KR100632154B1 - Nrd가이드-마이크로스트립선로 변환기 - Google Patents

Nrd가이드-마이크로스트립선로 변환기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 NRD가이드와 마이크로스트립선로(MicroStrip Line: 이하 MSL로 함) 변환기에 관한 것으로써 사용주파수의 반파장이하 간격의 금속상하도체판 사이에 NRD 가이드유전체선로, 모드스프레서, 유전체블럭, 유전체블럭에 삽입된 급전선로(Feeder), 급전선로가 통과하는 3λ/4 또는 λ/4정합용전송메탈블럭과 신호선로와 접지선로가 패터닝된 MSL기판이 결합된 구조이다. 이는 MSL 상부의 신호선로에 MMIC소자가 내장되어 전력증폭기 및 저잡음 증폭기로 이용 가능한 구조로 구성한 것을 특징으로하는 NRD가이드와 MSL의 변환기이다.
NRD가이드, 마이크로스트립선로(MSL), 메탈블럭(Metallic Block), 증폭기

Description

NRD가이드-마이크로스트립선로 변환기{NRD guide-MicroStrip Line Transition}
도 1: NRD가이드와 MSL의 변환기를 구성한 사시도
도 2: NRD가이드와 MSL의 변환기를 나타낸 제 1 평면도
도 3: NRD가이드와 MSL의 변환기를 나타낸 제 2 평면도
도 4: MSL 임피던스정합 및 접지용 3λ/4및 λ/4전송메탈블럭의 구조를 나타낸 사시도
도 5: MSL 및 코플레너선로(CPW)의 구조를 나타낸 사시도
도 6: NRD가이드와 MSL 변환기의 신호전송특성 그래프
도 7: NRD가이드와 MSL 변환기를 구성한 사시도
도 8: MSL 임피던스정합 및 접지용 3λ/4및 λ/4전송메탈블럭의 구조를 나타낸 사시도
도 9: NRD가이드와 MSL 변환기의 신호전송특성 그래프
도 10: 저잡음증폭용 HEMT소자를 장착한 NRD가이드용 증폭기의 신호증폭이득에 대한 전송특성을 나타낸 그래프
도 11: 전력증폭용 HEMT소자를 장착한 NRD가이드용 증폭기의 신호증폭이득에 대한 전송특성을 나타낸 그래프
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1: 상부도체판
2: 하부도체판
3, 13: NRD가이드유전체선로
4, 14: 모드스프레서
5, 15: 유전체블럭(PTFE)
6a, 6b, 16a, 16b: 급전선로(Feeder)
7a, 7b: MSL용 3λ/4 및 λ/4전송메탈블럭
8: MSL 및 코플레너(CPW)용 유전체기판
9: MSL의 신호선로
10: 접지선로(GND)
17: MSL용 3λ/4 및 λ/4전송메탈블럭
19: 마이크로스트립 신호선로
현재 유선통신에 있어서 저손실화된 광파이버의 개발 및 반도체 기술의 발달에 힘입어 광통신이 계속적으로 실용되고 있으며, 무선통신에서는 위성통신의 발달에 의해 대용량 통신을 위한 초고주파화가 진행중이며 서브밀리미터파 또는 밀리미터파에서의 통신기 개발이 아주 중요한 과제가 되고 있다.
무선통신에 있어서, 고주파 대역의 사용주파수가 밀리미터파 대역으로 이동됨에 따라 종래의 마이크로스트립라인에서는 전송손실이 매우커져서 무선통신시스템의 구현으로는 적당하다고 할 수 없게 되었다.
이에 밀리미터파 대역에서 사용가능하고, 기존의 마이트로스트립선로에서 발생되는 전송손실을 충분히 억제할 수 있는 비방사성유전체선로 (Non-Radiative-dielectric Waveguide: NRD guide)가 이미 제안되었으며, 최근까지 많은 연구가 진행되고 있다.
그러나 일반적으로 비방사성유전체선로(NRD guide)는 수동소자로 조합할 경우에 매우 유용한 무선통신시스템을 구현할 수 있지만, 능동소자로의 구성은 매우 어려운 것으로 알려져 있기에 기존의 마이크로스트립선로(이하 본 발명은 MSL(Microstrip Line)이라 칭함)와 NRD가이드의 결합을 통한 신호변환을 통한 능동소자로의 구성을 시도해야 한다.
이에 종래의 능동소자로의 구현이 가능한 MSL와 NRD 가이드선로와의 전송손실이 없는 신호전송변환을 위해서는 NRD 가이드와 스트립선로의 임피던스정합문제, 스트립선로의 접지문제 및 신호변환을 통한 반사손실의 최소화 등을 해결해야 한다.
또한 NRD가이드를 이용한 밀리미터파 대역용 무선통신시스템에서 최고의 성능을 얻기 위해 통시시스템의 잡음레벨을 최소화하는 것이 일반적으로 요구되고 있다. 따라서 전력증폭기와 저잡음증폭기는 이러한 통신시스템에서 필수 불가결한 요소이기에 이의 발명은 반드시 선행되어야 한다.
본 발명에 있어서, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해서는 NRD가이드와 MSL의 변환기를 구성하였으며, 이를 실현하기 위한 최적의 방법을 다음과 같이 둔다.
사용주파수의 반파장이하 간격의 금속상하도체판 사이에 NRD 가이드유전체선로, 모드스프레서, 유전체블럭, 유전체블럭에 삽입된 급전선로(Feeder), 급전선로가 통과하는 메탈블럭(metallic block)과 신호선로와 접지선로가 패터닝된 MSL기판이 결합된 구조이다. 이는 MSL와 NRD가이드의 신호변환을 통해 발생하는 반사손실 문제 및 외부금속도체판과의 접지문제를 해결하기 위해 NRD가이드와 MSL기판 사이에 임피던스정합용 및 외부금속도체판(1,2)과의 접지를 위한 메탈블럭(Metallic Block)을 구성한 것을 특징으로하는 NRD가이드와 MSL의 변환기이다.
본 발명에 있어서, 밀리미터파 대역에서 사용가능한 NRD가이드와 MSL의 변환기를 구현하기 위해 다음과 같은 방법으로 구성하였다.
사용주파수의 반파장이하 간격의 금속상하도체판 사이에 NRD 가이드유전체선로, 모드스프레서, 유전체블럭, 유전체블럭에 삽입된 급전선로(Feeder), 급전선로가 통과하는 메탈블럭(Metallic Block)과 신호선로와 접지선로가 패터닝된 마이크로스트립선로(MSL) 및 코플레너선로(CPW)기판이 결합된 구조이다.
도 1은 NRD가이드와 MSL의 변환기에 있어서, 첫번째 실시한 사시도이다. 도 1에 의하면, 사용주파수의 반파장이하 간격의 금속상하도체판(1, 2) 사이에 NRD가 이드유전체선로(3). 모드스프레서(4), 유전체블럭(5), 유전체블럭에 삽입된 급전선로(Feeder)(6a, 6b), 급전선로가 통과하는 메탈블럭(Metallic Block)(7a, 7b)과 신호선로와 접지선로가 패터닝된 MSL기판(8)이 결합된 구조이다. 이때 MSL의 신호선로 상의 원안은 MMIC 증폭소자를 장착한 것을 나타내고 있다.
도 2는 NRD가이드와 MSL의 변환기를 나타낸 제 1평면도이다. 도 2에 의하면, 유전체블럭(5)의 LSM01모드신호는 급전선로(6a)를 통해 TEM모드신호로 전송되고, TEM모드신호는 메탈블럭(7a)의 내부전송선로를 통과한 후 MSL의 신호선(9)의 RF신호로 변환된다.
또한 RF신호는 상대편 MSL 신호선상으로 진행되어 메탈블럭(7b)의 내부전송선로를 통해 급전선로(6b)의 TEM모드로 전송되면서 유전체블럭(5)으로 여기된 후 LSM모드로 변환된다.
바람직하게는 NRD가이드유전체블럭(5)에 삽입되는 급전선로(6a, 6b)의 직경(δ), 삽입깊이(y) 및 길이(x)에 따라 손실없는 신호결합을 위한 최적의 삽입손실 및 반사손실이 정해지며, 메탈블럭(7a, 7b)의 구조에 따라 NRD가이드와 급전선로(6a, 6b)와의 최적의 임피던스 정합이 결정된다.
바람직하게는 사용주파수에서의 RF신호전송을 위한 MSL의 구조에 있어서, 신호선(9)의 폭과 접지선(10)과의 간격 및 사용기판의 유전율에 따라 최적의 전송특성이 결정된다.
도 3은 급전선로(6a, 6b)를 L형태로 하여 NRD가이드와 MSL의 변환기를 나타낸 제 2평면도이다. 상기 도 3에 의하면, 바람직하게는 NRD가이드유전체블럭(5)에 삽입되는 급전선로(6a, 6b)의 직경(δ), 삽입깊이(y) 및 길이(h, i)에 따라 손실없는 신호결합을 위한 최적의 삽입손실 및 반사손실이 정해진다.
도 4는 NRD 가이드와 MSL과의 임피던스정합용 및 외부금속도체판(1,2)과의 접지를 위한 λ/4전송메탈블럭(7a, 7b)의 구조를 나타낸 사시도이다. 도 4에 의하면, 일반적으로 전기장이 λ/4인 전송선로는 임피던스 반전회로가 되며, 이는 부하에 이 전송선로를 접속하면 부하의 리액턴스 극성은 다음 식과 같이 반전하기 때문이다. 도 4의 전송선로의 임피던스 Zin은 다음식으로 나타낼 수 있다.
Figure 112004050970212-pat00001
-----------------(1)
단, ZL : 부하임피던스[Ω], Zo: 전송선로의 특성 임피던스[Ω]
전기장이 λ/4인 경우 식(1)은
Figure 112004050970212-pat00002
------------------------------(2)
가 된다. 예를 들면 λ/4전송선로에 용량 C의 콘덴서를 접속하면, 입력임피던스 Zin은,
Figure 112004050970212-pat00003
-----------------------(3)
이 된다. 따라서 용량 C의 콘덴서는 인턱턴스
Figure 112004050970212-pat00004
의 코일로 변환되게 된다.
따라서 서로 다른 임피던스를 가지고 있는 NRD가이드유전체블럭에 삽입된 급전선로(6a, 6b)와 MSL사이의 임피던스정합을 위해 정합용 메탈블럭(7a, 7b)을 제안하였으며, 사용주파수에 대해 특성임피던스는 50[Ω]으로 정하였다.
본 발명에 의하면, 두 종류의 메탈블럭(7a, 7b)을 제안하였는 데, 도 4의 (a)는 λ/4 길이를 가진 메탈블럭이고, (b)는 3λ/4의 길이를 가진 메탈블럭이며 각각 접지용 홈이 있는 경우와 없는 경우이다.
상기 λ/4전송메탈블럭(7a, 7b)은 내부직경이 φ인 전송선로구간을 가지고 있고, 내부직경 φ는 밀리미터파 대역의 사용주파수, 중심부의 절연체의 유전율 및 중심도체(여기서는 급전선로(6a, 6b))의 직경에 따라 결정된다.
상기 도 4에 의하면, 메탈블럭(7a, 7b)은 MSL기판 접지를 위한 접지용 홈을 가디고 있으며, 이는 길이(L), 폭(t) 및 깊이(g)의 크기를 가진다.
본 발명에 의하면 사용주파수에 대한 MSL의 기판은 신호선과 접지선이 유전체기판 상하부면에 각각 패터닝된 MSL(a) 및 신호선과 접지선이 동일면상에 패터닝된 코플레너선로(CPW)(b)로 구성하여 도 5에 나타내었다. 도 5(a), (b)에 의하면, 사용주파수에 따라 신호선의 폭(G)와 접지선로와의 간격(W) 및 기판(8)의 유전율에 따라 특성임피던스는 달라지며, 여기서는 사용주파수는 35GHz, 기판의 유전율(εr) 2.3의 유전체기판을 사용하였다.
본 발명에 있어서, 상기 도 1과 같이 밀리미터파 대역에서 사용가능한 NRD가이드와 MSL(MicroStrip Line)의 변환기를 구성한 후 도 6과 같이 전송특성을 확인 하였다. 특성임피던스가 50Ω로 설계된 MSL(8)와 급전선로(6a, 6b)사이에 임피던스 정합용 3λ/4길이의 메탈블럭(7a, 7b)을 두고, 급전선로의 길이(x)는 약 6.0mm, 삽입깊이(x)는 약 1.0mm로 하였고, 사용주파수 35GHz에 대해 S11은 약 20dB, S21은 약 2dB정도로 양호한 특성을 나타내었다.
본 발명에서 도 7은 NRD가이드와 MSL의 변환기에 있어서, 제 2실시예를 나타낸 것이다. 도 7에 의하면, NRD가이드선로(13), 모드스프레서(14), 유전체블럭(15), 급전선로(16a, 16b), 일체형 3λ/4전송메탈블럭(17) 및 특성임피던스가 50Ω, 유전율(εr) 2.3의 유전체 기판에 신호선로(19)가 패터닝되고 하부에 접지용 금속막이 있는 MSL로 이루어져 있다.
상기 도 7의 NRD가이드와 MSL의 변환기에 사용되는 메탈블럭(17)을 도 8에 나타내었다. 도 8에 의하면, 임피던스정합용 및 접지용 메탈블럭(17)은 두 종류로 제안하였다. 도 8의 (a)는 3λ/4길이의 메탈블럭을 나타낸 것이고, (b)는 λ/4길이의 메탈블럭을 나타낸 것이다. 특히 MSL의 구조상 접지선로는 기판의 하부에 위치되어 있는 바, 도 8의 (a), (b)에서와 같이 좌 우측 λ/4전송선로메탈블럭은 일체형으로 제안하였다.
상기 도 8에 의하면, 일체형 메탈블럭(17)의 전체길이(M1, M2)는 50Ω MSL의 길이에 따라 달라질 수 있으므로 사용주파수가 35GHz인 경우 20mm로 하였다.
도 9는 상기 도 7에 의한 NRD가이드와 MSL의 변환기의 전송특성을 나타낸 것이다. 사용주파수 35GHz에 대해 S11은 약 15dB, S21은 약 3dB정도로 양호한 특성을 나타내었다.
상기 MSL상(19)에 증폭용 MMIC소자를 장착할 수 있으며, 이를 통해 LNA회로, PA회로용 통신소자를 제작할 수 있다. 이에 대한 저잡음증폭용 및 전력증폭용 HEMT소자를 장착한 NRD가이드용 증폭기의 신호증폭이득에 대한 전송특성을 나타낸 그래프를 도 10과 도 11에 나타내었다.
본 발명에 있어서, 밀리미터파 대역에서 사용가능한 NRD가이드와 MSL(MicroStrip Line)의 변환기는 전력증폭기(HPA) 및 저잡음증폭기(LNA)를 NRD 가이드용 송수신간에 장착하여 신호잡음레벨을 충분히 낮추고 이득을 올릴 수 있는 있는 통신장치를 구성할 수 있다.
또한 상기에서 제안된 임피던스정합용 메탈블럭은 NRD가이드의 급전선로와 MSL 및 MSL 사이를 손실없는 신호전력을 최대한 전송시킬 수 있는 특징이 있다.
따라서 밀리미터파 대역에서 전송손실이 없는 신호전송변환용 NRD가이드선로-스트립선로를 이용하면 무선통신기기에 있어서, 최적의 능동소자 및 수동소자의 삽입이 가능하고, 우수한 LNA, HPA 및 버퍼+HPA를 장착하여 밀리미터파 대역용 무선통신시스템을 구현할 수 있다.

Claims (8)

  1. NRD가이드와 MSL(MicroStrip Line)의 변환기는 사용주파수의 반파장이하 간격의 금속상하도체판(1, 2) 사이에 NRD 가이드유전체선로(3), 모드스프레서(4), 유전체블럭(5), 유전체블럭에 삽입된 급전선로(Feeder)(6a, 6b), 급전선로가 통과하는 3λ/4 또는 λ/4정합용전송메탈블럭(7a, 7b)순으로 배치되고, MSL 또는 코플레너선로(CPW)가 3λ/4 또는 λ/4정합용전송메탈블럭(7a, 7b)을 중심으로 급전선로(6a, 6b)와 임피던스정합을 이루어 구성된 것이 특징인 NRD가이드- 마이크로스트립선로(MSL) 변환기
  2. 제 1항에 있어서, 급전선로(6a, 6b)는 "ㅡ" 형태 및 "L"형태로 구성하고; 이에 따른 급전선로의 삽입깊이(y), 선로길이(x) 및 "L"의 선로길이(h, i)가 달라지는 것이 특징인 NRD가이드- 마이크로스트립선로(MSL) 변환기
  3. 제 1항에 있어서, 상기 급전선로(6a, 6b)가 통과하는 3λ/4 또는 λ/4정합용전송메탈블럭(7a, 7b)은 급전선로(6a, 6b)와 MSL의 신호선과의 임피던스정합을 위해 내부직경이 Φ인 전송선로구간을 두고 있고; 이는 사용주파수 및 전송선로내부에 채워지는 절연체의 유전율에 따라 내부직경(Φ)및 급전선로(6a, 6b)의 직경(δ)이 결정하는 구조가 특징인 3λ/4 또는 λ/4정합용전송메탈블럭
  4. 제 1항에 있어서, 3λ/4 또는 λ/4정합용전송메탈블럭(7a, 7b)은 내부직경이 Φ인 전송선로구간에 유전율인 1인 공기로 채워지고, 이때 사용주파수에 따라 중심도체(6a, 6b)의 직경(δ) 및 전송구간 내부직경(Φ)이 결정되는 것이 특징인 3λ/4 또는 λ/4정합용전송메탈블럭
  5. 제 1항에 있어서, 3λ/4 또는 λ/4정합용전송메탈블럭은 MSL의 접지선로를 부착하기 위한 접지용 홈길이(L), 폭(t) 및 깊이(g)를 가지거나 홈이 없이 MSL의 접지선로와 부착되는 것이 특징인 3λ/4 또는 λ/4정합용전송메탈블럭
  6. NRD가이드와 MSL(MicroStrip Line)의 변환기는 사용주파수의 반파장이하 간격의 금속상하도체판 사이에 NRD 가이드유전체선로(13), 모드스프레서(14), 유전체블럭(15), 유전체블럭에 삽입된 급전선로(Feeder)(16a, 16b), 급전선로(16a, 16b)가 통과하는 3λ/4 또는 λ/4정합용전송메탈블럭(17), MSL가 3λ/4 또는 λ/4정합용전송메탈블럭(17)을 중심으로 급전선로(16a, 16b)와 임피던스정합이 되어 구성된 것이 특징으로 하는 NRD가이드- 마이크로스트립선로(MSL) 변환기
  7. 제 6항에 있어서, 상기 급전선로(16a, 16b)가 통과하는 3λ/4 또는 λ/4정합용전송메탈블럭(17)은 급전선로(16a, 16b)와 MSL의 신호선과의 임피던스정합을 위해 내부직경이 Φ인 전송선로구간을 두고 있고; 이는 사용주파수 및 전송선로내부 에 채워지는 절연체의 유전율에 따라 내부직경(Φ) 및 급전선로(16a, 16b)의 직경(δ)이 달라지고; MSL 기판하부의 접지면을 부착하기 위한 접지용금속블럭이 3λ/4 또는 λ/4정합용전송메탈블럭과 일체화가 된 구조가 특징인 3λ/4 또는 λ/4정합용전송메탈블럭
  8. 제 7항에 있어서, 상기 NRD가이드와 MSL의 변환기는 신호선로상(9, 19)에 MMIC장착부를 두고; 이에 장착되는 소자는 HEMT소자외 MMIC 신호증폭용 소자를 이용할 수 있고; 저잡음증폭기(LNA), 전력증폭기(HPA) 및 버퍼+HPA 회로를 구성하는 것이 특징인 NRD가이드용 증폭기
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