기판집적 도파관 (Substrate Integrated Waveguide)
쉽게 풀면
기판집적 도파관(SIW)은 기존의 부피가 큰 금속 도파관을 얇은 회로 기판 안에 압축해 넣은 구조라고 생각하면 됩니다. 기판 위아래를 금속판으로 감싸고, 양옆은 촘촘한 금속 비아(via) 기둥으로 벽을 세워서 파동이 그 안에서만 흐르도록 가둡니다. 이렇게 하면 도파관의 낮은 손실 특성을 유지하면서도 인쇄회로기판(PCB) 공정으로 저렴하게 제작할 수 있습니다.
왜 중요한가
고주파·밀리미터파 회로에서 저손실 전송선로가 필요한데, 기존 도파관은 부피가 크고 조립이 까다롭습니다. SIW는 이런 문제를 해결하여 소형화된 마이크로파 및 밀리미터파 시스템 설계에 널리 채택됩니다. 금속 도파관 대비 방사손실은 존재하지만 유전체손실과 도체손실을 함께 고려해도 마이크로스트립 선로보다 낮은 손실을 유지할 수 있어, 고주파 필터·듀플렉서·급전망 설계에서 손실과 집적성을 동시에 만족시키는 대안으로 다뤄집니다.
논문에서는 이렇게 쓰입니다
SIW 구조가 밀리미터파 대역 필터 설계에 적용된 사례입니다.
SIW가 안테나와 급전 회로를 하나의 기판에 통합하는 데 활용된 예입니다.
조금 더 깊게 보면
SIW의 비아 간격과 비아 지름은 전자기파 누설을 막는 조건을 만족하도록 설계되며, 일반적으로 비아 간격이 파장에 비해 충분히 작아야 합니다. 전파 모드는 사각형 도파관의 TE10 모드와 유사하게 동작하며, 등가 폭 계산식을 통해 실제 금속 도파관과 특성을 매칭시킵니다. SIW는 리지(ridge)형 구조나 하프모드(half-mode) 구조로 변형되어 소형화되기도 하며, 하프모드 SIW는 대칭면을 따라 절반만 남겨 폭을 줄이면서도 유사한 전파 특성을 유지합니다. 급전은 마이크로스트립-SIW 천이 구조를 통해 이루어지는 경우가 많습니다.
주의할 점
SIW는 원리적으로 사각형 도파관의 특정 모드만 구현하므로 완전한 3차원 도파관을 대체하지는 못하며, 비아 배열 정밀도가 손실 특성에 큰 영향을 줍니다. SIW와 일반 마이크로스트립 선로 사이의 임피던스 및 모드 천이 구간을 제대로 설계하지 않으면 반사손실이 커져 전체 회로 성능을 저하시킬 수 있습니다.