KR20040033298A - Amplifier using NRD guide - Google Patents
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Abstract
Description
현재 유선통신에 있어서 저손실화된 광파이버의 개발 및 반도체 기술의 발달에 힘입어 광통신이 계속적으로 실용되고 있으며, 무선통신에서는 위성통신의 발달에 의해 대용량 통신을 위한 초고주파화가 진행중이며 서브밀리미터파 또는 밀리미터파에서의 통신기 개발이 아주 중요한 과제가 되고 있다.At present, due to the development of low-loss optical fibers and development of semiconductor technology in wired communication, optical communication is continuously being used.In the wireless communication, ultra-high frequency for large-capacity communication is under progress due to the development of satellite communication, and sub-millimeter wave or millimeter wave The development of communicators in U.S. has become a very important task.
무선통신에 있어서, 고주파 대역의 사용주파수가 밀리미터파 대역으로 이동됨에 따라 종래의 마이크로스트립라인에서는 전송손실이 매우커져서 무선통신시스템의 구현으로는 적당하다고 할 수 없게 되었다.In wireless communication, as the frequency of use of the high frequency band is shifted to the millimeter wave band, the transmission loss becomes very large in the conventional microstrip line, and thus it is not suitable to implement a wireless communication system.
이에 밀리미터파 대역에서 사용가능하고, 기존의 마이트로스트립선로에서 발생되는 전송손실을 충분히 억제할 수 있는 비방사성유전체선로 (Non-Radiative-dielectric Waveguide: NRD guide)가 이미 제안되었으며, 최근까지 많은 연구가 진행되고 있다.Non-radial-dielectric waveguides (NRD guides) that can be used in the millimeter wave band and can sufficiently suppress transmission losses generated by existing mitrostrip lines have already been proposed. Is going on.
그러나 일반적으로 비방사성유전체선로(NRD guide)는 수동소자로 조합할 경우에 매우 유용한 무선통신시스템을 구현 할 수 있지만, 능동소자로의 구성은 매우 어려운 것으로 알려져 있다.In general, however, a non-radioactive dielectric line (NRD guide) can realize a very useful wireless communication system when combined with a passive element, but the active element is known to be very difficult.
이에 종래의 능동소자로의 구현이 가능한 마이크로스트립선로와 NRD 가이드선로와의 장점을 결합한 최적의 소자구현이 절실히 필요하며, NRD 가이드선로와 마이크로스트립선로와의 전송손실이 없는 신호전송변환을 통해 유용한 무선통신시스템을 구현하고자 하는 노력이 뒤따라야 한다.Therefore, there is an urgent need for the implementation of an optimal device that combines the advantages of a microstrip line and an NRD guide line, which can be implemented as a conventional active element, and is useful through signal transmission conversion without transmission loss between the NRD guide line and the microstrip line. Efforts to implement a wireless communication system must follow.
또한 NRD가이드를 이용한 밀리미터파 대역용 무선통신시스템에서 최고의 성능을 얻기 위해 통시시스템의 잡음레벨을 최소화하는 것이 일반적으로 요구되고 있다. 따라서 전력증폭기와 저잡음증폭기는 이러한 통신시스템에서 필수 불가결한 요소이기에 이의 발명은 반드시 선행되어야 한다.In addition, it is generally required to minimize the noise level of the communication system to obtain the best performance in the millimeter wave band wireless communication system using the NRD guide. Therefore, the power amplifier and low noise amplifier is an indispensable element in such a communication system, so its invention must be preceded.
본 발명에 있어서, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 NRD가이드를 이용한 증폭기 즉, 전력증폭기 및 저잡음 증폭기를 NRD가이드선로-스트립선로 변환기에서실현하기 위한 최적의 방법을 다음과 같이 둔다.In the present invention, in order to solve the above problems, an optimal method for realizing an amplifier using an NRD guide, that is, a power amplifier and a low noise amplifier, in an NRD guide line-strip line converter is as follows.
이미 기출원된 NRD가이드선로-스트립선로변환기(특허출원: 10-2004-0016744)를 이용하여 스트립선로상에 상용화된 고전자이동도트랜지스터(High-Electron-Mobility Transistor: HEMT)소자를 장착하여 NRD가이드용 전력증폭기 및 저잡음 증폭기를 구성하고; HEMT소자가 장착된 직사각형다이(die)패턴의 길이 및 폭의 변화에 따라 최적의 NRD가이드용 증폭기를 구성하는 것을 특징으로 한다.The NRD guide line-strip line converter (patent application: 10-2004-0016744), which has already been filed, is equipped with a commercially available high-electromagnetic-transistor transistor (HEMT) device on a strip line. Constructing a guide power amplifier and a low noise amplifier; The optimum NRD guide amplifier may be configured according to the change in the length and width of the rectangular die pattern on which the HEMT element is mounted.
도 1: NRD가이드용 증폭기의 사시도1 is a perspective view of an amplifier for an NRD guide
도 2: 상기 도 1의 스트립선로상부를 상세하게 나타낸 평면도2 is a plan view showing in detail the upper portion of the strip line of FIG.
도 2의 원안(A): 스트립상부에 본딩된 HEMT소자 직사각형다이패턴 구조를 나타낸 평면도Original A of FIG. 2 is a plan view showing a HEMT element rectangular die pattern structure bonded to an upper strip.
도 3: NRD가이드선로-스트립선로 변환기에 대한 전송손실 그래프Figure 3: Transmission loss graph for NRD guide line-strip line converter
도 4: HEMT소자 부착용 직사각형다이패턴에서 길이(a)의 변화에 따른 삽입손실 그래프4 is a graph of insertion loss according to the change in length a in a rectangular die pattern for attaching HEMT elements.
도 5: HEMT소자 부착용 직사각형다이패턴에서 길이(a)의 변화에 따른 반사손실 그래프5: Return loss graph according to the change in length a in the rectangular die pattern for HEMT element attachment
도 6: HEMT소자 부착용 직사각형다이패턴에서 폭(b)의 변화에 따른 삽입손실 그래프Fig. 6: Graph of insertion loss with variation of width b in rectangular die pattern for HEMT element attachment
도 7: HEMT소자 부착용 직사각형다이패턴에서 폭(b)의 변화에 따른 반사손실 그래프7: Return loss graph with variation of width b in rectangular die pattern for HEMT element attachment
도 8: 저잡음증폭용 HEMT소자를 장착한 NRD가이드용 증폭기의 신호증폭이득에 대한 전송특성을 나타낸 그래프8: A graph showing the transmission characteristics of the signal amplification gain of the NRD guide amplifier equipped with a low noise amplification HEMT element
도 9: 전력증폭용 HEMT소자를 장착한 NRD가이드용 증폭기의 신호증폭이득에대한 전송특성을 나타낸 그래프Fig. 9: A graph showing the transmission characteristics of the signal amplification gain of an NRD guide amplifier equipped with a power amplification HEMT element
도 10: 다단 신호증폭용 NRD가이드용 증폭기의 평면도10: A plan view of the amplifier for NRD guide for multi-stage signal amplification
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
1: 상부도체판1: upper conductor plate
2: 하부도체판2: lower conductor plate
3: NRD가이드유전체선로3: NRD Guide Dielectric Line
4: 스트립선로 기판4: strip line board
5: 금속박막(동박 또는 금박)5: metal thin film (copper foil or gold foil)
6d: HEMT소자 드레인(Drain)측 와이어(wire)6d: HEMT device drain side wire
6g: HEMT소자 게이트(Gate)측 와이어(wire)6g: HEMT device gate side wire
7: 바이어스용 Semi-Rigid Connector7: Semi-Rigid Connector for Bias
8: 전력증폭용 및 저잡음증폭용 HEMT소자8: HEMT element for power and low noise
9: HEMT소자 부착용 직사각형다이패턴9: Rectangular die pattern for HEMT element attachment
A: 스트립선로상의 HEMT소자가 장착된 부분A: The part where the HEMT element is mounted on the strip line
B1, B2(좌우대칭): NRD가이드선로-스트립선로변환부분B1, B2 (left and right symmetry): NRD guide line-strip line conversion part
a: 스트립선로상 HEMT소자가 부착된 직사각형다이패턴(die pattern)의 길이a: length of a rectangular die pattern with HEMT elements attached on a strip line
b: 스트립선로상 HEMT소자가 부착된 직사각형다이패턴(die pattern)의 폭b: width of a rectangular die pattern with HEMT elements attached on a strip line
본 발명에 있어서, 밀리미터파 대역에서 사용가능한 NRD 가이드용 증폭기를 구현하기 위해 다음과 같은 방법으로 구성하였다.In the present invention, to implement an amplifier for the NRD guide that can be used in the millimeter wave band was configured in the following way.
도 1은 NRD가이드용 증폭기를 구성한 사시도이다. 도 1에 도시한 바와 같이 사용주파수의 반파장이하 간격인 상하도체판(1,2) 사이의 NRD가이드용 증폭기는 두 개의 NRD가이드선로(3)와 그 사이에 삽입된 스트립선로기판(4)으로 구성되고; 스트립선로기판(4)이 삽입되어 있는 NRD가이드선로는 상하도체판(1,2)사이가 사용주파수의 반파장이하이고, 유전율이 2.04인 유전체 재질로 되어있는 NRD가이드선로-스트립선로변환기로 구성되어있고; 스트립선로는 금속박막(5)이 포토에칭으로 패터닝되어 있는 구조로 구성하고; 스트립선로상 신호증폭기용 HEMT소자(8)를 장착하는 부분(A)이 있는 구조로 되어있다.1 is a perspective view showing an amplifier for an NRD guide. As shown in FIG. 1, the NRD guide amplifier between the upper and lower conductor boards 1 and 2, which are less than half the wavelength of the use frequency, has two NRD guide lines 3 and a strip line board 4 inserted therebetween. Consisting of; The NRD guide line, in which the strip line board 4 is inserted, consists of an NRD guide line-strip line converter made of a dielectric material having a dielectric constant of 2.04 between the upper and lower conductor plates 1 and 2 and less than half the wavelength of use. There is; The strip line comprises a structure in which the metal thin film 5 is patterned by photoetching; It has a structure in which there is a portion A for mounting the HEMT element 8 for signal amplifier on the strip line.
도 2는 상기 도 1의 스트립선로상부를 상세하게 나타낸 평면도이다. 도 2에에 있어서, 특히 신호증폭의 원리에 있어서 원안에 도시한 바와 같이, NRD가이드유전체선로(3)를 통해 유입된 전자기파신호는 NRD가이드선로-스트립선로 변환기에서 RF입력신호로 변환되고, 이 신호는 스트립선로(5)를 통해 HEMT 증폭소자의 입력신호로 전송된다. 이때 HEMT소자(8)는 Semi-Rigid Connector(7)를 통해 Vcc입력 및 출력 바이어스되고, Vcc입력은 HEMT소자(8)의 게이트(gate)측으로 연결하기 위해 스트립선로 기판상(4)에 □형태의 금속박막패턴에 와이어(6g)로 연결되고, Vcc출력은 HEMT소자(8)의 드레인(drain)측에 연결시키기 위해 □형태의 금속박막패턴에 와이어(6g)로 연결하여 바이어스되므로 RF 입력신호는 RF출력증폭신호로 나오게 된다. 이때 원안 B1, B2는 좌우대칭이며, 기출원된 NRD가이드선로-스트립선로변환기(특허출원: 10-2004-0016744)의 NRD가이드선로-스트립선로변환부분이다.FIG. 2 is a plan view showing in detail the upper portion of the strip line of FIG. In Fig. 2, in particular, in the principle of signal amplification, as shown in the original, the electromagnetic wave signal introduced through the NRD guide dielectric line 3 is converted into an RF input signal in an NRD guide line-strip line converter, and this signal is Is transmitted to the input signal of the HEMT amplifying element through the strip line (5). At this time, the HEMT element 8 is biased to the Vcc input and output via the Semi-Rigid Connector 7, and the Vcc input is formed on the strip line substrate 4 to connect to the gate side of the HEMT element 8. Is connected to the metal thin film pattern of the wire 6g, and the Vcc output is connected to the □ thin metal pattern of the HEMT element 8 by the wire 6g to bias the RF input signal. Is the RF output amplification signal. At this time, the original B1 and B2 are symmetrical, and are the NRD guide line-strip line conversion part of the previously applied NRD guide line-strip line converter (Patent application: 10-2004-0016744).
본 발명에 있어서, 도 3은 상기 NRD가이드선로-스트립선로 변환기의 최적 구성방법에 의한 신호전송특성을 나타낸 그래프이다. 도 3에 의해 사용주파수 35GHz에서 삽입손실은 약 30dB이고, 반사손실은 약 1dB이하의 우수한 특성을 가짐을 알 수 있다. 따라서 신호증폭용 MMIC소자를 스트립선로상에 장착하면 RF신호증폭시 전송손실 없이 신호증폭을 할 수 있음을 알 수 있다.In the present invention, Figure 3 is a graph showing the signal transmission characteristics by the optimal configuration method of the NRD guide line-strip line converter. It can be seen from FIG. 3 that the insertion loss is about 30 dB at the use frequency of 35 GHz and the reflection loss has excellent characteristics of about 1 dB or less. Therefore, it can be seen that when the MMIC device for signal amplification is mounted on a strip line, the signal amplification can be performed without transmitting loss during RF signal amplification.
본 발명에 있어서, HEMT소자(8) 직사각형다이패턴(9)은 소자의 접지용(GND)으로 사용되며, 길이(a)와 폭(b)에 따라 신호증폭시의 전송손실을 판단할 수 있다. 이에 도 4는 HEMT소자(8) 직사각형다이패턴(9)에서 길이(a)의 변화에 따른 삽입손실을 나타낸 그래프이다. 도 4에 있어서, 사용주파수 35GHz에서 약간의 차이는 있으나, 직사각형다이패턴(9)의 길이(a)가 클수록 삽입손실 특성은 양호한 것으로 나타남을 알 수 있다. 이때 직사각형다이패턴(9)의 폭(b)은 약 1.5mm정도이다.In the present invention, the HEMT element 8 rectangular die pattern 9 is used as the ground (GND) of the element, it is possible to determine the transmission loss during signal amplification according to the length (a) and width (b). . 4 is a graph showing the insertion loss according to the change of the length a in the rectangular die pattern 9 of the HEMT element 8. In Fig. 4, although there is a slight difference at the use frequency of 35 GHz, it can be seen that the insertion loss characteristic is better as the length a of the rectangular die pattern 9 is larger. At this time, the width b of the rectangular die pattern 9 is about 1.5 mm.
본 발명에 있어서, 도 5는 HEMT소자(8) 직사각형다이패턴(9)에서 길이(a)의 변화에 따른 반사손실을 나타낸 그래프이다. 도 5에 있어서, 사용주파수 35GHz에서 직사각형다이패턴(9)의 길이(a)가 클수록 반사손실은 약 -13dB정도로 나타남을 알 수 있다. 이때 직사각형다이패턴(9)의 폭(b)는 약 1.5mm정도이다.In the present invention, FIG. 5 is a graph showing the reflection loss according to the change of the length a in the HEMT element 8 rectangular die pattern 9. In FIG. 5, it can be seen that the return loss is about -13 dB as the length a of the rectangular die pattern 9 increases at the use frequency of 35 GHz. At this time, the width b of the rectangular die pattern 9 is about 1.5 mm.
본 발명에 있어서, 도 6은 HEMT소자(8) 직사각형다이패턴(9)에서 폭(b)의 변화에 따른 삽입손실을 나타낸 그래프이다. 도 6에 있어서, 사용주파수 35GHz에서 직사각형다이패턴(9)의 폭(b)가 클수록 삽입손실은 약 0dB에 가까이 나타남을 알 수 있다. 이때 직사각형다이패턴(9)의 길이(a)는 약 2mm정도이다.In the present invention, FIG. 6 is a graph showing the insertion loss according to the change of the width b in the rectangular die pattern 9 of the HEMT element 8. In FIG. 6, it can be seen that the insertion loss is closer to about 0 dB as the width b of the rectangular die pattern 9 becomes larger at the use frequency of 35 GHz. At this time, the length a of the rectangular die pattern 9 is about 2 mm.
본 발명에 있어서, 도 7은 HEMT소자(8) 직사각형다이패턴(9)에서 폭(b)의 변화에 따른 삽입손실을 나타낸 그래프이다. 도 6에 있어서, 사용주파수 35GHz에서 직사각형다이패턴(9)의 폭(b)가 클수록 삽입손실은 약 -30dB이상 나타남을 알 수 있다. 이때 직사각형다이패턴(9)의 길이(a)는 약 2mm정도이다.In the present invention, FIG. 7 is a graph showing the insertion loss according to the change of the width b in the rectangular die pattern 9 of the HEMT element 8. In Fig. 6, it can be seen that the insertion loss is about -30 dB or more as the width b of the rectangular die pattern 9 increases at the use frequency of 35 GHz. At this time, the length a of the rectangular die pattern 9 is about 2 mm.
따라서 본 발명에 의하면 상기 NRD가이드선로-스트립선로 변환기에서 스트립선로기판(4)의 스트립선로상(6)에 HEMT소자(8)를 장착하기 위한 직사각형동박패턴은 길이(a)와 폭(b)의 변화에 따라 RF신호의 전송손실이 달라짐을 알 수 있었고,특히 폭(b)의 영향을 많이 받음을 알 수 있었다. 이에 본 발명에서는 직사각형동박패턴의 폭(b)의 크기를 HEMT소자(8)크기에 맞추어 충분히 크게 하였다.Therefore, according to the present invention, the rectangular copper foil pattern for mounting the HEMT element 8 on the strip line 6 of the strip line substrate 4 in the NRD guide line to strip line converter has a length (a) and a width (b). It can be seen that the transmission loss of the RF signal varies according to the change of, and is particularly affected by the width (b). Accordingly, in the present invention, the size of the width b of the rectangular copper foil pattern is sufficiently large in accordance with the size of the HEMT element 8.
또한 사용된 신호증폭용 HEMT소자(8)는 두가지 용도인 LNA회로, PA회로용 소자를 이용하였으며, 저잡음증폭용 HEMT소자(8)의 경우 NF는 3.8dB, 이득은 23dB, P1dB는 12dBm이다. 그리고 전력증폭용 HEMT소자(8)는 이득은 16dB, P1dB는 25dBm이다.In addition, the HEMT element 8 for signal amplification used two LNA circuits and a PA circuit element. The low noise amplification HEMT element 8 has an NF of 3.8dB, a gain of 23dB, and a P1dB of 12dBm. The power amplification HEMT element 8 has a gain of 16 dB and a P1 dB of 25 dBm.
이에 대한 저잡음증폭용 및 전력증폭용 HEMT소자를 장착한 NRD가이드용 증폭기의 신호증폭이득에 대한 전송특성을 나타낸 그래프를 도 8과 도 9에 나타내었다.8 and 9 show graphs showing transmission characteristics of signal amplification gains of NRD guide amplifiers equipped with low noise amplification and power amplification HEMT elements.
본 발명에 의하면, 상기 NRD가이드선로-스트립선로 변환기에서 스트립선로기판(4)의 스트립선로상(6)에 HEMT소자(8)를 장착할 경우, 2개이상의 소자(8)를 다단으로 연결하여 다단신호증폭용으로 사용가능하며, 이는 도 10에 도시되어 있다.According to the present invention, when the HEMT element 8 is mounted on the strip line 6 of the strip line substrate 4 in the NRD guide line to strip line converter, two or more elements 8 are connected in multiple stages. It can be used for multi-stage signal amplification, which is shown in FIG.
본 발명에 있어서, 밀리미터파 대역에서 사용가능한 NRD 가이드용 증폭기를상기와 같은 방법으로 구성할 경우 전력증폭기(HPA) 및 저잡음증폭기(LNA)를 NRD 가이드용 송수신간에 장착하여 신호잡음레벨을 충분히 낮추고 이득을 올릴 수 있는 있는 장점이 있다.In the present invention, when the NRD guide amplifier that can be used in the millimeter wave band is configured in the above manner, a power amplifier (HPA) and a low noise amplifier (LNA) are mounted between the NRD guide transmission and reception to sufficiently lower the signal noise level and gain. There is an advantage to raise.
따라서 밀리미터파 대역에서 전송손실이 없는 신호전송변환용 NRD가이드선로-스트립선로를 이용하면 무선통신기기에 있어서, 최적의 능동소자 및 수동소자의 삽입이 가능하고, 우수한 LNA, HPA를 장착하여 밀리미터파 대역용 무선통신시스템을 구현할 수 있다.Therefore, the use of NRD guide line-strip line for signal transmission conversion with no transmission loss in the millimeter wave band enables the insertion of optimal active and passive elements in the wireless communication equipment, and the millimeter wave with excellent LNA and HPA. The band wireless communication system can be implemented.
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