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표제지

국문요약

목차

제1장 서론 14

1.1. 연구 배경 14

1.2. 연구 목표 17

제2장 선행 연구 19

2.1. 듀플렉서 특징 19

2.2. 필터 설계 이론 23

2.2.1. 전달함수에 의한 통과대역 설계 이론 23

2.2.2. 대역통과필터의 설계 이론 27

2.2.3. 필터 구현 방법 31

2.3. LTCC 기판기술 33

2.4. LTCC 공정기술 37

제3장 본론 39

3.1. 다이플렉서를 이용한 초소형 듀플렉서 개발 39

3.1.1. 듀플렉서 회로 설계 39

3.1.2. LTCC 분포정수 설계 47

3.1.3. 듀플렉서 LTCC 제작 및 측정 결과 73

3.2. 대역통과필터를 이용한 듀플렉서 개발 81

3.2.1. 커패시터가 부가된 공진기 설계 81

3.2.2. 대역통과필터 LTCC 패턴 설계 84

3.2.3. 듀플렉서 LTCC 제작 및 측정결과 91

제4장 결론 95

참고문헌 97

ABSTRACT 102

표목차

〈표 2-1〉 주요업체 최신 듀플렉서 특성 비교 (2015년 기준) 22

〈표 2-2〉 MCM 기술 간 특성 비교 33

〈표 2-3〉 인쇄용 도체 재료별 특성 비교표 35

〈표 2-4〉 LTCC 기판용 Green sheet 특성 35

〈표 3-1〉 Tx - ANT 전기적 특성 68

〈표 3-2〉 ANT - Rx 전기적 특성 68

〈표 3-3〉 LTCC 18층 내부 패턴도 및 설명 70

〈표 3-4〉 LTCC 공정별 시설장비 및 규격 73

〈표 3-5〉 RNE 8B LTCC 기판 특성 (RN2테크놀로지) 74

〈표 3-6〉 미세 패턴 인쇄 조건 75

〈표 3-7〉 라미네이팅 공정 조건 75

〈표 3-8〉 듀플렉서의 주요 층 별 패턴 설명 90

그림목차

그림 1.1. 이동통신 시스템의 기지국과 단말 간 4×4 MIMO 구성도 14

그림 1.2. 최근 이동통신기기에서 FEM 부분의 멀티밴드 구조도 15

그림 1.3. 안테나, Tx 및 Rx 사이의 듀플렉서 사용 위치 블록도 15

그림 1.4. 이동통신 단말기의 PA+듀플렉서 모듈 사용 예 16

그림 1.5. 본 연구에서 듀플렉서의 기판 내장 화 이미지 17

그림 1.6. 단말기에 사용 중인 FBAR 듀플렉서의 주파수 응답 18

그림 2.1. 안테나, Tx 및 Rx와 연결된 듀플렉서의 3-단자 구성도 19

그림 2.2. SAW 듀플렉서의 내부 구성 구조도 20

그림 2.3. FBAR 듀플렉서의 내부 구조 및 외형도 21

그림 2.4. 주요 선진업체 듀플렉서 제품 사진 (2015년 기준) 21

그림 2.5. RF 회로망에서 필터 회로 블록도 23

그림 2.6. 기본 필터 회로 및 주파수 응답 23

그림 2.7. 버터워스 저역통과필터의 주파수 응답 25

그림 2.8. 체브세프 저역통과필터의 차수에 따른 주파수 응답 25

그림 2.9. 저역통과필터의 고역통과필터로 소자 변환 26

그림 2.10. 저역통과필터에서 대역통과필터로 소자 변환 27

그림 2.11. 저역통과필터 기본 회로도 27

그림 2.12. 집중정수 대역통과필터 기본 회로도 28

그림 2.13. λ/4 임피던스 변환 회로도 28

그림 2.14. J 인버터 회로도 28

그림 2.15. J 인버터를 이용한 대역통과필터 회로도 29

그림 2.16. J 인버터로 구현된 이상적 대역통과필터 회로도 29

그림 2.17. J01 인버터의 π형 커패시터 전환 회로도(이미지참조) 30

그림 2.18. J01 인버터의 간략화 회로도(이미지참조) 30

그림 2.19. J 인버터를 이용한 대역통과필터의 최종회로도 31

그림 2.20. 집중정수회로 필터 32

그림 2.21. 마이크로스트립라인 대역통과필터 패턴도 32

그림 2.22. 모노블록 필터 및 세라믹 칩 필터 33

그림 2.23. LTCC 기판의 부품 내장 고집적화 이미지 34

그림 2.24. RF 회로에서 LTCC 적용 회로도 36

그림 2.25. LTCC 제조 공정도 37

그림 3.1. 다이플렉서와 대역통과필터 결합 듀플렉서 구조 39

그림 3.2. 저역통과필터 회로도 40

그림 3.3. 저역통과필터의 주파수 응답 및 스미스챠트 특성 41

그림 3.4. 병렬 커패시터 미 연결 주파수 응답 41

그림 3.5. 고역통과필터 회로도 42

그림 3.6. 고역통과필터 주파수 응답 및 스미스챠트 42

그림 3.7. 병렬 인덕터 미 연결 주파수 응답 43

그림 3.8. 다이플렉서 회로도 44

그림 3.9. 다이플렉서 주파수 응답 44

그림 3.10. 대역통과필터 회로도 45

그림 3.11. 대역통과필터의 주파수 응답 45

그림 3.12. 듀플렉서 회로도 46

그림 3.13. 듀플렉서 주파수 응답 46

그림 3.14. 최종적인 듀플렉서 회로 47

그림 3.15. 커패시터 2단자 측정 회로도 48

그림 3.16. 커패시터 10 pF의 스미스차트 49

그림 3.17. LTCC 기판 내 설계된 인덕터 및 집중정수소자 포트 49

그림 3.18. S₁₁스미스차트 50

그림 3.19. 인덕터 주파수 응답 50

그림 3.20. LTCC 기판 내 설계된 커패시터 및 집중정수소자 포트 51

그림 3.21. S₁₁스미스차트 51

그림 3.22. 커패시터 주파수 응답 52

그림 3.23. 저역통과필터의 집중정수 회로도와 분포정수 패턴도 52

그림 3.24. 저역통과필터의 PLC 1 공진기 53

그림 3.25. 병렬공진기의 PLC 1 커패시터 설계 53

그림 3.26. 병렬공진기의 PLC 1 인덕터 설계 54

그림 3.27. 병렬공진기 PLC 1 공진회로 특성 54

그림 3.28. 병렬공진기 PLC 1 차단대역에서 주파수 응답 55

그림 3.29. 병렬공진기 PLC 2 패턴도 55

그림 3.30. 병렬공진기 PLC 2 커패시터 설계 56

그림 3.31. 병렬공진기 PLC 2 인덕터 설계 56

그림 3.32. 병렬공진기 PLC 2 차단대역에서 주파수 응답 57

그림 3.33. 저역통과필터의 집중정수와 분포정수 특성 비교 57

그림 3.34. 고역통과필터의 집중정수 회로도와 분포정수 패턴도 58

그림 3.35. 고역통과필터의 PLC 1 공진기 58

그림 3.36. 고역통과필터 PLC 1의 커패시터 설계 59

그림 3.37. 고역통과필터 PLC 1의 인덕터 설계 59

그림 3.38. 고역통과필터 공진회로의 주파수 응답 60

그림 3.39. 고역통과필터 공진기의 차단대역에서 주파수 응답 60

그림 3.40. 고역통과필터의 집중정수와 분포정수 설계 비교 60

그림 3.41. λ/4 콤라인 공진기 대역통과필터 구성도 61

그림 3.42. 대역통과필터 집중정수회로 회로도와 주파수 응답 62

그림 3.43. 분포정수 회로 설계도 및 주파수 응답 63

그림 3.44. λ/12 공진기와 주파수 응답 S₂₁ 64

그림 3.45. λ/12에 션트 커패시터가 부가된 주파수 응답 65

그림 3.46. 대역통과필터 패턴도 및 주파수 응답 S₁₁, S₂₁ 66

그림 3.47. 대역통과필터의 Group Delay 특성 67

그림 3.48. 듀플렉서의 3차원 적층 패턴도 67

그림 3.49. 최종 듀플렉서 S-파라미터 특성 68

그림 3.50. 듀플렉서의 층간 구성 및 외형 치수도 69

그림 3.51. LTCC 제작을 위한 18층 패턴 구성도 69

그림 3.52. LTCC 제작 공정도 (RN2테크놀로지) 73

그림 3.53. 패턴 선폭 50 μm 인쇄 조건 설정 시편 사진 74

그림 3.54. LTCC로 제작된 3×2.5×1.2 ㎣ 듀플렉서 시작품 사진 75

그림 3.55. Network Analyzer E5071C 76

그림 3.56. PCB 테스트 지그와 S-파라미터 측정 셋업 사진 76

그림 3.57. Wide Dynamic Range Probe Station 77

그림 3.58. Network Analyzer N5230A 77

그림 3.59. Network Analyzer와 Probe Station 측정 셋업 사진 77

그림 3.60. LTCC 듀플렉서 1차 시작품 측정 결과 78

그림 3.61. LTCC 듀플렉서 2차 시작품 측정 결과 78

그림 3.62. 듀플렉서 1차 시작품 단면의 층간 두께 측정 결과 79

그림 3.63. 제작 공정과 동일 조건 HFSS 시뮬레이션 결과 79

그림 3.64. 4단 공진기 듀플렉서 설계 및 주파수 응답 80

그림 3.65. 두 개의 대역통과필터를 이용한 듀플렉서 블록도 81

그림 3.66. 부하가 단락된 전송선로 81

그림 3.67. 부하가 단락인 무손실 전송선로의 임피던스 변화 특성 82

그림 3.68. 커패시터가 부가된 λ/4 공진기 83

그림 3.69. 커패시터가 부가된 공진기 이용 대역통과필터 블록도 84

그림 3.70. 콤라인 공진기 패턴도 및 주파수 응답 85

그림 3.71. Tx 대역통과필터 패턴도 및 주파수 응답 86

그림 3.72. 대역통과필터 간 임피던스 정합회로도 87

그림 3.73. 임피던스 정합 스터브 길이에 따른 S₁₁임피던스 87

그림 3.74. Tx 대역통과필터 패턴도 88

그림 3.75. Tx 대역통과필터의 주파수 응답 및 스미스차트 88

그림 3.76. Rx 대역통과필터의 패턴도 및 주파수 응답 89

그림 3.77. 대역통과필터 기반 듀플렉서의 주파수 응답 89

그림 3.78. 듀플렉서 13층 구성도 및 HFSS 패턴도 90

그림 3.79. LTCC 공정 듀플렉서 5.4×4.0× 1.5 ㎣ 시작품 91

그림 3.80. Wide Dynamic Range Probe Station 91

그림 3.81. Network Analyzer 37397C 92

그림 3.82. 듀플렉서 측정 셋업 92

그림 3.83. 층간 두께 25 μm와 20 μm 적용 시뮬레이션 비교 93

그림 3.84. HFSS 설계 시뮬레이션과 시작품 측정 결과 비교 93

그림 3.85. 층간 두께 혼합 적용 최종 시작품 측정 결과 94

초록보기

 듀플렉서는 휴대폰과 같은 이동통신기기에 사용된다. 일반적인 듀플렉서는 고가의 SAW 듀플렉서와 FBAR이다. 본 연구는 저가의 LTCC (Low Temperature Co-fired Ceramics) 적층 공정으로 설계하였다. 필터를 구성함에 있어서 스트립라인 공진기를 사용하였다. 스트립라인 공진기는 Q(Quality Factor)가 SAW 듀플렉서나 FBAR에 비해서 비교적 열악한 특성을 가지고 있다. 이는 협대역 저손실의 감쇄특성을 구현하기는 어렵다.

본 연구는 이를 극복하기 위하여 LTCC 기판 적용 다이플렉서 기반의 고 감쇄특성의 초소형 듀플렉서를 창안하였다. 높은 감쇄특성의 다이플렉서와 대역통과필터를 조합하여 구현하였다. 그러나 다이플렉서는 외곽밴드가 필터 형태를 가지지 못하는 특성이 있다. 따라서 2-Pole의 소수의 소자를 사용한 저손실 대역통과필터로서 외곽밴드를 구성하였다. 이는 LTCC 기판 적용 3×2.5×1.2 ㎣ 사이즈의 2 ㎓ 대역의 듀플렉서로서, Tx 및 Rx 대역에서 2.4 ㏈의 삽입손실과 39 ㏈의 감쇄특성으로 HFSS 설계하였고, 실제 LTCC 시작품 제작에서는 3.8 ㏈의 삽입손실과 37 ㏈의 감쇄특성을 나타냈다. 그러나 중심주파수가 120 – 180 ㎒의 이동을 나타냈다. LTCC 제조사는 라미네이팅 및 소성 후 12 – 15 %의 수축율을 나타내는 불안정성을 극복해야하는 공정기술이 요구된다. 상업용 초소형 듀플렉서를 위해서는 설계 최적화와 공정 안정을 통하여 만들어 질수 있다.

본 연구에서 추가로 공정지수에 덜 민감한 구조인 두 개의 대역통과필터 구조인 5.4×4.0×1.5 ㎣ 듀플렉서를 연구하였고, 제작 결과는 삽입손실 3.3 - 3.6 ㏈, 감쇄특성 37 - 39 ㏈로서 상용 SAW 듀플렉서와 비교시 동등의 만족할 만한 결과를 얻었다. LTCC 제작 결과는 설계치와 동일한 형태와 특성을 나타내어 듀플렉서 설계의 신뢰도를 높혔다. 본 연구를 통하여 멀티밴드 및 MIMO의 복잡한 RF 부분에 듀플렉서 내장형 LTCC FEM 개발을 제안하여 본다.

참고문헌 (32건) : 자료제공( 네이버학술정보 )

참고문헌 목록에 대한 테이블로 번호, 참고문헌, 국회도서관 소장유무로 구성되어 있습니다.
번호 참고문헌 국회도서관 소장유무
1 3GPP, Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA) ; Base Station (BS) radio transmission and reception, “ETSI TS 36.104 Version 11.5.0, Release 11,”pp 18-23, July 17. 2013. 미소장
2 Qualcomm company,“LTE Advanced—Evolving and expanding in to new frontiers,”pp. 11, August. 2011. 미소장
3 “SAW/FBAR 디바이스의 동작원리와 사용 예,” Taiyo Yuden Navigator, Vol 4. 2010. 미소장
4 Advanced RF Engineering for Wireless systems and Networks. John Wiley & Sons, pp. 266-270. 미소장
5 Avago technology, wireless, duplexers, ACMD-7614, http://www.avagotech.com. 미소장
6 TDK & EPCOS Company, RF/SAW Components and Modules, duplexers, B4408, http://www.tdk.com. 미소장
7 Sawnics Company, duplexer, SD1921BP8, http://www.sawnics.com. 미소장
8 Advanced RF Engineering for Wireless systems and Networks. John Wiley & Sons, pp. 242-256. 미소장
9 Microsrtip Filters for RF/Microwave Applications. John Wiley & Sons, pp. 29-34. 미소장
10 Microsrtip Filters for RF/Microwave Applications. John Wiley & Sons, pp. 48-54. 미소장
11 HF Filter Design and Computer Simulation. Noble Publishing Atlanta, pp. 27-32. 미소장
12 Design of Microwave Filters, Impedance-Matching Networks, and Coupling Structures, Vol 1. Stanford Research Institute, pp. 95. 미소장
13 Microsrtip Filters for RF/Microwave Applications. John Wiley & Sons, pp. 54-60. 미소장
14 Design of Microwave Filters, Impedance-Matching Networks, and Coupling Structures Vol 1. Stanford Research Institute, pp. 139-150. 미소장
15 Design Method for the Bandpass Filters with the Consideration of Inverter Phase Variation Characteristics 소장
16 RF Design House, filter, http://www.rfdh.com. 미소장
17 LTCC 소재 및 공정 기술 개요 소장
18 “MCM-C용 L,C,R Library 및 재료개발에 관한 연구,”전자부품연구원, pp. 14-29, 2000. 미소장
19 “대면적 고정밀 LTCC 다층기판기술개발 동향 및 산업적 응용전망,”세라미스트, 제4권 제280호 pp. 41-48, 2011. 미소장
20 The scalable modeling of multi-layer embedded capacitor based on LTCC substrate 네이버 미소장
21 Microsrtip Filters for RF/Microwave Applications. John Wiley & Sons, pp. 48-54. 미소장
22 “이종적층 LTCC 기술을 이용한 GSM 대역 BPF설계,”한국전자파학회, 제14권 제9호 pp. 931-935, 2003. 미소장
23 LTCC 기술을 적용한 집적화된 2.4 GHz 대역 무선 송수신 모듈 구현 소장
24 Novel LTCC Distributed-Element Wideband Bandpass Filter Based on the Dual-Mode Stepped-Impedance Resonator 네이버 미소장
25 Design of Quasi-Lumped-Element LTCC Filters and Duplexers for Wireless Communications 네이버 미소장
26 Miniaturized lumped element complementary RF LTCC diplexer 네이버 미소장
27 Compact multi-harmonic suppression LTCC bandpass filter using parallel short-ended coupled-line structure 소장
28 "A m5.2GHz Band 2nd-order Band-pass Filter Using LTCC Multi-layer Technology ," Microwave Conference Proceedings, APMC 2005. Asia-Pacific Conference Proceedings, Volume 5, 2005. 미소장
29 "A miniaturized 2.4 GHz band multilayer bandpass filter using capacitively loaded quarter wave length slow wave resonator," IEEE MTT-S Int, Microwave Symp, pp. 515-518, 2003. 미소장
30 A Compact LTCC Bandpass Filter Using Resonators Loaded with Spiral-shaped Open-circuited Stubs 네이버 미소장
31 Microwave Filters, Microwave Theory and techniques, Vol 50, No. 3, March. 2002. 미소장
32 “Synthesis of Combline and Capacitively Loaded Interdigital Bandpass Filters of Arbitrary Bandwidth”, Microwave Theory and techniques, MTT-19, No. 8, August. 1971. 미소장

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