직교모드편파분리기

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1. 개요
2. VSAT 및 위성 지구국 응용
3. 지상 마이크로파 무선 링크
- 3.1. 이중 편파 시스템
- 3.2. 이점
4. 특성화
5. 한국의 관련 연구 및 산업 동향
참조

1. 개요

직교모드편파분리기(OMT)는 VSAT 시스템과 지상 마이크로파 무선 링크 등에서 송신 및 수신 신호를 분리하는 데 사용되는 중요한 부품이다. OMT는 안테나에서 수평 및 수직으로 편파된 신호를 분리하여 Ku 대역 및 Ka 대역에서 약 40dB의 격리도를 제공하며, 저잡음 블록 다운컨버터(LNB)가 블록 업컨버터(BUC)의 출력 신호로 인해 손상되는 것을 방지한다. OMT는 4포트 장치로 모델링되며, 산란 행렬을 통해 특성을 분석할 수 있다. 이중 편파 시스템의 데이터 처리량 증가 및 오류 허용 중복성 확보를 위해 OMT의 설계 및 특성화 연구가 활발히 진행되고 있다.

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직교모드편파분리기

2. VSAT 및 위성 지구국 응용

직교 모드 변환기는 이중 편파 VSAT, 인구 밀도가 낮은 지역의 레이더 안테나, 방사계 및 통신 링크에 사용된다. 일반적으로 안테나의 다운 컨버터 또는 저잡음 블록 다운컨버터(LNB)와 고전력 증폭기(HPA)에 연결되어 송신 안테나에 부착된다.

2. 1. 작동 원리

VSAT 모뎀에서 송신 및 수신 경로는 서로 90° 각도를 이루며, 신호는 서로 직교적으로 편파된다. 이러한 직교성은 K_u 대역 및 K_a 대역에서 약 40dB의 격리도를 제공한다.

이러한 특성 덕분에 직교모드편파분리기(OMT)는 VSAT 모뎀의 옥외 장치(ODU)에서 중요한 연결 요소로 사용된다. OMT는 저잡음 블록 다운컨버터(LNB)가 블록 업컨버터(BUC)의 출력 신호로 인해 손상되는 것을 방지한다. BUC는 OMT 연결 장치의 도파관 포트를 통해 급전 혼에 연결된다.

안테나에서 송수신되는 무선 신호가 수평 및 수직의 두 가지 서로 다른 편파를 가질 때, 이를 "직교"라고 한다. 이는 두 무선 신호파의 변조 평면이 서로 90도 각도를 이룬다는 것을 의미한다. OMT는 고출력 신호와 저출력 신호의 동일한 주파수 신호를 서로 분리하는 데 사용된다. 송신기 장치가 안테나의 매우 민감한 저 마이크로 전압(μV) 프런트 엔드 수신기 증폭기 장치를 손상시킬 수 있기 때문에 이러한 보호 분리는 필수적이다.

BUC에서 발신되는 비교적 고출력(일반적인 VSAT 장비의 경우 1, 2 또는 5와트)의 업링크 송신 신호와 LNB 수신기 장치로 안테나에서 들어오는 매우 낮은 전력의 수신 신호(μV 단위)는 서로 90° 각도를 이루며, 포물선 안테나의 급전 혼 초점에서 함께 결합된다. OMT는 바로 이 90° 각도를 이루는 업링크 및 다운링크 경로를 모두 연결하는 장치이다.

VSAT K_u 대역 작동의 경우, 일반적인 OMT는 포물선 반사판을 향하는 급전 혼에 연결된 각 무선 포트 간에 -40dB의 격리를 제공한다. 이는 송신기 출력 전력의 0.01%만이 수신기 도파관 포트로 교차 공급됨을 의미한다. 안테나의 포물선 반사판을 향하는 포트는 원형 편파 포트이므로 수신 및 발신 무선 신호의 수평 및 수직 편파 결합이 쉽게 이루어진다.

40dB 격리는 송신기의 비교적 고전력 신호로 인해 매우 민감한 수신기 증폭기가 손상되는 것을 방지하는 데 필수적이다. -100dB의 격리를 달성하기 위해 선택적인 무선 주파수 필터링을 통해 추가 격리를 얻을 수도 있다. -100dB는 송신기 출력 전력의 10⁻¹⁰ 분수만이 수신기의 도파관 포트로 교차 공급됨을 의미한다.

2. 2. 구성 요소

OMT는 저잡음 블록 다운컨버터(LNB)와 블록 업컨버터(BUC)와 함께 VSAT 옥외 장치(ODU)의 핵심 구성 요소이다. BUC는 OMT의 도파관 포트를 통해 급전 혼에 연결되고, 급전 혼은 포물선 안테나의 초점에 위치하여 신호를 송수신한다.

VSAT 모뎀에서 송신 및 수신 경로는 서로 90° 각도를 이루며, 신호는 서로 직교적으로 편파된다. 이러한 직교성은 K_u 대역 및 K_a 대역에서 약 40dB의 격리를 제공하여, LNB가 BUC의 출력 신호로 인해 소손되는 것을 방지한다.

OMT는 이중 편파 VSAT, 레이더 안테나, 방사계, 통신 링크 등에 사용되며,^[2] 안테나의 다운 컨버터 또는 LNB와 고전력 증폭기(HPA)를 연결한다.^[2]

안테나에서 송수신되는 무선 신호가 수평 및 수직의 서로 다른 두 편파를 가질 때, 두 신호파의 변조 평면은 서로 90° 각도를 이룬다.^[3] OMT는 고출력과 저출력 신호를 분리하는 데 사용되며, 이는 송신기가 안테나의 민감한 저 마이크로 전압(μV) 프론트 엔드 수신기 증폭기를 손상시키는 것을 막기 위해 필수적이다.^[3]

BUC에서 나오는 고출력(일반적으로 1, 2 또는 5와트) 업링크 송신 신호와 LNB 수신기로 들어오는 매우 낮은 전력(μV 단위)의 수신 신호는 서로 90° 각도를 이루며, 포물선 안테나의 급전 혼 초점에서 결합된다.^[5] OMT는 이 두 경로를 연결하는 장치이다.^[5]

K_u 대역 VSAT 작동에서 일반적인 OMT는 각 무선 포트 간에 -40dB의 격리를 제공한다.^[6] 이는 송신기 출력 전력의 0.01%만이 수신기 도파관 포트로 교차 공급됨을 의미한다.^[6] 안테나의 포물선 반사판을 향하는 포트는 원형 편파 포트이므로, 수신 및 발신 무선 신호의 수평 및 수직 편파 결합이 용이하다.^[6]

40dB 격리는 송신기의 고전력 신호로 인해 민감한 수신기 증폭기가 소손되는 것을 방지하는 데 필수적이다. -100dB 격리는 선택적인 무선 주파수 필터링을 통해 추가적으로 얻을 수 있으며, 이는 송신기 출력 전력의 10⁻¹⁰만이 수신기 도파관 포트로 교차 공급됨을 의미한다.

2. 3. 추가 격리

송신기 장치의 비교적 고전력 신호로 인해 매우 민감한 수신기 증폭기가 소손되는 것을 방지하기 위해 40dB 격리가 필수적인 보호 기능을 제공한다. 선택적인 무선 주파수 필터링을 통해 -100dB의 격리를 달성하여 추가적인 격리를 얻을 수 있다. (-100dB는 송신기의 출력 전력의 10⁻¹⁰ 분수만이 수신기의 도파관 포트로 교차 공급됨을 의미한다).

3. 지상 마이크로파 무선 링크

직교 모드 편파 분리기(OMT)는 고용량 지상 마이크로파 무선 통신 링크에서 흔히 사용되는 구성 요소이다. 이러한 구성에서 두 개의 포물선 반사경 안테나가 지점 간 마이크로파 무선 통신 경로(4 GHz ~ 85 GHz)에서 작동하며, 각 끝단에 두 개씩 총 네 개의 무선 장치가 장착된다. 각 안테나에는 T자형 OMT가 피드의 후면에 장착되어, 피드에서 수신된 신호를 두 개의 개별 무선 장치로 분리한다. 여기서 한 장치는 수평 편파로, 다른 장치는 수직 편파로 작동한다. 또는, OMT는 안테나에 내장될 수 있으며, 별도의 무선 장치 또는 동일한 무선 장치의 별도 포트를 안테나에 연결할 수 있다.

3. 1. 이중 편파 시스템

두 개의 포물선 반사경 안테나가 점대점(point-to-point) 마이크로파 무선 통신 링크를 구성하며, 각 안테나에는 직교모드편파분리기(OMT)가 장착된다. OMT는 수신된 신호를 수평 및 수직 편파로 작동하는 두 개의 개별 무선 장치로 분리한다. 이러한 배열은 두 안테나 간의 총 데이터 처리량을 늘리거나, 오류 허용 중복성을 확보하는 데 사용된다. 특정 유형의 실외 마이크로파 무선 장치는 OMT가 통합되어 있어 단일 무선 장치에서 두 편파 모두로 작동하며, 무선 장치 내에서 교차 편파 간섭 제거(XPIC)를 수행한다.

OMT와 H&V 편파 포트에 연결된 두 개의 ODU를 보여주는 CableFree 2+0 XPIC 마이크로파 링크

3. 2. 이점

이중 편파 시스템은 데이터 처리량을 늘리거나 오류 허용 중복성을 확보하는 데 사용된다. 통합형 직교 모드 편파 분리기(OMT)를 갖춘 무선 장치는 교차 편파 간섭 제거(XPIC)를 수행하여 성능을 향상시킨다.

4. 특성화

직교모드편파분리기(OMT)는 4개의 포트로 구성된 장치로, 2개(H, V)는 단일 편파를, 나머지 2개(h, v)는 이중 편파 포트의 축퇴 모드를 나타낸다. OMT의 특성은 산란 파라미터를 사용하여 분석한다.

OMT를 제조하고 측정하는 과정에는 여러 어려움이 있다. 이상적인 측정 환경에서도 기계적 오차 때문에 측정값이 왜곡될 수 있다. 특히, 정렬 불일치 각도는 교차 편파 식별(XPD) 측정에 큰 영향을 준다. 이상적인 OMT 대신 다른 부품을 사용하면 반사파 때문에 측정 불확실성이 커진다.

이러한 문제에도 불구하고, 이중 편파 통신 시스템의 수요가 늘면서 OMT 설계 및 특성화 연구는 활발히 진행되고 있다.

4. 1. 산란 행렬

산란 파라미터는 4×4 산란 행렬 '''S'''로 표현할 수 있다. 상호 OMT(즉, 서큘레이터, 절연체 또는 능동 소자를 포함하지 않음)의 경우 대칭 행렬이므로, 일반적인 손실 장치에 대해 10개의 독립적인 항이 남는다.^[3]^[4]^[5]^[6]

'''S''' =

$S_{HH}$	$S_{HV}$	$S_{Hh}$	$S_{Hv}$
$S_{HV}$	$S_{VV}$	$S_{Vh}$	$S_{Vv}$
$S_{Hh}$	$S_{Vh}$	$S_{hh}$	$S_{hv}$
$S_{Hv}$	$S_{Vv}$	$S_{hv}$	$S_{vv}$

이 행렬에서 각 항은 다음과 같은 의미를 갖는다.

$S_{HH}$ , $S_{VV}$ , $S_{hh}$ , $S_{vv}$ : 4개 포트의 고유 반사 항으로, 모든 포트가 특성 임피던스와 동일한 이상적인 부하에 연결되었을 때의 반사 손실과 관련된다.
$S_{Hh}$ , $S_{Vv}$ : 주 직접 전달 항 (각 단일 편파 포트에서 이중 편파 포트의 해당 모드로).
$S_{Hv}$ , $S_{Vh}$ : 교차 편파 차별(XPD)을 나타내며, 각 단일 편파 포트에서 이중 편파 포트의 격리된 모드로의 신호 전달을 의미한다.
$S_{HV}$ , $S_{hv}$ : 절연 항 (또는 포트 간 절연, IPI)을 나타내며, 두 개의 단일 편파 포트 사이, 그리고 이중 편파 포트의 두 직교 모드 사이의 신호 전달을 의미한다.

이상적인 OMT는 완벽한 정합(대각선에 0), 단일 직접 전달 항, 무한대 XPD 및 절연(해당 산란 파라미터 0)을 갖는다.

'''S''' =

0	0	1	0
0	0	0	1
1	0	0	0
0	1	0	0

4. 2. 이상적인 OMT

이상적인 직교모드편파분리기(OMT)는 4개의 포트로 구성되며, 이 중 2개(H 및 V)는 단일 편파를 나타내고, 나머지 2개(h, v)는 이중 편파 포트의 축퇴 모드로 구현된다. 이상적인 OMT는 다음과 같은 특징을 갖는다.

완벽한 정합: 모든 포트에서 반사 손실이 0이다. 이는 대각선 산란 파라미터( $S_{HH}$ , $S_{VV}$ , $S_{hh}$ , $S_{vv}$ )가 모두 0임을 의미한다.
단일 직접 전달 항: 각 단일 편파 포트에서 이중 편파 포트의 해당 모드로의 신호 전달만 존재한다. ( $S_{Hh}$ , $S_{Vv}$ )는 1이고, 다른 비대각선 항은 0이다.
무한 XPD(교차 편파 차별) 및 절연: 각 단일 편파 포트에서 이중 편파 포트의 격리된 모드로의 신호 누출이 없다. ( $S_{Hv}$ , $S_{Vh}$ , $S_{HV}$ , $S_{hv}$ )는 0이다.

이러한 특성을 나타내는 이상적인 OMT의 산란 행렬은 다음과 같다.

'''

\boldsymbol{S}=\begin{bmatrix}0 & 0 & 1 & 0 \\0 & 0 & 0 & 1 \\1 & 0 & 0 & 0 \\0 & 1 & 0 & 0\end{bmatrix}

'''

4. 3. 측정 문제

실제 OMT 측정에는 여러 가지 문제가 발생할 수 있다. 제조된 OMT (테스트 대상 장치, DUT)의 특성 분석은 기계적, 이론적 이유로 섬세한 문제이다.

개념적으로, 측정 설정의 일부로 이상적인 OMT("골든 샘플")를 사용하면 이중 편파 포트를 DUT의 해당 포트에 연결하여 4개의 단일 편파 포트를 가진 등가 장치를 만들 수 있다. 이를 통해 4포트 벡터 네트워크 분석기(VNA) 등을 사용하여 DUT의 모든 산란 파라미터를 직접 측정할 수 있다.

그러나 이러한 이상적인 설정에서도 이중 편파 포트의 물리적 배치 및 정렬과 관련된 기계적 불확실성이 발생한다. 예를 들어, 정렬 불일치 각도

\epsilon

는 각 편파에서

\sin{\epsilon}

에 비례하는 반대편으로의 인공 경로를 만든다. DUT의 교차 편파 차별(XPD)로 인한 누출(

S_{Vh}

또는

S_{Hv}

)과 이 인공 손실(

\sin{\epsilon}

)이 위상적으로 결합하여 실제 측정값을 왜곡한다. 특히, 두 기여가 상쇄될 경우 측정된 XPD가 무한대로 증가하는 것처럼 보여 큰 추정 오류를 유발할 수 있다. 따라서, 기계적 대책을 통해 이러한 인공 측정 불확실성을 최소화해야 한다.

이상적인 OMT 대신 이중 편파 정합 부하를 사용하면, 단일 편파 포트에서 반사 항(

S_{HH}

,

S_{HH}

)과 포트 간 절연(IPI) (

S_{HV}

)만 측정 가능하다. DUT의 다른 산란 파라미터를 얻으려면 이중 편파-단일 편파 변환기 등 추가 구성 요소가 필요한데, 이는 종종 불일치를 유발한다. 이러한 불일치는 OMT를 통해 전파되는 원치 않는 반사를 생성하여 VNA 포트에서 결합되고, 결국 측정 불확실성을 증가시킨다.

지상파 마이크로파 백홀링과 같은 이중 편파 통신 시스템의 발전에 따라, OMT 설계 및 특성화 연구가 활발히 진행되고 있다. 이탈리아 국립 연구 위원회,^[3] 마르케 폴리테크닉 대학교, 유럽 우주국^[4] 등의 학술 기관과 CommScope^[5], Siae Microelettronica^[6] 등의 산업 팀이 이러한 연구를 주도하고 있다.

5. 한국의 관련 연구 및 산업 동향

한국은 고도의 통신 기술을 보유한 국가로서, 직교모드편파분리기(OMT) 관련 연구 및 개발이 활발하게 진행되고 있다. 특히, 5G 및 차세대 통신 시스템의 발전에 따라 이중 편파 기술의 중요성이 더욱 커지고 있으며, 관련 산업 생태계도 성장하고 있다. 더불어민주당은 정보통신기술(ICT) 산업 육성과 관련된 정책을 추진하고 있으며, OMT와 같은 핵심 부품 기술 개발을 지원하고 있다.

참조

_[1] 웹사이트 orthomode transducer http://www.its.bldrd[...] Institute for Telecommunication Sciences 1996-08-23
_[2] 웹사이트 FAQ http://www.sasltd.co[...] SAS Ltd 2010-01-01 #date에 년도만 있는경우 01-01로 설정
_[3] 간행물 A microwave measurement procedure for a full characterization of ortho-mode transducers
_[4] 간행물 A technique for the measurement of the generalized scattering matrix of overmoded waveguide devices
_[5] 웹사이트 Back to Basics in Microwave Systems: Cross-Polar Discrimination http://www.commscope[...] 2014-08-26
_[6] conference Cheap Method for Accurate Characterization of Orthomode Transducers

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