KR20000052566A - 유전체 도파관과 도파관간의 선로 변환 장치, 및 이를이용한 발진기 및 송신장치 - Google Patents

유전체 도파관과 도파관간의 선로 변환 장치, 및 이를이용한 발진기 및 송신장치 Download PDF

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무라타 야스타카
가부시키가이샤 무라타 세이사쿠쇼
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Abstract

본 발명에 따른 비방사 유전체 도파관과 중공의 도파관을 중재하는 선로 변환 장치는, 서로 대향하는 한 쌍의 도체에 의하여 지지되는 유전체 스트립을 갖는 유전체 도파관; 및 도파관;을 포함하며, 상기 유전체 도파관의 유전체 스트립의 일부가 상기 중공의 도파관내에 삽입된다.

Description

유전체 도파관과 도파관간의 선로 변환 장치, 및 이를 이용한 발진기 및 송신 장치{Line Transition Device Between Dielectric Waveguide and Waveguide, and Oscillator and Transmitter Using the Same}
본 발명은 고주파 전송 선로에 관한 것으로, 특히 유전체 도파관과 도파관간의 선로 변환 장치를 갖는 전송 선로에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 선로 변환 장치를 이용한 1차 방사기, 발진기 및 송신 장치에 관한 것이다.
유전체 도파관 및 도파관은 마이크로파 대역 및 밀리미터파 대역 등의 고주파용의 전송 선로로서 사용되고 있다. 유전체 도파관은 예를 들면 비방사 유전체(NRD) 도파관이다. 도파관의 전형적인 예는, 마이크로파 전자 방사를 비교적 적은 감쇠로 송신할 수 있는 중공 튜브이다. 게다가, 도파관은 주로 직사각형 단면을 갖지만, 어떤 것은 원형 단면을 갖는다. 유전체 도파관과 도파관간의 선로 변환 장치는, 예를 들면 일본국 특허공개 평8-70205호(미국 특허 5724013호에 대응)에 개시된 바와 같이, 유전체 도파관의 유전체 스트립의 선단을 테이퍼 형상으로 하고, 도파관의 단부를 호른 형상으로 확장함으로써, 유전체 도파관(선로 변환에 사용되는 도파관의 단면 형상은 통상 직사각형이다. 원형 단면을 갖는 도파관을 사용한 변환은 일반적이지 않다)과 도파관간의 선로 변환 장치를 구성하고 있다.
그러나, 유전체 스트립의 단면, 및 유전체 도파관과 도파관의 금속 부분은 상기 테이퍼 형상 또는 호른 형상을 실현하기 위하여 특수한 형상으로 가공하여야 한다. 따라서, 변환이 커진다. 또한, 이러한 선로 변환 장치는 변환에 있어서의 휨(bend)이 송신 효율을 저하시키기 때문에, 신호의 전파 방향을 변화시키는데 적합하지 않다.
다층 회로에서는, 각 층의 유전체 도파관을 전자계적으로 결합하는 구성가, 예를 들면 일본국 특허공개 평8-181502호에 개시되어 있다. 층을 관통하는 관통 구멍을 형성하고, 유전체 도파관의 단부를 관통 구멍의 단부 부근에 배치함으로써, 양 유전체 도파관을 관통 구멍을 통하여 전자계적으로 결합하고 있다.
이러한 구성에서는, 유전체 도파관으로부터 관통구멍으로 전파되는 신호가 새지 않도록, 관통 구멍과 유전체 도파관간의 접속부와는 별도로, 관통 구멍을 차폐하기 위하여 반사기 등을 필요로 하며, 그 결과 비용 상승을 초래한다.
유전체 도파관을 사용한 안테나 장치의 한 예가 일본국 특허공개 평8-316727호에 개시되어 있다. 유전체 공진기는 유전체 스트립과 전자계적으로 결합되도록 유전체 스트립의 단부 부근에 배치된다. 유전체 스트립을 통하여 전파되는 고주파 신호는 유전체 공진기로부터 방사된다. 유전체 도파관 및 유전체 공진기는 서로 대향하는 한 쌍의 도체판에 의하여 지지된다. 유전체 공진기상의 상부 도체판에는 슬릿이 형성된다. 전자파는 슬릿으로부터 방사된다.
그러나, 유전체 공진기가 1차 방사기로서 사용되기 때문에, 안테나의 주파수 대역을 확장시키기 어렵다.
본 발명에 따르면, 유전체 도파관과 도파관간의 변환 장치는, 도파관의 전자파 전파 방향에 대하여 대략 수직인 방향으로, 유전체 도파관의 유전체 스트립의 일부를 도파관에 삽입함으로써 구성된다.
이 구성에 의하면, 유전체 스트립의 단부로부터 축방향으로의 방사 구성을 이용하고 있지 않기 때문에, 불필요한 방사를 방지하며, 선로 변환을 저손실로 행할 수가 있다. 또한, 유전체 도파관의 전자파 전파 방향이 도파관의 전자파 전파 방향에 대하여 수직이므로, 회로 구성을 설계하는데 있어서의 자유도가 증가하고, 전체 변환 장치의 소형화를 달성할 수가 있다.
또한, 본 발명에 따른 유전체 도파관과 도파관간의 변환 장치는, 서로 대향하는 한 쌍의 도체에 의하여 지지되는 유전체 스트립을 갖는 유전체 도파관과 도파관간의 선로 변환 장치로서, 상기 유전체 도파관의 유전체 스트립의 일부가 상기 도파관에 인접하여 위치하는 것을 특징으로 한다.
상기 유전체 도파관은 서로 대향하는 한 쌍의 도체판에 의하여 지지될 수가 있다. 한 쌍의 도체판의 일부와 도파관의 단부를 연속시킴으로써, 유전체 도파관과 도파관간의 정합을 얻는 것이 용이하다. 또한, 유전체 도파관과 도파관간의 변환 장치에 있어서, 도파관의 단면 형상을 부분적으로 변화시킴으로써, 양 도파관간의 정합을 얻는 것이 용이하다.
복수의 유전체 도파관을 도파관에 삽입함으로써, 유전체 도파관이 도파관을 통하여 전자계적으로 결합된다. 삽입 위치를 적절히 선택함으로써, 송신 신호를 임의 방향으로 송신할 수가 있다. 도파관의 길이를 적절히 선택함으로써, 다층 회로에 있어서, 다른 층에 있는 유전체 도파관을 전자계적으로 서로 결합할 수가 있다.
상기 변환 장치에 있어서, 도파관의 한쪽 단부를 개구시킴으로써, 그 단부에 개구부를 갖는 도파관이 1차 방사기로서 기능한다. 유전체 도파관을 통하여 신호가 전파되며, 도파관을 통하여 방사된다. 도파관이 방사기로서 사용되므로, 광대역의 안테나 장치를 실현할 수가 있다.
본 발명의 발진기는 도파관내에 발진 소자, 및 결합 도체를 포함한다. 발진 출력 신호가 발진 소자로부터 송신되며, 도파관의 공진 모드에서 결합 도체와 전자계적으로 결합된다. 이러한 구성에 의하여, 발진 출력 신호가 도파관의 공진 모드를 통하여 유전체 도파관의 송신 모드의 신호로 변환된다. 따라서, 발진 신호가 유전체 도파관을 통하여 용이하게 송신될 수 있다.
본 발명의 송신 장치는 유전체 도파관, 도파관을 사용한 1차 방사기를 갖는 안테나 장치, 및 안테나 장치에 대한 송신 신호를 발생하는 발진기를 포함한다. 또한, 송신 장치는 유전체 도파관, 도파관을 사용한 발진기, 및 발진기로부터의 출력 신호를 송신하는 안테나 장치를 포함한다. 이에 따라서, 소형, 저손실 및 광대역의 송신 장치를 얻을 수가 있다.
도 1은 유전체 도파관과 도파관간의 변환 장치의 주요 구성 요소의 구성을 나타낸 사시도이다.
도 2a, 도 2b 및 도 2c는 각각 유전체 도파관과 도파관간의 변환 장치의 구성을 나타낸 평면도 및 단면도이다.
도 3은 유전체 도파관과 도파관간의 변환 장치의 특성을 나타낸 도이다.
도 4a 및 도 4b는 정합 조정 장치를 갖는 유전체 도파관과 도파관간의 변환장치의 구성을 나타낸 도이다.
도 5a 및 5b는 정합 조정이 이루어진 유전체 도파관과 도파관간의 변환 장치의 구성을 나타낸 도이다.
도 6a 및 6b는 직사각형의 도파관을 사용한 유전체 도파관과 도파관간의 변환 장치의 주요 구성 요소의 구성을 나타낸 도이다.
도 7은 유전체 도파관과 도파관간의 접속부의 구성을 나타낸 단면도이다.
도 8은 도 7에 나타낸 유전체 도파관과 도파관간의 접속부의 구성의 특성을 나타낸 도이다.
도 9는 3개의 포트를 갖는 유전체 도파관과 도파관간의 접속부의 구성을 나타낸 단면도이다.
도 10은 도 9에 나타낸 유전체 도파관과 도파관간의 접속부의 구성의 특성을 나타낸 도이다.
도 11은 3개의 포트를 갖는 유전체 도파관과 도파관간의 다른 접속부의 구성을 나타낸 단면도이다.
도 12는 도 11에 나타낸 유전체 도파관과 도파관간의 접속부의 구성의 특성을 나타낸 도이다.
도 13a, 도 13b 및 도 13c는 유전체 도파관과 도파관간의 접속부의 구성을 나타낸 평면도이다.
도 14는 입출력 포트 사이의 각도 관계가 변화가능한 유전체 도파관과 도파관간의 접속부의 구성을 나타낸 도이다.
도 15는 1차 방사기의 구성을 나타낸 단면도이다.
도 16은 도 15의 1차 방사기의 방사 패턴을 나타낸 도이다.
도 17은 다른 1차 방사기의 구성을 나타낸 단면도이다.
도 18은 또 다른 1차 방사기의 구성을 나타낸 단면도이다.
도 19는 1차 방사기를 사용한 안테나 장치를 나타낸 단면도이다.
도 20a 및 도 20b는 편파 제어 장치를 갖는 1차 방사기의 구성을 나타낸 도이다.
도 21은 편파 제어 장치를 갖는 다른 1차 방사기의 구성을 나타낸 도이다.
도 22a 및 도 22b는 각각 편파 제어 장치를 갖는 또 다른 1차 방사기의 구성을 나타낸 평면도 및 단면도이다.
도 23은 발진기의 구성을 나타낸 단면도이다.
도 24는 다른 발진기의 구성을 나타낸 단면도이다.
도 25a 및 도 25b는 각각 발진기의 구성을 나타낸 단면도 및 평면도이다.
도 26은 송수신 모듈의 구성을 나타낸 블럭 다이어그램이다.
도 27a는 도 1의 변형예이며, 도 27b는 도 27a의 단면도이다.
(도면의 주요 부분에 있어서의 부호의 설명)
1, 2: 도체판 3: 유전체 스트립
4: 도파관 5: 돌출부
6: 나사 807: 유전체 로드
910: 1차 방사기 911: 유전체 렌즈
1008: 축퇴 분리 소자 2012: 편파기
3013: 슬롯판 3014: 슬롯
4016: 건 다이오드 4017: 결합 도체
4018: 바이어스 전압 공급로 4019: 트랩
5020: 유전체 6021: 회로 기판
6022: 가변 리액턴스 소자 6023: 전극
6024: 제어 전압 공급로
본 발명의 제 1실시 형태에 따른 유전체 도파관과 도파관간의 변환 장치의 구성을 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명하겠다. 도 2a 내지 도 2c에 있어서, 도체판(1, 2)은 유전체 스트립(3)을 둘러싸도록 형성된다. 도체판(1, 2) 및 유전체 스트립(3)은 NRD 가이드를 형성한다. 도체판(1)은 내부 직경이 ψa이고, 길이가 L인 원통 형상의 구멍을 갖는다. 도체판(2)은 내부 직경이 ψa이고 깊이가 유전체 스트립(3)의 높이와 동일한 오목부를 갖는다. 도체판(1)이 도체판(2)상에 적층된 경우, 도체판(1)의 구멍을 도체판(2)의 오목부에 포갬으로써 원통형상의 공동 도파관(4)이 형성된다. 도파관의 단면은 반드시 원형이 아니어도 되며, 필요에 따라서 각 형상(angular)이어도 된다.
도 1은 공동 도파관(4)과 NRD가이드의 유전체 스트립(3)간의 결합 관계를 나타낸다. 유전체 스트립(3)은 바람직하게는 그 선단이 도파관(4)에 삽입되도록 배치된다.
원통형상의 공동 도파관(4)의 내부 직경 ψa는 주파수 대역에 따라서 결정된다. 예를 들면 76GHz 대역에서는, 내부 직경 ψa가 2.8㎜이고, 도파관(4)내부로의 유전체 스트립(3)의 삽입 길이 E가 0.9㎜이고, 유전체 스트립(3)의 상면으로부터 도파관(4)의 개구부까지의 길이 L이 1.0㎜이다(도 2b). 도파관(4)의 관내 파장을 λg라 하면, L=(λg/4)·n(n은 1이상의 정수임)인 것이 바람직하다. 따라서, 도파관(4)의 개구부로부터 1/4파장 아래에 위치한 유전체 스트립(3)의 상면이 단락 면이 되며, NRD가이드와 도파관(4)간의 정합이 용이해진다.
도 1의 실선 화살표는 전계 분포를 나타내며, 실선 화살표에 수직인 파선 화살표는 전계 분포를 나타낸다. NRD 가이드의 기본 송신 모드는 자계가 상하의 도체판에 대하여 수직 방향으로 작용하는 LSM1모드이다. 원통 형상 공동 도파관(4)의 기본 송신 모드는 원형 TE11모드이다. LSM1모드의 자계의 방향과 원형 TE11모드의 자계의 방향이 순서대로 배치되도록 전자계가 분포하게 되며, 이에 따라서, LSM1모드의 NRD가이드와 TE11모드의 원통 형상 공동 도파관(4)의 전자계 결합에 의하여 선로 변환이 실현된다. NRD 가이드의 연장선 및 도파관(4)의 연장선은 서로 대략 수직인 것이 바람직하다. 그러나, NRD 가이드와 도파관(4) 사이에서 전자계 결합이 달성되는 한, 상기 연장은 반드시 직각으로 교차되지 않아도 되며, 직각으로부터의 편차는 가능하다.
도 3은 NRD 가이드측에서 본 선로 변환 장치의 반사 특성을 나타낸다. 도 3에 있어서, 75∼90GHz의 주파수에서, -15dB와 -30dB사이에서 저손실이 실현된다. 도 3의 부호 "S11"은 출력이 신호가 입력되는 지점에 있는 손실을 나타낸다. 따라서, 도파관(4)에 유전체 스트립을 약간만 삽입하더라도, 신호 변환이 행해지며, 이에 따라서 저반사 특성이 실현된다.
본 발명의 제 2실시 형태에 따른 신호 변환 장치의 예를 도 4a, 4b, 5a 및 5b를 참조하여 설명하겠다. 도 4a에 있어서, 도파관(4)의 내부 직경이 원형 TE11모드의 전계의 방향으로 좁아지도록, NDR 가이드의 유전체 스트립(3)의 상부의 도파관(4)의 내벽에 한 쌍의 돌출부(5)를 배치한다. 한 쌍의 돌출부(5)가 서로 대향하는 부분의 임피던스는 NRD가이드의 임피던스와 도파관(4)의 임피던스의 중간값을 갖는다. 따라서, 한 쌍의 돌출부(5)간의 거리를 소정의 값으로 설정함으로써, NRD가이드의 임피던스와 도파관(4)의 임피던스간의 정합을 달성할 수가 있다.
도 4b에 있어서, 한 쌍의 돌출부(5) 대신에, 나사(6)가 배치된다. 나사(6)를 사용하여 도파관(4)내측으로의 NRD 가이드의 삽입 길이를 조정함으로써, 최적의 임피던스 정합을 실현할 수가 있다. 도파관(4)의 내부 임피던스를 바깥쪽에서 조정할 수 있는 한, 나사(6)이외의 다른 부재를 적용하여도 된다.
본 명세서 전반에 걸쳐서, 도파관(4)에 삽입되는 유전체 스트립(3)의 선단 형상은 그 용도에 따라서 선택되는 것이 바람직하다. 도 5a에 나타낸 바와 같이, 유전체 스트립의 선단 형상은 테이퍼 형상으로 될 수 있다. 또한, 도 5b에 나타낸 바와 같이, 선단의 형상은 라운드 형상으로 될 수 있다. 게다가, 유전체 스트립(3)의 선단 형상은 도파관(4)과의 정합을 조정할 수 있다.
도 6a 및 도 6b는 제 3실시 형태에 따른 선로 변환 장치의 구성을 나타낸다. 본 실시 형태에서는, 이전 실시 형태의 원통 형상 공동 도파관(4) 대신에, 직사각형 공동 도파관(104)이 사용된다. 도파관(104)의 전자파 전파 방향은 NRD 가이드의 전자파 전파 방향에 대하여 수직인 것이 바람직하다. 도파관(104)의 칫수 a 및 b는 사용하는 주파수에 따라서 적절히 결정된다. 실선 화살표는 전계 분포를 나타내며, 실선 화살표에 수직인 파선 화설표는 자계 분포를 나타낸다. NRD 가이드의 기본 송신 모드는 도 1과 마찬가지로 LSM1모드이다. 직사각형 도파관(104)의 기본 송신 모드는 직사각형 TE10모드이다. TE10모드의 자계의 방향은 유전체 스트립(103)의 LSM1모드의 자계의 연장 방향과 상응하기 때문에, 유전체 스트립(103) 및 도파관(104)은 전자계적으로 결합한다.
도파관(4)내부로의 유전체 스트립(103)의 삽입 길이, 및 유전체 스트립(103)의 상면으로부터 도파관(104)의 개구부까지의 길이를 적절히 선택함으로써, NRD 가이드와 도파관(104)간의 정합이 달성된다. 정합 조정 소자가 선로 조정 장치에 제공될 수 있다.
본 발명의 제 4실시 형태에 따른 유전체 도파관의 접속부의 구성을 도 7 및 도 8을 참조하여 설명하겠다.
도 7에 나타낸 바와 같이, 유전체 스트립(203a, 203b)은 도체판(201, 202)사이에서 개별적으로 지지되며, 유전체 스트립(203a) 및 상하부 도체판(201, 202)이 한 NRD를 구성하고, 유전체 스트립(203b) 및 상하부 도체판(201, 202)이 또 하나의 NRD를 구성한다.
상기 NRD 사이에 도파관(204)이 형성되며, 이 도파관은 상하부 도체판(201, 202) 및 측벽(도시하지 않음)을 포함한다. 각 유전체 스트립(203a, 203b)의 소정의 단부가 도파관(204)내로 삽입된다, 유전체 스트립(203a)의 상면으로부터 유전체 스트립(203b)의 하면까지의 거리 L은, 임피던스 정합이 2개의 NRD 및 도파관(204)사이에서 행해지도록 결정된다. 이 경우, 유전체 스트립(203a)의 상면 및 유전체 스트립(203b)의 하면은 전기적 접지 전위를 갖는다고 생각된다.
본 실시 형태의 선로 변환 장치는 이중층 구성을 갖는 고주파 회로에 적용될 수 있다.
예를 들면, 본 실시 형태는 도 9에 나타낸 바와 같이, 유전체 스트립(303a)이 제 1층 회로 기판의 구성 요소이고, 유전체 스트립(303b, 303c)이 제2층 회로 기판의 구성요소인 2중층 구성을 갖는 고주파 회로에 적용될 수 있다. 특히, 일본국 특허공개 평8-70205(미국 특허 5724013)의 도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 선로 변환 장치는, 각 층의 각 "NRD 회로"를, 상기 도 1에 나타낸 "NRD 회로(3)"상에 다른 "NRD회로"가 적층된 고주파 회로에서 서로 전자계적으로 결합하기 위하여 사용될 수 있다.
도 8은 도 7에 있어서 ψa=2.8㎜, L=1.1㎜, H=1.8㎜ 및 E=0.4㎜로 하고, 상기 2개의 NRD 가이드를 입출력 포트로 사용하여 2개의 NRD 가이드간의 전송 특성 S21 및 반사 특성 S11을 나타낸다. 본 예에서는, 70∼75GHz의 광대역에서 저삽입 손실 특성이 달성되며, 73GHz대역에서 반사 손실이 최소값을 갖는다. 따라서, 소정의 주파수 대역에서 저 삽입 손실 및 저 반사 손실의 조건하에서 2개의 NRD 가이드를 전자계적으로 결합할 수가 있다.
본 발명의 제 5실시 형태에 따른 유전체 도파관의 접속부의 구성을 도 9 및 도 10을 참조하여 설명하겠다.
본 실시 형태와 제 4실시 형태의 차이점은 또 하나의 NRD 가이드가 도파관(304)에 접속되는 점에 있다. 도 10은 도 9에 있어서 ψa=2.8㎜, L=1.1㎜, H=1.8㎜ 및 E=0.4㎜로 하고, 상기 3개의 NRD 가이드를 입출력 포트로서 사용하여 S11, S21 및 S31의 특성을 나타낸다. 본 예에서는, 78GHz 대역에서, 포트 #1로부터 보아, 저 반사 손실 특성이 얻어지며, 포트 #2 및 포트 #3에서 저 삽입 손실 특성이 얻어진다. 또한 본 실시 형태의 선로 변환 장치는 2층 구성을 갖는 고주파 회로에 적용될 수 있다.
도 11 및 도 12는 제 6실시 형태에 따른 유전체 도파관의 접속부의 구성 및 그 특성을 나타낸다. 본 실시 형태와 제 5실시 형태의 차이점은 3개의 유전체 스트립의 각 위치가 도파관(404)의 연장 방향으로 다른 점에 있다. 도 12는 도 11에 있어서 ψa=2.8㎜, L1=4.8㎜, L2=1.1㎜, H=1.8㎜ 및 E=0.4㎜로 하고, 상기 3개의 NRD 가이드를 입출력 포트로서 사용하여, S11, S21 및 S31의 특성을 나타낸다. 본 예에서는, 75GHz 대역에서, 포트 #1로부터 보아, 저 반사 손실 특성이 얻어지며, 포트 #1에서 포트 #2로의 삽입 손실이 최소화된다. 실제로, 포트 #1에서 포트 #3으로의 삽입 손실은 이용가능하다. 본 실시 형태의 선로 변환 장치는 3중층 구성을 갖는 고주파 회로에 적용될 수 있다.
복수의 유전체 스트립이 삽입되는 경우, 각 유전체 스트립(403)의 연장 방향이 도파관(404)의 전자파 전파 방향에 대하여 실질적으로 수직인 한, 유전체 스트립은 본 명세서에 따라서 어떠한 방향으로부터도 삽입될 수 있다. 예를 들면, 도 13a에 나타낸 바와 같이, 각 유전체 스트립의 연장 방향이 서로 상응하도록, 2개의 유전체 스트립(3a, 3b)을 배치할 수가 있다. 도 13b에 나타낸 바와 같이, 2개의 유전체 스트립의 연장 방향이 각도 θ를 이루도록 2개의 유전체 스트립(3a, 3b)을 배치할 수가 있다. 도 13c에 나타낸 바와 같이, 유전체 스트립이 서로 소정의 각도 관계를 가지도록 3개의 유전체 스트립(3a, 3b, 3c)이 배치된다. 도 13c에 있어서, 도파관(4)은 원형 TE11모드 대신에, 원형 TE01모드를 사용할 수가 있다. 원형 TE1모드는 전자계 분포를 도파관(4)의 중심에 대하여 회전 대칭으로 하기 때문에, 2개의 유전체 스트립의 연장선에 의해 이루어지는 각도에도 불구하고, 유전체 스트립간의 신호 전송 특성이 변하지 않는다.
도 14는 본 발명의 제 7실시 형태에 따른 유전체 도파관의 접속부의 구성을 나타낸다. 원통 형상 공동 도파관(504)은 상부 및 하부의 2부분으로 분할된다. 도파관(504)을 둘러싸는 플랜지의 접속부 주위에, 로터리 조인트로서 베어링이형성된다. 이와 같은 구성에 의하여, 유전체 스트립(503a, 503b)간의 교차각을 자유롭게 변화시키는 것이 가능하다. 도파관(504)의 내측에 편파기(polarizer)가 형성되며, 편파기는 인가되는 전압에 따라서 전자파의 편파면이 회전하도록 한다. 교차각 θ에 따라서 편파기에 인가되는 전압을 제어함으로써, 각도 θ에 관계없이, LSM1모드의 2개의 유전체 스트립(503a, 503b) 및 원형 TE11모드의 도파관(504)이 최적의 형태로 전자계적으로 결합된다. 따라서, 항상 저 삽입 손실 특성을 얻을 수가 있다.
상기 실시예에서는, 도파관(604)(도 15참조)의 상부 또는 하부로부터 어느 한 벽을 제거함으로써, 도파관(604)이 안테나의 1차 방사기로서 기능한다. 예를 들면, 도 15에 나타낸 바와 같이, 도파관(604)의 상부 벽이 제거된 경우, 전자파가 도파관(604)을 통하여 전파되어, 상부 벽이 제거된 위치로부터 바깥측으로 방사된다. 또한, 도파관(604)은 상면에 개구부를 갖는 호른 안테나로서 기능할 수 있다. 도면에 있어서 원형은, 상징적으로 방사 분포를 나타낸다. 도 16은 실선이 "E면", 파선이 "H면"을 나타내는 방사선의 측정예를 나타낸다. 이와 같이 원통형상 공동 도파관(604)의 한 면에 개구부를 갖는 구성에 의하여, 반치각(half-power angle)이 비교적 넓은 빔이 형성된다.
도 17은 다른 1차 방사기의 구성을 나타낸 단면도이다. 본 예에서는, 도파관(704)의 개구부 부근에 있어서 도파관(704)의 내벽에 테이퍼부가 형성된다. 즉, 테이퍼부의 벽의 두께는 개구부를 향하여 점점 얇아진다. 이 구성에 의하여, 일반적으로 분포 패턴은 축방향으로 길고, 축에 수직인 방향으로 짧아진다. 방사 패턴은 테이퍼부의 형상, 예를 들면 테이퍼부에 있어서의 벽두께 방향으로의 변화율에 따라서 제어할 수가 있다. 따라서, 반치각이 비교적 좁고, 이득이 높은 안테나 장치가 구성된다.
도 18은 또 다른 1차 방사기의 구성을 나타낸 단면도이다. 본 예에서는, 도파관(804)의 개구부 주위에 유전체 로드(807)가 형성된다. 본 구성에 따르면, 1차 방사기가 유전체 로드 안테나로서 작용하고, 유전체 로드(807)의 길이 및 선단부의 테이퍼 형상에 따라서 방사 패턴이 결정된다. 이 구성에 의하면, 방사기가 도 17에 나타낸 구성보다 더 나은 지향성을 가질 수가 있다.
상기한 예에서는, 간단한 구성로 소형의 1차 방사기를 구성할 수 있다는 것을 보여준다. 유전체 공진기에 전자계 결합시켜서 슬롯으로부터 전자파를 방사하는 종래의 1차 방사기와는 달리, 본 발명의 1차 방사기는 광대역 특성을 제공할 수가 있다.
도 19는 상술한 여러가지 타입의 1차 방사기를 사용한 안테나 장치의 구성을 나타낸 단면도이다. 도 19에 있어서, 참조 번호 910은 1차 방사기를 나타내며, 참조 번호 911은 유전체 렌즈를 나타낸다. 소정의 위치에 유전체 렌즈(911)를 형성함으로써, 안테나의 지향성이 더욱 증가되며, 높은 이득을 얻을 수가 있다.
도 20a 및 도 20b는 편파 제어를 행할 수 있는 1차 방사기를 나타낸다. 도 20a 및 도 20b에 있어서 원형 공동 도파관 및 NRD 가이드는, 도 1, 도 2 및 도 15에 나타낸 것과 동일한 관계를 갖는다. 본 예에서는, 평면도에 있어서의 유전체 스트립(1003)의 방향 및 축의 방향이 대략 45도의 교차 각도를 이루는 방향으로, 도파관의 내부를 돌출시켜서, 이것을 축퇴 분리 소자(degenerate separation elements)(1008)로 하고 있다. 상기 돌출에 의하여 도파관내의 대칭이 파괴되므로, 2개의 축퇴 모드가 파괴되며, 전계와 자계간에 위상 차를 생기게 한다. 이에 따라서, 원편파의 전자파(타원 편파의 전자파를 포함)가 방사된다. 따라서, NRD 가이드로부터 LSM1모드의 신호가 송신되는 경우, 원편파의 전자파가 방사된다. 원편파의 전자파가 입사된 경우, 안테나의 가역 정리(reciprocity theorem)에 의하여, 수신 신호가 NRD 가이드를 통하여 LSM1모드에서 송신된다.
도 21은 편파 제어를 행할 수 있는 다른 1차 방사기의 구성을 나타낸다. 본 예에서는, 도파관의 내부에 편파기(2012)가 형성되며, 편파면은 소정 각도로 회전된다. 유전체 스트립(2003)의 방향에 의하여 결정되는 원통 형상 공동 도파관의 원형 TE11모드의 편파면이, 편파기(2012)에 의하여 회전되어 방사된다. 입사파는 편파기(2012)에 의하여 회전되어, NRD 가이드의 LSM1모드와 전자계적으로 결합된다.
도 22a 및 도 22b는 편파 제어를 행할 수 있는 또 다른 1차 방사기의 구성을 나타낸다. 도 22a는 방사면에서 본, 1차 방사기의 평면도이고, 도 22b는 1차 방사기의 단면도이다. 본 예에서는, 도파관의 개구부에 슬롯판(3013)이 배치되며, 슬롯판(3013)에는 슬롯(3014)이 형성되어 있다. 슬롯(3014)은 그 단축방향을 전계의 방향으로 하는 전자파를 방사하므로, 슬롯(3014)의 방향(경사)을 결정함으로써, 편파면의 방향을 결정할 수가 있다.
도 23은 유전체 도파관과 도파관간의 변환 장치를 이용한 발진기의 구성을 나타낸다. 참조 번호 4001 및 4002는 도체판을 나타내며, NRD 가이드의 상하의 평행 도체면 및 도파관(4004)을 구성한다. 도파관(4004)은 원통형상 공동 공진기로서 사용된다. 도파관 스트립(4003)은 평행 도체면에 의하여 지지되어, NRD를 구성한다. 유전체 스트립(4003)의 양측에는 차단 영역으로 작용하는 스페이스가 있다. 도체판(4002)에는 건 다이오드(4016)를 장착하고, 건 다이오드(4016)의 한 단자를 도체판(4002)에 접지하고, 다른 단자를 돌출시킨다. 참조 번호 4017은 원판 형상의 결합 도체이며, 건 다이오드(4016)의 돌출 단자에 장착된다. 다이오드(4016)에 대한 바이어스 전압 공급로(4018)는 저유전율을 갖는 유전체에 의하여 도체판(4001)에 배치된 관통 구멍을 통하여 부착된다. 관통 구멍의 중간에는, 관통 구멍의 반경이 관내 파장의 1/4의 홀수배의 관계에 있는 공동 영역을 형성하여, 이것을 트랩(4019)으로 하고 있다.
이 구성에 의하여, 건 다이오드(4016)로부터의 발진 출력 신호가 결합 도체(17)에 도출되며, 결합 도체(4017)는 도파관(4004)에 의한 공동 공진기의 공진 모드를 여진한다. 이 공동 공진기의 공진 모드와 NRD 가이드의 LSM1모드가 전자계적으로 결합되며, 발진 신호가 도출된다.
도 24는 다른 발진기의 구성을 나타낸 단면도이다. 도 23의 단면도와 달리, 본 도에서는, 유전체 스트립(5003)의 단면(end face)이 보이는 방향에서 본 단면도를 나타낸다. 공동 공진기로서의 도파관(5004)의 내부에는, 온도 보상용의 유전체(5020)이 형성되어 있다. 유전체(5020)의 유전율에 의하여, 도파관(5004)에 의한 공동 공진기의 실효 유전율이 정해지기 때문에, 공동 공진기의 공진 주파수는 온도 보상용의 유전체(5020)의 유전율의 변화에 따라서 변화된다. 따라서, 건 다이오드(5016)의 발진 주파수의 온도 특성이 안정화되도록, 온도 보상용 유전체(5020)의 유전율 온도 특성을 정할 수가 있다.
대응 미국 특허출원에 개시된 바와 같이, 분위기 온도에 대한 유전율의 변화는 유전체 재료에 따라서 다르다. 필요에 따라서 임의적 특성을 갖는 유전체를 선택할 수가 있다.
도 25a 및 도 25b는 또 다른 발진기의 구성을 나타내며, 도 25a 및 도 25b는 각각 도파관(6004) 내부의 단면도 및 평면도이다. 본 예에서는, 도파관(6004)의 내부에는 회로 기판(6021)이 배치되어 있다. 회로 기판(6021)은 가변 리액턴스 소자(6022), 전극(6023) 및 가변 리액턴스 소자(6022)에 대하여 제어 전압을 공급하는 제어 전압 공급로(6024)를 갖는다. 이 제어 전압 공급로(6024)의 중간에는 스터브가 형성되어, 발진 신호가 제어 전압 공급로를 간섭하는 것을 막는다. 전극(6023)이 결합 도체(6017)와 전자계적으로 결합되므로, 결국 건 다이오드(16)는 리액턴스 소자(6022)의 리액턴스 성분으로 충전된다. 따라서, 건 다이오드(6016)의 발진 주파수는 가변 리액턴스 소자(6022)에 인가되는 제어 전압에 따라서 제어된다.
도 26은 밀리미터파 레이저에 사용하는 송수신 모듈의 한 예를 나타낸다. 도 26에 있어서, VCO는 가변 발진 주파수 발진기이다. 안테나는 상기 1차 방사기중의 하나와 유전체 렌즈를 포함한다. 도 26에 있어서, VCO로부터의 출력 신호는 아이솔레이터, 커플러 및 서큘레이터를 거쳐서 송신되며, 한편 안테나에서 수신된 신호는 서큘레이터를 통하여 믹서로 입력된다. 믹서는 수신 신호 RX와 커플러에 의해 분배된 로컬 신호 Lo를 믹싱하여, 송신 신호와 수신 신호의 주파수 차를 중간 주파수 신호 IF로서 출력한다. 제어 회로(도시하지 않음)는 VCO로부터의 발진 신호를 변조하고, IF 신호와 타겟 신호간의 주파수 차 및 상대 속도를 구한다.
도 27a 및 도 27b는 도1의 변형예를 나타낸다. 도 27a 및 도 27b에서는, 유전체 스트립(3')의 일부가 원통 형상 공동 도파관(4')에 인접하여 위치하는 것을 제외하고, 도 1과 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.
각 실시 형태에서는, 도파관을 공동 도파관으로 구성하였으나, 도파관은 유전체로 충전된 것으로 구성하여도 된다. 각 실시 형태에서는, 도파관내로의 유전체 스트립의 삽입 위치는 특별히 한정되지 않는다. 예를 들면, 유전체 스트립(3)은 도 1에 나타낸 삽입부보다 도파관(4)의 더 높은 위치에 삽입되어도 된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 유전체 스트립의 단부로부터 축방향으로의 방사 구성을 이용하고 있지 않기 때문에, 불필요한 방사를 방지하며, 선로 변환을 저손실로 행할 수가 있다. 또한, 유전체 도파관의 전자파 전파 방향이 도파관의 전자파 전파 방향에 대하여 수직이므로, 회로 구성을 설계하는데 있어서의 자유도가 증가하고, 전체 변환 장치의 소형화를 달성할 수가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 한 쌍의 도체판의 일부와 도파관의 단부를 연속시킴으로써, 유전체 도파관과 도파관간의 정합을 얻는 것이 용이하다.
또한, 본 발명에 따르면, 유전체 도파관과 도파관간의 변환 장치에 있어서, 도파관의 단면 형상을 부분적으로 변화시킴으로써, 양 도파관간의 정합을 얻는 것이 용이하다.
또한, 본 발명에 따르면, 복수의 유전체 도파관을 도파관에 삽입함으로써, 유전체 도파관이 도파관을 통하여 전자계적으로 결합된다. 따라서 삽입 위치를 적절히 선택함으로써, 송신 신호를 임의 방향으로 송신할 수가 있다. 또한 도파관의 길이를 적절히 선택함으로써, 다층 회로에 있어서, 다른 층에 있는 유전체 도파관을 전자계적으로 서로 결합할 수가 있다.
또한 본 발명에 따르면, 상기 변환 장치에 있어서, 도파관의 한쪽 단부를 개구시킴으로써, 그 단부에 개구부를 갖는 도파관이 1차 방사기로서 기능한다. 유전체 도파관을 통하여 신호가 전파되며, 도파관을 통하여 방사된다. 도파관이 방사기로서 사용되므로, 광대역의 안테나 장치를 실현할 수가 있다.
또한 본 발명에 따르면, 발진 출력 신호가 도파관의 공진 모드를 통하여 유전체 도파관의 송신 모드의 신호로 변환된다. 따라서, 발진 신호가 유전체 도파관을 통하여 용이하게 송신될 수 있다.
게다가, 본 발명에 따르면, 소형, 저손실 및 광대역의 송신 장치를 얻을 수가 있다.

Claims (31)

  1. 서로 대향하는 한 쌍의 도체에 의하여 지지되는 유전체 스트립을 갖는 유전체 도파관과 도파관간의 선로 변환 장치로서,
    상기 유전체 도파관의 유전체 스트립의 일부가 상기 도파관에 인접하여 위치하는 것을 특징으로 하는 선로 변환 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 유전체 스트립은 상기 도파관의 전자파 전파 방향에 대하여 실질적으로 수직으로 배치되는 것을 특징으로 하는 선로 변환 장치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 유전체 도파관의 한 쌍의 도체중의 한 쪽을 상기 도파관의 단면(end-face)에 접속하는 것을 특징으로 하는 선로 변환 장치.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 도파관 및 상기 유전체 도파관은 상기 도파관의 측벽에서 상기 도파관의 단면 형상(cross-sectional shape)을 부분적으로 변화시킴으로써 정합되는 것을 특징으로 하는 선로 변환 장치.
  5. 각각 서로 대향하는 한 쌍의 도체에 의하여 지지되는 유전체 스트립을 갖는 복수의 유전체 도파관과 도파관간의 선로 변환 장치로서,
    상기 유전체 도파관의 유전체 스트립의 일부가 상기 도파관에 인접하여 위치하는 것을 특징으로 하는 선로 변환 장치.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 도파관은 그 한쪽 단부에 개구부를 갖는 것을 특징으로 하는 선로 변환 장치.
  7. 서로 대향하는 한 쌍의 도체에 의하여 지지되는 유전체 스트립을 갖는 유전체 도파관과 도파관간의 선로 변환 장치로서, 상기 유전체 도파관의 유전체 스트립의 일부가 상기 도파관에 인접하여 위치하는 선로 변환 장치;
    각각 서로 대향하는 한 쌍의 도체에 의하여 지지되는 유전체 스트립을 갖는 복수의 유전체 도파관과 도파관간의 송신 선로 변환 접속 구성로서, 상기 유전체 도파관의 유전체 스트립의 일부가 상기 도파관에 인접하여 위치하는 송신 선로 변환 접속 구성; 및
    서로 대향하는 한 쌍의 도체에 의하여 지지되는 유전체 스트립을 갖는 유전체 도파관과 도파관간의 1차 방사기로서, 상기 유전체 도파관의 유전체 스트립의 일부가 상기 도파관에 인접하여 위치하며, 상기 도파관이 그 한쪽 단부에 개구부를 갖는 1차 방사기;중의 하나에 있어서의 도파관을 포함하는 발진기로서,
    상기 도파관이 발진 소자와, 상기 발진 소자로부터의 발진 신호를 도출하며, 상기 도파관의 공진 모드에서 상기 도파관과 전자계적으로 결합하는 결합 도체를 갖는 것을 특징으로 하는 발진기.
  8. 서로 대향하는 한 쌍의 도체에 의하여 지지되는 유전체 스트립을 갖는 유전체 도파관과 도파관간의 선로 변환 장치로서, 상기 유전체 도파관의 유전체 스트립의 일부가 상기 도파관에 인접하여 위치하고, 상기 도파관이 그 한쪽 단부에 개구부를 갖는 구성을 갖는 1차 방사기를 포함하는 안테나 장치; 및
    상기 안테나 장치에 대한 송신 신호를 발생하는 발진기를 포함하는 것을 특징으로 하는 송신 장치.
  9. 서로 대향하는 한 쌍의 도체에 의하여 지지되는 유전체 스트립을 갖는 유전체 도파관과 도파관간의 선로 변환 장치로서, 상기 유전체 도파관의 유전체 스트립의 일부가 상기 도파관에 인접하여 위치하는 선로 변환 장치;
    각각 서로 대향하는 한 쌍의 도체에 의하여 지지되는 유전체 스트립을 갖는 복수의 유전체 도파관과 도파관간의 송신 선로 변환 접속 구성로서, 상기 유전체 도파관의 유전체 스트립의 일부가 상기 도파관에 인접하여 위치하는 송신 선로 변환 접속 구성; 및
    서로 대향하는 한 쌍의 도체에 의하여 지지되는 유전체 스트립을 갖는 유전체 도파관과 도파관간의 1차 방사기로서, 상기 유전체 도파관의 유전체 스트립의 일부가 상기 도파관에 인접하여 위치하며, 상기 도파관이 그 한쪽 단부에 개구부를 갖는 1차 방사기;중의 하나에 있어서의 도파관을 포함하는 발진기로서,
    상기 도파관이 발진 소자와, 상기 발진 소자로부터의 발진 신호를 도출하며, 상기 도파관의 공진 모드에서 상기 도파관과 전자계적으로 결합하는 결합 도체를 갖는 것을 특징으로 하는 발진기, 및
    상기 발진기로부터의 출력 신호를 송신하는 안테나 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 송신 장치.
  10. 공동을 형성하는 벽을 갖는 도파관;
    상기 도파관의 벽 중의 한 벽에 형성되는 개구부;
    그 단부가 상기 개구부 부근에서 상기 도파관의 공동에 인접하여 위치하는 유전체 스트립; 및
    상기 유전체 스트립을 그들 사이에서 지지하는 한 쌍의 도체면;을 포함하는 것을 특징으로 하는 선로 변환 장치.
  11. 제 10항에 있어서, 상기 도파관의 연장 방향은 상기 유전체 스트립의 한 단부의 연장 방향에 대하여 실질적으로 수직인 것을 특징으로 하는 선로 변환 장치.
  12. 제 10항에 있어서, 상기 유전체 스트립의 단부는 테이퍼 형상으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 선로 변환 장치.
  13. 제 10항에 있어서, 상기 도파관은 그 연장 방향으로 원형 수직 단면을 갖는 것을 특징으로 하는 선로 변환 장치.
  14. 제 10항에 있어서, 상기 도파관은 그 연장 방향으로 직사각형 수직 단면을 갖는 것을 특징으로 하는 선로 변환 장치.
  15. 제 10항에 있어서, 상기 도파관의 다른 벽에 형성되는 다른 개구부;
    그 단부가 상기 다른 개구부를 통하여 상기 도파관의 공동에 삽입되는 다른 유전체 스트립; 및
    상기 다른 유전체 스트립을 그들 사이에서 지지하는 다른 한 쌍의 도체면;을 포함하는 것을 특징으로 하는 선로 변환 장치.
  16. 제 15항에 있어서, 상기 2쌍의 도체면이 적층되어 있는 것을 특징으로 하는 선로 변환 장치.
  17. 제 15항에 있어서, 상기 도파관은 상기 개구부를 갖는 제 1섹션과, 상기 제 1단면으로부터 떨어져 있는 상기 다른 개구부를 갖는 제 2섹션을 포함하며,
    상기 제 2섹션은 상기 제 1섹션과의 접속을 유지하면서, 상기 개구부와 상기 다른 개구부간의 위치 관계를 변화시키도록 움직이는 것을 특징으로 하는 선로 변환 장치.
  18. 제 17항에 있어서, 상기 제 1섹션 및 상기 제 2섹션은 상기 도파관의 외측 벽에 형성되는 플랜지에 의하여 접속되는 것을 특징으로 하는 선로 변환 장치.
  19. 제 18항에 있어서, 상기 플랜지의 접속면에 정합되는 적어도 한 쌍의 홈과,
    상기 한 쌍의 홈에 형성되는 베어링을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 선로 변환 장치.
  20. 제 6항에 있어서, 상기 개구부의 부근에서, 상기 도파관의 벽 두께가 그 단부를 향하여 점차적으로 얇아지는 것을 특징으로 하는 선로 변환 장치.
  21. 제 6항에 있어서, 상기 개구부의 부근의 공동을 유전 재료로 충전하는 것을 특징으로 하는 선로 변환 장치.
  22. 제 6항에 있어서, 상기 개구부 외측의 상기 도파관의 단부로부터 떨어져서 유전체 렌즈가 형성되는 것을 특징으로 하는 선로 변환 장치.
  23. 제 6항에 있어서, 상기 도파관은 내측에 편파기를 갖는 것을 특징으로 하는 선로 변환 장치.
  24. 그 주위가 금속으로 차폐되어 있는 공동;
    상기 공동내에 형성되는 발진 소자;
    상기 발진 소자를 여기시키는 에너지 발생기;
    그 단부의 일부가 상기 공동에 인접하여 위치하는 유전체 스트립; 및
    상기 유전체 스트립을 그들 사이에서 지지하는 한 쌍의 도체면;을 포함하는 것을 특징으로 하는 선로 변환 장치.
  25. 제 1항에 있어서, 상기 유전체 도파관의 유전체 스트립의 일부가 상기 도파관에 삽입되는 것을 특징으로 하는 선로 변환 장치.
  26. 제 5항에 있어서, 상기 유전체 도파관의 유전체 스트립의 일부가 상기 도파관에 삽입되는 것을 특징으로 하는 선로 변환 장치.
  27. 제 7항에 있어서, 상기 유전체 도파관의 유전체 스트립의 일부가 상기 도파관에 삽입되는 것을 특징으로 하는 발진기.
  28. 제 8항에 있어서, 상기 유전체 도파관의 유전체 스트립의 일부가 상기 도파관에 삽입되는 것을 특징으로 하는 송신 장치.
  29. 제 9항에 있어서, 상기 유전체 도파관의 유전체 스트립의 일부가 상기 도파관에 삽입되는 것을 특징으로 하는 송신 장치.
  30. 제 10항에 있어서, 상기 유전체 스트립의 단부가 상기 개구부를 통하여 상기 도파관의 공동에 삽입되는 것을 특징으로 하는 선로 변환 장치.
  31. 제 24항에 있어서, 상기 유전체 스트립의 단부의 일부가 상기 공동내에 삽입되는 것을 특징으로 하는 선로 변환 장치.
KR1019990061750A 1998-12-25 1999-12-24 유전체 도파관과 도파관간의 선로 변환 장치, 및 이를이용한 발진기 및 송신장치 KR20000052566A (ko)

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