KR20170078021A - The broadband Class-J power amplifier using IMFET - Google Patents
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Abstract
메탈 패키지 내부에 임피던스 정합회로를 구현하는 IMFET(Internal Matched FET) 기술을 적용하여 소형화되고 광대역 특성이 확보된 Class-J 전력증폭기가 제공된다. 본 발명에 따른 전력증폭기는 입력 신호를 증폭하는 증폭회로, 증폭회로와 함께 집적화되며, 증폭 회로에서 출력되는 2차 고조파 주파수의 임피던스 정합을 위한 제1 정합회로 및 증폭 회로에서 출력되는 동작 주파수 대역의 임피던스 정합을 위한 제2 정합회로를 포함한다. A Class-J power amplifier with miniaturized and broadband characteristics is provided by applying IMFET (Internal Matched FET) technology that implements an impedance matching circuit inside a metal package. The power amplifier according to the present invention includes an amplifying circuit for amplifying an input signal, a first matching circuit integrated with the amplifying circuit, for matching the impedance of the second harmonic frequency outputted from the amplifying circuit, And a second matching circuit for impedance matching.
Description
본 발명은 전력증폭기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 광대역 Class-J 전력증폭기에 관한 것이다.
The present invention relates to a power amplifier, and more particularly, to a wideband Class-J power amplifier.
일반적으로 전력증폭기는 동작시키고자 하는 주파수에서 최적의 임피던스(Ropt)를 구현할 수 있는 정합회로를 구비하여 증폭 특성을 확보한다.Generally, a power amplifier has a matching circuit capable of implementing an optimum impedance (Ropt) at a frequency to operate, thereby securing an amplification characteristic.
Class-J는 동작 주파수(f0)와 2차 고조파 주파수(2f0)까지의 임피던스를 정합하여 고효율 특성을 확보하는 기법이다. 이러한 Class-J 전력증폭기는 2개의 주파수에 대한 임피던스 정합으로 고효율 특성을 확보할 수 있고 구현이 비교적 간단하기 때문에 최근 널리 사용되고 있다.Class-J is a technique for ensuring high-efficiency characteristics by matching the impedances up to the operating frequency (f 0 ) and the second harmonic frequency (2f 0 ). These Class-J power amplifiers are widely used because they can achieve high efficiency characteristics by impedance matching for two frequencies and are relatively simple to implement.
Class-J 전력증폭기에 대한 동작 주파수와 2차 고조파 주파수에서 구현되어야 할 임피던스는 다음과 같다.The operating frequency for the Class-J power amplifier and the impedance to be implemented at the second harmonic frequency are as follows.
도 1에는 종래기술에 의한 일반적인 Class-J 전력증폭기 구현 예가 제시되어 있다. 일반적으로 트랜지스터(10)의 출력단 임피던스를 정합함에 있어 2차 고조파 임피던스를 제어하기 위한 stub(20)와 동작주파수 임피던스 제어회로(30)로 구성된다. 이 회로는 PCB 기판에 구현되어 고효율 특성을 확보하게 된다.FIG. 1 shows an example of a conventional Class-J power amplifier according to the prior art. A
도 2에는, 도 1의 회로를 실제 PCB 기판에 구현한 Class-J 증폭기 형상이 나타나 있으며, 트랜지스터(10), 2차 고조파 임피던스 제어용 stub(20) 및 동작 주파수의 임피던스 정합회로(30)가 구현되어 있음을 알 수 있다.2 shows the shape of a Class-J amplifier implemented on an actual PCB substrate, and the
이러한 두 개 주파수 임피던스 정합을 통해 고효율 특성을 갖는 Class-J 전력증폭기를 구현하게 된다.The two-frequency impedance matching achieves a Class-J power amplifier with high efficiency characteristics.
하지만, 종래 기술에 의한 Class-J 전력증폭기는 메탈 패키지된 반도체 소자(10)를 이용하여 구현하기 때문에 패키지가 갖는 기생성분들의 영향 때문에 2차고조파 주파수에서 확보되어야 할 임피던스가 정확히 구현되기 어렵다. 즉 패키지 내부에 있는 반도체 소자가 느끼게 되는 임피던스를 정확히 정합시키는데 한계가 있게 된다. However, since the conventional Class-J power amplifier is implemented using the metal-packaged
또한, 임피던스 정합회로가 PCB기판에 수평적으로 구현되기 때문에 크기가 커지는 단점이 있고 일반적으로 PCB기판 소재의 유전율이 5 이하로 낮기 때문에 낮은 특성 임피던스를 갖는 선로를 구현하는데 한계가 있다.
In addition, since the impedance matching circuit is horizontally implemented on a PCB substrate, the size of the impedance matching circuit is increased. Generally, the permittivity of the PCB substrate material is as low as 5 or less, so there is a limit in implementing a line having a low characteristic impedance.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 메탈 패키지 내부에 임피던스 정합회로를 구현하는 IMFET(Internal Matched FET) 기술을 적용하여 소형화되고 광대역 특성이 확보된 Class-J 전력증폭기를 제공함에 있다.
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a metal-insulated semiconductor device, which is miniaturized and has broadband characteristics by applying an IMFET (Internal Matched FET) J power amplifier.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 전력증폭기는 입력 신호를 증폭하는 증폭회로; 증폭회로와 함께 집적화되며, 증폭 회로에서 출력되는 2차 고조파 주파수의 임피던스 정합을 위한 제1 정합회로; 증폭 회로에서 출력되는 동작 주파수 대역의 임피던스 정합을 위한 제2 정합회로;를 포함한다. According to an aspect of the present invention, there is provided a power amplifier including: an amplifying circuit for amplifying an input signal; A first matching circuit integrated with the amplifying circuit and for impedance matching of the second harmonic frequency outputted from the amplifying circuit; And a second matching circuit for impedance matching of an operating frequency band outputted from the amplifying circuit.
제1 정합회로는 세라믹 소재로 구현될 수 있다. The first matching circuit can be realized by a ceramic material.
증폭회로와 제1 정합회로는 집적화된 패키지 내부에서 와이어로 직접 연결되어 있는 것일 수 있다. The amplifier circuit and the first matching circuit may be directly connected to the wire in the integrated package.
증폭회로는 GaN HEMT(High Electron Mobility Transistor)일 수 있다. The amplifying circuit may be a GaN HEMT (High Electron Mobility Transistor).
제2 정합회로는 증폭회로와 제1 정합회로가 집적화된 패키지의 출력단에 마련될 수 있다. The second matching circuit may be provided at an output end of the package in which the amplifier circuit and the first matching circuit are integrated.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 증폭회로가, 입력 신호를 증폭하는 단계; 증폭회로와 함께 집적화된 제1 정합회로가, 증폭단계에서 출력되는 2차 고조파 주파수의 임피던스 정합을 수행하는 단계; 및 제2 정합회로가, 증폭단계에서 출력되는 동작 주파수 대역의 임피던스 정합을 수행하는 단계;를 포함하는 전력증폭방법이 제공된다.
According to another aspect of the present invention, an amplifying circuit comprises: amplifying an input signal; The first matching circuit integrated together with the amplifying circuit performs impedance matching of the second harmonic frequency outputted in the amplifying step; And a second matching circuit performing an impedance matching of an operating frequency band outputted in the amplifying step.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, IMFET(Internal Matched FET) 기법으로 메탈 패키지 내부에 정합회로를 구현함으로 Class-J에 적합한 임피던스를 정확히 구현할 수 있게 된다.As described above, according to the embodiments of the present invention, since the matching circuit is implemented in the metal package by the IMFET (Internal Matched FET) technique, the impedance suitable for Class-J can be accurately implemented.
또한, 본 발명의 실시예들에 따르면, 유전율이 높은 세라믹 재료를 이용하여 낮은 특성 임피던스를 갖는 2차 고조파 제어용 stub 회로를 구현할 수 있고 이로 인해 광대역 특성을 확보할 수 있게 된다.In addition, according to the embodiments of the present invention, a stub circuit for a second harmonic control having a low characteristic impedance can be realized by using a ceramic material having a high dielectric constant, thereby ensuring a wide band characteristic.
그리고, 본 발명의 실시예들에 따르면, 메탈 패키지 내부에서 2차 고조파 주파수 정합이 이루어져 있기 때문에 외부에서 일반 전력증폭기와 같이 동작 주파수 대역의 임피던스 정합만으로도 고효율의 Class-J 증폭기 특성을 확보할 수 있게 된다.
According to the embodiments of the present invention, since the second harmonic frequency matching is performed in the metal package, it is possible to secure a high-efficiency Class-J amplifier characteristic only by impedance matching of the operating frequency band like an ordinary power amplifier do.
도 1은 종래기술에 의한 Class-J 증폭기 회로를 나타낸 도면,
도 2는 종래기술에 의한 Class-J 증폭기 형상을 나타낸 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 Class-J 증폭기의 회로도,
도 4는 Stub 특성 임피던스에 따른 주파수 대역 특성을 나타낸 도면,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 IMFET의 회로도,
도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 IMFET 형상을 나타낸 도면들,
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 Class-J 전력증폭기 형상을 나타낸 도면,
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 Class-J 전력증폭기의 특성을 나타낸 그래프, 그리고,
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 Class-J 전력증폭의 특성을 나타낸 테이블이다.1 is a diagram showing a conventional Class-J amplifier circuit,
FIG. 2 is a diagram showing a conventional Class-J amplifier shape,
3 is a circuit diagram of a Class-J amplifier according to an embodiment of the present invention,
FIG. 4 is a diagram showing frequency band characteristics according to stub characteristic impedance,
5 is a circuit diagram of an IMFET according to an embodiment of the present invention;
Figures 6 and 7 illustrate IMFET shapes, in accordance with one embodiment of the present invention,
8 is a diagram illustrating a shape of a Class-J power amplifier according to an embodiment of the present invention,
9 is a graph showing characteristics of a Class-J power amplifier according to an embodiment of the present invention,
10 is a table showing characteristics of Class-J power amplification according to an embodiment of the present invention.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
본 발명의 실시예에서는, 메탈 패키지 내부에 2차 고조파 주파수 정합회로를 구현하는 IMFET(Internal Matched FET) 기술을 적용하여 소형화되고 광대역 특성이 확보된 Class-J 전력증폭기를 제시한다.In the embodiment of the present invention, a Class-J power amplifier which is miniaturized and has a wide band characteristic is applied by applying IMFET (Internal Matched FET) technology which implements a second harmonic frequency matching circuit in a metal package.
도 3에는 본 발명의 일 실시예에 따른 Class-J 전력증폭기 회로도가 제시되어 있다. 본 발명의 실시예에 따른 Class-J 전력증폭기는, 도 3에 도시된 바와 같이, GaN HEMT(High Electron Mobility Transistor)(110), 2차 고조파 주파수 임피던스 정합회로(120), 동작 주파수 대역 임피던스 정합회로(130) 및 본딩 와이어(141,142,143)를 포함한다.3 is a circuit diagram of a Class-J power amplifier according to an embodiment of the present invention. 3, a Class-J power amplifier according to an embodiment of the present invention includes a GaN HEMT (High Electron Mobility Transistor) 110, a second harmonic frequency
GaN HEMT(110)는 입력 신호를 고주파 증폭하기 위한 반도체 소자로 baredie 형태이며, 본딩 와이어(141,142)는 baredie 연결을 위한 구성이다. GaN HEMT(110)의 출력단에는, 2차 고조파 주파수 임피던스 정합회로(120)와 동작 주파수 대역 임피던스 정합회로(130)가 마련된다.The GaN HEMT 110 is a semiconductor device for high frequency amplification of an input signal, and the
2차 고조파 임피던스는, 2차 고조파 주파수 임피던스 정합회로(120)에 마련된 stub(125)로 조절한다. 이 stub 선로(125)의 특성 임피던스에 따른 대역 특성을 시물레이션한 결과가 도 4에 나타나 있다.The second harmonic impedance is adjusted by the
도 4에서는 특성임피던스가 10Ω일 때와 50Ω일 때의 특성이 비교되어 있는데, 결과를 보면 stub 선로(125)의 특성 임피던스가 낮을수록 더 넓은 주파수 대역에서 출력과 효율이 좋은 특성을 나타내고 있음을 알 수 있다.In FIG. 4, characteristics of the characteristic impedance of 10 OMEGA and 50 OMEGA were compared. From the results, it is found that the characteristic impedance of the
선로의 특성 임피던스를 낮추기 위해서는 선폭을 넓게 하거나 기판 소재의 유전율을 높이는 방법이 있는데, 일반 PCB 기판의 경우 선로를 넓히면 전체 회로의 크기가 커지는 단점이 있고 기판 소재 측면에서도 유전율이 5 이하로 낮은 재료를 사용하기 때문에 선로의 특성임피던스를 낮추는데 한계를 갖게 되고 광대역 특성을 확보하는데도 한계점을 갖게 된다.In order to lower the characteristic impedance of the line, there is a method of widening the line width or increasing the dielectric constant of the substrate material. In general PCB substrate, there is a disadvantage that the whole circuit is enlarged when the line is widened. It has a limitation in lowering the characteristic impedance of the line and has a limit in securing the broadband characteristic.
이러한 한계점들을 극복하기 위해 본 발명의 실시예에서는 메탈 패키지 내부에 높은 유전율을 갖는 세라믹 소재를 이용하여 2차 고조파 주파수 대역 정합회로(120)를 구현한다.In order to overcome these limitations, in the embodiment of the present invention, a second harmonic frequency band matching
이는 두 가지의 장점을 갖게 되는데, 하나는 GaN HEMT(110)에서 본딩 와이어(142) 만을 거쳐서 바로 2차 고조파 주파수 임피던스 정합회로(120)를 구현하기 때문에, Class-J 동작을 위한 정확한 임피던스를 GaN HEMT(110)에 공급할 수 있는 점이다.This is because the second harmonic frequency
다른 하나는 일반 PCB 기판으로 높은 유전율을 갖는 세라믹 소재를 적용할 수 있기 때문에, 더 낮은 특성 임피던스를 갖는 stub 선로(125)를 구현할 수 있고, 이로 인해 광대역 특성을 확보할 수 있는 것이다.And the other is a ceramic substrate having a high permittivity as a general PCB substrate, so that a
도 5에는 메탈 패키지 내부에 구현된 회로가 도시되어 있다. GaN HEMT(110), 2차 고조파 주파수 정합용 stub(125)를 구비한 2차 고조파 주파수 임피던스 정합회로(120) 및 본딩 와이어(142,143) 외에 메탈 패키지 날개 부분의 캐패시터(150)가 포함되어 있다.Figure 5 shows a circuit implemented within a metal package. The second harmonic frequency impedance matching
도 6에는 메탈 패키지 내부에 마련되는 세라믹 소재를 이용해 구현된 2차 고조파 주파수 임피던스 정합회로(120)의 형상을 자세히 도시하였과, 도 7에는 실제작된 메탈 패키지 내부 회로의 사진이다.FIG. 6 shows a detailed configuration of a second harmonic frequency impedance matching
도 6과 도 7에 제시된 바와 같이, 유전율이 8.3인 세라믹 소재를 이용하여 특성 임피던스가 10 Ω인 stub 선로(125)를 효과적으로 구현하였다. 또한, 세라믹 회로가 메탈 패키지 내부에서 GaN HEMT(110)와 바로 연결되어 있는 것을 볼 수 있다.As shown in FIGS. 6 and 7, a
도 8에는 GaN HEMT(110)와 2차 고조파 주파수 임피던스 정합회로(120)가 집적화된 메탈 패키지를 이용하여 구현된 Class-J 증폭기 형상이 제시되어 있다. 2차 고주파 임피던스 정합은 메탈 패키지 내부에서 이미 구현되어 있기 때문에 PCB 기판에서는 동작 주파수 대역의 정합회로(130) 만을 구현하여 증폭기 특성을 확보할 수 있다.8 shows a Class-J amplifier shape realized by using a metal package in which a GaN HEMT 110 and a second harmonic frequency
도 9와 도 10에는 본 발명의 실시예에 따라 구현된 Class-J 전력증폭기 특성이 제시되어 있는데 1.8~2.7 ㎓의 광대역에서 출력, 이득, 효율 특성들이 확보되고 있음을 볼 수 있다.FIGS. 9 and 10 show the characteristics of a Class-J power amplifier implemented according to an embodiment of the present invention. Output, gain, and efficiency characteristics are secured in a wide band of 1.8 to 2.7 GHz.
지금까지, IMFET를 이용한 광대역 Class-J 전력증폭기에 대해 바람직한 실시예들을 들어 상세히 설명하였다.Up to now, preferred embodiments of a wideband Class-J power amplifier using an IMFET have been described in detail.
본 발명의 실시예에 따른 광대역 Class-J 전력증폭기는, 메탈 패키지 내부에 GaN HEMT(110) 외에 2차 고조파 주파수 임피던스 정합회로(120) 까지 구현함으로 Class-J 전력증폭기에 적합한 임피던스를 정확히 구현할 수 있다.The wideband Class-J power amplifier according to the embodiment of the present invention realizes up to the second harmonic frequency impedance matching
또한, 유전율이 높은 세라믹 소재를 이용하여 낮은 특성임피던스를 갖는 2차 고조파 제어용 stub 회로(125)를 구현할 수 있고 이로 인해 광대역 특성을 확보할 수 있다.In addition, a second harmonic
아울러, 본 발명의 실시예에 따른 광대역 Class-J 전력증폭기는, 메탈 패키지 내부에서 2차 고조파 주파수 정합이 이루어져 있기 때문에, 외부에는 일반 증폭기와 같이 동작 주파수 대역의 임피던스 정합회로 만을 구현하면 되므로 고효율의 Class-J 증폭기 특성을 확보할 수 있다.In addition, since the second-order harmonic frequency matching is performed in the metal package, the wideband Class-J power amplifier according to the embodiment of the present invention requires only an impedance matching circuit of an operating frequency band like an ordinary amplifier, Class-J amplifier characteristics can be ensured.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and detail may be made therein without departing from the spirit and scope of the present invention.
110 : GaN HEMT
120 : 2차 고조파 주파수 임피던스 정합회로
125 : stub
130 : 동작 주파수 대역 임피던스 정합회로
141,142,143 : 본딩 와이어110: GaN HEMT
120: Second harmonic frequency impedance matching circuit
125: stub
130: Operation frequency band Impedance matching circuit
141, 142, 143:
Claims (6)
상기 증폭회로와 함께 집적화되며, 상기 증폭 회로에서 출력되는 2차 고조파 주파수의 임피던스 정합을 위한 제1 정합회로; 및
상기 증폭 회로에서 출력되는 동작 주파수 대역의 임피던스 정합을 위한 제2 정합회로;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력증폭기.
An amplifying circuit for amplifying an input signal;
A first matching circuit integrated with the amplifying circuit for impedance matching of a second harmonic frequency output from the amplifying circuit; And
And a second matching circuit for impedance matching of an operating frequency band outputted from the amplifying circuit.
상기 제1 정합회로는,
세라믹 소재로 구현된 것을 특징으로 하는 전력증폭기.
The method according to claim 1,
Wherein the first matching circuit comprises:
Wherein the power amplifier is implemented in a ceramic material.
상기 증폭회로와 상기 제1 정합회로는, 집적화된 패키지 내부에서 와이어로 직접 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 전력증폭기.
The method according to claim 1,
Wherein the amplifier circuit and the first matching circuit are directly connected to each other by a wire inside the integrated package.
상기 증폭회로는,
GaN HEMT(High Electron Mobility Transistor)인 것을 특징으로 하는 전력증폭기.
The method according to claim 1,
Wherein the amplifying circuit comprises:
GaN HEMT (High Electron Mobility Transistor).
상기 제2 정합회로는,
상기 증폭회로와 상기 제1 정합회로가 집적화된 패키지의 출력단에 마련되는 것을 특징으로 하는 전력증폭기.
The method according to claim 1,
Wherein the second matching circuit comprises:
Wherein the amplifying circuit and the first matching circuit are provided at output ends of the integrated package.
상기 증폭회로와 함께 집적화된 제1 정합회로가, 상기 증폭단계에서 출력되는 2차 고조파 주파수의 임피던스 정합을 수행하는 단계; 및
제2 정합회로가, 상기 증폭단계에서 출력되는 동작 주파수 대역의 임피던스 정합을 수행하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력증폭방법.
The amplifying circuit comprising: amplifying an input signal;
A first matching circuit integrated with the amplifying circuit performs impedance matching of a second harmonic frequency outputted from the amplifying step; And
And the second matching circuit performing impedance matching of the operating frequency band outputted in the amplifying step.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US10587226B2 (en) | 2018-03-20 | 2020-03-10 | Nxp Usa, Inc. | Amplifier device with harmonic termination circuit |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
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| KR102224203B1 (en) | 2021-03-08 |
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