KR102651603B1 - 4중 금속 도파관 장치 및 이를 이용한 전력 결합 장치 - Google Patents

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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P5/00—Coupling devices of the waveguide type
    • H01P5/12—Coupling devices having more than two ports
    • H01P5/16—Conjugate devices, i.e. devices having at least one port decoupled from one other port
    • H01P5/18—Conjugate devices, i.e. devices having at least one port decoupled from one other port consisting of two coupled guides, e.g. directional couplers

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Abstract

4중 금속 도파관 장치 및 이를 이용한 전력 결합 장치가 개시된다. 4중 금속 도파관 장치는, 입력 도파관; 상기 입력 도파관과 연결되되, 상기 입력 도파관을 H-평면 방향으로 폭을 확장하는 확장부; 상기 확장부의 종단면에서 H-평면과 E-평면 방향을 각각 바이너리 분할하여 4중 분할 도파관 구조를 형성하는 분할 구조부; 및 상기 4중 분할 도파관과 연결되어 각각의 출력 포트를 통해 전력을 분배하는 출력 도파관을 포함하되, 상기 4중 분할 도파관은 각각 E-평면 및 H-평면 방향으로 점진적으로 확장되되, 상기 출력 도파관의 표준 도파관 크기까지 확장될 수 있다.

Description

4중 금속 도파관 장치 및 이를 이용한 전력 결합 장치{4-way waveguide and power combining apparatus using same}
본 발명은 전력 분배 및 결합이 가능한 4중 금속 도파관 장치 및 이를 이용한 전력 결합 장치에 관한 것이다.
밀리미터 및 테라헤르츠 대역과 같은 높은 주파수 대역에서는 반도체 소자의 출력이 제한되어 전력을 합성하는 것이 반드시 필요하다. 특히 주파수 대역이 높아질수록 출력 감소 현상이 심해져 그 필요성은 더욱 높아진다.
종래의 경우, 도선을 이용하여 회로적 분배회로를 사용하는 방식으로, 이와 같은 경우 선로의 금속 손실로 인해 합성 가능한 증폭기의 개수가 제한되는 문제점이 있다. 주파수 대역이 높아질수록 손실이 증가하여 문제는 더욱 커진다.
이로 인해 공기 중 공간 전력 합성 방식이 제안되었으나, 외부 공간으로 방사되는 손실이 많고 부피가 크기 때문에 실용적이지 못한 단점이 있다.
본 발명은 전력 분배 및 결합이 가능한 4중 금속 도파관 장치 및 이를 이용한 전력 결합 장치를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 높은 주파수 대역에서 저손실 소형 2-D 공간 전력 합성이 가능한 4중 금속 도파관 장치 및 이를 이용한 전력 결합 장치를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 동일 지점에서 균일하게 2차원으로 전력 분배가 가능한 분할 구조를 가지며, 종래 대비 짧은 길이의 도파관 구조가 가능하여 밀리미터파, 테라헤르츠 대역 저손실 금속 패키징 구성이 가능한 4중 금속 도파관 장치 및 이를 이용한 전력 결합 장치를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 밀리미터파 이상의 대역에서 저손실 증폭기 회로 장착을 통해 고효율 공간 전력 합성 패키징이 가능한 4중 금속 도파관 장치 및 이를 이용한 전력 결합 장치를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 2D 구조에 증폭기를 장착하는 구조로, 1D 구조 대비 높은 출력 생성이 가능하여 높은 주파수 대역의 낮은 출력 소자 문제 해결이 가능한 4중 금속 도파관 장치 및 이를 이용한 전력 결합 장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 4중 금속 도파관 장치 및 이를 이용한 전력 결합 장치가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 입력 도파관; 상기 입력 도파관과 연결되되, 상기 입력 도파관을 H-평면 방향으로 폭을 확장하는 확장부; 상기 확장부의 종단면에서 H-평면과 E-평면 방향을 각각 바이너리 분할하여 4중 분할 도파관 구조를 형성하는 분할 구조부; 및 상기 4중 분할 도파관과 연결되어 각각의 출력 포트를 통해 전력을 분배하는 출력 도파관을 포함하되, 상기 4중 분할 도파관은 각각 E-평면 및 H-평면 방향으로 점진적으로 확장되되, 상기 출력 도파관의 표준 도파관 크기까지 확장되는 것을 특징으로 하는 4중 금속 도파관 장치가 제공될 수 있다.
상기 확장부는, 상기 입력 도파관을 H-평면 방향으로 폭을 확장시킴에 있어, 상기 입력 도파관의 종단면 대비 1.5배 내지 2배 크기로 확장될 수 있다.
상기 확장부는 상기 입력 도파관을 H-평면 방향으로 폭을 확장시킴에 있어 선형적, 지수적 또는 계단식으로 확장시킬 수 있다.
상기 분할 구조부는, 상기 4중 분할 도파관의 각도를 조절하여 상기 출력 도파관에서의 분할 간격을 조절할 수 있다.
상기 출력 도파관은 출력단의 크기를 확장시켜 결합된 채널 구조를 가질 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 직렬로 연결되는 N차 4중 분할 도파관부를 가지되, 상기 N차 4중 분할 도파관부는 각각, 입력 도파관을 H-평면 방향으로 폭을 확장하는 확장부; 상기 확장부의 종단면에서 H-평면과 E-평면 방향을 각각 바이너리 분할하여 4중 분할 도파관 구조를 형성하는 분할 구조부; 및 상기 4중 분할 도파관과 연결되어 각각의 출력 포트를 통해 전력을 분배하는 출력 도파관을 각각 포함하되, 상기 N차 4중 분할 도파관부 각각의 출력 도파관의 분할 간격을 서로 상이한 것을 특징으로 하는 4중 금속 도파관 장치가 제공될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 제1 4중 분할 도파관부를 가지며 전력을 분배하는 전력 분배 도파관부; 상기 제2 4중 분할 도파관부를 가지되, 상기 제2 4중 분할 도파관부는 상기 제1 4중 분할 도파관부의 구조가 역방향으로 배치되어 상기 전력 분배부를 통해 분배된 전력을 합성하여 출력하는 전력 결합 도파관부를 포함하되, 상기 제1 4중 분할 도파관부는, 입력 도파관을 H-평면 방향으로 폭을 확장하는 확장부; 상기 확장부의 종단면에서 H-평면과 E-평면 방향을 각각 바이너리 분할하여 4중 분할 도파관 구조를 형성하는 분할 구조부; 및 상기 4중 분할 도파관과 연결되어 각각의 출력 포트를 통해 전력을 분배 하는 출력 도파관을 각각 포함하는 것을 특징으로 하는 4중 금속 도파관 기반 전력 결합 장치가 제공될 수 있다.
상기 제1 4중 분할 도파관부와 상기 제2 4중 분할 도파관부 사이에 배치되는 결합된 채널 구조를 포함하되, 상기 결합된 채널 구조의 H-평면 방향 금속 벽면은 특정 임피던스를 갖는 벽면으로 형성될 수 있다.
상기 결합된 채널 구조에 증폭기 배열이 장착되되, 상기 증폭기 배열은 2-D 평면 타입 또는 1-D 덱(Deck) 타입을 층으로 배열한 형태일 수 있다.
상기 제1 4중 분할 도파관부와 상기 제2 4중 분할 도파관부는 각각 복수의 4중 분할 도파관부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전력 분배 및 결합이 가능한 4중 금속 도파관 장치 및 이를 이용한 전력 결합 장치를 제공함으로써, 높은 주파수 대역에서 저손실 소형 2-D 공간 전력 합성이 가능한 이점이 있다.
또한, 본 발명은 동일 지점에서 균일하게 2차원으로 전력 분배가 가능한 분할 구조를 가지며, 종래 대비 짧은 길이의 도파관 구조가 가능하여 밀리미터파, 테라헤르츠 대역 저손실 금속 패키징 구성이 가능한 이점도 있다.
또한, 본 발명은 밀리미터파 이상의 대역에서 저손실 증폭기 회로 장착을 통해 고효율 공간 전력 합성 패키징이 가능한 이점이 있다.
또한, 본 발명은 2D 구조에 증폭기를 장착하는 구조로, 1D 구조 대비 높은 출력 생성이 가능하여 높은 주파수 대역의 낮은 출력 소자 문제 해결이 가능한 이점도 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 4중 금속 도파관 장치를 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 4중 금속 도파관 장치의 상면도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 4중 금속 도파관 장치의 측면도.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 H-평면 확장 도파관의 폭 확장 방법을 설명하기 위해 도시한 도면.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 4중 금속 도파관 장치의 정면도.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 정면과 H 방향과 E 방향으로 분배되는 필드 구조를 도시한 도면.
도 8 내지 도 10는 본 발명의 일 실시예에 따른 출력 도파관의 분할 간격 조정을 설명하기 위해 도시한 도면.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 4중 금속 도파관 장치를 도시한 도면.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 4중 금속 도파관 장치의 출력 분배 성능 결과를 도시한 도면.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 4중 금속 도파관 장치를 예시한 도면.
도 14는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 4중 금속 도파관 장치의 전력 분배 성능 결과를 도시한 도면.
도 15는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 4중 분할 도파관 구조를 가지는 전력 결합 장치의 구조를 도시한 도면.
도 16은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전력 결합 장치 내부에 증폭기 장착 일 예를 도시한 도면.
도 17은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 4중 분할 도파관 구조를 가지는 전력 결합 장치의 구조를 도시한 도면.
도 18은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전력 결합 장치의 E-평면 방향과 H-평면 방향 단면도를 도시한 도면.
도 19는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전력 결합 장치의 전력 전달 시뮬레이션 결과를 도시한 도면.
도 20은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 4중 분할 도파관을 이용한 전력 결합 장치를 도시한 도면.
도 21은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전력 결합 장치에 증폭기를 장착한 일 예를 도시한 도면.
본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 4중 금속 도파관 장치를 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 4중 금속 도파관 장치의 상면도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 4중 금속 도파관 장치의 측면도이며, 도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 H-평면 확장 도파관의 폭 확장 방법을 설명하기 위해 도시한 도면이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 4중 금속 도파관 장치의 정면도이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 정면과 H 방향과 E 방향으로 분배되는 필드 구조를 도시한 도면이며, 도 8 내지 도 10는 본 발명의 일 실시예에 따른 출력 도파관의 분할 간격 조정을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 4중 도파관 장치(100)는 입력 도파관(110), 확장부(120), 분할 구조부(130) 및 출력 도파관(140)를 포함하여 구성된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 입력 도파관(110)과 출력 도파관(140)은 각각 표준 규격 단일 크기 도파관인 것을 가정하기로 한다.
확장부(120)는 입력 도파관(110)과 연결되되, 입력 도파관(110)을 H 방향으로 폭을 확장시켜 H-평면 확장 도파관 구조를 형성한다. 여기서, H-평면 확장 도파관은 E-평면 방향으로는 확장되지 않으며, H-평면 방향으로만 폭이 확정된 구조이다.
확장부(120)는 입력 도파관(110)을 H-평면 방향으로만 폭을 확장한 구조로, H-평면 방향 오버 모드(overmode)를 생성할 수 있다.
H-평면 확장 도파관은 H-평면 방향으로 폭이 확장됨에 있어, 소정의 기울기를 가지도록 선형적(linear)하게 확장될 수도 있다(도 2 참조).
이때, 확장부(120)는 입력 도파관(110)의 종단부(210)에서 해당 확장부(120)의 종단부(220)을 대향하여 H 방향으로만 확장된 도파관 구조를 가지며, 입력 도파관(110)의 종단부(210) 대비 확장부(120)의 종단부(220)이 약 1.5 내지 2배 H 방향으로 폭이 확장된 구조를 가질 수 있다.
도 2에는 본 발명의 일 실시예에 따른 4중 금속 도파관 장치(100)의 상면도를 도시한 도면이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 4중 금속 도파관 장치(100)의 측면도이다.
도 2 및 도 3에서 보여지는 바와 같이, 확장부(120)는 입력 도파관(110)이 H 방향으로 폭이 확장된 도파관 구조로, E 방향으로는 확장되지 않은 형태인 것을 알 수 있다.
확장부(120)에서 입력 도파관(110)을 H 방향으로 폭을 확장함에 있어, 소정의 기울기를 가지도록 선형적으로 확장하는 구조로 제한되지는 않는다.
도 4에 도시된 바와 같이, 확장부(120)는 입력 도파관(110)을 H-평면 방향으로 폭을 확장시킴에 있어, H-평면 확장 도파관이 지수적(exponential)으로 확장된 형상일 수도 있다.
또 다른 예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이, 확장부(120)는 입력 도파관을 H 방향으로 폭을 확장함에 있어 계단 형태로 스텝-바이-스텝 방식으로 확장된 형태로 H-평면 확장 도파관을 형성할 수도 있다.
확장부(120)는 H-평면 확장 도파관의 일단 대비 타단이 1.5배 내지 2배 확장된 형태로 형성할 수 있다. 즉, 입력 도파관(110)을 H-평면 방향으로 폭을 확장시켜 H-평면 확장 도파관을 형성함에 있어, 입력 도파관(110)의 종단면(210) 대비 1.5 내지 2배 확장된 형태로 H-평면 도파관의 타단을 형성할 수 있다.
분할 구조부(130)는 확장부(120)에 의해 형성된 H-평면 확장 도파관의 종단면에서 H-평면 및 E-평면 방향으로 각각 바이너리 분할하여 4중으로 분할된 도파관 구조(이하에서는 4중 분할 도파관 구조라 칭하기로 함)을 형성할 수 있다.
분할 구조부(130)는 분할부(132)와 E-H 확장 도파관부(134)를 포함하여 구성된다.
분할부(132)는 확장부(120)의 종단면에서 확장된 도파관을 4등분하여(즉, E-평면과 H-평면 방향으로 각각 바이너리 분할하여) 4중 분할 도파관 구조로 분할하기 위한 수단이다.
E-H 확장 도파관부(134)는 4중 분할 도파관 구조를 E-평면 및 H-평면으로 각각 확장하여 출력 도파관과 연결되는 연결 지점에서 각각의 4중 분할 도파관의 크기를 표준 규격 단일 크기로 만든다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 4중 금속 도파관 장치의 정면도가 도시되어 있다. 도 6에서 보여지는 바와 같이, 분할부(132)는 확장부(120)의 종단면에서 H방향으로 폭이 확장된 확장 도파관을 H방향과 E방향으로 각각 바이너리 분할하여 4중 분할 도파관 구조를 형성할 수 있다.
이와 같이, 분할부(132)에 의해 확장 도파관이 4등분됨에 따라 전력이 분할될 수 있다.
E-H 확장 도파관부(134)는 분할부(132)의 종단면과 연결되며, 분할부(132)에 의해 4개로 균등 분할된 4중 분할 도파관 구조를 E 방향과 H 방향으로 각각 폭을 확장한다.
E-H 확장 도파관부(134)는 4중으로 분할된 4개의 분할 도파관을 출력 도파관(140)과 연결시키되, 출력 도파관(140)과의 연결 지점에서 4개의 분할 도파관 각각이 표준 규격 단일 도파관 크기를 가지도록 E 방향과 H 방향으로 폭을 확장할 수 있다.
E-H 확장 도파관부(134)는 4중 분할 도파관의 각도를 출력 도파관의 분할 간격을 조절할 수 있다.
E-H 확장 도파관부(134)는 4중 분할 도파관의 각도 조정에 따른 출력 도파관의 분할 간격은 후단에 연결되는 구조에 따라 조절될 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 정면과 H 방향과 E 방향으로 분배되는 필드 구조를 도시한 도면이다.
도 7에서 보여지는 바와 같이, 4중 분할 도파관 구조에서 단일 모드가 유지되면서 정확하게 전력이 4분배되는 것을 알 수 있다.
도 8 내지 도 10에는 E-H 확장 도파관부(134)에서 4중 분할 도파관의 각도를 조정하여 출력 도파관(140)에서의 분할 도파관의 간격을 조정한 일 예 및 이에 따른 출력 분배 성능 결과가 예시되어 있다.
도 8 내지 도 10에 예시된 4중 분할 도파관 구조는 입력 도파관(110), 확장부(120) 및 분할부(132)까지는 도파관 구조가 동일하며, E-H 확장 도파관부(134)에서 4중 분할 도파관의 각도를 조절하여 출력 도파관(140)의 분할 간격을 조정한 일 예이다.
도 8 내지 도 10에 도시된 바와 같이, E-H 확장 도파관부(134)에서 4중 분할 도파관의 각도를 조절하여 출력 도파관의 분할 간격이 조절된 경우, 출력 도파관(140)에서의 출력 분배를 시뮬레이션 결과가 도 9에 도시되어 있다.
도 9 내지 도 10에서 보여지는 바와 같이, E-H 확장 도파관부(134)에서 4중 분할 도파관의 각도를 조정하여 출력 도파관(140)에서 분할 간격을 조정하여도 동일한 출력 분배 성능이 제공되는 것을 알 수 있다. 이로 인해, 본 발명의 일 실시예에 따른 4중 금속 도파관 장치(100)는 공간 효율에 최적화된 도파관 구조 제공이 가능한 이점이 있다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 4중 금속 도파관 장치를 도시한 도면이고, 도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 4중 금속 도파관 장치의 출력 분배 성능 결과를 도시한 도면이다.
도 11을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 4중 금속 도파관 장치(1100)는 1차 4중 분할 도파관부(1110) 및 2차 4중 분할 도파관부(1120)를 포함하여 구성될 수 있다.
1차 4중 분할 도파관부(1110)와 2차 4중 분할 도파관부(1120)는 각각 입력 도파관, 확장부, 분할 구조부 및 출력 도파관을 포함하여 구성될 수 있다. 여기서, 입력 도파관, 확장부, 분할 구조부 및 출력 도파관은 각각 도 1을 참조하여 설명한 바와 동일하므로 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 도 11에 도시된 바와 같이, 4중 분할 도파관부를 복수개 직렬 연결하는 구조를 통해 출력 포트가 4n으로 분할된 구조를 가지도록 할 수 있다.
도 10에서는 두개의 4중 분할 도파관부가 직렬 연결된 구조를 예시하고 있으나, 3개, 4개 등 최종 출력단에서 출력 포트 개수에 따라 4중 분할 도파관부의 직렬 연결 개수는 상이해질 수 있음은 당연하다.
1차 4중 분할 도파관부(1110)는 도 1에서 설명한 바와 같이, 입력 도파관을 H-평면 방향으로 확장한 후 E-평면과 H-평면으로 각각 바이너리 분할하여 1차 4중 분할 도파관 구조를 형성할 수 있다.
1차 4중 분할 도파관부(1110)의 출력 도파관은 1차 4중 분할 도파관부(1110)의 출력 포트로서의 역할을 수행함과 동시에, 2차 4중 분할 도파관부(1120)의 입력 포트로서의 역할을 수행할 수도 있다. 즉, 이와 같이, n차 4중 분할 도파관부가 직렬 연결되는 경우, 후단의 4중 분할 도파관부 입력 도파관은 전단에 직렬 연결된 4중 분할 도파관부의 출력 도파관을 이용할 수 있다.
1차 4중 분할 도파관부(1110)의 출력 도파관이 4개의 출력 포트를 가지므로, 2차 4중 분할 도파관부(1120)는 4개의 입력 포트를 가지며 4개의 입력 도파관이 각각 H-평면 방향으로 폭이 확장되는 4개의 H-평면 확장 도파관이 확장부에 의해 형성될 수 있다.
4개의 H-평면 확장 도파관의 종단면에서 H-평면 및 E-평면 방향으로 각각 바이너리 분할하여 4중 분할 도파관이 각각 형성되며, E-평면과 H-평면 방향으로 점진적으로 폭이 확장되어 16중 분할 도파관 구조를 가지는 출력 도파관과 연결된다.
2차 4중 분할 도파관부(1110)에서 4개의 H-평면 확장 도파관을 H-평면 방향으로 폭을 확장하는 방법은 도 1에서 설명한 바와 동일하며, 각각의 H-평면 확장 도파관의 종단면에서 H-평면 및 E-평면 방향으로 균등 분할하여 4개의 분할 도파관 구조를 형성하는 방법은 도 1에서 설명한 바와 동일하다.
상술한 바와 같이, 1차 4중 분할 도파관부와 2차 4중 분할 도파관부를 연결하여 최종 출력단에서 16개의 분할 도파관 구조를 만들 수 있다.
이와 같이, 4중 분할 도파관 구조를 결합하는 경우, 4n 개의 분할 도파관 구조 제작이 가능하다. 또한, 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 16 분할 도파관 구조의 출력 분배를 예시한 도면이다. 도 12에서 보여지는 바와 같이, 16 분할 도파관 구조에서 각 출력 포트당 -12dB(1/16)에 근접한 출력 분배 성능을 보이는 것을 알 수 있다.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 4중 금속 도파관 장치를 예시한 도면이고, 도 14는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 4중 금속 도파관 장치의 전력 분배 성능 결과를 도시한 도면이다.
도 13을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 4중 금속 도파관 장치(1300)는 입력 도파관(1310), 확장부(1320), 분할 구조부(1330) 및 출력 도파관(1340)를 포함한다.
여기서, 입력 도파관(1310), 확장부(1320), 분할 구조부(1330) 및 출력 도파관(1340)의 기본적인 구조는 도 1과 유사하며, 상이한 부분에 대해서만 설명하기로 한다.
도 1과 달리, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 4중 금속 도파관 장치(1300)는 분할 구조부(1330)에서 도파관을 4중 분할한 후 4중 분할된 도파관의 각도를 조정하고, 출력 도파관(1340)의 크기를 확장시켜 결합된 채널 출력 구조를 구현할 수 있다.
즉, 출력 도파관(1340)의 출력단이 결합(merge)하여 결합된 채널 구조를 가지도록 출력 도파관(1340)이 형성될 수 있다. 이와 같이, 입력 도파관(1310)을 4중 분할하여 4중 분할 도파관 구조를 형성한 후 출력 도파관의 출력단에서의 크기를 확장하여 결합된 채널 구조를 가지도록 출력 도파관(1340)를 형성하는 경우, 각 출력 포트는 -6dB씩 전력이 배분되는 것을 알 수 있다(도 14 참조).
도 15는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 4중 분할 도파관 구조를 가지는 전력 결합 장치의 구조를 도시한 도면이고, 도 16은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전력 결합 장치 내부에 증폭기 장착 일 예를 도시한 도면이다.
도 15를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전력 결합 장치(1500)는 전력 분배 도파관부(1510) 및 전력 결합 도파관부(1520)를 포함하여 구성된다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 전력 분배 도파관부(1510)과 전력 결합 도파관부(1520)는 n차 4중 분할 도파관부를 포함할 수 있다. 전력 분배 도파관부(1510)와 전력 결합 도파관부(1520)는 각각 4중 분할 도파관부를 가지되, 전력 결합 도파관부(1520)는 전력 분배 도파관부(1510)의 4중 분할 도파관부의 구조가 역으로 배열된 형태로 형성될 수 있다. 이는 이하의 설명에 의해 보다 명확하게 이해될 것이다.
전력 분배 도파관부(1510)는 도 12에서 설명한 바와 같이, 1차 4중 분할 도파관부(1512)와 2차 4중 분할 도파관부(1514)를 포함하여 구성된다. 전력 분배 도파관부(1510)의 상세 구조는 도 12에서 설명한 바와 동일하므로 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
전력 분배 도파관부(1510)는 1차 4중 분할 도파관부(1512)와 2차 4중 분할 도파관부(1514)를 포함하여 최종 출력 도파관에서 16개의 분할 도파관 구조를 가질 수 있다.
전력 결합 도파관부(1520)는 전력 분배 도파관부(1510)와 마찬가지로 1차 4중 분할 도파관부(1524)와 2차 4중 분할 도파관부(1522)를 포함하되, 도 15에서 보여지는 바와 같이 전력 분배 도파관부(1510)의 구조가 역배열된 형태로 형성된다.
전력 분배 도파관부(1510)는 전력을 균등하게 분배하기 위해 1차 4중 분할 도파관부(1514)와 2차 4중 분할 도파관부(1514)를 이용한 반면, 전력 결합 도파관부(1520)는 전력 분배 도파관(1510)에 의해 분배된 전력을 결합하는 구조로 1차 4중 분할 도파관부(1524)와 2차 4중 분할 도파관부(1522)를 사용할 수 있다.
따라서, 전력 결합 도파관부(1520)는 전력 분배 도파관부(1510)의 구조가 역순으로 배열될 수 있다. 이를 위해 도 16에 도시된 바와 같이, 분할된 도파관 내부에 증폭기가 장착되어 전력 합성에 이용될 수 있다.
이와 같이, 4중 분할 도파관 구조를 이용하여 전력을 분배하고, 결합함으로써 반도체 회로 대비 낮은 손실(도파관 금속 손실만 존재) 성능 제공이 가능하여 높은 주파수에서 낮은 손실로 전력을 합성할 수 있는 이점이 있다. 이를 통해, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 결합 장치는 높은 효율의 전력 증폭기 모듈을 제공할 수 있다.
도 17은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 4중 분할 도파관 구조를 가지는 전력 결합 장치의 구조를 도시한 도면이고, 도 18은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전력 결합 장치의 E-평면 방향과 H-평면 방향 단면도를 도시한 도면이고, 도 19는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전력 결합 장치의 전력 전달 시뮬레이션 결과를 도시한 도면이다.
도 17을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전력 결합 장치(1700)는 전력 분배 도파관부(1710), 결합 채널 도파관부(1720) 및 전력 결합 도파관부(1730)를 포함한다.
전력 분배 도파관부(1710) 및 전력 결합 도파관부(1730)는 도 13에서 설명한 4중 분할 도파관 구조를 이용하여 구현될 수 있다.
전력 분배 도파관부(1710)와 전력 결합 도파관부(1730)는 각각 1차 4중 분할 도파관 구조를 가질 수 있다. 여기서, 전력 결합 도파관부(1730)은 전력 분배 도파관부(1710)의 구조가 역으로 배열된 형태일 수 있다.
전력 분배 도파관부(1710)는 4중 분할 도파관 구조의 출력 도파관의 종단면 크기가 확장되며 결합된 채널 구조를 가진다.
따라서, 전력 분배 도파관부(1710)과 전력 결합 도파관부(1730) 사이에는 결합 채널 도파관부(1720)가 형성되며, 결합 채널 도파관부(1720)에서 균일 전력 전달이 가능케 할 수 있다. 이를 위해, 결합 채널 도파관부(1720)는 단일 모드를 유지하기 위해, E-평면 방향 벽면은 금속 벽면으로 형성하고, H-평면 방향 벽면은 PMC 벽면으로 처리될 수 있다.
또한, 전력 결합 도파관부(1730)은 1차 4중 분할 도파관 구조를 가지는 점에서는 전력 분배 도파관부(1710)과 동일하나, 전력 결합 도파관부(1730)의 4중 분할 도파관 구조는 입력 포트로 이용되는 점에서 차이가 있다. 즉, 전력 결합 도파관부(1730)는 전력 분배 도파관부(1710)의 1차 4중 분할 도파관 구조의 배치 순서를 역순으로 가지며, 전력 분배 도파관부(1730)을 통해 분배된 전력을 결합하여 단일 모드로 출력할 수 있다.
도 18에는 전력 결합 장치(1700)의 E-평면 방향과 H-평면 방향 단면도를 도시한 도면이고, 도 19는 전력 전달 시뮬레이션 결과를 도시한 도면이다.
전술한 바와 같이, 결합 채널 도파관부(1720)에서 E-평면 방향 벽면은 금속 벽면으로 구성하고, H-평면 방향 벽면은 PMC 벽면으로 처리하여 결합 채널에서 단일 모드 유지하며 균일 전력 전달이 가능하도록 할 수 있다.
도 19을 참조하면, H-평면 방향과 E-평면 방향에서 단일 모드가 유지되며 분할 구조 및 결합된 채널에서 균일한 전력이 유지되며 전달되는 것을 확인할 수 있다. 이와 같이, 확장된 폭의 결합된 채널에서 균일 전력을 유지하기 위해서는 H-평면 방향 벽면에는 PMC(Perfect Magnetic Conductor) 벽이 필요하다. 이러한 PMC 벽의 표면은 실제로는 존재하지 않는 물질로, 금속 그루브 스트립(Groove strip) 또는 EBG(Electromagnetic Bandgap Ground) 패턴 등을 사용하여 구현할 수 있다.
도 20은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 4중 분할 도파관을 이용한 전력 결합 장치를 도시한 도면이다.
도 20은 H-평면과 E-평면 방향으로 각각 바이너리 분할한 4중 분할 도파관 구조를 두번 사용한 점에서 도 17과 상이하다.
도 17은 4중 분할 도파관 구조를 한번만 사용한 후 출력 도파관의 출력 포트가 결합된(merged) 채널 구조를 가지는 반면, 도 20는 4중 분할 도파관 구조를 두번 연결한 전력 결합 장치이다. H-평면 및 E-평면으로 균등 분할된 4중 분할 도파관 구조 사용 횟수에 따라 확장 크기를 조절할 수 있다. 따라서, 종래 대비 컴팩트한 2-D 확장 공간 전력 합성 도파관 구조 설계가 가능하며, 2-D 배열 회로에 적용이 가능케 할 수 있다.
도 21은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전력 결합 장치에 증폭기를 장착한 일 예를 도시한 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 공간 전력 합성 장치는 전력 분배 구조에서 2-D 배열을 가지는 출력 포트 구현이 가능하며, 전력 합성시에도 2-D 배열을 가지도록 구현이 가능하기 때문에 증폭기를 2-D 평면 형태의 배열 회로를 배치할 수도 있다.
또한, 1-D 형태의 덱(Deck) 형태를 층으로 배열하여 2-D 배열을 가지도록 증폭기 배열을 장착할 수도 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 실시 예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 4중 금속 도파관 장치
110: 입력 도파관
120: 확장부
130: 분할 구조부
140: 출력 도파관

Claims (11)

  1. 입력 도파관;
    상기 입력 도파관과 연결되되, 상기 입력 도파관을 H-평면 방향으로 폭을 확장하는 확장부;
    상기 확장부의 종단면에서 H-평면과 E-평면 방향을 각각 바이너리 분할하여 상기 확장부의 종단면을 4개로 균등 분할하는 4중 분할 도파관 구조를 형성하는 분할 구조부; 및
    상기 4중 분할 도파관과 연결되어 각각의 출력 포트를 통해 전력을 분배하는 출력 도파관을 포함하되,
    상기 4중 분할 도파관은 각각 E-평면 방향과 H-평면 방향으로 점진적으로 확장되되, 상기 출력 도파관의 표준 도파관 크기까지 확장되고, 단일 모드를 유지하며 전력이 4분배되되,
    상기 분할 구조부는,
    상기 4중 분할 도파관의 각도를 조절하여 상기 출력 도파관에서의 분할 간격을 조절하되,
    상기 출력 도파관은 출력단의 크기를 확장시켜 결합된 채널 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 4중 금속 도파관 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 확장부는,
    상기 입력 도파관을 H-평면 방향으로 폭을 확장시킴에 있어, 상기 입력 도파관의 종단면 대비 1.5배 내지 2배 크기로 확장시키는 것을 특징으로 하는 4중 금속 도파관 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 확장부는
    상기 입력 도파관을 H-평면 방향으로 폭을 확장시킴에 있어 선형적, 지수적 또는 계단식으로 확장시키는 것을 특징으로 하는 4중 금속 도파관 장치.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 직렬로 연결되는 N차 4중 분할 도파관부를 가지되,
    상기 N차 4중 분할 도파관부는 각각,
    입력 도파관을 H-평면 방향으로 폭을 확장하는 확장부;
    상기 확장부의 종단면에서 H-평면과 E-평면 방향을 각각 바이너리 분할하여 상기 확장부의 종단면을 4개로 균등 분할하는 4중 분할 도파관 구조를 형성하는 분할 구조부; 및
    상기 4중 분할 도파관과 연결되어 각각의 출력 포트를 통해 전력을 분배하는 출력 도파관을 각각 포함하되,
    상기 N차 4중 분할 도파관부 각각의 출력 도파관의 분할 간격은 서로 상이하되,
    상기 출력 도파관은 출력단의 크기를 확장시켜 결합된 채널 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 4중 금속 도파관 장치.

  7. 제1 4중 분할 도파관부를 가지며 전력을 분배하는 전력 분배 도파관부;
    제2 4중 분할 도파관부를 가지되, 상기 제2 4중 분할 도파관부는 상기 제1 4중 분할 도파관부의 구조가 역방향으로 배치되어 상기 전력 분배 도파관부를 통해 분배된 전력을 합성하여 출력하는 전력 결합 도파관부를 포함하되,
    상기 제1 4중 분할 도파관부는,
    입력 도파관을 H-평면 방향으로 폭을 확장하는 확장부;
    상기 확장부의 종단면에서 H-평면과 E-평면 방향을 각각 바이너리 분할하여 상기 확장부의 종단면을 4개로 균등 분할하는 4중 분할 도파관 구조를 형성하는 분할 구조부; 및
    상기 4중 분할 도파관과 연결되어 각각의 출력 포트를 통해 전력을 분배 하는 출력 도파관을 각각 포함하되,
    상기 제1 4중 분할 도파관부와 상기 제2 4중 분할 도파관부 사이에 배치되는 결합된 채널 구조를 포함하되,
    상기 결합된 채널 구조의 H-평면 방향 금속 벽면은 특정 임피던스를 갖는 벽면으로 형성되는 것을 특징으로 하는 4중 금속 도파관 기반 전력 결합 장치.
  8. 삭제
  9. 제7 항에 있어서,
    상기 결합된 채널 구조에 증폭기 배열이 장착되는 것을 특징으로 하는 4중 금속 도파관 기반 전력 결합 장치.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 증폭기 배열은 2-D 평면 타입 또는 1-D 덱(Deck) 타입을 층으로 배열한 형태인 것을 특징으로 하는 4중 금속 도파관 기반 전력 결합 장치.
  11. 제7 항에 있어서,
    상기 제1 4중 분할 도파관부와 상기 제2 4중 분할 도파관부는 각각 복수의 4중 분할 도파관부를 포함하는 것을 특징으로 하는 4중 금속 도파관 기반 전력 결합 장치.

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