KR100714451B1 - 유전체 도파관 대 표준 도파관 천이구조 - Google Patents

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Abstract

1, 청구범위에 기재된 발명이 속하는 기술분야
본 발명은 유전체 도파관과 표준 도파관을 접속시키기 위한 천이구조(transition)에 관한 것임.
2, 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제
유전체 도파관과 표준 도파관을 접속하는 구조에 있어서 유전체 도파관과 표준 도파관 사이에 공동(캐비티: cavity)을 형성해 서로의 정합을 손쉽게 하는 천이 구조를 제공하고자 함.
3, 발명의 해결방법의 요지
유전체 도파관과 표준 도파관은 직교하는 방향으로 위치하며 그 사이에 정합을 위한 공동(캐비티)을 가지는 것을 특징으로 함.
4, 발명의 중요한 용도
밀리터리파 시스템 등에서 유전체 도파관과 표준 도파관을 접속시키기 위해 사용됨.
유전체 도파관, 천이구조, 밀리터리파

Description

유전체 도파관 대 표준 도파관 천이구조{Transit structure of standard waveguide and dielectric waveguide}
도 1 은 본 발명의 일실시예에 따른 유전체 도파관 대 표준 도파관의 천이구조 개념도.
도 2 는 도 1의 평면도와 단면도.
도 3 은 본 발명의 일실시예에 따른 천이구조의 3차원 분해 사시도.
도 4 는 도 3의 천이구조의 단면도.
도 5 는 유전체 도파관 대 표준 도파관 천이구조의 성능 그래프.
*도면의 주요한 부분에 대한 부호의 설명*
10: 유전체 도파관 20: 공동(캐비티)
30: 표준 도파관
본 발명은 유전체 도파관 대 표준 도파관 천이 구조에 관한 것으로, 유전체 도파관과 표준 도파관을 접속할 때 간단한 구조로 정합(임피던스 매칭)을 이루기 위한 것이다.
지식 정보화시대에 무선통신 시스템은 음성과 문자 위주의 2세대, 화상정보 전송 IMT2000의 3세대 이동통신에서 100 Mbps 이상의 전송속도를 갖는 4세대 시스템으로 발전할 것으로 예상된다. 이러한 광대역 4세대 시스템에서는 이미 포화상태의 기존 주파수 대역이 아닌 새로운 주파수의 발굴이 필요하며, 이러한 광대역, 고속 통신을 가능하게 할 수 있는 주파수로써 밀리미터파 대역의 응용은 중요하다고 할 수 있다.
하지만, 밀리미터파 대역의 통신 시스템은 개별 소자로 구성되어서 크고, 고가이기 때문에 이 대역이 범용화 되는데 있어서 단점으로 작용했다. 이런 단점을 극복하고 RF 부품용으로 사용하기 위하여 다층기판 기술을 이용하여 밀리미터파 대역용 통신 시스템의 소형화, 저가격화와 저손실의 소자 및 패키징 기술에 대한 많은 연구가 진행되었다.
특히, 저온 동시소성 세라믹(LTCC:Low Temperature Cofired Ceramics)을 이용한 SiP(System in a Package)기술의 경우 26 GHz 대역의 점대다점통신용 송수신기, 60 GHz 및 72 GHz 대역의 단거리 무선통신용 통신 시스템 등 다양한 형태로 제안되었다.
이런 밀리미터파 시스템에서는 송신기 또는 수신기가 안테나와 연결되기 위해 다양한 형태의 천이 구조들을 사용한다.
종래의 천이 구조는 단층기판 기술을 이용하는 것으로 마이크로스트립 선로 또는 스트립 선로와 도파관의 천이 구조가 대부분이다. 그리고 기구물의 가공을 통해 후면 공동(캐비티) 형태를 필요로 하는 것이 일반적이다.
그리고 최근 들어 적층 공정을 이용한 천이 구조가 등장하였는데, 이것은 유전체도파관 대 도파관의 천이로 유전체 공동(캐비티)과 최하위면의 어퍼쳐를 사용한 구조이다. 이러한 종래기술에 의하면 복잡한 정합 구조와 유전체 공진기 및 어퍼쳐의 많은 변수들로 인해 최적을 성능을 갖는 구조를 구현하기 어려운 단점이 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 유전체 도파관과 표준 도파관을 직교하는 방향으로 위치시키고, 유전체 도파관과 표준 도파관 사이에는 정합을 위한 공동(캐비티)을 갖는 간단한 구조로써 정합을 이루게 한다. 따라서 그 크기를 줄이고 설계시간을 단축하는 천이구조를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 유전체 도파관 내부에 튜닝봉을 삽입 그 삽입하는 정도의 변화를 가능하게 하여 유전체 도파관의 임피던스 특성을 가변시킬 수 있도록 함으로써, 실제 제작상에 발생할 수 있는 주파수 및 정합 오차를 손쉽게 보상하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 크게 유전체 도파관, 공동(캐비티), 표준 도파관의 3가지로 구성되며, 유전체 도파관과 표준 도파관 사이에 공동(캐비티)이 위치하는 천이구조로 되어있다.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다.
하기 각 도면의 구성요소들에 참조 번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 유전체 도파관과 표준 도파관의 천이구조에 대한 개념도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 전체 천이구조는 크게 유전체 도파관(10), 공동(캐비티)(20) 및 표준 도파관(30)의 3가지로 구성된다. 유전체 도파관(10)과 표준 도파관(30)의 크기는 대부분 전체 시스템의 주파수 및 송수신기 구조 등에 의해 결정되며 이들 사이에 위치하는 공동(캐비티)(20)의 넓이 및 높이가 천이 구조의 성능을 결정하는 중요한 요소가 된다.
도 2의 (a) 및 도 2의(b)는 각각 상기 도 1의 평면도 및 단면도이다.
도 2의 (a)에 도시된 표준 도파관(30)의 크기 wg_a와 wg_b는 시스템의 사용주파수에 의해 미리 결정되는 변수이다. 예를 들어 WR-22 표준 사각 도파관의 경우 wg_a x wg_b = 5.8mm x 2.9mm이다.
또한, 내부가 공기로 채워진 표준 도파관을 바탕으로 유전체 도파관을 설계하기 위해서는 다음의 수학식 1에서 보듯이 유전율이 변함에 따라 공기 중에서 설계된 도파관의 전체 크기를 x,y,z 축 모두에서
Figure 112006027165427-pat00001
의 비율로 일정하게 축소되어야 한다.
Figure 112006027165427-pat00002
상기 수학식에서
Figure 112006027165427-pat00003
,
Figure 112006027165427-pat00004
이고
Figure 112006027165427-pat00005
는 도파관 파장,
Figure 112006027165427-pat00006
는 전파장수,
Figure 112006027165427-pat00007
는 물질의 파수,
Figure 112006027165427-pat00008
는 차단파수이다.(a, b는 가로 세로축의 길이)
밀리미터파 정도의 고주파에서는 k>>kc 인 관계가 있으므로 간략화를 통해
Figure 112006027165427-pat00009
는
Figure 112006027165427-pat00010
에 반비례함을 알 수 있다. 또한 도파관 필터가 보통은 TE10 모드를 이용하는 특성상 z축, 즉 높이는 약간의 손실증가 이외에 성능에는 거의 영향이 없다.
즉, 유전율 7.1인 기판을 사용하는 경우, WR-22 표준 도파관의 크기는 5.8mm x 2.9mm 인데 반해 유전체 도파관의 크기는
Figure 112006027165427-pat00011
=2.18mm x
Figure 112006027165427-pat00012
=1.09mm로 변하게 된다.
도 2의 (a)에서 공동(캐비티)(20)의 중심에서부터 유전체 도파관(10)의 끝까지의 길이 di_l은 천이 주파수를 결정하는 중요한 변수이며, 공동(캐비티)(20)의 크기 cav_a와 cav_b는 유전체 도파관(10)과 표준 도파관(30)을 정합시키는 역할을 하며 이에 의해 전체적인 성능이 대부분 결정된다.
도 2의 (b)에는 유전체 도파관(10)의 높이 di_h와 공동(캐비티)(20)의 높이 cav_h가 도시되어 있다. 여기서 유전체 도파관(10)의 높이는 앞서 언급한 것처럼 도파관으로 동작할 때의 성능에는 그리 큰 영향이 없으나 천이구조를 설계할 때는 주파수의 조절 및 정합의 조절을 위한 중요한 변수가 된다. 그리고 공동(캐비티)(20)의 높이(cav_h)는 공동(캐비티)(20)의 넓이(cav_a, cav_b)와 더불어 정합을 위한 중요한 변수이다.
따라서, 본 발명에 따른 도파관 천이구조는 유전체 도파관(10)의 높이(di_h) 및 길이(di_l), 공동(캐비티)(20)의 넓이(cav_a, cav_b) 및 높이(cav_h)에 따라 그 성능이 결정되는데, 이 중에서 유전체 도파관(10)의 높이 및 공동(캐비티)(20)의 높이는 다층 기판의 미리 결정된 높이에 의존하기 때문에(물론 여러 장을 겹치게 하여 높이를 조절하는 것은 가능하지만 연속적인 변화는 힘들다.) 결국 유전체 도파관(10)의 길이 및 공동(캐비티)(20)에 따라 본 발명에 따른 도파관 천이구조의 성능이 결정되는 것이다.
도 3 은 본 발명의 일실시예에 따른 천이구조의 3차원 분해 사시도이다.
도 3 은 유전체 도파관(16)을 형성하는 유전체 기판(12)이 제 1 접지면(11)과 제 2 접지면(13)을 가지며 양 접지면이 비아(14)를 통해 연결되는 구조를 보인 다. 비아(14)는 유전체 도파관(16) 벽을 형성하기 위해 한 줄 이상을 사용할 수 있으며 일반적으로 도면에 도시된 바와 같이 두 줄을 엇갈린 형태로 위치시키면 신호의 유출을 막을 수 있기 때문에 유전체 도파관(16)의 성능이 더욱 우수해진다. 그리고 제 2 접지면(13)에서 공동(캐비티)(25)과 접하는 면은 패턴이 제거된다.(참조부호 15참조)
공동(캐비티)(25)은 유전체 기판(21)의 일부가 제거되어 형성되며 상 하위에 제 2 접지면(13)과 제 3 접지면(22)이 비아(23)를 통해 연결되는데, 완전한 공동(캐비티)(25)을 형성하기 위해 공동(캐비티)(25) 벽면에 최대한 가깝게 비아(23)가 위치한다. 비아(23) 역시 유전체 도파관의 경우와 같이 한 줄 이상을 사용할 수 있다. 제 2 접지면(13)과 마찬가지로 제 3 접지면(22)도 공동(캐비티)(25)과 접하는 부분은 패턴이 제거된다.(참조부호 24참조)
표준 도파관(31)은 공동(캐비티)(25) 밑에 위치한다. 여기서 표준 도파관(31)은 일반적으로 메탈로 이루어지나 일반 유전체의 표면에 금속성분을 씌움으로써 같은 효과를 나타낼 수 있는등 메탈에 한정되는 것은 아니다.
도 4는 도 3의 천이구조 단면도로 튜닝봉을 가지는 구조를 나타낸 도면으로서, 실제 회로 기판상에 본 발명 천이구조를 적용한 단면도이다. 도면에 도시된 바와 같이 전체 모듈의 최상위 접지면(1), 회로기판(2)과 상기 모듈 내부에 위치한 유전체 도파관(16)을 위한 제 1(11) 및 제 2 접지면(13)이 다층기판 내부에 형성된다. 이 접지면(11,13) 사이에는 다수의 층을 형성할 수 있으며 이 경우 접지면을 연결하기 위한 비아(14)가 각 층마다 형성되며 비아(14)를 연결하기 위한 패 턴(17,18)이 형성된다. 그리고 최상위 접지면(1)으로부터 유전체 도파관(16)까지 튜닝봉(51)을 삽입할 수 있는 홀(50)이 형성되어 있다. 그리고 유전체 도파관(16) 하단에 공동(캐비티)(25)을 구성하기 위한 제 2(13) 및 제 3 접지면(22)이 형성되며 두 접지면 사이에도 유전체 도파관(16)의 경우와 마찬가지로 다수의 층을 형성할 수 있으며 이를 연결하기 위해 캐비티(25)의 벽면을 따라 비아(23)가 형성된다.
마지막으로 표준 도파관(31)이 위치하며 외부 필터 및 안테나 등 외부 도파관 인터페이스를 가지는 소자와 연결되는 표준 도파관(31)이 형성되어 있다.
도 5 는 유전체 도파관 대 표준 도파관 천이구조의 성능 그래프이다.
도 5의 (a)는 본 발명의 일실시예에 따른 천이구조의 시뮬레이션 결과이며, 도 5의 (b)는 본 발명의 일실시에에 따른 천이구조에 튜닝봉을 삽입하고 튜닝봉을 상하로 조절하면서 시뮬레이션한 결과이다.
도 5로부터 알 수 있는 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따르면, 튜닝봉의 위치를 조절함에 따라 임피던스의 변화가 생겨 주파수의 및 정합을 가변시킬 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명은, 유전체 기판상에 유전체 도파관, 공동(캐비티), 표준 도파관만을 이용해 천이 구조를 간단히 구현함으로써 설계 시간을 크게 줄일 수 있으며 메탈 도파관의 크기 안에서 모든 설계가 완료되므로 기존의 천이구조와 비교하여 크기를 크게 줄이는 효과가 있다.
또한 유전체 도파관에 홀을 파고 튜닝봉을 삽입할 수 있도록 함으로써 튜닝봉을 상하로 조정하여 제작시에 발생할 수도 있는 주파수 이동 및 정합 오차를 보상할 수 있다.

Claims (10)

  1. 유전체 도파관과 표준 도파관을 접속하는 구조에 있어서,
    유전체 도파관과 표준 도파관은 직교하는 방향으로 위치하고,
    유전체 도파관과 표준 도파관 사이에 정합을 위한 공동(캐비티)을 가지는 것을 특징으로 하는 유전체 도파관 대 표준 도파관 천이구조.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 유전체 도파관은,
    상위에 존재하는 제 1 접지면;
    하위에 존재하며 공동(캐비티)과 접속되는 부분은 패턴이 제거된 제 2 접지면;
    제 1 및 제 2 접지면 사이에 위치해 도파관을 형성하는 유전체 기판; 및
    도파관의 벽을 이루며 제 1 및 제 2 접지면을 연결하는 하나 이상의 열로 나열된 비아;
    로 이루어진 것을 특징으로 하는 유전체 도파관 대 표준 도파관 천이구조.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 비아가 2 이상의 열로 나열된 경우,
    앞 및 뒤 열의 비아는 서로 엇갈리게 위치하는 것을 특징으로 하는 유전체 도파관 대 표준 도파관 천이구조.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 유전체 도파관은 여러 겹의 유전체 기판으로 이루어진 것을 특징으로 하며,
    이때 위 아래의 비아는 패턴으로 연결된 것을 특징으로 하는 유전체 도파관 대 표준 도파관 천이구조.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 공동(캐비티)은,
    공동(캐비티) 부분의 패턴이 제거된 상위의 제 2 접지면, 공동 부분의 패턴이 제거된 하위의 제 3 접지면 사이에 있는 유전체 기판의 일부가 제거되어 공동(캐비티)을 형성하며 공동 벽은 제 2 및 제 3 접지면을 연결하는 하나 이상의 열로 나열된 비아로 된 것을 특징으로 하는 유전체 도파관 대 표준 도파관 천이구조.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 비아가 2 이상의 열로 나열된 경우,
    앞 및 뒤 열의 비아는 서로 엇갈리게 위치하는 것을 특징으로 하는 유전체 도파관 대 표준 도파관 천이구조.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 공동(캐비티)은 여러겹의 유전체 기판의 일부가 제거되어 형성된 것을 특징으로 하며,
    이때 위 아래의 비아는 패턴으로 연결된 것을 특징으로 하는 유전체 도파관 대 표준 도파관 천이구조.
  8. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유전체 도파관은 튜닝봉의 삽입이 가능하고 삽입되는 정도를 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 유전체 도파관 대 표준 도파관 천이구조.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 튜닝봉의 삽입은 유전체 도파관 상에서 공동(케비티) 접속부로 향하는 홀이 있어 이 홀에 튜닝봉을 삽입할 수 있는 것을 특징으로 하는 유전체 도파관 대 표준 도파관 천이구조.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 천이구조는, 유전체 도파관 상위에 유전체 기판 및 최상위 접지면을 더 포함하며, 상기 튜닝봉 삽입을 위한 홀이 최상위 접지면과 유전체 기판에도 있는 것을 특징으로 하는 유전체 도파관 대 표준 도파관 천이구조.
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