KR100734332B1 - 슬로우 웨이브 구조를 가지는 고주파 전송 선로 소자 - Google Patents

슬로우 웨이브 구조를 가지는 고주파 전송 선로 소자 Download PDF

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Abstract

유전체 기판과, 유전체 기판의 일면에 형성된 선로 도체를 포함하는 고주파 전송 선로 소자가 개시된다. 본 고주파 전송 선로 소자에 사용된 선로 도체는, 고주파 전송 방향으로 소정의 간격을 두고 이격되어 배치된 복수의 평면 도체와, 상기 복수의 평면 도체들 사이에 배치되고 그 양단이 서로 이웃하는 상기 평면 도체들 각각에 전기적으로 접속된 반고리 형상의 접속 도체를 포함하여 구성된다. 이를 통해, 슬로우 웨이브 팩터를 종래 구조에 비하여 현저하게 향상시킬 수 있다. 특히, 평면 도체 및 접속 도체를 적절하게 조합하여 특성 임피던스를 조절함으로써 정합 특성을 보다 향상시킬 수 있다.
마이크로 스트립, 전송 선로, 슬로우 웨이브

Description

슬로우 웨이브 구조를 가지는 고주파 전송 선로 소자{High-Frequency Transmission Line Device Having Slow-Wave Structure}
도 1a 내지 도 1c는 각각 일반적인 마이크로 스트립 소자, 변조된 신호선 폭을 가지는 마이크로 스트립 소자 및 천공된 마이크로 스트립 소자를 도시한 사시도이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 슬로우 웨이브 구조를 가지는 고주파 전송 선로 소자의 사시도이고, 도 2b는 도 2a의 I-I 절단면도이고, 도 2c는 도 2a에 도시한 고주파 전송 선로 소자의 슬로우 웨이브 팩터를 종래의 마이크로 스트립 소자의 슬로우 웨이브 팩터와 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 3a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 슬로우 웨이브 구조를 가지는 고주파 전송 선로 소자의 사시도이고, 도 3b는 도 3a의 I-I 절단면도이고, 도 3c는 도 3a에 도시한 고주파 전송 선로 소자의 슬로우 웨이브 팩터를 종래의 코플래너 웨이브가이드(Coplanar Waveguide; CPW) 소자의 슬로우 웨이브 팩터와 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 4a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 슬로우 웨이브 구조를 가지는 고주파 전송 선로 소자의 사시도이고, 도 4b는 도 4a의 I-I 절단면도이고, 도 4c는 도 4a에 도시한 고주파 전송 선로 소자의 슬로우 웨이브 팩터를 종래의 CBCPW(Conductor Backed CPW) 소자의 슬로우 웨이브 팩터와 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명에 따른 고주파 전송 선로 소자의 전송선 모델 및 그 등가 회로를 나타내고, 도 5c는 본 발명에 따른 고주파 전송 선로 소자의 특성 임피던스를 나타낸다.
도 6은 본 발명에 따른 고주파 전송 선로 소자를 포함하는 하이브리드 커플러의 상면도이다.
본 발명은 고주파 전송 선로 소자에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 슬로우 웨이브 구조(Slow-Wave Structure)를 가지는 고주파 전송 선로 소자에 관한 것이다.
최근 무선 통신 분야에서 초고주파 회로의 설계가 더욱 중요해지고 있으며, 통신 모듈은 보다 대용량이면서도 소형화 및 경량화된 시스템을 요구한다. 따라서, 고집적 소자의 개발이 중요한데, 이는 반도체 칩 자체의 설계 제작 기술 뿐만 아니라, 수동소자의 설계 기술 개발을 기본 전제로 한다.
전송선을 이용하여 구현되는 필터 및 위상천이기 등의 수동소자는 상대적으로 낮은 주파수 범위에서 긴 파장으로 인해 넓은 점유 면적을 요구한다. 특히 수동소자를 위한 대표적 구성요소의 하나인 마이크로 스트립을 이용하는 소자는 넓은 점유 면적으로 인하여 고주파 집적회로의 소형화를 제한하는 중요한 요인이 되고, 소자가 차지하는 점유 면적을 줄이기 위해 전송선을 곡선으로 배치할 경우 불연속 효과 및 상호 간섭으로 인해 대역폭 및 혼신 특성이 열화될 수 있다.
이러한 공간적 제한을 개선하기 위하여, 사용되는 재료를 그대로 유지하면서 전송선의 구조를 변화시킴으로써 전송 속도를 효과적으로 줄일 수 있는 여러가지 슬로우 웨이브(Slow-Wave) 구조들이 개발되었다. 현재까지 제안된 슬로우 웨이브 구조 중 하나로서, 전송축의 단면상에 변화를 주는 MIS(Metal-Insulator-Semiconductor) 구조가 있는데, MIS 구조는 도체 스트립을 도핑된 기판 위의 얇은 절연층 상에 구성하여 전계와 자계 에너지를 단면상에서 분리하여 전송 속도를 늦추게 하지만, 도핑된 기판에 의한 큰 유전체 손실, 공정의 복잡성 및 비선형 특성 등의 문제가 야기된다.
한편, MIS 구조 이외에도 전송축 방향으로 사용되는 파장보다 매우 짧은 길이의 주기적 구조 변화를 주는 방법이 슬로우 웨이브 구조를 구현하기 위해 제안되었다. 도 1a 내지 도 1c에는 일반적인 마이크로 스트립 소자(도 1a)와 함께 슬로우 웨이브 구조를 구현한 종래의 슬로우 웨이브 구조들(도 1b 및 도 1c)을 도시하였다.
도 1a에서 보듯이, 일반적인 마이크로 스트립 소자는 유전체 기판(10)과, 기판(10)의 일면에 형성되어 전송선을 구성하는 스트립 도체(20)와, 스트립 도체(20)가 형성된 기판(10)의 일면에 대향하는 타면에 형성된 접지 도체(30)로 구성된다. 반면에, 도 1b에 도시한 마이크로 스트립 소자는, 신호선인 스트립 도체(20)의 폭 을 신호의 진행 방향으로 주기적으로 변화시킨 구조, 즉 스트립 도체(20)의 폭이 보다 넓게 형성된 A 영역 및 보다 좁게 형성된 B 영역이 반복되는 구조로 되어 있다. 또한, 도 1c에 도시한 마이크로 스트립 소자는, 스트립 도체(20)가 신호의 진행 방향으로 주기적 천공된 구조, 즉 천공(20a)이 형성된 B 영역 및 천공이 형성되지 않은 A 영역이 반복되는 구조로 되어 있다.
여기서, 도 1b와 같이 신호선의 폭을 진행 방향으로 주기적으로 변화시킨 변조된 신호선 폭을 가지는 마이크로 스트립 소자는, MIS 구조에 비하여 낮은 유전체 손실, 선형적 특성 등의 장점이 있으나, 마이크로 스트립의 폭이 급격하게 변하기 때문에 도체의 가장자리에서 발생되는 불연속성에 의해 큰 분산 및 증가된 도체 손실을 갖는다. 또한, 도 1c와 같이 천공된 마이크로 스트립 소자는, 상술한 구조의 슬로우 웨이브 구조에 비하여 정합 특성이 좋아지는 장점은 있으나, 슬로우 웨이브 팩터(Slow-Wave Factor: Fsw = λo/λg, λo는 신호가 공기 중에서 진행할 때의 파장, λg는 신호가 선로 내에서 진행할 때의 파장)가 일반적인 마이크로 스트립 소자(도 1a)에 비해 수십 퍼센트(%) 정도 밖에 개선되지 않는다.
본 발명은 종래의 슬로우 웨이브 구조에서 문제가 되었던 높은 유전체 및 도체 손실, 높은 분산, 비선형 특성 및 정합 특성을 개선함과 동시에 슬로우 웨이브 팩터가 현저하게 향상된 고주파 전송 선로 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 신호의 진행 방향으로 정전용량이 주요한 평면 도체 및 인덕턴스가 주요한 접속 도체를 주기적으로 배치함으로써 슬로우 웨이브 팩터가 저손 실 상태에서 효과적으로 증가된 슬로우 웨이브 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 고주파 전송 선로 소자는 유전체 기판 및 상기 유전체 기판의 일면에 형성된 선로 도체를 포함하고, 상기 선로 도체는, 고주파 전송 방향으로 소정의 간격을 두고 이격되어 배치된 복수의 평면 도체와, 상기 복수의 평면 도체들 사이에 배치되고 그 양단이 서로 이웃하는 상기 평면 도체들 각각에 전기적으로 접속된 반고리 형상의 접속 도체를 포함하여 구성된다. 이를 통해, 슬로우 웨이브 팩터를 종래 구조에 비하여 현저하게 향상시킬 수 있다. 특히, 평면 도체 및 접속 도체를 적절하게 조합하여 특성 임피던스를 조절함으로써 정합 특성을 보다 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 고주파 전송 선로 소자에서, 평면 도체 및 접속 도체는 고주파 전송 방향을 따라 교대로 배치된다. 또한, 접속 도체는 본딩 와이어로 형성되는 것이 바람직하다. 아울러, 접속 도체는 유전체 기판과 격리되어 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 고주파 전송 선로 소자에서, 선로 도체가 형성된 유전체 기판의 일면에 대향하는 유전체 기판의 타면에 접지 도체가 형성될 수 있다. 반대로, 접지 도체는 유전체 기판의 일면에서 평면 도체와 동일면 위에 형성될 수도 있으며, 이 경우 접지 도체는 복수의 평면 도체 각각을 둘러싸도록 형성되되, 각각의 평면 도체와 소정의 간격을 두고 이격되어 형성되는 것이 바람직하다. 아 울러, 평면 도체가 형성된 유전체 기판의 상면에 제1 접지 도체가 형성되고, 유전체 기판의 상면과 대향하는 하면에 또 다른 제2 접지 도체가 형성될 수도 있다.
이하에서는 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 고주파 전송 선로 소자의 바람직한 실시예들을 자세히 설명할 것이다.
도 2a에는 마이크로 스트립 구조를 갖는 고주파 전송 선로 소자의 사시도를 도시하였으며, 도 2b에는 도 2a의 I-I 절단면을 도시하였다. 도 2a 및 도 2b를 참조하면, 소정의 유전율을 가지는 유전체 기판(10)의 상면(12)에 고주파 신호의 전송선으로서 선로 도체가 형성된다. 여기서, 선로 도체는 복수의 평면 도체(22) 및 접속 도체(24)가 반복되어 배치된 구조로 되어 있다. 특히, 복수의 평면 도체(22)의 각각은 유전체 기판의 상면(12) 위에 형성되되 고주파 신호의 전송 방향으로 소정의 거리만큼 이격되어 배치된다. 또한, 각각의 평면 도체(22)는 접속 도체(24)에 의해 전기적으로 연결되는데, 접속 도체(24)의 양단은 서로 이웃하는 평면 도체(22)에 각각 접속된다. 나아가, 접속 도체(24)는 대략 반고리 형상(또는 아치 형상)으로 형성되며 유전체 기판(10)과는 격리된다. 특히, 본딩 와이어를 이용하면반고리 형상 또는 아치 형상의 접속 도체(24)를 보다 쉽게 형성할 수 있다.
선로 도체의 양단에 신호의 입출력 단자(40)가 각각 형성될 수 있으며, 이 경우 선로 도체를 구성하는 평면 도체(22)와 입출력 단자(40)는 접속 도체(24)에 의해 전기적으로 접속될 수 있다. 또한, 선로 도체가 형성된 유전체 기판(10)의 상면(12)에 대향하는 유전체 기판(10)의 하면(14)에는 접지 도체(30)가 형성된다.
다음으로, 도 3a 및 도 3b에는 CPW(Coplanar Waveguide) 구조를 갖는 고주파 전송 선로 소자의 사시도 및 I-I 절단면도를 각각 도시하였다. 도 3a 및 도 3b에 도시한 CPW 소자의 선로 도체는, 복수의 평면 도체(22) 및 이들을 전기적으로 접속하는 복수의 접속 도체(24)를 포함한다는 점에서 도 2a 및 도 2b에 도시한 선로 도체와 유사한 형태를 갖는다. 다만, 유전체 기판(10)에서 선로 도체가 형성된 면과 동일한 면 위에 접지 도체(32)가 형성된다는 점에서 차이가 있다. 이 경우, 접지 도체(32)는 복수의 평면 도체(22)와 소정의 간격(G)만큼 이격되어 형성되며, 각각의 평면 도체(22)를 둘러싸도록 형성된다. 이를 통해, 평면 도체들(22) 사이의 정전용량의 커플링을 감소시킬 수 있다. 또한, 접속 도체(24)는 반고리 형상으로 형성되므로, 접지 도체(32)와는 전기적으로 절연된다.
나아가, 도 4a 및 도 4b에는 CBCPW(Conductor Backed Coplanar Waveguide) 구조를 갖는 고주파 전송 선로 소자를 도시하였다. 여기에 도시한 CBCPW 소자는 도 3a 및 도 3b에 도시한 CPW 소자와 대략 동일한 구조를 가지며, 다만 선로 도체 및 접지 도체(32)가 형성된 유전체 기판(10)의 상면(12)에 대향하는 하면(14)에 부가적인 접지 도체(34)가 더 형성된다는 점에서 차이가 있다. 특히, 도 4a 및 도 4b는 평면 도체(22) 및 접속 도체(24)가 반복되는 선로 도체의 일부를 도시한 상면도 및 I-I 절단면도로서, 2 주기의 평면 도체 및 접속 도체를 도시한다. 또한, 도 4a 및 도 4b에는 평면 도체(22), 접속 도체(24) 및 접지 도체(32)의 구체적인 치수를 일례로 나타내었다.
도 5a 및 도 5b는 상술한 실시예들을 통해 설명한 본 발명에 따른 고주파 전송 선로 소자의 전송선 모델 및 그 등가 회로를 나타낸다. 일반 전송선에서는 정 전용량(C)과 인덕턴스(L)가 상호 결합되어 인덕턴스가 증가하면 정전용량이 감소하여 LC곱이 구조에 무관하게 되지만, 본 발명에 따른 슬로우 웨이브 구조에서는 각각의 섹션으로 나뉘어 있어서 그 크기가 자유로이 조절될 수 있다.
즉, 도 5a 및 도 5b에서 보듯이, 정전용량(C)을 주로 갖는 선로 구간인 섹션 A(평면 도체(22)에 대응) 및 인덕턴스를 주로 갖는 선로 구간인 섹션 B(접속 도체(24)에 대응)가 주기적으로 배열되므로, 전기 에너지와 자기 에너지가 신호의 진행 방향으로 주기적으로 분리될 수 있다. 다시 말해서, 정전용량과 인덕턴스의 주기적 배열은 정전용량 구간으로의 전기 에너지 집중과 인덕턴스 구간으로의 자기 에너지 집중으로 신호의 진행 방향을 따라 전기 에너지와 자기 에너지가 분리될 수 있다. 따라서, 전기 에너지 및 자기 에너지의 주기적 분리는 정전용량과 인덕턴스의 개별적 증가를 가능하게 하고, 이와 같이 증가된 정전용량과 인덕턴스는 그 곱에 반비례하는 위상속도(Vp = 1/√LC)를 감소시켜 슬로우 웨이브 효과가 나타나게 된다.
본 발명에 따른 고주파 전송 선로 소자의 슬로우 웨이브 구조 해석은 각 구간의 전송선 해석결과(전송상수 및 특성 임피던스)에 플로케의 정리(Floquet’s theorem)를 적용하여 수행될 수 있으며, 유한한 주기의 구조의 경우 전체 구조를 유한요소법(Finite Element Method; FEM)을 이용하여 해석할 수 있다. 본 실시예에서는 FEM 분석 프로그램 중 하나인 HFSS(High-Frequency Structure Simulator)를 이용하여 5개 주기에서 해석을 하였으며, 이때 도체 손실과 유전체 손실을 포함하는 전송 손실 및 미세한 방사 손실도 고려하였다. 또한, 본 실시예에서는 HFSS를 통한 해석으로부터 구한 유한 주기 구조의 S-파라미터(Parameter)를 다음식 (1)에 적용하여 ABCD 파라미터를 구하고, 이로부터 복소 전송상수(γ=α+βj)와 복소 특성 임피던스(Z0)를 구하였다.
[식 (1)]
Figure 112006020463274-pat00001
도 5c에는 본 실시예에서 제안된 구조의 고주파 전송 선로 소자의 특성 임피던스를 도시하였다. 특성 임피던스는 Z0=√(LC)이므로 정전용량 구간과 인덕턴스 구간 각각의 값의 비율을 적절히 조절함으로써 임피던스 매칭을 행할 수 있다. 이때 도 5c에서 보듯이 51 ~ 55Ω의 특성 임피던스를 가지므로 임피던스 매칭이 잘 되었음을 볼 수 있다.
도 2c, 도 3c 및 도 4c에는 각각의 경우에 대한 슬로우 웨이브 팩터(Fsw)를 일반적인 구조의 경우와 비교하여 나타내었다. 즉, 도 2c에는 도 2a 및 도 2b에 도시한 고주파 전송 선로 소자(실시예 1) 및 일반적인 마이크로 스트립 구조(도 1a 참조)를 갖는 고주파 전송 선로 소자(비교예 1)의 슬로우 웨이브 팩터를 비교하여 나타내었다. 그리고, 도 3c에는 도 3a 및 도 3b에 도시한 고주파 전송 선로 소자(실시예 2) 및 일반적인 CPW 구조의 선로 소자(비교예 2)의 슬로우 웨이브 팩터를 비교하여 나타내었다. 마지막으로, 도 4c에는 도 4a 및 도 4b에 도시한 고주파 전송 선로 소자(실시예 3) 및 일반적인 CBCPW 구조의 선로 소자(비교예 3)의 슬로우 웨이브 팩터를 비교하여 나타내었다.
비교를 위하여, 각 실시예 및 비교예에서는 동일한 치수의 유전체 기판을 사용하였으며 재질은 듀퐁(社)의 943 테이프(εr=7.8)를 이용하였다. 또한, 평면 도체(22), 접속 도체(24) 및 접지 도체(30, 32, 34)는 모두 금(gold)으로 형성하였고, 특히 접속 도체(22)로는 직경이 25.4㎛인 본딩 와이어를 이용하였다. 아울러, 각각의 실시예 및 비교예는 모두 50Ω으로 임피던스 매칭되었다.
도 2c, 도 3c 및 도 4c를 참조하면, 본 발명에 따른 실시예 1 내지 3은 각각 비교예 1 내지 3에 비해서 최고 350%까지 슬로우 웨이브 팩터가 개선되는 것을 알 수 있다. 이는 평면 도체를 통한 정전용량 구간과 접속 도체(예컨대, 본딩 와이어)를 이용한 인덕턴스 구간을 분리시킴으로써, 각 구간에서의 값을 보다 크게 만들 수 있었기 때문이다. 따라서, 본 발명에 따른 고주파 전송 선로 소자를 이용하면 수동소자의 보다 소형으로 제조할 수 있으며, 이를 바탕으로 필터, 위상천이기, 커플러, 진행파 증폭기(Traveling-Wave Amplifier) 등에 이용할 수 있다.
도 6에는 본 발명에 따른 고주파 전송 선로 소자를 이용하여 하이브리드 커플러를 형성한 예를 도시하였다. 도 6을 참조하면, 하이브리드 커플러를 구성하는 네개의 전송 선로가 각각 평면 도체(22) 및 접속 도체(24)를 반복하여 배치된 구조를 가지며, 각각의 전송 선로는 네개의 입출력 포트(P1, P2, P3 및 P4) 사이에 배치된다. 도 6에 도시한 커플러 구조를 이용하면, 각각의 전송 선로에서 슬로우 웨이브 팩터가 크게 향상되어 있으므로, 종래의 커플러에 비하여 소자의 점유 면적을 현저히 줄일 수 있다.
본 발명에 따르면 종래의 슬로우 웨이브 구조에서 문제가 되었던 높은 유전체 및 도체 손실, 높은 분산, 비선형 특성 및 정합 특성을 개선함과 동시에 슬로우 웨이브 팩터가 현저하게 향상된 고주파 전송 선로 소자를 얻을 수 있다. 본 발명에 따른 고주파 전송 선로 소자의 슬로우 웨이브 구조를 유한요소법을 이용하여 해석한 결과, 우수한 슬로우 웨이브 특성을 가짐을 확인하였으며, 특히 본딩 와이어를 사용한 슬로우 웨이브 구조에서 슬로우 웨이브 팩터는 종래의 구조에 비해 300% 이상 개선되었고, 특성 임피던스는 50~55Ω의 특성을 갖는 것을 확인하였다.
또한, 본 발명에 따른 고주파 전송 선로 소자는 신호의 진행 방향으로 정전용량이 주요한 평면 도체 및 인덕턴스가 주요한 접속 도체를 주기적으로 배치함으로써 슬로우 웨이브 팩터가 저손실 상태에서 효과적으로 향상시킬 수 있다. 또한, 평면 도체 및 접속 도체를 적절하게 조합하여 특성 임피던스를 조절함으로써 정합 특성을 보다 향상시킬 수 있다.
지금까지 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않 는 범위 내에서 변형된 형태로 구현할 수 있을 것이다. 그러므로 여기서 설명한 본 발명의 실시예는 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 상술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (7)

  1. 유전체 기판 및 상기 유전체 기판의 일면에 형성된 선로 도체를 포함하는 고주파 전송 선로 소자로서,
    상기 선로 도체는,
    고주파 전송 방향으로 소정의 간격을 두고 이격되어 배치된 복수의 평면 도체와,
    상기 복수의 평면 도체들 사이에 배치되고, 그 양단이 서로 이웃하는 상기 평면 도체들 각각에 전기적으로 접속된 반고리 형상의 접속 도체를 포함하는 것을 특징으로 하는 고주파 전송 선로 소자.
  2. 제1항에서,
    상기 평면 도체 및 상기 접속 도체는 고주파 전송 방향을 따라 교대로 배치된 것을 특징으로 하는 고주파 전송 선로 소자.
  3. 제1항에서,
    상기 접속 도체는 본딩 와이어로 형성된 것을 특징으로 하는 고주파 전송 선로 소자.
  4. 제1항에서,
    상기 접속 도체는 상기 유전체 기판과 격리되어 형성된 것을 특징으로 하는 고주파 전송 선로 소자.
  5. 제1항에서,
    상기 유전체 기판의 상기 일면에 대향하는 상기 유전체 기판의 타면에 형성된 접지 도체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고주파 전송 선로 소자.
  6. 제1항에서,
    상기 유전체 기판의 상기 일면에 형성된 제1 접지 도체를 더 포함하고,
    상기 제1 접지 도체는 상기 복수의 평면 도체 각각을 둘러싸도록 형성되되, 상기 평면 도체와 소정의 간격을 두고 이격되어 형성된 것을 특징으로 하는 고주파 전송 선로 소자.
  7. 제6항에서,
    상기 유전체 기판의 상기 일면에 대향하는 상기 유전체 기판의 타면에 형성 된 제2 접지 도체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고주파 전송 선로 소자.
KR1020060026621A 2006-03-23 2006-03-23 슬로우 웨이브 구조를 가지는 고주파 전송 선로 소자 KR100734332B1 (ko)

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