고효율 5.8 GHz 사중 인젝션‑잠금 마그네트론 전력 결합을 위한 5포트 하이브리드 웨이브가이드 콤바이너 설계 및 실험

초록

본 논문은 외부 인젝션‑잠금 기술을 이용해 5.8 GHz 마그네트론 4대를 동기화하고, 비절연·무손실 5포트 하이브리드 웨이브가이드 콤바이너로 결합하여 95 % 이상, 최고 97.7 %의 전력 결합 효율을 달성한 연구를 제시한다. PLL 없이도 ±2.5°의 위상 변동을 보였으며, PLL 적용 시 ±0.5°로 개선된다. 전압·전류 리플에 의한 효율 저하는 약 4 % 수준에 머문다.

상세 분석

이 연구는 고주파(5.8 GHz) 마그네트론의 출력 전력을 효율적으로 확대하기 위해 ‘인젝션‑잠금(Injection‑Locking)’과 ‘5포트 하이브리드 웨이브가이드 콤바이너’를 결합한 새로운 전력 결합 방식을 제안한다. 인젝션‑잠금은 저전력 기준 신호를 마그네트론에 주입해 주파수와 위상을 강제로 동기화시키는 기술로, 기존 마그네트론이 갖는 위상·주파수 불안정성을 크게 감소시킨다. 실험에서는 PLL 없이도 각 마그네트론의 위상 변동을 ±2.5° 수준으로 억제했으며, PLL을 추가하면 ±0.5°까지 감소시켜 위상 정밀도가 결합 실험에 충분함을 입증하였다.

콤바이너 설계는 기존 3 dB 2‑포트 티(이‑플레인·에이치‑플레인) 구조를 확장해 5포트 ‘quasi‑symmetric’ 형태로 구현하였다. 포트 2·3은 H‑T, 포트 4·5는 E‑T에 연결되고, 포트 1이 출력 포트가 된다. 이 구조는 각 입력 포트에 동일한 전압 진폭과 0° 혹은 180° 위상 차이를 부여하면 이론적인 최대 결합 효율(≈100 %)에 근접하도록 설계되었다. S‑파라미터 측정·시뮬레이션 결과, |S₁₁| < ‑20 dB, 포트 간 위상 차이는 설계 목표(0°/180°)와 일치했으며, 손실이 거의 없는 비절연형 구조임을 확인했다.

전력 결합 효율은 입력 전력의 진폭·위상 불일치에 민감하게 변한다. 논문은 효율 저하를 정량화하기 위해
η = (1 + 10^(−G/10) · cos Δφ) · 100 %
와 같은 식을 사용해 표준 전력 편차(G)와 위상 편차(Δφ) 사이의 관계를 도출하였다. 실험에서는 전압·전류 리플에 의한 위상 푸싱 효과와 전원 리플이 결합 효율에 약 4 % 정도만 영향을 미쳤으며, 이는 설계된 콤바이너와 인젝션‑잠금 시스템이 외란에 강인함을 의미한다.

결과적으로, 인젝션‑잠금 마그네트론 4대를 5포트 콤바이너에 연결했을 때, PLL 없이도 95 % 이상의 결합 효율을 달성했고, 위상 제어(PLL 또는 위상 시프터) 시 최대 97.7 %에 이르는 효율을 기록했다. 이는 고출력 마그네트론 어레이를 구성할 때 전력 손실을 최소화하고, 위상 정밀도를 유지할 수 있는 실용적인 솔루션으로 평가된다.