KR101482533B1 - 90도 위상 천이기 - Google Patents

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KR101482533B1
KR101482533B1 KR1020130165301A KR20130165301A KR101482533B1 KR 101482533 B1 KR101482533 B1 KR 101482533B1 KR 1020130165301 A KR1020130165301 A KR 1020130165301A KR 20130165301 A KR20130165301 A KR 20130165301A KR 101482533 B1 KR101482533 B1 KR 101482533B1
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circular
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rectangular
waveguide
degree phase
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KR1020130165301A
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정문희
제도흥
김승래
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한국 천문 연구원
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P1/00—Auxiliary devices
    • H01P1/18—Phase-shifters
    • H01P1/182—Waveguide phase-shifters
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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Abstract

본 발명은 90도 위상 천이기에 관한 것으로서, 상기 90도 위상 천이기는 원형의 단면 형상을 갖는 입력 포트, 상기 입력 포트와 연결되고, 원형의 단면 형상을 갖는 제1 원형 도파부, 상기 제1 원형 도파부와 연결되어 있고 사각형의 단면 형상을 갖는 제1 사각형 도파부, 상기 제1 사각형 도파부와 연결되어 있고, 사각형의 단면 형상을 갖고 있으며 입력되는 원형 편파 신호를 구성하는 수평 편파 신호와 수직 평판 신호의 위상차가 설정치를 갖도록 하는 위상 천이부, 상기 위상 천이부와 연결되어 있고 사각형의 단면 형상을 갖는 제2 사각형 도파부, 상기 제2 사각형 도파부와 연결되고, 원형의 단면 형상을 갖는 제2 원형 도파부, 그리고 원형의 단면 형상을 갖는 출력 포트를 포함한다. 이로 인해, 90도 위상 천이기는 네 개의 내부면 중 두 개의 내부면에만 서로 다른 크기를 갖는 돌출부를 이용하여 원형 편파 신호를 서로 직교하는 수평 편파 신호와 수직 편파 신호로 분리하여 90도 위상 천이기의 제조가 용이하다. 또한, 90도 위상 천이기는 원형 도파관 역할을 하는 원형 도파부와 입력 및 출력 포트를 추가하므로, 윈형 도파관을 갖는 다른 장치와의 연결 동작이 용이하게 행해지며, 신호 손실량이 줄어들어 신호의 전송 효율이 향상된다.

Description

90도 위상 천이기{90-DEGREE PHASE SHIFTER}
본 발명은 90도 위상 천이기에 관한 것이다.
위성 탑재 통신 시스템은 우주 궤도에서 인공 위성과 지상국 간에 통신을 하기 위해 인공 위성에 탑재되는 통신 시스템으로서, 인공위성에 탑재하기 위해서는 견고하면서도 무게가 가벼워야 한다. 이로 인해, 위성 탑재 통신 시스템은 단순하고 소형화된 구조를 가져야 한다.
한편, 위성 탑재 통신 시스템은 지상으로의 신호 전달을 용이하게 하기 위해 원형 편파 신호를 사용한다.
특히, VLBI(very long baseline interferometry) 관측은 천체로부터 발생하는 원형 편파 신호를 수신하여 천제의 물리량을 측정하기 위한 것이다. 이때, 원형 편파 신호인 전파 신호의 세기가 미약하기 때문에 매우 낮은 잡음 온도를 갖기 위하여 전파 수신기를 극저온 냉각하게 된다. 밀리미터파 수신기에 사용되는 원형 편파기는 셉텀 편파기(septum polarizer)나 90도 위상 천이기(90 degree phase shifter)와 직교모드 변환기(orthomode transducer, OMT)를 결합하는 방식을 사용한다.
이때, 셉텀 편파기는 제작 방식이 단순하여 위성 통신이나 저주파 VLBI용 전파 수신기에 많이 사용되고 있다.
하지만, 광대역 특성으로 인하여 광대역 이중 원형 편파(dual-circular polarization) 관측이 필요할 경우, 90도 위상 천이기와 직교모드 변환기가 결합된 방식의 원형 편파기가 채용된다.
일반적으로 직교모드 변환기는 광대역에서 동작하므로, 광대역 원형 편파기를 제작하기 위해서는 90도 위상 천이기의 개발이 중요하다.
이때, 도파관을 사용하여 가장 단순하게 제작되는 90도 위상 천이기는 원형 도파관 내부에 유전체를 삽입하는 방식을 이용하는 것이었다.
하지만 이 방식은 협대역이라는 단점을 갖고 있고, 밀리미터파 대역 VLBI 관측용 전파 수신기를 대부분 극저온 냉각을 실시하므로 유전체 변형이 발생하는 문제점이 있었다.
이러한 단점을 극복하기 위해 금속 재질로 이루어진 광대역 특성을 갖는 90도 위상 천이기가 개발되어 왔고, 이러한 90도 위상 천이기는 사각형의 단면 형상을 갖고 있어, 이 90도 위상 천이기의 양 단부에는 사각형 도파관이 연결되어 있다.
하지만, 이 90도 위상 천이기의 입력 측과 출력 측에는 각각 위성 통신 시스템의 안테나[예, 혼 안테나(horn antenna)]로부터 수신된 신호를 전송하는 피드 혼(feed horn)이 연결되고 출력 측에는 서로 직각으로 편파된 두 전자파 성분(즉, 수평 편파 신호와 수직 편파 신호)을 분리하는 장치인 직교모드 변환기(orthomode transducer, OMT)가 연결되다.
하지만, 이들 피드혼과 직교모드 변환기에는 사각형 도파관이 아닌 원형 도파관이 연결되어 있다.
이로 인해 사각형 도파관을 구비한 90도 위상 천이기와 원형 도파관을 구비한 피드혼 및 직교모드 변환기와의 연결을 위해서는 별도의 도파관 어댑터(waveguide adaptor), 즉 한 쪽은 원형 도파관과의 결합을 위한 구조를 갖고 다른 한 쪽은 사각형 도파관과의 결합을 위한 구조를 갖는 도파관 어댑터를 필요로 하는 문제가 발생한다.
또한, 90도 위상 천이기에 사용된 도파관과 이에 연결된 피드 혼 및 직교모드 변환기에 사용된 도파관의 형태가 서로 상이하므로 신호의 임피던스 매칭(impedance matching)이 불량하여 신호 전송에 악영향이 발생한다.
한국 공개특허공보 공개번호 10-2009-0132422(공개일자: 2009년 12월 30일, 발명자: 정진일 외2)
따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 90도 위상 천이기의 연결 구조를 단순화하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 90도 위상 천이기를 이용한 신호 전송 효율과 신호 손실량을 감소시키기 위한 것이다.
본 발명의 한 특징에 따른 90도 위상 천이기는 원형의 단면 형상을 갖는 입력 포트, 상기 입력 포트와 연결되고, 원형의 단면 형상을 갖는 제1 원형 도파부, 상기 제1 원형 도파부와 연결되어 있고 사각형의 단면 형상을 갖는 제1 사각형 도파부, 상기 제1 사각형 도파부와 연결되어 있고, 사각형의 단면 형상을 갖고 있으며 입력되는 원형 편파 신호를 구성하는 수평 편파 신호와 수직 평판 신호의 위상차가 설정치를 갖도록 하는 위상 천이부, 상기 위상 천이부와 연결되어 있고 사각형의 단면 형상을 갖는 제2 사각형 도파부, 상기 제2 사각형 도파부와 연결되고, 원형의 단면 형상을 갖는 제2 원형 도파부, 그리고 원형의 단면 형상을 갖는 출력 포트를 포함한다.
상기 위상 천이부는 네 개의 내부면을 구비하고, 서로 반대편에서 마주보고 있는 두 개의 내부면은 서로 다른 깊이를 갖는 제1 및 제2 주름을 각각 복수 개 포함하는 것이 좋다.
상기 위상 천이부는 길이 방향으로의 중심선을 중심으로 좌우 대칭인 내부면의 구조를 가질 수 있다.
상기 제1 주름의 깊이는 0.156㎜이고 폭은 0.291㎜이고, 상기 제2 주름의 깊이는 0.216㎜이고 폭은 0.251㎜이며, 상기 위상 천이부의 갈이 방향으로 인접한 두 주름 사이의 간격은 0.14㎜일 수 있다.
상기 제1 및 제2 사각형 도파부 각각의 폭은 0.248㎜이고 내부 직경은 2.54㎜이고, 상기 제1 및 제2 원형 도파부 각각의 폭은 0.35㎜이고 내부 직경은 2.84㎜이며, 상기 입력 포트와 상기 출력 포트 각각의 폭은 0.75㎜이고 내부 직경은 2.931㎜일 수 있다.
상기 설정치는 90±3.3도이고, 상기 위상 천이기의 동작 주파수는 85㎓ 내지 115㎓일 수 있다.
이러한 특징에 따르면, 90도 위상 천이기는 네 개의 내부면 중 두 개의 내부면에만 서로 다른 크기를 갖는 돌출부를 이용하여 원형 편파 신호를 서로 직교하는 수평 편파 신호와 수직 편파 신호로 분리하여 90도 위상 천이기의 제조가 용이하다.
또한, 90도 위상 천이기는 원형 도파관 역할을 하는 원형 도파부와 입력 및 출력 포트를 추가하므로, 윈형 도파관을 갖는 다른 장치와의 연결 동작이 용이하게 행해지며, 신호 손실량이 줄어들어 신호의 전송 효율이 향상된다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 90도 위상 천이기의 일부 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시한 90도 위상 천이기를 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선을 따라서 절단한 단면도이다.
도 3은 도 1에 도시한 90도 위상 천이기에 입력 플랜지와 출력 플랜지가 결합된 구조를 도시한 도면이다.
도 4는 도 1에 도시한 90도 위상 천이기에서의 위상차(phase difference)를 측정한 그래프이다.
도 5는 도 1에 도시한 90도 위상 천이기에서 발생한 반사 손실(return loss)을 측정한 그래프이다.
도 6은 도 1에 도시한 90도 위상 천이기에서 발생한 삽입 손실(insertion loss)을 측정한 그래프이다.
도 7은 도 1에 도시한 90도 위상 천이기의 축비(axial ratio)를 측정한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 한 실시예에 따른 90도 위상 천이기에서, 원형 도파부, 사각형 도파부 및 입력 및 출력포트의 치수에 대한 초기값을 산출하기 위한 직사각형 도파관의 일부를 도시한 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 한 실시예에 따른 90도 위상 천이기에 대하여 설명한다.
먼저, 도 1 내지 도 2를 참고로 하여 본 발명의 한 실시예에 따른 90도 위상 천이기의 구조에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1 및 도 2을 참고로 하면, 본 발명의 한 실시예에 따른 90도 위상 천이기(100)는 외부로부터 인가되는 전파 신호인 원형 편파 신호가 입사되는 입력 포트(input port)(111), 입력 포트(111)에 연결되어 있는 입력측 원형 도파부(이하, '제1 원형 도파부'이라 함)(121), 제1 원형 도파부(121)와 연결되어 있는 입력측 사각형 도파부(이하, 제1 사각형 도파부'이라 함)(131), 제1 사각형 도파부(131)와 연결되어 있는 위상 천이부(14), 위상 천이부(14)와 연결되어 있는 출력측 사각형 도파부(이하, '제2 사각형 도파부'이라 함)(132), 제2 사각형 도파부(132)와 연결되어 있는 출력측 원형 도파부(이하, 제2 원형 도파부'이라 함)(122), 그리고 제2 원형 도파부(122)와 연결되어 있는 출력 포트(output port)(112)를 구비한다.
또한, 본 예에 따른 90도 위상 천이기(100)는 도 3에 도시한 것처럼, 입력 포트(111)와 출력 포트(112)에 각각 위치하는 입력 플랜지(input flange)(이하, '제1 플랜지'라 함)(151)와 출력 플랜지(output flange)(이하, '제2 플랜지'라 함)(152)를 구비한다.
도 1 및 도 2에서, 90도 위상 천이기(100)의 외부면은 내부면과 동일하게 요철면을 갖고 있지만, 이와 달리, 도 3과 같이, 90도 위상 천이기(100)의 외부면을 평탄한 평탄면을 가질 수 있고, 이 경우에도 90도 위상 천이가(100)의 내부면을 도 1 및 도 2에 도시한 것처럼, 요철면을 갖는다.
이러한 구조를 갖는 90도 위상 천이기(100)는 서로 다른 구조를 갖는 도파관을 구비하고 있는 도파관으로서, 전파 신호를 수신하여 설정치(대략 90도)의 위상차를 갖는 두 직교 성분의 편파 신호를 출력하기 위한 것이다. 따라서, 90도 위상 천이기(100)의 입력 및 포트(111, 112), 제1 및 제2 원형 도파부(121, 122), 제1 및 제2 사각형 도파부(131, 132) 및 위상 천이부(14)의 내부는 전파 신호의 전송을 위해 비어 있다.
입력 포트(111)는 제1 플랜지(151)를 통해 결합된 전단의 장치(예, 피드 혼)로부터 원형 편파 신호를 수신하여 전송하는 수신기, 예를 들어, 피드 혼(feed horn)(도시하지 않음)과 연결되어 피드 혼으로부터 인가되는 원형 편파 신호를 입력 받는다.
이러한 입력 포트(111)는 도 1 및 도 2에 도시한 것처럼, 후단에 위치한 제1 원형 도파부(121)와 동일하게 원형의 단면 형상을 갖고 있어 제1 원형 도파부(121)와 같은 형상을 갖고 있다.
이로 인해, 입력 포트(111)를 통해 원형 편파 신호는 피드 혼을 거쳐 입력 포트(111)로 인가된다.
이미 설명한 것처럼, 이러한 입력 포트(111)는 제1 원형 도파부(121)와 동일한 형상을 갖고 있으므로, 입력 포트(111)는 원형 도파관의 기능도 수행한다.
제1 원형 도파부(121)는 입력 포트(111)에 연결되고, 이미 설명한 것처럼, 원형의 단면 형상을 갖고 있다.
또한, 제1 사각형 도파부(131)는 제1 원형 도파부(131) 후단에 위치하여 제1 원형 도파부(121)와 연결되어 있고 사각형, 예를 들어, 정사각형의 단면 형상을 갖고 있다.
이러한 제1 원형 도파부(121)와 제1 사각형 도파부(131)는 위상 천이부(14)와의 임피던스 매칭을 실시하는 부분으로서, 리액턴스(reactance)를 변화시켜 원형과 사각형 형상을 갖는 도파부 간의 임피던스 매칭이 이루어지도록 하여 전파 신호의 전송 손실을 감소시킨다.
이처럼, 입력 측에 제1 원형 도파부(121)가 구비되어 있으므로, 원형 도파관을 구비하고 있는 수신기(예, 피드 혼)와 연결될 때, 서로 동일하게 원형의 단면 형상을 갖고 있으므로, 서로 다른 단면 구조로 의한 도파관 어댑터가 불필요하다.
또한, 제1 원형 도파관(121)으로 수신된 전파 신호가 제1 원형 도파부(121)와 다른 구조를 갖는 제1 사각형 도파부(131)로 입사되더라고 이미 제1 원형 도파부(121)와 제1 사각형 도파부(131)는 임피던스 매칭이 행해진 상태이므로, 서로 다른 구조를 갖는 제1 원형 도파부(121)에서 제1 사각형 도파부(131)로의 전파 신호 전송이 행해지더라고 신호 손실량은 크게 감소한다.
위상 천이부(14)는 제1 사각형 도파부(131)와 동일하게 사각형(예, 정사각형)의 단면 형상을 갖고 있고, 내부에 빈 공간을 구비하고 있다.
이때, 위상 천이부(14)는 네 개의 내부면 중 두개의 내부면, 즉 서로 반대편에서 마주보고 있는 두 내부면(예, 상부면과 하부면)에 서로 다른 깊이를 갖는 두 종류의 주름(corrugation) 즉, 돌출부(141, 142)를 구비한다.
이러한 주름(141, 142)에 의해 도파관 역할을 하는 위상 천이부(14)의 내부면의 경계 조건이 변경된다.
따라서, 입력 포트(111)를 통해 입사되어 제1 원형 도파부(121)와 제1 사각형 도파부(131)를 거쳐 위상 천이부(14)로 입사된 원형 편파 신호를 구성하는 수평 편파 신호와 수직 편파 신호의 전파 상수(propagation constant)에 차이가 발생하고, 이로 인해, 서로 직교 성분인 수평 편파 신호와 수직 편파 신호의 두 편파 신호가 위상 천이부(14)를 통과하게 되면 대략 90도의 위상차를 갖게 된다.
이때, 위상 천이부(14)에 의해 발생하는 수평 편파 신호와 수직 편파 신호 간의 위상 차이는 전파 상수의 차이와 위상 천이기(100)의 길이에 따라 달라진다.
따라서, 위상 천이기(100)의 길이, 두 내부면에 형성된 주름(141, 142)의 개수, 형상 및 치수 등은 수평 편파 신호와 수직 편파 신호가 서로 약 90도 위상차를 갖도록 제작된다.
제1 주름(즉, 제1 돌출부)(141)의 깊이 즉, 돌출 높이(D1)는 제2 주름(즉, 제2 돌출부)(142)의 깊이(D2)보다 커, 제1 지름(141)이 위치한 부분의 내부 직경(Φ11) 역시 제2 지름(142)이 위치한 부분의 내부 직경(Φ21)보다 크다.
이와 같이, 2개의 내부면에 제1 및 제2 주름(141, 142)을 구비한 요철면을 갖는 위상 천이부(14)는 위상 천이부(14)의 길이 방향(즉, 연장 방향)으로의 중심선(C1)을 중심으로 위상 천이부(14)의 내부면의 구조는 좌우 대칭인 구조를 갖고 있다.
따라서, 중심선(C1)을 중심으로 좌측에 위치한 좌측부(41)와 중심선(C1)을 중심으로 우측에 위치한 우측부(42)는 중심선(C1)에서부터 제1 주름(141)과 제2 주름(142)이 교대로 위치하고 있다. 이로 인해, 중심선(C1)을 사이에 두고 두 개의 제1 주름(141)이 위치한다.
본 예에서, 좌측부(41)와 우측부(42)에는 각각 6개의 제1 주름(141)과 5개의 제2 주름(142)을 갖고 있고, 한 내부면에 총 12개의 제1 주름(141)과 10개의 제2 주름(142)을 구비한다.
이러한 제1 및 제2 주름(141, 142) 각각은 사각형의 단면 형상을 갖고 있고 위상 천이기(14)의 폭 방향(즉, 길이 방향과 교차하는 방향)으로 뻗어 있는 직사각형의 돌출부이다. 이때, 제1 및 제2 주름(141, 142) 각각은 해당 내부면의 폭 전체를 직선으로 연장하면서 형성되어 있다.
제1 주름(141)의 폭(W1)과 제2 주름(142)의 폭(W2)은 서로 동일하며, 한 예로, 0.29㎜일 수 있다.
또한, 위상 천이부(14)의 길이 방향(즉, 연장 방향)으로 인접하게 위치한 두 주름(141와 142, 또는 141와 141) 사이의 간격(I1)은 약 0.140㎜일 수 있다.
이미 설명한 것처럼, 제1 및 제2 주름(141, 142)을 이용하여 위상 천이부(14)의 내부면의 형태(즉, 내부면의 조건)을 변경하여 수평 편파 신호와 수직 편파 신호의 위상차가 90도가 발생하도록 하며, 4개의 내부면 중 2개의 내부면에만 주름 형상을 설계하므로, 위상 천이부(14)의 제조가 용이하다.
더욱이, 서로 다른 형태의 두 가지 주름(141, 142)을 이용하여 두 편파 신호에 대한 90도 위상차를 발생시키므로 광대역 특성을 갖는 90도 위상 천이기의 제작이 이루어진다.
제2 사각형 도파부(132)와 제2 원형 도파부(122)는 이미 설명한 제1 사각형 도파부(131)와 제1 원형 도파부(121)와 각각 동일하여, 그 구조와 기능이 동일하다.
이처럼, 정사각형의 도파관 역할을 하는 위상 천이부(14)를 통과하여 나온 전파 신호는 동일한 정사각형 도파관인 제2 사각형 도파부(132)로 전송되고, 이 제2 사각형 도파부(132)와 임피던스 매칭이 행해진 제1 원형 도파부(122)로 출력된다.
따라서, 서로 다른 형상을 갖는 도파부(132, 122)를 통과하더라도 이미 임피던스 매칭이 행해졌으므로, 임피던스 부정합으로 인한 전파 신호의 손실은 방지된다.
본 예에서, 임피던스 매칭을 위해 원형 도파부(121, 122), 사각형 도파부(131,132) 및 입력 및 출력포트(111, 112)의 각 해당 부분의 치수를 다음과 같다.
먼저, 도 8과 같이 도파관의 내부면에 형성된 주름인 돌출부의 형상이 균일하게 형성된 경우를 이용하여 각 부분의 치수를 산출하기 위한 초기값을 산출한다.
초기값은 다음과 같은 내용에 기초하여 산출한다.
도 7에서, 내부의 크기가 a×b인 직사각형 도파관에 Y축 방향의 내부면에 동일한 형상을 갖는 돌출부(31)가 존재할 경우, Y축 방향의 편파신호에 대하여 TE10 모드의 초월함수 방정식(transcendental equation)은 다음의 [수학식 1]과 같다.
Figure 112013119623965-pat00001
[수학식 1]에서,
Figure 112013119623965-pat00002
이고,
Figure 112013119623965-pat00003
이다.
여기서, λ는 편파신호의 파장이고, βy는 TE10모드의 전파 상수(propagation constant)이며, p,h, ω는 각각 돌출부(31)의 간격, 깊이 및 폭을 의미한다.
[수학식 1]의 방정식을 수치 해석적인 방법을 사용하여 TE10모드의 전파 상수(βy)가 산출된다.
한편, 직교 편파성분인 TE01모드의 전파상수(βx)는 돌출부(31)가 없는 방향이므로 일반적인 직사각형 도파관의 전파상수인
Figure 112013119623965-pat00004
에 의해 산출된다.
따라서, 서로 직교하는 두 편파 신호에 대한 전파상수(βx,βy)가 산출되므로, 다음의 [수학식 2]와 같이, 도파관의 길이(l)을 조정하여 서로 직교하는 두 편파 신호 사이의 90도 위상 차이를 만들어, 원형 도파부(121, 122), 사각형 도파부(131,132) 및 입력 및 출력포트(111, 112)의 내부면에 형성된 각 해당 부분의 치수에 대한 초기값이 산출된다.
Figure 112013119623965-pat00005
하지만, 초기값은 이미 설명한 것처럼, 돌출부(31)가 균일하다는 가정하에 산출된 것이므로, 본 예와 같이 각 해당 부분의 주림이 균일하지 않으므로, 이러한 초기값에 기초하여 3차원 전자장 소프트웨어를 사용하여, 원형 도파부(121, 122), 사각형 도파부(131,132) 및 입력 및 출력포트(111, 112)의 내부면에 형성된 각 해당 부분의 치수에 대한 치수를 산출한다.
제1 및 제2 사각형 도파부(131, 132)의 내부 직경(Φ3)은 각각 2.54㎜이고 폭(W3)은 0.248㎜이고, 제1 및 제2 원형 도파부(121, 122)의 내부 직경(Φ2) 역시 서로 동일하게 2.84㎜이며 폭(W2)은 0.35㎜이며, 입력 포트(111)와 출력 포트(112)의 내부 직경(Φ1) 역시 각각 2.931㎜이고 폭(W1)은 0.75㎜일 수 있다.
그리고 중심선(C1)에서 입력 포트(111)까지의 길이(L11)와 중심선(C1)에서 출력 포트(112)까지의 길이(L12)는 서로 동일하게 6.35㎜로서, 입력 포트(111)에서 출력 포트(112)까지의 전장(L1)은 12.7㎜이다.
또한, 도 1 및 도 2에 도시한 것처럼, 제1 및 제2 사각형 도파부(131, 132)와 인접한 부분에 형성된 주름(143)의 깊이는 제1 또는 제2 사각형 도파부(131, 132) 쪽으로 갈수록 감소하여, 위상 천이부(14)의 내부 직경은 제1 및 제2 사각형 도파부(131 132) 쪽으로 갈수록 증가한다.
이처럼, 위상 천이부(14)의 내부 직경이 선형적으로 감소하므로, 위상 천이부(14)와 제1 및 제2 사각형 도파부(131, 132)와의 임피던스 매칭이 효율적으로 행해지도록 하여, 신호 손실을 감소시킨다.
이러한 구조를 갖는 본 예에 따른 위상 천이부(14)에 의해, 85㎓ 내지 115㎓ 대역의 동작 주파수에서 위상 천이부(14)를 통과한 수평 편파 신호와 수직 편파 신호간 위상차는 90±3.3도이다.
출력 포트(112) 역시 입력 포트(111)와 동일한 구조를 갖고 있고 위상 천이부(14)에서 90도의 위상차를 갖는 두 편파 신호를 후단의 장치(예, 직교모드 변환기)로 출력한다. 따라서, 출력 포트(112) 역시 후단으로의 전파 신호를 출력하는 도파관으로 기능한다.
이처럼, 위상 천이부(14)의 입력 측과 출력 측에 각각 제1 및 제2 원형 도파부(121, 122)가 구비되므로, 원형 도파관을 구비하고 있는 입력측 장치(예, 피드 혼)와 출력측 장치(예, 직교모드 변환기)와의 결합을 위해서 서로 다른 구조(원형 형상과 정사각형 형상)의 양 단부를 갖는 별도의 도파관 어댑터가 불필요하다.
즉, 본 예의 90도 위상 천이기(100)에서, 입력 플랜지(151)와 피드 혼의 출력 측에 부착된 해당 플랜지와의 결합을 실시하고, 또한, 출력 플랜지(152)와 직교모드 변환기의 입력 측에 부착된 해당 플랜지와의 결합이 행해져, 해당 장치와 90도 위상 천이기(100)와의 연결 동작이 행해진다.
제1 및 제2 플랜지(151, 152)는 이미 설명한 것처럼, 입력 포트(111)와 출력 포트(112) 각각의 외부면에서 입력 포트(111)와 출력 포트(112)를 원형으로 에워싸게 형성되어 있어, 대략 가운데 부분에 입력 포트(111)와 출력 포트(112)의 구멍이 노출된다.
따라서, 각 플랜지(151, 12)의 평면 형상은 가운데 부분에 입력 포트(111)와 출력 포트(112)를 구비한 도넛(donut) 형상이고, 주변에 나사 등과 같은 체결 수단과의 결합을 위한 복수의 결합구(51)가 존재한다.
다음, 도 4 내지 도 7을 참고로 하여, 본 예에 따른 90도 위상 천이기(100)의 성능을 살펴본다.
먼저, 도 4에는 본 예에 따른 90도 위상 천이기(100)에서 발생한 수평 편파 신호와 수직 편파 신호 간의 위상차를 측정한 그래프(G11)를 도시한다.
본 예에 따른 90도 위상 천이기(100)에서의 위상차는 VNA(vector network analyzer)를 사용하여 측정하였고, 서로 직교하는 편파 신호의 위상차를 측정하기 위해 90도 위상 천이기(100)와 입력 및 출력 포트(111, 121)에 연결된 원형 도파부(121, 122)를 90도 회전시키면서 S-파리미터(S-parameter)를 측정하였다.
본 예에 따른 동작 주파수(85㎓ 내지 115㎓)는 W-밴드(W-band)를 벗어나므로 110㎓ 내지 115㎓ 대역은 D-밴드(D-band) VNA를 사용하여 측정하였다.
도 4에 도시한 한 것처럼, 90도 위상 천이기(100)의 동작 주파수인 85㎓ 내지 115㎓ 대역에서 측정된 위상차(G11)는 90±3.3도였고, 이러한 위상 차는 시뮬레이션 그래프(G12)와 비교할 때, 큰 차이가 발생하지 않음을 알 수 있었다.
도 5에 도시한 그래프는 임피던스 매칭 정도를 판정하는 반사 손실(return loss)을 측정한 그래프(G21)로서, 본 예에 따른 90도 위상 천이기(100)의 반사 손실은 약 -20dB 이하임을 알 수 있었고, 이러한 수치는 시뮬레이션 그래프(G22)와 유사함을 알 수 있었다.
실제 반사 손실을 측정한 그래프(G21)에는 반사 손실을 측정하기 위해 사용된 도파관 어댑터의 반사 손실을 포함한 값이나, 이 도파관 어댑터에 대한 반사 손실은 일반적으로 20dB 이하이므로 90도 위상 천이기(100)의 반사 손실의 측정에 크게 영향을 미치지 않을 것으로 생각된다.
도 6은 본 예에 따른 90도 위상 천이기(100)의 삽입 손실(insertion loss)를 측정한 그래프(G31)를 도시한다. 이때, 도 6의 다른 그래프(G32)는 시뮬레이션 그래프이다. 측정된 삽입 손실이 0dB 근처인 구간은 삽입 손실을 측정하기 위해 사용된 도파관 어댑터의 삽입 손실을 차감하는 과정에서 VNA의 측정 오차가 포함된 구간으로 추정된다.
마지막으로, 도 7은 본 예에 따른 90도 위상 천이기(100)의 축비(axial ratio)를 측정한 그래프(G41)이다. 이때, 도 7의 그래프(G42)는 시뮬레이션 시 측정된 그래프이다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100: 90도 위상 천이기 111: 입력 포트
112: 출력 포트 121, 122: 원형 도파부
131, 132: 사각형 도파부 14: 위상 천이부
151: 입력 플랜지 152: 출력 플랜지

Claims (6)

  1. 원형의 단면 형상을 갖는 입력 포트,
    상기 입력 포트와 연결되고, 원형의 단면 형상을 갖는 제1 원형 도파부,
    상기 제1 원형 도파부와 연결되어 있고 사각형의 단면 형상을 갖는 제1 사각형 도파부,
    상기 제1 사각형 도파부와 연결되어 있고, 사각형의 단면 형상을 갖고 있으며 입력되는 원형 편파 신호를 구성하는 수평 편파 신호와 수직 평판 신호의 위상차가 설정치를 갖도록 하는 위상 천이부,
    상기 위상 천이부와 연결되어 있고 사각형의 단면 형상을 갖는 제2 사각형 도파부,
    상기 제2 사각형 도파부와 연결되고, 원형의 단면 형상을 갖는 제2 원형 도파부, 그리고
    원형의 단면 형상을 갖는 출력 포트
    를 포함하고,
    상기 위상 천이부는 네 개의 내부면을 구비하고, 서로 반대편에서 마주보고 있는 두 개의 내부면은 서로 다른 깊이를 갖는 제1 및 제2 주름을 각각 복수 개 포함하는
    90도 위상 천이기.
  2. 삭제
  3. 제1항에서,
    상기 위상 천이부는 길이 방향으로의 중심선을 중심으로 좌우 대칭인 내부면의 구조를 갖는 90도 위상 천이기.
  4. 제1항 또는 제3항에서,
    상기 제1 주름의 깊이는 0.156㎜이고 폭은 0.291㎜이고,
    상기 제2 주름의 깊이는 0.216㎜이고 폭은 0.251㎜이며,
    상기 위상 천이부의 갈이 방향으로 인접한 두 주름 사이의 간격은 0.14㎜인
    90도 위상 천이기.
  5. 제4항에서,
    상기 제1 및 제2 사각형 도파부 각각의 폭은 0.248㎜이고 내부 직경은 2.54㎜이고,
    상기 제1 및 제2 원형 도파부 각각의 폭은 0.35㎜이고 내부 직경은 2.84㎜이며,
    상기 입력 포트와 상기 출력 포트 각각의 폭은 0.75㎜이고 내부 직경은 2.931㎜인
    90도 위상 천이기.
  6. 제1항에서,
    상기 설정치는 90±3.3도이고, 상기 위상 천이기의 동작 주파수는 85㎓ 내지 115㎓인 90도 위상 천이기.
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