KR20070081866A - 임피던스 매칭수단 - Google Patents

임피던스 매칭수단 Download PDF

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Abstract

본 발명의 임피던스 매칭수단은 전자회로의 입력임피던스 또는 출력임피던스를 정합시켜주는 테이퍼 선로에 관한 것으로서, 2개 이상의 전자 소자가 실장된 기판에 있어서, 상기 기판 상에 형성되어 어느 하나의 전자소자의 단자와 일측 끝단이 전기적으로 연결되는 테이퍼(Tapered) 선로; 및 다른 하나의 전자소자의 단자와 상기 테이퍼 선로를 연결시킴에 있어서, 상기 전자소자들 간의 임피던스 수치에 따라 조정되는 테이퍼 선로의 내부 지점에 상기 다른 하나의 전자소자의 단자를 연결시키는 본딩 와이어를 포함한다.
본 발명에 의하면, 본딩 와이어가 연결되는 테이프 선로의 지점을 다르게 함으로써 임피던스를 조정하여 매칭시킬수 있고, 공정 비용을 줄일 수 있으며, 다른 수동 소자가 사용되지 않아 부품 비용이 감소된다. 또한, 하나의 본딩 와이어를 연결함으로써 임피던스가 매칭될 수 있어 설계 기한을 단축시킬수 있는 효과가 있다.

Description

임피던스 매칭수단{Impedance matching means}
도 1은 종래의 임피던스 매칭수단을 구비하는 이동통신단말기의 RF 송신단의 구성요소를 개략적으로 도시한 블록도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 임피던스 매칭수단을 구비하는 이동통신단말기의 RF 송신단의 구성요소를 개략적으로 도시한 블록도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 테이퍼 선로를 도시한 회로도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전력증폭기가 테이퍼 선로와 와이어 본딩되는 형태를 예시한 상면도.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 테이퍼 선로가 마이크로스트립 라인 형태로 구비된 기판의 일부를 도시한 사시 단면도.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉
20: RF 송신단 22: 전력 증폭기
24: 본딩부 26: 테이퍼 선로
28: 로우 패스 필터
본 발명은 임피던스 매칭수단에 관한 것으로서, 전자회로의 입력임피던스 또는 출력임피던스를 정합시켜주는 테이퍼 선로(Tapered Line)에 관한 것이다.
RF(Radio Frequency) 통신과 같이 고주파 통신 분야에서는 임피던스를 정합시켜주는 것이 중요한 사항이다. 임피던스 정합이란 어떤 하나의 출력단과 입력단을 연결할 때, 서로 다른 두 연결단의 임피던스 차에 의한 신호 반사를 줄이는 방법을 의미한다.
RF 영역에서 임피던스 매칭이 이루어지지 않으면 신호 반사(reflection)가 발생하게 되어 회로의 성능이 제대로 발휘될 수 없으며, 최대한의 신호전력을 전달하기 위해서는 임피던스 매칭이 필수적이다.
일반적으로 임피던스를 정합시키는 방법은 두 개의 연결단 사이에 매칭단(matching unit)을 삽입하여 두 연결단 사이의 임피던스 차이를 보정해 주는 것이 있는데, 특히 출력단의 로우 패스 필터와 전력증폭기의 경우 임피던스 비정합 문제가 많이 발생 된다.
도 1은 종래의 임피던스 매칭수단을 구비하는 이동통신단말기의 RF 송신단(10)의 구성요소를 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 1에 의하면, 종래의 임피던스 매칭수단을 구비하는 이동통신단말기의 RF 송신단(10)은 전력증폭기(PA: Power Amplifier)(12), 매칭회로(14) 및 로우 패스 필터(LPF: Low Pass Filter)(16)를 포함하여 구성된다.
상기 전력증폭기(12)는 베이스밴드단으로부터 전달되는 RF 신호를 안테나를 통하여 출력될 수 있는 크기의 전력으로 증폭시키고, 상기 로우 패스 필터(16)는 증폭 과정에서 혼재된 잡음 성분의 신호를 필터링하여 안테나로 전달한다.
그런데, 상기 로우 패스 필터(16)의 입력임피던스와 상기 전력증폭기(12)의 출력임피던스가 정합되지 않으면, 상기 전력 증폭기(12)로부터 출력된 RF 신호가 로우 패스 필터(12)로 전달되지 못하고 반사된다.
따라서, 상기 매칭회로(14)는 상기 로우 패스 필터(16)의 입력임피던스와 상기 전력증폭기(12)의 출력임피던스를 정합시키는 역할을 하는데, 가령 인덕터, 커패시터와 같은 분포소자를 이용하여 상기 매칭회로(14)를 구현할 수 있다.
상기 매칭회로(14)를 구현하는 방법으로는 가령, 스미스 차트를 이용해서 매칭점을 찾는 방법이 있는데, 수동소자를 이용해서 상기 매칭회로(14)를 구현하는 경우 시행착오(Trial & Error)적인 방식에 따라 수동소자 값을 결정해야 한다.
종래의 매칭회로(14) 구현 방법은 솔더링(Soldering) 및 표면실장(SMT: Surface Mounting Technology) 과정이 반복되어 개발 기간이 늘어나고, 인덕터, 커패시터 등의 소자 이용 비용 및 SMT 비용이 많이 드는 문제점이 있다.
본 발명은 통전 지점에 따라 임피던스 수치를 결정함으로써 전자회로의 입력임피던스 또는 출력임피던스를 용이하게 정합시키는 선로형 매칭수단을 제공한다.
본 발명에 의한 임피던스 매칭수단은 2개 이상의 전자 소자가 실장된 기판에 있어서, 상기 기판상에 형성되어 어느 하나의 전자소자의 단자와 일측 끝단이 전기적으로 연결되는 테이퍼(Tapered) 선로; 및 다른 하나의 전자소자의 단자와 상기 테이퍼 선로를 연결시킴에 있어서, 상기 전자소자들 간의 임피던스 수치에 따라 조정되는 테이퍼 선로의 내부 지점에 상기 다른 하나의 전자소자의 단자를 연결시키는 본딩 와이어를 포함한다.
또한, 본 발명에 의한 임피던스 매칭수단은 상기 어느 하나의 전자소자는 전력증폭기이고, 상기 다른 어느 하나의 전자소자는 필터이다.
또한, 본 발명에 의한 임피던스 매칭수단은 상기 테이퍼 선로가 상기 어느 하나의 전자소자의 단자 또는 상기 다른 하나의 전자소자의 단자 중 어느 하나의 단자로부터 인입되는 신호 주파수의 반파장의 정수배가 되는 길이를 가진다.
또한, 본 발명에 의한 임피던스 매칭수단은 상기 테이퍼 선로가 상기 일측 끝단으로부터 타측 끝단으로, 또는 상기 타측 끝단으로부터 상기 일측 끝단으로 폭이 점차 좁아지는 형태를 이룬다.
이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 임피던스 매칭수단에 대하여 상세히 설명하는데, 상기 임피던스 매칭회로는 이동통신단말기의 RF 송신단에 적용되는 것으로 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 임피던스 매칭수단을 구비하는 이동통신단말기의 RF 송신단(20)의 구성요소를 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 2에 의하면, 본 발명의 실시예에 따른 임피던스 매칭수단을 구비하는 이동통신단말기의 RF 송신단(20)은 전력증폭기(22), 본딩부(24), 테이퍼 선로(26) 및 로우 패스 필터(28)를 포함하여 구성된다.
상기 전력 증폭기(22)는 베이스밴드단으로부터 전달되는 RF 신호를 안테나를 통하여 출력될 수 있는 크기의 전력을 가지도록 증폭시키고, 상기 로우 패스 필터(28)는 증폭 과정에서 RF 신호에 섞인 불요파 성분의 신호를 필터링하여 제거하고 이를 안테나로 전달한다.
그런데, 상기 로우 패스 필터(28)의 입력임피던스와 상기 전력증폭기(22)의 출력 임피던스가 정합되지 않으면, 상기 전력증폭기(22)로부터 전달된 RF 신호가 로우 패스 필터(28)로 전달되지 못하고 반사된다.
따라서, 상기 테이퍼 선로(Tapered lines; 크기나 모양이 다른 두 전송선로를 접속하는 경우에 사용되고, 상기 전송선로의 축방향에 따라 그 크기나 모양을 변경하는 선로)(26)는 상기 로우 패스 필터(28)의 입력 임피던스와 상기 전력증폭기(22)의 출력임피던스를 정합시키는 역할을 하며, 상기 본딩부(24)로 연결된다.
상기 본딩부(24)는 본딩 와이어 또는 리드 프레임(Lead Frame)이 이용될 수 있다.
예를 들어, 상기 로우 패스 필터(28)의 입력임피던스가 50ohm이고, 상기 전력증폭기(22)의 출력임피던스가 2ohm인 경우, 임피던스가 매칭되도록 상기 테이퍼 선로(26)를 배치한다.
또한, 상기 RF 송신 신호가 1.8㎓인 PCS 신호인 경우에는 0.9㎓의 정수배가 되도록 상기 테이퍼 선로(26)의 길이가 조정되는데, 상기 테이퍼 선로(26)는 일측 끝단으로부터 타측 끝단으로, 또는 상기 타측 끝단으로부터 상기 일측 끝단으로 폭이 점차 좁아지는 형태를 이루며, 저항의 선밀도 개념과 유사하게 적용된다.
상기 테이퍼 선로(26)가 RF 수신단에 구비되는 경우에는 상기 테이퍼 선로 (26)는 로우 패스 필터의 출력 단자와, 증폭기의 입력단자와 연결될 수 있다.
또한, 상기 테이퍼 선로(26)는 마이크로스트립 라인(Microstrip line) 형태로 구비될 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 테이퍼 선로를 도시한 회로도이다.
도 3에 의하면, 상기 테이퍼 선로(26)는 부피를 가진 물체의 선밀도 개념을 2차원적으로 도입한 것으로서, 상기 테이퍼 선로(26)의 길이와 임피던스 변화값은 아래 수식을 이용하여 계산할 수 있다.
Figure 112006010719907-PAT00001
Figure 112006010719907-PAT00002
단, Z(z)는 길이(z)의 변화에 따른 임피던스 값, Z0는 어느 하나의 전자소자의 출력임피던스 값, ZL은 다른 하나의 전자소자의 입력임피던스 값을 의미한다.
따라서, Z0의 임피던스는 상기 Z0의 출력임피던스를 갖는 전자소자의 단자가 본딩 와이어로 상기 테이퍼 선로(26)의 z만큼 떨어진 지점과 연결되면, 상기 Z0의 출력임피던스를 갖는 전자소자의 임피던스 값은 수학식 1에 의해서 변화된다.
또한, 임피던스 정합이 이루어지려면, 반사계수의 크기가 "0"이 되어야 하는데, 반사계수는 아래 수학식에 의해서 구할 수 있다.
Figure 112006010719907-PAT00003
Figure 112006010719907-PAT00004
단, λ는 파장, Γ는 반사계수, Z(z)는 길이(z) 변화에 따른 임피던스 값을 의미한다.
따라서, 수학식 2에 z=L을 대입해서 정리하고, 반사계수의 절대값이 "0"이되는 L을 찾으면, L=nλ/2가 된다(n은 정수).
즉, 상기 테이퍼 선로(26)의 길이는 주파수의 n/2배로 설계해야 한다.
그러므로, 수학식 1과 수학식 2에 의하여, 상기 테이퍼 선로(26)의 길이와 그때의 임피던스 값을 구할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전력증폭기(22)가 테이퍼 선로(26)와 와이어 본딩되는 형태를 예시한 상면도이다.
상기 로우 패스 필터(28)는 상기 테이퍼 선로(26)의 일측 끝단이 전기적으로 연결되고, 상기 전력증폭기(22)는 임피던스 수치에 따라 조정되는 테이퍼 선로의 내부 지점에 본딩 와이어로 연결된다.
임피던스 수치에 따라 24a, 24b, 24c, 24d 등으로 본딩 와이어를 연결할 수 있다.
따라서, 종래의 수동 소자를 이용하여 임피던스를 정합시키는 방식은 매칭 회로를 구현하는데 시행착오를 거쳐야하지만, 상기 테이퍼 선로(26)를 이용하면 처음부터 테이퍼 선로(26)의 길이를 조정할 수도 있고 나중에 본딩 와이어가 연결되는 지점을 조정하여 임피던스를 정합시킬 수도 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 테이퍼 선로(26)가 마이크로스트립 라인 형태로 구비된 기판의 일부를 도시한 사시 단면도이다.
도 5에 의하면, 두께가 d인 기판에 신호 라인의 폭이 w인 마이크로스트립 라인이 구비될 경우, 특성임피던스는 아래 수학식에 의해 결정되는데, 일반적인 회로에서 특성임피던스는 50ohm이 사용되며 입출력단을 50ohm으로 통일함으로써 별도의 임피던스 정합은 불필요하다.
Figure 112006010719907-PAT00005
Figure 112006010719907-PAT00006
Figure 112006010719907-PAT00007
Figure 112006010719907-PAT00008
단, εe는 유효 유전율, w는 테이퍼 선로의 폭, d는 기판의 두께를 의미한다.
상기 εr와 εe의 관계는 아래 수학식에 의해 결정된다.
Figure 112006010719907-PAT00009
단, εr은 유전체기판(A)의 유전율, εe는 유효 유전율, w는 테이퍼 선로의 폭, d는 기판의 두께를 의미한다.
상기 수학식 3과 수학식 4에 의해서, 상기 테이프 선로(24)의 특성임피던스를 결정하여 상기 로우 패스 필터(28)와 상기 전력증폭기(22)의 임피던스를 정합시킬수 있다.
이상에서 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
본 발명에 의한 임피던스 매칭수단은 본딩 와이어가 연결되는 테이프 선로의 지점을 다르게 함으로써 임피던스를 조정하여 매칭시킬수 있고, 공정 비용을 줄일 수 있으며, 다른 수동 소자가 사용되지 않아 부품 비용이 감소 된다. 또한, 하나의 본딩 와이어를 연결함으로써 임피던스가 매칭될 수 있어 설계 기한을 단축시킬수 있다.

Claims (6)

  1. 2개 이상의 전자 소자가 실장된 기판에 있어서,
    상기 기판 상에 형성되어 어느 하나의 전자소자의 단자와 일측 끝단이 전기적으로 연결되는 테이퍼(Tapered) 선로; 및
    다른 하나의 전자소자의 단자와 상기 테이퍼 선로를 연결시킴에 있어서, 상기 전자소자들 간의 임피던스 수치에 따라 조정되는 테이퍼 선로의 내부 지점에 상기 다른 하나의 전자소자의 단자를 연결시키는 본딩 와이어를 포함하는 임피던스 매칭수단.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 하나의 전자소자는 전력증폭기이고,
    상기 다른 어느 하나의 전자소자는 필터인 것을 특징으로 하는 임피던스 매칭수단.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 어느 하나의 전자소자의 단자는 출력 단자이고,
    상기 다른 하나의 전자소자의 단자는 입력 단자인 것을 특징으로 하는 임피던스 매칭수단.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 테이퍼 선로는
    상기 어느 하나의 전자소자의 단자 또는 상기 다른 하나의 전자소자의 단자 중 어느 하나의 단자로부터 인입되는 신호 주파수의 반파장의 정수배가 되는 길이를 가지는 것을 특징으로 하는 임피던스 매칭수단.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 테이퍼 선로는
    마이크로스트립 라인(Microstrip line) 형태로 구비되는 것을 특징으로 하는 임피던스 매칭수단.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 테이퍼 선로는
    상기 일측 끝단으로부터 타측 끝단으로, 또는 상기 타측 끝단으로부터 상기 일측 끝단으로 폭이 점차 좁아지는 형태를 이루는 것을 특징으로 하는 임피던스 매칭수단.
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