MWAVE-LABORATORY ~ RFDH version ~

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도파관 (Waveguide)

UHF대 이하의 주파수에서의 전송선로로는, 일반적으로 동축선로가 애용됩니다. 그 이상의 마이크로파 회로에서도 유전체 손실이 적은 테플론을 이용한 semi-rigid 케이블이 사용됩니다. 도파관은 매우 높은 마이크로파를 전송하기 위한 전송선로이지만, 동축선로의 응용성에 비해 밀리기 때문에 한정된 곳에서만 사용되고 있습니다.

그렇지만 손실이 적다는 특성과 대전력에서 사용이 가능하다는 점, 마이크로파 안테나 급전용 등으로 꼭 필요한 곳에서 요긴하게 사용되고 있습니다.

(1) 도파관 구조

도파관은 동축선로의 유전체 손실을 극복하기 위해 절연체를 공기로 하고, 도체손실의 원인이 되는 중심도체를 없앤 전송선로라고 볼 수 있습니다. 즉 마치 금속 수도관처럼 되어 있으며, 단면이 직사각형인 구형도파관(Rectangular Waveguide)이 일반적입니다. 파장이 1~10mm인 매우 높은 주파수가 되면 TE10 모드 손실이 적은 원형 도파관(Circular Waveguide)이 사용되기도 합니다.

도파관의 손실이 적다는 의미는 장거리로 신호를 전송할 수 있다는 의미가 아니라, 손실에 의한 발열량이 적기 때문에 kW단위에 이르는 대전력 전송이 쉽게 가능하다는 의미입니다.

(2) 차단 주파수 (Cut-off Frequency)

도파관은 그 구조로부터 알 수 있듯이, 특정 주파수 이상이 아니면 전송이 불가능합니다. 위에 그림으로 나타낸 구형도파관에서는, 전자파의 파장 λ가 2*a 보다 작은 경우는 b면을 반사하면서 전송되어지지만, 파장 λ가 2a에 가까워짐에 따라 일정한 짧은 구간에서 반사가 집중적으로 많아지기 시작합니다. 그러다가 λ=2a가 되면 반파장의 신호가 a와 같아지면서 제자리에서 반사만 되는 형상이 되어 관을 타고 파동이 진행하는 것이 불가능해집니다. 이때의 파장에 해당하는 주파수를 차단 주파수라 하며, 아래 수식으로 나타낼 수 있습니다.

λc = 2a

(3) 군속도 (Group Velocity)

도파관 내의 전파는 위에서 나타낸 것처럼 b면을 반사하며 진행하기 때문에, 관내 전송속도는 자유공간에서의 전송속도 c 에 비해 늦어지게 됩니다. 이때의 관내 전송속도를 군속도라고 부르며, 아래의 식으로 표현됩니다.

(4) 관내파장 (Guided Wavelength)

도파관내에서 전파는 b면을 반사하면서 진행방향으로 전송되는데, 전계분포를 보면 정현파 산의 골짜기가 연속된 형태로 됩니다. 이러한 도파관내의 파장을 관내파장이라 불리우며, 위에서 나타낸 것처럼 도파관내에서의 전파속도가 다르기 때문에 실제로 전파되는 파장도 바뀌었다고 볼 수 있는 것이지요. 이것의 수식은 아래와 같이 나타낼 수 있습니다.

(5) 위상속도 (Phase Velocity)

관내파장은 자유공간 파장 λ보다 크고, 관내 전계의 진행속도는 자유공간의 전파속도보다 빠르게 진행하는 것처럼 되는데, 이것을 위상속도로 하며 아래의 수식으로 표현됩니다.

도파관내의 동위상의 전계 점들을 보면 자유공간의 전파속도보다 빠른 것처럼 보이지만, 군속도에서 알 수 있듯이 전파는 반사하면서 진행하기 때문에 실제로는 속도가 더 느려집니다. 결국 도파관내의 전파가 자유공간에서보다 빨라질 이유는 없기 때문에 종종 혼동되는 부분입니다.

다시 정리한다면, 반사로 인해 전계변화점들의 간격이 좁아지면서 전계변화 자체는 마치 빨라진 것처럼 보이지만(Vp가 빠르지만) 실제로는 반사 때문에 신호의 전달 속도는 느려진 것입니다.(Vg는 느려짐)

이것을 이해하기 쉽게 위상속도, 군속도, 자유공간의 전파속도(=광속)의 관계를 정리하면 아래처럼 나타낼 수 있습니다.

여기서 Vg의 'g'는 group, Vp의 'p'는 phase, λc의 'c'는 cut off 의 머릿말입니다.

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