KR0146557B1 - 마이크로스트립 오픈 스터브선 방식의 고온초전도 9-극 저역 통과 필터 - Google Patents

마이크로스트립 오픈 스터브선 방식의 고온초전도 9-극 저역 통과 필터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 마이크로스트립 오픈 스터브선 방식의 고온초전도 9-극 저역통과 필터에 관한 것으로서, 마이크로파 특성이 우수한 단결정기판과, 상기 단결정기판 상부의 일측 모서리에 형성된 신호 전송용 입력단과, 상기 단결정기판 상부의 신호 전송용 입력단이 형성된 일측 모서리의 반대인 타측 모서리에 형성된 신호 전송용 출력단과, 상기 단결정기판 상부의 상기 입력단과 출력단 사이에 신호의 진행 방향과 수직으로 형성되어 신호를 필터링하는 5개의 마이크로스트립 오픈 스터브선과, 상기 오프 스터브선과 수직을 이루도록 형성된 4개의 마이크로스트립으로 구성된 필터 패턴과, 상기 단결정기판의 하부에 형성된 접지평면(Ti/Ag)판을 포함한다.
따라서, 필터 패턴의 극수가 증가되므로 통과 대역에서의 맥류 진폭도 0.02dB 이내로 감소되어 통과대역에서의 편평도를 향상시킬 수 있으며, 또한, 저지대역까지의 스커트 특성 향상과 저지대역을 증가시킬 수 있다.

Description

마이크로스트립 오픈 스터브선 방식의 고온초전도 9-극저역통과 필터
제1도는 본 발명에 따른 마이크로스트립 오픈-스터브 방식의 고온초전도 9-극 저역통과 필터의 평면도.
제2a도 내지 제2e도는 제1도의 마이크로스트립 오픈-스터브 방식의 고온초전도 9-극 저역통과 필터의 제조공정도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 신호 전송용 입력단 2 : 필터 패턴
3 : 신호 전송용 출력단 4 : 단결정기판
5 : 접지판
본 발명은 통신용 송수신 시스템에 사용되는 저역통과 필터(lowpass filter)에 관한 것으로, 특히, 차단주파수(cutoff frequency)가 8 GH이고 저지대역(stop band) 까지의 스커트 특성과 통과대역(pass band)에서의 손실 특성을 향상시킬 수 있는 마이크로스트립 오픈-스터브 방식의 고온초전도 9-극 저역통과 필터에 관한 것이다.
전파를 이용하는 서비스 수요의 폭증과 대용량의 정보를 고속으로 처리할 수 있는 우수한 정보 통신 시스템의 개발은 각국의 초고속 정보통신망 구축계획과 맞물려 그 중요성이 매우 커지고 있으며, 통신과 방송뿐만 아니라 제반 산업분야에서의 전파이용은 저주파에서 초고주파 대역까지 매우 광범위하게 걸쳐 있기 때문에, 그 개발의 중요도 및 긴급도가 아주 절실하다.
따라서 한정된 전파자원을 효율적으로 활용하기 위해서는 매우 우수한 마이크로파 특성을 발휘하는 재료개발에서 부터(특히, 박막재료) 고성능, 고신뢰도, 소형화를 이룰 수 있는 마이크로파 부품(서브시스템) 창출이 절실한 상황이다. 그러므로 무손실 및 무저항의 특성을 갖는 고온초전도체의 마이크로파 응용은 통신부품의 특성향상과 소형화에 매우 유리한 것으로 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 기대를 모으고 있다. 아울러, 마이크로파 대역의 전파고도 이용기술에 적극적으로 활용될 수 있다.
종래의 마이크로스트립 오픈 스터브선 방식의 고온초전도 저역통과 필터는 본 출원인이 1994년 12월 19일자로 출원한 특허 제94-35156호(발명의 명칭 : 마이크로파용 고온초전도 7-극 저역통과 필터의 제조방법(기판이 LaAlO3인 경우)) 및 특허 제94-35157호(발명의 명칭 : 마이크로파용 고온초전도 7-극 저역통과 필터의 제조방법(기판이 MgO인 경우))에 개시되어 있다.
상기 종래의 오픈 스터브선 방식의 마이크로파 고온초전도 7-극 저역통과 필터도 마이크로파 특성이 우수한 고온초전도 에피 박막과 마이크로스트립 오픈 스터브 방식을 채용한 저역통과 필터이기 때문에 무선자동화 및 무선기기, 원격탐사 및 레이다 분야의 센서, 전파계측 및 전파천문 등에 이용될 수 있는 마이크로파(8 GHz) 소자용으로 사용될 수도 있다.
그러나, 상술한 종래의 7-극 저역통과 필터는 오픈-스터브선과 마이크로스트립선의 갯수가 7개로 한정되므로 통과 대역에서의 맥류진폭도 줄이고, 통과 대역의 편평도를 좋게하여 저지대역(stop band)까지의 스커트(skirt) 특성을 향상시키는 데에 한계가 있다는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명의 목적은 통과 대역에서의 맥류 진폭을 감소시켜 편평도를 향상시킬 수 있는 마이크로스트립 오픈 스터브선 방식의 고온초전도 9-극 저역통과 필터를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 저지대역까지의 스커트 특성을 향상시킬 수 있는, 즉 저지대역까지를 보다 가파르게 할 수 있는 마이크로스트립 오픈 스터브선 방식의 고온초전도 9-극 저역통과 필터를 제공함에 있다.
상기 목적들을 달성하기 위한 본 발명에 따른 마이크로스트립 오픈 스터브선 방식의 고온초전도 9-극 저역통과 필터는 마이크로파 특성이 우수한 단결정기판과, 상기 단결정기판 상부의 일측모서리에 형성된 신호 전송용 입력단과, 상기 단결정기판 상부의 신호 전송용 입력단이 형성된 일측 모서리의 반대인 타측 모서리에 형성된 신호 전송용 출력단과, 상기 단결정기판 상부의 상기 입력단 및 출력단 사이에 신호의 진행 방향과 수직으로 형성되어 신호를 필터링하는 5개의 마이크로스트립 오픈 스터브선과, 상기 오프 스터브선과 수직을 이루도록 형성된 4개의 마이크로스트립으로 구성된 필터 패턴과, 상기 단결정기판의 하부에 형성된 접지평면을 포함한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명한다.
제1도는 본 발명에 따른 마이크로스트립 오픈 스터브선 방식의 고온초전도 9-극 저역통과 필터의 평면도이다. 상기 마이크로스트립 오픈 스터브선 방식의 고온초전도 9-극 저역통과 필터는 MgO, LaAlO3또는 사파이어 등의 마이크로파 특성이 우수한 단결정기판(4) 상부의 양측 모서리에 신호 전송용 입력단(1) 및 출력단(3)이 형성된다. 그리고, 이 신호 전송용 입력단(1) 및 출력단(3)의 사이에 신호의 진행방향과 수직으로 형성되어 신호를 적절히 필터링하는 5개의 마이크로스트립 오픈 스터브선과, 이 오프 스터브선과 수직을 이루도록 형성된 4개의 마이크로스트립으로 구성된 필터 패턴(2)가 형성되며, 상기 단결정기판(4)의 하부에 Ti/Ag 금속박막(~2㎛)으로 이루어진 접지평면(5)이 형성된다.
상기에서, 입력단(1) 및 출력단(3)은 YBa2Cu3O7-δ(이하, YBCO라 칭함)과 같은 고온초전도 에피택셜 박막을 이용하여 마이크로스트립선(microstrip line : 50 ohm)으로 형성되며, 시험치구(test-jig)의 하우징에 부착된 K-형 커넥터핀과 접촉된다. 상기 단결정기판(4)으로 MgO가 사용될 경우, 입력단(1) 및 출력단(3)의 선폭은 0.49㎜이다.
필터 패턴(2)은 마이크로스트립 오픈 스터브선 방식이므로 마이크로스트립 오픈 스터브선과 마이크로스트립의 갯수에 의해 극수(pole number)가 결정된다. 상기 필터 패턴(2)의 차단주파수(cutoff frequency)는 8 GHz으로, 통과대역에서는 신호를 거의 손실없이 통과시키고 차단주파수 이상의 저지대역에서는 신호전송을 저지한다. 상기 통과 대역은 0.5dB이내의 삽입손실을 가지며, 맥류의 진폭이 0.02dB 정도로 통과대역의 편평도는 매우 양호하였다. 또한, 상기 필터 패턴(2)의 극수가 9-극으로 증가되므로 저지대역에서 스커트 특성이 향상되고 저지대역까지의 가파름을 향상시킨다. 그리고, 저역통과 필터의 설계시에는 이들 소자가 마이크로스트립과 스터브(stub)를 기본으로 하기 때문에, 저주파용 집중소자(lumped element)형 프로토타입 저역통과 필터에 대한 설계이론을 기본으로 하여 설계하지만, 수 GHz 이상의 마이크로파 대역용에서는 전송선로와 오픈스터브(open-stub)의 캐패시턴스를 이용하여 마이크로파 분포소자(distributed element)형 저역통과 필터로 변환하여 설계한다. 그리고, 이러한 회로해석의 적용에는 사용기판(주로, MgO)의 유전상수 및 두께(0.5㎜t), 기판 위에 성장시키는 고온초전도 YBCO 에피택셜 박막의 두께(450㎚) 및 초전도성, 저역통과 필터의 차단주파수 및 입력파워(전력)등을 참작하여, 입출력단(전송선로) 및 오픈 스터브의 선폭, 간격 및 길이 등을 결정한다.
이어서, 몇번에 걸친 시뮬레이션(전산모사)을 통해, 고온초전도 9-극 저역통과 필터의 최적회로패턴을 얻는다. 그리고, 상기 본 발명에서 사용한 MgO 단결정기판(4)은 마이크로파 특성도 우수하고, 이 단결정기판(4) 상에 제조한 고온초전도 YBCO 에피택셜 박막의 전자기적 특성이나 표면특성도 매우 양호하다.
접지평면(5)은 단결정기판(4)의 하부에 형성되는 것으로, 시험치구(test-jig)의 내부바닥과 우수한 전자기적 정합 및 접촉을 하도록 Ti/Ag 이중박막을 전자석 증발기로서 균일하게 증착된다.
또한, 접지평면(5)은 MgO 단결정기판(4)과의 접착도 매우 양호하다.
제2a도 내지 제2e도는 제1도의 마이크로스트립 오픈-스터브방식의 고온초전도 9-극 저역통과 필터의 제조공정도이다. 제2a도를 참조하면, 20㎜×20㎜×0.5㎜t의 크기를 갖는 MgO 등의 단결정기판(4)의 표면을 아르곤 이온을 이용한 ECR 밀링(milling) 방법으로 식각하거나, 식각용액을 사용하는 습식 방법으로 표면을 평탄화한다.
제2b도를 참조하면, 상기 단결정기판(4)의 상부 표면에 펄스 레이저 증착법으로 YBCO 등의 고온초전도 에피택셜 박막(6)을 성장한다. 상기 펄스 레이저에 의한 박막제조에서는 XeCl 엑시머-레이저(파장 : 308㎚)를 사용하였고, 증착을 위한 기판온도는 750℃, 증착챔버내의 압력은 200mTorr의 산소분압의 조건에서 성장시킨다. 그리고, 단결정기판(4)은 마이크로파 특성도 양호하고, 양질의 고온초전도 YBCO 에피택셜 박막제조가 가능한 20㎜×20㎜×0.5㎜t의 크기를 갖는 MgO 단결정을 사용한다. 증착 후에는 550℃에서 산소를 주입하고, 1시간 정도 열처리함으로써(진공을 깨지않고) 에피택셜 박막(6)을 성장시켰다(상기 고온초전도 YBCO/MgO 에피택셜 박막의 Tc=89K 임).
제2c도를 참조하면, 상기 에피택셜 박막(6)의 상부에 스핀코팅 방법에 의해 PR층 또는 감광층(7)을 형성하고 소프트 베이킹(soft baking) 한다.
제2d도를 참조하면, 상기 감광층(7) 상에 전자선-마스크를 정렬시킨 후, 10W용 UV광원(source)으로 3분간 노광시킨다. 그리고, 노광시킨 시료를 쉬플리 현상액(developer, MT-318)에서 3분간 처리하여 감광층(7)의 감광된 부분을 제거하여 에피택셜 박막(6)을 노출시킨 후, 증류수(DI-water)로 소자 표면을 한번 세척한다. 그 다음, 에피택셜 박막(6)의 노출된 부분을 식각하여 필터 패턴을 형상화한다. 상기 식각시 습식식각일 경우에는 EDTA(초산류)로 식각을 하고(화확식각), 건식식각일 경우에는 ECR-ion milling 장비(마이크로파 생성용 전원(source:2.5 GHz/500W용)과 37㎝ 길이의 사각형 혼(horn)모양의 구리 캐비티, ECR-플라즈마원, 입자가속용 전자석(800Gauss)등으로 구성됨)로서 식각을 행한다(물리식각). 상기 형성된 에피택셜 박막을 형성화 하여 얻은 패턴(16)은 페턴은 신호 전송용 입력단(1) 및 출력단(3)과, 필터 패턴(2)이 된다. 그리고, 식각이 완료되면 필터패턴(6)의 예리도(sharpness)를 높이고, 상기 마스크로 사용된 감광층(7) 또는 기타 불순물 등을 제거하도록 증류수(DI-water)와 아세톤으로 세정한 후, 하드-베이킹(hard baking) 공정을 3분 정도 행하여, 고온초전도 9-극 저역통과 필터의 페터닝 공정을 끝낸다.
제2e도를 참조하면, 상기 단결정기판(4)의 하부에 접지평면(5)을 형성한다. 상기 접지평면(5)은 전자선 증발기를 사용하여 진공챔버(10-2Torr, 500℃)에서 Ti/Ag 이중박막을 연속적으로 증착한다. 상기 접지평면(5)인 Ti/Ag 이중박막은 MgO의 단결정기판(4)의 접착력이 우수하고 박막증착도 용이하며 특히, 은(Ag)은 고온초전도 YBCO 에피택셜 박막(6)으로 형성화 한 패턴에 별다른 영향을 주지 않으므로, 다른 물질의 오염을 막을 수 있다는 이점도 가지고 있다. 그리고 은박막은 마이크로파 특성뿐만 아니라 전기전도성도 매우 뛰어나기 때문에 마이크로파 특성측정시, 시험치구(test-jig)의 내부 바닥과 우수한 접촉과 정합을 이루기도 한다.
따라서, 본 발명은 필터 패턴의 극수가 증가되므로 통과 대역에서의 맥류 진폭도 0.02dB 이내로 감소되어 통과대역에서의 편평도를 향상시킬 수 있으며, 또한, 저지대역까지의 스커트 특성 향상과 저지대역을 증가시킬 수 있는 잇점이 있다.

Claims (5)

  1. 마이크로파 특성이 우수한 단결정기판과, 상기 단결정기판 상부의 일측 모서리에 형성된 신호 전송용 입력단과, 상기 단결정기판 상부의 신호 전송용 입력단이 형성된 일측 모서리의 반대인 타측 모서리에 형성된 신호 전송용 출력단과, 상기 단결정기판 상부의 상기 입력단과 출력단 사이에 신호의 진행 방향과 수직으로 형성되어 신호를 필터링하는 5개의 마이크로스트립 오픈 스터브선과, 상기 오프 스터브선과 수직을 이루도록 형성된 4개의 마이크로스트립으로 구성된 필터 패턴과, 상기 단결정기판의 하부에 형성된 접지평면을 포함하는 마이크로스트립 오픈 스터브선 방식의 고온초전도 9-극 저역통과 필터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 필터 패턴에 의한 저역통과 필터의 차단 주파수가 3-33GHz 사이인 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 오픈 스터브선 방식의 고온초전도 9-극 저역통과 필터.
  3. 제1항에 있어서, 상기 단결정기판이 20㎜×20㎜×0.5㎜t의 MgO 기판인 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 오픈 스터브선 방식의 고온초전도 9-극 저역통과 필터.
  4. 제1항에 있어서, 상기 저역통과 필터패턴을 고온초전도 YBa2Cu3O7-δ박막으로 구성된 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 오픈 스터브선 방식의 고온초전도 9-극 저역통과 필터.
  5. 제1항에 있어서, 상기 접지판이 Ti/Ag의 이중금속 박막인 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 오픈 스터브선 방식의 고온초전도 9-극 저역통과 필터.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101007542B1 (ko) * 2010-02-11 2011-01-14 주식회사 이너트론 메타셀을 결합한 초광대역주파수 저지 마이크로스트립 저역통과필터

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