KR20080100663A - 인덕터와 캐패시터의 직렬 공진을 사용한 격자구조 발룬 - Google Patents

Abstract

본 발명은 평형 신호(balanced signal)를 비평형 신호(unbalanced signal)로 변환하거나, 그 반대의 동작을 하는 변압기(transformer)인 발룬(balun)에 관한 것이다.

기존의 발룬의 변환 수단은 전송선로(transmission line)를 사용하는 발룬으로 그 크기가 매우 크다 할 수 있다. 본 발명에서는 잘 알려져 있는 집중소자(lumped component)를 사용한 격자구조의 LC 발룬(lattice type LC balun)을 개선하여 크기를 줄이면서 위상(phase)특성을 개선하였다.

집중소자를 사용하면 크기 면에서 전송선로에 유리하다. 하지만 집중소자의 품질계수(quality factor)가 낮으면 위상특성이 나빠지게 되는데, 격자구조 LC발룬의 저주파 여파 회로(low pass filter circuit)의 캐패시터를 LC 직렬 공진기(series LC resonant tank)로 교체하여 위상특성을 개선할 수 있다.

기존의 동박적층기판(printed circuit board)는 기판을 구성하는 유기물의 유전률(dielectric constant)이 낮기 때문에 집중소자를 내장한 발룬을 바로 구현하면 캐패시터의 크기가 매우 큰 단점이 있다. 본 발명에서는 이런 크기문제를 해결하고자 고유전률의 물질을 사용하여 크기를 줄일 수 있다.

전술한 본 발명의 발룬은 단위 소자의 생산뿐만 아니라, 고유전률 물질을 사용한 유기기판(organic substrate) 혹은 동박적층기판(printed circuit board)에 소자를 내장(embedding)하여 사용한 시스템온패키지(system on a package) 기술과 마이크로웨이브 모노리식 집적회로(microwave monolithic integrated circuit)에 응용할 수 있다.

발룬 회로, 커패시터, 포트, 임피던스, 시스템온패키지(SOP), MMIC

Description

인덕터와 캐패시터의 직렬 공진을 사용한 격자구조 발룬{Lattice type LC balun with series LC resonant circuit}

도 1은 제안된 발룬의 구조

도 2는 기존의 격자구조 LC 발룬

도 3는 고유전률을 갖는 필름을 이용하여 캐패시터와 인덕터를 내장한 다기능성 기판의 단면도. 내장된 캐패시터와 인덕터는 기판 내부에서 서로 연결되어 여파기, 발룬과 같은 회로 동작을 하게 된다.

도 4는 도 1과 도 2의 발룬의 구조를 동박적층기판에 내장하여 제작한 예이다. 인덕터는 1층과 3층의 구리층으로 구현하였고, 캐패시터는 2층과 3층사이의 고유전률을 갖는 필름을 이용하여 엠아이엠(MIM)구조로 구현하였다.

도 5은 두 가지 발룬을 측정하여 위상 차이를 비교해 본 것이다.

고주파 전기 신호는 평형 및 비평형(balanced and unbalanced)이 되어 두 가지 형태의 신호가 있다. 평형 신호는 두 개의 전송선로를 따라 신호가 지속적으로 역위상(antiphase)을 유지된다. 반면에, 불평형 신호는 하나의 전송선로를 사용하며 접지(ground)를 기준으로 신호가 유지된다. 평형 신호는 차동(differential)이어서 불평형 송신 보다 잡음(noise) 및 간섭(interference)에 강하다.

현재 많이 쓰이고 있는 무선단말기에서는 평형 신호와 비평형 신호가 혼합되어 쓰인다. 따라서 최소의 손실을 갖고 두 신호를 적절하게 변환해 주면서 임의로 임피던스 변환을 해줄 수 있는 발룬은 필수적이다. 우수한 발룬 일수록 평형 신호에서 비평형 신호로, 혹은 그 반대로의 변환 할 때 최소의 삽입손실(insertion loss)을 갖으며, 평형 신호의 위상차가 180ㅀ를 유지한다.

통상 발룬은 전술 했듯 전송선로를 사용한 것을 많이 사용하는데 마르한드 발룬(Marchand balun)이 대표적이다. 마르한드 발룬은 λ/4 전송선로 4개를 사용하여 전송선로의 특성임피던스로 임피던스 변환을 한다. 하지만 본 발명에서는 도 1과 같은 격자구조의 LC 발룬을 사용하였다. 이 발룬 구조는 고주파 여파기(high pass filter)와 저주파 여파기를 단위 소자를 사용하여 구성하여 결합한 구조이다. 임피던스 변화는 각각 여파기의 특성임피던스로 정할 수 있다.

격자구조 LC 발룬은 단위소자를 사용하기 때문에 전송선로를 사용한 발룬에 비해 크기면에서 유리하다. 하지만 단위 소자를 사용하기 때문에 동박적층기판(PCB)등에 바로 적용할 수 없으며, 발룬의 삽입손실 및 위상특성은 단위 소자의 품질계수에 영향을 받는다. 따라서 마이크로웨이브 모노리식 집적회로와 같은 단위 소자의 품질 계수가 떨어지는 응용분야에서는 발룬의 특성이 좋지 않다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것이다. 전송선로를 사용한 발룬 보다 크기를 줄이면서, 위상특성을 개선하는 것 이 목적이다.

격자구조의 LC 발룬은 단위 소자를 사용하기 때문에 전송선로를 사용한 발룬보다 크기를 줄일 수 있다. 이해를 돕기 위해 첨부된 도 2는 기본적인 격자구조의 LC 발룬이다. 도 2에서 볼 수 있는 단위 소자의 크기는 동작주파수와 특성임피던스를 정하면, 간단한 수식으로 구할 수 있다.

여기서 특성임피던스 Z₀는 평형 포트의 로드 임피던스와 비평형 포트의 로드 임피던스를 이용하여 구할 수 있으며, ω는 동작주파수를 나타낸다.

전술한 수학식을 바탕으로 한 각각의 단위 소자는 고유전물질을 사용한 유기기판 혹은 동박적층기판에 내장할 수 있다. 캐패시터는 두 개의 금속전극사이에 유전물질을 넣음으로서, 인덕터는 선로만으로 구현이 가능하기 때문에 유기기판이나 동박적층기판에 내장할 수 있다. 하지만 기존에 많이 쓰이던 유기물(epoxy)들은 유전률이 낮기 때문에 캐패시터를 구현하게되면 크기가 매우 크다.

수학식 5는 유전률과 캐패시터의 전극면적에 따른 캐패시터의 용량을 나타낸다. 유전율이 커질수록 동일 용량의 캐패시터가 차지하는 면적이 줄어드는것을 알 수 있다. 따라서 본 발명에서는 고유전율을 갖는 유기물을 사용함으로서 캐패시터의 면적을 줄일 수 있다. 고유전율을 갖는 유기물은 기존의 동박적층기판의 제작공정으로 쉽게 삽입할 수 있다.

상기 수학식에서 C는 캐패시터의 용량, ε는 유전률, A는 전극 면적, d는 전극간격을 나타낸다.

도 3과 같은 구조, 즉 출원번호 10-2002-0065114(2002.10.24)의 특허와 같은 고유전율의 물질을 내장한 동박적층기판 혹은 유기기판등 패키징 기판에 인덕터와 캐패시터를 내장하여 본 발명에서 제안한 구조의 발룬을 제작할 수 있다. 이렇게 제작된 발룬은 기존의 동박적층기판위에 전송선로를 이용하여 구현한 발룬대비 면적을 매우 적게 차지한다. 도 4는 도 1의 회로를 도 3의 개념으로 적용한 예이며, 그 측정결과 두 평형단자 사이의 위상 차이는 도 5와 같다.

전술한 수학식으로 쉽게 구성 할 수 있는 격자구조 LC 발룬에서 도 1 과 같이 저주파 여파기 회로에 있는 캐패시터에 작은 용량의 인덕터를 추가하여 고주파 영역에서 공진을 시켜 위상특성을 개선하는것이 특징이다.

이상적인 직렬공진 회로는 공진 주파수에서 전기적으로 쇼트가 되며, 위상은 반대가 된다. 이러한 특성으로 인해 직렬 공진회로를 포함한 저주파 여파기는 이것을 포함하지 않은 여파기에 비해 위상변화가 급격히 일어나게 된다. 이것은 곧 발룬의 전체적 위상특성을 향상시키는 결과를 낳는다. 도 3는 두 발룬을 비교한 것이다. 위상차이가 180ㅀ에 가까워 짐을 확인할 수 있다.

또한 단위소자를 내장하면서 면적을 줄이기 위해 출원번호 10-2002-0065114 (2002.10.24)의 특허와 같은 고유전률의 물질을 내장한 기판을 사용하여 발룬을 구성할 수 있다. 이렇게 제작된 발룬은 도 3과 같이 다기능성 기판에 내장되서 적용 가능하다.

전술한 바와 같이 본 발명은 하나의 비평형 단자의 신호를 동일한 동일한 세기의 180도 위상차를 가진 두 개의 평형 단자로 분리하여 출력, 또는 그 반대의 역할을 하는 발룬 소자로서, 도 5에서 보여주듯이 동박적층기판 혹은 유기소재등을 이용한 SOP기술이나 마이크로웨이브 모노리식 집적회로에 직접 응용가능 하며, 제작에 따른 특성 변화를 개선하면서, 제작이 용이한 발룬을 제공할 수 있다.

또한 출원번호 10-2002-0065114(2002.10.24)에서 보여주는 기판에 발룬을 구성하는 소자들을 내장함으로서 추후 다기능성 기판제작에도 적용 가능하다.

Claims (6)

1. 비평형 단자로부터 인덕터와 캐패시터가 병렬로 연결되고 인덕터와 캐패시터에 직렬로 평형단자가 연결되며, 인덕터에는 직렬공진 회로가 병렬로 연결되어 접지되고, 캐패시터에는 인덕터가 병렬로 연결되어 접지되는 구조를 가진 발룬.
2. 제 1항에 있어서, 같은 회로구조를 갖는 마이크로웨이브 모로리식 집적회로에 인덕터와 캐패시터를 집적하여 구현한 발룬.
3. 제 1항에 있어서, 같은 회로구조를 갖는 저온 동시 소성 세라믹(low temperature co-fired ceramic)기술을 이용하여 인덕터와 캐패시터를 내장한 발룬.
4. 같은 구조로써 내장 인덕터와 내장 캐패시터를 사용하여 유기기판 혹은 동박적층기판등 다기능성 기판에 내장한 발룬.
5. 본 발명의 회로구조를 사용하여 마이크로웨이브 모노리식 집적회로로 구현하여 저잡음 증폭기(low noise amplifier)나 파워 증폭기(power amplifier)에 응용 가능한 차동 증폭기.
6. 본 발명의 회로구조를 사용하여 마이크로웨이브 모노리식 집적회로로 구현한 평형 믹서(balanced mixer).

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