KR20050062038A - 도파관 공동 공진기의 끝단 벽을 이용한 온도 보상 필터 - Google Patents

Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야

본 발명은, 도파관 공동 공진기의 끝단 벽을 이용한 온도 보상 필터에 관한 것임.

2. 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제

본 발명은, 도파관 공동 공진기에 하나의 요철 형상의 끝단 벽을 배치함으로써, 마이크로파 대역 필터의 온도 변화에 따른 주파수 이동 현상을 개선하기 위한, 도파관 공동 공진기의 끝단 벽을 이용한 온도 보상 필터를 제공하는데 그 목적이 있음.

3. 발명의 해결방법의 요지

본 발명은, 도파관 공동 공진기의 끝단 벽을 이용한 온도 보상 필터에 있어서, 도파관 공동 공진기; 및 끝단 벽을 구비하되, 상기 끝단 벽이 요철 형상인 것을 특징으로 함.

4. 발명의 중요한 용도

본 발명은 마이크로파 대역 시스템 등에 이용됨.

Description

도파관 공동 공진기의 끝단 벽을 이용한 온도 보상 필터{Temperature Compensated Filter using End Wall of Waveguide Cavity Resonator}

본 발명은 도파관 공동 공진기의 끝단 벽을 이용한 온도 보상 필터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 마이크로파 및 밀리미터파 대역 이상의 시스템에서 이용하기 위한 도파관 공동 공진기의 끝단 벽을 이용한 온도 보상 필터에 관한 것이다.

일반적으로 위성 산업에서 한정된 주파수를 효율적으로 사용하기 위해서는, 해당 주파수를 여러 개의 좁은 주파수 대역으로 나누는 채널화 및 다중화가 필요하고, 이러한 채널화를 위해서는 엄격한 성능 규격을 만족하는 필터 개발이 필수적이다.

이러한 채널화에 사용되는 협대역 필터는 주로 마이크로파 대역에서 높은 품질 계수(Q-Factor)를 갖는 도파관 공동 공진기가 이용된다.

한편, 고품질 통신 및 방송 서비스를 이용하기 위해서 송신부의 출력 전력을 높여 이용하는 경우가 많다. 따라서, 이를 위해서는 송신부의 출력 채널 필터의 고전력 처리가 가능하여야 하고, 이때 주로 고전력 처리가 가능한 도파관 형태의 공동 공진기가 또한 자주 사용된다.

이러한 출력 협대역 필터는 그 주변 온도 및 고전력으로 인하여 필터 자체의 온도변화가 일어나게 되며, 그 온도변화에 따라 필터의 물리적인 크기가 변화될 수 있다. 이때, 필터의 물리적인 크기 변화는 공진기의 길이 변화를 초래할 수 있다. 그런데, 공진기 길이는 중심 주파수와 밀접한 관계가 있기 때문에 온도가 상승하면 중심 주파수가 낮아지는 현상이 일어나게 된다.

협대역 필터는 인접 채널과 매우 가까이 있기 마련이기 때문에 적은 중심 주파수 이동도 성능에 영향을 미칠 수 있게 된다. 그러므로, 주변 온도를 일정하게 유지하기 위해 필터에 온도 센서와 히터를 부착하여 온도가 일정하도록 하기도 한다.

이와 같이 필터의 온도 보상을 위해서 간단하면서 효과를 높일 수 있는 종래의 방법이 열팽창 계수가 낮은 재질로 공동 공진기를 제작하는 방법이다. 이때, 열팽창 계수가 낮은 재질은 주로 인바(INVAR)가 이용된다.

그러나, 대역간 주파수가 좁은 경우에는 온도 보상을 위하여 재질의 온도팽창계수를 낮추는 것은 한계가 있는 문제점이 있다.

또한, 필터의 온도 보상을 위한 종래 방법으로는 온도에 민감하지 않은 유전체를 이용한 공진기를 제작하는 방법이 있다. 유전체 공진기를 이용할 경우에 높은 품질 계수를 얻을 수 있고, 감쇄 모드에 의해 온도에 민감하지 않기 때문에 마이크로파 대역에서 많이 이용되고 있다.

그러나, 유전체 공진기는 고전력을 처리하는데 한계가 있고, 주파수가 높아질수록 성능저하가 발생하는 문제점이 있다.

따라서, 이와 같은 유전체 공진기는 주로 Ku 대역(10GHz 이상의 주파수대) 이하의 주파수 대역에서 낮은 전력을 갖는 입력 쪽에 많이 이용되고 있다.

마지막으로, 도파관 공동 공진기를 온도팽창계수가 다른 물질을 이용하여 구현함으로써, 온도가 변화할 경우에도 실질적인 전기적인 공진기 길이가 변화되지 않도록 하는 방법이 있다. 이는 고출력을 처리하거나, 주파수가 높아져도 문제가 되지 않아 많이 이용될 수 있다.

이와 같이 온도팽창계수가 서로 다른 재질을 이용하여 필터의 온도를 보상하는 방법이, 논문1[R. Seehorn, C. Ziegler, S. Holme and G. Fiedziuszko, "High Power High Temperature Ku Band Multiplexers", 20th AIAA ICSSC(2002), Paper no. AIAA-2002-1990, 2002], 논문2[S. Lundquist, M. Yu, D. Smith and W. Fitzparrick, "Ku Band Temperature Compensated High Power Multiplexers", 20th AIAA ICSSC(2002), Paper no. AIAA-2002-1992, 2002] 및 미합중국특허 제6,002,310A호(Resonator Cavity Wall Assembly)에 개시되어 있다.

상기 논문1에 개시된 기술은 온도 변화가 적은 인바(INVAR) 공진기를 사용하고, 기저면(base plate)에 적절한 온도 센서 및 열 파이프(heat pipe)를 설치하여 온도 변화가 최소화되도록 하였다.

상기 논문2에 개시된 기술은 기존에 사용되는 인바(INVAR) 재질 대신에 알루미늄으로 필터를 만들어 무게 및 전기적 성능을 개선하였으며, 공진기의 끝단을 기저면에 바로 장착하고, 각 공진기의 끝단에 연결된 다리(bridge)에 의해 안쪽 또는 바깥쪽으로 움직이도록 하면서 성능을 보상하였다.

또한, 상기 특허 제6,002,310A호에 개시된 기술은, 온도 변화에 따른 전기적 공진기 길이 변화를 최소화하기 위해서 두개의 다른 재질을 이용한 끝단 벽을 사용하였다. 공진기 쪽의 활 모양의 판과 바깥쪽 판이 서로 다른 열팽창 계수에 의해 앞쪽 활 모양의 판이 온도 변화에 따라 변화되도록 하는 것이다. 즉, 온도가 상승하면 활 모양의 판이 안쪽으로 향하게 하고, 반대로 온도가 내려가면 바깥쪽으로 향하게 하여, 온도에 따른 공진기의 전기적 길이를 항상 같도록 할 수 있다.

그러나, 상기 논문1, 논문2 및 상기 특허 제6,002,310A호에 개시된 종래 기술은 모두 주파수가 높아지면, 무게면에서 성능이 개선되는 것에 대한 장점이 적어지고, 개발이 어려운 문제점이 있으며, RF 성능개선의 필요가 발생하므로 그 제작이 어려운 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 도파관 공동 공진기에 하나의 요철 형상의 끝단 벽을 배치함으로써, 마이크로파 대역 필터의 온도 변화에 따른 주파수 이동 현상을 개선하기 위한, 도파관 공동 공진기의 끝단 벽을 이용한 온도 보상 필터를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 도파관 공동 공진기의 끝단 벽을 이용한 온도 보상 필터에 있어서, 도파관 공동 공진기; 및 끝단 벽을 구비하되, 상기 끝단 벽이 요철 형상인 것을 특징으로 한다.

본 발명은 요철 형태의 단순한 모양으로 그리고 하나의 재질(예 : 알루미늄)로 끝단 벽을 제작하므로, 그 가공이 용이하게 된다.

또한, 본 발명은 공진기 재질과 끝단 벽의 형상(요철 형상)을 이용하여 온도를 보상하므로, 적절한 크기로 구현하는데 유리하다.

상술한 목적, 특징들 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조 번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.

전술한 바와 같이, 위성 통신 시스템에 사용되는 필터(여파기)는 배치되는 위치 및 환경에 따라 온도 변화가 일어나게 마련이다. 따라서, 여파기를 설계할 경우에 온도 변화에 대한 예측을 실시하고, 변화되는 온도범위 내에서 성능이 만족되도록 하여야 한다.

도파관 공동 공진기를 이용하는 채널 필터의 온도 변화에 따른 주파수 변화는 공진기 재질의 온도팽창계수에 따라 변동되는 직경, 길이 등의 물리적인 변화로 예측할 수 있다. 이때, 도파관 공동 공진기는 높은 품질 계수를 갖는 원형 도파관의 기본 모드인 TE₁₁ 모드를 사용하는 경우이다.

반지름 , 길이 인 원통형 공동(cavity)의 TE_nml 모드(mode) 공진주파수는 다음과 같은 [수학식1]로 표현된다.

여기서, c는 광속, μ_r은 비투자율 및 ε_r은 비유전율을 각각 나타낸다. 이때, 공기인 경우 μ_r과 ε_r은 각각 1이 된다. 또한, 은 원통 도파관의 각 모드에 따른 상수 값이고, 은 공진 길이에 대한 상수이다.

이때, 온도가 증가하면 공동의 물리적인 길이가 증가하여 1° 온도 증가당 공진주파수는 다음의 [수학식2]와 같이 감소한다.

이때, CTE(Co-efficient of Thermal Expansion)는 단위 길이 및 단위 온도 변화당 열팽창 정도를 나타내는 열팽창계수이다.

따라서, 온도의 증가(ΔT)에 따른 주파수 변화량을 계산하면 다음의 [수학식3]과 같다.

이때, 이므로 주파수 변화량은 다음의 [수학식4]와 같이 근사화할 수 있다.

즉, 온도 변화에 따른 공진주파수의 이동을 최소화하기 위해서는 온도팽창계수가 매우 낮은 재질로 공진기를 구성하여야 한다. 그러나, 실제 구현되는 공진기의 열팽창계수는 소정의 값을 가지고 있고, 실제 운용되는 채널 대역용 필터의 대역폭이 매우 좁기 때문에 약간의 온도 변화에 따른 공진주파수 이동이 성능 열화에 직접적인 영향을 주게 된다.

따라서, 공진기의 전기적인 길이를 온도에 대해 보상을 해주기 위하여 공진기와 공진기 끝단에 사용되는 단락이 온도가 증가되면 도파관 공동 공진기 안쪽으로 더 많이 증가되고, 온도가 감소하면 안쪽으로 향한 부분이 줄어들게 함으로써 보상을 하여야 한다.

도 1은 본 발명에 따른 도파관 공동 공진기의 끝단 벽을 이용한 온도 보상 필터의 일실시예 구조도이다.

도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 도파관 공동 공진기의 끝단 벽을 이용한 온도 보상 필터는, 도파관 공동 공진기(110), 돌출부(120), 끝단 벽(130) 및 플랜지(140)를 포함한다.

상기 돌출부(120)는 상기 끝단 벽(130)으로부터 돌출되어 배치된다.

본 발명에서, 상기 도파관 공동 공진기(110)의 길이(L)와 온도팽창계수와의 곱이, 도파관 안쪽으로 돌출되어 있는 상기 돌출부(120)의 길이(d)와 온도팽창계수의 곱과 같도록 하면 온도에 따른 전기적인 길이가 변화하지 않을 수 있다.

이때, 상기 도파관 공동 공진기(110)와 상기 끝단 벽(130) 상호간의 연결은 상기 플랜지(140)에 볼트와 너트를 이용하여 수행할 수도 있고, 그외의 방식으로 연결할 수도 있다.

도 2는 본 발명에서 온도 변화에 의한 공진주파수의 변화를 측정하기 위한 장치의 연결 관계를 나타내는 일예시도이다.

도면에 도시된 바와 같이, 측정하고자 하는 도파관 공동 공진기(110)를 온도 챔버(210)에 넣고, 벡터 회로망 분석기(240)를 사용하여 온도 변화에 따른 출력 반사 계수를 이용하여 공진주파수를 측정한다.

상기 도파관 공동 공진기(110)의 입력 포트와 상기 벡터 회로망 분석기(240)는, 동축 케이블(250) 및 도파관(220)을 이용하여 연결할 수 있다. 이때, 온도에 민감하지 않은 RF 케이블과 도파관 보정을 실시함으로써 측정의 정확도를 높일 수 있다.

도 3a 및 도 3b는 각각 일반적인 도파관 끝단 벽의 측면도 및 평면도이고, 도 4a 및 도 4b는 각각 본 발명에 따른 도파관 끝단 벽의 일실시예 측면도 및 평면도이다.

도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 본 발명에서는 도 3a 및 도 3b의 일반적인 도파관 끝단 벽과 달리 요철 형상의 끝단 벽을 사용한다.

상기 도파관 공동 공진기(110)의 재질과 상기 끝단 벽(130)의 재질이 상이할 경우, 서로 다른 온도팽창계수에 의해 일반적인 끝단 벽보다는 안쪽으로 온도에 따라 변화하기 때문에 전기적인 길이가 동일하게 될 수 있다. 즉, 공진기의 온도팽창계수와 끝단 벽의 온도팽창계수를 적절히 조절할 경우에 이상적으로는 온도변화에 따른 변화가 없을 수도 있다.

도 5는 상기 도 3a의 끝단 벽을 사용한 경우에 온도변화에 따른 공진주파수의 이동 특성을 설명하기 위한 그래프이고, 도 6은 상기 도 4a의 끝단 벽을 사용한 경우에 온도변화에 따른 공진주파수의 이동 특성을 설명하기 위한 일실시예 그래프이다.

이때, 상기 도파관 공동 공진기(110)는 인바(INVAR)로 제작하였으며, 20° 내지 70°의 온도변화에 따른 공진주파수를 측정하였다.

도 5에 도시된 바와 같이, 일반적인 끝단 벽을 사용할 경우에 온도 변화량 50°에 대해 중심 주파수가 약 0.03% 변화되는 것을 볼 수 있다. 그러나, 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 요철 형상의 끝단 벽을 사용할 경우에 온도변화에 따른 중심주파수 변동율은 0.017%로 약 1.8배정도 온도 변화 개선이 됨을 볼 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 온도가 상승하면 긴 공진기의 길이 변화에 대해 안쪽으로 향하는 끝단 벽부분이 증가되어 실질적으로 전기적인 길이가 늘어나게 된다. 반대로 온도가 내려가면 긴 공진기의 길이가 감소되어 안쪽으로 향하는 끝단 벽이 더 많이 줄어 온도를 보상하는 것을 알 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

상기한 바와 같은 본 발명은, 도파관 공동 공진기를 이용한 필터에 요철 형상의 단순 끝단 벽을 이용하여 온도에 따른 주파수 특성을 향상시킴으로써, 마이크로파 대역 필터의 성능을 개선할 수 있는 효과가 있다.

즉, 본 발명은 도파관 공동 공진기를 이용한 필터에 요철 형상의 단순 끝단 벽을 이용함으로서, 온도가 상승하면 긴 공진기의 길이 변화에 대해 안쪽으로 향하는 끝단 벽부분이 증가되어 실질적으로 전기적인 길이가 늘어나게 되고, 반대로 온도가 내려가면 긴 공진기의 길이가 감소되어 안쪽으로 향하는 끝단 벽이 더 많이 줄어 온도를 보상함으로써, 마이크로파 대역 필터의 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 도파관 공동 공진기의 끝단 벽을 이용한 온도 보상 필터의 일실시예 구조도.

도 2는 본 발명에서 온도 변화에 의한 공진주파수의 변화를 측정하기 위한 장치의 연결 관계를 나타내는 일예시도.

도 3a는 일반적인 도파관 끝단 벽의 측면도.

도 3b는 일반적인 도파관 끝단 벽의 평면도.

도 4a는 본 발명에 따른 도파관 끝단 벽의 일실시예 측면도.

도 4b는 본 발명에 따른 도파관 끝단 벽의 일실시예 평면도.

도 5는 상기 도 3a의 끝단 벽을 사용한 경우에 온도변화에 따른 공진주파수의 이동 특성을 설명하기 위한 그래프.

도 6은 상기 도 4a의 끝단 벽을 사용한 경우에 온도변화에 따른 공진주파수의 이동 특성을 설명하기 위한 일실시예 그래프.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

110 : 도파관 공동 공진기 120 : 돌출부

130 : 끝단 벽 140 : 플랜지

Claims (4)

1. 도파관 공동 공진기의 끝단 벽을 이용한 온도 보상 필터에 있어서,

   도파관 공동 공진기;

   및 끝단 벽을 구비하되,

   상기 끝단 벽이 요철 형상인 것을 특징으로 하는 도파관 공동 공진기의 끝단 벽을 이용한 온도 보상 필터.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 도파관 공동 공진기와 상기 끝단 벽은,

   온도팽창계수가 서로 상이한 것을 특징으로 하는 도파관 공동 공진기의 끝단 벽을 이용한 온도 보상 필터.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 도파관 공동 공진기의 길이와 상기 도파관 공동 공진기의 온도팽창계수의 곱이, 상기 끝단 벽의 요철 형상의 길이와 상기 끝단 벽의 온도팽창계수의 곱과 동일한 것을 특징으로 하는 도파관 공동 공진기의 끝단 벽을 이용한 온도 보상 필터.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 요철 형상의 끝단 벽은,

   하나의 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 도파관 공동 공진기의 끝단 벽을 이용한 온도 보상 필터.