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1 밀리미터파대역도파관 - 마이크로스트립변환부설계및제작 함우형 *, 방재훈 *, 안병철 *, 정명숙 **, 노진입 ** Design and Fabrication of a Millimeter-Wave Waveguide-to-Microstrip Transition Woo-Hyung Ham*, Jae-Hoon Bang*, Bierng-Chearl Ahn*, Myung-Sook Jung** and Jin-Yip Roh** 요약 본논문에서는밀리미터파대역에서동작하며, RF 모듈에쉽게집적화할수있는프로브구조를이용한도파관-마이크로스트립변환부를설계하고제작하였다. 도파관-마이크로스트립변환부는마이크로스트립프로브와사각형도파관으로구성되어있다. 마이크로스트립선로는손실이적은순수테플론기판을이용하여구현하였다. 변환부의각설계파라미터를시뮬레이션을통하여최적화하였다. 제작된도파관-마이크로스트립변환구조를 back-to-back 으로연결하여측정한결과, 중심주파수에서-24 db의반사계수와 -.4 db의전달계수특성을보였다. Abstract We report a waveguide-to-microstrip transition based a probe structure for use in millimeter-wave RF modules. The proposed waveguide-to-microstrip transition is composed of a microstrip probe and a rectangular waveguide. The microstripline is realized using a low-loss substrate made of pure teflon. Design parameters of the transition are optimized using numerical simulation. The fabricated back-to-back transition exhibits reflection coefficient of -24 db and transmission coefficient of -.4 db Key words Waveguide-to-microstrip transition, Millimeter-wave, Passive MMW component I. 서론최근 RF 통신모듈의발전추세는 GHz 범위를넘어서 THz 대역까지확대되고있다 [1]. 또한주파수가높아짐에따라 CMOS, MEMS 등의집적화된모듈들이출현하고있으며, 이모듈들은반도체공 정을기반으로하는평면구조이다 [2]. 이에따라 RF front-end와안테나가직접연결될필요가있다. 이와같은경우흔히안테나는내부손실을고려하여도파관구조물인혼등이이용되며 RF 모듈의형상은기판형태로구현된다. 따라서도파관과마이크로스트립간의변환부를추가하여설계할필요 * 충북대학교전파통신공학과 ** 국방과학기술연구소 제 1 저자 (First Author): 함우형 접수일 : 29 년 1 월 5 일, 수정일 : 1 차 - 29 년 11 월 11 일, 게재확정일 : 29 년 11 월 14 일

2 64 韓國情報技術學會論文誌제 7 권제 6 호 29 년 12 월 성이대두되고있다. 도파관- 마이크로스트립변환부의설계구조로서는 antipodal finline[3]-[4] 을이용하는방법과릿지도파관을이용하는방법 [5] 및 E-field 프로브를이용하는방법 [6]-[8] 등이있다. Antipodal finline을이용하는방법은중요설계변수가기판에프린트된금속박막패턴에있어서재현성이뛰어나고, 정밀한금속가공이필요치않아저비용의장점이있지만수치해석이쉽지않아주로경험적인설계를통해제작되어왔다 [9]. 릿지도파관을이용한방법은일반도파관에비해광대역이며임피던스크기를가변할수있고, 도파관의단면이비교적마이크로스트립선로단면의모양과크기에접근할수있어전자계분포의불연속이덜심해안정된결과를도출할수있다 [5]. 본논문에서는간단한구조를갖고제작이쉬우며, 저비용의장점을가지고있는 E-field 프로브를이용한밀리미터파대역도파관-마이크로스트립변환부를설계및제작하였다. 체부분의넓은폭 (k1), 프로브와마이크로스트립종단접지면과의거리 (s), 연장된그라운드높이 (p) 등의효과를검토하였다. 도파관- 마이크로스트립변환부의동작개념을확보하기위해주요변수의변환에따른특성을파악하였다. Microstrip 기판 b a/2 그림 1. 도파관 - 마이크로스트립변환부구조 Fig. 1. Configuration of the waveguide-to-microstrip transition a/2 II. 본론 2.1 도파관-마이크로스트립변환부설계그림 1은프로브를이용한도파관-마이크로스트립변환부구조로서이해를돕기위해분해된모습을보인것이다. 마이크로스트립은도파관내부의전기장세기크기가가장큰전계면의중앙에삽입된다. 그림 2는주요설계변수들을보이고있다. 프로브의위치 (s) 는도파관중단단락면에서도파관관내파장의약 1/4지점이다. 프로브의길이 (lm) 를조정하여동작중심주파수에서낮은반사손실을가지도록한다. 프로브종단에서일정한간격을두고설치된높이 (p) 의금속은임피던스정합을위한것이다. 마이크로스트립기판의폭 k1과 k는도파관크기와벽두께를고려하여적절한값으로한다. 본논문에서는제시된주요설계변수들인마이크로스트립선로로구성된프로브길이 (lm), 마이크로스트립유전체부분의좁은폭 (k), 마이크로스트립유전 k 1 k w l s ( s+k/2 ) 2 p 그림 2. 마이크로스트립형상. 윗면, 아랫면 Fig. 2. Pattern of the microstrip. Top, and bottom 도파관- 마이크로스트립변환부의프로브는도파관으로에너지를커플링하여신호를도파관으로전달하여주고길이 (lm) 변환에따라주파수가이동하는현상을그림 3 에서보여주고있다. 또한마이

3 밀리미터파대역도파관 - 마이크로스트립변환부설계및제작 65 크로스트립유전체부분의좁은폭 (k), 마이크로스트립유전체부분의넓은폭 (k1) 의변환에따라반사손실은미세하게변하고있음을그림 3, (c) 에서알수있다. 프로브와마이크로스트립종단접지면과의거리 (s) 가증가하면인덕턴스성분이커지고이에따라저항값만을갖도록마이크로스트립선로를정합시켜준다 =.24a =.248a -5 =.256a =.264a -6 =.272a k =.5a k =.51a -5 k =.52a k =.53a -6 k =.54a k1 =.67a k1 =.75a -5 k1 =.83a k1 =.91a -6 k1 =.99a (c) s =.27a s =.28a -5 s =.29a s =.3a -6 s =.31a (d) -4 p =.6a p =.7a -5 p =.8a p =.9a -6 p =.1a (e) 그림 3. 도파관-마이크로스트립변환부시뮬레이션결과. 변수 lm에따른반사계수, 변수 k에따른반사계수, (c) 변수 k1에따른반사계수, (d) 변수 s에따른반사계수, (e) 변수 p에따른반사계수 Fig. 3. Simulation results of the waveguide-to-microstrip transition. Reflection versus parameter lm, reflection versus parameter k, (c) reflection versus parameter k1, (d) reflection versus parameter s, and (e) reflection versus parameter p 표 1은도파관-마이크로스트립변환부의기판두께, 기판유전율, 손실탄젠트, 도체두께, 변환부를구성하는각구성요소들의최종설계된크기및치수를보여준다. 동작주파수와도파관광벽 a의치수는저자소속기관의규정상명기하지않았다. 최적설계에는 CST사의 Microwave Studio (M.W.S) 를사용하였다. 그림 4는표 1의값을이용하여 2개의도파관- 마이크로스트립변환부를 back-to-back으로연결한구조의시뮬레이션을한결과를나타내고있다.

4 66 韓國情報技術學會論文誌제 7 권제 6 호 29 년 12 월 표 1. 도파관-마이크로스트립변환부의변수 Table 1. Parameter of the waveguide-to-microstrip transition 주요변수치수기판유전율 2.8 손실탄젠트.4 기판두께.125 (mm) 도체두께.8 (mm) l 1.18a lm.26a w.7a k.52a k1.83a s.29a p.8a 을보인것이다. 제작된밀리미터파대역도파관-마이크로스트립변환부는그림 6에나타나있다. 그림 6의 에보이는것이기판의앞면이며, 에보이는것이기판의뒷면이다. Waveguide Microstrip 반사계수는 -1 db를기준으로대역폭은 14% 로광대역특성을보이고있다. 대역폭은 ( )/1 1 으로계산하였다. 이때중심주파수에서전달계수는 -.6 db이다 Reflection Transmission f / f c 그림 4. 도파관-마이크로스트립변환부시뮬레이션결과 Fig. 4. Simulation results of the waveguide-to-microstrip transition Transmission (db) Waveguide 그림 5. Back-to-back 구조정면도 Fig. 5. Front view of the back-to-back structure 제작된변환부의특성을 Agilent N525A PNA를이용하여분석하였다. 밀리미터파대역에서는한파장의길이가짧기때문에회로기판에칭작업시상당한주의를요하고있다. 도파관블록제작시에도도파관전계면으로나누었기때문에플랜지좌우에위치한 hole의볼트탭작업으로인하여면이매끄럽지못할경우도발생할수있기때문에오차가발생할수도있다. 2.2 제작및측정결과 설계된밀리미터파대역도파관-마이크로스트립변환부는측정의편의를위해두개의도파관- 마이크로스트립변환부를 back-to-back 구조로연결하여제작되었다. Back-to-back 구조로제작되고측정되었기때문에측정결과는변환구조 2개의삽입손실의합으로나타난다. 그림 5는제작된 back-to-back 구조의정면 (c) 그림 6. 도파관 - 마이크로스트립변환부사진. 기판윗면, 기판아랫면, (c) 패키징된모듈 Fig. 6. Photograph of the fabricated waveguide-tomicrostrip transition. Top substrate, bottom substrate, and (c) packaged module

5 밀리미터파대역도파관 - 마이크로스트립변환부설계및제작 67 그림 7은도파관-마이크로스트립변환부의시뮬레이션과측정된반사계수와전달계수를나타내었다. 그림 7 는시뮬레이션과제작물의반사계수를나타낸그림으로서두결과가모두비슷한형태를보이고있으며공진도중심주파수에서비교적일치함을보이고있다. 그림 7 는전달계수를나타낸그림으로서시뮬레이션과측정이모두비슷한형태를보이고있으며공진도중심주파수에서비교적일치함을보이고있다. 제작된변환부의특성은중심주파수에서입출력반사계수는 -24 db이고, 전달계수는 -.4 db 이다. 여기서그래프에서는전달계수가 -.8 db 의값을보이고있으나제작된구조가 back-to-back구조이므로측정된전달계수의 db 값을반으로나누어줘야한다. Transmission (db) Measurement -6 Simulation Measurement -1 Simulation f / f c 그림 7. 도파관-마이크로스트립변환부의시뮬레이션및측정결과. 반사계수, 전달계수 Fig. 7. Simulated and measured results of the waveguide-to-microstrip transition. Reflection, and transmission Ⅲ. 결론본논문에서는밀리미터파대역에서의 RF 모듈설계를위해필요한도파관-마이크로스트립변환부를제안하였다. 제작된변환부는간단한구조인프로브를이용하였고, 순수테플론마이크로스트립이사용되었다. 최적화는 CST사의 Microwave Studio 를이용하였다. 제작된변환부의특성은중심주파수에서입출력반사계수가 -24 db이고, 전달계수는 -.4 db 이다. 시뮬레이션의결과와측정결과는거의일치함을알수있다. 밀리미터파대역의시스템구현과시스템및회로특성측정시에주로구형도파관을전송선으로사용하는데, 이는손실이적고여러수동소자가잘개발되어있으나밀리미터파회로들은보통마이크로스트립상에서제작되므로전체시스템구현을위해서는마이크로스트립과도파관과의적절한연결이필요하게된다. 따라서본논문에서연구된도파관-마이크로스트립변환부는간단한구조로구현이가능하고, 반사손실및삽입손실의우수한특성을나타내므로향후 RF 모듈의제작에활용될수있는계기를마련하였다. 참고문헌 [1] 최재익, 김재명, 무선통신 방송서비스및기술발전전망, 한국전자통신연구원주간기술동향제 1호, 21년 6월. [2] Y. Deguchi, K. Sakakibara, N. Kikuma, and H. Hirayama, "Design and optimization of millimeter-wave microstrip-to-wave guide transition operating over broad frequen cy bandwidth" IEICE Trance. Electron., Vol. E9-C, No. 1, Jan, 27. [3] J. H. C. van Heuven, "A new Intergrated waveguide-microstrip transition," IEEE Trans. Microwave Theory & Tech, Vol. MTT-24, No. 3, pp , Mar, [4] H. W Yao, A. Abdelmonem, J. F Liang, and K. A. Zaki, "Analysis and design of microstrip-to-waveguide transitions," IEEE Trans.

6 68 韓國情報技術學會論文誌제 7 권제 6 호 29 년 12 월 Microwave Theory Tech, Vol. MTT-42, No. 12, pp , Dec, [5] 이문수, 도파관- 마이크로스트립간의트랜지션설계, 한국전자파학회논문지, Vol. 15, No. 9, 199년 9월. [6] Y. C Shih, T. N. Ton, and L. Q. Bui, "Waveguide-to-microstrip transitions for millimeter-wave applications," IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Dig., Vol. 1, No. 1, pp , [7] Y.-C. Leong and S. Weinreb, "Full band waveguide-to-microstrip probe transitions" IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Dig., Vol. 4, No. 4, pp , [8] 권혁자, 이성주, 장호준, 프로브구조를이용한 Ka 대역도파관-마이크로스트립트랜지션의설계및제작, 전자공학회논문지, 제 45권, 제 7 호, 28년 7월. [9] 김동기, 정진호, 권영우, V-band 도파관-CPW 변환구조에대한연구, 한국전자파학회논문지, 제 16권, 제 5호, 25년 5월. 저자소개함우형 (Woo-Hyung Ham) 28년 2월 : 충북대학교정보통신공학과 ( 공학사 ) 28년 3월 ~ 현재 : 충북대학교전파통신공학과 ( 공학석사 ) 관심분야 : 안테나, 도파관방재훈 (Jae-Hoon Bang) 1997년 2월 : 충북대학교전파공학과 ( 공학사 ) 1999년 2월 : 충북대학교전파공학과 ( 공학석사 ) 23년 8월 : 충북대학교정보통신공학과 ( 공학박사 ) 23년 ~ 27년 : ( 주 ) 극동통신 RF 시스템연구소 28년 ~ 29년 6월 : 한국과학기술원연구교수 29년 7월 ~ 현재 : 충북대학교전자정보대학시간강사관심분야 : 전자장계산기법, 근접전계시스템, 안테나안병철 (Bierng-Chearl Ahn) 1981년 2월 : 서울대학교전기공학과 ( 공학사 ) 1983년 2월 : 한국과학기술원전기전자공학과 ( 공학석사 ) 1992년 12월 : University of Mississippi, 전기전자공학과 ( 공학박사 ) 1983년 ~ 1986년 : ( 주 ) 금성정밀주임연구원 1992년 ~ 1994년 : 국방과학연구소선임연구원 1995년 ~ 현재 : 충북대학교전파공학과교수관심분야 : 전자파응용, 안테나정명숙 (Myung-Sook Jung) 1999년 : 경북대학교전자 / 전기공학부 ( 공학사 ) 21년 : 포항공과대학교전자전기공학과 ( 공학석사 ) 21년 ~ 현재 : 국방과학연구소책임연구원관심분야 : 안테나및 RF 회로설계 / 제작, 레디오미터시스템노진입 (Jin-Yip Rho) 1984년 : 울산대학교전기전자공학과 ( 공학사 ) 1993년 : 충남대학교전자공학과 ( 공학석사 ) 23년 ~ 27년 : 충북대학교전파공학과 ( 공학박사 ) 1984년 ~ 현재 : 국방과학연구소책임연구원관심분야 : 마이크로파소자, 안테나