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문제 정의
- 본 논문에서는 밀리미터파 대역에서 고출력 전력 증폭 모듈 구현을 위해 필요한 새로운 형태의 전력 결합기를 슬롯라인-마이크로스트립 변환을 이용하여 제안하였다. 슬롯라인-마이크로스트립 변환을 두 개 배열하고 이를 임피던스 정합하여 2-way 전력 결합기를 제안하였고 제안된 2-way 전력 결합기를 soltline tee junction을 이용하여 4-way 전력 결합기로 확장하였다.
제안 방법
- Back-to-back 연결을 위해 마이크로스트립 라인을 1mil 직경의 gold wire을 이용하여 본딩하였다. 위상차 보상과 마이크로스트립 단자에 놓일 power amplifier의 chip 크기를 고려하여 마이크로 스트립 라인을 구부렸다.
- 도파관의 E-plane에 삽입된 전력 결합기는 도파관-핀라인 변환구조도 포함하여, 입력이 도파관이고 출력이 마이크로스트립인 2-way 전력 분배기를 구성하였다. 또한, 두 개의 2-way 전력 결합기를 slotline tee junction으로 결합하여 4-way 전력 결합기를 제안하였다.
- 도파관의 E-plane에 삽입된 전력 결합기는 도파관-핀라인 변환구조도 포함하여, 입력이 도파관이고 출력이 마이크로스트립인 2-way 전력 분배기를 구성하였다. 또한, 두 개의 2-way 전력 결합기를 slotline tee junction으로 결합하여 4-way 전력 결합기를 제안하였다. 또, 제안된 구조를 도파관 내에 수직으로 여러 개 쌓으면 도파관 내에서 공간적으로 전력을 결합할 수 있어 고출력 전력 증폭 모듈 구현에 활용될 수 있다.
- 본 연구에서는 잘 알려진 슬롯라인-마이크로스트립 변환구조를 두 개 이상 배열하여 도파관의 E-plane에 삽입하여, Ka-band에서 동작하는 도파관 형태의 전력 결합기를 제안하였다. 도파관의 E-plane에 삽입된 전력 결합기는 도파관-핀라인 변환구조도 포함하여, 입력이 도파관이고 출력이 마이크로스트립인 2-way 전력 분배기를 구성하였다.
- 8)을 사용하였다. 새로이 제안된 2-way 전력분배기를 slotline-tee junction을 사용하여 series로 연결하면 4-way 전력 분배기를 설계할 수 있다. 그림 5(b)는 이렇게 구성된 4-way 전력 분배기를 보여주고 있다.
- 슬롯라인-마이크로스트립 변환을 두 개 배열하고 이를 임피던스 정합하여 2-way 전력 결합기를 제안하였고 제안된 2-way 전력 결합기를 soltline tee junction을 이용하여 4-way 전력 결합기로 확장하였다. Back-to-back으로 제작된 전력 결합기를 측정한 결과, 2-way는 25.
- 그림 4는 E-plane에 삽입된 기판의 중앙 단면(E-plane과 평행한 면)에서의 전기장의 세기 분포를 나타낸다. 시뮬레이션을 용이하게 하기 위하여, 입력을 도파관으로 하지 않고 슬롯라인(핀라인)으로 하였다. 슬롯 라인으로 입사된 전기장(E-field)은 마이크로 스트립 라인인 단자 2와 단자 3으로 위상차를 가지고 같은 세기로 나가고있음을 알 수 있다.
- Back-to-back 연결을 위해 마이크로스트립 라인을 1mil 직경의 gold wire을 이용하여 본딩하였다. 위상차 보상과 마이크로스트립 단자에 놓일 power amplifier의 chip 크기를 고려하여 마이크로 스트립 라인을 구부렸다. 기판은 손실이 작은 5 mil quartz(유전율=3.
- 이때 슬롯라인의 임피던스와 마이크로스트립 라인의 임피던스는 같을 필요는 없으며 적절한 임피던스 비를 가지도록 설계하였다. 유한 요소법을 이용한 3차원 구조 시뮬레이터인 HP사의 HFSS 시뮬레이션을 통하여 슬롯라인의 임피던스를 80 옴, 마이크로스트립 라인의 임피던스를 50 옴으로 결정하였다. 이러한 슬롯라인-마이크로스트립 변환을 적절한 간격을 두고 두 개를 배열하여 임피던스 정합이 일어나도록 각 전송선의 임피던스를 결정해 주면 2-way 전력 분배기가 가능하게 된다.
- 그러면, magnetic coupling을 통한 슬롯라인-마이크로스트립 변환을 통하여 마이크로스트립 모드로 필드 변환이 발생한다. 이때 슬롯라인의 임피던스와 마이크로스트립 라인의 임피던스는 같을 필요는 없으며 적절한 임피던스 비를 가지도록 설계하였다. 유한 요소법을 이용한 3차원 구조 시뮬레이터인 HP사의 HFSS 시뮬레이션을 통하여 슬롯라인의 임피던스를 80 옴, 마이크로스트립 라인의 임피던스를 50 옴으로 결정하였다.
- 그리고, 그림 3(b)에는 단자 2와 단자 3에 존재하는 위상차 시뮬레이션 결과를 나타냈는데, 그림 2(b)에서 슬롯라인의 길이 L1에 의한 위상차가 43도 정도 존재함을 보여주고 있다. 이러한 단자간의 위상차는 전력 결합시 전력이 동위상으로 합쳐지지 않게 하여 결합 효율을 저하시키게 되므로 위상차가 나지 않도록 보상을 해 주어야 하는데, 본 연구에서는 단자 3의 마이크로스트립 라인을 길게 해 줌으로써 해결하였다. 그림 4는 E-plane에 삽입된 기판의 중앙 단면(E-plane과 평행한 면)에서의 전기장의 세기 분포를 나타낸다.
- 해석하였다. 전체 구조를 해석하려면 많은 시간이 필요하고 시뮬레이션의 정확도가 떨어지므로, 도파관 입력에서 슬롯라인까지 가는 부분, 즉 구형도파관-슬롯라인(핀라인) 변환 부분과 슬롯라인 이후 부분을 나누어서 시뮬레이션 하였다. 그림 3은 제안된 구조를 이용하여 설계한, Ka-band에서 동작하는 2-way 등전력 분배기의 수치해석 결과를 보여준다.
- 또, 제안된 구조를 도파관 내에 수직으로 여러 개 쌓으면 도파관 내에서 공간적으로 전력을 결합할 수 있어 고출력 전력 증폭 모듈 구현에 활용될 수 있다. 제안된 전력 결합기를 상용 수치 해석 시뮬레이터로 해석하였고, 손실이 작은 수정 기판을 이용하여 Ka-band에서 제작하여 측정하였다. 측정결과, back-to-back으로 연결된 2-way 전력 분배기는 25.
대상 데이터
- 위상차 보상과 마이크로스트립 단자에 놓일 power amplifier의 chip 크기를 고려하여 마이크로 스트립 라인을 구부렸다. 기판은 손실이 작은 5 mil quartz(유전율=3.8)을 사용하였다. 새로이 제안된 2-way 전력분배기를 slotline-tee junction을 사용하여 series로 연결하면 4-way 전력 분배기를 설계할 수 있다.
데이터처리
- 정확한 설계를 위해 그림 2(a)의 구조를 HFSS로 수치 해석하였다. 전체 구조를 해석하려면 많은 시간이 필요하고 시뮬레이션의 정확도가 떨어지므로, 도파관 입력에서 슬롯라인까지 가는 부분, 즉 구형도파관-슬롯라인(핀라인) 변환 부분과 슬롯라인 이후 부분을 나누어서 시뮬레이션 하였다.
성능/효과
- 슬롯라인-마이크로스트립 변환을 두 개 배열하고 이를 임피던스 정합하여 2-way 전력 결합기를 제안하였고 제안된 2-way 전력 결합기를 soltline tee junction을 이용하여 4-way 전력 결합기로 확장하였다. Back-to-back으로 제작된 전력 결합기를 측정한 결과, 2-way는 25.7~29.8 GHz에서 삽입손실은 1.0 dB 이하, 반사손실은 15 dB 이상이었고, 4-way는 26~28.2 GHz에서 삽입손실이 1.0 dB 이하, 반사손실이 15 dB 이상의 우수한 특성을 얻을 수 있었다.
- 제안된 전력 결합기를 상용 수치 해석 시뮬레이터로 해석하였고, 손실이 작은 수정 기판을 이용하여 Ka-band에서 제작하여 측정하였다. 측정결과, back-to-back으로 연결된 2-way 전력 분배기는 25.7~29.8 GHz에서 삽입손실은 1.0 dB 이하, 반사손실은 15 dB 이상이었고 4-way 경우는 26~28.2 GHz에서 삽입손실이 1.0 dB 이하, 반사손실이 15 dB 이상의 우수한 특성을 얻을 수 있었다.
후속연구
- 또한, 두 개의 2-way 전력 결합기를 slotline tee junction으로 결합하여 4-way 전력 결합기를 제안하였다. 또, 제안된 구조를 도파관 내에 수직으로 여러 개 쌓으면 도파관 내에서 공간적으로 전력을 결합할 수 있어 고출력 전력 증폭 모듈 구현에 활용될 수 있다. 제안된 전력 결합기를 상용 수치 해석 시뮬레이터로 해석하였고, 손실이 작은 수정 기판을 이용하여 Ka-band에서 제작하여 측정하였다.
- 수 watt 이상의 전력 증폭 모듈의 경우, 열이 많이 발생하므로 열 방출 특성이 중요한데, 제안된 구조는 도파관을 이용하므로 열방출 특성이 우수할 것으로 생각된다. 뿐만 아니라, 제안된 전력 결합기는 기존 논문에 제시된 것과 같이 도파관내 E-plane에 수직으로 여러 개를 쌓아 공간적 형태의 전력 결합이 가능하여, 밀리미터파 대역 고출력 전력 증폭기를 구현하는데 사용될 수 있다[5][7].
- 것이다. 수 watt 이상의 전력 증폭 모듈의 경우, 열이 많이 발생하므로 열 방출 특성이 중요한데, 제안된 구조는 도파관을 이용하므로 열방출 특성이 우수할 것으로 생각된다. 뿐만 아니라, 제안된 전력 결합기는 기존 논문에 제시된 것과 같이 도파관내 E-plane에 수직으로 여러 개를 쌓아 공간적 형태의 전력 결합이 가능하여, 밀리미터파 대역 고출력 전력 증폭기를 구현하는데 사용될 수 있다[5][7].
- 향후 과제는 실제로 전력 증폭기를 제안된 전력결합기에 장착하여 출력 전력을 결합하는 것이다. 수 watt 이상의 전력 증폭 모듈의 경우, 열이 많이 발생하므로 열 방출 특성이 중요한데, 제안된 구조는 도파관을 이용하므로 열방출 특성이 우수할 것으로 생각된다.
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