[논문]LTCC를 이용한 Small Size Dual Band PAM의 구현

신용길; 정현철; 이중근; 김동수; 유찬세; 유명재; 박성대; 이우성

[국내논문] LTCC를 이용한 Small Size Dual Band PAM의 구현
Implementation of Small Size Dual Band PAM using LTCC Substrates 원문보기

신용길 (전자부품연구원) , 정현철 (전자부품연구원) , 이중근 (전자부품연구원) , 김동수 (전자부품연구원) , 유찬세 (전자부품연구원) , 유명재 (전자부품연구원) , 박성대 (전자부품연구원) , 이우성 (전자부품연구원)

Compact power amplifier modules (PAM) for WCDMA/KPCS and GSM/WCDMA dual-band applications based on multilayer low temperature co-fired ceramic (LTCC) substrates are presented in this paper. The proposed modules are composed of an InGaP/GaAs HBT PAs on top of the LTCC substrates and passive components such as RF chokes and capacitors which are embedded in the substrates. The overall size of the modules is less than 6mm $\times$ 6mm $\times$ 0.8mm. The measured result shows that the PAM delivers a power of 28 dBm with a power added efficiency (PAE) of more than 30 % at KPCS band. The adjacent-channel power ratio (ACPR) at 1.25-MHz and 2.25-MHz offset is -44dBc/30kHz and -60dBc/30kHz, respectively, at 28-dBm output power. Also, the PAM for WCDMA band exhibits an output power of 27 dBm and 32-dB gain at 1.95 GHz with a 3.4-V supply. The adjacent-channel leakage ratio (ACLR) at 5-MHz and 10-MHz offset is -37.5dBc/3.84MHz and -48dBc/3.84MHz, respectively. The measured result of the GSM PAM shows an output power of 33.4 dBm and a power gain of 30.4 dB at 900MHz with a 3.5V supply. The corresponding power added efficiency (PAE) is more than 52.6 %.

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문제 정의

본 논문에서는 LTCC 기판을 이용하여 WCDMA/KPCS 와 GSM/WCDMA에 적용하기 위한 Dual Band PAM을 설계, 제작하였다. LTCC 기판의 3차원 구조를 이용하여 PA 의 Input, Output 및 Interstage 매칭 단에 필요한 대부분의 수동소자를 기판 내에 실장 시켰다.
지속적으로 이루어지고 있다. 이러한 추세에 발맞추어 이동통신 시스템에 있어 비교적 큰 부피를 차지하며 일반적으로 싱글 밴드 시스템으로 구성되는 Power Amplifier를 듀얼 밴드로 구성하여 소형화함으로 그 휴대성 및 지역간 이동시 편의성을 증가시키고자 한다.

제안 방법

LTCC 기판의 3차원 구조를 이용하여 PA 의 Input, Output 및 Interstage 매칭 단에 필요한 대부분의 수동소자를 기판 내에 실장 시켰다. 뿐만 아니라, 대용량을 요구하는 바이패스 커패시터와 초크 라인들도 기판 내에 실장 시킴으로用 전체 모듈의 크기를 6mm X 4mm x 0.8mm로 소형화 시켰다. 제작된 KPCS/WCDMA PAM의 측정 결과 KPCS 밴드에서는 28 dBm의 Output Power에서 30 dB의 이득과 -44/-60 dBc의 ACPR1의 성능을 보였다.
이 연구에서 다루어질 Dual Band PAM 역시 이 두 가지 특성을 우선적으로 고려하여 설계 되었다. 소형화에 사용되어진 LTCC 기판은 수동소자의 집적이 가능함으로인 덕 터, 러패시터, RF 초크를 내장시켜 소형화하였으며 □ 크기는 6mm X 4mm x 0.

대상 데이터

Agilent E4417A Power Meter, HP E4432B Signa] Generater, Agilent E4440 Spectrum Analyze:를 이용하여 축정하였다. 표 1에 나타내었듯이 KPCS 밴드에서는 1.
003 (6 GHz), 온도계수는 7 ppm/℃의 DuPont 9599를 Tape Casting 공정을 통하여 세라믹 그린 쉬트를 제작하였다. 도체는 도체 손실률을 줄이기 위해 전기전도 특성이 우수한 Metal C이Kent 86%의 Ag 페이스트를 사용하였다. 모듈의 제작은 그린 쉬트의 Via Hole에 도체를 충전한 후 도체 패턴을스린 프린팅을 통해 안쇄하고 각층을 적층하여 제작하는 Multi-layer Process를 적용하였다.
금속성 도체가 사용되었다. 유전체 재료는 상용재료로 유전율이 7.8이고 Loss Tangent는 0.003 (6 GHz), 온도계수는 7 ppm/℃의 DuPont 9599를 Tape Casting 공정을 통하여 세라믹 그린 쉬트를 제작하였다. 도체는 도체 손실률을 줄이기 위해 전기전도 특성이 우수한 Metal C이Kent 86%의 Ag 페이스트를 사용하였다.
제작된 모듈의 사용재료는 크게 세라믹으로 구성된 유전체와 금속성 도체가 사용되었다. 유전체 재료는 상용재료로 유전율이 7.

이론/모형

도체는 도체 손실률을 줄이기 위해 전기전도 특성이 우수한 Metal C이Kent 86%의 Ag 페이스트를 사용하였다. 모듈의 제작은 그린 쉬트의 Via Hole에 도체를 충전한 후 도체 패턴을스린 프린팅을 통해 안쇄하고 각층을 적층하여 제작하는 Multi-layer Process를 적용하였다. 적층되어진 샘플은 Cutting후 B리t Furnace에서 소성되어져 최종 샘플이 제작되었다.

성능/효과

WCDMA 밴드에서의 측정 결과는 1.95 GHz의 중심 주파수에서 27 dBm의 Output Power21 32 dB의 이득을 가지며 ACLR 은 27 dBm의 Output Power에서 5 MHz와 10 MHz Of房et시 각각 -37.5 dBc/3.84 MHz와 48 dBc/3.84 MHz의 결과를 보였다. 이러한 선형성과 효율은 KPCS와 WCDMA의 사양을 충분히 만족시킬 수 있는 결과들이다.
제작된 KPCS/WCDMA PAM의 측정 결과 KPCS 밴드에서는 28 dBm의 Output Power에서 30 dB의 이득과 -44/-60 dBc의 ACPR1의 성능을 보였다. 또한, WCDMA 밴드에서는 27 dBm의 Output Powei에서 32 dB의 이득을 가지며 -37.5M8 dBc의 ACLR 특성을 보였다. GSM의 측정결과는 33.
이 결과 3.5 V 전원을 이용하여 900 MHz의 중심 주파수에서 33.4 dBm의 Output Powell 30.4 dB의 이득 및 52.6 % 의 효율 보였다. 그림 4 에서는 2nd Harmonic이 Fundamental Sign&l에 비해 -35 dBc의 차를 가짐을 보여준다.
8mm로 소형화 시켰다. 제작된 KPCS/WCDMA PAM의 측정 결과 KPCS 밴드에서는 28 dBm의 Output Power에서 30 dB의 이득과 -44/-60 dBc의 ACPR1의 성능을 보였다. 또한, WCDMA 밴드에서는 27 dBm의 Output Powei에서 32 dB의 이득을 가지며 -37.
Agilent E4417A Power Meter, HP E4432B Signa] Generater, Agilent E4440 Spectrum Analyze:를 이용하여 축정하였다. 표 1에 나타내었듯이 KPCS 밴드에서는 1.765 GHz의 중심 주파수에서 28 dBm의 Output Power, 30 dB의 이득, Z1 리고 30 % 이상의 효율을 가지는 특성을 보였다. 선형성 지표인 ACPRe 28 dBm의 Output Power시 1.

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