평면 전송선로

평면 전송선로(영어: Planar transmission line)는 도체, 또는 일부 경우 유전체(절연) 스트립이 평평하고 리본 모양인 전송선로이다. 이들은 마이크로파 주파수에서 작동하는 인쇄회로 및 집적 회로의 부품을 상호 연결하는 데 사용되는데, 평면형이 이러한 부품의 제조 방법과 잘 맞기 때문이다. 전송선로는 단순히 상호 연결 그 이상이다. 단순한 상호 연결의 경우, 전선을 따라 전자기파의 전파는 순간적이라고 간주될 만큼 충분히 빠르며, 전선 양 끝의 전압은 동일하다고 간주될 수 있다. 전선이 파장의 상당 부분 (10분의 1이 종종 경험 법칙으로 사용됨)보다 길면 이러한 가정은 더 이상 유효하지 않으며 대신 전송선로 이론을 사용해야 한다. 전송선로에서는 선의 기하학적 구조가 정밀하게 제어되어 (대부분의 경우 단면이 길이에 따라 일정하게 유지됨) 전기적 동작을 매우 예측할 수 있다. 저주파에서는 이러한 고려 사항이 다른 장비들을 연결하는 케이블에만 필요하지만, 마이크로파 주파수에서는 전송선로 이론이 필요하게 되는 거리가 밀리미터 단위로 측정된다. 따라서 회로 내부에 전송선로가 필요하다.

인쇄회로 기판의 평면 전송선로를 사용하여 20 GHz 스펙트럼 분석기에서 필터를 생성한다. 왼쪽 구조는 헤어핀 필터라고 불리며 대역 필터의 예시이다. 오른쪽 구조는 스터브 필터이며 로우패스 필터이다. 위와 아래의 천공 영역은 전송선로가 아니라 회로의 전자기 차폐를 위한 것이다.

가장 초기의 평면 전송선로 유형은 제2차 세계 대전 중에 로버트 M. 배럿(Robert M. Barrett)에 의해 고안되었다. 이는 스트립라인으로 알려져 있으며, 마이크로스트립, 서스펜디드 스트립라인, 코플래너 도파관과 함께 현대적으로 사용되는 네 가지 주요 유형 중 하나이다. 이 네 가지 유형 모두 한 쌍의 도체로 구성된다 (비록 이들 중 세 가지에서는 이 도체 중 하나가 접지면이지만). 결과적으로 이들은 한 쌍의 전선에서 발견되는 모드와 동일하거나 거의 동일한 우세한 전송 모드 (모드는 전자기파의 장 패턴임)를 갖는다. 슬롯라인, 핀라인, 이미지 라인 소프트웨어와 같은 다른 평면 전송선로 유형은 유전체 스트립을 따라 전송하며, 기판 집적 도파관은 기둥 줄을 사용하여 기판 내에 유전체 도파관을 형성한다. 이러한 유형은 한 쌍의 전선과 동일한 모드를 지원할 수 없으므로 전송 특성이 다르다. 이러한 유형 중 다수는 더 좁은 대역폭을 가지며 일반적으로 도체 쌍보다 더 많은 신호 왜곡을 유발한다. 이들의 장점은 비교되는 정확한 유형에 따라 다르지만, 낮은 손실 및 더 나은 특성 임피던스 범위를 포함할 수 있다.

평면 전송선로는 부품을 상호 연결하는 것뿐만 아니라 구성하는 데에도 사용될 수 있다. 마이크로파 주파수에서는 회로의 개별 부품 자체가 파장의 상당 부분보다 큰 경우가 많다. 이는 더 이상 집중형 부품으로, 즉 단일 지점에 존재하는 것처럼 취급될 수 없음을 의미한다. 집중형 수동 부품은 마이크로파 주파수에서는 이러한 이유로 또는 필요한 값이 제조하기에 비현실적으로 작기 때문에 비실용적인 경우가 많다. 전송선로 패턴은 이러한 부품과 동일한 기능을 위해 사용될 수 있다. 분포 정수 회로라고 불리는 전체 회로는 이러한 방식으로 구축될 수 있다. 이 방법은 종종 필터에 사용된다. 이 방법은 인쇄 회로 및 집적 회로와 함께 사용하기에 특히 매력적인데, 이러한 구조는 기존 기판에 패턴을 적용하는 것만으로 나머지 어셈블리와 동일한 프로세스로 제조할 수 있기 때문이다. 이는 평면 기술에 동축선과 같은 다른 유형에 비해 큰 경제적 이점을 제공한다.

일부 저자들은 두 도체를 사용하는 선인 전송선로와 도체를 전혀 사용하지 않거나 하나의 도체만 사용하여 유전체 내에서 파동을 제한하는 선인 도파관을 구별한다. 다른 이들은 이 용어들을 동의어로 사용한다. 이 글에서는 평면 형태인 한 두 종류 모두를 포함한다. 사용된 이름은 일반적인 이름이며 반드시 도체의 수를 나타내지는 않는다. 도파관이라는 용어는 꾸밈없이 사용될 때, 평면 형태가 아닌 속이 비어 있거나 유전체로 채워진 금속 종류의 도파관을 의미한다.

일반적인 특성

평면 회로 구조를 통합한 RF 전력 증폭기. 왼쪽의 증폭기는 중앙의 평면 전송선로 필터 세트에 출력을 공급한다. 오른쪽의 세 번째 회로 블록은 안테나로부터 전력이 우연히 반사되는 것을 증폭기로부터 보호하는 서큘레이터이다.

평면 전송선로는 도체가 본질적으로 평평한 전송선로이다. 도체는 평평한 스트립으로 구성되며, 일반적으로 도체의 평평한 표면에 평행한 하나 이상의 접지면이 있다. 도체는 접지면으로부터 분리되어 있으며, 때로는 그 사이에 공기가 있지만 더 자주 고체 유전체 물질이 있다. 전송선로는 전선 또는 동축선과 같은 비평면 형태로도 구성될 수 있다. 상호 연결 외에도 전송선로에 구현할 수 있는 다양한 회로가 있다. 여기에는 필터, 전력 분배기, 방향성 결합기, 임피던스 매칭 네트워크, 그리고 능동 부품에 바이어스를 공급하는 초크 회로가 포함된다. 평면형의 주요 장점은 인쇄회로 및 집적 회로를 만드는 데 사용되는 것과 동일한 공정, 특히 포토리소그래피 공정을 사용하여 제조할 수 있다는 것이다. 따라서 평면 기술은 이러한 부품의 대량 생산에 특히 적합하다.^[1]

전송선로로 회로 요소를 만드는 것은 마이크로파 주파수에서 가장 유용하다. 저주파에서는 파장이 길어 이 부품들이 너무 커진다. 가장 높은 마이크로파 주파수에서는 평면 전송선로 유형이 일반적으로 너무 손실이 크며 대신 도파관이 사용된다. 그러나 도파관은 더 크고 제조 비용이 더 많이 든다. 더 높은 주파수에서는 유전체 도파관 (예: 광섬유)이 선호되는 기술이 되지만, 평면 유형의 유전체 도파관도 사용할 수 있다.^[2] 가장 널리 사용되는 평면 전송선로(어떤 종류든)는 스트립라인, 마이크로스트립, 서스펜디드 스트립라인, 그리고 코플래너 도파관이다.^[3]

모드

선택된 모드의 장 패턴: A, 마이크로스트립의 준-TEM,^[4] B, CPW의 준-TEM (짝수 모드), C, CPW의 슬롯라인 모드 (홀수 모드)^[5]

전송선로의 중요한 매개변수는 사용되는 전송 모드이다. 모드는 전송 구조의 기하학적 구조로 인해 발생하는 전자기 장 패턴을 설명한다.^[6] 동일한 선에 둘 이상의 모드가 동시에 존재할 수 있다. 일반적으로 원하는 모드를 제외한 모든 모드를 억제하기 위한 조치가 취해진다.^[7] 그러나 이중 모드 필터와 같은 일부 장치는 둘 이상의 모드 전송에 의존한다.^[8]

TEM 모드

일반 도체 전선과 케이블에서 발견되는 모드는 횡방향 전자기 모드(TEM 모드)이다. 이는 일부 평면 전송선로에서도 지배적인 모드이다. TEM 모드에서는 전기 및 자기장의 전계 강도 벡터가 모두 파동의 진행 방향에 횡방향이며 서로 직교한다. TEM 모드의 중요한 특성은 저주파수부터 0까지 (즉, DC) 사용할 수 있다는 것이다.^[9]

TEM 모드의 또 다른 특징은 이상적인 전송선로(헤비사이드 조건을 충족하는 선)에서는 전송 주파수에 따른 선 전송 매개변수(특성 임피던스 및 신호 군속도)의 변화가 없다는 것이다. 이 때문에 이상적인 TEM 전송선로는 서로 다른 주파수 성분이 서로 다른 속도로 이동하는 형태의 왜곡인 분산으로 고통받지 않는다. 분산은 파동의 형태(전송되는 정보를 나타낼 수 있음)를 선 길이 방향으로 "번지게" 한다. 다른 모든 모드는 분산으로 고통받으며, 이는 달성 가능한 대역폭에 한계를 설정한다.^[10]

준-TEM 모드

일부 평면 유형, 특히 마이크로스트립은 균일한 유전체를 갖지 않는다. 선 위와 아래가 다르다. 이러한 기하학적 구조는 진정한 TEM 모드를 지원할 수 없다. 선의 진행 방향과 평행한 전자기장의 일부 구성 요소가 존재하며, 전송은 거의 TEM일 수 있다. 이러한 모드를 준-TEM(quasi-TEM)이라고 한다. TEM 선에서, 틈새 및 포스트(필터 및 기타 장치를 구성하는 데 사용됨)와 같은 불연속성은 순수하게 리액티브한 임피던스를 갖는다. 즉, 에너지를 저장할 수 있지만 소산하지는 않는다. 대부분의 준-TEM 선에서 이러한 구조는 추가적으로 임피던스에 저항성 구성 요소를 갖는다. 이 저항은 구조로부터의 방사의 결과이며 회로가 손실을 일으키도록 한다. 선의 굽힘 및 모서리에서도 동일한 문제가 발생한다. 이러한 문제는 높은 유전율 재료를 기판으로 사용하여 완화할 수 있으며, 이는 파동의 더 높은 비율이 유전체 내에 포함되도록 하여 더 균일한 전송 매체와 TEM에 더 가까운 모드를 만든다.^[11]

횡방향 모드

 이 부분의 본문은 횡방향 모드입니다.

속이 빈 금속 도파관과 광 도파관에는 무한한 수의 다른 횡방향 모드가 발생할 수 있다. 그러나 TEM 모드는 전파하기 위해 두 개 이상의 분리된 도체를 필요로 하므로 지원될 수 없다. 횡방향 모드는 전기장 전체 또는 자기장 전체가 횡방향인지 여부에 따라 각각 횡방향 전기(TE, 또는 H 모드) 또는 횡방향 자기(TM, 또는 E 모드)로 분류된다. 항상 한 필드 또는 다른 필드의 종방향 성분이 존재한다. 정확한 모드는 지정된 횡방향 치수를 따라 파장 또는 반파장의 수를 세는 두 개의 지수로 식별된다. 이 지수는 일반적으로 구분 기호 없이 작성된다: 예를 들어, TE₁₀. 정확한 정의는 도파관이 직사각형, 원형 또는 타원형인지 여부에 따라 다르다. 도파관 공진기의 경우 종방향 반파장에 대해 세 번째 지수가 모드에 도입된다.^[12]

TE 및 TM 모드의 특징은 전송이 이루어지지 않는 명확한 차단 주파수가 있다는 것이다. 차단 주파수는 모드에 따라 달라지며 가장 낮은 차단 주파수를 가진 모드를 지배 모드라고 한다. 다중 모드 전파는 일반적으로 바람직하지 않다. 이 때문에 회로는 종종 다음으로 높은 모드의 차단 주파수보다 낮은 주파수에서 지배 모드로 작동하도록 설계된다. 이 대역에서는 하나의 모드, 즉 지배 모드만 존재할 수 있다.^[13]

TEM 장치로 작동하도록 설계된 일부 평면 유형도 TE 및 TM 모드를 억제하기 위한 조치가 취해지지 않으면 이를 지원할 수 있다. 접지면 또는 차폐 인클로저는 속이 빈 도파관처럼 작동하여 이러한 모드를 전파할 수 있다. 억제는 접지면 사이에 단락 나사를 사용하거나 회로의 작동 주파수만큼 낮은 주파수를 지원하기에는 너무 작게 인클로저를 설계하는 형태를 취할 수 있다. 마찬가지로, 동축 케이블은 중심 도체를 필요로 하지 않는 원형 TE 및 TM 모드를 지원할 수 있으며, 이러한 모드는 케이블 직경을 줄여 억제할 수 있다.^[14]

종단면 모드

 이 부분의 본문은 종단면 모드입니다.

일부 전송선로 구조는 순수한 TE 또는 TM 모드를 지원할 수 없지만, TE 및 TM 모드의 선형 중첩인 모드를 지원할 수 있다. 다시 말해, 전기장과 자기장 모두의 종방향 성분을 갖는다. 이러한 모드를 하이브리드 전자기(HEM) 모드라고 한다. HEM 모드의 하위 집합은 종단면 모드이다. 이들은 종단면 전기(LSE) 모드와 종단면 자기(LSM) 모드의 두 가지 종류로 나뉜다. LSE 모드는 한 횡방향 방향으로 전기장이 0이고, LSM 모드는 한 횡방향 방향으로 자기장이 0이다. LSE 및 LSM 모드는 비균질 전송 매체를 가진 평면 전송선로 유형에서 발생할 수 있다. 순수한 TE 또는 TM 모드를 지원할 수 없는 구조는, 전송을 전혀 지원할 수 있다면 반드시 하이브리드 모드로 그렇게 해야 한다.^[15]

기타 중요한 매개변수

선의 특성 임피던스는 선을 따라 이동하는 파동이 만나는 임피던스이다. 이는 선의 기하학적 구조와 재료에만 의존하며 선 종단에 의해 변경되지 않는다. 평면 선의 특성 임피던스를 연결된 시스템의 임피던스와 일치시키는 것이 필요하다. 많은 필터 설계는 여러 다른 특성 임피던스를 가진 선을 필요로 하므로, 기술이 달성 가능한 임피던스 범위를 잘 갖추고 있다면 이점이 된다. 좁은 선은 넓은 선보다 높은 임피던스를 갖는다. 달성 가능한 최고 임피던스는 제조 공정의 해상도에 의해 제한되며, 이는 선을 얼마나 좁게 만들 수 있는지에 한계를 부여한다. 하한은 원치 않는 횡방향 공명 모드가 발생할 수 있는 선폭에 의해 결정된다.^[16]

Q 인자 (또는 Q)는 사이클당 저장된 에너지와 소산된 에너지의 비율이다. 이는 공명기의 품질을 특징짓는 주요 매개변수이다. 전송선로 회로에서 공명기는 필터 및 기타 장치를 구축하기 위해 전송선로 섹션으로 자주 구성된다. 그들의 Q 인자는 필터 스커트의 기울기 및 선택도를 제한한다. 평면 유형의 Q를 결정하는 주요 요인은 유전체의 유전율 (높은 유전율은 Q를 증가시킴)과 유전체 손실이며, 이는 Q를 감소시킨다. Q를 낮추는 다른 요인으로는 도체의 저항 및 방사 손실이 있다.^[17]

평면 유형의 주요 특성 요약

선 유형	주요 모드	일반적인 최대 주파수	특성 임피던스	무부하 Q 인자
스트립라인	TEM	60 GHz[18]	30–250 Ω[19] (εr = 4.3)[20]	400[21]
서스펜디드 스트립라인	TEM, 준-TEM	220 GHz[18]	40–150 Ω (εr = 10)[22]	600 (30 GHz, εr = 10)[22]
마이크로스트립	준-TEM	110 GHz[18]	10–110 Ω (εr = 10)[22]	250 (30 GHz, εr = 10)[22]
코플래너 도파관	준-TEM	110 GHz[18]	40–110 Ω (εr = 10)[22]	200 (30 GHz, εr = 10)[22]
슬롯라인	준-TE	110 GHz[18]	35–250 Ω (εr = 10)[22]	200 (30 GHz, εr = 10)[22]
핀라인	LSE, LSM	220 GHz[18]	10–400 Ω (εr = 10)[22]	550 (30 GHz, εr = 10)[22]
이미지라인	TE, TM	>100 GHz[23]	≈26 Ω (εr = 10)[22]	2500 (30 GHz, εr = 10)[22]

 • ε_r은 기판의 비유전율이다.

기판

평면 기술과 함께 사용되는 기판은 매우 다양하다. 인쇄 회로의 경우 유리 강화 에폭시(FR-4 등급)가 일반적으로 사용된다. 높은 유전율 세라믹-PTFE 라미네이트(예: 로저스 코퍼레이션 6010 보드)는 마이크로파 응용 분야를 위해 명시적으로 제작된다. 더 높은 마이크로파 주파수에서는 하이브리드 마이크로파 집적 회로(MIC)에 산화 알루미늄(알루미나)과 같은 세라믹 재료가 사용될 수 있다. 가장 높은 마이크로파 주파수, 밀리미터 대역에서는 사파이어 또는 석영과 같은 결정질 기판이 사용될 수 있다. 모놀리식 마이크로파 집적 회로(MMIC)는 칩이 만들어지는 반도체 재료(예: 규소 또는 비소화 갈륨) 또는 칩에 증착된 산화물(예: 이산화 규소)로 구성된 기판을 갖는다.^[24]

기판의 전기적 특성 중 가장 관심 있는 것은 비유전율 (ε_r)과 유전 손실 탄젠트 (δ)이다. 비유전율은 주어진 선폭의 특성 임피던스와 그 위를 이동하는 신호의 군속도를 결정한다. 높은 유전율은 더 작은 인쇄 부품을 가능하게 하여 소형화에 도움이 된다. 준-TEM 유형에서는 유전율이 필드의 얼마나 많은 부분이 기판 내에 포함되고 얼마나 많은 부분이 그 위의 공기에 있는지를 결정한다. 손실 탄젠트는 유전체 손실의 척도이다. 특히 높은 Q를 요구하는 회로에서는 가능한 한 작아야 한다.^[25]

기계적 특성으로는 기판에 필요한 두께와 기계적 강도가 포함된다. 서스펜디드 스트립라인 및 핀라인과 같은 일부 유형에서는 기판을 가능한 한 얇게 만드는 것이 유리하다. 휘어지는 기판에 장착된 섬세한 반도체 부품은 손상될 수 있다. 이러한 문제를 피하기 위해 가공하기 쉬운 보드 대신 석영과 같이 단단하고 견고한 재료가 기판으로 선택될 수 있다. 균질 스트립라인과 같은 다른 유형에서는 훨씬 두꺼울 수 있다. 인쇄 안테나의 경우, 장치 모양에 적합한, 유연하고 매우 얇은 기판이 필요하다. 전기적 성능에 필요한 두께는 재료의 유전율에 따라 달라진다. 표면 마감은 문제이다. 금속화 접착력을 보장하기 위해 약간의 거칠기가 필요할 수 있지만, 너무 많으면 도체 손실을 유발한다(결과적인 표면 거칠기가 표피 깊이에 비해 중요해지기 때문에). 열적 특성이 중요할 수 있다. 열팽창은 선의 전기적 특성을 변경하고 스루홀 도금을 파괴할 수 있다.^[26]

일반적인 기판 재료의 특성^[27]

기판	εr	δ
규소	11.9	0.015
비소화 갈륨	12.9	0.002
FR-4	04.3	0.022
6010	10.2	0.002
산화 알루미늄	09.8	0.0001
사파이어	09.4	0.0001
석영	03.8	0.0001

유형

스트립라인

스트립라인

 이 부분의 본문은 스트립라인입니다.

스트립라인은 두 접지면 사이의 유전체에 삽입된 스트립 도체이다. 일반적으로 한 장의 유전체 한 면에 스트립라인 패턴이 있는 두 장의 유전체를 함께 고정하여 구성한다. 스트립라인의 주요 경쟁 상대인 마이크로스트립에 비해 스트립라인의 주요 장점은 전송이 순전히 TEM 모드이며, 적어도 스트립라인 응용 분야에서 발생하는 거리에서는 분산이 없다는 것이다. 스트립라인은 TE 및 TM 모드를 지원할 수 있지만 일반적으로 사용되지는 않는다. 주요 단점은 개별 부품을 통합하기가 마이크로스트립만큼 쉽지 않다는 것이다. 통합되는 모든 부품에 대해 유전체에 구멍을 제공해야 하며, 조립된 후에는 접근할 수 없다.^[28]

서스펜디드 스트립라인

서스펜디드 스트립라인

 이 부분의 본문은 에어 스트립라인입니다.

서스펜디드 스트립라인은 에어 스트립라인의 일종으로, 기판이 접지면 사이에 위아래로 공기 간격을 두고 매달려 있다. 이 아이디어는 파동이 공기를 통해 이동하게 하여 유전체 손실을 최소화하는 것이다. 유전체의 목적은 도체 스트립의 기계적 지지일 뿐이다. 파동이 공기와 유전체의 혼합 매체를 통해 이동하므로 전송 모드는 진정한 TEM이 아니지만, 얇은 유전체는 이 효과를 무시할 수 있게 한다. 서스펜디드 스트립라인은 중간 마이크로파 주파수에서 사용되며, 손실 측면에서 마이크로스트립보다 우수하지만 도파관만큼 부피가 크거나 비싸지 않다.^[29]

기타 스트립라인 변형

스트립라인 변형: A, 표준,^[30] B, 서스펜디드,^[31] C, 양면 서스펜디드,^[32] D, 2 도체^[33]

두 도체 스트립라인의 아이디어는 두 기판 사이의 공기 간격을 보상하기 위한 것이다. 제조 공차와 도체의 두께로 인해 작은 공기 간격은 불가피하다. 이러한 간격은 접지면 사이에서 선으로부터의 방사를 촉진할 수 있다. 두 보드에 동일한 도체를 인쇄하면 두 기판에서 필드가 동일해지고 두 선으로 인한 간격의 전기장이 상쇄된다. 일반적으로 하나의 선은 약간 작게 만들어 작은 정렬 불량으로 인해 선이 효과적으로 넓어지고 결과적으로 특성 임피던스가 감소하는 것을 방지한다.^[34]

양면 서스펜디드 스트립라인은 표준 서스펜디드 스트립라인에 비해 더 많은 필드가 공기에 있고 기판에는 거의 없어서 더 높은 Q를 제공한다. 이렇게 할 경우의 단점은 두 선을 1/4 파장 미만의 간격으로 결합해야 한다는 것이다. 양면 구조는 또한 두 독립적인 선을 넓은 면을 가로질러 결합하는 데 사용될 수 있다. 이는 측면 결합보다 훨씬 강력한 결합을 제공하며, 표준 스트립라인에서는 불가능한 결합선 필터 및 방향성 결합기 회로를 구현할 수 있다.^[35]

마이크로스트립

마이크로스트립

 이 부분의 본문은 마이크로스트립입니다.

마이크로스트립은 유전체 층 상단 표면에 스트립 도체와 유전체 하단 표면에 접지면으로 구성된다. 전자기파는 부분적으로 유전체 내에서, 부분적으로 도체 위의 공기 중에서 이동하여 준-TEM 전송을 유발한다. 준-TEM 모드의 단점에도 불구하고 마이크로스트립은 인쇄 회로와의 쉬운 호환성 때문에 종종 선호된다. 어쨌든 이러한 효과는 소형 회로에서는 그리 심각하지 않다.^[36]

마이크로스트립의 또 다른 단점은 다른 유형에 비해 달성할 수 있는 특성 임피던스 범위가 더 제한적이라는 것이다. 일부 회로 설계는 150 Ω 이상의 특성 임피던스를 필요로 한다. 마이크로스트립은 일반적으로 그렇게 높이 올라갈 수 없으므로, 그러한 회로는 설계자가 사용할 수 없거나 높은 임피던스를 요구하는 부품에 대해 다른 유형으로의 전환이 제공되어야 한다.^[37]

마이크로스트립 역-F 안테나

마이크로스트립의 방사 경향은 일반적으로 이 유형의 단점이지만, 안테나를 생성할 때는 긍정적인 장점이 된다. 마이크로스트립으로 패치 안테나를 만드는 것은 매우 쉽고, 패치 안테나의 변형인 평면 역-F 안테나는 모바일 장치에서 가장 널리 사용되는 안테나이다.^[38]

마이크로스트립 변형

마이크로스트립 변형: A, 표준,^[39] B, 서스펜디드,^[40] C, 반전,^[41] D, 박스형,^[42] E, 트랩형 반전^[43]

서스펜디드 마이크로스트립은 서스펜디드 스트립라인과 동일한 목적을 가지고 있다. 손실과 분산을 줄이기 위해 필드를 유전체 대신 공기로 보내는 것이다. 감소된 유전율은 더 큰 인쇄 부품을 초래하여 소형화를 제한하지만, 부품 제조를 더 쉽게 만든다. 기판을 서스펜딩하면 이 유형을 사용할 수 있는 최대 주파수가 증가한다.^[44]

반전 마이크로스트립은 서스펜디드 마이크로스트립과 유사한 특성을 가지며, 추가적으로 대부분의 필드가 도체와 접지면 사이의 공기에 포함된다는 장점이 있다. 기판 위에 다른 부품과 연결될 수 있는 부유 필드가 매우 적다. 트랩형 반전 마이크로스트립은 선을 세 면에서 차폐하여 더 개방된 구조에서 가능한 일부 고차 모드를 방지한다. 선을 차폐된 상자에 배치하면 모든 부유 결합을 완전히 피할 수 있지만, 이제 기판을 상자에 맞게 잘라야 한다. 이 구조를 사용하여 하나의 큰 기판에 전체 장치를 제작하는 것은 불가능하다.^[45]

코플래너 도파관 및 코플래너 스트립

코플래너 도파관

 이 부분의 본문은 코플래너 도파관입니다.

코플래너 도파관(CPW)은 스트립라인 및 마이크로스트립과 달리 접지 도체가 기판 위 또는 아래에 있는 것이 아니라, 주선과 동일한 평면에 기판 위에 리턴 도체가 있다. 리턴 도체는 주선 양쪽에 배치되며, 무한대로 확장될 수 있다고 간주될 만큼 충분히 넓게 만들어진다. 마이크로스트립처럼 CPW는 준-TEM 전파를 갖는다.^[46]

CPW는 제조가 더 간단하다. 금속화 평면이 하나뿐이며, 부품은 직렬(선의 끊긴 부분을 가로지름)이든 션트(선과 접지 사이)든 표면 실장될 수 있다. 스트립라인과 마이크로스트립의 션트 부품은 기판 하단으로 연결되는 연결이 필요하다. CPW는 또한 소형화하기 더 쉽다. 특성 임피던스가 선폭의 절대값이 아니라 선폭과 리턴 도체 사이의 거리의 비율에 따라 달라지기 때문이다.^[47]

CPW는 장점에도 불구하고 인기를 얻지 못했다. 한 가지 단점은 리턴 도체가 구성 요소를 장착하는 데 사용할 수 없는 보드 영역을 많이 차지한다는 것이다. 비록 일부 설계에서는 마이크로스트립보다 더 높은 구성 요소 밀도를 달성할 수 있지만 말이다. 더 심각한 것은 CPW에는 슬롯라인 모드라고 불리는 영 주파수 차단점을 가진 두 번째 모드가 있다는 것이다. 이 모드를 작동 주파수보다 낮게 작동하여 피할 수 없으며, 다중 모드는 바람직하지 않으므로 억제해야 한다. 이는 홀수 모드로, 두 리턴 도체의 전기 전위가 동일하고 반대임을 의미한다. 따라서 두 리턴 도체를 함께 연결하여 억제할 수 있다. 이는 하단 접지면(도체 지지 코플래너 도파관, CBCPW)과 주기적인 비아 도금 스루홀, 또는 보드 상단의 주기적인 에어 브릿지를 통해 달성할 수 있다. 이 두 가지 해결책 모두 CPW의 기본적인 단순성을 저해한다.^[48]

코플래너 변형

CPW 변형: A, 표준,^[49] B, CBCPW,^[50] C, 코플래너 스트립,^[51] D, 임베디드 코플래너 스트립^[52]

코플래너 스트립(코플래너 스트립라인^[53] 또는 차동선^[54]라고도 함)은 일반적으로 마이크로파 대역 아래의 RF 응용 분야에만 사용된다. 접지면의 부재는 불분명한 필드 패턴을 초래하며, 마이크로파 주파수에서는 부유 필드로 인한 손실이 너무 크다. 반면에 접지면이 없다는 것은 이 유형이 다층 구조에 내장하기에 적합하다는 것을 의미한다.^[55]

슬롯라인

슬롯라인

슬롯라인은 기판 상단 금속화에 잘린 슬롯이다. 이는 마이크로스트립의 이중 형태이며, 도체로 둘러싸인 유전체 선이 아니라 도체에 의해 둘러싸인 유전체 선이다.^[56] 지배적인 전파 모드는 하이브리드이며, 작은 종방향 전기장 성분을 갖는 준-TE 모드이다.^[57]

슬롯라인은 기본적으로 밸런스트 라인이며, 언밸런스드 라인인 스트립라인 및 마이크로스트립과는 다르다. 이 유형은 부품을 선에 병렬로 연결하기 특히 쉽다. 표면 실장 부품은 선을 가로질러 장착될 수 있다. 슬롯라인의 또 다른 장점은 높은 임피던스 선을 달성하기 쉽다는 것이다. 특성 임피던스는 선폭과 함께 증가하므로(폭과 함께 감소하는 마이크로스트립과 비교) 높은 임피던스 선의 인쇄 해상도 문제는 없다.^[58]

슬롯라인의 단점은 특성 임피던스와 군속도 모두 주파수에 따라 크게 변하여 마이크로스트립보다 슬롯라인이 더 분산적이라는 것이다. 슬롯라인은 또한 상대적으로 낮은 Q를 갖는다.^[59]

슬롯라인 변형

슬롯라인 변형: A, 표준,^[60] B, 안티포달,^[61] C, 양면^[62]

안티포달 슬롯라인은 매우 낮은 특성 임피던스가 필요할 때 사용된다. 유전체 선에서는 낮은 임피던스가 좁은 선을 의미하며(도체 선의 경우와 반대), 인쇄 해상도로 인해 달성할 수 있는 선의 얇기에 한계가 있다. 안티포달 구조에서는 도체가 단락될 위험 없이 겹칠 수도 있다. 양면 슬롯라인은 양면 에어 스트립라인과 유사한 장점을 가진다.^[63]

기판 집적 도파관

기판 집적 도파관

 이 부분의 본문은 기판 집적 도파관입니다.

기판 집적 도파관(SIW), 또는 적층 도파관 또는 포스트-벽 도파관이라고도 불리는 것은 기판 유전체 내에 형성된 도파관으로, 두 줄의 포스트 또는 비아 도금 스루홀과 기판 위아래의 접지면 사이에서 파동을 제한한다. 지배적인 모드는 준-TE 모드이다. SIW는 속이 빈 금속 도파관의 저렴한 대안으로, 많은 장점을 유지하면서 개발되었다. 가장 큰 장점은 효과적으로 밀폐된 도파관으로서 마이크로스트립보다 방사 손실이 상당히 적다는 것이다. 다른 회로 부품으로의 부유 필드에 의한 원치 않는 결합이 없다. SIW는 또한 높은 Q와 높은 전력 처리 능력을 가지며, 평면 기술로서 다른 부품과 통합하기 쉽다.^[64]

SIW는 인쇄 회로 기판이나 저온 공소성 세라믹(LTCC)으로 구현할 수 있다. 후자는 SIW 구현에 특히 적합하다. 활성 회로는 SIW에 직접 구현되지 않으며, 일반적인 기술은 스트립라인-SIW 전환을 통해 스트립라인에 활성 부분을 구현하는 것이다. 안테나는 접지면에 슬롯을 잘라 SIW에 직접 만들 수 있다. 혼 안테나는 도파관 끝의 포스트 줄을 플레어링하여 만들 수 있다.^[65]

SIW 변형

리지 도파관의 SIW 버전이 있다. 리지 도파관은 E-평면을 가로지르는 내부 종방향 벽이 일부 있는 직사각형 속이 빈 금속 도파관이다. 리지 도파관의 주요 장점은 매우 넓은 대역폭을 갖는다는 것이다. 리지 SIW는 리지에 해당하는 것이 보드를 일부만 통과하는 기둥 줄이기 때문에 인쇄 회로 기판에 구현하기가 쉽지 않다. 그러나 LTCC에서는 이 구조를 더 쉽게 만들 수 있다.^[66]

핀라인

핀라인

핀라인은 직사각형 금속 도파관의 E-평면에 삽입된 금속화된 유전체 시트로 구성된다. 이 혼합 형식은 때때로 준평면(quasi-planar)이라고 불린다.^[67] 이 디자인은 직사각형 도파관에서 도파관 모드를 생성하기 위한 것이 아니라, 금속화에 선이 잘려 유전체를 노출시키고 이것이 전송선로 역할을 한다. 따라서 핀라인은 일종의 유전체 도파관이며 차폐된 슬롯라인으로 볼 수 있다.^[68]

핀라인은 리지 도파관과 유사하게 기판의 금속화가 리지("핀")를 나타내고 핀라인이 틈을 나타낸다. 리지 도파관은 패턴으로 리지의 높이를 변경하여 필터를 구성할 수 있다. 이들을 제조하는 일반적인 방법은 조각이 잘린(일반적으로 일련의 직사각형 구멍) 얇은 금속 시트를 가져와 핀라인과 거의 같은 방식으로 도파관에 삽입하는 것이다. 핀라인 필터는 임의의 복잡성을 가진 패턴을 구현할 수 있지만, 금속 삽입 필터는 기계적 지지 및 무결성의 필요성에 의해 제한된다.^[69]

핀라인은 220 GHz까지의 주파수에서 사용되어 왔으며, 실험적으로 최소 700 GHz까지 테스트되었다.^[70] 이러한 주파수에서 핀라인은 낮은 손실로 인해 마이크로스트립에 비해 상당한 이점을 가지며, 유사한 저비용 인쇄 회로 기술로 제조될 수 있다. 또한 직사각형 도파관에 완전히 둘러싸여 있으므로 방사로부터 자유롭다. 금속 삽입 장치는 공기 유전체이므로 손실이 훨씬 적지만, 회로 복잡성이 매우 제한적이다. 복잡한 설계를 위한 완전한 도파관 솔루션은 공기 유전체의 낮은 손실을 유지하지만, 핀라인보다 훨씬 부피가 크고 제조 비용이 훨씬 더 많이 든다. 핀라인의 또 다른 장점은 특히 넓은 범위의 특성 임피던스를 달성할 수 있다는 것이다. 트랜지스터와 다이오드의 바이어스는 스트립라인과 마이크로스트립에서처럼 주 전송선로를 통해 바이어스 전류를 공급하여 핀라인에서 달성할 수 없다. 핀라인은 도체가 아니기 때문이다. 핀라인에서 바이어스를 위한 별도의 장치가 필요하다.^[71]

핀라인 변형

핀라인 변형: A, 표준(단면),^[72] B, 양면,^[73] C, 안티포달,^[74] D, 강하게 결합된 안티포달^[75] E, 절연^[76]

단면 핀라인은 가장 단순한 설계로 제조가 가장 쉽지만, 양면 핀라인은 양면 서스펜디드 스트립라인과 마찬가지로 유사한 이유로 손실이 더 적다. 양면 핀라인의 높은 Q는 필터 응용 분야에서 종종 선택되는 이유이다. 안티포달 핀라인은 매우 낮은 특성 임피던스가 필요할 때 사용된다. 두 평면 사이의 결합이 강할수록 임피던스가 낮아진다. 절연 핀라인은 바이어스 선이 필요한 능동 부품을 포함하는 회로에 사용된다. 절연 핀라인의 Q는 다른 핀라인 유형보다 낮으므로 일반적으로 다른 용도로는 사용되지 않는다.^[77]

이미지라인

이미지라인

이미지라인(Imageline), 또는 이미지 선(image line) 또는 이미지 가이드(image guide)는 유전체 슬랩 도파관의 평면 형태이다. 이는 금속 시트 위에 유전체 스트립(종종 알루미나)으로 구성된다. 이 유형에서는 모든 수평 방향으로 확장되는 유전체 기판이 없고, 유전체 선만 존재한다. 접지면이 거울 역할을 하여 접지면이 없는 두 배 높이의 유전체 슬랩과 동등한 선이 되므로 이렇게 불린다. 100 GHz 정도의 높은 마이크로파 주파수에서 사용될 가능성을 보이지만, 아직 대부분 실험 단계이다. 예를 들어, 수천의 Q 인자가 이론적으로 가능하지만, 굽힘으로 인한 방사 및 유전체-금속 접착제의 손실이 이 수치를 상당히 감소시킨다. 이미지라인의 단점은 특성 임피던스가 약 26 Ω의 단일 값으로 고정된다는 것이다.^[78]

이미지라인은 TE 및 TM 모드를 지원한다. 지배적인 TE 및 TM 모드는 차단 주파수가 0이며, 속이 빈 금속 도파관은 모든 TE 및 TM 모드에 대해 전파가 불가능한 유한 주파수 이하의 차단 주파수를 갖는 것과는 다르다. 주파수가 0에 가까워질수록 필드의 종방향 성분은 감소하고 모드는 점근적으로 TEM 모드에 접근한다. 따라서 이미지라인은 TEM 유형의 선과 함께 임의의 낮은 주파수에서 파동을 전파할 수 있는 특성을 공유하지만, 실제로는 TEM 파동을 지원할 수는 없다. 그럼에도 불구하고 이미지라인은 저주파수에서 적합한 기술이 아니다. 이미지라인의 단점은 표면 거칠기가 방사 손실을 증가시키므로 정밀하게 가공되어야 한다는 것이다.^[79]

이미지라인 변형 및 기타 유전체 선

이미지라인 변형: A, 표준, B, 절연, C, 트랩형; 기타 유전체 선: D, 리브라인, E, 스트립 유전체 가이드, F, 반전 스트립 유전체 가이드^[80]

절연 이미지라인에서는 금속 접지면 위에 낮은 유전율의 얇은 절연층이 증착되고, 그 위에 높은 유전율의 이미지라인이 놓인다. 절연층은 도체 손실을 줄이는 효과가 있다. 이 유형은 또한 직선 구간에서 방사 손실이 낮지만, 표준 이미지라인과 마찬가지로 굽힘 및 모서리에서는 방사 손실이 높다. 트랩형 이미지라인은 이러한 단점을 극복하지만, 평면 구조의 단순성을 저해하므로 제조가 더 복잡하다.^[81]

리브라인은 기판에서 하나의 조각으로 가공된 유전체 선이다. 절연 이미지라인과 유사한 특성을 가진다. 이미지라인과 마찬가지로 정밀하게 가공해야 한다. 스트립 유전체 가이드는 알루미나와 같은 높은 유전율 기판 위에 놓인 낮은 유전율 스트립(보통 플라스틱)이다. 필드는 스트립과 접지면 사이의 기판에 주로 포함된다. 이 때문에 이 유형은 표준 이미지라인 및 리브라인과 같은 정밀 가공 요구 사항이 없다. 반전 스트립 유전체 가이드는 기판의 필드가 도체에서 멀리 이동했기 때문에 도체 손실이 더 적지만, 방사 손실이 더 높다.^[82]

다층 구조

다층 회로는 인쇄 회로나 모놀리식 집적 회로로 구성할 수 있지만, LTCC는 평면 전송선로를 다층으로 구현하는 데 가장 적합한 기술이다. 다층 회로에서는 적어도 일부 선이 유전체로 완전히 둘러싸여 매립될 것이다. 따라서 손실은 더 개방된 기술만큼 낮지 않겠지만, 다층 LTCC를 사용하여 매우 작고 밀집된 회로를 달성할 수 있다.^[83]

전환

전환: A, 마이크로스트립-SIW,^[84] B, CPW-SIW,^[85] C, 마이크로스트립-CPW, 점선은 마이크로스트립 접지면의 경계를 표시한다,^[86] D, CPW-슬롯라인^[87]

시스템의 각 부분은 서로 다른 유형으로 구현하는 것이 가장 좋을 수 있다. 따라서 다양한 유형 간의 전환이 필요하다. 불균형 전도성 선을 사용하는 유형 간의 전환은 간단하다. 이는 주로 전환을 통해 도체의 연속성을 제공하고 좋은 임피던스 매칭을 보장하는 문제이다. 동축과 같은 비평면 유형으로의 전환에도 동일하게 적용된다. 스트립라인과 마이크로스트립 간의 전환은 스트립라인의 두 접지면이 마이크로스트립 접지면에 적절하게 전기적으로 접합되도록 해야 한다. 이 접지면 중 하나는 전환을 통해 연속적일 수 있지만, 다른 하나는 전환에서 끝난다. 다이어그램의 C에 표시된 마이크로스트립-CPW 전환에도 유사한 문제가 있다. 각 유형에는 하나의 접지면만 있지만 전환에서 기판의 한쪽에서 다른 쪽으로 바뀐다. 이는 마이크로스트립과 CPW 선을 기판의 반대쪽에 인쇄하여 피할 수 있다. 이 경우 접지면은 기판의 한쪽에 연속적이지만 전환에서 선에 비아가 필요하다.^[88]

도체 선과 유전체 선 또는 도파관 간의 전환은 더 복잡하다. 이 경우 모드 변경이 필요하다. 이러한 종류의 전환은 한 유형에서 새로운 유형으로의 발사기 역할을 하는 일종의 안테나를 형성하는 것으로 구성된다. 예를 들어 코플래너 도파관(CPW) 또는 마이크로스트립을 슬롯라인 또는 기판 집적 도파관(SIW)으로 변환하는 것이다. 무선 장치의 경우 외부 안테나로의 전환도 필요하다.^[89]

핀라인으로의 전환은 슬롯라인과 유사하게 처리할 수 있다. 그러나 핀라인 전환은 도파관으로 가는 것이 더 자연스럽다. 도파관은 이미 그곳에 있다. 도파관으로의 간단한 전환은 좁은 선에서 도파관의 전체 높이까지 핀라인의 부드러운 지수 테이퍼(비발디 안테나)로 구성된다. 핀라인의 초기 응용은 원형 도파관으로 발사하는 것이었다.^[90]

평형선에서 불평형선으로의 전환에는 발룬 회로가 필요하다. 이에 대한 예로는 CPW에서 슬롯라인으로의 전환이 있다. 다이어그램의 D는 이러한 종류의 전환을 보여주며, 유전체 방사형 스터브로 구성된 발룬이 특징이다. 이 회로에 표시된 구성 요소는 두 CPW 접지면을 함께 결합하는 에어 브릿지이다. 모든 전환은 약간의 삽입 손실이 있으며 설계 복잡성을 더한다. 각 구성 요소 회로에 최적의 타협 유형이 아니더라도 전환 횟수를 최소화하기 위해 전체 장치에 대해 단일 통합 유형으로 설계하는 것이 때때로 유리하다.^[91]

역사

평면 기술의 발전은 처음에는 미군의 필요성에 의해 주도되었지만, 오늘날에는 휴대 전화 및 위성 TV 수신기 같은 대량 생산 가전제품에서 찾아볼 수 있다.^[92] 토머스 H. 리에 따르면, 해럴드 A. 휠러는 1930년대 초반에 코플래너 선으로 실험했을 수도 있지만, 최초의 문서화된 평면 전송선로는 공군 케임브리지 연구 센터의 로버트 M. 배럿(Robert M. Barrett)이 발명하고 1951년에 배럿과 반스(Barnes)가 발표한 스트립라인이었다. 1950년대에야 출판되었지만, 스트립라인은 실제로 제2차 세계 대전 중에 사용되었다. 배럿에 따르면, 최초의 스트립라인 전력 분배기는 이 기간 동안 V. H. 럼지(V. H. Rumsey)와 H. W. 제이미슨(H. W. Jamieson)에 의해 제작되었다. 배럿은 계약을 발행하는 것 외에도 에어본 인스트루먼트 연구소(AIL)를 포함한 다른 조직의 연구를 장려했다. 마이크로스트립은 곧 이어 1952년에 그리그(Grieg)와 엥겔만(Engelmann)에 의해 개발되었다. 일반 유전체 재료의 품질은 처음에는 마이크로파 회로에 충분히 좋지 않았고, 결과적으로 1960년대까지 널리 사용되지 않았다. 스트립라인과 마이크로스트립은 상업적 경쟁자였다. 스트립라인은 에어 스트립라인을 만든 AIL의 브랜드명이었다. 마이크로스트립은 ITT에 의해 만들어졌다. 나중에 트라이플레이트(triplate)라는 브랜드명으로 유전체 충전 스트립라인은 샌더스 어소시에이츠에 의해 제조되었다. 스트립라인은 유전체 충전 스트립라인의 일반적인 용어가 되었고, 이제 원래 유형을 구별하기 위해 에어 스트립라인 또는 서스펜디드 스트립라인이 사용된다.^[93]

스트립라인은 처음에는 분산 문제 때문에 경쟁 제품보다 선호되었다. 1960년대에는 MIC에 소형 반도체 부품을 통합할 필요성이 마이크로스트립으로 균형을 옮겼다. 소형화는 또한 마이크로스트립의 단점이 소형화된 회로에서는 그리 심각하지 않기 때문에 마이크로스트립을 선호하게 만든다. 넓은 대역에서 작동이 필요한 경우에는 여전히 스트립라인이 선택된다.^[94] 최초의 평면 슬랩 유전체 선인 이미지라인은 1952년에 킹(King)에 의해 개발되었다.^[95] 킹은 처음에 반원형 이미지라인을 사용하여 이미 잘 연구된 원형 로드 유전체와 동등하게 만들었다.^[96] 최초의 인쇄 평면 유전체 선 유형인 슬롯라인은 1968년에 콘(Cohn)에 의해 개발되었다.^[97] 코플래너 도파관은 1969년에 웬(Wen)에 의해 개발되었다.^[98] 인쇄 기술로서의 핀라인은 1972년에 마이어(Meier)에 의해 개발되었다.^[99] 비록 로버트슨(Robertson)은 훨씬 이전(1955-56)에 금속 삽입물을 사용하여 핀라인과 유사한 구조를 만들었지만 말이다. 로버트슨은 다이플렉서와 커플러를 위한 회로를 제작하고 핀라인이라는 용어를 만들었다.^[100] SIW는 1998년에 히로카와(Hirokawa)와 안도(Ando)에 의해 처음으로 설명되었다.^[101]

처음에는 평면형으로 만들어진 부품들이 개별 부품으로 제작되어, 일반적으로 동축선과 커넥터로 연결되었다. 회로의 크기는 동일한 하우징 내에서 평면선으로 부품들을 직접 연결함으로써 크게 줄어들 수 있다는 것이 빠르게 인식되었다. 이는 하이브리드 집적 회로 MIC의 개념으로 이어졌다. 이는 집중형 부품이 평면선으로 연결된 설계에 포함되었기 때문에 하이브리드라고 불렸다. 1970년대 이후로, 소형화 및 대량 생산을 돕기 위해 기본 평면형의 새로운 변형들이 크게 확산되었다. 모놀리식 마이크로파 집적 회로 MMIC의 도입으로 더 나아가 소형화가 가능해졌다. 이 기술에서는 평면 전송선로가 집적 회로 부품이 제조된 반도체 슬랩에 직접 통합된다. 최초의 MMIC인 X 밴드 증폭기는 플레시의 펭겔리(Pengelly)와 터너(Turner)에 의해 1976년에 개발되었다.^[102]

회로 갤러리

평면 회로

평면 전송선로로 구성할 수 있는 많은 회로 중 작은 일부가 그림에 나와 있다. 이러한 회로는 분포 정수 회로의 한 종류이다. 방향성 결합기의 마이크로스트립 및 슬롯라인 유형이 각각 A와 B에 표시되어 있다.^[103] 일반적으로 스트립라인이나 마이크로스트립과 같은 도체 선 형태의 회로는 도체와 절연체의 역할이 뒤바뀐 슬롯라인이나 핀라인과 같은 유전체 선에서 이중 형태를 갖는다. 두 유형의 선폭은 역관계에 있다. 좁은 도체 선은 높은 임피던스를 초래하지만, 유전체 선에서는 낮은 임피던스가 된다. 이중 회로의 또 다른 예는 C에 도체 형태로, D에 유전체 형태로 표시된 결합선으로 구성된 대역통과 필터이다.^[104]

각 선 섹션은 결합선 필터에서 공명기 역할을 한다. 또 다른 종류의 공명기는 SIW 대역통과 필터 E에 표시되어 있다. 여기서는 도파관 중앙에 배치된 기둥이 공명기 역할을 한다.^[105] 항목 F는 CPW와 슬롯라인 피드가 포트로 혼합된 하이브리드 링을 특징으로 하는 슬롯라인이다. 이 회로의 마이크로스트립 버전은 링의 한 섹션이 3/4 파장 길이여야 한다. 슬롯라인/CPW 버전에서는 슬롯라인 접합부에서 180° 위상 반전이 있기 때문에 모든 섹션이 1/4 파장이다.^[106]