KR20130112426A - 트리플 모드 및 밴드용 ｒｆ 프런트 엔드 모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 1.575GHz의 GPS 신호, 2.4 GHz 대역의 Bluetooth 신호 및 WiFi 신호는 물론 5 GHz 대역의 WiFi 신호까지 지원 가능하며, 구성 부품들 중 수동 소자로 구현 가능한 부품들은 기판 내부에 내장함으로써, 소형화된 모듈을 구현할 수 있다.

Description

트리플 모드 및 밴드용 ＲＦ 프런트 엔드 모듈{RADIO FREQUENCY FRONT END MODULE FOR TRIPLE MODE/BAND}

본 발명은 트리플 모드 및 밴드용 프런트 엔드 모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 복수의 특정 대역의 신호를 송수신하는 트리플 모드 및 밴드용 프런트 엔드 모듈에 관한 것이다.

무선 통신 시장의 규모가 커지면서 와이 파이(WiFi) 통신 방식이나 블루투스(Bluetooth) 통신 방식, 지피에스(GPS) 통신 방식 등과 같은 무선 통신 방식에 대한 관심이 커지고 있으며, 최근 이들 통신 방식을 하나의 모듈에 결합한 다중 통신 모드를 지원하는 통신 시스템에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

이러한 다중 통신 모드 및 밴드용 시스템에서 가장 필수적인 부품 중의 하나가 다중 모드(Mode) 및 밴드(Band)를 지원하는 RF 프런트 엔드 모듈(Front End Module)이다.

RF 프런트 엔드 모듈은 RF 송수신 칩에 포함되기 어려운 전력 증폭기나 스위치, 필터 등의 능동 및 수동 부품으로 구성된다. 최근에는 블루투스(Bluetooth)와 와이파이(WiFi)용 듀얼 모드/밴드의 RF 프런트 엔드 모듈은 2.4/5 GHz ISM 대역에서의 듀얼 밴드 동작에 필요한 다이플렉서, 발룬, 필터, 스위치, 전력 증폭기 등의 부품을 포함하고 있다.

최근에는 와이파이(WiFi), 지피에스(GPS), 블루투스(Bluetooth)를 지원하는 모듈도 개발된바 있으나, 개발된 모듈은 2.4 GHz ISM 대역만 지원하고, 5 GHz 대역의 통신 모드는 지원하지 못하는 실정이다.

따라서, 본 발명의 목적은 1.575GHz의 GPS 신호, 2.4 GHz 대역의 블루투스(Bluetooth) 신호 및 와이파이(WiFi) 신호뿐만 아니라 5 GHz 대역의 와이파이(WiFi) 신호를 지원하는 트리플 모드 및 밴드용 ＲＦ 프런트 엔드 모듈을 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 트리플 모드 및 밴드용 RF 프런트 엔드 모듈은, 안테나를 통해 수신된 트리플 대역의 무선 신호에서, 제1 주파수 대역의 GPS 신호, 제2 주파수 대역의 블루투스 신호 또는 와이파이 신호 및 제3 주파수 대역의 와이파이 신호를 분리하여 출력하는 트리플렉서와, 상기 트리플렉서에 의해 분리된 상기 제1 주파수 대역의 GPS 신호를 수신하는 GPS 수신 경로와, 상기 트리플렉서에 의해 분리된 상기 제2 주파수 대역의 블루투스 신호를 수신하는 블루투스 수신 경로, 상기 제2 주파수 대역의 와이파이 신호를 수신하는 제2 주파수 대역의 와이파이 수신 경로 및 상기 제2 주파수 대역의 와이파이 신호를 상기 트리플렉서로 전달하는 제2 주파수 대역의 와이파이 송신 경로를 포함하는 블루투스-와이파이 송수신 경로 및 상기 트리플렉서에 의해 분리된 상기 제3 주파수 대역의 와이파이 신호를 수신하는 상기 제3 주파수 대역의 와이파이 수신 경로 및 상기 제3 주파수 대역의 와이파이 신호를 상기 트리플렉서로 전달하는 제3 주파수 대역의 와이파이 송수신 경로를 포함하는 와이파이 송수신기를 포함한다.

본 발명에 의하면, 1.575GHz의 GPS 신호, 2.4 GHz 대역의 블루투스(Bluetooth) 신호 및 와이파이(WiFi) 신호는 물론 5 GHz 대역의 와이파이(WiFi) 신호까지 지원 가능하며, 구성 부품들 중 수동 소자로 구현 가능한 부품들은 기판 내부에 내장함으로써, 소형화된 모듈을 구현할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 트리플 모드 및 밴드용 RF 프런트 엔드 모듈의 내부구성을 보여주는 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시된 트리플 모드 및 밴드용 RF 프런트 엔드 모듈의 전체 회로 구성을 보여주는 회로도이다.
도 3은 도 2에 도시된 트리플렉서의 회로 구성을 확대한 회로도이다.
도 4는 도 2에 도시된 5GHz 발룬 신호를 수신하는 수신 경로 상에 구비된 발룬의 회로 구성을 확대한 회로도이다.
도 5는 도 1에 도시된 트리플 모드 및 밴드용 RF 프런트 엔드 모듈을 구성하는 구성 부품들 중 수동 소자들로 구성된 구성 부품들이 기판 내부에 임베딩된 형상을 보여주는 3차원의 입체도이다.
도 6은 도 5에 도시된 최상위 레이어 내지 제4 레이어를 제거한 상태에서 기판 내부에 임베딩된 구성 부품들의 각 회로도 및 그의 배치 구조를 3차원적으로 보여주는 입체도이다.
도 7은 도 5에 도시된 입체도에서 최상위 레이어 내지 제7 레이어를 제거한 상태에서 제8 레이어와 제12 레이어 사이에 형성된 트리플렉서만을 보여주는 3차원의 입체도이다.
도 8은 도 7에 도시된 트리플렉서의 레이아웃이다.
도 9는 3개의 발룬들과 전력 증폭기의 매칭 회로를 보여주는 레이아웃이다.
도 10 및 도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 트리플렉서의 공액 정합 특성을 보여주는 도면이다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따라 실제 제작된 트리플 모드 및 밴드용 RF 프런트 엔드 모듈로서, Top 뷰를 보여주는 사진이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 트리플 모드 및 밴드용 RF 프런트 엔드 모듈의 블록도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 트리플 모드 및 밴드용 RF 프런트 엔드 모듈(100)은 제1 주파수 대역(예컨대, 1.575GHz 대역)의 GPS 신호, 상기 제2 주파수 대역보다 높은 제2 주파수 대역(예컨대, 2.4 GHz 대역)의 블루투스(Bluetooth) 신호, 상기 제2 주파수 대역의 와이파이(WiFi) 신호 및 상기 제2 주파수 대역보다 높은 제3 주파수 대역(예컨대, 5 GHz 대역)의 와이파이 신호를 분리, 증폭 및 필터링한다. 이러한 트리플 모드 및 밴드용 RF 프런트 엔드 모듈(100)은 GPS 신호의 수신 모드와 블루투스 신호 또는 와이파이 신호의 송수신 모드가 동시에 활성화되는 트리플 대역의 동작 모드를 지원한다.

이러한 트리플 대역의 신호들을 분리, 증폭 및 필터링 하기 위해, 본 발명의 일실시예에 따른 트리플 모드 및 밴드용 RF 프런트 엔드 모듈(100)은 상기 제1 주파수 대역의 GPS 신호와, 상기 제2 주파수 대역의 블루투스 신호와 와이파이 신호 및 상기 제3 주파수 대역의 와이파이 신호를 분리하는 트리플렉서(110: Triplexer)와, 상기 트리플렉서(110)에 의해 분리된 제1 주파수 대역의 GPS 신호를 증폭 및 필터링하는 GPS 수신 경로(120)와, 상기 트리플렉서(110)에 의해 분리된 제2 주파수 대역의 블루투스 신호와 와이파이 신호를 증폭 및 필터링 하는 블루투스-와이파이 송수신 경로(130) 및 상기 트리플렉서(110)에 의해 분리된 제3 주파수 대역의 와이파이 신호를 증폭 및 필터링하는 와이파이 송수신 경로(140)를 포함할 수 있다.

트리플렉서(110: Triplexer)는 제1 내지 제3 주파수 대역으로 이루어진 트리플 대역을 분리시키기 위한 구성부품으로서, 안테나(ANT)와 연결되어 제1 내지 제3 주파수 대역으로 이루어진 트리플 대역의 신호들을 결합하는 하나의 입력단(또는 하나의 노드) 및 상기 입력단을 통해 수신된 제1 내지 제3 주파수 대역의 신호들을 각각 분리하여 출력하는 3개의 송수신단들을 포함할 수 있다. 3개의 송수신단들은 GPS 단(114), 블루투스-와이파이 단(116) 및 와이파이 단(118)로 이루어진다. GPS 단(114)은 상기 하나의 입력단을 통해 수신된 제1 내지 제3 주파수 대역 중 가장 낮은 제1 주파수 대역의 GPS 신호만 통과시키는 저역 통과 필터(114: Low-Pass Filter(LPF))를 포함하며, 블루투스-와이파이 단(116)은 제2 주파수 대역의 블루투스 신호와 와이파이 신호만을 통과시키는 대역 통과 필터(116: Band Pass Filter(BPF))를 포함할 수 있다. 그리고 와이파이 단(118)은 제3 주파수 대역의 와이파이 신호만을 통과시키는 대역 통과 필터(118)를 포함할 수 있다. 이때, 3개의 필터를 큰 손실 없이 상기 하나의 노드에 결합하기 위해, 매칭 회로(112: Matching Circuit)를 더 포함할 수 있다. 이러한 매칭 회로(112)에 의해 각 필터들(1개의 lLPF, 2개의 BPF)이 상대 대역의 신호에 의한 영향이 방지된다.

GPS 수신 경로(120)는 상기 트리플렉서(110)에 의해 분리된 제1 주파수 대역의 GPS 신호, 예컨대, 1.575GHz의 GPS 신호를 증폭 및 필터링 하는 구성으로서, 이를 위해, 상기 트리플렉서(110)의 저역 통과 필터(114)에 의해 통과된 GPS 신호를 증폭하는 저잡음 증폭기(122)(Low Noise Amplifier: LNA)M와 상기 저잡음 증폭기에 의해 증폭된 GPS 신호를 필터링하여 필터링된 GPS 신호를 GPS 디코더(220)로 출력하는 SAW 필터(124: Surface-Acoustic Wave Filter)로 이루어질 수 있다.

블루투스-와이파이 송수신 경로(130)는 상기 트리플렉서(110)에 의해 분리된 제2 주파수 대역의 블루투스 신호 및/또는 와이파이 신호, 예컨대, 2.4GHz 대역의 블루투스 신호 및 와이파이 신호를 선택하여 증폭하거나 언발란스(Unbalance) 신호를 발란스(Balance) 신호로 변환하는 구성으로서, 송신 경로와 수신 경로를 분리(또는 격리)하는 SP3T(Single-Pole three-Throw) 송수신 스위치(131)와 상기 SP3T 송수신 스위치(131)에 의해 분리되는 2개의 수신 경로와 1개의 송신 경로를 포함할 수 있다. 상기 2개의 수신경로 중 1개의 수신 경로는 2.4GHz 대역의 블루투스 신호를 수신하는 경로로서, 이 수신 경로에는 2.4GHz 대역의 블루투스 신호를 언발란스(Unbalance) 신호에서 발란스(Balance) 신호로 변환하는 발룬(132)(Balun: Balance-to-Unbalance)이 구비된다. 다른 1개의 수신 경로는 2.4GHz 대역의 와이파이 신호를 수신하는 경로로서, 이 수신 경로에는 2.4GHz 대역의 와이파이 신호를 증폭하는 저잡음 증폭기(133)와 상기 저잡음 증폭기(133)에 의해 증폭된 2.4GHz 대역의 와이파이 신호를 언발란스 신호에서 발란스 신호로 변환하여, 블루투스-와이파이 모템(210: BT-WiFi Modem)으로 출력하는 발룬(134)이 구비될 수 있다. 상기 1개의 송신 경로는 상기 블루투스 신호에 비해 상대적으로 파워가 강한 와이파이 신호만을 송신하는 경로로서, 이 송신 경로에는 송신을 위해 상기 블루투스-와이파이 모뎀(210: BT-WiFi Modem)에 의해 변조된 와이파이 신호를 증폭하는 전력 증폭기(135)(Power Amplifier: PA)와 증폭된 와이파이 신호를 상기 수신 경로를 통해 수신되는 신호들에 영향을 받지 않도록 매칭시키는 매칭 회로(136: matching circuit)가 구비된다.

와이파이 송수 경로(140)는 5GHz의 와이파이 신호를 선택하여 증폭하여 블루투스-와이파이 모템(210: BT-WiFi Modem)으로 출력하는 구성으로서, 수신 경로와 송신 경로를 분리하는 SPDT(Single-Pole Double-Throw) 송수신 스위치(142)와 상기 SPDT 송수신 스위치에 의해 분리되는 1개의 수신 경로와 1개의 송신 경로를 포함할 수 있다. 상기 1개의 수신 경로는 5GHz의 와이파이 신호를 수신하는 경로로서, 이 수신 경로에는 상기 5GHz의 와이파이 신호를 증폭하는 저잡음 증폭기(144: LNA)와 이 저잡음 증폭기에 의해 증폭된 신호를 언발란스 신호에서 발란스 신호로 변환하여 상기 블루투스-와이파이 모템(210: BT-WiFi Modem)으로 출력하는 발룬(146)이 구비될 수 있다. 상기 1개의 송신 경로는 5GHz의 와이파이 신호를 송신하는 경로로서, 상기 블루투스-와이파이 모뎀(210: BT-WiFi Modem)에 의해 변조된 5GHz의 와이파이 신호를 증폭하는 전력 증폭기(148: PA)가 구비될 수 있다.

이하, 도 2를 참조하여, 트리플 모드 및 밴드용 RF 프런트 엔드 모듈의 상세 회로 구성에 대해 설명하기로 한다.

도 2는 도 1에 도시된 트리플 모드 및 밴드용 RF 프런트 엔드 모듈의 전체 회로 구성을 보여주는 회로도이고, 도 3은 도 2에 도시된 트리플렉서의 회로 구성을 확대한 회로도이고, 도 4는 도 2에 도시된 5GHz 발룬 신호를 수신하는 수신 경로 상에 구비된 발룬의 회로 구성을 확대한 회로도이다.

본 발명의 트리플 모드 및 밴드용 RF 프런트 엔드 모듈은 하나의 기판에 모듈화되어 소형화된 모듈로 디자인되는 것을 특징으로 한다. 이때, 트리플 밴드용 RF 프런트 엔드 모듈을 구성하는 구성 부품들 중 인덕터, 커패시터, 저항 등과 같은 수동소자로 구현가능한 구성 부품들은 LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic) 기술로 디자인되어 기판(이하, 'LTCC 기판'이라 함) 내부에 임베딩되고(Embedded), 나머지 능동소자들로 구현되는 구성 부품들은 하나의 칩 형태로 구현된 직접회로로 설계되어 기판 위에 디자인될 수 있다.

본 발명의 일실시예에서는, 트리플렉서(110), 발룬(132, 134, 146), 필터(114, 116, 118) 및 전력 증폭기(135)의 매칭 회로(136) 등의 구성 부품들은 LTCC 기판 내부에 임베딩되며, LTCC 기판 내부에 임베딩 구성 부품들은 다층의 스트립(strip) 라인 패턴 구조(또는 적층형 스트립 라인 패턴 구조)로 디자인되어 회로 사이즈가 소형화된다. 이에 대한 구체적인 설명은 도 5 내지 도 9를 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

이하, LTCC 기판 내부에 임베딩되는 구성 부품들의 상세 회로 구성에 대해 설명한 후, 기판 위에 디자인되는 나머지 구성 부품들에 대해 설명하기로 한다.

먼저, LTCC 기판 내부에 임베딩되는 구성 부품들 중 트리플렉서(110)의 상세 회로 구성에 대해 설명하기로 한다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 트리플렉서(110)는 매칭 회로(112), 1.575GHz 대역의 GPS 단을 형성하는 1개의 저역 통과 필터(114), 2.4GHz 대역의 블루투스-와이파이단을 형성하는 대역 통과 필터(116) 및 5GHz 대역의 와이파이단을 형성하는 대역 통과 필터(118)를 포함한다.

매칭 회로(112)는 안테나(ANT)와 연결되는 하나의 노드(CN: 이하, "공통 노드"라 함)와, 상기 필터들(114, 116, 118)이 큰 손실 없이 상기 공통 노드(CN)에 결합하기 위한 2개의 인덕터들(Ls4, Ls9)과 1개의 커패시터(Cs1)를 포함한다. 2개의 인덕터들(Ls4, Ls9) 중 인덕터(Ls9)는 상기 공통노드(CN)와 상기 저역 통과 필터(114)를 연결하고, 나머지 인덕터(Ls4)는 상기 공통 노드(CN)와 상기 대역 통과 필터(116)를 연결한다. 그리고, 상기 커패시터(Cs1)는 상기 공통 노드(CN)와 상기 대역 통과 필터(118)를 연결한다. 이렇게 공통 노드(CN)에 공통으로 연결된 2개의 인덕터들(Ls4, Ls9)과 1개의 커패시터(Cs1)에 의해, 상기 필터들(114, 116, 118)은 컨쥬케이트 정합을 이루게 된다. 한편, 컨쥬게이트 정합을 위한 각 소자들(Ls4, Ls9, Cs1)의 소자값들은 시스템 설계자에 의해 최적의 값으로 조정될 수 있다.

상기 1.575GHz 대역의 GPS 단을 형성하는 저역 통과 필터(114)는 상기 매칭 회로(112)를 구성하는 인덕터(Ls9)와 연결되는 제1 노드(N1)와, 상기 제1 노드(N1)와 접지를 연결하는 커패시터(Cp3), 상기 제1 노드(N1)와 제2 노드(N2) 사이에 병렬 연결된 커패시터(Cs10)와 인덕터(Ls10), 상기 제2 노드(N2)와 접지 사이에 연결된 커패시터(Cp4), 상기 제2 노드(N2)와 트리플렉서(110)의 외부에 설계된 GPS 수신 경로(120)의 저잡음 증폭기(122)의 입력단 사이에 병렬로 연결된 커패시터(Cs11)와 인덕터(Ls11)를 포함한다.

상기 2.4GHz 대역의 블루투스-와이파이단을 형성하는 대역 통과 필터(116)는 상기 매칭 회로(112)를 구성하는 인덕터(Ls4)와 연결되는 제3 노드(N3), 상기 제3 노드(N3)와 접지 사이에 연결되는 커패시터(Cp2), 상기 제3 노드(N3)와 제4 노드(N4)를 연결하는 인덕터(Ls5), 상기 제4 노드(N4)와 제5 노드(N5) 사이에 직렬 연결된 2개의 커패시터들(Cs6, Cs7), 상기 2개의 커패시터들(Cs6, Cs7)과 병렬 연결된 커패시터(Cs8), 상기 2개의 커패시터들(Cs6, Cs7) 사이의 제6 노드(N6)와 접지 사이에 연결된 인덕터(Lp3) 및 상기 제5 노드(N5)에 연결된 제7 노드(N7)와 접지 사이에 연결된 인덕터(Lp4)를 포함한다.

상기 5GHz 대역의 와이파이단을 형성하는 대역 통과 필터(118)는 상기 매칭 회로(112)를 구성하는 커패시터(Cs1)와 연결되는 제8 노드(N8), 제8 노드(N8)와 접지 사이에 연결된 인덕터(Lp1), 상기 제8 노드(N8)와 제9 노드(N9) 사이에 병렬 연결된 인덕터(Ls2)와 커패시터(Cs2), 상기 제9 노드(N9)와 접지 사이에 연결된 인덕턱(Lp2), 상기 제9 노드(N9)와 제10 노드(N10) 사이에 병렬 연결된 커패시터(Cs3)와 인덕터(Ls3) 및 상기 제10 노드(N10)와 접지 사이에 연결된 커패시터(Cp1)를 포함한다.

이하, 도 2 및 도 4를 참조하여, LTCC 기판 내부에 임베딩되는 발룬(146)의 상세 회로 구성에 대해 설명하기로 한다.

도 2 및 도 4를 참조하면, 발룬(146)은 하나의 입력 포트(Port1)와 2개의 출력 포트들(Port2(5G Rx1), Port3(5G Rx1))로 이루어진다. 구체적으로, 발룬(146)은 상기 입력 포트(Port1)와 제11 노드(N11) 사이에는 병렬 연결된 커패시터(Cs10)와 인덕터(Ls10), 상기 제11 노드(N11)와 상기 출력 포트(Port2(5G Rx1))사이에 직렬 연결된 2개의 커패시터들(Cs11, Cs12), 2개의 커패시터들(Cs11, Cs12)을 연결하는 제12 노드(N12)와 접지 사이에 연결된 인덕터(Lp5), 상기 제11 노드와 상기 출력 포트(Port3(5G Rx1)) 사이에 직렬 연결된 2개의 인덕터들(Ls11, Ls12), 상기 2개의 인덕터들(Ls11, Ls12)을 연결하는 제13 노드(N13)와 접지 사이에 연결된 커패시터(Cp6)를 포함한다. 이러한 발룬(146)은 여러 가지 형태 중에 구조적으로 간단하며, 작은 크기로 구현 가능한 Lumped-Element T-type일 수 있으며, 도 4에 도시된 바와 같이, 3-element의 저역통과필터 구조와 3-element의 고역통과필터 구조로 구성이 되어 있으며, 추가적인 LC로 상대대역의 감쇄 특성을 향상시킬 수 있다.

나머지 발룬들(132, 134)의 각 회로 구성들은 도 2 및 도 4에 도시된 상기 발룬(146)의 회로 구성과 실질적으로 동일한 구성 및 기능을 수행하므로, 이에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

계속해서, 도 2를 참조하면, LTCC 기판 내부에 임베딩되는 구성 부품들 중 블루투스-와이파이 송수신 경로(130) 내의 송신 경로에 구비된 매칭 회로(136)는 전력 증폭기(135)의 한쪽 출력단에 연결되는 제14 노드(N14), 상기 제14 노드(N14)와 접지 사이에 연결된 커패시터(C1), 상기 제14 노드(N14)와 제15 노드(N15) 사이에 직렬 연결된 인덕터(L1)와 커패시터(BP), 상기 제15 노드(N15)와 접지 사이에 연결된 커패시터(C2)를 포함하여, LTCC 기판 내부에 임베딩된다. 이때, 상기 인덕터(L1)에 직렬 연결된 커패시터(BP)는 상기 커패시터들(C1, C2)에 비해 용량값을 큰 소자로 구현되어, LTCC 기판 위에 설계된다.

그 밖에, 도 2에 도시된 바와 같이, SPDT(142)와 저잡음 증폭기들(133, 144), SP3T(131), LNA(122, 133, 144), SAW 필터(124) 및 전력 증폭기들(Dual-PAM: 135, 148)은 능동 소자들로 이루어진 구성 부품들로서, LTCC 기판 위에 설계된다. 여기서, LTCC 기판 위에 설계되는 각 구성 부품들은 도시된 바와 같이, 하나의 칩 형태로 이루어진 집적 회로로 구현될 수 있으며, 도 2에서는, SP3T(131)와 저잡음 증폭기(133: LNA)가 하나의 칩으로 구현된 예가 나타난다.

한편, 도 2에서, 파란색 또는 녹색으로 표시된 커패시터들(BP1 ~ BP10)은 용량값이 비교적 큰 바이패스 커패시터와 스위치들(SPDT, SP3T)의 입출력 단에 위치한 DC 블록 커패시터들(DB1~DB7)은 LTCC 기판 위에 설계된다.

도 5는 도 1에 도시된 트리플 모드 및 밴드용 RF 프런트 엔드 모듈을 구성하는 구성 부품들 중 수동 소자들로 구성된 구성 부품들이 기판 내부에 임베딩된 형상을 보여주는 3차원의 입체도이고, 도 6은 도 5에 도시된 최상위 레이어 내지 제4 레이어를 제거한 상태에서 기판 내부에 임베딩된 구성 부품들의 각 회로도 및 그의 배치 구조를 3차원적으로 보여주는 입체도이다.

도 5 및 6을 참조하면, 전술한 바와 같이, 소형화된 트리플 모드 및 밴드용 RF 프런트 엔드 모듈을 구현하기 위해, 트리플렉스(110), 발룬(132, 134, 146), 전력 증폭기(135)의 매칭 회로(136)와 같이 수동 소자들로 구성되는 구성 부품들은 다층의 스트립(strip) 라인 패턴 구조(또는 적층형 스트립 라인 패턴 구조)로 기판 내부에 임베딩된다.

이러한 적층형 스트립 라인 패턴 구조는 위 아래로 접지면을 형성한(깔아 놓은) 회로 구조를 말한다. 이 적층형 스트립 라인 패턴 구조는 마이크로 스트립(Miro strip) 구조와 명확히 구분되는 구조임을 유의해야 한다.

마이크로 스트립 구조는 스트립 라인(Strip line)의 위 아래가 아닌 아래쪽에만 접지면을 형성한 구조로서, 아래쪽에만 접지면을 형성하므로, 신호가 완전한 TEM 모드로 전송되지 못하고, 공기 중으로 휘면서 누설(fringing)되어, 불필요한 커플링 문제와 손실문제를 유발한다.

반면, 적층형 스트립 라인 패턴 구조는 위 아래 똑같이 접지면을 형성하므로, 필드가 정확히 위 아래로 수직 방향으로 분포하기 때문에 fringing 필드가 최소화될 수 있어 불필요한 커플링 문제가 발생하지 않는다.

한편, 적층형 스트립 라인 패턴 구조를 적용하기 위해, 기판 내부에 2개의 접지면을 형성하고, 그 사이에 수동소자들로 구현 가능한 모든 구성 부품들을 모두 임베딩 하는 경우, LTCC 기판의 전체 사이즈가 증가하므로, 소형화된 모듈을 달성하고자 하는 목적에 부합되지 못한다.

이에, 본 발명에서는, LTCC 기판 내부에 2개의 층을 형성하고, 수동소자들로 구성되는 모든 구성 부품들을 2개의 층에 분산 배치한 적층형 스트립 라인 패턴 구조를 제안한다. 따라서, 본 발명의 모드 및 트리플 밴드용 RF 프런트 엔드 모듈은 기판 내부에 3개의 접지면이 구비된다.

구체적으로, 본 발명의 트리플 모드 및 밴드용 RF 프런트 엔드 모듈(100)은 최상위 레이어(L0) 및 최하위 레이어(L13)를 포함한다. 상기 최상위 레이어(L0)와 상기 최하위 레이어(L13) 사이에는 3개의 접지 플레이트가 구비된다. 3개의 접지면들은 각각 제4 레이어(L4), 제8 레이어(L8) 및 제12 레이어(L12)에 형성된다.

제4 레이어(L4)와 제8 레이어(L8) 사이에 형성되는 층에는 3개의 발룬들(132, 134, 146)과 전력 증폭기(135)의 매칭 회로(136)가 배치되고, 제8 레이어(L8)와 제12 레이어(L12) 사이에 형성된 층에는 트리플렉서(110)가 배치된다.

그리고 최상위 레이어(L0)와 첫 번째 접지면을 형성하는 제4 레이어(L5) 사이에는 전력증폭기(135, 148), 스위치(131, 142), 저잡음 증폭기(122, 133, 144) 등의 능동소자 구동을 위한 바이어스 라인들이 배치된다. 이는 각 RF와 DC 소자들을 접지면으로 격리시킴으로써, 전술한 바와 같이, 불필요한 커플링 효과 등을 줄여 소자들의 특성을 안정시킬 수 있게 된다. 층을 달리하여 배치된 소자들 간의 수직 연결은 비아를 통해 연결되고, 용량값이 큰 바이패스 커패시터와 DC 블록 커패시터 등 기판 내부에 구현이 힘든 소자들은 LTCC 기판 위에 배치한다.

도 7은 도 5에 도시된 입체도에서 최상위 레이어 내지 제7 레이어를 제거한 상태에서 제8 레이어와 제12 레이어 사이에 형성된 트리플렉서만을 보여주는 3차원의 입체도이고, 도 8은 도 7에 도시된 트리플렉서의 레이아웃이다.

도 7 및 도 8을 참조하면, 전술한 바와 같이, 트리플렉서는 제9 레이어 내지 제11 레이어(L9 ~ L11)를 통해 적층형 스트립 라인 패턴 구조로 디자인된다.

도시된 바와 같이, 각 레이어들(L9 ~ L11)은 다수의 패턴으로 구성되며, 각 패턴들은 라인 형상, 코일 형상, 판 형상 및 이들이 조합된 형상 중 어느 하나의 형상으로 이루어지며, 해당하는 비아를 통해 상하로 연결된 코일 형상의 패턴들은 수동소자 중 인덕터를 형성하고, 상하로 오버랩되는 판 형상의 패턴들은 수동소자 중 커패시터를 형성한다. 그리고 라인 형상의 패턴 또는 코일 형상의 패턴의 일단부로부터 연장되는 연장 라인 패턴들은 오픈 스터브(open stub)로 기능 할 수 있다.

도 9는 3개의 발룬들과 전력 증폭기의 매칭 회로를 보여주는 레이아웃이다.

도 9를 참조하면, 3개의 발룬들과 전력 증폭기의 매칭 회로는 제5 내지 제7 레이어(L5 ~ L7)로 이루어진 3개의 레이어들을 통해 디자인된다.

구체적으로, 각 레이어들(L5 ~ L7)은 제1 내지 제4 영역(R1 ~ R4)으로 구획된다. 제1 영역(R1)은 각 레이어들(L5 ~ L7)의 중심부분에 정의되며, 제2 내지 제4 영역(R2 ~ R4)은 각 레이어들(L5 ~ L7)의 주변 부분에 정의되어, 상기 제1 영역(R1)을 둘러싼다.

2GHz의 와이파이 신호를 수신하는 발룬은 상기 각 레이어들(L5 ~ L7)의 제2 영역(R2)에 배치된 다수의 패턴으로 디자인된다. 각 패턴들은 라인 형상, 코일 형상, 판 형상 및 이들이 조합된 형상 중 어느 하나의 형상으로 이루어지며, 해당하는 비아를 통해 상하로 연결된 코일 형상의 패턴들은 수동소자 중 인덕터를 형성하고, 상하로 오버랩되는 판 형상의 패턴들은 수동소자 중 커패시터를 형성한다. 그리고 라인 형상의 패턴 또는 코일 형상의 패턴의 일단부로부터 연장되는 연장 라인 패턴들은 오픈 스터브(open stub)로 기능 할 수 있다.

2GHz의 블루투스 신호를 수신하는 발룬은 상기 각 레이어들(L5 ~ L7)의 제3 영역(R3)에 배치된 다수의 패턴으로 디자인되며, 마찬가지로 각 패턴들은 라인 형상, 코일 형상, 판 형상 및 이들이 조합된 형상 중 어느 하나의 형상으로 이루어지며, 해당하는 비아를 통해 상하로 연결된 코일 형상의 패턴들은 수동소자 중 인덕터를 형성하고, 상하로 오버랩되는 판 형상의 패턴들은 수동소자 중 커패시터를 형성한다.

위와 같이, 3개의 레이어들에 패터닝된 패턴들을 통해 구현되는 발룬들과는 달리 5GHz의 와이파이 신호를 수신하는 발룬은 제5 및 제6 레이어(L5, L6)로 이루어진 2개의 레이어들의 각 제4 영역(R4)에 배치된 다수의 패턴에 의해 형성된다.

유사하게, 전력 증폭기의 매칭 회로 또한 제5 및 제6 레이어(L5, L6)로 이루어진 2개의 레이어들의 각 제1 영역(R1)에 배치된 다수의 패턴에 의해 형성된다.

도 10 및 도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 트리플렉서의 공액 정합 특성을 보여주는 도면이다.

도 10을 참조하면, 1.575 GHz, 2.4 GHz, 5 GHz 각 주파수 대역에서의 입력 어드미턴스 허수값이 서로 상쇄되고 실수값이 0.02 가까이 근접하여 50 옴 매칭이 되고 있음을 확인할 수 있다.

또한, 도 11을 참조하면, 유전율 7.8 및 두께 20um의 LTCC 시트(혹은 Organic 이나 Si IPD)에 L과 C를 패터닝하여 트리플렉서를 설계한 경우, 각 동작 주파수 대역에서 약 2 dB이하의 낮은 손실과 높은 상대대역의 감쇄 특성을 나타내고 있는 것을 확인할 수 있었다. 물론 유전율과 두께가 다른 LTCC 시트에서도 설계된 용량값에 맞게 구현이 가능하며, 동일한 감쇄특성을 확인할 수 있었다.

위와 같은 결과를 통해, 본 발명의 일실시예에 따라 설계된 트리플렉서는 회로의 최대 전력 전송이 가능하며, 손실이 작고, 상대 대역에서의 우수한 감쇄 특성이 있다.

도 12는 본 발명의 일실시예에 따라 실제 제작된 트리플 밴드용 프런트 엔드 모듈로서, Top 뷰를 보여주는 사진이다.

도 12를 참조하면, LTCC 기판(혹은 Organic 이나 Si IPD) 모듈의 왼쪽이 안테나 포트가 되며 GPS 경로는 기판의 아랫부분에 위치하고, 5 GHz 경로는 기판의 윗부분에 위치한다. 여기서, 도 12에서는 2.4 GHz/5 GHz의 듀얼 대역 전력 증폭기를 사용하고 있으나 실제로 개별 주파수 대역의 전력 증폭기를 사용해도 무방하다.

본 출원인은 이상 설명한 LTCC를 이용한 수동소자 내장 기술과 소형 RF 수동 소자 설계, 그리고 최적의 능동 부품 배치를 통해 가로 5mm × 세로 6mm 크기의 초소형 트리플 모드 및 밴드용 RF 무선 프런트 엔드 모듈을 제작하였고, 이상의 설명에서는 LTCC 기판에 내장된 트리플 모드/밴드 무선 전단부 모듈을 설명하고 있으나, 당업자라면, 이상의 설명의 통해 Organic 혹은 Si IPD 등 수동 소자가 내장 가능한 기판에도 본 발명이 기술적 사상이 적용될 수 있음을 충분히 이해할 수 있을 것이다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (7)

1. 안테나를 통해 수신된 트리플 대역의 무선 신호에서, 제1 주파수 대역의 GPS 신호, 제2 주파수 대역의 블루투스 신호 또는 와이파이 신호 및 제3 주파수 대역의 와이파이 신호를 분리하여 출력하는 트리플렉서;
   상기 트리플렉서에 의해 분리된 상기 제1 주파수 대역의 GPS 신호를 수신하는 GPS 수신 경로;
   상기 트리플렉서에 의해 분리된 상기 제2 주파수 대역의 블루투스 신호를 수신하는 블루투스 수신 경로, 상기 제2 주파수 대역의 와이파이 신호를 수신하는 제2 주파수 대역의 와이파이 수신 경로 및 상기 제2 주파수 대역의 와이파이 신호를 상기 트리플렉서로 전달하는 제2 주파수 대역의 와이파이 송신 경로를 포함하는 블루투스-와이파이 송수신 경로; 및
   상기 트리플렉서에 의해 분리된 상기 제3 주파수 대역의 와이파이 신호를 수신하는 상기 제3 주파수 대역의 와이파이 수신 경로 및 상기 제3 주파수 대역의 와이파이 신호를 상기 트리플렉서로 전달하는 제3 주파수 대역의 와이파이 송신 경로를 포함하는 와이파이 송수신 경로
   를 포함하는 트리플 모드 및 밴드용 ＲＦ 프런트 엔드 모듈.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 트리플렉서는,
   LTCC 공정에 따라 적층형 스트립 라인 패턴 구조로 기판 내부에 내장되는 것을 특징으로 하는 트리플 모드 및 밴드용 ＲＦ 프런트 엔드 모듈.
   
3. 제2항에 있어서, 상기 블루투스-와이파이 송수신 경로는,
   상기 트리플렉서를 상기 블루투스 수신 경로, 상기 제2 주파수 대역의 와이파이 수신 경로 및 상기 제2 주파수 대역의 와이파이 송신 경로에 선택적으로 연결하는 송수신 스위치;
   상기 블루투스 수신 경로에 구비되며, 상기 송수신 스위치를 통해 전달받은 상기 블루투스 신호를 언발란스 신호에서 발란스 신호로 변환하여 모뎀에 출력하는 제1 발룬(Balun);
   상기 제2 주파수 대역의 와이파이 수신 경로에 구비되며, 상기 송수신 스위치를 통해 전달받은 상기 와이파이 신호를 증폭하는 저잡음 증폭기와 증폭된 상기 와이파이 신호를 언발란스 신호에서 발란스 신호로 변환하여 모뎀에 출력하는 제2 발룬; 및
   상기 제2 주파수 대역의 와이파이 송신 경로에 구비되며, 상기 모뎀에 의해 변조된 제2 주파수 대역의 와이파이 신호를 전력 증폭하는 전력 증폭기와 전력 증폭된 상기 와이파이 신호를 매칭시켜 상기 트리플렉서로 출력하는 매칭 회로
   를 포함하는 것인 트리플 모드 및 밴드용 ＲＦ 프런트 엔드 모듈.
   
4. 제3항에 있어서, 상기 제1 발룬, 상기 제2 발룬 및 상기 매칭 회로는,
   상기 LTCC 공정에 따라 적층형 스트립 라인 패턴 구조로 기판 내부에 내장되는 것을 특징으로 하는 트리플 모드 및 밴드용 ＲＦ 프런트 엔드 모듈.
   
5. 제4항에 있어서, 상기 기판의 내부에는 순차적으로 적층된 제1 내지 제3 접지면이 구비되고,
   상기 송수신 스위치, 상기 저잡음 증폭기 및 상기 전력 증폭기는 상기 기판 표면 위에 구비되고,
   상기 기판 표면과 제1 접지면의 사이에는, 상기 송수신 스위치, 상기 저잡음 증폭기 및 상기 전력 증폭기를 구동하기 위한 바이어스 라인이 구비되고,
   상기 제1 발룬, 상기 제2 발룬 및 상기 매칭 회로는 상기 제1 접지면과 상기 제2 접지면 사이에 적층형 스트립 라인 패턴 구조로 내장되고,
   상기 트리플렉서는 상기 제2 접지면과 상기 제3 접지면 사이에 적층형 스트립 라인 패턴 구조로 내장되는 것인
   트리플 모드 및 밴드용 ＲＦ 프런트 엔드 모듈.
   
6. 제2항에 있어서, 상기 와이파이 송수신 경로는,
   상기 트리플렉서를 상기 제3 주파수 대역의 와이파이 수신 경로 및 상기 제3 주파수 대역의 와이파이 송신 경로에 선택적으로 연결하는 송수신 스위치;
   상기 제3 주파수 대역의 와이 파이 수신 경로에 구비되며, 상기 송수신 스위치를 통해 전달받은 상기 제3 주파수 대역의 와이파이 신호를 증폭하는 저잡음 증폭기와 증폭된 와이파이 신호를 언발란스 신호에서 발란스 신호로 변환하여 모템으로 출력하는 제3 발룬; 및
   상기 제3 주파수 대역의 와이 파이 송신 경로에 구비되며, 상기 모뎀에 의해 변조된 제3 주파수 대역의 와이파이 신호를 전력 증폭하여 상기 트리플렉서로 출력하는 전력 증폭기를 포함하는 것인 트리플 모드 및 밴드용 ＲＦ 프런트 엔드 모듈.
   
7. 제6항에 있어서, 상기 기판의 내부에는 순차적으로 적층된 제1 내지 제3 접지면이 구비되고,
   상기 송수신 스위치, 상기 저잡음 증폭기 및 상기 전력 증폭기는 상기 기판 표면 위에 배치되고,
   상기 기판 표면과 제1 접지면의 사이에는, 상기 송수신 스위치, 상기 저잡음 증폭기 및 상기 전력 증폭기를 구동하기 위한 바이어스 라인이 구비되고,
   상기 제3 발룬은 상기 제1 접지면과 상기 제2 접지면 사이에 적층형 스트립 라인 패턴 구조로 내장되고,
   상기 트리플렉서는 상기 제2 접지면과 상기 제3 접지면 사이에 적층형 스트립 라인 패턴 구조로 내장되는 것인
   트리플 모드 및 밴드용 ＲＦ 프런트 엔드 모듈.

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