RF 트랜스포머의 이해 (1부): 이론, 기술 및 애플리케이션 입문

William Yu 및 Urvashi Sengal, Mini-Circuits

소개

본질적으로 트랜스포머는 상호 자기장으로 연결된 두 개 이상의 도전 경로에 불과합니다. 교류 전류가 하나의 도전 경로를 통과하여 코어 내에 변화하는 자속이 발생하면, 다른 도전 경로에 비례 전류가 유도됩니다. 이 유도 전류는 두 도전 경로 간의 자기 결합 비율에 비례합니다. 코어와 도전 경로의 자기 결합 비율은 추가 도전 경로에서의 유도 전압을 결정하며, 임피던스 변환과 전압 승압 또는 강압을 모두 제공합니다. 잠재적으로 모두 다른 결합 비율을 가진 추가 도전 경로를 추가하여 다양한 기능을 구현할 수 있으며, 이것이 RF 트랜스포머가 RF/마이크로파 산업 전반에 걸쳐 널리 사용되는 매우 다양하고 다재다능한 장치인 이유입니다.

RF 트랜스포머의 일반적인 구현은 자성 코어(또는 더 높은 주파수의 경우 공심) 주위에 감긴 두 개 이상의 별개 와이어로 구성되며, 이것이 RF 트랜스포머가 종종 권선 또는 턴 수의 비율로 설명되는 이유입니다.

RF 트랜스포머는 장치의 특성상 다양한 기능을 수행할 수 있는 여러 구성이 가능하므로 광범위한 애플리케이션에 사용됩니다. 다음을 포함하지만 이에 국한되지 않습니다:

DC 전류 주입
회로 간 DC 절연 제공
동상 신호 제거 향상
임피던스 매칭을 위한 임피던스 변환 제공
평형 회로와 불평형 회로 간의 효율적인 결합
전압/전류 승압 또는 강압 유도

트랜스포머를 제작하는 데 사용되는 여러 가지 일반적인 기술이 있으며, 코어-앤-와이어, 전송선, 저온 동시 소성 세라믹(LTCC), 모놀리식 마이크로파 집적 회로(MMIC) 등이 있습니다. 각각 다양한 패키지와 광범위한 성능 특성을 가지고 있습니다.

이 기사는 RF 트랜스포머의 이해 시리즈의 첫 번째 부분으로, 일반적인 RF 트랜스포머 기술과 애플리케이션에 대한 논의와 함께 RF 트랜스포머 이론을 소개하는 데 중점을 둡니다.

트랜스포머 이론 및 실용적 통찰

실용적인 애플리케이션에는 적합하지 않지만, 기본 이상적인 트랜스포머 모델은 트랜스포머의 기본 동작을 설명하는 데 유용합니다. 그림 1의 다이어그램을 고려하십시오. 1차 권선을 통과하는 전류는 코어의 상호 자기장을 통해 자속(패러데이 법칙)을 생성하여 2차 권선에 비례 전류와 전압을 유도합니다. 발생하는 전류와 전압은 모두 권선 비율, 즉 권선과 코어 간의 자기 결합에 비례합니다.

따라서 2차 임피던스는 권선 비율의 제곱에 1차 임피던스를 곱한 함수입니다:

n = \frac{N_2}{N_1}, \quad V_2 = nV_1, \quad I_2 = \frac{I_1}{n},

Z_1 = \frac{V_1}{I_1}, \quad Z_2 = \frac{V_2}{I_2}, \quad Z_2 = n^2Z_1

수식 1: 이상적인 트랜스포머

여기서 I₁, V₁, Z₁은 1차 권선을 통과하는 전류, 전압, 임피던스이고; I₂, V₂, Z₂는 2차 권선을 통과하는 전류, 전압, 임피던스이며, N₁은 1차 권선의 턴 수이고; N₂는 2차 권선의 턴 수입니다; 1과 2는 1차 권선의 입력 포트이고; 마지막으로 3과 4는 2차 권선의 출력 포트입니다.

그러나 실제 트랜스포머는 본질적으로 여러 기생 저항, 인덕턴스 및 커패시턴스를 포함하며, 이 중에는 상호 기생 커패시턴스와 자기 기생 커패시턴스가 모두 있습니다. 그림 2에 표시된 것은 비이상적 트랜스포머의 집중 요소 모델로, 두 권선의 기생 저항과 인덕턴스, 코어 저항 손실 및 권선의 활성 인덕턴스를 보여줍니다. 비이상적 트랜스포머 모델에서 이러한 장치가 제한된 대역폭으로 작동하고, 삽입 손실이 있으며, 최대 전력 정격을 가지고, 기타 주파수, 온도 및 전력 의존적 성능을 나타낸다는 것이 분명합니다.

일반적으로 실제 RF 트랜스포머의 저주파 차단 주파수는 권선의 활성 인덕턴스에 의해 결정되고, 고주파 차단은 권선 간 및 권선 내 커패시턴스에 의해 지배됩니다. 동작 대역폭 내에 존재하는 삽입 손실은 1차 및 2차 권선 저항 손실과 코어 내 소산의 산물입니다. 저항 손실은 주파수와 온도의 함수인 경향이 있으므로, 트랜스포머의 유효 동작 대역폭은 이러한 요인에 의해 제한됩니다. 여러 RF 트랜스포머 유형은 권선 간의 불완전한 자기 결합으로 인해 누설 인덕턴스를 도입하기도 합니다. 누설 인덕턴스의 리액턴스는 주파수에 비례하므로, 이러한 기생 요소는 고주파에서 반사 손실을 감소시키지만 저주파에서는 삽입 손실을 증가시킵니다.

더 복잡한 RF 트랜스포머 토폴로지, 즉 여러 권선, 탭 및 추가 요소가 있는 트랜스포머는 토폴로지와 트랜스포머 구조에 따라 다양한 성능 역학을 나타냅니다. 예를 들어, 임피던스 변환을 사용하여 평형(차동 신호 경로) RF 회로를 불평형(단일 종단 신호 경로) RF 회로에 효율적으로 상호 연결하는 데 사용되는 밸런이라고 알려진 RF 장치는 RF 트랜스포머로 구현할 수 있습니다. 또한 불평형 회로를 불평형 RF 회로에 상호 연결하는 데 사용되는 밸런과 유사한 또 다른 장치인 언언도 RF 트랜스포머로 구현할 수 있습니다.

트랜스포머로 만든 일반적인 밸런은 자속 결합 밸런 트랜스포머로, 자성 코어 주위에 별도의 와이어를 감고 1차 권선의 한쪽을 접지하여 구성됩니다. 따라서 1차 불평형 권선 측으로 들어가는 단일 종단 RF 신호는 2차 권선을 통해 차동(평형) 출력으로 임피던스 변환을 거칩니다. 밸런과 언언 이론, 기능 및 성능에 대한 더 깊은 검토는 RF 트랜스포머의 이해 시리즈의 2부에서 제시될 것입니다.

그림 4: 측정된 주파수 응답(Mini-Circuits TC1-1-13M+)

트랜스포머 자성 코어에 대한 참고 사항

자성 코어(일반적으로 강자성체)를 포함하는 RF 트랜스포머는 여러 가지 바람직하지 않은 성능 저하 요인의 영향을 받습니다. 예를 들어, 코어의 자화 인덕턴스는 RF 트랜스포머의 저주파 성능을 제한합니다. 자화 인덕턴스는 코어 투자율, 자성 코어의 단면적 및 코어 주위의 권선 수의 함수입니다. 자화 인덕턴스는 저주파에서 삽입 손실을 증가시키고 반사 손실도 감소시킵니다. 또한 코어의 투자율은 온도의 함수이며, 투자율의 증가는 이후 저주파 삽입 손실을 증가시킵니다.

RF 트랜스포머 기술

이산형 RF 트랜스포머의 두 가지 주요 유형은 코어-앤-와이어 및 전송선 트랜스포머입니다. 또한 두 가지 일반적인 유형의 저프로파일 및 소형 RF 트랜스포머 설계가 있습니다: LTCC 및 MMIC 트랜스포머.

코어-앤-와이어 RF 트랜스포머

코어-앤-와이어 RF 트랜스포머는 일반적으로 절연 구리 와이어와 같은 도전성 와이어를 토로이드와 같은 자성 코어 주위에 감아 제작합니다. 하나 이상의 2차 권선이 있을 수 있으며, 추가 기능을 활성화하기 위해 중간 탭이 있을 수도 있습니다. 그림 5는 토로이달 자성 코어와 절연 구리 권선으로 만든 RF 트랜스포머를 보여줍니다. 와이어와 코어 사이의 유도 결합 특성으로 인해, 더 작은 코어와 와이어 치수는 더 큰 코어-앤-와이어 트랜스포머보다 훨씬 높은 주파수에서 작동할 수 있는 코어-앤-와이어 트랜스포머를 만드는 경향이 있습니다. 그러나 소형 코어-앤-와이어 트랜스포머의 더 작은 치수는 권선과 코어의 저항 손실도 증가시켜 저주파에서 더 큰 삽입 손실을 나타냅니다.

전송선 RF 트랜스포머

두 개의 불일치 부하 사이에 배치된 정밀하게 설계된 전송선 또는 여러 전송선의 복잡한 배열을 포함할 수 있는 다양한 전송선 트랜스포머 토폴로지가 있습니다. 예를 들어, 전송선 길이를 사용하여 두 개의 불일치 부하 간에 임피던스 변환을 구현할 수 있습니다. 일부 전송선 트랜스포머는 페라이트 코어 주위에 감긴 절연 와이어를 사용하며, 이는 일반적인 코어-앤-와이어 트랜스포머와 매우 유사하고 종종 코어-앤-와이어 트랜스포머로 간주됩니다. 다음 설명은 분류 목적보다는 트랜스포머 동작의 측면을 설명하고 이해를 높이기 위한 것입니다.

기본 전송선 트랜스포머는 2도체 전송선으로 구성됩니다. 첫 번째 도체는 발생기에서 부하로 연결되고, 다른 도체는 그림 6에서 볼 수 있듯이 첫 번째 전송선의 출력과 부하에서 접지로 연결됩니다. 이 구성에서 부하를 통해 흐르는 전류는 발생기를 통해 흐르는 전류의 두 배이고, V₀는 전압 V₁의 절반입니다. 따라서 부하 저항은 발생기 측에서 보이는 저항의 1/4에 불과하며, 1:4 트랜스포머를 생성합니다(수식 2).

V_0 = \frac{V_1}{2}, \quad R_G = \frac{V_1}{I_1},

R_L = \frac{V_0}{2I_1} = \frac{V_1/2}{2I_1} = \frac{R_G}{4}

수식 2: 2도체 전송선 트랜스포머

일반적인 전송선 트랜스포머 변형은 1/4 파장 전송선 트랜스포머입니다. 이 토폴로지는 입력 임피던스와 부하 간의 임피던스 매칭을 가능하게 하는 특성 임피던스를 가진 전송선을 사용합니다. 1/4 파장 트랜스포머의 길이는 원하는 동작 주파수에 의해 결정되며, 중심 주파수 주변의 1옥타브 대역폭으로 제한됩니다. 그림 7에서 볼 수 있듯이, Z₀ 특성 임피던스와 길이 L을 가진 무손실 전송선이 Z_in 입력 임피던스와 Z_L 부하 임피던스 사이에 연결된 것을 고려하십시오. Z_in과 Z_L을 매칭시키려면, 1/4 파장 전송선의 특성 임피던스는 Z_in에 Z_L을 곱한 값의 제곱근이어야 합니다(수식 3).

전송선 트랜스포머의 장점은 권선 간 커패시턴스의 상당 부분이 누설 인덕턴스와 함께 전송선 파라미터에 의해 흡수되어, 코어-앤-와이어 트랜스포머에 비해 비교적 넓은 동작 대역폭을 제공한다는 것입니다.

\beta = \frac{2\pi}{\lambda}, \quad Z_{IN} = Z_0 \frac{Z_L + jZ_0 \tan\beta L}{Z_0 + jZ_L \tan\beta L}

@L\sim\frac{\lambda}{4}:\quad Z_{IN} = \frac{Z_0^2}{Z_L}, \quad Z_0 = \sqrt{Z_{IN}Z_L}

수식 3: 1/4 파장 전송선 트랜스포머 방정식

LTCC 트랜스포머

저온 동시 소성 세라믹(LTCC) 부품은 세라믹 기반 기판을 사용하여 제작되는 다층 부품입니다. LTCC 트랜스포머는 임피던스 변환과 단일 종단에서 평형으로의 신호 변환을 달성하기 위해 전송선 역할을 하는 결합 라인을 사용합니다. LTCC 트랜스포머는 작동하기 위해 용량성 결합에 의존합니다. 이를 통해 LTCC 트랜스포머는 강자성 트랜스포머에 비해 더 높은 주파수에서 작동할 수 있지만, 저주파에서 성능 저하가 발생할 수 있습니다. LTCC 기술의 장점은 그림 8에서 볼 수 있듯이 고신뢰성 애플리케이션에 이상적인 작고 견고한 트랜스포머를 제작할 수 있다는 것입니다.

MMIC 트랜스포머

LTCC 기술과 마찬가지로 MMIC 트랜스포머는 평면 금속화가 있는 고정밀 적층 2D 기판을 사용하여 만들어집니다. 일반적으로 MMIC 트랜스포머는 서로 평행한 2개의 전송선 구성으로 기판에 인쇄된 스파이럴 인덕터를 사용하여 제작됩니다. MMIC 공정은 고주파 트랜스포머를 생산하는 데 유용하며, 뛰어난 반복성과 우수한 열효율을 나타냅니다. MMIC 트랜스포머는 그림 9에서 볼 수 있듯이 갈륨비소(GaAs) 집적 수동 소자(IPD) 공정을 사용하여 제작할 수 있습니다.

RF 트랜스포머 기능 및 애플리케이션 소개

이 기사의 이전 섹션에서 언급했듯이, RF 트랜스포머가 토폴로지에 따라 수행할 수 있는 다양한 기능이 있습니다.

트랜스포머 기능

예를 들어, 임피던스 변환 기능은 서로 다른 임피던스를 가진 두 회로를 매칭시키거나 소스 전압에 대해 전압 승압 또는 강압을 제공하는 데 사용할 수 있습니다.

임피던스 매칭 트랜스포머

RF 회로에서 두 노드 간의 임피던스 불일치가 전력 전송 효율을 감소시키고 잠재적으로 문제가 되는 반사를 일으킬 수 있는 많은 경우가 있습니다. 따라서 임피던스 매칭 트랜스포머를 사용하여 반사를 효과적으로 제거하고 두 회로 노드 간의 최대 전력 전송을 제공할 수 있습니다(그림 10 참조).

그림 10: 트랜스포머를 사용하여 75Ω에 임피던스를 매칭시키는 50Ω 평형 증폭기

언언과 밸런

또한 불평형 라인의 경우 임피던스 매칭에 오토트랜스포머 구성을 사용할 수 있습니다, 즉 언언입니다. 앞서 언급했듯이, 밸런 트랜스포머도 평형 회로 섹션과 불평형 회로 섹션을 상호 연결하는 데 사용할 수 있습니다.

DC 절연

RF 트랜스포머는 1차와 2차 권선 사이에 DC 절연을 제공하도록 설계할 수도 있으며, 이는 RF 전송선에 DC 바이어스가 필요한 RF 회로를 신호 라인의 DC 전압에 의해 부정적인 영향을 받는 RF 회로와 분리하는 데 유용할 수 있습니다.

DC 전류 주입

또한 회로의 하위 섹션에 DC 전류가 필요한 경우, 특수 RF 트랜스포머를 사용하여 신호 경로에 DC 전류를 주입할 수 있습니다. 예를 들어, 두 개의 센터 탭 트랜스포머를 사용하여 DC 바이어스를 주입하면 두 개의 바이어스 T가 필요 없게 됩니다(그림 11 참조).

동상 신호 제거 향상

특정 RF 트랜스포머 설계는 평형(차동) 회로에 대해 향상된 동상 신호 제거(CMR)를 제공하는 데 사용할 수 있습니다.

RF 초크

다른 토폴로지는 신호 라인에서 고주파 RF 성분을 필터링하여 초크 역할을 하는 데 사용할 수 있습니다.

결론

RF 트랜스포머는 다양한 제조 방법과 다양한 재료로 제작할 수 있으며, RF 회로에 유용한 기능을 수행하기 위해 수많은 토폴로지로 구성할 수 있습니다. 재료, 구조 및 설계에 따라 RF 트랜스포머는 협대역 또는 광대역일 수 있으며 저주파 또는 고주파 RF 주파수에서 작동할 수 있습니다. RF 트랜스포머의 기본 사항과 더 자세한 뉘앙스를 이해하면 설계자가 올바른 트랜스포머 선택으로 설계를 최적화하는 데 도움이 될 수 있습니다.

이것으로 RF 트랜스포머의 이해 시리즈 1부를 마칩니다. 다음 기사를 기대해 주십시오:

RF 트랜스포머의 이해 2부: 밸런 및 언언
RF 트랜스포머의 이해 3부: RF 트랜스포머 성능 파라미터 이해
RF 트랜스포머의 이해 4부: 이상적인 트랜스포머 선택 방법

참고 자료

https://www.minicircuits.com/app/AN20-001.pdf
https://www.minicircuits.com/app/AN20-002.pdf
https://www.minicircuits.com/appdoc/TRAN14-2.html
RF and Microwave Transformer Fundamentals featured in Microwave Products Digest 10-2009
https://www.minicircuits.com/WebStore/Transformers.html