KR100348246B1 - 방향성 결합기를 이용한 밀리미터파 평면상의 발룬（ｂａｌｕｎ） - Google Patents

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Abstract

본 발명은 단 한번의 리소그래피 공정으로 동일 평면상에 제작이 가능한 방향성 결합기를 이용한 밀리미터파 평면상의 발룬(balun)을 제공하기 위한 것으로서, 입력된 신호를 커플링이 일어나도록 결합시키는 제 1 결합기와, 상기 제 1 결합기 한쪽 단자에 연결되어 임피던스를 정합시키는 개방형 스터브와, 상기 제 1 결합기의 또 다른 단자에 연결되어 불평형 신호가 입력되는 입력 전송 선로와, 상기 제 1 결합기와 동일 평면상에 측면으로 결합하여 형성된 제 2 결합기와, 상기 제 2 결합기 양쪽 단자에 연결되어 180°의 위상차를 가지는 신호를 출력하는 출력 전송선로를 포함하여 구성되며, 설계와 제작이 간단하고 발룬(balun)을 위한 특별한 공정이 필요없이 보통 널리 사용되는 MMIC 공정에 그대로 적용할 수 있고, MMIC 제조공정의 복잡도를 증가시키지 않기 때문에 제조 수율에 영향을 미치지 않는다.

Description

방향성 결합기를 이용한 밀리미터파 평면상의 발룬（ｂａｌｕｎ）{uniplanar balun of millimeter wave using directional coupling}
본 발명은 발룬(balun)에 관한 것으로, 특히 방향성 결합기를 이용하여 동일 평면상에 2 개의 출력단자가 180°의 위상차를 가지도록 하는 발룬(balun)에 관한 것이다.
발룬은 하나의 입력에 대해 2 개의 출력단이 180°의 위상차를 가지도록 하는 평형 불평형 변성기(balance to unbalance transformer)로서, 평형 2 선과 같은 평형 선로와 동축선과 같은 불평형 선로를 접속할 때 사용하는 정합용 트랜스로서 크게 나선 회로망형의 것과파장의 슈페르토프(sperrtopf)를 이용하는 U 형 발륜 두 가지로 나눌 수 있다.
상기 첫 번째 방법으로 가장 기본적인 동축 케이블을 활용하는 방법으로, 이 방법의 경우 저주파에서 널리 이용된다.
그리고 두 번째 방법으로는 동일 평면상의 전송 라인(transmission line)이나 마이크로스트립 라인(microstrip line)을 이용하는 방법으로 현재 가장 보편적으로 이용되고 있다.
상기 마이크로스트립 라인을 이용하는 발룬(balun)의 경우 가장 많이 활용되는 방법이 마챈드(marchand) 발룬(balun) 방법으로, 상기 마챈드(marchand) 발룬(balun) 방법은 넓은 대역폭을 가지며 동축선 형태 혹은 평면 형태로 구현이 가능하다.
이하, 종래 기술에 따른 마챈드(marchand) 발룬(balun)에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 1 은 종래 기술에 따른 전송선로로 표현된 마챈드(marchand) 발룬(balun)의 구성도로서, 도 1을 보면 마챈드(marchand) 발룬(balun)은 기본적으로 출력단층 전송선로 형태인 ZE를 제외하면 4개의 전송선로인 ZA, ZB, ZC, ZD 형태(10)로 구성된다.
그리고 이러한 회로 구조를 실제적으로 구현한 방식에 대한 도면이 도 2와 도 3에 나타냈다.
도 2 는 종래 기술에 따른 마챈드(marchand) 발룬(balun)의 평면도이고, 도 3 은 도 2의 평면도를 A에서 A'로 잘라낸 단면도이다.
상기 도 2와 도 3을 보면 발룬(balun)을 효율적으로 구현하기 위해서 신호를 전달하는 전송선로를 100um 두께의 GaAs기판상(80)에 하부메탈(30), 폴리이미드(70), 상부 메탈(20)을 층층히 쌓아 면적을 줄이고, 한 전송선로의 접지면(ground plane)이 다른 전송선로의 신호면이 되도록 비아 홀(60)을 통하여 연결하였다.
이와 같은 한 전송선로의 접지면이 다른 전송선로의 신호면이 되어야 하는 상황은 도 1에 보인 바와 같이 발룬(balun)의 원리에 의해 이루어져야 하고, 이러한 연결은 도 3에 나타낸 바와 같이 백사이드 비아 홀(backside via hole)(60)을 통해서 이루어진다.
그리고 상기 상부 메탈(20)을 통해 입력되는 불평형 입력신호는 서로 180°의 위상차를 가지고 두 개의 출력선로(40)(50)로 출력된다.
그러나 이상에서 설명한 종래 기술에 따른 마챈드(marchand) 발룬(balun)은 다음과 같은 문제점이 있다.
첫째, 상기 백사이드 비아 홀의 제작공정은 마이크로파 집적회로(MonolithicMicrowave Integrated Circuit : MMIC) 공정 중에서 가장 어려우며, 반도체 제조 공정상에서 가장 수율을 낮추는 공정이다.
둘째, 제조 공정이 복잡하고 층간의 단차가 생긴다.
셋째, 제조 공정에서 상부 메탈과 하부 메탈간에 일정 높이인 10um을 유지하면서 유전율이 낮은 물질로 폴리이미드를 사용하는데, 상기 폴리이미드로 인해 능동소자의 성능이 저하된다.
넷째, 폴리이미드를 평탄하게 형성하여 그 위에 마이크로스트립 전송선로를 구현하는 제조 공정이 매우 어렵다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 동일 평면상에서 단 한번의 포토리소그래피(photolithography) 공정으로 제작이 가능한 방향성 결합기를 이용한 밀리미터파 평면상의 발룬(balun)을 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1 은 종래 기술에 따른 전송선로로 표현된 마챈드(marchand) 발룬(balun)의 구성도
도 2 는 종래 기술에 따른 마챈드(marchand) 발룬(balun)의 평면도
도 3 은 도 2의 평면도를 A에서 A'로 잘라낸 단면도
도 4 는 본 발명에 따른 밀리미터파 평면상의 발룬(balun)의 구성도
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
90 : 입력 전송 선로 100 : 개방형 스터브
110a : 제 2 결합기 110b : 제 1 결합기
120, 130 : 출력 전송 선로
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 방향성 결합기를 이용한 밀리미터파 평면상의 발룬(balun)의 특징은 입력된 신호를 커플링이 일어나도록 결합시키는 제 1 결합기와, 상기 제 1 결합기 한쪽 단자에 연결되어 임피던스를 정합시키는 개방형 스터브와, 상기 제 1 결합기의 또 다른 단자에 연결되어 불평형 신호가 입력되는 입력 전송 선로와, 상기 제 1 결합기와 동일 평면상에 측면으로 결합하여 형성된 제 2 결합기와, 상기 제 2 결합기 양쪽 단자에 연결되어 180°의 위상차를 가지는 신호를 출력하는 출력 전송선로를 포함하여 구성하는데 있다.
본 발명에 따른 또 다른 특징은 제 1, 2 결합기와, 개방 스터브와, 입력 및 출력 전송선로를 한번의 리소그래피로 동일 평면상에 구성하는데 있다.
본 발명의 특징에 따른 작용은 평면상의 발룬(balun)을 구현하기 위해 측면결합(side-coupling) 능력을 가진 방향성 결합기(directional coupler)와 개방형 스터브(stub)의 구성으로, 종래의 재래식 MMIC 공정에 그대로 활용할 수 있으며 설계가 용이하고 제작이 간단하여 전체 회로의 수율에 영향을 주지 않으며, 또한 보통의 발룬(balun)에 비해 작은 크기로 구현할 수 있다.
본 발명의 다른 목적, 특성 및 잇점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
본 발명에 따른 방향성 결합기를 이용한 밀리미터파 평면상의 발룬(balun)의 바람직한 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 4 는 본 발명에 따른 밀리미터파 평면상의 발룬(balun)의 구성도로서, 도 4를 보면 입력된 신호를 커플링이 일어나도록 결합시키는 제 1 결합기(방향성 결합기)(110b)와, 상기 제 1 결합기(110b) 한쪽 단자에 연결되어 임피던스를 정합시키는 개방형 스터브(100)와, 상기 제 1 결합기(110b)의 또 다른 단자에 연결되어 불평형 신호가 입력되는 입력 전송 선로(90)와, 상기 제 1 결합기(11b)와 동일 평면상에 측면으로 결합하여 형성된 제 2 결합기(110a)와, 상기 제 2 결합기(110a) 양쪽 단자에 연결되어 180°의 위상차를 가지는 신호를 출력하는 출력 전송선로(120)(130)를 포함하여 구성된다.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 발룬(balun)에서 상기 제 1 결합기(110a)는 대략파장정도의 길이를 가지며, 상기 제 1 결합기(110b) 한 단자에 개방형 스터브(100)를 연결한다.
이어 상기 개방형 스터브(100)를 연결한 단자와 동일한 금속으로 연결된 반대편 단자에는 높은 특성 임피턴스를 가지는 마이크로스트립 전송선로(90)가 연결되어 있다.
그리고 상기 마이크로스트립 전송선로(90) 쪽으로 불평형(unbalanced) 입력신호가 인가된다.
상기 입력된 불평형 신호는 제 1 결합기(110b)로 입력되어 커플링이 일어나고, 개방형 스터브(100)는 상기 제 1 결합기(110b)에서 발생한 임피던스를 정합킨다.
이어 상기 제 1 결합기(110b)에서 결합된 신호는 커플링에 의해서 일정간격(s) 떨어져서 형성된 제 2 결합기(110a)로 신호가 전송된다.
여기서 상기 제 2 결합기(110a)의 반대편 금속부에 평형 출력신호를 얻기 위해 임피던스 정합을 위한 두 개의 마이크로스트립(microstrip) 전송선로(120)(130)가 연결되어 있다.
그리고 상기 제 2 결합기(110a)는 전송된 신호를 결합하여 상기 전송선로 양단(120)(130)에서 출력되는 신호를 서로 위상이 180°다른 신호로 출력한다.
본 발명의 구현을 위한 검증으로 IE3D라는 필드 시뮬레이터를 사용하여 설정된 구조를 계산하였다.
계산된 구조는 76GHz 대역에서 사용되는 믹서(mixer)의 입력을 위한 발룬(balun)으로 100um 두께의 GaAs 기판상에서 설계되었다.
계산된 결과에 따르면 결합기의 간격 s가 10um이고 사용된 금속이 3um 두께의 Au일 경우 대략 4.6~5dB 정도의 삽입 손실을 보여 주었으며, 위상차는 180°에서 크게 벗어나지 않았다.
또한 개방형 스터브(100)의 임피던스와 길이, 입출력 전송선로(90)(120)(130)의 임피던스와 길이에 따라 결합기의 길이가 변화될 수 있다.
그러나 결합기의 측면 결합 간격 s는 공정이 허락하는 한 작은 값을 유지하는 것이 삽입손실 측면에서 이득을 볼 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 방형성 결합기를 이용한 밀리미터파 평면상의 발룬(balun)은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 단일 평면상에 단순한 구조로 발룬(balun)을 구성할 수 있어서, 3 차원적인 전기적 연결을 요하는 복잡한 구조인 종래의 발룬(balun)의 단점을 극복하였다.
둘째, 종래의 발룬(balun) 보다 설계와 제작이 간단하고 발룬(balun)을 위한 특별한 공정이 필요없이 보통 널리 사용되는 MMIC 공정에 그대로 적용할 수 있다.
셋째, MMIC 제조공정의 복잡도를 증가시키지 않기 때문에 제조 수율에 영향을 미치지 않는다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 이탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시 예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.

Claims (5)

  1. 입력된 신호를 커플링이 일어나도록 결합시키는 제 1 결합기와,
    상기 제 1 결합기 한쪽 단자의 동일 평면상에 연결되어 임피던스를 정합시키는 개방형 스터브와,
    상기 제 1 결합기의 또 다른 단자의 동일 평면상에 연결되어 불평형 신호가 입력되는 입력 전송 선로와,
    상기 제 1 결합기와 동일 평면상에 측면으로 결합하여 형성된 제 2 결합기와,
    상기 제 2 결합기 양쪽 단자의 동일 평면상에 연결되어 180°의 위상차를 가지는 신호를 출력하는 출력 전송선로를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는 방향성 결합기를 이용한 밀리미터파 평면상의 발룬(balun).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 결합기와 제 2 결합기 사이에 일정 거리를 두고 결합되는 것을 특징으로 하는 방향성 결합기를 이용한 밀리미터파 평면상의 발룬(balun).
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1, 2 결합기와, 개방 스터브와, 입력 및 출력 전송선로를 동일 평면상에 한번의 포토리소그라피 공정을 통해 구성하는 것을 특징으로 하는 방향성 결합기를 이용한 밀리미터 평면상의 발룬(balun).
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1, 2 결합기는파장의 길이를 가지는 것을 특징으로 하는 방향성 결합기를 이용한 밀리미터파 평면상의 발룬(balun).
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 입력 및 출력 전송선로는 마이크로스트립(microstrip) 라인 구조인 것을 특징으로 하는 방형성 결합기를 이용한 밀리미터파 평면상의 발룬(balun).
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