In the recent wireless communication environment, large number of communication standards is coexist in a wide frequency range and they are needed to be accessible easily and independently. With the great demand on an effective frequency management spreading in the wide frequency range, reconfigurable systems using tunable passive components have gained great attentions.
There have been tremendous research activities in the tunable passive components, but they have focused on either a tunable capacitor or a tunable inductor because their tuning mechanisms were quite different. As a result, the designs and technologies proposed in previous researches were incompatible with each other.
The main research objective in this thesis is the development on universal integrated tunable components to realize the reconfigurable RF systems. For the realization on universal integrated tunable components with high RF performances, I will introduce the concept of a floating metal plate to tune capacitance and inductance continuously and simultaneously.
In chapter 2, new MEMS tunable capacitor actuated with the electrically floating metal plate has been proposed and successfully demonstrated. The proposed tunable capacitor showed better quality factor $(\varrho -factor)$ performance than that of the conventional tunable-gap capacitor by means of eliminating the electrical series resistance of mechanical spring in the RF signal pathway. The fabricated tunable capacitor showed almost 200 % increment (i.e. 3 times higher) in $\varrho$ -factor from the conventional tunable-gap capacitor. In addition, an array of tunable capacitors connected in parallel with four capacitors for larger capacitance was fabricated and measured. A continuous tuning ratio of 41 % with $\varrho$ -factor of 300 at 1 GHz and 34.9 at 5 GHz for the single capacitor and the continuous tuning ratio of 29 % with Q-factor of 39.8 at 1 GHz for the capacitor array were obtained.
In chapter 3, novel MEMS-based unified tunable capacitor and tunable inductor that utilize an electrically floating metal plate to tune both the capacitance and the inductance have been proposed and successfully demonstrated. By newly designed vertical thermal actuator which changes the position of the floating metal plate vertically, the ultra-wide continuous tuning ranges for both capacitance and inductance were obtained. The mechanical models of vertical thermal actuator were newly proposed and verified in order to offer optimum design of proposed devices. The fabricated devices provided ultra-wide continuous tuning ratios, showing the tuning ratio up to 1000 % for the tunable capacitor and 22.5 % for the tunable inductor, respectively. In addition, the fabricated tunable devices were successfully operated more than $1 \times 10^8$ cycles without any failure and still reach their full deflection with linear tuning characteristic. They were then employed together to realize a tunable $\It{LC}$ filter and the fabricated tunable $\It{LC}$ filter showed an ultra-wide continuous frequency tuning ratio in excess of 127 % in the range from 8.8 GHz to more than 20 GHz by a simultaneous increase or decrease of the capacitance and inductance.
현재의 무선 통신 시스템은 여러 세대의 이동 통신 시스템 및 무선 방송 시스템 등이 공존하는 다양한 통신 환경 속에서 여러 주파수 대역을 분배하여 사용하고 있다. 급격한 이동통신 기술의 발전과 더불어 기존의 다양한 주파수 대역뿐 아니라 새로이 등장하는 통신 규격에 빠른 대응을 위하여 하나의 단말기를 이용하여 언제, 어디서나 쉽게 접근할 수 있는 재구성형 (Reconfigurable) 통신 시스템 기술의 발전이 요구되고 있다. 이를 위해 각각의 주파수에 대응되는 독립적인 무선 송수신기의 경로를 여러 개로 나누어 각각 제작해 집적화 함으로서 재구성형 통신 시스템을 구현하는 방법이 있다. 이는 기존의 개발된 통신 시스템 기술을 이용하기 때문에 개발이 용이하다는 장점이 있지만, 경로 수 및 부품 수의 증가에 따른 전력의 비효율성 및 소형화 등의 제약 등의 단점을 가지고 있다. 이에 반해, 가변 수동 소자를 이용 할 경우 다수의 경로가 필요 없이 단일 경로를 이용하기 때문에 광대역에서 사용 가능한 저전력 및 소형의 재구성형 통신 시스템의 구현이 가능해진다. 따라서, 본 연구는 다수의 주파수에 대응되는 광대역의 재구성형 통신 시스템을 위한 고성능의 가변 수동 소자의 개발에 궁극적인 목적을 두고 있다.
종래에는 가변 커패시터와 가변 인덕터 사이에 구동 원리상의 상당한 차이가 존재하여 각각의 소자가 독자적으로 개발되어 왔으며, 그에 따라 기존의 가변 커패시터와 가변 인덕터를 회로상에 함께 적용하기 어려운 기술적 한계를 보여 왔다. 따라서, 커패시턴스와 인덕턴스를 동시에 변화시킬 수 있는 새로운 개념의 통합형 가변 수동 소자의 개발은 그 자체만으로도 큰 의미를 가진다. 이러한 기술적 필요성에 입각하여 본 논문에서는 전기적으로 절연된 금속판을 이용하여 커패시턴스와 인덕턴스를 동시에 연속적으로 변화시킬 수 있는 고성능의 통합형 수동 소자를 제안하였다.
제2장에서는 전기적으로 절연된 금속판을 이용한 가변 커패시터를 제안하고 평가하였다. 제안된 가변 커패시터는 마이크로 전자 기계 시스템 (MicroElectroMechanical System, MEMS) 기술을 이용하여 금속판이 정전기적인 인력에 의해 수직적인 움직임을 갖도록 구동되며 기계적인 구동부와 RF 신호선을 분리하는 방식을 통해 낮은 구동 전압을 유지하는 동시에 높은 품질 계수 (Quality factor)를 가진다는 장점을 지닌다. 제작된 가변 커패시터는 5 GHz의 동작 주파수에서 41%의 연속적인 커패시턴스 가변률을 보였으며 품질 계수는 1 GHz와 5 GHz에서 각각 300과 34.9를 나타내었다. 이는 품질 계수의 측면에서 종래의 MEMS 가변 커패시터와 비교하여 300%정도의 향상된 결과이다. 뿐만 아니라, 제작된 소자는 107 이상의 스위칭 동작 후에도 1.3%이하의 커패시턴스의 미세한 변화를 보였으며, 이는 제작된 소자가 신뢰적으로 동작함을 입증하는 결과이다.
제3장에서는 전술한 가변 커패시터를 한층 발전시켜 커패시턴스와 인덕턴스를 동시에 연속적으로 변화시킬 수 있는 고성능의 통합형 수동 소자를 제안하고 평가하였다. 제안된 소자는 하단의 커패시터를 이루는 바닥 평판, 상단의 나선형 인덕터, 그리고 그 사이에 위치한 전기적으로 절연된 금속판을 가지는 구조로 이루어져 있다. 제안된 통합형 수동 소자에서는 더 큰 가변율을 얻기 위하여 새롭게 고안된 MEMS 열 구동기를 이용하여 중간에 위치한 금속판이 수직적인 움직임을 갖도록 제안하였다. 제작된 통합형 가변 수동 소자는 2 GHz의 동작 주파수에서 커패시턴스와 인덕턴스의 연속 가변률이 각각 1000%와 24.9%을 나타내었으며 가변 커패시어와 가변 인덕터를 연결한 공진회로의 주파수 가변 특성은 약 8.8 GHz에서 20 GHz 이상까지 주파수가 변화하는 127%이상의 주파수 가변률을 가지는 광범위의 주파수 가변 특성을 보였다. 이처럼 제안된 통합형 가변 수동 소자가 주파수 가변 소자등의 응용 분야에 적용될 경우 그 활용도는 더욱 빛을 발하는데, 그 이유는 제안된 소자는 중간에 위치한 금속판의 위치에 따라, 인덕턴스와 커패시턴스가 동시에 증가하거나 감소하기 때문이다. 뿐만 아니라, 제작된 소자는 $10^8$ 이상의 스위칭 동작 후에도 안정적인 동작을 보이는 신뢰적인 특성을 나타내었다.
본 논문에서 제안된 가변 수동 소자들의 가장 큰 특징은 기계적으로 동작되는 MEMS 고유의 특징을 잘 살려 넓은 가변 범위와 고성능의 전기적인 특성을 동시에 이룰 수 있으며 또한 기존의 반도체 공정과 손쉽게 집적 가능하기 때문에 필요한 소자를 더 작게 그리고 더 효율적으로 구현할 수 있다는 것이다. 마지막으로 이러한 제안된 새로운 개념의 통합형 가변 수동 소자의 개발을 통해 광대역의 재구성형 통신 시스템의 실현뿐 만 아니라 무선 통신 분야를 포함한 다른 다양한 분야에서의 발전에 큰 도움이 될 것이다.
