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문제 정의
- free 구조로 설계되어야 한다. 본 논문에서는 20 watt 이상의 RF 운용 전력을 대한 MP free 구조를 갖는 diplexer를 개발하였으며, 이를 위하여 초기 설계 parameter 에서 아래와 같이 tuning 및 변경을 통하여 MP free 구조를 갖는 diplexer 로 제설계하였다. 먼저 diplexer 공진기 길이를 lamda/4 (33.
- Multipactor 방전에 대한 해석 방법 및 시험장 치 개발을 위한 연구를 S 대역 diplexer에 대하여 수행하였다. 본 해석에서는 20 watt의 RF 입력 전력까지 견딜 수 있는 MP free 구조를 갖는 diplexer를 개발하였으며, MP 방전에 대한 해석 방법을 제시하였고, 시험 장치 또한 개발하였다. 본 MP 민감도 해석을 위하여 diplexer에 대하여 FEM(finite element method) 기반의 3D 전자기 해석툴을 사용하였다.
- 검출 방법 등이 있다. 하지만 상기 시험 방법들은 매우 고가 이며, 피 시험 소자의 물리적인 있으며, 따라서 위성 응용을 위한 RF 수동소자는 MP 민감도 시험을 통해 RF 운용 전력에 대한 마진을 확보해야 하며, 본 논문에서는 MP 방전에 대한 민감도 해석 방법을 제안하며, KARI 자체적으로 개발된 MP 민감도 시험 시설을 개발 하여 검증하였다.
제안 방법
- 나타내었다. CW RF 주파수를 사용하여 측정하였으며, MP 발생 예측 전력인 43.13 dBm보다 낮은 입력 전력인 35 dBm부터 시험을 시작하였다. 진공도는 10A-5 mbar에서 수행하였으며, 중분한 venting 시간(약 2시간 이상)을 가진 후 시험을 시작하였다.
- 내부의 원통형 공진기 길이는 각각의 설계 중심 주파수의 lamda/4 의 길이를 가지며 한쪽은 개방형 구조로 되어 있다. Diplexer 설계 및 MP 민감도 해석을 위하여 3D 전자기 해석 방법을 사용하였으며, 그림 2에 downlink 필터에 대한 전계 분포를 나타내었다.
- Diplexer 설계는 G. L. Matthaei와 Edward G. Cristal 의 논문을 참조하여 각각의 공진기 사이의 coupling capacitance(Cm), 공진기와 윗면과의 self capacitance(Cm) 및 공진기 끝단과 필터 벽과의 fringing capacitance(Cf) 등에 대한 초기 값을 계산하였으며 이를 바탕으로 인터디지털 타입으로 필터를 합성하였다[3], [4](그림3 참조).
- MP 민감도 시험을 바탕으로 실제 dip lexer의 동작 특성을 알아보기 위하여 MP 발생 전력의 1dB 아래에서 2시간 동안 aging 시험을 수행 하였으며, 결과는 그림 17 및 18에서 처럼 매우 stable 한 특성을 확인 할 수 있었다.
- Multipactor 방전에 대한 해석 방법 및 시험장 치 개발을 위한 연구를 S 대역 diplexer에 대하여 수행하였다. 본 해석에서는 20 watt의 RF 입력 전력까지 견딜 수 있는 MP free 구조를 갖는 diplexer를 개발하였으며, MP 방전에 대한 해석 방법을 제시하였고, 시험 장치 또한 개발하였다.
- DUT의 이상 유무를 확인하였다. RF 입력전력이 40 watt까지 아무런 변화가 없으며 안정된 특성을 보였으며, 이를 토대로 본 MP 시험은 아래와 같은 조건으로 수행하였다.
- MP 민감도를 해석하기 위해서는 먼저 FXd product 값을 구하여 운용 주파수와 gap distance 에 따른 MP 가 발생하는 RF 입력 threshold voltage를 구한다[3]. 다음으로 실제 3-D field 해석을 통하여 설계된 소자 내부의 critical region에서의 E field 세기를 구하여, 이값과 MP threshold voltage 값의 impedance 혹은 voltage 비인 VMF(Voltage Magnification Factor)값을 찾는다. 마지막으로 이값을 기준으로 multipactor free RF 입력전력을 예측할 수 있다[2], [5], [6], [7].
- 그러므로 종래의 phase nulling system을 적용한 MP 시험 방법은 CW mode의 RF 신호원에 대한 MP 시험에는 그 검출이 용이하지 않으며, MP 발생 전의 phase 변화를 측정하기 불가능하다. 따라서 제안된 MP 민감도 시험 장치는 그림 9 및 10에서처럼 DBM (Doulbe Balanced Mixer) 를 phase detector로 사용한 방법이며, RF 입력신호를 기준신호로 하여 DUT(device under test) 의 반사되는 신호를 coupler 를 통해서 입력받아, MP 발생시 DUT 로부터 반사되어오는 신호의 phase 변화량을 위상검출 장치인 mixer를 사용하여 검출하는 방법이다. DBM을 사용한 MP 시험 방법을 CW mode에 적용할 경우 MP 발생시 그 변화량을 명확하게 확인할 수 있고, CW mode에 대한 phase nulling 시험 방법에서 검출하지 못했던 MP 발생 직전의 미세한 phase 변화량 까지도 검출 가능할 뿐만 아니라, 모든 형태의 RF 소자에 대한 정확한 MP 민감도 시험이 가능하다.
- 또한 DUT 내부에 적절한 자유전자들을 모의하기 위해 electron gun을 사용하여 그림 11처럼 MP 발생이 예측된 critical region에 주사하였으며, 그 에너지 레벨은 낮은 값으로 설정하였다. 자유전자들의 밀도 및 변화량을 측정하기 위해 Faraday cup 으로 전자들을 collection 하여 Keithley 6485 pico-ampere meter를 사용하여 자유전자들의 전류량을 측정하였다.
- 자유전자들의 밀도 및 변화량을 측정하기 위해 Faraday cup 으로 전자들을 collection 하여 Keithley 6485 pico-ampere meter를 사용하여 자유전자들의 전류량을 측정하였다. 또한 시험 시 필요한 RF 입력전력을 만들기 위하여 200watt급 RF power amplifier를 사용하였으며, 각각의 test aid들은 RF 파워에 대해 50 % 이상의 derating 을 갖는 소자들로 구성하였다.
- 또한 실제 MP 민감도 시험전 diplexer를 제작하였으며, 전기적인 기능 시험을 수행 하였다. 제작된 diplexer는 그림 12오} 같이 240X47.
- 본 논문에서는 20 watt 이상의 RF 운용 전력을 대한 MP free 구조를 갖는 diplexer를 개발하였으며, 이를 위하여 초기 설계 parameter 에서 아래와 같이 tuning 및 변경을 통하여 MP free 구조를 갖는 diplexer 로 제설계하였다. 먼저 diplexer 공진기 길이를 lamda/4 (33.63 mm) 길이의 초기값 대비 3.68 mm 더 짧게 하여 2.5 mm의 gap distance를 확보하였으며, 다음으로 짧아진 공진기 길로 인한 Cf 감소에 대한 보상을 위해 공진기 지름을 5 mm로 증가 시켰으며, 전체 cavity 크기를 1.32 mm 증가 시켰다.
- 본 MP 해석에서는 uplink는 운용 RF 전력이 매우 낮으므로 생략하였으며, downlink 필터만 해석하였다. Downlink 필터의 공진기 경우에는 RF 필드 인가시 가장 전계가 강한 부분이 4번째 공진기 끝단과 벽면에 걸림을 알수 있고 (그림2 및 표 1 참조) 이때의 gap distance는 2.
- 시험 전 test aid를 검증하기 위해 MP 시험 setup을 구성하고 각각의 cable 및 passive 소자들의 loss, attenuation 값 등을 check 하였고, LNA 와 같은 소자들의 gain 값을 측정하여 spectrum analyzer의 noise level를 측정하여 시험 장치에 대한 보정을 실시하였다.
- 시험의 정확도를 높이기 위해 실제 MP 시험하기 전 ambient 상태에서 RF 입력을 증가시키면서 DUT의 이상 유무를 확인하였다. RF 입력전력이 40 watt까지 아무런 변화가 없으며 안정된 특성을 보였으며, 이를 토대로 본 MP 시험은 아래와 같은 조건으로 수행하였다.
- 인터디지털 cavity 타입의 대역 통과 필터 2개 (downlink, uplink BPF)로 구성된 diplexer는 그림 1과 같으며 입/출력 전송선로를 이용하여 급전을 하였으며, 0.1 dB ripple 을 갖는 5단 chebyshev 응답 특성을 가지게 필터가 설계 되었다. 이러한 cavity 형태의 diplexer 재질은 은도금 된 알루미늄을 사용하였다.
- 설정하였다. 자유전자들의 밀도 및 변화량을 측정하기 위해 Faraday cup 으로 전자들을 collection 하여 Keithley 6485 pico-ampere meter를 사용하여 자유전자들의 전류량을 측정하였다. 또한 시험 시 필요한 RF 입력전력을 만들기 위하여 200watt급 RF power amplifier를 사용하였으며, 각각의 test aid들은 RF 파워에 대해 50 % 이상의 derating 을 갖는 소자들로 구성하였다.
- 제안된 phase detecting system을 바탕으로 MP 시험 구성을 하였으며, 시험의 정확도를 위하여 phase nulling system, electron current detection 및 RF parameter monitoring 시스템까지 구성 하여 hybrid MP 민감도 시험 장치를 구성하였다.
- 제안된 phase detecting sytem은 그림 10 처럼 RF coupler와 mixer를 DUT 앞단에 사용하며, 기준신호인 CW RF 신호원(Vin)의 phase와 DUT로부터 반사되어 나오는 신호 (Vre) 를 RF coupler를 통하여 주출하여, mixer 를 phase detector 로 사용하여 두 입력신호의 phase 차이만을 DC 출력전압 (Vout) 으로 검출하여 모니터링하는 phase detecting system 이다.
대상 데이터
- 시험 구성 및 시험 방법은 CW mode 시험과 거의 유사하며, 단 RF 입력 신호를 CW 대신 pulse를 사용하였다. CW mode의 시험은 실제 동작 환경과 유사한 상황으로 시험을 수행할 수 있는 장점이 있는 반면 처리할 RF power가 커지면 시험에 사용하는 부품의 내압이 커져야 하는 등의 제약이 있다.
- 1 dB ripple 을 갖는 5단 chebyshev 응답 특성을 가지게 필터가 설계 되었다. 이러한 cavity 형태의 diplexer 재질은 은도금 된 알루미늄을 사용하였다. 내부의 원통형 공진기 길이는 각각의 설계 중심 주파수의 lamda/4 의 길이를 가지며 한쪽은 개방형 구조로 되어 있다.
- 제작된 diplexer는 그림 12오} 같이 240X47.78X15 mm의 크기를 가지고 있으며, S21 는 0.65 dB, VSWR는 1.22 등 모든 전기적인 기능에 대한 검증을 완료 하였다.
이론/모형
- 본 해석에서는 20 watt의 RF 입력 전력까지 견딜 수 있는 MP free 구조를 갖는 diplexer를 개발하였으며, MP 방전에 대한 해석 방법을 제시하였고, 시험 장치 또한 개발하였다. 본 MP 민감도 해석을 위하여 diplexer에 대하여 FEM(finite element method) 기반의 3D 전자기 해석툴을 사용하였다. 이를 통하여 multipactor에 대하여 가장 민감한 부분을 정의하였고 이때의 MP 방전 현상이 나타나지 않는 최대 입력전력 (43.
성능/효과
- CW 모드가 pulse 모드보다 1dB 낮은 RF 입력 전력에 대하여 발생되었으며, 이는 Duty 3% pulse 파형보다 CW mode 시험에서 국부적인 heat dissipaigg 더 많이 발생하여 약 1dB 낮은 RF 입력 전력에서는 을 것이라 추정된다. 즉 dipkever 내부의 국부적인인 열로 인해 자유전자들이 RF 입력건력에 더 쉽게 trap 된다는 사실을 확인 할 수 있었다.
- 따라서 제안된 MP 민감도 시험 장치는 그림 9 및 10에서처럼 DBM (Doulbe Balanced Mixer) 를 phase detector로 사용한 방법이며, RF 입력신호를 기준신호로 하여 DUT(device under test) 의 반사되는 신호를 coupler 를 통해서 입력받아, MP 발생시 DUT 로부터 반사되어오는 신호의 phase 변화량을 위상검출 장치인 mixer를 사용하여 검출하는 방법이다. DBM을 사용한 MP 시험 방법을 CW mode에 적용할 경우 MP 발생시 그 변화량을 명확하게 확인할 수 있고, CW mode에 대한 phase nulling 시험 방법에서 검출하지 못했던 MP 발생 직전의 미세한 phase 변화량 까지도 검출 가능할 뿐만 아니라, 모든 형태의 RF 소자에 대한 정확한 MP 민감도 시험이 가능하다.
- 개발된 hybrid MP 시험 장치는 pulse mode는 물론 CW mode 시험까지 수행 가능하며, 국부적인 MP 발생 현상까지도 검출 가능하다. 또한 개발된 믹서 기반의 phase detecting system과 RF parameter 모니터링 방법으로만 MP 시험 장치를 구현할 경우 매우 경제적으로 구현 가능하다.
- 13 dBm)를 규명하였다. 또한 KARI 자체 개발한 MP 민감도 시험 시설을 개발하였으며, 이를 이용하여 diplexer에 대한 시험을 수행하였으며, 그 결과 CW 모드에서는 43 dBm, 펄스 모드 시험에서는 44 dBm에서 MP가 발생 되었다.
- MP 발생 현상까지도 검출 가능하다. 또한 개발된 믹서 기반의 phase detecting system과 RF parameter 모니터링 방법으로만 MP 시험 장치를 구현할 경우 매우 경제적으로 구현 가능하다.
- 시험 결과는 그림 15와 16과 같이 CW 모드 시보다 약 1dB 높은 44 dBm의 RF 입력 전력에서 MP가 발생됨을 확인 하였다. 특히 그림 15의 elctron current량에서 보는 것처럼 약 40분 30초 부근에서 MP 가 가장 크게 발생되며 그 이후는 2 차 전자가 여전히 방출 되나 RF 입력 전계에 trap 되었다가 다시 풀리는 즉, relaxation 현상이 계속됨을 확인 할 수 있다.
- 본 MP 민감도 해석을 위하여 diplexer에 대하여 FEM(finite element method) 기반의 3D 전자기 해석툴을 사용하였다. 이를 통하여 multipactor에 대하여 가장 민감한 부분을 정의하였고 이때의 MP 방전 현상이 나타나지 않는 최대 입력전력 (43.13 dBm)를 규명하였다. 또한 KARI 자체 개발한 MP 민감도 시험 시설을 개발하였으며, 이를 이용하여 diplexer에 대한 시험을 수행하였으며, 그 결과 CW 모드에서는 43 dBm, 펄스 모드 시험에서는 44 dBm에서 MP가 발생 되었다.
- CW 모드가 pulse 모드보다 1dB 낮은 RF 입력 전력에 대하여 발생되었으며, 이는 Duty 3% pulse 파형보다 CW mode 시험에서 국부적인 heat dissipaigg 더 많이 발생하여 약 1dB 낮은 RF 입력 전력에서는 을 것이라 추정된다. 즉 dipkever 내부의 국부적인인 열로 인해 자유전자들이 RF 입력건력에 더 쉽게 trap 된다는 사실을 확인 할 수 있었다.
- 발생됨을 확인 하였다. 특히 그림 15의 elctron current량에서 보는 것처럼 약 40분 30초 부근에서 MP 가 가장 크게 발생되며 그 이후는 2 차 전자가 여전히 방출 되나 RF 입력 전계에 trap 되었다가 다시 풀리는 즉, relaxation 현상이 계속됨을 확인 할 수 있다.
후속연구
- 본 연구를 통하여 MP 해석 및 시험을 위한 인프라 구축을 완료하였으며, 향후 우주용 RF 수동소자에 대한 MP 민감도 검증을 수행 할 수 있을 것이다
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