KR20070061074A - 리액턴스 성분을 보상한 연결 구조를 갖는 전력소자 - Google Patents

리액턴스 성분을 보상한 연결 구조를 갖는 전력소자 Download PDF

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Abstract

본 발명은 리액턴스 성분을 보상한 연결 구조를 갖는 전력소자에 관한 것으로서, 고주파 전력증폭기용으로 사용되는 전력소자를 높은 전력을 출력할 수 있도록 여러 개의 트랜지스터를 병렬로 연결하여 사용할 때 연결에 사용되는 전송선들에 의해 발생하는 위상차를 일으키는 리액턴스 성분을 보상하고 높은 출력전력으로 인해 발생하는 열을 접지로 보내 발열하도록 하여 트랜지스터가 열에 의한 특성이 열화되는 것을 최소화하도록 트랜지스터를 배치 및 연결하기 위한 전력소자를 제작하기 위한 것이다.
리액턴스, 트랜지스터, 고주파 전력증폭기, 전력소자

Description

리액턴스 성분을 보상한 연결 구조를 갖는 전력소자{Power Devices with Reactively Compensated Structure}
도 1 은 본 발명에 따른 리액턴스 성분을 보상한 연결 구조를 갖는 전력소자의 구성을 나타낸 도면
도 2 는 종래 기술에 따른 리액턴스 성분을 보상한 연결 구조를 갖는 전력소자의 구성을 나타낸 제 1 실시예
도 3 은 종래 기술에 따른 리액턴스 성분을 보상한 연결 구조를 갖는 전력소자의 구성을 나타낸 제 2 실시예
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
101 : RF 입력 전송선
102, 103, 104, 105, 106, 107, 108 : 트랜지스터 입력으로 연결되는 전송선
109, 111, 112, 114, 115, 117, 118, 120 : 접지로 연결되는 비어홀
110, 113, 116, 119 : 트랜지스터
120, 121, 122, 123, 124, 125, 126, 127 : 트랜지스터 출력으로 연결되는 전송선
128 : RF 출력 전송선
본 발명은 전송선의 리액턴스 성분을 보상한 연결 구조를 갖는 전력소자에 관한 것으로서, 고주파 전력증폭기용으로 사용되는 전력소자를 높은 전력을 출력할 수 있도록 홀수개 또는 짝수개에 관계없이 여러 개의 트랜지스터를 병렬로 연결하여 사용할 때 연결에 사용되는 전송선들에 의해 발생하는 위상차를 일으키는 리액턴스 성분을 보상하고 높은 출력전력으로 인해 발생하는 열을 접지로 보내 발열하도록 하여 트랜지스터가 열에 의한 특성이 열화되는 것을 최소화하도록 트랜지스터를 배치 및 연결하기 위한 전력소자를 제작하기 위한 것이다.
고주파 전력증폭기 설계 및 제작에 사용되는 전력소자를 제작하기 위하여 트랜지스터를 병렬로 연결하여 사용해야만 높은 출력 전력을 얻을 수 있다. 이때, 트랜지스터를 병렬로 연결할 때 어떤 방법으로 연결하여 사용할 것인가가 관건이다.
트랜지스터를 연결할 때는 주로 전송선을 사용하여 연결하는데, 이때 고려할 사항은 다음과 같다.
첫번째로 각 트랜지스터들의 입력 대비 출력 신호들의 위상차가 같아야 한다. 즉 입력된 신호가 전송선에 의해 병렬로 연결된 트랜지스터에 전달되어 이득을 갖으며 증폭이 된 후 전송선에 의해 각 트랜지스터의 출력이 합쳐져서 신호가 출력되게 되는데, 이때 위상차가 발생하게 되면 이득 및 출력전력의 감쇄가 발생하게 된다.
두번째로 전력소자로 사용되는 트랜지스터에서는 동작시 매우 높은 열을 방 출하게 되는데 이 열을 외부로 효과적으로 방출하여 열에 의한 트랜지스터의 열화를 최소화하여 이득 및 출력 전력의 감쇄가 최소화되어야 한다.
세번째로 전력증폭기 회로 설계상 원하는 출력전력을 얻기 위한 회로 설계가 용이하도록 전력소자가 연결되어야 한다.
네번째로 전력소자의 크기를 고려해야 한다.
이와 같은 고려사항을 해소하기 위해 종래의 고주파 전력증폭기 설계 및 제작에 사용되는 전력소자를 제작하기 위하여 도 2 및 도 3에서 나타내고 있는 구성과 같이 트랜지스터를 병렬로 연결하여 사용하였다.
먼저 도 2를 살펴보면, 트랜지스터(215)(217)(219)(221) 4개를 전송선에 병렬로 연결하고, 트랜지스터(215)(217)(219)(221) 4개의 일측에 형성된 비어홀(214)(216)(218)(220)(222)을 통해 트랜지스터의 동작시 발생되는 열을 방열하는 접지(미도시)로 구성된 전력소자를 만든 구조이다.
이때, 상기 트랜지스터의 일측에 비어홀을 통해 열을 방열하는 접지는 트랜지스터와 이웃하는 트랜지스터 사이에는 하나만 형성된 구조를 갖는다.
그리고 상기 각각의 제 1, 2, 3, 4 트랜지스터들(215)(217)(219)(221)을 연결한 입출력 전송선의 구조를 알아보면 트리(tree) 구조 또는 나뭇가지(branch) 구조를 이용하여 트랜지스터들에 입출력되는 신호들의 위상차가 없게 된다.
먼저 RF 입력 전송선을 살펴보면, 제 1 트랜지스터(215)에 입력되는 전송선의 길이는 전송선 201 + 202 + 203 + 204 + 205이고, 제 2 트랜지스터(217)에 입력되는 전송선의 길이는 전송선 201 + 202 + 203 + 206 + 207이며, 제 3 트랜지스 터(219)에 입력되는 전송선의 길이는 전송선 201 + 208 + 209 + 210 + 211이고, 제 4 트랜지스터(221)에 입력되는 전송선의 길이는 전송선 201 + 208 + 209 + 212 + 213이다.
여기서 전송선 202와 208의 길이는 같고, 전송선 203과 209의 길이도 같으며, 전송선 204, 206, 210, 212의 길이도 같고, 전송선 205, 207, 211, 213의 길이도 같다. 따라서, 상기 제 1, 2, 3, 4 트랜지스터(215)(217)(219)(221)에 입력되는 전송선의 길이는 모두 같다.
그러므로 상기 제 1, 2, 3, 4 트랜지스터(215)(217)(219)(221)에 입력되는 신호의 위상은 같고 각 트랜지스터에서 이득과 출력 전력을 얻은 신호의 위상도 같다.
아울러 RF 출력 전송선을 살펴보면, 제 1 트랜지스터(215)에서 출력되는 전송선의 길이는 전송선 223 + 224 + 225 + 233 + 235이고, 제 2 트랜지스터(217)에서 출력되는 전송선의 길이는 전송선 227 + 226 + 225 + 233 + 235이고, 제 3 트랜지스터(219)에서 출력되는 전송선의 길이는 전송선 228 + 229 + 230 + 234 + 235이고, 제 4 트랜지스터(221)에서 출력되는 전송선의 길이는 전송선 232 + 231 + 230 + 234 + 235이다.
여기서도 마찬가지로 전송선 223, 227, 228, 232의 길이는 같고, 전송선 224, 226, 229, 231의 길이도 같으며, 전송선 225와 230의 길이도 같고, 전송선 233과 234의 길이도 같다. 따라서 제 1, 2, 3, 4 트랜지스터(215)(217)(219)(221)에서 출력되는 전송선의 길이는 모두 같다.
그러므로 전송선 201에서 입력된 신호가 제 1, 2, 3, 4 트랜지스터(215)(217)(219)(221)에서 출력되어 전송선 235에 도달한 신호들의 위상은 모두 같고 이득의 감쇄도 없게 된다.
이처럼 상기 제 1, 2, 3, 4 트랜지스터(215)(217)(219)(221)들의 위상이 모두 같다면 출력전력은 감쇄없이 입력된 신호는 4배가 된다.
그러나, 이와 같은 구조의 단점은 상기 제 1, 2, 3, 4 트랜지스터(215)(217)(219)(221)들이 비교적 가까우므로 각 트랜지스터에서 발생한 열에 의해 주위 트랜지스터들이 열화되어 이득의 감쇄 및 출력 전력의 감쇄 현상이 발생하기 쉽고, 짝수개의 트랜지스터만 전력소자로 제작이 가능하다는 단점이 있다.
다른 구성예로서 도 3을 살펴보면, 역시 트랜지스터(308)(310)(313)(315) 4개를 전송선에 병렬로 연결하고, 상기 트랜지스터(308)(310)(313)(315) 4개의 일측에 형성된 비어홀(307)(309)(311)(312)(314)(316)을 통해 트랜지스터의 동작시 발생되는 열을 방열하는 접지(미도시)로 구성된 전력소자를 만든 구조이다.
상기 도 2와 다른 점은 제 5, 6, 7, 8 트랜지스터들(308)(310)(313)(315)의 방향이 90도, 270도로 회전되어 위치해 있으며, 전송선의 연결구조상 각 트랜지스터의 입력 및 출력 전송선의 길이가 다르지만 입출력 전송선의 총 길이는 모두 같은 구조를 가져서 위상차가 발생하지 않도록 한 구조이다.
이때, 상기 트랜지스터의 일측에 비어홀을 통해 열을 방열하는 접지는 트랜지스터와 이웃하는 트랜지스터 사이에는 하나만 형성된 구조를 갖는다.
그리고 상기 제 5, 6, 7, 8 트랜지스터들(308)(310)(313)(315)들을 연결한 입출력 전송선의 구조를 알아보면 다음과 같다.
먼저 RF 입력 전송선을 살펴보면, 제 5 트랜지스터(308)에 입력되는 전송선의 길이는 전송선 301 + 302이고, 제 6 트랜지스터(310)에 입력되는 전송선의 길이는 전송선 301 + 304 + 305이며, 제 7 트랜지스터(313)에 입력되는 전송선의 길이는 전송선 301 + 303이고, 제 8 트랜지스터(315)에 입력되는 전송선의 길이는 전송선 301 + 304 + 306이다.
여기서 전송선 302, 303, 305, 306의 길이는 같으므로 제 5, 7 트랜지스터(308)(313)에 입력되는 전송선의 길이는 같고, 제 6, 8 트랜지스터(310)(315)에 입력되는 전송선의 길이는 같다.
즉, 제 5 트랜지스터(308)와 제 7 트랜지스터(313)에 입력된 신호의 위상은 같으며, 제 6 트랜지스터(310)와 제 8 트랜지스터(315)에 입력된 신호의 위상은 같다.
그러나, 상기 제 5, 7 트랜지스터(308)(313)에 입력된 신호의 위상과 상기 제 6, 8 트랜지스터(310)(315)에 입력된 신호의 위상은 전송선 304 길이만큼 발생하게 된다.
아울러 RF 출력 전송선을 살펴보면, 제 5 트랜지스터(308)에서 출력되는 전송선의 길이는 전송선 317 + 318 + 320 + 325 + 327이고, 제 6 트랜지스터(310)에서 출력되는 전송선의 길이는 전송선 319 + 320 + 325 + 327이고, 제 7 트랜지스터(313)에서 출력되는 전송선의 길이는 전송선 321 + 322 + 324 + 326 + 327이고, 제 8 트랜지스터(315)에서 출력되는 전송선의 길이는 전송선 323 + 324 + 326 + 327이다.
여기서 전송선 317, 319, 321, 323의 길이는 같고, 전송선 318, 322의 길이는 같고, 전송선 320, 324의 길이는 같으므로, 제 5, 7 트랜지스터(308)(313)에서 출력되는 전송선의 길이는 같고, 제 6, 8 트랜지스터(310)(315)에서 출력되는 전송선의 길이는 같다.
즉, 제 5 트랜지스터(308)와 제 7 트랜지스터(313)에서 출력된 신호의 위상은 같으며, 제 6 트랜지스터(310)와 제 8 트랜지스터(315)에서 출력된 신호의 위상은 같다.
그러나, 상기 제 5, 7 트랜지스터(308)(313)에서 출력된 신호의 위상과 상기 제 6, 8 트랜지스터(310)(315)에서 출력된 신호의 위상은 전송선 318, 322 길이만큼 발생하게 된다.
이처럼 제 5, 7 트랜지스터(308)(313)의 입력 전송선 길이는 제 6, 8 트랜지스터(310)(315)의 입력 전송선 길이에 비해 전송선 304만큼 짧지만, 제 5, 7 트랜지스터(308)(313)의 출력 전송선 길이는 제 6, 8 트랜지스터(310)(315)의 출력 전송선 길이에 비해 전송선 318, 322 만큼 길게 된다.
이와 같이, 상기 입력 전송선 304와 출력 전송선 318, 322의 길이가 같으므로 결국 제 5, 6, 7, 8 트랜지스터(308)(310)(313)(315)의 입출력 전송선의 길이는 모두 같게 된다.
따라서, 전송선 301에서 입력된 신호가 상기 제 5, 6, 7, 8 트랜지스 터(308)(310)(313)(315)에서 출력되어 전송선 327에 도달한 신호들의 위상은 모두 같고 이득의 감쇄도 없게 되며, 제 5, 6, 7, 8 트랜지스터(308)(310)(313)(315)가 모두 같다면 출력전력은 감쇄없이 입력된 신호는 4배가 된다.
그러나, 도 3과 같은 구조의 단점은 제 5, 6 트랜지스터(308)(310)와 제 7, 8 트랜지스터(313)(315)가 각각 90도와 270도로 회전되어 위치해 있으므로 전력증폭기 회로 설계상 제약을 받게 되며, 짝수개의 트랜지스터만 전력소자로 제작이 가능하다는 단점이 있다.
이상에서 설명한 종래 기술에 따른 고주파 전력증폭기 설계 및 제작에 사용되는 전력소자는 다음과 같은 문제점이 있다.
첫째, 트랜지스터의 열화에 의한 이득 및 출력 전력의 감쇄현상을 나타내는 문제점이 있다.
둘째, 트랜지스터의 위치가 회전된 구조로부터 기인되는 설계상의 제약이 발생되는 문제점이 있다.
셋째, 홀수개의 트랜지스터로 전력소자 제작이 불가능한 문제점이 있다.
넷째, 트랜지스터와 이웃하는 트랜지스터 사이에는 열을 방열하는 접지로 연결되는 비어홀이 하나만 형성되어 있어서, 이런 경우 트랜지스터의 동작시 발생되는 열을 충분히 방열하는데 어려움 문제점이 있다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 전송선의 리액턴스 성분을 보상한 연결구조를 통해 높은 전력을 출력할 수 있는 전력 소자를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 홀수개 또는 짝수개에 관계없이 여러 개의 트랜지스터를 병렬로 연결하여 사용할 때 연결에 사용되는 전송선들에 의해 발생하는 위상차를 일으키는 리액턴스 성분을 보상하고 높은 출력전력으로 인해 발생하는 열을 접지로 보내 발열하도록 하여 트랜지스터가 열에 의한 특성이 열화되는 것을 최소화하도록 트랜지스터를 배치 및 연결하기 위한 전력소자를 제작하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 리액턴스 성분을 보상한 연결 구조를 갖는 전력소자의 특징은 평행사변형 사다리 구조를 가지며, 대각선 방향으로 마주보는 모서리에 형성되는 입력선 및 출력선을 갖는 전송선과, 상기 전송선에 의해 병렬로 연결된 복수의 트랜지스터와, 상기 트랜지스터의 양측에 형성된 비어홀을 통해 트랜지스터의 동작시 발생되는 열을 방열하는 접지를 포함하는데 있다.
바람직하게 상기 복수의 트랜지스터는 상기 비어홀이 겹치지 않게 위치하도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게 상기 복수의 트랜지스터는 홀수개 또는 짝수개로 구성되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게 상기 전송선은 각 트랜지스터의 입력 및 출력 전송선의 총 길이가 동일한 것을 특징으로 한다.
바람직하게 상기 비어홀(Via Hole)은 각 트랜지스터마다 2개씩 구성되는 것 을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 목적, 특성 및 이점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
본 발명에 따른 리액턴스 성분을 보상한 연결 구조를 갖는 전력소자의 바람직한 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 1 은 본 발명에 따른 리액턴스 성분을 보상한 연결 구조를 갖는 전력소자의 구성을 나타낸 도면이다.
도 1과 같이, 평행사변형 사다리 구조로 양측 끝단의 서로 다른 선상으로 평행한 입력선 및 출력선을 갖는 전송선과, 상기 입력선 및 출력선을 기준으로 이웃하는 트랜지스터와 서로 다른 선상으로 상기 전송선에 의해 병렬로 연결된 제 9, 10, 11, 12 트랜지스터(110)(113)(116)(119)와, 상기 트랜지스터의 양측에 형성된 비어홀(109)(111)(112)(114)(115)(117)(118)(120)을 통해 트랜지스터의 동작시 발생되는 열을 방열하는 접지(미도시)로 구성된다.
이때, 상기 비어홀(Via Hole)(109)(111)(112)(114)(115)(117)(118)(120)은 각 트랜지스터(110)(113)(116)(119)마다 2개씩 구성되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 복수의 트랜지스터는 홀수개 또는 짝수개로 구성된다.
아울러 상기 전송선의 연결구조상 각 트랜지스터의 입력 전송선(101~108) 및 출력 전송선(121~128)의 길이는 서로 다르지만, 입출력 전송선의 총 길이는 모두 같은 구조를 가져서 위상차가 발생하지 않도록 한 구조이다.
여기서 상기 트랜지스터를 연결한 입출력 전송선의 구조를 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.
먼저 RF　입력 전송선을 살펴보면, 제 9 트랜지스터(110)에 입력되는 전송선의 길이는 전송선 101 + 102이고, 제 10 트랜지스터(113)에 입력되는 전송선의 길이는 전송선 101 + 103 + 104이며, 제 11 트랜지스터(116)에 입력되는 전송선의 길이는 전송선 101 + 103 + 105 + 106이고, 제 12 트랜지스터(119)에 입력되는 전송선의 길이는 전송선 101 + 103 + 105 + 107 + 108이다.
여기서 상기 전송선 103, 105, 107의 길이는 같거나 혹은 다르더라도 무방하다.
이에 따라 상기 제 9, 10, 11, 12 트랜지스터(110)(113)(116)(119)에 입력된 신호의 위상은 모두 다르며, 신호의 위상차는 전송선 102, 104, 106, 108의 길이 차이만큼 발생하게 된다.
아울러 RF 출력 전송선을 살펴보면, 제 9 트랜지스터(110)에서 출력되는 전송선의 길이는 전송선 121 + 122 + 124 + 126 + 128이고, 제 10 트랜지스터(113)에서 출력되는 전송선의 길이는 전송선 123 + 124 + 126 + 128이고, 제 11 트랜지스터(116)에서 출력되는 전송선의 길이는 전송선125 + 126 + 128이고, 제 12 트랜지스터(119)에서 출력되는 전송선의 길이는 전송선127 + 128이다.
여기서 상기 전송선 122, 124, 126의 길이는 같거나 혹은 다르더라도 무방하다.
이에 따라 상기 제 9, 10, 11, 12 트랜지스터(110)(113)(116)(119)에서 출력 된 신호의 위상은 모두 다르며, 신호의 위상차는 상기 전송선 121, 123, 125, 127의 길이 차이만큼 발생하게 된다.
그러나, 상기 입력 전송선 102와 상기 출력 전송선 127의 길이는 같고, 상기 입력 전송선 104와 상기 출력 전송선 125의 길이가 같으며, 상기 입력 전송선 106과 상기 출력 전송선 123의 길이가 같고, 상기 입력 전송선 108과 상기 출력 전송선 121의 길이가 같다.
결국 상기 제 9, 10, 11, 12 트랜지스터(110)(113)(116)(119)의 입출력 전송선의 길이는 모두 같게 된다.
따라서, 전송선 101에서 입력된 신호가 상기 제 9, 10, 11, 12 트랜지스터(110)(113)(116)(119)에서 출력되어 전송선 128에 도달한 신호들의 위상은 모두 같고 이득의 감쇄도 없게 되며, 상기 제 9, 10, 11, 12 트랜지스터(110)(113)(116)(119)가 모두 같다면 출력전력은 감쇄없이 입력된 신호는 4배가 된다.
아울러, 이와 같은 구조를 갖는 전력소자는 홀수개의 트랜지스터인 경우에도 위와 같은 구조로 전력소자를 제작하게 되면 마찬가지로 출력된 신호의 위상은 모두 같게 되므로 홀수개의 트랜지스터로도 제작이 가능하다.
따라서, 기존 방법들의 단점인 트랜지스터의 열화에 의한 이득 및 출력 전력의 감쇄현상, 트랜지스터의 위치가 회전된 구조로부터 기인되는 설계상의 제약, 및 홀수개의 트랜지스터로 전력소자 제작이 불가능한 제약을 모두 개선할 수 있다.
이상에서와 같이 상세한 설명과 도면을 통해 본 발명의 최적 실시예를 개시하였다. 용어들은 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 리액턴스 성분을 보상한 연결 구조를 갖는 전력소자는 기존 방법들의 단점인 트랜지스터의 열화에 의한 이득 및 출력 전력의 감쇄현상, 트랜지스터의 위치가 회전된 구조로부터 기인되는 설계상의 제약, 홀수개의 트랜지스터로 전력소자 제작이 불가능한 제약을 개선하는 효과가 있다.

Claims (5)

  1. 평행사변형 사다리 구조를 가지며, 대각선 방향으로 마주보는 모서리에 형성되는 입력선 및 출력선을 갖는 전송선과,
    상기 전송선에 의해 병렬로 연결된 복수의 트랜지스터와,
    상기 트랜지스터의 양측에 형성된 비어홀을 통해 트랜지스터의 동작시 발생되는 열을 방열하는 접지를 포함하는 전력소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 트랜지스터는 상기 비어홀이 겹치지 않게 위치하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 전력소자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 트랜지스터는 홀수개 또는 짝수개로 구성되는 것을 특징으로 하는 전력소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 전송선은 각 트랜지스터의　입력 및 출력 전송선의 총 길이가 동일한 것을 특징으로 하는 전력소자.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 비어홀(Via Hole)은 각 트랜지스터마다 2개　이상 구성되는 것을 특징으로 하는 전력소자.
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