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기판 집적 도파관(SIW) 회로를 이용하는 새로운 고주파 Front-end

A New RF Front-end Using Substrate Integrated Waveguide Circuiits

초록/요약

일반적으로 평면형 전단부 (front-end)는 제작의 간편성과 낮은 제작 가격으로 인해 무선 통신 시스템에 널리 사용된다. 또한, 낮은 유전 상수를 갖는 기판은 저손실 회로 및 고방사효율을 갖는 안테나 구현이 가능하며 저가 생각이 가능하다. 하지만 낮은 유전 상수를 갖는 기판에서 제작된 기존의 마이크로스트립 (Microstrip) 기반의 결합 선로 대역 통과 여파기 (Coupled line band pass filter)와 마이크로스트립 발룬 (Microstrip balun)을 이용하는 기존의 RF 전단부는 대역 통과 여파기의 넓은 lateral mode로 인한 심각한 방사문제와 마이크로스트립의 좁은 선폭으로 인한 높은 삽입 손실을 갖는다. 본 논문에서는 기판 집적 도파관 대역 통과 여파기 (Substrate Integrated Waveguide band pass filter)와 다이폴 안테나 (Dipole antenna), 기판 집적 도파관 발룬을 이용한 새로운 RF전단부를 제안한다. 제안한 RF 전단부의 낮은 손실특성 확인을 위하여 기판 집적 도파관 급전 안테나와 마이크로스크립 급전 안테나를 비교하고, 기판 집적 도파관 대역 통과 여파기와 겹합 선로 대역 통과 여파기를 비교하였다. 또한 최종적으로RF 전단부 간의 손실 특성을 안테나 이득 측정을 통하여 비교하였다. RF 전단부의 안테나 이득 측정결과, 제안한 전단부는 13.93 GHz부터 14.47 GHz 대역에서 3.14 dBi ~ 4.28 dBi로 나타났고 기존의 마이크로스트립 기반의 전단부는 1.43 dBi ~ 2.53 dBi로 이득이 크게 향상 (1.5 dB-2.4 dB)된 것을 확인하였다. 이는 기판 집적 도파관의 폐쇄형 구조로 인해 방사 문제가 없고, 넓은 도체면적으로 인해 도체 손실을 줄여주기 때문이다. 제안한 기판 집적 도파관 전단부는 기존의 마이크로스트립 기반의 전단부에 비해 손실을 크게 줄일 수 있으므로, RF 송수신기의 잡음 지수 (Noise figure)와 민감도 (Sensitivity)를 크게 향상시킬 수 있을 것으로 기대한다.

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목차

국문 요약

표 및 그림 차례

제 1 장 서 론 1

제 2 장 전단부 기본 이론 3
제 1 절 RF 전단부 기본 구성 3
2.1.1 슈퍼헤테로다인 (superheterodyne) 수신기 3
2.1.2 직접 변환 (Direct conversion) 수신기 4
제 2 절 수신단의 성능 지표 5
2.2.1 잡음지수 (Noise figure) 5
a. 잡음지수의 정의 5
b. 손실 회로의 잡음 지수 5
2.2.2 감도 (Sensitivity) 6

제 3 장 기판 집적 도파관 8
제 1 절 기판 집적 도파관의 구조와 원리 8
제 2 절 구형 도파관 내에서의 TE 모드 10
제 3 절 기판 집적 도파관의 손실 특성 14

제 4 장 기판 집적 도파관 회로를 이용한 전단부 설계 18
제 1 절 기판 집적 도파관 급전 안테나 설계 18
4.1.1 CPS 임피던스 18
4.1.2 기판 집적 도파관 - CPS 전이구조 설계 19
a. 임피던스 정합 19
b. 전계 정합 21
4.1.3 기판 집적 도파관 급전 안테나 설계 23
4.1.4 마이크로스트립 급전 안테나 설계 24
4.1.5 측정 결과 해석 25
제 2 절 대역 통과 여파기 설계 28
4.2.1 기판 집적 도파관을 이용한 대역 통과 여파기 설계 28
4.2.2 결합선로 대역 통과 여파기 설계 31
4.2.3 측정 결과 해석 36
제 3 절 기판 전단부 통합 38
제 4 절 전단부에서의 결합선로 대역 통과 여파기의 영향 42
4.4.1 결합선로 대역 통과 여파기와 발룬, 안테나 사이의 커플링 42
4.4.2 결합선로 대역 통과 여파기가 전단부 방사 패턴에 미치는 영향 46
제 5 장 결론 47

참고 문헌 48

Abstract 55

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