KR101159456B1 - 신호 효율이 최대화된 전송선 변압기 - Google Patents

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Abstract

신호 효율이 최대화된 전송선 변압기가 개시된다. 본 발명에 따른 전송선 변압기는 집적회로 상에 형성되며, 제1전송선이 일방향으로 형성된다. 제2전송선과 제3전송선은 길이방향이 상기 제1전송선과 동일하고, 제1전송선의 상방 또는 하방에 측방향으로 이격되어 형성된다. 본 발명에 따르면, 제1전송선 및 제2전송선과 제3전송선 사이의 마주보는 면적이 넓어져 결합 계수를 향상시킬 수 있으며, 두 부분으로 나누어지며 제1전송선에 비해 폭이 좁은 제2전송선과 제3전송선을 사용함으로써 반도체 기판과의 사이에서 발생하는 기생 캐패시턴스 성분을 최소화할 수 있다.

Description

신호 효율이 최대화된 전송선 변압기{Transmission line transformer with maximized power}
본 발명은 신호 효율이 최대화된 전송선 변압기에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 고주파 집적회로에서 반도체 기판상에 형성되며, 결합 계수의 향상을 통해 신호 효율을 증대시킬 수 있는 전송선 변압기에 관한 것이다.
무선통신 시스템용 고주파 집적회로에서 흔히 사용되는 소자 중의 하나인 변압기는 임피던스의 변환이나 전력의 결합을 위해 사용된다. 도 1은 종래 기술에 의한 전송선 변압기의 일 예를 도시한 도면으로, 반도체 기판 상에 1차측 전송선(110) 및 2차측 전송선(120)이 형성된다. 또한 1차측 전송선(110)의 양단에는 1차측 포트(130-1, 130-2)가 연결되고, 2차측 전송선(120)의 양단에는 2차측 포트(140-1, 140-2)가 연결된다. 도 1의 아래쪽에 도시된 전송선 변압기의 A-A' 방향의 단면(150)을 참조하면, 반도체 기판과 1차측 전송선(110) 및 2차측 전송선(120) 사이에는 절연체가 위치한다.
도 2는 도 1에 도시된 전송선 변압기의 원리를 설명하기 위한 도면으로, 1차측 전송선(110)에 도시된 바와 같은 방향으로 전류가 인가되면, 2차측 전송선(120)에는 반대 방향으로의 전류가 유도된다. 또한 전송선 변압기가 이상적이어서 손실이 없는 경우라면 2차측 전송선(120)에 흐르는 전류의 크기는 1차측 전송선(110)에 흐르는 전류의 크기와 동일하다.
도 1에 도시된 전송선 변압기에서 1차측 전송선(110) 및 2차측 전송선(120)으로는 반도체 공정에서 제공되는 최고층의 금속선이 사용된다. 전송선 변압기를 형성하는 금속선과 반도체 기판 사이의 거리가 가까워질수록 기판과 금속선 사이에서 기생 캐패시턴스 성분이 발생하게 되고, 이는 금속선에서 발생하는 자기장에 의해 반도체 기판상으로 신호의 전력 손실이 발생하기 때문이다.
또한 1차측 전송선(110)에 흐르는 전류(이하, '1차측 전류'라 한다)에 의해 2차측 전송선(120)에 전류(이하, '2차측 전류'라 한다)가 유도되는 원리는 1차측 전류에 의하여 전송선 변압기의 2차측 전송선(120) 주변에 형성되는 자기장으로 인한 것이다. 일반적으로 1차측 전류에 의하여 유도되는 2차측 전류의 크기를 나타내는 지표로서 결합 계수(coupling factor)를 사용하며, 결합 계수를 높이기 위해서는 1차측 전류에 의해 형성된 자기장이 전송선 변압기의 2차측에 많은 영향을 주어야 한다. 이를 위해 1차측 전송선(110)과 2차측 전송선(120)의 마주보는 면적이 증가하여야 한다. 1차측 전송선(110)과 2차측 전송선(120)의 길이를 늘임으로써 마주보는 면적을 증가시킬 수는 있지만, 그에 따라 발생하는 금속선의 기생 저항 성분 때문에 전송선 변압기의 전력 손실이 발생하게 된다.
도 3은 이러한 종래 기술에 의한 전송선 변압기의 문제점을 해결하기 위해 제시된 전송선 변압기의 다른 예를 도시한 도면이다. 도 3에 도시된 전송선 변압기의 단면(350)의 형태를 참조하면, 1차측 전송선(310) 및 2차측 전송선(320)이 반도체 기판상에서 서로 다른 층의 동일 위치에 형성된다. 따라서 1차측 전송선(310)에 연결되는 1차측 포트(330-1, 330-2) 및 2차측 전송선에 연결되는 2차측 포트(340-1,340-2)도 서로 다른 층의 동일한 위치에 놓이게 된다.
도 3에 도시된 전송선 변압기에서는 도 1에 도시된 전송선 변압기에서와 동일한 기생 저항 성분이 발생하지만 1차측 전송선(310)과 2차측 전송선(320)의 마주보는 면적이 증가함으로써 결합 계수가 큰 폭으로 증가하게 된다. 그러나 이를 위해 최고층 금속선과 그 아래층의 금속선을 사용하게 되어 금속선과 반도체 기판 사이의 거리가 가까워지므로 반도체 기판에 의한 신호 전력 손실이 도 1에 도시된 전송선 변압기에 의해 증가한다는 단점을 가진다. 또한 1차측 전송선(310)과 2차측 전송선(320)의 마주보는 면적이 매우 큰 폭으로 증가하게 됨으로써 신호 변화 또는 주변 환경의 변화에 매우 민감하게 반응하게 된다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 1차측 전송선과 2차측 전송선의 마주보는 면적을 증가시켜 결합 계수를 향상시킴과 동시에 반도체 기판에 의한 신호 전력 손실을 줄일 수 있는 전송선 변압기를 제공하는 데 있다.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명에 따른 신호 효율이 최대화된 전송선 변압기는 집적회로 상에 형성되며, 일방향으로 형성된 제1전송선; 및 길이방향이 상기 제1전송선과 동일하고, 상기 제1전송선의 상방 또는 하방에 측방향으로 이격되어 형성된 제2전송선과 제3전송선;을 구비한다.
본 발명에 따른 신호 효율이 최대화된 전송선 변압기에 의하면, 제1전송선 및 제2전송선과 제3전송선 사이의 마주보는 면적이 넓어져 결합 계수를 향상시킬 수 있으며, 두 부분으로 나누어지며 제1전송선에 비해 폭이 좁은 제2전송선과 제3전송선을 사용함으로써 반도체 기판과의 사이에서 발생하는 기생 캐패시턴스 성분을 최소화할 수 있다. 나아가 모든 전송선이 기판으로부터 동일한 높이에 배치되는 경우에 비해 전송선이 차지하는 면적이 50% 이상 감소하므로 제작비용 절감의 경제적 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 종래 기술에 의한 전송선 변압기의 일 예를 도시한 도면,
도 2는 도 1에 도시된 전송선 변압기의 원리를 설명하기 위한 도면,
도 3은 종래 기술에 의한 전송선 변압기의 문제점을 해결하기 위해 제시된 전송선 변압기의 다른 예를 도시한 도면,
도 4는 본 발명에 따른 신호 효율이 최대화된 전송선 변압기에 대한 바람직한 실시예의 구성을 도시한 도면,
도 5는 본 발명에 따른 신호 효율이 최대화된 전송선 변압기에 대한 바람직한 다른 실시예의 구성을 도시한 도면,
도 6은 제1전송선과 같은 단일 전송선에서의 전류 분포를 도시한 도면, 그리고,
도 7은 도 1에 도시된 기존의 전송선 변압기를 구성하는 두 전송선에서의 전류 분포를 도시한 도면이다.
이하에서 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 신호 효율이 최대화된 전송선 변압기의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다.
도 4는 본 발명에 따른 신호 효율이 최대화된 전송선 변압기에 대한 바람직한 실시예의 구성을 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 전송선 변압기는 반도체 공정을 이용하여 집적회로 상에 형성되며, 상하로 배치되는 두 종류의 전송선을 구비한다. 도 4는 도 1 및 도 3의 아래쪽 도면과 같이 본 발명에 따른 전송선 변압기를 정면에서 바라본 단면(430)만을 도시한 도면으로, 일방향으로 길게 형성된 제1전송선(410), 그리고 제1전송선(410)의 하방에 좌우로 배치되는 제2전송선(422)과 제3전송선(424)이 포함되어 있다. 도 4에 도시된 실시예에서는 제2전송선(422)이 좌측에 배치되고 제3전송선(424)이 우측에 배치되나, 그 반대의 배치도 가능하다.
또한 도 4에 도시된 바와 달리 제2전송선(422)과 제3전송선(424)이 제1전송선(410)의 상방에 좌우로 배치되는 것도 가능하지만, 이하에서는 도 4에 도시된 바와 같이 제1전송선(410)이 상방에 배치되고, 제2전송선(422)과 제3전송선(424)이 하방에 배치되는 구성을 대표적인 실시예로 하여 설명한다.
제2전송선(422)과 제3전송선(424)은 반도체 기판으로부터의 높이가 동일하도록 형성되며, 길이방향은 도 4에서 ⓧ로 표시된 제1전송선(410)의 길이방향과 동일하다. 제2전송선(422)의 폭(426) 및 제3전송선(424)의 폭(428)은 동일하거나 서로 상이하게 형성될 수 있으며, 도 4에 도시된 바와 같이 제2전송선(422)과 제3전송선(424)은 서로 이격되어 배치되므로 제1전송선(410)의 폭(412)에 비해서는 좁게 형성되는 것이 바람직하다. 또한 제2전송선(422)의 폭(426)과 제3전송선(424)의 폭(428)의 합이 제1전송선(410)의 폭(412)보다 좁게 형성됨으로써 기생 캐패시턴스 성분을 더욱 최소화시킬 수 있다.
제2전송선(422) 및 제3전송선(424)은 병렬로 연결되며, 그에 따라 제2전송선(422) 및 제3전송선(424)에서 동일 방향에 위치한 두 개의 포트로 각각 동일한 신호가 입력되고, 반대 방향에 위치한 두 개의 포트로부터는 동일한 신호가 출력된다. 따라서 제2전송선(422)과 제3전송선(424)은 제1전송선(410)과는 별개인 하나의 전송선으로서 동작하게 된다.
다만, 제1전송선(410)이 1차측 전송선을 형성하며 제2전송선(422) 및 제3전송선(424)이 2차측 전송선을 형성하고, 제2전송선(422)과 제3전송선(424)의 폭이 서로 상이한 경우, 제2전송선(422)과 제3전송선(424)은 병렬로 연결되지 않고 각각 서로 다른 곳으로 신호를 전송할 수 있다. 즉, 제2전송선(422)과 제3전송선(424) 중에서 폭이 넓은 전송선이 폭이 좁은 전송선에 비해 크기가 큰 신호를 전송할 수 있다.
도 4에 도시된 본 발명에 따른 전송선 변압기에서는 제1전송선(410)의 길이방향에 수직하는 폭방향으로의 좌우 단부가 각각 제2전송선(422)의 좌측 단부 및 제3전송선(424)의 우측 단부와 일치한다. 여기서 폭방향은 제2전송선(422)으로부터 제3전송선(424)으로 향하는 방향 또는 제3전송선(424)으로부터 제2전송선(422)으로 향하는 방향을 말한다. 즉, 본 발명에 따른 전송선 변압기를 상부에서 바라보았을 때 제2전송선(422) 및 제3전송선(424)의 상면 영역이 제1전송선(410)의 하면 영역과 완전히 겹쳐지되, 제1전송선(420)의 폭방향 좌우 단부와 제2전송선(422) 및 제3전송선(424)의 단부가 일치하도록 전송선 변압기를 형성하는 것이다.
또 다른 실시예로서 제2전송선(422) 및 제3전송선(424)의 상면 영역 일부만 제1전송선(410)의 하면 영역과 겹쳐지도록 하는 것도 가능하다. 도 5는 본 발명에 따른 신호 효율이 최대화된 전송선 변압기에 대한 바람직한 다른 실시예의 구성을 도시한 도면이다. 도 5를 참조하면, 도 4에 도시된 바와 마찬가지로 제1전송선(410)은 상방에 형성되고, 제2전송선(422)과 제3전송선(424)은 제1전송선(410)의 하방에 나란히 형성된다. 다만, 제2전송선(422)과 제3전송선(424)은 도 4에 도시된 것과는 달리 단부가 제1전송선(410)의 좌우 단부와 일치하도록 배치되지 않으며, 도 5의 전송선 변압기를 상부에서 바라보았을 때 제1전송선(410)의 좌측 단부 및 우측 단부가 제2전송선(422) 및 제3전송선(424)의 상면 영역 내에 각각 위치하도록 배치된다.
이상에서 설명한 제1전송선(410), 제2전송선(422) 및 제3전송선(424) 사이의 배치관계는 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 제1전송선(410)이 상방에 위치하는 경우뿐 아니라 제1전송선(410)이 하방에 위치하는 경우에도 동일하게 적용될 수 있다. 즉, 제1전송선(410)의 좌우 단부가 각각 제2전송선(422)의 좌측 단부 및 제3전송선(424)의 우측 단부와 일치하도록 배치되거나, 제1전송선(410)의 좌우 단부가 각각 제2전송선(422) 및 제3전송선(424)의 하부영역 내에 위치하도록 배치될 수 있다.
한편, 제1전송선(410), 제2전송선(422) 및 제3전송선(424)은 전송선 변압기의 1차측 전송선 및 2차측 전송선을 형성할 수 있다. 즉, 제1전송선(410)은 전송선 변압기의 1차측 전송선을 형성하며, 제2전송선(422) 및 제3전송선(424)은 함께 전송선 변압기의 2차측 전송선(420)을 형성할 수 있다. 반대로 제1전송선(410)이 2차측 전송선을 형성하고, 제2전송선(422) 및 제3전송선(424)이 1차측 전송선을 형성하는 경우도 가능하다.
이와 같이 1차측 전송선과 2차측 전송선이 서로 다른 층에 배치됨에 따라 본 발명에 따른 전송선 변압기는 도 1에 도시된 것과 같은 기존의 전송선 변압기에 비하여 면적이 50% 이상 감소하게 된다. 전송선 변압기의 면적은 비용과 관련되는데, 본 발명에 따른 전송선 변압기는 1차측 전송선과 2차측 전송선이 상하로 배치되어 크기가 감소하게 되며, 그에 따라 제작비용이 절감된다는 효과를 가질 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 2차측 전송선(420)을 제2전송선(422) 및 제3전송선(424)의 두 부분으로 나누어 1차측 전송선(410)의 하방에 배치함으로써 결합 계수가 향상되는 것은 전송선에서의 전류 분포와 관계된다. 도 6은 제1전송선(410)과 같은 단일 전송선에서의 전류 분포를 도시한 도면으로, 전송선의 양단에서 전류의 크기가 커짐을 확인할 수 있다. 이는 전류를 구성하는 전하 사이에 서로 밀어내는 힘이 작용하기 때문이다.
다음으로 도 7은 도 1에 도시된 기존의 전송선 변압기를 구성하는 두 전송선(110, 120)에서의 전류 분포를 도시한 도면이다. 이러한 경우에는 각각의 전송선의 좌우 단부 중에서 서로 마주보는 단부 쪽의 전류 크기가 더 커지는 것을 확인할 수 있다 이는 도 2에 도시된 바와 같이 좌우 전송선에 흐르는 전류의 방향이 서로 반대이기 때문이다.
도 6 및 도 7에 도시된 전류 분포를 참고하면, 본 발명에 따른 전송선 변압기는 제1전송선(410)에서 전류의 크기가 가장 큰 부분인 좌우 단부에 인접하도록 제2전송선(422) 및 제3전송선(424)이 배치되므로 제1전송선(410) 및 제2전송선(422)과 제3전송선(424)의 마주보는 면에서 흐르는 전류가 최대화된다. 또한 1차측 전송선(410) 및 2차측 전송선(420)이 상하로 배치되며, 각 전송선은 두께에 비해 폭이 매우 큰 구조를 가지므로 도 1에 도시된 기존의 전송선 변압기에 비해 1차측 전송선(410)과 2차측 전송선(420)의 서로 마주보는 면적이 증가하여 결합 계수가 큰 폭으로 향상된다.
반면, 1차측 전송선(410)과 2차측 전송선(420)의 마주보는 면적이 도 3에 도시된 기존의 전송선 변압기에 비해서는 크지 않으므로 주파수 변화와 같은 신호 변화 또는 주위 환경의 변화에 민감하게 반응하는 것을 방지할 수 있다.
나아가 본 발명에 따른 전송선 변압기에서는 제2전송선(422) 및 제3전송선(424)이 2차측 전송선(420)을 형성하므로 도 3에 도시된 기존의 전송선 변압기의 2차측 전송선(320)에 비해 각각의 전송선의 폭이 좁아지며, 바람직하게는 제2전송선(422)의 폭(426) 및 제3전송선(424)의 폭(428)의 합이 제1전송선(410)의 폭보다 좁게 형성된다. 따라서 반도체 기판과의 사이에서 발생하는 기생 캐패시턴스 성분을 최소화할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 전송선 변압기가 제1전송선(410)이 하방에 배치되고 제2전송선(422)과 제3전송선(424)이 상방에 배치되는 구성을 가진다면 아래쪽의 기생 캐패시턴스 성분보다 위쪽의 기생 캐패시턴스 성분이 큰 경우에 효과적으로 기생 캐패시턴스 성분을 억제할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
110 - 1차측 전송선
120 - 2차측 전송선
130-1, 130-2 - 1차측 포트
140-1, 140-2 - 2차측 포트
150 - 종래기술에 의한 전송선 변압기의 단면
310 - 1차측 전송선
320 - 2차측 전송선
330-1, 330-2 - 1차측 포트
340-1, 340-2 - 2차측 포트
350 - 종래기술에 의한 다른 전송선 변압기의 단면
410 - 제1전송선(1차측 전송선)
412 - 제1전송선의 폭
420 - 2차측 전송선
422 - 제2전송선
424 - 제3전송선
426 - 제2전송선의 폭
428 - 제3전송선의 폭
430 - 본 발명에 따른 전송선 변압기의 단면

Claims (6)

  1. 집적회로 상에 형성되는 전송선 변압기에 있어서,
    일방향으로 형성된 제1전송선; 및
    길이방향이 상기 제1전송선과 동일하고, 상기 제1전송선의 상방 또는 하방에 상기 제1전송선의 길이방향과 수직한 방향인 측방향으로 서로 이격되어 병렬 연결된 제2전송선과 제3전송선;을 포함하는 것을 특징으로 하는 전송선 변압기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제1전송선의 폭은 상기 제2전송선의 폭, 상기 제3전송선의 폭 및 상기 제2전송선과 상기 제3전송선 사이의 거리의 합과 동일한 것을 특징으로 하는 전송선 변압기.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제1전송선의 폭방향으로의 일측 단부는 상기 제2전송선의 양측 단부 사이의 영역에 위치하며, 상기 제1전송선의 폭방향으로의 타측 단부는 상기 제3전송선의 양측 단부 사이의 영역에 위치하는 것을 특징으로 하는 전송선 변압기.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 제1전송선은 1차측 전송선을 형성하며, 상기 제2전송선 및 상기 제3전송선은 2차측 전송선을 형성하는 것을 특징으로 하는 전송선 변압기.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 제2전송선 및 상기 제3전송선의 폭이 상이하며, 상기 제2전송선 및 상기 제3전송선은 상기 제2전송선 및 상기 제3전송선 각각의 폭에 비례하는 크기의 신호를 각각 전송하는 것을 특징으로 하는 전송선 변압기.
  6. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 제1전송선은 2차측 전송선을 형성하며, 상기 제2전송선 및 상기 제3전송선은 1차측 전송선을 형성하는 것을 특징으로 하는 전송선 변압기.
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