KR100656335B1

KR100656335B1 - 전송선 변압기

Info

Publication number: KR100656335B1
Application number: KR1020050031070A
Authority: KR
Inventors: 박창근; 김윤석; 홍성철
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2005-04-14
Filing date: 2005-04-14
Publication date: 2006-12-13
Also published as: JP4269081B2; US7548134B2; US20060232355A1; JP2006295896A; KR20060108863A

Abstract

본 발명은 전송선 변압기에 관한 것으로서, 전송선을 통해 1차측을 복수개로 분리하여 형성하고 각각은 서로 다른 기생성분을 갖도록 함으로써 복수개의 부하저항을 갖도록 전송선 변압기를 형성하고 이를 복수개의 부하저항이 필요한 무선통신 시스템용 전력증폭기의 정합회로로 사용함으로써 전력증폭기의 효율 및 동작영역을 개선시킬 수 있는 이점이 있다.

Power amplifier, Transformer, Variable load, Load impedance, 정합회로, 변압기, 부하저항, 전력증폭기, 전송선

Description

전송선 변압기{TRANSMISSION LINE TRANSFORMER}

도 1은 일반적인 전력증폭기를 나타낸 구성도이다.

도 2는 일반적인 비선형 전력증폭기의 전원전압(VDD)에 따른 동작 영역을 나타낸 도면이다.

도 3은 일반적인 전력증폭기의 증폭단을 나타낸 도면으로써 저출력 정합회로와 고출력 정합회로로 나눠 준 회로구성도이다.

도 4는 본 발명에 의한 전송선 변압기를 나타낸 도면으로써 (a)는 전송선 변압기의 회로도이고, (b)는 전송선 변압기의 구조를 나타낸 예시도이다.

도 5는 본 발명에 의한 전송선 변압기의 구조를 나타낸 실시 예시도이다.

도 6은 본 발명에 의한 전송선 변압기의 컴퓨터 모사 결과를 나타낸 그래프이다.

도 7은 변압기를 전력증폭기의 출력단에 사용한 예를 나타낸 회로구성도로써 (a)는 일반 변압기를 나타낸 도면이고 (b)는 전송선 변압기를 나타낸 도면이다.

도 8은 도 7의 (b)에 도시된 전송선 변압기의 등가회로와 출력단의 정합을 위한 커패시터를 나타낸 회로구성도이다.

도 9는 본 발명에 의한 전송선 변압기를 이용한 전력증폭기를 나타낸 회로구성도이다.

도 10은 본 발명에 의한 전송선 변압기를 이용한 전력증폭기의 컴퓨터 모사 결과를 나타낸 그래프이다.

- 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 -

201, 202 : 전력증폭기의 동작영역

301 : 전력 증폭기

302 : 전력 증폭기의 정합 회로

303 : 고출력용 증폭기

304 : 저출력용 증폭기

401 : 전송선 변압기

402, 403 : 1차측 전송선

404 : 2차측 전송선

405, 406 : 전력증폭기의 차동입력단

407, 408 : 1차측 전송선

409 : 2차측 전송선

701 : 전송선 변압기의 1차측

702 : 전송선 변압기의 2차측

801 : 전송선 변압기의 등가 회로

901 : 전력증폭기의 고출력 출력단

902 : 전력증폭기의 저출력 출력단

903 : 전송선 변압기

본 발명은 전송선 변압기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전송선을 통해 1차측을 복수개로 분리하여 형성하고 각각은 서로 다른 기생성분을 갖도록 함으로써 복수개의 부하저항을 갖도록 전송선 변압기를 형성하고 이를 복수개의 부하저항이 필요한 전력증폭기의 정합회로로 사용함으로써 전력증폭기의 효율 및 동작영역을 개선시킬 수 있도록 한 전송선 변압기에 관한 것이다.

이와 같이 복수개의 부하저항이 필요한 전력증폭기는 무선통신 시스템에서 흔히 사용된다.

도 1은 일반적인 전력증폭기를 나타낸 구성도로써 무선통신 시스템의 일종인 폴라(polar) 구조에서의 전력증폭기를 간략하게 나타낸 구성도이다.

일반적으로 polar 구조에 사용되는 E 급 출력단(Class E-고출력 증폭기의 한 종류)구조의 전력증폭기는 증폭기의 전원전압(VDD)을 조절 해 줌으로써 동작영역을 확보한다.

Pout=VDD²/Rload

(Pout : 출력전력, VDD : 전원전압, Rload : 부하저항)

위의 수학식 1에서 보는 바와 같이 전원전압(VDD)을 조절하면 출력전력(Pout)이 바뀌는 것을 알 수 있다. 하지만, 이러한 전원전압(VDD)의 조절만으로는 충분한 동작 영역을 확보하기가 어려운 문제점이 있다.

도 2에서는 일반적인 전력증폭기의 전원전압에 따른 동작영역을 나타낸 그래프로써 동작영역과 부하저항을 조절하였을 때 동작영역의 확장을 설명하고 있다.

예를 들어, 일반적인 E급 출력단(Class E-고출력 증폭기의 한 종류)은 수학식 1에 의하여, 전원전압(VDD)의 변화에 따라 동작영역이 결정된다. 즉, 전원전압(VDD)이 0.6V부터 3.3V 까지 변화 할 때 수학식 1에 의하여 동작영역은 16.4 dB가 된다.

하지만, 많은 무선통신 시스템에서는 더 넓은 동작영역을 필요로 하고 있기 때문에 이에 따라 동작영역을 확대하기 위하여, 전원전압(VDD)이 203과 같은 일정 값 이하가 되었을 때, 부하저항(Rload)을 조절하면 동작영역이 201에서 202와 같이 확대된다.

이와 같이 203은 부하저항(Rload)이 조절되는 지점의 전원전압(VDD)을 나타낸 것으로써 수학식 1에서 확인할 수 있는 것으로써 일반적으로는 일정한 전원전압(VDD) 이하에서는 부하저항(Rload)이 커지게 되면 동작영역이 늘어난다.

이와 더불어, 저출력 전력 영역에서는 부하저항 값이 클수록 전력 증폭기의 효율은 증가한다. 즉, 저 출력 전력영역에서 부하저항 값을 증가 시키면 동작 영역 및 효율을 증대 시킬 수 있다.

그런데, 일반적인 전력증폭기의 부하저항(Rload)은 최대 출력전력(Pout)에 알맞은 값으로 고정되어 있기 때문에 이럴 경우, 저출력 전력을 내는 영역에서는 효율이 매우 낮게 된다.

그래서, 이러한 단점을 해결하는 방법 중 하나로써 여러 개의 부하저항을 갖도록 하는 방법이 사용되고 있다.

그 중 한 방식으로는 전력증폭기의 최종 증폭단을 여러 개로 분리하여 형성하고 각 부분에 대해 높은 출력, 중간 출력 그리고 낮은 출력으로 분리하여 사용한다.

즉, 높은 출력을 내는 부분은 높은 출력에 알맞은 부하저항을 갖도록 정합회로가 구성되어 있고, 중간 출력을 내는 부분은 중간 출력에 알맞은 부하저항을 갖도록 정합회로가 구성되어 있다. 또한, 낮은 출력을 내는 부분도 마찬가지로 낮은 출력에 알맞은 부하저항을 갖도록 정합회로가 구성되어 있다.

따라서, 높은 출력이 필요할 때는 위의 세 부분을 모두 켜 주고, 중간 출력이 필요 할 때는 높은 출력을 내는 부분을 꺼 준다. 낮은 출력을 낼 때는 중간 출력을 내는 부분과 높은 출력을 내는 부분을 꺼 준다.

이와 같은 경우 낮은 출력을 내는 부분은 낮은 출력에 알맞은 부하저항을 갖도록 정합회로가 구성되어 있기 때문에 전력증폭기의 효율이 높아지게 된다. 이러한 방법으로 전력 증폭기의 출력전력 전 영역에서 높은 효율의 특성을 가지도록 할 수 있다.

이러한 방법 중의 하나가 [A. Shirvani, et al.. "A CMOS RF Power Amplifier With Parallel Amplification for Efficient Power Control"IEEE J. Solid-State Circuits, vol 37, no.6, pp.684-693, June 2002]의 보고서에 공개되어 있다.

이 처럼 각각의 출력전력에 알맞은 출력을 낼 수 있도록 증폭단을 저출력과 고출력으로 나누어 주고, 각 증폭단은 서로 다른 부하저항을 갖도록 저출력 정합회로와 고출력 정합회로로 나누어 구성된 전력증폭기의 증폭단을 도 3과 같이 구성할 수 있다.

즉, 높은 출력 전력을 내는 부분은 그에 알맞은 부하저항을 갖도록 하고, 낮은 출력 전력을 내는 부분은 그에 알맞은 부하저항을 갖도록 하고 낮은 출력 전력이 필요 할 때는 큰 출력 전력을 내는 부분을 꺼주면 된다.

이렇게 두개의 부하저항을 가질 수 있도록 증폭단을 두개로 나누고, 두개의 정합회로를 구성한다. 이때 303은 전력증폭기에서 고출력을 내기 위한 증폭기이고, 304는 저출력을 내기 위한 증폭기이이고, 각 증폭기에는 정합회로(302)가 있어서 각 출력 전력에 알맞은 정합회로가 위치하도록 하였다.

따라서 높은 전력을 낼 때는 증폭기 303과 그에 연결된 고출력 정합회로만 동작을 하게 되고, 낮은 출력 전력을 낼 때는 증폭기 303은 꺼지게 하고, 증폭기 304와 그에 연결된 저출력 정합회로만 동작하게 됨으로써 효율과 동작 영역을 개선 할 수 있다.

하지만 위의 보고서에 개시된 방법은 증폭단의 일부를 꺼 주었을 때, 다른 켜져 있는 증폭단이 원하는 부하저항을 갖도록 하기 위한 추가적인 스위치가 필요 하게 된다. 그런데, 이렇게 사용하게 될 스위치의 크기가 증폭단에 사용되는 전력 트랜지스터의 크기와 비슷하기 때문에 전체적인 회로의 크기가 매우 커지는 문제점이 있다.

또한, 위와 같은 전력증폭기는 F급 출력단(Class F - 전력 증폭기의 일종)의 구조를 이용하고 있기 때문에 동작 주파수가 수십 GHz 이상이 되어야만 전체회로의 크기를 줄일 수 있는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창작된 것으로서, 본 발명의 목적은 전송선을 통해 1차측을 복수개로 분리하여 형성하고 각각은 서로 다른 기생성분을 갖도록 함으로써 복수개의 부하저항을 갖도록 전송선 변압기를 형성하고 이를 복수개의 부하저항이 필요한 전력증폭기의 정합회로로 사용함으로써 전력증폭기의 효율 및 동작영역을 개선시킬 수 있도록 한 전송선 변압기를 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명은: 전송선으로 형성된 2차측 전송선과, 상기 2차측 전송선을 사이에 두고 각각 배치되며 서로 다른 기생 성분을 가지는 1차측 전송선들로 이루어진 것을 특징으로 한다.

본 발명에서, 1차측 전송선 각각은 서로 다른 단면적을 갖는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서, 1차측 전송선 각각과 2차측 전송선이 형성하는 결합계수는 서로 다른 것을 특징으로 한다.

본 발명에서, 1차측 전송선 각각은 서로 다른 길이를 갖는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서, 2차측 전송선을 굽은 모양으로 형성하고 굽은 모양의 2차측 전송선 안쪽과 바깥쪽에 1차측 전송선을 각각 배치하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서, 1차측 전송선들 중에서 선택된 어느 하나를 구불구불한 모양으로 형성한 것을 특징으로 한다.

위와 같이 이루어진 본 발명은 전송선 변압기의 1차측을 기생성분이 각각 다른 복수개의 전송선으로 형성함으로써 복수개의 부하저항을 갖도록 하여 복수개의 부하저항이 필요한 전력증폭기의 정합회로에 사용함으로써 전력증폭기의 효율과 동작영역을 개선시킬 수 있도록 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 또한 본 실시예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것은 아니고, 단지 예시로 제시된 것이다.

먼저, (a)에 도시된 바와 같이 전송선으로 형성된 2차측 전송선(404)과, 2차측 전송선(404)을 사이에 두고 각각 배치되며 서로 다른 기생 성분을 가지는 1차측 전송선들(402, 403)을 형성한다. 즉, 전송선으로 형성된 2차측 전송선(404)과, 2차측 전송선(404) 양측으로 각각 대응하도록 복수개의 1차측 전송선(402, 403)을 형성한다.

이때 복수개의 1차측 전송선(402, 403)은 서로 다른 단면적을 다르게 형성할 뿐만 아니라 복수개의 1차측 전송선(402. 403)과 2차측 전송선(404) 간의 결합계수도 서로 다르게 형성한다.

또한, 복수개의 1차측 전송선(402, 403)의 길이를 서로 다르게 형성하기 위해 전송선 변압기의 모양을 (b)에 도시된 바와 같이 2차측 전송선(409)을 굽은 모양으로 형성하고 굽은 모양의 2차측 전송선(409) 안쪽과 바깥쪽에 각각 복수개의 1차측 전송선(408, 407)을 배치하여 길이를 다르게 형성하기도 한다.

즉, 고출력용의 1차측 전송선(408)은 2차측 전송선(409)의 안쪽에 위치하게 하고, 저출력용의 1차측 전송선(407)은 2차측 전송선(409)의 바깥쪽에 위치하게 함으로써 저출력용 1차측 전송선(407)은 그 길이가 고출력용 1차측 전송선(408)에 비하여 길어지게 되고, 이에 따라, 1차측 전송선의 인덕턴스 값도 증가하게 된다. 이와 더불어, 저출력용 1차측 전송선(407)의 폭을 좁혀주면 인덕턴스의 값을 좀 더 늘일 수 있게 되어 효율적으로 변압기와 연결되는 트랜지스터의 기생 드레인-소스 커패시턴스와 추가적인 커패시터를 이용하여 정합회로로 사용될 수 있다.

한편, 도 5에 도시된 바와 같이 복수개의 1차측 전송선 중 어느 하나를 구불구불한 모양으로 형성하여 하나의 길이를 길게 형성할 수도 있다.

도 6은 본 발명에 의한 전송선 변압기의 컴퓨터 모사 결과를 나타낸 그래프로써 도 4의 (b)에 의한 전송선 변압기의 S11을 컴퓨터를 이용하여 모사 한 것이 다. 이때, 601은 변압기의 고출력용 1차측의 S11을 본 것이며, 602는 저출력용 1차측의 S11을 본 것이다.

여기서는 트랜지스터의 기생 커패시턴스와 추가적인 커패시터를 고려한 값으로써 도 4에서 제시한 전송선 변압기의 설계 예를 통하여 본 발명의 전송선 변압기가 효과적으로 고출력용 부하저항 및 저출력용 부하저항을 동시에 가질 수 있는 있음을 알 수 있다.

이와 같이 본 발명에 의한 전송선 변압기에 복수개의 부하저항을 갖도록 함에 따라 복수개의 부하저항을 필요로 하는 전력증폭기에 적용하여 도 2에 도시된 그래프에서와 같이 전원전압(VDD)이 일정값 이하로 내려가게 되면, 큰 부하저항을 갖는 부분의 증폭단만이 켜지도록 할 수 있다.

여기에 도시된 바와 같이 일반 변압기나 전송선 변압기는 전력증폭기에서 나오는 차동신호를 동상신호로 바꾸어 주는 역할 및 정합회로의 일부로써의 역할을 동시에 하고 있다.

이때, (b)와 같이 전송선 변압기를 전력증폭기에 사용할 경우 정합회로의 구성이 어떻게 해석 되는지를 분석하기 위하여 도 8과 같이 도 7의 (b)에 도시된 전송선 변압기의 등가회로와 출력단의 정합을 위한 커패시터를 나타내었다.

여기에서 k는 결합 계수(coupling factor)를 나타내며, 801은 전송선 변압기의 등가 모델을 나타내고, 등가 모델 양쪽에 위치한 두 개의 커패시터(C, Cshunt) 는 전송선 변압기와 더불어 전력증폭기 출력단의 정합 회로를 구성한다.

수학식 2는 도 8의 Ra 값을 계산 한 것으로써 수학식 2에서 허수 부분은 수학식 3에서처럼 Lb와 Cshunt와의 공진으로 0으로 만들 수 있고, 수학식 5와 같이 간단하게 될 수 있다. 따라서 이때의 Lb 값은 수학식 4와 같이 표현 할 수 있고, 이때 전력증폭기의 동작 주파수가 GHz 대역으로 올라가게 되면 좀 더 간단한 형태로 표현 된다.

여기서는 해석의 간략화를 위하여 동작 주파수가 GHz 대역이라고 가정하였다.

다음 단계로, Rb를 계산 한 것이 수학식 6과 같다. 하지만 일반적으로 L_M 값은 크기 때문에 Rb는 Ra 값과 거의 같다고 생각할 수 있다.

이를 바탕으로 수학식 7과 같이 Rin을 구할 수 있다. 이때에도 수학식 8에서 보인 것과 같이 도 8의 C값을 이용하여 허수 부분을 0으로 만들 수 있다. 이때의 C 값을 수학식 9에 나타내었다. 최종적으로 Rin 값은 수학식 10과 수학식 11에 나타내었다.

이와 같이 전송선 변압기의 2차 측 인덕턴스(L₂)가 고정 되어 있는 경우에 1차측 인덕턴스(L₁) 값에 따라 Rin 값이 변화 할 수 있기 때문에 1차측 전송선의 단면적 및 길이에 따라 부하저항이 바뀔 수 있다. 이때, Rin은 전력증폭기에서 부하저항으로 보이게 된다. 일반적으로 큰 출력 전력을 낼 때는 부하저항 값을 작게 하고, 저 출력 전력을 낼 때는 부하저항 값을 크게 하면 동작영역을 확대할 수 있고, 저 출력 전력영역에서 효율을 개선시킬 수 있다. 그래서, 수학식 11에서 보는 바와 같이 큰 출력을 내기 위해서는 인덕턴스(L₁)의 값이 작아야 하고, 낮은 출력을 내기 위해서는 인덕턴스(L₁)의 값을 크게 하면 효율적이게 된다.

일반적으로 큰 출력 전력을 발생 시킬 때와 낮은 출력 전력을 발생 시킬 때의 적절한 부하저항은 다르게 되는데 전력증폭기에서는 높은 출력 전력에 알맞은 부하저항을 선택하게 되는데, 이는 낮은 출력 전력에서의 효율을 저하시키는 원인 중 하나가 된다.

따라서, 높은 출력 전력을 낼 때는 높은 출력 전력에 알맞은 부하저항을 가지고, 낮은 출력 전력을 가질 때는 낮은 출력 전력에 알맞은 부하저항을 가지게 한다면 출력 전력의 대부분의 영역에서 높은 효율을 가지는 전력 증폭기의 설계 및 구현이 가능하게 되고 동작영역도 개선 될 수 있다.

그래서, 전원전압을 조절하면서 출력 전력을 조절 한다고 할 때, 전원전압이 줄어들면서 출력 전력이 감소하게 되는데, 특정한 전원전압 이하부터는 부하저항이 저출력에 알맞도록 커지게 되면 도 2에서 보인 그래프와 같은 동작 영역이 개선된 그래프를 얻을 수 있다. 동시에 낮은 출력 전력 영역에서 효율도 높일 수 있다.

여기에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 전송선 변압기(903)는 두개의 부하저항(904, 905)을 가지는 구조로 되어 있으며, 901은 고출력을 내기 위한 출력단이기 때문에 일반적으로 저출력을 내기 위한 출력단인 902에 비하여 트랜지스터의 크기가 크게 구성되어 있다.

이와 같이 1001은 고출력용 출력단과 저출력용 출력단 모두를 동작 시켰을 경우에 VDD를 0.6V ~ 3.3V 까지 변화 시키면서 출력 전력과 효율을 본 것이고, 1002는 고출력용 출력단은 끄고, 저출력용 출력단만을 켰을 때의 결과를 나타낸 그래프이다. 이와 같은 결과에서처럼 낮은 출력 영역에서 효율이 증가하게 되고, 동작 영역도 약 3dB 정도 향상 된 것을 알 수 있다.

상기한 바와 같이 본 발명은 전송선을 통해 1차측을 복수개로 분리하여 형성하고 각각은 서로 다른 기생성분을 갖도록 함으로써 복수개의 부하저항을 갖도록 전송선 변압기를 형성하고 이를 복수개의 부하저항이 필요한 전력증폭기의 정합회로로 사용함으로써 전력증폭기의 효율 및 동작영역을 개선시킬 수 있는 이점이 있다.

Claims

전송선으로 형성된 2차측 전송선과,

상기 2차측 전송선을 사이에 두고 각각 배치되며 서로 다른 기생 성분을 가지는 1차측 전송선들

로 이루어진 것을 특징으로 하는 전송선 변압기.
제 1항에 있어서, 상기 1차측 전송선 각각은 서로 다른 단면적을 갖는 것을 특징으로 하는 전송선 변압기.
제 1항에 있어서, 상기 1차측 전송선 각각과 상기 2차측 전송선이 형성하는 결합계수는 서로 다른 것을 특징으로 하는 전송선 변압기.
제 1항에 있어서, 상기 1차측 전송선 각각은 서로 다른 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 전송선 변압기.
제 1항에 있어서, 상기 2차측 전송선을 굽은 모양으로 형성하고 굽은 모양의 상기 2차측 전송선 안쪽과 바깥쪽에 상기 1차측 전송선을 각각 배치하는 것을 특징으로 하는 전송선 변압기.
제 1항에 있어서, 상기 1차측 전송선들 중에서 선택된 어느 하나를 구불구불한 모양으로 형성한 것을 특징으로 하는 전송선 변압기.