KR100262758B1 - Multilayer structure ultrahigh frequency transmission circuit - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 다층 구조 (multilayer structure)의 초고주파 전송 회로의 소형화 기술에 관한 것으로, 특히, 코플라나 (coplanar)형, 스트립라인(strip line)형 및 마이크로스트립 라인형의 전송선로(transmission line)를 적절히 이용하여 적층 기판의 수를 줄이면서 부품의 직·병렬 장착이 용이하도록 이루어진 다층 구조의 초고주파 전송회로에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a miniaturization technique of a multilayer structure ultra-high frequency transmission circuit, and in particular, a coplanar type, a strip line type, and a microstrip line type transmission line appropriately The present invention relates to an ultra-high frequency transmission circuit having a multi-layer structure, which facilitates parallel and parallel mounting of components while reducing the number of laminated substrates.
일반적으로, 초고주파 신호의 전송을 위한 전송 선로에는 신호 선로와 접지면이 동시에 존재하여야 하며, 이들 신호선로와 접지면의 위치에 따라 전송선로를 여러 형태로 구분한다.In general, a signal line and a ground plane must exist simultaneously in a transmission line for transmitting a microwave signal, and the transmission lines are divided into various types according to the positions of these signal lines and the ground plane.
도 1의 상층에 도시한 바와 같이, 신호 선로(12) 아래에 유전체(14)가 있으며 그 아래로 접지면(16)이 존재하는 마이크로스트립라인(10) 형태는 표면 위에 능동소자 및 수동소자를 직렬 형태로 쉽게 장착할 수 있으며 회로를 제작한 후 미세 조정이 용이하다. 그러나 신호의 전송 손실은 타 구조에 비해 적은 반면 공기로 되어 있는 윗면으로의 신호의 방사 손실이 있으며 외부의 잡음원에 의한 간섭에 약하고 소자의 병렬형 장착이 쉽지 않은 단점이 있다.As shown in the upper layer of FIG. 1, the shape of the microstrip line 10 having a dielectric 14 under the signal line 12 and a ground plane 16 beneath it forms an active and passive element on the surface. It can be easily mounted in series and fine-tuned after the circuit has been fabricated. However, while the transmission loss of the signal is smaller than other structures, there is a radiation loss of the signal to the upper surface made of air, it is weak to interference by external noise sources, and the parallel mounting of the devices is not easy.
또한, 도 1의 하층에 도시한 바와 같이, 접지면(16)-유전체(18)-신호선로(21)-유전체(22)-접지면(24)의 구조를 가지는 스트립라인(20) 형태는 최소의 방사 손실을 가지며 외부의 잡음에 매우 강한 특성을 가지고 있다. 그러나 회로의 표면이 유전체(18) 밑에 존재하여 능동 소자 및 수동 소자의 장착이 매우 어려운 단점이 있다.In addition, as shown in the lower layer of FIG. 1, the strip line 20 having the structure of the ground plane 16, the dielectric 18, the signal line 21, the dielectric 22, and the ground plane 24 may be formed. It has minimal radiation loss and is very strong against external noise. However, there is a disadvantage that the surface of the circuit is under the dielectric 18 so that mounting of active and passive elements is very difficult.
또한, 도면에는 도시하지 않았으나, 코플라나 형태는 신호 선로 양쪽에 접지면을 가지고 있는 구조로 마이크로스트립라인 형에 비해 전송 손실이 크며 아직 복잡한 구조에 대한 해석이 미흡한 단점이 있으나 소자의 직·병렬 장착이 용이하며 신호 선로의 폭만으로 특성임피던스(characteristic impedance)를 조절하는 마이크로스트립라인이나 스트립라인과는 달리 신호 선로의 폭과 접지면과의 거리에 의해 특성 임피던스를 조절하므로 임피던스의 변화에 대한 자유도가 큰 장점을 가지고 있다.In addition, although not shown in the drawing, the coplanar type has a ground plane on both sides of the signal line, which has a higher transmission loss than the microstripline type, and the analysis of the complex structure is insufficient. Unlike the microstripline or stripline, which makes it easy to adjust the characteristic impedance only by the width of the signal line, the characteristic impedance is adjusted by the width of the signal line and the distance between the ground plane. It has a big advantage.
다층 구조의 초고주파 전송회로는 통상 단일 층 구조의 마이크로스트립라인(microstrip line)을 이용한 초고주파 전송회로 구조와는 달리 여러 층의 기판을 사용하여 회로 요소들을 분산시킴으로써 구현 회로의 크기를 줄일 수 있는 장점이 있다.Multi-layered ultra-high frequency transmission circuits have the advantage of reducing the size of implementation circuits by distributing circuit elements using multiple layers of substrates, unlike the structure of ultra-high frequency transmission circuits using single layer microstrip lines. have.
종래의 다층구조 초고주파 전송회로는 도1에 도시한 바와 같이, 마이크로스트립라인(10)과 스트립라인(20) 형태를 전송선로로 사용한다. 도면의 상층에는 소자의 직렬 장착이 용이한 마이크로스트립라인(10) 형으로 이루어져 있으며 그 표면에 신호선로(12)가 존재하고, 그 신호선로(12)의 아래 유전체층(14)과 접지면(16)을 가진다. 그 상층의 하층은 두 접지면(16, 24) 사이에 신호 선로(21)가 각 유전체층(18, 22)을 개재하여 존재하는 스트립라인(20) 형을 반복 적층하여 사용한다. 소자를 장착하기 어려운 스트립라인형에는 일반적으로 전송선로 및 바이어스 선로를 구현한다. 도 1의 경우는 최소 3장의 유전체층을 적층하여야 하며 회로의 소형화를 위해 마이크로스트립라인의 폭을 줄일 경우 50?? 보다 훨씬 큰 임피던스 선로를 사용하므로 신호 선로 자체의 손실이 커지고 소자의 병렬 장착이 어려운 단점을 가진다. 예를 들면 비유전율(relative dielectric constant) 9.8과 두께 25mm을 가지는 기판을 사용한 마이크로스트립라인 형의 경우 50?? 선로의 폭은 약 0.6mm 정도가 되어 소형화를 위한 고집적회로에 사용하기 부적절하다. 일반적인 고집적회로에는 약 0.2mm 정도의 폭을 갖는 선로를 사용하며 이 경우 특성임피던스는 약 80?? 으로 전송 손실이 커지며 전력소자의 정합시와 같이 저임피던스가 요구될 때 선로의 폭이 너무 커지는 단점이 있다.In the conventional multi-layered ultra-high frequency transmission circuit, as shown in FIG. 1, the microstrip line 10 and the strip line 20 are used as transmission lines. The upper layer of the figure is made of a microstrip line 10, which is easy to mount in series, and has a signal line 12 on its surface, and the dielectric layer 14 and the ground plane 16 below the signal line 12. ) The lower layer of the upper layer is used by repeatedly stacking the stripline type 20 in which the signal line 21 exists between the two ground planes 16 and 24 via the dielectric layers 18 and 22. Stripline types that are difficult to mount devices typically implement transmission lines and bias lines. In the case of FIG. 1, at least three dielectric layers should be stacked. When the width of the microstrip line is reduced to reduce the size of the circuit, 50 ?? The use of a much larger impedance line results in the loss of the signal line itself and the difficulty of parallel mounting of the devices. For example, in the case of a microstripline type using a substrate having a relative dielectric constant of 9.8 and a thickness of 25 mm, 50 ?? The width of the track is about 0.6mm, which makes it unsuitable for high integrated circuits for miniaturization. In general, a high integrated circuit uses a line having a width of about 0.2mm, in which case the characteristic impedance is about 80 ?? As a result, the transmission loss increases, and the width of the line becomes too large when low impedance is required, such as when matching power devices.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 접지면으로서 코플라나형의 전송선로 구조를 채용함으로써 최소의 유전체층을 사용하면서 신호 선로의 임피던스의 조절이 용이하며 소자의 직·병렬 장착이 쉬운 다층구조의 초고주파 전송회로를 제공하는 것이다.Therefore, the technical problem to be achieved by the present invention is to adopt a coplanar transmission line structure as the ground plane, so that the impedance of the signal line can be easily adjusted while using the minimum dielectric layer, and the ultra-high frequency of the multilayer structure is easy to mount the devices in parallel and in parallel. It is to provide a transmission circuit.
도 1은 종래의 다층 구조의 초고주파 전송회로의 구성도.1 is a block diagram of a conventional ultra-high frequency transmission circuit of a multilayer structure.
도 2는 본 발명에 의한 코플라나형과 스트립라인형을 이용한 다층 구조의 초고주파 전송회로의 구성도.2 is a block diagram of a microwave transmission circuit having a multilayer structure using a coplanar type and a stripline type according to the present invention.
도 3는 본 발명에 의한 코플라나형과 오프-센터 스트립라인형을 이용한 다층 구조의 초고주파 전송회로의 구성도.3 is a block diagram of a multi-layer ultrahigh frequency transmission circuit using a coplanar type and an off-center stripline type according to the present invention.
도 4는 도 2 내지 도 3에서의 불완전 접지면에 의한 효과를 알아보기 위한 기존 적층형 마이크로스트립형 초고주파 전송선로의 구성도.4 is a configuration diagram of a conventional stacked microstrip type microwave transmission line for examining the effect of the incomplete ground plane in FIGS.
도 5의 a, b, c는 도 3 내지 도 4의 아래 유전체층의 두께 변화에 따른 초고주파 전송 선로의 특성 변화도로, 유효유전률, 감쇄상수, 특성임피던스를 차례로 나타내는 그래프도.5A, 5B and 5C are characteristic change diagrams of ultra-high frequency transmission lines according to thickness changes of the lower dielectric layers of FIGS. 3 to 4, and show graphs showing effective dielectric constant, attenuation constant, and characteristic impedance.
도 6 내지 도 9는 본 발명에 의한 코플라나형을 접지면으로 이용한 다층 구조의 초고주파 전송회로의 다양한 변형예들을 도시한 구성도들.6 to 9 are configuration diagrams showing various modifications of the multi-layer ultra-high frequency transmission circuit using the coplanar type according to the present invention as a ground plane.
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉<Explanation of symbols for main parts of drawing>
30,50... 코플라나층, 32,52,62,82... 접지면,30,50 ... coplanar layer, 32,52,62,82 ... ground plane,
34,38,54,58,78... 신호라인, 36,46,56,66,76,86... 유전체층,34,38,54,58,78 ... signal lines, 36,46,56,66,76,86 ... dielectric layers,
40,60... 스트립라인, 70... 적층 마이크로스트립라인.40,60 ... stripline, 70 ... laminated microstripline.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 태양에 의하면, 상층은 신호선로의 양측에 제1접지면을 갖는 코플라나형 전송선로 구조이고, 하층은 상기 코플라나형 전송 선로의 제1접지면을 상부 불완전 접지면으로 하고, 상기 상부 불완전접지면의 하부에 상부 유전체 및 하부 유전체를 적층하고 상기 상부 및 하부유전체들 사이에 신호선로를 삽입하고 상기 하부유전체의 하부에 코플라나형 전송선로 구조의 불완전접지면 또는 제2 완전접지면을 하부 접지면으로 갖는 스트립라인형 전송선로 구조임을 특징으로 하는 다층 구조의 초고주파 전송회로를 제공한다.According to an aspect of the present invention for achieving the above technical problem, the upper layer is a coplanar transmission line structure having a first ground plane on both sides of the signal line, the lower layer is a first ground plane of the coplanar transmission line An upper incomplete ground plane, an upper dielectric and a lower dielectric stacked on the lower portion of the upper incomplete ground, a signal line is inserted between the upper and lower dielectrics, and an incomplete structure of a coplanar transmission line structure is disposed below the lower dielectric. Provided is a multi-layered ultra-high frequency transmission circuit characterized in that the strip line-type transmission line structure having a ground plane or a second full ground plane as a lower ground plane.
본 발명의 다른 태양에 의하면, 상층은 상부접지면이 없이, 신호선로, 그 신호선로의 하부에 유전체층, 및 그 유전체층의 하부에 하부접지면을 갖는 마이크로스트립라인형 전송선로 구조이고, 하층은 상기 마이크로스트립라인형의 전송선로 구조의 하부접지면으로서 신호선로의 양측에 접지면을 갖는 코플라나형 전송선로 구조임을 특징으로 하는 다층구조의 초고주파 전송회로를 제공한다.According to another aspect of the present invention, the upper layer is a microstripline transmission line structure having a signal line without a top ground plane, a dielectric layer below the signal line, and a bottom ground plane below the dielectric layer, wherein the lower layer is Provided is a multi-layered ultra-high frequency transmission circuit characterized by a coplanar transmission line structure having a ground plane on both sides of a signal line as a lower ground plane of a microstrip line transmission line structure.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들의 구성 및 동작을 보다 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail the configuration and operation of the embodiments of the present invention.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 의한 코플라나형과 스트립라인형을 이용한 다층 구조의 초고주파 전송회로를 도시하고 있으며, 상층을 코플라나형(30)으로, 하층을 스트립라인 형태(40)로하여 최소 2장의 유전체 기판(36, 46)을 이용하여 초고주파 전송회로를 구현하는 것이다. 이는 소자의 직·병렬 장착이 용이하며, 신호 선로(34)의 폭과 접지면(32)과의 거리에 의해 임피던스의 조절이 가능한 코플라나형의 장점과, 최소 방사손실 및 외부의 잡음에 매우 강한 특성을 가진 스트립라인형의 장점을 동시에 가지고 있다. 예를 들면 비유전율(relative dielectric constant)이 9.8과 두께 25mm을 가지는 기판을 사용한 코플라나형의 경우 접지면과 신호 선로의 폭을 약 0.15mm로 두면 50Ω 선로의 폭이 약 0.3mm정도로 고집적회로에 사용하기 적합하다. 특히 신호선로를 크게 함과 동시에 접지면과 신호선로의 폭을 넓힘으로써 저임피던스를 쉽게 구현할 수 있다. 또한, 회로의 대부분이 접지면으로 되어 있는 코플라나형을 스트립라인(40)의 윗쪽 접지면(32)으로 활용하여 적층 유전체 기판을 줄이는 장점을 가진다. 실제로 코플라나형의 전송 회로의 경우 전체 중 약 80% 정도가 접지면으로 구성되어 있다. 스트립라인(40)의 유전체층들(36,46)의 사이에는 신호라인(38)이 형성되어 있다.FIG. 2 illustrates a multi-layer ultrahigh frequency transmission circuit using a coplanar type and a stripline type according to a first embodiment of the present invention, wherein the upper layer is a coplanar type 30 and the lower layer is a stripline type 40. Therefore, at least two dielectric substrates 36 and 46 are used to implement an ultra high frequency transmission circuit. It is easy to mount the device in parallel and parallel, and the advantage of the coplanar type that the impedance can be adjusted by the width of the signal line 34 and the distance between the ground plane 32, and very low radiation loss and external noise It has the advantages of stripline type with strong characteristics. For example, in the case of the coplanar type using a substrate having a relative dielectric constant of 9.8 and a thickness of 25 mm, the width of the ground plane and the signal line is about 0.15 mm. Suitable for use In particular, it is possible to easily implement low impedance by increasing the signal line and increasing the width of the ground plane and the signal line. In addition, it has the advantage of reducing the laminated dielectric substrate by utilizing the coplanar type that the majority of the circuit is a ground plane as the upper ground plane 32 of the stripline (40). In fact, about 80% of the coplanar transmission circuit is composed of the ground plane. The signal line 38 is formed between the dielectric layers 36 and 46 of the stripline 40.
도 3은 본 발명의 제2실시예에 의한 코플라나형과 오프-센터 스트립라인형을 이용한 다층 구조의 초고주파 전송회로를 도시한 구성도로서, 오프-센터 스트립라인(off-center strip line)(60)을 이용하여 윗면 코플라나형(50) 전송회로의 불완전 접지면(52)에 의한 스트립라인(60)의 특성 변화를 대부분 감소시킬 수 있다. 기타, 신호라인들(54,58), 유전체층들(56,66), 접지면(62)등의 다른 부분은 도2의 구조와 유사하므로 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.FIG. 3 is a block diagram illustrating a multi-frequency ultrahigh frequency transmission circuit using a coplanar type and an off-center stripline type according to a second embodiment of the present invention, wherein an off-center strip line ( 60), the characteristic change of the stripline 60 due to the incomplete ground plane 52 of the upper coplanar type 50 transmission circuit can be reduced. Other parts of the signal lines 54 and 58, the dielectric layers 56 and 66, the ground plane 62, and the like are similar to those of FIG.
도 4는 적층형 마이크로스트립형을 이용한 다층 구조의 초고주파 전송회로를 도시한 구성도로, 도 2 내지 도 3에서의 불완전 접지면에 의한 효과를 알아보기 위한 기존 초고주파 전송선로의 한 종류인 적층형 마이크로스트립라인의 구성도이다. 도 4는 오프-센터 적층형 마이크로스트립라인의 구조로, 그 상층은 접지면이 없는 적층형 마이크로스트립라인(embedded microstrip line)(70)이고 그 하층은 접지면(82)이다. 상기 오프-센터 마이크로스트립라인(70)의 하유전체층(86)의 두께 변화에 따른 특성 변화가 없도록 한다. 마찬가지로, 신호라인(78), 유전체층(86), 접지면(82)등의 다른 부분은 도 2의 구조와 유사하므로 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.4 is a diagram illustrating a multilayer microwave transmission circuit having a multilayer structure using a stacked microstrip type, and a stacked microstrip line, which is one type of existing microwave transmission lines for examining the effect of an incomplete ground plane in FIGS. 2 to 3. The configuration diagram. 4 is a structure of off-center stacked microstripline, the upper layer of which is an embedded microstrip line 70 without a ground plane and the lower layer of which is a ground plane 82. The characteristics of the off-center microstripline 70 due to the thickness change of the lower dielectric layer 86 may be prevented. Similarly, other parts of the signal line 78, dielectric layer 86, ground plane 82, and the like are similar to those of FIG. 2, and thus detailed description thereof will be omitted.
도 5의 (A), (B), (C)는 도 3 내지 도 4의 하유전체층(66, 86)의 두께 변화에 따른 초고주파 전송선로의 특성 변화도로, 유효유전률(effective dielectric constant), 감쇄상수(attenuation constant), 특성임피던스(characteristic impedance)를 차례로 나타내는 그래프도이다. 즉, 도 5에는 도 3의 오프-센터 스트립라인(60)의 하유전체층(66)과 도4의 접지면이 없는 적층형 마이크로스트립라인(70)의 하유전체층(86)의 두께 변화에 따른 유효유전율, 감쇄 상수 및 특성 임피던스의 변화를 수치해석 방법의 하나인 모멘트 방법(moment method)을 사용하여 시뮬레이션한 결과를 나타낸다. 여기서, 하유전체층의 두께가 상유전체층에 비해 약 50% 이하인 경우 윗면에 접지면이 있고 없음이 전체 특성에 큰 영향을 주지 않음을 확인할 수 있다. 그러므로 상 유전체층과 하 유전체층의 두께를 조절함으로써 불완전한 코플라나층의 접지면 효과를 거의 제거한 다층구조의 초고주파 전송회로의 제작이 가능하다.5A, 5B, and 5C are characteristic change diagrams of an ultra-high frequency transmission line according to thickness changes of the lower dielectric layers 66 and 86 of FIGS. 3 to 4, and show effective dielectric constant and attenuation. It is a graph which shows attenuation constant and characteristic impedance in order. That is, in FIG. 5, the effective dielectric constant according to the thickness change of the lower dielectric layer 66 of the off-center stripline 60 of FIG. 3 and the lower dielectric layer 86 of the stacked microstripline 70 without the ground plane of FIG. , The attenuation constant and the change in characteristic impedance are shown by the simulation using the moment method, which is one of the numerical methods. Here, when the thickness of the lower dielectric layer is about 50% or less than that of the dielectric layer, it can be seen that there is a ground plane on the upper surface and that none of the lower dielectric layers does not significantly affect the overall characteristics. Therefore, by controlling the thicknesses of the upper dielectric layer and the lower dielectric layer, it is possible to fabricate the ultra-high frequency transmission circuit having a multilayer structure that almost eliminates the ground plane effect of the incomplete coplanar layer.
도 6 내지 도 9는 본 발명에 의한 코플라나형을 접지면으로 이용한 다층 구조의 초고주파 전송회로의 다양한 변형예들을 도시한 구성도들이다. 도 6은 코플라나층(6A)-스트립라인(6B)-코플라나층(6C)의 구조를 갖는다. 도 7은 코플라나층(7A)-스트립라인(7B)-접지면(7C)-마이크로스트립라인(7D)의 구조를 갖는다. 도 8은 마이크로스티립라인층(8A)-코플라나층(8B)의 구조를 갖는다. 도 9는 코플라나층(9A)-스트립라인(9B)-코플라나층(9C)-마이크로스트립라인 또는 스트립라인(9D)의 구조를 갖는다. 이에 대한 상세한 구조 설명은 도 2 내지 도 3과 유사하므로 생략한다. 단, 도 2 및 도 3의 구조는 도 6 내지 도 9로 변형될 수 있으며 이런 선로를 결합하여 층의 수를 늘릴 수 있다. 상기 도 6 내지 도 9의 각 경우 모두 기존의 방법에 비해 적층 유전체층의 수를 줄일 수 있는 장점이 있다.6 to 9 are configuration diagrams showing various modifications of the ultra-high frequency transmission circuit having a multilayer structure using the coplanar type according to the present invention. 6 has a structure of a coplanar layer 6A-stripline 6B-coplanar layer 6C. 7 has a structure of a coplanar layer 7A-stripline 7B-ground plane 7C-microstripline 7D. 8 has a structure of a microstiff line layer 8A-coplanar layer 8B. 9 has a structure of coplanar layer 9A-stripline 9B-coplanar layer 9C-microstripline or stripline 9D. Detailed structure description thereof will be omitted since it is similar to FIGS. However, the structure of FIGS. 2 and 3 may be modified to FIGS. 6 to 9 and the number of layers may be increased by combining such lines. In each case of FIGS. 6 to 9, the number of laminated dielectric layers may be reduced compared to the conventional method.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 다층 구조의 초고주파 전송회로는 코플라나형 전송선로를 이용하여 다층구조의 초고주파 전송회로를 소형화하는 기술에 관한 것으로 소자의 장착이 편리하며 적층 기판의 수를 최소화 하는 잇점을 가진다. 그리고 오프-센터 스트립라인형을 사용하므로 불완전 접지효과 등과 같은 원하지 않는 기생효과를 없앨 수 있다.As described above, the multi-layered ultra-high frequency transmission circuit according to the present invention relates to a technology for miniaturizing the multi-layered ultra-high frequency transmission circuit using a coplanar transmission line, which is convenient for device installation and minimizes the number of laminated substrates. Has an advantage. The use of off-center stripline eliminates unwanted parasitic effects such as incomplete grounding.
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