KR101215168B1 - 사다리꼴 도파관을 이용한 직교모드 변환기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 일측면에 개구된 수직포트가 형성되며, 타측면에 개구된 공통모드 포트가 형성되고, 상측면의 일부에 개구된 제1수평포트가 형성되며 종단면이 사다리꼴 형상인 제1도파관, 및 상기 제1도파관의 상측면에 면밀착되고, 상측면에 개구된 제2수평포트를 형성하며 하측면은 상기 제1수평포트와 연통하는 제2도파관을 포함하는 직교모드 변환기를 제공한다.
상기 직교모드 변환기에 따르면, 종단면이 사다리꼴 형태를 갖는 제1도파관과 그 상부에 배치되는 제2도파관에 의한 T-형 접합 구조를 이용하여, 일반적인 도파관 T-형 접합 구조와 테이퍼 구조를 사다리꼴 모양의 도파관으로 일체화시켜, 송수신 포트를 위한 별도의 테이퍼 구조가 필요 없으며 크기가 작고 간단한 구조의 직교모드 변환기를 구현할 수 있는 이점이 있다. 더욱이, 이를 통해 상기 제1도파관과 제2도파관의 표준화된 입출력 포트 크기를 실현하여, 추가적인 구조 변형 없이도 표준 어댑터와의 호환성을 가질 수 있다. 또한, 본 발명은 추가부품 없이 적은 개수의 금속유도봉 만으로 일반적인 변환기 유형과 동급의 성능을 구현할 수 있다.

Description

사다리꼴 도파관을 이용한 직교모드 변환기{Orthomode transducer using trapezoidal waveguide}
본 발명은 직교모드 변환기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 서로 직교하는 두 편파를 분리하여 통과시키는 사다리꼴 도파관을 이용한 직교모드 변환기에 관한 것이다.
종래의 직교모드 변환기의 예시를 설명하면 다음과 같다. 이하의 예시는 모두 도파관(Waveguide)으로 구현된 직교모드 변환기를 나타낸다.
도 1은 종래에 따른 직교모드 변환기의 개략 사시도이다. 도 1에 도시된 직교모드 변환기(10)는, 내부가 비어있고 T자 형으로 접합된 도파관 형태를 갖는다. 즉, 이러한 직교모드 변환기(10)의 내부는 T자 형으로 연통되어 있다.
상기 직교모드 변환기(10)는 총 3개의 포트, 즉 수직편파(Vertical polarization;V-pol.)가 통과되는 제1포트(11)와, 수평편파(Horizontal polarization;H-pol.)가 통과되는 제2포트(12), 그리고 수직편파와 수평편파가 모두 통과되는 제3포트(13)를 포함한다.
도 2 및 도 3은 각각 도 1의 직교모드 변환기를 응용한 개략 사시도이다. 먼저, 도 2에 도시된 직교모드 변환기(10)의 제3포트(13)에는 혼 안테나(20)가 연결되어 있고, 제1포트(11) 및 제2포트(12)에는 각각 표준 어댑터(30a,30b)가 연결되어 있다. 이 표준 어댑터(30a,30b)는 두 개의 포트로 이루어지며, 그 중 한 포트는 케이블 연결용 커넥터 형태이고, 다른 포트는 도파관 형태를 갖는다.
여기서, 표준 어댑터(30a,30b)와 혼안테나(20)의 연결에는 플랜지 형태의 접합부(40a,40b,40c)가 각각 사용된다. 상기 플랜지의 구체적인 형상은 공지된 사항이므로 별도의 도안은 생략한다.
그런데, 상기 제1포트(11) 및 제2포트(12)의 입구 사이즈보다 상기 표준 어댑터(30a,30b)의 입구 사이즈가 더 크며, 이러한 사이즈 차이는 입출력 포트의 호환성을 떨어뜨리고 각 포트 간의 연결 또한 어렵게 한다.
따라서, 도 1의 구조에 표준 어댑터(30a,30b)를 그대로 연결하는 경우 신호의 송수신이 어렵게 된다. 즉, 입출력 포트의 호환성을 높이기 위해서는, 표준 어댑터(30a,30b)의 도파관 입구 사이즈와, 상기 제1포트(11) 및 제2포트(12)의 입구 사이즈가 서로 동일해야 한다.
이를 해결하기 위하여, 도 2와 같이 상기 T자 형의 말단부인 제1포트(11)와 제2포트(12)의 일부분에 단차를 주어서 표준 어댑터(30a,30b)와 입구 사이즈를 맞춘 형태로 변형할 수 있다. 또한, 도 3와 같이 제1포트(11)와 제2포트(12)의 단부 부분에 테이퍼부(11b,12b)를 길게 형성하여 표준 어댑터(30a,30b)와 입구 사이즈를 맞춘 형태로 변형할 수 있다.
그런데, 이 두 가지 경우는 도파관 상에 단차 구조 또는 테이퍼 구조를 형성하여야 하므로 구조가 복잡하고 제조 과정이 간단하지 않으며, 직교모드 변환기의 전체 크기와 부피가 커지는 단점이 있다. 그 예로서, L-밴드 대역의 직교모드 변환기는 대부분 그 크기와 부피가 매우 큰 관계로(4λ0 이상 = 약 1m), 일반적인 전파산란 측정시스템(scatterometer)의 센서부로 사용하기에 어려운 문제점이 있었다. 또한, 직교모드 변환기의 크기 문제는 직교모드를 이용하는 통신장비에 적용 시에 장비의 운용 효율 측면에서 상당한 문제점으로 작용하였다.
더욱이, 종래기술에 따르면, 도파관의 내부에 별도의 복잡한 전파 유도를 유도하기 위한 장치가 삽입되어야 하므로 직교모드 변환기의 설계와 제작 효율을 떨어뜨리는 문제점이 있다.
본 발명은 구조가 간단하고 크기를 소형화하면서 편파별 입출력 포트의 특성을 최적화할 수 있는 직교모드 변환기를 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은, 일측면에 개구된 수직포트가 형성되며, 타측면에 개구된 공통모드 포트가 형성되고, 상측면의 일부에 개구된 제1수평포트가 형성되며 종단면이 사다리꼴 형상인 제1도파관, 및 상기 제1도파관의 상측면에 면밀착되고, 상측면에 개구된 제2수평포트를 형성하며 하측면은 상기 제1수평포트와 연통하는 제2도파관을 포함하는 직교모드 변환기를 제공한다.
여기서, 상기 제2도파관의 폭은 상기 제1도파관의 폭보다 좁을 수 있다.
또한, 상기 수직포트는 수직 편파를 통과시키고, 상기 제1수평포트 및 제2수평포트는 수평 편파를 통과시키고, 상기 공통모드 포트는 상기 수직 편파 또는 상기 수평 편파를 통과시킬 수 있다.
그리고, 상기 공통모드 포트에는 혼 안테나가 연결되고, 상기 수직포트 및 상기 제2수평포트에는 각각 수직 편파와 수평 편파를 송수신할 수 있다.
또한, 상기 직교모드 변환기는, 상기 제1도파관의 내부에서 상기 제1도파관의 폭 방향으로 배치되고, 상기 공통모드 포트보다 상기 수직포트에 인접한 위치에 설치되는 제1금속유도봉을 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제1금속유도봉은, 상기 수평 편파가 상기 수직포트 측으로 유입되는 것을 차단할 수 있다.
이때, 상기 제2수평포트를 통해 입력된 수평 편파는 상기 제1수평포트를 통과하고, 상기 제1금속유도봉에 의해 반사되어 상기 혼 안테나로 출력되고, 상기 혼 안테나를 통해 입력된 수평 편파는 상기 제1금속유도봉에 의해 반사되어 상기 제1수평포트를 거쳐 상기 제2수평포트로 출력될 수 있다.
그리고, 상기 직교모드 변환기는, 상기 제1수평포트가 이분할되도록 상기 제1수평포트 상에 상기 길이방향으로 배치되는 제2금속유도봉을 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제2금속유도봉은, 상기 수직 편파가 상기 제1수평포트 측으로 유입되는 것을 차단할 수 있다.
본 발명에 따른 직교모드 변환기에 따르면, 종단면이 사다리꼴 형태를 갖는 제1도파관과 그 상부에 배치되는 제2도파관에 의한 T-형 접합 구조를 이용하여, 일반적인 도파관 T-형 접합 구조와 테이퍼 구조를 사다리꼴 모양의 도파관으로 일체화시켜, 송수신 포트를 위한 별도의 테이퍼 구조가 필요 없으며 크기가 작고 간단한 구조의 직교모드 변환기를 구현할 수 있는 이점이 있다.
더욱이, 이를 통해 상기 제1도파관과 제2도파관의 표준화된 입출력 포트 크기를 실현하여, 추가적인 구조 변형 없이도 표준 어댑터와의 호환성을 가질 수 있다. 또한, 본 발명은 추가부품 없이 적은 개수의 금속유도봉 만으로 일반적인 변환기 유형과 동급의 성능을 구현할 수 있다.
도 1은 종래에 따른 직교모드 변환기의 개략 사시도이다.
도 2 및 도 3은 각각 도 1의 직교모드 변환기를 응용한 개략 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 직교모드 변환기의 사시도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 직교모드 변환기의 사시도이다.
본 발명은 직교모드 변환기(Orthomode transducer)에 관한 것으로서, 특히 L 밴드(1.1~1.7GHz) 대역에 사용되는 도파관 직교모드 변환기로 사용되는 것이다.
물론, 본 발명의 사용 대역은 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 본 발명의 직교모드 변환기의 구조는 도파관의 치수를 간단히 변경하는 것에 의해 보다 다양한 대역 용도로도 사용될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 직교모드 변환기의 사시도이다. 도 4를 참조하면, 상기 직교모드 변환기(100)는 제1도파관(110) 및 제2도파관(120)을 포함한다.
상기 제1도파관(110)은 일측에서 타측을 향할수록 상하공간이 점차 증가하도록 종단면이 사다리꼴 형태를 가진다. 이러한 제1도파관(110)은 수직포트(111), 제1수평포트(112), 그리고 공통모드 포트(113)를 구비한다.
먼저, 상기 수직포트(111)는 상기 제1도파관(110)의 일측면에 위치하여 수직 편파(Vertical polarization;V-pol.)를 통과시키는 부분이다. 상기 수직 편파는 상기 제1도파관(110)의 사다리꼴 형상에 대응되도록 상기 제1도파관(110)을 따라 상하 높이만 변하여 전파된다. 이때, 수직 편파가 이동하는 경로 상에서 제1도파관(110)의 높이 변화는 제1도파관(110)의 차단주파수 변화에 어떠한 영향도 주지 않는다.
그리고, 상기 제1수평포트(112)는 상기 제1도파관(110)의 상측면 일부에 위치하여 수평 편파(Horizontal polarization;H-pol.)를 통과시키도록 개구된 부분이다. 이러한 상기 제1수평포트(112)는 후술할 제2도파관(120)과 연통형으로 연결되어 상기 수평 편파를 통과시키게 된다.
상기 공통모드 포트(113)는 상기 제1도파관(110)의 타측면에 위치하여 수직 편파 또는 수평 편파를 통과시키는 부분이다.
여기서, 상기 제1도파관(110)이 사다리꼴 형태의 종단면을 가지는 것에 따르면, 타측의 공통모드 포트(113)의 입구는 일측의 수직포트(111)의 입구에 비해 큰사이즈를 갖게 된다. 이러한 공통모드 포트(113)에는 수직 편파 또는 수평 편파 신호의 송수신을 위한 혼 안테나(Horn Antenna)(200)가 연결된다. 이러한 혼 안테나(200)는 서로 다른 2종의 선형 편파를 하나의 안테나로 동작 가능하게 하는 부분이다. 또한, 상기 공통모드 포트(113)에 비해 작은 크기의 입구를 갖는 상기 수직포트(111)는 이와 연결될 표준 어댑터(300a)와 입구 사이즈가 일치하게 된다.
상기 제2도파관(120)은 상기 제1수평포트(112)를 통하여 상기 제1도파관(110)과 연통된다. 즉, 제2도파관(120)은 상기 제1도파관(110)의 상측면에 면밀착되고, 상측면에는 수평 편파를 통과시키도록 개구된 제2수평포트(121)를 형성하며, 하측면은 상기 제1수평포트(112)와 연통된다.
상기 제2도파관(120)의 길이는 상기 제1도파관(110)의 길이보다 작으며, 상기 제2도파관(120)의 폭(W)은 상기 제1도파관(110)의 폭보다 좁게 형성된다. 상기의 좁은 폭(W)은 추후 표준 어댑터(300b)와의 입구 사이즈를 맞추기 위함이다. 이러한 제1도파관(110)과 제2도파관(120)의 결합에 따라 상기 직교모드 변환기(100)는 대략 역 'T'자 형태를 갖는다.
이러한 제2도파관(120)에서 상기 수평 편파의 방향 또한 도 4에 도시된 화살표 부분을 참조한다. 상기 제2수평포트(121)를 통해 유입된 수평 편파는 공통모드 포트(113)로 전달된다. 반대로, 혼 안테나(200)를 통해 공통모드 포트(113)로 유입된 수평 편파는 제2수평포트(121)로 전달된다.
상기 제1도파관(110)에 구비된 수직포트(111), 그리고 상기 제2도파관(120)에 구비된 제2수평포트(121)에는 각각 수직 편파와 수평 편파를 송수신하는 표준 어댑터(300a,300b)가 연결된다. 이 표준 어댑터(300a,300b)는 각각 두 개의 포트로 이루어지며, 그 중 한 포트는 동축 케이블 연결용 커넥터 형태이고, 다른 포트는 도파관 형태를 갖는다. 물론, 표준 어댑터(300a,300b)에서 도파관 포트 부분이 상기 각 포트(111,121)와 연결된다.
여기서, 상기 표준 어댑터(300a)와 상기 수직포트(111) 사이, 표준 어댑터(300b)와 제2수평포트(121) 사이, 그리고 상기 공통모드 포트(113)와 상기 혼 안테나(200) 사이에는 이들의 연결을 보조하고 체결력을 강화하기 위한 연결부(미도시)가 플랜지(flange) 형태 등으로 사용된다.
입출력 포트의 호환성을 높이기 위해서는 상기 수직포트(111)와 제2수평포트(121)의 도파관 입구 사이즈를 상기 표준 어댑터(300a,300b)의 도파관 입구 사이즈와 맞추어야 한다.
따라서, 본 발명은, 종단면이 사다리꼴 형태를 갖는 제1도파관(110)과, 그 상부에 배치되는 좁은 폭(W)의 제2도파관(120)에 의한 T-형 접합 구조를 이용함에 따라, 일반적인 도파관 T-형 접합 구조와 테이퍼 구조를 상기 사다리꼴 모양의 도파관으로 일체화시킬 수 있다. 이에 따라, 본 발명은 송수신 포트를 위한 별도의 테이퍼 구조가 필요 없으며, 보다 크기가 작고 간단한 구조의 직교모드 변환기를 구현할 수 있는 이점이 있다.
또한, 이에 따라, 각 도파관의 입출력 포트 즉, 수직포트(111), 제1수평포트(112), 제2수평포트(121)는 L-밴드대역 표준 크기 도파관의 포트와 동일한 크기로 설계되어 표준 급전용 어댑터(adaptor)와 직접적인 호환이 가능하다. 다시 말해서, 본 발명은 상기 제1도파관(110)과 제2도파관(120)의 표준화된 입출력 포트 크기를 실현하여, 추가적인 구조 변형 없이도 표준 어댑터와의 호환성을 가진다는 이점이 있다. 또한, 본 발명에 따른 직교모드 변환기(100)의 총 길이는 운용주파수 파장의 약 1.5배(운용주파수=1.26GHz, 총 길이=360mm)를 가지도록 설계될 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 직교모드 변환기의 사시도이다. 이러한 다른 실시예의 직교모드 변환기(100)는 상기 일 실시예의 구성에 더하여 제1금속유도봉(130)과 제2금속유도봉(140)을 포함한다. 각각의 금속유도봉(130,140)은 핀 형태를 갖는다. 이러한 금속유도봉(130,140)의 재질은 전파의 유도 효율이 좋은 다양한 금속 재질이 사용될 수 있다.
상기 제1금속유도봉(130)은 상기 제1도파관(110)의 내부에서 상기 제1도파관(110)의 폭 방향으로 배치된다. 이러한 제1금속유도봉(130)은 상기 공통모드 포트(113)보다 상기 수직포트(111)에 인접한 위치에 설치된다.
이러한 제1금속유도봉(130)은 수평 편파가 상기 수직포트(111) 측으로 유입되는 것을 차단하는 역할을 한다. 즉, 상기 표준어댑터(300b)를 거쳐서 제2수평포트(121)를 통해 입력된 수평 편파는 상기 제1수평포트(112)를 통과한 다음, 상기 제1금속유도봉(130)에 의해 반사되어 상기 혼 안테나(200)로 출력된다.
이는 상기 수평 편파의 방향과 상기 제1금속유도봉(130)의 배열방향이 상기 제1도파관(110)의 폭 방향과 일치하기 때문이며, 이에 따라 상기 수평 편파는 상기 제1금속유도봉(130)에 의해 수직포트(111) 측으로의 유입이 차단된다.
여기서, 상기 수평 편파가 제2수평포트(121)를 통해 제1도파관(110)의 내부로 유입될 때 실질적으로 제2금속유도봉(140)과 부딪히는 부분은 미미하므로, 제2금속유도봉(140)은 상기 수평 편파의 진행을 직접적으로 간섭하는 요인으로 작용하지 않는다.
반대로, 상기 혼 안테나(200)를 통해 입력된 수평 편파는 상기 제1금속유도봉(130)에 의해 반사되어 상기 제1수평포트(112)를 거쳐 상기 제2수평포트(121)로 출력되고 최종적으로 상기 표준어댑터(300b)로 전달된다. 이 경우 또한 앞서와 동일한 원리에 의해, 상기 제1금속유도봉(130)이 상기 수직포트(111)를 향한 수평 편파의 유입을 차단한다.
여기서, 앞서 설명한 제2도파관(120)의 구조와, 상기 제1도파관(110)의 사다리꼴 형태의 빗면 구조에 따르면, 한 개의 제1금속유도봉(130) 만으로도 상기 수평 편파를 원하는 방향으로 손쉽게 유도할 수 있도록 한다.
상기 제2금속유도봉(140)은 상기 제1수평포트(112)가 이분할되도록 상기 제1수평포트(112) 상에 상기 좌우 길이방향으로 배치된다. 여기서, 상기 제2금속유도봉(140)은, 상기 수직 편파가 상기 제1수평포트(112) 측으로 유입되는 것을 차단한다.
즉, 상기 수직포트(111)를 통해 입력된 수직 편파는, 상기 제2금속유도봉(140)에 의해 상기 제1수평포트(112) 측으로의 유입이 차단되고 상기 혼 안테나(200) 측으로 전파된다.
이는 상기 제2금속유도봉(140)이 상기 제1도파관(110)의 좌우 길이방향으로 배치되어 있고 상기 수직 편파는 상기 좌우 길이방향에 대해 상하 방향으로 형성되어 있어서, 상기 수직 편파가 상기 좌우 길이방향으로 진행할 때 상기 제2금속유도봉(140)에 의해 부딪힘에 따라 상기 제1수평포트(112) 측으로의 전파 유입이 차단된다.
참고로, 상기 수직 편파가 수직포트(111)를 통해 제1도파관(110)의 내부로 유입될 때 실질적으로 제1금속유도봉(130)과 부딪히는 부분은 미미하므로, 제1금속유도봉(130)은 상기 수직 편파의 진행을 직접적으로 간섭하는 요인으로 작용하지 않는다.
이상과 같은 금속유도봉(130,140)은 편파별 도파관 입출력 포트의 전기적 특성을 최적화한다. 여기서, 상기 금속유도봉(130,140)은 그 개수가 많으면 편파 진행시 장애물로 작용하여 신호 전달 성능이 떨어진다. 본 발명은 각각 1개의 금속유도봉 만으로도 수직 편파 및 수평 편파의 전송 효율을 높일 수 있다. 즉, 본 발명은 추가 부품 없이 적은 개수의 금속유도봉 만으로 일반적인 변환기 유형(ex, 도 3의 구조)와 동급의 성능을 구현할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 '사다리꼴 도파관'을 이용한 직교모드 변환기는 동급 직교모드 변환기에 대비하여 부피를 줄일 수 있으며 이와 동시에 구조적인 장점 또한 유지할 수 있다. 또한, 본 발명의 직교모드 변환기(100)의 줄어든 길이(360mm)는 원격탐사 분야에서 지표면의 물리적 변화 탐사 시에 전파 산란계수 측정을 위해 사용되는 전파산란 측정시스템(scatterometer)의 센서부로써 함께 이용될 수 있으며, 또한 직교모드를 이용한 통신장비 등에 폭 넓게 적용될 것으로 기대된다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능한 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
100: 직교모드 변환기 110: 제1도파관
111: 수직포트 112: 제1수평포트
113: 공통모드 포트 120: 제2도파관
121: 제2수평포트 130: 제1금속유도봉
140: 제2금속유도봉 200: 혼 안테나
300: 표준 어댑터

Claims (9)

  1. 일측면에 개구된 수직포트가 형성되며, 타측면에 개구된 공통모드 포트가 형성되고, 상측면의 일부에 개구된 제1수평포트가 형성되며 종단면이 사다리꼴 형상인 제1도파관;
    상기 제1도파관의 상측면에 면밀착되고, 상측면에 개구된 제2수평포트를 형성하며 하측면은 상기 제1수평포트와 연통하는 제2도파관;
    상기 제1도파관의 내부에서 상기 제1도파관의 폭 방향으로 배치되어, 수평 편파가 상기 수직포트 측으로 유입되는 것을 차단하는 제1금속유도봉; 및
    상기 제1수평포트가 이분할되도록 상기 제1수평포트 상에 길이방향으로 배치되는 제2금속유도봉을 포함하는 직교모드 변환기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2도파관의 폭은 상기 제1도파관의 폭보다 좁은 직교모드 변환기.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 공통모드 포트에는 혼 안테나가 연결되고,
    상기 수직포트 및 상기 제2수평포트에는 각각 수직 편파와 수평 편파를 송수신하는 표준 어댑터가 연결되는 직교모드 변환기.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 수직포트는 수직 편파를 통과시키고, 상기 제1수평포트 및 제2수평포트는 수평 편파를 통과시키고, 상기 공통모드 포트는 상기 수직 편파 또는 상기 수평 편파를 통과시키는 직교모드 변환기.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1금속유도봉은,
    상기 공통모드 포트보다 상기 수직포트에 인접한 위치에 설치되는 직교모드 변환기.
  6. 삭제
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 제2수평포트를 통해 입력된 수평 편파는 상기 제1수평포트를 통과하고, 상기 제1금속유도봉에 의해 반사되어 상기 혼 안테나로 출력되고, 상기 혼 안테나를 통해 입력된 수평 편파는 상기 제1금속유도봉에 의해 반사되어 상기 제1수평포트를 거쳐 상기 제2수평포트로 출력되는 직교모드 변환기.
  8. 삭제
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2금속유도봉은,
    수직 편파가 상기 제1수평포트 측으로 유입되는 것을 차단하는 직교모드 변환기.
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