[논문]NRD 도파관에 내장된 구조를 갖는 구형 도파관-NRD 도파관 트랜지션

유영근; 최재하

doi:10.5515/kjkiees.2008.19.4.391

초록
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본 논문에서는 NRD 도파관 내에 표준 도파관에 대한 트랜지션 기능이 내장된 새로운 형태의 구형 도파관-NRD 도파관 트랜지션을 제안하였다. 새롭게 제안된 구형 도파관-NRD 도파관 트랜지션은 NRD 도파관 입출력측의 기구물 벽 두께와 개구부의 폭을 이용하여 구현된다. 벽 두께의 경우, NRD 도파관 관내 파장의 절반(${\lambda}_g/2$)과 거의 동일하며, 개구부의 폭은 NRD 도파관과 체결되는 표준 도파관의 넓은 변의 길이와 거의 일치한다. 이러한 원리는 주파수 대역과 무관하게 적용 가능하며, 본 논문에서는 38 GHz 대역에서 구형 도파관-NRD 도파관 트랜지션을 제작하여 타당성을 확인하였다. 38 GHz 대에서 제작된 구형 도파관-NRD 도파관 트랜지션은 back-to-back 구조에서 0.4 dB 이하의 삽입 손실과 20 dB 이하의 반사 손실을 갖는다.

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In this paper, we proposed the new rectangular waveguide-NRD waveguide transition in which the transition function about the standard waveguide is built in within the NRD waveguide ifself. The newly proposed rectangular waveguide-NRD waveguide transition was realized use of NRD waveguide input/outpu...

In this paper, we proposed the new rectangular waveguide-NRD waveguide transition in which the transition function about the standard waveguide is built in within the NRD waveguide ifself. The newly proposed rectangular waveguide-NRD waveguide transition was realized use of NRD waveguide input/output side wall thickness and hole width. In the case of the wall thickness, it was nearly identical with the half of the NRD waveguide guide wavelength and the width of an hole was nearly coincide with the length of the long side of the standard waveguide connected with the NRD waveguide. This kind of the principles is applicable to be unrelated with the frequency band. In this paper, it made in 38 GHz band with the rectangular waveguide-NRD waveguide transition and the feasibility was confirmed. In the back-to-back structure, the rectangular waveguide-NRD waveguide transition manufactured in 38 GHz band has the insertion loss less than 0.4 dB and also has the return loss less than 20 dB.

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문제 정의

본 논문에서는 그림 2에서와같이 도파관과 체결되는 부분의 NRD 도파관의 기구물 벽면을 이용하여 NRD 도파관 내부에 트랜지션 기능을 내장시킨 특징을 갖는 새로운 트랜지션을 제안하였다.
본 논문에서는 밀리미터파 대의 전송 선로로 활용이 가능하고, 통신 부품 제작에 적합한 구조를 갖고 있는 NRD 도파관에 있어서, 성능 검증 및 다른 통신 부품과의 연결을 위해서 반드시 요구되는 표준도파관과의 트랜지션을 별도로 제작하지 않고, NRD 도파관 내부에 내장하는 새로운 구조의 트랜지 션을제안하고, 구성 원리에 대해 소개하였다.

제안 방법

이러한 문제들을 극복하기 위해 NRD 도파관 입출력 측에 구형 도파관과의 천이 기능이 포함된 새로운 구조의 트랜지션을 제안하게 되었다.
05인 PTFE이다. NRD 도파관의 규격은 Yoneyama 교수가 제시한 치수 범위” 에서 수급 가능한 PTFE 원판의 종류와 가공성 등을 종합적으로 고려하여 높이 3.5 mm, 폭 4 nun로 정하였다. 그림 3에 NRD 도파관의 구조를 나타내었다.
따라서, 식 (1) 로부터 트랜지션을 구성하는 개구부의 폭은 7.1 mm, 벽 두께는 2.7 mm로 결정 하였으며, 이것을 초기값으로 하여 트랜지션 설계를 진행하였다. 설계는 Ansoft HFSS回로 수행하였으며, 그림 4에 시뮬레이션을 위한 back-to-back 모델링 구조를, 그리고 그림 5에 설계 결과를 각각 나타내었다.
식 (1) 로부터 구한 최초 값이 어느 정도 정확한지를 파악하여 오차 범위를 확인하고, 궁긍적으로 이 구조에서 최상의 성능을 갖는 트랜지션을 제작하기 위하여 일정한 범위에서 튜닝을 진행하였다.
가공이 무척 까다로운 편이다. 이 때문에 NRD 도파관의 구조를 원판 구입이 가능한 PTFE로 선정하여(4 mm) 한쪽 단면의 가공이 생략되도록 하였다. 3.
이 때문에 NRD 도파관의 구조를 원판 구입이 가능한 PTFE로 선정하여(4 mm) 한쪽 단면의 가공이 생략되도록 하였다. 3.5 mm 길이로의 절단은 머시닝센터로 이루어졌는데, 치수의 정확성과 일관성 확보를 위해 보조 치공구를 제작하여 가공에 활용하였다. 알루미늄 재질의 기구물은 구조가 매우 단순하고 비교적 치수에 둔감하므로 가공에 따른 특별한 어려움은 없었다.
본 논문에서 제안한 트랜지션을 국내 BWLL 용도인 38~40 GHz 대역에서 사용할 수 있도록 제작하였으며, 측정을 통하여 유효성을 입증하였다

대상 데이터

NRD 도파관 제작 시 사용한 도체 판은 알루미늄이며, 유전체 선로는 £, =2.05인 PTFE이다. NRD 도파관의 규격은 Yoneyama 교수가 제시한 치수 범위” 에서 수급 가능한 PTFE 원판의 종류와 가공성 등을 종합적으로 고려하여 높이 3.
측정은 Anritsu 社의 37397A 네트워크 아날라이저를 이용하여 수행하였다. 그 결과, 그림 12에서와 같이 설계 대역에서 삽입 손실은 0.

데이터처리

7 mm로 결정 하였으며, 이것을 초기값으로 하여 트랜지션 설계를 진행하였다. 설계는 Ansoft HFSS回로 수행하였으며, 그림 4에 시뮬레이션을 위한 back-to-back 모델링 구조를, 그리고 그림 5에 설계 결과를 각각 나타내었다.

성능/효과

트랜지션을 형성하는 개구부의 폭과 벽 두께를 구하는 과정은 쉽지 않았는데, 설계에서부터 제작, 측정에 이르는 과정을 수차례 반복한 결과, 개구부의 폭은 외부에 체결되는 도파관 긴 변의 길이와 거의 일치하고, 벽 두께는 NRD 도파관 관내 파장과 근사적으로 같다는 것을 밝혀내었다. 이를 정리하면 식 (1) 과 같다.
먼저, 가공성을 고려하여 개구부의 폭을 정수 값인 7 mm로 변경 고정한 후 벽 두께에 따른 특성 변화를 해석해 보았는데, 그림 6에서 보인 바와 같이 벽 두께가 2.6~2.8 mm 범위에 있을 때 가장 좋은 특성을 갖는 것으로 나타났다. 벽 두께가 2.
제작상의 문제로 인해 성능이 다소 저하되었다고는 하지만 back-to-back 측정 결과로서 0.4 dB 이하의 삽입 손실과 20 dB 이하의 반사 손실을 보임으로서 개발된 트랜지션의 실용성은 충분히 확보되었다고 생각한다.
이러한 원리를 적용하여 38 GHz 대역에서 트랜지션을 직접 제작하여 타당성을 확인하였는데, 본 논문에서 제시된 수식으로부터 구한 치수에서 4 % 이내에 최종 목표값이 존재하여, 거의 오차 범위 내에서 일치함을 확인하였다.

후속연구

어려웠다. 본 논문에서 제안한 트랜지션을 사용할 경우, 이러한 문제들이 손쉽게 해결될 것으로 기대한다.

참고문헌 (6)

T. Yoneyama, S. Nishida, "Nonradiative dielectric waveguide for millimeter-wave integrated circuits", IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. MTT-29, pp. 1188-1192, 1981
T. Yoneyama, "Nonradiative dielectric waveguide", Infrared and Millimeter Waves, vol. 11, pp. 61-98, 1985
T. Yoneyama, S. Nishida, "Nonradiative dielectric waveguide circuit components, Int. Journal of Infrared and Millimeter Waves, vol. 4, no. 3, pp. 439-449, 1983

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T. Yoneyama, S. Fujita, and S. Nishida, "Insulated nonraditive dielectric waveguide for millimeter-wave integrated circuits", IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. MTT-31, no. 12, pp. 1002-1008, 1983
이재곤, 이정해, "갭 결합된 단향성 유전체 방사체를 적용한 비방사 유전체 로트만 렌즈", 한국전자파학회논문지, 14(12), pp. 1269-1274, 2003년 12월

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Ansoft HFSS ver.8.0

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