본 논문에서는 Y-junction을 이용한 H-평면 8-way 구형 도파관 전력 분배기를 제안한다. 일반적인 N-way 전력분배기의 경우 T-junction을 이용하여 다단 형태로 구성이 되는데, 출력 포트 간의 간격이 가까운 경우 T-junction 만으로는 공간상의 제약으로 인하여 매칭 특성을 개선할 수 없다. 따라서 이 같은 경우에는 T-junction과 함께 다른 형태의 3포트 junction이 최종 출력단에 사용되어야 하는데, 본 논문에서는 Y-junction이 사용되었다. 제안된 Y-junction은 임피던스 매칭 특성을 향상시키기 위해 테이퍼드-라인 임피던스 변환기와 유도성 iris가 적용되었다. Y-junction을 이용한 8-way 전력 분배기를 제작하여 측정한 결과, 동작 주파수에서 반사 손실 값은 -30.8 dB, 삽입 손실은 약 -9.5 dB로 측정되었다. 또한, 출력 포트 간의 최대 위상차는 약 $1^{\circ}$로 측정되었다. 따라서 제안된 전력 분배기는 배열 안테나의 급전 구조와 같이 입력 전력을 동일한 크기와 위상으로 분기하는데 필요한 다양한 마이크로파 시스템에 적용하는데 있어서 매우 유용할 것으로 판단된다.
본 논문에서는 Y-junction을 이용한 H-평면 8-way 구형 도파관 전력 분배기를 제안한다. 일반적인 N-way 전력분배기의 경우 T-junction을 이용하여 다단 형태로 구성이 되는데, 출력 포트 간의 간격이 가까운 경우 T-junction 만으로는 공간상의 제약으로 인하여 매칭 특성을 개선할 수 없다. 따라서 이 같은 경우에는 T-junction과 함께 다른 형태의 3포트 junction이 최종 출력단에 사용되어야 하는데, 본 논문에서는 Y-junction이 사용되었다. 제안된 Y-junction은 임피던스 매칭 특성을 향상시키기 위해 테이퍼드-라인 임피던스 변환기와 유도성 iris가 적용되었다. Y-junction을 이용한 8-way 전력 분배기를 제작하여 측정한 결과, 동작 주파수에서 반사 손실 값은 -30.8 dB, 삽입 손실은 약 -9.5 dB로 측정되었다. 또한, 출력 포트 간의 최대 위상차는 약 $1^{\circ}$로 측정되었다. 따라서 제안된 전력 분배기는 배열 안테나의 급전 구조와 같이 입력 전력을 동일한 크기와 위상으로 분기하는데 필요한 다양한 마이크로파 시스템에 적용하는데 있어서 매우 유용할 것으로 판단된다.
This paper proposes a H-plane 8-way rectangular waveguide power divider using Y-junction. A general N-way power divider can be composed of multi-stage T-junctions. However, if the distances of output ports are close, the matching characteristic is not improved by using only T-junctions because of sp...
This paper proposes a H-plane 8-way rectangular waveguide power divider using Y-junction. A general N-way power divider can be composed of multi-stage T-junctions. However, if the distances of output ports are close, the matching characteristic is not improved by using only T-junctions because of space limitation. In this case, since other types of 3-port junctions should be used to final output stage, Y-junctions are used with T-junctions in this paper. The proposed Y-junction uses the tapered-line impedance transformer and inductive irises to improve impedance matching characteristic. The 8-way power divider using Y-junction is fabricated and measured. The measured return loss and insertion loss from input port to output port are -30.8 dB and -9.3 dB at operating frequency, respectively. The measured maximum phase difference is about $1^{\circ}$. Therefore, the proposed power divider will be useful to apply to various microwave systems, which need to divide the input power equally, such as feed networks for array antennas.
This paper proposes a H-plane 8-way rectangular waveguide power divider using Y-junction. A general N-way power divider can be composed of multi-stage T-junctions. However, if the distances of output ports are close, the matching characteristic is not improved by using only T-junctions because of space limitation. In this case, since other types of 3-port junctions should be used to final output stage, Y-junctions are used with T-junctions in this paper. The proposed Y-junction uses the tapered-line impedance transformer and inductive irises to improve impedance matching characteristic. The 8-way power divider using Y-junction is fabricated and measured. The measured return loss and insertion loss from input port to output port are -30.8 dB and -9.3 dB at operating frequency, respectively. The measured maximum phase difference is about $1^{\circ}$. Therefore, the proposed power divider will be useful to apply to various microwave systems, which need to divide the input power equally, such as feed networks for array antennas.
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문제 정의
따라서 반사 손실 값을 동작 주파수에서 —50 dB 이하가 되도록 설계하기 위해 iris를 삽입하여 매칭 특성을 개선하도록 한다.
따라서 본 논문에서는 인접한 출력 포트 간의 간격을 가깝게 구성할 수 있는 Y-junction을 제안한다. 일반적으로 Y-junction은 circulator에 적용되는 형상인데, 이를 전력 분배기에 적용할 수 있도록 2-분기 3-포트 junction에 사용되었던 임피던스 변환부를 삽입하였다.
이때, 계단형 임피던스 변환부를 테이퍼드-라인 형태의 임피던스 변환부(taperd-line impedance transformer section)로 대체하여 설계 복잡도를 줄였고, 반사 손실 값을 감소시키기 위해 추가적으로 입력단에 유도성 iris를 삽입하였다. 또한, 기존의 T-junction과 제안된 Y-junction을 함께 이용하여 H-평면 8-way 전력 분배기를 설계 및 제작하여 그 성능을 검증해 보고자 한다.
제안 방법
본 논문에서는 S-band용 T-junction 및 Y-junction 을 설계하고, 이를 통하여 8-way 전력 분배기를 설계 및 제작하였다. 3단으로 구성된 전력 분배기는 최종 출력 포트 간의 간격을 고려하여 1, 2단에는 T-junction, 3단에는 Y-junction이 사용되었고, 각각의 junction은 동작주파수에서 동일 전력을 분기하는 동시에 최소 반사 특징을 갖도록 설계되었다. 최종 설계 및 제작된 8-way 전력분배기는 약 0.
Ⅲ장 및 Ⅳ장에서 설계된 T-junction과 Y-junction 을 이용하여 8-way 전력 분배기를 설계한다. T-junction은 그림 2의 첫 번째와 두 번째 단의 3-포트 junction으로 사용되며, 세 번째 단에는 Y-junction이 사용된다.
이때 T-junction 설계에서도 확인한 바와 같이 iris와 같은 내부 구조를 삽입하는 경우 최소 반사 특성을 갖는 주파수값이 증가하게 된다. 따라서 이러한 특성을 보상하기 위해 l1과 l2 값을 증가시켜 최소 반사 특성이 나타나는 주파수를 동작 주파수로 고정하도록 한다. iris의 폭과 길이에 따른 변화는 그림 7에서 확인할 수 있다.
따라서 도파관은 S-band용 표준 도파관인 WR-284를 사용하였고, 동작 주파수에 해당하는 1파장의 길이는 105 mm로 설정하였다. 또한, 전력 분배기를 배열 안테나 급전 구조로 사용하는 경우 배열 소자는 도파관 혼 안테나가 가장 적합할 것으로 판단되며, 혼 안테나의 배열 간격은 일반적인 배열 간격이 1～2.5파장임을 고려하여 본 논문에서는 1.5파장으로 설정하였다[8],[9]. 이때 배열 소자의 간격은 전력 분배기의 출력 포트 중심 간의 거리와 같다.
표 2는 중심 주파수에서의 격리도 특성을 나타낸 결과이다. 본 논문에서 제안하는 전력분배기는 윌킨슨 전력분배기와 같은 저항성 전력분배기(resistive divider)가 아닌 무손실 전력 분배기(lossless divider)에 해당하므로 각 출력 포트에서 반사된 전력을 제거하는 저항기가 존재하지 않는다[11]. 따라서 물리적인 경로 차가 큰 포트일수록 격리도 값이 작음을 확인할 수 있다.
본 논문에서는 S-band용 T-junction 및 Y-junction 을 설계하고, 이를 통하여 8-way 전력 분배기를 설계 및 제작하였다. 3단으로 구성된 전력 분배기는 최종 출력 포트 간의 간격을 고려하여 1, 2단에는 T-junction, 3단에는 Y-junction이 사용되었고, 각각의 junction은 동작주파수에서 동일 전력을 분기하는 동시에 최소 반사 특징을 갖도록 설계되었다.
일반적으로 Y-junction은 circulator에 적용되는 형상인데, 이를 전력 분배기에 적용할 수 있도록 2-분기 3-포트 junction에 사용되었던 임피던스 변환부를 삽입하였다. 이때, 계단형 임피던스 변환부를 테이퍼드-라인 형태의 임피던스 변환부(taperd-line impedance transformer section)로 대체하여 설계 복잡도를 줄였고, 반사 손실 값을 감소시키기 위해 추가적으로 입력단에 유도성 iris를 삽입하였다. 또한, 기존의 T-junction과 제안된 Y-junction을 함께 이용하여 H-평면 8-way 전력 분배기를 설계 및 제작하여 그 성능을 검증해 보고자 한다.
5파장으로 설정한다. 이후에 기존의 계단형 임피던스 변환부를 테이퍼드-라인 형태의 임피던스 변환부로 대체하여 임피던스 변환부의 설계 변수를 l1과 l2로 설정하고, d, w 값으로 결정되는 iris를 이용하여 매칭 특성을 향상시켰다. 이때 α, β, h와 같은 변수들도 고려할 수 있으나, α의 경우 g 값이 정해지면 l2의 길이에 따라 그 각도가 결정되고, β 또한 l2—l1의 길이에 따라 결정되므로 독립변수로써의 의미를 가지지 못함을 알 수 있다.
제작된 전력분배기의 재질은 전체 무게를 줄이기 위해 구리의 1/3 비중인 알루미늄으로 설정하였다. 전력 분배기의 가로 길이가 1,200 mm, 세로 길이가 700 mm로 매우 크기 때문에 9개의 구성품으로 나누어 각 부분을 플랜지(flange)로 연결할 수 있도록 하였다.
전력 분배기의 동작 주파수는 레이더, 통신 위성, 선형 가속장치 등에 사용되는 S-band로 결정하였다. 따라서 도파관은 S-band용 표준 도파관인 WR-284를 사용하였고, 동작 주파수에 해당하는 1파장의 길이는 105 mm로 설정하였다.
대상 데이터
전력 분배기의 동작 주파수는 레이더, 통신 위성, 선형 가속장치 등에 사용되는 S-band로 결정하였다. 따라서 도파관은 S-band용 표준 도파관인 WR-284를 사용하였고, 동작 주파수에 해당하는 1파장의 길이는 105 mm로 설정하였다. 또한, 전력 분배기를 배열 안테나 급전 구조로 사용하는 경우 배열 소자는 도파관 혼 안테나가 가장 적합할 것으로 판단되며, 혼 안테나의 배열 간격은 일반적인 배열 간격이 1～2.
또한, 90° 굽은 도파관의 경우 원형 곡면 형상을 가지는 굽은 도파관을 사용하였다[1].
05이므로 ls 또는 li 값을 감소시키고, ts 및 ti값을 조절하여 그림 4와 같이 동작 주파수에서 최소 반사 특성을 얻도록 한다. 설계된 변수값은 Rs=10.0 mm, ls=34.7 mm, ts=4.8 mm, Ri=4.7 mm, li=4.7 mm, ti=6.0 mm이다.
이 같은 형태로 전력 분배기를 설계하여 제작된 형상은 그림 9와 같다. 제작된 전력분배기의 재질은 전체 무게를 줄이기 위해 구리의 1/3 비중인 알루미늄으로 설정하였다. 전력 분배기의 가로 길이가 1,200 mm, 세로 길이가 700 mm로 매우 크기 때문에 9개의 구성품으로 나누어 각 부분을 플랜지(flange)로 연결할 수 있도록 하였다.
동작 주파수에서 최소 반사 특성을 얻기 위해 먼저 ls와 li값을 조절한 이후에 세부적인 특성을 맞추기 위해 ts와 ti값을 조절한다. 주파수 축은 동작 주파수를 기준으로 정규화된 주파수 축을 사용하였다. 참고문헌 [5]에서 설명된 것처럼 ls 및 li값이 증가될수록 최소 반사 특성이 나타나는 주파수 값이 증가된다.
이론/모형
이때 세 번째 단의 경우 전력 분배기 출력 포트 간의 간격과 90° 굽은 도파관의 삽입 공간을 고려하면 T-junction을 사용할 수 없기 때문에 새롭게 설계된 Y-junction을 사용하였다. 본 논문에서는 초기 설계치를 기준으로 성능 개선을 위한 상세 설계를 위해 전자기 시뮬레이션 툴인 CST MWS를 사용하였다.
성능/효과
결과적으로 l1=53.7 mm, l2=150 mm로 값이 설정되었을 때에 w=5 mm, d=3 mm인 경우 그림 8과 같이 동작 주파수에서 —58.9 dB로 최소 반사 특성을 보인다.
또한, 출력 위상의 경우 물리적으로 동일한 경로를 가진 병렬 형태의 전력 분배기이므로 동일한 위상이 나타날 것으로 예상되는데, 측정 결과 각 포트 간의 출력 위상의 차이가 1° 이내의 값으로 나타남을 확인하였다.
이론적으로 각 포트의 출력 크기는 중심 주파수에서 —9.0 dB이어야 하는데, 측정 결과 —9.4 dB에서 —9.6 dB 사이로 출력 전력 간의 차이는 약 0.2 dB로 나타났다.
전체적인 그래프는 시뮬레이션 결과와 유사하나, 동작 주파수에서의 반사 손실 값이 시뮬레이션 결과, —38.2 dB, 측정 결과 —30.8 dB로 값의 차이가 나타났는데, 이는 제작된 전력분배기의 경우 시뮬레이션 설계 형상과는 달리 플랜지로 연결이 되었으므로 이로 인한 오차가 반영되었을 것으로 판단된다.
2 dB로 나타났다. 측정된 전력분배 기는 중심 주파수를 중심으로 동일 전력이 분배되도록 설계되었으므로 그 외의 주파수에서는 출력 전력의 차이가 더 크게 나타났는데, 주파수 0.96에서 최대역 0.5 dB까지 나타났다. 시뮬레이션의 경우, 무손실 도체를 이용하여 분석하였으나, 제작품의 경우 알루미늄 재질이므로 이에 따른 도체 손실 및 앞에서도 언급한 플랜지 간에 연결 오차에 의해 약 0.
후속연구
2 dB 이내, 위상 차이는 1° 이내의 특성을 가진다. 따라서 제안된 전력 분배기는 배열 안테나의 급전 구조와 같이 입력 전력을 동일한 크기와 위상으로 분기하는데 필요한 다양한 마이크로파 시스템에 적용하는데 있어서 매우 유용할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
H-평면 도파관 3-포트 junction은 어디에 사용되나?
H-평면 도파관 3-포트 junction은 송수신 채널 분리기와 같은 이중화 장치(duplexing unit) 또는 배열 안테나의 급전 구조 등과 같은 응용 분야에 널리 사용된다[1]～[3]. 특히 배열 안테나의 급전 구조로 사용되는 경우 그림 1과 같이 3-포트 junction을 다단(multi-stage)으로 연결하여 N-way 전력 분배기를 구성할 수 있다.
3-포트 junction의 대표적인 형태는?
특히 배열 안테나의 급전 구조로 사용되는 경우 그림 1과 같이 3-포트 junction을 다단(multi-stage)으로 연결하여 N-way 전력 분배기를 구성할 수 있다. 이때, 이러한 3-포트 junction의 대표적인 형태는 T-junction이며, T-junction의 매칭 특성 개선을 위한 다양한 형태의 연구가 진행되었다[3]～[5].그러나 다단의 N-way 전력 분배기에서 마지막 단의 인접한 출력 포트 간의 간격이 가까워지는 경우에는 T-junction의 형태가 변형됨으로 인하여 T-junction의 반사 특성이 점점 열화된다.
다단의 N-way 전력 분배기에서 마지막 단의 인접한 출력 포트 간의 간격이 가까워지는 경우 T-junction의 반사 특성이 열화되는 것을 극복하기 위한 방안과 한계는?
그러나 다단의 N-way 전력 분배기에서 마지막 단의 인접한 출력 포트 간의 간격이 가까워지는 경우에는 T-junction의 형태가 변형됨으로 인하여 T-junction의 반사 특성이 점점 열화된다. 이러한 문제점을 극복하기 위해 계단형 임피던스 변환부(stepped impedance transformer section)가 삽입된 2-분기 3-포트 junction을 사용할 수 있으나, 이 같은 형태는 대역폭을 증가시키기 위해 계단의 수를 증가시켜야 하는데, 이에 따라 설계 변수 및 설계 복잡도가 증가하게 된다[1],[6]. 또한, 페라이트 봉(ferrite post)을 이용하여 매칭 특성을 향상시킬 수 있는 방법도 제안되었지만, 비용 및 제작 공정의 복잡도가 증가하게 된다[7].
참고문헌 (11)
J. Uher, J. Bornemann, and U. Rosenberg, Waveguide Components for Antenna Feed Systems: Theory and CAD, Artech House, 1993.
이용민, 홍완표, 신철재, 강준길, 나극환, "자계면 T-접합을 이용한 무궁화 III호 위성용 다이플렉서의 설계 및 제작에 관한 연구", 한국전자파학회논문지, 10(4), pp. 582-593, 1999년 8월.
J. Joubert, S. R. Rengarajan, "Design of unequal Hplane waveguide power dividers for array applications", Microwave Journal, vol. 40, pp. 1636-1639, Feb. 1997.
S. -S. Han, S. -Y. Lee, H. -W. Ko, D. -H. Park, and B. -C. Ahn, "Design equations for the H-plane power divider with a circular post in a rectangular waveguide", Journal of the Korean Institute of Electronic Engineering and Science, 4(4), pp. 150-155, Dec. 2004.
J. -H. Bang, S. -M. Hwang, S. -G. Lee, and B. -C. Ahn, "Design formulas for the H-plane septum power divider in a rectangular waveguide", Microwave Opt. Tech. Lett., vol. 37, no. 5, pp. 390-393, Jun. 2003.
J. Dittloff, J. Bornemann, and F. Arndt, "Computer aided design of optimum E- or H-plane N-furcated waveguide power dividers", 17th European Microwave Conference, vol. 1, pp. 181-186, 1987.
S. X. Hu, S. Z. Zhu, "FDTD analysis of H-plane forked T-junction with full-height ferrite of arbitrary shape", China-Japan Joint Microwave Conference, vol. 1, pp. 22-26, 2008.
T. Sehm, A. Lehto, and A. V. Raisanen, "A highgain 58-GHz box-horn array antenna with suppressed grating lobes", IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 47, pp. 1125-1130, 1999.
R. -X. Zhang, Z. -M. Xie, and Q. -X. Chu, "A new horn array feed for parabolic cylindrical reflector antenna", Asia-Pacific in Microwave Conference, vol. 1, pp. 1-4, 2007.
M. Kishihara, I. Ohta, and K. Yamane, "Multi-stage, multi-way microstrip power dividers with broadband properties", Ieice Trans. Electron., vol. E89-C, no. 5, pp. 622-629, 2006.
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