KR20160121980A - 실리콘 밀리미터파 칩용 칩상 도파관 급전기 및 급전 방법 및, 이를 이용한 다중 입출력 밀리미터파 송수신 장치 - Google Patents

실리콘 밀리미터파 칩용 칩상 도파관 급전기 및 급전 방법 및, 이를 이용한 다중 입출력 밀리미터파 송수신 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 도파관 급전기를 개시하고 있다. 상기 도파관 급전기는 실리콘 기판, 도파관 개구면에 위치하여 전기적 신호를 입력받는 프로브, 도파관 플랜지(waveguide flange) 면으로 프로브의 접지 통로를 형성하기 위해 도파관 플랜지의 접합면에 위치하는 개방 스터브를 포함하되, 상기 프로브 및 상기 개방 스터브는 상기 실리콘 기판 상에 구성된다.

Description

실리콘 밀리미터파 칩용 칩상 도파관 급전기 및 급전 방법 및, 이를 이용한 다중 입출력 밀리미터파 송수신 장치{ON-CHIP WAVEGUIDE FEEDER FOR SILICON MILLIMITER WAVE ICS AND FEEDING METHOD USING SAID FEEDER, AND MULTIPLE INPUT AND OUTPUT MILLIMETER WAVE TRANSCEIVERS USING SAID FEEDER}
본 발명은 도파관 급전기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 실리콘 기판 위에 제작되는 새로운 구조의 저손실 광대역 칩상 도파관 급전기 및 이를 이용한 밀리미터파 다중채널 송수신기에 관한 것이다.
통상적으로 도파관을 사용한 밀리미터파 시스템에서는 일단 밀리미터파 송수신 칩을 플립 칩이나 정밀 와이어 본딩을 사용해 저손실 기판에 연결한 후에 저손실 기판에서 도파관 급전기를 제작하여 도파관을 구동하고 있다. 지금까지 실리콘 공정을 사용한 밀리미터파(milimeter wave) 관련 송수신 칩 관련 연구에서는 칩상 도파관 급전기가 발표된 예가 없다. 실리콘 기판에 안테나를 제작해 칩 외부로 전자파를 방사시키는 연구는 여러 차례 발표되었으나, 이는 안테나 용도로만 사용되었으며 도파관 급전기로 사용된 예는 없다.
종래 칩상 안테나 구조를 도파관 급전기로 사용하면 효율이 떨어지는 문제점이 존재한다. 또한, 화합물 반도체 분야에서 칩상 도파관 급전기가 발표된 바가 있으나, 화합물 반도체는 저손실 기판이기 때문에 급전기 구조가 단순한 반면, 실리콘 기판은 유전율이 높고, 손실이 크며 화합물 반도체와 달리 후면 비아가 제공되지 않기 때문에 칩이 부착되는 기판으로 접지를 확보하기 힘들다는 문제점이 있다. 이 때문에 기존의 저손실 기판이나 화합물 반도체 기판에 제작된 도파관 급전기 구조로는 실리콘 기판에서 저손실 광대역 특성을 구현하기 힘들다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 실리콘 칩 상에서 도파관을 직접 구동할 수 있는 저손실 광대역 도파관 급전기를 사용하여, 고가의 추가적인 밀리미터파 패키징이 없이 밀리미터파 송수신 시스템을 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 도파관 급전기는 실리콘 기판, 도파관 개구면에 위치하여 전기적 신호를 입력받는 프로브, 도파관 플랜지(waveguide flange) 면으로 프로브의 접지 통로를 형성하기 위해 도파관 플랜지의 접합면에 위치하는 개방 스터브를 포함하되, 상기 프로브 및 상기 개방 스터브는 상기 실리콘 기판 상에 구성될 수 있다.
상기 개방 스터브는 나비형의 형태를 갖고, 상기 개방 스터브의 윗면 날은 상기 도파관 개구면과 정렬되도록 위치할 수 있다.
상기 개방 스터브는 실리콘 배선 중 최하층 도전층에 형성되어 상기 실리콘 기판에 비아로 연결될 수 있다.
상기 개방 스터브는 L2의 길이를 가지며, 상기 길이 L2는 상기 개방 스터브 중앙의 구동점에서 상기 개방 스터브 종단을 볼 때, 칩 하면의 도파관 플랜지 면과 단락 회로를 구성하도록 조정된 길이를 가질 수 있다.
상기 프로브는 상기 개방 스터브와 전기적으로 절연되는 상위 배선층에 위치할 수 있다.
상기 프로브는 하면에 마주한 상기 개방 스터브와 소정 길이를 나란히 달려 슬롯 라인 모드를 형성할 수 있다.
상기 프로브는 종단에서 U자형으로 2개의 폴을 가질 수 있다.
상기 실리콘 기판은 좌우로는 상기 도파관 개구면 중앙에 위치하며, 상하로는 상기 개방 스터브 윗날면과 상기 도파관 개구면의 하단면에 정렬된 위치에 위치할 수 있다.
상기 도파관 개구면에서 거리 D 만큼 떨어진 지점에 금속 반사체를 설치하되, 상기 거리 D는 동작 주파수에 맞춰 조정될 수 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 도파관 급전기의 급전 방법은 도파관 개구면에 위치한 프로브를 이용하여 전기적 신호를 입력받는 단계 및 도파관 플랜지의 접합면에 위치하는 개방 스터브를 통해, 도파관 플랜지(waveguide flange) 면으로 프로브의 접지 통로를 형성하는 단계를 포함하되, 상기 프로브 및 상기 개방 스터브는 실리콘 기판 상에 구성될 수 있다.
상기 개방 스터브는 나비형의 형태를 갖고, 상기 개방 스터브의 윗면 날은 상기 도파관 개구면과 정렬되도록 위치할 수 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 칩상 도파관 급전기를 내장한 송신기 모듈은 밀리미터파 신호를 도파관으로 전달하는 칩 형태의 도파관 급전기, 상기 도파관 급전기와 연결되어 신호를 증폭하는 전력 증폭기 및 기준 신호를 입력받아 밀리미터파 신호를 공급하는 주파수 체배기를 포함하되, 상기 도파관 급전기는, 실리콘 기판, 도파관 개구면에 위치하여 전기적 신호를 입력받는 프로브 및 도파관 플랜지(waveguide flange) 면으로 프로브의 접지 통로를 형성하기 위해 도파관 플랜지의 접합면에 위치하는 개방 스터브를 포함하고, 상기 프로브 및 상기 개방 스터브는 상기 실리콘 기판 상에 구성될 수 있다.
상기 개방 스터브는 나비형의 형태를 갖고, 상기 개방 스터브의 윗면 날은 상기 도파관 개구면과 정렬되도록 위치할 수 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 칩상 도파관 급전기를 내장한 수신기 모듈은 밀리미터파 신호를 수신하는 칩 형태의 도파관 급전기, 상기 도파관 급전기와 연결되어 상기 수신된 신호를 저잡음 증폭하는 저잡음 증폭기, 상기 저잡음 증폭된 신호를 소정 대역으로 변환하는 주파수 혼합기 및 상기 주파수 혼합기의 국부 발진신호를 전달하는 주파수 체배기를 포함하되, 상기 도파관 급전기는, 실리콘 기판, 도파관 개구면에 위치하여 전기적 신호를 입력받는 프로브 및 도파관 플랜지(waveguide flange) 면으로 프로브의 접지 통로를 형성하기 위해 도파관 플랜지의 접합면에 위치하는 개방 스터브를 포함하고, 상기 프로브 및 상기 개방 스터브는 상기 실리콘 기판 상에 구성될 수 있다.
상기 개방 스터브는 나비형의 형태를 갖고, 상기 개방 스터브의 윗면 날은 상기 도파관 개구면과 정렬되도록 위치할 수 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다차원 배열 송수신기는 금속면에 개구면을 형성하여 개구면 안테나로 동작하는 복수 개의 도파관 및 실리콘 기판, 상기 복수 개의 도파관의 개구면에 위치하여 전기적 신호를 입력받는 프로브 및 상기 복수 개의 도파관의 도파관 플랜지(waveguide flange) 면으로 상기 프로브의 접지 통로를 형성하기 위해 상기 도파관 플랜지의 접합면에 위치하는 개방 스터브를 포함하며, 상기 프로브 및 상기 개방 스터브는 상기 실리콘 기판 상에 구성된 도파관 급전기 구조를 갖는 복수 개의 송수신 칩을 포함할 수 있다.
본 발명의 실리콘 밀리미터파 칩용 칩상 도파관 급전기 및 급전 방법 및, 이를 이용한 다중 입출력 밀리미터파 송수신 장치에 따르면, 상기 칩상 도파관 급전기를 내장한 칩을 도파관의 개구면에 부착하기만 하면 밀리미터파 신호를 효율적으로 도파관을 통해 방출 또는 수신할 수 있으며, 칩 부착시 공차가 발생해도 그 특성의 열화가 현저하지 않으므로, 다수의 밀리미터파 송수신 채널을 손쉽게 저가로 구성가능한 효과가 있다.
또한, 도파관으로 출력된 밀리미터파 신호는 단순히 도파관 개구면 안테나나 좀 더 고이득을 갖는 혼 안테나, 또는 도파관 슬롯 배열 안테나를 이용해 고이득, 고효율로 방사 가능하므로, 다채널 위상배열 레이더 시스템, 다중 입출력 송수신 시스템, 고속 무선 디지털 데이터 전송 시스템과 같은 다양한 밀리미터파 센서 및 통신 시스템에 활용 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 도파관 급전기의 구조 및 도파관 플랜지 면의 배치 구조를 나타낸 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 도파관 급전기의 도파관 부착 모습을 나타낸 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 도파관 급전기의 개방형 접지 스터브의 유효성을 검증하기 위한 모의실험 구조를 나타낸 도면,
도 4는 도파관 플랜지 면을 기준으로 접지 스터브가 제공하는 임피던스와 칩 그라운드가 포함되었을 때 접지 스터브가 제공하는 임피던스를 나타낸 도면,
도 5는 실리콘 칩상 도파관 급전기의 입력 정합 및 전달 특성을 도시한 그래프,
도 6은 칩상 도파관 급전기를 내장한 77 GHz 송신기 칩 제작 예를 나타낸 도면,
도 7은 칩상 도파관 급전기를 내장한 송신기 칩의 도파관 개구면 실장 예 및 이를 이용한 송신기 모듈의 구성을 도시한 도면,
도 8은 칩상 도파관 급전기를 내장한 송신 칩과 패드 내장 칩의 (웨이퍼 측정) 성능을 비교한 도면,
도 9는 칩상 도파관 급전기를 내장한 수신기 제작 예를 나타낸 도면,
도 10은 도파관 급전기를 내장한 수신칩의 도파관 실장 예 및 이를 이용한 수신기 모듈의 구성을 도시한 도면,
도 11은 칩상 도파관 급전기를 내장한 수신칩 모듈과 패드 내장 칩(웨이퍼 측정)의 성능을 비교한 도면,
도 12는 칩상 도파관 급전기를 내장한 송수신 칩을 이용한 FMCW 레이더 구조를 나타낸 도면,
도 13은 도면 11의 구조로 실제 구현한 77GHz 레이더 송수신기 모듈 및 성능 시험 결과를 나타낸 도면,
도 14는 칩상 도파관 급전기를 이용한 다채널 밀리미터파 배열 송수신기의 구조를 도시한 도면,
도 15는 도파관 급전기 내장 칩을 이용한 다중 입출력 레이더의 구조를 예시적으로 나타낸 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 도파관 급전기의 구조 및 도파관 플랜지 면의 배치 구조를 나타낸 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 도파관 급전기(200)는 실리콘 기판(210), 접지 스터브(220), 프로브(230) 및 절연 유전층(240)을 포함할 수 있다.
도 1의 (b)를 참조하면, 실리콘 기판(210) 상에 접지 스터브(220)(이는 개방형 접지 스터브, 개방 스터브 등으로 불릴 수 있음) 및 절연 유전층(240)이 위치하고, 절연 유전층(240) 상에 프로브(230)가 위치할 수 있다. 일반적인 도파관 급전기는 도파관 벽면과 접지가 공유되어야 하나, 실리콘 표준 공정은 후면 비아가 없기 때문에, 칩의 접지와 도파관 벽면을 연결하는 것이 불가능하였다.
도 1의 (a)를 참조하면, 본 발명의 상기 도파관 급전기(200)의 구조에 따르면, 실리콘 칩과 도파관 플랜지(110)의 접합면에 길이 L2를 갖는 나비 형태의 개방 스터브(220)가 위치하기 때문에, 이상적으로는 도파관 플랜지(110) 면으로 프로브(230)의 접지 통로를 형성하게 할 수 있다. 이 스터브(220)의 윗면 날은 도파관 개구면(120)과 정렬되도록 위치한다. 이 스터브(220)는 실리콘 배선 중 최하층 도전층에 형성되며 실리콘 기판(210)에 비아로 연결된다. 이 개방형 접지 스터브(220)의 길이 L2는 스터브(220)의 중앙의 구동점에서 스터브(220) 종단을 바라볼 때, 칩 하면의 도파관 플랜지(110) 면과 단락 회로를 구성하도록 조정가능하다.
또한, 프로브(230)는 신호 입력(신호는 전기적 신호일 수 있음)을 받을 수 있고, 입력된 신호는 도파관 개구면(210)을 이용하여 RF(Radio Frequency: 무선 주파수) 에너지를 생성할 수 있다. 특히, 광대역 특성을 갖기 위해서는, 프로브(230)의 설계가 중요하며, 궤적의 위치를 주로 결정하는 프로브(230)의 길이(W)보다는 프로브의 폭(L1)이 주요 변수가 될 수 있다. 프로브(230)는 도파관 개구면(210)에 위치하며, 스터브(220)와 전기적으로 절연되는 상위 배선층에 위치할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 일반적인 직사각형 또는 직선 모양의 프로브 형태와 달리, 프로브(230)의 하면에 마주한 L2 길이의 개방 스터브(220)와 일정 길이를 나란히 달려 슬롯 라인 모드를 형성할 수 있다. 그리고, 그 종단에서 U자형으로 2개의 폴을 가질 수 있다. 위 구조를 통해 개방형 스터브(220)가 접지를 제공하면서 프로브(230)와 슬롯 라인 모드를 통해 프로브(230)에 전류가 흐를 수 있도록 유도할 수 있고, 슬로 라인 모드로 형성된 전기장의 분포가 도파관의 기본 모드인 TE10를 부분적으로 구동하게 할 수 있다. 또한, 프로브(230) 종단에 두 개의 폴을 구성하여 효과적으로 TE10 모드를 구동할 수 있게 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 도파관 급전기의 도파관 부착 모습을 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 프로브와 접지 스터브를 칩 상에 배치한 실리콘 기판 형태의 도파관 급전기가 도파관의 개구면에 부착될 수 있다. 이때, 도파관의 상부면은 메탈 블록으로 형성될 수 있다. 또한, 개구면의 높이는 전자파의 파장(λ)의 1/4보다 짧은 길이를 가질 수 있다. 또한, 실리콘 기판은 50μm의 두께를 가질 수 있으며, 유전율(εr)은 11~12를 갖는 것이 바람직할 수 있다.
이러한 급전기를 포함한 실리콘 칩은 좌우로는 도파관 개구면 중앙에 위치하며 상하로는 급전기의 개방형 스터브 윗날면과 도파관 개구면의 하단면을 정렬시킬 수 있다. 급전기의 주 방사 방향은 실리콘 기판의 후면을 통해 이루어져 도파관을 따라 전자파가 진행하게 된다. 급전기의 금속층 전면으로 후방 방사가 부분적으로 발생하기 때문에, 후방 방사를 반사시켜 효율을 높이기 위해 도 1의 (b)의 측면도와 같이 도파관 개구면에서 일정거리 D만큼 떨어진 지점에 금속 반사체를 설치할 수 있다. 이때, D의 길이 역시 동작주파수에 맞춰 최적화할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 도파관 급전기의 개방형 접지 스터브의 유효성을 검증하기 위한 모의실험 구조를 나타낸 도면이다.
도 3의 (a) 및 (b)를 참조하면, 도파관 플래지 면을 기준으로 스터브의 중앙 구동점에서 볼 때, 임피던스 값을 통해 접지 통로를 형성할 수 있는지 확인 가능하다. 밀리미터파 회로에 급전기가 연결되는 것을 고려하여 칩 그라운드가 있는 상황에서 접지 스터브의 중앙 구동점에서 보이는 임피던스 값도 확인한다.
도 4는 도파관 플랜지 면을 기준으로 접지 스터브가 제공하는 임피던스와 칩 그라운드가 포함되었을 때 접지 스터브가 제공하는 임피던스를 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 도 3의 실험의 결과를 알 수 있다. 이를 살펴보면, 4-5Ω 정도의 낮은 임피던스를 갖는 접지 통로가 형성되는 것을 확인가능하고, 칩 그라운드가 있는 상황에서도 접지 스터브의 유효성을 확인할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 도파관의 파동 임프던스는 400Ω으로 매우 높은 임피던스를 가질 수 있다. 이때 칩상 입출력은 통상적으로 50Ω으로 설계될 수 있다. 따라서, 이대로 정합을 하면, 매우 높은 임피던스 변환 비율을 갖기 때문에 정합이 어렵고, 정합되어도 대역폭이 좁아지게 될 수 있다. 따라서, 도 1과 같이 슬롯 라인 모드로 두 개의 폴을 구동하는 구조를 사용하는 것이 바람직하다. 이를 통해 기판 손실을 줄이면서도, 임피던스 변환 비율을 낮춰 광대역 특성을 갖게 할 수 있다. 프로브의 크기 L1, W, S는 L2와 같이 동작주파수에 맞춰 최적의 성능이 되도록 최적화할 수 있다.
도 5는 실리콘 칩상 도파관 급전기의 입력 정합 및 전달 특성을 도시한 그래프이다.
도 5를 참조하면, 도 1의 구조를 WR10 도파관 구조에 적용해 모의실험한 결과, 도파관 급전기가 달린 곳이 포트 1이며 도파관 출력이 포트 2일 때, 입력 반사계수 기준으로 15dB 반사 손실 대역은 30.1GHz에 이르며, 저주파에서 삽입손실 증가는 도파관의 저주파 차단 특성 때문이므로 실질적인 대역폭은 더 넓게 나타남을 확인할 수 있다. 실리콘의 유전율과 10Ω·cm 비저항을 기준으로 77GHz에서 1.27dB의 손실을 보임을 알 수 있다.
도 6은 칩상 도파관 급전기를 내장한 77 GHz 송신기 칩 제작 예를 나타낸 도면이다.
도 6을 참조하면 실리콘 칩 위에 프로브와 나비모양의 접지 스터브를 포함하는 급전기(610: feeder)가 전력 증폭기(620: PA)에 연결되어 있다. 또한, 전력 증폭기(620)는 주파수 체배기(630)와 연결될 수 있다. 이에 따라, 주파수 체배기(630)에서 입력되는 신호 중 기준 신호(Ref: Reference 신호)를 체배하여 전력 증폭기(620)로 전달하면, 전력 증폭기(620)는 수신되는 신호를 설정된 크기만큼 증폭하여 급전기(610)로 전달할 수 있다. 급전기(610)는 수신되는 밀리미터파 신호를 도파관으로 전달하여 신호를 외부로 송신할 수 있다.
도 7은 칩상 도파관 급전기를 내장한 송신기 칩의 도파관 개구면 실장 예 및 이를 이용한 송신기 모듈의 구성을 도시한 도면이다.
도 7을 참조하면, 송신기 칩은 전력 증폭기와 주파수 체배기를 내장하며 밀리미터파 신호는 급전기를 통해 도파관으로 전달될 수 있다. 외부에서 공급하는 신호는 주파수 체배기의 기준신호와 바이어스만 공급할 수 있다. 도 7의 우측도면을 보면, 본딩와이어를 통해 주파수 체배기로 입력신호가 입력된다. 경우에 따라 입력 신호는 전력을 공급하는 신호일 수 있다. 실리콘 칩 하단의 벽면은 금속으로 되어 있을 수 있다.
따라서, 외부 선로를 통한 밀리미터파 신호의 입출입이 없으므로, 저가의 와이어 본딩과 FR4 기판으로 밀리미터파 송신기를 구현할 수 있다. 칩상 도파관 급전기를 이용한 송신기 모듈의 성능은 다음의 도 8에 도시된다.
도 8은 칩상 도파관 급전기를 내장한 송신 칩과 패드 내장 칩의 (웨이퍼 측정) 성능을 비교한 도면이다.
도 8을 참조하면, 급전기 없이 입출력 패드를 부착하고 웨이퍼 프로빙을 이용해 측정한 출력 전력과 비교하여, 급전기를 사용한 도파관 출력이 약 1.5dB만큼 감소하였음을 확인할 수 있다. 그러나, 일반적으로 밀리미터파 칩에서 출력 패드를 본딩하여 시스템을 구현한 경우에 비해 도파관 급전기를 사용하는 시스템의 손실은 매우 적은 값이며, 따라서 매우 간단하게 밀리미터파 모듈을 구현할 수 있는 장점을 갖게 된다.
도 9는 칩상 도파관 급전기를 내장한 수신기 제작 예를 나타낸 도면이다.
도 9를 참조하면, 도파관 급전기를 이용한 수신기 칩 역시, 도파관 급전기(910), 저잡음 증폭기(LNA)와 주파수 혼합기(Mixer)(920) 및 주파수 체배기(930)를 포함할 수 있다. 수신기 칩 역시 송신기 칩과 동일하게 밀리미터파 신호는 도파관 급전기(910)를 이용하여 수신하고, 주파수 체배기(930)에서 국부 발진신호를 발생시킨다. 주파수 체배기(930)의 기준신호와 바이어스 및 IF 출력만 본딩 와이어를 통해 전달할 수 있다. 이에 따라 밀리미터파용 고정밀 고가 본딩이 불필요하다. 여기서, 저잡음 증폭기(LNA)는 도파관 급전기(910)와 연결되어 수신되는 신호를 저잡음 증폭시킨다. 주파수 혼합기(Mixer)는 저잡음 증폭된 신호를 소정 대역으로 변환할 수 있다.
도 10은 도파관 급전기를 내장한 수신칩의 도파관 실장 예 및 이를 이용한 수신기 모듈의 구성을 도시한 도면이다.
도 10을 참조하면, 수신칩을 이용한 수신 시스템의 모듈은 송신모듈과 동일한 방식으로 도파관 개구면에 수신칩의 급전기를 위치시켜 도파관을 구동시킬 수 있다. 도 10의 좌측 도면을 참조하면, 수신기 모듈의 좌측으로는 바이어스 신호가, 좌하단으로는 IF신호가 출력되며 우측으로는 기준 신호(Ref)가 출력될 수 있다. 도 10의 우측도면을 참조하면, 저가의 본딩와이어를 수신기 칩과 연결하여 별도 선로를 통한 밀리미터파의 신호의 입출입 없이 밀리미터파 수신기를 구현할 수 있다.
도 11은 칩상 도파관 급전기를 내장한 수신칩 모듈과 패드 내장 칩(웨이퍼 측정)의 성능을 비교한 도면이다.
도 11을 참조하면, 칩상 패드를 이용해 웨이퍼 상태로 측정한 수신기의 이득과 급전기를 이용한 도파관 출력에서 측정한 이득을 비교하였으며, 약 2.1dB 이내의 손실을 보임을 확인할 수 있다. 즉, 수신칩과 패드를 본딩하여 밀리미터파 시스템을 구현했을 경우에 비해 훨씬 단순하면서도 손실을 동등하거나 우수함을 확인가능하다.
도 12는 칩상 도파관 급전기를 내장한 송수신 칩을 이용한 FMCW 레이더 구조를 나타낸 도면이다.
도 12를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 도파관 급전기를 내장한 소수신 칩을 이용하여 구성한 송신 1채널 및 수신 1채널의 FMCW 레이더(Frequency Modulated Continuous-Wave Radar)는 도 12와 같이 구성된다. 여기서, 밀리미터 신호는 도파관 급전기를 통해 도파관 안테나로 송수신될 수 있다. 주파수 체배기의 기준 신호(레퍼런스로 표시됨) 및 바이어스만 와이어 본딩을 이용하여 FR4 보드에 전달될 수 있다. 우측 수신기의 경우에는 저잡음 증폭기를 거친 RF 신호가 LO 신호와 주파수 혼합기에서 혼합되어 IF 신호로써 출력되고, 출력되는 IF 신호가 FR4 보드를 거쳐 본딩 와이어를 통해 출력될 수 있다. 이러한 송수신기 구조는 채널을 단순히 도파관 개구면 수를 늘려 다채널 레이더 구조로 확장가능하다. 이는 도 13을 통해 설명한다.
도 13은 도면 11의 구조로 실제 구현한 77GHz 레이더 송수신기 모듈 및 성능 시험 결과를 나타낸 도면이다.
도 13을 참조하면, 도 12의 구조로 구현한 77GHz FMCW 레이더를 예시적으로 나타낸 것으로, 특히 좌상단의 도면은 차량용 레이더로 활용한 예로써, 물체의 거리에 비례하는 송수신 신호간의 차이신호인 IF 신호로부터 물체까지의 거리를 탐지할 수 있다. 이는 거리 검출 수단으로써 스마트 카 등에 사용될 수 있다. 즉, 소정 거리(예컨대, 20m) 전방의 타겟 차량까지의 거리를 검출할 수 있다. 또한, 우상단 도면은 도파관 안테나가 하나씩 수신기와 송신기에 적용된 혼(Horn) 형태의 안테나로 이러한 형태의 안테나로도 본 발명의 도파관 급전기를 내장한 송신기 칩 또는 수신기 칩이 활용가능함을 알 수 있다.
도 14는 칩상 도파관 급전기를 이용한 다채널 밀리미터파 배열 송수신기의 구조를 도시한 도면이다.
도 14를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 칩상 도파관 급전기 구조를 갖는 송수신 칩을 다차원으로 배열할 수 있다. 이를 통해 다차원/다채널 밀리미터파 송수신기를 제조할 수 있다. 이는 금속면에 도파관 개구면을 형성시켜, 개구면 안테나로 동작시키고, 다수의 송수신 칩을 배열하여 다채널 밀리미터파 시스템으로 구현할 수 있다. 이에 따라 복수 개의 도파관이 개구면을 통해 개구면 안테나로 동작하도록 하고, 도파관 급전기 구조를 갖는 송수신 칩이 도파관에 연결되며, 소정 개수의 송수신 칩은 하나의 라인으로 기준신호 및 바이어스 신호를 제공할 수 있고, IF 신호를 수신할 수 있다. 이러한 라인 역시 복수 개 존재할 수 있다. 복수 개의 송수신 칩을 통해 다채널의 밀리미터파 신호를 송수신하는 시스템이 구축될 수 있다.
도 15는 도파관 급전기 내장 칩을 이용한 다중 입출력 레이더의 구조를 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 15를 참조하면, 도 14의 다채널 밀리미터파 배열 송수신기의 구조를 블록도로 표시한 것인데, 전술한 바와 같이, 복수개의 송신기(Tx)와 복수 개의 수신기(Rx)가 FR-4 보드 상의 마이크로 칩 라인을 통해 연결될 수 있다. 여기서, 송신기의 전력 증폭기 상단 및 수신기의 저잡음 증폭기 상단에 도파관 급전기가 연결될 NT 있다. 이때, 송신기 또는 수신기는 복수 개가 합하여 하나의 수신기 세트(Rx #1~Rx #N)를 구성할 수 있다. 송신기 역시 마찬가지이다. 각각의 송신기 및 수신기는 PLL(Phase-Locked Loop) 회로와 연결되어 기준 신호를 입력받을 수 있다.
이상 도면 및 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명의 보호범위가 상기 도면 또는 실시예에 의해 한정되는 것을 의미하지는 않으며 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (16)

  1. 실리콘 기판;
    도파관 개구면에 위치하여 전기적 신호를 입력받는 프로브;
    도파관 플랜지(waveguide flange) 면으로 프로브의 접지 통로를 형성하기 위해 도파관 플랜지의 접합면에 위치하는 개방 스터브를 포함하되,
    상기 프로브 및 상기 개방 스터브는 상기 실리콘 기판 상에 구성되는 것을 특징으로 하는 도파관 급전기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 개방 스터브는 나비형의 형태를 갖고, 상기 개방 스터브의 윗면 날은 상기 도파관 개구면과 정렬되도록 위치하는 것을 특징으로 하는 도파관 급전기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 개방 스터브는 실리콘 배선 중 최하층 도전층에 형성되어 상기 실리콘 기판에 비아로 연결되는 것을 특징으로 하는 도파관 급전기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 개방 스터브는 L2의 길이를 가지며, 상기 길이 L2는 상기 개방 스터브 중앙의 구동점에서 상기 개방 스터브 종단을 볼 때, 칩 하면의 도파관 플랜지 면과 단락 회로를 구성하도록 조정된 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 도파관 급전기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 프로브는 상기 개방 스터브와 전기적으로 절연되는 상위 배선층에 위치하는 것을 특징으로 하는 도파관 급전기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 프로브는 하면에 마주한 상기 개방 스터브와 소정 길이를 나란히 달려 슬롯 라인 모드를 형성하는 것을 특징으로 하는 도파관 급전기.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 프로브는 종단에서 U자형으로 2개의 폴을 갖는 것을 특징으로 하는 도파관 급전기.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 실리콘 기판은 좌우로는 상기 도파관 개구면 중앙에 위치하며, 상하로는 상기 개방 스터브 윗날면과 상기 도파관 개구면의 하단면에 정렬된 위치에 위치하는 것을 특징으로 하는 도파관 급전기.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 도파관 개구면에서 거리 D 만큼 떨어진 지점에 금속 반사체를 설치하되, 상기 거리 D는 동작 주파수에 맞춰 조정되는 것을 특징으로 하는 도파관 급전기.
  10. 도파관 개구면에 위치한 프로브를 이용하여 전기적 신호를 입력받는 단계; 및
    도파관 플랜지의 접합면에 위치하는 개방 스터브를 통해, 도파관 플랜지(waveguide flange) 면으로 프로브의 접지 통로를 형성하는 단계를 포함하되,
    상기 프로브 및 상기 개방 스터브는 실리콘 기판 상에 구성되는 것을 특징으로 하는 도파관 급전기의 급전 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 개방 스터브는 나비형의 형태를 갖고, 상기 개방 스터브의 윗면 날은 상기 도파관 개구면과 정렬되도록 위치하는 것을 특징으로 하는 도파관 급전기의 급전 방법.
  12. 밀리미터파 신호를 도파관으로 전달하는 칩 형태의 도파관 급전기;
    상기 도파관 급전기와 연결되어 신호를 증폭하는 전력 증폭기; 및
    기준 신호를 입력받아 상기 밀리미터파 신호를 공급하는 주파수 체배기를 포함하되, 상기 도파관 급전기는,
    실리콘 기판;
    도파관 개구면에 위치하여 전기적 신호를 입력받는 프로브; 및
    도파관 플랜지(waveguide flange) 면으로 프로브의 접지 통로를 형성하기 위해 도파관 플랜지의 접합면에 위치하는 개방 스터브를 포함하고,
    상기 프로브 및 상기 개방 스터브는 상기 실리콘 기판 상에 구성되는 것을 특징으로 하는 칩상 도파관 급전기를 내장한 송신기 모듈.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 개방 스터브는 나비형의 형태를 갖고, 상기 개방 스터브의 윗면 날은 상기 도파관 개구면과 정렬되도록 위치하는 것을 특징으로 하는 칩상 도파관 급전기를 내장한 송신기 모듈.
  14. 밀리미터파 신호를 수신하는 칩 형태의 도파관 급전기;
    상기 도파관 급전기와 연결되어 상기 수신된 신호를 저잡음 증폭하는 저잡음 증폭기;
    상기 저잡음 증폭된 신호를 소정 대역으로 변환하는 주파수 혼합기; 및
    상기 주파수 혼합기의 국부 발진신호를 전달하는 주파수 체배기를 포함하되, 상기 도파관 급전기는,
    실리콘 기판;
    도파관 개구면에 위치하여 전기적 신호를 입력받는 프로브; 및
    도파관 플랜지(waveguide flange) 면으로 프로브의 접지 통로를 형성하기 위해 도파관 플랜지의 접합면에 위치하는 개방 스터브를 포함하고,
    상기 프로브 및 상기 개방 스터브는 상기 실리콘 기판 상에 구성되는 것을 특징으로 하는 칩상 도파관 급전기를 내장한 수신기 모듈.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 개방 스터브는 나비형의 형태를 갖고, 상기 개방 스터브의 윗면 날은 상기 도파관 개구면과 정렬되도록 위치하는 것을 특징으로 하는 칩상 도파관 급전기를 내장한 수신기 모듈.
  16. 금속면에 개구면을 형성하여 개구면 안테나로 동작하는 복수 개의 도파관; 및
    실리콘 기판, 상기 복수 개의 도파관의 개구면에 위치하여 전기적 신호를 입력받는 프로브 및 상기 복수 개의 도파관의 도파관 플랜지(waveguide flange) 면으로 상기 프로브의 접지 통로를 형성하기 위해 상기 도파관 플랜지의 접합면에 위치하는 개방 스터브를 포함하며, 상기 프로브 및 상기 개방 스터브는 상기 실리콘 기판 상에 구성된 도파관 급전기 구조를 갖는 복수 개의 송수신 칩을 포함하는 것을 특징으로 하는 다차원 배열 송수신기.

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