전파광파소자

실습-01 동축선(Coaxial Cable)

I. 구조

- 중심축에 설치된 원통형 내부도체(inner conductor)와 이를 둘러싼 외부도체(outer conductor) 와 두 도체의 간격을 유지하는 저손실 유전체(dielectric material)로 구성됨.

(a) (b)

그림 L1.1 (a) 동축선 구조, (b) 단면

II. 동작원리

ㅇ 내부도체와 외부도체(접지와 연결)에 신호전압을 인가

ㅇ TEM 모드: E_z = H_z = 0, 차단주파수 0, 제 1 모드(dominant mode):

: 특성 임피던스 (라인 임피던스)

: 전파상수

: 선로파장

: 진공에서의 파장

(a) (b)

그림 L1.2 동축선 모드. (a) TEM 모드, (b) TE₁₁ 모드

- 동축선 내부에는 TEM 모드만 전파되도록 동축선 내부/외부도체 직경 결정

ㅇ 동축선의 전송선 패러미터 공식

: 단위길이당 저항

단위길이당 인덕턴스

: 단위길이당 커패시턴스

: 단위길이당 컨덕턴스

: 감쇠정수

: skin depth

- TE₁₁ 모드: 제 2 모드

: 동축선 TE₁₁ 모드 차단 파장

: 동축선 TE₁₁ 모드 차단 주파수

: 위상정수

: 선로파장

- 동축선 사용 주파수 범위

ㅇ 동축선의 최적 특성임피던스: 50Ω

ㅇ 동축선의 특징

- 광대역

- 구조 단순, 연결 용이, 쉽게 휘어지므로 routing 용이

- 금속관 도파관, 광섬유 도파로보다 손실이 큼.

- 외부도체가 금속망인 경우 전파 누설 발생

II. 실습

1. 동축선 구조 생성: 좌표계의 z 축을 동축선 축과 일치. 원을 72개의 선분으로 나눔.

RG401 cable (250" semi-rigid cable)

길이: 10cm

케이블 치수:

도체 전도도: (구리)

유전체: (Teflon)

2. 포트 모드만 해석

해석 주파수: 25GHz

모드 수: 2개

3*. TEM 모드 (제 1 모드) 반사계수(S11), 전달계수(S21) 해석

동축선 양단에 전기장 방향이 일치하도록 TEM 모드 wave port 설정

모드 수: 1개

해석 주파수: 5-35GHz

III. 보고서 작성

1. 구조: 좌표축 포함

a) 입체도

b) 포트 단면도

2. TEM 모드(제 1 모드): 25GHz에서

a) Wave 포트 단면에서 전기장 벡터 분포 도시

b) 차단 주파수(GHz)

c) 특성 임피던스(ohm)

d) 전파상수(rad/m)

3. TE₁₁ 모드(제 2 모드): 25GHz에서

a) Wave 포트 단면에서 전기장 벡터 분포 도시

b) 차단 주파수(GHz)

c) 전파상수(rad/m)

4*. TEM 모드 (제 1 모드) 전달계수:

주파수 범위: 5–35GHz, 그리드 5GHz, 수직마커 25GHz에 위치

a) 크기 |S21|(dB): 최대 0dB 최소 –0.5dB, 그리드 0.1dB

b) 위상 arg(S21)(deg): 최대 180º, 최소 –180º, 그리드 60º

V. 고찰

1. RG401 동축선의 TEM 모드: 25GHz에서

a) 특성 임피던스 이론값과 해석값 비교

b) 전파상수 이론값과 해석값 비교

2. RG401 동축선 TE₁₁ 모드: 25GHz에서

a) 차단 주파수 이론값과 해석값 비교

b) 전파상수 이론값과 해석값 비교

3*. RG401 동축선 길이 10cm, TEM 모드: 25GHz에서

a) 전달계수 크기(감쇠) 이론값과 해석값 비교

b) 전달계수 위상 이론값과 해석값 비교

VI*. 프로젝트

1. 동축선 설계 프로그램 작성(C, Matlab, Fortran, Python 등 사용)

동축선 유전체 유전상수 ε_r(보통 1.1-2.5 범위), 동축선 특성 임피던스 Z₀, TE₁₁ 모드 차단 주파수 가 주어지면 동축선의 내부도체 반경 a(mm), 외부도체 반경 b(mm)을 유일하게 결정할 수 있다. 다음과 같은 프로그램을 작성하라.

입력:

출력: 2a(mm), 2b(mm)

a) 프로그램 소스코드 제시

b) 인 경우 프로그램 실행 결과 제시

2. 동축선 해석 프로그램 작성(C 언어 사용)

입력:

출력:

Conductor skin depth:

Transmission line per-meter parameters:

Transmission line parameters:

a) 프로그램 소스코드 제시

b) 다음의 경우 프로그램 실행 결과 제시

케이블 크기:

도체: (구리)

유전체: (Teflon)

주파수: f = 25GHz