KR20060045853A

KR20060045853A - 도파로와 마이크로스트립 라인 사이의 무접점 전이 요소

Info

Publication number: KR20060045853A
Application number: KR1020050034122A
Authority: KR
Inventors: 도미니끄 로 힝 통; 필립 미나르; 꼬랭 니꼴라스; 알리 루지르; 줄리앙 테베나르; 장-필립 꾸페즈; 크리스티앙 페르송
Original assignee: 톰슨 라이센싱
Priority date: 2004-04-29
Filing date: 2005-04-25
Publication date: 2006-05-17
Also published as: US7746191B2; BRPI0501576A; JP2005318632A; EP1592082B1; KR101158559B1; EP1592082A1; US20060097819A1; JP4516883B2; FR2869725A1; DE602005022013D1; MXPA05004426A

Abstract

본 발명은 기판(30) 상에 도파로(10)와 전이 라인 사이의 전이 요소에 관한 것이다. 상기 전이 요소는, 상기 기판(30) 상의 고정 플랜지(20)를 포함하며, 상기 플랜지(20)는, 적어도 마이크로스트립 라인 방향으로, 플랜지의 폭(d)이 공진 모드를 유용한 대역으로부터 벗어나게 이동시키도록 선택된 크기를 가진다. 본 발명은 특히 밀리미터 주파수(millimeter frequency)에서 SMD 기술을 사용하는 회로에 사용된다.

Description

도파로와 마이크로스트립 라인 사이의 무접점 전이 요소{CONTACT-FREE ELEMENT OF TRANSITION BETWEEN A WAVEGUIDE AND A MICROSTRIP LINE}

도 1은 본 발명에 따른 도파로 회로와 마이크로스트립 기술 라인 사이의 전이 요소의 제 1 실시예의 분해 사시도.

도 2의 (a) 및 (b)는 각각 상기 제 1 실시예에 사용되는 마이크로스트립 기술 라인을 포함하는 기판의 평면도와 저면도.

도 3은 도파로와 집적된 전이 요소의 사시도.

도 4의 (a) 및 (b)는, 도 1의 실시예에 대해, d=4mm 및 d=2.3mm와 같은, 마이크로스트립 라인 방향으로의 플랜지(flange)의 크기(d)에 대한 주파수의 함수로서의 적응을 각각 보여주는 곡선을 도시하는 도면.

도 5는 제 1 실시예의 변형예에 따라 90°로 굽은 도파로와 마이크로스트립 라인 사이의 요소의 분해 사시도.

도 6은 도 5의 실시예에 대한 주파수의 함수로서 임피던스 매칭(impedance matching) 및 전송 손실 곡선을 보여주는 도면.

도 7은 2개의 90°굽은 굴곡부를 갖는 도파로에 대해 제 1 실시예의 다른 변형예의 분해 사시도.

도 8은 도 7의 실시예에 대해 주파수의 함수로서 임피던스 매칭과 전송 손실 곡선을 보여주는 도면.

도 9는 크기 d의 제한 값이 결정될 수 있게 하는, 크기 d의 함수로서 공진 주파수의 변형예를 도시하는 곡선.

도 10은 본 발명에 따른 도파로 회로와 마이크로스트립 기술 라인 사이의 전이 요소의 제 2 실시예의 분해 사시도.

도 11의 (a) 및 (b)는 각각 제 2 실시예에 사용되는 마이크로스트립 기술 라인을 포함하는 기판의 평면도와 저면도.

도 12는 도 10에 따른 도파로 회로와 마이크로스트립 라인 사이의 전이에 대해 시뮬레이팅된 삽입 손실 및 리턴 손실을 보여주는 곡선.

도 13은 도 10의 실시예에 대해 기판 상의 전도성 풋프린트(footprint)와 마이크로스트립 라인을 보여주는 확대 저면도.

도 14는 30GHz에서 도 10의 실시예에 대해 풋프린트의 개구(opening) 폭의 함수로서 삽입 손실을 보여주는 곡선.

도 15, 도 16, 도 17은 서로 다른 풋프린트 크기에 대한 리턴 손실 곡선을 보여주는 도면.

도 18의 (a) 및 (b)는 SMD 필터를 포함하는 도파로 회로에 대한 도 10의 실시예의 변형예의 분해 사시도와, 이 변형예에 대해 시뮬레이팅된 임피던스 매칭과 리턴 손실 곡선을 각각 보여주는 도면.

도 19의 (a) 및 (b)는 SMD 의사 타원 필터(pseudo-elliptic filter)를 포함하는 도파로 회로에 대해 도 10의 실시예의 다른 변형예의 분해 사시도와, 이 변형 예에 대해 시뮬레이팅된 임피던스 매칭과 리턴 손실 곡선을 각각 보여주는 도면.

도 20은 본 발명에 따른 도파로 회로와 마이크로스트립 기술 라인 사이의 전이 요소의 제 2 실시예의 분해 사시도.

도 21a 및 도 21b는 각각 제 3 실시예에 사용되는 마이크로스트립 기술 라인을 포함하는 기판의 저면도와 평면도.

도 22는 도 20에 따른 전이에 대해 시뮬레이팅된 삽입 및 리턴 손실 곡선을 보여주는 도면.

<도면 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10, 100, 50, 80 : 도파로 회로 31,111,60d : 마이크로스트립기술라인

30, 110, 60, 90 : 유전체 기판 20, 102, 52, 82 : 플랜지

32, 102, 60f, 93 : 전도성 풋프린트 41, 121, 71, 73 : 공동(cavity)

본 발명은, 마이크로스트립 기술 라인 회로(microstrip technology line circuit)와 도파로 회로(waveguide circuit) 사이의 전이 요소(element of transition)에 관한 것이며, 보다 상세하게는, 금속화된 포움(metallized foam)에 기반한 기술을 사용하여 실현되는 직사각형 도파로와 마이크로스트립 기술 급전 라인(feeding line) 사이의 무접점 전이(contact-free transition)에 관한 것이다.

높은 비트율을 전송할 수 있는 무선 통신 시스템은 현재 큰 성장을 하고 있 다. 현재 개발되고 있는 시스템, 특히 LMDS (Local Multipoint Distribution System) 시스템, WLAN (Wireless Local Area Network) 무선 시스템과 같은 포인트 투 멀티포인트 시스템(point-to-multipoint system)은 점점 더 높은 주파수에서 즉 수십 기가헤르쯔(Giga-Hertz) 정도에서 동작한다. 이들 시스템은 복잡하지만 그 소비자 성향으로 인해 점점 더 낮은 비용으로 실현되어야 한다. 현재 위 주파수에서 동작하는 수동 및 능동 기능을 집적한 디바이스들이 평면 기판(planar substrate) 상에 낮은 비용으로 실현되게 해주는 것에는 LTCC (Low Temperature Cofired Ceramic) 또는 HTCC (High Temperature Cofired Ceramic) 기술과 같은 기술이 있다.

그러나, 이 경우에 사용되어야 하는 기판이 밀리미터 파장대역 레벨에서 요구되는 특성을 가지지 못하기 때문에, 밀리미터 대역에서 특히 필터링 기능과 같은 일부 기능을 실현하는 것이 곤란하다. 그리하여 이 타입의 기능은 도파로와 같은 종래의 구조를 사용하여 실현되어야 한다. 이때 시스템의 다른 기능에 의해 사용하기 위해 설계된 마이크로스트립 기술을 사용하여 실현된 인쇄 회로와 도파로 디바이스 사이의 상호연결에 문제가 발생한다.

다른 한편, 주로 밀리미터 주파수와 연결된 동일한 이유로 인해, 필터(filter), 편광자(polarizer), 또는 직교 모드(orthomode)와 같은 안테나 및 그 연관된 요소는 또한 도파로 기술을 사용하여 실현된다. 그러므로, 종래의 인쇄 회로 기판을 사용하여 실현되는 평면 구조에 도파로 기술을 사용하여 실현되는 회로를 연결할 수 있는 것이 필요하며, 이러한 최근의 기술이 대량 생성을 하기 위해 적절 히 채용되었다.

그 결과, 마이크로스트립 기술에서 도파로 구조와 평면 구조 사이를 상호 연결하는데 많은 연구들이 수행되었다. 그리하여, 물러(Muller) 등의 "Surface mountable metallized plastic waveguide filter suitable for high volume production"이라는 명칭의 논문(2003년, Munich에서 개최된 33차 유럽 마이크로파 회의, page 1255, EADS)은 SMD(Surface Mounted Device) 기술을 사용하여 다층 PCB (Printed Circuit Board) 회로에 연결될 수 있는 도파로 필터를 기술한다. 이 경우에, 도파로 필터의 입력 및 출력은 인쇄 회로 상에 실현된 풋프린트(footprint)에 직접 납땜된다. 이들 풋프린트는 마이크로스트립 라인에 직접적인 연결을 제공한다. 그리하여, 도파로 모드의 여기(exitation)는 마이크로스트립 액세스 라인(microstrip access line)과 도파로 구조 사이의 직접적인 접촉에 의해 이루어진다. 그러므로 이 전이는 엄격한 제조 공차(tolerance) 및 위치지정 공차를 실현하고 요구하기 위해 복잡한 것으로 밝혀졌다.

직사각형 도파로와 마이크로스트립 라인 사이의 전이는 THOMSON Licensing S.A.의 이름으로 2003년 1월 3일에 출원된 프랑스 특허 03 00045에 또한 제안되어 있다. 이 전이는, 특정 방식으로 도파로의 말단(extremity)을 모델링할 것과 리브 연결된 도파로가 실현되는 포움 구조를 연장하는 포움 기판 상에 마이크로스트립 라인을 실현할 것을 요구한다. 이 경우에, 도파로를 형성하는 포움 바(foam bar)는 또한 마이크로스트립 라인에 대한 기판으로서 사용된다. 이 타입의 기판은 수동 또는 능동 회로의 실현과 항상 양립가능한 것은 아니다.

모든 경우에, 전술된 실시예는 복잡하며 융통성이 없다.

따라서, 본 발명은, 마이크로스트립 기술을 사용하여 실현된 구조와 도파로 구조 사이에 새로운 타입의 무접점 전이(contact-free transition)를 제안한다. 이 전이는 넓은 제조 공차와 조립 공차를 실현하고 허용하도록 간단하다. 나아가, 본 발명의 전이는 SMD 실장 기술과 양립가능하다.

본 발명은 유전체 기판 상에 실현되는 마이크로스트립 기술 라인과 도파로 회로 사이의 무접점 연결을 위한 전이 요소에 관한 것이다. 이 전이 요소는 기판에 고정하기 위한 플랜지(flange)까지 도파로의 말단을 연장하며, 상기 기판은 플랜지의 하부면과 연결을 이루기 위한 전도성 풋프린트(footprint)를 형성한다. 나아가, 이 전이의 적응을 이루기 위해, 기판 아래 도파로의 말단과 대향하여 공동이 실현되며, 이 공동은 특정한 크기를 나타낸다.

바람직하게는, 도파로 회로와 고정 플랜지는, 이 공동과 대향하는 영역을 제외하고는 금속화된 외부 면을 갖는 포움(foam)과 같은 합성 물질 블록으로 실현된다.

나아가, 고정 플랜지는 바람직하게는 도파로의 말단과 일체로 형성된다. 그러나, 일부 실시예에서, 이 고정 플랜지는 도파로의 말단에 고정되는 독립적인 요소이다.

제 1 실시예에 따라, 이 고정 플랜지는, 적어도 마이크로스트립 라인의 방향으로, 플랜지의 폭(d)이 유용한 대역폭에서 벗어나게 공진 모드를 이동시키도록 선 택되게 하는 크기를 가지며, 이 고정 플랜지는 도파로의 말단에 적어도 수직이다. 이 경우에, 이 공동은 λ/4의 깊이를 가지며, 여기서 λ는 도파로 내에서 유도되는 파장에 대응하며, 이 마이크로스트립 라인은 프로브(probe)에서 종료한다.

제 2 실시예에 따라, 이 고정 플랜지는 도파로의 연장으로 실현된다. 이 경우에, 마이크로스트립 라인은 바람직하게는 용량성 프로브(capacitive probe)에서 종료하며 이 공동은 λ/4와 λ/2 사이의 깊이를 가지며, 여기서 λ는 도파로 내에서 유도되는 파장에 대응한다. 전기 누설을 방지하기 위하여, 전도성 풋프린트는 C 자 형상의 플랜지와 연결하게 하기 위해 기판 상에 실현되며, C자의 가지(branch) 사이의 개구(opening)는 단락 회로(short-circuit)를 방지하면서 전계(electrical field)의 누설을 제한하도록 하는 크기를 가진다.

제 3 실시예에 따라, 이 도파로는 외부면이 금속화된 중공(hollowed out) 유전체 물질 블록으로 형성된다. 이 경우에, 기판 상에 실현된 C 자 형상의 전도성 풋프린트는 도파로의 하부 부분을 형성하기 위하여 도파로 방향으로 연장한다. 이 풋프린트는, 바람직하게는, 도파로가 용접되는 제 1 금속화된 영역과, 상기 제 1 금속화된 영역 내에 있으며 도파로를 위한 커버를 형성하는 제 2 금속화된 영역을 포함하여야 한다.

본 발명의 다른 특성과 잇점은 첨부된 도면을 참조하여 이하 여러 실시예의 상세한 설명을 읽을 때 나타날 것이다.

이제 도 1 내지 도 4를 참조하여 유전체 기판 상에 실현되는 도파로 회로 (waveguide circuit)와 마이크로스트립 라인(microstrip line) 사이의 전이 요소(element of transition)의 제 1 실시예에 대한 제 1 상세한 설명이 이루어질 것이다.

이 전이 요소의 분해도에 관한 것인 도 1에 개략적으로 도시된 바와 같이, 참조 번호 10은 직사각형 도파로를 개략적으로 도시한다. 이 도파로는 바람직하게는 합성 물질, 보다 구체적으로는 공기의 유전율과 매우 유사한 유전율을 갖는 포움(foam)으로 된 합성 물질로 실현된다. 이 직사각형 포움 블록은, 마이크로파 도파로를 실현하기 위하여 모든 외부면 상에서, 참조 번호 11로 언급된 바와 같이, 금속화된다.

구체적으로 도 1 및 도 3에 도시된 바와 같이, 눈에 띄는 "C" 자 형상을 나타내는 플랜지(flange)(20)는 바람직하게는 포움 기술 도파로(foam technology waveguide)와 동시에 도파로(10)의 일단에서 실현된다. 이 플랜지(20)는, 2개의 더 작은 면(21)과 그리고 하나의 더 넓은 면으로 도파로(10)의 직사각형 말단(extremity)을 에워싸는 한편, 다른 넓은 면은, 이후 설명되는 바와 같이, 유전체 기판(30)에 실현되는 마이크로스트립 라인(31)과의 임의의 단락 회로를 방지하기 위하여 배치된 개구(opening)(22)를 가진다.

보다 명확하게, 도 3에 도시된 바와 같이, 플랜지로 구성된 전이 요소와 직사각형 도파로로 형성된 조립체는 참조 번호 11 및 23 부분에서 금속화된다. 그러나, 플랜지(20) 내 절단(break) 레벨에서 수직한 영역과 함께 직사각형 영역을 형성하는 도파로의 출력에 대응하는 말단은 참조 번호 24로 도시된 바와 같이 금속화 되지 않는다.

부분적으로 금속화된 포움 구조로 구성된 이 플랜지(20)는 전이 성능을 교란하고 저해할 수 있는 초 주파수 공동(hyperfrequency cavity)을 형성한다. 본 발명에 따라 이 문제를 방지하기 위해, 플랜지(20)는, 공진 모드(mode)를 제거하는 것에 의해 그리고 조립체를 위한 우수한 기계적 지지를 보장하는 한편, 이후 설명되는 바와 같이, 마이크로스트립 기술 회로를 지지하는 기판으로 신뢰성있는 전기 접촉을 구체적으로 얻을 수 있는 크기를 구비한다.

그리하여, 마이크로스트립 라인과 대향하는 부분과 대응하는, 비금속화된 부분(22)과 대향하는, 플랜지(20) 부분은, 유용한 대역 외부로 플랜지의 공진 주파수를 이동시키도록 하는 크기를 가진다. 요구되는 기계적 강도에 따라 선택되는 플랜지의 두께, 즉 플랜지의 이 부분의 크기(d)는, 생성된 공진 주파수가 유용한 대역 외부에 있도록 선택된다. 나아가, 도 1에 도시된 바와 같이, 마이크로스트립 기술 회로는 유전체 기판(30) 상에 실현된다. 보다 구체적으로 도 2에 도시된 바와 같이, 유전체 기판(30)은, 이하에 설명되는 바와 같이, 도파로(10)의 직사각형 출력에 대응하며 기판(30)을 지지하는 박스 또는 베이스(40)에 실현되는 공동(41)에 인접한 직사각형 비금속화된 영역(30b)과 함께 하부면 상에 접지면을 형성하는 금속층(30a)을 포함한다.

도 2의 (a)에 도시된 기판의 상부면은 도파로(10)에 의해 방출되는 에너지를 복구하기 위해 연결 요소 또는 프로브(probe)(31c)와 마이크로스트립 기술을 사용하는 임피던스 매칭 라인(impedance matching line)(31b)에 의하여 연장되는 마이 크로스트립 기술 라인(31a)을 포함한다. 이 요소는 일반적으로 영어로 "프로브(probe)"라는 용어로 알려져 있다.

도파로 출력과 프로브(31c) 사이를 연결하기 위하여, 플랜지(20)의 하부면의 풋프린트(30c)는 기판(30)의 상부면 상에 전도성 물질로 실현되었다. 도 2의 (a)에 명확히 도시된 바와 같이, 프로브(31c)의 연장 부분에서 발견되는 풋프린트의 부분은 도 1에 도시된 플랜지(20) 부분의 폭(d)에 대응하는 폭(d)을 가진다.

금속화된 영역(30c)은, 용접에 의하여, 보다 구체적으로는, 납땜 용접에 의하여 연결되는 플랜지의 상응하는 면(equivalent surface)을 수용하는데 사용되며, 이 영역은 도시되지 않은 금속 홀(hole)에 의해 접지면 하부(30a)에 전기적으로 연결된다.

나아가, 도 1에 도시된 바와 같이, 마이크로스트립 기술 회로를 수용하는 유전체 기판은 도파로와 마주하는 부분에 공동(41)을 형성하는 금속 베이스 또는 금속 박스(40) 상에 장착된다. 이 공동은 도파로 내에서 유도되는 파장의 특히 1/4에 해당하는 깊이와 직사각형 도파로의 개구와 같은 개구를 구비하며, 이것은 전이를 위한 임피던스 매칭(impedance matching)을 제공하기 위한 것이다.

본 발명을 위해, 마이크로스트립 기술 라인과 동일한 방향에서 발견되는 전이 요소의 플랜지 부분의 폭만이 공진 현상에 대하여 중요한 것으로 보인다. 사실, 도 1에 도시된 바와 같은 직사각형 도파로에 대해, 기본적인 모드(TE10)가 여기되며(excited), 그 전계는 액세스 라인(access line)의 축 방향으로 최대이고 도파로의 작은면 상의 측면 방향으로는 거의 영(0)이다. 그러므로, 마이크로스트립 라인 이 각 면에 위치되며 플랜지의 측면 부분으로 형성된 공동은 그 성능에 거의 영향을 미치지 않으며 이 플랜지의 이들 부분의 크기는 이 조립체를 위한 기계적 강성만을 제공하기 위해 선택된다. 이와는 달리, 후미 플랜지 부분에 대해서는, 이 부분은, 이 부분의 크기에 따라 좌우되는 공진 주파수를 생성하는 급전 라인(feeding line)에 의해 여기되며, 이 주파수는 유용한 대역 내에 있을 수 있다. 그러므로 이 폭(d)은 유용한 대역으로부터 이 주파수를 이동시키도록 선택되며, 그 높이는 기계적인 제약조건에 따라 선택된다.

전술된 개념을 확인하기 위해, 도 1의 전이 요소의 타입의 직사각형 도파로 및 평면 구조와 연관된 전이 요소가 유한 요소법(finite elements method)을 구현하는 "Ansoft/HFSS"라는 이름으로 알려진 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하여 3D로 전자기적으로 시뮬레이팅되었다. 이 경우에, 3.556mm x 7.112mm의 도파로 단면을 가지는 WR28이라는 이름의 도파로는 도 1에 도시된 바와 같은 플랜지까지 연장된다. 1.5mm의 두께, 2mm의 작은 측면의 폭, 및 4mm 또는 2.3mm의 폭을 갖는 플랜지가 마이크로스트립 라인이 실현된 RO4003이라는 이름으로 상업적으로 알려진 0.2mm의 두께의 낮은 비용의 마이크로파 기판(microwave substrate) 상에 전술된 바와 같이 장착되었다.

나아가, 이 도파로는, 특히 최대 60GHz까지는 εr = 1.09, tg. δ= 0.001인 매우 낮은 유전상수와 낮은 유전 손실을 나타내는 "Rohacell/HF71"이라는 상업적 이름으로 알려진 포움 물질을 금속화하여 실현된다. 시뮬레이션 결과는 d=4mm에 대해 도 4의 (a)에 그리고 d=2.3mm에 대해 도 4의 (b)에 주어져 있다.

관측 결과, d=4mm에 대해서는, 27 내지 32GHz의 주파수 대역에 걸쳐 약 18dB의 우수한 임피던스 매칭이 얻어지는 반면, d=2.3mm에 대해서는, 약 29GHz에서 손실이 큰 공진이 관측되었다.

도 5에서, 본 발명의 실시예의 변형예가 도시되었다. 이 경우에, 도파로(100)는, 그 말단에 플랜지(102)를 포함하는, 참조 번호 101로 도시된 바와 같이, 90°로 굽은 도파로이며, 그 조립체는, 전술된 바와 같이 포움 기술, 즉 포움 블록을 밀링(milling)하고 이를 금속 층으로 커버하여 실현된다. 이 플랜지(102)는 도 1에 도시된 플랜지와 동일한 타입의 플랜지이다. 이 플랜지는 "C"자 형상을 구비하며 도파로에 연결될 마이크로스트립 기술 급전 라인과 마주하여야 하는 부분에 개구(103)를 형성한다.

도 5에 도시된 바와 같이, 도 1 및 도 2의 기판(30)과 동일한 타입의 기판(110)은 마이크로스트립 기술 급전 라인(111)과 플랜지(102)를 고정하기 위한 전도성 풋프린트(footprint)(112)를 형성한다. 이 풋프린트(112)는, 급전 라인(111)과 대향하는 부분에서, 유용한 대역 외부로 이 부분의 공진 주파수를 이동시키는 방식으로 전술된 바와 같이 결정된 값을 갖는 크기(d)를 나타낸다.

도 1의 실시예와 동일한 방식으로, 이 기판은, λ/4의 높이를 갖는 공동(121)을 갖는 금속 베이스 또는 금속 박스 상에 장착되며, 여기서 λ는 도파로 내에서 유도되는 파장이다.

이 타입의 시스템은, 기판과 도파로를 위해 동일한 타입의 물질에 대해, 전술된 바와 같은, 동일한 소프트웨어를 사용하여 시뮬레이팅되었다. 굴곡부(101)의 크기는 약 30GHz에서 적용하기 위해 최적화되었다. 그 주파수의 함수로서 임피던스 매칭에 대한 곡선이 도 6에 도시되어 있다. 이 도 6은 30GHz 부근의 대역폭 중 1GHz에 걸쳐 20dB를 초과하는 임피던스 매칭을 보여준다.

도 7에서, 이중 도파로/평면 기판 전이(double waveguide/planar substrate transition)를 갖는 다른 실시예의 변형, 보다 구체적으로 90°굴곡부(201a, 201b)까지 각 말단에서 연장하는 포움 기술을 사용하여 실현된 직선 도파로(200)를 갖는 다른 실시예의 변형이 도시되었으며, 여기서 각 곡선의 말단은 도 5를 참조하여 설명된 것과 같은 플랜지(202a, 202b)까지 연장한다. 이 플랜지는, 도파로(200)를, 마이크로파 유전체 물질로 된, 평면 기판(210) 상에 마이크로스트립 기술로 실현된, 입력 회로와 출력 회로에 연결하는데 사용된다. 기판 상에 마이크로스트립 라인을 갖는 각 도파로 말단의 전이 레벨에서, 도 5에 있는 풋프린트(112)와 동일한 타입의 풋프린트(211a, 211b)가 실현되었다. 이들 풋프린트는 평면 기술을 사용하여 실현된 회로를 공급하는데 사용되는 마이크로스트립 라인(212a, 212b)의 말단(즉 프로브)에 도달하는 비금속화된 부분(213a, 213b)을 에워싼다. 기판(210)은 도파로(200)의 말단(201a, 201b)과 대향하는 공동(221a, 221b)을 도 5에 있어 형성하는 금속 베이스 또는 금속 박스(220) 상에 장착된다. 이 공동은 도 1의 실시예에서와 같은 크기를 구비한다.

이 타입의 구조는 전술된 바와 같이 시뮬레이팅되었으며 임피던스 매칭 면에서 시뮬레이션된 결과가 도 8에 도시되어 있다.

이 경우에, 손실 레벨은 30GHz에서 하나의 전이에 대해 얻어진 손실에 근접 하며, 시뮬레이팅된 삽입 손실은 42mm의 도파로 길이에 대해 1.5dB보다 더 작다.

전술된 바와 같이, 크기(d)는, 마이크로스트립 라인에 대응하는 부분과 대향하는 플랜지 부분까지 형성된 공동이 유용한 대역의 주파수 외부의 주파수에서 공진하도록 선택된다. 이를 이루기 위해, 이 부분의 공진 주파수는 값(d)에 따라 좌우될 뿐만 아니라 이 플랜지의 이 부분의 높이와 폭에 따라 좌우된다. 이들 마지막 두 개의 크기는, 이 플랜지가 기계적 강성을 갖도록 선택된다. 그러므로, d는 선택된 높이와 베이스 폭에 대해 주파수에 반비례하는 값이다. 도 9의 곡선은 플랜지의 폭(d)의 함수로서 공진 주파수의 변동을 나타낸다. 예를 들어, 27 내지 29 GHz 대역폭에서 동작하는 시스템에서, d 값은, 공진 주파수가 유용한 대역폭에서 벗어나게 이동되도록 2.5mm보다 매우 커야 한다.

이제, 도 10 내지 도 17을 참조하여 본 발명에 따른 전이 요소의 다른 실시예에 대한 상세한 설명이 기술될 것이다. 이 경우에, 도파로 회로(50)는 직사각형 도파로(51)를 포함하며, 이 직사각형 도파로(51)의 말단은, 평면 기술 회로(planar technology circuits), 특히, 마이크로스트립을 형성하는 기판(60) 상에 고정하기 위한 플랜지(52)까지 연장된다.

이 실시예에서, 플랜지(52)의 하부면(52a)은, 기판(60) 상에 전체 도파로가 지지되는 방식으로 직사각형 도파로의 하부면(51a)을 연장한다. 나아가, 직사각형 도파로의 말단은 경사 부분(53)에서 종료한다. 제 1 실시예에 대해, 직사각형 도파로(50)는 도 1의 실현에서 사용되는 것과 같은 타입일 수 있는 합성 포움의 일체 블록(solid block)으로 실현된다. 도파로와 플랜지의 외부면은, 이 실시예에서 직 사각형으로 도시되고 이후 보다 상세히 설명되는 임피던스 매칭 공동(71) 위에 배치된 영역(54)과, 임의의 단락 회로를 방지하기 위해 마이크로스트립 기술 라인과 포움 블록 사이의 경계면에서 수직으로 위치된 영역(55)을 제외하고는, 금속화된다.

평면 기술 회로, 보다 구체적으로 마이크로스트립 기술로 무접점 연결을 실현하기 위해, 유전체 물질로 된 기판(60)은, 도 1, 도 2의 (a), 도 2의 (b)에 도시된 바와 같이, 공동(71)과 대향하여 위치된 부분에 비금속화된 영역(60b)을 형성하는 하부접지면(60a)을 포함한다.

기판의 상부면(60c) 상에는, 본 경우에 용량성이 되도록 하는 크기를 갖는 프로브(60e)에서 종료하는 액세스 라인(60d)이 마이크로스트립 기술로 실현된다.

나아가, 기판(60)에 도파로(50)를 부착하기 위해, 프로브(60e)는 플랜지(52)의 하부면에 대응하는 포움을 갖는 전도성 풋프린트(60f)로 에워싸인다. 플랜지를 풋프린트에 부착하는 것은, 용접에 의해, 특히, 납땜이나 임의의 다른 균등 수단에 의해 이루어진다. 이 풋프린트의 형상은 이후 보다 상세하게 설명될 것이다. 나아가, 풋프린트(60f)는 도시되지 않은 금속화된 홀(hole)에 의해 접지면(60a)에 전기적으로 연결된다.

이 기판(60)은, 나아가, 본 발명에서, 전이 레벨에서 베이스(70)에서 몰딩(molded)되거나 밀링(milled)된 공동(71)을 포함하는 금속 베이스나 금속 유닛(70) 상에 장착된다. 이 공동(71)은 바람직하게는 λ/4와 λ/2 사이의 깊이와 직사각형 도파로의 단면과 같은 단면을 가지며, 여기서 λ는 도파로 내에서 유도되는 파장을 나타낸다. 깊이의 정확한 크기는 전이 요소의 응답을 최적화하도록 선택된다.

이 실시예에서, 플랜지의 크기지정은, 기판 상에 도파로의 정확한 오프셋(offset)을 용이하게 할 뿐아니라, 또한 전이 레벨에서 전력 누설을 피하는 한편, 전체 조립체를 위한 접지 연결을 제공하기 위해 인쇄 회로에 신뢰성있는 전기적 접촉을 제공하기 위해 실현된다. 이제, 플랜지는, 전이와의 경계면을 이루며 이 전이의 성능을 저해시킬 수 있는 초 주파수 공동(hyperfrequency cavity)을 포함한다. 그러므로, 이 플랜지는 정확히 크기 지정되어야 한다.

이 경우에, TE10 모드가 여기된다(excited). 그러므로, 전계의 구성은 액세스 라인 축 방향으로는 최대이고 도파로의 작은 측면 상에서 측면 방향으로는 거의 영(0)이다.

그러므로, 액세스 라인의 각 측면에 위치된 공동을 형성하는 플랜지 부분은 시스템의 성능에 거의 의사 효과(spurious effect)를 가지지 않는다. 그러나, 마이크로스트립 라인(60d)의 입력에 필수적인, 플랜지(52) 내의 개구(55)의 크기지정이 중요하다. 플랜지의 금속화된 영역과 마이크로스트립 액세스 라인 사이의 결합에 연관된 교란을 방지하기 위해 적당한 공간을 제공할 필요가 있다. 역으로, 너무 큰 개구는 상당히 큰 누설 증가에 직접 기여하며 이 개구는 전계의 고밀도 영역에 위치된다.

아래 서술되는 실시예는 도 1의 실시예에 대해 서술된 것과 동일한 방법을 사용하여 시뮬레이팅되었다. 그리하여, 두께 0.2mm의 ROGERS RO4003이라는 이름의 유전체 물질로 만들어진 낮은 비용의 기판 상에 실현된 마이크로스트립 라인과, 3.556mm x 7.112mm 및 높이 1mm의 표준 단면 WR28의 낮은 손실 물질(ROHACELL HF71이라는 상업적 이름으로 알려진 포움과 같은 물질)로 실현된 도 10에 도시된 바와 같은 도파로 사이의 전이 요소에 대해, 30GHz 부근에서 동작하도록 설계된 도파로의 크기 지정에 대한 시뮬레이션의 결과가 도 12에 도시되어 있다.

이 경우에,

·22.2 내지 30.8GHz 범위의 매우 넓은 대역폭에서 20dB를 초과하는 임피던스 매칭과,

·28.9 내지 30.1GHz에서 25dB를 초과하는 임피던스 매칭

·0.25dB 정도의 꽤 낮은 삽입 손실

이 얻어진다.

이 전이의 최적화에 대해 플랜지(52)에 대해 주어진 크기의 영향은 도 13 내지 도 17을 참조하여 이제 기술된다. 도 13은, 도파로가 기판 위에 장착될 때, 전이 요소의 평면도를 개략적으로 도시한다. 이 경우에, 플랜지(52)는 도파로(51) 자체의 측벽에 대하여 2개의 돌출 측면 공동(52b)을 포함한다. 이들 2개의 공동은 그 중간에 마이크로스트립 라인의 통로에 대응하는 개구(52c)를 형성하는 수직 공동(52a)까지 연장한다. 이 실시예에서, 전술된 바와 같이, 개구(52c)의 크기는 삽입 손실(insertion loss)(S21)과 리턴 손실(return loss)(S11)과 같은 전이의 전기적 성능에 영향을 준다.

그리하여, 개구(52a)의 폭의 함수로서 삽입 손실(S21)을 제공하는 도 14에 도시된 바와 같이, 아래의 3개의 별개의 영역이 주목될 수 있다: 즉

> 0.8mm 보다 더 작은 개구에 대해, 이 손실은 높으며, 이것은 도파로의 금속화된 벽과 라인 사이의 결합 현상을 반영한다.

> 0.8 내지 2mm 범위에서 변하는 개구에 대해, 우리는 전송 손실이 최소이고 -0.25dB 정도인 최적 값의 범위를 관측하였다.

> 2mm보다 더 큰 개구에 대해, 이 손실은 증가하기 시작하여 전계 누설이 증가하게 된다.

나아가, 도 15는 3개의 이전의 영역 각각에 대해 발견된 개구의 폭(d)의 함수로서 리턴 손실을 보여준다. 그 결과 다음과 같이 관측되었다:

> 0.8mm 보다 더 작은 개구에 대해, 이 구조의 리턴 손실 응답은 완전히 교란된다. 이 공동의 말단에 너무 가까이 있는 것으로 인해 눈에 띄는 잘못된 매칭(mismatching)을 유발하였다.

> 0.8 내지 2mm 범위의 개구에 대해, 임피던스 매칭은 최적이며 동작 대역폭을 커버한다.

> 2mm 보다 더 큰 개구에 대해, 너무 큰 개구에 의해 누설에 관련된 레벨이 증가하기 시작한다.

도 16 및 도 17은 이 전이의 성능에 대해 플랜지를 형성하는 공동(52a, 52b)의 폭(a 및 b)의 영향을 도시한다.

·공동의 폭(a)에 관한 도 16은, 이 공동의 폭이 전이의 리턴 손실 응답에 작은 영향만을 가지며, 이 손실은 넓은 주파수 대역에서 -15dB 아래로 항상 유지되며, 이것은 0.2 내지 1.5 mm 범위로 넓게 변하는 폭에 대한 것을 보여준다.

·공동의 폭(b)에 관한 도 17은, 1mm 내지 2mm의 값을 배가시켜서, 리턴 손실이 주파수 대역의 매우 넓은 범위에서 -17dB보다 더 작게 항상 유지되기 때문에, 전이 성능을 훨씬 더 적게 교란하는 것을 보여준다.

도 18 및 도 19는 도 10을 참조하여 서술된 타입의 전이 요소와 함께 사용되는 도파로 회로의 2개의 실시예의 변형을 개략적으로 도시한다.

도 18에서, 도파로(500)는 체비셰프(Chebyshev) 타입의 응답을 보여주는 3 차수(order)의 아이리스(iris) 도파로 필터이다. 이 도파로(500)는 전술된 바와 같은 전이 요소를 사용하여 평면 기술 회로에 연결된다. 그리하여, 도 18의 (a)는 연결 풋프린트와 액세스 라인을 형성하는 기판(501)과, 필터(500)의 출력과 대향하는 공동을 형성하는 베이스(502)를 개략적으로 보여준다.

이 실시예와 연관된 성능은 도 18의 (b)에 도시된다. 여기서,

> 30GHz 부근에서 900MHz의 주파수 범위에 대해 1.2dB 정도의 낮은 삽입 손실과,

> 이와 동일한 주파수 범위에 대해 -23dB보다 더 낮은 리턴 손실

이 주목된다.

도 19는 도 18과 유사하며, 도파로의 각 입력에 배치된 2개의 스터브(stub)를 포함하는 의사 타원 필터(pseudo-elliptic filter)를 포함하는 도파로(600)를 보여준다. 이 디바이스의 목적은 국부적으로 대역통과 외부에서 2개의 전송율 제로(0)를 생성하여 필터의 선택율을 증가시키는 것이다. 2개의 마이크로스트립 라인으로 여기되고 공동을 형성하는 베이스(602)와 기판(601)(RO4003) 상에 이러한 표면 장착된 필터(600)는 완전히 3D로 시뮬레이팅되었다. 도 19의 (b)는 그 얻어진 성능을 보여준다: 즉

> 30GHz 부근에서 1GHz의 통과 대역에서 1.2dB 정도의 삽입 손실과,

> [29.5 - 30.0] GHz 대역폭에서 -30dB보다 더 작은 리턴 손실과,

> 제거될 의사 주파수(spurious frequency)에 대응하는 주파수인 28.55 GHz에서 60dB를 초과하는 감쇄

를 보여준다.

도 20 내지 도 22를 참조하여, 본 발명에 따라 전이 요소의 다른 실시예에 대한 상세한 설명이 이제 서술된다. 이 경우에, 도파로 회로(80)는, 말단이 고정 플랜지를 형성하는 요소(82)까지 연장하는 직사각형 도파로(81)를 포함한다. 이 실시예에서, 도파로는 공기의 유전율과 동일한 유전율로 된 합성 포움일 수 있는 유전체 물질 블록으로 형성된다. 이 블록은 공동(83)을 형성하도록 중공으로(hollowed out) 형성되었으며, 이 블록의 외부면은 완전히 금속화된다. 나아가, 플랜지(82)는 이후 설명된 역할을 갖는 슬롯(84)을 가지고 있다. 이 실시예에서, 플랜지(82)의 하부면은, 도파로가 평면 기술 회로 구체적으로 마이크로스트립을 수용하는 기판(90) 상에 놓여있도록, 직사각형 도파로(81)의 하부 중공 부분을 연장한다.

도 20 및 도 21a 및 도 21b에 도시된 바와 같이, 마이크로파 유전체 물질로 된 기판(90)은 도 21a에서 참조 번호 94로 표시된 포움 면을 포함하며, 이 접지면은 전이 레벨에서 도파로 출력과 대향하여 위치된 부분에서 비금속화된 영역(95)을 형성한다. 나아가, 이 실시예에서, 기판(90)의 상부면은 도파로(80)를 오프셋(offset)시키는데 사용되는 제 1 금속화된 영역(93b)을 포함한다.

이 영역(93b)은 도시되지 않은 금속화된 홀에 의해 접지면(94)에 전기적으로 연결된다. 나아가, 기판(90)은, 도파로의 개구(83)를 폐쇄하는 커버를 형성하기 위해 도파로(80)의 전체 개구 아래에서 연장하고 영역(93b) 내에 위치된 제 2 금속화된 영역(93a)을 포함한다.

기판(90)의 상부면은 이 영역(95)에 대응하는 비금속화된 영역(96)을 또한 포함한다. 이 영역(96)은 인쇄 회로 기술, 특히 마이크로스트립으로 실현되는 급전 라인(91)의 말단(92) 또는 "프로브(probe)"를 수용한다. 이 라인은 플랜지(82) 내의 갭(84)에 대응하는 영역(93a)에서 비금속화된 영역과 교차한다.

이 조립체는 금속 베이스나 금속 박스(72) 상에 장착되며, 이 금속 베이스나 금속 박스(72)는, 본 발명에서는, 베이스에 몰딩되거나 밀링된 전이 레벨에서 공동(73)을 포함한다. 이 공동은 도파로 말단의 것과 눈에 띄게 같은 단면 즉 비금속화된 영역(95)과 λ/4와 λ/2 사이의 깊이에 대응하는 단면을 가지며, 여기서 λ는 도파로 내에서 유도되는 파장을 나타낸다.

전술된 실시예에는 이전의 실시예에 대해 서술된 방법과 동일한 방법을 사용하여 시뮬레이팅되었다. 그리하여, 이 기판은 두께 0.2mm의 ROGERS RO4003의 이름으로 알려진 유전체 물질로 구성된다. 이 도파로는, 도파로의 내부 단면이 표준 WR28: 3.556mm x 7.112mm과 동일하며 2mm의 두께를 나타내도록 밀링된 유전체 물질의 블록으로 실현된다. 이 도파로는 주석, 구리 등과 같은 전도성 물질로 금속화되 었다. 이 시스템은 30GHz에서 동작하도록 설계되었다.

이 경우에, 하나의 마이크로스트립 라인/도파로 전이에 관한 도 22에 도시된 바와 같이,

·26GHz와 36GHz 범위의 매우 넓은 대역폭에서 15dB을 초과하는 임피던스 매칭과,

·이 주파수 대역에서 0.4dB 정도의 꽤 낮은 삽입 손실

이 얻어진다.

이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면, 전술된 도파로(80)가 도 18에 도시된 바의 타입의 체비셰프(Chebyshef) 타입의 응답을 형성하는 아이리스 도파로 필터, 또는 도 19에 도시된 타입의 도파로의 각 입력에 배치된 2개의 스터브를 갖는 의사 타원 필터를 실현하도록 수정될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다.

이 기술 분야에 숙련된 자라면 전술된 실시예에 대해 많은 변형이 이루어질 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 특히, 도파로 말단이 삽입되는 일부 실시예에 대해 독립적인 전이 요소를 얻는 것을 생각할 수도 있다. 중요한 인자는 의사 응답 모드를 보이지 않는 무접점 전이를 실현하는 것이다.

전술된 바와 같이, 본 발명은 도파로와 전이 라인 사이의 전이에서 의사 응답 모드를 보이지 않는 무접점 전이를 실현하는 등의 효과를 제공한다.

Claims

유전체 기판(30, 110, 60, 90) 상에 실현되는 도파로 회로(waveguide)(10, 100, 50, 80)와 마이크로스트립 기술 라인(microstrip technology line)(31, 111, 60d) 사이에 무접점 연결(contact-free connection)을 위한 전이 요소(element of transition)에 있어서,

상기 전이 요소는, 상기 도파로의 말단(extremity)을 상기 기판에 부착하기 위한 플랜지(flange)(20, 102, 52, 82)까지 연장하며, 상기 기판은 상기 플랜지의 하부면에 연결하기 위한 전도성 풋프린트(footprint)(32, 102, 60f, 93)를 형성하며,

그리고, 상기 도파로 회로와 임피던스 매칭(impedance matching)을 실현하는 크기를 가진 공동(41, 121, 71, 73)이 상기 기판 아래에 도파로의 말단과 대향되게 실현되는 것을 특징으로 하는, 무접점 연결을 위한 전이 요소.
제 1 항에 있어서, 상기 도파로 회로와 상기 고정 프랜지는, 상기 공동과 대향하는 영역을 제외하고는, 금속화된 외부면을 갖는 포움(foam)과 같은 합성 물질 블록으로 실현되는 것을 특징으로 하는, 무접점 연결을 위한 전이 요소.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 고정 플랜지는 상기 도파로의 말단과 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는, 무접점 연결을 위한 전이 요소.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 고정 플랜지는 상기 도파로의 말단에 고정되는 별개의 요소인 것을 특징으로 하는, 무접점 연결을 위한 전이 요소.
제 3 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 고정 플랜지는, 적어도 상기 마이크로스트립 라인 방향으로, 상기 플랜지의 폭(d)이 유용한 대역(useful band)에서 벗어나게 공진 모드를 이동시키도록 선택된 크기를 가지며, 상기 고정 플랜지는 상기 도파로의 말단에 적어도 수직인 것을 특징으로 하는, 무접점 연결을 위한 전이 요소.
제 3 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공동은 λ/4의 깊이를 가지며, 여기서 λ는 상기 도파로 내에서 유도되는 파장에 대응하는 것을 특징으로 하는, 무접점 연결을 위한 전이 요소.
제 3 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 마이크로스트립 라인은 프로브(probe)에서 종료하는 것을 특징으로 하는, 무접점 연결을 위한 전이 요소.
제 3 항에 있어서, 상기 고정 플랜지는 상기 도파로의 연장으로 실현되는 것을 특징으로 하는, 무접점 연결을 위한 전이 요소.
제 8 항에 있어서, 상기 공동은 λ/4와 λ/2 사이의 깊이를 가지며, 여기서 λ는 상기 도파로 내에서 유도되는 파장에 대응하는 것을 특징으로 하는, 무접점 연결을 위한 전이 요소.
제 8 항 또는 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 마이크로스트립 라인은 프로브에서 종료하는 것을 특징으로 하는, 무접점 연결을 위한 전이 요소.
제 8 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전도성 풋프린트(conductive footprint)는 C자 형상을 가지며, 상기 C의 가지(branch) 사이의 개구(opening)는 단락 회로(short circuit)를 방지하면서 전계(electrical field)의 누설을 제한하는 크기를 가지는 것을 특징으로 하는, 무접점 연결을 위한 전이 요소.
제 1 항 또는 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 도파로는 외부면이 금속화된 중공 유전체 블록(hollowed out block of dielectic)으로 형성되는 것을 특징으로 하는, 무접점 연결을 위한 전이 요소.
제 12 항에 있어서, 상기 전도성 풋프린트는 커버를 형성하기 위하여 상기 도파로의 중공 부분 아래에서 연장하는 것을 특징으로 하는, 무접점 연결을 위한 전이 요소.
제 12 항 또는 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기판 상에 실현되는 상기 전도성 풋프린트는, 상기 도파로가 고정되어 있는 제 1 금속화된 영역과, 상기 제 1 영역 내에 있으며 상기 도파로를 위한 커버를 형성하는 제 2 금속화된 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는, 무접점 연결을 위한 전이 요소.