KR102425030B1 - 고출력 방사형 결합기 - Google Patents

Abstract

고주파 대역에서 삽입 손실을 최소화하고, 아킹(arcing)을 발생하지 않으면서도 제작이 용이한 고출력 방사형 결합기에 관한 것으로서, 원통 형상의 원형 캐비티의 중심에는 출력 동축선 도파관이 연결되는 중심 출력포트가 배치되고, 상기 중심 출력포트를 중심으로 방사상으로 동일간격 및 동일 거리에 대칭적으로 배치되는 다수의 동축선 입력포트를 포함하는 방사형 결합기에서, 원형 캐비티의 외면에는 상기 동축선 입력포트와 대향하는 위치에 아킹 방지를 위한 아킹 방지 포트가 형성하여, 아킹을 방지하면서 제작이 용이한 고출력 방사형 결합기를 제공한다.

Description

고출력 방사형 결합기{High power radial combiner}

본 발명은 고출력 방사형 결합기에 관한 것으로, 특히 고주파 대역에서 삽입 손실을 최소화하고, 아킹(arcing)을 발생하지 않으면서도 제작이 용이한 고출력 방사형 결합기에 관한 것이다.

MHz ~ 수 GHz 대역에서 사용 가능한 고출력, 고효율, 장기간 운전 가능한 RF 발생장치가 다양한 분야에서, 예컨대, 핵융합 및 가속기 분야에서 요구된다. 단일 SSPA(Solid State Power Amplifier)의 출력과 효율이 향상함에 따라 기존에 사용되어온 klystron과 tetrode를 대체하여 사용하고자 하는 연구가 진행 중이며, 이를 위한 고출력 RF 전자기파 결합기 또한 그 중요성이 커지고 있다.

RF 전자기파 결합 방식은 크게 평면 결합방식과 공간결합 방식으로 구분할 수 있다.

평면 결합 방식은 특정한 유전상수를 갖는 재질의 PCB에 마이크로스트립 라인 또는 스트립 라인으로 회로를 구성하여 2차원적으로 설계한 방식으로, wilkinson combiner, hybrid coupler, ring coupler, directional coupler, junction combiner, gysel combiner 등이 있다.

이 방식은 결합 개수가 증가함에 따라 크기 및 복잡성이 증가하고, 결합 효율은 크게 떨어지는 단점이 있다.

공간 결합 방식은 원형 도파관 및 구형 도파관, 그리고 임의의 형상으로 이루어진 캐비티(cavity)에 3차원으로 설계한 방식으로서, spatial combiner, radial combiner, waveguide combiner, conical combiner, cavity combiner 등이 있다.

이 방식은 반도체 소자의 결합 개수가 증가하는 경우 결합 효율이 증가하고, 구조적으로 단순하게 설계 가능하다는 장점이 있다. 공간결합 방식의 대칭 구조 특징으로 인하여, 각 입력단 사이의 전자기파 분배 배율과 위상배율이 전 주파수 대역에서 일정한 특성을 얻을 수 있다.

그 중 공간 결합 방식에 사용되는 고출력 공간 결합기 즉, 방사형 결합기(radial combiner)를 구현하는 방법은 형태에 따라서 크게 동축선을 이용하는 방식과 직각 도파관을 이용하는 방식이 있다.

일반적으로 더욱 높은 전자기파를 결합하여 전달하기 위해서는 직각 도파관 형태로 구현되어 진다. 결합 개수가 증가할수록 직각 도파관으로 구현할 경우 제한된 공간에 입력단을 직각 도파관으로 구현하게 되면 직각 도파관이 크기가 급격하게 증가하게 된다. 입력단은 동축선을 이용하여 구현하고, 최종 출력단은 직각 도파관 형태를 이용하여 구현하면 구조적인 이점과 높은 전자기파를 전달 가능한 이점을 동시에 구현할 수 있다. 최종 출력단을 직각 도파관 형태로 구현하기 위해서는 동축선 형태로 입력된 전자기파를 동축선 형태로 결합한 후 다시 직각 도파관 형태로 출력하게 되는데, 이 과정에서 구조적인 대칭성을 유지해야지만 각 입력단 사이의 전자기파 분배 배율과 위상 분배 배율의 일정함을 유지할 수 있다.

도 1은 일반적인 방사형 결합기(Radial Combiner)의 구조 도이고, 도 2는 일반적인 방사형 결합기(16-way cavity radial combiner)의 실물 사진이다.

일반적인 방사형 결합기는 16개의 구형도파관과 하나의 원형 캐비티로 구성된다. 16개의 구형 도파관은 가운데의 출력 커넥터를 중심으로 균등한 거리와 각도를 갖고 분포되어 있으며, 각각의 각도는 22.5°이다.

각각의 전력이 들어오는 16개의 peripheral probe도 전력 결합과 위상을 맞추기 위해서 중앙을 중심으로 거리 및 각도가 균등하게 분포되어 있으며, 구형 도파관의 가운데에서 각각 정합시켜준다. 1개의 center 커넥터와 16개의 peripheral probe는 기구물의 바닥면과 윗면에 각각 배치된다.

여기서 구형 도파관의 크기는 모드 변환의 염려가 없는 TE₁₀ 도미넌트 모드로 구현되었다고 가정한다.

이러한 방사형 결합기는 Peripheral port로 power를 입사하고, Central port로 power가 합쳐져서 출력되는 결합기 구조이다. 반대로 Central port로 power를 입사하고, Peripheral port로 power를 출력하는 분배기 역할도 가능하다.

도 3은 Electric 커플링을 이용한 결합기의 측면도이다.

여기서 참조부호 10은 Peripheral Port를 나타내고, 참조부호 20은 Peripheral Probe를 나타내며, 참조부호 30은 Central Port를 나타내고, 참조부호 40은 원형 캐비티를 나타낸다.

Peripheral Probe(20)를 원형 캐비티(40)의 내부에서 오픈(open) 상태로 구현함으로써, 제작이 용이하다는 장점은 있으나, 에지(Edge)(21)에서 e-field가 강하게 형성되어(air에서 30kV/cm), 아킹(arcing) 발생 우려가 존재하여 고출력에는 부적합하다.

따라서 고출력을 위해, 도 4와 같은 마그네틱(Magnetic) 커플링을 이용한 결합기가 주로 사용된다.

여기서 참조부호 10은 Peripheral Port를 나타내고, 참조부호 50은 Peripheral Probe를 나타내며, 참조부호 30은 Central Port를 나타내고, 참조부호 40은 원형 캐비티를 나타낸다.

Peripheral Probe(50)를 원형 캐비티(40)와 일체형으로 구현하여, 아킹 발생을 제거한다.

그러나 이러한 마그네틱 커플링을 이용한 결합기는 기구적인 문제로 정확히 short은 불가능하다. 통상 나사를 이용하여 볼팅을 하는 방식으로 고정을 하기 때문에, 나사 틈에서 아킹 발생 우려가 있다. Peripheral Probe를 원형 캐비티(40)에 용접을 하면 아킹 발생을 제거할 수 있으나, 제작 공정이 복잡하다는 단점을 유발한다.

도 5는 상기와 같은 마그네틱 커플링을 이용한 원통 형상의 방사형 결합기의 종래 구조도로서, 도 2와 같은 일반적인 방사형 결합기를 1/16로 절단한 투시단면도이다.

원통 형상의 원형 캐비티(60)의 중심에는 중심 출력포트(70)가 배치되고, 상기 중심 출력포트(70)를 중심으로 방사상으로 다수의 동축선 입력포트(81, 82)가 배치된다. 여기서 도면에는 2개의 동축선 입력포트(81, 82)만 도시 하였으나, 실제 동축선 입력포트(81, 82)는 16개가 배치된다. 각각의 동축선 입력포트의 구조 및 작용은 동일하므로, 이하, 설명의 편의를 위해 1개의 동축선 입력포트(81)에 대해서만 설명하기로 한다.

동축선 입력포트들은 중심 출력포트(70)에 대해 동일간격 및 동일 거리에 대칭적으로 배치된다. 즉, 동축선 입력포트들은 중심 출력포트(70)에 대해 방사상으로 배치된다.

동축선 입력포트(81)는 내부에 홀이 형성된 상태이며, 상기 홀에는 동축 도파관(82)이 삽입된다. 상기 동축 도파관(82)의 내부에는 동축 도파관(82)의 결합 및 전자기파(power) 전달을 위해 입력 프로브(Peripheral probe)(83)가 내장된다.

상기 입력 프로브(83)는 전자기파 결합기의 구조적 안정성을 위해 원형 캐비티(60)의 상판의 내면까지 연장된 형태일 수 있다.

중심 출력포트(70)는 전자기파 결합기의 상면 중심의 개구를 포함하고, 출력 동축선 도파관이 연결되어 있다.

이러한 구조를 갖는 방사형 전자기파 결합기는 동축선 입력포트(81)로 입력되는 전자기파가 방사형 전자기파 결합기 내의 공간(61)을 통해 중심 방향으로 진행한 후 중심 출력포트(70)로 결합되어 출력된다.

그러나 이러한 마그네틱 커플링을 이용한 방사형 결합기는 기구적인 문제로 정확히 short는 불가능하다. 통상 나사를 이용하여 볼팅을 하는 방식으로 고정을 하기 때문에, 나사 틈에서 아킹 발생 우려가 있다. Peripheral Probe를 원형 캐비티에 용접을 하면 아킹 발생을 제거할 수 있으나, 제작 공정이 복잡하다는 단점을 유발한다.

도 6은 도 5와 같은 구조의 방사형 전자기파 결합기의 삽입 손실(Insertion Loss) 및 반사 손실(Return Loss)의 시뮬레이션 결과를 나타낸 것이다.

설계 대역에서 삽입 손실 0.15dB 이하, 반사손실 20dB 이하의 성능을 나타낸다.

한편, 동축 도파관 기반의 공간 전력 결합기에 대해 종래에 제안된 다른 구조가 하기의 <특허문헌 1> 에 개시되어 있다.

<특허문헌 1> 은 원통형 중심부는 내부에 방사상으로 고정 배치되며, 분배된 입력 신호에 대하여 슬롯 라인 마이크로스트립 천이를 제공하며, 동축 도파관의 진행방향에 수직인 중심축을 기준으로 대칭적 구조를 가지는 금속 기반의 슬롯 라인 소자를 구비한 공간 전력 결합기를 제공한다. 이러한 기술은 동축 도파관 내에서 공간 결합 방식에 따라 전력 결합을 수행한다.

그러나 이러한 종래기술도 입력단에 결합되는 프로브의 발생하는 아킹 문제를 완전히 해결하지는 못하였다.

대한민국 공개특허 10-2017-0021152(2017.02.27. 공개)(동축 도파관 기반의 공간 전력 결합기)

따라서 본 발명은 상기와 같은 일반적인 마그네틱 커플링을 이용한 원통 형상의 방사형 결합기에서 발생하는 아킹 문제를 개선하고 종래기술에서 발생하는 제반 문제점을 해결하기 위해서 제안된 것으로서, 고주파 대역에서 삽입 손실을 최소화하고, 아킹(arcing)을 발생하지 않으면서도 제작이 용이한 고출력 방사형 결합기를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 "고출력 방사형 결합기"는,

원통 형상의 원형 캐비티의 중심에는 출력 동축선 도파관이 연결되는 중심 출력포트가 배치되고, 상기 중심 출력포트를 중심으로 방사상으로 동일간격 및 동일 거리에 대칭적으로 배치되는 다수의 동축선 입력포트를 포함하는 방사형 결합기로서,

상기 원형 캐비티의 외면에는 상기 동축선 입력포트와 대향하는 위치에 아킹 방지를 위한 아킹 방지 포트가 형성된 것을 특징으로 한다.

상기에서 아킹 방지 포트는 원형상이며, 내부에 홀이 형성된 것을 특징으로 한다.

상기에서 동축선 입력포트는 내부에 홀이 형성되고, 상기 홀에는 동축 도파관이 삽입되며, 상기 동축 도파관의 내부에는 동축 도파관을 동축선 입력포트에 결합하면서 전자기파(power) 전달을 위해 입력 프로브(Peripheral probe)가 내장된 것을 특징으로 한다.

상기에서 입력 프로브는 전자기파 결합기의 구조적 안정성과 아킹 방지를 위해 상기 아킹 방지 포트에 형성된 홀까지 연장된 것을 특징으로 한다.

상기에서 입력 프로브는 상기 아킹 방지 포트에 4/λ[m] 만큼 연장된 것을 특징으로 한다.

상기에서 아킹 방지 포트의 직경은 상기 동축선 입력포트의 직경보다 작은 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면 원형 캐비티의 외면에 동축선 입력포트의 대향하는 위치에 아킹 방지 포트를 형성하고, 동축선 입력포트로 연결되는 입력 프로브의 길이를 아킹 방지 포트의 내부에 형성된 홀까지 연장시켜 구현함으로써, 고주파 대역에서 삽입 손실을 최소화하고 아킹(arcing)을 발생하지 않으면서도 제작이 용이한 고출력 방사형 결합기를 제공해주는 효과가 있다.

도 1은 일반적인 방사형 결합기의 개략 구조이고,
도 2는 일반적인 방사형 결합기의 실물 사진이며,
도 3은 종래 Electric 커플링을 이용한 방사형 결합기의 측면도,
도 4는 종래 Magnetic 커플링을 이용한 방사형 결합기의 측면도,
도 5는 종래 마그네틱 커플링을 이용한 원통 형상의 방사형 결합기를 1/16로 절단한 사시단면도,
도 6은 도 5에 따른 방사형 결합기의 삽입 손실 및 반사 손실의 시뮬레이션 결과그래프,
도 7은 본 발명에 따른 고출력 방사형 결합기의 사시 단면도,
도 8은 도 7에 따른 방사형 결합기의 삽입 손실 및 반사 손실의 시뮬레이션 결과그래프이다.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 고출력 방사형 결합기를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

이하에서 설명되는 본 발명에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 7은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 고출력 방사형 결합기의 사시 단면도이다.

본 발명에 따른 고출력 방사형 결합기의 외관은 도 2와 같은 16-way cavity radial combiner의 구조와 유사하며, 단지 원형 캐비티의 외면에 아킹 방지를 위한 아킹 방지 포트를 추가한 것이다.

도 7은 아킹 방지 포트를 추가한 고출력 방사형 결합기의 내부를 보여주기 위해 1/16으로 절단한 사시 단면도이다.

본 발명에 따른 고출력 방사형 결합기(100)는, 원통 형상의 원형 캐비티(110)의 중심에 출력 동축선 도파관이 연결되는 중심 출력포트(Central Port)(120)가 배치된다.

중심 출력포트(120)는 전자기파 결합기의 상면 중심의 개구를 포함하고, 출력 동축선 도파관이 연결되어 있다.

상기 중심 출력포트(120)를 중심으로 방사상으로 동일간격 및 동일 거리에 대칭적으로 다수의 동축선 입력포트(131, 141)가 배치된다.

본 발명에 따른 고출력 방사형 결합기(100)는 16개의 구형도파관과 하나의 원형 캐비티(110)로 구성된다. 16개의 구형 도파관은 가운데의 중심 출력포트(120)를 중심으로 균등한 거리와 각도를 갖고 분포되어 있으며, 각각의 각도는 22.5°이다.

각각의 전력이 들어오는 16개의 동축선 입력포트도 전력 결합과 위상을 맞추기 위해서 중앙을 중심으로 거리 및 각도가 균등하게 분포되어 있으며, 구형 도파관의 가운데에서 각각 정합시켜준다. 1개의 중심 출력포트와 16개의 동축선 입력포트는 기구물의 바닥면과 윗면에 각각 배치된다.

도 7에서는 2개의 동축선 입력포트(131, 141)만 도시 하였으나, 실제 동축선 입력포트는 주지한 바와 같이 16개가 배치된다. 각각의 동축선 입력포트의 구조 및 작용은 동일하므로, 이하, 설명의 편의를 위해 1개의 동축선 입력포트(131)에 대해서만 설명하기로 한다.

동축선 입력포트(131)는 내부에 홀이 형성되어 있으며, 상기 홀에는 동축 도파관(132)이 삽입된다. 상기 동축 도파관(132)의 내부에는 동축 도파관(132)의 결합 및 전자기파(power) 전달을 위해 입력 프로브(Peripheral probe)(133)가 내장된다.

한편, 종래의 마그네틱 커플링을 이용한 방사형 결합기에서 기구적인 문제로 정확히 short가 불가능하고, 통상 나사를 이용하여 볼팅을 하는 방식으로 프로브를 고정하기 때문에 나사 틈에서 아킹이 발생하는 단점이 있다. 아킹 문제를 개선하기 위해서 Peripheral Probe를 원형 캐비티에 용접을 하면 아킹 발생을 제거할 수 있으나, 제작 공정이 복잡하다는 단점을 유발한다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 종래 방사형 결합기의 단점을 개선하고, 제작이 용이하면서도 아킹 발생을 원천적으로 방지하기 위해서, 상기 원형 캐비티(110)의 외면에, 상기 동축선 입력포트(131)와 대향하는 위치에 아킹 방지를 위한 아킹 방지 포트(150)를 형성한다.

아킹 방지 포트(150)는 원형 캐비티(110)의 외면에 관통 형상으로 일체로 구현될 수 있으므로, 아킹 방지 포트(150)의 제작에 어려움은 없다.

여기서 아킹 방지 포트(150)는 원형상이며, 내부에 홀(151)이 형성되어 있다.

상기 동축선 입력포트(131)에 삽입되어 전자기파를 전달하는 입력 프로브(133)는 방사형 전자기파 결합기의 구조적 안정성과 아킹 방지를 위해 상기 아킹 방지 포트(150)에 형성된 홀(151)까지 연장시킨다.

여기서 입력 프로브(133)의 연장 길이는 상기 아킹 방지 포트(150)에 4/λ[m] 만큼 연장하는 것이 바람직하다.

상기 아킹 방지 포트(150)는 내부에 동축 도파관을 연결할 필요가 없으므로, 아킹 방지 포트(150)의 직경은 상기 동축선 입력포트(131)의 직경보다 작게 구현할 수 있다.

아킹 방지 포트(150)의 홀(151) 연장되게 형성되는 입력 프로브(133)는 오픈(open) 형태이다.

동일한 특성 임피던스 조건에서 회로적으로 open과 short는 4/λ 차이가 있다.

입력 프로브(133)는 오픈 형태로서, 에지(Edge)에서 e-field가 강하게 형성될 수 있으나, 기존과 같이 원형 캐비티(110)의 공간상에서 발생하는 e-field가 아니므로, 전자기파에 전혀 영향을 미치지 않는다.

이러한 구조를 갖는 고출력 방사형 전자기파 결합기는 동축선 입력포트(131)로 입력되는 전자기파가 방사형 전자기파 결합기 내의 공간(111)을 통해 중심 방향으로 진행한 후 중심 출력포트(120)로 결합되어 출력된다.

도 8은 도 7과 같은 아킹 방지 포트를 구비한 방사형 전자기파 결합기의 삽입 손실(Insertion Loss) 및 반사 손실(Return Loss)의 시뮬레이션 결과를 나타낸 것이다.

설계 대역에서 삽입 손실 0.15dB 이하, 반사손실 20dB 이하의 성능을 나타내며, 도 6과 같은 종래 방사형 전자기파 결합기의 시뮬레이션과 비교해 볼 때, 극히 유사함을 알 수 있다.

즉, 아킹 방지 포트를 추가로 구현하여도 삽입 손실 및 반사손실은 기존 최적화된 방사형 전자기파 결합기와 동일한 성능을 구현하게 되는 것이다.

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 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다.

100: 고출력 방사형 결합기
110: 원형 캐비티
111: 공간
120: 중심 출력포트
131, 141: 동축선 입력포트
132: 동축 도파관
133: 입력 프로브
150: 아킹 방지 포트

Claims (6)

1. 원통 형상의 원형 캐비티(110)의 중심에는 출력 동축선 도파관이 연결되는 중심 출력포트(120)가 배치되고, 상기 중심 출력포트(120)를 중심으로 방사상으로 동일간격 및 동일 거리에 대칭적으로 배치되는 다수의 동축선 입력포트(131, 141)를 포함하는 방사형 결합기로서,
   상기 원형 캐비티(110)의 외면에는 상기 동축선 입력포트(131)와 대향하는 위치에 아킹 방지를 위한 아킹 방지 포트(150)가 형성되며,
   상기 아킹 방지 포트(150)는 상기 원형 캐비티(110)의 외면에 관통 형상으로 일체로 형성되고,
   상기 아킹 방지 포트(150)는 원형상이며, 내부에 홀(151)이 형성되며, 상기 홀(151)에 연장되게 형성되는 입력 프로브(133)는 오픈(open) 형태로 구현하여 에지(Edge)에서 e-field가 형성되도록 하여 원형 캐비티(110)의 공간상에서 e-field가 형성되는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 고출력 방사형 결합기.
   
2. 삭제
3. 청구항 1에서, 상기 동축선 입력포트(131)는 내부에 동축 도파관(132)이 삽입되며, 상기 동축 도파관(132)의 내부에는 동축 도파관을 동축선 입력포트(131)에 결합하면서 전자기파(power) 전달을 위해 입력 프로브(Peripheral probe)(133)가 내장된 것을 특징으로 하는 고출력 방사형 결합기.
   
4. 청구항 3에서, 상기 입력 프로브(133)는 전자기파 결합기의 구조적 안정성과 아킹 방지를 위해 상기 아킹 방지 포트(150)에 형성된 홀까지 연장된 것을 특징으로 하는 고출력 방사형 결합기.
   
5. 청구항 4에서, 상기 입력 프로브(133)는 상기 아킹 방지 포트(150)에 4/λ[m] 만큼 연장된 것을 특징으로 하는 고출력 방사형 결합기.
   
6. 청구항 1에서, 상기 아킹 방지 포트(150)의 직경은 상기 동축선 입력포트(131)의 직경보다 작은 것을 특징으로 하는 고출력 방사형 결합기.
   
   
   
   
   
   
   
   

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