KR20120117761A - 마이크로스트립 라인과 직사각형 도파관 사이의 마이크로파 전환 디바이스 - Google Patents

마이크로스트립 라인과 직사각형 도파관 사이의 마이크로파 전환 디바이스 Download PDF

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Abstract

프린트 회로 보드(printed circuit board)(2) 내에 통합된 라인(1)과 도파관(waveguide)(31-321-322) 사이에 모드 변환기(mode transformer)(4)를 포함하는 전환 디바이스에서, 마이크로스트립 라인, 및 예를 들어 세라믹 상의 직사각형 도파관의 상이한 기술들을 연관시키기 위해, 보드(2)는 도파관을 포함하는 하우징(26)을 포함하고, 도파관은 라인의 스트립(11)과 동일 평면상에 있고 동축을 갖는 큰 측벽(large sidewall)(31s) 및 하우징의 바닥부에서 보드의 금속층(23) 상에 고정되는 다른 큰 측벽(31i)을 갖는다. 연결 금속 엘리먼트(linking metallic element)(6)는 라인과 도파관 중 하나와 변환기 사이의 기계적인 허용오차 갭(5)을 브리징한다. 변환기는 보드 내에 통합되거나, 또는 마이크로파 컴포넌트(3) 내의 도파관 내에 통합될 수 있다.

Description

마이크로스트립 라인과 직사각형 도파관 사이의 마이크로파 전환 디바이스{MICROWAVE TRANSITION DEVICE BETWEEN A MICROSTRIP LINE AND A RECTANGULAR WAVEGUIDE}
본 발명은 마이크로파 전파를 위한 패시브 컴포넌트들(passive components)에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 전도성 마이크로스트립 라인(microstrip line)과 직사각형 도파관 기술의 컴포넌트 간의 평면 전환 디바이스(planar transition device)에 관한 것이다.
전도성 마이크로스트립 기술은 C-밴드(C-band)까지를 포함하는 수 기가헤르쯔의 주파수들까지 마이크로파 기능들을 아주 쉽게 통합하는 가능성을 제공한다. 이러한 기술은 약 10 GHz(쿠 밴드(Ku-band), 케이-밴드(K-band) 및 카-밴드(Ka-band))의 보다 높은 주파수들에서 이용되기 위해서 더욱 복잡해졌다. 실제로, 마이크로스트립 라인의 방사(radiating) 특성은 전기적인 차폐(shielding)를 제공하는 전도성의 기계 구조 내에 컨덕터들을 포함시킬 것을 요구한다. 주파수가 높기 때문에, 이러한 기계적인 구조의 치수들(dimensions)은 모두 더 작아져야 한다.
공기 도파관들(air waveguides)은 본질적으로 방사 구조들(radiating structures)이 아니지만, 복잡한 기능들의 통합에는 잘 적응되지 못한다(poorly adapted). 결과적으로, 도파관들은 저 손실 디바이스들 또는 고 마이크로파 전력들에 대해 이용된다. 1 보다 큰 비유전율(relative permittivity)을 갖는 유전체로 공기를 대체함으로써, 도파관의 치수들은 기판 통합 도파관(substrate integrated waveguide)이 마이크로스트립 라인 내에 통합되는 것을 허용하도록 충분히 감소되었다.
Dominic Deslandes 및 Ke Wu에 의한, 논문 "Integrated Microstrip and Rectangular Waveguide in Planar Form"(IEEE MICROWAVE AND WIRELESS COMPONENTS LETTERS, Vol.11, No. 2, February 2001)은, 마이크로스트립 라인의 준(quasi)-TEM 전파 모드를 도파관의 TE(transverse electric) 기본 모드 TE10로 무손실(no loss)로 변환하는 것에 대한 솔루션을 제공한다. 이 논문에 따른 전환 디바이스는 하나의 단일의 얇은 유전체 기판을 포함하는 바, 이 유전체 기판 내에는 마이크로스트립 라인, 직사각형 도파관, 및 이러한 라인과 도파관 사이의 평면 모드 변환기(planar mode transformer)가 통합되어 있다. 이러한 모드 변환기는, 준-TEM 모드로부터 TE10 모드로의 변환 이외에, 라인과 도파관 사이의 전기적인 연속성을 제공한다. 라인의 스트립을 지지(support)하는 유전체 기판의 면(face)상에서, 모드 변환기는, 스트립의 단부 내로 병합(merge)되는 작은 베이시스(small basis) 및 도파관의 제 1의 큰 측벽(large sidewall)의 단면 에지의 중앙 부분 내로 병합되는 보다 큰 베이시스(larger basis)를 갖는 이등변 사다리꼴(isosceles trapezium)의 테이퍼형(tapered) 전도성 섹션을 포함한다. 유전체 기판의 다른 면은, 라인에 대한 접지 평면(ground plane) 및 도파관에 대한 제 2의 큰 측벽으로서 작용하는 전도성층으로 완전히 덮여있다. 도파관의 작은 길이방향(longitudinal) 측벽들은 금속화된 비아홀들(metallized via-holes)의 2개의 로우들(rows)로 이루어지거나, 또는 유전체 기판 내에 배열되는 2개의 금속화된 홈들(grooves)에 의해 이루어진다. 따라서, 도파관의 높이(또는 두께)는 TE10 모드의 전파에 거의 영향을 주지 않으면서 감소될 수 있으며, 이에 의해 방사를 통한 손실들을 줄이면서, 도파관이 마이크로스트립 라인의 얇은 유전체 기판 내에 통합될 수 있게 한다.
상기 언급한 논문의 전환 디바이스의 구조는, 동일한 얇은 유전체 기판 상의 직사각형 도파관 및 마이크로스트립 라인 내에 마이크로파 필터(microwave filter)를 통합하는 EP 1,376,746 B1에서 이용된다.
본 발명의 목적은, 마이크로파 전환 디바이스에 의해, 마이크로스트립 라인의 제 1 기술과 이러한 제 1 기술과는 다른 도파관의 제 2 기술을, 이러한 양 기술들의 장점들을 유지하면서 연관(associate)시키는 것이다.
따라서, 프린트 회로 보드(printed circuit board) 내에 통합된 전도성 스트립 라인과 직사각형 도파관(rectangular waveguide) 사이에 모드 변환기(mode transformer)를 포함하는 전환 디바이스는 보드가 도파관을 포함하는 하우징을 포함하고, 도파관은 라인의 스트립과 동일 평면상에 있고 동축을 갖는 큰 측벽(large sidewall) 및 하우징의 바닥부에서 보드의 금속층 상에 고정되는 다른 큰 측벽을 가지며, 그리고 디바이스는 갭(gap)을 포함하고, 갭은 금속 연결 엘리먼트(metallic linking element)에 의해 브리징(bridging)되고, 라인과 도파관 중 하나와 모드 변환기 사이에 위치되는 것을 특징으로 한다.
모드 변환기는, 제 1 기술에 따라 보드의 유전체 기판 내에 통합되거나, 또는 제 2 기술에 따라 도파관의 유전체 기판 내에 통합된다. 만일 모드 변환기가 보드의 유전체 기판 내에 통합된다면, 갭 및 금속 연결 엘리먼트는 모드 변환기와 도파관의 단부 사이에 위치된다. 만일 모드 변환기가 도파관의 유전체 기판 내에 통합된다면, 갭 및 금속 연결 엘리먼트는 모드 변환기와 스트립 라인의 단부 사이에 위치된다. 갭은 보드의 하우징 내에 도파관의 구조를 삽입(introduce)하기 위한 기계적인 허용오차(mechanical tolerance)로 인한 것이다. 하나 또는 그 초과의 금속 시트 스트립들 또는 하나 또는 그 초과의 금속 와이어들을 포함할 수 있는 금속 연결 엘리먼트는, 이러한 금속 연결 엘리먼트에 의해 브리징되는 갭에 의해 생성되는 오정합(mismatch)을 고려하면서, 라인의 스트립과 도파관의 큰 측벽(latter)의 임피던스들을 정합시키는 모드 변환기를 통해 라인의 스트립과 도파관의 큰 측벽 사이에 전기적인 연속성을 제공한다. 임피던스들은, 스트립 폭들 및 두께들, 즉 스트립 라인으로부터 도파관까지 단계적으로(by steps) 증가하는, 마이크로스트립 라인과 접지 평면간 간의 거리들을 갖고, 파장의 대략 1/4과 같은 길이들을 갖는 스트립 라인 세그먼트들에 의해 모드 변환기에서 정합된다.
전환 디바이스의 실시예가 무엇이든 간에, 다층 프린트 회로 보드의 기술과 같은 마이크로스트립 라인 기술 및 세라믹 기판 상에서의 SIW(Substrate Integrated Waveguide) 기술과 같은 도파관에 대한 제조 기술은, 라인 및 도파관의 특성들, 보다 특정하게는 보드 및 도파관의 상이한 유전체 비유전율들의 선택에 있어서 더 많은 유연성을 부여하도록 유지된다. 특히, 도파관은 기판으로서 세라믹들을 갖는 마이크로파 컴포넌트 내에 통합될 수 있고; 도파관의 작은 측벽들은 각각 방사(radiation)를 통한 손실들을 줄이기 위해 엇갈리게 배치된(staggered) 금속화된 홀들의 로우들에 의해 구성될 수 있다.
본 발명은, 금속 구조의 큰 부분을 억제(suppress)하면서, 낮은 방사, 낮은 손실 및 낮은 중량의 마이크로파 구조들을 달성할 수 있게 하며, 이에 따라 에어본 디바이스들(airborne devices)에 대해 특히 가치가 있다. 본 발명은, 매우 선택적인 필터들 및 높은 지향성(directivity)을 갖는 커플러들(couplers)을 포함하는 다양한 직사각형 도파관 구조들과 마이크로스트립 라인의 연관을 가능케 한다. 특히, 본 발명은 약 10 기가헤르쯔까지의 높은 주파수들에서 동작하는 네트워크 또는 일렉트로닉 스캐닝 안테나들 또는 방출 또는 수신 헤드들(emitting or receiving heads)을 구현하는 데에 적절하다.
본 발명은 또한, 프린트 회로 보드 내에 통합된 스트립 라인과 직사각형 도파관 사이에 모드 변환기를 포함하는 전환 디바이스를 제조하기 위한 방법에 관한 것이다. 이 방법은 다음의 단계들: 보드 내에 하우징을 배열하는 단계 ― 하우징은 보드 내부의 금속층의 일부를 구성하는 바닥부(bottom)를 포함함 ―; 도파관의 큰 측벽이 라인 스트립과 동일 평면상에 있으며 라인 스트립과 동축을 갖고, 도파관의 다른 큰 측벽이 금속층의 일부 상에 고정되도록, 하우징 내에 도파관을 삽입(introduce)하는 단계; 및 라인과 도파관 중 하나와 모드 변환기 사이의 갭을 브리징하는 얇은 금속 연결 엘리먼트를 형성하고 고정시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 특징들 및 장점들은 첨부되는 해당 도면들을 참조하여 비-한정적인 예들로서 주어지는 본 발명의 여러 개의 실시예들에 대한 하기의 설명을 읽음으로써 보다 명확해질 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 2개의 전환 디바이스들의 상부 사시도이다.
도 2는 도 1의 II-II 라인을 따라 절취한, 축 길이방향 단면의 사시도이다.
도 3은 전환 디바이스의 모드 변환기의 레벨에서의 전환 디바이스의 길이방향 단면도이다.
도 4는 전환 디바이스의 패시브 마이크로파 컴포넌트와 모드 변환기 간의 갭의 레벨에서, 도 2의 것과 유사하고 보다 큰 스케일의, 길이방향 단면의 사시도이다.
도 5는 전환 디바이스의 마이크로스트립 라인의 횡단면도이다. 그리고,
도 6은 마이크로파 컴포넌트의 직사각형 도파관 구조의 횡단면도이다.
도 1 내지 4에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따르면, 전환 디바이스는 다층(multilayer) PCB("프린트 회로 보드") 타입의 얇은 프린트 회로 보드(2) 내에 통합되는 마이크로스트립 라인(1)과 직사각형 도파관 구조를 갖는 마이크로파 컴포넌트(3) 사이의 패시브 마이크로파 회로이며, 이러한 마이크로스트립 라인(1)과 마이크로파 컴포넌트(3) 사이에는 평면 모드 변환기(4)가 배열된다. 이러한 도면들에서, 마이크로파 컴포넌트(3)의 횡방향 평면(transversal plane)에 대해 대칭인 2개의 전환 디바이스들은 동일한 보드(2) 상의 컴포넌트의 길이방향 단부들에 배열된다. 컴포넌트(3)는 마이크로스트립 라인(1)의 크기 및 전파 특성들에 최상으로 적응하도록 보드(2) 상에 끼워 맞춰진다(fitted). 이에 따라, 마이크로스트립 라인(1)을 통합하는 보드(2)는 컴포넌트(3)에 대한 지지체(support)로서 작용한다.
프린트 회로 보드(2)는 마이크로파 회로이며, 그 자신의 폭(L)에 비해 작은 두께(E)를 갖는 횡단면(transversal section)을 갖는다. 이러한 보드는 유전체 기판(20)의 층들을 포함하며, 이러한 유전체 기판의 층들 사이에는, 보드의 제 1 면 상에 중첩(superimpose)되는 내부 금속층들이 삽입(sink)되어 있다. 이러한 내부 금속층들은, 이후에 추가로 설명되는 바와 같이, 라인(1)을 위한 접지층(ground layer)(12), 및 모드 변환기들(4)을 위한, 층(12) 아래의 접지층들(21 내지 23)이다. 금속층들(12, 21 및 22)은 보드의 전체 폭(L) 상으로 그리고 컴포넌트(3)의 높이와 동일한 보드의 깊이(b)내로 연장된다. 깊이(b)에 위치되는 층(23) 및 보드(2)의 제 2 면 상에 배열되는 다른 금속 접지층(24)은 두께(E-b)를 갖는 기판의 층(20)에 의해 분리되며, 그리고 보드의 전체 길이 및 전체 폭 상으로 연장된다. 층들(23 및 24)은 보드에 의해 지지되는 모든 컴포넌트들에 대해 공통의 접지 평면들을 구성한다. 다양한 층들(12 및 21 내지 24)은 보드의 면들에 수직하는 작은 금속화된 홀들(25)에 의해 서로 연결된다.
도 1, 2, 3 및 5에 나타낸 바와 같이, 라인(1)은 기판(20)의 층(10); 보드의 제 1 면의 레벨에서 층(10) 상에 있고, 보드의 길이방향 축(XX)을 따르는 직선의 금속 스트립(11); 및 스트립(11)을 지지하는 보드의 제 1 면의 일부의 아래에 있는 내부 금속층(12)에 의해 형성되는 접지 평면을 포함한다.
보드의 금속층들(23 및 24) 사이에는, 다른 마이크로파 디바이스들(미도시)이 제공될 수 있다.
기판(20)은 낮은 비유전율(
Figure pct00001
)을 갖는 유전체이다. 스트립(11)의 폭(w), 및 예를 들어 대략 E/12의 라인의 두께(e)는, 접지 평면(12) 및 보드의 폭(L)에 대해 작으며, 이에 따라 마이크로스트립 라인(1)은, 예를 들어 쿠(Ku)-밴드, 케이(K)-밴드 및 카(Ka)-밴드의 주파수의 전부 또는 일부를 커버하도록, 수 기가헤르쯔에서 약 40 기가헤르쯔의 높은 주파수들에 대한 것을 포함하는 센티미터 파(centimetric wave)들의 범위의 준-TEM 모드에서 안내되는 파를 전파할 수 있다. 전력의 대부분은 유전체에서 전파되고, 작은 부분은 전도성 스트립(11) 부근에서 공기중에서 전파된다. 마이크로스트립 라인의 특성 임피던스 Z1C(전형적으로, 50Ω)는 본질적으로 스트립의 폭(w)과, 이용되는 유전체 기판(20)의 두께(e) 및 유전율(
Figure pct00002
)에 의존한다.
도 1, 2 및 5에 도시된 바와 같이, 전도성 스트립(11)의 양면들상에서, 라인(1)은 2개의 금속층들(13)에 의해 차폐되는 바, 이러한 2개의 금속층들은 축(XX)에 대해 대칭적으로 연장되고, 보드(2)의 제 1 면 상에서 스트립(11)과 동일 평면상에 있으며, 그리고 스트립 쪽으로 전기장 라인들을 국한(confine)시키기 위해 스트립(11)의 소수의(a few) 폭들(w)의 미리결정된 거리를 두고 스트립(11)에 평행하게 연장된다. 차폐층들(shielding layers)(13)은 금속화된 홀들(25)에 의해 접지층들(12 및 21 내지 24)에 연결된다.
패시브 마이크로파 컴포넌트(3)는, SIW(Substrate Integrated Waveguide) 기술에 따라, 직사각형 단면을 갖는 유전체 기판(33) 내에 통합되는 도파관(31-32)에 의해 제조된다. 도 1, 2, 3, 4 및 6에 도시된 바와 같이, 이러한 도파관의 직사각형 단면은 기판(33)의 큰 면들 상에 2개의 길이방향 금속층들(31s 및 31i)에 의해 형성되는 큰 측벽들(large sidewalls) 및 기판(33)을 교차하는 엇갈리게 배치된(staggered) 금속화된 홀들(321 및 322)의 주변의 길이방향의 로우들의 2개의 쌍들에 의해 형성되는 작은 측벽들(small sidewalls)을 포함한다. 홀 로우들(321 및 322)의 쌍들은 컴포넌트(3)의 길이방향 축 평면에 대해 대칭적이다. 각각의 로우에서 2개의 인접하는 홀들(321 및 322) 간의 거리는 이러한 홀들의 직경과 실질적으로 같고, 방사에 의한 임의의 손실을 최소화하기 위해 도파관의 동작 파장 보다 상당히 더 낮다. 도파관의 폭(a)은, 홀들의 치수들 및 홀들 간의 피치(pitch)에 의존하는, 금속화된 홀들(321-322)의 로우들의 쌍들 간의 거리에 의해 정의된다. 보드(2)의 두께(E) 방향에서의 도파관의 높이(h)는 금속층들(31s 및 31i) 간의 거리에 의해 정의된다. 대안적으로, 도파관(31-32)은, 고체 금속 측벽들을 갖고 유전체 기판(33)으로 채워지는 직사각형 단면을 갖는 통상의 도파관(31-32)에 의해 대체된다. 도시된 실시예에서, 컴포넌트(3)의 SIW 제조 기술은 LTCC(Low Temperature Cofired Ceramic) 방법을 이용하는 바, 여기서 유전체 기판(33)은, 보드(2) 내의 유전체 기판(20)의 비유전율(
Figure pct00003
), 및 이에 따라 마이크로스트립 라인(1)내의 기판(10)의 층의 비유전율 보다 더 높은 비유전율(
Figure pct00004
)을 갖는 세라믹이다.
전환 디바이스의 다른 변형들에서, 보드(2) 및 라인(1)의 기판(20)의 유전체와 도파관(31-32)의 기판(33)의 유전체는 동일한 특성을 가질 수 있으며, 같은 비유전율들(
Figure pct00005
및
Figure pct00006
)을 갖는다.
전파의 불연속성들을 피하고, 마이크로스트립 라인의 준-TEM 모드를 도파관의 TE10 모드로 변경하는 것을 용이하게 하기 위해, 도파관의 높이(b)는 보드(2)의 이용가능한 두께와 같게 선택된다. 이를 위해, 모드 변환기들(4)의 단부들 사이에 컴포넌트(3)의 도파관(31-32)을 횡방향 작용(transversal play)에 의해 삽입할 수 있도록, 평행육면체 하우징(parallelepiped housing)(26)이 보드(2) 내에 배열된다. 하우징(26)의 높이는 도파관의 높이(b), 및 마이크로스트립 라인(1)의 금속 스트립(11)과 내부 금속층(23) 간의 두께와 동일하다. 금속층(31s)에 의해 형성되는 도파관의 큰 측벽의 외부 면은 라인(1)의 스트립(11)과 동일 평면상에 있으며, 금속층(31i)에 의해 형성되는 도파관의 다른 큰 측벽의 외부 면은 하우징의 바닥부에서 금속층(23)의 일부와 기계적으로 그리고 전기적으로 접촉한다. 금속층들(23 및 24) 사이에서 두께(E-b)를 갖는, 하우징(26) 아래에 있는 보드의 부분은 그 내부에 하나 또는 그 초과의 마이크로파 디바이스들을 선택적으로 통합하기 위해 유지된다. 하우징(26)의 길이는 도파관(31-32) 및 컴포넌트(3)의 길이 보다 실질적으로 더 크며, 이에 따라 기계적인 허용오차의 작용(mechanical tolerance play)에 의해 이러한 하우징을 배열하는 것을 용이하게 한다. 하우징(26)의 폭은 보드를 용이하게 머시닝(machining)하기 위해 보드의 폭(L)과 같을 수 있다. 도파관(31-32)의 폭(a) 보다 큰 컴포넌트(3)의 폭은 일반적으로 기껏해야 보드(2)의 폭(L)과 같으며, 그리고 2a의 함수인, 도파관의 TE10 모드의 컷오프 주파수의 함수로서 결정된다. 예를 들어, a/b의 비(ratio)는 약 10 내지 15이며, 이에 따라 도파관은 평평하다. 도파관(31-32)을 갖는 컴포넌트(3)는, 라인(1)의 스트립(11)의 길이방향 대칭 축(XX)과 도파관의 대칭적인 길이방향 축 평면을 신중하게 정렬시키면서, 하우징(26)의 중심에 놓여지고(centered), 하우징(26)의 바닥부에서 금속층(23)의 부분 상에 금속층(31i)을 브레이징(brazing)함으로써 고정된다.
예시된 실시예에 따르면, 직사각형의 도파관 평면 구조(31-32)를 갖는 패시브 마이크로파 컴포넌트(3)는, 유전체 기판(33)을 관통하여 금속층들(31s 및 31i)에 연결되는 6개의 쌍들의 금속화된 홀들(34)을 포함하는 대역통과 마이크로파 필터(bandpass microwave filter)이다. 금속화된 홀들(34)의 쌍들은 컴포넌트의 길이방향 및 횡방향 축 평면들에 대해 대칭적으로 배열된다. 홀들(34)의 배열은 필터의 주파수 응답에 의존하는 유도성 필러들(inductive pillars)을 구성한다. 다른 예에 따르면, 마이크로파 컴포넌트(3)는 지향성 커플링 디바이스(directive coupling device)로서 설계된다.
전환 디바이스의 전파 모드 변환기(4)는 마이크로스트립 라인(1)의 스트립(11)의 대면 단부들(facing ends) 및 이러한 스트립(11)과 동일 평면 상의 도파관(31-32)의 큰 측벽들(31s)을 연결하며, 그리고 마이크로스트립 라인의 내부 접지 평면층(12)을 하우징(26)의 바닥부에 있는 금속층(23)에 고정된 도파관(31-32)의 큰 측벽(31i)에 연결한다. 모드 변환기(4)는, 손실들을 최소화하면서, 마이크로스트립 라인(1)의 준-TEM 모드를 도파관(31-32)의 TE10 안내 모드(guided mode)로 점진적으로 변환시키고, 이들의 임피던스들을 정합시킨다. 모드 변환기의 평면 구조는, 실제의 상황에서, 불완전한 컨덕터들 및 유전체들에 의해 야기되는 손실들을 고려하여, 거의 완전한 사극자(quadripole)를 구성하도록 설계되는데, 상기 사극자의 단자들에 대한 투과(transmission) 파라미터들(S12 및 S21)는 대략 1이며, 상기 사극자의 단자들에 대한 반사 파라미터들(S11 및 S22)은 대략 0이다.
하기에서 설명되고, 그리고 도 1 내지 4에 도시된 바와 같이, 모드 변환기(4)는 도파관(31-32) 내에 통합될 수 있거나, 또는 심지어는 보드(2) 내에 통합될 수 있다. w/e의 비가 증가할 때 마이크로스트립 라인의 특성 임피던스는 감소하기 때문에, 모드 변환기(4)는 축으로서 XX를 갖는 라인(1)의 길이방향 평면에 대해 대칭적인 N개의 마이크로스트립 라인 세그먼트들(21-41 내지 2N-4N)을 포함한다. 일반적으로, 숫자 N은 적어도 1과 같으며, 보드(2)의 층들 및 마이크로파 컴포넌트(3)의 층들에 기초하는 제조 기술에 의존한다. 모드 변환기(4)의 세그먼트들의 길이들은 동작 중심 주파수의 파장의 대략 1/4과 같으며, 세그먼트들 간의 접합부들(junctions)에서의 간섭 반사들을 최소화하면서 점진적인 임피던스 변환을 허용한다. 예시된 실시예에 따른 모드 변환기(4)는 N=3 라인 세그먼트들(21-41, 22-42 및 2N-4N = 23-43)을 포함한다. 컴포넌트(3)에 가장 가까운 스트립(4N=43)은, 금속화된 홀들(321)의 로우들 및 큰 측벽(31s)에 의해 범위가 정해지는 도파관(31-32)의 길이방향의 내부 고체 에지들과 실질적으로 동일 선상에 있는 길이방향 에지들을 갖는다. 도 4에 상세히 도시된 바와 같이, 보드(2)의 하우징(26) 내에 컴포넌트(3)를 횡방향 작용에 의해 삽입하게 되면, 컴포넌트(3)의 길이방향 단부들 및 이에 따라 도파관(31-32)의 길이방향 단부들과, 모드 변환기들(4)의 라인 세그먼트들(2N-4N=23-43)의 길이방향 단부들 사이에 수 십분의 1 밀리미터(several tenths of millimetre)의 2개의 공기 갭들(5)이 생성된다. 각각의 모드 변환기(4)에 대해, 길이(a)를 갖는 얇은 금속 연결 엘리먼트(6)는 각각의 갭(5)을 브리징(bridging)하고, 스트립(4N=43)의 대면하는 횡방향 에지들 및 이러한 에지들 간에 전기적인 연속성을 제공하기 위한 도파관의 금속층(31s)의 레벨에 끼워 넣어진다. 연결 엘리먼트(6)는, 축(XX)에 대해 평행하게 연장되고, 폭(a) 상에서 갭을 커버하도록 스트립(4N=43) 및 층(31s) 상에서 브레이징되는 단부들을 갖는, 예를 들어 금 시트(gold sheet) 또는 병치된(juxtaposed) 얇은 금속 와이어들에서 절단된, 하나의 얇은 금속 스트립 또는 그 이상의 병치된 얇은 금속 스트립들에 의해 달성될 수 있다. 갭(5)의 바닥부는, 금속 접지층(23)의 기저(underlying) 부분 상에 고정되는 컴포넌트(3)의 금속층(31i), 및 금속화된 홀들(25)을 통해, 라인(1)의 접지 평면들(12, 21, 22 및 23)과 라인 세그먼트들(21-41, 22-42 및 23-43) 간에 전기적인 연속성을 제공하는 금속 접지층(23)의 작은 부분이다. 마이크로스트립-및-유전체-라인 세그먼트와 공기-및-마이크로스트립 라인 간의 전환, 및 공기-및-마이크로스트립 라인과 공기 갭(5)의 레벨에서의 도파관 간의 전환 때문에, 라인 세그먼트들의 길이들은 서로 약간 다르며, 라인 세그먼트들 각각은 다양한 전환들에서의, 특히 갭(5)의 레벨에서의 파 반사(wave reflection)를 포함하는 간섭 효과들을 보상하도록, 그리고 라인(1)과 제 1 라인 세그먼트(21-41) 간의 접합부에서, 라인(1)의 특성 임피던스(Z1C)와 동일하게 임피던스를 변환기(4)에 의해 되돌릴 수 있도록, 동작 파장의 1/4 보다 약간 더 작거나, 같거나, 또는 약간 더 클 수 있다.
도 1 및 2에 도시된 바와 같이, 라인 세그먼트들(21-41, 22-42 및 23-43)은 차폐층들(13)을 연장시키는 대칭 쌍들의 금속층들(47, 48 및 49)에 의해 차폐된다. 차폐층들(47, 48 및 49)은 보드의 제 1 면 상에서 스트립들(41, 42 및 43)과 동일 평면상에 있으며, 스트립(11)의 소수의(a few) 폭들(w)의 미리결정된 거리를 두고 이러한 스트립들을 따라 병렬로 연장된다. 차폐층들(47, 48 및 49)은 금속화된 홀들(25)에 의해 기저의 접지층들(12 및 21 내지 24)에 각각 연결된다.
모드 변환기가 도파관(31-32) 내에 통합되고, 그에 따라 컴포넌트(3)에 통합되는 제 2 실시예에서, 보드 내에 배열되는 하우징(26)은 훨씬 더 길다. 차폐층들(47, 48 및 49)과 라인 세그먼트들(21-41, 22-42 및 23-43)의 배열(arrangement) 및 도파관의 폭(a)은 유지된다. 스트립들(41, 42 및 43)은 도파관의 큰 측벽(31s)과 동일한 금속층으로부터 유래되며(originate), 도파관의 구조의 기판(33)의 동일한 면 상에서 이러한 측벽(31s)과 전기적인 연속성을 갖는다. 자신들의 금속 접지층들이 도파관의 구조의 기판(33) 내에 중첩되고 통합되게 하는 (즉, 이후엔 다층 타입인) 라인 세그먼트들의 치수들은, 특히 비유전율(
Figure pct00007
)의 함수로서 변경된다. 컴포넌트(3)에 가장 가까운 스트립(4N=43)은 여전히 도파관(31-32)의 폭(a)을 가지며, 도파관의 큰 측벽(31s)의 횡방향 단부에 직접 연결된다. 이에 의해, 라인 세그먼트(23-43)와 도파관(31-32) 간의 공기 갭(5)은 억제(suppress)되고, 보드의 하우징 내에 2개의 모드 변환기들을 갖는 컴포넌트의 모놀리식 어셈블리를 삽입하는 데에 요구되는 작용(play)의 결과로서의 공기 갭으로 대체된다. 이러한 공기 갭은 더 작은 폭의 스트립을 갖는 라인 세그먼트(21-41)와 스트립 라인(1)의 단부 사이에 위치되며, 엘리먼트(6)와 유사하지만 폭(w)을 갖는 얇은 연결 금속 엘리먼트에 의해 브리징되고, 스트립들(11 및 41)에 브레이징된다.
전환 디바이스를 제조하기 위한 방법은 다음의 단계들을 포함한다. 예시된 실시예에 따라 다층 프린트 회로 보드를 제조할 때, 모드 변환기(4)는 보드 내에 통합되거나, 또는 심지어 본 발명의 제 2 실시예에서, 이러한 모드 변환기는 컴포넌트의 도파관 구조 내에 통합된다.
이후, 평행육면체 하우징(26)은, 보드가 제조되는 동안 다양한 금속층들에 의해 중첩 및 코팅되는 유전체 기판(20)의 층들의 압축(compression)시, 예를 들어 하우징의 치수들을 갖는 매트릭스(matrix)에 의해, 직사각형 도파관(31-32)의 높이(b)와 같은 깊이에서 보드(2) 내에 배열되며, 이에 따라 내부 접지층(23)의 일부가 이러한 하우징의 바닥부를 구성한다.
직사각형 도파관(31-32), 또는 특히 직사각형 도파관 구조를 갖는 컴포넌트(3)는 길이방향 작용(longitudinal play)에 의해 하우징(26) 내에 삽입되어, 하우징(26)의 중심에 놓여지며, 이에 따라 도파관의 큰 측벽(31s)은 라인(1)의 스트립(11)과 동일 평면이 되고 트립(11)과 동축을 갖게 되며, 도파관의 다른 큰 측벽(31i)은 하우징의 바닥부에서 보드의 금속층(23)의 일부 상에 브레이징을 통해 고정된다. 길이방향 작용은, 직사각형 도파관(31-32), 또는 특히 컴포넌트(3)를 하우징(26) 내에 삽입하기 위한 기계적인 허용오차로부터 비롯된다.
이후, 금속 시트로부터 절단되는 하나의 스트립 또는 몇 개의 나란한(side by side) 스트립들의 웹(web), 또는 갭(5)의 폭 보다 더 큰 폭 및 금속층들의 두께와 유사한 두께를 갖는 몇 개의 나란한 금속 와이어들의 웹이 얇은 연결 금속 엘리먼트(6)를 형성하기 위해 갭(5) 상에 제시된다. 이러한 연결 금속 엘리먼트의 길이방향 단부들은 갭(5)의 에지들 상에 고정된다. 도면들에 예시된 실시예에 대해, 이러한 연결 금속 엘리먼트(6)는 보드(2) 내에 통합된 모드 변환기(4)와 도파관(31-32) 간의 갭(5)을 브리징하고, 도파관의 폭(a)과 같은 길이를 가지며, 그리고 모드 변환기의 라인 세그먼트들(21-41, 22-42 및 2N-4N=23-43)의 가장 폭이 넓은 스트립(43)의 횡방향 에지에, 그리고 도파관의 큰 측벽(31s)의 횡방향 에지에 브레이징되는 길이방향 단부들을 갖는다. 제 2 실시예에 대해, 이러한 연결 금속 엘리먼트(6)는 도파관 구조(31-32) 내에 통합된 모드 변환기(4)와 마이크로스트립 라인(1) 간의 갭을 브리징하고, 전도성 스트립(11)의 폭(w)과 같은 길이를 가지며, 그리고 스트립(11)의 단면 에지, 및 모드 변환기의 라인 세그먼트들(21-41, 22-42 및 2N-4N=23-43)의 작은 폭의 스트립(41)의 횡방향 에지에 브레이징되는 길이방향 단부들을 갖는다.

Claims (10)

  1. 프린트 회로 보드(printed circuit board)(2) 내에 통합된 전도성 스트립 라인(1)과 직사각형 도파관(rectangular waveguide)(31-32) 사이에 모드 변환기(mode transformer)(4)를 포함하는 전환 디바이스로서,
    상기 보드는 상기 도파관을 포함하는 하우징(26)을 포함하고, 상기 도파관은 라인의 스트립(11)과 동일 평면상에 있고 동축을 갖는 큰 측벽(large sidewall)(31s) 및 상기 하우징의 바닥부에서 상기 보드의 금속층(23)의 일부 상에 고정(fix)되는 다른 큰 측벽(31i)을 가지며, 그리고 상기 디바이스는 갭(5)을 포함하고, 상기 갭(5)은 연결 금속 엘리먼트(linking metallic element)(6)에 의해 브리징되고, 상기 라인과 상기 도파관 중 하나와 상기 모드 변환기(4) 사이에 위치되는,
    전환 디바이스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 연결 금속 엘리먼트(6)는 금속 시트의 하나 또는 그 초과의 나란한(side by side) 스트립들, 또는 몇 개의 나란한 금속 와이어들을 포함하는,
    전환 디바이스.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 모드 변환기(4)는, 상기 스트립 라인(1)으로부터 상기 도파관(31-32)까지 증가하는 스트립 폭들 및 두께들을 갖고, 파장의 대략 1/4과 같은 길이들을 갖는 스트립 라인 세그먼트들(21-41, 22-42, 23-43)을 포함하는,
    전환 디바이스.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 스트립 라인 세그먼트들의 상기 스트립들(41, 42, 43)을 따라 연장되고, 상기 라인의 상기 스트립들과 동일 평면상에 있으며, 그리고 상기 라인의 상기 스트립(11)을 따라 연장되고 상기 스트립(11)과 동일 평면상에 있는 금속 차폐층들(13)에 연결되는, 차폐 금속층(47, 48, 49)을 포함하는,
    전환 디바이스.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보드 및 상기 도파관(31-32)의 유전체들(10-20; 33)의 비유전율들(relative permittivities)은 상이한,
    전환 디바이스.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 도파관(31-32)은 기판(33)으로서 세라믹을 갖는 마이크로파 컴포넌트(microwave component)(3) 내에 통합되는,
    전환 디바이스.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 도파관은 작은 측벽들을 포함하고, 상기 작은 측벽들 각각은 엇갈리게 배치된(staggered) 금속화된 홀들(321-322)의 로우들(rows)을 포함하는,
    전환 디바이스.
  8. 프린트 회로 보드(2) 내에 통합된 스트립 라인(1)과 직사각형 도파관(31-32) 사이에 모드 변환기(4)를 포함하는 전환 디바이스를 제조하기 위한 방법으로서,
    상기 보드(2) 내에 하우징(26)을 배열하는 단계 ― 상기 하우징(26)은 상기 보드 내부의 금속층(23)의 일부를 구성하는 바닥부(bottom)를 포함함 ― ;
    상기 도파관의 큰 측벽(31s)이 라인 스트립(11)과 동일 평면상에 있고 동축을 갖고, 상기 도파관의 다른 큰 측벽(31i)이 상기 금속층(23)의 일부 상에 고정되도록, 상기 하우징(26) 내에 상기 도파관을 삽입(introduce)하는 단계; 및
    상기 라인과 상기 도파관(31-32) 중 하나와 상기 모드 변환기(4) 사이의 갭(5)을 브리징하는 얇은 연결 금속 엘리먼트(6)를 형성하고 고정시키는 단계;
    를 포함하는,
    전환 디바이스를 제조하기 위한 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 모드 변환기를 형성하기 위해 상기 보드에 스트립 라인 세그먼트들(21-41, 22-42 및 23-43)을 통합하는 단계 ― 상기 스트립 라인 세그먼트들 각각은, 상기 보드 내에 중첩되는 접지 금속층들(ground metallic layers) 및 상기 보드의 면(face) 상의 금속 스트립들(metallic strips)을 포함하고, 상기 스트립 라인(1)으로부터 상기 도파관(31-32)까지 증가하는 스트립 폭들 및 두께들, 그리고 파장의 대략 1/4과 같은 길이들을 가짐 ― ; 및
    상기 연결 금속 엘리먼트(6)를 상기 라인 세그먼트들의 가장 폭이 넓은 스트립(43) 및 상기 도파관의 큰 측벽(31s)에 고정시키는 단계
    를 포함하는,
    전환 디바이스를 제조하기 위한 방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 모드 변환기를 형성하기 위해 상기 도파관 구조(31-32)에 스트립 라인 세그먼트들(21-41, 22-42 및 23-43)을 통합하는 단계 ― 상기 스트립 라인 세그먼트들 각각은, 상기 도파관 구조 내에 중첩되는 접지 금속층들 및 상기 도파관 구조의 면 상의 금속 스트립들을 포함하고, 상기 스트립 라인(1)으로부터 상기 도파관(31-32)까지 증가하는 스트립 폭들 및 두께들, 그리고 파장의 대략 1/4과 같은 길이들을 가짐 ― ; 및
    상기 연결 금속 엘리먼트(6)를 상기 라인의 스트립(11) 및 상기 라인 세그먼트들의 적어도 큰 스트립(41)에 고정시키는 단계
    를 포함하는,
    전환 디바이스를 제조하기 위한 방법.
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