본 논문에서는, 마이크로스트립 회로의 패키징에서 고차모드 전파를 억제할 수 있는 유도성 격벽구조를 설계한다. 마이크로파 패키징은 회로를 외부의 물리적, 전기적 환경으로부터 격리$.$보호하기 위해 필요한 반면에, 동작 주파수가 증가함에 따라 하우징에 의한 고차모드가 발생하는 문제점을 내포하고 있다. 즉, 특성임피던스 및 실효유전율에 대한 영향을 줄이기 위해서는 패키징 크기가 가능한 커야 하지만, 패키징을 통과할 수 있는 고차모드의 차단 주파수를 높이기 위해서는 패키징 크기가 가능한 작아야 한다. 본 논문에서 제안된 유도성 격벽 패키지는 기존의 용량성 격벽 패키지에 비하여 고차모드 전력전달 억제계수$({S_21})$가 30㏈ 더 개선되었으며, 고차모드의 전달을 효과적으로 억제함으로써, 송수신 모듈과 같은 마이크로파 시스템 패키지화(SysteminaPackage) 설계에 유용하게 활용될 수 있다.
본 논문에서는, 마이크로스트립 회로의 패키징에서 고차모드 전파를 억제할 수 있는 유도성 격벽구조를 설계한다. 마이크로파 패키징은 회로를 외부의 물리적, 전기적 환경으로부터 격리$.$보호하기 위해 필요한 반면에, 동작 주파수가 증가함에 따라 하우징에 의한 고차모드가 발생하는 문제점을 내포하고 있다. 즉, 특성임피던스 및 실효유전율에 대한 영향을 줄이기 위해서는 패키징 크기가 가능한 커야 하지만, 패키징을 통과할 수 있는 고차모드의 차단 주파수를 높이기 위해서는 패키징 크기가 가능한 작아야 한다. 본 논문에서 제안된 유도성 격벽 패키지는 기존의 용량성 격벽 패키지에 비하여 고차모드 전력전달 억제계수$({S_21})$가 30㏈ 더 개선되었으며, 고차모드의 전달을 효과적으로 억제함으로써, 송수신 모듈과 같은 마이크로파 시스템 패키지화(SysteminaPackage) 설계에 유용하게 활용될 수 있다.
Packaging structures to block the propagation of higherorder modes in the shielded microstrip lines are designed. Packaging for microwave circuits is necessary, basically, to isolate and protect circuits from outside environments both physically and electrically. The drawback of packaging is the po...
Packaging structures to block the propagation of higherorder modes in the shielded microstrip lines are designed. Packaging for microwave circuits is necessary, basically, to isolate and protect circuits from outside environments both physically and electrically. The drawback of packaging is the possibility of higherorder mode propagation, similar to waveguide modes, as the operating frequency increases. One of Possible choices for the higherorder mode suppression is to insert diaphragms to the housing structure. The shielding effects of diaphragms are analyzed using an FEM code. Several parameters such as dispersion, mode conversion, and higherorder mode transmission and reflection are analyzed. The effect of higherorder mode suppression is eminent as the depth or width of a diaphragm is increased in the air region of the microstrip line. It is shown that inductive diaphragm structure can lower ${S_21}$ for the secondorder mode incidence by 30㏈, comparing with the conventional capacitive diaphragm structure. Packaging structure analyzed in this paper can be applied usefully to the design of the microwave system in a package such as transmit/receive modules.
Packaging structures to block the propagation of higherorder modes in the shielded microstrip lines are designed. Packaging for microwave circuits is necessary, basically, to isolate and protect circuits from outside environments both physically and electrically. The drawback of packaging is the possibility of higherorder mode propagation, similar to waveguide modes, as the operating frequency increases. One of Possible choices for the higherorder mode suppression is to insert diaphragms to the housing structure. The shielding effects of diaphragms are analyzed using an FEM code. Several parameters such as dispersion, mode conversion, and higherorder mode transmission and reflection are analyzed. The effect of higherorder mode suppression is eminent as the depth or width of a diaphragm is increased in the air region of the microstrip line. It is shown that inductive diaphragm structure can lower ${S_21}$ for the secondorder mode incidence by 30㏈, comparing with the conventional capacitive diaphragm structure. Packaging structure analyzed in this paper can be applied usefully to the design of the microwave system in a package such as transmit/receive modules.
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문제 정의
본 논문에서는 마이크로파 패키징의 고차모드전자계 분포가 도파관 모드에 대한 것과 비슷하므로, 기본 모드에 비하여, 기판 위 부분의 공간에대부분 존재한다는 점을 근거로 하여 유도성 격벽 (inductive diaphragm)을 사용한 패키징 구조를제시하고, 이에 의한 고차모드 전파 차폐특성을해석하고자 한다. 그림 2는 본 연구에서 해석된유도성 격벽의 패키징 구조이다.
있다. 본 절에서는 마이크로스트립 패키징 구조의 모드별 전계분포와 분산특성을 해석하도록 한다. 본 연구에서 사용된 기판은 비유전율 和=10.
제안 방법
6 35mm이며, 패키지 하우징의 크기는 1아)x 10h이다. 격벽 두께를 t=2.1mm로 고정하고, 격벽의 깊이 d를 변화시켰을 때, S 파라미터를 계산하였다. 동작 주파수 f=25 GHz에서 MOL(method of line) 기법과 모드 정합법(mode matching)■§- 적용하여 계산된 문헌 [4]의 결과와 H표SS 시뮬레이션 결과를 그림 3-5에 비교 도시하였다.
22 가 30-40dB 감소되므로 고차모드 전파 억제 특성이 더 개선되었음을 알 수 있다. 다음으로, 격벽의 두께 영향을 살펴보기 위해서 폭 I을 3.5mm로 고정하고 t가 2.0mm에서 5.0mm까지 1.0mm 간격으로 변할 경우의 산란계수를 해석하였다. 그림 10에 LO mm에서 5.
먼저 본 연구에서 사용된 시뮬레이션의 정확도를 검증하기 위해서 문헌 [4]에 제시된구조를 해석하여 결과를 비교하도록 한다.
그림 2는 본 연구에서 해석된유도성 격벽의 패키징 구조이다. 먼저, 마이크로스트립 선로의 분산특성으로부터 패키징 크기를결정하고, 용량성 격벽과, 유도성 격벽에 대한 모드변환, 고차모드 투과 및 반사 둥의 고차모드 전파특성을 비교 분석한다. 패키징 구조
기판 두께 h로 정규화된 격벽 두께 d/h가 9인 경우는 격벽이 기판과 완전히 맞닿은 경우를 의미한다. 본 연구에서는 d/h를 1mm 간격으로 l-8mm 범위에서 시뮬레이션 하였다. 여기서 F赤와 Pzi는 i번째 모드의 투과 및 반사 전력을, S輙는 출력 포트, j= 입사 포트, p= 출력 모드, q= 입사 모드의 산란계수로서, S 〃, 河는 반사 특성을, $21, 四는 전달 특성을 나타내며, p=q인 경우는 p번째 모드의 산란계수를, pg인 경우는 모드 사이의 에너지 변환을 의미한다.
본 연구에서는 마이크로스트립 회로 패키징에서 고차모드 전달을 억제할 수 있는 유도성 격벽구조를 설계하였으며, 모드변환 및 고차모드 전파억제 특성에 대하여 용량성 격벽의 패키징과 비교분석하였다. 유도성 격벽구조는 용량성 격벽에 비하여 고차모드 전력전달 억제비율이 30dB 더 우수하게 나타났다.
대상 데이터
본 절에서는 마이크로스트립 패키징 구조의 모드별 전계분포와 분산특성을 해석하도록 한다. 본 연구에서 사용된 기판은 비유전율 和=10.2, 두께 h=0.635mm이며, 도체 스트립의 폭은 W=0.53mm 로서 耘의 특성임피던스를 갖는다. 기본 모드와고차모드의 단면 전계분포는 HFSS의 포트해석으로부터 구할 수 있으며, 그림 6은 주파수 30GHz에서의 전계분포 해석 결과를 도시한 것이다.
성능/효과
격벽이 없는패키지인 그림 8(a)와 비교하면, 그림 10(a)의 기본모드 입사 시에 15GHz 이상의 주파수에서 S2L21 이 약 20dB 정도 증가하였다. 이는, 그림 9(a)에서와 같이, 패키징 구조의 불연속으로 인하여 기본모드의 전력이 제1고차모드로 변환되는 비율이 증가하는 것으로 해석되며, 기본모드 전달 특성인 S21J1 은 거의 동일한 결과를 보였다. 그림 10(b)에서 보인 제1고차모드가 입사에 대한 결과는 그림 8(b)와 상당한 차이를 보인다.
유도성 격벽구조는 용량성 격벽에 비하여 고차모드 전력전달 억제비율이 30dB 더 우수하게 나타났다. 반면에 기본 모드와 제1고차 모드 사이의 전력변환 비율은 제1고차 모드의 차단주파수를 전후로, 차단주파수 이하에서는 유도성격벽구조가, 차단주파수 이상에서는 용량성 격벽구조가 약 10dB 더 우수한 결과를 각각 보였다. 시뮬레이션 소프트웨어의 정확성을 확인하기 위해 기존에 발표된 용량성 격벽 패키징 구조를 해석하여 그 결과가 잘 일치함을 보였으며, 패키징선로의 분산특성 해석을 통하여 패키지 크기를 결정하였다.
반면에 기본 모드와 제1고차 모드 사이의 전력변환 비율은 제1고차 모드의 차단주파수를 전후로, 차단주파수 이하에서는 유도성격벽구조가, 차단주파수 이상에서는 용량성 격벽구조가 약 10dB 더 우수한 결과를 각각 보였다. 시뮬레이션 소프트웨어의 정확성을 확인하기 위해 기존에 발표된 용량성 격벽 패키징 구조를 해석하여 그 결과가 잘 일치함을 보였으며, 패키징선로의 분산특성 해석을 통하여 패키지 크기를 결정하였다. 특성임피던스 및 실효유전율에 대한 영향을 줄이기 위해서는 패키징 크기가 가능한 커야하지만, 패키징을 통과할 수 있는 고차모드의 차단 주파수를 높이기 위해서는 패키징 크기가 가능한 작아야 한다.
유도성 격벽구조는 용량성 격벽에 비하여 고차모드 전력전달 억제비율이 30dB 더 우수하게 나타났다. 반면에 기본 모드와 제1고차 모드 사이의 전력변환 비율은 제1고차 모드의 차단주파수를 전후로, 차단주파수 이하에서는 유도성격벽구조가, 차단주파수 이상에서는 용량성 격벽구조가 약 10dB 더 우수한 결과를 각각 보였다.
6W로 패키지 단면 크기를 줄인 것이다. 이 분산곡선 해석으로부터 기본 모드의 특성에는 거의 변화가 없고 고차 모드의 차단주파수가, 제1고차모드 15.295GHz, 제2 고차 모드 27.430GHz로, 모두 증가된 것을 확인할 수 있다. 본 논문에서는 동작 주파수를 10GHz 로 설정하였으며, 그림 7(b)의 하우징 크기를 기준으로 하여 고차모드 전달을 억제할 수 있는 패키징 구조를 설계하도록 한다.
이상의 결과로부터 Z=3.5mm, t=2.0mm일 때 최적의 패키지 조건이 되며, 은 -18dB 이하, S2122는 -38dB 이하의 값을 갖는다. 격벽이 없는패키지인 그림 8(a)와 비교하면, 그림 10(a)의 기본모드 입사 시에 15GHz 이상의 주파수에서 S2L21 이 약 20dB 정도 증가하였다.
후속연구
이런 관점에서 유도성 격벽을 사용하면 동일한 패키징 크기에서 고차모드의 전달을 더욱 효과적으로 억제할 수 있다. 본 연구에서도출된 고차 하우징 모드 전파억제를 위한 패키지설계 기법은 송수신 모듈과 같이 여러 가지 회로모듈로 구성되는 “시스템 패키지화” (System in a Package) 개념의 마이크로파 시스템 설계에 유용하게 활용될 수 있다.
참고문헌 (7)
J. J. Komiak, A. K. Agrawal, 'Design and performance of octave S/C-band MMIC T/R modules for multi-function phased arrays,' IEEE Trans. Microwave Theory Tech., MTT-39, pp. 1955-1963, Dec. 1991
W. Diels, K. Vawsen, 'Single-package integration of RF blocks for a 5 GHz WLAN application,' IEEE Trans. Advanced Packaging, Vol. 24, No. 3, pp. 384-391, Aug. 2001
B. A. Kopp, 'Transmit/Receive modules,' IEEE Trans. Microwave Theory Tech., MTT-50, pp. 827-834, Mar. 2002
H. Chen, S. Chung, 'Shielding effect of a diaphragm in a packaged microstrip circuit,' IEEE Trans. Microwave Theory Tech., Vol. 43, pp. 1082-1086, May 1995
K. Krause, B. Spielman, 'An electromagnetic technique for packaging problem analysis,' IEEE MTT-S Digest, pp. 1067-1070, 1996
H. Chen, S. Chung, 'Analysis of a partially shielded package for microstrip-line Circuits,' IEEE Trans. Microwave Theory Tech., Vol. 46, pp. 2124-2130, December 1998
H. Chen, S. Chung, 'A simple method for blocking parasitic modes in a waveguide-packaged microstrip-line circuit,' IEEET rans. Microwave Theory Tech., Vol. 46,pp. 2156-2159, December 1998
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