150/230GHz 수신기 개발
150 GHz 믹서의 프로브와 믹서 블록
150 GHz 광대역 믹서의 설계는 초전도체 믹서를 기본으로 하는 129 GHz 편파 분리형 수신기의 성능 향상을 위하여 보다 넓은 대역폭을 갖는 동작 주파수와 중간 주파수 대역을 얻는 것을 목표로 하고 있다. 중간 주파수 대역은 기존 KVN 수신기보다 넓어진 8-16 GHz 대역을 사용하기 때문에 IF 주파수에서 회로 해석이 요구된다.
프로브는 도파관 내의 전자파를 Junction이 증착된 기판위의 전자파로 변환시켜주는 안테나의 역할을 한다. CST microwave studio Suite를 사용하여 프로브 설계와 해석을 수행하였다. 개략적인 설계 셋업은 다음과 같다.
- 제작상의 용이함을 위해 Full height waveguide를 사용
- lambda/4 transformer를 이용하여 feed point에서 보는 Zin=0이 되도록 LC 회로를 구성하여 RF choke를 설계
- Backshort(BS)으로부터 lambda/4의 위치에 프로브가 위치하도록 함.
- 도파관 입력부를 포트 1로 두고, feed point 위치에 lumped port두어 포트 2로 하고 S-parameter 해석 수행
오각형의 프로브를 채택하였고, 프로브의 길이는 도파관 높이의 절반을 넘지 않는 크기로 feed point에서의 프로브 패턴의 각도를 여러 가지로 적용해본 결과 90도 각도에서 일정한 임피던스의 real 값 성분을 주는 결과를 얻었다. 이 결과에 도파관 스텝을 활용한 병렬 capacitance를 주면, 스미스 차트 상에서 파장에 따라 다른 경로를 지나는 효과를 주는 것처럼 되어 임피던스 궤적이 감기게 된다. 즉 도파관 높이 방향으로 스텝을 추가하고 backshort의 길이를 조절하였다. 마지막으로 substrate 아래 부분의 gap 높이를 기존 50 마이크론에서 100 마이크론으로 조정하여 최종 설계안을 얻었다. 이와 같이 결정된 이 믹서 칩이 장착될 믹서 블록의 도면(상, 하부)을 작성하고 가공을 시작하였다.
230 GHz 믹서
150 GHz 믹서 설계와 같은 방식으로 230 GHz 믹서 설계를 동시에 진행중에 있으며, 230 GHz 믹서 설계 진행 정도는 150 GHz 믹서와 비슷한 진행 정도이나 현재 프로브에 대한 설계 검증 중에 있다.
믹서 설계는 기본적으로 quantum theory를 기반으로 한 Tucker & Feldman (1983, 1985) 를 참고하여 이루어졌다. 믹서 파라미터는 Ambegaokar-Baratoff 관계에 의해, junction의 저항값 Rn을 결정하면 그에 따른 critical current density (Jc)가 정해진다. 그리고 고정된 Rn에 대하여 junction area는 RF 대역폭을 고려하여 결정하게 된다. area가 작으면 주어진 specific capacitance에 따라 넓은 RF 대역을 갖게 되지만, 그만큼 junction critical current density(Jc)가 커야한다. 우리가 설계할 230 GHz 믹서는 211 GHz에서부터 275 GHz까지의 RF 주파수 대역과 , 80의 spectific capacitance를 고려 했다
믹서의 디자인은 8~16 GHz의 광대역 IF와 여러 noise를 최소화 하는 것을 주된 목표로 하였다. 전체 회로의 IF 주파수에서의 capacitance와 임피던스의 RC 공진으로 인해 IF bandwidth가 결정되기 때문에 광대역 IF를 구현하기 위해서는 capacitance를 최소화하는 것이 필요하다(Tong et al. 2013). 이를 위해 3개의 정션을 다른 소자들과 병렬로 연결하는 parallel connected distributed mixer 형태로 결정하였다. 프로브와 junction간의 임피던스가 같아야 신호의 최대한 많은 파워가 뒤쪽으로 전달되기 때문에 quarter wave transformer로 임피던스 matching을 하도록 하였다. junction에서 나온 신호에서 RF 대역을 걸러주는 RF choke로는 low pass filter의 역할을 하는 transformer들 중에서 Butterworth, Tchebyscheff, multi-section quarter wave transformer 등을 비교하여 결정하였다. 다른 소자들과 juntion간의 RF coupling을 좋게 하기 위해 junction에서 본 RF choke의 임피던스가 극대화될 필요가 있었기에 결과적으로 2개의 quarter wave transformer를 이어 붙인 형태로 결정되었다.
3D EM 시뮬레이터의 일종인 HFSS를 이용하여 믹서 블록 디자인에 사용될 프로브를 설계하였다. waveguide의 크기는 표준 규격 중 WR-3을 이용하였다. 프로브의 output 임피던스가 RF 주파수 범위 내에서 변화 폭이 작도록 하여 junction과 임피던스 매칭하기 좋게끔 설계하였다. 이를 위해 프로브는 오각형의 homebase 형태를 선택하고, 프로브 앞에 capacitive waveguide step을 배치하였다.
