단수에 따른 광대역 어댑터 특성 비교

단일 루프결합구조를 갖는 엔드론치형 어댑터는 제조방식이 가장 저렴하고 고출 력 시스템에 적합하지만 협대역 특성을 갖는다. 이러한 어댑터의 장점을 유지하면 서 협대역 특성을 개선하기 위하여 다단 루프결합구조가 적용된 어댑터를 제안하 였고 해석에 필요한 입력임피던스 식을 제안하였다. 이 해석식을 토대로 앞에서 단 일 루프결합구조를 갖는 어댑터 그리고 2단과 3단 루프결합구조를 갖는 어댑터를 분석하였다. 이 분석 결과를 기반으로 루프의 총 길이가 동일한 경우에 광대역 다 단 어댑터를 설계하고 이를 해석하여 단의 수에 따른 특성을 비교하고자 한다.

7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 0

1 2 3 4 5

Re(Zin/50)

Frequency [GHz]

Result of 1 Step Loop Result of 2 Step Loop Result of 3 Step Loop

(a) 저항성분

7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 -1

0 1 2 3 4

Im(Zin/50)

Frequency [GHz]

Result of 1 Step Loop Result of 2 Step Loop Result of 3 Step Loop

(b) 리액턴스성분

그림 17. 동일한 중심대역을 갖는 어댑터의 단수별 특성(계속) 1) 동일 중심대역을 갖는 어댑터

통상 루프 구조를 갖는 엔드론치형 어댑터를 설계하기 위해서는 통과대역의 중 심주파수에 대한 관내파장의 길이 _를 총 루프의 길이로 설정 후 옵셋 길이와 총 길이의 범위에서 루프 길이 소자 값들을 변경하여 대역에 적합한 설계치를 찾 을 수 있다.

표 4는 통과대역 중심주파수가 10.5㎓인 어댑터를 루프의 단 수에 따라 설계치를

7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 1.0

1.2 1.4 1.6 1.8 2.0

VSWR

Frequency [GHz]

Result of 1 Step Loop Result of 2 Step Loop Result of 3 Step Loop

(c) 정재파비

7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 -5

-4 -3 -2 -1 0

|S21| [dB]

Frequency [GHz]

Result of 1 Step Loop Result of 2 Step Loop Result of 3 Step Loop

(d) 삽입손실

그림 17. 동일한 중심대역을 갖는 어댑터의 단수별 특성

나타낸 것이다. 단일 루프를 갖는 어댑터의 경우 옵셋 길이는 7.3㎜이고 루프의 총 길이는 14.58㎜이며, 2단 루프를 갖는 경우 옵셋 길이는 11.43㎜이고 루프의 총 길 이는 단일 루프와 동일하다. 그리고 3단 루프를 갖는 경우 옵셋 길이와 루프의 총 길이가 동일하다. 또한 비교 대상인 어댑터의 루프 반경은 모두 0.5㎜이다. 다단의 경우 루프의 설계치를 보면 방향의 길이 성분은 첫 번째 길이성분을 기준으로 다 음 방향 길이성분은 감소되며 방향의 길이 성분은 첫 번째 길이성분을 기준으로

변수 설계치수(해석식)

1단 루프구조 2단 루프구조 3단 루프구조

_ 11.43㎜ 11.43㎜ 11.43㎜

_ 11.70㎜ 8.40㎜ 7.60㎜

_ 4.38㎜ 2.00㎜ 1.20㎜

_ 2.00㎜ 1.20㎜

_ 3.68㎜ 1.50㎜

_ 1.20㎜

_ 3.68㎜

표 5. 광대역 특성을 갖는 어댑터의 단수별 설계제원

다음 방향 길이성분은 증가됨을 알 수 있다. 그리고 통과대역의 중심은 다단 루프 의 설계치를 최적화하는 과정에서 다소 차이가 나타날 수 있다.

그림 20은 표 4의 설계제원 하에서 어댑터의 특성을 계산하여 나타낸 것이다. 중 심주파수를 기준으로 단수가 증가함에 따라 넓은 대역에서 정규화된 저항성분은 1 에 가깝고 리액턴스성분 거의 0에 가깝다. 이러한 이유는 다단 루프구조에서 단 수 만큼의 방향 전류성분에 의한 _{ }모드들과 방향 전류성분에 의한 _{ }모드 성분들이 각기 위치에서 양(+) 혹은 음(-)의 값을 갖고 있으면서 서로 상쇄되는 부 분이 발생하기 때문이다. 정재파비 1.2이하 기준에서 1단에서 2단으로 단수가 증가 할 때 14.5%에서 29.9%로 대역이 증가되었다. 그리고 3단에서는 36.7%로 대역이 증가되었다. 1단에서 2단으로 단수가 증가할 때보다 대역폭이 크게 넓어지지 않은 이유는 3단의 설계치를 대역폭 개선보다 정재파비 개선에 더 중점을 두어 최적화 하였기 때문에 나타난 것이다. 따라서 이 결과들을 토대로 대역폭을 유지시킨 상태 에서 정재파비를 좋게 만들 수 있다.

2) 옵셋 길이 및 루프의 총 길이가 동일한 어댑터

표 5는 옵셋길이가 도파관 광벽의 중심인 11.43㎜이고 루프의 총 길이가 16.08㎜

인 경우에 루프의 길이요소만을 갖고서 설계된 치수를 나타낸 것이다. 이 길이는 중심주파수 10㎓를 기준으로 _～_ 범위 내에서 선정한다. 가변 요소는 루 프의 각 길이 성분이며 어댑터 특성에 가장 큰 영향을 주는 길이 성분은 _과 _

성분이 대역을 결정하는데 가장 중요하며 각 축 방향에 따른 길이의 배치는 앞 절 에서 언급한 사안과 동일하다.

7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 0

1 2 3 4 5

Re(Zin/50)

Frequency [GHz]

Result of 1-Step Loop Result of 2-Step Loop Result of 3-Step Loop

(a) 저항성분

7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 -1

0 1 2 3 4 5

Im(Zin/50)

Frequency [GHz]

Result of 1-Step Loop Result of 2-Step Loop Result of 3-Step Loop

(b) 리액턴스성분

그림 18. 광대역 특성을 갖는 어댑터의 단수별 특성(계속)

그림 21은 표 5의 설계 제원으로 구성된 어댑터의 특성을 계산하여 나타낸 것이 다. 여기서 루프의 반경은 0.455㎜이다. 2단과 3단의 경우 7.5㎓에서 11.5㎓까지 입 력임피던스의 저항성분은 1에 아주 근접해 있고 리액턴스성분은 0에 근접해 있는 것이 확인된다. 단수에 따라 정재파비 1.2기준에 대역폭은 1단일 때 4.4% 미만이며 2단 일 때 30.6%, 3단일 때 7.5㎓～13㎓ 범위내에서 37.3%이다. 단수가 증가함에 따라 대역폭이 증가함을 이 결과에서도 동일하게 확인된다.

7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0

Result of 1-Step Loop Result of 2-Step Loop Result of 3-Step Loop

(c) 정재파비

Result of 1-Step Loop Result of 2-Step Loop Result of 3-Step Loop

(d) 삽입손실

산결과와 제작된 결과 간에 차이가 크게 나타난다. 이러한 문제들을 해결하기 위하 여 구부려진 부위가 직각벤드가 되도록 줄과 같은 공구를 이용하여 보완해야 한다.

따라서 이러한 문제들은 수작업이 아닌 기계작업이나 금형을 이용하여 거의 나타 나지 않지만 사전 예방차원에서 최소 길이를 정의하는 것이 효율적이다. 즉 루프의 반경이 0.45㎜인 경우 루프를 구성하는 길이요소는 최소 2㎜ 이상으로 제한을 두면 수작업으로 제작하고 해석식의 결과와 제작결과 간에 차이가 최소화 된다.

양호한 특성을 갖는 엔드론치형 구형도파관 어댑터를 설계하기 위해서는 본 논 문에서 제안한 입력임피던스의 해석식을 토대로 임피던스의 저항성분이 동축선의 특성임피던스와 같아지고 리액턴스성분은 0이 되도록 구조를 최적화해야한다. 최 적화 순서는 급전선의 내부도체 반경 을 결정하고, 설계하고자 하는 대역에서 입 력임피던스의 저항성분이 일정한 값을 갖도록 길이 _을 조정하되 최소 _이상 이어야 한다. 그런 다음 길이 _를 이용하여 저항성분의 평탄도를 미세 조정한다.

여기서 _은 최소 _이상 되어야 한다. 그런 다음 설계하고자 하는 통과대역

내에서 입력임피던스의 저항성분이 평탄한 값을 갖도록 방향 길이 성분인 _, ⋯

및 _{  }을 설정한다. 그리고 입력임피던스에 대한 저항성분의 평탄도가 더욱 개

선되도록 방향 길이 성분인 _, _, ⋯ 및 _{  }을 결정한다. 이 때 방향 성분과

방향 성분들은 각각 _과 _를 기준으로 오름차순과 내림차순으로 선정되어야 광 대역 및 꺾인 부위의 영향을 줄일 수 있다. 출발점은 길이 _과 _의 길이를 제외 한 나머지 길이를 각 성분의 수로 균등 배분 후 조정하면 쉽게 찾을 수 있다. 마지 막으로 협벽으로부터 떨어진 옵셋 길이 _를 조정하여 저항성분이 급전선의 특성 임피던스와 같아지면 최적의 설계치가 된다. 만일 다단 루프구조에 대하여 4단의 경우에 _과 _을 설계지침의 조건을 따르면 나머지 길이성분들은 도체의 직경에 아주 가까운 값이 될 것이다. 이 경우 수작업으로는 제작할 수 없으며 금형으로 가 능하고 5단 이상에서는 루프를 구성하더라도 변경시킬 수 있는 범위가 작기 때문 에 광대역 특성을 갖기가 매우 어렵다. 따라서 내부도선의 반경이 1㎜인 경우에 다 단 루프결합구조를 갖는 어댑터는 4단까지 고려할 수 있으나 3단일 때 루프의 구 조에 대한 선택 범위가 가장 크다.

Ⅴ. 엔드론치형 도파관 어댑터 제작 및 측정

Ⅲ장에서 해석된 엔드론치형 어댑터의 입력임피던스 해석의 타당성을 검증하기 위하여 기본이 되는 단일 루프결합구조를 갖는 경우와 2단 루프결합구조를 갖는 경우에 대하여 어댑터를 제작하고 측정 한다. 하나의 어댑터 내에서 단일 루프결합 구조와 2단 루프결합구조를 구현하게 되어 루프구조의 설계치를 구조에 맞도록 재 설계하였다. 이후의 구성은 이러한 엔드론치형 어댑터의 제작법과 측정법에 대해 먼저 설명하고 제작결과와 측정결과에 대하여 기술한다.

1. 어댑터의 제작

엔드론치형 어댑터 측정용 어댑터 제작은 루프결합구조 제작과 어댑터 몸체 제 작으로 구분된다. 먼저 어댑터 몸체 제작방법에는 CNC 밀링(milling) 가공과 브레 이징(brazing)을 통해 제작하였다. 이 방법은 제품 적용시 어댑터가 외부로부터 전 달되는 물리적 충격이나 진동이 크기가 금속을 깨거나 휠 정도가 아니라면 조립이 해체되지 않기 때문에 항공기와 같이 물리적으로 움직이는 장비에 탑재될 때 주로 적용된다. 또한 이 방법은 스크류 사용을 최소화할 수 있어 어댑터의 무게를 최소 화시킬 수 있다. 두 번째 방법은 가공 장비만 있으면 쉽게 어댑터를 제작할 수 있 으며 진동이나 충격이 없는 장비에 탑재될 때 많이 적용된다.

그림 19는 CNC 가공 작업만 있는 제조방식의 어댑터 부품 구성도를 나타낸 것 이다. 제작을 위한 어댑터의 구조는 하나의 어댑터에서 루프의 구조만 변경하여 조립 및 측정할 수 있도록 급전부의 높이와 단락지점이 가변될 수 있도록 고려하 였다. 여기서 사용된 재질은 황동이다.

루프결합구조는 동축선 커넥터와 U141 세미플랙시블 케이블(semi-flexible cable)을 이용하여 제작한다. U141 케이블은 구리와 스트론튬 그리고 은의 합급인 내부도체, 테프론(PTFE) 재질의 유전체 그리고 구리로된 외부도체로 구성된다. 각 각 내부도체의 직경은 0.91mm이고, 유전체의 직경은 2.98mm 그리고 외부도체의 직경은 2.98mm이다. 그리고 동축선 커넥터는 U141 케이블용 SMA(female) 규격인

(a) 단락 부품

(b) 상측 부품

(b) 상측 부품