KR101952376B1 - 마이크로 스트립 투 웨이브가이드 변환 구조체 - Google Patents

마이크로 스트립 투 웨이브가이드 변환 구조체 Download PDF

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Abstract

본 발명의 다양한 실시예는 광대역 트랜지션을 위한 마이크로 스트립 투 웨이브가이드 변환 구조체에 관한 것으로, 해결하고자 하는 기술적 과제는 낮은 변환 손실과 넓은 대역폭을 갖는 마이크로 스트립 투 웨이브가이드 변환 구조체를 제공하는데 있다.
이를 위해 본 발명은 평평한 제1면과, 상기 제1면의 반대면으로서 평평한 제2면을 갖는 유전층; 상기 유전층의 제1면에 직선 형태로 형성된 스트립 라인과, 상기 유전층의 제1면에 상기 스트립 라인의 일단으로부터 일측으로 경사지게 연장되어 형성된 제1프로브 라인과, 상기 유전층의 제1면에 상기 스트립 라인의 일단으로부터 타측으로 경사지게 연장되어 형성된 제2프로브 라인을 포함하는 마이크로 스트립; 상기 유전층의 제1면에 상기 마이크로 스트립으로부터 이격되어 형성된 제1코플래나 웨이브 가이드; 및 상기 유전층의 제2면에 형성된 제2코플래나 웨이브 가이드를 포함하는 광대역 트랜지션을 위한 마이크로 스트립 투 웨이브가이드 변환 구조체를 제공한다.

Description

마이크로 스트립 투 웨이브가이드 변환 구조체{Microstrip-to-Waveguide Transition Structure}
본 발명의 다양한 실시예는 마이크로 스트립 투 웨이브가이드 변환 구조체에 관한 것이다.
밀리미터파(mmWave)를 안테나로 송수신하기 위해서는 기존의 저주파 대역의 안테나와는 다르게 웨이브 가이드(waveguide)를 사용하여야 한다. 기존 저주파 대역의 신호 송수신에 사용되는 케이블의 경우 밀리미터파 대역에서는 높은 손실로 인하여 안테나를 통하여 신호를 정확하게 송수신할 수 없기 때문이다.
이를 위해 인쇄회로기판 타입 안테나의 경우 인쇄회로기판과 웨이브 가이드를 연결해 주는 트랜지션 구조 또는 연결 장치가 필요하며 이러한 트랜지션 구조를 이용하여 안테나를 통한 밀리미터파의 송수신이 이루어지게 된다.
이러한 트랜지션 구조 또는 연결 장치의 성능이 제대로 구현되지 않게 되면 안테나를 통한 밀리미터파의 송수신 시 완전히 다른 결과를 도출할 수 있기 때문에 트랜지스터 구조 또는 연결 장치의 성능이 중요하다.
이러한 발명의 배경이 되는 기술에 개시된 상술한 정보는 본 발명의 배경에 대한 이해도를 향상시키기 위한 것뿐이며, 따라서 종래 기술을 구성하지 않는 정보를 포함할 수도 있다.
등록특허공보 10-1693843호 "발명의 명칭; 마이크로 스트립 회로 및 유전체 웨이브가이드를 이용한 칩-대-칩 인터페이스"
본 발명의 다양한 실시예에 따른 해결하고자 하는 과제는 낮은 변환 손실과 넓은 대역폭을 갖는 광대역 트랜지션을 위한 마이크로 스트립 투 웨이브가이드 변환 구조체를 제공하는데 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 광대역 트랜지션을 위한 마이크로 스트립 투 웨이브가이드 변환 구조체는 평평한 제1면과, 상기 제1면의 반대면으로서 평평한 제2면을 갖는 유전층; 상기 유전층의 제1면에 직선 형태로 형성된 스트립 라인과, 상기 유전층의 제1면에 상기 스트립 라인의 일단으로부터 일측으로 경사지게 연장되어 형성된 제1프로브 라인과, 상기 유전층의 제1면에 상기 스트립 라인의 일단으로부터 타측으로 경사지게 연장되어 형성된 제2프로브 라인을 포함하는 마이크로 스트립; 상기 유전층의 제1면에 상기 마이크로 스트립으로부터 이격되어 형성된 제1코플래나 웨이브 가이드; 및 상기 유전층의 제2면에 형성된 제2코플래나 웨이브 가이드를 포함한다.
상기 마이크로 스트립의 제1프로브 라인과 상기 제2프로브 라인이 이루는 각도는 10° 내지 180°일 수 있다.
상기 마이크로 스트립의 제1프로브 라인과 상기 제2프로브 라인은 상기 스트립 라인을 중심으로 대칭되는 형태로 형성될 수 있다.
상기 마이크로 스트립의 제1프로브 라인과 상기 제2프로브 라인은 상호간 동일한 길이를 가질 수 있다.
상기 마이크로 스트립의 제1프로브 라인과 상기 제2프로브 라인은 상호간 동일한 폭을 가질 수 있다.
상기 제1,2프로브 라인에 의한 공진 회로는 반사 손실 -10dB 내지 -20dB의 범위에서 대역폭이 33GHz 내지 44GHz일 수 있다.
상기 제1,2프로브 라인에 의한 공진 회로의 S- 파라메터 그래프에서 기울기가 음에서 양으로 변하는 폴은 제1폴 및 제2폴을 포함하되, 상기 제1폴은 반사 손실 -30dB 내지 -40dB의 범위에서 공진 주파수 60GHz 내지 62GHz의 영역에서 형성되고, 상기 제2폴은 반사 손실 -30dB 내지 -40dB의 범위에서 공진 주파수 84GHz 내지 86GHz의 영역에서 형성될 수 있다.
상기 제1,2프로브 라인에 의한 공진 회로의 Q 팩터(factor)는 아래의 수학식으로 결정될 수 있다.
Figure 112017082163215-pat00001
여기서, R은 상수이고, C는 제1,2프로브 라인과 상기 제1코플래나 웨이브 가이드 사이의 캐패시턴스이며, L은 제1,2프로브 라인의 인덕턴스이다.
상기 C값이 증가할수록 상기 Q 팩터가 작아져 대역폭이 넓어지고, 상기 L값이 증가할수록 상기 Q 팩터가 높아져 대역폭이 좁아질 수 있다.
상기 제1코플래나 웨이브 가이드는 상기 마이크로 스트립의 스트립 라인으로부터 이격된 채 평행하게 연장되어 상기 유전층의 제1면을 노출시키는 직선형 내주연과, 상기 마이크로 스트립의 제1,2프로브 라인으로부터 이격되어 연장되어 상기 유전층의 제1면을 노출시키는 제1타원형 내주연을 포함하되, 상기 직선형 내주연과 상기 제1타원형 내주연은 상호간 연결되고, 상기 제2코플래나 웨이브 가이드는 상기 제1코플래나 웨이브 가이드의 제1타원형 내주연과 마주보는 영역에 형성되어 상기 유전층의 제2면을 노출시키는 제2타원형 내주연을 포함할 수 있다.
상기 제1코플래나 웨이브 가이드는 상기 직선형 내주연 및 제1타원형 내주연에 상기 유전층을 관통하는 다수의 도전성 비아가 형성되어 상기 제2코플래나 웨이브 가이드에 전기적으로 연결될 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예는 낮은 변환 손실과 넓은 대역폭을 갖는 광대역 트랜지션을 위한 마이크로 스트립 투 웨이브가이드 변환 구조체를 제공한다. 일예로, 본 발명의 다양한 실시예는 반사 손실 -10dB 내지 -20dB의 범위에서 대역폭이 33GHz 내지 44GHz, 특히, 반사 손실 -15dB에서 대역폭이 38.5GHz에 달하며 낮은 변환 손실(예를 들면, -0.50dB)을 가져 다양한 밀리미터파를 송수신할 수 있는 광대역 트랜지션 구조를 제공한다.
도 1은 웨이브 가이드 내를 진행하는 TE(Transverse Electric) 10 모드의 전계가 마이크로 스트립 라인을 진행하는 의사(Quasi) TEM(Transverse ElectroMagnetic) 모드로 변환되는 과정을 설명한 도면이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 트랜지션을 위한 마이크로 스트립 투 웨이브가이드 변환 구조체를 도시한 평면도 및 저면도이고, 도 2c는 도 2a의 2c-2c선을 취한 단면도이며, 도 2d는 도 2a의 2d-2d선을 취한 단면도이다.
도 3은 도 2a 내지 도 2d에 도시된 마이크로 스트립 투 웨이브가이드 변환 구조체에 의한 S-파라미터 시뮬레이션 결과를 도시한 그래프이다.
도 4는 도 2a 내지 도 2d에 도시된 마이크로 스트립 투 웨이브가이드 변환 구조체에 의해 TE 10 모드의 전계가 의사 TEM 모드로 변환되는 형상을 도시한 개략도이다.
도 5는 도 2a 내지 도 2d에 도시된 마이크로 스트립 투 웨이브가이드 변환 구조체에 의한 시뮬레이션 결과를 도시한 테이블이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로 스트립 투 웨이브가이드 변환 구조체를 도시한 평면도 및 시뮬레이션 결과를 도시한 그래프이다.
도 7a는 본 발명의 다른 실시예에 의한 시뮬레이션 결과를 도시한 테이블이고, 도 7b는 본 발명의 일 실시예와 다른 실시예의 결과를 비교 도시한 테이블이다.
도 8a 및 도 8b는 비교예에 따른 마이크로 스트립 투 웨이브가이드 변환 구조체를 도시한 평면도 및 시뮬레이션 결과를 도시한 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 스트립 투 웨이브가이드 변환 구조체에서 제1,2프로브의 길이 변화에 따른 S-파라미터의 변화를 도시한 그래프이다.
도 10은 Q 팩터를 설명하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 스트립 투 웨이브가이드 변환 구조체의 등가 회로를 도시한 도면이다.
도 11a 및 도 11b는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 스트립 투 웨이브가이드 변환 구조체에서 제1,2프로브와 코플래나 웨이브 가이드 사이의 거리, 제1,2프로브 사이의 각도 및 제1,2프로브의 길이를 설명하기 위해 도시한 평면도 및 제1,2프로브의 길이 변화에 따른 S-파라미터의 변화를 도시한 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
또한, 이하의 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 또한, 본 명세서에서 "연결된다"라는 의미는 A 부재와 B 부재가 직접 연결되는 경우뿐만 아니라, A 부재와 B 부재의 사이에 C 부재가 개재되어 A 부재와 B 부재가 간접 연결되는 경우도 의미한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise, include)" 및/또는 "포함하는(comprising, including)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및 /또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안 됨은 자명하다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제1부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제2부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다.
"하부(beneath)", "아래(below)", "낮은(lower)", "상부(above)", "위(upper)"와 같은 공간에 관련된 용어가 도면에 도시된 한 요소 또는 특징과 다른 요소 또는 특징의 용이한 이해를 위해 이용될 수 있다. 이러한 공간에 관련된 용어는 본 발명의 다양한 공정 상태 또는 사용 상태에 따라 본 발명의 용이한 이해를 위한 것이며, 본 발명을 한정하기 위한 것은 아니다. 예를 들어, 도면의 요소 또는 특징이 뒤집어지면, "하부" 또는 "아래"로 설명된 요소 또는 특징은 "상부" 또는 "위에"로 된다. 따라서, "아래"는 "상부" 또는 "아래"를 포괄하는 개념이다.
도 1을 참조하면, 웨이브 가이드 내를 진행하는 TE(Transverse Electric) 10 모드의 전기장이 마이크로 스트립 라인을 진행하는 의사(Quasi) TEM(Transverse ElectroMagnetic) 모드로 변환되는 과정이 도시되어 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 일반적인 광대역 트랜지션 구조는 웨이브 가이드 내를 진행하는 TE 10 모드의 전기장이 마이크로 스트립 라인을 진행하는 의사(quasi) TEM 모드로 변환될 수 있도록 한다. 따라서, 도 1의 원형으로 표시된 구조에 의해 웨이브 가이드 내를 진행하는 TE 모드 전자기파가 얼마나 잘 마이크로 스트립 라인 내부를 진행하는 TEM 모드로 변환되는가가 중요하며, 특히 최근에는 밀미미터파를 위한 광대역 특성을 얻기 위한 구조가 주로 연구되고 있다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 트랜지션을 위한 마이크로 스트립 투 웨이브가이드 변환 구조체(100)의 평면도 및 저면도가 도시되어 있고, 도 2c를 참조하면, 도 2a의 2c-2c선을 취한 단면도가 도시되어 있으며, 도 2d를 참조하면, 도 2a의 2d-2d선을 취한 단면도가 도시되어 있다.
도 2a 내지 도 2d에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 트랜지션을 위한 마이크로 스트립 투 웨이브가이드 변환 구조체(100)는 유전층(110)과, 마이크로 스트립(120)과, 제1코플래나 웨이브 가이드(130)와, 제2코플래나 웨이브 가이드(140)를 포함할 수 있다.
유전층(110)은 대략 평평한 제1면(111)과, 제1면(111)(상면)의 반대면으로서 대략 평평한 제2면(112)(하면)을 포함할 수 있다. 이러한 유전층(110)은 통상의 인쇄회로기판을 이루는 재료로 형성될 수 있다. 유전층(110)은, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 페이퍼 페놀(paper phenolic), 페이퍼 에폭시(paper epoxy), 글래스 에폭시 라미네이트(glass epoxy laminated), 폴리이미드(polyimide), 비스말레마이드/트리아진(bismaleimide/triazine) 등을 포함할 수 있다. 더욱이, 유전층(110)은 절연 처리된 메탈 및 세라믹 등도 포함할 수 있다.
마이크로 스트립(120)은 유전층(110)의 제1면(111) 상에 화학적 기상 증착 방법, 물리적 기상 증착 방법, 스퍼터링, 도금 또는 라미네이팅 등의 다양한 방법에 의해 형성될 수 있다. 더불어, 마이크로 스트립(120)은, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 구리, 알루미늄, 골드, 철, 니켈, 팔라듐 또는 크롬 등을 포함할 수 있다.
이러한 마이크로 스트립(120)은 스트립 라인(120a)과, 제1프로브 라인(121)과, 제2프로브 라인(122)을 포함할 수 있다.
스트립 라인(120a)은 대략 직선 형태로 형성될 수 있다. 스트립 라인(120a)은, 예를 들면, 도 2a에 도시된 바와 같이, 하단에서 상부의 소정 영역까지 직선 형태로 길게 연장된 형태일 수 있다. 제1프로브 라인(121)은 스트립 라인(120a)의 일단(상단)으로부터 일측으로 경사지게 연장되어 형성될 수 있다. 제1프로브 라인(121)은, 예를 들면, 도 2a에 도시된 바와 같이, 스트립 라인(120a)의 상단에서 좌측 방향으로 소정 각도 절곡되어 연장된 형태일 수 있다. 제2프로브 라인(122)은 스트립 라인(120a)의 일단(상단)으로부터 타측으로 경사지게 연장되어 형성될 수 있다. 제2프로브 라인(122)은, 예를 들면, 도 2a에 도시된 바와 같이, 스트립 라인(120a)의 상단에서 우측 방향으로 소정 각도 절곡되어 연장된 형태일 수 있다.
여기서, 마이크로 스트립(120)의 제1프로브 라인(121)과 상기 제2프로브 라인(122)이 이루는 상호간의 각도는 대략 10° 내지 180°, 바람직하게는 대략 30° 내지 150°, 더욱 바람직하게는 대략 80° 내지 120°, 더더욱 바람직하게는 대략 90° 내지 110°일 수 있다.
제1,2프로브 라인(121,122)의 상호간 각도가 10°보다 작거나 제1,2프로브 라인(121,122)의 상호간 각도가 180°보다 클 경우에는 삽입 손실이 크고 또한 주파수 대역이 작을 수 있다.
또한, 마이크로 스트립(120)의 제1프로브 라인(121)과 상기 제2프로브 라인(122)은 스트립 라인(120a)을 중심으로 좌,우 대칭되는 형태로 형성될 수 있다. 제1,2프로브 라인(121,122)의 형태가 좌,우 비대칭일 경우, 특정 주파수 영역에서 공진 특성이 열화될 수 있다.
더불어, 마이크로 스트립(120)의 제1프로브 라인(121)과 제2프로브 라인(122)은 상호간 동일한 길이를 가질 수 있다. 제1,2프로브 라인(121,122)의 길이가 서로 다를 경우, 상기와 같이 특정 주파수 영역에서 공진 특성이 열화될 수 있다.
또한, 마이크로 스트립(120)의 제1프로브 라인(121)과 제2프로브 라인(122)은 상호간 동일한 폭을 가질 수 있다. 제1,2프로브 라인(121,122)의 폭이 서로 다를 경우, 상기와 같이 특정 주파수 영역에서 공진 특성이 열화될 수 있다.
제1코플래나 웨이브 가이드(130)는 대체로 마이크로 스트립(120)으로부터 일정 거리 이격되어 형성될 수 있다. 이러한 제1코플래나 웨이브 가이드(130)의 형성 방법이나 재질은 상술한 마이크로 스트립(120)과 동일하므로 이에 대한 설명은 생략한다.
다만, 제1코플래나 웨이브 가이드(130)는 마이크로 스트립(120)으로부터 이격되어 마주보는 직선형 내주연(131) 및 제1타원형 내주연(132)을 더 포함할 수 있다. 즉, 직선형 내주연(131)은 스트립 라인(120a)으로부터 이격된 채 스트립 라인(120a)에 평행하게 형성됨으로써, 스트립 라인(120a)과 직선형 내주연(131) 사이에 유전층(110)의 제1면(111)중 소정 영역이 노출될 수 있다. 또한, 제1타원형 내주연(132)은 제1,2프로브 라인(121,122)으로부터 이격되어 형성됨으로써, 제1,2프로브 라인(121,122)과 제1타원형 내주연(132) 사이에 유전층(110)의 제1면(111)중 소정 영역이 노출될 수 있다.
여기서, 직선형 내주연(131)과 제1타원형 내주연(132)은 상호간 연결되며, 이와 마주보는 유전층(110)은 대체로 T자형으로 공기 중에 노출될 수 있다. 또한, 이와 같이 T자형으로 노출된 유전층(110)의 제1면(111) 상에 대략 Y자형의 마이크로 스트립(120)이 형성될 수 있다.
제2코플래나 웨이브 가이드(140)는 유전층(110)의 제2면(112)에 형성될 수 있다. 이러한 제2코플래나 웨이브 가이드(140)의 형성 방법이나 재질은 상술한 마이크로 스트립(120)과 동일하므로 이에 대한 설명은 생략한다.
다만, 제2코플래나 웨이브 가이드(140)는 제1코플래나 웨이브 가이드(130)의 제1타원형 내주연(132)과 마주보는 영역에 형성되어 유전층(110)의 제2면(112) 중 소정 영역을 노출시키는 제2타원형 내주연(142)을 더 포함할 수 있다. 즉, 마이크로 스트립(120) 중에서 제1,2프로브 라인(121,122)은 제1타원형 내주연(132)과 제2타원형 내주연(142)의 내측으로 일정 길이 돌출 및 연장된 형태를 하게 된다.
한편, 제1코플래나 웨이브 가이드(130)는 직선형 내주연(131) 및 제1타원형 내주연(132)에 유전층(110)을 관통하는 다수의 도전성 비아(133)가 형성됨으로써, 제2코플래나 웨이브 가이드(140)에 전기적으로 연결된다. 도전성 비아(133)의 피치는 밀리미터파의 파장보다 작게 형성됨으로써, 이를 통해 밀리미터파가 외부로 방사되지 않도록 함이 바람직하다.
또한, 제1,2코플래나 웨이브 가이드(130,140) 및 도전성 비아(133)는 모두 그라운드 상태가 되어 하나의 웨이브 가이드 역할을 하게 되고, 그 내측에 급전되는 마이크로 스트립(120)이 위치된 헝태를 하게 된다.
도 3을 참조하면, 도 2a 내지 도 2d에 도시된 마이크로 스트립 투 웨이브가이드 변환 구조체(100)에 의한 S-파라미터 시뮬레이션 결과 그래프가 도시되어 있다. 여기서, X축은 공진 주파수를 의미하고, Y축은 반사 손실 및 삽입 손실을 의미한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 제1,2프로브 라인(121,122)에 의한 공진 회로는 반사 손실이 대략 -10dB 내지 -20dB의 범위에서 대역폭이 33GHz 내지 44GHz임을 볼 수 있다.
또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 제1,2프로브 라인(121,122)에 의한 공진 회로의 S- 파라메터 그래프에서 기울기가 음에서 양으로 변하는 폴(pole)이 이중 폴, 즉, 제1폴 및 이로부터 이격된 제2폴을 포함함을 볼 수 있다.
예를 들어 한정하는 것은 아니지만, 제1폴은 반사 손실이 대략 -30dB 내지 -40dB인 범위인 동시에 공진 주파수가 대략 60GHz 내지 62GHz의 영역에서 형성되고, 제2폴은 반사 손실이 대략 -30dB 내지 -40dB의 범위인 동시에 공진 주파수가 대략 84GHz 내지 86GHz의 영역에서 형성됨을 볼 수 있다.
이와 같이 하여, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 광대역 트랜지션을 위한 마이크로 스트립 투 웨이브가이드 변환 구조체(100)는 낮은 변환 손실과 넓은 대역폭을 제공한다. 일예로, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 광대역 트랜지션을 위한 마이크로 스트립 투 웨이브가이드 변환 구조체(100)는 반사 손실이 대략 -10dB 내지 -20dB의 범위에서 대역폭이 33GHz 내지 44GHz, 특히, 반사 손실 -15dB에서 대역폭이 38.5GHz에 달하며 낮은 변환 손실(예를 들면, -0.50dB)을 가져 다양한 밀리미터파를 송수신할 수 있도록 한다.
도 4를 참조하면, 도 2a 내지 도 2d에 도시된 마이크로 스트립 투 웨이브가이드 변환 구조체(100)에 의해 TE 10 모드의 전기장이 의사 TEM 모드로 변환되는 형상이 도시되어 있다.
도 4에서, 수평 사각 박스가 WR-10 웨이브 가이드에 의한 TE 10 모드의 전기장 형상이고, 이에 연결된 수직 사각 박스가 본 발명의 일 실시예에 의한 광대역 트랜지션을 위한 마이크로 스트립 투 웨이브가이드 변환 구조체(100)에 의한 의사 TEM 모드의 전기장 형상이다.
도 5를 참조하면, 도 2a 내지 도 2d에 도시된 마이크로 스트립 투 웨이브가이드 변환 구조체(100)에 의한 시뮬레이션 결과 테이블이 도시되어 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 광대역 트랜지션을 위한 마이크로 스트립 투 웨이브가이드 변환 구조체(100)에 따르면 대략 -10dB 반사 손실값에서 대역폭은 대략 43.60GHz이고, 대략 -15dB 반사 손실값에서 대역폭은 대략 38.52GHz이며, 대략 -20dB 반사 손실값에서 대역폭은 대략 33.96GHz이고, 77GHz 공진 주파수에서 삽입 손실은 대략 0.50dB(낮을 수록 좋음)임을 볼 수 있다.
도 6a 및 도 6b를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로 스트립 투 웨이브가이드 변환 구조체(200)의 평면도 및 시뮬레이션 결과 그래프가 도시되어 있다.
도 6a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 광대역 트랜지션을 위한 마이크로 스트립 투 웨이브가이드 변환 구조체(200)는 제1,2프로브 라인(221,222)의 상호간 각도가 대략 180°라는 점에서 상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 스트립 투 웨이브가이드 변환 구조체(100)와 다르다. 그밖에 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 스트립 투 웨이브가이드 변환 구조체(200)에서도 제1,2프로브 라인(221,222)의 좌,우 대칭 형태, 길이 및 폭은 모두 동일하다.
그러나, 도 6b에 도시된 바와 같이, 반사 손실별 주파수 대역은 상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 반사 손실별 주파수 대역에 비해 상당히 좁아짐을 볼 수 있다. 이는 아래에서 다시 설명하기로 한다.
도 7a를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 의한 시뮬레이션 결과 테이블이 도시되어 있고, 도 7b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예와 다른 실시예의 결과를 비교한 테이블이 도시되어 있다.
도 7a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 광대역 트랜지션을 위한 마이크로 스트립 투 웨이브가이드 변환 구조체(200)에 따르면 대략 -10dB 반사 손실값에서 대역폭은 대략 40.61GHz이고, 대략 -15dB 반사 손실값에서 대역폭은 대략 34.26GHz이며, 대략 -20dB 반사 손실값에서 대역폭은 대략 27.87GHz이고, 77GHz 공진 주파수에서 삽입 손실은 대략 0.47dB(낮을 수록 좋음)임을 볼 수 있다.
따라서, 도 7b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예는 다른 실시예에 비하여 대역폭이 개선되었음을 볼 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예는 대략 -10dB 반사 손실값에서 대역폭이 대략 2.99GHz 증가하였고, 대략 -15dB 반사 손실값에서 대역폭이 대략 4.26GHz 증가하였으며, 대략 -20dB 반사 손실값에서 대역폭이 대략 6.09GHz 증가하였음을 볼 수 있다. 다만, 77GHz 공진 주파수에서 삽입 손실은 대략 0.05dB 열화하였다.
도 8a 및 도 8b를 참조하면, 비교예에 따른 마이크로 스트립 투 웨이브가이드 변환 구조체(300)의 평면도 및 시뮬레이션 결과 그래프가 도시되어 있다.
도 8a에 도시된 바와 같이, 비교예에 따른 마이크로 스트립 투 웨이브가이드 변환 구조체(300)는 마이크로 스트립(320)이 직선 형태를 하며, 상술한 Y자형 또는 T자형의 제1,2프로브 라인을 갖지 않는다. 즉, 마이크로 스트립(320)의 상단 부분이 제1타원형 내주연(132)의 내측으로 일정 길이 연장된 형태를 한다.
또한, 도 8b에 도시된 바와 같이, 반사 손실별 주파수 대역이 현저히 감소됨을 볼 수 있으며, 또한 폴 역시 하나만 형성됨을 볼 수 있다.
따라서, 이러한 비교예에 따른 마이크로 스트립 투 웨이브가이드 변환 구조체(300)는 대략 70GHz 대역에서 사용할 수 있지만, 직선 구조의 특성상 S-파라메터에서 단일 폴이 형성되기 때문에 광대역에서 사용하기에는 어렵다.
다르게 설명하면, 광대역 특성을 구현하기 위해서는 상술한 본 발명의 일 실시예 및/또는 다른 실시예에서와 같이 직선 구조의 마이크로 스트립(120)의 상단을 두 갈래로 분할함으로써, S-파라메터 그래프에서 이중 폴이 형성되어야 한다.
이를 좀 더 자세하게 설명하면, 본 발명의 일 실시예 및/또는 다른 실시예에서와 같이, 이중 폴을 형성하게 될 경우, 제1,2폴의 위치 및 Q 팩터에 따라 광대역 특성을 제어할 수 있다. 여기서, Q 팩터는 공진 주파수의 첨예도를 의미하는 것으로, Q가 좋을수록 그래프에서 골이 깊게 형성된다(그 반대도 성립함).
본 발명의 일 실시예는 이중 폴의 형성 구조에 제1,2프로브 라인(121,122)의 각도를 조정하여 폴 형성 주파수를 좌,우 방향으로 더 넓히고, 또한 Q 팩터의 값을 감소시켜 다른 실시예의 이중 폴 구조보다 더 넓은 광대역 특성을 갖도록 하였다.
즉, 광대역 특성을 갖도록, 마이크로 스트립(120)의 상단에 제1,2프로브 라인(121,122)이 더 형성되도록 하되, 제1,2프로브 라인(121,122)의 각도가 대략 100°를 이루도록 하며, 제1,2프로브 라인(121,122)의 길이 및 폭이 동일하도록 하여 최적의 특성이 구현되도록 한 것이다.
또한, 이중 폴의 주파수를 확장시키기 위해, 제1,2프로브 라인(121,122)의 길이를 조절하여 공진 주파수의 변경이 가능하고, 또한 제1,2프로브 라인(121,122)의 길이를 조절하여 공진 주파수를 좌,우 방향으로 더 넓게 할 수 있다. 물론, 제1,2프로브 라인(121,122)의 길이 조정 시 임피던스 매칭을 위해 제1,2프로브 라인(121,122)의 폭 및/또는 제1,2프로브 라인(121,122) 사이의 각도가 변경되어야 함은 당연하다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 스트립 투 웨이브가이드 변환 구조체(100)에서 제1,2프로브 라인(121,122)의 길이 변화에 따른 S-파라미터의 변화 그래프가 도시되어 있다.
도 9에 도시된 바와 같이, 제1,2프로브 라인(프로브 1,2)(121,122) 중 어느 한쪽의 길이가 다른 한쪽의 길이와 다르게(짧게) 될 경우, 짧아지는 프로브 라인의 길이에 의해 하나의 공진 주파수가 더 높은 주파수 부분으로 이동하게 되는 것을 확인할 수 있다(빨간색 선 : 한쪽 길이를 짧게 한 경우, 검은색 선 : 본 발명의 일 실시예에 적용된 구조)
따라서, 제1,2프로브 라인(121,122) 중에서 임의로 한쪽의 길이를 짧게 하면 임피던스가 정합되지 않아 높은 주파수에서의 특성이 열화되므로, 결국 제1,2프로브 라인(121,122)의 길이는 동일해야 함을 알 수 있다.
도 10을 참조하면, Q 팩터를 설명하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 스트립 투 웨이브가이드 변환 구조체(100)의 등가 회로가 도시되어 있다.
도 10에서, Cp는 제1코플래나 웨이브 가이드(130)의 내주연과 제1,2프로브 라인(121,122) 사이의 캐패시턴스, Lp는 제1,2프로브 라인(121,122)의 길이에 의한 인덕턴스, Ca는 제1,2프로브 라인(121,122)이 통과하는 제1코플래나 웨이브 가이드(130)의 내주연과 제1,2프로브 라인(121,122) 사이의 캐패시턴스, Z0는 제1,2프로브 라인(121,122)에 연결된 스트립 라인(120a)의 특성 임피던스, T:1로 표현된 부분은 커플링에 의한 영향을 트랜스포머 형태로 표현한 것으로 제1,2프로브 라인(121,122)의 길이와 위치에 의해 T 값이 표현될 수 있다.
이를 이용하여 제1,2프로브 라인(121,122) 사이의 각도에 대해 Q 팩터를 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 다른 실시예의 경우 제1,2프로브 라인(221,222)이 제1코플래나 웨이브 가이드(130)의 내주연에 대략 수평 방향으로 형성되어 있고, 길이가 상대적으로 짧으므로 제1코플래나 웨이브 가이드(130)와 교차되는 면적이 작으며 또한 이격 거리가 넓기 때문에 Cp로 표현되는 부분의 캐패시턴스가 아래의 수학식 1로 인해 작아지게 된다.
Figure 112017082163215-pat00002
여기서, ε은 웨이브 가이드의 내부 유전율(공기중이므로 1), d는 제1코플래나 웨이브 가이드(130)와 제1,2프로브 라인(221,222) 끝단 사이의 간격, A는 제1코플래나 웨이브 가이드(130)의 내주연을 향하는 제1,2 프로브 라인(221,222)의 면적이다.
이 경우 Q 팩터를 계산하는 아래 수학식 2의 C 부분에 Cp 값을 대입하면 분모가 작아져 Q 팩터의 값이 커지게 되고, 이로 인해 공진 주파수에 대한 대역폭이 좁아지게 된다.
Figure 112017082163215-pat00003
반대로 본 발명의 경우에는 제1,2프로브 라인(121,122)의 사이에 각도를 줌으로써, 제1코플래나 웨이브 가이드(130)의 내주면과의 거리를 감소시키고, 제1,2프로브 라인(121,122)의 길이가 상대적으로 길어져 제1코플래나 웨이브 가이드(130)의 내주연과의 등가 캐패시턴스 Cp 값이 커지게 되고, 이 값을 위의 Q 팩터 수학식 1에 대입하게 되면 분모가 커져 Q 팩터가 작아지게 되고, 결국 이로 인해 공진 주파수에 대한 대역폭이 넓어져 광대역 특성이 더욱 향상된다.
여기서, Lp로 표현되는 인덕턴스의 값은 제1,2프로브 라인(121,122)의 길이에 대해 변화되는 값이므로, 제1,2프로브 라인(121,122)의 길이를 고정시키고, 제1,2프로브 라인(121,122) 사이의 각도만 변화시키게 되면, Lp 값은 상수로 남아있게 된다.
도 11a 및 도 11b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 스트립 투 웨이브가이드 변환 구조체(100)에서 제1,2프로브 라인(121,122)과 제1코플래나 웨이브 가이드(130) 사이의 거리, 제1,2프로브 라인(121,122) 사이의 각도 및 제1,2프로브 라인(121,122)의 길이를 설명하기 위한 평면도 및 제1,2프로브 라인(121,122)의 길이 변화에 따른 S-파라미터의 변화 그래프가 도시되어 있다.
도 11a에 도시된 바와 같이, D는 제1,2프로브 라인(121,122)과 제1코플래나 웨이브 가이드(130)의 내주연 사이의 이격 거리이고, θ는 제1,2프로브 라인(121,122) 상호간의 각도이며, L은 제1,2프로브 라인(121,122)의 각 길이를 의미한다.
이와 같이 하여, 본 발명의 일 실시예에서 D, θ 및 L 등의 값을 조정함으로써, 삽입 손실을 줄이면서도 주파수 대역폭을 증가시킬 수 있게 된다.
일례로, 제1,2프로브 라인(121,122)의 각 길이인 L 값을 조정함으로써, 공진 주파수를 변경할 수 있다. 즉, 도 11b에 도시된 바와 같이, 좌측의 제1폴에서는 L값이 작아질수록 공진 주파수가 낮아지고, L값이 클수록 공진 주파수가 높아진다. 또한, 도 11b에 도시된 바와 같이, 우측의 제2폴에서는 L값이 작아질수록 공진 주파수가 높아지고, L값이 클 수록 공진 주파수가 낮아진다.
물론, 상기 Lp는 L의 길이가 증가할수록 증가하고, 또한, 상기 Cp는 D가 감소하고 θ가 감소하면 증가한다. 더불어, A는 L의 길이가 증가할수록 증가한다. 또한, D와 θ의 관계를 보면, θ가 커질수록 D가 감소하는 반비례 관계를 갖는다.
결론적으로, Cp가 증가할수록 상기 수학식 2에 의해 Q 값이 낮아져 대역폭이 넓어지고, Lp가 증가할수록 상기 수학식 2에 의해 Q 값이 높아져 대역폭이 좁아진다. 따라서, Cp와 Lp의 관계는 서로 트레이드 오프(trade off) 관계이므로, 이의 적절한 조절을 통해 경향성을 파악한 후 최적 값을 도출할 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 광대역 트랜지션을 위한 마이크로 스트립 투 웨이브가이드 변환 구조체를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
100; 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 트랜지션을 위한 마이크로 스트립 투 웨이브가이드 변환 구조체
110; 유전층 111; 제1면
112; 제2면 120; 마이크로 스트립
120a; 스트립 라인 121; 제1프로브 라인
122; 제2프로브 라인 130; 제1코플래나 웨이브 가이드
131; 직선형 내주연 132; 제1타원형 내주연
133; 도전성 비아 140; 제2코플래나 웨이브 가이드
142; 제2타원형 내주연

Claims (11)

  1. 평평한 제1면과, 상기 제1면의 반대면으로서 평평한 제2면을 갖는 유전층;
    상기 유전층의 제1면에 직선 형태로 형성된 스트립 라인과, 상기 유전층의 제1면에 상기 스트립 라인의 일단으로부터 일측으로 경사지게 연장되어 형성된 제1프로브 라인과, 상기 유전층의 제1면에 상기 스트립 라인의 일단으로부터 타측으로 경사지게 연장되어 형성된 제2프로브 라인을 포함하는 마이크로 스트립;
    상기 유전층의 제1면에 상기 마이크로 스트립으로부터 이격되어 형성된 제1코플래나 웨이브 가이드; 및
    상기 유전층의 제2면에 형성된 제2코플래나 웨이브 가이드를 포함하고,
    상기 제1,2프로브 라인에 의한 공진 회로의 Q 팩터(factor)는 아래의 수학식으로 결정됨을 특징으로 하는 광대역 트랜지션을 위한 마이크로 스트립 투 웨이브가이드 변환 구조체.
    Figure 112018107825916-pat00023

    여기서, R은 상수이고, C는 제1,2프로브 라인과 상기 제1코플래나 웨이브 가이드 사이의 캐패시턴스이며, L은 제1,2프로브 라인의 인덕턴스이다.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 마이크로 스트립의 제1프로브 라인과 상기 제2프로브 라인이 이루는 각도는 10° 내지 180°인 것을 특징으로 하는 광대역 트랜지션을 위한 마이크로 스트립 투 웨이브가이드 변환 구조체.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 마이크로 스트립의 제1프로브 라인과 상기 제2프로브 라인은 상기 스트립 라인을 중심으로 대칭되는 형태로 형성된 것을 특징으로 하는 광대역 트랜지션을 위한 마이크로 스트립 투 웨이브가이드 변환 구조체.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 마이크로 스트립의 제1프로브 라인과 상기 제2프로브 라인은 상호간 동일한 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 광대역 트랜지션을 위한 마이크로 스트립 투 웨이브가이드 변환 구조체.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 마이크로 스트립의 제1프로브 라인과 상기 제2프로브 라인은 상호간 동일한 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 광대역 트랜지션을 위한 마이크로 스트립 투 웨이브가이드 변환 구조체.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1,2프로브 라인에 의한 공진 회로는 반사 손실 -10dB 내지 -20dB의 범위에서 대역폭이 33GHz 내지 44GHz인 것을 특징으로 하는 광대역 트랜지션을 위한 마이크로 스트립 투 웨이브가이드 변환 구조체.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1,2프로브 라인에 의한 공진 회로의 S- 파라메터 그래프에서 기울기가 음에서 양으로 변하는 폴은 제1폴 및 제2폴을 포함하되,
    상기 제1폴은 반사 손실 -30dB 내지 -40dB의 범위에서 공진 주파수 60GHz 내지 62GHz의 영역에서 형성되고, 상기 제2폴은 반사 손실 -30dB 내지 -40dB의 범위에서 공진 주파수 84GHz 내지 86GHz의 영역에서 형성됨을 특징으로 하는 광대역 트랜지션을 위한 마이크로 스트립 투 웨이브가이드 변환 구조체.
  8. 삭제
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 C값이 증가할수록 상기 Q 팩터가 작아져 대역폭이 넓어지고, 상기 L값이 증가할수록 상기 Q 팩터가 높아져 대역폭이 좁아짐을 특징으로 하는 광대역 트랜지션을 위한 마이크로 스트립 투 웨이브가이드 변환 구조체.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1코플래나 웨이브 가이드는 상기 마이크로 스트립의 스트립 라인으로부터 이격된 채 평행하게 연장되어 상기 유전층의 제1면을 노출시키는 직선형 내주연과, 상기 마이크로 스트립의 제1,2프로브 라인으로부터 이격되어 연장되어 상기 유전층의 제1면을 노출시키는 제1타원형 내주연을 포함하되, 상기 직선형 내주연과 상기 제1타원형 내주연은 상호간 연결되고,
    상기 제2코플래나 웨이브 가이드는 상기 제1코플래나 웨이브 가이드의 제1타원형 내주연과 마주보는 영역에 형성되어 상기 유전층의 제2면을 노출시키는 제2타원형 내주연을 포함함을 특징으로 하는 광대역 트랜지션을 위한 마이크로 스트립 투 웨이브가이드 변환 구조체.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제1코플래나 웨이브 가이드는 상기 직선형 내주연 및 제1타원형 내주연에 상기 유전층을 관통하는 다수의 도전성 비아가 형성되어 상기 제2코플래나 웨이브 가이드에 전기적으로 연결된 것을 특징으로 하는 광대역 트랜지션을 위한 마이크로 스트립 투 웨이브가이드 변환 구조체.
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