이맥테크 - CST를 활용한 스트립라인(MICROSTRIP TRANSMISSION) 시뮬레이션

[문서] CST를 활용한 스트립라인(MICROSTRIP TRANSMISSION) 시뮬레이션 관리자 | 2023.08.17 | 조회 360 첨부파일 :

Dassault Systèmes

이 마이크로 스트립 송전선 예제에는 이론에 대한 간략한 설명, 모델 구성 방법에 대한 자세한 정보 및 다운로드할 수 있는 전체 구성 모델이 포함되어 있습니다. 예제를 살펴볼 때 모델에 약간의 차이가 있을 수 있는데 이는 일반적으로 다른 소프트웨어 버전을 사용하기 때문일 수 있습니다.

The Physics

마이크로스트립은 접지면이 있는 유전체 기판 위에 제작된 도체로 구성된 전송선의 한 유형입니다. 마이크로 스트립은 쉽게 소형화 할 수 있고 마이크로파 장치와 통합할 수 있어 널리 사용되는 전송선로입니다.

기본 회로도는 그림 1에 나와 있습니다.

도표, 스케치, 디자인, 라인이(가) 표시된 사진자동 생성된 설명 — 그림 1. Quasi-TEM 전파 모드를 표시하는 마이크로스트립 전송 라인. 녹색 선은 E-필드, 보라색 선은 H-필드

마이크로 스트립 라인은 폭 W의 도체, 두께 d 및 유전율 εr의 유전체 기판으로 구성됩니다. 유전체(일반적으로 d << λ로 얇음)의 존재는 도체와 접지면 사이의 영역에 전계선을 집중시키고, 일부는 도체 위의 공기 영역에 있어 그림 1과 같이 파장의 함수로서 분산이 발생하는 준-TEM 전파 모드로 이어집니다.

위상 속도와 전파 상수는 다음과 같이 주어집니다.

텍스트, 폰트, 화이트, 디자인이(가) 표시된 사진자동 생성된 설명

마이크로 스트립 라인의 유효 유전 상수 ε_e가 관계를 만족하는 경우:

폰트, 화이트, 스케치, 번호이(가) 표시된 사진자동 생성된 설명

유효 유전 상수, 특성 임피던스, 도체의 표면 저항 및 라인의 감쇠에 대한 보다 복잡한 공식은 [1]에 나와 있습니다.

모델

사진은 CST Studio Suite의 Alumina 기판 위에 copper 도체를 사용하여 구성된 2포트 마이크로스트립 전송선로입니다. 이 모델은 5~15GHz 주파수 범위에서 시간 도메인 솔버로 시뮬레이션 되었습니다.

상자, 디자인이(가) 표시된 사진자동 생성된 설명 — 그림 2. CST Studio Suite의 마이크로 스트립 전송 라인 모델

마이크로스트립은 10GHz에서 50Ω의 특성 임피던스와 270도 위상 지연에 해당하는 전기 길이를 가지도록 설계되었으며, 10GHz 주파수에서 E-필드 및 H-필드 모니터가 설정되어 있습니다. 경계 조건은 접지면을 나타내는 Ymin이 "전기적"인 것을 제외하고는 모든 방향에서 "자기적"입니다. 준-TEM 작동 모드를 위해 유전체 위의 공기를 나타내기 위해 양의 Y 방향에 2mm 간격이 추가됩니다. 이 설계에서는 다음 파라미터가 중요합니다.

텍스트, 스크린샷, 폰트이(가) 표시된 사진자동 생성된 설명

결과 논의

그림 3에서 전기장과 자기장이 기판 위의 공기 영역뿐만 아니라 유전체에서 TEM 필드의 위상 속도가 특징인 하이브리드 TE-TM 파를 구성하는 것을 볼 수 있습니다.

텍스트, 스크린샷, 라인, 평행이(가) 표시된 사진자동 생성된 설명 — 그림 3. TEM 전파 모드를 표시하는 E- 및 H-필드 패턴

Dialog tree에서 포트를 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭하고 "개체 정보"를 선택하면 10GHz의 포트 모드 정보를 확인할 수 있습니다. 그림 4는 단일 QTEM 작동 모드에 대한 파동 정보를 표시합니다.

텍스트, 스크린샷, 소프트웨어, 컴퓨터 아이콘이(가) 표시된 사진자동 생성된 설명 — 그림 4. 10GHz 작동 주파수에서 표시되는 포트 모드 정보

그림 5에 표시된 S-파라미터 결과는 라인의 10GHz에서 270° 위상 지연을 확인합니다.

텍스트, 라인, 그래프, 스크린샷이(가) 표시된 사진자동 생성된 설명 — 그림 5. 전송 라인의 위상 지연을 보여주는 S21 위상(래핑 해제).

주파수 의존 효과 및 고차 모드

마이크로 스트립 라인의 Quasi-TEM 특성으로 인해 전파 상수는 주파수의 선형 함수가 아닙니다. 유효 유전 상수의 주파수 변화는 특히 고주파수에서 고차 모드가 도입될 때 고려해야 할 중요한 요소입니다. 유효 유전 상수의 주파수 의존적 효과를 설명하는 데 널리 사용되는 모델은 다음 공식으로 제공됩니다.

폰트, 화이트, 도표, 라인이(가) 표시된 사진자동 생성된 설명

이에 대한 설명은 [1]에 명시되어 있습니다. 위와 같은 대략적인 폐쇄형 공식이 개발되었음에도 불구하고 CAD 도구는 마이크로 스트립 라인에서 주파수 종속 효과를 가장 정확하게 모델링할 수 있습니다. CST Studio Suite에서 이 기능을 활성화하려면 솔버 스페셜에서 모드 추적 기능을 활성화하고 광대역 옵션을 활성화하여 모드 계산 주파수가 10GHz로 설정되어 있는지 확인합니다. 이 옵션은 그림 6에서와 같이 마이크로 스트립 라인의 유효 유전 상수를 주파수의 함수로 제공합니다.

텍스트, 라인, 그래프, 번호이(가) 표시된 사진자동 생성된 설명 — 그림 6. 솔버 설정에서 모드 추적을 활성화하여 주파수 종속 효과를 확인 가능

추가 작업

1. 기판의 유전율은 마이크로 스트립 라인의 위상 속도에 영향을 미칩니다. 위상 속도의 변화는 신호 분산 및 지연으로 이어질 수 있습니다. 유전체 재료를 변경하여 위상 속도에 미치는 영향을 확인합니다. 결과를 분석 데이터와 비교합니다.

2. 도체 폭이 변경되면 임피던스 불일치가 발생할 수 있습니다. 구리 도체의 폭을 확대하여 라인 임피던스에 미치는 영향을 확인해 보세요. 증가하거나 감소하나요? 마이크로 스트립 라인의 단면을 병렬 플레이트 커패시터로 보고 임피던스가 변하는 이유를 생각해 보세요.

※ References

[1] D.M. Pozar, Microwave Engineering, 4th Edition, John Wiley & Sons, pp. 147-153

본 자료는 다쏘시스템 홈페이지의 자료로 자세한 내용은 아래 원본 링크를 통해 확인해 보시길 바랍니다.

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