The WLAN technology is capable of providing data service in a specific distinct area (about 100 m coverage), so called hot spot area, using some RF techniques without wired network. For example, the customers are able to access to the LAN services and the Internet by simply installing the WLAN card into the notebooks or PDAs. The WLAN service is able to provide both high data rate up to 54 Mbps and a walking pace mobility in both indoor and outdoor. Because of this performance, the WLAN service and its system have been extensively developed in the all over the world.
The recent growth of WLAN is very impressive both in terms of the quantity of units deployed and the number of companies working on WLAN products. A large variety of WLAN cards operating in the 2.4-2.5 GHz (IEEE 802.11 b/g standard) and the 4.9-5.9 GHz (IEEE 802.11a standard) is on the market. The main market of WLAN is personal computer (PC) and personal digital assistant (PDA). In 2002, the PCI cards for PC and IEEE 802.11b are mostly occupied in the market. However, as of 2005, the market is gradually changing into modules for PC and multiband IEEE 802.11a/b/g system.
For a multi-service system capable of more than two different services (i.e. data, voice, multimedia etc.), multiband antennas and switches are essential to select a specific service that is user oriented. For controlling the $R_x-$ and $T_x-signal$ flow in the multiband wireless LAN communication terminals, one of the most suitable MMIC components at front-end behind antenna is switching circuit. As state-of-the-art systems have become more complex, switches have emerged as key elements which significantly determine the overall terminal performance. In digital wireless LAN systems, switches are used for a great variety of functions, such as mode selection, band selection, power control and transmit/receive switching functions.
Switching circuits can be implemented by using like MEMS, PIN diodes and FETs. Currently, GaAs-based monolithic microwave integrated circuit (MMIC) switches are replacing PIN-diode-based components. The main reasons are the great flexibility in the design of integrated subsystems or system-on-a chip, wider bandwidth, fast switching speed, negligible power consumption, and smaller chip size. Compared to the traditional metal semiconductor field effect transistor (MESFET) technology, pHEMT devices have a lower channel resistance $(R_{on})$ at the same pinch-off voltage $(V_p)$ and hence yield a lower insertion loss. Due to the very low output capacitance, high isolation can be achieved in the switch. The very low knee voltage makes these devices ideal for low-voltage operation, which is crucial for battery lifetime of the handsets. Furthermore, pHEMT-based switches have higher linearity compared with MESFETs at low-voltage operation.
The objective of this thesis are is to develop a single pole single throw (SPST) antenna switch and a single pole double throw (SPDT) transmit/receive (Tx/Rx) switches for applicable to IEEE 802.11a, 802.11b/g dual-band wireless local area network (WLAN) systems and multi-service portable terminals, which include voice, data, and multimedia services.
For this purpose, we firstly optimized epitaxial layer structure for pHEMT switches with low insertion loss and high isolation by using a commercial simulation tool and a depletion theory of a Schottky gate field effect transistor. In the optimization process, several d.c. parameters were simulated with different doping ratio in the pHEMT structures and compared with fabricated device results of specific doping ratio.
In this study, we adopted a doping concentration ratio between double sided Si planar doped layers located upper and lower positions from {i-In_{0.2}Ga_{0.8}As$ channel as simulation variable, because the d.c and RF characteristics of pHEMTs, such as saturated current density $(I_{dss})$, transconductance $(g_m)$, channel resistances for both ON and OFF states, pinch-off voltage $(V_p)$, cut-off frequency $(f_T)$, amplifier gain $(G_a)$, noise figure minimum $(NF_{min})$, and transient speed (τ) are mostly determined by the channel structure like its thickness and doping concentration.
Several pHEMT switches were fabricated on both optimized and comparable epitaxial wafers and investigated the effects of doping ratio on the d.c. parameters such as pinch-off voltage, saturation current, transconductance gradients $(△g_m/△V_{gs})$, and ON state $(R_{on})$ and OFF state $(R_{off})$ resistances. From the comparison with simulated results, we proposed that the optimized doping concentration ratio of upper $(N_U)$ to lower $(N_L)$ planar doped layers is about 4, which depends on the thickness of a Schottky contact and spacer layers.
Using the proposed pHEMT channel structure, SPST and SPDT switches were designed and fabricated for applicable to 2.4 GHz and 5.8 GHz dual-band WLAN systems. The developed SPST switch exhibits a low insertion loss of 0.26 dB and a high isolation of 34.3 dB with a control voltage of 0V/-3V at 5.8GHz. The SPDT also shows a good performance of 0.85 dB insertion loss and 31.5 dB isolation at the same conditions. The measured power handling capability at 2.4GHz reveals that the SPDT had an output power of 27dBm at the 1dB compression point and a $3^[rd}$ order intercept point of more than 46dBm.
Finally, the characteristics of the developed SPST and SPDT MMIC switches will be discussed to evaluate the applicability to the 2.4 GHz and 5.8 GHz dual-band WLAN systems by comparing with commercial products.
무선랜 기술은 반경 100m 정도의 hot spot area라고 하는 특정한 지역에서 유선망이 없이 RF 기술을 이용하여 데이터 통신을 가능하게 하는 기술이다. 예를 들면, 사용자들은 노트북 컴퓨터나 PDA등에 단순히 무선랜 카드를 설치하면 랜서비스나 인터넷에 접속을 할 수 있다. 무선랜 서비스는 최대 54 Mbps의 고속 데이터 통신과 실내 뿐만 아니라 실외에서도 보행 속도의 이동성을 제공해 준다. 이러한 특성으로 인하여 전세계적으로 무선랜 서비스와 이를 위한 시스템의 개발이 활발하게 진행되고 있다.
최근 무선랜의 성장은 전개된 수량뿐만 아니라 무선랜 제품을 생산하는 기업의 숫자 측면에서도 매우 인상적이다. IEEE 802.11 b/g 표준인2.4-2.5 GHz 대역과IEEE 802.11a 표준인 4.9-5.9 GHz 대역에서 동작하는 다양한 무선랜 카드가 시장에 이미 출시되어 있으며, 가장 주된 무선랜 시장은 개인용 컴퓨터(PC)나 PDA등이다. 2002년에는 PC나 IEEE 802.11b용 PCI 카드가 시장 점유율이 가장 높지만, 2005년부터는 시장이 점점 PC 또는 다중대역 IEEE 802.11a/b/g 시스템을 위한 모듈형태로 변해가고 있는 실정이다.
데이터, 음성, 멀티미디어등 2개 이상의 서비스가 가능한 다중 서비스 시스템의 경우 사용자(user) 중심의 특정 서비스를 선택하기 위해서는 멀티밴드 안테나와 스위치(switch)가 필수적이다. 다중대역 무선랜 통신 단말기의 경우 수신 및 송신 신호의 흐름을 조절하기 위해서는 안테나 뒤의 front-end에서 가장 필요한(suitable) MMIC 컴포넌트 중의 하나가 바로 스위치 회로이다. 최첨단 시스템이 복잡해 질수록 스위치는 전체 단말기의 성능을 결정하는 핵심부품으로 부상하고 있다. 디지털 무선랜 시스템에서 스위치는 다양한 기능을 위하여 사용되는데, 여기에는 모드 선택, 밴드 선택, 파워 조절, 그리고 송신과 수신부의 스위칭 기능등이 포함된다.
스위치 회로는 멤스(MEMS)나 PIN 다이오드 그리고 트랜지스터 등으로 구현이 가능하지만 , 현재 갈륨비소(GaAs) 기반의 단일집적 고주파회로형 스위치가 PIN 다이오드 형태를 대체하고 있다. 그 주된 요인은 집적화된 서버 시스템이나 SOC의 설계에서 많은 융통성(flexibility)를 가질 뿐만 아니라 광범위한 대역폭, 빠른 스위칭 속도, 무시할 만한 전력소모, 그리고 작은 칩사이즈 등이 그것이다. 전통적인 금속반도체전계효과트랜지스터(MESFET) 기술과 비교할 경우 고전자이동도트랜지스터 (pHEMT) 소자는 동일한 핀치오프 전압에서도 더 낮은 채널저항 $(R_{on})$ 을 기지므로 낮은 삽입손실(insertion loss) 을 가능하게 해준다. 매우 낮은 출력캐패시턴스 $(C_{ds})$ 로 인하여 스위치에서 높은 격리도(isolation)을 구현할 수 있으며, 매우 낮은 무릎 전앞 $(V_k)$ 은 저전압 동작을 가능하게 하는데, 이는 휴대 단말기의 전원(battery) 수명과 직결된다. 더군다나 pHEMT 기반의 스위치는 MESFET 보다 저전압 동작에서 선형성이 우수한 특징을 가지므로 최근 가장 연구가 활발한 첨단 스위치 소자 기술이다.
본 논문의 목적은IEEE 802.11a 및 802.11b/g 표준에 적합한 이중 대역 무선랜이나 음성, 데이터, 멀티미디어 등 다중서비스용 휴대단말기에 적용할 수 있는 single pole single throw (SPST) 형태의 안테나 스위치 및 single pole double throw (SPDT) 형태의 송/수신 (transmit/receive; Tx/Rx) 스위치를 개발하는 것이다. 이를 위하여 먼저 상용 시뮬레이터와 Schottky 게이트 트랜지스터의 공핍이론(depletion theory)을 이용하여 낮은 삽입손실과 높은 격리도를 갖지는 pHEMT 스위치를 위한 에피택셜 레이어 구조를 최적화하였다. 최적화 과정에서 서로 다른 도핑 농도의 비에 따른 몇몇의 d.c. 파라미터가 시뮬레이션 되었으며, 이러는 결과는 특정 도핑 농도의 기판으로 제작된 소자의 특성과 상호 비교하였다. 본 연구에서는 $i-In_{0.2}Ga_{0.8}As$ 채널의 상층부와 하층부에 위치하는 이중 Si 면도핑층의 도핑농도비를 시뮬레이션 변수로 선택하였으며, 이는 pHEMT의 포화전류밀도 $(I_{dss})$, 트랜스컨덕턴스 $(g_m)$, ON 및 OFF 상태의 채널 저항, 핀치-오프 전압 $(V_p)$, 차단주파수 $(f_T)$, 증폭기 이득 $(G_a)$, 최소잡음지수 $(NF_{min})$, 그리고 전달속도 (τ) 와 같은 d.c. 및 RF의 특성이 채널층의 두께나 농도와 같은 채널 구조에 의하여 주로 결정되기 때문이었다.
최적화된 에피구조와 비교를 위한 에피구조를 이용하여 몇 가지의 pHEMT 스위치를 제작하였으며, 핀치-오프 전압, 포화전류, transconductance gradients $(△g_m/△V_{gs})$, 그리고 온-상태 $(R_{on})$ 및 오프-상태 $(R_{off})$ 의 저항과 같은 d.c. 파라미터에 대한 도핑 농도비의 영향을 상호 비교 조사하였다. 시뮬레이션 결과와 측정 결과를 비교 연구한 결과 상층부 도핑농도 $(N_U)$ 와 하층부의 도핑농도 $(N_L)$ 의 최적화된 면도핑 농도의 비는 약 4로 제안되었으며, 이 값은 Schottky 접촉층과 스페이셔층의 두께에 따라 결정된다.
본 연구에서 제안된 pHEMT 채널 구조를 이용하여 2.4 GHz와 5.8 GHz 이중 대역에 적용 가능한 안테나용 SPST와 송수신용 SPDT 스위치 회로를 각 각 설계 및 제작하였다. 개발된 SPST 스위치는 5.8 GHz의 주파수와 0V/-3V의 제어전압에서 0.26 dB의 낮은 삽입손실, 34.3 dB의 높은 격리 특성을 나타내었다. 동일한 측정 조건하에서 SPDT 스위치 또한 0.85 dB의 매우 우수한 삽입손실과 31.5 dB의 격리도 특성을 보였다. 2.4 GHz에서 측정된 전력전송능력은 SPDT의 경우 1dB 압축점이 27dBm, 선형성의 지표인 3차 교점은 46dBm 이상으로 평가되었다.
마지막으로 개발된 SPST 및 SPDT형 MMIC 스위치 회로와 상용 제품의 성능을 상호 비교함으로써 2.4 GHz와 5.8 GHz 이중대역 무선랜 시스템에 활용이 적합할 것으로 평가되었다.
