KR100659287B1 - 1차측과 2차측이 서로 맞물린 형태의 전송선 변압기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 변압기를 구성하고 있는 전송선의 길이가 길지 않더라도 큰 결합 계수를 갖도록 하여 효율을 개선한 전송선 변압기에 관한 것으로서, 1차측 전송선과 2차측 전송선이 서로 맞물린 형태가 되도록 각각 여러개로 나뉘어지며, 나뉘어진 상기 1차측 전송선은 서로 병렬로 연결되고, 나뉘어진 상기 2차측 전송선도 서로 병렬로 연결되는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 전송선 변압기가 높은 결합계수를 갖게 된다. 따라서, 차동신호를 동상신호로 변환하는 것이 필요한 무선통신 시스템용 전력 증폭기의 정합회로로서 발명에 따른 변압기를 사용할 경우에 전력 증폭기의 효율을 개선할 수 있게 된다.

전력 증폭기, 변압기, 결합 계수, 정합회로, 전송선

Description

1차측과 2차측이 서로 맞물린 형태의 전송선 변압기{Interdigitated transmission line transformer}

도 1은 일반적인 전송선 변압기(101)를 설명하기 위한 도면;

도 2는 도 1의 전송선 변압기가 적용된 전력 증폭기를 설명하기 위한 도면;

도 3은 본 발명에 따른 전송선 변압기를 설명하기 위한 도면;

도 4 및 도 5는 전송선 변압기의 성능을 확인하기 위하여 컴퓨터 모사를 시도한 샘플을 설명하기 위한 도면들이다.

본 발명은 전송선 변압기에 관한 것으로서, 특히 변압기를 구성하고 있는 전송선의 길이가 길지 않더라도 큰 결합 계수를 갖도록 하여 효율을 개선한 전송선 변압기에 관한 것이다.

도 1은 일반적인 전송선 변압기(101)를 설명하기 위한 도면이다. 도 1을 참 조하면, 전송선 변압기의 1차측 전송선(101a)에 교류 전류가 흐르면 1차측 전송선(101a)의 주위에 자기장이 형성되고, 2차측 전송선(101b)에서는 이렇게 형성된 자기장의 변화를 방해하는 방향으로 전류가 유도된다. 이런 식으로 1차측 전송선(101a)에서 발생된 전력이 2차측 전송선(101b)으로 넘어 가게 하는 것이 전송선 변압기의 기본 원리이다.

이러한 전송선 변압기는 무선통신 시스템용 전력 증폭기에서 차동 신호를 동상 신호로 만들어 주는 역할과 더불어 정합 회로의 일부로 널리 사용되는데, 그 예가 도 2에 도시되었다. 참조번호 111은 전력 증폭기를 나타낸다.

일반적인 무선통신 시스템용 전력 증폭기는 부하저항 값이 수 Ω일 때 최대 전력을 낼 수 있다. 하지만 일반적인 무선통신 시스템은 입력과 출력단을 50Ω에 정합시키며, 이때 전송선 변압기가 50Ω의 부하저항을 수 Ω의 부하저항으로 변환시켜 전력 증폭기가 최대 출력을 낼 수 있도록 하는 역할을 한다. 이와 같이 전송선 변압기를 이용한 무선통신 시스템용 전력 증폭기는 [AoKi, S. Kee, D. Rutledge, A. Hajimiri, "A fully-integrated 1.8-V, 2.8-W, 1.9-GHz, CMOS power amplifier" IEEE RFIC symp. pp 199-202, June 2003]과 같은 보고서에 이미 공개되었다.

그러나, 일반적인 도 1과 같은 전송선 변압기는 낮은 결합 계수(k-factor) 값을 갖는다. 결합 계수를 높이기 위해서는 전송선 변압기를 형성하고 있는 전송선의 길이가 길어야 하는데, 전송선의 길이가 길어지면 전송선에서 야기되는 저항성분에 의하여 전력의 손실이 생기는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 변압기를 구성하고 있는 전송선의 길이가 길지 않더라도 큰 결합 계수를 갖도록 하여 효율이 개선된 전송선 변압기를 제공하는 데 있다.

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상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 전송선 변압기는, 1차측 전송선과 2차측 전송선이 서로 맞물린 형태가 되도록 각각 여러개로 나뉘어지며, 나뉘어진 상기 1차측 전송선은 서로 병렬로 연결되고, 나뉘어진 상기 2차측 전송선도 서로 병렬로 연결되는 것을 특징으로 한다.

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이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 아래의 실시예는 본 발명의 내용을 이해하기 위해 제시된 것일 뿐이며 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상 내에서 많은 변형 이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명의 권리범위가 이러한 실시예에 한정되는 것으로 해석돼서는 안 된다.

도 3은 본 발명에 따른 전송선 변압기를 설명하기 위한 도면이다. 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 1차측 전송선(201a)과 2차측 전송선(201b)이 각각 4개와 3개로 나뉘어지며, 4개의 1차측 전송선(201a)은 서로 병렬로 연결되고, 3개의 2차측 전송선(201b)도 서로 병렬로 연결된다. 상기 4개의 1차측 전송선(201a) 사이에는 상기 2차측 전송선(201b)이 배치되어, 1차측 전송선(201a)과 2차측 전송선(201b)이 서로 맞물린 형태로 형성한다. 따라서 두 개의 1차측 전송(201a)선 사이에는 하나의 2차측 전송선(201b)이 위치되고, 두 개의 2차측 전송선(201b) 사이에는 하나의 1차측 전송선(201a)이 위치되게 된다. 여기서, 나뉘어지는 숫자는 큰 의미가 없으며 다른 개수로 나뉘어져도 된다. 한편, 본 발명에 의한 전송선 변압기는 전력 증폭기를 포함하는 집적 회로에서 주로 사용되는 데, 현재의 반도체 공정 기술을 이용한다면 전송선 변압기의 1차측 전송선(201a)과 2차측 전송선(201b)를 형성하는 메탈 라인은 알루미늄으로 형성 가능하며, 최근 개발된 CMOS 공정 기술을 이용한다면 메탈 라인은 구리로도 형성이 가능함은 명백하다. 뿐만 아니라, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 전송선들의 제조 공정 및 재료는 많은 변형이 가능하다. 중요한 것은 서로 맞물린 형태가 되도록 각각 여러 갈래로 분리되며, 이들이 병렬로 연결된다는 것이다.

이와 같은 구성을 취하면 도 1의 전송선 변압기와 비교할 때, 1차측 전송선과 2차측 전송선의 마주보고 있는 부분의 길이가 늘어나 1차측 전송선에 흐르는 전류에 의하여 형성된 자기장이 2차측 전송선에 더 많은 영향을 주어 2차측에 유도되는 전류의 양을 늘릴 수 있고, 이에 따라 결합계수도 증가하게 된다.

도 3에서 여러 갈래로 나뉘어진 1차측 전송선 및 2차측 전송선의 각 갈래마다의 길이는 종래의 경우에 비해 길게 할 필요가 없으므로, 결합계수를 늘이기 위하여 전송선의 길이를 길게 해야 하는 일반적인 전송선 변압기와 비교했을 때, 본 발명에 의한 전송선 변압기는 전송선의 길이를 길게 하지 않아도 되므로 전송선의 저항성분에 의한 손실을 줄임과 동시에 큰 값의 결합계수를 확보할 수 있다.

또한, 여러개로 나뉘어진 1차측 전송선과 2차측 전송선은 폭이 좁아져 저항성분이 증가할 수도 있지만, 여러개의 전송선이 1차측과 2차측을 형성하기 때문에 저항성분이 병렬로 연결되어 있다고 볼 수 있으므로 결과적으로는 저항성분이 증가하지는 않는다.

일반적으로 전송선에 인가되는 신호의 주파수가 높아질수록 전송선에서는 전류 편중 효과(current crowding effect)와 표면 효과(skin effect)가 나타나게 되는데, 이는 고주파 전자회로에서 회로 전체의 효율을 저하 시키는 원인이 된다. 하지만 본 발명에 의한 전송선 변압기는 전송선이 여러개로 나누어져 있기 때문에 일반적인 전송선 변압기에 비하여 표면적이 증가하게 되어 전류 편중 효과와 표면효과가 감소하게 되어 고주파 특성이 향상되는 장점이 있다.

도 4 및 도 5는 전송선 변압기의 성능을 확인하기 위하여 컴퓨터 모사를 시도한 샘플을 설명하기 위한 도면들인데, 도 4는 종래의 전송선 변압기를 나타낸 것이고, 도 5는 본 발명에 따른 전송선 변압기를 나타낸 것이다.

도 4에서 W_conv는 전송선 변압기에 사용되는 전송선의 폭을 나타내고, L_conv는 길이를 나타낸다. 그리고, S_conv는 1차측과 2차측 전송선간의 간격을 나타낸다. 그리고, 도 5에서 W_inter는 본 발명에 의한 전송선 변압기를 형성하고 있는 전송선의 폭을 나타내고, L_inter는 길이를 나타낸다. 그리고, S_inter는 1차측과 2차측 전송선간의 간격을 나타낸다. 도 5에서 1차측 전송선(201a)은 4개로 나누었고, 2차측 전송선(201b)은 3개로 나누었다. W_conv는 W_inter의 네배가 되며, L_conv와 L_inter는 동일하며, S_conv와 S_inter는 동일하다.

컴퓨터 모사 결과 도 4의 전송선 변압기의 결합계수는 0.6이고, 도 5의 전송선 변압기의 결합계수는 0.9로 확인되었다. 이에 따라 본 발명에 의한 전송선 변압 기는 일반적인 전송선 변압기에 비하여 높은 결합계수를 확인할 수 있었다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 전송선 변압기에 의하면, 전송선 변압기가 높은 결합계수를 갖게 된다. 따라서, 차동신호를 동상신호로 변환하는 것이 필요한 무선통신 시스템용 전력 증폭기의 정합회로로서 발명에 따른 변압기를 사용할 경우에 전력 증폭기의 효율을 개선할 수 있게 된다.

Claims (2)

1차측 전송선과 2차측 전송선이 서로 맞물린 형태가 되도록 각각 여러개로 나뉘어지며, 나뉘어진 상기 1차측 전송선은 서로 병렬로 연결되고, 나뉘어진 상기 2차측 전송선도 서로 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 전송선 변압기.

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