KR100797014B1 - 갈륨나이트라이드(ＧａＮ) 트랜지스터를 이용한 고출력하이브리드 스위치 모듈 - Google Patents

갈륨나이트라이드(ＧａＮ) 트랜지스터를 이용한 고출력하이브리드 스위치 모듈 Download PDF

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Abstract

본 발명은 초고속 디지털 무선통신시스템의 송수신에 사용되는 고출력 하이브리드 스위치 모듈에 관한 것으로, 특히 와이맥스(wimax), 와이브로(wibro), 마이크로웨이브 라디오(microwave radio), 레이더(radar), RFID, MRI 와 같은 높은 출력을 이용한 디지털 데이터/비디오 신호를 전송하는 시분할 방식의 초고속 디지털 무선통신시스템에 안테나로부터 수신 및 송신되는 신호를 빠른 시간에 분할하는 고출력 고주파 하이브리드 스위치 모듈에 관한 것이다.
본 발명은 대역 갭(band gap)이 매우 큰 갈륨나이트라이드(GaN) 트랜지스터(HEMT; High Electron Mobility Transistor ;고전자 이동도 트랜지스터)를 이용하여 10W~20W 정도의 높은 출력과 높은 주파수 사용이 편리하고 100nsec의 매우 빠른속도로 스위칭(switching)함을 통해 고속 데이터 처리를 매우 쉽게 할 수 있으며, 칩 온 보드(Chip on board) 기술을 이용한 하이브리드 회로 자동 실장(SMT) 패키지(package)가 가능하도록 한 것이다.
GaN트랜지스터, 고출력하이브리드스위치, 하이브리드스위치, 무선통신

Description

갈륨나이트라이드(ＧａＮ) 트랜지스터를 이용한 고출력 하이브리드 스위치 모듈{Hybrid switch module using GaN transistor}
도 1은 일반적인 핀 다이오드의 구조 및 동작원리를 나타내기 위한 도면.
도 2는 일반적인 직렬접합 스위치의 구성을 나타낸 회로도.
도 3은 일반적인 션트 접합 스위치의 구성을 보인 도면.
도 4는 종래 기술에 따른 핀다이오드를 이용한 SPDT(sigle Pole Double) 스위치 구조의 일 예를 나타낸 도면.
도 5는 갈륨나이트라이드(GaN) 트랜지스터를 이용한 고출력 하이브리드 스위치 모듈의 구성을 나타낸 도면.
도 6은 일반적인 GaN 트랜지스터의 온(On) 상태 구조를 나타낸 도면.
도 7은 일반적인 GaN 트랜지스터의 오프(Off) 상태 구조를 나타낸 도면.
도 8은 직렬(Series)로 구성된 GaN HEMT 트랜지스터의 등가회로를 나타낸 도면.
도 9는 션트(Shunt)로 구성되는 GaN HEMT 트랜지스터의 등가회로를 나타낸 도면.
도 10은 본 발명에 있어서, 세라믹 칩 온 보드에 본 발명 스위치모듈을 실장한 구조의 일 예를 나타낸 도면.
도 11 내지 도 14는 본 발명에 따른 삽입손실(Insertion loss)과 절연(Isolation) 특성을 나타낸 그래프이다.
본 발명은 초고속 디지털 무선통신시스템의 송수신에 사용되는 고출력 하이브리드 스위치 모듈에 관한 것으로, 특히 와이맥스(wimax), 와이브로(wibro), 마이크로웨이브 라디오(microwave radio), 레이더(radar), RFID, MRI 와 같은 높은 출력을 이용한 디지털 데이터/비디오 신호를 전송하는 시분할 방식의 초고속 디지털 무선통신시스템에 안테나로부터 수신 및 송신되는 신호를 빠른 시간에 분할하는 고출력 고주파 하이브리드 스위치 모듈에 관한 것이다.
종래의 기술에 있어서는 GaAs pHEMT를 이용하여 소 출력 10W이하의 낮은 출력 스위치는 많이 이용되고 있으나, 장치(Device)의 대역 갭(Band-gap)이 낮아 높은 출력의 스위치는 불가능하게 되고, 핀 다이오드(Pin diode)를 사용하여 핀 다이오드 역 전압에 따른 저항 변화의 현상을 이용하여 여러 개의 핀 다이오드를 구성하여 고 출력 스위치를 이용하고 있다.
도 1은 핀 다이오드의 구조 및 동작원리를 나타내기 위한 도면으로, 이를 참조하여 핀 다이오드를 이용한 하이 파워 스위치의 구조를 설명하면 다음과 같다.
핀 다이오드는 강하게 도핑된 p+, n+형 반도체 사이에 높은 저항률의 진성 반도체를 넣은 소자로서 진성층의 전도율은 순방향 전류에 따른 주입되는 전하에 의해서 결정된다.
핀 다이오드의 고주파 저항은 바이어스 전류를 이용하여 간편하게 제어할 수 있기 때문에 마이크로파 전류 제어 소자로 쓸 수 있다.
순방향 바이어스일 때 공핍층은 정공과 전자의 진성층으로의 삽입으로 인하여 거리가 짧아진다 따라서 직렬접합 캐패시터인 절연체의 형성된 캐피시터는 다소 늘어나고 RF는 작아져 다이오드를 낮은 임피던스로 이끈다.
그러나 반대로 충분한 역방향 바이어스를 인가하면 접합 캐패시턴스는1/jwc 에 의하여 약 3pF 이하의 일정한 값이 되고 절연체에 의한 저항은 약 10KΩ정도가 되어 다이오드는 높은 임피던스 상태가 된다.
전류에 따른 일반적인 핀다이오드의 진성층 저항(Ri)는 전류>10mA에서 약 0.5~1Ω이 되고 19uA<전류<10mA에서 약 26 I-0.87Ω 이며 전류<19uA 와 역 바이어스에서 약 10KΩ이므로 스위치에 대하여 매우 좋다.
특히 진성층의 Life Time은 진성층의 저항과 다이오드의 스위치 특성에 영향을 주고 Life Time이 길수록 진성층의 저항은 작아진다 일반적인 핀 다이오드의 라이프 타임( life Time)은 0.1~20u sec 의 범위를 가진다
(a). 스위칭 스피드 모델(Switching Speed Model)
Pin diode의 Switching Speed는 순 바이어스와 역 바이어스로 전환되는 시간에 의한다
이를 수학식으로 나타내면 다음의 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112006032418019-pat00001
sec
여기서,
τ: Carrier Life time
IF: Forward bias Current
IR: Reverse bias Current
I 영역(region)의 두께 W가 두꺼우면 RF 항복전압(breakdown voltage)와 왜곡( distortion)에 유리하고, I 영역(region)의 두께 W가 얇으면 더 빠른 스위칭 스피드를 갖는다.
(b). 열 모델(Thermal model)
Figure 112006032418019-pat00002
여기서,
PD : 최대 허용할 수 있는 전력손실(Maximum allowable power dissipation)
Tj : 최대 허용할 수 있는 접합온도(Maximum allowable Junction Temperature)
TA : 히트 싱크 온도(Heat Sink Temperature
θ : 열 저항(thermal resistance)
(c). 핀 다이오드의 RF 전자 모델(RF Electrical Modeling of PIN diode)
* Forward bias 일때,
Figure 112006032418019-pat00003
여기서,
Q : IF * τ
W : I 영역 폭(region width)
IF : Forward bias Current
τ : 캐리어 라이프 타임(Carrier Life time)
μn : 전자이동도(electron mobility)
μp : 정공이동도(hole mobility)
Rs : 포워드 바이어스 일때 직렬 저항(Series Resistance at forward bias)
* 제로 또는 역 바이어스 시(Zero or Reverse bias)
Figure 112006032418019-pat00004
여기서,
ε: 실리콘의 유전체 상수(dielectric constant of silicon)
A :　다이오드 접합 영역(diode junction area)
CT :　제로 또는 역바이어스시의 총 캐패시턴스(Total capacitance at zero or reverse bias)
Rp : 제로 또는 역바이어스시의 병렬저항(Parallel resistance at zero or reverse bias)　
이러한 핀다이오드를 이용한 스위치에 대하여 설명하면 다음과 같다.
[Single-Pole Single Throw Switch]
(a). 직렬접합 스위치(Series connected switch)
도 2는 직렬접합 스위치의 구성을 나타낸 회로도이다.
이때의 삽입 손실(IL; Insertion loss)은 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112006032418019-pat00005
절연(I; Isolation)은 수학식 6과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112006032418019-pat00006
전력소실(PD ; Power Dissipation)은 수학식 7, 수학식 8과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112006032418019-pat00007
Figure 112006032418019-pat00008
(b). 션트 접합 스위치(Shunt Connected switch)
도 3에서 션트 접합 스위치의 구성을 보인다.
삽입손실(IL; Insertion loss)은 다음의 수학식 9와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112006032418019-pat00009
절연(I; Isolation)은 다음의 수학식 10과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112006032418019-pat00010
전력소실(PD; Power Dissipation)은 'Forward bias'와 'Reverse bias'의 바이어스 상태에 따라 수학식 11과 수학식 12와 같이 나타낼 수 있다.
Forward bias
Figure 112006032418019-pat00011
Figure 112006032418019-pat00012
,
Reverse bias
Figure 112006032418019-pat00013
[ Single Pole Double Throw Switch ]
도 4는 종래 기술에 따른 핀다이오드를 이용한 SPDT(sigle Pole Double Throw) 스위치 구조의 일 예를 나타낸다.
이와 같이, 여러개의 핀다이오드를 구성하여 고출력 스위치로 이용하고 있다.
그러나 초고속 인터넷에 이용되는 와이브로(Wibro), 와이맥스(Wimax) 나 대용량 전송에 사용되는 'microwave radio' 또는 'radar'와 같은 시스템에 사용하기에는 낮은 속도와 높은 주파수 사용시 생산성이 떨어져 가격이 비싸지고 매우 큰 사이즈로 구성해야 하는 문제점이 뒤따른다.
일반적으로 고출력 하이브리드 스위치(Hybrid switch) 모듈은 수신시 안테나에서 수신된 신호를 수신단에 빠른 시간에 연결하고, 송신시에는 고출력 증폭기의 출력을 안테나로 전달하는데 안테나 단자에서 스위치는 송수신단자로 빠른 시간에 스위칭을 반복하는 것으로 사용단자 연결시 적은 삽입손실(insertion loss)를 요구하고 사용하지 않는 단자에서는 많은 삽입손실을 요구하고 있다.
즉, 스위치의 온/오프 동작 속도가 이 디지털 무선통신의 속도를 높이는 중요한 요소가 되는 것이다.
이에 본 발명에서는 대역 갭(band gap)이 매우 큰 갈륨나이트라이드(GaN) 트랜지스터(HEMT; High Electron Mobility Transistor ;고전자 이동도 트랜지스터)를 이용하여 10W~20W 정도의 높은 출력과 높은 주파수 사용이 편리하고 100nsec의 매우 빠른속도로 스위칭(switching)함을 통해 고속 데이터 처리를 매우 쉽게 할 수 있을 뿐만 아니라 칩 온 보드(Chip on board) 기술을 이용한 하이브리드 회로 자동 실장(SMT) 패키지(package)가 가능하고 히트 싱크(Heat sink)를 부착하여 높은 출력의 스위치로 대량 생산이 가능하도록 한 것이다.
본 발명 고출력 하이브리드 스위치 모듈은 안테나 포트와 송수신 포트가 각각 1개로 3개의 RF 포트로 구성되고, 온/오프 스위칭을 위하여 각 포트에 전원을 공급하기 위한 2개의 전원공급포트가 별도로 구성되며,
상기 안테나 포트를 중심으로 해서 좌우로 송신포트와 수신포트가 구성되며, 각 송신포트와 수신포트에 시리얼 갈륨나이트라이드(GaN) 트랜지스터, 션트 GaN 트랜지스터를 주파수에 따라, 삽입손실, 절연(isolation), 복귀 손실(return loss), 핸드링 파워(handling power) 등의 특성에 맞게 배열하여 스위치 하이브리드 모듈을 구성한다.
이와 같은 구성을 갖는 본 발명 갈륨나이트라이드(GaN) 트랜지스터를 이용한 고출력 하이브리드 스위치 모듈을 첨부된 도면 도 5에 도시된 실시예를 참조하여 그 구성 및 동작을 설명하면 다음과 같다.
안테나포트(10)를 중심으로 마이크로 스트립라인이 T자형으로 나누어지면서, 좌우측으로 송신포트(20)와 수신포트(30)가 마이크로 스트립라인에 구성되고, 각 포트에 전원을 공급하기 위한 전원공급포트(40)(50)가 구성된다.
그리고 상기 송신포트(20)와 수신포트(30)에는 제 1,2시리얼GaN 트랜지스터(Q21)(Q31) 및 제 1,2송신 션트 GaN 트랜지스터(Q22)(Q23),제 3,4송신션트(Q24)(Q25),제 1,2,3수신 션트 GaN 트랜지스터(Q32)(Q33)(Q34)를 주파수에 따라 삽입손실, 절연, 복귀손실, 핸드링 파워 등의 특성에 맞게 배열하여 구성한다.
이와 같은 본 발명은 안테나포트(10)를 통해 마이크로 스트립 라인 50Ω에서 T자형으로 마이크로 스트립 라인이 나누어 지며,
마이크로 스트립라인에 연결되는 수신포트(30)는 제 3마이크로 스트립 라인(A)가 제 4마이크로 스트립 라인(B)에 연결되고 제 1마이크로 스트립 라인(S)위에 시리얼로 제 2시리얼 GaN 트랜지스터(Q31)가 실장된 다이(die)를 실버 에폭시(Silver Epoxy)나 골드틴(Goldtin)와 같은 접합수단으로 접합하여 제 2시리얼 GaN 트랜지스터(Q31)를 마이크로 스트립라인에 전기적으로 연결시킨다.
따라서 제 2시리얼 GaN 트랜지스터(Q31)의 소오스(Source)가 제 1마이크로 스트립 라인(S) 패턴에 전기적으로 연결된다.
제 2시리얼 GaN 트랜지스터(Q31)의 드레인(Drain)은 제 4마이크로 스트립 라인(B) 패턴에 와이어 본딩(Wire Bonding)을 통하여 연결된다.
제 1마이크로 스트립 라인(S)과 제 4마이크로 스트립 라인(B)는 아래와 위에 두개의 제 7,8마이크로 스트립 라인(C)(D)로 연결을 한다.
즉, 소오스와 드레인 사이에 제 7,8마이크로 스트립 라인(C)(D)를 두어 연결하여 필요 주파수 대역의 Return Loss를 갖게 한다
제 2시리얼 GaN 트랜지스터(Q31)의 게이트(Gate)는 와이어 본딩을 통하여 전원 공급을 위한 단자(H)에 연결되고 이는 저항(60)을 거쳐 전원 공급 포트(40)에 연결되어 On/Off시의 전압을 공급받는다.
제 9,10마이크로 스트립 라인(E)(G)를 통해 션트(Shunt)로 제 1,2,3수신 션트 GaN 트랜지스터(Q32, Q33, Q34)를 구성해 절연(Isolation)을 확보한다.
상기 제 1,2,3 수신 션트(Shunt) GaN 트랜지스터(Q32, Q33, Q34)를 실버 에폭시(Silver Epoxy)나 골드틴(Goldtin)으로 접지(Ground)위에 접착하여 소오스(Source)를 접지하고 드레인(Drain)은 와이어 본딩을 통하여 제 9마이크로 스트립 라인(E)에 연결한다
제 1,2,3수신 션트 GaN 트랜지스터(Q32,Q33,Q34)의 게이트는 제 11마이크로 스트립 라인(F)에 와이어 본딩으로 연결되고, 제 11마이크로 스트립라인(F)는 저항(60)을 통해 전원 공급 포트(50)에 연결된다.
여기서 제 1수신 션트 GaN 트랜지스터(Q32)와 제 2수신 션트 GaN 트랜지스터(Q33), 그리고 제 2수신 션트 GaN 트랜지스터(Q33)와 제 3수신 션트 GaN 트랜지스터(Q34)와의 드레인(Drain) 거리는 마이크로 스트립 라인으로 연결한다.
여기서, 제 2시리얼 GaN 트랜지스터(Q31)와 제 1,2,3 수신 션트 GaN 트랜지스터(Q32, Q33, Q34)의 게이트(Gate)전압은 On/Off 시 서로 반대의 전압이 공급되게 구성되어 있다.
상기 송신포트(20)는 제 3마이크로 스트립 라인(A)와 제 4마이크로 스트립 라인(B)가 연결되고 제 2마이크로 스트립 라인(X) 패턴위에 시리얼(Serial)로 제 1시리얼 GaN 트랜지스터(Q21)가 실장된 다이(Die)를 실버 에폭시나 골드틴으로 접합하여 제 1시리얼 GaN 트랜지스터(Q21)의 Source와 제 2마이크로 스트립 라인(X)가 전기적으로 연결되도록 한다.
제 4마이크로 스트립 라인(B)과 제 1시리얼 GaN 트랜지스터(Q21)의 드레인은 와이어 본딩을 통하여 연결된다.
제 2마이크로 스트립 라인(X)과 제 4마이크로 스트립 라인(B)은 아래와 위에 두개의 제 5,6마이크로 스트립 라인(c)(d)로 연결을 한다.
앞서 설명한 바와 같이, 소오스와 드레인 사이에 제 5,6마이크로 스트립 라인(c)(d)를 두어 필요 주파수 대역의 Return Loss를 갖게 한 것이다.
제 1시리얼 GaN 트랜지스터(Q21)의 게이트는 와이어 본딩을 통하여 제 12마이크로 스트립라인(T)에 연결되고, 제 12마이크로 스트립라인(T)는 저항(60)을 통해 전원공급포트(50)에 연결되어 On/Off시의 전압을 공급받는다
제 13마이크로 스트립 라인(L)을 통해 션트로 제 1,2송신 션트 GaN 트랜지스터(Q22, Q23) 2개를 직렬로 연결하고, 제 1,2송신 션트 GaN 트랜지스터(Q22,Q23)의 소오스는 실버 에폭시나 골드틴으로 접합하여 접지시킨다.
제 1송신 션트 GaN 트랜지스터(Q22)의 드레인은 와이어 본딩을 통해 제 13마이크로 스트립 라인(L)에 연결되고 게이트는 와이어 본딩을 통해 연결하여 저항(60)을 거쳐 전원공급포트(40)에 연결된다.
직렬 연결을 위해 제 2송신 션트 GaN 트랜지스터(Q23)의 드레인은 와이어 본딩을 통해 제 1송신 션트 GaN 트랜지스터(Q22)의 Source에 연결 된다.
제 2송신 션트 GaN 트랜지스터(Q23)의 게이트도 제 1송신 션트 GaN 트랜지스터(Q22)의 게이트와 같이 마이크로 스트립 라인에 와이어 본딩을 통해 연결되어 전원공급포트(40)에 연결된다.
제 3,4 송신 션트 GaN 트랜지스터(Q24)(Q25) 또한 상기의 제 1,2 송신 션트 GaN 트랜지스터(Q22)(Q23)와 같이 직렬로 연결구성되고, 제 4송신 션트 GaN 트랜지스터(Q25)의 게이트를 통해 전원공급포트(40)에 연결되며, 제 13마이크로 스트립 라인(L)에 제 3 송신 션트 GaN 트랜지스터(Q24)의 드레인이 연결된다.
송신 시에는 전원공급포트(40)가 -5V, 전원공급포트(50)가 0V를 공급하면 송신포트(20)의 경로(Path)가 저 삽입 손실(Low Insertion Loss)로 동작하고, 반대로 전원공급포트(50)가 -5V로 공급되고, 전원공급포트(40)로부터 0V의 전원이 공급되면 수신포트(30)의 경로가 동작되어 시간에 의해 송신, 수신을 분리하는 역할을 한다.
이와 같은 구성을 갖는 본 발명의 동작을 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 안테나 포트(10)를 통해 마이크로 스트립 라인이 T자형으로 분리되며, 마이크로 스트립 라인의 좌우측 송신포트(20)와 수신포트(30)에 제 1,2시리얼 GaN 트랜지스터(21)(31) 그리고 제 1내지 제 4송신 션트 트랜지스터(22,23)(24,25), 제 1,2,3수신 션트 트랜지스터(32,33,34)가 구성되는 바,
GaN 트랜지스터는 와이드(Wide)한 Energy Band-gap을 가지고 있으므로 항복전압(Breakdown Voltage)가 높고 실리콘(Si) 기판을 사용하므로 열전도성(Thermal conductivity)이 높아 기존의 GaAs HEMT나 MESFET 트랜지스터와는 다르게 고전압(High Power)에서의 사용이 가능하게 된다.
도 6은 GaN 트랜지스터의 온(On) 상태 구조를 나타낸다.
온 상태의 임피던스는 주로 저항(Resistive) 성분에 의존한다.
도 7은 GaN 트랜지스터의 오프(Off) 상태 구조를 나타낸다.
오프 상태의 임피던스는 주로 전기용량(Capacitive) 성분에 의존한다
즉 온/오프 스위칭시 Resistive & Capacitive성분에 의해 삽입손실(Insertion Loss)과 절연(Isolation)에 영향을 주는 것을 의미한다.
* 션트 구성(Shunt Configuration)
Figure 112006032418019-pat00014
Figure 112006032418019-pat00015
* 직렬 구성(Series Configuration)
Figure 112006032418019-pat00016
Figure 112006032418019-pat00017
도 8은 직렬(Series)로 구성된 GaN HEMT 트랜지스터의 등가회로를 나타낸 것이다.
상기의 수학식 13 내지 수학식 16과 도 8에 따르면 직렬로 구성된 GaN HEMT 트랜지스터는 게이트 전원의 공급에 따라 HEMT의 채널이 온시 임피던스는 주로 저항(Resistive) 성분이므로 적은 고주파 손실를 갖고 게이트 전원이 오프일 경우에는 전기용량(Capacitive)성분이므로 많은 고주파 손실을 갖게 되는 원리를 이용한 것이다.
시리얼 GaN 트랜지스터(Q31)에 GaN 트랜지스터의 크기가 큰 것(8mm)을 사용한 것은 사용 핸들링 파워(Handling Power)도 높지만 작은 트랜지스터를 병렬로 연결된 것과 같으므로 온(on)시 저항(Resistive) 성분이 매우 작아지고 오프(off)시에 전기용량(Capacitive) 성분이 매우 작아 저손실(Low loss)나 고주파(High frequency)에 사용이 쉬워지기 때문이다.
상기 제 2시리얼 GaN 트랜지스터(Q31)의 소오스에 제 9마이크로 스트립 라인(E)를 주파수에 맞게 선택한 후 제 1수신 션트GaN 트랜지스터(Q32)(2mm GaN Transistor)를 이용해 제 2시리얼 GaN 트랜지스터(Q31)과 반대 동작을 하도록 션트(Shunt) 형태로 구성한 것이다.
도 9는 션트(Shunt)로 구성되는 GaN HEMT 트랜지스터의 등가회로를 나타낸 것이다.
게이트에전원이 공급되어 온이 되면 임피던스는 저항(Resistive)성분이므로 RF성분이 드레인을 통하여 소오스로 흘러간다.
게이트에 전원이 공급되지 않으면 오프가 되므로 임피던스 성분은 전기용량(Capacitive) 성분이 되어 임피던스가 높으므로 RF성분이 드레인에서 소오스로 통과하게 되지 못하는 원리를 이용한 것이다.
제 1수신 션트 GaN 트랜지스터(Q32)는 2mm GaN 트랜지스터를 접지 되어진 패턴 위에 숄더링(Soldering) 하고 각각의 드레인과 Gate는 마이크로 스트립 라인과 전원 공급 라인에 와이어 본딩을 통하여 연결한다.
절연(Isolation)을 더 많이 확보하기 위하여 제 2,3수신 션트GaN 트랜지스터(Q33, Q34)(2mm GaN 트랜지스터)를 병렬로 연결하여 수신시 최소의 손실(Loss)를 유지하면서도 송신시 최대의 Isolation을 확보하도록 한 것이다
송신포트(20)도 수신포트(30)와 동일하게 동작하는데 션트(Shunt) 형태시 2mm GaN 트랜지스터 2개를 직렬로 연결하여 사용함으로서 핸들링 파워(Handling Power)를 높이고 절연(Isolation)을 높이기 위한 것이다.
전원공급포트(40)에 -5V가 공급되고 전원공급포트(50)에 0V이상 가해지면 수신측 시리얼 제 2시리얼 GaN 트랜지스터(Q31)가 Off가 되고 제 1,2,3 수신 션트 GaN 트랜지스터(Q32,Q33,Q34)가 션트 온이 되면 전기용량(Capacitive) 임피던스에 의존되어 임피던스가 매우 높아진다.
그러므로 제 1,2,3수신 션트 GaN 트랜지스터(Q32, Q33, Q34)는 저항(Resistive) 임피던스 성분이 되어 RF 바이패스(bypass)하게 된다
이로서 수신측 절연(Isolation)은 70~75 dB정도로 많아지게 된다
그러나 송신포트(20)의 제 1시리얼 GaN 트랜지스터(Q21)는 0V를 공급 받으므로 저항(Resistive) 임피던스 성분을 갖게 되어 낮은 임피던스가 되고 제 1,2,3수신 션트 GaN 트랜지스터(Q22, Q23, Q24, Q25)는 전기용량(Capacitive) 성분을 갖게 되어 큰 임피던스 값을 갖게 된다.
이로 인해 삽입손실(Insertion loss)이 1dB이하로 낮게 되어 송신되는 고출력 파워가 안테나 포트(10)를 통과해 나아가지만 수신측에는 아주 미약한 영향을 주게 된다.
이와 반대로 전원공급포트(40)와 전원공급포트(50)를 동작 시키면 송신측 절연(Isolation)은 40 이상으로 높아지는 반면 수신측은 삽입손실(Insertion loss)는 1.5dB이하로 낮아지게 된다.
도 11 내지 도 14는 본 발명에 따른 삽입손실(Insertion loss)과 절연(Isolation)을 나타낸 그래프이다.
도 11은 3.5GHz에서 수신측이 온 되었을 경우 약 0.9㏈, 송신측이 온 되었을 경우 1.4㏈정도의 삽입손실을 갖는 것을 보여준다.(Insertion loss 3.5GHz design)
도 12는 3.5GHz에서 송신단 제 1시리얼 GaN트랜지스터(Q21)이 온되고, 제 1내지 제 4송신 션트 GaN 트랜지스터(Q22내지 Q25)가 오프될 경우 수신단 제 2시리얼 GaN 트랜지스터(Q31)가 오프, 제 1,2,3 수신 션트 GaN 트랜지스터(Q32내지 Q34)가 온되는 경우 송신단에서 수신 절연 특성(RX Isolation)은 약 -70㏈로 나타나는 것을 보여준다. (Isolation 3.5GHz design)
도 13은 2.3GHz에서 수신측이 온 되었을 경우 약 0.8㏈, 송신측이 온 되었을 경우 1.2㏈정도의 삽입손실을 갖는 것을 보여준다.(Insertion loss 2.3GHz design)
도 14는 2.3GHz에서 송신단 제 1시리얼 GaN트랜지스터(Q21)이 온되고, 제 1송신 션트 GaN 트랜지스터(Q22내지 Q25)가 오프될 경우 수신단 제 2시리얼 GaN 트랜지스터(Q31)가 오프, 제 1,2,3 수신 션트 GaN 트랜지스터(Q32내지 Q34)가 온되는 경우 송신단에서 수신 절연 특성(RX Isolation)은 약 -75㏈로 나타나는 것을 보여준다. (Isolation 2.3GHz design)
이와 같이 디지털(Digital) 통신기기의 온/오프 동작을 반복함을 통하여 시분할 방식에 의한 통신을 가능하게 하게 하는 것이다.
이러한 본 발명의 구성에 따르면 세라믹 칩 온 보드에 실장하여 하이브리드 실장 자동 패키지가 가능한 스위치를 구성할 수 있다.
도 10은 세라믹 칩 온 보드에 본 발명을 실장한 구조의 일 예를 나타낸 것이다.
세라믹 칩 온 보드에 도 10에서와 같이 히트 싱크(Heat sink)를 구성하여 보다 높은 출력의 스위치를 구성할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 대역 갭(band gap)이 매우 큰 갈륨나이트라이드(GaN) 트랜지스터(HEMT; High Electron Mobility Transistor ;고전자 이동도 트랜지스터)를 이용함에 따라 높은 출력과 높은 주파수 사용이 편리하고 100nsec의 매우 빠른속도로 스위칭(switching)함을 통해 고속 데이터 처리를 매우 쉽게 할 수 있다.
또한, 칩 온 보드(Chip on board) 기술을 이용한 하이브리드 회로 자동 실장(SMT) 패키지(package)가 가능하게 되므로 생산성이 향상된다.
또한, 히트 싱크(Heat sink)를 부착하여 높은 출력의 스위치로 대량 생산이 가능하도록 한다.

Claims (5)

  1. 안테나 포트와 송신포트 및 수신포트가 각각 1개로 3개의 RF 포트로 구성되고, 온/오프 스위칭을 위하여 상기 송신포트 및 수신 포트에 서로 반대의 스위칭 전압을 공급하기 위하여 두 개의 별도 전원공급포트(40,50)으로 구성되며,
    상기 안테나 포트를 중심으로 해서 좌우로 송신포트와 수신포트가 구성되며, 각 송신포트와 수신포트에 갈륨나이트라이드(GaN) 트랜지스터를 주파수에 따라, 삽입손실, 절연(isolation), 복귀 손실(return loss), 핸드링 파워(handring power)의 특성에 맞게 배열하여 시리얼 트랜지스터 및 션트 트랜지스터를 구성하고,
    상기 전원공급포트(40)는 송신포트의 션트 GaN트랜지스터와 수신포트의 시리얼 GaN트랜지스터에 전원을 공급하고, 상기 전원공급포트(50)는 송신포트의 시리얼 GaN 트랜지스터와 수신포트의 션트 GaN트랜지스터에 전원을 공급하도록 한 것을 특징으로 하는 갈륨나이트라이드(GaN) 트랜지스터를 이용한 고출력 하이브리드 스위치 모듈.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 GaN 트랜지스터들은 칩 형태로 접착수단을 이용하여 마이크로 스트립라인에 접착하여 소오스를 전기적으로 연결하고, 게이트와 드레인을 와이어 본딩하여 해당하는 전원공급포트 및 마이크로 스트립라인에 전기적으로 연결한 것을 특징으로 하는 갈륨나이트라이드(GaN) 트랜지스터를 이용한 고출력 하이브리드 스위치 모듈.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 송신포트의 션트 GaN트랜지스터는 직렬로 연결하는 제 1,2송신 션트 GaN트랜지스터(Q22,Q23)와 제 3,4송신 션트 GaN트랜지스터(Q24,Q25)로 구성되며,
    상기 수신포트의 션트 GaN 트랜지스터는 마이크로 스트립라인으로 드레인간의 거리를 연결하는 제 1,2,3수신 션트 GaN트랜지스터(Q32,Q33,Q34)로 구성되는 것을 특징으로 하는 갈륨나이트라이드(GaN) 트랜지스터를 이용한 고출력 하이브리드 스위치 모듈.
  4. 제 1항에 있어서, 제 1,2시리얼 GaN트랜지스터(21,31)가 실장되는 제 1,2마이크로 스트립 라인(S)(X)와 안테나 포트의 제 3마이크로 스트립라인(A)와 연결되는 제 4마이크로 스트립라인(B)에 두개의 제 5,6마이크로 스트립라인(c,d) 및 제 7,8마이크로 스트립라인(C,D)을 구성하여 필요주파수 대역의 복귀 손실(Return Loss)를 갖게 하는 것을 특징으로 하는 갈륨나이트라이드(GaN) 트랜지스터를 이용한 고출력 하이브리드 스위치 모듈.
  5. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서, 히트 싱크(Heat Sink)를 더 포함하여 구성한 것을 특징으로 하는 갈륨나이트라이드(GaN) 트랜지스터를 이용한 고출력 하이브리드 스위치 모듈.
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