KR100541078B1 - 임피던스 조절이 용이한 스트립라인 - Google Patents

Abstract

본 발명은 사이즈 증가없이 간단하게 특성 임피던스를 증가시켜 회로에서 요구하는 임피던스 특성을 만족시킬 수 있는 임피던스 조절이 용이한 스트립라인을 제공하기 위한 것이다.

상기 본 발명에 의한 스트립라인은 ε_r의 유전율을 갖는 물질로 형성된 두께 B의 유전체와, 상기 유전체의 내부에 형성되는 소정 파장에 대한 λ/4 길이를 갖는 신호선 패턴과, 상기 유전체의 상부면에 형성된 제1 그라운드 패턴과, 상기 유전체의 하부면에 형성된 제2 그라운드 패턴과, 상기 유전체의 상부면 또는 하부면상에 있어서 상기 신호선 패턴과 대향하는 위치에 상기 제1그라운드 패턴 또는 제2그라운드 패턴의 일부를 제거하여 형성된 그라운드 제거영역으로 이루어져, 상기 그라운드 제거영역의 면적만을 조절함으로써 손쉽게 스트립라인의 특성임피던스를 조절할 수 있는 것이다.

스트립라인, 안테나스위치, LTCC, 적층, 유전체, 그라운드 패턴

Description

임피던스 조절이 용이한 스트립라인{STRIP-LINE FOR INCREASING IMPEADANCE WITHOUT THICKNESS INCREASING}

도 1은 일반적인 안테나 스위치의 기본 회로를 도시한 회로구성도이다.

도 2는 안테나 스위치의 적층 구조를 보인 분해사시도이다.

도 3은 종래의 λ/4 스트립라인의 구조를 도시한 사시도이다.

도 4는 본 발명에 의한 λ/4 스트립라인의 구조를 나타낸 사시도이다.

도 5의 (a)는 본 발명에 의한 λ/4 스트립라인의 측단면도이고, 도 5의 (b)는 본 발명에 의한 λ/4 스트립라인의 상면도이다.

도 6은 본 발명에 의한 λ/4 스트립라인를 등가적으로 나타낸 도면이다.

도 7은 본 발명에 의한 λ/4 스트립라인에 있어서, 전체 길이 대비 그라운드 제거영역의 길이와 특성임피던스의 변화관계를 보인 그래프이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

40 : 스트립라인

41 : 유전체

42 : 신호선 패턴

43,44 : 제1,2 그라운드 패턴

45 : 그라운드 제거영역

본 발명은 전기회로에서 전송라인으로 이용되는 λ/4 스트립라인에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 사이즈 증가없이 간단하게 특성 임피던스를 증가시킬 수 있어 회로에서 요구하는 임피던스 특성을 만족시킬 수 있는 임피던스 조절이 용이한 스트립라인에 관한 것이다.

전송선로(transmission line)는 도체로 구성되며 도체 자신 및 상호 간에 분포하고 있는 전기적 매개 변수(단위 길이당의 저항, 인덕턴스, 컨덕턴스, 커패시턴스)에 의한 파동의 전파(傳播) 작용을 이용하는 도체계로서, 전기회로에 자주 사용되며, 특성 임피던스와 전파 정수로 그 특성이 표현된다.

그리고, 대표적인 전송선로로서 경동선(硬銅線)이나 철선을 애자(碍子)를 사용해서 공중에 가설한 나선(裸線), 두 줄의 동선을 쌍으로 하여 복수의 쌍 전체를 납 또는 플라스틱으로 피복한 평형쌍(平衡雙) 케이블, 외부도체와 동축(同軸)으로 이루어진 내부도체로 된 동축케이블, 구리로 된 관으로서 내부를 전파가 진행하는 도파관(導波管) 등이 있으며, 전기회로상에서는 기판 상에 신호선을 인쇄하여 이루어진 마이크로스트립(microstrip)이 있으며, 적층형 소자에서는 신호선의 위아래에 그라운드층을 형성한 구조의 스트립라인(Stripline)이 있다.

상기 중에서, 마이크로스트립은 신호선의 아래쪽에만 그라운드를 깔았기 때문에, 완전한 TEM 모드로 전송되지 못하고 공기중으로 신호가 fringing(휘면서 누설)되어 불필요한 커플링 문제와 손실문제가 발생한다. 스트립라인은 신호선의 위 아래에 똑같이 그라운드 판이 있기 때문에, 수직으로 정확히 필드가 위아래에 분포하여 fringing field가 최소화됨과 동시에 거의 완벽한 TEM 모드로 전송이 가능해진다. 또한, 스트립라인은 신호선의 위아래에 그라운드 판이 있기 때문에 그 자체로 외부와 차단되는 차폐가 이루어진다는 점이 큰 장점이 된다.

따라서, 스트립라인은 완전한 TEM 모드를 구현하고 싶거나, 마이크로스트립보다 대전력의 신호를 다루고 싶을 때 많이 사용된다.

보통, 용어의 편의성 문제로 마이크로스트립을 그냥 스트립 또는 스트립라인으로 표현하는 경우도 있지만, 이하의 스트립라인은 신호선의 위아래에 그라운드판이 형성된 구조를 뜻한다.

도 1은 전송선로를 이용하여 구축된 전기회로의 일예로서, 안테나를 송신회 로와 수신회로에 선택적으로 연결하는 안테나 스위치를 도시한 것으로서, 상기 안테나 스위치에서 전송선로(L)는 수신신호의 파장(λ)에 대하여 λ/4 길이를 갖는 것으로서, 안테나단(ANT)과 수신단(RX)을 연결하여, 안테나단(ANT)으로 입력된 수신신호는 수신단(RX)으로 전달하면서 송신신호(TX)의 수신단(RX)으로의 전달을 저지하는 기능을 수행한다.

그리고, 이러한 안테나 스위치는 소형화, 경량화 추세에 따라서 요즘에는 도 2와 같은 적층구조로 형성된다.

상기 도 2의 적층구조도에 있어서, 전송선(L)에 해당하는 부분은 스트립라인(20)으로서, 상기 스트립라인(20)은 λ/4 길이의 신호선(22a)과, 상기 신호선(22a)이 인쇄된 유전층(22)과, 상기 신호선(22a)의 위아래에 형성된 그라운드패턴(21,23)으로 이루어진다. 여기서, 상기 안테나스위치의 스트립라인(20)은 동작 주파수에서 90°의 전기적 길이와, 50Ω의 특성임피던스를 갖도록 요구된다.

도 3은 상기 스트립라인(20)만을 확대하여 나타낸 사시도로서, 신호선(22a)의 폭을 W, 길이를 L이라 하고, 제1,2그라운드 패턴(21,23) 간의 거리, 즉, 유전체(22)의 두께를 B라고 하고, 유전율을 ε_r이라할 때, 스트립라인의 특성임피던스 Z₀는 다음의 수학식 1과 같이 나타난다.

상기 수학식 1에서,

이다.

즉, 스트립라인(20)의 특성임피던스는 유전체(22)의 유전율 ε_r과, 신호선(22a)의 폭 W에 반비례하고, 유전체(22)의 두께 B에 비례한다.

따라서, 스트립라인(20)의 특성임피던스를 증가시키기 위해서는, 유전체(22)의 층 두께를 증가시키거나, 신호선(22a)의 선폭을 감소시키거나, 유전체(22)의 유전율을 감소시켜야 한다.

그런데, 상기 도 2에 도시된 바와 같은 적층형 회로기판으로 구현된 소자의 경우, 적층순서에 따른 패턴이 인쇄된 다수의 시트를 적층하여 된 기판위에 부품들, 예를 들어, 다이오드, 쏘필터, MLCC등을 탑재하고 케이스를 장착하여 완성된다.

그리고, 최근의 소형화 및 경량화추세에 따라서 부품의 전체 크기는 감소되는 추세에 있으며, 예를 들어, 상기와 같은 안테나스위치를 포함하여 안테나단에 연결되는 프런트엔드모듈의 경우, 최종 조립품의 전체 두꼐는 통상 2.0mm이내가 되어야 한다. 따라서, 상기 적층형 기판에 장착되는 부품의 크기를 고려할 때, 상기 적층형 기판만의 두께는 0.85mm 이내가 되어야 한다. 그리고, 이렇게 제한된 두께내에서 인덕터나 캐패시터등 다른 패턴등의 수 및 층간 간격을 종합적으로 고려하여 상기 스트립라인(20)의 두께 B가 결정된다. 상기와 같은 기판전체의 두께 제한으로 인하여 스트립라인(20)의 유전층 두께 B를 증가시키는데는 한계가 있다.

그리고, 스트립라인(20)의 신호선(22a)의 선폭의 경우, 선폭을 0.1mm이하로 줄일 경우 선로가 끊어지거나 선폭이 일정하게 유지되지 못하는 등의 불량이 발생하기 때문에, 선폭을 감소시키는데도 한계가 있다.

또한, 유전층(22)의 유전율 변화는 설계 및 공정 상의 문제로서, 스트립라인이 포함된 전체 적층형 기판의 유전율을 감소시키면서 동일 용량의 캐패시터를 구하기 위해서는 유전율이 큰 경우보다 더 넓은 전극면적을 요구하기 때문에, 유전율 감소는 소형화를 불가능하게 한다. 그리고, 측정임피던스의 증가를 위하여 스트립라인(20)의 유전층(22)만 유전율이 작은 유전체를 사용한다면, 다른 층간의 수축율 차이로 인하여 기판 자체에 휨이 발생하기 때문에, 유전율을 변화시키기는 어렵다.

따라서, 안테나스위칭 소자의 경우, 통상적으로 기판의 유전율 ε_r은 7이며, 스트립라인의 층두께 B는 약 0.24mm이며, 신호선(22a)의 선폭은 0.1mm 이상이 되며, 이러한 조건에 의하면 스트립라인의 특성임피던스는 최대 30~35Ω정도가 되는데, 이는 요구되는 값인 50Ω보다 적다. 그리고, 이러한 스트립라인의 특성임피던스의 감소는 제품의 특성 저하를 초래한다.

이러한 문제는 부품이 더욱 경박화, 복합화, 다기능화되어 감에 따라서 더욱 심화될 것이다.

본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 그 목적은 사이즈 증가없이 간단하게 특성 임피던스를 증가시킬 수 있어 회로에서 요구하는 임피던스 특성을 만족시킬 수 있는 임피던스 조절이 용이한 스트립라인을 제공하는 것이다.

본 발명은 상술한 목적을 달성하기 위한 구성수단으로서, ε_r의 유전율로 B의 두께로 이루어진 유전층; 상기 유전층의 내부에 형성되는 소정 파장에 대한 λ/4 길이를 갖는 신호선; 상기 유전층의 상부면에 형성된 제1 그라운드 패턴; 상기 유전층의 하부면에 형성된 제2 그라운드 패턴; 상기 유전층의 상부면 또는 하부면상에 있어서 상기 신호선 패턴이 대향하는 위치에 상기 제1그라운드 패턴 또는 제2그라운드 패턴의 일부를 제거하여 형성된 그라운드 제거영역으로 이루어지고, 상기 신호선 패턴의 전체 길이 대비 상기 그라운드 제거영역에 대향하는 부분의 패턴길이의 비율이 1/2 이하가 되도록 상기 그라운드 제거 영역의 면적을 조절함으로써 특성 임피던스를 조절하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 본 발명에 의한 스트립라인은 신호선 패턴의 전체 길이 대비 상기 그라운드 제거영역에 대향하는 부분의 신호선 길이의 비를 조절함으로서 특성임피던스를 증가시킬 수 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 스트립라인의 구성 및 작용을 설명한다.

도 4는 본 발명에 의한 스트립라인의 구조를 보인 사시도로서, 스트립라인(40)은 유전율 ε_r의 물질로 이루어진 두께 B의 유전체(41)와, 상기 유전체(41)의 내부에 형성되며 동작신호의 파장에 대해 λ/4 길이를 갖는 신호선 패턴(42)과, 상기 신호선패턴(42)과 평행한 유전체(41)의 상부면에 형성된 제1 그라운드 패턴(43)과, 상기 유전체(41)의 하부면에 상기 제1그라운드패턴(43)과 마주보도록 형성된 제2 그라운드 패턴(44)과, 상기 제1그라운드패턴(43)의 상기 신호선 패턴(42)과 대향하는 위치의 전극을 소정 면적 제거하여 된 그라운드 제거영역(45) 으로 이루어진다.

도 5의 (a)는 상기 도 4에 보인 스트립라인의 A-A' 측단면도로서, 제1그라운드 패턴(43)과 제2그라운드패턴(44)의 사이에 신호선 패턴(42)이 위치하고, 상기 신호선 패턴(42)의 수직방향 위치의 제1그라운드 패턴(43) 상에 그라운드 제거영역(45)이 위치한다.

상기 그라운드 제거영역(45)은 도 5의 (b)의 스트립라인 상면 투사도에서 도시된 바와 같이, 길이 L을 갖는 신호선패턴(42)의 일부분과 대향하게 된다.

상기와 같은 구조의 스트립라인의 특성임피던스를 살펴보자.

앞서 수학식 1에서 설명한 바와 같이, 스트립라인의 특성임피던스는 상하의 그라운드 패턴간의 거리 B에 비례하고, 신호선폭 W과 유전율 ε_r에 반비례한다.

그런데, 상기 신호선패턴(42)의 경우, 신호선폭 W과 유전율 ε_r의 조건은 일정하지만, 그라운드제거영역(45)으로 인하여, 거리 B의 값이 변화하게 된다.

그라운드제거영역(45)에서 수직방향으로 위치한 신호선패턴(42)의 패턴부분 에서는 그라운드 패턴이 제거되어 차폐되지 않기 때문에, 상기 부분의 신호패턴영역에서는 거리 B가 커지게 된다. 예를 들어, 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이, 본 발명과 같은 구조의 스트립라인(40)의 제1그라운드 패턴(43) 상부에 두께 T의 유전층이 위치한다면, 상기 그라운드 제거영역(45) 부분에서 신호선패턴(42)은 "B+T"의 거리를 갖게 된다. 이때, 신호선패턴(42)의 나머지 부분은 거리 "B"의 조건을 갖는다. 따라서, 상기 그라운드 제거영역(45) 부분과 대향하는 신호선 패턴(42) 부분의 특성임피던스는 다른 신호선 패턴(42) 부분의 특성임피던스에 비하여 커지게 된다.

결과적으로, 상기 도 4에 보인 스트립라인(40)은 도 6에 보인 바와 같이 단계적인 특성임피던스를 나타내는 라인이 된다.

그리고, 그라운드 제거영역(45)와 대향하는 부분의 특성임피던스를 Z₀₂ 라 하고, 나머지 부분의 특성임피던스를 Z₀₁이라 할 때, 특성임피던스 Z₀₂는 특성임피던스 Z₀₁보다 크다. 그리고, 상기 스트립라인(40)의 총 특성임피던스 Z₀는

이 되어, 특성임피던스 Z₀₁보다 크고, 특성임피던스 Z₀₂ 보다 작게 된다.

이 결과로부터, 그라운드 제거영역(45)에 대향하는 신호선 패턴의 면적을 증 가시킴으로써 스트립라인의 전체 특성임피던스를 증가시키는 것이 가능하다는 것을 알 수 있다.

다음으로, 본 발명에 따른 구조의 스트립라인에 있어서, 실험예를 참고하여 상기 그라운드 제거영역(45)의 면적과 스트립라인(40)의 특성임피던스와의 관계를 설명한다.

상기 도 5의 (b)에 보인 도면에 있어서, 상기 그라운드 제거영역(45)의 폭을 W_S라고 하고, 길이를 L_S라고 한다.

본 실험에 있어서, 제1,2그라운드패턴(43,44)간의 거리 B와, 유전체(41)의 유전율 ε_r과, 신호선 패턴(42)의 선폭 W를 고정한 상태에서, 상기 그라운드 제거영역(45)의 면적 S를 변화시키면서 특성임피던스의 변화를 살펴보았다. 이때, 그라운드 제거영역(45)의 면적 S의 변화는 신호선 패턴(42)의 선폭과 평행한 폭 W_s은 일정하게 두고, 신호선패턴(42)의 길이방향과 동일한 방향의 길이 L_S를 변화시킴으로써 이루어진다.

본 실험에서 사용된 스트립라인의 각 부분의 치수는 다음의 표 1과 같다.

B	T	W	L	WS	S
0.24mm	0.5mm	0.1mm	28mm	0.2mm	Ws ×LS

상기와 표 1과 같은 조건을 갖은 본 발명의 스트립라인에서 그라운드 제거영역의 길이 L_S를 변화시키면서, 특성임피던스를 측정한 바, 다음의 표 2와 같은 결과가 측정되었다.

LS[mm]	0	1.42	4.26	7.1	9.94	12.78	15.62	18.46
S [mm2]	0	0.28	0.84	1.4	1.96	2.52	3.08	3.64
LS/L	0	0.05 (=1/20)	0.15 (=3/20)	0.25 (=5/20)	0.35 (=7/20)	0.45 (=9/20)	0.55 (=11/20)	0.65 (=13/20)_
특성임피던스[Ω]	35.3	36.5	37	39.8	42.8	43.8	44.0	44.5

상기 표 2에 나타낸 측정결과로부터, 그라운드 제거영역(45)의 길이 L_S가 증가할수록, 즉, 그라운드 제거영역(45)과 대향하는 신호선패턴(42)의 면적이 증가할수록, 스트립라인(40)의 특성임피던스가 증가함을 알 수 있다.

이때, 신호선패턴(42)의 전체 길이 L에 대한 그라운드 제거영역(45)의 길이 L_S, 즉, L_s/L은임피던스 0.5 이하로 한다.

왜냐하면, 상기 표 2에 보인 결과에도 나타나는 바와 같이, L_s/L가 0.5에 근접하는 지점에서부터는 임피던스 증가가 한계에 다다르기 시작하여, 상기 그라운드 제거영역(45)에 의한 신호선패턴(42)과 다른 패턴들간의 간섭을 고려해볼때, 임피던스 증가효과 보다는 간섭에 의한 영향이 더 커질 수 있기 때문이다.

도 7은 상술한 측정한 결과를 그래프로 나타낸 것으로서, 상기 그래프를 볼때 그라운드 제거영역(45)의 면적에 비례하여 특성임피던스가 증가하는 것으로 쉽게 알 수 있다.

따라서, 그라운드 제거영역(45)의 면적을 증가시켜, 신호선 패턴(42)의 전체 길이에 있어서, 그라운드 제거영역(45)과 마주보는 부분의 면적을 더 증가시킴으로써, 앞서 설명한 안테나 스위치 회로에서 요구되는 50Ω의 특성임피던스를 사이즈증가없이 충족시킬 수도 있게 된다.

통상적으로 ASM(Antenna Switching Module)이나 FEM(Front End Module)등과 같이 λ/4 스트립라인이 삽입되는 회로를 적층 회로로 구현하는 통상의 경우, 회로의 각 부분별 구현 소자의 개수에 대한 점유 높이의 비는 λ/4 스트립라인이 가장 높은데 반해, 부품의 경량화, 소형화 추세에 따라 적층 기판의 전체 높이에 제약이 따르기 때문에, 필요 소자를 모두 기판의 내부에 패턴으로 구현하는 경우, 라인의 특성 임피던스를 충분하게 구현하기 곤란하였다.

이 경우, 상술한 바와 같이, 신호선 패턴의 상하로 배치되는 그라운드 패턴 의 일부를 적절히 제거함으로써 다른 부분의 설계 변경없이 스트립라인의 특성 임피던스를 증가시켜 원하는 특성임피던스를 쉽게 구현할 수 있게 된다.

더하여, 이를 역으로 이용하면, 동일한 특성임피던스의 스트립라인을 더 얇은 두께로 구현하는 것이 가능해진다. 결국, 적층 기판의 전체 두께를 감소시키거나, 동일한 두께의 적층기판내에 더 많은 패턴을 구현할 수 있게 되어, 설계자유도 및 집적도를 향상시킬 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 스트립라인의 그라운드 패턴을 일부 제거함으로써 특성임피던스를 조절할 수 있는 것으로서, 그 결과 사이즈 증가없이 특성임피던스를 원하는 값으로 증가시키거나, 동일한 특성임피던스의 스트립라인을 보다 적은 높이로 구현할 수 있게 되어, λ/4 스트립라인을 포함하는 적층형 소자의 설계자유도 및 집적도를 향상시키는 우수한 효과가 있는 것이다.

Claims (3)

1. ε_r의 유전율을 갖는 물질로 형성된 두께 B의 유전체;

   상기 유전체의 내부에 형성되며 소정 파장에 대한 λ/4 길이를 갖는 신호선 패턴;

   상기 유전체의 상부면에 형성된 제1 그라운드 패턴;

   상기 유전체의 하부면에 형성된 제2 그라운드 패턴; 및

   상기 유전체의 상부면 또는 하부면상에 있어서 상기 신호선 패턴과 대향하는 위치에 상기 제1그라운드 패턴 또는 제2그라운드 패턴의 일부를 제거하여 형성된 그라운드 제거영역으로 이루어지고,

   상기 신호선 패턴의 전체 길이 대비 상기 그라운드 제거영역에 대향하는 부분의 패턴길이의 비율이 1/2 이하가 되도록 상기 그라운드 제거 영역의 면적을 조절함으로써 특성 임피던스를 조절하는 것을 특징으로 하는 임피던스 조절이 용이한 λ/4 스트립라인.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 신호선 패턴의 전체 길이 대비 상기 그라운드 제거영역에 대향하는 부분의 패턴길이의 비율이 조절되도록 상기 그라운드 제거영역의 면적을 조절함으로써 특성임피던스를 증가시키는 것을 특징으로 하는 임피던스 조절이 용이한 λ/4 스트립라인.
3. 삭제

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