시간영역-유한차분법을 이용한 초고주파 불연속구조의 S-파라미터 추출

김영주 慶熙大學校 1998 국내석사

In this thesis, the Finite Difference-Time Domain(FD-TD) method has been investigated for numerical modeling of various transmission lines and extraction of S-parameters for various discontinuous structures. Numerical model using excitation of gaussian pulse and Perfectly Matched Layer(PML) as absorbing boundary condition have been adapted. Rectangular waveguide, Microstrip and angled coaxial cable have been selected for transmission lines. For observing EM wave propagations an any uniform guided line before characterizing various discontinuities, phase linearity and non dissipative property have been checked through Fourier transform for the data sampled along the wave propagation direction. Additionally, to meet non-reflection property of absorbing boundary condition, first, incident wave has been sampled in an infinitely long guided line. and then total waves which are incident and reflected waves, have been obtained in a relatively short line, then quantities of reflected wave has been calculated by subtraction of incident wave from total waves. After the above two criteria have been satisfied, structures containing discontinuities have been simulated. In a rectangular waveguide, 3-D FD-TD calculation about directional coupler of rectangular slot have been conducted and the results have been compared with the published data of measurement[13] and Method of Moment[14]. S-parameters have been extracted for a E-plane metal inserted filter by using 2-D FDTD. Several dielectric resonators have been attached to ground plane and ground conductor between the resonator and substrate are removed, then the conductor post are connected to center line of transmission line along the center axis of dielectric resonator. Above described structures reveal band pass characteristics. To attach more resonator and obtain sharp characteristics, Microstrip, rectangular and octagonal coaxial cable are used in turn and maximum number of attachable resonator are respectively 2, 4 and 8. The objective of this study was to develop the FD-TD model of Maxwell's equations far S-parameter extraction in the several transmission line. With this numerical model, almost all kinds of experiments ran be done in complete freedom from experimental apparatus. Also, when probing the field distribution in an experiment, the numerical model provides excellent results without any field disturbance. 본 논문에서는 맥스웰 중 시간미분의 두 회전 방정식에 근간을 둔 시간영역-유한차분법을 이용하여 전송선구조의 모의실험을 할 수 있는 수치적 모델링과 불연속 구조를 포함하는 경우의 S-파라미터 추출연구를 목표하였다. 수치적 모델은 가우시안 펄스의 입사를 기본으로 하여 흡수경제조건으로 완전정합층을 사용하였다. 도파관, 마이크로스트립 그리고 각형동축선의 세 가지 전송선을 모델링 대상으로 선택하였다. 불연속구조를 모의실험하기 이전에 균일한 전송선에서 전자파의 전파현상을 정확하게 고찰하기 위해, 선형위상성과 무손실특성을 전송선에서 진행방행으로 서로 다른 여러 지점에서 샐플링한 후, 후리어 변환을 거쳐 관심대상주파수에서 시험하여 입증하였다. 또한 전송선의 모든 입출력단자에 위치할 흡수경계조건으로 최근 학계에 발표되어 우수성이 입증되고 있는 완전정합층을 사용하였다. 앞에서 설명한 시험과 더불어 흡수경계조건의 무반사성질을 입증함으로써야 비로소 실제의 전송선과 같은 물리적 특성을 갖추기 위한 완전한 모델링이 성립된다. 이 무반사성질은 완전정합층에 의해 반사되어 돌아오기 이전에 파의 진행방향으로 길이가 충분히 긴 전송선에서 위치에 따른 입사파를 추출한 후, 비교적 짧은 전송선에서 입사파와 반사파가 전체파를 구하여 입사파를 빼줌으로써 반사파의 양을 구하는 기본 개념을 이용하였다. 전술한 세 종류의 전송선에 대하여 위의 두 조건을 만족시킨 후, 불연속을 포함하는 구조에 대해 모의실험을 수행하였다. 구형도파관의 경우, 3차원 시간영역-유한차분법을 이용하여 직사각형 슬롯 도파관 방향성 결합기를 모델링하여 모멘트기법으로 이루어진 결과와 기존에 제작·발표된 실측결과와 비교하였으며, 2차원 시간영역-유한차분법을 이용하여 E-평면 금속삽입필터에 대하여 S-파라미터를 추출하였다. 다수의 정방형 유전체공진기를 그라운드 평면에 장착하고 유전체공진기와 그라운드 평면이 마주 닿는 면의 도체를 제거한 후, 유전체공진기의 중심축을 따라 철사를 전송선의 중심도체에 연결시킨 새로운 형태의 대역통과구조를 고려하였다. 전술한 기본구조를 기본으로 보다 많은 공진기를 부착하여 첨예한 특성을 얻기 위해서 마이크로스트립, 사각동축선 그리고 팔각동축선의 순서로 적용하였으며, 각각 2, 4 그리고 8개의 유전체공진기를 부착하였다. 전술한 여러 전송선에서 대역통과와 유도특성을 비롯하여 모든 수동소자의 특성을 시간영역-유한차분법을 이용하여 S-파라미터를 추출한 후 얻어낼 수 있다. 이 수치해석방법을 이용하여, 거의 모든 종류의 실험이 자유롭데 이루어질 수 있다. 또한 필드의 분포를 측정하기 위해 프로브를 삽입할 경우, 많은 오차가 발생할 수 있으나, 이런 수치적 모델은 어떤 필드의 방해 없이 우수한 결과를 제공한다.

코플래너型 線路의 不連續構造에 대한 傳送特性 解析

박수만 전남대학교 대학원 1997 국내석사

3차원 유한 차분법을 이용해 코플래너형 선로들의 불연속을 해석하였다. 먼저 준정적 해석법의 적용을 위해 개방단 마이크로스트립 선로의 특성을 계산한 후 주파수 영역 해석법(SDA)을 사용하여 계산한 결과와 비교하였으며, 코플래너형 선로 종단 형태와 도체 간격 그리고 기판의 유전율을 매개변수로 하는 코플래너형 선로의 불연속 구조에 대한 등가 커패시턴스와 전계분포를 나타내었다. 또한 상보관계인 CPW 선로와 CPS 선로의 이원성을 이용해서, 서로 대응된 구조의 등가 커패시턴스를 구한 후 등가 인덕턴스를 계산하고, 이를 시간영역 해석법인 유한차분 시간영역법과 주파수 영역 해석법인 모멘트법의 결과 및 실험 값과 비교하여 그 정확성을 확인하였다. 그 결과를 이용하여 코플래너형 선로의 불연속 구조에 대한 집중소자 등가회로를 구현하였다. 따라서 본 논문의 시뮬레이션 결과는 (M)MIC회로의 설계에 필수적인 수동소자의 정확한 해석에 아주 유용할 것으로 기대된다. The discontinuities of the coplanar-type transmission lines are analyzed using 3-dimensional finite-difference method(3-D FDM). The main advantage of this method is its flexibility in treating multilayered substrates and different conductor configurations. The characteristics of the open microstrip lines are calculated and compared with the result of Spectral Domain Approach(SDA). By using the concept of duality between the CPW and the CPS, equivalent inductances of the discontinuities are also calculated by FDM and compared with the result of the frequency domain analysis method. From these comparisons, the accuracy of FDM is established. Equivalent circuit parameters are presented for CPW and CPS discontinuities such as open end, short end and gap with various gap width and dielectric constant. The simulation results shown in this paper will be available to analyze the passive element circuits which are frequently used in MIC and MMIC design.

불연속 구조물의 배치최적설계를 위한 이점역이차근사법 및 이동한계 전략의 개발

朴英宣 한양대학교 1986 국내박사

Analysis of microstrip discontinuities considering edge singularities in spatial domain

김종성 Pohang Univ. of Science and Technology 2001 국내박사

CPW 불연속 구조를 이용한 30GHz증폭 모듈 설계

김동영 서강대학교 대학원 2001 국내석사

본 논문에서는 30㎓ 밀리미터파 대역 증폭모듈을 CPW 전송선로에 설계함으로써 칩 밑면에 접지를 위한 마이크로스트립 구조상에서의 비아 홀 제작을 하지 않았으며, distributed matching 방법과 불연속 open end 캐패시턴스로써 정합 회로를 설계하였고 등가회로로 구현하였다. CPW 선로의 기본적인 불연속 구조(open end, series gap, short end)의 특성을 조사하기 위해 closed formula를 적용하고, 인쇄회로기판에 제작하여 공진 주파수 측정법을 통해 등가회로 소자값을 추출하였다. CPW Open end 캐패시턴스는 0.2∼0.4㎊, CPW series gap 캐패시턴스는 0.15∼0.35㎊, CPW short end 인덕턴스는 0.1nH∼0.5nH의 소자값을 보여주어 CPW 불연속 회로 구조를 이용한 RF 패키징 회로 구성의 가능성을 제시하였다. CPW 불연속 구조에 대한 와이어본딩 효과를 30㎓ 대역까지 모의실험 하였고, 기생 인덕턴스는 와이어본딩의 기생모드 억제로 인해 50% 감소하여 CPW 불연속 구조에 대한 와이어본딩의 중요성과 추가적인 과제를 제시하였다. 모멘텀 시뮬레이션에서 구한 설계치를 이용하여 중심 주파수 10㎓, 대역폭 1㎓을 갖는 gap coupled 3차 공진기 대역통과필터를 설계 구현하였으며, 대역통과 영역에서의 최소 -5.9㏈ 신호손실과 최대 70㎒의 주파수 이동 특성을 나타내었다. CPW gap 캐패시턴스에 의한 필터 특성 변화를 관찰하여 gap ratio의 비율이 증가할수록 대역폭이 상대적으로 좁아짐을 알 수 있었다. 30㎓ 대역 증폭모듈을 CPW 전송선로에 설계하여 6㏈의 이득과 반사손실 -30㏈을 보였으며, box형 지그의 CPW 신호감쇄 문제로 평판 지그(4㎝x4㎝)을 사용하였다. CPW 전송선로의 고주파 신호손실과 커넥터의 손실로 인해 증폭모듈의 이득이 감소하였으나, 반사손실은 설계된 결과와 일치하였다. Coplanar waveguides are a type of planar transmission line used in MMIC. The unique feature of this transmission line is that it is uniplanar in construction, which implies that all of the conductors are on the same side of the substrate. This attribute simplifies manufacturing and allows inexpensive characterization using on wafer techniques. This paper presents lumped element equivalent circuit models for CPW various discontinuities as a function of the discontinuity physical dimension. A good understanding of their characteristics is essential for design process. The numerical results have been verified from the comparison with the experiment data obtained by using the resonance technique. The CPW series gap values of equivalent capacitance are evaluated and utilized in the gap coupled band pass filter design with 10㎓ center frequency. The simulated and measured center passband frequencies differ by about 70㎒. The power loss can be found that the maximum value of S21 in the passband is about -5.9㏈. The CPW open end values of equivalent capacitance are evaluated and utilized in the matching network design of 30㎓ amplifier. The 30㎓ amplifier module has CPW open end capacitance and double shunt stub. The gain can be found that the maximum value of S21 is about 6㏈ and reflection coefficient is about -30㏈. Therefore, the modeling and characterization of CPW discontinuities to millimeter wave is of great practical interest.

기하행렬을 이용한 불연속 구조물의 배치최적설계

양철호 漢陽大學校 大學院 1993 국내석사

집중력의 확산현상과 구조의 불연속에 기인되는 응력집중현상의 유한요소법에 의한 해석

김두만 단국대학교 1981 국내석사

A finite element model of a problem gives a piecewise approximation to the governing equations. The basic premise of the finite element method in that a solution region can be analytically modeled or approximated by replacing it with an assemblage of discrete elements. In this paper, to analyze the stress diffusion of the cantilevered plate subjected to concentrated load and the stress concentration of the plate with a circular hole in its center, the governing equation is derived by energy method. The two dimensional finite elements of the triangular element and the rectangular element with two degrees of freedom at each node are used for this problem and are defined by speci-fying geometry, internal displacement functions, strain-displace ment relations and stress displacement relations. To analyze the stress diffusion of the cantilevered plate the rectangular element is used and this element has the comp-atibilities of the displacements. To analyze the stress concen-tration of the plate with a circular hole in its center the triangular element is used and this triangular element is suita-ble for the shapes of the irregular boundaries. The stress diffusion factors of the cantilevered plate sub-jected to concentrated load, and the stress concentration factors of the plate with a circular hole in its center are obtained. The results are plotted graphically and the parts of these results are compared with Ref.(6), Ref(8) and Ref.(16). They agree good enough to accept the problem of engineerings in this field.

缺陷을 갖는 不連續平板 構造物의 J値 特性硏究

李善雨 釜山水産大學 1984 국내석사

有限要素法을 利用한 構造的 不連續을 갖는 板의 動特性 硏究

이태연 檀國大學校 1985 국내석사

Dynamic characteristics of a rectangular plate with opening in it is studied by finite element method. To investigate these characteristics 12 degrees of freedom membrane finite element is used. The rectangular membrane finite elements are defined by specifying geometry, internal displacement functions and strain-displacement relations. Then, the governing equation for the finite element is derived by energy method. To derive the mass matrix and stiffness matrix of the element, expressions for strain and kinetic energy in terms of the node displacement are generated. In constructing the overall structure matrix, the matrix of each elements are superposed and partitioned by applying the given boundary condition to obtain a nonsingular matrix. To find the natural frequencies and vibration modes. the eigen values and the corresponding eigen vectors are computed by the computer using well known Jacobi power method. In order to verify the capability of the membrane finite element, a flat rectangular plate is analyzed first, and the result is compared with well known analytical results to show the good agreement. The analytical and numerical results are in good agreement. A rectangular plate with opening in it is analyzed with the same finite element. The results are presented in this paper. Unfortunately, the literature study could not provide with some results to compare, but the results reveal that the output of this research is phisically reasonable. And the results of this research are useful not only in practice but also for the future experimental research in comparison purpose.

불연속 구조물의 배치최적설계를 위한 이점역이차근사법 및 이동한계 전략의 개발

박영선 한양대학교 1995 국내박사