다양한 형태의 금속봉이 삽입된 구형 도파관의 모드 매칭 해석
Mode Matching Analysis of a Rectangular Waveguide with Various Shapes of Conducting Posts
- 발행기관 亞洲大學校 大學院
- 지도교수 愼哲宰
- 발행년도 2005
- 학위수여년월 2005. 2
- 학위명 박사
- 학과 및 전공 일반대학원 전자공학과
- 본문언어 한국어
초록/요약
도파관의 정합 특성과 전파 특성을 제어하기 위해 사용되는 금속봉은 도파관을 사용하는 부품의 설계와 제작에 있어 매우 중요한 요소이며, 현재까지 금속봉의 구조와 해석방법에 대한 연구가 광범위하게 진행되고 있다. 본 논문에서는 도파관의 특성 제어를 위해 사용되는 이중 원통형 금속봉, 수평 금속봉, 타원형 금속봉 그리고, 금속봉 조각 등 다양한 형태의 금속봉이 삽입된 구형 도파관의 산란 특성을 기존의 수치적 해석법보다 계산과정이 간단한 모드 매칭법으로 해석하는 방법을 제안하였다. 다양한 형태의 금속봉이 삽입된 구형 도파관의 산란계수는 주어진 구조의 영역을 분할하고, 분할된 영역간의 경계면에서 전자계를 유도한 후, 불연속면에서 계산된 경계조건 에 적절한 외적 관계와 축 변환 행렬의 적용을 통하여 계산하였으며, 금속봉의 구조와 위치에 따라 계산할 수 있도록 일반화하였다. 제안된 해석법은 기존 논문의 실험 결과와 Ansoft사의 HFSS(ver 9.0)에 의한 결과와 비교하여 검증하였고, 우수한 정확도를 보임을 확인하였다. 세부 연구 내용은 다음과 같다. 1. 이중 원통형 금속봉이 삽입된 구형 도파관의 산란계수는 이중 금속봉의 반경, 높이, 그리고 상단 금속봉의 위치 변화에 따라 계산하였다. 최적의 모드 수는 상단 금속봉의 위치( ρ_(0), φ_(0))에 따라 변화되었으며, φ_(0)가 0, π/2, π, 3π/2일 경우 산란계수는 N_(x)와 N_(y)가 각각 5와 6이면 수렴하였으나, φ_(0)가 다른 값일 때 산란계수는 N_(x)와 N_(y)가 각각 13과 6에서 수렴하였다. 제안된 방법의 검증을 위하여 계산 결과를 HFSS 에 의한 결과와 비교하였을 때 두 결과는 잘 일치하였다. 2. 수평 금속봉이 삽입된 구형 도파관의 산란계수는 수평 금속봉의 반경, 높이 그리고 위치 변화에 따라 계산하였다. 계산된 산란계수는 N_(x)와 N_(y)가 각각 6과 5이면 충분히 수렴하였다. 제안된 방법의 검증을 위하여 계산 결과를 실험 결과 및 HFSS에 의한 결과와 비교하였을 때 잘 일치하여 제안된 방법이 수평 금속봉이 삽입된 구형 도파관 의 산란 특성 해석에 효과적임을 알 수 있었다. 3. 타원형 금속봉이 삽입된 구형 도파관의 산란계수를 타원형 금속봉의 높이와 이심률, 위치의 변화에 따라 계산하였다. 산란계수는 N_(x)와 N_(y)가 각각 5와 6이면 충분히 수렴하였다. 제안된 방법의 검증을 위하여 계산결과를 HFSS에 의한 결과와 비교하였 고 두 결과는 잘 일치하여 제안된 해석법이 타원형 금속봉이 삽입된 구형 도파관의 해석에 효과적으로 이용 가능함을 확인하였다. 4. 금속봉 조각이 삽입된 구형 도파관의 산란계수는 금속봉 조각의 반경, 회전각도, 위치 변화에 따라 계산하였다. 계산된 산란계수는 N_(x)=8과 N_(y)=1에서 충분히 수렴하였다. 제안된 방법의 검증을 위하여 계산결과를 기존의 논문의 실험 결과와 HFSS에 의한 결과와 비교하였으며, 비교된 결과는 잘 일치하여 제안된 방법이 금속봉 조각이 삽입 된 구형 도파관의 산란특성 해석에도 효과적으로 이용 가능함을 알 수 있었다. 원통형 금속봉은 도파관을 사용하여 제작하는 부품에 많이 사용되는 중요한 요소이며 많은 연구자들에 의해 금속봉의 구조와 해석법에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 따라서, 본 논문에서는 도파관의 특성을 제어하기 위해 사용되는 이중 금속봉, 수평 금속봉, 타원형 금속봉, 그리고 금속봉 조각 등 다양한 원통 형태의 금속봉이 삽입된 구형 도파관의 산란계수를 다른 수치적 해석법과 비교하여 해석과정이 간단하고 결과의 정확도가 우수한 모드 매칭법을 사용하여 계산하는 방법을 제안하였다. 계산 결과로부터 제안된 구조는 도파관의 특성을 용이하게 제어할 수 있고 제안된 해석법에 의한 결과는 우수한 정확성을 갖기 때문에, 도파관 부품의 설계에 효과적으로 이용 가능함을 확인하였다. 향후 본 논문에서 제안된 구조와 해석법을 부품의 설계에 적용하는 응용 연구가 진행되어야 할 것이다.
more초록/요약
A cylindrical conducting post is a key element in waveguide components, because it is used to control the waveguide characteristics. Many scientist have been studied about post structures in a waveguide. Also, the requirement for rigorous analysis methods with simple computation procedure to analyze such structures is increasing. In this dissertation, the rigorous analysis method using the mode matching method for solving the scattering characteristics of a rectangular waveguide with various shapes of conducting posts is proposed. To analyze the scattering characteristics of presented structures, we divided a whole structure into detailed regions and derived a electro magnetic fields in each region. And then scattering parameters are computed from boundary conditions applying the properly defined inner product and the coordinate transform. The proposed method is verified by experiments in the published literature and results by the Ansoft HFSS(ver9.0) and shows a good accuracy. Detailed research part is as follows. 1. Scattering parameters of a rectangular waveguide with double cylindrical conducting posts are computed as a function of the post radius, height and location of the upper post. The optimum mode number is changed by a location of upper post(ρ (0), φ (0)). When φ (0) is equal to 0, π/2, π and 3π/2, computed results are converged very well at N_(x)=5 and N_(y)=6. In other φ (0) value, computed results are converged at N_(x)=13 and N_(y)=6. In order to show the validity of the proposed method, computed results are compared with results by the HFSS and a good agreement is achieved. 2. Scattering parameters of a rectangular waveguide with horizontal conducting posts are computed as a function of the post radius, height and location. Computed results are converged very well at Nx=6 and Ny=5. In order to show the validity of the proposed method, computed results are compared with experiments reported in the literature and results by the HFSS and a good agreement is achieved. 3. Scattering parameters of a rectangular waveguide with elliptical conducting posts are computed as a function of the post eccentricity, height and location. Computed results are converged very well at N_(x)=5 and N_(y)=6. In order to show the validity of the proposed method, computed results are compared with results by the HFSS and a good agreement is achieved. 4. Scattering parameters of a rectangular waveguide with segment of conducting posts are computed as a function of the post radius, rotation angle and location. Computed results are converged very well at N_(x)=8 and N_(y)=1. In order to show the validity of the proposed method, computed result are compared with experiment reported in the literature and results by the HFSS and a good agreement is achieved. Cylindrical conducting post is an important element in waveguide components. Therefore, post structures in a waveguide and rigorous analysis methods have been studying intensively. In this dissertation, we proposed the rigorous analysis method using mode matching method for solving the scattering characteristics of a rectangular waveguide with various shapes of conducting posts. From the simulated result, presented structures easily tune the waveguide characteristics and the proposed method shows a good accuracy for solving the scattering characteristics of presented structures. So, they can be efficiently used to the design and analysis of waveguide components. In the future, we should conduct on the research about practical applications using the presented structure and the proposed method
more목차
제 1 장 서론 = 1
제 2 장 도파관의 전자계 = 7
제 1 절 구형 도파관의 전자계 = 7
제 2 절 방사형 도파관의 전자계 = 10
1. 평행판 방사형 도파관 = 10
2. Wedge plate 방사형 도파관 = 13
제 3 장 모드매칭법을 이용한 수직 금속봉이 삽입된 구형 도파관의 산란특성 해석 = 15
제 1 절 방사형 도파관간의 불연속 = 15
1. 방사형 도파관의 전자계 = 16
2. 방사형 도파관의 불연속 지점에서 경계조건과 외적식 = 17
3. 연속적인 방사형 도파관의 불연속 = 20
4. 원통 좌표계에서 전자계의 축 변환 = 21
제 2 절 구형 도파관과 방사형 도파관간의 불연속 = 25
1. 구형 도파관의 전자계 표현 = 26
2. 구형 도파관과 방사형 도파관간의 불연속에서의 경계 조건 = 27
제 3 절 수직 금속봉이 삽입된 구형 도파관의 산란계수 = 30
제 4 절 모드수의 선택 = 31
제 5 절 연속적인 도파관 불연속체들의 산란 행렬 = 32
제 6 절 해석결과 = 34
제 4 장 이중 원통형 금속봉이 삽입된 구형 도파관 = 38
제 1 절 이중 원통형 금속봉이 삽입된 구형 도파관의 전자계 = 38
제 2 절 이중 원통형 금속봉이 삽입된 구형 도파관의 산란계수 = 40
제 3 절 해석결과 및 분석 = 43
제 5 장 수평 금속봉이 삽입된 구형 도파관 = 52
제 1 절 수평 금속봉이 삽입된 구형 도파관의 전자계 = 52
제 2 절 수평 금속봉이 삽입된 구형 도파관의 산란계수 = 55
제 3 절 해석결과 및 분석 = 57
제 6 장 타원형 금속봉이 삽입된 구형 도파관 = 64
제 1 절 타원형 금속봉이 삽입된 구형 도파관의 전자계 = 64
제 2 절 타원형 금속봉이 삽입된 구형 도파관의 산란계수 = 66
제 3 절 해석결과 및 분석 = 70
제 7 장 금속봉 조각이 삽입된 구형 도파관 = 77
제 1 절 금속봉 조각이 삽입된 구형 도파관의 전자계 = 77
제 2 절 금속봉 조각이 삽입된 구형 도파관의 산란계수 = 80
제 3 절 해석결과 및 분석 = 81
제 8 장 결론 = 90
참고문헌 = 93
부록 = 100
