[논문]Ku-대역 마이크로스트립-SIW 및 마이크로스트립-HSIW 천이 구조

홍성준; 김세일; 이민표; 임준수; 김동욱

doi:10.5515/kjkiees.2019.30.2.95

Ku-대역 마이크로스트립-SIW 및 마이크로스트립-HSIW 천이 구조
Ku-Band Transitions between Microstrip and Substrate Integrated Waveguide and Microstrip and Hollow Substrate Integrated Waveguide 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.30 no.2, 2019년, pp.95 - 103

홍성준 (충남대학교 전파정보통신공학과) , 김세일 (충남대학교 전파정보통신공학과) , 이민표 (충남대학교 전파정보통신공학과) , 임준수 (충남대학교 전파정보통신공학과) , 김동욱 (충남대학교 전파정보통신공학과)

초록
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본 논문에서는 위성통신 대역인 Ku-대역에서 사용할 수 있는 마이크로스트립 선로 입출력의 기판 집적 도파관 및 빈 공간 기판 집적 도파관의 천이 구조를 제공한다. 기판 집적 도파관의 유전체 부분을 제거한 빈 공간 기판 집적 도파관의 효율적 활용을 위해 마이크로스트립 선로로의 천이 구조를 설계 및 제작하고, 그 결과를 기판 집적 도파관 천이 구조와 비교하였다. Back-to-back 구조의 마이크로스트립 선로 입출력의 기판 집적 도파관 천이 구조는 12~18 GHz에서 20 dB 이상의 반사 손실과 $1.5{\pm}0.2dB$의 삽입 손실이 측정되었고, back-to-back 구조의 빈 공간 기판 집적 도파관 천이 구조는 15 dB의 반사 손실과 $0.55{\pm}0.2dB$의 삽입 손실이 측정되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we present a microstrip-to-substrate integrated waveguide(SIW) transition and microstrip-to-hollow SIW(HSIW) transition for Ku-band satellite communication systems. For the complete utilization of the HSIW, a structure filled with air instead of a dielectric material, a microstrip-to-HSIW transition is designed, fabricated, and compared with a microstrip-to-SIW transition. A back-to-back microstrip-to-SIW transition is measured in the range 12~18 GHz; it exhibits a return loss ${\geq}20dB$ and an insertion loss of $1.5{\pm}0.2dB$. In contrast, a back-to-back microstrip-to-HSIW transition exhibits a return loss of at least 15 dB and an insertion loss of $0.55{\pm}0.2dB$ in the same frequency range.

주제어

표/그림 (21)

그림 그림 1. 기판 집적 도파관 Fig. 1. Substrate integrated waveguide.
그림 그림 2. 빈 공간 기판 집적 도파관 Fig. 2. Hollow substrate integrated waveguide.
그림 그림 3. 마이크로스트립-SIW 천이 구조 Fig. 3. Microstrip-to-SIW transition.
그림 그림 4. Back-to-back 마이크로스트립-SIW 천이 구조의 S 파라미터 시뮬레이션 결과 Fig. 4. Simulated S-parameter results of the back-to-back microstrip-to-SIW transition.
그림 그림 5. 마이크로스트립-HSIW의 천이 구조 Fig. 5. Microstrip-to-HSIW transition.
표 표 1. 마이크로스트립-SIW 천이 구조 설계 목표 Table 1. Design goals of the microstrip-to-SIW transition.
표 표 2. 마이크로스트립-SIW 천이 구조에 사용한 최적화된 설계 변수의 값 Table 2. Optimized geometrical design parameters of the microstrip-to-SIW transition.
그림 그림 6. 대칭적으로 배치한 C-cutting된 비아 홀 Fig. 6. Symmetrically-located C-cut via-holes at the interface of the microstrip line and HSIW.
그림 그림 7. Back-to-back 마이크로스트립-HSIW 천이 구조의 S 파라미터 시뮬레이션 결과 Fig. 7. Simulated S-parameter results of the back-to-back microstrip-to-HSIW transition.
표 표 3. 마이크로스트립-HSIW 천이 구조 설계 목표 Table 3. Design goals of the microstrip-to-HSIW transition.
표 표 4. 마이크로스트립-HSIW 천이 구조에 사용한 최적화 된 설계 변수의 값 Table 4. Optimized geometrical design parameters of the microstrip-to-HSIW transition. Parameters Value [mm] Parameters
그림 그림 8. 제작된 back-to-back 마이크로스트립-SIW 천이 구조 Fig. 8. Fabricated back-to-back microstrip-to-SIW transition.
그림 그림 9. 제작된 back-to-back 마이크로스트립-HSIW 천이 구조 Fig. 9. Fabricated back-to-back microstrip-to-HSIW transition.
그림 그림 10. Back-to-back 마이크로스트립-SIW 천이 구조의 S 파라미터 시뮬레이션 및 측정 결과 Fig. 10. Simulated and measured S-parameters of the backto- back microstrip-to-SIW transition.
그림 그림 11. Back-to-back 마이크로스트립-HSIW 천이 구조의 S 파라미터 시뮬레이션 및 측정 결과 Fig. 11. Simulated and measured S-parameters of the backto-back microstrip-to-HSIW transition.
그림 그림 12. Back-to-back 마이크로스트립-SIW 천이 구조와 마이크로스트립-HSIW 천이 구조의 S 파라미터 측정 결과 비교 Fig. 12. Comparison of the measured S-parameters of the back-to-back microstrip-to-SIW transition and backto-back microstrip-to-HSIW transition.
그림 그림 13. Back-to-back 마이크로스트립-SIW 천이 구조의 측정 결과와 손실 탄젠트 값이 0.0033인 경우의 back-to-back 마이크로스트립-SIW 천이 구조의 S 파라미터 시뮬레이션 결과의 비교 Fig. 13. Comparison of the measured S-parameters of the fabricated back-to-back microstrip-to-SIW transition and the simulated S-parameters of the back-to-back microstrip-to-SIW transition with the loss tangent of 0.0033.
그림 그림 14. 실제 제작된 back-to-back 마이크로스트립-HSIW 천이 구조의 테이퍼 부분 및 시뮬레이션 모델 Fig. 14. Tapering part of the fabricated back-to-back microstrip- to-HSIW transition and its simulation model.
그림 그림 15. PCB 공정 오차를 고려한 back-to-back 마이크로스트립-HSIW 천이 구조의 S 파라미터 시뮬레이션 결과와 측정 결과 Fig. 15. Simulated S-parameters of the back-to-back microstrip-to-HSIW transition with PCB process tolerance and measured S-parameters of the fabricated backto-back microstrip-to-HSIW transition.
표 표 5. 기존 발표된 back-to-back 마이크로스트립-SIW 천이 구조 결과와 본 논문의 결과 비교 Table 5. Comparison of the previously published back-toback microstrip-to-SIW transition results and our work.
표 표 6. 기존 발표된 back-to-back 마이크로스트립-HSIW 천이 구조 결과와 본 논문의 결과 비교 Table 6. Comparison of the previously published back-to-back microstrip-to-HSIW transition results and our work.

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문은 Ku-대역 마이크로스트립-SIW 및 마이크로 스트립-HSIW 천이 구조를 설계 및 제작한 결과를 보였다. 제작된 back-to-back 마이크로스트립-HSIW 천이 구조는 12～18 GHz에서 15 dB 이상의 반사 손실과 0.

제안 방법

그림에서 w_ms는 마이크로스트립 선로의 50 Ω 선폭, r은 비아 홀의 반지름, d는 비아 홀의 간격, w_t,ms는 마이크로스트립 선로의 테이퍼 선폭, l_t,ms는 마이크로스트립 선로의 테이퍼 길이, w_ti는 HSIW 구조 내의 마이크로스트립 선로 테이퍼 폭, l_t는 HSIW 내의 마이크로스트립 선로의 테이퍼 길이, w_ir는테이퍼-비아(taper-via)의 폭, a_HSIW는 평행한 두 열로 배치된 비아 홀의 폭이고, w_air는 HSIW의 빈 공간 폭이다. 기존 논문^[9]에서는 금속이 도금되지 않은 아이리스(iris) 의 삽입과 위치 선정을 통해 임피던스 정합을 수행하였고, 전자파 누설을 억제하기 위해 HSIW의 측면에 비아홀 공정을 응용한 금속 차폐 벽을 삽입하였으나, 본 논문에서는 그림 6과 같이 마이크로스트립 선로와 HSIW의 경계면에 C-cutting된 비아 홀을 대칭적으로 배치하여 단락된 스터브 효과를 인위적으로 만들어줌으로써 정합 특성을 개선하였고, 차폐 벽 공정을 제거함으로써 PCB 공정을 단순화하였다.

대상 데이터

본 논문에서는 12 mil 두께의 Rogers 기판 RO4003C를 사용하였으며, 설계 목표는 표 1과 같고, 설계에 사용된 변수의 값은 표 2와 같다.
본 논문에서는 마이크로스트립-SIW 천이구조 설계에 사용했던 기판과 같은 12 mil 두께의 RO4003C를 사용하여 마이크로스트립-HSIW 천이구조를 설계하였으며, 설계 목표는 표 3과 같고, 설계에 사용된 최적화된 변수의 값은 표 4와 같다.

이론/모형

Back-to-back 마이크로스트립-HSIW 천이 구조의 경우 PCB 제작 후 지그 자체 구조를 활용하여 HSIW 의 상하 도체면을 형성하였다. 제작된 샘플의 측정은 커넥터의 삽입 손실을 보정하고, 기준면에서의 천이 구조 특성을 확인하기 위해 TRL(Thru-Reflect-Line) 오차 보정 방법을 사용하였다.

성능/효과

그림 12는 12～18 GHz에서 back-to-back 마이크로스트립-SIW 및 마이크로스트립-HSIW 천이 구조의 측정 결과를 비교하고 있다. 12～18 GHz에서 HSIW가 SIW에 비해 삽입 손실이 약 1 dB 정도 개선되었음을 확인할 수 있었다.
Back-to-back 마이크로스트립-SIW 천이 구조의 반사 손실은 시뮬레이션과 매우 흡사한 결과를 보였지만, 삽입시뮬레이션에 비해 측정 결과가 약 0.05 dB 정도 개선됨을 확인할 수 있다.
그림 11의 back-to-back 마이크로스트립-HSIW 천이 구조의 S 파라미터 시뮬레이션 결과와 측정 결과를 비교해 보면 제작된 천이 구조는 반사 손실이 시뮬레이션 값에 비해 약 5 dB 증가되어 측정된 것을 확인할 수 있다. 이는 마이크로스트립-HSIW 천이 구조의 PCB 공정에 의한 오차에서 비롯되었다.
. 동일한 RO4003C 기판을 사용하여 제작한 논문^[9]에 비해 본 논문의 back-to-back 천이 구조의 삽입 손실이 유사 길이의 크기임에도 0.45 dB 개선되었음을 확인할 수 있다. 이는 C-cutting 비아 홀을 활용한 천이 구조의 개선과 더불어 기판 두께의 차이로 인해 50 Ω 마이크로스트립 선로의 선폭 w_ms와 마이크로스트립 선로의 테이퍼 선폭인 w_t,ms, 그리고 HSIW 내 마이크로스트립 선로의 테이퍼 폭인 w_ti의 차이가 상대적으로 적은 것이 기인한다.
그림 7은 설계된 back-to-back 마이크로스트립-HSIW 천이 구조의 시뮬레이션 결과를 나타내고 있다. 설계된 backto-back 마이크로스트립-HSIW 천이 구조는 전체 길이가 55.5 mm이고, 12～18 GHz에서 19 dB 이상의 반사 손실과 0.6±0.2 dB의 삽입 손실 특성을 보여 설계 목표를 만족하였다.
본 논문은 Ku-대역 마이크로스트립-SIW 및 마이크로 스트립-HSIW 천이 구조를 설계 및 제작한 결과를 보였다. 제작된 back-to-back 마이크로스트립-HSIW 천이 구조는 12～18 GHz에서 15 dB 이상의 반사 손실과 0.55±0.2 dB의 낮은 삽입 손실 특성을 보였으며, 같은 길이의 backto-back 마이크로스트립-SIW 천이 구조에 비해 삽입 손실이 약 1 dB 개선됨을 확인하였고, 같은 구조의 기존 논문 결과에 비해서도 약 0.45 dB의 삽입 손실이 개선되었다. 개발된 마이크로스트립-HSIW 천이 구조는 저손실 및 경량의 소형 전송 구조를 요구하는 초고주파 시스템에 유용하게 활용될 수 있을 것이다.

후속연구

45 dB의 삽입 손실이 개선되었다. 개발된 마이크로스트립-HSIW 천이 구조는 저손실 및 경량의 소형 전송 구조를 요구하는 초고주파 시스템에 유용하게 활용될 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	기판 집적 도파관의 특징은?	기판 집적 도파관(substrate integrated waveguide: SIW)은 구형 도파관의 저손실 전파 특성을 가지면서 평면형 전송선로 및 능⋅수동소자와의 집적이 용이하여 최근 관련 연구가 활발히 진행되고 있다. SIW는 PCB 공정을 사용하므로 구형 도파관에 비해 부피가 작고 제작비가 저렴하여 대량 생산에 유리하다.
	SIW의 장점은 무엇인가?	기판 집적 도파관(substrate integrated waveguide: SIW)은 구형 도파관의 저손실 전파 특성을 가지면서 평면형 전송선로 및 능⋅수동소자와의 집적이 용이하여 최근 관련 연구가 활발히 진행되고 있다. SIW는 PCB 공정을 사용하므로 구형 도파관에 비해 부피가 작고 제작비가 저렴하여 대량 생산에 유리하다. 이러한 SIW의 장점들은 서브 밀리미터파 영역의 응용에 이르기까지 광범위하게 활용되고 있으며, 전력분배기, 전력결합기, 필터, 안테나 등의 다양한 분야에서 연구 결과가 발표되고 있다[1]～[3].
	SIW는 어떤 분야에서 활용되고 있는가?	SIW는 PCB 공정을 사용하므로 구형 도파관에 비해 부피가 작고 제작비가 저렴하여 대량 생산에 유리하다. 이러한 SIW의 장점들은 서브 밀리미터파 영역의 응용에 이르기까지 광범위하게 활용되고 있으며, 전력분배기, 전력결합기, 필터, 안테나 등의 다양한 분야에서 연구 결과가 발표되고 있다[1]～[3].

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Rogers Corporation, RO4003C, Available: https://www. rogerscorp.com.
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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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