진폭 및 위상 불균형을 개선한 기판집적 도파관 밸런

Ⅰ. 서 론

밸런은 차동 신호를 단동 신호로 또는 반대로 변환시키는 회로를 말한다. 현재 많은 RF 분야에서 차동 입출력 회로를 사용하고 있으며, Mixer, LNA 등에 밸런이 쓰이고 있다^[1]. 기존의 밸런은 marchand balun과 같이 마이크로스트립 라인으로 구성하였다^[2]. 그러나 고주파 대역에서는 높은 손실로 인해 기판집적 도파관(substrate integrated waveguide, SIW) 구조를 채택한다. SIW는 평면화가 가능하여 다른 PCB와 연결하기 쉽고, 방사 손실(radiation loss) 및 삽입 손실(insertion loss)이 작아 고주파 대역에 적합하다^[3],^[4].

본 밸런은 X-대역 레이다 및 UWB 시스템 등에서 사용할 수 있으며, 특히 안테나와 차동 송수신기 사이 등에서 차동신호와 단동신호의 변환이 필요한 곳에서 손실이 매우 적은 SIW 밸런이 사용될 수 있다.

이러한 밸런의 성능을 평가하기 위하여서는 180°의 위상 차이를 보이며, 동일한 진폭 크기를 갖는 차동 신호를 얼마나 잘 형성하는 것인지에 대하여 측정한다.

Ⅱ. SIW Balun 설계

SIW는 도체의 윗면 및 아랫면 평면 사이의 유전체 기판에 금속 Via를 수직으로 위치시켜 두 도체 평면을 연결하는 구조를 바탕으로 한다. 이 Via를 배열하여 2개의 측면 벽을 구성하면 전자기파는 직사각형 도파관과 유사하게 SIW 내부를 진행한다. SIW는 일정한 간격을 두고 위치한 Via 열로 인해 TM 모드 전파의 진행이 방해를 받는다. 반면 TE 모드의 전파는 Via 벽을 통해 연속적으로 흐르는 전류로 인해 SIW를 그대로 진행하며, TE10이 지배적인 모드가 된다.

SIW의 전기장 분포는 유전체로 채워진 직사각형 도파관의 전기장 분포와 유사하지만, 금속 Via 사이의 틈으로 전자기파가 일부 누설되기 때문에 이를 반영한 수치를 식 (1)을 통해 확인할 수 있다^[5].

여기서 a_SIW는 그림 1에 나타낸 것과 같이 SIW의 폭, a_eq는 직사각형 도파관의 폭, d는 Via의 지름, p는 Via 중심 사이의 거리를 말한다.

그림 1. | Fig. 1. SIW와 SIW-microstrip transition의 구조 | SIW and SIW-microstrip transition.

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전자기파의 손실을 감소시키려면 Via의 지름, Via 중심 사이의 거리를 적절히 조절해야 하며, 설계하는 구조에 따라 최종적으로 최적화를 한다. 그러나 SIW 단독으로는 커넥터, 안테나 등과 연결할 수 없으므로 다른 회로와 물리적인 연결 및 매칭을 위한 구조가 필요하다. 이를 위하여 SIW와 마이크로스트립 선로 사이에 Tapered microstrip transition을 삽입한다. Tapered microstrip transition은 마이크로스트립 선로의 Quasi-TEM 모드와 SIW의 TE 모드를 전환하는 역할을 한다. Tapered microstrip transition의 폭 과 길이에 관련된 식은 이미 주어져 있다^[6]. 길이는 약 $\frac{{\lambda }_o}{4}$로 정해지는데, 이는 반사 손실을 감소시킨다. 그림 1 은 SIW와 SIW-microstrip transition 구조를 보여준다.

제안하는 밸런은 ϵ_r이 2.22, 기판 두께가 1.575 mm인 Rogers RT/duroid 5880으로 설계하였다. 그림 2는 설계한 단층 balun이다. Port 1의 신호는 3-dB 전력분배기에 의해 전력이 반으로 나뉜다. Port 2에서는 Port 1 신호의 위상이 그대로 출력되고, Port 3에서는 반대의 위상이 출력된다. 이는 Port 2는 Top metal, Port 3은 Bottom metal에 신호선이 존재하여 Port 1의 중심선에 횡방향으로 대칭 구조를 이루고 있기에 나타나는 특징이다. 그림 3은 차동 Port를 커넥터와 연결했을 때의 전기장 분포를 보여준다. Port 2의 전기장은 신호선에서 접지 평면을 향하고, Port 3은 접지 평면에서 신호선을 향한다. 따라서 Port 2와 Port 3 신호의 위상차는 180°로 차동 신호를 나타낸다. 이후 마이크로스트립 선로를 전파 진행 방향의 수직으로 위치 시켜 근접한 두 Port 사이의 간섭으로 인한 신호 손실을 감소시켰다. 모든 설계 수치들은 상용 시뮬레이션 툴인 CST로 최적화되었으며, 표 1에 나타내었다.

그림 2. | Fig. 2. 제안하는 밸런 | The proposed balun.

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그림 3. | Fig. 3. 전기장 분포 | Electric-field distribution.

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Ⅲ. 측정 결과

설계한 밸런은 그림 4와 같이 제작하였으며, 측정을 위하여 기판과 커넥터의 손실을 보상하기 위한 TRL calibration을 실시하였다. 이를 위하여 2-port vector network analyzer(VNA)로 측정하였으며, 나머지 하나의 Port는 50Ω 광대역 부하를 연결하였다. 제작한 밸런의 전체 크기는 가로 110.8 mm, 세로 60.4 mm이다.

그림 4. | Fig. 4. 제작한 밸런의 top 및 bottom view | Top and bottom views of fabricated balun.

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그림 5는 그림 4에서처럼 제작한 밸런의 성능 결과를 나타내고 있으며, 시뮬레이션 결과와 측정 결과를 같이 비교하여 나타내었다. 7.33 GHz부터 9.36 GHz까지의 대역에서 차동 포트의 이득(S₂₁과 S₃₁)은 시뮬레이션 결과, 약 −4 dB이며, 측정값은 −3.11 dB에서 −5.71 dB의 분포를 보이고 있다. 반사손실은 시뮬레이션 및 측정 결과, 모두 −10 dB 이하의 성능을 보인다. 그림 5에서 포트의 이득은 시뮬레이션 값과 측정값 사이에 최대 1.7 dB의 차이를 보이고 있으며, 이는 차동 포트의 tapered line 부분에서 충분하지 않은 접지면으로 인하여 시뮬레이션 결과와 비교하여 실제 제작한 밸런이 다소 많은 손실을 보 임에서 기인한다.

그림 5. | Fig. 5. 측정 결과 | Measurement results.

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차동 포트의 위상 특성은 그림 6에 나타난 것과 같으며, 대역폭 내에서 진폭 불균형 및 위상 불균형은 그림 7과 그림 8을 통해 각각 확인할 수 있다. 진폭 불균형은 최 대 0.064 dB의 시뮬레이션 결과와 최대 0.21 dB의 측정 결과를 보인다. 그리고 위상 불균형은 시뮬레이션 상에서 180°를 기준으로 최대 0.38°의 오차가 발생되었으며, 측정 결과는 0.22°～3.6°로 나타났다.

그림 6. | Fig. 6. 차동 포트의 위상 시뮬레이션 및 측정 결과 | Simulation and measurement results of phase at differential port.

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그림 7. | Fig. 7. 측정된 차동 신호의 진폭 불균형 결과 | Measurement result of amplitude imbalance.

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그림 8. | Fig. 8. 측정된 차동 신호의 위상 불균형 결과 | Measurement result of phase imbalance.

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기존의 SIW 및 Marchand 기술을 적용한 밸런과 제안하는 밸런의 성능 비교는 표 2를 통해 확인할 수 있다. 표 2에서 보듯이, 제안하는 밸런은 상대적으로 협대역에서 동작하고 있지만, 진폭 불균형 성능은 매우 작은 값을 보이고 있고, 위상 불균형 또한 상대적으로 우수한 성능을 보이고 있다.

Ⅳ. 결 론

본 논문에서는 진폭 및 위상 불균형을 감소시키는 대칭 구조를 통해 8 GHz 대역의 기판 집적 도파관 밸런을 구현하였다. 차동 신호의 진폭 오차는 최대 0.21 dB, 위상 오차는 최대 3.6°로 측정되었다. 180°의 위상차를 가져야 하는 밸런에 비해 위상에서 약 2 %의 오차를 보인다. 이를 통해 이상적인 밸런에 한층 가까워진 것을 확인할 수 있으며, 향후 다양한 응용에 활용할 수 있을 것이다.