[논문]고효율 및 높은 격리 특성을 갖는 Ka 대역 도파관 결합기 설계 및 제작

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

doi:10.7236/jiibc.2022.22.2.35

초록
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본 논문에서는 SSPA(Solid state amplifier) 의 핵심 모듈인 결합기의 효율 및 격리 특성을 높이는 방법에 대해 연구하였다. 구체적으로 도파관 결합기에서 공용 포트와 격리 포트 정합을 이루어 격리도를 확보 하였다. 정합을 위한 매칭 구조는 원형 디스크 형태로 도파관 결합기 내부에서 음각으로 가공하게 된다. 구조는 매우 단순하여 안정적인 성능 확보가 가능하다. 그리고 이러한 구조는 이전 연구 대비 60배 이상의 높은 임계전력 성능을 보여 고출력에 적합함을 확인하였다. 그리고 1단의 T-junction과 2, 3단의 MagicT 결합기를 조합하여 소형화를 이루고, 삽입손실을 줄여 결합 효율을 최적화 하였다. 제작된 도파관 결합기는 16dB 이상의 격리도와 86.2% 의 결합 효율을 얻었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, a method to increase the combining efficiency and isolation of the combiner, the core module of SSPA (solid state amplifier), was studied. Specifically, the isolation was secured by matching the common port and the isolation port in the waveguide combiner. The matching structure for m...

In this paper, a method to increase the combining efficiency and isolation of the combiner, the core module of SSPA (solid state amplifier), was studied. Specifically, the isolation was secured by matching the common port and the isolation port in the waveguide combiner. The matching structure for matching is in the form of a circular disk and is engraved inside the waveguide combiner. The structure is very simple, so it is possible to secure stable performance. And this structure showed more than 60 times higher critical power performance compared to previous studies, confirming that it is suitable for high output. And by combining 1-stage T-junction and 2, 3 stage MagicT combiner, miniaturization was achieved and the combining efficiency was optimized by reducing the insertion loss. The fabricated waveguide coupler obtained an isolation of 16dB or more and a coupling efficiency of 86.2%.

주제어

표/그림 (16)

표 표 1. 평면결합방식과 공간결합방식의 비교[1] Table 1. Comparison of the planar combining technique and spatial combining technique
표 표 2. 평면 결합기의 이전 연구와 비교 Table 2. Comparison with some prior planar combiner
그림 그림 1. Magic-T 결합기 형상 Fig. 1. Model of the magic-T combiner
그림 그림 2. 제안 구조 Fig. 2. Proposed structure
표 표 3. 제안 구조의 최적화 치수 Table 3. Optimized dimensions of the proposed structure
그림 그림 3. 전력 결합기 시뮬레이션 Fig. 3. Simulation of power combiner
표 표 4. 8-way 도파관 전력 결합기 전기적 규격 Table 4. 8-way waveguide power combiner specifications
표 표 5. 전력 결합기 전계값 Table 5. E-field value of power combiner
그림 그림 4. 전력 결합기 전계 분포 Fig. 4. E-field distribution in the power combiner
그림 그림 5. 8-way 도파관 전력 결합기 Fig. 5. 8-way waveguide power combiner
표 표 6. 전력결합기의 방전 임계전력 산출 Table 6. Power rating of power combiner
표 표 7. 평면 결합기의 이전 연구와 방전임계전력 비교 Table 7. Comparison of breakdown power from prior planar combiner
그림 그림 6. 8-way 도파관 전력 결합기 측정 사진 Fig. 6. 8-way waveguide power combiner measurement photo
그림 그림 7. 8-way 도파관 전력 결합기 측정 결과 Fig. 7. Measurement result of the 8-way waveguide combiner
그림 그림 8. 출력 결합 효율 Fig. 8. Output combining efficiency
표 표 8. 평면 결합기의 이전 연구와 성능 비교 Table 8. Comparison of performance from prior planar combiner

AI 본문요약
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문제 정의

그래서 본 연구를 통해 평면형 결합기의 각 포트 반사 손실을 최소화하고 구조를 단순화하여 구현이 쉬운 매칭 구조를 제안하였다. 그리고 8-way 결합기에 적용하여 설계를 하였다.
본 논문에서는 Ka 대역 SSPA에 적용이 가능한 결합기의 높은 격리 특성과 안정적인 전기적 성능 확보를 위한 매칭 구조를 제안하였다. 원형 디스크 형태의 매칭 구조는 도파관 내부에서 음각 형태로 비교적 쉽게 가공이 되어 안정적인 전기적 성능 확보가 가능하다.

제안 방법

그래서 본 연구를 통해 평면형 결합기의 각 포트 반사 손실을 최소화하고 구조를 단순화하여 구현이 쉬운 매칭 구조를 제안하였다. 그리고 8-way 결합기에 적용하여 설계를 하였다. 도파관 크기는 WR-22로 선정하고, 시뮬레이션을 통해 성능을 최적화 하였다.
그리고 8-way 결합기에 적용하여 설계를 하였다. 도파관 크기는 WR-22로 선정하고, 시뮬레이션을 통해 성능을 최적화 하였다.
설계는 각 단별 바이너리 결합기를 분리하여 개별 최적화 시뮬레이션 후 결합하여 최종 8-way 결합기 시뮬레이션을 진행하였다. 입력단을 기준으로 1 ~ 2단은 Magic-T, 3단은 T-junction으로 구현하였다.
제안하는 구조는 Multi-section impedance transformer와 Matching post를 통해 각각 포트3과 포트4의 정합을 이루었다. Matching post는 원기둥 형태의 음각 구조로 깊이나 크기에 따라 인덕턴스 또는 커패시턴스로 구현되어 포트 매칭에 이용할 수 있다.
그리고 결합기 입력 기준 1, 2단은 Magic-T, 3단은 T-junction으로 구현하여 결합기에서 요구하는 격리 특성을 만족하고 소형화하여 체계 적용에 용이하게 하였다. 특히 도파관 결합기에서 중요한 방전임계전력을 시뮬레이터의 전계 분석과 연계하여 이론적으로 계산하여 고출력 환경에서 안정적인 동작을 할 수 있는 전력 결합기를 설계 및 제작을 하였다.

대상 데이터

3단을 T-junction으로 구현한 이유는 시뮬레이션에서 18dB 이상의 우수한 격리 특성을 보였고, 소형화를 통해 체계 적용에 용이함과 동시에 전송선로 손실을 최소화하기 위함이다. Ka 대역에서 일반적으로 WR28 도파관 규격을 많이 사용하지만 제품의 소형화를 위해 WR22로 선정하여 시뮬레이션을 진행하였다.
5mm이다. 표준 도파관 플랜지를 사용하는 어댑터를 이용할 수 없기 때문에 별도의 시험용 도파관을 제작하여 측정을 하였다.

데이터처리

제품 설계 시 가공 및 조립 오차를 최소화할 수 있도록 구조를 잡고, 이를 시뮬레이션에 적용하여 최적화 결과를 도출하였다. 도파관 내부를 구현하기 위해 몸체는 2-파트로 분리하여 제작하였고, 종단기는 분리형으로 제작하여 탈부착이 가능하도록 하였다.

성능/효과

그리고 결합기 입력 기준 1, 2단은 Magic-T, 3단은 T-junction으로 구현하여 결합기에서 요구하는 격리 특성을 만족하고 소형화하여 체계 적용에 용이하게 하였다. 특히 도파관 결합기에서 중요한 방전임계전력을 시뮬레이터의 전계 분석과 연계하여 이론적으로 계산하여 고출력 환경에서 안정적인 동작을 할 수 있는 전력 결합기를 설계 및 제작을 하였다.
기존 연구와 비교해봤을 때 60배 이상의 높은 방전임계전력 특성을 보이는데 이는 Kim의 매칭 구조보다 음각 형태의 매칭 구조가 고출력에 적합함을 확인할 수 있 다.
기존 연구와 비교해봤을 때, 동일한 주파수 대역에서 삽입손실 평균은 0.17dB, 격리도는 4dB, 결합 효율은 1.4% 개선되어 더 우수한 성능을 나타내었다고 판단할 수 있다. 그리고 사이즈는 소형화하여 SSPA 적용에 적 합하다.
시뮬레이션에서는 반사손실 23dB 이상, 삽입손실 9.1dB 이하, 격리도 18dB 이상의 우수한 성능을 보였 다.
본 논문에서는 Ka 대역 SSPA에 적용이 가능한 결합기의 높은 격리 특성과 안정적인 전기적 성능 확보를 위한 매칭 구조를 제안하였다. 원형 디스크 형태의 매칭 구조는 도파관 내부에서 음각 형태로 비교적 쉽게 가공이 되어 안정적인 전기적 성능 확보가 가능하다.
최종 전기적 성능은 기존 연구 대비 삽입손실 0.17dB, 격리도는 4dB를 개선하고 크기는 길이 방향 3.0mm, 폭 방향 5.1mm를 소형화 하였다.
특히, 바이너리 결합기임에도 불구하고 86.2% 이상의 높은 결합 효율을 가지고 있었다.

후속연구

결론적으로 Ka대역에서 수백 와트의 전력을 요구하는 SSPA에 매우 적합하여 향후 TWTA를 대체하기 위한 고출력 증폭기 제작에 있어서 핵심 기술이 될 것으로 기대 된다.

참고문헌 (8)

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Hyo-Chul Kim, Heung-Rae Cho, Ju-Heun Lee, Deok-Jae Lee, Se-Hwan An, Man-Hee Lee, Ji-Han Joo, Jun-Beom Kwon, Hae-Chang Jeong, and So-Su Kim, "Design and Fabrication of Ka-band High Power and Low Loss Waveguide Combiner", The Journal of The Institute of Internet, Broadcasting and Communication(IIBC) Vol. 21, No. 3, pp. 35-42, Jun. 30, 2021. DOI : https://doi.org/10.7236/JIIBC.2021.21.3.35.

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Juan Luis Cano, Franco Di Paolo, Angel Mediavilla, and Paolo Colantonio, "Full-Band Oversized Turnstile-Based Waveguide Four-Way Power Divider/Combiner for High-Power Applications", Electronics, Vol. 8, No. 2, pp. 193, Feb. 2019. DOI : https://doi.org/10.3390/electronics8020193

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Hyo-Chul Kim, Heung-Rae Cho, Ju-Heun Lee, Deok-Jae Lee, Se-Hwan An, Man-Hee Lee, Ji-Han Joo, and Hong-Rak Kim, "Design and Fabrication of Ka-band high Power and high efficiency waveguide spatial combiner", The Journal of The Institute of Internet, Broadcasting and Communication(IIBC) Vol. 21, No. 5, pp. 19-26, Oct. 2021. DOI : https://doi.org/10.7236/JIIBC.2021.21.5.19

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Dong-Hak Lee and 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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L. Zhao, J. Xu, L. Wang, and M. Y. Wang. "A Novel Ka-band Solid-State Power Combining Amplifier", Progress In Electromagnetics Research C, Vol. 23, pp. 161-173, Aug. 2011 DOI :. https://doi.org/10.2528/PIERC11061408

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L. Zhao, J. Xu, L. Wang, and M.-Y. Wang. "A Novel Ka-band Solid-State Power Combining Amplifier", Progress In Electromagnetics Research C, Vol. 23, 161-173, 2011 DOI : https://doi.org/10.2528/pierc11061408

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