KR100775410B1 - 금속블럭을 이용한 비방사마이크로스트립선로에서의모드변환 접속법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 금속블록을 이용한 비방사마이크로스트립선로에서의 모드변환접속구조에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 사용주파수 λ/2파장 이하의 간격을 가진 상하 접지용금속블록 사이에 동박의 스트립선로가 패터닝된 유전체기판이 배치되고,

상기 동박의 스트립선로 양단에 능동회로를 구현하기 위한 마이크로스트립선로가 상호 결합한 구조로써 마이크로스트립선로기판 하부에 모드변환용 테퍼형금속블록이 배치된 구조이다.

비방사마이크로스트립선로 구조에 있어서, 비방사마이크로스트립선로에서의 전계모드는 스트립선로를 중심으로 상하도체판으로 진행하고, 자계모드는 도체판을 중심으로 상하도체판 내부를 회전하는 구조로 되어 있는 전형적인 TEM기본모드를 사용하기 때문에 MMIC등의 전자부품이 부착되는 스트립선로 기판 하면에 모드변환용 테퍼형금속블록을 부착하여 Quasi-TEM에서 TEM모드로의 변환이 자연스럽게 일어나게 한다.

따라서 테퍼형 금속블록을 이용하여 비방사마이크로스트립선로와 MMIC등의 능동소자가 부착되는 스트립선로에서 모드변환을 자연스럽게 유도할 수 있어, 마이크로파 및 밀리미터파 대역에 이르는 주파수에서 RF능동회로 및 수동회로를 제작하는 데 최적의 전송선로로 사용될 수 있을 것이다.

비방사마이크로스트립선로, 모드변환, 테퍼형금속블록, TEM, Quasi-TEM

Description

금속블럭을 이용한 비방사마이크로스트립선로에서의 모드변환 접속법{Mode- Transition Adaption Method on the Non-Radiative Microstripline}

도 1: 모드변환용 테퍼형금속블록을 이용한 비방사마이크로스트립선로와 MMIC등의 능동소자가 부착되는 스트립선로의 접속구조

도 2: 모드변환용 테퍼형금속블록을 이용한 비방사마이크로스트립선로와 MMIC등의 능동소자가 부착되는 스트립선로의 접속구조에 대한 주요 파라메타

도 3: SMA Connector와 연결한 모드변환용 테퍼형금속블록을 이용한 비방사마이크로스트립선로와 MMIC등의 능동소자가 부착되는 스트립선로의 접속구조의 단면도

도 4: 비방사마이크로스트립선로 구조의 전송선로 반사손실 특성(S11)

도 5: 비방사마이크로스트립선로 구조의 전송선로 삽입손실 특성(S21)

<세부명칭에 대한 상세한 설명>

1, 2: 접지용 상하금속판, 3: 테퍼형금속블록, 4: 접지동박패턴, 5: 유전체기판, 6: 스트립선로, 7: MMIC(전자부품), 8: 세라믹필터, 9: SMA Connector 외피, 10: SMA Connector 내심, 12: 납땜, 13: 스트립패드, 14: 스루홀

마이크로파 및 밀리미터파 대역에서 송수신 회로를 구현하기 위해서는 선로의 전송손실이 낮고 회로 구현시 신호의 고차모드 및 누설파가 발생하지 않는 전송선로의 방법이 필요한데, 이를 위하여 특허번호 제10-2005-0058960호 "비방사마이크로스트립선로" 및 특허번호 제10-2005-0077635호 "그라운드판을 가진 비방사마이크로스트립선로" 등의 기술이 개발되었다. 이들 비방사마이크로스트립선로에서는 전송선로 주위로 일정간격을 가지고 그라운드판으로 둘러싸고 그 일정간격을 사용주파수의 λ/2 이내로 함으로 인하여, 신호의 고차모드의 발생을 억제하며 신호의 누설파의 발생을 방지하고 전송손실을 낮추는 효과를 얻을 수 있다. 그리고 이 비방사마이크로스트립선로의 신호의 기본모드는 TEM 모드로서 전송선로 이외의 그라운드는 일정간격을 가지고 위치하며, 그 사이에 전계 및 자계가 일정하게 방사되는 구조이다.
현재 가장 널리 사용되는 일반적인 고주파를 구현할 수 있는 기술로서 그라운드지그판 위에 유전체기판을 올려 선로를 구현하는 마이크로스트립 방식이 있는데, 이 방식은 유전체기판 위에 선로를 구현하고 선로 사이 및 선로 위에 회로를 구현하기 위한 반도체 부품인 MMIC, 필터, 저항, 콘덴서 등을 부착하는 방식이다. 그러나 이 마이크로스트립선로 방식의 전자계는 유전체기판 위가 오픈되어 있는 관계로 Quasi-TEM 모드로 구현이 되고 있는데, 이 마이크로스트립기판이 가장 많이 사용되고 있기 때문에 대부분의 전자 부품, 예를 들면 반도체 부품(MMIC) 등은 모두 Quasi-TEM 모드에 동작되게 제조되고 공급되고 있다. 때문에 이들 반도체 부품을 TEM 신호를 사용하는 비방사마이크로스트립선로에 사용하기 위해서는 Quasi-TEM 모드의 신호를 TEM 모드 신호로 모드변환이 필요해 진다.

상기 기술한 Quasi-TEM 모드를 사용하는 마이크로스트립선로에서는 유전체기판 위로 전계가 방사되지 않고 유전체기판과 선로 사이에 집중적으로 모여 있으며, 유전체기판 밑의 신호는 유전율 때문에 파장단축이

만큼 일어나며, 신호의 전송속도 역시

로 줄어들어 늦게 진행된다. 그러나 기판 위는 오픈되어 있는 관계로, 파장은 공기 중의 파장 λ 그대로 나타나며 전송속도 역시 광속 c 로 나타나, 전송선로를 사이에 두고 기판 위에 비해 기판 아래의 파장이 1/2 로 줄어들며, 기판 밑의 신호는 기판 위 보다 전송속도가 2배 이상 늦게 차이가 나게 된다. 이로 인하여 전달되는 신호는 아래위로 비대칭으로 발산됨으로 인하여 신호의 고차모드가 발생하고 누설파가 발생하며 전송신호의 손실이 커져 증폭기 등의 제작에 어려움이 발생한다.
이와 대비하여, TEM 모드를 사용하는 비방사마이크로스트립선로의 경우에는 전송선로 주위로 일정간격을 가지고 그라운드지그판을 배치하고 그 간격을 λ/2 이내로 조절함으로 인해 고차모드가 발생하지 않으며 누설파의 발생을 억제하고 선로의 손실을 줄인다. 그 이유는 전송선로 아래와 위가 모두 공기로 채워져 있어 전송선로 아래위의 전자계가 대칭으로 발산되며, 이로 인하여 전송신호의 파장단축이 일어나지 않으며 전송신호의 전달속도 역시 선로의 아래위 모두 광속으로 전달되어 아래위가 차이가 없음으로 인해 신호의 왜곡 및 일그러짐이 발생하지 않기 때문이다. 그리고 이러한 특성은 수백 MHz ~ 수백 GHz 까지 동일한 특성을 얻을 수가 있다.
그러나 이 TEM 모드를 사용하는 마이크로스트립선로에는 MMIC 등의 반도체 부품을 적용하기가 어려운데, 그 이유는 대부분의 MMIC 등의 반도체 부품은 Quasi-TEM 모드를 사용하는 마이크로스트립선로에 맞게 설계되고 제작되기 때문이다.
그러므로 고주파 증폭을 원활하게 하기 위해서는 TEM 모드를 사용하는 비방사마이크로스트립선로에 기존의 MMIC 등의 반도체 부품을 사용할 필요가 있는데, 이를 위해서는 Quasi-TEM 모드의 신호를 TEM 모드의 신호로 변환할 수 있는 방법이 필요하다.
이를 위해서 TEM 모드의 비방사마이크로스트립선로의 일부분을 Quasi-TEM 모드의 마이크로스트립선로로 변경을 하고, 비방사마이크로스트립선로와 마이크로스트립선로 사이에 모드변환용 테퍼형금속블록을 부착하는 방법을 제안한다. 바람직하게는 모드변환 구간에 해당하는 금속블록의 단면을 테퍼형태(∠)로 가공하여 Quasi-TEM 모드의 신호를 TEM모드의 신호로 자연스럽게 변환이 일어나는 구조가 되도록 한다.

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비방사마이크로스트립선로 구조에 있어서, 비방사마이크로스트립선로에서의 전계모드는 스트립선로를 중심으로 상하도체판으로 진행하고, 자계모드는 도체판을 중심으로 상하도체판 내부를 회전하는 구조로 되어 있는 전형적인 TEM기본모드를 사용하는 구조이다.

상기 TEM 모드를 사용하는 비방사마이크로스트립선로 구조에 Quasi-TEM 모드를 사용하는 MMIC 를 넣어 동작시키기 위해서는 스트립선로(6) 기판 밑에 접지동박패턴(4)을 인쇄하고 그밑에 금속블록(3)을 넣어 전계 모드가 Quasi-TEM 모드가 되도록 한다. 그렇게 되면 TEM 모드의 비방사마이크로스트립선로와 Quasi-TEM 모드의 마이크로스트립선로 사이에는 급격한 모드변환이 일어나고, 이 급격한 모드변환시 리턴 로스가 크게 일어나고 신호가 반사가 되는데, 이것을 막기 위하여 그사이의 금속블록을 테퍼형으로 가공하여 모드변환이 자연스럽게 일어나게 한다. 이로써 테퍼형의 금속블록을 따라 전계와 자계의 변환이 자연스럽게 일어나고, 테퍼의 각도를 조절함으로 인해 반사손실을 최소화하게 된다.

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도 1은 모드변환용 금속블록(3)을 이용한 비방사마이크로스트립선로와 MMIC(7) 등의 능동소자가 부착되는 스트립선로와의 접속구조를 나타낸 것이다. 도 1에 있어서, 사용주파수의 반파장 이하의 간격을 가진 접지용 상하금속판(1, 2) 사이에 저유전율의 유전체기판(5)이 위치하고, 유전체기판(5) 상면에 마이크로스트립선로(6)가 패터닝되고, MMIC 부품이 부착되는 스트립선로 하부면에는 접지동박패턴(4)을 배치하고 그사이에는 Quasi-TEM 에서 TEM 모드로의 변환을 위한 테퍼형(∠)형태의 금속블록을 배치한다.
도 2는 모드변환용 금속블록(3)을 이용한 비방사마이크로스트립선로와 MMIC등의 능동소자가 부착되는 스트립선로와의 접속구조에 대한 주요 파라메타를 나타낸 것이다.

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도 2에 도시한 바와 같이, 모드변환용 금속블록(3)의 높이는 Mt이며, 금속블록(3)의 단면부의 테퍼형 각도는 θ로 한다. 또한 스트립선로(6)의 폭은 W, MMIC부품(7)이 부착되는 패드부(13)와 스트립선로(6) 사이의 간격은 S로 한다.

바람직하게는 도 2에 있어서, 스트립선로(6)와 MMIC부품(7)의 부착시 W가 적을수록 전송손실(Loss) 및 리플(Ripple)이 적게 발생한다. 또한 스트립선로(6)와 MMIC사이의 간격 S가 적으면 적을 수록 손실(Loss) 및 리플(Ripple)이 적게 발생한다. 선로손실과 리플 발생을 줄이기 위해 W와 S의 간격을 각각 0.5mm이하, 0.4mm이하로 결정한다. 바람직하게는 도 2에 있어서, 금속블록의 테퍼형 경사각도는 0도에서 90도 사이가 되도록 구성한다.

도 3은 동축선로와 접속한 모드변환용 금속블록을 이용한 비방사마이크로스트립선로와 MMIC 등의 능동소자가 부착되는 스트립선로와의 접속구조의 단면을 나타낸 것이다. 도 3에 의하면, A 구간은 Quasi-TEM 모드인 마이크로스트립라인 구간이며, B 구간은 Quasi-TEM 모드에서 TEM 모드로 변환되는 모드변환 구간이며, C 구간은 TEM 모드 인 비방사마이크로스트립라인 구간이다.

바람직하게는 A 구간에 있어서, 모드변환용 금속블록의 높이는 Mt는 사용주파수의 ＜λ/2(반파장 이하)의 크기로 결정한다. 또한 B구간에 있어서, A구간의 모드와 C구간의 상이한 모드의 변환이 용이하게 이루어지도록 하기 위해 금속블록(3)이 테퍼형(∠)형태로 가공하여 B 구간으로 둔다. 특히 금속블록의 테퍼형의 경사각도(θ)에 따라 모드변환 효율은 달라지기 때문에 사용주파수에 따라 유효한 경사각도를 결정한다.

또한 상기와 같이 비방사마이크로스트립선로 구조는 콘넥터(9) 등과 같은 TEM 모드를 사용하는 부품이나 회로와의 접속이 가능하다.

본 발명에 있어서, 도 4는 모드변환용 금속블록을 이용한 비방사마이크로스트립선로와 MMIC등의 능동소자가 부착되는 스트립선로와의 접속구조에 있어서,

상기와 같은 비방사마이크로스트립선로 구조에 대한 전송선로의 반사손실(S11)을 나타낸 것이다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 사용주파수 대역이 60GHz일 경우 스트립선로(6)의 반사손실은 -15dB임을 보여주고 있다.

도 5는 모드변환용 금속블록을 이용한 비방사마이크로스트립선로와 MMIC등의 능동소자가 부착되는 스트립선로와의 접속구조에 있어서, 상기와 같이 개선된 비방사마이크로스트립선로 구조에 대한 전송선로의 삽입손실(S21)을 나타낸 것이다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 사용주파수 대역이 60GHz일 경우 스트립선로(6)의 삽입손실은 거의 1dB이하로써, 스트립선로간 모드변환이 자연스럽게 잘 이루어짐을 보여주고 있다.

상기와 같이 본 발명의 금속블록을 이용한 비방사마이크로스트립선로에서의 모드변환 접속구조는 밀리미터파 대역에서 사용하는 MMIC등의 전자부품을 스트립선로에 부착하여 손실 없는 능동회로를 구현할 수 있고,

광대역 특성을 가지며 선로 밖으로 방사하지 않아 전송손실도 거의 없고, 기존의 마이크로스트립 기판과 같이 부품의 탈부착이 손쉬워 회로제작이 간단하다.

또한 상기 비방사마이크로스트립선로 구조에 있어서, 비방사마이크로스트립선로에서의 전계모드는 스트립선로를 중심으로 상하도체판으로 진행하고, 자계모드는 도체판을 중심으로 상하도체판 내부를 회전하는 구조로 되어 있는 전형적인 TEM기본모드를 사용하기 때문에 MMIC등의 전자부품이 부착되는 스트립선로 기판 하면에 모드변환용 테퍼형금속블록을 부착하여 상호모드의 상이로 인한 고차모드 발생 및 신호의 전송손실을 감소시킬 수 있다.

또한 모드변환구간에 해당하는 금속블록의 단면부는 테퍼(∠)형태로 가공하여 Quasi-TEM에서 TEM모드로의 변환이 자연스럽게 일어나는 구조이다.

따라서 테퍼형 금속블록을 이용하여 비방사마이크로스트립선로와 MMIC등의 능동소자가 부착되는 스트립선로에서 모드변환을 자연스럽게 유도할 수 있어, 마이크로파 및 밀리미터파 대역에 이르는 주파수에서 RF능동회로 및 수동회로를 제작하는 데 최적의 전송선로로 사용될 수 있을 것이다.

Claims (3)

1. TEM 모드를 사용하는 비방사마이크로스트립선로에서 Quasi-TEM 모드를 사용하는 MMIC 등의 반도체 부품을 넣어 동작시키는 구조에 있어서,

   유전체기판(5)에 스트립선로(6)를 인쇄하고,

   스트립선로(6)의 상부와 하부에 일정간격 후의 접지용금속판(1, 2)을 부착하고,

   스트립선로(6)와 상기 접지용금속판(1, 2) 사이의 간격은 사용주파수의 λ/2 이내로 하고,

   선로의 일부분에 Quasi-TEM 모드의 MMIC 반도체부품(7)을 부착하기 위하여 스트립패드(13)를 가공하고,

   상기 스트립패드(13) 밑에는 접지동박패턴(4)을 가공하고,

   상기 스트립패드(13)와 상기 접지동박패턴(4) 사이는 연결용 스루홀(14)을 복수개 가공하고,

   상기 접지동박패턴(4) 밑에는 테퍼형금속블록(3)을 부착하고,

   상기 테퍼형금속블록(3)의 양 끝부분의 단면에는 일정각도 θ를 가지고 테퍼형(∠)으로 가공하고,

   상기 테퍼형금속블록(3)이 비방사마이크로스트립선로 내에 존재하는 것을 특징으로 하는 금속블록을 이용한 비방사마이크로스트립선로에서의 모드변환 접속구조
2. 제 1항에 있어서,

   모드변환을 위한 테퍼형금속블록(3)의 높이는 Mt이며, 테퍼형금속블록(3)의 단면부의 빗면 경사각도는 각각 θ로 하고,

   스트립선로(6)의 폭은 W, MMIC부품이 부착되는 스트립패드(13)와 스트립선로(6) 사이의 간격은 S로 하고,

   상기 선로손실과 리플 발생을 줄이기 위해 W와 S의 간격을 각각 0.5mm이하, 0.4mm이하로 결정하고

   테퍼형금속블록(3)의 빗면 경사각도 θ는 0도에서 90도 사이가 되도록 구성하는 것이 특징인 상하 접지용 금속판(1, 2) 내부에 위치한 마이크로스트립선로 및 모드변환용 금속블록 구조
3. 제 2항에 있어서,

   모드변환용 테퍼형금속블록(3)의 높이 Mt는 사용주파수의 ＜λ/2(반파장 이하)의 크기로 결정하는 것이 특징인 상하 접지용 금속판(1, 2) 내부에 위치한 마이크로스트립선로 및 모드변환용 금속블록 구조

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