The tunable band pass filters are fabricated in monolithic microwave IC (MMIC) and hybrid microwave IC (HMIC). Quality factor, the most important parameter in filter design, is enhanced by the negative resistance circuit using gate-source resistive feedback scheme. The Q factor of a resonator should be variable according to the frequency. To achieve this purpose, the gate bias resistor is used as the frequency dependent loss compensation circuit.
Input admittance of the proposed negative resistance circuit is derived to analytical forms and confirmed by the experimental results. It is dependent on the feedback resistor at gate-source terminal of FETs and bias conditions. The active resonator using this negative resistance circuit shows its Q factor as high as 250 with small DC power consumption. The power characteristics of the active resonator are also investigated, based on the systematic approach of large signal modeling. Even though the 1dB gain compression point of resonators or filters are severely dependent on the Q factor, they show superior performance to the conventional negative resistance circuit using the indcutive feedback at gate or capacitive feedback at source. This study shows the fact that the feedback resistor at gate-source of FETs compresses the nonlinear effects caused by the nonlinear operation of FETs.
The loss compensation technique of spiral inductors in MMIC is to insert equal negative resistance to the loss of inductors. However, the proposed active resonator which has negative resistance in itself, is easy to compensate by introducing the normal resistor because the negative resistance of the active resonator is larger than the inductor loss. This can be done by the gate bias resistor. It can cancel out the negative resistance and inductor loss, simultaneously. The input impedance of the active resonator employing this Q factor enhanced circuit shows negative resistance value. As a result, Q factor of the resonator is larger than 1,000 over 300MHz frequency band, from 4.3GHz to 4.6GHz. The frequency band and the Q factor are controlled by the feedback resistor and gate bias resistor.
The design procedures of double tuned tunable band pass filter are also explained in this thesis based on the well know circuit theory. They are summarized as the design equations and a detailed example for tunable band pass filters using the Q factor enhancement technique is shown. The planar Schottky varactor diodes (PSVDs) are used as the frequency tuning elements and verified by the fabrication on GaAs. They are measured and modeled to investigate the parasitic effect of PSVDs on the RF performance of filters. The series resistors of equivalent PSVDs modeling must be reduced to obtain high performance of filters. Two stages tunable band pass filters are fabricated in KAIST MMIC foundry to check out the proposed ideas for loss compensation. They show center frequency of 5.6GHz with 3dB bandwidth of 60MHz (1.07%) with small DC power consumption (36mW). The tuning range is from 5.6GHz to 5.8GHz without insertion loss decay in pass band. These results can be possible due to the frequency dependent loss compensation through the change of gate bias resistor. Most published data have shown the insertion loss decay as the center frequency is moved to other tuned frequency. Also, the 1dB gain compression points were measured at the center frequency. They were marked at -9dBm and -14dBm with 100MHz and 60MHz of 3dB bandwidth, respectively.
Another form of tunable band pass filters is implemented on the SOPS substrate. MCM technology is used to interconnect the GaAs bare die and SOPS substrate. One important thing that should be noted in this application is integrating two different materials, GaAs and Si. Usually, the passive elements in MMIC occupy relative large area rather than active devices. This is not the area effective method. Therefore, only active devices are fabricated on GaAs, whereas passive components such as inductors and capacitors are made on SOPS substrate. There is area saving of quarter size in this MCM technique. The measured performance of filters, however, is not satisfactory; tuning range is shrunk to 100MHz with 3dB bandwidth of 100MHz. Even though the measured performance of SOPS MCM filters, this thesis shows the new technological way for advancing package technique of MCMs.
본 논문은 주파수 가변 대역 통과 필터를 제작하는데 있어서 품질 계수를 향상 시키는 새로운 방법과 두 가지의 구현 방법에 대한 논문이다. 먼저 품질 계수는 음성 저항 회로를 도입함으로써 향상되었고 이를 구현하는 데 있어서 모놀리딕 형태 (MMIC)와 하이브리드 형태 (HMIC)의 필터를 완성하였다.
사용된 음성 저항 회로는 기존의 회로와 달리 능동 소자의 게이트와 소오스 사이에 저항 궤환을 함으로써 부성 저항을 얻는 회로를 제안하였다. 회로의 입력 임피던스는 궤환 되는 저항과 능동 소자의 바이어스에 따라 변화하는 것을 수식적으로 유도함과 동시에 직접 제작, 측정함으로써 회로의 타당성을 검증하였다. 필터 회로에 사용되는 공진기는 제안된 음성 저항 회로와 병렬 나선형 인덕터를 집적하여 구현하였다. 대개의 공진기는 나선형 인덕터의 손실로 인해 상당히 낮은 품질 계수를 나타낸다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 공진기에 음성 저항 회로를 도입하였다. 그러나 상쇄되어야 하는 나선형 인덕터의 손실 저항보다 음성 저항회로의 저항 값이 상대적으로 크기 때문에 이를 보상하기 위하여 보통의 저항을 함께 삽입하여 능동형 공진기를 제작하였다. 이 때, 삽입되는 저항은 음성 저항의 능동 소자에 사용된 게이트 바이어스 저항과 병렬 연결되므로 두 개의 저항을 하나로 합칠 수가 있다. 이 저항을 다시 음성 저항 회로의 바이어스 저항으로 사용하면 결국 처음의 회로와 같아지게 된다. 다시 말해서, 제안된 음성 저항과 병렬 인덕터로 구성된 공진기는 그 자체로 품질 계수 보상 회로를 게이트 바이어스 회로에 가지고 있는 것이다. 이 손실 보상 회로가 주파수에 따라 변하도록 하기 위하여 바이어스 저항을 가변 저항으로 대체하여 제작, 측정하였다. 공진 주파수는 5.9GHz이고 이 때의 품질 계수는 250으로 매우 높은 값을 나타내었다. 또한 품질 계수가 1,000이상 되는 주파수 대역이 4.3GHz부터 4.6GHz로 300MHz이상의 대역을 얻음으로써 이 회로를 주파수 가변 대역 통과 필터에 적용할 수 있다.
두 단으로 구성된 필터를 제작하기 위한 기본적인 이론과 설계 공식이 유도되었으며 이를 바탕으로 주파수 가변 대역 통과 필터를 설계하였다. 삽입 손실을 최소로 하기 위하여 앞서 제안된 품질 계수 향상 회로를 사용하였으며, 중심 주파수 변환을 위하여 평면 Schottky 바랙터 다이오드 (PSVDs)가 하나의 기판 위에 직접 되었다. 이 바랙터 다이오드의 등가 직렬 저항이 전체 특성에 상당히 큰 영향을 미친 다는 것을 확인하였다. 설계된 주파수 가변 대역 통과 필터는 한국과학기술원 광전자 연구실의 갈륨-비소 MMIC foundry를 이용하여 제작하였다. 중심 주파수는 5.6GHz이고 3dB 대역폭은 60MHz로 중심 주파수의 1.07%, 필터의 품질 계수가 93으로써 매우 우수한 특성을 보였다. 가변 대역은 200MHz로 5.8GHz까지 얻었으며 전 가변 영역에서 0dB의 삽입 손실을 보여준다. 이러한 사실은 제안된 품질 계수 향상 회로가 제대로 동작한다는 것을 암시한다. 제작된 필터의 파워 특성은 대역폭이 100MHz와 60MHz 일 때 -9dBm 과 -14dBm이고 전체 전력 소모는 36mW이다.
제안된 필터 회로를 MMIC형태와 또 다른 HMIC형태로 제작하였다. MCM기법은 최근 그 중요성이 부각되는 패키징 기술로 매우 높은 관심을 끌고 있다. 본 논문에서는 갈륨-비소 기판과 실리콘 기판 (선택적으로 산화된 실리콘 기판, SOPS)를 집적하여 또 다른 형태의 MCM 패키징 기술을 보여준다. 대개의 갈륨-비소 MMIC에서는 인덕터와 같은 수동 소자가 대부분의 면적을 차지하고 있어서 효과적인 면적 사용이 어렵고 제품의 단가 상승을 유도한다. 따라서 능동 소자만을 갈륨-비소 기판 위에 형성하고 수동 소자를 실리콘 기판 위에 만들어서 면적을 효과적으로 이용하고 새로운 패키징 기법을 제안하였다. 제작된 필터는 5.64GHz부터 5.74GHz 까지 100MHz의 가변 대역폭을 나타내었다. 가변 대역폭이 작아진 이유는 기판과 기판 사이를 연결하는 본딩 와이어의 인덕터에 기인하고 정확한 모델링으로 해결할 수 있다.
