본 논문에서는 K-커넥터를 사용하지 않고 다수의 전력증폭기를 WR-28 도파관에서 전력 합성하기 위해 마이크로스트립 전송 선로를 도파관으로 직접 변환하는 2가지 형태의 개방형 E-평면 프로브를 최적 설계하고, 이를 활용한 변환기를 제작, 평가하였다. 중심 주파수 35 GHz에서 ${\pm}500MHz$의 대역폭을 가지며, 0.1 dB의 삽입 손실과 20 dB 이상의 반사 손실을 목표로 변환기 설계가 진행되었으며, 제작 시 발생할 수 있는 지그 가공 및 조립오차에 대한 특성도 3차원 전자기 시뮬레이션을 통해 고려하였다. 16 mm와 26.57 mm의 마이크로스트립 선로를 가지는 back-to-back 변환기 구조를 제작하였으며, 35 GHz에서 변환기 당 약 0.1 dB의 우수한 삽입 손실을 얻었고, Ka 대역 전체 주파수 영역에서 평균 0.2 dB의 삽입 손실 특성을 보였다. 반사 손실의 경우, back-to-back 구조가 Ka 대역에서 15 dB 이상의 특성을 보여 변환기 자체로는 20 dB 이상의 값을 가지는 것으로 파악되었다.
본 논문에서는 K-커넥터를 사용하지 않고 다수의 전력증폭기를 WR-28 도파관에서 전력 합성하기 위해 마이크로스트립 전송 선로를 도파관으로 직접 변환하는 2가지 형태의 개방형 E-평면 프로브를 최적 설계하고, 이를 활용한 변환기를 제작, 평가하였다. 중심 주파수 35 GHz에서 ${\pm}500MHz$의 대역폭을 가지며, 0.1 dB의 삽입 손실과 20 dB 이상의 반사 손실을 목표로 변환기 설계가 진행되었으며, 제작 시 발생할 수 있는 지그 가공 및 조립오차에 대한 특성도 3차원 전자기 시뮬레이션을 통해 고려하였다. 16 mm와 26.57 mm의 마이크로스트립 선로를 가지는 back-to-back 변환기 구조를 제작하였으며, 35 GHz에서 변환기 당 약 0.1 dB의 우수한 삽입 손실을 얻었고, Ka 대역 전체 주파수 영역에서 평균 0.2 dB의 삽입 손실 특성을 보였다. 반사 손실의 경우, back-to-back 구조가 Ka 대역에서 15 dB 이상의 특성을 보여 변환기 자체로는 20 dB 이상의 값을 가지는 것으로 파악되었다.
In this paper, two kinds of E-plane microstrip-to-waveguide transitions are optimally designed and fabricated for combining output power from multiple small-power amplifiers in a WR-28 waveguide because conventional K connectors cause unnecessary insertion loss and adaptor loss. The transition desig...
In this paper, two kinds of E-plane microstrip-to-waveguide transitions are optimally designed and fabricated for combining output power from multiple small-power amplifiers in a WR-28 waveguide because conventional K connectors cause unnecessary insertion loss and adaptor loss. The transition design is based on target specifications such as a center frequency of 35 GHz, bandwidth of ${\pm}500MHz$, 0.1 dB insertion loss and 20 dB return loss. Performance variation caused by mechanical tolerance and assembly deviation is fully evaluated by three dimensional electromagnetic simulation. The fabricated back-to-back transitions with 16 mm and 26.57 mm interstage microstrip lines show insertion loss per transition of ~0.1 dB at 35 GHz and average 0.2 dB over full Ka band. Also the back-to-back transition shows return loss greater than 15 dB, which implies that the transition itself has return loss better than 20 dB.
In this paper, two kinds of E-plane microstrip-to-waveguide transitions are optimally designed and fabricated for combining output power from multiple small-power amplifiers in a WR-28 waveguide because conventional K connectors cause unnecessary insertion loss and adaptor loss. The transition design is based on target specifications such as a center frequency of 35 GHz, bandwidth of ${\pm}500MHz$, 0.1 dB insertion loss and 20 dB return loss. Performance variation caused by mechanical tolerance and assembly deviation is fully evaluated by three dimensional electromagnetic simulation. The fabricated back-to-back transitions with 16 mm and 26.57 mm interstage microstrip lines show insertion loss per transition of ~0.1 dB at 35 GHz and average 0.2 dB over full Ka band. Also the back-to-back transition shows return loss greater than 15 dB, which implies that the transition itself has return loss better than 20 dB.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
을 확장하여 수십～수백 W의 전력 증폭 모듈을 만들기 위해서는 기존 모듈을 소형 전력 모듈로 분리하고, 이를 도파관 전력 합성기를 통해 확장, 결합 함으로써 원하는 출력 전력을 합성할 수 있다. 따라서 본 논문에서는 이를 위한 마이크로스트립-도파관변환기를 개발하고자 하며, 전력 증폭 모듈에 사용된 기판이 상대유전율이 9.8인 단단한 재질의 알루 미나 기판이므로 슬롯 결합 방식이나 finline 방식의 변환 구조보다는 E-평면 프로브 형태가 적절하다. 단락형과 개방형의 선택은 조립 시 도파관을 조립의 정렬 기준으로 삼느냐, 아니면 도파관의 개구부(마이크로스트립 연결부)를 기준으로 삼느냐에 따라 선택될 수 있으며, 본 연구에서는 개방형 E-평면 프로브를 사용하였다[5].
본 논문에서는 개방형 E-평면 프로브를 활용하여 2가지 형태의 Ka 대역 마이크로스트립-도파관 변환기를 설계 및 제작하였다. 중심 주파수 35 GHz에서 약 0.
최적화된 변환기를 실제 제작할 때 발생할 수 있는 제작 오차에 의한 성능 변화를 알아보았다. 프로브 폭과 단락 길이, 가로 방향의 기판 삽입 오차, 세로(길이) 방향의 기판 삽입 오차를 제작 오차로 고려하였으며, A형, B형 두 가지에 대하여 일정한 범위로 변화를 주어 성능을 관찰하였다.
제안 방법
변환기가 광대역 특성을 가지기 위해서는 되도록 작은 임피던스 궤적을 가지는 프로브의 설계가 중요하며, 궤적의 위치를 주로 결정하는 프로브의 길이보다는 프로브 폭이 주요 변수가 된다. 따라서 기본 설계는 프로브의 삽입 깊이가 도파관의 전계 특성에 미치는 영향을 고려하여 도파관의 1/2 깊이 지점으로 설정하였으며, 프로브의 폭을 변수로 설정하여 프로브의 임피던스 궤적을 최적화하였다.
변환기는 S-파라미터 측정을 위하여 back-to-back 구조로 제작되었으며, VNA(Vector Network Analyzer)로 측정할 때 사용되는 2개의 도파관-K 커넥터의 어댑터 길이를 고려하여 변환기 사이의 전송 선로는 16 mm로 설정하였다. 또한, 전송 선로만의 삽입 손실을 추출하기 위해 중심 주파수(35 GHz)의 파장보다 조금 더 긴 선로를 추가하여 26.57 mm의 전송 선로를 가진 back-to-back 변환기도 함께 제작하였다.
5 mm 폭의 기판과 동일한 크기로 그림 9와 같이 제작되었다. 변환기는 S-파라미터 측정을 위하여 back-to-back 구조로 제작되었으며, VNA(Vector Network Analyzer)로 측정할 때 사용되는 2개의 도파관-K 커넥터의 어댑터 길이를 고려하여 변환기 사이의 전송 선로는 16 mm로 설정하였다. 또한, 전송 선로만의 삽입 손실을 추출하기 위해 중심 주파수(35 GHz)의 파장보다 조금 더 긴 선로를 추가하여 26.
프로브의 모양에 따른 성능 변화를 보기 위해 직사각형과 부채꼴 형태의 프로브를 시뮬레이션 하였으며, 부채꼴 프로브는 중심각을 30도, 45도, 60도로 설정하였다. 스미스 차트에서의 임피던스 궤적을 관찰한 결과, 중심각이 클수록 광대역 정합이 가능한 형태를 보였으나, 부채꼴 프로브가 직사각형 프로브 보다 작은 임피던스 궤적을 가진다고는 보이지 않아, 설계와 제작 편이성을 고려하여 직사각형 프로브에 대해서만 최적화를 수행하였다. 직사각형의 프로브에 대한 최적화는 표 2와 같이 프로브의 폭과 단락(backshort) 길이를 일정한 범위로 조정한 후 임피던스 정합을 하였으며, 각 변수에 대한 성능 비교를 통해 설계 파라미터들을 최적화하였다.
스미스 차트에서의 임피던스 궤적을 관찰한 결과, 중심각이 클수록 광대역 정합이 가능한 형태를 보였으나, 부채꼴 프로브가 직사각형 프로브 보다 작은 임피던스 궤적을 가진다고는 보이지 않아, 설계와 제작 편이성을 고려하여 직사각형 프로브에 대해서만 최적화를 수행하였다. 직사각형의 프로브에 대한 최적화는 표 2와 같이 프로브의 폭과 단락(backshort) 길이를 일정한 범위로 조정한 후 임피던스 정합을 하였으며, 각 변수에 대한 성능 비교를 통해 설계 파라미터들을 최적화하였다.
최적화된 변환기를 실제 제작할 때 발생할 수 있는 제작 오차에 의한 성능 변화를 알아보았다. 프로브 폭과 단락 길이, 가로 방향의 기판 삽입 오차, 세로(길이) 방향의 기판 삽입 오차를 제작 오차로 고려하였으며, A형, B형 두 가지에 대하여 일정한 범위로 변화를 주어 성능을 관찰하였다.
프로브의 모양에 따른 성능 변화를 보기 위해 직사각형과 부채꼴 형태의 프로브를 시뮬레이션 하였으며, 부채꼴 프로브는 중심각을 30도, 45도, 60도로 설정하였다. 스미스 차트에서의 임피던스 궤적을 관찰한 결과, 중심각이 클수록 광대역 정합이 가능한 형태를 보였으나, 부채꼴 프로브가 직사각형 프로브 보다 작은 임피던스 궤적을 가진다고는 보이지 않아, 설계와 제작 편이성을 고려하여 직사각형 프로브에 대해서만 최적화를 수행하였다.
대상 데이터
최적화된 설계 구조를 바탕으로 마이크로스트립도 파관 변환기를 제작하였고, 제작된 변환기는 전력 증폭 모듈에 통합되어 사용될 예정이므로 전력모듈에서 사용하고 있는 3.5 mm 폭의 기판과 동일한 크기로 그림 9와 같이 제작되었다. 변환기는 S-파라미터 측정을 위하여 back-to-back 구조로 제작되었으며, VNA(Vector Network Analyzer)로 측정할 때 사용되는 2개의 도파관-K 커넥터의 어댑터 길이를 고려하여 변환기 사이의 전송 선로는 16 mm로 설정하였다.
데이터처리
제작된 16 mm 전송 선로의 A형, B형 back-to-back 구조와 선로의 삽입 손실 추출을 위한 26.57 mm 전송 선로의 A형 back-to-back 구조를 VNA로 측정한 후 그림 10에서 시뮬레이션 결과와 비교하였다.
이론/모형
8인 단단한 재질의 알루 미나 기판이므로 슬롯 결합 방식이나 finline 방식의 변환 구조보다는 E-평면 프로브 형태가 적절하다. 단락형과 개방형의 선택은 조립 시 도파관을 조립의 정렬 기준으로 삼느냐, 아니면 도파관의 개구부(마이크로스트립 연결부)를 기준으로 삼느냐에 따라 선택될 수 있으며, 본 연구에서는 개방형 E-평면 프로브를 사용하였다[5].
성능/효과
5 mm의 위치 오차가 발생했을 때의 성능 변화를 보여주고 있다. A형, B형 변환기 모두 28～40 GHz 대역에서 0.1 dB 이하의 삽입 손실과 20 dB 이상의 반사 손실 특성을 보였고, 기존의 최적화된 특성과 거의 차이가 없었다. 따라서 기판 삽입 시 기계적 가공 오차에 의해 가로 방향으로 위치가 변하여도 성능에는 영향을 주지 않는다.
1 mm 이동하였을 때의 성능을 나타내었다. A형, B형 변환기 모두 28～40 GHz 대역에서 0.1 dB 이하의 삽입 손실과 20 dB 이상의 반사 손실을 나타내었으며, 기존의 최적화된 성능과 거의 차이가 없었다. 따라서 단락의 위치 변화에 따른 성능 변화는 거의 없는 것으로 예상되었다.
1 dB의 리플 특성을 보였다. Back-to-back 변환기 기준으로 15 dB 이상의 반사 손실이 측정되었으며, 시뮬레이션 결과와 비교했을 때 단일 변환기를 기준으로 20 dB 이상의 반사 손실 특성이 획득되었음을 알 수 있었다. 개발된 변환기는 수십 개의 3 W 소형 전력증폭 모듈을 도파관에서 전력 합성하는데 사용될 예정이다.
35 mm에서 최적의 성능을 얻을 수 있었으며, 도출된 구조의 시뮬레이션 결과를 그림 4에 나타내었다. 그림에 보인 바와 같이 A형, B형 구조 모두 28～40 GHz 대역에서 0.1 dB 이하의 삽입 손실과 20 dB 이상의 반사 손실 특성을 확보할 수 있었다.
모든 파라미터에 대하여 동시에 임피던스 정합과정을 수행할 수 없기 때문에 주요 파라미터에 대한 시뮬레이션을 하면서 성능이 개선되는 경향을 찾았다. 시뮬레이션 결과, 프로브 폭 0.
이는 마이크로스트립 전송 선로의 손실이 시뮬레이션 결과보다 약간 큰 값을 보였고, 가공과 조립 오차로부터 추가 손실이 발생하였기 때문이다. 반사 손실의 경우, 변환기 자체의 반사 손실은 25 dB 이하의 값을 가지지만, back-to-back으로 연결할 경우 변환기 상호 간에 발생하는 약간의 부정합 효과로 15 dB 근처까지 상승하는 것을 시뮬레이션으로 확인하였으며, 측정 결과에서도 동일한 현상이 관찰되었다. 따라서 변환기의 반사 손실은 시뮬레이션에서 예상한 바와 같이 20 dB 이하의 값을 보임을 추정할 수 있다.
본 논문의 결과는 임피던스 부정합 효과가 작은 낮은 비유전율 기판과 작은 도전 손실의 후막 공정을 사용한 기존 발표 논문의 개방형 E-평면 프로브와 비교할 때 동등하거나 우수한 삽입 손실 특성을 보여주었으며, back-to-back 연결시 발생하는 부정합에 의한 리플도 Ka 전 대역에서 기존보다 작은 ±0.1 dB 이내의 값을 가져, 도파관 전력 합성을 위한 변환기가 성공적으로 설계되고, 제작되었음을 보여주고 있다.
전체적으로 back-to-back 변환기 구조의 경우, 삽입 손실은 약 0.2 dB 정도 증가된 특성을 보였고, 반사 손실은 대체로 15 dB 이하의 값을 유지하고 있어 변환기 하나에 대한 삽입 손실은 0.1 dB 증가된 값을 보이며, 반사 손실은 설계된 대로 20 dB 이상의 특성을 가지는 것으로 판단된다. 삽입 손실 및 반사 손실의 리플은 20 dB로 정합된 두 개의 소자를 back-to-back으로 연결할 때 미세한 상호 부정합에 의해 다중반사가 발생하게 되고, 이로 인해 주기적인 특성 변화가 관찰되게 되는 것이다.
삽입 손실의 리플은 back-to-back 측정 과정에서 발생된 리플이 디 임베딩에서 그대로 투영되어 변환기 하나에 대한 삽입 손실 값에 반영되었다. 중심 주파수 35 GHz에서 A형, B형 변환기 당 삽입 손실은 약 0.12 dB의 값을 보였다.
중심 주파수 35 GHz에서 약 0.1 dB의 우수한 삽입 손실을 가지며, Ka 대역 전체에서 평균 0.2 dB의 삽입 손실과 ±0.1 dB의 리플 특성을 보였다.
그림 10(a)는 16 mm 전송 선로의 A형 back-to-back 구조에 대한 시뮬레이션과 측정값을 보여주고 있다. 측정 결과에 나타난 바와 같이 Ka 대역 전체 주파수 영역에서 약 0.6 dB의 삽입 손실을 보였고, 35 GHz에서는 시뮬레이션 값과 약 0.2 dB의 차이를 보였다. 이는 마이크로스트립 전송 선로의 손실이 시뮬레이션 결과보다 약간 큰 값을 보였고, 가공과 조립 오차로부터 추가 손실이 발생하였기 때문이다.
57 mm의 전송 선로를 가지는 A형 back-to-back 변환기에 대한 시뮬레이션과 측정값을 보여주고 있다. 측정값은 Ka 대역 전체 영역에서 약 0.8～0.9 dB의 삽입 손실과 15 dB 이상의 반사 손실 특성을 보였다. 그림 10(a)와 10(b)의 결과로부터 10 mm의 전송 선로 손실이 부정합 효과에 따라 약간의 리플 특성을 가지지만 약 0.
측정된 A형, B형 변환기는 Ka 전 대역에서 ±0.1 dB의 리플을 가지면서 약 0.2 dB의 삽입 손실 특성을 보였으며, 시뮬레이션과 0.1 dB의 차이를 보였다.
후속연구
Back-to-back 변환기 기준으로 15 dB 이상의 반사 손실이 측정되었으며, 시뮬레이션 결과와 비교했을 때 단일 변환기를 기준으로 20 dB 이상의 반사 손실 특성이 획득되었음을 알 수 있었다. 개발된 변환기는 수십 개의 3 W 소형 전력증폭 모듈을 도파관에서 전력 합성하는데 사용될 예정이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
Ku 대역 단락형 프로브를 개방형 E-평면 프로브와 비교했을 때 어떤 장점이 있는가?
Ku 대역 단락형 프로브의 경우, 도파관에서의 우수한 특성에도 불구하고 기판을 도파관에 단락시켜야 하는 특성상 기판의 재질이 단단하여야 유리하므로 저유전율의 연성 기판을 사용하기 어려우며, 기판을 도파관에 접지시키는 과정에서 에폭시를 사용하므로 제작이 다소 까다롭다. 그러나 기판 삽입 길이 변화에 대해서는 개방형 E-평면 프로브를 사용하는 것보다 특성 변화가 적은 것이 장점이다.
기판의 슬롯(slot)을 활용하는 변환기 구조의 단점은 무엇인가?
기판의 슬롯(slot)을 활용하는 변환기 구조의 경우, 설계 자유도가 높고 저유전율 기판을 사용할 수 있으며, 광대역의 우수한 특성을 만들 수 있는 장점이 있다[3] . 그러나 도파관 지그를 기판 위에 바로 접착해야 하므로 세라믹과 같은 단단한 재질의 기판을 사용할 경우, 조립에 어려움을 겪을 수 있고, 비아 공정과 정밀한 양면 패턴 형성 공정을 사용해야 하는 단점이 있다.
증폭 소자로 MMIC 칩을 사용할 경우 무엇이 추가로 필요한가?
증폭 소자로 MMIC 칩을 사용하는 경우, 마이크 로스트립 전송 선로를 사용해서 연결해야 하므로 작은 손실을 가지는 마이크로스트립-도파관 변환기가 필요하게 된다. 마이크로스트립 모드를 도파관 진행파 모드로 변환시키는 방법으로 antipodal finline 형태의 변환기를 생각할 수 있다[1] .
참고문헌 (7)
Dong-Wook Kim, Seung-Won Paek, Jae-Hak Lee, Kye-Ik Jeon, Chae-Rok Lim, Young-Woo Kwon, and Ki-Woong Chung, "Design and fabrication of 77 GHz HEMT mixer modules using experimentally optimized antipodal finline transition", 30th European Microwave Conference, pp. 1-4, Oct. 2000.
Hyun-Seok Oh, Kyung-Whan Yeom, "A full-band reduced-height waveguide to microstrip transition with a short transition length", IEEE Trans. Microwave Theory and Techniques, vol. 58, no. 9, pp. 2456-2462, Sep. 2010.
Kazuyuki Seo, Kunio Sakakibara, and Nobuyoshi Kikuma, "Microstrip-to-waveguide transition using waveguide with large broad-wall in millimeter-wave band", Proceedings of 2010 IEEE International Conference on Ultra Wideband (ICUWB2010), pp. 1-4, 2010.
장석현, 김경학, 권태민, 김동욱, "펄스 타이밍 제어를 활용한 Ka-대역 10 W 전력증폭기 모듈", 대한전자공학회 논문지, 46(TC-12), pp. 14-21, 2009년.
Yoke Choy Leong, Sander Weinreb, "Full band waveguide- to-microstrip probe transitions", IEEE MTTS Int. Microwave Symposium Digest, pp. 1435-1438, 1999.
Y. C. Shih, T. N. Ton, and L. Q. Bui, "Waveguide- to-microstrip transitions for millimeter wave applications", IEEE MTT-S Int. Microwave Symposium Digest, pp. 473-475, 1988.
권혁자, 이성주, 장호준, "프로브 구조를 이용한 Ka 대역 도파관-마이크로스트립 트랜지션의 설계 및 제작", 대한전자공학회 논문지, 45(7), pp. 67-71, 2008년 7월.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.