RFIC용 박막형 ML/CPW 복합구조 전송선로에 관한 연구

Abstract

최근 정보통신기술이 첨단화로 인하여 무선통신시스템의 개발이 활발히 이뤄지고 있는 실정이다. 급격한 발전에 맞춰 무선통신 단말기의 저단가 및 소형화가 필요하며, 이러한 요구를 충족 시켜주기 위해서는 RF 소자들의 집적화가 필요한 추세이다. 본 연구에서는 실리콘 반도체 기판상에 박막형 ML/CPW 복합구조를 가지는 전송선로를 개발하였다. 박막형 ML/CPW 복합구조 선로의 선로파장은 종래의 코프레너 선로에 비해 파장축소 효과를 가지며, 10 GHz에서 종래의 코프레너 선로의 선로파장은 10.35 mm인 반면에 박막형 ML/CPW 복합구조 선로는 6.26 mm로 종래 코프레너 선로의 60.5 %의 파장 축소효과를 보였다. 그리고 상기의 박막형 ML/CPW 복합구조 선로는 종래의 코프레너 선로와 λ/8 선로에 대한 손실 특성을 비교한 결과 저손실 특성을 보였으며, 30 GHz까지 1.12 dB 이하의 손실 특성을 가진다.

박막형 ML/CPW 복합구조 선로는 높은 slow-wave 특성에 의해 종래의 코프레너 선로보다 높은 전송상수와 유효유전율 값을 보였다. 본 연구에서는 박막형 ML/CPW 복합구조 선로의 주기적 용량 및 대역폭에 관하여 연구하였으며, 주기적 용량의 경우 추가적인 용량 Cb에 의하여 종래의 코프레너 선로 및 박막형 마이크로스트립 선로보다 높은 용량 값을 보여주었다. 이와 같은 결과는 파장축소 효과를 증명할 수 있는 척도가 될 수 있으며, 주기적 용량을 통하여 박막형 ML/CPW 복합구조 선로의 대역폭을 추출하였다. 대역폭의 경우 377 GHz까지 광대역 특성을 보이며 광대역의 초소형 RF 수동소자 개발에 응용 가능함을 알 수 있다.

한편, 상기 박막형 ML/CPW 복합구조를 RLC 등가회로와 closed-form equation을 이용하여 이론적으로 해석하였다. 삽입손실과 위상차를 RLC 등가회로 및 closed-form equation을 이용하여 계산한 수치를 비교한 결과는 30 GHz 이하의 대역에서 양호한 RF 특성을 나타내며 측정결과와 잘 일치함을 확인하였다.

상기 박막형 ML/CPW 복합구조를 이용하여 실리콘 반도체 기판상에 임피던스 변환기를 제작한 결과, 점유면적은 종래의 코프레너 선로를 이용한 임피던스 변환기 면적의 약 1.04 % 정도로 대폭 축소되었다. 본 논문에서 제안한 임피던스 변환기는 광대역에 걸쳐서 양호한 RF 특성을 보였다. 구체적으로 중심주파수는 31.6 GHz에서 –31 dB의 반사손실과 –1.2 dB 이하의 삽입손실 특성을 보였으며, 18 ~ 41 GHz 대역에 걸쳐서 –10 dB 이하의 반사손실과 –1.7 ∓ 0.4 dB 이하의 삽입손실 특성을 보였다. 따라서, 박막형 ML/CPW 복합구조를 가지는 전송선로는 초소형 온칩용 RF 수동 및 정합소자에 매우 유용하게 사용될 수 있음을 알 수 있다.