[논문]비아 트랜지션을 갖는 마이크로스트립 선로를 이용한 링 하이브리드 결합기

김영; 심석현; 윤영철

doi:10.12673/jkoni.2013.17.6.658

[국내논문] 비아 트랜지션을 갖는 마이크로스트립 선로를 이용한 링 하이브리드 결합기
Ring Hybrid Coupler using Microstrip Line with Via Transition 원문보기

한국항행학회논문지 = Journal of advanced navigation technology, v.17 no.6 = no.63, 2013년, pp.658 - 663

김영 (금오공과대학교 전자공학과) , 심석현 (금오공과대학교 전자공학과) , 윤영철 (관동대학교 전자정보통신공학부)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 비아 트랜지션을 이용하여 마이크로스트립 선로를 구현하고 이것을 이용하여 다층 레이어를 사용하여 링 하이브리드 결합기를 설계하였다. 여기서 사용된 트랜지션은 서로 다른 레이어에 존재하는 마이크로스트립 선로를 연결하기 위해서 비아를 사용한 샌드위치 구조이다. 컴팩트한 RF/ 마이크로웨이브 소자를 설계하기 위해서 이러한 비아를 이용한 마이크로스트립 선로의 구현은 긴 전송선로를 짧게 구현할 수 있다. 이러한 트랜지션의 유용성을 보이기 위해서 중심 주파수 2 GHz에서 링 하이브리드 결합기를 구현하였다. 그 결과 특성은 시뮬레이션과 거의 동일함을 확인하였고, 크기는 기존 것과 비교하여 50% 줄일 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, a microstrip line implementation using via transition and its application of multilayer compact ring hybrid coupler are presented. This transition is the sandwich structure with via hole to connect two microstrip lines in different layer. For designing a compact RF/Microwave passive circuit, the microstrip line using via-hole transition is proposed to reduce a size of microwave circuit with long transmission line. For the validation of the microstrip line with via-hole transition, the multilayer ring hybrid coupler is implemented at center frequency of 2 GHz. The measured performances are in good agreement with simulation results and about 50% size reduction compare to conventional ring hybrid coupler.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 다른 레이어에 신호를 전달하기 위한 방법으로 비아 홀을 이용한 트랜지션을 사용하여 그 특성을 확인하고, 그 타당성을 보이기 위해서 링 하이브리드 결합기를 설계하였다. 대부분의 결합기들은 λ/4 마이크로스트립 전송선로를 이용하여 구현되기 때문에 그 크기를 줄이는데 제한이 존재한다.

제안 방법

그림 1과 같이 비아 홀을 이용한 트랜지션을 사용한 50 Ω 전송선로의 특성이 전통적인 전송선로와 동일한 특성을 얻기 위해서 슬롯의 크기를 변화시켜가면서 반사계수와 삽입손실의 전기적 특성을 확인하였다.
본 논문은 비아 홀 트랜지션을 이용한 샌드위치 구조의 전송선로를 이용하여 다층 레이어의 컴팩트한 링 하이브리드 결합기를 설계하였다. 여기서 사용한 샌드위치 구조는 긴 전송선로의 길이를 반으로 줄이도록 이용하였으며, 이것을 이용하여 링 하이브리드 결합기의 크기를 약 50% 줄일 수 있음을 확인하였다.
비아 홀 트랜지션을 가진 다층 기판 링 하이브리드 결합기를 구현하기 위해서 중심주파수가 2 GHz에서 시뮬레이션과 제작을 하였다.
샌드위치 구조의 비아 홀 트랜지션을 이용한 전송선로의 구현은 비아 홀 지름 d = 0.4 mm 그리고 슬롯 s = 0.3 mm 일 때가 가장 좋은 특성을 얻었으므로 이것을 이용하여 중심주파수가 2 GHz인 링 하이브리드 결합기를 구현하였다. 여기서는 70.
7 Ω 전송선로를 구현하도록 설계하였다. 시뮬레이션을 위해서 사용된 소프트웨어는 AWR사 Microwave Office를 사용하여 비아 홀을 이용한 샌드위치 구조의 트랜지션을 이용하여 전송선로를 설계하였다. 이러한 트랜지션을 이용하여 설계한 링 하이브리드 결합기는 그림 3에 나타내었다.
여기서는 70.7 Ω의λ/4와 3λ/4 전송선로를 서로 다른 레이어에 존재하는 λ/8와 3λ/8 전송선로 두 개로 구현하였다.
이러한 결과를 바탕으로 비아 홀을 이용한 샌드위치 구조의 트랜지션을 사용하여 50과 70.7 Ω 전송선로를 구현하도록 설계하였다.
대부분의 결합기들은 λ/4 마이크로스트립 전송선로를 이용하여 구현되기 때문에 그 크기를 줄이는데 제한이 존재한다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 다층 레이어를 사용하고, 다른 레이어에 존재하는 전송선로의 연결을 비아 홀을 이용한 샌드위치 구조를 사용하여 전송선로 길이를 반으로 줄이고, 이것을 이용하여 부품의 크기를 줄였다. 이러한 접근 방법의 배경과 그것을 통해서 중심주파수 2 GHz에서 동작하는 링 하이브리드 결합기를 설계, 구현 그리고 측정하였다.
이러한 문제를 해결하기 위해서 다층 레이어를 사용하고, 다른 레이어에 존재하는 전송선로의 연결을 비아 홀을 이용한 샌드위치 구조를 사용하여 전송선로 길이를 반으로 줄이고, 이것을 이용하여 부품의 크기를 줄였다. 이러한 접근 방법의 배경과 그것을 통해서 중심주파수 2 GHz에서 동작하는 링 하이브리드 결합기를 설계, 구현 그리고 측정하였다.

대상 데이터

이때 사용된 PCB는 유전율 εr =4.3, 유전체 두께 h = 0.787 mm인 에폭시 기판을 사용하였고, 사용된 전송선로의 임피던스는 50 Ω이다.

성능/효과

그림 5에서 나타낸 것처럼 측정된 결과와 시뮬레이션 결과가 거의 일치함을 알 수 있으며, 이러한 방법으로 구현하면 크기를 50% 줄 일 수 있음을 확인하였다.
본 논문은 비아 홀 트랜지션을 이용한 샌드위치 구조의 전송선로를 이용하여 다층 레이어의 컴팩트한 링 하이브리드 결합기를 설계하였다. 여기서 사용한 샌드위치 구조는 긴 전송선로의 길이를 반으로 줄이도록 이용하였으며, 이것을 이용하여 링 하이브리드 결합기의 크기를 약 50% 줄일 수 있음을 확인하였다. 제작된 결합기의 중심주파수 2 GHz에서 삽입 손실은 |S21|은 -3.
여기서 사용한 샌드위치 구조는 긴 전송선로의 길이를 반으로 줄이도록 이용하였으며, 이것을 이용하여 링 하이브리드 결합기의 크기를 약 50% 줄일 수 있음을 확인하였다. 제작된 결합기의 중심주파수 2 GHz에서 삽입 손실은 |S21|은 -3.9 dB, |S41|은 -3.7 dB 그리고 |S42|는-3.3 dB를 얻었고, 고립도는 -20dB 이상 그리고 반사계수는 17 dB 이상을 얻었으며, 출력 포트 사이의 위상차이는 4도 이내가 됨을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	현대 통신 시스템에서 필요로 하고 있는것은?	현대 통신 시스템은 컴팩트한 크기와 많은 데이터량을 처리할 수 있는 송수신 회로를 필요로 하고 있다. 이러한 요구 사항을 만족시키기 위한 무선 부품은 LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic)를 사용하거나 웨이퍼 레벨에서 집적화된 칩 기술을 사용하고 있다 [1],[2].
	집적화한 부품을 개발하기 위해서 필요한 것은?	이러한 집적화한 부품을 개발하기 위해서는 서로 다른 레이어에 존재하는 전송선로를 연결하는 구조가 필요한데 먼저, 서로 다른 레이어 선로를 연결하기 위해서 수직으로 연결된 비아 구조가 가장 많이 사용되고 있다 [3],[4]. 이러한 비아 홀은 저주파 특성을 나타내기 때문에 높은 주파수 신호의 처리에 제한적으로 사용된다.
	웨이퍼 레벨에서 집적화한 부품을 개발하기 위해 사용하는 방법은?	이러한 집적화한 부품을 개발하기 위해서는 서로 다른 레이어에 존재하는 전송선로를 연결하는 구조가 필요한데 먼저, 서로 다른 레이어 선로를 연결하기 위해서 수직으로 연결된 비아 구조가 가장 많이 사용되고 있다 [3],[4]. 이러한 비아 홀은 저주파 특성을 나타내기 때문에 높은 주파수 신호의 처리에 제한적으로 사용된다. 두 번째로는 캐비티(Cavity) 커플링을 이용한 신호 전달은 다른 레이어로 신호를 전달할 수 있지만 상대적으로 협대역의 특성이 나타난다[5],[6]. 마지막으로 어퍼춰 커플링 트랜지션은 어퍼춰(Aperture) 또는 마이크로스트립 종단의 모양에 의해서 변화를 줄 수 있으며 넓은 대역폭을 확보할 수 있으나 이것을 설계할 수 있는 식들이 존재하지 않는다 [7],[8].

참고문헌 (8)

S. M. Hu, L. Wang, Y.-Z. Xiong, T.G. Lim, B. Zhang. L. J. Shi, and X.J. Yuan, "TSV technology for millimeter-wave and terahertz design and applications," IEEE Trans. Compon., Packag., Manuf. Technol., vol. 1, no. 2, pp. 12-21, Feb. 2011.
J.-H. Lee, G. Dejean, S. Sarkar, S. Pinel, K. Lim, J. Papapolymerou, J. Laskar, and M.M. Tentzeris, "Highly integrated millimeter-wave passive components using 3-D LTCC system-on-package (SOP) technology," IEEE Microw. Theory Tech., vol. 53, no. 6, pp. 2012-2021, Jun. 2005.
M. Abbosh, "Ultra wideband vertical microstrip-microstrip transition," IEEE Microw. Antenna Propag., vol. 1, no. 5, pp. 968-972, Oct. 2007.

상세보기
L. Zhu and K. Wu, "Ultra broadband vertical transition for multilayer integrated circuits," IEEE Micro. Guided Wave Lett., vol. 9, no. 11, pp. 453-455, Nov. 1999.

상세보기
R. Valois, D. Baillargeat, S. Verdyme, M. Lahti, and T. Jaakola, "High performances of shielded LTCC vertical transitions from DC up to 50 GHz," IEEE Microw. Theory Tech., vol. 53, no. 6, pp. 2026-2032, Jun. 2005.

상세보기
F. Casares-Miranda, C. Viereck, C. Camacho-Penalosa, and C. Caloz, "Vertical microstrip transition for multilayer microwave circuits with decoupled passive and active layers," IEEE Micro. Wireless Compon. Lett., vol. 16, no. 7, pp. 401-403, Jul. 2006.

상세보기
T. Swierezynski, D. McNamara, and M. Clenet, "Via-walled cavities as vertical transitions in multilayer millimeter-wave circuits," Electron. Lett., vol. 39, no. 25, pp. 1829-1831, Dec. 2003.

상세보기
Lafond, M. Himdi, J. Daniel, and N. HaeseRolland, "Microstrip/thick-slot/microstrip transition in millimeter waves," Microw. Opt. Technol. Lett., vol. 34, no. 2, pp. 100-103, Dec. 2003.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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