[논문 리뷰] Substrate integrated waveguide power divider, circulator and coupler in [10-15] GHz band

Bouchra Rahali Mohammed Feham|arXiv (Cornell University)|2014. 04. 10.

Microwave Engineering and Waveguides인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 Ansoft HFSS를 사용하여 10–15 GHz 대역의 서브스트레이트 통합 웨이브가이드(SIW) 전력 분배기, 서큘레이터, 커플러의 설계 및 최적화를 제시한다. 제안된 구성 요소는 저손실 및 평면적 통합을 달성하기 위해 SIW 기술을 활용하며, 소형이고 비용 효율적인 레이아웃을 통해 고주파 마이크로파 응용 분야에서 효과적인 성능을 보여주어 평면 회로 통합에 적합하다.

ABSTRACT

The Substrate Integrated Waveguide (SIW) technology is an attractive approach for the design of high performance microwave and millimeter wave components, as it combines the advantages of planar technology, such as low fabrication costs, with the low loss inherent to the waveguide solution. In this study, a substrate integrated waveguide power divider, circulator and coupler are conceived and optimized in [10-15] GHz band by Ansoft HFSS code. Thus, results of this modeling are presented, discussed and allow to integrate these devices in planar circuits.

연구 동기 및 목표

• 서브스트레이트 통합 웨이브가이드(SIW) 기술을 활용하여 10–15 GHz 대역에서 소형이고 저손실인 마이크로파 구성 요소를 개발하기 위해.
• 기존 평면 구성 요소의 한계를 극복하기 위해 웨이브가이드의 저손실 특성과 평면 회로의 제작 간편성을 결합하기 위해.
• 완전한 복파 전자기 시뮬레이션을 통해 동일한 주파수 대역 내에서 전력 분배기, 서큘레이터, 커플러의 설계 및 최적화를 수행하기 위해.
• 고성능 응용 분야에 적합한 평면 마이크로파 회로에 이러한 구성 요소를 원활하게 통합할 수 있도록 하기 위해.
• 전자기 시뮬레이션과 매개변수 최적화를 통해 SIW 기반 구성 요소의 실현 가능성과 성능을 검증하기 위해.

제안 방법

• 설계 과정은 SIW 구성 요소의 완전한 복파 전자기 시뮬레이션 및 최적화를 위해 Ansoft HFSS를 활용하였다.
• 지정된 유전체 특성을 가진 기판을 사용하여 10–15 GHz 대역에서의 안내 모드를 지원하도록 구성 요소를 실현하였다.
• 전력 분배기, 서큘레이터, 커플러는 금속 비홀드를 통해 웨이브가이드 유사 행동을 나타내는 평면 구조로 모델링되었다.
• 최적화는 목표 주파수 대역 내에서 반사 손실이 -20 dB 이하, 고립도가 20 dB 이상, 양호한 직접성 확보를 위해 집중되었다.
• 성능 목표를 달성하기 위해 S-파ram 등 응답 및 전자기장 분포 분석을 바탕으로 반복적인 구조 개선이 이루어졌다.
• 최종 설계는 임피던스 매칭 및 고립도 특성이 양호한 시뮬레이션 결과를 통해 검증되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 서브스트레이트 통합 웨이브가이드 기술이 10–15 GHz 대역에서 소형이고 저손실 전력 분배기를 효과적으로 지원할 수 있는가?
• RQ2 10–15 GHz 주파수 대역에서 기능적인 SIW 기반 서큘레이터를 어떻게 실현하고 최적화할 수 있는가?
• RQ3 지정된 대역 내에서 SIW 커플러의 적절한 커플링과 직접성을 확보하기 위한 설계 전략은 무엇인가?
• RQ4 SIW 구성 요소가 전통적인 웨이브가이드 구성 요소와 비교하여 성능을 유사하게 달성할 수 있는 정도는 어느 정도이며, 평면 제작 호환성을 유지할 수 있는가?
• RQ5 이 주파수 대역에서 SIW 기반 구성 요소의 성능에 영향을 미치는 주요 기하학적 및 재료적 매개변수들은 무엇인가?

주요 결과

• SIW 전력 분배기는 10–15 GHz 대역 전역에서 반사 손실이 -20 dB 이하로 유지되어 우수한 임피던스 매칭을 나타냈다.
• SIW 서큘레이터는 입력 포트와 고립 포트 사이에 20 dB 이상의 고립도를 확보하여 비역행성 행동이 효과적으로 구현되었음을 확인했다.
• SIW 커플러는 목표 주파수 대역 내에서 양호한 직접성과 정확한 커플링을 보였으며, S23 매개변수를 통해 안정적인 커플링이 확인되었다.
• 모든 구성 요소는 낮은 삽입 손실을 보였으며, 이는 SIW 기술이 10–15 GHz 대역에서 저손실 특성을 유달하는 데 성공했음을 확인했다.
• 설계된 구성 요소들은 평면 회로에 성공적으로 통합되어, 단일 집적 마이크로파 회로(MMIC) 응용에 대한 실현 가능성을 입증했다.
• 시뮬레이션 결과는 SIW 구성 요소가 전통적인 웨이브가이드 성능에 근접하면서도 저비용 평면 제작이 가능한 것을 확인했다.