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KR20000036223A - 무선 주파수 신호의 직각 변환용 박막 구조물 - Google Patents

무선 주파수 신호의 직각 변환용 박막 구조물 Download PDF

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KR20000036223A
KR20000036223A KR1019997002285A KR19997002285A KR20000036223A KR 20000036223 A KR20000036223 A KR 20000036223A KR 1019997002285 A KR1019997002285 A KR 1019997002285A KR 19997002285 A KR19997002285 A KR 19997002285A KR 20000036223 A KR20000036223 A KR 20000036223A
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KR
South Korea
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trace
cell
metal
transmission line
electrically connected
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Application number
KR1019997002285A
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English (en)
Inventor
랄프로렌이.
Original Assignee
랄프 로렌 이.
알에프 프라임 코포레이션
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by 랄프 로렌 이., 알에프 프라임 코포레이션 filed Critical 랄프 로렌 이.
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Abstract

IQ 변조기, IQ 복조기, 벡터 변조기, 이미지 제거 믹서 및 멀티 채널 믹서와 같은 장치의 제조에 사용되는 박막 구조물 및 직각 커플러(quadrature coupler). 박막 구조물은 금속 배면을 갖는 유전체 기판 베이스와, 기판 베이스의 비금속 측면에 형성된 제1금속 트레이스, 제1금속 트레이스를 덮도록 형성된 유전층과, 유전층 위에 형성된 제2금속 트레이스로 구성된다. 제1 및 제2 금속 트레이스는 제1 및 제2 금속 트레이스가 평형 구조에서 상부 및 하부라인을 나타내는 경우 평형 전송라인 구조를 형성하도록 그들의 폭과 길이가 정렬된다. 박막 구조는 직각 커플러를 포함하여 마이크로웨이브 캐패시터, 믹서 및 다른 전송로에 대한 기초로서 역할을 한다. 또한 좀더 복잡한 장치의 기초를 형성하는 직각 커플러는 입력포트, 절연포트, 동상 출력포트(I-포트) 및 직각상 출력포트(Q-포트)를 포함한다.

Description

무선 주파수 신호의 직각 변환용 박막 구조물{THICK FILM CONSTRUCT FOR QUADRATURE TRANSLATION OF RF SIGNALS}
1. 발명의 분야
본 발명은 전체적으로 박막 구성을 사용한 수동 마이크로웨이브 구조, 특히 IQ 변조기, IQ 복조기, 벡터 변조기, 이미지 제거 믹서 및 멀티 채널 믹서와 같은 장치의 제조를 위한 박막 구조물 및 직각 커플러(quadrature coupler)에 관한 것이다.
2. 배경기술의 설명
직각 변조 또는 벡터 변조를 제공하는 장치는 전형적으로 2개의 매칭된 주파수 변환장치("믹서"), 1 입력포트와 2 출력포트 사이에 90°의 위상차를 가지며 입력포트 파워의 1/2의 출력레벨을 나타내는 2 출력포트로 구성되는 커플러 장치("직각 커플러")와, 제로 위상차 파워 분할기/가산기의 결합구조를 사용하여 구성된다. 이들 장치는 많은 상이한 구조물을 사용하여 조립될 수 있다. 예를들어, 좀더 낮은 주파수 장치(〈2Ghz)는 통상적으로 직각 하이브리드, 믹서 발룬 및 파워 슬리터를 형성하도록 페라이트 코어와 파이필라(bifilar) 와이어의 결합구조를 사용하여 조립된다. 그러나, 이러한 장치는 그들의 사이즈와 복잡성으로 인한 대표적인 수동 권취되며, 자동화 방식으로 조립될 수 없다. 한편, 더 높은 고주파수 장치는 전형적으로 PTFE 소프트 보드와 같은 몇가지 형태의 소프트 보드재료를 사용하여 조립된다. 그러나, 이러한 기술을 사용하여 만들어진 구조는 사이즈가 크고 작업시에 일정 레벨의 수동 조립을 요구하고 있다.
직각 장치는 마이크로웨이브 IQ 변조기, IQ 복조기, 벡터 변조기, 이미지 제거 믹서 및 멀티 채널 믹서의 구성에 사용되기 때문에 저렴하고, 제조 반복성이 있고, 공통적으로 사용되는 표면실장 조립기술을 사용할 수 있는 그러한 장치에 대한 구조가 요구되고 있다. 본 발명은 다른 요구뿐아니라 그러한 요구를 만족하며 종전에 개발된 장치에서 발견된 단점들을 극복한다.
이출원은 이출원에 참고로 결합되며 현재 미합중국 특허 제5,534,830호인 1995. 1. 3.자로 출원된 미합중국 특허출원 제08/368,551호의 분할출원으로서 모두 1996. 5. 14자로 출원된 미합중국 특허출원 제08/645,512(현재 미합중국 특허 제5,640,132호), 미합중국 특허출원 제08/645,530(현재 미합중국 특허 제5,640,134호), 및 미합중국 특허출원 제08/645,602(현재 미합중국 특허 제5,640,699호)의 일부계속출원이다.
본 발명은 단지 예시목적으로 사용되는 다음 도면을 참고하여 충분하게 이해될 것이다:
도 1은 본 발명에 따른 평형 전송라인 셀의 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 장치에서 선 2-2를 따라 취한 단면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 전송라인 셀소자를 채용한 직각 커플러의 개략도이다.
도 4는 도 3에 도시된 개략도에 대응한 직각 커플러의 사시도이다.
도 5는 도 4에 도시된 직각 커플러의 평면도이다.
도 6은 도 1에 도시된 전송라인 셀소자를 채용한 믹서의 개략도이다.
도 7은 도 3에 도시된 직각 커플러와 저항성 파워 분할기/결합기를 갖는 도 6에 도시된 믹서를 채용한 변조기/복조기의 개략도이다.
도 8은 평형라인 파워 분할기/결합기를 채용한 도 7에 도시된 변조기/복조기의 다른 실시예의 개략도이다.
도 9는 회로 소자 사이에 대칭선을 보여주는 도 7에 따른 변조기/복조기의 평면도이다.
본 발명은 전체적으로 직각 커플러 장치에 관한 것으로, 특히 IQ 변조기, IQ 복조기, 벡터 변조기, 이미지 제거 믹서 및 멀티 채널 믹서와 같은 장치를 제조하는데 사용되는 박막 구조물 및 직각 커플러에 관한 것이다.
예를 목적으로 제한되지 않는 것으로 본 발명에 따른 박막 구조물은 금속 배면을 갖는 유전체 기판 베이스와, 기판 베이스의 비금속 측면에 형성된 제1금속 트레이스, 제1금속 트레이스를 덮도록 형성된 유전층과, 유전층 위에 형성된 제2금속 트레이스로 구성된다. 제1 및 제2 금속 트레이스는 제1 및 제2 금속 트레이스가 평형 구조에서 상부 및 하부라인을 나타내는 경우 평형 전송라인 구조를 형성하도록 그들의 폭과 길이가 정렬된다. 박막 구조는 직각 커플러를 포함하여 마이크로웨이브 캐패시터, 믹서 및 다른 전송로에 대한 기초로서 역할을 한다. 또한 직각 커플러는 믹서, 변조기 등과 같은 좀더 복잡한 장치의 기초를 형성한다.
본 출원인에게 양도된 종래의 미합중국 특허 제5,534,830호에 기술된 박막 평형선 구조에서, 기판 베이스는 금속 배면을 갖고 있지 않으며, 유전체의 두께는 공칭 0.0026 인치이었고, 유전상수는 약 6-10 범위에 있었다. 그러나, 본 발명의 구조물에서, 배면 접지면이 기판 베이스에 부가되었다. 더욱이 종전과 동일한 라인 임피던스를 갖도록 본 발명의 유전상수는 종래구조의 선폭이 박막 구성에 대한 최소 조립공차에 이미 근접해 있기 때문에 약 2 내지 6의 범위로 낮아진다.
다른 예시의 목적으로 제한되지 않는 것으로 본 발명에 따른 직각 커플러는 입력포트, 절연포트, 동상(in-phase) 출력포트(I-포트) 및 직각상(quadrature phase) 출력포트(Q-포트)를 갖는 4 포트 장치로 구성된다. 이 장치는 중앙선을 중심으로 대칭이며, 유전체 "바이어스(bias)"는 회로에 의해 지시되는 경우 대향한 상부 및 하부라인을 상호 연결한다. 이러한 크로스오버는 상부 및 하부라인의 위상 속도를 동일하게 하는 역할을 하며 직각상 특성에 대하여 주파수 대 응답특성을 더 평탄하게 한다. 구조물의 중앙에 접속된 결합소자는 두 상부라인에 대한 접지로 캐패시터 소자를 형성한다. 이러한 구성은 캐패시터가 동일한 유전체를 사용하여 제조되기 때문에 직각 커플러의 성능을 센터링하여 조립시에 변화에 대한 보상을 실시하는 위상 조절을 형성하며 유전체 두께의 변화에 따라 메인 결합구조의 그것에 반대로 되는 결합 조절에 기여한다.
직각 커플러 성능은 직각 기초 장치의 가장 중요한 요소이므로, 직각 커플러의 조립은 전체 장치에 대한 조립을 지시한다. 최적의 성능은 알루미나 96 재질의 베이스 기판을 사용하여 성취될 수 있으며, 그러나 이에 제한되는 것은 아니다. 구성을 간단하게 하기 위하여 본 발명의 직각 커플러를 채용한 모든 장치는 직각 커플러와 동일한 두께를 사용하여 구성된다.
본 발명에 따른 믹서는 미합중국 특허 제5,534,830호에 기술된 믹서의 토포로지(topology)를 따르며, I-포트 접속에 다이플렉스 소자가 부가되고, 중간주파(IF) 입력포트에 로우패스필터를 선택적으로 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 변조기는 직각 커플러와 2 믹서로 구성되며, 2 믹서의 출력은 동상(제로 위상차) 파워 결합기로 공급한다. 동상 파워 결합기는 2 수단중 하나로 구성된다. 최소 삽입손실 그러나 감축된 대역폭을 위하여 미합중국 특허 제5,534,830호에 기술된 양방향 분할기/결합기(splitter/combiner)가 결합되어 새로운 조립층과 함께 동작하도록 변형될 수 있다. 박막 저항으로 구성되는 분할기/결합기를 사용하여 더욱더 간단한 구조가 구현될 수 있다. 복조기는 입력과 출력을 단순하게 바꾼 동일한 회로로 구성된다.
엄격한 위상 및 진폭 평형의 요구와 함께 회로의 복잡성으로 인하여 일부의 설계 구현은 구조물 내에 고정도의 대칭성을 포함한다. 이는 장치의 접지 전류의 평형(balance)을 개선하여 전체적인 성능을 향상시킨다.
본 발명의 목적은 박막 다층 기술을 사용한 직각 장치 종류를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 자동 장치 어셈블리를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 표면실장이 가능한 직각 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 반복 가능하고 예측 가능한 장치 성능을 제공하는 것이다.
더욱이, 상기 어셈블리는 상기 설계물의 제조가 자동 어셈블리 장치를 사용하여 이루어질 수 있으며, 최종 구성은 자동 표면실장부착기를 사용하여 부착되는 방식으로 구성된다.
본 발명의 다른 목적과 이점은 명세서의 다음 부분에 나타나며, 상세한 설명은 제한되는 것 없이 본 발명의 바람직한 실시예를 충분하게 개시하는 목적으로 사용된다.
좀더 구체적으로 도면을 참고하면, 유사한 부재번호가 유사한 부품에 대하여 부여되었고, 예시의 목적으로 본 발명은 도 1 및 도 2에 전체적으로 도시된 장치에 구현되었고, 뿐만아니라 그로부터 조립된 각종 마이크로웨이브 장치가 예시의 목적으로 도 3 내지 도 9에 표시되어 있다. 또한 장치는 여기에 개시된 것과 같은 기본 개념을 벗어나지 않고 구성과 부분적인 상세한 사항에 대하여 변경이 이루어질 수 있다는 것에 유의해야 한다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 본 발명에 따른 평형 전송라인 셀(10)은 지지구조로서 작용하는 기판 베이스(12) 위에 형성된다. 기판 베이스(12)는 전형적으로 96% 알루미나 또는 이와 유사한 고 알루미나 함유 세라믹 재료로 조립된다. 기판 베이스(12)의 두께는 약 0.025 인치인 것이 바람직하나, 사용되는 리드 프레임 및 전체 패키지 높이에 따라 약 0.030 인치의 두께로 이루어질 수 있다.
표준 박막 프린트 및 소성 어셈블리 기술을 사용하여, 약 8 미크론 내지 약 12 미크론의 두께를 가지며 폭(W)을 갖는 금 페이스트가 기판 베이스(12)의 상부에 형성되어 연속된 제1금속 트레이스(14)를 형성한다. 금은 마이크로웨이브 주파수에서 저 손실재료이고, 미세한 데포지션 해상도를 가지며 와이어 본딩 동작이 가능하기 때문에 바람직하다.폭(W)은 전형적으로 약 0.006 인치 내지 약 0.010 인치 범위로 이루어진다. 그러나, 셀(10)이 캐패시터로서 구현될 때 제1금속 트레이스(14)의 폭은 원하는 캐패시턴스에 따라 0.020 인치의 폭으로 이루어질 수 있다.
유전층(16)은 일정한 두께를 갖는 단일층이 형성될 때 까지 유전재료의 다수의 프린트와 소성에 의해 제1금속 트레이스(14)의 상부에 형성된다. 유전층(16)은 최적 성능을 위하여 4.5의 유전상수를 갖는 것이 바람직하나, 약 2 내지 6 범위를 가질 수 있다. 더욱이, 유전층(16)의 두께는 약 0.001 인치 내지 약 0.002 인치 범위로 되어야 하며, 최적 커플러 성능을 위하여 두께는 공칭 0.0016 인치인 것이 바람직하다. 이 두께는 약 20 옴의 기수 모드 라인 임피던스를 공칭 50 옴 직각 커플러에 요구되는 약 0.006 인치의 선폭에 제공한다.
금으로 이루어진 연속된 제2금속 트레이스(18)는 제1금속 트레이스(14)와 동일한 방법으로 제1금속 트레이스(14)와 동일한 두께로 유전층(16)의 상부에 형성된다. 제2금속 트레이스(18)의 폭(W')은 제1금속 트레이스(14)와 동일한 두께로 이루어지나, 셀의 대역폭은 제1금속 트레이스(14)의 폭보다 더 작게 제2금속 트레이스(18)의 폭을 형성함에 의해 최적화된다. 폭(W')에 대한 전형적인 범위는 W가 약 0.006 인치 내지 0.010 인치 범위인 경우 약 0.005 인치 내지 0.008 인치로 이루어진다. 선폭의 미세한 차이는 제2금속 트레이스(18)의 노출면을 둘러싸는 공기의 유전상수와 제1금속 트레이스(14)를 둘러싸는 유전층(16)과 기판 베이스(12)의 유전상수 사이의 차이를 동일하게 설정함에 의해 대역폭을 최적화한다.
제2금속 트레이스(18)는 트레이스의 길이와 폭에 대하여 제1금속 트레이스(14)에 전체적으로 얼라인되며 평행하게 이루어지는 방식으로 그리고 트레이스의 단부가 얼라인되도록 위치설정된다. 이는 평형 전송라인 구조를 유지한다. 그러나, 본 발명의 전송라인 셀을 채용한 장치의 제조시에 금속 트레이스는 전기적 접속 또는 장치 패키징의 목적으로 확장될 수 있다. 이러한 경우 트레이스의 물리적인 단부는 평형 전송라인으로 고려되는 것 이상으로 확장되나 트레이스의 단부는 평형 전송라인의 목적으로 계속 얼라인된다.
금속 배면층(20)은 약 0.0006 인치 내지 약 0.0012 인치의 두께를 가지고 기판 베이스(12)의 전체 하부 영역을 덮으며 제1 및 제2 금속 트레이스(14,18)의 우수 모드(even mode) 임피던스를 제어하기 위한 목적으로 접지면 소자를 형성한다. 이 소자에 의해 형성되는 션트(shunt) 캐패시턴스는 3 dB 직각 커플러에 요구되는 임피던스인 약 120 옴으로 우수 모드 임피던스를 설정한다. 더욱이, 우수 모드의 위상 속도는 기수 모드와 대략 동일하여 따라서 대역폭을 개선한다.
제1 및 제2 금속 트레이스(14,18)에 의해 형성되는 전송라인의 길이(L)는 동작 주파수를 결정하며, 커플러 동작을 위해 소망하는 파장의 약 1/8, 그리고 최적의 믹서 성능을 위하여 소망하는 파장의 약 1/4이 되도록 선택되는 것이 바람직하다. 전송라인은 제1 및 제2 금속 트레이스(14,18)의 폭과 유전층(16)의 두께에 따라 결정되는 기수 모드 임피던스를 가지며, 금속 배면층(20)에 의해 설립되며 제1 및 제2 금속 트레이스(14,18)의 폭의 함수인 우수 모드 임피던스를 갖는다.
셀(10)은 제1금속 트레이스(14)에 대하여 2개의 포트(22a,22b)와 제2금속 트레이스(18)에 대하여 2개의 포트(24a,24b)를 포함하며, 그들은 각종 구성으로 접속될 수 있다. 예를들어, 도 3을 참고하면, 본 발명에 따라 4 전송라인 셀(10)을 채용한 직각 커플러(26)가 도시되어 있다. 셀(28,30,32,34)은 이러한 장치의 4셀을 표시한다.
제1세트 셀(28,30)은 입력포트(36), 절연포트(38), 동상 출력포트(I-포트)(40) 및 직각상 출력포트(Q-포트)(42)의 4 포트 장치를 형성한다. 절연포트(38)는 50 옴 장치 임피던스를 매칭시키기 위하여 50 옴 저항(44)을 사용하여 접지로 종단된다. 이들 셀의 하부 및 상부 트레이스(14,18)는 약 0.006 인치 내지 0.008 인치의 폭을 가지며, 각각 약 20 옴 및 120 옴의 소망하는 기수 및 우수 모드 임피던스를 제공한다.
제2세트 셀(46,48)은 직각 커플러의 대역폭 선택과 위상 응답을 제공하기 위하여 접지된 캐패시터로서 동작하며; 즉, 커플러의 전체 대역폭을 변경하는 "아이 기능(Eye-function)"을 오픈하거나 클로즈 한다. 캐패시턴스 값은 진폭 밸런스 대 대역폭으로 종래의 방식으로 선택된다. 이들 캐패시터의 상부 트레이스(18)는 전형적으로 셀(28,30)의 상부 트레이스(18)의 폭(예를들어, 0.006 인치 내지 0.008 인치)과 동일한 폭을 가지며, 한편 하부 트레이스(14)는 전형적으로 소망하는 특성에 따라 0.008부터 0.020 인치 범위의 폭을 갖는다. 트레이스 길이는 그들의 폭과 소망하는 캐패시턴스 값에 기초하여 종래 방식으로 선택된다.
직각 커플러(26)를 형성하기 위하여 셀은 다음 방식으로 접속된다. 입력포트(26)는 셀(28)의 하부 트레이스(50)의 일단에 접속되고, 동상 출력포트(36)는 동일 셀의 상부 트레이스(52)의 대응하는 단부에 접속된다. 셀(28)의 하부 트레이스(50)의 대향단은 셀(30)의 상부 트레이스(54)의 일단에 접속되고, 셀(28)의 상부 트레이스(52)의 대향단은 셀(30)의 하부 트레이스(56)의 대응하는 단부에 접속된다. 셀(30)의 하부 트레이스(56)의 대향단은 절연포트(38)에 접속되고 종단 저항(44)은 절연포트(38)로부터 접지에 접속된다. 상부 트레이스(54)의 대향단은 직각상 출력포트(42)에 접속된다.
셀(46)의 상부 트레이스(58)의 일단은 셀(28)의 상부 트레이스(52)와 셀(30)의 하부 트레이스(56) 사이에 접속된다. 셀(46)의 상부 트레이스(58)의 대향단과 하부 트레이스(60)의 양단은 무접속 상태로 남겨진다. 그러나 셀(46)의 하부 트레이스(60)는 대략 중간점에서 접지와 연결된다. 유사하게 셀(48)의 상부 트레이스(62)의 일단은 셀(28)의 하부 트레이스(50)와 셀(30)의 상부 트레이스(54) 사이에 접속된다. 셀(48)의 상부 트레이스(62)의 대향단과 하부 트레이스(64)의 양단은 무접속 상태로 남겨진다. 그러나 셀(48)의 하부 트레이스(64)는 대략 중간점에서 접지와 연결된다. 따라서 셀(46,48)은 션트 캐패시터를 형성한다.
또한 도 4를 참고하면, 유전층(16)을 통하는 금속 "관통(via)" 구멍(66)은 셀(28)의 상부 트레이스(52)와 셀(30)의 하부 트레이스(56) 사이를 전기적으로 접속한다. 유사하게 유전층(16)을 통하는 금속 관통 구멍(68)은 셀(38)의 하부 트레이스(50)와 셀(30)의 상부 트레이스(54) 사이를 전기적으로 접속한다. 접지 접속을 위해 셀(46)의 하부 트레이스(60)는 기판 베이스(12)를 통과하는 금속 관통 구멍(70)에 의해 배면층(20)에 전기적으로 접속되며, 셀(48)의 하부 트레이스(64)는 기판 베이스(12)를 통과하는 금속 관통 구멍(72)에 의해 배면층(20)에 전기적으로 접속된다. 금속 관통 구멍(74,76)은 각각 상부 트레이스(52,54)를 동상 출력포트(40)와 직각상 출력포트(42)에 접속하는데 사용된다.
또한, 도시된 장치에서 배면층(20), 기판 베이스(12) 및 유전층(16)은 모든 셀에 대하여 연속적이고 공통적이라는 점에 유의해야 한다. 이것은 4개의 물리적으로 분리된 셀을 연결하는 것보다 좀더 바람직한 제조방법이다. 또한, 셀(46,48)의 상부 트레이스(58,62)가 셀(28,30)의 상부 트레이스(52,54)의 연속적인 연장으로서 인쇄되는 것이 가능하여 별도의 전기적인 접속이 요구되지 않는다.
도 5를 참고하면, 직각 커플러(26)는 구조물 내에서 고도의 대칭성을 갖고 있다. 셀(28,30)의 상호 접속단은 서로 대향하여 위치해 있으며, 각 셀은 그들의 단부 사이로 뻗어 있는 길이방향 축을 가지며 길이방향 축은 공통 길이방향 축(A)을 형성하도록 얼라인되며, 여기서 측방향 축(B)은 축(B)이 공통 길이방향 축(A)에 수직이며 관통 구멍(70,72)의 중심을 통과하도록 상호 접속된 트레이스의 단부 사이를 통과한다. 따라서, 셀(28,20)은 측방향 축(B)에 대하여 대칭이다. 또한, 셀(46,48)은 출(A)에 대하여 대칭인 점에 유의해야 한다. 이러한 대칭성은 장치에서 접지 전류의 밸런스를 개선하여 따라서 장치의 전체적인 성능을 개선한다.
이제 도 6을 참고하면, 본 발명에 따른 다수의 셀(10)이 도시된 바와같이 믹서(74)를 구성하느데 사용될 수 있다. 믹서(74)는 미합중국 특허 제5,534,830호에 기술된 믹서와 동일한 토포로지를 가지며, I-포트 접속부(78)에 다이플렉서 소자(76)가 부가되고, IF 포트(82)에 션트 캐패시터로서 구성된 셀(80)을 선택적으로 포함한다.
다이플렉서(76)는 접지된 종단 저항(86)과 직렬로 접속된 캐패시터(84)로 구성된다. 종단 저항(86)은 배면 접지 금속에 대한 금속 관통구멍을 사용하여 접지에 연결된 통상적인 박막 저항으로 이루어질 수 있다. 다이플렉서(76)는 믹서로 고차 프로덕트(product)를 반사하지 않고 고차 프로덕트를 출력하는 IF 포트(82)를 종단함에 의해 I-포트 접속부(78)와 RF 포트(88)에 국부 발진기 누설(LO)량을 감축하는 역할을 한다. 캐패시터(80)는 전송라인(90)과 결합하여 IF 포트(82)로부터의 누설을 감축시키는 로우패스필터 망을 형성하도록 셀의 하부 트레이스가 된다.
상기에서 지적한 바와같이 믹서(74)는 미합중국 특허 제5,534,830호에 기술된 토포로지를 사용한다. 셀(92)은 일단이 LO 포트(96)에 접속된 상부 트레이스(94)를 포함한다. 하부 트레이스(98)의 대응단부는 접지된다. 상부 및 하부 트레이스(94,98)의 대향한 출력단은 각각 셀(104,106)의 하부 트레이스(100,102)의 입력단에 접속된다. 하부 트레이스(100,102)의 대향단은 접지된다. 셀(104,106)의 상부 트레이스(108,110)는 함께 연결되고 그들의 입력단은 전송라인(90)을 통하여 IF 포트(82)에 결합된다. 상부 트레이스(108,110)의 대향 출력단은 다이오드 쿼드(quad)(112)에 접속된다. 셀(104,106)은 한쌍의 반전 전송라인 구조를 구성하여 평형 출력을 셀(92)로부터 다이오드 쿼드(108)로 결합시킨다.
셀(116)의 상부 트레이스(114)의 출력단은 RF 포트(88)에 접속된다. 그 셀의 하부 도체(118)의 대응단은 접지되어 있다. 상부 및 하부 트레이스(114,118)의 대향한 입력단은 다이오드 브리지(112)에 접속된다. 셀의 하부 트레이스가 될 수 있는 단일 전송라인(120)은 상부 트레이스(114)와 다이오드 브리지(112) 사이의 접속점과 접지 사이에 연결되어 있다. 셀(116)의 하부 트레이스(118)와 전송라인(120)에 제공되는 2개의 접지 리턴은 변환 과정동안 IF 주파수에 대한 요구되는 직류 리턴 경로 접속과 셀(116)에 대한 개선된 접지 리턴 밸런스를 제공한다. 따라서, 발룬은 위상속도가 동일하게 유지하도록 형성된다.
캐패시터(84)는 상부 트레이스(122)의 입력단이 상부 트레이스(108,110)의 입력단에 접속되며 대향단은 무접속 상태로 남겨진다. 하부 트레이스(124)의 대응하는 입력단은 또한 무접속 상태로 남아 있으며 반면에 출력단은 종단 저항(86)을 통하여 접지되어 있다. 캐패시터(80)는 상부 트레이스(126)의 입력단이 IF 포트(82)에 접속되어 있으며 대향단은 무접속 상태로 남겨져 있고, 반면에 출력단은 접지되어 있다.
도 7을 참고하면, 변조기/복조기는 도 3에 도시된 직각 커플러를 도 6에 도시된 2개의 믹서를 결합하고 믹서의 출력에 저항성 파워 분할기/결합기를 사용하여 제조될 수 있다. 미합중국 특허 제5,534,830호에 기술된 양방향, 제로 디그리, 파워 분할기/결합기가 저항성 파워 분할기/결합기 대신에 사용되는 것을 제외하고 유사한 구성을 갖는 변조기/복조기의 다른 예가 도 8에 도시되어 있다. 양 구성에서 입력포트(36)에 직각 결합기(26)에 공급되는 고 레벨 신호가 분할되어 2 믹서(74a,74b)에 인가된다. 각 믹서의 동상 포트(I-포트)(82a)와 직각상 포트(Q-포트)(82b)는 진폭에서 동일하며 위상차가 90도인 로우 레벨 신호에 의해 구동된다. 결과적인 신호는 파워 분할기/결합기(130)의 듀얼 입력에 제공되어 소망하는 신호의 결합과 소망하지 않는 신호의 이상적인 소거가 이루어지고, RF 포트(132)에 합성 신호가 출력된다. 동일한 구성이 입력과 출력을 반전시킴에 의해 복조기로서 사용될 수 있다.
도 7에 개략적으로 도시된 변조기/복조기의 평면도를 보여주는 도 9에 도시된 바와같이 소자들은 도시된 중앙선(A,B,C)에 대하여 대칭인 방식으로 배열되어 있다. 본 발명에 따라 셀을 갖는 것을 제외하고 성취할 수 없는 이러한 대칭성은 많은 장점을 제공한다. 예를들어, 중앙 공급점은 양 믹서 뿐아니라 I 및 Q 믹서 포트에 대하여 동일한 거리 접지 리턴을 제공한다. 믹서의 RF측으로부터 다이오드에 대한 대칭적인 공급은 LO 측으로부터 믹서의 RF 측으로의 절연을 향상시킨다. 더욱이, 대칭적인 다이오드 배치는 박막 어레이에 변조기 셀 양단의 어셈블리를 용이하게 한다.
따라서, 본 발명은 마이크로웨이브 IQ 변조기, IQ 복조기, 벡터 변조기, 이미지 제거 믹서, 및 멀티 채널 믹서의 구성에 사용될 수 있는 평형 전송라인 셀과 직각 커플러 구성을 제공한다. 본 발명에 사용된 박막 라인은 종래의 인쇄 평형라인 구조 보다 약 80% 이하의 폭을 가지며, 기판 위에 라인을 멘더링(meandering)함에 의해 최대 성분 밀도를 가능하게 하여 그 결과 제조되는 마이크로웨이브 장치의 전체 크기를 감축시킨다.
상기 설명은 비록 많은 특이성을 포함하고 있을지라도 이들은 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안되며 이는 단지 본 발명의 현재 바람직한 실시예의 일부를 예시하는 것이다. 따라서 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위와 그들의 법적인 등가물에 의해 결정되어야 한다.

Claims (21)

  1. (a) 제1 및 제2면을 갖는 유전체 기판 베이스;
    (b) 상기 기판 베이스의 제1면에 인접한 금속 배면;
    (c) 폭(W)과 길이(L)를 가지며 상기 기판 베이스의 제2면에 프린트와 소성으로 형성되는 연속된 제1금속 트레이스;
    (d) 상기 제1금속 트레이스의 상부에 프린트와 소성으로 형성되고 약 0.001 인치에서 약 0.002 인치 사이의 두께를 가지며 약 2 내지 약 6 범위의 유전상수를 갖는 유전층; 및
    (e) 상기 유전층 위에 프린트와 소성으로 형성되며 폭(W')과 길이(L)를 갖는 연속되며 노출된 제2금속 트레이스로 구성되며;
    (f) 상기 제2금속 트레이스는 폭(W)과 길이(L)의 제1금속 트레이스 상부에 제1금속 트레이스에 얼라인되어 전체적으로 평행하며, 상기 제2금속 트레이스의 제1단은 제1금속 트레이스의 제1단과 얼라인되고 제2금속 트레이스의 제2단은 제1금속 트레이스의 제2단과 얼라인되는 것을 특징으로 하는 박막 평형 전송라인 셀.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 금속 트레이스는 동작 주파수가 상기 길이(L)에 의해 결정되고, 기수 모드 라인 임피던스가 상기 제1 및 제2 금속 트레이스의 폭에 의해 결정되며, 우수 모드 라인 임피던스가 상기 금속 배면에 의해 설정되는 평형 전송라인을 형성하는 것을 특징으로 하는 박막 평형 전송라인 셀.
  3. 제1항에 있어서, 상기 유전층은 0.0016 인치의 공칭 두께와 약 4.5의 유전상수를 갖는 것을 특징으로 하는 박막 평형 전송라인 셀.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1금속 트레이스의 폭은 약 0.006 인치 내지 0.020 인치 범위이고 상기 제2금속 트레이스의 폭은 약 0.005 인치 내지 0.008 인치 범위인 것을 특징으로 하는 박막 평형 전송라인 셀.
  5. 제1항에 있어서, 상기 유전체 기판 베이스는 고 알루미나 함유 세라믹 재료로 구성되는 것을 특징으로 하는 박막 평형 전송라인 셀.
  6. (a) 제1 및 제2면을 갖는 유전체 기판 베이스;
    (b) 상기 기판 베이스의 제1면에 인접한 금속 배면;
    (c) 폭(W)과 길이(L)를 가지며 상기 기판 베이스의 제2면에 프린트와 소성으로 형성되는 연속된 제1금속 트레이스;
    (d) 상기 제1금속 트레이스의 상부에 프린트와 소성으로 형성되고 약 0.001 인치에서 약 0.002 인치 사이의 두께를 가지며 약 2 내지 약 6 범위의 유전상수를 갖는 유전층; 및
    (e) 상기 유전층 위에 프린트와 소성으로 형성되며 폭(W')과 길이(L)를 갖는 연속되며 노출된 제2금속 트레이스로 구성되며;
    (f) 상기 제2금속 트레이스는 폭(W)과 길이(L)의 제1금속 트레이스 상부에 제1금속 트레이스에 얼라인되어 전체적으로 평행하며, 상기 제2금속 트레이스의 제1단은 제1금속 트레이스의 제1단과 얼라인되고 제2금속 트레이스의 제2단은 제1금속 트레이스의 제2단과 얼라인되며;
    (g) 상기 제1 및 제2 금속 트레이스는 동작 주파수가 상기 길이(L)에 의해 결정되고, 기수 모드 라인 임피던스가 상기 제1 및 제2 금속 트레이스의 폭에 의해 결정되며, 우수 모드 라인 임피던스가 상기 금속 배면에 의해 설정되는 평형 전송라인을 형성하는 것을 특징으로 하는 박막 평형 전송라인 셀.
  7. 제6항에 있어서, 상기 유전층은 0.0016 인치의 공칭 두께와 약 4.5의 유전상수를 갖는 것을 특징으로 하는 박막 평형 전송라인 셀.
  8. 제6항에 있어서, 상기 제1금속 트레이스의 폭은 약 0.006 인치 내지 0.020 인치 범위이고 상기 제2금속 트레이스의 폭은 약 0.005 인치 내지 0.008 인치 범위인 것을 특징으로 하는 박막 평형 전송라인 셀.
  9. 제6항에 있어서, 상기 유전체 기판 베이스는 고 알루미나 함유 세라믹 재료로 구성되는 것을 특징으로 하는 박막평형 전송라인 셀.
  10. (a) 각각의 셀이
    (ⅰ) 제1 및 제2면을 갖는 유전체 기판 베이스;
    (ⅱ) 상기 기판 베이스의 제1면에 인접한 금속 배면;
    (ⅲ) 상기 기판 베이스의 제2면에 형성되며 제1 및 제2 단을 갖는 제1금속 트레이스;
    (ⅳ) 상기 제1금속 트레이스의 상부에 형성된 유전층;
    (ⅴ) 상기 유전층 위에 형성되며 제1 및 제2 단을 갖는 제2금속 트레이스로 구성되며;
    (ⅵ) 상기 제2금속 트레이스는 제1금속 트레이스에 얼라인되어 전체적으로 평행하며, 상기 제1 및 제2 금속 트레이스의 제1단은 공통 방위를 가지며, 상기 제1 및 제2 금속 트레이스의 제2단은 공통 방위를 가지는 다수의 평형 전송라인 셀;
    (b) 입력이 제1금속 트레이스의 제1단이고 동상 출력이 제1 및 제2 트레이스인 상기 전송라인 셀 중의 제1전송라인 셀;
    (c) 저항성 종단이 제1트레이스의 제1단이고 직각상 출력이 제2트레이스의 제1단이며, 제2셀의 제1트레이스의 제2단이 제1셀의 제2트레이스의 제2단에 전기적으로 접속되고, 제2셀의 제2트레이스의 제2단이 제1셀의 제1트레이스의 제2단에 전기적으로 접속되는 상기 전송라인 셀 중의 제2전송라인 셀;
    (d) 상기 제2트레이스의 제1단이 상기 제1셀의 제2트레이스의 제2단과 제2셀의 제1트레이스의 제2단에 전기적으로 접속되며, 제3셀의 제1트레이스가 접지되어 있는 상기 전송라인 셀 중의 제3전송라인 셀; 및
    (e) 상기 제2트레이스의 제1단이 상기 제1셀의 제1트레이스의 제2단과 제2셀의 제2트레이스의 제2단에 전기적으로 접속되며, 제4셀의 제1트레이스가 접지되어 있는 상기 전송라인 셀 중의 제4전송라인 셀로 구성되는 것을 특징으로 하는 박막 직각 커플러.
  11. 제10항에 있어서, 상기 제3셀의 제1트레이스는 제3셀의 제1트레이스의 제1단과 제2단 사이의 대략 중간점에서 상기 제3셀의 배면에 전기적으로 접속되며, 상기 제4셀의 제1트레이스는 제4셀의 제1트레이스의 제1단과 제2단 사이의 대략 중간점에서 상기 제4셀의 배면에 전기적으로 접속되는 것을 특징으로 하는 박막 직각 커플러.
  12. 제10항에 있어서, 상기 제1, 제2, 제3 및 제4 셀은 연속적인 배면, 연속적인 기판 베이스 및 연속적인 유전층을 갖는 것을 특징으로 하는 박막 직각 커플러.
  13. 제10항에 있어서, 상기 제1셀의 제1 및 제2 트레이스의 제2단은 제2셀의 제1 및 제2 트레이스의 제2단에 대향하여 위치설정되고, 상기 제1 및 제2 셀 각각은 상기 트레이스의 제1단과 제2단 사이로 연장된 길이방향 축을 가지며, 상기 제1 및 제2 셀의 길이방향 축은 공통 길이방향 축을 형성하도록 얼라인되고, 측방향 축은 상기 공통 길이방향 축에 수직이며, 상기 제1 및 제2 셀은 측방향 축에 대하여 대칭인 것을 특징으로 하는 박막 직각 커플러.
  14. (a) 각각의 셀이
    (ⅰ) 제1 및 제2 면을 갖는 유전체 기판 베이스;
    (ⅱ) 상기 기판 베이스의 제1면에 인접한 금속 배면;
    (ⅲ) 상기 기판 베이스의 제2면에 형성되고, 트레이스 폭과 트레이스 길이를 가지며, 제1 및 제2 단을 갖는 하부 금속 트레이스;
    (ⅳ) 상기 하부 금속 트레이스의 상부에 형성된 유전층;
    (ⅴ) 상기 유전층 위에 형성되고, 트레이스 폭과 트레이스 길이를 가지며, 제1 및 제2 단을 갖는 상부 금속 트레이스로 구성되며;
    (ⅵ) 상기 상부 금속 트레이스는 트레이스 폭과 트레이스 길이에 대하여 하부 금속 트레이스에 얼라인되어 전체적으로 평행하며, 상기 상부 및 하부 금속 트레이스의 제1단은 공통 방위를 가지고, 상기 상부 및 하부 금속 트레이스의 제2단은 공통 방위를 가지며;
    (ⅶ) 상기 상부 및 하부 금속 트레이스는 동작 주파수가 상기 트레이스 길이에 의해 결정되고, 기수 모드 라인 임피던스가 상기 트레이스 폭에 의해 결정되며, 우수 모드 라인 임피던스가 상기 금속 배면에 의해 설정되는 다수의 평형 전송라인 셀;
    (b) 입력이 하부 트레이스의 제1단이고 동상 출력이 상부 트레이스의 제1단인 상기 전송라인 셀 중의 제1전송라인 셀;
    (c) 저항성 종단이 하부 트레이스의 제1단이고 직각상 출력이 상부 트레이스의 제1단이며, 상기 제2셀의 하부 트레이스의 제2단이 제1셀의 상부 트레이스의 제2단에 전기적으로 접속되고, 제2셀의 상부 트레이스의 제2단이 제1셀의 하부 트레이스의 제2단에 전기적으로 접속되는 상기 전송라인 셀 중의 제2전송라인 셀;
    (d) 상기 상부 트레이스의 제1단이 상기 제1셀의 상부 트레이스의 제2단과 제2셀의 하부 트레이스의 제2단에 전기적으로 접속되며, 제3셀의 하부 트레이스가 접지되어 있는 상기 전송라인 셀 중의 제3전송라인 셀; 및
    (e) 상기 상부 트레이스의 제1단이 상기 제1셀의 하부 트레이스의 제2단과 제2셀의 상부 트레이스의 제2단에 전기적으로 접속되며, 제4셀의 하부 트레이스가 접지되어 있는 상기 전송라인 셀 중의 제4전송라인 셀로 구성되는 것을 특징으로 하는 박막 직각 커플러.
  15. 제14항에 있어서, 상기 제3셀의 제1 트레이스는 제3셀의 제1 트레이스의 제1단과 제2단 사이의 대략 중간점에서 상기 제3셀의 배면에 전기적으로 접속되며, 상기 제4셀의 제1 트레이스는 제4셀의 제1 트레이스의 제1단과 제2단 사이의 대략 중간점에서 상기 제4셀의 배면에 전기적으로 접속되는 것을 특징으로 하는 박막 직각 커플러.
  16. 제10항에 있어서, 상기 제1, 제2, 제3 및 제4 셀은 연속적인 배면, 연속적인 기판 베이스 및 연속적인 유전층을 갖는 것을 특징으로 하는 박막 직각 커플러.
  17. 제10항에 있어서, 상기 제1셀의 상부 및 하부 트레이스의 제2단은 제2셀의 상부 및 하부 트레이스의 제2단에 대향하여 위치설정되고, 상기 제1 및 제2 셀 각각은 상기 트레이스의 제1단과 제2단 사이로 연장된 길이방향 축을 가지며, 상기 제1 및 제2 셀의 길이방향 축은 공통 길이방향 축을 형성하도록 얼라인되고, 측방향 축은 상기 공통 길이방향 축에 수직이며, 상기 제1 및 제2 셀은 측방향 축에 대하여 대칭인 것을 특징으로 하는 박막 직각 커플러.
  18. (a) 각각의 셀이
    (ⅰ) 제1 및 제2 면을 갖는 유전체 기판 베이스;
    (ⅱ) 상기 기판 베이스의 제1면에 인접한 금속 배면;
    (ⅲ) 상기 기판 베이스의 제2면에 형성되고, 트레이스 폭과 트레이스 길이를 가지며, 제1 및 제2 단을 갖는 하부 금속 트레이스;
    (ⅳ) 상기 하부 금속 트레이스의 상부에 형성된 유전층;
    (ⅴ) 상기 유전층 위에 형성되고, 트레이스 폭과 트레이스 길이를 가지며, 제1 및 제2 단을 갖는 상부 금속 트레이스로 구성되며;
    (ⅵ) 상기 상부 금속 트레이스는 트레이스 폭과 트레이스 길이에 대하여 하부 금속 트레이스에 얼라인되어 전체적으로 평행하며, 상기 상부 및 하부 금속 트레이스의 제1단은 공통 방위를 가지고, 상기 상부 및 하부 금속 트레이스의 제2단은 공통 방위를 가지며;
    (ⅶ) 상기 상부 및 하부 금속 트레이스는 동작 주파수가 상기 트레이스 길이에 의해 결정되고, 기수 모드 라인 임피던스가 상기 트레이스 폭에 의해 결정되며, 우수 모드 라인 임피던스가 상기 금속 배면에 의해 설정되는 다수의 평형 전송라인 셀;
    (b) 국부 발진기 포트, 제1 및 제2 출력 및 접지 접속부를 갖는 상기 전송라인 셀 중의 제1전송라인 셀,
    (c) 제1 및 제2 입력, 출력 및 접지 접속부를 갖는 상기 전송라인 셀 중의 제2전송라인 셀,
    (d) 제1 및 제2 입력, 출력 및 접지 접속부를 갖는 상기 전송라인 셀 중의 제3전송라인 셀,
    (e) 제1 및 제2 입력, 무선 주파수 포트 및 접지 접속부를 갖는 상기 전송라인 셀 중의 제4전송라인 셀,
    (f) 상기 제1셀의 제1출력은 제2셀의 제1출력에 전기적으로 접속되고, 상기 제1셀의 제2출력은 제3셀의 제1입력에 전기적으로 접속되며, 상기 제2셀의 제2입력은 제3셀의 제2입력에 전기적으로 접속되고, 상기 제2 및 제3 셀의 제2입력은 중간 주파수 포트에 전기적으로 접속되며, 상기 제2셀의 출력은 다이오드 쿼드의 제1입력에 전기적으로 접속되고, 상기 제3셀의 출력은 다이오드 쿼드의 제2입력에 전기적으로 접속되며, 상기 제4셀의 제1입력은 다이오드 쿼드의 제1출력에 전기적으로 접속되고, 상기 제4셀의 제2입력은 다이오드 쿼드의 제2출력에 전기적으로 접속되는 것을 특징으로 하는 박막 마이크로웨이브 믹서.
  19. 제18항에 있어서, 제1 및 제2 입력과 제1 및 제2 출력을 갖는 상기 전송라인 셀 중의 제5전송라인 셀을 더 포함하며, 제5셀의 제1입력은 제2셀의 제2입력과 제3셀의 제2입력에 전기적으로 접속되고, 제5셀의 제2출력은 저항을 통하여 접지된 것을 특징으로 하는 박막 마이크로웨이브 믹서.
  20. 제18항에 있어서,
    (a) 상기 IF 포트와, 상기 제2셀의 제2입력과 제3셀의 제2입력 사이의 접속부에 직렬로 접속된 전송라인; 및
    (b) 제1 및 제2 입력과 제1 및 제2 출력을 갖는 상기 전송라인 셀 중의 제6전송라인 셀을 더 포함하며, 제6셀의 제1입력은 상기 IF 포트에 전기적으로 접속되고, 전송라인 및 제6셀은 로우패스필터를 형성하는 것을 특징으로 하는 박막 마이크로웨이브 믹서.
  21. (a) 입력포트, 동상 출력포트 및 직각상 출력포트를 갖는 직각 커플러;
    (b) 국부 발진기 포트, 중간 주파수 포트 및 무선 주파수 출력을 갖는 제1믹서;
    (c) 국부 발진기 포트, 중간 주파수 포트 및 무선 주파수 출력을 갖는 제2믹서; 및
    (d) 제1입력포트, 제2입력포트 및 출력포트을 갖는 파워 결합기/분할기로 구성되고;
    (e) 상기 직각 커플러의 동상 출력포트는 제1믹서의 국부 발진기 포트에 전기적으로 접속되고, 상기 직각 커플러의 직각상 출력포트는 제2믹서의 국부 발진기 포트에 전기적으로 접속되며, 상기 제1믹서의 무선 주파수 포트는 상기 파워 결합기/분할기의 제1입력포트에 전기적으로 접속되고, 상기 제2믹서의 무선 주파수 포트는 파워 결합기/분할기의 제2입력포트에 전기적으로 접속되며,
    (f) 상기 직각 커플러는
    (ⅰ) 각 셀이 제1 및 제2면을 갖는 유전체 기판 베이스, 상기 기판 베이스의 제1면에 인접한 금속 배면, 상기 기판 베이스의 제2면에 형성되며 제1 및 제2 단을 갖는 제1금속 트레이스, 상기 제1금속 트레이스의 상부에 형성된 유전층, 상기 유전층 위에 형성되며 제1 및 제2 단을 갖는 제2금속 트레이스로 구성되며, 상기 제2금속 트레이스는 제1금속 트레이스에 얼라인되어 전체적으로 평행하고, 상기 제1 및 제2 금속 트레이스의 제1단은 공통 방위를 가지며, 상기 제1 및 제2 금속 트레이스의 제2단은 공통 방위를 가지는 다수의 평형 전송라인 셀,
    (ⅱ) 입력이 제1금속 트레이스의 제1단이고 동상 출력이 제2 트레이스의 제1단인 상기 전송라인 셀 중의 제1전송라인 셀,
    (ⅲ) 저항성 종단이 제1트레이스의 제1단이고 직각상 출력이 제2트레이스의 제1단이며, 제2셀의 제1트레이스의 제2단이 제1셀의 제2트레이스의 제2단에 전기적으로 접속되고, 제2셀의 제2트레이스의 제2단이 제1셀의 제1트레이스의 제2단에 전기적으로 접속되는 상기 전송라인 셀 중의 제2전송라인 셀,
    (ⅳ) 상기 제2트레이스의 제1단이 상기 제1셀의 제2트레이스의 제2단과 제2셀의 제1트레이스의 제2단에 전기적으로 접속되며, 제3셀의 제1트레이스가 접지되어 있는 상기 전송라인 셀 중의 제3전송라인 셀, 및
    (ⅴ) 상기 제2트레이스의 제1단이 상기 제1셀의 제1트레이스의 제2단과 제2셀의 제2트레이스의 제2단에 전기적으로 접속되며, 제4셀의 제1트레이스가 접지되어 있는 상기 전송라인 셀 중의 제4전송라인 셀로 구성되는 것을 특징으로 하는 박막 마이크로웨이브 변조기/복조기.
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