KR20210145938A - 완전 대칭성을 가지는 3차원 적층 병렬-병렬 전력 결합기 및 이를 포함하는 통신 시스템 - Google Patents

완전 대칭성을 가지는 3차원 적층 병렬-병렬 전력 결합기 및 이를 포함하는 통신 시스템 Download PDF

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Abstract

3차원 적층 병렬-병렬 전력 결합기는 제1 및 제2 병렬 전력결합 변압기들과 제1 병렬 전력 결합기를 포함한다. 제1 병렬 전력결합 변압기는 제1 입력 신호를 수신하는 제1 일차 권선, 제2 입력 신호를 수신하는 제2 일차 권선, 및 제1 및 제2 일차 권선들에 의해 공유되고 제1 및 제2 입력 신호들을 결합하여 제1 출력 신호를 제공하는 제1 이차 권선을 포함하며, 3차원 적층 구조를 가진다. 제2 병렬 전력결합 변압기는 제3 입력 신호를 수신하는 제3 일차 권선, 제4 입력 신호를 수신하는 제4 일차 권선, 및 제3 및 제4 일차 권선들에 의해 공유되고 제3 및 제4 입력 신호들을 결합하여 제2 출력 신호를 제공하는 제2 이차 권선을 포함하며, 3차원 적층 구조를 가진다. 제1 병렬 전력 결합기는 제1 및 제2 병렬 전력결합 변압기들의 출력단과 연결되고, 제1 및 제2 출력 신호들을 결합하여 제3 출력 신호를 제공한다.

Description

완전 대칭성을 가지는 3차원 적층 병렬-병렬 전력 결합기 및 이를 포함하는 통신 시스템{THREE-DIMENSIONAL STACKED PARALLEL-PARALLEL POWER COMBINER WITH FULLY SYMMETRICAL STRUCTURE AND COMMUNICATION SYSTEM INCLUDING THE SAME}
본 발명은 반도체 집적 회로에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 완전 대칭성을 가지는 3차원 적층 병렬-병렬 전력 결합기 및 상기 3차원 적층 병렬-병렬 전력 결합기를 포함하는 통신 시스템에 관한 것이다.
최근 연구되고 있는 5G 이동통신 시스템은, 4G 이동통신 시스템인 LTE(long term evolution)에 비해 약 수십 배에서 수백 배의 네트워크 용량을 필요로 한다. 이 때, 넓은 대역폭을 확보하기 위해 밀리미터파 통신을 기반으로 한 통신 기술이 연구되고 있다. 또한, 밀리미터파 대역에서 출력 전력을 증가하기 위해 변압기 기반 전력 결합기 구조가 연구되고 있다.
종래의 직렬 연결된 전력 결합기 구조에서는, 각 개별 전력단의 결합이 기생 커패시터의 반영 시 비대칭성을 가지게 되는 문제가 있었다. 즉, 1차측 권선과 2차측 권선 사이의 기생 커패시터가 대칭성을 가질 수 없어 신호의 크기 및 위상의 불균형이 발생하였다. 이에 따라, 상술한 비대칭성 문제점을 해결하기 위한 다양한 전력 결합기 구조가 연구되고 있다.
본 발명의 일 목적은 효율적인 전력 결합을 위해 완전 대칭성을 가지면서 간단한 구조로 구현될 수 있는 3차원 적층 병렬-병렬 전력 결합기를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 3차원 적층 병렬-병렬 전력 결합기를 포함하는 통신 시스템을 제공하는 것이다.
상기 일 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 적층 병렬-병렬 전력 결합기는 제1 병렬 전력결합 변압기, 제2 병렬 전력결합 변압기 및 제1 병렬 전력 결합기를 포함한다. 상기 제1 병렬 전력결합 변압기는 제1 입력 신호를 수신하는 제1 일차 권선(primary winding), 제2 입력 신호를 수신하는 제2 일차 권선, 및 상기 제1 일차 권선 및 상기 제2 일차 권선에 의해 공유되고 상기 제1 입력 신호 및 상기 제2 입력 신호를 결합하여 제1 출력 신호를 제공하는 제1 이차 권선(secondary winding)을 포함하며, 상기 제1 일차 권선, 상기 제2 일차 권선 및 상기 제1 이차 권선이 수직 방향으로 적층된 3차원 적층 구조를 가진다. 상기 제2 병렬 전력결합 변압기는 제3 입력 신호를 수신하는 제3 일차 권선, 제4 입력 신호를 수신하는 제4 일차 권선, 및 상기 제3 일차 권선 및 상기 제4 일차 권선에 의해 공유되고 상기 제3 입력 신호 및 상기 제4 입력 신호를 결합하여 제2 출력 신호를 제공하는 제2 이차 권선을 포함하며, 상기 제3 일차 권선, 상기 제4 일차 권선 및 상기 제2 이차 권선이 상기 수직 방향으로 적층된 상기 3차원 적층 구조를 가진다. 상기 제1 병렬 전력 결합기는 상기 제1 병렬 전력결합 변압기의 출력단 및 상기 제2 병렬 전력결합 변압기의 출력단과 연결되고, 상기 제1 출력 신호 및 상기 제2 출력 신호를 결합하여 제3 출력 신호를 제공한다.
상기 다른 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 실시예들에 따른 통신 시스템은 신호 처리기, 송신 경로 및 안테나를 포함한다. 상기 신호 처리기는 송신하고자 하는 데이터를 처리하여 복수의 입력 송신 신호들을 생성한다. 상기 송신 경로는 상기 복수의 입력 송신 신호들에 기초하여 출력 송신 신호를 제공하고, 상기 복수의 입력 송신 신호들을 결합하는 3차원 적층 병렬-병렬 전력 결합기를 포함한다. 상기 안테나는 상기 출력 송신 신호를 출력한다. 상기 3차원 적층 병렬-병렬 전력 결합기는 제1 병렬 전력결합 변압기, 제2 병렬 전력결합 변압기 및 제1 병렬 전력 결합기를 포함한다. 상기 제1 병렬 전력결합 변압기는 제1 입력 송신 신호를 수신하는 제1 일차 권선(primary winding), 제2 입력 송신 신호를 수신하는 제2 일차 권선, 및 상기 제1 일차 권선 및 상기 제2 일차 권선에 의해 공유되고 상기 제1 입력 송신 신호 및 상기 제2 입력 송신 신호를 결합하여 제1 출력 신호를 제공하는 제1 이차 권선(secondary winding)을 포함하며, 상기 제1 일차 권선, 상기 제2 일차 권선 및 상기 제1 이차 권선이 수직 방향으로 적층된 3차원 적층 구조를 가진다. 상기 제2 병렬 전력결합 변압기는 제3 입력 송신 신호를 수신하는 제3 일차 권선, 제4 입력 송신 신호를 수신하는 제4 일차 권선, 및 상기 제3 일차 권선 및 상기 제4 일차 권선에 의해 공유되고 상기 제3 입력 송신 신호 및 상기 제4 입력 송신 신호를 결합하여 제2 출력 신호를 제공하는 제2 이차 권선을 포함하며, 상기 제3 일차 권선, 상기 제4 일차 권선 및 상기 제2 이차 권선이 상기 수직 방향으로 적층된 상기 3차원 적층 구조를 가진다. 상기 제1 병렬 전력 결합기는 상기 제1 병렬 전력결합 변압기의 출력단 및 상기 제2 병렬 전력결합 변압기의 출력단과 연결되고, 상기 제1 출력 신호 및 상기 제2 출력 신호를 결합하여 상기 출력 송신 신호를 제공한다.
상기 또 다른 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 적층 병렬 전력 결합기는 제1 전력 증폭기, 제2 전력 증폭기, 제3 전력 증폭기, 제4 전력 증폭기, 제1 일차 권선(primary winding), 제2 일차 권선 및 제1 이차 권선(secondary winding)을 포함한다. 상기 제1 전력 증폭기는 한 쌍의 제1 차동(differential) 입력 신호들 중 하나를 수신한다. 상기 제2 전력 증폭기는 상기 제1 차동 입력 신호들 중 다른 하나를 수신한다. 상기 제3 전력 증폭기는 한 쌍의 제2 차동 입력 신호들 중 하나를 수신한다. 상기 제4 전력 증폭기는 상기 제2 차동 입력 신호들 중 다른 하나를 수신한다. 상기 제1 일차 권선은 상기 제1 전력 증폭기의 출력단과 연결되는 제1 입력단 및 상기 제2 전력 증폭기의 출력단과 연결되는 제2 입력단을 포함하고, 상기 제1 및 제2 전력 증폭기들에 의해 증폭된 상기 제1 차동 입력 신호들을 수신한다. 상기 제2 일차 권선은 상기 제3 전력 증폭기의 출력단과 연결되는 제1 입력단 및 상기 제4 전력 증폭기의 출력단과 연결되는 제2 입력단을 포함하고, 상기 제3 및 제4 전력 증폭기들에 의해 증폭된 상기 제2 차동 입력 신호들을 수신한다. 상기 제1 이차 권선은 상기 제1 일차 권선 및 상기 제2 일차 권선에 의해 공유되고, 상기 제1 차동 입력 신호들 및 상기 제2 차동 입력 신호들을 결합하여 한 쌍의 제1 차동 출력 신호들을 제공한다. 상기 제1 일차 권선, 상기 제2 일차 권선 및 상기 제1 이차 권선은 수직 방향으로 적층된 3차원 적층 구조를 가지고, 단면에서 보았을 때 상기 제1 이차 권선은 상기 제1 일차 권선 및 상기 제2 일차 권선의 사이에 배치된다.
상기와 같은 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 적층 병렬-병렬 전력 결합기는, 2개의 일차 권선들과 1개의 이차 권선이 병렬로 연결된 병렬 전력결합 변압기를 2개 포함하며, 각 병렬 전력결합 변압기는 1개의 이차 권선을 기준으로 2개의 일차 권선들이 상하에 위치하면서 수직적으로 자기 결합되는 3차원 적층 구조를 가질 수 있다. 3차원 적층 구조를 구현하기 위해 별도의 추가 공정이 필요하지 않으며, 일반적인 반도체 제조 공정을 이용하여 제조될 수 있다. 또한, T형 병렬 전력 결합기를 이용하여 추가적인 변환 회로 없이 2개의 병렬 전력결합 변압기들을 병렬로 연결할 수 있다. 추가적으로, 일차 권선들과 이차 권선들 사이의 기생 커패시터들이 대칭적으로 형성되어 대칭성이 유지되면서 전력이 결합될 수 있다. 따라서, 저비용으로 작은 크기를 가지면서 완전 대칭성 및 우수한 성능을 가지는 전력 결합기를 구현할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 통신 시스템은, 상술한 것처럼 완전 대칭성 및 우수한 성능을 가지는 3차원 적층 병렬-병렬 전력 결합기를 포함하며, 따라서 우수한 성능을 가질 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 적층 병렬-병렬 전력 결합기를 나타내는 도면이다.
도 2a, 2b 및 2c는 도 1의 3차원 적층 병렬-병렬 전력 결합기에 포함되는 제1 병렬 전력결합 변압기를 나타내는 도면들이다.
도 3은 도 1을 참조하여 설명된 3차원 적층 병렬-병렬 전력 결합기의 등가 회로를 나타내는 회로도이다.
도 4, 5, 6, 7 및 8은 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 적층 병렬-병렬 전력 결합기의 성능을 나타내는 도면들이다.
도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 적층 병렬 전력 결합기를 나타내는 도면이다.
도 10은 도 9를 참조하여 설명된 3차원 적층 병렬 전력 결합기의 등가 회로를 나타내는 회로도이다.
도 11은 본 발명의 실시예들에 따른 통신 시스템을 나타내는 블록도이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 적층 병렬-병렬 전력 결합기를 나타내는 도면이다. 도 2a, 2b 및 2c는 도 1의 3차원 적층 병렬-병렬 전력 결합기에 포함되는 제1 병렬 전력결합 변압기를 나타내는 도면들이다. 도 2a는 도 1의 제1 병렬 전력결합 변압기에 포함되는 구성요소들의 배치를 나타내는 사시도이고, 도 2b는 도 2a의 제1 병렬 전력결합 변압기를 나타내는 평면도이며, 도 2c는 도 2a의 제1 병렬 전력결합 변압기를 나타내는 단면도이다. 도 3은 도 1을 참조하여 설명된 3차원 적층 병렬-병렬 전력 결합기의 등가 회로를 나타내는 회로도이다.
본 명세서에서, 반도체 기판(예를 들어, 도 2c의 202)의 제1 면(예를 들어, 상면)에 실질적으로 평행하면서 서로 교차하는 두 방향들을 각각 제1 방향(D1) 및 제2 방향(D2)으로, 상기 반도체 기판의 제1 면에 실질적으로 수직한 방향을 제3 방향(D3)으로 정의한다. 예를 들면, 제1 방향(D1) 및 제2 방향(D2)은 실질적으로 서로 수직하게 교차할 수 있다. 도면 상에 화살표로 표시된 방향과 이의 반대 방향은 동일 방향으로 설명한다. 전술한 방향에 대한 정의는 이후 모든 도면들에서 동일하다.
도 1, 2a, 2b, 2c 및 3을 참조하면, 3차원 적층 병렬-병렬 전력 결합기(100)는 제1 병렬 전력결합 변압기(200), 제2 병렬 전력결합 변압기(300) 및 제1 병렬 전력 결합기(400)를 포함한다. 3차원 적층 병렬-병렬 전력 결합기(100)는 복수의 전력 증폭기들(PA1, PA2, PA3, PA4, PA5, PA6, PA7, PA8)(510, 520, 530, 540, 550, 560, 570, 580) 및 하나의 출력 단자(600)를 더 포함할 수 있다. 제1 병렬 전력결합 변압기(200) 및 제2 병렬 전력결합 변압기(300)는 병렬 전력 결합기라고 부를 수도 있다.
제1 병렬 전력결합 변압기(200)는 제1 일차(또는 일차측) 권선(primary winding)(210), 제2 일차 권선(220) 및 제1 이차(또는 이차측) 권선(secondary winding)(230)을 포함한다. 제1 병렬 전력결합 변압기(200)는 2개의 일차 권선들(210, 220)과 1개의 이차 권선(230)의 결합이 병렬로 연결된 구조를 가진다.
제1 일차 권선(210)은 제1 입력 신호(VI1)를 수신한다. 도시된 것처럼, 제1 입력 신호(VI1)는 한 쌍의 제1 차동(differential) 입력 신호들을 포함하며, 제1 일차 권선(210)은 상기 제1 차동 입력 신호들을 수신하는 2개의 입력단들을 포함할 수 있다.
제2 일차 권선(220)은 제2 입력 신호(VI2)를 수신한다. 제1 입력 신호(VI1)와 마찬가지로, 제2 입력 신호(VI2)는 한 쌍의 제2 차동 입력 신호들을 포함하며, 제2 일차 권선(220)은 상기 제2 차동 입력 신호들을 수신하는 2개의 입력단들을 포함할 수 있다.
제1 이차 권선(230)은 제1 일차 권선(210) 및 제2 일차 권선(220)에 의해 공유되고, 제1 입력 신호(VI1) 및 제2 입력 신호(VI2)를 결합하여 제1 출력 신호(VO1)를 제공한다. 제1 입력 신호(VI1) 및 제2 입력 신호(VI2)가 각각 한 쌍의 차동 입력 신호들을 포함하므로, 제1 출력 신호(VO1) 또한 한 쌍의 제1 차동 출력 신호들을 포함하며, 제1 이차 권선(230)은 상기 제1 차동 출력 신호들을 출력하는 2개의 출력단들을 포함할 수 있다. 제1 이차 권선(230)의 상기 2개의 출력단들 중 하나는 접지 전압과 연결되고, 제1 이차 권선(230)의 상기 2개의 출력단들 중 다른 하나는 제1 병렬 전력 결합기(400)와 연결될 수 있다.
제1 병렬 전력결합 변압기(200)는 제1 일차 권선(210), 제2 일차 권선(220) 및 제1 이차 권선(230)이 수직 방향(즉, 제3 방향(D3))으로 적층된 3차원 적층 구조를 가지며, 이에 따라 제1 병렬 전력결합 변압기(200)를 3차원 적층 병렬 전력결합 변압기 또는 3차원 적층 병렬 전력 결합기라고 부를 수 있다.
구체적으로, 단면에서 보았을 때, 제1 이차 권선(230)은 제1 일차 권선(210) 및 제2 일차 권선(220)의 사이에 배치될 수 있다. 다시 말하면, 2개의 일차 권선들(210, 220)은 1개의 이차 권선(230)을 기준으로 상부 및 하부에 위치할 수 있다. 이에 따라, 제1 이차 권선(230)은 제1 일차 권선(210) 및 제2 일차 권선(220)과 수직적으로 자기 결합(또는 유도 결합)될 수 있다.
제1 병렬 전력결합 변압기(200)는 일반적인 반도체 제조 공정(예를 들어, 일반적인 CMOS(complementary metal-oxide semiconductor) 공정)을 이용하여 제조될 수 있다. 예를 들어, 반도체 기판(202) 상에 제1 일차 권선(210), 제1 이차 권선(230) 및 제2 일차 권선(220)이 제3 방향(D3)을 따라 순차적으로 적층될 수 있다. 반도체 기판(202)의 하부에는 접지 전극(204)이 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 도 2c에서 상세하게 도시하지는 않았으나, 반도체 기판(202)과 제1 일차 권선(210)의 사이, 제1 일차 권선(210)과 제1 이차 권선(230)의 사이, 및 제1 이차 권선(230)과 제2 일차 권선(220)의 사이에는 적어도 하나의 층간절연막이 개재될 수 있다. 예를 들어, 상기 층간절연막은 실리콘 산화물(SiOx), 실리콘 산질화물(SiOxNy), 실리콘 질화물(SiNx), 게르마늄 산질화물(GeOxNy), 게르마늄 실리콘 산화물(GeSixOy) 또는 고유전율을 갖는 물질을 사용하여 형성될 수 있다. 한편, 이러한 고유전율 물질로는 하프늄 산화물(HfOx), 지르코늄 산화물(ZrOx), 알루미늄 산화물(AlOx), 탄탈륨 산화물(TaOx), 하프늄 실리케이트(HfSix), 지르코늄 실리케이트(ZrSix) 등을 들 수 있다. 또한, 실시예에 따라서 상기 층간절연막은 전술한 물질들 중에서 2 이상의 선택된 물질로 이루어진 다층 구조로 형성될 수도 있다.
일 실시예에서, 상술한 것처럼 제1 병렬 전력결합 변압기(200)가 일반적인 반도체 제조 공정을 이용하여 제조됨에 따라, 제1 일차 권선(210), 제1 이차 권선(230) 및 제2 일차 권선(220)은 반도체 소자에 포함되는 복수의 금속 배선층들 중 서로 다른 금속 배선층들에 배치될 수 있다. 예를 들어, 3개 이상의 적층된 금속 배선층들을 포함하는 반도체 소자에서, 제1 이차 권선(230)은 중간 금속 배선층에 형성되고, 제1 일차 권선(210)은 하부 금속 배선층에 형성되며, 제2 일차 권선(220)은 상부 금속 배선층에 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 제1 일차 권선(210), 제2 일차 권선(220) 및 제1 이차 권선(230)은 도전성 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 도전성 물질은 구리, 텅스텐, 티타늄, 알루미늄 등과 같은 금속을 사용하여 형성되거나 그 밖에 폴리실리콘, 금속 및/또는 금속 화합물을 사용하여 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 제1 일차 권선(210) 및 제1 이차 권선(230)은 동일한 도전성 물질을 포함하고, 제1 일차 권선(210) 및 제2 일차 권선(220)은 서로 다른 도전성 물질을 포함할 수 있다. 다만 본 발명은 이에 한정되지 않을 수 있다. 제1 일차 권선(210), 제2 일차 권선(220) 및 제1 이차 권선(230)에 포함되는 도전성 물질은 실시예에 따라서 다양하게 변경될 수 있다.
일 실시예에서, 도 2c에 도시된 것처럼 단면에서 보았을 때, 제1 이차 권선(230)의 두께(t3)는 제1 일차 권선(210)의 두께(t1) 및 제2 일차 권선(220)의 두께(t2)보다 두꺼울 수 있다. 2개의 일차 권선들(210, 220) 모두와 수직적으로 자기 결합을 형성하기 위해, 제1 이차 권선(230)은 제1 및 제2 일차 권선들(210, 220)보다 두껍게 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 도 2c에 도시된 것처럼 단면에서 보았을 때, 제1 일차 권선(210)의 두께(t1) 및 제2 일차 권선(220)의 두께(t2)는 실질적으로 동일할 수 있다. 또한, 제1 이차 권선(230)과 제1 일차 권선(210) 사이의 제1 거리(d13) 및 제1 이차 권선(230)과 제2 일차 권선(220) 사이의 제2 거리(d23)는 실질적으로 동일할 수 있다. 상술한 것처럼, 제1 일차 권선(210)의 두께(t1) 및 제2 일차 권선(220)의 두께(t2)를 동일하게 형성하고 제1 거리(d13) 및 제2 거리(d23)를 동일하게 형성하는 경우에, 제1 병렬 전력결합 변압기(200)의 대칭성이 보다 효과적으로 구현될 수 있다. 다만 본 발명은 이에 한정되지 않을 수 있다. 실시예에 따라서 제1 일차 권선(210)의 두께(t1) 및 제2 일차 권선(220)의 두께(t2)가 서로 다르거나 제1 거리(d13) 및 제2 거리(d23)가 서로 다르도록 구현될 수 있다.
일 실시예에서, 도 2b에 도시된 것처럼 평면에서 보았을 때, 제1 일차 권선(210), 제2 일차 권선(220) 및 제1 이차 권선(230)은 서로 중첩할 수 있다. 구체적으로, 제1 일차 권선(210), 제2 일차 권선(220) 및 제1 이차 권선(230)은 각각 폐곡선의 일부가 개방된 형상을 가지며, 상기 폐곡선의 일부가 개방된 부분에 제1 일차 권선(210) 및 제2 일차 권선(220)의 상기 2개의 입력단들 또는 제1 이차 권선(230)의 상기 2개의 출력단들이 형성될 수 있다. 상기 2개의 입력단들 또는 상기 2개의 출력단들이 형성되는 부분을 제외하면, 제1 일차 권선(210), 제2 일차 권선(220) 및 제1 이차 권선(230)을 형성하는 상기 폐곡선들의 길이, 폭 및 지름(L) 등은 모두 실질적으로 동일하며, 제1 일차 권선(210), 제2 일차 권선(220) 및 제1 이차 권선(230)은 상기 폐곡선들의 가상의 중심점(VCP)이 일치하도록 제3 방향(D3)을 따라 수직적으로 배치될 수 있다. 이에 따라, 도 2b에 도시된 것처럼 평면에서 보았을 때, 가장 상부에 배치되는 제2 일차 권선(220)은 전체적으로 관찰되며, 제1 일차 권선(210) 및 제1 이차 권선(230)은 일부분만이 관찰될 수 있다.
일 실시예에서, 제1 일차 권선(210)과 제1 이차 권선(230)의 제1 권수비(turn-ratio) 및 제2 일차 권선(220)과 제1 이차 권선(230)의 제2 권수비는 1:1일 수 있다. 상기 제1 권수비 및 상기 제2 권수비를 1:1로 형성함으로써, 복수의 전력 증폭기들(510, 520, 530, 540, 550, 560, 570, 580)에 최적화된 부하 임피던스를 제공할 수 있다. 예를 들어, 도 2a 등에 도시된 것처럼 제1 일차 권선(210), 제2 일차 권선(220), 제1 이차 권선(230)의 권수(turn)는 1일 수 있다.
제2 병렬 전력결합 변압기(300)는 제3 일차 권선(310), 제4 일차 권선(320) 및 제2 이차 권선(330)을 포함한다. 제1 병렬 전력결합 변압기(200)와 마찬가지로, 제2 병렬 전력결합 변압기(300)는 2개의 일차 권선들(310, 320)과 1개의 이차 권선(330)의 결합이 병렬로 연결된 구조를 가진다.
제3 일차 권선(310)은 제3 입력 신호(VI3)를 수신한다. 도시된 것처럼, 제3 입력 신호(VI3)는 한 쌍의 제3 차동 입력 신호들을 포함하며, 제3 일차 권선(310)은 상기 제3 차동 입력 신호들을 수신하는 2개의 입력단들을 포함할 수 있다.
제4 일차 권선(320)은 제4 입력 신호(VI4)를 수신한다. 제3 입력 신호(VI3)와 마찬가지로, 제4 입력 신호(VI4)는 한 쌍의 제4 차동 입력 신호들을 포함하며, 제4 일차 권선(320)은 상기 제4 차동 입력 신호들을 수신하는 2개의 입력단들을 포함할 수 있다.
제2 이차 권선(330)은 제3 일차 권선(310) 및 제4 일차 권선(320)에 의해 공유되고, 제3 입력 신호(VI3) 및 제4 입력 신호(VI4)를 결합하여 제2 출력 신호(VO2)를 제공한다. 제3 입력 신호(VI3) 및 제4 입력 신호(VI4)가 각각 한 쌍의 차동 입력 신호들을 포함하므로, 제2 출력 신호(VO2) 또한 한 쌍의 제2 차동 출력 신호들을 포함하며, 제2 이차 권선(330)은 상기 제2 차동 출력 신호들을 출력하는 2개의 출력단들을 포함할 수 있다. 제2 이차 권선(330)의 상기 2개의 출력단들 중 하나는 상기 접지 전압과 연결되고 제2 이차 권선(330)의 상기 2개의 출력단들 중 다른 하나는 제1 병렬 전력 결합기(400)와 연결될 수 있다.
제2 병렬 전력결합 변압기(300)는 제3 일차 권선(310), 제4 일차 권선(320) 및 제2 이차 권선(330)이 상기 수직 방향으로 적층된 3차원 적층 구조를 가진다. 제2 병렬 전력결합 변압기(300)는 제1 병렬 전력결합 변압기(200)와 실질적으로 동일한 구조를 가질 수 있다. 다시 말하면, 제3 일차 권선(310), 제4 일차 권선(320) 및 제2 이차 권선(330)의 구조는 도 2a, 2b 및 2c를 참조하여 상술한 제1 일차 권선(210), 제2 일차 권선(220) 및 제1 이차 권선(230)의 구조와 실질적으로 동일하며, 이에 따라 중복되는 설명은 생략하도록 한다.
제1 병렬 전력 결합기(400)는 제1 병렬 전력결합 변압기(200)의 출력단 및 제2 병렬 전력결합 변압기(300)의 출력단과 연결되고, 제1 출력 신호(VO1) 및 제2 출력 신호(VO2)를 결합하여 제3 출력 신호(POUT+)를 제공한다. 제3 출력 신호(POUT+)는 출력 단자(600)를 통하여 최종 출력 신호로서 출력될 수 있다. 제1 병렬 전력 결합기(400)에 의해 2개의 3차원 적층 병렬 전력결합 변압기가 병렬로 연결되며, 이에 따라 도 1에 도시된 본 발명의 실시예들에 따른 전력 결합기를 3차원 적층 병렬-병렬 전력 결합기(100)라고 부를 수 있다.
일 실시예에서, 제1 병렬 전력 결합기(400)는 T형 병렬 전력 결합기일 수 있다. 예를 들어, 제1 병렬 전력 결합기(400)는 제1 병렬 전력결합 변압기(200)의 상기 2개의 출력단들 중 다른 하나와 연결되고 제1 출력 신호(VO1)를 수신하는 제1 입력단, 제2 병렬 전력결합 변압기(300)의 상기 2개의 출력단들 중 다른 하나와 연결되고 제2 출력 신호(VO2)를 수신하는 제2 입력단, 및 출력 단자(600)와 연결되고 제3 출력 신호(POUT+)를 제공하는 출력단을 포함할 수 있다. 상기 T형 병렬 전력 결합기를 이용하여 제1 및 제2 병렬 전력결합 변압기들(200, 300)의 제1 및 제2 이차 권선들(230, 330)의 전류들을 결합함으로써, 추가적인 회로(예를 들어, 변환 회로) 없이 최종 출력 신호인 제3 출력 신호(POUT+)를 출력 단자(600)에 효과적으로 제공할 수 있다.
일 실시예에서, 제1 병렬 전력 결합기(400)인 상기 T형 병렬 전력 결합기는 제1 및 제2 이차 권선들(230, 330)과 동일한 레이어에 배치될 수 있다. 다시 말하면, 제1 병렬 전력 결합기(400)는 제1 및 제2 이차 권선들(230, 330)과 동일한 도전성 물질을 포함하여 구현될 수 있다. 동일한 레이어에 배치되는 제1 및 제2 이차 권선들(230, 330) 및 제1 병렬 전력 결합기(400)를 동일한 빗금으로 표시하였다.
복수의 전력 증폭기들(510, 520, 530, 540, 550, 560, 570, 580)은 제1 및 제2 병렬 전력결합 변압기들(200, 300)의 제1 내지 제4 일차 권선들(210, 220, 310, 320)의 입력단들에 연결될 수 있다. 상술한 것처럼, 제1 내지 제4 입력 신호들(VI1, VI2, VI3, VI4)이 각각 한 쌍의 차동 입력 신호들을 포함하고 제1 내지 제4 일차 권선들(210, 220, 310, 320)이 각각 2개의 입력단들을 포함하므로, 1개의 일차 권선은 2개의 전력 증폭기들(즉, 한 쌍의 전력 증폭기들)과 연결될 수 있다. 예를 들어, 1개의 일차 권선과 연결되는 한 쌍의 전력 증폭기들은 의사 차동 구조 형태를 가지며, 총 8개의 개별 전력 증폭기가 4개의 일차 권선들과 연결될 수 있다.
구체적으로, 제1 전력 증폭기(510)는 제1 입력 신호(VI1)에 포함되는 상기 제1 차동 입력 신호들 중 하나를 수신하고, 제1 일차 권선(210)의 제1 입력단과 연결될 수 있다. 제2 전력 증폭기(520)는 상기 제1 차동 입력 신호들 중 다른 하나를 수신하고, 제1 일차 권선(210)의 제2 입력단과 연결될 수 있다. 제1 및 제2 전력 증폭기들(510, 520)은 의사 차동 구조 형태를 가지며, 제1 및 제2 전력 증폭기들(510, 520)에 의해 증폭된 출력들(P1-, P1+)이 제1 입력 신호(VI1)로서 제1 일차 권선(210)에 제공될 수 있다.
이와 유사하게, 제3 전력 증폭기(530)는 제2 입력 신호(VI2)에 포함되는 상기 제2 차동 입력 신호들 중 하나를 수신하고, 제2 일차 권선(220)의 제1 입력단과 연결될 수 있다. 제4 전력 증폭기(540)는 상기 제2 차동 입력 신호들 중 다른 하나를 수신하고, 제2 일차 권선(220)의 제2 입력단과 연결될 수 있다. 제3 및 제4 전력 증폭기들(530, 540)은 의사 차동 구조 형태를 가지며, 제3 및 제4 전력 증폭기들(530, 540)에 의해 증폭된 출력들(P2-, P2+)이 제2 입력 신호(VI2)로서 제2 일차 권선(220)에 제공될 수 있다.
제5 전력 증폭기(550)는 제3 입력 신호(VI3)에 포함되는 상기 제3 차동 입력 신호들 중 하나를 수신하고, 제3 일차 권선(310)의 제1 입력단과 연결될 수 있다. 제6 전력 증폭기(560)는 상기 제3 차동 입력 신호들 중 다른 하나를 수신하고, 제3 일차 권선(310)의 제2 입력단과 연결될 수 있다. 제5 및 제6 전력 증폭기들(550, 560)은 의사 차동 구조 형태를 가지며, 제5 및 제6 전력 증폭기들(550, 560)에 의해 증폭된 출력들(P3-, P3+)이 제3 입력 신호(VI3)로서 제3 일차 권선(310)에 제공될 수 있다.
제7 전력 증폭기(570)는 제4 입력 신호(VI4)에 포함되는 상기 제4 차동 입력 신호들 중 하나를 수신하고, 제4 일차 권선(320)의 제1 입력단과 연결될 수 있다. 제8 전력 증폭기(580)는 상기 제4 차동 입력 신호들 중 다른 하나를 수신하고, 제4 일차 권선(320)의 제2 입력단과 연결될 수 있다. 제7 및 제8 전력 증폭기들(570, 580)은 의사 차동 구조 형태를 가지며, 제7 및 제8 전력 증폭기들(570, 580)에 의해 증폭된 출력들(P4-, P4+)이 제4 입력 신호(VI4)로서 제4 일차 권선(320)에 제공될 수 있다.
도 3에 도시된 등가 회로에서, 전력 증폭기들(PA1, PA2, PA3, PA4, PA5, PA6, PA7, PA8)은 도 1의 전력 증폭기들(510, 520, 530, 540, 550, 560, 570, 580)에 대응하고, 일차 권선들(PW1, PW2, PW3, PW4)은 도 1의 일차 권선들(210, 220, 310, 320)에 대응하며, 이차 권선들(SW1, SW2)은 도 1의 이차 권선들(230, 330)에 대응할 수 있다.
일 실시예에서, 일차 권선들(PW1, PW2, PW3, PW4)과 이차 권선들(SW1, SW2) 사이의 기생 커패시터들(PC1, PC2, PC3, PC4, PC5, PC6, PC7, PC8)은 대칭적으로 형성될 수 있다.
구체적으로, 제1 및 제2 일차 권선들(PW1, PW2)의 제1 및 제2 입력 신호들(VI1, VI2)과 제1 이차 권선(SW1)의 제1 출력 신호(VO1)는 (+)극성끼리 서로 연결되고 (-)극성끼리 서로 연결되며, 따라서 제1 및 제2 일차 권선들(PW1, PW2)과 제1 이차 권선(SW1) 사이의 기생 커패시터들(PC1, PC2, PC3, PC4)은 대칭적으로 형성될 수 있다.
이와 유사하게, 제3 및 제4 일차 권선들(PW3, PW4)의 제3 및 제4 입력 신호들(VI3, VI4)과 제2 이차 권선(SW2)의 제2 출력 신호(VO2) 또한 (+)극성끼리 서로 연결되고 (-)극성끼리 서로 연결되며, 따라서 제3 및 제4 일차 권선들(PW3, PW4)과 제2 이차 권선(SW2) 사이의 기생 커패시터들(PC5, PC6, PC7, PC8) 또한 대칭적으로 형성될 수 있다.
상술한 것처럼, 일차 권선들(PW1, PW2, PW3, PW4)과 이차 권선들(SW1, SW2) 사이의 기생 커패시터들(PC1, PC2, PC3, PC4, PC5, PC6, PC7, PC8)이 어느 위치에서 보더라도 대칭적으로 보이는 경우에, 신호의 크기 및 위상 차이가 거의 없고 일정하며 따라서 성능 열화 없이 고효율, 고선형성 특성을 가질 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 3차원 적층 병렬-병렬 전력 결합기(100)는, 2개의 일차 권선들과 1개의 이차 권선이 병렬로 연결된 병렬 전력결합 변압기를 2개 포함하며, 각 병렬 전력결합 변압기는 1개의 이차 권선을 기준으로 2개의 일차 권선들이 상하에 위치하면서 수직적으로 자기 결합되는 3차원 적층 구조를 가질 수 있다. 3차원 적층 구조를 구현하기 위해 별도의 추가 공정이 필요하지 않으며, 일반적인 반도체 제조 공정을 이용하여 제조될 수 있다. 또한, T형 병렬 전력 결합기를 이용하여 추가적인 변환 회로 없이 2개의 병렬 전력결합 변압기들을 병렬로 연결할 수 있다. 추가적으로, 일차 권선들과 이차 권선들 사이의 기생 커패시터들이 대칭적으로 형성되어 대칭성이 유지되면서 전력이 결합될 수 있다. 따라서, 저비용으로 작은 크기를 가지면서 완전 대칭성 및 우수한 성능을 가지는 전력 결합기를 구현할 수 있다.
도 4, 5, 6, 7 및 8은 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 적층 병렬-병렬 전력 결합기의 성능을 나타내는 도면들이다.
도 4, 5, 6, 7 및 8에 도시된 시뮬레이션 및 측정 결과를 획득하기 위해, CMOS 공정을 이용하여 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 적층 병렬-병렬 전력 결합기를 포함하는 전력 증폭기를 제작하였다.
구체적으로, 2개의 일차 권선들과 수직적으로 자기 결합을 위해, 이차 권선은 가장 두꺼운 메탈(metal)인 M8을 이용하여 2개의 일차 권선들 사이에 존재하도록 형성하였다. 2개의 일차 권선들 중 하나는 두번째로 두꺼운 메탈인 M7을 이용하여 형성하고, 다른 하나의 일차 권선은 AP(aluminum pad) 메탈을 이용하여 형성하였다. 두번째로 두꺼운 메탈과 AP 메탈의 물성 및 제일 두꺼운 메탈까지의 거리가 거의 같다는 점을 이용하여 구성하였으므로 특별한 공정이 필요 없었다. 도 2c에 도시된 구조에서, M7 메탈의 두께인 t1=0.7um, AP 메탈의 두께인 t2=1.4um, M8 메탈의 두께인 t3=3.4um, 그리고 d13=0.74um, d23=0.8um, L=8um이 되도록 실제 구현하였다. 또한, 1개 이상의 개별 전력 증폭기의 출력이 일차 권선의 입력에 연결되었고, 2개의 병렬 전력결합 변압기의 이차 권선의 전류를 결합하는 T형 병렬 전력 결합기를 통하여 최종 출력 노드에 연결하였으며, T형 병렬 전력 결합기도 이차 권선에 사용된 제일 두꺼운 메탈을 이용하여 형성하였다. 추가적으로, 개별 전력 증폭기의 최적화된 부하 임피던스를 제공하기 위해 일차 권선과 이차 권선의 권수비는 1:1로 형성하였다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 적층 병렬-병렬 전력 결합기의 자기 인덕턴스(self-inductance) 및 양호도(quality factor 또는 Q factor) 특성을 나타내고 있다. 5G 이동통신 시스템의 중심 주파수인 약 28GHz 근처에서, M7 메탈 및 AP 메탈을 이용하여 형성된 일차 권선들의 자기 인덕턴스 및 양호도가 서로 차이가 크지 않고 거의 같은 것을 확인할 수 있다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 적층 병렬-병렬 전력 결합기의 전파 계수(transmission coefficient) 크기 및 위상의 차이(phase difference) 특성을 나타내고 있다. 5G 이동통신 시스템의 중심 주파수인 약 28GHz 근처에서, 전파 계수 크기 및 위상의 차이가 거의 없어 대칭성을 가지는 것을 확인할 수 있다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 적층 병렬-병렬 전력 결합기의 손실 특성, 즉 삽입 손실(insertion loss)을 나타내고 있다. 5G 이동통신 시스템의 중심 주파수인 약 28GHz 근처에서, 약 0.7dB(92.4%)로 매우 낮은 손실 특성을 가지는 것을 확인할 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 적층 병렬-병렬 전력 결합기를 사용하여 전력 증폭기를 제작하는 경우에 고효율, 고선형성 성능을 얻을 수 있다.
도 7 및 8을 참조하면, CMOS 공정을 이용하여 제작한 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 적층 병렬-병렬 전력 결합기를 포함하는 전력 증폭기의 성능 측정 결과를 나타내고 있다. 도 7에 도시된 것처럼, 5G 이동통신 시스템의 중심 주파수인 약 28GHz에서 싱글 톤(single tone) 신호로 제작된 전력 증폭기의 성능을 측정한 경우에, 전력 이득(gain) 약 14.8dB, 최대 출력 전력(output power) 약 23.2dBm, 최대 전력 효율(power added efficiency; PAE) 약 33.5%인 성능을 얻을 수 있다. 또한, 전력 증폭기의 선형성을 검증하기 위해 5G 이동통신을 위한 OFDM(orthogonal frequency division multiplexing) 변조 신호(256-QAM(quadrature amplitude modulation]) 및 100M Sym/s)를 이용하여 전력 증폭기의 성능을 측정하였다. 도 8에 도시된 것처럼, 변조 신호를 이용하여 전력 증폭기의 성능을 측정한 경우에, 선형 출력 전력(Pout) 약 18.02dBm, 선형 전력 효율(PAE) 약 17.6%, EVM(error vector magnitude) 약 31.21dB, ACPR(adjacent channel power ratio) 약 30.06dBc로 우수한 성능을 가지는 것을 확인할 수 있다.
상술한 것처럼, 본 발명의 실시예들에 따른 완전 대칭성을 가지는 3차원 적층 병렬-병렬 전력 결합기 구조를 제안하고, 실제 CMOS 공정을 이용하여 3차원 적층 병렬-병렬 전력 결합기를 포함하는 전력 증폭기를 제작하였다. 제작된 전력 증폭기의 구조의 유효성을 검증하였고, 제작된 전력 증폭기의 성능 측정 결과를 통하여 우수한 성능을 가지는 것을 확인하였다.
한편, 3차원 적층 병렬-병렬 전력 결합기가 2개의 3차원 적층 병렬 전력결합 변압기들 및 상기 2개의 3차원 적층 병렬 전력결합 변압기들을 병렬 연결하는 1개의 T형 병렬 전력 결합기를 포함하는 경우에 기초하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명의 실시예들은 이에 한정되지 않을 수 있다. 예를 들어, 3차원 적층 병렬-병렬 전력 결합기는 3개 이상의 3차원 적층 병렬 전력결합 변압기들 및 상기 3개 이상의 3차원 적층 병렬 전력결합 변압기들을 병렬 연결하는 2개 이상의 T형 병렬 전력 결합기들을 포함하여 구현될 수도 있다.
도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 적층 병렬 전력 결합기를 나타내는 도면이다. 도 10은 도 9를 참조하여 설명된 3차원 적층 병렬 전력 결합기의 등가 회로를 나타내는 회로도이다. 이하 도 1, 2a, 2b, 2c 및 3과 중복되는 설명은 생략한다.
도 9 및 10을 참조하면, 3차원 적층 병렬 전력 결합기(1000)는 제1 일차 권선(1110), 제2 일차 권선(1120) 및 제1 이차 권선(1130)을 포함한다. 3차원 적층 병렬 전력 결합기(1000)는 복수의 전력 증폭기들(PA1, PA2, PA3, PA4)(1210, 1220, 1230, 1240) 및 출력 단자(1300)를 더 포함할 수 있다.
도 9의 제1 일차 권선(1110), 제2 일차 권선(1120), 제1 이차 권선(1130), 복수의 전력 증폭기들(1210, 1220, 1230, 1240) 및 출력 단자(1300)는 각각 도 1의 제1 일차 권선(210), 제2 일차 권선(220), 제1 이차 권선(230), 복수의 전력 증폭기들(510, 520, 530, 540) 및 출력 단자(600)와 실질적으로 동일할 수 있다.
복수의 전력 증폭기들(1210, 1220, 1230, 1240)은 제1 입력 신호(VI1)에 포함되는 한 쌍의 제1 차동 입력 신호들 및 제2 입력 신호(VI2)에 포함되는 한 쌍의 제2 차동 입력 신호들을 수신하며, 제1 일차 권선(1110) 및 제2 일차 권선(1120)의 입력단과 연결될 수 있다.
구체적으로, 제1 전력 증폭기(1210)는 상기 제1 차동 입력 신호들 중 하나를 수신하고, 제1 일차 권선(1110)의 제1 입력단과 연결될 수 있다. 제2 전력 증폭기(1220)는 상기 제1 차동 입력 신호들 중 다른 하나를 수신하고, 제1 일차 권선(1110)의 제2 입력단과 연결될 수 있다. 제3 전력 증폭기(1230)는 상기 제2 차동 입력 신호들 중 하나를 수신하고, 제2 일차 권선(1120)의 제1 입력단과 연결될 수 있다. 제4 전력 증폭기(1240)는 상기 제2 차동 입력 신호들 중 다른 하나를 수신하고, 제2 일차 권선(1120)의 제2 입력단과 연결될 수 있다.
제1 일차 권선(1110)은 제1 전력 증폭기(1210)의 출력단과 연결되는 상기 제1 입력단 및 제2 전력 증폭기(1220)의 출력단과 연결되는 상기 제2 입력단을 포함하고, 제1 및 제2 전력 증폭기들(1210, 1220)의 출력들(P1-, P1+), 즉 제1 및 제2 전력 증폭기들(1210, 1220)에 의해 증폭된 상기 제1 차동 입력 신호들을 수신한다.
제2 일차 권선(1120)은 제3 전력 증폭기(1230)의 출력단과 연결되는 상기 제1 입력단 및 제4 전력 증폭기(1240)의 출력단과 연결되는 상기 제2 입력단을 포함하고, 제3 및 제4 전력 증폭기들(1230, 1240)의 출력들(P2-, P2+), 즉 제3 및 제4 전력 증폭기들(1230, 1240)에 의해 증폭된 상기 제2 차동 입력 신호들을 수신한다.
제1 이차 권선(1130)은 제1 일차 권선(1110) 및 제2 일차 권선(1120)에 의해 공유되고, 상기 제1 차동 입력 신호들 및 상기 제2 차동 입력 신호들을 결합하여 한 쌍의 제1 차동 출력 신호들을 포함하는 제1 출력 신호(VO1)를 제공한다. 제1 이차 권선(1130)의 2개의 출력단들 중 하나는 접지 전압과 연결되고 다른 하나는 출력 단자(1300)와 연결되며, 제1 출력 신호(VO1)는 최종 출력 신호(POUT+)로서 제공될 수 있다.
제1 일차 권선(1110), 제2 일차 권선(1120) 및 제1 이차 권선(1130)은 수직 방향으로 적층된 3차원 적층 구조(1100)를 가지며, 단면에서 보았을 때 제1 이차 권선(1130)은 제1 일차 권선(1110) 및 제2 일차 권선(1120)의 사이에 배치된다. 3차원 적층 구조(1100), 즉 제1 일차 권선(1110), 제2 일차 권선(1120) 및 제1 이차 권선(1130)의 배치, 구조, 물질, 제조 공정 등은 도 2a, 2b 및 2c를 참조하여 상술한 것과 실질적으로 동일할 수 있다.
도 10에 도시된 등가 회로에서, 전력 증폭기들(PA1, PA2, PA3, PA4)은 도 9의 전력 증폭기들(1210, 1220, 1230, 1240)에 대응하고, 일차 권선들(PW1, PW2)은 도 1의 일차 권선들(1110, 1120)에 대응하며, 이차 권선(SW1)은 도 1의 이차 권선(1130)에 대응할 수 있다. 도 10의 전력 증폭기들(PA1, PA2, PA3, PA4), 일차 권선들(PW1, PW2), 이차 권선(SW1) 및 기생 커패시터들(PC1, PC2, PC3, PC4)은 각각 도 3의 전력 증폭기들(PA1, PA2, PA3, PA4), 일차 권선들(PW1, PW2), 이차 권선(SW1) 및 기생 커패시터들(PC1, PC2, PC3, PC4)과 실질적으로 동일하며, 일차 권선들(PW1, PW2)과 이차 권선(SW1) 사이의 기생 커패시터들(PC1, PC2, PC3, PC4)은 대칭적으로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 3차원 적층 병렬 전력 결합기(1000)는, 2개의 일차 권선들과 1개의 이차 권선이 병렬로 연결되며, 1개의 이차 권선을 기준으로 2개의 일차 권선들이 상하에 위치하면서 수직적으로 자기 결합되는 3차원 적층 구조를 가질 수 있다. 3차원 적층 구조를 구현하기 위해 별도의 추가 공정이 필요하지 않으며, 일반적인 반도체 제조 공정을 이용하여 제조될 수 있다. 추가적으로, 일차 권선들과 이차 권선들 사이의 기생 커패시터들이 대칭적으로 형성되어 대칭성이 유지되면서 전력이 결합될 수 있다. 따라서, 저비용으로 작은 크기를 가지면서 완전 대칭성 및 우수한 성능을 가지는 전력 결합기를 구현할 수 있다.
한편, 3차원 적층 병렬 전력 결합기가 2개의 일차 권선들과 1개의 이차 권선이 병렬로 연결되면서 3차원 적층 구조를 가지는 경우에 기초하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명의 실시예들은 이에 한정되지 않을 수 있다. 예를 들어, 3차원 적층 병렬 전력 결합기는 4개 이상의 짝수 개의 일차 권선들과 1개의 이차 권선이 병렬로 연결되면서 3차원 적층 구조를 가지도록 구현될 수 있고, 이 때 일차 권선들 중 절반은 이차 권선의 상부에 배치되고 나머지 절반은 이차 권선의 하부에 배치되는 대칭적인 구조를 가지도록 구현될 수 있다.
도 11은 본 발명의 실시예들에 따른 통신 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 11을 참조하면, 통신 시스템(2000)은 제1 송수신기(2100) 및 제2 송수신기(2200)를 포함한다.
일 실시예에서, 통신 시스템(2000)은 약 28GHz의 중심 주파수를 가지는 5G 이동통신 시스템이며, 제1 송수신기(2100) 및 제2 송수신기(2200)는 상기 5G 이동통신 시스템에 포함되는 무선 채널을 통하여 신호를 주고받을 수 있다. 예를 들어, 제1 송수신기(2100) 및 제2 송수신기(2200)는 휴대폰(mobile phone), 스마트 폰(smart phone), 태블릿(tablet) PC(Personal Computer), 노트북(laptop computer), PDA(Personal Digital Assistant), PMP(Portable Multimedia Player), 네비게이션(navigation) 기기, 웨어러블(wearable) 기기, IoT(Internet of Things) 기기, e-북(e-book), VR(Virtual Reality) 기기, AR(Augmented Reality) 기기, 드론(drone) 등의 임의의 모바일 기기일 수 있다.
제1 송수신기(2100)는 제1 신호 처리기(2110), 제1 스위치(2120), 제1 송신 경로(2130), 제1 수신 경로(2140), 제2 스위치(2150) 및 제1 안테나(2160)를 포함할 수 있다. 도 11의 예에서, 제1 송수신기(2100)는 송신 모드로 동작할 수 있다.
제1 신호 처리기(2110)는 송신하고자 하는 데이터를 처리하여 복수의 입력 송신 신호들(TX_IN)을 생성할 수 있다. 예를 들어, 제1 신호 처리기(2110)는 암/복호화, 변/복조 등의 데이터 및/또는 신호 처리를 수행하며, 상기 송신 모드에서 기저 대역의 신호 처리, 중간 주파수(intermediate frequency) 대역의 신호 처리 및 RF(radio frequency) 대역의 신호 처리를 순차적으로 수행할 수 있다.
제1 스위치(2120) 및 제2 스위치(2150)는 제1 송신 경로(2130) 및 제1 수신 경로(2140) 중 하나를 제1 신호 처리기(2110) 및 제1 안테나(2160)에 연결할 수 있다. 도 11에 도시된 것처럼 제1 송수신기(2100)가 상기 송신 모드로 동작하는 경우에, 제1 송신 경로(2130)가 제1 스위치(2120) 및 제2 스위치(2150)를 통하여 제1 신호 처리기(2110) 및 제1 안테나(2160)에 연결될 수 있다.
제1 송신 경로(2130)는 상기 송신 모드에서 활성화되며, 복수의 입력 송신 신호들(TX_IN)에 기초하여 출력 송신 신호(TX_OUT)를 제공하고, 복수의 입력 송신 신호들(TX_IN)을 결합하는 3차원 적층 전력 결합기(2132)를 포함할 수 있다. 상세하게 도시하지는 않았으나, 제1 송신 경로(2130)는 전력 증폭기, 위상 조절을 위한 이상기(phase shifter), 이득 조절을 위한 VGA(variable gain amplifier) 또는 감쇠기(attenuator) 등을 더 포함할 수 있다.
3차원 적층 전력 결합기(2132)는 본 발명의 실시예들에 따른 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 3차원 적층 전력 결합기(2132)는 도 1 내지 8을 참조하여 상술한 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 적층 병렬-병렬 전력 결합기의 형태로 구현될 수도 있고, 도 9 및 10을 참조하여 상술한 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 적층 병렬 전력 결합기의 형태로 구현될 수도 있다. 본 발명의 실시예들에 따라 저비용으로 작은 크기를 가지면서 완전 대칭성 및 우수한 성능을 가지도록 구현되는 3차원 적층 전력 결합기(2132)를 포함함으로써, 통신 시스템(2000)의 성능이 향상될 수 있다.
제1 수신 경로(2140)는 상기 송신 모드에서 비활성화될 수 있다. 제1 안테나(2160)는 출력 송신 신호(TX_OUT)를 출력할 수 있다. 예를 들어, 제1 안테나(2160)는 복수의 안테나들을 포함하는 안테나 어레이의 형태로 구현되어 빔포밍(beamforming) 방식으로 신호를 전송할 수 있다.
제2 송수신기(2200)는 제2 신호 처리기(2210), 제3 스위치(2220), 제2 송신 경로(2230), 제2 수신 경로(2240), 제4 스위치(2250) 및 제2 안테나(2260)를 포함할 수 있다. 도 11의 예에서, 제2 송수신기(2200)는 수신 모드로 동작할 수 있다. 상기 수신 모드로 동작하는 점을 제외하면, 제2 송수신기(2200)의 구조는 제1 송수신기(2100)의 구조와 실질적으로 동일할 수 있다.
제2 안테나(2260)는 상기 무선 채널을 통하여 전송된 입력 수신 신호(RX_IN)를 수신할 수 있다. 입력 수신 신호(RX_IN)는 출력 송신 신호(TX_OUT)와 실질적으로 동일할 수 있다.
제3 스위치(2220) 및 제4 스위치(2250)는 제2 송신 경로(2230) 및 제2 수신 경로(2240) 중 하나를 제2 신호 처리기(2210) 및 제2 안테나(2260)에 연결할 수 있다. 도 11에 도시된 것처럼 제2 송수신기(2200)가 상기 수신 모드로 동작하는 경우에, 제2 수신 경로(2240)가 제3 스위치(2220) 및 제4 스위치(2250)를 통하여 제2 신호 처리기(2210) 및 제2 안테나(2260)에 연결될 수 있다.
제2 수신 경로(2240)는 상기 수신 모드에서 활성화되며, 입력 수신 신호(RX_IN)에 기초하여 복수의 출력 수신 신호들(RX_OUT)을 제공할 수 있다. 상세하게 도시하지는 않았으나, 제2 수신 경로(2240)는 저잡음 증폭기(low noise amplifier; LNA), 전력 분배기, 위상 조절을 위한 이상기, 이득 조절을 위한 VGA 또는 감쇠기 등을 더 포함할 수 있다. 한편, 제1 수신 경로(2140)는 제2 수신 경로(2240)와 실질적으로 동일할 수 있다.
제2 송신 경로(2230)는 상기 수신 모드에서 비활성화될 수 있다. 제2 송신 경로(2230)는 제1 송신 경로(2130)와 실질적으로 동일하며, 본 발명의 실시예들에 따른 구조를 가지는 3차원 적층 전력 결합기(2232)를 포함할 수 있다.
제2 신호 처리기(2210)는 복수의 출력 수신 신호들(RX_OUT)을 처리하여 수신 데이터를 생성할 수 있다. 예를 들어, 제2 신호 처리기(2210)는 암/복호화, 변/복조 등의 데이터 및/또는 신호 처리를 수행하며, 상기 수신 모드에서 RF 대역의 신호 처리, 중간 주파수 대역의 신호 처리 및 기저 대역의 신호 처리를 순차적으로 수행할 수 있다.
한편, 제1 송수신기(2100)가 상기 송신 모드로 동작하고 제2 송수신기(2200)가 상기 수신 모드로 동작하는 경우를 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 제1 송수신기(2100)가 상기 수신 모드로 동작하고 제2 송수신기(2200)가 상기 송신 모드로 동작할 수도 있다.
실시예에 따라서, 제1 송수신기(2100)에 포함되는 제1 송신 경로(2130) 및 제1 수신 경로(2140)는 일부 구성요소를 공유하도록 구현될 수 있고, 제2 송수신기(2200)에 포함되는 제2 송신 경로(2230) 및 제2 수신 경로(2240) 또한 일부 구성요소를 공유하도록 구현될 수 있다.
이상에서 설명된 실시예들은 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치, 방법 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPGA(field programmable gate array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
본 발명의 실시예들은 전력 결합기를 포함하는 다양한 통신 장치 및 시스템과 이를 포함하는 임의의 전자 장치 및 시스템에 유용하게 이용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 실시예들은 PC(Personal Computer), 노트북(laptop), 핸드폰(cellular), 스마트 폰(smart phone), MP3 플레이어, PDA(Personal Digital Assistant), PMP(Portable Multimedia Player), 디지털 TV, 디지털 카메라, 포터블 게임 콘솔(portable game console), 네비게이션(navigation) 기기, 웨어러블(wearable) 기기, IoT(Internet of Things) 기기, IoE(Internet of Everything) 기기, e-북(e-book), VR(Virtual Reality) 기기, AR(Augmented Reality) 기기, 드론(drone) 등과 같은 전자 시스템에 더욱 유용하게 적용될 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 것이다.

Claims (10)

  1. 제1 입력 신호를 수신하는 제1 일차 권선(primary winding), 제2 입력 신호를 수신하는 제2 일차 권선, 및 상기 제1 일차 권선 및 상기 제2 일차 권선에 의해 공유되고 상기 제1 입력 신호 및 상기 제2 입력 신호를 결합하여 제1 출력 신호를 제공하는 제1 이차 권선(secondary winding)을 포함하며, 상기 제1 일차 권선, 상기 제2 일차 권선 및 상기 제1 이차 권선이 수직 방향으로 적층된 3차원 적층 구조를 가지는 제1 병렬 전력결합 변압기;
    제3 입력 신호를 수신하는 제3 일차 권선, 제4 입력 신호를 수신하는 제4 일차 권선, 및 상기 제3 일차 권선 및 상기 제4 일차 권선에 의해 공유되고 상기 제3 입력 신호 및 상기 제4 입력 신호를 결합하여 제2 출력 신호를 제공하는 제2 이차 권선을 포함하며, 상기 제3 일차 권선, 상기 제4 일차 권선 및 상기 제2 이차 권선이 상기 수직 방향으로 적층된 상기 3차원 적층 구조를 가지는 제2 병렬 전력결합 변압기; 및
    상기 제1 병렬 전력결합 변압기의 출력단 및 상기 제2 병렬 전력결합 변압기의 출력단과 연결되고, 상기 제1 출력 신호 및 상기 제2 출력 신호를 결합하여 제3 출력 신호를 제공하는 제1 병렬 전력 결합기를 포함하는 3차원 적층 병렬-병렬 전력 결합기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    단면에서 보았을 때, 상기 제1 이차 권선은 상기 제1 일차 권선 및 상기 제2 일차 권선의 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 3차원 적층 병렬-병렬 전력 결합기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 이차 권선은 상기 제1 일차 권선 및 상기 제2 일차 권선과 수직적으로 자기 결합되는 것을 특징으로 하는 3차원 적층 병렬-병렬 전력 결합기.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 이차 권선의 두께는 상기 제1 일차 권선의 두께 및 상기 제2 일차 권선의 두께보다 두꺼운 것을 특징으로 하는 3차원 적층 병렬-병렬 전력 결합기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 일차 권선과 상기 제1 이차 권선의 제1 권수비 및 상기 제2 일차 권선과 상기 제1 이차 권선의 제2 권수비는 1:1인 것을 특징으로 하는 3차원 적층 병렬-병렬 전력 결합기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 일차 권선의 입력단 및 상기 제2 일차 권선의 입력단에 연결되는 적어도 하나의 전력 증폭기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 적층 병렬-병렬 전력 결합기.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제1 입력 신호는 한 쌍의 제1 차동(differential) 입력 신호들을 포함하고, 상기 제2 입력 신호는 한 쌍의 제2 차동 입력 신호들을 포함하며,
    상기 적어도 하나의 전력 증폭기는,
    상기 제1 차동 입력 신호들 중 하나를 수신하고, 상기 제1 일차 권선의 제1 입력단과 연결되는 제1 전력 증폭기;
    상기 제1 차동 입력 신호들 중 다른 하나를 수신하고, 상기 제1 일차 권선의 제2 입력단과 연결되는 제2 전력 증폭기;
    상기 제2 차동 입력 신호들 중 하나를 수신하고, 상기 제2 일차 권선의 제1 입력단과 연결되는 제3 전력 증폭기; 및
    상기 제2 차동 입력 신호들 중 다른 하나를 수신하고, 상기 제2 일차 권선의 제2 입력단과 연결되는 제4 전력 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 적층 병렬-병렬 전력 결합기.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 병렬 전력 결합기는 T형 병렬 전력 결합기인 것을 특징으로 하는 3차원 적층 병렬-병렬 전력 결합기.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 T형 병렬 전력 결합기는 상기 제1 이차 권선과 동일한 레이어에 배치되는 것을 특징으로 하는 3차원 적층 병렬-병렬 전력 결합기.
  10. 송신하고자 하는 데이터를 처리하여 복수의 입력 송신 신호들을 생성하는 신호 처리기;
    상기 복수의 입력 송신 신호들에 기초하여 출력 송신 신호를 제공하고, 상기 복수의 입력 송신 신호들을 결합하는 3차원 적층 병렬-병렬 전력 결합기를 포함하는 송신 경로; 및
    상기 출력 송신 신호를 출력하는 안테나를 포함하며,
    상기 3차원 적층 병렬-병렬 전력 결합기는,
    제1 입력 송신 신호를 수신하는 제1 일차 권선(primary winding), 제2 입력 송신 신호를 수신하는 제2 일차 권선, 및 상기 제1 일차 권선 및 상기 제2 일차 권선에 의해 공유되고 상기 제1 입력 송신 신호 및 상기 제2 입력 송신 신호를 결합하여 제1 출력 신호를 제공하는 제1 이차 권선(secondary winding)을 포함하며, 상기 제1 일차 권선, 상기 제2 일차 권선 및 상기 제1 이차 권선이 수직 방향으로 적층된 3차원 적층 구조를 가지는 제1 병렬 전력결합 변압기;
    제3 입력 송신 신호를 수신하는 제3 일차 권선, 제4 입력 송신 신호를 수신하는 제4 일차 권선, 및 상기 제3 일차 권선 및 상기 제4 일차 권선에 의해 공유되고 상기 제3 입력 송신 신호 및 상기 제4 입력 송신 신호를 결합하여 제2 출력 신호를 제공하는 제2 이차 권선을 포함하며, 상기 제3 일차 권선, 상기 제4 일차 권선 및 상기 제2 이차 권선이 상기 수직 방향으로 적층된 상기 3차원 적층 구조를 가지는 제2 병렬 전력결합 변압기; 및
    상기 제1 병렬 전력결합 변압기의 출력단 및 상기 제2 병렬 전력결합 변압기의 출력단과 연결되고, 상기 제1 출력 신호 및 상기 제2 출력 신호를 결합하여 상기 출력 송신 신호를 제공하는 제1 병렬 전력 결합기를 포함하는 통신 시스템.

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