KR100361938B1 - 유전체 기판의 공진장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 유전체 기판의 공진장치에 관한 것으로, 특히 이 공진장치는 유전체 기판 위에 형성된 유전체 공진기와, 유전체 공진기 위에 형성된 유동성 유전체막과, 유동성 유전체막에서 공진기와 커플링이 발생하는 위치에 배치된 마이크로스트립 라인과, 유전체 기판 위에 형성되고 유전체 공진기와 소정의 갭을 두고 유전체 공진기를 둘러싼 공진기 지지기판으로 구성된다. 그러므로, 본 발명의 공진장치는 유전체 기판과 마이크로스트립 라인의 거리를 멀게 하여 도전성 손실을 줄이고 유전체 공진기를 고효율의 유전체 기판을 사용하고 유동성 유전체막을 추가하기 때문에 유전율 크기가 높아져서 공진기의 Q값이 크게 증가하게 된다.

Description

유전체 기판의 공진장치{RESONATING APPARATUS FOR A DIELECTRIC SUBSTRATE}
본 발명은 유전체 기판을 이용하여 제작한 공진장치에 관한 것으로서, 특히 에너지 손실을 낮추어 Q를 높일 수 있는 새로운 구조의 유전체 기판의 공진장치에 관한 것이다.
최근 통신정보의 증가와 더불어 이동통신, 위성통신등 마이크로파를 이용한통신 시스템의 수요가 급증하고 있다. 이러한 정보, 통신 분야는 소자가 점점 소형화, 고성능화되고 있기 때문에 점점 사용주파수대도 차츰 고주파대역으로 이동하고 있는 실정이다. 일반 단파통신인 MHz대역에서 현재는 GHz 대역의 PCS와 같은 개인이동통신과 위성방송, 위성통신 등이 일상 생활에서의 통신의 위치를 차지해가고 있다.
현재 이러한 고주파 대역에서의 기기를 구성하는 필요한 중요한 소자로서 300MHz∼300GHz대까지의 마이크로파대에 사용가능한 유전체 재료가 있으며, 이러한 마이크로파 유전체 재료의 개발은 유전체 공진기 필터로써 널리 연구 개발되어지고 있다.
한편, 도 1은 종래기술에 의해 기판위에 접착된 유전체 공진기와 마이크로스트립 라인을 커플링하는 구조를 나타낸 도면이다. 도 1을 참조하면, 종래기술에 의한 유전체 공진기는 간단한 구조로 인해 다층 회로와 MMIC 회로에 많이 사용되고 있다.
즉, 종래기술의 유전체 공진기(14)는 GaAs의 유전체 기판(10) 상부에 접착된다. 역시, 유전체 기판(10) 상부에는 유전체 공진기(14)와 이격된 마이크로스트립 라인(12)이 형성되어 있다.
이러한 유전체 공진기(14)에서 마이크로스트립 라인의 Q값은 GaAs의 유전체 기판(10)과 마이크로스트립 라인(12)으로서 금을 사용하고, 라인의 길이를 1/2λ로 했을 때 다음 수학식 1과 같다.
이때, 마이크로스트립라인의 특성 임피던스값(Zo)은 0Ω, 유전체 손실에 의한 값(Rs)은 0.0006, 공진주파수=10㎓로 정한다.
단,이고,이다.
상기 수학식 1을 참조하면, 마이크로스트립 라인의 Q는 약 66정도가 된다.
그러므로, 이러한 구조의 유전체 공진기(14)를 다층구조의 회로, MMIC 또는 필터등의 응용회로에 적용할 경우 하부 마이크로스트립 라인과 상부 유전체 기판의 거리가 좁아서 마이크로스트립 라인의 도전성 손실이 높아져서 Q값이 저하된다. 게다가 마이크로스트립 라인의 손실은 바로 유전체 공진기(14)의 에너지 손실에 영향을 미친다. 이로인해, 고주파 대역에서는 높은 Q값이 요구되는데, 종래의 구조를 갖는 유전체 공진장치로서는 높은 Q값을 확보하는데 한계가 있었다.
본 발명의 목적은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 유전체 기판과, 유전체 공진기와, 유동성 유전체막을 순차 적층하고, 유동성 유전체막내에 공진기와 커플링이 발생하도록 마이크로스트립 라인을 배치하여 공진장치의 구조를 개선함으로써 다층 구조의 회로, MMIC 또는 필터등의 응용회로에 공진기를 적용할 경우 높은 Q값을 확보할 수 있는 유전체 기판의 공진장치를 제공하고자 한다.
이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 유전체 기판위에 마이크로스트립라인과 유전체 공진기를 갖는 유전체 기판의 공진장치에 있어서, 유전체 기판 위에 형성된 유전체 공진기와, 유전체 공진기 위에 형성된 유동성 유전체막과, 유동성 유전체막에서 공진기와 커플링이 발생하는 위치에 배치되어 형성된 마이크로스트립 라인을 구비한다.
도 1은 종래기술에 의해 기판위에 접착된 유전체 공진기와 마이크로스트립 라인을 커플링하는 구조를 나타낸 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유전체 기판 공진기의 수직 단면도,
도 3은 본 발명에 따른 유전체 기판 공진기의 여러가지 형태를 나타낸 실시예들,
도 4는 본 발명에 따라 유전체 공진기와 공진기 지지기판을 서로 분리한 구조와, 이들을 서로 연결한 라인의 다양한 실시예를 나타낸 평면도,
도 5는 본 발명에 따라 유전체 공진기와 마이크로스트립 라인의 여러가지 커플링 수평구조를 나타낸 실시예들,
도 6a 및 도 6b는 본 발명에 따라 유전체 공진기와 마이크로스크립 라인의 여러가지 커플링 수직구조를 나타낸 실시예들,
도 7은 본 발명에 따른 공진기 구조를 사용하여 제작한 일 실시예의 필터를 나타낸 평면도,
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 일 실시예에 따른 원형의 유전체 공진기의 주파수를 설명하기 위한 유전체 기판의 공진장치의 수직 단면도와 그 평면도,
도 9a 내지 도 9c는 본 발명에 따른 원형의 유전체 공진기에서 반지름과 두께를 조절함에 따라 변화되는 주파수를 나타낸 그래프들,
도 10은 본 발명에 따른 유전체 기판의 공진장치에서 공진 주파수와 Q를 비교한 그래프,
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 유전체 기판의 공진장치에서 유전체 공진기와 공진기 지지기판 사이의 갭의 크기를 변화했을때의 에너지를 나타낸 그래프.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따라 공진기 지지기판을 제거한 유전체 기판 공진기를 나타낸 수직 단면도.
＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞
100 : 유전체 기판 102a : 유전체 공진기
102b : 공진기 지지기판 103 : 연결라인
104 : 갭 106 : 유동 유전체막
108 : 마이크로스트립 라인 110 : 접지 라인
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명하고자 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유전체 기판 공진기의 수직 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예의 유전체 기판 공진기는 유전체 기판(100)과, 유전체 공진기(102a)와, 공진기 지지기판(102b)와, 유동성 유전체막(106)과, 마이크로스트립 라인(108)으로 구성된다.
여기서, 유전체 공진기(102a)는 유전체 기판(100) 위에 형성되고, 기판(100)과 유동성 유전체막(106)에 대해 고유전율을 갖는 물질을 사용한다. 예를들면, 유전체 기판(100)로서는 테플론(teflon), 유전체 공진기(102a)로서는 GaAs 기판, 유동성 유전체막(106)으로서는 다층 구조에 적합한 폴리마이드(polymide)를 사용한다.
그리고, 공진기 지지기판(102b)은 유전체 공진기(102a)와 동일한 물질로 구성되어 유전체 기판(100) 위에 형성된다. 본 실시예에서, 공진기 지지기판(102b)는 유전체 공진기(102a)에 대해 소정의 갭(104)을 두고 유전체 공진기(102a)를 둘러싼다. 이때, 유전체 공진기(102a)와 공진기 지지기판(102b) 사이의 갭(104)에는유전상수가 1인 공기가 채워진다.
그리고, 본 실시예에서의 유동성 유전체막(106)은 유전체 공진기(102a)와 공진기 지지기판(102b) 및 그 사이의 갭(104)으로 구성된 구조물 위를 덮는다.
또한, 마이크로스트립 라인(108)은 도전성 물질로 유동성 유전체막(106)에서 유전체 공진기(102a)와 커플링이 발생하는 위치에 배치된다.
추가적으로, 본 발명의 유전체 기판 공진기는 마이크로스트립 라인(108)의 손실을 줄이기 위하여 유동성 유전체막(106)과 유전체 기판(100)내에 접지라인을 추가 형성할 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 유전체 기판 공진기의 여러가지 형태를 나타낸 실시예들로서, 본 발명의 유전체 공진기는 원기둥 또는 다각 구조의 형태를 갖는다.
도 3을 참조하면, 유전체 공진기(102a)의 평면 형태는 원형(a), 사각형(b), 삼각형(c) 등으로 그 형태가 다양하지만, 다른 형태로도 변형이 가능하다.
도 4는 본 발명에 따라 유전체 공진기와 공진기 지지기판을 서로 분리한 구조와, 이들을 서로 연결한 라인의 다양한 실시예를 나타낸 평면도로서, 본 실시예에서 공진기의 평면 형태는 원형으로 한다.
도 4를 참조하면, 첫번째 도면은 공진기 지지기판(102b)으로 사용되는 GaAs 기판 자체에 유전체 공진기(102a)를 제작한 것으로서, 기판을 식각 공정으로 유전체 공진기(102a)와 공진기 지지기판(102b) 사이를 서로 수직적으로 분리해서 소정의 갭(104)이 형성되도록 한다.
나머지 3개의 도면들은 공진기(102a)와 지지기판(102b)의 일부분을 수평적으로 연결하는 라인(103)이 추가된 것을 나타낸 것이다. 이때, 연결라인(103)은 적어도 1개이상 형성하되, 유전체 공진기(102a)와 지지기판(102b)를 서로 안정되게 연결할 수 있는 위치에 배치하고 기판의 강도 또는 환경에 따라 조절하는 것이 바람직하다.
이 연결 라인의 제작은 공진기 지지기판(102b)으로 사용되는 GaAs 기판 자체에 유전체 공진기(102a)를 제작할 때, 유전체 공진기(102a)와 공진기 지지기판(102b) 사이를 수직적으로 분리하는 갭(104)을 형성하는 식각 공정시 연결 라인(103)을 제외한다. 이러한 연결 라인(103)에 의해 유전체 공진기(102a)를 안정되게 고정시킬 수 있다.
도 5는 본 발명에 따라 유전체 공진기와 마이크로스트립 라인의 여러가지 커플링 수평구조를 나타낸 실시예들이다.
도 5를 참조하면, 마이크로스트립 라인(108)은 직선과 원형 형태로 구현이 가능하고, 유전체 공진기(102a)의 일부분(d), 공진기 표면을 가로질러(e), 공진기의 안측(f), 공진기의 바깥측(g)에 배치될 수 있다. 이렇게 마이크로스트립 라인(108)의 형태와 위치에 따라 커플링이 변화된다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명에 따라 유전체 공진기와 마이크로스트립 라인의 여러가지 커플링 수직구조를 나타낸 실시예들이다.
도 6a에 도시된 바와 같이, 커플링을 높이기 위해서는 마이크로스트립 라인(108)을 유전체 공진기(102a) 상면에 연결되도록 배치한다. 또는, 커플링을 낮추기 위해서는 마이크로스트립 라인(108)을 유전체 공진기(102b) 상면으로부터떨어진 위치에 배치한다. 그러므로, 마이크로스트립 라인(108)의 배치는 유전체 공진기(102a)와의 커플링을 조절해서 정한다.
도 7은 본 발명에 따른 공진기 구조를 사용하여 제작한 일 실시예의 필터를 나타낸 평면도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 유전체 기판의 공진장치를 응용할 경우 높은 Q값을 얻을 수 있는 필터의 제작이 가능하다. 본 실시예의 필터는 본 발명의 유전체 공진기를 2개 연결하여 대역통과필터(band-pass filter)를 제작한 것이다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 일 실시예에 따른 원형의 유전체 공진기의 주파수를 설명하기 위한 유전체 기판의 공진장치의 수직 단면도와 그 평면도이다.
도 8a 및 도 8b를 참조하여 본 발명에 따른 유전체 기판의 공진장치의 공진 주파수를 구하면 다음과 같다. 유전체 공진기의 공진 주파수를 계산하기 위한 방법으로서 이토크 및 루도카스(Itoh ＆ Rudokas) 방법을 사용하는데, 이 방법은 공진기의 모든 영역을 분할하고 각 영역에서의 경계조건에서 공진주파수를 찾는 방식이다.
여기서 L1은 유동 유전체막(106)의 두께, L2는 유전체 기판(100)의 두께, H는유전체 공진기(102b)의 높이를 나타낸다. r은 유전체 공진기의 반지름이다.
위 수학식 2를 수치해석으로 풀면 원하는 공진 주파수 f를 구할 수 있다.
도 9a 내지 도 9c는 본 발명에 따른 원형의 유전체 공진기에서 반지름과 두께를 조절함에 따라 변화되는 주파수를 나타낸 그래프들이다.
도 9a의 그래프를 참조하면, 유전체 공진기(GaAs)의 두께(H)가 증가함에 따라 공진 주파수가 낮아짐을 알 수 있다. 도 9b의 그래프를 참조하면, 유전체 기판(teflon)의 두께가 증가함에 따라 공진 주파수가 낮아진다. 그리고 도 9c의 그래프를 참조하면, 유동 유전체막(polymide)의 두께가 증가함에 따라 공진 주파수가 낮아진다.
그러므로, 원하는 공진 주파수를 확보하기 위해서는 유전체 공진기, 유전체 기판 및 유동 유전체막의 두께를 조정하고 유전체 공진기의 반지름을 조정해서 정하는 것이 중요하다.
도 10은 본 발명에 따른 유전체 기판의 공진장치에서 공진 주파수와 Q를 비교한 그래프이다.
본 발명의 유전체 기판의 공진장치내 마이크로스트립 라인의 Q는 다음 수학식에 의해 구해진다.
단, Qu는 무부하일때 마이크로스트립 라인의 Q값, Qr은 마이크로스트립 라인의 파장 방사(radiation) 손실에 의한 Q값, Qc는 마이크로스트립 라인의 표면 깊이효과로 인한 도전(conductor) 손실의 Q값, Qd는 유전체(dielectric) 손실에 의한 Q값이다.
이러한 손실 중에서 Qr은 공진장치가 접지 라인으로 둘러싸인 경우 무시할 수 있으므로, 결국 전체 Q값은 Qc와 Qd에 의해 결정된다.
그러므로, 도 10의 그래프에 도시된 바와 같이, 유동 유전체막인 폴리마이드의 두께가 0.2∼0.3mm일 경우 구해지는 공진 주파수는 약 27.6GHz, Q는 약 900∼1000이다. 종래, 유전체 기판에 유전체 공진기를 접착한 구조는 Q가 약 66으로 구해지기 때문에 본 발명에 의한 유전체 기판의 유전체 공진장치의 Q가 종래에 비해 크게 높아진다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 유전체 기판의 공진장치에서 유전체 공진기와 공진기 지지기판 사이의 갭의 크기를 변화했을 때의 에너지를 나타낸 그래프이다.
도 11의 그래프를 참조하면, 본 일 실시예에 따라 유전체 공진기와 공진기 지지기판 사이에 수직으로 분리된 갭을 갖는 유전체 기판의 공진장치에서 갭의 크기를 0.5mm, 1mm, 및 2mm로 변경하였을 때 유전체 공진기에 분포되는 에너지 크기의 변화량을 구한 것이다. 이때, 유전체 공진기의 반지름은 3mm로 한다.
그러면, 갭의 크기가 약 0.5mm 이상이면, 대부분의 에너지는 유전체 공진기에 분포되어 에너지 손실이 크게 낮아진다.
본 발명에 의한 유전체 기판의 공진장치는 종래와 같이 유전체 공진기를 유전체 기판위에 접착하는 방식이 아니라, 유전체 기판에 상대적으로 고효율을 갖는 고유전 기판을 적층하고 이를 식각해서 수직으로 분리되는 갭을 갖는 유전체 공진기와 공진기 지지기판을 형성하고 상기 구조물 위에 유동성 유전체막을 추가 형성한 구조이다. 그러므로, 본 발명의 유전체 기판의 공진장치를 다층구조의 회로, MMIC 또는 필터등의 응용회로에 적용할 경우 하부의 마이크로스트립 라인과 상부의 유전체 기판의 거리가 멀어져 마이크로스트립 라인의 도전성 손실이 낮아지고 유전체 공진기의 주변에 고효율의 유전체 기판(공진기 지지기판)이 둘러싸여 결국 유전체 손실이 낮아진다. 이로인해, Q값을 결정하는 도전성 손실과 유전체 손실이 낮아지므로 본 발명에 의한 유전체 기판의 공진장치는 Q값을 크게 확보할 수 있다.
이렇게 높아진 Q값과 유전체 공진기와 공진기 지지기판 사이의 갭의 크기를 조정하여 유전체 공진기의 에너지 손실을 크게 줄일 수 있다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따라 공진기 지지기판을 제거한 유전체 기판 공진기를 나타낸 수직 단면도이다.
도 12를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 유전체 기판의 공진기는 유전체 기판(100) 위에 형성된 고효율의 유전체 기판으로 이루어진 유전체 공진기(102), 그 공진기(102) 위를 덮는 유동성 유전체막(106)과, 유동성 유전체막(106)에서 공진기(102)와 커플링이 발생하는 위치에 배치된 마이크로스트립 라인(108)으로 구성된다.
이러한 본 발명의 다른 실시예는 상술한 일 실시예와 다르게 공진기 지지기판을 생략함으로 유전체 공진기가 설치될 필터, 발진기 등의 응용장치를 소형화할 수 있으면서 유전체 기판과 마이크로스트립 라인의 거리를 멀게 하여 도전성 손실을 줄이고 유전체 공진기를 고효율의 유전체 기판을 사용하고 유동성 유전체막을 추가하기 때문에 유전율 크기가 높아져 결국, 공진기의 Q값이 크게 증가하게 된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 유전체 기판과, 유전체 공진기와, 유동성 유전체막을 순차 적층하고, 유동성 유전체막내에 공진기와 커플링이 발생하도록 마이크로스트립 라인을 배치하여 공진장치의 구조를 개선함으로써 마이크로스트립 라인의 Q값 손실 원인을 줄인다.
따라서, 본 발명의 공진기를 고주파 특성이 요구되는 다층 구조의 회로, MMIC 또는 필터등의 응용회로에 적용할 경우 높은 Q값을 확보할 수 있어 이로인해 공진기의 에너지 손실을 크게 줄일 수 있다
한편, 본 발명은 상술한 실시예에 국한되는 것이 아니라 후술되는 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상과 범주내에서 당업자에 의해 여러 가지 변형이 가능하다.

Claims (6)

  1. 유전체 기판위에 마이크로스트립 라인과 유전체 공진기를 갖는 유전체 기판의 공진장치에 있어서,
    상기 유전체 기판 위에 형성된 유전체 공진기;
    상기 유전체 공진기 위에 형성된 유동성 유전체막; 및
    상기 유동성 유전체막에서 상기 공진기와 커플링이 발생하는 위치에 배치되어 형성된 마이크로스트립 라인을 구비한 것을 특징으로 하는 유전체 기판의 공진장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 유전체 기판 위에 형성되고 유전체 공진기와 소정의 갭을 두고 유전체 공진기를 둘러싼 공진기 지지기판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유전체 기판의 공진장치.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 유동성 유전체막은 상기 유전체 공진기, 소정의 갭 및 공진기 지지기판으로 이루어진 구조물 전면에 형성되는 것을 특징으로 하는 유전체 기판의 공진장치.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 유전체 공진기는 원기둥 또는 다각구조의 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 유전체 기판의 공진장치.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 유전체 공진기는 상기 공진기 지지기판의 소정 갭에서 어느 일 부분을 수평적으로 연결된 라인을 갖되, 적어도 1개이상의 연결 라인을 갖는 것을 특징으로 하는 유전체 기판의 공진장치.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 구조의 공진기를 이용하여 필터를 제작하는 것을 특징으로 하는 유전체 기판의 공진장치.
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