본 논문에서는 지상에서 시험 중에 발생한 X-대역 원통형 도파관 캐비티 필터의 방전을 소개하고, 원인 분석을 위하여 수행한 전자장 시뮬레이션 결과와 실제 운용궤도에서의 발생 가능성에 대하여 분석한 내용을 기술하였다. 전자장 시뮬레이션을 위하여 상용 툴(FEST3D)을 이용하여 필터를 모델링하고 대역폭 안팎의 주파수 신호(1 W Continuous Wave)를 입력하면서 필터 내부의 전계를 살펴보았다. 이 결과, 대역폭 중심보다는 가장자리(band edge) 주파수 신호가 입력되었을 때 필터 내부의 튜닝스크류에서 더 강한 전계가 형성되는 것으로 나타났다. 그리고 방전 임계 전력을 산출하여 필터에 실제 입력된 전력과 비교해 본 바, 방전 임계값을 초과하는 전력이 필터에 입력되었고 이에 따라 강한 전계가 발생하고 온도가 급격히 상승하여 전기적인 단락으로 이어진 것으로 파악되었다. 추가적인 분석 결과 이 방전은 실제 운용궤도에서는 발생할 가능성이 낮고, band edge 주파수가 필터에 입력되더라도 멀티팩터(multipactor) 현상은 일어나지 않을 것으로 예측되었다. 지상에서 일어날 수 있는 마이크로파 방전에 대한 대책으로서 band edge 신호 입력을 피하거나 전력 레벨을 낮게 입력하는 방법을 제안하였다.
본 논문에서는 지상에서 시험 중에 발생한 X-대역 원통형 도파관 캐비티 필터의 방전을 소개하고, 원인 분석을 위하여 수행한 전자장 시뮬레이션 결과와 실제 운용궤도에서의 발생 가능성에 대하여 분석한 내용을 기술하였다. 전자장 시뮬레이션을 위하여 상용 툴(FEST3D)을 이용하여 필터를 모델링하고 대역폭 안팎의 주파수 신호(1 W Continuous Wave)를 입력하면서 필터 내부의 전계를 살펴보았다. 이 결과, 대역폭 중심보다는 가장자리(band edge) 주파수 신호가 입력되었을 때 필터 내부의 튜닝 스크류에서 더 강한 전계가 형성되는 것으로 나타났다. 그리고 방전 임계 전력을 산출하여 필터에 실제 입력된 전력과 비교해 본 바, 방전 임계값을 초과하는 전력이 필터에 입력되었고 이에 따라 강한 전계가 발생하고 온도가 급격히 상승하여 전기적인 단락으로 이어진 것으로 파악되었다. 추가적인 분석 결과 이 방전은 실제 운용궤도에서는 발생할 가능성이 낮고, band edge 주파수가 필터에 입력되더라도 멀티팩터(multipactor) 현상은 일어나지 않을 것으로 예측되었다. 지상에서 일어날 수 있는 마이크로파 방전에 대한 대책으로서 band edge 신호 입력을 피하거나 전력 레벨을 낮게 입력하는 방법을 제안하였다.
In this paper, a mircrowave breakdown of X-band circular waveguide cavity filter, which occurred during ground test, was introduced, and electro-magnetic field simulation results to identify a root cause, and the analysis of possibility of its occurrence on orbit operation were presented. Filter mod...
In this paper, a mircrowave breakdown of X-band circular waveguide cavity filter, which occurred during ground test, was introduced, and electro-magnetic field simulation results to identify a root cause, and the analysis of possibility of its occurrence on orbit operation were presented. Filter modeling for simulation was conducted with a commercial tool (FEST3D), and electric fields inside the filter were monitored at the input of 1 W continuous wave. In our observation, strong electric field intensities were monitored on the tuning screws especially at the input of band-edge frequencies. The threshold power levels for the breakdown were also estimated and compared with the input power levels actually injected to the filter. From this estimation, we could figure out that the power exceeding the breakdown threshold was injected to the filter so that strong electric fields were generated and temperature increased high, and this became a root cause of the electrical short. Our further analysis showed that this kind of microwave breakdown is not likely to occur on orbit operation, and multipactor is expected not to occur at the input of band-edge frequencies. As a measure to prevent the microwave breakdown, we suggested to avoid the injection of band-edge frequencies and inject lower power levels to the filter.
In this paper, a mircrowave breakdown of X-band circular waveguide cavity filter, which occurred during ground test, was introduced, and electro-magnetic field simulation results to identify a root cause, and the analysis of possibility of its occurrence on orbit operation were presented. Filter modeling for simulation was conducted with a commercial tool (FEST3D), and electric fields inside the filter were monitored at the input of 1 W continuous wave. In our observation, strong electric field intensities were monitored on the tuning screws especially at the input of band-edge frequencies. The threshold power levels for the breakdown were also estimated and compared with the input power levels actually injected to the filter. From this estimation, we could figure out that the power exceeding the breakdown threshold was injected to the filter so that strong electric fields were generated and temperature increased high, and this became a root cause of the electrical short. Our further analysis showed that this kind of microwave breakdown is not likely to occur on orbit operation, and multipactor is expected not to occur at the input of band-edge frequencies. As a measure to prevent the microwave breakdown, we suggested to avoid the injection of band-edge frequencies and inject lower power levels to the filter.
본 논문에서는 임의의 정지궤도 위성 통신 시스템의 출력단에 구성된 원통형 도파관 캐비티 필터를 대상으로 지상 대기 상태에서 발생한 RF 방전을 소개하고, 원인 파악을 위하여 분석한 내용을 제시한다. 필터의 설계 또는 제작상의 관점보다는 전기적인 관점에서 접근하고 원인을 분석한다.
가설 설정
지상 대기 조건에서 이 필터의 방전이 발생하는 최악의 입력 전력 레벨에 대하여 이론적으로 또는 실험적으로 알려진 바는 없다. 이 필터는 중심 주파수에서 100 W급의 신호를 취급할 수 있는데 지상 대기 환경에서 중심 주파수에서 마이크로파 방전을 일으키는 조건을 100 W, 150 W, 200 W 라고 가정하고 각각의 경우에 대하여 band edge 주파수에서 방전임계값을 산출할 수 있다. 먼저 E1W를 알고 있고 PIN의 전력이 필터에 입력된다고 할 때 최대 전계는 식 (1)을 이용하여 구할 수 있다.
제안 방법
본 논문에서는 커플링 매트릭스(coupling matrix) 해석과 같은 고전적이고 이론적인 방법을 사용하지 않고, 설계가 용이한 상용툴(FEST3D)를 이용하여 4차 이중모드 원통형 도파관 캐비티 필터를 설계한 후 시뮬레이션을 수행하여 전계를 분석한다. 또한, 지상 대기 상태에서 일어난 마이크로파 방전이 정지궤도 운용환경에서 발생하는지의 여부와 필터의 대역폭가장자리(band edge) 주파수 신호가 입력되었을 때 멀티팩터 방전의 발생 여부도 중요한 이슈이므로 이에 대한 분석결과도 제시한다.
일반적으로 도파관에 스큐류와 같이 돌출한 부분을 형성하고 시뮬레이션을 통하여 급전 후 필터 내부의 전계를 살펴보면 돌출부에서의 전계는 다른 부분보다 강하게 나타나는데 이에 착안하여 필터 내부의 전자계를 살펴본다. 본 논문에서는 커플링 매트릭스(coupling matrix) 해석과 같은 고전적이고 이론적인 방법을 사용하지 않고, 설계가 용이한 상용툴(FEST3D)를 이용하여 4차 이중모드 원통형 도파관 캐비티 필터를 설계한 후 시뮬레이션을 수행하여 전계를 분석한다. 또한, 지상 대기 상태에서 일어난 마이크로파 방전이 정지궤도 운용환경에서 발생하는지의 여부와 필터의 대역폭가장자리(band edge) 주파수 신호가 입력되었을 때 멀티팩터 방전의 발생 여부도 중요한 이슈이므로 이에 대한 분석결과도 제시한다.
성능/효과
X-대역 원통형 도파관 캐비티 필터에서 발생한 특이한 방전 현상에 대한 원인을 알아보기 위하여 필터 내부의 전계해석을 수행해 보았고, 이 결과 필터 band edge 주파수 신호가 입력되었을 때 필터 내부의 튜닝 스크류에서 강한 전계가 형성됨으로서 마이크로파 방전의 근본 원인이 될 수 있는 것으로 분석하였다. 그리고 band edge 주파수 입력 시 전계분석을 통하여 대기에서 방전이 일어나는 최소 임계전력을 계산하고 실제 입력된 전력과 비교하여 입력된 전력이 임계 전력을 초과한 것으로 판단할 수 있었다. 또한, 기존 멀티팩터 시험 자료와 band edge에서의 멀티팩터 임계값 분석 결과 지상에서 발생한 마이크로파 방전이 정상궤도에서 발생하지 않을 것이고 band edge 주파수 신호가 통신망(그림 1)으로 입력되어도 멀티팩터로부터 안전한 것으로 나타났다.
그리고 band edge 주파수 입력 시 전계분석을 통하여 대기에서 방전이 일어나는 최소 임계전력을 계산하고 실제 입력된 전력과 비교하여 입력된 전력이 임계 전력을 초과한 것으로 판단할 수 있었다. 또한, 기존 멀티팩터 시험 자료와 band edge에서의 멀티팩터 임계값 분석 결과 지상에서 발생한 마이크로파 방전이 정상궤도에서 발생하지 않을 것이고 band edge 주파수 신호가 통신망(그림 1)으로 입력되어도 멀티팩터로부터 안전한 것으로 나타났다.
지상에서 고전력 필터에 대한 시험 시 band edge 주파수 신호 입력 시 주의가 필요하며 마이크로파 방전 대책으로서 band edge 주파수 입력 회피 또는 전력이 낮은 신호 입력을 제안하였다. 본 논문에서는 원통형 도파관 캐비티 필터를 대상으로 지상 환경에서의 방전을 연구함으로서 지상과 정상임무궤도에서의 고전력 취급 능력을 종합적으로 확인할 수 있었다. 본 연구는 향후 개발되는 유사 필터의 지상 시험 시 마이크로파 방전을 인지하고 이를 방지하는데 참고가 될 것이다.
후속연구
상기 분석 이외에 튜닝 스크류의 길이를 조정하여 전계분석 및 방전 문제의 해결 가능성을 검토한 바 있으나 필터에 요구되는 전기적 성능이 벗어나는 부분이 있기 때문에 큰 의미는 없었다. 대기 상태에서 해당 필터의 방전 임계값을 분석을 통하여 알아보았는데 실제로 시험을 통한 확인이 요구되며 이에 대한 후속 연구가 필요하다. 지상에서 고전력 필터에 대한 시험 시 band edge 주파수 신호 입력 시 주의가 필요하며 마이크로파 방전 대책으로서 band edge 주파수 입력 회피 또는 전력이 낮은 신호 입력을 제안하였다.
본 논문에서는 원통형 도파관 캐비티 필터를 대상으로 지상 환경에서의 방전을 연구함으로서 지상과 정상임무궤도에서의 고전력 취급 능력을 종합적으로 확인할 수 있었다. 본 연구는 향후 개발되는 유사 필터의 지상 시험 시 마이크로파 방전을 인지하고 이를 방지하는데 참고가 될 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
대용량 고속 데이터를 전송 또는 중계하는 위성 통신 시스템의 출력단에는 어떤 증폭기가 운용되나?
대용량 고속 데이터를 전송 또는 중계하는 위성통신시스템의 출력단에는 진행파관증폭기(TWTA)와 같은 고전력 증폭기가 운용되고, TWTA 후단에는 대역통과필터 기능을 갖는 원통형 도파관 캐비티 필터가 운용된다.
RF 방전은 코로나나 멀티팩터 방전과 다르게 어느 경우에도 발생할 수 있는가?
이와 관련하여 정지궤도에서 X-대역 원통형 도파관 캐비티 필터를 대상으로 멀티팩터에 관한 고전력 핸들링능력을 연구한 논문[1]~[3]은 참고가 된다. 한편, 위성을 발사할 때나 궤도에서 운용할 때 일어날 수 있는 코로나 또는 멀티팩터 방전과는 다르게 지상 대기상태(ambient condition)에서도 RF 방전이 일어날 수 있음을 인지하고 발생하지 않도록 주의를 기울일 필요가 있다.
원통형 도파관 캐비티 필터가 가지고 있어야 하는 능력은?
이 필터들은 위성을 발사할 때의 코로나 방전과 운용궤도에서의 멀티팩터(multipactor) 현상과 같은 RF 방전에 대한 고전력 취급 능력(high power handling capability)을 지니고 있어야 하는데 이러한 능력은 마진 분석 또는 시험을 통하여 확인된다. 이와 관련하여 정지궤도에서 X-대역 원통형 도파관 캐비티 필터를 대상으로 멀티팩터에 관한 고전력 핸들링능력을 연구한 논문[1]~[3]은 참고가 된다.
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