[논문]TM01 모드 변환을 이용한 Ka 대역 고출력 고효율 공간 결합기 설계 및 제작

김효철; 조흥래; 이주흔; 이덕재; 안세환; 이만희; 주지한; 김홍락

doi:10.7236/jiibc.2021.21.6.25

초록
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본 논문에서는 비교적 구현이 쉽고, 최종 결합 포트의 전송 선로 길이를 짧게 구현할 수 있는 모드 변환기에 대해 제안하고, 8-way 공간 결합기에 적용하여 제작 및 시험을 하였다. 제안하는 모드 변환기는 그라운드와 연결되어 있는 Doorknob 형태의 원형 디스크에서 변환된 신호를 원형 도파관 내에서 개방을 시켜 TM₀₁ 모드로 변환이 이루어진다. 8-way 도파관 공간 결합기는 H-평면에서 입력된 8개의 신호를 중심의 원형 도파관에서 결합이 이루어지고, 최종 결합 모드는 TM₀₁이 되도록 설계를 하였다. 시험 결과는 삽입손실 0.4dB 이하, 결합효율 95%이상의 우수한 성능을 확인하였다. 또한 전계 분석을 통해 새로운 모드 변환 구조의 절연 파괴 전압 및 방전 임계전력을 계산하여 고출력에 적합함을 확인하였다. 본 연구를 통해 확인된 결과는 향후 고출력 고효율 SSPA에 다방면으로 적용이 가능할 것으로 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, it proposes a mode converter that is relatively easy to implement and can shorten the transmission line length of the final combining port and it was fabricated and tested by applying it to an 8-way spatial combiner. The proposed mode converter converts the signal converted from the d...

In this study, it proposes a mode converter that is relatively easy to implement and can shorten the transmission line length of the final combining port and it was fabricated and tested by applying it to an 8-way spatial combiner. The proposed mode converter converts the signal converted from the doorknob-shaped circular disk connected to the ground into the TM01 mode by opening it in the circular waveguide. The 8-way waveguide spatial combiner is designed and implemented so that 8 signals input from the H-plane are combined in a circular waveguide at the center, and the final combining mode is TM01. The test results confirmed excellent performance with an insertion loss of less than 0.4dB and a combining efficiency of 95% or more. In addition, it was confirmed that it is suitable for high output by calculating the breakdown voltage and discharge threshold power of the new mode conversion structure through electric field analysis. The results confirmed through this study are expected to be applicable to high-power, high-efficiency SSPA in various fields in the future.

주제어

표/그림 (14)

그림 그림 2. 도파관 모드별 삽입손실 Fig. 2. Insertion loss by waveguide mode
그림 그림 1. (a) 원형도파관 전송 모드. (b) 3D 모델링 Fig. 1. (a) Circular waveguide Transmission mode. (b) 3D modeling
그림 그림 3. (a) TM₀₁ 모드. (b) TM₀₁ 모드 시뮬레이션 결과 Fig. 3. (a) TM₀₁ mode. (b) Simulation result of TM₀₁ mode
그림 그림 4. (a) 모드변환기 3D 모델링, (b) 포트 모드 (c) TM₀₁ 모드 시뮬레이션 결과, Fig. 4. (a) 3D modeling of the TE₀₁ mode transition, (b) Port mode, (c) Simulation result of the TM₀₁ mode
그림 그림 5. 공간 전력결합기 전계 분포 Fig. 5. E-field distribution in the spatial power combiner
그림 그림 6. 공간 전력 결합기 단면도 Fig. 6. Spatial power combiner sectional view
표 표 1. 공간 전력결합기 전계 분석 Table 1. E-field analysis of power combiner
표 표 2. 결합기의 방전 임계전력 / 절연파괴 전압 산출 Table 2. Power rating of spatial power combiner
그림 그림 7. (a) 프로토 타입 8-way 공간 전력 결합기, (b) 최종 조립 사진 Fig. 7. (a) Prototype of the 8-way spatial combiner (b) The final assembly photo
그림 그림 8. 8-way 공간 결합기 측정 사진 Fig. 8. The spatial combiner measurement photo
그림 그림 9. 공간 결합기 반사손실, 삽입손실 측정 결과 Fig. 9. The spatial combiner IL, RL measurement results
그림 그림 10. 회로망 분석기 격리도 측정 연결도 Fig. 10. Isolation measurement setup of network analyzer
그림 그림 11. 공간 결합기 격리도 측정 결과 Fig. 11. The spatial combiner isolation measurement results
그림 그림 12. 출력 결합 효율 Fig. 12. Output combining efficiency

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 이 논문의 목표는 비교적 구현이 쉽고, 최종결합 포트의 전송선로 길이를 짧게 구현할 수 있는 모드 변환기를 개발하여 고출력에서 동작할 수 있는 저 손실공간 결합기를 제안하는 것이다.
본 논문에서는 밀리미터파(Ka 대역) 시스템에 적용 가능한 모드 변환기 및 8-way 도파관 공간 결합기에 대해 연구를 하였다.

제안 방법

격리도는 각 포트의 중심에서 결합이 되는 공간 결합기의 구조상 비슷한 위치에서의 격리 특성은 유사하여 본 논문에서는 4개의 격리 특성을 비교하였다. 회로망분석기를 통한 격리도 측정 연결도는 그림 10에 나타내었다.
공간 전력 결합기의 출력 포트에 CW(Continuous Wave) 신호를 인가하여 대역 내 Low frequency(fL), Center Frequency(fC), High Frequency(fH)에 대해 전계를 분석하였다.
구형 도파관으로 입사된 신호를 중심에서 원형 도파관으로 결합을 하여 고출력을 구현하고, 바뀐 모드를 그라운드와 연결되어 있는 Doorknob 형태의 모드 변환기를 통해 다시 구형 도파관의 기본 모드로 변환을 시켜 공간 결합기를 구현하였다.

대상 데이터

도파관 플랜지(Flange)는 국제 표준 규격인 UG-383/U를 선택하여 적용하였다. N5224A 회로망 분석기 및 N4693-60002 E-Cal kit을 통해 교정 (Calibration)을 하고 도파관 어댑터를 연결하여 시험을 하였다.

성능/효과

8-way 공간 결합기의 결합효율은 사용 대역에서 94.5% 이상의 매우 우수한 결합 효율을 확인하였다.
4dB 이하 반사손실 18dB 이상의 우수한 특성을 보였다. 비록 바이너리 결합기 대비 낮은 격리도 특성을 보였으나 바이너리 결합기 대비 14 ~ 16% 이상의 높은 결합 효율을 보여 고출력 고효율시스템에 적합함을 확인하였다.
상기 분석을 통해 상온, 지상고도에서 임계 전력은 사용전력 대비 수 십 배 이상에서 형성됨을 확인하고, 절연파괴 전압 역시 수 배 낮게 형성되어 동작 온도 및 높은 고도를 감안 하여도 충분한 마진이 있음을 확인하였다.
시험 결과는 사용 주파수 대역에서 반사손실 18 dB 이상, 삽입손실은 8-way의 분배 손실 9dB를 제외하고 0.4dB 이하의 성능을 확인하였다.
전기적 성능은 삽입손실 0.4dB 이하 반사손실 18dB 이상의 우수한 특성을 보였다. 비록 바이너리 결합기 대비 낮은 격리도 특성을 보였으나 바이너리 결합기 대비 14 ~ 16% 이상의 높은 결합 효율을 보여 고출력 고효율시스템에 적합함을 확인하였다.

후속연구

본 연구를 통해 확보한 결과를 통해 초고주파, 고출력 고효율 SSPA에 다방면으로 적용이 가능할 것으로 기대된다.

참고문헌 (7)

Song-Hyun Yun, Si-Ok Kim, Su Hyun Lee, Byeong-Ok Lim, Bok-Hyung Lee, Yong-Kyu Jeon, Hyun-Kyu Kim, Young-Geun Yoo, "A Study on a Ku-Band High Power and High Efficiency Radial Combiner", The JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. Vol. 28, No. 5, pp 400-409, May 2017. DOI : https://doi.org/10.5515/KJKIEES.2017.28.5.400

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Young-rak Choi, Jong-woo Lee, Su-hyun Lee, Se-hwan An, Man-hee Lee, Hong-rak Kim, "Development of the Ka-band 20watt SSPA (Solid State Power Amplifier) Using a Spatial Combiner", The Journal of the Institute of Internet, Broadcasting and Communication Vol. 19, Issue 1, 231~238p, Feb 2019 DOI : https://doi.org/10.7236/JIIBC.2019.19.1.231

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S.S. Saad, J.B. Davies, O.J. Davies, "Analysis and design of a circular TE01 mode transducer", IEE Journal On Microwaves, Optics and Acoustics Vol. 1, Issue 2, 58~62p, Jan 1977 DOI : https://doi.org/10.1049/ij-moa.1977.0003

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H.A. Hoag, S.G. Tantawi, R. Callin, H. Deruyter, Z.D. Farkas, K. Ko, N. Kroll, T.L Lavine, A.Menegat, A.E. Vlieks, "Flower-petal mode converter for NLC", IEEE 06, Print ISBN 0-7803-1203-1, August 2002. DOI : https://doi.org/10.1109/PAC.1993.308664
Jose R. Montejo-Garai, Jorge A. Ruiz-Cruz, Jesus M. Rebollar, "A 10-Way Power Divider Based on a Transducer and a Radial Junction Operating in the Circular TM01 Mode", IEEE Vol. 7, 127,353~127,361p, Sep 2019. DOI : https://doi.org/10.1109/ACCESS.2019.2939291

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C.F. Yu, T.H. Chang, "High Performance Circular TE01, Mode Converter", IEEE International Conference on plasma Science, Print ISBN : 0-7803-9300-7, June 2005. DOI : https://doi.org/10.1109/PLASMA.2005.359406
Dong-Hak Lee, Doo-Yeong Yang, "Analysis and Design of a Wide Corrugated Conical Horn Antenna Based on Mode Matching Converter", Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society. Vol. 17, No. 7, pp 1-7, Jul 2016 DOI : https://doi.org/10.5762/KAIS.2016.17.7.1

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