KR101029585B1 - 고주파 전력증폭기 냉각 모듈장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 고주파 전력 증폭기의 트랜지스터를 직접 냉각함으로 해서 증폭기 모듈의 발열 및 형상의 제약으로 인해 히트싱크(방열판)을 설치하기 어려운 곳에 효과적으로 냉각을 할 수 있고, 기존의 증폭기 구조에 탭 가공 등을 통하여 설치할 수 있으며, 형상 및 크기 제한에 의한 설치가 힘든 곳에서 손쉽게 설치할 수 있는 고주파 전력증폭기 냉각 모듈장치를 제공함에 있다.

본 발명에 따른 고주파 전력증폭기 냉각 모듈장치는, HPA(high power amplifir)와 LPA(linear power amplifire)에 사용하는 트랜지스터를 냉각하는 고주파 전력 증폭기(RF Power Amplifire)의 냉각 모듈 장치에 있어서, 증폭기 바디, 상기 증폭기 바디 상측에 설치되는 커버, 상기 증폭기 바디 상측부에 설치되는 피시비(PCB), 상기 피시비 상측부에 고정부재에 의해 조립되는 트랜지스터, 상기 트랜지스터의 상측에 직접 접촉되도록 설치되며 내부에 냉각수를 포함하는 냉각장치 몸체, 상기 냉각장치 몸체의 상측에 설치되며 상기 냉각수가 상기 트랜지스터의 방열에 의해 가열되어 기화되면 상기 기화된 냉각수를 환원시키는 방열핀을 포함하여 이루어진다.

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Description

고주파 전력증폭기 냉각 모듈장치{RF Power Amplifire cooling module apparatus}

본 발명은 전력증폭기의 냉각 모듈장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고주파 전력증폭기의 주요 발열 부품인 트랜지스터에 공기보다 열 전달계수가 큰 냉매를 이용하여 직접 냉각시킴으로써, 발열을 효과적으로 줄일 수 있는 고주파 전력증폭기 냉각 모듈장치에 관한 것이다.

오늘날, 초고주파 신호의 송수신을 위하여 다양한 형태의 고전력 RF 모듈이 사용되고 있다. 고전력 RF모듈은 정보가 실린 반송파 신호를 전력 증폭하여 고전력의 신호가 안테나를 통하여 송출되도록 하는 장치로서, 군용 레이더, 전자전 장비, 항공 우주용 장비 등에서는 전력 2.0 W 이상의 수십 GHz 초고주파 신호를 송출하도록 요구하고 있다. 이와 같은 고전력 RF 모듈에는 전력증폭기(Power Amplifier)를 실장한 MMIC 칩이 탑재되며, MMIC 칩에서는 많은 열이 발생되므로 MMIC 칩에서 발생되는 열이 외부로 용이하게 방출될 수 있는 구조로 되어 있다.

도 1은 종래 기술의 RF 모듈을 설명하기 위한 도면들로서, 도 1의 (a)는 RF 모듈(10)의 평면도이며, 도 1의 (b)는 A-A' 방향에 따른 단면도이다. 도 1을 참조하면, RF 모듈(10)은 MMIC 칩(11), CuW(텅스텐화 구리)재질의 방열판(12) 및 세라믹 기판(13)을 포함한다. CuW 방열판(12)은 요철 형태이며, Au-Sn 물질 등 접착제에 의하여 중앙 돌출부에는 MMIC 칩(11)이 접착되고, 양측 함몰부에는 세라믹 기판(13)이 접착된다. MMIC 칩(11)에는 전력 증폭기 회로가 포함되며, 양측 세라믹 기판(13) 각각에는 입력 전송선과 출력 전송선 등의 RF회로가 포함된다. MMIC 칩(11)과 세라믹 기판(13) 사이에는 소정 본딩 와이어(bonding wire)를 통하여 서로신호를 주고받을 수 있다. CuW 방열판(12) 주위에는 Al 블록 등과 같은 소정 몸체에 고정 시키기 위한 나사 홀이 마련된다.

이와 같은 종래 기술의 RF 모듈(10)에서는, MMIC 칩(11)으로부터 발생되는 열이 CuW 방열판(12)을 통하여 외부로 배출되도록 한다. 전기적 특성의 향상을 위하여 세라믹 기판(13)을 쿼츠(quartz) 기판으로 대체하는 예가 있다. 그러나, 종래 기술의 RF 모듈(10)에서는, CuW 방열판(12)의 양측으로 세라믹 기판(13)을 각각 구성하기 위하여 CuW 방열판(12)을 요철 형태로 가공해야하는 불편함이 있다. 또한, CuW 방열판(12)의 양측으로 세라믹 기판(13)을 분리하여 배치하고, MMIC 칩(11) 과의 신호 연결을 위한 여유있는 설계가 필요하므로, 비용이 많이 들고 모듈의 크기가 커지는 문제점이 있다. 따라서, 최근 들어 세라믹 기판 대신에 높은 열전도도를 가지는 AlN 등의 알루미나 기판을 사용하여, 방열에 유리하면서 고주파 회로를 실 장 할 수 있는 RF 모듈을 개발하고 있다.

한편, 종래에는 RF Power Amplifire의 내부에서 발생하는 열을 방출하기 위한 냉각방식으로 크게 강제냉각 방식과 자연냉각 방식이 있으며, 강제냉각방식은 팬을 이용하여 히트싱크에 강제대류를 작용케 하여 공냉하는 방식으로 소음이 크며, 별도에 팬의 설치가 필요하다. 팬이 필요한 강제냉각방식에 비하여 외부에 자연대류를 히트싱크를 이용하여 공냉하는 자연냉각방식은 자연대류를 이용하기 때문에 상대적으로 큰 히트싱크를 필요로 한다.

이러한 종래의 방식은 별도의 장치와 상대적으로 큰 히트싱크를 사용하기 때문에 제품이 대형화될 수밖에 없어서 크기의 제약을 받는다.

본 발명의 목적은, 고주파 전력 증폭기의 트랜지스터를 직접 냉각하여 증폭기 모듈의 발열 및 형상에 제약이 있어 히트싱크(방열판)을 설치하기 어려운 곳에 효과적으로 냉각을 할 수 있는 고주파 전력증폭기 냉각 모듈장치를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은, 기존의 증폭기 구조에 탭 가공 등을 통하여 설치할 수 있는 고주파 전력증폭기 냉각 모듈장치를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은, 형상 및 크기제한에 의한 설치가 힘든 곳에서 손쉽게 설치할 수 있는 고주파 전력증폭기 냉각 모듈장치를 제공함에 있다.

전술한 본 발명의 목적은, HPA(high power amplifir)와 LPA(linear power amplifire)에 사용하는 트랜지스터를 냉각하는 고주파 전력 증폭기(RF Power Amplifire)의 냉각 모듈 장치에 있어서, 증폭기 바디, 상기 증폭기 바디 상측에 설치되는 커버, 상기 증폭기 바디 상측부에 설치되는 피시비(PCB), 상기 피시비 상측부에 고정부재에 의해 조립되는 트랜지스터, 상기 트랜지스터의 상측에 직접 접촉되도록 설치되며 내부에 냉각수를 포함하는 냉각장치 몸체, 상기 냉각장치 몸체의 상측에 설치되며 상기 냉각수가 상기 트랜지스터의 방열에 의해 가열되어 기화되면 상기 기화된 냉각수를 환원시키는 방열핀을 포함하여 이루어지는 고주파 전력증폭기 냉각 모듈장치를 제공함에 의해 달성된다.

본 발명의 바람직한 특징에 따르면, 상기 고정부재는 탭을 이용하여 상기 트랜지스터를 고정할 수 있는 것을 특징을 하는 고주파 전력 증폭기 냉각 모듈 장치를 제공함에 의해 달성된다.

본 발명의 바람직한 특징에 따르면, 상기 냉각장치 몸체는 기존의 증폭기에 탭 가공을 통하여 설치되는 것을 특징으로 하는 고주파 전력 증폭기 냉각 모듈 장치를 제공함에 의해 달성된다.

본 발명의 바람직한 특징에 따르면, 상기 냉각장치 몸체는 크기와 형상을 조절하여 설치할 수 있는 것을 특징으로 하는 고주파 전력 증폭기 냉각 모듈 장치를 제공함에 의해 달성된다.

본 발명의 바람직한 특징에 따르면, 상기 방열핀은 상기 증폭기의 크기와 형상에 따라 적합하게 조립할 수 있고 열전도가 높은 구리재로 이루어질 수 있는 고주파 전력 증폭기 냉각 모듈 장치를 제공함에 의해 달성된다.

본 발명의 바람직한 특징에 따르면, 상기 냉각장치 몸체는 원통형의 형상을 가지는 고주파 전력 증폭기 냉각 모듈 장치를 제공함에 달려 있다.

본 발명에 따른 고주파 전력 증폭기 냉각 모듈 장치를 이용함으로써, 증폭기에 사용하는 트랜지스터를 직접적으로 냉각할 수 있어 종래의 강제냉각 방식 또는 자연냉각 방식 등에 비해 소음이 없고, 별도의 팬 설치가 필요 없어 더욱 효율적이고 제작비 절감 등의 이점이 있다.

또한, 상기 종래의 방식보다 작고 콤팩트하게 적용가능하여 발열제품에 효과적으로 사용 가능하다.

아울러, 주요 발열 부품인 트랜지스터에 공기보다 열 전달계수가 큰 냉매를 이용하여 냉각시킴으로써, 발열을 효과적으로 줄일 수 있다.

이하에서 설명되는 본 발명의 실시예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 발명을 쉽게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명하기 위한 것에 불과하며, 이로 인해 본 발명의 보호범위가 한정되는 것을 의미하지는 않는다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.

도 1은 종래 기술의 RF 모듈을 설명하기 위한 도면들로서, 도 1의 (a)는 RF모듈의 평면도이고, 도 1의 (b)는 A-A' 방향에 따른 단면도, 도 2는 본 발명 고주파 전력증폭기 직접냉각 모듈장치의 평면도, 도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ 방향에 따른 고주파 전력증폭기 직접냉각 모듈장치의 단면도, 도 4는 도 2의 Ⅳ-Ⅳ 방향에 따른 고주파 전력증폭기 직접냉각 모듈장치의 단면도로서,

본 발명은 HPA(high power amplifir)와 LPA(linear power amplifire)에 사용 하는 트랜지스터를 냉각하는 고주파 전력 증폭기(RF Power Amplifire)의 냉각 모듈 장치에 있어서, 증폭기 바디(Body)(110), 상기 증폭기 바디(110) 상측에 설치되는 커버(120), 상기 증폭기 바디(110) 상측부에 설치되는 피시비(PCB)(140), 상기 피시비(140) 상측부에 고정부재에 의해 조립되는 트랜지스터(150), 상기 트랜지스터(150)의 상측에 직접 접촉되도록 설치되며 내부에 냉각수를 포함하는 냉각장치 몸체(170), 상기 냉각장치 몸체(170)의 상측에 설치되며 상기 냉각수가 상기 트랜지스터(150)의 방열에 의해 가열되어 기화되면 상기 기화된 냉각수를 환원시키는 방열핀(180)을 포함하여 이루어지는 고주파 전력증폭기 냉각 모듈 장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

일반적으로 증폭기 내에서 최대부하로 작용하는 소자는 트랜지스터(150)이므로 상기 트랜지스터(150)에서 가장 많은 열이 발생한다. 따라서, 도 4와 같이 증폭기 바디(110) 상측 및 PCB(140) 상측에 상기 트랜지스터(150)를 탭(100) 결합 등으로 고정시켜 조립한다.

한편, 바람직하게는 상기 탭(100)을 설치하기 위해 상기 트랜지스터(150) 양단으로 연장된 지지대(190)가 형성되고, 상기 지지대(190)가 상기 트랜지스터(150)와 겹쳐지는 부위에는 개구(미도시)가 뚫려 있음으로 해서 상기 트랜지스터(150) 부분에는 상기 냉각장치 몸체(170)와 직접 접촉될 수 있다.

또한, 바람직하게는 상기 지지대(190)는 상기 트랜지스터(150)의 상측을 제 외한 양측으로 본딩(Bonding)결합을 할 수도 있다.

아울러, 상기 트랜지스터(150)를 고정시키는 수단은 바람직하게는 탭 결합, 나사 결합, 끼움 결합, 핀 결합 등 다양하게 형성될 수 있으며, 하기의 도면에 한정하는 것은 아니다.

한편, 상기 탭(100) 결합에 의해 고정된 트랜지스터(150) 상측에는 도 3내지 도 4와 같이 대체로 원통 형상으로 내부가 빈 냉각장치 몸체(170)가 위치한다. 더욱 상세하게는, 상기 냉각장치 몸체(170)의 하단 면이 상기 트랜지스터(150)의 상단에 위치하고, 상기 냉각장치 몸체(170)의 내부는 액상의 냉각수(미도시)가 채워져 있다.

따라서, 상기 가열된 트랜지스터(150)에 의해 상기 냉각장치 몸체(170)의 하단이 뜨거워 지면, 상기 냉각장치 몸체(170) 내부의 냉각수가 뜨거워져서 기화되고, 상기 기화된 액체가 상기 대류현상으로 상기 냉각장치 몸체(170) 상단에 위치하는 상기 방열핀(180)에 의하여 냉각되고 다시 액체로 환원되어 하단의 트랜지스터(150)를 냉각시키게 되는 이러한 반복적인 과정에 의해서 본 발명의 냉각 시스템이 작동된다.

한편, 상기 냉각장치는 여러 상황에 따라 크기를 작게 하거나 다양한 형상으로 제작할 수 있다. 따라서 상기와 같이 크기와 형상을 조절하여 설치할 수 있음으로 해서 종래 별도의 팬 장치와 상대적으로 큰 히트싱크를 사용하기 때문에 제품이 대형화될 수밖에 없었던 문제점을 극복하고 특히, 증폭기 모듈의 발열 및 형상에 제약이 있어 히트싱크를 설치하기 어려운 곳에 효과적으로 냉각할 수 있는 것이다.

바람직하게는 상기 냉각장치 몸체(170)는 외부몸체(160)와 내부몸체(160')로 이루어질 수 있다. 상기 내부몸체(160')는 보냉(냉기가 오래 지속 될수 있는)이 잘 되는 재질로 이루어져 상기 냉각수가 보다 지속적으로 차가운 성질을 유지하게끔 할 수 있다.

한편, 상기 냉각장치 몸체(170) 상측에는 방열핀(180)이 위치하게 된다.

상기 방열핀(180)을 구체적으로 설명하면, 통상적으로 전자 부품의 특성이 온도에 민감하여 온도가 급격히 높아지거나 낮아지게 되면 부품에 영향을 미쳐 수명이 저하되거나 제 기능을 발휘하지 못하기 때문에 전자기기가 정상적으로 작동하기 위해서는 내장되어 있는 전자부품을 일정한 온도 영역 내로 유지시켜 줄 필요가 있기 때문에 고온의 전자부품이나 소자로부터 열을 흡수하여 발산시키는 히트싱크(heat sink)와 저온의 온도를 외부의 유체 혹은 고체를 통해 일정한 온도로 상승시키는 냉각싱크(cold sink)로 구별된다.

그 중 히트싱크는 전자부품이나 소자와 접촉하여 열을 흡수하는 방열판과 열을 외부의 유체 혹은 고체로 발산시키는 방열핀으로 이루어진다.

이와 같이 열을 외부의 공기로 발산시키고 대체로 육각 기둥 형상을 가지는 것을 방열핀이라고 한다.

따라서, 상기 냉각장치 몸체(170)는 상기 커버(120)에 덮혀져 증폭기 내부에 위치되고, 상기 방열핀(180)에 의해 외부공기와 통하여 냉각함으로 해서 상기 증폭기에 사용하는 트랜지스터(150)를 직접적으로 냉각할 수 있다.

바람직하게는, 상기 방열핀(180)은 상기 증폭기의 크기와 형상에 따라 적합하게 조립될 수 있고, 열전도가 높은 구리재질로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 냉각장치 몸체(170)는 대체로 원통형의 형상을 가지나 바람직하게는 증폭기의 모양, 크기 등에 따라 다양하게 제작될 수 있음은 물론이다.

이상의 실시 예들은 본 발명을 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위는 실시 예에 한정되지 않으며, 첨부된 청구범위에 의거하여 정의되는 본 발명의 범주 내에서 당업자들에 의하여 변형 또는 수정될 수 있다.

예를 들면, 본 발명의 실시 예에 구체적으로 나타난 각 구성요소의 형상 및 구조는 변형하여 실시할 수 있다는 것이다.

도 1은 종래 기술의 RF 모듈을 설명하기 위한 도면들로서, 도 1의 (a)는 RF모듈의 평면도이고, 도 1의 (b)는 A-A' 방향에 따른 단면도,

도 2는 본 발명 고주파 전력증폭기 직접냉각 모듈장치의 평면도,

도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ 방향에 따른 고주파 전력증폭기 직접냉각 모듈장치의 단면도,

도 4는 도 2의 Ⅳ-Ⅳ 방향에 따른 고주파 전력증폭기 직접냉각 모듈장치의 단면도이다.

* 도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명 *

100 : 탭 110 : 증폭기 바디

120 : 커버 140 : PCB

150 : 트랜지스터 160 : 냉각기 외부 몸체

160' : 냉각기 내부 몸체 170 : 냉각장치 몸체

180 : 방열핀 190 : 지지대

Claims (6)

1. HPA(high power amplifir)와 LPA(linear power amplifire)에 사용하는 트랜지스터를 냉각하는 고주파 전력 증폭기(RF Power Amplifire)의 냉각 모듈 장치에 있어서,

   증폭기 바디;

   상기 증폭기 바디 상측에 설치되는 커버;

   상기 증폭기 바디 상측부에 설치되는 피시비(PCB);

   상기 피시비 상측부에 고정부재에 의해 조립되는 트랜지스터;

   상기 트랜지스터의 상측에 직접 접촉되도록 설치되며 내부에 냉각수를 포함하는 냉각장치 몸체; 및

   상기 냉각장치 몸체의 상측에 설치되며 상기 냉각수가 상기 트랜지스터의 방열에 의해 가열되어 기화되면 상기 기화된 냉각수를 환원시키는 방열핀을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 고주파 전력증폭기 냉각 모듈장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 고정부재는 탭을 이용하여 상기 트랜지스터를 고정할 수 있는 것을 특징을 하는 고주파 전력 증폭기 냉각 모듈 장치.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 냉각장치 몸체는 기존의 증폭기에 탭 가공을 통하여 설치될 수 있는 것을 특징으로 하는 고주파 전력 증폭기 냉각 모듈 장치.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 냉각장치 몸체는 크기와 형상을 조절하여 제작될 수 있는 것을 특징으로 하는 고주파 전력 증폭기 냉각 모듈 장치.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 방열핀은 열전도가 높은 구리재질로 이루어질 수 있는 것을 특징으로 하는 고주파 전력 증폭기 냉각 모듈 장치.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 냉각장치 몸체는 원통형의 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 고주파 전력 증폭기 냉각 모듈 장치.

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