KR100775414B1 - 반도체소자 부착용 금속지그를 이용한비방사마이크로스트립선로에서의 모드변환기 - Google Patents

반도체소자 부착용 금속지그를 이용한비방사마이크로스트립선로에서의 모드변환기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 금속지그를 이용한 비방사마이크로스트립선로에서의 모드변환기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 사용주파수 λ/2파장이하의 간격을 가진 상하 접지용금속블럭 사이에 동박의 스트립선로가 패터닝된 유전체기판이 배치되고, 상기 동박의 스트립선로 양단에 능동회로를 구현하기 위한 마이크로스트립선로가 상호결합한 구조로써 마이크로스트립선로기판 하부에 모드변환용 스텝형 또는 테퍼형금속지그가 배치된 구조이다.
상기 금속지그의 단면부의 각도에 따라 변환대역을 용이하게 조절할 수 있으며, 금속지그의 길이 및 높이에 따라 사용코자하는 주파수대역으로 결정할 수 있는 장점을 가진다.
또한 상기 구조의 금속지그는 비방사마이크로스트립선로와 MMIC등의 능동소자가 부착되는 스트립선로에서 모드변환을 신속하게 또는 자연스럽게 유도할 수 있어, 마이크로파 및 밀리미터파 대역에 이르는 주파수에서 RF능동회로 및 수동회로를 제작하는 데 최적의 모드변환기로 활용될 수 있다.
비방사마이크로스트립선로, 스텝형지그, 테퍼형지그, TEM, quasi-TEM

Description

반도체소자 부착용 금속지그를 이용한 비방사마이크로스트립선로에서의 모드변환기{Mode-Transition Jig using Metal Block}
도 1: 스텝형 금속지그를 이용한 비방사마이크로스트립선로에서의 모드변환구조
도 2: 테퍼형 금속지그를 이용한 비방사마이크로스트립선로에서의 모드변환구조
도 3: 스텝형 및 테퍼형 금속지그의 단면구조부
도 4: 스텝형 금속지그에 대한 전자파 시뮬레이션
도 5, 도 6: 스텝형 금속지그에 대한 비방마이크로스트립선로 구조의 V밴드용 전송선로의 삽입손실(S21) 및 반사손실 특성(S11)
도 7, 도 8: 스미스챠트(smith chart)
도 9, 도 10: Q밴드용 전송선로의 삽입손실(S21) 및 반사손실 특성(S11)
도 11, 도 12: 스미스챠트
도 13: 테퍼형 금속지그에 대한 전자파 시뮬레이션
도 14, 도 15: 테퍼형 금속지그에 대한 비방마이크로스트립선로 구조의 전송선로 삽입손실(S21) 및 반사손실 특성(S11)
도 16: 스미스챠트(smith chart)
<세부명칭에 대한 상세한 설명>
1, 2: 접지용상하금속판, 3: 금속지그, 4: 유전체기판, 5: 스트립선로, 6: 접지동박판, 7: MMIC, 8: 공간(air gab), 9: 스루홀, 10A: MMIC칩 부착용 패드 10B: 접지동박판, 11: 와이어
마이크로파 및 밀리미터파 대역의 RF모듈을 소형화하기 위해서 내부회로의 입출력 전송선로 대부분을 제작이 용이하고 구조가 간단한 마이크로스트립선로를 이용하여 구현하게 된다.
종래의 마이크로스트립선로는 10GHz 이상의 주파수를 전송할 시에는 무시할 수 없는 고차모드(hybrid mode)의 발생으로 전송손실이 커지는 문제가 있으므로, 일반적으로 전자부품이 부착된 기판으로 고주파신호를 전달하기 위해서는 도파관에 마이크로스트립선로가 부착되고 있으며, 다양한 구조의 방식이 제안되고 있다.
또한 마이크로스트립선로에서는 밑판의 접지판(GND plate)위에 스트립기판을 부착한 것으로, 기판상 인쇄된 스트립을 중심으로 전계모드는 위로 나아가고, 자계모드는 회전하는 구조로써 TEM과 달리 전계모드의 밑부분이 존재하지 않는 quasi-TEM모드가 된다.
따라서 상이한 상기 두 모드를 급격한 구조의 의해 접속하면, 급격한 전자계의 변화에 의한 고차모드가 발생하며 손실이 크게 화로구성이 용이하지 않아 상기 마이크로스트립선로 구조는 선로손실이 크게 발생하게 된다.
상기 기술된 마이크로스트립선로 구조의 단점을 보완하고 마이크로파 이상 밀리미터파 대역에서 RF회로구성이 용이하고, MMIC 등의 전자부품 탈부착이 손쉬우며, 전송손실이 없고, 전송주파수 대역을 용이하게 변환할 수 있는 모드변환용 스텝형 및 테퍼형 금속지그를 비방사마이크로스트립선로 내부에 부착하고, 이를 이용하여 MMIC등의 능동소자가 부착되는 스트립선로와의 접속을 효율적으로 구성하는 것을 목적으로 한다.
비방사마이크로스트립 선로 내부에 MMIC를 부착하기 위한 금속지그(Jig)를 스텝(step)형태 및 테퍼(taper) 형태로 만들어 넣고, 유전체기판과 공간이 없게 밀착하고, MMIC를 부착할 유전체기판의 밑면과 윗면을 스루홀(through hole)가공을 하여 전기적으로 결합이 되게 하고, MMIC를 부착할 면과 밑면을 엣칭기법으로 동박을 인쇄하여 MMIC와의 결합 및 지그(Jig)와의 전기적 결합을 좋게 하며 그라운드효과를 얻게 한다.
바람직하게는 스텝형 금속지그(Step Jig) 및 테퍼형 금속지그(Taper Jig)의 길이는 변환하고자 하는 주파수대에 따라 조절한다. 특히 그라운드(GND) 금속지그(Jig)의 높이에 따라 변환주파수가 변화하며 그에 따라 금속지그(Step Jig)의 길이를 변화시킨다.
본 발명에 있어서,
비방사마이크로스트립 선로 내부에 MMIC를 부착하기 위한 금속지그(3)를 스텝(step)형태 및 테퍼(taper)형으로 만들어 넣고, 유전체기판과 공간이 없게 밀착하고, MMIC(7)를 부착할 유전체기판(4)의 밑면(10B)과 MMIC칩 부착용 패드(10A)을 스루홀(through hole)(9)가공하여 전기적으로 결합이 되게 하고, MMIC(7)를 부착할 면과 밑면을 엣칭기법으로 동박을 인쇄하여 MMIC(7)와의 결합 및 금속지그(3)와의 전기적 결합을 좋게 하며 접지효과를 얻게 한다.
바람직하게는 스텝형 금속지그(Step Jig) 및 테퍼형 금속지그(Taper Jig)의 길이는 변환하고자 하는 주파수대에 따라 조절한다. 특히 그라운드(GND) 금속지그(Jig)의 높이에 따라 변환주파수가 변화하며 그에 따라 금속지그(Step Jig)의 길이를 변화시킨다.
바람직하게는 상기 금속지그(3)구조에 있어서,
일정길이 L을 가진 모드변환용 금속블럭(3)으로 되어 있으며, 높이 t에 따라 변환주파수는 변화한다.
바람직하게는 모드변환구간에 해당하는 금속지그(3)의 단면부의 각도(θ)는 0°에서 90°로 조절가능하며, 상기 각도는 비방사마이크로스트립 선로에서의 TEM 모드가 금속스텝(3)에서 급격하게 또는 자연스럽게 Quasi-TEM 모드로 변환이 되도록 한다.
상기 금속지그(3)의 단면부의 각도(θ)에 의해 통과대역을 협대역 또는 광대역으로 변환 가능하며, 협대역 스텝형 금속지그는 크기는 광대역 테퍼형 금속지그 형태보다 적게 할 수 있다.
특히 MMIC(7)부분에서는 quasi-TEM모드가 되게 MMIC윗부분과 밑부분에서 전자계가 회전할 수 있게 모드변환이 되게한다.
또한 MMIC(7)에서 비방사마이크로스트립선로로 변환이 될 때에는 스텝형의 금속지그(3)을 통과시켜 급격하게 quasi-TEM 에서 TEM으로 변환되게 하고, 테퍼형의 금속지그(3)을 통과시킬 경우는 자연스럽게 quasi-TEM 에서 TEM으로 변환되게 한다.
바람직하게는 금속지그(3) 스텝(step) 길이 L 및 높이 t는 사용하고자 하는 주파수 대역에 맞는 그 길이와 높이를 조절 가공함으로써 원하는 주파수 대역의 모드변환기를 제작할 수 있는 것이 특징이다.
바람직하게는 MMIC(7) 부품을 부착하는 MMIC칩 부착용 패드(10A)는 동박으로 구성하고, 밑면의 그라운드판(GND plate)(10B)과 접속하기 위해 스루홀(through hole)(9)을 복수개 가공하여 GND와 연결되게 하는 것이 특징이다.
바람직하게는 MMIC(7)의 입출력 포트는 마이크로스트립선로와 와이어본딩(11)되어 신호를 연결하며, 연결시 와이어(11) 본드 수를 복수개로 하여 정합상태를 좋게하는 것이 특징이다.
바람직하게는 와이어본딩(11)시 스트립선로(5)의 끝단부분을 연결하여, 전자계 결합시 최대의 전달효과를 거두도록 하는 것이 특징이다.
바람직하게는 스트립(5)과 스트립(5) 사이에 MMIC칩 부착용 패드(10A)를 에칭 혹은 인쇄하고, 밑면의 GND판(10B)과 접속하기 위해 스루홀(through hole)(9)을 가공하고, 스트립선로(5)와 MMIC패드(10A)와 일정한 간격(8)을 가지도록 하고, 이 간격(8)을 조절함으로 통과대역 및 통과주파수를 조절하는 것이 특징이다.
실시 예에 따라
도 1은 모드변환용 지그스텝(3)을 이용한 비방사마이크로스트립선로와 MMIC등의 능동소자가 부착되는 스트립선로와의 접속구조를 나타낸 것이다.
도 1에 의하면, 사용주파수의 λ/2파장이하의 간격을 가진 접지용 상하금속판(1, 2) 사이에 저유전율의 유전체기판(4)이 위치하고, 유전체기판(4) 상면에 마이크로스트립선로(5)가 패터닝되고, MMIC부품이 부착되는 스트립선로 유전체기판(4) 하부면에는 quasi-TEM에서 TEM모드로의 변환을 급격히 유도하기 위한 90°각도스텝형태의 금속지그(3) 및 접지동박패턴을 배치한 구조이다.
도 2는 스텝각도(θ)가 90°이하인 테퍼형(∠) 금속지그(3)가 유전체기판(4) 하면에 부착된 것을 나타낸 것이다.
도 2에 의하면, MMIC부품이 부착되는 스트립선로 유전체기판(4) 하부면에는 quasi-TEM에서 TEM모드로의 변환을 자연스럽게 유도하기 위한 테퍼형(∠)형태의 금속지그(3) 및 접지동박패턴을 배치한 구조이다. 스텝변환기와 달리 테퍼형태의 변환기는 변환대역이 Q밴드에서 V밴드까지 광대역이다. 이는 테퍼의 각도를 조절함으로 변환손실 및 변환대역을 조절할 수가 있다.
도 3은 상기 도 1과 도 2의 구조에서 각각 단면부를 살펴본 것이다. 도 3에 의하면, (a)는 스텝형 금속지그(3)의 부분을 나타낸 것이고, (b)는 테퍼형 금속지그(3)를 나타낸 것이다.
바람직하게는 스텝각도(θ)에 따라 스텝형 금속지그 및 테펴형 금속지그의 구조가 나누어질 수 있으며, 이는 TEM에서 quasi-TEM모드로의 변환을 급격하게 또는 자연스럽게 변환하는 주요 파라메터가 된다.
바람직하게는 금속지그(3)의 길이 L은 사용주파수를 결정하는 주요 파라메터가 되며, 실시예 의하면, L= 3.5mm 인 경우 Q_Band용으로 사용되고, L=2.5mm인 경우는 V-Band용으로 사용될 수 있다.
도 4는 스텝형 금속지그(3)를 이용한 비방사마이크로스트립선로내의 모드변환기에 대한 전자파 시뮬레이션을 실시한 예이다. 도 4에 의하면 스텝형 지그(3)의 특성상 좌측에서의 TEM모드는 금속지그(3) 단면부에서 급격하게 quasi-TEM으로 변환하고, 다시 비방사마이크로스트립선로로 TEM모드로 급격하게 변환되어 진행되고 있음을 알 수 있다.
도 5와 도 6은 상기 스텝형 금속지그(3)를 이용한 모드변환기에 대한 전송특성을 나타낸 것이다. 각각 삽입손실(도 5) 및 반사손실(도 6)을 나타내었으며, 특히 상기 구조는 금속지그(3)의 L=2.5mm일 경우이며, V밴드용으로 협대역의 통과대역을 가지고 있으나 삽입손실을 적게 하여 60GHz 대역에서의 전송특성이 우수함으로 알 수 있다.
도 7과 도 8은 상기 V밴드용 스텝형 금속지그(3)를 사용할 경우 나타낸 스미 스챠트이다.
도 9와 도 10은 각각 삽입손실(도 5) 및 반사손실(도 6)을 나타내었으며, 특히 상기 구조는 금속지그(3)의 L=3.8mm일 경우이며, Q밴드용으로 가능하며, 전송특성이 우수함으로 알 수 있고, 스미스챠트를 도 11과 도 12에 나타내었다.
도 13은 테퍼형 금속지그(3)를 이용한 비방사마이크로스트립선로내의 모드변환기에 대한 전자파 시뮬레이션을 실시한 예이다. 도 13에 의하면 테퍼형 지그(3)의 특성상 좌측에서의 TEM모드는 금속지그(3) 단면부에서 자연스럽계 quasi-TEM으로 변환하고, 다시 비방사마이크로스트립선로로 TEM모드로 자연스럽게 변환되어 진행되고 있음을 알 수 있다.
도 14와 도 15는 상기 테퍼형 금속지그(3)를 이용한 모드변환기에 대한 전송특성을 나타낸 것이다. 각각 삽입손실(도 14) 및 반사손실(도 15)을 나타내었으며, 특히 상기 구조는 10GHz에서 60GHz에 이르는 광대역의 통과대역을 가지고 있고, 삽입손실도 양호하게 나타나고 있음을 알 수 있다.
상기 구조에 의하면, 테퍼의 각도(θ)를 조절함으로 변환손실 및 변환대역을 조절할 수가 있고, 도 16은 상기 테퍼형 금속지그(3)를 이용한 모드변환기에 대한 스미스챠트를 나타낸 것이다.
상기와 같이 본 발명의 스텝형 및 테퍼형 금속지그를 이용한 비방사마이크로스트립선로에서의 모드변환기는 밀리미터파 대역에서 사용하는 MMIC등의 전자부품 을 스트립선로에 부착하여 손실 없는 능동회로를 구현할 수 있고,
협대역 및 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 테퍼형금속블럭을 부착하여 상호모드의 상이로 인한 신호의 전송손실을 감소시킬 수 있다.
또한 모드변환구간에 해당하는 금속지그의 단면부의 각도에 따라 변환대역을 용이하게 조절할 수 있으며, 금속지그의 길이 L에 따라 사용코자하는 주파수 대역으로 결정할 수 있는 장점을 가진다.
따라서 상기 구조의 금속지그는 비방사마이크로스트립선로와 MMIC등의 능동소자가 부착되는 스트립선로에서 모드변환을 신속하게 또는 자연스럽게 유도할 수 있어, 마이크로파 및 밀리미터파 대역에 이르는 주파수에서 RF능동회로 및 수동회로를 제작하는 데 최적의 전송선로로 사용될 수 있을 것이다.

Claims (12)

  1. 스텝형 금속지그를 이용한 비방사마이크로스트립선로에서의 모드변환기에 있어서,
    밀리미터파 대역의 사용주파수의 λ/2파장 이하의 간격을 가진 접지용 상하금속판(1, 2) 사이에 저유전율의 유전체기판(4)이 위치하고,
    상기 유전체기판(4) 상면에 마이크로스트립선로(5)가 배치되고,
    상기 마이크로스트립선로(5) 사이에 MMIC칩 부착용 스트립 패드(10A)가 배치되고,
    상기 MMIC부품이 부착되는 MMIC칩 부착용 스트립 패드(10A) 기판하부면에는 접지용 동박(10B)의 박막이 부착되고,
    상기 접지용 동박(10B)의 기판하부면에는 모드변환용 금속지그(3)가 스텝형으로 구성되는 것이 특징인 스텝형 금속지그를 이용한 비방사마이크로스트립선로에서의 모드변환기
  2. 제 1항에 있어서,
    바람직하게는 모드변환을 위한 스텝형 금속지그(3)의 높이 t와 길이 L을 가지고, 스텝형 금속지그(3)의 경사각도(θ)는 90°로 하고,
    상기 금속지그(3)의 높이 t 및 길이 L은 사용되는 주파수대역 및 변환대역을 결정하고, 지그의 경사각도(θ)는 협대역 통과대역으로 변환시키는 파라메터인 것이 특징인 스텝형 금속지그를 이용한 비방사마이크로스트립선로에서의 모드변환기
  3. 테퍼형 금속지그를 이용한 비방사마이크로스트립선로에서의 모드변환기에 있어서,
    밀리미터파 대역의 사용주파수의 λ/2파장 이하의 간격을 가진 접지용 상하금속판(1, 2) 사이에 저유전율의 유전체기판(4)이 위치하고,
    상기 유전체기판(4) 상면에 마이크로스트립선로(5)가 배치되고,
    상기 마이크로스트립선로(5) 사이에 MMIC칩 부착용 스트립 패드(10A)가 배치되고,
    상기 MMIC부품이 부착되는 MMIC칩 부착용 스트립 패드(10A)의 기판하부면에는 접지용 동박(10B)의 박막이 부착되고,
    상기 접지용 동박(10B)의 기판하부면에는 모드변환용 금속지그(3)가 테퍼형으로 구성되는 것이 특징인 테퍼형 금속지그를 이용한 비방사마이크로스트립선로에서의 모드변환기
  4. 제 3항에 있어서,
    바람직하게는 모드변환을 위한 테퍼형 금속지그(3)의 높이는 t와 길이 L을 가지고, 테퍼형 금속지그(3)의 경사각도(θ)는 90°이하로 하고,
    상기 금속지그(3)의 높이 t 및 길이 L은 사용되는 주파수대역 및 변환대역을 결정하고, 경사각도(θ)는 광대역 통과대역으로 변환시키는 파라메터인 것이 특징인 테퍼형 금속지그를 이용한 비방사마이크로스트립선로에서의 모드변환기
  5. 제 2항에 있어서,
    MMIC 부품을 부착하는 밑면(10A)은 동박으로 구성하고, 스텝형 금속지그(3)와 부착되는 밑면의 그라운드판(GND plate)(10B)과 접속하기 위해 스루홀(through hole)(9)을 복수개 가공하여 GND와 연결되게 하는 것이 특징인 스텝형 금속지그를 이용한 비방사마이크로스트립선로에서의 모드변환기
  6. 제 2항에 있어서,
    MMIC의 입출력 포트는 마이크로스트립선로(5)와 와이어본딩(11)되어 신호를 연결하며, 연결시 와이어(11) 본드 수를 1개 이상 복수개로 하여 정합상태를 좋게하는 것이 특징인 스텝형 금속지그를 이용한 비방사마이크로스트립선로에서의 모드변환기
  7. 제 6항에 있어서,
    와이어본딩(11)시 스트립선로(5)의 끝단부분을 연결하여, 전자계 결합시 최대의 전달효과를 거두도록 하는 것이 특징인 스텝형 금속지그를 이용한 비방사마이크로스트립선로에서의 모드변환기
  8. 제 2항에 있어서,
    스트립(5)과 스트립(5) 사이에 MMIC칩 부착용 패드(10A)를 에칭 혹은 인쇄하고, 밑면의 GND판(10B)과 접속하기 위해 스루홀(through hole)(9)을 가공하고, 스트립선로(5)와 MMIC패드(10A)와 일정한 간격(8)을 가지도록 하고, 이 간격(8)을 조절함으로 통과대역 및 통과주파수를 조절하는 것이 특징인 스텝형 금속지그를 이용한 비방사마이크로스트립선로에서의 모드변환기
  9. 제 4항에 있어서,
    MMIC 부품을 부착하는 밑면(10A)은 동박으로 구성하고, 테퍼형 금속지그(3)와 부착되는 밑면의 그라운드판(GND plate)(10B)과 접속하기 위해 스루홀(through hole)(9)을 복수개 가공하여 GND와 연결되게 하는 것이 특징인 테퍼형 금속지그를 이용한 비방사마이크로스트립선로에서의 모드변환기
  10. 제 4항에 있어서,
    MMIC의 입출력 포트는 마이크로스트립선로(5)와 와이어본딩(11)되어 신호를 연결하며, 연결시 와이어(11) 본드 수를 1개 이상 복수개로 하여 정합상태를 좋게하는 것이 특징인 테퍼형 금속지그를 이용한 비방사마이크로스트립선로에서의 모드변환기
  11. 제 10항에 있어서,
    와이어본딩(11)시 스트립선로(5)의 끝단부분을 연결하여, 전자계 결합시 최대의 전달효과를 거두도록 하는 것이 특징인 테퍼형 금속지그를 이용한 비방사마이크로스트립선로에서의 모드변환기
  12. 제 4항에 있어서,
    스트립(5)과 스트립(5) 사이에 MMIC칩 부착용 패드(10A)를 에칭 혹은 인쇄하고, 밑면의 GND판(10B)과 접속하기 위해 스루홀(through hole)(9)을 가공하고, 스트립선로(5)와 MMIC패드(10A)와 일정한 간격(8)을 가지도록 하고, 이 간격(8)을 조절함으로 통과대역 및 통과주파수를 조절하는 것이 특징인 테퍼형 금속지그를 이용한 비방사마이크로스트립선로에서의 모드변환기
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