기판 일체 도파관

기판 일체형 도파관.전파되는 전자파는 기판의 양면에 있는 금속층과 이들을 연결하는 두 줄의 금속 비아 사이에 의해 기판 내에 제한된다.

기판통합도파관(SIW)은 금속화된 기둥 또는 기판의 상부 금속판과 하부 금속판을 연결하는 비어홀을 조밀하게 배열함으로써 유전체 기판에 형성된 합성 직사각형 전자도파관이다.도파관은 포스트 벽이 펜스를 통해 구성되는 관통 구멍 기술을 사용하여 저렴한 대량 생산으로 쉽게 제작할 수 있습니다.SIW는 기존 직사각형 도파관과 유사한 유도파 및 모드 특성을 가진 것으로 알려져 있다.

1990년대 새로운 통신 기술이 등장한 이후 고성능 밀리미터파 시스템에 대한 필요성이 증가해 왔다.신뢰성, 저비용, 콤팩트, 고주파와의 호환성이 필요합니다.불행히도 10GHz 이상에서는 잘 알려진 마이크로스트립 및 코프라너 라인 기술은 이러한 주파수에서 삽입 및 방사선 손실이 크기 때문에 사용할 수 없습니다.직사각형 도파관 토폴로지는 방사선 손실에 대한 뛰어난 내성 및 낮은 삽입 손실을 나타내기 때문에 이러한 문제를 극복할 수 있다.그러나 기존의 형태로는 직사각형 도파관은 현대 ^[1]응용 분야에서 요구되는 소형화와 호환되지 않습니다.

SIW의 개념은 ^[1]^[2]이러한 요구사항을 조정하기 위해 Ke Wu에 의해 2000년대 초에 개발되었다.저자들은 직사각형 단면을 가진 단일 기판 내부에 마이크로파 회로의 모든 구성요소를 통합하기 위한 플랫폼을 제시했습니다.단일 기판을 사용하면 제한된 부피와 간단한 제조가 보장되는 반면, 라인의 직사각형 단면은 손실 측면에서 도파관 토폴로지의 장점을 제공합니다.

SIW의 원칙

기판 일체형 도파로의 수평 단면.연속되는 2개의 비아의 중심에서 중심까지의 거리는

(\displaystyle

s

s

직경은

(\displaystyle

d

),

두 열 사이의 중심에서 중심까지의 거리는 a

(\displaystyle

a

a

입니다.

a

,

a

d,

d

,

s

에서

d

s

a

한

a_{e}

됩니다

a_{e}

기하학.

SIW는 금속층으로 양면에 피복된 얇은 유전체 기판으로 구성된다.기판에는 파동 전파 영역을 구분하는 두 줄의 평행한 금속 비어 홀이 내장되어 있습니다.Vias의 구성과 기하학적 매개변수는 첨부된 그림에 설명되어 있습니다.

SIW의 폭은 중앙에서 중앙으로 정의된 두 개의 vias 열 사이의 $거리입니다$ $a_{e}$ ${$ 를 $a_e$ 사용하여 파동 전파의 특성을 보다 정확하게 파악할 수 있습니다.같은 행의 2개의 연속된 비아 사이의 거리는 $displaystyle$ s이며, 비아 직경은 d $\displaystyle$ d로 $d$ 됩니다.

가로 자기 전파 모드

고전적인 고체벽 직사각형 도파관에서 일반적인 전파 공식은 횡전기(TE) 및 횡자기(TM) 모드의 중첩을 포함한다.이들 각각은 특정 필드 및 전류와 관련되어 있습니다.TM 모드의 경우 수직 벽의 전류는 세로 방향, 즉 전파 축에 평행하며, 일반적으로 z $(\displaystyle$ z $z$ 로 $z$ 됩니다. 따라서 이러한 모드는 SIW에 표시될 수 없습니다. 즉, 전류가 경유에서 경유로 전파될 수 없습니다.SIW를 통해 전파할 수 있는 것은 TE 모드뿐입니다.

각 모드는 도파관 치수와 충전 매체에 의해 결정되는 정확한 차단 주파수 위에 나타납니다.TM 모드의 경우 도파관 두께(보통 b $\$ $displaystyle$ b $1/b$ 를 줄이면 차단 $1/b$ 주파수가 $1/b$ 1/ $b로$ 증가하며 SIW의 경우 두께가 너무 낮아 TM 모드의 차단 주파수가 우세 모드보다 훨씬 높습니다.

유효폭

SIW 지오메트리의 목적 중 하나는 얇은 템플릿 내부에 직사각형 도파관의 특징적인 전파 모드를 재현하는 것입니다. $도파관$ 의 폭 $a$ 는 $a$ 이러한 모드의 필수 파라미터입니다. $a$ 인 SIW 지오메트리에서\ $displaystyle$ a는 $a$ 중앙에서 중앙까지의 2개의 vias 행 사이의 거리입니다(그림 참조).Vias 지오메트리로 인해 이 거리를 직접 사용할 수 없습니다. 연속된 Vias와 원형 형상 사이의 간격 때문에 가이드 내부의 신호가 동일한 폭의 완벽한 직사각형 도파관에서와 같이 정확하게 동작하지 않습니다.

도파관 이론을 SIW에 적용하기 위해서는 $a_{\text{eff}}$ $a_{\text{eff}}$ 를 $a_{\text{eff}}$ 사용할 수 있습니다.그것은 비아의 모양과 그 사이의 공간을 고려합니다.값의 $a+d$ 범위는 + $(displaystyle$ a $+d)$ ~ $(displaystyle a-d$ 입니다 $a+d$ .

일반적인 간단한 정의는^[3]^[4] 다음과 같습니다.

({displaystyle a_{\text{flac}=a-{\frac {d^{2}}}{0.95s}})

$d/displaystyle$ d $/a$ 의 $d/a$ ^[5] 큰 값에 사용되는 보다 정교한 정의는

({displaystyle a_{\text{blac}=a-1.08blac{d^{2}}{s}}+0.1blac{d^{2}}{a}}).}

이 유효폭을 사용하면 SIW의 전파상수는 폭이 $a_{\text{eff}}$ 인 기존의 직사각형 도파관과 유사합니다.위에 제시된 공식은 경험적인 것으로, 동일한 유전체로 ^[4]채워진 직사각형 도파로의 분산 특성과 다른 SIW의 분산 특성을 비교한 것입니다.

이행

SIW는 상호 연결, 필터 등으로 복잡한 마이크로파 시스템에서 사용할 수 있는 유망한 구조입니다.단, 문제가 발생할 수 있습니다.SIW를 주로 마이크로스트립, 코프라너 및 동축 케이블과 같은 다른 종류의 Transmission Line(TL; 전송선)에 접속하는 것입니다.TL의 두 가지 다른 토폴로지 간의 이러한 전환의 목적은 최소한의 전력 손실과 가능한 가장 넓은 주파수 범위에서 SIW 캐비티의 올바른 전송 모드를 활성화하는 것입니다.

Ke Wu가 SIW 개념을 발표한 직후에는 주로 두 가지 다른 전환이 사용되었다.^[1]^[2]첫째, 마이크로스트립 라인을 SIW로 변환할 수 있는 테이퍼형 천이를 들 수 있으며 둘째, 코프라너 라인과 SIW 사이의 천이를 들 수 있다(첨부 그림 참조).마이크로스트립에서 SIW로의 테이퍼 이행은 얇은 기판에 유용합니다.이 경우 마이크로스트립 라인과 관련된 방사선 손실은 그다지 크지 않다.이 이행은 대규모로 사용되고 있으며 다양한 최적화 프로세스가 ^[6]^[7]제안되고 있습니다.그러나 누출이 중요한 두꺼운 기판에는 해당되지 않습니다.이 경우 SIW의 코플러너 들뜸을 권장합니다.코플러너 이행의 단점은 대역폭이 좁다는 것입니다.

이러한 2종류의 천이에는 같은 기판에 내장된 라인이 포함되어 있습니다만, 동축 라인의 경우는 다릅니다.동축 라인과 SIW 사이에는 직접적인 이행이 없습니다.SIW에서 동축 TEM 전파 모드를 TE 모드로 올바르게 변환하려면 다른 평면 라인을 사용해야 합니다.

절대 전이를 그릴 수 있도록 하는 보편적 규칙을 결정하지 못한 채 위상 간 전환을 최적화하기 위해 여러 연구가 수행되었다.아키텍처, 주파수 범위, 사용된 재료 등은 구체적인 설계 ^[3]^[8]^[9]^[10]절차를 만드는 파라미터의 예입니다.

마이크로스트립에서 SIW로의 이행

코프라너 회선에서 SIW로의 이행

코프라너 회선 및 마이크로스트립 회선에서 SIW로의 이행 예.빨간색으로 된 비아, 회색으로 된 맨 위 금속층.

SIW에서의 손실

전송선의 전파 상수는, 다음과 같이 분해되는 경우가 많습니다.

(\displaystyle \displaystyle =\alpha +j\displays , )

그리고 가이드의 진동하는 전기장과 자기장은 다음과 같은 형태를^[11] 가지고 있다.

디스플레이 스타일H_{x,y,z}(x,y,z)&=h_{x,y,z}e^{-\gamma z}=h_{x,y,z}e^{-\alpha z}e^{-j\gamma z}e^{-j\gamma z}.\\E_{x,y,z}(x,y,z)&=e_{x,y,z}e^{-\gamma z}=e_{x,y,z}e^{-\alpha z}e^{-j\gamma z}e^{-j\gamma z}.\end { aligned}}

\gamma

결과,

【{displaystyle \gamma}

의

\gamma

허수 부분은 전파 컴포넌트를 나타내지만, 실제

({displaystyle \alpha})

는

\alpha

전파 중의 강도 손실을 나타냅니다.이러한 손실은 다양한 현상에 의해 발생하며, 각각의 현상에 대해 α

(\displaystyle \alpha

라는 용어로 표현됩니다.가장 일반적인 용어는 다음과 같습니다.^[11]^[12]

\alpha _{C}

C

(\

_

{C})

– 외부 금속 전도성으로 인한 손실,

\alpha _{D}

D

\alpha _{D}

{\

displaystyle \alpha

_

{D}}

– 도파로를 채우는 유전 매체의 손실 접선으로 인한 손실,

\alpha _{G}

G {\

displaystyle \alpha

_

{G}}

– 도파로를 채운 유전 매체의 전도성으로 인한 손실,

\alpha _{R}

R

(\

_

{R})

– 방사선에 의한 손실.

이 분해는 모든 종류의 전송 회선에 유효합니다.그러나 직사각형 도파로의 경우 방사 및 기판 전도율에 의한 감쇠는 무시할 수 있다.실제로 일반적으로 기판은 $\alpha _{G}\simeq 0$ G $\alpha _{G}\simeq 0$ 0(\ $displaystyle \alpha$ _ ${G}\simeq$ 0 $\alpha _{G}\simeq 0$ 의 절연체이다. 마찬가지로 벽두께가 신호의 피부깊이보다 훨씬 두꺼우면 방사선이 나타나지 않는다.이것은 사실 마이크로스트립과 같은 오픈 라인에 비해 폐쇄 도파로의 장점 중 하나입니다.

SIW는 특히 ^[3]고주파에서 마이크로스트립이나 코프라너 선과 같은 다른 전통적인 평면 구조에 비해 동등하거나 낮은 손실을 보여줍니다.기판이 충분히 두꺼우면 손실은 기판의 유전 ^[13]거동에 의해 지배된다.

전도 전류에 의한 감쇠

신호 감쇠의 일부는 도파관의 금속 벽을 통과하는 표면 전류 밀도 때문입니다.이러한 전류는 전파되는 전자기장에 의해 유도됩니다.이러한 손실은 명백한 이유로 옴 손실이라고도 할 수 있다.그것들은 금속의 유한한 전도율과 관련이 있습니다. 즉, 전도가 좋을수록 손실은 줄어듭니다. $단위$ $P_{l}$ 손실 $P_{l}$ 은 $P_{l}$ 도파관 벽을 둘러싼 $C$ $경로$ C(\ $displaystyle$ C $)$ 에 전류 밀도 Js(\^[11] $displaystyle$ $J_{s})$ 를 $J_{s}$ 통합하여 계산할 수 있습니다.

P_{l}=sq {1}{2}}R_{s}\int _{C} J_{s}^{2},dl.

기존의 직사각형 도파관에서는 지배 ${\text{TE}}_{10}$ ${\text{TE}}_{10}$ 10의 감쇠(\ $displaystyle\text)$ 를 확인할 수 있습니다. $TE}}_{10}:$ 전도 ${\text{TE}}_{10}$ 전류로 인해 다음과 같이 nepers 단위로 지정됩니다.

\alpha _{C}=pic {R_{s}}{a^{3}b\beta k\eta }}(2b\pi^{2}+a^{3}k^{2}}=pic {R_{s}}}}\pic\left\frac {\pi ^2\pi ^{2}}} {3}} {a}} {a

어디에

\displaystyle

a는

a

도파관의

폭

입니다.

높이 표시

\eta ={\sqrt {\mu /\epsilon }}

파동

\eta ={\sqrt {\mu /\epsilon }}

μ /

=

{

displaystyle

\eta

= μrt

{

mu

/\ilon

\eta ={\sqrt {\mu /\epsilon }}

}} 파동

\eta ={\sqrt {\mu /\epsilon }}

임피던스,

k

k=\omega {\sqrt {\mu \epsilon }}

k=\omega {\sqrt {\mu \epsilon }}

μ

k=\omega {\sqrt {\mu \epsilon }}

μ ϵ

k=\omega {\sqrt {\mu \epsilon }}

（

style

k = \

obmega ）

。파형 벡터,

\delta =1/{\sqrt {\pi f\mu \sigma }}

의 피부 깊이

\delta =1/{\sqrt {\pi f\mu \sigma }}

\delta =1/{\sqrt {\pi f\mu \sigma }}

/

\delta =1/{\sqrt {\pi f\mu \sigma }}

/1 f

\delta =1/{\sqrt {\pi f\mu \sigma }}

=

1

\delta =1/{\sqrt {\pi f\mu \sigma }}

/{\displaystyle

\

displayrt

{\

pi f\mu

\display

\delta =1/{\sqrt {\pi f\mu \sigma }}

}}

R_{s}={\frac {1}{\delta \sigma }}={\sqrt {\frac {\omega \mu }{2\sigma }}}

s

R_{s}={\frac {1}{\delta \sigma }}={\sqrt {\frac {\omega \mu }{2\sigma }}}

R_{s}={\frac {1}{\delta \sigma }}={\sqrt {\frac {\omega \mu }{2\sigma }}}

R_{s}={\frac {1}{\delta \sigma }}={\sqrt {\frac {\omega \mu }{2\sigma }}}

R_{s}={\frac {1}{\delta \sigma }}={\sqrt {\frac {\omega \mu }{2\sigma }}}

R_{s}={\frac {1}{\delta \sigma }}={\sqrt {\frac {\omega \mu }{2\sigma }}}

2

R_{s}={\frac {1}{\delta \sigma }}={\sqrt {\frac {\omega \mu }{2\sigma }}}

µ {

displaystyle R_{s

} =

μ

frac {

1} {\flac

\

flac

} =

μrc

{\flac \

mu

} {

2\flac

}} = μrcrac rt {\flac {\

flict

} } } the

R_{s}={\frac {1}{\delta \sigma }}={\sqrt {\frac {\omega \mu }{2\sigma }}}

{\flac\flac\flac\flict

}

} } } the

$\alpha _{C}$ C $\alpha _{C}$ ${\$ $display$ \ $alpha$ _ ${C}}$ 는 $\alpha _{C}$ $기판두께$ b {\ $display$ b $b$ 에 직접 연결되어 $\alpha _{C}$ 기판이 얇을수록 전도손실이 크다.이는 도파관 벽을 둘러싼 경로에 전류 밀도를 통합함으로써 이러한 옴 손실이 결정된다는 점을 염두에 두고 설명할 수 있습니다.

상단과 하단의 수평 금속판에서는 이러한 플레이트의 전계 강도가 변경되어 $1/b$ 전류가 $1/b$ 1/ $1/b$ (\ $displaystyle$ 1/ $b$ 로 $b$ 조정됩니다. 즉, b $\display b}$ 가 증가하면 전계 강도는 감소하며 전류도 전류도 감소합니다.수직벽의 $J_{s}^{2}$ J $J_{s}^{2}$ 2 $({$ J_ ${s}^{2})$ 의 $J_{s}^{2}$ 이 변화는 적분 $경로$ C $({디스플레이 스타일$ C $C$ 의 길이에 의해 보상되며, 결과적으로 도체 손실에 대한 수직 비아의 기여는 b $({디스플레이 스타일$ b $b$ ^[14]로 $b$ 되지 않습니다. $따라서$ $\alpha _{C}$ 표현에는 두 가지 용어가 있습니다.첫 번째 용어는 $b$ 와 $b$ 하며 두 번째 용어는 1 $(\displaystyle$ 1 $/$ $b$ 로 다릅니다.

SIW가 경험하는 전도 손실의 또 다른 핵심은 합성 프로세스에 의해 나타날 수 있는 표면의 거칠기와 관련이 있다.이 거칠기는 금속벽의 유효 전도율을 떨어뜨리고 그 후 손실을 증가시킨다.SIW는 매우 얇은 기판에 통합되어 있기 때문에 이러한 관찰은 SIW 설계에 매우 중요하다.이 경우 글로벌 감쇠에 대한 전도 손실의 기여가 ^[3]^[15]^[13]지배적입니다.

유전체 기판에 의한 감쇠

충전 매체의 유전 거동에 의한 감쇠는 전파 ^[11]상수에서 직접 확인할 수 있습니다.실제로, Taylor 확장 ${\sqrt {a^{2}+x^{2}}}$ 를 사용하여 ${\sqrt {a^{2}+x^{2}}}$ + ${\sqrt {a^{2}+x^{2}}}$ 2 $(\displaystyle\sqrt {a^{2}+x^{2$ })라는 것을 증명할 수 있다. $}}}:$ $aa {\style$ x $\ll$ a}의 ${\sqrt {a^{2}+x^{2}}}$ 전파 상수는 다음과 같습니다.

\displaystyle =\alpha _{D}+j\beta \displayq {k^{2}\tan \tan }{2\display }}+j\display

여기

서

\tan \delta

tan은

\tan \delta

유전체 기판의 손실 접선입니다

.

이 근사치는 일반적으로 마이크로파 전자기기(

\tan \delta =0

,

\tan \delta =0

=

\tan \delta =0

\tan \delta =0

(

대기

1.5\times 10^{-4}

0.5

1.5\times 10^{-4}

×

1.5\times 10^{-4}

- 4

(

디스플레이 스타일

1.5 -

times

10 =

10

1.5\times 10^{-4}

=

0

),

1.5\times 10^{-4}

1\times 10^{-4}

-

디스플레이

스타일 1.5 - times 10 ^ {

1.5\times 10^{-4}

- 4

1.5\times 10^{-4}

})에서 발생하는 tan

\tan \delta =0

\tan \delta \ll 1

\tan \delta \ll 1

1.5\times 10^{-4}

디스플레이

스타일 \

tan

\

tan

\tan \delta \ll 1

\times

10

= 0)의 경우)에 해당된다.umina) 그러면 다음과 같은 식별이 가능합니다.

\alpha _{D}=flac {k^{2}\tan \tan }{2\timeout}}.

이 관계는 전기 및 자기 가로 모드 모두에 대해 올바릅니다.

$\alpha _{D}$ $\alpha _{D}$ D $({$ $\alpha _{D}$ style $\alpha$ _ ${$ $D})$ 는 $\alpha _{D}$ 기판에만 의존하며 지오메트리에 의존하지 않습니다.도전 $\alpha _{D}$ 과 달리 $\alpha _{D}$ D({ $displaystyle$ \ $alpha$ _{ $\alpha _{D}$ })는 기판 두께에 영향을 받지 않습니다. $\alpha _{D}$ D $(\$ $\alpha$ _ ${D$ $\tan \delta$ 를 $\alpha _{D}$ 감소시키는 유일한 방법은 유전 특성이 뛰어난 템플릿을 선택하는 것입니다.손실 $\tan \delta$ 탄젠트 탄젠트가 $작을수록$ 감쇠가 낮아집니다.

방사선에 의한 감쇠

SIW의 수직벽은 연속적이지 않기 때문에 방사선 누출이 바이아 사이를 흐를 수 있습니다.이러한 누출은 비아 형상을 신중하게 선택하지 않을 경우 글로벌 변속기 품질에 큰 영향을 미칠 수 있습니다.방사선 손실을 설명, 예측 및 줄이기 위해 일부 연구가 수행되었다.방사선 ^[1]^[5]^[14]^[16]^[17]손실을 줄이기 위해 충족해야 하는 몇 가지 간단한 기하학적 규칙이 도출되었다.

$관심$ 있는 기하학적 파라미터는 $직경$ d $d$ $간격$ s $및$ $vias$ a $사이$ 의 중심-중심 거리입니다 $a$ 연속된 금속벽의 거동에 근접하도록 조정해야 합니다. 즉, Vias의 간격은 직경에 비해 작게 유지되고 직경은 도파관 폭(또는 도파장)에 비해 작게 유지되어야 합니다.방사선 손실을 상당히 작게 유지하기 위해 권장되는 값은 다음과 같습니다.

displaystyle s 2d와 displaystyle dd.와 displaydeq d\leq d\frac {a}{5}.}

특정 주행 모드에서는 주파수가 증가함에 따라 누출이 감소하며 모드의 차단 주파수에서 최대가 됩니다.방사선 누출

\alpha _{R}

R

(\

_

{R})

은

\alpha_R

기질 특성과 무관하며 가이드의 높이와는 무관합니다.

「」를 참조해 주세요.

평면전송선로 substrate 기판 일체형 도파로도
- 평면전송선로 trans 천이
- 평면전송선로 circuit회로갤러리

레퍼런스

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외부 링크

기판 통합 도파관(microwave101.com)

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