Transmit-receive Module for Ka-band Seekers using Multi-layered Liquid Crystal Polymer Substrates

다층 액정폴리머 기판을 이용한 Ka대역 탐색기용 송수신 모듈

Abstract

In this paper, the transmit-receive module for military seekers has been designed and fabricated in 35 GHz. To increase the performance of substrates and high integration of circuits in millimeter-wave band, a 4-layer LCP(Liquid Crystal Polymer) substrate was developed. This substrate was implemented with three FCCL substrates and two adhesive layers, and a process using the difference in melting point between the substrates was used for lamination. Using a strip line and a microstrip line was confirmed by the transmission loss along the length of the substrate, and the performance of LCP substrates was validated with a power divider in 35 GHz. After confirming the performance of individual blocks such as power amplifier and low noise amplifier, a single channel Ka-band transmission/reception module was developed using a 4-layer liquid crystal polymer substrate. The transmit power of this module has above 1.1W in pulse duty 10% and has an output power of 1.1W and it has receive noise figure less than 8.5 dB and receive gain more than 17.6 dB.

본 논문에서는 35 GHz 대역의 군 탐색기용 송수신 모듈을 설계 및 제작하였다. 밀리미터파 대역의 기판 성능과 집적도를 높이기 위해, 4층 액정 폴리머 기판을 개발하였다. 4층 액정 폴리머 기판은 3장의 FCCL 기판과 2장의 접착층으로 구현되었으며, 적층을 위해 기판간의 녹는 점 차이를 이용한 공정을 이용하였다. 스트립선로와 마이크로스트립 선로를 이용하여 기판의 길이에 따른 전송손실을 확인하였고, 35 GHz 대역의 전력분배기를 통해 액정폴리머 기판의 성능을 검증하였다. 이러한 기판을 이용하여 전력증폭기와 저잡음증폭기와 같은 송수신모듈을 구성하는 개별 블록에 대한 성능을 확인한 후, 단일 채널 Ka대역 송수신모듈을 4층 액정 폴리머 기판을 이용하여 개발하였다. 제작한 송수신모듈의 송신출력은 펄스 Duty 10%에서 1.1W 이상, 수신 잡음지수는 8.5 dB 이하, 수신 이득은 17.6 dB 이상의 수신 특성을 갖는다.

Ⅰ. 서론

밀리미터파 대역은 주로 근거리 무선통신, 차량용 레이다와 기상관측 레이다로 주로 활용되고 있으며, 최근 밀리미터파를 사용하는 5G 통신 서비스의 출현으로, 이를 지원하기 위한 패키지와 기판 기술^[1][2], 안테나 등에 대한 관심이 높아지고 있다^[3].

전자회로 구현을 위해 기존에 가장 많이 사용되는 FR-4 기판은 4층 이상의 적층이 쉽고, 저렴하지만, 10 GHz 이상의 주파수 대역에서는 손실이 커져 사용이 불가능하다. LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramics)는 낮은 전기저항과 열팽창계수와 같은 우수한 전자기적 물성과 내환경성 등의 장점으로 전자부품 외에도 광학부품, 우주항공용으로도 활용되지만, 낮은 강도와 수축률에 따른 정밀도 저하, 대량생산의 어려움 등의 문제로 널리 사용되진 못하고 있다. 밀리미터파 대역에서 가장 많이 사용되는 Teflon 계열은 성능은 우수하나, 적층공정의 한계와 가격이 비싼 단점이 있다. 최근 FPCB에 많이 적용되는 PI(Polyimide)는 표면경도와 굽힘 강도, 내열특성이 우수하고, 대량생산이 가능한 장점으로 휴대단말기의 신호선과 방열시트에 이용되고 있다.

그러나, 밀리미터파 대역에서 PI는 유전 손실 탄젠트값의 증가로 전송손실이 증가하고, 흡습률이 높아 습기에 의한 특성 저하와 공정상의 문제가 발생할 수 있다. 특히, 군 레이다 및 통신기기에서 TRM의 특성변화는 오작동과 불량의 위험성이 있으며, 장기 저장 시 외부 온·습도의 변화에 기판의 편이가 발생하는 문제가 있어서, 내흡습성/내열성 등의 내구성이 필요하고, 이에 대한 대안으로 LCP는 차세대 기판으로 중요성이 높아지고 있다.

LCP기판은 애플사에서 아이폰8에 LCP 안테나를 적용하면서 관심이 높아졌다. LCP는 열팽창 계수(CTE)가 17ppm/℃로 Cu의 열팽창 계수와 거의 동일하여 공정 진행 시 변형이 잘 안되고, 치수 안정성이 0.05% 이하로 타 재료에 비해 안정적이다. 또한, 1 MHz대역에서의 LCP 유전율과 손실 탄젠트는 3.27과 0.0193으로 PI에 비해 살짝 높지만, 1 GHz 대역에서는 2.98 과 0.0022로 PI에 비해 낮아진다. 주파수가 올라갈수록 PI의 유전율과 손실이 약간씩 증가하는 것에 비해, LCP는 감소하여 10 GHz 에서는 2.85와 0.0019로 그 차이가 더 벌어진다^[4]. 이러한 저손실 특성은 100 GHz 대역까지도 유지되며, 별도의 접착층이 없이 LCP만으로 적층이 가능하여 PI에 비해 밀리미터파대역 기판으로 활용하기 더 적합하다^[5]. 또한 내투습성이 우수하여 테라헤르츠 대역과 medical 분야에도 많이 적용되고 있다^[6][7].

그러나, 일반적인 PCB의 재료는 200℃ 이내에서 성형이 가능하지만, LCP 는 300℃ 정도의 고온 성형이 필요하기 때문에 온도, 력 등의 적층공정 조건설정이 까다롭고, LCP의 소수성 특성으로, 도금 전처리 및 도금 조건 등의 공정 조건 설정에도 어려움이 있다.

본 논문에서는 Ka대역에서 TRM을 구현하기 위해 3개의 LCP FCCL과 2개의 LCP 접착층을 이용하여 4층기판을 개발하였다. 또한, TRM 개발을 위해 고려해야할 링크 버짓 및 설계 검토사항을 제시하였고, 모듈을 구성하는 개별 구성소자들의 측정 결과를 제시하였다. 이러한 개별 소자를 결합하여, 35 GHz 대역의 군탐색기에 적용 가능한 송수신 모듈을 설계 및 제작하였다.

Ⅱ. LCP 기판 성능 검증

4층 LCP 기판을 통해 이용할 수 있는 전송선로는 가장 윗면에 있는 1층을 신호선으로 하고, 2층을 그라운면으로 하는 마이크로스트립 선로와 LCP 내부의 2층이나 3층을 신호선으로 하고, 위아래의 층을 그라운드면으로 하는 스트립 선로가 있다. 이러한 전송선로의 성능을 검증하기 위해 10 mm 길이를 갖는 선로 2종을 설계하여 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션에 사용된 기판 정보는 유전율 2.9와 손실 탄젠트 0.002이며, 이를 기반으로 제작하여, 프로브 스테이션을 통해 측정했고, 시뮬레이션 결과와 비교하여 보았다.

그림 1은 50㎛ 두께의 LCP기판 1장을 이용하여 구현한 마이크로스트립 선로와 50㎛ LCP 기판 2장을 이용하여, 그 중심에 스트립 선로를 구현한 시뮬레이션과 측정결과를 비교하고 있다. 마이크로스트립의 50옴 선로폭은 100 ㎛를 사용하였고, 시뮬레이션에서는 35 GHz에서 –0.42 dB의 삽입손실이 나타났지만, 측정치는 약 –1.0 dB 수준으로 측정되었다. 스트립 선로의 경우에는 50옴 선로폭은 50 ㎛였으며, 시뮬레이션에서는 35 GHz에서 –1.0 dB의 삽입손실이 나타났고, 측정치에서는 약 –1.19 dB로 측정되었다.

그림 1. 전송선로에 따른 삽입손실 비교

Fig. 1. Comparison of insertion losses according to transmission lines

그림 2는 LCP 기판의 마이크로스트립선로를 이용하여 윌킨슨 전력분배기를 구현한 사진이다. 50 ㎛ LCP 기판을 이용하였고, 성능 측정을 위해 back-to-back 구조로 구현하여 프로브스테이션에서 2-port 측정을 수행하였다. 전체 길이는 5 mm 이고, 시뮬레이션결과로 S21이 35 GHz에서 –0.42로 나타났고, 측정에서는 –0.33 dB로 나타났으며, 시뮬레이션과 측정치가 매우 유사함을 확인하였다.

그림 2. 윌킨슨 전력분배기의 시뮬레이션과 측정결과 비교

Fig. 2. Comparison of simulation and measurement results of Wilkinson poer divider

LP는 열을 가했을 때 녹고, 온도를 낮추면 고체상태로 돌아오는 열가소성 물질이기 때문에, 고온 적층 프레스나 고온 리플로우를 진행할 때 재료가 부드러워져서, 배선층과 패턴 형상에 뒤틀림과 어긋나는 현상이 날 수 있다. 적층을 하기위해 기본 LCP기판과 접착층으로 사용되는 LCP기판의 녹는 온도의 차이와 압력을 이용하게 되며, 이러한 공정으로 Through via-hole 뿐만 아니라 내부 기판의 전극 선로만을 연결하는 Buried via-hole 작업도 가능하다.

그림 3은 4층 LCP 기판을 형성하기 위한 적층 정보를 보여주고 있다. 3장의 FCCL LCP 기판과 2장의 Adhesive LCP 기판이 사용되며, Adhesive LCP기판의 녹는 점은 280도로 FCCL LCP보다 낮다.

그림 3. 4층 LCP 기판의 구성 및 두께 정보

Fig. 3. Configuration and thickness of 4-layer LCP substrate

그림 4는 4층 LCP기판을 제작한 단편 사진을 보여주고 있다. 높이를 측정한 결과 233.3 ㎛의 높이를 갖는 것으로 나타났다. 이렇게 형성된 4층 LCP 기판을 이용하여 TRM을 제작하기 위해 그림 4와 같이 레이어별로 기능을 할당하여 설계하였다. 1층은 기본적인 RF 전송선로로 이용되고, 2층은 RF 접지층으로, 1층의 마이크로스트립선로는 기판 두께 50㎛로 설계된다. 3층은 전원/제어를 위한 배선층으로 이용되고, RF 선로로 활용할 경우 위와 아래에 50㎛의 LCP 유전체가 있는 스트립 선로로 설계된다. 4층은 공통 접지층이다.

그림 4. 4층 LCP기판 구현 사진 및 층별 기능

Fig. 4. Photograph of fabricated 4-layer LCP substrate and layer function

4층 LCP 기판 구성과 함께 40㎛ 이하의 미세패턴 구현을 위한 연구를 진행하였다. 회로가 형성되는 동박층과 Dry Film의 밀착력을 높이기 위해서, 전처리 공정 조건, Dry Film 현상액과 현상 속도 등 현상 조건 최적화하였고, 이를 적용하여 40/50㎛의 회로 폭/간격을 구현하였고, Etching을 통해 얻어진 회로 폭/간격과 Etching Factor를 측정하였다. 회로 선폭은 35 ~ 40㎛의 분포를 보였고, Etching Factor는 계산식에 측정값을 대입한 결과, 3.16을 달성하였다.

그림 5. 미세패턴 구현 및 Etch factor 측정치

Fig. 5. Fine pattern implementation and etch factor measurement

Ⅲ. TRM 설계 및 제작

레이다 기술이 수동배열에서 능동배열 형태로 발전하면서, 송신부 기술도 TWTA(Traeling Wave Tube Amplifiers)와 마그네트론을 이용하는 단일 송신기에서, 위상과 이득을 변화시킬 수 있는 SSPA(Solid State Power Amp)나 TRM을 수십 개에서 수천 개를 배열하여 공간 합성을 통해 높은 출력 전력을 얻는 형태로 발전하고 있다^[8].

TRM의 송신부는 구동증폭기와 전력증폭기로 구성되고, 수신부는 높은 전력의 유입에 따른 수신회로 보호를 위한 Limiter와 저잡음 증폭기로 구성된다. 써큘레이터는 TRM 내부의 송수신 경로를 분기하여 안테나와 연결시켜주는 역할을 한다. 빔포밍을 위해 송수신 신호의 위상과 이득을 제어하는 Core chip은 위상천이기, 감쇄기, 스위치 등의 회로가 단일 칩으로 송수신 공통 경로에 구성된다.

그림 6은 35 GHz 탐색기에 적용하기 위한 단일채널 TRM의 구성도과 송수신 링크버짓을 보여주고 있다. 빔포밍을 위해 필요한 위상제어는 Ka대역에서 동작하는 core chip을 사용하였고, 위상과 이득 제어는 각각 5 bit로 조절된다.

그림 6. 단일채널 TRM 구성도 및 송수신 링크버짓

Fig. 6. 1-channel TRM configuration and transmitter/receiver link budget

링크버짓을 살펴보면, 송신부는 최종 출력 30 dBm을 내기 위해, 20 dB의 이득과 22 dBm의 Psat을 갖는 중전력증폭기 소자를 사용하였고, 최종 전력증폭기는 2W급의 15 dB의 전력이득을 갖는 전력증폭기 소자를 사용하였다. 수신부는 수신이득 20 dB이상과 9 dB 보다 작은 잡음지수를 얻기 위해, 써큘레이터의 손실을 2 dB로 설정하고, 순간적인 고출력 전력으로부터 회로를 보호하기 위해, 1W급의 1 dB 손실을 갖는 리미터를 수신단 맨 앞에 배치하였다. 이러한 이득이 없는 써큘레이터와 리미터의 손실은 시스템 잡음지수를 올리게 되므로, 잡음지수를 낮추기 위해 저잡음 증폭기는 2.1 dB의 잡음지수와 19 dB의 이득을 갖는 소자를 사용하였고, 다음 구동 증폭기와의 사이에 감쇄기를 배치하여 증폭회로의 안정성을 확보하였다.

TRM을 제작하기 전에 제일 중요한 전력 증폭기와 저잡음 증폭기의 성능 검증을 위해 개별 모듈을 제작하여 측정하였다. 그림 7은 2W급 전력증폭기의 테스트 지그 사진과 측정결과를 보여주고 있다. 신호발생기에서 펄스폭 4 μs와 PRF 40 μs, +15 dBm의 출력레벨로 설정하여 전력증폭기에 입력한 후, 첨두 전력계로 최대출력 전력을 측정하였으며 최대전력은 31.73 dBm, 평균전력은 31.18 dBm으로 측정되었다. 또한, 소신호 특성은 네트워크분석기를 이용하여 측정한 결과, 소신호 이득은 34.5 ~ 35.5 GHz 대역에서 18 dB 이상으로 측정되었.

그림 7. 전력증폭기 테스트보드 및 소신호 주파수 응답특성

Fig. 7. Power amplifier test board and small signal freqeuncy responses

그림 8은 저잡음 증폭기의 테스트 지그 사진과 측정결과를 보여주고 있다. 저잡음 증폭기의 잡음지수와 이득을 측정하기 위해 로컬 주파수가 30 GHz인 주파수 혼합기를 이용하여 주파수를 하향 변환 후 잡음지수 분석기로 측정하였다. 측정결과, 잡음지수는 34.5 ~ 35.5 GHz에서 최대 3.2 dB 이며, 이득은 15 dB 이상을 갖는 것으로 측정되었다. 이외에도 TRM을 구성하는 SPDT 스위치, 리미터, 구동증폭기 등을 별도로 제작하여, 개별 성능을 측정하였으며, 데이터시트에서 제공되는 성능에서 크게 벗어나지 않으며 본 TRM 단위의 목표 성능을 충족할 수 있음을 확인하였다.

그림 8. 저잡음증폭기 테스트 보드 및 잡음지수 측정결과

Fig. 8. Low noise amplifier test board and measured noise figure

개별 부품의 성능을 확인한 후, 그림 9와 같이 TRM 제작을 위한 도면을 작성하였다. 추후 채널 확장을 위한 간격확보와 컨트롤 IC 활용도를 높이기 위해 2채널 모델로 제작하였고, 2채널 모델의 크기는 54 mm × 33 mm × 7 mm이다. TRM의 기구물은 몸체와 내부벽, 외부덮개, 전력증폭기 캐리어로 구성된다. 몸체, 내부벽, 외부덮개 재질은 알루미늄이며, RF 커넥터 및 기판 조립 공정을 위해 표면 후처리는 금도금으로 진행하였다. 전력증폭기 캐리어는 MMIC 발열에 따른 온도 상승을 억제하기 위해 열전도성, 열팽창계수 특성이 우수한 텅스텐 구리합금으로 제작하였다. 소형화 및 신호 간섭 등을 막기 위해 TRM은 송수신 RF부 회로만 포함하도록 구성하고 전원/제어부는 별도 시험치구로 분리하여 제작하였다. 또한 TRM 내부의 전원/제어 배선은 두 개별 송수신 채널에 공통으로 배선을 처리하여 간소화하였다.

그림 9. TRM 제작도면 및 사진

Fig. 9. Production drawing and photograph of TRM

펄스구동 시험치구는 TRM의 전력 증폭기, 구동 증폭기, 저잡음 증폭기의 펄스구동회로로 구성되며, 펄스신호의 왜곡을 최소화하기 위해 TRM과 최대한 가깝게 배치하여 설계 제작하였다. 전원/제어 시험치구는 TRM과 펄스구동 시험치구에 전원과 제어신호를 생성하여 전달하는 역할을 하며 전원부와 제어부로 구성된다. 전원부는 외부 +8V, -8V를 인가받아 TRM에 필요한 전원을 생성한다.

TRM의 송신부 출력전력 측정을 위해 신호발생기의 펄스 4 μs, PRF 40 μs와 +9 dBm의 출력레벨로 설정하여 TRM에 입력한 후, 첨두 전력계로 송신 최대출력 전력을 측정하고,RF 케이블의 손실을 별도로 측정하여 보상해 주었다. TRM의 수신부 잡음지수는 로컬 주파수 30 GHz인 주파수 혼합기를 이용하여 주파수를 하향 변환 후 잡음지수 분석기로 측정하였고, 수신이득은 네트워크분석기를 이용하여 측정하였다.

측정결과, 송신 최대출력 전력은 그림 10과 같이 30.4 dBm(1.1W)로 측정되었고, 수신 잡음지수와 이득은 그림 11과 같이, 34.5 ~ 35.5 GHz 대역에서 각각 최대 8.6 dB와 최소 17.6 dB로 측정되었다.

그림 10. 단일채널 TRM의 출력 전력 측정결과

Fig. 10. Measured output power of 1-channel TRM

그림 11. 단일채널 TRM의 수신 잡음지수 및 이득 측정결과

Fig. 11. Measured noise figure and gain of 1-channel TRM receiver

Ⅳ. 결론

본 논문에서는 밀리미터파 대역에서의 LCP기판 전송선로 손실을 검증하기 위해, 10 mm 길이의 마이크로스트립 선로와 스트립 선로를 구현해 보았으며, 35 GHz 대역에서 동작하는 윌킨슨 전력분배기를 설계하여, 기판 성능을 확인하였다. 또한, 3개의 LCP FCCL과 2개의 LCP 접착층을 이용하여 4층 LCP 기판과 이를 이용한 Ka대역 TRM을 개발하였다. 개별 LCP층의 두께는 약 50 ㎛이며, 총 4층 기판 두께는 약 233.3 ㎛ 로 측정되었고. 제작 공정 최적화를 통해 36.3 ㎛ 회로 선폭과 32.3 ㎛ 패턴 간격의 미세패턴이 구현되었다.

4층 LCP 기판을 이용한 TRM은 34.5 ~ 35.5 GHz대역에서, 10% Duty의 펄스방식으로 동작하며, 1.1 W 송신출력전력과 8.6 dB 잡음지수를 갖는 것으로 측정되었다. 이러한 다층 LCP기판 기술은 저손실 특성과 내흡습성/내열성이 우수하여, 밀리미터파 대역의 다양한 통신 및 레이다 장비 개발의 훌륭한 대안될 것으로 기대된다.

※ 본 연구는 민‧군기술협력사업 (18-CM-SS -10), 초소형 레이더용 TRM을 위한 다층액정폴리머 회로기술 개발 과제의 연구결과로 수행되었습니다.