E-band Bøifot 직교모드변환기 설계ael.cbnu.ac.kr/AEL-results/papers/이주(2016)-E-band... · 2017-01-03 · 한국정보기술학회논문지, 14(8), 1-9. 이용정보 (Accessed)

E-band Bøifot 직교모드변환기 설계Design of an E-band Bøifot Ortho-mode Transducer

저자(Authors)

이주, 노재우, 바양뭉흐 엥흐바야르, 방재훈, 안병철Li-Shu, Jae-Woo Noh, Bayanmunkh Enkhbayar, Jae-Hoon Bang, Bierng-Chearl Ahn

출처(Source)

한국정보기술학회논문지 14(8), 2016.08, 1-9 (9 pages)Journal of Korean Institute of Information Technology 14(8), 2016.08, 1-9 (9 pages)

발행처(Publisher)

한국정보기술학회Korean Institute of Information Technology

URL http://www.dbpia.co.kr/Article/NODE06767750

APA Style 이주, 노재우, 바양뭉흐 엥흐바야르, 방재훈, 안병철 (2016). E-band Bøifot 직교모드변환기 설계.한국정보기술학회논문지, 14(8), 1-9.

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충북대학교203.255.70.***2017/01/03 11:52 (KST)

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

http://www.dbpia.co.kr/Issue/VOIS00281102

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

Journal of KIIT. Vol. 14, No. 8, pp. 1-9, Aug. 31, 2016. pISSN 1598-8619, eISSN 2093-7571 1

E-band Bøifot 직교모드변환기 설계

이주*, 노재우*, 바양뭉흐 엥흐바야르**, 방재훈***, 안병철****

Design of an E-band Bøifot Ortho-mode Transducer

Li-Shu*, Jae-Woo Noh*, Bayanmunkh Enkhbayar**, Jae-Hoon Bang***,

and Bierng-Chearl Ahn****

요 약

본 논문에서는 광대역 특성을 갖는 E-대역 Bøifot 직교모드변환기를 설계/제작하였다. 제안된 직교모드변환

기는 이중릿지와 T-자형 분기구조로 이루어진 편파 분리부, 6개의 전계면 벤드, Y-자형 접합부 등으로 구성된

다. 설계된 직교모드변환기의 공용 포트에는 크기가 3.1×3.1mm인 정사각 도파관이 적용되고 직선 및 측면 포

트로는 WR-12 사각 규격 도파관이 연결된다. 직교모드변환기는 주요 구성품들을 개별적으로 최적화한 후 전

체 구조를 통합하여 설계되었다. 전체 결합된 직교모드변환기에 변수 조절법을 적용하여 주요 변수의 효과를

분석하였다. 최적 설계된 직교모드변환기는 2개의 split-block으로 제작되었다. 제작된 직교모드변환기는 주파수

60-95GHz 내에서 -15dB 이하의 반사계수, 0.4dB 이하의 삽입손실 및 32dB 이상의 포트간 격리도의 특성을 얻

었다.

Abstract

In this paper, a wideband Bøifot ortho-mode transducer operating at the E-band is designed and fabricated. The proposed ortho-mode transducer consists of a polarization separation section having dual ridges and a T-shaped divider, 6 E-plane bends and an Y-shaped junction. A common port of the ortho-mode transducer is employed with the square waveguide having dimensions of 3.1×3.1mm and its side/straight ports are implemented with the WR-12 rectangular standard waveguide. In designing the ortho-mode transducer, each component is individually optimized and then the overall configuration is assembled. The effects on the major parameters are analyzed with the parametric-sweep methods for the combined structure. The optimally designed ortho-mode transducer is fabricated with 2 split blocks. The fabricated ortho-mode transducer has a reflection coefficient of less than -15dB, a transmission coefficient of less than 0.4dB and an isolation between ports of greater than 32dB over the frequency range 60-95GHz.

KeywordsE-band, Bøifot junction, wideband ortho-mode transducer, split-block

* 충북대학교 전파통신공학과** ㈜에이스테크놀로지 선임연구원

*** ㈜두타기술 수석연구원

**** 충북대학교 전파통신공학과 교수(교신저자)접 수 일: 2016년 04월 21일수정완료일: 2016년 07월 25일

게재확정일: 2016년 07월 28일

ž Received: Apr. 21, 2016, Revised: July 25, 2016, Accepted: July 28, 2016ž Corresponding Author: Bierng-Chearl Ahn Director of Applied Electromagnetics Lab., Chungbuk National University, Cheongdae-ro 1, Cheongju City, Chungbuk Province, 361-763, Korea Tel.: +82-43-261-3194, Email: [email protected]

http://dx.doi.org/10.14801/jkiit.2016.14.8.1

충북대학교 | IP: 203.255.70.*** | Accessed 2017/01/03 11:52(KST)

2 E-band Bøifot 직교모드변환기 설계

Ⅰ. 서 론

넓은 주파수 스펙트럼이 요구되는 밀리미터파 위

성 통신, 전파천문 분야의 활발한 연구와 더불어 광

대역 특성을 갖는 RF 부품의 수요가 증가되고 있다

[1]. 무선 기반의 밀리미터파 통신 링크에서 직교모

드변환기는 단일 안테나의 뒷단에 연결되어 송수신

을 분리하는 주요 부품이다[2].광대역 특성을 갖는 직교모드변환기의 구조로는

dunning 구조[3], 브랜치 선로 구조[4], Bøifot 접합

구조[5], 턴스터일 구조[6] 등이 있다. 특히 Bøifot 접합부가 있는 직교모드변환기는 서로 다른 두 편

파를 분리하는 편파분리부가 적용되어 40%에 가까

운 광대역 특성을 갖는다. 초기 A. M. Bøifot에 의

해 제안된 구조는 얇은 셉텀과 금속핀을 갖고 광대

역 특성을 확보하였다[7]. 이후 편파분리부에 테이

퍼된 셉텁[8][9], 금속핀 등을 이용하여 넓은 주파수

범위에서 편파 분리가 되는 구조가 발표되었다. 이와 같은 Bøifot 직교모드변환기는 다수의 구성품들

로 인해 가공상에 많은 어려움이 존재한다. 본 논문에서는 split-block 형태로 가공이 비교적

용이하고 넓은 주파수 범위에서 우수한 특성을 갖

는 E-대역 Bøifot 직교모드 변환기를 설계 제작하였

다. 제안된 직교모드변환기는 개별 구성품을 초기

설계한 후 전체 구조를 결합하였다. 전체 구조에서

주요 변수에 따른 영향을 분석하여 최적의 설계 치

수를 도출하였다. 마지막으로 설계된 직교모드변환

기의 제작/측정 과정을 거쳐 본 논문의 방법이 타

당함을 제시하였다.

Ⅱ. 직교모드변환기 설계

그림 1은 본 논문에서 제안된 Bøifot 직교모드변

환기(Ortho-Mode Transducer)의 구조이다. 그림 1의직교모드변환기는 정사각 도파관을 갖는 공용포트, 이중 릿지를 갖는 편파분리부, 전계면 벤드, 전계면

Y-접합부 및 직선/측면포트 등으로 구성된다. 직선/측면 포트의 종단은 WR-12 사각 규격 도파관을 적

용하였다. 정사각 도파관으로 구성되는 공용 포트의

종단에는 2개의 도파관 벤드로 T-자형 전력분배기

를 구성하여 수평편파 성분(1h)을 갖는 직선 포트

(Straight Port; Port 3)를 형성하였다. 공용 포트의 수

직편파(1v) 성분은 광대역 이중릿지와 45° 도파관

벤드를 거쳐 측면포트(Side Port; Port 2)에 연결된다. 이와 같이 두 편파가 분리되는 지점을 Bøifot 접합

부 혹은 편파 분리부라 한다.표 1은 본 논문에서 설계된 직교모드변환기의 주

요 규격이다. E-대역 주파수 60-90GHz에서 포트별

-15dB 이하의 반사계수, 포트간 0.5dB 이하의 삽입

손실 및 30dB 이상의 격리도 특성 등이 요구된다.

그림 1. 제안된 Bøifot 직교모드변환기

Fig. 1. Proposed Bøifot ortho-mode transducer



표 1. 직교모드변환기 설계 규격

Table 1. Design specifications of the orthomode transducer

항 목 설계규격

주파수 60-90GHz

각 포트 반사계수 -15dB 이하

직선/측면포트 격리도 30dB 이상

삽입손실 0.5dB(H), 0.5dB(V) 이하

직선/측면포트 도파관 WR-12(사각형)

공용포트 도파관 원형(직경 3mm)

그림 2는 제안된 직교모드변환기의 핵심 구성품

인 편파 분리부이다. 편파 분리부는 정사각 도파관, 이중 릿지, T-자형 전력 분배기, 임피던스 변환부

및 계단형 전계면 벤드로 구성된다. 공용 포트 내부

의 수평편파(1h) 성분은 정사각 도파관과 전계면 벤

드를 통해 T-자형으로 연결된 2개의 사각 도파관을

통해 직선 포트와 연결된다. 공용 포트의 수직 편파

(1v)는 정사각 도파관 내 이중 릿지와 다단 임피던

스 변환부, 전계면 계단형 벤드 등을 거쳐 측면 포

트를 통해 통과한다.본 논문에서 제안된 직교모드변환기의 설계 과정

은 다음과 같다. 우선 직교모드변환기의 주요 구성

품인 편파 분리부, 계단형 전계면 벤드, 원형 전계

면 벤드, 전계면 Y-접합부 등을 개별적으로 설계하

였다. 다음으로 개별 설계된 각 구성품들을 하나로

통합한 후 주요 변수의 최적화를 통해 전체 직교모

드변환기의 치수를 결정하였다. 직교모드변환기의

최적 설계에는 CST사의 Microwave StudioTM v.2012에서 제공하는 변수 조절법(Parametric Sweep)을 이

용하였다.그림 3은 편파 분리부의 주요 설계 변수이다. 편

파 분리부에 있는 이중 릿지 도파관의 각 section의초기 길이(l1, l2, l3)는 중심 주파수(75GHz)에서 도파

관 관내 파장의 1/4가 되도록 하였다. 또한 릿지의

최종단에서 릿지 사이의 간격(a4)은 정사각 도파관

크기의 0.4배로 하였다. 릿지 도파관의 각 단에서

릿지 간의 간격(a1, a2, a3)는 a4의 초기치를 고려하

여 선형적으로 변화시켰다. 도파관 광벽 길이가 순

차적으로 증가되는 임피던스 변화부의 초기 설계에

도 광벽 길이(a5, a6, a7, b)를 선형적으로 변화시켰

다. 편파 분리부는 이상의 초기 설계 치수를 기반으

로 변수 조절법에 의해 최적화되었다.

그림 2. 편파 분리부 형상

Fig. 2. Geometry of the polarization-separating junction

(a) 삼차원 치수 (3D dimensions)

(b) xz-평면 단면도 (Cross section of the xz-plane)

그림 3. 편파분리부의 설계 변수

Fig. 3. Design parameters of the polarization-separating

section

최적 설계된 편파 분리부의 주요 특성은 그림 4와 같고 최적 치수는 표 2에 제시되었다. 주파수

59.46-92.56GHz 범위에서 각 포트의 반사계수는

-20dB 이하이고 포트간 삽입손실은 0.2dB 이내이다. 편파분리부의 직선-측면 포트간의 격리도는 40dB 이상으로 계산되었다.



(a) 각 포트에서의 반사계수 (Reflection coefficients at

each port)

(b) 삽입손실 (Transmission coefficient)

(c) 직선-측면 포트간 격리도 (Isolation between the

straight and side ports)

그림 4. 최적 설계된 편파 분리부의 특성Fig. 4. Performances of the optimally designed

polarization-separating section

다음으로 전계면 Y-접합부, 원형 도파관 벤드, 계산형 도파관 벤드 등을 설계하였다. 그림 5(a)는 전

계면 Y-접합부의 설계 변수와 도파관내 전기장 방

향이다. 두 입력 도파관과 Y-접합이 만나는 지점은

내부 직경이 r2인 원형 벤드를 적용하고 Y-접합에서

출력 포트까지는 3단으로 구성된 임피던스 변환부

를 연결하였다.

표 2. 최적화된 직교모드변환기의 치수

Table 2. Dimensions of the optimized ortho-mode

transducer

a a1 a2 a3 a4

3.1 2.55 1.83 1.32 1.1a5 a6 a7 a8 a9

0.87 0.97 1.29 0.77 0.39l l1 l2 l3 l4

1.5 1.18 1.12 1.00 1.77l5 l6 l7 l8 l9

0.65 1.08 1.12 1.12 3.93 l10 l11 l12 l13 b

2.38 1.32 1.31 9.53 1.55b1 b2 b3 r r1

1.18 2.36 1.8 4.25 2.46r2 α t hc

0.84 45° 0.73 1.11

최종 설계된 전계면 Y-접합부의 최적 치수는 a= 3.1mm, b=1.55mm, b2=2.36mm, b3=1.78mm, l10=2.38mm, l11=1.32mm, l12=1.32mm, r2=0.8mm이다. 설계된 Y-접합부는 원하는 동작 주파수 내에서 -30dB 이하의

반사 계수와 0.2dB 이내의 삽입손실을 만족한다. 그림 5(b)는 도파관 원형 벤드의 설계 변수이다.

그림 5(b)의 도파관 원형 벤드는 광벽 길이가 같고

협벽 길이가 서로 다르다. 상용 프로그램에 의한 최

적 설계를 통해 r = 4.25mm, r1 = 2.46mm인 경우

주파수 60-95GHz 범위 내에서 -25dB의 반사계수와

0.1dB 이하의 삽입손실 특성을 얻었다. 그림 5(c)의 계단형 도파관 전계면 벤드는 z-축으

로 방향으로 형성된 사각 도파관을 Y-접합부의 입

력단에 연결하는 데 적용된다. 계단형 도파관 전계

면 벤드에는 밀링 가공을 고려하여 0.3mm의 반경

을 갖는 모서리를 적용하였다. 계단형 도파관 전계

면 벤드의 최적 설계 공식[10]을 이용하여 상용 소

프트웨어로 설계하였다. 설계된 최종 치수는 a = 2b = 3.05mm, a8 = 0.77mm, a9 = 0.39mm이다. 이상

과 같이 설계된 계단형 도파관 전계면 벤드는 주파

수 60-956GHz 범위에서 -43dB 이하의 반사계수와

0.05dB 이하의 삽입손실을 갖는다.



직교모드변환기의 각 구성품을 개별적으로 설계

한 후 전체 구조를 결합하고 최적화하였다. 편파 분

리부의 첫 번째 릿지의 폭(a1), 정사각 도파관내 마

지막 릿지의 폭(a4), 임피던스 변환부의 첫 번째 단

광벽 길이(a5), 편파 분리부 접합단의 모서리 절단

길이(hc) 등에 의한 직교모드변환기의 성능은 그림

6과 같다.그림 6(a)는 정사각 도파관 내 첫 번째 릿지의

폭(a1) 변화에 따른 특성이다. 공용 도파관 내 이중

릿지는 수직 편파(1v)의 방향으로 계단형 구조를 가

지므로 포트 2의 반사 계수가 적절히 변하게 된다.

(a) 전계면 Y-접합부 (E-plane Y-junction)

(b) 도파관 원형 벤드 (Waveguide circular bend)

(c) 계단형 전계면 벤드 (Stepped E-plane bend)

그림 5. 구성품별 설계 변수

Fig. 5. Design dimensions of each component

(a) 측면포트에서 변수 a1의 효과 (Effect on the parametera1 at the side port)

(b) 측면포트에서 변수 a4의 효과 (Effect on the parametera4 at the side port)

(c) 측면포트에서 변수 hc의 효과 (Effect on the parameterhc at the side port)

(d) 직선포트에서 변수 hc의 효과 (Effect on the parameterhc at the straight port)

다음장에 계속



(e) 측면포트에서 변수 a5의 효과 (Effect on the parametera5 at the side port)

그림 6. 주요변수 변화에 따른 직교모드변환기 특성Fig. 6. Performances of the ortho-mode transducer with

variations of the major parameters

(a) 제작된 직교모드변환기의 부품

(a) Parts of the fabricated ortho-mode transducer

(b) 조립된 시제품와 도파관 변환부

(b) assembled prototype and waveguide transition그림 7. 제작된 직교모드변환기

Fig. 7. Fabricated ortho-mode transducer

첫 번째 릿지 폭(a1)이 2.5-2.65mm 범위에서 변하

여도 주파수 57-94GHz 범위에서 -15dB 이하의 반사

계수를 만족한다. 포트 3의 반사계수는 a1의 크기에

거의 영향을 받지 않는다. 그림 6(b)는 공용 정사각

도파관 내 마지막 릿지 폭의 변화에 따른 반사계수

계산결과이다. 마지막 릿지의 폭(a4)이 1.1mm인 경

우 주파수 55-92GHz에서 -20dB 이하의 반사계수를

만족한다. 그림 6(c)와 (d)는 공용 정사각 도파관에서 측면

도파관으로 분기되는 부분의 모서리 길이(hc)의 변

화에 따른 계산결과이다. 모서리와 도파관 벽이 이

루는 각(a)는 모두 45°로 하였다. 모서리의 길이(hc)가 0.9mm인 경우 포트 3에서의 반사계수가 크게

증가한다. 반면에 모서리 길이가 1.05mm 이상인 경

우 주파수 57GHz 이상에서 -20dB 이하의 반사계수

를 만족한다. 그림 6(e)는 임피던스 변환부의 첫 번

째 단의 광벽 길이(a5) 변화에 따른 측면 포트의 반

사계수 특성이다. 길이 a5가 증가할 경우 높은 주파

수에서 반사계수가 높아짐을 알 수 있다.직교모드변환기의 최적 치수는 이상과 같은 변수

조절법으로 얻었다. 표 2는 최종 설계된 직교모드변

환기의 치수이다.

Ⅲ. 직교모드변환기 제작 및 실험

최종 설계된 직교모드변환기는 정밀 밀링 가공과

방전 가공을 통해 제작되었다. 제작된 직교모드변환

기는 사각 도파관 광벽의 중심에서 2개의 split-block 형태로 구현되었다. 공용 포트에서의 전기적 성능은

길이가 50mm이고 저반사 특성을 갖는 정사각-사각

(WR-12) 변환부를 연결하여 측정하였다. 그림 7은제작된 직교모드변환기의 시제품 형상이다. 최종 조

립된 직교모드변환기는 도파관 정합부하를 이용하

여 보정된 회로망 분석기로 측정되었다. 그림 8은 제작된 직교모드변환기의 반사손실 특

성이다. 수평편파를 갖는 공용 포트, 측면 및 직선

포트에서는 모두 -15dB 이하의 반사계수 특성을 만

족한다. 반면에 수직편파 성분을 갖는 공용 포트의

경우 주파수 90GHz 부근 2.2GHz 대역폭 내에서

-15dB 이상의 반사계수 특성을 갖는다. 이러한 원인은 제작된 직교모드변환기의 가공오

차가 최대 0.07mm까지 형성되었기 때문이다. 그림

9는 제작된 시제품의 삽입손실과 격리도 특성이다. 본 논문에서 제작된 직교모드변환기는 0.4dB 이내

의 삽입손실과 32dB 이상의 격리도 특성을 갖는다. 측정된 직교모드변환기는 실제 설계 결과와 잘 일

치함을 알 수 있다.



(a) 공용포트 수평편파 (Horizontal polarization at thecommon port)

(b) 공용포트 수직편파 (Vertical polarization at thecommon port)

(c) 측면 포트 성능 (At the side port)

(d) 직선포트 (Straight port)그림 8. 제작된 직교모드변환기의 반사계수

Fig. 8. Reflection coefficients of the fabricated orthomodetransducer

(a) 삽입손실 (Transmission coefficients)

(b) 격리도 (Isolation)

그림 9. 제작된 직교모드변환기의 투과계수 및 격리도

Fig. 9. Reflection coefficient of the fabricated orthomode

transducer

Ⅳ. 결 론

본 논문에서는 2개의 split-block 형태로 제작된

E-대역 Bøifot 직교모드변환기를 설계하였다. 제안된

직교모드변환기는 이중릿지를 갖는 편파 분리부와

다수의 도파관 벤드, Y-자형 접합부 등으로 구성된

다. 초기 설계에서는 정사각형 공용포트와 T-자형

분기 구조, 편파 분리부로를 개별적으로 설계하였

다. 다음으로 직교모드변환기의 전체 구조를 순차적

으로 연결한 후 변수 조절법을 이용하여 최종 설계

치수를 도출하였다. 최적 설계된 직교모드변환기는 2개의 split 블록

으로 분리하여 제작하였다. 제작된 직교모드변환기

의 측정에는 WR-12 도파관용 보정세트를 이용하였

다. 제작된 직교모드변환기는 주파수 60-95GHz 범위에서 0.4dB이내의 삽입손실과 32dB 이상의 격리

도 특성을 갖는다. 본 논문에서 제안된 Bøifot 직교

모드변환기는 광대역 밀리미터파 부품 설계에 중요

한 도구로 활용될 수 있다.



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저자소개

이 주 (Li-Shu)

2014년 8월 : 충북대학교

정보통신공학과(공학사)

2014년 9월 ~ 현재 : 충북대학교

전파공학과 석사과정

관심분야 : 안테나 설계

노 재 우 (Jae-Woo Noh)


정보통신공학과(공학사)

2015년 3월 ~ 현재 : 충북대학교

전파공학과 석사과정


바양뭉흐 엥흐바야르(Bayanmunkh Enkhbayar)

2005년 1월 : 몽골과학기술대학교

전파공학과(공학사)

2005년 6월 : 몽골과학기술대학교

전파공학과(공학석사)


전파공학과(공학박사)

2011년 ~ 현재 : 에이스테크놀로지

선임연구원




방 재 훈 (Jae-Hoon Bang)


전파공학과(공학사)


전파공학과(공학석사)


정보통신공학과(공학박사)

2008년 ~ 2009년 6월 :

한국과학기술원 연구교수

2009년 7월 ~ 2016년 1월 : 충북대학교 전자정보대학

초빙교수

2016년 2월 ~ 현재 : (주) 두타기술 수석연구원

관심분야 : 전자장 계산 기법, 근접전계시스템, 안테나

안 병 철 (Bierng-Chearl Ahn)

1981년 2월 : 서울대학교

전기공학과(공학사)

1983년 2월 : 한국과학기술원

전기전자공학과(석사)

1992년 12월 : University of

Mississippi 전지전자공학과(박사)

1983년 ~ 1986년 : (주) 금성정밀

주임연구원

1992년 ~ 1994년 : 국방과학연구소 선임연구원

1995년 ~ 현재 : 충북대학교 전파통신공학과 교수

관심분야 : 전자파 응용, 안테나


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E-band Bøifot 직교모드변환기 설계ael.cbnu.ac.kr/AEL-results/papers/이주(2016)-E-band... · 2017-01-03 · 한국정보기술학회논문지, 14(8), 1-9. 이용정보 (Accessed)