KR20110066366A - 도파관의 수직결합 편파변환기 및 그 설계방법 - Google Patents

도파관의 수직결합 편파변환기 및 그 설계방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 도파관의 수직결합 편파변환기에 관한 것으로, 임의의 편파 방향을 가지고, 전자파가 입사되는 제1도파관과, 상기 제1도파관에 직각으로 결합되며, 상기 제1도파관에 입사된 전자파를 전달받아 제1도파관의 편파방향과 다른 편파방향으로 전자파를 송출하는 제2도파관과, 상기 제1도파관과 상기 제2도파관의 결합부에 설치되며, 상기 제1도파관에 입사된 전자파의 편파방향을 상기 제2도파관의 편파방향으로 변환하는 홈(groove)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
도파관, 편파방향, 변환, 수직, 결합

Description

도파관의 수직결합 편파변환기 및 그 설계방법{A RIGHT-ANGLE-COUPLED POLARIZATION TRANSITION OF WAVEGUIDE AND METHOD OF DESIGNING THE SAME}
본 발명은 도파관의 편파변환기에 관한 것으로서, 특히 편파 방향이 다른 두 개의 도파관을 직각으로 결합함으로써 사용 공간을 최소화하면서 전자파의 진행방향과 편파방향을 변환시킬 수 있는 도파관의 수직결합 편파변환기에 관한 것이다.
마이크로파 및 밀리미터파 대역에서 도파관을 사용한 송수신장치를 구성할 때, 각 구성품의 배치에 따라 도파관 내를 전파하는 전자파의 진행방향 또는 편파방향을 변환할 필요가 존재한다.
도파관 내를 전파하는 전자파의 편파방향을 90° 변환시키기 위하여 종래에는 도파관을 물리적으로 비틀어 꼬는 방법이나 도파관의 편파 방향을 몇 단계로 나누어 조금씩 변환할 수 있도록 구현하는 방법이 적용되어 왔다(도 6a,b 참조). 그러나 이러한 방법에 의하여 도파관의 편파변환기를 제작하는 경우 편파방향의 변환을 위해 많은 공간이 필요하다는 문제가 있었다.
또한, 도파관 내를 전파하는 전자파의 진행방향을 90°변환시키기 위하여 종래에는 동일 편파 방향을 유지하며 일정한 반경을 갖는 둥근 모양으로 도파관을 굽 혀 전자파의 진행방향을 90°변환하는 방식(도 6c 참조), 도파관을 계단형태로 결합하는 등 전자파의 진행 방향을 조금씩 변환할 수 있도록 하는 방식이 통상적으로 사용되어져 왔다. 그러나 이러한 방법에 의하는 경우, 전자파의 진행방향을 변환하기 위해 많은 공간이 필요하다는 문제가 있었다.
상기와 같은 종래 기술에 의하면 도파관 내를 전파하는 전자파의 진행방향을 90°바꾸면서 편파를 90°변환시키기 위하여는 전자파의 진행방향 변환을 위해 90°로 굽은 도파관과 편파변환을 위해 90° 비틀어진 도파관이 서로 결합되어져야 한다. 이렇게 구성할 경우 편파변환기가 차지하는 공간의 증가로 소형화하는데 어려움이 존재하였다.
따라서, 도파관의 입사포트와 출력포트가 직각을 이루면서, 입사포트의 편파방향과 출력포트의 편파방향이 90° 다른 특성이 요구될 때, 소형화가 가능한 도파관의 편파방향 변환장치가 요청되고 있으며, 특히 소형화가 요구되는 신관용 초고주파 센서나 차량 충돌방지용 레이더 등의 분야에서는 많은 공간을 차지하지 않으면서도 전자파의 진행 방향 및 편파방향을 변환시킬 수 있는 장치가 요청되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 사용공간을 최소화하면서 전자파의 진행방향과 편파방향을 변환시킬 수 있는 도파관의 수직결합 편파변환기를 제공함에 목적이 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 편파변환 효율을 최적화하기 위한 도파관의 수직결합 편파변환기의 설계방법을 제공함에 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 도파관의 수직결합 편파변환기는,
임의의 편파 방향을 가지고, 전자파가 입사되는 제1도파관과;
상기 제1도파관에 직각으로 결합되며, 상기 제1도파관에 입사된 전자파를 전달받아 제1도파관의 편파방향과는 다른 편파방향으로 전자파를 송출하는 제2도파관과;
상기 제1도파관과 상기 제2도파관의 결합부에 설치되며, 상기 제1도파관에 입사된 전자파의 편파방향을 상기 제2도파관의 편파방향으로 변환하는 홈(groove)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기에서, 상기 제1도파관 및 상기 제2도파관은 구형(矩形)일 수 있다.
또한, 여기에서, 상기 홈은 구형(矩形)일 수 있다.
또한, 여기에서, 상기 제2도파관은 상기 제1도파관의 상태를 기준으로 90° 회전하여 상기 제1도파관에 직각으로 결합된다.
또한, 상기 홈은 구형인 구조적 특징을 통해 상기 제1도파관에 입사된 전자파 중 일부를 편파변환시킨다.
또한, 상기 결합부에서 상기 홈에 의해 편파방향이 변환된 전자파와, 그렇지 않은 전자파가 합성되어 상기 제1도파관에 입사된 전자파의 편파방향이 상기 제2도 파관의 편파방향으로 변환된다.
또한, 상기의 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 도파관의 수직결합 편파변환기의 설계방법은, 제1도파관과, 상기 제1도파관과 수직으로 결합되는 제2도파관과, 상기 제1도파관과 상기 제2도파관이 결합된 결합부에 설치되어 있는 홈을 가지는 도파관의 수직결합 편파변환기의 설계방법으로서,
(a) 도파관의 수직결합 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 제1도파관의 반사계수와 상기 제2도파관의 반사계수가 최소가 되도록 세부 설계변수를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기에서, 상기 단계 (c)에서의 설계변수는 제1도파관의 종단면과 홈의 종단면과의 이격거리, 홈의 길이, 홈의 깊이 및 홈의 폭을 포함할 수 있다.
또한, 상기 설계변수는 상기 제2도파관의 가로 길이가 가변되는 경우 상기 제2도파관의 가로 길이를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 (c)단계는, (c-1) 상기 제1도파관의 반사계수와 상기 제2도파관의 반사계수가 최소가 되도록 상기 제1도파관의 종단면과 홈의 종단면과의 이격거리를 결정하는 단계; (c-2) 상기 제1도파관의 반사계수와 상기 제2도파관의 반사계수가 최소가 되도록 상기 홈의 길이를 결정하는 단계; (c-3) 상기 제1도파관의 반사계수와 상기 제2도파관의 반사계수가 최소가 되도록 상기 홈의 깊이와 폭을 결정 하는 단계; (c-4) 위의 단계에서 결정된 설계변수들의 변화가 있는지 여부를 판별하는 단계; 및 (c-5) 상기 판별에서 변화가 없으면, 위의 단계에서 결정된 설계변수들의 값을 최종 설계변수 값으로 설정하는 단계를 포함한다.
여기에서 상기 단계 (c-1)에서의 상기 제1도파관의 종단면과 홈의 종단면과의 이격거리는 0~0.2λ0(여기서, λ0=c0/f0, c0: 광속도, f0: 중심주파수) 범위 내에서 결정된다.
또한, 상기 단계 (c-2)에서의 홈의 길이는 다음의 수식 관계에 의해 결정된다.
홈의 길이=c-β+δ
여기서 c: 제2도파관의 가로 길이, β: 0~0.2λ0, δ: 0~0.1λ0, λ0=c0/f0, c0: 광속도, f0: 중심주파수를 각각 나타낸다.
또한, 상기 단계 (c-3)에서의 홈의 깊이 및 홈의 폭은 a/2±10% (a: 제1도파관의 가로 길이)범위 내에서 각각 결정된다.
또한, 상기 단계 (c-1)과 단계 (c-2)의 사이에, 단계 (c-2)와 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.
또한, 상기 단계 (c-3)과 상기 단계 (c-4) 사이에,
(d-1) 상기 제2도파관의 가로 길이가 가변되는지 여부를 판별하는 단계; (d-2) 상기 단계 (d-1)에서 상기 제2도파관의 가로 길이가 가변되는 것으로 판별된 경우, 상기 제2도파관의 가로 길이를 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 단계 (d-2)에서 상기 제2도파관의 가로 길이는, 제2도파관의 차단주파수가 제2도파관으로 전달되는 전자파의 주파수 대역보다 낮은 범위 내에서 결정되며, 상기 제2도파관의 가로 길이와 상기 제2도파관의 차단주파수간의 함수관계는 다음의 수식에 의하는 것을 특징으로 하는 도파관의 수직결합 편파변환기의 설계방법.
[수식]
fc=c0/(2c)
여기서, fc: 제2도파관의 차단주파수, c: 제2도파관의 가로 길이, c0: 광속도를 각각 나타낸다.
또한, 상기 단계 (d-2)와 상기 단계 (c-4) 사이에, 상기 제1도파관의 반사계수와 상기 제2도파관의 반사계수가 최저값인지 여부를 판별하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상술한 도파관의 수직결합 편파변환기에 따르면, 편파방향이 변환되는 변환부의 크기를 줄일 수 있고, 전자파의 진행방향을 변환함에 있어서도 많은 공간을 필요로 하지 않아 장치의 소형화 및 경량화가 가능하다. 따라서 본 발명은 소형화가 요구되는 신관용 초고주파 센서나 차량 충돌방지용 레이더 등에 유용하게 사용 될 수 있으며, 이 밖에도 군수용 및 민수용 레이더 시스템을 비롯하여 의료용 기기 등에도 폭넓게 응용될 수 있다.
또한, 상술한 도파관의 편파변환기의 설계방법에 따르면, 제1도파관 및 제2도파관에서 반사되는 반사계수를 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 다르 게 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 용어들 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 수직결합 편파변환기의 구성도이다.
도 1a는 도 1에서 A-A'축의 단면에서 본 도파관의 수직결합 편파변환기의 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 도파관의 수직결합 편파변환기는 제1도파관(10), 제2도파관(20), 홈(30)을 포함한다. 구체적으로, 도 1a에 나타난 바와 같이, 도파관의 수직결합 편파변환기의 외부는 도체벽으로 둘러싸여 있고, 내부는 비 어있는 구조로서, 제1도파관의 개구면(13)과, 제2도파관의 개구면(24)만이 열려 있고, 제1도파관(10)과 홈이 결합되는 면 전체는 관통되어 뚫려 있고, 제1도파관(10)과 제2도파관(20)이 결합되는 면도 전체가 관통되어 뚫려 있다.
상기 제1도파관(10)은 임의의 편파 방향을 가지고(예를 들면 TE10 모드), 전자파가 입사되며, 상기 제2도파관(20)은 상기 제1도파관(10)에 직각으로 결합되고, 상기 제1도파관(10)에 입사된 전자파를 전달받아 제1도파관의 편파방향(14)과는 다른 편파방향으로 전자파를 송출한다. 상기 홈(30)은 상기 제1도파관(10)과 상기 제2도파관(20)의 결합부에 설치되며, 상기 제1도파관(10)에 입사된 전자파의 편파방향(14)을 상기 제2도파관의 편파방향(25)으로 변환한다. 여기서, 홈(30)이란 편파변환기 내부에서 보았을 때 홈(groove)과 같은 형상을 갖기 때문에 홈(groove)이라고 칭한다.
여기에서, 상기 제1도파관(10) 및 상기 제2도파관(20)은 다양한 형태의 도파관이 이용될 수 있으나, 바람직하게는 사각관 형태의 구형도파관이 이용되며, 사각 모서리가 직각을 이루지 않고 반지름이 b/2 이하인 원으로 가공된 도파관도 이용될 수 있다.
여기에서, 상기 홈(30)은 다양한 형태가 이용될 수 있으나, 바람직하게는 구형(矩形) 형태를 갖는다. 이와 같은 홈(30)은 속이 빈 금속관 형태의 하나의 도파관으로 볼 수 있다.
여기에서, 상기 제2도파관(20)은 상기 제1도파관(10)의 상태를 기준으로 90 ° 회전하여 상기 제1도파관에(10)에 직각으로 결합된다. 여기서 상기 제2도파관(20)이 상기 제1도파관(10)의 상태를 기준으로 90° 회전한다는 것은 상기 제2도파관(20)은, 상기 제2도파관(20)의 단면의 장변(이하 제2도파관의 가로라고 칭함)과 상기 제1도파관(10)의 단면의 장변(이하 제1도파관의 가로라고 칭함)이 90°의 각을 이루게 되는 단면을 포함하게 된다는 것을 의미한다. 이러한 구성에 의해, 상기 제2도파관(20)은 상기 제1도파관(10)으로부터 전달받은 전자파를 제1도파관의 편파방향(14)과는 90° 다른 편파방향으로 송출한다.
이상과 같은 본 발명의 도파관의 수직결합 편파변환기의 구성을 구체적으로 살펴보면, 전자파는 제1도파관의 개구면(13)을 통해 입사되며, 상기 제1도파관(10)에 형성되는 전계의 편파방향(14)은 제1도파관의 가로(11)의 수직방향이며(예를 들면 TE10의 기본 편파방향) 도 1의 정면을 기준으로 볼 때 좌우방향이다.
참고적으로, 상기 제1도파관의 개구면(13)과 상기 제2도파관의 개구면(24)은 모두 입력포트 및 출력포트로 사용이 가능하나, 편파 변환의 원리를 명확하게 설명하기 위해서 제1도파관의 개구면(13)을 입력포트, 제2도파관의 개구면(24)을 출력포트로 하여 설명하였다.
또한, 상기 제2도파관(20)은 상기 제1도파관(10)에 직각으로 결합되며, 제2도파관(20)에 형성되는 전계의 편파방향(25)은 제2도파관의 가로(21)의 수직방향으로서, 도 1의 정면을 기준으로 볼 때 전후방향이다. 또한 상기 제2도파관(20)은 상기 제1도파관(10)에 입사된 전자파를 전달받아 그 전자파를 제2도파관의 개구면(출 력포트)(24)으로 송출하는 역할을 한다. 여기서, 상기 제2도파관의 개구면(출력포트)(24)으로 송출되는 전자파의 편파방향은 제2도파관(20)에 형성되는 전계의 편파방향(25)과 일치한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 상기 제1도파관의 개구면(입사포트)(13)의 편파방향(14)과 상기 제2도파관의 개구면(24)의 편파방향(25)은 서로 다르므로(예를 들면 90°), 제1도파관의 개구면(13)에 입사된 전자파가 제2도파관의 개구면(24)에서 손실을 최소화하면서 송출되기 위해서는, 전자파의 편파방향을 제2도파관의 편파방향(25)으로 변환시켜 주어야 한다. 만약 제1도파관(10)에 입사된 전자파의 편파방향이 변환되지 않는다면, 제1도파관(10)에 입사된 전자파는 그 편파방향이 제2도파관(20)의 편파방향과 직교하므로 제2도파관(20)으로 진행할 수 없게 된다.
홈(30)은 전술한 바와 같이, 제1도파관(10)과 제2도파관(20)이 결합되는 결합부에 설치되어 있으며, 상기 제1도파관(10)에 입사된 전자파의 편파방향(14)을 상기 제2도파관의 편파방향(25)으로 변환시킨다. 즉 상기 홈(30)은 제1도파관(10)에 입사된 전자파를 손실을 최소화하면서 제2도파관(20)으로 전달하도록 하는 역할을 한다. 여기서 결합부란 상기 제1도파관(10)과 홈(30)이 결합되는 단면부터 상기 제1도파관(10)과 상기 제2도파관(20)이 결합되는 단면까지를 포함하는 상기 제1도파관(10)의 영역을 말한다.
도 2a는 도 1의 A-A' 단면도로서 임의시점(時點)에서 도파관의 수직결합 편파변환기에 형성된 전계의 모양을 나타낸 도면이다. 도 2b는 도파관에서 홈으로 진행하는 전자파의 편파방향이 변환되는 원리를 설명하기 위한 참고도면으로, (가)는 홈이 결합되지 않은 도파관의 단면에서 전계의 모양을 나타내는 도면이며, (나)는 홈이 결합된 도파관의 단면의 전계모양을 나타내는 도면이다. 여기서, 도 2a, 도 2b에 도시되어 있는 화살표는 전자파의 편파방향을 나타낸다. 또한, 도 2a의 화살표 중 실선으로 표시된 것은 제1도파관에 입사된 전자파의 경우를 의미하는 것이며, 1점 쇄선으로 표시된 것은 홈에서 반사되어 진행되는 전자파의 경우를 의미하는 것이다.
도 3a는 본 발명에 따라 도파관의 수직결합 편파변환기에 입사한 전자파의 편파방향이 변환되는 과정을 보여주는 컴퓨터 그래픽 도면이며, 도 3b은 제1도파관(10)의 개구면(13)에서 입사된 전자파가 위상각에 따라 편파가 변환되는 모습을 보여주는 컴퓨터 그래픽 도면이다.
도 1 내지 도 3을 참조하여 상기 제1도파관(10)에 입사된 전자파의 편파방향(14)을 상기 제2도파관의 편파방향(25)으로 변환하는 과정을 살펴보면, 상기 홈(30)은 구형(矩形)인 구조적 특징을 통해 상기 제1도파관에 입사된 전자파 중 일부(입사전력의 약 1/2)의 편파방향을 변환시킨다. 즉, 홈(30)은 상기 제1도파관(10)에 입사된 전자파 중 일부(약 1/2)의 편파방향을 홈의 폭(32)과 평행한 방향으로 90° 변환시킨다. 또한, 상기 홈(30)은 상기 제1도파관(10)에 입사된 전자파 중 일부(약 1/2)를 위상지연시킨다. 홈의 깊이(31)를 조절하여 위상지연 정도를 결정함으로써 편파변환 효율이 최적화 되도록 할 수 있다. 홈의 깊이(31)를 결정하는 것은 도 4와 관련하여 구체적으로 설명한다. 이렇게 하여 상기 결합부에서 상기 홈(30)에 의해 편파방향이 변환된 전자파와 그렇지 않은 전자파가 합성되어, 상기 제1도파관(10)에 입사된 전자파의 편파방향(14)이 상기 제2도파관의 편파방향(25)으로 변환된다.
여기서, 편파변환과정을 보다 구체적으로 설명하면, 도 1의 정면을 기준으로 볼 때, 제1도파관의 개구면(13)에 입사된 전자파의 편파방향은 좌우방향이며 결합부를 향해 진행한다. 상기 결합부에 진입한 전자파 중 일부는 상기 홈(30)을 향해 진행하게 된다. (제1도파관(10)에 입사된 전자파 중 홈을 향해 진행하는 전자파의 양은 홈의 폭(32)의 값을 조절함으로써 가능하다. 홈의 폭(32)을 설정하는 과정은 도 4에서 후술한다.) 한 예로서(도 1a 참조), 홈의 폭(32)이 제1도파관의 가로 길이(11)의 약 1/2이 되면, 홈의 폭(32)이 제1도파관의 가로(11)의 약 1/2을 차지하게 되어 제1도파관(10)에서 균일한 밀도로 진행해 온 전자파 중 약 1/2이 홈으로 진행하게 된다.
그리고, 홈으로 진행하는 전자파는 편파방향이 홈의 폭(32)과 평행한 편파방향(전후방향)으로 90° 변환한다. 구체적으로, 구형(矩形)인 제1도파관(10)에 구형(矩形)인 홈(30)(하나의 도파관으로 볼 수 있음)이 결합됨으로써, 제1도파관(10)과 홈(30)이 결합된 도파관의 단면 형태는 도 2b의 (나) 형태와 같이 변화된다. 이러한 형태 변화에 의해, 제1도파관(10) 중 점선으로 표현된 일정영역에서 편파방향이 좌우방향인 전자파는 홈의 차단주파수에 막혀 진행될 수 없고, 도 2a 및 도 2b의 (나)에 나타난 바와 같이, 제1도파관(10)과 홈(30)이 결합되는 모서리를 기준으로 전자파의 편파방향이 90° 회전되며 홈(30)으로 진행하게 된다.
상기 홈(30)으로 진행한 전자파는 홈의 전면에서 반사되어 다시 결합부를 향 하게 되고, 상기 결합부에서 홈(30)으로 진행하지 않은 나머지(입사된 전자파 중 약 1/2) 전자파와 합성되게 된다. 홈(30)에서 되돌아 온 전자파의 편파방향(전후방향)과 그렇지 않은 나머지 전자파의 편파방향(좌우방향)은 90°의 차이가 나며, 결합부에서 편파방향이 다른 2개의 선형편파가 합성되면서 전계 벡터가 원을 그리는 원편파가 형성되게 된다. 이러한 합성에 의해 결합부 내에서의 전자파의 전계는 제2도파관의 편파방향과 일치하는 방향으로 회전하게 된다. 회전에 의해 제2도파관의 편파방향으로 변환된 결합부 내의 전자파는 제2도파관으로 진행하게 된다.
상술한 편파방향의 변환과정과 관련, 도 3a를 통해 제1도파관의 개구면의 편파방향(14)이 제2도파관의 개구면의 편파방향(25)으로 90°변환되는 것을 알 수 있으며, 도 3b을 통해 결합부에서 상기 제1도파관(10)에 입사된 전자파가 반사되지 않고 제2도파관(20)으로 잘 전달되고 있음을 알 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 도파관의 수직결합 편파변환기의 설계방법의 실행 과정을 보여주는 흐름도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 도파관의 수직결합 편파변환기의 설계방법은, 제1도파관(10)과, 상기 제1도파관(10)과 수직으로 결합되는 제2도파관(20)과, 상기 제1도파관(10)과 상기 제2도파관(20)이 결합된 결합부에 설치되어 있는 홈(30)을 가지는 도파관의 수직결합 편파변환기의 설계방법으로서, 먼저 도파관의 수직결합 편파변환기의 중심주파수를 결정한다(단계 S401). 여기서, 중심주파수는 일정 영역의 주파수로 한정되는 것이 아니며 모든 주파수 영역에서 선택 가능하다.
상기 단계 S401에서 중심주파수가 결정되면, 상기 결정된 중심주파수에 따라 중심주파수의 파장의 크기와 상기 제1도파관(10) 및 상기 제2도파관(20)의 크기를 결정한다(단계 S402). 여기서 중심주파수 파장(λ0)의 크기는 다음의 수식 1에 의해 구하며, 도파관의 크기는 상기 결정된 중심 주파수를 가지는 전자파가 전송될 수 있는 크기로 결정된다. 만약 표준 도파관을 적용할 경우에는 사용주파수 대역에 따른 규격품으로 선정한다.
[수식 1]
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상기 단계 S402에서 중심주파수 파장의 크기와 상기 제1도파관(10) 및 상기 제2도파관(20)의 크기가 결정되면, 상기 결정된 중심주파수의 파장의 크기 및 도파관의 크기를 바탕으로 상기 제1도파관의 반사계수(S11)와 상기 제2도파관의 반사계수(S22)가 최소가 되도록 세부 설계변수를 결정한다(단계 S403~S413). 구체적으로 상기 결정된 중심주파수의 파장의 크기 및 도파관의 크기를 바탕으로 편파변환기 설계를 위한 소정의 시뮬레이션 프로그램을 수행하여 상기 제1도파관의 반사계수(S11)와 상기 제2도파관의 반사계수(S22)가 최소가 되도록 세부 설계변수를 결정한다. 여기서, 소정의 시뮬레이션 소프트웨어 프로그램으로 상용 전자기장(EM) 시뮬레이션 소프트웨어 프로그램(예를 들면 CST MICROWAVE STUDIO® )이 사용될 수 있다.
여기서, 상기 설계변수는 제1도파관(10)의 종단면과 홈(30)의 종단면과의 이격거리(34), 홈의 길이(33), 홈의 깊이(31) 및 홈의 폭(32)을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2도파관의 가로(제2도파관 단면의 장변)(21) 길이가 가변되는 경우라면 상기 제2도파관의 가로(21)길이를 설계변수로 더 포함할 수 있다(도 4a 참조). 도파관의 가로길이와 도파관의 특성임피던스는 반비례 관계에 있으므로, 제2도파관의 가로길이가 가변되는 경우 제2도파관의 가로 길이(21)를 설계변수로 하여 조정함으로써 제1도파관과 제2도파관의 임피던스 정합을 행하고, 임피던스 정합을 통해 편파변환 효율을 높이고자 함이다.
상기 설계변수를 설정하는 단계는 구체적으로 다음과 같은 과정에 의한다.
먼저, 시뮬레이션 소프트웨어에서 도 1의 구조, 도 4의 순서(경우에 따라 도 4a, 도 4b의 순서일 수 있다.), 설계변수를 구하는 수식 및 설계변수의 초기값을 적용하여 기초설계를 수행한 후 각 설계변수는 가변 파라미터로 설정한다. 여기서 설계변수의 초기값이란 상기 단계 S402에서 결정된 중심주파수의 파장 및 도파관의 크기를 바탕으로 결정되는 값이며, 상기 설계변수를 구하는 수식 및 설계변수의 초기값(표준 도파관 기준)은 이하의 수식 2에 의한다.
[수식 2]
상기 제1도파관의 종단면과 상기 홈의 종단면과의 이격거리(34)= β
홈의 길이(33)= c(21)-β+δ
홈의 깊이(31)의 초기값=a(11)/2
홈의 폭(32)의 초기값=a(11)/2
여기서, β:0~0.2λ0, δ:0~0.1λ0, c(21): 제2도파관의 가로 길이(제2도파관 단면의 장변 길이), a(11): 제1도파관의 가로 길이(제1도파관 단면의 장변 길이)를 각각 나타낸다.
상술한 기초설계를 전제로, 상기 제1도파관의 반사계수(S11)와 제2도파관의 반사계수(S22)가 최소가 되도록 상기 제1도파관(10)의 종단면과 홈(30)의 종단면과의 이격거리(34)를 결정한다(단계 S403). 구체적으로, 상기 제1도파관(10)의 종단면과 홈(30)의 종단면과의 이격거리(β)(34)는 0~0.2λ0(여기서, λ0=c0/f0, c0: 광속도, f0: 중심주파수)범위 내에서 결정된다. 즉, 상기 제1도파관(10)의 종단면과 홈(30)의 종단면과의 이격거리(β)(34)는 0~0.2λ0 범위 내에서 최소한 0.01λ0 간격으로 시뮬레이션을 수행하여 제1도파관의 반사계수(S11)와 제2도파관의 반사계수(S22)를 구하고, 시뮬레이션 결과 제1도파관의 반사계수(S11)와 제2도파관의 반사계수(S22)가 최저(즉, 편파변환 효율이 최적화되는)가 되는 값으로 상기 제1도파관(10)의 종단면과 홈(30)의 종단면과의 이격거리(β)(34)를 결정한다. 이때, 도파관에 사용하는 주파수 대역폭도 고려하여 결정하여야 함에 유의하여야 한다.
또한, 경우에 따라서, 상기 제1도파관(10)의 종단면과 홈(30)의 종단면과의 이격거리(β)(34)는 소정의 값을 초기값으로 설정하여 설정된 초기값을 기준으로 0~0.2λ0 범위 내에서 최소한 0.01λ0 간격으로 시뮬레이션을 수행하고, 시뮬레이션 수행결과 제1도파관의 반사계수(S11)와 제2도파관의 반사계수(S22)가 최소(즉, 편파변환 효율이 최대화되는)가 되도록 상기 제1도파관(10)의 종단면과 홈(30)의 종단면과의 이격거리(β)(34)를 결정할 수 있다. 특히, 초기값을 0.12λ0 로 설정하여 시뮬레이션을 수행하면, 상기 제1도파관(10)의 종단면과 홈(30)의 종단면과의 이격거리(β)(34)를 결정하는 시간을 줄일 수 있는 이점이 있다.
다음으로, 상기 제1도파관의 반사계수(S11)와 상기 제2도파관의 반사계수(S22)가 최소가 되도록 홈의 길이(33)를 결정한다(단계 S405). 구체적으로 설명하면, 홈의 길이는 다음의 수식 3에 의하여 결정된다.
[수식 3]
홈의 길이(33)= c-β+δ
여기서, c: 제2도파관의 가로 길이, β(상기 제1도파관의 종단면과 홈의 종단면과의 이격거리):0~0.2λ0 ,δ:0~0.1λ0, λ0=c0/f0, c0: 광속도, f0: 중심주파수를 각각 나타낸다. 상기 수식으로부터 홈의 길이(33)를 결정할 수 있는 범위는 c-0.2λ0 ~ c+0.1λ0이다.
즉, 홈의 길이(33)는 상기 홈의 길이(33)를 구하는 식에 상기 단계 S403에서 결정된 β(제1도파관의 종단면과 홈의 종단면과의 이격거리(34)) 값을 적용하고, 그 값을 기준으로 0~0.1λ0 범위(δ가 결정되는 범위) 내에서 최소한 0.01λ0 간격으로 시뮬레이션을 수행하여 제1도파관의 반사계수(S11)와 제2도파관의 반사계 수(S22)를 구하고, 시뮬레이션 결과 제1도파관의 반사계수(S11)와 제2도파관의 반사계수(S22)가 최저(즉, 편파변환 효율이 최대화되는)가 되는 값으로 홈의 길이(33)를 결정한다. 또한, δ의 경우도 β와 마찬가지로, 소정의 초기값을 설정하여 설정된 초기값을 기준으로 상기 시뮬레이션을 실행할 수 있다. 특히 δ의 초기값을 0으로 설정하는 경우 시뮬레이션을 수행하여 홈의 길이(33)를 결정하는 시간을 줄일 수 있다.
다음으로, 상기 제1도파관의 반사계수(S11)와 상기 제2도파관의 반사계수(S22)가 최소가 되도록 홈의 깊이(31)와 홈의 폭(32)을 각각 결정한다(단계 S407). 구체적으로 상기 홈의 깊이(31)와 상기 홈의 폭(32)은 a/2±10% 범위 내에서 각각 결정된다. 즉 상기 홈의 깊이(31)와 상기 홈의 폭(32)은 a/2±10% 범위 내에서 최소한 0.01λ0 간격으로 각각 시뮬레이션을 수행하여 제1도파관의 반사계수(S11)와 제2도파관의 반사계수(S22)를 구하고, 시뮬레이션 수행 결과 제1도파관의 반사계수(S11)와 제2도파관의 반사계수(S22)가 최저가 되는(즉, 편파변환 효율이 최대화되는) 값으로 상기 홈의 깊이(31)와 상기 홈의 폭(32)을 각각 결정한다. 참고적으로 상기 홈의 깊이(31)와 홈의 폭(32)은 비교적 편파변환기의 특성에 미치는 영향이 적은 변수이다. 또한, 상기 홈의 깊이(31)와 상기 홈의 폭(32)도 다른 변수와 마찬가지로 초기값을 설정하여 설정된 초기값을 기준으로 상기 시뮬레이션을 수행할 수 있다. 특히 상기 홈의 깊이(31)와 상기 홈의 폭(32)은 초기값을 a/2로 설 정하는 경우, 시뮬레이션을 수행하여 상기 홈의 깊이(31)와 상기 홈의 폭(32)을 결정하는 시간을 줄일 수 있다.
다음으로, 위의 단계에서 결정된 설계변수들의 변화가 있는지 여부를 판별한다(단계 S412). 구체적으로, 이는 상기 단계 S403, S405, S407에서 결정된 설계변수를 적용하여 상기 단계 S403~S407을 반복하였을 때 상기 설계변수들의 변화가 없는지를 판별하는 것을 의미한다. 또한 이 단계는 다른 요인이 개입되어 결정된 설계변수 값에서 반사계수가 최소가 되지 않게 될 가능성이 있으므로, 동일 과정을 반복하여 반사계수가 최소가 되는 즉 편파변환 효율이 최대화되는 최적값을 설정하기 위함이다.
다음으로, 상기 단계 S412의 판별에서 변화가 없는 경우, 시뮬레이션을 종료하고 위의 단계에서 결정된 설계변수들의 값을 최종 설계변수 값으로 설정한다(단계 S413). 즉 상기 단계 S412의 판별에서 변화가 없는 경우, S403, S405, S407에서 결정된 설계변수들의 값이 최종 설계변수 값으로 설정되는 것이다.
상기 단계 S412에서 상기 단계 S403, S405, S407에서 결정된 설계변수들의 값에 변화가 있는 경우, 상기 단계 S403으로 프로그램 진행을 회귀시킨다.
도 4a는 도 4에서 보여주는 도파관의 수직결합 편파변환기의 설계방법에, 제2도파관의 가로 길이가 가변되는 경우, 상기 제2도파관의 가로길이를 설계변수로 더 포함하는 설계방법의 실행과정을 보여주는 흐름도이다.
본 발명에 의한 설계방법은 상기 단계 S407과 상기 단계 S412 사이에, 도 4a에 나타난 바와 같이, 상기 제2도파관의 가로(21) 길이가 가변되는지 여부를 판별 하는 단계(단계 S409); 상기 단계 S409에서 상기 제2도파관의 가로 길이가 가변 되는 것으로 판별된 경우, 상기 제1도파관의 반사계수와 상기 제2도파관의 반사계수가 최소가 되도록 상기 제2도파관의 가로 길이를 결정하는 단계(단계S410)를 더 포함할 수 있다.
도 4a를 참조하여 구체적으로 설명하면,
상기 단계 S407 이후에 상기 제2도파관의 가로(21) 길이가 가변되는지 여부를 판별한다(단계 S409). 여기서, 상기 제2도파관의 가로 길이가 가변되는 경우란, 임의의 도파관을 사용할 경우 혹은 모듈(도체 블록)에 도파관 슬롯을 가공할 경우 도파관의 가로 및 세로 길이를 변경할 수 있는데 이러한 경우를 말한다.
상기 단계 S409의 판별에서, 상기 제2도파관의 가로(21) 길이가 가변되지 않는 것으로 판별된 경우, 단계 S412로 진행한다. 이 경우, 상기 단계 S412는 상기 단계 S403, S405, S407에서 결정된 설계변수를 적용하여 상기 단계 S403~S409 과정을 반복하였을 때 상기 설계변수들의 변화가 없는지를 판별하는 것을 의미한다. 상기 단계 S412의 판별결과 설계변수들의 변화가 없으면, 시뮬레이션을 종료하고 위의 단계에서 결정된 설계변수가 최종 설계변수로 설정된다(단계S413). 여기서, 최종 설계변수는 상기 단계 S403, S405, S407에서 결정된 설계변수이다.
상기 단계 S409의 판별에서, 상기 제2도파관의 가로(21) 길이가 가변되는 것으로 판별된 경우, 상기 제1도파관의 반사계수와 상기 제2도파관의 반사계수가 최소가 되도록 상기 제2도파관의 가로 길이를 결정한다(단계S410).
여기서, 상기 제2도파관의 가로(21) 길이는, 제2도파관(20)의 차단주파수가 제2도파관(20)으로 전달되는 전자파의 주파수 대역보다 낮은 범위 내에서 결정한다. 즉 상기 제2도파관의 가로(21)길이는, 제2도파관(20)의 차단주파수가 제2도파관(20)으로 전달되는 주파수 대역 중 최소값을 갖는 주파수(본발명에 의한 편파변환기에 사용하는 주파수 대역 중 최소값을 갖는 주파수)보다 낮은 범위 내에서 결정한다. 여기서, 상기 제2도파관의 가로(21)길이와 상기 제2도파관(20)의 차단주파수 간의 함수 관계는 수식 4에 의한다.
[수식 4]
fc=c0/(2c)
여기서, fc: 제2도파관의 차단주파수, c: 제2도파관의 가로(21) 길이, c0: 광속도를 각각 나타낸다.
상기 수식으로부터 상기 제2도파관의 가로(21) 길이인 c가 결정될 수 있는 범위는 cf0 =fc<c≤2d이다. 여기서, cf0 = fc: 중심주파수와 제2도파관의 차단주파수가 같을 때 제2도파관의 가로 길이, d: 제2도파관의 세로 길이(표준 도파관의 세로 길이)를 각각 나타낸다.
상술한 내용을 토대로 상기 제2도파관의 가로(21) 길이를 결정하는 과정을 정리해보면, 상기 제2도파관의 가로(21) 길이는 상기와 같은 범위 내에서 최소한 0.01λ0 간격으로 시뮬레이션을 수행하여 제1도파관의 반사계수(S11)와 제2도파관의 반사계수(S22)를 구하고, 시뮬레이션 수행 결과 제1도파관의 반사계수(S11)와 제2도 파관의 반사계수(S22)가 최저가 되는(즉, 편파변환 효율이 최적이 되는) 값으로 상기 제2도파관의 가로(21) 길이를 결정한다.
상기 단계 S410에서 상기 제2도파관의 가로(21) 길이를 결정하면, 단계 S412로 진행한다. 이 경우, 상기 단계 S412는 상기 단계 S403, S405, S407, S410에서 결정된 설계변수를 적용하여 상기 단계 S403~S410을 반복하였을 때 상기 설계변수들의 변화가 없는지를 판별하는 것을 의미한다(단계S412). 상기 단계 S412의 판별결과 설계변수의 변화가 없는 경우, 시뮬레이션을 종료하고 위의 단계에서 결정된 설계변수가 최종 설계변수로 설정된다(단계S413). 여기서, 최종 설계변수는 상기 단계 S403, S405, S407, S410에서 결정된 설계변수이다.
도 4b는 도 4, 도 4a에서 보여주는 도파관의 수직결합 편파변환기의 설계방법에, 결정된 설계변수 값에서 반사계수가 최저값인지 여부를 판별하는 단계를 더 포함하는 설계방법의 실행 과정을 보여주는 흐름도이다.
본 발명의 설계방법은 상기 단계 S403과 상기 단계 S405 사이에, 도 4b에 도시된 바와 같이, 상기 단계 S403에서 결정된 상기 제1도파관의 종단면과 홈의 종단면과의 이격거리(34)에서 제1도파관의 반사계수(S11)와 제2도파관의 반사계수(S22)가 최저값인지 여부를 판별하는 단계를 더 포함할 수 있다(단계S404). 이는 상기 단계 S403에서 결정된 값이 편파변환 효율을 최대화하기 위한 값인지 확인하기 위함이다.
또한, 본 발명의 설계방법은 상기 단계 S405과 상기 단계 S407 사이에, 도 4b에 도시된 바와 같이, 상기 단계 S405에서 결정된 상기 홈의 길이(33)에서 제1도파관의 반사계수(S11)와 제2도파관의 반사계수(S22)가 최저값인지 여부를 판별하는 단계를 더 포함할 수 있다(단계S406). 이는 상기 단계 S405에서 결정된 값이 편파변환 효율을 최대화하기 위한 값인지 확인하기 위함이다.
또한, 본 발명의 설계방법은 상기 단계 S407과 상기 단계 S409 사이에, 도 4b에 도시된 바와 같이, 상기 단계 S407에서 결정된 상기 홈의 깊이(31) 및 홈의 폭(32)에서 제1도파관의 반사계수(S11)와 제2도파관의 반사계수(S22)가 최저값인지 여부를 판별하는 단계를 더 포함할 수 있다(단계S408). 이는 상기 단계 S407에서 결정된 값이 편파변환 효율을 최대화하기 위한 값인지 확인하기 위함이다.
또한, 본 발명의 설계방법은 상기 단계 S410과 상기 단계 S412 사이에, 도 4b에 도시된 바와 같이, 상기 단계 S410에서 결정된 상기 제2도파관의 길이(21)에서 제1도파관의 반사계수(S11)와 제2도파관의 반사계수(S22)가 최저값인지 여부를 판별하는 단계를 더 포함할 수 있다(단계S411). 이는 상기 단계 S410에서 결정된 값이 편파변환 효율을 최대화하기 위한 값인지 확인하기 위함이다.
도 5는 본 발명에 따른 도파관의 수직결합 편파변환기의 설계방법에 의하여 제작한 도파관의 직렬결합 편파변환기에서의 S-파라미터의 특성을 나타낸 그래프이다. 도 5를 참조하면, 이는 제1도파관(10)에서 제2도파관(20)으로 전달계수 S21와 제1도파관(10)에서 제1도파관(10)으로 반사되는 반사계수 S11를 전산모사를 통해 얻 은 결과이다. 본 전산해석 주파수는 밀리미터파 대역인 W-대역에서 수행하였으며, 중심주파수를 0GHz로 정규화하여 나타내었다. 도 5에 도시된 바와 같이, 중심주파수를 기준으로 반사계수가 -20dB 이하이고, 전달계수가 -0.2dB 이상이며, 이러한 결과를 통해 편파방향 변환효율이 양호하다는 것을 알 수 있다.
이상의 설명에서와 같이, 본 발명에 따른 도파관의 수직결합 편파변환기에 의하면, 편파방향이 변환되는 변환부의 크기를 줄일 수 있고, 전자파의 진행방향을 변환함에 있어서도 많은 공간을 필요로 하지 않아 장치의 소형화 및 경량화가 가능하다는 장점이 있다. 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, 본 발명의 도파관의 수직결합 편파변환기의 설계방법에 따르면, 도파관에서 반사되는 반사계수를 최소화하여 결합부에서의 편파변환 효율을 최대화할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 도파관의 수직결합 편파변환기의 구성을 나타내는 도이다.
도 1a는 도 1에서 A-A'의 단면에서 본 도파관의 수직결합 편파변환기의 도이다.
도 2a는 도 1a의 임의 시점(時點)에서 도파관의 수직결합 편파변환기에 형성된 전계의 모양을 나타낸 도이다.
도 2b는 도파관에서 홈으로 진행하는 전자파의 편파방향이 변환되는 원리를 설명하기 위한 참고도로, (가)는 홈이 결합되지 않은 도파관의 단면에서 전계의 모양을 나타내는 도면이며, (나)는 홈이 결합된 도파관의 단면의 전계 모양을 나타내는 도이다.
도 3a는 본 발명에 따른 도파관의 수직결합 편파변환기에 있어서, 제1도파관에 입사된 전자파의 편파방향이 제2도파관의 편파방향으로 변환된 모습을 컴퓨터 그래픽을 통해 보여주는 도이다.
도 3b은 본 발명에 따른 도파관의 수직결합 편파변환기에 있어서, 제1도파관으로 입사된 전자파의 위상변화에 따라 편파 방향이 변환되는 과정을 컴퓨터 그래픽을 통해 보여주는 도이다.
도 4는 본 발명에 따른 도파관의 수직결합 편파변환기의 설계 과정을 나타내는 흐름도이다.
도 4a는 도 4에서 보여주는 도파관의 수직결합 편파변환기의 설계방법에, 제 2도파관의 가로 길이가 가변되는 경우, 상기 제2도파관의 가로길이를 설계변수로 더 포함하는 설계방법의 실행과정을 보여주는 흐름도이다.
도 4b는 도 4, 도 4a에서 보여주는 도파관의 수직결합 편파변환기의 설계방법에, 결정된 설계변수 값에서 반사계수가 최저값인지 여부를 판별하는 단계를 더 포함하는 설계방법의 실행 과정을 보여주는 흐름도이다.
도 5는 본 발명에 따른 도파관의 수직결합 편파변환기의 설계방법에 의하여 제작한 도파관의 직렬결합 편파변환기에서의 S-파라미터의 특성을 나타낸 그래프이다.
도 6a, 도 6b는 전자파의 편파방향을 90° 변환시키기 위한 종래의 편파변환기를 보여주는 도면이며, 도 6c는 전자파의 진행방향을 90° 변환시키기 위한 종래기술을 보여주는 도면이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10: 제1도파관 11: 제1도파관의 가로(제1도파관 단면의 장변)
12: 제1도파관의 세로(제1도파관 단면의 단변)
13: 제1도파관의 개구면, 14: 제1도파관의 편파방향
20: 제2도파관 21: 제2도파관의 가로(제2도파관 단면의 장변)
22: 제2도파관의 세로(제2도파관 단면의 단변)
23: 제1도파관과 제2도파관의 접합부 위치 표시
24: 제2도파관의 개구면 25: 제2도파관의 편파방향
30: 홈 31: 홈의 깊이 32: 홈의 폭 33: 홈의 길이
34: 제1도파관의 종단면과 홈의 종단면의 이격거리

Claims (17)

  1. 임의의 편파 방향을 가지고, 전자파가 입사되는 제1도파관과,
    상기 제1도파관에 직각으로 결합되며, 상기 제1도파관에 입사된 전자파를 전달받아 제1도파관의 편파방향과는 다른 편파방향으로 전자파를 송출하는 제2도파관과,
    상기 제1도파관과 상기 제2도파관의 결합부에 설치되며, 상기 제1도파관에 입사된 전자파의 편파방향을 상기 제2도파관의 편파방향으로 변환하는 홈(groove)을 포함하는 것을 특징으로 하는 도파관의 수직결합 편파변환기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1도파관 및 상기 제2도파관은 구형(矩形)도파관인 것을 특징으로 하는 도파관의 수직결합 편파변환기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 홈은 구형(矩形)인 것을 특징으로 하는 도파관의 수직결합 편파변환기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2도파관은 상기 제1도파관의 상태를 기준으로 90° 회전하여 상기 제1도파관에 직각으로 결합되는 것을 특징으로 하는 도파관의 수직결합 편파변환기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 홈은 구형인 구조적 특징을 통해 제1도파관에 입사된 전자파 중 일부를 편파 변환시키는 것을 특징으로 하는 도파관의 수직결합 편파변환기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 결합부에서 상기 홈에 의해 편파 방향이 변환된 전자파와, 그렇지 않은 전자파가 합성되어 상기 제1도파관에 입사된 전자파의 편파방향이 상기 제2도파관의 편파방향으로 변환되는 것을 특징으로 하는 도파관의 수직결합 편파변환기.
  7. 제1도파관과, 상기 제1도파관과 수직으로 결합되는 제2도파관과, 상기 제1도파관과 상기 제2도파관이 결합된 결합부에 설치되어 있는 홈을 가지는 도파관의 수직결합 편파변환기의 설계방법으로서,
    (a) 도파관의 수직결합 편파변환기의 중심주파수를 결정하는 단계;
    (b) 상기 결정된 중심주파수에 따라 중심주파수의 파장의 크기와 상기 제1도파관 및 상기 제2도파관의 크기를 결정하는 단계; 및
    (c) 상기 결정된 중심주파수의 파장의 크기 및 도파관의 크기를 바탕으로 상기 제1도파관의 반사계수와 상기 제2도파관의 반사계수가 최소가 되도록 세부 설계변수를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 도파관의 편파변환기의 설계방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 단계 (c)에서의 설계변수는 제1도파관의 종단면과 홈의 종단면과의 이격거리, 홈의 길이, 홈의 깊이 및 홈의 폭를 포함하는 것을 특징으로 하는 도파관의 수직결합 편파변환기의 설계방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 설계변수는 상기 제2도파관의 가로 길이가 가변되는 경우 상기 제2도파관의 가로 길이를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 도파관의 수직결합 편파변환기의 설계방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 (c)단계는,
    (c-1) 상기 제1도파관의 반사계수와 상기 제2도파관의 반사계수가 최소가 되도록 상기 제1도파관의 종단면과 홈의 종단면과의 이격거리를 결정하는 단계;
    (c-2) 상기 제1도파관의 반사계수와 상기 제2도파관의 반사계수가 최소가 되도록 상기 홈의 길이를 결정하는 단계;
    (c-3) 상기 제1도파관의 반사계수와 상기 제2도파관의 반사계수가 최소가 되도록 상기 홈의 깊이와 상기 홈의 폭을 결정하는 단계;
    (c-4) 위의 단계에서 결정된 설계변수들의 변화가 있는지 여부를 판별하는 단계; 및
    (c-5) 상기 판별에서 변화가 없으면, 위의 단계에서 결정된 설계변수들의 값을 최종 설계변수 값으로 설정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 도파관의 수직결합 편파변환기의 설계방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 단계 (c-1)에서의 상기 제1도파관의 종단면과 홈의 종단면과의 이격거리는 0~0.2λ0(여기서, λ0=c0/f0, c0: 광속도, f0: 중심주파수) 범위 내에서 결정되는 것을 특징으로 하는 도파관의 수직결합 편파변환기의 설계방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 단계 (c-2)에서의 홈의 길이는 다음의 수식 관계에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 도파관의 수직결합 편파변환기의 설계방법.
    [수식]
    홈의 길이=c-β+δ
    여기서, c: 제2도파관 가로 길이, β: 0~0.2λ0, δ: 0~0.10, λ0=c0/f0, c0: 광속도, f0: 중심주파수.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 단계 (c-3)에서의 홈의 깊이 및 홈의 폭은 a/2±10% (a: 제1도파관 가로 길이)범위 내에서 각각 결정되는 것을 특징으로 하는 도파관의 수직결합 편파변환기의 설계방법.
  14. 제10항에 있어서,
    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 반사계수와 상기 제2도파관의 반사계수가 최저값인지의 여부를 판별하는 단계를 각각 더 포함하는 것을 특징으로 하는 도파관의 수직결합 편파변환기의 설계방법.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 단계 (c-3)과 상기 단계(c-4) 사이에,
    (d-1) 상기 제2도파관의 가로 길이가 가변 되는지 여부를 판별하는 단계;
    (d-2) 상기 단계 (d-1)에서 상기 제2도파관의 가로 길이가 가변 되는 것으로 판별된 경우, 상기 제1도파관의 반사계수와 상기 제2도파관의 반사계수가 최소가 되도록 상기 제2도파관의 가로 길이를 결정하는 단계를 더 포함하는 단계를 특징으로 하는 도파관의 수직결합 편파변환기의 설계방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 단계 (d-2)에서 상기 제2도파관의 가로 길이는, 제2도파관의 차단주파 수가 제2도파관으로 전달되는 전자파의 주파수 대역보다 낮은 범위 내에서 결정되며, 상기 제2도파관의 가로 길이와 상기 제2도파관의 차단주파수 간의 함수관계는 다음의 수식에 의하는 것을 특징으로 하는 도파관의 수직결합 편파변환기의 설계방법.
    [수식]
    fc=c0/(2c)
    여기서, fc: 제2도파관의 차단주파수, c: 제2도파관의 가로 길이, c0: 광속도를 각각 나타낸다.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 단계 (d-2)와 상기 단계 (c-4)사이에
    상기 제1도파관의 반사계수와 상기 제2도파관의 반사계수가 최저값인지 여부를 판별하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 도파관의 수직결합 편파변환기의 설계방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US20070075801A1 (en) * 2003-10-24 2007-04-05 Murata Manufacturing Co., Ltd. Waveguide conversion devie, waveguide rotary joint, and antenna device
US7750762B2 (en) * 2004-03-30 2010-07-06 Murata Manufacturing Co., Ltd. Waveguide corner and radio device

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117117452A (zh) * 2023-10-24 2023-11-24 中国工程物理研究院电子工程研究所 一种用于脊波导互连的扭波导
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