KR100477006B1 - 전력 증폭기 모듈 - Google Patents

Abstract

칩 부품을 사용하지 않고, 세라믹 기판 상에 패턴으로 소정의 소자들을 형성하여 칩 부품의 비용 및 그 칩 부품들을 실장하는 데 소요되는 비용을 절감하고, 크기를 최소화할 수 있으며, 패턴의 형성이 자유롭고, 열을 효과적으로 방출할 수 있도록 열방출 도체의 패턴을 설계할 수 있음은 물론 튜닝 공정을 통해 입력 매칭부 및 출력 매칭부의 임피던스를 정확하게 매칭시킬 수 있는 것으로 전력 증폭기 모듈의 입력 매칭부, 전력 증폭부 및 출력 매칭부의 수동소자들이 패턴으로 형성되어 적층되는 복수의 세라믹 기판으로 이루어지고, 그 세라믹 기판의 최상층에 상기 전력 증폭부의 증폭용 집적소자가 실장되며, 그 증폭용 집적소자가 실장되는 부위와 그 하부 층의 대응되는 부위에 도체 패턴이 형성됨과 아울러 복수의 비아 홀이 형성된다.

Description

전력 증폭기 모듈{Power amplifier module}

본 발명은 이동통신 단말기 등을 비롯한 각종 통신기기에서 소정의 신호를 증폭하는데 사용되는 전력 증폭기 모듈에 관한 것으로 특히 수동소자들을 복수의 세라믹 기판에 패턴으로 형성하고, 그 복수의 세라믹 기판을 적층 및 집적화시켜 모듈 전체의 크기를 최소화하며, 패턴의 정확한 튜닝을 통해 임피던스를 정확하게 매칭시켜 전기적 특성을 향상시킬 수 있는 전력 증폭기 모듈에 관한 것이다.

이동통신 단말기 등의 통신기기들은 송신 및 수신되는 소정의 RF(Radio Frequency) 신호를 증폭하기 위한 전력 증폭기를 구비하고 있는 것으로서 종래의 전력 증폭기는 유전율이 4.5 정도인 FR-4 기판이나 2정도 되는 테프론 기판 등의 기판을 사용하고 있다. 상기 기판에는 소정의 패턴을 형성하고, 예를 들면, 도 1에 도시된 바와 같이 증폭용 집적소자와, 코일 및 콘덴서 등의 칩 부품들이 2차원적으로 넓게 분포되게 배치하였다. 그리고 상기 패턴의 내부에서 전력 증폭기가 동작하면서 증폭용 집적소자 등에서 발생되는 열을 외부로 방출하기 위하여 그 발생된 열을 외주연부로 전달하기 위한 패턴들을 함께 형성하였다.

그러나 상기한 종래의 기술은 복수의 소자들을 하나의 기판에 2차원적으로 펼쳐서 조립하므로 전력 증폭기 모듈의 전체 크기가 커지고 각 소자들간의 연결이 용이하지 못하며, 모든 소자들을 칩 부품으로 부착하므로 칩 부품의 가격과 칩을 기판에 실장하는 소요되는 공정 비용 등에 의해 모듈 전체의 생산비용이 증가하며, 기판의 열전도도가 낮으므로 집적소자에서 발생되는 열이 모듈의 외부로 쉽게 방출되지 못하며, 패턴의 형성이 수월하지 않아 열 방출을 위한 패턴의 설계에 제약을 받게 되며, 칩 부품의 용량 스텝이 미리 정해져 있으므로 입력 매칭부 및 출력 매칭부에서 정확히 임피던스를 매칭시키는데 한계가 있었다.

그러므로 본 발명의 목적은 칩 부품을 사용하지 않고, 적층되는 복수의 세라믹 기판에 패턴으로 전력 증폭기를 이루는 소정의 소자들을 형성하여 칩 부품의 비용 및 그 칩 부품들을 실장하는데 소요되는 비용을 절감하고, 크기를 최소화할 수 있는 전력 증폭기 모듈을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 패턴의 형성이 자유롭고, 열을 효과적으로 방출할 수 있도록 열방출 도체의 패턴을 설계할 수 있음은 물론 튜닝(tuning) 공정을 통해 입력 매칭부 및 출력 매칭부의 임피던스를 정확하게 매칭시킬 수 있는 전력 증폭기 모듈을 제공하는데 있다.

이러한 목적을 가지는 본 발명의 전력 증폭기 모듈은, RF 신호를 입력받는 입력 매칭부와, 상기 입력 매칭부가 입력받는 RF 신호를 증폭하는 전력 증폭부와, 상기 전력 증폭부에서 증폭된 RF신호를 임피던스를 매칭시켜 외부로 출력하는 출력 매칭부를 구비한 전력 증폭기 모듈에 있어서, 상기 입력 매칭부, 전력 증폭부 및 출력 매칭부의 수동소자들이 패턴으로 형성되어 적층되는 복수의 세라믹 기판으로 이루어지고, 그 세라믹 기판의 최상층에 상기 전력 증폭부의 증폭용 집적소자가 실장되며, 그 증폭용 집적소자가 실장되는 부위와 그 하부 층의 대응되는 부위에 도체 패턴이 형성됨과 아울러 복수의 비아 홀이 형성된다.

이하, 첨부된 도 2 내지 도 8의 도면을 참조하여 본 발명의 전력 증폭기 모듈을 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 전력 증폭기 모듈의 구성을 보인 회로도이다. 이에 도시된 바와 같이 본 발명의 전력 증폭기 모듈은 입력단자(RFIN)의 RF신호를 임피던스를 매칭시켜 입력하는 입력 매칭부(100)와, 상기 입력 매칭부(100)를 통해 입력된 RF 신호를 증폭하는 전력 증폭부(110)와, 상기 전력 증폭부(110)에서 전력 증폭된 RF신호를 임피던스를 매칭시키면서 출력단자(RFOUT)로 출력하는 출력 매칭부(120)로 이루어진다. 상기 입력 매칭부(100)는 전송선로(TRL1), 코일(L1) 및 콘덴서(C1)를 포함하고, 상기 전력 증폭부(110)는, 증폭용 집적소자(IC), 복수의 전송선로(TRL2∼TRL6) 및 콘덴서(C2, C3)를 포함하며, 상기 출력 매칭부(120)는, 복수의 전송선로(TRL7∼TRL10) 및 콘덴서(C4∼C6)를 포함하여 구성된다.

이러한 전력 증폭기 모듈에 있어서, 본 발명은 상기 증폭부(110)의 증폭용 집적소자(IC)를 제외하고, 도 3a 내지 도 3o에 도시된 바와 같이 모두 15층의 세라믹 기판에 상기 전송선로(TRL1∼TRL10), 코일(L1) 및 콘덴서(C1∼C6)를 포함하는 복수의 수동소자들을 패턴으로 형성하고, 그 패턴을 형성한 15층의 세라믹 기판을 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 적층한다. 세라믹 기판의 가로 및 세로 크기는 각각 6㎜이고, 적층한 전체 높이는 약 0.8㎜ 정도이다.

상기 세라믹 기판의 상부 1층부터 5층까지는 입력 매칭부(100) 및 출력 매칭부(120)의 소자들의 패턴 즉, 콘덴서(C1)(C4∼C6), 전송선로(TRL1)(TRL7∼TRL10) 및 코일(L1)의 패턴이 형성되고, 세라믹 기판의 6층부터 9층까지에는 직류전원을 공급하기 위한 RF 초크들의 패턴이 형성되며, 세라믹 기판의 10층부터 13층에는 상기 세라믹 기판의 6층부터 9층에 형성된 RF 초크와 짝을 이루어 직류전원의 공급에 사용되는 고용량의 바이패스 콘덴서(C2, C3)의 패턴이 형성되며, 세라믹 기판의 14층에는 접지패턴이 형성되며, 세라믹 기판의 15층에는 입력단자(RFIN) 및 출력단자(RFOUT)의 패턴이 형성된다.

그리고 집적소자(IC)는 세라믹 기판의 1층 중앙부에 실장되고, 그 집적소자(IC)가 실장되는 부위는 물론 그 이하의 층에도 평면적으로 도체 패턴(200)을 형성함과 아울러 비아(via) 홀(210)을 형성하여 수평 및 수직방향으로 열 방출이 이루어지도록 하였다.

또한 입력 매칭부(100)와 출력 매칭부(120)의 임피던스를 정확하게 매칭시킬 수 있도록 하기 위하여 세라믹 기판의 각 층에서 가장 영향력이 큰 소자의 패턴을 선정하고, 기계적 또는 레이저를 이용한 튜닝을 수행한다. 즉, 입력 매칭부(100)에서는 코일(L1)을 선택하고, 그 코일(L1)의 라인을 깎아 인덕턴스의 값을 증가시키면서 임피던스를 매칭시키고, 출력 매칭부(120)에서는 콘덴서(C5)의 패턴을 깎아 가면서 캐패시턴스의 값을 줄여 임피던스를 매칭시킨다.

이러한 본 발명의 전력 증폭기 모듈에 3.7V의 전원을 공급하고, 1.765㎓의 신호를 입력시키면서 특성을 측정한 결과 도 6에 도시된 바와 같은 이득(gain), 출력전력(Pout), ACPR (Adjacent Channel Power Ratio)과, 도 7에 도시된 바와 같은 PAE(Power Added Efficiency) 및 출력전류(Ic)를 얻었다.

그리고 도 8에 도시된 바와 같이 출력전력이 28dBm일 때의 특성을 측정한 결과 도 8에 도시된 바와 같은 결과를 얻었다.

상기한 측정 결과로부터 알 수 있는 바와 같이 본 발명의 전력 증폭기 모듈은 FR-4 기판이나 테프론 기판 등에 패턴을 형성하여 복수의 칩 부품을 실장하는 종래의 전력 증폭기와 비교할 때, 상응하거나 우수한 특성을 나타내었다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 칩 부품을 사용하지 않기 때문에 칩부품 비용과 칩부품 실장비용을 절감할 수 있고, 3차원 회로 배열을 통해 모듈 크기를 최소화할 수 있으며, 열전도도가 좋은 세라믹 재료를 통해 열 방출을 효과적으로 할 수 있으며, 패턴의 형성이 자유롭기 때문에 열 방출 도체 패턴을 효과적으로 설계 적용할 수 있으며, 튜닝 공정을 통해 입력 및 출력 매칭부의 임피던스를 조절하여 정확하게 임피던스 매칭을 시킬 수 있다.

도 1은 전력 증폭기를 인쇄회로기판에 형성한 상태를 종래의 기술을 예로 들어 보인 사진이고

도 2는 본 발명의 전력 증폭기 모듈의 구성을 보인 2차원 회로도이고,

도 3a 내지 도 3o는 본 발명의 전력 증폭기 모듈이 구성된 복수의 세라믹 기판의 패턴을 보인 도면이며,

도 4는 본 발명의 전력 증폭기 모듈을 구성한 복수의 세라믹 기판을 적층하고 3차원 투시하여 보인 도면이며,

도 5는 본 발명의 전력 증폭기 모듈을 구성한 복수의 세라믹 기판을 적층한 수직 단면도이며,

도 6 및 도 7은 본 발명의 전력 증폭기 모듈의 특성을 측정하여 보인 그래프이며,

도 8은 본 발명의 전력 증폭기 모듈의 특성을 측정하여 보인 도표이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

100 : 입력 매칭부 110 : 증폭부

120 : 출력 매칭부 200 : 도체 패턴

210 : 비아 홀

Claims (2)

1. RF 신호를 입력받는 입력 매칭부와, 상기 입력 매칭부가 입력받는 RF 신호를 증폭하는 전력 증폭부와, 상기 전력 증폭부에서 증폭된 RF신호를 임피던스를 매칭시켜 외부로 출력하는 출력 매칭부를 구비한 전력 증폭기 모듈에 있어서,

   일단 및 타단에 상기 입력매칭부의 입력단자 패턴 및 출력 매칭부의 출력단자 패턴이 형성된 세라믹 기판과, 접지패턴이 형성된 세라믹 기판과, 직류전원을 공급하기 위한 RF 초크들과 짝을 이루어 직류전원의 공급에 사용되는 바이패스 콘덴서의 패턴이 형성된 복수의 세라믹 기판과, 직류전원을 공급하기 위한 RF 초크들의 패턴의 형성된 복수의 세라믹 기판과, 일단 및 타단에 상기 입력 매칭부 및 출력 매칭부의 소자들의 패턴이 형성된 복수의 세라믹 기판이 순차적으로 적층되고, 상기 적층된 세라믹 기판의 최상층에 상기 전력 증폭부의 증폭용 집적소자가 실장되며, 증폭용 집적소자가 실장되는 부위 및 그 증폭용 집적소자가 실장되는 부위에 대향되는 하부의 복수의 세라믹 기판의 부위에 도체 패턴 및 복수의 비아 홀이 형성된 전력 증폭기 모듈.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 입력 매칭부 및 출력 매칭부의 수동소자의 패턴은;

   튜닝공정으로 튜닝되는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기 모듈.