[논문]실리콘 RFIC상에 주기적 스트립 구조를 이용한 초소형 온칩용 윌킨슨 전력분배기 개발에 관한 연구

주정갑; 윤영

doi:10.5916/jkosme.2010.34.4.540

초록
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본 논문에서는 주기적 스트립구조(PSS)를 이용하여 실리콘 RFIC상에 집적 가능한 초소형 수동소자를 개발하였고, 주기적 스트립구조상의 Contact의 유/무에 따른 영향에 대한 선로파장 및 삽입손실에 대한 변화에 대하여 연구 하였다. 구체적으로는 실리콘 RFIC 반도체 기판상에 온칩 윌킨슨 전력분배기를 제작 평가하였다. 제작된 윌킨슨 전력분배기의 면적은 종래의 약 4.8 %인 $0.44{\times}0.1mm^2$이며, 25 ~ 50GHz의 범위에서 양호한 RF특성을 보여주었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, using a coplanar waveguide employing Periodic Strip Structure (PSS), highly miniaturized on-chip wilkinson power divider was realized on Si radio frequency integrated circuit (RFIC). The wilkinson power divider exhibited good RF performances from 25 to 50 GHz, and its size was $0...

In this study, using a coplanar waveguide employing Periodic Strip Structure (PSS), highly miniaturized on-chip wilkinson power divider was realized on Si radio frequency integrated circuit (RFIC). The wilkinson power divider exhibited good RF performances from 25 to 50 GHz, and its size was $0.44{\times}0.1mm^2$, which is 4.8 % of conventional one. We also investigated the RF performances of various structures employing PSS.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 기존의 스트립 구조를 최적화하기 위하여 여러 가지 주기적 스트립 구조에 대한 특성 분석을 수행하였으며, 최적 특성을 가지는 스트립 구조를 이용하여 초소형의 윌킨슨 전력 분배기를 개발하였다. 구체적으로는 contact의 유/무에 따른 선로파장 및 삽입손실의 변화에 대하여 연구 하였으며 최적의 결과를 가지는 선로구조를 이용하여 실리콘 RFIC용 초소형 윌킨슨 전력 분배기를 개발하였다.
본 논문에서는 다양한 형태의 주기적 스트립구조의 특성을 고찰하였으며, 최적의 스트립구조를 이용하여 실리콘 RFIC상에 집적 가능한 초소형 윌킨슨 전력분배기를 제작 평가하였다. 그 결과에 의하면 Contact가 존재하며, 슬롯이 없는 구조가 최적의 파장특성을 보여주었으며, 이를 이용하여, 실리콘 RFIC상에 윌킨슨 전력분배기를 제작하였다.
본 논문에서는 주기적 스트립구조를 이용하여 초소형 수동소자를 제작하였으며, 본 절에서는 주기적 스트립구조에 관해 설명하도록 한다. 그림 1과 2는 본 논문에서 제안하는 주기적 스트립구조 PSS(Periodic Strip Structure)를 이용한 코프레너 선로구조이다.
본 절에서는 주기적 스트립구조에 Contact의 유/무에 의한 영향과 슬롯이 추가됨으로 인한 영향에 관해 설명하도록 한다.
이러한 문제점을 해결하기 위해서는, RFIC 내부에 집적 가능한 초소형 수동소자의 개발이 필요하다. 상기 문제점을 해결하기 위하여 최근 본 연구그룹에서 단파장 특성을 가지는 주기적 스트립 구조에 대한 기본특성을 발표하였다.[3]

제안 방법

본 논문에서는 기존의 스트립 구조를 최적화하기 위하여 여러 가지 주기적 스트립 구조에 대한 특성 분석을 수행하였으며, 최적 특성을 가지는 스트립 구조를 이용하여 초소형의 윌킨슨 전력 분배기를 개발하였다. 구체적으로는 contact의 유/무에 따른 선로파장 및 삽입손실의 변화에 대하여 연구 하였으며 최적의 결과를 가지는 선로구조를 이용하여 실리콘 RFIC용 초소형 윌킨슨 전력 분배기를 개발하였다.
본 논문에서는 다양한 형태의 주기적 스트립구조의 특성을 고찰하였으며, 최적의 스트립구조를 이용하여 실리콘 RFIC상에 집적 가능한 초소형 윌킨슨 전력분배기를 제작 평가하였다. 그 결과에 의하면 Contact가 존재하며, 슬롯이 없는 구조가 최적의 파장특성을 보여주었으며, 이를 이용하여, 실리콘 RFIC상에 윌킨슨 전력분배기를 제작하였다. 상기 전력분배기의 면적은 기존의 약 4.
본 논문에서는 주기적 스트립 구조를 이용하여 윌킨슨 전력분배기를 실리콘 RFIC상에 제작하였으며, 제작된 윌킨슨 분배기의 포트 임피던스는 27 Ω이므로, 선로들의 특성 임피던스(Z1,Z2), 포트 2와 포트 3 사이의 저항(R)은 Figure 10 [6]에 나타나 있는 수식을 이용하여 각각 38, 38, 54 Ω으로 구해지며, 선로 폭 W는 20 μm로 고정되었다.
5 dB 보다 다소 양호한 성능을 보이지만, 큰 차이는 관찰 할 수 없었다. 소형의 수동소자를 제작하는 경우, 파장축소 효과를 우선적으로 고려해야 하며, 손실의 보정은 전후단의 증폭기의 이득을 조절함으로써 쉽게 보상이 가능하므로, 본 논문에서는 Contact가 존재하는 PSS 구조(type2)를 이용하여 윌킨슨 전력분배기를 제작하였다.
5 dB 보다 다소 양호한 성능을 보이지만, 큰 차이는 관찰 할 수 없었다. 소형의 수동소자를 제작하는 경우, 파장축소 효과를 우선적으로 고려해야 하며, 손실의 보정은 전후단의 증폭기의 이득을 조절함으로써 쉽게 보상이 가능하므로, 본 논문에서는 Contact가 존재하는 PSS 구조(type2)를 이용하여 윌킨슨 전력분배기를 제작하였다.

대상 데이터

이들 선로는 두께 600 μm의 실리콘 반도체 기판상에 제작되었으며, Figure 1과 2의 PSS 구조의 기본 셀 사이의 간격 L, 선로 폭 W, 두께 T는 모두 20 μm이다.

성능/효과

이것은 전송선로의 파장과 임피던스는 식 (1), (2)와 같이, 용량(C)에 반비례하므로[4], 선로와 접지사이의 용량이 증가할수록 특성임피던스 Z₀와 선로파장 λg는 감소하게 된다. 따라서, 본 논문에서 제안하는 주기적 스트립구조 PSS는 기존의 코프레너 선로구조[4]에 비해 저 임피던스 특성과 단파장 특성을 가진다는 것을 알 수 있다.
5 dB로, 양호한 전력분배 특성이 관찰되며, 실제로, 테프론 기판상에 제작되는 off-chip 윌킨슨 전력분배기의 전력 분배값은 대략 -4 dB 정도이다[6]. 따라서, 중심주파수 40 GHz에서 본 논문의 결합기는 0.5 dB정도 더 높은 손실특성을 보인다. 이는 실리콘 기판 자체의 낮은 절연성에 의한 높은 손실에 기인한다[7]-[9].
그 결과 식 (1)로부터 특성 임피던스 Z₀ 값은 줄어들게 됨을 알 수 있다. 상기 결과는 본 논문에서 제안하는 PSS 선로구조를 이용하면, 셀의 두께 T의 조절만으로 선로의 특성 임피던스를 쉽게 조절할 수 있음을 보여준다. 즉, 선로 폭 W = 20 μm인 경우 단지 T를 0 ∼50 μm 범위에서 조절함으로써 특성 임피던스가 30 ∼ 70 Ω이 되도록 조절 가능하다.
그 결과에 의하면 Contact가 존재하며, 슬롯이 없는 구조가 최적의 파장특성을 보여주었으며, 이를 이용하여, 실리콘 RFIC상에 윌킨슨 전력분배기를 제작하였다. 상기 전력분배기의 면적은 기존의 약 4.8 % 인 0.44 X 0.1 mm²이며, 25 ∼ 50 GHz의 범위에서 양호한 RF특성을 보여 주었다.
제작된 윌킨슨 전력분배기를 구성하는 λ/4 선로 길이는 그림 3의 파장측정 결과로부터 결정되었으며, 제작된 윌킨슨 전력분배기의 사이즈는 포트를 제외한 유효면적이 0.44 x 0.1 mm2로, 기존 일반적 코프레너 선로를 이용하여 제작한 윌킨슨 전력분배기의 4.8%의 축소율을 보인다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	통신 수단의 발전에 대한 중요 과제는?	최근 정보화 사회의 급격한 발달은 통신 수단의 발전을 가져왔고, 고정된 장소에서의 통신으로부터 자동차, 선박 등의 이동수단에서의 통신, 위성통신까지 그 범위가 확대되고 있다. 이러한 발전에 대한 통신소자의 소형화와 고집적화는 현재 전자부품산업의 최대과제이다.
	정보통신기술이 급속한 성장을 이룬 배경은?	전자산업이 발전함에 따라 무선통신 시스템을 이용한 정보통신기술이 급속한 성장을 이루고 있으며, 다양한 정보 · 서비스로 인한 삶의 질은 급속도로 개선 · 발전되고 있다. 최근 정보화 사회의 급격한 발달은 통신 수단의 발전을 가져왔고, 고정된 장소에서의 통신으로부터 자동차, 선박 등의 이동수단에서의 통신, 위성통신까지 그 범위가 확대되고 있다.
	전력증폭기, 믹서 등의RFIC 전자소자에는 무엇이 필요한가?	무선통신 시스템을 구성하는 전력증폭기, 믹서 등의RFIC 전자소자에는 전력결합/분배기가 필요하다. 일반적인 결합/분배기로 윌킨슨 전력분배기(Wilkinson power divider)가 사용되고 있으며, 이 윌킨슨 분배기는 1960년에 최초로 그 특성과 구조가 소개된 이래로 각종 무선 통신용 회로 및 시스템을 구성에 있어 신호의 분배 및 결합을 위해 널리 사용되는 초고주파 회로 중의 하나이다.

참고문헌 (9)

E. J. Wilkinson, "An n-way hybrid power divider", IRE trans, Microwave Theory Tech., vol. 8, pp. 116-118, 1960.

상세보기
Zargari, M., and Su, D."Challenges in designing CMOS wireless systems on a chip", IEICE Trnas. Electron., E90-C, pp. 1142-1148, 2007.

상세보기
윤영, 김세호, "주기적 접지구조를 이용한 실리콘 RFIC용 초소형 수동소자의 개발", 한국마린엔지니어링학회지, 제33권, 제4호, p. 562-568, 2009.

원문보기 상세보기
Pozar. D.M, Microwave Engineering, Addison-Wesley, 2005.
Y. Yun, M. Nishijima, M. Katsuno, H. Ishida, K. Minagawa, T. Nobusada, and T. Tanaka, A fully-integrated broadband amplifier MMIC employing a novel chip size package," IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 50, pp. 2930-2937, 2002.

상세보기
윤영 저, RF 능동회로 설계이론 및 실무, 흥룡 과학 출판사, 2005.
K. Masu, K. Okada, and H. Itoh, "RF Passive components using metal line on Si CMOS", IEICE Trans. Electron., Vol. E89-C, no. 6, pp. 681-691, 2006.

상세보기
Y. S. Lin. C. C. Chen, H. B. Liang, T. Wang, and S. S. Lu, "Characterization and modeling of pattern ground shield and silicon-substrate effects on radio-frequency monolithic bifilar transformers for ultra-wide band radio-frequency integrated circuit applications", vol. 46, no. 1, pp. 65-70, 2007.

상세보기
R. Lowther, and S. G. Lee, "On-chip interconnect lines with patterned ground shields", IEEE Microwave Guided Wave Lett., vol. 10, no. 2, pp. 49-51, 2000.

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