[논문]마이크로스트립과 슬롯라인 천이기술을 이용한 전송선로 구현과 전력 분배기에 응용

김영; 심석현; 윤영철

doi:10.12673/jkoni.2013.17.6.687

마이크로스트립과 슬롯라인 천이기술을 이용한 전송선로 구현과 전력 분배기에 응용
Transmission Line using Microstrip-Slotline Transition Technology and Its Application to Power Divider 원문보기

한국항행학회논문지 = Journal of advanced navigation technology, v.17 no.6 = no.63, 2013년, pp.687 - 692

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

초록
AI-Helper

본 논문은 마이크로스트립과 슬롯라인 천이기술을 이용한 소형 전력분배기 설계를 제안하였다. 마이크로스트립과 슬롯라인 천이기술은 전력 분배기를 구성하는 ${\lambda}/4$ 전송선로를 멀티 레이어 구조 PCB를 이용하면 두개의 ${\lambda}/8$ 전송선로로 작게 구현할 수 있다. 여기서는 마이크로스트립과 슬롯라인 천이 지점에서 마이크로스트립 전송선로는 via를 사용하여 단락시켰고, 슬롯라인은 스파이럴 구조를 이용하여 전송선로의 길이를 짧게 사용하였다. 이러한 마이크로스트립과 슬롯라인 천이기술의 타당성을 보기위해서 중심주파수 2 GHz 에서 동작하는 전력분배기의 마이크로스트립 선로를 천이기술을 이용한 방법으로 구현하여 그 특성을 시뮬레이션, 제작 및 측정을 하여 기존의 전력분배기와 동일한 특성을 얻었다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents a compact power divider using microstrip-slotline transition technology. By using the microstrip-slotline transition, the ${\lambda}/4$ transmission lines of the divider can be changed to two ${\lambda}/8$ transmission lines in the multilayer structure. In the microstrip-slotline transition, we have used via holes to make a short circuit at the microstrip line and embedded spiral configuration stubs to reduce the electrical length of an open circuit at the slotline end point. For validating the microstrip-slotline technique, we have simulated and implemented the power divider with embedded spiral and via hole configuration circuits at a frequency of 2 GHz. Good agreement between the simulation and the measurement results is obtained at the operating frequency.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 마이크로스트립과 스파이럴 구조의 슬롯라인을 이용한 천이구조를 사용한 멀티 레이어의 컴팩트한 윌킨슨 전력 분배기를 설계하였다. 여기서 사용된 마이크로스트립과 슬롯라인의 천이구조로 인하여 기존의 전력분배기와 비교해서 그 면적의 크기를 35% 줄일 수 있었다.
본 논문에서는 슬롯라인의 임베디드 스파이럴 스터브와 마이크로스트립 비아 홀을 이용한 마이크로 스트립을 이용한 천이구조를 제안한다. 이러한 구조는 천이를 발생하는데 필요한 구조의 크기를 작게 하는데 사용할 수 있으며, 이러한 구성의 타당성을 보이기 위하여 중심주파수 2 GHz에서 전력분배기를 제작하였고, 기존 분배기와 비교하여 동일한 전기적 특성과 기존 것과 비교하여 35%의 면적 크기를 줄였다.
여기서 전력분배기의 설계 목적은 마이크로스트립 단락을 위한 비아 홀과 슬롯라인 오픈을 위한 스파이럴 스터브를 이용한 천이 기술을 이용하여 전력 분배기의 λ/4 전송선로를 두 개의 λ/8 전송선로로 구현하기 위한 것이다.

제안 방법

마이크로스트립과 슬롯라인 천이를 이용한 멀티 레이어 기판을 사용하여 윌킨슨 전력 분배기를 설계하였다. 입력 포트는 공통 그라운드면의 후면에 그리고, 두 개의 출력 포트는 전면에 위치하였다.
먼저 시뮬레이션을 통하여 마이크로스트립과 슬롯라인 천이구조의 특성을 확인하였다. 슬롯라인의 스파이럴 스터브의 길이와 선폭은 동작 주파수 2 GHz에 적합하도록 최적화 과정을 통하여 결정하였다.
먼저 시뮬레이션을 통하여 마이크로스트립과 슬롯라인 천이구조의 특성을 확인하였다. 슬롯라인의 스파이럴 스터브의 길이와 선폭은 동작 주파수 2 GHz에 적합하도록 최적화 과정을 통하여 결정하였다. 최종 결정된 크기는 0.
여기에 사용된 슬롯 라인은 기존 논문에서 제시한 값으로 구현하면 선폭이 너무 좁아서 제작하는데 어려움이 존재하므로 이러한 것을 없애고 제작하기 쉽게 하기 위하여 80 Ω의 임피던스를 선택하여 슬롯라인을 설계하였다.
여기서 전력분배기의 설계 목적은 마이크로스트립 단락을 위한 비아 홀과 슬롯라인 오픈을 위한 스파이럴 스터브를 이용한 천이 기술을 이용하여 전력 분배기의 λ/4 전송선로를 두 개의 λ/8 전송선로로 구현하기 위한 것이다. 이때 사용되는 천이 구조는 설계하는 주파수에서 작은 삽입손실과 큰 리턴로스를 얻어야 하므로, 설계하는 과정에서 천이구조에 적합한 마이크로스트립과 슬롯라인 스파이럴 스터브길이와 선폭을 결정하였다.
본 논문에서는 슬롯라인의 임베디드 스파이럴 스터브와 마이크로스트립 비아 홀을 이용한 마이크로 스트립을 이용한 천이구조를 제안한다. 이러한 구조는 천이를 발생하는데 필요한 구조의 크기를 작게 하는데 사용할 수 있으며, 이러한 구성의 타당성을 보이기 위하여 중심주파수 2 GHz에서 전력분배기를 제작하였고, 기존 분배기와 비교하여 동일한 전기적 특성과 기존 것과 비교하여 35%의 면적 크기를 줄였다.
제안된 윌킨슨 전력 분배기는 시뮬레이션에서 사용된 에폭시와 동일한 규격으로 사용하였고, 중심 주파수는 2 GHz 에서 설계하였다. 마이크로스트립과 슬롯라인 천이를 이용한 윌킨슨 전력 분배기의 제작된 사진은 그림 4에 나타내었다.

대상 데이터

035 mm 이다. 시뮬레이션에 사용된 툴은 AWR사의 Microwave Office 소프트웨어를 사용하였다.
천이구조의 시뮬레이션을 위한 에폭시 재질은 유전율 εr = 4.4, 유전체 두께 h = 0.787 mm 인 것을 사용하였다.

성능/효과

또한, 그림 5는 네트워크 분석기 HP8374ES를 사용하여 윌킨슨 전력 분배기를 측정한 결과를 나타낸 것이다. 결과를 살펴보면 |S21|과 |S31|의 삽입손실은 중심주파수 2 GHz 에서 각각 3.45 dB, 3.55 dB를 나타내고 있다. 시뮬레이션 값과 0.
여기서 사용된 마이크로스트립과 슬롯라인의 천이구조로 인하여 기존의 전력분배기와 비교해서 그 면적의 크기를 35% 줄일 수 있었다. 또한, 이 천이 구조를 이용한 윌킨슨 분배기는 중심주파수 2 GHz에서 3.5 dB의 삽입손실, 모든 포트에서 Return Loss는 15 dB이하 그리고 출력 포트사이의 고립도는 -25 dB 이상 얻었다. 출력 포트사이의 위상 차이는 1.
본 논문에서는 마이크로스트립과 스파이럴 구조의 슬롯라인을 이용한 천이구조를 사용한 멀티 레이어의 컴팩트한 윌킨슨 전력 분배기를 설계하였다. 여기서 사용된 마이크로스트립과 슬롯라인의 천이구조로 인하여 기존의 전력분배기와 비교해서 그 면적의 크기를 35% 줄일 수 있었다. 또한, 이 천이 구조를 이용한 윌킨슨 분배기는 중심주파수 2 GHz에서 3.
여기서 제시한 마이크로스트립과 슬롯라인 천이를 이용한 윌킨슨 전력 분배기는 기존의 전력 분배기와 면적 크기를 비교해 보면 65% 크기로 줄어든 것을 알 수 있었고, 그 이유는 천이를 위해서 필요한 슬롯라인 스파이럴 구조의 스터브 때문에 공간을 차지하게 되어 더 줄이는 것이 어려웠다.
이러한 구조로 설계된 마이크로스트립과 슬롯라인 천이의 특성은 그림 3에 S-파라미터로 나타내었다. 이 그림에서 천이구조는 중심 주파수 2 GHz에서 삽입손실 0.3 dB, 그리고 Return Loss는 20 dB 이하를 만족하는 것을 확인하였다. 제안한 마이크로스트립과 슬롯라인 천이구조는 슬롯라인의 양쪽 끝부분을 래디얼 스터브 또는 광대역 비아를 이용한 구조보다 대역폭이 작은데 그 이유는 스파이럴 구조의 λ/4 스터브 때문으로 판단된다.
5 dB의 삽입손실, 모든 포트에서 Return Loss는 15 dB이하 그리고 출력 포트사이의 고립도는 -25 dB 이상 얻었다. 출력 포트사이의 위상 차이는 1.5° 이내로 동일한 위상으로 신호가 분배되는 것을 확인하였다.

후속연구

이러한 설계 방법은 RF와 마이크로웨이브 영역의 수동소자의 크기를 줄이는 방법으로 사용할 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전력 분배기는 무엇인가?	전력 분배기는 초고주파 영역의 수동소자로서 매우 중요한 역할을 수행하는데, 이것은 벡터 모듈레이터, 고효율의 도허티 증폭기 그리고 측정 시스템의 반사율계(reflectormeter) 등에 사용되고 있다. 현대 무선 시스템에서는 컴팩트한 소자를 이용한 작은 시스템과 고속·대용량의 데이터를 처리하는 것을 요구하고 있다.
	슬롯라인과 마이크로스트립 선로 구성의 단점은 무엇인가?	이때 슬롯라인과 마이크로스트립 선로는 마그네틱 필드에 의해서 결합된다[7]. 이러한 구성의 단점은 마이크로스트립과 슬롯라인의 λ/4 전송선로를 사용하는 것으로 이것이 회로 크기를 줄이는 것을 방해한다. 또한, 마이크로스트립과 슬롯라인 천이의 광대역 특성을 얻기 위해서 광대역 비아[8]를 사용하는데, 이것은 비아의 크기를 크게 함으로서 광대역 특성을 확보할 수 있다.
	현대 무선 시스템에서는 무엇을 요구하는가?	전력 분배기는 초고주파 영역의 수동소자로서 매우 중요한 역할을 수행하는데, 이것은 벡터 모듈레이터, 고효율의 도허티 증폭기 그리고 측정 시스템의 반사율계(reflectormeter) 등에 사용되고 있다. 현대 무선 시스템에서는 컴팩트한 소자를 이용한 작은 시스템과 고속·대용량의 데이터를 처리하는 것을 요구하고 있다. 이러한 요구 사항 때문에 많은 개발자들은 작은 크기의 수동소자를 개발하기 위하여 노력하고 있으며, 그것들은 병렬 캐패시터를 연결한 전송선로를 이용하는 방법[1], 단락된 병렬 결합 λ/4 전송선로를 이용하는 방법[2], 스텝 임피던스를 사용하는 방법[3], 병렬 오픈 스터브가 연결된 전송선로를 이용하는 방법[4] 그리고 캐패시터가 주기적으로 병렬연결된 전송선를 이용하는 방법[5]등이 있다.

참고문헌 (8)

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상세보기
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상세보기
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원문보기 상세보기
A. M. Abbosh and M. E. Bialkowski, "Design of Compact Directional Couplers for UWB Applications," IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol. 55, no. 2, pp.189-194, Feb. 2007.

상세보기
S. B. Chon, "Slotline on a Dielectric Substrate," IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol. MTT-17, pp.768-778, 1969.

상세보기
N. Seman, M. E. Bialkowski and W. C. Khor, "Ultra Wideband Vias and Power Dividers in Microstrip-Slot Technology," Proceeding of APMC 2007, pp.1-4 Dec. 2007.

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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