KR0146556B1 - 마이크로 스트립 평행결합선 방식의 고온초전도 6-극 대역통과 필터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 마이크로스트립 평행결합선 방식의 고온초전도 6-극 대역 통과 필터에 관한 것으로서, 마이크로파 특성이 우수한 단결정기판과, 상기 단결정기판 상부의 일측에 형성된 신호 전송용 입력단과, 상기 단결정기판 상부의 상기 신호 전송용 입력단의 타측에 형성된 출력단과, 상기 단결정기판 상부에 입력단 및 출력단과 연결되도록 형성된 ㄱ자형 또는 ㄴ자형의 정합망과, 상기 단결정 기판 상부의 정합망 사이에 있는 마이크로스트립 평행결합선의 갯수에 의해 극수가 결정되는 평행결합선 방식으로 형성된 6-극 필터 패턴과, 상기 단결정 기판 하부에 형성된 Ti/Ag 접지평면을 포함한다.

따라서, 통과대역의 손실 특성을 저하시키지 않으면서 저지대역까지의 스커트 특성을 향상시킬 수 있다.

Description

마이크로스트립 평행결합선 방식의 고온초전도 6-극 대역 통과 필터

제1도는 본 발명에 따른 마이크로스트립 평행결합선 방식의 고온초전도 6-극 대역통과 필터의 평면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 신호 전송용 입력단 2 : 필터 패턴

3 : 신호 전송용 출력단 4 : 단결정 기판

5 : 접지평면 6 : 정합망

본 발명은 통신용 송수신시스팀에 사용되는 대역통과 필터(bandpass filter)에 관한 것으로서, 특히, 중심주파수가 12 ㎓이고 저지대역(stop band) 까지의 스키트(skirt) 특성과 통과대역폭에서의 손실 특성을 향상시킬 수 있는 마이크로스트립 평행결합선 방식의 고온 초전도 6-극 대역통과 필터에 관한 것이다.

21세기에 접어들면서 전파서비스 수요의 폭증과 고품위, 대용량 정보를 고속으로 처리할 수 있는 우수한 정보 및 통신시스템의 개발은 각국의 초고속 정보통신망 구축계획과 맞물려 그중요성이 매우 커지고 있으며, 통신 및 방송 뿐만 아니라 제반 산업분야에서의 전파이용은 저주파에서 초고주파 대역까지 매우 광범위하게 걸쳐 있기때문에, 그개발의 중요도 및 긴급도가 아주 절실하다.

따라서 한정된 전파자원을 효율적으로 활용하기 위해서는 매우 우수한 마이크로파 특성을 발휘하는 재료개발에서부터(특히, 박막재료) 고성능, 고신뢰도, 소형화를 이룰 수 있는 마이크로파 부품(서브시스템) 창출이 절실한 상황이다.

그러므로 무손실 및 무저항의 특성을 갖는 고온초전도체는 마이크로파 응용을 고려한 통신부품의 특성향상과 소형화에 매우 유리한 소재로 알려져 있다.

마이크로파 특성이 뛰어난 MgO, LaAlO₃, 사파이어(Sapphire)등의 단결정 기판에 양질의 고온초전도 에피택셜 박막을 성장시키고, 성장된 양질의 에피택셜 박막을 이용하여 최적 설계된 마이크로파 소자 및 회로(예를들면, 제작이 간단한 고온초전도 MMIC를 개발하기 위한 마이크로스트립 방식의 필터류)를 구현하면, 마이크로파 부품의 소형화와 고성능화를 이룰 것으로 기대들 모으고 있다. 그러므로, 마이크로파 대역의 전파고도 이용기술에 적극 활용될 수 있다.

종래의 마이크로스트립 평행결합선 방식의 대역통과 필터는 본 출원인이 1994년 11월 16일자로 출원한 특허 제 94 - 30154 호(발명의 명칭 : 마이크로파용 정사진 평행결합선 방식의 고온초전도 4-극 대역통과 필터의 제조방법)및 특허 제 94 - 30155호(발명의 명칭 : 마이크로파용 평행결합선 방식의 고온초전도 4-극 대역통과 필터의 제조방법)에 개시되어 있다.

상기 종래의 평행결합선 방식의 고온초전도 4-극 대역통과 필터도 마이크로파 특성이 우수한 고온초전도 에피 박막와 평행결합선 방식을 채용한 필터 패턴을 기본으로 하기 때문에 위성 통신 및 위성 방송 등 마이크로파(12 ㎓) 통신 시스템에 사용될 수도 있다.

그러나, 상술한 종래의 4-극 대역통과 필터는 필터 패턴의 갯수가 4개로 한정되므로 저지대역(stsp band) 까지의 스커트(skirt)특성 향상(보다 가파르게 하기)과 저지대역을 증가시키는 데 한계가 있다는 문제점이 있었다.

따라서, 본발명의 목적은 저지대역까지의 스커트특성을 향상시키며 저지대역을 증가시킬 수 있는 마이크로스트립 평행결합선 방식의 고온초전도 6-극 대역통과 필터를 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 마이크로스트립 평행결합선 방식의 고온초전도 6-극 대역통과 필터는 마이크로파 특성이 우수한 단결정기판과, 상기 단결정기판 상부의 일측에 형성된 신호 전송용 입력단과, 상기 단결정기판 상부의 상기 신호 전송용 입력단의 타측에 형성된 출력단과, 상기 단결정기판 상부에 입력단 및 출력단과 평행결합선이 연결되도록 형성된 'ㄱ'자 / 'ㄴ'자형의 정합망과, 상기 단결정기판 상부의 정합망 사이에 있는 마이크로스트립 평행결합선의 갯수에 의해 극수가 결정되는 평행결합선 방식으로 6-극 형성된 필터패턴과, 상기 단결정기판 하부에 형성된 접지평면을 포함한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

제1도는 본 발명에 따른 마이크로스트립 평행결합선 방식의 고온초전도 6-극 대역통과 필터의 평면도이다.

상기 마이크로스트립 평행결합선 방식의 고온초전도 6-극 대역통과 필터는 MgO, LaAlO₃또는 사파이어 등의 마이크로파 특성이 우수한 단결정기판(4)의 상부에 신호 전송용 입력단(1)및 출력단(3)이 형성된다.

그리고, 이 신호 전송용 입력판(1)및 출력단(3)의 일단에 'ㄱ'자형의 마이크로스트립 정합망(6)이 연결되어 형성되며, 이들 정합망(6) 사이에 6개의 나란하고 λ/2(λ:파장)만큼 겹치게 꾸민 평행결합선 방식의 필터 패턴(2)이 형성된다.

그리고, 단결정기판(4)의 하부에 Ti/Ag또는 금(Au)로 이루어진 접지 평면(5)이 형성된다.

상기에서, 입력단(1) 및 출력단(3)은 YBa₂Cu₃O_λ-δ(이하, YBCO라 칭함)와 같은 고온초전도 에피택셜 박막을 이용하여 마이크로스트립선(microstrip line : 50 ohm)으로 제작되며, 시험치구(test-jig)의 하우징에 부착된 K-형 커넥터핀과 접촉된다.

상기 단결정기판(4)으로 MgO가 사용될 경우, 입력단(1) 및 출력단(3)의 선폭은 0.49mm이다.

입출력단(1)(3)과 대역통과 패턴(2) 사이에 신호전송과 정합을 위해 마이크로스트립 정합망(matching network : 6)을 삽입하였으며, 이들 정합망(6)사이의 마이크로스트립 평행결합선(2)의 갯수에 의해 극수(pole number)가 결정된다.

상기 필터패턴(2)은 마이크로스트립 평행결합선 방식으로 구현한 6-극 체비세프(Chebyshev) 대역통과 필터의 패턴으로 중심주파수(center frequency)가 12 ㎓이고 대역폭은 600㎒(5%)이다.

상기에서 최소선폭은 0.39 mm이고, 마이크로스트립 평행결합선간의 최고 넓은 간격(gap)은 0.184mm이다.

그리고 본 발명에서 사용한 MgO기판(4)은 마이크로파 특성도 우수하고, 이 기판 상에 제조한 고온초전도 YBa₂CU₃O_τ-δ에피택셜 박막의 전자기적 특성이나 표면특성도 매우 양호하다.

그리고 시험치구(test-jig)의 내부바닥과 우수한 전자기적 정합및 접촉을 위해 증착하는 접지평면(5)으로 이용되는 Ti/Ag 이중박막은 전자선 증발기로서 균일하게 증착하였으며, 특히 MgO 단결정기판(4)과의 접착도 매우 양호하다.

본 발명은 이동통신, 위성통신 및 위성방송에 사용되는 핵심부품(멀티플렉서, 믹서등)을 구성하는 핵심소자인 대역통과 필터인데 통과대역(pass band)에서는 신호를 거의 손실없이 통과시키고 통과대역 양편의 저지대역(stop band)에서는 신호전송을 저지하는 필터이다.

특히, 통과대역에서의 맥류(ripple)진폭이 0.05dB 정도이기 때문에 통과대역의 편평도는 매우 양호한 편이다.

또한, 저지대역(stop band)까지의 스커트(skirt) 특성을 향상시키고, 즉 보다 가파르게(steep) 하기 위해 극수(pole number, 차수)를 늘려 6-극으로 하였다.

한편, 대역통과 필터의 설계시에는 이들 소자가 마이크로스트립을 기본으로 하기 때문에, 저주파용 집중소자(lumped element)형 저역통과필터에 대한 설계이론을 기본으로 하여 대역통과 필터를 설계하지만, 수 ㎓이상의 마이크로파 대역용에서는 전송선로와 J-형 인버터를 이용하여 마이크로파용 분포소자(distributed element)형 대역통과 필터로 변환시키는 설계이론을 이용하여 설계한다.

그리고, 이러한 회로해석의 적용에는 사용기판(주로, MgO)의 유전상수 및 두께(05 mmt), 기판 위에 성장시키는 고온초전도 YBCO 에피택셜 박막의 두깨(450 nm) 및 초전도성, 대역통과 필터의 중심주파수 및 전력(power) 등을 참작하여, 입출력단(전송선로)및 정합망의 선폭, 길이, 평행결합선 간의 간격(gap) 등을 정하였다.

이어서 몇번에 걸친 시뮬레이션(전산모사)을 통해, 고온초전도 6-극 대역통과 필터의 최적회로 패턴을 얻었으며, 이러한 패턴의 이론적인 마이크로파 전송응답(microwave transmission responses) 특성도 검토한다.

그리고 상기의 과정을 거쳐서 결정한 최적설계된 대역통과 필터패턴을 가지고, 마이크로스트립 평행결합선 방식의 6-극 대역통과 필터를 구현할 수 있는 전자선-마스크(glass mask 또는 회로원판)를 제작하였다.

한편, 우수한 마이크로파용 고온초전도 마이크로스트립 전송선 소자를 제작하기 위해서는 양질의 에피택셜 박막이 요구되므로, 본 발명에서는 박막 제조가 간단하면서도 그 우수성이 입증된 펄스레이저 증착장비를 이용하여 고온초전도 YBCO/MgO 에피택셜 박막을 제조하였다.

그리고, 양질의 고온초전도 YBCO 에피택셜 박막제조가 가능하도록 MgO 기판(20mm × 20mm × 0.5mmt)을 사용하였다.

상술한 마이크로스트립 평행결합선 방식의 6-극 대역통과 필터의 제조방법을 간단히 설명한다.

고온초전도 YBCO 에피택셜 박막을 MgO의 단결정기판(4) 위에 레이저 증착법으로 성장시킨다.

그리고, 마이크로파 회로해석 이론과 시뮬레이션(S/W:Supercompact)으로 구한, 최적필터패턴(평면도상의 부호 2)이 전사되어 있는 전자선-마스크와 반도체소자 제조공정과 유사한 포토리소그래픽 공정 및 습식(또는 건식)식각공정을 통하여, 6-극 대역통과필터 패턴을 YBCO 에피택셜 박막상에 형상화(패터닝) 한다.

즉 실험실용 고속 회전도포기(spin coater)의 헤드(척)에 YBCO 박막이 성장된 기판을 올려놓고 HMDS(primer))를 도포하여(5000 rpm, 30초간) 먼지제거와 표면평탄화를 행한다.

이어서 포토레지스트(PR:AZ-5214E)를 도포하여(5000 rpm, 30초간) 균일한 PR막을 고온초전도 박막상에 입힌다.

그리고 가벼운 굽기(soft baking ; 80℃, 5분간)공정을 통해 PR막을 적당히 경화시킨 후, PR박막을 입힌 시료를 실험실용 소형 접촉정렬기 위에 올려놓고 시료와 전자선-마스크를 정렬시킨 후, 10W용 UV광원(source)에 3분간 노광시킨다.

노광시킨 시료(sample)를 쉬플리 현상액(developer, MT-318)에서 3분간 처리하여 감광된 PR 박막을 제거한 후, 증류수(DI-water)로 소자표면을 세척한다.

그리고, 습식식각일 경우에는 EDTA(초산류)로 식각을 하고(화학식각), 건식식각일 경우에는 ECR-ion milling장비(마이크로파 생성용 전원(source : 2.5 ㎓/500W용)과 37cm 길이의 사각형 혼(horn)모양의 구리캐비티, ECR-플라즈마원, 입자가속용 전자석(800 Gauss)등으로 구성됨)로서 식각을 행한다(물리식각).

식각이 완료되면 필터패턴의 예리도(sharpness)를 높이고, 불필요한(감광이 안된) 포토레지스트 박막(유기물)이나 기타 불순물 등을 제거하기 위해, 증류수(DI-water)와 아세톤으로 세정한 후, 건조시켜 고온 초전도 6-극 대역통과 필터의 패터닝 공정을 끝낸다.

그 다음, 단결정 기판(4)의 하부에 접지평면(5)을 형성한다.

즉, 패턴된 고온초전도 필터패턴(2)의 반대편, 즉, 단결정 기판(4)의 뒷면에는 전자선 증발기를 사용하여 진공챔버(10^-2Torr, 500℃)에서 Ti/Ag 이중박막을 연속적으로 증착한다.

상기에서 접지평면(5)으로 이용된 Ti/Ag 이중박막은 MgO 단결정기판(4)과 접착도 용이하고, 박막증착도 용이하다.

특히, 은(Ag)은 고온초전도 YBCO 에피박막에 별다른 영향을 주지 않는 것으로 잘 알려져 있기 때문에, YBCO 박막에 다른 물질의 오염을 막을 수 있다는 이점도 가지고 있다.

또한, 은박막은 마이크로파 특성뿐만 아니라 전기전도성도 매우 뛰어나기 때문에 마이크로파 특성측정시, 시험치구(test-jig)의 내부 바닥과 우수한 접촉과 정합을 이루기도 한다.

한편, 제작된 12 ㎓용 고온초전도 6-극 대역통과 필터의 저온 마이크로파 특성은, 마이크로파 특성이 뛰어난 K-형 커넥터(2.9mmψ∼40 ㎓, Wiltron사 제품)를 시험치구의 하우징(housing)에 부착시킨 3-성분 시험치구를 제작하여 측정하였다.

본 발명의 제조방법에 따라 구현한 마이크로파용 마이크로스트립 평행결합선 방식의 고온초전도 6-극 대역통과 필터는 양질의 고온초전도 박막을 이용한 마이크로스트립 방식의 전송선 소자이므로, 제작도 간단할 뿐만 아니라 고온초전도체의 무손실, 무저항 특성을 이용하기 때문에 우수한 성능 및 신뢰도(재현성)를 갖는 마이크로파 핵심소자이다.

그리고 고온초전도 6-극 대역통과 필터는 종래의 2-극 및 4-극 대역통과 필터보다는 회로패턴의 크기는 크지만, 전산모사의 결과와 매우 잘 일치하였다.

특히, 대역폭 양편의 저지대역(stop band)이 많이 증가했을 뿐만 아니라, 가파르기(skirt)도 더욱 양호해지고, 통과대역폭에서의 삽입손실은 1.0dB 이하이고 맥류(ripple)의 진폭은 0.05 dB 이하였기 때문에 평탄한 통과대역(pass band)을 갖는 우수한 고온초전도 6-극 대역통과 필터 임을 보여주었고 20mm × 20mm의 기판면적을 최대로 사용하는 대역통과 필터이므로, 6-극 이상으로 극수를 늘일 정우 이만한 크기의 MgO 기판을 사용할 수 없음도 확인하였다.

또한, 본 발명을 이용하면 전파의 고도이용기술과 관련된 마이크로파 통신시스템의 서브시스템(부품)의 소형화를 기대할 수 있고, 정보통신 시스템이나 마이크로파 센서의 성능을 향상시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

그리고 고온초전도 에피박막을 사용하기 때문에 경박단소하며 고성능을 갖춘 통신부품을 제작할 수 있으므로, 차세대 이동통신 및 위성통신(방송, 27 ㎓ 이하)에 사용될 수 있는 신기능, 신구조의 마이크로파 소자 및 회로(HTS-MMICs)의 창출에도 큰 효과를 거둘수 있으며 급증하는 고품위 전파서비스의 수요에 능동적으로 대처할 수 있는 우수한 마이크로파 통신시스템 기대할 수 있다.

따라서, 본 발명은 통과대역의 손실 특성을 저하시키지 않으면서 저지대역 까지의 스커트 특성을 향상시킬 수 있었다.

Claims (5)

1. 마이크로파 특성이 우수한 단결정기판과, 상기 단결정기판 상부의 일측에 형성된 신호 전송용 입력단과, 상기 단결정기판 상부의 상기 신호 전송용 입력단의 타측에 형성된 출력단과, 상기 단결정기판 상부에 입력단 및 출력단과 평행결합선이 연결되도록 형성된 ㄱ자형 또는 ㄴ자형 정합망과, 상기 단결정 기판 상부의 정합망 사이에 있는 마이크로스트립 평행결합선의 갯수에 의해 극수가 결정되는 평행결합선 방식으로 형성된 6-극 필터 패턴과, 상기 단결정 기판 하부에 형성된 접지평면을 포함하는 마이크로스트립 평행결합선 방식의 고온초전도 6-극 대역통과 필터.
2. 제1항에 있어서, 상기 필터패턴에 의한 대역통과 필터의 중심 주파수가 3-33㎓사이인 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 평행결합선 방식의 고온초전도 6-극 대역통과 필터.
3. 제1항에 있어서, 상기 단결정기판이 20mm × 20mm × 0.5mmt의 MgO기판인 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 평행결합선 방식의 고온초전도 6-극 대역통과 필터.
4. 제1항에 있어서, 상기 필터패턴을 고온초전도 YBa₂CU₃O_τ-δ박막으로 형상화 하는 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 평행결합선 방식의 고온초전도 6-극 대역통과 필터.
5. 제1항에 있어서, 상기 접지판이 Ti/Ag의 이중금속 박막인 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 평행결합선 방식의 고온초전도 6-극 대역통과 필터.