KR20020035871A - 집적 RF MxN 스위치 메트릭스 - Google Patents
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Abstract
스위칭 메트릭스는 NxN 스위치 모듈의 MxN 어레이를 갖는 다중층 세라믹 회로 보드를 포함한다. 구체적으로, 세라믹 회로 보드는 개별적인 NxN 스위치 모듈을 수용하기 위한 MxN 어레이 설치 장소를 갖는다. 세라믹 회로 보드는 MxN RF 스위치 메트릭스를 형성하기 위하여 모든 필수적인 상호접속을 포함한다.
Description
스위치 메트릭스는 실질적으로 모든 현대 통신 시스템에서, 특히 위성 시스템에서 주요한 소자이다. 그러한 메트릭스는 업-링크 채널을 특정 다운-링크 채널에 경로를 정하기 위하여 주로 사용된다. 어떤 경우에, 스위치 메트릭스는 "방송 모드"를 갖는다. 즉, 개인 인입 신호가 전송을 위해 많은 송출 채널에 동시에 경로가 지정된다.
RF 스위치는 다양한 장치에 유용하며, 가장 기본은 단일 RF 입력과 단일 RF 출력을 갖는 단극 단투 개폐기(single pole single throw)이다. 통상적으로, RF 신호는 RF 스위칭 다이오드 또는 전계 효과 트랜지스터로 전기적으로 스위치된다. 그러한 RF 스위치는 MxN 스위치 메트릭스를 형성하기 위하여 결합되며, 그리고 통상적으로 모노리식 마이크로파 집적 회로(MMIC) 기술을 사용하여 구성되며, 비교차(nonintersecting) 전송 라인, 교차점 및 스위치 소자는 박막 처리 기술을사용하여 다중레벨 기판 상에 집적된다. MMIC 기술은 많은 입력과 출력이 스위치되는 곳에서는 회로 복잡성으로 인하여 칩 크기가 매우 커지기 때문에 비실용적이다.
그러므로, 당업계에서는 RF 주파수 범위내에서 동작할 수 있는 효율적이며, 신뢰성있는 스위치 메트릭스의 자동화 생산에 대한 요구가 있다.
본 출원은 1999년 9월 14일 출원된 미국 가명세서 출원 제 60/153,782호의 이익을 청구하며, 이하에서 참조된다.
본 발명은 RF 스위치 메트릭스와 관련되며, 특히 본 발명은 NxN 스위치 모듈을 이용한 집적 RF MxN 스위치 메트릭스와 관련된다.
도 1은 MxN RF 스위치 메트릭스를 도시한다.
도 2는 NxN 스위치 메트릭스의 예를 도시한다.
도 3은 NxN 스위치 메트릭스내에서 사용하기 위한 예시적인 RF 스위치의 개략도이다.
각각의 스위치 모듈이 NxN 스위치 메트릭스인 MxN 스위치 모듈을 수용하는 다중층 세라믹 회로 보드를 사용하여 MxN RF 스위치 메트릭스를 형성함으로써 종래 기술과 관련된 불이익이 극복된다. 세라믹 구조는 낮은 RF 손실을 보이며, 메탈 베이스는 방열판(heatsink)과 RF 접지로서 기능한다. 회로 보드는 스위치 모듈을 수용하기 위한 설치 장소의 MxN 어레이를 가지며, 그리고 스위치 모듈을 MxN 스위치 메트릭스에 상호접속하기 위한 모든 필수적인 RF 루팅, 바이어스, 및 제어선을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에서, 회로 보드는 금속상의 저온 세라믹 회로(LTCC-M) 공정을 사용하여 점화된 메탈 베이스상의 다중층 세라믹 구조이다. LTCC-M 공정은 보드의 전체 영역상의 치밀한 허용오차를 갖는 넓은 영역 보드의 제조를 허용하는 회로 보드의 평면내에서 제로-수축을 제공한다. 스위치 모듈은 MMIC 디바이스일 수 있거나 또는 LTCC-M 공정을 사용하여 제작될 수도 있다. 스위치 모듈은 와이어-본드 또는 플립-칩 본드를 통하여 설치 장소에서 세라믹 회로 보드에 부착된다. 설치 장소는 펀치 캐비티(punch cavity)되어, 각 스위치 모듈의 메탈 베이스는 본체보드의 메탈 베이스에 결합된다. 스위치 모듈은 회로 보드에 의해 MxN 스위치 메트릭스에(로부터) 상호접속된다. 본 발명의 대안적인 실시예에서, 스위치 모듈은 설치 장소에서 회로 보드에 표면 실장된다.
본 발명은 이하의 도면과 관련하여 상헤한 설명을 고려함으로써 쉽게 이해될 수 있다.
이해를 용이하게 하기 위하여, 도면에서 공통되는 동일한 소자는 동일한 참조 번호가 사용되었다.
도 1은 본 발명에 따른 MxN RF 스위치 메트릭스(100)의 일 실시예를 도시한다. 스위치 메트릭스(100)는 메탈 베이스(102)에 부착된 다중층 세라믹 회로 보드(104)와 다수의 스위치 모듈(108)을 포함한다. 세라믹 회로 보드(104)는 상기 스위치 모듈(108)을 상기 세라믹 회로 보드(104)에 부착시키기 위한 MxN 어레이의 설치 장소(106)(예를 들면, 10x10)를 갖는다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 세라믹 회로 보드(104)와 메탈 베이스(102)는 LTCC-M 점화 공정에서 통상적으로 사용된다.
다중층 세라믹 회로 보드는 수 십년간 사용되었으며, 그리고 집적 RF 회로를 형성하기 위해 유익하게 사용된다. LTCC-M 공정에서 사용된 세라믹과 금속의 전기적 특성은 저주파수 및 고주파수 동작 모두에 적당하다. LTCC-M 제조 공정은 낮은 비용, 고도의 자동화 생산에 맞게 되며, 그리고 집적 RF 서브-시스템 애플리케이션에 적절하게 된다. LTCC-M 기술의 다중층 특성은 소자들 사이의 짧은 거리를 갖는 소형 구조의 설계를 허용하여, 더 낮은 손실과 전체 성능이 더욱 양호해지는 결과를 가져온다.
통상적인 스위치 메트릭스의 크기는 수십 파장이며, 집적 회로 생산에서 치밀한 허용오차를 요구한다. LTCC-M은 보드의 x와 y 크기에서 제로(zero) 수축을 나타내며, 보드의 넓은 전체 영역상에서 치밀한 허용오차를 갖는 도체 패턴의 한정과 큰 영역의 회로 보드의 제조를 허용한다. LTCC-M 기술의 상세한 설명을 위하여, 독자는 1998년 3월 10일 발행된 미국 특허 제 5,725,808호 및 1999년 9월 28일 발행된 미국 특허 제 5,958,807호를 참조해야 한다.
본 발명의 이러한 예시적인 실시예에서, 다수의 스위치 모듈(108)의 각각은 메탈 베이스(114)에 부착된 다중층 세라믹 회로 보드(116), 집적 NxN 스위치 메트릭스(112), 전자 제어 회로(110), N 입력 전송 라인 세그먼트(118) 및 N 출력 전송 라인 세그먼트(120)를 포함한다. 주요 회로 보드(104)와 마찬가지로, 모듈 회로 보드(116)는 LTCC-M 제조 공정에서 통상적으로 사용되는 형태이다. 집적 스위치 메트릭스(112)는 N 입력과 N 출력을 가지며, 그리고 N 입력중 일부를 N 출력중 일부에 스위칭시킬 수 있다. 집적 스위치 메트릭스(112)는 스위치 모듈(108)이 NxN스위치 메트릭스로 기능하도록 하기 위하여 입력 전송 라인 세그먼트(118)와 출력 전송 라인 세그먼트(120)에 결합된다. 본 발명의 대안적인 실시예에서, 스위치 모듈(108)은 MMIC 디바이스이다.
다수의 스위치 모듈(108)중 각각은 와이어-본드 또는 플립-칩 본드를 통하여 MxN 어레이의 설치 장소(106)중 하나에 부착된다. 설치 장소(106)는 펀치 캐비티(punch cavity)이며, 그리고 모듈(108)의 메탈 베이스(114)는 주회로 보드(104)의 메탈 베이스(102)에 결합된다. 입력 전송 라인 세그먼트(118)와 출력 전송 라인 세그먼트(120)는 MxN 스위치 메트릭스를 형성하기 위하여 와이어-본드에 의해 주회로 보드(104)의 개별적인 전송 세그먼트(122)에 결합된다. 본 발명의 대안적인 실시예에서, 모듈은 설치 장소(106)에서 주회로 보드(102)에 표면 실장된다.
도 2는 NxN 스위치 메트릭스(112)의 일예를 도시한다. 스위치 메트릭스(112)는 N 입력 전송 라인(202), N 출력 전송 라인(204), 및 다수의 RF 스위치(Sij)를 포함한다. 입력 전송 라인(202)과 출력 전송 라인(204)은 마이크로파 스트립라인이다. 다수의 RF 스위치(Sij)의 각각은 PIN 다이오드 또는 유사한 반도체 스위칭 소자이다. 입력 전송 라인중 i번째 입력 전송 라인(202i)은 스위치 셀의 각각(Sij)에 결합된다. 출력 전송 라인중 j번째 출력 전송 라인(204j)은 스위치 셀의 각각(Sij)에 결합된다. 이러한 방식으로, 입력 전송 라인(202)의 각각은 출력전송 라인(204)의 각각에 접속된다. NxN 스위치 메트릭스를 구성하는 다른 방법은 당업자에게 공지되어 있다.
도 3은 예시적인 단극, 단투(single pole, single throw) RF 스위치(Sij)의 개략도를 도시한다. 스위치(Sij)는 스위치(Sij) 입력으로부터 스위치(Sij) 출력으로 연결하는 전송 라인 세그먼트(302), 애노드와 캐소드를 갖는 PIN 다이오드(304), 입력 커플링 커패시터(308), 출력 커플링 커패시터(310) 및 인덕터(312)(RF 초크)를 갖는 DC 바이어스 소스(316)를 포함한다. PIN 다이오드(304)의 애노드는 전송 라인 세그먼트(302)에 연결되며, 그리고 PIN 다이오드(304)의 캐소드는 접지에 연결된다. 다이오드(304)가 역바이어스 또는 언바이어스되면, 스위치(Sij)는 닫혀지고, 다이오드(304)가 RF 신호에 무한대의 저항으로 작용하여, 그 결과 입력 신호는 전송 라인 세그먼트(302)를 통하여 스위치 입력으로부터 스위치 출력으로 통과하게 된다. 전송 라인 세그먼트(302)가 순방향 바이어스 다이오드(304)에 충분한 양의 DC 전압에서 바이어스되면, 스위치(Sij)는 개방되며, 다이오드(304)는 접지에 분류기(shunt)로서 작용하게 된다. 입력 커플링 커패시터(308)와 출력 커플링 커패시터(310)는 DC 바이어스 전압이 결합된 회로(미도시됨)에 들어가는 것을 막는다. 인덕터(312)는 RF 신호가 DC 바이어스 회로(316)에 들어가는 것을 막는다. 다른 스위치 장치, 예를 들면, MOSFET 이나 다른 반도체 형태의 스위치는 당업자에게 공지되어 있다.
본 발명의 내용을 포함하고 있는 다양한 실시예가 도시되고 상술되었지만,당업자는 이러한 내용을 참고로 많은 다양한 실시예를 쉽게 고안할 수 있다.
Claims (10)
- RF 신호를 스위칭하기 위한 스위치 메트릭스에 있어서, 상기 스위치 메트릭스는 M 무선 주파수(RF) 입력, N RF 출력, 그 위에 배치된 다수의 설치 장소 및 메탈 베이스를 갖는 세라믹 회로 보드;N 입력 세그먼트, N 출력 세그먼트 및 다수의 RF 스위치를 갖는 다수의 스위치 모듈을 포함하며, 상기 N 입력 세그먼트의 각각은 상기 다수의 RF 스위치의 각각에 의해 상기 N 출력 세그먼트의 각각에 연결되며, 상기 다수의 스위치 모듈 각각은 상기 다수의 설치 장소의 각각에서 상기 세라믹 회로 보드에 부착되는 것을 특징으로 하는 스위치 메트릭스.
- 제 1항에 있어서,상기 설치 장소는 공동(cavity; 캐비티)인 것을 특징으로 하는 스위치 메트릭스.
- 제 1항에 있어서,상기 다수의 스위치 모듈의 각각은 상기 다수의 설치 장소의 각각에서 상기 세라믹 회로 보드에 와이어-본드되는 것을 특징으로 하는 스위치 메트릭스.
- 제 1항에 있어서,상기 다수의 스위치 모듈의 각각은 상기 다수의 설치 장소의 각각에서 상기 세라믹 회로 보드에 플립-칩 본드되는 것을 특징으로 하는 스위치 메트릭스.
- 제 1항에 있어서,상기 세라믹 회로 보드는 LTCC-M 공정을 사용하여 제조되는 것을 특징으로 하는 스위치 메트릭스.
- 제 1항에 있어서,상기 다수의 스위치 모듈의 각각은 LTCC-M 공정을 사용하여 제조되는 것을 특징으로 하는 스위치 메트릭스.
- 제 1항에 있어서,상기 다수의 스위치 모듈의 각각은 MMIC 공정을 사용하여 제조되는 것을 특징으로 하는 스위치 메트릭스.
- 제 1항에 있어서,상기 다수의 RF 스위치의 각각은 반도체 디바이스인것을 특징으로 하는 스위치 메트릭스.
- 제 8항에 있어서,상기 반도체 디바이스의 각각은 PIN 다이오드인것을 특징으로 하는 스위치 메트릭스.
- 제 8항에 있어서,상기 반도체 디바이스의 각각은 트랜지스터인것을 특징으로 하는 스위치 메트릭스.
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