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Journal of KIIT. Vol. 13, No. 7, pp. 43-50, July 31, 2015. pISSN 1598-8619, eISSN 2093-7571 43

70/80GHz 광대역 직교모드 변환기 설계

김영민*, 정용선*, 노재우*, 장리검*, 안병철**

Design of 70/80GHz Broadband Orthomode Transducer

Young-Min Kim*, Yong-Sun Jung*, Jae-Woo Noh*, Li-Jian Zhang*, and Bierng-Chearl Ahn**

요 약

본 논문에서는 70-87GHz 범위에서 동작되는 광대역 직교모드 변환기를 제안하였다. 제안된 직교모드 변환

기는 T-자형 분기 구조, 편파 분리부 및 3개의 입출력 포트로 구성된다. 초기 설계에서는 이론적 방법에 의해

T-자형 분기 구조와 편파 분리부의 치수를 도출하였다. 다음으로 상용 프로그램을 이용한 변수 분리법으로 최

적화된 설계 치수를 얻었다. 직교모드 변환기의 최종 모델은 각 출력 포트에 저손실 도파관 변환부를 연결하

여 완성하였다. 최적 설계된 직교모드 변환기는 전체 3개의 split 블록으로 분리하여 제작하였고 WR-12 도파

관용 보정세트를 이용하여 측정되었다. 제작된 직교모드 변환기는 주파수 70-87 GHz 범위에서 -17dB의 반사

계수와 -0.5dB 이내의 전달계수, -33dB 이하의 격리도 특성을 보였다.

Abstract

This paper presents a broadband orthomode transducer (OMT) operating at 70-87GHz. The proposed OMT consists of a T-shaped bifurcation structure, a polarization divider section and three input/output ports. In the initial design step, the dimensions for the T-shaped bifurcation and the polarization divider section are derived from the theoretical approach method. Next, the optimized dimensions of the OMT are acquired by using the parametric-sweep methods. The final model of the OMT is finally designed by adapting low-loss waveguide transitions at each input/output port. The optimally designed OMT is fabricated by three split blocks and measured by using the WR-12 waveguide calibration kits. The fabricated OMT shows that it has a reflection coefficient of less than -17dB, a transmission coefficient of larger than -0.5dB and an isolation of less than -33dB over 70-87GHz.

Keywordswideband OMT, T-shaped bifurcation junction, polarization divider section, split blocks for fabrication

* 충북대학교 전파통신공학전공학과** 충북대학교 전파통신공학전공학과(교신저자)

접 수 일: 2015년 04월 28일수정완료일: 2015년 07월 16일게재확정일: 2015년 07월 19일

ž Received: Apr. 28, 2015, Revised: July 16, 2015, Accepted: July 19, 2015ž Corresponding Author: Bierng-Chearl Ahn Director of Applied EM Lab, Chungbuk National University, 52 Chungdae-ro 1, Seowon-gu, Cheongju City, Chungbuk Province, 361-763, Korea Tel.: +82 43 261-3194, Email: [email protected]

http://dx.doi.org/10.14801/jkiit.2015.13.7.43

충북대학교 | IP: 203.255.70.56 | Accessed 2016/02/29 15:19(KST)

44 70/80GHz 광대역 직교모드 변환기 설계

Ⅰ. 서 론

위성통신의 수요가 급증하면서 위성 주파수로 할

당되는 밀리미터 대역 연구가 활발해지고 있다. 일반적으로 밀리미터 대역에 사용되는 안테나 부품은

급전 혼, 직교모드 변환기, 다이플렉스, 듀플렉스 등

으로 구성된다[1]. 밀리미터 대역의 급전부는 서로

다른 송수신 대역을 갖는 주파수 범위에서 동작되

어야 하므로 광대역 급전 부품이 요구된다.. 광대역

급전부 구축을 위해서는 급전부품 중에서도 핵심부

품인 직교모드 변환기의 광대역화가 필수적이다.직교모드 변환기(Orthomode Transducer; OMT)는

단일 안테나를 사용할 경우 송신과 수신을 동시에

할 수 있게 하는 부품으로서 위성 및 지상 광대역

통신, 벡터산란 레이더를 이용한 원격감지, 기상 레

이더 등에 널리 이용된다. 밀리미터파 대역에서 사

용되는 직교모드 변환기는 해외에서는 활발히 연구

가 진행되고 있지만 국내에서는 연구결과가 많이

부족한 상황이다.직교모드 변환기에서 가장 중요하게 여기는 특성

은 주파수 대역폭과 두 편파신호 간의 격리도로서

직교모드 변환기의 구조를 통해 도출할 수 있다. 직교모드 변환기의 구조로는 T-형 결합구조가 적용된

테이퍼-브랜치 형태[2], 단일격막 구조를 사용한 구

조[3], folded tumstile 형태를 가진 구조[4]-[6], 리지

를 이용한 구조[7]-[9] 등이 발표되었다. 본 논문에

서는 위와 같은 기존 연구 결과 중에서도 T-형 분

기 구조를 적용하여 70-80GHz 대역에서 동작하는

광대역 직교모드 변환기의 구조 설계와 각 부분의

상세 설계 방법을 제시하였다. 최적 설계된 직교모

드 변환기는 제작과 측정을 통하여 타당성을 검증

하였다.

Ⅱ. 직교모드 변환기 설계

그림 1은 본 논문에서 제안된 광대역 직교모드

변환기(OMT)의 형상이다. 제안된 직교모드 변환기

는 원형 도파관으로 구성된 공용포트, 수평 편파 성

분을 갖고 공용 포트와 일직선 상에 배치된 직선포

트, 수직 편파 성분을 갖고 공용 포트와 수직 방향

으로 형성된 측면 포트로 구성된다. 공용 포트의 원

형 도파관은 정사각 도파관 및 T-자형 분기 구조를

통해 서로 다른 편파를 갖는 직선 및 측면 포트에

각각 연결된다. 직선 및 측면 포트는 WR-12 사각

도파관이 적용된다. 표 1은 본 논문에서 설계된 직교모드 변환기의

규격이다. 설계된 직교모드 변환기는 70-87 GHz에서 -15dB 이하의 반사계수와 0.5dB 이하의 삽입 손

실 특성을 가져야 한다. 또한 직선 및 측면 포트 간

에는 30dB 이상의 격리도가 요구된다.

표 1. 직교모드변환기 설계 규격

Table 1. Design specifications of the orthomode transducer

항 목 설계규격

주파수 70-87 GHz

각 포트 반사계수 -15dB 이하

직선/측면포트 격리도 30dB 이상

삽입손실 0.5dB(H), 0.5dB(V) 이하

직선/측면포트 도파관 WR-12(사각형)

Straight port (horizontal

polarization)

Side port (vertical

polarization)

Common port

Circular to rectangular waveguide transition

Polarization separating junction

2-step transition

Mitered bend

Horizontal polarizationVertical

polarization

T-shaped cross section

그림 1. 직교모드변환기 구조Fig. 1. Structure of the orthomode transducer



(a) 측면포트 (Side port)

(b) 직선포트 측면 (Side view at the straight port)

(c) 직선포트 밑면 (Back view at the straight port)

그림 2. 직교모드변환기의 설계변수

Fig. 2. Design parameters of the orthomode transducer

그림 2는 본 논문에서 제안된 직교모드 변환기의

설계변수이다. 본 논문에서는 직교모드 변환기의

기본 동작 개념을 기반으로 초기 설계한 후 상용

프로그램인 CST사의 Microwave StudioTM v. 2012를이용하여 최적화하였다. 본 논문에서 설계된 직교

모드 변환기의 직선포트와 측면포트는 WR-12 도파관으로 구성되므로 도파관의 크기 치수는 a0 = a10=3.10mm, b0 = b10=1.55mm로 하였다.

다음으로 원형 도파관을 갖는 공용포트의 직경

(d)과 정사각 도파관의 크기(a6×b6)를 결정하였다. 공용 포트의 직경(d)은 동작 주파수 대역(70-87 GHz)에서 TE11 모드가 잘 여기되고 불필요한 고차

모드들을 충분하게 억제되도록 3.1mm로 하였다. 이경우 TE11 모드의 차단 주파수는 56.7GHz 이다.

원형 도파관에 직접 연결되는 정사각형 도파관

(a6×b6)의 치수는 TE10 모드의 차단 주파수가 시작

주파수(70GHz)의 0.9배에서 정해지도록 하였다. 정사각 도파관이 충분히 작을 경우 고차 모드에 의한

spike문제가 발생되므로 이 점을 유의하였다. 이와같이 계산된 고차모드에 의한 spike 문제가 해결되

도록 정하였다. 정사각형 도파관의 크기(a6×b6)는2.36×2.36mm 이다.

T-자형 분기구조가 시작되는 도파관의 광벽(a16)과 협벽(b16) 길이는 수직 편파 성분을 크게 하고

수평 편파 성분을 충분히 억제하도록 설계하였다. 도파관의 광벽 길이(a16)는 고차 모드에 의한 spike없이 수직 편파 성분이 잘 형성되도록 기존 a6보다

커진 2.86mm를 적용하고 협벽 길이(b16)은 정사각

도파관의 1/5배로 하였다. T-자형 분기 구조를 형성

하는 모든 광벽 길이(a13, a14, a15)는 a16과 동일하게

하였다. 두 번째 도파관 섹션의 협벽 길이(b14)는 공

용포트-측면포트 간의 삽입 손실이 최소가 되도록

결정하였다. 측면 포트와 연결되는 도파관 벤드의

경사진 벤드의 초기 각도(α)는 45°로 하였으며 측면

포트와 연결되는 이음새 부분의 도파관 폭(b13)은 λ

g/5인 1.3mm로 정하였다.다음으로 수직 편파 성분이 잘 형성되도록 정사

각 도파관에서 직선포트로 향하는 계단 구조를 설

계하였다. 공용 포트에서 형성된 수직 편파 성분을

크게 억제하고 수평 편파 성분만 통과되도록 하기

위해 계단 구조의 협벽 길이(b2 - b6)를 점차적으로

줄였다. 최종단의 협벽 길이(b2)를 b6의 1/2배로 하

고 그 사이 협벽 길이는 단계적으로 줄였다. 초기

각 도파관 길이(l2 - l6)는 모두 동일하게 λg/4로 설

계한 후 최적화하였다. 그림 3은 공용 포트에서 측면포트로 진행하는 경

로상에 있는 도파관 전계면 밴드의 설계 변수이다. 도파관 밴드의 꺽임 각도(a)를 45°로 고정한 후 두

협벽(b13, b14)의 길이 차를 고려하여 최적의 hc 값을

도출하였다[10]. 최적화된 hc 값은 1.7mm 이다. 위와 같은 과정을 통해 초기 설계된 직교모드 변

환기의 최종 설계치는 상용 소프트웨어를 이용하여

확보되었다. 초기 설계 값을 기반으로 주요 설계 변

수에 대한 parametric-sweep 과정을 통해 최적 치수

를 확보하였다.



그림 3. 측면포트 벤드부분 설계 변수

Fig. 3. Design parameters of the side port band part

제안된 직교 모드 변환기는 편파 분리부를 갖는

T-자형 분기구조, 직선 및 측면 포트로 향하는 도파

관 분기구조, 공용포트와 편파 분리부 사이의 도파

관 트랜지션 등으로 나누어 최적화하였다. 편파 변

환부와 직선포트가 처음 연결되는 도파관 섹션의

길이(l3)를 조정하였다. 길이 l3와 도파관 높이(b2)를동시에 조정할 경우 직선 포트에서의 반사 계수 특

성이 개선됨을 확인하였다. 이 경우 최적화된 설계

치수는 l3=0.9mm, b2=1.06mm이다. 편파 분리부의 종

단과 측면포트가 시작되는 도파관 섹션 간의 간격

(l9)은 0.29mm인 경우 측면포트 임피던스 정합이 향

상됨을 확인하였다. T-자형 분기 구조에서 수평 편파 성분을 직선포

트로 잘 전달시키기 위한 변환부를 최적화하였다. 이 부분의 설계에서는 각 도파관 섹션별 특성 임피

던스간의 정합 조건을 고려하였다. 이 경우 측면포

트에서의 반사계수 특성은 큰 변화를 보이지 않았

다. T-자형 분기 구조의 수평 방향 종단에 연결된

도파관 섹션의 길이(l5)를 최적화 할 경우 직선 포트

의 반사계수를 최적화 할 수 있다. 이 영역의 도파

관 높이(b4)는 전체 특성에 큰 영향을 주지 않는다. 이를 통해 T-자형 분기 구조의 가운데에 존재하는

도파관 특성이 매우 중요함을 알 수 있다. 다음으로

T-자형 분기 구조의 첫 번째 단의 높이(b5)와 폭(a6)을 조정하였다. 이 부분을 최적화하여 직선포트와

측면포트의 반사손실을 개선하였다.마지막으로 각 포트별 반사 계수 및 공용 포트와

의 삽입손실을 개선하기 위해 각 입출력단에서 그

림 4와 같은 도파관 변환부를 설계하였다.

(a) Side port

(b) Straight port (c) Common port

그림 4. 각 포트에서 설계된 도파관 변환부

Fig. 4. Designed waveguide transitions at each port

T-자형 분기 구조의 최종단에서 도출된 설계 치

수를 바탕으로 직선 및 측면 포트로 사용되는 WR- 12 도파관에 저반사 특성을 갖고 연결되도록 각 포

트에서 도파관 변환부를 설계하였다. 도파관 변환부

의 설계에는 선형 테이퍼를 적용하였다. 최적 설계

된 도파관 변환부는 측면포트에서 -25dB 이하, 직선포트에서 -30dB이하, 정사각형-원형 도파관 변환부

에서 -35dB 이하의 반사손실을 갖는다. 이상의 과정을 통해 최적 설계된 직교모드 변환

기의 세부 치수는 표 2와 같다.

표 2. 최종 직교모드 변환기 설계 치수Table 2. Design dimensions of the final model for theorthomode transducer

설계변수치수(mm)설계변수치수(mm)설계변수치수(mm)

a0 3.1 b1 1.42 hc 1.7

a1 2.89 b2 1.06 l0 1

a2 2.43 b3 1.63 l1 0.8

a3 2.43 b4 1.92 l2 1.55

a4 2.43 b5 2.3 l3 0.9

a5 2.43 b6 2.3 l4 1.88

a6 2.43 b10 1.55 l5 1.2

a10 3.1 b11 1.47 l6 1.6

a11 2.9 b12 1.42 l7 3.48

a12 2.9 b13 1.27 l8 0.8

a13 2.84 b14 1.08 l10 1

a14 2.84 b15 0.48 l11 2.6

a15 2.84 b16 0.48 l12 0.78

a16 2.84 d 3.1 l13 0.55

b0 1.55 α 45°



Ⅲ. 직교모드변환기 제작 및 실험

표 2와 같이 최적 설계된 직교모드 변환기는 성

능 확인을 위해 제작 측정하였다. 70-80 GHz 대역직교모드 변환기는 표 2에 제시된 것과 같이 모든

치수가 매우 작다. 직교모드 변환기는 정밀한 가공

을 위해 그림 5와 같이 3개의 split 블록으로 나누어

제작하였다. 각 split 블록은 가이드 핀과 볼트로 결

합된다. 그림5에서 OMT part I/II는 서로 대칭적으

로 설계되었고 다른 블록은 원형-정사각 도파관 변

환부이다. 그림 6은 개별적으로 제작된 3개의 split 블록을 조립한 상태와 공용 포트용 정합 부하이다.

그림 5. 직교 모드 변환기의 제작 모델

Fig. 5. Fabrication models of the OMT

그림 6. 조립된 OMT와 공용 포트용 정합부하

Fig. 6. Assembled OMT and a load

그림 7. WR-12 도파관 보정 세트Fig. 7. WR-12 waveguide calibration kit

제작된 직교모드 변환기의 성능은 회로망 분석기

를 이용하여 측정하였다. 그림 7의 WR-12 도파관

보정세트(Short, Offset Short, 정합 부하)를 이용하여

회로망 분석기를 보정하였다.

68 70 72 74 76 78 80 82 84 86 88 90 92 94-50-45-40-35-30-25-20-15-10-50

Refle

ction

coeff

icien

t (dB)

Frequency (GHz)

Measured Simulated

(a) 공용포트-수직편파 (Common port-vertical pol.)

68 70 72 74 76 78 80 82 84 86 88 90 92 94-50-45-40-35-30-25-20-15-10-50

Refle

ction

coeff

icien

t (dB)

Frequency (GHz)

Measured Simulated

(b) 공용포트-수평편파 (Common port-horizontal pol.)

68 70 72 74 76 78 80 82 84 86 88 90 92 94-50-45-40-35-30-25-20-15-10-50

Refle

ction

coeff

icien

t (dB)

Frequency (GHz)

Measured Simulated

(c) 측면포트 (Side port)

68 70 72 74 76 78 80 82 84 86 88 90 92 94-50-45-40-35-30-25-20-15-10-50

Refle

ction

coeff

icien

t (dB)

Frequency (GHz)

Measured Simulated

(d) 직선포트 (Straight port)

그림 8. 제작된 교차모드변환기의 반사계수Fig. 8. Reflection coefficient of the fabricated orthomode

transducer



그림 8은 제작된 직교모드 변환기의 각 포트에서

의 반사손실이다. 측정 결과는 시뮬레이션에 비해

많은 리플이 생기나 전체적인 경향은 유사함을 확

인하였다. 특히 공용 포트의 측정 결과에서 발생되

는 많은 리플은 측정 과정에서 적용된 도파관 어댑

터와 직교모드 변환기 사이의 도파관 변환부에서의

에 다중 반사에 의한 효과로 판단된다. 측정된 반사

계수는 주파수 70-87GHz 범위에서 -17dB 이하의 특

성을 갖는다.

68 70 72 74 76 78 80 82 84 86 88 90 92 94-1.0

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0.0

Insert

ion lo

ss (dB

)

Frequency (GHz)

Measured Simulated

(a) 공용포트-측면포트 (Common-side port)

68 70 72 74 76 78 80 82 84 86 88 90 92 94-1.0

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0.0

Insert

ion lo

ss (dB

)

Frequency (GHz)

Measured Simulated

(b) 공용포트-직선포트 (Common-straight port)

그림 9. 제작된 교차모드변환기의 삽입손실

Fig. 9. Insertion loss of the fabricated orthomode

transducer

68 70 72 74 76 78 80 82 84 86 88 90 92 94-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

Isolat

ion lo

ss (dB

)

Frequency (GHz)

Measured Simulated

그림 10. 제작된 교차모드변환기의 격리도

Fig. 10. Isolation loss of the fabricated orthomode

transducer

그림 9는 직교모드 변환기의 삽입 손실 특성이

다. 측정된 결과는 원형-사각 도파관 변환부의 손실

을 고려한 결과로서 설계규격인 -0.5dB이내에 확보

됨을 알 수 있다. 그림 10은 측정된 격리도 특성으

로서 주파수 대역 내에서 -33dB이하의 특성을 보였다.

Ⅳ. 결 론

본 논문에서는 70/80-GHz 대역에서 사용할 수 있

는 광대역 직교모드 변환기를 설계, 제작하였다. 제안된 직교모드 변환기는 T-자형 분기 구조와 편파

분리부로 구성된다. 초기 설계는 정사각형 공용포트

와 T-자형 분기 구조, 편파 분리부로 구성된 모델을

기본적인 동작 개념에 입각하여 설계하였다. 초기

설계 치수를 기준으로 변수 조정법을 통해 최적 설

계하였다. 전체 직교모드 변환기의 구조는 공용 포

트, 직선 포트, 측면 포트에서 요구되는 저손실 도

파관을 연결하여 설계하였다.최적 설계된 직교모드 변환기는 전체 3개의 split

블록으로 분리하여 제작하였다. 제작된 OMT는WR-12 도파관용 보정세트를 자체 제작하여 측정하

였다. 제작된 직교모드 변환기는 리플이 발생하였지

만 시뮬레이션 결과와 유사한 반사손실 특성을 측

정하였다. 또한, -0.5dB이내의 전달계수와 -33dB 이하의 격리도 특성을 보였다. 제안된 직교모드 변환

기는 향후 밀리미터파 대역 부품 개발에 주요한 역

할을 할 것이며, 고가의 도파관 부품류에 대한 국산

화에 유용하게 사용될 수 있다고 판단된다.

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저자소개

김 영 민 (Young-Min Kim)

2000년 2월 : 충북대학교

전파공학과(공학사)


전파통공학과(석사)


전파공학과(박사과정)

2004년 ~ 2008년 : 한국전자

통신연구원 연구원

2008년 ~ 2011년 : (주)라인시스템 책임연구원

2012년 ~ 2014년 : (주)하우앳 수석연구원

2014년 ~ 현재 : EMCHD 대표

관심분야 : RF 소자, 전자파 해석, 안테나

정 용 선 (Yong-Sun Jung)


정보통신공학과(공학사)


전파공학과 (석사)

관심분야 : 안테나 설계

노 재 우 (Jae-Woo Noh)


정보통신공학과(공학사)

2015년 3월 ~ 현재 : 충북대학교

전파공학과 석사과정


장 리 검 (Li-Jian Zhang)


정보통신공학부(공학사)

2014년 3월 ~ 현재 : 충북대학교

전파통신공학과(석사과정)




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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