KR20110058053A - 고주파 변압기 및 그를 이용한 전력 증폭기 - Google Patents

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KR20110058053A
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winding
power amplifier
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황택진
이광천
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한국전자통신연구원
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Abstract

본 발명은, 무선 통신 시스템에서 사용되는 고주파 변압기 및 그를 이용한 전력 증폭기에 관한 것으로, 본 발명의 전력 증폭기는, 하나의 2차측 권선과, 상기 2차측 권선의 외부에 복수의 1차측 권선들을 구비하는 고주파 변압기 및 상기 복수의 1차측 권선들에 각각 대응하여 연결되는 복수의 증폭단들을 포함하며, 상기 고주파 변압기는, 상기 2차측 권선과 상기 복수의 1차측 권선들 간에 각각 결정된 상이한 임피던스비에 대응하여 복수의 임피던스 값들을 가지며, 상기 복수의 증폭단들은 각각 선택적으로 턴온(turn-on)/턴오프(turn-off)되는 고출력용 전력 증폭단들과 저출력용 전력 증폭단들을 포함한다.
전력 증폭기, 고주파 변압기, 권선비, 임피던스 변환

Description

고주파 변압기 및 그를 이용한 전력 증폭기{High frequency transformer and power amplifier therewith}
본 발명은 무선 통신 시스템에서 사용되는 고주파 변압기 및 그를 이용한 전력 증폭기에 관한 것으로, 특히 복수의 1차측(primary) 권선들과 하나의 2차측(secondary) 권선을 갖는 고주파 변압기 및 상기 고주파 변압기를 이용하는 전력 증폭기에 관한 것이다.
일반적으로 무선 통신 시스템에서 사용되는 전력 증폭기는 고주파수 영역에서 광대역의 동작 영역을 확보하기 위해 복수의 부하 저항/임피던스 값들을 필요로 한다.
도 1은 일반적인 고주파 변압기를 이용한 전력 증폭기를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 상기 전력 증폭기에 이용된 고주파 변압기는, 하나의 1차측 권선(100)과 2차측 권선(150)을 포함하며, 상기 변압기의 1차측(100) 및 2차 측(150)을 구현한 고주파 회로의 입력단자 및 출력단자에는 50Ω이 연결된다. 이렇게 고주파 변압기의 출력단자에 50Ω이 연결된 상태에서, 전력 증폭기에서 필요한 부하 저항값이 12.5Ω일 경우, 상기 고주파 변압기의 1차측 권선(100) 및 2차측 권선(150)의 감은 비, 즉 권선비를 1:2로 하면 상기 전력 증폭기에서 필요한 부하 저항값을 얻게 된다.
한편, 상기 고주파 변압기를 이용한 전력 증폭기는, 전술한 바와 같이 고주파수 영역에서 광대역의 동작 영역을 확보하여야 하며, 하기 수학식 1에 나타낸 바와 같이, 부하 저항/임피던스 또는 전원 전압을 조절하여 광대역의 동작 영역을 확보할 수 있다.
Figure 112009072584335-PAT00001
상기 수학식 1에서, Pout는 전력 증폭기의 출력 전력을 의미하고, VDD는 전력 증폭기의 전원 전압을 의미하며, Rload는 전력 증폭기의 부하 저항/임피던스를 의미한다. 상기 수학식 1에 나타낸 바와 같이, 전원 전압을 조절하면 전력 증폭기의 출력 전력이 가변되며, 그에 따라 전력 증폭기의 동작 영역을 광대역으로 확보할 수 있다.
그러나, 이러한 전원 전압의 조절만으로는 전력 증폭기가 고주파수 영역에서 광대역의 동작 영역을 확보하는 것은 어렵다. 이러한 문제를 해결하기 위한 방안으 로 전력 증폭기의 부하 저항값, 즉 부하 임피던스를 조절하여 광대역의 동작 영역을 확보하는 방안이 있다. 하지만, 상기 부하 저항값을 조절하여 전력 증폭기의 동작 영역을 광대역으로 확보할 경우, 하기 수학식 2에 나타낸 바와 같이 부하 저항값의 조절에 따라 전력 증폭기의 효율이 가변할 수 있다.
Figure 112009072584335-PAT00002
상기 수학식 2에서 Efficiency는 전력 증폭기의 효율을 의미하고, Ron은 전력 증폭기를 구현한 트랜지스터의 턴온(turn-on) 저항을 의미한다.
일반적으로 전력 증폭기는 높은 최고 출력 전력을 얻기 위하여 부하 저항값을 매우 낮은 값을 갖도록 한다. 그러나, 전력 증폭기가 출력 전력 영역에서의 낮은 부하 저항값을 가질 경우, 상기 수학식 2에서 알 수 있듯이, 전력 증폭기의 효율을 낮아지게 하는 주요 원인이 된다.
따라서, 전원 전압 뿐만 아니라 부하 저항/임피던스를 조절하여 고주파수 영역에서 전력 증폭기의 동작 영역을 광대역으로 확보하며, 또한 전력 증폭기의 효율을 향상시킬 수 있는 고주파 변압기 및 상기 고주파 변압기를 이용한 전력 증폭기가 필요하다.
또한, 전술한 바와 같이 부하 저항/임피던스를 조절하여 낮은 출력 전력을 획득하기 위해 전원 전압이 낮아질 경우, 부하 저항/임피던스 값을 증가시키면 수 학식 2에서 알 수 있듯이 저출력 전력 영역에서의 효율을 향상시킬 수 있다.
따라서, 부하 저항/임피던스를 조정하여 전력 증폭기의 동작 영역을 향상시키고, 저출력 전력 영역에서의 효율을 향상시킬 수 있는 고주파 변압기 및 상기 고주파 변압기를 이용한 전력 증폭기가 필요하다.
따라서, 본 발명의 목적은, 복수의 1차측(primary) 권선들과 하나의 2차측(secondary) 권선을 갖는 고주파 변압기 및 상기 고주파 변압기를 이용하는 전력 증폭기를 제공함에 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 부하 저항/임피던스를 조절하여 고주파수 영역에서 광대역의 동작 영역을 확보하며, 효율을 향상시키는 고주파 변압기 및 상기 고주파 변압기를 이용하는 전력 증폭기를 제공함에 있다.
아울러, 본 발명의 또 다른 목적은, 장치 회로의 크기 증가 없이도 전력 증폭기의 동작 영역 및 저출력 전력 영역에서의 효율을 향상시킬 수 있도록 복수의 부하 저항/임피던스 값들을 가지는 고주파 변압기 및 상기 고주파 변압기를 이용하는 전력 증폭기를 제공함에 있다.
상기한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 전력 증폭기는, 하나의 2차측 권 선과, 상기 2차측 권선의 외부에 복수의 1차측 권선들을 구비하는 고주파 변압기; 및 상기 복수의 1차측 권선들에 각각 대응하여 연결되는 복수의 증폭단들을 포함하며, 상기 고주파 변압기는, 상기 2차측 권선과 상기 복수의 1차측 권선들 간에 각각 결정된 상이한 임피던스비에 대응하여 복수의 임피던스 값들을 가지며, 상기 복수의 증폭단들은 각각 선택적으로 턴온(turn-on)/턴오프(turn-off)되는 고출력용 전력 증폭단들과 저출력용 전력 증폭단들을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 고주파 변압기는, 집적 회로가 구현되는 기판의 절연층 상에서 소정의 패턴에 따라 나선형으로 레이아웃된 메탈라인으로 구현된 하나의 2차측 권선; 및 상기 절연층 상에서 상기 2차측 권선의 외부에 구현되며, 상기 2차측 권선과의 다중 임피던스비를 형성하는 복수의 1차측 권선들을 포함하며, 상기 2차측 권선은, 상기 절연층 상에서 소정 위치의 시작점에서 출발하여 소정 크기의 나선형으로 감기는 제1메탈라인; 상기 제1메탈라인에 연장되어 상기 제1메탈라인의 외곽으로 휘어진 제2메탈라인; 상기 제2메탈라인에 연장되어 상기 제1메탈라인보다 큰 크기의 나선형으로 감기는 제3메탈라인; 상기 제3메탈라인에 연장되어 상기 제2메탈라인과 교차하도록 상기 제3메탈라인의 안쪽으로 휘어진 제4메탈라인; 및 상기 제4메탈라인에 연장되어 상기 제1메탈라인과 동일한 크기의 나선형으로 감기며 종단점이 상기 제1메탈라인의 시작점과 이격되는 제5메탈라인을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은, 복수의 1차측(primary) 권선들과 하나의 2차측(secondary) 권선을 갖는 고주파 변압기 및 상기 고주파 변압기를 이용하는 전력 증폭기를 구현함으로써, 복수의 부하 저항/임피던스 값들을 가지는 고주파 변압기 및 상기 고주파 변압기를 이용하는 전력 증폭기를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은, 고주파 변압기 및 상기 고주파 변압기를 이용하는 전력 증폭기가 복수의 부하 저항/임피던스 값들을 가짐에 따라, 부하 저항/임피던스를 조절하여 고주파수 영역에서 전력 증폭기의 광대역의 동작 영역을 확보하며, 전력 증폭기의 효율을 향상시킬 수 있다.
아울러, 본 발명은, 장치 회로의 크기 증가 없이도 고주파 변압기 및 상기 고주파 변압기를 이용하는 전력 증폭기가 복수의 부하 저항/임피던스 값들을 가짐에 따라 전력 증폭기의 동작 영역 및 저출력 전력 영역에서의 효율을 향상시킬 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기의 설명에서는 본 발명에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩뜨리지 않도록 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.
본 발명은, 고주파 변압기, 예컨대 복수의 1차측(primary) 권선들과 하나의 2차측(secondary) 권선을 갖는 고주파 변압기 및 상기 고주파 변압기를 이용하는 전력 증폭기를 제안한다. 또한, 전력 증폭기의 출력 정합에 사용되는 고주파 변압기 및 상기 고주파 변압기를 이용하는 전력 증폭기를 제안한다. 여기서, 본 발명의 실시 예에서는, 복수의 1차권선들을 갖는 변압기를 이용하여 서로 다른 임피던스 변환비를 가지는 고주파 변압기를 구현한다. 또한, 본 발명의 실시 예에서는, 상기 구현한 고주파 변환기를 전력 증폭기의 정합 회로에 적용하여 별도의 추가적인 변압기 사용 없이도 전력 증폭기의 부하 저항/임피던스(load impedance)값을 변환할 수 있으며, 아울러 전력 증폭기의 동작 영역(dynamic range)을 확장 및 저출력 전력 영역에서의 효율을 향상시킬 수 있다.
그리고, 본 발명의 실시 예에서는, 복수의 1차측 권선들을 갖는 고주파 변압기 및 상기 고주파 변압기를 이용한 전력 증폭기를 제안하며, 무선 통신 시스템에서 고주파 회로의 집적 회로에 사용되는 변압기에 제1의 1차측 권선의 양쪽으로 2차측 권선이 위치하도록 2차측 권선을 소정의 횟수로, 예컨대 2회 감아 고주파 변압기를 구현한 후, 제2의 1차측 권선을 변압기의 최외곽에 위치시켜 복수의 1차측 권선들을 갖는 고주파 변압기를 구현한다.
또한, 본 발명의 실시 예에서는, 복수의 부하 저항/임피던스 값들이 필요한 무선 통신 시스템에서 전력 증폭기의 정합 회로의 소정 부분으로 상기 구현한 고주파 변압기를 사용함으로써, 회로의 크기 증가 없이도 전력 증폭기의 동작 영역 및 저출력 전력 영역에서의 효율을 향상시킬 수 있다.
여기서, 본 발명의 실시 예에서 복수의 1차측 권선들을 갖는 고주파 변압기는, 집적 회로 상에 나선형으로 구현된 고주파 변압기로서, 2차측 권선 주위에 복 수의 1차측 권선들을 감아 복수의 1차측 권선들을 갖는 고주파 변압기를 구현하며, 이때 각각의 1차측 권선들은 서로 비대칭성이 발생하도록 레이아웃된다. 그리고, 상기 복수의 1차측 권선들을 갖는 고주파 변압기를 이용한 전력 증폭기는, 복수의 1차측 권선들 갖는 변압기와 복수의 증폭단들로 구현된 증폭기를 구비하며, 상기 복수의 증폭단들이 고주파 변압기의 복수의 1차측 권선들에 각각 대응되어 연결된다.
그리고, 상기 전력 증폭기는, 복수의 증폭단들 중 소정의 증폭단을 선택적으로 턴온(turn-on)/턴오프(turn-off)할 수 있도록 구현되며, 상기 복수의 증폭단들을 구동시키기 위해 상기 복수의 증폭단들에 각각 대응되도록 복수의 구동 증폭단들을 포함한다. 이때, 상기 복수의 구동 증폭단들 중 소정의 구동 증폭단이 턴온/턴오프함에 따라, 상기 소정의 구동 증폭단에 대응되는 증폭단이 함께 턴온/턴오프된다.
여기서, 전술한 바와 같이 본 발명의 실시 예에서는, 복수의 1차측 권선들을 갖는 고주파 변압기를 이용한 전력 증폭기가 복수의 1차측 권선들을 갖는 고주파 변압기와 복수의 증폭단들로 구현된 전력 증폭기를 포함하며, 상기 복수의 증폭단들이 고주파 변압기의 복수의 1차측 권선들에 각각 대응하여 연결됨에 따라 상기 복수의 증폭단들 중 어느 하나의 증폭단의 출력단자가 다른 증폭단의 입력단자에 연결된다. 이때, 상기 복수의 증폭단들 중 어느 하나의 증폭단의 출력단자와, 다른 증폭단의 입력단자, 및 고주파 변압기의 복수의 1차측 권선들을 서로 연결할 경우, 이러한 연결은 정합 회로를 매개로 하여 연결된다.
그리고, 본 발명의 실시 예에서는, 상기 복수의 증폭단들 중 어느 하나의 증폭단의 출력단자에 연결된 다른 증폭단이 턴온/턴오프할 수 있으며, 또한 복수의 증폭단들 중 소정의 증폭단이 선택적으로 턴온/턴오프할 수 있다. 여기서, 상기 전력 증폭기는, 복수의 증폭단들을 구동시키기 위해 복수의 증폭단들에 각각 대응되도록 복수의 구동 증폭단들을 포함하며, 상기 복수의 구동 증폭단들 중 소정의 구동 증폭단이 턴온/턴오프함에 따라 대응되는 증폭단이 함께 턴온/턴오프한다.
아울러, 본 발명의 실시 예에서 복수의 1차측 권선들을 갖는 변압기를 이용한 전력 증폭기는, 복수의 1차측 권선들을 갖는 변압기와 복수의 차동 증폭단들로 구현된 차동 증폭기를 포함한다. 여기서, 상기 차동 증폭기는, 복수의 차동 증폭단들이 변압기의 복수의 1차측 권선들에 각각 대응하여 연결되고, 복수의 차동 증폭단들 중 어느 하나의 차동 증폭단의 출력단자가 다른 차동 증폭단의 입력단자에 연결된다. 이때, 상기 복수의 차동 증폭단들 중 어느 하나의 차동 증폭단의 출력단자와, 다른 차동 증폭단의 입력단자, 및 변압기의 복수의 1차측 권선들을 서로 연결할 경우, 이러한 연결은 정합 회로를 매개로 하여 연결된다.
그리고, 본 발명의 실시 예에서는, 상기 복수의 차동 증폭단들 중 어느 하나의 차동 증폭단의 출력단자에 연결된 다른 차동 증폭단이 턴온/턴오프할 수 있으며, 또한 복수의 차동 증폭단들 중 소정의 차동 증폭단을 선택적으로 턴온/턴오프할 수 있다. 여기서, 상기 차동 증폭기는 복수의 차동 증폭단들을 구동시키기 위해 복수의 차동 증폭단들에 각각 대응되도록 차동 구조의 복수의 구동 증폭단들을 더 포함하며, 상기 복수의 구동 증폭단들 중 소정의 구동 증폭단이 턴온/턴오프함에 따라 대응되는 차동 증폭단이 함께 턴온/턴오프한다. 그러면 여기서, 도 2를 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 고주파 변압기의 동작을 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 고주파 변압기의 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다. 여기서, 도 2는, 본 발명의 실시 예에 따라 고주파 변압기의 동작 원리를 설명하기 위해 고주파 변압기의 1차측 권선과 2차측 권선에 흐르는 전류 흐름을 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 상기 고주파 변압기는, 1차측 권선(200)과 2차(250)을 포함하며, 1차측 권선(200)과 2차측 권선(250)에는 소정의 전류, 전압, 및 저항/임피던스가 나타나며, 상기 전류, 전압, 및 저항/임피던스 간의 관계는 수학식 3 및 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112009072584335-PAT00003
Figure 112009072584335-PAT00004
상기 수학식 3 및 수학식 4에서, N은 변압기의 감은 비, 즉 권선비를 의미하고, IA는 1차측 권선(200)에서 흐르는 전류를 의미하고, VA는 1차측 권선(200)에서의 전압을 의미하고, IB는 2차측 권선(250)에서 흐르는 전류를 의미하며, VB는 2차 측 권선(250)에서의 전압을 의미한다. 그리고, RB는 2차측 권선(250)에 연결 되어 있는 저항값으로 부하 저항을 의미하고, RA는 변압기에 의해 RB 값이 변환되어 1차측 권선(200)에서 바라보이는 저항 값을 의미한다. 여기서, 수학식 3 및 수학식 4에서 N 값이 2이고, RB가 50Ω이라고 가정하면, RA 값은 12.5Ω이 된다.
이렇게 고주파 변압기는, 회로의 출력단자에 연결되어 있는 50Ω을 원하는 부하 저항값으로 쉽게 변환 시킬 수 있으며, 그에 따라 고주파 변압기는 전력 증폭기의 정합 회로의 소정 부분으로 사용된다. 그러면 여기서, 도 3을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 고주파 변압기를 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 고주파 변압기의 이론적 모델을 개략적으로 도시한 도면이다. 여기서, 도 3은, 본 발명의 실시 예에 따라 복수의 1차측 권선들을 포함하는 고주파 변압기의 이론적 모델을 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 상기 고주파 변압기는, 복수의 1차측 권선들(300), 예컨대 제1의 1차측 권선(310,315)과 제2의 1차측 권선(320,325), 및 2차측 권선(350)을 포함한다. 여기서, 상기 제1의 1차측 권선(310,315)과 제2의 1차측 권선(320,325)은, 상기 2차측 권선(350)과의 권선비가 서로 다르며, 그에 따라 상기 고주파 변압기는, 하나의 변압기 내에서 서로 다른 임피던스 변환비, 즉 복수의 저항/임피던스 값들을 갖는다.
이렇게 본 발명의 실시 예에서는, 고주파 변압기가 제1의 1차측 권선(310,315)과 제2의 1차측 권선(320,325)을 포함하여 서로 다른 임피던스 변환비 를 가지며, 그에 따라 전력 증폭기의 부하 저항/임피던스값을 변환하여 전력 증폭기의 동작 영역을 확장 및 저출력 전력 영역에서의 효율을 향상시킬 수 있다. 그러면 여기서, 도 4를 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 고주파 변압기의 구조를 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 고주파 변압기의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다. 여기서, 도 4는, 본 발명의 실시 예에 따라 복수의 1차측 권선들을 포함하는 고주파 변압기 구조를 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 상기 고주파 변압기는, 복수의 1차측 권선들, 예컨대 제1의 1차측 권선(402) 및 제2의 1차측 권선(404)과, 2차측 권선(406)을 포함하며, 상기 복수의 1차측 권선들 중 하나의 1차측 권선, 예컨대 제1의 1차측 권선(402)의 양쪽으로 2차측 권선(406)이 위치하고, 상기 제2차측 권선(406)의 외곽에 복수의 1차측 권선들 중 나머지 1차측 권선, 예컨대 제2의 1차측 권선(404)이 위치한다. 여기서, 상기 2차측 권선(406)은 전술한 바와 같이 상기 제1의 1차측 권선(402)의 양쪽으로 위치하도록 2회 감긴다. 그리고, 상기 제1의 1차측 권선(402)과 제2의 1차측 권선(404)은 서로 비대칭성이 발생하도록 레이아웃된다. 그러면 여기서, 제1의 1차측 권선(402) 및 제2의 1차측 권선(404)과, 2차측 권선(406)을 포함하는 고주파 변압기의 레이아웃에 대해서 보다 구체적으로 설명하기로 하며, 상기 고주파 변압기는, 집적 회로가 구현되는 기판의 층간 절연층 상에서 나선형으로 구현된다.
상기 고주파 변압기의 2차측 권선(406)은, 상기 층간 절연층 상에서 소정 위치의 시작점(B)에서 출발하여 소정 크기의 나선형으로 감기는 제1메탈라인(410), 상기 제1메탈라인(410)에 연장되어 상기 제1메탈라인(410)의 외곽으로 휘어진 제2메탈라인(412), 상기 제2메탈라인(412)에 연장되어 상기 제1메탈라인(410)보다 큰 크기의 나선형으로 감기는 제3메탈라인(416), 상기 제3메탈라인(416)에 연장되어 상기 제2메탈라인(412)과 교차하도록 상기 제3메탈라인(416)의 안쪽으로 휘어진 제4메탈라인(418), 및 상기 제4메탈라인(418)에 연장되어 상기 제1메탈라인(410)과 동일한 크기의 나선형으로 감기며 종단점(B')이 상기 제1메탈라인(410)의 시작점(B)과 이격되는 제5메탈라인(420)을 포함한다.
여기서, 상기 제2메탈라인(412)과 상기 제4메탈라인(418)은, 상기 층간 절연층을 중심으로 서로 접하지 않도록 구현되며, 이를 위해 상기 제2메탈라인(412)과 상기 제4메탈라인(418)은, 절연층에 의해 이격되도록, 예컨대 상기 제2메탈라인(412)은 절연층의 상면에 구현되고 상기 제4메탈라인(418)은 상기 절연층의 하면에 구현된다. 또한, 상기 제2메탈라인(412)에 의해 연장되는 제1메탈라인(410)은 상기 절연층 상면에 구현되고, 상기 제4메탈라인(418)에 의해 연장되는 제3메탈라인(416)은 상기 절연층의 하면에 구현된다. 아울러, 전술한 바와 같이 절연층의 상하부면에 구현된 제1메탈라인(410)과 제3메탈라인(416)은 비아홀을 통해 서로 연결된다. 여기서, 상기 제1메탈라인(410)과 제2메탈라인(412)은 제1절연층 상에 구현되고, 상기 제3메탈라인(416)과 제4메탈라인(418)은 상기 제1절연층의 하부에 위치하는 제2절연층 상에 구현될 수 있으며, 이는 절연층의 상부면과 하부면에 구현되는 것과 동일한 결과를 획득한다.
그리고, 상기 고주파 변압기의 제1의 1차측 권선(402)은, 상기 2차측 권 선(406)의 제1메탈라인(410)과 상기 제5메탈라인(420)을 내부에 위치시켜 둘러싸도록 구현되며, 이를 위해 상기 제1메탈라인(410)과 제3메탈라인(416) 간의 간극, 및 상기 제5메탈라인(420)과 제3메탈라인(416) 간의 간극에서 나선형으로 구현된다. 이때, 상기 제1의 1차 권선(402)은 상기 제1 및 제5메탈라인(410,420) 보다는 크고 상기 제3메탈라인(416) 보다는 작은 크기의 나선형으로 감기어 구현된다.
아울러, 상기 고주파 변압기의 제2의 1차측 권선(404)은, 상기 2차측 권선(406)의 제3메탈라인(416)을 내부에 위치시켜 둘러싸도록 구현되며, 이를 위해 상기 제3메탈라인(416)의 외곽에 나선형으로 구현되다. 이때, 상기 제2의 1차측 권선(404)은, 상기 제3메탈라인(146) 보다는 큰 크기의 나선형으로 감기어 구현된다. 여기서, 절연층 상에서 내부에 구현된 제1의 1차측 권선(402)과 외부에 구현된 제2의 1차측 권선(404)은, 상기 2차측 권선(406)과 서로 다른 자기적 결합(magnetic coupling)을 이루며, 상기 제1의 1차측 권선(402)과 제의 1차측 권선(404)에는 각각 대응하는 복수의 증폭단들이 연결된다. 이때, 상기 연결된 복수의 증폭단들 중에서 어느 하나의 중폭단의 출력단자는 다른 어느 하나의 증폭단의 입력단자에 연결되며, 또한 어느 하나의 중폭단의 출력단자와, 다른 어느 하나의 증폭단의 입력단자, 및 고주파 변압기의 제1및 제2의 1차측 권선들(402,404)은 정합 회로를 매개로 하여 연결된다.
이러한 본 발명의 실시 예에 따른 고주파 변압기의 제1의 1차측 권선(402)의 경우, 고주파 변압기의 2차측 권선(406)과 감은 비, 즉 권선비는 1:2가 된다. 그에 따라, 이러한 고주파 변압기의 권선비를 수학식 4에 적용하면, 제1의 1차측 권 선(402)과 2차측 권선(406)에 의해 결정되는 고주파 변환기의 임피던스 변환비는 1:4가 된다.
또한, 상기 고주파 변압기의 제2의 1차측 권선(404)의 경우, 고주파 변압기의 2차측 권선(406)과 감은 비, 즉 권선비는 1:2가 된다. 그에 따라, 이러한 고주파 변압기의 권선비를 수학식 4에 적용하면, 제2의 1차측 권선(404)과 2차측 권선(406)에 의해 결정되는 고주파 변환기의 임피던스 변환비는 1:4가 된다.
여기서, 상기 고주파 변압기의 1차측 권선에서 제1의 1차측 권선(402)과는 달리 제2의 1차측 권선(404)에는 양쪽이 아니라 한쪽에만 고주파 변압기의 2차측 권선(406)이 위치한다. 즉, 제1의 1차측 권선(402)에는 양쪽에 2차측 권선(406)이 위치하지만 제2의 1차측 권선(404)에는 한쪽에만 2차측 권선(406)이 위치하며, 그에 따라 고주파 변압기에서 제1의 1차측 권선(402) 및 2차측 권선(406) 간과, 제2의 1차측 권선(404) 및 2차측 권선(406) 간은 서로 다른 특성을 갖게 된다.
보다 구체적으로 설명하면, 상기 고주파 변압기의 제1의 1차측 권선(402)을 2회 감은 2차측 권선(406)에서 제2의 1차측 권선(404)과 접한 부분에서는, 제2의 1차측 권선(404)과 2차측 권선(406) 간의 자기적 결합이 원활하게 일어난다. 하지만, 상기 2차측 권선(406)에서 제1의 1차측 권선(402)과는 접해 있지만 제2의 1차측 권선(404)과 접하지 않은 부분에서는, 제2의 1차측 권선(404)과 2차측 권선(406)과의 자기적 결합이 원활하게 일어나지 않는다.
이러한 자기적 결합에 의해 상기 제2의 1차측 권선(404)과 제2차측 권선(406) 간의 관계에서, 물리적으로 권선비는 1:2이지만, 상기 고주파 변압기를 구 성하는 권선들 간의 상대적 위치에 따라 1:1의 권선비를 가질 수 있으며, 그에 따라 서로 다른 임피던스 변환비를 획득할 수 있다.
따라서, 전력 증폭기와 연결되어 사용되는 상기 고주파 변압기의 임피던스 변환에 따라 전력 증폭기의 부하 저항값은 1차측 권선과 2차측 권선의 권선비가 1:2의 변환비를 가지는 제1의 1차측 권선(402)의 경우, 상기 수학식 4에 의해 전력 증폭기는 50Ω/16 = 3.125Ω의 부하 저항값을 가지게 된다.
또한, 전술한 바와 같이 자기적 결합에 의해 제2의 1차측 권선(404)과 2차측 권선(406)은 1:1의 권선비와 1:2의 권선비 사이의 권선비를 가지게 되므로, 전력 증폭기는, 1:1의 권선비로 연결된 고주파 변압기의 부하 저항값 보다는 작고 1;2로 연결된 고주파 변압기의 부하 저항값 보다는 큰 값의 임피던스 변환비를 갖게 된다.
다시 말해, 상기 고주파 변환기는, 제1의 1차측 권선(402)을 제2의 2차측 권선(404)이 감싸는 구조이므로, 제2의 1차측 권선(404)과 2차측 권선(406)은 1:2의 권선비를 가진다. 또한, 제2의 1차측 권선(404)과 2차측 권선(406)과의 구조적인 결합 형태에서, 상기 제2의 1차측 권선(404) 안쪽에 2차측 권선(406)이 꼬아져 있는 형태이므로 전술한 바와 같이 자기적 결합이 발생하며, 그에 따라 제2의 1차측 권선(404)과 2차측 권선(406)은, 1:1의 권선비 보다는 크고 1:2의 권선비 보다는 작은 권선비를 가진다.
그러므로, 상기 전력 증폭기의 출력단자에 연결된 부하 저항이 50Ω일 경우, 임피던스 변환비 1:4이면 변환된 부하 저항값은 12.5Ω이 되고, 임피던스 변환비 1:N2이면 변환된 부하 저항값은 12.5 ~ 50Ω이 된다. 따라서, 상기 고주파 변압기에 의해 상기 전력 증폭기의 출력단자에 연결된 부하 저항 50Ω은 12.5Ω ∼ 50Ω의 부하 저항값을 가질 수 있으며, 일반적으로 50Ω에 근접한 부하 저항값을 가지게 된다.
여기서, 상기 임피던스 변환비의 N의 값은, 고주파 변압기의 다양한 파라미터, 예컨대 전송선의 폭, 전송선 간의 간격, 및 고주파 변압기의 구조 등을 이용하여 조절 가능하다. 상기 전송선을 메탈라인으로 구현할 경우, 상기 메탈라인의 폭은, 고주파 변압기의 기생 인덕턴스 성분, 기생 저항 성분, 및 메탈라인이 형성된 기판을 통한 손실 등에 영향을 주며, 또한 메탈라인 간의 간격은 고주파 변압기의 결합 계수와 메탈라인 간의 기생 캐패시턴스에 영향을 준다. 그러면 여기서, 도 5를 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 전력 증폭기를 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 고주파 변압기를 이용하는 전력 증폭기의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다. 여기서, 도 5는, 본 발명의 실시 예에 따라 상기 고주파 변압기를 복수의 부하 저항 값들이 요구되는 전력 증폭기에 응용한 일 예를 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 상기 전력 증폭기는, 복수의 증폭단들, 예컨대 고출력 전력용 제1증폭단(510) 및 저출력용 제2증폭단(520)을 포함하며, 상기 증폭단들(510,520)의 턴온/오프(turn on/off)에 따라 증폭된 전력을 출력하는 제1출력단 자(530) 및 제2출력단자(540)를 포함한다. 여기서, 전력 증폭기는, 1차측 권선의 개수에 대응하여 복수의 증폭단들을 포함하며, 상기 복수의 증폭단들은 고주파 변압기의 복수의 1차측 권선들에 각각 대응되어 연결된다.
상기 전력 증폭기에서, 상기 제1증폭단(510)은, 고출력용 전력 증폭단임으로, 임피던스 변환비가 1:4가 되는 제1의 1차측 권선(402)의 A ∼ A' 단자에 연결되며, 그에 따라 수학식 1에 나타낸 바와 같이 고출력 전력을 출력하도록 낮은 부하 저항값을 갖는다. 그리고, 상기 제2증폭단(520)은, 저출력 전력용 전력 증폭단임으로, 은 임피던스 변환비가 1:1 ∼ 1:4가 되는 A ∼ A' 단자에 연결되며, 저출력 전력을 출력하도록 큰 부하 저항값을 가가지며, 그에 따라 상기 전력 증폭기의 동작 영역과 저출력 전력 영역에서의 효율을 증대시킬 수 있다.
여기서, 상기 전력 증폭기는, 복수의 증폭단들 중 소정의 증폭단을 선택적으로 턴온/턴오프하며, 그에 따라 제1증폭단(510)과 제2증폭단(520)은 출력하고자 하는 출력 전력 크기에 따라 선택적으로 턴온/턴오프되어 구동된다. 그리고, 상기 전력 증폭기는, 상기 증폭단들(510,520)을 선택적으로 턴온/턴오프시키기 위해 상기 증폭단들(510,520)에 각각 대응되는 복수의 구동 증폭단들(미도시)을 포함한다. 이때, 상기 복수의 구동 증폭단들 중 소정의 구동 증폭단이 턴온/턴오프함에 따라, 상기 소정의 구동 증폭단에 대응되는 소정의 증폭단이 함께 턴온/턴오프된다.
즉, 상기 전력 증폭기에 포함된 제1증폭단(510)과 제2증폭단(520)은, 소정의 기준 레벨보다 높은 고출력 전력을 출력할 경우 모두 턴온되거나, 또는 고출력 전력용 전력 증폭단인 제1증폭단(510)만이 턴온되어 높은 출력 전력을 출력한다. 그 리고, 소정의 기준 레벨보다 낮은 저출력 전력을 출력할 경우, 고출력 전력용 전력 증폭단인 제1증폭단(510)은 턴오프하고, 저출력 전력용 전력 증폭단인 제2증폭단(520)만이 턴온되어 부하 저항 조절 기법으로 저출력 전력 영역에서의 효율을 향상시키며, 아울러 전력 증폭기의 동작 영역을 광대역으로 확장할 수 있다.
또한, 상기 전력 증폭기에 포함된 상기 증폭단들(510,520)이 고주파 변압기의 복수의 1차측 권선들에 각각 대응하여 연결됨에 따라, 상기 복수의 증폭단들 중 어느 하나의 증폭단의 출력단자가 다른 증폭단의 입력단자에 연결된다. 이때, 상기 복수의 증폭단들 중 어느 하나의 증폭단의 출력단자와, 다른 증폭단의 입력단자, 및 고주파 변압기의 복수의 1차측 권선들은, 정합 회로를 매개로 하여 연결된다.
아울러, 상기 전력 증폭기는, 이용된 고주파 변압기의 1차측의 하나의 포트가 전력 증폭기의 출력단자가 연결되고 다른 하나의 포트가 접지단자에 연결될 경우에는 일반적인 전력 증폭기로 동작하지만, 상기 고주파 변압기의 1차측의 두개의 포트가 각각 전력 증폭단이 연결될 경우에는 차동 증폭기로 동작한다. 여기서, 상기 차동 증폭기는, 복수의 차동 증폭단들이 변압기의 복수의 1차측 권선들에 각각 대응하여 연결되고, 복수의 차동 증폭단들 중 어느 하나의 차동 증폭단의 출력단자가 다른 차동 증폭단의 입력단자에 연결된다. 이때, 상기 복수의 차동 증폭단들 중 어느 하나의 차동 증폭단의 출력단자와, 다른 차동 증폭단의 입력단자, 및 변압기의 복수의 1차측 권선들은, 정합 회로를 매개로 하여 연결된다.
그리고, 상기 차동 증폭기에 포함된 복수의 차동 증폭단들 중 어느 하나의 차동 증폭단의 출력단자에 연결된 다른 차동 증폭단이 턴온/턴오프할 수 있으며, 또한 복수의 차동 증폭단들 중 소정의 차동 증폭단을 선택적으로 턴온/턴오프할 수 있다. 여기서, 상기 차동 증폭기는 복수의 차동 증폭단들을 구동시키기 위해 복수의 차동 증폭단에 각각 대응되도록 차동 구조의 복수의 구동 증폭단들을 더 포함하며, 상기 복수의 구동 증폭단들 중 소정의 구동 증폭단이 턴온/턴오프함에 따라 대응되는 차동 증폭단이 함께 턴온/턴오프한다.
한편, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
도 1은 일반적인 고주파 변압기를 이용한 전력 증폭기를 개략적으로 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 고주파 변압기의 동작 원리를 설명하기 위한 도면.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 고주파 변압기의 이론적 모델을 개략적으로 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 고주파 변압기의 구조를 개략적으로 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 고주파 변압기를 이용하는 전력 증폭기의 구조를 개략적으로 도시한 도면.

Claims (10)

  1. 전력 증폭기에 있어서,
    하나의 2차측 권선과, 상기 2차측 권선의 외부에 복수의 1차측 권선들을 구비하는 고주파 변압기; 및
    상기 복수의 1차측 권선들에 각각 대응하여 연결되는 복수의 증폭단들을 포함하며,
    상기 고주파 변압기는, 상기 2차측 권선과 상기 복수의 1차측 권선들 간에 각각 결정된 상이한 임피던스비에 대응하여 복수의 임피던스 값들을 가지며, 상기 복수의 증폭단들은 각각 선택적으로 턴온(turn-on)/턴오프(turn-off)되는 고출력용 전력 증폭단들과 저출력용 전력 증폭단들을 포함하는 특징으로 하는 전력 증폭기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 1차측 권선들 중 제1의 1차측 권선에는 상기 고출력용 증폭단들이 대응하여 연결되고, 상기 제2의 1차측 권선에는 상기 저출력용 증폭단들이 대응하여 연결되는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 고출력용 증폭단들은 소정의 기준 레벨보다 높은 고출력 전력을 출력할 경우 턴온되고, 상기 저출력 증폭단들은 상기 고출력 전력 또는 상기 기준 레벨보다 낮은 저출력 전력을 출력할 경우 선택적으로 턴온되는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 복수의 증폭단들에 각각 대응하여 연결되는 복수의 구동 증폭단들을 더 포함하며,
    상기 복수의 구동 증폭단들의 턴온/턴오프에 따라 상기 복수의 증폭단들 중 대응하는 소정의 증폭단이 각각 턴온/턴오프되는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 복수의 증폭단들 중 어느 하나의 증폭단의 출력단자는 다른 증폭단의 입력단자와 연결되며, 상기 출력단자, 상기 입렵단자는 정합 회로를 매개로 하여 상기 복수의 1차측 권선들과 연결되는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기.
  6. 고주파 변압기에 있어서,
    집적 회로가 구현되는 기판의 절연층 상에서 소정의 패턴에 따라 나선형으로 레이아웃된 메탈라인으로 구현된 하나의 2차측 권선; 및
    상기 절연층 상에서 상기 2차측 권선의 외부에 구현되며, 상기 2차측 권선과의 다중 임피던스비를 형성하는 복수의 1차측 권선들을 포함하며, 상기 2차측 권선은,
    상기 절연층 상에서 소정 위치의 시작점에서 출발하여 소정 크기의 나선형으로 감기는 제1메탈라인;
    상기 제1메탈라인에 연장되어 상기 제1메탈라인의 외곽으로 휘어진 제2메탈라인;
    상기 제2메탈라인에 연장되어 상기 제1메탈라인보다 큰 크기의 나선형으로 감기는 제3메탈라인;
    상기 제3메탈라인에 연장되어 상기 제2메탈라인과 교차하도록 상기 제3메탈라인의 안쪽으로 휘어진 제4메탈라인; 및
    상기 제4메탈라인에 연장되어 상기 제1메탈라인과 동일한 크기의 나선형으로 감기며 종단점이 상기 제1메탈라인의 시작점과 이격되는 제5메탈라인을 포함하는 것을 특징으로 하는 고주파 변압기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제2메탈라인과 상기 제4메탈라인은 상기 절연층을 중심으로 서로 접하 지 않도록 각각 상기 절연층의 상면 및 하면에 구현되며, 상기 제1메탈라인은 상기 절연층의 상면에 구현되고, 상기 제3메탈라인은 상기 절연층의 하면에 구현되며, 상기 제1메탈라인과 제3메탈라인은 비아홀을 통해 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 고주파 변압기.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 복수의 1차측 권선들 중 제1의 1차측 권선은, 상기 절연층 상에서 상기 제1 및 제5메탈라인 보다는 크고 상기 제3메탈라인 보다는 작은 크기의 나선형으로 감기어 구현되는 것을 특징으로 하는 고주파 변압기.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1의 1차측 권선은, 상기 제1메탈라인과 상기 제5메탈라인을 내부에 위치시켜 둘러싸도록 상기 제1메탈라인과 상기 제3메탈라인 간의 간극, 및 상기 제5메탈라인과 상기 제3메탈라인 간의 간극에서 나선형으로 구현되는 것을 특징으로 하는 고주파 변압기.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 복수의 1차측 권선들 중 제2의 1차측 권선은, 상기 제3메탈라인을 내부에 위치시켜 둘러싸도록 상기 제3메탈라인의 외곽에 나선형으로 구현되며, 상기 절연층 상에서 상기 제3메탈라인 보다는 큰 크기의 나선형으로 감기어 구현되는 것을 특징으로 하는 고주파 변압기.
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