[논문]주기적 접지구조를 이용한 실리콘 RFIC용 광대역 소형 임피던스 변환기

윤영

doi:10.5916/jkosme.2011.35.4.483

초록
AI-Helper

본 논문에서는 주기적 접지구조(PAGS)를 이용하여 실리콘 RFIC 반도체 기판상에 다단 임피던 스변환기를 제작 평가하였다. 제작된 임피던스변환기의 면적은 종래의 약 8.7 %인 0.026 $mm^2$이며, 8 ~ 49.5 GHz의 범위에서 양호한 RF특성을 보여주었다.

Using a coplanar waveguide employing periodic ground structure (PGS) on silicon substrate, a highly miniaturized and broadband impedance transformer was developed for application to low impedance matching in broadband. Concretely, the multi-section transformer was designed using Chebyshev polynomial...

Using a coplanar waveguide employing periodic ground structure (PGS) on silicon substrate, a highly miniaturized and broadband impedance transformer was developed for application to low impedance matching in broadband. Concretely, the multi-section transformer was designed using Chebyshev polynomials design technique for ultra broadband operation. Its size was 0.026 $m^2$ on silicon substrate, which was 8.7 % of the one fabricated by conventional coplanar waveguide on silicon substrate. The transformer showed a good RF performance over a ultra broadband from 8 - 49.5 GHz.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 논문에서는 위해 주기적 접지구조를 이용하여 실리콘 RFIC상에 집적가능한 초소형 수동소자를 개발하였다. 초광대역 동작 응용을 위해서 Chebyshev 다항식을 이용하여 3단 임피던스 변환기를 설계하였다.
Chebyshev 다항식 그래프는 그림5와 같으며, 그림에서 보는 바와 같이 -1 ≤ x ≤ 1, | Tn(x)|≤ 1의 범위에서 Chebyshev 다항식 그래프는 종래의 반사계수 형태에 비해 ripple 특성을 가지며 이러한 ripple 특성에 의해 그래프의 개형이 넓은 대역폭을 가지는 전달함수의 특성을 띄고 있음을 알 수 있다. 본 논문에서는 이러한 특성을 수동 소자에 이용하여 설계함으로써 넓은 대역폭을 가지는 수동소자를 구현 하고자 한다. |x| ≤ 1의 범위에서 x = cosϴ로 두면 상기 Chebyshev 다항식은 다음과 같이 표현된다.
본 논문에서는 주기적 접지구조를 이용하여 초 광대역에 걸쳐서 저임피던스 변환에의 응용을 위한 초소형 다단 임피던스 변환기를 제작하였다. 초광대역 동작을 위해서 임피던스 변환기의 반사계수가 Chebyshev 다항식과 일치하도록 임피던스 변환기를 설계하였다.
본 연구에서는 주기적 구조를 이용한 임피던스 변환기의 단수와 RF 특성 및 점유면적과의 관계를 고찰하였다. 표 3은 다단 임피던스 변환기의 대역폭, 면적 및 손실특성을 보여준다.
상기 문제점을 해결하기 위하여 본 연구그룹은 최근 실리콘 기판상에 제작된 임피던스 변환기를 발표하였다[9]. 본 논문은 [9]의 확장본이며, 구체적으로는 [8]을 도입하여 상기논문에서 발표된 임피던스 변환기[9]를 보다 자세히 해석하였으며, 단수의 변환등에 따른 특성등을 추가하였다.

제안 방법

본 논문에서는 50 Ω을 19 Ω으로 변환하기 위한 임피 던스 변환기를 설계하였으며 Γm = 0.05, N = 3으로 두면 식(8c) and (9b)로부터 다음의 식이 성립한다.
가 된다. 본 논문에서는 초광대역 특성을 위해서 상기 반사계수 식이 Chebyshev 다항식과 일치하도록 임피던스 변환기를 설계하였다. Chebyshev 다항식을 간단히 설명하면 다음과 같다.
상기 문제점을 해결하기 위하여 본 연구그룹은 최근 실리콘 기판상에 제작된 임피던스 변환기를 발표하였다[9]. 본 논문은 [9]의 확장본이며, 구체적으로는 [8]을 도입하여 상기논문에서 발표된 임피던스 변환기[9]를 보다 자세히 해석하였으며, 단수의 변환등에 따른 특성등을 추가하였다.
상기 식을 이용하여 그림 4의 임피던스 다단 임피던스 변환기를 설계하였으며, 본 논문에서는 ZL = 50 Ω, Z0 = 19 Ω인 3단으로 임피던스 변환기를 설계한 결과 Z1 = 26 Ω, Z2 = 35 Ω, Z3 =43 Ω이 되었다.
본 논문에서는 주기적 접지구조를 이용하여 초 광대역에 걸쳐서 저임피던스 변환에의 응용을 위한 초소형 다단 임피던스 변환기를 제작하였다. 초광대역 동작을 위해서 임피던스 변환기의 반사계수가 Chebyshev 다항식과 일치하도록 임피던스 변환기를 설계하였다. 구체적인 설계방법은 다음과 같다.

대상 데이터

각 단의 특성임피던스가 Z1 = 26 Ω, Z2 = 35Ω, Z3 = 43 Ω가 되도록 주기적 스트립 두께 T를 그림 3으로부터 결정하였으며, 그 결과 T1 = 50μm, T2 = 30 μm, T3 = 8 μm이며, 각 단의 선로 길이는 각각 L1 = 0.38 mm, L2 = 0.44 mm, L3 = 0.485 mm이다.
최근 단파장 특성을 가지는 주기적 접지구조의 코 프레너 선로가 본 연구그룹에 의해 제안되었다[9,10]. 그림 1은 본 논문에서 제안하는 주기적 접지구조를 이용한 코프레너 선로구조 즉, PGS (Periodic Ground Structure) 선로구조이다[9, 10]. 그림에서 보는 바와 같이 선로와 실리콘 기판사이에 주기적 접지구조인 PGS를 삽입하였으며, PGS와 선로사이에는 유전체 박막이 존재한다.

이론/모형

본 논문에서는 위해 주기적 접지구조를 이용하여 실리콘 RFIC상에 집적가능한 초소형 수동소자를 개발하였다. 초광대역 동작 응용을 위해서 Chebyshev 다항식을 이용하여 3단 임피던스 변환기를 설계하였다. 구체적으로는 3단 임피던스 변환기의 반사계수가 ripple특성을 가지는 Chebyshev 다항식과 일치하도록 각단의 임피던스 값을 결정하였으며,그 결과 초광대역 특성을 가지는 초소형 임피던스 변환 기가 구현되었다.

성능/효과

그러나 표 3에서 볼 수 있는바와 같이 단수가 증가하면 임피던스 변환기의 선로길이가 길어지므로 점유면적이 커지고, 늘어난 길이만큼 전자파의 진행경로가 길어지므로 손실이 증가한다. 결론적으로, 임피던스 변환기의 단수가 증가하면 대역폭확보에는 유리하나 손실특성이 악화되고 반도체상의 점유면적이 증가한다. 본 논문에서는 레이더 및 위성통신 상용화 대역인 X/Ku/K/Ka 대역이 동작대역이며, 표 3에서 보는 바와 같이 상기 대역을 동작대역으로 고려하는 경우, 3단 임피던스 변환기가 상대적으로 점유면적 및 손실이 가장적다.
초광대역 동작 응용을 위해서 Chebyshev 다항식을 이용하여 3단 임피던스 변환기를 설계하였다. 구체적으로는 3단 임피던스 변환기의 반사계수가 ripple특성을 가지는 Chebyshev 다항식과 일치하도록 각단의 임피던스 값을 결정하였으며,그 결과 초광대역 특성을 가지는 초소형 임피던스 변환 기가 구현되었다. 구체적으로는 실리콘 기판상의 주기적 구조를 이용하여 제작된 3단 임피던스 변환기의 면적은 종래의 약 8.
구체적으로는 3단 임피던스 변환기의 반사계수가 ripple특성을 가지는 Chebyshev 다항식과 일치하도록 각단의 임피던스 값을 결정하였으며,그 결과 초광대역 특성을 가지는 초소형 임피던스 변환 기가 구현되었다. 구체적으로는 실리콘 기판상의 주기적 구조를 이용하여 제작된 3단 임피던스 변환기의 면적은 종래의 약 8.7 %인 0.261 mm² 이며,8 - 49.5 GHz의 대역에서 반사손실이 - 10 dB이하, 삽입손실은 -1.15∓0.76 dB/mm의 초광대역 특성을 보여주었다.
그림 1의 PGS 구조에서알 수 있는 바와 같이, T가 커질수록 선로와 PGS 구조와 선로사이에서 발생하는 정전용량 C_b가 증가 하게 되며, 그 결과 식 (1)로부터 특성 임피던스 Z₀값은 줄어들게 됨을 알 수 있다. 상기 결과는 본 논문에서 제안하는 선로구조를 이용하면 단지 셀 두께 T 만 조절함으로써 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.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	RF 수동소자가 실리콘 IC 내부에 집적되지 못하는 이유는?	최근 실리콘 반도체 공정기술의 발달에 의해 CMOS의 고주파 성능이 향상됨에 따라, 마이크로파 및 밀리미터파 영역에까지 CMOS의 응용이 가능하게 되었고[1-3], 이에 따라 고주파용 RFIC (radio frequency integrated circuit)와 베이스 밴드부의 chip set이 하나의 실리콘 기판상에 집적된 SoC (system on chip)용 단말기의 개발이 가능하게 되었다. 그러나 이러한 실리콘 반도체 기술의 발전에도 불구하고, 아직까지도 결합기 및 분배기, 필터 및 임피던스 변환기등의 대부분의 RF 수동소자들은 큰 점유면적으로 인해 실리콘 IC 내부에 집적되지 못하고 있으며, 실리콘 IC 외부의 프린트 기판 상에 설계 및 제작되고 있는 실정이다[4-7].
	FET 능동소자의 특성은?	특히, 고주파에서 FET 능동소자는 10～25Ω의 저임피던스 특성을 가지므로[7], 능동소자 및 수동 소자 사이의 실수부 임피던스 정합을 위해서는 1/4파장 기반의 임피던스 변환기가 필수적으로 사용되어야 한다[8]. 그러나 실리콘반도체 기판 윗면에 접지금속막을 가지는 종래의 코프레너 선로[8]를 이용하여 35Ω 이하의 특성임피던스 선로를 제작하는 경우 선로폭이 매우 커지는 문제점이 있다.
	Chebyshev 다항식을 이용하여 3단 임피던스 변환기의 개발 과정과 특징은?	초광대역 동작 응용을 위해서 Chebyshev 다항식을 이용하여 3단 임피던스 변환기를 설계하였다. 구체적으로는 3단 임피던스 변환기의 반사계수가 ripple특성을 가지는 Chebyshev 다항식과 일치하도록 각단의 임피던스 값을 결정하였으며,그 결과 초광대역 특성을 가지는 초소형 임피던스 변환 기가 구현되었다. 구체적으로는 실리콘 기판상의 주기적 구조를 이용하여 제작된 3단 임피던스 변환기의 면적은 종래의 약 8.7 %인 0.261 mm2 이며,8 - 49.5 GHz의 대역에서 반사손실이 - 10 dB이하, 삽입손실은 -1.15∓0.76 dB/mm의 초광대역 특성을 보여주었다.

참고문헌 (16)

S. C. Shin, M. D. Tsai, R. C. Liu, K. Y. Lin, and H. Wang "A 24-GHz 3.9-dB NF Low-Noise Amplifier Using 0.18 ${mu}m$ CMOS Technology", IEEE Microw. Wireless Compon. Lett., vol. 15, no.7, pp. 448-450, 2005.

상세보기
H. J. Wei, C. Meng, P. Y. Wu, and K. C. Tsung "K-Band CMOS Sub-Harmonic Resistive Mixer with a Miniature Merchand Balun on Lossy Silicon Substrate", IEEE Microw. Wireless Compon. Lett., vol. 18, no. 1, pp. 40-42, 2008.

상세보기
T. P. Wang, and H. Wang "A 71-80 GHz Amplifier Using 0.13 ${\mu}m$ CMOS Technology", IEEE Microw. Wireless Compon. Lett., vol. 17, no. 9, pp. 685-687, 2007.

상세보기
M. K. Mandal, and S. Sanyal, "Reduced-Length Rat-Race Couplers", IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 55, no. 12, pp. 2593-2598, 2007.

상세보기
B. Liu, W., Hong, Y. Zhang, H. J. Tang, X. Yin, and K. Wu, "Half Mode Substrate Integrated Waveguide $180^{\circ}$ 3-dB Directional Couplers", IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 55, no. 12, pp. 2586-2592, 2007.

상세보기
L. K. Yeung, and Y. E. Wang, "A novel $180^{\circ}$ hybrid using broadside-coupled asymmetric coplanar striplines", IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 55, no. 12, pp. 2625-2630, 2007.

상세보기
Y. Yun, T. Fukuda, T. Kunihisa, and O. Ishikawa, "A High performance downconverter MMIC for DBS applications", IEICE Trans. Electron., vol.E84-C, no. 11, pp.1679-1688, 2001.
D. M. Pozar, Microwave Engineering, Addison-Wesley, Reading, 1990.
Y. Yun, "A Highly Miniaturized Multisection Transformer on Silicon RFIC for Application to Low Impedance Transformation in Ultra Broadband", Microwave Journal, vol. 53, no. 12, pp. 76-82, 2010.
윤영, 김세호, "주기적 접지구조를 이용한 실리콘 RFIC용 초소형 수동소자의 개발", 한국마린엔지니어링학회지, vol. 33, no. 4, pp. 562-568, 2009.
K. Masu, K. Okada, and H. Ito, "RF Passive Components Using Metal Line on Si CMOS", IEICE Trans. Electron., vol.E89-C, no. 6, pp. 681- 691, 2006.

상세보기
COLLIN, R. E., Foundations for microwave engineering. McGraw-Hill, 1966.
T. S. D. Cheung, and J. R. Long, "Shielded Passive Devices for Silicon-Based Monolithic Microwave and Millimeter-Wave Integrated Circuits", IEEE Journal of Solid-State Cicuits, vol. 41, pp. 1183-1200, 2006.

상세보기
J. R. Long, "Passive Components for silicon RF and MMIC design", IEICE Trans. Electron., vol.E86-C, no. 6, pp. 1022-1031, 2003.
M. Zargari, and D. Su, "Challenges in Designing CMOS Wireless Systemson-a-Chip", IEICE Trans. Electron., vol.E90-C, no. 6, pp. 1142- 1148, 2007.

상세보기
R. Lowther, and S. G. Lee, "On-chip Interconnect Lines with patterned Ground Shields", IEEE Microwave and Guided Wave Lett., vol.10, no. 2, pp. 49-51, 2000.

상세보기

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

LOADING...

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

주기적 접지구조를 이용한 실리콘 RFIC용 광대역 소형 임피던스 변환기
A Miniaturized Broadband Impedance Transformer Employing Periodic Ground Structure for Application to Silicon RFIC 원문보기

초록
AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

이론/모형

성능/효과

질의응답

참고문헌 (16)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

연구과제 타임라인

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

연관된 기능

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

주기적 접지구조를 이용한 실리콘 RFIC용 광대역 소형 임피던스 변환기 A Miniaturized Broadband Impedance Transformer Employing Periodic Ground Structure for Application to Silicon RFIC 원문보기

초록 AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

이론/모형

성능/효과

질의응답

참고문헌 (16)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

윤영 (34)

연구과제 타임라인

전체(0) 논문(0) 특허(0) 보고서(0)

전체(0) 논문(0) 특허(0) 보고서(0)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

연관된 기능

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

주기적 접지구조를 이용한 실리콘 RFIC용 광대역 소형 임피던스 변환기
A Miniaturized Broadband Impedance Transformer Employing Periodic Ground Structure for Application to Silicon RFIC 원문보기

초록
AI-Helper

AI 본문요약
AI-Helper