지연없이 초고속으로 대용량의 정보를 전송해야 하는 5G 이동통신 시장에서는 더 높은 주파수, 더 작은 크기 그리고 보다 경제적인 제품들이 요구된다. 이러한 조건을 충족시키기 위한 기술에는 수동소자를 고밀도 집적화 하는 기술 중 하나인 저온 동시소성 세라믹(LTCC: Low Temperature Cofired Ceramic) 기술이 있다. LTCC 기술은 섭씨 900℃ 이하에서 세라믹과 전극회로를 동시에 소성하는 공정 기술로 다수의 세라믹 시트(sheet)상에 원하는 부품의 회로패턴을 인쇄한 다음, 이들을 적층 하여 동시에 소성하는 공정으로 이루어진다. LTCC 기술은 다양한 종류의 부품이나 다기능 모듈 회로를 3차원 형태로 내장할 수 있기 때문에 소형의 경제적인 부품 개발이 가능하다. 언급한 장점을 토대로 회로의 기본 구성요소인 인덕터와 커패시터를 LTCC 다층기판에 3차원으로 모델링하여 라이브러리로 구축하고, 구축된 라이브러리를 이용하여 3.5 GHz의 5G 이동통신 주파수대역에서 활용 가능한 일립틱 대역통과 필터를 구현하고자 한다.

본 논문에서는 LTCC 다층기판에 적용 가능한 동일한 형태의 규칙적인 수동소자를 유전율 7과 40인 서로 다른 세라믹 소재를 사용하여 설계한 다음, 두 가지 공정과정인 수축 공정과 무수축 공정으로 제작하여 그 특성을 비교하고 분석하였다. 수축공정으로 제작한 유전율 7의 LTCC 제품을 분석해 보면 수평면에서 13.67 %와 수직면에서 31.76 %의 수축율을 보였으며, 무수축 공정에서는 수평면에서 0.54 %, 수직면에서 39.92 %의 수축율을 보임으로써 수축공정에 비하여 수평면 상에 인쇄되는 회로설계 패턴의 높은 수치 정밀도와 표면 평탄도를 유지한다. LTCC 공정과정을 거쳐 제작된 단위소자의 측정값을 기반으로 매개 변수에 대한 경험적 분석 방정식을 적용하여 제작된 LTCC 소자의 인덕턴스 및 커패시턴스 특성을 예측하였으며, 이를 라이브러리 형태로 구현하였다. 라이브러리를 구현하는 과정에서, 서로 다른 유전율과 공정에 따라 인덕터의 감은 횟수와 커패시터의 층수를 감안하여 인덕턴스와 커패시턴스의 변화에 대한 시뮬레이션을 수행하였고 측정값으로부터 인덕턴스와 커패시턴스를 예측할 수 있는 다항식을 제시하여 단위 소자에 대한 라이브러리를 구축하였다.

본 논문에서는 구현된 LC 라이브러리 단위소자를 활용하여 3.5 GHz 주파수 대역에서 5G 이동통신용으로 사용 가능한 고조파 억압용 일립틱 저역통과 필터와 고역통과 필터, 그리고 이러한 두 개의 필터를 결합하여 집적회로로 구성한 일립틱 대역통과 필터회로 모듈을 3D EM 시뮬레이터로 설계하고 제작하여 측정 결과를 분석하였다. 분석을 통하여 입증된 집중정수 라이브러리 소자를 이용한 초고주파 회로 설계는 사용자의 직관적인 회로 설계와 해석이 가능하기 때문에 기존의 분포정수 회로설계에서 요구되는 설계의 난이도와 회로의 크기를 많이 줄일 수 있는 장점이 있다.

제안한 라이브러리 소자에 대한 응용 설계의 타당성을 입증하기 위하여, 일립틱 대역통과 필터의 설정된 제원에 따라 설계된 회로패턴을 그린 시트(green sheet) 상에 층별로 인쇄한 후에 여러 장의 인쇄 패턴을 모아 소성하고 측면에 전극 패턴을 인쇄하여 제작한 샘플용 DUT(Device Under Test)를 벡터 네트워크 분석기(VNA: Vector Network Analyzer)를 사용하여 측정한 결과, 3.4 ~ 3.7 GHz의 통과대역 내의 삽입손실은 1.9 dB, 반사손실은 17.0 dB로 나타났다. 이는 시뮬레이션 대비 삽입손실은 최대 0.6 dB, 반사손실은 최대 3.7 dB 만큼의 차이를 보인 결과이다. 또한 DC ~ 2.8 GHz의 저지대역에서 최소 31.5 dB, 4.6 ~ 6.5 GHz인 저지대역에서는 최소 24.9 dB의 감쇄 값이 측정되어 각각 시뮬레이션 대비 1.8 dB 감소, 1.9 dB 증가하는 결과를 보였다. 이러한 차이는 LTCC 회로 제작 과정에서 나타나는 불완전한 무수축 공정과 패턴 인쇄 손실로 인하여 약 5 MHz 정도 주파수가 천이되고 전송 손실이 발생함으로써 삽입손실이 다소 커졌기 때문이며, 측정 시 연결되는 커넥터와 측정 지그(jig)용 PCB(Printed Circuit Board)에 LTCC 필터를 부착할 때에 발생하는 선로 손실도 더해진 현상으로 보인다. 동시에 제작된 여러 개의 필터 표본들의 특성은 통과대역과 삽입손실, 감쇄 정도가 거의 유사한 형태를 보임으로써 LTCC를 기반으로 제작한 필터들을 안정적으로 양산할 수 있음을 확인하였다.

결론적으로 본 연구를 통하여 초고주파 회로 설계에 필요한 단위소자인 인덕터와 커패시터에 대한 LTCC 기반의 라이브러리를 확립하고, 이들을 적층 형태의 수동소자에 적합한 구조로 라이브러리 단위소자를 구축함으로써 5G 대역용 RF 필터 모듈을 설계하고 개발하는데 유용하게 활용할 수 있다.

향후에는 기본 라이브러리 소자인 인덕터와 커패시터의 커플링 효과를 줄임으로써 기생적으로 발생하는 자기공진 현상을 최소화할 수 있는 회로 패턴 설계 기법을 고안하여 인덕터와 커패시터 라이브러리 소자들로만 구성된 필터 설계에 적용하여 더 높은 주파수에서 동작하는 소형화된 SMD(Surface Mounted Device) 타입의 필터 모듈을 구현하고자 한다.

Higher frequencies, smaller sizes, and lower cost products are required in the 5G mobile communication market, which need to transmit large amount of information at ultra-high speeds without delay. One of the techniques for integrating passive devices is low-temperature co-fired ceramic (LTCC) technology to meet these conditions. LTCC technology is a material processing technology capable of firing ceramics and electrode circuits at the same time under 900 degrees Celsius. The process consists of printing circuit patterns of desired components on a plurality of ceramic sheets, then laminating and firing them at the same time.

This technology enables the development of small and economical parts due to various types of elements and/or multifunctional module circuits that can be embedded in a three-dimensional structure. Based on the advantages mentioned, the basic components of the circuit, such as inductors and capacitors, are modeled on the LTCC multilayer board in 3D and built as a library. Using the built library, an elliptic bandpass filter that can be used in the 5G mobile communication frequency band of 3.5 GHz, can be designed and implemented.

In this paper, regular passive elements, applicable to the LTCC multilayer substrate, are designed using two different ceramic materials with dielectric constants of 7 and 40. These materials are then manufactured through two processes; a shrinkage process and a non-shrinkage process to determine its characteristics that are then compared and analyzed. When analyzing LTCC products with a permittivity of 7 manufactured by the shrinkage process, the results showed a shrinkage of about 13.67 % in the horizontal plane and 31.76 % in the vertical plane. In the non-shrinkage process, the results showed a shrinkage of 0.54 % in the horizontal plane and 39.92 % in the vertical plane. Comparing the processes, printed circuit on a horizontal plane maintains a high numerical precision and surface flatness of design patterns. Based on the measured values of the unit devices manufactured through the process, the inductance and capacitance characteristics of the LTCC devices to be manufactured were predicted by applying the empirical analysis equation for the parameters and were implemented in the format of a library. In the process of implementing the library, simulation was performed on the change of inductance and capacitance by taking into account the number of turns of the inductor and the number of layers of the capacitor according to different dielectric constants and processes. As a result, a polynomial that can predict the inductance and capacitance from the measured values is formulated along with the construction of the libraries for the unit devices.

In this paper, using the implemented LC library unit element, an elliptic low-pass filter and high-pass filter for harmonic suppression that can be used for 5G mobile communication in the 3.5 GHz frequency band are simulated, and these two filters are combined to construct an integrated circuit. The elliptic bandpass filter circuit module was designed as a 3D simulator and manufactured to compare the measurement results. The design of ultra-high frequency circuits using library devices, identified through analysis, has the advantage of reducing the design difficulty and time required for the conventional distributed circuit design because it enables intuitive circuit design and analysis by the user.

In order to prove the validity of the application design for the proposed library element, a circuit pattern is designed according to the specifications of the elliptic bandpass filter and is then printed layer by layer on the green sheet. Several printed patterns are collected and fired, and an electrode pattern is placed on the side. The result of measuring the printed DUT (Device Under Test) sample using a VNA in the passband of 3.4 ~ 3.7 GHz, show the insertion loss of 1.9 dB with 0.6 dB difference from the simulation, and the return loss of 17.0 dB with 3.7 dB difference from the simulation. In addition, the attenuation is at least 31.5 dB by about 1.8 dB decrease in the stop band of DC ~ 2.8 GHz, and the attenuation is 24.9 dB by 1.9 dB increase in the stopband of 4.6 ~ 6.5 GHz. This difference is due to the incomplete non- shrinkage process and pattern printing loss occurring in the LTCC circuit manufacturing process, resulting in a frequency shift of about 5 MHz and transmission loss, which increases the insertion loss characteristics. When connecting the LTCC filter to the measurement jig and the PCB, the connector and PCB line losses appear to be added. The characteristics of several filter samples produced at the same time show similar performance of the passband, insertion loss, and attenuation, confirming that filters based on LTCC can be reliably mass produced.

As a result, through this study, we established an LTCC-based library for inductors and capacitors, which are unit devices necessary for ultra-high frequency circuit design, and built a library unit device with a structure suitable for stacked passive devices, thereby created an RF filter module for the 5G band that can be used for design and development.

In the future, by reducing the coupling effect of inductor and capacitor, which are basic library devices, a circuit pattern design technique that can minimize parasitic self-resonance phenomenon will be prepared. Based on the devised method, we intend to implement a more compact SMD type filter module operating at higher frequencies by applying it to a filter design composed of only inductor and capacitor libraries.