발명의 배경과 필요성

기술의 배경과 문제점

• 기존 도파관은 높은 전력을 전송할 수 있지만, 저주파수에서는 자체 크기가 커져야 하는 문제가 있습니다.

• 구조와 크기에 의해 결정되는 차단 주파수(cutoff frequency)가 존재하여, 그 이하의 주파수 파워는 전송할 수 없는 한계가 있습니다.

• 크기를 줄이면 고출력 RF 파워로 인한 절연 파괴(dielectric break down) 현상이 발생할 위험이 커집니다.

기술의 필요성

• 고출력 및 저주파수의 RF 파워를 전송하면서도 자체 크기를 최소화할 수 있는 새로운 구조의 도파관이 필요합니다.

• 별도의 부품 추가 없이 임피던스를 쉽게 조절하고, 전력 손실과 절연 파괴 문제없이 안정적으로 RF 파워를 전송할 기술이 요구됩니다.

구현 방법

기술의 원리

• 내부 관과 외부 관으로 구성된 동축 구조를 채택하여 TEM(transverse electric and magnetic field) 모드를 사용합니다. 이 방식은 차단 주파수가 없어 모든 주파수 대역의 전송이 가능합니다.

• 내부 관과 외부 관의 반경 비율을 조절하여 별도의 커플러 없이 도파관 자체의 임피던스를 RF 파워 전원(일반적으로 50 ohm)에 맞출 수 있습니다.

구체적인 구현 방법

본 발명의 동축 도파관은 내부 관, 외부 관, 내부 관 지지부, 플랜지로 구성됩니다.

1. 내부 관 및 외부 관: 전도성과 탄성이 좋은 베릴륨 동(Beryllium Copper) 재질의 중공 도체관을 사용합니다.

2. 내부 관 지지부: 유전율이 낮은 절연체인 테프론(Teflon)을 사용하여 내부 관을 지지하고, 높은 전계로 인한 절연 파괴를 방지합니다.

3. 플랜지: 표준 규격(3과 1/8 인치)을 사용하여 호환성을 높이고, 106~110도의 경사면을 형성하여 볼트 체결 시 RF 접촉이 확실하게 이루어지도록 설계되었습니다.

기술의 장점

• 고출력 및 저주파수 RF 파워 전송 시 도파관 자체 크기 최소화가 가능합니다.

• 전력 손실이나 공기 중 절연 파괴 없이 안정적인 파워 전송이 가능합니다.

• 구조적 설계를 통해 내부 관과 외부 관의 RF 접촉 신뢰성을 향상시켰습니다.

• 여러 개의 도파관 결합 시 RF 파워 누설을 최소화합니다.

실험 및 결과

실험의 목적

본 발명에 따라 설계된 동축 도파관의 전기적 특성과 성능을 시뮬레이션 및 실제 측정을 통해 검증하고, 이론적 우수성을 실험적으로 입증하는 것을 목적으로 합니다.

실험 방법 및 과정

1. 전기장 세기 시뮬레이션: 전자기적 해석 도구를 사용하여 길이 500mm, 내부 관 직경 33.4mm, 외부 관 직경 76.9mm로 설계된 도파관 내부의 전기장 세기를 시뮬레이션했습니다.

2. 전송 계수 측정: 실제 제작된 도파관의 전송 계수(S-parameter) 특성을 81.25 MHz, 162.5 MHz, 325 MHz 등 다양한 주파수에서 측정하고 시뮬레이션 결과와 비교했습니다.

3. 최대 출력 전송 시험: 325 MHz, 20 kW의 RF 증폭기를 이용하여 실제 20 kW의 고출력 RF 파워를 인가하고 입출력 파워의 선형성을 확인했습니다.

실험 결과

시뮬레이션 결과, 도파관 일부 지점에서 전기장 세기가 최대 810[V/m]에 도달했지만, 이는 20 kW 출력으로 환산 시 0.12 MV/m로 공기 중 절연 파괴 전계보다 훨씬 낮아 안정적임을 확인했습니다.

실제 측정된 전송 계수는 350 MHz 이하의 모든 주파수에서 약 -0.001 dB로, 이는 99.9%의 매우 높은 전송률을 의미하며 시뮬레이션 결과와도 매우 유사했습니다.

최대 20 kW의 RF 파워를 인가했을 때, 출력 파워가 입력 파워에 비례하여 손실 없이 선형적으로 전송되는 것을 확인하여 고출력 환경에서의 안정성과 효율성을 입증했습니다.

활용 방안 및 기대효과

활용 방안

• 5G 이동통신 기지국 및 중계기의 고출력 전력증폭기 모듈

• 반도체 기반 고성능 레이더 시스템의 송수신 모듈

• 입자 가속기, 플라즈마 발생 장치 등 대전력 RF 에너지 응용 시스템

• 소형·경량화가 필수적인 차세대 위성통신 시스템의 전력 전송부

기대효과

• 소형화 및 경량화: 기존 도파관 대비 크기를 획기적으로 줄여 시스템 집적도 향상에 기여합니다.

• 광대역 및 고효율: 주파수 제약 없이 넓은 대역에서 99.9%의 높은 효율로 고출력 RF 파워를 전송합니다.

• 비용 절감: 임피던스 매칭을 위한 별도 부품이 불필요하여 제작 비용 및 시스템 복잡도를 감소시킵니다.

• 안정성 및 신뢰성: 공기 중 절연 파괴 현상을 방지하여 고출력에서도 안정적인 동작을 보장합니다.

시장 동향

시장 규모 및 성장 전망

Yole Developpement 보고서에 따르면, 전체 GaN 트랜지스터 시장은 무선 통신 및 방위산업을 중심으로 2020년 8.91억 달러에서 2026년까지 약 24억 달러로 성장할 것으로 예측되며, 연평균 성장률(CAGR)은 18%에 달합니다.

• 무선 통신용 GaN 트랜지스터 시장: 2026년에는 9.92억 달러로 성장할 것으로 예측됩니다.

• 반도체 기반 Microwave Generator 시장: 마그네트론의 기술적 한계를 극복하며 2027년에는 약 5.6억 달러 규모로 확대될 것으로 예측됩니다.

출처: RFHIC 사업보고서 (2023.03.16)

주요 플레이어 및 경쟁 환경

RF 파워 시장은 기존의 진공관(TWT, Klystron 등) 기반 기술에서 반도체(GaN) 기반 기술로의 전환이 가속화되고 있습니다. 특히 5G 통신, 방위산업, 위성통신 등 고성능, 고신뢰성이 요구되는 분야에서 GaN 기술을 보유한 기업들이 시장을 주도하고 있으며, 본 발명과 같은 고효율 전송 기술은 이러한 시스템의 핵심 경쟁력이 될 수 있습니다.

출처: RFHIC 사업보고서 (2023.03.16)

산업 동인 및 기회 요인

1. 5G 상용화 가속: 전 세계적인 5G 인프라 투자 확대로 인해 고효율, 고출력 RF 부품 수요가 급증하고 있습니다.

2. 방산/우주 산업의 패러다임 변화: 기존 진공관 기술의 한계를 극복한 반도체 기반 시스템으로의 전환이 활발합니다. 특히 '뉴스페이스' 시대를 맞아 저비용, 고성능 위성 부품 시장이 새로운 기회로 부상하고 있습니다.

3. RF 에너지 응용 분야 확대: 반도체/디스플레이 공정, 의료, 과학 연구 등 정밀한 제어가 가능한 고체형(Solid-state) RF 에너지원에 대한 수요가 증가하고 있습니다.

출처: RFHIC 사업보고서 (2023.03.16)