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

Design and fabrication of Ka-band high-power, high-efficiency spatial combiner using TM₀₁ mode Transducer

Abstract

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.

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.

Ⅰ. 서론

초고주파 대역에서 개별의 MMIC는 충분한 전력을 생성할 수 없다. 따라서 요구 출력을 충족하기 위해서는 여러 디바이스의 전력을 결합해야 한다.

이진 결합기에 비해 공간 결합기는 N개의 입력 신호를 단일 결합하므로 입력 신호가 많을수록 저 손실을 이룰 수 있다. 또한 대칭 구조로 인해 공간 결합기는 이론적으로 완벽한 진폭 및 위상 편차를 제공한다. 또한 공간 결합기는 많은 연구 개발이 이루어져 많은 분야에서 광범위하게 사용되고 있다. 가장 많이 사용되고 있는 공간 결합기 구조는 동축 프로브 형태로^[1,2] 제안하였다. 동축프로브는 회로의 구조상 고출력에 적합하지 않다. 그래서 새로운 구조의 공간결합 방식이 필요하다.

공간 결합기는 구형 도파관을 통해 입력된 N개의 입력 신호를 중심에서 원형 도파관의 고차 모드로 결합이 이루어진다. 그래서 원형 도파관에서 구형 도파관으로 모드를 변환하기 위한 기술이 필요하다. Marie 모드 변환기는^[3] 구조가 복잡하고, 매우 긴 길이에 의해 소형화를 이루기 어렵다는 단점이 있고, 널리 사용되고 있는 Flower-petal 모드 변환기^[4]는 대역폭이 좁고 삽입손실이 높다. 마지막으로 2-way / 4-way의 T-junction 결합기를 사용하여 모드 변환하는 방식은^[5,6] 각 결합기 손실 및 긴 전송선로에 의해 삽입손실이 증가하게 된다.

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.

Ⅱ. 본론

1. 원형 도파관 TM₀₁ 모드 8-way 공간 결합기

Ka 대역의 구형 도파관의 규격을 WR22(EIA 규격) 로선정하고 시뮬레이션을 진행하였다. 입력 도파관을 H-plane으로 위치 하여 원형 도파관에 TM₀₁ 모드가 형성되도록 하였다.

원형 도파관의 전송 모드 및 결합기 구조는 그림1에 나타내었다.

그림 1. (a) 원형도파관 전송 모드. (b) 3D 모델링

Fig. 1. (a) Circular waveguide Transmission mode. (b) 3D modeling

원형 도파관의 각 모드에서 전송 손실은 그림 2에 표시 하였으며 분배 손실 9dB를 포함한 정상적인 손실이 발생하는 모드는 TM₀₁ 임을 확인하였다.

각 모드별 삽입손실은 그림 2에 나타내었다.

그림 2. 도파관 모드별 삽입손실

Fig. 2. Insertion loss by waveguide mode

그림 3는 원형도파관 TM₀₁ 모드에서의 시뮬레이션 결과이다. 시뮬레이션 결과에 따르면 8개의 구형 도파관에서 입력된 신호는 중심의 원형 도파관에서 결합이 이루어지며, TM₀₁ 모드로 변환이 됨을 알 수 있다.

그림 3. (a) TM₀₁ 모드. (b) TM₀₁모드 시뮬레이션 결과

Fig. 3. (a) TM₀₁ mode. (b) Simulation result of TM₀₁ mode

2. TE₁₀ TM₀₁ 모드 변환기

MMIC 칩, 구형 도파관과 원형 도파관은 각각 신호가 전달 될 수 있는 고유의 모드(mode)가 존재하는데, 모드 변환기는 이 두 모드를 서로 정합(matching) 시키고 모드의 불일치로 발생할 수 있는 모드의 불연속 효과를 최소화시키는 기능을 수행한다.

본 연구에서 제안하는 모드 변환기는 그라운드와 연결되어있는 Doorknob 형태의 원형 디스크에서 변환된 신호를 원형 도파관 내에서 개방을 시켜 TM₀₁ 모드로 변환이 이루어지게 된다.

그림 4는 TM₀₁ 모드 변환기의 3D 모델링을 나타내었으며 포트 1에 입력된 구형 도파관 기본 모드(TE10)는 모드 변환기를 통해 원형 도파관으로 전달하게 된다.

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 TM₀₁mode

3. 도파관 공간 전력 결합기 전계 분석 및 내 전력 확인

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.

전계 분석은 이상적인 환경에서 각 구조물에 발생 한전 계를 통해 방전 임계전력을 계산하고, 실제 운용 전력대비 충분한 전력 마진을 가지고 동작을 하는지 확인을 하기 위해 필요하다. 각 주파수별 전계 값은 표 1에 나타내었다.

표 1. 공간 전력결합기 전계 분석

Table 1. E-field analysis of power combiner

전계 분석을 통하여 반사손실이 낮을수록 강한 전 계가 형성됨을 확인하였다. EM-시뮬레이터를 통한 전계 분석 결과는 그림 5에 나타내었다.

그림 5. 공간 전력결합기 전계 분포

Fig. 5. E-field distribution in the spatial power combiner

지상 고도 상온에서 도파관 내부에서 발생할 수 있는 절연파괴 전압은 3×10⁶ V/m로 이론적으로 시뮬레이션 전계 값이 작을수록 높은 방전 임계전력을 확보할 수 있다.

방전 임계 전력 및 절연파괴 전압은 다음 수식에서 계산할 수 있다.

\(P_{\max }=\left(E_{b r k} \div E_{\max }\right)^{2}\)       (1)

\(V_{p e a k}=E_{d} \times \operatorname{aln}\left(\frac{b}{a}\right)\)       (2)

공간 결합기에서 전력에 가장 취약할 것으로 예상되는 3곳에 대해 식 (1), (2)를 적용하여 방전 임계전력 및 절연파괴 전압을 계산하였다.

그림 6. 공간 전력 결합기 단면도

Fig. 6. Spatial power combiner sectional view

표 2. 결합기의 방전 임계전력 / 절연파괴 전압 산출

Table 2. Power rating of spatial power combiner

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.

5. 공간결합기 제작 및 측정

기구 가공을 통해 회로를 구현하는 도파관에 경우 가공 방식, 오차 및 조립 구조에 따라 많은 성능 변화가 발생한다. 설계 단계에서 기구적인 요인을 면밀히 적용하여 최적화를 진행하고, 도면화 하여 제작을 하였다. 기구는 크게 3-파트로 분리하여 회로를 구현하고, 조립 공차를 최소화하기 위해 각 기구물에 가이드 핀을 적용하였다. 결합기의 제작 사진은 그림 7.과 같다.

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

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. 측정하지 않는 포트는 종단을 하였다. 측정 사진은 그림 8에 나타내었다.

그림 8. 8-way 공간 결합기 측정 사진

Fig. 8. The spatial combiner measurement photo

시험 결과는 사용 주파수 대역에서 반사손실 18 dB 이상, 삽입손실은 8-way의 분배 손실 9dB를 제외하고 0.4dB 이하의 성능을 확인하였다.

그림 9. 공간 결합기 반사손실, 삽입손실 측정 결과

Fig. 9. The spatial combiner IL, RL measurement results

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.

그림 10. 회로망 분석기 격리도 측정 연결도

Fig. 10. Isolation measurement setup of network analyzer

그림 11. 공간 결합기 격리도 측정 결과

Fig. 11. The spatial combiner isolation measurement results

격리도 특성에서 주목할 만한 점은 인접 포트 들은 10 ~ 12dB의 양호한 성능을 보인 반면, 마주 보고 있는 포트들은 6 ~ 7dB로 상대적으로 낮은 성능을 보였다. 이는 저항성 격막을 추가하여 개선할 수 있지만 구조적으로 고정이 어렵고 손실이 증가한다. 그리고 MMIC의 개별 절연파괴 성능이 개선되어 격리도 6 ~ 7dB에서 충분한 성능을 확인할 수 있기 때문에 추가적인 개선은 진행하지 않았다.

결합기의 결합 효율은 고출력 고효율의 시스템을 구현하기 위해 매우 중요한 파라미터이다.

실제 결합 효율을 계산하기 위해서는 분배기와 결합기의 손실을 고려해야 하나, 단위 전력 증폭기의 이득이 충분히 크다면, 분배기의 손실은 무시되며 결합기의 손실에 의해 결합 효율이 결정된다.

\(\eta_{c} \approx \sqrt{\frac{\left|S_{21}\right|^{2}}{1-\left|S_{11}\right|^{2}}}\)       (3)

그림 12. 출력 결합 효율

Fig. 12. Output combining efficiency

결합효율을 구하기 위해 각 포트의 평균 손실을 구한 후 식 (3)을 통해 계산을 하고 그림 12에 그 결과를 나타내었다.

8-way 공간 결합기의 결합효율은 사용 대역에서 94.5% 이상의 매우 우수한 결합 효율을 확인하였다.

Ⅲ. 결론

본 논문에서는 밀리미터파(Ka 대역) 시스템에 적용 가능한 모드 변환기 및 8-way 도파관 공간 결합기에 대해 연구를 하였다.

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.

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.

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