[논문]짧은 천이길이를 갖는 Ku-대역 감소단축도파관 대 마이크로스트립 모드 변환기

오현석; 염경환

doi:10.5515/kjkiees.2008.19.12.1435

[국내논문] 짧은 천이길이를 갖는 Ku-대역 감소단축도파관 대 마이크로스트립 모드 변환기
A Ku-Band Reduced Height Waveguide to Microstrip Mode Converter with a Short Transition Length 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.19 no.12 = no.139, 2008년, pp.1435 - 1444

오현석 (충남대학교 전파공학과) , 염경환 (충남대학교 전파공학과)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 짧은 천이길이를 갖는 감소단축도파관(redured-height waveguide) 대 마이크로스트립 모드 변환기(mode converter)를 설계하였다. 모드 변환기는 E-평면 프로브를 이용한 모드 변환기와 변형된 임피던스 변환기로 구성되어진다. E-평면 프로브를 이용한 모드 변환기는 50 ohm 릿지(ridge) 도파관의 릿지 상단에 단락된 프로브를 이용하여 설계하였다. 이 모드 변환기에 이용된 50 ohm 릿지 도파관과 감소단축도파관을 연결하기 위해 변형된 임피던스 변환기를 설계하였다. 이와 같이 구성된 전체 모드 변환기의 대역을 넓히기 위해, 두 구조의 결합도를 조정하였다. 저손실 및 Ku-대역 전체에서 동작하도록 구조를 최적화한 후 모드 변환기를 제작하였다 제작된 2개의 모드 변환기를 직접 연결(thru)한 S-파라미터와 모드 변환기 사이에 라인(line) 도파관을 삽입한 후 S-파라미터를 측정하였다. 측정된 2개의 S-파라미터를 이용하여 단일 모드 변환기의 성능을 추출하였다. 이렇게 추출된 모드 변환기의 성능은 커텍터 손실을 포함하고 있어, 커백터 손실을 측정하여 보상하였다. 모드변환기는 직각구조로 7.2 mm의 천이길이를 가지며, 중심 주파수에서 0.12 dB 삽입 손실과 Ku 전대역에서 10dB 이상의 반사 손실을 갖는 우수한 특성을 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we designed a reduced height waveguide(WG) to microstrip mode converter with a short transition length. The mode converter is composed of a mode converter using E-plane probe and a modified impedance transformer. The mode converter was designed using a probe shorted to top of a 50 ohm ridge WG. The modified impedance transformer was designed to connect the mode converter to the reduced height WG. For wide bandwidth operation, the coupling of the two parts was tuned. The structure of the mode converter was optimized for low loss and wide bandwidth, and the optimized mode converter was fabricated. The performance of the mode converter was extracted using the thru and line S-parameters for back-to-back connections, and the connector loss was calibrated. The mode converter has a right angle structure and short transition length, 7.2 mm. The mode converter shows excellent performances; the insertion loss of 0.12 dB at 15 GHz, and the return loss above 10 dB for the full Ku-band.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

이러한 모드 변환기는 임피던스 정합과 전자계 형상의 정합이 필요하게 된다. 본 논문은 직각구조의 감소 단축 도파관 입력을 가지는 초고주파 집적회로 모듈에 필요한 모드 변환기에 관한 것으로, 이 경우 초고주파 집적회로 모듈의 두께는 모드 변환기의 천이길이에 의해 결정된다. 따라서 짧은 천이길이를 갖는 모드 변환기는 초고주파 집적회로 모듈의 두께를 줄여서 안테나의 탐색각을 크게 한다.
본 논문에서는 Ku-대역에서 감소단축도파관 대 마이크로 스트립 모드 변환기를 설계를 보였다. 설계된 감소단축도파관 대 마이크로스트립 모드 변환기는 별도의 조정 과정이나 추가 정합회로 없이 제작하였으며, 중심 주파수 대역에서 0.

가설 설정

8. Definition of length parameters for the coupling tuning of the mode converter.

제안 방법

릿지 도파관은 마이크로스트립과 유사한 전계 형태를 가지며, 프로브 형상에 따른 민감도를 줄이기 위해 프로브의 끝단을 단락한 E-평면 프로브를 구성하였다. 이 모드 변환기에 이용된 50 ohm 릿지 도파관과 감소단축도파관을 연결하기 위해 변형된 임피던스 변환기를 설계하였다. 임피던스 변환기는 짧은 천이길이를 갖고 대역이 감소하지 않도록 계단형 릿지를 이용한 변형된 2단 릿지 도파관 임피던스 변환기를 사용하여 설계하였다.
본 논문에서는 단락된 E-평면 프로브와 50 ohm 릿지 도파관을 이용하여 기본적인 모드 변환기를 구성하였다. 릿지 도파관은 마이크로스트립과 유사한 전계 형태를 가지며, 프로브 형상에 따른 민감도를 줄이기 위해 프로브의 끝단을 단락한 E-평면 프로브를 구성하였다.
릿지 도파관은 마이크로스트립과 유사한 전계 형태를 가지며, 프로브 형상에 따른 민감도를 줄이기 위해 프로브의 끝단을 단락한 E-평면 프로브를 구성하였다. 이 모드 변환기에 이용된 50 ohm 릿지 도파관과 감소단축도파관을 연결하기 위해 변형된 임피던스 변환기를 설계하였다.
이 모드 변환기에 이용된 50 ohm 릿지 도파관과 감소단축도파관을 연결하기 위해 변형된 임피던스 변환기를 설계하였다. 임피던스 변환기는 짧은 천이길이를 갖고 대역이 감소하지 않도록 계단형 릿지를 이용한 변형된 2단 릿지 도파관 임피던스 변환기를 사용하여 설계하였다. 이와 같이 구성된 전체 모드 변환기의 대역을 넓히기 위해, An- soft사의 HFSS를 사용하여 두 구조의 결합도를 최적화한 뒤 제작하였다.
임피던스 변환기는 짧은 천이길이를 갖고 대역이 감소하지 않도록 계단형 릿지를 이용한 변형된 2단 릿지 도파관 임피던스 변환기를 사용하여 설계하였다. 이와 같이 구성된 전체 모드 변환기의 대역을 넓히기 위해, An- soft사의 HFSS를 사용하여 두 구조의 결합도를 최적화한 뒤 제작하였다.
도파관의 전기각이 동일할 때 위상상수를 늘리면, 전송선의 물리적 길이를 줄일 수 있다. 이를 위해 도파관의 장축을 감소시키고, 도파관 내부에릿지를 설정한다. 동일 주파수 대역에서 단순한 감소 단축 도파관의 장축의 감소는 차단 주파수를 높여 사용 대역에서 실효적일 수 없다.
동일 주파수 대역에서 단순한 감소 단축 도파관의 장축의 감소는 차단 주파수를 높여 사용 대역에서 실효적일 수 없다. 따라서 이를 개선하기 위해 장축이 감소된 도파관 내부에 릿지를 구성하여 위상상수를 크게 한다. 릿지 도파관은 그림 5에서 보는 바와 같이 그림 5(a)의 릿지의 폭과 높이에 따라, 그림 5(b)에 보인 도파관의 특성 파라미터인 차단파장과 그림 5(c)에 보인 임피던스를 조정할 수 있다.
앞서 각각 개별적으로 설계한 모드 변환기와 2단의 복합 계단형 임피던스 변환기 구조를 통합하여, 최종적인 감소단축도파관 대 마이크로스트립 모드 변환기를 설계하였다. 모드 변환기를 설계하기 위한 통합 과정에서 두 구조의 적절한 결합이 요구된다.
확인하였다. 모드 변환기의 반사 손실을 보다 개선하기 위해 久를 0.42 mm로 줄여 두 구조를 근접시키고, 각각의 길이를 재조정하였다. 이때 5、1由如板는 (3.
최종적으로 모드 변환기의 손실을 고려하기 위해 인쇄 회로 기판 (PCB: Printed Circuit Board)에서의 유전체의 손 실과도체 손실을 포함하였다. 도파관의 수직면에서 둥근 처리와 도금에 의한 곡면 현상을 고려하여 모드 변환기의 성능을 최적화 하였다. 그 결과 ( Zj, /2, 13, 1„ 儿)는 (3.
본 논문을 통해 설계된 감소단축도파관 대 마이크로 스트립 모드 변환기를 평가하기 위해 그림 10과같이 제작하였다. 모드 변환기는 상판 블록(top)과 하판 블록(bottom)으로 구성되어 진다.
모드 변환기의 종래 성능 평가 방법은 2개의 변환기를 back-to-back으로 연결하여 측정한 뒤叫 나타난 손실을 이분하여 삽입 손실로 평가하였다. 그러나
모드 변환기를 설계하기 위한 통합 과정에서 두 구조의 적절한 결합이 요구된다. 두 구조의 상호 결합도 조정을 위해서 그림 8에 표시한 계단형 릿지에서의 길이 값들( 九, 12, 13, 久) 과뒷면 단락 거리( 々)를 변경하였다. 짧은 길이를 만족하고 대역이 넓은 최적의 결합을 찾기 위해 각 과정에서의 반사 손실을 그림 9에 나타내었다.

대상 데이터

이러한 대역 개선 특성은 프로브에서의 불연속 도파관 구조의 부하 효과问에 기인한다. 최종적으로 모드 변환기의 손실을 고려하기 위해 인쇄 회로 기판 (PCB: Printed Circuit Board)에서의 유전체의 손 실과도체 손실을 포함하였다. 도파관의 수직면에서 둥근 처리와 도금에 의한 곡면 현상을 고려하여 모드 변환기의 성능을 최적화 하였다.
동축 커넥터는 Anritsu사의 K-커넥터를 사용하였으며, 이는 글래스 비드(glass bead)를필요로 하여 이의 장착을 위해 그림 10에 보인 커넥터 캐 리어(connector carrier)를 사용하였다. 마이크로 스트립에 의한 손실을 최소화하기 위해 상용 고주파 박막형 인쇄 회로 기판(laminate PCB) 중 손실 탄젠트 값이 0.0009인 Rogers사의 RT-Droid 5880 10 mil 기판[負을 선택하였다. 본 논문에서 사용한 단락형 프로브의 경우, 프로브와 릿지의 전기적, 기계적 연결이 중요하다.

이론/모형

그러나 여전히 대역폭과 손실에 있어서 개선의 여지를 보인다. Alhbom 및 공동연구자들은 E-평면 T-형 프로브를 사용하였다. 그러나 뒷면 단락(back-short)을 가변시켜야 하는 불편함과 좁은 대역 특성을 가진다"

성능/효과

결론적으로릿지 도파관을 이용한 구성은 마이크로 스트립과의 정합을 보다 용이하게 한다.
따라서, 릿지 도파관 차단 파장의 증가는 관내파장을 줄이게 된다. 결과적으로 1/4 파장 릿지 도파관이 같은 전기각의 감소 단축 도파관에 비해 길이 단축 효과가 있음을 알 수 있다. 반면 이를 이용한 임피던스 변환기의 대역은 줄어들
2 mm, 짧은 길이를 가진다. 그림 7의 전압 정재파비(voltage standing wave ratio)로 대역을 비교하면, 본 논문의 임피던스 변환기가 기존의 변환기들에 비해 대역이 개선되는 것을 확인할 수 있었다.
이를 위해 그림 14와 같은 마이크로스트립 측정용 지그를 별도로 제작하였다. 네트워크 분석기로 측정된 지그의 손실을 0.370 dB였으며, 마이크로스트립 손실만을즉정 하기 위해 Anritsu 3860K test fixture로 즉정 한 결과 0.08 dB의 선로 손실 값을 얻었다. 결과적으로 커넥터만의 손실은 0.
설계된 감소단축도파관 대 마이크로스트립 모드 변환기는 별도의 조정 과정이나 추가 정합회로 없이 제작하였으며, 중심 주파수 대역에서 0.12 dB의 저손실을 보였다. 본 논문에서 제작된 모드 변환기와 기존의 감소단축도파관 모드 변환기'9™ 결과들을 비교하여 전압 정재파비 (voltage standing wave ratio)로 그림 15에 표시하였다.
그림에서 본 논문의 모드 변환기는 기존의 변환기에 비해 넓은 대역폭을 가짐을 알 수 있다. 손실 측면에 보면, 일반 도파관 대 동축선 모드 변환기㈣의 경우 약 0.3(山의 삽입 손실을 보이는데, 본 논문의 모드 변환기는 전송 손실이 큰 감소단축도 파관에서 구현했음에도 불구하고, 손실이 0.12 dB로 매우 작은 것을 알 수 있다.
08 dB의 선로 손실 값을 얻었다. 결과적으로 커넥터만의 손실은 0.290 dB임을 알 수 있었다. 이 값으로 추출한 변환기의 손실에서 보정(calibration)하였다.

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