KR100718004B1

KR100718004B1 - Nrd 가이드용 증폭기

Info

Publication number: KR100718004B1
Application number: KR1020040020583A
Authority: KR
Inventors: 신천우
Original assignee: 엔알디테크 주식회사; 신천우
Priority date: 2004-03-26
Filing date: 2004-03-26
Publication date: 2007-06-12
Also published as: KR20040033298A

Abstract

본 발명은 NRD가이드용 증폭기에 관한 것이다. 사용주파수의 반파장이하의 간격인 상하도체판 사이에 NRD가이드선로-스트립선로변환기를 구성하고; NRD가이드선로-스트립선로변환기는 금속박막이 포토에칭으로 패터닝되어 있는 스트립선로 상부에는 HEMT소자가 내장되어 전력증폭기 및 저잡음 증폭기로 이용 가능한 구조로 구성한 것을 특징으로하는 NRD가이드를 이용한 증폭기이다.

NRD 가이드선로, 전력증폭기, 저잡음증폭기, HEMT, 다단증폭

Description

NRD 가이드용 증폭기{Amplifier using NRD guide}

도 1: NRD가이드용 증폭기의 사시도

도 2: 상기 도 1의 스트립선로상부를 상세하게 나타낸 평면도

도 2의 원안(A): 스트립상부에 본딩된 HEMT소자 직사각형다이패턴 구조를 나타낸 평면도

도 3: NRD가이드선로-스트립선로 변환기에 대한 전송손실 그래프

도 4: HEMT소자 부착용 직사각형다이패턴에서 길이(a)의 변화에 따른 삽입손실 그래프

도 5: HEMT소자 부착용 직사각형다이패턴에서 길이(a)의 변화에 따른 반사손실 그래프

도 6: HEMT소자 부착용 직사각형다이패턴에서 폭(b)의 변화에 따른 삽입손실 그래프

도 7: HEMT소자 부착용 직사각형다이패턴에서 폭(b)의 변화에 따른 반사손실 그래프

도 8: 저잡음증폭용 HEMT소자를 장착한 NRD가이드용 증폭기의 신호증폭이득에 대한 전송특성을 나타낸 그래프

도 9: 전력증폭용 HEMT소자를 장착한 NRD가이드용 증폭기의 신호증폭이득에 대한 전송특성을 나타낸 그래프

도 10: 다단 신호증폭용 NRD가이드용 증폭기의 평면도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1: 상부도체판

2: 하부도체판

3: NRD가이드유전체선로
4: 급전선로

5: 동박스트립선로

삭제

6d: HEMT소자 드레인(Drain)측 와이어(wire)

6g: HEMT소자 게이트(Gate)측 와이어(wire)

7: 바이어스용 Semi-Rigid Connector

8: 전력증폭용 및 저잡음증폭용 HEMT소자

9: HEMT소자 부착용 직사각형다이패턴

A: 스트립선로상의 HEMT소자가 장착된 부분

B1, B2(좌우대칭): NRD가이드선로-스트립선로변환부분

a: 스트립선로상 HEMT소자가 부착된 직사각형다이패턴(die pattern)의 길이

b: 스트립선로상 HEMT소자가 부착된 직사각형다이패턴(die pattern)의 폭

현재 유선통신에 있어서 저손실화된 광파이버의 개발 및 반도체 기술의 발달에 힘입어 광통신이 계속적으로 실용되고 있으며, 무선통신에서는 위성통신의 발달에 의해 대용량 통신을 위한 초고주파화가 진행중이며 서브밀리미터파 또는 밀리미터파에서의 통신기 개발이 아주 중요한 과제가 되고 있다.

무선통신에 있어서, 고주파 대역의 사용주파수가 밀리미터파 대역으로 이동됨에 따라 종래의 마이크로스트립라인에서는 전송손실이 매우커져서 무선통신시스템의 구현으로는 적당하다고 할 수 없게 되었다.

이에 밀리미터파 대역에서 사용가능하고, 기존의 마이트로스트립선로에서 발생되는 전송손실을 충분히 억제할 수 있는 비방사성유전체선로 (Non-Radiative-dielectric Waveguide: NRD guide)가 이미 제안되었으며, 최근까지 많은 연구가 진행되고 있다.

그러나 일반적으로 비방사성유전체선로(NRD guide)는 수동소자로 조합할 경우에 매우 유용한 무선통신시스템을 구현 할 수 있지만, 능동소자로의 구성은 매우 어려운 것으로 알려져 있다.

이에 종래의 능동소자로의 구현이 가능한 마이크로스트립선로와 NRD 가이드선로와의 장점을 결합한 최적의 소자구현이 절실히 필요하며, NRD 가이드선로와 마이크로스트립선로와의 전송손실이 없는 신호전송변환을 통해 유용한 무선통신시스템을 구현하고자 하는 노력이 뒤따라야 한다.

또한 NRD가이드를 이용한 밀리미터파 대역용 무선통신시스템에서 최고의 성능을 얻기 위해 통시시스템의 잡음레벨을 최소화하는 것이 일반적으로 요구되고 있 다. 따라서 전력증폭기와 저잡음증폭기는 이러한 통신시스템에서 필수 불가결한 요소이기에 이의 발명은 반드시 선행되어야 한다.

본 발명에 있어서, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 NRD가이드를 이용한 증폭기 즉, 전력증폭기 및 저잡음 증폭기를 NRD가이드선로-스트립선로 변환기에서실현하기 위한 최적의 방법을 다음과 같이 둔다.

사용주파수의 반파장이하 간격의 금속상하도체판(1, 2) 사이에 NRD가이드유전체선로(3). NRD가이드유전체선로에 삽입된 급전선로(Feeder)(4), 동박스트립선로(5)가 패터닝된 유전체기판(6)이 서로 결합된 구조인 NRD가이드-스트립선로 결합기를 이용하여 스트립선로상의 MMIC장착부에 고전자이동도트랜지스터(High-Electron-Mobility Transistor: HEMT)소자를 장착하여 NRD가이드용 전력증폭기 및 저잡음 증폭기를 구성하고; HEMT소자가 장착된 다이(die)패턴의 길이 및 폭의 변화에 따라 최적의 NRD가이드용 증폭기를 구성하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 밀리미터파 대역에서 사용가능한 NRD 가이드용 증폭기를 구현하기 위해 다음과 같은 방법으로 구성하였다.

도 1은 NRD가이드용 증폭기를 구성한 사시도이다. 도 1에 의하면, 사용주파수의 반파장이하 간격의 금속상하도체판(1, 2) 사이에 NRD가이드유전체선로(3). 모드스프레서(12), NRD가이드유전체선로(3), NRD가이드유전체선로에 삽입된 급전선로(Feeder)(4), 동박스트립선로(5)이 있는 유전체기판(6) 등이 좌우대칭으로 서로 결합된 구조인 NRD가이드-스트립선로 결합기를 이용하여 NRD가이드용 증폭기를 구성한다. 이때 A부분은 HEMT소자(9)가 장착된 MMIC증폭단을 나타내고 있다.

도 2는 NRD 가이드용 증폭기를 구성하는 NRD가이드-스트립선로 결합기를 나타낸 평면도이다. 도 2에 의하면, 스트립선로(5)는 유전율이 10.5인 유전체기판(6) 위에 두께가 약 0.254mm 인 금속박막이 패터닝된 구조로 되어있고, 동박스트립선로(5) 종단에 결합된 급전선로(Feeder)(4)는 스트립선로(5)와 임피던스 매칭이 되어 있고, 급전선로(4)는 NRD가이드유전체선로(3)에 삽입되어 임피던스 매칭이 된다.

바람직하게는 NRD가이드유전체선로(3)와 삽입된 급전선로(4)와의 손실없는 신호결합과 급전선로(4)와 동박스트립선로(5)와의 손실없는 신호결합과 최적의 임피던스 매칭이 이루어져 있다.

상기 손실없는 신호결합과 최적의 임피던스 매칭을 위한 방법은 NRD가이드유전체선로(3) 종단에 삽입된 급전선로(4)의 삽입깊이길이 및 NRD가이드유전체선로(3)종단 경계면과의 간격, 노출된 급전선로(4)의 길이, 급전선로(4)의 직경 변화를 주는 방법을 따른다.

또한 급전선로(4)와 결합된 동박스트립선로(5)의 종단에 있어서, 바람직하게는 급전선로(4)와 동박스트립선로(5)의 결합위치관계에 따른다. 그리고 스트립선로(5)의 전체길이 변화에 따라 달라진다.
본 발명에 있어서, 도 4, 도 5, 도 6 및 도 7은 HEMT소자(8) 직사각형다이패턴(9)에서 길이 (a) 및 폭(b)의 변화에 따른 삽입손실 및 반사손실을 나타낸 그래프이다. 도 4에 있어서, 사용주파수 35GHz에서 직사각형다이패턴(9)의 폭(b)가 클수록 삽입손실은 약 -30dB이상 나타남을 알 수 있다. 이때 직사각형다이패턴(9)의 길이(a)는 약 2mm정도이다.

삭제

따라서 본 발명에 의하면 상기 NRD가이드선로-스트립선로 변환기에서 스트립선로기판(4)의 스트립선로상(6)에 HEMT소자(8)를 장착하기 위한 직사각형동박패턴은 길이(a)와 폭(b)의 변화에 따라 RF신호의 전송손실이 달라짐을 알 수 있었고, 특히 폭(b)의 영향을 많이 받음을 알 수 있었다. 이에 본 발명에서는 직사각형동박패턴의 폭(b)의 크기를 HEMT소자(8)크기에 맞추어 충분히 크게 하였다.

바람직하게는 NRD가이드유전체선로(3)에서 진행되는 전자기파는 급전선로(4)를 통해 전송되어 동박스트립선로(5a)에 전파되면 RF전류신호로 변환된다. 또한 급전선로(4)를 통해 전파가 NRD가이드내에서 발생한 불요모드를 억제하고, LSM모드의 전파를 도모하기 위한 모드스프레서(12)가 NRD가이드(3)내에 삽입된다.

바람직하게는 RF 신호는 동박스트립선로(5)를 따라 전송되어 HEMT 증폭소자(9)의 입력신호로 전송된다. 이때 HEMT소자(9)는 Semi-Rigid Connector(8)를 통해 Vcc입력 및 출력 바이어스되고, Vcc입력은 HEMT소자(9)의 게이트(gate)측으로 연결하기 위해 스트립선로 기판상(6)에 □형태의 금속박막패턴(7)에 와이어(12a)로 연결되고, Vcc출력은 HEMT소자(9)의 드레인(drain)측에 연결시키기 위해 □형태의 금속박막패턴(7)에 와이어(12b)로 연결하여 바이어스되므로 RF 입력신호는 RF출력증폭신호로 나오게 된다. 증폭된 RF출력신호는 스트립선로(5c)로 전송되고, 전송된 RF전류신호는 급전선로(4)를 통해 전자기파로 변환되어 NRD 가이드유전체선로(3)를 통해 진행되고, 접지부선로(11)는 HEMT소자(9)에서 나오는 접지를 외부로 유출시키기 위한 선로로 이용된다.

본 발명에 있어서, 상기 동박스트립선로(5)의 MMIC를 장착하는 다이(die)패턴(10)는 크기가 길이(a)와 폭(b)를 가지며, 길이(a) 및 폭(b) 변화에 따라 HEMT소자(9)를 통과하는 RF전류신호의 손실을 최소화 시킬 수 있고, 이에 길이(a)에 대한 삽입손실(S21) 및 반사손실(S11) 특성을 도 6과 도 7에 나타내었고, 폭(b)에 대한 삽입손실(S21) 및 반사손실(S11) 특성을 도 8과 도 9에 나타내었다.

본 발명에 있어서, 밀리미터파 대역에서 사용가능한 NRD 가이드용 증폭기를상기와 같은 방법으로 구성할 경우 전력증폭기(HPA) 및 저잡음증폭기(LNA)를 NRD 가이드용 송수신간에 장착하여 신호잡음레벨을 충분히 낮추고 이득을 올릴 수 있는 있는 장점이 있다.

따라서 밀리미터파 대역에서 전송손실이 없는 신호전송변환용 NRD가이드선로-스트립선로를 이용하면 무선통신기기에 있어서, 최적의 능동소자 및 수동소자의 삽입이 가능하고, 우수한 LNA, HPA를 장착하여 밀리미터파 대역용 무선통신시스템을 구현할 수 있다.

Claims

NRD가이드용 증폭기의 구성방법에 있어서,

사용주파수의 λ/2이하 간격의 금속상하도체판(1, 2) 사이에 NRD가이드유전체선로(3), NRD가이드유전체선로에 삽입된 급전선로(Feeder)(4), 동박스트립선로(5)가 있는 유전체기판(6) 등이 좌우대칭으로 서로 결합된 구조인 NRD가이드-스트립선로 결합기를 이용하고; 동박스트립선로(5)는 HEMT소자 장착하는 다이패턴으로 구성되어 있고; 다이패턴에 HEMT소자(9)가 장착된 것이 특징으로 하는 NRD가이드용 증폭기
제 1항에 있어서,

상기 다이(die)패턴의 길이(a) 및 폭(b)은 RF전류신호입출력 전송손실을 적게 하기 위해 조정되는 것이 특징인 NRD가이드용 증폭기
제 1항에 있어서,

상기 동박스트립선로 RF전류신호입력단과 RF전류신호출력단 사이에 저잡음증폭기용 HEMT소자(8) 및 전력증폭기용 HEMT소자(8)를 장착하고; HEMT소자의 게이트(gate) 입력전원부 및 드레인(drain) 출력전원부는 □형태의 금속박막상에 와이어(12a, 12b) 본딩으로 구성하는 것이 특징인 NRD가이드용 증폭기
제 1항에 있어서,

상기 MMIC를 장착하는 다이패턴의 크기가 길이(a)와 폭(b)을 가지는 것이 특징인 NRD가이드용 증폭기
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