KR102455537B1 - 도파관 전력 결합기 - Google Patents

도파관 전력 결합기 Download PDF

Info

Publication number
KR102455537B1
KR102455537B1 KR1020210022034A KR20210022034A KR102455537B1 KR 102455537 B1 KR102455537 B1 KR 102455537B1 KR 1020210022034 A KR1020210022034 A KR 1020210022034A KR 20210022034 A KR20210022034 A KR 20210022034A KR 102455537 B1 KR102455537 B1 KR 102455537B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
waveguide
mode
spherical
unit
power
Prior art date
Application number
KR1020210022034A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20220118190A (ko
Inventor
김기철
김영담
정진호
강봉모
김완식
이주영
Original Assignee
국방과학연구소
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 국방과학연구소 filed Critical 국방과학연구소
Priority to KR1020210022034A priority Critical patent/KR102455537B1/ko
Publication of KR20220118190A publication Critical patent/KR20220118190A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102455537B1 publication Critical patent/KR102455537B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P5/00—Coupling devices of the waveguide type
    • H01P5/12—Coupling devices having more than two ports
    • H01P5/16—Conjugate devices, i.e. devices having at least one port decoupled from one other port
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P5/00—Coupling devices of the waveguide type
    • H01P5/04—Coupling devices of the waveguide type with variable factor of coupling

Landscapes

  • Microwave Amplifiers (AREA)

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 도파관 전력 분배기는 제1 방향으로 연장된 높이를 가지고, 기설정된 제1 모드의 전자기파가 상기 제1 방향으로 입력되는 제1 구형(rectangular) 도파관; 및 상기 제1 방향과 수직한 제2 방향으로 분기된 복수의 제2 구형 도파관을 포함하는 다단자 구조를 가지는 방사부;를 포함하고, 상기 방사부는, 상기 제1 방향으로 상기 제1 구형 도파관과 중첩하는 위치에 배치되고, 상기 전자기파를 상기 제1 모드와 수직한 제2 모드로 변환하는 모드 변환부; 상기 제2 모드로 변환된 전자기파를 상기 제2 구형 도파관을 향해 전파하는 모드 전파부; 및 상기 모드 전파부와 인접하고, 상기 복수의 제2 구형 도파관을 포함하는 전력 분배부를 포함한다.

Description

도파관 전력 결합기 {Waveguide power combiner}
본 발명은 도파관 전력 결합기에 관한 것으로, 더 구체적으로는 수직적 모드 변환 방식을 사용하는 도파관 전력 결합기에 관한 것이다.
무선 통신이나 레이다와 같이 높은 출력 전력을 요구하는 다양한 전자 시스템에 있어서 전력 결합기/분배기는 필수적 구성 요소이며, 특정 주파수 신호를 발생, 증폭시키는 반도체 회로 또한 필수적이다. 그런데 주파수가 높아질수록 단일 반도체 회로에서 얻을 수 있는 출력 전력이 작아지는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 여러 개의 반도체 회로에서 발생되는 출력 전력을 결합하는 전력 결합기를 사용하여 고출력 전력을 얻을 수 있으며, 특히 마이크로파 대역의 고주파수 대역에서 이러한 방식을 널리 사용하고 있다. 전력 결합기의 대표적인 예로서 윌킨슨 전력 분배기(Wilkinson power divider)가 있다. 그런데, 이러한 전력 결합기는 결합 개수가 증가할수록 손실이 증가하고 결합 개수가 제한되어 얻을 수 있는 출력 전력에 한계가 있다.
마이크로파 대역의 고주파수 대역에서는 여러 개의 반도체 회로의 전력을 효과적으로 결합하여 고출력을 얻는 방식이 널리 사용되고 있으며, 특히 밀리미터파 대역(약 30 내지 300 GHz)에서는 금속으로 이루어진 구형 도파관 (rectangular waveguide)이 많이 사용되고 있다.
전력 결합기 중 동축선(coaxial cable)을 활용한 전력 결합기의 경우 매우 정밀한 금속 가공이 필요하고 가느다란 동축선의 정밀한 제작이 필요하며 이에 따라 전력 손실이 증가하는 문제점이 있다. 한편, 동축선을 활용하지 않는 구형 또는 원형 도파관을 이용한 전력 결합기의 경우 별도로 모드 변환기 및 원형 도파관을 사용하므로 구조가 복잡하고 크기 및 부피가 큰 문제점이 있다. 특히 밀리미터파 대역과 같은 고주파 대역에서 복잡한 구조를 가지는 대형의 전력 결합기는 제작이 어렵고 전력 손실도 증가하는 문제점이 있다.
이와 관련된 기술로는 대한민국 공개특허공보 제10-2018-0047680호(2018.05.10.) 등이 있다.
제10-2018-0047680호
이러한 문제점을 해결하기 위해, 본 발명의 실시예들은 고주파 대역에서 저손실로 용이하게 고출력 전력을 얻을 수 있는 도파관 전력 결합기를 제공하고자 한다.
또한, 구형 도파관을 사용함으로써 크기 및 부피를 감소시키고, 구조 간소화를 도모할 뿐만 아니라 고출력 전력 증폭이 필요한 다양한 분야에 응용이 가능한 도파관 전력 결합기를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 도파관 전력 분배기는 제1 방향으로 연장된 높이를 가지고, 기설정된 제1 모드의 전자기파가 상기 제1 방향으로 입력되는 제1 구형(rectangular) 도파관; 및 상기 제1 방향과 수직한 제2 방향으로 분기된 복수의 제2 구형 도파관을 포함하는 다단자 구조를 가지는 방사부;를 포함하고, 상기 방사부는, 상기 제1 방향으로 상기 제1 구형 도파관과 중첩하는 위치에 배치되고, 상기 전자기파를 상기 제1 모드와 수직한 제2 모드로 변환하는 모드 변환부; 상기 제2 모드로 변환된 전자기파를 상기 제2 구형 도파관을 향해 전파하는 모드 전파부; 및 상기 모드 전파부와 인접하고, 상기 복수의 제2 구형 도파관을 포함하는 전력 분배부를 포함한다.
상기 모드 전파부는 상기 모드 변환부로부터 퍼져나가는 테이퍼 형태를 가질 수 있다.
상기 모드 전파부는 상기 방사부의 중심선을 기준으로 대칭 구조로 구비되고, 상기 중심선을 기준으로 양 측의 모드 전파부는 소정의 이격 각도를 가질 수 있다.
상기 제2 구형 도파관은 상기 모드 전파부와 인접하는 제1 단으로부터 상기 제1 단과 마주보는 제2 단을 향하여 테이퍼 구조를 가질 수 있다.
상기 모드 변환부는 금속을 포함하고, 상기 제1 방향으로 소정의 높이를 가지는 다각기둥 형태를 가질 수 있다.
상기 모드 전파부는 상기 제2 모드로 변환된 전자기파가 변환된 형태를 유지하면서 전파되도록 하는 가이드 포스트를 포함하고, 상기 가이드 포스트는 상기 방사부의 중심선을 기준으로 대칭으로 배치될 수 있다.
상기 제1 구형 도파관, 상기 제2 구형 도파관 및 상기 모드 전파부가 포함하는 제3 구형 도파관은 금속을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전력 증폭 모듈은 제1-1 구형(rectangular) 도파관 및 제1 방사부를 포함하는 제1 전력 결합기; 및 상기 제1 전력 결합기의 일 측에 배치되고, 제1-2 구형 도파관 및 제2 방사부를 포함하는 제2 전력 결합기;를 포함하고, 상기 제1-1 구형 도파관 및 상기 제1-2 구형 도파관은 제1 방향으로 나란히 배치되고, 상기 제1-1 구형 도파관 및 상기 제1-2 구형 도파관은 상기 제1 방향으로 연장된 높이를 가지며, 상기 제1 방사부 및 상기 제2 방사부는 상기 제1 방향과 수직한 제2 방향으로 분기된 복수의 제2 구형 도파관을 포함하는 다단자 구조를 가지고, 상기 제1-1 구형 도파관을 통해 제1 모드의 전자기파가 입력되고, 상기 전자기파는 상기 제1 방사부 및 상기 제2 방사부를 통과한 후 상기 제1-2 구형 도파관을 통해 출력된다.
상기 제1-1 구형 도파관을 통해 입력된 전자기파는 모드 변환되어 상기 제1 방사부의 복수의 제2 구형 도파관으로 분배된 후, 상기 제2 방사부의 복수의 제2 구형 도파관을 통해 입력되고, 다시 모드 변환되어 상기 제1-2 구형 도파관을 통해 출력될 수 있다.
상기 제1 방사부 및 상기 제2 방사부 각각은, 상기 제1 방향으로 상기 제1-1 구형 도파관 및 상기 제1-2 구형 도파관과 중첩하는 위치에 배치되고, 상기 전자기파를 상기 제1 모드와 수직한 제2 모드로 변환하는 모드 변환부; 상기 제2 모드로 변환된 전자기파를 상기 제2 구형 도파관을 향해 전파하는 모드 전파부; 및 상기 모드 전파부와 인접하고, 상기 복수의 제2 구형 도파관을 포함하는 전력 분배부;를 포함할 수 있다.
상기 모드 전파부는 상기 모드 변환부로부터 퍼져나가는 테이퍼 형태를 가질 수 있다.
상기 모드 전파부는 상기 방사부의 중심선을 기준으로 대칭 구조로 구비되고, 상기 중심선을 기준으로 양 측의 모드 전파부는 소정의 이격 각도를 가질 수 있다.
상기 제2 구형 도파관은 상기 모드 전파부와 인접하는 제1 단으로부터 상기 제1 단과 마주보는 제2 단을 향하여 테이퍼 구조를 가질 수 있다.
상기 제1-1 구형 도파관, 상기 제1-2 구형 도파관, 상기 제2 구형 도파관 및 상기 모드 전파부가 포함하는 제3 구형 도파관은 금속을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 의한 도파관 전력 결합기에 따르면, 고주파 대역에서 전력 손실을 최소화하면서 용이하게 고출력 전력을 얻을 수 있다.
또한, 구형 도파관을 사용함으로써 크기 및 부피를 감소시키고, 구조 간소화를 도모할 뿐만 아니라 고출력 전력 증폭이 필요한 다양한 분야에 응용이 가능한 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 도파관 전력 결합기를 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1의 실시예에 따른 도파관 전력 결합기를 상부면에서 바라본 모습을 도시한 상면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 증폭 모듈을 도시한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 도파관 전력 결합기 내부의 전기장 방향을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 도파관 전력 결합기 내부의 자기장 방향을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 도파관 전력 결합기 내부의 전기장 분포를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 도파관 전력 결합기의 반사손실 및 삽입손실을 설명하기 위한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 도파관 전력 결합기의 격리도를 설명하기 위한 그래프이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명의 효과 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명할 때 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
이하의 실시예에서, 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용되었다. 이하의 실시예에서, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 이하의 실시예에서, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다. 도면에서는 설명의 편의를 위하여 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 예컨대, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 형태는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
이하의 실시예에서, 막, 영역, 구성 요소 등이 연결되었다고 할 때, 막, 영역, 구성 요소들이 직접적으로 연결된 경우뿐만 아니라 막, 영역, 구성요소들 중간에 다른 막, 영역, 구성 요소들이 개재되어 간접적으로 연결된 경우도 포함한다. 예컨대, 본 명세서에서 막, 영역, 구성 요소 등이 전기적으로 연결되었다고 할 때, 막, 영역, 구성 요소 등이 직접 전기적으로 연결된 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 막, 영역, 구성 요소 등이 개재되어 간접적으로 전기적 연결된 경우도 포함한다.
이하, 도 1 및 도 2를 사용하여 본 발명의 일 실시예에 따른 도파관 전력 결합기에 대하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 도파관 전력 결합기를 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1의 실시예에 따른 도파관 전력 결합기를 상부면에서 바라본 모습을 도시한 상면도이다.
도파관 전력 결합기(10)는 제1 구형(rectangular) 도파관(100) 및 상기 제1 구형 도파관과 수직으로 배치되는 방사부(20)를 포함할 수 있다.
제1 구형 도파관(100)은 제1 방향(D1)으로 연장된 높이(h1)를 가지며, 기설정된 제1 모드의 전자기파가 상기 제1 방향(D1)으로 입력될 수 있다. 이하에서는, 상기 제1 방향(D1)을 '수직 방향'으로 지칭할 수 있다. 이와 같이, 제1 구형 도파관(100)은 도파관 전력 결합기(10)에 전자기파를 수직으로 입력하는 역할을 수행하므로 '수직 입력 도파관'으로 명명할 수도 있다. 제1 구형 도파관(100)의 높이(h1)는 다른 전력 결합기와 물리적 체결이 용이하도록 최소화될 수 있다. 일 예로, 상기 높이(h1)는 약 8 mm 내지 약 10 mm 일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 제1 모드는 일 예로 TE10 모드일 수 있다.
제1 구형 도파관(100)의 D2-D3 평면으로 절단한 단면은 사각형일 수 있다. 가로 길이(a) 및 세로 길이(b)는 약 1 mm 내지 약 5 mm 일 수 있고, 특히 가로 길이(a)는 약 1 mm 내지 2 mm, 세로 길이(b)는 약 2 mm 내지 약 3 mm일 수 있다. 일 예로, 가로 길이(a)는 약 1.27mm, 세로 길이(b)는 약 2.54 mm일 수 있으나, 제1 구형 도파관(100)의 단면 사이즈는 이에 한정되지 않는다.
방사부(20)는 상기 제1 방향(D1)과 수직한 제2 방향(D2)으로 분기된 복수의 제2 구형 도파관(400)을 포함하는 다단자 구조를 가질 수 있다. 방사부(20)는 모드 변환부(200), 모드 전파부(300) 및 전력 분배부(40)를 포함할 수 있다.
모드 변환부(200)는 도 2를 참조할 때 제1 방향(D1)에서 바라보았을 때 상기 제1 구형 도파관(100)과 중첩하는 위치에 배치될 수 있다. 다시 말해, 모드 변환부(200)는 도파관 전력 결합기(10)의 무게중심이 위치하는 중심선(c1) 상에 배치될 수 있다. 이러한 배치를 통해 모드 변환부(200)가 제1 구형 도파관을 통해 입력되는 전자기파의 모드를 변환한 후 중심선(c1) 기준 양 쪽으로 균일하게 전파할 수 있는 효과가 있다. 실시예에 따라서 모드 변환부(200)는 복수 개가 배치될 수 있고, 이때 중심선(c1)을 기준으로 대칭으로 배치될 수 있다. 그러나 모드 변환부(200)의 개수 및 배치는 본 도면들에 도시된 바에 한정되지 않고, 전자기파의 모드 변환, 전파를 용이하게 하고 효율성을 높일 수 있는 범위 내에서 다양한 변경 적용이 가능함은 물론이다.
모드 변환부(200)는 상기 제1 구형 도파관(100)을 통해 상기 제1 모드로 입력된 전자기파를 상기 제1 모드와 수직한 제2 모드로 변환할 수 있다. 제2 모드는 수평으로 전파 가능한 모드로서, 제1 모드보다 폭이 넓은 균일장 형태의 TE10 모드일 수 있다. 실시예에 따라서, 제2 모드는 TEn0 형태 또는 다른 형태의 고차 모드(higher order mode)일 수 있다.
모드 변환부(200)는 금속을 포함하고, 상기 제1 방향(D1)으로 소정의 높이(h2)를 가지는 다각기둥 형태일 수 있다. 모드 변환부(200)의 제1 방향(D1)으로 바라본 평면은 다각형일 수 있으며, 일 예로 마름모 등의 사각형, 8각형 등일 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
모드 전파부(300)는 상기 모드 변환부(200)로부터 퍼져나가는 테이퍼 형태를 가질 수 있다. 구체적으로, 모드 전파부(300)는 중심선(c1)으로부터 바깥쪽으로 갈수록 제3 방향(D3)으로의 폭이 더 넓어지는 테이퍼 형태를 가질 수 있다. 제3 방향(D3)은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 제1 방향(D1) 및 제2 방향(D2) 모두와 수직인 방향을 의미한다. 모드 전파부(300)는 방사부(20)의 중심선(c1)을 기준으로 대칭 구조를 가질 수 있으며, 중심선(c1)을 기준으로 양 측의 모드 전파부(300)는 소정의 이격 각도(θ2)를 형성할 수 있다. 상기 이격 각도(θ2)는 0도(˚) 이상 180도 미만일 수 있다. 모드 전파부(300)가 포함하는 도파관도 구형이므로 이를 제3 구형 도파관으로 지칭할 수 있다.
모드 전파부(300)는 상기 제2 모드로 변환된 전자기파를 제2 구형 도파관(400)을 향해 전파할 수 있다.
모드 전파부(300)는 이와 같이 변환된 전자기파가 제2 모드에 따라 변환된 형태를 유지하면서 전파되도록 하는 가이드 포스트(310)를 포함할 수 있다. 또한 가이드 포스트(310)는 후술하는 복수의 제2 구형 도파관들(400) 사이의 격리도를 개선하여, 각 단자들로 전자기파가 정밀하고 효율적으로 분배될 수 있다. 도파관 전력 결합기(10)는 적어도 하나의 가이드 포스트(310)를 구비할 수 있으며, 복수 개로 구비될 때 그 배치는 중심선(c1)을 기준으로 대칭으로 배치될 수 있다. 본 도면에는 가이드 포스트(310)가 일부의 모드 전파부(300) 내에서 일부의 제2 구형 도파관(420, 430, 460, 470)에 대응하는 영역에 대칭으로 위치하는 것을 예시로 도시하였다. 실시예에 따라서, 가이드 포스트(310)는 모드 전파부(300) 내에서 복수의 제2 구형 도파관(400) 각각에 대응하는 부분마다 배치될 수 있다. 그러나 가이드 포스트(310)의 개수 및 배치는 이에 한정되지 않고, 모드 변환된 전자기파가 효율적으로 전파 및 분배될 수 있는 범위 내에서 다양한 변경 적용이 가능하다.
가이드 포스트(310)는 본 발명의 구형 도파관들과 동일하거나 다른 금속을 포함할 수 있다.
전력 분배부(40)는 상기 모드 전파부(300)와 인접하고, 복수의 제2 구형 도파관(400)으로 구성된 다단자 구조를 가질 수 있다. 복수의 제2 구형 도파관(400) 각각은 제1 구형 도파관(100)을 통해 수직 입력된 전자기파에 대한 출력 단자의 역할을 수행할 수 있다. 모드 전파부(300)를 통해 전파된 전자기파는 복수의 제2 구형 도파관(400) 각각으로 분배될 수 있다. 본 명세서에서는, 제2 구형 도파관(400)이 8개의 단자(채널)(410~480)로 구비되는 것을 예시로 들어 설명하나 제2 구형 도파관(400)의 개수는 이에 한정되지 않는다.
제2 구형 도파관(400) 각각의 단면은 사각형일 수 있고, 그 가로 길이(a) 및 세로 길이(b)는 전술한 제1 구형 도파관(100)의 단면의 가로 길이(a) 및 세로 길이(b)와 동일할 수 있다. 상기 단면은 D2-D3 평면에 수직한 평면으로 자른 단면일 수 있다. 그러나 실시예에 따라서, 제2 구형 도파관(400)의 단면 사이즈는 제1 구형 도파관(100)의 단면 사이즈와 다를 수 있음은 물론이다.
일 예로, 복수의 제2 구형 도파관(400)은 본 도면에 도시된 바와 같이 8개로 구비될 수 있으나(410 내지 480), 제2 구형 도파관(200)의 개수는 이에 한정되지 않는다.
제2 구형 도파관(400)의 폭(w1, w2) 및 사이각(θ1, θ2)은 제2 구형 도파관(400)의 개수에 따라 다르게 설계될 수 있다. 이때 제2 구형 도파관(400) 각각의 폭은 모두 다를 수도 있고, 일부는 같을 수도 있다. 상기 폭 및 사이각은 각 제2 구형 도파관(400)마다 동일한 전력이 분배되도록 위상 차이를 고려하여 차등 설계될 수 있다. 상기 제2 구형 도파관(400)의 개수에 따라 도파관 전력 결합기(10)를 통한 출력 전력이 달라질 수 있다. 제2 구형 도파관(400)은 수평 모드로 변환된 전자기파를 수평 전파하여 출력 단자로서 역할을 수행하므로 '수평 출력 도파관'으로 명명할 수도 있다.
제2 구형 도파관(400)은 각각으로 전력 분배된 전자기파가 TE10 모드의 형태로 안정화시키는 역할을 할 수 있다. 제2 구형 도파관(400)은 모드 전파부(300)와 인접하는 제1 단으로부터 상기 제1 단과 마주보는 제2 단을 향하여 테이퍼 형태 또는 역테이퍼 형태를 가질 수 있다. 상기 제2 단은 제2 구형 도파관(400)의 최외각 단일 수 있다. 전술한 폭(w1, w2)는 상기 제1 단에서의 폭을 의미하고, 상기 제2 단에서의 폭(w0)은 구형 도파관의 규격을 구분하는 EIA(Electronic Industries Association) 표준에서 규정하는 표준 도파관 크기일 수 있다. 상기 폭(w0)은 도 1에서 전술한 세로 길이(b)에 대응할 수 있다. 상기 EIA 표준에서 W는 Waveguide, R은 Rectangular를 의미하고 그 뒤의 수치는 구형 도파관의 길이를 인치(inch)로 계산하고 그 수치에 100을 곱한 숫자를 의미하는 단순한 표기법을 가진다. 이를 기반으로 상기 제2 단에서의 폭(w0)은, 일 예로 WR-10 표준 도파관 크기인 2.54 mm 일 수 있다. 제2 구형 도파관(400)의 양 단의 폭은 서로 다를 수 있다. 제2 구형 도파관(400)의 폭은 제1 단으로부터 제2 단으로 갈수록 좁아질 수도 있고, 넓어질 수도 있다.
모드 변환부(200)(의 중심)로부터 제2 구형 도파관(400)의 분기점(bp)까지의 거리를 제1 이격거리(d)라 하고, 모드 변환부(200)(의 중심)로부터 전력 분배부(40)의 제2 단까지의 거리를 제2 이격거리(r)라 한다. 상기 제1 이격거리(d) 및 제2 이격거리(r)는 도파관 전력 결합기(10)의 입력 정합을 결정할 수 있다. 도 2에 도시된 바에 따르면, 제1 이격 거리(d) 중 일 측의 제2 구형 도파관들(450~480) 중 중심 분기점까지의 제1 이격 거리(d1) 및 나머지 분기점들까지의 제1 이격 거리(d2)는 서로 다를 수 있다. 일 예로, 모드 전파부(300)는 d2가 d1보다 큰 테이퍼 형태를 가질 수 있다. 상기 일 측 반대편의 타 측의 제2 구형 도파관들(410~440)에 대하여도 제1 이격거리(d)와 관련하여 동일한 내용이 적용될 수 있다.
도 2에 도시된 바에 따르면, 제2 이격 거리(r) 중 상기 타측의 제2 구형 도파관들(410~440) 각각에 대한 제2 이격 거리는 서로 같을 수도 있고, 서로 다를 수도 있다. 일 예로, 내측의 제2 구형 도파관들(420, 430)에 대응하는 제2 이격거리(r1)는 서로 동일하고, 외측의 제2 구형 도파관들(410, 440)에 대응하는 제2 이격거리(r2)는 서로 동일할 수 있다. r1 및 r2는 서로 다를 수 있고, r2가 r1보다 클 수 있다. 상기 일 측의 제2 구형 도파관들(450~480)에 대하여도 제2 이격거리(r)와 관련하여 동일한 내용이 적용될 수 있다.
인접한 제2 구형 도파관 사이의 각도인 제1 사이각(θ1)은 서로 같을 수도 있고, 서로 다를 수도 있다. 중심선(c1)을 기준으로 양 단의 모드 전파부(300) 사이의 각도인 제2 사이각(θ2)은 제2 구형 도파관(400)의 개수가 증가할수록 작아질 수 있다.
실시예에 따라서, 제2 구형 도파관(400) 각각에는 다른 전력 결합기가 결합되어 출력 단자/채널의 수를 증가시킬 수 있고, 이에 따라 출력 전력을 용이하게 제어할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 증폭 모듈(1000)을 도시한 사시도이다. 이하 전술한 내용과 중복되는 내용은 설명을 간략히 하거나 생략할 수 있다.
도 3을 참조하면, 전력 증폭 모듈(1000)은 도 1 및 도 2에서 전술한 도파관 전력 결합기(10) 두 개를 병렬로 연결하여 제조할 수 있다. 도 3을 기준으로 상부에 배치된 부분이 제1 전력 결합기(11)가 체결되는 제1 결합기(1100), 하부에 배치된 부분이 제2 전력 결합기(12)가 체결되는 제2 결합기(1200)라고 할 때, 제1 전력 결합기(11)는 전력 분배기로서, 제2 전력 결합기(12)는 전력 결합기로서 동작할 수 있다. 이하에서는 제1 전력 결합기(11)의 제1 구형 도파관, 제2 구형 도파관 및 방사부를 제1-1 구형 도파관, 제2-1 구형 도파관 및 제1 방사부로 지칭하고, 제2 전력 결합기(12)의 제1 구형 도파관, 제2 구형 도파관 및 방사부를 제1-2 구형 도파관, 제2-2 구형 도파관 및 제2 방사부로 지칭할 수 있다.
각 전력 결합기(11, 12)는 상기 결합기(1100, 1200) 내부에 배치되어 본 도면에서는 실질적으로 도시되어 있지 않다.
상기 제1 및 제2 결합기(1100, 1200) 각각의 수평 결합부(400a, 400b)에는 전술한 복수의 제2 구형 도파관(수평 출력 도파관)이 체결될 수 있다. 제1 수직 결합부(100a)에는 제1 전력 결합기(11)의 제1-1 구형 도파관(수직 입력 도파관)이 체결되고, 제2 수직 결합부(100b)(본 도면에서는 최하단부에 위치하는 바 도시되지 않았으나 100a와 동일선 상에 위치한다.)에는 제2 전력 결합기(12)의 제1-2 구형 도파관(수직 입력 도파관)이 체결될 수 있다. 제1 수평 결합부(400a)에는 제1 전력 결합기(11)의 복수의 제2-1 구형 도파관(수평 출력 도파관)이 체결되고, 제2 수평 결합부(400b)에는 제2 전력 결합기(12)의 복수의 제2-2 구형 도파관(수평 출력 도파관)이 체결될 수 있다. 본 도면에서는 전면부에 보이는 수평 결합부만을 도시하였으나 후면부에도 전면부와 동일한 개수의 수평 결합부가 위치하는 것은 전술한 바와 같다.
제1-1 구형 도파관 및 제1-2 구형 도파관은 제1 방향(D1)으로 나란히 배치될 수 있다.
상기 제1-1 구형 도파관을 통해 입력된 전자기파는 상기 제1 방사부 및 상기 제2 방사부를 통과한 후 상기 제1-2 구형 도파관을 통해 출력될 수 있다. 일 실시예에 따르면 구체적으로, 본 도면의 전력 증폭 모듈(1000)의 입출력 동작을 설명하면 다음과 같을 수 있다. 제1 모드의 전자기파가 제1 수직 결합부(100a)에 체결된 제1-1 구형 도파관으로 입력된 후, 상기 제1 모드와 수직한 제2 모드로 모드 변환되어 제1 수평 결합부(400a)에 체결된 복수의 제2-1 구형 도파관으로 분배될 수 있다. 이후, 외부의 증폭기(미도시)에 장착되어 증폭된 후, 제2 수평 결합부(400b)에 체결된 복수의 제2-2 구형 도파관으로 입력되어 결합된 후, 다시 모드 변환되어 제2 수직 결합부(100b)로 출력될 수 있다.
이와 같이 두 개의 전력 결합기를 결합하여 전력 증폭 모듈을 사용하는 경우, 단일 전력 결합기(11, 12)가 수직 입력-수평 출력의 구조를 가지므로, 입력 방향과 출력 방향을 나란히 맞추기 위하여 도파관을 구부리지 않아도 되는 장점이 있다. 이에 따라 전력 결합기 간의 결합이 용이하고 도파관의 길이 또한 최소화하여 전체 전력 결합기 시스템의 크기와 부피를 줄여 시스템 간소화를 도모할 수 있다. 또한 전력 손실을 최소화하여 전력 결합 효율 또한 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
본 도면에서는 두 개의 전력 결합기가 결합된 예시를 도시하였으나, 전력 증폭 모듈(1000)에서 결합되어 사용될 수 있는 전력 결합기의 개수는 이에 제한되지 않는다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 도파관 전력 결합기(10) 내부의 전기장 방향을 설명하기 위한 도면이다. 이하의 도파관 전력 결합기(10)는 전술한 것과 동일한 도파관 전력 결합기(10)이므로 세부 구성요소에 대한 도면부호 표기는 생략하였다.
도 4를 참조하면, 제1 구형 도파관(100) 및 방사부(20) 각각의 내부에 전기장 방향 벡터(E1, E2)가 도시되어 있다. 전기장 방향 벡터는 + 단위전하가 받는 전기력의 방향을 나타내는 전기력선의 접선 방향을 나타낸다. 제1 구형 도파관(100) 내부의 전기장 방향 벡터(E1)는 그 내부의 전기장이 수직 입력하므로 D2-D3 평면에 평행한 방향으로 도시되어 있다. 반면, 모드 변환부(200)를 통해 모드 변환된 전기장이 방사부(20)를 통해 전파되므로, 방사부(20) 내부의 전기장 방향 벡터(E2)는 E1과 수직한 방향으로 도시되어 있다. 이를 통해 수직 입력된 TE10 모드의 전자기파가 모드 변환부(200)를 통해 수평 전파 가능한 모드로 변환된 것을 확인할 수 있다. 그리고, 수직 입력된 전자기파가 모드 변환부(200)를 통해 수평 전파 가능한 모드로 변환되고 고차 모드 형태(TEn0)로 전파된 다음 각각의 제2 구형 도파관(400)으로 방사되는 것을 확인할 수 있다. 이는 방사부(20) 내부의 전기장 방향을 보면, D1축 상의 전기장 방향이 서로 다른 것으로 확인할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 도파관 전력 결합기(10) 내부의 자기장 방향을 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, 제1 구형 도파관(100) 및 방사부(20) 각각의 내부에 자기장 방향 벡터(M1, M2)가 도시되어 있다. 자기장 방향 벡터는 도 4에 도시된 전기장 방향 벡터(E1, E2)를 둘러싸는 방향으로 형성된 것을 확인할 수 있다. 제1 구형 도파관(100) 내부의 자기장 방향 벡터(M1)는 D1-D3 평면에 평행한 방향으로 도시되어 있다. 반면, 모드 변환부(200)를 통해 모드 변환된 전기장이 방사부(20)를 통해 전파되므로, 방사부(20) 내부의 자기장 방향 벡터(M2)는 D2-D3 평면에 평행한 방향으로 도시되어 있다. 이를 통해 수직 입력된 전자기파가 모드 변환부(200)를 통해 수평 전파 가능한 모드로 변환된 다음 각각의 제2 구형 도파관(400)으로 방사되는 것을 확인할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 도파관 전력 결합기(10) 내부의 전기장 분포를 설명하기 위한 도면이다.
도 6을 참조하면, 도파관 전력 결합기(10) 내부의 전기장의 크기가 등고선 형태로 도시되어 있다. 전술한 바와 마찬가지로 제1 구형 도파관(100)을 통해 TE10 모드의 수평 전자기파가 입력되고, 모드 변환부(200)를 통해 수직 모드로 변환되고, 모드 전파부(300)에 의해 고차 모드(예컨대 TE40 모드)로 전파될 수 있다. 제1 구형 도파관(100)을 통해 수직 입력된 전자기파가 모드 변환되어 방사부(20)를 통해 수평 전파되면서 그 크기가 감소한 것을 확인할 수 있다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 도파관 전력 결합기의 특성을 설명하기 위한 그래프이다. 도 7 및 도 8은 75 GHz 내지 85 GHz의 고주파 대역에서 예시적으로 8 채널로 설계된 전술한 도파관 전력 결합기(10)의 특성을 측정한 그래프로서, 도 7은 삽입손실(S21, S31) 및 반사손실(S11)을, 도 8은 격리도(S32 내지 S92)를 도시하고 있다.
먼저 도 7을 참조하면, 80 GHz에서 반사손실(S11)은 약 -15dB, 삽입손실(S21, S31)은 약 -9.3dB로 나타난다. 이상적인 8 채널 전력 결합기의 삽입손실이 약 -9.03dB인 것을 고려할 때, 그 손실은 약 0.3dB로 아주 낮아 전력 손실을 최소화할 수 있는 것을 확인할 수 있다.
한편, 삽입손실(S21)은 일 측의 복수의 제2 구형 도파관(410~440) 그룹에 대한 삽입손실이고, 삽입손실(S31)은 타 측의 복수의 제2 구형 도파관(450~480) 그룹에 대한 삽입손실이다. 복수의 제2 구형 도파관(410~480) 각각을 제1 단자 내지 제8 단자라고 할 때, 본 발명의 도파관 전력 결합기(10)의 구조적 대칭성으로 인해 제2, 제5, 제6 및 제9 단자로의 삽입손실(S21)은 서로 같고, 마찬가지로 제3, 제4, 제7 및 제8 단자로의 삽입손실(S31)도 서로 같을 수 있다.
다음 도 8을 참조하면, 전력 분배부(40)가 포함하는 모든 제2 구형 도파관(400) 사이의 격리도(isolation)(S32 내지 S92)는 약 -8 dB 이하의 값을 가져 수평 출력 도파관들 사이의 격리도가 일정 값 이상으로 확보되는 것을 확인할 수 있다. 격리도를 Spq(p≠q, p 및 q는 제2 구형 도파관의 개수보다 작거나 같은 자연수)라 할 때, 제p 단자 및 제q 단자 사이의 격리도를 의미할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 의한 도파관 전력 결합기에 의하면, 수직 입력되는 구형 도파관을 사용함으로써 전자기파의 입출력 동작에서 도파관을 구부리지 않아도 되므로 전체 결합기 시스템의 크기와 부피를 최소화할 수 있고, 도파관 길이 또한 최소화되므로 전력 손실 또한 감소시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 제2 구형 도파관(400)을 8 채널 이상으로 확장시킬 수 있으며, 도파관의 Tee-junction 등을 체결하면 더욱 대용량의 전력 결합도 가능하다.
또한, 본 개시에서는 모드 변환, 전력 분배가 모두 금속 도파관을 통해 이루어지므로 별도의 기판이나 동축선의 장착이 필요없이 금속 가공으로만 도파관 전력 결합기(10)를 제조할 수 있으므로, 제조 및 패키징의 간소화 및 제작 비용을 감소시킬 수 있다. 또한, 기판이나 동축선 등의 별도의 구성 요소로 인한 손실 증가, 허용 전력 한계 저하 등의 문제점이 최소화될 수 있다.
또한, 본 발명은 구형 도파관을 채용하므로 구형 도파관을 사용하는 모든 주파수 대역으로 용이하게 확장이 가능하고, 다단자 구조의 방사형 전력 결합기로서 열방출 성능도 우수하다. 또한, 출력 전력의 결합이 용이하여 대출력 신호를 용이하게 생성할 수 있고 이에 따라 대출력 신호원을 필요로 하는 다양한 응용 분야(예컨대, 통신, 레이다 등)에 용이하게 확장 적용될 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
따라서, 본 발명의 사상은 앞에서 설명된 실시예들에 국한하여 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 또는 이로부터 등가적으로 변경된 모든 범위가 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
10: 도파관 전력 결합기
100: 제1 구형(rectangular) 도파관
20: 방사부
200: 모드 변환부
300: 모드 전파부
310: 가이드 포스트
400, 410~480: 제2 구형 도파관
1000: 전력 증폭 모듈
1100: 제1 결합기
1200: 제2 결합기

Claims (14)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제1-1 구형(rectangular) 도파관 및 제1 방사부를 포함하는 제1 전력 결합기; 및
    상기 제1 전력 결합기의 일 측에 배치되고, 제1-2 구형 도파관 및 제2 방사부를 포함하는 제2 전력 결합기;를 포함하고,
    상기 제1-1 구형 도파관 및 상기 제1-2 구형 도파관은 제1 방향으로 나란히 배치되고, 상기 제1-1 구형 도파관 및 상기 제1-2 구형 도파관은 상기 제1 방향으로 연장된 높이를 가지며,
    상기 제1 방사부 및 상기 제2 방사부는 상기 제1 방향과 수직한 제2 방향으로 분기된 복수의 제2 구형 도파관을 포함하는 다단자 구조를 가지고,
    상기 제1-1 구형 도파관을 통해 제1 모드의 전자기파가 입력되고, 상기 전자기파는 상기 제1 방사부 및 상기 제2 방사부를 통과한 후 상기 제1-2 구형 도파관을 통해 출력되는, 전력 증폭 모듈.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1-1 구형 도파관을 통해 입력된 전자기파는 모드 변환되어 상기 제1 방사부의 복수의 제2 구형 도파관으로 분배된 후, 상기 제2 방사부의 복수의 제2 구형 도파관을 통해 입력되고, 다시 모드 변환되어 상기 제1-2 구형 도파관을 통해 출력되는, 전력 증폭 모듈.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 제1 방사부 및 상기 제2 방사부 각각은,
    상기 제1 방향으로 상기 제1-1 구형 도파관 및 상기 제1-2 구형 도파관과 중첩하는 위치에 배치되고, 상기 전자기파를 상기 제1 모드와 수직한 제2 모드로 변환하는 모드 변환부;
    상기 제2 모드로 변환된 전자기파를 상기 제2 구형 도파관을 향해 전파하는 모드 전파부; 및
    상기 모드 전파부와 인접하고, 상기 복수의 제2 구형 도파관을 포함하는 전력 분배부;를 포함하는, 전력 증폭 모듈.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 모드 전파부는 상기 모드 변환부로부터 퍼져나가는 테이퍼 형태를 가지는, 전력 증폭 모듈.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 모드 전파부는 상기 방사부의 중심선을 기준으로 대칭 구조로 구비되고, 상기 중심선을 기준으로 양 측의 모드 전파부는 소정의 이격 각도를 가지는, 전력 증폭 모듈.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 제2 구형 도파관은 상기 모드 전파부와 인접하는 제1 단으로부터 상기 제1 단과 마주보는 제2 단을 향하여 테이퍼 구조를 가지는, 전력 증폭 모듈.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 제1-1 구형 도파관, 상기 제1-2 구형 도파관, 상기 제2 구형 도파관 및 상기 모드 전파부가 포함하는 제3 구형 도파관은 금속을 포함하는, 전력 증폭 모듈.
KR1020210022034A 2021-02-18 2021-02-18 도파관 전력 결합기 KR102455537B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210022034A KR102455537B1 (ko) 2021-02-18 2021-02-18 도파관 전력 결합기

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210022034A KR102455537B1 (ko) 2021-02-18 2021-02-18 도파관 전력 결합기

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20220118190A KR20220118190A (ko) 2022-08-25
KR102455537B1 true KR102455537B1 (ko) 2022-10-17

Family

ID=83111217

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020210022034A KR102455537B1 (ko) 2021-02-18 2021-02-18 도파관 전력 결합기

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102455537B1 (ko)

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2016040900A (ja) * 2015-03-31 2016-03-24 日本高周波株式会社 導波管型電力合成・分配器

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6242984B1 (en) * 1998-05-18 2001-06-05 Trw Inc. Monolithic 3D radial power combiner and splitter
KR101374632B1 (ko) * 2012-04-03 2014-03-19 국방과학연구소 Ｐｏｓｔ－ｗａｌｌ을 이용한 고출력 전송 도파관 진공포트 장치
KR20180047680A (ko) 2016-11-01 2018-05-10 한국전자통신연구원 초고주파 저손실 전력 분배기/합성기 및 이를 포함하는 전력 증폭기

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2016040900A (ja) * 2015-03-31 2016-03-24 日本高周波株式会社 導波管型電力合成・分配器

Also Published As

Publication number Publication date
KR20220118190A (ko) 2022-08-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8723616B2 (en) Waveguide-microstrip line converter having connection conductors spaced apart by different distances
JP3879548B2 (ja) 導波管形偏分波器
CN101699652B (zh) 对称耦合波导行波功率合成放大器
US11316273B2 (en) Antenna device
CN109478705B (zh) 同轴线-波导管转换器
JPWO2009119298A1 (ja) 導波管電力分配器及びその製造方法
KR100706211B1 (ko) 전송구조 변환장치
JP2011175242A (ja) 導波路
CN107275738B (zh) 基于磁耦合原理的波导-微带功率合成器
US10673117B2 (en) Waveguide circuit
JP2012213146A (ja) 高周波変換回路
KR101563036B1 (ko) 감소된 벌크를 가진 전력 증폭 디바이스
JP2010056920A (ja) 導波管マイクロストリップ線路変換器
KR102455537B1 (ko) 도파관 전력 결합기
WO2017113836A1 (zh) 一种多路高隔离度超宽带波导径向合成器
JP2012256967A (ja) 導波管マイクロストリップ線路変換器
KR101734903B1 (ko) 고효율 결합 특성을 갖는 N-way 고출력 ｒｆ 공간 결합기
US9923258B2 (en) Waveguide combiner apparatus and method
CN107834143B (zh) 一种矩形波导多路等分功率分配器
JP2011199353A (ja) Ｈ面ｔ分岐導波管
KR101713769B1 (ko) 동축 도파관 기반의 공간 전력 결합기
CN109585996A (zh) 基于复合函数曲线脊的翻转式宽带功率合成器
CN101667675A (zh) 一种适用于毫米波功率合成及分配的波导结构
WO2018179148A1 (ja) アンテナ装置
CN220086386U (zh) 具有多级三维馈电网络的波导天线

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant