KR100775945B1

KR100775945B1 - 임피던스 변환 장치

Info

Publication number: KR100775945B1
Application number: KR1020060090523A
Authority: KR
Inventors: 간지 오쯔까; 다모쯔 우사미; 유타카 아키야마
Original assignee: 간지 오쯔까; 다모쯔 우사미; 유타카 아키야마; 오끼 덴끼 고오교 가부시끼가이샤; 가부시끼가이샤 도시바; 후지쯔 가부시끼가이샤; 가부시끼가이샤 르네사스 테크놀로지; 쿄세라 코포레이션; 후지제롯쿠스 가부시끼가이샤
Priority date: 2006-01-30
Filing date: 2006-09-19
Publication date: 2007-11-13
Also published as: US7446625B2; JP4073456B2; KR20070078776A; TW200729604A; US20070176708A1; CN100555742C; JP2007202005A; TWI318807B; CN101013767A

Abstract

임피던스 변환 장치에는, 제1 및 제2 도체는 제1 특성 임피던스를 가지는 전송선로를 구성하고, 제3 및 제4 도체는 제1 특성 임피던스를 가지는 전송선로를 구성하고, 제1 및 제3 도체는 제2 특성 임피던스를 가지는 전송선로를 구성하고, 제2 및 제4 도체는 제2 특성 임피던스를 가지는 전송선로를 구성하도록 네 개의 도체들이 배치된다. 상기 제1 특성 임피던스와 동일한 저항치를 가지는 저항체는 서로 근접한 제2 및 제4 저항체의 단부 사이에 접속한다. 상기 제2 특성 임피던스와 동일한 저항치를 가지는 저항체는 서로 근접한 제3 및 제4 저항체의 단부 사이에 접속한다. 임피던스 변환 장치의 외형 크기는 스택트 페어형 선로에 삽입하는 데에 충분히 작다.

임피던스, 변환, 도체, 크로스 토크

Description

임피던스 변환 장치{NARROW IMPEDANCE CONVERSION DEVICE}

도 1은 본 발명을 이용한 임피던스 변환 장치의 사시도다.

도 2는 도 1의 임피던스 변환 장치의 평면도다.

도 3은 도 1의 임피던스 변환 장치의 저면도다.

도 4는 도 1의 임피던스 변환 장치의 측면도다.

도 5는 도 2 ~ 도 4의 V-V선 단면도다.

도 6은 도 2 ~ 도 4의 VI-VI선 단면도다.

도 7은 도 2 ~ 도 4의 VII-VII선 단면도다.

도 8은 TDR 측정에 사용한 구조체의 평면도다.

도 9는 TDR 측정에 사용한 구조체의 저면도다.

도 10은 TDR 측정기, 및 그것에 접속된 동축 케이블 및 프로브를 도시한 도면이다.

도 11은 도 8 및 도 9의 구조체를 사용해서 행한 TDR 측정에 의해 얻어지는 파형의 예를 도시한 도면이다.

도 12는 도 1의 임피던스 변환 장치의 입력측에 직류전원을 접속하고, 출력측에 부하 저항을 접속한 상태를 나타내는 도면이다.

도 13은 도 1의 임피던스 변환 장치의 입력측에 펄스 발생기를 접속하고, 출력측에 부하 저항을 접속하고, 출력측의 전압을 측정하기 위한 오실로스코프를 접속한 상태를 도시한 도면이다.

도 14는 TDR 측정에 사용한 임피던스 변환 장치의 평면도다.

도 15는 TDR 측정에 사용한 임피던스 변환 장치의 저면도다.

도 16은 도 13에 나타낸 측정으로 얻어지는 파형의 예를 나타내는 도면이다.

도 17은 도 13에 나타낸 측정에 있어서 출력측을 전기적으로 개방한 상태에서 얻어진 파형의 예를 도시한 도면이다.

도 18은 도 13에 나타낸 측정에 있어서 도체의 중앙 부분을 연장한 경우 얻어진 파형의 예를 도시한 도면이다.

도 19는 TDR에 사용하는 다른 구조체의 평면도다.

도 20은 도 19의 구조체의 저면도다.

도 21은 도 19 및 도 20의 구조체를 사용해서 행한 TDR 측정에 의해 얻어지는 파형의 일례를 도시한 도면이다.

도 22는 서로 인접하는 도체 사이의 크로스 토크를 도시한 사시도다.

도 23은 서로 인접하는 도체 사이의 크로스 토크를 도시한 단면도다.

도 24는 본 발명의 다른 실시예의 단면도다.

[기술분야]

본 발명은 임피던스 변환 장치에 관한 것으로, 특히 스택트 페어 라인에 삽입할 수 있는 임피던스 변환 장치에 관한 것이다.

[배경기술]

종래의 전송로에 삽입할 수 있는 임피던스 변환 장치로서, 예를 들면 일본국 공개특허공보 특개 평10-224123호에 기재된 것이 알려져 있다.

그러나 상기 알려진 장치는 마이크로 스트립 선로에 삽입하도록 설계되었고, 스택트 페어형 선로에 삽입하는 선로에 대해 직교하는 방향의 크기는 너무 크다.

본 발명은 스택트 페어형 선로에 삽입하기 위해 충분히 좁은 임피던스 변환 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명인 임피던스 변환 장치는 각각 제1 단부 및 제2 단부를 가지는 제1, 제2, 제3, 제4 도체로 구성된다. 제1 및 제2 도체는 제1 특성 임피던스를 가지는 제1 전송선로를 구성하고, 제1 및 제3 도체는 상기 제1 특성 임피던스와 다른 제2 특성 임피던스를 가지는 제2 전송선로를 구성하고, 제2 및 제4 도체는 제2 특성 임피던스를 가지는 제3 전송선로를 구성하고, 제3 및 제4 도체는 제1 특성 임피던스 를 가지는 제4 전송선로를 구성하도록 도체들이 배치된다.

상기 제1 특성 임피던스와 동일한 저항치를 가지는 제1 저항체는 서로 근접한 제2 및 제4 저항체의 제2 단부 사이에 접속한다. 상기 제2 특성 임피던스와 동일한 저항치를 가지는 제2 저항체는 서로 근접한 제3 및 제4 저항체의 제1 단부 사이에 접속한다.

상기 네 개의 도체들은 제1 및 제2 도체의 제1 단부에서 입력되고 제1 및 제3 도체의 제2 단부에서 출력되는 신호를 전송한다. 상기 제4 도체는 상기 전송신호의 기본파장의 4분의 1을 초과하지 않는 길이로 된 것이 바람직하다.

전송된 신호의 임피던스는 효율적으로 변환되고, 도체들의 길이 방향에 수직인 방향으로 임피던스 변환 장치의 크기가 상대적으로 작아, 임피던스 변환 장치를 제한된 공간에 형성할 수 있게 되고, 특히 스택트 페어 라인에 삽입할 수 있게 된다. 본 임피던스 변환 장치를 사용하면 마이크로 전자 부분의 크기를 줄일 수 있다.

[실시예]

첨부 도면을 참조해서 본 발명의 실시예의 임피던스 변환 장치를 설명하는데, 동일 요소는 동일 부호로 나타낸다.

도 1 ~ 도 7에 나타낸 바와 같이, 이 임피던스 변환 장치는 제1, 제2, 제3, 제4 스트립트형 도체(11, 12, 13, 14)와, 제1 저항체(15), 및 제2 저항체(16)와, 유전체 시트(17)를 포함한다. 제1 ~ 제4 도체(11 ~ 14)는 서로 평행한 직선으로 연 장한다.

유전체 시트(17)는 제1 면 또는 윗면(17a)(도 1 및 도 4 ~ 도 7에서 가장 위), 및 제2 면 또는 아랫면(17b)으로 되어 있다. 제1 및 제3 도체(11 및 13)는 유전체 시트(17)의 윗면(17a) 위에 나란히 배치되고, 그것들의 길이와 직교하는 방향으로 서로 분리되어 있고, 유전체 시트(17)의 윗면(17a)과 아랫면(17b)에 평행하다. 제2 및 제4 도체(12 및 14)는 유전체 시트(17)의 아랫면(17b) 위에 유사하게 나란히 배치된다.

제1 도체(11)와 제2 도체(12)는 유전체 시트(17)를 사이에 두고 반대쪽에 배치되고, 유전체 시트(17)의 윗면(17a) 및 아랫면(17b)에 직교하는 방향으로 서로 마주본다. 마찬가지로, 제3 도체(13)와 제4 도체(14)는 유전체 시트(17)를 사이에 두고 반대쪽에 서로 마주보도록 배치된다.

도 2 ~ 도 4에 나타낸 바와 같이, 이 임피던스 변환 장치(1)에는 입력 부분 또는 영역(1a)과, 중앙 부분 또는 영역(1b)과, 출력 부분 또는 영역(1c)이 있다. 입력 영역(1a)은 임피던스 변환 장치(1)의 입력측 단부(1d) 부근의 영역이고, 출력 영역(1c)은 임피던스 변환 장치(1)의 출력측 단부(1e) 부근의 영역이다. 중앙 영역(1b)은 입력 영역(1a)과 출력 영역(1c) 사이의 영역이다. 입력 영역(1a), 중앙 영역(1b), 및 출력 영역(1c)은 서로 연속되어 있다.

제1 도체(11)는 임피던스 변환 장치(1)의 입력 영역(1a), 중앙 영역(1b), 및 출력 영역(1c)에 걸쳐 연장하며, 각각의 입력 영역(1a), 중앙 영역(1b), 및 출력 영역(1c)에 위치하는 입력 부분(11a), 중앙 부분(11b), 및 출력 부분(11c)을 가진 다.

제2 도체(12)는 임피던스 변환 장치(1)의 입력 영역(1a), 및 중앙 영역(1b)에 걸쳐 연장하며, 각각의 입력 영역(1a), 및 중앙 영역(1b)에 위치하는 입력 부분(12a), 및 중앙 부분(12b)을 가진다.

제3 도체(13)는 임피던스 변환 장치(1)의 중앙 영역(1b), 및 출력 영역(1c)에 걸쳐 연장하며, 각각의 중앙 영역(1b), 및 출력 영역(1c)에 위치하는 중앙 부분(13b), 및 출력 부분(13c)을 가진다.

제4 도체(14)는 임피던스 변환 장치(1)의 중앙 영역(1b)에만 걸쳐 연장하며, 중앙 영역(1b)에 위치하는 중앙 부분(14b)을 가진다.

제1 도체(11)와 제2 도체(12)는 제1 특성 임피던스 z1을 가지는 전송선로를 구성한다.

제2 도체(12)와 제4 도체(14)는 제1 특성 임피던스 z1과는 다른 제2 특성 임피던스 z2를 가지는 전송선로를 구성한다.

제1 도체(11)와 제3 도체(13)는 상기 제2 특성 임피던스 z2를 가지는 전송선로를 구성한다.

제3 도체(13)와 제4 도체(14)는 상기 제1 특성 임피던스 z1을 가지는 전송선로를 구성한다.

제1 도체(11)는 일단(입력측 단부)(11d)이 임피던스 변환 장치(1)의 입력측 단부(1d)에 위치하고, 타단(출력측 단부)(11e)이 임피던스 변환 장치(1)의 출력측 단부(1e)에 위치하도록 배치된다.

제2 도체(12)는 일단(입력측 단부)(12d)이 임피던스 변환 장치(1)의 입력측 단부(1d)에 위치하고, 타단(출력측 단부)(12e)이 임피던스 변환 장치(1)의 중앙 영역(1b)과 출력 영역(1c)의 경계(1g)에 위치하도록 배치된다.

제3 도체(13)는 일단(입력측 단부)(13d)이 임피던스 변환 장치(1)의 입력 영역(1a)와 중앙 영역(1b)의 경계(1f)에 위치하고, 타단(출력측 단부)(13e)이 임피던스 변환 장치(1)의 출력측 단부(1e)에 위치하도록 배치된다.

제4 도체(14)는 일단(입력측 단부)(14d)이 임피던스 변환 장치(1)의 입력 영역(1a)과 중앙 영역(1b)의 경계(1f)에 위치하고, 타단(출력측 단부)(14e)이 임피던스 변환 장치(1)의 중앙 영역(1b)과 출력 영역(1c)의 경계(1g)에 위치하도록 배치된다.

제2 도체(12)의 출력측 단부(12e) 및 제4 도체(14)의 출력측 단부(14e)는 함께 유전체 시트(17)의 아랫면(17b)에 위치하고, 서로 근접해 있다. 제3 도체(13)의 입력측 단부(13d)와 제4 도체(14)의 입력측 단부(14d)는 각각 유전체 시트(17)의 아랫면(17b), 윗면(17a)에 위치하고, 서로 근접해 있다.

제1 저항체(15)는 유전체 시트(17)의 아랫면(17b) 위에 설치된다. 제1 저항체(15)는 제2 도체(12)의 출력측 단부(12e)와 제4 도체(14)의 출력측 단부(14e)를 접속하고, 제1 특성 임피던스 z1과 동일한 저항치 R1을 가진다.

제2 저항체(16)는 유전체 시트(17)를 관통하여 연장하도록 형성된다. 제2 저항체(16)는 제3 도체(13)의 입력측 단부(13d)와 제4 도체(14)의 입력측 단부(14d)를 접속하고, 제2 특성 임피던스 z2와 동일한 저항치 R2를 가진다.

제1 특성 임피던스 z1의 값(절대치)은 예를 들면 50옴(50Ω)이며, 제2 특성 임피던스 z2의 값(절대치)은 예를 들면 82Ω이다.

제1 ~ 제4 도체(11 ~ 14)는 같은 단면 형상을 가지고, 예를 들면 두께(도 5 ~ 도 7의 세로방향의 크기)는 40μm이며, 폭(도 5 ~ 도 7로 가로방향의 크기)은 0.8mm다.(도면상의 크기는, 실제의 크기에 비례하지 않는다.)

유전체 시트(17)의 두께는 170μm다. 제1 도체(11)와 제2 도체(12) 사이의 간격 및 제3 도체(13)와 제4 도체(14) 사이의 간격은 유전체 시트(17)의 두께와 동일하다.

제1 도체(11)와 제3 도체(13) 사이의 간격과, 제2 도체(12)와 제4 도체(14) 사이의 간격은 서로 동일하게 100μm(0.1mm)다.

중앙 영역(1b)에 있어서 제1 ~ 제4 도체가 평행하므로, 이하의 설명에서 「4-평행 부분」이라고 부르기도 한다. 이에 반해, 입력 영역(1a) 및 출력 영역(1c)은 「2-평행 부분」이라고 부르기도 하는데, 입력 영역(1a)에서는 제1 및 제2 도체(11 및 12)만이 평행하고, 출력 영역(1c)에서는 제1 및 제3 도체(11 및 13)만이 평행하기 때문이다.

임피던스 변환 장치의 중앙 영역(1b)의 길이, 즉 도체(14)의 길이(도체(11 ~ 14)가 연장하는 방향의 길이)는 전송되는 신호의 기본파의 파장의 1/4 이하로 하는 것이 바람직하고, 제1 도체(11)와 제2 도체(12)의 간격 및 제1 도체(11)와 제3 도체(13)의 간격 중 큰 것의 10배 이상인 것이 바람직하다. 더 구체적으로는, 전송되는 신호의 기본파장의 1/64 이상인 것이 바람직하다.

상기와 같이 임피던스 변환 장치(1)를 구성하면, 입력측의 임피던스 Zin은 제1 특성 임피던스 z1(50Ω)과 동일하고, 출력측의 임피던스 Zout은 제2 특성 임피던스 z2(82Ω)과 동일하다. 즉 임피던스 변환이 행해지고 있다. 이는 전송로 임피던스를 TDR(time domain reflectometry) 측정기로 측정한 결과 확인되었다.

TDR 측정기는 펄스형 신호를 송신하고, 피측정 대상으로서 회로로부터의 펄스의 반사를 관측하는 것으로 실행한다. TDR은 신호의 전파 경로를 따라 임피던스의 변화를 검출한다.

도 8 및 도 9는 TDR 측정에 사용되는 구조체의 평면도 및 저면도이며, 각각 도 2 및 도 3에 대응한다. 이 구조체는 도 1 ~ 도 7에 나타낸 임피던스 변환 장치(1)와 유사하다. 유전체 시트(117)(도 1의 유전체 시트(17)에 대응한다)의 윗면(117a)에 제1 도체(111) 및 제3 도체(113)가 설치되고, 아랫면(117b)에 제2 도체(112) 및 제4 도체(114)가 설치된다. 제1 ~ 제4 도체(111 ~ 114)는 각각 도 1 ~ 도 7의 제1 ~ 제4 도체(11 ~ 14)에 대응하며, 제1 내지 제4 도체(11 ~ 14)와 동일한 두께 및 폭을 가진다. 제1 도체(111)와 제2 도체(112)는 유전체 시트(117)를 사이에 두고 서로 마주보고 있으며, 제3 도체(113)와 제4 도체(114)는 유전체 시트(117)를 사이에 두고 마주보고 있다. 저항체(15 및 16)는 아직 접속되어 있지 않다. 제1 내지 제4 도체(111 ~ 114)는 동일한 길이(LT = 80mm)로 되어 있다.

제1 내지 제4 도체(111 ~ 114)의 단부(도 8 및 도 9에서 좌측 단부)(111b ~ 114b)에는, 이들 도체들과 동일한 재료로 형성된 스트립트형 리드부(121 ~ 124)가 설치되고, 리드부(121 ~ 124)의 단부에는 접속 패드부(131 ~ 134)가 설치된다. 리 드부(121 ~ 124)의 길이 LL은 12mm다.

도체(111)와 도체(112), 도체(112)와 도체(114), 도체(113)와 도체(114), 도체(111)와 도체(113)로 각각 구성되는 전송선로의 임피던스를 측정하였다. 도 10에 나타낸 바와 같이, TDR 측정기(51)는 펄스형 신호의 송신 및 반사파의 수신을 위한 동축 케이블(52)의 단부에 설치된 프로브(53a, 53b)를 가진다. 프로브(53a, 53b)는 전송선로를 구성하는 도체에 접촉시켜서 신호를 입력하고, 반사파의 신호를 수신한다.

구체적으로는, 도체(111)와 도체(112)로 구성되는 전송선로의 임피던스 측정시에는, 도체(111) 및 도체(112)의 접속 패드(131 및 132)에 프로브(53a, 53b)를 접촉시키고, 도체(113)와 도체(114)로 구성되는 전송선로의 임피던스 측정시에는, 도체(113) 및 도체(114)의 접속 패드(133 및 134)에 프로브(53a, 53b)를 접촉시키다. 도체(111)와 도체(113)로 구성되는 전송선로의 임피던스 측정시에는, 도체(111) 및 도체(113)의 다른 쪽의 단부(111i 및 113i)에 프로브(53a, 53b)를 접촉시킨다. 도체(112)와 도체(114)로 구성되는 전송선로의 임피던스 측정시에는, 도체(112) 및 도체(114)의 다른 쪽의 단부(112i 및 114i)에 프로브(53a, 53b)를 접촉시킨다.

TDR 측정기(51)의 화면 위에 나타나는 파형의 일례를 도 11에 나타낸다. 도 11에 있어서, 곡선 B5a, B5b, B5c, B5d는 각각, 도체(111)와 도체(112), 도체(113)와 도체(114), 도체(111)와 도체(113), 도체(112)와 도체(114)에 프로브(53a, 53b)를 접촉시켰을 때 얻어지는 파형을 나타낸다. 다른 파형의 제로 레벨은 서로 떨어 뜨려 표시한다.

이들 곡선의 가장 좌측의 영역 RXa ~ RXd는 동축 케이블(52)(50Ω)의 임피던스를 나타낸다. 영역 RXa ~ RXd에 인접하고, 그 오른쪽에 위치하는 영역은 프로브(53a, 53b)와 접속 패드부(131 ~ 134) 또는 도체(111 ~ 114)의 단부(111i ~ 114i)와의 접촉 부분에 대응한다. 중앙의 영역 RPa ~ RPd는 도체(111 ~ 114)의 임피던스(각각, 도체(111)와 도체(112)로 구성되는 전송선로, 도체(113)와 도체(114)로 구성되는 전송선로, 도체(111)와 도체(113)로 구성되는 전송선로, 도체(112)와 도체(114)로 구성되는 전송선로의 임피던스)을 나타낸다. 가장 오른쪽의 영역 ROa ~ ROd는 전기적으로 개방된 단부의 임피던스를 나타낸다. 곡선 B5a 및 B5b에 있어서, 중앙의 영역 RPa, RPb과 프로브(53a, 53b)의 접촉 부분에 대응하는 영역 RCa ~ RCd의 사이에 위치하는 영역 RLa, RLb는 리드부(121 ~ 124)의 임피던스를 나타낸다. 곡선 B5c 및 B5d에 있어서, 중앙의 영역 RPc, RPd와 전기적으로 개방된 단부에 대응하는 영역 ROc, ROd의 사이에 위치하는 영역 RLc, RLd는 리드부(121 ~ 124)의 임피던스를 나타낸다.

측정 결과로부터, 각 도체 쌍의 임피던스로서 표 1에 나타내는 값을 이해할 수 있다.

[표 1]

도체 쌍	임피던스
111, 112	49.0Ω
113, 114	49.1Ω
111, 113	82.0Ω
112, 114	77.6Ω

다양한 조건 하에서 본 실시예의 임피던스 변환 장치(1)의 임피던스 변환 효율 및 파형의 일그러짐에 대해서 검토한다.

우선 임피던스 변환 장치(1)의 출력 단부, 즉 도체(11, 13)의 출력측 단부(11e, 13e) 사이에, 도 12에 나타낸 바와 같이 제2 특성 임피던스 z2(82Ω)와 동일한 값의 부하 저항(18)이 접속되어 있는 경우를 검토한다. 도 12에서는 도체(11 ~ 14)의 전기적 접속 관계를 이해하기 쉽게 하기 위해서, 도체(11 ~ 14)를 동일 평면 위에 나타낸다. 또한 저항체(15 및 16)도 간략화한다.

도 1 ~ 도 7의 임피던스 장치(1)의 입력 단부, 즉 도체(11, 12)의 입력측 단부(11d, 12d)에, 도 12에 나타낸 바와 같이 직류전원(60)으로부터 직류전압 Vin을 공급한 경우(이 경우, 도체(11 ~ 14) 상호 간의 전자기적 결합을 무시할 수 있다), 출력 단부(11e, 13e) 사이에 나타나는 전압 Vout는, 하기의 식으로 주어진다.

Vout = Vin × (R2/(2 × R2 + R1 + Rin))

상기 식에서 Rin은 직류전원(60)의 내부저항이다.

내부저항 Rin은 일반적으로 입력 임피던스 R1과 동일하게 만들어진다. Rin = R1이면, 상기 식은 다음과 같이 된다.

Vout = Vin × {R2/(2 × R2 + 2 × R1)} ...(1)

R = 50Ω, R2 = 82Ω인 경우에는,

Vout = Vin × {82/(2 × 50 + 2 × 82)}

= Vin × (82/264) ...(2)

Vin의 값이 500밀리볼트(500mV)이면,

Vout = 500 × 82/264 = 155mV ...(3)

다음으로, 도 1 ~ 도 7의 임피던스 변환 장치(1)의 입력측에, 도 13에 나타낸 바와 같이 펄스 발생기(61)로부터 전압 펄스 열을 인가했을 때에, 출력측에 나타나는 전압을 오실로스코프(65)로 관측했다. 도 13에 있어서, 도 12과 같이 도체(11 ~ 14)는 동일 평면 위에 있는 것으로 나타내고, 저항체(15 및 16)는 마찬가지 방식으로 간략화하여 표시한다.

이 측정에는, 도 14 및 도 15에 나타내는 시험용 임피던스 변환 장치(1)를 이용하였다. 도 14 및 도 15에 나타내는 시험용 임피던스 변환 장치(1)는 대체로 도 1 ~ 도 7에 나타낸 임피던스 변환 장치(1)와 동일하지만, 도 8 및 도 9의 구조체와 유사하게, 도체(11, 12)의 입력측 단부(11d, 12d)에 리드부(121, 122)가 설치되고, 리드부(121, 121)의 단부에 접속 패드(131, 132)가 설치된다. 유전체 시트(17)는 도 1 ~ 도 7에 나타내는 것보다도 넓은 범위에 걸쳐 연장한다.

도 13에 나타낸 바와 같이 저항체(15 및 16)를 도 1 ~ 도 7을 참조해서 설명한 것과 같은 방식으로 접속하여 측정하였다. 도체(11, 13)의 출력측 단부(부하 단부)(11e, 13e)에 제2 특성 임피던스 z2(82Ω)와 동일한 저항치(RL)를 가지는 부하 저항(18)을 접속하였다. 도체(11, 12, 13, 14)의 중앙 부분(11b, 12b, 13b, 14b)의 길이는 2mm였다.

펄스 발생기(61)로는, 내부저항 Rin이 제1 임피던스 z1(50Ω)과 동일한 것을 사용했다. 펄스 발생기(61)의 프로브(63a, 63b)를 입력측의 접속 패드(131, 132)에 접촉시켰다. 오실로스코프(65)로는, 고임피던스 차동 프로브(66a, 66b)를 구비한 것을 사용했다. 측정한 파형을 도 16에 나타낸다.

공급되는 펄스의 진폭이 500mV이고, 펄스 열의 주파수가 100MHz, 500MHz, 1GHz, 2GHz, 3GHz일 경우의 측정 결과를 도 16에 각각 곡선 B6a, B6b, B6c, B6d, B6e로 나타낸다.

관측된 파형으로부터, 파고치 및 상승 시간(파고치의 20％를 초과한 시점으로부터 파고치의 80％에 달할 때까지의 시간)을 해석하면, 표 2와 같다.

[표 2]

입력 주파수	파고치(mV)	상승 시간(ps)
500MHz	255.1	67.3
1GHz	222.2	53.1
2GHz	255.1	66.5
3GHz	259.2	59.5

상기의 실험으로 얻어지는 파고치와, 식(3)에 의해 얻어지는 값(직류를 인가했을 경우의 출력 전압치)의 차이는, 전송로에 있어서의 전자기 결합에 기인한다.

예를 들면, 주파수가 500MHz일 때의 측정되는 파고치는 255.1mV다. 이 값과 식 (3)으로부터 얻어지는 값의 차(255.1mV - 155mV = 100.1mV)는 전자기 결합에 의해 유도된 전압성분을 나타내고, 이는 효율적으로 임피던스 변환이 이루어졌다는 것을 나타낸다.

다음으로, 임피던스 변환 장치(1)의 출력 단부, 즉 도체(11, 13)의 출력측 단부(11e, 13e)를 전기적으로 개방한 경우에 대해서 유사한 측정을 행한다. 그 경우의 측정 조건은, 출력측 단부(11e, 13e)를 전기적으로 개방한 점, 즉 부하 저항(18)을 제거한 점 이외에는, 상기와 같다. 측정된 파형을 도 17에 나타낸다. 관 측된 파형으로부터 판독한 파고치를 표 3에 나타낸다.

[표 3]

입력 주파수	파고치(mV)
100MHz	880
500MHz	880.1
1GHz	537.9
2GHz	391.2
3GHz	619.3

도 17 및 표 3에 나타낸 바와 같이, 출력 단부(11e, 13e)가 전기적으로 개방되어 있는 경우, 전압치가 높아진다. 출력측 단부가 전기적으로 개방되어 직류적으로 접속되어 있지 않은 회로라도, 도체(11, 13)의 출력 단부에 충분한 에너지가 전달된다. 직류적으로 접속되어 있지 않은 상태에서는, 전자기결합만으로 에너지가 전달되지만, 부하 단부(11e, 13e)에서 전반사가 일어나므로, 약 2배의 전압이 얻어지고, 임피던스 변환에 따르는 에너지의 외관상 손실은 사실상 없다.

임피던스 변환 장치(1)의 출력 단부(11e, 13e)를 CMOS 회로의 게이트에 접속한 경우에는, 전기적으로 개방한 경우와 거의 동일한 상태이므로, 도 17 및 표 3에 나타낸 결과에 거의 가까울 것이라고 추정된다.

도체(13, 14) 사이에 접속한 저항체(16)(R2 = 50Ω)로 인해 부정합 반사가 일어나고, 이에 따라 주파수 특성을 지니게 되지만, 부정합이 없는 상태에서는 파형이 매끄러워진다. 부정합이 되는 이유에 관해서는 아래에 도 21을 참조하여 설명한다.

상기 예에서(도 16 및 도 5)는, 중앙 부분의 길이가 2mm였다. 중앙 부분의 길이를 20mm로 한 경우의 측정 결과를 도 18에 나타낸다. 도 18에서, 곡선 B8a, B8b, B8c, B8d, B8e는 각각 펄스 열의 주파수가 100MHz, 500MHz, 1GHz, 2GHz, 3GHz일 경우의 측정 결과다. 관측된 파형으로부터 파고치를 해석하면, 표 4와 같다.

[표 4]

입력 주파수	파고치(mV)
500MHz	311.0
1GHz	244.8
2GHz	397.0
3GHz	251.4

도 18 및 표 4로부터, 전압치가 저하되고, 파형의 일그러짐이 증가한다는 것을 알 수 있다. 이는 경계부분(1f, 1g) 사이의 거리가 길어, 한쪽의 경계부분으로부터 반사하고 나서 다른 쪽의 경계부분으로 반사할 때까지의 시간이 길어지고, 이것이 중복되어 파형이 일그러진다고 생각된다.

상기와 같이, 2-평행 부분(1a, 1c)의 특성 임피던스와 4-평행 부분(1b)의 특성 임피던스는 약간 다르다. 그 때문에 다중반사가 발생한다. 다중반사 공진 모드를 피하기 위해서, 4-평행 부분의 길이는, 전송되는 신호의 기본파장의 1/4 이하로 해야 한다. 전송선로의 비유전률을 4로 하면, 전자기파 속도는 1.5×10⁸m/s가 되고, 펄스 발생기(61)로부터 공급되는 펄스 열의 주파수가 3GHz이면, 파장은 50mm, 그 1/4은 12.5mm가 된다.

4-평행 부분(1b)의 길이는 전자기파의 평행 도체 사이에서의 전자기 공간을 정형할 수 있는 길이면 된다. 도체 사이의 간섭은 그것들의 진행 방향에 직각인 방 향으로 전자기파가 확대되어 일어나고, 그 확대속도는 전자기파가 전송선로를 따라 진행하는 속도와 같다. 전자기파가 도체 사이를 5회 정도 왕복할 수 있으면, 전자기 공간의 정형이 가능하다. 그 지연 시간에 대응하는 길이는 도체 사이의 두 간격 중 큰 쪽(제1 도체(11)와 제2 도체(12) 사이의 간격(170μm)과 제1 도체(11)와 제3 도체(13) 사이의 간격(100μm(0.1mm)) 중 큰 쪽(170μm))의 10배의 길이다. 따라서 도체 사이의 간격 중 큰 쪽이 170μm인 경우, 그 길이의 10배는 1.7mm다. 이 이상의 길이면, 4-평행 구조는 효과적이다.

4-평행 부분(1b)의 특성 임피던스와 2-평행 부분(1a, 1c)의 특성 임피던스가 다르다는 것이 TDR 측정으로 확인되었다. 이 TDR 측정에 사용되는 구조체를 도 19 및 도 20에 나타낸다. 이 구조체는, 도 8 및 도 9에 나타내는 구조체를 더욱 수정하여, 제3도체(113) 및 제4 도체(114)의 단부(113i 및 114i) 부근의 부분을 제거한 것이다. 제거한 부분의 길이 LS는 25mm이며, 제거한 부분으로 2-평행 부분이 구성된다. 나머지 부분(제거하지 않은 부분)으로 4-평행 부분이 구성되며, 그 길이 LD는 55mm다. 이 구조체의 제1 도체(111) 및 제2 도체(112)의 접속 패드(131 및 132)에 TDR 측정기(51)의 프로브(53a 및 53b)를 접촉시켰다. 그 측정된 파형을 도 21에 나타낸다. 도 21의 세로축은 도 11에 비해 확대되어 있다.

도 21에서, 영역 RXa는 동축 케이블(52)의 부분에 대응하고, 영역 RCa는 리드부(121 및 122)에 대응하고, 영역 RPa1은, 4-평행 부분(길이 LD의 부분)에 대응하고, 영역 RPa2는 2-평행 부분(길이 LS의 부분)에 대응하고, 영역 ROa는 전기적으로 개방된 단부에 대응한다.

도 21에 나타낸 4-평행 부분(길이 LD의 부분)의 임피던스는 48Ω이며, 2-평행 부분(길이 LS의 부분) 중 오른쪽 영역 RPa22(4-평행 부분에 대응하는 영역 RPa1에 근접하는 영역 RPa21 이외의 영역)의 임피던스는 51.2Ω으로, 이 차이로 인해 반사가 발생한다. 이 반사의 반복에 의한 다중반사가 일어나지 않도록, 상기 4-평행 부분(1b)의 길이의 상한이 설정된다.

2-평행 부분에 대응하는 영역 RPa2에 있어서, 4-평행 부분에 대응하는 영역 Rpa1에 근접하는 영역 RPa21에서는, 특성 임피던스가 서서히 변화한다. 이 부분은 125ps의 시간에 해당하고, TDR 측정기(51)의 스텝 파형의 상승 시간(35ps, 접속 부분 RCa와 전기적 개방 단부 ROa의 슬럼프와 동일)에 의한 슬럼프와 변화를 감지하는 데 걸리는 시간의 합이며, 이들 요소는 정확히 분리할 수 없지만, 감지하는 동안 작용하는 물리적 현상은 상기 전자기 공간의 정형과 유사하다.

다음으로, 도체 간의 전자기 결합, 바꿔 말하면 크로스 토크에 대해서 도 22 및 도 23을 참조해서 설명한다.

도 22에 나타낸 바와 같이, 평행한 도체(11 ~ 14) 중 하나에 입력한 펄스 에너지는 인접하는 도체에 여러 가지 조합의 간섭을 한다. 최종적으로 도 23에 나타낸 바와 같이 가장 가까운 도체에 반전 에너지를 유도하는 전자기 간섭이 최적의 상태이며, 그 전자기 분포 에너지에 따른 크로스 토크 에너지가 된다. 이것이 전진파다. 후진파도 유도되지만, 여기에서는 생략한다. 입력은 종결합(도 1의 세로 방향으로 인접한 도체(11 및 12) 사이의 결합)을 유도하므로, 좌측 위의 도체가 인접한 종결합의 출력이 된다. 그런데 횡결합(도 1의 가로 방향으로 인접한 도체들 간 의 결합)으로는, 에너지는 한쪽의 본래 에너지와 먼 쪽 단부의 합성파(위의 우측)의 에너지의 합이 된다. 직류분압 155mV보다 큰 전압 250mV가 실험으로 얻어졌다. 그 차이는 임피던스 변환의 효율 향상을 나타낸다. 이 평행한 도체들 사이의 에너지 상태는 도 22 및 도 23에 대응하는 관계가 일순간(광속으로 간섭하는 시간)이라도 형성되면 얻어진다. 따라서 최소 길이는 전술한 길이다.

도 1 ~ 도 7에서는, 유전체 시트의 윗면 및 아랫면에 도체가 설치되어 있지만, 도 24(도 6과 유사한 단면도다)에 나타낸 바와 같이, 도체(11 ~ 14)를 모두 유전체(21) 안에 매립한 구조로 해도 된다. 제1 ~ 제4 도체(11 ~ 14)는 두 쌍의 스택트 페어용 도체들을 형성하는 것과 같은 방법으로 형성할 수 있다.

상기 실시예에서는, 제1 내지 제3 도체(11 내지 13)가, 중앙 부분(11b, 12b, 13b) 이외도, 입력 부분(11a, 12a), 출력 부분(11c, 13c)을 가지지만, 입력 부분(11a, 12a), 출력 부분(11c, 13c)을 설치하지 않고, 중앙 부분만으로 임피던스 변환 장치를 구성해도 된다.

상기 실시예에 있어서 제1 내지 제4 도체(11 내지 14)는 직선으로 연장하지만, 굴곡되어 있어도 된다. 제1 내지 제4 도체(11 내지 14)의 단면 형상이나 크기는, 모두 동일하지 않아도 되고, 일부는 다른 것들과 달라도 된다.

본 기술의 당업자라면 청구항에서 정한 본 발명의 범위 내에서 다양한 변형이 가능하다는 것을 알 수 있다.

본 발명에 따르면, 전송된 신호의 임피던스는 효율적으로 변환되고, 도체들의 길이 방향에 수직인 방향으로 임피던스 변환 장치의 크기가 상대적으로 작아, 임피던스 변환 장치를 제한된 공간에 형성할 수 있게 되고, 특히 스택트 페어 라인에 삽입할 수 있게 된다. 본 임피던스 변환 장치를 사용하면 마이크로 전자 부분의 크기를 줄일 수 있다.

Claims

제1 단부 및 제2 단부를 가지는 제1 도체와,

제1 단부 및 제2 단부를 가지고, 상기 제1 도체와 제2 도체가 제1 특성 임피던스를 가지는 제1 전송선로를 구성하도록 상기 제1 도체에 대응되어 배치된 제2 도체와,

제1 단부 및 제2 단부를 가지고, 상기 제1 도체와 제3 도체가 상기 제1 특성 임피던스와 다른 제2 특성 임피던스를 가지는 제2 전송선로를 구성하도록 상기 제1 도체에 대응되어 배치된 제3 도체와,

제1 단부 및 제2 단부를 가지고, 상기 제2 도체와 제4 도체가 상기 제2 특성 임피던스를 가지는 제3 전송선로를 구성하도록 상기 제2 도체에 대응되어 배치되고, 상기 제3 도체와 제4 도체가 상기 제1 특성 임피던스를 가지는 제4 전송선로를 구성하도록 상기 제3 도체에 대응되어 배치된 제4 도체와,

제1 단부가 상기 제2 도체의 제2 단부에 접속되고 제2 단부가 상기 제4 도체의 제2 단부에 접속되며, 상기 제1 특성 임피던스와 동일한 저항치를 가지는 제1 저항체와,

제1 단부가 상기 제3 도체의 제1 단부에 접속되고 제2 단부가 상기 제4 도체의 제1 단부에 접속되며, 상기 제2 특성 임피던스와 동일한 저항치를 가지는 제2 저항체를 포함하는 임피던스 변환 장치로서,

상기 제2 도체의 상기 제2 단부와 상기 제4 도체의 상기 제2 단부가 서로 근 접해서 배치되고,

상기 제3 도체의 상기 제1 단부와 상기 제4 도체의 상기 제1 단부가 서로 근접해서 배치된 것을 특징으로 하는 임피던스 변환 장치.
제 1항에 있어서,

상기 제1 도체는 입력 부분, 중앙 부분 및 출력 부분을 가지고,

상기 제2 도체는 상기 제1 도체의 상기 입력 부분 및 상기 중앙 부분과 함께 상기 제1 전송선로를 형성하고,

상기 제3 도체는 상기 제1 도체의 상기 중앙 부분 및 상기 출력 부분과 함께 상기 제2 전송선로를 형성하고,

상기 제4 도체는 상기 제1 도체의 상기 중앙 부분과 마주보는 상기 제2 도체의 부분과 함께 상기 제3 전송선로를 형성하고, 상기 제1 도체의 상기 중앙 부분과 마주보는 상기 제3 도체의 부분과 함께 상기 제4 전송선로를 형성하는 것을 특징으로 하는 임피던스 변환 장치.
제 2항에 있어서,

상기 제1, 제2, 제3, 제4 도체가 서로 평행한 것을 특징으로 하는 임피던스 변환 장치.
제 2항에 있어서,

상기 제1 도체의 상기 입력 부분과, 상기 중앙 부분과, 상기 출력 부분이 서로 연속한 것을 특징으로 하는 임피던스 변환 장치.
제 1항에 있어서,

상기 제1 도체와 상기 제2 도체는 제1 방향으로 간격을 두고 서로 분리되어 있고,

상기 제3 도체와 상기 제2 도체는 상기 제1 방향으로 간격을 두고 서로 분리되어 있고,

상기 제1 도체와 상기 제3 도체는 상기 제1 방향과 수직인 제2 방향으로 간격을 두고 서로 분리되어 있고,

상기 제2 도체와 상기 제4 도체는 상기 제2 방향으로 간격을 두고 서로 분리되어 있는 것을 특징으로 하는 임피던스 변환 장치.
제 5항에 있어서,

상기 제1, 제2, 제3, 제4 도체는 각각 횡단면이 사각형이며, 상기 사각형의 제1 변은 상기 제1 방향으로 연장하고, 제2 변은 상기 제2 방향으로 연장하는 것을 특징으로 하는 임피던스 변환 장치.
제 1항에 있어서,

상기 제1 및 제2 도체는 제1 간격을 두고 서로 분리되어 있고, 상기 제1 및 제3 도체는 제2 간격을 두고 서로 분리되어 있으며, 상기 제4 도체의 길이는 적어도 상기 제1 간격의 10배이고 적어도 상기 제2 간격의 10배인 것을 특징으로 하는 임피던스 변환 장치.
제 7항에 있어서,

상기 제1, 제2, 제3, 제4 도체는 기본파장을 가지는 신호를 전송하고, 상기 제4 도체의 길이는 상기 기본파장의 1/4 이하인 것을 특징으로 하는 임피던스 변환 장치.
제 1항에 있어서,

상기 제1, 제2, 제3, 제4 도체는 기본파장을 가지는 신호를 전송하고, 상기 제4 도체의 길이는 상기 기본파장의 1/4 이하인 것을 특징으로 하는 임피던스 변환 장치.
제 1항에 있어서,

두 개의 주면(主面)을 가지는 유전체부를 더 포함하며, 상기 제1 및 제3 도체는 상기 주면 중 하나에 배치되고, 상기 제2 및 제4 도체는 상기 주면 중 다른 하나에 배치되는 것을 특징으로 하는 임피던스 변환 장치.
제 1항에 있어서,

상기 제1, 제2, 제3, 제4 도체가 매립된 유전체부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 임피던스 변환 장치.