위성 통신, 레이더 및 고속{0}}광 네트워크와 같은 중요한 시스템에서는 신호 손실이 최소화되어도 성능이 저하되어{1}데이터 왜곡, 감지 범위 감소 또는 전송 실패로 이어질 수 있습니다.도파관 링 커플러신호 분할, 결합 또는 라우팅을 위한 핵심 구성 요소인 는 고유한 구조 설계, 재료 선택 및 전자기 최적화를 통해 이러한 문제를 해결합니다. 다음은 중요한 시스템의 작동 요구 사항에 맞게 낮은 신호 손실을 달성하는 방법에 대한 자세한 설명입니다.
기본 설계: 전자파를 제한하여 방사 손실을 최소화
- 전자기 에너지가 의도한 경로를 따라 전파되지 않고 커플러를 빠져나가는-복사 손실-은 마이크로스트립 커플러와 같은 기존 구성 요소의 신호 품질 저하의 주요 원인입니다. 도파관 링 커플러는 전도성 공동 내에 파동을 물리적으로 가두는 폐쇄형 도파관 기하학적 구조를 활용하여 이 문제를 해결합니다.
- 일반적인 도파관 링 커플러는 입력/출력 포트가 링에 접선으로 연결된 원형 또는 직사각형 금속 링으로 구성됩니다. 개방형 마이크로스트립 구조와 달리 도파관의 닫힌 금속 공동은 전자기 "컨테이너" 역할을 합니다. 도체의 경계 조건(전자파가 금속 내부에 닿을 때)을 사용하여 탈출하는 파동을 전파 경로로 다시 반사합니다. 금속의 자유 전자는 표면의 파동 전기장을 취소하고 자기장을 안쪽으로 반사하도록 재배열됩니다. 이는 에너지가 공동 내부로 제한되는 "유도" 전파 모드를 생성합니다.
- 신호가 고주파에서 작동하는 레이더와 같은 중요한 시스템에서는 이러한 제한이 훨씬 더 중요합니다. 고주파-파는 파장이 더 짧고 방사선에 더 취약합니다. 도파관의 폐쇄 구조는 신호의 99% 이상이 커플러 내에 유지되도록 보장하여 개방 구조에 비해 방사선 손실을 크게 줄입니다.
재료 최적화: 전도 및 유전 손실 감소
다른 두 가지 주요 손실 메커니즘인-전도 손실과 유전 손실-은 커플러의 작동 환경에 맞는 정확한 재료 선택을 통해 완화됩니다.
전도 손실: 열 방출을 최소화하기 위한 높은-전도성 금속
- 도파관 링의 내부 벽은 무산소 구리, 은-도금 구리 또는 금{4}}도금 구리와 같은 고순도, 고순도-전도성 금속으로 만들어집니다. 이러한 재료는 전기 저항이 매우 낮습니다. 예를 들어 OFC는 실온에서 ~58 MS/m의 전도도를 갖습니다. 표준 구리 또는 알루미늄보다 높습니다.
- 낮은 저항은 줄 가열을 최소화합니다. 전자기파가 전파되면 도파관 벽에 작은 전류가 유도됩니다. 높은-전도도 금속을 사용하면 에너지 손실을 최소화하면서 이러한 전류를 흐르게 할 수 있습니다.{2}}잘 설계된 도파관 링의 전도 손실은-일반적으로 마이크로파 주파수에서 미터당 0.1dB 미만입니다. 위성 트랜스폰더와 같은 중요한 시스템의 경우 이는 매우 중요합니다. 과도한 열은 민감한 구성 요소를 손상시킬 수 있으며 낮은 전도 손실은 신호 무결성과 열 안정성을 모두 보장합니다.
- 열악한 환경에서는 금 또는 은 도금의 얇은 층이 전도도를 저하시키지 않으면서 내식성을 강화하여 커플러 수명 기간 동안 낮은 손실 성능을-보존합니다.-
유전 손실: 공기-채움 또는 저{1}}손실 유전
- 파동 전파를 지원하기 위해 유전체 기판을 사용하는 마이크로스트립 커플러와 달리 대부분의 도파관 링 커플러는 공기로 채워져 있습니다-. 공기는 유전 상수가 ~1이고 손실 탄젠트가 매우 낮습니다. 즉, 전자기 에너지를 거의 흡수하지 않습니다. 이는 유전 손실을 완전히 제거합니다.- 이는 모든 데시벨의 신호가 중요한 시스템에 있어 주요 이점입니다.
- 공기가 -충진된 도파관이 너무 클 수 있는 소형 애플리케이션에서 커플러는 손실이 낮은 유전체 재료를 사용합니다.- 이러한 재료는 표준 FR-4보다 10~100배 낮은 손실 탄젠트를 가지므로 고주파 대역에서도 유전 손실이 0.05dB 미만으로 유지됩니다.
모드 매칭: 파동 왜곡으로 인한 삽입 손실 방지
- 삽입 손실-입력 포트와 출력 포트 사이의 신호 감쇠-는 모드 불일치로 인해 발생하는 경우가 많습니다. 들어오는 파동의 전파 모드가 커플러의 설계 모드와 일치하지 않아 반사 또는 파동 산란이 발생하는 경우입니다. 도파관 링 커플러는 정밀 모드 엔지니어링을 통해 이를 방지합니다.
- 먼저, 링의 크기는 목표 주파수에서 원하는 전파 모드만 지원하도록 계산됩니다. 예를 들어, 10GHz에서 작동하는 원형 도파관 링은 TM₀₁ 모드만 전파되도록 크기가 조정됩니다. 고-차수 모드는 파장이 링의 임계 치수를 초과하기 때문에 "차단"됩니다. 이는 여러 모드가 에너지를 분산시키고 삽입 손실을 증가시키는 모드 경쟁을 제거합니다.
- 둘째, 입력/출력 포트는 링에 접선 방향으로 연결되어 들어오는 파동이 원하는 모드로 원활하게 결합되도록 합니다. 접선 포트는 파동의 전기장을 링의 모드 모양과 정렬하여 포트 인터페이스에서 반사를 최소화합니다. 예를 들어, 3-dB 링 커플러에서 포트는 링 주위로 90도 간격으로 배치되어 분할 신호 간의 위상 관계를 최적화하는 동시에 삽입 손실을 0.3dB 미만으로 유지합니다.
제조 정밀도: 낮은-손실 성능을 유지하는 허용 오차
- 설계된 형상에서 작은 편차라도 파동 전파를 방해하고 손실을 증가시킬 수 있습니다. 이를 방지하려면도파관 링 커플러중요한 시스템의 경우 기계적 허용 오차가 엄격하게 제조됩니다.
- 도파관 캐비티를 생성하기 위해 컴퓨터 수치 제어 가공 또는 전기 주조와 같은 고급 기술이 사용됩니다. 표면 불규칙성이 고주파수를 산란시키고 전도 손실을 증가시키므로 CNC 가공을 통해 링의 내부 표면이 매끄러워집니다. 금속층을 정밀 금형에 증착하는 전기주조-는 고주파 응용 분야에 이상적인 이음매 없고 균일한 캐비티를 생성합니다.-
- 제조 후 각 커플러는 삽입 손실, 반사 손실 및 절연을 측정하기 위해 벡터 네트워크 분석기 테스트를 거칩니다. 삽입 손실이 0.5dB 미만인 장치만 중요한 시스템에 승인되었습니다.
결론
그만큼도파관 링 커플러성능 저하의 근본 원인을 해결하여 낮은 신호 손실을 보장합니다. 닫힌 형상을 사용하여 방사 손실을 제거하고, 고-전도도/저-손실 재료를 사용하여 전도 및 유전 손실을 줄이고, 모드 매칭을 통해 파동 왜곡으로 인한 삽입 손실을 방지하고, 정밀 제조를 통해 이러한 최적화를 유지합니다. 신뢰성과 신호 무결성이-협상할 수 없는-중요한 시스템에서-이러한 기능은 필수입니다. 명확한 위성 통신, 장거리-레이더 감지 또는 고속-광 데이터 전송 등 무엇을 가능하게 하든 도파관 링 커플러의 저손실 설계는 시스템 성능과 탄력성을 직접적으로 향상시킵니다.
참조
1. 저-손실 도파관 결합 기술: 효율적인 에너지 전송을 달성하기 위한 전략 및 기술 - CSDN 라이브러리.
2. 갭-도파관 하이브리드 링 커플러 설계를 위한 경험식.
3. 갭 도파관 기술의 저손실 쥐 경주 발룬.
4.RF 순환기의 삽입 손실을 줄이기 위한 몇 가지 설계 사례를 권장합니다.
5. 새로운 2{1}}차원 자기 광결정 4{2}}포트 순환기의 설계 및 성능 분석.
6.[SGM4553 신호 무결성 향상 매뉴얼] : 신호 손실 및 전자파 간섭을 최소화하는 기술 공개.