밀리미터파대역(Ka-대역)탐색기용 고 전력 저 손실 도파관 순환기 개발에 관한 연구 A Study on Development of the High-Power Low-Loss Waveguide Circulator for Ka-band Millimeter-Wave Seeker원문보기
본 논문에서는 유도무기용 탐색기의 송신 시 고 전력 송수신 신호 분리를 위한 Ka-대역 밀리미터파 3-포트 도파관 순환기를 설계, 제작하였으며 상온에서의 S-parameter 시험, 고 전력 시험, 운용 온도 시험을 통해 성능을 검증하였다. 탐색기 안테나와의 인터페이스 설계 및 소형, 경량화를 위한 표준 도파관 높이의 half-size 설계를 적용하였다. 전기적 성능 구현을 위해 시뮬레이션을 통한 구성 부품인 영구자석, 페라이트 최적 형상 설계 및 포트 별 튜닝유전체 적용을 통해 성능을 최적화 하였다. 설계된 도파관 순환기는 중심 주파수 Fc 기준 ${\pm}1000MHz$의 대역에서 -20 dB 이하 반사 손실, 0.5 dB 이하 삽입 손실, -23 dB 이하 분리도 특성을 가지며, 측정 결과는 설계 결과와 유사함을 확인하였다.
본 논문에서는 유도무기용 탐색기의 송신 시 고 전력 송수신 신호 분리를 위한 Ka-대역 밀리미터파 3-포트 도파관 순환기를 설계, 제작하였으며 상온에서의 S-parameter 시험, 고 전력 시험, 운용 온도 시험을 통해 성능을 검증하였다. 탐색기 안테나와의 인터페이스 설계 및 소형, 경량화를 위한 표준 도파관 높이의 half-size 설계를 적용하였다. 전기적 성능 구현을 위해 시뮬레이션을 통한 구성 부품인 영구자석, 페라이트 최적 형상 설계 및 포트 별 튜닝 유전체 적용을 통해 성능을 최적화 하였다. 설계된 도파관 순환기는 중심 주파수 Fc 기준 ${\pm}1000MHz$의 대역에서 -20 dB 이하 반사 손실, 0.5 dB 이하 삽입 손실, -23 dB 이하 분리도 특성을 가지며, 측정 결과는 설계 결과와 유사함을 확인하였다.
In this paper, a 3-port waveguide circulator of Ka-band millimeter-wave for isolation between transmit channel and receive channel at high power transmit mode is designed and fabricated for the seeker of the guided missile and circulator performance is verified through the S-parameter, high power an...
In this paper, a 3-port waveguide circulator of Ka-band millimeter-wave for isolation between transmit channel and receive channel at high power transmit mode is designed and fabricated for the seeker of the guided missile and circulator performance is verified through the S-parameter, high power and operation temperature test. At the configuration design, interface design between a seeker antenna and the circulator is considered and half-height of standard waveguide is applied for minimum and light weight body. The shape of permanent magnet and ferrite is optimized by simulation and tuning dielectrics at each port are placed for the best performance. In Fc(center frequency)${\pm}1000MHz$, designed waveguide circulator has below -20 dB return loss, below 0.5 dB insertion loss and below -23 dB isolation. It is found that circulator characteristics is similar to design results.
In this paper, a 3-port waveguide circulator of Ka-band millimeter-wave for isolation between transmit channel and receive channel at high power transmit mode is designed and fabricated for the seeker of the guided missile and circulator performance is verified through the S-parameter, high power and operation temperature test. At the configuration design, interface design between a seeker antenna and the circulator is considered and half-height of standard waveguide is applied for minimum and light weight body. The shape of permanent magnet and ferrite is optimized by simulation and tuning dielectrics at each port are placed for the best performance. In Fc(center frequency)${\pm}1000MHz$, designed waveguide circulator has below -20 dB return loss, below 0.5 dB insertion loss and below -23 dB isolation. It is found that circulator characteristics is similar to design results.
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문제 정의
본 논문에서는 Ka-대역 밀리미터파 탐색기에 적용 가능한 도파관 순환기에 대해서 설계 후 실제 운용 환경에서 사용 가능 여부 검증시험을 진행하였다. 일반적으로 페라이트가 적용된 탐색기용 도파관 순환기는 고 전력 입력 시 혹은 특정 온도 환경에서 상온 S-parameter 측정 결과와 다른 경향을 보인다.
본 논문에서는 밀리미터파 탐색기에 적용 가능한 Ka-대역의 3-포트 도파관 순환기를 설계하였으며, 고 전력에서의 전기적 성능 구현 설계에 중점을 두었다. 도파관 크기는 Ka-대역에서 동작하는 WR-22을 선정하였으며, 페라이트 및 영구 자석은 원형 형상을 적용하였다.
본 연구에서는 –23 dB 이하 분리도 성능을 가지는 순환기를 정밀 측정하기 위해 WR-22 to WR-28 변환 도파관 및 정합 도파관의 반사 손실 성능이–40dB 이하가 되는 조건에서 진행하였다.
제안 방법
도파관 크기는 Ka-대역에서 동작하는 WR-22을 선정하였으며, 페라이트 및 영구 자석은 원형 형상을 적용하였다.[6] 설계된 형상은 3D EM 시뮬레이터(CST MWS)를 활용하여 각 포트별 반사손실, 삽입 손실, 분리도 특성을 시뮬레이션 검증 후 정밀 제작하였다. 제작된 제품은 키사이트사의 N5244A 회로망 분석기 및 WR-28 도파관 Cal-kit을 사용하여 S-parameter를 측정하여 분석하였다.
그림 6과 같이 도파관 순환기를 정밀 제작하여 N5244A 회로망 분석기 및 WR-28 도파관 Cal-kit을 통해 최종 성능을 그림 7과 같이 각 포트 별로 구성하여 측정하였다.
제작된 제품은 키사이트사의 N5244A 회로망 분석기 및 WR-28 도파관 Cal-kit을 사용하여 S-parameter를 측정하여 분석하였다. 또한 Ka-대역의 수백 W 급 첨두전력을 가지는 송신기를 활용하여 고 전력 시험을 하였으며, 운용 온도 범위에서 순환기 전기적 특성 변화 확인 시험도 진행하였다. 최종적으로 고 전력 및 해당 운용 온도 조건에서 정상 동작함을 확인하여 탐색기 적용성을 검증하였다.
설계된 순환기는 상온에서 -20 dB 이하 반사 손실, 0.5 dB 이하 경로 손실, -23 dB 이하 분리도 특성을 Fc ± 1000MHz의 대역에서 충분히 만족하는 것을 측정을 통하여 확인 하였으며, 실제 운용 환경을 고려하여 고 전력 시험 및 온도 시험도 병행 진행하였다.
순환기 구성품목은 운용 대역폭 내에서 성능을 확보하기 위해 3D EM 시뮬레이터를 활용하여 최적 형상을 설계하였으며, 각 포트별로 신호 인가 시 그림 2와 같은 동작 상태를 확인 할 수 있다.
온도 환경에 따른 전기적 특성 변화 확인을 위해 온도챔버를 활용하여 –30℃, -15℃, 0℃, +25℃, +70℃, +80℃ 에서 순환기 성능을 확인 하였다.
또한 Ka-대역의 수백 W 급 첨두전력을 가지는 송신기를 활용하여 고 전력 시험을 하였으며, 운용 온도 범위에서 순환기 전기적 특성 변화 확인 시험도 진행하였다. 최종적으로 고 전력 및 해당 운용 온도 조건에서 정상 동작함을 확인하여 탐색기 적용성을 검증하였다.
크기는 3.85λ0 × 2.50λ0 × 2.22λ0 로 소형, 경량화 설계하였다.
대상 데이터
본 논문에서는 밀리미터파 탐색기에 적용 가능한 Ka-대역의 3-포트 도파관 순환기를 설계하였으며, 고 전력에서의 전기적 성능 구현 설계에 중점을 두었다. 도파관 크기는 Ka-대역에서 동작하는 WR-22을 선정하였으며, 페라이트 및 영구 자석은 원형 형상을 적용하였다.[6] 설계된 형상은 3D EM 시뮬레이터(CST MWS)를 활용하여 각 포트별 반사손실, 삽입 손실, 분리도 특성을 시뮬레이션 검증 후 정밀 제작하였다.
본 연구의 Ka-대역 도파관 순환기는 그림 1과 같이 안테나와 조립 및 타 구성품과의 연결 인터페이스를 고려하여 세 포트가 90° 간격으로 구성하고 있다.
데이터처리
[6] 설계된 형상은 3D EM 시뮬레이터(CST MWS)를 활용하여 각 포트별 반사손실, 삽입 손실, 분리도 특성을 시뮬레이션 검증 후 정밀 제작하였다. 제작된 제품은 키사이트사의 N5244A 회로망 분석기 및 WR-28 도파관 Cal-kit을 사용하여 S-parameter를 측정하여 분석하였다. 또한 Ka-대역의 수백 W 급 첨두전력을 가지는 송신기를 활용하여 고 전력 시험을 하였으며, 운용 온도 범위에서 순환기 전기적 특성 변화 확인 시험도 진행하였다.
성능/효과
온도 환경에 따른 전기적 특성 변화 확인을 위해 온도챔버를 활용하여 –30℃, -15℃, 0℃, +25℃, +70℃, +80℃ 에서 순환기 성능을 확인 하였다. 고 전력 시험과 동일하게 송신 경로인 포트 1과 포트 2의 삽입 손실 및 포트 1과 포트 3의 분리도 성능을 확인하였으며, 각 단계의 온도에서 순환기 내부에 설정 온도가 전달될 수 있도록 충분한 안정화 시간을 가졌다. 표 2는 각 온도 단계에서 삽입 손실 측정값이며, 표 3은 분리도 결과를 나타낸다.
5 dB 이하 경로 손실, -23 dB 이하 분리도 특성을 Fc ± 1000MHz의 대역에서 충분히 만족하는 것을 측정을 통하여 확인 하였으며, 실제 운용 환경을 고려하여 고 전력 시험 및 온도 시험도 병행 진행하였다. 송신 시 주요 경로 경우에 대해 경로손실 및 분리도 특성을 확인 하였으며, 시험을 통해 설계된 도파관 순환기는 운용 대역에서 수백 W 급 첨두 전력과 운용 온도에서 정상 동작함을 확인 하였다.
시뮬레이션 결과를 통해 중심주파수 Fc 기준 ± 1000MHz의 대역에서 -20 dB 이하 반사 손실, 0.5 dB 이하 삽입 손실 , -23 dB 이하 분리도 특성을 확인하였다.
표 2는 각 온도 단계에서 삽입 손실 측정값이며, 표 3은 분리도 결과를 나타낸다. 시험 결과를 통해 운용 온도 내에서도 순환기 전기적 성능이 설계 범위 안에 들어감을 확인 하였다. 온도 환경시험을 통해 도파관 순환기는 고온에서는 높은 주파수 대역, 저온에서는 낮은 주파수 대역에서 점차 분리도 성능이 열화 되는 것을 확인할 수 있다.
시험 결과를 통해 운용 온도 내에서도 순환기 전기적 성능이 설계 범위 안에 들어감을 확인 하였다. 온도 환경시험을 통해 도파관 순환기는 고온에서는 높은 주파수 대역, 저온에서는 낮은 주파수 대역에서 점차 분리도 성능이 열화 되는 것을 확인할 수 있다. 설계 시 이 점을 고려하여 충분한 대역폭 특성을 가지도록 순환기를 설계하여야 한다.
측정 결과를 통해 -20 dB 이하 반사 손실, 0.5 dB 이하 경로 손실, -23dB 이하 분리도 특성을 Fc ± 1000MHz의 대역에서 충분히 만족하는 것을 확인 할 수 있다.
표 1은 중심주파수 기준 운용 대역폭에서 최저 주파수(Fmin), 중심 주파수(Fc), 최고 주파수(Fmax) 측정 결과를 정리하였으며, 결과는 삽입 손실 0.5 dB 이하 및 분리도 –23 dB 이하를 만족함을 확인하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
순환기의 역할은?
레이다 시스템에서 전자파 신호의 송수신을 하나의 안테나로 구현하려면 송신 신호와 수신 신호를 분리하여 주는 수동소자인 순환기가 필요하다. 순환기는 송수신신호 분리를 통해 송신 시 수신 채널로 유입되는 전력을 최소화하여 수신기를 보호하는 역할을 한다. 저 전력의마이크로스트립 선로를 활용하는 이동 통신 시스템[1]~[2]의 경우 마이크로스트립 선로를 활용하여 순환기 구현이 가능하지만 표적 탐지를 위해 수백 W 급 이상의 고 전력을 사용하는 레이더 및 유도탄의 탐색기에서는 고 전력에 유리한 도파관 형태의 순환기를 구현하여 적용한다.
레이다 시스템에서 전자파 신호의 송수신을 하나의 안테나로 구할 때 필요한 것은?
레이다 시스템에서 전자파 신호의 송수신을 하나의 안테나로 구현하려면 송신 신호와 수신 신호를 분리하여 주는 수동소자인 순환기가 필요하다. 순환기는 송수신신호 분리를 통해 송신 시 수신 채널로 유입되는 전력을 최소화하여 수신기를 보호하는 역할을 한다.
분리도 성능이 정합 포트의 반사손실 특성에 따라 민감하게 변하는 이유는?
특히 분리도 성능이 정합 포트의 반사손실 특성에 따라 민감하게 변한다. 정합 포트의 반사된 신호가 순환 방향의 다음 포트로 그대로 전달되기 때문이다. 본 연구에서는 –23 dB 이하 분리도 성능을 가지는 순환기를 정밀 측정하기 위해 WR-22 to WR-28 변환도파관 및 정합 도파관의 반사 손실 성능이–40dB 이하가 되는 조건에서 진행하였다.
참고문헌 (8)
Hyeon-Cheol Ki, "A Study on Spatial Combining power Amplifiers for Backhaul of 5G cellular systems", JIIBC, pp. 21-26, Aug. 2016. http://dx.doi.org/10.7236/JIIBC.2016.16.4.21
Sung-Min Han, Dea-Soo Im, Kuang-Soo Jung, Chae-Hyun Jung, Chang-Hyun Park, "Development of the high-power waveguide circulator for small Radar", KIMST, pp. 901-902, Nov. 2015.
Juan Castro, Eduardo Rojas, Thomas Weller, Jing Wang, "High-k and low-loss polymer composites with co-fired Nd and Mg-Ca titanates for 3D RF and microwave printed devices: Fabrication and characterization", IEEE WAMICON, pp. 1-5, April. 2015.
M. E. E1-Shandwily, A. A. Kamal, E. A. F. Abdallah, "General field theory treatment of H-plane waveguide junction circulators", IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. MTT-21, pp. 392-403, June. 1973.
D. S. Jun, C. H. Lee, S. S. Lee, T. G., Choy, "Technology trend of circulator," Electronics and Telecommun. Trends, vol. 10, no. 3, pp. 183-189, 1995.
E. K. N. Yung, D. X. Wang, R. S. Chen, "Encyclopedia of RF and Microwave Engineering", NY: Wiley, pp. 1448-1457, 2005.
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