KR20170023095A

KR20170023095A - 다층 기판들 상에서의 신호들의 결합

Info

Publication number: KR20170023095A
Application number: KR1020177001537A
Authority: KR
Inventors: 로버트 씨. 프라이
Original assignee: 블루 다뉴브 시스템스, 인크.
Priority date: 2014-06-23
Filing date: 2015-06-22
Publication date: 2017-03-02
Also published as: WO2015200163A1; JP2017520923A; JP6526069B2; CN106537683A; US20150372366A1; CN106537683B; US20150373837A1; EP3158605A1; WO2015200171A1; JP2019165213A; US9653768B2

Abstract

신호 분배 구조는 유전체 물질; 상기 유전체 물질의 제 1 레벨 상의 상부 전도 층; 상기 유전체 물질에 의해 상기 상부 전도 층으로부터 물리적으로 분리되는, 상기 유전체 물질의 제 2 레벨 상의 제 1 신호 라인을 포함하되, 상기 상부 전도 층은 상기 제 1 신호 라인에 평행하게 진행하는 윈도우를 포함하며, 그리고 상기 윈도우 내에는 상기 유전체 물질의 상기 제 1 레벨 상의 제 1 커플러 전극을 더 포함하되, 상기 제 1 커플러 전극은 상기 제 1 신호 라인 위에서 상기 제 1 신호 라인과 평행하며 상기 유전체 물질에 의해 상기 제 1 신호 라인과 전기적으로 절연되며, 상기 제 1 커플러 전극은 자신 주위의 적어도 대부분을 따라 상기 상부 전도 층과 전기적으로 절연된다.

Description

다층 기판들 상에서의 신호들의 결합{Coupling of signals on multi-layer substrates}

본 출원은 2014년 6월 23일 출원된 "최소의 간섭을 가지는 다층 보드들 상에서의 신호들의 결합 및 전송 방법"이라는 명칭을 가지는 미국 특허법 §119(e)의 임시 출원번호 62/015,604에 대해 우선권을 주장하며, 상기 문헌은 본 출원에 참조로 포함된다.

본 발명은 인쇄 회로 보드(printed circuit boards, PCBs) 및 다른 다층 기판들 상에서의 고주파 신호 분배 및 커플러들(couplers)을 통한 라인 태핑(line tapping)에 관한 기술과 관련된다.

고주파 신호 전송은 가장 통상적인 점대점 방식(point-to-point)이다. 전력은 소스(송신기)에서 발생 되어, 전송 선로를 통하여 부하(수신기)로 전달된다. 그러한 경우들에서, 상기 수신기는 보통 상기 전송 선로의 특성 임피던스(characteristic impedance)와 동일한 종단 저항(terminating resistance)을 포함한다. 상기 전송된 신호 전력은 저항에서 소비(dissipate)되며, 상기 수신기로부터 반사되는 신호가 없게 된다.

일부 실시 예에서는, 신호를 단일 송신기로부터 상기 라인을 따라 연속적으로 배열된 다수의 수신기들로 전송하는 것이 바람직하다. 이러한 경우에는, 상기 수신기들의 각각은 필연적으로 상기 전송된 전력의 일부분만을 수신하게 되며, 그 이유는 상기 전송된 전력은 상기 모든 수신기들에서 공유되기 때문이다. 또한, 각각의 수신기에서의 신호는 상기 송신기에 대하여 고유한 지연을 가지며 도달하게 되며 상기 수신기의 위치에 의해 결정되어 진다. 상기 신호 전송 경로에서의 임피던스(impedance) 불연속들(discontinuities)은 상기 원래의 전송된 신호와 간섭을 일으키는 반사파들을 생기게 하기 때문에, 상기 경우에서는 바람직하지 않다. 상기 배열의 경우에는, 단순한 종단 저항만으로는 상기 신호의 무결성(integrity)을 보장하는데 충분하지 않다. 또한, 상기 선로를 따라 배열된 각각의 상기 수신기들에 상기 전송되는 신호 전력의 일부분을 결합하는 수단이 필요하다. 이러한 커플러들을 위한 필수 조건으로 상기 커플러들은 신호 반사를 일으키는 국부적인 임피던스 불연속들을 생성시키지 말아야 한다.

다수의 송신기들이 상기 전송 선로를 따라 직렬로 배열되고, 상기 선로의 종단에서 공통의 수신기에 연결되는 반대의 경우도 물론 발생한다. 상기 경우에는, 상기 수신기에서 모든 송신기들의 신호 전력을 모두 합치는(aggregate) 것이 바람직하다. 상기 경우와 유사하게, 상기 다양한 신호들 각각은 상기 수신기에 대하여 상기 송신기의 위치에 의해 결정되는 고유한 지연을 가진다. 상기 경우에서 처럼, 신호 반사들은 간섭의 소스이다. 상기 송신기들과 상기 전송 선로 간의 신호 전력을 결합하는 구조들에 대한 요구사항은 상기 경우와 동일하다.

더욱 일반적으로, 상기 설명된 경우와 같은 분배 네트워크들은 능동 회로를 이용하여 결합이 되며 어떤 동작 모드에서는 상기 선로의 상기 종단에 있는 상기 회로는 상기 선로를 따라 직렬로 배열된 다수의 수신기로 전송하며, 다른 모드들에서는 상기 선로의 상기 종단에 있는 상기 회로는 상기 선로를 따라 직렬로 배열된 다수의 송신기들로부터 신호들을 수신한다.

다층 PCB와 같은 평면 구조에서 고주파 신호 전력을 최소한의 반사로 수신기에 전송하는 신규한 다층 PCB 구성을 제공하는 데 목적이 있다.

본 발명에서 설명되는 실시 예들은 PCB와 같은 평면 기술에서 신호들을 분배하는 방법에 관한 것이다. 하나 이상의 커플러들이 현저한 신호 반사를 발생하지 않고도 전송 선로로부터 상기 선로를 따라 배열되는 송신기들 또는 수신기들에게 신호들을 전기적으로 결합하기 위해 제공된다.

일반적으로, 일 측면에서는, 상기 발명의 신호 분배 구조는 유전체 물질; 상기 유전체 물질의 제 1 레벨 상의 상부 전도 층; 상기 유전체 물질에 의해 상기 상부 전도 층으로부터 물리적으로 분리되는, 상기 유전체 물질의 제 2 레벨 상의 제 1 신호 라인을 포함하되, 상기 상부 전도 층은 상기 제 1 신호 라인에 평행하게 진행하는 윈도우를 포함하며, 그리고 상기 윈도우 내에는 상기 유전체 물질의 상기 제 1 레벨 상의 제 1 커플러 전극을 더 포함하되, 상기 제 1 커플러 전극은 상기 제 1 신호 라인 위에서 상기 제 1 신호 라인과 평행하며 상기 유전체 물질에 의해 상기 제 1 신호 라인과 전기적으로 절연되며, 상기 제 1 커플러 전극은 자신 주위의 적어도 대부분을 따라 상기 상부 전도 층과 전기적으로 절연된다.

일반적으로, 다른 측면에서는, 상기 발명에서 신호 분배 구조는 유전체 물질; 상기 유전체 물질의 제 1 레벨 상의 상부 전도 층; 상기 유전체 물질의 상기 제 2 레벨 상의 제 1 및 제 2 평행 신호 라인들 - 상기 제 1 및 제 2 평행 신호 라인들은 상기 유전체 물질에 의해 상기 상부 전도 층과 물리적으로 분리됨 - 을 포함하되, 상기 상부 전도 층은 상기 제 1 및 제 2 신호 라인들과 평행하게 진행하는 윈도우 및 상기 윈도우 내에 상기 유전체 물질의 상기 제 1 레벨 상의 제 1 커플러 전극과 제 2 커플러 전극을 더 포함하고, 상기 제 1 커플러 전극은 상기 제 1 신호 라인 위에서 상기 제 1 신호 라인과 평행하며 상기 유전체 물질에 의해 상기 제 1 신호 라인과 전기적으로 절연되며 상기 제 2 커플러 전극은 상기 제 2 신호 라인 위에서 상기 제 2 신호 라인과 평행하며 상기 유전체 물질에 의해 상기 제 2 신호 라인과 전기적으로 절연되며, 상기 제 1 및 제 2 커플러 전극들 각각은 자신 주위의 적어도 대부분을 따라 상기 상부 전도 층과 전기적으로 절연되는 특징을 가진다.

다른 실시 예들에는 하나 이상의 다음의 특징들을 가진다. 상기 신호 분배 구조는 상기 유전체 물질의 제 3 레벨 상에 하부 전도 층을 포함하되, 상기 유전체 물질의 상기 제 2 레벨은 상기 유전체 물질의 상기 제 1 및 제 3 레벨들 사이에 있다. 상기 제 1 및 제 2 커플러 전극들 각각은 서로 물리적으로 분리되며 상기 상부 전도 층과 물리적으로 분리되는 금속 섬들(islands of metal)이다. 상기 신호 분배 구조는 상기 제 1 커플러 전극의 일측 단부를 상기 상부 전도 층에 전기적으로 연결하는 제 1 저항성 요소 및 상기 제 2 커플러 전극의 일측 단부를 상기 상부 전도 층에 전기적으로 연결하는 제 2 저항성 요소를 더 포함한다. 각각의 상기 제 1 및 제 2 커플러 전극들이 상기 상부 전도 층의 일측 단부에 물리적으로 접촉한다. 상기 제 1 커플러 전극은 상기 제 1 커플러 전극에 전기적으로 연결하기 위한 접촉 패드 영역를 포함하며 그리고 상기 제 2 커플러 전극은 상기 제 2 커플러 전극에 전기적으로 연결하기 위한 접촉 패드 영역를 포함한다. 상기 제 1 및 제 2 커플러 전극들 상의 상기 접촉 패드 영역들은 상기 제 1 및 제 2 커플러 전극들의 일측 단부에, 각각, 위치한다. 상기 제 1 및 제 2 커플러 전극들은 상기 상부 및 하부 전도 층들이 각각 위치하는 상기 제 1 및 제 3 레벨들로부터 동일과 거리에 있다. 상기 신호 분배 구조는 상기 유전체 물질을 관통하여 상기 상부 및 하부 층들을 함께 전기적으로 연결하는 복수의 전기적으로 전도성인 비어들을 포함한다. 상기 제 1 커플러 전극 아래에 있는 상기 제 1 신호 라인 부분은 상기 상부 전도 층 아래에 있는 상기 제 1 신호 라인 부분과 비교하여 상이한 폭을 가지며 상기 제 2 커플러 전극 아래에 있는 상기 제 2 신호 라인 부분은 상기 상부 전도 층 아래에 있는 상기 제 2 신호 라인 부분과 비교하여 상이한 폭을 가진다. 상기 유전체 물질 및 상기 상부 및 하부 전도 층들은 인쇄 회로 보드 기술을 이용하여 제조된다. 상기 제 1 및 제 2 신호 라인들은 상기 상부 및 하부 전도 층들과 결합하여 차폐되는, 차동 전송 선로를 형성한다.

일반적으로, 다른 측면에서 본 발명은 상기에서 설명된 제 1 단부로부터 제 2 단부까지 전송 선로를 따라 순차적으로 배열되는 일련의 커플러 구조들을 가지는 전송 선로를 포함하는 신호 분배 시스템의 특징을 가진다.

다른 실시 예들에서 하나 이상의 아래의 특징들을 포함한다. 상기 전송 선로는 유전체 물질; 상기 유전체 물질의 제 1 레벨 상의 상부 전도 층; 상기 유전체 물질 내부의 제 2 레벨 상의 제 1 평행 신호 라인을 포함하되, 상기 제 1 신호 라인은 상기 유전체 물질에 의해 상기 상부 전도 층으로부터 물리적으로 분리된다. 각각의 커플러 구조는 상기 제 1 신호 라인에 평행하게 진행하는 상기 상부 전도 층 내의 윈도우; 및 상기 윈도우 내부의 상기 유전체 물질의 제 1 레벨 상의 제 1 커플러 전극을 포함하되, 상기 제 1 커플러 전극은 상기 제 1 결합 라인에 평행하고 상기 유전체 물질에 의해 전기적으로 절연되며, 상기 제 1 커플러 전극은 자신 주위의 적어도 대부분을 따라 상기 상부 전도층으로부터 전기적으로 절연된다.

또 다른 실시 예들에서는 하나 이상의 아래의 특징들을 포함한다. 상기 신호분배 시스템은 상기 유전체 물질의 제 3 레벨 상의 하부 전도 층을 또한 포함하되, 상기 유전체 물질의 제 2 레벨이 상기 유전체 물질의 제 1 및 제 3 레벨들 사이에 있다. 상기 복수의 커플러 구조들의 각각의 연속적인 커플러 구조의 상기 커플러 전극들은 상기 일련의 커플러 구조들 내의 이전의 커플러 구조의 상기 커플러 전극들보다 길이가 길다. 상기 일련의 커플러 구조들의 각각의 커플러 구조 내부에서, 각각의 상기 제 1 및 제 2 커플러 전극들은 서로 물리적으로 분리되고 상기 상부 전도 층으로부터 물리적으로 분리되는 금속 섬(islands of metal)들이며, 이 경우에서 상기 일련의 커플러 구조들의 각각의 커플러 구조는 그러한 커플러 구조의 상기 제 1 커플러 전극의 일측 단부를 상기 상부 전도 층에 전기적으로 연결하는 제 1 저항성 요소 및 그러한 커플러 구조의 상기 제 2 커플러 전극의 일측 단부를 상기 상부 전도 층에 전기적으로 연결하는 제 2 저항성 요소를 더 포함한다. 상기 일련의 커플러 구조들의 각각의 커플러 구조 내에서 그러한 커플러 구조의 상기 제 1 및 제 2 커플러 전극들 각각은 일측 단부에서 상기 상부 전도 층과 물리적으로 접촉한다.

본 발명의 하나 이상의 실시 예들의 상세 설명은 첨부되는 도면들과 아래 설명에서 시작될 것이다. 본 발명의 다른 특징들, 목적들 및 장점들은 설명과 도면 및 청구항으로부터 자명할 것이다.

다층 PCB와 같은 평면 구조에서 고주파 신호 전력을 최소한의 반사로 수신기에 전송하는 신규한 다층 PCB 구성을 제공하는 장점이 있다.

또한, 저 비용의 소형 안테나 어레이들에 사용될 수 있다는 장점이 있다.

도 1은 단순한 점대점(point-to-point) 신호의 상호 접속 회로 구성도이다.
도 2는 공통 송신기로부터 전송 선로를 따라 직렬로 배열되는 다수의 수신기들로의 신호 분배의 회로 구성도이다.
도 3은 전송 선로를 따라 직렬로 배열되는 다수의 송신기들로부터 공통의 수신기으로의 신호 분배의 회로 구성도이다.
도 4는 일반적인 바이-모달(bi-modal) 직렬 신호 분배 네트워크의 회로 구성도이다.
도 5는 다층 평면 기술(multi-layer planar technology)에서 균일하게 차폐되는 차동 전송 선로에 사용되는 전형적인 구조의 단면도이다.
도 6은 도 8에 도시된 전송 선로들과 연결하는데 사용하기 위한 커플러 구조이다.
도 7은 용량성 형태의 커플러 평면도이다.
도 8은 유도성 형태의 커플러 평면도이다.
도 9는 상기 접지 평면에 저항으로 연결되는 커플러의 평면도이다.

도 1은 점대점(point-to-point) 신호 전송을 위한 일반적인 회로 구성도이다. 이와 같은 단순한 배열은 송신기 11, 수신기 12 및 전송 선로 1을 포함한다. 상기 물리적인 전송 선로는 전형적으로 상기 송신기의 출력으로부터 수신기의 입력으로 전류가 용이하게 흐르게 하는 전기적으로 전도성 경로(예: 와이어) 및 대향 전류가 상기 수신기로부터 상기 송신기로 복귀하도록 하는 제 2 전도 경로로 구성되어진다. 시스템에는 하나 이상의 상기 경로를 포함하며, 상기 복귀 경로는 종종 다수의 전송 선로들과 공유되어지며, 상기 경우에 상기 전송 선로는 종종 "단일 종단(single ended)"으로 언급되어진다. 다른 시스템에서는, 상기 각각의 전송 선로가 고유한 복귀 경로가 제공되어지며, 상기 경우에 상기 전송 선로는 "차동(differential)"으로 언급되어진다.

상기 전송된 신호의 다양한 주파수 성분들은 상기 전송 선로를 따라 파동으로 전파한다. 특히, 보다 높은 주파수 성분들의 경우에는, 상기 전송 선로의 물리적 길이가 상기 성분들의 파장의 상당한 부분이 된다. 상기 경우에는, 상기 수신된 신호의 무결성은 상기 반사된 신호들의 존재에 의해 저하된다. 신호 무결성을 유지하기 위해서 종단 저항 20을 상기 수신기에 제공하는 것이 일반적이다. 만일 상기 종단 저항의 값이 상기 전송 선로의 특성 임피던스(characteristic impedance)와 정합(match) 되면, 상기 신호 전력은 상기 저항에서 소비되며 신호 반사는 일어나지 않는다.

일부 실시 예에서는, 도 2에서 도시된 바와 같이, 상기 전송 선로를 따라 배열된 다수의 수신기들로 신호를 전송하는 것이 바람직하다. 상기 배열에서는, 상기 수신기들이 총 전송된 전력을 공유함으로써, 각각의 수신기들은 상기 전송된 전력의 일부분만을 수신한다. 상기 배열을 쉽게 하기 위해 상기 전송 선로부터 각각의 수신기까지 상기 신호를 결합하기 위한 커플러 30을 제공하는 것은 장점을 가진다. 상기 전송 선로 및 상기 수신기간의 상기 신호 결합의 제어뿐만 아니라, 상기 커플러 30은 상기 전송 선로의 상기 특성 임피던스에서의 현저한 국부적인 변화를 일으켜서는 안되며, 그 이유로는 상기 특성 임피던스의 현저한 국부적인 변화는 원하지 않는 신호 반사를 일으켜 상기 수신된 신호의 상기 무결성을 저하 시킬 수 있기 때문이다. 물론, 통상적인 경우에는 상기 일부 신호 전력은 상기 수신기들에 분배되지 않으며, 저항 20은 상기 전력이 종단에서 반사되는 것을 방지하기 위해 상기 전송 선로의 상기 종단에 제공되어 진다.

도 3은 반대의 경우를 도시하고 있으며, 상기 선로를 따라 배열된 다수의 송신기들이 신호 전력을 공통 수신기로 전달한다. 상기 배열에서 유사한 커플러 구조가 사용된다. 상기 경우처럼, 상기 커플러가 상기 전송 선로의 특성 임피던스에서 무시할만한 국부적인 변화들을 이끌어내는 것이 유사하게 바람직하다.

도 4는 상기 배열들의 일반화된 것을 도시하고 있으며, 바이-모달(bi-modal) 송신기-수신기 회로들 13이 사용된다. 상기 형태의 배열을 가지고, 다수의 수신기들 또는 송신기들은 각각 공통의 송신기들 또는 수신기들을 공유할 수 있으며, 상기 능동 회로의 선택된 동작 모드에 의존한다. 상기 결합 구조들을 위한 동일한 설계 고려사항들이 양쪽 모드(either mode)에서 적용된다.

저 반사, 소형, 광대역 차동 커플러들

상기 신호 라인들 자신들에 더하여, 도 4에서는 상기 직렬 분배 네트워크에서 중요한 구조인 상기 커플러 30을 도시하고 있다. 양호한 신호 무결성을 유지하기 위하여 상기 커플러들의 바람직한 특징은 상기 분배 전송 선로에서 최소한의 신호 반사들을 일으키는 것이다. 상기 조건들은 주 전송 선로의 상기 특성 임피던스가 상기 커플러의 존재에 의해 흔들리지 않아야 되는 것이다. 상기 기준을 만족하는 것은 대부분의 평면 기술들에서 전형적으로 존재하는 제조 변수들에 의해 복잡해진다. 상기 변수들은 상기 전송 선로의 상기 특성 임피던스의 변화들을 유도한다. 궁극적으로, 상기 전송 선로들에 영향을 주는 제조 변수들이 또한 유사한 방식으로 상기 커플러들에 영향을 줌으로써 상기 변수들에도 불구하고 상기 신호 반사들이 최소화가 되는 커플러 구조들을 고안하는 것이 바람직하다.

방향성 커플러들은 마이크로웨이브 시스템들에서 현저한 신호 반사 없이 상기 신호 에너지 일부분을 주 신호 전송 선로에서 다른 이차적인 선로로 방향을 변화시키기 위해 공통적으로 사용되어진다. 평면 기술들에서, 방향성 커플러들은 상기 전송 선로에서 상기 바람직한 중심 동작 주파수의 상기 신호 파장의 4분의 1과 동일한 길이의 한 쌍의 전송 라인으로 보통 구성된다. 상기 두 개의 선로들은 근접하게 놓여지며, 결과적으로 두 개의 선로는 전자기 결합이 된다. 구조 치수들의 적절한 선택으로, 바람직한 결합 강도(coupling strength) 및 특성 임피던스 특징들을 가지는 커플러들을 구현하는 것이 가능하다. 또한, 상기 구조들은 상기 지향성(directivity) 특징을 나타내며, 하나의 선로에서 다른 하나의 선로로 결합된 상기 신호는 우선적으로 한 방향으로 흐른다. 넓은 주파수 대역에 걸쳐 결합 강도(coupling strength) 및 지향성(directivity)을 나타내기 위한 정교한 커플러들은 결합된 선로의 4분의 1 파장 부분들(sections)의 다수를 캐스케이딩(cascading)함으로써 만들어진다.

상기 커플러들이 연결되는 상기 선로들이 상기 동일한 평면 구조로 구현이 되면, 상기 전통적인 방향성 커플러들은 상기 설명된 제조 변수들에 둔감한 상기 바람직한 특징을 보여준다. 상기 커플러 내부의 상기 결합된 전송 선로들의 상기 구조는 보통 상기 커플러가 연결되는 주 전송 선로들의 구조와 유사하다. 결과적으로, 상기 전송 선로들의 상기 특성 임피던스에 영향을 주는 구조적 및 재료적 변수들은 전형적으로 상기 커플러의 상기 특성 임피던스에 유사하게 영향을 미친다. 어떤 응용에서의 커플러의 상기 형태들의 불리한 점은 대형의 물리적 크기이다.

아래에서 설명될 실시 예들은 소형 구조들이 요구되는 응용들에서 사용될 수 있다.

도 5는 PCB와 같은 다층 평면 기술에서 균일하고, 차폐된 차동 전송 선로를 구현하기 위해 사용되는 전형적인 구조의 단면을 도시하고 있다. 상기 구조에서, 차동 쌍의 신호 라인들 60 및 61은 주위(surrounding)의 차폐 구조를 형성하는 상부 층(overlying layer) 62 및 하부 층(underlying layer) 63을 가지는 금속 층에서 형성되어진다. 상기 차폐 층들은 보통 상기 라인들의 길이 방향으로 간격을 두고 위치하는 수직 전도성 비어들(VIAs) 70에 의해 상기 단면에 전기적으로 연결된다. 상기 주위 차폐 구조의 전위는 전형적으로 기준("접지")으로 간주 되며 상기 차동 신호 라인들의 전위는 동일한 크기와 반대 부호를 가지고 상기 기준에 대하여 대칭적으로 변한다. 상기 금속 평면들 간의 영역은 유전체 90으로 채워진다.

차동 전송 선로에서, 상기 두 신호 라인들 60 및 61의 폭(81)은 동일하다. 상기 차동 특성 임피던스는 상기 구조의 수직 치수들 82, 83, 84 뿐만 아니라, 상기 라인 폭 81 및 간격 80에 의해 결정되어진다.

라인 폭 및 간격은 보통 상기 유전체 두께와 비슷하다. 예를 들면 상기 개시된 실시 예에서, 각각의 유전체 층의 상기 두께는 250 마이크론(0.25mm)이며, 상기 라인 폭은 200마이크론 및 상기 간격은 250이다.

도 6은 상기 커플러 구조의 단면을 도시하고 있다. 상기 커플러 내의 상기 신호 라인들 64 및 65는 각각 상기 커플러 외부 영역에 있는 상기 전송 선로의 상기 신호 라인 60 및 61에 직접 연결되나, 상기 신호 라인들의 치수들 85 및 86은 다를 수 있다. 상기 커플러 전극 66 및 67은 동일한 폭을 가지며, 상기 외부 차폐 62에 형성된다. 상기 전극들은 상기 라인들을 따라 바람직한 길이로 연장된다. 동작에서는, 상기 차동 전송 선로 64 및 65를 따라 지나가는 신호는 각각 상기 커플러 전극 66 및 67에서 차동 전압 및/또는 전류를 유도할 것이다. 상기 결합된 신호 강도는, 부분적으로, 상기 전극들의 길이에 의해 결정된다.

도 5 및 도 6의 조사를 통하여 상기 두 구조에서의 상기 신호 라인들의 상기 구조가 유사하다는 것을 보여준다. 전자기 시뮬레이션 및 분석에 기반하여, 커플러 내부의 상기 라인들의 상기 특성 임피던스가 상기 커플러 외부의 라인들과 정합이 되도록, 상기 커플러 85 및 86 내부의 상기 라인들을 위한 치수가 선택되어 질 수 있으며, 이를 통해 상기 두 라인들 사이의 접합부에서 신호 반사를 최소화시킨다. 만일, 상기 커플러 전극들 상에서 상기 유도된 전압이 상기 신호 라인들 상의 전압에 대하여 작다면, 상기 전송 선로 주위의 상기 필드 분포(field distribution)는 상기 전극의 존재에 의해 크게 교란(perturb)되지 않는데, 그 이유는 상기 전압의 전위가 상기 차폐와 크게 다르지 않기 때문이다. 상기의 경우에, 상기 커플러 86 및 81의 내부 및 외부의 상기 신호 라인 폭은 유사할 것이며, 상기 간격 85 및 80도 유사할 것이다.

상기 커플러 내부 및 커플러 외부의 상기 라인들의 상기 치수들은 유사한 특성 임피던스들의 결과가 되도록 조정되고, 및 상기 라인들의 상기 치수들이 두 경우에 있어서 유사하면, 하나의 상기 특성 임피던스에 영향을 미치는 구조적 및 재료적 제조 변수들이 다른 하나에 동일하게 영향을 미치게 된다. 상기 경우에, 상기 커플러들이 상기 설명된 예시들과 같은 직렬 분배 네트워크에 사용되면, 상기 커플러들은 상기 신호의 무결성을 현저하게 저하시키지 않을 것이다. 또한, 상기 전송 선로들의 상기 특성 임피던스를 변하게 하는 제조 변수들은 상기 커플러 구조에서 유사한 변수들을 유발하여 상기 신호 무결성이 유지된다.

이런 형태의 커플러 구조들은 세 가지 다른 방법으로 구성되어 질 수 있다. 도 7은 용량성 형태의 커플러의 평면도를 도시하고 있다. 상기 구성에서, 상기 커플러 전극들 66 및 67은 상기 주위 차폐(접지) 62로부터 전기적으로 절연되며, 상기 커플러 전극들을 나타내는 금속 필름의 섬(islands)을 둘러싸는 개방 영역(금속이 없는 영역)으로 표시된다. 상기 신호 라인들 64 및 65는 상기 커플러 전극들 하부로 통과한다. 접촉 영역들 68 및 69은 상기 커플러와 외부 회로의 연결을 위해 측면에서 제공된다. 상기 형태의 커플러들은 주로 용량성이며, 그 이유는 전압들은 상기 커플러 전극들에서 유도되나 전류는 흐를 수 없기 때문이다. 상기 커플러들이 고 임피던스 센싱 회로(high impedance sensing circuitry)에 연결되면, 상기 커플러들은 넓은 주파수 범위에서 상대적으로 일정한 전압 이득 특성들을 가진다. 전압 이득은 상기 커플러 전극의 상기 길이 변화를 통하여 조정된다.

도 8은 유사한 유도성(inductive) 커플러의 평면도를 도시하고 있다. 상기 유도성 커플러는 용량성에 대응하는 동일한 구조적 특성을 가진다. 유일한 구조적 차이점은 도면의 우측에 있는 상기 전극들(즉, 접촉 패드를 가지는 단부로터 반대쪽 단부)이 상기 접지 평면 62에 연결되는 것이다. 상기 커플러 형태는 전류가 상기 커플러 전극들에 유도되나, 전압이 발생되지 않기 때문에 주로 유도성이다. 저 임피던스 능동 회로에 연결되면, 상기 형태의 커플러는 넓은 주파수 범위에 걸쳐 상대적으로 평탄한 전류 이득을 가진다.

도 9는 저항적으로 연결되는 커플러를 도시하고 있다. 상기 구조에서, 추가된 저항들 100은 상기 전극들을 상기 접지 평면에 연결한다. 상기 저항성 연결에

의해, 상기 커플러 전극들 상에 유도된 상기 신호들은 전류 및 전압의 조합이며, 따라서, 상기 커플러 형태는 도 7 및 도 8에 도시하는 하이브리드 형태이다. 또한, 구조 치수들 및 상기 접속 100에 사용되는 저항값의 적절한 선택으로, 상기 커플러들은 전통적인 방향성 커플러에서 사용되는 상기 4분의 1 파장 보다 상당히 짧더라도 바람직한 지향성 특징을 나타낸다. 전통적인 4분의 1 파장 커플러들은 상기 4분의 1 파장에 해당하는 주파수 부근에서 일정한 진폭 주파수 응답을 가진다. 상기 짧은 커플러들은 일반적으로 자신의 진폭 응답에서 높은 주파수 의존을 보여 준다.

상기 설명처럼, 상기 형태의 커플러들은 도 2에서 도시하는 바와 같이, 신호를 다수의 수신기로 상기 직렬 분배가 필요한 응용분야들에서 유용하다. 상기 경우에서, 모든 수신기들 12에서 거의 일정한 신호 강도를 유지하는 것이 종종 바람직하다. 그러나, 상기 분배 전송 선로들 1에서의 본질적인 신호 손실들 및 상기 체인 안에 있는 각각의 커플러가 상기 라인들로부터의 적은 양의 전력을 추출하는 이유로, 상기 라인의 상기 신호 강도는 상기 송신기 11로부터 거리가 멀어 질수록 감쇠될 것이다. 상기 손실들은 상기 체인 안에 있는 각각의 커플러의 상기 길이를 수정함으로써 보상될 수 있으며, 상기 신호가 가장 강한 상기 송신기 근처의 커플러들은 더 짧아져 더 작은 이득을 주며 상기 신호가 가장 약한 상기 체인의 단부에 있는 커플러들은 더 길어져 더 큰 이득을 주게 된다. 상기 커플러들의 상기 길이의 적절한 조정을 통하여 각각의 수신기에서의 상기 신호 강도를 동일하게 만들 수 있다.

도 3에서 도시하는 바와 같이, 다수의 신호들의 상기 직렬 취합(aggregation)이 요구되는 응용분야에서 유사한 경우가 발생한다. 상기 경우에, 상기 수신기 20으로부터 가장 멀리에서 발생되는(originating) 상기 신호들은 상기 분배 라인 1을 따라 이동하면서 가장 큰 감쇄(attenuation)를 받을 것이다. 상기 감쇄는 상기 커플러의 상기 길이를 조정함으로써 보상될 수 있으며, 따라서, 각각의 송신기 11로부터 상기 공통 수신기 20으로의 상기 이득이 거의 동일하다.(즉, 상기 수신기로 가장 멀리 있는 상기 커플러들의 길이를 더 길게 함) 상기 방법에서, 상기 수신된 취합 신호는 상기 각각의 송신된 신호들의 모두를 합친 것과 거의 동일하게 나타난다.

전통적인 방향성 커플러들은 상기 분배 라인들에 물리적으로 직접 연결되는 개별 부품들(discrete component)이다. 상기 방향성 커플러들은 분배 라인에 삽입하기 위해서는 상기 라인을 끊을 필요가 있다. 따라서, 상기 분배 라인은 하나의 단자에서 커플러에 들어가고 다른 단자로 나오게 된다. 상기 커플러에서 내부 접속들은 상기 입출(entering and emerging) 라인 간 상기 전기 경로의 연속성을 제공한다. 상기 주 분배 라인 및 상기 커플러가 두 가지 뚜렷이 다른 기술적 구현들로만들어지기 때문에, 제조 변수들은 전송 선로 특징들에 다르게 영향을 주게 될 것이며, 임피던스 불연속들과 신호 반사들의 결과를 낳는다. 상기 반사들은 상기 회로들의 기능을 손상시킬 수 있으며, 특히, 직렬 분배 네트워크에서 상기 반사들의 효과는 누적될 수 있다. 상기 설명된 상기 일체형 형태의 커플러들은 상기의 문제들을 겪지 않는다. 공통 기술로 구현되는 직렬 구성으로 배열되는 둘 이상의 상기 커플러들로 구성되는 상기 복합(composite) 구조는 전통적인 개별 구현(discrete implementation)에 비해 우수한 품질을 가지는 신규한 구조를 형성한다.

도 7, 8 및 9의 실시 예에서, 상기 접촉 또는 패드 영역들 68 및 69는 하부층의 상기 커플러 신호 라인 64 및 65와 중첩이 되지 않도록 측면에 위치하는 것으로 도시된다. 상기 측면에 위치하는 이유는 본 발명에서 설명된 상기 금속의 3층들 위로 다른 층들을 가지는, 즉, 상기 금속의 3층들은 더 큰 다층 적층의 일부분일 수 있기 때문이다. 다시 말해서, 상기 두 개의 패드들 68 및 69는 상기 적층의 중간에 매몰될 수 있다는 것이다. 상기 경우에, 상기 두 개의 패드들의 수직적 연결을 위해, 드릴되는 비어들이 사용되는 것이 바람직하다. 만일, 상기 패드들이 상기 신호들의 상부에 있으면, 상기 드릴은 상기 신호 라인들을 관통하게 되며 상기 패드들은 상기 드릴된 홀 내부에 형성된 상기 비어들에 단락될 것이다. 이와 같이 상기 패드들은 상기 라인들과의 간섭을 방지하기 위해 오프셋(offset)된다.

다른 몇 가지의 보드 구조 형태의 경우 상기 오프셋(offset)은 불필요하다. 만일 상기 상부 금속 층이 상기 적층의 가장 상부에 있다면 하부의 금속 층들로의 단락은 문제가 되지 않으며, 이 경우에는 상기 접촉 영역들이 상기 커플러 신호 라인들 바로 위에 있게 된다.

물론, 상기 용량성 커플러의 경우 상기 패드들 68 및 69는 상기 커플러의 상기 길이를 따라 어느 부분에서도 위치할 수 있다. 그러나, 상기 유도성 형태의 커플러의 경우, 상기 패드들이 상기 접지 평면에 합쳐지는 부분의 반대 단부에 있을 필요가 있다.

상기 커플러들이 상기 라인 내부에서 2분의 1 파장에 비해 짧은 것이 보통 바람직하다. 상기 임피던스를 거의 일정하게 유지하기 위해, 상기 커플러의 주요한 요구사항은 1 보다 훨씬 작은 전압 이득을 가지는 것이다. 이것은 상기 커플러 전극들이 상기 주위 접지 평면들에 거의 유사하다는 것을 보장하며, 상기 전위 분배를 크게 훼손하지 않는다. 더 긴 커플러들은 더 큰 이득을 빌드업(buil-up)한다. 충분히 긴 길이에서 상기 커플러들은 비정상적으로 동작하기 시작하여 바람직하지 않는 공진들을 나타낼 것이다.

전통적인 방향성 커플러들은 4분의 1 파장 전송 선로 부분들로 만들어진다. 광대역의 커플러들은 여러 개의 이와 같은 4분의 1 파장 부분들의 케스케이드(cascade)를 요구하여, 크기가 상당히 커질 것이다. 예를 들어, 1GHz에서 단순한 4분의 1 파장 방향성 커플러는 1.5인치 길어질 것이다. 중심 주파수가 110MHz에서 동작하는 보드에서의 중간 주파수 커플러들은 13.6인치 길어지는 것이 필요하다. 비교를 위해, 본 발명에서 설명된 상기 구조를 이용한 상기 동일한 커플러들은 1인치보다 짧다.(각각 200 마이크론의 라인 폭 및 250 마이크론으로 분리된 경우)

PCB의 경우 다양한 잘 알려진 제조 방법이 사용될 수 있다. 주로, 상기 PCB들은 구리 박막(copper foil)이 양면에 부착된 유전체(보통 유리 강화 수지) 시트들로부터 빌드업된다. 상기 유전체들은 보통 유기 유전체(에폭시, 폴리마이드, 옻, 테플론 등)로 함침된 매트릭스 유리섬유(fiberglass matrix)이다. 여기에는 많은 독점적인 수지들과 유리 조성물들이 있다. 전도성 패턴들은 상기 포일(foil)에 식각 된다. 다층의 이러한 시트들은 정렬이 되고 미경화 상태(uncured state)의 더 높은 유전체의 개재 층(intervening layer)으로 적층된다. 상기 시트들은 같이 압착되어 가열되어 상기 다층 구조로 적층된다. 그 후, 홀(holes)들은 드릴되고 금속으로 도금되어 상기 수직 층간 비어들을 형성한다.

상기 설명된 기술은 다 지점(multi-point) 신호 발생 네트워크 및 U.S. 8,259,884와 U.S. 8,611,959 각각에서 설명하는 것과 같은 저 비용 안테나 어레이들에 특수한 응용성을 가지며, 상기 내용들은 본 발명 전체에 포함된다. 예를 들면, '884 특허의 도 5를 참조하면, 두 개의 트리 네트워크들(tree networks)를 도시하고 있으며, 그 중의 하나는 제 1 캐리어 신호를 이송하고 상기 두 번째는 제 2 캐리어 신호를 이송한다. 다양한 지점에서 제 1 트리 네트워크들의 브랜치(branch)는 다른 트리 네트워크들의 대응하는 브랜치 옆을 따라(즉, 평행하게) 진행한다. 상기 쌍의 브랜치들에서, 하나는 상기 제 1 캐리어 신호를 단방향으로 이송하고, 다른 브랜치는 제 2 캐리어 신호를 다른 방향으로 이송한다. 상기 듀얼 평행 전송 선로들의 길이를 따라, 다수의 Arrival-Time-Averaging Circuits(ATACs)이 있으며, 각각은 제 1 입력이 상기 전송 선로들의 하나에 연결하고 제 2 입력은 다른 전송 선로에 연결된다. 상기 ATAC 회로들로의 상기 연결들은 본 발명에서 설명되는 상기 커플러들을 이용하여 구현되며 상기 회로들이 상기 듀얼 전송 선로들 위로 지나가는 상기 신호들에 대해 가지고 있는 영향을 감소시킨다.

또 다른 실시 예들은 아래 청구항의 범위 내에 있다.

Claims

유전체 물질;
상기 유전체 물질의 제 1 레벨 상의 상부 전도 층;
상기 유전체 물질에 의해 상기 상부 전도 층으로부터 물리적으로 분리되는, 상기 유전체 물질의 제 2 레벨 상의 제 1 신호 라인을 포함하되,
상기 상부 전도 층은 상기 제 1 신호 라인에 평행하게 진행하는 윈도우를 포함하며, 그리고
상기 윈도우 내에는 상기 유전체 물질의 상기 제 1 레벨 상의 제 1 커플러 전극을 더 포함하되, 상기 제 1 커플러 전극은 상기 제 1 신호 라인 위에서 상기 제 1 신호 라인과 평행하며 상기 유전체 물질에 의해 상기 제 1 신호 라인과 전기적으로 절연되며,
상기 제 1 커플러 전극은 자신 주위의 적어도 대부분을 따라 상기 상부 전도 층과 전기적으로 절연되는 신호 분배 구조.
제 1 항에 있어서,
상기 유전체 물질의 상기 제 2 레벨 상의 제 2 신호 라인 - 상기 제 2 신호 라인은 상기 제 1 신호 라인에 평행하고 상기 유전체 물질에 의해 상기 상부 전도 층으로부터 물리적으로 분리됨 - ;
상기 유전체 물질의 상기 제 1 레벨 상의 제 2 커플러 전극 - 상기 제 2 커플러 전극은 상기 제 2 신호 라인 위에서 상기 제 2 신호 라인과 평행하며 상기 유전체 물질에 의해 상기 제 2 신호 라인과 전기적으로 절연됨 - 을 더 포함하되,
상기 제 2 커플러 전극은 자신 주위의 적어도 대부분을 따라 상기 상부 전도 층과 전기적으로 절연되는 신호 분배 구조.
제 2 항에 있어서,
상기 유전체 물질의 제 3 레벨 상의 하부 전도 층을 더 포함하되,
상기 유전체 물질의 상기 제 2 레벨은 상기 유전체 물질의 상기 제 1 및 제 3 레벨들 사이에 있는 신호 분배 구조.
제 3 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 커플러 전극들 각각은 서로 물리적으로 분리되며 상기 상부 전도 층과 물리적으로 분리되는 금속 섬(islands of metal)인 신호 분배 구조.
제 4 항에 있어서,
상기 제 1 커플러 전극의 일측 단부를 상기 상부 전도 층에 전기적으로 연결하는 제 1 저항성 요소를 더 포함하는 신호 분배 구조.
제 5 항에 있어서,
상기 제 2 커플러 전극의 일측 단부를 상기 상부 전도 층에 전기적으로 연결하는 제 2 저항성 요소를 더 포함하는 신호 분배 구조.
제 3 항에 있어서,
각각의 상기 제 1 및 제 2 커플러 전극들이 상기 상부 전도층의 일측 단부에 물리적으로 접촉하는 신호 분배 구조.
제 2 항에 있어서,
상기 제 1 커플러 전극은 전기적으로 상기 제 1 커플러 전극에 연결하기 위한 접촉 패드 영역을 포함하며, 그리고
상기 제 2 커플러 전극은 상기 제 2 커플러 전극에 전기적으로 연결하기 위한 접촉 패드 영역을 포함하는 신호 분배 구조.
제 8 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 커플러 전극들 상의 상기 접촉 패드 영역들이 상기 제 1 및 제 2 커플러 전극들의 일측 단부에, 각각, 위치하는 신호 분배 구조.
제 3 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 커플러 전극들은 상기 상부 및 하부 전도 층들이 각각 위치하는 상기 제 1 및 제 3 레벨들로부터 동일 거리에 있는 신호 분배 구조.
제 3 항에 있어서,
상기 유전체 물질을 관통하여 상기 상부 및 하부 전도 층들을 함께 전기적으로 연결하는 복수의 전기적으로 전도성인 비어들을 더 포함하는 신호 분배 구조.
제 3 항에 있어서,
상기 제 1 커플러 전극 아래에 있는 상기 제 1 신호 라인 부분은 상기 상부 전도 층 아래에 있는 상기 제 1 신호 라인 부분과 비교하여 상이한 폭을 가지며 상기 제 2 커플러 전극 아래에 있는 상기 제 2 신호 라인 부분은 상기 상부 전도 층 아래에 있는 상기 제 2 신호 라인 부분과 비교하여 상이한 폭을 가지는 신호 분배 구조.
제 3 항에 있어서,
상기 유전체 물질 및 상기 상부 및 하부 전도 층들이 인쇄 회로 보드 기술을 이용하여 제조되는 신호 분배 구조.
제 3 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 신호 라인들은 상기 상부 및 하부 전도 층들과 결합하여 차폐되는, 차동 전송 선로를 형성하는 신호 분배 구조.
신호 분배 시스템은,
제 1 단부로부터 제 2 단부까지 전송 선로를 따라 순차적으로 배열되는 일련의 커플러 구조들을 가지는 전송 선로를 포함하되,
상기 전송 선로는,
유전체 물질;
상기 유전체 물질의 제 1 레벨 상의 상부 전도 층;
상기 유전체 물질 내부의 제 2 레벨 상의 제 1 평행 신호 라인을 포함하되, 상기 제 1 신호 라인은 상기 유전체 물질에 의해 상기 상부 전도층으로부터 물리적으로 분리되며, 그리고
상기 일련의 커플러 구조들의 각각의 커플러 구조는,
상기 제 1 신호 라인에 평행하게 진행하는 상기 상부 전도 층 내의 윈도우, 및
상기 윈도우 내부의 상기 유전체 물질의 제 1 레벨 상의 제 1 커플러 전극을 포함하되, 상기 제 1 커플러 전극은 상기 제 1 결합 라인에 평행하고 상기 유전체 물질에 의해 전기적으로 절연되며,
상기 제 1 커플러 전극은 자신 주위의 적어도 대부분을 따라 상기 상부 전도 층으로부터 전기적으로 절연되는 신호 분배 시스템.
제 15 항에 있어서,
상기 전송 선로는,
상기 유전체 물질의 상기 제 2 레벨 상의 제 2 신호 라인 - 상기 제 2 신호 라인은 상기 제 1 신호 라인에 평행하며 상기 유전체 물질에 의해 상기 상부 전도 층으로부터 물리적으로 분리됨 -을 더 포함하며, 그리고
상기 일련의 커플러 구조들의 각각의 커플러 구조는 상기 유전체의 제 1 레벨 상의 제 2 커플러 전극 - 상기 제 2 커플러 전극은 상기 제 2 신호 라인 위에서 평행하며 상기 유전체 물질에 의해 상기 제 2 신호 라인과 전기적으로 절연됨 - 을 포함하되,
상기 제 2 커플러 전극은 자신 주위의 적어도 대부분을 따라 상기 상부 전도 층과 전기적으로 절연되는 신호 분배 시스템.
제 16 항에 있어서,
상기 유전체 물질의 제 3 레벨 상의 하부 전도 층을 더 포함하되,
상기 유전체 물질의 제 2 레벨이 상기 유전체 물질의 제 1 및 제 3 레벨들 사이에 있는 신호 분배 시스템.
제 16 항에 있어서,
상기 복수의 커플러 구조들의 각각의 연속적인 커플러 구조의 상기 커플러 전극들은 상기 일련의 커플러 구조들 내의 이전의 커플러 구조의 상기 커플러 전극들보다 길이가 긴 신호 분배 시스템.
제 18항에 있어서,
상기 일련의 커플러 구조들의 각각의 커플러 구조 내부에서, 각각의 상기 제 1 및 제 2 커플러 전극들은 서로 물리적으로 분리되고 상기 상부 전도 층으로부터 물리적으로 분리되는 금속 섬(islands of metal)들인 신호 분배 시스템.
제 19 항에 있어서,
상기 일련의 커플러 구조들의 각각의 커플러 구조는 그러한 커플러 구조의 상기 제 1 커플러 전극의 일측 단부를 상기 상부 전도 층에 전기적으로 연결하는 제 1 저항성 요소를 더 포함하는 신호 분배 시스템.
제 20 항에 있어서,
상기 일련의 커플러 구조들의 각각의 커플러 구조는 그러한 커플러 구조의 상기 제 2 커플러 전극의 일측 단부를 상기 상부 전도 층에 전기적으로 연결하는 제 2 저항성 요소를 더 포함하는 신호 분배 시스템.
제 18 항에 있어서,
상기 일련의 커플러 구조들의 각각의 커플러 구조 내부에서 그러한 커플러 구조의 상기 제 1 및 제 2 커플러 전극들 각각은 일측 단부에서 상기 상부 전도 층과 물리적으로 접촉하는 신호 분배 시스템.