KR20190056884A - 마이크로 스트립라인과 도파관 간의 전이 구조 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전이 구조에 관한 것으로, 구체적으로는 마이크로 스트립라인과 도파관 간 저손실 전대역의 전이 구조를 갖는다.

Description

마이크로 스트립라인과 도파관 간의 전이 구조{TRANSITION STRUCTURE BETWEEN MICRO STRIPLINE AND RECTANGULAR WAVEGUIDE}
본 발명은 전이 구조에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 마이크로 스트립라인과 도파관 간의 저손실 전대역의 전력을 전이하는 구조에 관한 것이다.
마이크로 스트립라인(MSL: Micro Strip-Line)은 마이크로파(micro-wave)와 밀리미터파(millimeter-wave) 대역에서 다양한 회로와 부품을 구현하는데 필요한 훌륭한 전송 선로이다. 일반적으로, 마이크로 스트립라인은 구조가 단순하여 구현하기 쉽기 때문에 마이크로파와 밀리미터파 대역에서 능동 부품과 수동 부품을 집적하는데 널리 적용되었다. 한편, 구형 도파관(RWG: Rectangular Waveguide)은 저손실과 높은 전력 처리 및 높은 Q 특성으로 가지고 있으므로 안테나, 안테나 피드, 필터, 다이플렉스 등과 같은 다양한 부품에서 광범위하게 사용되고 있다.
특히, 구형 도파관 전력 결합기는 단일칩 고주파 집적 회로(MMIC: Monolithic microwave integrated circuit)이고, 전력 증폭기(HPA: High Power Amplifier)로 구성된 고출력 반도체 저전력 증폭기(SSPA: Solid-state power amplifier)에 널리 사용된다. 또한, 구형 도파관 전력 결합기는 적합한 전이를 통해 평면형 전송 선로로부터 전력을 효율적으로 결합한다.
이에 따라, 종래에는 마이크로 스트립라인과 구형 도파관 간의 전이를 구현하기 위한 다양한 기술들이 제안되었다. 기존에 제안된 기술로는 1) 비대칭 핀 프로브를 도파관에 삽입한 기술, 2) 다층 3차원 다단 기판 집적 도파관(SIW: Substrate Integrated Waveguide)을 이용하는 기술, 3) 대역폭과 임피던스 정합을 개선하기 위해 다층 다단형 정합 프로브를 LTCC 기판에 삽입하는 기술, 4) 레디얼 형태의 프로브와 노치 컷 및 확장된 그라운드 평면을 이용하는 기술이 제안되었다.
그러나, 이렇게 제안된 기술들은 각각 비대역폭 50%, 10.6%, 11.8%, 36.9%의 광대역을 가지는 것으로 특정 대역대의 전이만이 가능하다. 따라서, 마이크로 스트립라인과 구형 도파관 간에 저손실 전대역의 전력 전이가 가능한 방법이 요구된다.
본 발명은 마이크로 스트립라인과 도파관을 이용함으로써, 마이크로 스트립라인과 도파관 간에 효율적으로 전력을 전달하기 위한 저손실 전대역 전이를 수행하는 전이 구조를 제공한다.
일실시예에 따른 전이 구조는 단면이 직사각형인 도파관(Rectangular Waveguide)의 내부에 존재하는 공기층의 아래에 배치되는 유전체 기판; 유전체 기판의 일면에 형성되는 도체 선로이며, 사각형의 차폐 구조로 나타나는 마이크로 스트립라인(Micro Stripline); 및 도파관의 단락면(Waveguide short plane)으로부터 일정 거리로 이격되어 도파관의 내부에 삽입되는 반원 형태(semi-circular)의 프로브를 포함하고, 전이 구조는, 도파관과 마이크로 스트립라인 간 서로 다른 주파수 대역의 전력을 전이할 수 있다.
일실시예에 따른 도파관은 마이크로 스트립라인과 90도의 각도로 연결될 수 있다.
일실시예에 따른 이격 거리는 도파관의 단락면으로부터 도파관의 파장 길이의 1/4에 해당하는 길이로 결정될 수 있다.
일실시예에 따른 프로브는 프로브의 일면에 임피던스 변환기가 배치되고, 임피던스 변환기는 마이크로 스트립라인과 프로브를 연결할 수 있다.
일실시예에 따른 임피던스 변환기는 도파관의 임피던스에 기초하여 1) 마이크로 스트립라인에서 도파관으로의 전이 또는, 2) 도파관에서 마이크로 스트립타인으로의 전이를 수행하기 위한 특성 임피던스가 설정될 수 있다.
일실시예에 따른 임피던스 변환기의 폭은 설정된 특성 임피던스를 기반으로 마이크로 스트립라인의 선로 폭보다 넓은 선로 폭을 가지며, 임피던스 변환기의 길이 및 프로브의 반경은, 도파관의 파장 길이의 1/8에 해당하는 길이에 기초하여 설정될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 의하면, 전이 구조는 마이크로 스트립라인과 도파관으로 구현되는 전이 구조로, 마이크로 스트립라인과 도파관 간에 효율적으로 전력을 전달하기 위한 저손실 전대역 전이를 수행할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 의하면, 전이 구조는 종래의 기술에 비해 설계 변수가 작아 설계가 용이하고 구조가 단순하며 삽입 손실이 작고 대역폭이 넓은 장점을 가질 수 있다.
본 발명의 일실시예에 의하면, 전이 구조는 저손실 광대역 특성을 가지고 있으므로 결합 효율이 중요한 고출력 반도체 저전력 증폭기(SSPA)에 적용될 수 있다.
도 1은 일실시예에 따른 마이크로 스트립라인과 도파관 간의 전이 구조를 도시한 도면이다.
도 2는 일실시예에 따른 마이크로 스트립라인의 단면도이다.
도 3은 일실시예에 따른 전력 결합기의 상면도 및 측면도이다.
도 4는 일실시예에 따른 전이 구조를 이용한 Back-to-Back 구조의 삽입 손실 및 반사 손실에 관한 측정 결과를 도시한 그래프이다.
도 5는 일실시예에 따른 단일 전이의 삽입 손실을 도시한 그래프이다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 일실시예에 따른 마이크로 스트립라인과 도파관 간의 전이 구조를 도시한 도면이다.
도 1을 참고하면, 전이 구조는 도파관(101, RWG: Rectangular Waveguide), 마이크로 스트립라인(102, MSL: Micro Strip-Line), 유전체 기판(103, Dielectric Substrate), 프로브(104, Semi-Circular Probe)를 포함할 수 있다.
본 발명에서 제안하는 전이 구조는 마이크로 스트립라인(102)과 도파관(101) 간의 효율적인 전력 전달을 위한 저손실 전대역 전이를 수행할 수 있다. 이를 위해, 전이 구조는 도파관(101)의 내부에 존재하는 공기층의 아래에 배치되는 유전체 기판(103)이 배치될 수 있다. 여기서, 도파관(101)은 단면이 직사각형으로 형성된 구형 도파관으로 내면이 비어있는 금속 도체관으로 형성될 수 있다. 그리고, 도파관(101)은 동축 선로의 유전체 손실을 극복하기 위해 절연체를 공기로 이용하며, 도체 손실의 원인이 되는 중심 도체가 제외된 전송 선로일 수 있다.
유전체 기판(103)은 공기를 절연체로 사용하는 도파관의 내부에 존재하는 공기층 사이에 배치될 수 있다. 그리고, 유전체 기판(103)의 위에는 도체 선로이며, 사각형의 차폐 구조에 마이크로 스트립라인(102)이 배치될 수 있다. 여기서, 마이크로 스트립라인(102)은 마이크로파 및 밀리미터파 영역에서 전력을 전달하기 위한 마이크로형으로 구현되는 전송 선로일 수 있다.
프로브(104)는 도파관(101)의 단락면(105)으로부터 일정 거리로 이격되어, 도파관의 내부에 삽입될 수 있으며, 반원 형태(semi-circular)로 형성될 수 있다. 다시 말해, 프로브(104)는 도파관(101)의 단락면으로부터 임의의 거리에 반원 형태로 도파관 안에 삽입될 수 있다.
이때, 마이크로 스트립라인(102)과 도파관(101)은 서로 90도의 각도로 연결되어, 전력을 전송하기 위한 전이 구조를 가질 수 있다. 본 발명은 이러한 전이 구조를 이용해 마이크로 스트립라인(102)과 도파관(101) 간에 서로 다른 주파수 대역의 전력을 전이할 수 있는 전이 구조를 제안할 수 있다. 또한, 상술한 전이 구조는 종래에 기 연구된 기술에 비해 설계 변수가 작고, 설계가 용이하며, 전이 구조가 단순함에 따라, 전력의 삽입 손실이 작고 주파수 대역폭이 넓은 장점을 가질 수 있다.
도 2는 일실시예에 따른 마이크로 스트립라인의 단면도이다.
도 2를 참고하면, 유전체 기판(201)은 도파관의 내부에 존재하는 공기층(air)의 아래에 배치될 수 있다. 마이크로 스트립라인(202)는 유전체 기판(201)의 일면에 형성되는 도체 선로로 이루어진 사각형의 차폐 구조에 배치될 수 있다. 일례로, 유전체 기판(201)은 도파관의 내부에 존재하는 공기층 사이에 배치되고, 마이크로 스트립라인(202)는 공기층의 아래에 배치된 유전체 기판(201)의 위쪽에 배치될 수 있다.
여기서, 도파관과 유전체 기판(201)의 너비(W, width)는 동일한 값을 가지며, 유전체 기판의 높이는 h 값을 가질 수 있다.
도 3은 일실시예에 따른 전력 결합기의 상면도 및 측면도이다.
도 3의 (a)의 상면도는 본 발명에서 제안하는 전이 구조를 구성하는 설계 변수를 나타낼 수 있다. 상면도에서 임피던스 변환기(305)의 길이와 폭을 각각 l, w로 나타낼 수 있으며, 프로브(306)의 반경을 R로 나타낼 수 있다.
여기서, 프로브(306)의 반경(R)과 임피던스 변환기(305)의 길이의 초기값은 도파관의 파장 길이(wave length in waveguide)의 1/8에 해당하는 길이에 기초하여 설정될 수 있다. 임피던스 변환기(305)의 특성 임피던스 초기값은 (50x 도파관 임피던스)^1/2로 나타낼 수 있다. 다시 말해, 임피던스 변환기(305)는 도파관의 임피던스에 기초하여 1) 마이크로 스트립라인에서 도파관으로의 전이 또는, 2) 도파관에서 마이크로 스트립타인으로의 전이를 수행하기 위한 특성 임피던스가 설정할 수 있다. 또한, 본 발명은 특성 임피던스에 대한 초기값으로부터 임피던스 변환기(305)의 폭(w)의 초기값이 결정될 수 있으며, 임피던스 변환기의 폭은 설정된 특성 임피던스를 기반으로 마이크로 스트립라인의 선로 폭보다 넓은 선로 폭을 가질 수 있다.
도 3의 (b)의 측면도는 본 발명에서 제안하는 전이 구조를 구성하는 설계 변수를 나타낼 수 있다. 측면도에서 'Ls'는 도파관(301)의 단락면(304)과 프로브 간에 이격된 거리를 나타낼 수 있다. 이격된 거리(Ls)는 도파관의 단락면(304)으로부터 도파관의 파장 길이(wave length in waveguide)의 1/4에 해당하는 길이로 결정될 수 있다. 그리고, 마이크로 스트립라인(302)는 유전체 기판(203)의 위쪽에 배치될 수 있다.
본 발명에서 제안하는 전이 구조는 상술한 총 4개의 설계 변수만을 가지고 있으므로 설계가 용이하고 구조가 단순함에 따라, 삽입 손실이 작고, 대역폭이 넓은 전력을 전달할 수 있다.
도 4는 일실시예에 따른 전이 구조를 이용한 Back-to-Back 구조의 삽입 손실 및 반사 손실에 관한 측정 결과를 도시한 그래프이다.
도 4를 참고하면, 전이 구조는 Back-to-back 구조를 이용한 전력의 삽입 손실 및 반사 손실을 측정할 수 있다. 본 발명에서 제안하는 Back-to-back 구조는 (도파관(RWG)에서 마이크로 스트립라인(MSL)으로의 전이) - (마이크로 스트립라인(MSL)의 전송 선로) - (마이크로 스트립라인(MSL)에서 도파관(RWG)으로의 전이)로 구성될 수 있다. 이에 따라 본 발명에서 도파관은 Ka 대역의 WR-28로 선정하였으며, Back-to-back 구조는 도파관-마이크로 스트립라인 간의 전이 2개와 마이크로 스트립라인의 전송 선로의 삽입 손실을 포함할 수 있다.
도 4의 그래프에서 주파수 24.4 ~ 40.6 GHz에서 20 mm의 길이를 갖는 마이크로 스트립라인의 전송 선로를 포함한 경우, 삽입 손실은 0.6 dB 이내를 나타낼 수 있으며, 25 mm의 길이를 갖는 마이크로 스트립라인의 전송 선로를 포함한 경우 0.7 dB 이내를 나타낼 수 있다.
이때, 반사 손실은 주파수 24.4 ~ 40.6 GHz에서 15 dB 이상의 대역대로 나타낼 수 있다. 구체적으로, 본 발명은 도 4의 그래프에서 20mm의 길이를 갖는 마이크로 스트립라인의 전송 선로를 포함한 경우와 25mm의 길이를 갖는 마이크로 스트립라인의 전송 선로를 포함한 경우의 삽입 손실 차이로부터 5 mm의 길이를 갖는 마이크로 스트립라인의 전송 선로의 삽입 손실을 구할 수 있다.
여기서, Back-to-back 구조는 위에서 상술한 바와 같이 2개의 도파관-마이크로 스트립라인 간의 전이를 포함하므로 단일 전이의 삽입 손실은 다음의 수학식 1과 같이 계산할 수 있다.
[수학식 1]
(Back-to-back 구조에서의 삽입 손실 - 마이크로 스트립라인의 전송 선로에서의 삽입 손실) / 2
다시 말해, 본 발명은 2개의 전이 구조를 통해 삽입 손실을 측정함에 따라 단일 전이의 삽입 손실의 경우, 2개의 전이 구조에서의 삽입 손실에 대한 1/2에 해당하는 단일 전이의 삽입 손실을 측정할 수 있다.
도 5는 일실시예에 따른 단일 전이의 삽입 손실을 도시한 그래프이다.
도 5를 참고하면, 단일 전이의 삽입 손실은 주파수 24.4 ~ 40.6 GHz에서 0.07 dB이내로 매우 우수한 저손실 특성을 나타내었다.
Figure pat00001
여기서, 표 1은 마이크로 스트립라인과 도파관의 전이 비교 결과(Comparison of MSL to RWG Transitions)로, 본 발명을 통해 제안하는 전이는 최소한 삽입 손실과 최대한 넓은 비대역폭의 우수한 특성을 보여줄 뿐만 아니라, 설계 변수도 최소한을 가짐에 따라 설계가 용이하고 구조가 단순함에 따라 효율적인 저손실 전대역 전이를 수행할 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시 예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
101: 도파관
102: 마이크로 스트립라인
103: 유전체 기판
104: 프로브
105: 도파관의 단락면

Claims (1)

  1. 단면이 직사각형인 도파관(Rectangular Waveguide)의 내부에 존재하는 공기층의 아래에 배치되는 유전체 기판;
    상기 유전체 기판의 일면에 형성되는 도체 선로이며, 사각형의 차폐 구조로 나타나는 마이크로 스트립라인(Micro Stripline); 및
    상기 도파관의 단락면(Waveguide short plane)으로부터 일정 거리로 이격되어 도파관의 내부에 삽입되는 반원 형태(semi-circular)의 프로브
    를 포함하고,
    상기 도파관과 마이크로 스트립라인은,
    서로 다른 주파수 대역의 전력이 전이되는 전이 구조.
KR1020170154278A 2017-11-17 2017-11-17 마이크로 스트립라인과 도파관 간의 전이 구조 KR20190056884A (ko)

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