In this thesis, the new concept to reduce the large displacement of the variable inductor and increase the tuning value is proposed and demonstrated.
“Small size, Low power, Multi-function, High performance” These are the recent trends and issues in commercial RF(radio frequency) application, so the development of the multi-band transceivers comes into the spotlight. The key components for these reconfigurable circuits are variable capacitor (varactor) and a variable inductor. Varactors and variable inductor can be made by traditional semiconductor. However, traditional semiconductor implementations of tunable passive elements suffer from the excessive series resistive losses. To overcome the limitation of silicon and GaAs based tunable elements, RF MEMS technology is recently worthy of note. However, development of the MEMS variable inductor having high performance is very difficult because large displacement over the several hundreds of micro-meter is required for proper tuning ratio.
To solve this problem, the new variable inductor combined continuous and quantized variable inductor is proposed and the quantized part is implemented. The role of quantized variable inductor is to jump the initial inductance of the continuous parts and tuning value of continuous variable inductor should cover the difference of the values between each state of the quantized parts. To realize the new concept, it is important the quantized variable inductor should be linearly reconfigured. To implement the linearly variable inductor, the solenoid inductor and RF MEMS switches were used due to the linearity of the solenoid inductors in accordance with the geometry and the low insertion loss of the RF MEMS switches.
The maximum tuning ratio of fabricated variable inductor is over 220%, the maximum tuning value is 2.94nH and maximum quality factor is 8.8. Although the quality factor is relatively low, it can be increased if the contact material of the MEMS switches exchanged from copper-gold into gold-gold. Another advantage of the fabricated variable inductor is that the tuning value per state of the fabricated devices is proportional to the core area of the inductor and the number of turns between the switches. The pull-in voltage of the MEMS switches is about 55V and the pull-in voltage variation of MEMS switches in the single device is below 5V.
멀티 밴드용 무선 송수신기의 구현을 위해 가변 인덕터의 연구가 현재 활발히 진행되고 있다. 하지만, 기존에 발표된 가변 인덕터는 충분한 가변률을 얻기 위해 수백 마이크로 미터 이상의 기계적인 이동 변위를 가져야 한다는 문제점을 가지고 있었다. 이러한 수백 마이크로 미터 이상의 기계적인 이동 변위는 MEMS분야에서 매우 흥미로운 주제이기는 하지만, 아직까지 안정적으로 구현되고 있지 않을 뿐만 아니라 소자의 크기가 굉장히 커질 수 있다는 단점이 있다. 이와 함께 대부분의 큰 변위를 가지고 있는 구동기는 열 구동 방식을 대부분이기 이용하기 때문에 파워 소모에서 큰 손해를 보게 된다. 이는 소형화와 저전력이라는 현대 전자공학이 나아가고 있는 방향과 상반되는 것이다.
이를 해결하기 위해서 본 논문에서는 연속적으로 변화하는 가변 인덕터의 초기 값을 일정한 간격으로 양자화된 가변 인덕터를 이용하여 변화 시켜줌으로써 전체 인덕턴스의 변화량을 증가 시켜주는 새로운 개념의 가변 인덕터를 제안하고 이에 적합한 양자화된 가변 인덕터를 제작하여 가능성을 확인하였다. 양자화된 가변 인덕터의 제작에 있어서 중요한 점은 양자화된 값들이 일정한 인덕턴스의 ??을 가지고 변화해야 하며, 이를 위해서 사용되는 스위칭 소자들의 저항은 작아야 한다는 것이다. 따라서 이를 구현하기 위해 구조에 따라 선형성을 가지는 솔레노이드 타입의 인덕터와 RF MEMS 스위치를 채택하였다.
제작된 가변 인덕터는 측정된 결과 최대 가변률 220%, 최대 가변량은 2.9nH, 품질 계수는 8의 성능을 보이며, 현재 상업적으로 사용되고 있는 무선 통신 송수신기가 사용하고 있는 주파수 대역인 0.8GHz ~ 5.5GHz 에서 매우 선형적으로 변화하는 특징을 보이고 있다.. 또한, 전체 가변률 및 가변 량이 인덕터의 중심 단면적과 스위치의 위치 그리고 전체 인덕터의 턴 수에 비례하는 특징을 보이고 있기 때문에 회로에서 필요한 인덕턴스를 가지는 인덕터의 제작 및 설계가 용이하다는 장점이 있다. 만약, 본 논문에서 제작된 멤스 스위치의 딤플 부분을 구리에서 금으로 바꾸어 준다면, 접촉 저항을 크게 줄일 수 있기 때문에 품질 계수에 있어서도 크게 향상을 보일 것이라 예상된다.
