KR100576545B1

KR100576545B1 - 비아를 이용한 전송선 대 도파관 신호 천이 장치

Info

Publication number: KR100576545B1
Application number: KR1020030091479A
Authority: KR
Inventors: 김광선; 송명선
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2003-12-15
Filing date: 2003-12-15
Publication date: 2006-05-03
Also published as: KR20050059764A

Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야

본 발명은, 비아를 이용한 전송선 대 도파관 신호 천이 장치에 관한 것임.

2. 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제

본 발명은, 다층기판상에 층을 구분해서 도파관을 구현하여 시스템의 크기를 줄이며, 수직의 비아와 평판형 패턴을 사용하여 도파관의 높이가 낮더라도 넓은 대역에서 저손실의 천이를 이룰 수 있도록 하기 위함.

3. 발명의 해결방법의 요지

본 발명은, 다층의 유전체기판 내부에 비아벽을 수직면으로 하여 형성된 도파관과 전송선의 신호 천이를 위한 장치에 있어서, 상기 전송선의 일측과 접촉되어, 상기 도파관의 상측 도체면에 형성된 개구면을 통하여, 상기 다층의 유전체기판에 삽입된 상기 비아; 및 상기 비아의 종단에 연결되는 것으로 원형 또는 타원형 또는 사각형과 같은 일정한 형상을 가지며, 상기 도파관의 하측 도체면보다 상부에 위치하고, 유전체 기판 일면에 배치되는 평판형 패턴을 포함함.

도파관, 전송선, 신호 천이, 비아, 평판형 패턴, 임피던스 매칭

Description

비아를 이용한 전송선 대 도파관 신호 천이 장치{Apparatus for Signal Transmission from Transmission Line to Waveguide using Vias}

도 1a는 종래의 다층기판 시스템의 전송선 대 도파관 신호 천이 장치의 일실시예 사시도.

도 1b는 상기 도 1a의 일부 단면도.

도 2는 본 발명에 적용되는 다층기판 시스템의 일실시예 구조도.

도 3은 본 발명에 따른 비아를 이용한 전송선 대 도파관 신호 천이 장치의 일실시예 구조도.

도 4는 상기 도 3의 일실시예 측면도.

도 5는 본 발명에 따른 비아를 이용한 전송선 대 도파관 신호 천이 장치의 제 2 실시예 구조도.

도 6은 본 발명에 따른 비아를 이용한 전송선 대 도파관 신호 천이 장치의 제 3 실시예 구조도.

도 7은 상기 도 3의 전송선 대 도파관 신호 천이 장치의 특성을 설명하기 위한 일실시예 그래프.

도 8은 상기 도 6의 전송선 대 도파관 신호 천이 장치의 특성을 설명하기 위 한 일실시예 그래프.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

200 : 유전체 다층기판 210, 260 : 입력부

220 : 송신모듈 230 : 도파관 슬롯형 안테나

240 : 수신모듈 250 : 출력부

270 : 국부발진기 310, 320, 330, 350, 610, 620 : 비아

340 : 개구면 360, 520, 640 : 평판형 패턴

370 : 전송선 510 : 비아 패드

630 : 스트립 패턴

본 발명은 비아를 이용한 전송선 대 도파관 신호 천이 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 점대다점(P-MP)의 옥외통신, 고정 무선망 접속 시스템, 공간 분할 다중 이동 접속 시스템, 밀리미터파 영상분배 시스템(TV-Video Wireless Link), 이동통신을 위한 기지국간 전송, 차량용 충돌방지 레이더나 ITS(Intelligent Transport Systems) 등의 밀리미터파 시스템에 사용되는 비아를 이용한 전송선 대 도파관 신호 천이 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 밀리미터파 시스템은 상기와 같이 다양한 응용분야에 이용되고 있으며, 앞으로 100Mbps 이상의 고속의 전송속도를 갖는 다양한 분야에서 사용될 것으로 예상된다.

이러한 밀리미터파 송수신 시스템 개발에 있어서 가장 중요한 문제는 소형화 및 저가격화이다. 이를 위해서 다층구조를 이용해서 수동 소자들을 내층으로 집적화하고, 내층으로의 전송선 연결을 사용해서 소형화 및 저가격화를 이룰 수 있다.

그러나, 주파수 대역이 밀리미터파가 되면 기존의 방식에서는 소형화하면서 생기는 전송선들간의 간섭뿐만 아니라, 전송선 자체의 손실 때문에 성능의 열화가 발생하는 문제점이 있다.

따라서, 전송선로나 수동소자를 도파관을 이용해서 설계를 하게 되는데, 도파관의 경우에 주파수에 따라 기본적으로 차지하는 면적이 있게 되고 크기 때문에 이를 다층기판 내에 위치시키기가 어려울 뿐만 아니라, 입/출력에 따라 다양한 형태의 천이 구조를 사용해야 하는 문제점이 발생한다.

종래의 전송선-도파관 천이 구조는 전송선과 도파관이 끝에서 만나는 구조이거나 수직으로 연결되는 구조이다.

그런데, 전체 시스템을 구성하는데 있어서 끝부분에서 만나는 천이는 평면적으로밖에 구성할 수 없어서 시스템의 크기가 커지는 문제점이 있다.

또한, 수직으로 연결되는 구조 역시 차지하는 면적이 상당히 크고, 외부의 도파관을 사용해야 하므로 외부 기구물의 제작에 드는 비용이 많아지는 문제점이 있다.

한편, 비아만을 이용하는 방법은 도파관의 높이가 높지 않을 경우에 특성이 나쁘고, 협대역 특성을 가지므로 이를 위해서 불필요한 다층기판의 두께가 필요하게 되는 문제점이 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 대한민국 공개특허 제2000-12542호(마이크로스트립 대 도파관 천이 구조 및 이 천이 구조를 이용한 로컬 다중점 분산 서비스 장치)가 개시되어 있다.

상기 특허는, 도파관의 E면을 따라 마이크로스트립에 해당하는 기판을 연장하고, 그라운드에 슬롯을 통해 커플링되어 천이하는 구조를 제시한다. 그러나, 상기 특허 역시 소형화하는데 한계가 있으며, 가공이 어려운 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 다층기판상에 층을 구분해서 도파관을 구현하여 시스템의 크기를 줄이며, 수직의 비아와 평판형 패턴을 사용하여 도파관의 높이가 낮더라도 넓은 대역에서 저손실의 천이를 이룰 수 있도록 하기 위한 비아를 이용한 전송선 대 도파관 신호 천이 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 장치는, 다층의 유전체기판 내부에 비아벽을 수직면으로 하여 형성된 도파관과 전송선의 신호 천이를 위한 장치에 있어서, 상기 전송선의 일측과 접촉되어, 상기 도파관의 상측 도체면에 형성된 개구면을 통하여, 상기 다층의 유전체기판에 삽입된 상기 비아; 및 상기 비아의 종단에 연결되는 것으로 원형 또는 타원형 또는 사각형과 같은 일정한 형상을 가지며, 상기 도파관의 하측 도체면보다 상부에 위치하고, 유전체 기판 일면에 배치되는 평판형 패턴을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 저온 동시소성 세라믹(Low Temperature Co-fired Ceramic; 이하, 간단히 'LTCC'라 함) 등의 다층기판 제작 방법 중에서, 각각의 다른 층에 존재하는 전송선과 밀리미터파 도파관이 존재하는 시스템 구조에서의 신호 천이 장치에 관한 것으로, 같은 평면상에 층만을 구분하여 한 층의 전송선에서 다른 층의 도파관으로 수직으로 신호를 천이하기 위한 신호 천이 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따르면 비아와 평판형 패턴을 사용하여 삽입 손실과 크기를 크게 줄일 수 있다.

상술한 목적, 특징들 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조 번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.

도 1a는 종래의 다층기판 시스템의 전송선 대 도파관 신호 천이 장치의 일실시예 사시도이고, 도 1b는 상기 도 1a의 일부 단면도이다.

도면에 도시된 바와 같이, 종래의 전송선 대 도파관 신호 천이 장치는, 소정의 부품(140)의 입출력에 도파관(150)으로의 천이를 위한 전송선 패치(120)를 사용 하고, 다층기판(110)에 층과 수직으로 연속적인 캐비티(cavity)(160)를 형성하여 상기 다층기판(110) 내에 도파관을 만들어 외부의 상기 도파관(150)과 연결하도록 구성된다.

도 2는 본 발명에 적용되는 다층기판 시스템의 일실시예 구조도이다.

도면에 도시된 바와 같이, 본 발명이 적용되는 다층기판 시스템은, 중간주파수 입력신호가 제 1입력부(210)를 통하여 입력되어 송신모듈(220)에서 주파수 상향변환되고 고출력 증폭된 후 도파관 슬롯형 안테나(230)로 통해서 전달되는 송신경로와, 상기 도파관 슬롯형 안테나(230)를 통해서 들어온 RF 신호가 수신모듈(240)에서 하향변환되어 출력부(250)를 통하여 중간주파수로 출력되는 수신경로 및 기준주파수 신호를 제 2입력부(260)를 통하여 입력받아 국부발진기(270)에서 주파수를 만든 후 신호를 송/수신모듈(220, 240)로 전달하는 경로로 구분되는 프론트 엔드(Front End) 부분이다.

본 발명에 따라 유전체 다층기판(200) 내에 도파관을 설계하기 위해서는, 유전율이 변함에 따라 공기 중에서 설계된 도파관의 전체 크기를 x, y, z축 모두에서

의 비율로 일정하게 축소해야 한다. 이때 도파관의 파장은 다음의 [수학식 1]과 같다.

이때,

,

이며, 여기서

는 도파관 파 장,

는 전파상수,

는 물질의 파수,

는 도파관의 차단주파수이다.

본 발명은 밀리미터파에서 사용할 수 있도록 전송선로를 도파관을 이용하고 낮은 주파수의 전송선과 층을 분리하여 사용함으로써, 보다 효율적인 적층형 구조가 가능하다. 또한, 밀리미터파 대역의 필터나 분배기 등을 도파관 형태로 다른 천이 없이 사용이 가능하므로 전체 시스템의 손실을 줄일 수 있다.

도 3은 본 발명에 따른 비아를 이용한 전송선 대 도파관 신호 천이 장치의 일실시예 구조도로서, 상기 도 2의 다수의 전송선 대 도파관 신호 천이 장치 중 하나를 확대한 도면이다. 그리고, 도 4는 상기 도 3의 일실시예 측면도이다.

도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 전송선 대 도파관 신호 천이 장치는, 도파관의 수직면이 비아(310, 320, 330)를 이용하여 구성될 수 있다. 이때 상기 비아(310, 320, 330)의 간격을 줄이고 열을 증가시킴으로써 신호의 격리도를 향상시킬 수 있다. 상기 도파관의 크기(A)는 사용하는 주파수에 따라서 결정되고, 높이(B)는 시스템의 전체 특성을 고려해서 조절할 수 있다.

본 발명의 전송선 대 도파관 신호 천이 장치를 상세하게 살펴보면, 도파관의 한쪽 면의 개구면(340)을 통하여 비아(350)를 삽입하고, 도파관 내의 상기 비아(350)의 밑면에 평판형의 패턴(360)을 배치한다.

상기 평판형 패턴(360)은 상기 도파관의 하부 도체면보다는 상측의 유전체기판면에 배치될 수 있다.

일반적으로 상기 비아(350)의 깊이(L1)를 이용해서 천이의 정합을 이루는데, 단순한 비아만을 사용할 경우 도파관의 높이(B)가 낮으면 천이의 매칭이 이루어지지 않으므로 불필요한 층의 사용을 가져오게 되고, 많은 층을 사용한다고 하더라도 다층기판 제작 공정상 비아의 깊이(L1)를 조절하는 것이 매우 제한적이다.

따라서, 본 발명은 비아의 깊이 뿐만 아니라 평판형 패턴의 모양(d1, d2, d3)을 변화시킴으로써 쉽게 천이의 매칭을 이룰 수 있도록 한다. 또한, 슬롯을 이용한 커플링 방법에 비해서 넓은 대역 특성을 가지므로 공정상의 오차에 대해서 원하는 주파수에서의 특성을 보장할 수 있다.

본 발명의 전송선(370)은 마이크로스트립 라인(Microstrip Line), 스트립라인(Stripline) 및 동일평면 도파관(CoPlanar-Waveguide; 이하, 간단히 'CPW'라 함)일 수 있다.

도 5 및 도 6은 각각 본 발명에 따른 비아를 이용한 전송선 대 도파관 신호 천이 장치의 제 2 및 제 3 실시예 구조도이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 전송선 대 도파관 신호 천이 장치는, 비아(310, 320, 330)를 이용해서 도파관을 생성하고, 천이가 이루어지는 비아(350)의 지름보다 전송선(370)의 폭이 좁을 경우에, 상기 전송선(370)과 상기 비아(350)가 만나는 지점에 비아 패드(510)를 형성하고, 이때 도파관 내의 패턴(520)을 원형으로 형성한 일예이다.

또한, 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 전송선 대 도파관 신호 천이 장치는, 도파관내의 비아 구조를 계단형으로 구성(610, 620)하고 스트립 패턴(630)으로 비아를 연결하는 동시에, 패턴의 모양을 타원형(640)으로 형성한 일예이다.

상기 도 6과 같은 구조는 LTCC 공정으로 다층기판을 만들 경우 비아를 연속적으로 여러 층을 사용함으로써 생기는 표면에서의 솟아오름과 비아와 신호선 사이의 크랙 현상을 막을 수 있고, 층간 정렬의 오차에 대해서도 특성을 보장할 수 있는 장점이 있다.

도 7 및 도 8은 각각 상기 도 3 및 상기 도 6의 전송선 대 도파관 신호 천이 장치의 특성을 설명하기 위한 일실시예 그래프로서, 이때 사용된 도파관의 길이가 12mm인 경우이다.

도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 전송선 대 도파관 신호 천이 장치는, 삽입 손실 및 대역 특성이 우수함을 알 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

상기한 바와 같은 본 발명은, 다층기판상에 비아와 평판형 패턴을 가지는 전송선 대 도파관 천이 구조를 구현함으로써, 다층기판 외부에 도파관을 제작하는 경우에 비교할 때 전송선 대 도파관 신호 천이 장치의 크기를 소형화할 수 있도록 하는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 다층기판 내부에 도파관을 전송선으로 사용할 수 있어, 시 스템의 전체 크기 및 도파관의 높이를 줄일 수 있으며, 이로 인하여 공정상의 오차로 인한 영향을 줄일 수 있도록 하는 효과가 있다.

나아가, 본 발명은 밀리미터파 대역에서 사용하는 도파관형 수동소자의 사용이 간단해지도록 하는 효과가 있다.

Claims

다층의 유전체기판 내부에 비아벽을 수직면으로 하여 형성된 도파관과 전송선의 신호 천이를 위한 장치에 있어서,

상기 전송선의 일측과 접촉되어, 상기 도파관의 상측 도체면에 형성된 개구면을 통하여, 상기 다층의 유전체기판에 삽입된 상기 비아; 및

상기 비아의 종단에 연결되는 것으로 원형 또는 타원형 또는 사각형과 같은 일정한 형상을 가지며, 상기 도파관의 하측 도체면보다 상부에 위치하고, 유전체 기판 일면에 배치되는 평판형 패턴을 포함하는 것을 특징으로 하는 비아를 이용한 전송선 대 도파관 신호 천이 장치.
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삭제
제 1 항에 있어서,

상기 비아의 지름보다 상기 전송선의 폭이 좁은 경우에 상기 비아의 상부 및 상기 전송선에 각각 접속되도록 배치되는 비아 패드를 더 포함하는 비아를 이용한 전송선 대 도파관 신호 천이 장치.
삭제
제 4 항에 있어서,

상기 비아는,

적어도 두 개 이상의 비아가 계단형으로 배치되고, 각각의 계단형으로 형성된 비아간에는 스트립 패턴에 의해 연결되는 것을 특징으로 하는 비아를 이용한 전송선 대 도파관 신호 천이 장치.
삭제