The Journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science

The Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science

J. Korean Inst. Electromagn. Eng. Sci. 2019; 30(2):95-103

pISSN: 1226-3133, eISSN: 2288-226X

DOI: https://doi.org/10.5515/KJKIEES.2019.30.2.95

논문/REGULAR PAPERS

Ku-대역 마이크로스트립-SIW 및 마이크로스트립-HSIW 천이 구조

홍성준, 김세일, 이민표, 임준수, 김동욱^†

Ku-Band Transitions between Microstrip and Substrate Integrated Waveguide and Microstrip and Hollow Substrate Integrated Waveguide

Sung-June Hong, Seil Kim, Min-Pyo Lee, Jun-Su Lim, Dong-Wook Kim^†

충남대학교 전파정보통신공학과

Department of Radio and Information Communications Engineering, Chungnam National University

^†Corresponding Author: Dong-Wook Kim (e-mail: dwkim21c@cnu.ac.kr)

© Copyright 2019 The Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science. This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

Received: Nov 15, 2018; Revised: Jan 28, 2019; Accepted: Jan 30, 2019

Published Online: Feb 28, 2019

요약

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±0.2 dB의 삽입 손실이 측정되었고, back-to-back 구조의 빈 공간 기판 집적 도파관 천이 구조는 15 dB의 반사 손실과 0.55±0.2 dB의 삽입 손실이 측정되었다.

Abstract

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 ≥ 20 dB and an insertion loss of 1.5±0.2 dB. 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±0.2 dB in the same frequency range.

Keywords: Ku-Band; Transition; SIW; HSIW

Ⅰ. 서 론

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].

그림 1과 같은 SIW는 K. Wu에 의해 처음으로 제안되 었으며, PCB 기판에 평행한 두 열의 비아 홀을 주기적으로 배치하여 도파관을 구성하는 것으로, 마이크로스트립 선로에 비해 단위길이 당 손실이 작고 높은 전력 능력을 가진다^[4],[5].

그림 1. | Fig. 1. 기판 집적 도파관 | Substrate integrated waveguide.

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그러나 SIW는 전송 매질로 채워져 있는 유전체의 손실로 인해 구형 도파관에 비해 손실이 크다는 단점이 있다. 이러한 손실 특성을 개선하기 위해 제안된 구조가 그림 2와 같은 빈 공간 기판 집적 도파관(hollow substrate integrated waveguide: HSIW)이다^[6]. 이는 SIW에서 가장 큰 손실 요인으로 분류되는 유전체 부분을 제거하고 공기로 대체한 구조로서 위와 아래를 금속으로 덮어 유사 구형 도파관을 구현한다.

그림 2. | Fig. 2. 빈 공간 기판 집적 도파관 | Hollow substrate integrated waveguide.

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SIW와 HSIW의 전파 모드와 차단 주파수 특성은 구형 도파관의 특성을 따르지만, 이를 평면형 전송선로 및 소자 등과 집적하기 위해서는 불연속을 해결하기 위한 천이 구조(transition)가 필수적이다^[7]. 본 논문에서는 Ku-대역의 SIW와 HSIW를 마이크로스트립 전송선로로 천이하는 구조를 설계하고 그 특성을 평가함으로써 개발된 구 조의 유효성을 확인한다.

Ⅱ. 마이크로스트립-SIW 천이 구조

그림 3은 본 논문에서 설계한 마이크로스트립-SIW 천이 구조를 보여주고 있다. 그림에서 w_ms는 50 Ω 마이크로스트립 선로의 폭, r은 비아 홀의 반지름, d는 비아 홀의 간격, w_t는 테이퍼(taper)의 선폭, l_t는 테이퍼 길이, w_tv는 테이퍼-비아(taper-via)의 폭, a_SIW는 평행한 두 열로 배치된 비아 홀의 폭이고, w_eq는 SIW의 실효폭이며, 식 (1)을 통해 계산할 수 있다^[8].

w e q = c 2 f c ε r

(1)

그림 3. | Fig. 3. 마이크로스트립-SIW 천이 구조 | Microstrip-to-SIW transition.

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그림 3은 천이 구조에서 많이 사용하는 테이퍼 구조에 비아 홀을 추가하여 마이크로스트립-SIW 천이 구조의 임피던스 정합을 개선한 구조이다^[4],[8]. 테이퍼 선폭인 w_t와 테이퍼 길이인 l_t 그리고 테이퍼-비아 폭인 w_tv는 식 (2)～ 식 (4)로 초기 값을 계산할 수 있다^[8]. 테이퍼 길이인 l_t는 천이 구조의 중심 주파수를 결정하는 변수이며, 값이 커짐에 따라 중심 주파수가 하향되므로 설계 목표에 맞게 계산하여 값을 결정한다. 테이퍼 선폭인 w_t와 테이퍼-비아 폭인 w_tv는 그 값에 따라 정합도와 대역폭이 영향을 받으므로 초기 값 계산 후 시뮬레이션을 통하여 최적화된다.

w t = w m s + 0.1547 a S I W

(2)

l t = 0.2368 λ g, m s

(3)

w t υ = 0.8556 a S I W

(4)

여기서 λ_g,ms 는 중심 주파수에서의 마이크로스트립 선로의 파장으로 식 (5)를 통해 얻을 수 있다^[7].

λ g, m s = λ g 0 ε r, e f f

(5)

이때 λ_g0는 자유공간에서의 파장이고, ε_r,eff는 중심 주파수에서 마이크로스트립 선로의 실효 유전율이다.

본 논문에서는 12 mil 두께의 Rogers 기판 RO4003C를 사용하였으며, 설계 목표는 표 1과 같고, 설계에 사용된 변수의 값은 표 2와 같다.

표 1. | Table 1. 마이크로스트립-SIW 천이 구조 설계 목표 | Design goals of the microstrip-to-SIW transition.

Frequency [GHz]	12～18
Return loss [dB]	> 15
Insertion loss [dB]	< 1.5

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표 2. | Table 2. 마이크로스트립-SIW 천이 구조에 사용한 최적화된 설계 변수의 값 | Optimized geometrical design parameters of the microstrip-to-SIW transition.

Parameters	Value [mm]	Parameters	Value [mm]
r	0.5	d	1.5
w_ms	0.65	a_SIW	9.4
w_t	2	w_eq	8.4
l_t	3.2	w_tv	6.8

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그림 4는 설계된 back-to-back 마이크로스트립-SIW 천이 구조의 시뮬레이션 결과를 나타내고 있다. 설계된 back-to-back 천이 구조는 전체 길이가 55.5 mm이고, 12～18 GHz에서 19 dB 이상의 반사 손실과 1.2±0.2 dB의 삽입 손실 특성을 보여 설계 목표를 만족하고 있다.

그림 4. | Fig. 4. Back-to-back 마이크로스트립-SIW 천이 구조의 S 파라미터 시뮬레이션 결과 | Simulated S-parameter results of the back-to-back microstrip-to-SIW transition.

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Ⅲ. 마이크로스트립-HSIW 천이 구조

그림 5는 본 논문에서 설계한 마이크로스트립-HSIW 천이 구조를 보여주고 있다. 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 비아 홀 공정을 응용한 금속 차폐 벽을 삽입하였으나, 본 논문에서는 그림 6과 같이 마이크로스트립 선로와 HSIW의 경계면에 C-cutting된 비아 홀을 대칭적으로 배치하여 단락 된 스터브 효과를 인위적으로 만들어줌으로써 정합 특성을 개선하였고, 차폐 벽 공정을 제거함으로써 PCB 공정을 단순화하였다.

그림 5. | Fig. 5. 마이크로스트립-HSIW의 천이 구조 | Microstrip-to-HSIW transition.

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그림 6. | Fig. 6. 대칭적으로 배치한 C-cutting된 비아 홀 | Symmetrically-located C-cut via-holes at the interface of the microstrip line and HSIW.

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설계 변수인 w_t,ms, l_t,ms, w_ti, l_t 그리고 w_ir은 식 (6)～식 (10)으로 초기 값을 계산한다^[9]. 마이크로스트립 선로의 테이퍼 길이인 l_t,ms와 HSIW 내 마이크로스트립 선로의 테이퍼 길이인 l_t는 천이 구조의 중심 주파수를 결정하는 변수이다. 이 값들을 크게 하면 중심 주파수가 하향 이동되고, 작게 하면 상향 이동이 일어나므로 설계 목표에 맞게 계산하여 값을 결정한다. 마이크로스트립 선로의 테이퍼 선폭인 w_t,ms와 HSIW 내 마이크로스트립 선로의 테이퍼 폭인 w_ti 그리고 테이퍼-비아의 폭인 w_ir 변수들은 그 값에 따라 정합도와 대역폭을 결정해주는 변수이므로 초기 값을 계산한 후 시뮬레이션을 통해 설계 대역폭과 반사 손실에 따라 최적화된 변수 값을 결정한다.

w t, m s = 4 w t r

(6)

l t, m s = λ g, m s 4

(7)

w t i = 1.2 w t, m s

(8)

l t = λ g 0 4

(9)

w i r = w a i r + w t i 2

(10)

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.

표 3. | Table 3. 마이크로스트립-HSIW 천이 구조 설계 목표 | Design goals of the microstrip-to-HSIW transition.

Frequency [GHz]	12～18
Return loss [dB]	> 15
Insertion loss [dB]	< 0.9

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표 4. | Table 4. 마이크로스트립-HSIW 천이 구조에 사용한 최적화된 설계 변수의 값 | Optimized geometrical design parameters of the microstrip-to-HSIW transition.

Parameters	Value [mm]	Parameters	Value [mm]
r	0.5	d	1.5
w_ms	0.65	a_HSIW	16.8
w_t,ms	1.4	w_air	15.2
l_t,ms	3.2	w_ir	7.7
w_ti	1.7	w_tf	0.4
l_t	6.2

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그림 7은 설계된 back-to-back 마이크로스트립-HSIW 천 이 구조의 시뮬레이션 결과를 나타내고 있다. 설계된 back-to-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.

그림 7. | Fig. 7. Back-to-back 마이크로스트립-HSIW 천이 구조의 S 파라미터 시뮬레이션 결과 | Simulated S-parameter results of the back-to-back microstrip-to-HSIW transition.

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Ⅳ. 제작 및 측정 결과

그림 8과 그림 9는 back-to-back 마이크로스트립-SIW 및 마이크로스트립-HSIW 천이 구조의 제작 사진을 보여주고 있으며, 크기(reference plane 기준)는 모두 55.5 × 30 mm² 이다. Back-to-back 마이크로스트립-HSIW 천이 구조의 경우 PCB 제작 후 지그 자체 구조를 활용하여 HSIW의 상하 도체면을 형성하였다. 제작된 샘플의 측정은 커넥터의 삽입 손실을 보정하고, 기준면에서의 천이 구조 특성을 확인하기 위해 TRL(Thru-Reflect-Line) 오차 보정 방법을 사용하였다.

그림 8. | Fig. 8. 제작된 back-to-back 마이크로스트립-SIW 천이 구조 | Fabricated back-to-back microstrip-to-SIW transition.

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그림 9. | Fig. 9. 제작된 back-to-back 마이크로스트립-HSIW 천이 구조 | Fabricated back-to-back microstrip-to-HSIW transition.

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그림 10과 11은 back-to-back 마이크로스트립-SIW 및 마이크로스트립-HSIW 천이 구조 시뮬레이션과 측정 결과를 각각 비교한 그래프이다. 그림 10에서 측정된 back-to-back 마이크로스트립-SIW 천이 구조는 12～18 GHz에서 20 dB 이상의 반사 손실과 1.5±0.2 dB의 삽입 손실 특성을 보이고 있고, 그림 11의 back-to-back 마이크로스트립-HSIW 천이 구조는 동일 주파수 영역에서 15 dB의 반사 손실과 0.55±0.2 dB의 삽입 손실 특성을 보이고 있다.

그림 10. | Fig. 10. Back-to-back 마이크로스트립-SIW 천이 구조의 S 파라미터 시뮬레이션 및 측정 결과 | Simulated and measured S-parameters of the back-to-back microstrip-to-SIW transition.

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그림 11. | Fig. 11. Back-to-back 마이크로스트립-HSIW 천이 구조의 S 파라미터 시뮬레이션 및 측정 결과 | Simulated and measured S-parameters of the back-to-back microstrip-to-HSIW transition.

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Back-to-back 마이크로스트립-SIW 천이 구조의 반사 손실은 시뮬레이션과 매우 흡사한 결과를 보였지만, 삽입 손실은 약 0.3 dB 정도 증가하였다. Back-to-back 마이크로스트립-HSIW 천이 구조의 반사 손실은 시뮬레이션에 비해 측정 결과가 약 5 dB 정도 감소하였고, 삽입 손실은 시뮬레이션에 비해 측정 결과가 약 0.05 dB 정도 개선됨을 확인할 수 있다.

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.

그림 12. | Fig. 12. Back-to-back 마이크로스트립-SIW 천이 구조와 마이크로스트립-HSIW 천이 구조의 S 파라미터 측정 결과 비교 | Comparison of the measured S-parameters of the back-to-back microstrip-to-SIW transition and back-to-back microstrip-to-HSIW transition.

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그림 10의 마이크로스트립-SIW 천이 구조 결과에서 S 파라미터 시뮬레이션 결과와 측정 결과가 보인 약 0.3 dB 의 삽입 손실 오차는 SIW 구조의 유전체 손실이 시뮬레이션에서 예상한 수치보다 더 크게 나온 데서 비롯된 것으로 추정되었다. 본 논문에서 사용된 RO4003C의 10 GHz에서의 손실 탄젠트(loss tangent)는 데이터시트 기준으로 0.0027이며, 이는 Ku-대역에서 다소 증가할 것으로 예상되었고, 실제 사용 조건에 따라 약간의 변동이 있을 것으로 추정되었다^[10]. 그림 13은 손실 탄젠트를 약 20 % 증가시킨 0.0033으로 설정하고, 시뮬레이션을 한 결과를 측정 결과와 비교하여 보여주고 있다. 그림 13의 삽입 손실 특성을 보면 손실 탄젠트 값의 변화로 인한 삽입손실 특성 저하를 확인할 수 있다.

그림 13. | Fig. 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 | 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.

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그림 11의 back-to-back 마이크로스트립-HSIW 천이 구조의 S 파라미터 시뮬레이션 결과와 측정 결과를 비교해보면 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.

그림 14(a)의 제작된 HSIW 천이 구조를 보면 PCB 공정 오차로 인해 테이퍼 부분에 유전체가 남아있는 것을 확인할 수 있고, 설계에 사용한 파라미터 값들과 제작된 값들에서 일부 차이가 있는 것을 확인하였다. 이러한 공정 오차들을 고려하여 그림 14(b)와 같이 구조를 모델링하여 시뮬레이션을 하였다. 그림 15는 공정 오차를 고려한 S 파라미터 시뮬레이션 결과를 측정 결과와 비교하고 있다. 공정 오차를 고려한 시뮬레이션 결과는 측정 결과와 마찬가지로 원래 시뮬레이션 결과에 비해 반사 손실 이 약 5 dB 증가하는 특성을 보였다.

그림 14. | Fig. 14. 실제 제작된 back-to-back 마이크로스트립-HSIW 천이 구조의 테이퍼 부분 및 시뮬레이션 모델 | Tapering part of the fabricated back-to-back microstrip-to-HSIW transition and its simulation model.

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그림 15. | Fig. 15. PCB 공정 오차를 고려한 back-to-back 마이크로스트립-HSIW 천이 구조의 S 파라미터 시뮬레이션 결과와 측정 결과 | Simulated S-parameters of the back-to-back microstrip-to-HSIW transition with PCB process tolerance and measured S-parameters of the fabricated back-to-back microstrip-to-HSIW transition.

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표 5는 back-to-back 마이크로스트립-SIW 천이 구조를 기존 발표 논문들의 제작 결과와 비교한 결과를 보여주고 있다^[8],[11]. SIW 구조의 경우, 사용되는 PCB의 유전체 손실이 손실의 주요 부분을 차지하므로 사용된 Rogers 社의 기판에 따라 손실 특성이 달라지는 것을 알 수 있으며, 동일한 RO4003C 기판을 사용하여 제작한 논문과 비교할 때 단위 길이 당 삽입 손실 특성은 본 논문의 결과가 개선되었음을 확인할 수 있다^[11].

표 5. | Table 5. 기존 발표된 back-to-back 마이크로스트립-SIW 천이 구조 결과와 본 논문의 결과 비교 | Comparison of the previously published back-to-back microstrip-to-SIW transition results and our work.

	This work	Ref. [8]	Ref. [11]
Frequency [GHz]	12～18	12.4～18	8～15
Return loss [dB]	≥20	≥ 25	≥ 20
Insertion loss [dB]	≤ 1.7	≤ 0.8	≤ 1.0
Length [mm]	55.5	33*	24.8
Insertion loss per unit length [dB/mm]	≤ 0.0306	≤ 0.0242	≤ 0.0403
Substrate	RO4003C	RO6002	RO4003C
ε_r	3.55	2.94	3.55
tanδ @ 10 GHz	0.0027	0.0012	0.0027
Thickness [mm]	0.305	0.508	0.208

Estimated from the fabrication photograph

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표 6은 back-to-back 마이크로스트립-HSIW 천이 구조를 기존 발표 논문들의 제작 결과와 비교한 결과를 보여주고 있다^[9],[12]. 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.

표 6. | Table 6. 기존 발표된 back-to-back 마이크로스트립-HSIW 천이 구조 결과와 본 논문의 결과 비교 | Comparison of the previously published back-to-back microstrip-to-HSIW transition results and our work.

	This work	Ref. [9]	Ref. [12]
Frequency [GHz]	12～18	12～18	6.6～16.5
Return loss [dB]	≥ 15	≥ 20	≥ 13.5
Insertion loss [dB]	≤ 0.75	≤ 1.2	≤ 1.5
Length [mm]	55.5	51*	36*
Insertion loss per unit length [dB/mm]	≤ 0.0135	≤ 0.0235	≤ 0.0417
Substrate	RO4003C	RO4003C	RO5880
ε_r	3.55	3.55	2.20
tanδ	0.0027	0.0027	0.0009
Thickness [mm]	0.305	0.813	0.508

Estimated from the fabrication photograph

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Ⅴ. 결 론

본 논문은 Ku-대역 마이크로스트립-SIW 및 마이크로스트립-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 back-to-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.

Acknowledgements

「이 논문은 2018년도 정부(교육부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업임(2018R1D1A1B07049609).」

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