Waveguide 종류와 특징

Ⅰ. Open waveguide

 

1) free space

 

free space는 여러 가지 모드를 guide하는 waveguide라고 볼 수 있다. 하지만 일반적으로 어떤 신호의 주파수가 높아질 수록 신호는 radiation이 되는 특성이 커지므로 여러 가지 mode를 가질 수 있는 free space는 신호를 난무하게 만들게 된다. 그러므로 높은 주파수의 경우 공기 중으로 새어나가지 못하도록 해야 한다는 점이 중요하게 되어 free space에서 높은 주파수를 제대로 guide하기 힘들다.

 

 

2) Power Transmission Line (radiation loss)

 

skin depth의 영향이 적은 50- 60 Hz 사이 정도의 wave를 guide할 수 있다.

저주파수에서는 보통 2개의 구리선에 의한 전송로가 사용되지만, 고주파수가 되면 1/r의 order로 외부에 분포하게 되고 구리선의 저항이 증가하고 주위 절연물 등의 유전체손실도 증가하므로, 전송손실이 많아져서 사용할 수 없다.

 

 

3) Twisted-wire (radiation loss)

 

두 줄의 전선을 꼬아놓은 케이블이다. 단면이 dipole 형태로 자계에 의한 유도를 받아 각 루프 마다 기전력을 서로 없애주기 때문에 어느 정도의 잡음 내성이 있다. 그리고 1/r² order로 선의 외부에 wave가 분포하게 되어 Power Transmission Line에 비해 wire 주위에 많이 분포하게 된다. 특징은 값이 싸다.

선을 꼬음으로 인해 Power Transmission Line 보다는 높은 주파수 신호를 guide할 수는 있지만 이것 역시 조금 더 높은 주파수의 신호가 흐르면 구리선의 표면 쪽에만 흐름으로 인해 저항 증가와 주위 절연물 등의 유전체 손실 증가로 1 kHz - 1 MHz 정도의 주파수를 가진 신호에 사용할 수 있지만 1MHz 이상의 신호에 사용하기 어렵다.

 

 

 

Ⅱ.Closed waveguide

open waveguide에서의 문제점이 주파수가 커질수록 wave가 밖으로 쉽게 빠져 나간다는 것이 문제점이 된다. 그러하여 60 Hz이상의 wave는 밖으로 빠져나가는 것을 줄이기 위해 closed waveguide를 사용하게 된다.

 

 

4) Coaxial cable (dielectric loss)

 

wire보다 더 높은 주파수 신호를 보낼 수 있도록 내부도체에 절연체로 둘러싸고 외부도체 shielding을 하는 형태로 외부도체로 인해 wave가 cable밖으로 빠져나가는 것을 줄이기 위한 형태이다. 하지만 1GHz이상의 wave를 coaxial cable로 보내는 경우 구리선의 저항이 증가하고 주위 절연물 등의 유전체손실도 증가하므로, 전송손실이 많아져서 1GHz 이상의 경우 사용하기 어렵게 된다.

 

coaxial cabel이 보통 UHF대 이하의 주파수에서의 전송선로로 많이 애용되지만 그 이상의 마이크로파 회로에서도 내부도체는 강선에 은도금을 사용하고 마이크로파대역에서는 Skin effect로 인해 신호가 도체 표면의 은도금부분에만 흐르기 때문에 손실을 낮게 하고 절연체로는 테플론을 사용하여 유전체 손실을 낮추기도 하여 사용하기도 한다.

 

 

5) metallic waveguide (ohmic loss)

 

coaxial cable의 유전체 손실을 극복하기 위해 절연체를 공기로 하고, 도체손실의 원인이 되는 중심도체를 없앤 전송선로라고 볼 수 있다. 즉 마치 금속 수도관처럼 되어 있으며, 단면이 직사각형인 구형도파관 (Rectangular Waveguide)이 일반적이다. 파장이 1~10 mm인 매우 높은 주파수가 되면 TE10 모드 손실이 적은 원형 도파관 (Circular Waveguide)이 사용되기도 한다. 속이 빈 금속판으로 만든 마이크로파 전송로는 평행 2선식선로나 동축 케이블 등에 비해 감쇠가 적다. metallic waveguide는 일종의 고역 필터로, 관 내 모드는 일정한 차단 파장을 가지며 그것보다 긴 파장의 전파는 통과시키지 않는다. 단면 치수는 반 파장 이상의 것이 사용되며 주로 1GHz 이상의 마이크로파대역에서 널리 이용된다.

 

metallic waveguide의 손실이 적다는 의미는 장거리로 신호를 전송할 수 있다는 의미가 아니라, 손실에 의한 열량이 적기 때문에 kW단위에 이르는 대전력 전송이 쉽게 가능하다는 의미이다

 

metallic waveguide은 매우 높은 마이크로파를 전송하기 위한 전송선로이지만, 부피가 크고 metal로 되어 있어 무겁고 가격이 비싸다는 등의 coaxial cable에 비해 응용성에서 밀리기 때문에 한정된 곳에서만 사용되고 있다.

 

 

6) stripe line (substrate loss, ohmic loss)

 

metallic waveguide의 경우 단면 치수를 반 파장 이상의 것이 사용하기 때문에 10GHz 이상의 wave에 사용하기 위해서는 단면이 작아지게 된다. metal을 작은 단면으로 정교하게 만드는 것에는 많은 문제점이 있어서 10GHz 이상의 경우 Strip line을 사용하게 된다. 하지만 metallic waveguide로 보통 40GHz까지 정도는 일반적으로 사용이 가능하다.

 

직관적으로 볼 때 strip line은 납작하게 눌려진 coaxial cable로 생각될 수 있다. 하지만 coaxial cable과 달리 구조적으로 간단하고 값이 싸고 다이오드 트랜지스터 등의 능동 소자와 함께 마이크로파 집적 회로(MIC : microwave integrated circuits) 구현이 용이하기 때문에 유닛끼리 연결할 때는 주로 coaxial cable을 이용하게 되지만, 유닛 내의 부품과 회로를 연결할 때는 일반적으로 마이크로스트립 선로를 이용하게 된다.

 

마이크로파대에서는 신호파장에 대하여 신호선폭을 완전히 무시할 수 있다고 말할 수가 없다. 주파수가 높아짐에 따라 신호선의 전계도 edge 부분에 집중되어 버려서, 특성임피던스가 높아지는 현상이 발생하기 때문이다. 이런 현상이 발생하면, 특성 임피던스가 주파수에 의존하지 않는다는 전송선로의 이론도 적용할 수가 없다 즉, 주파수가 커질수록 신호선폭이 짧아짐에 인해 공정하기 힘들게 된다. 또한 100GHz 이상의 wave를 guide하기에는 특히 substrate loss와 ground 사이의 유전체 손실도 상당히 커지는 문제점이 발생하게 된다.

 

Characteristic	Coax	Waveguide	Stripline	Microstrip
Dispersion	None	Medium	TEM	Quasi-TEM
Bandwidth	High	Low	High	High
Loss	Medium	Low	High	High
Power capacity	Medium	High	Low	Low
Physical size	Large	Large	Medium	Small
Ease of fabrication	Medium	Medium	Easy	Easy
Integration with other components	Hard	Hard	Fair	Fair

 

 

 

Ⅲ.Open waveguide

closed waveguide는 기본적으로 metal을 이용하는 것들이기 때문에 100GHz 이상의 wave를 guide하기에는 특히 substrate loss를 더 이상 무시하기 어려운 문제가 되어 빛의 특성을 이용하여 open waveguide를 많이 사용하게 된다.

 

반면 optical fiber를 metallic waveguide나 strip line에서 주로 사용하는 주파수 대역에 사용하게 되면 파장이 길게 되어 fiber의 반경이 커짐으로 인해 불필요한 사용이 된다.

 

 

7) optical fiber (absorption loss, scattering loss)

원형의 매우 긴 waveguide로 silica glass와 같은 low-loss materials로 만들어 진다. 그리고 optical fiber의 가장 큰 특징은 loss가 적다는 것과 attenuation coefficient가 fiber input power와 fiber output power에 의해 결정된다는 것이다.

 

 

8) optical dielectric waveguide

optical fiber communication에서는 modal dispersion을 피하기 위해 single mode fiber를 많이 사용하지만 optical dielectric waveguide에서는 mutimode를 사용할 수 있어 optical fiber보다 더 많은 정보를 보낼 수 있게 된다.