KR20050097897A - Coaxial line-microstrip line transition apparatus - Google Patents
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Abstract
본 발명은 마이크로파 및 밀리미터파 대역에서 사용하는 동축선로-마이크로스트립선로결합장치에 관한 것이다. 사용주파수 반파장이하의 간격을 가진 상하 접지용금속블럭 사이에 마이크로스트립선로 및 1/2λ간격의 스루홀(through hole)을 가진 접지용동박패턴이 패터닝된 저유전율의 유전체기판을 배치하고, 스트립선로에 동축선로를 수평 또는 수직 접합한 구조가 특징인 동축선로-마이크로스트립선로결합장치이다. 종래의 마이크로스트립선로가 가지는 quasi-TEM와는 달리 비방사마이크로스트립선로구조는 TEM모드와 동일한 모드를 가지고 있고, 동축선로와 용이하게 임피던스 정합을 구현할 수 있으므로, 동축선로에 인가된 전자기파 신호는 비방사마이크로스트립선로로 전달될 경우 전송손실이 거의 없기 때문에 마이크로파 뿐만 아니라 밀리미터파 대역에서도 사용이 가능한 동축선로-마이크로스트립선로 결합장치이다.The present invention relates to a coaxial line-microstrip line coupling device for use in microwave and millimeter wave bands. A low dielectric constant dielectric substrate patterned with a microstrip line and a ground copper foil pattern with through holes of 1 / 2λ interval is disposed between the upper and lower ground metal blocks having a spacing of less than half the frequency of use. Coaxial line-microstrip line coupling device characterized by the horizontal or vertical joining of the coaxial line to the line. Unlike quasi-TEM of the conventional microstrip line, the non-radiative microstrip line structure has the same mode as the TEM mode and can easily implement impedance matching with the coaxial line, so that the electromagnetic signal applied to the coaxial line is non-radiative. It is a coaxial line-microstrip line coupling device that can be used not only in the microwave but also in the millimeter wave band because there is almost no transmission loss when it is transferred to the microstrip line.
Description
마이크로파 및 밀리미터파 대역의 모듈을 소형화하기 위해서 내부회로의 입출력 전송선로 대부분을 제작이 용이하고 구조가 간단한 마이크로스트립선로를 이용하여 구현하게 된다. 특히 모듈의 입출력 전송선로를 외부로 연결할 때, 동축선로는 모듈의 하우징과 기구적으로 결합하여 공통접지를 만들기가 용이하고, 연결이 비교적 간단하기 때문에 널리 사용된다.In order to miniaturize the microwave and millimeter wave modules, most of the input / output transmission lines of the internal circuits are implemented using microstrip lines that are easy to manufacture and simple in structure. In particular, when connecting the input and output transmission line of the module to the outside, the coaxial line is widely used because it is easy to make a common ground by mechanically coupled with the housing of the module, and the connection is relatively simple.
그러나 파장이 매우 짧은 밀리미터파대역에서는 마이크로스트립과 동축선로를 연결할 경우 상호간의 구조적 차이로 인해서 불연속 효과 및 부정합특성이 심해진다. However, in the millimeter wave band having a very short wavelength, when the microstrip and the coaxial line are connected, the discontinuity effect and mismatch characteristics become worse due to the structural difference between them.
이는 종래의 마이크로스트립선로에서는 10GHz 이상의 주파수를 전송할 시에는 무시할 수 없는 고차모드(hybrid mode)의 발생으로 전송손실이 커지는 문제가 있고, quasi-TEM모드로 전송되기 때문에 동축선로를 부착할 시에는 quasi-TEM모드와 TEM모드 사이에 모드변환이 일어나는 관계로 정합이 되지 않아 정합손실이 크게 일어나기 때문이다.In the conventional microstrip line, the transmission loss is increased due to the generation of a hybrid mode, which cannot be ignored when transmitting a frequency of 10 GHz or more, and is transmitted in quasi-TEM mode. This is because the matching loss occurs because there is no matching due to the mode conversion between the TEM mode and the TEM mode.
따라서 모듈내부의 입출력 전송선로인 마이크로스트립과 외부연결 커넥터(connector)인 동축선로가 수평(horizontality) 또는 수직(vertically)으로 연결되어야 할 구조에서는 상기 기술된 문제점으로 인해 적절한 정합(matching)을 구현하기가 매우 어렵다.Therefore, in the structure in which the microstrip, which is an input / output transmission line inside the module, and the coaxial line, which is an external connector, should be connected horizontally or vertically, to achieve proper matching due to the above-described problems. Is very difficult.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 종래의 마이크로스트립-동축선로에서의 임피던스 부정합 문제를 해결하기 위하여 밀리미터파 대역에서 적용할 수 있는 동축선로-마이크로스트립선로 수평 또는 수직결합장치를 제공하는 것을 목적으로한다. The present invention is to solve the above problems, to provide a coaxial line-microstrip line horizontal or vertical coupling device that can be applied in the millimeter wave band to solve the problem of impedance mismatch in the conventional microstrip-coaxial line. The purpose is to.
바람직하게는 사용주파수 반파장이하의 간격을 가진 상하 접지용금속블럭 사이에 마이크로스트립선로 및 1/2λ간격의 스루홀(through hole)을 가진 접지용동박패턴이 패터닝된 저유전율의 유전체기판을 삽입한 후 이의 접지용 금속블럭과 동축선로를 결합하는 것을 특징으로 한다.Preferably, a low dielectric constant dielectric substrate patterned with a microstrip line and a ground copper foil pattern having through holes of 1 / 2λ interval is inserted between the upper and lower ground metal blocks having a spacing of less than half the use frequency. After that, it is characterized by combining the grounding metal block and the coaxial line.
상기 마이크로스트립선로가 내장된 구조물은 접지용 금속블럭의 상하 간격을 전송주파수의 1/2파장 이내로 두기 때문에 선로를 따라 진행하는 TEM 전자파모드는 TE 또는 TM모드로 진행하지 않고, 유사 TEM모드로 진행하게 되며, 접지용동박패턴의 스루홀로 인해 전자파가 방사되는 것을 방지하여 전송손실을 줄이는 역할을 하게 된다.In the structure in which the microstrip line is embedded, the vertical space of the ground metal block is kept within 1/2 wavelength of the transmission frequency, so that the TEM electromagnetic wave mode traveling along the line does not proceed to the TE or TM mode, but proceeds to a similar TEM mode. In addition, the through hole of the ground copper foil pattern prevents electromagnetic waves from being radiated and serves to reduce transmission loss.
또한 상기 마이크로스트립선로가 내장된 구조물에 있어서, 접지용 상하금속블럭의 폭, 접지용 동박패턴의 폭 등을 조정하여 동축선로와의 임피던스 정합을 도모할 수 있는 장점이 있다.In addition, in the structure in which the microstrip line is embedded, an impedance matching with the coaxial line can be achieved by adjusting the width of the upper and lower metal blocks for grounding and the width of the copper foil pattern for grounding.
본 발명에 있어서, 동축선로-마이크로스트립선로 수평 또는 수직결합장치 및 방법에 관한 상세한 설명은 다음과 같다.In the present invention, a detailed description of a horizontal or vertical coupling device and method for a coaxial line-microstrip line is as follows.
도 1은 본 발명에 의한 동축선로-마이크로스트립선로 수평결합장치를 나타낸 것이다.Figure 1 shows a coaxial line-microstrip line horizontal coupling device according to the present invention.
도 1에 의하면, 사용주파수 반파장이하의 간격을 가진 상하 접지용금속블럭(10, 11) 사이에 마이크로스트립선로(12)와 1/2λ간격의 스루홀(13)을 가진 접지용동박패턴(14)이 패터닝된 저유전율의 유전체기판(15)을 삽입하고, 마이크로스트립선로(12) 끝부분에 동축선로(18)를 결합한 구조를 제공한다.1, a ground copper foil pattern having a microstrip line 12 and a through hole 13 having a 1 / 2λ spacing between the upper and lower ground metal blocks 10 and 11 having a spacing of less than half the use frequency ( 14) inserts the patterned low dielectric constant dielectric substrate 15, and provides a structure in which the coaxial line 18 is coupled to the end of the microstrip line 12.
상기 마이크로스트립선로가 내장된 구조물에 있어서, 접지용 금속블럭(10, 11)의 상하 간격을 전송주파수의 1/2파장 이내로 할 경우, 선로를 따라 진행하는 TEM 전자파모드는 TE 또는 TM모드로 진행하지 못하여, 전파방사가 일어나지 않아 선로를 따라 손실없이 진행하게 된다.In the structure in which the microstrip line is built, when the vertical interval of the ground metal blocks 10 and 11 is within 1/2 wavelength of the transmission frequency, the TEM electromagnetic wave mode traveling along the line proceeds to TE or TM mode. If it does not, radio wave radiation does not occur and the line goes without loss.
또한 내부 전송선로인 마이크로스트립선로(12) 하부의 유전체(15)는 기판으로 동작하고, 하부 접지용동박패턴(14)은 스루홀(13)로 인해 금속판으로 동작하여 전자파가 방사되는 것을 방지하고, 전송손실을 줄이는 역할을 하게 된다.In addition, the dielectric 15 under the microstrip line 12, which is an internal transmission line, operates as a substrate, and the lower ground copper foil pattern 14 operates as a metal plate due to the through hole 13 to prevent electromagnetic waves from being emitted. Therefore, it reduces the transmission loss.
도 2는 동축선로-마이크로스트립선로 수직결합장치를 나타낸 것이다.Figure 2 shows a vertical coupling device for the coaxial line-microstrip line.
도 2에 있어서, 상기 동축선로의 외부도체(18)는 상기 마이크로스트립선로(12)가 내장된 구조의 하부접지용 금속블럭(11)에 밀착되고; 내부도체(16)는 하부접지용 금속블럭(11)을 관통하고, 유전체기판에 형성된 비아홀(19)을 통해 동축선로의 내부도체(16)가 삽입되어, 유전체기판상의 마이크로스트립선로(12)와 동축선로의 내부도체(16)가 접합되도록 구성되어 있다.2, the outer conductor 18 of the coaxial line is in close contact with the bottom ground metal block 11 of the structure in which the microstrip line 12 is embedded; The inner conductor 16 penetrates the lower ground metal block 11, and the inner conductor 16 of the coaxial line is inserted through the via hole 19 formed in the dielectric substrate, and the microstrip line 12 on the dielectric substrate is inserted into the inner conductor 16. It is comprised so that the inner conductor 16 of a coaxial line may join.
본 발명에 있어서, 상기 마이크로스트립선로와 상기 동축선로 내부도체간의 임피던스 정합을 위해 접지용 상하금속블럭(10, 11)의 폭 Wm, 접지용동박패턴(14)의 폭 Wg, 스트립선로(12)와 접지용동박패턴(14) 사이의 간격 Wd에 의해 임피던스가 조정되도록 제공된다.In the present invention, the width Wm of the upper and lower metal blocks 10 and 11 for grounding, the width Wg of the ground copper foil pattern 14, and the strip line 12 for impedance matching between the microstrip line and the inner conductor of the coaxial line. And the impedance is adjusted by the interval Wd between the ground copper foil pattern 14 and the ground.
도 3은 동축선로와 마이크로스트립선로를 접합할 경우 임피던스 정합을 위해 조정되는 비방사마이크로스트립선로 구조물의 파라메타를 나타낸 것이다.Figure 3 shows the parameters of the non-radiating microstrip line structure adjusted for impedance matching when the coaxial line and the microstrip line are joined.
본 발명에 있어서, 마이크로스트립선로(12)와 동축선로의 내부도체(16)를 수평으로 접합시키기 위한 방법으로 마이크로스트립선로(12) 끝단과 동축선로 내부도체(16)의 중심핀을 밀착하여 본딩(bonding)하는 방법을 실시한다. 특히 본딩은 금리본본딩(gold wire bonding), 납땜 및 전도성에폭시 접착 등의 방법을 사용할 수 있다.In the present invention, the microstrip line 12 is bonded to the center pin of the coaxial line inner conductor 16 in close contact with the end of the microstrip line 12 in a manner for horizontally joining the inner conductor 16 of the coaxial line. (bonding) is carried out. In particular, the bonding may use methods such as gold wire bonding, soldering and conductive epoxy bonding.
도 4는 상기 도 1의 동축선로-마이크로스트립선로 수평결합장치에 있어서,삽입손실과 반사손실의 시뮬레이션 결과를 나타낸 것이다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 동축선로-마이크로스트립선로 결합장치는 10GHz에서 40GHz대역까지의 반사손실이 15dB이상이고, 삽입손실이 약 0.5dB로서 광대역 저손실 특성을 보이고 있고, 50GHz에서 100GHz대역까지 반사손실은 약 10dB이상이고, 삽입손실은 약 5dB정도의 전송손실 특성을 나타내고 있다.FIG. 4 illustrates simulation results of insertion loss and reflection loss in the coaxial line-microstrip line horizontal coupling device of FIG. 1. As shown in FIG. 3, the coaxial line-microstrip line coupling device of the present invention exhibits a broadband low loss characteristic with a reflection loss of 10 dB to 10 GHz and a bandwidth of 15 dB or more, an insertion loss of about 0.5 dB, and a 50 GHz to 100 GHz band. Return loss is about 10dB or more, and insertion loss is about 5dB transmission loss.
상기 도 4의 결과를 통해, 마이크로파대역과 밀리미터파 대역에 이르는 영역까지 저손실 및 광대역 특성을 가진 동축선로-마이크로스트립선로 결합장치를 구현할 수 있음을 알 수 있다.As can be seen from the result of FIG. 4, a coaxial line-microstrip line coupling device having low loss and wideband characteristics can be realized up to a region ranging from a microwave band and a millimeter wave band.
도 5는 동축선로-마이크로스트립선로 수평결합장치에 있어서, 전자계모드 분포도를 나타낸 것이다. 도 5에 있어서, 사용주파수는 60GHz이고, E필드 및 H필드를 나타내고 있으며, 60GHz까지 TEM모드가 나타나는 것을 알 수 있다.Figure 5 shows the electromagnetic field mode distribution in the coaxial line-microstrip line horizontal coupling device. In Fig. 5, the use frequency is 60 GHz, the E field and the H field are shown, and the TEM mode is shown up to 60 GHz.
상기 접지용 상하금속블럭(10, 11) 사이의 마이크로스트립선로(12)는 기존의 마이크로스트립선로가 가지는 quasi-TEM과는 아주 다른 모양을 가진다. 종래의 qusai-TEM은 밑의 접지판과 위의 스트립선로 사이에만 전계/자계 모드가 일어나 스트립 위의 공기와 맡다은 부분에는 전계모드가 존재하지않는 비대칭구조의 전자계모드를 가지나, 상기 구조의 마이크로스트립선로(12) 주변의 상하 접지용동박패턴에 동일하게 전/자계 분포가 되어 TEM과 거의 같은 TEM모드가 발생하게 된다.The microstrip line 12 between the upper and lower metal blocks 10 and 11 for grounding has a shape very different from that of quasi-TEM of the existing microstrip line. Conventional qusai-TEM has an asymmetrical electromagnetic field mode in which an electric field / magnetic field mode occurs only between the ground plane below and the upper strip line, so that no electric field mode exists in the air on the strip. The electric and magnetic field distribution is similarly applied to the up and down ground copper foil patterns around the line 12 to generate a TEM mode that is almost the same as the TEM.
바람직하게는 접지용 상하금속블럭(10, 11) 내부는 공기로 채워져 있고, 얇은 유전체기판(15)은 마이크로스트립선로(12)의 전송모드가 TEM과 아주 유사한 유사 TEM모드로 만들어져 동축선로 등과 같은 TEM 모드를 사용하는 부품이나 회로와의 접속이 용이하여 모드 변환이 일어나지 않아 결합 손실이 거의 발생하지 않는다.Preferably, the upper and lower metal blocks 10 and 11 for grounding are filled with air, and the thin dielectric substrate 15 is made in a similar TEM mode in which the transmission mode of the microstrip line 12 is very similar to that of the TEM. Easy connection with components and circuits using TEM mode, so no mode conversion occurs, resulting in little coupling loss.
도 6은 동축선로와 마이크로스트립선로 첫번째 수평결합방법에 있어서, 동축선로내부도체(16)의 중심핀(16-1) 형태가 도 6의 원안과 같은 납작한 형태(plat pin)로써 마이크로스트립선로(12)의 상부단면부에 용이하게 밀착할 수 있는 형태가 될 수 있다.FIG. 6 is a diagram illustrating the first horizontal coupling method of a coaxial line and a microstrip line, wherein the center pin 16-1 of the coaxial line inner conductor 16 has a flat pin shape as shown in FIG. 12) may be in a form that can be easily in close contact with the upper end portion.
또한 동축선로의 외부도체(18)은 마이크로스트립선로(12) 상하부 접지용 상하 금속블럭(10, 11)과 밀착이 되도록 하고, 동축선로 절연체(17) 영역은 비방사마이크로스트립선로 구조의 유전체기판(15) 단면부와 밀착이 되도록 한다.In addition, the outer conductor 18 of the coaxial line is in close contact with the upper and lower metal blocks 10 and 11 for grounding the microstrip line 12, and the region of the coaxial line insulator 17 is a dielectric substrate having a non-radial microstrip line structure. (15) It should be in close contact with the end face.
도 7은 동축선로와 마이크로스트립선로 두번째 수평결합방법에 있어서, 동축선로내부도체(16)의 중심핀(16-2) 형태는 도 7의 원안과 같은 원통형형태(solder pot pin)를 가진다. 도 7에 의하면, 동축선로의 내부도체의 중심핀구조는 비어있는 원통형 형태로서 마이크로스트립선로의 상부단면부에 접합되는 부분은 중심핀(16-2)가 비스듬히 절단된 구조(16-2)가 특징인 동축선로-마이크로스트립선로 결합장치이다.FIG. 7 illustrates a coaxial line and a microstrip line in the second horizontal coupling method, wherein the center pin 16-2 of the coaxial line inner conductor 16 has a cylindrical pot shape as shown in FIG. 7. According to FIG. 7, the central pin structure of the inner conductor of the coaxial line is a hollow cylindrical shape, and the portion 16-2 of which the center pin 16-2 is cut at an angle is joined to the upper end surface of the microstrip line. Characteristic coaxial line-microstrip line coupling device.
도 8은 동축선로-마이크로스트립선로의 수직결합장치를 나타낸 것이다. 상기 동축선로의 외부도체(18)는 상기 마이크로스트립선로가 내장된 구조의 하부접지용 금속블럭(11)에 밀착되고, 내부도체(16-3)는 하부접지용 금속블럭(11)을 관통하고, 유전체기판(15)에 형성된 비아홀(via hole)을 통해 동축선로의 내부도체(16-3)가 삽입되어, 유전체기판상의 마이크로스트립선로(12)와 동축선로의 내부도체(16-3)가 수직으로 접합된 구조로 구성된다.8 shows a vertical coupling device of a coaxial line-microstrip line. The outer conductor 18 of the coaxial line is in close contact with the lower ground metal block 11 of the structure in which the microstrip line is embedded, and the inner conductor 16-3 penetrates the lower ground metal block 11. The inner conductor 16-3 of the coaxial line is inserted through a via hole formed in the dielectric substrate 15 so that the microstrip line 12 and the inner conductor 16-3 of the coaxial line on the dielectric substrate 15 are inserted. It consists of a vertically bonded structure.
상기와 같이 본 발명은 사용주파수 반파장이하의 간격을 가진 상하 접지용금속블럭 사이에 스트립선로와 1/2λ간격의 스루홀을 가진 접지용동박패턴이 패터닝된 저유전율의 유전체기판을 배치하고, 마이크로스트립선로와 동축선로의 내부도체를 수평 또는 수직결합한 구조를 제공한다.As described above, the present invention arranges a low dielectric constant dielectric substrate patterned with a strip line and a ground copper foil pattern having a through hole of 1 / 2λ interval between the upper and lower ground metal blocks having a spacing of less than half the use frequency. Provides a structure in which the inner conductors of the microstrip line and the coaxial line are horizontally or vertically coupled.
이러한 마이크로파 및 밀리미터파 대역에까지 적용할 수 있는 동축선로-마이크로스트립선로 결합장치는 광대역 특성을 가지고, 전송손실도 거의 없고, 경제적인 이점이 있으며, 초고주파 모듈을 소형화할 수 있는 효과가 있다.The coaxial line-microstrip line coupling device applicable to the microwave and millimeter wave bands has broadband characteristics, almost no transmission loss, and is economical, and has the effect of miniaturizing ultra-high frequency modules.
또한 초고주파 회로내부의 전자계 모드는 TEM과 거의 동일한 유사 TEM모드이므로 기존의 TEM모드를 사용하는 장치, 회로 및 컨넥터(connector)와의 모드변환 손실이 거의 없어 우수한 초고주파 회로를 만들 수 있다.In addition, since the electromagnetic mode inside the microwave circuit is almost the same TEM mode as the TEM, there is almost no mode conversion loss with devices, circuits, and connectors using the conventional TEM mode, thereby making an excellent microwave circuit.
도 1: 동축선로-마이크로스트립선로 수평결합장치Figure 1: Coaxial line-microstrip line horizontal coupling device
도 2: 동축선로-마이크로스트립선로 수직결합장치Figure 2: Coaxial line-microstrip line vertical coupling device
도 3: 동축선로-마이크로스트립선로 임피던스정합을 위한 파라메타Figure 3: Parameters for impedance matching of coaxial line to microstrip line
도 4: 동축선로-마이크로스트립선로 수평결합장치의 전송손실 그래프Figure 4: Transmission loss graph of the coaxial line-microstrip line horizontal coupling device
도 5: 동축선로-마이크로스트립선로 수평결합장치의 전자계 분포도Figure 5: Electromagnetic field distribution diagram of horizontal coupling device of coaxial line-microstrip line
도 6: 동축선로-마이크로스트립선로의 첫번째 수평결합방법6: First horizontal coupling method of coaxial line to microstrip line
도 7: 동축선로-마이크로스트립선로의 두번째 수평결합방법Figure 7: Second horizontal coupling method of coaxial line-microstrip line
도 8: 동축선로-마이크로스트립선로 수직결합방법Figure 8: Coaxial line-microstrip line vertical coupling method
<세부명칭에 대한 상세한 설명><Detailed Description of Details>
10: 접지용 상부금속블럭, 11: 접지용 하부금속블럭, 12: 마이크로스트립선로, 13: 스루홀(through hole), 14: 접지용동박패턴, 15: 유전체기판, 16: 동축선로 내부도체, 17: 동축선로 절연체, 18: 동축선로 외부도체, 19: 비아홀(via hole)10: top metal block for grounding, 11: bottom metal block for grounding, 12: microstrip line, 13: through hole, 14: copper foil pattern for grounding, 15: dielectric substrate, 16: inner conductor of coaxial line, 17: coaxial line insulator, 18: coaxial line outer conductor, 19: via hole
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