KR100687020B1 - 동축선로-마이크로스트립선로의 결합장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 마이크로파 및 밀리미터파 대역에서 사용하는 동축선로-마이크로스트립선로결합장치에 관한 것이다. 사용주파수 반파장 이하의 간격을 가진 상하 접지용 금속블럭 사이에 마이크로스트립선로 및 1/2λ 간격의 스루홀(through hole)을 가진 접지용 동박패턴이 패터닝된 저유전율의 유전체기판을 배치하고, 스트립선로에 동축선로를 수평 또는 수직 접합한 구조가 특징인 동축선로-마이크로스트립선로 결합장치이다. 종래의 마이크로스트립선로가 가지는 quasi-TEM와는 달리 비방사마이크로스트립선로구조는 TEM모드와 동일한 모드를 가지고 있고, 동축선로와 용이하게 임피던스 정합을 구현할 수 있으므로, 동축선로에 인가된 전자기파 신호는 비방사마이크로스트립선로로 전달될 경우 전송손실이 거의 없기 때문에 마이크로파 뿐만 아니라 밀리미터파 대역에서도 사용이 가능한 동축선로-마이크로스트립선로 결합장치이다.
마이크로스트립선로, 동축선로, 밀리미터파
Description
도 1: 동축선로-마이크로스트립선로 수평결합장치
도 2: 동축선로-마이크로스트립선로 수직결합장치
도 3: 동축선로-마이크로스트립선로 임피던스 정합을 위한 파라메타
도 4: 동축선로-마이크로스트립선로 수평결합장치의 전송손실 그래프
도 5: 동축선로-마이크로스트립선로 수평결합장치의 전자계 분포도
도 6: 동축선로-마이크로스트립선로의 첫번째 수평결합방법
도 7: 동축선로-마이크로스트립선로의 두번째 수평결합방법
도 8: 동축선로-마이크로스트립선로 수직결합방법
<세부명칭에 대한 상세한 설명>
10: 접지용 상부금속블럭, 11: 접지용 하부금속블럭, 12: 마이크로스트립선로, 13: 스루홀(through hole), 14: 접지용 동박패턴, 15: 유전체기판, 16: 동축선로 내부도체, 17: 동축선로 절연체, 18: 동축선로 외부도체, 19: 비아홀(via hole)
마이크로파 및 밀리미터파 대역의 모듈을 소형화하기 위해서 내부 회로의 입출력 전송선로 대부분을 제작이 용이하고 구조가 간단한 마이크로스트립선로를 이용하여 구현하게 된다. 특히 모듈의 입출력 전송선로를 외부로 연결할 때, 동축선로는 모듈의 하우징과 기구적으로 결합하여 공통접지를 만들기가 용이하고, 연결이 비교적 간단하기 때문에 널리 사용된다.
그러나 파장이 매우 짧은 밀리미터파 대역에서는 마이크로스트립과 동축선로를 연결할 경우 상호 간의 구조적 차이로 인해서 불연속 효과 및 부정합 특성이 심해진다.
이는 종래의 마이크로스트립선로에서는 10GHz 이상의 주파수를 전송할 시에는 무시할 수 없는 고차모드(hybrid mode)의 발생으로 전송손실이 커지는 문제가 있고, quasi-TEM모드로 전송되기 때문에 동축선로를 부착할 시에는 quasi-TEM모드와 TEM모드 사이에 모드변환이 일어나는 관계로 정합이 되지 않아 정합손실이 크게 일어나기 때문이다.
따라서 모듈 내부의 입출력 전송선로인 마이크로스트립과 외부연결 커넥터(connector)인 동축선로가 수평(horizontality) 또는 수직(vertically)으로 연결되어야 할 구조에서는 상기 기술된 문제점으로 인해 적절한 정합(matching)을 구현하기가 매우 어렵다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 종래의 마이크로스트립-동축선로에서의 임피던스 부정합 문제를 해결하기 위하여 밀리미터파 대역에서 적용할 수 있는 동축선로-마이크로스트립선로 수평 또는 수직결합장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
바람직하게는 사용주파수 반파장 이하의 간격을 가진 상하 접지용 금속블럭 사이에 마이크로스트립선로 및 1/2λ 간격의 스루홀(through hole)을 가진 접지용 동박패턴이 패터닝된 저유전율의 유전체기판을 삽입한 후 이의 접지용 금속블럭과 동축선로를 결합하는 것을 특징으로 한다.
상기 마이크로스트립선로가 내장된 구조물은 접지용 금속블럭의 상하 간격을 전송주파수의 반파장 이내로 두기 때문에 선로를 따라 진행하는 TEM 전자파 모드는 TE 또는 TM모드로 진행하지 않고, 유사 TEM모드로 진행하게 되며, 접지용 동박패턴의 스루홀로 인해 전자파가 방사되는 것을 방지하여 전송손실을 줄이는 역할을 하게 된다.
또한, 상기 마이크로스트립선로가 내장된 구조물에 있어서, 접지용 상하금속블럭의 폭, 접지용 동박패턴의 폭 등을 조정하여 동축선로와의 임피던스 정합을 도모할 수 있는 장점이 있다.
본 발명에 있어서, 동축선로-마이크로스트립선로 수평 또는 수직결합장치 및 방법에 관한 상세한 설명은 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 의한 동축선로-마이크로스트립선로 수평결합장치를 나타낸 것이다.
도 1에 의하면, 사용주파수 반파장 이하의 간격을 가진 접지용 상하부금속블럭(10, 11) 사이에 마이크로스트립선로(12)와 1/2λ 간격의 스루홀(13)을 가진 접지용 동박패턴(14)이 패터닝된 저유전율의 유전체기판(15)을 삽입하고, 마이크로스트립선로(12) 끝 부분에 동축선로(18)를 결합한 구조를 제공한다.
상기 마이크로스트립선로가 내장된 구조물에 있어서, 접지용 상하부금속블럭(10, 11)의 상하 간격을 전송주파수의 반파장 이내로 할 경우, 선로를 따라 진행하는 TEM 전자파모드는 TE 또는 TM모드로 진행하지 못하여, 전파방사가 일어나지 않아 선로를 따라 손실 없이 진행하게 된다.
또한, 내부 전송선로인 마이크로스트립선로(12) 하부의 유전체(15)는 기판으로 동작하고, 하부 접지용 동박패턴(14)은 스루홀(13)로 인해 금속판으로 동작하여 전자파가 방사되는 것을 방지하고, 전송손실을 줄이는 역할을 하게 된다.
도 2는 동축선로-마이크로스트립선로 수직결합장치를 나타낸 것이다.
도 2에 있어서, 상기 동축선로의 외부도체(18)는 상기 마이크로스트립선로(12)가 내장된 구조의 접지용 하부금속블럭(11)에 밀착되고; 내부도체(16)는 접지용 하부금속블럭(11)을 관통하고, 유전체기판에 형성된 비아홀(19)을 통해 동축선로의 내부도체(16)가 삽입되어, 유전체기판상의 마이크로스트립선로(12)와 동축선로의 내부도체(16)가 접합되도록 구성되어 있다.
본 발명에 있어서, 상기 마이크로스트립선로와 상기 동축선로 내부도체 간의 임피던스 정합을 위해 접지용 상하부금속블럭(10, 11)의 폭 Wm, 접지용 동박패턴(14)의 폭 Wg, 스트립선로(12)와 접지용 동박패턴(14) 사이의 간격 Wd에 의해 임피던스가 조정되도록 제공된다.
도 3은 동축선로와 마이크로스트립선로를 접합할 경우 임피던스 정합을 위해 조정되는 비방사마이크로스트립선로 구조물의 파라메타를 나타낸 것이다.
본 발명에 있어서, 마이크로스트립선로(12)와 동축선로의 내부도체(16)를 수평으로 접합시키기 위한 방법으로 마이크로스트립선로(12) 끝단과 동축선로 내부도체(16)의 중심핀을 밀착하여 본딩(bonding)하는 방법을 실시한다. 특히 본딩은 금-리본본딩(gold wire bonding), 납땜 및 전도성에폭시 접착 등의 방법을 사용할 수 있다.
도 4는 상기 도 1의 동축선로-마이크로스트립선로 수평결합장치에 있어서, 삽입손실과 반사손실의 시뮬레이션 결과를 나타낸 것이다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 동축선로-마이크로스트립선로 결합장치는 10GHz에서 40GHz 대역까지의 반사손실이 -15dB 이하이고, 삽입손실이 약 -0.5dB로서 광대역 저손실 특성을 보이고 있고, 50GHz에서 100GHz 대역까지 반사손실은 약 -10dB 이하이고, 삽입손실은 약 -5dB정도의 전송손실 특성을 나타내고 있다.
상기 도 4의 결과를 통해, 마이크로파 대역과 밀리미터파 대역에 이르는 영역까지 저손실 및 광대역 특성을 가진 동축선로-마이크로스트립선로 결합장치를 구현할 수 있음을 알 수 있다.
도 5는 동축선로-마이크로스트립선로 수평결합장치에 있어서, 전자계모드 분포도를 나타낸 것이다. 도 5에 있어서, 사용주파수는 60GHz이고, E필드 및 H필드를 나타내고 있으며, 60GHz까지 TEM모드가 나타나는 것을 알 수 있다.
상기 접지용 상하부금속블럭(10, 11) 사이의 마이크로스트립선로(12)는 기존의 마이크로스트립선로가 가지는 quasi-TEM과는 아주 다른 모양을 가진다. 종래의 qusai-TEM은 밑의 접지판과 위의 스트립선로 사이에만 전계/자계 모드가 일어나 스트립 위의 공기와 맞닿은 부분에는 전계모드가 존재하지않는 비대칭구조의 전자계모드를 가지나, 상기 구조의 마이크로스트립선로(12) 주변의 상하 접지용 동박패턴에 동일하게 전/자계 분포가 되어 TEM과 거의 같은 TEM모드가 발생하게 된다.
바람직하게는 접지용 상하부금속블럭(10, 11) 내부는 공기로 채워져 있고, 얇은 유전체기판(15)은 마이크로스트립선로(12)의 전송모드가 TEM과 아주 유사한 유사 TEM모드로 만들어져 동축선로 등과 같은 TEM 모드를 사용하는 부품이나 회로와의 접속이 용이하여 모드변환이 일어나지 않아 결합 손실이 거의 발생하지 않는다.
도 6은 동축선로와 마이크로스트립선로 첫번째 수평결합방법에 있어서, 동축선로 내부도체(16)의 중심핀(16-1) 형태가 도 6의 원안과 같은 납작한 형태(plat pin)로써 마이크로스트립선로(12)의 상부 단면부에 용이하게 밀착할 수 있는 형태가 될 수 있다.
또한, 동축선로의 외부도체(18)은 마이크로스트립선로(12) 상하부, 접지용 상하부금속블럭(10, 11)과 밀착이 되도록 하고, 동축선로 절연체(17) 영역은 비방사마이크로스트립선로 구조의 유전체기판(15) 단면부와 밀착이 되도록 한다.
도 7은 동축선로와 마이크로스트립선로 두번째 수평결합방법에 있어서, 동축선로 내부도체(16)의 중심핀(16-2) 형태는 도 7의 원안과 같은 원통형형태(solder pot pin)를 가진다. 도 7에 의하면, 동축선로의 내부도체의 중심핀 구조는 비어있는 원통형 형태로서 마이크로스트립선로의 상부 단면부에 접합되는 부분은 중심핀(16-2)가 비스듬히 절단된 구조(16-2)가 특징인 동축선로-마이크로스트립선로 결합장치이다.
도 8은 동축선로-마이크로스트립선로의 수직결합장치를 나타낸 것이다. 상기 동축선로의 외부도체(18)는 상기 마이크로스트립선로가 내장된 구조의 접지용 하부금속블럭(11)에 밀착되고, 내부도체(16-3)는 접지용 하부금속블럭(11)을 관통하고, 유전체기판(15)에 형성된 비아홀(via hole)을 통해 동축선로의 내부도체(16-3)가 삽입되어, 유전체기판상의 마이크로스트립선로(12)와 동축선로의 내부도체(16-3)가 수직으로 접합된 구조로 구성된다.
상기와 같이 본 발명은 사용주파수 반파장 이하의 간격을 가진 접지용 상하부금속블럭 사이에 스트립선로와 1/2λ 간격의 스루홀을 가진 접지용 동박패턴이 패터닝된 저유전율의 유전체기판을 배치하고, 마이크로스트립선로와 동축선로의 내부도체를 수평 또는 수직결합한 구조를 제공한다.
이러한 마이크로파 및 밀리미터파 대역에까지 적용할 수 있는 동축선로-마이크로스트립선로 결합장치는 광대역 특성을 가지고, 전송 손실도 거의 없고, 경제적인 이점이 있으며, 초고주파 모듈을 소형화할 수 있는 효과가 있다.
또한, 초고주파 회로 내부의 전자계 모드는 TEM과 거의 동일한 유사 TEM모드이므로 기존의 TEM모드를 사용하는 장치, 회로 및 컨넥터(connector)와의 모드변환 손실이 거의 없어 우수한 초고주파 회로를 만들 수 있다.
Claims (6)
- 동축선로-비방사마이크로스트립선로 결합장치에 있어서,비방사마이크로스트립선로는 사용주파수 반파장 이하의 간격을 가진 상하 및 좌우 접지용 금속블럭 사이에 삽입된 저유전율의 유전체기판상에 패터닝되고; 스트립선로를 중심으로 좌우로 떨어진 유전체기판의 상하면에 1/2λ 간격의 스루홀(through hole)을 가진 접지용 동박패턴이 패터닝되고; 동축선로는 외부도체, 절연체 및 내부도체로 구성되고; 외부도체는 상하 및 좌우 접지용 금속블럭에 밀착되고; 내부도체는 스트립선로에 접합되는 것을 특징으로 하는 동축선로-비방사마이크로스트립선로 결합장치
- 제 1항에 있어서,상기 비방사마이크로스트립선로와 상기 동축선로의 결합시 수평으로 결합되는것으로 동축선로의 내부도체(16)과 비방사마이크로스트립선로와 수평으로 결합되고, 결합부에는 납땜 및 에폭시본딩 혹은 금-리본본딩(gold wire bonding)에 의해 접합되는 것을 특징으로 하는 동축선로-비방사마이크로스트립선로 수평결합장치
- 제 1항 및 제 2항 어느 한 항에 있어서,동축선로 내부도체의 구조는 납작한 형태(16-1)로서 스트립선로 단면부와 밀착이 용이한 것이 특징인 동축선로-비방사마이크로스트립선로 결합장치
- 제 1항 및 제 2항 어느 한 항에 있어서,동축선로의 내부도체의 중심핀의 구조는 비어있는 원통형 형태이거나, 마이크로스트립선로의 상부 단면부에 접합되는 중심핀 끝 부분이 비스듬히 절단된 구조(16-2)로서, 이 원통형 부분이나 비스듬히 절단된 단면에 납땜 및 에폭시본딩 혹은 금-리본본딩(gold wire bonding)에 의해 접합되는 것이 특징인 동축선로-비방사마이크로스트립선로 수평결합장치
- 제 1항에 있어서,상기 동축선로의 외부도체는 상기 스트립선로가 내장된 구조의 접지용 하부금속블럭에 밀착되고; 내부도체는 접지용 하부금속블럭을 관통하고, 유전체기판에 형성된 비아홀을 통해 동축선로의 내부도체가 삽입되어, 유전체기판상의 스트립선로와 동축선로의 내부도체가 접합되어 있는 것이 특징인 동축선로-비방사마이크로스트립선로 수직결합장치
- 제 1항 혹은 제 5항 어느 한 항에 있어서,상기 스트립선로와 동축선로의 내부도체는 금-리본본딩(gold wire bonding), 납땜 및 전도성에폭시에 의해 접합되는 것을 특징으로 하는 동축선로-비방사마이크로스트립선로 결합장치.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| N231 | Notification of change of applicant | ||
| N231 | Notification of change of applicant | ||
| GRNT | Written decision to grant | ||
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20110221 Year of fee payment: 5 |
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| LAPS | Lapse due to unpaid annual fee |