KR100621812B1

KR100621812B1 - 송수신 스테이지 사이의 안테나－전환 장치

Info

Publication number: KR100621812B1
Application number: KR1019990007653A
Authority: KR
Inventors: 자콥헤르베
Original assignee: 코닌클리케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
Priority date: 1998-03-10
Filing date: 1999-03-09
Publication date: 2006-09-12
Also published as: EP0948019B1; DE69929928T2; JPH11340702A; DE69929928D1; CN1129941C; CN1238544A; EP0948019A1; JP4216392B2; FR2776160A1; KR19990077694A; US6172316B1

Abstract

본 발명은 송신 스테이지의 출력부와 수신 스테이지의 입력부 사이의 안테나-전환 장치로서, 커패시터를 형성하는 두 개의 고정판들(21,22)과, 압전 재료로 형성된 가동 접촉으로 형성되는 압전 액추에이터를 구비하는 안테나-전환 장치에 관한 것이다. 상기 고정판들의 내표면들은 전기 접촉들을 형성하도록 국부적으로 금속화된다. 상기 가동 접촉에 대해 접촉을 변형시킬 수 있는 제어 전압을 인가하기 위한 전극이 제공된다. 이 변형은 상기 고정판들의 주어진 부분에 대응하는 휴지 위치와 상기 고정판들의 다른 주어진 부분에 대응하는 작업 위치 사이에서 발생한다.

송신 스테이지, 안테나-전환 장치, 고정판, 압전 액추에이터, 가동 접촉

Description

송수신 스테이지 사이의 안테나－전환 장치{Antenna-switching device between a transmitting and a receiving stage}

도 1은 송수신 스테이지 사이의 안테나-전환 장치의 배치를 도시하는 기본 회로도.

도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 안테나-전환 장치의 두 실시예들을 도시하는 도면.

도 4는 차폐부재를 갖는 전환 장치의 예를 도시하는 도면.

도 5는 본 발명에 따른 장치의 제 3 실시예의 도시도.

도 6은 주파수의 부정합에 의한 손실의 증가 및 제안된 해법을 도시하는 그래프.

도 7 및 도 8은 상기 부정합을 정정할 수 있는 두 가지 가능한 배선도.

※도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1 : 송신 스테이지 2 : 수신 스테이지

3 : 안테나 4 : 스위치

21, 22 : 고정판 23 : 가동 접촉

발명의 분야
본 발명은 송신 스테이지의 출력부와 수신 스테이지의 입력부 사이의 안테나-전환 장치(antenna-switching device)에 관한 것이다. 본 발명은 특히 이동 전화에 사용될 수 있다.

발명의 배경
시분할 다중 접속(TDMA; time-division multiple access) 셀룰러 무선전화기와 같은 시스템에서, 안테나는 송신 회로의 출력부 또는 수신 회로의 입력부에 사용될 수 있다. 따라서 이들 두 회로를 상호 절연시킬 필요가 있다. 실제로 송신 회로가 정확히 절연되지 않으면 송신 파워의 상당 부분은 그 때 사용되지 않는 수신 회로로 흘러들어가고, 또한 송신 파워의 일부분은 안테나에 도달하지 못하고 그 소스로 반송된다. 마찬가지로 수신 단부상에서 송신 회로에 대한 부실한 절연은 낭비나 부정합(mismatch)으로 인한 손실을 유발한다.

오늘날, 예를 들어 US-A-5578976호에 개시된 것과 같은 정전 릴레이들(electrostatic relays)은 충분히 빠르지 않으며 이러한 형태의 안테나-전환 장치는 요구되는 사용 수명과 신속함을 얻기 위해서 PIN 다이오드와 같은 반도체에 의해, 실현될 수 있을 뿐이다. 그러나 이러한 구성요소에 의하면 직렬 저항과 이에 부과되는 (1 ㎃정도의) 전류 한계로 인하여 적어도 1 dB 의 손실이 있게 된다. 한편, 이러한 전환 장치의 압축점(compression point)은 그리 높지 않으며 따라서 직선성(linearity)이 약하다.

발명의 요약
본 발명의 목적은 전술한 결점들을 극복할 수 있는 안테나-전환 장치를 제안하는 것이다.

이를 위하여, 본 발명은 서두에 정의한 장치로서, 커패시터를 형성하는 두 개의 고정판들과, 압전 재질의 가동 접촉에 의해 형성되는 압전 액추에이터를 포함하며, 상기 고정판들의 상기 내표면들은 전기 접촉들을 형성하도록 국부적으로 금속화되고, 상기 가동 접촉에 대해 이 접촉을 변형시킬 수 있는 제어 전압을 인가하기 위한 전극이 제공되며, 상기 변형은 상기 고정판들의 주어진 부분에 대응하는 휴지 위치(rest position)와 상기 고정판들의 다른 주어진 부분에 대응하는 작업 위치(working position) 사이에서 발생하는 것을 특징으로 하는 안테나-전환 장치에 관한 것이다.

이렇게 제안된 장치는, 손실이 거의 없이 1 ms 이하의 시간동안 지속되는 임피던스-제어식 고주파 전환을 보장하며, 사용자가 조작을 잘못하여 안테나의 접속이 잠깐 끊어지는 것을 지지할 수 있으면서도 파워는 송신 회로의 출력 레벨에 적합하게 유지된다. 뿐만 아니라, 특성 임피던스의 보존은, 부정합으로 인한 손실값을 제한하며, 그 제한된 중량과 기계적 크기 역시 장점이 되는 장치의 소비 전력을 적게 유지하는데 기여한다.

본 발명의 두 가지 가능한 변형예에 따르면, 상기 내표면들의 각 하부는 휴지 위치에 대응하는 접촉을 형성하고, 그 상부는 작업 위치에 대응하는 접촉을 형성하며, 상기 가동 접촉은 상기 고정판들의 상기 내표면들과 평행하게 변위할 수 있고, 상기 고정판들은 돌출 부분들의 조합에 의해 형성되며, 상기 가동 접촉은 휴지 위치에 대응하는 고정판의 돌출 부분과 작업 위치에 대응하는 다른 고정판의 돌출 부분들 사이에서 상기 고정판들에 대해 횡방향(transverse direction)으로 변위될 수 있다. 제 3 변형예에 따르면, 상기 액추에이터는, 한편으로는 압전 효과 또는 자기저항(magnetorestrictive) 효과에 의해 변형가능한 부분과 고정 지지체를 갖고, 다른 한편으로는 상기 가동 접촉을 형성하는 가동 부분을 갖는 압전 모터(piezoelectric motor)이며, 상기 변형가능한 부분이 두 횡축을 따라서 교대로 변형되는 것을 촉진하기 위해, 한편으로는 상기 변형가능한 부분 및 그 고정 지지체와 다른 한편으로는 상기 가동 접촉을 형성하는 부분 사이의 기계적 마찰과 상기 압전 효과가 제공된다.
본 발명의 상기 및 기타 특징들은 첨부도면을 참조로 한 후술되는 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.

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바람직한 실시예들의 설명
도 1에 도시된 이동 전화기의 송수신 시스템은 송신 스테이지(1)와, 수신 스테이지(2)와, 안테나(3)와, 상기 안테나를 번갈아 송신 스테이지의 출력부와 수신 스테이지의 입력부에 링크연결할 수 있는 스위치(4)를 포함한다. 상기 스위치(4) 자체는 안테나(3)에 연결된 가동 접촉(5)과, 송신 스테이지(1)의 출력부에 연결된 제 1 고정 접촉(6)과, 수신 스테이지(2)의 입력부에 연결된 제 2 고정 접촉(7)을 포함한다.

상기 송신 스테이지와 수신 스테이지(1,2)는 본 발명에 직접 연관되지 않으므로 상세히 기술하지 않는다. 송신 스테이지는 변조된 음성 신호 발생 회로, 주파수 변환기, 밴드패스 필터, 고주파 증폭기와 같은 필수 요소를 직렬로 구비하고, 수신 스테이지는 고주파 증폭기, 밴드패스 필터, 주파수 변환기와 같은 필수 요소를 직렬로 구비한다는 것만 기술한다.

도 2는 본 발명에 따른 전환 장치의 제 1 실시예를 도시한다. 이 장치는 두 개의 고정판(21,22)들과 이들 사이의 압전재질의 가동 접촉(23)을 포함하는 압전 액추에이터이다. 상기 두 고정판들의 내표면들은 전기 접촉을 형성하도록 국부적으로 금속화된다. 본 실시예에서 " 국부적으로"라는 표현은 상기 내표면들의 각 하부(101,102)가 "휴지" 위치에 대응하는 접촉을 형성하고 그 상부(103,104)가 "작업" 위치로 지칭되는 위치에 대응하는 접촉을 형성하는 것으로 이해되어야 한다.

상기 장치의 작동은 다음과 같다. 가동 접촉(23)에는 전극(28,29)에 의해서 제어 전압이 가해져 이를 변형시키고 이를 그 "휴지" 위치로부터 "작업" 위치로 변화시키며 이 제어 전압이 종결되면 "휴지" 위치로의 복귀가 이루어진다. 이러한 가동 접촉(23)의 단부의 복동 운동(double movement)은 도 2 에서 이중 화살표로 도시되어 있으며, 본원에서는 그 변위의 중간을 차지하는 중간 위치에 있는 것이 도시되어 있다. 이 가동 접촉의 고-진폭 압전 운동은 「증폭된 액추에이터」로 지칭되는 레버 효과에 의해 얻어질 수 있다. 이 경우, 상기 변위는 상기 레버의 축에 대한 거리만큼 증배된다.

도 3은 접촉을 형성하는 커패시터들의 고정판들(도면부호 31 과 32로 지칭됨)이 라이브 커패시터(live capacitor)의 값을 증대시킬 수 있는 작은 원통형 형태의 조합으로 구성되는, 전환장치의 제 2 실시예를 도시한다. 그 작동은 다음과 같다. 도면부호 33으로 지칭되는 가동 접촉은 이때 실린더의 축과 평행한 축(도 3에서의 수평축)을 따라서 상기 고정판들에 대해 횡방향으로 변위되며, 상기 접촉(33)은 그 두 표면상에 금속화된 실린더(131R,131T)를 포함하며, 이들 실린더는 접촉(33)이 제어 전압의 영향하에 변형될 때 고정판의 대응 구멍(231R,231T)내로 삽입된다. 제어 전압이 없는 경우 실린더(131R)는 "휴지" 접촉을 달성하도록 고정판(31)의 측부상의 구멍(231R)과 고주파 접촉 커패시터를 형성하고, 제어 신호가 있는 경우 실린더(131T)는 마찬가지로 "작업" 접촉을 달성하도록 고정판(32)의 측부 상의 구멍(231T)과 커패시터를 구성한다.

접촉 커패시터들의 값들은 가동 접촉의 변형을 1 mm로 가정한 상태에서 도 2 및 도 3의 두 실시예를 예로 하여 주어질 수 있다. 도 2의 실시예에서, 각 접촉은 예를 들어 1×4 mm의 두 평면 커패시터에 의해 실현되며, 접촉은 부분들의 기계적 운동(mechanical play)을 위한 0.1 mm의 간격을 갖고 0.71 ㎊에 대응하는 용량값을 제공한다. 도 3의 실시예에서, 각각의 접촉은 예를 들어 1 ㎜의 길이와 2 ㎜의 직경을 갖는 네 개의 실린더에 의해 형성되며, 따라서 얻어지는 용량은 2.2 ㎊이다.

고주파 신호들의 적절한 전파를 위해 필요한, 특성 라인 임피던스의 보존은 장치의 적절한 기하학적 형상에 의해 달성될 수 있음(상기 임피던스는 가동 접촉의 형태와 치수 및, 전체 전송 라인에 대한 접지로서 작용하는 장치의 그라운드에 연결되는 차폐부재(shield)의 존재의 함수임; 도 4는 그러한 차폐부재(41)의 배치 예를 도시함)에 유의해야 할 것이다.

도 5에 도시된 제 3 실시예는 소폭의(low-amplitude) 변형(10 내지 20 ㎛)을 갖는 압전 효과와, 상기 압전 효과의 결과로서(또는 자기저항 효과에 의해) 변형을 받는 압전 부분(51)과 한편으로는 고정판(52)과 다른 한편으로는 고려되는 고주파 릴레이에서 가동 접촉으로 사용되는 가동 부분(53) 사이의 기계적 마찰을 이용한다. 압전 부분(51)의 교번(alternate) 변형은 두 개의 직교하는 축들(또는 일반적으로는 횡축들)을 따라서 제어되며, 따라서 그 표면의 접선방향 지점(a tangential point)은 도 5 의 원통형 부분에 대해 도시된 타원을 그리며, 상기 마찰은 일반적으로 소형 티타늄 티쓰에 의해 확보된다. 이러한 기계적 장치는 「압전 모터」라는 용어로 지칭될 수 있으며, 이러한 장치의 다른 종래의 실행들로는, 마찰을 보장하는 표면의 불균일한 변형에 기초하여 생성되는 병진 운동, 또는 디스크의 축에 대한 반경방향으로의 변형에 의해 생성되는 디스크의 병진 운동이 언급될 수 있다. 가동 부분(53)의 금속화된 부분(54)은 상기 고정판들(55)에 대한 용량 효과(capacitive effect)를 통해 접촉을 실현하며, 다른 부재들은 유사하다.

안테나 스위치에 가해지는 압전을 사용하기 위한 상기 모터의 주요 장점은 스위치의 전환 단계 이외에 전력 소비가 전체적으로 없다는 것이며, 이러한 기계적 장치는 셀프-로킹 기능을 갖는다. 운동을 제어하려면 2축을 따라서 AC 제어 신호가 필요하지만, 낮은 값의 기본적인 기계적 변형으로 인해, 수 볼트 정도의 매우 낮은 전압이 가해진다. 얻어지는 변위 속도는 빠를 수 있고, 그러므로 TDMA 통신 네트워크에서 작동하는 제품의 안테나-전환에 요구되는 전환의 신속성에 부합될 수 있다. 예를 들어, 25 ㎛ 변형으로 구동되고 30 ㎑ 주파수로 작동되는 압전 모터는 0.75 ㎧ 의 변위 속도를 갖게 될 것인바, 이는 1 ㎳ 당 0.75 ㎜ 이동하는 속도이다.

물론, 본 발명은 전술한 실시예에 제한되지 않으며 그 변형예가 제안될 수 있다. 예를 들어, 도 2 의 실시예는 아래와 같은 방식으로 단순화될 수 있다. 가동 접촉은 금속 표면을 갖지만, 외부로는 연결되지 않는다. 따라서 "휴지" 위치의 접촉은 금속화된 고정판(21)(내표면 101)과 가동 접촉 사이에서의, 그 다음에 상기 동일 가동 접촉과 금속화된 고정판(22)(내표면 102) 사이에서의 이중 용량 효과에 의해 실현된다. 마찬가지로, "작업" 위치에서 접속은 고정판의 상부 부분과 가동 접촉 사이의 이중 용량 효과를 통해 이루어진다.

뿐만 아니라, 주파수에 관계없이 용량 효과에 의한 전환이 불충분할 수도 있다. 도 6의 곡선 A는 예를 들어 직렬 커패시터의 존재로 인한 부정합에 의해 900 ㎒ 에서 1.8 ㏈ 정도의 손실을 나타낸다. 그러므로, 작업 주파수에서 상기 커패시터와 공진하도록 선택된 값을 갖는 직렬 인덕턴스를 제공하고, 도 6의 곡선 B와 같이, 그로 인해 상기 주파수에서의 손실을 취소시킴으로써 상기 부정합을 보상하는 것이 유용하다.

상기 인덕턴스를 배치하기 위해 도 7 및 도 8에 도시된 두 개의 배선도가 제안될 수 있다. 도 7에서는 작업 상태(송신 스테이지)와 휴지 상태(수신 스테이지)에서 두개의 연결 커패시터(CT, CR) 각각을 형성하기 위해, 안테나에 링크된 공통 출력부상에 단일의 인덕턴스(71)가 제공되며, 상기 인덕턴스는 페라이트나 세라믹 코어를 갖는 통상적인 에어 반응기일 수 있거나, 라인 섹션에 의해 형성될 수 있으며, 그 설치는 상기 전환 장치의 내부나 외부에 이루어질 수 있다. 도 8 에서는 각각의 커패시터(CT, CR)를 형성하기 위해 두개의 인덕턴스(81,82)가 하나는 송신 스테이지에 제공되고 다른 하나는 수신 스테이지에 제공되며, 이 도면은 비표준 부하 임피던스에 적합하거나, 릴레이의 위치에 따라 상이한 커패시터들을 보상하는데 적합할 수 있다. 어느 경우에나, 주어진 특유의(unique) 작동 주파수에서 정합이 이루어진다. 보다 넓은 주파수 대역에서 동일한 기능을 실현하고 특히 멀티-표준 송신기/수신기의 경우에 두개의 특별한 주파수 대역에서 동일한 기능을 최적화하고자 한다면 다양한 구성 요소들을 조합하는 적응(adaptation) 회로가 사용된다.

상술한 본 발명의 장치는, 손실이 거의 없이 1 ms이하의 시간 동안 지속되는 임피던스-제어식 고주파 전환을 보장하며, 사용자가 조작을 잘못하여 안테나의 접속이 잠깐 끊어지는 것을 지지할 수 있으면서도 파워는 송신 회로의 출력 레벨에 적합하게 유지된다. 뿐만 아니라, 특성 임피던스의 보존은 부정합으로 인한 손실값을 제한하며, 그 제한된 중량과 기계적 크기 역시 장점이 되는 장치의 소비 전력을 적게 유지하는데 기여한다.

Claims

송신 스테이지의 출력과 수신 스테이지의 입력 사이의 안테나-전환 장치에 있어서,

커패시터를 형성하는 두 개의 고정판들과 압전 재질의 가동 접촉으로 형성되는 압전 액추에이터(piezoelectric actuator)를 포함하고, 상기 고정판들의 내표면들은 전기 접촉들을 형성하도록 국부적으로 금속화되고, 전극들이 상기 가동 접촉에 이 접촉을 변형시킬 수 있는 제어 전압을 공급하기 위해 제공되며, 상기 변형은 상기 고정판들의 주어진 부분에 대응하는 휴지 위치와 상기 고정판들의 다른 주어진 부분에 대응하는 작업 위치 사이에서 발생하는 것을 특징으로 하는, 안테나-전환 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 내표면들의 각 하부들은 상기 휴지 위치에 대응하는 접촉들을 형성하고, 그 상부들은 상기 작업 위치에 대응하는 접촉들을 형성하며, 상기 가동 접촉은 상기 고정판들의 상기 내표면들과 평행하게 변위될 수 있는 것을 특징으로 하는, 안테나-전환 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 고정판들은 돌출 부분들의 조합에 의해 형성되고, 상기 가동 접촉은 상기 휴지 위치에 대응하는 하나의 고정판의 돌출 부분들과 상기 작업 위치에 대응하는 다른 고정판의 돌출 부분들 사이에서 상기 고정판들에 대해 횡방향(transverse direction)으로 변위될 수 있는 것을 특징으로 하는, 안테나-전환 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 액추에이터는, 한편으로는 압전 또는 자기저항 효과에 의해 변형될 수 있는 부분과 고정 지지체를 갖고 다른 한편으로는 상기 가동 접촉을 형성하는 가동 부분을 갖는 압전 모터이며, 한편으로는 상기 변형될 수 있는 부분과 그 고정 지지부 및 다른 한편으로는 상기 가동 접촉을 형성하는 부분 사이에서의 기계적 마찰과 압전 효과가, 두 횡축을 따라 상기 변형될 수 있는 부분의 교번 변형을 초래하기 위해, 제공되는 것을 특징으로 하는, 안테나-전환 장치.