전송선로 불연속 구조에 의한 전파 방사 및 밀리미터파 다층 구조 안테나 연구

Abstract

본 학위논문은 평행 도선 전송선로의 T접합 불연속구조에서 발생하는 방사 손실에 대해 연구하고 새로운 등가회로를 제안한다. Poynting 이론에 근거하여 상기 T접합 불연속구조에서는 시변 전자기장의 변화로 일부 방사 성분이 발생된다. 이 방사 손실은 주파수가 올라갈수록 증가하며, 제안된 모델에서 약 -35 dB 의 크기를 갖는다. 인덕터와 커패시터로 구성된 기존의 등가회로에 네 개의 주파수 의존적 저항을 추가하여 T접합 구조에서 발생하는 방사 손실을 예측하는 등가회로를 제안한다. 상기 저항 성분들은 유한요소법 수치해석으로 계산된 산란 행렬을 기반으로 계산된다. 제안된 등가회로는 56 ~ 66 GHz 범위 내에서 기준 데이터로부터 0.6 dB 이하의 차이가 발견된다. 다음으로, 본 논문은 강하게 커플링 되어 있는 TEM 모드 평행 도선 간의 커플링 계수를 정확하게 계산하기 위해 우수-기수 모드 임피던스 차트를 제안하고, 이를 확장한다. 임피던스 차트에 관한 실증적인 수식들을 활용하면, -3.84 dB ~ -46 dB 범위에서 전송선로 결합 계수 계산이 가능하다. 상기 차트는 결합 계수 계산뿐만 아니라 차트의 모양을 통해 결합 정도의 크기를 직관적으로 알 수 있게 한다. 임피던스 차트를 이용한 커플링 계수는 결합 세기 정도와 관계없이 실험 결과와 1 dB 이내의 정확도를 나타낸다. 끝으로, 본 논문은 60-GHz 차세대 무선통신 시스템에 활용이 가능한 초소형 endfire 안테나를 설계하고 이를 검증한다. 3차원 구조의 접힌 슬롯 안테나 구조를 갖는 제안된 수직편파 LTCC 안테나는 안테나 패키지의 최상층과 전면부에 위치한다. 제안된 수평편파 LTCC 안테나는 연속되는 via를 이용하여 메쉬구조 패치 안테나를 형성하며, 광대역 특성을 얻기 위해 패치 안테나의 폭에 변화를 주었다. 시뮬레이션과 실험을 통해 상기 두 안테나가 57 ~ 66 GHz의 광대역 범위에서 -10 dB 이하의 임피던스 대역폭 및 10 dB 이상의 편파 분리 특성을 갖음을 확인하였다. 또한, 두 개의 선형 편파 LTCC 안테나 패키지를 이용하여 이중 편파와 이중 피드를 이용한 초소형 endfire 이중 편파 안테나 구조를 제안하고, 밀리미터파 시스템의 편파 다양성을 위해 각 편파의 운용성을 검증한다.

In this dissertation, the radiation phenomenon from a parallel-wire T-junction in free space is analyzed and a new equivalent circuit model is devised. Discontinuities introduced at right-angle bends within the T-junction structure induce time-varying electromagnetic fields that generate radiation loss in the form of Poynting vectors. The radiation loss increases as a function of frequency, and amounts to -35 dB. The devised equivalent circuit can accurately speculate the radiation leakage by including an additional component composed of four discrete, frequency-dependent resistors. This model can be used in conjunction with the conventional T-junction equivalent circuit model that consists of three inductors and one capacitor. The resistors are calculated based on the scattering parameters, which are retrieved using finite-element numerical analysis. The proposed equivalent circuit is ascertained to exhibit less than 0.6 dB deviations in radiation leakage between the equivalent circuit representation and the reference data within 56 ~ 66 GHz. Even-mode and odd-mode impedance charts are presented and extended to precisely calculate the coupling coefficient for strongly-coupled transmission lines that support TEM modes. Empirical formulas are presented to be applied in conjunction with the impedance charts across a wide range of coupling coefficients between 3.84 dB ~ 46 dB. The chart also provides an intuitive understanding of the magnitude of the coupling. The impedance chart is ascertained to exhibit less than 1 dB deviations for both strong and weak coupling environments in comparison to their respective measurement values and is applicable across the entire RF spectrum. A new class of millimeter wave antenna-in-packages for endfire usages with extremely small profile are designed and discussed. The proposed vertically-polarized LTCC antenna is devised from a 3-dimensionally-folded slot topology that is located on the top metal and the front-side face of the package. Horizontally-polarized antenna consists of a series of vias to form a mesh-grid with a tapering patch topology to maximize the impedance bandwidth. Simulated and measured results confirm the antennas are featured vertical- and horizontal-polarization endfires with -10 dB impedance bandwidth from 57 ~ 66 GHz with more than 10 dB cross-polarized isolation. Furthermore, a novel dual-polarized, dual-feed linearly polarized antenna element is developed from aforementioned two linearly-polarized LTCC antenna-in-packages for a complete millimeter wave system that coherently exploits polarization diversity, MIMO, and beamforming technologies that are applicable to upcoming 5G wireless smart terminals.