KR20180056344A - 상이한 전기적 길이를 갖는 복수의 임피던스 변환 회로를 이용한 전력 증폭기의 정합 방법 - Google Patents

상이한 전기적 길이를 갖는 복수의 임피던스 변환 회로를 이용한 전력 증폭기의 정합 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 상이한 전기적 길이를 갖는 복수의 임피던스 변환 회로를 이용한 전력 증폭기의 정합 방법에 관한 것이다. 본 발명의 실시 예에 따른 전력소자를 포함하는 전력 증폭기의 정합 방법은, 상기 전력소자를 참조하여 전기적 길이가 서로 상이한 복수의 임피던스 변환 회로를 제작하는 단계, 상기 복수의 임피던스 변환 회로를 상기 전력소자에 연결하고, 상기 복수의 임피던스 변환 회로 각각에 대응하는 정합 특성들을 분석하고, 상기 복수의 변환 회로 중 정합 특성이 가장 높은 임피던스 변환 회로를 선택하는 단계, 및 상기 선택된 임피던스 변환 회로를 상기 전력소자에 연결하고, 커패시턴스 및 인덕턴스를 조정하는 단계를 포함하는 전력 증폭기의 정합 방법을 포함할 수 있다. 본 발명의 실시 예에 따른 전력 증폭기의 정합 방법은 전력소자의 정확한 임피던스 추출 없이 상이한 전기적 길이를 갖는 복수의 임피던스 변환회로를 이용하여 임피던스 정합을 수행할 수 있다. 이를 통해, 전력 증폭기의 설계 및 제작 기간이 단축될 수 있다.

Description

상이한 전기적 길이를 갖는 복수의 임피던스 변환 회로를 이용한 전력 증폭기의 정합 방법{MATCHING METHOD OF POWER AMPLIFIER USING A PLURALITY OF IMPEDANCE TRANSFORMING CIRCUITS HAVING DIFFERENT ELECTRICAL LENGTH}
본 발명은 전력 증폭기의 정합 방법에 관한 것으로, 좀 더 자세하게는 상이한 전기적 길이를 갖는 복수의 임피던스 변환 회로를 이용한 전력 증폭기의 정합 방법에 관한 것이다.
RF(radio frequency) 전력 증폭기(power amplifier)는 다양한 무선 통신 시스템에서 사용될 수 있다. 전력 증폭기는 전력소자 및 정합 회로를 포함할 수 있다. 일반적으로, 정합 회로는 전력 증폭기의 입력 임피던스(impedance) 및 출력 임피던스를 정합하기 위해 사용될 수 있다. 정합 회로는 전력소자의 특성 임피던스, 전력 증폭기의 출력 전력, 효율, 전력 이득 특성 등을 참조하여 설계될 수 있다. 그러므로, 정합 회로를 설계하기 위해서는 전력소자의 특성 임피던스가 추출되어야 한다.
전력소자의 특성 임피던스를 추출하기 위해, 전력소자에 대한 대신호 및 소신호 모델링 방법이 이용되거나 또는 전력소자에 대한 디임베딩(de-embedding) 기법이 이용될 수 있다. 그러나, 상술한 기존의 방법들은 전력소자의 특성 임피던스를 추출하는데 시간이 오래 걸리는 단점이 있다.
본 발명은 상술한 기술적 과제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 상이한 전기적 길이를 갖는 복수의 임피던스 변환 회로를 이용한 전력 증폭기의 정합 방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 전력소자를 포함하는 전력 증폭기의 정합 방법은, 상기 전력소자를 참조하여 전기적 길이가 서로 상이한 복수의 임피던스 변환 회로를 제작하는 단계, 상기 복수의 임피던스 변환 회로를 상기 전력소자에 연결하고, 상기 복수의 임피던스 변환 회로 각각에 대응하는 정합 특성들을 분석하고, 상기 복수의 변환 회로 중 정합 특성이 가장 높은 임피던스 변환 회로를 선택하는 단계, 및 상기 선택된 임피던스 변환 회로를 상기 전력소자에 연결하고, 커패시턴스 및 인덕턴스를 조정하는 단계를 포함하는 전력 증폭기의 정합 방법을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 전력 증폭기의 정합 방법은 전력소자의 정확한 임피던스 추출 없이도 상이한 전기적 길이를 갖는 복수의 임피던스 변환회로를 이용하여 임피던스 정합을 수행할 수 있다. 이를 통해, 전력 증폭기의 설계 및 제작 기간이 단축될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 전력 증폭기를 예시적으로 보여주는 블록도이다.
도 2 내지 도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 임피던스 변환 회로를 예시적으로 보여주는 블록도이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 전력 증폭기를 예시적으로 보여주는 블록도이다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 전력 증폭기의 정합 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다.
도 10은 도 9에서 도시된 S120 단계를 좀 더 상세하게 보여주는 순서도이다.
아래에서는, 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로, 본 발명의 실시 예들이 명확하고 상세하게 기재될 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 전력 증폭기를 예시적으로 보여주는 블록도이다. 예시적으로, 전력 증폭기(100)는 하나의 패키지로 제작될 수 있다. 전력 증폭기(100)는 전력소자(110), 제 1 임피던스 변환 회로(impedance transforming circuit, 120), 제 2 임피던스 변환 회로, 입력 단자(input port, 140), 및 출력 단자(output port, 150)를 포함할 수 있다.
전력소자(110)는 전력의 생성, 전달, 또는 변환을 위해 사용될 수 있다. 전력소자(110)는 일반적인 반도체소자와 달리 고전압, 고전류, 및 고주파수에서 동작할 수 있다. 좀 더 구체적으로, 전력소자(110)는 입력 단자(140)를 통해 수신된 신호를 증폭할 수 있다. 증폭된 신호는 출력 단자(150)로 전달될 수 있다. 실시 예에 있어서, 전력소자(110)는 GaN(gallium nitride)를 포함할 수 있다. 전력소자(110)의 개수는 적어도 하나 이상일 수 있다. 전력 증폭기(100)의 효율적인 전력 전달을 위해, 전력소자(110)는 제 1 및 제 2 임피던스 변환 회로들(120, 130)과 연결될 수 있다.
제 1 및 제 2 임피던스 변환 회로들(120, 130)은 전력 증폭기(100)의 정합 회로일 수 있다. 제 1 임피던스 변환 회로(120)는 전력소자(110) 및 입력 단자(140) 사이에 연결될 수 있다. 유사하게, 제 2 임피던스 변환 회로(130)는 전력소자(110) 및 출력 단자(150) 사이에 연결될 수 있다. 제 1 및 제 2 임피던스 변환 회로들(120, 130) 각각은 제 1 및 제 2 전송선로들(121, 131)을 각각 포함할 수 있다.
제 1 임피던스 변환 회로(120)에서, 제 1 전송선로(121)의 폭은 입력 단자(140) 근처에서는 상대적으로 좁고 전력소자(110) 근처에서는 상대적으로 넓다. 제 1 임피던스 변환 회로(120)는 제 1 전송선로(121)를 이용하여 임피던스 변환(transformation)을 수행할 수 있다. 제 2 임피던스 변환 회로(130)도 제 1 임피던스 변환 회로(120)와 유사한 방식으로 제작될 수 있다. 제 1 및 제 2 임피던스 변환 회로들(120, 130) 각각은 전력 증폭기(100)의 입력 임피던스 및 출력 임피던스를 정합할 수 있다. 실시 예에 있어서, 제 1 및 제 2 임피던스 변환 회로들(120, 130) 각각은 별개의 기판(substrate)에서 제작될 수 있고, 서로 동일할 수 있다.
입력 단자(140)는 외부로부터 신호를 수신하고, 수신된 신호를 전력 증폭기(100)의 내부로 전달할 수 있다. 유사하게, 출력 단자(150)는 출력된 신호를 전력 증폭기(100)의 외부로 출력할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시 예에 따른 전력 증폭기(100)의 정합 방법에 대해 설명한다.
도 2 내지 도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 임피던스 변환 회로를 예시적으로 보여주는 블록도이다. 복수의 임피던스 변환 회로(200~700) 각각은 기판상에서 제작될 수 있다. 일반적으로, 임피던스 변환 회로는 정확하게 추출된 전력소자(도 1 참조, 110)의 특성 임피던스를 참조하여 설계될 수 있다. 전력소자(110)의 특성 임피던스를 추출하기 위해, 대신호 및 소신호 모델링 방법 또는 디임베딩 기법이 사용될 수 있다. 그러나, 본 발명의 실시 예에 따른 복수의 임피던스 변환 회로(200~700)는 상술한 전력소자(110)의 특성 임피던스를 정확하게 추출하는 과정 없이 설계되고 제작될 수 있다.
복수의 임피던스 변환 회로(200~700)의 각 임피던스 크기는 서로 동일할 수 있다. 일반적으로 전력소자(110)의 임피던스 크기는 매우 낮으므로, 복수의 임피던스 변환 회로(200~700)의 각 임피던스 크기는 전력소자(110)의 임피던스 크기에 준하는 임의의 임피던스 크기로 낮게 설정될 수 있다.
반면에, 복수의 임피던스 변환 회로(200~700)의 각 임피던스 위상은 서로 상이할 수 있다. 예시적으로, 복수의 임피던스 변환 회로(200~700)의 위상들은 각각 60°, 80°, 100°, 120°, 140°, 160°일 수 있다. 다만, 상술한 수치는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되지 않는다. 상이한 임피던스 위상을 위해, 도 2 내지 도 7에서 도시된 바와 같이, 복수의 임피던스 변환 회로(200~700)의 전송선로들의 모양은 서로 상이할 수 있다. 좀 더 구체적으로, 복수의 임피던스 변환 회로(200~700)에서, 전송선로의 폭이 짧은 부분의 길이(L1)와 전송선로의 폭이 긴 부분의 길이(L2)의 각 비율은 서로 상이할 수 있다. 다만, 본 발명의 범위는 도 2 내지 도 7에서 도시된 전송선로 모양에 한정되지 않는다. 또한, 복수의 임피던스 변환 회로(200~700)의 개수도 도시된 바에 한정되지 않는다.
복수의 임피던스 변환 회로(200~700)는 전력소자(110)의 특성 임피던스를 정확하게 추출하지 않고 설계되고 제작되었으므로, 최적의 정합 특성을 갖지 않을 수 있다. 최적의 정합 특성을 위해, 복수의 임피던스 변환 회로(200~700)는 전력소자(110)에 연결되고, 복수의 임피던스 변환 회로(200~700) 각각에 대응하는 정합 특성들이 분석될 수 있다.
좀 더 구체적으로, 임피던스 변환 회로(200, 임피던스 위상 60°)는 제 1 및 제 2 임피던스 변환 회로들(120, 130)의 위치에서 전력소자(110) 및 입력 단자(140) 사이 및 전력소자(110) 및 출력 단자(150) 사이에 연결될 수 있다. 이후, 임피던스 변환 회로(200)에 대응하는 정합 특성이 분석될 수 있다. 유사하게, 임피던스 변환 회로(300, 임피던스 위상 80°)는 제 1 및 제 2 임피던스 변환 회로들(120, 130)의 위치에서 전력소자(110) 및 입력 단자(140) 사이 및 전력소자(110) 및 출력 단자(150) 사이에 연결될 수 있다. 이후, 임피던스 변환 회로(300)에 대응하는 정합 특성이 분석될 수 있다. 상술한 과정은 나머지 복수의 임피던스 변환 회로(400~700)에 대해서도 반복될 수 있다.
실시 예에 있어서, 정합 특성은 주파수 특성을 의미할 수 있다. 따라서 정합 특성은 S 파라미터를 이용해 분석될 수 있다. S 파라미터의 추출을 위해 네트워크 분석기(network analyzer)가 사용될 수 있다.
상술한 분석 과정을 통해, 복수의 임피던스 변환 회로(200~700) 중 정합 특성이 가장 높은 임피던스 변환 회로가 선택될 수 있다. 다만, 선택된 임피던스 변환 회로의 정합 특성은 다른 임피던스 변환 회로들의 정합 특성들에 비해 높지만, 최적의 정합 특성은 아닐 수 있다. 따라서 정합 특성이 가장 높은 임피던스 변환 회로가 선택된 후, 추가적인 최적화 단계가 필요하다. 상술한 단계는 도 8을 참조하여 설명된다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 전력 증폭기를 예시적으로 보여주는 블록도이다. 도 8을 참조하면, 전력 증폭기(800)는 전력소자(810), 제 1 임피던스 변환 회로(820), 제 2 임피던스 변환 회로(830), 입력 단자(840), 출력 단자(850), 와이어 본딩(wire bonding, 860, 870)을 포함할 수 있다. 제 1 임피던스 변환 회로(820)는 개방형 스터브(open stub, 822)를 포함할 수 있고, 제 2 임피던스 변환 회로(830)는 개방형 스터브(832, 833)를 포함할 수 있다. 이하, 도 8의 전력 증폭기(800)와 도 1의 전력 증폭기(100)의 차이점 위주로 설명한다.
제 1 임피던스 변환 회로(820) 및 제 2 임피던스 변환 회로(830)는 도 2 내지 도 7의 복수의 임피던스 변환 회로(200~700) 중 정합 특성이 가장 높은 임피던스 변환 회로일 수 있다. 전술한대로, 선택된 임피던스 변환 회로의 정합 특성은 최적의 정합 특성이 아닐 수 있다. 따라서, 전력 증폭기(800)에 대한 커패시턴스(capacitance) 조정 및 인덕턴스(inductance) 조정이 필요할 수 있다.
커패시턴스를 조정하기 위해, 개방형 스터브(822, 832, 833)의 길이, 개수, 위치, 폭 등이 조정될 수 있다. 예시적으로, 개방형 스터브(822, 832, 833)의 길이가 늘어날수록 커패시턴스는 증가될 수 있고, 개방형 스터브(822, 832, 833)의 길이가 짧아질수록 커패시턴스는 감소될 수 있다. 다만, 도 8에 도시된 개방형 스터브(822, 832, 833)는 예시적인 것이고, 개방형 스터브의 길이, 개수, 위치, 폭 등은 도시된 바에 한정되지 않는다.
인덕턴스를 조정하기 위해, 와이어 본딩(860, 870)의 길이, 개수, 위치, 폭 등이 조정될 수 있다. 예시적으로, 와이어 본딩(860, 870)의 길이가 늘어날수록 인덕턴스는 증가될 수 있고, 와이어 본딩(860, 870)의 길이가 짧아질수록 인덕턴스는 감소될 수 있다. 다만, 도 8에 도시된 와이어 본딩(860, 870)의 길이는 예시적인 것이고, 와이어 본딩(860, 870)의 길이, 개수, 위치, 폭 등은 도시된 바에 한정되지 않는다.
개방형 스터브(822, 832, 833) 및 와이어 본딩(860, 870)을 이용해 전력 증폭기(800)에 대한 커패시턴스(capacitance) 조정 및 인덕턴스(inductance) 조정이 완료되면, 전력 증폭기(800)의 특성은 원하는 주파수 대역에서 최적화될 수 있다. 여기서, 전력 증폭기(800)의 특성은 출력 전력, 출력 효율, 또는 전력 이득 특성을 포함할 수 있고, 원하는 주파수 대역은 예시적으로 X 대역(5.2GHz~10.9GHz)일 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 전력 증폭기의 정합 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다. 도 9는 도 1 내지 도 8을 참조하여 설명될 것이다.
S110 단계에서, 전력소자(110, 도 1 참조)를 참조하여 전기적 길이가 서로 상이한 복수의 임피던스 변환 회로가 제작될 수 있다. 도 2 내지 도 7에서 도시된 바와 같이 복수의 임피던스 변환 회로의 각 전기적 길이는 서로 상이할 수 있다. 복수의 임피던스 변환 회로의 각 임피던스 크기는 서로 동일할 수 있다. 여기서, 복수의 임피던스 변환 회로의 임피던스 크기는 임피던스 전력소자(110)의 임피던스 크기에 준하는 임의의 임피던스 크기로 낮게 설정될 수 있다. 복수의 임피던스 변환 회로의 각 임피던스 위상은 서로 상이할 수 있다.
S120 단계에서, 복수의 임피던스 변환 회로 각각에 대응하는 정합 특성들이 분석되고, 복수의 임피던스 변환 회로 중 정합 특성이 가장 높은 임피던스 변환 회로가 선택될 수 있다. S120 단계의 상세한 단계들은 도 10에서 설명될 것이다.
S130 단계에서, S120 단계에서 선택된 임피던스 변환 회로는 적어도 하나의 전력 소자(810, 도 8 참조)에 연결될 수 있고, 커패시턴스 및 인덕턴스가 조정될 수 있다. 커패시턴스를 조정하기 위해, 개방형 스터브(822, 832, 833, 도 8 참조)의 길이, 개수, 위치, 폭 등이 조정될 수 있다. 인덕턴스를 조정하기 위해, 와이어 본딩(860, 870, 도 8 참조)의 길이, 개수, 위치, 폭 등이 조정될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 S110, S120, S130 단계들을 통해, 전력 증폭기(800, 도 8 참조)의 정합 특성은 최적화될 수 있다.
도 10은 도 9에서 도시된 S120 단계를 좀 더 상세하게 보여주는 순서도이다. 도 10은 도 1 내지 도 8을 참조하여 설명될 것이다.
S121 단계에서, 복수의 임피던스 변환 회로 중 임의의 임피던스 변환 회로가 전력소자(110)에 연결될 수 있다. 연결된 임피던스 변환 회로에 대한 정합 특성이 분석될 수 있다. 이를 통해 전력소자(110, 도 1 참조)의 특성 임피던스가 추출될 수 있다. 이어서, 다른 임피던스 변환 회로에 대해서도 상술한 과정이 수행될 수 있다. 즉, S121 단계에서, 복수의 임피던스 변환 회로 각각에 대응하는 정합 특성들이 분석될 수 있고, 전력소자의 특성 임피던스가 추출될 수 있다.
S122 단계에서, 추출된 특성 임피던스를 참조하여, 복수의 임피던스 변환 회로 중에서 정합 특성이 가장 높은 임피던스 변환 회로가 선택될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 전력소자를 포함하는 전력 증폭기의 정합 방법은, 전력소자를 참조하여 전기적 길이가 서로 상이한 복수의 임피던스 변환 회로를 제작하는 단계, 복수의 임피던스 변환 회로를 전력소자에 연결하고, 복수의 임피던스 변환 회로 각각에 대응하는 정합 특성들을 분석하고, 복수의 변환 회로 중 정합 특성이 가장 높은 임피던스 변환 회로를 선택하는 단계, 및 선택된 임피던스 변환 회로를 전력소자에 연결하고, 커패시턴스 및 인덕턴스를 조정하는 단계를 포함하는 전력 증폭기의 정합 방법을 포함할 수 있다.
실시 예에 있어서, 복수의 임피던스 변환 회로의 각 임피던스 크기는 서로 동일할 수 있다.
실시 예에 있어서, 복수의 임피던스 변환 회로의 각 임피던스 위상은 서로 상이할 수 있다.
실시 예에 있어서, 정합 특성은 S 파라미터를 포함할 수 있다.
실시 예에 있어서, 정합 특성이 가장 높은 임피던스 변환 회로를 선택하는 단계는, 복수의 임피던스 변환 회로 각각에 대응하는 정합 특성들을 분석하여 전력소자의 특성 임피던스를 추출하는 단계를 포함할 수 있다.
실시 예에 있어서, 정합 특성이 가장 높은 임피던스 변환 회로를 선택하는 단계는, 상기 추출된 특성 임피던스를 참조하여, 상기 정합 특성이 가장 높은 임피던스 변환 회로를 선택하는 단계를 더 포함할 수 있다.
실시 예에 있어서, 커패시턴스를 조정하는 단계는, 선택된 임피던스 변환 회로에 연결된 개방형 스터브의 길이를 조정하는 단계를 포함할 수 있다.
실시 예에 있어서, 인덕턴스를 조정하는 단계는, 선택된 임피던스 변환 회로 및 전력소자 사이의 와이어 본딩의 길이 및 개수를 조정하는 단계를 포함할 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 전력 증폭기는 X대역에서 동작할 수 있다.
위에서 설명한 내용은 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 예들이다. 본 발명에는 위에서 설명한 실시 예들뿐만 아니라, 단순하게 설계 변경하거나 용이하게 변경할 수 있는 실시 예들도 포함될 것이다. 또한, 본 발명에는 상술한 실시 예들을 이용하여 앞으로 용이하게 변형하여 실시할 수 있는 기술들도 포함될 것이다.
100, 800: 전력 증폭기
110, 810: 전력소자
120, 820: 제 1 임피던스 변환 회로
130, 830: 제 2 임피던스 변환 회로
140, 840: 입력 단자
150, 850: 출력 단자
200~700: 임피던스 변환 회로

Claims (1)

  1. 전력소자를 포함하는 전력 증폭기의 정합 방법에 있어서,
    상기 전력소자를 참조하여 전기적 길이가 서로 상이한 복수의 임피던스 변환 회로를 제작하는 단계;
    상기 복수의 임피던스 변환 회로를 상기 전력소자에 연결하고, 상기 복수의 임피던스 변환 회로 각각에 대응하는 정합 특성들을 분석하고, 상기 복수의 변환 회로 중 정합 특성이 가장 높은 임피던스 변환 회로를 선택하는 단계;
    상기 선택된 임피던스 변환 회로를 상기 전력소자에 연결하고, 커패시턴스 및 인덕턴스를 조정하는 단계를 포함하는 전력 증폭기의 정합 방법.
KR1020170020754A 2016-11-16 2017-02-15 상이한 전기적 길이를 갖는 복수의 임피던스 변환 회로를 이용한 전력 증폭기의 정합 방법 KR102260836B1 (ko)

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