KR20120051012A - 마이크로웨이브 필터 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 필터 유닛(1) 및 대응하는 인쇄 회로 기판(2)에 관한 것이다. 필터 유닛(1)과 인쇄 회로 기판(2)은, 인쇄 회로 기판(2)을 변경함이 없이 복수의 필터 유닛들(1)이 인쇄 회로 기판 상에서 사용될 수 있도록 정합되어 있는 수정된 말단 부분들(7, 8, 22, 23)을 갖추고 있다.
Description
본 발명은 마이크로웨이브 필터(microwave filter) 및 인쇄 회로 기판(printed circuit board)에 관한 것이다.
마이크로웨이브 필터들은 인쇄 회로 기판(Printed Circuit Board, PCB)들의 레이아웃에 통합되는 마이크로스트립 필터(microstrip filter)들로서 오늘날 종종 구현된다. PCB는 유전체 기판의 일 면 상에 그라운드 평면(ground plane)을 갖는 계층화된 구조의 형태이고, 인쇄된 회로는 이러한 기판의 나머지 면 상에서의 마이크로스트립들의 형태이다. PCB는 다수의 컴포넌트들과 필터들을 포함하는바, 이들은 함께 PCB의 원하는 성능을 제공한다. 이러한 방식의 단점은, 필터 특성이 변해야만 하는 경우, 불연속성을 피하기 위해 필터와 PCB가 정합되도록 전체 PCB 레이아웃이 변해야만 한다는 것이다. 따라서, 종래 기술에서 PCB는 필터 특성에 따라 달라진다.
따라서, PCB가 필터 특성에 무관하도록 할 수 있는 스트립 라인 구성(strip line configuration)의 개선된 PCB 및 마이크로웨이브 필터에 대한 필요성이 존재하는바, 이 경우 특별한 처리 없이도 표준 PCB가 결과적으로 서로 다른 필터 속성에 대해 사용될 수 있게 된다.
본 발명의 목적은, 종래 기술 방식이 가진 앞서 언급된 결함들 중 적어도 일부를 감소시킴과 아울러 개선된 마이크로웨이브 필터 및 대응하는 방법을 제공하려는 것인바, 이 경우 마이크로웨이브 필터 유닛(microwave filter unit)은, 필터가 장착되는 PCB의 그라운드 평면에 의존하지 않는 스트립 라인 구성으로 구현되어 PCB가 필터 특성에 무관하도록 할 수 있으며, 그리고 특별한 처리 없이도 표준 PCB가 사용될 수 있게 된다.
본 발명은 본원의 청구항 제1항을 따르는 마이크로웨이브 필터 유닛 및 본원의 청구항 제2항을 따르는 인쇄 회로 기판에 관한 것이다.
빔 스티어링(beam steering)(AESA=Active Electrical Steered Antenna)의 능력을 갖는 현재 출현하고 있는 다기능 레이터 시스템에서, 본 발명은 특히 유용하게 사용될 수 있다. 일반적으로, 본 발명은 마이크로웨이브 주파수용 인쇄 회로 기판 상에서의 구현에 적합하다.
본 발명은 이점을 가지고 있는바, 서로 다른 필터 특성을 갖는 서로 다른 필터 유닛들과 함께 사용될 수 있는 인쇄 회로 기판의 혜택을 제공하는데, 이것이 의미하는 바는 적절한 필터 유닛들을 선택함으로써 동일한 인쇄 회로 기판이 서로 다른 목적을 위해 사용될 수 있음을 의미한다. 따라서, 필터 유닛들은 서로 다른 주파수에서 동작하도록 설계될 수 있음과 아울러 회로 기판 상에서 정확히 동일한 영역을 요구하도록 설계될 수 있다. 따라서, 회로 기판은 필터 특성에 무관하게 된다.
추가적으로 제공되는 혜택은, 본 발명이 RF 포트(port)들에서 RF 마이크로스트립 모드(microstrip mode)를 스트립라인 모드(stripline mode)에 결합시키는(그 반대의 경우도 마찬가지임) 광대역 설계(broadband design) 및 낮은 손실을 제공한다는 것이고, 그리고 주파수 선택성이 스트립라인 레벨에서 행해진다는 것이다.
또 다른 장점은 보통의 툴(tool)들을 사용하는 인하우스 설계(in-house design)가 가능하다는 것이고, 그리고 소위 사이트 마크(sight mark)들만을 필요로 하면서 낮은 비용의 컴포넌트가 회로 기판 상에 용이하게 장착될 수 있다는 것이다.
본 발명은 다수의 도면과 연계되어 아래에서 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른 인쇄 회로 기판 및 필터의 상부도를 도식적으로 나타낸 것이다.
도 2는 도 1에서의 라인 A-A를 따른 측면도를 도식적으로 나타낸 것이다.
도 3a는 도 1에서의 라인 A-A를 따른 필터 유닛의 측면도를 도식적으로 나타낸 것이다.
도 3b는 도 1에서의 라인 A-A를 따른 인쇄 회로 기판의 측면 단면도를 도식적으로 나타낸 것이다.
도 4a는 본 발명에 따른 인쇄 회로 기판의 상부도를 도식적으로 나타낸 것이다.
도 4b는 도 4a에서의 인쇄 회로 기판의 상부도의 일부분을 확대해 도식적으로 나타낸 것이다.
도 5a는 본 발명에 따른 필터 유닛의 하부도를 도식적으로 나타낸 것이다.
도 5b는 도 5a에서의 필터 유닛의 하부도의 일부분을 확대해 도식적으로 나타낸 것이다.
도 6은 일반적인 하위 그라운드 평면을 갖는 코플래너 웨이브가이드의 기하학적 구조(coplanar waveguide geometry with lower ground plane, CPWG)를 도식적으로 나타내고 있다.
도 2는 도 1에서의 라인 A-A를 따른 측면도를 도식적으로 나타낸 것이다.
도 3a는 도 1에서의 라인 A-A를 따른 필터 유닛의 측면도를 도식적으로 나타낸 것이다.
도 3b는 도 1에서의 라인 A-A를 따른 인쇄 회로 기판의 측면 단면도를 도식적으로 나타낸 것이다.
도 4a는 본 발명에 따른 인쇄 회로 기판의 상부도를 도식적으로 나타낸 것이다.
도 4b는 도 4a에서의 인쇄 회로 기판의 상부도의 일부분을 확대해 도식적으로 나타낸 것이다.
도 5a는 본 발명에 따른 필터 유닛의 하부도를 도식적으로 나타낸 것이다.
도 5b는 도 5a에서의 필터 유닛의 하부도의 일부분을 확대해 도식적으로 나타낸 것이다.
도 6은 일반적인 하위 그라운드 평면을 갖는 코플래너 웨이브가이드의 기하학적 구조(coplanar waveguide geometry with lower ground plane, CPWG)를 도식적으로 나타내고 있다.
도면에서는 본 발명의 설명을 용이하게 하기 위해 화살표들(X, Y 및 Z)을 갖는 직교 좌표계가 제시되어 있다. 제시된 세 개의 방향은, 길이 방향(X)(길이), 측면 방향(Y)(폭), 그리고 두께 방향(Z)을 말한다.
공통되는 참조 번호들이 도 1 내지 도 5에서 되풀이된다.
인쇄 회로 기판(2)은 X-Y 평면으로 연장하고, 두께 방향(Z)으로 계층화되어 있다. 필터 유닛(1)은 X-Y 평면으로 연장하고, 두께 방향(Z)으로 계층화되어 있다.
도 1은 본 발명에 따른 인쇄 회로 기판 및 필터의 상부도를 도식적으로 나나탠 것이다. 도 1은 마이크로스트립 구조(microstrip structure)(이것은 하위 그라운드 평면을 갖는 코플래너 웨이브가이드 구조(도 4a 및 도 4b에서 더 명확히 도시되어 있음)로 이후 전이(transition)됨)를 포함하는 인쇄 회로 기판(2)에 갈바닉(galvanic) 부착된 스트립라인 마이크로웨이브 필터 유닛(stripline microwave filter unit)(1)을 나타낸다. 필터 유닛(1)은 제 1 그라운드 평면(3), 제 2 그라운드 평면(4) 및 이들 사이의 유전성 제 1 기판(5)을 포함하는 계층화된 구조로 이루어져 있다. 필터 유닛(1)은 또한 제 1 기판(5)에 매립되는 제 1 전도체 구조(6)를 포함한다. 제 1 전도체 구조(6)는 제 1 말단 부분(end portion)(7) 및 제 2 말단 부분(8)을 갖는다. 제 1 말단 부분(7)은 제 1 커넥터(connector)(10)에 의해 필터 유닛(1)의 바닥 외면(9)에 연결되고, 제 2 말단 부분(8)은 제 2 커넥터(11)에 의해 필터 유닛(1)의 바닥 외면(9)에 연결된다. 제 1 그라운드 평면(3)은 제 3 커넥터(12)에 의해 제 2 그라운드 평면(4)에 연결된다.
도 1은 제 2 그라운드 평면(4)이 필터 유닛(1)의 바닥 외면(9) 상에 배치되는 것, 그리고 제 1 기판(5)을 노출시키며 제 1 커넥터(10)에 연결되는 제 1 노치(notch)(13)를 제 2 그라운드 평면(4)이 갖는 것, 그리고 제 1 기판(5)을 노출시키며 제 2 커넥터(11)에 연결되는 제 2 노치(14)를 제 2 그라운드 평면(4)이 갖는 것을 도시한다. 제 1 커넥터(10)는 제 1 기판(5)의 바닥 외면(9) 상의 제 1 노치(13) 내에 위치하는 제 1 커넥터 패드(connector pad)(15)에 제 1 커넥터(10)를 통해 연결된다. 제 2 커넥터(11)는 제 1 기판(5)의 바닥 외면 상의 제 2 노치(14) 내에 위치하는 제 2 커넥터 패드(16)에 제 2 커넥터(11)를 통해 연결된다. 제 3 커넥터(12)는 제 1 커넥터(10)에 전자기 결합(electromagnetic couple)되는 제 4 커넥터들(17) 및 제 2 커넥터(11)에 전자기 결합되는 제 5 커넥터들(18)로 구성된다.
제 1 말단 부분(7), 제 1 커넥터(10), 제 1 커넥터 패드(15), 제 4 커넥터들(17) 및 제 1 노치(13)는, 제 1 커넥터 패드(15)로부터 제 1 말단 부분(7)으로의 신호 전송을 위한 소정의 임피던스가 본질적으로 획득되도록 서로에 대해 배치되어 있다.
제 2 말단 부분(8), 제 2 커넥터(11), 제 2 커넥터 패드(16), 제 5 커넥터들(18) 및 제 2 노치(14)는, 제 2 말단 부분(8)으로부터 제 2 커넥터 패드(16)로의 신호 전송을 위한 소정의 임피던스가 본질적으로 획득되도록 서로에 대해 배치되어 있다.
도 1은 제 3 그라운드 평면(19), 제 2 전도체 구조(20), 및 이들 사이의 유전성 제 2 기판(21)을 포함하는 인쇄 회로 기판(2)을 도시하고 있다. 제 2 전도체 구조(20)는 제 3 말단 부분(22) 및 제 4 말단 부분(23)을 포함한다. 제 3 말단 부분(22) 및 제 4 말단 부분(23)은, 필터 유닛(1)의 제 1 커넥터 패드(15)가 제 3 말단 부분(22)에 부착될 수 있도록 그리고 제 2 커넥터 패드(16)가 제 4 말단 부분(23)에 부착될 수 있도록 서로에 대해 배치되어 있다. 인쇄 회로 기판(2)은 제 2 전도체 구조(20)가 있는 제 2 기판(21)의 면과 동일한 면 상에 배치되는 제 1 그라운드 부분(24)을 포함하고, 제 1 그라운드 부분(24)은 제 1 그라운드 커넥터(25)에 의해 제 3 그라운드 평면(19)에 연결된다. 제 1 그라운드 부분(24)은 제 3 노치(26)를 포함하고, 제 3 노치(26)는 이러한 제 3 노치(26) 내에 제 3 말단 부분(22)이 위치하도록 배치된다.
인쇄 회로 기판(2)은 제 2 전도체 구조(20)가 있는 제 2 기판(21)의 면과 동일한 면 상에 배치되는 제 2 그라운드 부분(27)을 포함하고, 제 2 그라운드 부분(27)은 제 2 그라운드 커넥터(28)에 의해 제 3 그라운드 평면(19)에 연결된다. 제 2 그라운드 부분(27)은 제 4 노치(29)를 포함하고, 제 4 노치(29)는 이러한 제 4 노치(29) 내에 제 4 말단 부분(23)이 위치하도록 배치된다.
제 1 그라운드 부분(24), 제 3 노치(26), 제 3 말단 부분(22) 및 제 1 그라운드 커넥터(25)는, 제 2 전도체 구조(20)로부터 필터 유닛(1)으로의 신호 전송을 위한 소정의 임피던스가 제 3 말단 부분(22)에 본질적으로 획득되도록 서로에 대해 배치되어 있다.
제 2 그라운드 부분(27), 제 4 노치(29), 제 4 말단 부분(23) 및 제 2 그라운드 커넥터(28)는, 필터 유닛(1)으로부터 제 2 전도체 구조(20)로의 신호 전송을 위한 소정의 임피던스가 제 4 말단 부분(23)에 본질적으로 획득되도록 서로에 대해 배치되어 있다.
필터 유닛(1)이 인쇄 회로 기판(2)에 부착될 때, 제 1 그라운드 부분(24)과 제 2 그라운드 부분(27)은 필터 유닛(1)의 제 2 그라운드 평면(4)에 갈바닉 연결되고, 그리고 필터 유닛(1)의 제 1 커넥터 패드(15)는 제 3 말단 부분(22)에 갈바닉 연결되며, 그리고 제 2 커넥터 패드(16)는 제 4 말단 부분(23)에 갈바닉 연결된다. 여기서, "갈바닉 연결(galvanic connection)"은 솔더링(soldering)에 의해 달성될 수 있거나 혹은 갈바닉 연결을 위한 임의의 다른 적절한 부착 수단에 의해 달성될 수 있다.
그라운드 평면들, 전도체 구조들, 커넥터들, 커넥터 패드들 및 그라운드 부분들은 모두 금속과 같은 전기적으로 전도성인 물질들로 제조된다.
또 다른 예에서, 제 1 그라운드 부분(24) 및/또는 제 2 그라운드 부분(27)은 둘 또는 그 이상의 부분들을 포함할 수 있는바, 이러한 둘 또는 그 이상의 부분들은, 필터 유닛(1)의 제 2 그라운드 평면(4)과의 좋은 갈바닉 콘택(galvanic contact)이 확립되도록 서로에 대해 정렬되고, 그리고 제 2 전도체 구조(20)로부터 필터 유닛으로의 신호 전송을 위한 소정의 임피던스가 제 3 말단 부분(22)에 본질적으로 획득되도록 서로에 대해 정렬되고, 그리고 필터 유닛(1)으로부터 제 2 전도체 구조(20)로의 신호 전송을 위한 소정의 임피던스가 제 4 말단 부분(23)에 본질적으로 획득되도록 서로에 대해 정렬된다.
도 2는 도 1에서의 라인 A-A를 따른 측면도를 도식적으로 나타낸 것이다. 도 2에서 필터 유닛(1), 제 1 그라운드 부분(24), 제 2 그라운드 부분(27), 인쇄 회로 기판(2)은 서로 분리된 상태, 즉 조립 전 상태로 도시되어 있다. 제 1 그라운드 부분(24)과 제 2 그라운드 부분(27)은 유리하게는 개별 유닛이 아닌 인쇄 회로 기판(2)의 일부분일 수 있음에 유의해야 한다.
이로운 점으로는, 제 1 그라운드 부분(24) 및 제 2 그라운드 부분(27)이 인쇄 회로 기판의 제조 동안, 예를 들어, 에칭에 의해 만들어질 수 있다는 것이다.
제 1 그라운드 커넥터(25) 및 제 2 그라운드 커넥터(28) 그리고 제 3 커넥터(12), 제 4 커넥터(17), 제 5 커넥터(18)는 모두 비아(via)(즉, 전기적 연결을 제공하는 도금된 홀(hole))들로 불릴 수 있다.
도 3a는 절연 물질 내에 매립되어 있고 두 개의 평행한 그라운드 평면들 사이에 삽입되어 있는 평평한 금속 스트립을 포함하는 제 1 전도체 구조를 도식적으로 나타내고 있다. 절연 물질은 유전체 기판을 형성한다. 스트립의 폭(w8), 기판의 두께(b), 그리고 기판의 비유전율(relative permittivity)이 스트립(전송 라인)의 특성 임피던스를 결정한다. 필터 유닛에서, 제 1 전도체 구조는 전자기적으로 연결되는 다수의 스트립들을 포함한다. 이러한 부분들 간의 상호관계가 필터 특성을 형성한다. 제 1 전도체 구조가 그라운드 평면들 사이에서 균등하게 이격되어 있을 필요는 없다. 일반적인 경우, 유전체 물질은 제 1 전도체 구조 위와 아래에서 서로 다른 특성 및 두께를 가질 수 있다.
본 발명의 일 예에서, 필터 유닛의 제조는 두 개의 부분들(각각의 부분은 그라운드 평면과 유전체 기판을 포함함)을 합쳐 놓음으로써 이루어진다. 이러한 부분들 중 하나는 제 1 전도체 구조를 포함하고, 그리고 이러한 두 개의 부분들이 합쳐질 때, 앞서 설명된 샌드위치 구조의 필터 유닛이 달성된다. 제 1 전도체 구조는 이러한 부분들 중 하나의 표면 상에서 에칭될 수 있거나 또는 이러한 두 개의 기판들 사이에 삽입되는 별개의 구조일 수 있다. 본 명세서에서 설명되는 방법은 빠르고 비용이 저렴한 것으로 판명되었다.
또 다른 예에서, 양쪽 부분들 각각은 이러한 부분들이 합쳐질 때 서로에 대해 정합되는 제 1 전도체 구조를 포함할 수 있다. 이러한 양쪽 예에서, 합쳐지는 부분들은 접착제와 같은 부착 수단에 의해 서로 부착될 수 있지만, 서로 본딩되는 기판의 표면들에 의해 서로 접착될 수도 있다.
인쇄 회로 기판에서의 마이크로스트립은 인쇄 회로 기판 기술을 사용하여 제조될 수 있는 임의 타입의 전기적 전송 라인이고, 그리고 마이크로웨이브-주파수 신호를 전달하는데 사용된다. 이것은 제 2 기판의 유전체 층에 의해 제 3 그라운드 평면으로부터 분리되는 제 2 전도성 스트립을 포함한다. 마이크로웨이브 컴포넌트들은 레이더, 안테나, 커플러, 필터, 전력 분배기 등에서 사용되고, 그리고 마이크로스트립으로부터 형성될 수 있다. 마이크로스트립은 기판 상에 임의 패턴의 금속화된 부분을 포함한다. 따라서, 마이크로스트립은 종래의 웨이브가이드 기술보다 비용이 훨씬 더 저렴하고, 뿐만 아니라 무게가 훨씬 더 가벼우며 크기가 훨씬 더 소형이다.
도 3a는 도 1에서의 라인 A-A를 따른 필터 유닛의 측면도를 도식적으로 나타낸 것이다. 도 3b는 도 1에서의 라인 A-A를 따른 인쇄 회로 기판의 측면 단면도를 도식적으로 나타낸 것이다.
도 3a는 도 2에서의 필터 유닛과 동일하고, 그리고 도 3b는 도 2에서의 인쇄 회로 기판과 동일하지만, 이 경우 제 1 그라운드 부분(24)과 제 2 그라운드 부분(27)은 인쇄 회로 기판(2)의 일부이다. 도 2에서의 참조 번호에 추가하여, 도 3a, 도 3b, 도 4b 및 도 5b는 필터 유닛(1)의 다양한 부분들의 치수에 관해 다수의 참조 번호를 제시하고 있다.
도 4a는 본 발명에 따른 인쇄 회로 기판의 상부도를 도식적으로 나타낸 것이다. 도 4a에서, 인쇄 회로 기판(2) 상의 필터 유닛(2)의 지지를 위해, 지지 부분(30)이 제 1 그라운드 부분(24)과 제 2 그라운드 부분(27) 사이에 배치된다. 지지 부분은 또한, 제 2 그라운드 평면(4)과의 갈바닉 콘택을 통해 제 3 그라운드 평면(19)과 필터 유닛(1) 간의 추가적 전도를 위해, 커넥터들을 통해 제 3 그라운드 평면(19)에 연결될 수 있다.
도 4b는 도 4a에서의 인쇄 회로 기판의 상부도의 일부분을 확대해 도식적으로 나타낸 것이다.
도 5a는 본 발명에 따른 필터 유닛의 하부도를 도식적으로 나타낸 것이다.
도 5b는 도 5a에서의 필터 유닛의 하부도의 일부분을 확대해 도식적으로 나타낸 것이다.
본 발명은 두 개의 잘 정의된 구조, 즉 인쇄 회로 기판(2)과 필터 유닛(1)을 사용한다. 마이크로웨이브 물질이 선택되는 경우, 그 유전 상수(
) 및 두께(h)는 예를 들어 전도체 폭(width) 및 갭(gap)으로서 어떤 치수들을 나타나게 된다. 따라서, 이것은 전송 라인 혹은 전도체의 임피던스(Z)에 대한 클로즈드 폼(closed form) 표현의 제시가 가능한 경우에 바람직하다. 본 발명에서 필요한 모든 치수들에 대한 클로즈드 폼 표현이 존재하는 것은 아니며 그러한 경우에 수치적 툴(numerical tool)들이 사용됨을 이해해야 한다.
인쇄 회로 기판(2)과 제 1 그라운드 부분(24)은 하나의 유닛으로 심리스(seamless) 통합되는바, 이것이 도 3b, 도 4a 및 도 4b에 도시된다. 이것은 결과적으로 마이크로스트립 라인 구조를 생성시키는바, 이 마이크로스트립 라인 구조는 하위 그라운드 평면을 갖는 코플래너 웨이브가이드의 기하학적 구조(coplanar waveguide geometry with lower ground plane)(이것은 이후 CPWG로 불림)의 변형으로 이후 전이된다.
마이크로스트립(Microstrip): 마이크로스트립 라인의 구조가 도 4a와 도 4b에 부분적으로 도시되며, 그 단면이 도 3b에 도시된다. 일반적으로, 기판 두께는 d, 스트립 전도체의 폭과 두께는 각각 w4, t1, 그리고 유전 상수는 
라고 가정한다. 이에 따라, 특성 임피던스는 다음과 같이 계산될 수 있다.
유효 유전 상수(
)는 폭(w4)을 갖는 전도체 위에서 공기(air)를 대체하는 균질 매체(homogeneous medium)의 유전 상수로서 해석될 수 있다.
CPWG:
마이크로스트립 라인 이후에, CPWG의 변형인 기하학적 구조를 갖는 구조로의 전이가 일어난다. 본 발명에서, 커넥터(25)와 커넥터(28)를 통해 제 1 그라운드 부분(24)과 제 2 그라운드 부분(27)으로부터 제 3 그라운드 평면(19)으로의 각각의 갈바닉 연결이 존재한다. 고전적인 CPWG 구조에서, 도면 번호 24와 27의 그라운딩은 다른 수단으로 구성된다. CPWG 구조 위에, 필터 유닛(1)이 장착된다. 현재 알고 있는 바로는, 이러한 적층 구조는, 원하는 특성 임피던스(
)(즉, 50 옴(Ohm)에 가까운 값)를 제공하는 전도체의 폭 및 갭의 최종 기하학적 구조에 대한 어떠한 클로즈드 폼 표현을 아직 갖지 못한다.
그러나, CPWG 구조는 독립 구조로서 별도로 분석된다. 
및 
에 대한 수식은 아래와 같이 주어지는바, 여기서 G=G1=G2, 2b=2a+G, W5=2a, 유전 상수는 
, 그리고 기판 두께는 d라고 가정한다(도 3b 및 도 6 참조).
여기서,
그리고 K(k)는 제1종완전타원적분(complete elliptic integral of the first kind)이다.
도 1, 도 2, 도 3a, 도 5a 및 도 5b를 참조하면, 스트립라인은 평면형 전송 라인으로, 그 자체가 마이크로웨이브 디자인이다. 스트립라인의 기하학적 구조는 폭이 w8이고 두께가 t4인 얇은 전도성 스트립으로 구성되고, 그리고 (유전 상수가 
이고 두께가 b인 유전체 기판의 경계를 정의하는) 두 개의 폭이 넓은 전도성 그라운드 평명들 사이의 가운데에 위치한다.
특성 임피던스(
)에 대한 식은 다음과 같다.
여기서,
방정식 (6)과 (7)은 
에 대해 유효하고, 이 경우 w8의 하한치에서 1.2%의 최대 에러를 갖는다.
조립시 제 1 그라운드 부분(24)과 제 2 그라운드 부분(27)이 제 2 그라운드 평면(4)과 갈바닉 콘택할 수 있도록, 제 1 그라운드 부분(24)과 제 2 그라운드 부분(27)은 제 2 전도체 구조(20)의 두께(t1)에 대응하는 두께(t3)를 갖는다. 제 3 말단 부분(22)과 제 4 말단 부분(23)은 또한, 필터 유닛(1)의 제 2 그라운드 평면(4)이 그라운드 부분들(24, 27)에 부착될 수 있도록, 그리고 동시에 제 1 커넥터 패드(15)와 제 2 커넥터 패드(16)가 제 3 말단 부분(22)과 제 4 말단 부분(23)에 각각 갈바닉 연결될 수 있도록 하는 두께를 갖는다.
같은 이유로, 제 2 그라운드 평면(4)은 제 1 커넥터 패드(15) 및 제 2 커넥터 패드(16)의 두께에 대응하는 두께(t2)를 갖는다.
본 발명의 수치적 예가 이제 도 4a 및 도 5b를 참조하여 설명된다. 이 예는, 매우 낮은 신호 손실을 가지며 50 옴에 가까운 특성 임피던스(
)를 위해 좋은 결과를 보여주는 것으로 실험적으로 증명되었다. 이 예는, 도 1 내지 도 6과 연계되어 설명되는, 필터 유닛의 양쪽 말단 및 인쇄 회로 기판의 대응하는 부분의 양쪽 말단에 대해 유효하다.
도 4b는 PCB(2)의 레이아웃의 상세한 상부도를 나타낸다. 도 4b에서, 제 1 그라운드 부분(24)은 제 2 전도체 구조(20)와 함께 도시되었다. 제 1 그라운드 부분을 제 3 그라운드 평면(19)에 연결하는 도금된 비아 홀들은 점선으로된 원으로 도시되었다. 제 2 그라운드 부분(27)은 제 1 그라운드 부분과 동일한 방식으로 구성되고 동일한 치수를 갖는다.
본 예에서, 제 1 그라운드 부분(24)의 x 방향 길이(L1로 표시됨)는 3 mm이다. 제 1 그라운드 부분의 최소 폭(W1)은 5 mm이다. 그라운드 부분의 폭은 필요한 필터에 정합되도록 더 커질 수 있다. 각각의 도금된 비아 홀의 직경은 0.3 mm이다. 제 2 전도체 구조(20)는 PCB로부터의 신호를 마이크로스트립 대 스트립라인 전이체(microstrip to stripline transition)로 가이딩하는 구조이다. 기판(21)의 유전 상수 및 두께에 따라, 이러한 전도체의 폭은 원하는 특성 임피던스가 생성되도록 선택된다. 본 예에서, 제 2 기판(21)의 두께(d)는 0.254 mm이고, 유전 상수(
)는 3.66인바, 이것은 폭(W4)=0.524 mm를 제공한다.
제 1 그라운드 부분에서의 절단으로 인한 노치(14)가 존재한다. 이러한 노치 안으로 제 2 전도체 구조(20)가 위치한다. 전도체(20)는 슬롯(slot) 내의 가운데에 위치하여 동일한 크기의 갭들(G1 및 G2)을 만들지만, 어떤 목적을 위해 비대칭 구조가 필요하다면 이러한 것이 엄격히 필요한 것은 아니다. 제 3 말단 부분(22)으로 명명된 말단 부분을 생성하는 제 2 전도체 구조의 폭은 W5이다(본 예에서 W5 = 0.4 mm). 이러한 폭은 갭(G1 및 G2)의 크기(본 예에서는 0.22 mm)에 따라 일정 범위에서 선택될 수 있다. 폭(W5) 및 갭 크기(G1=G2)는, (제 2 기판(21)의 두께 및 유전 상수와 함께) 어떤 특정된 특성 임피던스(본 예에서는 이 임피던스는 50 Ω)를 갖는 코플래너 웨이브가이드 구조를 생성하도록 선택된다.
제 2 전도체(20)로부터 제 1 그라운드 부분(24)으로의 원하지 않는 커플링을 감소시키기 위해, 제 1 그라운드 부분의 코너(corner)들은 45도 각도로 절단된다(이것은 길이 L6과 W6이 동일하게 함). 이러한 각도는 특별히 중요하지 않고 어떤 다른 각도가 보다 더 유리하다면 특정 범위에서 선택될 수 있다. 절단 코너의 크기(W6)는 특정 범위의 값들에서 선택될 수 있다(본 예에서는 0.55 mm). 폭(W4)으로부터 폭(W5)으로의 제 2 전도체 구조(20)의 전이 길이는 (임피던스 부정합을 감소시키기 위해) 너무 짧아서는 안 되며, 본 예에서는 0.3 mm가 되도록 선택된다.
앞에서 설명된 바와 같이, 제 1 그라운드 부분과 함께 제 3 말단 부분이 코플래너 웨이브가이드 구조를 생성한다. 이러한 웨이브가이드 구조의 치수는 특정된 특성 임피던스를 생성하도록 선택된다(특정된 본 예에서는 50 Ω이 되도록 선택됨). 제 3 말단 부분(22)의 폭(W5)과 갭 크기(G1=G2)의 치수에 따라, 제 3 노치(26)의 폭이 일정 값(본 예에서는 0.84 mm)을 가질 수 있다. 마이크로웨이브 신호를 위해 마이크로스트립 모드로부터 코플래너 웨이브가이드 모드로의 부드러운 전이가 생성되도록 하기 위해, 제 3 노치(26)의 길이는 제 3 말단 부분의 길이와 연계되어 선택돼야 한다. 마이크로스트립 대 스트립라인 전이체의 길이(L1)와 이러한 전이체의 성능 간에는 상충관계(trade-off)가 존재한다. 본 경우에 있어, 길이 L1이 3 mm인 것은 좋은 성능을 제공하기에 충분하다.
제 3 말단 부분은 반원(편의상 반지름(R1)이 0.2 mm가 되도록 선택됨)으로 끝난다. 제 3 노치(26)의 말단도 역시 반원(본 예에서는 편의상 반지름(R2)이 0.42 mm가 되도록 선택됨)으로 끝난다. 제 3 말단 부분의 길이(L3)는 본 예에서 1 mm이다. 제 3 노치의 길이(L7)는 본 예에서 1.25 mm이다. 제 3 말단 부분과 제 1 그라운드 부분 간의 갭의 길이(L4)는 본 예에서 0.82 mm이다. 이러한 길이는 원하는 성능을 달성하기 위해 특정 범위에서 선택될 수 있다.
전이체의 중앙 라인과 (제 1 그라운드 부분을 제 3 그라운드 평면(19)에 연결하는) 도금된 비아 홀들 간의 간격(S1)은 너무 작아서는 안 된다. 만약 그렇지 않다면, 이것은 제 2 전도체 구조의 마이크로스트립 모드와 간섭을 일으킨다. 본 예에서, 이 길이는 1.25 mm가 되도록 선택되었다. 제 1 그라운드 부분의 에지들과 그 가장가까이 있는 비아 홀들의 중심 간의 거리(S2 및 S3)는 서로 다를 수 있다(본 예에서는 편의상 S2 및 S3 양쪽 모두가 0.55 mm가 되도록 선택됨). 비아 홀들의 중심들 간의 간격(S4 및 S5)도 역시 서로 다르게 선택될 수 있다(본 예에서 이들은 동일한 크기를 가지며 그 크기는 0.7 mm). 비아 홀들 간의 모든 간격들은 그 다지 중요하지 않고 오히려 자유롭게 선택될 수 있다.
도 5b는 제 2 그라운드 평면(4)의 하부도를 상세히 나타낸 것이다. 이것은 단지 제 1 마이크로스트립 대 스트립라인 전이체 주변의 그라운드 평면의 일부분만을 도시하고 있음에 유의해야 한다. 제 2 전이체 주변의 그라운드 평면의 부분은 동일한 방식으로 설계된다. 전체 그라운드 평면을 나타낸 것이 도 5a에 도시된다.
도 5b에서는 제 2 그라운드 평면(4), 제 1 커넥터 패드(15), 및 제 1 노치(13)가 도시된다. (제 1 그라운드 평면(3)을 제 2 그라운드 평면(4)에 연결하는) 제 3 커넥터들(12), (제 1 커넥터 패드를 제 1 전도체 구조(6)의 제 1 말단 부분(7)에 연결하는) 제 1 커넥터(10), 제 1 전도체 구조(6)의 제 1 말단 부분(7)이 점선으로 또한 도시되어 있다.
도 5b에서, 제 3 커넥터들의 직경은 모두 0.3 mm이다. 제 1 커넥터의 직경도 역시 0.3 mm이다. 제 3 커넥터들 간의 간격(S4 및 S5)은 도 4b에서와 동일하고 그 값은 0.7 mm이다. 제 3 커넥터들과 제 2 그라운드 평면의 에지 간의 거리(S6 및 S7)는 양쪽 모두 0.35 mm이다.
제 2 그라운드 평면의 전이체 부분의 길이(L8)와 폭(W7)은 각각 2.8 mm와 4.6 mm이다. 제 1 커넥터 패드의 폭(W5)은 (도 4b에서와 같이) 0.4 mm이다. W2, W3, G1, G2, L5, L3, R1, R2, S1, 및 L7의 길이도 또한 도 4b에서와 동일하다.
제 2 그라운드 평면의 절단 코너의 길이(L9 및 W9) 양쪽 모두는 0.35 mm이다.
제 1 전도체 구조(6)의 제 1 말단 부분(7)의 폭(W8)은 스트립라인 전송 라인의 특정된 임피던스가 생성되도록 선택된다. 본 예에서의 제 1 유전체 기판(5)의 두께(b)가 1.5 mm 내지 1.6 mm 범위에 있고 유전 상수(
)가 3.66인 경우, 50 Ω의 임피던스를 위해 폭(W8)은 0.8 mm이다. 제 1 말단 부분의 말단의 반지름은 0.4 mm이다.
제 1 그라운드 부분(24)과 제 2 그라운드 부분(27)은 제 2 그라운드 평면(4)과 정합되도록 설계된다. 그러나, 제 1 그라운드 부분 및 제 2 그라운드 부분의 치수는, 필터 유닛(1)의 인쇄 회로 기판(2)으로의 솔더링이 검사시 개방될 수 있도록, 0.2 mm보다 더 크다.
도 1 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 기술분야에서 숙련된 자들에게는, 앞에서 설명된 예들은 본 발명의 일부분이며 뿐만 아니라 소정의 임피던스 정합이 충족되는 경우 제 1 그라운드 부분(24) 및 제 2 그라운드 부분(27)의 추가적인 구성이 고려될 수 있음이 명백하게 될 것이다. 예를 들어, 앞서 설명된 바와 같은 제 1 그라운드 부분 및 제 2 그라운드 부분은 전체 필터 유닛 영역 위로 연장할 수 있다.
본 발명은 앞서 설명된 실시예들과 예제들로만 한정되는 것이 아니며 다음의 특허청구범위 내에서 자유롭게 변형될 수 있다.
Claims (2)
- 인쇄 회로 기판(printed circuit board)(2)용 스트립라인 마이크로웨이브 필터 유닛(stripline microwave filter unit)(1)으로서,
상기 필터 유닛(1)는 제 1 그라운드 평면(ground plane)(3), 제 2 그라운드 평면(4), 그리고 상기 제 1 그라운드 평면(3)과 상기 제 2 그라운드 평면(4) 사이의 유전성 제 1 기판(5)을 포함하는 계층화된 구조의 형태이고, 상기 필터 유닛(1)은 또한 상기 제 1 기판(5) 내에 매립된 제 1 전도체 구조(6)를 포함하고, 상기 제 1 전도체 구조(6)는 제 1 말단 부분(end portion)(7)과 제 2 말단 부분(8)을 가지며, 상기 제 1 말단 부분(7)은 제 1 커넥터(connector)(10)에 의해 상기 필터 유닛(1)의 바닥 외면(9)에 연결되고, 상기 제 2 말단 부분(8)은 제 2 커넥터(11)에 의해 상기 필터 유닛(1)의 상기 바닥 외면(9)에 연결되고, 상기 제 1 그라운드 평면(3)은 제 3 커넥터(12)에 의해 상기 제 2 그라운드 평면(4)에 연결되며,
상기 제 2 그라운드 평면은 상기 필터 유닛(1)의 상기 바닥 외면(9) 상에 배치되고, 그리고 상기 제 2 그라운드 평면(4)은, 상기 제 1 기판(5)을 노출시킴과 아울러 상기 제 1 커넥터(10)에 연결되는 제 1 노치(notch)(13)를 가지며, 상기 제 2 그라운드 평면(4)은, 상기 제 1 기판(5)을 노출시킴과 아울러 상기 제 2 커넥터(11)에 연결되는 제 2 노치(14)를 가지며, 상기 제 1 커넥터(10)는 상기 제 1 기판(5)의 상기 바닥 외면(9) 상의 상기 제 1 노치(13) 내에 배치되는 제 1 커넥터 패드(connector pad)(15)에 상기 제 1 커넥터(10)를 통해 연결되고, 상기 제 2 커넥터(11)는 상기 제 1 기판(5)의 상기 바닥 외면 상의 상기 제 2 노치(14) 내에 배치되는 제 2 커넥터 패드(16)에 상기 제 2 커넥터(11)를 통해 연결되고, 상기 제 3 커넥터(12)는 상기 제 1 커넥터(10)에 전자기 결합(electromagnetic couple)되는 제 4 커넥터들(17) 및 상기 제 2 커넥터(11)에 전자기 결합되는 제 5 커넥터들(18)로 구성되고, 상기 제 1 말단 부분(7), 상기 제 1 커넥터(10), 상기 제 1 커넥터 패드(15), 상기 제 4 커넥터들(17) 및 상기 제 1 노치(13)는, 상기 제 1 커넥터 패드(15)로부터 상기 제 1 말단 부분(7)으로의 신호 전송을 위한 소정의 임피던스가 본질적으로 획득되도록 서로에 대해 배치되고, 상기 제 2 말단 부분(8), 상기 제 2 커넥터(11), 상기 제 2 커넥터 패드(16), 상기 제 5 커넥터들(18) 및 상기 제 2 노치(14)는, 상기 제 2 말단 부분(8)으로부터 상기 제 2 커넥터 패드(16)로의 신호 전송을 위한 소정의 임피던스가 본질적으로 획득되도록 서로에 대해 배치되는 것을 특징으로 하는 스트립라인 마이크로웨이브 필터 유닛. - 제1항에 기재된 필터 유닛(1)을 위한 마이크로스트립 구조(microstrip structure)를 포함하는 인쇄 회로 기판(2)으로서,
상기 인쇄 회로 기판(2)은 제 3 그라운드 평면(19), 제 2 전도체 구조(20), 그리고 상기 제 3 그라운드 평면(19)과 상기 제 2 전도체 구조(20) 사이의 유전성 제 2 기판(21)을 포함하고, 상기 제 2 전도체 구조(20)는 제 3 말단 부분(22) 및 제 4 말단 부분(23)을 포함하고, 상기 제 3 말단 부분(22) 및 상기 제 4 말단 부분(23)은, 상기 필터 유닛(1)의 상기 제 1 커넥터 패드(15)가 상기 제 3 말단 부분(22)에 부착될 수 있도록 그리고 상기 제 2 커넥터 패드(16)가 상기 제 4 말단 부분(23)에 부착될 수 있도록 서로에 대해 배치되고, 상기 인쇄 회로 기판(2)은 상기 제 2 전도체 구조(20)가 있는 상기 제 2 기판(21)의 면과 동일한 면 상에 배치되는 제 1 그라운드 부분(ground portion)(24)을 포함하고, 상기 제 1 그라운드 부분(24)은 제 1 그라운드 커넥터(ground connector)(25)에 의해 상기 제 3 그라운드 평면(19)에 연결되며, 상기 제 1 그라운드 부분(24)은 제 3 노치(26)를 포함하고, 상기 제 3 노치(26)는 상기 제 3 노치(26) 내에 상기 제 3 말단 부분(22)이 위치하도록 배치되며,
상기 인쇄 회로 기판(2)은 상기 제 2 전도체 구조(20)가 있는 상기 제 2 기판(21)의 면과 동일한 면 상에 배치되는 제 2 그라운드 부분(27)을 포함하고, 상기 제 2 그라운드 부분(27)은 제 2 그라운드 커넥터(28)에 의해 상기 제 3 그라운드 평면(19)에 연결되며, 상기 제 2 그라운드 부분(27)은 제 4 노치(29)를 포함하고, 상기 제 4 노치(29)는 상기 제 4 노치(29) 내에 상기 제 4 말단 부분(23)이 위치하도록 배치되고,
상기 제 1 그라운드 부분(24)과 상기 제 2 그라운드 부분(27)은 상기 필터 유닛(1)의 상기 제 2 그라운드 평면(4)에 갈바닉 연결(galvanic connect)될 수 있고,
상기 제 1 그라운드 부분(24), 상기 제 3 노치(26), 상기 제 3 말단 부분(22) 및 상기 제 1 그라운드 커넥터(25)는, 상기 제 2 전도체 구조(20)로부터 상기 필터 유닛(1)으로의 신호 전송을 위한 소정의 임피던스가 상기 제 3 말단 부분(22)에 본질적으로 획득되도록 서로에 대해 배치되고,
상기 제 2 그라운드 부분(27), 상기 제 4 노치(29), 상기 제 4 말단 부분(23) 및 상기 제 2 그라운드 커넥터(28)는, 상기 필터 유닛(1)으로부터 상기 제 2 전도체 구조(20)로의 신호 전송을 위한 소정의 임피던스가 상기 제 4 말단 부분(23)에 본질적으로 획득되도록 서로에 대해 배치되는 것을 특징으로 하는 인쇄 회로 기판.
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