KR102457114B1

KR102457114B1 - 다층 pcb의 전송선로와 웨이브가이드 간의 전이구조

Info

Publication number: KR102457114B1
Application number: KR1020200176773A
Authority: KR
Inventors: 전진완
Original assignee: 주식회사 넥스웨이브
Priority date: 2020-12-16
Filing date: 2020-12-16
Publication date: 2022-10-20
Also published as: KR20220086376A; WO2022131735A1; CN115443581A; US20230088793A1; CN115443581B

Abstract

본 발명은 다층 PCB의 전송선로와 웨이브가이드 간의 전이구조에 관한 것으로 보다 상세하게는, 일측에 내부 공간을 포함하며, 스트립라인의 일부를 수용하기 위한 입구를 가진 웨이브가이드; 적어도 두 개의 이상의 유전체 층으로 구성된 다층 PCB의 첫 번째 그라운드 층을 포함하는 전송선로; 상기 전송선로로부터 연장되어 상기 웨이브가이드 입구를 통해 웨이브가이드 내부로 돌출된 스트립라인; 상기 첫 번째 그라운드 층과 맨아래 그라운드 층 사이에 형성되는 단수 또는 복수의 비아홀; 상기 비아홀은 상기 웨이브가이드의 상기 입구에 위치하는 것을 특징으로 한다.

Description

다층 PCB의 전송선로와 웨이브가이드 간의 전이구조{Transition structure between a transmission line of multilayer PCB and a waveguide}

본 발명은 마이크로파(microwave) 또는 밀리미터파(millimeter wave) 등의 초고주파 영역에서 다층 PCB의 전송선로와 웨이드가이드(waveguide) 간의 물리적인 커플링(coupling)에 의해 신호를 전송하는 구조 또는 방법에 관한 것이다.

본 발명은 초고주파 영역의 집적회로 및 시스템 구성에 있어서, 신호를 전송하는 마이크로스트립 라인, 스트립 라인, CPW(coplanar waveguide), CPWG(coplanar waveguide with ground) 등의 인쇄회로기판(PCB, printed circuit board)의 전송선로와 웨이브가이드 간의 전이구조에 관한 것이다.

보다 상세하게는 마이크로스트립 라인 등의 전송선로와 웨이브가이드 간에 신호를 손실이 적게 효과적으로 전이시키기 위해, 다층 PCB의 전송선로와 웨이브가이드 결합 구조에서 다층 PCB의 특정 위치에 1개 이상의 비아홀 또는 1열 이상의 비아홀을 적용한 다층 PCB의 전송선로와 웨이브가이드 간의 전이구조에 관한 것이다.

이동 통신 주파수 대역이 높아짐에 따라, 초고주파 집적 회로의 수요가 급격히 증가되고 있다. 이러한 초고주파 집적회로는 일반적으로 MMIC(monolithic microwave integrated circuit) 소자 등의 각종 관련 파워 소자, 다이오드 등의 전자소자 등으로 구성된다. 또한, 낮은 손실 및 높은 성능을 가지도록 웨이브가이드 구조를 이용한 수동소자 및 그 연결 부품 등으로 역시 구성될 수 있다. 이러한 웨이브가이드 구조를 이용한 부품에는 각종 안테나, 필터, 다이플렉서 및 피딩 부품(feeding components), 연결 부품(connecting components)이 있다.

즉, 초고주파 회로는 보통 전송 손실이 낮고 저가격으로 구성하기 위해서, 프린팅 회로 기판인 PCB(printed circuit board) 위에 초고주파 집적 회로의 구성을 하고 집적회로소자 출력단으로부터 연결되는 마이크로스트립 선로 등의 전송선로와 웨이브가이드 관련 부품을 적절하게 결합하여 고정시킨 형태로 구성하게 된다.

한편, 웨이브가이드(waveguide, 도파관)는 주로 초고주파(예를 들면 주파수가 수십 GHz 등의 파장이 밀리미터 단위인 밀리미터파) 대역에서 손실은 낮고 성능이 우수한 수동 소자(혼 안테나, 슬랏 안테나, 필터 등)를 구현하기 위해 사용한다. 웨이브가이드는 그 물리적인 구조에 의한 공진 현상을 이용하여 신호를 전송하며, 대개 금속으로 된 관 형태로 형성되어 해당 전송 신호의 주파수 특성에 대응되는 크기를 갖도록 설계된다.

이러한 웨이브가이드는 내부가 공기로 채워져서 빈 사각형 금속 블록 구조로 구성되며, 유전체 손실이 가장 적고 전송 특성이 우수하여 고성능으로 구현이 가능하다. 하지만, 이러한 웨이브가이드 형태의 부품이 PCB로 구현된 전자회로와 결합되기 위해서는 앞에서 설명한 데로, 신호가 전송되는 다양한 전송선로가 구성된 PCB와 별도의 신호 전이구조가 필요하게 된다.

즉, PCB에서 신호가 전송되는 전송선로(마이크로스트립 선로, CPW 선로 CPWG 선로, 스트립라인 선로 등)로부터 웨이브가이드로 초고주파 신호가 손실이 낮고 효과적으로 전이되는 구조가 필요하게 된다.

따라서, PCB의 전송선로와 웨이브가이드 간의 전이구조가 개발되어 왔다. 종래 기술로는, 미국특허 제6917256호(이하 "종래 기술이라 함")에 의하면, 전송선로의 신호를 웨이브가이드로 전이시키는 구조가 개시되어 있다. 상기 종래 기술은 PCB의 전송선로와 웨이브가이드 간의 신호 전이를 위해 비교적 널리 적용되는 구조로, PCB의 마이크로스트립 전송선로로 전달되는 신호를 이 마이크로스트립으로부터 연장된 스트립라인을 통해 웨이브가이드 내부로 전이시키는 구조이다.

이러한 마이크로스트립 전송선로의 신호를 웨이브가이드의 하부 방향의 출구로 전달하기 위하여 출구 반대면인 상측에는 일정 공간을 띄우고 웨이브가이드가 모두 막힌 구조로 형성된다. 즉, 웨이드가이드 안쪽으로 돌출된 전송선로와 웨이브가이드의 상부 사이에는 신호의 공진을 위한 일정 공간을 확보되어야 한다. 즉, 신호가 전이되는 PCB의 전송선로와 웨이브가이드 전이구조의 물리적인 구조 디자인, 및 그 초고주파 신호의 전달 주파수, 전송선로에서 웨이브가이드 내 커플링 되는 구조의 크기, 기판의 특성 등은 모두 신호 전이 시 손실 등을 줄이고 신호가 잘 전이되도록 하기 위한 설계 변수가 된다.

종래기술의 발명에 의하면 웨이브가이드 내에 결합부에 튜닝 스크류(tunig screw) 등의 위치를 조절하는 수작업에 의해 전이 손실을 줄여서 조립 및 결합시키는 방식에 비해 제작 시간 및 비용을 대폭 줄일 수 있다.

또한, 대개 이러한 신호 전이 구조를 사용하는 부분은 무선통신의 전치단 설계에 해당하고 파워 앰프 소자 등이 적용된다. 즉, 전이구조에서 신호의 손실이 클 경우 파워 앰프 소자 등의 출력을 그만큼 크게 설계 및 제조해서 적용해야 하므로, 소자의 성능을 높이기 위해 가격 상승의 원인이 되고 소자의 출력이 커야 하므로 파워 소모와 발열 등의 원인이 된다. 따라서, 전이 구조의 손실을 낮게 설계하는 것은 초고주파 회로 구성에서 매우 중요한 요소이다.

한편, 상기한 초고주파 전자회로는 종래 대비 주파수가 높아지면서 매우 복잡해지고 다양한 기능을 수행해야 함에 따라, 그 회로 구성 및 연결을 단층의 PCB로는 구현이 어려워졌다. 따라서, 초고주파 전자회로는 집적도를 높이고 다양한 기능을 수행하기 위해 다층 PCB로 구현되고 있다.

또한, 기판 재료에 의한 신호 손실이 중요한 문제가 되고, 이를 극복하기 위해 기존에 보통의 집적회로 기판에 사용하는 FR4 등의 유전체 소재와는 다르게, 신호의 손실이 적은 테프론 등의 유전체 소재 기판을 사용하기도 한다. 그러나, 이러한 신호 손실이 적은 기판은 재료의 단가가 기존에 널리 사용되는 FR4 등의 소재로 된 기판에 비해 매우 비싸고, 기계적 특성이 나쁘며, 다층으로 형성하는 공정도 어려워지게 되는 문제가 발생한다.

이와 같이, 초고주파 전자회로는 그 회로의 복잡도와 다양한 기능을 위한 구성 등의 문제로 대개 다층 PCB에 구현한다. 따라서, 다층 PCB를 제작할 때, 손실을 줄이면서 저가로 형성하기 위하여 전송 손실이 중요한 기판 층에만 가격이 비싼 대신 손실이 적은 소재로 형성하고, 나머지 층에는 기존의 값싼 소재로 형성하는 방법으로, 한 가지 유전체 소재가 아니라 이종의 유전체 소재를 접합하여 적용한 다층 PCB를 사용되기도 한다.

따라서, 기존의 PCB 상의 전송선로와 웨이브가이드 간의 전이구조도 이렇게 새롭게 다층 PCB 또는 이종 기판 소재로 구성된 다층 PCB의 전송선로와 웨이브가이드 간의 신호를 손실이 낮고 효과적으로 전달하기 위한 전이구조가 필요하게 된다. 따라서, 기존의 PCB의 전송선로와 웨이브가이드 간의 전이구조와는 다른 다층 PCB 전송선로와 웨이브가이드 간의 전이구조와 방법이 새롭게 고려되어야 한다.

미국특허공보 제6917256호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로, 제안하는 다층 PCB의 전송선로와 웨이브가이드 전이구조를 통해 다층 PCB의 전송선로와 웨이브가이드 간에 손실이 낮고 효율적으로 신호 또는 전력을 전달을 하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은, 다층 PCB의 전송선로와 웨이브가이드 간에 전송되는 고주파 신호의 전송 주파수 대역 내의 전이 손실을 줄여, 효과적으로 신호가 전달될 수 있는 매우 간단하고 저가 및 제작이 용이한 전이 구조를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은, 이종 소재의 유전체 층으로 구성된 다층 PCB의 전송선로와 웨이브가이드 간에 손실이 낮고 효율적인 신호 또는 전력 전달을 하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은, 이종 소재의 유전체 층으로 구성된 다층 PCB의 전송선로와 웨이브가이드 간에 신호 전달 시, 전송하는 신호의 주파수 대역 내의 전이 손실을 줄여, 효과적으로 신호가 전달될 수 있는 간단하고 제작 용이한 전이 구조를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은, 다층 PCB의 전송선로와 웨이브가이드의 전이구조에 있어서, 전송선로와 웨이브가이드의 연결부에 대응되게 전송선로의 첫 번째 그라운드와 바닥 그라운드 사이의 비아홀에 의해 전송되는 신호의 손실을 줄여 높은 효율로 신호를 전이시키는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은, 다층 PCB의 전송선로와 웨이브가이드의 전이구조에 있어서, 전송선로와 웨이브가이드의 연결부에 대응되게 전송선로의 첫 번째 그라운드와 바닥 그라운드 사이의 비아홀에 의해 전송되는 신호의 손실을 줄여 높은 효율로 전이시키기 위한 다층 PCB의 전송선로와 웨이브가이드 간의 전이구조를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은, 전달되는 주파수 대역의 신호의 손실 특성을 줄이기 위해 비아홀의 배치를 웨이브가이드 입구 영역에 대응되게 1열 또는 2열 이상으로 배치할 수 있으며, 2열 이상에서는 일렬 또는 지그재그로 배치하여 웨이브가이드 출구 쪽으로 효과적으로 신호를 전이시키기 위한 다층 PCB와 웨이브가이드 간의 전이구조를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은, 전달되는 주파수 대역의 신호의 손실 특성을 줄이기 위해 복수 개의 비아홀 대신 1개의 비아 기둥을 배치하여 웨이브가이드 출구 쪽으로 효과적으로 신호를 전이시키기 위한 다층 PCB와 웨이브가이드 간의 전이구조를 제공하는데 있다.

본 발명의 실시예들의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 특징에 따르면, 본 발명은, 일측에 내부 공간을 포함하며, 스트립라인의 일부를 수용하기 위한 입구를 가진 웨이브가이드;

적어도 두 개의 이상의 유전체 층으로 구성된 다층 PCB의 첫 번째 그라운드 층을 포함하는 전송선로;

상기 전송선로로부터 연장되어 상기 웨이브가이드 입구를 통해 웨이브가이드 내부로 돌출된 스트립라인;

상기 첫 번째 그라운드 층과 맨아래 그라운드 층 사이에 형성되는 단수 또는 복수의 비아홀;

상기 비아홀은 상기 웨이브가이드의 상기 입구에 위치하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 스트립라인을 포함하는 유전체 층은 전송선로의 유전체 층으로부터 연결되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 스트립라인은 웨이브가이드 단락면으로부터 일정거리 이격되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 비아홀은 상기 웨이브가이드의 상기 입구의 최종부에 배열되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 비아홀은 단수 또는 복수의 배열로 설치되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 비아홀은 수평 또는 수직으로 지그재그로 배열하여 설치하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 비아홀 사이의 간격을 10~500 um로 배열하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 비아홀은 비아 기둥으로 대체되어 사용되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 다층 PCB를 구성하는 유전체 층이 적어도 1개 이상의 상이한 유전체로 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 다층 PCB를 구성하는 맨위의 유전체층의 유전손실률이 상기 맨위의 유전체층이 아닌 다른 유전체 층의 유전손실률에 비해 낮은 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 다층 PCB의 전송선로와 웨이브가이드 간의 전이구조에 따르면, 웨이브가이드 내부로 돌출되는 전송선로와 근접한 위치의 다층 PCB의 그라운드 층 사이에 웨이브가이드 입구 영역과 대응되게 설치된 1개 이상의 비아홀에 의해 다층 PCB의 전송선로로부터 웨이브가이드로 전송 신호의 손실을 줄여 높은 효율로 신호를 전이시키는 효과가 있다.

또한, 다층 PCB의 그라운드 층 사이의 복수개의 비아홀을 1열 또는 2열 이상으로 배치하거나, 2열 이상을 수직 또는 수평에서 지그재그로 배치하거나, 1개의 비아 기둥을 배치하여 전송 신호의 손실을 줄여 높은 효율로 전이시키는 효과가 있다.

도 1(a)와 도 1(b)는 기존의 발명에 따른 PCB의 전송선로와 웨이드가이드 간의 전이구조에 다층 PCB를 적용한 예를 도시한 단면도와 평면도이다.
도 2(a)와 도 2(b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 다층 PCB의 전송선로와 웨이브가이드 간의 전이구조를 도시한 단면도와 평면도이고, 도 2(c)는 본 발명의 일 실시예에 따른 다층 PCB의 전송선로와 웨이브가이드 간의 전이구조에서 첫 번째 그라운드 층(b-b')에서의 평면도이다.
도 3(a)와 도 3(b)는 본 발명의 다른 실시예에 따른 다층 PCB의 전송선로와 웨이브가이드 간의 전이구조를 도시한 단면도와 평면도이고, 도 3(c)는 본 발명의 일 실시예에 따른 다층 PCB의 전송선로와 웨이브가이드 간의 전이구조에서 첫 번째 그라운드 층(b-b')에서의 평면도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 다층 PCB의 전송선로와 웨이브가이드 간의 전이구조를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 다층 PCB의 전송선로와 웨이브가이드 간의 전이구조를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 다층 PCB의 전송선로와 웨이브가이드 간의 전이구조를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 다층 PCB의 전송선로와 웨이브가이드 간의 전이구조를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 다층 PCB의 전송선로와 웨이브가이드 간의 전이구조를 도시한 도면이다.
도 9는 발명에 따른 다층 PCB의 전송선로와 웨이브가이드 간의 전이구조에 의한 신호 전달 특성 그래프이다.

이하의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.

오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.

여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.

본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprise)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다. 아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서, 여러가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련없는 부분들은 본 발명을 설명하는 데 있어 혼돈을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.

도 1은 기존 발명의 전송선로와 웨이브가이드 간의 전이구조에 다층 PCB를 적용한 도면이다. PCB의 전송선로는 집적회로(미도시)로부터 연결되어 입출력 신호가 전달되고, CPWG와 마이크로스트립 등의 형태로 신호를 전송한다.

이러한 전송선로(200)는 유전체층(210)과 유전체층(210) 상부면에 신호 전송을 위한 금속층(220)과 이와 대응되는 유전체층(210) 하부면에 그라운드층인 금속층(221)으로 구성된다. 이러한 전송선로 최종단에는 유전체층 바닥에 그라운드층이 없는 스트립라인(300)이 돌출되어서 웨이드가이드(100) 안쪽에 위치하여 커플링된다. 한편, 다층 PCB를 구성하는 전체 유전체층(210, 211)의 가장 하부 바닥면, 즉 최하단 유전체층(211)의 바닥면에도 전체 PCB의 그라운드층를 위한 금속층(222)이 구성된다.

각각 이러한 CPWG와 마이크로스트립 등의 전송선로는 손실을 줄이기 위한 임피던스 매칭을 위해 그 신호를 전송하는 금속층의 폭이 달라지며, 웨이브가이드 안쪽으로 돌출된 스트립라인 역시 손실을 적게 디자인과 크기를 가지고 설계되어야 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다층 PCB의 전송선로와 웨이브가이드 간의 전이구조를 도시한 도면이다. 도 2(a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 단면도이고, 도 2(b)는 설명을 위해 도면 상의 웨이브가이드 상부 커버(a-a')를 제거한 상태의 구조를 도시한 평면도이다. 도 2(c)는 본 발명의 일 실시예에 따른 비아홀 구조를 표시하기 위해 첫 번째 그라운드 층(b-b')에서의 평면도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 다층 PCB의 전송선로와 웨이브가이드 간의 전이구조는, 일측에 내부 공간(110)을 포함하며, 스트립라인(300)의 일부를 수용하기 위한 입구(120)를 가진 웨이브가이드(100)와, 적어도 두 개의 이상의 유전체 층(210, 211)으로 구성된 다층 PCB의 첫 번째 그라운드 층(221)을 포함하는 전송선로(200)와, 상기 전송선로(200)로부터 연장되어 상기 웨이브가이드(100)의 입구(120)를 통해 웨이브가이드(100) 내부로 돌출된 스트립라인(300)과, 상기 첫 번째 그라운드 층(221)과 맨아래 그라운드 층(222) 사이에 형성되는 단수 또는 복수의 비아홀(400)과, 상기 비아홀(400)은 상기 웨이브가이드(100)의 상기 입구(120)에 위치하는 구성이다.

더욱 상세하게는, 다층 PCB의 전송선로(200)는 집적회로(미도시)로부터 연결되어 입출력 신호가 전달되고, CPWG 또는 마이크로스트립 등의 형태로 신호를 전송한다. 이러한 CPWG 또는 마이크로스트립은 일반적인 구성 형태를 기술한 것으로 이에 한정되지는 않는다.

이러한 전송선로(200)는 웨이브가이드(100) 내부 쪽으로 연장되어 돌출된 일부 영역(300)이 결합되어 구성되며, 이렇게 내부에 돌출된 전송선로의 최종단인 스트립라인(300)이 커플링되어 웨이브가이드(100) 내부로 신호가 전달된다. 스트립라인은 웨이브가이드 상부 커버(a-a')의 내측면, 즉 웨이브가이드 단락면(130)과 일정 공간 이격되어 형성된다. 이러한 이격공간은 전이 손실을 줄이기 위한 전이구조의 중요한 설계 요소가 된다.

또한, 전송선로와 이로부터 연장되어 돌출된 스트립라인은 동일한 PCB, 즉 유전체 기판층을 사용하여 제작하면 동시에 제작할 수 있기 때문에 손쉽게 비용을 줄여 제작할 수 있다.

각각 이러한 CPWG와 마이크로스트립 등의 전송선로는 손실을 줄이기 위한 임피던스 매칭을 위해 그 신호를 전송하는 금속층(220)의 폭이 달라지며, 웨이브가이드(100) 안쪽으로 돌출된 스트립라인(300) 역시 손실을 낮게 디자인과 크기를 가지고 설계되어야 한다.

이때, 다층 PCB의 전송선로(200)에서 돌출된 스트립라인(300)과 근접한 위치 영역에 다층 PCB의 전송선로의 그라운드 층, 즉 다층 PCB의 위쪽에서부터 첫 번째 그라운드 층(221)과 다층 PCB 바닥면에 형성된 맨 아래 그라운드 층(222) 사이에 비아홀(400)을 형성하여 비아 펜스의 역할을 하여 두 번째 유전체 층에 의한 신호 손실을 줄이고 웨이브가이드(100) 출력부 쪽으로 효과적으로 전파되게 한다.

여기서, 상기 비아홀이란, 일반적인 PCB 공정에서 다층 배선의 금속층 간의 전기적인 연결을 위해, 단면이 원형인 형태로 수직 방향으로 구멍을 형성하고 뚫린 구멍의 옆면에 금속층을 입혀, 다층 배선의 금속층을 전기적으로 연결하는 구조를 의미한다. 이렇게 상기 비아홀은 옆면만 금속층으로 되어 상부와 하부의 금속층을 전기적으로 연결하나, 필요에 따라 내부도 금속층으로 모두 채워 사용할 수도 있다. 이러한 비아홀은 PCB 제조 공정 시 사용되는 일반적인 제조 공정에 따른 제조하게 되고, 그 크기는 제조공정의 수십~수백 마이크로미터의 지름의 원형이 된다. 물론, 제조 공정에 따라 그 이상의 크기나 그 이하의 크기를 제조하여 사용하여도 가능하다. 또한, 비아홀의 모양도 단면이 원형 뿐만 아니라, 사각 형태 등 제조가 용이한 다양한 모양으로 사용가능함을 밝혀둔다.

이러한 비아홀(400)은 전이구조의 손실 저하 효과를 높이기 위해 도 2(c)와 같이 일렬로 배열되어 배치될 수 있다.

여기서, 배열이란 복수의 상기 비아홀(400)이 일측방향으로 정렬되어 있는 것을 의미함을 밝혀둔다.

비아홀(400) 사이의 간격 역시 제조 공정에 따라 수십~수백 um의 간격이 될 수 있다. 특히, 이러한 초고주파 회로에서 사용되고 전송하는 초고주파의 주파수 영역과 대응하여 10~500 um의 간격이 되면 그 효과를 높일 수 있다.

도 3(a)와 도3(b)는 본 발명의 다른 실시예에 따른 다층 PCB의 전송선로와 웨이브가이드 간의 전이구조를 도시한 단면도와 평면도이다. 도 3(c)는 본 발명의 일 실시예에 따른 다층 PCB의 전송선로와 웨이브가이드 간의 전이구조에서 첫 번째 그라운드 층(b-b')에서의 평면도이다.

다층 PCB의 전송선로와 웨이브가이드 전이구조의 구성은 도 2와 같고, 도 3(c)와 같이, 전송선로의 그라운드층(221)과 PCB의 바닥면의 그라운드 층(222), 즉 다층 PCB의 첫 번째 그라운드 층(221)과 맨 아래 그라운드 층(222) 사이에 형성된 비아홀(400)을 2열로 배치한 형태이다. 이렇게 비아홀(400)을 2열로 배치하여 신호의 손실 저하 효과를 높일 수 있다. 비아홀의 1열과 2열 사이의 간격은 앞서 기술한 데로, 제조 공정에 따라 수십~수백 um의 간격이 될 수 있다.

도 4는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 다층 PCB의 전송선로와 웨이브가이드 간의 전이구조를 도시한 도면이다. 앞서 도3에서 기술한 데로, 전송선로의 해당 그라운드층과 PCB 바닥면의 그라운드 층, 즉 다층 PCB의 첫 번째 그라운드 층(221)과 맨 아래 그라운드 층(222) 사이에 형성되는 2열의 비아홀(400)을 수평 측면에서 지그재그로 배치하여 그 효과를 높일 수 있다.

도 5는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 다층 PCB의 전송선로와 웨이브가이드 간의 전이구조를 도시한 도면이다. 전송선로의 해당 그라운드층과 PCB 바닥면의 그라운드 층, 즉 다층 PCB의 첫 번째 그라운드 층(221)과 맨 아래 그라운드 층(222) 사이에 형성되는 비아홀(400)이 전송선로(200)가 웨이브가이드(100) 내부로 진입하기 위해 형성된 웨이브가이드 입구 영역의 최종부가 아니라, 입구 영역의 최종부에서 더 거리를 두고 떨어진 초입부 영역에 배치한 경우이다. 이 때도 역시 이러한 비아홀(400)에 의한 신호 손실을 줄여 신호의 전이 효율을 높이는 효과를 볼 수 있다. 그러나, 앞서 기술한 도 2 ~ 4에 의해 설계된 경우(비아홀 또는 비아홀 배열이 입구 영역의 최종부에 위치한 경우)보다 그 효과는 떨어질 수 있으며, 신호를 전달하기 위한 주파수 대역의 조정이 필요하게 된다.

도 6은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 다층 PCB의 전송선로와 웨이브가이드 간의 전이구조를 도시한 도면이다. 전송선로의 그라운드층과 PCB 바닥면의 그라운드 층, 즉 다층 PCB의 첫 번째 그라운드 층(221)과 맨 아래 그라운드 층(222) 사이에 형성되는 비아홀(400)을 배열 형태로 구성하는 게 아니라 1개의 비아 기둥을 형성한다. 이 때도 1열 또는 2열의 비아홀 배열을 사용할 때와 마찬가지로 비아 펜스 역할을 하며 전이 손실을 줄여 효과적으로 신호를 전이시킬 수 있다.

여기서, 상기 비아 기둥이란, 상기 비아홀(400)의 형태가 아닌 일정한 면적을 가지는 구조를 의미함을 밝혀둔다.

도 7은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 다층 PCB의 전송선로와 웨이브가이드 간의 전이구조를 도시한 도면이다. 다층 PCB를 2개의 유전체 층을 가진 다층 인PCB가 아니라, 3개의 유전체 층(210, 211, 212)을 가진 PCB를 사용하는 경우이다.

전송선로의 해당 그라운드층과 바닥면의 그라운드 층, 즉 다층 PCB의 첫 번째 그라운드 층(221)과 세 번째인 맨 아래 그라운드 층(222) 사이에 마찬가지로 비아홀(400)을 적용하여, PCB 기판 층에 의한 전이 손실을 줄여, 신호를 효과적으로 전송시킬 수 있다.

이러한 유전체 층(210, 211, 212)은 앞서 기술한 데로, 모두 같은 유전체 소재를 사용할 수도 있고, 필요에 따라, 다른 유전체 소재를 사용하여 이종 재료를 접합시켜서 사용할 수도 있다. 특히, 유전 손실이 적은 테프론 같은 계열의 유전체 층을 중요한 신호전송 역할을 하는 맨 위 첫 번째 층에 적용하는 게 좋다. 이렇게 이종의 유전체 소재를 접합한 다층 PCB의 경우, 일부 층은 유전손실(loss tangent)이 특히 적고, 하부층은 기계적 특성이 좋고 값싼 층을 적용할 수 있다.

아울러, 본 발명에서 제시하는 상기 다층 PCB를 구성하는 유전체 층이 적어도 1개 이상의 상이한 유전체로 구성될 수 있는데, 상기 다층 PCB를 구성하는 맨위의 유전체층의 유전손실률이 상기 맨위의 유전체층이 아닌 다른 유전체 층의 유전손실률에 비해 낮도록 하는 것이 바람직하다.

또한, 도 7에서는 3개의 유전체 층(210, 211, 212)을 가진 다층 PCB에 대해서 도시하고 설명했지만, 3개 이상의 다층 PCB의 전이구조에도 동일하게 적용할 수 있다. 전송선로의 해당 그라운드층과 PCB 바닥면의 그라운드 층, 즉 다층 PCB의 첫 번째 그라운드 층(221)과 다층 PCB의 맨 아래 그라운드 층(222) 사이에 마찬가지로 비아홀(400)을 적용하여, PCB 기판 층에 의한 전이 손실을 줄여, 신호를 효과적으로 전송시킬 수 있다.

도 8은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 다층 PCB의 전송선로와 웨이브가이드 간의 전이구조를 도시한 도면이다. 3개의 유전체 층(210, 211, 212)을 가지는 다층 PCB에서 전송선로의 해당 그라운드층과 PCB 바닥면의 그라운드 층, 즉 다층 PCB의 첫 번째 그라운드 층(221)과 세 번째인 맨 아래 그라운드 층(222) 사이에 수직 방향에 지그재로로 비아홀(400)을 배치하여 적용해서, PCB 기판 층에 의한 전이 손실을 줄여, 신호를 효과적으로 전송시킬 수 있다.

또한, 도 8에서는 3개의 유전체 층(210, 211, 212)을 가진 다층 PCB에 대해서 도시하고 설명했지만, 3개 이상의 다층 PCB의 전이구조에도 동일하게 적용할 수 있다. 전송선로의 해당 그라운드층과 PCB 바닥면의 그라운드 층, 즉 다층 PCB의 첫 번째 그라운드 층(221)과 다층 PCB의 맨 아래 그라운드 층(222) 사이에 마찬가지로 수직 방향에서 지그재그 등의 배치로 비아홀(400)을 적용하여, PCB 기판 층에 의한 전이 손실을 줄여, 신호를 효과적으로 전송시킬 수 있다.

도 9은 본 발명에 따른 다층 PCB의 전송선로와 웨이브가이드 간의 전이구조에 의한 신호 전달 특성 그래프이다. 약 28GHz 대역의 주파수를 전송하기 위한 설계 구조이고, 웨이브가이드 역시 이 주파수 대역을 전송하는 3.556 mm x 7.112 mm의 단면을 가지는 WR28 규격을 적용하였다.

도 9(a)의 경우에는 앞서 기술한 도 1의 기존의 발명의 구성에 다층 PCB를 적용한 전이구조에 대해 신호의 전달 특성을 시뮬레이션한 그래프이다. 반사손실(S11) 특성이 매우 나쁘고, 삽입 손실(S21) 역시 -4dB 이하로 손실이 높다.

도9(b)의 경우에는 같은 다층 PCB 구조를 이용하여 도2의 제1실시예를 적용한 신호 전달 특성 그래프이다. 반사손실(S11)이 약 -24dB 값이고, 삽입 손실(S21)이 -1dB 이하의 값으로 손실이 9(a)의 경우에 비해 손실이 매우 적어 효과적으로 목표한 주파수 대역에서 신호가 전이된다.

도 9(c)의 경우는 도 3의 실시예에 따른 신호 전달 특성 그래프이다. 반사손실과 삽입 손실이 도 9(b)의 경우에 비해 개선이 된다. 이 경우에도 기존 대비 손실이 매우 적어 목표한 주파수 대역에서 매우 효과적으로 신호가 전이된다.

도 9(d)의 경우는 도 4의 실시예에 따른 신호 전달 특성 그래프이다. 삽입 손실(S21)이 -1dB 이하의 값으로 손실이 9(a)의 경우에 비해 손실이 매우 적어 효과적으로 목표한 주파수 대역에서 신호가 전이된다.

도 9(e)의 경우에는 도 5의 실시예에 따른 신호 전달 특성 그래프이다. 반사손실(S11)이 약 -14dB으로, 통과 주파수 대역도 이동이 되었다. 도 9(a)에 비해서 전달 특성이 개선이 되나, 앞서의 실시예에 비해 전달 특성이 좋지 않고, 주파수 대역도 이동이 된다. 전이구조에서 다층 PCB 전송선로의 최종 스트립라인 단이 웨이브가이드 안쪽으로 돌출되는 입구 영역에 가깝게 비아홀을 적용한 앞서의 실시예가 효과가 더 좋음을 알 수 있다. 물론, 이러한 도 5의 실시예의 경우에도 신호 전달 주파수 대역을 재설계하여 다층 PCB의 전송선로와 웨이브가이드 전이구조에 적용할 수 있다.

본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

100 : 웨이브가이드 110 : 내부공간
120 : 입구 130 : 웨이브가이드 단락면
200 : 전송선로 210 : 유전체 층
211 : 유전체 층 212 : 유전체 층
220 : 금속층 221 : 첫 번째 그라운드 층
222 : 맨 아래 그라운드 층 300 : 스트립라인
400 : 비아홀

Claims

일측에 내부 공간을 포함하며, 스트립라인의 일부를 수용하기 위한 입구를 가진 웨이브가이드;
적어도 두 개의 이상의 유전체 층으로 구성된 다층 PCB의 상부의 스트립라인과 상기 스트립라인의 하부에 적어도 두 개 이상의 그라운드 층을 포함하는 전송선로;
상기 전송선로로부터 연장되어 상기 웨이브가이드 입구를 통해 웨이브가이드 내부로 돌출된 스트립라인;
상기 웨이브가이드의 입구에 위치하는 상기 스트립라인의 하부의 첫 번째 그라운드 층과 맨아래 그라운드 층 사이에 단수 또는 복수의 비아홀이 형성되는 것을 특징으로 하는 다층 PCB의 전송선로와 웨이브가이드 간의 전이구조.
청구항 1에 있어서,
상기 스트립라인을 포함하는 유전체 층은 전송선로의 유전체 층으로부터 연결되는 것을 특징으로 하는 다층 PCB의 전송선로와 웨이브가이드 간의 전이구조.
청구항 1에 있어서,
상기 스트립라인은 웨이브가이드 단락면으로부터 일정거리 이격되는 것을 특징으로 하는 다층 PCB의 전송선로와 웨이브가이드 간의 전이구조.
청구항 1에 있어서,
상기 비아홀은 상기 웨이브가이드의 상기 입구의 최종부에 배열되는 것을 특징으로 하는 다층 PCB의 전송선로와 웨이브가이드 간의 전이구조.
청구항 1에 있어서,
상기 비아홀은 단수 또는 복수의 배열로 설치되는 것을 특징으로 하는 다층 PCB의 전송선로와 웨이브가이드 간의 전이구조.
청구항 1에 있어서,
상기 비아홀은 수평 또는 수직으로 지그재그로 배열하여 설치하는 것을 특징으로 하는 다층 PCB의 전송선로와 웨이브가이드 간의 전이구조.
청구항 1에 있어서,
상기 비아홀 사이의 간격을 10~500 um로 배열하는 것을 특징으로 하는 다층 PCB의 전송선로와 웨이브가이드 간의 전이구조.
청구항 1에 있어서,
상기 비아홀은 비아 기둥으로 대체되어 사용되는 것을 특징으로 하는 다층 PCB의 전송선로와 웨이브가이드 간의 전이구조.
청구항 1에 있어서,
상기 다층 PCB를 구성하는 유전체 층이 적어도 1개 이상의 상이한 유전체로 구성된 것을 특징으로 하는 다층 PCB의 전송선로와 웨이브가이드 간의 전이구조.
청구항 1에 있어서,
상기 다층 PCB를 구성하는 맨위의 유전체층의 유전손실률이 상기 맨위의 유전체층이 아닌 다른 유전체 층의 유전손실률에 비해 낮은 것을 특징으로 하는 다층 PCB의 전송선로와 웨이브가이드 간의 전이구조.