KR20090014795A - 발룬 트랜스포머 - Google Patents

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KR20090014795A
KR20090014795A KR1020070079036A KR20070079036A KR20090014795A KR 20090014795 A KR20090014795 A KR 20090014795A KR 1020070079036 A KR1020070079036 A KR 1020070079036A KR 20070079036 A KR20070079036 A KR 20070079036A KR 20090014795 A KR20090014795 A KR 20090014795A
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김유신
김정훈
김응주
정문숙
박상규
한동옥
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Abstract

본 발명은, 일단이 불평형 신호의 입출력단자로 제공되는 제1 도전 패턴과, 상기 제1 도전 패턴과 전자기적 결합을 이루며 양단이 평형 신호의 입출력단자로 제공되는 제2 도전 패턴, 및 상기 제2 도전 패턴의 전기적 길이의 중심부와 접지부의 사이에 연결되는 제1 가변 캐패시터를 포함하는 발룬 트랜스포머를 제공할 수 있다.
발룬 트랜스포머(balun trasformer), 가변 캐패시터(variable capacitor), 인덕터(inductor)

Description

발룬 트랜스포머{BALUN TRANSFORMER}
본 발명은, 발룬 트랜스포머에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 주변 환경에 따른 특성의 조절이 용이하고, 전자기적 결합의 세기를 크게 하여 에너지 손실을 낮출수 있는 발룬 트랜스포머에 관한 것이다.
발룬 트랜스포머의 발룬(balun)은 Balunce to Unbalance의 약자로서, 상기 소자는 평형신호(balanced signal)를 불평형신호(unbalanced signal)로 변환하거나, 반대로 불평형 신호를 평형 신호로 변환하는 회로 또는 구조물로 이루어진 소자를 말한다. 이는 예를 들어, 혼합기(mixer), 증폭기(amplifier)등과 같이 평형입출력단을 구비한 소자와 안테나와 같이 불평형 입출력단을 갖는 소자를 연결하는 경우, 상기 평형 신호와 불평형 신호간의 변환을 수행하기 위하여 필요하다.
이러한 발룬 트랜스포머는 R, L, C 소자와 같은 집중정수 소자(lumped element)의 조합에 의해 구현될 수도 있으며, 혹은 마이크로스트립, 스트립라인, 전송선로(transmission line)등과 같은 분포정수 소자(Distributed element)로 구현될 수 있으며, 최근에는 상기 발룬 트랜스포머가 주로 이용되는 무선통신제품의 소형화가 요구되면서, 소자 크기를 줄일 수 있도록 LTCC등의 공법을 적용한 적층형 발룬 트랜스포머가 많이 사용되고 있다.
도 1은, 일반적인 발룬 트랜스포머의 기본 구성에 대한 등가회로도로서, 발룬 트랜스포머는 λ/4(여기서, λ는 1/fc(fc는, 입출력신호의 중심주파수))길이를 갖는 4개의 도전성의 신호라인(14 ~17)으로 구성되는데, 소정 주파수의 불평형 신호가 입력 또는 출력되는 불평형 포트(11)에 제1 라인(14)을 연결하고, 상기 제1 라인(14)의 타단에 제2 라인(15)을 연결한 후, 상기 제2 라인(15)의 타단은 오픈시킨다. 그리고, 각각 일단이 접지된 제3 라인(16) 및 제4 라인(17)을 각각 상기 제1 라인(14) 및 제2 라인(15)과 전기적 커플링을 형성하도록 평행하게 배치하며, 상기 제3,4 라인(16,17)의 타단을 평형신호가 입력 또는 출력되는 평형 포트(12,13)에 연결한다.
이러한 구성에서, 제1 라인(14)과 제3 라인(16), 제2 라인(15)과 제4 라인(17)이 각각 하나의 커플러(coupler)를 구성하여 상기 불평형 포트(11)로 소정 주파수의 불평형 신호를 인가하면, 각 라인(14 ~ 17) 간에 전자기적 결합을 발생시켜 평형포트(12,13)를 통해 상기 입력된 불평형 신호와 동일한 주파수의 서로 크기가 같고 180도의 위상차를 갖는 평형 신호가 출력된다. 반대로, 서로 크기가 같고 180도의 위상차를 갖는 소정 주파수의 평형신호를 평형 포트(12,13)에 인가하면, 불평형 포트(11)로부터 평형신호와 동일주파수의 불평형 신호가 출력된다.
최근에는 소형의 발룬 트랜스포머 소자에 대한 요구가 증가되면서, 발룬 트랜스포머의 기본 특성을 유지 또는 개선시키면서 소자를 더 소형화시키기 위한 다양한 연구가 진행되고 있다. 이러한 소형화를 추구하는 적층형 발룬 트랜스포머의 경우 외부 환경에 따라 특성이 변화되기 쉽고, 커플러 사이의 전자기적 결합의 세기가 약해져 에너지 손실이 크다는 문제점이 있다.
본 발명은, 상술한 문제점을 해결하기 위하여, 외부 환경의 커플러 사이의 전자기적 결합의 세기를 크게하여 에너지 손실을 줄이고, 손실특성을 보상할 수 있는 발룬 트랜스포머를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 일단이 불평형 신호의 입출력단자로 제공되는 제1 도전 패턴과, 상기 제1 도전 패턴과 전자기적 결합을 이루며 양단이 평형 신호의 입출력단자로 제공되는 제2 도전 패턴, 및 상기 제2 도전 패턴의 전기적 길이의 중심부와 접지부의 사이에 연결되는 제1 가변 캐패시터를 포함하는 발룬 트랜스포머를 제공할 수 있다.
상기 발룬 트랜스포머는, 상기 제1 도전 패턴의 타단에 연결되는 제2 가변 캐패시터를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 도전 패턴 및 제2 도전 패턴은, 유전체 기판의 동일한 일면에 형성될 수 있다.
상기 제1 도전 패턴 및 제2 도전 패턴은, 동일한 중심점을 중심으로 복수개 의 루프형 패턴이 교대로 형성된 인덕터 패턴일 수 있다.
상기 제1 도전 패턴 및 제2 도전 패턴 각각은, 동일한 가상선을 중심으로 대칭을 이루도록 형성된 대칭형 인덕터 패턴일 수 있다.
상기 제1 및 제2 도전 패턴 각각은, 각각의 도전 패턴이 단락(short)되지 않도록 각각 그 일부 영역이 상기 유전체 기판의 일면과 다른 평면에 형성되어 도전성 비아홀에 의해 연결될 수 있다.
상기 가변 캐패시터는, 바랙터 다이오드일 수 있다.
본 발명에 따르면, 제조공정 및 주변환경의 변화에 따라 발생되는 특성 변화를 보상할 수 있고, 또한 전자기적 결합을 증가시켜 손실이 적은 발룬 트랜스포머를 얻을 수 있다.
이하 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하겠다.
도 2는, 본 발명의 일실시 형태에 따른 발룬 트랜스포머의 등가 회로도이다.
도 2를 참조하면, 본 실시형태에 따른 발룬 트랜스포머(20)는 제1 도전 패턴(22), 제2 도전 패턴(23), 제1 가변 캐패시터(24) 및 제2 가변 캐패시터(25)를 포함할 수 있다.
상기 제2 도전 패턴(23)의 양단이 평형 신호의 입출력 단자로 사용되는 발룬 트랜스포머를 형성하기 위해서 상기 제2 도전 패턴(23)의 전기적 길이의 중심부(23d)는 접지부와 연결될 수 있다. 본 실시형태에서는, 상기 제2 도전 패턴(23)의 길이의 중심부(23d)와 접지부 사이에 제1 가변 캐패시터(24)가 연결될 수 있다.
상기 제1 도전 패턴(22) 및 제2 도전 패턴(23)은 서로 전자기적 결합을 형성하여, 제1 도전 패턴(22)의 일 포트(22a)에 입력되는 불평형 신호에 대하여, 상기 제2 도전 패턴(23)의 두 포트(23a, 23b)에서는 서로 크기는 동일하고 180도의 위상차를 갖는 평형 신호를 출력할 수 있다. 그러나, 실제로는 에너지 분포에 따라 상기 커플링의 세기가 달라지므로 위상과 신호의 크기에 있어서 두 출력 포트가 다를 수 있다. 이 때, 상기 제1 가변 캐패시터(24)의 캐패시턴스값을 조정하여 두 포트의 신호 위상차 및 크기레벨을 보정할 수 있다.
본 실시형태에서는, 상기 제1 도전 패턴(22)의 일단(22b)에 제2 가변 캐패시터(25)를 연결할 수 있다. 상기 제2 가변 캐패시터(25)의 캐패시턴스를 조절함으로써 상기 제1 도전 패턴(22)으로 입력되는 불평형 신호의 위상 및 크기를 조절할 수 있다.
따라서, 본 실시형태에서는, 제2 도전 패턴(23) 길이의 중심부에 연결되는 제1 가변 캐패시터(24)와, 상기 제1 도전 패턴(22)의 일단에 연결되는 제2 가변 캐패시터(25)를 각각 조절함으로서 주변 환경이나 공정 변화에 따라 변화될 수 있는 발룬 트랜스포머의 특성을 보상할 수 있다. 따라서, 제조 공정상 발생되는 특성 변화를 다시 조정하기 위해 필요한 비용등을 감소시킬 수 있다.
도 3의 (a) 및 (b)는, 본 발명의 일실시 형태에 따른 발룬 트랜스포머의 평면도 및 단면도이다.
도 3의 (a) 및 (b)를 참조하면, 본 실시형태에 따른 발룬 트랜스포머(30)는, 유전체 기판(31), 제1 도전 패턴(32), 제2 도전 패턴(33), 제1 가변 캐패시터(34), 및 제2 가변 캐패시터(35)를 포함할 수 있다.
유전체 기판(31)은, 소정의 유전율을 갖는 세라믹 기판등을 사용할 수 있다.
상기 유전체 기판(31)의 일면에 제1 도전 패턴(32) 및 제2 도전 패턴(33)이 형성될 수 있다. 상기 제1 및 제2 도전 패턴(32, 23)은, 상호 전자기적 결합에 의해 결합될 수 있다. 본 실시형태에서는, 상기 제1 도전 패턴의 일단(32a)이 불평형 신호의 입력단으로 사용되고, 상기 제2 도전 패턴의 양단(33a, 33b)이 평형 신호의 출력단으로 사용될 수 있다.
상기 제1 도전 패턴(32)은, 중심점(O)을 중심으로 형성되는 복수개의 루프형 도선이 직렬로 연결되는 인덕터 패턴일 수 있다.
상기 제1 도전 패턴(32)을 이루는 복수개의 루프형 도선은, 서로 크기가 다르지만 그 중심점이 동일하여 서로 일정한 간격을 유지하여 형성될 수 있다. 본 실시형태에서는, 상기 제1 도전 패턴(32)을 이루는 복수개의 루프형 도선이 서로 접촉되지 않고 직렬로 연결될 수 있도록 상기 제1 도전 패턴을 이루는 일부 영역(22c)은 상기 유전체 기판의 다른 면에 형성하여 이를 도전성 비아홀로 연결시킬 수 있다.
상기 제1 도전 패턴(32)을 이루는 복수개의 루프형 도선은, 가상선인 L선을 기준으로 각각 대칭을 이룰 수 있으며, 상기 복수개의 루프형 도선은 각각의 도선끼리 서로 평행하게 일정한 간격을 유지할 수 있다.
상기 제1 도전 패턴(32)의 최외층에 형성된 루프형 도선의 일단(22a)은 불평형 신호의 입력단 또는 출력단으로 사용될 수 있다.
상기 제2 도전 패턴(33)은, 제1 도전 패턴(32)과 전자기적 결합을 이루도록 상기 제1 도전 패턴(32)을 이루는 복수개의 루프와 교대로 형성되는 복수개의 루프를 포함하는 인덕터 패턴일 수 있다. 상기 제2 도전 패턴(33)은, 상기 제1 도전 패턴(32)과 동일한 중심점(O)을 중심으로 하는 복수개의 루프형 도선이 직렬로 연결되는 인덕터 패턴일 수 있다.
상기 제2 도전 패턴(33)을 이루는 복수개의 루프형 도선은, 서로 크기가 다르지만 그 중심점이 동일하여 서로 일정한 간격을 유지하여 형성될 수 있다. 본 실 시형태에서는, 상기 제2 도전 패턴(33)을 이루는 복수개의 루프형 도선이 서로 단락(short)되지 않고 직렬로 연결될 수 있도록 상기 제2 도전 패턴을 이루는 일부 영역(33c)은 상기 유전체 기판의 다른 면에 형성되고 이를 도전성 비아홀로 연결시킬 수 있다.
상기 제2 도전 패턴(33)을 이루는 복수개의 루프형 도선은, 가상선인 L선을 기준으로 각각 대칭을 이룰 수 있으며, 상기 복수개의 루프형 도선은 각각의 도선끼리 서로 평행하게 일정한 간격을 유지할 수 있다.
상기 제2 도전 패턴(33)의 양단(33a, 33b)은, 평형 신호의 입력 또는 출력 단자로 사용될 수 있다.
본 실시형태에서는, 상기 제1 도전 패턴(32) 및 제2 도전 패턴(33) 각각은, 하나의 가상선(L)을 중심으로 각각 대칭을 이루는 형태일 수 있다.
상기와 같이 동일 평면상에 제1 도전 패턴(32) 및 제2 도전 패턴(33)이 각각 대칭되는 형태로 형성하기 위해서, 각각의 도전 패턴의 양단은 상기 가상선(L)의 좌우영역에 형성되고, 동일한 중심점을 중심으로 서로 다른 반지름의 루프형 도선이 직렬로 연결될 수 있다. 상기 제1 도전패턴과 제2 도전패턴은 교대로 형성될 수 있다.
이와 같이 상기 제1 및 제2 도전 패턴(32, 33)이 유전체 기판(31)의 동일면 상에 형성됨으로써, 상기 제1 및 제2 도전 패턴(32, 33) 사이의 전자기적 결합의 세기는 더 크게 될 수 있다.
즉, 제1 도전 패턴(32)에서 상기 입력단자(32a)에 전류를 인가시키면, 상기 제1 도전 패턴(32)과 교대로 형성된 제2 도전 패턴(33)과의 전자기적 결합에 의해 상기 제2 도전 패턴(33)에도 전류가 흐르게 된다.
이 때, 상기 제1 도전 패턴(32)을 흐르는 전류의 방향에 의해 상기 제2 도전 패턴(33)에 형성되는 자기장은 오른손 법칙이 적용되므로, 결국 상기 제1 도전 패턴과 교대로 형성된 제2 도전 패턴을 흐르는 전류의 방향은 상기 제1 도전 패턴을 흐르는 전류의 방향과 동일하게 될 수 있다.
이와 같이, 유전체의 동일면 상에 제1 도전패턴 및 제2 도전패턴을 교대로 형성함으로써, 제1 도전패턴과 제2 도전패턴 사이의 전자기적 결합의 크기를 크게하여 에너지 손실을 줄일 수 있다.
상기 제2 도전 패턴(33)의 양단이 평형 신호의 입출력 단자로 사용되는 발룬 트랜스포머를 형성하기 위해서 상기 제2 도전 패턴(33)의 전기적 길이의 중심부(33d)는 접지부와 연결될 수 있다. 본 실시형태에서는, 상기 제2 도전 패턴 길이의 중심부(33d)와 접지부 사이에 가변 캐패시터(34)를 연결할 수 있다. 상기 가변 캐패시터는 바랙터 다이오드(varactor diode)일 수 있다.
본 실시형태의 발룬 트랜스포머에서는, 상기 제1 도전 패턴(32) 및 제2 도전 패턴(33)은 서로 전자기적 결합을 형성하여, 제1 도전 패턴(32)의 일 포트(32a)에 입력되는 불평형 신호에 대하여, 상기 제2 도전 패턴(33)의 두 포트(33a, 33b)에서 는 서로 크기는 동일하고 180도의 위상차를 갖는 평형 신호를 출력할 수 있다. 그러나, 실제로는 에너지 분포에 따라 상기 커플링의 세기가 다르므로 위상과 신호의 크기에 있어서 두 출력 포트가 다를 수 있다. 이 때, 상기 가변 캐패시터(34)의 캐패시턴스값을 조정하여 두 포트의 신호 위상차 및 크기레벨을 보정할 수 있다.
본 실시형태에서는, 상기 제1 도전 패턴(32)의 일단(32b)에 가변 캐패시터(35)가 연결될 수 있다.
본 실시형태의 발룬 트랜스포머(30)에서는, 상기 제1 도전 패턴(32) 및 제2 도전 패턴(33)은 서로 전자기적 결합을 형성하여, 제1 도전 패턴(32)의 일 포트(32a)에 입력되는 불평형 신호에 대하여, 상기 제2 도전 패턴(33)의 두 포트(33a, 33b)에서는 서로 크기는 동일하고 180도의 위상차를 갖는 평형 신호를 출력할 수 있다. 그러나, 실제로는 에너지 분포에 따라 상기 커플링의 세기가 다르므로 위상과 신호의 크기에 있어서 두 출력 포트가 다를 수 있다. 이 때, 상기 가변 캐패시터(35)의 캐패시턴스값을 조정하여 두 포트의 신호 위상차 및 크기레벨을 보정할 수 있다.
본 실시형태에서는, 제2 도전 패턴 길이의 중심부(33d)에 연결되는 가변 캐패시터(34)와, 상기 제1 도전 패턴(32)의 일단에 연결되는 가변 캐패시터(35)를 각각 조절함으로서 주변 환경이나 공정 변화에 따라 변화될 수 있는 발룬 트랜스포머의 특성을 보상할 수 있다. 따라서, 제조 공정상 발생되는 특성 변화를 다시 조정하기 위해 필요한 비용등을 감소시킬 수 있다.
도 4의 (a) 및 (b)는, 본 발명의 일실시 형태에 따른 발룬 트랜스포머에서 가변 캐패시터를 조절하여 캐패시턴스 값에 따른 위상차 및 신호 크기 차이를 도시한 그래프이다.
도 4의 (a)의 그래프에서, x-축은 제1 및 제2 가변 캐패시터를 조절하여 상기 발룬 트랜스포머에 형성되는 캐패시턴스 값을 나타내고, y-축은 상기 평형신호 출력단자에서의 위상차를 나타낸다.
이상적인 발룬 트랜스포머에서는 상기 평형신호 출력단자에서의 위상차가 180도인 것이 바람직하나, 제조공정 또는 주변환경의 영향으로 상기 평형신호 출력단자의 위상차가 180도가 안되는 경우가 발생할 수 있다. 따라서, 본 실시형태와 같이 제1 가변 캐패시터 및/또는 제2 가변 캐패시터를 적절히 조절하여 상기 평형신호 출력 단자에서의 위상차가 180도에 가깝도록 조절할 수 있다.
도 4의 (b)의 그래프에서, x-축은 제1 및 제2 가변 캐패시터를 조절하여 상기 발룬 트랜스포머에 형성되는 캐패시턴스 값을 나타내고, y-축은 상기 평형신호 출력단자에서의 신호크기 차이를 나타낸다.
이상적인 발룬 트랜스포머에서는 상기 평형신호 출력단자에서의 신호크기는 동일하게 출력되는 것이 바람직하나, 제조공정 또는 주변환경의 영향으로 상기 평형신호 출력단자의 출력신호의 크기가 서로 다른 경우가 발생할 수 있다. 따라서, 본 실시형태와 같이 제1 가변 캐패시터 및/또는 제2 가변 캐패시터를 적절히 조절하여 상기 평형신호 출력 단자에서의 신호크기의 차이를 최소로 조절할 수 있다.
발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니하며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.
도 1은, 종래기술에 따른 발룬 트랜스포머의 회로도이다.
도 2는, 본 발명의 일실시 형태에 따른 발룬 트랜스포머의 회로도이다.
도 3의 (a) 및 (b)는, 본 발명의 다른 실시형태에 따른 발룬 트랜스포머의 평면도 및 측면도이다.
도 4의 (a) 및 (b)는, 본 발명의 일실시 형태에 따른 발룬 트랜스포머의 평형 신호 출력단자에서 캐패시턴스의 변화에 따른 위상차 및 신호크기의 차이를 나타내는 그래프이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호설명>
22 : 제1 도전 패턴 23 : 제2 도전 패턴
24 : 제1 가변 캐패시터 25 : 제2 가변 캐패시터

Claims (7)

  1. 일단이 불평형 신호의 입출력단자로 제공되는 제1 도전 패턴;
    상기 제1 도전 패턴과 전자기적 결합을 이루며 양단이 평형 신호의 입출력단자로 제공되는 제2 도전 패턴; 및
    상기 제2 도전 패턴의 전기적 길이의 중심부와 접지부의 사이에 연결되는 제1 가변 캐패시터
    를 포함하는 발룬 트랜스포머.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 도전 패턴의 타단에 연결되는 제2 가변 캐패시터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발룬 트랜스포머.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 도전 패턴 및 제2 도전 패턴은,
    유전체 기판의 동일한 일면에 형성되는 것을 특징으로 하는 발룬 트랜스포머.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 도전 패턴 및 제2 도전 패턴은,
    동일한 중심점을 중심으로 복수개의 루프형 패턴이 교대로 형성된 인덕터 패턴인 것을 특징으로 하는 발룬 트랜스포머.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 도전 패턴 및 제2 도전 패턴 각각은,
    동일한 가상선을 중심으로 대칭을 이루도록 형성된 대칭형 인덕터 패턴인 것을 특징으로 하는 발룬 트랜스포머.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 도전 패턴 각각은,
    각각의 도전 패턴이 단락(short)되지 않도록 각각 그 일부 영역이 상기 유전체 기판의 일면과 다른 평면에 형성되어 도전성 비아홀에 의해 연결된 것을 특징으로 하는 발룬 트랜스포머.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 가변 캐패시터는,
    바랙터 다이오드인 것을 특징으로 하는 발룬 트랜스포머.
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