트(30)는 동축선 연결부(10)와 도파관 플랜지부(20) 사이에 배치될 수 있다. 중공(31)은 예를 들어, 단면이 원형 또는 직사각형 등으로 이루어질 수 있고, 중심축을 따른 일부 구간이 중심축으로부터의 거리가 작고, 다른 구간이 중심축으로부터의 거리가 크도록 이루어질 수도 있다.
결합 플레이트(30)의 중공(31)은, 그 중심축이 도파관 플랜지부(20)의 중심축과 일치하도록 결합될 수 있다. 예를 들어, 결합 플레이트(30)의 중공(31)은 내벽이 결합 플레이트(30)의 중심축으로부터 일정 거리를 갖도록 형성될 수 있으며, 도파관 플랜지부(20)의 내부 중공은 도파관 플랜지부(20)의 중심축으로부터의 내벽까지의 거리가, 결합 플레이트(30)의 중공(31)의 중심축으로부터의 내벽까지의 거리보다 큰 일정 거리를 갖도록 형성될 수 있다.
중심도체(11)는 동축선 연결부(10) 측으로부터 도파관 플랜지부(20)의 내측 일부까지 연장되는데, 이때, 결합 플레이트(30)의 중공(31)을 통과하게 된다. 결합 플레이트(30)의 중공(31)에는 중심도체(11)를 에워싸며 고정시킬 수 있는 중공형의 고정구가 별도로 장착될 수 있다. 예를 들어, 고정구는 일체형으로 이루어질 수도 있고 상하부의 별도의 부품이 결합되도록 이루어질 수도 있다. 고정구는 중심도체(11)를 중심축상으로 밀착 고정시킬 수 있다.
축방향으로 커넥터(10) 하우징의 일측으로부터 도파관 플랜지부(20)을 향해 돌출되는 중심도체(11)의 길이에서, 중심도체(11)가 통과하는 중공(31)의 길이만큼을 제외한 길이가 실질적으로 중심도체(11)에 흐르는 전기적인 신호를 전자기장으로 변환하여 이를 도파관 플랜지부(20) 내부로 전파시키는 기능을 갖는 중심도체(11)의 일부분에 해당한다.
이때, 도파관 플랜지부(20)의 결합 플레이트(30)가 결합되는 측의 일면으로부터 도파관 플랜지부(20) 내측으로 돌출되는 중심도체(11)의 길이를 조절하기 위하여, 사용자는 동축선과 중심도체 및 절연체 사이의 나사결합 등을 통해 중심도체(11)의 돌출 길이를 조절할 수도 있지만, 결합 플레이트(30)의 두께, 즉, 결합 플레이트(30)의 축방향으로의 길이를 적절하게 설정함으로써, 중심도체(11)의 돌출 길이를 조절하는 것도 가능하다.
예를 들면, 결합 플레이트(30)의 두께가 두꺼우면, 중심도체(11)의 도파관 플랜지부(20) 내측에서의 돌출 길이는 그만큼 작아진다. 반대로, 결합 플레이트(30)의 두께가 얇으면, 중심도체(11)의 도파관 플랜지부(20) 내측에서의 돌출 길이는 그만큼 커지게 된다.
즉, 도파관 플랜지부(20)은, 동축선 연결부(10)와 중심축이 일치하도록 배치될 수 있으며, 중심도체(11)는, 일부가 결합 플레이트(30)의 중공(31)을 통과하여 도파관 플랜지부(20)의 길이방향을 따라 그 내부로 연장될 수 있다.
도파관 플랜지부(20) 내부로 연장된 중심도체(11)의 구조는 다음과 같다.
도파관 플랜지부(20)의 내부로 연장된 중심도체(11)의 일부는, 도파관 플랜지부(20)의 일부, 또는 도파관 플랜지부(20)와 연결되는 별도의 능동소자에 전기적으로 연결되지 않는 비접지 상태로 배치될 수 있다. 여기에서, 능동소자란 예를 들어, 종래기술인 도 2에 도시된 바와 같은 쇼트 엘보(shorting elbow)(7) 또는 도파관 플랜지부(20)의 내측벽을 통하여 연결되는 어댑터의 전기회로의 일 구성요소(미도시)에 해당한다.
다시 말해서, 도파관 플랜지부(20)의 내부로 연장된 중심도체(11)의 일부는, 도파관 플랜지부(20)의 내벽으로부터 돌출되거나 내벽과 결합되어 돌출되는 부분과 접촉하지 않고, 결합 플레이트(30)의 내측에서 고정되어, 도파관 플랜지부(20)의 중심축을 따라 내측에서 떠있는 상태가 된다.
본 발명의 중심도체(11)의 상기 구성은, 접지 구조로의 폐회로를 구성하지 않으므로, 어댑터의 전기회로에 과전류가 흐를 수 없으므로 과전류에 의하여 능동 부품이 파손될 가능성을 배제할 수 있게 된다.
또한, 종래의 쇼트 엘보 등을 이용한 폐회로의 접지구성은, 중심도체(11)를 쇼트 엘보에 끼워 결합하는 구조이므로, 주파수의 삽입 손실 등이 발생할 수 있지만, 본원발명의 상기 구성에서는 중심도체(11)가 쇼트 엘보 등에 끼워지지 않고, 결합 플레이트(30)의 내측에서 고정되어, 도파관 플랜지부(20) 내부에서 떠있는 상태이므로, 이러한 주파수의 삽입 손실 등의 발생을 최소화할 수 있다.
도파관 플랜지부(20)의 내부에는, 결합 플레이트(30)가 결합되는 측의 일면에서 이격되며, 도파관 플랜지부(20)의 중심측을 향하여 돌출되는 돌출부(22)가 형성될 수 있다. 돌출부(22)는 도파관 플랜지부(20)의 길이방향과 수직한 방향으로 돌출될 수 있다. 또한, 돌출부(22)는 도파관 플랜지부(20)의 내벽과 일체로 결합되어 연장될 수 있다.
동축선의 중심도체(11)와 돌출부(22)는 근접한 비접촉식 구조(DC-Opem)로 배치될 수 있다. 동축선의 중심도체(11)와 돌출부(22)의 근접한 비접촉식 구조란, 후술할 바와 같이 도파관 플랜지부(20)의 중심도체(11) 측 일면을 경계로 나뉘어진 제1 및 제2 중공(A1, A2)의 경계로 돌출부(22)가 연장되도록 하여, 돌출부(22)를 동축선의 중심도체(11)와 비접촉인 동시에 근접하도록 배치함을 의미한다.
돌출부(22)는 중심도체(11) 측의 도파관 플랜지부(20) 내부 공간의 크기를 조절함으로써, 중심도체(11)로부터의 전자기파의 분포를 변화시켜 진행되는 전파의 임피던스를 적절하게 설정할 수 있도록 한다. 한편, 중공(31)의 두께 또는 내벽과 중심축으로부터의 거리를 조절함으로써, 중심도체(11)에 대한 전자기장의 분포를 추가적으로 변화시키는 것도 가능하다.
돌출부(22)는 일정 높이와 두께를 가지며, 도파관 플랜지부(20)의 일측 부분의 내벽에서 연장되어 형성되거나, 별도로 내벽에 결합되는 방식으로 형성될 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 돌출부(22)를 경계로 하여, 결합 플레이트(30)가 결합된 측의 도파관 플랜지부(20)의 일면으로부터 돌출부(22)에 이르기까지는 중심도체(11)의 일부가 중심축을 따라 배치되는, 중심축에서 내벽까지 상대적으로 큰 거리를 갖는 중공이 형성되며, 돌출부(22)로부터 결합 플레이트(30)의 반대측으로의 길이방향에 따른 중공은 중심축에서 내벽까지 상대적으로 작은 거리를 갖는 중공으로 이루어질 수 있다. 즉, 병목 구조와 유사한 구조를 나타낸다.
이때, 돌출부(22)로 인하여 구분되는 중심도체(11) 측의 도파관 플랜지부(20)의 내부 공간의 크기는, 중심도체(11)의 도파관 플랜지부(20) 내측으로 돌출되는 길이를 조절하거나, 돌출부(22)의 높이나 두께를 조절하는 등으로 임의로 설정 가능하다.
도파관 플랜지부(20)의 중공은 돌출부(22)의 중심도체(11) 측 일면을 경계로 나뉘어진 제1 및 제2 중공(A1, A2)을 포함한다. 제1 중공(A1)에는 중심도체(11)의 단부가 배치되며, 제2 중공(A2)에는 돌출부(22)가 배치된다.
제1 중공(A1)의 일측벽은 제1 중공(A1)의 돌출부(22)의 길이방향으로의 일측 단부까지의 직경이, 상기 제1 중공(A1)과 인접한 제2 중공(A2)의 돌출부의 길이방향으로의 일측 단부까지의 직경보다 크도록 형성될 수 있다. 즉, 제1 중공(A1)과 제2 중공(A2)의 경계를 지나며 제1 중공(A1)의 일측벽과 제2 중공(A2)의 일측벽의 높이가 달라진다.
이에 따라, 돌출부(22)와 마주보는 제1 중공(A1)의 일측벽이 제2 중공(A2)의 일측벽보다 일측으로 더 함몰된 제1 공간(BS)이 형성된다.
제2 중공(A2)의 일측벽은 돌출부의 길이방향으로의 일측 단부까지의 직경이 제1 중공(A1)과 제2 중공(A2)의 경계에 이르기까지 테이퍼진 단차형으로 증가하도록 형성될 수 있다. 제2 중공(A2)의 일측벽에서 연장되는 제1 중공(A1)의 일측벽은 중심도체(11)의 맞은편에 돌출부(22)의 폭과 같은 길이의 폭으로 도파관 플랜지부의 중공의 내측을 향하여 테이퍼진 형상으로 형성될 수 있다.
이에 따라. 밀리미터파 영역에서 제1 공간(BS)에서 전파의 분포가 생성될 뿐만 아니라, 제1 공간(BS)에서의 전파의 흐름이 왜곡되지 않고 자연스럽게 진행될 수 있게 된다.
또한, 돌출부(22)가 제1 중공(A1)과 제2 중공(A2)의 경계를 따라 연장되므로, 제1 중공(A1) 내에서 중심도체(11)가 돌출부(22)와 매우 근접하게 배치될 수 있다.
예를 들어, 중심도체(11)와 돌출부(22) 사이의 간극은 밀리미터파 대역에서 각 주파수 대역별로 해당 중심주파수(central frequency) 파장의 1.5%를 기준으로 설정될 수 있다. Ka 대역(Ka-band)의 경우, 중심도체(11)와 돌출부(22) 사이의 간극은 이를 기준으로 0.0045inch로 설정될 수 있다.
한편, 돌출부(22) 측의 제1 중공(A1)의 타측벽이 제2 중공(A2)의 타측벽보다 타측으로 더 함몰된 제2 공간이 형성된다. 제1 중공(A1)의 제2 공간의 타측벽은 제1 중공(A1)의 제1 공간(BS)의 일측벽보다 도파관 플랜지부(22)의 중공의 중심축으로부터 더 이격되어 형성될 수 있다.
또한, 돌출부(22)의 중심도체(11) 측 일면으로부터 도파관 플랜지부(20)의 중공과 결합 플레이트(30)의 중공의 경계까지의 거리(C)와, 제1 중공(A1)의 일측벽 및 타측벽의 너비는 같도록 형성될 수 있다.
도 8은 도파관 플랜지부 내의 고차 모드에서 컨쥬게이트 매칭으로 인한 전파의 전자기장의 분포를 개략적으로 나타낸 단면도이다. 도 8의 (a)는 본 발명에 따른 도파관 플랜지부 내의 전자기장의 전파를 개략적으로 나타낸 도면이며, 도 8의 (b)는 본 발명에 따른 제1 중공의 제1 공간에 따른 컨쥬게이팅 매칭에 대한 전자기장의 전파를 보다 상세하게 나타낸 도면이다.
도 8의 (a), (b)를 참조하면, 돌출부(22)가 동축선의 중심도체(11)에 매우 근접하게 배치되며, 돌출부(22)와 돌출부(22)의 맞은편에 형성되는 제1 중공(A1)의 제1 공간(BS) 사이에 컨쥬게이트 매칭(conjugate matching)이 이루어진다. 즉, 기존의 백쇼트에 대하여 고차 모드(Higher order mode)에 대한 대응하는 추가적인 백쇼트가 형성된다. 이에 따라, 주파수가 증대될 때 접합 영역(junction area)에 있어서, 고차 모드에서 컨쥬게이트 매칭(conjugate matching)시킴으로써 대역폭을 풀 옥타브(full octave)까지 증대시킬 수 있다.
도 9는 Ka 대역(Ka-band)의 전 작동주파수 대역에서 저주파 영역인 경우와 고주파 영역인 경우 각각에 있어서 본 발명에 따른 어댑터의 전기장 분포를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 9의 (a)는 Ka 대역(Ka-band)에서 저주파 영역인 경우를 나타내며, 도 9의 (b)는 Ka 대역(Ka-band)에서 고주파 영역(40GHz)인 경우를 나타낸다.
도 9의 (a)를 참조하면, 예를 들어 26.5GHz와 같은 Ka 대역(Ka-band)의 저주파 영역인 경우, 신호의 전송시 기본 모드(fundamental mode)가 주로 발생되는데, 돌출부(22)만으로도 전송이 원활하게 이루어짐을 보여준다.
도 9의 (b)를 참조하면, 예를 들어 40GHz와 같은 Ka 대역(Ka-band)의 고주파 영역인 경우 전기장 분포를 나타내는데, Ka 대역(Ka-band) 내에서도 고주파 영역으로 대역폭이 증가할수록 고차 모드(high mode)에 해당하는 전기장의 분포(HM1)가 생성되어 신호 전송에 문제가 생긴다. 본 발명에 따르면, 돌출부(22)의 맞은편에 제1 공간(BS)을 형성함으로써 컨쥬게이트 매칭을 이루도록 함으로써, 제1 공간으로의 전기장의 분포(HM2)가 형성되어 풀 옥타브 대역의 성능을 구현할 수 있다.
도 10은 Ka 대역(Ka-band) 및 E 대역(E-band) 각각에 있어서, 본 발명에 따른 어댑터의 반사손실 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다. 도 10의 (a)는 Ka 대역(Ka-band)의 경우 어댑터의 반사손실 시뮬레이션 결과를 나타내며, 도 10의 (b)는 E 대역(E-band)의 경우 어댑터의 반사손실 시뮬레이션 결과를 나타낸다.
도 10의 (a), (b)의 각 결과는 각각 반사손실을 HFSS S/W를 이용하여 시뮬레이션하였고 이를 시제 제작하여 VNA(Vector Network Analyzer)로 성능을 계측함으로써 획득하였다.
도 10의 (a), (b)를 참조하면, 시뮬레이션 및 측정값의 전송특성이 잘 일치하며, 반사성능 또한 해당 작동주파수 전 영역(26.5~40GHz)에서 풀 옥타브를 커버하는 -20dB 이하의 우수한 성능을 나타내고 있음(A Full octave bandwidth cover)을 확인할 수 있다. 또한, E 대역(E-band)에서 반사손실에 대한 시뮬레이션 결과도 Ka 대역(Ka-band)의 경우와 매우 유사하게 목표성능을 잘 만족하는 것을 확인할 수 있다.
도 11은 컨쥬게이팅 매칭 구조를 갖는 본 발명과 종래의 개방형 구조를 갖는 어댑터(특허문헌 1; 미국 특허공개공보 US4891614A)에 대한 각각의 반사손실 성능의 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 11을 참조하면, 본 발명에 따른 결과는 '컨쥬게이팅 매칭 구조를 가짐'에 해당하는 선으로 나타나 있으며, 종래의 종래의 개방형 구조에 따른 결과는 '컨쥬게이팅 매칭 구조가 없음'에 해당하는 선으로 나타나 있다.
종래의 개방형 구조를 갖는 어댑터는 전 구간에서 -20dB 이하의 전송특성을 만족하지 못하고, “적어도 절반의 옥타브(At least half an octave)' 정도만을 만족하고 있음을 확인할 수 있다. 즉, 종래의 경우 해당 작동 주파수 대역에서 전송성능이 제한되어 상품성이 전혀 없게 된다.
반면에, 본 발명에 따르면 해당 작동주파수 전 구간에서 요구 조건인 -20dB 이하의 “풀 옥타브 대역”을 만족하는 우수한 전송 성능을 나타낼 수 있다. 동시에, 밀리미터파 영역에서 회로 내 능동소자 부품의 파손 없이 공간을 최적으로 활용하면서도 풀 옥타브 대역의 광대역 저손실(full an octave bandwidth, low loss)의 전송 특성을 달성할 수 있다.
도 6을 다시 참조하여, 도파관 플랜지부(20) 내벽의 입체적인 구조를 다양하게 설계함으로써, 전자기파의 전파 특성을 최적화할 수 있는 여러 실시예들을 설명하면 다음과 같다.
도파관 플랜지부(20)의 제2 중공(A2)의 내벽은, 돌출부(22)로부터 멀어질수록 도파관 플랜지부(20)의 중심축으로부터의 거리가 사전에 설정된 간격을 두고 불연속적으로 증가하도록 형성될 수 있다.
중심도체(11)로부터의 전자기장의 전파는 돌출부(22)를 지나 상대적으로 작은 공간에서 큰 공간으로 불연속적으로 전파된다. 이때, 돌출부(22)를 거친 전자기장의 전파의 반사손실 및 삽입손실을 최소화하기 위하여, 전자기장의 전파가 돌출부(22)를 거친 후 곧바로 중심축으로부터의 거리가 큰 공간으로 전파되는 것이 아니라, 중심축으로부터의 거리가 사전에 설정된 간격을 두고 불연속적으로 변하도록 도파관 플랜지부(20)의 내벽이 형성되는 것이다.
이때, 도 4에 도시된 바와 같이, 사전에 설정된 간격 및 중심축으로부터의 거리의 변화의 폭은 전파의 반사손실 및 삽입손실을 최소화하기 위한 수치로 설정될 수 있으며, 예를 들어, 도파관 플랜지부(20)의 내부에서 결합 플레이트(30)의 반대측을 향할수록 도파관 내부의 중심축으로부터의 거리가 불연속적으로 증가하도록 형성될 수 있다. 이를 통해, 본 발명은 도 5 및 도 6과 같은 도파관 플랜지부(20) 내의 전자기장 전파에 있어 최적화된 분포를 가질 수 있다.
이때, 후술할 바와 같이, 도파관과 동축선을 개방형 결합구조로 접속시키는 어댑터에서, 도파관 플랜지부의 내벽 등을 주파수의 반사손실과 삽입손실을 최소화하도록 설계할 수 있다. 예를 들어, 도파관 플랜지부(20)의 내부로 연장된 중심도체(11)의 길이, 결합 플레이트(30)의 중공 내벽의 중심축으로부터의 거리, 및 도파관 플랜지부(20)의 내부 구조 등이 최적으로 설정되도록 설계될 수 있다.
예를 들어, 도파관 플랜지부(20)의 상기 불연속적 내벽 구조의 일 실시예로서, 도파관 플랜지부(20)의 내벽에는 돌출부(22)로부터 도파관 플랜지부(20)의 길이방향에서 도파관 플랜지부(20)의 결합 플레이트(30)가 결합되는 측의 일면의 반대방향으로 멀어질수록 엇갈리게 배치되는 복수의 단차부(23)가 형성되며, 단차부(23)는 도파관 플랜지부(20) 내벽의 중심축으로부터의 거리가 불연속적으로 증가하도록 할 수 있다.
단차부(23)는 중심도체(11)로부터의 신호의 전파 경로를 따라 도파관 플랜지부(20)의 중심축으로부터의 거리가 증가하도록 테이퍼지게 형성될 수 있다.
예를 들면, 도 4에 도시된 바와 같이, 전자기파는, 중심도체(11)의 일단으로부터 형성되어, “C”의 폭을 거쳐 “F”의 중심축으로부터의 거리를 갖는 돌출부(22)에 의해 전파 특성이 조절된다. 돌출부(22)를 거친 전파는 “I'의 폭에서 “H”의 중심축으로부터의 거리를 갖는 공간으로 전파되며, 단차부(23)를 거쳐 “K”의 폭에서 중심축으로부터의 거리가 상대적으로 더 큰 “J”의 거리를 갖는 공간으로 전파되며, 그 다음의 단차부(23)를 거쳐 “M”부분의 폭에서 중심축으로부터의 거리가 상대적으로 더 큰 “L”의 거리를 갖는 공간으로 전파된다. 이와 같이 도파관 플랜지부(20) 내벽의 각각의 폭과 중심축으로부터의 거리의 수치를 임의로 설정함으로써, 각 전파 신호의 특성에 맞는 전자기파의 전송 특성을 조절할 수 있게 된다.
여기에도, 후술할 바와 같이, 도파관 플랜지부의 내벽을 밀리미터파(주파수 30GHz 내지 300GHz 전 주파수 대역의 신호 전송에서 최적의 값이 설정되도록 설계될 수 있다. 예를 들면, 도파관 플랜지부(20)의 내부 구조를 정밀하게 설정하여, 특히, 26.5 ~ 40 GHz의 전체 주파수 대역의 신호를 정밀하게 전송할 수 있으며, 삽입 손실은 0.25dB 이하, 반사 손실은 1.2:1 이하를 달성할 수 있도록 설계할 수 있다.
이에 따라, 본 발명은 밀리미터 파 영역의 레이더 시스템이나 통신 시스템에 있어서, 중심도체와 접촉하는 별도의 쇼트 엘보와 같은 구성을 포함하지 않고도, 전송파를 TEM 모드(Transverse Electromagnetic Mode)에서 TE10 모드(Transverse Electric Mode)로 변환시킬 정교한 어댑터의 최적화된 내부 구조를 제공할 수 있다.
이 분야의 보호범위가 이상에서 명시적으로 설명한 실시예의 기재와 표현에 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 자명한 변경이나 치환으로 말미암아 본 발명의 보호범위가 제한될 수도 없음을 다시 한 번 첨언한다.
10: 동축선 연결부 11: 중심도체
20: 도파관 플랜지부 21: 끼움부
22: 돌출부 23: 단차부
30: 결합 플레이트 31: 결합 플레이트의 중공
A1: 도파관 플랜지부의 제1 중공
A2: 도파관 플랜지부의 제2 중공
BS: 제1 중공의 제1 공간
HM1: 고차 모드에 해당하는 전기장의 분포
HM2: 제1 공간으로의 전기장의 분포

Claims (6)

  1. 도파관과 동축선을 개방형 결합구조로 접속시키는 어댑터에 있어서,
    일측으로 중심도체를 갖는 동축선을 연결하기 위한 중공이 형성된 동축선 연결부;
    상기 동축선과 반대측으로 도파관을 연결하기 위한 중공이 형성된 도파관 플랜지부; 및
    상기 동축선 연결부 및 상기 도파관 플랜지부 사이에 배치되고 상기 동축선의 중심도체가 통과하는 중공이 형성된 결합 플레이트를 포함하며,
    상기 도파관 플랜지부의 내부에는, 상기 결합 플레이트가 결합되는 측의 일면에서 이격되며, 상기 도파관 플랜지부의 중심축을 향하여 돌출되는 돌출부가 형성되고, 상기 동축선의 중심도체와 상기 돌출부는 근접한 비접촉식 구조(DC-Open)이고,
    상기 도파관 플랜지부의 중공은 상기 돌출부의 상기 중심도체 측 일면을 경계로 나뉘어진 제1 및 제2 중공을 포함하고, 상기 제1 중공에는 상기 중심도체의 단부가 배치되며, 상기 제2 중공에는 상기 돌출부가 배치되며,
    상기 돌출부와 마주보는 상기 제1 중공의 일측벽이 상기 제1 중공과 인접한 상기 제2 중공의 일측벽보다 일측으로 더 함몰된 제1 공간을 형성하고, 상기 돌출부 측의 상기 제1 중공의 타측벽이 상기 제2 중공의 타측벽보다 타측으로 더 함몰된 제2 공간을 형성하는 것을 특징으로 하는, 어댑터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 중공의 제1 공간은, 주파수가 증대될 때 고차 모드(higher order mode)가 발생되는 현상을 컨쥬게이트 매칭(conjugate matching)시킴으로써, 대역폭을 풀 옥타브(full octave)까지 증대시키는 것을 특징으로 하는, 어댑터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 중공의 제2 공간이 상기 제1 중공의 제1 공간보다 상기 중심도체의 축에서 수직방향으로 더 멀리 떨어져 있는 것을 특징으로 하는, 어댑터.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 돌출부는 상기 도파관 플랜지부의 내벽과 일체로 결합되어 연장된 것을 특징으로 하는, 어댑터.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 도파관 플랜지부의 내부로 연장된 상기 중심도체의 일부는, 상기 도파관 플랜지부의 일부, 또는 상기 도파관 플랜지부와 연결되는 별도의 능동소자에 전기적으로 연결되지 않는 비접지 상태인 것을 특징으로 하는, 어댑터.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 도파관 플랜지부의 제2 중공의 내벽은, 상기 돌출부로부터 멀어질수록 상기 도파관 플랜지부의 중심축으로부터의 거리가 사전에 설정된 간격을 두고 불연속적으로 증가하도록 형성된 것을 특징으로 하는, 어댑터.
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