A Study on Design and Manufacturing Methods of Dual-Polarization Monopulse Feed Structure in Millimeter-wave(W band)

밀리미터파(W대역) 이중편파 모노펄스 급전 구조 설계 및 제작 방안 연구

Abstract

In this paper, We designed a waveguide-type feed structure that converts millimeter wave dual-polarized signals into monopulse signals and presented a manufacturing method. At millimeter-wave such as the W band, the size of the waveguide is very small, making it very difficult to manufacture complex structures. Therefore, because manufacturability is important for the waveguide-type feed structure in the millimeter-wave, electro forming and diffusion bonding were proposed and verified in this study. The designed monopulse feed structure consists of eight 180° hybrids that combine 90° hybrids and self-compensating phase shifters, and four OMTs to separate dual polarization. The designed feed structure was designed to facilitate electro forming and diffusion bonding, and the manufactured feed structure was verified through a network analyzer. It was confirmed that the two proposed production methods produce a monopulse signal well through the measured magnitude and phase of the port.

본 논문은 밀리미터파(W대역)의 이중편파 신호를 모노펄스 신호로 변환하는 도파관 타입의 급전 구조를 설계하고 제작 방안을 제시하였다. W대역과 같은 높은 주파수 대역에서는 도파관의 크기가 매우 작기 때문에 복잡한 구조의 제작이 매우 어렵다. 따라서 높은 주파수 대역의 도파관 타입 급전 구조는 제작성이 중요하기 때문에 전주도금(Electro Forming) 방식과 확산접합 방식을 본 연구에서 제안하고 검증하였다. 설계된 모노펄스 급전 구조는 90도 하이브리드에 90도 위상 천이기를 결합한 180도 하이브리드 8개와 이중편파 분리를 위한 직교모드변환기(OMT) 4개로 구성된다. 설계된 급전구조는 전주도금(Electro Forming)과 확산접합 제작 방식에 용이하도록 설계하였으며, 제작된 모노펄스 급전구조는 네트워크 분석기를 통해 검증하였다. 제안한 두 가지 제작 방안은 측정된 포트의 신호 크기와 위상을 통해 모노펄스 신호가 잘 생성되는 것을 확인하였다.

Ⅰ. 서론

최근 W-대역의 밀리미터파를 활용하고 있는 분야는 차량용 레이다 뿐 만 아니라 다양한 분야에서 활발하게 연구가 진행되고 있다^{[1][2][3][4][5]}. 높은 주파수 대역은 고해상도 특성을 가지며, 모노펄스 추적 방식을 사용하는 레이다에 각도 분해능을 향상 시키는 데 용이하다. 모노 펄스 추적 방식은 안테나로부터 4개의 신호를 입력 받아 합 패턴과 차 패턴을 해석하여 표적의 위치를 추적하며, 모노펄스 급전 구조의 정확성에 따라 그 성능이 좌우된다^[5]. 따라서 모노펄스 급전 구조의 고 해상도와 정확성을 높이기 위해 본 연구에서는 W대역의 이중편파 급전 구조 설계와 그 제작 방식을 제공한다. W대역과 같은 높은 주파수는 소형화가 가능하다는 장점이 있지만, 작아짐에 따라 제작이 어려워지며 특히 모노펄스 급전 구조와 같이 복잡한 구조는 제시된 제작 방안을 찾기 어렵다.

따라서 본 논문에서는 복잡한 구조의 밀리미터파 W대역 모노펄스 급전 구조를 두 가지 방식으로 제작하고 검증하였다. 급전 구조의 설계는 전금도금 방식과 확산접합 방식에 따라 제작에 용이하게 설계하였으며, 180도 하이브리드와 직교모드변환기에 대한 각 시편을 제작/검증하였다. 본문에서는 제작 방식에 대한 설명을 우선 제시하고 각 제작 방식의 설계 내용을 설명한다. 시편 제작 검증을 완료 후, 이중편파 모노펄스 급전 구조를 각각 제작하여 제안한 제작 방식의 유효성을 확인하였다.

Ⅱ. 본문

1. 전주도금(Electro Forming)/확산접합 제작 방식

전주도금(Electro Forming) 방식은 그림 1과 같이 Mandrel의 표면에 원하는 두께로 전기분해에 의해 부착(도금)을 한 다음, 화학 처리를 통해 Mandrel에서 분리하여 Mandrel과 완전히 반대되는 형상의 제품을 제작하는 방식이다. 내부 구조가 복잡하여 기계 가공으로 만들기 어려운 구조에 많이 사용되는 제조 방식이며, 내부 형상과 오차 없이 제작 되므로 정밀성이 높다는 장점이 있어 높은 주파수 대역의 구조를 제작하는 데 많이 사용된다. 확산접합 방식으로 금속 재료를 밀착시켜 접합면 사이에서 발생하는 원자의 확산을 이용하는 접합 방식이며, 접합 후 열 변형이 적고 접착제가 사용되지 않기 때문에 불순물이 발생하지 않는다는 장점이 있다. 하지만 온도와 압력으로만 접합하기 때문에 접합 조건을 산출하는 많은 노력과 시간이 필요하다. 전주도금(Electro Forming)방식과 확산접합의 차이점은 전주도금(Electro Forming)은 원하는 형상의 내부 형상을 가공하고 확산접합은 원하는 형상을 그대로 가공하는 차이점이 있다. 따라서 가공하는 형상에 따라 도파관 구조 설계가 달라진다. 제작 방식에 따른 설계 방안은 다음 절에 제시하였다.

그림 1. 전주도금 제조 방식

Fig. 1. Electro Forming

그림 2. 확산접합 제조 방식

Fig. 2. Diffusion Bonding

2. 직교모드변환기/180도 하이브리드 설계

이중편파 모노펄스 급전 구조를 설계하기 위해 이중편파를 분리하는 직교모드변환기와 신호의 합/차 신호를 생성하는 180도 하이브리드를 설계하였다.

180도 하이브리드는 4Port 구조를 가지며 입력된 두 신호를 하나의 출력 포트는 동일한 크기와 위상으로 전달하고 다른 하나의 출력 포트는 동일한 크기와 180도 위상 차이가 나도록 전달하여 두 신호의 합/차 신호를 생성한다. 본 설계에서는 90도 하이브리드와 자기보상 위상 천이기를 결합하여 180도 하이브리드를 구성 하였다. 도파관 구조에서 위상 지연은 도파관의 물리적인 길이와 폭을 조절하여 정할 수 있는 데 자기보상 위상 천이기로 활용하면 광대역 특성으로 가지는 위상 천이기를 설계할 수 있다. 위상 천이기와 90도 하이브리드가 결합된 180도 하이브리드구조는 그림 3의 왼쪽 그림과 같고 설계 결과는 반사손실–35 dB이하, 삽입손실 0.56 dB, 합 채널 위상 차이 0.09도, 차 채널 위상 차이 179.79도이다.

그림 3. 180도 하이브리드 및 직교모드변환기 설계 형상

Fig. 3. 180˚ Hybrid and Otho-Mode Transducer(OMT)

직교모드변환기는 이중편파 신호를 수직/수평 편파로 분리하는 역할을 한다. 직교모드변환기의 설계는 다양한 구조로 설계되고 있지만 W-대역과 같은 높은 대역에서의 도파관 설계는 특히 제작을 고려하여 설계가 되어야 하기 때문에 제작성이 용이한 T-Junction 구조로 설계하였다. 설계된 직교모드변환기의 성능은 반사손실–35 dB이하, 삽입손실 0.2 dB, 분리도 –60 dB이하 이며, 형상은 그림 3의 오른쪽에 나타내었다.

기계 가공 시, 가공 tool의 직경에 의해 도파관 모서리 부분은 굴곡에 형성된다. 따라서 도파관 등의 제작에서 이러한 가공 특성을 고려하여 설계를 진행하여야 한다. 그림 4에서 확인 할 수 있듯이 전주도금의 경우, 도파관 내부 형상을 가공하여야 하기 때문에 굴곡 면이 형상 안 쪽으로 형성되도록 설계하였으며, 반대로 확산접합의 경우, 도파관 외부 형상을 가공하기 때문에 굴곡 면이 전주도금과 반대되도록 설계 하였다. 마이크로파 대역의 경우, 이러한 형상은 크게 영향성이 없지만, W대역과 같은 높은 대역에서는 이러한 작은 형상 또한 전기적으로 영향성을 가지게 때문에 설계 단계에서부터 고려하여 설계를 진행하여야 한다.

그림 4. 제작 방식에 따른 설계 형상

Fig. 4. Design structure according to manufacturing method

3. 시편 제작을 통한 제작 방안 검증

전주도금 방식과 확산접합 방식의 공정 절차 및 접합 조건을 수립하기 위해 직교모드변환기와 180도 하이브리드 구조를 시편으로 제작하여 검증하였다. 검증 항목은 직교모도변환기와 180도 하이브리드의 반사손실 특성으로 검증하였다. 설계 및 제작 형상과 포트 정보는 그림 5에 나타내었고 측정 결과는 표 1에 정리하였다. 측정 결과, 전주도금의 경우, 설계 결과와 측정 결과가 유사함을 확인하였으나, 제작 과정에서 형상 삐뚤어짐, 플랜지 형상 파손 등의 구조 견고함에 취약한 것을 확인하였다. 반면, 확산접합은 그림 5에서 확인 할 수 있듯이 구조를 층별로 넓은 알루미늄 판 안에 가공하여 접합하기 때문에 구조 견고함은 우수하나, 각 층별 정렬 및 접합이 잘 되지 않아 전기적 성능이 전주도금에 비해 좋지 않음을 확인하였다. 시편 제작 결과를 바탕으로 각 제작 방식의 취약점을 보완하여 최종 이중편파 모노펄스 급전 구조를 설계하였다.

그림 5. 설계 및 제작된 시편 형상

Fig. 5. Designed and fabricated specimen structure

표 1. 제작된 시편 측정 결과

Table 1. Measurement results of manufactured specimens

4. 이중편파 모노펄스 급전 구조 설계

2.에서 설계된 직교모드 변환기와 180도 하이브리드를 적용하여 이중편파 모노펄스 급전 구조를 설계하였으며, 급전 구조 블록도는 그림6에 나타내었다^[6]. 4개의 직교모드변환기가 수신된 신호를 수직 편파와 수평 편파로 분리하고 분리된 수평/수직 편파의 신호는 8개의 180도 하이브리드를 통해 각각의 편파에 대한 모노펄스 신호를 형성한다. 모노펄스 신호는 수직/수평 편파 각각 Sum, Del Az, Del EL, Q 신호로 출력되며, 각각 출력 신호의 반사손실 시뮬레이션 결과는 –20 dB 이하 수준으로 설계 하였으며 그림 7에서 확인 할 수 있다. 모노펄스 신호의 특성은 각각의 출력 포트와 4개의 입력 신호의 삽입 손실과 위상 으로 확인 할 수 있으며, 삽입손실의 경우 4개의 신호가 분배되므로 –6 dB로 설계되어야 하며, 출력과 입력의 위상 차이는 Sum 출력의 경우 4개의 신호가 동일한 위상으로 나오며, Del, Q 신호의 경우 180도 위상 차이를 가진다. 최종 설계 결과는 그림 8에서 확인할 수 있다.

그림 6. 이중편파 모노펄스 급전구조 블럭도

Fig. 6. Dual polarization monopulse feed structure block diagram

그림 7. 설계된 급전구조 반사손실 시뮬레이션 결과

Fig. 7. Return loss Simulation results of feed structure

그림 8. 설계된 급전구조 S-파리미터 시뮬레이션 결과

Fig. 8. S-parameter Simulation results of feed structure

Ⅲ. 3장 검증 결과

그림 9는 확산접합 제작 방식과 전주도금 제작 방식으로 제작된 이중편파 모노펄스 급전 구조를 보여주고 있다. 제작된 급전구조는 4개의 이중편파 신호를 입력 받을 수 있도록 정사각형 도파관 구조의 입력 구조를 가지고 있으며 8개의 모노펄스 신호를 출력하는 구조로 되어 있다. 제작된 이중편파 급전구조는 W대역까지 측정 가능한 네트워크 분석기를 사용하여 성능을 검증하였으며^[8] 측정 결과는 각각의 제작 방식에 대해 그림 10과 11에서 보여주고 있다.

그림 9. 제작된 급전 구조

Fig. 9. Fabricated Dual Pol. monopulse feed structure

그림 10. 전주도금 급전구조 측정 결과

Fig. 10. Measurement results of electro forming feed

그림 11. 확산접합 급전구조 측정 결과

Fig. 11. Measurement results of diffusion bonding feed

전주도금 제작 방식으로 제작된 급전구조 측정 결과, 수평편파에서 각각 모노펄스 신호 출력 포트와 4개의 입력 신호간의 삽입손실이 각각 Sum 6.7 dB~7.2dB, Del Az 6.8 dB~7.2dB, Del EL 6.8 dB~7.2dB, Q 6.7 dB~7.2dB로 측정되어 4개의 입력 신호를 균일하게 입력 받을 것을 확인 할 수 있으며, 위상 차이는 Sum 13.0 deg, Del Az 8.0 deg,, Del EL 9.0 deg, Q 12.0 deg로 모노펄스 신호가 형성되는 것을 확인 할 수 있다. 수직편파는 최대 18도 위상 편파가 발생하는 것을 확인 하였으며 삽입손실은 수평 편파와 유사함을 확인하였다.

반면, 확산접합 제작 방식으로 제작된 급전구조는 전주도금 측정 결과 대비, 입력 신호 간의 삽입손실 편차가 최대 1.1 dB 차이가 발생하였고 위상편파는 최대 25.0deg 차이가 발생하였다. 하지만 이 정도의 삽입손실과 위상 차이는 모노펄스 신호 생성에 크게 영향을 주는 수치는 아니므로 확산접합 제작 방식 또한 모노펄스 신호를 잘 형성했다고 판단 할 수 있다.

Ⅳ. 결론

본 연구에서는 밀리미터파 W대역에서 동작하는 이중 편파 모노펄스 급전 구조를 설계하고 그 제작 방식에 대해 두 가지 방안을 제시하고 검증하였다. 각각의 제작 방식은 네트워크 분석기를 활용한 측정을 통해 모노펄스 신호가 잘 형성됨을 확인하였다. 따라서 각각의 제작 방식은 향후 밀리미터파 W대역과 같이 높은 대역에서 도파관 형상을 제작하는 데 많이 활용될 것을 판단된다.