KR100367623B1 - An air-gap stacked Microstrip 3 dB coupler for MMIC and fabricating method thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 공기 절연층을 갖는 마이크로스트립 구조의 MMIC용 3dB 커프러 및 그 제작방법(An air-gap stacked Microstrip 3dB Coupler for MMIC and Fabricating method thereof)을 기재한다. 본 발명에 따른 공기 절연층을 이용한 마이크로스트립 구조의 새로운 MMIC 3dB 커플러는, HP-Momentum을 이용하여 커플러의 구조를 해석하면서 제안된 커플러의 구조를 최적화하면서 공기 절연층을 상하 두 금속 패턴 사이에 개재시키고 하부 금속 패턴의 폭과 적절하게 설정하고 이 하부 금속 패턴의 폭 보다 넓은 폭을 갖는 상부 금속 패턴을 갖는 구조로 제작된다.The present invention describes an air-gap stacked microstrip 3 dB coupler for MMIC and fabricating method according to the present invention. The new MMIC 3dB coupler of the microstrip structure using the air insulation layer according to the present invention interposes the air insulation layer between the upper and lower metal patterns while optimizing the proposed coupler structure while analyzing the structure of the coupler using HP-Momentum. And the upper metal pattern having the width of the lower metal pattern set appropriately and wider than the width of the lower metal pattern.
Description
본 발명은 공기 절연층을 갖는 마이크로스트립 구조의 모놀리식 마이크로웨이브 아이.씨.(Monolithic Microwave IC)용 3 dB 커플러(An air-gap stacked Microstrip 3 dB Coupler for MMIC) 및 그 제작 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an air-gap stacked Microstrip 3 dB Coupler for MMIC with a microstrip structure having an air insulation layer and a method of fabricating the same. .
수평으로 커플링된 마이크로스트립 구조의 90°방향성 커플러는 마이크로파 및 밀리미터파 대역의 회로들에 많이 이용되고 있다. 응용 예로써는 위상 변환기 (phase shifter), 평형 증폭기(balanced amplifier), 평형 혼합기(balanced mixer), 밸런(balun) 등의 회로들이 있다. 이와 같은 회로에서 사용되어지는 커플러는 3dB 커플러이다. 3dB 커플러를 만들기 위해서는 결합(coupling)을 강하게 시켜야하며, 이는 마이크로스트립 전송선을 아주 가깝게 위치시켜는 것으로는 부족하며, 도 1에 도시된 바와 같은 Lange 커플러 처럼 여러 개의 마이크로스트립 전송선이 상호 걸합된 구조를 사용한다. 그러나, 주파수 대역이 높아지면, 전자기파의 방사손실(radiation loss)을 줄이기 위해서, 기판의 두께를 얇게 만들어야 하며, 기판의 두께가 얇으면, 50 Ω 전송선을 구현할 때, 폭도 함께 작아지게 된다. 한편, 기판이 얇아졌을 때에도 두꺼운 때와 같은 정도의 커플링을 얻기 위해서는 커플링된 전송선 사이의 간격도 상대적으로 더 좁아져야 한다. 예를들어, 유전률이 12.9이고 두께가 75 μm인 GaAs 기판 위에 Lange 커플러를 만들기 위해서는 도선의 폭이 7 μm, 도선 사이의 간격은 4 μm 정도일 때 3 dB 커플링이 얻어진다. 이는 두꺼운 Au 금속을 사용하는 MMIC 공정으로 얻을 수 있는 도선-도선 사이 간격의 한계에 해당한다. 그러므로 만들기도 어려울 뿐 아니라, 재현성의 문제가 있다. 그래서 공정상의 한계를 벗어나지 않는 범위 내에서 좀더 강한 커플링을 얻기 위한 연구로 도 2에 도시된 바와 같은 넓은면으로 커플링된 구조(broadside-coupled structure)나, 도 3에 도시된 바와 같은 semireentrant section 구조들이 제안되었다. 그러나, 이러한 구조들은 표준 MMIC 공정단계와는 별도로 폴리이미드(polyimide)와 같은 유전체층을 만들기 위한 공정 단계가 필요한 단점이 있다. 그 외에도 표준 MMIC 공정을 그대로 이용하는 도 4에 도시된 바와 같은 임베디드 마이크로스트립(embedded microstrip) 커플러 구조가 제안되었다. 여기서는 강한 커플링을 얻기 위하여 MIM 커패시터의 유전체 막으로 사용되는 0.2 μm SiN 막을 이용하였다. 이러한 구조에서, 원하는 정도의 정확한 커플링을 얻기 위해서는 SiN를 사이에 둔 위쪽과 아래쪽 금속 패턴이 오버랩(overlap)되는 폭을 정확하게 조절해야 하지만, 이는 공정상에 흔히 있는 오정렬(misalign) 정도에 따라서 심각하게 특성이 바뀌게 된다. 더구나, 일부 밀리미터파 회로 응용에서는 FET와 같은 능동소자의 패시베이션(passivation) 공정과 MIM 커패시터의 막을 형성하는 공정을 동시에 할 수 있도록 SiN 막의 두께를 0.1 μm 이하로 하는 경우도 있다. 이러한 공정에서 임베디드 마이크로스트립(embedded microstrip) 커플러를 재현성 있게 구현하는 것은 거의 불가능하다.Horizontally coupled microstrip structures with 90 ° directional couplers are widely used in microwave and millimeter wave band circuits. Application examples include circuits such as phase shifters, balanced amplifiers, balanced mixers, baluns, and the like. The coupler used in such a circuit is a 3dB coupler. In order to make a 3dB coupler, the coupling must be strong, which is not enough to place the microstrip transmission line very close to each other, and a structure in which several microstrip transmission lines are interlocked like a Lange coupler as shown in FIG. use. However, when the frequency band is increased, in order to reduce radiation loss of electromagnetic waves, the thickness of the substrate must be made thin. When the thickness of the substrate is thin, the width is also reduced when implementing the 50? Transmission line. On the other hand, even when the substrate is thin, the spacing between the coupled transmission lines must be relatively narrower to obtain the same coupling as when thick. For example, to make a Lange coupler on a GaAs substrate with a dielectric constant of 12.9 and a thickness of 75 μm, 3 dB coupling is obtained when the wire width is 7 μm and the distance between the wires is about 4 μm. This corresponds to the limit of lead-to-wire spacing achievable by the MMIC process using thick Au metal. Therefore, it is not only difficult to make, but also has a problem of reproducibility. Therefore, in order to obtain a stronger coupling within a range not exceeding the process limits, a broadside-coupled structure as shown in FIG. 2 or a semireentrant section as shown in FIG. Structures have been proposed. However, these structures have the disadvantage that a process step for making a dielectric layer such as polyimide is required separately from the standard MMIC process step. In addition, an embedded microstrip coupler structure as shown in FIG. 4 using a standard MMIC process is proposed. In this case, a 0.2 μm SiN film used as the dielectric film of the MIM capacitor was used to obtain a strong coupling. In this structure, in order to obtain the desired degree of accurate coupling, it is necessary to precisely control the overlapping width of the upper and lower metal patterns with SiN interposed, but this is severely dependent on the degree of misalignment that is common in the process. The characteristics will change. In addition, in some millimeter wave circuit applications, the thickness of the SiN film may be set to 0.1 μm or less so that the passivation process of an active element such as a FET and the process of forming a film of the MIM capacitor can be performed simultaneously. In such a process, it is almost impossible to implement an embedded microstrip coupler reproducibly.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창안한 것으로, 높은 결합도(coupling)를 얻기 위해서 공기 절연층을 개재시키고 위쪽 전극판과 아래쪽 전극판이 완전하게 겹쳐지는 구조로 하여 어느 정도 오정렬(misalign)이 되어도 결합도가 거의 변하지 않는 마이크로스트립 구조의 모놀리식 마이크로웨이브 IC용 3dB 커플러 및 그 제작 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention was devised to improve the above problems, and in order to obtain a high coupling, an air insulation layer is interposed and the upper electrode plate and the lower electrode plate are completely overlapped to some extent misalignment. It is an object of the present invention to provide a 3dB coupler for a monolithic microwave IC having a microstrip structure that hardly changes the coupling degree, and a fabrication method thereof.
도 1은 종래의 Lange 커플러의 구조를 보여주는 단면도,1 is a cross-sectional view showing the structure of a conventional Lange coupler,
도 2는 종래의 넓은면으로 커플링된 구조(broadside-coupled structure)를 갖는 커플러의 단면도,FIG. 2 is a cross-sectional view of a coupler having a broadside-coupled structure in a conventional wide surface;
도 3은 종래의 semireentrant section 구조를 갖는 커플러의 단면도,3 is a cross-sectional view of a coupler having a conventional semireentrant section structure,
도 4는 종래의 임베디드 마이크로스트립(embedded microstrip) 커플러의 단면도,4 is a cross-sectional view of a conventional embedded microstrip coupler,
도 5는 본 발명에 따른 공기 절연층을 갖는 마이크로스트립 구조의 MMIC용 3 dB 커플러의 단면도,5 is a cross-sectional view of a 3 dB coupler for a MMIC of a microstrip structure having an air insulation layer according to the present invention;
도 6a 내지 도 6d는 각각 HP-Momentum simulation으로 구해진 공기 절연층을 갖는 커플러의 S-parameter 특성을 나타내는 그래프들,6A to 6D are graphs showing S-parameter characteristics of a coupler having an air insulation layer obtained by HP-Momentum simulation, respectively.
도 7은 실제로 제작된 도 5의 공기 절연층을 갖는 3dB 커플러의 전자 현미경 사진,7 is an electron micrograph of a 3 dB coupler with the air insulation layer of FIG. 5 actually fabricated,
도 8a 내지 도 8g는 도 7의 공기 절연층을 갖는 3dB 커플러를 제작하는 방법을 공정 단계별로 보여주는 단면도들,8A to 8G are cross-sectional views showing, step by step, a method of manufacturing a 3dB coupler having the air insulation layer of FIG.
도 9는 도 7의 공기 절연층을 갖는 3dB 커플러의 S-parameter 특성을 나타내는 그래프,9 is a graph showing the S-parameter characteristics of the 3dB coupler having the air insulation layer of FIG.
도 10은 도 7의 공기 절연층 커플러의 출력 단자 간의 위상 특성을 나타내는 그래프,10 is a graph illustrating phase characteristics between output terminals of the air insulation layer coupler of FIG. 7;
도 11은 도 7의 커플러를 포함하는 평형 2단 MMIC 전력 증폭기가 집적된 칩의 평면 사진,11 is a plan view of a chip incorporating a balanced two stage MMIC power amplifier including the coupler of FIG.
그리고 도 12는 상기 도 11의 평형 2단 증폭기의 소신호 S-parameter 특성을 나타내는 그래프이다.FIG. 12 is a graph showing small signal S-parameter characteristics of the balanced two stage amplifier of FIG.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
10. 접지부 11. MMIC 기판10. Grounding section 11.MMIC board
12. 하부 금속 패턴 13. 공기 절연층12. Bottom metal pattern 13. Air insulation layer
13a. 제1포토레지스트막 13b. 제2포토레지스트막13a. First photoresist film 13b. Second photoresist film
14. 상부 금속 패턴 14a. 지지부14. Upper metal pattern 14a. Support
15. 50Ω 저항기15. 50Ω Resistor
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 공기 절연층을 이용한마이크로스트립 구조의 모놀리식 마이크로웨이브 IC용 3dB 커플러는, 일측면에 접지부를 갖는 MMIC 기판; 상기 MMIC 기판의 타측면 상에 소정의 폭을 갖도록 스트립 상으로 증착된 하부 금속 패턴; 및 상기 하부 금속 패턴에 대응하는 영역 상부에 공기 절연층을 갖도록 상기 하부 금속 패턴과 소정의 간격을 두고 이격되도록 스트립 상으로 형성된 상부 금속 패턴;을 구비한 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, a 3dB coupler for a monolithic microwave IC having a microstrip structure using an air insulation layer according to the present invention includes an MMIC substrate having a ground portion on one side thereof; A lower metal pattern deposited on the strip to have a predetermined width on the other side of the MMIC substrate; And an upper metal pattern formed in a strip shape so as to be spaced apart from the lower metal pattern at a predetermined interval so as to have an air insulating layer on an area corresponding to the lower metal pattern.
본 발명에 있어서, 상기 상부 금속 패턴은 상기 하부 금속 패턴을 평면적으로 덮도록 상기 하부 금속 패턴의 폭 보다 큰 폭을 갖도록 형성되고, 상기 상부 금속 패턴이 상기 하부 금속 패턴과 상기 공기 절연층 만큼의 간격을 유지하도록 하는 지지대가 상기 상부 금속 패턴의 양쪽 측면부에 100~200μm의 간격으로 간격으로 형성되며, 상기 지지대는 상기 하부 금속 패턴과 상기 공기 절연층의 두께 이상의 간격으로 이격된 위치의 상기 MMIC 기판 상에 형성된 것이 바람직하며, 상기 기판은 GaAs로 형성되고, 상기 상부 금속 패턴 및 하부 금속 패턴은 Au, Cu 및 Pt 중 적어도 어느 한 물질로 형성된 것이 바람직하다.In the present invention, the upper metal pattern is formed to have a width larger than the width of the lower metal pattern so as to cover the lower metal pattern in a planar manner, wherein the upper metal pattern is spaced apart from the lower metal pattern by the air insulation layer. Supports are formed at intervals of 100 to 200 μm at both sides of the upper metal pattern at intervals, and the supports are disposed on the MMIC substrate at positions spaced apart from each other by the thickness of the lower metal pattern and the air insulation layer. Preferably, the substrate is formed of GaAs, and the upper metal pattern and the lower metal pattern are preferably formed of at least one of Au, Cu, and Pt.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 공기 절연층을 이용한 마이크로스트립 구조의 모놀리식 마이크로웨이브 IC용 3dB 커플러의 제작 방법은, (가) 일측면 상에 접지부를 갖는 MMIC 기판 상에 리프트-오프 기법으로 소정 폭을 갖는 스트립 상의 하부 금속 패턴을 형성하는 단계; (나) 상기 하부 금속 패턴 상에 형성할 공기 절연층의 두께 만큼 상기 하부 금속 패턴을 완전히 덮도록 상기 기판 및 상기 하부 금속 패턴 상에 제1포토레지스트막을 도포하는 단계; (다) 상기 제1포토레지스트막과 상기 기판 상에 상부 금속 패턴을 리프트-오프 기법으로형성하기 위한 제2포토레지스트막을 상기 제1포토레지스트막에 대응하는 영역을 따라 도포하는 단계; 및 (라) 상기 제2포토레지스트막 상에 금속을 증착시킨 다음 상기 제2포토레지스트막 및 제1포토레지스트막을 제거하여 상기 하부 금속 패턴에 대응하는 스트립 상의 상기 상부 금속 패턴을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, in order to achieve the above object, the manufacturing method of the 3dB coupler for the monolithic microwave IC of the microstrip structure using the air insulation layer according to the present invention, (A) on the MMIC substrate having a ground portion on one side Forming a lower metal pattern on the strip having a predetermined width by a lift-off technique; (B) applying a first photoresist film on the substrate and the lower metal pattern to completely cover the lower metal pattern by a thickness of an air insulation layer to be formed on the lower metal pattern; (C) applying a second photoresist film along a region corresponding to the first photoresist film to form an upper metal pattern on the first photoresist film and the substrate by a lift-off technique; And (d) depositing a metal on the second photoresist film and then removing the second photoresist film and the first photoresist film to form the upper metal pattern on the strip corresponding to the lower metal pattern. It is characterized by including.
이하 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 공기 절연층을 이용한 마이크로스트립 구조의 모놀리식 마이크로웨이브 IC용 3dB 커플러를 상세하게 설명한다.Hereinafter, a 3 dB coupler for a monolithic microwave IC having a microstrip structure using an air insulation layer according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명에 따른 공기 절연층을 이용한 마이크로스트립 구조의 MMIC용 3dB 커플러는 높은 결합도(강한 커플링; 임피던스 매칭)을 얻기 위해서 공기 절연층을 이용한 마이크로스트립 구조를 갖는다. 이 구조는 표준 MMIC 공정단계 중에 에어 브리지(air-bridge) 공정을 그대로 이용하기 때문에 별도의 공정이 필요하지 않고, 공기 절연 방식이므로 유전체가 필요없다. 특히, 전극으로 위쪽과 아래쪽의 금속판이 완전하게 겹쳐지는 구조이기 때문에 어느 정도 오정렬(misalign)이 되어도 커플링이 거의 변하지 않는 장점이 있다.The 3dB coupler for the MMIC of the microstrip structure using the air insulation layer according to the present invention has a microstrip structure using the air insulation layer to obtain high coupling (strong coupling; impedance matching). This structure does not require a separate process because it uses the air-bridge process as it is during the standard MMIC process step, and does not require a dielectric because it is air-insulated. In particular, since the upper and lower metal plates are completely overlapped with electrodes, the coupling hardly changes even when misaligned to some extent.
도 5는 본 발명에 따른 공기 절연층을 이용한 마이크로스트립 구조의 MMIC용 3dB 커플러의 개략적 구조를 나타내는 사시도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 공기 절연층을 이용한 마이크로스트립 구조의 MMIC용 3dB 커플러는 일측면에 접지부(10)(주로 배선들이 형성됨)를 갖는 MMIC 기판(11)의 타측면 상에 스트립 상의 하부 금속 패턴(12)과 이 하부 금속 패턴(12)과 대응하는 영역 상부에 공기 절연층(13)으로서 소정의 간격(d)을 두고 스트립 상으로 형성된 상부 금속 패턴(14)이 형성된 구조를 갖는다. 여기서, 기판(11)은 주로 반도체 기판이 사용되나 일례로서 GaAs 기판이 사용되었고, 하부 및 상부 금속 패턴(12, 14)의 재료로는 전도성이 뛰어나고 증착이 잘되는 금속이면 좋은데 예로서 Au, Cu, Pt 등의 금속이 사용된다.5 is a perspective view showing a schematic structure of a 3dB coupler for a MMIC of a microstrip structure using an air insulation layer according to the present invention. As shown, the 3dB coupler for the MMIC of the microstrip structure using the air insulation layer according to the present invention is a strip on the other side of the MMIC substrate 11 having a ground portion 10 (mainly wires are formed) on one side. The upper metal pattern 14 formed on the strip on the lower metal pattern 12 of the upper surface and the area corresponding to the lower metal pattern 12 as the air insulating layer 13 at a predetermined distance d is formed. Have Herein, the substrate 11 is mainly a semiconductor substrate, but a GaAs substrate is used as an example, and the material of the lower and upper metal patterns 12 and 14 may be a metal having excellent conductivity and good deposition. For example, Au, Cu, Metals such as Pt are used.
이와 같은 구조의 전기장 시뮬레이션(field simulation)을 통한 최적화 커플러의 제작과정을 설명한다.The fabrication process of an optimized coupler through field simulation of such a structure will be described.
이 커플러의 주요 특징(설계변수)은 상부 금속 패턴(14)의 폭(W1)과 하부 금속 패턴(12)의 폭(W2) 및 두 금속 패턴 사이의 간격(gap)(d)에 있다. 두 금속 패턴의 간격은 표준 에어브리지(air-bridge) 공정의 조건에 의해서 결정되어지므로, 두 금속 패턴의 폭을 설계 변수로 한다.The main feature (design variable) of this coupler lies in the width W1 of the upper metal pattern 14 and the width W2 of the lower metal pattern 12 and the gap d between the two metal patterns. Since the spacing between two metal patterns is determined by the conditions of a standard air-bridge process, the width of the two metal patterns is a design variable.
본 발명의 커플러는 두 금속 패턴이 비대칭적으로 커플링되기 때문에 이러한 구조의 분석적(analytic) 해는 구할 수가 없다. 그래서 이러한 구조의 해석은 주로 상용 전기장 시뮬레이터(field simulator)에 의존하게 되는데, 본 연구에서는 HP-Momentum을 이용하였다. 구조 해석시에 사용된 최적화 조건은 매칭(matching) 단자(port) 출력과 격리(isolation) 단자 출력은 -15 dB 이하로 유지하고, 결합(coupling) 단자 츨력은 -3 dB이상, 통과(through) 단자(직접) 출력은 -5 dB 이상으로 정하였다. 두 금속판의 폭을 변화시켜가면서 전기장 시뮬레이션(field simulation)을 수행하였다. 스트립 상의 하부 금속 패턴의 폭을 10, 20, 40 μm로 변화시켰고, 여기에 대응하는 스트립 상의 상부 금속 패턴 폭을 하부 금속 패턴 폭에 대한 비율(Ratio=W2/W1)이 1에서 2 사이로 되도록 변화시켰다.In the coupler of the present invention, the analytical solution of such a structure cannot be obtained because the two metal patterns are asymmetrically coupled. Therefore, the analysis of this structure is mainly dependent on the commercial field simulator (HP-Momentum) in this study. The optimization conditions used in the structural analysis maintain matching and output terminal outputs below -15 dB, coupling terminal outputs above -3 dB, and through The terminal (direct) output was set at -5 dB or more. Field simulations were performed while varying the widths of the two metal plates. The width of the lower metal pattern on the strip was changed to 10, 20, 40 μm, and the corresponding width of the upper metal pattern on the strip was changed so that the ratio to the width of the lower metal pattern (Ratio = W2 / W1) was between 1 and 2. I was.
도 6a 내지 도 6d에서는 두 금속 패턴 폭의 변화에 따른 27 GHz에서의 S-파라미터(parameter) 특성을 보였다. 도 6a 및 도 6b에서 각각 매칭(matching) 단자 출력과 격리(isolation) 단자 출력을 -15 dB 이하로 유지하는 조건을 찾으면 W1 > 20 μm, 비(Ratio) > 1.5 가 된다. 도 6c에서 결합 단자 출력을 보면 위의 조건을 만족하는 경우 -3 dB 이상을 유지하고 있으며, 도 6d에서 통과(through) 단자 출력 특성을 -5 dB 이상으로 유지하도록 한다면, 결국 W1은 20 μm 정도가 적당하고, 비(Ratio)는 1.75 이상이면 적당하다. 공정상의 변화를 고려하여 W1은 20 μm, 비(Ratio)는 2로 하여 결합(coupling)을 조금 강하게 설계하여 제작한다.6A to 6D show S-parameter characteristics at 27 GHz according to the variation of the widths of the two metal patterns. In FIG. 6A and FIG. 6B, the conditions for maintaining the matching terminal output and the isolation terminal output at −15 dB or less, respectively, are W1> 20 μm and ratio> 1.5. In the coupling terminal output of FIG. 6C, if the above conditions are satisfied, the signal is maintained at -3 dB or more. If the through terminal output characteristic is maintained at -5 dB or more in FIG. 6D, W1 is about 20 μm. Is appropriate, and ratio is appropriate if it is 1.75 or more. Considering the change in process, W1 is 20 μm and ratio is 2, and the coupling is designed to be a little stronger.
이러한 시뮬레이션 결과를 바탕으로 한 본 발명의 커플러를 평형 2단 전력 증폭기(balanced 2-stage power amplifier)에 적용하여 기존의 MMIC 공정을 그대로 이용하여 도 7에 도시된 바와 같이 제작하였다. 그 제작 공정은 다음과 같다.Based on the simulation results, the coupler of the present invention was applied to a balanced two-stage power amplifier and manufactured as shown in FIG. 7 using the existing MMIC process. The manufacturing process is as follows.
거의 대부분의 S-parameter 측정장비는 2-단자(port) 측정 시스템이므로, 4 단자 소자인 커플러의 port-1과 port-3 사이의 결합(coupling)을 측정하려면, port-2와 port-4는 50 Ω 저항기와 접속되어야 한다. 따라서, 2단 평형 증폭기 제작의 첫 단계는 NiCr 박막(약 800Å) 증착으로 50Ω 저항기(도 7의 15)를 만든다. 이 때 면저항은 20 Ω/㎠ 였다.Since almost all S-parameter measuring instruments are two-terminal (port) measuring systems, to measure the coupling between port-1 and port-3 of a four-terminal coupler, port-2 and port-4 Must be connected with a 50 Ω resistor. Thus, the first step in the fabrication of a two stage balanced amplifier is to produce a 50Ω resistor (15 in FIG. 7) by NiCr thin film (approximately 800 Hz) deposition. At this time, the sheet resistance was 20 Ω / cm 2.
그 다음에 커플러 제작 공정을 실시한다.Then, the coupler manufacturing process is performed.
먼저, 도 8a 내지 도 8c에 도시된 바와 같이, 일반적인 리프트-오프(lift-off) 공정으로서 금속을 증착한 다음 포토레지스트(PR)를 제거하여 하부 금속 패턴(12)을 형성한다.First, as shown in FIGS. 8A to 8C, the metal is deposited as a general lift-off process, and then the photoresist PR is removed to form the lower metal pattern 12.
다음에, 도 8d 내지 도 8g에 도시된 바와 같은 표준 에어브리지(air-bridge) 공정을 이용하여 상부 금속 패턴(14)을 형성하는데, 먼저 도 8d에 도시된 바와 같이 형성하고자 하는 공기 절연층(13)의 두께 만큼의 두께로 제1포토레지스트막(13a)을 형성한다.Next, the upper metal pattern 14 is formed by using a standard air-bridge process as shown in FIGS. 8D to 8G. First, as shown in FIG. The first photoresist film 13a is formed to the thickness of 13).
다음에, 도 8e에 도시된 바와 같이, 형성하고자 하는 상부 금속 패턴의 모양을 형성하기 위한 제2포토레지스트막(13b)을 형성한다. 여기서, 상부 금속 패턴을 지탱하기 위한 지지대가 형성되는 부분의 제2포토레지스트막(13b)은 오른쪽 도면과 같이 형성되어 지지대가 직접 기판에 증착될 수 있도록 한다. 즉, 기판 상에서 지지대가 증착될 부분은 노출되도록 제2포토레지스트막(13b)이 형성된다.Next, as shown in FIG. 8E, a second photoresist film 13b for forming the shape of the upper metal pattern to be formed is formed. Here, the second photoresist film 13b of the portion where the support for supporting the upper metal pattern is formed is formed as shown in the right figure so that the support can be directly deposited on the substrate. That is, the second photoresist film 13b is formed to expose the portion where the support is to be deposited on the substrate.
다음에, 도 8f에 도시된 바와 같이, 전면적으로 상부 금속 패턴용 금속을 증착시킨다.Next, as shown in FIG. 8F, the metal for the upper metal pattern is deposited on the entire surface.
다음에, 도 8g에 도시된 바와 같이, 제2포토레지스트막 및 제1포토레지스트막을 순차로 제거하여 상부 금속 패턴(14)을 완성한다. 이와 같이 하여 제1포토레지스트막이 제거되면 그 부분에는 비어있게 되어 자연적으로 공기 절연층(13)을 이루게 된다. 여기서, 오른쪽 도면은 상부 금속 패턴을 지지하는 지지부(14a)의 모양을 상세하게 보여준다. 이상과 같은 공정으로 3dB 커플러가 완성된다.Next, as shown in FIG. 8G, the second photoresist film and the first photoresist film are sequentially removed to complete the upper metal pattern 14. In this way, when the first photoresist film is removed, the portion becomes empty and naturally forms an air insulation layer 13. Here, the right figure shows in detail the shape of the support 14a supporting the upper metal pattern. The above process completes the 3dB coupler.
다음으로 기판의 배면을 갈아내고 관통홀(via-hole)(미도시) 에칭을 한 다음, 도금 공정을 실시하여 접지를 위한 두꺼운 금속막(미도시)을 형성한다. 이렇게 완성된 공기 절연 적층형 마이크로스트립 구조의 3 dB 방향성 커플러를 중심으로 나타내는 2단 평형 증폭기의 전자현미경(SEM) 사진을 도 7에 도시되어 있다. 도 7에 나타난 바와 같이, 하부 금속판 위에 상부 금속판이 100 μm 간격의 지지대(air-bridge post)를 통하여 안정적으로 떠 있는 것을 볼 수 있다.Next, the back surface of the substrate is ground, a through-hole (not shown) is etched, and a plating process is performed to form a thick metal film (not shown) for grounding. 7 shows an electron microscope (SEM) photograph of a two stage balanced amplifier centered on the 3 dB directional coupler of the air insulated stacked microstrip structure. As shown in FIG. 7, it can be seen that the upper metal plate is stably floated through air-bridge posts spaced 100 μm on the lower metal plate.
이와 같이 제작된 커플러의 S-parameter 특성은 Cascade사의 on-wafer 측정 장비를 이용하여 측정하였다. 도 9는 측정된 커플러의 S-parameter 특성을 보여 주고 있다. 예상대로 3 dB 결합(coupling) 특성을 얻었으며, 직접 전달 특성(통과(through) 단자 출력 특성)도 금속 패턴의 폭이 넓기 때문에, 기존의 발표된 논문들에 기재된 커플러들에 비해 우수한 특성을 보였다. 도 9에 나타난 바와 같이, 22 GHz 대역폭(23 GHz ~ 45 GHz)을 갖고 있으며, 대역 내에서 진폭 변화는 ±0.5 dB 이하이다. 도 9에서 두 금속 패턴에서의 임피던스 매칭(matching) 특성(매칭 단자 출력 특성)이 모두 -15 dB 이하로 매칭(matching)이 잘 되었음을 알 수 있다. 그리고, 격리(isolation) 단자 출력 특성(isolation 특성)은 주파수가 높아짐에 따라 점차적으로 나빠지는 특성을 보여주고 있지만, 대역폭 내에서는 -10 dB 이하로 양호한 결과를 보여 주고 있다.The S-parameter characteristics of the manufactured couplers were measured using Cascade's on-wafer measuring equipment. 9 shows the S-parameter characteristics of the measured coupler. As expected, the 3 dB coupling characteristic was obtained, and the direct transfer characteristic (through terminal output characteristic) also showed wider metal pattern, which was superior to the couplers described in the previously published papers. . As shown in FIG. 9, the antenna has a 22 GHz bandwidth (23 GHz to 45 GHz), and an amplitude change within a band is ± 0.5 dB or less. It can be seen from FIG. 9 that the impedance matching characteristics (matching terminal output characteristics) in the two metal patterns are well matched with -15 dB or less. In addition, the isolation terminal output characteristic (isolation characteristic) is gradually worsened as the frequency is increased, but shows a good result of less than -10 dB within the bandwidth.
도 10은 상기와 같이 제작된 3dB 커플러의 두 출력 단자의 위상특성을 보여준다. 대역 내에서 두 단자 간의 위상 차이는 85°(degree)로 거의 일정한 것으로 나타났다.Figure 10 shows the phase characteristics of the two output terminals of the 3dB coupler manufactured as described above. The phase difference between the two terminals in the band is almost constant at 85 ° (degree).
이상과 같이 제작된 3dB 커플러를 이용하여 Ka-Band(26.5 ~ 40 GHz)용 평형 2단 전력 증폭기를 설계하고, 자체 개발한 PHEMT(pseudo-morphic high electron mobility transistor) MMIC 기술(technology)을 이용하여 회로를 제작하여, 제작된 회로의 소신호 S-parameter 특성을 측정하였다. 도 11은 상기와 같은 공기 절연층을 갖는 3dB 커플러 제작 공정과 PHEMT 공정으로 제작된 평형 MMIC 전력 증폭기의 칩 사진이다. 앞단은 이득(gain)을 얻도록 제작하고, 뒷단은 커플러를 이용하여 전력을 크게 얻을 수 있도록 제작하였다. 도 12는 도 11과 같이 제작된 2단 평형 전력 증폭기 회로의 소신호 S-parameter 특성을 보였다. 이득 특성이 12 ~ 29 GHz 까지 10 dB 정도로 매우 평탄한 특성을 나타내었고, 출력단의 반사손실(Return Loss) 역시 같은 주파수 대역에서 10 dB 이하의 우수한 특성을 보였다.Designed a balanced two-stage power amplifier for Ka-Band (26.5 ~ 40 GHz) using the 3dB coupler manufactured as described above, and using a self-developed pseudo-morphic high electron mobility transistor (PHEMT) MMIC technology A circuit was fabricated and the small signal S-parameter characteristics of the fabricated circuit were measured. FIG. 11 is a chip photograph of a balanced MMIC power amplifier manufactured by a 3dB coupler fabrication process and a PHEMT process having the air insulation layer as described above. The front end is designed to get gain, and the rear end is designed to get big power by using coupler. FIG. 12 shows small signal S-parameter characteristics of a two stage balanced power amplifier circuit fabricated as shown in FIG. 11. The gain characteristics were very flat as 10 dB from 12 to 29 GHz, and the return loss of the output stage was also less than 10 dB in the same frequency band.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 공기 절연층을 이용한 마이크로스트립 구조의 새로운 MMIC 3 dB 커플러는, HP-Momentum을 이용하여 커플러의 구조를 해석하면서 제안된 커플러의 구조를 최적화하면서 공기 절연층을 상하 두 금속 패턴 사이에 개재시키고 하부 금속 패턴의 폭과 적절하게 설정하고 이 하부 금속 패턴의 폭 보다 넓은 폭을 갖는 상부 금속 패턴을 갖는 구조로 설계되어 제작되었다. 이와 같이 제작된 커플러는 표준 MMIC 공정에 추가적인 공정을 필요로 하지 않으며, 공정에서 흔히 발생하는 정렬오차 (misalignment)에 둔감한 장점을 갖고 있다. 제작된 커플러의 특성은 22 GHz 대역폭(23 GHz ~ 45 GHz)을 갖고 있으며, 대역 내에서 진폭 변화는 ±0.5 dB 이하를 유지하는 장점이 있다. 또한, 제안된 커플러를 이용하여 Ka-Band용 평형 2단 전력 증폭기가 성공적으로 제작되었으며, 제작된 회로는 12~29 GHz 범위에서 10 dB 의 이득 특성을 보였으며, 출력의 반사손실도 10 dB 이하의 우수한 특성을 보였다.As described above, the new MMIC 3 dB coupler of the microstrip structure using the air insulation layer according to the present invention, while analyzing the structure of the coupler using the HP-Momentum while optimizing the structure of the proposed coupler while the upper and lower air insulation layer It was designed and fabricated with a structure having an upper metal pattern interposed between two metal patterns, properly set with the width of the lower metal pattern, and having a width wider than the width of the lower metal pattern. The coupler manufactured in this way does not require an additional process to the standard MMIC process, and has an advantage that it is insensitive to misalignment which is common in the process. The fabricated coupler has a 22 GHz bandwidth (23 GHz to 45 GHz), and the amplitude variation within the band has an advantage of maintaining ± 0.5 dB or less. In addition, a balanced two-stage power amplifier for Ka-Band has been successfully fabricated using the proposed coupler. The fabricated circuit has gain characteristics of 10 dB in the range of 12 to 29 GHz and the return loss of the output is less than 10 dB. Showed excellent properties.
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- 1999-11-29 KR KR10-1999-0053584A patent/KR100367623B1/en not_active IP Right Cessation
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