원통형 포스트를 갖는 정사각 도파관-동축 커넥터 변환부 설계

Ⅰ. 서 론

직교모드변환기, 도파관 편파기, 다이플렉서 등의 부품은 원형 혹은 사각 형태의 도파관 포트로 구성된다[1]-[3]. 최종 포트가 임의의 도파관으로 종단되는 경우 별도의 도파관-동축커넥터 변환부가 요구된다[4][5].

대표적인 도파관-동축커넥터 변환부의 예가 정규 도파관 어댑터이다[6]. 흔히 도파관 내부에 모노폴 형태의 동축 커넥터가 연결되며 광대역 특성을 위하여 인쇄형 다이폴 구조, 계단형 변환 구조 등이 적용된다[7][8]. 이와 같은 도파관 변환부는 도파관 형태에 따라 원형 도파관-동축 커넥터 변환부[9], 릿지 도파관-동축 커넥터 변환부[10] 등이 있다. 도파관 변환부의 설계에서는 저반사/저손실 특성이 요구될 뿐만 아니라 동작 주파수 범위 내에서 고차 모드가 충분히 억압되어야 한다[11][12].

본 논문에서는 정사각 도파관-동축 커넥터 변환부를 설계하였다. 제안된 도파관 변환부는 사각 도파관의 광벽 길이가 3단 계단을 통해 줄어들면서 동축 커넥터로 연결되는 구조이다. 제안된 도파관 변환부의 설계에는 변수 조절법을 이용하였다. 최종 도파관 변환부는 2개를 제작하여 back-to-back 방식으로 측정하였다. 이와 같은 과정을 통하여 제안된 구조의 성능을 확인하였다.

Ⅱ. 도파관 변환부 설계

2.1 도파관 변환부 구조

그림 1은 본 논문에서 제안한 정사각 도파관-동축 커넥터 변환부의 모습이다. 전체 구조는 3개의 영역으로 나누어진다. 영역 1은 사각 도파관에서 동축 커넥터로 변환되는 부분이고 마지막 영역 3은 직선형 정사각 도파관만 존재한다. 영역 2는 도파관 연결부로 전체 구조의 광대역화 및 영역 1과 영역 3 사이의 임피던스 정합 역할을 한다. 영역 1에 있는 동축 커넥터의 내심 종단에는 원통 포스트를 연결하여 제안된 정사각 도파관-동축 커넥터 변환부를 광대역화 하였다.

Fig. 1.

Structure of a square waveguide-to-coaxial connector

그림 2는 제안된 도파관 변환부의 설계 변수이다. 도파관이 시작되는 영역 3은 광벽 길이가 a인 정사각 구조를 갖고 동축선 변환부와 연결된다. 각 영역의 모서리에는 기계 밀링 가공을 고려하여 반경 R_c를 반영하였다. 제안된 구조는 상용 소프트웨어인 CST사의 MicrowaveStudio^TM을 이용하여 최적 설계하였다. 본 논문에서는 주요 설계 치수에 대한 변수 조절법을 제시하고 각각의 역할을 설명하였다. 본 논문의 데이터는 도파관 변환부의 동작 범위 내 중심 주파수 f₀로 정규화하여 제시한다.

Fig. 2.

Design parameters of the square wavegudie-to -coaxial connector (a) Front View (b) Side view

그림 3은 동축 커넥터가 연결된 영역 1의 길이 L₁의 변화에 따른 반사계수와 TM₁₁ 모드의 억압 특성이다. 길이 L₁이 증가함에 따라 도파관 변환부의 동작 주파수가 낮아짐을 알 수 있다. 또한 길이 L₁이 0.93a 이하인 경우 이중 공진 효과에 의해 –20dB 반사계수 대역폭이 줄어듦을 확인하였다. 영역 1의 길이 L₁이 0.974a인 경우 –20dB 이하의 반사계수 대역폭은 40% 이상이고 주파수 1.2f₀ 보다 낮은 주파수 범위에서 고차모드 TM₁₁가 20dB 이상 억압되는 것을 확인하였다. 고차모드 TE₁₁ 모드는 주파수 1.328f₀ 이하에서 –20 dB 이하로 억압된다.

Fig. 3.

Performances of the waveguide transition versus a length L1(a) Reflection coefficient, (b) Suppression of the TM11 mode

그림 4는 높이 B₁의 변화에 따른 도파관 변환부의 성능이다. 영역 1의 높이 B₁이 증가함에 따라 높은 주파수 대역에서 임피던스 정합 특성이 개선되면서 반사계수 대역폭이 증가된다. 반면에 고차모드 성분은 높이 B₁이 증가할수록 증가한다. 주파수 1.2f₀ 이하의 동작 대역에서 고차모드를 –20 dB 이하로 억압시키기 위해서는 높이 B₁은 0.535a 이하의 값을 가져야 한다. 영역 1의 높이(B₁)가 0.518a인 경우 반사계수 대역폭이 가장 넓고 TM₁₁ 및 TE₁₁ 모드가 모두 –20 dB 이하를 갖는다.

Fig. 4.

Performances of the waveguide transition versus a height B1 (a) Reflection coefficient, (b) Suppression of the TM11 mode, (c) Suppression of the TE11 mode

그림 5는 영역 2의 높이 B₂의 변화에 따른 영향을 분석한 결과이다. 영역 2는 도파관 변환부의 설계에서 임피던스 정합 효과와 동작 대역을 결정짓는다. 높이 B₂가 변할 경우 임피던스 정합 특성에 많은 영향을 미친다. 높이 B₂가 증가함에 따라 고차 모드가 많이 발생됨을 알 수 있다. 고차모드 TM₁₁은 주파수 1.212f₀ 이하에서 –20 dB 이하의 억압 특성을 보이고 TE₁₁ 모드는 1.344f₀ 이하에서 –20 dB 이하의 억압 특성을 갖는다.

Fig. 5.

Performances of the waveguide transition versus a height B2 (a) Reflection coefficient, (b) Suppression of the TM11 mode, (c) Suppression of the TE11 mode

그림 6은 길이 L₂ 변화에 따른 반사계수 및 고차 모드 억압 특성이다. 길이 L₂가 길어질 경우 높은 주파수 영역에서 임피던스 정합이 불량해지면서 동작 대역폭이 줄어듦을 알 수 있다. 또한 최적 길이가 아닌 경우 완벽한 임피던스 정합이 이루어지지 않는다. 길이 L₂가 증가할 경우 고차모드 TM₁₁은 증가되어 –20 dB 보다 높아진다. 고차모드 TM₁₁을 충분히 억압하기 위해서는 길이 L₂는 0.526a 이어야 한다.

Fig. 6.

Performances of the waveguide transition versus a length L2 (a) Reflection coefficient, (b) Suppression of the TM11 mode, (c) Suppression of the TE11 mode

이 경우 고차모드 TE₁₁은 주파수 1.333f₀ 이하에서 –20 dB 이하의 억압 특성을 갖는다.

다음으로 도파관 변환부의 가공성을 고려하여 각 모서리에 반영된 모서리 반경 R_C의 영향을 분석하였다. 변환부의 모서리 반경의 효과는 그림 7과 반경 R_C가 반영된 정사각 도파관 앞에 동일한 크기를 갖고 직각 모서리로 구성된 더미 도파관을 연결한 후 반사계수를 계산하여 확인하였다. 그림 8은 내부 모서리의 반경 R_C 에 따른 반사계수 계산 결과이다. 가공 반경이 0.5 ~ 2.0 mm 범위에서 변하여도 반사계수의 변화는 크게 영향 없음을 알 수 있다. 본 논문에서는 가공성을 고려하여 모서리 반경을 1.5 mm로 하였다.

Fig. 7.

Modelling view of the corner radius of the designed waveguide transition

Fig. 8.

Reflection coefficients with the variations of the corner radius Rc

마지막으로 동축 커넥터의 내부 도체 종단에 설치된 원통형 포스트 유무에 따른 영향을 계산하였다. 그림 9는 원형 포스트의 유무에 따른 입력단 임피던스 계산 결과이다. 동축 커넥터의 내부 도체 종단에 원형 포스트를 설치함으로써 저항과 인덕티브 성분이 동시에 증가하여 넓은 범위에서 임피던스 정합을 이루게 된다. 따라서 설계된 도파관 변환부의 동작 대역폭은 원형 포스트의 직경 및 길이를 조정하여 얻을 수 있다.

Fig. 9.

Input impedance with and without a cylindrical post of the coaxial connector

이상의 과정을 통해 최종 설계된 정사각 도파관-동축 커넥터의 최종 설계 치수는 표 1과 같다. 도파관 내부의 치수는 도파관 광벽 길이(a)에 대하여 제시하였고 동축 커넥터 치수는 mm 단위로 제시한다. 동축 커넥터의 내심 직경은 1.25 mm이고 유전체 직경은 4.10mm 이다.

Table 1.

Dimensions of the designed waveguide transition

그림 10은 최종 설계된 정사각 도파관 변환부의 고차 모드 억압 특성을 보이고 있다. 고차 모드 TM₁₁ 모드 및 TE₁₁ 모드는 각각 1.211f₀와 1.377f₀ 이하에서 –20 dB 이하의 억압 특성을 보인다. 이 보다 높은 고차모드 TM₂₁ 및 TE₂₁ 모드에서는 주파수 1.5f₀ 이하여서 –24.2 dB 이하의 억압 특성을 갖는다.

Fig. 10.

Performances on the higher modes of the finally designed waveguide transition

이와 같이 광대역에서 고차 모드가 –20 dB 이하의 특성을 갖는 것은 도파관-동축 커넥터 변환 구조가 있는 영역 1을 제외하고 모두 전기장 방향으로 대칭적인 구조를 갖기 때문이다.

Ⅲ. 도파관 변환부 제작 및 측정

이상과 같이 설계된 도파관 변환부는 정밀 밀링 가공 방식을 이용하여 제작하였다. 그림 11은 제작된 도파관 변환부의 모습이다. 전체 영역 1 ~ 3으로 구성된 도파관 부분을 가공하고 단락 벽을 별도 가공한 후 볼트로 조립하였다. 동축 커넥터는 종단에 원형 포스트를 갖는 프로브를 별도 제작하여 부착하였다.

Fig. 11.

Fabricated square waveguide-to-coaxial connector transition

도파관 변환부의 전기적 성능은 2개의 변환부를 제작하여 back-to-back 방식으로 측정하였다. 그림 12은 도파관 변환부의 전기적 성능 측정 모습이다. 제작된 도파관 변환부의 전기적 성능은 back-to-back의 전송선 등가 회로로부터 역 계산하여 얻었다.

Fig. 12.

Performance measurements of the fabricated waveguide transition.

그림 13는 제작된 변환부의 반사계수 및 투과 계수 측정 결과이다. 제작된 도파관 변환부는 0.773f₀ – 1.215f₀ 범위에서 –20 dB 이하의 반사계수 특성을 가지며 측정 결과와 잘 일치함을 알 수 있다.

Fig. 13.

Measurement results of the waveguide transition (a) Reflection coefficient (b) Transmission coefficient

도파관 변환부는 주파수 0.796f₀ –1.298f₀에서 –0.3 dB 이상의 투과 계수를 갖고 이론적인 계산 결과와 잘 일치한다.

Ⅳ. 결 론

본 논문에서는 정사각 도파관에서 동축 커넥터로 변환되는 도파관 변환부를 설계, 제작하였다. 제안된 도파관 변환부는 3개의 영역(정사각 도파관, 도파관 연결부 및 동축 커넥터 변환부)으로 구성되며 동축 커넥터 내심의 종단에 원통형 포스트를 연결하여 임피던스 정합 효과를 확인하였다. 도파관 변환부의 각 영역별 길이와 높이의 설계 방법은 변수 조절법을 이용하여 설명하였다. 또한 동축 커넥터 내심의 종단에 인덕티브 성분을 갖는 원통형 포스트를 삽입하여 광대역화 하였다.

최적 설계된 도파관 변환부는 기계 밀링 가공으로 제작하였다. 제작된 도파관 변환부는 back-to-back 방식으로 측정하였다. 본 논문에서 제작된 도파관 변환부는 주파수 0.773f₀ –1.215f₀ 범위에서 –20 dB 이하의 반사계수와 주파수 0.796f₀ –1.298f₀에서 –0.3 dB 이상의 투과 계수를 갖는다. 따라서 제안된 도파관 변환부는 40% 이상의 대역폭이 요구되는 직교모드변환기, 편파기, 급전피드 측정에 효과적으로 적용될 수 있다.

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