KR100600824B1 - 광대역 도파관-마이크로스트립 변환 장치 - Google Patents

광대역 도파관-마이크로스트립 변환 장치 Download PDF

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Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야
본 발명은, 광대역 도파관-마이크로스트립 변환 장치에 관한 것임.
2. 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제
본 발명은, 밀봉 동축 비드(Hermetic Glass Sealed Coaxial Bead)를 이용함으로써, 기계적으로 안정적이고 밀폐성을 가지며, 에어라인 동축선로, 트로프 선로, 금 리본 본딩 및 개방 스텁을 이용하여 광대역 특성을 가지는 새로운 형태의 광대역 도파관-마이크로스트립 변환 장치를 제공하는데 그 목적이 있음.
3. 발명의 해결방법의 요지
본 발명은, 도파관 및 마이크로스트립을 구비하여, 상기 도파관 및 상기 마이크로스트립간 전자기파 신호를 전송하기 위한 광대역 도파관-마이크로스트립 변환 장치에 있어서, 상기 도파관 및 상기 마이크로스트립간 신호를 전달하기 위한 밀봉 동축 비드; 상기 밀봉 동축 비드의 일측에 배치되어 상기 도파관 및 상기 밀봉 동축 비드간 신호를 전달하고, 직경, 길이 및 백쇼트 평면과의 이격 거리가 최적화되어 있는 프로브 헤드; 상기 밀봉 동축 비드의 다른 일측에 배치되어, 상기 밀봉 동축 비드와 상기 마이크로스트립간의 광대역 정합을 위한 에어라인 동축선로; 상기 밀봉 동축 비드의 다른 일측에 배치되어, 상기 밀봉 동축 비드와 상기 마이크로스트립이 서로 수직으로 연결되어 발생하는 불연속을 정합하는 트로프 선로; 및 상기 밀봉 동축 비드의 다른 일측에 배치되어, 상기 밀봉 동축 비드와 상기 마이크로스트립이 금 리본 본딩에 의해 접합되어 발생하는 불연속을 정합하는 개방 스텁을 포함함.
4. 발명의 중요한 용도
본 발명은 마이크로파 및 밀리미터파 주파수 대역 시스템 등에 이용됨.
밀봉 동축 비드, 도파관, 마이크로스트립, 프로브 헤드, 트로프 선로, 금 리본 본딩

Description

광대역 도파관-마이크로스트립 변환 장치{Wideband Waveguide-Microstrip Transition Apparatus}
도 1a는 본 발명에 따른 광대역 도파관-마이크로스트립 변환 장치의 일실시예 사시도.
도 1b는 상기 도 1a의 일실시예 측면도.
도 2a는 상기 도 1a의 밀봉 동축 비드의 일실시예 상세 평면도.
도 2b는 상기 도 1a의 밀봉 동축 비드의 일실시예 상세 단면도.
도 3은 상기 도 1a의 제 1변환부의 시뮬레이션 결과를 설명하기 위한 일실시예 그래프.
도 4는 상기 도 1a의 트로프 선로의 일실시예 상세 평면도.
도 5는 상기 도 1a의 금 리본 본딩의 일실시예 확대도.
도 6a는 상기 도 1a의 금 리본 본딩의 크기에 따른 도파관의 입력 임피던스의 변화의 시뮬레이션 결과를 설명하기 위한 일실시예 그래프.
도 6b는 상기 도 1a의 금 리본 본딩의 크기에 따른 마이크로스트립의 입력 임피던스의 변화의 시뮬레이션 결과를 설명하기 위한 일실시예 그래프.
도 7은 본 발명에 따라 개방형 스텁에 의해 정합된 광대역 도파관-마이크로 스트립 변환 장치의 시뮬레이션 결과를 설명하기 위한 일실시예 그래프.
도 8은 본 발명에 따른 광대역 도파관-마이크로스트립 변환 장치를 백-투-백으로 연결한 경우의 일실시예 사시도.
도 9a는 상기 도 8의 알루미나 기판의 일실시예 평면도.
도 9b는 상기 도 8의 알루미나 기판의 일실시예 저면도.
도 10은 상기 도 8의 삽입손실과 반사손실의 시뮬레이션 결과를 설명하기 위한 일실시예 그래프.
도 11은 상기 도 8의 삽입손실과 반사손실을 측정한 결과를 설명하기 위한 일실시예 그래프.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
101 : 도파관 102 : 밀봉 동축 비드
103 : 에어라인 동축선로 104 : 트로프 선로
105 : 마이크로스트립 106 : 금 리본
107 : 개방 스텁 108 : 알루미나 기판
109 : 프로브 헤드 110 : 백쇼트 평면
201 : 밀봉 동축 비드이 중심도체 202 : 밀봉 동축 비드의 외곽도체
203 : 유리 유전체 401 : 트로프선로의 중심도체
402 : 트로프선로의 외곽도체 403 : 유전체
901 : 스루 홀 902 : 이격구간
903 : 접지면
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본 발명은 광대역 도파관-마이크로스트립 변환 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 마이크로파 및 밀리미터파 주파수 대역의 모듈에 사용하기 위한 광대역 도파관-마이크로스트립 변환 장치에 관한 것이다.
일반적으로 마이크로파 및 밀리미터파 주파수 대역의 회로로 이루어진 모듈 내부의 전송선로는 마이크로스트립(Microstrip)을 사용하나, 모듈간의 상호연결은 동축선로에 비해 상대적으로 저손실 특성을 가지는 도파관(Waveguide) 및 도파관 소자를 사용한다.
한편, 동축선로는 손실이 있는 유전체를 사용하며, 사용 주파수가 높아짐에 따라 손실도 증가하기 때문에 손실이 없는 공기를 유전체로 사용하는 도파관 소자가 마이크로파 및 밀리미터파 대역에서 전송선로로서 주로 사용된다.
그러므로, 모듈간의 상호연결에 사용되는 전송선로인 도파관에서 모듈 내부의 전송선로인 마이크로스트립으로의 변환 구조가 필수적으로 요구된다. 이때, 마이크로파 및 밀리미터 주파수 대역에서 도파관-마이크로스트립 변환은 회로의 성능에 큰 영향을 미치는 결정적인 요소 중 하나이다.
특히, 마이크로파 및 밀리미터 주파수 대역에서는 능동소자의 잡음지수가 크고, 이득 및 출력전력이 작으며, 수동소자의 손실이 크다. 따라서, 수신기의 입 력단에 사용되는 도파관-마이크로스트립 변환의 삽입손실은 수신기의 잡음지수를 증가시키며, 송신기의 출력단에 사용되는 도파관-마이크로스트립 변환의 삽입손실은 송신기 출력전력의 손실을 가져온다.
그리고, 마이크로파 및 밀리미터 주파수 대역의 모듈 내부에는 패키징(packaging)에 따른 기생성분을 줄이기 위해 MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit)와 같은 패키징되지 않은 베어 칩(bare chip)들이 사용되므로, 소자의 원래 수명을 보장하기 위하여 모듈 내부는 외부 공기나 먼지 혹은 습기로부터 완벽히 밀폐되어야 한다.
그러므로, 마이크로파 및 밀리미터 주파수 대역의 모듈의 입출력단에 사용되는 일종의 커넥터인 도파관-마이크로스트립 변환은 저손실의 전기적 성능뿐만 아니라 완벽한 밀폐성을 가져야 한다.
그리고, 마이크로파 및 밀리미터 주파수 대역의 회로들의 중요한 적용분야는 우주항공 및 군사분야이며, 이들 분야에 사용되어지는 회로들은 강력한 기계적인 진동 및 충격에 노출되므로 기계적인 안정성 또한 매우 중요하다.
상기와 같은 요구에 부응하기 위한 종래의 대표적인 도파관-마이크로스트립 변환 장치로는, 앤티포달 핀라인(antipod finline), 스텝드 리지드 도파관(stepped ridged waveguide), 프로브 결합(probe coupling) 등을 이용한 변환장치가 각각 대한민국 공개특허 제2001-0112034호, 논문[Ridge waveguide used in microstrip transition : Microwaves and RF, Mar. 1984.] 및 대한민국 공개특허 제1996-0025186호와 대한민국 공개특허 제2001-0091158호에 개시되어 있다.
상기 특허 제2001-0112034호 및 논문에 개시된 앤디포달 핀라인과 스텝드 리지드 도파관을 이용한 도파관-마이크로스트립 변환은 광대역, 저손실의 특성을 보여주고 있으나, 밀폐성을 자체 구조에 가지고 있지 않아 도파관 창(waveguide window) 등의 구조를 추가하여야만 밀폐성이 확보되므로, 구조적으로 복잡해지며, 삽입손실이 증가되는 문제점이 있다.
또한, 상기 특허 제1996-0025186호와 특허 제2001-0091158호는 마이크로파 및 밀리미터 주파수 대역에서 주로 사용되는 강성의 유전체인 알루미나(alumina), 석영(quartz), 용융 실리카(fused silica) 등을 사용하여 결합용 프로브를 구현하는 변환 장치에 관한 것이나, 상기와 같은 해당 프로브는 도파관 내에 지지물 없이 홀로 서있는 구조이거나, E-평면 구형 아이리스(E-plane rectangular iris)의 접지면의 대부분이 기구물에 접착되어 있지 않으므로 기계적인 진동 및 충격에 의해 손상될 우려가 있는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 밀봉 동축 비드(Hermetic Glass Sealed Coaxial Bead)를 이용함으로써, 기계적으로 안정적이고 밀폐성을 가지며, 에어라인 동축선로, 트로프 선로, 금 리본 본딩 및 개방 스텁을 이용하여 광대역 특성을 가지는 새로운 형태의 도파관-마이크로스트립 변환 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 도파관 및 마이크로스트립을 구비하여, 상기 도파관 및 상기 마이크로스트립간 전자기파 신호를 전송하기 위한 광대역 도파관-마이크로스트립 변환 장치에 있어서, 도파관 및 마이크로스트립을 구비하여, 상기 도파관 및 상기 마이크로스트립간 전자기파 신호를 전송하기 위한 광대역 도파관-마이크로스트립 변환 장치에 있어서, 상기 도파관 및 상기 마이크로스트립간 신호를 전달하기 위한 밀봉 동축 비드; 상기 밀봉 동축 비드의 일측에 배치되어 상기 도파관 및 상기 밀봉 동축 비드간 신호를 전달하고, 직경, 길이 및 백쇼트 평면과의 이격 거리가 최적화되어 있는 프로브 헤드; 상기 밀봉 동축 비드의 다른 일측에 배치되어, 상기 밀봉 동축 비드와 상기 마이크로스트립간의 광대역 정합을 위한 에어라인 동축선로; 상기 밀봉 동축 비드의 다른 일측에 배치되어, 상기 밀봉 동축 비드와 상기 마이크로스트립이 서로 수직으로 연결되어 발생하는 불연속을 정합하는 트로프 선로; 및 상기 밀봉 동축 비드의 다른 일측에 배치되어, 상기 밀봉 동축 비드와 상기 마이크로스트립이 금 리본 본딩에 의해 접합되어 발생하는 불연속을 정합하는 개방 스텁을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 본 발명은, 상기 마이크로스트립의 입력 임피던스 정합을 위한 개방 스텁을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 목적, 특징들 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조 번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.
도 1a는 본 발명에 따른 광대역 도파관-마이크로스트립 변환 장치의 일실시예 사시도로서, 특히 K-대역의 회로를 위한 광대역 도파관-마이크로스트립 변환 장치의 일실시예 사시도이다. 그리고, 도 1b는 상기 도 1a의 일실시예 측면도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 광대역 도파관-마이크로스트립 변환 장치는, 도파관(101)-밀봉 동축 비드(102)의 제 1변환부, 상기 밀봉 동축 비드(102)-에어라인 동축선로(Airline Coaxial Line)(103)-트로프 선로(Through Line)(104)의 제 2변환부, 및 상기 트로프 선로(104)-마이크로스트립(105)의 제 3변환부를 포함한다.
본 발명의 일실시예에서는 K-대역의 회로를 위해 표준 도파관 WR-51을 설계 목표로 채택하였으며, 표준 도파관 WR-51의 TE1,0 모드의 주파수 대역은 15 GHz부터 22 GHz까지이다.
상기 밀봉 동축 비드(102)를 이용한 결합 프로브(coupling probe) 변환 구조는 밀폐성이 우수할 뿐만 아니라 불안정한 구조물이 없으므로 기계적인 충격과 진동에 손상될 우려가 적다. 이하, 도 2를 참조하여 상기 밀봉 동축 비드(102)를 상세히 설명하기로 한다.
도 2a 및 도 2b는 각각 상기 도 1a의 밀봉 동축 비드의 일실시예 상세 평면도 및 상세 단면도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 밀봉 동축 비드(102)는 중심도체(Center Conductor)(201), 외곽도체(Outer Conductor)(202) 및 유리 유전체(203)를 포함한다.
상기 유리 유전체(203)에 의해 본 발명에 따른 상기 밀봉 동축 비드(102)에 밀봉성이 제공되며, 본 발명의 일실시예에서 상기 유리 유전체(203)의 재질은 '글래스(glass) 7070'으로 10GHz에서 유전 손실 계수가 0.002이다.
상기 밀봉 동축 비드(102)는 40GHz의 주파수까지 사용할 수 있는 K 혹은 SMA 2.9 커넥터용 글래스 비드(glass bead)와 완벽히 호환되며, 상기 중심도체(201)의 길이가 약간 다르다. 따라서, K 혹은 SMA 2.9 커넥터를 장착하는 기구물을 제작할 수 있는 금속 가공력만으로 제안된 변환 구조를 가공할 수 있으므로, 정밀한 금속가공이 필요치 않아 저비용으로 변환 구조의 구현이 가능하다.
상기 도 1a 및 도 1b의 상기 도파관(101)에서 상기 밀봉 동축 비드(102)까지의 제 1변환부는, 프로브 헤드(Probe Head)(109)의 길이 'L'과 직경 'R', 및 도파관 백 쇼트(Back Short) 평면(110)과의 거리 'D'를 변수로 두어, 3차원 전자기장 해석 시뮬레이터를 이용해 최적화할 수 있다. 한편, 본 발명의 일실시예에서 상기 프로브 헤드(109)와 밀봉 동축 비드(102) 몸통 사이의 거리 'S'는 1 mm로 고정하였다.
상기 프로브 헤드(109)는 원기둥의 도체로서, 상기 중심도체(201)보다 그 직경이 크고, 상기 외곽도체(202)보다 그 직경이 작다. 그리고, 상기 프로브 헤드(109)는 안테나처럼 도파관에서 고주파 신호를 송수신하는 기능을 담당한다.
상기 밀봉 동축 비드(102)와 상기 프로브 헤드(109)의 조립은, 상기 밀봉 동축 비드(102)의 상기 중심도체(201)을 상기 프로브 헤드(109)의 중심에 판 구멍에 넣고 도전성 에폭시로 접착하여 구현할 수 있다. 그리고, 상기 밀봉 동축 비드(102)도 도전성 에폭시를 이용해 기구물에 접착할 수 있다.
도 3은 상기 도 1a의 제 1변환부의 시뮬레이션 결과를 설명하기 위한 일실시예 그래프로서, 중심주파수 21 GHz에서 최적화된 시뮬레이션 결과를 나타낸 것이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 상기 도파관(101)-밀봉 동축 비드(102)의 제 1변환부의 20 dB 반사손실 대역폭은, 주파수 21 GHz를 중심으로 약 3 GHz이며, 이때의 삽입손실은 0.1 dB이내임을 알 수 있다.
한편, 상기 도 1a 및 도 1b에서, 상기 밀봉 동축 비드(102)의 상부에 상기 에어라인 동축선로(103)가 배치되고, 또한 그 상부에 트로프 선로(104)가 배치되어 상기 제 2변환부를 구성한다.
상기 에어라인 동축선로(103)는 상기 밀봉 동축 비드(102)의 외곽도체(202)의 외부에 존재하는 중심도체(201)과 기구물에 가공된 관통홀에 의해 형성된다.
상기 에어라인 동축선로(103)의 특성임피던스는 상기 중심도체(201)의 직경과 공기의 유전율 및 기구물에 가공된 관통홀의 직경에 의해 결정될 수 있다.
상기 트로프 선로(104)는 상기 밀봉 동축 비드(102)의 상기 중심도체(201)이 직접적으로 상기 마이크로스트립(105)에 직각으로 연결되는 경우에 부정합이 커지는 문제점을 개선하기 위한 기능을 담당한다. 이하, 도 4를 참조하여 상기 트로프 선로(104)를 상세하게 설명하기로 한다.
도 4는 상기 도 1a의 트로프 선로의 일실시예 상세 평면도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 트로프 선로(104)는 중심도체(Center Conductor)(401), 외곽도체(402) 및 유전체(Dielectric)(403)를 포함한다.
상기 트로프 선로(104)의 특성 임피던스는 상기 중심도체(401)의 직경 'd'와 상기 외곽도체(402) 양면간의 간격 'D' 및 상기 유전체(403)의 유전율에 의해 결정 될 수 있다.
상기 트로프 선로(104)와 상기 마이크로스트립(105)의 연결은 납땜으로도 가능하지만, 마이크로파 및 밀리미터파 주파수 대역에서는 납땜으로 인해 생기는 기생성분이 크고 납땜의 재현성도 떨어지는 문제점이 있다.
그러므로, 본 발명의 일실시예에서는 상기 트로프 선로(104)를 금 리본(106) 본딩으로 상기 마이크로스트립(105)과 직각으로 연결한다.
상기 금 리본(Gold Ribbon)(106) 접합으로 연결된 트로프 선로(104)-마이크로스트립(105)의 제 3변환부는, 직각 구조를 이루고 있으므로 두 종류의 전송선로의 접합 부분에서 부정합을 이루고 있으며, 접합 부분의 임피던스를 정의하기가 어렵다. 본 발명은 3차원 전자기장 해석 시뮬레이터를 이용한 유한 요소법(FEM)으로 트로프 선로(104)-마이크로스트립(105) 직각 변환의 전자기장의 분포를 해석하고 임피던스를 추출할 수 있으며, 상기 금 리본(106) 본딩의 길이의 변화에 따른 임피던스의 변화도 추출할 수 있다.
도 5는 상기 도 1a의 금 리본의 일실시예 확대도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 금 리본(106)은 길이 'L' 과 높이 'H' 의 에어 브릿지의 형태로 모델링할 수 있다. 본 발명의 바람직한 일실시예에서 상기 금 리본(106)은 그 두께가 0.7 mil이고, 그 폭은 10 mil일 수 있다.
상기 금 리본(106) 본딩은 보통 수작업으로 이루어지므로 금 리본(106) 본딩의 크기가 다양할 수 있다. 그러므로, 상기 금 리본(106) 본딩의 다양한 크기에 대해서 고려할 필요가 있다.
도 6a 및 도 6b는 각각 상기 도 1a의 금 리본의 크기에 따른 도파관 및 마이크로스트립의 입력 임피던스의 변화의 시뮬레이션 결과를 설명하기 위한 일실시예 그래프이다.
도 6a 및 도 6b의 궤적 'A'는 길이 'L'이 10 mil이고 높이 'H'가 5 mil인 경우의 임피던스를 나타내며, 궤적 'B'는 'L'이 15 mil이고 'H'가 7.5 mil인 경우의 임피던스를 나타낸다. 또한, 궤적 'C'는 'L'이 20 mil이고 'H'가 10 mil인 경우의 임피던스를 나타낸다.
여기서, 상기 마이크로스트립(105) 포트의 입력 임피던스는 디-임베딩(de-embedding)을 이용해 추출할 수 있다. 상기 마이크로스트립(105) 포트의 입력 임피던스가 추출된 참조면은 상기 도 1b의 상기 마이크로스트립(105) 선로의 끝단에서 본딩된 상기 금 리본(106)과 상기 마이크로스트립(105) 선로가 접합되는 지점으로, 디-임베딩을 이용해 이동될 수 있다. 입력 임피던스를 추출하는 참조면을 기준으로 정합회로가 추가되므로, 디-임베딩을 이용해 참조면을 불연속면에 가장 가까이 이동시키는 것은 불필요하게 추가된 선로를 제거하는 효과를 가지므로 삽입손실을 최소한으로 할 수 있다.
이때, 추출된 임피던스를 바탕으로 상기 마이크로스트립(105) 선로에 개방 스텁을 이용한 정합회로를 삽입하여 광대역 정합을 이룰 수 있다. 본 발명의 바람직한 일실시예에서, 광대역 정합을 위해 더블 개방 스텁(Open Stub)(107)이 포함된다.
도 7은 본 발명에 따라 개방형 스텁에 의해 정합된 광대역 도파관-마이크로 스트립 변환 장치의 시뮬레이션 결과를 설명하기 위한 일실시예 그래프로서, 정합회로를 이용해 광대역 정합이 이루어진 도파관-마이크로스트립 변환을 설명하기 위한 그래프이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 광대역 도파관-마이크로스트립 변환 장치는, 주파수 16 GHz에서 23 GHz까지 반사손실이 20 dB 이상이며, 삽입손실은 약 0.25 dB로서 광대역 저손실 특성을 나타냄을 알 수 있다.
도 8은 본 발명에 따른 광대역 도파관-마이크로스트립 변환 장치를 백-투-백으로 연결한 경우의 일실시예 사시도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에서는 두개의 광대역 도파관-마이크로스트립 변환 장치를 상기 알루미나 기판(Alumina Substrate)(108)을 이용하여 백-투-백으로 연결하고 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에서는 기판의 재질이 알루미나인 것을 그 예로 들어 설명하였으나, 다른 재질의 기판을 사용하는 것을 배재하는 것은 아니다.
도 9a 및 도 9b는 각각 상기 도 8의 알루미나 기판의 일실시예 평면도 및 저면도이다.
도 9a에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 실제의 정합회로는 상기 마이크로스트립(105) 선로 가까이 놓여져 있는 상기 개방 스텁(107)의 형태로 구현하여, 상기 금 리본(106) 본딩의 크기의 변화에 의한 임피던스 변화에 대응하여 정합이 가능하도록 할 수 있다.
도면에 도시된 2개의 스루홀(Through Hole)(901)에는 상기 밀봉 동축 비드(102)의 상기 중심도체(201)이 끼워질 수 있다.
또한, 도 9b에 도시된 바와 같이, 상기 밀봉 동축 비드(102)의 상기 중심도체(201)과 접지면(Ground Plane)(903) 사이의 이격을 유지하기 위해 원형으로 에칭하여야 한다. 에칭된 이격 구역(Clearance Area)(902)의 직경은 상기 에어라인 동축선로(103)의 외경과 같다.
도 10은 상기 도 8의 삽입손실과 반사손실의 시뮬레이션 결과를 설명하기 위한 일실시예 그래프이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 백-투-백으로 연결된 광대역 도파관-마이크로스트립 변환 장치는 15 GHz에서 22 GHz 까지의 반사손실이 15 dB 이상이고, 삽입손실이 약 0.5 dB로서, 광대역 저손실의 특성을 보임을 알 수 있다.
도 11은 상기 도 8의 삽입손실과 반사손실을 측정한 결과를 설명하기 위한 일실시예 그래프이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 백-투-백으로 연결된 광대역 도파관-마이크로스트립 변환 장치는 상기 도 10의 시뮬레이션 결과와 그 측정치가 대략 일치함을 알 수 있다.
또한, 본 발명의 도파관-마이크로스트립 변환 장치는 전대역 도파관 주파수 특성으로 14 GHz부터 23 GHz까지 대략 17 dB 이상의 반사손실을 나타낼 수 있으므로, 도파관 WR-51의 TE1,0 모드의 주파수 대역보다 광대역을 실현할 수 있다. 이는 도파관-마이크로스트립 변환에서 도파관 WR-51의 전체 주파수 대역을 사용하고도 남음을 의미한다.
한편, 본 발명의 도파관-마이크로스트립 변환 장치는 주파수 14 GHz부터 23 GHz까지의 대역에서 측정된 삽입 손실이 약 0.8 dB이내이다. 백-투-백 변환 구조에서 도파관 부분이 차지하는 손실이 약 0.1 dB이며, 알루미나 기판으로 이루어진 마이크로스트립 선로의 손실이 약 0.2 dB로 예상된다. 이런 손실들을 감안하면, 도파관-마이크로스트립 변환 구조 하나의 순수한 삽입손실은 0.25 dB 이내임을 알 수 있다. 따라서, 본 발명의 도파관-마이크로스트립 변환 장치는 광대역 저손실을 구현하였다.
상기한 바와 같은 본 발명의 광대역 도파관-마이크로스트립 변환 장치는, 전자기파 신호를 도파관형 전송선로에서 마이크로스트립형 전송선로로 혹은 그 역으로 전송하는 전기적/기계적 구조로서, 전기적으로는 작은 삽입손실과 광대역성을 나타낼 수 있으며, 기계적으로는 밀폐성 및 안정성을 구현할 수 있다.
이를 위하여 본 발명에서는 밀봉 동축 비드를 이용하여 기계적으로 안정적이고 밀폐성을 가지며, 에어라인 동축선로, 트로프 선로, 금 리본 본딩 및 개방 스텁을 이용하여 광대역 특성을 가지는 새로운 형태의 도파관-마이크로스트립 변환 구조를 제시한다.
상기 밀봉 동축 비드에는 프로브 헤드를 접합하여 전자기파 안테나로서의 성능을 향상시킬 수 있으며, 프로브 헤드의 직경과 길이 및 백 쇼트 평면과의 이격 거리 등을 3차원 전자기장 해석 시뮬레이터를 이용해 정확한 수치해석으로 결정하여 최적의 도파관-마이크로스트립 변환 성능을 구현할 수 있다.
또한, 본 발명은 밀봉 동축 비드와 마이크로스트립 전송선로를 서로 수직으 로 연결하여 도파관의 진행방향과 마이크로스트립 전송선로의 진행방향이 같도록 하여 주변 회로와의 배치의 편이성을 향상시킬 수 있다. 또한, 밀봉 동축 비드와 마이크로스트립 전송선로가 서로 수직으로 연결되어 발생되는 불연속은 트로프 선로를 추가하여 최소화할 수 있다.
또한, 본 발명에서 밀봉 동축 비드와 마이크로스트립 전송선로가 수직으로 금 리본 본딩에 의해 접합되어 발생되는 부정합은, 분포정수 소자인 개방 스텁으로 정합함으로써, 삽입손실을 최소화시키고 대역폭을 광대역화할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
상기한 바와 같은 본 발명은, 밀봉 동축 비드를 이용함으로써, 기계적으로 안정적이고 밀폐성을 가지며, 에어라인 동축선로, 트로프 선로, 금 리본 본딩 및 개방 스텁을 이용하여 광대역 특성을 가지는 새로운 형태의 도파관-마이크로스트립 변환 장치를 제공하였다.
따라서, 저손실, 광대역 도파관-마이크로스트립 변환 구조가 절실히 요구되는 마이크로파 및 밀리미터파 대역의 수신기 입력단 및 송신기 출력단에 매우 유용하게 적용될 수 있다.
또한, 본 발명은 기구적인 불안정성을 극복함으로써, 기계적인 충격과 진동에 손상될 우려가 적고, 기계적으로 밀폐성을 가지고 있으므로, 혹독한 외부환경에서 사용되어지는 우주항공 및 군사분야에서 매우 유용하게 적용될 수 있다.
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Claims (7)

  1. 도파관 및 마이크로스트립을 구비하여, 상기 도파관 및 상기 마이크로스트립간 전자기파 신호를 전송하기 위한 광대역 도파관-마이크로스트립 변환 장치에 있어서,
    상기 도파관 및 상기 마이크로스트립간 신호를 전달하기 위한 밀봉 동축 비드;
    상기 밀봉 동축 비드의 일측에 배치되어 상기 도파관 및 상기 밀봉 동축 비드간 신호를 전달하고, 직경, 길이 및 백쇼트 평면과의 이격 거리가 최적화되어 있는 프로브 헤드;
    상기 밀봉 동축 비드의 다른 일측에 배치되어, 상기 밀봉 동축 비드와 상기 마이크로스트립간의 광대역 정합을 위한 에어라인 동축선로;
    상기 밀봉 동축 비드의 다른 일측에 배치되어, 상기 밀봉 동축 비드와 상기 마이크로스트립이 서로 수직으로 연결되어 발생하는 불연속을 정합하는 트로프 선로; 및
    상기 밀봉 동축 비드의 다른 일측에 배치되어, 상기 밀봉 동축 비드와 상기 마이크로스트립이 금 리본 본딩에 의해 접합되어 발생하는 불연속을 정합하는 개방 스텁을
    포함하는 광대역 도파관-마이크로스트립 변환 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 밀봉 동축 비드는,
    금속 재질의 원기둥 형상의 중심도체;
    상기 중심핀의 외부에 배치되며, 상기 중심핀보다 길이가 짧은 유리 유전체; 및
    상기 유리 유전체의 외부에 배치되며, 상기 유리 유전체와 동일한 길이의 외곽도체
    를 포함하는 광대역 도파관-마이크로스트립 변환 장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 에어라인 동축선로는,
    상기 유리 유전체와 상기 트로프 선로 사이로, 상기 중심도체와 기구물에 가공된 관통홀에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 광대역 도파관-마이크로스트립 변환 장치.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 프로브 헤드는,
    원기둥 형상의 도체 재질로서, 상기 중심핀보다 그 직경이 크고, 상기 외곽도체보다 그 직경이 작은 것을 특징으로 하는 광대역 도파관-마이크로스트립 변환 장치.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 밀봉 동축 비드 및 상기 프로브 헤드는,
    상기 중심핀을 상기 프로브 헤드의 중심에 형성한 홀에 넣어 도전성 에폭시로 접착하여 조립하는 것을 특징으로 하는 광대역 도파관-마이크로스트립 변환 장치.
  7. 삭제
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