KR20110068092A

KR20110068092A - High frequency transformer

Info

Publication number: KR20110068092A
Application number: KR1020090124927A
Authority: KR
Inventors: 황택진; 이광천
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2009-12-15
Filing date: 2009-12-15
Publication date: 2011-06-22

Abstract

PURPOSE: A high frequency transformer is provided to minimize a matching loss without the increase of an area by forming each transmission line with different multilayer metal. CONSTITUTION: Each transmission line is made of multilayer metal. A first transmission line(20) is comprised of two or more metal layers. A second transmission line(30) is comprised of two or more metal layers. The second transmission line induces a secondary current or voltage according to the current or voltage transmitted through the first transmission line.

Description

High frequency transformer

본 발명은 무선통신 시스템에서 사용되는 고주파 변압기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 다층 메탈을 사용하여 구현되는 고주파 변압기에 관한 것이다. The present invention relates to a high frequency transformer used in a wireless communication system, and more particularly, to a high frequency transformer implemented using a multilayer metal.

일반적으로, 고주파 증폭기는 그 동작 주파수에서 좋은 동작특성을 얻기 위해 동작 주파수에 맞는 입, 출력단의 특정한 정합회로를 구성하게 된다. In general, high frequency amplifiers are configured with specific matching circuits at the input and output stages in order to obtain good operating characteristics at their operating frequencies.

일반적인 고주파 증폭기의 구조에서 증폭해야 할 정보를 내포하는 입력단과 증폭기 사이 및 증폭기와 출력을 나타내는 출력단 사이에는 동작 주파수에 맞는 특정한 정합회로가 들어가게 된다. In a typical high frequency amplifier structure, a specific matching circuit suitable for an operating frequency is inserted between an input terminal and an amplifier containing information to be amplified and an output terminal representing an amplifier and an output.

이로 인해 구동 증폭단과 전력 증폭단을 통과한 신호의 크기는 반도체 기판위에 제작되는 고주파 변압기를 통과하면서 신호의 손실이 커지게 된다. 이는 전체 전력증폭기의 효율 저하에 직접적인 영향을 미친다. As a result, the magnitude of the signal passing through the driving amplifier stage and the power amplifier stage passes through the high frequency transformer fabricated on the semiconductor substrate, thereby increasing the signal loss. This directly affects the efficiency of the entire power amplifier.

이를 보완하기 위한 방법으로 실리콘 공정이 아닌 화합물 공정을 이용하여 기판상의 손실을 줄이는 방법이 사용되고 있으나, 이 방법은 기존 실리콘 기판을 사용하는 경우 보다 신호의 손실을 줄여 변압기 통과 손실을 줄여준다. In order to compensate for this, a method of reducing the loss on the substrate by using a compound process rather than a silicon process is used. However, this method reduces the signal loss through the transformer by reducing the signal loss than using a conventional silicon substrate.

하지만, 이 방법의 경우 구동 증폭단 회로, 전력 증폭단 회로가 실리콘 기판위에 집적되고 이를 제어하기 위한 디지털 회로 또한 대부분 실리콘 공정을 이용하는 것을 고려해 볼 때 고주파 변압기의 실리콘 공정 회로와의 집적이 용이하지 않는 문제가 있다. However, in this method, the driving amplification stage circuit and the power amplification stage circuit are integrated on the silicon substrate, and the digital circuit for controlling them is also used in the silicon process. have.

고주파 변압기의 손실을 최소화하기 위한 다른 방법으로는 고주파 변압기를 PCB 위에 제작하는 방식이 있다. 이 방법의 경우 PCB 기판의 손실 특성은 좋으나 PCB 기판의 특성상 전송선의 선폭에 제한이 있어, 고주파 변압기의 미세한 설계 및 튜닝이 불가능한 단점이 있다. 또한, 화합물 공정을 이용한 변압기와 마찬가지로 집적화의 문제가 있다.Another way to minimize the loss of high-frequency transformers is to build them on a PCB. In this method, the loss characteristics of the PCB board are good, but the line width of the transmission line is limited due to the characteristics of the PCB board, which makes it impossible to finely design and tune the high frequency transformer. In addition, there is a problem of integration as in a transformer using a compound process.

고주파 변압기를 실리콘 기판위에 제작할 경우 전송선의 손실을 작게 하기 위해서 전송선의 폭을 크게 해야 하는데, 이 경우 전체 고주파 변압기의 크기가 커짐은 물론이고 나선형의 꼬임구조로 제작되는 변압기의 특성상 일정 한계 이상의 전송선의 두께는 나선형의 꼬임구조를 형성할 수 없다.When the high frequency transformer is manufactured on the silicon substrate, the width of the transmission line must be increased in order to reduce the loss of the transmission line. In this case, the size of the entire high frequency transformer is increased and the characteristics of the transformer that is formed by the spiral twist structure of the transmission line exceed a certain limit. The thickness cannot form a spiral twisted structure.

이에 본 발명에서는 각 전송선을 다층 메탈로 구현함으로써 고주파 변압기의 면적을 증가하지 않고도 정합 손실은 최소화시켜 줄 수 있으며, 동일한 전원전압 하에서 전체 전력증폭기의 출력전력이 향상시켜 줄 수 있도록 하는 고주파 변압기를 제공하고자 한다. Accordingly, in the present invention, by implementing each transmission line in a multi-layer metal, matching loss can be minimized without increasing the area of the high frequency transformer, and a high frequency transformer can be provided to improve the output power of the entire power amplifier under the same power supply voltage. I would like to.

상기 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 고주파 변압기는 적어도 두개 이상의 메탈층으로 구현되는 제1 전송선; 및 적어도 두개 이상의 메탈층으로 구현되며, 상기 제1 전송선을 통해 전달되는 전류 또는 전압에 따라 2차 전류 또는 전압을 유도하는 제2 전송선을 포함할 수 있다. As a means for solving the above problems, a high-frequency transformer according to an embodiment of the present invention comprises a first transmission line implemented with at least two metal layers; And a second transmission line implemented with at least two metal layers and inducing a secondary current or voltage according to the current or voltage transmitted through the first transmission line.

이와 같이 본 발명의 고주파 변압기는 각 전송선을 다층 메탈로 구현함으로써, 각 전송선의 폭 및 길이 변화없이 고주파 변압기의 정합 손실을 최소화할 수 있게 한다. 즉, 고주파 변압기의 면적을 증가하지 않고도 정합 손실을 최소화시켜 줄 수 있게 된다. As described above, the high frequency transformer of the present invention implements each transmission line using a multilayer metal, thereby minimizing matching loss of the high frequency transformer without changing the width and length of each transmission line. In other words, it is possible to minimize the matching loss without increasing the area of the high frequency transformer.

또한, 본 발명은 고주파 변압기는 다층 메탈수를 증가시켜 동일한 전원전압 하에서의 전체 전력증폭기의 출력전력이 향상시켜 줄 수 있으며, 이러한 특성을 이 용하여 다중 전력 모드에 적용될 수 있도록 해준다. In addition, the present invention can increase the output power of the entire power amplifier under the same power supply voltage by increasing the number of multi-layered metal, it is possible to apply to the multi-power mode by using this characteristic.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시 예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, in describing in detail the operating principle of the preferred embodiment of the present invention, if it is determined that the detailed description of the related known function or configuration may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.

도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다. In order to clearly illustrate the present invention, parts not related to the description are omitted, and like parts are denoted by similar reference numerals throughout the specification.

또한, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. In addition, when a part is said to "include" a certain component, this means that it may further include other components, except to exclude other components unless otherwise stated.

도1은 본 발명의 일실시예에 따른 고주파 변압기의 정면도를 도시한 도면이고, 도2는 본 발명의 일실시예에 따른 고주파 변압기의 일부 영역에 대한 측면도를 도시한 도면이다. 1 is a diagram illustrating a front view of a high frequency transformer according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a side view of a partial region of the high frequency transformer according to an embodiment of the present invention.

먼저, 도1에 도시된 바와 같이, 고주파 변압기는 1차측 코일을 구현하기 위한 제1 전송선(20)과 2차측 코일을 구현하기 위한 제 2 전송선(30)을 포함하며, 제1 전송선(20)와 제 2 전송선(30)을 나선형의 꼬임구조로 배치하여 제 2 전송선(30) 이 제1 전송선(20)을 통해 전달되는 전류 또는 전압에 따라 2차 전류 또는 전압을 유도할 수 있도록 한다. First, as shown in FIG. 1, the high frequency transformer includes a first transmission line 20 for implementing the primary coil and a second transmission line 30 for implementing the secondary coil, and the first transmission line 20. And the second transmission line 30 are arranged in a spiral twisted structure so that the second transmission line 30 can induce a secondary current or voltage according to the current or voltage transmitted through the first transmission line 20.

그리고 도2의 (a)에 도시된 바와 같이, 제1 전송선(20) 및 제2 전송선(30)을 기판(10)의 상부 영역에 다층으로 적층되는 제1 내지 제3 메탈층(21~23)으로 구현한다. As shown in FIG. 2A, the first to third metal layers 21 to 23, in which the first transmission line 20 and the second transmission line 30 are laminated in the upper region of the substrate 10 in multiple layers. ).

다만, 전송선끼리 교차되는 영역에서는 해당 전송선들이 서로 상이한 다층 메탈(21~23, 24~26)을 이용하여 구현되도록 한다. 이는 교차 영역상의 전송선들을 통해 전달되는 신호들끼리 서로 간섭되는 것을 방지하기 위함이다.However, in the region where the transmission lines cross each other, the transmission lines are implemented by using different multilayer metals 21 to 23 and 24 to 26. This is to prevent the signals transmitted through the transmission lines on the cross section from interfering with each other.

다시 말해, 도1의 B-B'영역에서와 같이 제1 전송선(20)과 제2 전송선(30)이 서로 교차되는 영역이 발생하면, 도2의 (b)에 도시된 바와 같이 제2 전송선(30)을 구현하기 위한 제1 내지 제3 메탈층(21~23)과 전기적으로 연결되는 제4 내지 제6 메탈층(24~26)를 추가 형성하고, 제1 전송선(20)을 구현하기 위한 제1 내지 제3 메탈층(21~23)의 상부 영역을 지나가도록 한다. In other words, when an area where the first transmission line 20 and the second transmission line 30 cross each other as in the region B-B 'of FIG. 1 occurs, the second transmission line as shown in FIG. To further form the fourth to sixth metal layers 24 to 26 electrically connected to the first to third metal layers 21 to 23 for implementing the 30, and to implement the first transmission line 20. To pass through the upper region of the first to third metal layers 21 to 23 for.

그리고 하나의 전송선(20, 30)를 구현하기 위한 제1 내지 제3 메탈층(21~23) 및 제4 내지 제6 메탈층(24~26)에는 일정 간격을 가지며 반복 배치되는 다수의 비아(40)를 형성하여, 제1 내지 제3 메탈층(21~23)간 및 제4 내지 제6 메탈층(24~26)간이 전기적으로 연결되도록 한다. 즉, 다수의 비아(40)를 통해 다수의 제1 내지 제3 메탈층(21~23) 및 제4 내지 제6 메탈층(24~26)이 전기적으로 결합되어 동일한 신호를 전달하도록 한다. In addition, a plurality of vias are repeatedly arranged at regular intervals in the first to third metal layers 21 to 23 and the fourth to sixth metal layers 24 to 26 for implementing one transmission line 20 and 30. 40 is formed so that the first to third metal layers 21 to 23 and the fourth to sixth metal layers 24 to 26 are electrically connected to each other. That is, the plurality of first to third metal layers 21 to 23 and the fourth to sixth metal layers 24 to 26 are electrically coupled through the plurality of vias 40 to transmit the same signal.

이와 같이 다층 메탈을 이용하여 각 전송선을 구현하면, 각 전송선의 두께는 넓어지나 폭 및 길이는 일정하게 유지할 수 있게 된다. 즉, 고주파 변압기의 면적을 증가하지 않고도 정합 손실은 최소화시켜 줄 수 있게 된다. As described above, when each transmission line is implemented using a multi-layer metal, the thickness of each transmission line becomes wider, but the width and length can be kept constant. That is, matching loss can be minimized without increasing the area of the high frequency transformer.

그리고 고주파 변압기가 상기와 같은 구조를 가지는 경우, 다층 메탈의 수를 증대시켜 이하의 수학식1에서와 같이 전체 전력증폭기의 출력전력을 증가시킬 수 있고, 또한 다층 메탈의 수에 따라 고주파 변압기의 임피던스를 변화시킬 수 있다. When the high frequency transformer has the above structure, the number of multilayer metals can be increased to increase the output power of the entire power amplifier as shown in Equation 1 below, and the impedance of the high frequency transformer according to the number of multilayer metals. Can change.

이때, Pout는 출력전력, VDD는 전원전압, Rload는 부하저항이다. At this time, Pout is output power, VDD is power supply voltage, and Rload is load resistance.

상기 수학식 1에서 보는 바와 같이 전력증폭기의 출력 전력은 부하저항(Rload)과 관련된다. 즉 변압기의 다층 메탈수가 많아져서 부하저항이 줄어들면 동일한 전원전압 하에서의 전체 전력증폭기의 출력전력이 향상될 수 있다. As shown in Equation 1, the output power of the power amplifier is related to the load resistance (Rload). In other words, when the number of multilayer metals of the transformer increases, the load resistance decreases, the output power of the entire power amplifier under the same power supply voltage may be improved.

따라서, 본 발명을 확장하는 경우, 도 3와 같이 두 개의 전력 증폭기에 이용되는 고주파 변압기의 임피던스를 서로 상이하게 설정하여, 고주파 변압기의 임피던스 차이를 통해 일정 전압에 비해 출력 전력을 다양하게 조정할 수 있으므로, 다중 전력 모드에 사용할 수 있다. Therefore, when the present invention is expanded, by setting the impedance of the high frequency transformer used in the two power amplifiers differently from each other, as shown in FIG. 3, the output power can be variously adjusted compared to a predetermined voltage through the impedance difference of the high frequency transformer. Can be used for multiple power modes.

덧붙여, 상기의 설명에서는 설명의 편이를 위해 6개의 다층메탈을 이용하여 고주파 변압기를 구현하는 경우에 대해 한정하여 설명하였지만, 다층 메탈의 수는 구현하고자 하는 고주파 변압기의 성능 등에 따라 다양하게 가변될 수 있다.In addition, the above description has been limited to the case of implementing a high frequency transformer using six multilayer metals for ease of description, but the number of multilayer metals may vary in accordance with the performance of the high frequency transformer to be implemented. have.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 당업자에게 있어 명백할 것이다. The present invention described above is not limited to the above-described embodiments and the accompanying drawings, and it is common in the art that various substitutions, modifications, and changes can be made without departing from the technical spirit of the present invention. It will be apparent to those skilled in the art.

도1은 본 발명의 일실시예에 따른 고주파 변압기의 정면도를 도시한 도면이다. 1 is a front view of a high frequency transformer according to an embodiment of the present invention.

도2는 본 발명의 일실시예에 따른 고주파 변압기의 일부 영역에 대한 측면도를 도시한 도면이다. 2 is a side view of a portion of a high frequency transformer according to an embodiment of the present invention.

도3은 본 발명의 고주파 변압기의 활용 예를 도시한 도면이다. 3 is a diagram showing an application example of the high frequency transformer of the present invention.

Claims

A first transmission line formed of at least two metal layers; And

A high frequency transformer comprising at least two metal layers, the second transmission line inducing a secondary current or voltage according to the current or voltage transmitted through the first transmission line.