KR20110061808A - 도파관의 직렬결합 편파변환기 및 그 설계방법 - Google Patents

도파관의 직렬결합 편파변환기 및 그 설계방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 도파관의 직렬결합 편파변환기에 관한 것으로, 임의의 편파 방향을 가지고, 전자파가 입사되는 제1도파관과, 상기 제1도파관에 직렬로 결합되며, 상기 제1도파관에 입사된 전자파를 전달받아 제1도파관의 편파방향과는 90° 다른 편파방향으로 전자파를 송출하는 제2도파관과, 상기 제1도파관과 상기 제2도파관이결합되어 있는 결합부를 포함하며, 상기 결합부는 상기 제1도파관에 입사된 전자파의 편파방향을 상기 제2도파관의 편파방향으로 변환하는 것을 특징으로 한다.
도파관, 편파방향, 변환, 직렬, 결합

Description

도파관의 직렬결합 편파변환기 및 그 설계방법{A STRAIGHT-COUPLED POLARIZATION TRANSITION OF WAVEGUIDE AND METHOD OF DESIGNING THE SAME}
본 발명은 도파관의 편파변환기에 관한 것으로서, 특히 편파 방향이 다른 두 개의 도파관을 직접 직렬로 결합함으로써 사용 공간을 최소화하면서 전자파의 편파방향을 변환시킬 수 있는 도파관의 직렬결합 편파변환기에 관한 것이다.
마이크로파 및 밀리미터파 대역에서 도파관을 사용한 송수신장치를 구성할 때, 각 구성품의 배치에 따라 도파관 내를 전파하는 전자파의 편파방향을 변환할 필요가 존재한다.
도파관 내를 전파하는 전자파의 편파방향을 90° 변환시키기 위하여 종래에는 도파관을 물리적으로 비틀어 꼬는 방법이나 나선 계단 모양으로 여러 단계로 나누어 도파관의 편파 방향을 조금씩 변환할 수 있도록 구현하는 방법이 적용되어 왔다. 그러나 이러한 방법에 의하여 도파관의 편파변환기를 제작하는 경우 편파방향의 변환을 위해 많은 공간이 필요하고, 가공이 복잡하여 제작 비용이 증가되는 문제가 있다. 예를 들어 종래 기술로 편파방향을 90° 변환시키기 위해서는 최소한 도파관의 가로(도파관 단면의 장변)길이의 5배 정도의 길이 필요하게 된다.
따라서, 도파관의 입사포트의 편파방향과 출력포트의 편파방향이 90° 다른 특성이 요구될 때, 소형화가 가능한 도파관의 편파변환기가 요청되고 있으며 특히 소형화가 요구되는 신관용 초고주파 센서나 차량 충돌방지용 레이더 등의 분야에서는 많은 공간을 차지하지 않으면서도 전자파의 편파방향을 변환시킬 수 있는 장치가 요청되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 사용공간을 최소화하면서 전자파의 편파방향을 변환시킬 수 있는 도파관의 직렬결합 편파변환기를 제공함에 목적이 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 편파변환 효율을 최적화하기 위한 도파관의 직렬결합 편파변환기의 설계방법을 제공함에 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 도파관의 직렬결합 편파변환기는,
임의의 편파 방향을 가지며, 전자파가 입사되는 제1도파관과,
상기 제1도파관에 직렬로 상기 제1도파관과 일체형으로 결합되며, 상기 제1도파관에 입사된 전자파를 전달받아 제1도파관의 편파방향과는 90° 다른 편파방향으로 전자파를 송출하는 제2도파관과,
상기 제1도파관과 상기 제2도파관의 결합부에서 상기 제1도파관에 입사된 전 파의 편파방향을 상기 제2도파관의 편파방향으로 변환하는 것을 특징으로 한다.
여기에서, 상기 제1도파관 및 제2도파관은 구형(矩形)도파관일 수 있다.
여기에서, 상기 제1도파관과 상기 제2도파관은 L자 형태의 구조를 가지며 일체형으로 연결된 연통구조형태인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 결합부의 길이를 조정하여 편파 방향을 변환하는 정도를 조정할 수 있다.
또한, 상기 결합부 내 양쪽에 요철을 포함할 수 있다.
또한, 상기의 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 도파관의 직렬결합 편파변환기의 설계방법은, 임의의 편파방향을 가지는 제1도파관과, 제2도파관과, 상기 제1도파관과 상기 제2도파관이 결합된 결합부 양쪽에 요철을 가지는 도파관의 직렬결합 편파변환기의 설계방법으로서,
(a) 설계하고자 하는 도파관의 직렬결합 편파변환기의 중심주파수를 결정하는 단계;
(b) 상기 결정된 중심주파수에 따라 중심주파수의 파장의 크기 및 상기 제1도파관 및 상기 제2도파관의 크기를 결정하는 단계; 및
(c) 상기 결정된 중심주파수의 파장의 크기 및 도파관의 크기를 바탕으로 상기 제1도파관 및 제2도파관의 반사계수가 최소가 되도록 세부 설계변수를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기에서, 상기 설계변수는 상기 결합부의 길이, 요철의 폭, 요철의 높이, 요철의 위치(결합부의 시작점으로부터 요철까지의 거리)를 포함한다.
또한, 상기 단계 (c)는,
(c-1) 상기 제1도파관 및 상기 제2도파관의 반사계수가 최소가 되도록 상기 결합부의 길이를 결정하는 단계;
(c-2) 상기 제1도파관 및 상기 제2도파관의 반사계수가 최소가 되도록 상기 요철의 폭 및 요철의 높이를 결정하는 단계;
(c-3) 상기 제1도파관 및 상기 제2도파관의 반사계수가 최소가 되도록 상기 요철의 위치(결합부의 시작점으로부터 요철까지의 거리)를 결정하는 단계;
(c-4) 상기 결정된 설계변수들의 변화가 있는지 여부를 판별하는 단계; 및
(c-5) 상기 판별에서 변화가 없으면, 상기 단계 (c-1)~(c-3)에서 결정된 설계변수들의 값을 최종 설계변수 값으로 설정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 단계 (c-1)에서의 결합부의 길이는 1.25λ0를 기준으로 1.15λ0~1.35λ0 범위 내에서 결정된다. 여기서, λ0=c0/f0, c0: 광속도, f0: 중심주파수이다.
또한, 상기 단계 (c-2)에서의 요철의 폭은 0.12λ0±30% 범위 내에서 결정되고, 요철의 높이는 0.1λ0±30% 범위 내에서 결정된다. 여기서, λ0=c0/f0, c0:광속도, f0:중심주파수이다.
또한, 상기 단계 (c-3)에서의 요철의 위치(결합부의 시작점으로부터 요철까지의 거리)는 0.2λ0±30% 범위 내에서 결정된다. 여기서, λ0=c0/f0, c0:광속도, f0: 중심주파수이다.
또한, 상기 단계 (c-1)과 단계 (c-2)의 사이에, 단계 (c-2)과 단계 (c-3)의 사이에, 단계 (c-3)과 단계 (c-4)의 사이에는 상기 제1도파관의 반사계수 및 상기 제2도파관의 반사계수가 최저값인지의 여부를 판별하는 단계를 각각 더 포함할 수 있다.
상술한 도파관의 직렬결합 편파변환기에 따르면, 편파방향이 변환되는 변환부의 크기를 줄일 수 있어 장치의 소형화 및 경량화가 가능하다. 가령 종래기술로 편파를 90° 변환시키기 위해서는 최소한 도파관의 가로길이(도파관의 단면의 장변의 길이)의 5배 정도의 공간이 필요했지만 본 발명에 따르면 도파관의 가로길이의 1.5배 정도면 충분하게 된다. 따라서 본 발명은 소형화가 요구되는 신관용 초고주파 센서나 차량 충돌방지용 레이더 등에 유용하게 사용될 수 있으며, 이 밖에도 군수용 및 민수용 레이더 시스템을 비롯하여 의료용 기기 등에도 폭넓게 응용될 수 있다.
또한, 임피던스 정합을 위해 편파 방향이 변환되는 결합부 내 양쪽에 요철을 설치함으로써 편파 변환의 효율을 개선할 수 있다.
또한, 상술한 도파관의 직렬결합 편파변환기의 설계방법에 따르면, 제1도파관에서 반사되는 반사계수(S11) 및 제2도파관에서 반사되는 반사계수(S22)를 최소화하여 결합부에서의 편파변환 효율을 최대화할 수 있다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있으므로, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 동일한 참조부호를 동일한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않으면서 제1구성요소는 제2구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2구성요소도 제1구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는"이라는 용어는 복수의 관련된 기재 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 도파관의 직렬결합 편파변환기의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 도파관의 직렬결합 편파변환기는 제1도파관(10), 제2도파관(20)을 포함한다. 상기 제1도파관(10)은 임의의 편파 방향을 가지고(예를들면 TE10 모드), 전자파가 입사되며, 상기 제2도파관(20)은 상기 제1도파관(10)에 직렬로 상기 제1도파관(10)과 일체형으로 결합되고, 상기 제1도파관(10)에 입사된 전자파를 전달받아 제1도파관의 편파방향(14)과는 90° 다른 편파방향으로 전자파를 송출한다. 상기 제1도파관(10)과 상기 제2도파관(20)의 결합부에서 상기 제1도파관(10)에 입사된 전자파의 편파방향을 상기 제2도파관의 편파방향으로 변환한다.
도 1에 나타난 바와 같이, 여기에서, 상기 제1도파관(10), 상기 제2도파 관(20)은 다양한 형태의 도파관이 이용될 수 있으나, 바람직하게는 구형(矩形)도파관이 이용된다.
또한, 도 1에 나타난 바와 같이, 상기 제1도파관(10)과 상기 제2도파관(20)은 L자 형태의 구조를 가지며 본 발명에 따른 도파관의 직렬결합 편파변환기는 일체형으로 연결된 연통구조형태로 구성된다. 본 발명에 따른 도파관의 직렬결합 편파변환기는 상기 제1도파관(10)과 상기 제2도파관(20)을 개별 제작하여 용접 결합할 수도 있고, 도 1에 나타난 형상과 같은 일체형의 형태로 성형가공 제작할 수도 있다.
이상과 같은 본 발명의 도파관의 직렬결합 편파변환기의 구성을 구체적으로 살펴보면, 상기 제1도파관(10)의 편파방향(14)은 상하방향이며, 전자파는 제1도파관(10)의 편파방향과 일치하는 편파방향(14)으로 제1도파관의 개구면(입사포트)(13)에 입사된다.
상기 제2도파관(20)은 상기 제1도파관(10)에 직렬로 상기 제1도파관과 일체형으로 결합된다. 또한, 제2도파관(20)의 편파방향(24)은 좌우방향이다. 상기 제2도파관(20)은 상기 제1도파관(10)에 입사된 전자파를 전달받아 그 전자파를 제2도파관(20)의 개구면(출력포트)(23)으로 송출하는 역할을 한다. 여기서, 상기 제2도파관(20)의 개구면(출력포트)(23)으로 송출되는 전자파의 편파방향은 제2도파관의 편파방향(24)과 일치한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 상기 제1도파관의 개구면(입사포트)(13)의 편파방향(14)과 상기 제2도파관의 개구면(23)의 편파방향(24)은 90°다르므로, 제1도파관 의 개구면(13)에 입사된 전자파가 제2도파관의 개구면(23)으로 손실없이 송출되기 위해서는 전자파의 편파를 제2도파관의 편파방향(24)으로 변환시켜 주어야 한다.
제1도파관(10)과 제2도파관(20)의 결합부(30)에서, 제1도파관(10)의 편파방향(14)을 제2도파관(20)의 편파방향(24)으로 변환시켜 준다.
또한, 상기 결합부(30)의 길이(31)를 조정하여 편파 방향을 변환하는 정도를 조정할 수 있다. 즉 상기 결합부의 길이(31)를 조정하여, 상기 결합부(30)에서, 제1도파관의 편파방향(14)과 일치되도록 입사된 전자파의 편파방향이 제2도파관의 편파방향(24)으로 변환되도록 할 수 있다. 예를 들어, 결합부(30)에서 전자파의 편파방향을 90°변환시켜야 하는 경우(제1도파관의 편파방향(14)과 제2도파관의 편파방향(24)의 차가 90°인 경우), 상기 결합부의 길이(31)는 도파관 내 파장(λg)의 한 파장 정도가 필요하다. 도파관 내 파장(λg)은 다음의 식으로 구할 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112009074393177-PAT00001
여기서, λg는 도파관 내 파장, λ0는 중심주파수의 파장(λ0=c0/f0, c0:광속도, f0:중심주파수),λc는 도파관의 차단주파수의 파장(λc=c0/fc, fc=c0/(2*a), fc:도파관의 차단주파수, c0:광속도, f0:중심주파수, a:도파관의 가로길이(도파관 단면 의 장변길이))를 각각 나타낸다.
상기 수식 1을 통해 알 수 있듯이, 도파관에 사용하는 중심주파수에 따라 상기 결합부의 길이(31)를 조정하여 편파방향이 변환하는 정도를 조정할 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 도파관의 직렬결합 편파변환기의 구성도이다.
도 2에 나타난 바와 같이, 본 발명은 결합부(30) 내 양쪽에 요철(40, 50)을 포함할 수 있다. 결합부(30) 내 양쪽에 설치된 요철(40, 50)은 도파관과 결합부 간 임피던스 정합(matching)을 위한 것으로 편파변환 효율을 개선하는 역할을 한다.
상기 요철(40, 50)의 작용 및 원리를 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
구형(矩形) 도파관의 임피던스는 도파관의 가로 길이(도파관 단면의 장변길이)에 반비례한다. 따라서 도파관의 가로길이가 증가하면 임피던스는 감소하며 도파관의 가로길이가 감소하면 임피던스는 증가한다. 또한, 상술한 바와 같이 도파관의 임피던스는 도파관의 가로 길이에 따라 변화하므로 제1도파관(10)과 제2도파관(20)이 표준 도파관이거나 가로 길이가 동일한 도파관이라면, 임피던스가 동일하게 된다.
또한, 도파관의 직렬결합 편파변환기를 구성함에 있어서, 제1도파관(10), 제2도파관(20), 결합부(30)의 임피던스가 정합을 이루어야 전자파의 반사계수를 최소화할 수 있다.
본 발명에 따른 도파관의 직렬결합 편파변환기를 구성함에 있어서 제1도파관(10)과 제2도파관(20)을 표준도파관이나 가로길이(도파관 개구면의 장변길이 )(11, 21)가 동일한 도파관을 이용하여 구성한다고 가정하면, 제1도파관(10)과 제2도파관(20)은 동일한 임피던스를 갖게 된다. 한편, 도 1 및 도 2에 나타난 바와 같이, 도파관의 직렬결합 편파변환기는 L자 형태의 제1도파관(10)과 제2도파관(20)이 일체형으로 연결된 연통구조형태를 이루게 된다. 그 결과, 결합부(30)는 도파관의 단면의 형태가 사각형이 아닌 L자 형태를 갖게 되고, 단면의 형태가 L자 형태로 변하게 되면(도 3 참조) 도파관의 가로 길이(도파관 단면의 장변)가 늘어나는 것과 동일한 효과를 갖게 되어 임피던스가 낮아지게 된다. 따라서 제1도파관(10) 및 제2도파관(20)과 결합부(30)의 임피던스가 달라지므로 편파변환의 효율을 개선하기 위해서는 정합이 필요하게 된다.
일반적으로 도파관 내 요철을 설치하면 요철(40, 50)에 의해 도파관의 가로 길이(도파관 단면의 장변)가 줄어들어 임피던스가 증가하게 되는 효과를 가지므로, 도 2에 나타난 바와 같이, 결합부 내 양쪽에 요철을 설치함으로써 결합부의 임피던스를 증가시켜 제1도파관(10) 및 제2도파관(20)의 임피던스와의 정합을 행한다. 일반적으로 도파관의 가로길이가 줄어들면 인덕터 역할을 하며, 도파관의 가로길이가 늘어나면 커패시터 기능을 수행하게 되므로, 도 2에 나타난 본 발명의 실시예를 전자회로적으로 표현하면, 인덕터와 커패시터를 이용하여 정합회로를 구성한 것과 동일한 결과를 갖게 된다고 할 수 있다. 참고적으로 요철의 위치(41, 51), 폭(42, 52), 높이(43, 53) 등 세부적인 사항을 결정하는 것은 도 6의 설명에서 살펴보도록 한다.
도 3은 본 발명에 따른 도파관의 직렬결합 편파변환기에 있어서의 결합 부(30)의 단면도로서, 결합부(30) 내에서 전계의 형성 모습을 나타내기 위한 전계 분포도이다. 도 4는 본 발명에 따라 도파관의 편파방향이 변환되는 과정을 보여주는 컴퓨터 그래픽 도면이며, 도 5는 제1도파관(10)의 개구면(13)에서 입사된 전자파가 위상각에 따라 편파방향이 변환되는 모습을 보여주는 컴퓨터 그래픽 도면이다.
도 1 내지 도 5를 참조하여 제1도파관(10)에 입사된 전자파의 편파방향(14)이 제2도파관의 편파방향(24)으로 변환되는 과정을 살펴보면, 제1도파관(10)의 개구면(13)으로 입사된 전자파는 상하방향의 편파방향(14)을 가지고, 제1도파관(10)을 통해 진행하다가 결합부(30)에 도달한다. 결합부(30)에 도달한 전자파는 제2도파관(20)과 결합되는 부분(도 3의 30b 참조)을 만나게 되는데, 이 때 이 부분을 진행하던 전계(전기장)는 제2도파관(20)의 차단주파수에 막혀 상하방향으로는 더 이상 진행하지 못하고 제2도파관(20)의 편파방향인 좌우방향 쪽으로 반시계 방향으로 회전하여 진행하게 된다. 결합부에 도달한 전자파 중 제1도파관을 따라 진행하는 나머지 전자파(도3의 30c 참조)의 전계(전기장)는 제1도파관의 편파방향인 상하방향인 상태로 진행하다가 제1도파관의 종단면이 막혀(short) 있으므로 인해 종단면으로 갈수록 전계의 세기가 점점 약해지고 종단면에서 더 이상 진행하지 못하고, 모두 제2도파관의 편파방향인 좌우방향으로 변환되어 제2도파관을 통해 진행하게 된다.
도 3은 결합부(30) 내에서 편파변환 모습을 전자장 시뮬레이션을 통해 보여주는 것으로써, 결합부 내 제1도파관(도 3의 30c)에서의 전자파의 편파방향은 상하 방향이고, 결합부 내 제2도파관(도 3의 30a)에서의 편파방향은 좌우방향이며, 결합부 내 제1도파관과 제2도파관의 공유부분(도 3의 30b)에서의 편파방향은 모서리(32) 방향을 기준으로 약 45° 기울어져 형성되고 있음을 알 수 있다. 즉 편파방향이 수직인 전자파가 결합부를 통과하면서 반시계 방향으로 회전하여 편파방향이 수평인 전자파로 변환되게 된다.
상술한 편파방향의 변환과정과 관련, 도 4를 통해 전자파의 편파방향이 제1도파관의 개구면의 편파방향(14)에서 제2도파관의 개구면 편파방향(25)으로 90°변환되는 것을 알 수 있으며, 도 5를 통해 결합부에서 상기 제1도파관(10)에 입사된 전자파가 반사되지 않고 제2도파관(20)으로 잘 전달되고 있음을 알 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 도파관의 직렬결합 편파변환기의 설계방법의 실행 과정을 보여주는 흐름도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 도파관의 직렬결합 편파변환기의 설계방법은, 제1도파관(10)과, 상기 제1도파관(10)과 직렬로 결합되는 제2도파관(20)과, 상기 제1도파관(10)과 상기 제2도파관(20)이 결합된 결합부(30) 내 양쪽에 설치된 요철(40,50)을 가지는 도파관의 직렬결합 편파변환기의 설계방법으로서, 먼저 도파관의 직렬결합 편파변환기의 중심주파수를 결정한다(단계 S601). 여기서, 중심주파수는 일정 영역의 주파수로 한정되는 것이 아니며 모든 주파수 영역에서 선택 가능하다.
상기 단계 S601에서 중심주파수가 결정되면, 상기 결정된 중심주파수에 따라 중심주파수의 파장의 크기 및 상기 제1도파관(10) 및 상기 제2도파관(20)의 크기를 결정한다(단계 S602). 여기서 중심주파수 파장(λ0)의 크기는 다음의 수식 2에 의해 구하며, 도파관의 크기는 상기 결정된 중심 주파수를 가지는 전자파가 입사 가능하도록 그 크기가 결정된다. 만약 표준 도파관을 적용할 경우에는 사용주파수 대역에 따른 규격품으로 선정하면 된다.
[수학식 2]
Figure 112009074393177-PAT00002
상기 단계 S602에서 중심주파수 파장의 크기와 상기 제1도파관(10) 및 상기 제2도파관(20)의 크기가 결정되면, 결정된 중심주파수 파장의 크기와 도파관의 크기를 바탕으로 상기 제1도파관의 반사계수(S11) 및 제2도파관의 반사계수(S22)가 최소가 되도록 세부 설계변수를 결정한다(단계 S603~S610). 구체적으로 결정된 중심주파수 파장의 크기 및 도파관의 크기를 바탕으로 편파변환기 설계를 위한 소정의 시뮬레이션 소프트웨어 프로그램을 수행하여 상기 제1도파관의 반사계수(S11) 및 제2도파관의 반사계수(S22)가 최소가 되도록 세부 설계변수를 결정한다. 소정의 시뮬레이션 소프트웨어 프로그램으로는 상용 전자기장(EM) 시뮬레이션 소프트웨어 프로그램(예를 들면 CST MICROWAVE STUDIO®)이 사용될 수 있다.
여기서, 상기 설계변수는 결합부의 길이(31), 요철의 위치(결합부의 시작점으로부터의 거리)(41, 51), 요철의 폭(42, 52), 요철의 높이(43, 53)를 포함할 수 있다.
상기 설계변수를 설정하는 단계는 구체적으로 다음과 같은 과정에 의한다.
먼저, 시뮬레이션 소프트웨어에서 도 2의 구조와 도 6의 순서 및 설계변수의 초기값을 적용하여 기초설계를 수행한 후 각 설계변수는 가변 파라미터로 설정한다. 여기서 설계변수의 초기값이란 상기 단계 S602에서 결정된 중심주파수의 파장 및 도파관의 크기를 바탕으로 결정되는 값이며, 상기 설계변수의 초기값(표준 도파관 기준)은 이하의 수식 3에 의한다.
[수학식 3]
결합부의 길이(30)의 초기값=1.25λ0
요철의 폭(42, 52)의 초기값=0.12λ0
요철의 높이(43, 53)의 초기값=0.1λ0
요철의 위치(41, 51)의 초기값=0.2λ0
여기서 λ0=c0/f0, c0: 광속도, f0: 중심주파수를 각각 나타낸다.
상술한 기초설계를 전제로, 상기 제1도파관의 반사계수(S11) 및 상기 제2도파관의 반사계수(S22)가 최소가 되도록 상기 결합부의 길이(31)를 결정한다(단계 S603). 구체적으로, 상기 결합부의 길이(31)는 1.25λ0를 기준으로 1.15λ0~1.35λ0(여기서, λ0=c0/f0, c0: 광속도, f0: 중심주파수) 범위 내에서 결정된다. 상기 결합 부의 길이(31)는 중심주파수의 파장에 비례하는 αλ0로 나타낼 수 있고, 비례상수 α는 1.15~1.35 정도의 값을 갖는다(편파방향을 90° 변환시키는 경우라면, 상기 결합부의 길이는 도파관 내 한 파장 정도의 길이를 갖게 되고 그러한 경우를 가정한 것이다). 따라서 상기 결합부의 길이(31)는 초기값으로 설정한 1.25λ0를 기준으로 1.15~1.35λ0 범위 내에서 시뮬레이션을 수행하여 제1도파관의 반사계수(S11) 및 제2도파관의 반사계수(S22)가 최저값이 되는(즉, 편파변환 효율이 최대화되는) 값으로 결정한다. 이때, 도파관에 사용하는 주파수의 대역폭도 고려하여 결정하여야 함에 유의하여야 한다.
다음으로, 상기 제1도파관의 반사계수(S11) 및 상기 제2도파관의 반사계수(S22)가 최소가 되도록 상기 요철의 폭(42, 52) 및 요철의 높이(43, 53)를 각각 결정한다(단계 S605). 구체적으로 설명하면, 요철의 폭(42, 52)은 0.12λ0±30% 범위 내에서 결정되고, 요철의 높이(43, 53)는 0.1λ0±30% 범위 내에서 결정된다. 즉, 상기 요철의 폭(42, 52)은 상기 설정된 초기값인 0.12λ0 기준으로 ±30% 범위 내에서 시뮬레이션을 수행하여 상기 제1도파관의 반사계수(S11) 및 상기 제2도파관의 반사계수(S22)가 최저값이 되는(즉 편파변환 효율이 최대화되는) 값으로 결정하고, 상기 요철의 높이(43, 53)는 상기 설정된 초기값인 0.1λ0를 기준으로 ±30% 범 위 내에서 시뮬레이션을 수행하여 상기 제1도파관의 반사계수(S11) 및 상기 제2도파관의 반사계수(S22)가 최저값이 되는(즉, 편파변환 효율이 최대화되는) 값으로 결정한다.
다음으로, 상기 제1도파관의 반사계수(S11) 및 상기 제2도파관의 반사계수(S22)가 최소가 되도록 요철의 위치(결합부의 시작점으로부터의 거리)(41, 51)를 결정한다(단계 S607). 구체적으로 요철의 위치(41, 51)는 0.2λ0±30% 범위 내에서 결정된다. 즉 상기 설정된 초기값인 0.2λ0 기준으로 ±30% 범위 내에서 시뮬레이션을 수행하여 상기 제1도파관의 반사계수(S11) 및 상기 제2도파관의 반사계수(S22)가 최저값이 되는(즉, 편파변환 효율이 최대화되는) 값으로 결정한다.
다음으로, 상기 단계 S603, S605, S607에서 결정된 설계변수들의 변화가 있는지 여부를 판별한다(단계 S609). 이는 상기 단계 S603, S605, S607에서 결정된 설계변수를 적용하여 상기 단계 S603, S605, S607를 반복하였을 때 상기 설계변수들의 변화가 있는지 여부를 판별하는 것을 의미한다. 또한 이 단계는 다른 요인이 개입되어 결정된 설계변수 값에서 반사계수가 최저가 되지 않게 될 가능성이 있으므로, 동일 과정을 반복하여 반사계수가 최저가 되는 즉 편파변환 효율이 최대화되는 최적값을 설정하기 위한 것이다.
상기 단계 S609의 판별에서 변화가 없는 경우, 시뮬레이션을 종료하고 상기 단계 S603, S605, S607에서 결정된 설계변수들의 값을 최종 설계변수 값으로 설정 한다(단계 S610).
상기 단계 S609의 판별에서 상기 단계 S603, S605, S607에서 결정된 설계변수들의 변화가 있는 경우, 상기 단계 S603으로 프로그램 진행을 회귀시킨다.
또한, 상기 단계 S603에서 결정된 결합부의 길이(31)의 값이 편파변환 효율을 최대화하기 위한 값인지 확인하기 위해서, 본 발명의 설계방법은 상기 단계 S603과 상기 단계 S605 사이에, 도 6a에 나타난 바와 같이, 상기 단계 S603에서 결정된 상기 결합부의 길이(31)에서 제1도파관의 반사계수(S11) 및 제2도파관의 반사계수(S22)가 최저값이 되는지 여부를 판별하는 단계(단계 S604)를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 단계 S605에서 결정된 요철의 폭(42, 52) 및 요철의 높이(43, 53)의 값이 편파변환 효율을 최대화하기 위한 값인지 확인하기 위해서, 상기 단계 S605과 상기 단계 S607 사이에, 도 6a에 나타난 바와 같이, 상기 단계 S605에서 결정된 요철의 폭(42, 52) 및 요철의 높이(43, 53)의 값에서 제1도파관의 반사계수(S11) 및 제2도파관의 반사계수(S22)가 최저값이 되는지 여부를 판별하는(단계 S606) 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 단계 S607에서 결정된 요철의 위치(41, 51) 값이 편파변환 효율을 최대화하기 위한 값인지 확인하기 위해서, 상기 단계 S607과 상기 단계 S609 사이에, 도 6a에 나타난 바와 같이, 상기 단계 S607에서 결정된 요철의 위치(41, 51) 값에서 제1도파관의 반사계수(S11) 및 제2도파관의 반사계수(S22)가 최저값이 되는지 여부를 판별하는 단계(단계 S608)를 더 포함할 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 도파관의 직렬결합 편파변환기의 설계방법에 의하여 제작한 도파관의 직렬결합 편파변환기에서의 S-파라미터의 특성을 나타낸 그래프이다. 도 7를 참조하면, 이는 제1도파관(10)에서 제2도파관(20)으로 전달되는 전달계수(S21)와 제1도파관(10)에서 제1도파관(10)으로 반사되는 반사계수(S11)를 전산모사를 통해 얻은 결과이다. 본 전산해석 주파수는 밀리미터파 대역인 W-대역에서 수행하였으며, 중심주파수를 0GHz로 정규화하여 나타내었다. 도 7에 도시된 바와 같이, 중심주파수를 기준으로 반사계수가 -25dB 이하이고, 전달계수가 -0.1dB 이상으로서 편파방향 변환효율이 양호하다는 것을 알 수 있다.
본 발명에 의한 도파관의 직렬결합 편파변환기는 도파관을 송수신 장치의 모듈 내에 홈을 파고 구성할 때, 더욱 효과적으로 구성할 수 있으며, 가공성을 고려하여 도4, 도5에 나타난 바와 같이, 결합부(30)의 양단을 둥글게 가공하여 적용하여도 좋다. 또한, 결합부(30)의 양단을 둥글게 가공할 때는 결합부의 길이를 더 길게 설정함으로써 보다 좋은 특성을 얻을 수 있다.
이상의 설명에서와 같이, 본 발명에 따른 도파관의 직렬결합 편파변환기에 의하면, 편파방향이 변환되는 변환부의 크기를 줄일 수 있어 장치의 소형화 및 경량화가 가능하다는 장점이 있다. 가령 기존기술로 편파를 90° 변환시키기 위해서는 최소한 도파관의 가로길이(도파관 단면의 장변)의 5배 정도의 공간이 필요했지만 본 발명에 따르면 도파관의 가로길이의 1.5배 정도면 충분하게 된다. 따라서 본 발명은 소형화가 요구되는 신관용 초고주파 센서나 차량 충돌방지용 레이더 등에 유용하게 사용될 수 있으며, 이 밖에도 군수용 및 민수용 레이더 시스템을 비롯하여 의료용 기기 등에도 폭넓게 응용될 수 있다.
또한, 임피던스 정합을 위해 편파 방향이 변환되는 결합부 내 양쪽에 요철을 설치함으로써 편파 변환의 효율을 개선할 수 있다.
또한, 상술한 도파관의 직렬결합 편파변환기의 설계방법에 따르면, 제1도파관에서 반사되는 반사계수(S11) 및 제2도파관에서 반사되는 반사계수(S22)를 최소화하여 결합부에서의 편파변환 효율을 최대화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 도파관의 직렬결합 편파변환기의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 도파관의 직렬결합 편파변환기의 구성도이다.
도 3는 본 발명에 따른 도파관의 직렬결합 편파변환기에 있어서의 결합부의 단면도로서, 결합부 내에서 전계의 형성 모습을 나타내기 위한 전계 분포도이다.
도 4는 본 발명에 따른 도파관의 직렬결합 편파변환기에 있어서, 제1도파관에 입사된 전자파의 편파방향이 제2도파관의 편파방향으로 변환된 모습을 컴퓨터 그래픽을 통해 보여주는 도이다.
도 5는 본 발명에 따른 도파관의 직렬결합 편파변환기에 있어서, 제1도파관으로 입사된 전자파의 위상변화에 따라 편파 방향이 변환되는 과정을 컴퓨터 그래픽을 통해 보여주는 도이다.
도 6은 본 발명에 따른 도파관의 직렬결합 편파변환기의 설계방법의 실행과정을 나타내는 흐름도이다.
도 6a는 도 6에서 보여 주는 도파관의 직렬결합 편파변환기의 설계방법에, 결정된 설계변수 값에서 반사계수가 최저값인지 여부를 판별하는 단계를 더 포함하는 설계방법의 실행과정을 나타내는 흐름도이다.
도 7은 본 발명에 따른 설계방법에 의하여 제작한 도파관의 편파변환기에서의 S- 파라미터의 특성을 나타낸 그래프이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10: 제1도파관 11: 제1도파관의 가로 12: 제1도파관의 세로
13: 제1도파관의 개구면, 14: 제1도파관의 편파방향
20: 제2도파관 21: 제2도파관의 가로 22: 제2도파관의 세로
23: 제2도파관의 개구면 24: 제2도파관의 편파방향
30: 결합부(회색으로 표시된 영역)
30a: 결합부 내 제2도파관 영역 30c: 결합부 내 제1도파관 영역
30b: 결합부 내 제1도파관과 제2도파관의 공유 영역
31: 결합부의 길이
32: 제1도파관과 제2도파관이 결합되어 형성된 모서리
40, 50: 요철
41, 51: 요철의 위치(결합부의 시작점으로부터 떨어진 거리)
42, 52: 요철의 폭 43, 53: 요철의 높이

Claims (12)

  1. 임의의 편파 방향을 가지며, 전자파가 입사되는 제1도파관과,
    상기 제1도파관에 직렬로 상기 제1도파관과 일체형으로 결합되며, 상기 제1도파관에 입사된 전자파를 전달받아 제1도파관의 편파방향과는 90° 다른 편파방향으로 전자파를 송출하는 제2도파관과,
    상기 제1도파관과 상기 제2도파관이 결합되어 있고, 상기 제1도파관에 입사된 전자파의 편파방향을 상기 제2도파관의 편파방향으로 변환하는 결합부를 포함하는 것을 특징으로 하는 도파관의 직렬결합 편파변환기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1도파관 및 상기 제2도파관은 구형(矩形)도파관인 것을 특징으로 하는 도파관의 직렬결합 편파변환기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1도파관과 상기 제2도파관은 L자 형태의 구조를 가지며 일체형으로 연결된 연통구조형태인 것을 특징으로 하는 도파관의 직렬결합 편파변환기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 결합부의 길이를 조정하여 편파 방향을 변환하는 정도를 조정하는 것을 특징으로 하는 도파관의 직렬결합 편파변환기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 결합부 내 양쪽에 요철을 포함하는 것을 특징으로 하는 도파관의 직렬결합 편파변환기.
  6. 임의의 편파방향을 가지는 제1도파관과, 제2도파관과, 상기 제1도파관과 상기 제2도파관이 결합된 결합부 양쪽에 요철을 가지는 도파관의 직렬결합 편파변환기의 설계방법으로서,
    (a) 설계하고자 하는 도파관의 직렬결합 편파변환기의 중심주파수를 결정하는 단계;
    (b) 상기 결정된 중심주파수에 따라 중심주파수의 파장의 크기 및 상기 제1도파관 및 상기 제2도파관의 크기를 결정하는 단계; 및
    (c) 상기 결정된 중심주파수의 파장의 크기 및 도파관의 크기를 바탕으로 상기 제1도파관 및 상기 제2도파관의 반사계수가 최소가 되도록 세부 설계변수를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 도파관의 직렬결합 편파변환기의 설계방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 설계변수는 상기 결합부의 길이, 요철의 폭, 요철의 높이, 요철의 위 치(결합부의 시작점으로부터 요철까지의 거리)를 포함하는 것을 특징으로 하는 도파관의 직렬결합 편파변환기의 설계방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 단계 (c)는,
    (c-1) 상기 제1도파관 및 상기 제2도파관의 반사계수가 최소가 되도록 상기 결합부의 길이를 결정하는 단계;
    (c-2) 상기 제1도파관 및 상기 제2도파관의 반사계수가 최소가 되도록 상기 요철의 폭 및 요철의 높이를 결정하는 단계;
    (c-3) 상기 제1도파관 및 상기 제2도파관의 반사계수가 최소가 되도록 상기 요철의 위치(결합부의 시작점으로부터 요철까지의 거리)를 결정하는 단계;
    (c-4) 상기 단계 (c-1)~(c-3)에서 결정된 설계변수들의 변화가 있는지 여부를 판별하는 단계; 및
    (c-5) 상기 판별에서 변화가 없으면, 상기 단계 (c-1)~(c-3)에서 결정된 설계변수들의 값을 최종 설계변수 값으로 설정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 도파관의 직렬결합 편파변환기의 설계방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 단계 (c-1)에서의 결합부의 길이는 1.25λ0를 기준으로 1.15λ0~1.35λ0 범위 내에서 결정되는 것을 특징으로 하는 도파관의 직렬결합 편파변환기의 설계방법.
    여기서, λ0=c0/f0, c0: 광속도, f0: 중심주파수이다.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 단계 (c-2)에서의 요철의 폭은 0.12λ0±30% 범위 내에서 결정되고, 요철의 높이는 0.1λ0±30% 범위 내에서 결정되는 것을 특징으로 하는 도파관의 직렬결합 편파변환기의 설계방법.
    여기서, λ0=c0/f0, c0:광속도, f0:중심주파수이다.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 단계 (c-3)에서의 요철의 위치(결합부의 시작점으로부터 요철까지의 거리)는 0.2λ0±30% 범위 내에서 결정되는 것을 특징으로 하는 도파관의 직렬결합 편파변환기의 설계방법.
    여기서, λ0=c0/f0, c0:광속도, f0:중심주파수이다.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 단계 (c-1)과 단계 (c-2)의 사이에, 단계 (c-2)과 단계 (c-3)의 사이 에, 단계 (c-3)과 단계 (c-4)의 사이에는 상기 제1도파관 및 상기 제2도파관의 반사계수가 최저값인지의 여부를 판별하는 단계를 각각 더 포함하는 것을 특징으로 하는 도파관의 직렬결합 편파변환기의 설계방법.
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