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문제 정의
- 따라서 본 논문에서는 RSIW와 SIW 간의 전이 구조에 대해 제안한다. 기존에는 RSIW를 이용한 다층 SIW와 마이크로스트립 선로 간의 전이 구조만 발표되어 있다[11].
- 49 dB이다. 또한, 해석 결과와 측정 결과의 삽입 손실 차이에 대해 고찰하였다. 제안된 전이 구조는 기존의 SIW 기반 시스템과 RSIW의 장점인 소형화를 적용할 수 있는 이중 편파 안테나와 같은 시스템 간의 전이 시 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.
- 본 논문에서는 SIW와 RSIW 간의 전이 구조를 제안하였다. 제안된 전이 구조는 전송 선로 간의 임피던스와 전계 분포 차이에 따른 불연속 구간을 일정한 간격으로 삽입된 도통 비아 홀을 이용하여 임피던스 정합과 전계 정합을 하여 최소화하였다.
제안 방법
- 또한, SIW와 RSIW는 전계 분포의 중심에 유전체 기판 두께가 달라 각 전송 선로의 임피던스도 다르다. 두 전송 선로는 일반적으로 사용하는 평면형 전송 선로인 microstrip line이나 stripline과 같이 정확한 임피던스 계산식이 없어 시뮬레이션 툴로 전력-전압 정의를 사용하여 특성 임피던스를 구하였다. 그림 2에 시뮬레이션 툴을 이용하여 유전체 기판 두께 변화에 따른 SIW 특성 임피던스 변화와 RSIW의 특성 임피던스를 나타내었다.
- 이러한 RSIW의 소형 특성을 사용하는 이중 편파 안테나는 동일 편파간의 간격이 줄어들수록 최대 빔 조향 각이 늘어날 뿐만 아니라 원하지 않는 최대 부엽 값을 억제할 수 있다[8]. 따라서 기존에 발표된 SIW 기반 이중 편파 안테나는 동일 편파 안테나 간의 간격을 줄이기 위하여 수평 편파 안테나에 HMSIW를 적용하였다[9]. HMSIW를 이용하여 동일 편파 안테나 간의 간격을 줄일 수 있지만, HMSIW의 개방면에 의해 누설 방사가 나타나 교차 편파 값이 높고, 이로 인해 수직 편파 안테나와의 이득차가 약 4 dB이다.
- 전계 정합뿐만 아니라 광대역 정합 특성을 얻기 위해서는 임피던스 정합이 반드시 필요하다. 따라서 두 전송 선로 사이에 일정한 간격으로 삽입된 도통 비아 홀을 이용하여 임피던스 정합을 하였다. 그림 4(c)에 제안된 전이 구조의 등가회로를 나타내었다.
- 중간 금속판 때문에 생기는 불연속 구간을 최소화하기 위해 그림 4(a)와 같이 중간 금속판의 폭을 tapered line으로 설계하였다. 또한, ridge 비아로 생기는 불연속 구간을 최소화하고, 제작 수율을 높이기 위해 중간 금속판이 테이퍼링 되는 구간에 도통 비아 홀을 일정한 간격으로 삽입하였다. 전이 구조 중앙에 일정한 간격으로 삽입된 도통 비아 홀과 tapered line에 의해 점진적인 전계 정합을 하였다.
- 23 dB이다. 또한, 측정을 위하여 적용한 SIW-MS 전이 구조를 제외한 RSIW-SIW 전이 구조만의 손실을 시뮬레이션으로 확인하였다. 그림 10에 전이 구조의 feeding line(SIW-MS 전이 구조)에 의한 손실을 나타내었다.
- 이는 측정을 위하여 연결한 SMA 커넥터와 마이크로스트립간의 전이 손실로 판단된다. 이러한 손실을 파악 하기 위해 network analyzer의 port extension 기능을 사용해 SMA 커넥터와 급전 부분의 전이 구조에 따른 손실을 확인하였다. Port extension은 디바이스만의 특성을 측정하기 위하여 사용하는 가장 간단한 de-embedding 방법이다.
- 또한, ridge 비아로 생기는 불연속 구간을 최소화하고, 제작 수율을 높이기 위해 중간 금속판이 테이퍼링 되는 구간에 도통 비아 홀을 일정한 간격으로 삽입하였다. 전이 구조 중앙에 일정한 간격으로 삽입된 도통 비아 홀과 tapered line에 의해 점진적인 전계 정합을 하였다. 그림 4(b)에 제안된 전이 구조의 점진적인 전계 분포를 확인할 수 있다.
- 제안된 전이 구조는 λg/4( λg : 도파관내 파장) 트랜스포머를 사용하기 위해 전이 구조의 길이를 λg/4 길이로 하였고, 전이 구조 구간의 전송 위상(∠S21)을 통하여 관내 파장을 확인하였다.
- 기존에는 RSIW를 이용한 다층 SIW와 마이크로스트립 선로 간의 전이 구조만 발표되어 있다[11]. 제안된 전이 구조는 일정한 간격으로 도통 비아를 삽입하여 임피던스 정합과 전계 정합을 사용해 불연속 구간을 최소화하였다. 제안된 구조는 back-to-back 형태로 구성하여 해석 결과와 측정 결과를 얻었다.
- 본 논문에서는 SIW와 RSIW 간의 전이 구조를 제안하였다. 제안된 전이 구조는 전송 선로 간의 임피던스와 전계 분포 차이에 따른 불연속 구간을 일정한 간격으로 삽입된 도통 비아 홀을 이용하여 임피던스 정합과 전계 정합을 하여 최소화하였다. 측정 결과에서 반사 손실이 20 dB 이하인 구간의 비대역폭(중심 주파수 11 GHz)은 29.
대상 데이터
- 두 전송 선로 모두 Taconic TLY-5(εr =2.2) 0.254 mm와 0.508 mm를 적층하였고, Rogers 3001 bonding film(εr =2.2) 을 이용하여 접착하였다.
- 2) 을 이용하여 접착하였다. 시뮬레이션과 제작의 편이를 위해 사이드 비아 홀을 사용하지 않고 사이드 월(side wall)을 사용하였다. 앞 절에서 언급한 것처럼 RSIW와 SIW의 전계 분포와 임피던스에 차이가 있기 때문에 임피던스 정합과 전계 정합을 해야 한다.
- 전이 구조는 유전체 높이가 0.254 mm와 0.508 mm 이고, εr =2.2, tanδ=0.009의 특성을 갖는 Taconic TLY-5 유전체 기판을 사용하였다.
데이터처리
- 삽입된 비아에 따른 임피던스 변화 특성을 이용하여 도통 비아의 간격(via_gap)과 반경(radius1, radius 2, and radius 3)을 FEM(Finite Element Method) 방식의 시뮬레이션 툴(Ansoft사의 HFSS v. 13.1)[15]로 최적화하였다.
- 제안된 전이 구조는 일정한 간격으로 도통 비아를 삽입하여 임피던스 정합과 전계 정합을 사용해 불연속 구간을 최소화하였다. 제안된 구조는 back-to-back 형태로 구성하여 해석 결과와 측정 결과를 얻었다. 측정한 결과는 중심 주파수 11 GHz 기준으로 20 dB 이하의 반사 손실 비대역폭이 29.
이론/모형
- 009의 특성을 갖는 Taconic TLY-5 유전체 기판을 사용하였다. S-parameter의 측정을 위해서 SIW-MS 전이 구조[16]를 이용하였고, Agilent사의 vector network analyzer로 측정하였다. 그림 9(a)는 해석 결과와 측정한 결과이고, 그림 9(b)는 해석 결과와 측정 결과의 삽입 손실을 확대하여 도시하였다.
- 위의 식을 통하여 삽입된 도통 비아 홀의 반경이 작아질수록 커패시턴스가 감소하고, 인덕턴스가 증가하여 임피던스 값이 커지는 것을 확인할 수 있다. 비아 홀의 반경에 따라 전이 구조 내의 정확한 임피던스를 구하기 위해서 Bloch 임피던스[14]를 사용하였다. Bloch 임피던스는 주기적인 구조에서 특성 임피던스를 구하는 방법으로 주기적인 구조인 제안된 전이 구조는 Bloch 임피던스를 사용하여 임피던스를 구할 수 있다.
성능/효과
- 삽입된 도통 비아 홀에 의해 커패시턴스와 인덕턴스가 추가되어 각 구간(S1, S2, S3)의 임피던스가 변하게 된다. 각 구간의 커패시턴스와 인덕턴스의 정확한 값은 구하지 않았지만, 등가회로를 통하여 전이 구조 구간에서 삽입된 비아의 효과를 확인할 수 있다. 각 구간의 임피던스는 삽입된 비아 홀의 반경에 따라 변한다.
- 1 %였다. 동일한 대역폭에서 back-to-back 형태로 구성된 전이 구조만의 삽입 손실은 최대 0.49 dB임을 확인할 수 있었다. 측정된 삽입 손실은 SMA 커넥터와의 전이 손실을 제외하면 측정 결과와 해석 결과가 거의 일치함을 확인할 수 있다.
- 46 dB임을 확인할 수 있다. 따라서 RSIW와 SIW 간의 전이 구조만을 back-to-back한 구조의 해석 결과는 최대 삽입 손실이 0.33 dB이다.
- 따라서 제안된 전이 구조는 λg/4트랜스포머 회로와 동일함을 확인할 수 있다.
- 45 dB로 파악된다. 따라서 측정을 위해 사용한 전이 구조(MSSIW transition)의 삽입 손실을 제외하고 SIW와 RSIW 간의 전이 구조만의 측정된 삽입 손실은 가용대역에서 최대 0.49 dB이다. 이와 같이 전이 구조는 SMA 커넥터와 급전 부분 간의 전이 손실을 제외하면 해석 결과와 거의 일치함을 확인할 수 있다.
- 41 GHz이다. 또한, 중심 주파수 11 GHz를 기준으로 비대역폭은 해석 결과에서 29.4 %이고, 측정 결과에서는 29.1 %이다. 동일 대역폭에서 삽입 손실(S21)은 해석 결과에서 최대 0.
- 위의 식을 통하여 삽입된 도통 비아 홀의 반경이 작아질수록 커패시턴스가 감소하고, 인덕턴스가 증가하여 임피던스 값이 커지는 것을 확인할 수 있다. 비아 홀의 반경에 따라 전이 구조 내의 정확한 임피던스를 구하기 위해서 Bloch 임피던스[14]를 사용하였다.
- 그림 2에 시뮬레이션 툴을 이용하여 유전체 기판 두께 변화에 따른 SIW 특성 임피던스 변화와 RSIW의 특성 임피던스를 나타내었다. 전송 선로로 많이 사용하는 유전체 기판(0.254 mm와 0.508 mm)을 이용하여 RSIW를 설계하였고, 이와 동일한 조건으로 SIW(0.762 mm)를 설계하여 SIW의 임피던스가 RSIW에 비해 대략 2배가 되는 것을 확인할 수 있다.
- 해석 결과는 그림 3(b)와 같이 SIW-MS 전이 구조가 포함된 결과이고, 측정한 결과는 그림 8과 같이 제안된 전이 구조에 SMA 커넥터가 연결된 결과이다. 제안된 전이 구조는 반사 손실(S11)을 20 dB 이하로 가용 대역을 설정하면 해석 결과는 9.03～12.26 GHz이고, 측정 결과는 9.21～12.41 GHz이다. 또한, 중심 주파수 11 GHz를 기준으로 비대역폭은 해석 결과에서 29.
- 제안된 전이 구조는 전송 선로 간의 임피던스와 전계 분포 차이에 따른 불연속 구간을 일정한 간격으로 삽입된 도통 비아 홀을 이용하여 임피던스 정합과 전계 정합을 하여 최소화하였다. 측정 결과에서 반사 손실이 20 dB 이하인 구간의 비대역폭(중심 주파수 11 GHz)은 29.1 %였다. 동일한 대역폭에서 back-to-back 형태로 구성된 전이 구조만의 삽입 손실은 최대 0.
- 49 dB임을 확인할 수 있었다. 측정된 삽입 손실은 SMA 커넥터와의 전이 손실을 제외하면 측정 결과와 해석 결과가 거의 일치함을 확인할 수 있다.
- 제안된 구조는 back-to-back 형태로 구성하여 해석 결과와 측정 결과를 얻었다. 측정한 결과는 중심 주파수 11 GHz 기준으로 20 dB 이하의 반사 손실 비대역폭이 29.1%이고, 동일 대역폭에서 급전 선로 부분을 제외한 전이 구조만의 삽입 손실은 최대 0.49 dB이다. 또한, 해석 결과와 측정 결과의 삽입 손실 차이에 대해 고찰하였다.
후속연구
- 따라서 제안된 전이 구조는 소형화를 위해 RSIW를 적용한 시스템과 SIW 기반 시스템의 전이 시 적용되어 시스템 성능향상에 기여할 것으로 예상된다.
- 이러한 문제점을 개선하기 위해 이중 편파 안테나에 RSIW를 적용한다면 수직 편파와 수평 편파 안테나 간의 간격이 감소하여 부엽을 억제할 수 있고, 누설 방사가 일어나지 않아 안테나 간의 이득 차이가 줄어들 수 있다. 또한, 이중 편파 안테나와 같이 RSIW의 소형화를 극대화시킬수 있는 시스템과 기존 연구된 SIW 기반 시스템을 연계할 수 있다면, 기존 SIW만으로 구성된 시스템보다 더 우수한 특성을 얻을 수 있다.
- 또한, 해석 결과와 측정 결과의 삽입 손실 차이에 대해 고찰하였다. 제안된 전이 구조는 기존의 SIW 기반 시스템과 RSIW의 장점인 소형화를 적용할 수 있는 이중 편파 안테나와 같은 시스템 간의 전이 시 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.
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