KR100543214B1 - 마이크로스트립-동축선로 수직전이장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 밀리미터파 대역에 적용할 수 있는 마이크로스트립-동축선로 수직전이장치에 관한 것으로서, 특히 동축선로(coaxial cable)를 이용한 수직전이구조에서 발생하는 유도성 리액턴스 성분에 따른 임피던스의 부정합을 개선하여 밀리미터파 대역에서 적용할 수 있도록 한 마이크로스트립-동축선로 수직전이장치에 관한 것이다. 이를 위해, 본 발명에 의한 마이크로스트립-동축선로 수직전이장치에는 알루미나 기판에 비아홀이 형성되고, 이 비아홀을 통해 동축선로의 내부 도체가 삽입되어, 알루미나 기판 상의 마이크로스트립선로와 동축선로의 내부 도체가 접합되어 있다.

Description

마이크로스트립-동축선로 수직전이장치{MICROSTRIP-COAXIAL LINE PERPENDICULAR DEVICE}
도 1은 동축선로의 구조도(a) 및 단위 길이에 대한 등가회로도(b)
도 2는 종래의 마이크로스트립-동축선로 수직전이장치의 평면도(a) 및 단면도(b).
도 3은 본 발명에 의한 마이크로스트립-동축선로 수직전이장치의 평면도(a) 및 단면도(b).
도 4a는 원형패치의 반경에 따른 수직전이구조 임피던스의 그래프.
도 4b는 원형패치의 반경에 따라 요구되는 스터브 임피던스의 저항을 나타낸 그래프.
도 5는 본 발명에 의한 마이크로스트립-동축선로 수직전이장치의 Ka-band에서의 산란계수를 나타낸 그래프.
** 도면의 주요부분에 대한 부호설명 **
10 : 알루미나 기판 20 : 비아홀
30 : 마이크로스트립선로 31 : 원형패치
32 : 정합용 스터브 40 : 전도성 에폭시
50 : 접지용 도금 60 : 동축선로
61 : 동축선로 절연체 62 : 내부도체
63 : 외부접지도체 70 : 하우징
본 발명은 밀리미터파 대역에 적용할 수 있는 마이크로스트립-동축선로 수직전이장치에 관한 것으로서, 특히 동축선로(coaxial cable)를 이용한 수직전이구조에서 발생하는 유도성 리액턴스 성분에 따른 임피던스의 부정합을 개선하여 밀리미터파 대역에서 적용할 수 있도록 한 마이크로스트립-동축선로 수직전이장치에 관한 것이다.
초고주파(Microwave) 또는 밀리미터파(Millimeter-wave) 대역의 모듈을 소형화하기 위해서, 내부 회로의 입출력 전송선로 대부분을 제작이 용이하고 구조가 간단한 마이크로스트립선로를 이용하여 구현한다. 모듈의 입출력 전송선로를 외부로 연결할 때, 동축선로는 모듈의 하우징과 기구적으로 결합하여 공통 접지를 만들기가 용이하고 연결이 비교적 간단하기 때문에 널리 사용된다. 그러나, 파장이 매우 짧은 밀리미터파 영역에서는 마이크로스트립과 동축선로를 연결할 경우 상호간의 구조적 차이로 인해서 불연속 효과 및 부정합 특성이 심해진다. 특히, 모듈내부의 입출력 전송선로인 마이크로스트립과 외부연결 커넥터인 동축선로가 수직으로 연결되어야 할 구조에서는 기생성분(유도성 리액턴스)의 영향이 매우 커지게 되므로 적절한 정합을 구현하기가 매우 어렵게 된다. 이러한 이유로, 종래에는 동축선로의 많은 장점에도 불구하고 도파관을 이용한 도파관-마이크로스트립 수직전이장치를 사용하여 수직전이구조를 구현해 왔다.
도 1은 동축선로의 구조(a)와 단위 길이에 대한 등가회로(b)를 나타낸다.
도 1의 (a)에서, 동축선로는 내부도체(빗금부분)와 내부도체를 감싸고 있는 외부접지도체로 구성되어 있다.
이러한 동축선로의 단위 길이에 대한 등가회로는 도 1의 (b)와 같이 표현되며, 단위 길이에 대한 동축선로 등가 인덕턴스(L), 등가 저항(R), 등가 커패시턴스(C), 등가 컨덕턴스(G) 및 동축선로의 특성 임피던스(Z0)는 각각 다음과 같다.
Figure 112003029748265-pat00001
(1)
Figure 112003029748265-pat00002
(2)
Figure 112003029748265-pat00003
(3)
Figure 112003029748265-pat00004
(4)
Figure 112003029748265-pat00005
(5)
여기서, μ는 동축선로 내의 매질의 투자율(H/m), Rs는 동축선로 내의 도체의 표면저항(Ω), ε는 동축선로 내의 매질의 유전율(F/m), σ는 동축선로 내의 매 질의 전도도(S/m), ω는 동축선로 내의 전파의 주파수(rad/s)를 나타낸다.
상기에서 알 수 있듯이, 동축선로의 특성 임피던스(Z0)는 동축선로의 물리적인 크기인 내부도체의 반경(a)과 외부접지도체의 반경(b)에 의해서 결정된다.
종래의 마이크로스트립-동축선로의 수직전이장치의 구조가 도 2에 도시되어 있다.
도 2의 (a)는 수직전이장치의 평면도를 나타내고, 도 2의 (b)는 수직전이장치의 단면도를 나타낸다.
도 2에서 도시된 바와 같이, Ku-band까지의 비교적 주파수가 낮은 대역에서는 동축선로(3)의 외피, 즉 동축선로 절연체(4) 및 외부접지도체(6)를 제거하고, 내부 도체(5)를 구부려서 알루미나 기판(1) 상의 마이크로스트립선로(2) 위에 올려 놓은 다음, 내부 도체(5)와 마이크로스트립선로(2)를 리본 본딩(ribbon bonding)(8)을 통해 용접하여 수직전이장치를 구현한다.
한 편, 전자기파가 반사없이 전송되기 위해서는 전송선로가 가지는 고유의 특성 임피던스(예를 들어, 동축선로의 특성 임피던스)가 전송선로의 종류에 관계없이 일정해야 한다. 일반적으로 동축선로의 특성 임피던스는 50Ω으로 정해지므로, 마이크로스트립선로-동축선로의 수직전이구조 임피던스도 50Ω이 되어야 전자기파의 반사손실 없이 전자기파를 전송할 수 있다.
그러나, 종래의 마이크로스트립-동축선로 수직전이장치에서, 상기와 같이 동축선로의 외피(4, 6)를 제거하면, 동축선로는 도 1의 (a)에서 외부도체의 반경(b) 이 매우 커진 것이라고 볼 수 있으므로, 식(1) 및 식(2)으로부터 등가회로 상의 인덕턴스(L) 성분은 증가하고 커패시터(C) 성분은 감소하게 되어 특성 임피던스와 천이구조 임피던스간에 부정합이 발생하게 된다. 결과적으로, 유도성 리액턴스 성분이 커지므로 수직전이구조의 입력 임피던스가 매우 커지게 되어 마이크로스트립선로(2)의 스터브(stub)를 통해 임피던스 정합을 할 수 있는 범위를 벗어나게 된다.
따라서, 주파수가 높아질수록 전자파의 파장이 짧아져 Ka-band 이상의 밀리미터파 대역에서는 동축선로를 이용한 수직전이장치를 구현하기가 어렵다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 종래의 마이크로스트립-동축선로 수직전이장치에서 발생하는 임피던스 부정합 문제를 해결하여 밀리미터파 대역에서 적용할 수 있는 마이크로스트립-동축선로 수직전이장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
이를 위해, 본 발명에 의한 마이크로스트립-동축선로 수직전이장치에는 상부면에 마이크로스트립선로가 배치되는 알루미나 기판에 형성된 비아홀을 통해 동축선로의 내부 도체가 삽입되고, 상기 알루미나 기판 상의 마이크로스트립선로와 상기 동축선로의 내부 도체는 상기 마이크로스트립선로 상에 형성된 원형 패치를 통해 접합되는데, 상기 원형패치의 반경에 따라 수직전이구조 임피던스가 조정되는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 동축선로의 외부접지도체의 제거로 인한 임피던스의 부정합을 최 소화하기 위해 비유전율(εr)이 9.8인 알루미나가 동축선로의 내부도체를 완전히 감싸도록 함으로써, 상기 식(3)으로부터 유전율의 증가에 따라서 커패시턴스(C) 값을 크게 할 수 있기 때문에, 스터브를 통한 임피던스 정합이 가능하도록 수직전이구조의 임피던스를 조정할 수 있다.
도 3은 본 발명에 의한 마이크로스트립-동축선로 수직전이장치의 평면도(a) 및 단면도(b)를 나타낸다.
도 3에서 도시된 바와 같이, 알루미나 기판(10) 상에 제작된 마이크로스트립선로(30) 위에 원형 패치(31)가 형성되어 있고, 그 원형 패치(31)의 중심부에 비아홀(20)이 형성되어 있다. 또한, 정합을 위해서 종단 개방된 스터브(32)가 원형 패치(31)에 연결되어 있다.
수직전이구조에서는 수직으로 연결된 선로간의 불연속적인 천이에 의해 발생하는 수직전이구조 임피던스(Ztrans')와 이 수직전이구조 임피던스를 특성 임피던스와 정합시키는데 사용되는 스터브 임피던스(Zstub)가 병렬로 구성된다.
수직전이구조 임피던스(Ztrans')는 계측기를 통한 측정이나 맥스웰 방정식을 이용한 상용 전자기 CAD 도구를 통해서 구할 수 있다. 또한, 길이가 d인 동축선로(60)가 하우징(70)을 통과하여 구성된 수직전이구조 임피던스(Ztrans)로부터 길이 d에 해당하는 위상변화를 보정하여 수직전이구조 임피던스(Ztrans')를 구할 수 있다.
박막공정으로 제조된 알루미나 기판(10)의 접지용 도금(50)에서 동축선로(60)의 외경과 동일한 크기 만큼의 도금을 제거하고, 동축선로의 절연체(61), 내부도체(62) 및 외부접지도체(63)가 도금이 제거된 알루미나 유전체 면과 닿도록 한다.
마이크로스트립선로(30)와 동축선로(60)의 내부 도체(62)를 접합시키기 위해 마이크로스트립선로(30) 상에 원형 패치(40)를 형성하고, 그 원형 패치(40)의 중심부에 비아홀(20)을 만든다. 이 비아홀(20)을 통해 동축선로(60)의 내부 도체(62)가 알루미나 기판(10)에 삽입되고, 전도성 에폭시(40)에 의해 마이크로스트립선로(30)의 원형 패치(31)와 접하게 된다.
이와 같이 본 발명은 알루미나 기판(10)에 비아홀(20)을 형성하고 이를 통해서 동축선로와 마이크로스트립선로의 수직전이구조를 구현함으로써 밀리미터파 대역에서 기판의 유전체를 이용해서 자연스럽게 용량성 리액턴스 성분을 증가시켜서 유도성 리액턴스 성분을 상쇄시킨다.
또한, 수직전이구조 임피던스를 특성 임피던스(Z0)와 정합시키기 위해 마이크로스트립선로(30)를 이용해 형성된 종단이 개방된 정합용 스터브(32)를 이용하여, 수직전이구조 임피던스를 1차적으로 보정할 수 있다.
다음, 수직전이구조의 설계변수로 원형 패치(40)의 반경(w)을 변경하여, 도 4a와 같이 수직전이구조 임피던스(Ztrans')를 2차적으로 조정할 수 있다. 원형 패치(40)의 반경(w)의 증감에 따라서 기생 커패시턴스의 값이 변하게 되므로 반경이 커질수록 수직전이구조 임피던스의 크기는 감소한다.
병렬로 연결된 정합용 스터브 임피던스(Zstub)와 수직전이구조 임피던스(Ztrans')의 합성 임피던스가 특성 임피던스와 동일한 값이 되도록 스터브 임피던스를 계산한다. 이러한 계산된 스터브 임피던스는 복소 임피던스이나 실제 스터브 임피던스는 리액턴스 성분만을 가지기 때문에, 원형패치의 반경(w)을 조절하여 도 4b에서 보는 바와 같이 실제 스터브 임피던스의 실수부가 0인 값을 갖도록 한다. 여기서, 필요한 리액턴스 성분은 종단면이 개방된 정합용 스터브(32)의 길이(l)를 조정하여 구현할 수 있다.
설계된 정합용 스터브(50)는 하우징(90) 상에 부착하기 쉽도록 직각으로 굽혀서 수직전이구조의 크기를 줄인다.
도 5는 본 발명에 의한 마이크로스트립-동축선로 수직전이장치의 Ka-대역에서의 산란계수를 나타낸다.
도 5에서 알 수 있는 바와 같이, Ka-대역에서 반사손실 없이 적절한 수직전이구조가 구현됨을 알 수 있다.
상기와 같이, 본 발명은 마이크로스트립선로용 알루미나 기판에 박막공정을 통해 비아홀을 형성하여, 유도성 리액턴스 성분을 상쇄하여 수직전이구조 임피던스를 조정한 후, 간단한 정합방법을 통해 특성 임피던스와의 정합을 구현함으로써, 밀리미터파 대역에서 동작가능한 마이크로스트립-동축선로 수직전이장치를 제공한 다.
이러한 밀리미터파 대역에서 적용할 수 있는 마이크로스트립-동축선로 수직전이장치는 도파관을 사용하는 경우보다 제작이 용이하고 경제적인 이점이 있으며, 수직전이구조를 소형화할 수 있는 효과가 있다.

Claims (4)

  1. 마이크로스트립-동축선로 수직전이장치에 있어서,
    상부면에 마이크로스트립선로가 배치되는 알루미나 기판에 형성된 비아홀을 통해 동축선로의 내부 도체가 삽입되고, 상기 알루미나 기판 상의 마이크로스트립선로와 상기 동축선로의 내부 도체는 상기 마이크로스트립선로 상에 형성된 원형 패치를 통해 접합되는데, 상기 원형패치의 반경에 따라 수직전이구조 임피던스가 조정되는 것을 특징으로 하는 마이크로스트립-동축선로 수직전이장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 마이크로스트립선로와 상기 내부 도체는 전도성 에폭시에 의해 접합되는 것을 특징으로 하는 마이크로스트립-동축선로 수직전이장치.
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