KR20100042091A - 위상 천이기 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 위상 천이기는 기판의 소정 위치에 형성된 신호 라인과, 기판 내에 형성되어 상기 기판의 효과 유전율을 변화시켜 상기 신호 라인에 유기된 신호의 위상을 지연시키는 공기 공극을 포함한다.

이와 같이, 본 발명은 공기 공극으로 기판의 효과 유전율을 조절하여 신호의 위상을 지연시킴으로써, 기존의 위상 천이기와 비교하여 획기적으로 적은 삽입 손실을 갖고, 기판과 길이 변화가 없기 때문에 소형 제작이 가능한 장점이 있다.

위상천이기, 공기공극, 저손실

Description

위상 천이기{PHASE SHIFTER}

본 발명은 위상 천이기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 공기 공극만을 이용하여 기판의 효과 유전율을 조절하여 신호의 위상을 지연시킬 수 있는 위상 천이기에 관한 것이다.

전 세계적인 고속 대용량 데이터 무선 통신에 대한 수요의 폭발적인 증가로 인해서 7GHz의 넓은 대역폭으로 Gbps 급의 초고속 광대역 대용량 통신이 가능한 밀리미터파 대역(특히, 60GHz)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 밀리미터파 대역을 이용한 무선 통신 시스템의 구현에 있어서 밀리미터파가 갖는 높은 커플링(Coupling)은 시스템 성능에 결정적인 영향을 미치기 때문에 회로의 위치 및 연결이 전체 시스템 성능에 있어서 매우 중요하다. 이런 이유로, 소자 간 위치와 연결까지 고려한 설계를 통해서 전체 시스템을 하나의 모듈에 집적하는 SoP(System on Package, 이하, 'SoP'라고 한다.) 기술이 필수적이다. 밀리미터파 대역의 무선 통신 시스템 구현에 있어 필수적인 또 하나의 요소는 빔 형성 회로이다. 밀리미터 파 대역(특히, 60GHz)이 갖는 높은 산소 흡수율로 인해서 무선 통신이 극복해야 하는 큰 경로손실(path loss)과 통신이 불가능한 NLOS(Non Line of Sight) 상황을 해결하기 위해서는 배열 안테나를 이용하여 빔을 원하는 방향으로 형성하는 빔 형성 회로가 반드시 필요하며, 빔 형성 회로를 구성함에 있어서 가장 중요한 역할을 하는 소자가 위상 천이기이다.

위상 천이기는 RF 아날로그 신호 처리단에 폭 넓게 사용되며, 그 중에서도 위상 배열 안테나에서 빔 제어와 위상 변도 등의 핵심적인 역할을 수행하는 소자이다. 특히, 최근 그 중요성이 부각됨 밀리미터파 대역의 무선 통신을 위한 시스템 모듈(SoP)에서는 빔 형성을 위해서 광대역, 저 손실 특성과 고집적이 가능한 위상 천이기가 반드시 필요하다.

이러한 위상 천이기는 그 구조 및 형태에 따라서 크게 기계식과 전기식으로 나뉘며 기계식이 가진 소형화의 한계로 전기적인 방식이 RF 및 아날로그 회로에 주로 사용된다. 전기적인 방식의 위상 천이기는 다이오드, 전계효과트랜지스터, 자성체, 전송선, 하이브리드 커플러 등 여러 종류가 존재하며 시스템에서 요구되는 대역폭, 삽입손실, 스위칭 속도, 분해능 등에 따라서 그 종류가 선택될 수 있다.

여러 위상 천이기의 장단점을 살펴보면, 먼저 자성체를 이용할 경우에 회로 전체의 크기를 키우고, 높은 가격과 온도에 민감한 점들 때문에 초소형 무선 통신 시스템 모듈에 적합하지 않다.

강유전체에 전압을 가함으로써 발생하는 유전율의 변화로 위상 천이기를 구현하는 방법은 유전율의 변화를 위해서 필요한 전압이 100V 정도로 무선 통신을 위 한 시스템 구현에는 적용이 불가능하다.

하이브리드 커플러를 이용한 위상 천이기도 큰 크기와 종단 포트 처리 문제 등의 한계가 있다. 사각 도파관의 저 손실 특성을 평판회로에 접목시킨 SIW(Substrate Integrated Waveguide)를 이용한 위상 천이기도 제안되었으나 평판회로와 도파로(Waveguide)의 변환 시에 발생하는 손실이 크고 변환 구조 구현 자체가 어렵다는 단점이 있다.

매우 손실이 적은 이종 물질을 각기 다른 크기로 기판의 일부분에 적용하여 위상 천이를 구현하는 방식이 제안되었으나 이종 물질간의 결합으로 인한 수축, 팽창률의 차이로 제작에 한계가 있으며 이러한 문제로 구현을 위해서는 제품의 단가가 높아지는 치명적인 단점이 있다.

이러한 이유로 밀리미터파 대역에서 빔 형성을 위한 위상 천이기는 소형에 구현이 비교적 쉬운 다이오드 타입이 주로 이용되고 있으며 다이오드 타입의 위상 천이기 중에서도 스위치와 고정 위상 천이기를 이용한 위상 천이기가 폭 넓게 사용된다.

고정 위상 천이기는 보통 선로의 길이를 변화 시키는 방법이 많이 사용되며, 선로의 길이만 변화하기 때문에 결과적인 위상 차이는 주파수와 선형 관계를 가져 광대역 특성을 가지는 큰 장점이 있으며 삽입 손실이 삽입된 스위치와 선로 길이의 합으로 비교적 적다.

하지만, 종래의 고정 위상 천이기는 물리적인 선로의 길이 차이가 존재하기 때문에 시스템 집적을 위해서는 meander line과 같은 구조적인 변화가 필요하다. meander line을 이용하는 경우에는 선로 증가에 따른 추가적인 선로 손실로 배열 안테나 소자들에 유기되는 신호의 크기가 다르게 되고, 이는 안테나의 빔 폭을 넓히고 이득을 감소시키는 문제를 발생시킨다.

또한, meander line을 구성함에 있어서 필연적인 급격한 선로의 방향 전환은 방사 손실을 유발하여 손실의 문제를 갖고 있고 meander line의 특성상 각 위상 천이기간의 거리가 가까워져서 위상 천이기간의 커플링이 문제가 된다.

종래의 위상 천이기는 비교적 큰 삽입 손실과 회로의 크기, 낮은 집적도 등의 문제로 인해서 마이크로파의 회로 및 밀리미터파 대역의 빔 형성 회로에 적용하기에 한계가 있다. 또한, 빔 형성 회로를 포함한 밀리미터파 대역의 무선 통신 시스템에서 위상 천이기의 성능이 시스템 전체에 미치는 영향이 매우 큰 점을 감안할 때, 광대역, 저 손실, 높은 집적도를 갖는 위상 천이기가 절실히 요구된다.

본 발명은 추가적인 전압이나 소자의 추가 없이 공기 공극만을 이용하여 기판의 효과 유전율을 조절하여 신호의 위상을 지연시킬 수 있다.

본 발명에 따른 위상 천이기는 기판와, 상기 기판의 소정 위치에 형성된 신호 라인과, 상기 기판 내에 형성되어 상기 기판의 효과 유전율을 변화시켜 상기 신호 라인에 유기된 신호의 위상을 지연시키는 공기 공극을 포함한다.

다른 견지에서 본 발명의 상기 위상 천이기는, 상기 기판의 하부에 형성되어 그라운드 되는 제 1 금속막과, 상기 신호 라인의 양측에 형성되어 그라운드 되는 제 2 금속막을 포함하며, 상기 공기 공극은, 상기 기판의 상부 일부분에 형성되는 상기 신호 라인과 상기 제 1 금속막의 사이의 상기 기판 내부에 형성되는 것을 특징으로 한다.

또 다른 견지에서 본 발명의 상기 위상 천이기는, 상기 기판의 하부에 형성 되어 그라운드 되는 금속막을 포함하며, 상기 공기 공극은, 상기 기판의 상부 일부분에 형성되는 상기 신호 라인과 상기 금속막의 사이의 상기 기판 내부에 형성되는 것을 특징으로 한다.

다른 견지에서 본 발명의 위상 천이기는, 기판의 하부 및 상부에 형성되어 그라운드 되는 제 1, 2 금속막과, 상기 기판의 내부에 형성되어 신호가 전송되는 신호 라인과, 상기 기판 내부에 형성되며, 상기 신호 라인의 상하부에 형성되어 상기 신호 라인으로 통해 전송되는 신호의 위상을 지연시키는 상하부 공기 공극을 포함한다.

본 발명은 공기 공극으로 기판의 효과 유전율을 조절하여 신호의 위상을 지연시킴으로써, 기존의 위상 천이기와 비교하여 획기적으로 적은 삽입 손실을 갖고, 기판과 길이 변화가 없기 때문에 소형 제작이 가능한 장점이 있다.

또한, 본 발명은 기판을 이용하기 때문에 시스템적으로 집적도가 높을 뿐만 아니라 광대역의 위상 천이가 가능한 장점이 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 아울러 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명 을 생략한다.

본 발명의 바람직한 실시 예에서는 추가적인 전압이나 소자의 추가 없이 공기 공극만으로 기판의 효과 유전율을 조절할 수 있는 위상 천이기에 대해 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 위상 천이기를 도시한 단면도로서, GCPW(Ground Co-Planar Wave Guide, 이하 'GCPW'라고 한다.) 라인에 본 발명이 적용된 형태이다.

도 1을 참조하면, GCPW 위상 천이기는 다수의 세라믹 기판을 이용하여 형성되는 전송 기판(100), 전송 기판(100)의 하부에 형성되어 그라운드 되는 제 1 금속막(102), 전송 기판(100)의 상부 일정 영역에 형성된 신호 라인(104), 전송 기판(100)의 상부에 형성되어 그라운드 되는 제 2 금속막(106) 및 신호 라인(104)과 제 1 금속막(102) 사이의 전송 기판(100) 내부에 형성되는 공기 공극(108)으로 구성된다.

도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 위상 천이기를 도시한 단면도로서, 마이크로스트립 라인에 본 발명이 적용된 형태이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 다른 실시 예 따른 마이크로스트립 라인의 위상 천이기는 도 1에 도시된 GCPW 위상 천이기와 거의 동일한 구조를 갖는데, 즉 다수의 세라믹 기판을 이용하여 형성되는 전송 기판(100), 전송 기판(100)의 하부에 형 성되어 그라운드 되는 제 1 금속막(102), 전송 기판(100)의 상부 일정 영역에 형성된 신호 라인(104) 및 신호 라인(104)과 제 1 금속막(102) 사이의 전송 기판(100) 내부에 형성되는 공기 공극(108)으로 구성된다.

전송 기판(100)은 다층 기판 기술을 이용하여 형성되는데, 즉 다수개의 세라믹 기판을 이용하여 형성된다. 더욱 상세하게는 일정 영역(공기 공극이 형성되는 영역)이 오픈된 다수의 기판과 오픈 되지 않는 다수의 기판을 중첩시켜 전송 기판(100)을 형성함으로써, 공기 공극(108)을 포함하는 전송 기판(100)을 형성할 수 있다.

도 1의 GCPW의 경우 전송 기판(100)을 구성하는 다층 기판 중에서 상부 기판 면에는 제 2 금속막(106)과 신호 라인(104)이 형성되어 있으며, 하부 기판 면에는 제 1 금속막(102)이 형성되어 있다.

도 2의 마이크로스트립 라인 경우 전송 기판(100)을 구성하는 다층 기판 중에서 상부 기판 면에는 신호 라인(104)이 형성되어 있으며, 하부 기판 면에는 제 1 금속막(102)이 형성되어 있다.

본 발명에서 GCPW의 제 2 금속막(106)은 신호 라인(104)과 이격되어 형성되는데, 즉 신호 라인(104)의 양측에 형성된다. 여기서, 제 1, 2 금속막(102, 106)은 각각 그라운드 되어지는 부분이며, 제 1 금속막(102)의 상부에 일정 영역에 공기 공극(108)이 형성된다.

공기 공극(108)은 전송 기판(100)에 유기된 신호의 위상을 지연시키는 수단으로서, 전송 기판(100)에 유기된 신호가 일정한 속도로 진행하다가 공기 공 극(108)으로 인해 효과 유전율의 감소를 겪게 되며, 이에 따라 위상의 지연이 발생된다.

일반적으로 전송 기판(100)의 신호 라인(104)에 유기된 신호는 전송 기판(100)를 형성하기 위해 사용된 기판의 정보, 예컨대 유전율, 투자율과 주파수 및 전송 기판(100)의 길이에 따라서 위상 지연을 겪게 된다. 이러한 원리를 이용하여 전송 기판(100) 상에 공기 공극(108)을 삽입함으로써, 효과 유전율의 차이를 유도하여 위상 지연의 차이를 발생시킨다.

본 발명에서 공기 공극(108)의 크기는 선형적으로 구현할 수 있기 때문에 전송 기판(100)의 길이 변화 없이 초소형으로 360도 이상의 아날로그 고정 위상 천이기를 구현할 수 있다.

이와 같이, 본 발명은 손실이 없는 공기 공극(108)을 이용하기 때문에 다른 위상 천이기보다 훨씬 더 적은 삽입 손실로 위상 천이기를 구현할 수 있고, 공기 공극(108)의 삽입으로 인한 특성 임피던스의 불연속 때문에 발생할 수 있는 임피던스 부정합을 해결하고자 신호 라인(104)의 폭을 최적화한다.

도 3은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 위상 천이기를 도시한 단면도로서, 스트립 라인에 본 발명이 적용된 형태이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 스트립 라인의 위상 천이기는 도 1에 도시된 GCPW 위상 천이기와 거의 동일한 구조를 갖는데, 즉 다수의 세라믹 기판을 이용하여 형성되는 전송 기판(100), 전송 기판(100)의 하부에 형성되어 그라운드 되는 제 1 금속막(102), 전송 기판(100)의 상부에 형성되어 그라운 드 되는 제 2 금속막(106)을 포함하며, 전송 기판(100)의 내부에 형성된 신호 라인(104), 신호 라인(104)을 포함한 상부 공기 공극(108a), 제 1 금속막(102) 상부의 전송 기판(100) 내부에 형성되는 하부 공기 공극(108b)을 포함한다. 이때, 상하부 공기 공극(108a, 108b)은 신호 라인(104)을 기준으로 상하부에 형성되는 것이 바람직하다.

본 발명에서 상하부 공기 공극(108a, 108b)을 포함한 전송 기판(100)는 다층 기판 기술을 이용하여 형성된다.

한편, 본 발명의 실시 예에서는 상하부 공기 공극(108a, 108b)의 폭이 신호 라인(104)의 폭보다 크게 형성되어 있으나, 상하부 공기 공극(108a, 108b)의 폭이 신호 라인(104)의 폭보다 작게 형성되어도 무관하다.

도 4에 도시된 바와 같이, 전송 기판(100)의 중심 부분에 위치한 신호 라인(104)이 형성되어 있으며, 신호 라인(104)을 기준으로 상하부에 상부 공기 공극(108a)과 하부 공기 공극(108b)이 형성되어 있다. 이때, 신호 라인(104)은 상부 공기 공극(108a)에 포함되는 것이 바람직하다.

이와 같은 구조를 갖는 위상 천이기의 신호 라인(104)에 신호가 인가되면, 유기된 신호는 전송 기판(100)를 형성하기 위해 사용된 기판의 정보, 예컨대 유전율, 투자율과 주파수 및 전송 기판(100)의 길이에 따라서 위상 지연을 겪게 된다. 이러한 원리를 이용하여 신호 라인(104)의 상하부에 형성되는 상하부 공기 공극(108a, 108b)을 삽입함으로써, 효과 유전율의 차이를 유도하여 위상 지연의 차이를 발생시킨다.

상기와 같은 구조에서 상하부 공기 공극(108a, 108b)의 길이를 바꾸어가면서 위상 지연을 시뮬레이션한 결과는, 도 5에 도시된 바와 같이, 상하부 공기 공극(108a, 108b)의 길이를 증가 시킬수록 위상 지연이 전대역에 걸쳐서 TTD(True Time Delay)하게 발생하기 때문에 광대역에 적합한 특성을 보이고 있다. 즉, 삽입된 상하부 공기 공극(108a, 108b)의 길이 변화에 대한 위상 지연은 약 70도/mm이다.

상기와 같은 구조에서 상하부 공기 공극(108a, 108b)을 전송 기판(100) 상에 삽입함으로 인한 특성 임피던스의 변화가 발생되며, 이러한 변화로 인해 발생되는 부정합을 완화하고자, 도 6에 도시된 바와 같이, 상하부 공기 공극(108a, 108b)이 시작되는 지점에서 신호 라인(104)의 선폭을 최적화, 즉 크게 함으로써, 대략 0.7dB의 반사 손실의 감소 효과를 얻을 수 있다.

이러한 구조를 갖는 스트립 구조의 위상 천이기로 구현한 30도의 위상 천이기는, 도 7에 도시된 바와 같이, 기준 선로의 곡선1(A)에 비해 곡선4(B)에서 약 30도의 위상 지연이 발생함을 알 수 있으며, 삽입 손실은, 도 8에 도시된 바와 같이, 전 대역에서 0.4dB 미만의 삽입 손실을 보이는 것을 알 수 있다. 또한, 기준 선로보다 더 적은 삽입 손실 특성을 보이는 주파수 대역이 존재하는 것을 알 수 있다.

본 발명의 실시 예들에서 구현된 위상 천이기가 빔 형성이 가능한 밀리미터파 대역의 시스템 모듈에 적용된 경우, 도 9에 도시된 바와 같이, 위상 천이기1,2,3,4(130a, 130b, 130c, 130d)는 빔 형성 회로를 구성하는 소자로서, 배열 안테나(120) 전단에 위치하여 전력 분배기(110)를 통해 분배된 신호의 위상을 조절한 후 신호를 각 배열 안테나(120) 소자에 유기시키는 역할을 수행한다. 여기서, 배열 안테나(120) 소자에 유기되는 신호의 위상이 빔이 형성되는 각도를 결정짓기 때문에 위상 천이기1,2,3,4는 빔 형성 회로에서 매우 중요한 역할을 수행한다. 여기서, 빔 형성 회로는 전력 분배기(110)와 위상 천이기1,2,3,4(130a, 130b, 130c, 130d)를 의미한다.

지금까지 본 발명의 실시예들에 국한하여 설명하였으나 본 발명의 기술이 당업자에 의하여 용이하게 변형 실시될 가능성이 자명하다. 이러한 변형된 실시 예들은 본 발명의 특허청구범위에 기재된 기술사상에 포함된다고 하여야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 위상 천이기를 도시한 단면도이며,

도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 위상 천이기를 도시한 단면도이며,

도 3은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 위상 천이기를 도시한 단면도이며,

도 4는 도 3의 스트립 라인을 이용한 위상 천이기 구조를 도시한 사시도이며,

도 5는 도 4의 위상 천이기에 삽입된 공기 공극의 길이에 따른 위상 지연을 시뮬레이션한 결과 그래프이며,

도 6은 도 4의 스트립 구조의 위상 천이기에서 공기 공극 삽입으로 인한 특성 임피던스의 변화로 발생하는 부정합을 완화하고자 하는 신호 라인의 폭을 최적화한 도면이며,

도 7은 스트립 구조의 위상 천이기로 구현한 30도 위상 천이기의 시뮬레이션 결과 곡선이며,

도 8은 도 7의 위상 천이기에 대한 삽입 손실을 도시한 그래프이며,

도 9는 위상 천이기가 빔 형성이 가능한 밀리미터파 대역의 시스템 모듈에 적용된 경우의 개념도이다.

Claims (8)

1. 기판과,

   상기 기판의 소정 위치에 형성된 신호 라인과,

   상기 기판 내에 형성되어 상기 기판의 효과 유전율을 변화시켜 상기 신호 라인에 유기된 신호의 위상을 지연시키는 공기 공극

   을 포함하는 위상 천이기.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 위상 천이기는,

   상기 기판의 하부에 형성되어 그라운드 되는 제 1 금속막과,

   상기 신호 라인의 양측에 형성되어 그라운드 되는 제 2 금속막을 포함하며,

   상기 공기 공극은, 상기 기판의 상부 일부분에 형성되는 상기 신호 라인과 상기 제 1 금속막의 사이의 상기 기판 내부에 형성되는 것을 특징으로 하는 위상 천이기.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 위상 천이기는,

   상기 기판의 하부에 형성되어 그라운드 되는 금속막을 포함하며,

   상기 공기 공극은, 상기 기판의 상부 일부분에 형성되는 상기 신호 라인과 상기 금속막의 사이의 상기 기판 내부에 형성되는 것을 특징으로 하는 위상 천이기.
4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,

   상기 공기 공극에 포함되는 영역 내 상기 신호 라인의 선폭과 상기 공기 공극에 포함되지 않는 영역 내 상기 신호 라인의 선폭을 다르게 하는 것을 특징으로 하는 위상 천이기.
5. 기판의 하부 및 상부에 형성되어 그라운드 되는 제 1, 2 금속막과,

   상기 기판의 내부에 형성되어 신호가 전송되는 신호 라인과,

   상기 기판 내부에 형성되며, 상기 신호 라인의 상하부에 형성되어 상기 신호 라인으로 통해 전송되는 신호의 위상을 지연시키는 상하부 공기 공극

   을 포함하는 위상 천이기.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 신호 라인은, 상기 상부 공기 공극의 내부에 형성되는 것을 특징으로 하는 위상 천이기.
7. 제 5 항에 있어서,

   상기 공기 공극에 포함되는 영역 내 상기 신호 라인의 선폭과 상기 공기 공 극에 포함되지 않는 영역 내 상기 신호 라인의 선폭을 다르게 하는 것을 특징으로 하는 위상 천이기.
8. 제 5 항에 있어서,

   상기 신호 라인은, 상기 공기 공극이 형성되는 부분에서 선폭이 상기 공기 공극의 폭보다 좁으면서 상기 공기 공극이 시작되는 부분 전 선폭보다 넓게 형성되는 것을 특징으로 하는 위상 천이기.

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