This thesis proposes and implements a low-loss fully embedded BPF using low-temperature co-fired ceramic (LTCC) technology for 3-dimensional radio integration of 40 GHz broadband multimedia wireless system (BMWS). The main research issue in this thesis is to implement the BPF which can be easily embedded within multilayer circuit space-efficiently, has low insertion loss, high out-of-stopband rejection, and good flatness.
The transmission line structure composing the BPF is the stripline, which is especially well suited for the implementation of the millimeter-wave passive components because upper and lower ground planes make the even- and odd-mode phase velocities equal, the line has less radiation loss and dispersion than other transmission line structures. The CPW-to-stripline transitions allow the interconnection between the embedded stripline BPF and active components such as power amplifier and mixer on top of the LTCC circuit. Also, they allow on-wafer characterization of the stripline LTCC filter using GSG probes. Both CPW and stripline have 50 Ohm characteristic impedance. And, the CPW-to-stripline transition has been designed and evaluated, which allows the transition loss to be decreased by controlling the space between CPW signal line and upper ground of the stripline and makes the resonance response to be suppressed by placing the ground vias near stripline and CPW. The stripline structure needs the ground vias which make both top and bottom ground planes equalize the electric potential. However, the structure of the ground vias can generate the spurious resonances, or rectangular waveguide modes which affect heavily the performance of the filters such as the flatness and the rejection of out-of-stopband.
This thesis reports the modified embedded LTCC BPF, which suppresses spurious responses by controlling the placement of the ground vias. The overall size is 6.1 mm $\times$ 5.3 mm $\times$ 0.6 mm including the ground vias and CPW pads. The number of layers which are used to fabricate the BPF is 6 layers and the height of the each layer is 100 um. The insertion loss of the filter including the stripline-to-CPW transition losses is as small as 1.7 dB at the center frequency of 41.8 GHz, and the 3-dB bandwidth ratio is controlled to 8.4 %. The LO rejection at the local oscillator frequency of 38.8 GHz is as much as 20 dB.
In addition, this thesis presents the fully embedded compact BPF using the hairpin resonators with the 3 different layers, which can reduce the overall size of the BPF to about 60% due to hairpin resonators, compared to that of previous BPF. Also, it can overcome the limitation of the LTCC process such as shrinkage rate and the width of the implemented line. The overall size is 5.5 mm $\times$ 2.3 mm $\times$ 0.6 mm including the ground vias and CPW pads. The insertion loss of the filter is 1.9 dB at the center frequency of 41.8 GHz, and the 3-dB bandwidth ratio is controlled to 10.5%. The LO rejection at the LO frequency of 38.8 GHz is as much as 20.2 dB.
Therefore, the proposed fully embedded multilayer BPF can be a feasible solution of integration of the millimeter-wave system for 40GHz BMWS applications.
본 논문의 연구 주제는 LTCC technology를 이용하여 3 차원적으로 40 GHz BMWS에 집적할 수 있는 저손실 embedded 대역 통과 여파기를 설계 제작하는 것이다. 다층 회로 내에 embedded 시켜 시스템의 공간 효율성을 향상시키고 적은 손실과 좋은 평탄도, 그리고 높은 저지대역 특성을 갖도록 설계 및 제작한다.
본 논문에서 구현하는 대역 통과 여파기를 구성하는 전송선 구조는 stripline 이다. 이것은 상, 하 접지면으로 인해 even- 그리고 odd-mode 위상 속도를 같게 하며 다른 전송선 구조에 비해 적은 방사손실과 dispersion 특성을 갖기 때문에 mm-wave 수동소자를 구현하는 데 적합하다. 그리고 embedded stripline 대역 통과 여파기를 LTCC 기판의 표면 위에 증폭기나 믹서와 같은 능동소자와 결합시키고 GSG probe를 이용하여 대역 통과 여파기를 측정 할 수 있도록 하기 위해 CPW와 stripline 간의 전이를 구현하는 것이 필요하다. CPW 와 stripline 은 50 옴의 특성 임피던스를 가진다. 그리고, CPW 와 stripline 간의 전이는 CPW 의 signal line 과 stripline 의 접지면 사이의 간격을 조절하여 삽입손실을 감소 하도록 설계 및 구현 되었으며, stripline과 CPW 에 인접한 접지 비아의 위치를 조절하여 rectangular waveguide mode를 제거 할 수 있도록 구현 되었다. Stripline 구조는 상, 하 접지면의 전위차를 갖게 하기 위해 많은 접지 비아가 필요하다. 그러나, 접지 비아의 배치에 따라 rectangular waveguide mode 가 발생하여 평탄도와 저지대역 특성 같은 여파기의 특성에 심한 영향을 미친다.
본 논문에서는 접지 비아의 위치를 조절하여 저지대역에서의 rectangular wave guide mode 특성을 개선 시킨 대역 통과 여파기를 구현하였다. 이것은 접지 비아와 CPW pad를 포함하여 6.1 mm $\times$ 5.3 mm $\times$ 0.6 크기를 갖는다. 사용된 전체 층수는 6층이고 각 층의 높이는 100 um이다. Stripline과 CPW간의 전이 손실을 포함하여 구현된 대역 통과 여파기의 삽입손실은 중심주파수 41.8 GHz에서 1.7 dB 이다. 그리고 3.-dB 대역폭은 8.4 % 이다. 38.8 GHz 국부 발진 주파수 에서의 국부 발진 신호의 저지는 20 dB의 값을 갖는다.
LTCC technology 에서는 수축률의 변화나 패턴을 구현 할 때의 변화와 같은 한계를 가지고 있다. 이런 한계를 극복하고 전체 크기를 기존의 대역 통과 여파기 보다 60% 정도 줄일 수 있는 다층형 embedded 대역 통과 여파기를 구현하였다. 전체 크기는 접지 비아와 CPW pad 를 포함하여 5.5 mm $\times$ 2.3mm $\times$ 0.6 mm 이다. 중심 주파수 41.8 GHz에서의 삽입 손실은 1.9 dB 이고 3-dB 대역폭은 10.5 % 이다. 국부 발진 주파수 38.8GHz 에서의 국부 신호 저지는 20.2dB의 값을 갖는다.
따라서 본 논문에서 제안한 embedded 다층 대역 통과 여파기는 40 GHz BMWS 집적화를 위한 중요한 소자기술이 될 수 있다.
