도파관의 임피던스 정합은 어떻게 달성할 수 있을까요? 마이크로스트립 안테나 이론의 전송선 이론에서 알 수 있듯이, 적절한 직렬 또는 병렬 전송선을 선택하여 전송선 간 또는 전송선과 부하 간의 임피던스 정합을 달성함으로써 최대 전력 전송과 최소 반사 손실을 이룰 수 있습니다. 마이크로스트립 전송선의 임피던스 정합 원리는 도파관의 임피던스 정합에도 동일하게 적용됩니다. 도파관 시스템에서 반사는 임피던스 불일치를 초래할 수 있습니다. 임피던스 저하가 발생할 경우, 해결 방법은 전송선과 동일하게 도파관 내 미리 계산된 지점에 필요한 값의 집중 임피던스를 배치하여 불일치를 극복하고 반사의 영향을 제거하는 것입니다. 전송선은 집중 임피던스 또는 스터브를 사용하는 반면, 도파관은 다양한 모양의 금속 블록을 사용합니다.
그림 1: 도파관 조리개 및 등가 회로, (a) 용량성; (b) 유도성; (c) 공진형.
그림 1은 다양한 형태의 임피던스 정합을 보여줍니다. 정합 방식은 정전 용량형, 유도형, 공진형 등 여러 가지가 있습니다. 수학적 분석은 복잡하지만 물리적 설명은 간단합니다. 그림 1b의 정전 용량형 금속 스트립을 살펴보면, (주요 모드에서) 도파관의 상하벽 사이에 존재하던 전위가 이제 더 가까운 두 금속 표면 사이에 존재하게 되어 해당 지점의 정전 용량이 증가합니다. 반대로 그림 1b의 금속 블록은 이전에는 전류가 흐르지 않던 곳에 전류를 흐르게 합니다. 금속 블록이 추가됨으로써 이전에 전기장이 강화되었던 평면에 전류가 흐르게 됩니다. 따라서 자기장에 에너지가 저장되고 도파관의 해당 지점의 인덕턴스가 증가합니다. 또한 그림 1c의 금속 링의 모양과 위치를 적절하게 설계하면 유도 리액턴스와 정전 용량 리액턴스가 같아져 개구부가 병렬 공진하게 됩니다. 이는 주 모드의 임피던스 정합 및 튜닝이 매우 우수하고, 해당 모드의 션팅 효과가 무시할 수 있을 정도로 작다는 것을 의미합니다. 그러나 다른 모드나 주파수는 감쇠되므로, 공진 금속 링은 대역 통과 필터와 모드 필터의 역할을 모두 수행합니다.
그림 2: (a) 도파관 기둥; (b) 2나사 매처
또 다른 튜닝 방법은 위 그림과 같이 원통형 금속 기둥을 도파관의 넓은 면 중 하나에서 도파관 내부로 돌출시켜 해당 지점에 집중 리액턴스를 제공하는 금속 스트립과 동일한 효과를 내는 것입니다. 이 금속 기둥은 도파관 내부로 돌출되는 정도에 따라 용량성 또는 유도성 특성을 가질 수 있습니다. 기본적으로 이 매칭 방법은 금속 기둥이 도파관 내부로 약간 돌출될 때 해당 지점에 용량성 서셉턴스를 제공하고, 이 용량성 서셉턴스는 돌출 깊이가 약 1/4 파장에 도달할 때까지 증가하다가 직렬 공진이 발생하는 원리를 이용합니다. 금속 기둥이 더 깊숙이 돌출되면 유도성 서셉턴스가 제공되며, 이 유도성 서셉턴스는 삽입이 완료될수록 감소합니다. 중간 지점 설치 시 공진 강도는 기둥 직경에 반비례하며 필터로 사용할 수 있지만, 이 경우에는 고차 모드를 통과시키는 대역 저지 필터로 사용됩니다. 금속 스트립의 임피던스를 증가시키는 방식과 비교했을 때, 금속 기둥을 사용하는 가장 큰 장점은 조정이 용이하다는 것입니다. 예를 들어, 두 개의 나사를 조정 장치로 사용하여 효율적인 도파관 정합을 달성할 수 있습니다.
저항 부하 및 감쇠기:
다른 전송 시스템과 마찬가지로, 도파관은 입사파를 반사 없이 완전히 흡수하고 주파수에 둔감하기 위해 완벽한 임피던스 정합과 조정된 부하가 필요한 경우가 있습니다. 이러한 단자의 한 가지 응용 분야는 실제로 전력을 방출하지 않고 시스템의 다양한 전력을 측정하는 것입니다.
그림 3 도파관 저항 부하 (a) 단일 테이퍼 (b) 이중 테이퍼
가장 일반적인 저항 종단은 도파관 끝에 설치되고 반사를 방지하기 위해 끝부분이 입사파 방향을 향하도록 가늘게 만들어진 손실 유전체 부분입니다. 이 손실 매질은 도파관 전체 폭을 차지할 수도 있고, 그림 3에서처럼 도파관 끝부분의 중앙 부분만 차지할 수도 있습니다. 테이퍼는 단일 테이퍼 또는 이중 테이퍼일 수 있으며, 일반적으로 길이는 λp/2이고, 전체 길이는 약 두 파장입니다. 보통 유리와 같은 유전체 판에 탄소 필름이나 규산나트륨을 외부에 코팅하여 만듭니다. 고출력 응용 분야의 경우, 이러한 종단에는 도파관 외부에 방열판을 추가하여 종단에 전달되는 전력을 방열판이나 강제 공기 냉각을 통해 방출할 수 있습니다.
그림 4. 이동식 날개 감쇠기
그림 4에서와 같이 유전체 감쇠기는 탈착식으로 제작할 수 있습니다. 도파관 중앙에 배치된 이 감쇠기는 도파관 중앙에서 측면으로 이동하여 가장 큰 감쇠 효과를 제공하는 위치에서, 지배 모드의 전기장 세기가 훨씬 낮아 감쇠가 크게 감소하는 가장자리 위치로 이동할 수 있습니다.
도파관에서의 감쇠:
도파관의 에너지 감쇠는 주로 다음과 같은 측면을 포함합니다.
1. 도파관 내부 불연속부 또는 정렬 불량 도파관 구간에서의 반사
2. 도파관 벽면에 흐르는 전류로 인한 손실
3. 충전 도파관에서의 유전 손실
마지막 두 손실은 동축선로의 해당 손실과 유사하며 둘 다 비교적 작습니다. 이 손실은 벽 재질과 표면 거칠기, 사용된 유전체, 그리고 주파수(표피 효과 때문)에 따라 달라집니다. 황동 도관의 경우 5GHz에서 4dB/100m, 10GHz에서 12dB/100m 범위이지만, 알루미늄 도관의 경우 범위가 더 작습니다. 은으로 코팅된 도파관의 경우 손실은 일반적으로 35GHz에서 8dB/100m, 70GHz에서 30dB/100m, 그리고 200GHz에서 약 500dB/100m입니다. 손실을 줄이기 위해, 특히 고주파수에서, 도파관 내부를 금이나 백금으로 도금하는 경우가 있습니다.
앞서 언급했듯이 도파관은 고주파 통과 필터 역할을 합니다. 도파관 자체는 사실상 손실이 없지만, 차단 주파수 이하의 주파수는 심하게 감쇠됩니다. 이러한 감쇠는 전파보다는 도파관 입구에서의 반사 때문입니다.
도파관 결합:
도파관 결합은 일반적으로 도파관 부품이나 구성 요소를 연결할 때 플랜지를 통해 발생합니다. 이 플랜지의 기능은 원활한 기계적 연결과 적절한 전기적 특성, 특히 낮은 외부 방사 및 낮은 내부 반사를 보장하는 것입니다.
플랜지:
도파관 플랜지는 마이크로파 통신, 레이더 시스템, 위성 통신, 안테나 시스템 및 과학 연구 분야의 실험 장비에 널리 사용됩니다. 플랜지는 서로 다른 도파관 부분을 연결하고, 누설 및 간섭을 방지하며, 도파관의 정확한 정렬을 유지하여 주파수 전자기파의 높은 신뢰성 있는 전송과 정밀한 위치 지정을 보장합니다. 그림 5에서 보는 바와 같이, 일반적인 도파관은 양쪽 끝에 플랜지가 있습니다.
그림 5 (a) 일반 플랜지; (b) 플랜지 커플링.
저주파수에서는 플랜지를 도파관에 브레이징 또는 용접하는 반면, 고주파수에서는 더 평평한 맞대기 플랜지를 사용합니다. 두 부품을 연결할 때는 플랜지를 볼트로 조이지만, 연결 부위에 불연속이 발생하지 않도록 끝부분을 매끄럽게 마감해야 합니다. 조정을 통해 부품을 정확하게 정렬하는 것이 훨씬 쉽기 때문에, 소형 도파관에는 링 너트로 조일 수 있는 나사산 플랜지가 장착되는 경우도 있습니다. 주파수가 증가함에 따라 도파관 결합의 크기는 자연스럽게 감소하고, 결합 불연속은 신호 파장과 도파관 크기에 비례하여 커집니다. 따라서 고주파수에서 불연속은 더욱 문제가 됩니다.
그림 6 (a) 초크 커플링의 단면도; (b) 초크 플랜지의 단면도
이 문제를 해결하기 위해 그림 6과 같이 도파관 사이에 작은 간격을 둘 수 있습니다. 초크 커플링은 일반 플랜지와 초크 플랜지가 연결된 구조입니다. 발생할 수 있는 불연속성을 보상하기 위해 초크 플랜지에는 L자형 단면을 가진 원형 초크 링을 사용하여 더욱 견고한 연결을 구현합니다. 일반 플랜지와 달리 초크 플랜지는 주파수에 민감하지만, 최적화된 설계를 통해 SWR이 1.05를 넘지 않는 적절한 대역폭(중심 주파수의 약 10%)을 확보할 수 있습니다.
게시 시간: 2024년 1월 15일
