[논문]광대역 동축-마이크로스트립 수직 트랜지션의 전송 손실 저감 설계

김세윤; 노진입; 정지영; 안병철; 유영갑

문제 정의

따라서 본 논문에서는 동죽-마이크로스트립 수직트랜지션 구조에서 불연속성을 보싱'(compensation) 하여 삽입 손실과 반사 손실을 최소화 하는 설계 방법을 제시하고 제작 및 측정을 통하여 그 타당성을 입증하였다. 수직 트랜지션의 설계 변수들로는 마이크로 스트립 접지면에 위치한 접지 개구면의 지름과 오프셋 크기, 마이크로스트립 선로의 종단에 위치한 스텁 길이, 그리고 동축 선로의 내부 도체 끝부분에 위치한 프로브의 직경을 설계 변수로 설정하였으며, 상용 전자기 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하여 최적 설계 값을 도출하였다.

가설 설정

설계된 시험 블록은 SMA 커넥터와 트랜지션이결합된 2개의 셑(set)으로 볼 수 있으며, 이 셑들은동일한 특성을 갖는다고 가정하면, 하나의 셑에 대한 S-파라미터 특성은 그림 7의 시험 결과로부터 네트웍 이론을 이용하여 구할 수 있다山 수식의 간략화를 위해 직선으로 설계된 마이크로스트립 선로 상에서 발생하는 반사 계수는 0으로 가정하였다. 따라서 시험 블록으로부터 측정된 S-파라미터 Mu 및 M2i 은 다음 식으로 표현될 수 있다.
2) 기 판을 적용하여 각각 수행하였다. 시뮬레이션에서 동축선로는 균일한 50 Q 특성을 갖는 무손실 선로로 가정하였으며, 설계 변수들의 최적 값은 다음의 순서에 의해 각각 구하였다. 먼저, 각 설계 변수들에 대한 변화 가능 범위를 설정하고, 변화 범위 내에서 시뮬레이션을 통하여 비교적 특성이 양호한 개략적인 설계 값을 구한다.
측정된 S-파라미터로부터 SMA 커넥터 1개에 대한 S-파라미터는 네트웍 이론을 이용하여 구한다. 여기서 2개의 SMA 커넥터는 동일한 특성을 가지고 있다고 가정하였다.

제안 방법

10. Reflection and transmission coefficients of the optimized SMA transition corrected for the effect of the SMA connector and the microstrip line loss.
먼저, 각 설계 변수들에 대한 변화 가능 범위를 설정하고, 변화 범위 내에서 시뮬레이션을 통하여 비교적 특성이 양호한 개략적인 설계 값을 구한다. 구한 값들을 기준으로 상하로 일정 범위를 설정하고, 각 설계 변수별 모든 조합에 대해 시뮬레이션을 수행한다. 마지막으로 시뮬레이션 결과를 기준으로 하여 사용 주파수 대역 범위에서 트랜지션의 S-파라미터(%, &1, &2, $22)특성을 분석, 가장 좋은 조합을 찾아서 그 때의 설계 변수 값들을 최종 설계 값으로 정한다.
그림 3(b)에서 접지개구면 지름(Dm)은 일반적으로 동축 선로 외부 도체의 내경 3와 동일하게 설계한다. 그러나 본 논문에서는 접지 개구면의 지름을 줄이고, 동축선의 중심으로부터 마이크로스트립 선로의 진행 방향과 반대 방향으로 오프셋(0収)을 갖도록 하였다. 이 경우, 동축 선로의 중심선을 기준으로 할 때 마이크로 스트립 선로의 불완전한 구간은 그림 3(b)에서 동축선 외부 도체의 반경 3로부터 반경 a로 이동하게 되며, 이는 마이크로스트립 선로의 불연속 구간을 줄여서 기생 인덕턴스 를 감소시키는 결과를 얻을 수 있다.
2 dB이며, 반사 손실이 20 dB 정도로 주어져 있다. 그러나 본 논문에서는 커넥터 효과를 제거하기 위하여 다음의 2가지 방법으로 접근하였다.
Morgan과 Weinreb는 오프셋 값을 갖는 접지 개 구면을 사용하여 불연속 특성을 개선한 수직 트랜지션 구조를 제안하였다㎛. 그러나 이 연구는 밀리미터파 대역에서의 사용을 목적으로 고주파 특성이 우수한 0.1 mm 두께의 알루미나 기판과, K 커넥터를 사용하여 구현하였다. 최근 Wartenberg에 의해 다층기판을 사용한 수직 동축-마이크로스트립 트랜지션에서 반사 손실을 줄이고, 불연속 특성을 개선하는 연구 결과가 제안되었으나, 이 연구 결과는 PCS 및 PCN 대역에 국한되어 있다坷.
둘째 방법은, HP 851OC NA에서 제공하는 Timedomain window 기능을 이용하는 것이다. 그림 9는 시험 블록(그림 6)을 NA를 이용하여 시간축에서 신호의 반사 특성을 측정한 결과이다.
동축.마이크로스트립 수직 트랜지션에서 넓은 대역폭(~20 GHz)을 가지면서 전송 손실을 최소화하는 새로운 설계 방법을 제안하였다. 설계 변수인 접지 개구면의 지름과 오프셋 크기, 프로브 지름 및 마이크로 스트립 선로상의 스텁 길이를 상업용 전자기 시뮬레이션 소프트웨어를 이용하여 주파수 DC~20 GHz 범위에서 반사 계수를 최소화하고 전송 계수를 최대화하는 설계 변수 값들을 구하였다.
구한 값들을 기준으로 상하로 일정 범위를 설정하고, 각 설계 변수별 모든 조합에 대해 시뮬레이션을 수행한다. 마지막으로 시뮬레이션 결과를 기준으로 하여 사용 주파수 대역 범위에서 트랜지션의 S-파라미터(%, &1, &2, $22)특성을 분석, 가장 좋은 조합을 찾아서 그 때의 설계 변수 값들을 최종 설계 값으로 정한다.
시뮬레이션에서 동축선로는 균일한 50 Q 특성을 갖는 무손실 선로로 가정하였으며, 설계 변수들의 최적 값은 다음의 순서에 의해 각각 구하였다. 먼저, 각 설계 변수들에 대한 변화 가능 범위를 설정하고, 변화 범위 내에서 시뮬레이션을 통하여 비교적 특성이 양호한 개략적인 설계 값을 구한다. 구한 값들을 기준으로 상하로 일정 범위를 설정하고, 각 설계 변수별 모든 조합에 대해 시뮬레이션을 수행한다.
마이크로스트립 수직 트랜지션에서 넓은 대역폭(~20 GHz)을 가지면서 전송 손실을 최소화하는 새로운 설계 방법을 제안하였다. 설계 변수인 접지 개구면의 지름과 오프셋 크기, 프로브 지름 및 마이크로 스트립 선로상의 스텁 길이를 상업용 전자기 시뮬레이션 소프트웨어를 이용하여 주파수 DC~20 GHz 범위에서 반사 계수를 최소화하고 전송 계수를 최대화하는 설계 변수 값들을 구하였다. 시뮬레이션에 적용한 마이크로스트립 기판과 동축 선로는 일반적으로 널리 사용되는 0.
수직 트랜지션의 설계 변수들로는 마이크로 스트립 접지면에 위치한 접지 개구면의 지름과 오프셋 크기, 마이크로스트립 선로의 종단에 위치한 스텁 길이, 그리고 동축 선로의 내부 도체 끝부분에 위치한 프로브의 직경을 설계 변수로 설정하였으며, 상용 전자기 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하여 최적 설계 값을 도출하였다. 도출된 설계 값을 검증하기 위하여 마이크로파 대역에서 널리 사용되는 SMA 커넥터와 0.
그림 2는 인쇄 회로 기판의 평면과 배면에 적용된 설계 변수들을 나타낸 것으로써, 동축 선로의 프로브 직경과 동일한 비아홀 지름 Dv, 접지 개구면 지름 Dga, 접지개구면 오프셋 OGA 및 스터브 길이 Ls를 변수로 하고 있다. 이 설계 변수들은 상용 전자기 시뮬레이션 소프트웨어인 CST사의 MicroWave Studio(MWS™) 를 사용하여 트랜지션에서 반사 계수와 삽입 손실이 최소가 되는 값을 구하였다.
그림 9는 시험 블록(그림 6)을 NA를 이용하여 시간축에서 신호의 반사 특성을 측정한 결과이다. 이 측정에서 주파수 범위는 0.05-25 GHz로 설정하였으며, NA에서 제공하는 Time-domain band-pass 임펄스 응답 기능을 사용하였다. 그림 9의 결과에서 트랜지션 1 신호에만 윈도우를 씌워서 주파수 평면으로 FFT 변환(NA 에서 제공)하면 원하는 트랜지션 1개에 대한 특성을 주파수 평면에서 확인할 수 있다.
전송 계수 岛做의 보정에서 1개의 트랜지션에서 발생하는 손실을 보다 정확하게 도출하기 위해서는 마이크로 스트립 선로의 손실 측정값이 필요하다. 이를 위하여 마이크로스트립 선로를 20, 40, 60 mm로각각 5개씩 제작하고 동일한 커넥터와 시험 블록을 사용하여 측정, 그 결과를 평균하여 단위 길이에 대한 손실 값을 도출하였다. 그 결과 제작된 마이크로 스트립 선로의 평균 손실은 20 GHz에서 0.
787 mm 두께의 기판을 사용하여 시험 블록을 제작하였다. 측정을 통하여 순수한 트랜지션만의 阳파라미터를 주줄 하기 위하여, 측정 결과에 포함된 SMA 커넥터 효과를 제거하기 위한 2가지 방법을 제안하였다. 즉, 산란 행렬을 이용한 방법과 측정 장비(NA)에서 제공하는 시간 평면에서의 임펄스 응답 특성을 이용한 방법을 적용하였으며, SMA 커넥터 영향을 제거한 후, 보정된 트랜지션의 반사 계수는 0.

대상 데이터

설계 변수인 접지 개구면의 지름과 오프셋 크기, 프로브 지름 및 마이크로 스트립 선로상의 스텁 길이를 상업용 전자기 시뮬레이션 소프트웨어를 이용하여 주파수 DC~20 GHz 범위에서 반사 계수를 최소화하고 전송 계수를 최대화하는 설계 변수 값들을 구하였다. 시뮬레이션에 적용한 마이크로스트립 기판과 동축 선로는 일반적으로 널리 사용되는 0.254, 0.508 및 0.787 mm 두께의 기판과 SMA 커넥터를 적용하였다 설계 결과를 입증하기 위하여 SMA 커넥터와 0.787 mm 두께의 기판을 사용하여 시험 블록을 제작하였다. 측정을 통하여 순수한 트랜지션만의 阳파라미터를 주줄 하기 위하여, 측정 결과에 포함된 SMA 커넥터 효과를 제거하기 위한 2가지 방법을 제안하였다.
시뮬레이션에서 설계 변수 Dga, Dy, Oga 및 屁의가변 범위는 각각 2.4—4.1 mm, 0.3 — 1.3 mm, —0.7 —0.0 mm 및 0.0~0.5 mm로 하였다. 시뮬레이션 결과 설계 변수들 중에서 Dga, Dy 및。(力가 비교적 반사 계수에 많은 영향을 주는 것으로 확인되었으며; 0.
같이 제작하였다. 이 시험 블록은 마이크로 스트립 선로의 길이에 따라 2개의 SMA 커넥터 위치를 가변할 수 있도록 4개의 SMA 커넥터 장착 구멍과 마이크로 스트립 기판을 고정할 수 있는 구조이며, 마이크로 스트립 선로의 길이는 20, 40, 60 mm로 제작하였다「제작에 사용된 기판은 Rogers사의 RT588O®, 두께 0.787 mm이며, SMA 커넥터는 동일 제조회사의 것으로 동일한 제품을 사용하였다. 제작된 트랜지션의 S-파라미터 %, S2l, S12 및 S끄를 측정하기 위한 측정 장비로 HP8510C Network Analyzer(NA)를 사용하였다.
널리 사용된다. 트랜지션에서 반사 손실과 삽입 손실을 개선시키기 위해 설정한 설계 변수 Dga, Dv, (応 및 Zs의 최적 값은 상용 소프트웨어인 MWS”1 을 사용하여 도출하였으며, 시뮬레이션에 적용한 50 Q 마이크로스트립 선로는 0.254, 0.508 및 0.787 mm 두께 의 Rogers사 RT5880(유전율: 2.2) 기 판을 적용하여 각각 수행하였다. 시뮬레이션에서 동축선로는 균일한 50 Q 특성을 갖는 무손실 선로로 가정하였으며, 설계 변수들의 최적 값은 다음의 순서에 의해 각각 구하였다.

데이터처리

수직 트랜지션의 설계 변수들로는 마이크로 스트립 접지면에 위치한 접지 개구면의 지름과 오프셋 크기, 마이크로스트립 선로의 종단에 위치한 스텁 길이, 그리고 동축 선로의 내부 도체 끝부분에 위치한 프로브의 직경을 설계 변수로 설정하였으며, 상용 전자기 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하여 최적 설계 값을 도출하였다. 도출된 설계 값을 검증하기 위하여 마이크로파 대역에서 널리 사용되는 SMA 커넥터와 0.787 mm 두께의 PTFE 기판을 사용하여 시료를 제작, 즉정을 통하여 시뮬레이션 결과와 비교 분석하였다.

이론/모형

787 mm이며, SMA 커넥터는 동일 제조회사의 것으로 동일한 제품을 사용하였다. 제작된 트랜지션의 S-파라미터 %, S2l, S12 및 S끄를 측정하기 위한 측정 장비로 HP8510C Network Analyzer(NA)를 사용하였다.
측정할 수가 있다. 측정된 S-파라미터로부터 SMA 커넥터 1개에 대한 S-파라미터는 네트웍 이론을 이용하여 구한다. 여기서 2개의 SMA 커넥터는 동일한 특성을 가지고 있다고 가정하였다.

성능/효과

5 mm로 하였다. 시뮬레이션 결과 설계 변수들 중에서 Dga, Dy 및。(力가 비교적 반사 계수에 많은 영향을 주는 것으로 확인되었으며; 0.787 mm 두께 의 기판의 경우 DGA, Dy, Oga 및 屁의최적 설계 변수 값들은 각각 2.8 mm, 0.4 mm, -0.4 mm 및 0.2 mm로 구해졌다. 그러나 통상적인 SAM 커넥터와 마이크로스트립 선로 트랜지션의 경우 Dga, Dv 및 0砌 값들은 각각 4.
이를 위하여 마이크로스트립 선로를 20, 40, 60 mm로각각 5개씩 제작하고 동일한 커넥터와 시험 블록을 사용하여 측정, 그 결과를 평균하여 단위 길이에 대한 손실 값을 도출하였다. 그 결과 제작된 마이크로 스트립 선로의 평균 손실은 20 GHz에서 0.11 dB/cm 로 측정되었다. 측정 결과와 시뮬레이션 결과의 편차를 알아보기 위하여 관심 주파수 영역인 0.
일반적으로 수직 트랜지션의 경우, 20 GHz를 기준으로 볼 때 반사 계수의 값은 -10-----15 dB 수준이다. 따라서 본 연구 결과에서 제시한 설계 변수 Dga, Dy, Oga 및 厶의 적용을 통한 동축-마이크로스트립 수직 트랜지션 연구 결과는 상당히 진보된 것이다. 특히, 설계 변수들의 대부분이 인쇄 회로 기판의 패턴으로 형성이 가능하고, 단지 비아 홀(Dr)의 지름과 동일한 프로브를 갖는 SMA 커넥터를 사용하면 된다.
787 mm 두께 기판의 트랜지션에서 시뮬레이션 결과로부터 얻은 설계 값을 적용한 경우와 일반적인(normal) 값을 적용한 경우에 대한 반사 계수 및 전송 계수를 나타낸 것이다. 이 결과로부터 설계된 트랜지션의 경우에는 DC~20 GHz 범위에서 반사 계수가 -24 dB보다 적은 값을 가지나 일반적인 값이 적용된 경우에는 20 GHz 주파수에서 -8 dB보다 큰 반사 계수 값을 갖는 것으로 확인되었다. 또한 설계된 트랜지션의 경우, 전송계수는 DC~20 GHz 범위에서 -0.
측정을 통하여 순수한 트랜지션만의 阳파라미터를 주줄 하기 위하여, 측정 결과에 포함된 SMA 커넥터 효과를 제거하기 위한 2가지 방법을 제안하였다. 즉, 산란 행렬을 이용한 방법과 측정 장비(NA)에서 제공하는 시간 평면에서의 임펄스 응답 특성을 이용한 방법을 적용하였으며, SMA 커넥터 영향을 제거한 후, 보정된 트랜지션의 반사 계수는 0.05~20 GHz의 주파수 범위에서 -22 dB보다 적고, 전송 계수는 —0.45 dB보다 큰 값으로서 매우 만족할만한 특성을 보였다. 본 연구에서 제안된 설계 방법은 상업용으로 많이 사용되고 있는 인쇄형 안테나 혹은 마이크로 스트립 선로를 응용한 마이크로파 송수신기 등에서 동축선로와 회로 기판이 수직으로 결합되는 트랜지션 설계에 매우 유용하게 사용될 수 있을 것이다.
측정 결과를 종합해 보면 0.05-20 GHz의 주파수범위에서 반사 계수는 -22 dB보다 낮으며, 전송 계수는 -0.45 dB보다 큰 값으로 넓은 대역에 걸쳐 양호한 특성을 보였다. 동축-마이크로스트립 수직 트랜지션의 경우 협대역에 대한 특성 개선은 비교적 쉬우나 광대역에 걸쳐 낮은 반사 계수를 갖도록 설계하는 것은 어려움이 있다.
11 dB/cm 로 측정되었다. 측정 결과와 시뮬레이션 결과의 편차를 알아보기 위하여 관심 주파수 영역인 0.05-20 GHz의 주파수 범위에 대하여 평균 편차를 구해본 결과 반사 계수 Sll, cor(SM)과 %sim과의 평균 편차는 -3.37 dB로 계산되었으며, 측정 결과에 기초로 한 2 가지 보정 방법에 의한 평균 편차는 0.68 dB로 거의 일치하였다. 여기서 반사 계수의 평균 편차 -3.

후속연구

45 dB보다 큰 값으로서 매우 만족할만한 특성을 보였다. 본 연구에서 제안된 설계 방법은 상업용으로 많이 사용되고 있는 인쇄형 안테나 혹은 마이크로 스트립 선로를 응용한 마이크로파 송수신기 등에서 동축선로와 회로 기판이 수직으로 결합되는 트랜지션 설계에 매우 유용하게 사용될 수 있을 것이다.

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