KR20170023669A

KR20170023669A - 결함접지구조를 갖는 다층 기판 마이크로스트립 전송선로 및 이를 이용한 무선회로 장치

Info

Publication number: KR20170023669A
Application number: KR1020150119119A
Authority: KR
Inventors: 한상민; 김경동; 이석재; 임종식; 안달
Original assignee: 순천향대학교 산학협력단
Priority date: 2015-08-24
Filing date: 2015-08-24
Publication date: 2017-03-06

Abstract

결함접지구조(DGS)의 마이크로스트립 전송선로가 개시된다. 본 발명의 전송선로는, 제1유전체층, 상기 제1유전체층 하부의 제2유전체층, 상기 제1 및 제2유전체층 사이의 도체층, 및 상기 제1유전체층 상부의 마이크로스트립 선로를 포함하고, 상기 도체층은 접지면으로서, 소정 영역이 식각되어 결함패턴이 형성된다.

Description

결함접지구조를 갖는 다층 기판 마이크로스트립 전송선로 및 이를 이용한 무선회로 장치{MULTI-LAYER MICROSTRIP TRANSMISSION LINE WITH DEFECTED GROUND STRUCTURES AND WIRELESS CIRCUIT APPARATUS WITH THE SAME}

본 발명은 결함접지구조를 갖는 다층 기판 마이크로스트립 전송선로 및 이를 이용한 무선회로 장치에 대한 것이다.

RF(radio frequency) 및 마이크로파(microwave) 대역의 무선통신용 회로나 부품을 구현하는데 있어, 마이크로스트립 전송선로(microstrip transmission line)가 대표적으로 사용된다.

도 1은 일반적인 마이크로스트립 전송선로를 설명하기 위한 도면으로서, 비유전율이 ε_r인 유전체층(100)의 상부에, 특정 선로 임피던스(Zo)를 가지는 선폭 W1의 마이크로스트립 선로(110)가 배치되고, 유전체층(100)의 하부에, 접지면인 금속층(120)이 배치된다.

이러한 구조에서, 접지면에는 결함접지구조(defected ground structure, DGS)가 식각되어 구현된다. 결함접지구조(DGS)는 다양한 수동적인 마이크로파 소자의 응용을 위해 평면형으로 집적가능한 구조로 연구되어 왔다. 개구면이 있는 접지면은 상대적으로 느린 접지전류를 형성하기 때문에, 결함접지구조(DGS) 전송선로는 최상층 마이크로스트립 선로(110)의 유효 전기적인 길이를 줄일 수 있고, 이는 RF/마이크로파 소자의 소형화에 기여하였다. 게다가, 결함접지구조(DGS) 는 마이크로파 소자 설계, 마이크로파 전류제어, 안테나 요소 사이의 격리도, 및 공진회로를 위해서도 적용될 수 있다.

그러나, 이러한 결함접지구조(DGS) 전송선로의 우수한 장점에도 불구하고, 결함접지구조(DGS) 접지면을 제작하는 것이 어려운 문제점이 있으며, 결함접지구조(DGS)를 통한 전자기 방사는 삽입손실을 증가시키는 문제점이 있다.

또한, 결함접지구조(DGS)의 식각면에서 발생된 전류가 다른 접지면에 접하거나 전송선로의 근처에 있을 경우에, 정상적인 동작을 방해하게 되는 문제점이 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 높은 유전율을 갖는 기판을 기존 DGS 구조의 접지면에 적층 사용함으로써 식각면을 통한 전자파의 방사를 감소시키고, 회로를 소형화하는, 결함접지구조를 갖는 다층 기판 마이크로스트립 전송선로 및 이를 이용한 무선회로 장치를 제공하는 것이다.

상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일실시예의 결함접지구조를 갖는 다층 기판 마이크로스트립 전송선로는, 제1유전체층; 상기 제1유전체층 하부의 제2유전체층; 상기 제1 및 제2유전체층 사이의 도체층; 및 상기 제1유전체층 상부의 마이크로스트립 선로를 포함하고, 상기 도체층은 접지면으로서, 소정 영역이 식각되어 결함패턴이 형성될 수 있다.

본 발명의 일실시예에서, 상기 결함패턴은, 상기 마이크로스트립 선로를 중심으로 각각 양쪽에 형성되는 결함영역; 및 상기 결함영역을 연결하는 연결슬롯으로 이루어질 수 있다.

본 발명의 일실시예에서, 상기 제2유전체층의 유전율은, 상기 제1유전체층의 유전율과 서로 다를 수 있다.

본 발명의 일실시예에서, 상기 제2유전체층의 유전율은, 상기 제1유전체층의 유전율보다 클 수 있다.

본 발명의 일실시예에서, 상기 제2유전체층의 두께는, 상기 제1유전체층의 두께보다 두꺼울 수 있다.

본 발명의 일실시예에서, 상기 제2유전체층 하부의 제3유전체층 또는 복수의 유전체층을 더 포함할 수 있다.

상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 결함접지구조를 갖는 다층 기판 마이크로스트립 전송선로를 포함하는 무선회로 장치를 더 포함할 수 있다.

상기와 같은 본 발명은, 비교적 높은 유전율과 두꺼운 두께의 제2유전체층을 도체층의 하부에 배치함으로써, 더 작은 결함패턴을 형성하게 하며, 이에 의해, 결함패턴에 의한 방사효과가 적어지므로, 다양한 전자 소자의 설계 및 시스템의 소형화에 기여하는 효과가 있다.

도 1은 일반적인 마이크로스트립 전송선로를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예의 결함접지구조(DGS)의 마이크로스트립 전송선로를 개략적으로 설명하기 위한 구성도이다.
도 3은 도 2의 결함패턴의 일실시예 평면도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일실시예의 전송선로의 특성을 확인하기 위한 일예시도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예의 전송선로의 방사효과를 설명하기 위한 일예시도이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 일실시예의 결함접지구조(DGS)의 마이크로스트립 전송선로를 개략적으로 설명하기 위한 구성도이고, 도 3은 도 2의 결함패턴의 일실시예 평면도이다.

도면에 도시된 바와 같이, 제1유전체층(10), 제1유전체층(10)의 하부에 배치되는 제2유전체층(20), 제1 및 제2유전체층(10, 20)의 사이에 배치되는 도체층(30), 및 제1유전체층(10)의 상부에 배치되는 마이크로스트립 선로(50)를 포함할 수 있다. 도체층(30)은 접지면으로서, 도체층(30)의 일정 패턴의 영역이 제거되어 결함패턴(40)이 형성되어 있음을 알 수 있다. 결함패턴(40)은, 마이크로스트립 선로(50)를 중심으로 각각 양쪽에 형성되는 결함영역(41, 42)과, 두 결함영역(41, 42)을 연결하는 연결슬롯(43)으로 이루어질 수 있다.

결함패턴(40)은 식각에 의해 도체층(30)이 에칭된 패턴으로서, 본 발명의 일실시예에서는, 사각형의 결함영역을 가지는 아령형 결함패턴(40)를 예를 들어 설명하고 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 예컨데, 아령형 결함패턴(40)에 있어서 결함영역은 사각형이 아닌 원형, 삼각형, 육각형, 팔각형, 10각형 등의 다각형(N각형, N=3,4,5,6,…)이나, 맴돌이형 등 전기적인 특성에 따라 결정되는 다양한 기하학적 형상일 수 있다. 또한, 결함패턴(40)의 전체구조도 아령형이 아닌 다른 형태, 즉, 사각형, 원형, 삼각형, 육각형, 팔각형, 10각형 등의 다각형(N각형, N=3,4,5,6,…)이나, 맴돌이형 등 전기적인 특성에 따라 결정되는 다양한 형상의 기하학적 패턴일 수 있다.

제1유전체층(10)은 제1유전율(

)의 유전체로 구성되고, 제2유전체층(20)은 제1유전율(

)과 서로 다른 제2유전율(

)의 유전체로 구성될 수 있다. 이때, 제2유전율(

)이 제1유전율(

)보다 클 수 있다.

또한, 제1유전체층(10)은 제1두께(t1)로 구성되고, 제2유전체층(20)은 제2두께(t2)로 구성될 수 있다. 이때, 제2두께(t2)가 제1두께(t1)보다 더 두꺼울 수 있다.

다만, 본 발명의 일실시예에서, 도체층(30)의 하부에 하나의 제2유전체층(20)이 배치된 것을 도시하고 있으나, 이는 예시적인 것으로서, 더 많은 유전체층이 중첩되어 배치될 수도 있을 것이다.

이와 같은 본 발명의 구성에 의하면, 결함패턴(40)에 의한 접지면으로의 전자파 방사를 최소화할 수 있으며, 결함패턴(40)의 크기를 소형화할 수 있다.

도 4 및 도 5는 본 발명의 일실시예의 전송선로의 특성을 확인하기 위한 일예시도로서, 제1유전체층(10)의 두께와 유전율이 고정된 경우 각각 제2유전체층(20)의 두께와 유전율에 따른 특성을 나타낸 것이다.

도 4를 참조로 하면, 제1유전체층(10)의 유전율과 두께를 각각 2.2 및 31Mil로 고정하였을 때 전송특성을 나타낸 것으로서, 제2유전체층(20)의 두께가 10 Mil에서 50 Mil까지 증가되었을 때, 공진주파수가 6.84 GHz로부터 5.55 GHz까지 하향천이됨을 알 수 있다.

또한, 도 5를 참조로 하면, 제1유전체층(10)의 유전율과 두께를 각각 2.2 및 31Mil로 고정하였을 때 전송특성을 나타낸 것으로서, 제2유전체층(20)의 유전율이 2에서 10까지 변화할 때, 공진주파수는 9.74 GHz 부터 5.56 GHz까지 하향천이됨을 알 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 일실시예의 전송선로에서, 결함패턴(40)이 접하는 유전체층의 유효 유전율이 증가하므로, 전송선로의 전기적인 길이가 감소될 수 있음을 알 수 있다.

도 6은 본 발명의 일실시예의 전송선로의 방사효과를 설명하기 위한 일예시도로서, 종래의 도체층 아래 유전체층이 없는 전송선로에 대비하여, 본 발명의 전송선로에 평면형 금속판(70)이 결함패턴(40)에 접근함에 따라 공진주파수가 변화하는 것을 측정한 것이다. 도 6에서, A는 본 발명의 더블 레이어드(double-layered) 전송선로의 특성을 나타낸 것이고, B는 종래 싱글 레이어드(single-layered) 전송선로의 특성을 나타낸 것이다.

성능비교를 위해, 제1유전체층(10)은, 유전율이 2.2이고 두께가 31 Mil인 Duroid 5880으로 구성하고, 제2유전체층(20)은 유전율이 10.2이고 두께가 50 Mil인 Duroid 6010으로 구성하였다. 또한, 전송선로의 길이(L)는 50mm, 폭(W)은 30mm로 구성하고, 결함패턴(40)의 결함영역(41, 42)의 세로길이(a)는 2.55mm, 가로길이(b)는 2.55mm, 연결슬롯(43)의 길이(s)는 2.37mm, 폭(n)은 0.2mm로 구성하였다.

비교를 위한 싱글 레이어드 전송선로의 경우, 동일한 성능을 유지하기 위해, 결함패턴의 결함영역의 세로길이(a)는 6.6mm, 가로길이(b)는 6.6mm, 연결슬롯의 길이(s)는 2.37mm, 폭(n)은 0.2mm로 구성하였다. 즉, 본 발명의 일실시예의 전송선로의 경우, 결함패턴(40)의 크기가 13.48mm²이고, 종래 싱글 레이어드 전송선로의 경우 결함패턴의 크기가 87.59mm²이므로, 동일한 전송성능을 유지하는 동안 결함패턴의 크기가 84.6% 감소하는 것을 알 수 있다.

도 6을 참조로 하면, 본 발명의 전송선로의 방사효과를 평가하기 위해 평면형 금속판(70)이 결함패턴(40)의 개구면에 접근함에 따라 공진주파수가 변화하는 것을 측정하였다. 즉, 도 6은 금속판(70)과 본 발명의 전송선로 또는 종래 싱글 레이어드 전송선로 사이의 거리(d)에 따른 공진주파수 변화를 나타낸 것이다.

도면에 도시된 바와 같이, 거리(d)는 2 내지 13mm까지 변화하였으며, 본 발명의 전송선로에서 공진주파수가 5.76 GHz에서 5.63 GHz까지 130 MHz 변화하는 동안, 종래의 싱글 레이어드 전송선로는 6.5 GHz에서 5.6 GHz까지 약 900 MHz 변화하였음을 알 수 있다.

또한, 종래 전송선로가 13mm 거리까지 공진의 영향을 받은 반면, 본 발명의 전송선로에 의하면 5mm 거리에서는 방사에 따른 효과가 없음을 확인할 수 있다.

금속판(70)이 전송선로에 완전히 접촉한 경우에는 캐비티 효과에 의한 다른 모드의 공진이 발생한 것을 관찰하였다.

이와 같이, 본 발명의 일실시예의 결함접지구조의 마이크로스트립 전송선로는, 비교적 높은 유전율과 두꺼운 두께의 제2유전체층(20)을 도체층(30)의 하부에 결합함으로써, 더 작은 결함패턴을 형성할 수 있다. 이에 의해, 결함패턴에 의한 방사효과가 적어지며, 소형모듈과 다른 컴포넌트를 통합하는 것을 실현할 수 있다.

따라서, 본 발명의 결함접지구조의 마이크로스트립 전송선로에 의하면 다양한 마이크로파 소자 설계와 시스템 통합의 소형화를 기대할 수 있다.

이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.

10: 제1유전체층 20: 제2유전체층
30: 도체층 40: 결함패턴
50: 마이크로스트립 선로

Claims

제1유전체층;
상기 제1유전체층 하부의 적어도 하나 이상의 제2유전체층;
상기 제1 및 제2유전체층 사이의 도체층; 및
상기 제1유전체층 상부의 마이크로스트립 선로를 포함하고,
상기 도체층은 접지면으로서, 소정 영역이 식각되어 결함패턴이 형성되는 결함접지구조를 갖는 다층 기판 마이크로스트립 전송선로.
제1항에 있어서, 상기 결함패턴은,
상기 마이크로스트립 선로를 중심으로 각각 양쪽에 형성되는 결함영역; 및
상기 결함영역을 연결하는 연결슬롯으로 이루어지는 결함접지구조를 갖는 다층 기판 마이크로스트립 전송선로.
제1항에 있어서, 상기 제2유전체층의 유전율은,
상기 제1유전체층의 유전율과 서로 다른 결함접지구조를 갖는 다층 기판 마이크로스트립 전송선로.
제1항에 있어서, 상기 제2유전체층의 유전율은,
상기 제1유전체층의 유전율보다 큰 결함접지구조를 갖는 다층 기판 마이크로스트립 전송선로.
제1항에 있어서, 상기 제2유전체층의 두께는,
상기 제1유전체층의 두께와 서로 다른 결함접지구조를 갖는 다층 기판 마이크로스트립 전송선로.
제1항에 있어서, 상기 제2유전체층의 두께는,
상기 제1유전체층의 두께보다 두꺼운 결함접지구조를 갖는 다층 기판 마이크로스트립 전송선로.
제1항에 있어서,
상기 제2유전체층 하부의 제3유전체층 또는 복수의 유전체층을 더 포함하는 결함접지구조를 갖는 다층 기판 마이크로스트립 전송선로.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 전송선로를 포함하는 무선회로 장치.