DOI : 10.5515/KJKIEES.2011.22.2.154
*전자부품연구원(Korea Electronics Technology Institute)
**명지대학교 전파공학과(Department of Electronics Engineering, Myongji University)
․논 문 번 호 : 20101001-07S
․교 신 저 자 : 김동호(e-mail : [email protected])
․수정완료일자: 2011년 1월 10일
LTCC 기술을 적용한 집적화된 2.4 GHz 대역 무선 송수신 모듈 구현
A Compact Integrated RF Transceiver Module for 2.4 GHz Band Using LTCC Technology
김동호*,**․김동수*․유종인*․김준철*․박종대**․박종철*
Dong-Ho Kim*,**․Dongsu Kim*․Jong-In Ryu*․Jun-Chul Kim*․
Chong-Dae Park**․Jong-Chul Park*
요 약
본 논문에서는 저온 동시 소성 세라믹(Low Temperature Co-fired Ceramic: LTCC) 기술을 이용하여 집적화된 2.4 GHz 대역 무선 송수신 모듈을 구현하였다. 구현된 송수신 모듈은 무선 전단부(RF front-end)단과 송수신 IC 칩 단으로 나누어진다. 무선 전단부단은 송수신을 선택하기 위한 SPDT 스위치와 스위치 동작을 위한 DC block 커패시터를 제외하고, 모두 LTCC 내부에 내장하였다. 제작된 무선 전단부는 8층으로 설계되었고, 크기는 3.3 mm×5.2 mm×0.4 mm이며, 무선 전단부의 측정 결과는 시뮬레이션과 유사한 결과를 보인다. 송수신 IC 칩 단은
신호 및 전원 선로와 송수신IC 칩으로 구성이 되어 있다. 제작된 무선 송수신 모듈은 내부 접지(inner GND)
3개 층을 포함한 9층으로 설계되었으며, 크기는 12 mm×8.0 mm×1.1 mm이다. 최종적으로 2.4 GHz 대역 송수신
모듈의 송신 파워는18.1 dBm이고, 수신 민감도는 —85 dBm의 특성으로 우수한 결과를 나타내었다.
Abstract
This paper presents a compact integrated transceiver module for 2.4 GHz band applications using Low Temperature Co-fired Ceramic(LTCC) technology. The implemented transceiver module is divided into an RF Front-End Module (FEM) part and a transceiver IC chip part. The RF FEM part except an SPDT switch and DC block capacitors is fully embedded in the LTCC substrate. The fabricated RF FEM has 8 pattern layers and it occupies less than 3.3 mm×5.2 mm×0.4 mm. The measured results of the implemented RF FEM are in good agreement with the simulated results.
The transceiver IC chip part consists of signal line, power line and transceiver IC for 2.4 GHz band communication system. The fabricated transceiver module has 9 layers including three inner grounds and it occupies less than 12 mm×8.0 mm×1.1 mm. The implemented transceiver module provides an output power of 18.1 dBm and a sensitivity of —85 dBm.
Key words : Low Temperature Co-fired Ceramic(LTCC), RF Front-End Module, Transceiver Module
Ⅰ. 서 론
최근 이동 통신 시장의 범위가 확장이 되면서
Wi-Fi나 블루투스와 같은 무선 통신에 대한 관심이
커지고 있다. 무선 통신 시장에서는 통신 기기의 다 기능화와 소형화 및 경량화를 요구하고 있고, 이에
따라 무선 통신 모듈에 대한 소형화와 집적화 그리 고 모듈화에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다.
LTCC 기술은 적층 구조로서 인덕터와 커패시터
를 내부에 실장하기에 매우 적합하고, 우수한 배선 밀도와 전기적인 특성, 그리고 외부 간섭에 대한 영 향을 최소화 할 수 있는 장점을 가지고 있어서, 다중 모드나 다중 밴드의 무선 통신 시스템에 적용할 수 있는 다이플렉서[1], 무선 전단부[2], 무선 송수신 모듈
[3],[4]의 소형화 및 집적화 연구에LTCC 기술을 적용
하는 것도 이러한 경향을 반영한 것이다. 본 논문은 최근 무선 이동 통신 시장에서 비중이 커지고 있는2.4 GHz 대역에 적용이 가능한 무선 송 수신 모듈에LTCC 기술을 적용하여 현재 상용되고
있는2.4 GHz 대역용 모듈과 유사한 특성을 가지며,
상용 모듈보다 얇은 두께를 가지는 모듈을 설계 및 구현하였다. 구현된 송수신 모듈은 송신부에 필요한 저역 통과 여파기와 발룬, 그리고 수신부에 필요한 대역 통과 여파기로 구성된 무선 전단부 단과 송수 신 신호를 처리하기 위한 송수신IC 칩 단으로 구성 되어 있다. 일반적으로 적층 구조로 내부를 구현하 게 되면 여파기와 같은 수동 소자나 신호선 그리고 전원선 서로 간의 간섭이 발생되어 송수신 모듈의 특성이 저하될 수 있기 때문에 본 논문에서는 첫 번 째로 무선 전단부와 송수신IC칩 단의 내부 접지층 을 분리하여 서로 간의 간섭이 발생하지 않도록 무 선 전단부를 설계하고, 두 번째로 송수신IC칩 단의 신호선과 전원선들은 적층되는 층을 분리하여 서로
그림 1. 2.4 GHz 대역 무선 송수신 시스템 모듈 구 조도
Fig. 1. Block diagram of RF transceiver module for 2.4 GHz band communication system.
간의 간섭을 최소화[5]하도록2.4 GHz 대역용 송수신 모듈을 구현하였다.
그림1은 본 논문에서 구현한2.4 GHz 대역용 무 선 송수신 모듈의 구조이다. 구현된 모듈은 무선 전 단부 단과 송수신IC 칩 단으로 나누어진다. 무선 전 단부 단은 송신을 위한 저역 통과 여파기와 발룬, 수 신을 위한 대역 통과 여파기, 그리고 송수신을 선택 하기 위한SPDT 스위치로 구성이 되어 있고, 송수신 IC 칩 단은 여러 신호 및 전원 선로와 송수신IC 칩 으로 구성이 되어 있다.
Ⅱ. 무선 송수신 시스템을 위한 무선 전단부
본 논문에서 구현한 무선 전단부는SPDT 스위치 동작을 위한DC block 커패시터를 제외한 모든 수동
소자는LTCC 내부에 내장하였다. 그림2는 무선 전
(a) 저역 통과 여파기 (a) LPF
(b) 발룬 (b) Balun
(c) 대역 통과 여파기 (c) BPF
그림 2. 무선 전단부의 회로도 Fig. 2. Schematic diagram.
단부를 구성하고 있는 수동 소자들의 회로도이다. 신호의 송신부에 필요한 저역 통과 여파기는 그림 2(a)와 같이 두 개의 직렬 공진기와 하나의 병렬 커 패시터로 구성되어 있다. 이와 같은 구조는 직렬 공 진기로 인한 두 개의 영(zero)점과 병렬 커패시터로 인한 하나의 극(pole)점이 생기는 구조로서, 이는 신 호의 삽입 손실은 최소로 하면서2차 고조파 성분을 저지하는데 효과적이다. 그림2(b)는IC칩 단에서 출
력되는180° 위상차를 가지는 신호를 송신하기 위해
하나로 결합해 주기 위한 발룬의 회로이다. 구현된 발룬[6]은3차의 저역 통과 여파기와 고역 통과 여파 기를 연결한 간단한 구조로써180° 위상차를 가지는 신호를 하나로 결합해 주고, LC 공진기를 추가적으 로 연결하여2차 고조파 주파수 대역을 저지하기 위 한 특성을 향상시켰다. 신호의 수신을 위한 대역 통 과 여파기는 그림2(c)와 같이combline 구조를 가지 는 여파기로써, 두 개의 공진기 및 교차 결합(cross-
coupled) 커패시터C와 공진기간 커플링으로 구성되
(a) 저역 통과 여파기 (b) 발룬의 진폭
(a) LPF (b) Amplitude response of the balun
(c) 발룬의 위상 (d) 대역 통과 여파기
(c) Phase response of the balun (d) BPF 그림 3. 무선 전단부의 수동 소자 측정 결과
Fig. 3. Measured performance of passive components.
어 있다. 공진기는 병렬 커패시터 와 한 쪽이 단 락되어 있는 선로로 구성되어 있다. Combline 구조 여파기는 교차 결합 커패시터와 병렬 커패시터를 이 용하여 신호의 전기적 파장과 커플링을 조절함으로 써 여파기의 물리적인 크기 변화 없이 대역과 특성 을 선택하고 높은 주파수에서도 전기적인 특성이 우 수한 장점을 가진다[7],[8].
설계된2.4 GHz 대역 무선 송수신 모듈을 위한 무
선전단부의2 GHz 대역 저역 통과 여파기의 소자 값 은1.08 nH, =1.61 pF, =1.78 nH,
=0.6 pF, =1.17 pF이고, 발룬의 소자 값[9]은
=0.62 pF, =0.85 pF, =3.6 pF, =1.21 nH,
=4.36 nH, =0.29 nH, =0.13 pF, = 2.78 pF이며, 그리고 대역 통과 여파기의 소자 값[10]
은=6.02 pF, 4.86 pF, 공진기 선로 길이=2.25 mm, 결합 공진기 간격=0.4 mm이다.
그림3은 설계된 무선 전단부의 각 부분별 시뮬레 이션과 측정 결과를 나타내고 있다. 그림 3(a)의 저
역 통과 여파기의 측정 결과는 삽입 손실은0.51 dB 이하이고, 반사 손실은 14.2 dB 이상, 2차 고조파의 저지 특성은36.2 dB 이상이다. 발룬의 진폭과 위상 특성은 그림3(b) 및3(c)와 같고, 삽입 손실은1.1 dB 이하, 진폭 차이는0.29 dB 이하이며, 위상차는185.1°
～183.1°, 반사 손실은14 dB 이상이다. 그리고 대역 통과 여파기의 특성은 그림3(d)와 같고, 삽입 손실 은1.6 dB 이하이고, 반사 손실은21.3 dB 이상이다. 구현된 무선 전단부의 각 부분별 측정 결과는 시뮬 레이션 결과와 유사한 결과를 보이고 있다.
그림 4는 설계된 무선 전단부의 구조로서, 그림 4(a)는 무선 전단부 내부의 수동 소자 구조를 나타내 고 있다. 헬리컬(helical) 구조의 인덕터와 적층 구조 의 커패시터를 이용하여 송신단을 위한 저역 통과 여파기와 발룬을 구현하였고, 두 개의 공진기와 교
(a) 내장된 수동 소자
(a) Embedded passive components
(b) 무선 전단부 (b) RF FEM 그림 4. 무선 전단부의 3-D 구조도 Fig. 4. Three-dimension layer of RF FEM.
차 결합(cross-coupled) 커패시터C를 최적화하여comb-
line 구조의 수신단을 위한 대역 통과 여파기를 구현
하였다. 그림4(b)는 무선 전단부의3D 구조로서, top 면에 송수신 선택을 위한 스위치와DC block 커패시 터를 실장하였다. 설계된 무선 전단부는 내부 접지 2층을 포함하여8층으로 구현되었으며, 설계된 저역
(a) 송신단의 진폭
(a) Amplitude response of Tx path
(b) 송신단의 위상
(b) Phase response of Tx path
(c) 수신단 (c) Rx path 그림 5. 무선 전단부 측정 결과 Fig. 5. Measured performance.
표 1. 무선 전단부 측정 결과
Table 1. Measured results of the RF FEM.
Tx path
LPF + Balun
Insertion loss Max. 2.1 dB Return loss Min. 18.8 dB Second harmonic Min. 35.7 dB Phase difference 179.4～184.1 degree
Rx path
BPF
Insertion loss Max. 1.85 dB Return loss Min. 18.2 dB
통과 여파기, 발룬 그리고 대역 통과 여파기의 크기 는 각각 2.0 mm×1.2 mm, 2.3 mm×1.5 mm, 2.2 mm
×1.4 mm이며, 두께는 모두300 μm이다. 또한 무선 전단부 전체의 크기는3.3 mm×5.2 mm×0.4 mm이다. LTCC 제작에 사용한 시트는 헤라우스(Heraeus)사 의 무연 파우더를 테이프 캐스팅(tape casting)하여 제작한 그린 시트로 유전율은9.0, loss tangent는0.005, 시트의 두께는40 μm이고, 소성 후 시트의 두께는
25 μm이다. 시트의 각 층과 층을 연결하기 위한 미
세 홀(via diameter)은150 μm이고, 전극 패턴을 위 한 페이스트는 Ag 페이스트를 사용하였다.
그림 5는 회로망 분석기(vector network analyzer)
N5230A를 사용하여 제작된 무선 전단부의 특성을
측정한 결과이다. 측정 결과는SPDT 스위치의 삽입 손실 0.4 dB를 포함한 결과로 표 1에 정리하였다.
Ⅲ. 집적화된 2.4 GHz 대역 무선 송수신 모듈
송신할 신호 또는 수신된 신호를 처리하기 위한 송수신IC 칩은Airoha사의802.11 b/g용AL2236칩을 사용하였다. AL2236칩의 크기는 5.0×5.0×0.55 mm 이다.
그림6은 구현된 집적화된2.4 GHz 대역 무선 송 수신 모듈의3D 구조와 제작된 샘플 사진이다. 제작 된 송수신 모듈top 면에는 SPDT 스위치, DC block 커패시터, bypass 커패시터, RF choke 인덕터와 송수 신IC칩만 실장이 되고, 나머지 소자와 신호선과 전 원선은 모두 LTCC 내부에 내장이 되었다. 설계된 무선 송수신 모듈은 내부 접지3층을 포함하여9층 으로 구현되었으며, 크기는12 mm×8.0 mm이며, 두 께는 IC칩을 포함하여 1.1 mm이다.
(a) 3D 구조
(a) Three-dimension layer
(b) 제작된 샘플 사진 (b) Photograph
그림 6. 2.4 GHz 대역 무선 송수신 모듈 Fig. 6. RF transceiver module.
그림 7. 무선 송수신 모듈의 격리도 특성 Fig. 7. Isolation characteristic of transceiver module.
그림 7은 LTCC 내부에 내장된IC칩단의 격리도
(isolation) 특성을 측정한 결과이다. 첫 번째 격리도
그림 8. 송수신 모듈의 송신 파워 스펙트럼 신호 Fig. 8. Measured Tx power spectrum in the transceiver
module.
특성은 Top면에 IC 칩을 실장할 패드 중에서 신호 입력 단자 패드와 이 패드에서 가장 가까운 곳에 위 치한 클럭(clock) 단자 패드 사이의 격리도이고, 두 번째는 전원단 사이의 격리도로3.3 V의 전원이 들 어가는 패드와 이 패드에서 가장 가까운 곳에 위치
한2.8 V 전원 사이의 격리도를 측정하였다. 측정된
결과는2.4～2.5 GHz에서 모두23 dB 이상으로 내장 된 신호선 및 전원선들 간의 간섭이 거의 발생되지 않음을 확인할 수 있다.
그림8은 제작된2.4 GHz 대역 송수신 모듈에 지 속파(CW: Continuous Wave) 신호를 입력하여 측정한 송신 파워 스펙트럼 신호의 특성으로 송신 파워는 18.1 dBm이다. 송수신 모듈의 수신 민감도(sensiti- vity)는Binary CDMA 신호를 사용하여 제작된 두 개 의 송수신 모듈의 안테나 단자 사이를 감쇠기(atte-
nuator)를 이용하여 연결하고 통신을 하여 데이터의
오류가8 % 미만으로 발생할 때까지를 통신이 되는
것으로 하여 수신의 민감도 특성을 측정하였다. 측 정된 수신단의 민감도는11 Mbps에서 —85 dBm이 며, 송수신 모듈의 크기는12 mm×8.0 mm×1.1 mm이 다. 이는 현재 상용되고 있는2.4 GHz 대역의 모듈과 유사한 특성을 보이고 있으며, 기존의 모듈에 비해 얇은 두께를 가지고 있다[11]～[13].
Ⅳ. 결 론
본 논문은 LTCC 기술을 이용하여 집적화된 2.4 GHz 대역 무선 송수신 모듈을 구현하였다. 제작된
무선 전단부는 내부 접지 2층을 포함하여 8층으로 구성되며, 크기는3.3 mm×5.2 mm×0.4 mm이다. 구현 된 무선 전단부의 측정 결과는 시뮬레이션 결과와 유사한 결과를 보이고 있으며, 측정된 결과를 보면
2.4 GHz 대역에서의 삽입 손실과 반사 손실 그리고
위상 특성 모두 우수한 결과를 나타내었다. 2.4 GHz 대역 무선 시스템을 위한 집적화된 무선 송수신 모 듈은 무선 전단부와 송수신IC칩을 이용하여 구현하 였다. 무선 송수신 모듈은9층으로 구성되며, 크기는 12 mm×8.0 mm×1.1 mm이다. 구현된 송수신 모듈은 우수한 통신 특성을 가지며, 이는 현재 무선 통신 시 스템의 소형화와 경량화 및 집적화에 관한 연구에 도움이 될 것으로 기대된다.
참 고 문 헌
[1] D. H. Kim, D. Kim, J. I. Ryu, J. C. Kim, J. C. Park, and C. D. Park, "A novel integrated Tx-Rx diplexer for dual-band WiMAX system", Microwave Sympo-
sium Digest, 2010 IEEE MTT-S International, pp.
1736-1739, May 2010.
[2] J. I. Ryu, J. W. Moon, D. Kim, and J. C. Kim,
"Implementation of the front-end module with a po- wer amplifier for dual-band wireless LAN", Micro-
wave Conference, 2009. EUMC 2009, European,
pp. 1357-1360, Sep. 2009.[3] Y. H. Cho, J. W. Kim, and Y. H. Park, "An ultra- miniaturized transceiver module for bluetooth appli- cations using 3-D LTCC system-on-package techno- logy", Microwave Symposium Digest, 2008 IEEE
MTT-S International, pp. 1-4, Jun. 2008.
[4] W. Byun, B. S. Kim, K. S. Kim, K. C. Eun, M. S.
Song, Reinhard Kulke, Olaf Kersten, Gregor Mö- llenbeck, and Matthias Rittweger, "Design of ver- tical transition for 40 GHz transceiver module using LTCC technology", Microwave Integrated Circuit
Conference, 2007. EUMIC 2007, European, pp. 555-
558, Oct. 2007.[5] J. I. Ryu, D. Kim, and J. C. Kim, "Isolation effect between DC supply voltage signal lines in wireless LAN module", Electromagnetic Compatibility, 2009
20th International Zurich Symposium on, pp. 385-
388, Jan. 2009.[6] S. Sakhnenko, D. Orlenko, K. Markov, A. Yatsenko, B. Vorotnikov, G. Sevskiy, P. Heide, and M. Vo-
ssiek, "Low profile LTCC balanced filter based on a lumped elements balun for WiMAX applications",
Microwave Symposium Digest, 2008 IEEE MTT-S International, pp. 1111-1114, Jun. 2008.
[7] G. L. Matthaei, L. Young, and E. M. T. Jones, Mi-
crowave Filters, Impedance-Matching Networks and Coupling Structures, McGraw Hill, pp. 497-506,
1964.[8] Lap K. Yeung, Ke-Li Wu, and Yuanxun E. Wang,
"Low-temperature cofired ceramic LC filter for RF applications", IEEE Microwave Magazine, vol. 9,
김 동 호
2004년 8월: 명지대학교 전자공학 과 (공학사)
2006년 8월: 명지대학교 전자공학 과 (공학석사)
2006년 9월～현재: 명지대학교 전 자공학과 박사과정
2006년 9월～현재: 전자부품연구원 위촉연구원
[주 관심분야] LTCC, RF FEM, RF 수동 소자 설계
김 동 수
1997년: 경북대학교 전자공학과 (공 학사)
1999년: 경북대학교 전자공학과 (공 학석사)
2001년: 미국 Georgia Institute of Tech. ECE (공학석사)
2004년: 미국 Georgia Institute of Tech. ECE (공학박사)
2004년～현재: 전자부품연구원 패키징연구센터 선임연구 원
[주 관심분야] RF 수동 소자/모듈, 안테나, Ferroelectric Tunable Device, 전력 증폭기 등
pp. 118-128, Oct. 2008.
[9] K. Markov, S. Royak, G. Sevskiy, and P. Heide, "A simple LTCC balun for WLAN applications using Left-Handed(LH) Transmission Lines(TL)", Micro-
wave Conference, 2005 EUMC 2005, European,
Oct. 2005.[10] Ching-Wen Tang, "Desing methodologies of LTCC bandpass filters, diplexer, and triplexer with trans- mission zeros", IEEE Transactions on Microwave
Theory and Techniques, vol. 54, pp. 717-723, Feb.
2006.
[11] www.inventeksys.com [12] www.usi.com.tw [13] www.murata-ws.com
유 종 인
1998년: 한양대학교 전파공학과 (공 학사)
2000년: 한양대학교 전파공학과 (공 학석사)
2000년～2001년: 에이스테크놀로지 연구원
2001년～2005년: 삼성전자 선임연구 원
2006년～현재: 전자부품연구원 패키징연구센터 선임연구 원
[주 관심분야] RF 능/수동 소자, RF System, System on Package, Embedded Components 등
김 준 철
1991년: 서강대학교 물리학과 (이학 학사)
1993년: 서강대학교 전자공학과 (공 학석사)
1998년: 서강대학교 전자공학과 (공 학박사)
1997년～2009년: 전자부품연구원 시 스템패키징연구센터 수석연구원
2010년～현재: 전자부품연구원 패키징연구센터 센터장 [주 관심분야] RF 수동 소자, 필터, System on Package 등
박 종 대
1983년 2월: 연세대학교 전자공학 과 (공학사)
1985년 2월: 연세대학교 전자공학 과 (공학석사)
1992년 12월: Arizona State Univ. 전 자공학과(공학박사)
1986년 9월～1987년 6월: 한국통신 연구소 전임연구원
1993년 1월～1996년 8월: 한국통신연구소 선임연구원 1996년 9월～현재: 명지대학교 전자공학과 정교수 [주 관심분야] UWB, 광대역 수동/능동 소자, RFIC, 마이
크로웨이브 포토닉스
박 종 철
1980년: 서울대학교 금속공학과 (공 학사)
1982년: 서울대학교 금속공학과 (공 학석사)
1991년: 서울대학교 금속공학과 (공 학박사)
1983년～1992년: 한국과학기술연구 원(KIST) 재료설계연구실 선임연구원
1992년～2009년: 전자부품연구원 시스템패키징연구센터 센터장
2010년～현재: 전자부품연구원 패키징연구센터 단장 [주 관심분야] System on Package, RF 수동 부품, Embedded
Passive 등
