코플래너 도파관

코플래너 도파관은 인쇄 회로 기판 기술을 사용하여 제작할 수 있는 일종의 전기 평면 전송선로이며, 마이크로파 주파수 신호를 전달하는 데 사용된다. 더 작은 규모에서는 코플래너 도파관 전송선로도 모놀리식 마이크로파 집적 회로에 내장된다.

도체 지지형 코플래너 도파관 전송선로의 단면

LIGA 기술을 사용하여 생성된 517 μm 높이의 구리 코플래너 도파관.^[1]

기존의 코플래너 도파관(coplanar waveguideCPW)은 유전체 기판에 인쇄된 단일 도체 트랙과 트랙 양쪽에 하나씩 있는 한 쌍의 귀환 도체로 구성된다. 세 도체는 모두 기판의 같은 쪽에 있으며, 따라서 동일 평면에 있다. 귀환 도체는 중앙 트랙과 작은 간격으로 분리되어 있으며, 이 간격은 선의 길이를 따라 일정한 폭을 유지한다. 중앙 도체에서 멀리 떨어진 곳에서 귀환 도체는 일반적으로 무한정 길지만 넓은 거리까지 확장되어, 각 도체가 명목상 반무한 평면을 이룬다.

도체 지지형 코플래너 도파관(conductor-backed coplanar waveguide, CBCPW), 또는 접지형 코플래너 도파관 (CPWG)으로도 알려진 일반적인 변형은 기판의 전체 뒷면을 덮는 접지면을 가지고 있다.^[2][3] 접지면은 세 번째 귀환 도체 역할을 한다.

코플래너 도파관은 1969년 청 P. 웬(Cheng P. Wen)이 주로 비상호적 구성 요소(예: 자이레이터 및 아이솔레이터)를 평면 전송선 회로에 통합하는 수단으로 발명했다.^[4]

코플래너 도파관에 의해 전달되는 전자기파는 부분적으로 유전체 기판에 존재하고 부분적으로 그 위의 공기에 존재한다. 일반적으로 기판의 유전 상수는 공기의 유전 상수와 다르고 (더 크다), 따라서 파동은 불균일한 매질에서 이동한다. 결과적으로 CPW는 진정한 TEM 파동을 지원하지 않는다. 비제로 주파수에서는 E장과 H장 모두 종 방향 성분( 하이브리드 모드)을 갖는다. 그러나 이러한 종 방향 성분은 일반적으로 작으며 모드는 준 TEM으로 더 잘 설명된다.^[5]

비상호성 자이로 자기 장치에 대한 적용

공진 아이솔레이터 및 차동 위상 변환기와 같은 비상호성 자이로 자기 장치^[6]는 정적으로 자화된 페라이트 몸체에 회전하는 (원형 편광된) 자기장을 제공하는 마이크로파 신호에 의존한다. CPW는 중앙 도체와 측면 도체 사이의 두 슬롯에서 이러한 회전하는 자기장을 생성하도록 설계될 수 있다.

유전체 기판은 CPW 선을 따라 이동하는 마이크로파 신호의 자기장에 직접적인 영향을 미치지 않는다. 금속화 평면에서 기판 측면과 공기 측면 사이에 자기장에 대해 CPW는 대칭이다. 결과적으로 각 도체의 반대면(공기 측면 및 기판 측면)을 따라 흐르는 전류는 동일한 인덕턴스에 종속되며, 전체 전류는 두 면 사이에 균등하게 분할되는 경향이 있다.

반대로, 기판은 전기장에 영향을 미치므로 기판 측면은 공기 측면보다 슬롯 전체에 더 큰 정전 용량을 기여한다. 전하는 도체의 공기면보다 기판면에서 더 쉽게 축적되거나 소모될 수 있다. 결과적으로, 전류가 방향을 바꾸는 파동의 지점에서 전하는 공기면과 기판면 사이의 금속화 가장자리를 넘어 흐를 것이다. 가장자리 위의 이 이차 전류는 각 슬롯에서 종 방향(선과 평행) 자기장을 발생시키며, 이는 도체를 따라 흐르는 주 전류와 관련된 수직(기판 표면에 수직) 자기장과 직각 위상을 이룬다.

기판의 유전 상수가 1보다 훨씬 크면 종 방향 자기장의 크기가 수직장의 크기에 접근하여 슬롯 내의 결합된 자기장이 원형 편광에 가까워진다.^[4]

고체물리학에서의 적용

코플래너 도파관은 고체 양자 컴퓨팅 분야에서 중요한 역할을 하며, 예를 들어 마이크로파 광자를 초전도 큐비트에 결합하는 데 사용된다. 특히 회로 양자 전기역학 연구 분야는 파장의 세제곱보다 훨씬 작은 부피에 마이크로파 광자를 가두어 높은 전계 강도와 따라서 초전도 큐비트에 강한 결합을 가능하게 하는 중요한 요소인 코플래너 도파관 공명기로 시작되었다. 이 결합을 더욱 강화하기 위해 극도로 낮은 손실을 가진 초전도 코플래너 도파관 공명기가 적용되었다.^[7][8] (낮은 온도에서 이러한 초전도 코플래너 공명기의 품질 계수는 낮은 전력 한계에서도 10⁶을 초과할 수 있다.^[9]) 코플래너 공명기는 또한 여러 큐비트를 서로 결합하는 양자 버스로도 사용될 수 있다.^[10][11]

고체 연구에서 코플래너 도파관의 또 다른 적용은 전자 스핀 공명 분광법^[12] 또는 마그네틱스를 위한 자기 공명과 관련된 연구이다.^[13]

코플래너 도파관 공명기는 또한 (고온 초전도) 박막의 재료 특성을 특성화하는 데 사용되었다.^[14][15]

같이 보기

• 도파관 (전자기학)
• 마이크로스트립
• 스트립라인
• 포스트월 도파관
• 전신 방정식
• 비아 펜스