KR20040041565A

KR20040041565A - Nrd 가이드 스트립선로 결합기

Info

Publication number: KR20040041565A
Application number: KR1020040028867A
Authority: KR
Inventors: 신천우
Original assignee: 엔알디테크 주식회사; 신천우
Priority date: 2004-04-27
Filing date: 2004-04-27
Publication date: 2004-05-17

Abstract

본 발명은 NRD 가이드선로와 스트립선로의 결합기에 관한 것이다. 사용주파수의 반파장이하 간격의 금속상하도체판(1, 2) 사이에 NRD 가이드 유전체선로. NRD가이드유전체선로에 삽입된 급전선로(Feeder), 스트립선로가 패터닝된 유전체기판이 결합된 구조이고, NRD 가이드유전체선로에서 진행되는 LSM모드의 전자기파는 급전선로를 통해 전송되어 스트립선로에 전파되면 RF전류신호로 변환되고, RF전류신호는 스트립선로를 따라 전송되고, 전송된 RF전류신호는 원안(A2)의 급전선로를 통해 전자기파로 변환되어 NRD 가이드유전체선로를 통해 진행되도록 하는 구조로 구성하여 NRD 가이드선로와 스트립선로를 결합한 것이다.

Description

NRD 가이드 스트립선로 결합기{NRD Guide Strip Line Converter}

현재 유선통신에 있어서 저손실화된 광파이버의 개발 및 반도체 기술의 발달에 힘입어 광통신이 계속적으로 실용되고 있으며, 무선통신에서는 위성통신의 발달에 의해 대용량 통신을 위한 초고주파화가 진행중이며 서브밀리미터파 또는 밀리미터파에서의 통신기 개발이 아주 중요한 과제가 되고 있다.

무선통신에 있어서, 고주파 대역의 사용주파수가 밀리미터파 대역으로 이동됨에 따라 종래의 마이크로스트립라인에서는 전송손실이 매우커져서 무선통신시스템의 구현으로는 적당하다고 할 수 없게 되었다.

이에 밀리미터파 대역에서 사용가능하고, 기존의 마이트로스트립선로에서 발생되는 전송손실을 충분히 억제할 수 있는 비방사성유전체선로 (Non-Radiative-dielectric Waveguide: NRD guide)가 이미 제안되었으며, 최근까지많은 연구가 진행되고 있다.

그러나 일반적으로 비방사성유전체선로(NRD guide)는 수동소자로 조합할 경우에 매우 유용한 무선통신시스템을 구현 할 수 있지만, 능동소자로의 구성은 매우 어려운 것으로 알려져 있다.

이에 종래의 능동소자로의 구현이 가능한 마이크로스트립선로와 NRD 가이드선로와의 장점을 결합한 최적의 소자구현이 절실히 필요하며, NRD 가이드선로와 마이크로스트립선로와의 전송손실이 없는 신호전송변환을 통해 유용한 무선통신시스템을 구현하고자 하는 노력이 뒤따라야 한다.

본 발명에 있어서, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 NRD가이드선로 - 스트립선로와의 최적의 신호전송변환을 위한 방법을 다음과 같이 둔다.

NRD 가이드 유전체선로, 급전선로(Feeder) 및 스트립선로가 패터닝된 유전체기판을 이용한다. 이 구성방법에 있어서, NRD 가이드 유전체선로에서 진행되는 전자기파는 급전선로를 통해 전송되어 스트립선로에 전파되면 RF전류신호로 변환된다. 또한 RF 신호는 스트립선로를 따라 전송되고, 전송된 RF전류신호는 다시 급전선로를 통해 전자기파로 변환되어 NRD 가이드 유전체선로를 통해 진행되도록 하여 NRD가이드 스트립선로 신호결합기를 구성하는 것을 목적으로 한다.

도 1: NRD가이드-스트립선로 결합기를 구성한 사시도

도 2: 두 개의 NRD 가이드유전체선로(3) 간격(g)에 따른 단락특성 그래프

도 3: NRD가이드-스트립선로결합기를 확대한 평면도

도 4: NRD 가이드유전체선로(3) 종단에 삽입된 급전선로(4)의 삽입깊이의 길이(d) 변화에 따른 S21 및 S11 특성 그래프

도 5: 급전선로(4)와 NRD가이드유전체선로(3)종단 경계면과의 간격(c) 변화에 따른 S21 및 S11 특성 그래프

도 6: 노출된 급전선로(4)의 길이(s) 변화에 따른 S21 및 S11 특성 그래프

도 7: 스트립선로(5)의 폭(n)과 y축방향으로 결합된 급전선로(4)의 위치(y) 변화에 따른 S21 및 S11 특성 그래프

도 8: 스트립선로(5)의 전체길이(l) 변화에 따른 S21 및 S11 특성 그래프

도 9: 스트립선로(5)의 단락부를 나타낸 평면도

도 10: 스트립선로(5)상의 단락특성 그래프

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1: 상부도체판

2: 하부도체판

3: NRD 가이드유전체선로

4: 급전선로(Feeder)

5: 스트립선로(동박 또는 금박)

6: 유전체기판

7: 접지선로

8: 모드스프레서

A1, A2: NRD가이드유전체 및 스트립선로의 좌우대칭 종단부

본 발명은 밀리미터파 대역에서 사용가능한 NRD 가이드선로와 스트립선로의 신호결합기를 구현하기 위해 다음과 같은 방법을 구성하였다.

도 1은 NRD가이드 스트립선로 결합기를 구성한 사시도이며, 사용주파수의 반파장이하 간격의 금속상하도체판(1, 2) 사이에 NRD 가이드 유전체선로(3). NRD가이드유전체선로에 삽입된 급전선로(Feeder)(4), 스트립선로(5)가 패터닝된 유전체기판(6)이 결합된 구조로 되어있다.

상기 도 1에 의하면 원안(A1)에 있어서, NRD 가이드유전체선로(3)에서 진행되는 LSM모드의 전자기파는 급전선로(4)를 통해 전송되어 스트립선로(5)에 전파되면 RF전류신호로 변환된다. 또한 RF 신호는 스트립선로(5)를 따라 전송되고, 전송된 RF전류신호는 원안(A2)의 급전선로(4)를 통해 전자기파로 변환되어 NRD 가이드유전체선로(3)를 통해 LSM모드의 전자기파로 진행되도록 하는 구조이다. 이때 사용된 급전선로(4)의 직경(p)는 약 0.4mm이고, 급전선로(4)를 통해 전파가 NRD가이드내에 서 발생한 불요모드를 억제하고, LSM모드의 전파를 도모하기 위한 모드스프레서(8)가 NRD가이드(3)내에 삽입된다. 원안(A1)과 원안(A2)는 좌우대칭구조이다.

상기 도 1의 좌우대칭 A1과 A2사이 두 개의 NRD 가이드유전체선로(3) 간격(g)에 따른 단락특성을 도 2에 그래프로 나타내었다. 도 2에 의하면, 사용주파수는 35GHz이고, 간격(g)은 15mm, 20mm, 25mm로 변화되었을 때 S11은 35GHz 대역에서 37GHz 대역까지 간격(g)변화에 대한 큰 차이는 없었으나, S21은 간격(g)가 20mm부터 37GHz대역에서 -24dB 떨어짐을 보인다. 이에 단락최소길이는 약 20mm임을 알 수 있다.

본 발명에 있어서, 도 3은 도 1의 좌우대칭의 원안(A1) 및 원안(A2)을 확대한 NRD가이드-스트립선로결합기이다. 스트립선로(5)는 유전율이 10.5인 유전체기판(6) 위에 두께가 약 0.254mm 인 금속박막이 패터닝된 구조로 되어있고, 스트립선로(5) 종단에 결합된 급전선로(Feeder)(4)는 스트립선로(5)와 임피던스 매칭이 되어 있고, 급전선로(4)는 NRD 가이드유전체선로(3)에 삽입되어 임피던스 매칭이 된다.

상기 도 3에 있어서, NRD가이드유전체선로(3)와 삽입된 급전선로(4)와의 손실없는 신호결합과 급전선로(4)와 스트립선로(5)와의 손실없는 신호결합을 위한 최적의 임피던스 매칭은 다음과 같은 방법에 의해 결정된다.

상기 도 3에 의하면 바람직하게는 NRD 가이드유전체선로(3) 종단에 삽입된 급전선로(4)의 삽입깊이길이(d) 및 NRD가이드유전체선로(3)종단 경계면과의 간격(c), 노출된 급전선로(4)의 길이(s), 급전선로(4)의 직경(p) 변화에 따른다.

또한 급전선로(4)와 결합된 스트립선로(5)의 종단에 있어서, 바람직하게는 급전선로(4)와 스트립선로(5)의 결합위치관계에 따른다. 이때 결합위치관계는 급전선로 종단의 y축 방향의 위치 y와 스트립선로 폭(n)에 결정된다. 그리고 스트립선로(5)의 전체길이(l) 변화에 따라 달라진다.

본 발명에 있어서, 상기 도 3에 의한 NRD가이드유전체선로(3), 급전선로(4), 스트립선로(5)와의 최적의 신호결합 방법에 의해 다음과 같은 효과를 나타내었다.

도 4는 NRD 가이드유전체선로(3) 종단에 삽입된 급전선로(4)의 삽입깊이의 길이(d) 변화에 따른 S21 및 S11 특성을 나타낸 것이다. 도 4에 의하면, 사용주파수가 35GHz이고, 급전선로(4)의 삽입깊이는 1.3mm, 1.4mm, 1.5mm, 1.6mm 및 1.7mm로 변화시켰다. 이때 급전선로(4)의 삽입깊이가 약 1.5mm일 때 S21은 -0.85dB이고, S11은 -20dB로써 손실과 대역폭을 고려할 때 가장 좋은 전송특성을 나타냈다. 따라서 급전선로(4)의 삽입깊이의 길이변화에 따라 전송손실을 줄일수 있음을 알 수 있었다.

도 5는 급전선로(4)와 NRD가이드유전체선로(3)종단 경계면과의 간격(c) 변화에 따른 S21 및 S11 특성을 나타낸 것이다. 도 5에 의하면, 사용주파수가 35GHz이고, 간격(c)는 2.5mm, 3.0mm, 3.5mm, 4.0mm로 변화시켰다. 이때 간격(c)가 약 3.0일때 S21은 -0.87dB이며 가장 큰 대역폭 2.66GHz를 나타냈고, S11은 -20dB로 양호한 임피던스 매칭 특성을 나타내었다.

도 6은 노출된 급전선로(4)의 길이(s) 변화에 따른 S21 및 S11을 나타낸 것이다. 도 6에 의하면, 사용주파수가 35GHz이고, 노출길이(s)는 6.0mm에서 6.5mm까지 0.1mm간격으로 변화시켰다. 이때 길이(s)가 약 6.0mm 일때 S21은 -0.85dB이며, 대역폭은 약 2.6GHz로 나타냈고, S11은 35GHz에서 약 -20dB로 양호한 임피던스 매칭 특성을 나타내었다.

도 7은 급전선로(4)와 스트립선로(5)의 결합위치관계 즉, 스트립선로(5)의 폭(n)과 y축방향으로 결합된 급전선로(4)의 위치(y) 변화에 따른 S21 및 S11을 나타낸 것이다. 도 7에 의하면, 스트립선로의 폭(n)은 약 2.5mm이고, 위치(y)변화는 스트립선로(5)의 폭(n)에 대해의 관계로 나타내고, y축방향으로 -1.25mm, 0mm 및 +1.25mm 변화시켰다. 이때가 1일때 즉, +1.25mm일때 가장 우수한 전송특성을 나타내었고, 이때 S21은 -0.55dB이고, S11은 약 -25dB로 임피던스매칭 특성이 우수하였다.

도 8은 스트립선로(5)의 전체길이(l) 변화에 따른 S21 및 S11을 나타낸 것이다. 도 8에 의하면, 사용주파수는 35GHz이고, 스트립선로(5)의 전체길이(l)는 20mm에서 40mm까지 5mm간격으로 변화시켰다. 이때 길이(l)이 20mm일때 S21은 약 -0.6dB이고, S11은 약 -20dB로 양호한 임피던스 매칭 특성을 나타내었다.

본 발명에 있어서, 도 9는 스트립선로(5)의 단락부를 나타낸 평면도이다. 도 9에 의하면, 스트립선로(5) 상의 단락영역은 MMIC칩을 장착하기 위한 공간으로 입력 RF전류신호전송영역의 선로부, MMIC칩 장착부, 출력RF전류신호전송영역의 스트립선로부및 접지선로(7)로 나뉠 수 있다. 이때 입출력 RF전류신호전송영역선로와 MMIC장착영역선로와의 단락특성이 주요하며, 이의 특성에 따라 신호전송에 있어서, 간섭신호를 배제할 수 있다. 이때 t는 단락길이이고, a 및 b는 MMIC장착영역선로의 가로길이와 세로길이를 나타낸 것이다.

도 10은 상기 도 9의 스트립선로(5)상의 단락특성을 S21 및 S11특성으로 나타낸 것이다. 도 10에 의하면, 사용주파수 35GHz 대역에서 단락길이(t)는 4.4mm, 4.6mm, 4.8mm 및 5.0mm로 변화시켰다. 이때 단락길이가 클 수록 단락특성을 우수하게 나타남을 알 수 있었다.

따라서 본 발명에 의하면 상기 NRD가이드선로-스트립선로 결합기에 있어서, NRD가이드유전체선로(3), 급전선로(4), 스트립선로(5)와의 최적의 신호결합 방법에 의해 스트립선로상(6)에 MMIC소자를 부착하여 LNA회로, HPA회로를 구성할 수 있는 장점이 있다.

본 발명에 있어서, 밀리미터파 대역에서 사용가능한 NRD 가이드-스트립선로의 신호결합기를 상기와 같은 방법으로 구성할 경우 NRD 가이드선로와 스트립선로와의 최적의 임피던스 정합을 이룰 수 있으며, 이는 NRD가이드유전체선로(3), 급전선로(4), 스트립선로(5)와의 최적의 신호결합 방법에 따라 결정됨을 알 수 있다.

또한 NRD가이드선로와 마이크로스트립선로와의 전송손실이 없는 신호전송변환으로 인해 마이크로스트립선로와 NRD 가이드선로와의 장점을 최대한 이용할 수 있으므로 무선통신기기에 있어서, 최적의 능동소자 및 수동소자의 삽입이 가능하고, 우수한 LNA, HPA 및 버퍼(buffer) 대 HPA를 장착하여 밀리미터파 대역용 무선통신시스템을 구현할 수 있다. 또한 사용주파수는 35GHz 대역뿐 만아니라 밀리미터파 전대역에서도 상기와 같은 방법으로 NRD가이드-스트립선로 결합이 가능하다.

Claims

NRD가이드-스트립선로 결합기의 구성방법에 있어서,

사용주파수의 반파장이하 간격의 금속상하도체판(1, 2) 사이에 NRD 가이드 유전체선로(3). 모드스프레서(8), NRD가이드유전체선로에 삽입된 급전선로(Feeder)(4), 스트립선로(5)가 패터닝된 유전체기판(6)이 결합된 구조로 구성한 것을 특징으로하는 NRD가이드-스트립선로 결합기
제 1항에 있어서,

NRD 가이드유전체선로(3)에서 진행되는 LSM모드의 전자기파는 급전선로(4)를 통해 전송되어 스트립선로(5)에 전파되면 RF전류신호로 변환되고; RF 신호는 스트립선로(5)를 따라 전송되고; 전송된 RF전류신호는 원안(A2)의 급전선로(4)를 통해 전자기파로 변환되고; 급전선로(4)를 통해 전파가 NRD가이드(3)내에서 발생한 불요모드를 억제하고; LSM모드의 전파를 도모하기 위한 모드스프레서(8)가 NRD가이드(3)내에 삽입되어 LSM모드의 전자기파로 진행되도록 하는 것이 특징으로하는 NRD가이드-스트립선로 결합기
제 1항에 있어서,

NRD가이드유전체선로(3)와 삽입된 급전선로(4)와의 손실없는 신호결합과 최적의 임피던스 매칭을 위한 방법은 NRD 가이드유전체선로(3) 종단에 삽입된 급전선로(4)의 삽입깊이길이(d) 및 NRD가이드유전체선로(3)종단 경계면과의 간격(c), 노출된 급전선로(4)의 길이(s), 급전선로(4)의 직경(p)변화를 주는 방법을 사용하는 것이 특징인 NRD가이드-스트립선로 결합기
제 1항에 있어서,

상기 스트립선로(5)는 유전율이 10.5인 유전체기판(6) 위에 두께가 약 0.254mm 인 금속박막이 패터닝된 구조로 되어있고; 스트립선로(5) 종단에 결합된 급전선로(Feeder)(4)는 스트립선로(5)와 임피던스 매칭이 되어 있고; 급전선로(4)는 NRD 가이드유전체선로(3)에 삽입되어 임피던스 매칭이 되어 있는 것이 특징인 NRD가이드-스트립선로 결합기
제 1 항에 있어서,

상기 급전선로(4)와 스트립선로(5)와의 손실없는 신호결합 및 최적의 임피던스 매칭을 위해 급전선로(4)와 스트립선로(5)의 결합위치관계에 따르고; 결합위치관계는 급전선로 종단의 y축 방향의 위치 y와 스트립선로 폭(n)에 결정되는 것이 특징인 NRD가이드-스트립선로 결합기
제 5항에 있어서,

상기 위치(y)변화는 스트립선로(5)의 폭(n)에 대해의 관계로 나타내고;가 1일때 전송손실 적고, 임피던스매칭 특성이 우수한 것이 특징인 NRD가이드-스트립선로 결합기
제 1 항에 있어서,

두 개의 NRD 가이드유전체선로(3)의 단락특성은 간격(g)에 따라 결정되고; 스트립선로(5) 상의 RF전류신호전송은 스트립선로 전체길이(l)에 의해 전송손실 및 임피던스매칭특성이 달라지는 것이 특징인 NRD가이드-스트립선로 결합기
상기 스트립선로가 패터닝된 유전체기판에있어서,

단락된 스트립선로와 접지선로(7)가 패터닝된 것이 특징인 NRD가이드-스트립선로 결합기
제 8항에 있어서,

상기 스트립선로(5)상에 MMIC소자를 부착하여 LNA회로, HPA회로 및 버퍼+HPA를 구성하는 것을 특징으로하는 NRD가이드선로-스트립선로 결합기