This dissertation presents two LTCC SiP transmitters, the smallest transmitter and a surface mounting type of a transmitter monolithically integrating both a BPF and an antenna, for 60 GHz wireless communication mobile terminal applications. Using a tow temperature co-fired ceramic (LTCC) based System-in-Package (SiP) technology, these transmitters integrate MMICs on LTCC multiplayer circuits. The size of the smallest LTCC SiP transmitter is 21 $\times$ 10 $\times$ 1 $mm^{3}$ and the monolithic LTCC SiP transmitter first integrating both a band pass filter (BPF) and an antenna is downsized to 36 $\times$ 12 $\times$ 0.9 1 $mm^{3}$. Implemented transmitters are demonstrated through measurements and 60 GHz wireless communication test. In particular, possible four key issues for the three dimensional (3D) integration of millimeter-wave (mm-wave) circuits are clarified in respect of LTCC technology, attenuation, resonance an isolation, and LTCC passive circuits. Several novel methods to solve these problems are proposed and demonstrated through electromagnetic (EM) simulations and measurements. Adopting these demonstrated methods, the smallest and the monolithic LTCC SiP transmitters are designed and implemented for 60 GHz wireless communication terminal applications.
Firstly, for a LTCC technology for 3D system integration, a LTCC process library and design rules for vertical interconnections and planar interconnections are built using process control monitor (PCM) test patterns. In addition, in order to reduce a dielectric loss of transmission lines and a parasitic shunt capacitance, novel air cavity process is proposed and implemented.
Secondly, novel transmission line structures and novel transitions are proposed and implemented using embedded air cavities and a stagger via structure for reduction of attenuation of the SiP. To reduce losses of transmission lines, innovative microstrip lines and stripline structures are invented. Measurements of the novel microstrip line with the air-cavity area of 15 ％ reveal a minimum loss of 0.0084 dB/mm and Q-factor of 391 at 15.65 GHz. The dielectric loss is as small as 0.0005 dB/mm at the frequency. This is equivalent to an improvement of a factor of 14 compared to the conventional one. For low-loss stripline applications, innovative lateral type (type-L) and vertical type (type-V of structures far confining laterally and vertically EM fields to around strip, respectively, are proposed. Implemented type-L and type-V structures present Q-factor of 250 and 290, respectively, at 34.8 GHz. Their dielectric losses are analyzed as small as 0.0004 dB/mm and 0.0003 dB/mm, respectively, at the frequency, and their improvements are a factor of 90 and 120 compared to the conventional one. For low-loss integration of LTCC passive circuits, a novel vertical via transition, suitable for integration of a BPF into a SiP, is proposed using a stagger via (STV) structure and air cavities for the reduction of via discontinuity and parasitic shunt capacitance, respectively. Its transition loss of 0.75 dB per STV transition is achieved at 60 GHz. For low-loss probing pad applications, a vialess CPW-to-MSL transition with a back pad is designed and fabricated. Through optimized transition length of 100 $\mum$ and the back pad, the CPW-to-MSL transition achieves the transition loss of 0.02 dB per transition at 66 GHz. To reduce MMIC interconnection loss, a coplanar double wire-bonding interconnection using two ground wires and angled double wires is presented. A 60 GHz power amplifier module using this interconnection shows a S21 of 10.5 dB and 1 S11 of-24.5 dB at 60 GHz, and their improvements are 0.5 dB and 9.2 dB compared to a conventional angled double wire interconnection.
Thirdly, for suppression of resonance modes generated due to 3D structures such as ground vias and ground planes, rectangular waveguide modes and patch antenna modes are analyzed clearly and suppressed completely through optimized deployment of ground vias and ground planes. For high isolation of a compact LTCC SiP, DC bias feed lines are embedded, highly isolated SLs for IF signal lines are used with shielding ground vias, and cavity structures to reduce ground discontinuity between MMICs and LTCC boards are used.
Finally, in order to monolithically integrate key devices, a BPF and an antenna, into a LTCC SiP, a stripline BPF and a patch antenna are designed and implemented. A dual-mode stripline BPF with low-integration loss is designed and implemented using a novel SL-to-CPW vertical transition and CPW-to-CPW planar transition. The implemented BPF shows a 3 dB bandwidth of 2.14 GHz (59.4~61.5 GHz), an insertion loss of 5.2 dB including a transition loss of 1.6 dB, and a return loss of-15 dB and the LO rejection is 20 dBc. A compact microstrip 2$\times$2 array patch antenna is integrated using a 3-layer LTCC dielectric. Embedded microstrip couplers for feeding power to patches and patch resonators are designed on the $2^{nd}$ layer and the $3^{rd}$ layer, respectively. The fabricated antenna achieves a gain of 7 dBi and a beam width of 36$\deg$.
Adopting demonstrated methods to solve many problems for 3D integration of mm-wave circuits, two LTCC SiP transmitters, the smallest transmitter and a monolithic transmitter, are designed and implemented for 60 GHz-band wireless communication terminal applications. A compact LTCC SiP transmitter integrating five GaAs MMICs on LTCC multilayer circuits is developed into the smallest size of 10 $\times$ 21 $\times$ 1 $mm^{3}$. With an IF frequency of 2.4 GHz and a LO frequency of 58 GHz, 60.4 GHz an output of 11 dBm is achieved, and the total gain is 12 dB. The test for 60 GHz wireless communication shows that the transmitter communicates well with the receiver without any signal distortion. A 36 $\times$ 12 $\times$ 0.91 $mm^{3}$ sized compact monolithic LTCC SiP transmitter is first demonstrated. Five GaAs MMICs including mixer, driver amplifier, power amplifier and two of frequency doublers are integrated into LTCC multilayer circuits, which first embed both a stripline BPF and a microstrip patch antenna. The fabricated transmitter achieves an output of 10 dBm at a RF frequency of 60.4 GHz, an IF frequency of 2.4 GHz, and a LO frequency of 58 GHz. The up-conversion gain is 13.2 dB; while the LO signal is suppressed below 33.4 dBc, and the spurious signal is also suppressed below 27.4 dBc. Using a 61 GHz wireless video transmitting system, this transmitter demonstrates that it communicates well in the wireless system.
본 논문에서는 60GHz 무선통신 단말기 응용을 위해 가장 작은 21 $\times$ 10 $\times$ 1 $mm^{3}$ 크기의 초소형 송신기와 필터 및 안테나를 동시에 최초로 집적한 36 $\times$ 12 $\times$ 0.9 1 $mm^{3}$ 크기의 monolithic 송신기를 구현한다. LTCC (low temperature co-fired ceramic) 공정을 이용하여 MMICs 등과 같은 능동회로와 LTCC 수동회로를 전체 송신기 회로를 초소형 LTCC SiP 모듈로 구현되었다. 60.4 GHz에서 초소형 송신기와 monolithic 송신기는 각각 11 dBm과 10 dBm 의 출력을 나타내었고, 60 GHz 무선 통신 시스템들을 이용하여 성공적인 통신실험이 증명되었다.
본 논문은 밀리미터파 회로의 3 차원 집적 시 야기되는, LTCC 기술, attenuation, resonance와 isolation, 그리고 BPF와 antenna의 수동소자 집적의 4 가지 중요한 문제점으로 요약될 수 있다. 이런 문제점들을 해결하기 위해 여러 방법들이 3차원 simulation과 실험을 통해 제안되고 증명된다.
첫째, 3 차원 system integration을 위 한 LTCC technology를 위해, Process control monitor (PCM) test pattern을 이용하여 LTCC 다층회로 공정과 공정 라이브러리, 그리고 3 차원 구조의 설계 규칙을 확립하였다. 유전체손실을 줄이기 위해 세계 최초로 air cavity 공정을 제안하여 구현하였다.
둘째, SiP의 손실(attenuation)을 줄이기 위해, air cavity를 이용한 새로운 microstrip line과 stripline 구조를 제안 및 구현되었고, 또한 CPW-to-stripline(SL), CPW-to-Microstrip (MSL), wire-bonding interconnection 등 여러 transition 들이 수동소자들의 저 손실 특성평가와 저 손실 LTCC board 집적을 위해 제안되었다. Microstrip line 의 경우, 전송선과 접지면 사이에 15 %의 air cavity를 포함하는 새로운 MSL 구조는 15.65 GHz에서 391 의 Q-factor 와 0.0084 dB/mm의 손실특성을 보여주었고, 유전체 손실은 0.0005 dB/mm이며 이것은 일반적인 구조에 비해 14배 개선 되었다. SL 응용을 위해 air cavity 를 strip 양쪽에 배치하여 EM field 를 수평적으로 모이게 하는 lateral 형(type-L)과 air cavity를 strip 아래 위에 배치하여 EM field를 수직적으로 모이게 하는 vertical 형 (type-V)의 새로운 구조를 제한 하여 구현하였다. 34.8GHz에서 측정 결과, type-L과 type-V가 250과 290의 Q-factor를 나타내었다. 이들의 유전체 손실은 각각 0.0004 dB/mmh와 0.0003 dB/mm로 추출되었다. 이것은 일반적인 구조에 비해 90배 및 120 배 각각 증가하였다. 두 번째로, SiP 에 BPF의 집적 시에 필요한 새로운 수직 via transition이 제안되었다. 구조적인 Discontinuity를 분석하기 discontinuity 정도를 나타내는 새로운 terminology 를 정의하고, 이에 따라 via discontinuity 를 감소시키기 위해 stagger via structure(STV)를 제안하였다. 또한 shunt capacitance를 감소시키기 위해 embedded air cavity를 이용하였다. 제안된 transition의 경우 60 GHz에서 0.75 dB의 transition 손실을 얻었다. Probing pad 응용을 위해, via 가 없고 back pad 를 가지고 있는 CPW-to-MSL transition 을 이용하여 probing pad를 설계 및 제작하였다. 측정결과 66 GHz에서 transition 손실은 0.02 dB 이었다. 마지막으로, MMIC interconnection 손실을 줄이기 위해 coplanar wire-bonding interconnection을 설계하였고, 이를 이용한 60 GHz 전력증폭기 모듈은 일반적인 구조의 wire-bonding interconnection 에 비해 S21 과 S11이 각각 0.5dB, 9.2dB 개선되었다.
셋째, Via와 broad ground plane에 의해 발생하는 resonance modes를 억제하기 위해, rectangular waveguide modes와 patch antenna modes의 분석을 통해 전송선의 resonance 를 완전히 억제하였다. 고집적 compact SiP 의 isolation을 위해 다양한 방법들은 이용하였는데, DC bias feed line들은 SiP 내부로 완전히 embedding 시켰고, 높은 isolation 특성을 갖는 SL 구조를 이용하여 신호선을 설계하였고, ground via들로 완전히 shielding 시켰다.
마지막으로, 송신기의 중요한 회로들인 BPF와 antenna의 집적을 위해, LO (local oscillation) rejection BPF를 dual-mode patch resonator를 이용하여 방사 손실이 낮은 stripline 구조로 설계 및 제작하였으며, 저 손실 집적을 위해 CPW-to-SL, CPW-to-CPW transition 을 설계하였다. 제작한 결과, 2.14 GHz (59.4~61.5 GHz)의 3 dB 대역폭, 1.6 dB 의 transition 손실을 포함하여 5.2 dB의 삽입손실, 15 dB의 반사손실, 그리고 20 dBc의 Lo rejection을 나타내었다. 신호의 전송을 위한 초소형 microstrip 2 x 2 patch array antenna를 3 층의 다층회로에 설계 및 제작하였다. 2층에 embedded microstrip 구조의 전력 분배기(coupler)를 3 층에 patch resonator 를 배치하였으며, 측정결과, 이득은 7dBi이고 beam width는 36$\deg$ 이다.
밀리미터파 회로의 3 차원 집적 시에 야기되는 여러 문제점들을 해결하기 위해 제안되고 증명된 방법들을 이용하여, 21 mm $\times$ 10 mm $\times$ 1 mm 크기의 초소형 LTCC SiP 송신기와 36 mm $\times$ 12 mm $\times$ 0.9 mm 크기의 monolithic LTCC SiP 송신기를 설계 및 구현하여 그 특성을 측정하였다.
초 소형 송신기는 2.4 GHz의 IF와 60.4 GHz의 RF에서 11 dBm의 출력과 12 dB의 변환 이득을 얻었고, 60.4 GHz 무선통신 시스템을 이용하여 성공적인 무선 통신 실험을 확인하였다. Monolithic 송신기는 2.4GHz의 IF 와 60.4 GHz의 RF에서 10.8 dBm의 출력과 13.7 dB의 변환 이득을 얻었고, 1.8 GHz의 IF와 61 GHz의 RF에서 10.2 dBm의 출력과 7.3 dB의 변환이득을 각각 얻었다. 각각의 Lo rejection은 -33.4 dBc와 -26.4 dBc이다. 61 GHz video transmitting system을 이용한 무선 전송실험에서 신호의 왜곡 없이 성공적으로 전송하는 것을 확인하였다.
