KR20120050175A - 마이크로스트립 구조 - Google Patents

마이크로스트립 구조 Download PDF

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KR20120050175A
KR20120050175A KR1020100111557A KR20100111557A KR20120050175A KR 20120050175 A KR20120050175 A KR 20120050175A KR 1020100111557 A KR1020100111557 A KR 1020100111557A KR 20100111557 A KR20100111557 A KR 20100111557A KR 20120050175 A KR20120050175 A KR 20120050175A
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line
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김다운
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삼성전기주식회사
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    • H01P3/00—Waveguides; Transmission lines of the waveguide type
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Abstract

본 발명은 마이크로스트립 선로의 선폭이나 유전체의 높이 변경없이 자유로이 특성임피던스를 변경할 수 있도록 소자가 구비된 베이스 기판, 상기 베이스 기판의 하면 전부를 덮는 하부 접지 패턴, 상기 베이스 기판 상면에 구비되어 회로 패턴을 형성하는 마이크로스트립 선로, 상기 마이크로스트립 선로 및 소자를 제외하고 상기 베이스 기판의 상면 전부를 덮는 상부 접지 패턴 및 비아홀을 통해 상기 상부 접지 패턴과 상기 하부 접지 패턴을 연결하는 비아를 포함하는 마이크로스트립 구조를 제시한다.

Description

마이크로스트립 구조{Structure for microstrip}
본 발명은 초고주파 대역에서의 마이크로스트립 구조에 관한 것으로, 특히 MMIC 환경에서 특성 임피던스로 매칭하는 마이크로스트립 구조에 관한 것이다
초고주파 대역의 주파수를 사용하는 MMIC 회로(Monolithic Microwave Integrated Circuit;고주파단일집적회로)는 전자제품 산업과 관련하여, 특히 통신분야에 있어 무선통신 장비의 경량화 및 저가화를 가능하게 하여 주목받고 있다.
고주파에서는 주파수에 따라 임피던스를 고려하여 설계하여야 하는데, 임피던스 매칭이 이루어지지 않은 경우 반사파로 인하여 집적회로(IC)가 망가지거나 에너지 손실을 가져올 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 MMIC 회로 설계에서 사용되는 마이크로스트립 구조를 나타낸 사시도이다.
도 1을 참조하면, 상기 마이크로스트립 구조(10)는 베이스 기판(substrate)(12), 상기 베이스 기판(12) 하면에 형성된 접지 패턴(ground pattern)(11) 및 상기 베이스 기판(12) 상면에 회로 패턴에 따라 형성된 마이크로스트립 전송 선로(microstrip transmission line)(13)로 구성되어 있다.
그러나, 이와 같은 구조로 이루어진 마이크로스트립 전송 선로(13)는 공기와 접촉되어 마이크로파 이상의 주파수를 전송하는 경우 전송손실이 커지게 된다.
또한, 마이크로스트립에서 특성 임피던스는 마이크로스트립 선로의 선폭(W)과 길이(L), 마이크로스트립 전송 선로와 접지 패턴 사이의 높이(H) 및 베이스 기판을 구성하는 매질의 유전율(εr)에 의하여 결정되는데, 일반적으로 MMIC 회로 설계시 고정된 높이의 베이스 기판을 사용하고 있으며, 마이크로스트립 선로의 길이(L)나 선폭(W)을 조절하여 임피던스를 매칭하는 경우, 전송손실의 야기를 피할 수 없으며, 회로소자의 배치에 있어 상당한 제약을 받게 되는 문제가 발생한다.
따라서, 본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명에서 해결하려는 과제는 비아를 통하여 하부 접지 패턴과 연결된 상부 접지 패턴에 의하여 특성 임피던스를 변경할 수 있는 마이크로스트립 구조를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예를 따르면, 소자가 구비된 베이스 기판; 상기 베이스 기판의 하면 전부를 덮는 하부 접지 패턴; 상기 베이스 기판 상면에 구비되어 회로 패턴을 형성하는 마이크로스트립 선로; 상기 마이크로스트립 선로 및 소자를 제외하고 상기 베이스 기판의 상면 전부를 덮는 상부 접지 패턴; 및 비아홀을 통해 상기 상부 접지 패턴과 상기 하부 접지 패턴을 연결하는 비아;를 포함하는 마이크로스트립 구조를 제공한다.
또한, 상기 상부 접지 패턴은 상기 마이크로스트립 선로와 일정한 간격을 두고 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 구조를 제공한다.
또한, 상기 일정한 간격은 특성 임피던스로 매칭되는 범위내에서 결정되는 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 구조를 제공한다.
또한, 상기 상부 접지 패턴 및 상기 마이크로스트립 선로의 두께가 동일한 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 구조를 제공한다.
또한, 상기 상부 접지 패턴의 재질은 상기 마이크로스트립 선로와 동일한 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 구조를 제공한다.
또한, 상기 베이스 기판은 다층 구조 기판을 통해 구성되는 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 구조를 제공한다.
본 발명에 따르면, 마이크로스트립 선로의 선폭(W)과 길이(L), 마이크로스트립 선로와 접지 패턴 사이의 높이(H) 및 베이스 기판을 구성하는 매질의 유전율(εr)의 변경없이 상부 접지 패턴에 의하여 특성 임피던스를 변경할 수 있어, 회로소자의 배치 및 마이크로스트립 선로의 모양을 자유로이 설계할 수 있다.
또한, 마이크로스트립 선로와 상부 접지 패턴 사이의 간격을 조절하면서 특성 임피던스로 매칭시킬 수 있어 전송손실이 없는 회로의 설계가 가능하다.
도 1은 종래 기술에 따른 MMIC 회로 설계에서 사용되는 마이크로스트립 구조를 나타낸 사시도.
도 2는 본 발명에 따른 마이크로스트립 구조를 나타낸 사시도.
도 3은 도 2에 도시된 본 발명에 따른 마이크로스트립 구조의 I-I'선 단면도.
도 4는 종래 기술에 따른 마이크로스트립 구조에서 형성되는 전계를 도시한 도면.
도 5는 본 발명에 따른 마이크로스트립 구조에서 형성되는 전계를 도시한 도면.
이하, 본 발명에 따른 마이크로스트립 구조에 관한 구체적인 사항을 도면을 참조하여 설명한다. 그러나, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니며, 이 밖에도 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 아니다. 그리고, 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이므로, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면 상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
도 2는 본 발명에 따른 마이크로스트립 구조를 나타낸 사시도이고, 도 3은 도 2에 도시된 본 발명에 따른 마이크로스트립 구조의 I-I'선 단면도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 마이크로스트립 구조(100)는 소자(미도시)가 구비된 베이스 기판(120), 상기 베이스 기판(120)의 하면 전부를 덮는 하부 접지 패턴(110), 상기 베이스 기판 상면에 구비되어 회로 패턴을 형성하는 마이크로스트립 선로(130), 상기 마이크로스트립 선로(130) 및 소자를 제외하고 상기 베이스 기판(120)의 상면 전부를 덮는 상부 접지 패턴(140) 및 비아홀을 통해 상기 상부 접지 패턴과 상기 하부 접지 패턴을 연결하는 비아(150)를 포함할 수 있다.
상기 베이스 기판(120)에 포함된 상기 하부 접지 패턴(110)이 상기 베이스 기판(120)의 하면에 형성됨에 따라, 신호선과 그라운드 사이에 베이스 기판만이 존재하게 되어 고주파에서 교류에너지의 집중으로 인하여 발생하는 전자계 필드로부터 신호의 간섭을 방지할 수 있다.
마이크로스트립 구조에서 특성 임피던스는 마이크로스트립 선로의 선폭(W), 마이크로스트립 선로와 하부 접지 패턴 사이의 높이(H) 및 베이스 기판을 구성하는 매질의 유전율(εr)에 의하여 영향을 받는데, 고주파가 되면 신호선과 그라운드 사이에서 신호의 거의 모든 에너지 성분이 교류필드 형태를 이루면서 진행되므로, 상기 마이크로스트립 선로(130)와 상기 하부 접지 패턴(110) 사이의 거리, 즉 베이스 기판의 높이(H) 및 상기 마이크로스트립 선로(130)와 상기 하부 접지 패턴(110) 사이에 들어가는 상기 베이스 기판(110)을 구성하는 매질의 유전율(εr)까지 정확히 일정해야 한다.
따라서, 상기 베이스 기판(120)의 높이(H)와 유전율(εr)은 명확하게 정의되어 있으며, 상기 베이스 기판(130)의 높이(H)/유전율(εr) 조건에 따라 상기 마이크로스트립 선로(130)는 일정한 선폭(W)를 가지면서 상기 베이스 기판(120)의 상면에 배치되어 회로를 구성하게 된다.
한편, 상기 마이크로스트립 선로(130)는 포토 에칭 기법 등에 의해 형성될 수 있고, 주파수가 높아지면 마이크로스트립 선로의 선폭에 따른 영향을 무시할 수 없으므로 상기 마이크로스트립 선로(130)의 선폭(W)은 가늘게 구현되도록 형성하는 것이 유리하다.
또한, 상기 베이스 기판(120)의 상면에는 상기 마이크로스트립 선로(130) 및 소자(미도시)를 제외한 상기 베이스 기판(120) 상면 전부를 덮는 상부 접지 패턴(140)이 형성될 수 있고, 상기 상부 접지 패턴(140)은 상기 비아(150)에 의하여 상기 베이스 기판(120) 하면에 형성된 상기 하부 접지 패턴(110)과 연결될 수 있다.
상기 상부 접지 패턴(140)의 두께(T)는 상기 마이크로스트립 선로(130)와 동일한 두께를 가지도록 형성할 수 있고, 상기 상부 접지 패턴(140)은 상기 하부 접지 패턴(110) 및 상기 마이크로스트립 선로(130)와 동일한 재질로 형성될 수 있으며, 그 재질은 일반적으로 구리(Cu)가 사용된다.
또한, 상기 상부 접지 패턴(140)은 상기 마이크로스트립 선로(130)와 일정한 간격(D)을 유지하면서 형성될 수 있는데, 여기서, 상기 일정한 간격(D)은 특성 임피던스로 매칭되는 범위 내에서 결정될 수 있다.
상기 마이크로스트립 선로(130)와 상기 상부 접지 패턴(140) 사이의 간격(D)은, 상기 베이스 기판(120)에 상기 하부 접지 패턴(110) 및 상기 마이크로스트립 선로(130)를 형성한 다음, 특성 임피던스 값에 근접될 수 있도록 간격을 적절히 변경시켜 가면서 형성할 수 있다.
이 경우, 상기 마이크로스트립 선로(130)와 상기 상부 접지 패턴(140) 사이의 간격(D)이 허용되는 오차 범위는 특성 임피던스(예를 들어, 50Ω)를 매칭시키기 위하여 결정된 간격(D')에서 상기 결정된 간격(D')의 ±10% 범위까지 될 수 있다.
도 4는 종래 기술에 따른 마이크로스트립 구조에서 형성되는 전계를 도시한 도면이고, 도 5는 본 발명에 따른 마이크로스트립 구조에서 형성되는 전계를 도시한 도면이다.
종래 기술에 따른 마이크로스트립 구조(10)에서 사용되는 모드(mode)는 전계 필드와 자계 필드가 진행 방향에 모두 수직인 TEM 모드가 사용되는데, 실제로는 도 4에 도시된 바와 같이, 마이크로스트립 선로 옆으로 휘는 프링징 필드(fringing field)가 존재하기 때문에 준TEM 모드(quasi-TEM mode)로써 특성 임피던스가 결정하게 된다.
이와 같은 이유로, 상기 베이스 기판(12)을 구성하는 매질의 유전율(εr)만으로는 정확하게 특성 임피던스가 규정되지 않기 때문에, 상기 베이스 기판(12)을 구성하는 매질의 유전율(εr)과 상기 베이스 기판(12) 외부의 유전율(εo)를 통합하여 하나의 유전체처럼 모델링한 유효 유전율(εe)이 마이크로스트립의 특성 임피던스 계산에 기본이 되는 실제적인 유전율로 적용된다.
이에 따라, 상기 마이크로스트립 선로(120)의 선폭(W)이 바뀔 때마다 상기 유효 유전율(εe)도 바뀌게 되고, 마이크로스트립 선로(120)의 길이(L)도 변해야 하는 경우가 발생한다.
그러나, 본 발명에 따른 마이크로스트립 구조(100)처럼 상기 상부 접지 패턴(140)이 상기 마이크로스트립 선로(130)와 일정한 간격(D)를 유지하면서 상기 마이크로스트립 선로(130)와 소자(미도시)를 제외한 상기 베이스 기판(120) 상면에 형성되는 경우, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 상부 접지 패턴(140)이 마이크로스트립 선로(130) 옆으로 휘는 프링징 필드의 진행을 변경하여 특성 임피던스를 변경할 수 있다.
이와 같이, 상기 상부 접지 패턴(140)에 의하여 특성 임피던스를 변경할 수 있는 경우, 상기 마이크로스트립 선로(130)의 선폭(W)이나 상기 베이스 기판(120)의 높이(H), 베이스 기판을 이루는 매질의 유전율(εe)의 변경없이 특성 임피던스를 변경할 수 있으므로, 회로소자의 배치에 있어 자유도를 높일 수 있으며, 마이크로스트립 선로의 모양 또한 자유로이 설계할 수 있다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
10, 100 : 마이크로스트립 구조
11, 110 : 하부 접지 패턴
12, 120 : 베이스 기판
13, 130 : 마이크로스트립 선로
140 : 상부 접지 패턴
150 : 비아

Claims (6)

  1. 소자가 구비된 베이스 기판;
    상기 베이스 기판의 하면 전부를 덮는 하부 접지 패턴;
    상기 베이스 기판 상면에 구비되어 회로 패턴을 형성하는 마이크로스트립 선로;
    상기 마이크로스트립 선로 및 소자를 제외하고 상기 베이스 기판의 상면 전부를 덮는 상부 접지 패턴; 및
    비아홀을 통해 상기 상부 접지 패턴과 상기 하부 접지 패턴을 연결하는 비아;를 포함하는 마이크로스트립 구조.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 상부 접지 패턴은 상기 마이크로스트립 선로와 일정한 간격을 유지하면서 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 구조.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 일정한 간격은 특성 임피던스로 매칭되는 범위 내에서 결정되는 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 구조.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 상부 접지 패턴과 상기 마이크로스트립 선로의 두께가 동일한 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 구조.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 상부 접지 패턴의 재질은 상기 마이크로스트립 선로와 동일한 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 구조.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 베이스 기판은 다층 구조 기판을 통해 구성되는 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 구조.
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