KR20150027518A - 통신 시스템에서 후진파 발진기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 통신 시스템에서 후진파 발진기에 관한 것으로, 메타물질로 형성된 도파관을 포함하고, 상기 도파관의 단위 구조는 상판; 단락 스터브; 상기 상판과 일정 간격을 가지고 이격되어 있으며, 중심에 상기 단락 스터브가 형성된 하판; 상기 단락 스터브를 기준으로 일측면에 위치한 제 1 포트의 상판과 상기 단락 스터브를 기준으로 상기 제 1 포트의 반대측면에 위치한 제 2 포트의 하판을 연결하는 제 1 금속 기둥; 및 상기 제 1 금속 기둥과 이격되어 있으며, 상기 제 2 포트의 상판과 상기 제 1 포트의 하판을 연결하는 제 2 금속 기둥;을 포함한다.

Description

통신 시스템에서 후진파 발진기{Backward-wave oscillator in communication system}
본 발명은 통신 시스템에 관한 것으로서, 특히 메타 물질 도파관을 이용한 후진파 발진기에 관한 것이다.
일반적으로, 후진파 발진기는 전자빔을 빔 통로(beam tunnel)에 입사시켜 마이크로파 및 테라헤르츠 대역의 전자기파를 발생시키는 장치이다. 이러한, 후진파 발진기는 도파관을 포함한다. 무장하 도파관은 위상 속도가 광속도보다 빠르거나 거의 같지만 전자빔의 속도는 광속도보다 늦다. 그러므로, 무장하 도파관을 이용하여 전자파와 전자빔의 결합이 어렵다. 따라서, 위상 속도가 광속도 보다 느린 저속파 구조를 갖는 주기 구조 도파관을 이용한다. 후진파 발진기는 주기 구조 도파관에서 전자파와 전자빔의 상호 작용이 일어나게 하여 동작한다.
이러한, 주기 구조 도파관을 이용한 후진파 발진기는 공간 고조파 영역에서 주기 구조 도파관의 위상 속도가 광속도보다 느린 전자빔의 위상 속도와 일치하는 지점을 얻게 된다. 두 위상 속도가 일치하는 주파수에서 주기 구조 도파관과 전자빔의 상호 작용을 통해 마이크로파 및 테라헤르츠 대역의 전자기파를 발생시킨다.
이와 같이, 일반적인 후진파 발진기는 광속도보다 느린 전자빔의 속도로 인해 주기 구조로 이루어진 도파관의 저속파 분산 특성을 이용해야 하므로, 공간 고조파(spatial harmonic) 영역에 대응되는 후진파를 이용하여야만 하는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명의 목적은 공간 고조파의 제한없이 기본 모드에서의 동작을 위해 메타 물질을 활용한 후진파 발진기를 제공함에 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 소형화된 크기를 갖는 후진파 발진기를 제공함에 있다.
상기한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 후진파 발진기는, 메타물질로 형성된 도파관을 포함하고, 상기 도파관의 단위 구조는 상판; 단락 스터브; 상기 상판과 일정 간격을 가지고 이격되어 있으며, 중심에 상기 단락 스터브가 형성된 하판; 상기 단락 스터브를 기준으로 일측면에 위치한 제 1 포트의 상판과 상기 단락 스터브를 기준으로 상기 제 1 포트의 반대측면에 위치한 제 2 포트의 하판을 연결하는 제 1 금속 기둥; 및 상기 제 1 금속 기둥과 이격되어 있으며, 상기 제 2 포트의 상판과 상기 제 1 포트의 하판을 연결하는 제 2 금속 기둥;을 포함한다.
본 발명은, 메타 물질을 활용한 도파관을 사용함으로써, 후진파 발진기에서 공간 고조파의 제한없이 기본 모드에서 동작할 수 있다. 또한, 기존의 후진파 발진기에 비하여 더 낮은 주파수에서 전자빔과 상호 작용함으로써 제안된 후진파 발진기를 소형화 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 후진파 발진기의 메타물질 도파관의 단위 구조를 개략적으로 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 후진파 발진기의 메타물질 도파관의 단위 구조의 단면을 개략적으로 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 메타물질 도파관의 분산 곡선을 개략적으로 도시한 그래프.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 메타물질 도파관의 분산 전송 특성을 개략적으로 도시한 그래프.
도 5는 일반적인 주기 구조 도파관과 전자빔의 상호 작용을 개략적으로 도시한 도면.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 메타물질 도파관과 전자빔의 상호 작용을 개략적으로 도시한 도면.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기의 설명에서는 본 발명에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩뜨리지 않도록 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.
본 발명은 통신 시스템에서 메타물질로 형성된 도파관을 이용한 후진파 발진기를 제공한다. 본 발명에서 제안된 후진파 발진기는 광대역의 후진파 분산 곡선을 갖는 도파관을 포함한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 후진파 발진기의 메타물질 도파관의 단위 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 메타물질 도파관의 단위 구조(100)는 제 1 금속 기둥(110), 제 2 금속 기둥(120), 및 단락 스터브(130)를 포함한다. 여기서, 단락 스터브(130)를 기준으로 일측면은 제 1 포트이고, 반대측면은 제 2 포트를 형성한다.
제 1 금속 기둥(110)은 제 2 금속 기둥(120)과 일정 간격(gap) 이격되어 있으며, 제 1 포트와 제 2 포트 사이의 기준 방향(10)에 평행하다. 제 1 금속 기둥(110)은 제 1 포트쪽에서 제 1 방향(20)으로 형성(111)되고, 제 2 포트쪽에서 제 2 방향(30)으로 형성(112)된다. 일 예로, 제 1 금속 기둥(110)의 양끝단은 일 예로, 직각 형태로 구부러져 구현되고, 제 1 포트와 제 2 포트에서 서로 반대 방향으로 형성된다.
제 2 금속 기둥(120)은 제 1 금속 기둥(110)과 일정 간격(gap) 이격되어 있으며, 제 1 포트와 제 2 포트 사이의 기준 방향(10)에 평행하다. 제 2 금속 기둥(120)은 제 1 포트쪽에서 제 2 방향(30)으로 형성(121)되고, 제 2 포트쪽에서 제 1 방향(20)으로 형성(122)된다. 일 예로, 제 2 금속 기둥(120)의 양끝단은 직각 형태로 구부러져 구현되고, 제 1 포트와 제 2 포트에서 서로 반대 방향으로 형성된다.
제 1 금속 기둥(110)과 제 2 금속 기둥(120)은 음의 유효 유전률 특성을 갖도록 하는 E-플레인(E-plane) 방향의 기둥으로 구성된다. 광대역의 왼손 법칙에 따른 전송 대역을 형성하기 위해 제 1 금속 기둥(110)과 제 2 금속 기둥은 꼬인 형태를 갖는다.
단락 스터브(130)는 금속 기둥들(110, 120)의 하단에 위치할 수 있다. 단락 스터브(130)는 특정 주파수에서 음의 유효 투자율 특성을 갖는다.
도 1의 메타물질 도파관의 단위 구조(100)에서는 설명의 편의를 위하여 상판과 하판의 구조를 포함하지 않는다. 따라서, 상판과 하판을 포함한 메타물질 도파관의 단위 구조를 하기의 도 2를 참조하여 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 후진파 발진기에서 상판과 하판을 포함한 메타물질 도파관의 단위 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 메타물질 도파관의 단위 구조(200)는 도 1에 도시된 메타물질 도파관의 단위 구조(100)에서 상판(140)과 하판(150)을 추가로 포함한다. 메타물질 도파관의 단위 구조(200)는 측면에서 도시된 것이다.
상판(140)은 금속 기둥들(1101,120)의 상단에 위치한다.
하판(150)은 금속 기둥들(110,120)의 하단에 위치한다. 하판(150)은 단락 스터브(130)의 중심선(40)을 기준으로 내부에 단락 스터브가 형성된다.
상판(140)과 하판(150)은 제 1 포트와 제 2 포트 사이에서 단위 구조의 길이(l)을 형성한다.
이때, 제 1 금속 기둥(110)과 제 2 금속 기둥(120)의 끝단에서 형성한 제 1 방향(20)은 하판(150)에서 상판(140)으로의 방향이고, 제 2 방향(30)은 상판(140)에서 하판(150)으로의 방향이다.
따라서, 제 1 금속 기둥(110)의 경우, 단락 스터브(130)를 기준으로 제 1 포트의 상판이 제 2 포트의 하판을 연결한다. 제 2 금속 기둥(120)의 경우, 단락 스터브(130)를 기준으로 제 2 포트의 상판이 제 1 포트의 하판을 연결한다.
이때, 메타물질 도파관 단위 구조에 따른 메타물질 도파관의 차단 주파수는 일 예로, 6.54기가헤르쯔(GHz)로 형성된다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 메타물질 도파관의 분산 곡선을 개략적으로 도시한 그래프이다.
도 3을 참조하면, 그래프의 가로축은 위상 이동(
Figure pat00001
)을 나타내고, 그래프의 세로축은 주파수(GHz)를 나타낸다. 여기서,
Figure pat00002
는 메타물질 도파관의 기본 전파 상수이고, l은 단위 구조의 길이를 나타낸다.
메타물질 도파관의 전송 특성을 확인하기 위한 시뮬레이션 결과를 도시한 그래프이다. 이때, 메타물질 도파관의 주파수에 따른 분산 곡선은 기본 모드(fundimential mode) 영역에서 후진파 전송 특성을 갖는다. 즉, 메타물질 도파관은 공간 고조파(spatial harmonic) 영역이 아닌 기본 모드 영역에서 분산 곡선을 형성한다.
그래프에서 점선(310)은 이상적인 모드에서의 동작 시뮬레이션 결과를 도시한 것이고, 그래프에서 실선(320)은 제안된 메타물질 도파관을 이용한 시뮬레이션 결과를 도시한 것이다.
메타물질 도파관의 차단 주파수 이상에서 비대역폭 약 26.5%(7.53GHz~9.84GHz)의 광대역 전송 특성을 확인할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 메타물질 도파관의 분산 전송 특성을 개략적으로 도시한 그래프이다.
도 4를 참조하면, 그래프의 가로축은 주파수(GHz)를 나타내고 있으며, 세로축은 에스-파라미터(S-parameter)(dB)를 나타낸다.
메타물질 도파관은 5개의 메타물질 도파관 단위 구조를 이용한다. 이때, 메타물질 도파관의 전송 특성은 도 3을 통해 확인한 주파수 대역(후진파 전송 대역)(7.53GHz~9.84GHz)과 일치함을 확인할 수 있다.
그래프에서 점선(410)은 가상 시뮬레이션 결과를 도시한 것이고, 그래프에서 실선(420)은 제안된 메타물질 도파관을 이용한 실제 시뮬레이션 결과를 도시한 것이다.
메타물질 도파관은 전체 전송 대역에서 삽입 손실 2.3dB 이하의 우수한 전송 특성을 갖는다. 이를 통해, 본 발명에서 제안된 메타물질 도파관은 고조파 영역이 아닌 기본 모드 영역에서 후진파 특성을 나타낸다. 또한, 메타물질 도파관은 기존의 도파관들에 비해 매우 넓은 전송 대역 특성과 우수한 삽입 손실 특성을 가지고 있다.
이를 통해, 본 발명에서 제안된 메타물질 도파관은 후진파 발진기에 적용하기 적합한 조건을 갖는다.
도 5는 일반적인 주기 구조 도파관과 전자빔의 상호 작용을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 그래프의 가로축은 위상 이동을 나타내고 있으며, 0에서 2파이(
Figure pat00003
)를 나타낸다. 그래프의 세로축은 주파수를 나타내고, 기가헤르쯔(GHz) 단위를 나타낸다.
가로축의 위상 이동에서
Figure pat00004
를 기준으로 0 내지
Figure pat00005
는 기본 모드 영역이고,
Figure pat00006
내지
Figure pat00007
는 공간 고조파 영역이다. 주기 구조 도파관으로 대표적인 물결 모양의 도파관(corrugated waveguide)과 전자빔의 분산 특성이다.
주기 구조 도파관은 저속파 특성을 가지고 있으며, 이때, 공간 고조파 영역의 전파 상수(
Figure pat00008
)는 하기의 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00009
여기서,
Figure pat00010
는 주기 구조 도파관의 기본 전파 상수를 나타내고, n은 정수, l은 주기 구조 도파관의 단위 구조의 길이를 나타낸다. 기본 전파 상수는 n이 0일 때를 의미하며, 기본 모드 영역에 해당한다. n이 음의 값을 가질 경우전파 상수는 음의 값을 가질 수도 있으며, 공간 고조파 영역에 해당한다. 이때, 주기 구조 도파관은 위상 속도와 군속도가 반대인 후진파 특성을 나타낸다.
주기 구조 도파관은 공간 고조파 영역에서 주기 구조 도파관의 위상 속도(510)와 전자빔의 위상속도(520)가 일치하는 지점의 주파수(
Figure pat00011
)에서 상호 작용하여 마이크로파 및 테라헤르츠 대역의 전자기파를 발생시킨다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 메타물질 도파관과 전자빔의 상호 작용을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6을 참조하면, 그래프의 가로축은 위상 이동을 나타내고 있으며, 0에서 2
Figure pat00012
를 나타낸다. 그래프의 세로축은 주파수를 나타내고, 기가헤르쯔 단위를 나타낸다.
가로축의 위상 이동에서
Figure pat00013
를 기준으로 0 내지
Figure pat00014
는 기본 모드 영역이고,
Figure pat00015
내지
Figure pat00016
는 공간 고조파 영역이다.
여기서, 본 발명에서 제안된 메타물질 도파관의 위상 속도(610)와 주기 구조 도파관의 위상 속도(630)는 다른 형태로 도시된다.
따라서, 메타물질 도파관의 위상 속도(610)와 전자빔의 위상속도(620)가 일치하는 지점의 주파수(
Figure pat00017
)에서 상호 작용을 통해 마이크로파 및 테라헤르츠 대역의 전자기파를 발생시킨다.
이때, 메타물질 도파관의 위상 속도(610)와 전자빔의 위상속도(620)가 일치하는 지점은
Figure pat00018
를 기준으로 왼쪽(즉, 0에서
Figure pat00019
사이의 값을 갖는 영역)에 위치한 기본 모드 영역이다.
이와 달리, 기존의 주기 구조 도파관의 위상 속도(630)와 전자빔의 위상 속도(630)가 일치하는 지점은
Figure pat00020
를 기준으로 오른쪽에 위치한 공간 고조파 영역이다. 기존의 주기 구조 도파관의 위상 속도(630)와 전자빔의 위상 속도(630)가 일치하는 지점의 주파수(
Figure pat00021
)를 확인할 수 있다.
이를 통해, 본 발명에서 제안된 메타물질 도파관은 기존의 주기 구조 도파관에 비해 낮은 주파수(
Figure pat00022
)(즉,
Figure pat00023
)에서 후진파 발진기의 동작 주파수를 형성한다. 이를 통해, 메타물질 도파관을 이용한 후진파 발진기는 기존의 주기 구조 도파관에 비해 소형화될 수 있고, 마이크로파 대역에서 동작하는 후진파 발진기에서는 소형화로 인한 부가적인 이점을 가질 수 있다.
본 발명에서 제안된 메타물질 도파관 단위 구조는 복수개가 연결되어 메타물질 도파관을 구성할 수 있다. 이러한, 메타물질 도파관은 광대역 왼손(LH: Left-Hand)법칙의 전송 특성을 갖는 직각 도파관(rectangular waveguide) 구조를 갖는다. 메타물질 도파관의 차단 주파수 상에서 광대역의 왼손 법칙의 분산 특성을 갖는다. 후진파 발진기는 본 발명에서 제안된 메타물질 도파관을 사용하여 마이크로파 및 테라헤르츠 대역의 전자기파를 발생시킨다.
한편, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (5)

  1. 통신 시스템에서 후진파 발진기에 있어서,
    메타물질로 형성된 도파관을 포함하고;
    상기 도파관의 단위 구조는,
    상판;
    단락 스터브;
    상기 상판과 일정 간격을 가지고 이격되어 있으며, 중심에 상기 단락 스터브가 형성된 하판;
    상기 단락 스터브를 기준으로 일측면에 위치한 제 1 포트의 상판과, 상기 단락 스터브를 기준으로 상기 제 1 포트의 반대측면에 위치한 제 2 포트의 하판을 연결하는 제 1 금속 기둥; 및
    상기 제 1 금속 기둥과 이격되어 있으며, 상기 제 2 포트의 상판과 상기 제 1 포트의 하판을 연결하는 제 2 금속 기둥;을 포함하는 것을 특징으로 하는 후진파 발진기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 금속 기둥과 제 2 금속 기둥은 E-플레인(plane) 방향의 기둥 형태로 구현되는 것을 특징으로 하는 후진파 발진기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 금속 기둥에서, 상기 제 1 포트의 끝단은, 상기 하판에서 상기 상판으로 향하는 제 1 방향으로 형성되고, 상기 제 2 포트의 끝단,은 상기 상판에서 상기 하판으로 향하는 제 2 방향으로 형성되는 것을 특징으로 하는 후진파 발진기.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 2 금속 기둥에서, 상기 제 1 포트의 끝단은, 상기 제 2 방향으로 형성되고, 상기 제 1 포트의 끝단은, 상기 제 1 방향으로 형성되는 것을 특징으로 하는 후진파 발진기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 도파관은, 메타물질 도파관의 기본 전파 상수와 상기 도파관의 단위 구조의 길이에 의해 형성된 위상 이동이 0에서 파이(
    Figure pat00024
    ) 사이의 값을 갖는 기본 모드 영역에서 마이크로파와 테라헤르츠파의 주파수를 생성하는 것을 특징으로 하는 후진파 발진기.
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