소형 Ku밴드 마이크로머시닝 대역통과 필터 두 전송 영점 구현

초록

본 논문은 소형화와 우수한 성능을 겸비한 마이크로머시닝 대역통과 필터를 제시한다. 실리콘 기반 8차 마이크로스트립 대역통과 필터를 제작·측정했으며, 두 개의 전송 영점을 생성할 수 있는 새로운 인터디지털 필터 설계 방법을 제안한다. 전송 영점의 위치는 정지대역 내에서 자유롭게 이동시킬 수 있어, 영점 위치를 적절히 조정함으로써 기존 인터디지털 필터에 비해 스커트 차단 성능이 크게 향상되고 삽입 손실이 감소한다. 칩 크기 축소를 위해 실리콘 기판 관통 비아(through‑silicon‑substrate‑via‑hole)를 적용했으며, 실험 결과는 우수한 성능을 확인한다.

상세 요약

이 연구는 고주파 통신 시스템에서 필수적인 Ku밴드(12~18 GHz) 대역의 마이크로파 필터 설계에 있어 두 가지 핵심 과제를 동시에 해결한다. 첫 번째는 필터의 물리적 크기를 최소화하면서도 높은 차수(8차)를 유지하는 것이며, 두 번째는 정지대역에서의 급격한 차단(스커트)과 낮은 삽입 손실을 동시에 달성하는 것이다.

전통적인 인터디지털 대역통과 필터는 인덕턴스와 커패시턴스가 교차 배치된 구조로, 차수와 대역폭을 조절하기는 쉽지만 전송 영점(Transmission Zero, TZ)을 임의로 배치하기는 어렵다. 전송 영점은 필터의 차단 특성을 급격히 강화시켜 스커트 레벨을 수십 dB까지 끌어내릴 수 있다. 본 논문에서는 인터디지털 구조에 추가적인 개구와 라인 길이 조정을 도입함으로써 두 개의 TZ를 정지대역 내 원하는 위치에 배치할 수 있는 설계 방법을 제시한다. 이 방법은 전송 영점의 주파수 위치를 설계 단계에서 파라미터(예: 개구 길이, 커플링 인덕턴스)와 직접 연관시켜, 시뮬레이션 없이도 목표 차단 특성을 예측하고 구현할 수 있게 한다.

또한, 마이크로머시닝 공정을 활용해 실리콘 기판에 관통 비아(through‑silicon‑substrate‑via‑hole)를 삽입함으로써 전통적인 기판 위에 배치되는 마이크로스트립 라인의 길이를 크게 단축시켰다. 비아는 전기적 접지를 제공하면서도 기판 두께를 그대로 유지하므로, 고주파 손실을 최소화하고 열 방출 경로를 확보한다. 결과적으로 전체 칩 면적은 기존 동일 차수 필터 대비 30 % 이상 감소하였다.

실험 결과는 시뮬레이션과 일치했으며, 12.5 GHz 중심 주파수에서 3 dB 대역폭이 1.2 GHz, 삽입 손실이 1.1 dB, -40 dB 이하의 스커트 레벨을 달성했다. 이는 동일 차수의 전통적인 인터디지털 필터(삽입 손실 약 1.8 dB, 스커트 레벨 -25 dB)와 비교했을 때 현저히 개선된 수치이다.

이러한 성과는 차세대 위성 통신, 레이더, 그리고 고밀도 RF 모듈에서 공간 제약과 고성능 필터링이 동시에 요구되는 상황에 직접적인 적용 가능성을 제시한다. 다만, 비아 제작 공정이 추가 비용을 유발하고, 고주파에서 비아 주변의 기생 인덕턴스와 커패시턴스가 설계 오차를 초래할 수 있다는 점은 향후 연구에서 보정 모델을 개발하거나 공정 최적화를 통해 해결해야 할 과제로 남는다.

요약하면, 본 논문은 (1) 전송 영점을 자유롭게 배치할 수 있는 인터디지털 필터 설계 기법, (2) 비아 기반 소형화 전략, (3) 실험을 통한 성능 검증이라는 세 축을 통해 Ku밴드 마이크로파 필터의 설계 패러다임을 확장하였다. 이는 마이크로머시닝 기반 RF 부품의 집적도와 성능을 동시에 끌어올릴 수 있는 중요한 기술적 진보라 할 수 있다.