KR100365303B1 - 적응지향성안테나를이용한통신용송수신기 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따르면, 휴대용 통신 송수신기에 연결되는 지향성 안테나가 통신시스템내의 원격지국쪽으로 적응적으로 향하게 된다. 휴대용 장치에 필요한 RF 전력의 양이 비-지향성 안테나에 비해 상당히 감소된다. 따라서, 배터리 재충전 사이의 송수신기의 동작 주기가 최대화된다.

Description

적응 지향성 안테나를 이용한 통신용 송수신기{COMMUNICATIONS TRANSCEIVER USING AN ADAPTIVE DIRECTIONAL ANTENNA}
본 발명은 네트워크 내에서의 통신을 위한 시스템에 관한 것으로, 특히, 이동 또는 원격 송수신기에 의해 통신에 필요한 전력을 감소시키도록 개선된 신호 지향성(directionality)을 제공하기 위한 적응형 안테나 패턴 기술을 사용하는 시스템에 관한 것이다.
Gardner 등에 의한 미국특허 제5,260,968호는 "무선 통신 신호의 다중화(multiplexing radio communication signals)"를 위한 방법을 기재하고 있는데, 이것은 "스펙트럼 오버랩 신호의 블라인드 적응 공간 필터링"을 사용한다. 이 방법은 이것을 수행하는데 필요한 자기상관 함수를 제공하기 위해 복잡한 디지털신호 처리 장치를 필요로 하는 "자기(스펙트럼) 코히어런스 복원"을 사용한다. 이 특허의 "적응형(adaptive)" 안테나 어레이는 이동측보다는 기지국에 위치한다.
Roberts에 의한 미국특허 제4,298,873호는 간섭원 상에서 널(null) 쪽으로 조정하는 적응형 안테나가 기재되어 있다. 본 발명의 방법은 수신된 신호에서 신호 최대값을 구함으로써 Roberts의 방법과는 상이한 것을 제안하는 점을 주목하여야 한다. 또한, Roberts의 방법은 "널 안테나 프로세서"의 동작에 필요한 지연 라인 조정 및 진폭 균형을 구현하기 위해 비교적 복합한 하드웨어를 필요로 한다.
또한, 종래의 셀룰러 통신 장치의 어느 것도 적응 지향성 다중-모노폴(multiple-monopole) 안테나를 사용하지 않는다.
본 발명의 여러 가지 실시예에 따르면, 셀룰러 폰 또는 다른 유사한 원격 송수신기의 전력 소모를 감소시키는 시스템이 제공된다. 이러한 각각의 실시예에서, 적응 지향성 안테나는, RF 전력을 전방향적으로(omnidirectionally) 방사시키는 대신에, 셀룰러 폰 (또는 다른) 기지국의 방향으로 RF 전력을 방사시키도록 사용된다. 안테나의 지향성은, 수신 신호의 세기를 증가시키고 셀룰러 송수신기에 의해 포착되는 잡음의 양을 감소시키기 때문에, 송신 뿐만 아니라 수신에도 유익하다. 본 시스템은 특히 랩탑 컴퓨터 또는 "PCS(personal digital assistant)"와 같은 그 밖의 원격 연산 장치를 사용하는 것과 같은 휴대용 컴퓨팅 애플리케이션에 매우 적합하다.
본 시스템의 한 실시예는, 방사되는 RF 에너지를, 예를 들면, 통신 기지국 또는 위성 근처의 사분면(quadrant) 또는 반구로 향하게 하기 위해, 수동으로 또는 마이크로프로세서에 의해 스위칭될 수 있는 간단한 적응형 안테나 시스템을 포함한다. 이 시스템은 송수신기 배터리 전력을 절약하고, 송수신기와 기지국/위성 사이의 신호 이득을 최대화하면서, 기지국/위성에 대한 이동 송수신기의 방위에서의 큰 변화를 보상한다.
통상적인 셀룰러 폰 시스템에서, 셀룰러 폰 (또는 다른 송수신기) 신호가 셀룰러 네트워크내의 하나의 셀로부터 다른 셀로 패스될 때에, 하나의 기지국으로부터 다른 기지국으로 통신 링크를 이동하기 위해 핸드오프 프로토콜(handoff protocol)이 사용된다. 유사한 방식으로, 하나의 위성으로부터 다른 위성으로 통신 링크를 이동하기 위해 동일한 기술이 사용될 수 있다. 본 시스템의 대안의 실시예는, 핸드오프가 이루어질 때에 안테나 패턴을 새로운 기지국/위성쪽으로 향하게 하기 위해, 송수신기 안테나의 방향을 변화시킨다.
본 시스템의 또 다른 실시예에서는, 하나의 셀로부터 다른 셀로의 통신의 이동은 핸드오프 프로토콜 자체를 통해 수행되며, 여기서, 셀룰러 폰은 기지국으로부터 수신되는 통신을 통해 핸드오프가 검출될 때마다 안테나 구성(configuration)을 적응시킨다.
본 시스템의 또 다른 대안의 실시예는 가장 강한 리턴 신호의 방향에 대해 주기적으로 스캔한다. 따라서, 핸드오프가 이루어질 때에, 셀룰러 폰은 다음의 주기적인 방향 스캔시에 안테나 패턴을 자동으로 적응시킨다.
본 발명의 또 다른 실시예는, 상이한 안테나 엘리먼트에 대한 피드 신호의 위상을 변경함으로써 방사 패턴이 적응될 수 있는 다수의 지향성 안테나 디자인을 포함한다. 통상적으로, 이동 컴퓨팅 장치내와 주변의 공간이 제한적이기 때문에, 안테나는 2개의 엘리먼트(예를 들면, 노트북 컴퓨터의 끝단에 탑재된 2개의 모노폴)로 제한될 수 있다. 또한, 넓은 안테나 패턴 로브(lobe)가 바람직하므로, 간단한 2개의 모노폴 적응형 안테나가 본 시스템에 적합하다.
다수의 휴대용 셀룰러 장치가 현재 상업적으로 이용되고 있다. 이러한 모든 휴대용 장치는 통상적으로 배터리 전원을 사용하기 때문에, 각 장치의 동작 시간은계속적인 재충전 사이에서 이용가능한 배터리 "수명(life)"에 의해 제한된다. 배터리의 수명은 배터리에 연결되는 장치의 전력 소모를 감소시킴으로써 연장될 수 있기 때문에, 배터리 전원형 셀룰러 폰의 전력 소모를 감소시키는 것이 매우 바람직 하다는 것을 따른다.
본 발명의 다수 실시예의 각각에 따르면, 송수신기로부터 기지국으로의 에너지 유효 통신 경로를 설정하기 위해, 기지국 또는 위성과 송수신기간에 신호를 수신 및 송신하는 원격/이동 셀룰러 송수신기의 안테나 패턴을 적응시키기 위한 방법이 제공된다. 여기에 기재된 본 발명은 기지국이나 위성에 적용될 수 있다. 나머지 설명은 "기지국"의 이용을 설명할 것이지만, 이러한 기술은 마찬가지로 위성에 대해서도 유사하게 적용될 수 있다.
그러므로, 본 발명의 목적은 송수신기 배터리의 동작 수명을 연장시키는 장점을 제공하기 위해, 셀룰러 폰 또는 그 밖의 유사한 송수신기의 전력 소모를 감소 시키는 것이다.
본 시스템은 특히 송수신기 전력 소모의 감소가 기존의 셀룰러 송수신기 시스템에 대하여 단지 최소한의 하드웨어의 향상을 필요로 한다는 점에서 유리하다.
본 발명의 또 다른 장점은 본 시스템이 기지국으로부터(송수신기에 의해) 수신된 신호의 신호대 잡음비(S/N)뿐만 아니라 신호 송신기의 신호대 잡음비를 향상시킨다는 것이다.
도1은 휴대용 컴퓨터의 끝단 부분에 2개의 모노폴 안테나가 탑재된 본 발명의 일실시예를 도시한 도면.
도2는 본 발명의 일실시예를 도시한 하드웨어 블록도.
도3은 시스템 안테나 구성을 적응시키는데 사용되는 한 방법을 도시한 순서도.
도4는 2개의 대안적인 실시예를 도시한 하드웨어 블록도.
도5는 2개의 RF 프런트 엔드를 적용한 실시예의 하드웨어 블록도.
도6은 및 도7은 시스템의 일례가 적용될 수 있는 교체 안테나 패턴의 평면도.
도8은 본 시스템으로 실현할 수 하트형 안테나 패턴의 평면도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
101 : 안테나 시스템 102, 102' : 모노폴 안테나 엘리먼트
210 : 송수신기 220 : 스위치
230 : 위상 시프터 235 : 비교기 블록
240 : 메모리 250 : 비교기
260 : 스위치 제어기
이하, 침부 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.
본 시스템은, 셀룰러 통신 시스템에서 기지국쪽으로 안테나 패턴이 적응적으로 향하도록 하기 위해, 휴대용 셀룰러 통신 송수신기에 연결되는 지향성 안테나를 사용한다. 본원에서 사용된 "셀룰러 통신 송수신기"라는 용어는 셀룰러 폰, 양방향 페이저, 무선 랜(LAN), 및 셀룰러 통신 네트워크를 사용하는 이동 컴퓨터를 포함한다.
현재 다수의 휴대용 셀룰러 장치가 상업적으로 이용되고 있다. 예를 들면, PCMCLA("PC Memory Card International Associating") 카드는 내장형 셀룰러 폰 기능으로 이용가능하며, EO PDA(Personal Digital Assistant)는 셀룰러 폰 옵션을 갖는다. 예를 들면, 통상의 셀룰러 폰은 단일 모노폴 안테나를 사용하며, 수평면에서 전방향 패턴으로 약 600 밀리와트의 RF 전력을 방사한다. 간단한 지향성 안테나는 모노폴 안테나의 이득보다 약 3dB의 이득을 가질 수 있다. 단일의 모노폴을 2개의 모노폴로 교체함으로써, 방사되는 전력은 기지국 방향으로 동일한 전력 밀도를 유지하면서 300 밀리와트로 감소될 수 있다.
이동 송수신기가 셀룰러 폰 기지국에 대해 방위를 변화시키기 때문에, 지향성 안테나가 적용되면, 최적의 통신 경로를 제공하도록 지향성 적응이 이루어져야 한다. 본 시스템의 일실시예는, 신호 손실을 최소화하면서 기지국에 대한 방위에서의 큰 변화를 크게 허용하기 위해, RF 에너지를 선택된 사분면 또는 반구로 향하게 할 수 있는 간단한 적응 지향성 안테나를 포함한다. 후술되는 도6 내지 도8은, 요구된 지향성을 제공하기 위해 시스템에 의해 적용될 수 있는 몇몇 가능한 안테나 패턴을 도시하고 있다.
도1은 본 시스템의 일실시예를 도시한 것으로, 여기서, 안테나 시스템(101)은 휴대용 컴퓨터(100)의 끝단 부분에 탑재된 2개의 모노폴 안테나(102, 102')를 사용한다. 듀얼-모노폴 안테나를 사용하는 유사한 안테나 시스템(101)이 셀룰러 폰, 양방향 페이저, 그리고 무선 랜 (미도시)에서 사용될 수 있다.
도2는 본 시스템의 듀얼-모노폴 버전의 2개의 가능한 실시예를 도시한 하드웨어 블록도이다. 도2에 도시된 바와 같이, 안테나 시스템(101)은 2개의 모노폴 안테나 엘리먼트(102, 102')를 포함한다. 안테나 엘리먼트(102)는 송수신기(210)에 연결되고, 안테나 엘리먼트(102')는 스위치(220)와 위상 시프터(230)에 연결된다. 두 실시예의 보다 간소화를 위해, 선택적인 비교기 블록(235)이 사용되지 않고, 회로부터 위상 시프터(230)를 스위칭하거나, 또는 송수신기와 연결되도록 위상 시프터(230)를 스위칭함으로써, 교체 안테나 패턴을 선택하기 위해 수동 스위치(220)가 사용된다. 송수신기 오퍼레이터는, 예를 들면, 셀룰러 폰의 경우에 최대 오디오 볼륨을 얻기 위해 스위치(220)를 토글할 수 있다. 선택적으로, 오퍼레이터는, 넌-오디오(non-audio) 셀룰러 장치가 사용되는 경우에, 안테나를 우수한 구성으로 적응 시키기 위해 신호 세기 미터(215)를 참조함으로써, 스위치(220)를 토글할 수 있다.
도3은 교체 안테나 패턴들 간에 시스템 안테나 구성을 적응시키는데 사용되는 한 방법을 도시한 순서도이다. 도6 및 도7은 본 시스템의 실시예가 적응될 수 있는 교체 안테나 패턴의 평면도이다. 도2에 도시된 2개의 실시예 중의 두 번째 실시예는 도3, 도6 및 도7을 참조하여 상세히 설명되었다. 이 실시예에서, 비교기 블록(235)은 메모리 장치(240)와 스위치 제어기(260) 사이에 연결된 신호 세기 비교기(250)를 포함한다. 동작시에, 단계(305)에서, 비교기(250)는 회로로부터 위상 시프터(230)를 분리하는 위치로 스위치(220)를 설정하도록 스위치 제어기(260)에 명령한다. 이에 따라, 안테나 엘리먼트(102, 102')는 동상(in phase)이 되고, 도6에 도시된 것과 유사한 안테나 패턴이 발생된다. 단계(310)에서, 비교기(250)는 송신기지국으로부터 수신된 신호의 신호 세기를 측정한다. 비교기(250)는 마이크로프로세서, 또는 펌웨어나 하드웨어에 의해 제어될 수 있다. 스위치 제어기(260)는 마이크로프로세서 또는 펌웨어/하드웨어에 의해 선택적으로 제어될 수 있으며, 비교기(250) 대신에 시스템 제어를 제공할 수도 있다. 단계(310)에서, 비교기(250)는 수신 신호의 샘플을 수신하고, 메모리 장치(240)에 그 신호 세기를 나타내는 값을 저장한다. 이 순서도를 처음 통과할 때에는, 단계(330)로 되돌아가는 경로(313)가 취해진다.
단계(330)에서, 비교기(250)는 안테나 엘리먼트(102')와 송수신기(210) 사이에서, 위상 시프터(230)가 회로로 다시 연결되는 위치로 스위치(220)를 설정하도록 스위치 제어기에 명령한다. 이제, 안테나 엘리먼트(102, 102')는 이상(out of phase)이 되고, 도7에 도시된 것과 유사한 안테나 패턴이 발생된다. 위상시프터(230)에 의해 제공된 위상 시프트는 동상(in-phase) 안테나 패턴에 대하여 90도로 방향된 로브(lobe)를 갖는 안테나 패턴을 제공하도록 약 180˚가 된다. 단계(310)에서, 비교기(250)는 송신 기지국으로부터 수신된 신호의 신호 세기를 다시 측정한다. 이 시점에서, 그리고, 순서도를 통과하는 모든 후속 과정에서, 경로(312)는 단계(320)로 진행된다. 단계(320)에서, 비교기(250)는 현재 수신된 신호의 세기와 메모리 장치(240)에 저장된 이전 신호값을 비교한다. 현재 신호 세기가 저장된 값보다 크면, 현재 선택된 안테나 패턴이 바람직한 것이며, 시스템은, 어떤 안테나 구성이 선택될지를 다시 결정하기 전에, 단계(340)에서 소정의 시간동안 대기한다.
그러나, 현재 신호 세기가 이전에 저장된 값보다 크지 않으면, 단계(330)에서, 비교기(250)는, 교체 안테나 패턴이 발생되도록 하는 다른 위치로 위상시프터(230)를 다시 연결하는 위치로 스위치(220)를 설정하도록 스위치 제어기(260)에 명령한다. 이 경우에, 비교기(250)가 단계(310, 320)를 실행한 후, 분기가 단계(340)로 취해져서, 어떤 안테나 구성이 선택될지를 다시 결정하기 전에, 시스템이 소정의 시간 동안 대기한다. 그러므로, 본 발명에 따라 동작하는 셀룰러 통신 송수신기는 기지국으로부터 송신된 신호의 방향을 스캔하고, 기지국의 방향으로 RF 에너지를 보다 효율적으로 수신하거나 방사하는 송수신기 패턴을 선택한다.
도4는 본 발명의 셀룰러 송수신기 시스템의 대안적인 두 실시예를 도시한 하드웨어 블록도이며, 상기 실시예는 기지국으로부터의 특정 메시지 검출을 이용한다. 제1 실시예에서, 이동 송수신기는 송수신기 전자장치에 의해 핸드오프 메시지가 검출될 때에 안테나 구성을 적응시키도록 시도한다. 제2 실시예에서는, 송수신기가 안테나를 향하게 하는 보다 유리한 방향을 결정할 수 있도록 하기 위해, 2개의 메시지가 기지국으로부터 이동 송수신기로 전송된다.
핸드오프 메시지(Handoff Message)
통상적인 셀룰러 폰 시스템의 정상 동작에서는, 단일 기지국만이 셀룰러 송수신기의 수신 범위에 포함된다. 그러나, 셀룰러 폰이 셀의 경계에 접근하면, 적어도 2개의 기지국이 그 범위내에 포함될 수 있다. 통상적인 셀룰러 폰 시스템에서, 상기 송수신기로부터의 신호가 그 송수신기와 현재 통신하는 셀에서 보다 인접한 셀에서 보다 강할 때에, 인접한 셀에서 상기 기지국에 연속되도록 핸드오프 메시지를 송신하기 위해 핸드오프 프로토콜이 사용된다. 셀룰러 폰 시스템이 적응형 안테나를 이용하여 사용되는 경우에, 송수신기 안테나의 방향은, 송수신기 안테나 패턴이 새로운 기지국쪽을 향하도록, 핸드오프가 이루어질 때에 변경될 필요가 있다. 본 시스템의 또 다른 실시예에서, 이것은 셀간 핸드오프 통신을 모니터하는 셀룰러 송수신기에 의해 달성된다. 송수신기는 핸드오프가 검출될 때마다 안테나 구성을 적응시키려고 시도한다. 이 방법은, 이동 송수신기에 대한 특별한 적응형 안테나 통신 프로토콜이 존재하지 않고, 기지국에 집중되어 있는 한 "수동적"인 방법이다.
도4에 도시된 바와 같이, 도2 및 도3에 대하여 기술된 것과 유사한 적응형 안테나 시스템에 메시지 검출기(420)가 연결된다. 도4에 도시된 시스템의 안테나 방향 적응의 원리는 본질적으로 도2에 도시된 것과 유사하므로, 본 실시예의 상이한 동작 특성만을 상세히 설명하기로 한다. 비교기(250) 또는 스위치 제어기(460)가 시스템 동작을 제어하기에 충분한 내부 펌웨어(또는 내부 마이크로프로세서)와 메모리를 포함하는 경우, 마이크로 프로세서/메모리 회로(240/245)는 선택적이라는 것을 주목하여야 한다. 마이크로프로세서(250)가 존재하면, 이것은 비교기(250)와 스위치 제어기(250) 뿐만 아니라 데시지 검출기(420)에 연결된다.
동작시에, 메시지 검출기(420)는 안테나 엘리먼트(102, 102') 모두로부터 신호를 수신한다. 엘리먼트(102')로부터 수신된 신호는 스위치(220)를 통과하는데, 스위치(220)는 신호가 위상 시프터(230)를 통과하게 하거나 메시지 검출기(420)로 직접 통과하게 하고, 이 경우에 신호는 안테나 엘리먼트(102)로부터의 신호와 동상이 된다. 본 실시예에서, 개별 마이크로프로세서가 사용되면, 초기 신호 세기값이 선택적인 비교기 메모리(225) 또는 마이크로프로세서 메모리(245)에 저장된다. 이러한 신호 세기값은 기존의 송수신기 안테나 구성을 이용하여 현재 송신 기지국으로부터 수신된 송신 신호의 세기를 나타낸다. 셀간 핸드오프 메시지가 송수신기에 의해 수신되면, 메시지 검출기(420)는 스위치 제어기(460)가 스위치(220)를 토글하도록 하고, 안테나(101)가 교체 안테나 패턴을 발생시키도록 한다. 그리고 나서, 비교기(250)는 현재의 신호 세기와 이전의 안테나 구성에 대해 저장된 값을 비교한다. 현재 안테나 패턴이 이전의 패턴 보다 센 수신 신호를 발생하면, 안테나 구성은 다음 핸드오프가 검출될 때까지 고정된다. 그러나, 현재 안테나 패턴이 이전 패턴보다 약한 신호를 발생하면, 비교기(250)는 다음 핸드오프가 검출될 때까지 현재 안테나 구성을 이전 구성으로 전환시키도록 스위치 제어기(460)에 명령한다.
마이크로프로세서(240)가 사용되면, 메시지 검출기(420)는 마이크로 프로세서를 통해 스위치 제어기(460)와 통신하고, 비교기(250)는 신호 세기값을 저장하기 위해 마이크로프로세서 메모리(245)를 사용하는 것을 주목하여야 한다.
적응 메시지(Adaptation Message)
기지국으로부터 송신이 없는 주기 동안에, 송수신기 안테나를 바람직한 구성으로 적응시킬 수 있는 특별한 프로토콜이 요구된다. 본 발명의 또 다른 실시예에서, 셀룰러 폰이 각각 두 방향으로 조준된 안테나로 메시지를 수신하도록, 기지국으로부터의 "적응 메시지"가 소정의 시간 간격으로 2회 반복된다. 그리고 나서, 안테나는 기지국으로부터의 가장 강력한 신호 방향으로 최대 지향성을 제공하도록 설정된다. 상술된 핸드오프 프로토콜 검출과는 달리, 이 방법은 이동 송수신기에 대해 특별히 지시되는 기지국 프로토콜의 부가적인 구성요소를 필요로 한다. 이 방법은, 이동 송수신기가 "홈인(home in)할 수 있는 다른 방법으로 신호를 전송하고 있지 않을 때에, 안테나 방향의 방위를 제공하는데 유용하다.
"적응 메시지" 실시예의 동작 원리는 상술된 "핸드오프 메시지" 실시예와 유사하며, 따라서, 본 실시예의 상이한 동작 특성만을 상세히 설명하기로 한다. 도4에 도시된 바와 같이, 본 시스템은 기지국으로부터 송신된 적응 메시지의 발생을 검출하기 위해 메시지 검출기(420)를 사용한다. 동작시, 적응 메시지가 송수신기에 수신될 때에, 신호 세기값은 선택적인 비교기 메모리(255)에 저장되거나, 또는 개별 마이크로프로세서가 적용되는 경우, 마이크로프로세서 메모리(245)에 저장된다. 이 신호 세기값은 기존의 송수신기 안테나 구성을 이용하여 현재 송신하는 기지국으로부터 수신된 전송 신호의 세기를 나타낸다. 그 직후, 메시지 검출기(420)는 스위치 제어기(460)로 하여금 스위치(220)를 토글시키게 하고, 안테나(101)이 교체안테나 패턴을 발생시키도록 야기한다. 제2 적응 메시지가 검출되면, 비교기(250)는 현재의 신호 세기와 이전의 안테나 구성에 대해 저장된 값을 비교한다. 현재 안테나 패턴에 의해 발생된 수신 신호가 이전의 패턴 보다 강한 경우, 안테나 구성은다음 핸드오프가 검출될 때까지 고정 상태로 유지된다. 그러나, 현재 안테나 패턴에 의해 발생된 수신 신호가 이전 패턴보다 약한 경우, 비교기(250)는 다음 핸드오프가 검출될 때까지 현재 안테나 구성을 이전 구성으로 전환시키도록 스위치 제어기(460)에 명령한다.
듀얼 RF 프런트 엔드(Dual RF Front Ends)
도5는 2개의 RF 프런트 엔드(front ends) 수신기(이하, "프런트 엔드"라고 칭함)(510, 510')를 적용한 실시예의 하드웨어 블록도이다. 도5에 도시된 바와 같이, 고정된 위상차를 제공하기 위해 시스템에 배선된 위상 시프터(230)는 통상적으로 프런트 엔드(510, 510')의 입력과 출력 신호 간에 180도를 갖는다. 동작시에, 안테나 엘리먼트(102, 102')로부터의 신호는 각각 동시에 프런트 엔드(510, 510')에 의해 처리된다. 이 경우에는, 비교기(250)가 두 안테나 구성으로부터의 신호 세기를 측정하고, 송수신기(210)로 인가되는, 보다 강한 신호를 제공하는 구성을 선택하도록 스위치(220)에 명령하기 때문에, 특별한 프로토콜이나 메시지는 불필요하다. 대안적으로, 고정된 패턴을 갖는 2개의(또는 그 이상의) 상이한 안테나가 사용되어, 각각 상이한 방향을 지시하게 된다.
안테나 패턴(Antenna Patterns)
피드 신호의 위상을 다른 안테나 엘리먼트에 대해 변경함으로써, 안테나 패턴이 적응될 수 있는 많은 지향성 안테나 디자인이 있다. 이동 컴퓨팅 장치내의 공간은 제한되기 때문에, 안테나는 2 혹은 3개의 엘리먼트(예로, 휴대용 컴퓨터의 끝단에 탑재된 2개의 모노폴)로 제한될 수 있다. 넓은 안테나 패턴 로브가 바람직하기 때문에, 2개의 모노폴을 가진 간단한 적응형 안테나가 본 애플리케이션에 보다 적합하다. 도6 및 도7은 2개의 모노폴 안테나 엘리먼트에 의해 송신되거나 또는 수신되는 신호들의 위상을 변화시킴으로써 획득되는 한쌍의 안테나 패턴을 도시한다.
도6은 송/수신된 신호의 파장의 1/2인 파장이 바람직한, 간격 SP1에 의해 분리되는 모노폴 엘리먼트(602, 602')를 가진 안테나 시스템의 평면도이다. 로브(610, 610')는 동/서(E/W) 축을 따라 향해지고, 널(N1, N2)은 북/남(N/S) 축을 따라 향해져 있다는 것을 볼 수 있다. 이러한 안테나 패턴은, 엘리먼트(602, 602')에 의해 수신되거나 엘리먼트(602, 602')에 인가되는 신호가 서로 동상일 때에 발생된다.
도7은 도6에 도시된 안테나 시스템의 평면도이다. 로브(610, 610')는 N/S 축을 따라 향해지고, 널(N3, N4)은 E/W 축을 따라 향해져 있음을 볼 수 있다. 이러한 안테나 패턴은 엘리먼트(602, 602')에 의해 수신되거나 또는 엘리먼트(602, 602')에 인가되는 신호들이 서로에 대해 180도의 위상차를 가질 때 발생한다. 도6 및 도7에 도시된 안테나 시스템은 본질적으로 "양방향(hi-directional)"이다.
듀얼 모노폴 또는 듀얼 다이폴(dipole) 안테나 시스템이 사용되었는지의 여부에 관계없이, 휴대용 장치가 통신하고 있는 기지국으로부터의 리턴 신호를 최대로 하는 안테나 패턴이 선택된다. 이 신호의 최대화는 이용가능한 각각의 안테나 패턴을 사용하여, 각 안테나 패턴의 구성에 대해 기지국으로부터 셀룰러 폰에서 수신된 신호 전력의 양을 측정함으로써 달성된다.
도8은 한쌍의 다이폴 엘리먼트를 사용함으로써 실현될 수 있는 안테나 패턴의 평면도이다. 이렇게 발생된 하트형 안테나의 패턴은 도6 내지 도7에서 설명된 것과 같은 모노폴 엘리먼트의 쌍에 의해 발생되는 패턴보다 통상적으로 더욱 큰 지향성을 가진다. 도8에 도시된 것과 같이, 다이폴 엘리먼트(802, 802')는 통상적으로 파장의 1/4인 간격(SP2)에 의해 분리된다. 동상 신호가 엘리먼트(802, 802')에 인가될 때, 그에 따른 하트형 패턴(810)이 발생된다. 인가된 신호가 90도 이상(out-of-phase)인 경우, 도8에 도시된 안테나의 패턴이 발생된다. 다이폴 엘리먼트 사이의 상대적인 위상이 변경됨에 따라, 메인 로브(810)의 방향은 점(c)에 대해 대응하는 회전 변위를 나타낸다. 도8로부터 알 수 있는 바와 같이, 하트형 안테나 패턴은 실질적으로 단방향이고, 이 경우에 주 로브(810)는 N 방향을 취한다. 대안의 실시예에서, 엘리먼트(802, 802')는 다이폴 대신에 모노폴일 수 있다. 또 다른 실시예에서, 안테나 엘리먼트(802, 802')가 모노폴 또는 다이폴인지의 여부에 관계없이, 교체 안테나의 패턴은, 사용자의 방향으로 방사되는 RF 에너지를 최소화 하도록, 송수신기의 사용자쪽으로 널이 향하도록 선택된다.
본 방법은 간격 및 위상 관계가 2개 이상의 대안의 구성의 발생을 허용하는 모든 개수의 모노폴 또는 다이폴 엘리먼트를 이용하여 동작한다는 것을 주목하여야 한다. 예를 들면, 다수의 안테나 패턴은, 각각의 안테나 패턴이 실질적으로 단방향 로브를 구성하는 안테나 패턴들로 구성할 수 있고, 각 안테나 패턴내의 로브는 인접한 로브에 대해 약 360/n도로 향해지고, 각각의 안테나 패턴은 모노폴 안테나 사이에 적합한 위상 관계를 수립함으로써 발생된다.
청구된 발명은, 본 발명의 진정한 범위와 사상에서 벗어나지 않는 한, 전술된 바람직한 실시예에 제한되지 않고, 다양한 수정 및 대안예를 포함할 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
본 발명에 따른 시스템은 송수신기 전력 소모의 감소가 기존의 셀룰러 송수신기 시스템에 비하여 최소한의 하드웨어 증가를 필요로 하는 장점이 있다.
본 발명의 또 다른 장점은 본 시스템이 기지국으로부터 (송수신기에 의해) 수신된 신호의 신호대 잡음비(S/N) 뿐만 아니라 신호 송신기의 신호대 잡음비도 향상시킨다.

Claims (26)

  1. 통신 네트워크내의 기지국과 통신하기 위한 휴대용 통신 송수신기에 사용되는 적응 지향성 안테나 시스템에 있어서,
    상기 송수신기에 연결되어, 상기 기지국으로부터 제1 신호를 수신하기 위한 적어도 2개의 안테나;
    상기 안테나 중 하나에 결합되어, 상기 안테나가 상호 배타적인 지향성을 가진 다수의 안테나 패턴을 함께 발생하도록 하기 위한 회로;
    상기 송수신기와 함께 동작가능하며, 상기 다수의 안테나 패턴 중에서 상기 기지국으로부터 수신된 상기 제1 신호의 최대 신호 세기를 제공하는 하나의 패턴을 선택하기 위한 스위치; 및
    상기 다수의 안테나 패턴 중 하나를 선택하도록 상기 스위치를 동작시키기 위한 스위치 오퍼레이터 - 여기서, 상기 스위치 오퍼레이터는, 상기 안테나 패턴 중 상기 기지국으로부터 수신된 상기 제1 신호의 최대 신호 세기를 제공하는 하나의 패턴을 결정하기 위해, 상기 각각의 안테나 패턴을 주기적으로 선택하도록 상기 스위치를 동작시킴-를 포함하는 안테나 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스위치 오퍼레이터는 상기 스위치와 상호 동작하기 위해 오퍼레이터로 신호를 제공하는 안테나 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 스위치 오퍼레이터는, 상기 안테나 패턴 중 상기 기지국으로부터 수신된 상기 제1 신호의 최대 신호 세기를 제공하는 하나의 패턴을 결정하기 위해, 상기 각각의 안테나 패턴을 주기적으로 선택하도록 상기 스위치를 동작시키는 안테나 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 각각의 안테나 패턴은 실질적으로 단방향 로브(lobe)로 구성되는 안테나 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 각각의 안테나 패턴은 양방향이고, 실질적으로 대향 위치된 2개의 로브로 구성되는 안테나 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    가장 최근의 상기 제1 신호를 수신하는데 사용된 상기 안테나 패턴 중 하나를 통해 제2 신호가 송신되는 안테나 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 안테나는 2개의 모노폴(monopole) 안테나이고, 상기 회로는 상기 안테나 패턴 중 바람직한 하나의 패턴을 발생시키기 위해, 상기 2게의 모노폴 안테나 사이에 바람직한 신호 위상 관계를 수립하도록 상기 스위치와 함께 동작가능한 위상 시프트 회로를 포함하는 안테나 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 안테나 패턴은 2개의 안테나 패턴으로 구성되고,
    여기서, 상기 각각의 안테나 패턴은 양방향이고, 실질적으로 대향 위치된 2개의 로브로 구성되고,
    상기 각각의 안테나 패턴은 서로에 대해 약 90도로 향해지고,
    상기 안테나 패턴 중 제1 패턴은 0도의 제1 위상 관계를 수립함으로써 발생되고,
    상기 안테나 패턴 중 제2 패턴은 180도의 제2 위상 관계를 수립함으로써 발생되는 안테나 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 안테나는 2개 이상의 모노폴 안테나를 포함하고, 상기 회로는 상기 모노폴 안테나 사이에 바람직한 신호 위상 관계를 수립하도록 상기 스위치와 함께 동작가능한 위상 시프트 회로를 포함하는 안테나 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 다수의 안테나 패턴은 n개의 안테나 패턴으로 구성되고,
    여기서, 상기 각각의 안테나 패턴은 실질적으로 단방향 로브로 구성되고,
    상기 각각의 안테나 패턴내의 상기 로브는 인접한 로브에 대해 약 360/n도로 향해지고,
    상기 각각의 안테나 패턴은 상기 모노폴 안테나 사이에 적절한 위상 관계를 수립함으로써 발생되는 안테나 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 각각의 안테나 패턴은 하트형(cardiocid) 패턴을 포함하는 안테나 시스템.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 기지국은 위치결정 메시지의 제2 인스턴스(instance)가 뒤따르는 상기 위치결정 메시지의 제1 인스턴스로 구성되는 위치결정 메시지 쌍을 주기적으로 송신하고,
    상기 시스템은,
    신호 세기값을 저장하기 위한 메모리; 및
    상기 안테나, 상기 스위치 오퍼레이터 및 상기 스위치에 연결되어, 상기 위치결정 메시지의 상기 제1 인스턴스를 검출하고, 상기 제1 인스턴스의 신호 세기를나타내는 값을 상기 메모리에 저장하고, 상기 스위치로 하여금 상기 제1 위치결정 메시지의 검출에 응답하여 상기 안테나 패턴 중 교체(alternate) 패턴을 선택하도록 야기하며, 상기 위치결정 메시지의 상기 제2 인스턴스를 검출하기 위한 검출기를 더 포함하고,
    여기서, 상기 스위치 오퍼레이터는, 상기 안테나에 연결되고 상기 스위치와 함께 동작가능하며, 상기 메모리에 저장된 상기 값을 상기 제2 인스턴스의 신호 세기와 비교하고, 상기 스위치로 하여금 상기 안테나 패턴 중 상기 위치결정 메세지의 보다 큰 신호 세기를 제공하는 하나의 패턴을 선택하도록 야기하기 위한 비교기를 포함하는 안테나 시스템.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 기지국은 셀룰러 통신 네트워크의 제1 셀 내에 위치하고, 상기 송수신기로부터의 제2 신호가 상기 제1 셀에서보다 제2 셀에서 보다 강한 경우, 상기 제2셀 내의 인접한 기지국으로 핸드오프(handoff) 메시지를 송신하기 위해 핸드오프 프로토콜이 사용되고,
    상기 시스템은,
    신호 세기값을 저장하기 위한 메모리; 및
    상기 안테나, 상기 스위치 오퍼레이터 및 상기 스위치에 연결되어, 상기 핸드오프 메시지를 검출하고, 상기 제1 신호의 신호 세기를 나타내는 값을 상기 메모리에 저장하고, 상기 스위치로 하여금 상기 검출에 응답하여 상기 안테나 패턴 중교체 패턴을 선택하도록 야기하기 위한 검출기를 더 포함하고,
    여기서, 상기 스위치 오퍼레이터는, 상기 메모리에 저장된 상기 값을 상기 안테나 패턴 중 상기 교체 패턴에 의해 수신된 상기 제1 신호의 신호 세기와 비교하고, 상기 스위치로 하여금 상기 안테나 패턴 중 상기 제1 신호의 보다 큰 신호세기를 제공하는 하나의 패턴을 선택하도록 야기하기 위한 비교기를 포함하는 안테나 시스템.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 안테나는 상기 모노폴 안테나 사이에 제1 위상 관계가 존재하는 제1 구성(configuration)을 갖는 2개의 모노폴 안테나를 포함하고,
    상기 스위치 오퍼레이터는 상기 2개 신호의 상대적인 신호 세기를 판정하기 위한 비교기를 포함하고,
    상기 안테나 시스템은 상기 각각의 안테나의 다른 하나와 상기 비교기 사이에 각각이 연결되는 2개의 RF 수신기를 더 포함하고,
    여기서, 상기 비교기는 보다 강한 상대적인 신호 세기를 제공하는 구성으로 상기 송수신기를 연결하도록 상기 스위치와 함께 동작가능한 안테나 시스템.
  15. 통신 네트워크내의 기지국과 통신하기 위한 휴대용 통신 송수신기에 사용되는 적응 지향성 안테나 시스템에 있어서,
    상기 송수신기에 연결되어, 상기 기지국으로부터 제1 신호를 수신하고, 상기기지국으로 제2 신호를 송신하기 위한 적어도 2개의 모노폴 엘리먼트(monopole elements)를 포함하는 안테나 수단 - 상기 안테나 수단은 상호 배타적인 지향성을 갖는 다수의 안테나 패턴을 함께 발생시키는데 적합함 - ;
    상기 안테나 수단에 연결되어, 상기 안테나 패턴 중 상기 기지국으로부터 수신된 상기 제1 신호의 최대 신호 세기를 제공하는 최적의 패턴을 결정하기 위한 비교기 수단;
    상기 안테나 수단에 연결되어, 상기 각각의 모노폴 엘리먼트 사이에 바람직한 신호 위상 관계를 수립하기 위한 위상 시프트 수단; 및
    상기 비교기 수단에 응답하고 상기 위상 시프트 수단과 함께 동작가능하며, 상기 안테나 패턴 중 상기 기지국으로부터 수신된 상기 제1 신호의 최대 신호 세기를 제공하는 하나의 패턴을 선택하기 위한 스위치 수단을 포함하는 안테나 시스템.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 스위치 수단은, 상기 각각의 안테나 패턴을 주기적으로 선택하여, 상기 안테나 패턴 중 상기 기지국으로부터 수신된 상기 제1 신호의 최대 신호 세기를 제공하는 하나의 패턴을 결정하는 안테나 시스템.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 제2 신호는 가장 최근의 상기 제1 신호를 수신하는데 사용된 상기 안테나 패턴 중 하나를 통해 송신되는 안테나 시스템.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 다수의 안테나 패턴은 2개의 안테나 패턴으로 구성되고,
    여기서, 상기 각각의 안테나 패턴은 양방향이고, 실질적으로 대향 위치된 2개의 로브로 구성되고,
    상기 각각의 안테나 패턴은 서로에 대해 약 90도로 향해지고,
    상기 안테나 패턴 중 제1 패턴은 0도의 제1 위상 관계를 수립함으로써 발생되고,
    상기 안테나 패턴 중 제2 패턴은 180도의 제2 위상 관계를 수립함으로써 발생되는 안테나 시스템.
  19. 제15항에 있어서,
    상기 다수의 안테나 패턴은 n개의 안테나 패턴으로 구성되고,
    여기서, 상기 각각의 안테나 패턴은 실질적으로 단방향 로브로 구성되고,
    상기 각각의 안테나 패턴내의 상기 로브는 인접한 로브에 대해 약 360/n도로 향해지고,
    상기 각각의 안테나 패턴은 상기 모노폴 엘리먼트 사이에 적절한 위상 관계를 수립함으로써 발생되는 안테나 시스템.
  20. 제15항에 있어서,
    상기 기지국은 위치결정 메시지의 제2 인스턴스가 뒤따르는 상기 위치결정 메시지의 제1 인스턴스로 구성되는 위치결정 메시지 방을 주기적으로 송신하고,
    상기 시스템은,
    신호 세기값을 저장하기 위한 메모리; 및
    상기 안테나 수단 및 상기 스위치 수단 사이에 상호 연결되어, 상기 위치결정 메시지의 상기 제1 인스턴스를 검출하고, 상기 제1 인스턴스의 신호 세기를 나타내는 값을 상기 메모리에 저장하고, 상기 스위치 수단으로 하여금 상기 제1 위치결정 메시지의 검출에 응답하여 상기 안테나 패턴 중 교체 패턴을 선택하도록 야기하며, 상기 위치결정 메시지의 상기 제2 인스턴스를 검출하기 위한 검출 수단를 더 포함하고,
    여기서, 상기 비교 수단은, 상기 메모리에 저장된 상기 값을 상기 제2 인스턴스의 신호 세기와 비교하고, 상기 스위치 수단으로 하여금 상기 안테나 패턴 중 상기 위치결정 메세지의 보다 큰 신호 세기를 제공하는 하나의 패턴을 선택하도록 야기하는 안테나 시스템.
  21. 제15항에 있어서,
    상기 기지국은 셀룰러 통신 네트워크의 제1 셀 내에 위치하고, 상기 송수신기로부터의 제2 신호가 상기 제1 셀에서보다 제2 셀에서 보다 강한 경우, 상기 제2셀 내의 인접한 기지국으로 핸드오프 메시지를 송신하기 위해 핸드오프 프로토콜이 사용되고,
    상기 시스템은,
    신호 세기값을 저장하기 위한 메모리; 및
    상기 안테나 수단 및 상기 스위치 수단 사이에 상호 연결되어, 상기 핸드오프 메시지를 검출하고, 상기 제1 신호의 신호 세기를 나타내는 값을 상기 메모리에 저장하고, 상기 스위치 수단으로 하여금 상기 검출에 응답하여 상기 안테나 패턴 중 교체 패턴을 선택하도록 야기하기 위한 검출 수단를 더 포함하고,
    여기서, 상기 비교 수단은, 상기 메모리에 저장된 상기 값을 상기 안테나 패턴 중 상기 교체 패턴에 의해 수신된 상기 제1 신호의 신호 세기와 비교하고, 상기 스위치 수단으로 하여금 상기 안테나 패턴 중 상기 제1 신호의 보다 큰 신호 세기를 제공하는 하나의 패턴을 선택하도록 야기하는 안테나 시스템.
  22. 제15항에 있어서,
    상기 안테나 수단은 상기 모노폴 엘리먼트 사이에 제1 위상 관계가 존재하는 제1 구성을 갖는 2개의 모노폴 엘리먼트를 포함하고,
    상기 위상 시프트 수단은 상기 모노폴 엘리먼트 사이에 제2 위상 관계가 존재하는 제2 구성을 수립하고,
    상기 비교기 수단은 상기 각각의 구성에 의해 각각 제공된 2개의 신호의 상대적인 신호 세기를 판정하고,
    상기 안테나 시스템은 상기 각각의 엘리먼트의 다른 하나와 상기 비교기 수단 사이에 각각이 연결된 2개의 RF 수신기를 더 포함하고,
    여기서, 상기 비교기 수단은 보다 강한 상대적인 신호 세기를 제공하는 구성으로 상기 송수신기를 연결하도록 상기 스위치 수단과 함께 동작가능한 안테나 시스템.
  23. 통신 네트워크내의 기지국과 통신하기 위한 휴대용 통신 송수신기에 사용되는 안테나 시스템을 지향성 적응시키기 위한 방법에 있어서,
    적어도 2개의 모노폴 엘리먼트를 갖는 안테나를 통해, 상기 기지국으로부터의 신호를 수신하는 단계;
    상기 다수의 안테나 패턴 중 상기 기지국으로부터 수신된 상기 제1 신호의 최대 신호 세기를 제공하는 최적의 안테나 패턴을 결정하는 단계; 및
    상기 최적의 안테나 패턴을 발생시키기 위해, 상기 각각의 모노폴 엘리먼트 사이에 바람직한 신호 위상 관계를 수립하는 단계를 포함하는 방법
  24. 제23항에 있어서,
    상기 다수의 안테나 패턴 중 상기 기지국으로부터 수신되는 상기 제1 신호의 최대 신호 세기를 제공하는 안테나 패턴을 결정하기 위해, 상기 다수의 안테나 패턴의 각각을 주기적으로 선택하는 단계를 포함하는 방법.
  25. 제23항에 있어서,
    상기 기지국은 위치결정 메시지의 제2 인스턴스가 뒤따르는 상기 위치결정메시지의 제1 인스턴스로 구성되는 위치결정 메시지 쌍을 주기적으로 송신하고,
    상기 위치결정 메시지의 제2 인스턴스가 뒤따르는 상기 위치결정 메시지의 제1 인스턴스로 구성되는 위치결정 메시지 쌍을 상기 기지국으로부터 주기적으로 수신하는 단계; 및
    송수신기측에서 수행되는,
    안테나 패턴에 대응하는 상기 위치결정 메시지의 상기 제1 인스턴스를 검출하는 단계;
    상기 제1 인스턴스의 신호 세기를 나타내는 값을 메모리에 저장하는 단계;
    상기 제1 위치결정 메시지의 검출에 응답하여 교체 안테나 패턴을 선택하는 단계
    상기 메모리에 저장된 상기 값을 상기 제2 인스턴스의 신호 세기와 비교하는 단계; 및
    상기 안테나 패턴 중 상기 위치결정 메시지의 보다 큰 신호 세기를 제공하는 하나의 패턴을 선택하는 단계를 포함하는 방법.
  26. 제23항에 있어서,
    상기 기지국은 셀룰러 통신 네트워크의 제1 셀 내에 위치하고, 상기 송수신기로부터의 제2 신호가 상기 제1 셀에서보다 제2 셀에서 보다 강한 경우, 상기 제2 셀 내의 인접한 기지국으로 핸드오프 메시지를 송신하기 위해 핸드오프 프로토콜이 사용되고,
    상기 핸드오프 메시지를 검출하는 단계;
    안테나 패턴에 대응되는 상기 제1 신호의 신호 세기를 나타내는 값을 메모리에 저장하는 단계;
    상기 검출에 응답하여 교체 안테나 패턴을 선택하는 단계;
    상기 메모리에 저장된 상기 값을 상기 교체 안테나 패턴에 의해 수신된 상기 제1 신호의 신호 세기와 비교하는 단계; 및
    상기 안테나 패턴 중 상기 제1 신호의 보다 큰 신호 세기를 제공하는 하나의 패턴을 선택하는 단계를 더 포함하는 방법.
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