밀리미터파대역(Ka-대역)소형 레이더용 고 전력 저 손실 2축 도파관 로터리 조인트 연구 A Study on the High-power Low-loss Dual Axes Waveguide Rotary Joint for Ka-Band Millimeter-Wave Small Radar원문보기
본 논문에서는 고 전력 저 손실 특성을 가지는 소형 레이더용 Ka-대역 밀리미터파 2축 도파관 로터리 조인트 설계 및 제작하였다. 전기적 성능은 상온 S-parameter 시험, 고 전력 시험, 운용 온도 시험을 통해 검증하였다. 로터리 조인트는 기능적으로 구형 도파관에서 원형 도파관으로 변환하는 모드 변환기 구조 및 회전 부분의 초크 구조로 구성된다. 본 구조는 고정된 송신기와 2축으로 회전하는 안테나를 최소 손실을 가지도록 전기적 연결 및 경량화를 고려하여 설계하였다. 설계된 로터리 조인트는 중심 주파수 Fc 기준 ${\pm}500MHz$의 대역에서 VSWR 1.5:1 이하 반사 손실, -2.0 dB 이상 삽입 손실 특성을 가지며, 측정 결과는 설계 결과와 유사함을 확인하였다.
본 논문에서는 고 전력 저 손실 특성을 가지는 소형 레이더용 Ka-대역 밀리미터파 2축 도파관 로터리 조인트 설계 및 제작하였다. 전기적 성능은 상온 S-parameter 시험, 고 전력 시험, 운용 온도 시험을 통해 검증하였다. 로터리 조인트는 기능적으로 구형 도파관에서 원형 도파관으로 변환하는 모드 변환기 구조 및 회전 부분의 초크 구조로 구성된다. 본 구조는 고정된 송신기와 2축으로 회전하는 안테나를 최소 손실을 가지도록 전기적 연결 및 경량화를 고려하여 설계하였다. 설계된 로터리 조인트는 중심 주파수 Fc 기준 ${\pm}500MHz$의 대역에서 VSWR 1.5:1 이하 반사 손실, -2.0 dB 이상 삽입 손실 특성을 가지며, 측정 결과는 설계 결과와 유사함을 확인하였다.
In this paper, dual axes waveguide rotary joint, which operates at high power and has low loss characteristic, is designed and fabricated for a Ka-band millimeter-wave small radar. Its electrical performance is verified through the S-parameter at room temperature, high power and operation temperatur...
In this paper, dual axes waveguide rotary joint, which operates at high power and has low loss characteristic, is designed and fabricated for a Ka-band millimeter-wave small radar. Its electrical performance is verified through the S-parameter at room temperature, high power and operation temperature test. Rotary joint functionally consists of the mode converter transforming rectangular waveguide into circular waveguide and the choke at the rotation part. At the configuration design, linking a fixed transmitter to an antenna rotating dual axes electrically for minimum loss and light weight body are considered. In Fc(center frequency)${\pm}500MHz$, the designed rotary joint has VSWR 1.5:1 below return loss, -2.0 dB above insertion loss. It is found that rotary joint characteristics is similar to design results.
In this paper, dual axes waveguide rotary joint, which operates at high power and has low loss characteristic, is designed and fabricated for a Ka-band millimeter-wave small radar. Its electrical performance is verified through the S-parameter at room temperature, high power and operation temperature test. Rotary joint functionally consists of the mode converter transforming rectangular waveguide into circular waveguide and the choke at the rotation part. At the configuration design, linking a fixed transmitter to an antenna rotating dual axes electrically for minimum loss and light weight body are considered. In Fc(center frequency)${\pm}500MHz$, the designed rotary joint has VSWR 1.5:1 below return loss, -2.0 dB above insertion loss. It is found that rotary joint characteristics is similar to design results.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
본 논문에서는 밀리미터파 소형 레이더에 적용 가능한 Ka-대역의 2축 1채널 도파관 로터리 조인트를 설계하였다. 적용된 도파관 크기는 WR-22 half-height를 설계에 적용하였다.
본 연구에서는 Ka-대역 밀리미터파 소형 레이더에 적용 가능한 2축 도파관 로터리 조인트에 대해서 설계, 정밀 제작 및 측정 결과에 대해서 기술하였다. 저 전력 S-Parameter 시험을 통해 Fc ± 500MHz 대역폭에서 VSWR 1.
제안 방법
3D 상용 전자파 해석 도구를 활용하여 구현한 모델의 전기적 성능을 확인 하였으며, 그림 2, 3을 통해 설계된 도파관 로터리 조인트의 반사 손실 및 삽입 손실 성능을 각각 확인하였다. 시뮬레이션 결과를 통해 중심주파수 Fc 기준 ± 500MHz의 대역에서 VSWR 1.
0 dB 이상 삽입 손실 성능을 만족함을 확인 하였다. 개발된 로터리 조인트의 레이더 시스템에 바로 적용 가능성 확인을 위해 실제 운용 환경을 고려하여 수백 W 급의 고전력 시험 및 운용 온도 시험을 하였으며 정상동작 함을 확인 하였다. 본 연구 결과로부터 Ka-대역 2축 로터리 조인트 국내 개발 기술을 확보하였다.
그림 4와 같이 정밀 제작하였으며, 실질적으로 조립되는 김발 구조물을 모사하기 위해 시험용 고정 치구를 제작하여 로터리 조인트를 조립하였다. 제작 된 로터리 조인트는 그림 5와 같이 N5244A 회로망 분석기를 구성하여 저 전력 S-Parameter 시험을 진행하였다.
적용된 도파관 크기는 WR-22 half-height를 설계에 적용하였다. 김발 형상, 송신기 및 안테나와의 기계적 인터페이스를 고려하여 경로 설계를 하였으며, 최종 형상 설계는 3D 상용 전자파 해석 도구(CST MWS)를 활용하여 입/출력 포트의 반사 손실 및 경로 손실이 최적값을 갖도록 진행하였다. 설계 후 제작된 로터리 조인트는 키사이트 사의 N5244A 회로망 분석기를 활용하여 저 전력 S-parameter 측정하였으며, Ka-대역 수백 W 급의 출력 크기를 가지는 송신기를 활용하여 고전력에서 손실 측정을 하였다.
설계 후 제작된 로터리 조인트는 키사이트 사의 N5244A 회로망 분석기를 활용하여 저 전력 S-parameter 측정하였으며, Ka-대역 수백 W 급의 출력 크기를 가지는 송신기를 활용하여 고전력에서 손실 측정을 하였다. 또한, 온도 챔버를 활용하여 운용 온도 범위 내에서 로터리 조인트의 전기적 성능을 확인하였다. 결론적으로 고전력 및 해당 운용 온도 조건에서 개발된 제품이 정상 동작함을 확인하였다.
/4 초크 구조가 적용되었다. 모드 변환기의 원형 도파관에서 주요 모드는 TE11(H11)이나 구형 도파관에서 전달되어 오는 신호를 잘 전달하기 위해서 TE11 주요 모드를 억제 시키고 변환된 TM01 모드만 전달될 수 있도록 설계하였다.[6]~[7] 회전 부위에서 원활한 구동을 위해서는 비접촉 구간이 적용되는데, 이때 발생 되는 틈 사이로 전자파가 누설되지 않도록 λ0/4 초크 구조를 적용하였다.
개발된 로터리 조인트의 레이더 시스템에 바로 적용 가능성 확인을 위해 실제 운용 환경을 고려하여 수백 W 급의 고전력 시험 및 운용 온도 시험을 하였으며 정상동작 함을 확인 하였다. 본 연구 결과로부터 Ka-대역 2축 로터리 조인트 국내 개발 기술을 확보하였다.
김발 형상, 송신기 및 안테나와의 기계적 인터페이스를 고려하여 경로 설계를 하였으며, 최종 형상 설계는 3D 상용 전자파 해석 도구(CST MWS)를 활용하여 입/출력 포트의 반사 손실 및 경로 손실이 최적값을 갖도록 진행하였다. 설계 후 제작된 로터리 조인트는 키사이트 사의 N5244A 회로망 분석기를 활용하여 저 전력 S-parameter 측정하였으며, Ka-대역 수백 W 급의 출력 크기를 가지는 송신기를 활용하여 고전력에서 손실 측정을 하였다. 또한, 온도 챔버를 활용하여 운용 온도 범위 내에서 로터리 조인트의 전기적 성능을 확인하였다.
각 온도 단계에서 로터리 조인트에 설정된 온도가 전달 될 수 있도록 충분한 안정화 시간을 가졌으며, 포트 1의 반사손실 및 과 포트 1과 포트 2간의 삽입손실을 확인하였다. 온도 환경시험 완료 후 로터리 조인트의 특성 변화 여부 확인을 위해 상온에서 재확인 시험을 하였다. 시험 결과는 표 2와 표 3을 통해 확인 가능하며, 운용 온도 내에서 전기적 성능이 설계 범위 안에 들어감을 확인 할 수 있다.
운용 온도환경에서 로터리 조인트의 전기적 특성 변화를 확인하기 위해 그림 10과 같이 5℃/min 로 온도 조절이 가능한 챔버를 활용하여 –30℃, -15℃, 0℃, +25℃, +70℃ 순서로 성능을 확인 하였다.
그림 8의 측정 결과와 그림 9의 측정 결과 차이를 구함으로써 포트 1과 포트 2 간의 삽입 손실 특성을 확인 할 수 있다. 이때 연결된 변환 도파관 손실을 함께 고려하여 성능을 확인하였다. 개발 된 로터리 조인트는 고전력 상황에서 표 1과 같이 삽입손실 -2.
크기는 15.75λ0 × 12.11λ0 × 13.18λ0 이며 경량화 설계를 위해 도파관 경로 주변 구조물은 최대한 제거하여 구현하였다.
대상 데이터
제작 된 로터리 조인트는 그림 5와 같이 N5244A 회로망 분석기를 구성하여 저 전력 S-Parameter 시험을 진행하였다. WR-28 도파관 Cal-Kit 사용으로 인해 WR-22 to WR-28 변환 도파관을 별도 제작하여 측정 시 사용하였다.
데이터처리
그림 4와 같이 정밀 제작하였으며, 실질적으로 조립되는 김발 구조물을 모사하기 위해 시험용 고정 치구를 제작하여 로터리 조인트를 조립하였다. 제작 된 로터리 조인트는 그림 5와 같이 N5244A 회로망 분석기를 구성하여 저 전력 S-Parameter 시험을 진행하였다. WR-28 도파관 Cal-Kit 사용으로 인해 WR-22 to WR-28 변환 도파관을 별도 제작하여 측정 시 사용하였다.
성능/효과
운용 온도환경에서 로터리 조인트의 전기적 특성 변화를 확인하기 위해 그림 10과 같이 5℃/min 로 온도 조절이 가능한 챔버를 활용하여 –30℃, -15℃, 0℃, +25℃, +70℃ 순서로 성능을 확인 하였다. 각 온도 단계에서 로터리 조인트에 설정된 온도가 전달 될 수 있도록 충분한 안정화 시간을 가졌으며, 포트 1의 반사손실 및 과 포트 1과 포트 2간의 삽입손실을 확인하였다. 온도 환경시험 완료 후 로터리 조인트의 특성 변화 여부 확인을 위해 상온에서 재확인 시험을 하였다.
이때 연결된 변환 도파관 손실을 함께 고려하여 성능을 확인하였다. 개발 된 로터리 조인트는 고전력 상황에서 표 1과 같이 삽입손실 -2.0 dB 이상 성능을 만족함을 확인하였다.
또한, 온도 챔버를 활용하여 운용 온도 범위 내에서 로터리 조인트의 전기적 성능을 확인하였다. 결론적으로 고전력 및 해당 운용 온도 조건에서 개발된 제품이 정상 동작함을 확인하였다.
시험 결과는 표 2와 표 3을 통해 확인 가능하며, 운용 온도 내에서 전기적 성능이 설계 범위 안에 들어감을 확인 할 수 있다. 또한, 온도 시험 후 상온 시험 결과를 통해 개발된 로터리 조인트가 운용 온도 환경에서 특성 변화 없음을 확인하였다.
시뮬레이션 결과를 통해 중심주파수 Fc 기준 ± 500MHz의 대역에서 VSWR 1.5:1 이하 반사 손실, -2.0 dB 이상 삽입 손실 특성을 확인하였다.
온도 환경시험 완료 후 로터리 조인트의 특성 변화 여부 확인을 위해 상온에서 재확인 시험을 하였다. 시험 결과는 표 2와 표 3을 통해 확인 가능하며, 운용 온도 내에서 전기적 성능이 설계 범위 안에 들어감을 확인 할 수 있다. 또한, 온도 시험 후 상온 시험 결과를 통해 개발된 로터리 조인트가 운용 온도 환경에서 특성 변화 없음을 확인하였다.
본 연구에서는 Ka-대역 밀리미터파 소형 레이더에 적용 가능한 2축 도파관 로터리 조인트에 대해서 설계, 정밀 제작 및 측정 결과에 대해서 기술하였다. 저 전력 S-Parameter 시험을 통해 Fc ± 500MHz 대역폭에서 VSWR 1.5:1 이하 반사 손실 및 -2.0 dB 이상 삽입 손실 성능을 만족함을 확인 하였다. 개발된 로터리 조인트의 레이더 시스템에 바로 적용 가능성 확인을 위해 실제 운용 환경을 고려하여 수백 W 급의 고전력 시험 및 운용 온도 시험을 하였으며 정상동작 함을 확인 하였다.
측정 결과를 통해 VSWR 1.5:1 이하 반사 손실 및 -2.0 dB 이상 삽입 손실 특성을 Fc ± 500MHz의 대역에서 만족하는 것을 확인 할 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
설계된 로터리 조인트의 특성은 무엇인가?
본 구조는 고정된 송신기와 2축으로 회전하는 안테나를 최소 손실을 가지도록 전기적 연결 및 경량화를 고려하여 설계하였다. 설계된 로터리 조인트는 중심 주파수 Fc 기준 ${\pm}500MHz$의 대역에서 VSWR 1.5:1 이하 반사 손실, -2.0 dB 이상 삽입 손실 특성을 가지며, 측정 결과는 설계 결과와 유사함을 확인하였다.
도파관 로터리 조인트 설계에서 가장 주요하게 고려해야 하는 요소는 무엇인가?
[6] 모드 변환기는 TE10 모드의 구형 도파관의 전파를 원형 도파관에서 TM01 모드로 변환하는 기능을 한다. 로터리 조인트 설계 시 가장 주요하게 고려해야 하는 요소는 고 전력 신호 전달 시 도파관 내에서 아킹(Arcing)이 발생 하지 않으며 최소 손실을 가지도록 하는 것이다. 이런 특성을 검증하기 위해서는 저 전력 S-parameter 시험 후 고 전력 소스를 활용한 시험 및 온도 환경시험이 필수적으로 요구된다.
레이다 시스템에서 고정된 송신기와 빔 지향을 위해 사용하는 것은 무엇인가?
레이다 시스템에서 고정된 송신기와 빔 지향을 위해 기계적으로 구동하는 안테나[1]를 기계적, 전기적으로 연결하기 위해 로터리 조인트를 사용한다. 로터리 조인트는 김발 구조물에 조립되는 한 부속품으로 설계 시 김발 구조를 고려하여 경량화 및 최적 형상 설계가 필요하다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.