KR20010112034A - 도파관-마이크로스트립 변환 구조를 이용한 전력 결합기 - Google Patents

도파관-마이크로스트립 변환 구조를 이용한 전력 결합기 Download PDF

Info

Publication number
KR20010112034A
KR20010112034A KR1020000061613A KR20000061613A KR20010112034A KR 20010112034 A KR20010112034 A KR 20010112034A KR 1020000061613 A KR1020000061613 A KR 1020000061613A KR 20000061613 A KR20000061613 A KR 20000061613A KR 20010112034 A KR20010112034 A KR 20010112034A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
dielectric substrate
waveguide
stripline
power
microstrip
Prior art date
Application number
KR1020000061613A
Other languages
English (en)
Inventor
권영우
천창율
정진호
Original Assignee
권영우
천창율
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 권영우, 천창율 filed Critical 권영우
Publication of KR20010112034A publication Critical patent/KR20010112034A/ko

Links

Landscapes

  • Microwave Amplifiers (AREA)

Abstract

본 발명은 밀리미터파 대역에서 고출력 전력 증폭 모듈을 구성하기 위하여, 여러 개의 단위 증폭기의 출력 전력을 결합하는 전력 결합기/분배기를 제공하는 것으로, 결합 효율이 높고 열방출 특성이 좋으며 광대역 특성을 지닌 구조를 제안한다. 발명된 구조는 엔티포달 핀라인을 이용한 도파관-마이크로스트립 변환 구조 두 개를 나란히 기판에 형성하여 이루어진다. 구체적으로 살펴보면, 앞 뒷면에 도전띠가 형성되어 있는 유전체 기판이 도파관 중앙(도면 1. yz 평면)에 삽입되어 있는 구조이다. 유전체 기판에 형성되어 있는 도전띠는 도파관의 전기장 분포를 마이크로스트립 라인의 전기장 분포로 바꾸어 줌과 동시에 등전력 분배가 가능하게 한다.
이러한 전력 결합기 n개를 나란히 배열하면 2n개의 단위 증폭기를 결합할 수 있는 2n-갈래 전력 결합기로 확장이 가능하다. 또한, m개의 동일한 기판을 도파관에 다층으로 쌓아 전체적으로 m x 2n개의 단위 증폭기를 결합할 수 있는 m x 2n-갈래 전력 결합기로 확장이 가능하다. 발명된 구조는 정밀한 밸런(balun) 구조를 사용하고 기계 가공의 정밀도에 따라 특성이 심각하게 변하지 않아 밀리미터파 대역에서 재현성 및 전력 결합 효율이 우수한 장점이 있다

Description

도파관-마이크로스트립 변환 구조를 이용한 전력 결합기{Power combining structure using waveguide-to-microstrip transition}
본 발명은 도파관-마이크로스트립 변환 구조 및 이를 이용한 전력 결합기에 관한 것이다.
대출력 전력 증폭기는 마이크로파 및 밀리미터파 송수신기에서 중요한 부품이다. 특히 밀리미터파 대역에서는 단일 MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit)에서 얻을 수 있는 전력이 제한되어 있기 때문에 대전력을 얻기 위해서는 전력 결합이 필요하게 된다. 이러한 전력 결합기는 저손실, 좋은 열방출 특성, 재현성, 광대역 특성 등이 요구된다. 준광학적 전력 결합은 대전력을 얻기 위해서 많은 소자를 집적시키는데 유리한 방법이다. 많은 단위 증폭기를 결합할 때, 다른 평판 형태의 전력 결합보다 결합 효율이 뛰어나기 때문이다. 그러나, 자유 공간에서의 전력 결합은 회절 손실, 열방출 문제, 입출력 격리 문제 등이 있다. 반면 도파관 내에서 일어나는 전력 결합은 이러한 문제들을 해결할 수 있기 때문에 선호되고 있다. 최근에, 도파관 형태의 준광학적 전력 결합 구조를 이용한 증폭기가 X-밴드(band)에서 구현되었는데, 이는 슬롯 안테나 배열을 이용한 것이다. 이 증폭 모듈(A 120-W X-Band Spatially Combined Solid-State Amplifier: IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, VOL. 47, NO. 12, DECEMBER 1999)은 6x4개의 MMIC 증폭기를 전력 결합하여 X-밴드에서 120 W의 출력과 최고 88%의 전력 결합 효율을 나타냈다. 이처럼 도파관 형태의 준광학적 전력 결합기는많은 증폭기를 결합시킬 때 평판 형태의 2진 나무 구조의 전력 결합기가 겪는 손실 증가를 피할 수 있는 장점이 있다. 그러나, 이 논문에서 제시된 전력 결합기는 정교한 밸런(balun) 구조를 사용하지 않고 와이어 본딩(wire bonding)을 사용한 슬롯-마이크로스트립(slot-microstrip) 변환구조에 의존하기 때문에 사용 주파수가 제한된다. 따라서, 이 전력 결합기는 밀리미터파 주파수 대역에서는 응용이 쉽지 않을 것으로 예상된다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 많은 개수의 전력 증폭기를 결합할 때, 효율이 높고 열방출 특성이 좋으며 재현성이 뛰어난, 광대역 특성을 갖는 전력 결합기를 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 도파관-마이크로스트립 변환 구조를 이용한 전력 결합기의 사시도이고,
도 2는 도 1의 a, b, c, d 각 지점에서의 단면도이고,
도 3은 도 1의 전력 결합기의 평면도이고,
도 4는 백-투-백으로 연결된 1×2 결합기의 Lc의 길이에 따른 공진 주파수의 변화 특성을 나타내는 그래프이고,
도 5는 백-투-백(back-to-back)으로 연결된 1×2 결합기의 공진 영역에서의 유효 유전 상수에 따른 공진 주파수의 변화 특성을 나타내는 그래프이고,
도 6a는 공진 주파수에서의 유전체 기판(x=3.56㎜이고, yz 평면 위에 있다) 내부의 전기장 전체의 세기를 시뮬레이션한 그림이고,
도 6b는 공진 주파수에서의 유전체 기판 내부의 전기장의 z 축 성분의 세기를 시뮬레이션한 그림이고,
도 6c는 비공진 주파수에서의 유전체 기판 내부의 전기장 전체의 세기를 시뮬레이션한 그림이고,
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 백-투-백 1×2 전력 결합기를 Ka-밴드의 광역 동작에 최적화한 상태에서의 손실 곡선이고,
도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전력 결합기를 x 축 방향을 향하여 바라본 배치도이고,
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 도파관-마이크로스트립 변환 구조를 이용한 전력 결합기(1×4결합기)의 사시도이고,
도 10은 도 9의 a, b, c, d 각 지점에서의 단면도이고,
도 11은 도 9의 전력 결합기의 평면도이고,
도 12는 본 발명의 제3 실시예에 따른 도파관-마이크로스트립 변환 구조를 이용한 전력 결합기(2×2 결합기)의 단면도이고,
도 13은 24GHz 동작에 최적화하고 MMIC 칩을 수용하기에 적합하도록 마이크로스트립 선이 길어진 백-투-백 2×2 전력 결합기의 손실 곡선이고,
도 14a는 공진 주파수에서의 2×2 전력 결합기의 기판 내에서의 전기장의 세기를 시뮬레이션한 그림이고,
도 14b는 공진 주파수에서의 2×2 전력 결합기의 두 기판 사이의 전기장의 세기를 시뮬레이션한 그림이고,
도 14c는 공진 주파수가 아닌 주파수에서의 2×2 전력 결합기의 기판 내에서의 전기장의 세기를 시뮬레이션한 그림이고,
도 14d는 공진 주파수가 아닌 주파수에서의 2×2 전력 결합기의 두 기판 사이의 전기장의 세기를 시뮬레이션한 그림이다.
이러한 과제를 해결하기 위하여 본 발명에서는 앤티포달 핀라인(antipodal finline)-마이크로스트립 변환구조를 이용한 새로운 형태의 도파관 전력 결합구조를 제시한다. 모드 변환에 정교한 밸런(balun) 구조가 사용되었고 와이어 본딩은 필요하지 않다. 제안된 1x2 결합구조를 FEM 시뮬레이션과 실험으로 분석하고 최적화한다. 또 이것을 다층으로 쌓아서 2x2 형태의 결합기를 구성한다. 이를 이용하여 1-W MMIC 증폭기를 결합하여 전력 증폭 모듈을 제작한다. 24GHz에서 1x2 전력 증폭 모듈은 32.2 dBm의 출력 전력을, 2x2 전력 증폭 모듈은 35.2 dBm의 출력 전력을 보이며, 결합효율은 83%이다.
구체적으로는, 제1 평면 위에 형성되어 있는 n1개의 제1 스트립라인, 제1 평면과 분리되어 있는 제2 평면 위에 형성되어 있는 n2개의 제2 스트립라인을 포함하고, 제2 스트립라인을 제1 평면 위에 투영하였을 때 제1 스트립라인 시작부는 인접한 제2 스트립라인 두 개의 시작부 사이에 위치하며, 적어도 일부분에서 제2 스트립라인 두 개는 제1 스트립라인과 중첩되는 도파관-마이크로스트립 변환 구조를 마련한다.
이러한 도파관-마이트로스트립 변환 구조를 이용하여 전력 결합기를 형성하는데 그 구조는 다음과 같다.
제1 내지 제4 면을 가지는 직사각형 도파관, 앞면과 뒷면을 가지며 도파관의 내부에 제1면 및 제3면과 나란하게 삽입되어 있는 띠 모양의 제1 유전체 기판, 제1 유전체 기판의 앞면에 형성되어 있는 제1 스트립라인, 제1 유전체 기판의 뒷면에 형성되어 있는 n개의 제2 스트립라인, 제1 및 제2 스트립라인과 연결되어 있는 n개의 반도체칩을 포함하고, 제2 스트립라인을 유전체 기판의 뒷면 위에 투영하였을 때 제1 스트립라인의 시작부는 제2 스트립라인 두 개의 시작부 사이에 위치하며, 적어도 일부분에서 제2 스트립라인 두 개는 제1 스트립라인과 중첩된다.
그러면 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 따른 도파관-마이크로 스트립 변환 구조를 이용한 전력 결합기를 설명한다.
본 발명에서는 두 개의 도파관-앤티포달 핀라인-마이크로스트립 변환 구조가 하나의 기판에 집적되어 있고 이것이 도파관 중앙에 삽입되어 있다. 따라서, 이구조는 2갈래 전력 결합기로 동작하게 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 도파관-마이크로스트립 변환 구조를 이용한 전력 결합기의 사시도이고, 도 2는 도 1의 a, b, c, d 각 지점에서의 단면도 및 전기장 분포도이고, 도 3은 도 1의 전력 결합기의 평면도이다.
도 1을 보면, 내부는 공기로 채워져 있고 네 벽은 도전체인 직사각형 도파관(10)의 중앙에 얇은 판 모양의 유전체 기판(20)이 도파관(10)의 좌우측면(yz 면)과 나란하게 삽입되어 있다.
유전체 기판(20)의 앞면에는 제1 및 제2 핀라인(31, 32)이 도파관(10)을 따라(y축 방향) 형성되어 있는데, 이 두 핀라인(31, 32)의 간격은 처음에는 도파관(10)의 상하 폭과 같다가 y축을 따라 진행하면서 점점 좁아지다가 일정한 간격을 유지한다. 제1 및 제2 핀라인(31, 32)의 폭은 0에서 시작하여 y축을 따라 진행하면서 점점 넓어지다가 이들 핀라인(31, 32)이 도파관(10)의 상하면에서 각각 분리되기 시작하면서 다시 좁아지다가 일정하게 된다.
유전체 기판(20)의 뒷면에는 제3 핀라인(41)이 y축 방향을 따라 형성되어 있는데, 제3 핀라인(41)은 처음에는 폭 0이다가 점점 폭이 넓어져 도파관(10)의 좌우측면의 폭과 같아지고 결국 도파관(10)의 상하면과 접촉하게 된다. 유전체 기판(20)의 뒷면에는 또 도전체 조각(42)이 형성되어 있는데, 그 위치는 제1 및 제2 핀라인(31, 32)과 제3 핀라인(41)이 서로 중첩되기 시작하는 부분이다. 두 개의 도전체 조각(42)은 각각 도파관(10)의 상하면과 접촉되어 있다.
도 2는 모드 변환과 전력이 180도 위상차를 가지면서 같은 전력으로 분배되는 원리를 나타낸다. a와 b사이의 영역에서 완만하게 그 폭이 늘어나는 제1 및 제2 앤티포달 핀라인(antipodal finline)(31, 32)은 도파관의 TE10 모드의 수직 전기장을 점점 수평 방향으로 회전시킨다. 또한 이 영역의 제1 및 제2 앤티포달 핀라인(31, 32)은 도파관의 높은 임피던스를 마이크로스트립의 낮은 임피던스로 정합시키고 있다. 전파가 c에 도달하면, 전기장이 90도 회전하게 되고, 마이크로스트립 라인의 전기장 분포를 갖게 된다. 그러나, c에서의 전기장 분포는 아직 비대칭적이다. 밸런(balun) 구조를 이용하여 이를 해결할 수 있는데, 여기서는 c점에서 d점까지의 제3 핀라인(41)을 점점 넓혀 갔다. 결국 전기장은 d점에서 마이크로스트립 라인의 준- TEM 모드로 되고, 등전력 분배가 가능하게 되는 것이다.
도 3에는 백-투-백(back-to-back) 구조로 된 결합기의 자세한 모양이 나와 있다. 유전체 임피던스 변환기(Dielectric Impedance Transmitter : DIT)(21)는 공기로 채워진 도파관의 임피던스와 유전체가 부분적으로 채워진 도파관의 임피던스를 정합하기 위해 채택된 것이다. 이 부분의 임피던스가 지수함수적으로 변화하도록 모양을 결정하였는데, 삼각형 모양을 가지고 있다. 이 임피던스 변환기는 2-3dB 정도의 반사 손실을 개선시켰다.
앞면 금속 핀라인(finline)과 도파관과의 전기적 접촉을 위해서 톱날 모양의 초크(33)를 사용하였다. 0.25 파장(λ/4)의 마이크로스트립 개방 스터브 배열을 사용하여 전기적으로 단락 경계 조건을 만족시키도록 하였다. 반면에 뒷면 금속 핀라인(finline)은 도전성 에폭시로 도파관에 물리적으로 접착시켰다. 톱날 모양의 초크 사용으로 기판 양면을 도파관에 물리적으로 접착시킬 필요가 없었다. 이는 양면을 꽉 조여서 접촉시키면서 발생할 수 있는 재현성 문제를 해결할 수 있게 한다. 초크로 인한 반사 및 손실을 줄이기 위하여, 길이, 폭, 간격을 반복 실험을 통하여 최적화 시켰다.
여기서 앤티포달 핀라인 구조는 단일 변환 구조에 비하여 임피던스 변환비를 낮추어 줌으로 해서 광대역 특성을 얻을 수 있다. 보통의 변환 구조는 도파관과 마이크로스트립의 높은 임피던스 비(8:1 이상)로 인하여 대역폭이 제한된다. 제안된 구조에서는 각각의 핀라인(finline)이 보는 임피던스가 반감되므로 대역폭 문제도 해결될 수 있다.
요약하면, 본 발명에서 제안된 전력 결합구조는 앤티포달 핀라인(antipodal finlne)을 이용한 도파관-마이크로스트립 변환기에 기초하고 있다. 앤티포달 핀라인은 전기장을 회전시켜 구형 도파관의 TE10 모드를 마이크로스트립의 준-TEM 모드로 변환시킨다. 임피던스의 관점에서 보면, 도파관의 높은 임피던스를 마이크로스트립의 낮은 임피던스로 정합시키는 것이다. 본 발명에서는 모드 변환과 전력 결합을 동시에 가능하게 하기 위하여 두 개의 변환구조를 나란히 놓은 이중 앤티포달 핀라인-마이크로스트립 변환 구조를 채택하였다.
본 발명의 실시예에 따른 전력 결합기의 초기 설계는 3차원 유한요소법(FEM) 구조 시뮬레이터를 사용하여 이루어졌다
초기설계 후, 중요 변수들을 조정하여 실험적으로 특성을 최적화하였다. 중요 변수들은 다음과 같다. (1) 변환 길이, (2) 반원모양의 컷아웃(cutout) 길이, (3) 초크의 폭, 간격, 길이. 이 변수들은 도 3에 나와 있다. 앞서 설명했듯이, 전기장 회전과 임피던스 변환이 a점과 b점 사이 영역에서 일어난다. Lt는 이 길이, 즉 변환 길이를 나타낸다. 변환 길이가 길수록 반사손실은 작아진다. 하지만, 오믹 손실이 증가하게 된다. 따라서, 반사손실과 삽입손실간에 적절한 타협이 필요하다. 초크의 길이, 폭, 간격은 전기적 접촉을 가능케 하는 부분이므로 정확하게 결정되어야 한다.
가장 중요한 변수는 반원 모양의 컷아웃(cutout) 길이인 Lc이다. 이 변수는 밸런의 길이(도 3에서 c점과 d점 사이의 영역)를 결정하는데, 부드러운 변환을 위하여 적절하게 정해져야 한다. 게다가 Lc는 앤티포달 핀라인 변환 구조에서 흔히 관찰되는 대역내 공진 주파수를 결정한다.
도 4는 백-투-백으로 연결된 이중 앤티포달 핀라인 구조(두 가지 Lc에 대하여)의 삽입 및 반사손실을 나타낸다.
두 가지 경우 Ka-밴드 중간쯤에 공진 특성이 나타난다. 이것은 반원 모양의 컷아웃 영역이 2차원 금속 캐비티(cavity)처럼 동작하기 때문이다.
도 6a 내지 도 6c는 공진일 때와 아닐 때의 주파수에서 기판 중앙 단면에서의 전기장 분포를 나타낸다.
도 6a는 전체 전기장 세기의 크기, 도 6b는 z축 성분을 나타낸다. 도 6a, 6b에서 전기장이 반원모양의 컷아웃 영역에 집중되어 있음을 알 수 있는데, 특히 가장 우세한 성분은 z축 성분임을 알 수 있다. 따라서, 변환 영역에서 누설된 전파가 z축의 전기장 성분을 발생시켜 2차원 슬롯 캐비티(slot cavity) 공진을 만들어내는 것으로 이해할 수 있다. 도 6c는 공진이 발생하지 않는 주파수인데, 공진 영역에서 전기장이 약하여 전기장이 마이크로스트립 라인으로 잘 진행함을 알 수 있다.
전기장 해석을 통하여 공진 주파수가 Lc를 조절하여 제어될 수 있음을 알 수 있다. Lc가 커지면 공진 주파수는 아래로 떨어지는 것이다. 뒷면 금속을 첨가하여[도 1에서 도전체 조각(42)] 반원 모양의 컷아웃의 형태를 바꿈으로써 공진 주파수를 바꿀 수도 있는데, 이는 공진 주파수를 떨어뜨리는 효과를 준다. 도 5는 반원 모양 영역의 유효 유전율을 바꾸어줌으로써 공진 주파수를 조절할 수 있음을 보여준다. 이를 위해, 이 영역의 유전체를 잘라냈는데, 도 5에서 "air"라고 표시된 것이 유전체가 제거된 것을 나타낸다. "air" 경우에는 유효 유전율이 감소하게 되어 공진 주파수가 32.8GHz에서 34.5GHz로 증가하게 된다.
반복적인 실험을 통해 최적화된 Ka-밴드 전력 결합기를 설계하고, 10mil 두께의 듀로이드(Duroid) 기판( 유전율 = 2.2)에 제작하였다. 도 7은 최적화된 두 갈래 전력 결합기의 측정 결과 및 FEM 시뮬레이션 결과가 나와 있다. 마이크로스트립 라인의 손실을 포함하여 측정된 삽입 손실은 Ka-밴드 전대역에서(32GHz에서 35GHz는 제외하고) 0.6dB보다 작고 반사손실은 17dB보다 우수하다.
도 8를 보면, 두 개의 증폭용 MMIC 칩(50)을 중심으로 하여 양측에 결합기가 대칭적으로 형성되어 있다. 결합기의 앞면 핀라인(31, 32)은 각각 다른 증폭용 MMIC 칩(50)에 연결되어 있고, 뒷면 핀라인(41)은 두 MMIC 칩(50) 모두와 연결되어있다. MMIC 칩(50)에는 외부로부터 인가되는 바이어스 회로(bias feed)(32)가 연결되어 있다.
왼쪽에서 오른쪽으로 도파관을 따라 진행하는 신호파는 결합기에 의하여 둘로 분리되어 두 개의 MMIC 증폭기(50)에 입력되어 증폭되고 다시 결합기를 통하여 도파관에 전달되면서 하나로 합쳐진다. 단일 MMIC 전력 증폭기(50)가 낼 수 있는 최대 전력은 제한되어 있다. 그러나 본 발명에서 제안하는 구조를 사용하면, 입력 신호를 등 분배하여 각각의 MMIC 전력 증폭기(50)에 입력시킨 후 증폭하여 다시 출력 신호를 결합하면, 단일 MMIC 전력 증폭기(50)가 낼 수 있는 최대전력의 2배에 해당하는 전력을 얻을 수 있다. 이러한 1x2 구조는 이론적으로 1x2n으로 확장이 가능하다. 아래에서는 1x4를 예로 들어 설명한다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 도파관-마이크로스트립 변환 구조를 이용한 전력 결합기(1×4결합기)의 사시도이고, 도 10은 도 9의 a, b, c, d 각 지점에서의 단면도이고, 도 11은 도 9의 전력 결합기의 평면도이다.
도 9를 보면, 내부는 공기로 채워져 있고 네 벽은 도전체인 직사각형 도파관(10)의 중앙에 얇은 판 모양의 유전체 기판(20)이 도파관(10)의 좌우측면(yz 면)과 나란하게 삽입되어 있다.
유전체 기판(20)의 앞면에는 제1 내지 제3 핀라인(310, 320, 330)이 도파관(10)을 따라(y축 방향) 형성되어 있다. 제1 및 제2 핀라인(310, 320)의 폭은 0에서 시작하여 y축을 따라 진행하면서 점점 넓어지다가 이들 핀라인(31, 32)이 도파관(10)의 상하면에서 각각 분리되기 시작하면서 다시 좁아지다가 일정하게 된다. 제3 핀라인(330)은 폭이 0에서 시작하여 상하 대칭적으로 증가하다가 두 갈래(331, 332)로 분리된다. 제3 핀라인(330)의 두 갈래(331, 332)를 서로 분리하면 제1 및 제2 핀라인(310, 320)과 동일한 모양이 된다. 제3 핀라인(330)의 두 갈래(331, 332)는 서로 분리시켜 놓을 수도 있다.
유전체 기판(20)의 뒷면에는 제4 및 제5 핀라인(411, 412)이 y축 방향을 따라 형성되어 있는데, 제4 및 제5 핀라인(411, 412)은 처음에는 폭이 0이다가 점점 폭이 넓어져 도파관(10)의 좌우측면의 폭과 같아지고 결국 도파관(10)의 상하면과 각각 접촉하게 된다. 유전체 기판(20)의 뒷면에는 또 도전체 조각(421, 422)이 형성되어 있는데, 그 위치는 제1 내지 제3 핀라인(310, 320, 330)과 제4 및 제5 핀라인(411, 412)이 서로 중첩되기 시작하는 부분이다. 두 개의 도전체 조각(421)은 각각 도파관(10)의 상하면과 접촉되어 있다.
도 11에 나타낸 바와 같이, 제1 내지 제3 핀라인(310, 320, 330)을 유전체 기판(10)의 뒷면에 투영하면 제4 및 제5 핀라인(411, 412)의 시작부는 각각 제1 핀라인(310)과 제3 핀라인(330) 사이와 제2 핀라인(320)과 제3 핀라인(330) 사이에 위치하게 된다. y축을 따라 진행하면서 제1 내지 제3 핀라인(310, 320, 330)은 제4 및 제5 핀라인(411, 412)과 중첩하게 되는데 제3 핀라인(330)의 제1 갈래(331)는 제4 핀라인(411)과 중첩되고, 제2 갈래(332)는 제5 핀라인(412)과 중첩된다.
도 10은 모드 변환과 전력이 180도 위상차를 가지면서 같은 전력으로 분배되는 원리를 나타낸다. a와 b사이의 영역에서 완만하게 그 폭이 늘어나는 제1 내지 제3 핀라인(310, 320, 330)은 도파관의 TE10 모드의 수직 전기장을 점점 수평 방향으로 회전시킨다. 또한 이 영역의 제1 내지 제3 핀라인(310, 320, 330)은 도파관의 높은 임피던스를 마이크로스트립의 낮은 임피던스로 정합시키고 있다. 전파가 c에 도달하면, 전기장이 90도 회전하게 되고, 마이크로스트립 라인의 전기장 분포를 갖게 된다. 그러나, c에서의 전기장 분포는 아직 비대칭적이다. 밸런(balun) 구조를 이용하여 이를 해결할 수 있는데, 여기서는 c점에서 d점까지의 제3 및 제4 핀라인(411, 412)을 점점 넓혀 갔다. 결국 전기장은 d점에서 마이크로스트립 라인의 준- TEM 모드로 되고, 등전력 분배가 가능하게 되는 것이다.
위에서는 1×4 구조를 예로서 설명하였으나 이외에도 1×6, 1×8 등 무한히 확장할 수 있다. 즉, 제안된 1x2 구조를 도파관내에 유전체에 나란히 n개를 배열하면 1x2n으로 확장이 가능하고, 이러한 1x2n 전력 결합기는 전체적으로 2n개의 단위 전력 증폭기를 결합할 수 있다. 따라서, 고출력 전력을 얻을 수 있다. 뿐만 아니라, 일반적인 준광학적 전력 결합기와 마찬가지로 확장된 본 발명에서 제안된 1x2n 전력 결합기는 n의 증가에 따라 결합 효율이 감소하지 않는 특성을 보인다.
도 12는 본 발명의 제3 실시예에 따른 도파관-마이크로스트립 변환 구조를 이용한 전력 결합기(1×4결합기)의 사시도이다.
본 발명의 제2 실시예에서는 유전체 기판(20)의 뒷면에 형성되어 있는 제4 및 제5 핀라인(411, 412)이 서로 분리되어 있으나, 도 12에 나타낸 바와 같이 제4 핀라인(411)과 제5 핀라인(412)이 일체로 형성될 수도 있다. 물론, 1×2n으로 확장할 경우에도 유전체 기판(20)의 뒷면에 형성하는 모든 핀라인을 일체로 형성할 수 있다. 제3 실시예에서의 전력 분배 과정과 결합 과정은 제2 실시예에서 설명한내용과 동일하다.
앞서 제시된 1x2, 또는 1x2n 전력 결합기를 도파관 내에서 다층으로 쌓으면 더 많은 단위 전력 증폭기를 결합할 수 있다. m개의 기판을 도파관 내에 다층으로 쌓고, 각각의 기판이 2n 갈래로 나뉘어 지는 1x2n 전력 결합기라면 최종적으로는 m x 2n 전력 결합기를 구현할 수 있다. m x 2n 전력 결합기는 당연히 m x 2n 개의 단위 전력 증폭기를 결합할 수 있으므로 대 출력 증폭 모듈을 구성할 수 있으며, 준광학적 전력 결합에 해당하므로, m이 증가하여도 결합 효율은 저하되지 않는 특성을 가지고 있다.
본 발명에서는 1x2 이중 앤티포달 핀라인 전력 결합기를 2x2 전력 결합기로 확장하였다.
도 13은 본 발명의 제4 실시예에 따른 도파관-마이크로스트립 변환 구조를 이용한 전력 결합기(2×2 결합기)의 단면도이다. 본 발명의 제4 실시예는 제1 실시예의 유전체 기판(20) 두 개를 평행하게 배열해 놓은 형태이다.
도 13을 보면, 두 개의 동일한 1x2 전력 결합기(20, 30, 41)가 1.9mm 간격을 두고 WR-28 도파관(10)에 삽입되어 있다. 도파관(10)은 세 개의 금속 덩어리로 이루어져 있는데, 중간에 있는 것이 두 개의 1x2 결합기(20, 30)를 포함하고 있고 나머지 두 개는 도파관(10) 벽을 형성하고 있다. 두 결합기의 접지 핀라인(41)은 서로 마주보도록 배치되어 있는데, 이는 MMIC(50) 전력 증폭기 간에 전파 간섭을 최소화하기 위함이다.
도 14는 백-투-백으로 연결된 2x2 전력 결합기의 측정결과이다.
MMIC 증폭기가 24GHz에서 최대 이득을 가지고 있으므로, 2x2 전력 결합기도 24GHz에서 우수한 특성을 가지도록 설계하였다. 하지만, 불행하게도 24GHz에서는 특성 감쇠를 피할 수가 없는데, 이는 24GHz는 도파관 컷오프(cut-off) 주파수에 가깝기 때문이다. WR-28 도파관의 사용 주파수 대역은 26.5 GHz에서 40GHz이다. 게다가, MMIC를 장착하기 위해서 마이크로스트립 라인을 구불구불하게 제작하여 라인이 길어질 수밖에 없었고 이로 인하여 도체 손실이 증가하게 되었다.
2x2로 확장하는 과정에서 발생할 수 있는 손실 증가 분석을 위하여 시뮬레이션을 수행하였는데, 도 15a 및 15c는 각 기판의 내부에서 전기장 분포, 도 15b와 15d는 도파관의 E-평면 중앙에서의 전기장 분포를 나타낸다. 도 15a와 15b는 공진 주파수에서 전기장 분포를 나타내고 도 15c와 15d는 공진이 발생하지 않는 주파수에서 전기장 분포를 나타낸다. 공진이 발생하지 않는 경우, 두 기판 사이에 전기장은 기판 내부의 그것보다 1/10 정도로 미약하다. 비슷한 경향이 공진 주파수에서도 관찰되었다. 그러나, 공진 주파수에서는 반원 모양의 컷아웃 영역에 강한 전기장이 존재한다(도 14b). 종합하면, 2x2 전력 결합기의 손실 특성은 1x2의 경우처럼 컷아웃 영역에서 발생하는 공진에 의해 영향을 받고, 다층으로 쌓는 것 자체가 특성을 저하시키지는 않는다. 이는 제안된 구조가 많은 전력 증폭기를 수용하는데 제약이 없음을 말해주는 것이다. 즉, m x 2n의 경우에 있어서 효율이 저하되지는 않는다.
이상과 같이, 제안된 도파관-마이크로스트립 변환 구조를 이용한 전력 결합기는 다수의 전력 증폭기의 출력 전력을 결합할 수 있고, 정교한 밸런 구조를 사용하기 때문에 밀리미터파 대역에서 재현성과 결합 효율이 우수하다.

Claims (14)

  1. 제1 평면 위에 형성되어 있는 n1개의 제1 스트립라인,
    상기 제1 평면과 분리되어 있는 제2 평면 위에 형성되어 있는 n2개의 제2 스트립라인을 포함하고,
    상기 제2 스트립라인을 상기 제1 평면 위에 투영하였을 때 상기 제1 스트립라인 시작부는 인접한 상기 제2 스트립라인 두 개의 시작부 사이에 위치하며, 적어도 일부분에서 상기 제2 스트립라인 두 개는 상기 제1 스트립라인과 중첩되는 도파관-마이크로스트립 변환 구조.
  2. 제1항에서,
    앞면과 뒷면을 가지는 띠 모양의 유전체 기판을 더 포함하고, 상기 제1 스트립라인은 상기 유전체 기판의 뒷면에 형성되어 있고 상기 제2 스트립라인은 상기 유전체 기판의 앞면에 형성되어 있는 도파관-마이크로스트립 변환 구조.
  3. 제2항에서,
    상기 유전체 기판의 시작부는 이등변 삼각형인 도파관-마이크로스트립 변환 구조.
  4. 제2항에서,
    상기 유전체 기판의 앞면 및 뒷면과 평행한 제1 및 제3 면과 수직인 제2 및 제4 면을 가지며 상기 유전체 기판을 수용하고 있는 도파관을 더 포함하는 도파관-마이크로스트립 변환 구조.
  5. 제1항에서,
    상기 제2 스트립라인을 상기 제1 평면 위에 투영하였을 때 그 시작부가 상기 제1 스트립라인 두 개의 사이에 위치하는 제2 스트립라인 두 개는 시작부가 서로 연결되어 있는 도파관-마이크로스트립 변환 구조.
  6. 제1항에서,
    상기 n1은 1이고, 상기 n2는 짝수인 도파관-마이크로스트립 변환 구조.
  7. 제1항에서,
    상기 n2는 2n1인 도파관 마이크로 스트립 변화 구조.
  8. 제1 내지 제4 면을 가지는 직사각형 도파관,
    앞면과 뒷면을 가지며 상기 도파관의 내부에 상기 제1면 및 제3면과 나란하게 삽입되어 있는 띠 모양의 제1 유전체 기판,
    상기 제1 유전체 기판의 앞면에 형성되어 있는 제1 스트립라인,
    상기 제1 유전체 기판의 뒷면에 형성되어 있는 n개의 제2 스트립라인,
    상기 제1 및 제2 스트립라인과 연결되어 있는 n개의 반도체칩
    을 포함하고,
    상기 제2 스트립라인을 상기 유전체 기판의 뒷면 위에 투영하였을 때, 상기 제1 스트립라인의 시작부 각각은 인접한 상기 제2 스트립라인 두 개의 시작부 사이에 위치하며, 적어도 일부분에서 상기 제2 스트립라인 두 개는 상기 제1 스트립라인과 중첩되는 전력 결합기.
  9. 제8항에서,
    상기 제1 유전체 기판의 뒷면에 형성되어 있으며 상기 반도체 칩에 연결되어 있는 제3 스트립라인,
    상기 제1 유전체 기판의 앞면에 형성되어 있으며 상기 반도체 칩에 연결되어 있는 n개의 제4 스트립라인
    을 더 포함하고,
    상기 제3 및 제4 스트립라인은 각각 상기 제1 및 제2 스트립라인과 상기 반도체 칩에 대하여 대칭을 이루는 전력 결합기.
  10. 제9항에서,
    상기 제1 유전체 기판 뒷면의 상기 제1 스트립라인과 상기 제2 스트립라인이중첩되기 시작하는 부분에 형성되어 있는 제1 도전체 조각과 상기 제1 유전체 기판 뒷면의 상기 제3 스트립라인과 상기 제4 스트립라인이 중첩되기 시작하는 부분에 형성되어 있는 제2 도전체 조각을 더 포함하는 전력 결합기.
  11. 제9항에서,
    상기 제1 유전체 기판 양단부는 이등변 삼각형인 전력 결합기.
  12. 제9항에서,
    상기 도파관에 상기 제1 유전체 기판과 나란히 삽입되어 있으며 상기 제1 유전체 기판의 상기 제1 내지 제4 스트립라인 및 상기 반도체 칩과 동일한 형태로 형성되어 있는 제1 내지 제4 스트립라인 및 반도체 칩을 가지는 제2 유전체 기판을 더 포함하는 전력 결합기.
  13. 제12항에서,
    상기 제1 유전체 기판과 제2 유전체 기판은 뒷면끼리 서로 마주보고 있는 전력 결합기.
  14. 제12항에서,
    상기 제1 유전체 기판의 뒷면과 상기 제2 유전체 기판의 앞면이 서로 마주보고 있는 전력 결합기.
KR1020000061613A 2000-06-13 2000-10-19 도파관-마이크로스트립 변환 구조를 이용한 전력 결합기 KR20010112034A (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR20000032508 2000-06-13
KR1020000032508 2000-06-13

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20010112034A true KR20010112034A (ko) 2001-12-20

Family

ID=45937745

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020000061613A KR20010112034A (ko) 2000-06-13 2000-10-19 도파관-마이크로스트립 변환 구조를 이용한 전력 결합기

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20010112034A (ko)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2017082516A1 (ko) * 2015-11-11 2017-05-18 알에프코어(주) 동축형 공간 결합기를 구비한 전력 증폭 모듈
WO2017171360A3 (ko) * 2016-03-28 2018-08-02 한국과학기술원 전자기파 신호를 전송하기 위한 마이크로스트립-도파관 트랜지션
CN108649327A (zh) * 2018-05-14 2018-10-12 华南师范大学 一种基于锥形天线的超宽带微带转波导装置
US10770774B2 (en) 2016-03-28 2020-09-08 Korea Advanced Institute Of Science And Technology Microstrip-waveguide transition for transmitting electromagnetic wave signal

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0237803A (ja) * 1988-07-27 1990-02-07 Fujitsu Ltd 導波管−ストリップ線路変換器
JPH04271501A (ja) * 1991-02-26 1992-09-28 Toshiba Corp 導波管−マイクロストリップ線路変換器
JPH053404A (ja) * 1991-06-25 1993-01-08 Toshiba Corp 導波管ーマイクロストリツプ線路変換器
JPH05251928A (ja) * 1992-03-05 1993-09-28 Honda Motor Co Ltd アンテナ装置
JPH08172305A (ja) * 1994-10-17 1996-07-02 Advantest Corp 導波管モード−ストリップラインモード変換器

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0237803A (ja) * 1988-07-27 1990-02-07 Fujitsu Ltd 導波管−ストリップ線路変換器
JPH04271501A (ja) * 1991-02-26 1992-09-28 Toshiba Corp 導波管−マイクロストリップ線路変換器
JPH053404A (ja) * 1991-06-25 1993-01-08 Toshiba Corp 導波管ーマイクロストリツプ線路変換器
JPH05251928A (ja) * 1992-03-05 1993-09-28 Honda Motor Co Ltd アンテナ装置
JPH08172305A (ja) * 1994-10-17 1996-07-02 Advantest Corp 導波管モード−ストリップラインモード変換器

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2017082516A1 (ko) * 2015-11-11 2017-05-18 알에프코어(주) 동축형 공간 결합기를 구비한 전력 증폭 모듈
WO2017171360A3 (ko) * 2016-03-28 2018-08-02 한국과학기술원 전자기파 신호를 전송하기 위한 마이크로스트립-도파관 트랜지션
US10770774B2 (en) 2016-03-28 2020-09-08 Korea Advanced Institute Of Science And Technology Microstrip-waveguide transition for transmitting electromagnetic wave signal
US10777865B2 (en) 2016-03-28 2020-09-15 Korea Advanced Institute Of Science And Technology Chip-to-chip interface comprising a waveguide with a dielectric part and a conductive part, where the dielectric part transmits signals in a first frequency band and the conductive part transmits signals in a second frequency band
US10777868B2 (en) 2016-03-28 2020-09-15 Korea Advanced Institute Of Science And Technology Waveguide comprising first and second dielectric parts, where the first dielectric part comprises two or more separate dielectric parts
CN108649327A (zh) * 2018-05-14 2018-10-12 华南师范大学 一种基于锥形天线的超宽带微带转波导装置

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2703604C1 (ru) Переходное устройство, содержащее бесконтактный переход или соединение между siw и волноводом или антенной
JP3122110B2 (ja) ハイブリッドモードｒｆ位相シフタ
KR20200028460A (ko) 천이 장치, 천이 구조체, 및 통합형 패키지 구조체
US6023210A (en) Interlayer stripline transition
US5303419A (en) Aperture-coupled line Magic-Tee and mixer formed therefrom
US6087907A (en) Transverse electric or quasi-transverse electric mode to waveguide mode transformer
US3946339A (en) Slot line/microstrip hybrid
Chen et al. A wide-band multiport planar power-divider design using matched sectorial components in radial arrangement
JPH05218711A (ja) 広帯域マイクロストリップからストリップラインへの転移部
US5075647A (en) Planar slot coupled microwave hybrid
CN113258244B (zh) 矩形波导微带0°相差高隔离度宽带功分器
CN107819201B (zh) 一种适用于5g毫米波通信的紧凑型渐变缝隙阵列天线
US6411175B1 (en) Power distribution/synthesis apparatus
US6888429B2 (en) Transmission line with a projecting dielectric part having an opposing coplanar line and transceiver
CN218677535U (zh) 一种无源元件的强耦合带状线结构
KR100539493B1 (ko) 비방사 유전체 도파로를 이용한 방향성 결합기
KR20010112034A (ko) 도파관-마이크로스트립 변환 구조를 이용한 전력 결합기
Aljarosha et al. mm-Wave contactless connection for MMIC integration in gap waveguides
Denidni et al. Experimental investigation of a new Butler matrix using slotline technology for beamforming antenna arrays
Jaschke et al. Dual-band stepped-impedance transformer to full-height substrate-integrated waveguide
CN112993509A (zh) 多路微带波导集成混合合成器、合成功率模块及实现方法
JP2000174515A (ja) コプレーナウェーブガイド−導波管変換装置
GB2218853A (en) Microwave directional coupler
Jia et al. A compact coaxial waveguide combiner design for broadband power amplifiers
Faisal et al. Image Dielectric Guides-Based Crossover for Millimeter-Wave Applications

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
N231 Notification of change of applicant
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
NORF Unpaid initial registration fee