초고주파 회로의 소형화를 위하여 주기적인 스터브나 슬릿을 넣은 평면전송선로 - 이창언 (The Graduate School, Ajou University, 2005)
마이크로스트립 전송선로로 구현되는 초고주파 대역의 평면 소자들을 소형화하기 위하여, 물리적 길이가 축소된 평면전송선로(CTL: Compact Transmission Line)에 관하여 연구하고, 마이크로스트립 선로로 구현되는 CTL을 제안하였다. 제안된 CTL은 마이크로스트립 선로에서 다른 소자의 부가 없이 단지 전송선로의 주기적인 변형을 통하여 이루어지며, 그 성질에 따라 CLCTL(Capacitively Loaded Compact Transmission Line), ILCTL(Inductively Loaded Compact Transmission Line) 및 GCTL(Generalized Compact Transmission Line)로 나누어진다. CLCTL은 주기적인 단락 커패시턴스의 부가를 통하여 전송선로의 단위길이당 커패시턴스를 증가시키는 구조이다. 전송선로의 단위길이당 커패시턴스가 증가되면, 전송선로에서의 위상속도가 감소하게 되며, 이로 통해 임의의 전기적 길이에 대한 물리적 길이가 감소하게 된다. 주기적인 단락 커패시턴스의 부가는 마이크로스트립 전송선로에서 주기적인 개방스터브를 통해 이루어 진다. 본 논문에서는 기존의 스터브 대신에 짧은 스터브의 길이로 더 많은 커패시턴스를 부가할 수 있는 계단형 스터브를 부가함으로써 기존의 일반적인 개방 스터브의 부가를 통해 구현된 ATL(Artificial Transmission Line)인 CLCTL 보다 성능이 우수한 CLCTL 구조를 제안하였다. 또한 회로 구현을 위해 임의의 특성 임피던스와 위상속도를 갖는 CLCTL 선로의 설계 방법을 제시하였다. 구현된 CLCTL은 인접스터브간의 거리와 부가될 수 있는 스터브의 길이를 고려하여 물리적 길이의 소형화가 결정될 수 있다. 0.7874 mm의 유전체 두께와 2.2의 유전율을 가진 기판에서는 1.8 GHz에서 제안된 계단형 스터브를 갖는 구조는 주 전송선로의 선폭이 2.4 mm 일 때 임피던스는 33.4 Ω으로 감소하고, 물리적 길이는 0.67배 정도로 감소한다. 이때 동일임피던스의 일반 마이크로 스트립 선로에 비해 전력손실은 2.2dB/m 정도 많이 나타나지만, 이러한 특성은 소형화로 인한 길이 감소에 의한 효과를 고려할 때, 일반마이크로스트립 선로의 전력손실과 거의 유사하게 나타난다. 한편, ILCTL은 주기적인 직렬 인덕턴스의 부가를 통하여 전송선로의 단위길이당 인덕턴스를 증가시키는 구조이다. 전송선로에서 단위길이당 인덕턴스가 증가하면 전송선로에서의 위상속도는 낮아지고, 이로 인해 임의의 전기적 길이에 대한 물리적 길이를 줄일 수 있다. 본 논문에서는 마이크로스트립 구조에서 ILCTL을 구현하기 위하여 마이크로스트립 선로에 주기적으로 좁은 슬릿을 갖는 구조를 제안하고 이러한 구조의 설계방법에 관하여 제시하였다. 이러한 ILCTL은 슬릿사이의 간격이 앞의 스터브에서와 같이 일정 거리 이상 간격을 두어야 하는 제약 조건이 없기 때문에 /보다 더 효과적으로 전송선로를 소형화 시킬 수 있다. 0.7874 mm의 유전체 두께와 2.2의 유전율을 가진 기판에서는 1.8 GHz에서 제안된 좁은 폭의 슬릿을 갖는 구조는 주 전송선로의 선폭이 2.4 mm 일 때 임피던스는 72.4 Ω으로 증가하고, 물리적 길이는 0.69배 정도 된다. GCTL은 전송선로에 주기적인 단락커패시턴스 및 직렬 인덕턴스를 동시에 부가하여 전송선로의 단위길이당 커패시턴스와 인덕턴스를 낮게 하여 느린 위상속도를 만들어 물리적 길이를 소형화 하는 구조이다. 이러한 GCTL 앞에서 제시한 개방 스터브와 좁은 슬릿의 주기적인 부가를 통하여 마이크로스트립 구조에서 구현이 되었으며, 이의 설계방법에 관하여서도 제시하였다. 0.7874 mm의 유전체 두께와 2.2의 유전율을 가진 기판에서는 1.8 GHz에서 제안된 GCTL은 주 전송선로의 선폭이 2.4 mm 일 때 임피던스는 48.4 Ω이고, 물리적 길이는 0.46배 정도 된다. 특히 이러한 GCTL은 CLCTL이 갖는 주 전송선로의 선폭이 좁아지는 한계성과 ILCTL이 갖는 주 전송선로의 선폭이 확장되는 특성의 단점을 보완하여 주 전송선로의 선폭을 적절하게 갖도록 할 수 있다. 제안된 CLCTL, ILCTL 및 GCTL이 일반 선로를 대체하면서 물리적 길이만 소형화 할 수 있는지 확인하기 위하여 각 전송선로의 특성 임피던스 및 길이에 그 특성이 민감한 반응을 보이는 branch-line 결합기와 rat-race 결합기를 설계하여 MoM(Method of Moments) 기반의 full-wave analysis를 사용한 EM solver를 통하여 그 특성을 확인하여 보았다. 제안된 계단형 스터브를 주기적으로 갖는 CLCTL 및 주기적으로 좁은 슬릿을 갖는 ILCTL, 혹은 주기적인 스터브와 슬릿을 함께 사용한 GCTL로 대체된 λ_(g)/4 혹은 3λ_(g)/4 의 전송선로 구현된 branch-line 결합기와 rat-race 결합기는 일반 전송선로로 구현된 특성과 거의 동일한 특성을 보이면서 각 소자들의 면적을 50%까지 줄일 수 있음을 확인하였다. 각각의 CTL로 구현된 각 소자들을 제작 후 측정한 값은 EM solver의 계산결과와 매우 유사한 값을 보였으며, 이로부터 제안된 계단형 스터브를 주기적으로 갖는 CLCTL과 좁은 슬릿을 주기적으로 갖는 ILCTL 및 GCTL의 유용성을 확인하였다.
학위논문(박사)--아주대학교 대학원 :전자공학과,2005