[논문]GSM용 적층형 저역통과필터와 RF 다이오드 스위치의 설계

최우성; 양성현

doi:10.6109/jkiice.2012.16.3.416

GSM용 적층형 저역통과필터와 RF 다이오드 스위치의 설계
Design of Multilayer LPF and RF diode switch for GSM 원문보기

한국정보통신학회논문지 = Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, v.16 no.3, 2012년, pp.416 - 423

최우성 (원광대학교 공과대학 전기정보통신공학부) , 양성현 (광운대학교 전자공학과)

초록
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Ansoft HFSS와 Serenade를 사용하여, 적층형 저역통과필터(LPF)와 RF 다이오드 스위치를 설계하였다. RF diode switch의 등가회로를 참고한 시뮬레이션은 송신모드 (Transmit mode)일 때 다이오드를 인덕터(Inductor)로 등가 회로화 하였고, 수신모드(Receive mode) 일때는 다이오드를 커패시터(Capacitor)로 변환하여 시뮬레이션 하였다. 적측형 RF diode 설계는 소자 와 수축률 변화를 고려하여 수행하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Using Ansoft HFSS(High Frequency Structure Simulator) and Serenade(circuit simulator), multilayer LPF and RF diode switch for GSM were designed. Diodes were transformed the inductor and capacitor in Tx and Rx for the simulation of equivalent circuit, respectively. In particular, the design of the si...

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

등가회로는 집중소자 뿐만 아니라 분산소자형의 λ/4 전송선의 값을 예측하였다. LPF는 Semilumped type으로 설계하였고, 1.8GGHz와 2.7GHz에서 Notch를 구성하여 고조파 제거용도에 맞게 설계하였다. 설계회로와 특성은 그림 5~7에 나타내었다.
LTCC 적층형 RF diode switch 모듈은 Ansoft사의 HFSS(High Frequency Structure Simulator)를 이용하여 설계하였고, sample 공정의 design rule을 수립하여 수행하였다. 설계는 등가회로 상의 소자값을 분산소자형으로 산출하여 3차원 적층구조로 변환하였다.
RF diode switch의 등가회로를 참고한 시뮬레이션은 송신모드 (Transmit mode)일 때 다이오드를 인덕터(Inductor)로 등가 회로화하였고, 수신모드(Receive mode)일 때는 다이오드를 커패시터(Capacitor)로 변환하여 시뮬레이션 하였다. 적측형 RF diode 설계는 실제 공정상의 변수를 추출하기 위해 각각의 소자 변수에 따른 설계를 진행함과 동시에 수축률 변화에 따른 설계를 수행하였다.
등가회로는 집중소자 뿐만 아니라 분산소자형의 λ/4 전송선의 값을 예측하였다.
)의 고조파 성분을 제거하기 위한 역할을 한다. 등기회로의 시뮬레이션은 Ansoft사의 RF circuit simulator인 Serenade를 이용해서 여러 변수에 대한 특성변화 요인을 분석하였고, 각 소자의 파라미터를 최적화하였다. PIN 다이오드는 Hitachi사의 Microwave PIN diode를 사용하였다.
시뮬레이션은 송신모드 (Transmit mode)일 때 다이오드를 인덕터(Inductor)로 등가 회로화 하였고, 수신모드(Receive mode) 일 때는 다이오드를 커패시터(Capacitor)로 변환하여 시뮬레이션 하였다. 또한 시뮬레이터(Simulator)의 소자 튜닝 기능을 이용하여 소자 공정변수에 따른 특성을 예측하였으며, 3-D 구조적 기생 성분을 추출하였다. 등가회로는 집중소자 뿐만 아니라 분산소자형의 λ/4 전송선의 값을 예측하였다.
본 논문에서는 Semi-lumped 형태의 LPF(Low Pass Filter)를 구현하기 위하여 상하 stripline 형태로 구현 되어지는 transmission line과 커패시터(Capacitor)의 병렬 회로를 적용하였으며, 소형화를 위해서 MIM(Metal Insulator Metal)형태나 적층형의 chip capacitor 등을 GSM용 적층형 RF diode switch 설계에 적용시켰다.[8-12]
LTCC 적층형 RF diode switch 모듈은 Ansoft사의 HFSS(High Frequency Structure Simulator)를 이용하여 설계하였고, sample 공정의 design rule을 수립하여 수행하였다. 설계는 등가회로 상의 소자값을 분산소자형으로 산출하여 3차원 적층구조로 변환하였다. 각 소자는분산 소자 및 집중소자형이 혼재된 구조이다.
시뮬레이션은 송신모드 (Transmit mode)일 때 다이오드를 인덕터(Inductor)로 등가 회로화 하였고, 수신모드(Receive mode) 일 때는 다이오드를 커패시터(Capacitor)로 변환하여 시뮬레이션 하였다. 또한 시뮬레이터(Simulator)의 소자 튜닝 기능을 이용하여 소자 공정변수에 따른 특성을 예측하였으며, 3-D 구조적 기생 성분을 추출하였다.
1의 상용 Sheet를 사용하였다. 실제 공정상의 변수를 추출하기 위해 각각의 소자 변수에 따른 설계를 진행함과 동시에 수축률 변화에 따른 설계 예측 등을 수행하였다. 그림 6~7의 특성과 그림 10의 구조 시뮬레이션 특성과 비교해보면 다소의 차이가 있다.
RF diode switch의 등가회로를 참고한 시뮬레이션은 송신모드 (Transmit mode)일 때 다이오드를 인덕터(Inductor)로 등가 회로화하였고, 수신모드(Receive mode)일 때는 다이오드를 커패시터(Capacitor)로 변환하여 시뮬레이션 하였다. 적측형 RF diode 설계는 실제 공정상의 변수를 추출하기 위해 각각의 소자 변수에 따른 설계를 진행함과 동시에 수축률 변화에 따른 설계를 수행하였다. 특히, 구조 시뮬레이션에서는 각 소자의 기생성분을 포함해서 해석하였다.
그림 4에서는 GSM용 적층형 LPF의 구조와 주파수 특성을 나타내었다. 전송선은 winding 및 meandering 형태로 단면적을 최소화 하였고, 전체 전송선을 4 분할하여 제한된 영역내에서 구현하였다. 커패시터는 3개의 conductor plate를 사용하여 구현하였다.
커패시터는 3개의 conductor plate를 사용하여 구현하였다. 전송선의 길이와 커패시터의 크기를 가변시켜 특성을 제어하였다.
각 소자는분산 소자 및 집중소자형이 혼재된 구조이다. 층간의 연결은 via를 통해 이루어지며 다수의 소자를 내장함에 따라 발생하는 직렬 커패시턴트, 병렬 어레이 인덕턴스를 고려하여 직렬로 접속되는 커패시터 내부의 패턴은 종방향으로 형성하고, 코일부의 자계부가 통과하는 위치에 따른 패턴의 배치를 하지 않도록 부품을 배치하였다. 적층형 모듈 설계 구조와 주파수 특성은 그림 9와 그림 10에 나타내었다.
적측형 RF diode 설계는 실제 공정상의 변수를 추출하기 위해 각각의 소자 변수에 따른 설계를 진행함과 동시에 수축률 변화에 따른 설계를 수행하였다. 특히, 구조 시뮬레이션에서는 각 소자의 기생성분을 포함해서 해석하였다.

대상 데이터

등기회로의 시뮬레이션은 Ansoft사의 RF circuit simulator인 Serenade를 이용해서 여러 변수에 대한 특성변화 요인을 분석하였고, 각 소자의 파라미터를 최적화하였다. PIN 다이오드는 Hitachi사의 Microwave PIN diode를 사용하였다.
디자인 룰은 표2와 같다. 설계된 적층형 RF diode switch 모듈은 총 12종의 유전체 층으로 구성되어 있으며, 내부 전극재료는 Ag와 소결 후 유전율 6.1의 상용 Sheet를 사용하였다. 실제 공정상의 변수를 추출하기 위해 각각의 소자 변수에 따른 설계를 진행함과 동시에 수축률 변화에 따른 설계 예측 등을 수행하였다.

이론/모형

본 논문의 설계도구는 모두 Ansoft사의 프로그램을 사용하였다.

성능/효과

RF diode switch의 특성은 Diode가 순방향 바이어스가 걸릴 때의 등가 소자인 인덕터의 인덕턴스(Inductance) 값이 작을수록 Tx mode에서의 통과 대역내 삽입손실 특성이 좋았고, Rx mode에서는 PIN Diode가 제로 바이어스(Zero bias)상태의 등가 capacitance 값이 작을수록 삽입손실 및 감쇠 특성이 우수하였다.
등가회로에서 스위칭에 사용되는 두 개의 PIN diode의 series-shunt 구조는 series diode만을 사용할 때와 비교하면 몇가지 장점이 있다. 첫째 bias를 인가할 때 단지 한 개의 control line으로 단순하게 구현할 수 있고, 둘째 송신모드(transmit mode)에서만 bias가 필요하며, 셋째로 송신모드에서 동시에 두 개의 다이오드가 on되고 수신모드에서 off되기 때문에 수신모드에서의 다이오드의 비선형성에 의한 고조파(Harmonic)성분을 억제할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	LTCC스위치 모듈은 어떻게 해야 실장면적의 감소효과가 있는가?	LTCC(LOW Temperature Co-fired Ceramics) 스위치 모듈은 적층기술을 이용하여 기본 수동소자류인 R, L, C와 λ/4 전송선, LPF, Diplexer, PIN diode 등을 한 개의 단일칩(Single chip)으로 집적화 시킴으로써 각 개별 부품으로 구성하였을 때 보다 실장면적의 감소 효과가 있다. 또한, 개별 부품의 특성을 단순히 가산한 경우보다도 삽입손실 및 VSWR 특성이 좋다.
	저역통과필터는 무엇인가?	이러한 LTCC 모듈을 접근하기 위해서 기본적인 설계기술이 필요하다. 예를 들면, 저역통과필터(LPF, Low Pass Filter)는 차단주파수 이하의 주파수만 통과시키고 그 이상의 주파수는 감쇄시키는 동작을 수행하는 수동 소자로서, 일반적으로 Harmonic이나 Spurious 응답을 제거시키기 위해 사용된다. 기존 적층형 LPF는 집중소자형으로 단순히 구현된 개별 인덕터와 커패시터로 필터 함수 (Chebyshev, Butterworth, Elliptic, etc.
	LOW Temperature Co-fired Ceramics 스위치 모듈은 한개의 단일칩으로 집적화 시킴으로써 어떤 특성이 좋은가?	LTCC(LOW Temperature Co-fired Ceramics) 스위치 모듈은 적층기술을 이용하여 기본 수동소자류인 R, L, C와 λ/4 전송선, LPF, Diplexer, PIN diode 등을 한 개의 단일칩(Single chip)으로 집적화 시킴으로써 각 개별 부품으로 구성하였을 때 보다 실장면적의 감소 효과가 있다. 또한, 개별 부품의 특성을 단순히 가산한 경우보다도 삽입손실 및 VSWR 특성이 좋다. 이것은 모듈화에 의한 것으로 각 기능간의 임피이던스 매칭에 대한 최적화 설계로 각 소자간의 특성의 오차를 최소한으로 억제하는 것이 가능하기 때문이다.

참고문헌 (12)

C-MAC/SEI, "Low Temerature Cofired Ceramic Design Guidelines", 1999.
Via Electronics, "Design Rules for LTCC", 2000.
National Semiconductor, "Design Rules For Physical Layout of Low Temperature Co-fired Ceramic Modules", Revision 8.1, 2000.
T. Edwards, "Foundations for Microstrip Circuit Design", 2nd ed., John Wiley & Sons, Chichester, UK, 1992.
K. Chang, I. Bahl, and V. Nair, "RF and Microwave Circuit and Component Design for Wireless Systems", John Wiley & Sons, N. Y., 2002.
R. Mongia, I. Bahl, and P. Bhartia, "RF and Microwave Coupled-Line Circuits", Artech House, Norwood, MA, 1999.
D. M. Pozar, "Microwave Engineering", 3rd ed., John Wiley & Sons, N. Y., 2005.
J. A. G. Malherbe, "Microwave Transmission Line Filters", Artech House, Dedham, Mass., 1979.
G. D. Vendelin, A. M. Pavio, and U. L. Rohde, "Microwave Ciruit Design Using Linear and Nonlinear Techniques", Wiley, N. Y., 1990.
I. Bahl and P. Bhartia, "Microwave Solid State Circuit Design", John Wiley, New York, chap. 12, 1988.
J. A. G. Malherbe, "Microwave Transmission Line Filters", Dedham, Mass., 1979.
E.M.T. Jones and J.T.Bolljahn, "Coupled-Strip-Transmission Line Filters and Directional Couplers", IRE Trans. Microwave Theory and Techniques, vol. MTT-4, pp.78-81, April 1956.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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