KR20000045007A - Power amplifier having transmission line coupler with external connecting structure - Google Patents
Power amplifier having transmission line coupler with external connecting structure Download PDFInfo
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Abstract
Description
본 발명은 차세대 이동통신시스템(International Mobile Telecommunication - 2000 ; 이하 "IMT-2000"이라 함) 또는 미래공중육상이동통신시스템(Future Public Land Mobile Telecommunication System ; 이하 "FPLMTS" 이라 함)용 이동통신 단말기의 무선(RF)송신부 출력단인 전력증폭기에 관한 것으로, 특히 고출력인 출력전력과 출력부가이득 효율을 극대화 시킬 수 있도록 전력증폭기 외부에서 결합기를 접속하는 구조로서 구성소자의 수량을 최소화시킨 전송선 결합기 외부접속구조를 가지는 전력증폭기 및 그 레이아웃방법에 관한 것이다.The present invention provides a mobile communication terminal for a next generation mobile communication system (International Mobile Telecommunication-2000; "IMT-2000") or Future Public Land Mobile Telecommunication System (hereinafter, "FPLMTS"). The present invention relates to a power amplifier which is an output stage of a wireless transmitter. Particularly, a structure in which a coupler is connected outside the power amplifier so as to maximize the output power and output gain efficiency of the high output. It relates to a power amplifier having a and a layout method thereof.
일반적으로 휴대통신용 단말기 RF 송신부의 전력증폭기는 단말기의 배터리(battery) 소모를 적게 하고 입력된 RF신호에 대해 높은 증폭부가이득 효율과 출력전력으로 증폭시킬 수 있는 특성을 가져야 한다. 또한 휴대전화에 적용하기 위해서는 기본적으로 소형/경량화/저비용인 특성을 보유하여야 한다. 한편 송신되는 RF신호를 증폭할 경우에 적용되는 RF 송신부의 전력증폭기는, 회로를 고밀도 고집적화(MMIC: Monolithic Microwave Integrated Circuits)시키는 방법으로 소형, 경량화로 1칩화 제작할 수 있으며, 출력 RF신호를 결합하는 회로도 MMIC 1칩화된 전력증폭기내에 접속시키거나 혹은 외부에서 접속시킬 수 있도록 구현하는 것이 바람직할 것이다.In general, the power amplifier of the mobile communication terminal RF transmitter should have the characteristics of reducing the battery consumption of the terminal and amplifying the input RF signal with high amplification gain efficiency and output power. In addition, in order to be applied to a mobile phone, it should basically have characteristics of small size, light weight, and low cost. On the other hand, the power amplifier of the RF transmitter, which is used to amplify the transmitted RF signal, can be manufactured in a single chip with small size and light weight by monolithic microwave integrated circuits (MMIC). It may be desirable to implement the circuitry either within the MMIC 1-chip power amplifier or externally.
또한, 전력증폭기는 단말기의 RF송수신부를 구성하는 부품중 가장 높은 전력을 소모하는 부품이므로 전력증폭기의 증폭효율은 한번 충전으로 단말기를 사용할 수 있는 시간에 직접적인 영향을 미친다. 그런데 출력전력과 증폭부가이득 효율은 서로 상이한 특성이 있으므로 이 두가지 파라메터(parameter) 특성이 모두 만족될 수 있도록 출력단을 최적화하여 설계되어야 하며, 고출력전력 및 고 출력부가이득 효율 특성인 출력신호를 얻기 위한 방법으로 다단(병렬구조)으로 결합할 수 있는 결합기가 요구되고 있는 실정이다.In addition, since the power amplifier consumes the highest power among components constituting the RF transceiver, the amplification efficiency of the power amplifier directly affects the time when the terminal can be used with a single charge. However, since output power and amplification gain efficiency are different from each other, the output stage must be designed to satisfy both of these parameter characteristics, and to obtain an output signal having high output power and high output gain efficiency. There is a demand for a coupler capable of coupling in a multi-stage (parallel structure) method.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 병렬구조로 구성된 전력증폭기의 증폭된 출력신호가 고출력이득 및 고 출력부가이득 효율을 갖도록 하는 전력증폭기를 제공함을 그 목적으로 한다.Disclosure of Invention The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to provide a power amplifier such that the amplified output signal of a power amplifier having a parallel structure has high output gain and high output gain efficiency. .
또한 본 발명의 다른 목적은 병렬구조로 구성된 전력증폭기의 증폭된 출력신호를 외부에서 결합하는 접속구조의 결합기를 전송선과 럼프트 소자인 저항으로 설계하여 고 출력이득 및 고 출력부가이득 효율을 갖는 전송선 결합기 외부접속 구조를 가지는 전력증폭기 및 그 레이아웃방법을 제공하는데 그 목적이 있다.In addition, another object of the present invention is a transmission line having a high output gain and high output gain efficiency by designing a coupler of a connection structure for coupling the amplified output signal of a power amplifier having a parallel structure from the outside as a transmission line and a lumped resistor It is an object of the present invention to provide a power amplifier having a coupler external connection structure and a layout method thereof.
도 1은 본 발명에 따른 전송선 결합기 외부접속 구조를 가지는 전력증폭기의 일실시예 구성도.1 is a block diagram of an embodiment of a power amplifier having a transmission line coupler external connection structure according to the present invention.
도 2는 도 1의 외부 결합기에 전송선과 저항을 이용하여 출력전력을 결합하는 회로의 일실시예 레이아웃.FIG. 2 is an embodiment layout of a circuit for coupling output power using a transmission line and a resistor to the external coupler of FIG.
도 3a는 도 1의 외부 결합기에 최적화된 럼프트 소자로 결합한 증폭기의 입출력 특성도.3A is an input / output characteristic diagram of an amplifier coupled to a lumped element optimized for the external coupler of FIG. 1.
도 3b는 도 1의 외부 결합기에 이상적인 전송선과 저항으로 결합한 증폭기의 입출력 특성도.3B is an input / output characteristic diagram of an amplifier coupled with a resistor and an ideal transmission line to the external coupler of FIG. 1;
도 4는 도 1의 외부 결합기에 럼프트소자를 이용하여 출력전력 결합을 위한 회로의 일실시예 레이아웃.4 is a layout of an embodiment of a circuit for output power coupling using a lumped element to the external coupler of FIG.
도 5는 도 1의 외부 결합기에 이상적인 전송선과 저항을 이용하여 출력전력을 결합하기 위한 회로의 일실시예 레이아웃.5 is an embodiment layout of a circuit for coupling output power using transmission lines and resistors ideal for the external coupler of FIG.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
1 : 외부결합기1: external coupler
2, 3, 4, 5 : 분배된 입력전력에 대한 증폭기2, 3, 4, 5: Amplifiers for distributed input power
1-10, 1-20, 1-30 : 각 입력전력 결합기1-10, 1-20, 1-30: each input power combiner
V12 내지 V18 : 비아홀(Via hole) 접지V12 to V18: Via hole ground
40 : DC 입력전압 접속패드40: DC input voltage connection pad
C11 내지 C13 : 캐패시터C11 to C13: capacitor
L11 : 인덕터L11: Inductor
L12 : 인덕터L12: Inductor
R11, R12, R13, RL: 저항R11, R12, R13, R L : resistance
ST11, ST12, ST23 : 전송선ST11, ST12, ST23: transmission line
TML12 ; 설계된 격자""자형 전송선TML12; Engineered grid " "Shaped transmission line
TML13 ; 설계된자형 전송선TML13; Designed Transmission line
TML11 ; 설계된 ""자형 전송선TML11; Designed " "Shaped transmission line
TML11 내지 TML23 ; 설계된 전송선TML11 to TML23; Engineered transmission lines
WTML11 내지 WTML23 : 설계된 전송선 및 저항 구조의 결합기용 전송선WTML11 to WTML23: Designed transmission line and transmission line for combiner of resistance structure
SLTL11 내지 SLTL23 : 이상적인 전송선 및 저항 구조의 결합기용 전송선SLTL11 to SLTL23: ideal transmission line and transmission line for combiner of resistance structure
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 전송선 결합기 외부접속 구조를 가지는 전력증폭기는, 분배된 다수의 입력신호들을 병렬적으로 각각 증폭하므로써 원하는 전력을 분산해서 증폭시키는 다수의 증폭 수단; 및 상기 다수의 증폭 수단에서 증폭된 다수의 신호들을 각각 대응적으로 결합하는 다수의 입력단 결합수단과, 상기 다수의 입력단 결합수단으로부터 출력되는 각 결합신호를 다시 모두 결합하여 출력하는 출력단 결합수단을 포함하여 구성되는 출력전력 결합수단;을 구비함을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, a power amplifier having a transmission line coupler external connection structure according to the present invention comprises: a plurality of amplifying means for distributing and amplifying desired power by amplifying a plurality of distributed input signals in parallel; And a plurality of input stage combining means for correspondingly combining the plurality of signals amplified by the plurality of amplifying means, respectively, and an output stage combining means for combining all of the combined signals outputted from the plurality of input stage combining means. It characterized in that it comprises a; output power coupling means configured to.
상기 구성에서 상기 출력전력 결합 수단은, 상기 다수의 입력단으로 입력되는 증폭된 신호를 결합하는 제 1 및 제 2 입력단 결합수단과, 상기 제 1 및 제 2 입력단 결합수단으로부터 출력되는 두 결합신호를 다시 결합하여 출력하는 출력단 결합수단으로 구성되는 것을 특징으로 한다.In the above configuration, the output power combining means includes first and second input stage combining means for combining the amplified signals input to the plurality of input stages, and two combined signals outputted from the first and second input stage combining means. Characterized in that it is composed of output stage coupling means for outputting by combining.
상기 제 1 및 제 2 입력단 결합수단은 각각, 제 1 입력포트 및 제 2 입력포트 간에 연결된 제 1 저항; 상기 제 1 입력포트에 대하여 상기 저항과 병렬로 연결된 제 1 전송선; 상기 제 2 입력포트에 대하여 상기 저항과 병렬로 연결된 제 2 전송선; 및 상기 제 1 및 제 2 전송선 출력측 공통접점에 연결된 제 3 전송선을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.The first and second input end coupling means may include a first resistor connected between the first input port and the second input port, respectively; A first transmission line connected in parallel with the resistor with respect to the first input port; A second transmission line connected in parallel with the resistor with respect to the second input port; And a third transmission line connected to the first and second transmission line output side common contacts.
상기 출력단 결합수단은, 상기 제 1 입력포트 및 제 2 입력포트의 출력측 간에 연결된 제 2 저항; 상기 제 1 입력포트의 출력측에 대하여 상기 제 2 저항과 병렬로 연결된 제 4 전송선; 상기 제 2 입력포트의 출력측에 대하여 상기 제 2 저항과 병렬로 연결된 제 5 전송선; 및 상기 제 4 및 제 5 전송선 출력측 공통접점에 그 입력측이 연결된 제 6 전송선을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.The output stage coupling means may include a second resistor connected between an output side of the first input port and the second input port; A fourth transmission line connected in parallel with the second resistor with respect to the output side of the first input port; A fifth transmission line connected in parallel with the second resistor with respect to the output side of the second input port; And a sixth transmission line having an input side connected to the fourth and fifth transmission line output side common contacts.
또한 상기 제 1 및 제 2 입력단 결합수단은 각각, 제 1 입력포트와 접지간에 연결된 제 1 캐패시터; 제 2 입력포트와 접지간에 연결된 제 2 캐패시터; 상기 제 1 입력포트 및 제 1 입력포트 간에 연결된 제 1 저항; 및 상기 제 2 입력포트에 대해 상기 제 1 저항과 병렬로 연결된 제 2 인덕터를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.In addition, the first and second input end coupling means, respectively, the first capacitor connected between the first input port and the ground; A second capacitor connected between the second input port and ground; A first resistor connected between the first input port and the first input port; And a second inductor connected in parallel with the first resistor with respect to the second input port.
또한 상기 출력단 결합수단은, 상기 제 1 및 제 2 입력단 결합수단 각각의 제 1 및 제 2 인덕터 출력측의 공통접점과 출력포트간에 접지된 제 2 캐패시터 및 제 2 저항을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.The output stage coupling means may include a second capacitor and a second resistor grounded between the common contact and the output port of the first and second inductor output sides of the first and second input stage coupling means, respectively. .
상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 전송선 결합기 외부접속 구조를 가지는 전력증폭기 레이아웃방법은, 분배된 다수의 입력신호들을 다수의 증폭수단이 병렬적으로 각각 증폭하므로써 원하는 전력을 분산해서 증폭시키고, 상기 다수의 증폭 수단에서 증폭된 다수의 신호들을 각각 대응적으로 다수의 입력단 결합수단이 결합하며, 상기 다수의 입력단 결합수단으로부터 출력되는 각 결합신호를 다시 출력단 결합수단이 모두 결합하여 출력하도록 구현되것을 특징으로 한다.The power amplifier layout method having a transmission line coupler external connection structure according to the present invention for achieving the above another object, by amplifying a plurality of input signals by a plurality of amplifying means in parallel to distribute and amplify the desired power, A plurality of input stage coupling means correspondingly combines a plurality of signals amplified by the plurality of amplification means, respectively, and output stage coupling means combines and outputs each combined signal outputted from the plurality of input stage coupling means. It is characterized by.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 도면에서 종래기술과 동일한 구성요소에 대하여는 동일한 도면 부호를 인용하였다.DETAILED DESCRIPTION Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the technical idea of the present invention. do. In the drawings, the same reference numerals are used for the same components as in the prior art.
먼저, 본 발명의 바람직한 실시예에서는 IMT-2000용 단말기 출력을 만족 시키기 위하여 4개의 전계효과 트랜지스터(FET: Field Effect Transistor)를 병렬(parallel)로 연결한 증폭기(amplifier)를 구성하고, 이것들의 출력전력을 외부에서 접속하는 결합기 구조인 전송선과 럼프트(lumped) 소자(저항)를 이용하여 설계한 전송선 결합기를 전력증폭기의 출력단에 접속하여 고 출력전력과 고 출력부가이득 효율을 얻도록 설계 한다.First, in order to satisfy the output of the terminal for the IMT-2000, a preferred embodiment of the present invention configures an amplifier in which four field effect transistors (FETs) are connected in parallel, and these outputs are configured. It is designed to obtain high output power and high output gain efficiency by connecting transmission line coupler designed using transmission line and lumped element (resistor), which is the structure of coupler that connects power from outside.
예컨대, 본 발명의 바람직한 일예로서 게이트 폭(gate width)이 900 μm 인 FET(영국 GEC-Marconi 사의 라이브러리 소자)를 사용할 수 있는 데, 이와같은 FET를 이용한 전력증폭기의 출력전력포트에 본 발명에서 착안한 전송선 결합기를 외부에서 접속하여, 출력전력 및 출력부가이득 효율을 측정한 결과 약 570 mW 의 출력과 약 41 %의 효율을 갖는 전력 증폭기를 얻을 수 있었다. 이것은 이상적인 전송선 결합기 및 럼프트 소자 결합기를 사용하여 출력단을 결합한 것에 비하여 출력전력과 증폭부가이득 효율에서 각각 약 31, 87 mW, 약 3.1, 9.3 %가 개선된 결과이다.(후술되는 <표 1.> 참조)For example, as a preferable example of the present invention, a FET (library element of GEC-Marconi, UK) having a gate width of 900 μm may be used, and the present invention focuses on an output power port of a power amplifier using such a FET. A transmission line coupler was connected externally and the output power and output gain efficiency were measured. As a result, a power amplifier with an output of about 570 mW and an efficiency of about 41% was obtained. This results in an improvement of about 31, 87 mW, 3.1, and 9.3% in output power and amplification gain, respectively, compared to the output stage using an ideal transmission line coupler and lumped element coupler (see Table 1 below). > Reference)
한편 위와 같은 전력증폭기는 IMT-2000 용 단말기에 적용 되어야 하므로 그 설계 제작 비용과 부피를 최소화 하여야 한다. 이에따라, 본 발명에서는 전력증폭기의 출력단까지는 MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuits)로 구현 할 수 있으나, 병렬구조인 출력포트의 출력신호를 결합하기 위한 회로는 크기가 일반적인 칩소자보다 매우 크고, MMIC 칩으로 구현하기에는 적합하지 않으므로, 전송선과 럼프트 소자를 이용하여 외부접속 구조의 결합기를 구성하였다.Meanwhile, the above power amplifier should be applied to the terminal for IMT-2000, so the design and manufacturing cost and volume should be minimized. Accordingly, in the present invention, the output stage of the power amplifier can be implemented by MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuits), but the circuit for combining the output signal of the parallel output port is much larger than a general chip device, and implemented as an MMIC chip. Since it is not suitable for the following, the coupler of the external connection structure was comprised using the transmission line and the lump element.
도 1은 본 발명에 따른 전송선 결합기 외부접속 구조를 가지는 전력증폭기의 일실시예 구성도이다.1 is a diagram illustrating an embodiment of a power amplifier having an external connection structure of a transmission line coupler according to the present invention.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 결합기 접속구조를 가지는 전력증폭기는, 전단인 구동증폭기(도시되지 않음 : 이는 단말기 내에서 전력증폭기의 앞단에 접속됨)의 출력신호를 입력받아 능동소자(예컨대, 게이트폭이 900 μm인 FET)를 이용하여 최적화된 증폭신호를 제공하는 제 1 및 제 2 증폭기(2, 3)와, 제3 및 제 4 증폭기(4, 5)와, 상기 제1 내지 제4 증폭기(2, 3, 4, 5)의 출력단의 외부에서 접속되는 결합기의 입력단을 각각 연결하여, 상기 각각의 증폭기에서 증폭된 출력신호를 결합하는 출력전력 전송선 결합기(1)를 구비하고 있다.As shown in FIG. 1, a power amplifier having a coupler connection structure according to the present invention receives an output signal of a driving amplifier which is a front end (not shown: which is connected to the front end of a power amplifier in a terminal). For example, the first and second amplifiers 2 and 3, the third and fourth amplifiers 4 and 5, which provide optimized amplified signals using an FET having a gate width of 900 μm, And an output power transmission line combiner 1 for coupling the input terminals of the combiners connected to the outside of the output stages of the fourth amplifiers 2, 3, 4, and 5, respectively, to couple the output signals amplified by the respective amplifiers. .
도 1에 도시된 바와 같이 결합기 외부접속구조인 전체 전력증폭기의 구성은 전단의 전력증폭기(2, 3, 4, 5)로 부터의 출력신호를 입력받는 구조를 갖는다.As shown in FIG. 1, the configuration of the entire power amplifier, which is an external connection structure of the coupler, has a structure in which an output signal from the power amplifiers 2, 3, 4, and 5 is received.
상기 출력신호는 병렬구조를 갖는 증폭기(2, 3, 4, 5)에서 증폭되며, MMIC 온 칩(on-chip)에 포함되어 있으므로, 각각의 입력포트를 통해 입력되는 RF(Radio Frequency)신호는 각 증폭기(2, 3, 4, 5)의 출력단에서 병렬구조를 갖는 출력포트로 증폭된 전력이 출력되도록 한다.Since the output signal is amplified by the amplifiers 2, 3, 4, and 5 having a parallel structure and included in the MMIC on-chip, RF (Radio Frequency) signals input through the respective input ports are Amplified power is output from an output terminal of each of the amplifiers 2, 3, 4, and 5 to an output port having a parallel structure.
도 2는 도 1의 외부 결합기에 전송선과 저항을 이용하여 출력전력을 결합하는 회로의 레이아웃이다.FIG. 2 is a layout of a circuit for coupling output power using a transmission line and a resistor to the external coupler of FIG. 1.
도 2에 도시된 바와 같이, 외부로부터 인가되는 증폭기(2, 3, 4, 5)의 출력신호를 입력받기 위해 입력패드(Input pad, RF input port)를 통해 연결된 신호입력단(Input port2 내지 Input port5)의 결합기는, 각각 두 입력단(Input port2, Input port3, Input port4, Input port5)으로 입력되는 증폭된 신호를 결합하는 제1 및 제2 입력단 결합부(1-10, 1-20) 및 이로부터 출력되는 두 결합신호를 다시 결합하여 출력하는 출력단 결합부(1-30)를 구비하고 있다. 여기서 결합부라는 용어는 결합수단이라는 용어와 혼용되어 사용되어질 것이다.As shown in FIG. 2, a signal input terminal (Input port 2 to Input port 5) connected through an input pad (RF input port) to receive an output signal of the amplifiers 2, 3, 4, and 5 applied from the outside. The first and second input stage coupling units 1-10 and 1-20 for coupling the amplified signals input to the two input terminals Input port2, Input port3, Input port4 and Input port5, respectively, It is provided with an output stage coupling unit (1-30) for combining and outputting the combined two output signals again. Here, the term coupling portion will be used interchangeably with the term coupling means.
상기 제1입력단 결합부(1-10)는 입력포트 1 및 입력포트 2 간에 연결된 저항(R12)과, 상기 저항(R12)과 병렬로 연결된 전송선(WTML11, WTML12)과, 상기 전송선(WTML11, WTML12)에 대하여 상기 저항(R12)과 병렬로 연결된 전송선(WTML13, WTML14)과, 상기 두 전송선(WTML13, WTML14)과 동일한 전송선(WTML15)으로 구성된 두 전송선 출력측 공통접점에 그 입력측이 연결된 전송선(WTML16)과, 상기 전송선(WTML16)과 직렬로 접속된 전송선(WTML17)으로 이루어진다.The first input coupler 1-10 includes a resistor R12 connected between an input port 1 and an input port 2, transmission lines WTML11 and WTML12 connected in parallel with the resistor R12, and the transmission lines WTML11 and WTML12. Transmission line (WTML16) having an input side connected to a common contact point of two transmission line output sides consisting of transmission lines (WTML13 and WTML14) connected in parallel with the resistor (R12) and the same transmission lines (WTML15) as the two transmission lines (WTML13 and WTML14). And a transmission line WTML17 connected in series with the transmission line WTML16.
그리고 상기 제2입력단 결합부(1-20)는 상기 제1입력단 결합부(1-10)에 구성된 연결과 동일한 구조로 이루어진다.The second input end coupling part 1-20 has the same structure as the connection configured in the first input end coupling part 1-10.
상기 출력단 결합부(1-30)는 제1입력단(1-10)의 종단인 전송선(WTML17)의 출력단과 제2입력단(1-20)의 종단인 전송선(WTML17)의 출력단을 병렬로 연결한 저항(R13)과, 상기 저항(R13)과 병렬로 연결된 2개의 전송선(WTML18)과, 상기 두 전송선(WTML18)의 종단에 직렬로 연결된 전송선(WTML19) 및 전송선(WTML20)으로 이루어지며, 상기 두 전송선(WTML19, WTML20)과 동일한 전송선(WTML21)으로 구성된 두 전송선 출력측 공통접점에 그 입력측이 연결된 전송선(WTML22), 상기 전송선(WTML22)과 직렬로 접속된 전송선(WTML23)으로 이루어지고, 전송선(WTML23)의 종단을 부하저항(RL= 50ohms)에 정합시키고 출력포트(Output port)로 한다.The output stage coupling unit 1-30 connects the output terminal of the transmission line WTML17, which is the end of the first input terminal 1-10, and the output terminal of the transmission line WTML17, which is the end of the second input terminal 1-20, in parallel. A resistor R13, two transmission lines WTML18 connected in parallel with the resistor R13, and a transmission line WTML19 and a transmission line WTML20 connected in series to the ends of the two transmission lines WTML18. It consists of a transmission line WTML22 having an input side connected to a common contact of two transmission line output sides composed of the same transmission line WTML21 as the transmission lines WTML19 and WTML20, and a transmission line WTML23 connected in series with the transmission line WTML22. ) Is matched to the load resistance (R L = 50 ohms) and used as the output port.
본 실시예에 따른 전송선과 저항으로 구성된 결합기는 최적 부하 임피던스에 맞도록 최적화시킨 것이며, 도 1에 도시된 네 개의 증폭기(2, 3, 4, 5) 출력전력을 결합시키는 역할을 한다.The combiner composed of the transmission line and the resistor according to the present embodiment is optimized for optimal load impedance, and serves to couple the output powers of the four amplifiers 2, 3, 4, and 5 shown in FIG.
한편, 전송선과 저항으로 구성한 윌킨슨(Wilkinson) 결합기 구조의 출력단 결합기는, 각각의 증폭기에서 나오는 출력을 최소한의 손실(약 3 dB)로 결합시키면서 출력단 임피던스 정합을 시켜주는 기능을 한다. 이러한 구조 및 회로소자들의 값에 의하여 전체 전력증폭기의 출력전력 및 출력부가이득 효율을 향상시키는데, 출력단 외부접속 결합기를 접속시킴에 따른 손실은 있으나, 전체적인 출력전력 및 출력부가이득 효율을 향상시킨 효과와 비교하였을 경우에는 무시할 수 있는 손실이라고 할 수 있다.On the other hand, the output stage coupler of the Wilkinson coupler structure composed of the transmission line and the resistor combines the output from each amplifier with a minimum loss (about 3 dB) while matching the output stage impedance. This structure and the value of the circuit elements improve the output power and output gain efficiency of the entire power amplifier, there is a loss of connecting the output connection external connection coupler, but the effect of improving the overall output power and output gain efficiency and In comparison, it can be said to be a negligible loss.
아울러 상기 각 증폭기에서 출력된 RF신호는 외부에서 연결하는 전송선 결합기(1)에 입력되어 최종적으로 결합된 출력전력이 되도록 한다.In addition, the RF signal output from each of the amplifier is input to the transmission line combiner (1) connected from the outside to be the final combined output power.
도 1의 입력전력 증폭기(2, 3, 4, 5)의 출력포트에 외부에서 접속하는 전송선 결합기(1)의 일 실시예 회로구성 및 그 레이아웃방법을 확인할 수 있다.One embodiment of a transmission line coupler 1 connected to an output port of the input power amplifiers 2, 3, 4, and 5 of FIG. 1 from outside can be confirmed.
즉, 도면에 도시한 바와 같이, 상기 입력전력 증폭기는, 무선주파수(RF)의 대역폭을 광대역화하기 위한 저항(R11)과, 원하는 출력을 내기 위한 RF신호의 전력을 증폭시키는 전계효과트랜지스터(FET900)와, 상기 전계효과 트랜지스터의 게이트-소오스간에 전압을 인가하기 위해 직류전원을 피딩하여 공급하는 인덕터(L11)와, 입력포트 및 상기 각 소자들을 연결하기 위한 십자()형의 마이크로스트립라인(TML11)과, 상기 전계효과 트랜지스터의 드레인-소오스간에 전압을 인가하기 위해 직류전원을 피딩하여 공급하는 인덕터(L12)와, 상기 각 소자들의 입출력단들간에 각각 구비되는 다수의 으()자형 및 일()자형 마이크로스트립 라인(ST11)(ST12)을 구비하고 있다.That is, as shown in the figure, the input power amplifier includes a resistor R11 for widening the bandwidth of the radio frequency (RF) and a field effect transistor (FET900) for amplifying the power of the RF signal for producing a desired output. ), An inductor L11 for feeding and supplying DC power to apply a voltage between the gate and the source of the field effect transistor, a cross for connecting an input port and the elements ( ), A microstrip line (TML11), an inductor (L12) for feeding and supplying a DC power supply to apply a voltage between the drain and the source of the field effect transistor, and a plurality of each provided between the input and output terminals of the elements Of ) And work ( A) shaped microstrip line (ST11) (ST12) is provided.
상기 도 1의 입력전력 증폭기(2, 3, 4, 5)는 병렬로 연결된 FET 증폭블럭인 한 개의 FET가 낼 수 있는 전력은 증폭소자의 1 dB 구동점(compression point)에 의해 최대 출력레벨이 제한되어 있으므로, 원하는 고 출력을 내기 위하여 동일한 전력증폭소자를 이용할 경우에는 전력을 분산해서 증폭시켜야 한다. 또한 상기 도4에서 각각의 증폭기는 동일한 특성을 갖는다.In the input power amplifiers 2, 3, 4, and 5 of FIG. 1, the power that one FET, which is an FET amplification block connected in parallel, can be output by a 1 dB compression point of the amplifier. Because of the limitations, power must be distributed and amplified when using the same power amplifier to produce the desired high output. 4, each amplifier has the same characteristic.
도 1의 RF 입력신호 포트는 일자형 전송선을 통하여 십자형인 마이크로스트립라인(TML21)에서 3개 방향으로 분지된다. 게이트 폭이 900 μm인 증폭용 FET의 게이트에 인가되는 전압(Vgs)은 MMIC칩내에 직류전원을 공급할 때 사용하는 접속패드(F20DCAP)를 통하여 직류전원 피딩 및 입력단 정합용인 인덕터(L11)를 경유하여 공급된다. 그리고, 저항(R11)은 증폭되는 RF주파수의 대역폭을 광대역화 하는 역할을 한다.The RF input signal port of FIG. 1 is branched in three directions on a cross-shaped microstrip line TML21 through a straight transmission line. The voltage (Vgs) applied to the gate of the amplifying FET having a gate width of 900 μm is passed through the inductor L11 for DC power feeding and input stage matching through a connection pad (F20DCAP) used to supply DC power in the MMIC chip. Supplied. In addition, the resistor R11 serves to widen the bandwidth of the amplified RF frequency.
한편, FET의 드레인에 공급되는 Vds는 직류전원 피딩 및 출력단 정합용인 인덕터(L12)를 경유하여 공급된다.On the other hand, Vds supplied to the drain of the FET is supplied via the inductor L12 for DC power feeding and output stage matching.
도 3a는 도 1의 외부 결합기에 최적화된 럼프트 소자로 결합한 증폭기의 입출력 특성도이다.3A is an input / output characteristic diagram of an amplifier coupled to a lumped element optimized for the external coupler of FIG. 1.
도 3b는 도 1의 외부 결합기에 이상적인 전송선과 저항으로 결합한 증폭기의 입출력 특성도이다.FIG. 3B is an input / output characteristic diagram of an amplifier coupled with an ideal transmission line and a resistor to the external coupler of FIG. 1.
도 4는 도 1의 외부 결합기에 럼프트소자를 이용하여 출력전력 결합을 위한 회로의 일실시예 레이아웃로서, 도 1의 전력증폭기의 출력전력 결합기를 럼프트 소자인 저항(R11, R13, RL), 캐패시터(C11 내지 C13), 인덕터(L11,L12)를 이용하여 구성한 레이아웃이다.FIG. 4 is a layout of a circuit for output power coupling using a lumped element to the external coupler of FIG. 1, wherein the output power combiner of the power amplifier of FIG. 1 is a lumped resistor R11, R13, R L. ), And capacitors C11 to C13 and inductors L11 and L12.
도면에 도시한 바와 같이, 럼프트(Lumped)소자를 이용한 출력전력 결합기의 경우도, 각각 두 입력단으로 입력되는 전력증폭기에서 증폭된 신호를 결합하는 제 1 및 제 2 입력단 결합부(1-10, 1-20) 및 이로부터 출력되는 두 결합신호를 다시 결합하여 출력하는 출력단 결합부(1-30)를 구비하고 있다.As shown in the drawing, in the case of an output power combiner using a lumped element, the first and second input stage combiners 1-10, which combine the signals amplified by the power amplifiers input to the two input stages, respectively, 1-20) and an output stage combiner 1-30 which combines and outputs two combined signals outputted therefrom.
상기 제 1 입력단 결합부(1-10)는 입력포트 2 및 접지(V13)간에 연결된 캐패시터(C11), 입력포트 3과 접지(V14)간에 연결된 캐패시터(C12), 상기 입력포트 2 및 입력포트 3간에 연결된 저항(R11)과 병렬로 연결된 인덕터(L11), 및 상기 입력포트 3에 대해 상기 저항(R11)과 병렬로 연결된 인덕터(L12로 이루어진다.The first input coupler 1-10 includes a capacitor C11 connected between an input port 2 and a ground V13, a capacitor C12 connected between an input port 3 and a ground V14, the input port 2, and an input port 3. An inductor L11 connected in parallel with a resistor R11 connected therebetween, and an inductor L12 connected in parallel with the resistor R11 with respect to the input port 3.
상기 제 2 입력단 결합부(1-20)는 입력포트 4 및 입력포트 5에 인가되는 증폭된 입력신호를 결합하기 위한 구조로서, 상기 제 1 입력단 결합부(1-10)와 동일한 구조로 이루어져 있다.The second input end coupling unit 1-20 is a structure for coupling an amplified input signal applied to the input port 4 and the input port 5, and has the same structure as the first input end coupling unit 1-10. .
상기 출력단 결합부(1-30)는 상기 제1 및 제2 입력단 결합부(1-10, 1-20)의 인덕터(L11 내지 L12) 출력측의 공통접점과 출력포트간에 접지(V15)된 캐패시터(C11) 및 저항(R11)을 구비하고 있다.The output stage coupling unit 1-30 is a capacitor (V15) grounded between a common contact and an output port of the output side of the inductors L11 to L12 of the first and second input stage coupling units 1-10 and 1-20. C11) and resistor R11.
도 5는 도 1의 외부 결합기에 이상적인 전송선과 저항을 이용하여 출력전력을 결합하기 위한 회로의 일실시예 레이아웃으로서, 도 2에서와 마찬가지로 입력단 결합부가 대칭적으로 배치되어 있으며, 대응되는 각 기능부가 동일한 기능을 한다.FIG. 5 is a layout of an embodiment of a circuit for coupling output power using a transmission line and a resistor ideal for the external coupler of FIG. 1, and as shown in FIG. Do the same.
도 5는 상기 도1의 출력전력 결합기를, 이상적인 전송선과 럼프트 소자인 저항을 이용하여 구성한 일 실시예 및 그 설계방법 레이아웃 회로도이다.FIG. 5 is a circuit diagram illustrating an embodiment in which the output power combiner of FIG. 1 is configured by using an ideal transmission line and a resistor that is a lumped element.
도면에 도시한 바와 같이, 전송선(SLTL11 내지 SLTL23, 저항 R12, R13, RL)을 이용하여 구성한 이상적인 전송선 결합기로, 각각 두 입력단으로 입력되는 증폭된 신호를 결합하는 제 1 및 제 2 입력단 결합부(1-10, 1-20)와, 상기 제 1 및 제 2 입력단 결합부(1-10, 1-20)로부터 출력되는 두 결합신호를 다시 결합하여 출력하는 출력단 결합부(1-30)를 구비하고 있다.As shown in the figure, an ideal transmission line combiner using transmission lines SLTL11 to SLTL23, resistors R12, R13, and R L , which combines amplified signals inputted at two input terminals, respectively. (1-10, 1-20) and the output stage combiner (1-30) for combining and outputting the two combined signals output from the first and second input stage combiner (1-10, 1-20) again Equipped.
상기 제 1 입력단 결합부(1-10)는 입력포트 2 및 입력포트 3간에 연결된 저항(R12)과 병렬로 연결된 으()자형 전송선(SLTL11), 상기 으자형 전송선(SLTL11)과 병렬로 연결된 으()자형 전송선(SLTL12), 상기 으()자형 전송선(SLTL11, SLTL12) 출력단과 직렬로 연결된 으()자형 전송선(SLTL13)으로 이루어져 있다.The first input coupling unit 1-10 is connected in parallel with a resistor R12 connected between the input port 2 and the input port 3 ( A parallel transmission line (SLTL11) and the U-shaped transmission line (SLTL11) ) Transmission line (SLTL12), above Connected in series with the output of the L-shaped transmission line (SLTL11, SLTL12) It consists of a transmission line SLTL13.
상기 제 2 입력단 결합부(1-20)는 입력포트 4 및 입력포트 5에 인가되는 증폭된 입력신호를 결합하기 위한 구조로서, 상기 제 1 입력단 결합부(1-10)와 동일한 구조로 이루어져 있다.The second input end coupling unit 1-20 is a structure for coupling an amplified input signal applied to the input port 4 and the input port 5, and has the same structure as the first input end coupling unit 1-10. .
또한, 상기 제 1 입력단 결합부(1-30)는 상기 제 1 입력단 결합부(1-10)의 출력단 및 상기 제 2 입력단 결합부(1-20)의 출력단에 대하여 상기 저항(R13), 상기 제 1 입력단 결합부(1-10)의 출력단에 대하여 상기 저항(R12)과 병렬로 연결된 으()자형 전송선(SLTL14), 상기 두 으()자형 전송선(SLTL14)의 출력단 접면과 직렬로 연결된 으()자형 전송선(SLTL23), 그리고 상기 으()자형 전송선(SLTL14)의 출력측 및 접지간에 연결된 저항(RL)으로 이루어져 있다.In addition, the first input terminal coupling unit 1-30 may include the resistor R13 and the output terminal of the first input terminal coupling unit 1-10 and the output terminal of the second input terminal coupling unit 1-20. Connected in parallel with the resistor R12 with respect to the output terminal of the first input coupling unit 1-10; ) Transmission line (SLTL14), the two Connected in series with the output terminal of the transmission line (SLTL14) ) Transmission line (SLTL23), and It consists of a resistor (R L ) connected between the output side of the transmission line (SLTL14) and ground.
상기 도 5는 전술한 도 2 및 도 4에서와 마찬가지로 입력단 결합부가 대칭적으로 배치되어 있으며, 대응되는 각 기능부도 동일한 기능을 한다.In FIG. 5, as in FIGS. 2 and 4, the input coupling units are arranged symmetrically, and the corresponding functional units have the same function.
상기 도 5에서는 출력단 결합기를 럼프트 소자를 이용하여 구성하고, 소자값들을 최적화하여 원하는 출력 및 효율을 얻을 수 있도록 구현한 예를 나타내었는 데, 그 결과 출력특성은 전송선을 이용하여 구현한 것과 비슷한 값을 얻을 수 있었다. 한편 상기 도 1은 이상적인 전송선을 이용하여 구성하고 예시한 것인데, 이는 다른 경우에 비하여 열악한 특성을 나타내었다.5 illustrates an example in which an output stage coupler is configured using a lumped element, and the device values are optimized to obtain a desired output and efficiency. As a result, the output characteristics are similar to those implemented using a transmission line. I could get the value. On the other hand, Figure 1 is configured and exemplified by using an ideal transmission line, which shows poor characteristics compared to other cases.
이상에서 비교한 3가지 출력특성, 즉 i)전송선과 저항으로 구성하여 최적화시킨 결합기(도4 참조), ii)럼프트(lumped) 소자로 구성하여 최적화시킨 결합기(도3c 참조), iii)이상적인 전송선(도5 참조)을 써서 결합한 전체 전력증폭기중 본 발명에서 착안된 전송선과 저항으로 결합한 증폭기의 특성을 <표 1>에 나타내었다.The three output characteristics compared above, i) a coupler optimized with transmission line and resistance (see Figure 4), ii) a coupler optimized with lumped elements (see Figure 3c), iii) Table 1 shows the characteristics of an amplifier coupled with a resistor and a transmission line conceived in the present invention among the total power amplifiers combined by using a transmission line (see FIG. 5).
상기한 바와 같이, 외부접속 구조로 구성을 갖는 무손실 결합기를 연결한 본 발명의 결합기 회로는 IMT-2000 단말기용 RF송신부 전력증폭기로 활용할 수 있으며, 무선 근거리통신망(WLL)용 단말기의 RF송신부의 전력증폭기 출력단 핵심소자로도 널리 활용할 수 있다.As described above, the coupler circuit of the present invention connecting a lossless coupler having an external connection structure can be utilized as an RF transmitter power amplifier for an IMT-2000 terminal, and the power of the RF transmitter of a wireless local area network (WLL) terminal. It can also be widely used as a key element of the amplifier output stage.
상술한 내용은 본 발명의 실시예에 관하여 설명이 이루어졌지만, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위내에서 다양한 실시가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 아울러 당 업자라면 본 발명의 사상과 범위안에서 다양한 수정, 변경, 부가등이 가능할 것이며, 이러한 수정 변경 등은 이하의 특허 청구의 범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.Although the foregoing has been described with respect to embodiments of the present invention, those skilled in the art will understand that various implementations are possible within the scope of the technical idea of the present invention. In addition, those skilled in the art will be capable of various modifications, changes, additions, and the like within the spirit and scope of the present invention, and such modifications and changes should be regarded as belonging to the following claims.
상기한 바와 같은 본 발명에 따르면, MMIC 로 구현한 전력증폭기의 출력을 종래의 상용 부품보다 현저하게 크게 할 수 있으며, 출력증폭부가 이득 효율을 향상시킬 뿐만아니라, 전력증폭기 증폭단을 병렬구조로 설계하여 분산시킨 전력을 각 증폭기에서 최대로 증폭하고, 출력단에는 전송선과 저항만으로 구성된 외부 접속구조를 갖는 전송선 결합기를 전력증폭기의 출력단에 연결하므로서, 고출력전력 및 고출력부가이득 효율을 구현할 수 있는 효과가 있다.According to the present invention as described above, the output of the power amplifier implemented by the MMIC can be significantly larger than conventional commercial components, and the output amplifier not only improves the gain efficiency, but also designed the power amplifier amplification stage in a parallel structure. By amplifying the distributed power to the maximum in each amplifier, and connecting the transmission line combiner having an external connection structure consisting only of the transmission line and the resistance at the output terminal to the output terminal of the power amplifier, there is an effect that can realize high output power and high output gain gain efficiency.
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