[테크월드=김경한 기자] 필터 합성과 시뮬레이션 소프트웨어의 이론과 최첨단 기술 성숙도를 감안했더라도 밀리미터웨이브(mmWave) 필터 설계 시뮬레이션 결과는 여전히 주의를 기울일 필요가 있다. 가장 중요한 설계 과제 중 하나는 시뮬레이션과 실제 설계 간의 시기적절한 합의를 확보하는 것이다. 사용 중인 기술에 따라 설계자가 원하는 성능을 만족시키기 전에 다양한 설계·제조를 위한 개선된 샘플을 제작하기 위해 계속 반복 순환시키는 것은 드문 일이 아니다.
이 프로세스는 설계주기에 상당한 시간과 비용을 추가하고 수익창출 시간에 직접적인 영향을 준다. 밀리미터웨이브 제품 개발의 또 다른 주요 과제는 40GHz 이상의 주파수에서 비용 효율적인 고성능 표면실장 패키징을 확보하는 방법이 밀리미터웨이브 기술 상용화의 주요 장애물로 작용한다는 데 있다.
소개
미니서킷(Mini-Circuits)은 수백 개의 테스트 구조, 광범위한 재료의 특성화, 모델링과 함께 새로운 다중 물리 설계 워크 플로우, 독점 알고리즘을 결합시켜 최대 50GHz의 LTCC 구성품을 개발하는 데 성공했다.
또한 미니서킷은 최대 55GHz의 뛰어난 전기적 성능을 보여주는 LTCC와 유기기판 재료 모두를 사용하는 표면 실장 패키지 기술을 개발해 시장을 선도하고 있다.
기술 혁신의 결과로 미니서킷의 광범위한 LTCC 제품 포트폴리오는 고객에게 다음과 같은 이점을 제공한다.
- 사이즈 축소와 비용절감: 밀리미터웨이브 주파수 범위에서 비용 효율적인 최고 솔루션을 구현한다.
ㅇ 기존 0.12 X 0.06"이었던 부품 치수는 0.02 X 0.02"까지 감소됐다.
- 더 작은 크기에도 우수한 RF 성능을 발휘한다.
ㅇ 초고주파 저지필터 구현
- 고객에게 필요한 맞춤형 구성 시스템으로 시장 출시기간 단축이 가능하다.
ㅇ 기존 단일 스핀구현에만 4개월 소요
고급 시뮬레이션과 모델링
미니서킷에서 사용하는 고급 성능 모델링 기술을 사용하면 최대 50GHz의 LTCC 부품을 성공적으로 설계할 수 있지만 상용시장은 일반적으로 10 GHz 미만이다. 미니서킷에서 사용하는 다중 물리 시뮬레이션 작업 프로세스는 EM, 구조, 열 시뮬레이터를 통합하고, 각 시뮬레이터는 실제 물리적 효과를 설명하기 위해 다른 시뮬레이터의 결과를 고려하고 있다.
일반적으로 미니서킷은 제조 전에 패시브 장치의 RF 성능을 예측하기 위해 두 가지 시뮬레이션 기법을 결합하고 있다. 각각은 장단점을 가지고 있다.
모멘트 방법(MoM) 기법은 구조물 내에서 전도성 금속화를 결합하는 방식으로 동작한다. 이 방법은 동작 수행과 반복이 빠르지만 대부분 2D 표면으로 제한되며, 기판이 공간에서 무한히 확장된다고 가정하므로 실제 기판이 절단된 3D 모델은 제공할 수 없다.
FEM(Finite Element Method) 시뮬레이션은 볼륨절단이 가능한 진정한 3D 모델을 제공한다. 이 방법은 도체가 아닌 기판 구조를 결합하는 방식으로 동작한다. FEM 시뮬레이션은 기판을 통한 커플 링과 기생 효과뿐만 아니라 3D 구조 절단 효과를 더 잘 포착할 수 있으며, 이런 전체 효과는 MoM에는 없다. 단점은 FEM 시뮬레이션이 일반적으로 구현 속도가 느리다는 점이다.
FEM 접근 방식은 신호가 단일 구조를 통해 3D 방식으로 이동하는 LTCC 필터에 대해 더 정확하다. 구조의 특성이 이상적으로 균일한 것이다. 그러나 실제로 LTCC 구조는 분산·비등방성 동작을 가진 세라믹·전도성 소재가 여러 층으로 구성돼 있다. 따라서 이러한 특성을 가진 구조물을 통과하는 신호의 비선형 동작을 설명하기 위해서는 재료의 진정한 3D 특성화가 필요하다.
이 두 가지 접근 방식은 강력하지만 과거에는 시뮬레이션과 실제 측정 간의 근접한 일치를 이룰 수 없었으며, 계속해서 여러 설계 스핀이 요구됐다. 이런 한계로 장치의 실제 성능 기여도에 대한 재료의 구조를 보다 깊이 이해할 필요가 있었다.
미니서킷은 LTCC 제품에 사용되는 기판과 전도성 요소의 재료 특성을 밀리미터파 범위까지 광범위하게 특성화했으며 이 노하우를 다중 물리 시뮬레이션 작업 프로세스에 통합했다.
시뮬레이션과 측정의 예
[그림 3]은 LTCC 대역 통과 필터의 표준 시뮬레이션 모델, 미니서킷의 고급 재료 시뮬레이션 모델과 실제 측정 성능에 대한 S21 플롯을 보여준다. 분홍색 플롯은 새로운 시뮬레이션으로 모델링 된 미지의 재료에 대한 결과를 나타낸다. 이 시뮬레이션과 측정된 성능 간의 차이를 보여준다.
빨간색 선은 미니서킷의 모든 재료의 특성화와 모델링을 통합한 새로운 시뮬레이션 워크 플로우를 나타낸다. 이 시뮬레이션은 전체 측정 범위에 걸쳐 측정된 필터 성능을 매우 가깝게 구현하고 있다.
[그림 4]는 미니서킷의 고급 시뮬레이션 결과와 다른 LTCC 대역 통과 필터 모델에 대해 측정된 성능 간의 비교 결과를 추가로 보여준다. S21과 S11이 모두 표시돼 두 파라미터에 대한 매우 정확한 시뮬레이션 결과를 보여준다. 이것은 시 양산된 제품의 측정결과와 시뮬레이션 결과가 근접하게 일치하고 있음을 보여주고 있다.
위에 설명된 비교검증 결과는 집중 토폴로지를 사용하는 LTCC 필터 설계에 대해 제시됐지만, 동일한 접근 방식은 [그림 5]에 표시된 분산필터 설계와 같은 탐색필터 기술에 폭넓게 적용할 수 있다.
최근 더 높은 주파수와 더 높은 주파수의 애플리케이션으로의 전환으로 이런 분산 필터 토폴로지에 대한 연구가 필요했다. 미니서킷은 연구문헌에서의 많은 개념을 참조해 사양에 따라 임의의 분산 필터 토폴로지를 합성할 수 있는 자체 알고리즘을 만들었다. 또한 전체 3D 모델에서 시뮬레이션된 S-파라미터와 최적화된 치수를 생성할 수 있는 최적화 도구를 개발했다.
결 론
설계 워크플로우의 단일 패스 성공은 오랫동안 궁극적인 목표로 여겨져 왔다.
LTCC 기술의 물리적으로 복잡한 특성으로 인해 첫 번째 시도에서 시뮬레이션과 설계 작업 간의 합의를 확보하는 것이 특히 어렵다. 고급 설계 도구, 독점 알고리즘, 새로운 설계 워크플로우와 함께 광범위한 재료 특성화, 모델링을 사용함으로써, 당사의 시뮬레이션은 LTCC 설계에서 일관되게 첫 번째 개발·양산에서의 성공을 확보할 수 있을 정도로 성능에 대한 실제 효과를 입증했다.
이 분야의 역량은 표준·맞춤형 부품을 가속화해 고객의 출시시간을 단축하는 데 도움이 됐다. 또한 이런 혁신을 통해 기존 LTCC 필터의 설계를 개선하고 크기를 줄이며, 설계 중에 발생하는 거부반응을 개선할 수 있었다. 이 기사에 제시된 설계 기능은 고주파 패키징 솔루션의 다른 기술과 혁신으로 지속 확장하고 있다.
저자: 아론 바이즈맨(Aaron Vaisman), 캐밀로 고메즈듀어트(Camilo Gomez-Duarte) / 미니서킷(Mini-Circuits) LTCC 설계그룹
공저: 토마스조이스(Thomas Joyce) 한국·일본지사장 / 미니서킷
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