KR101872522B1 - 전력 결합기를 이용한 씨모스 전력 증폭기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전력 결합기를 이용한 씨모스 전력 증폭기에 관한 것으로, 입력되는 무선 주파수(RF) 신호를 증폭하는 신호 증폭부 및 증폭된 신호를 부하에 전달하기 위한 출력 신호에 결합하며, 집적 회로 소자에 형성된 제1차 코일과, 인쇄회로기판에 형성된 제2차 코일로 형성된 전력 결합기를 포함한다.
본 발명에 따르면, 전력 결합기의 1차 및 2차 코일을 집적 수동 소자 및 인쇄회로기판에 대응되도록 형성함으로써, 전력 증폭기의 소형화 및 RF특성을 만족시키면서 생산 원가를 절감할 수 있는 효과가 있다.

Description

전력 결합기를 이용한 씨모스 전력 증폭기{CMOS POWER AMPLIFIER USING POWER COMBINER}
본 발명은 전력 결합기를 이용한 씨모스 전력 증폭기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 집적 수동 소자와 PCB를 사용하여 전력 증폭기의 모듈 사이즈를 축소할 수 있도록 형성된 전력 결합기를 이용한 씨모스 전력 증폭기에 관한 것이다.
일반적으로 이동 통신 단말기와 같은 무선 통신 시스템에서 무선으로 신호를 송수신하기 위해 전력 증폭기가 사용된다.
여기서, 전력 증폭기란 미세한 신호를 일그러짐이 적고 효율적으로 큰 신호로 증폭하여 안테나를 통해 부하에 공급하는 장치로서, 무선전송을 위해 병렬 신호 증폭기의 출력 신호를 하나의 고전력 RF출력 신호에 결합하는 전력 결합기(Power combiner)를 포함한다.
이러한 전력 증폭기는 신호 증폭기에 의해 신호가 증폭되고, 증폭된 신호가 전력 결합기에 의해 출력 신호에 결합되어 전송을 위한 결합 증폭 신호를 생성한다. 이때, 회로 구조 및 이용된 신호 형태에 따라, 결합기의 입력 신호들의 분리 달성과 전력 손실 감소(Reducing power loss) 사이에 절충(trade off)을 행하는 것이 필요하다.
상기와 같은 전력 증폭기는 특수 반도체인 갈륨-아세나이드(GaAs) 공정에서 범용적인 씨모스(CMOS) 공정으로 설계한 씨모스 전력 증폭기로 형성될 수 있는데, 상기와 같은 씨모스 전력 증폭기는 대량 생산이 가능하므로 원가가 저렴해지고 기능이 다양한 장점이 있다.
그러나, 상기와 같은 씨모스 전력 증폭기를 집적하는 것에는 매우 많은 어려움이 있다. 특히, 전력 결합기는 충분한 인덕턴스의 확보를 위하여 넓은 면적이 요구된다.
종래의 전력 결합기는 1차 및 2차 코일을 동일한 평면상에서 구현하는데, 1차 및 2차 코일을 동일한 평면상에서 구현할 경우, 결합 계수가 작아지는 문제점이 있으며, 결합 계수가 작아질수록 전력 전송 효율이 낮아지는 문제점이 있다.
이러한 문제를 해결하기 위하여, 인쇄회로기판(PCB)을 이용한 전력 결합기가 제안 되었다. 인쇄회로기판을 이용한 전력 결합기는 복층으로 형성된 적어도 2개 이상의 유전체층에 일부에 나선형상의 도전성 패턴이 형성되어 서로 연결되도록 구성된 것이다. 그러나, 인쇄회로기판을 이용한 전력 결합기의 경우 각각의 유전체층 에 형성될 수 있는 권선사이즈의 제약으로 인하여 충분한 인덕턴스 확보가 어려운 구조로써, 커플링량이 작아서 출력전력 열화가 발생하는 문제가 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 본 발명은 전력 결합기의 1차 및 2차 코일의 구조를 개선하여 1차 및 2차 코일을 각각 집적 수동 소자 및 인쇄회로기판에 형성함으로써, 소형화 및 RF특성을 만족할 수 있는 전력 결합기를 이용한 씨모스 전력 증폭기를 제공함에 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 전력 결합기를 이용한 씨모스 전력 증폭기는 입력되는 무선 주파수(RF) 신호를 증폭하는 신호 증폭부 및 증폭된 신호를 부하에 전달하기 위한 출력 신호에 결합하며, 집적 회로 소자에 형성된 제1차 코일과, 인쇄회로기판에 형성된 제2차 코일로 형성된 전력 결합기를 포함하는 전력 결합기를 이용한 씨모스 전력 증폭기를 제공한다.
여기서, 상기 신호 증폭부 및 집적 회로 소자는 베이스기판에 형성될 수 있다.
또한, 상기 베이스기판과 인쇄회로기판은 제1차 코일과 제2차 코일이 대응되도록 상하로 적층되도록 형성될 수 있다.
그리고 상기 베이스기판과 인쇄회로기판은 연결부를 통해 전기적으로 연결될 수 있다.
이때, 상기 연결부는 와이어 또는 솔더 범프 중 하나로 형성될 수 있다.
한편, 상기 제1차 코일과 제2차 코일은 서로 이격되어 전자기 유도를 통해 결합될 수 있다.
여기서, 상기 전력 증폭부는 상보성 금속 산화물 반도체(CMOS) 공정을 이용하여 형성되는 전력 결합기를 이용한 씨모스 전력 증폭기.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 전력 결합기를 이용한 전력 증폭기는 전력 결합기의 1차 및 2차 코일을 집적 수동 소자 및 인쇄회로기판에 대응되도록 형성함으로써, 전력 증폭기의 소형화 및 RF특성을 만족시키면서 생산 원가를 절감할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 전력 결합기를 이용한 씨모스 전력 증폭기를 도시한 개략도.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 전력 결합기를 이용한 씨모스 전력 증폭기를 도시한 단면도.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 전력 결합기를 이용한 씨모스 전력 증폭기를 도시한 회로도.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하기로 한다. 그러나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고 후술 되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 전력 결합기를 이용한 씨모스 전력 증폭기를 도시한 개략도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 의한 전력 결합기를 이용한 씨모스 전력 증폭기를 도시한 단면도이며, 도 3은 본 발명의 실시예에 의한 전력 결합기를 이용한 씨모스 전력 증폭기를 도시한 회로도이다.
본 발명은 전력 결합기를 이용한 씨모스 전력 증폭기에 있어서, 제1차 코일 및 제2차 코일을 각각 집적 수동 소자 및 인쇄회로기판에 형성하여 전자기 유도를 통해 결합함으로써, 소형화 및 RF 성능을 만족하면서 제조 원가를 절감할 수 있는 전력 결합기를 이용한 씨모스 전력 증폭기에 대한 것이다.
구체적으로 도면을 참고하여 전력 결합기를 이용한 씨모스 전력 증폭기를 설명하면, 도 1 및 도 2에서 보는 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 전력 결합기를 이용한 씨모스 전력 증폭기는 입력되는 무선 주파수(RF) 신호를 증폭하는 신호 증폭부(100) 및 증폭된 신호를 부하에 전달하기 위한 출력 신호에 결합하며, 집적 회로 소자(200)에 형성된 제1차 코일(210)과, 인쇄회로기판(300)에 형성된 제2차 코일(310)로 형성된 전력 결합부(400)를 포함한다.
여기서 신호 증폭부(100)는 상보성 금속 산화물 반도체(CMOS : Complementary Metal-Oxide Semiconductor)로 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 전력 결합부(400)는 상기 신호 증폭부(100)에 의해 증폭된 신호를 출력 신호와 결합하는 것으로 집적 회로 소자(200)에 형성된 제1차 코일(210)과, 인쇄회로기판(300)에 형성된 제2차 코일(310)로 형성될 수 있다.
여기서, 상기 집적 회로 소자(200)는 베이스 기판(120)의 하부면에 형성되고, 신호 증폭부(100)에서 증폭된 신호를 전송 받을 수 있도록 전기적으로 연결될 수 있다.
또한, 하나의 베이스 기판(120)에 신호 증폭부(100) 및 집적 회로 소자(200)가 형성될 수 있다.
이때, 베이스 기판(120)은 저저항 실리콘 기판, 금속층과 같은 저임피던스 기판, 세라믹 기판 중 하나로 형성되는 것이 바람직하다.
아울러, 상기 전력 결합부(400)의 제2차 코일(310)은 집적 회로 소자(200)에 형성된 제1차 코일(210)에 대응되도록 인쇄회로기판(300)의 탑층에 형성될 수 있다.
즉, 상기 베이스 기판(120)과 인쇄회로기판(300)은 제1차 코일(210)과 제2차 코일(310)이 일정간격 이격되도록 상하로 적층되어 연결부(500)에 의해 전기적으로 연결되도록 형성될 수 있으며, 이격된 공간에 채워지는 언더필(Under fill)용 유전체에 따라서 커플링양이 결정되므로 사이즈 축소 및 원가 절감의 효과를 얻을 수 있다.
이때, 상기 베이스 기판(120)과 인쇄회로기판(300)을 전기적으로 연결하는 연결부(500)는 와이어 본딩에 사용될 수 있는 와이어로 형성될 수 있으며, 솔더 볼 또는 다른 종류의 도전성 볼을 포함하는 폴 그리드 어레이로 형성될 수 있다.
또한, 상기 제1차 코일(210)과 제2차 코일(310)의 간격은 40um로 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명의 실시예에서는 제1차 코일(210)이 집적 회로 소자(200)에 형성되고, 제2차 코일(310)이 인쇄회로기판(300)에 형성되는 것으로 설명하였으나, 반대로 제1차 코일(210)이 인쇄회로기판(300)에 형성되고, 제2차 코일(310)이 집적 회로 소자(200)에 형성되는 구조로 제1차 코일(210)과 제2차 코일(310)이 각각 형성되어 대응되는 구조이라면 어떠한 구조로 형성되어도 무방하다.
상기 신호 증폭부(100) 및 전력 결합부(400)에 대해 더욱 상세하게 설명하면, 도 3에서 보는 바와 같이, 신호 증폭부(100)는 입력되는 신호를 증폭하도록 동작할 수 있으며, 차동 전력 증폭기로 형성될 수 있다. 차동 전력 증폭기는 차동 입력(+신호, -신호)과 같은 하나 또는 그 이상의 입력을 포함할 수 있으며, 출력은 차동 출력을 형성한다.
또한, 신호 증폭부(100)는 도시된 구성요소에 더하여 CMOS공정을 이용하여 유사하게 집적될 수 있는 다른 RF 기능 회로 및 제어 회로를 포함할 수 있다.
여기서, 전력 결합부(400)는 신호 증폭부(100)에서 출력되는 복수의 증폭된 신호를 출력 신호에 결합하도록 하는 것으로, 전력 결합부(400)는 신호 증폭부(100)와 부하(미도시) 사이에 하모닉 제거, 전력 모니터 및/또는 임피던스 변환 중 적어도 하나를 제공할 수 있다.
여기서, 전력 결합부(400)는 트랜스포머를 포함할 수 있으며, 복수의 제1차 코일(210) 및 복수의 제2차 코일(310)로 형성되어 유도 결합 될 수 있다. 이때, 제1차 코일(210)은 인덕터로 동작할 수 있으며, 각각 캐패시터(220)가 연결되어 선택적으로 임피던스 변환 기능을 제공하도록 동작할 수 있다.
또한, 상기 제2차 코일(310)도 인덕터로서 동작할 수 있으며, 필터링 및/또는 임피던스 변환을 위해 캐패시터(320)에 연결될 수 있다. 이때, 상기 캐패시터(320)는 저역 통과 필터(LPF) 기능을 할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 전력 결합기를 이용한 씨모스 전력 증폭기는 상기 집적 회로 소자(200)에 형성된 제1차 코일(210)과 인쇄회로기판(300)에 형성된 제2차 코일(310)이 일정간격 이격되도록 적층형성됨으로써, 상기 제1차 코일(210)과 제2차 코일(310) 사이에서 전자기 유도 결합을 통하여 증폭된 신호를 출력 신호에 결합할 수 있다.
즉, 종래의 집적 회로 소자를 이용한 전력 결합기는 하모닉 성능을 개선하기 위하여 따로 필터가 필요하였으며, 다층으로 형성된 인쇄회로기판을 이용한 전력 결합기는 사이즈 문제로 인하여 인덕턴스 확보가 어려운 구조로 출력 전력 특성이 저하되는 문제가 있는 반면, 상기 집적 회로 소자(200)에 제1차 코일(210)가 형성되고, 인쇄회로기판(300)에 제2차 코일(310)이 형성되어 일정간격 이격되어 적층되도록 형성됨으로써, RF 특성은 효율 55% 이상, 파워 34.9 dBm 이상, 하모닉 -10 dBM 이하의 특성을 만족하면서 생산 원가를 줄일 수 있는 효과가 있다.
이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다.
그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100 : 신호 증폭부 120 : 베이스기판
200 : 집적 회로 소자 210 : 제1차 코일
220, 320 : 캐패시터 300 : 인쇄회로기판
310 : 제2차 코일 400 : 전력 결합부

Claims (7)

  1. 입력되는 무선 주파수(RF) 신호를 증폭하는 신호 증폭부; 및
    상기 신호 증폭부에 의해 증폭된 신호를 부하에 전달하기 위한 출력 신호에 결합하며, 집적 회로 소자에 형성된 제1차 코일과, 인쇄회로기판에 형성된 제2차 코일로 형성된 전력 결합기;를 포함하고,
    상기 신호 증폭부 및 상기 집적 회로 소자는 상기 인쇄회로기판에 직접 대향하는 베이스기판에 형성되고,
    상기 베이스기판과 상기 인쇄회로기판은 상기 제1차 코일과 상기 제2차 코일이 전자기 유도 결합이 되도록 상하로 적층된
    전력 결합기를 이용한 씨모스 전력 증폭기.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1항에 있어서,
    상기 베이스기판과 상기 인쇄회로기판은 연결부를 통해 전기적으로 연결되는 전력 결합기를 이용한 씨모스 전력 증폭기.
  5. 청구항 4항에 있어서,
    상기 연결부는 와이어 또는 솔더 범프 중 하나로 형성되는 전력 결합기를 이용한 씨모스 전력 증폭기.
  6. 청구항 1항에 있어서,
    상기 제1차 코일과 상기 제2차 코일은 서로 이격되어 전자기 유도를 통해 결합되는 전력 결합기를 이용한 씨모스 전력 증폭기.
  7. 청구항 1항에 있어서,
    상기 신호 증폭부는 상보성 금속 산화물 반도체(CMOS) 공정을 이용하여 형성되는 전력 결합기를 이용한 씨모스 전력 증폭기.
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