인쇄형 다이폴을 이용한 ku-대역 원형도파관－동축선 변환부...

인쇄형 다이폴을 이용한 Ku-대역 원형도파관－동축선 변환부 설계Design of a Circular Waveguide to Coaxial Cable Transition Employing a Printed Dipole

저자(Authors)

윤제영, 노준우, 이찬호, 박영규, 안병철Je-Young Yun, Joon-Woo Nho, Chan-Ho Lee, Young-Gyu Park, Bieng-Chearl Ahn

출처(Source)

한국정보기술학회논문지 15(7), 2017.7, 65-71 (7 pages)

Journal of Korean Institute of Information Technology 15(7), 2017.7, 65-71 (7 pages)

발행처(Publisher)

한국정보기술학회Korean Institute of Information Technology

URL http://www.dbpia.co.kr/Article/NODE07206570

APA Style 윤제영, 노준우, 이찬호, 박영규, 안병철 (2017). 인쇄형 다이폴을 이용한 Ku-대역 원형도파관－동축선변환부 설계. 한국정보기술학회논문지, 15(7), 65-71.

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충북대학교203.255.70.***2017/08/11 12:08 (KST)

http://www.dbpia.co.kr/Publication/PLCT00000958

http://www.dbpia.co.kr/Issue/VOIS00300239

http://www.dbpia.co.kr/Publication/PLCT00000958

http://www.dbpia.co.kr/Issue/VOIS00300239

http://www.dbpia.co.kr/Publisher/IPRD00010353

Journal of KIIT. Vol. 15, No. 7, pp. 65-71, Jul. 31, 2017. pISSN 1598-8619, eISSN 2093-7571 65

* 충북대학교 전파통신공학과 ** 충북대학교 전파통신공학과(교신저자)

접 수 일: 2017년 05월 25일수정완료일: 2017년 07월 17일

게재확정일: 2017년 07월 20일

ž Received: May 25, 2017, Revised: Jul. 17, 2017, Accepted: Jul. 20, 2017ž Corresponding Author: Bireng-Chearl Ahn Dept. of Radio and Communication Eng., Chungbuk National University, Cheongdae-ro 1, Cheong-ju city, Chungbuk, Korea Tel.: +82-43-261-3194, Email: [email protected]

인쇄형 다이폴을 이용한 Ku-대역 원형도파관－동축선 변환부

설계

윤제영*, 노준우*, 이찬호*, 박영규*, 안병철**

Design of a Circular Waveguide to Coaxial Cable Transition

Employing a Printed Dipole

Je-Young Yun*, Joon-Woo Nho*, Chan-Ho Lee*, Young-Gyu Park*, and Bieng-Chearl Ahn**

요 약

원형도파관은 반사경 안테나 피드, 직교모드변환기, 편파기, 필터/멀티플렉서, 로터리 조인트 등의 구현에

널리 사용되고 있다. 원형도파관을 송신부/수신부와 연결하기 위해 흔히 원형도파관-동축선 변환부가 요구된

다. 본 논문에서는 인쇄형 다이폴을 이용한 일직선형 원형도파관-동축선 변환기를 설계하였다. 제안한 변환부

는 원형도파관 종단에 도파관 축과 일직선형으로 구현되며 단락된 원형도파관, 마이크로스트립 급전선, 마이크

로스트립 벌룬, 인쇄형 다이폴, 광대역 동작을 위한 기생소자, 동축선 프로브 등으로 구성된다. 설계변수에 따

른 변환부의 반사계수 변화를 분석한 후 이로부터 최적 설계를 얻었다. 설계된 변환부를 제작하여 반사계수를

측정하여 시뮬레이션과 비교하였다. 제안한 변환부는 13.5~17.0GHz 대역에서 -15dB 이하의 반사계수, -20dB

이하의 고차모드 레벨 특성을 가진다.

Abstract

Circular waveguides are widely used in the realization of reflector-antenna feeds, orthomode transducers, polarizers, filters/multiplexers, and rotary joints. A circular waveguide to coaxial cable transition is often employed to connect a circular waveguide to a transmitter/receiver. This paper presents an in-line circular waveguide to coaxial cable transition employing a printed dipole. The proposed transition consists of a shorted circular waveguide, a microstrip feed line, a microstrip balun, a printed dipole, a parasitic element for wideband operation, and a coaxial probe. Change in the reflection coefficient of the transition versus design parameters is analyzed, from which an optimum design is obtained. Designed transition is fabricated and it reflection coefficient is measured and compared with the simulation. The proposed transition shows reflection coefficient of less than -15dB and higher-order mode levels of less than -20dB at 13.4~17.2GHz.

Keywordscircular waveguide, coaxial transition, waveguide component, printed dipole

http://dx.doi.org/10.14801/jkiit.2017.15.7.65

충북대학교 | IP: 203.255.70.*** | Accessed 2017/08/11 12:08(KST)

66 인쇄형 다이폴을 이용한 Ku-대역 원형도파관－동축선 변환부 설계

Ⅰ. 서 론

10GHz 이상의 높은 주파수 대역에서는 손실이

작은 도파관 부품이 널리 사용된다. 원형도파관은

반사경 안테나 피드, 직교모드변환기, 편파기, 필터/멀티플렉서, 로터리 조인트 등의 구현에 널리 사용

되고 있다[1]-[4]. 원형도파관을 송신기 또는 수신기

에 연결하기 원형도파관-동축선 변환부가 요구되며

기존 연구결과로서 단순한 동축선 프로브를 이용한

구조(동작범위 2.3~2.7GHz)[5], 이중 리지를 이용한

구조(동작범위 0.83~2.8GHz)[6], 단순 동축선 프로브

를 이용한 구조(동작범위 8.8~10.9GHz)[7], 원뿔 프

로브와 사각형-원형도파관 변환부를 이용한 구조(동작범위 7.34~17.77GHz)[8] 등이 발표되었다. 사각도

파관-동축선 변환부에 많은 연구 결과가 발표되었

으며 도파관이 동작하는 전 주파수 대역에서 동작

하는 변환부의 설계가 가능하다. 원형도파관의 기본

모드인 TE11 모드와 고차모드인 TM01 모드, TE21 모드의 간격이 충분하지 않는 관계로 원형도파관-동축선 변환부는 보통 협대역 특성을 보이며 광대역

특성을 구현하려면 참고문헌 [6]과 [8]에서와 같은

특수한 구조를 사용해야 한다. 또한 기존의 원형도

파관-동축선 변환부는 원형도파관 축과 동축선의

축이 90°를 이룬다. 반사경 안테나 피드 등에서와

같이 원형도파관 축과 동축선 축이 일치하는 인라

인형 변환부가 요구되는 경우가 있다. 급전과 제작

이 용이하여 인쇄형 다이폴이 널리 사용되고 있으

며[9], 다이폴을 이용한 사각도파관-동축선 변환부가

발표되었다[10].본 논문에서는 인쇄형 다이폴을 이용하여 원형도

파관 축과 동축선 축이 일직선인 인라인형(축간 각

도 0°) 원형도파관-동축선 변환부를 제안하였다. 본논문에서 제시한 구조 또는 이와 유사한 구조는 국

내외에서 지금까지 발표된 적이 없다. 변환부의 설

계변수에 따른 반사계수 변화로부터 최적 설계안을

도출하였다. 설계된 변환부를 제작하여 측정치와 비

교하였다. 아래에 제안한 변환부의 설계, 제작, 측정

을 서술하였다.

Ⅱ. 변환부 설계

그림 1은 제안한 원형도파관-동축선 변환부의 구

조를 보인 것으로 원형도파관, 마이크로스트립 급전

선, 마이크로스트립 벌룬, 인쇄형 다이폴 및 기생소

자, 동축선 프로브, 접지면 등으로 구성된다. 인라인형 변환부를 용이하게 구현하고 이중편파

변환부로의 확장성을 고려하여 동축선에 의해 급전

되는 다이폴을 이용하여 원형도파관의 기본모드인

TE11 모드를 여기 하였다.다이폴은 벌룬 구조와 함께 마이크로스트립 선로

에 의해 급전되며 마이크스트립 선로 종단에는 동

축선 프로브가 연결된다. 마이크로스트립 급전선 종

단은 비아홀을 통해 다이폴의 한 쪽 arm에 연결된

다. 종단 비아홀을 제거하고 약 1/4파장 길이의 개

방 마이크로스트립 선로를 연결할 수도 있으나 본

논문에서는 설계변수를 줄이기 위해 종단 비아홀을

이용하였다. 대역폭을 증가시키기 위해 다이폴 상부

에 기생소자를 설치하였다. 접지면에 홈을 형성하고

다이폴이 인쇄된 기판 하부가 홈에 꽉 끼게 삽입함

으로써 기판을 접지면에 견고히 고정하였다.

(a) 3차원 형상

(b) 다이폴 기판 전면 (c) 다이폴 기판 후면

그림 1. 제안한 변환부 구조

Fig. 1. Structure of the proposed transition. (a) 3D shape,

(b) Front surface of the dipole substrate, (c) Back surface

of the dipole substrate



그림 2. 제안한 변환부의 다이폴 설계변수Fig. 2. Design parameters of the dipole in the proposed

transition

그림 3. 다이폴 arm 길이에 따른 변환부의 반사계수Fig. 3. Reflection coefficient of the transition versus the

dipole arm length

14~16GHz 대역에서 동작하는 변환부의 최적설계

를 위해 그림 2와에 표시된 설계변수에 따른 변환

부의 반사계수 특성을 분석하였다. 원형도파관의 직

경은 13.4mm로 하였고 기판은 Isola사의 I-Tera MT RF® (두께 0.762mm, 유전상수 3.56, 손실탄젠트

0.0035)를 사용하였다. 원형도파관의 직경이 13.4mm인 경우 TE11, TM01, TE21, TE01, TM11 모드의 차단

주파수는 각각 13.12, 17.13, 21.77, 27.30GHz이다.그림 3에서부터 그림 6까지는 주요 설계변수에

따른 반사계수 변화를 보인 것이다. 나머지 치수는

표 1의 치수와 같게 하였다. 그림 3, 그림 4, 그림 5는 다이폴 arm 길이 w5, 벌룬의 접지와 다이폴 arm과의 간격 h2, 다이폴 급전점 h7에 따른 반사계수

변화를 보인 것이다. 이들 변수의 값이 변할 때 동

작 주파수 범위는 크게 변하지 않고 반사계수만 증

가함을 알 수 있다. 이들의 최적 값으로 각각

2.7mm, 2.8mm, 3.7mm로 하였다. 그림 6은 다이폴의 폭 h3에 따른 반사계수 변화

를 보인 것이다.

그림 4. 다이폴 높이에 따른 변환부의 반사계수

Fig. 4. Reflection coefficient of the transition versus the

dipole height

그림 5. 다이폴 급전점에 따른 변환부의 반사계수


dipole feed point

그림 6. 다이폴 폭에 따른 변환부의 반사계수


dipole width

그림 7에서부터 그림 9까지는 각각 기생소자의

길이 w6, 기생소자와 다이폴 사이의 간격 h6, 기생

소자의 수평 위치 w7에 따른 변환부의 반사계수이

다. 그림 7로부터 기생소자 길이는 다이폴의 대역폭



에 민감한 영향을 줌을 알 수 있다. 기생소자의 길

이를 3.8mm로 할 경우 기생소자에 의해 16.8GHz에서 또 다른 공진이 발생하여 광대역 특성을 얻을

수 있다.

그림 7. 기생소자 길이에 따른 변환부의 반사계수Fig. 7. Reflection coefficient of the transition versus the

length of the parasitic feed point

그림 8. 기생소자와 다이폴 사이의 간격에 따른 따른변환부의 반사계수

Fig. 8. Reflection coefficient of the transition versus thegap between the parasitic element and the dipole

그림 9. 기생소자의 수평 위치에 따른 변환부의 반사계수


horizontal position of the parasitic element

그림 8로부터 기생소자와 다이폴 사이의 간격 h6 기생소자에 의한 2차 공진에 영향을 줌을 알 수 있

다. 최적 값으로 h6 = 0.5mm를 적용하였다. 그림 9로부터 기생소자의 수평위치 w7은 기생소자의 2차공진뿐만 아니라 변환부의 반사계수 특성에도 민감

하게 영향을 줌을 알 수 있다. w7을 3.5mm로 하였

을 때 가장 양호한 특성을 얻을 수 있었다. 위와 같은 변수분석을 토대로 13.5~17.7GHz 주파

수에서 동작하는 원형도파관-동축선 변환부를 최적

설계하였다. 표 1은 최적 설계된 변환부 다이폴의

치수이다.

표 1. 최적 설계된 변환부 다이폴 치수 (단위: mm)

Table 1. Dimensions of the dipole in the optimally

designed transition (unit: mm)

Symbol Value Symbol Value

W 8 H 7

w1 2.45 h1 1

w2 1.1 h2 2.8

w3 0.9 h3 1

w4 1.9 h4 2.2

w5 2.7 h5 0.7

w6 3.8 h6 0.5

w7 3.5 h7 3.7

w8 2.7 h8 0.4

w9 0.6 w10 4.7

최적 설계된 변환부의 동축선을 입력 포트로 하

였을 때 기본 TE11의 반사계수와 전달계수, 고차모

드(TM01, TE21, TE01, TM11)의 전달계수를 해석하여

그림 10에서부터 그림 12까지 도시하였다. 여기서

포트 1은 그림 1에 표시된 것과 같이 동축선이며

포트 2는 원형도파관 단면이다. 최적 설계된 변환부

는 13.5~17.7GHz에서 -15dB 이하의 반사계수, -0.5dB 이상의 전달계수를 가진다. 그림 12로부터 약

17GHz 이하에서 TM01, TE21 모드는 TE11 모드 대비

-20dB 이하의 크기로 발생하며 TE01, TM11 모드는

-60dB 이하의 크기로 발생함으로 알 수 있다. 고차모드 발생을 고려할 때 최적 설계된 변환부

는 13.5~17.0GHz에서 양호한 특성을 가짐을 알 수

있다.



그림 10. 최적 설계된 변환부의 반사계수

Fig. 10. Reflection coefficient of the optimally designed

transition

그림 11. 최적 설계된 변환부의 전달계수

Fig. 11. Transmission coefficient of the optimally designed

transition

그림 12. 최적 설계된 변환부의 고차모드 전달계수

Fig. 12. Higher-order mode transmission coefficient of the

optimally designed transition

III. 변환부 제작 및 측정

최적 설계한 변환부를 제작하였다. 원형도파관과

접지면은 머시닝센터를 이용하여 수치제어 가공법

으로 제작하였으며 다이폴은 표준 인쇄회로 공법으

로 제작하였다. 프로브가 달린 패널 실장형 SMA 커넥터를 마이크로스트립 급전선로와 연결하고 여

기에 동축선을 연결하였다. 그림 13은 제작된 변환

부의 사진이다. 제작된 변환부의 반사계수를 HP8720C 회로망분

석기를 사용하여 측정하였다. 원형도파관 개구면을

개방한 상태에서 측정한 후 개구면에서 반사되는

성분은 시간영역 게이팅 기법으로 제거하였다.

(a) 다이폴

(b) 분해된 변환부

그림 13. 제작된 변환부의 사진

Fig. 13. Photograph of the fabricated transition, (a) Dipole

and (b) Disassembled transition

그림 14. 제작된 변환부의 반사계수 측정치

Fig. 14. Measured reflection coefficient of the fabricated

transition



그림 14는 제작된 변환부의 반사계수를 보인 것

이다. 제작된 변환부는 13.6~17.9GHz 범위에서

-15dB 이하의 반사계수 특성을 보였다. 측정된 반사

계수는 계산치와 잘 일치함을 알 수 있다. 제작된

변환부는 금속과 저손실 기판으로 구성되므로 변환

부의 전달계수 (삽입손실)은 시뮬레이션과 거의 같

은 값으로 예상된다.

Ⅳ. 결 론

본 논문에서는 인쇄형 다이폴을 이용한 인라인형

원형도파관-동축선 변환부를 설계, 제작, 측정하였

다. 다이폴은 마이크로스트립 선로, 마이크로스트립

벌룬, 동축선 프로브에 의해 급전되며 대역폭을 증

가시키기 위해 다이폴 상부에 기생소자를 설치하였

다. 주요 설계변수에 따른 반사계수 특성을 토대로

13.5~17.0GHz 대역에서 동작하는 변환부의 최적 설

계를 도출하고 이를 제작하여 반사계수 특성을 측

정하였다. 측정결과 제안한 변환부는 13.5~17.0GHz 에서 -15dB 이하의 반사계수와 -20dB 이하의 고차

모드 발생 특성을 가짐을 확인하였다. 본 논문에서

제안한 원형도파과-동축선 변환부는 반사경 피드와

원형도파관 부품 구현에 유용하게 활용될 수 있다

고 판단된다.

References

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저자소개

윤 제 영 (Je-Young Yun)

2015년 2월 : 충북대학교

정보통신공학과(공학사)

2015년 3월 ~ 현재 : 충북대학교

전파공학과 석사과정

관심분야 : 안테나 설계



노 준 우 (Joon-Woo Nho)





관심분야 : 안테나 설계, RF

시스템 설계

이 찬 호 (Chan-Ho Lee)





관심분야 : 모노펄스 추적, 안테나

박 영 규 (Young-Gyu Park)





관심분야 : 안테나 및 RF 회로

설계

안 병 철 (Bierng-Chearl Ahn)

1981년 2월 : 서울대학교

전기공학과(공학사)

1983년 2월 : 한국과학기술원

전기전자공학과(석사)

1992년 12월 : University of

Mississippi 전기전자공학과(박사)

1983년 ~ 1986년 : (주) 금성정밀

주임연구원

1992년 ~ 1994년 : 국방과학연구소 선임연구원

1995년 ~ 현재 : 충북대학교 전파통신공학과 교수

2010년 ~ 현재 : 벡터시스템즈 대표이사

관심분야 : 전자파 응용, 안테나


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