KR100739382B1 - 비방사마이크로스트립선로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 마이크로파 및 밀리미터파 대역에서 사용하는 전송선로에 관한 것으로서, 특히 유전체기판 위에 동박의 스트립선로를 포토에칭 기법 등으로 제작하고, 기판의 상부 및 하부에 일정한 간격으로 그라운드판을 놓아 전파의 방사를 막고 고차모드발생을 막는 효과를 얻는 방법을 사용한 비방사마이크로스트립선로를 제안한다. 이와 같은 비방사마이크로스트립선로는 두께가 얇은 유전체기판 위에 동박의 마이크로스트립선로를 제작하고, 일정한 간격을 띄운 다음 그라운드판을 배치한 구조이다. 이때 전자계 모드는 TEM과 아주 유사한 유사 TEM모드가 형성된다. 이러한 유사 TEM모드는 기존의 마이크로스트립선로가 가지는 quasi-TEM와는 달리 TEM모드에 더욱 가까워 RF수동 및 능동회로구성이 용이하고, 밀리미터파 대역에서도 사용이 가능한 전송선로이다.

비방사마이크로스트립선로, 밀리미터파, TEM, 전파방사, 고차모드

Description

비방사마이크로스트립선로{Non-Radiative Microstrip Line}

도 1: 비방사마이크로스트립선로의 구조

도 2: 비방사마이크로스트립선로의 구조의 주요 파라메타

도 3: 본 발명의 비방사마이크로스트립선로의 전/자계 분포도

도 4: 비방사마이크로스트립선로의 전송손실을 나타낸 S파라메타

도 5: 비방사마이크로스트립선로의 길이가 오픈된 경우에 있어서 전송손실

도 6: 비방사마이크로스트립 밴딩선로의 전송손실 데이터

도 7: 비방사마이크로스트립선로의 분기선로의 전송손실 데이터

도 8: 비방사마이크로스트립선로의 a길이가 30마이크로미터인 경우 선로의 전송손실

<세부명칭에 대한 상세한 설명>

10: 상부 그라운드판, 11: 하부 그라운드판, 12: 동박 스트립선로, 13: 유전체기판, 14: 유전체기판의 그라운드판용 동박패턴

일반적으로 초고주파회로를 제작하기 위해서는 초고주파에 전송손실이 적은 선로를 사용하여야 된다. 특히 마이크로스트립선로는 전송선로와 하부의 그라운드 금속판 사이에 유전체가 있는 구조로서, 전송선로를 포토에칭으로 제작할 수가 있으며 전송선로 위가 오픈 되어있는 관계로 저항, 콘덴서, 반도체부품의 탈착 및 부착이 용이한 관계로 대중적으로 가장 많이 사용되고 있다.

유전체기판 위에 동박을 포토에칭으로 전송선로를 만들어 그라운드금속판 위에 놓은 것을 마이크로스트립선로라고 지칭하는데, 이 방식은 포토에칭한 전송선로 위에 부품의 탈부착이 손쉬워 가장 많이 사용되는 선로 중에 하나이다.

그러나 이러한 선로는 선로가 윗부분에는 공기와 접촉되어 마이크로파 이상의 주파수를 전송할 시에는 전송손실이 커진다. 또한, 마이크로스트립선로에는 준 TEM모드로 전송되기 때문에 SMA Connector등을 부착할 시에는 quasi-TEM모드와 TEM모드 사이에 모드 변환이 일어나는 관계로 정합이 되지 않아 정합손실이 일어난다.

또한, 전송선로의 폭과 유전체기판의 두께는 전송주파수에 관련된 파라메터이기 때문에 특정한 주파수는 전송손실이 적으나, 다른 주파수는 전송손실이 크게 발생하여 광대역 전송선로로 사용하기에는 적합하지 않다. 그리고 전송선로로 사용되는 마이크로스트립 라인을 구부린다든지 2개 이상의 선로로 분리하는 경우에는 역시 손실이 매우 커서 증폭기나 발진기 등의 동작에 심각한 영향을 주게 된다.

또한, RF회로를 구성할 때 전송선로를 직선으로만 하지 못하고 90도 구부리거나 분배 등 여러 가지 모양으로 선로를 패턴구성 할 때가 있는데 이때에 많은 전송손실을 야기하여, 마이크로파 이상의 밀리미터파 대역에서는 제대로 증폭이 되지않아 회로구성이 곤란한 경우가 발생한다.

상기 기술된 종래의 초고주파 선로의 단점을 보완하고 마이크로파 이상 밀리미터파 대역에서 RF회로구성이 용이하고, 포토에칭패턴으로 선로의 모양을 자유로이 만들 수 있으면서도 반도체 부품 등의 탈부착이 손쉬우며, 전송손실이 없고, 전송주파수 대역이 매우 넓은, 또한 마이크로스트립선로와 같이 밴딩 등에 손실이 발생하지 않는 비방사 마이크로 스트립선로의 개발을 목적으로 한다.

본 발명에 있어서, 유전체기판 위에 동박의 스트립선로를 포토에칭 등으로 만들고, 선로의 상/하 및 선로의 좌/우에 일정한 간격을 띄운 다음 그라운드판을 놓아 전파의 방사를 막는 방법을 사용한다. 특히 얇은 유전체기판 위에 동박의 마이크로스트립 라인을 만들고, 선로의 상/하 및 좌/우에 일정한 간격을 띄운 다음 그라운드판을 배치하면, 전자계 모드는 TEM과 아주 유사한 유사 TEM모드가 형성되도록 한다.

특히 이 유사 TEM모드는 기존의 마이크로스트립선로가 가지는 준 TEM과는 아주 다른 모양을 가진다. 준 TEM은 밑의 그라운드판과 위의 스트립선로 사이에만 전계/자계 모드가 일어나 스트립 위의 공기와 맞닿는 부분에는 전계 모드가 존재하지않는 비대칭구조의 전자계 모드를 가지나, 이 비방사 마이크로스트립선로에서는 스트립의 상/하 그라운드판에 동일하게 전/자계 분포가 되어 TEM과 거의 같은 유사 TEM모드가 발생된다.

그리고 이 유사 TEM모드는 기존의 TEM모드와 결합시 모드 변환이 일어나지 않아 결합 손실이 거의 발생하지 않으며, 실제 손실이 0에 가까우며, 반사 손실도 -30dB까지 내려가 손실이 없음을 알 수가 있다. 그리고 상/하 및 좌/우에 위치하는 그라운드판의 간격은 전송하고자 하는 주파수의 1/2 파장 이내로 하면 손실 없는 선로를 만들 수가 있다.

상기 비방사마이크로스트립선로의 원리는 선로의 상/하에 위치한 양 그라운드판의 간격을 a로 두면 a는 전송주파수의 1/2 파장 이내로 하고, 선로의 좌/우 그라운드판의 간격을 Gw로 두고 이 Gw 역시 전송주파수의 1/2 파장 이내로 두면, 스트립선로를 따라 진행하는 TEM파는 스트립을 밴딩(bending)하거나, 혹은 오픈(open) 했을 때 TE나 TM모드로 바뀌어도 이미 간격이 1/2 파장 이내이기 때문에 전파로 만들어지지 못하기 때문에 TE나 TM의 고차모드가 발생하지 않으며, 오픈(open)선로에서는 전파방사를 전혀 방사하지 않아 모두 리턴되는 것을 확인할 수가 있으며, 밴딩선로에서는 원선로의 방향으로 진행하지 않고 밴딩된 마이크로스트립선로를 따라 손실 없이 진행하게 된다.

본 발명에 있어서, 비방사마이크로스트립선로는 유전체기판(13) 위에 동박의 스트립선로(12)를 포토에칭 기법 등으로 제작하고, 선로 상부 및 하부에 일정한 간격을 그라운드판(10, 11)을 놓아 전파의 방사를 막는 방법을 사용한다.

도 1은 비방사마이크로스트립선로의 구조를 나타낸 것이다. 도 1에 있어서, 비방사마이크로스트립선로는 두께가 얇은 유전체기판(13) 위에 동박의 마이크로스트립선로(12) 및 접지용 동박패턴(14)을 제작하고, 일정한 간격을 띄운 다음 그라운드판(10, 11)을 배치한 구조이다.

도 2는 비방사마이크로스트립선로의 구조의 주요 파라메타를 나타낸 도이다. 도 2에 있어서, 도(a)는 비방사마이크로스트립선로의 내부구조를 개방한 사시도이며, 도(b)는 도(a)의 정면도이다. 도 2의 (a) 및 (b)에서 a는 상/하 그라운드판(10, 11)의 간격을 나타내고, Gw는 선로의 좌/우 그라운드판(13)의 간격, t는 유전체기판의 두께, δ는 동박 스트립선로(12)의 두께이며, Lw는 동박 스트립선로(12)의 폭, d는 동박 스트립선로(12)의 길이를 나타낸다.

바람직하게는 선로의 상/하에 위치하는 그라운드판(10, 11)의 간격과 선로 좌/우에 위치하는 그라운드판을 전송하고자 하는 최대주파수의 1/2 파장 이내로 하면 손실 없는 선로를 제작할 수 있다. 특히 상/하에 위치한 양 그라운드판(10, 11)의 간격을 a로 두면 a는 전송주파수의 1/2 파장 이내로 하고 선로 좌/우에 위치하는 그라운드판과의 간격을 Gw로 두고 이 Gw를 전송하고자 하는 전송 주파의 1/2 파장 이내로 하면, 스트립선로(12)를 따라 진행하는 TEM파는 스트립을 밴딩하거나, 혹은 오픈했을 때 TE나 TM모드로 바뀌어도 이미 간격이 1/2 파장 이내이기 때문에 전파로 진행하지 못하고, 오픈선로에서는 모두 리턴되고, 밴딩선로에서는 밴딩 마이크로스트립선로를 따라 손실 없이 진행하게 된다. 이때 전자계 모드는 TEM과 아주 유사한 유사 TEM모드가 형성된다.

상기 TEM모드는 기존의 마이크로스트립선로가 가지는 quasi-TEM과는 아주 다른 모양을 가진다. 종래의 qusai-TEM은 밑의 그라운드판과 위의 스트립선로 사이에만 전계/자계 모드가 일어나 스트립 위의 공기와 맞닿은 부분에는 전계 모드가 존재하지않는 비대칭구조의 전자계 모드를 가지나, 본 발명의 비방사마이크로스트립 선로는 스트립의 상/하 그라운드판에 동일하게 전/자계 분포가 되어 TEM과 거의 같은 유사 TEM모드가 발생된다.

바람직하게는 스트립선로(12)를 구성하는 선로 폭 Lw와 그라운드판(10, 11) 간격 a, 유전체기판(13)의 두께 t, 유전체기판(13)의 유전율, 마이크로스트립선로(12)와 접지용 동박패턴(14)의 그라운드판(10, 11)의 간격

에 의해 선로 임피던스가 정해지고, 유전체기판(13) 두께를 가능한 얇게 하여, 주로 Lw와 a에 의해 마이크로스트립선로 임피던스를 조정하고, 그라운드판 내부가 공기로 채워져 있고, 얇은 유전체기판(13)으로 인해 마이크로스트립선로의 전송모드가 TEM과 아주 유사한 유사 TEM모드로 만들어져 콘넥터 등과 같은 TEM모드를 사용하는 부품이나 회로와의 접속이 용이하다.

바람직하게는 상기 유사 TEM모드는 기존의 TEM모드와 결합시 모드 변환이 일어나지 않아 결합 손실이 거의 발생하지 않는다. 도 3은 본 발명의 비방사마이크로스트립선로의 전/자계 분포도를 나타내었다.

본 발명에 있어서, 도 4는 비방사마이크로스트립선로의 전송손실을 나타낸 S파라메타이다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 마이크로파 및 밀리미터파 대역(30~300GHz)에 이르는 전 주파수 대역에서 삽입손실은 0에 가까우며, 반사손실도 -30dB까지 내려가 전송손실이 없음을 알 수가 있다.

도 5는 비방사마이크로스트립선로의 선로를 본 구조체 내부 중앙부에서 절단시켰을 경우의 전자계 방사상태를 나타낸 그림이다. 도 5에서 알 수가 있듯이 a가 커지면 전파누설이 일어나는 차단주파수가 낮아지는 것을 볼 수가 있다. 도 5에 있어서, a의 크기에 따라 차단주파수의 변화를 확인하였다. 이때 a가 작을수록 차단주파수는 높아짐을 알 수 있다. 따라서 비방사마이크로스트립선로의 상/하 도체판을 일정간격 a로 놓고, 신호를 진달시키면 이 스트립선로를 따라 TEM모드는 진행되고, 선로가 오픈 되었을 때는 상/하 간격 a의 2배보다 큰 파장의 전파들은 모두 반사되어 입력포트로 되돌아가게 되고, 파장이 a의 2배 이하의 차단주파수보다 높은 주파수는 누설파로 변하여 입력포트로 반사되지 않고 TE나 TM등의 모드로 변환되어 방사되어 버린다. 이로써 선로의 상/하 간격과 좌/우 간격이 선로에서 고차모드로 방사되는 차단주파수를 결정하는 중요한 요인이 되는 것을 표 1과 표 2, 표 3에서 확인할 수가 있다.
Gw=A인 경우의 임피던스 50옴을 형성하기 위한 스트립 폭 및 그때의 차단주파수

A(mm)	Gw(B)	Lw	차단주파수(GHz)
1	B=A	0.73mm	100GHz
2	B=A	1.53mm	91GHz
3	B=A	2.35mm	58GHz
4	B=A	3.19mm	46GHz

Gw=2A인 경우의 임피던스 50옴을 형성하기 위한 스트립 폭 및 그때의 차단주파수

A(mm)	Gw(B)	Lw	차단주파수(GHz)
1	B=2A	1.17mm	77GHz
2	B=2A	2.48mm	67GHz
3	B=2A	3.84mm	45GHz
4	B=2A	3.29mm	40GHz

Gw=3A인 경우의 임피던스 50옴을 형성하기 위한 스트립 폭 및 그때의 차단주파수

A(mm)	Gw(B)	Lw	차단주파수(GHz)
1	B=3A	1.25mm	63GHz
2	B=3A	2.72mm	50GHz
3	B=3A	4.25mm	42GHz
4	B=3A	3.3mm	38GHz

본 발명에 있어서, 비방사마이크로스트립선로는 선로가 밴딩(bending) 되었을 때 TEM파는 TE나 TM모드로 바뀌어도 그라운드의 간격이 1/2 파장 이내로 될 경우에는 방사되지 못하므로 TEM 자체로 선로를 손실 없이 따라옴을 확인하였으며, 이에 대해 비방사마이크로스트립 밴딩선로의 전송손실 데이터를 도 6에 나타내었다.

도 6에 의하면, 선로를 굽히는 밴딩선로에서도 TEM파가 누설되거나 여타 TM, TE모드 변환이 되지 않고 그대로 전송되는 것을 확인하였다. 또한, 선로의 길이 d를 100mm이상 길게 하여도 저손실 특성을 유지하는 것을 알 수 있다.

또한, 2개 이상의 비방사마이크로스트립선로를 분기선로로 구성하였을 경우 전송신호는 외부로 방사되지 않고, 각각의 분기한 선로의 비율로 에너지가 나뉘어져 손실 없이 진행됨을 확인하였으며, 이에 대해 비방사마이크로스트립선로의 분기선로의 전송손실 데이터를 도 7에 나타내었다.

또한, 비방사마이크로스트립선로의 구조에서 소형화 구조를 위해 a가 30마이크로미터 이내로 구현할 경우 선로 상의 고차모드 억제 효과가 있는 것이 확인되었다. 도 8은 비방사마이크로스트립선로의 a길이가 30마이크로미터인 경우 선로의 전송손실을 나타낸 것이다. 도 8에 의하면, 사용주파수가 밀리미터파 대역인 경우 삽입손실 및 반사손실 모두 양호한 특성을 나타냄을 알 수 있다.

상기와 같이 본 발명의 비방사마이크로스트립선로는 상/하 및 좌/우 그라운드판(10, 11) 간격의 1/2 이하의 파장을 가지는 주파수는 동일한 특성을 가지므로 광대역 특성을 가지고, 선로 밖으로 방사하지 않아 전송손실도 거의 없고, 기존의 마이크로스트립 기판과 같이 부품의 탈부착이 손쉬워 회로제작이 간단하다.

또한, 마이크로스트립선로(12)의 상/하 및 좌/우에 그라운드판(10, 11)을 일정간격으로 놓고, 전파를 진행시키면 이 마이크로스트립선로(12)를 따라 TEM모드는 진행되고, 선로가 오픈 되었을 때는 일정간격의 2배보다 큰 파장의 전파들은 진행 방향으로 방사되지 않고 모두 입력포트로 반사됨을 확인하였다.

또한, 이 마이크로스트립선로가 밴딩 되었을 때 TEM파는 TE나 TM모드로 바뀐다 하더라도 그라운드(10, 11)의 간격 a가 1/2 파장 이내로 될 경우에는 방사되지 못하므로 고차모드 발생을 억제하는 효과가 있으며, TEM모드 그대로 선로를 손실 없이 따라온다. 또한, 2개 이상의 분기선로를 구성했을 때에도 외부로 방사하지 못하고, 각각의 분기한 선로의 비율로 에너지가 나뉘어져 손실 없이 진행된다.
이로 인하여 표 1, 표 2, 표 3과 같이 상/하 간격이 2mm로 하고, 좌/우 간격을 4mm로 했을 경우에는 67GHz까지, 상/하 간격을 1mm, 좌/우 간격을 1mm로 했을 경우에는 100GHz까지 고차모드가 발생되지 않는 비방사마이크로스트립선로를 구성할 수 있음을 알 수가 있다.

또한, 내부의 전자계 모드는 TEM과 거의 같은 유사 TEM이므로 기존의 TEM모드를 사용하는 장치, 회로, 콘넥터와의 모드 변환 손실이 거의 없어 우수한 회로를 만들 수 있다. 따라서 비방사마이크로스트립선로는 마이크로파 및 밀리미터파 대역에 이르는 주파수에서 RF능동회로 및 수동회로를 제작하는 데 최적의 전송선로로 사용될 수 있을 것이다.

Claims (7)

1. 비방사마이크로스트립선로에 있어서,

   두께가 t인 유전체기판 위에 두께가 δ인 동박 스트립선로 및 접지용 그라운드판을 제작하고; 이의 유전체기판은 사용주파수가 1/2 파장 이하의 간격 a를 가진 상/하 그라운드판 사이에 삽입되고, 이의 유전체기판은 상/하 간격 a의 복수배를 가지는 좌/우 간격 Gw 사이에 삽입되는 것이 특징인 비방사마이크로스트립선로
2. 제 1항에 있어서,

   상/하 그라운드판 사이의 간격 a에 있어서, 상부 및 하부 그라운드의 중앙부에 홈을 내고; 이의 홈의 높이는 사용주파수에 따라 상부 그라운드 및 하부 그라운드판 각각 λ/4 이하가 되도록 하여 상/하부 홈 높이는 사용주파수의 1/2 파장 이하가 되도록 하며, 좌/우 그라운드판 사이의 간격 Gw는 a의 복수배로 하여 선로와 그라운드판 사이의 간격을 두는 것이 특징인 비방사마이크로스트립선로
3. 제 1항 내지 제 2항 어느 한 항에 있어서,

   상/하부 및 좌/우 그라운드판 사이 홈에 삽입된 유전체기판은 상/하부 및 좌/우 그라운드판 홈의 공기층에 노출된 것이 특징인 비방사마이크로스트립선로
4. 제 1항 내지 제 2항 어느 한 항에 있어서,

   선로의 전파방사를 억제하기 위해 사용하고자 하는 최대 주파수인 차단주파수의 1/2 파장 이내로 하여 전파의 방사를 방지하고; 사용 최대주파수인 차단 주파수의 1/2 파장 이내로 그라운드 상/하 간격 a 및 좌/우 간격 Gw를 유지함으로 인해 고차모드 발생을 억제하는 것이 특징인 비방사마이크로스트립선로
5. 제 1항 내지 제 2항 어느 한 항에 있어서,

   선로의 저손실 특성을 유지하기 위해 선로의 길이 d의 크기 변화 및 선로를 굽히는 밴딩선로에서도 TEM파가 누설되거나 고차모드(TM, TE)로 모드 변환이 되지 않고, 선로를 따라 TEM모드가 전송되는 것이 특징인 비방사마이크로스트립선로
6. 제 1항 내지 제 2항 어느 한 항에 있어서,

   선로를 구성하는 선로 폭 Lw와 그라운드 간격 a, 유전체기판의 두께 t, 유전율, 마이크로스트립선로와 접지용 동박패턴의 그라운드와의 간격

   

   에 의해 선로 임피던스가 정해지고; 유전체기판 두께를 가능한 얇게 하여, 주로 Lw와 a에 의해 선로 임피던스를 조정하고; 그라운드판 내부가 공기로 채워져 있고; 얇은 유전체기판으로 인해 선로의 전송모드가 TEM과 아주 유사한 유사 TEM모드로 만들어져 콘넥터 등과 같은 TEM모드를 사용하는 부품이나 회로와의 접속이 용이한 것이 특징인 비방사마이크로스트립선로
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