KR100280871B1 - 커플라인과 슬릿으로 구성된 마이크로 스트립 링 공진기 - Google Patents

커플라인과 슬릿으로 구성된 마이크로 스트립 링 공진기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 마이크로스트립 링 공진기에서 커플링 효과를 극대화시키서 삽입 손실과 반사 손실을 향상시키는, 커플 라인과 슬릿으로 구성된 마이크로 스트립 링 공진기(Microstrip Ring Resonator with Coupled Lines and a Slit)에 관한 것이다. 마이크로스트립 링 공진기의 커플링 효율을 향상시키기 위하여 링에 슬릿(slit)을 주고 링의 내부와 외부에 커플라인을 길게 늘어뜨려 삽입손실과 반사손실을 향상시키고, 두개의 커플라인에 따른 강한 감쇄극을 얻어내는 새로운 커플링 구조를 제시하고 있다.

Description

커플라인과 슬릿으로 구성된 마이크로 스트립 링 공진기
본 발명은 마이크로스트립 링 공진기에서 커플링 효과를 극대화시키서 삽입 손실과 반사 손실을 향상시키는 커플라인과 슬릿으로 구성된 마이크로 스트립 링 공진기(Microstrip Ring Resonator with Coupled Lines and a Slit)에 관한 것이다.
최근 무선 통신 시장의 급속한 발전으로 다양한 서비스가 제공되고 있다. 따라서 점진적으로 GHz대의 고주파수대가 사용되고 있으며 무선 통신기기의 소형, 경량화를 확보할 수 있는 설계가 필요하다. 그러므로, 회로들이 Hybrid MIC(Microwave Integrated Circuit) 및 MMIC(Monolithic Microwave Circuit)화 되는 경향이 두드러지고 있다. 이러한 회로들의 구현에 있어서 마이크로 스트립을 이용한 여러 통신 부품들이 제작되어 오고 있다.
그 중 마이크로스트립 링 공진기는 선형 공진기에 비해 적은 반사손실과 높은 Q(Quality Factor)를 가지고 있다.
상기와 같은 마이크로웨이브 단일 집적회로의 한 소자로서 이용될 수 있는 마이크로스트립 링 공진기(Microstrip Ring Resonator)는 일반적으로 분산, 페이즈 속도, 실효 유전율 측정 등에 많이 사용되어져 왔으나, 최근에는 그 우수한 공진특성을 이용하여 마이크로파 시스템의 핵심부품들인 믹서, 발진기, IF(Intermediate Frequence)증폭기 등에도 많이 응용되고 있다. 이러한 마이크로스트립 링 공진기를 SI(Semi-insulating) GaAs기판위에 제작하여, 레이저 다이오우드를 이용한 광여기에 의한 분석방법이 최근 발표되었다. 레이저 다이오우드의 광출력을 직접 세기 변조(Direct Intensity Modulation)시켜 RF신호를 회로에 인가하고, 외부에서 독립적으로 마이크로파인 LO(Local Oscillator)신호를 인가하여, 광신호와 마이크로파 신호와의 혼합효과와, 회로내에 단일 직접된 숏키(Schottky) 다이오우드의 시리얼 리엑턴스 성분을 이용한 파라메트릭 증폭 현상 등을 분석하여, 차세대 광통신 및 마이크로파 통신 시스템에의 응용 가능성을 보여주고 있다.
상기의 마이크로스트립 링 공진기의 일반적인 구조에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 1은 종래의 마이크로스트립 링 공진기의 기본적인 커플링 구조이다.
도 2는 종래의 강화 커플링 마이크로스트립 링 공진기이다.
도 3은 종래의 커플라인 마이크로스트립 링 공진기이다.
먼저, 도 1을 참조하여 설명하면, 종래의 마이크로스트립 링 공진기는 마이크로스트립의 분산, 위상 속도, 유전율 측정 등에 사용된다. 또한, 구조가 간단하여 마이크로파 및 밀리미터파 회로에서 필터, 듀플렉서, 오실레이터, 믹서, 안테나 등의 응용에 장점을 가진다. 상기 링 공진기는 마이크로 웨이브가 입력되는 입력선로(2)와, 출력되는 출력선로(3)와, 그리고 공진이 발생하는 링(1)으로 구성된다. 상기 링(1)과 입력선로(2) 및 출력선로(3)와의 간격이 커플링 갭(4)인데 이는 커플링의 효율을 결정한다. 상기 링 공진기에서 공진현상이 일어나기 위해서는 공진기에 인가되는 공진주파수의 파장에 링(1)의 평균원주가 정수배에 해당해야 가능하다. 상기를 식으로 나타내면 2πr = nλg식 (1) 이다. 상기에서 r은 링(1)의 평균반지름, n은 모드수, 그리고 λg는 인가되는 신호의 파장을 나타낸다. 상기의 링 공진기의 커플링 갭(4)은 입출력신호의 링 공진기에서의 커플링되는 정도를 결정한다. 즉, 커플링 갭(4)의 사이즈가 작으면 커플링효과가 크게 되고, 갭 사이즈가 크게되면, 그만큼 커플링효과도 줄어들게 된다. 상기와 같은 이유로 인하여 기본적인 커플링 구조에서는 갭 사이즈를 작게 하는데 공정상 제한이 있어 삽입손실과 반사손실이 크기 때문에 효율적인 에너지 전송이 어려웠다.
상기와 같은 손실을 줄이고자 하는 방법으로 제시된 것을 살펴보면, 링의 입력과 출력회로에서 커플링 효과를 높이기 위해 커플링 강화방법, 링과 입,출력 선로 사이의 갭에 절연 구리 테이프(Insulated Copper Tape)를 붙이는 방법, 그리고 링 공진기 위에다 유전체를 올려 붙이는 방법들이 제시되고 있다.
상기와 같은 방법 중의 하나인 종래의 강화 커플링 마이크로스트립 링 공진기에 대해 도 2를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 2는 종래의 강화 커플링 마이크로스트립 링 공진기이다.
도 2를 참조하여 설명하면, 커플링 효율을 높이고자 링의 기준 각도 ψ= 0˚ 와 ψ= 180˚ 에 개방 커플링 슬릿(slit)(6)을 주어 입력선로(2) 및 출력선로(3)를 링(1)에 삽입시키므로써, 입력선로(2) 및 출력선로(3)의 커플링 면적을 높여 커플링 효율을 높이고자 개선된 구조이다.
또한, 상기와 같은 방법 중의 다른 하나인 종래의 커플라인 마이크로스트립 링 공진기에 대해 도 3을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 3은 종래의 커플라인 마이크로스트립 링 공진기이다.
도 3을 참조하여 설명하면, 링(1)의 둘레에 커플라인(5)을 길게 늘어뜨리므로써 커플링 효율을 높이는 구조이다. 상기 구조의 경우 신호가 커플링 될 때 링(1)과 커플라인(5) 사이의 커프링효율이 증가하게 되면 공진 주파수가 하향 편이된다. 따라서, 식 (1)에서 계산된 공진 주파수와 일치하지 않게 된다.
상기와 같은 기존의 마이크로스트립 링 공진기의 구조는 커플링 효율이 극대화 되지 않아서 여러 가지 회로에 응용하기에 많은 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 커플링 효율을 향상시키기 위하여 링에 슬릿(slit)을 주고 링의 내부와 외부에 커플라인을 길게 늘어뜨려 삽입손실과 반사손실을 향상시키고, 두개의 커플라인에 따른 강한 감쇄극을 얻어내므로써 마이크로파 및 밀리미터파 회로의 많은 분야에 응용 가능하도록 하는, 커플라인과 슬릿으로 구성된 마이크로 스트립 링 공진기를 제공하는 데 있다.
도 1은 종래의 마이크로스트립 링 공진기의 기본적인 커플링 구조
도 2는 종래의 강화 커플링 마이크로스트립 링 공진기
도 3은 종래의 커플라인 마이크로스트립 링 공진기
도 4는 본 발명을 설명하기 위한 커플라인과 슬릿으로 구성된 마이크로스트립 링 공진기의 커플링 구조
도 5는 본 발명을 설명하기 위한 커플라인과 슬릿으로 구성된 마이크로 스트립 링 공진기의 또 다른 커플링 구조
도 6은 본 발명인 두개의 커플라인과 슬릿으로 구성된 마이크로 스트립 링 공진기
도 7은 본 발명의 삽입 손실에 대한 시뮬레이션 및 측정 결과 그래프
도 8은 본 발명의 반사 손실에 의한 시뮬레이션 및 측정 결과 그래프
도 9는 본 발명의 두 개의 커플라인 넓이의 변화에 따른 시뮬레이션 결과 그래프
도 10은 본 발명의 두 개의 커플라인 길이의 변화에 따른 시뮬레이션 결과 그래프
도 11은 본 발명의 유전체 기판상에 링 공진기의 제작과정을 나타내는 예시도
도 12는 반도체 기판상에 링 공진기의 제작과정을 나타내는 예시도
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉
1 : 링 2 : 입력선로
3 : 출력선로 4 : 커플링 갭
5 : 커플라인 6 : 슬릿(slit)
7 : 포토레지스트 8 : 금속
9 : 컨덕터 10: 감쇄극
11: 유전체 12: 음각필름
w : 커플라인의 넓이
ψ: 링의 슬릿을 나타내기 위한 기준 각도
θ: 커플라인의 전기적 길이를 나타내기 위한 각도
이하에서는 본 발명의 목적을 달성하기 위한 실시예의 구성 및 작용에 관하여, 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 4는 본 발명을 설명하기 위한 커플라인과 슬릿으로 구성된 마이크로 스트립 링 공진기의 커플링 구조이다.
도 5는 본 발명을 설명하기 위한 커플라인과 슬릿으로 구성된 마이크로 스트립 링 공진기의 또 다른 커플링 구조이다.
먼저, 도 4 및 도 5를 참조하여 설명하면, 상기 도 4 및 도 5에 제시된 마이크로 스트립 링 공진기는 링(1)에 슬릿(slit)(6)을 주고 링(1)의 입력선로(2) 및 출력선로(3)에 각각 하나의 커플라인(5)을 링(1)의 양측방에 일정한 슬릿(slit)(6) 간격을 두고 둘러싸고 있으며, 도 4의 경우는 커플라인(5)이 링(1)의 외부를 둘러싸고 있으며, 도 5의 경우는 커플라인(5)이 링(1)의 내부를 둘러싸고 있다. 상기 커플라인(5)의 길이는 각도 θ로 표시되며, 또한, 입력선로(2)와 출력선로(3)는 상기 링(1)의 슬릿(slit)(6)으로 삽입되며, 상기 슬릿(slit)(6)의 각도는 ψ로 표시되고, 상기 도 4 및 도 5에서는 슬릿(slit)(6)의 각도는 각각 0˚, 180˚이다.
또한, 도 4 및 도 5에서 입력선로(2) 및 출력선로(3)는 커플라인(5)을 가지고 링(1)의 슬릿(slit)(6)에 일정한 간격을 두고 삽입되어 있다.
상기에서 설명한 커플라인과 슬릿으로 구성된 두가지 마이크로스트립 링 공진기 구조는 이하에서 설명할 도 6의 구조를 제시하기 위한 단계로써 상기 도 4의 구조와 도 5의 구조를 결합하면 도 6의 구조가 형성된다. 즉, 도 4의 커플라인이 링(1)의 외부를 둘러싸는 링 공진기 구조와 도 5의 커플라인(5)이 링(1)의 내부를 둘러싸는 링 공진기 구조의 결합형으로 도 6의 구조는 형성된다.
도 6은 본 발명인 두개의 커플라인과 슬릿으로 구성된 마이크로 스트립 링 공진기이다.
도 6을 참조하여 설명하면, 본 발명은 마이크로 웨이브가 입력되는 입력선로(2)와, 상기 입력선로(2)를 통한 마이크로 웨이브의 공진이 발생하는 링(1)과, 상기 링(1)에 입력선로(2) 및 출력선로(3)가 일정부분 삽입될 수 있도록 링(1)의 양 측방으로 오픈된 슬릿(slit)(6)과, 상기 링(1)과 일정한 간격을 두고 링(1)의 내부와 외부에 각도 θ에 해당하는 호의 길이로 링(1)을 둘러싸는 두 쌍의 커플라인(5)과, 상기 입력선로(2)로 입력된 마이크로 웨이브가 링(1)에서 공진된 후 출력되는 출력선로(3)로 구성된다. 상기의 구성으로 이루어진 본 발명에 대하여 마이크로웨이브 회로 디자인 툴(CAD Tool), 터치스톤(TOUCHSTONE)에 의한 시뮬레이션 결과와 네트웍 아날라이저(Network Analyzer)에 의한 측정결과를 도 7 및 도 8을 참조하여 분석하면 다음과 같다.
도 7은 본 발명의 삽입 손실에 대한 시뮬레이션 및 측정 결과 그래프이다.
도 8은 본 발명의 반사 손실에 의한 시뮬레이션 및 측정 결과 그래프이다.
도 7 및 도 8을 참조하여 설명하면, 상기 그래프(도 7, 도 8)에서 점선은 시뮬레이션 결과를 나타내고, 실선은 네트웍 아날라이저에 의한 측정결과를 나타낸다. 본 발명은 상기 종래의 링 공진기(도 1 및 도 2)에 비해 첫 번째 공진모드에서 삽입손실과 반사손실을 각각 25dB, 7dB 이상 향상시키며 도 3의 커플라인 마이크로스트립 링 공진기에 비해 삽입손실과 반사손실이 각각 2dB, 2.3dB 향상되었다.
또한, 세 번째 모드 근처에서 강한 억압이 생기는데, 이것은 링 공진기의 입력 및 출력 커플링 구조에 의한 것이다. 즉, 커플링 구조는 링(1)의 일부분을 포함하여 세개의 평형 커플라인이 링(1)의 슬릿(Slit)(6)을 기준으로 대칭적인 두 분분으로 나눠져 있다. 상기 세개의 평형 커플링 구조는 아주 넓은 대역 통과 특성을 가지는 데, 이 대역통과 부분 중 대역 저지에 해당하는 부분은 감쇄극(Attenuation Pole)(10)에 해당된다. 그러므로, 상기의 감쇄극(10)은 일정주파수를 강하게 억압하는 특성을 가진다.
상기의 억압 특성을 좀 더 살펴보기 위해 도 9 및 도 10을 참조하여 커플라인(5)의 길이와 넓이의 변화에 따른 특성의 변화를 살펴보면 다음과 같다.
도 9는 본 발명의 커플라인 넓이의 변화에 따른 시뮬레이션 결과 그래프이다.
도 10은 본 발명의 커플라인 길이의 변화에 따른 시뮬레이션 결과 그래프이다.
도 9 및 도 10을 참조하여 설명하면, 먼저, 도 9에서 보면, 커플라인(5)의 넓이가 w=0.58 mm에서 w=0.18 mm 로 넓이를 줄여감에 따라서 감쇄극(10)이 점차 9 GHz 대에서 12 GHz 대로 이동한다. 또한, 넓이가 줄어듬에 따라서 커플라인(5)의 전기장의 세기가 강해져서 삽입손실과 반사손실도 향상된다.
그리고, 도 8에서 보면, 전기적인 길이를 θ=45˚ 에서 θ=15˚로 줄임에 따라서 감쇄극(10)이 9 GHz 대에서 16 GHz 대로 상향 편이 된다. 즉, 특정주파수에 대한 억압특성이 커플라인(5)의 넓이와 길이의 변화에 따라서 변화함을 알 수 있다.
상기와 같은 링 공진기의 유전체 기판위의 회로 제조과정에 관하여 도 11을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 11은 본 발명의 유전체 기판상에 링 공진기의 제작과정을 나타내는 예시도이다.
도 11을 참조하여 설명하면, 컨덕터(9)의 내부에 유전체(11)가 채워진 기판을 원하는 회로의 크기만큼 절단한다(L100).
상기 과정 L100에서 기판이 절단되면, 포토레지스트(7) 용액을 얇게 도포한다(L200).
상기 과정 L200에서 포토레지스트(7)가 기판위에 도포되면, 링 공진기의 패턴을 가진 음각필름(12)을 기판위에 올려 놓은 뒤 자외선 노광기에 노출시킨다(L300).
상기 과정 L300에서 자외선에 노출된 기판은, 현상액에 넣어져 자외선을 노출된 부분은 회로로 남고 나머지 부분은 지워진다(L400).
상기 과정 L400에서 기판위에 원하는 패턴의 회로가 남게 되면, 염화제이철 용액에 넣어서, 자외선에 노출된 컨덕터(9) 부분은 링 공진기 회로로 남고 나머지 컨덕터(9) 부분은 식각된다.
또한, 상기와 같은 링 공진기는 그 구조가 간단하기 때문에 반도체 기판위에 제작하기가 무척용이하다.
상기의 링 공진기 제조과정의 또다른 실시예인 반도체 공정을 이용한 제조과정에 관하여 도 12를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 12는 반도체 기판상에 링 공진기의 제작과정을 나타내는 예시도이다.
도 12를 참조하여 설명하면, S.I. GaAs 기판을 회로의 크기만큼 적절히 절단(scribing)한 다음 청정실에서 아세톤, 메탄올, 프로판올 등으로 기판을 세척한다(S100).
상기 과정 S100에서 기판이 세척되면, AZ5214E 포토레지스트(7)를 기판위에 도포(spinning)한다(S200).
상기 과정 S200에서 포토레지스트(7)가 기판위에 도포되면, 자외선(UV) mask aligner를 사용하여 원하는 회로의 패턴을 만든다(photolithography)(S300).
상기 과정 S300에서 회로패턴이 만들어지면, E-beam 증착법을 통해 금속(8)을 반도체에 증착시킨다(S400).
상기 과정 S400에서 금속(8)이 반도체에 증착되면, 상기 기판을 아세톤에 담가 상기 과정 S200에서 도포(spining)된 포토레지스트(7) 부분을 제거하여(lift-off) 원하는 회로의 금속 패턴을 얻게 된다(S500).
상기의 공정으로 만들어진 링 공진기는 고주파용 소자이기 때문에 가능한 금속부분이 두꺼울수록 손실이 적게 되며, 이러한 두꺼운 금속증착을 위해서는 E-beam 증착법보다는 금도금법(Gold Plating)이 더 적절한 프로세스이다.
상기의 모든 과정을 거쳐서 본 발명이 의도하는 데로 커플라인과 슬릿으로 구성된 마이크로 스트립 링 공진기가 구현된다.
이상의 설명에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명은 마이크로스트립 링 공진기의 커플링 효율을 향상시키기 위하여 링에 슬릿(slit)을 주고 링의 내부와 외부에 커플라인을 길게 늘어뜨려 삽입손실과 반사손실을 향상시키고, 두 개의 커플라인에 따른 강한 감쇄 부분을 얻어내므로써 마이크로 및 밀리미터 회로에서 필터, 듀플렉서, 안테나, 오실레이터, 믹서 등에 응용될 수 있는 효과가 있다.

Claims (5)

  1. 유전체의 식각에 의한 공정 및 반도체 제조공정에 의해 제조되는 마이크로스트립 링 공진기에 있어서,
    양측에 소정간격 오픈된 슬릿(slit)부(6)를 갖는 링(1)과,
    상기 링(1)의 일측 슬릿부에 소정길이가 삽입되는 입력선로(2)와,
    상기 링(1)의 타측 슬릿부에 소정길이가 삽입되는 출력선로(3)와,
    상기 입력선로(2) 및 출력선로(3)의 상기 링(1)과 근접한 위치에 상기 링(1)을 따라 소정길이의 커플라인(5)을 일체로 형성한 것을 특징으로 하는 커플라인과 슬릿으로 구성된 마이크로스트립 링 공진기.
  2. 청구항 1항에 있어서, 상기 커플라인은,
    상기 링(1)의 중심부에서 소정각도(θ)에 해당하는 호의 길이를 갖고, 상기 입력선로(2) 및 출력선로(3)을 중심으로 양측의 길이가 같은 것을 특징으로 하는 커플라인과 슬릿으로 구성된 마이크로 스트립 링 공진기.
  3. 청구항 1항 또는 2항에 있어서, 상기 커플라인은,
    상기 슬릿부(6)에 삽입된 입력선로(2) 및 출력선로(3)의 단부에서 소정거리 떨어진 위치에 형성되어 상기 링(1)의 내측에 구성된 것을 특징으로 하는 커플라인과 슬릿으로 구성된 마이크로 스트립 링 공진기.
  4. 청구항 1항 또는 2항에 있어서, 상기 커플라인은,
    상기 슬릿부(6)에 삽입된 입력선로(2) 및 출력선로(3)의 단부에서 소정거리 떨어진 위치에 형성되어 상기 링(1)의 외측에 구성된 것을 특징으로 하는 커플라인과 슬릿으로 구성된 마이크로 스트립 링 공진기.
  5. 청구항 1항 또는 2항에 있어서, 상기 커플라인은,
    상기 슬릿부(6)에 삽입된 입력선로(2) 및 출력선로(3)의 단부에서 소정거리 떨어진 위치에 형성되어 상기 링(1)의 내측과 외측에 구성된 것을 특징으로 하는 커플라인과 슬릿으로 구성된 마이크로 스트립 링 공진기.
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