[논문]LTCC를 이용한 GPS와 WLAN 대역통과 여파기

김영; 윤정호

doi:10.12673/jkoni.2012.16.2.227

[국내논문] LTCC를 이용한 GPS와 WLAN 대역통과 여파기
GPS and Wireless LAN Bandpass Filter based on LTCC 원문보기

한국항행학회논문지 = Journal of advanced navigation technology, v.16 no.2 = no.53, 2012년, pp.227 - 233

김영 (금오공과대학교 전자공학과) , 윤정호 (금오공과대학교 전자공학과)

초록
AI-Helper

본 논문은 LTCC를 이용하여 구현된 GPS와 WLAN용 대역통과 필터 설계방법을 제안한 것이다. 여기서 구현한 여파기는 버터워스 저역통과 여파기와 CRLH(Composite Right/Left-Handed) 전송선로의 고역통과 특성을 결합한 대역 통과 여파기를 설계하였다. 이렇게 설계된 여파기는 유전율 7.2의 그린쉬트를 이용한 LTCC 공정을 사용하여 1.5 GHz의 GPS와 2.4 GHz의 WLAN 대역의 대역통과 여파기를 제작하였다. 제작된 여파기의 삽입손실 결과는 1.5 GHz GPS대역에서 1.66 dB 또, 2.4 GHz WLAN 대역에서는 3.20 dB를 만족하는 대역통과 특성을 얻었다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents a bandpass fitler of GPS and WLAN band based on LTCC. The structure of bandpass fitler consists of a Butterworth lowpass fitler and highpass filter using CRLH (Composite Right/Left-Handed) transmission line. Using green sheet with dielectric constant 7.2, we fabricated the bandpass filter that satisfied GPS and WLAN band characteristics. We are implemented the bandpass filter at center frequency 1.5 GHz (GPS) and 2.4 GHz (WLAN). Its insertion loss are 1.66 dB at GPS and 3.20 dB at WLAN respectively.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 대역통과 여파기를 구현함에 있어서 CRLH (Composite Right/Left-Handed) 전송선로의 고역통과 특성과 버터워스의 특성을 갖는 저역통과 여파기를 결합한 대역통과 여파기를 설계하였다. 최근 CRLH 전송선로에 대한 연구는 마이크로파 대역의 여파기, 안테나 등에서 다양한 응용 회로를 제시하고 있다[6]-[9].
따라서, 본 논문에서는 LTCC 적층 구조의 장점을 최대한 활용할 수 있는 여파기 구조를 고려하여 제작 하였다. 즉 저역통과 여파기의 인덕터는 상대적으로 캐패시터 보다 여파기에 미치는 영향이 크므로 높은 품질계수 값을 얻을 수 있는 직선 전송선로를 이용하였고, 캐패시터는 가장 단순한 구조인 MIM (Metal-Insulator-Metal) 형태로써 크기를 줄였다.
이 논문은 CRLH 전송선로의 고역통과 특성과 버터워스 저역통과 특성을 결합하여 LTCC 공정을 이용하여 GPS와 WLAN용 대역통과 여파기 설계 및 제작한 논문이다. LTCC 공정을 이용함으로써 다른 회로의 영향을 받지 않고 작은 크기로 구현이 가능하였다.

제안 방법

최근 CRLH 전송선로에 대한 연구는 마이크로파 대역의 여파기, 안테나 등에서 다양한 응용 회로를 제시하고 있다[6]-[9]. 여기에서는 CRLH 전송선로를 구성 하는 Left-handed(LH) 전송선로의 고역통과 특성을 이용하였다.
따라서, 본 논문에서는 LTCC 적층 구조의 장점을 최대한 활용할 수 있는 여파기 구조를 고려하여 제작 하였다. 즉 저역통과 여파기의 인덕터는 상대적으로 캐패시터 보다 여파기에 미치는 영향이 크므로 높은 품질계수 값을 얻을 수 있는 직선 전송선로를 이용하였고, 캐패시터는 가장 단순한 구조인 MIM (Metal-Insulator-Metal) 형태로써 크기를 줄였다. 또한, CRLH 전송선로를 이용한 고역통과 여파기는 MIM 캐패시터와 스파이어럴 인덕터로 구성하여 크기를 줄이도록 설계하였다.
즉 저역통과 여파기의 인덕터는 상대적으로 캐패시터 보다 여파기에 미치는 영향이 크므로 높은 품질계수 값을 얻을 수 있는 직선 전송선로를 이용하였고, 캐패시터는 가장 단순한 구조인 MIM (Metal-Insulator-Metal) 형태로써 크기를 줄였다. 또한, CRLH 전송선로를 이용한 고역통과 여파기는 MIM 캐패시터와 스파이어럴 인덕터로 구성하여 크기를 줄이도록 설계하였다.
4 GHz CRLH 고역통과 여파기 다층 구조 도면을 설계한 것이 그림 5 이다. 이 때, 내장형 소자 상하부에 전면 GND를 배치하여 외부의 의한 기생성분 영향을 최소화 하였고, 향후 다층 형태의 모듈기판에 필터 형태로 내장될 시, GND에 의해 격리되어 있는 블록 설계가 가능하므로 회로사이의 간섭효과가 최소화 되는 기판 설계가 되도록 하였다. 설계 시 사용된 소프트웨어는 CST STUDIO SUIT 2008 이다.
1.5 GHz와 2.4 GHz 적층형 대역통과 여파기를 설계하기 위해 CRLH 단위 셀로 구성된 다층 고역통과 여파기와 삽입 손실 방법에 의해 설계된 저역통과 여파기를 직렬로 결합시켜 GPS와 WLAN에 사용하는 적층형 대역통과 여파기를 구현하였다.
앞 절에 설계된 다층 구조의 CRLH 고역통과 여파기와 삽입손실 법으로 설계된 다층 구조의 저역통과 여파기는 GND로 격리된 상태로 비아를 이용하여 직렬로 연결이 되었고, 전체 19층의 레이어로 적층형 대역통과 여파기를 구성하였다.
1.5 GHz와 2.4 GHz의 이중대역 필터를 구현하기 위하여 기존 제품의 크기와 동일하게 설계하는 것이 제품에 적용하여 활용하기가 용이할 것으로 판단하여 기존 상용화된 제품과 같은 크기(4.5x3.5x1.15 mm3)로 설계하였다.
유전율이 7.2인 그린쉬트를 이용한 LTCC 적층 방법을 이용하여 1.5 GHz와 2.4 GHz의 이중대역 필터를 구현하기 위해서 앞 절에서 설계된 두 필터를 한 몸체에 설계가 되도록 하였다.
기존의 개별적인 필터에 영향이 없도록 최대한 간격을 벌려서 설계를 하였으며, 이러한 과정을 통해서 개별적으로 설계한 필터와 동일한 특성을 얻었다. 이렇게 설계된 여파기를 LTCC 공정을 통하여 제작된 시제품은 그림 11에 나타내었다.

대상 데이터

이 때, 내장형 소자 상하부에 전면 GND를 배치하여 외부의 의한 기생성분 영향을 최소화 하였고, 향후 다층 형태의 모듈기판에 필터 형태로 내장될 시, GND에 의해 격리되어 있는 블록 설계가 가능하므로 회로사이의 간섭효과가 최소화 되는 기판 설계가 되도록 하였다. 설계 시 사용된 소프트웨어는 CST STUDIO SUIT 2008 이다.

성능/효과

여파기의 삽입손실을 측정하기 전에 테스트 보드를 측정한 값을 보정하여 여파기 시제품을 측정한 결과 1.5 GHz 대역에서는 삽입손실이 1.66 dB, 2.4 GHz 대역에서는 3.20 dB의 전기적인 특성을 얻었다. GPS와 WLAN 대역통과 여파기의 삽입손실과 반사계수 특성은 그림 13에 나타내었다.
LTCC 공정을 이용함으로써 다른 회로의 영향을 받지 않고 작은 크기로 구현이 가능하였다. 시제품의 전기적인 특성은 1.5 GHz에서 1.66dB 그리고 2.4 GHz에서 3.20 dB의 삽입손실을 얻었다. 이러한 결과는 기존 논문과 비교해서 삽입손실은 0.

후속연구

본 논문에서 구현된 여파기는 두 대역의 필터를 한 몸체에 구현함으로써 작은 공간을 사용함으로써 점차 크기가 작아지는 이동 단말기에 사용이 가능할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	LTCC공정을 이용한 필터는 어떠한 시스템에 적용되는가?	LTCC공정을 이용한 필터는 무선 LAN (Local Area Network)을 포함한 다양한 시스템에 적용되는 대역통과 여파기가 보고되고 있다[1]-[5].
	본 연구에선 어떻게 LTCC 적층 구조의 장점을 최대한 활용하여 여파기 구조를 제작하였는가?	따라서, 본 논문에서는 LTCC 적층 구조의 장점을 최대한 활용할 수 있는 여파기 구조를 고려하여 제작 하였다. 즉 저역통과 여파기의 인덕터는 상대적으로 캐패시터 보다 여파기에 미치는 영향이 크므로 높은 품질계수 값을 얻을 수 있는 직선 전송선로를 이용하 였고, 캐패시터는 가장 단순한 구조인 MIM (Metal-Insulator-Metal) 형태로써 크기를 줄였다. 또한, CRLH 전송선로를 이용한 고역통과 여파기는 MIM 캐패시터와 스파이어럴 인덕터로 구성하여 크기를 줄이도록 설계하였다.
	LH 전송선로는 무엇으로 구현할 수 있는가?	LH 전송선로는 직렬 인터디지털 캐패시터와 병렬 단락 스터브로 구현 할 수 있다. 이러한 LH 전송선로에서 직렬 캐패시터에 따른 인덕터 기생성분과 단락 스터브에 따른 캐패시터 기생성분에 의한 영향으로 만들어지는 전송선로를 CRLH 전송선로라고 한다.

참고문헌 (9)

Y. Kim, H. Nam, J. Lee and Y. Lim,"A design of the thin LTCC bandpass filter using parasitic capacitance and embeded small ground plate," The 21st International Technical Conference on Circuits/System, Computers and Communications, vol. I, pp. 165-168, 2006.
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상세보기
L.K. Yeung and K.L. Wu,"A compact second-order LTCC bandpass filter with two finite transmission zeros," IEEE Trans. Microwave Theory & Tech., vol. 51, no. 2, pp. 337-341, Feb. 2003.

상세보기
C.W. Tang and S.F. You,"Using the technology of low temperature co-fired ceramic to design the dual-band bandpass filter," IEEE Microwave and Wireless Component Letters, vol. 16, no. 7, pp. 407-409, July. 2006.

상세보기
W.S. Tung, Y.C. Chiang,"A new compact LTCC bandpass filter using negative coupling," IEEE Microwave and Wireless Component Letters, vol. 15, no. 10, pp. 641-643, Oct. 2003.
K. Markov, S. Royak, G. Sevskiy, and P. Heide," A simple LTCC balun for WLAN Applications using left-handed (LH) transmission line (TL)," Proc. 35th Eur. Microw. Conf., vol. 1, 2005.
M. Schussler, J. Freese and R. Jakoby, "Design of compact planar antennas using LH-transmission lines," IEEE MTT-S International Microwave Symposium, vol. 1, pp. 209-212, June 2004.
C. Caloz and T. Itoh, Electromagnetic Metamaterials, Transmission Line Theory and Microwave Applications, New York: Wiley, 2005.
박훈, 김근환, 윤경식, 이영철, 박철순,"LTCC 를 이용한 WLAN용 초소형 적층대역 통과필터설계," 한국통신학회논문집, Vol. 28, No. 7A, pp.563-568, 2003.

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