KR101559029B1

KR101559029B1 - 전송선로 구조체

Info

Publication number: KR101559029B1
Application number: KR1020140014680A
Authority: KR
Inventors: 윤영
Original assignee: 한국해양대학교 산학협력단
Priority date: 2014-02-10
Filing date: 2014-02-10
Publication date: 2015-10-08
Also published as: KR20150093978A

Abstract

본 발명은 전송선로 구조체로서, 단파장의 전송선로를 가지는 전송선로 구조체에 관한 것이다. 본 발명의 실시 형태는 기판의 일면에 배치되는 하부 접지판; 상기 기판과 접하는 하부 접지판의 반대면에 배치되는 유전체; 상기 하부 접지판과 접하는 유전체의 반대면에 배치되어 고주파의 전기적 신호를 전송하는 전송선로; 상기 하부 접지판과 접하는 유전체의 반대면에 배치되며, 상기 전송선로의 양측에 각각 이격되어 배치되는 상부 제1접지판과 상부 제2접지판;을 포함한다.

Description

전송선로 구조체{Structure for Transmission line}

본 발명은 전송선로 구조체로서, 단파장의 전송선로를 가지는 전송선로 구조체에 관한 것이다.

최근 SoC(System on Chip) 기술에 의한 단말기의 소형화와 고집적화가 RF 부품 시장에서 요구되고 있으며, 그 중 RF 송수신단은 수많은 수동과 능동소자의 회로가 집적한 고집적 단말기가 요구되는 추세이다. 따라서 이를 위한 수동소자의 집적화 기술은 매우 중요한 문제로 대두되고 있다. 특히, RF용 전력 결합기, 분배기, 필터 등의 대부분의 수동소자들은 반도체 기판에서 큰 점유면적으로 차지하므로 인해서 내부에 집적되지 못하고, 외부의 프린트 기판상에 설계 및 제작되고 있는 상황이다. 이런 문제점을 해결하기 위해서는 내부에 집적 가능한 소형화된 수동소자 개발이 필요하며, 이를 위해 단파장 전송선로의 개발이 요구되고 있다.

이러한 필요성의 대두로 인해서 PPGM(periodically perforated ground metal)구조가 제안되어 단파장 특성을 구현하고 있다. 그러나, PPGM 구조의 경우 주기적 구조를 구성하는 단위 셀의 크기가 너무 커지면, 단위 길이당 존재하는 주기적인 셀의 수가 감소하여 오히려 파장이 증가하는 문제가 있다. 따라서 단위 셀 구조가 아닌 소형화된 단파장 전송선로의 필요성이 증대되고 있다.

한국공개특허 10-2011-0138662

본 발명의 기술적 과제는 단파장의 성능을 가지는 전송선로를 제공하는데 있다. 또한 본 발명의 기술적 과제는 큰 면적을 점유하지 않는 전송선로를 제공하는데 있다. 또한 본 발명의 기술적 과제는 통신시스템 소형화를 이룰 수 있는 저가의 전송선로를 제공하는데 있다.

본 발명의 실시 형태는 기판의 일면에 배치되는 하부 접지판; 상기 기판과 접하는 하부 접지판의 반대면에 배치되는 유전체; 상기 하부 접지판과 접하는 유전체의 반대면에 배치되어 고주파의 전기적 신호를 전송하는 전송선로; 상기 하부 접지판과 접하는 유전체의 반대면에 배치되며, 상기 전송선로의 양측에 각각 이격되어 배치되는 상부 제1접지판과 상부 제2접지판;을 포함한다.

상기 유전체를 관통하는 제1비아홀과 제2비아홀을 구비하며, 상기 하부 접지판과 상부 제1접지판은 상기 제1비아홀을 통하여 도전 연결되며, 상기 하부 접지판과 상부 제2접지판은 상기 제2비아홀을 통하여 도전 연결된다.

상기 전송선로와 상부 제1접지판 사이의 이격 공간에는 제1유전체가 배치되며, 상기 전송선로와 상부 제2접지판 사이의 이격 공간에는 제2유전체가 배치된다.

상기 상부 제1접지판의 면적과 상부 제2접지판의 면적은 서로 동일함을 특징으로 한다.

상기 전송선로를 통해 전송되는 고주파의 파장이 짧을수록 상기 유전체의 유전율을 크게 함을 특징으로 한다.

상기 전송선로는, 마이크로스트립 라인임을 특징으로 한다.

본 발명의 실시 형태에 따르면 전송선로의 단파장 성능을 향상시킬 수 있다. 또한 본 발명의 실시 형태에 따르면 전송선로가 큰 면적을 점유하지 않기 때문에 초소형화된 임피던스 변환기를 제작할 수 있다. 또한 본 발명의 실시 형태에 따르면 단위 셀 구조의 전송선로가 아닌 라인 형태를 가짐으로써 제조비용을 절감시킬 수 있다.

도 1은 기존의 박막 반도체 상의 마이크로스트립 구조의 전송선로를 도시한 사시도이다.
도 2는 박막 반도체 상의 마이크로스트립 구조의 전송선로에서의 등가회로를 도시한 그림이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전송선로 구조체를 도시한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 정전용량을 나타낸 전송선로 구조체의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 2개의 접지면을 가지도록 하는 전송선로 구조를 가질 때의 단파장 전송 효율을 비교한 그래프이다.
도 6은 코프레너 도파관(CPW;Coplanar Waveguide) 타입의 전송선로를 도시한 사시도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.

도 1은 기존의 박막 반도체 상의 마이크로스트립 구조의 전송선로를 도시한 그림이며, 도 2는 박막 반도체 상의 마이크로스트립 구조의 전송선로에서의 등가회로를 도시한 그림이다.

기본적으로 RF 전송선로는 등가적으로 전송선로와 접지면 상이의 정전용량(C)와 전송선로에 흐르는 전류에 의한 인덕턴스(L)로 구성된다. 따라서 전송선로의 등가회로는 정전용량(C)와 인덕턴스(L)이 주기적으로 존재하는 구조가 된다.

도 1에 도시된 박막 마이크로스트립 구조의 전송선로의 경우, 전송선로와 금속으로 된 접지판 사이에 발생하는 전계 영향에 의해 단위 길이당 정전용량(C)이 존재하며, 전송선로 상에 흐르는 전류에 의해 인덕턴스 성분이 발생한다. 따라서, 전송선로는 도 2와 같이 정전용량(C)와 인덕턴스(L)이 주기적으로 존재하는 LC 구조와 등가회로가 된다. 따라서, 전송선로의 특성 임피던스(Z_O)와 전송선로 파장(λ_g)은 다음의 [식 1] 및 [식 2]와 같이 나타낼 수 있다.

[식 1]

[식 2]

상기 식에서 인덕턴스 성분인 L은 전송선로의 단위 길이당 인덕턴스 값에 해당되며, f는 동작주파수이다. [도 1]과 [도 2]에서 알 수 있는 것과 같이 전송선로와 접지금속 사이의 정전용량성 성분인 C가 증가할수록 특성 임피던스(Z_O)와 전송선로 파장(λ_g)은 감소한다.

본 발명에서는 반도체 기판상에서 전송선로와 접지면 사이에 유전체를 두어서 전송선로와 접지면의 정전용량성 성분 C를 증가시킴으로써, 단파장의 전송선로를 구현한다. 이하 상술한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전송선로 구조체를 도시한 사시도이다.

전송선로 구조체는 기판(100)의 일면에 배치되는 하부 접지판(110)과, 기판(100)과 접하는 하부 접지판(110)의 반대면에 배치되는 유전체(130)와, 하부 접지판(110)과 접하는 유전체(130)의 반대면에 배치되는 전송선로(10)와, 하부 접지판(110)과 접하는 유전체(130)의 반대면에 배치되며, 전송선로(10)의 양측에 각각 이격되어 배치되는 상부 제1접지판(120a)과 상부 제2접지판(120b)을 포함한다. 즉, 전송선로(10)는 길이 방향으로서 형성되는데, 길이 방향의 직각된 방향으로의 양측에 상부 제1접지판(120a)과 상부 제2접지판(120b)이 각각 이격되어 배치된다.

기판(100)(substrate)은 반도체 기판으로서 예컨대, 실리콘 반도체 재질의 기판(100)이 사용될 수 있다. 실리콘 반도체로 된 기판(100)의 일면에 금속 재질의 하부 접지판(110)이 마련된다.

하부 접지판(110)(lower ground plate)은 반도체 기판의 일면의 면적과 같거나 또는 작은 크기로 형성될 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 반도체 기판의 일면과 동일한 크기로서 형성되도록 한다. 참고로, 금속 재질의 하부 접지판(110)이 실리콘 반도체의 기판(100)의 일면에 형성되기 때문에, 하부 접지판(110)은 반도체 회로 상에 집적되지 못하기 때문에 반도체 회로가 집적되지 않은 기판(100)의 일면에 제작될 수 있다.

유전체(130)(dielectric substance)는 기판(100)과 접하는 하부 접지판(110)의 반대면에 접하여 배치된다. 유전체(130)는 정전기장을 가할 때 전기편극은 생기지만 직류전류는 생기지 않게 하는 물질이다. 이는 전기장 속에 놓인 유전체(130) 내부에서 무극성분자나 유극성분자 모두 전기쌍극자모멘트를 형성하여 주위의 전기장을 일정량 상쇄시키기 때문이다. 유전체(130)는 SiO₂와 같은 재질로 되어 유전율(ε)을 가지는데, 전극판 사이에 유전체(130)를 넣을 때의 정전용량과 아무것도 넣지 않은 경우의 정전용량의 비를 말한다. 일반적으로 [식 3]에 나타낸 바와 같이 유전율이 클수록 정전용량은 크게 된다.

[식 3]

여기서, C는 정전용량을 나타내며, ε는 유전율을 나타내며, W는 전극판 크기를 나타내며, D는 두 전극판 사이의 간격을 나타낸다. 전송선로(10)의 신호전송 효율과 상기 유전체(130)의 유전율(ε)은 서로 비례함을 알 수 있다. 따라서 전송선로(10)의 신호전송 효율을 높이기 위해서는 유전율(ε)이 큰 유전체(130)를 사용하는 것이 바람직하다. 즉, 고주파의 파장이 짧을수록 상기 유전체의 유전율을 크게 한다.

전송선로(Signal line)는 하부 접지판(110)과 접하는 유전체(130)의 반대면에 배치된다. 전송선로는 RF(Radio Frequency)와 같은 고주파의 전기적 신호를 전송한다. 도 3의 그림에서는 유전체(130)의 하부면에 하부 접지판(110)이 배치되고, 유전체(130)의 상부면에 전송선로(10)가 라인 형태로 배치되어 있음을 알 수 있다. 전송선로(10)는 유전체(130)의 상부면에 접하여 길이 방향의 라인 형태로 배치된다. 즉, 기판(100)의 가장자리의 일변에서 마주보는 타측변을 향하는 길이 방향을 가지며 라인 형태로 형성된다. 특히, 전송선로(10)는 스트립 라인 형태를 가질 수 있는데, 예컨대, 마이크로스트립 라인 형태를 가질 수 있다. 마이크로스트립 라인의 전송선로(10)는, 그라운드에 대하여 평행으로 지지된 단일 스트립 도체로 이루어진 마이크로파 전송선로(10)이다.

본 발명의 실시예는 전송선로(10)와 하부 접지판(110) 사이에는 그 사이에 놓인 유전체(130)로 인하여 정전용량(C_a; 이하, '선로 정전용량'이라 함)이 생기게 되는데, 이러한 유전체(130)로 인한 정전용량(C_a)은 도 1에 도시한 기존의 전송선로(10)와 접지판 사이에 위치한 기판(100)으로 인한 정전용량보다 더 큰 정전용량을 가지게 된다. 이밖에 본 발명의 실시예는 정전용량을 더 크게 하기 위하여 하부 접지판(110)과 접하는 유전체(130)의 반대면에 상부 접지판(120)을 구비한다. 하부 접지판(110)과 상부 접지판(120)으로 된 두 개의 접지판을 구비함으로써, 전송선로(10)와 상부 접지판(120) 사이에 추가적인 정전용량(C_b; 이하, '접지판 정전용량'이라 함)이 생기게 할 수 있다.

상부 접지판(120)(upper ground plate)은 상부 제1접지판(120a)과 상부 제2접지판(120b)으로 이루어진다. 금속 재질의 상부 제1접지판(120a)과 상부 제2접지판(120b)은 하부 접지판(110)과 접하는 유전체(130)의 반대면에 배치되며, 전송선로(10)의 양측에 각각 이격되어 배치된다. 따라서 전송선로(10)와상부 제1접지판(120a) 사이에 정전용량(C_b1; 이하, '접지판 제1정전용량'이라 함)이 생성되며, 마찬가지로 전송선로(10)와 상부 제2접지판(120b) 사이에 정전용량(C_b1; 이하, '접지판 제2정전용량'이라 함)이 생성된다.

접지판 제1정전용량(C_b1)과 접지판 제2정전용량(C_b2)이 전송선로 정전용량의 추가적인 커플링 정전용량으로 작용하도록 하기 위하여 상부 제1접지판(120a)과 하부 접지판(110)은 서로 도전 연결되어야 하며, 상부 제2접지판(120b)과 하부 접지판(110)은 서로 도전 연결되어, 전기적으로 연결되어야 한다. 이를 위하여 위하여 유전체(130)를 관통하는 제1비아홀(bia1)과 제2비아홀(bia2)을 구비한다. 하부 접지판(110)과 상부 제1접지판(120a)은 제1비아홀(bia1)을 통하여 도전 연결되며, 하부 접지판(110)과 상부 제2접지판(120b)은 제2비아홀(bia2)을 통하여 도전 연결되도록 한다.

또한, 전송선로(10)가 상부 제1접지판(120a) 및 상부 제2접지판(120b)과 각각 이격 공간(140;140a,140b)이 구비된다. 이격 간격이 좁을 경우 전송선로(10)의 전송신호가 상부 제1접지판(120a) 및 상부 제2접지판(120b)에 의해 영향을 받아 전송 효율이 낮아질 수 있다. 또한 전송선로(10)와 상부 제1접지판(120a) 사이의 이격 공간(140a)에는 제1유전체가 배치되며, 전송선로(10)와 상부 제2접지판(120b) 사이의 이격 공간(140b)에는 제1유전체가 위치하도록 할 수 있다. 이격 공간(140;140a,140b)에 유전체로 채워짐으로써 접지판 제1정전용량(C_b1) 및 접지판 제2정전용량(C_b2)을 높일 수 있다.

또한 상부 제1접지판(120a)의 면적과 상부 제2접지판(120b)의 면적은 서로 동일한 면적을 가짐을 특징으로 한다. 상부 제1접지판(120a)과 상부 제2접지판(120b)이 서로 동일한 면적을 가짐으로써, 상부 제1접지판(120a)으로 인한 접지판 제1정전용량(C_b1)과 상부 제2접지판(120b)으로 인한 접지판 제2정전용량(C_b1)이 동일하게 되어 전송선로(10)에 양측에 위치한 상부 제1접지판(120a)과 상부 제2접지판(120b)의 영향을 최소화할 수 있다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 정전용량을 나타낸 전송선로 구조체의 단면도이다.

상기의 [식 2]에 도시한 바와 같이 정전용량인 C가 증가할수록 전송선로 파장(λ_g)은 감소함을 알 수 있다. 따라서 정전용량(C)를 크게 하여 전송선로 파장을 감소시켜 단파장의 신호 전송 효율이 향상되도록 할 필요가 있다.

도 4는 도 3에서 A-A' 방향의 단면도를 도시한 그림으로서, 본 발명은 [식 4]에 기재한 바와 같이, 전체의 정전용량(C)은 전송선로(10)와 하부 접지판(110) 사이의 전송선로 정전용량(C_a), 전송선로(10)와 상부 제1접지판(120a) 사이의 접지판 제1정전용량(C_b1), 전송선로(10)와 상부 제2접지판(120b) 사이의 접지판 제2정전용량(C_b2)을 가지게 된다.

[식 4]

C = C_a + C_b1 + C_b2

따라서 C_a + C_b1 + C_b2로 이루어지는 전체의 정전용량을 가지는 전송선로 구조체의 전송선로 파장은 하기의 [식 5]와 같이 된다.

[식 5]

기존의 전송선로(10)만이 존재할 때의 전송선로 파장을 나타내는 앞서 기술한 [식 1]을 본 발명의 [식 5]와 비교할 때, 전송선로(10)과 상부 제1접지판(120a) 사이의 접지판 제1정전용량(C_b1), 전송선로(10)와 상부 제2접지판(120b) 사이의 접지판 제2정전용량(C_b2)이 추가되어 정전용량이 커짐으로써, 전송선로 파장이 짧아지게 됨을 알 수 있다. 나아가 본 발명의 전송선로(10)와 하부 접지판(110) 사이의 유전체(130)로 인하여, 본 발명의 전송선로 정전용량(C_a)은, 도 1에 도시한 기존의 전송선로(10)와 접지판 사이에 기판(100)을 가질때의 정전용량보다 더 큰 정전용량을 가지게 되어 전송선로 파장을 더욱 짧게 할 수 있음을 알 수 있다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 2개의 접지면을 가지도록 하는 전송선로(10) 구조를 가질 때의 단파장 전송 효율을 비교한 그래프이다.

도 5는 기존의 박막 마이크로스트립 구조의 전송선로(도 1)와 코프레너 도파관(CPW;Coplanar Waveguide) 구조의 전송선로(도 6)의 경우와, 본 발명의 실시예인 하부 접지판(110)과 상부 접지판(120)이라는 두 개의 접지판으로 된 구조의 전송선로(도 3,도4)의 전송선로 파장을 비교한 실험 그래프이다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에서 제시한 두 개의 접지판으로 된 구조를 가지는 전송선로(10)가 다른 전송선로(도 1,도 6)에 비하여 높은 주기적 커패시턴스 때문에 전송선로 파장이 짧게 됨을 알 수 있다. 구체적으로, 10GHz에서 기존의 코프레너 전송선로(도 6)와 박막 마이크로스트립 전송선로(도 1)은 각각 10.35mm, 7.83mm인 반면에 본 발명의 실시예에 따른 두 개의 접지판으로 된 구조를 가지는 전송선로(도 3,도 4)의 경우에는 6.26mm 를 가짐을 알 수 있다. 이는 기존의 두 개의 접지판으로 된 구조를 가지는 전송선로(도 6)와 비교할 때 60.5%의 전송선로 파장을 가짐을 알 수 있다.

또한 본 발명의 실시예에 따른 전송선로 구조체를 이용하면 실리콘 기판(100)상에 초소형화된 임피던스 변환기를 구현할 수 있다. 임피던스 변환기의 사이즈는 0.01mm²이고, 실리콘 기판(100)상에 기존의 코프레너 전송선로(10)로 제작된 임피던스 변환기의 1.04%의 크기를 가질 수 있다.

본 발명을 첨부 도면과 전술된 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 그에 한정되지 않으며, 후술되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술되는 특허청구범위의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변형 및 수정할 수 있다.

100:기판 110:하부 접지판
120:상부 접지판 130:유전체
140:절연체

Claims

기판의 일면에 배치되는 하부 접지판;
상기 기판과 접하는 하부 접지판의 반대면에 배치되는 유전체;
상기 하부 접지판과 접하는 유전체의 반대면에 배치되어 고주파의 전기적 신호를 전송하는 전송선로;
상기 하부 접지판과 접하는 유전체의 반대면에 배치되며, 상기 전송선로의 양측에 각각 이격되어 배치되는 상부 제1접지판과 상부 제2접지판을 포함하고,
상기 하부 접지판은 상기 기판의 일면과 동일한 크기로 형성되는 전송선로 구조체.
청구항 1에 있어서, 상기 유전체를 관통하는 제1비아홀과 제2비아홀을 구비하며, 상기 하부 접지판과 상부 제1접지판은 상기 제1비아홀을 통하여 도전 연결되며, 상기 하부 접지판과 상부 제2접지판은 상기 제2비아홀을 통하여 도전 연결되는 전송선로 구조체.
청구항 1에 있어서, 상기 전송선로와 상부 제1접지판 사이의 이격 공간에는 제1유전체가 배치되며, 상기 전송선로와 상부 제2접지판 사이의 이격 공간에는 제2유전체가 배치되는 전송선로 구조체.
청구항 1에 있어서, 상기 상부 제1접지판의 면적과 상부 제2접지판의 면적은 서로 동일함을 특징으로 하는 전송선로 구조체.
청구항 1에 있어서, 상기 전송선로를 통해 전송되는 고주파의 파장이 짧을수록 상기 유전체의 유전율을 크게 함을 특징으로 하는 전송선로 구조체.
청구항 1에 있어서, 상기 전송선로는, 마이크로스트립 라인임을 특징으로 하는 전송선로 구조체.