Coplanar waveguide, micristrip, coaxial cable, CBCPW 설계(매트랩코딩, 출력파형 포함)

소개글

Coplanar waveguide, micristrip, coaxial cable, CBCPW 설계(매트랩코딩, 출력파형 포함)에 대한 보고서 자료입니다.

목차

1. Coplanar Waveguide
1) 높이 1.2mm인 FR-4 기판을 사용하여 특성 임피던스 인 Coplanar Waveguide 선로를 설계하시오.
2) 1GHz부터 100GHz까지의 주파수에 대한 diagram을 그리시오.
3) Phase velocity, Group Velocity를 표시하시오.
4) 단위 길이당 Loss를 dB/m의 형태로 표현하시오.
2. Microstrip
1) 높이 1.2mm인 FR-4 기판을 사용하여 특성 임피던스 인 Microstrip 선로를 설계하시오.
2) 1GHz부터 100GHz까지의 주파수에 대한 diagram을 그리시오.
3) Phase velocity, Group Velocity를 표시하시오.
4) 단위 길이당 Loss를 dB/m의 형태로 표현하시오.

3. Coaxial Cable
1) 반지름이 1.508mm인 Teflon tube를 사용하여 특성 임피던스 인 coaxial cable를 설계하시오. Metal은 Copper을 이용하시오.
2) 1GHz부터 100GHz까지 coaxial cable의 TEM mode, Higher mode(TE)에 대한 diagram을 그리시오. 또한 전송 선로로 실용 가능한 주파수 범위를 표시하시오.
3) Phase velocity, Group Velocity를 표시하시오.

이 순서대로 설계함. (매트랩 코딩, 출력파형 포함)

본문내용

Phase velocity는 이며, Group velocity는 이다. 이는 diagram에서 각 각 두 값의 비와 기울기가 되는데 직선으로 나타나am로 두 값이 동일하며 일정한 값을 갖게 된다.
4)단위 길이당 Loss를 dB/m의 형태로 표현하시오.
Loss에는 dielectric loss 와 conductor loss 가 존재하며, 전체적인 loss는 두 loss를 합한 것이 되겠다. 위에 그래프 상에서 보았을 때, 주파수가 증가함에 따라 loss도 증가하는 것을 확인 할 수 있다.
Microstrip
1) 높이 1.2mm인 FR-4 기판을 사용하여 특성 임피던스 인 Microstrip 선로를 설계하시오.
FR-4의 상대 유전율(ε) : 4.6
FR-4의 loss-tangent : 0.008
FR-4의 상대 투자율(μ) :
Conductor loss 나 dielectric loss는 없다고 가정하고 설계한다.
Metal ground는 사용하는 주파수 skin-depth 이상으로 하고 Metal strip은 그 두배로 설정하도록 한다.
위의 strip line을 100MHz이상에서 사용한다고 가정하면,
정도로 한다.
2)1GHz부터 100GHz까지의 주파수에 대한 diagram을 그리시오.
3)Phase velocity, Group Velocity를 표시하시오.
TEM mode 이기 때문에 dispersion이 없고 이에 Phase velocity와 group velocity 동일하며 일정한 값을 갖는다.
이는 Coaxial Line과 마찬가지로 Phase velocity는 이며, Group velocity는 이다. 이는 diagram에서 각 각 두 값의 비와 기울기가 되는데 직선으로 나타나am로 두 값이 동일하며 일정한 값을 갖게 된다.
4)단위 길이당 Loss를 dB/m의 형태로 표현하시오.
Loss에는 dielectric loss 와 conductor loss 가 존재하며, 전체적인 loss는 두 loss를 합한 것이 되겠다. 위에 그래프 상에서 보았을 때, 주파수가 증가함에 따라 loss도 증가하는 것을 확인 할 수 있다.
Coaxial Cable
Coaxial Cable
동축 케이블은 아날로그와 디지털 신호 모두를 전송할 수 있는 매체로 CATV에서는 아날로그 신호를 근거리 통신망에서는 주로 디지털 신호를 전달한다. 그것을 싸고 있는 외부 구리망 때문에 외부의 전기적 간섭을 적게 받고, 전력손실이 적어 고속 통신선로로 많이 이용되고 있다.
1) 반지름이 1.508mm인 Teflon tube를 사용하여 특성 임피던스 인 coaxial cable를 설계하시오. Metal은 Copper을 이용하시오.
다음과 같은 형태의 coaxial line을 설계하기로 하고 특성 임피던스에 맞는 값들을 설정하자.
Teflon의 상대 유전율 : 2.1
Teflon의 conductivity :
Teflon의 상대 투자율 :
copper의 conductivity : 5.80
copper의 상대 투자율 : 0.99999 (1로 계산한다.)
ⅰ) Teflon tube의 반지름이 1.508mm 이므로 coaxial cable의 외경을 1.508mm로 한다.
ⅱ) 특성임피던스를 50로 하는 coaxial line의 parameter 들을 결정한다.
값들을 결정할 때는 위와 같이 R과 G값은 , 에 비해 작다고 가정하고 무시하고 계산하기로 한다.
외부 도체의 두께는 우리가 사용하는 주파수 범위에서 skin-depth 이상의 값을 갖도록 d를 지정 한다.
위의 coaxial line을 100MHz이상에서 사용한다고 가정하면,
정도로 한다.
2) 1GHz부터 100GHz까지 coaxial cable의 TEM mode, Higher mode(TE)에 대한 diagram을 그리시오. 또한 전송 선로로 실용 가능한 주파수 범위를 표시하시오.
for TEM wave
for TE11 wave
위의 수식을 바탕으로 matlab을 이용하여 diagram 그려보면 다음과 같다.
위의 그래프와 같이 TEM wave는 distortion이 없는 것을 확인 할 수 있고, coaxial line의 higher mode인 TE11 mode에 대해서는 distortion이 나타나는 것을 볼 수 있다.
그리고 위에서 coaxial line의 higher mode 인 circular line의 lowest mode 인 TE11 mode의 Phase constant가 주파수가 40.2GHz(=)이상 일때, 생기는 것을 볼 수 있다. 이는 TE11 mode의 cut-off frequency가 이기 때문이다. 이에 우리가 전송 선로로 실용가능한 주파수는 higher mode가 나타나지 않는 보다 낮은 주파수 범위에서 사용가능하다.
3) Phase velocity, Group Velocity를 표시하시오.
TEM mode에 대해서는
TE11 mode에 대해서는
위의 그래프에서 TEM mode에 대해서는 Phase velocity와 Group velocity 모두 일정한 값으로 나타났다.
하지만 TE11 mode의 Phase velocity는 주파수가 증가함에 따라 점점 증가하다가 일정한 값에 가까워 지며, Group velocity는 점점 감소하다가 일정한 값에 가까워진다.
여기서 Phase velocity는 위의 diagram에서 값이며 Group velocity는 값이다.
※ 무시했던 R과 G 값을 구해보면 다음과 같다.
아래의 그래프를 보면 우리가 사용하려는 주파수 영역에서는 [1~100gHz] R, G 모두 , 와 비교해서 매우 작은 값임을 알 수 있다.
위에서 무시했던 conductor loss 와 dielectric loss 고려하여 의 값을 plot 해보면 아래와 같다.
위의 그래프를 살펴보면 의 크기는 사용하는 전 주파수 영역에서 50 정도인 것을 확인 할 수 있으며 위상 또한 매우 작은 값을 나타낸다.
즉, 설계결과가 실제 loss를 고려했을 때도 비슷한 결과를 나타낸다.
위에는 실제 loss를 고려하여 Phase constant와 Attenuation constant를 주파수에 따라 그려 보았다.

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