KR100576862B1 - Ｉｐｄ 구조의 커플러 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 휴대폰 등의 이동통신 단말기에 적용되어 전력제어에 이용되는 IPD 구조의 커플러를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 IPD 구조의 커플러는, 실리콘기판(110); 상기 실리콘기판(110) 상에 적층된 절연층(120); 상기 절연층(120)상에 적층되고, 신호 샘플링을 위한 커플링라인(131)이 도전성 물질의 인쇄패턴으로 형성된 제1 금속층(130); 상기 제1 금속층(130)상에 적층된 유전체층(140); 및 상기 유전체층(140)상에 적층되고, 상기 제1 금속층(130)상의 커플링라인(131)에 실질적으로 대향되며, 도전성 물질의 인쇄패턴으로 신호라인(151)이 형성된 제2 금속 층(150)을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
이러한 본 발명에 의하면, 커플러의 신호라인과 커플링라인을 상하로 배치하여 사이즈를 감소시킬 수 있고, 낮은 유전체를 사용함으로써 신호손실을 줄일 수 있으며, 또한, CPW(CoPlanar WaveGuide)구조를 채택하여 듀얼밴드의 각 밴드간의 상호간섭을 줄일 수 있는 효과가 있다.
전력제어, IPD, 커플러, CPW, 멘더타입

Description

ＩＰＤ 구조의 커플러{COUPLER WITH INTEGRATED PASSIVE DEVICE STRUCTURE}
도 1은 일반적인 전력 증폭기 제어장치의 구성도이다.
도 2는 종래의 커플러의 구성도이다.
도 3은 본 발명에 따른 커플러의 사시도이다.
도 4a,4b는 신호라인 패턴도 및 커플링라인 패턴도이다.
도 5는 도 3의 커플러의 회로도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
110 : 실리콘기판 120 : 절연층
130 : 제1 금속층 131 : 커플링라인
132 : 제1 접지패턴 140 : 유전체층
150 : 제2 금속층 151 : 신호라인
15a,152b,152c : 제2 접지패턴
본 발명은 휴대폰 등의 이동통신 단말기에 적용되어 전력제어에 이용되는 IPD(Integrated Passive Device) 구조의 커플러에 관한 것으로, 특히 커플러의 신호라인과 커플링라인을 상하로 배치하여 사이즈를 감소시킬 수 있고, 낮은 유전체를 사용함으로써 신호손실을 줄일 수 있으며, 또한, CPW(CoPlanar WaveGuide)구조를 채택하여 듀얼밴드의 각 밴드간의 상호간섭을 줄일 수 있도록 하는 IPD 구조의 커플러에 관한 것이다.
일반적으로, 휴대폰 등의 이동통신 단말기에서의 송신단에는 송신신호의 전력을 증폭하기 위한 전력증폭기가 사용되는데, 이 전력증폭기는 적절한 전력으로 송신신호를 증폭하여야 한다. 전력증폭기의 출력 전력을 조절하는 방법으로는, 전력증폭기의 출력단에 방향성 결합기를 통해 출력 신호의 일부를 검출하여 이 신호를 쇼트키 다이오드를 이용하여 DC 전류로 변환한 후, 비교기를 통해 기준전압과 비교하는 클로즈 루프(closed loop)방식과, 전력증폭기에 인가되는 전압이나 전류를 센싱(sensing)하여 전력을 조절하는 오픈 루프(open loop) 방식이 있다.
상기 클로즈 루프(closed loop) 방식은 전통적으로 사용되던 방식으로 정교한 전력제어가 가능하다는 장점이 있는 반면, 회로 구현의 복잡성과, 커플러에 의한 손실로 인해 증폭기의 효율을 나쁘게 하는 단점이 있다. 그리고, 상기 오픈 루프(Open loop) 방식은 회로의 구현이 간단하여, 현재 많이 사용되는 방법이지만, 전력의 조절이 정교하지 못하다는 단점이 있다.
최근에는 클로즈 루프(closed loop) 방식에서 사용되는 부품들이 IC화로 되면서 회로의 구현이 간단해지고 있으며, 또한 제어칩(control chip)의 성능이 좋아져, 사용되는 방향성 결합기의 커플링(coupling)값이 크게 낮아져서, 방향성 결합기에 의한 손실이 크게 줄어들었다. 특히, 램핑 프로파일(ramping profile)이 중요시되는 GSM 통신 방식에서는 정교한 전력 제어가 가능한 클로즈 루프(closed loop) 방식이 적용되고 있다.
상기한 클로즈 루프방식의 전력 증폭기 제어장치를 도 1을 참조하면 설명하면 다음과 같다.
도 1은 일반적인 전력 증폭기 제어장치의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 일반적인 전력 증폭기의 제어장치는 입력신호(Sin)의 전력을 증폭하는 전력 증폭기(11)와, 상기 전력 증폭기(11)의 출력신호(Sout)중 일부를 샘플링하는 커플러(12)와, 상기 커플러(12)에 의해 샘플링된 신호와 사전에 설정된 기준 신호를 비교하여 상기 전력 증폭기(13)의 증폭율을 제어하는 전력 제어부(13)를 포함한다.
상기 커플러(12)는 듀얼밴드에서 적용하는 경우에는 도 2에 도시한 바와 같이 이루어진다.
도 2는 종래의 커플러의 구성도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 듀얼밴드 전력증폭기(Dual Band Power Amplifier)의 제어에 사용되는 종래의 커플러(coupler)는 갈륨비소(GaAs) 등의 반도체 기판(20)상에 인쇄패턴으로 형성된 GSM 밴드 신호라인(21) 및 DCS 밴드 신호라인(22)을 포함하고, 상기 두 신호라인(21,22) 각각에 인접한 커플링라인(coupling line)(23)이 상기 기판(20)상에 반도체 공정에 의해 형성된다.
상기 신호라인(21)은 GSM 입출력단(GSM-in,GSM-out) 사이에 형성되고, 상기 신호라인(22)은 DCS 입출력단(DCS-in,DCS-out) 사이에 형성된다.
상기 커플링 라인(coupling line)은 두 밴드에서 공통으로 사용되는데, 이 커플링 라인의 일측 포트는 커플링단(CT)이 되고, 그 타측 포트는 50옴[Ω]의 저항(Rt)으로 종단되며, 또한, 상기 커플러의 커플링 팩터(coupling factor)는 커플링라인과 신호라인 사이의 인접 간격 및 인접 길이에 의해 결정된다.
그런데, 이와 같이, 종래의 커플러는 기판의 일면상에 신호라인 및 커플링라인이 모두 형성되는 구조이므로, 신호라인과 커플링라인의 간격과 길이에 의해 사이즈가 상당히 커지는 문제점이 있다.
또한, 종래의 커플러를 형성하는 반도체 공정에서는 LTCC(저온 동시소성 세 라믹)와 같이 다층구조를 형성하는데 어려움이 있는데, 이 어려움의 원인중 가장 큰 이유는 여러 금속층을 이용할 경우에는 단차 문제로 인하여 공정 단가가 올라가는 문제점 있다.
뿐만 아니라, 최근에 부품의 집적화를 위해 IPD 공정을 많이 사용하고 있는데, 단순히 IPD 공정을 이용하는 경우에는 부품의 크기에 따라 가격이 크게 상승하므로, 이러한 구조의 커플러를 사용할 경우에는 제작단가가 상승되어 가격경쟁력이 떨어지는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 그 목적은 커플러의 신호라인과 커플링라인을 상하로 배치하여 사이즈를 감소시킬 수 있고, 낮은 유전체를 사용함으로써 신호손실을 줄일 수 있으며, 또한, CPW(CoPlanar WaveGuide)구조를 채택하여 듀얼밴드의 각 밴드간의 상호간섭을 줄일 수 있도록 하는 IPD 구조의 커플러를 제공하는데 있다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 IPD 구조의 커플러는
실리콘기판;
상기 실리콘기판 상에 적층된 절연층;
상기 절연층상에 적층되고, 신호 샘플링을 위한 커플링라인이 도전성 물질의 인쇄패턴으로 형성된 제1 금속층;
상기 제1 금속층상에 적층된 유전체층; 및
상기 유전체층상에 적층되고, 상기 제1 금속층상의 커플링라인에 실질적으로 대향되며, 도전성 물질의 인쇄패턴으로 신호라인이 형성된 제2 금속 층
을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제2 금속층의 신호라인은
상기 제1 금속층상의 커플링라인의 일부와 대향되게 양측의 입출력단 사이에 멘더타입으로 형성된 제1 신호라인; 및
상기 제1 금속층상의 커플링라인의 다른 일부와 대향되게 양측의 입출력단 사이에 멘더타입으로 형성된 제2 신호라인
을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명에 참조된 도면에서 실질적으로 동일한 구성과 기능을 가진 구성요소들은 동일한 부호를 사용할 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 커플러의 사시도이고, 도 4a,4b는 신호라인 패턴도 및 커플링라인 패턴도이다.
도 3, 도 4a 및 도 4b를 참조하면, 본 발명의 IPD 구조의 커플러는 실리콘기판(110)과, 상기 실리콘기판(110) 상에 적층된 절연층(120)과, 상기 절연층(120)상에 적층되고, 신호 샘플링을 위한 커플링라인(131)이 도전성 물질의 인쇄패턴으로 형성된 제1 금속층(130)과, 상기 제1 금속층(130)상에 적층된 유전체층(140)과, 상기 유전체층(140)상에 적층되고, 상기 제1 금속층(130)상의 커플링라인(131)에 실질적으로 대향되며, 도전성 물질의 인쇄패턴으로 신호라인(151)이 형성된 제2 금속 층(150)을 포함하여 이루어진다.
상기 실리콘기판(110)은 반도체 웨이퍼로서, 이는 실리콘 대신에 사파이어 또는 갈륨비소 등의 반도체가 이용될수 도 있다.
상기 절연층(120)은 상기 제1 금속층(130)의 커플링라인(131) 및 상기 제2 금속층(150)의 신호라인(151)의 신호라인(151)으로부터의 신호가 상기 실리콘기판(110)으로 누설되는 것을 방지하기 위한 것으로, 높은 저항을 갖는 절연물질로 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 도 4b를 참조하면, 상기 제1 금속층(130)에 작은 면적에 필요한 길이의 커플링라인을 형성하기 위해서, 상기 제1 금속층(130)은 양측의 신호 커플링단과 접지단 사이에 멘더타입(meander)으로 형성되는 것이 바람직하다. 그리고, 상기 제1 금속층(130) 상면중, 상기 커플링라인(131)의 양측에, 외부로부터의 노이즈 차 단을 위해서, 상기 커플링라인(131)에 분리되어 도전성 물질의 패턴으로 형성된 접지패턴(132)을 형성하는 것이 바람직하다. 여기서, 상기 커플링라인은 두 채널(GSM,DCS)에 공통으로 사용될 수 있다.
상기 유전체층(140)은 상기 제1 금속층(130)의 커플링라인(131)과 상기 제2 금속층(150)의 신호라인(151) 사이의 낮은 신호손실로 신호 결합을 위해서는 낮은 유전율을 갖는 저 유전체층으로 이루어지는 것이 바람직하며, 이 경우, 상기 제1 금속층(130)의 커플링라인(131)과 상기 제2 금속층(150)의 신호라인(151)에 신호 결합용 커패시터가 형성되어, 상기 제2 금속층(150)의 신호라인(151)에서 상기 제1 금속층(130)의 커플링라인(131)으로 신호결합이 이루어진다. 예를 들어, 상기 저 유전율을 갖는 유전체로는 BCB(BenzoCycloButene)가 사용될 수 있다.
상기 제2 금속층(150)에는 신호라인(151)이 형성되므로, 이 신호라인(151)에 의한 신호손실을 줄이기 위해서는 상기 제2 금속층(150)은 상기 제1 금속층(130)의 두께보다 더 큰 두께로 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 도 4a를 참조하면, 본 발명의 커플러가 GSM 및 DCS 등의 두 채널에 대해서 구현되는 경우, 상기 제2 금속층(150)의 신호라인(151)은 상기 제1 금속층(130)상의 커플링라인(131)의 일부와 대향되게 양측의 입출력단 사이에 형성된 제1 신호라인(151a)과, 상기 제1 금속층(130)상의 커플링라인(131)의 다른 일부 와 대향되게 양측의 입출력단 사이에 형성된 제2 신호라인(151b)을 포함한다. 상기 제1 및 제2 신호라인(151a,151b)은 작은 면적에 필요한 길이로 갖도록 멘더타입으로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 제2 금속층(150)은 상기 신호라인(151)의 양측에, 상기 신호라인(151)에 분리되어 도전성 물질의 패턴으로 형성된 접지패턴(15a,152b,152c)을 포함한다.
한편, 상기 신호라인(151) 및 커플링라인의 주변은 전술한 바와 같이 접지패턴(15a,152b,152c,132)으로 채워져, 본 발명의 제1 및 제2 금속층(130,150)은 CPW(CoPlanar WaveGuide)로 설계되어 GSM과 DCS채널의 격리도를 높일 수 있어, 이 두 채널간의 간섭 및 이상 신호의 현상을 최소화할 수 있다.
본 발명은 종래에 신호라인과 커플링라인이 같은 평면 위에 배치하는 평면구조에 비해 BCB 등의 저 유전율을 갖는 유전체층을 이용하여 신호라인과 커플링라인을 상하로 배치하여 사이즈를 감소할 수 있다.
도 5는 도 3의 커플러의 회로도이다.
도 5를 참조하면, 신호라인과 커플링라인 사이에 결합용 커패시터가 형성되어, 신호라인과 커플링라인 사이에 신호결합이 이루어짐을 보이고 있다.
다른 한편, 도 2 및 도 3을 참조하면, 종래 평면 구조에서 구현된 커플러의 경우에는 사이즈가 크다는 단점이 있는데, 이에 반해, 본 발명의 커플러의 경우에는 소형화가 가능하다. 예를 들어, 종래 커플러의 사이즈는 1.3×1.5 mm(가로×세로)인데 반해, 본 발명의 커플러의 사이즈는 1.0x 1.2 mm로서, 이는 종래의 커플러에 비해 사이즈가 감소되었음을 알 수 있다. 종래의 반도체 공정에서 평면에서 구현하는 방식에 비해, 본 발명에서는 두 금속선을 상하 커플링을 이용하여 사이즈를 감소하였으며, 이러한 IPD 구조를 이용하여 쿼드밴드(Quad band)의 커플러를 구현할 수 있다.
전술한 바와 같이, 클로즈 루프 전력 제어에 사용되는 커플러에서, RF IPD(Integrated Passive Device) 공정을 이용하여 듀얼밴드 또는 쿼드밴드(GSM, E-GSM, DCS1800, PCS 1900) 커플러를 구현하는 경우, BCB(Benzocyclobuten) 유전체를 이용하여 하부에는 커플링 신호라인을 상부에는 신호라인을 형성하여 평면구조에서 제작된 커플러의 크기를 감소하는 효과가 있고, 마이크로 스트립 라인에 비해 CPW(Coplanar Waver Guide)구조를 채택하여 두 채널간의 상호간섭을 최소화할 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명에 따르면, 휴대폰 등의 이동통신 단말기에 적용되어 전력제어에 이용되는 IPD 구조의 커플러에 관한 것으로, 특히 커플러의 신호라 인과 커플링라인을 상하로 배치하여 사이즈를 감소시킬 수 있고, 낮은 유전체를 사용함으로써 신호손실을 줄일 수 있으며, 또한, CPW(CoPlanar WaveGuide)구조를 채택하여 듀얼밴드의 각 밴드간의 상호간섭을 줄일 수 있도록 하는 IPD 구조의 커플러에 관한 것이다.
이상의 설명은 본 발명의 구체적인 실시 예에 대한 설명에 불과하므로, 본 발명은 이러한 구체적인 실시 예에 한정되지 않으며, 또한, 본 발명에 대한 상술한 구체적인 실시 예로부터 그 구성의 다양한 변경 및 개조가 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 쉽게 알 수 있다.

Claims (7)

  1. 실리콘기판(110);
    상기 실리콘기판(110) 상에 적층된 절연층(120);
    상기 절연층(120)상에 적층되고, 신호 샘플링을 위한 커플링라인(131)이 도전성 물질의 인쇄패턴으로 형성된 제1 금속층(130);
    상기 제1 금속층(130)상에 적층된 유전체층(140); 및
    상기 유전체층(140)상에 적층되고, 상기 제1 금속층(130)상의 커플링라인(131)에 실질적으로 대향되며, 도전성 물질의 인쇄패턴으로 신호라인(151)이 형성된 제2 금속 층(150)을 포함하며
    상기 제2 금속층(150)은 상기 신호라인(151)의 양측에, 상기 신호라인(151)에 분리되어 도전성 물질의 패턴으로 형성된 접지패턴(152a,152b,152c)
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 IPD 구조의 커플러.
  2. 제1항에 있어서, 상기 유전체층(140)은
    낮은 유전율을 갖는 저 유전체층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 IPD 구조의 커플러.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제2 금속층(150)은
    상기 제1 금속층(130)의 두께보다 더 큰 두께로 이루어진 것을 특징으로 하 는 IPD 구조의 커플러.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1 금속층(130)은
    양측의 신호 커플링단과 접지단 사이에 멘더타입으로 형성된 것을 특징으로 하는 IPD 구조의 커플러.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제2 금속층(150)의 신호라인(151)은
    상기 제1 금속층(130)상의 커플링라인(131)의 일부와 대향되게 양측의 입출력단 사이에 멘더타입으로 형성된 제1 신호라인(151a); 및
    상기 제1 금속층(130)상의 커플링라인(131)의 다른 일부와 대향되게 양측의 입출력단 사이에 멘더타입으로 형성된 제2 신호라인(151b)
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 IPD 구조의 커플러.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1 금속층(130)은
    상기 커플링라인(131)의 양측에, 상기 커플링라인(131)에 분리되어 도전성 물질의 패턴으로 형성된 접지패턴(132)
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 IPD 구조의 커플러.
  7. 삭제
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