KR100369086B1 - 콤팩트하이브리드마이크로웨이브쵸크 - Google Patents

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Abstract

집중-소자 커패시터, 집중-소자 인덕터 및 전송선로를 포함한 마이크로웨이브 초크가 제공된다.

Description

콤팩트 하이브리드 마이크로웨이브 쵸크
본 발명은 마이크로웨이브 초크(microwave choke)에 관한 것이며, 특히 집중소자 및 분포 소자(lumped and distributed elements)를 포함하는 하이브리드 초크(hybrid choke)에 관한 것이다.
초크는 마이크로웨이브 주파수의 에너지를 저주파수 에너지로부터 분리하고자 할 때 종종 사용된다. 전형적인 예는 전원(power supply)에 의해 전력이 공급된 회로내에서 전파되는 마이크로웨이브 에너지로부터 전원을 분리하는 것이다.
휴대용 셀룰러 전화에서와 같은 일부 사용에서, 마이크로웨이브 초크가 가능한 콤팩트(compact)하게 되는 것이 중요하다. 소형 마이크로웨이브 초크는 집중 용량성 소자 및 집중 유도성 소자들로부터 만들어질 수 있지만, 상기 유도성 소자의 Q는 효율적인 동작을 하기에는 일반적으로 너무 낮다. 다시 말해, 마이크로웨이브 쵸크에서 사용하기에 적절하게 높은 인덕턴스를 갖는 집중 소자는 또한 일반적으로 허용가능한 것 이상으로 많은 전력을 분산시키는 저항을 갖는다. 이는 특히 휴대용 마이크로웨이브 장치에서 그러한 분산이 배터리 수명을 감소시키고 장치의 전력 출력을 감소시키는 문제가 있다. 주어진 예에서, 즉 휴대용 셀룰러 전화에서, 그러한 허용할 수 없는 전력 분산으로 인해 통화 시간 및 전송 범위를 감소시키는 결과를 초래한다.
대안적으로, 1/4파장 전송선로(quarter-wave transmission line)와 같은 분포 유도성 소자가 마이크로웨이브 초크 내의 집중 유도성 소자 대신 사용될 수 있다. 그러나, 특히 마이크로웨이브 주파수 대역의 저 주파수 끝 부분(low end)에서, 1/4파장 전송선로는 상당히 커질 수 있고 또한 사용가능한 것보다 더 많은 공간을 차지할 수 있다. 이는 800 내지 2400MHz 의 주파수 범위 내에서 동작하는 휴대용 셀룰러 전화 장치와 같은 몇몇 휴대용 장치에서 특히 해당된다.
본 발명의 목적은 집중 유도성 소자에서 얻을 수 있는 Q보다 상당히 높은 Q를 가진 콤팩트한 마이크로웨이브 초크를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 DC 전력을 회로에 효율적으로 제공하기 위한 높은 Q 의 초크를 포함하는 마이크로웨이브 증폭기 회로를 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 마이크로웨이브 초크는 집중-소자 커패시터, 집중-소자 인덕터 및 소정 길이의 전송선로의 직렬-접속 결합을 포함한다. 집합적으로 이들 소작들은, 상기 초크에 접속되며 소정의 주파수 f0으로 동작하는 회로의 소정의 특성 임피던스 Z0의 크기보다 훨씬 큰 크기를 갖는 초크 입력 임피던스를 제공한다. f0에서:
a. 상기 집중-소자 커패시터는 상기 특성 임피던스 Z0의 크기보다 훨씬 작은 리액턴스 Xc를 갖는다.
b. 상기 인덕터는 상기 특성 임피던스 Z0의 크기보다 훨씬 작은 저항 RL을가지며, 상기 저항 RL보다 훨씬 크고 λL= N(λo/4)의 전송선로 전기길이(electrical length)와 등가인 위상 쉬프트 φL을 발생시키는 리액턴스 XL을 갖는다. 여기서, N은 1 보다 작고 λo는 주파수 fo에서 전파되는 신호의 파장이다.
c. 상기 전송선로는 λo/4 - λL과 실질적으로 동일한 전기길이를 가지며, 또한 Zo의 크기와 실질적으로 상이하지 않은 크기의 특성 임피던스를 갖는다.
본원에서 사용된 "∼ 보다 훨씬 작은" 이라는 용어는, 전기 에너지의 전송을 방해하는 것과 같은 특정한 기능에 있어서, 제 1 크기가 제 2 크기와 비교하여 너무나 작아서 무의미하다는 것을 의미한다. 통상적으로, 제 1 크기가 제 2 크기의 대략 10% 또는 그보다 작다면 제 2 크기보다 훨씬 작은 것으로 간주된다.
상술된 초크는 집중-소자 인덕터만을 사용한 초크 보다 실질적으로 높은 Q를 가지며, 집중 소자 대신 1/4파장 전송선로를 사용하는 초크보다 실질적으로 보다 작은 크기를 갖는다. 따라서, 상기 초크는 최소 크기에 대해 최대 Q 의 장점을 절충시키는 융통성을 제공한다. 일반적으로, 초크의 Q는 전송선로의 전기길이 즉, 크기에 따라 증가한다. 예컨대, 본 발명에 따른 초크는 회로기판 위의 가용한 영역을 완전히 채우도록 설계될 수 있는데, 그럼으로써 Q 값을 최대로 하면서 회로기판의 공간을 효율적으로 활용할 수 있다.
본 발명의 양호한 실시예에서, 초크는 상기 초크를 통해 DC 전력을 제공받는회로와 함께 유전체 기판 위에 배치된다. 집중 소자 커패시터는 기판의 한측에 배치된 접지면에 전기적으로 접속되는 제 1 단자를 포함하며, 또한 DC 전원에 전기적으로 접속되는 제 2 단자를 구비한다. 집중 소자 인덕터 및 전송선로의 직렬-접속결합의 제 1 단부는 커패시터의 제 2 단자에 전기적으로 접속된다. 이 결합의 제 2 단부는 상기 회로에 전기적으로 접속되어 있다.
제 1a 도 및 제 1b 도는 각각 본 발명의 양호한 실시예의 물리적이고 개략적인 예시도이다.
제 2 도는 본 발명에 따라 구성된 초크의 전형적인 실시예의 구성요소들의 임피던스, 위상 시프트 및 파장을 도시한 다이어그램이다.
제 1a 도 및 1b 는 각각 본 발명을 따른 전형적인 마이크로웨이브 회로의 평면도 및 개략적인 예시도이다. 이 회로는 마이크로웨이브 집적회로 증폭기 A 와 초크를 구비하며, 이 초크를 통해 DC 전력이 증폭기의 전력 전원 노드 P 에 공급된다. 전체 마이크로웨이브 회로는 유전체 기판(S) 상에서 지지된다.
상기 초크는 집중-소자 커패시터(C), 집중-소자 인덕터(L) 및 소정의 직선 길이(ℓ)의 전송선로(T)의 직렬-접속 결합을 포함한다. 상기 초크는 또한 DC 전력의 전원에 접속하기 위한 노드(1), 기판의 대향면(도시되지 않음)상의 접지면에 전기적으로 접속되어 있는 노드(2), 및 증폭기의 노드(P)에 전기적으로 접속되어 있는 노드(3)를 포함한다.
도 1a에 도시된 물리적인 실시예에서, 기판은 알루미나(alumina)와 같은 얇은 유전체 물질을 포함한다. 도시된 최상부 표면상에서, 기판은 마이크로웨이브 증폭기(A), 개별적인 구성요소들(C 및 L), 전송선로(T) 및 상호접속하는 전도 스트립(conductive strip)들, 패드(pad)들 및 와이어(wire)들의 배열을 지지한다.
마이크로웨이브 증폭기의 입력 노드(IN) 및 출력 노드(OUT)는 각각의 전송선로 TIN및 TOUT에 전기적으로 접속되어 있어, 증폭기에 그리고 증폭기로부터 마이크로웨이브 신호를 운반한다. 이들 전송선로 각각은 자신의 특성 임피던스를 결정하는 폭/높이의 비를 갖는다.
커패시터 C 는 노드(1, 2)를 형성하는 전도 패드(conductive pad)들에 전기적으로 접속된 대향 단부(end)들에서 단자들을 갖는 칩 커페시터이다. 노드(1)를 형성하는 패드는 또한 회로를 증폭기용 DC 전원, 예컨대, 전압 V+인 DC 전원에 접속시키기 위해 전기 리드가 부착될 수 있는 수단으로서 작용한다. 패드 형성 노드(2)는 홀 H 을 통해 도전층에 의해 기판 S 의 대향면상의 접지면에 전기적으로 접속된다.
인덕터(L)는 대향 단부들에서 단자들을 갖는 칩 인덕터이며, 한 단자는 패드 형성 노드(1)에 전기적으로 접속되고 다른 단자는 전송선로 T 의 한 단부에 전기적으로 접속된다. 이 전송선로의 대향 단부는 전도 패드 형성 노드(3)에 전기적으로 접속된다. 노드(3)는 와이어(W)에 의해 증폭기의 노드(P)에 전기적으로 접속된다. 상기 노드들을 형성하는 전도 패드들로의 모든 전기적 접속은 납땜 또는 도전성 에폭시의 도포와 같은 처리에 의해 이루어질 수 있다.
주파수 fo를 중심으로 하는 주파수 대역에 걸쳐 동작하도록, 마이크로웨이브 증폭기가 선택되고, 전송선로 TIN및 TOUT가 설계된다. 스트립 전송선로 TIN및 TOUT의 치수(dimension)는 선택된 증폭기의 입력 및 출력 임피던스에 대응하는 특성 임피던스 Zo를 발생하도록, 공지된 방식으로, 선택된다.
초크 커패시터(C)의 주요 기능은 노드(1)에 접속된 전원을 손상시킬 수 있는 증폭기로부터의 고주파수 성분들을 접지(ground)로 바이패스시키는 것이다. 이는, fo에서, 통상 Zo보다 작은, 전원의 입력 임피던스 보다 훨씬 작은 리액턴스 Xc를 가진 커패시터를 선택함으로써 성취되며, 그럼으로써 증폭기의 동작 주파수에서의 에너지를 위한 접지로의 단락 회로를 제공한다.
상기 초크 내의 인덕터(L) 및 전송선로(T)는 전원으로부터 증폭기로 흐르는 DC 전력을 위한 높은 Q 및 저-저항 경로를 공동으로 제공해야만 한다. 따라서, 인덕터는 특성 임피던스 Zo보다 훨씬 작은 저항 RL을 가져야만 하고, fo에서, 실질적으로 RL보다 큰 리액턴스 XL를 가져야만 한다. 상기 리액턴스 XL는, fo에서, λL= N(λo/4)의 전송선로 전기길이와 등가인 위상 시프트 φL를 또한 발생하여야만 한다(여기서, N 은 1 보다 작고, λo는 fo에서 전파되는 신호의 파장). N 이 증가함에 따라, 전송선로 T 에 대해 요구되는 물리적 길이 ℓ은 감소하는데, 그 이유는 전송선로의 전기길이 λT와 λL의 합이 거의 λo/4 로 되기 때문이다. 따라서, 전송선로 T 에 의해 점유되는 공간을 상당히 절약하기 위하여, N의 값은 1을 기준으로 통상적으로 0.1 보다 커야하며, 바람직하게는 0.5 또는 그보다 커야한다. 그러나, 초크의 Q 는 길이 ℓ이 증가함에 따라 증가하는 경향이 있다.
휴대용 셀룰러 전화의 전송측에 사용되도록 구성된 마이크로웨이브 회로의 실시예에서, 중심 주파수 fo는 900MHz 이고 동작 주파수 대역은 약 890 내지 915MHz으로 확장된다. 선택된 마이크로웨이브 증폭기(A)는 50 옴의 입력 및 출력 임피던스를 가지며, 따라서, 전송선로 TIN및 TOUT각각은 50 옴과 동일한 크기의 특성 임피던스 Zo를 갖도록 크기가 정해진다. 커패시터 C 는 0.01μF의 커패시턴스(capacitance)를 갖는다. 인덕터(L)는 fo에서 2.8 옴의 저항 RL, 22nH 의 인덕턴스, 및 45 의 Q 를 갖는다. fo에서 인덕터의 리액턴스 XL는 2π(900 x 106)(22 x 10-9) = 124 옴이다. Zo= 50 옴으로 정규화된 인덕터의 저항 RL및 리액턴스 XL는 제 2 도의 임피던스/파장 도에 도시되어 있다. 이 도면은 인덕터의 리액턴스가 대략 68°와 동일한 위상 시프트 φL를 발생시키는 것을 도시하는데, 이는 λL= 0.19λ0의 전송선로 전기길이와 등가이다. 이 도면은 또한, 특성 임피던스 Zo= 50 옴을 갖도록 크기가 정해된 전송선로(T)의 경우에, fo에서 초크의 임피던스를 최대화하기 위해서는 상기 전송선로의 전기길이가 λT= λo/4 - λL= 0.06λo와 대략 동일하게 되어야 한다는 것을 도시한다.
결합된 유도성 및 전송선로 성분들의 실효 인덕턴스는 인덕터 L 만의 인덕턴스 보다 거의 50 배 크다.
서술된 실시예에 대한 각종 대안이 가능하다. 예를 들어, 용량성 및 집중소자 모두 또는 어느 한 소자가 기판에서 벗어나 위치할 수 있다. 또 다른 대안으로서, 초크가 접속된 회로는 증폭기일 필요가 없다. 또한, 상기 회로, 전송선로 T, 및 적어도 인덕터 L 의 인덕턴스의 부분은 기판상에 배치된 공통 칩에 포함될 수도 있다. 예를 들어, 이 인덕턴스는 공통 칩 상의 컨덕터의 기생 인덕턴스에 의해 부분적으로 형성될 수 있다.

Claims (8)

  1. 동작 주파수 fo에서 특성 임피던스 Zo를 갖는 회로에 접속하기 위한 마이크로웨이브 초크에 있어서, 상기 초크는 직렬로 전기적으로 접속된:
    fo에서 특성 임피던스 Zo의 크기보다 훨씬 작은 리액턴스 Xc를 갖는 집중-소자 커패시터;
    상기 특성 임피던스 Zo의 크기보다 훨씬 작은 저항 RL을 가지며 fo에서 상기 저항 RL보다 훨씬 크고 λL= N (λo/4)의 전송선로 전기길이와 등가인 위상 시프트 φL를 발생시키는 리액턴스 XL을 갖는 집중-소자 인덕터로서, 상기 N 은 1 보다 작고 λo은 fo에서 전파되는 신호들의 파장인, 상기 집중-소자 인덕터; 및
    fo에서 λo/4 - λL과 실질적으로 동일한 전기길이를 갖고 Zo크기와 실질적으로 상이하지 않는 크기를 지닌 특성 임피던스를 갖는 전송선로를 포함하는, 마이크로웨이브 초크.
  2. 접지면을 형성하는 도전층을 지지하는 유전체 기판상에 배치되고, 동작 주파수 fo에서 특성 임피던스 Zo을 갖는 회로에 접속하기 위한 마이크로 웨이브 초크에 있어서, 상기 초크는 직렬로 전기적으로 접속된:
    fo에서 상기 특성 임피던스 Zo크기보다 훨씬 작은 리액턴스 Xc를 갖는 집중-소자 커패시터;
    상기 특성 임피던스 Zo의 크기보다 훨씬 작은 저항 RL을 가지며 fo에서 상기 저항 RL보다 훨씬 크고 λL= N(λo/4)의 전송선로 전기길이와 등가인 위상 시프트 φL을 발생시키는 리액턴스 XL를 갖는 집중-소자 인덕터로서, 상기 N 은 1 보다 작고 λo는 fo에서 전파되는 신호들의 파장인, 상기 집중된-소자 인덕터; 및
    fo에서 λo/4 - λL과 실질적으로 동일한 전기길이를 갖고 Zo크기와 실질적으로 상이하지 않는 크기를 지닌 특성 임피던스를 갖는 전송선로를 포함하는, 마이크로웨이브 초크.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    DC 전원으로의 전기적인 접속을 위한 제 1 노드, 기준 전위로의 전기적인 접속을 위한 제 2 노드, 및 상기 회로의 전원 노드로의 전기적인 접속을 위한 제 3 노드를 포함하는, 마이크로웨이브 초크.
  4. 제 1항 또는 2 항에 있어서,
    상기 전송선로는 마이크로스트립으로 형성되는, 마이크로웨이브 초크.
  5. 제 1 항 또는 2 항에 있어서,
    N 은 0.1 보다 큰, 마이크로웨이브 초크.
  6. 제 5 항에 있어서,
    N ≥0.5 인, 마이크로웨이브 초크.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 회로는 또한 기판 위에 위치하는, 마이크로웨이브 초크.
  8. 전원 노드를 가지며 동작 주파수 fo에서 특성 임피던스 Zo를 갖는 제 2 회로 및 초크를 포함하는 마이크로웨이브 회로에 있어서, 상기 초크는:
    DC 전원으로의 전기적인 접속을 위한 제 1 노드;
    기준 전위(접지면)로의 전기적인 접속을 위한 제 2 노드;
    상기 제 2 회로의 전원 노드로의 전기적인 접속을 위한 제 3 노드;
    상기 제 1 노드에 전기적으로 접속된 제1 단자, 상기 제2 노드에 전기적으로 접속된 제2 단자, 및 fo에서 상기 특성 임피던스 Zo의 크기보다 훨씬 작은 리액턴스 Xc을 갖는 집중-소자 커패시터; 및
    상기 제 1 노드와 상기 제 3 노드 사이에 직렬로 전기적으로 접속된 집중-소자 인덕터 및 전송선로를 포함하며,
    상기 집중-소자 인덕터는 상기 특성 임피던스 Zo의 크기보다 훨씬 작은 저항 RL을 가지며 fo에서 상기 저항 RL보다 훨씬 크고 λL= N(λo/4)의 전송선로 전기길이와 등가인 위상 시프트 φL를 발생시키는 리액턴스 XL를 가지며, 여기서 상기 N 은 1 보다 작고 λo는 fo에서 전파되는 신호들의 파장이고,
    상기 전송선로는 fo에서 λo/4-λL과 실질적으로 동일한 전기길이를 갖고 Zo크기와 실질적으로 상이하지 않는 크기를 지닌 특성 임피던스를 갖는, 마이크로웨이브 회로.
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