19.3 GHz 삼중층 주기극성 리튬니오베이트 초음파 필터, 근접 대역 50 dB 억제 실현

초록

본 논문은 19.3 GHz에서 동작하는 삼중층 주기극성(LN) 얇은 필름 X‑BAR 필터를 제시한다. 2.2 dB의 낮은 삽입 손실, 8.5 % 3‑dB 대역폭, 그리고 0.95 mm² 면적 내에서 49.9 dB에 달하는 근접 대역 억제를 달성하였다. 이는 두께 트리밍으로 인한 다중 모드(S2, A3, S4) 활용과 전송 영(Zero) 설계에 기반한다.

상세 분석

이 연구는 7–24 GHz FR3 대역으로 확장되는 5G/6G 시스템에서 요구되는 고주파 초음파 필터의 핵심 과제인 삽입 손실 증가와 대역 외 억제 저하를 해결한다. 기존의 SAW·BAW 기반 필터는 10 GHz 이상에서 Q·k²가 급감하고, 전송 영을 정밀하게 배치하기 어려워 근접 대역 억제가 한계였다. 저자들은 주기극성(LiNbO₃) 얇은 필름을 3층으로 적층하고, 상하층을 반대 방향으로 폴링함으로써 A3(3차 비대칭) 라amb 모드가 주 공진을 담당하도록 설계하였다. 여기서 핵심 혁신은 상부 LN 층을 의도적으로 얇게 트리밍(260 nm vs 310 nm)하여 S2(2차 대칭)와 S4(4차 대칭) 모드의 전기 결합을 크게 강화한 점이다. 이러한 인접 모드들은 필터 회로 내에서 자연스럽게 전송 영을 생성하여, 메인 패스밴드 양쪽에 고차 전송 영을 배치하고, 결과적으로 2.9 GHz 폭에 걸쳐 40 dB 이상, 최악의 경우 49.9 dB의 근접 대역 억제를 제공한다.

디자인 흐름은 다음과 같다. 먼저 COMSOL을 이용해 3D 유한 요소 해석으로 각 모드의 응답과 Q·k²를 추정하고, 이를 mBVD(다중‑Branch Modified Butterworth‑Van Dyke) 모델에 매핑하였다. ADS 회로 시뮬레이터에서 5차 Π형 사다리형 필터 토폴로지를 구현하고, 전송 영 위치를 조정하기 위해 시리즈와 션트 공진기의 LN 두께를 차등 설계하였다(시리즈 260 nm, 션트 310 nm). 전극은 800 nm 폭, 300 nm Al 두께로 EBL 패터닝하여 스퓨리어스 모드 억제와 라우팅 저항 감소를 동시에 달성했다.

제조 공정은 310 nm 두께의 128° Y‑cut LN을 사파이어 기판 위에 10 nm 두께의 아몰퍼스 실리콘 버퍼와 함께 적층하고, 이온 빔 트리밍으로 상부 LN 두께를 정밀하게 제어하였다. 최종 필터는 0.95 mm² 면적에 5 GHz 대역폭을 갖는 19.3 GHz 중심 주파수에서 2.2 dB IL, 8.5 % FBW, 49.9 dB 근접 억제를 기록하였다.

비교 표를 보면, 기존 23.8 GHz P3F LN 필터(IL 1.52 dB, FBW 19.4 %, 억제 ≈ 22 dB)와 23.5 GHz X‑BAR 필터(IL 2.38 dB, FBW 18.2 %, 억제 ≈ 21 dB)에 비해 본 연구는 억제 성능이 2배 이상 우수함을 확인한다. 다만, 패스밴드 외부(특히 고주파 측) 억제가 상대적으로 낮은 점은 S4 모드의 활용이 아직 충분히 최적화되지 않았기 때문이며, 향후 스택 설계와 추가 전송 영 배치를 통해 개선 가능하다.

이 논문은 다중 모드 활용이라는 새로운 설계 패러다임을 제시함으로써, 고주파(>10 GHz) 초음파 필터가 기존 전자식 프론트엔드와 경쟁할 수 있는 실용적 경로를 열었다.