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Design of W-band 12-way radial power combiner

W-밴드 12-way radial 전력 결합기 설계

  • Received : 2024.05.02
  • Accepted : 2024.06.07
  • Published : 2024.06.30
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Abstract

Design and fabrication method of W-band 12-way radial power combiner is proposed in this paper. The proposed structure is used with TE10 to TEM mode converter, which is realized using 2-step impedance transformer. The pin structure for mode converter is well bonded to the housing so that environment conditions such as vibration or shock are not affected. Proposed W-band power combiner has less than 0.7 dB insertion loss and more than 13 dB return loss from 88 GHz to 98 GHz. The measured output isolations between each other are greater than 7.5 dB from 82 to 100 GHz and phase differences are less than 10 degree from 88 to 96 GHz. Proposed power combiner is expected compact radar and various applications requiring for high power and stable environment conditions.

본 논문에서는 W-밴드 12-way radial 전력 결합기 설계 및 제작 방법을 제안하였다. 제안한 구조는 TE10 모드에서 TEM 모드로 변환기를 이용하였으며, 2단 구조의 임피던스 변환기로 구현하였다. 제안한 전력 결합기의 핀 구조는 하우징에 접합되어 진동 및 충격의 환경에서 영향이 없도록 하였다. 제안한 W-밴드 전력결합기의 특성은 88 ~ 98 GHz 대역에서 삽입손실 0.7 dB 이하 및 13 dB 이상의 반사손실을 가짐을 확인하였다. 채널간 격리도는 82 ~ 100 GHz 대역에서 최소 7.5 dB 이상 가지며 위상차는 88 ~ 96 GHz 대역에서 10도 이하의 편차를 가짐을 확인하였다. 제안한 전력 결합기를 이용하여 높은 출력 및 안정적인 환경조건을 요구하는 초소형 레이다 및 다양한 응용 분야에 적용이 가능하리라 판단된다.

Keywords

Ⅰ. 서론

기존 마이크로파 및 밀리미터파 시스템에서는 TWTA(Travelling Waveguide Tube Amplifier) 혹은 클라이스트론(klystron) 등의 진공관 전력증폭기를 이용하여 여러 응용 분야에서 고출력증폭기로 사용해 왔다[1]. 튜브로 구성된 고출력증폭기는 고주파 대역에서수십 kW의 고출력을 얻을 수 있지만, 여러 단점 또한 존재한다[2]. 잡음에 약하고 혼변조 신호 왜곡 및 선형성의 문제가 존재한다[2]. 수 kV 이상의 전압을 사용해야 하므로 운용성에 있어서 위험 요소가 존재한다[1-2]. 최근에는 반도체 소자에 대한 꾸준한 연구개발 결과로 국방 분야를 중심으로 기존의 튜브를 반도체 소자를 이용한 SSPA(Solid state power amplifer)로 대체하려는 연구가 활발히 진행되고 있다[1-2].

반도체 소자를 이용하여 고출력 전력증폭기 특성을 얻을 수 있는 방법은 낮은 전력의 증폭기를 다수 결합하여 높은 전력의 증폭기를 구현하는 방법이 존재한다. 먼저 전력 평면 결합방식은 윌킨슨, 하이브리드 커플러, 링 하이브리드, 정션 결합기 및 지젤 결합기가 존재하며, 또 다른 방법으로 공간 결합방식은 공간 결합기, 레디알 결합기, 코니칼 결합기 및 캐비티 결합기가 존재한다[3-10]. 특히, 밀리미터파와 같은 초고주파 대역에서 높은 전력을 결합을 위해, 낮은 유전체 손실과 높은 결합효율을 가지며 절연파괴 현상을 피할 수 있는 도파관을 이용한 공간 결합기에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다[1-2].

본 논문에서는 W-밴드에서 동작하고, 12개의 포트로 구성된 저손실, 고효율 성능을 갖는 radial 전력 결합기(radial power combiner)를 설계 및 제작하였다. 본 논문에서 제안한 W-밴드 12-way 전력 결합기의 형상을 그림1에 나타내었다. 가공의 범용성 및 편의성을 위해 CNC 가공을 이용하였으며 W-밴드와 같이 파장이 짧아 오차에 민감한 대역에서도 적용할 수 있으며 쉽게 제작하도록 설계하였다. 제안한 구조의 특성상 진동 및 충격조건에서도 큰 영향이 없는 구조로 다양한 무기 체계에 적용이 가능하도록 하였다.

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그림 1. 제안하는 12-way radial 전력 결합기 구조

Fig. 1. Proposed 12-way radial power combiner

Ⅱ. W-밴드 12-way radial 전력 결합기 설계 및 제작

1. 제안한 전력 결합기의 구조

제안한 W-밴드 12-way radial 전력 결합기의 등가회로와 옆면에서 바라본 간략화한 구조를 그림2에 나타내었다. 제안하는 전력 결합기는 입력된 도파관의 TE10모드 신호를 12개의 출력 도파관으로 분배하기 위한 동축 선로 구조와 radial 도파관 구조를 이용하였다. 동축선로 구조로 변환하기 위해 [11]에서 제안한 2-step 구조의 TE10-TEM 모드 변환기를 이용하였다. TEM 모드의 동축 선로 구조에서 12개의 도파관 구조로 변환하기 위한 radial 도파관 구조에도 비슷한 형태의 모드 변환기를 이용하였다. 본 논문의 전력 결합기는 모드 변환이 두번이 이루어지고 있으며 임피던스 정합 및 모드 변환을 위해 구조는 비슷하지만, 형태는 다르게 구현하였다. 단락된 구조의 모드 변환기를 이용하여 제작상의 편의성뿐만 아니라 진동 및 충격의 환경적인 영향에도 둔감하도록 설계 및 제작하였다.

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그림 2. (a) 제안한 결합기의 등가회로 모델. (b) 옆면에서 바라본 결합기의 구조

Fig. 2. (a) The equivalent circuit model of the proposed combiner. (b) side view showing inside structure

2. 전력 결합기 설계

W-밴드 12-way 전력 결합기의 입출력은 WR10 정규 사이즈를 이용하여 설계하였다. W-밴드 전력 결합기의 측정의 편의를 위해 입력 도파관을 90도로 꺾는 구조로 설계하였다. 2단 구조의 계단형으로 설계하여 전력 결합기에 수직으로 신호를 인가할 수 있도록 하였으며 입력구조의 설계 변수는 그림 3과 같다.

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그림 3. 전력 결합기 입력을 위한 2단 계단 도파관 구조

Fig. 3. Two-stage stepped waveguide structure for power combiner input. The parameter dimensions are b = 1.27, s1 =0.40 , s2 =0.35 , w1 =0.35 and w2 =0.40 .(unit: mm)

전력 결합기의 입력된 TE10 모드의 신호를 TEM 모드로 변환하고 이 신호를 radail 도파관으로 변환하기 위해 [11]에서 제안한 모드 변환기를 이용하였다. 2단 구조의계단 형태를 이용하였으며 그림 4와 같은 구조로 설계하였다. 2단의 계단 구조를 이용하여 모드 변환뿐만 아니라 다른 두 형태의 전송선로에서의 임피던스 정합이 되도록 하였다. TEM 모드의 동축 선로 구조는 0.51 mm 크기의 내경(d1)을 이용하였으며, 50옴 정합을 위해 1.17 mm 크기를 가지는 외경(d2)으로 설계하였다. 입력된 신호의 TE10 모드에서 TEM 모드로 변환하기 위해 1.99 mm의 back-short (lb)과 2단의 계단 구조(w1, w2, h1, h2)로 구현하였다. 밀링 툴의 한계로 인해 back-short의 끝 부분은 지름이 0.5 mm의 라운드가 생기는 것을 고려하여 설계하였다. TEM 모드의 동축 선로를 거쳐 radial 도파관 모드로 변환하기 위해 비슷한 형태의 2단의 계단 구조 (w3, w4, h3, h4)를 이용하였다. 설계된 모드 변환기를 CST Studio Suite를 이용하여 EM 시뮬레이션으로 검증하였으며, 최종 최적화 된 설계 파라미터값은 표1과 같다.

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그림 4. 옆에서 바라본 전력 결합기 내부의 모드 변환기 구조

Fig. 4. Side view of mode converter in the proposed power combiner

표 1. 전력 결합기의 크기(단위: mm)

Table 1. Summary of the mode converter dimenstions (unit: mm).

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그림 5와 같이 원형의 radial 도파관 구조를 거쳐 12-way의 도파관으로 출력을 가지는 구조를 최종으로 가지게 된다. TEM 모드에서 radial waveguide 모드로 변환한 후 12개의 도파관으로 나누게 되며, 각 채널은 360도 원형에서 12로 나눈 30도 간극을 가지는 12각형의 형태를 가진다.

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그림 5. 위에서 바라본 전력 결합기 구조 (a) 및 옆에서 바라본 구조 (b)

Fig. 5. (a) Top view and (b) side view of proposed power combiner

3. W-밴드 전력 결합기 제작 및 측정

본 논문에서는 제작의 편의성을 위해 다음 그림6과 같이 동축부와 도파관의 변환부를 분리하여 제작 및 조립하는 구조를 채택하였다. 그림 6(a)는 제작의 편의성 및 가공 공차를 최대한 줄이기 위한 동축부의 구조를 나타내고 있다. 입력 신호 및 출력 radial 변환부의 2단의 임피던스 변환부 각각 동축부에 일체형으로 제작하였다. 6(b)는 제안한 구조의 조립 과정을 나타내고 있다. 하우징1에 제작된 동축 모드변환부를 전도성 에폭시로 고정하여 조립하고 그 위에 하우징2를 조립한다. 마지막으로 하우징3을 전도성 에폭시로 고정 및 조립한다. 각 하우징은 가이드 핀을 적용하여 조립 공차를 최소화하도록 하였다.

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그림 6. 전력 결합기 내부 동축부 (a) 및 제안한 결합기의 조립 과정

Fig. 6. (a) The coaxial structure inside the proposed combiner and (b) the assembly process of the combiner.

앞서 설명한 설계 방법 및 제작 조립 방법을 이용하여 W-밴드 전력 결합기를 제작 및 측정하였다. 제작된 전력 결합기의 기구물의 형상 및 측정 셋업은 그림 7과 같다. 제작된 W-밴드 전력 결합기를 이용하여 네트워트 분석기를 이용하여 측정하였다.

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그림 7. W밴드 전력 결합기의 측정

Fig. 7. The measurement for W-band power combiner

시뮬레이션 및 측정 결과를 비교하여 그림 8에 나타내었다. 신호명 0은 12채널로 분기되기 전의 입력 포트이며 신호명 1에서 12까지 12-way로 분기된 출력 포트를 나타내고 있다. 입력 반사손실의 첫 번째 pole의 위치가 시뮬레이션 대비 매우 유사하며 측정 결과 88 ~ 96GHz 대역에서 13 dB 이상의 반사손실 및 1 dB 이하의 삽입손실을 가짐을 확인하였다. 그림 9와 10에는 측정된 반사손실 및 삽입손실을 자세하게 나타내었으며, 90 ~ 95 GHz 대역에서 0.7 dB 이하의 삽입손실을 가짐을 확인하였다. 그림 11에는 분기된 12개의 채널에 대한 격리도를 나타내었다. 82 ~ 100 GHz의 대역에서 채널간 격리도는 최소 7.5 dB 이상 가짐을 확인하였다. 그림 12에 채널간의 위상차를 나타내었으며 88 ~ 96 GHz 대역에서 10도 이하의 편차를 가짐을 확인하였다. 측정할 때 도파관 체결의 나사 조임 및 W-밴드 측정 도파관 extention과의 체결 상태에 따라 약간의 오차라고 판단된다.

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그림 8. W-밴드 전력 결합기의 시뮬레이션 및 측정 결과 비교

Fig. 8. Simulated and measured insertion loss and return loss of W-band power combiner

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그림 9. 측정된 W-밴드 전력 결합기 반사손실

Fig. 9. Measured return loss of the proposed W-band 12-way power combiner

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그림 10. 측정된 W-밴드 전력 결합기 삽입손실

Fig. 10. Measured insertion loss of the proposed W-band 12-way power combiner

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그림 11. 측정된 W-밴드 전력 결합기의 채널 간 격리도

Fig. 11. Measured isolation of the proposed W-band 12-way power combiner

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그림 12. 측정된 W-밴드 전력 결합기의 위상차

Fig. 12. Measured phase difference of the proposed W-band 12-way power combiner

Ⅲ. 결론

W-밴드의 저손실 12-way radial 전력 결합기를 제안하였다. 제안한 구조는 모드 변환되는 구조가 하우징에 단락되어 군수용 무기 체계의 진동 및 충격의 환경적인 조건에서 강건한 구조를 가지고 있다. 88 GHz ~ 96 GHz 대역에서 1 dB 이하의 삽입손실 및 13 dB 이상의 반사손실을 가지며 10도 이하의 우수한 위상 편차를 가짐을 확인하였다. 본 논문에서 제시한 전력 결합기를 이용한 W-밴드 radial 전력 결합기는 저손실 및 고출력 특성을 필요하는 초소형 레이다 및 다양한 응용 분야에 활용되리라 예상된다.

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