마이크로파 회로 또는 시스템에서 전체 회로 또는 시스템은 필터, 커플러, 전력 분배기 등과 같은 여러 기본 마이크로파 장치로 구성되는 경우가 많습니다. 이러한 장치들을 통해 신호 전력을 최소한의 손실로 한 지점에서 다른 지점으로 효율적으로 전송할 수 있기를 기대합니다.
차량용 레이더 시스템 전체에서 에너지 변환은 주로 칩에서 PCB 기판의 피더로 에너지를 전달하는 과정, 피더에서 안테나 본체로 에너지를 전달하는 과정, 그리고 안테나에서 에너지를 효율적으로 방사하는 과정을 포함합니다. 전체 에너지 전달 과정에서 중요한 부분은 변환기 설계입니다. 밀리미터파 시스템의 변환기는 주로 마이크로스트립-기판 집적 도파관(SIW) 변환, 마이크로스트립-도파관 변환, SIW-도파관 변환, 동축-도파관 변환, 도파관-도파관 변환 및 다양한 유형의 도파관 변환을 포함합니다. 본 논문에서는 마이크로밴드 SIW 변환 설계에 초점을 맞출 것입니다.
다양한 유형의 운송 구조
마이크로스트립마이크로스트립은 비교적 낮은 마이크로파 주파수 대역에서 가장 널리 사용되는 도파 구조 중 하나입니다. 주요 장점은 간단한 구조, 저렴한 비용, 그리고 표면 실장 부품과의 높은 집적도입니다. 일반적인 마이크로스트립 라인은 유전체 층 기판의 한쪽 면에 도체를 배치하고, 반대쪽 면에는 접지면을 형성하며, 그 위에 공기층을 두어 구성됩니다. 상부 도체는 기본적으로 전도성 재료(일반적으로 구리)를 가는 선으로 만든 것입니다. 라인 폭, 두께, 상대 유전율, 그리고 기판의 유전 손실 탄젠트는 중요한 매개변수입니다. 또한, 도체의 두께(즉, 금속화 두께)와 도체의 전도도는 고주파수에서 매우 중요합니다. 이러한 매개변수를 신중하게 고려하고 마이크로스트립 라인을 다른 장치의 기본 단위로 활용하면 필터, 커플러, 전력 분배기/결합기, 믹서 등과 같은 다양한 인쇄형 마이크로파 장치 및 부품을 설계할 수 있습니다. 그러나 주파수가 증가함에 따라(상대적으로 높은 마이크로파 주파수 대역으로 갈수록) 전송 손실이 증가하고 방사가 발생합니다. 따라서 고주파수에서 손실이 적고 방사가 발생하지 않는 직사각형 도파관과 같은 중공관 도파관이 선호됩니다. 도파관 내부는 일반적으로 공기로 채워져 있습니다. 하지만 필요에 따라 유전체 물질로 채워 넣어 가스 충전 도파관보다 단면적을 줄일 수 있습니다. 그러나 속이 빈 튜브형 도파관은 부피가 크고, 특히 저주파수에서 무거울 수 있으며, 제조 공정이 까다롭고 비용이 많이 들며, 평면 인쇄 구조와 통합할 수 없습니다.
RFMISO 마이크로스트립 안테나 제품:
RM-MA25527-22,25.5-27GHz
RM-MA425435-22, 4.25-4.35GHz
다른 하나는 마이크로스트립 구조와 도파관의 장점을 결합한 하이브리드 유도 구조인 기판 통합 도파관(SIW)입니다. SIW는 유전체 재료 위에 제작된 도파관과 유사한 통합 구조로, 상단과 하단에 도체가 있고 두 개의 금속 비아가 선형 배열로 측벽을 형성합니다. 마이크로스트립 및 도파관 구조와 비교했을 때, SIW는 비용 효율적이고 제조 공정이 비교적 간단하며 평면 소자와 통합될 수 있습니다. 또한 고주파수에서의 성능이 마이크로스트립 구조보다 우수하고 도파관 분산 특성을 가지고 있습니다. 그림 1에서 볼 수 있듯이,
SIW 디자인 가이드라인
기판 통합 도파관(SIW)은 두 개의 평행한 금속판을 연결하는 유전체 내에 내장된 두 줄의 금속 비아를 사용하여 제작된 통합 도파관 유사 구조입니다. 금속 관통 구멍들이 측벽을 형성합니다. 이 구조는 마이크로스트립 라인과 도파관의 특성을 모두 가지고 있습니다. 제조 공정 또한 다른 인쇄된 평면 구조와 유사합니다. 그림 2.1은 일반적인 SIW의 기하학적 구조를 보여줍니다. SIW 구조 설계에는 폭(즉, 측면 방향의 비아 간격(a)), 비아 직경(d) 및 피치 길이(p)가 사용됩니다. 그림 2.1에 나타낸 가장 중요한 기하학적 매개변수는 다음 절에서 설명합니다. 직사각형 도파관과 마찬가지로 주요 모드는 TE10입니다. 공기 충전 도파관(AFWG)과 유전체 충전 도파관(DFWG)의 차단 주파수(fc)와 치수 a 및 b 사이의 관계는 SIW 설계의 첫 번째 관건입니다. 공기로 채워진 도파관의 차단 주파수는 아래 공식과 같습니다.
SIW 기본 구조 및 계산 공식[1]
여기서 c는 자유 공간에서의 빛의 속도이고, m과 n은 모드이며, a는 긴 도파관의 크기이고, b는 짧은 도파관의 크기입니다. 도파관이 TE10 모드에서 작동할 때 fc=c/2a로 단순화할 수 있습니다. 도파관이 유전체로 채워지면 광대역 길이 a는 ad=a/Sqrt(εr)로 계산되며, 여기서 εr은 매질의 유전 상수입니다. SIW가 TE10 모드에서 작동하도록 하려면 관통 구멍 간격 p, 직경 d 및 광대역 as는 아래 그림의 오른쪽 상단에 있는 공식을 만족해야 하며, d<λg 및 p<2d의 경험적 공식도 있습니다[2].
여기서 λg는 유도파의 파장이다. 동시에 기판의 두께는 SIW 크기 설계에는 영향을 미치지 않지만 구조의 손실에는 영향을 미치므로 두꺼운 기판의 저손실 이점을 고려해야 한다.
마이크로스트립에서 SIW로의 변환
마이크로스트립 구조를 SIW(Single-Induced Waveguide)에 연결해야 할 때, 테이퍼형 마이크로스트립 트랜지션은 가장 선호되는 트랜지션 방식 중 하나이며, 일반적으로 다른 인쇄형 트랜지션에 비해 광대역 임피던스 정합을 제공합니다. 잘 설계된 트랜지션 구조는 반사율이 매우 낮고, 삽입 손실은 주로 유전체 및 도체 손실에 의해 발생합니다. 기판 및 도체 재료의 선택은 트랜지션의 손실을 결정하는 주요 요인입니다. 기판 두께는 마이크로스트립 라인의 폭을 제한하므로, 기판 두께가 변할 경우 테이퍼형 트랜지션의 파라미터를 조정해야 합니다. 또 다른 유형의 접지형 코플래너 도파관(GCPW) 또한 고주파 시스템에서 널리 사용되는 전송선 구조입니다. 중간 전송선에 가까운 측면 도체는 접지 역할을 합니다. 주 급전선의 폭과 측면 접지와의 간격을 조정함으로써 원하는 특성 임피던스를 얻을 수 있습니다.
마이크로스트립에서 SIW로, GCPW에서 SIW로
아래 그림은 SIW(Single Interference Waveguide)용 마이크로스트립 설계 예시입니다. 사용된 매질은 Rogers3003이며, 유전율은 3.0, 실제 손실 값은 0.001, 두께는 0.127mm입니다. 양 끝단의 급전선 폭은 0.28mm로 안테나 급전선의 폭과 동일합니다. 스루홀 직경은 d=0.4mm이고, 간격은 p=0.6mm입니다. 시뮬레이션 크기는 50mm*12mm*0.127mm입니다. 통과 대역에서의 전체 손실은 약 1.5dB입니다(광대역 간격을 최적화하면 더욱 줄일 수 있습니다).
SIW 구조 및 S 파라미터
79GHz에서의 전기장 분포
게시 시간: 2024년 1월 18일
