초고주파공학 I 실습-01: 마이크로스트립 선로 설계

 

[실습 목적]

ㅇ 마이크로스트립 선로 기초 학습

ㅇ 시뮬레이션 툴을 이용한 평면회로 해석기술 습득

 

[이론]

1. 평면회로 선로 (planar circuit transmission line)

 

 

 

2. 마이크로스트립 선로 (microstrip line)

ㅇ 중요성

- 인쇄회로, 인쇄형 안테나의 기본 요소

- 저주파부터 밀리미터파까지 사용

- 회로패턴 구현: 상용 기판을 이용하여 화학적 식각 (etchiing), 반도체 공정 (진공증착 포함), 기계적 가공 등

 

2.1 구조

http://mcalc.sourceforge.net/mstrip.gif   

 

 

2.2 전기장, 자기장, 전류분포

ㅇ 전기장/자기장 분포

http://www.emagtech.com/files/images/MS1.png

 

 

ㅇ 전류 분포

 

ㅇ 개방종단 (open end)에서의 전기장

http://images.books24x7.com/bookimages/id_14818/fig206_01.jpg

 

2.3 마이크로스트립 선로 설계

ㅇ 위상정수/파장

     : 선로상 파장 (wavelength)

 

     : 진공에서 평면파의 파장

 

     : 유효 유전상수 (effective dielectric constant)

 

     : 위상정수 (phase constant)

 

     : 길이 L인 선로 통과후 위상지연

 

     : 전기적 길이 (electrical length) (단위: radian)

 

     : 위상속도 (phase velocity)

 

     : 길이 L인 선로 통과후 시간지연

 

    

    

 

 

ㅇ 특성 임피던스 (characteristic impedance)

     : 특성 임피던스

 

     : 부하를 향하여 진행하는 등가 전압파 (voltage wave)와 등가 전류파 (current wave)

 

    

 

      : 복소 전파상수 (complex propagation constant)

      : 감쇠정수 (attenuation constant)

 

    

 

    

 

ㅇ 감쇠 (attenuation)

- 유전체 손실 (dielectric loss)

- 도체 손실 (conductor loss)

- 표면파 손실 (loss due to surface wave conversion)

- 방사 손실 (loss due to radiation)

- 고차모드 손실 (loss due to higher-order mode conversion)

 

ㅇ 분산 (dispersion): 주파수에 따라 가 변하는 현상

    

 

http://images.slideplayer.com/18/6074265/slides/slide_56.jpg

 

https://www.ecse.rpi.edu/frisc/theses/LWangThesis-MS/Image128.gif

 

https://www.ecse.rpi.edu/frisc/theses/LWangThesis-MS/Image129.gif

 

ㅇ 등가폭 (effective width)

    

 

 

ㅇ 사용 상한 주파수: 주파수가 증가할수록 표면파 발생, 고차모드 발생 등으로 전송선으로서 성능 감소. 각 모드의 차단 주파수 이하에서 사용

     : 최저 표면파 모드 차단주파수

    

     : 최저 고차 모드 차단주파수

 

 

ㅇ 온라인 마이크로스트립 선로 계산툴

1) Microstrip Line Calculator: 사용 편리

http://www1.sphere.ne.jp/i-lab/ilab/tool/ms_line_e.htm

 

2) Microstrip Analysis/Synthesis Calculator: 손실까지 계산

http://mcalc.sourceforge.net/

 

2.4 금속함 (metal enclosure) 내의 마이크로스트립

ㅇ 전기장/자기장 분포

 

ㅇ 특성

 

 

 

 

2.5 동축선과 마이크로스트립 선로 연결

ㅇ SMA (subminiature version A) 타입 마이크로스트립 커넥터

ㅇ 여러가지 형태

http://patentimages.storage.googleapis.com/US8384492B2/US08384492-20130226-D00000.png

http://www.antennamagus.com/database/antennas/290/Transition_Coax_to_Microstrip_bottom-fed.png

 

 

2.6 마이크로스트립 선로를 이용한 회로 제작 사례

1) LNA (low noise amplifier)

- Hittite Microwave HMC669LP3

- GaAs PHEMP MMIC LNA w/ failsafe bypass mode, 1.7-2.2 GHz

 

 

 

http://media.digikey.com/Photos/Hittite%20Microwave%20Photos/121923-HMC669LP3.jpg

2) 다양한 사례

ㅇ X-band motion sensor

https://www.tablix.org/~avian/blog/images2/2015/12/top_side_of_the_motion_sensor_circuit.jpg

http://sg.rs-online.com/largeimages/F8837844-02.jpg

 

ㅇ Microwave / PIR motion sensor: RISCO WatchOUT DT extreme outdoor motion detector

 

https://diysecurityguy.files.wordpress.com/2015/06/risco315dt-a.png

https://diysecurityguy.files.wordpress.com/2015/06/risco315dt-b.png

 

ㅇ LNB (low-noise block) converter in a satellite TV receiver: RF = 10.7-11.8GHz, IF = 0.95-1.95GHz

A low-noise block converter with the lid and horn removed exposing the complex circuitry inside, with the exception of the local oscillator which remains covered. The horizontal and vertical polarisation probes can be seen protruding into the circular space where the horn is normally attached. Two output connectors can be seen at the bottom of the device.

- C-band LNB

http://jaunty-electronics.com/blog/wp-content/uploads/2012/09/LNB_II_Inside_II.png

 

ㅇ Electronic printed circuit board (PCB)

http://www.sysacom.com/images/pcb_layout2.jpg


ㅇ Harmonic generator

http://www.thegleam.com/ke5fx/cg/master.jpg

 

ㅇ Amplifiers

http://152.66.80.251/images/tan_szv_mikro/txmix1.jpg

 

http://152.66.80.251/cache/imagegallery/4e1758e415a7cb1428251ab18b5a8ef3_240x180.png

 

http://1.bp.blogspot.com/-41Ci6ZtMEN0/T8nEpbnKsGI/AAAAAAAAAcg/uoFNQkfMSRU/s1600/amplifier+rf.png

 

ㅇ Circulator

http://152.66.80.251/images/tan_szv_mikro/Substrate%20drop-in.jpg

 

ㅇ Microwave mixer

http://micro.apitech.com/images/b2p/pcb2.jpg

 

ㅇ TR module

http://www.ausairpower.net/VVS/Zhuk-TR-Module-1S.jpg

http://www.drdo.gov.in/drdo/pub/techfocus/june2001/images/L-band.jpg

 

ㅇ 58GHz radio link

http://www.microwavejournal.com/Article_Images/AR_6290_Fig5.jpg

 

ㅇ 60GHz mixer

http://www.microwavejournal.com/Article_Images/AR_6290_Fig2.jpg

 

ㅇ 77 GHz automotive radar

http://www.microwavejournal.com/Article_Images/AR_6290_Fig9.jpg

ㅇ Hairpin BPF (left) and stub LPF (right) in Agilent N9344C Spectrum Analyzer

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/77/Microstrip_Hairpin_Filter_And_Low_Pass_Stub_Filter.jpg

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/2/21/Microstrip_Distributed_Element_Filter_Technology.jpg/1280px-Microstrip_Distributed_Element_Filter_Technology.jpg

 

ㅇ Parallel-coupled line filter

Photograph

 

ㅇ LPF: Agilent N9344C Spectruam Analyzer (20 GHz)

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/8/8a/Microstrip_Low_Pass_Bowtie_Stub_Filter.jpg

 

 

[실습 1]

1. 시뮬레이션 툴 CST Microwave Studio (MWS) 구성 학습

2. 마이크로스트립 선로 설계 및 해석

1) FR-4 기판: h = 1.0 mm, εr = 4.3, tanδ = 0.02를 이용하여 1 GHz에서 50 Ω 선로를 설계하라. MWS 상의 모듈을 이용하거나 인터넷 온라인 마이크로스트립 선로 설계툴 사용.

2) 위 1항의 결과를 이용하여 MWS에서 길이 100 mm의 마이크스트립 선로를 만들라. 기판의 폭은 40 mm로 하라.

3) 선로 양 종단에 wave port를 설정하라.

4) 1 GHz에서 MWS의 포트 해석결과로부터 다음을 기입하라.

특성임피던스:

위상정수:

감쇠정수:

5) 위 항으로부터 다음을 계산하라.

유효 유전상수:

6) 2) Microstrip Analysis/Synthesis Calculator: http://mcalc.sourceforge.net/ 을 이용하여

특성 임피던스:

유효 유전상수:

유전체 손실정수:

도체 손실정수:

를 계산하라.

7) 0.1-10 GHz 범위에서 S11, S21을 계산하고 도시하라.

(참고) 마이크로스트립 wave port 설정