미니서킷, LTCC 어드밴스드 필터와 mmWave 5G의 만남

[미니서킷(Mini-Circuits)] 저온동시소성세라믹(Low Temperature Co-fired Ceramic, LTCC) 기술은 도전성 금속을 저온에서 소결 가능한 세라믹스와 동시에 소성해, 내부에 금속배선을 형성한 세라믹을 제조하는 기술이다.

미니서킷은 LTCC 기술 개발을 위해 많은 노력을 기울이고 있다. 미니서킷은 소재와 제조공정, 시뮬레이션, 테스트, 토폴로지(Topology) 등에 대한 연구를 통해 밀리미터 웨이브를 지원하는 LTCC 기반의 새로운 필터를 개발하는데 성공했다. 미니서킷이 개발한 필터는 5G FR2 n257, n258, n260, n261 밴드의 밴드패스필터가 있으며 로우패스필터 (Low-pass filter, LPF)는 DC 부터 30GHz 그 이상의 대역폭을 지원하며 하이패스필터(High-pass filter, HPF)는 36GHz 이상의 패스밴드 컷오프를 지원한다.

미니서킷은 R&D를 통해 혁신적인 LTCC 기반의 필터 개발에 성공했다. 기존의 LTCC 필터는 10GHz로 제한되어 있었지만 미니서킷의 재료과학과 회로, 토폴로지, 제조공정 등의 혁신을 결합해 LTCC 기판의 RF 구성요소에 대한 가능성을 완전히 재정의하는데 성공했다. 이를 통해 미니서킷은 광범위한 밀리미터파(mmWave) LTCC 포트폴리오를 제공할 역량을 갖추게 됐으며, 고주파 애플리케이션에서 작업하는 시스템 설계자에게 많은 이점을 제공하게 됐다.

LTCC 기술의 이점

최근 표면 실장 mmWave필터는 알루미나 기술의 박막을 사용해 설계를 한다. 박막은 원하는 통과대역에서 우수한 성능을 보이지만 LTCC 보다 크기가 훨씬 크고 비용이 높다. 알루미나 필터의 일반적인 박막은 ¼인치 풋프린트 사이즈(10mm)이며 수동소자회로(Discrete Function)를 위해 기판 공간을 크게 만들 수밖에 없다. 박막필터는 일반적으로 환경에 민감하므로 5G 스몰셀 아키텍쳐에서 흔히 볼 수 있는 다채널화된 기판 레이아웃에 조립되면 이조(Detuning) 등의 취약성을 보인다.

이에 반해 LTCC 필터는 환경적 요인으로 인한 성능 편차 없이 크기가 매우 작고 비용이 저렴하며 견고하다. 미니서킷의 LTCC 기술은 필터내부의 독점적인 내부 차폐구조를 가지고 있어 추가 차폐 없이 조립 후 필터의 이조를 방지한다.

또한 미니서킷의 LTCC 필터는 분산 필터 토폴로지(Distributed Filter Topology)와 함께 독점적인 전도성 페이스트를 사용하여 박막공정에 필적하는 반복성을 제공한다.

최근까지 LTCC의 이점은 오직 10GHz 미만인 저주파 애플리케이션에 제한되어 왔다. 이러한 인식은 여전히 시장에 남아 있고 mmWave 시스템을 위한 표면실장 필터로는 충족되지 않은 요구가 남아 있다.

미니서킷은 혁신을 통해서 이러한 요구를 해결했다. 미니서킷의 첫번째 설계팀은 더 매끄러운 표면기판을 구현하는 소재 개발에 성공해 고주파에서 손실과 불규칙한 임피던스 전환을 줄였다. 

LTCC 기판에 전도체를 인쇄하는데 사용하는 포토리소그래픽(Photolithographic) 공정은 기존 스크린 인쇄 기술보다 훨씬 더 타이트한 톨러런스(Tolerances)를 제공한다. 이것으로 더 작은 치수로 LTCC 기판에서 더 미세하고 복잡한 구조를 가능하게 한다. 이러한 LTCC 재료 향상은 상대 유전율을 증가시키고 손실 탄젠트(Tangent)를 감소시킨다.

또한 미니서킷은 높은 주파수에서 성능을 달성하고 이조(Detuning)를 방지하는데 도움이 되는 독점적인 케이스 스타일을 개발에 성공했다. 패키지 필터는 주파수 변동에 따른 전환 불연속성을 최소화하는 표준 동일평면 발사 방식(Coplanar launches)을지원한다. 이러한 발전을 통해 LTCC는 성능적인 면에서 알루미나 기판기술과 경쟁할 수 있게 되었으며 크기, 비용면에서 뚜렷한 이점을 제공한다. 미니서킷의 mmWave 5G 통과대역 및 LPF에 대한 표면실장(SMT) 패키징 옵션은 그림 1에서 확인할 수 있다.

미니서킷의 mmWave LTCC 필터

미니서킷은 5G FR2대역폭을 지원하는 mmWave 통과대역에 대한 수요를 기반으로 필터 포트폴리오를 개발했으며, 표1은 현재의 라인업이다.

BFHK-2802+ Bandpass필터에 대한 S21 주파수 응답은 그림2의 왼쪽에 나와 있다. 이 모델은 5G n257 대역에 이상적이다. BFHK-2582+ 밴드패스 필터의 S21주파수 응답은 그림2의 오른쪽에 나와 있다. 이 모델은 5G n258 밴드패스 필터로 설계됐다. BFHK 시리즈 모델은 Pick-and-Place Assembly 표준 형식인 1812(4.5x3.2mm) 폼팩터다.

BFCQ 시리즈의 밴드패스 필터는 BFHK 와 비슷한 mmWave 성능을 구현한다. 그러나 더 작은 1008 Package(2.5x2.0mm) 이며, BFCQ-3582+ Bandpass 필터 S21 주파수 응답은 그림 3에 나와 있다. 패스밴드에서 <2 dB 이하의 삽입손실(Insertion loss) 값을 보여주고 있으며 5G n260 Band 에 이상적이다.

로우 패스 필터

미니서킷은 밀리미터까지도 확장되는LPF개발에 성공했다. mmWave 밴드패스 필터는 일반적으로 주파수 조정 애플리케이션에 초점을 맞추지만, LPF는 광대역 시스템에 사용할 수가 있다.

그림4는 LPF 제품군 중 5개 필터의 S21 주파수 응답을 보여준다. 각 LPF 통과대역 Low는 정의에 따른 DC다.

미니서킷의 LTCC SIW 필터

필터모델의 성능 개선은 재료, 회로, 제조공정 등 혁신의 조합으로 가능했으며, 성능 개선에 중요한 역할을 한 것은 분산회로 토폴로지(Topology) 구현이다. 평면 토폴로지를 사용해 위에서 설명한 모델에서 달성한 성능에 더해, 미니서킷은 LTCC 기판에서 Substrate Integrated Waveguide (SIW) 필터를 개발한 업계 최초의 회사다.

이러한 구조는mmWave 주파수에서 좁은 통과대역의 주파수응답 결과를 도출해 냈다. 10% 이하의 상대적(Fractional) 대역폭이 2dB 미만의 삽입손실로 밀리미터 주파수에서 달성될 수 있다. 이 특성을 통해서 주파수 스펙트롬의 혼잡한 영역에서 고도로 표적화된 밴드패스용 필터 개발이 가능하다.

BFCV-2852+ 는 LTCC 의 SIW 토폴리지를 기반으로 하는 mmWave 밴드패스 필터이다. 주파수에 대한 S21 Plot 은 그림 5의 왼쪽에 표시된다. 오른쪽 Plot 은 <2 dB 의 통과대역에서 삽입손실을 보여주는 통과대역의 S21 주파수 응답에 대한 표시다. 이 LTCC 필터 성능은 저렴한 초소형 2110 SMT 패키지로 제작된다.

미니서킷 필터 애플리케이션

밀리미터파 5G, 백홀(Backhaul) 및 밀리터리(Military) 애플리케이션의 경우 미니서킷의 LTCC 필터는 공간, 비용 및 성능에 대해서 제약이 있는 곳에 사용할 수 있는 솔루션이다.

예를 들어 그림6는 밀리미터파 송수신기 장치를 지원하는 소형 2x2 안테나 어레이다. 표시된 애플리케이션은 송신 및 수신 주파수 대역이 동일한 전이중(Half-Duplex)이다.

이러한 유형의 애플리케이션에서 필터의 삽입손실은 송수신기 전체의 NF (Noise Figure) 및 링크 설계(Link Budget)에 직접적인 영향을 미친다는 점에 유의해야 한다. 패키징은 이 애플리케이션의 해결 과제다.

안테나 어레이는 송수신기로 이동하기 전에 너무 많은 공간을 차지 하지 않으면서 작은 필터뱅크에 인터페이스해야 한다. 어레이 크기가 증가함에 따라 이 문제는 기하급수적으로 어려워진다. 또는 2x2 어레이가 서로 다른 주파수대역에서 작동하는 송신 및 수신채널과 함께 양방향 작동을 요구하는 경우 이 예는 훨씬 더 복잡하고 어려운 필터링 문제가 된다.   

이러한 이유로 미니서킷의 LTCC 설계가 절연 성능을 저하시키지 않고 채널화할 수 있는 작고 컴팩트한 사이즈(Footprint)필터로 제공되는 이유다. 어레이 크기가 수천 개의 요소로 구성이 될 수 있는 군용 위상 어레이 레이더 애플리케이션의 경우 밴드패스 필터와 LPF는 성능 저하 없이 저비용 및 작은 설치 공간 솔루션을 제공할 수 있다.

이와 동일한 이점이 대규모 MIMO 안테나 어레이와 송수신기 IC 사이에 필터가 필요한 5G 소형 셀 아키텍처에 적용되어 성능저하 없이 전체 보드 크기를 줄일 수 있다.