KR960014401B1 - 튜닝과정을 제거한 모노리식 병렬 스터브 구조의 도파관 다이플렉서 - Google Patents

Abstract

내용없음.

Description

튜닝과정을 제거한 모노리식 병렬 스터브 구조의 도파관 다이플렉서

제1도는 위성체용 Ku-밴드 다이플렉서가 구성된 프랜스폰더 계통도.

제2도는 종래의 도파관 다이플렉서를 도시한 구성도로, (a)는 대칭적 인덕티브 윈도우 필터를 이용한 다이플렉서, (b)는 비대칭 인덕티브 윈도우와 포스트를 사용한 다이플렉서.

제3도는 본 발명에 따른 도파관 다이플렉서의 블록도.

제4도는 본 발명에 따른 모노리식 병렬 스터브 구조를 갖는 도파관 다이플렉서의 외형도.

제5도는 본 발명에 따른 일실시예로 도파관 다이플렉서의 상·하부 조립체의 구조도.

제6도는 본 발명에 따른 체비체프 저역통과 프로토타입을 이용하여 계산된 도표.

제7도는 본 발명에 따른 모노리식 병렬 스터브 구조를 갖는 도파관 다이플렉서로, (a)는 수신필터의 설계도, (b)는 송신필터의 설계도.

제8도는 본 발명에 따른 노모리식 병렬 스터브 구조를 갖는 도파관 다이플렉서로, (a)는 송신필터의 대역차단 측정결과를 도시한 파형도, (b)는 수신필터의 대역차단 측정결과를 도시한 파형도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

50 : 도파관 다이플렉서 200 : 수신필터

210,310 : 공동 스터브 220,320 : 임피던스 변환기

300 : 송신필터 400 : 정션 콤바이너

420 : 전계면

본 발명은 위성체용 도파관 다이플렉서(Waveguide Diplexer)에 관한 것으로, 특히 송신용 고전력 도파관 필터와 수신용 저손실 도파관 필터를 결합회로(Combining Network)을 통하여 결합하고 안테나에 연결되도록 구성하며, 송신단과 수신단 사이에 고분리(High Isolation) 특성을 갖도록 함으로써 송신전력이 수신기에 영향을 미치지 못하게 하는 튜닝과정을 제거한 모노리식 병렬 스터브 구조의 도파관 다이플렉서에 관한 것이다.

일반적으로 위성통신 지상국이나 위성체의 송수신기에 결합된 도파관 다이플렉서는 안테나 바로 뒤에 부착되어 송·수신 신호를 분리하는 것으로, 도파관 다이플렉서의 제작은 도파관 필터의 설계가 핵심이 된다. 따라서 지상국용 및 위성체용의 다이플렉서는 손실이 아주 작고 큰 출력에 견딜 수 있게 설계되어야 한다.

특히 송신용 다이플렉서는 각 트랜스폰더(Transponder) 채널을 결합하여 출력시키므로 고전력에서 동작되고, 브레이크다운(Breakdown, 절연파괴)이 일어나지 않게 하기 위한 도파관 필터의 설계와 유전체 장하공동 (Dielectic Loaded Cavity)의 설계가 중요한 과제가 되고 있다. 또한 수신측에서 고전력은 문제가 되지 않지만 잡음특성을 좋게 하기 위하여 통과대역에 대해서 감쇠량이 적어야 하므로 필터의 손실이 크게 중용해 진다.

지상국에서 사용되는 Ku-밴드 다이플렉서 중에는 송신출력의 감쇠를 줄이기 위하여, 가장 보편적으로 사용되는 것은 송·수신 대역통과 필터를 각각 설계하여 도파관 커플러(Coupler)에 의해 결합시키는 방식과, 송신필터를 사용하지 않고 송신출력은 3dB 하이브리드(Hybrid)를 통하여 안테나에 직접 전달되도록 하고, 수신신호는 3dB 커플러를 통하여 2개의 대역통과 필터를 거친 다음 다시 3dB 하이브리드로 출력되는 방식으로 후자는 송신출력이 2Kw 이상일 경우에 주로 사용된다.

또한, 최근에는 다이플렉서의 송·수신 주파수가 서로 근접하여 있을 경우에 주파수 대역간의 분리를 높이기 위하여 듀얼모드 도파관 필터를 사용하여 쌍곡선 함수(Elliptical Function) 필터를 구성함으로써 인접주파수에 감쇠를 급격하게 증가시킬 수 있는 다이플렉서가 많이 사용되고 있다.

또한, 위성중계기에 사용되는 다이플렉서의 무게를 최소로 하기 위하여 필터공동을 위한 금속으로 마그네슘이나 알루미늄을 사용하며, 필터의 구조를 유얼모드 타원필터로 하거나 공동내에 고유전율의 유전재료를 사용하기도 한다. 위성체용 도파관 다이플렉서의 수신필터는 위성중계기 수신입력의 대역외 신호를 제거하기 위하여 사용되며, 보통 대역폭내의 신호에 비해 최소한 35dB 이하로 감쇠시킬 수 있어야 하고 입력필터에서 다시 60dB 이상 감쇠시킴으로써 송신출력 등의 유입을 방지하고 있다. 이 수신필터는 6극(pole) 체비체프(Tchebyscheff) 필터로 구성되며, 통과대역에 대해서는 감쇠량이 적어야 잡음특성에 영향을 미치지 않는다.

또한, 도파관 다이플렉서의 송신필터는 3극 또는 5극 체비체프 필터로 구성되고 있으며, 송신출력의 효율을 높이기 위하여는 필터를 사용하지 않고 직접 출력을 내보내는 경우도 있다.

첨부된 제1도는 일반적인 위성체용 Ku-밴드 다이플렉서가 구성된 트랜스폰더(Transponder)(900)의 계통도를 도시한 것으로, 송신주파수가 12GHz이고 수신주파수가 14GHz이다.

안테나(10)로 수신된 미약한 주파수는 도파관 다이플렉서(50)를 통해 입력도파관 필터(22)로 입력되고, 증폭기(LNA)(24)에서 증폭된다. 증폭된 수신주파수는 수신기(26)에서 오실레이터(28)로부터 발생된 주파수와 믹싱되어 멀티플렉서(30)로 입력된다. 멀티플렉서(30)는 수신주파수를 다수의 주파수 대역으로 다중화하여 출력한다. 다중화된 주파수는 각각 다수의 채절증폭기(32)에서 증폭되어 감쇠기(34)를 통해 이득이 조절되고, 반도체 전력증폭기(Solid State Power Amplifier, SSPA)(36)를 거쳐 전력이 증폭된다. 각각의 증폭된 주파수는 디멀티플렉서(38)로 입력되어 혼합된 후에 출력 도파관 필터(40)를 통해 다이플렉서(50)를 거쳐 안테나(10)로 송신된다. 여기서 안테나(10)를 통해 송·수신되는 마이크로파는 도파관 다이플렉서(50)를 공용하게 된다.

종래의 도파관 다이플렉서는 제2도에 도시한 바와 같다.

제2도(a)는 대칭적 인덕티브 윈도우 필터를 이용한 다이플렉서로 송·수신필터(62)(64)는 두개의 필터로 인덕터브 윈도우를 이용하여 구성되며, 저역통과 프로토타입(proto type)필터를 주파수 변환을 통해 대역통과 필터로 구성시킨 후, 이를 임피던스 인버터에 의해 병렬공진기를 제거함으로써 직렬공진기간으로 구성된 회로를 얻을 수 있다.

수신필터(62)는 6개의 공진기(66)로 구성하여 송신필터(64)의 중심주파수에서 -70dB 감쇠를 갖도록 하며, 송신필터(64)는 3개의 공진기(68)로 구성하여 수신필터(62)의 중심주파수에서 -30dB 감쇠를 갖도록 하였다.

제작된 필터(62)(64)는 윈도우의 폭과 공동의 길이에 따른 오차가 발생되는데, 이의 보정을 위하여 미세조정나사(67)를 사용하였다. 미세조정나사(67)는 전계의 세기가 가장 큰 지점에 삽입하였으며, 오차가 보정된 후에 미세조정나사(67)는 고정되었다.

제2도(b)는 비대칭 인덕터브 윈도우와 포스트를 사용한 다이플렉서로써, 송·수신 필터(72)(74)를 Ku-밴드 DBS 상하 링크 주파수 대역(14.5-14.8GHz와 11.7-12.0GHz)에서 설계한 후에, 이를 애퍼처-커플 자계면 T-접합으로 구성하였다. T-접합은 초고주파 회로에서 도파관이나 동축선을 접합하여 3개의 독립적인 단자를 갖도록 한 것으로, T-접합시 3개의 포트(port)에서 임피던스 정합을 이루는 것은 어려우나 애퍼처(Aperture, 개구)를 사용함으로써 임피던스 정합을 이룰 수 있다. 송·수신 필터(72)(74)는 체비체프 필터형태로 설계·제작한 것으로, 송신필터(74)는 비대칭 인덕티브 윈도우를 사용하여 5개의 공진기(78)를 갖는 구조이며, 수신필터(72)는 인덕티브 포스트를 이용하여 6개의 공진기(76)을 갖도록 설계된 것이다. 제작상의 오차를 보정하기 의하여 튜닝을 위한 미세조정나사(77)가 구성되어 있다.

따라서 제2도(a) 및 (b)는 안테나(10a)(10b)를 통해 미약하게 수신된 마이크로파의 각 채널간의 상호간섭이 없도록 송·수신 필터(62)(64)(72)(74)에서의 윈도우 폭과 공진기의 길이, 필터의 기준점과 T-접합의 기준점과의 거리 등을 조정해야 한다. 그러므로 필터의 제작은 도파관의 양쪽면을 절단하고 여기에 약 1mm 두께의 인덕티브 윈도우를 삽입한 후에 도파관을 결합한다.

따라서 상기와 같은 종래의 도파관 다이플렉서는 위성체에 탑재되는 것중에서 가장 신뢰도가 높고 고장이 적은 부분이라고 할 수 있지만 설계가 용이하지 않으며, 기술적인 설계나 금속의 가공 및 선택이 어렵고 무게와 부피를 최소로 해야 하므로 많은 시간과 노력이 필요하다.

또한 저주파수에 적용되는 필터 및 다이플렉서의 설계를 위한 소프트웨어는 이미 널리 사용되고 있으나, 마이크로파에 사용할 수 있는 도파관 필터 프로그램은 상용화되어 있지 않아 가격이 비싸고 프로그램이 정확하지 못하여 많은 문제점을 안고 있다.

본 발명은 상기의 문제점 등을 해소하기 위한 목적으로, 도파관의 전계면에 공동 스터브를 일전간격으로 형성함으로써 불연속의 효과를 갖는 필터를 구성하여 그 필터의 합성으로 튜닝이 필요없이 대역통과 필터 또는 대역차단 필터의 기능을 할 수 있는 도파관 다이플렉서를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 목적달성을 위하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 도파관 대역차단필터의 가장 간단한 형태의 하나인 도파관 스터브 필터는 대역차단 필터에서 단락회로 E-플레인(plane)공동 스터브(210,310)에서 필터의 중심주파수에서 반파장 길이를 가지며, λg/4(λg는 관내파장) 간격으로 주관에 연결된다.

대역차단필터는 중심주파수에서 λg/8의 홀수배의 길이를 갖는 공동 스터브(210,310)의 형태로 구성되며, 역시 λg/4의 간격으로 주관에 연결된다. 구성된 도파관 스터브 필터는 각 공동 스터브(210,310)가 λg/4 길이로 결합되지만 실제 다른 스터브와의 간섭을 피하기 위해 3λg/4 길이로 결합되기도 한다.

도파관 스터브 필터는 도파관의 전계면에 대해 대칭적인 구조이며, 요구되는 대역폭과 취급전력에 의해 공동 스터브(210,310)의 구조가 결정된다.

본 발명에 대한 이론적인 해석방법으로 T-접합에 의한 임피던스의 변화를 무시하고 해석할 수 있다. 만일, 필터의 설계에 있어서 체비체프 응답이 요구된다면, 층이 없는 도파관 스터브의 임피던스는 아래식으로부터 계산될 수 있다.

.....................................(1)

여기서, gk는 저역통과 프로토타입의 소자값이며, 계수 t1은 다음과 같다.

.................................................................(2)

여기서 λ₀는 필터 중심주파수에서의 자유공간내의 파장이고, λ₂는 필터의 차단대역 끝에서의 파장이다.

스터브의 입력 임피던스는 다음과 같이 표현되며,

..............................................(3)

스터브의 높이는 다음과 같다.

...........................................................(4)

여기서, b는 입·출력 도파관의 높이다.

즉, 본 발명의 도파관 다이플렉서는 식(1)~(4)의 계산결과에 따라 병렬 스터브 구조를 갖는 형태로 형성되는 것이다.

제3도는 본 발명의 도파관 다이플렉서에 대한 블록도로서, 안테나(10)로부터 수신된 주파수(마이크로파)는 정션 콤바이너(Junction Combiner)(400)를 거쳐 수신필터(200)로 전달되고, 수신주파수는 증폭기 및 다중화기 등을 거쳐 송신필터(300)로 출력되며, 다시 정션 콤바이너(400)를 거쳐 안테나(10)를 통해 송신된다.

제4도는 본 발명의 도파관 다이플렉서(50)의 사시도로 상기 제3도의 블록도를 구체적으로 도시한 것으로, 송·수신 필터의 설계는 계산된 설계값에 의해 제작된다.

제5도는 본 발명에 따른 일실시예로 도시한 도파관 다이플렉서(50)의 상·하부 조립체의 구조도로써, 설계된 α채널 대역차단 필터는 Ku-밴드 위성체의 DBS(Direct Broadcast System; 방송용)업/다운 링크 주파수 대역인 14.5-14.8GHz와 11.7-12.0GHz의 대역폭에서 동작하며, 통과대역내에서의 반사손실은 -25dB 이하가 되고 삽입손실은 최대 0.2dB를 초과하지 않도록 설계된다. 또한 송·수신 필터(200,300)의 저지대역(Tx;fo±225MHz, Rx;fo±200MHz)에서의 삽입손실은 -30dB 이하가 되도록 설계된다.

이와 같은 설계조건을 만족시키는 체비체프형 필터는 송·수신 필터(200,300)가 5개와 7개의 공동 스터브(210,310)를 필요로 하게 된다.

제6도는 도시한 도표는 체비체프 저역통과 프로토타입을 이용하여 계산된 2채널 송·수신 대역차단 필터의 각 병렬 공동 스터브(210,310)의 길이와 공동 스터브(210,310)간의 거리 θ를 나타낸 것이다.

제6도의 계산결과를 바탕으로 설계된 14/12GHz의 2채널 대역차단 필터는 제7도(a) 및 제7도(b)에 도시한 바와 같다. 공동 스터브(210,310)는 병렬로 좌우 대칭으로 설계되어 있다.

위성체용 다이플렉서의 송신대역은 다운링크 신호대역인 11.7GHz~12.0GHz 대역을 가지며, 수신대역은 업(up)링크 신호대역인 14.5GHz~14.8GHz 대역을 갖는다. 이는 제9도에서와 같이 대역차단 필터로 설계한 다이플렉서(50)의 손실에 대한 측정결과이다. 제9도(a)는 송신필터(300)에서의 경우 통과대역내 삽입손실은 약 0.8dB를 나타내었고, 제9도(b)는 수신필터(200)의 경우로 통과대역내 삽입손실은 0.7dB를 나타내었다. 저지대역에서의 삽입손실은 송신필터(300)의 경우 70dB 이하의 값을 나타내었고, 수신필터(200)의 경우 80dB 이하의 값을 나타내었다.

이와 같은 결과에 따라 제작된 다이플렉서(50)의 분리특성이 우수함을 알 수 있고, 삽입손실의 경우 연결에 사용된 테이퍼(Taper)의 손실 0.15dB와 도파관 어탭터(Adaptor)의 손실 0.45dB를 고려하면 실제 필터의 삽입손실은 송신필터(300)의 경우 0.2dB, 수신필터(200)의 경우 0.1dB로 우수한 결과를 얻을 수 있었다.

본 발명의 Ku-밴드 다이플렉서(50)는 도파관 병렬(shunt) 스터브(210,310)를 이용하여 진동이나 온도변화 등에 취약한 튜닝부를 모두 제거하였다. 이와 같은 모노리식한 구조의 다이플렉서(50)는 내구성이 강하고 대량생산이 가능하다. 또한 재질이 알루미늄으로 온도금 처리함으로써 삽입손실이 감소되고 무게 및 부피가 감소된다.

또한 송신주파수와 수신주파수는 각각 그 통과대역을 11~13GHz 및 13.5~15GHz로써 방송 및 통신주파수 대역을 모두 포함하도록 하였기 때문에 DBS와 FSS(Fixed Satellite System; 상업용)모두에 공통적으로 사용할 수가 있다.

본 발명의 다이플렉서(50)는 1.5Kw까지의 전력수준으로 동작될 수 있으며, 0.20dB 미만의 삽입손실과 25dB이하의 반사손실, 그리고 70dB 이상의 절연 등의 특성을 가진 것이다.

Claims (3)

1. 도파관의 전계면에 다수의 공동 스터브(210,310)가 일정 간격으로 형성되어 불연속의 특성을 갖는 수신필터(200) 및 송신필터(300)와, 상기 수신필터(200) 및 송신필터(300)를 통해 송·수신되는 주파수의 간섭을 최소화하기 위하여 T자 형상으로 형성되는 정션 콤바이너(400)를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 튜닝과정을 제거한 모노리식 병렬 스터브 구조의 도파관 다이플렉서.
2. 제1항에 있어서, 상기 공동 스터브(210,310)가 필터(200,300)의 중심주파수에서 λg/8의 홀수배의 길이를 가지며, λg/4간격으로 연결되어 형성된 것을 특징으로 하는 튜닝과정을 제거한 모노리식 병렬 스터브 구조의 구조의 도파관 다이플렉서.
3. 제1항에 있어서, 상기 공동 스터브(210,310)의 구조가 전계면(420)에 대해 대칭이며, 요구되는 주파수 대역과 대역폭에 의해 구조가 결정되는 것을 특징으로 하는 튜닝과정을 제거한 모노리식 병렬 스터브 구조의 도파관 다이플렉서.