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KR20020095035A - 회로 규모의 증대를 억제하고 또한, 소비 전류가 낮은효율적인 고주파 증폭기 및 무선 송신 장치 - Google Patents

회로 규모의 증대를 억제하고 또한, 소비 전류가 낮은효율적인 고주파 증폭기 및 무선 송신 장치 Download PDF

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KR20020095035A
KR20020095035A KR1020020007657A KR20020007657A KR20020095035A KR 20020095035 A KR20020095035 A KR 20020095035A KR 1020020007657 A KR1020020007657 A KR 1020020007657A KR 20020007657 A KR20020007657 A KR 20020007657A KR 20020095035 A KR20020095035 A KR 20020095035A
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amplifier
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KR1020020007657A
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오타아키라
이노우에아키라
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미쓰비시덴키 가부시키가이샤
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Abstract

파워 앰프 모듈(100) 내의 고주파 증폭기(101)는, 그것이 형성되는 기판 상에, 입력 신호를 수신하여 증폭하기 위한 제 1 단 및 제 2 단 앰프(105, 107)와, 제 2 단 앰프(107)의 출력 신호에 포함되는 고조파에 대한 정합을 취하기 위한 고조파 처리 회로(109)와, 고조파 처리 회로(109)의 출력을 수신하고, 비가역 회로 소자(103)에 인가하기 위한 신호를, 소정의 주파수를 컷오프 주파수로 하여 선택적으로 투과시키는 로우패스 필터(low-pass filter)(108')를 구비한다.

Description

회로 규모의 증대를 억제하고 또한, 소비 전류가 낮은 효율적인 고주파 증폭기 및 무선 송신 장치{HIGH-FREQUENCY AMPLIFIER AND RADIO TRANSMISSION DEVICE WITH CIRCUIT SCALE AND CURRENT CONSUMPTION REDUCED TO ACHIEVE HIGH EFFICIENCY}
본 발명은 전계 효과형 트랜지스터(이하, FET:Field Effect Transistor) 등의 고주파 트랜지스터를 이용한 고주파 반도체 증폭기 및 그것을 이용한 무선 송신 장치의 구성에 관한 것으로, 특히, 이동 통신용 기기 그 외 마이크로파대 통신 기기에 이용되는 고주파 증폭기 및 이것을 이용한 무선 송신 장치의 구성에 관한 것이다.
휴대 단말기 등의 무선 송신부는 FET 등의 고주파 트랜지스터를 반도체 기판 상에 형성한 칩을 절연체 기판 상에 조립하는 것에 의해 구성되어 있다.
도 15는 이와 같은 종래의 휴대 단말기에 이용되는 무선 송신부(9000)의 구성을 설명하기 위한 개략 블록도이다.
도 15에서, 무선 송신부(9000)는 효율적으로 동작시킬 수 있는 고주파 증폭기(이하, 「고효율 증폭기」라고 칭함)(1010)와, 비가역 회로 소자(1030)와, 고효율 증폭기(1010)와 비가역 회로 소자(1030)를 접속하는 전송 선로(1020)를 구비한다.
또, 고효율 증폭기(1010)는 입력 단자(10)와 출력 단자(20)를 갖는 파워 앰프 모듈(100) 내에 조립된다. 입력 단자(10)는 소정의 변조 처리가 이루어져, 송신을 위한 고주파로 업 컨버팅된 송신 신호가 입력된다. 또한, 비가역 회로 소자(1030)의 출력은, 최종적으로는, 안테나(도시하지 않음)에 인가된다.
상술한 바와 같이, 고효율 증폭기(1010)는 세라믹 또는 수지 등의 절연체 상에 마이크로스트립 선로(microstrip line) 등의 금속 도파선로(metallic waveguide line)(전송로)를 마련한 기판 상에 형성된다. 즉, 모듈(100)의 입력 단자(10)로부터 출력 단자(20)까지의 사이에서, 고효율 증폭기(1010)는, 순서대로 입력 정합 회로(104), 제 1 단 앰프(105)의 칩, 단간 정합 회로(l06), 제 2 단 앰프(107)의 칩, 출력 정합 회로(1080) 각각을, 기판 상에 미리 형성된 금속 도파선로에 접속하도록 조립함으로써 형성된다. 이들 중, 수동 소자인 입력 정합 회로(104), 단간 정합 회로(106) 및 출력 정합 회로(1080)에서는, 금속 도파선로와 마찬가지로 미리 기판 상에 금속층으로 만들어 놓고, 조립 단계에서 와이어의 접속을 변경하는 등에 의해 미세 조정하는 구성으로 해도 무방하다.
출력 정합 회로(1080)는 고조파 처리 회로(111)와, 기본파 정합 회로(114)를 포함한다. 고조파 처리 회로(111)는 고조파를 처리하는 회로로서, 고조파에 대한임피던스 정합을 실행한다. 기본파 정합 회로(114)는 기본파의 임피던스 정합을 실행한다.
비가역 회로 소자(1030)는, 예컨대, 아이솔레이터(130)를 구비한다. 비가역 회로 소자(1030)의 출력 단자(40)는 이동체 통신 기기 등의 안테나 측에 접속된다. 이동체 통신 기기 등에서는, 비가역 회로 소자(1030)에 의해 안테나의 상태에 관계없이 증폭기를 효율적으로 동작시킬 수 있게 된다.
이하, 비가역 회로 소자의 일례로서, 아이솔레이터를 이용하는 경우에 대해 설명한다.
비가역 회로 소자(1030)는 전송 선로(1020)와 접속되는 입력 정합 회로(120)와, 입력 정합 회로(120)와 출력 단자(40) 사이에 접속되는 아이솔레이터(130)를 포함한다.
고효율 증폭기(1010)의 출력 임피던스 및 아이솔레이터(1030)의 입출력 임피던스는 50Ω이다. 이것은, 종래부터 고주파 기기에 표준적으로 이용되는 전송 선로의 종단 특성 임피던스가 50ohm(이하, ohm을 Ω라고 기재함)으로 구성되어 있기 때문이다. 한편, 제 2 단 앰프(107)의 출력 임피던스는 1∼10Ω이다. 이 때문에, 기본파 정합 회로(114)는 제 2 단 앰프(107)의 출력 임피던스(1∼10Ω)를 50Ω으로 변환하는 변환 회로로 구성되어 있다.
입력 단자(10)로부터 입력된 신호는 고효율 증폭기(1010)에서 증폭된다. 증폭된 신호는 특성 임피던스가 50Ω인 전송 선로(1020), 아이솔레이터(1030)를 통과하여 안테나 측으로 출력된다. 아이솔레이터(1030) 이후에서 발생하는 반사파는아이솔레이터(1030)에 의해 차단된다. 따라서, 반사파는 고효율 증폭기(1010)로 되돌아가지 않기 때문에, 고효율 증폭기(1010)는 효율적인 동작을 유지한 채로 안정된 동작을 행할 수 있게 된다.
그런데, 휴대 단말은 최근 소형화 및 경량화가 한층 더 진행되고 있어, 이 소형화 및 경량화가 단말 개발의 중요한 요소로 되고 있다. 이러한 휴대 단말의 소형화, 경량화에 가장 공헌하는 것이 전지의 소형화이다. 이것을 일정한 통화 시간을 만족시키면서 실현하기 위해서는, 휴대 단말의 소비 전력 중 큰 비율을 차지하는 증폭기의 동작 효율을 높임으로써 그 소비 전력을 감소시키는 것이 중요하다.
그러나, 상술한 무선 송신부(9000)의 구성에서는, 기본파 정합 회로(114)에서의 손실이 커서 증폭기의 고효율화가 곤란하게 되어 있다.
이와 같은 문제점에 대한 효율 개선을 위한 종래예로서, 「비가역 회로 소자 및 복합 전자 부분(일본 특허 공개 평성 제10-327003호 공보)」에는, 고효율 증폭기의 출력 임피던스, 비가역 회로 소자(아이솔레이터)의 입력 임피던스 및 고효율 증폭기와 비가역 회로 소자를 접속하는 선로의 특성 임피던스 Z를 2Ω<Z<12.5Ω으로 하는 구성이 개시되어 있다.
도 16은 상기 문헌에 개시되어 있는 저 임피던스 아이솔레이터를 이용한 무선 송신부(9200)의 구성예를 나타내는 블록도이다.
도 16을 참조하면, 무선 송신부(9200)는 저 임피던스 고효율 증폭기(low-impedance high-efficiency amplifier)(101)와, 저 임피던스 전송 선로(102)와, 저 임피던스 아이솔레이터(103)로 구성된다.
저 임피던스 고효율 증폭기(101)의 출력 임피던스는 상술한 종래의 표준적인 전송 선로의 특성 임피던스 50Ω보다도 낮고, 또한, 저 임피던스 아이솔레이터(103)의 입력 임피던스도 50Ω보다도 낮은 값으로 되어 있다. 이에 대하여, 아이솔레이터(103)의 출력 임피던스는 표준적인 특성 임피던스 50Ω으로 되도록 설계되어 있다.
도 16에 나타낸 구성에서는, 고효율 증폭기(101)의 출력 임피던스는, 예컨대, 1Ω∼10Ω(제 2 단 앰프(107)의 출력 임피던스에 상당함)이 된다. 아이솔레이터(103)에서의 입력 정합 회로(111)는 저 임피던스 아이솔레이터(103)의 입력 임피던스를 고효율 증폭기(101)의 출력 임피던스에 맞추도록 조정된다.
도 16에 도시된 구성에서는, 고효율 증폭기(101)에서 기본파 정합 회로를 생략할 수 있다. 따라서, 출력 정합 회로에서 발생하는 손실을 억제할 수 있어, 고효율 증폭기(101)와 아이솔레이터(103)를 포함시킨 구성 전체로서 소비 전력을 작게 할 수 있다.
저 임피던스 아이솔레이터(103)의 입력 정합 회로(111)에는, 소위 C-L-C π형 로우패스 필터(113)가 마련되어 있다.
이 로우패스 필터(113)에 의해 저 임피던스 고효율 증폭기(101)로부터 출력되는 고조파 성분이 제거된다.
그러나, 도 16에 도시된 구성에서는, 이하와 같은 문제점이 있다.
즉, 파워 앰프 모듈인 고효율 증폭기(101)와 저 임피던스 아이솔레이터(103) 사이에는 저 임피던스 전송 선로(102)가 존재한다.
도 16에 도시한 것과 같은 구성에서는, 저 임피던스 아이솔레이터(103)의 입력 임피던스는 주파수 대역 내에서 변화되고 있다.
예컨대, 대역 내의 가장 낮은 주파수 fl는 그 임피던스값은 10Ω이며, 높은 주파수 fh에서는 11Ω으로 변화되는 것으로 한다.
이 경우, 전송 선로(102)의 인덕터값이 L인 것으로 가정하면, 고효율 증폭기(101)의 출력단에서 아이솔레이터측을 보았을 때의 임피던스는, 주파수 fl에서는 (10+j2πflL)Ω(j:허수 단위)이며, 주파수 fh에서는 (11+j2πfhL)Ω으로 된다. 이 때, 대역 내에서의 임피던스의 변화량은 이하의 수학식 1로 표현된다.
따라서, 대역 내에서의 임피던스의 변화량은 인덕터값 L이 커짐에 따라 커진다. 그 결과, 임피던스의 변화량이 증폭기(101)의 출력 임피던스에 비해 비교적 커지기 때문에, 고효율 증폭기(101)의 증폭 효율과 같은 특성이 열화된다는 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은 회로 규모의 증대를 억제하면서, 특성 열화를 방지하여, 소비 전류가 낮은 효율적인 고주파 증폭기 및 이것을 이용한 무선 송신 장치를 제공하는 것이다.
도 1은 무선 송신 장치(1000)의 구성을 설명하기 위한 개략 블록도,
도 2는 기본파 조정 회로(fundamental adjusting circuit)(110)의 일례를 나타내는 회로도,
도 3은 고조파 처리 회로(harmonic processing circuit)(109)의 일례를 나타내는 개략 블록도,
도 4는 고조파 처리 회로(109)의 보다 구체적인 구성을 도시하는 도면,
도 5는 본 발명의 실시예 1에 따른 무선 송신 장치(2000)의 구성을 설명하기 위한 개략 블록도,
도 6은 본 발명의 실시예 2에 따른 고주파 증폭기(101) 및 그것을 이용한 무선 송신 장치(3000)의 구성을 나타내는 개략 블록도,
도 7은 고효율 증폭기(101)를 기판(4) 상에 조립한 경우의 구성을 상부로부터 본 개념도,
도 8은 본 발명의 실시예 3에 따른 고조파 증폭기(101) 및 그것을 이용한 무선 송신 장치(4000)의 구성을 나타내는 개략 블록도,
도 9는 도 5에 나타낸 실시예 1에 따른 고효율 증폭기(101)에 이용되는 로우패스 필터(low-pass filter)(1)의 구성을 기생 임피던스 성분을 포함해서 나타내는 회로도,
도 10은 도 9에 나타내는 로우패스 필터(1)를 기판 상에 형성하는 구성예를 설명하기 위한 평면도,
도 11은 도 10 중 ⅩⅠ-ⅩⅠ' 평면을 나타내는 단면도,
도 12는 본 발명의 실시예 4의 고효율 증폭기(101)에 이용되는 로우패스 필터(1)의 구성을 기생 임피던스 성분을 포함해서 나타내는 회로도,
도 13은 도 12에 나타내는 로우패스 필터(1)를 기판 상에 형성하는 구성예를 설명하기 위한 평면도,
도 14는 도 13 중 ⅩⅣ-ⅩⅣ' 평면을 나타내는 단면도,
도 15는 종래의 휴대 단말기에 이용되는 무선 송신부(9000)의 구성을 설명하기 위한 개략 블록도,
도 16은 저 임피던스 아이솔레이터(low-impedance isolator)를 이용한 무선 송신부(9200)의 구성예를 나타내는 블록도.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
100 : 파워 앰프 모듈101 : 고주파 증폭기
102 : 저 임피던스 전송 선로103 : 비가역 회로 소자
104 : 입력 정합 회로105 : 제 1 단 앰프
106 : 단간(段間) 정합 회로107 : 제 2 단 앰프
108, 108' : 출력 정합 회로109 : 고조파 처리 회로
110 : 기본파 조정 회로111 : 입력 정합 회로
112 : 아이솔레이터
1000, 2000, 3000, 4000, 9000, 9200 : 무선 송신 장치
본 발명은 요약하면, 입력 임피던스가 출력 임피던스보다도 낮은 비가역 회로 소자와 접속할 수 있는 고주파 증폭기로서, 기판과, 증폭 소자와, 고조파 처리 회로와, 필터 소자를 구비한다.
증폭 소자는 상기 기판 상에 마련되어, 입력 신호를 수신해서 증폭한다. 고조파 처리 회로는 상기 기판 상에 마련되어, 상기 증폭 소자의 출력 신호에 포함되는 고조파에 대한 정합을 취한다. 필터 소자는 상기 기판 상에 마련되어, 상기 고조파 처리 회로의 출력을 수신하고, 상기 비가역 회로 소자에 인가하기 위한 신호를, 소정의 주파수를 컷오프 주파수로 하여 선택적으로 투과시킨다.
본 발명의 다른 국면에 따르면, 고주파 신호를 송출하기 위한 무선 송신 장치로서, 증폭 소자와, 기판과, 고조파 처리 회로와, 필터 소자와, 비가역 회로 소자를 구비한다.
입력 신호를 수신하여 증폭하는 상기 증폭 소자가 기판에 배치된다.
고조파 처리 회로는 상기 기판 상에 마련되어, 상기 증폭 소자의 출력 신호에 포함되는 고조파에 대한 정합을 취한다. 필터 소자는 적어도 일부가 상기 기판 상에 마련되어, 상기 고조파 처리 회로의 출력을 수신하고, 소정의 주파수를 컷오프 주파수로 하여 선택적으로 투과시킨다. 제 1 전송 선로는 상기 필터 소자의 출력을 전송한다. 비가역 회로 소자는 상기 전송 선로로부터의 신호를 수신하여, 상기 전송 선로로부터의 신호 전송 방향으로 비가역적으로 신호를 전달하고, 입력 임피던스가 출력 임피던스보다도 낮다.
따라서, 본 발명에 따른 고주파 증폭기 및 무선 송신 장치의 이점은 고조파 처리 회로의 출력 측에 로우패스 필터로서 동작하는 필터 소자를 마련하여 고조파를 제거하므로, 고조파 제거를 위해 필요한 소자수를 삭감할 수 있고, 회로 규모의 증대를 억제하면서 특성 열화를 방지하여, 소비 전류가 낮은 효율적인 고주파의 증폭을 실행할 수 있는 점이다.
본 발명의 상기 및 그 밖의 목적, 특징, 국면 및 이익 등은 첨부 도면을 참조로 하여 설명하는 이하의 상세한 실시예로부터 더욱 명백해질 것이다.
이하, 본 발명의 실시예를 도면을 이용하여 설명한다. 또, 도면 중 동일 또는 상당 부분에는 동일 부호를 부여하고 그 설명은 생략한다.
도 1은 도 15에 나타낸 종래예의 문제점을 해결하기 위한 무선 송신 장치(1000)의 구성을 설명하기 위한 개략 블록도이다.
특별히 한정되지 않지만, 이하의 설명에서는, 무선 송신 장치(1000)는 마이크로파대 이상의 고주파 신호를 송신하는 것으로 한다.
도 1을 참조하면, 무선 송신 장치(1000)는 고주파 증폭기(101)와, 고효율 증폭기(101) 및 비가역 회로 소자(103) 사이를 접속하기 위한 저 임피던스 전송 선로(102)와, 비가역 회로 소자(103)를 구비한다.
파워 앰프 모듈(100) 내에 조립되는 고효율 증폭기(101)는 입력 정합 회로(104)와, 제 1 단 앰프(105)와, 단간 정합 회로(106)와, 제 2 단 앰프(107)와, 출력 정합 회로(108)를 구비한다. 출력 정합 회로(108)는 고조파 처리 회로(109)와, 기본파 조정 회로(110)를 포함한다.
또, 도 1에서는, 고효율 증폭기가 2단 앰프인 경우를 나타내고 있지만, 필요한 이득에 따라 단수는 증감될 것이다.
비가역 회로 소자(103)는 입력 정합 회로(111)와, 아이솔레이터 본체(112)를 구비한다.
고효율 증폭기(101)는 입력 임피던스가 실질적으로 표준값인 50Ω을 만족시키고, 출력 임피던스가 표준값인 50Ω보다 낮은 값, 예컨대, 3∼30Ω이다. 비가역 회로 소자(103)는 입력 임피던스가 표준값인 50Ω보다 낮고, 출력 임피던스가 실질적으로 표준값인 50Ω를 만족시킨다. 따라서, 이하에서는, 비가역 회로 소자(103)를「저 임피던스 아이솔레이터(103)」라고 부르기로 한다.
종래예와 마찬가지로, 이동체 통신기 등에서는 안테나의 상태에 관계없이 증폭기를 효율적으로 동작시키기 위해서, 안테나와 고효율 증폭기(101) 사이에 저 임피던스 아이솔레이터(103)가 마련되는 구성으로 되어 있다.
입력 단말(10)로부터 입력된 신호는 고효율 증폭기(101)에서 증폭되고, 증폭된 신호는 전송 선로(102) 및 저 임피던스 아이솔레이터(103)를 통해 출력 단자(40)에 인가된다. 출력 단자(40)의 출력은 최종적으로는 안테나(도시하지 않음)에 인가된다.
출력 단자(40) 이후에서 반사된 반사파는 저 임피던스 아이솔레이터(103)에 의해 차단되기 때문에, 고효율 증폭기(101)의 출력 측에 반사파가 되돌아오는 경우는 없다. 이 때문에, 고효율 증폭기(101)는 효율적인 동작을 유지한 채로 안정 동작을 행할 수 있게 된다.
다음으로, 기본파 조정 회로(110)에 대하여 설명한다.
상술한 바와 같이, 예컨대, 저 임피던스 아이솔레이터(103)의 출력 임피던스는 표준적인 50Ω이지만, 그 입력 임피던스는 3∼30Ω 정도이다. 이에 따라, 고효율 증폭기(101)의 출력 정합 회로(108) 내의 기본파 조정 회로(110)에서, 임피던스를 크게 변환할 필요가 없게 된다.
환언하면, 비가역 회로 소자(103)의 입력 임피던스가 보통 표준값인 50Ω으로서, 상술한 바과 같이 3∼30Ω이 아닌 경우에는, 기본파 조정 회로(110) 중 임피던스 변환 회로에 의해, 고효율 증폭기(101)의 출력 임피던스를, 예컨대 1∼10Ω으로부터, 보통 전송 선로의 특성 임피던스 50Ω으로 변환해야 한다.
그런데, 도 1에 나타낸 구성에서는 이와 같은 임피던스 변환 회로가 불필요해지기 때문에, 여기서 발생하는 손실이 없어지고, 그 결과, 소비 전류가 감소되어 효율적인 동작을 가능하게 한다.
한편, 저 임피던스 아이솔레이터(103)의 입력 임피던스 격차나, 저 임피던스 고효율 증폭기(101)와 저 임피던스 아이솔레이터(103)를 접속하는 전송 선로의 특성 임피던스 등의 격차에 의해 부정합이 발생하는 경우가 있다. 이 때문에, 실시예 1의 무선 송신 장치(1000)에서는, 제 2 단 앰프(107)의 출력 임피던스 1∼10Ω를 50Ω으로 변환하기 위한 기본파 정합 회로(114) 대신에, 기본파에 대한 임피던스 미세 조정하는 기본파 조정 회로(110)를 배치한다.
도 2는 기본파 조정 회로(110)의 일례를 나타내는 회로도이다.
도 2에 도시되는 기본파 조정 회로(110)는 입력 단자와 출력 단자 사이에 접속되는 인덕터 L10과, 출력 단자와 접지 전위를 받는 접지 노드 GND 사이에 접속되는 커패시터 C10으로 구성된다. 인덕터 L10과 커패시터 C10은 로우패스 필터를 구성한다.
기본파 조정 회로(110)에서의 임피던스 변환량은 수Ω 정도이며, 종래의 기본파 정합 회로(114)의 임피던스 변환량보다 작다. 따라서, 기본파 조정 회로(110)의 전력 손실은 도 15에 나타낸 종래예의 기본파 정합 회로(114)에 비해 작다.
또, 미세 조정이 불필요한 경우에는, 기본파 조정 회로(110)를 배치하지 않는 것도 가능하다.
다음으로, 고조파 처리 회로(109)에 대하여 설명한다.
도 1에 나타낸 구성에서는, 고조파 누설 전력을 제거하기 위해서 LC 공진 회로로 구성되어, 고조파를 제거하기 위한 고조파 처리 회로(109)가 제 2 단 앰프(107)의 출력과 기본파 조정 회로(110) 사이에 마련되어 있다.
출력 정합 회로(108) 중 고조파 처리 회로(109)는 고조파에 대한 정합을 취하기 위한 회로로서, 예컨대, 고조파의 임피던스를 정합하기 위한 회로 구성, 고조파 누설 전력을 억제하기 위한 회로 구성 등을 갖는다. 또, 고조파의 임피던스 정합에 대해서는, 고차 고조파(우수파 또는 기수파)에 대해 임피던스가 충분히 작은 단락 부하가 되도록 구성하는 경우나, 고차 고조파에 대하여 임피던스가 충분히 큰 개방 부하가 되도록 구성하는 경우 등이 있다. 고조파 처리 회로(109)는 후술하는것과 같은 공진 회로로 구성된다.
여기서, 고조파 처리 회로(109)를 제 2 단 앰프(최종단의 앰프)(107)와 저 임피던스 아이솔레이터(103) 사이에 마련하는 이유에 대하여 설명한다. 고조파 처리 회로(109)를 아이솔레이터의 출력 측에 접속한 경우와 고조파 처리 회로를 아이솔레이터의 입력 측에 접속한 경우(제 1 실시예의 구성)를 비교한다. 고조파 처리 회로(109)를 아이솔레이터의 출력 측에 접속한 경우, 접속 부분의 특성 임피던스가 50Ω이기 때문에, 실시예 1, 즉 특성 임피던스가 낮은 경우와 비교하면 고조파 누설 전력은 작게 된다. 그러나, 고조파 처리 회로를 아이솔레이터의 출력 측에 접속한 경우, 제 2 단 앰프(107)로부터 본 고조파의 반사율은 작아, 제 2 단 앰프(107)의 고조파 처리에 의한 효율 향상은 얻어지지 않는다.
이에 대하여, 제 1 실시예에 따르면, 고조파 처리 회로(109)를 제 2 단 앰프(107)와 저 임피던스 아이솔레이터(103) 사이에 접속시킴으로써, 제 2 단 앰프(107)의 고조파 처리에 의한 효율 향상 및 고조파 누설 전력의 감소를 동시에 실현할 수 있게 된다.
도 3은 고조파 처리 회로(109)의 일례를 나타내는 개략 블록도이다. 도 3에 나타내는 고조파 저리 회로(109)는 제 2 단 앰프(107)와 기본파 조정 회로(110) 사이에 순차적으로 접속되는, 제 3 차 고조파 정합 회로(219)와, 제 2 차 고조파 정합 회로(220)를 구비한다.
예컨대, 제 2 차 고조파 정합 회로(220)는 우수파 고조파에 대하여 임피던스가 충분히 큰 개방 부하를 이루고, 제 3 차 고조파 정합 회로(219)는 기수파 고조파에 대하여 임피던스가 충분히 작은 단락 부하를 이루도록 구성한다. 이와 같은 구성에 의해, 제 2 단 앰프의 효율이 향상되어 소비 전류를 감소시킬 수 있다.
도 4는 고조파 처리 회로(109)의 보다 구체적인 구성을 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하면, 3차 고조파 정합 회로(219)는 드레인 바이어스 선로(311), 신호 선로(312) 및 커패시터(313)를 구비하고, 2차 고조파 정합 회로(220)는 신호 선로(314, 315) 및 커패시터(316)를 구비한다. 제 2 단 앰프(107)에 포함되는 FET(302)의 드레인은 신호 선로(312)에 접속되고, 소스는 접지되어 있다.
신호 선로(312)는 드레인 바이어스 선로(311)를 거쳐서 바이어스 전압을 공급하는 드레인 바이어스 단자(325)와 접속된다. 커패시터(313)는 드레인 바이어스 단자(325)와 접지 전위 사이에 접속된다. 신호 선로(312)와 신호 선로(317)를 결합하는 신호 선로(314)와 접지 전위 사이에 신호 선로(315)와 커패시터(316)를 접속한다. 커패시터(319)는 신호 선로(317)와 출력 단자(20) 사이에 접속되고, 신호 선로(318)와 커패시터(320)는 출력 단자(20)와 접지 전위 사이에 접속된다.
이들 신호 선로는 등가적으로는 인덕턴스로 표현된다.
인덕터와 커패시터를 구비하는 공진 회로인 고조파 처리 회로의 구체적인 구성으로는, 칩 콘덴서(Chip Capacitor) 와 기판 상에 마련되는 인덕터 소자에 의해 구성해도 무방하고, 칩 콘덴서 및 마이크로스트립 선로(Microstrip Transmission Line)나, 칩 콘덴서 및 기판에 마련되는 비아홀(Interstitial Via Hole) 등과 같이 용량 소자와 기생 인덕터로 구성해도 관계없다.
또, 도 4에서는, 고조파 제거 회로를 2개 배치했지만, 이에 한정되는 것이아니라 3 이상의 복수개를 배치해도 무방하다.
또한, 고조파 처리하는 주파수가 하나인 경우에 대하여 설명했지만, 이에 한정되는 것이 아니라, 복수의 주파수에 대하여 고조파 처리를 하는 것이어도 관계없다.
(무선 송신 장치(1000)의 문제점)
도 1에 도시한 바와 같은 구성에 의해 효율적인 동작을 가능하게 할 수 있지만, 반대로 말하면, 고조파 처리 회로(109)는 제거를 필요로 하는 고조파의 수만큼 고조파 제거를 위한 LC 공진 회로를 준비해야 한다.
예컨대, 2차 고조파부터 4차 고조파까지 제거하는 경우, LC 공진 회로 각각을 칩 인덕터와 칩 콘덴서와 같은 2개의 부품으로 구성하면, 3×2=6개의 칩 부품이 필요하게 된다. 이 때문에, 고효율 증폭기의 소형화가 곤란하게 된다는 문제점이 있다.
(실시예 1)
도 5는 도 1에 나타낸 파워 앰프 모듈(100)로 설명한 것과 같은 고효율 증폭기의 소형화가 곤란하다는 문제점을 해결하기 위한 구성으로서, 본 발명의 실시예 1에 따른 무선 송신 장치(2000)의 구성을 설명하기 위한 개략 블록도이다.
도 1에 나타낸 무선 송신 장치(1000)의 구성과 다른 점은 출력 정합 회로(108) 대신에 출력 정합 회로(108')가 마련되는 구성으로 되어 있는 점이다.
즉, 도 5에서, 고효율 증폭기(101)의 출력 정합 회로(108')는 고조파 처리 회로(109)와 로우패스 필터(1)를 포함한다. 환언하면, 실시예 1에 따른 고효율 증폭기(101)의 구성에서는, 로우패스 필터(1)는 제 2 단 앰프(107)의 출력에 접속되어 있는 고조파 처리 회로(109)의 바로 뒤에 접속되는 구성으로 되어 있다.
도 1에 나타낸 구성에서는, 고조파의 누설 전력을 감소시키기 위해서, 고조파 처리 회로(109) 내에 복수개의 LC 공진 회로로 구성되는 고조파 제거 회로를 구비해야 한다.
이에 대하여, 도 5에 나타낸 본 발명의 실시예 1에 따른 고효율 증폭기(101)에서는, 로우패스 필터 회로(1)를 하나 마련하는 것만으로, 고조파 성분 전부를 제거할 수 있게 되기 때문에, 회로의 소형화가 가능하다.
또한, 로우패스 필터 회로(1)로서, 커패시터 C1, C2 및 인덕터 L1로 이루어지는 소위 C-L-C의 π형 필터를 이용함으로써, 로우패스 필터 회로(1)에서의 임피던스 변환량을 작게 할 수 있으므로, 고주파 증폭기(101)의 효율을 상승시킬 수 있게 된다.
또한, 도 5에 나타낸 구성에서는, 제 2 단 앰프의 출력에 접속되어 있는 고조파 처리 회로(109)의 바로 뒤에 로우패스 필터(1)를 접속하는 구성으로 하고 있기 때문에, 도 16에 나타낸 종래예의 경우와 같이, 고효율 증폭기(101)로부터 아이솔레이터 측을 본 경우에, 동작 주파수 대역 내에서의 임피던스 변화량이 전송로(102)의 인덕턴스 때문에 커지는 경우는 없다. 따라서, 고효율 증폭기(101)의 효율, 왜곡 등의 특성을 열화시키지 않고, 효율적으로 저왜곡 고주파 증폭기를구성할 수 있게 된다.
상술한 로우패스 필터(1)의 컷오프 주파수 fc는 2배파 이상의 고조파를 제거하는 경우에는 f0<fc<2f0로 하면 좋다. 여기서 f0는 기본파의 주파수이다.
(실시예 2)
도 6은 본 발명의 실시예 2에 따른 고주파 증폭기(101) 및 그것을 이용한 무선 송신 장치(3000)의 구성을 나타내는 개략 블록도이다.
도 6에 나타낸 무선 송신 장치(3000)에서는, 실시예 1에 나타낸 로우패스 필터(1) 내의 구성 요소 중 고조파 처리 회로(109) 측의 콘덴서 C1만을 고효율 증폭기(101)를 구성하는 기판 내에 배치한다. 실시예 1의 인덕턴스 L1과 커패시턴스 C2는 파워 앰프 모듈(100)의 출력 단자(20)와 아이솔레이터(103) 사이의 신호 경로에 배치된다. 특별히 한정되지는 않지만, 인덕턴스 L1과 커패시턴스 C2는 칩 인덕터와 칩 콘덴서에 의해 실현된다.
상술한 바와 같이, 고효율 증폭기(101)를 조립할 때에는, 수지 또는 세라믹 등의 절연체의 기판 상에 칩 부품을 배치하게 된다. 도 7은 고효율 증폭기(101)를 기판(4) 상에 조립한 경우의 구성을 상부로부터 본 개념도이다. 여기서, 고효율 증폭기(101)는 표면 실장 부품이다.
도 6 및 도 7에 도시한 것과 같은 구성에서는, 고효율 증폭기(101)를 구성하는 부품수에 따라, 고효율 증폭기(101)의 면적, 나아가서는 기판 면적(4)이 결정된다. 여기서, 고효율 증폭기(101)를 형성하는 기판(4)의 면적이 큰 것은 비용의 증가를 초래한다.
따라서, 기판 면적을 축소하여, 비용을 감소시키기 위해서는 고효율 증폭기(101)를 구성하는 부품수를 적게 해야 한다.
도 6에 나타낸 무선 송신 장치(3000)의 구성에서는, 도 5에 나타낸 실시예 1의 경우와 비교하여, 고효율 증폭기(101)에 탑재되는 부품수를, 적어도 2개, 즉, 칩 콘덴서와 칩 인덕터를 삭감할 수 있게 되어, 고효율 증폭기를 소형화할 수 있다. 따라서, 고효율 증폭기(101)용 기판(4)의 면적을 작게 할 수 있어, 비용을 감소할 수 있게 된다.
여기서도, 상술한 로우패스 필터(1)의 컷오프 주파수 fc는, 2배파 이상의 고조파를 제거하는 경우에는 f0<fc<2f0로 하면 좋다.
또한, 로우패스 필터(1)의 아이솔레이터 측의 칩 콘덴서와 아이솔레이터의 입력 단자의 거리를 가깝게 함으로써, 고조파 누설 전력을 억제할 수도 있게 된다.
(실시예 3)
도 8은 본 발명의 실시예 3에 따른 고조파 증폭기(101) 및 그것을 이용한 무선 송신 장치(4000)의 구성을 나타내는 개략 블록도이다.
실시예 3에 따른 무선 송신 장치(4000)의 구성에서는, 실시예 2의 구성에 비해, 로우패스 필터(1)를 구성하는 인덕터로서, 실시예 2의 칩 인덕터의 대신에, 고효율 증폭기(101)와 아이솔레이터(103) 측의 콘덴서 C2 사이에 존재하는 전송 선로(102)의 인덕턴스 L을 이용한다. 이와 같은 구성에 의해, 실시예 2의 무선 송신 장치에 비해, 칩 부품의 부품수를 더 감소시킬 수 있기 때문에, 무선 송신 장치의 소형화, 저비용화를 도모할 수 있게 된다.
여기서도, 상술한 로우패스 필터(1)의 컷오프 주파수 fc는 2배파 이상의 고조파를 제거하는 경우에는 f0<fc<2f0로 하면 좋다.
(실시예 4)
도 9는 도 5에 나타낸 실시예 1의 고효율 증폭기(101)에 이용되는 로우패스 필터(1)의 구성을 기생 임피던스 성분을 포함해서 나타내는 회로도이다.
또한, 도 10은 도 9에 나타내는 로우패스 필터(1)를 기판 상에 형성하는 구성예를 설명하기 위한 평면도이며, 도 11은 도 10 중의 ⅩⅠ-ⅩⅠ' 평면을 나타내는 단면도이다.
도 9에 도시하는 바와 같이, 실시예 1의 C-L-C π형 필터인 2개의 콘덴서 C1, C2는 접지되어 있다.
이 경우, 접지의 방법으로는, 도 10 및 도 11에 도시하는 바와 같이, 기판 표면 측에서 우선 콘덴서 C1, C2의 일단을 서로 접속하고, 기판에 마련된 비아홀 VH를 이용하여 하층의 접지 배선 BP에 접속한다고 하는 구성을 이용할 수도 있다.
그러나, 이 경우, 도 9에 나타내는 등가 회로와 같이, 콘덴서 C1, C2와 직렬로 기판 표면의 패턴에 기생 인덕턴스 Lp1, Lp2가 각각 접속되게 된다.
또한, 기판 표면의 배선의 기생 인덕턴스 Lp1, Lp2의 결합 노드와 접지 사이에 직렬로 비아홀 내의 배선의 기생 인덕턴스 Lvh가 접속되게 된다.
이 때문에, 이 기생 인덕턴스 Lvh에 의해, 이 로우패스 필터에서의 손실이 증가된다.
그래서, 실시예 4에서는, 도 5에 나타낸 실시예 1의 고효율 증폭기(101)에 이용되는 로우패스 필터(1)를, 도 9 내지 도 11에 나타낸 구성 대신에, 이하에 설명하는 구성으로 한다.
도 12는 본 발명의 실시예 4의 고효율 증폭기(101)에 이용되는 로우패스 필터(1)의 구성을 기생 임피던스 성분을 포함해서 나타내는 회로도이다.
또한, 도 13은 도 12에 나타내는 로우패스 필터(1)를 기판 상에 형성하는 구성예를 설명하기 위한 평면도이며, 도 14는 도 13 중 ⅩⅣ-ⅩⅣ' 평면을 나타내는 단면도이다.
도 12 내지 도 14에 나타낸 실시예 4의 C-L-C π형 필터에서는, 2개의 콘덴서 C1, C2 각각의 일단을 기판에 생성된 비아홀 내의 금속 배선을 이용하여 기판이면측의 접지면 BP에 접속하는 구성으로 하고 있다.
따라서, 로우패스 필터(101)의 용량 C1 또는 용량 C2 하나당 기생 인덕턴스 성분 Lp1', Lp2'를 도 9 내지 도 11의 구성에 비해 감소시킬 수 있고, 나아가서는 제 2 단 앰프의 출력을 작게 해도, 소망의 출력 전력을 얻을 수 있다.
이것은, 환언하면, 제 2 단 앰프의 출력값을 그 동작점으로 하여 더 작은 값으로 동작시켜도, 소망의 출력 전력이 얻어지게 되어 고효율화 및 저왜곡화에는 유리해진다.
본 발명에 따른 고주파 증폭기 및 무선 송신 장치는 고주파 처리 회로의 출력 측에 로우패스 필터로서 동작하는 필터 소자를 마련하여, 고조파를 제거하므로 고조파 제거를 위해 필요한 소자수를 삭감할 수 있고, 회로 규모의 증대를 억제하면서 특성 열화를 방지하여, 소비 전류가 낮은 효율적인 고조파를 증폭할 수 있다.
이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것이 아니고, 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.

Claims (3)

  1. 입력 임피던스가 출력 임피던스보다도 낮은 비가역 회로 소자와 접속할 수 있는 고주파 증폭기로서,
    기판과,
    상기 기판 상에 마련되어, 입력 신호를 수신하여 증폭하기 위한 증폭 소자와,
    상기 기판 상에 마련되어, 상기 증폭 소자의 출력 신호에 포함되는 고조파에 대한 정합을 취하기 위한 고조파 처리 회로와,
    상기 기판 상에 마련되어, 상기 고조파 처리 회로의 출력을 수신하고, 상기 비가역 회로 소자에 인가하기 위한 신호를, 소정의 주파수를 컷오프 주파수로 하여 선택적으로 투과시키는 필터 소자
    를 구비하는 고주파 증폭기.
  2. 고주파 신호를 송출하기 위한 무선 송신 장치로서,
    입력 신호를 수신하여 증폭하기 위한 증폭 소자와,
    상기 증폭 소자가 배치되는 기판과,
    상기 기판 상에 마련되어, 상기 증폭 소자의 출력 신호에 포함되는 고조파에 대한 정합을 취하기 위한 고조파 처리 회로와,
    적어도 일부가 상기 기판 상에 마련되어, 상기 고조파 처리 회로의 출력을 수신하고, 소정의 주파수를 컷오프 주파수로 하여 선택적으로 투과시키는 필터 소자와,
    상기 필터 소자의 출력을 전송하기 위한 제 1 전송 선로와,
    상기 전송 선로로부터의 신호를 수신하여, 상기 전송 선로로부터의 신호 전송 방향으로 비가역적으로 신호를 전달하고, 입력 임피던스가 출력 임피던스보다도 낮은 비가역 회로 소자
    를 구비하는 무선 송신 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 필터 소자는,
    상기 기판 상에 마련되어, 상기 고조파 처리 회로의 출력으로부터 상기 제 1 전송 선로에 이르는 신호 선로 상에 배치되는 인덕터와,
    상기 기판 상에 마련되어, 상기 신호 선로 상이면서, 상기 인덕터의 입력 측의 제 1 노드와 접지 사이에 배치되는 제 1 커패시터와,
    상기 기판 상에 마련되어, 상기 신호 선로 상이면서, 상기 인덕터의 출력 측의 제 2 노드와 상기 접지 사이에 배치되는 제 2 커패시터
    를 포함하는 무선 송신 장치.
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KR20220077398A (ko) * 2020-12-02 2022-06-09 건국대학교 산학협력단 최적화 알고리즘을 사용하여 저역 통과 필터 및 임피던스 매칭 회로를 동시 설계하는 방법 및 장치

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