마이크로파 소용돌이 빔 발사기 설계

본 논문은 마이크로파 대역에서 OAM(궤도각운동량) 탑재 소용돌이 빔을 효율적으로 생성하기 위한 새로운 발사기 구조를 제안한다. 기존 연구들은 Vivaldi 배열, 누설파 안테나, Cassegrain 반사판, 전송면 배열 등 복잡한 다중소자 구성을 사용했지만, 이 설계는 단일 원형 루프 안테나와 금속 원형 파이프만으로 동일한 기능을 구현한다. 설계는 크게 두 부분으로 나뉜다. 첫째, 파이프 반경 a를 k₀·a=χ′₁₁ 로 설정해 TE₁₁ 모드만 전파 가능하도록 하고, TM₁₁ 모드는 차단한다. 둘째, 루프 안테나 반경 R_L을 λ₀/(2π) 로 잡아 전체 둘레가 자유공간 파장과 일치하도록 함으로써 TE₁₁ 모드와 강하게 결합한다. 안테나는 파이프 내부에 위치시키며, 위치 z₀에 따라 입력 임피던스가 변한다. 전자기 이론적 분석에서는 로렌츠 상호성 원리를 이용해 전류 밀도 J(ρ,φ,z)=A·δ(ρ−R_L)·δ(z−z₀)·ê_φ 로 모델링하고, 파이프 고유모드 전기·자기장 표현을 통해 모드 전여계수 a_q, b_q 를 도출한다. 결과적으로 루프 전류는 TE_q와 TM_q 두 모드만을 유도하고, 설계 조건에 의해 TE_q만이 전파하므로 단일모드 방사가 보장된다. 전파 상수 β와 특성 임피던스 Z₀를 이용해 파이프 내부를 전송선으로 모델링하고, 안테나를 기준으로 단락 TL(길이 d₁)과 개구 TL(길이 d₂)로 구분한다. 자유공간 루프 임피던스 Z_A와 결합 임피던스 jX_A 를 직렬로 추가해 전체 입력 임피던스 Z_in을 식 (7) 로 얻는다. 이 모델은 d₁≈λ_g/4 부근에서 저항부가 최소가 되고, 인덕티브 리액턴스가 남아 커패시터 매칭이 용이함을 보여준다. 모델 검증을 위해 Altair HyperWorks FEKO의 MLFMM 전파 시뮬레이션을 수행하였다. 파라미터는 X‑밴드(10 GHz)에서 a=13.5 mm, R_L=2.38 mm, 파이프 길이 L=30 mm 로 설정하였다. 안테나 위치를 0~L까지 28 단계로 스캔한 결과, 실험과 모델이 저항부에서는 최대 0.2 Ω, 리액턴스에서는 파이프 끝 근처에서 5 Ω 이내 차이를 보이며 높은 일치를 나타냈다. 최적 매칭 위치는 d₁≈0.23 λ_g 로, Z_in≈50 Ω+ j0 Ω 가 된다. 여기서 0.5 pF 커패시터를 직렬로 연결하면 완전 매칭이 이루어진다. 전기장 및 자력장 분포를 시각화한 결과, 파이프 개구면을 통과한 E_φ는 χ₁₁(kr) 형태의 Bessel 함수가 첫 영점에서 절단된 ‘도넛’ 모양을 보이며, 위상은 φ·ℓ (ℓ=1) 로 선형 회전한다. 이는 설계가 목표한 OAM ℓ=1 벡터 빔을 정확히 구현했음을 의미한다. 또한, Poynting 벡터의 z‑성분은 중심부에서 최소, 주변에서 최대가 되는 특성을 보여 고출력 전송에도 적합함을 시사한다. 결론적으로, 원형 파이프 내부에 큰 루프 안테나를 배치해 전송선 효과를 활용함으로써 전통적인 대형 루프 안테나의 매칭 문제를 해결하고, 단일 모드 Bessel‑OAM 빔을 간단하고 고출력 가능한 구조로 구현했다. 향후 연구는 코액시얼 피드 설계, 다중 모드 결합을 통한 빔 형상 제어, 인공 유전체 충전 및 TL 모델의 정밀화 등을 포함한다. 이러한 확장은 무선 통신, 레이더, 고전력 전자기 응용 분야에서 OAM 기반 시스템의 실용화를 앞당길 것으로 기대된다.