KR101087926B1 - 통신 방법, 다중 대역 튜너블 주파수 재구성가능한 안테나 및 무선기기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다중 대역의 재구성가능한 안테나 디자인 상의 자연적인 고차 고조파를 사용하는 무선 디바이스에 관한 것으로, 안테나 고차 고조파 공진이 다중 대역에서 다중 대역으로의 다중 대역 주파수 재구성가능한 안테나를 구축하는데 사용된다.

Description

통신 방법, 다중 대역 튜너블 주파수 재구성가능한 안테나 및 무선기기{MULTI-BAND TUNABLE FREQUENCY RECONFIGURABLE ANTENNAS USING HIGHER ORDER RESONANCES}

최근 다수의 상이한 디지털 기술에서의 발전에 따라, 한 장치로부터 다른 장치로 또는 네트워크를 통해 다른 시스템으로 대량의 데이터를 전송할 필요성이 크게 증가하였다. 기술의 발전으로 인해, 컴퓨터 및 다른 디지털 장비로부터 네트워크 내의 다른 장치로 고속으로 전송될 수 있는 대량의 음성, 영상, 화상 및 데이터 정보의 디지털화 및 압축이 가능해지고 있다. 컴퓨터는 보다 빠른 중앙 처리 장치 및 상당히 증대된 기억 용량을 갖고 있으며, 이는 보다 많은 양의 데이터를 보다 빠르게 저장하고 전송할 수 있는 장치에 대한 요구를 증대시켰다.

데이터 전송을 위해, 이동 무선 장치는 필요한 복수 주파수 범위를 지원하기 위한 RF(Radio Frequency) 서브시스템을 포함한다. 보다 많은 무선기기들이 플랫폼에 통합됨에 따라 단일 대역(single band) 안테나가 플랫폼 공간을 증가시킬 수 있다. 다중 대역(Multi-band) 안테나는 동작을 3 또는 4개의 대역들로 제한하여 원하는 안테나 성능을 이들 대역 내에서 유지할 수 있다. 광대역 안테나는 원치않는 대역외 잡음을 유입할 수 있어 RF 전단 대역 통과 필터를 필요로 한다. 분명 히, 디지털 기술의 발전은 데이터 전달의 요구를 자극하였으며, 따라서 동일 플랫폼 내의 멀티라디오(multi-radio) 서브시스템의 개선이 요구된다.

본 발명에 대한 요지는 본 명세서의 결론 부분에 나타나 있으며 청구되어 있다. 그러나, 본 발명의 구성 및 동작 방법과, 그 목적, 특징 및 이점은 첨부 도면과 함께 하기 상세한 설명을 참고하면 가장 잘 이해할 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 고차 공진을 이용하는 다중 대역 튜너블 주파수 재구성가능한 안테나(multi-band tunable frequency reconfigurable antenna)를 갖는 무선 디바이스를 도시한 도면.

도 2는 본 발명에 따른 다중 대역 튜너블 주파수 재구성가능한 안테나의 일실시예를 도시한 도면.

도 3 내지 5는 GSM 850, PCS 1900, GSM 900, DCS 1800 및 IMT 2000용 주파수 대역에서 동작하는 다중 대역 튜너블 주파수 재구성가능한 안테나의 특징을 도시한 도면.

도 6 내지 8은 WLAN용 주파수 대역에서 동작하는 다중 대역 튜너블 주파수 재구성가능한 안테나의 특징을 도시한 도면.

도면의 간략화 및 명확성을 위해, 도면에 도시된 구성요소들은 반드시 축척으로 도시되지는 않았다. 예를 들어, 명확성을 위해 일부 구성요소들의 크기는 다른 구성요소에 비해 과장될 수도 있다. 또한, 참조번호들은 여러 도면에서 대응하거나 유사한 구성요소들을 나타내도록 반복된다.

이하의 설명에서, 본 발명의 철저한 이해를 위해 다수의 특정 세부사항들을 설명한다. 그러나, 당업자라면 본 발명이 이들 특정 세부사항 없이 실시될 수도 있음을 이해할 것이다. 다른 예들에서, 본 발명을 불명료하게 하지 않기 위해 잘 알려져 있는 방법들, 절차들, 구성요소들 및 회로들은 상세히 설명하지 않는다.

도 1에 도시된 실시예는 다른 장치와 통신할 수 있는 하나 이상의 무선기기(radio)를 포함하는 무선 통신 장치(10)이다. 통신 장치(10)는, 예를 들어, IEEE 802.11 사양에 기초한 WLAN(Wireless Local Area Network)의 하부 기술을 제공하는 Wi-Fi(Wireless Fidelity), IEEE 802.16-2005에 기초하는 WiMax 및 Mobile WiMax, WCDMA(Wide band Code Division Multiple Access) 및 GSM(Global System for Mobile Communication) 네트워크와 같은 무선 네트워크에서 동작할 수 있지만, 본 발명은 이들 네트워크에서만 동작하도록 제한되지는 않는다. 통신 장치(10)의 동일 플랫폼에 배치된 멀티라디오(multi-radio) 서브시스템은 네트워크 내의 다른 장치들과 RF/로케이션 공간에서 통신할 수 있는 능력을 제공한다. 따라서, 통신 장치(10)의 고급 모바일 플랫폼은 멀티라디오 플랫폼의 요건을 만족하도록 상이한 주파수로의 적응 조정(adaptive tuning)을 허용하는 안테나를 포함한다.

통신 장치(10)는 다양한 제품에 응용될 수 있다. 예를 들면, 통신 장치는 데스크탑 컴퓨터, 랩탑, 스마트폰, MP3 플레이어, 카메라, 커뮤니케이터(communicator) 및 PDA(Personal Digital Assistants), 의료 또는 바이오테크 장비, 자동차 안전 및 보호 장비, 자동차 인포테인먼트 제품 등에 통합될 수 있다. 그러나, 본 발명의 범위는 이들 예에 제한되지 않는다.

도 1은 변조된 신호를 수신하고 송신하는 트랜시버(12) 및 안테나를 갖는 통신 장치의 모바일 플랫폼을 도시한 것이다. 도면은 변조/복조를 수용하도록 트랜시버에 안테나를 결합시킨 것을 나타내는 실시예를 간략하게 도시한 것이다. 일반적으로, 아날로그 전단 트랜시버(12)는 독립형 RF(Radio Frequency) 분리형 또는 통합형 아날로그 회로일 수도 있고, 또는 트랜시버(12)는, 프로세서가 인스트럭션을 인출하고, 디코드를 생성하며, 연산자를 찾아내고, 적절한 동작을 수행한 다음 그 결과를 저장하는 기능을 수행하는 프로세서와 함께 혼합 모드 집적 회로로서 삽입될 수도 있다. 프로세서는 베이스밴드 및 애플리케이션 처리 기능을 포함할 수 있고, 하나 이상의 프로세서 코어를 활용하여 애플리케이션 기능을 처리하고, 코어들에 걸쳐 프로세싱 작업부하가 공유될 수 있게 한다. 프로세서는 인터페이스(26)를 통해 데이터를 시스템 메모리(28) 내의 메모리 저장부에 전달할 수 있다. 시스템 메모리는 RAM(Random Access Memory), ROM(Read Only Memory) 및 비휘발성 메모리와 같은 메모리의 조합을 포함하지만, 본 발명은 메모리의 유형, 메모리의 종류 또는 시스템 메모리(28)에 포함된 메모리들의 조합에 제한되지 않는다.

도 2는 멀티라디오 플랫폼 요건을 적응적으로 만족하는 유연성을 가진 주파 수 재구성가능한 안테나를 위한 본 발명의 일실시예를 도시한 것이다. 통신 장치(10)는 3G 셀룰러 및 WLAN에 대한 가능한 대역 그룹화를 나타내는 하기 표와 함께 인접한 주파수 대역을 그룹화하는 안테나 설계를 포함한다.

3G 셀룰러 대역 - 북미 주파수 프로토콜

3G 셀룰러 대역 - 유럽/아시아 주파수 프로토콜

WLAN 대역 - 주파수 프로토콜

도 2는 셀룰러 및 WLAN 통신 시스템에서 7개의 주파수 대역을 수용하도록, 스위치(220) 및 스위치(230)의 2개의 스위치를 사용하여 조정될 수 있는 안테나 방사 소자(210)를 갖는 벤트(bent) 모노폴 안테나를 도시하고 있다. 7개의 셀룰러 및 WLAN 대역은 2개의 별개의 그룹으로 분할될 수 있으며, 스위치(220, 230)는 두 주파수 대역 그룹에서 동작하도록 적절히 전환될 수 있다. 통신 장치(10)의 실시예는 이 다중 대역에서 다중 대역으로의 주파수 재구성가능한 안테나(multi-band to multi-band frequency reconfigurable antenna)를 사용하여 안테나 크기를 보다 작게 할 수 있고 보다 적은 수의 스위치를 사용하여 플랫폼 통합을 간소화함으로써 제조 비용을 보다 적게 한다. 상이한 안테나 방사 소자 폭 및 형태를 선택함으로써, 도 2에 도시된 바와 같이 공급 입력 임피던스가 약 50 Ω이면, 복수의 고차 고조파 공진 모드들이 50 Ω 마이크로스트립 피딩 라인(215)에 의해 다양한 비로 조정될 수 있다.

스위치(220, 230)는 가요성 기판의 상부 또는 하부에 위치할 수 있다. 종래기술의 장치는 통상적으로 기판의 상부에 있는 스위치를 사용하지만, 본 발명에 따르면 스위치 패키지의 높이를 줄이기 위해 스위치가 가요성 기판의 바닥에 위치할 수도 있다. 스위치(220, 230)를 가요성 기판의 아래에 배치하면, 가요성 기판은 랩탑 뚜껑의 기계적 케이스 내부, 즉 LCD 스크린 주위 영역에 위치하거나 삽입될 수 있다. 일부 실시예에서는 기계적 케이스 가장자리 위의 선택된 영역이 스위치를 위한 장소를 제공하도록 절단될 수도 있다. 따라서, 안테나 패턴의 상부로부터 여분의 스위치 패키지 높이가 제거될 수 있다. 안테나 기판의 바닥의 스위치는 금속으로 채워진 비아를 사용하여 가요성 기판의 상부면 상의 안테나 금속 패턴에 접속될 수 있다.

안테나(200)는, 가장 낮은 주파수 대역에서 동작하도록 설계될 수 있으며, 예를 들어 MEM(Micro-Electrical-Mechanical) 스위치, FET(Field Effect Transistor) 스위치 및 PIN 다이오드 스위치와 같은 RF 스위치를 사용하여 보다 높은 주파수 동작으로 스위칭하도록 설계될 수 있다. 안테나(200)는 상이한 전기 길이 및 전류 분배를 달성하기 위해 스위치를 사용하여 상이한 주파수 대역에서 동작하도록 적응적으로 재구성할 수 있다.

동작 시에, 스위치(220) 및 스위치(230)는 모두, 안테나(200)가 GSM 850, PCS 1900, GSM 900, DCS 1800 및 IMT 2000으로 리스트된 5개의 셀룰러 대역에서 통신할 수 있도록 닫혀있을 수 있다. 다른 스위치 설정에서는, 스위치(220, 230)가 모두, 안테나가 대역 6 및 대역 7로 표시된 WLAN 대역에서 통신할 수 있도록 개방될 수 있다. 스위치(220, 230)는 모두 거의 동일한 시간에 턴온되거나 또는 턴오프될 수 있어, 하나의 DC 스위치 제어 라인이 재구성가능한 안테나(200)를 다른 다중 대역 스테이지에 동조시킬 수 있다.

또한, 스위치(220, 230) 모두가 닫힌 위치에 있는 통신 장치(10)는, 셀룰러 모드에서 동작하고, GSM 850 및 900 대역을 커버하기 위해 BW=15%로 824 내지 960 MHz의 범위의 주파수에서 통신을 제공하고, DCS/PCS/WCDMA를 커버하기 위해 BW=23.7%로 1710 내지 2170 MHz 범위의 주파수에서 통신을 제공하도록 구성된다. 스위치(220, 230)가 모두 개방 위치에 있는 통신 장치(10)는, WLAN 모드에서 동작하며 802.11 b/g/n에 대해 BW=3.5%로 2.4 내지 2.48 GHz의 범위의 주파수에서 통신을 제공하고, indoor/outdoor 802.11 a/n에 대해 BW=18.5%로 4.9 내지 5.9 GHz의 범위의 주파수에서 통신을 제공한다.

도 2는 5개의 셀룰러 대역과 2개의 WLAN 대역을 커버하도록 안테나(200)의 동작을 구성하는 2개의 RF 스위치를 도시하고 있지만, 일부 실시예에서는 1개의 스위치로 충분할 수도 있다. 그러나, 제 2 RF 스위치는 안테나의 대역폭을 확대하기 위한 다른 공진 브랜치를 제공한다. RF 패키지 스위치는 마이크로스트립 라인(210)으로 표시된 안테나의 구부러진 높이를 재사용하기 위해 기판의 뒤쪽에 위치해 있을 수도 있다. 또한, RF 스위치는 안테나의 크기를 크게 하지 않고 안테나 디자인에 삽입될 수 있다.

도 3 내지 5는 GSM 850, PCS 1900, GSM 900, DCS 1800 및 IMT 2000으로 리스트된 5개의 셀룰러 대역에서 통신할 수 있도록 도 2의 2개의 스위치가 닫힌 위치에 있는 벤트 모노폴 안테나(200)의 특징을 도시한 것이다. 구체적으로는, 도 3은 셀룰러 구성에서 시뮬레이트된 리턴 손실을 나타내고, 도 4는 최대 이득이 ~4dBi인 880 MHz에서 재구성가능한 안테나의 방사 패턴을 나타내며, 도 5는 최대 이득이 ~4dBi인 1940 MHz에서의 방사 패턴을 나타낸다.

도 6 내지 8은 대역 6 및 대역 7로서 리스트된 WLAN 대역에서 통신할 수 있도록 도 2의 2개의 스위치가 개방 위치에 있는 벤트 모노폴 안테나(200)의 특징을 나타낸다. 구체적으로는, 도 6은 WLAN 구성에서 시뮬레이트된 리턴 손실을 나타내고, 도 7은 최대 이득이 ~2dBi인 2.4 GHz에서의 재구성 가능 안테나의 방사 패턴을 나타내고, 도 8은 최대 이득이 ~6dBi인 5 GHz에서의 방사 패턴을 나타낸다.

현재의 MXN 플랫폼은 MIMO(Multiple-Input-Multiple-Output) 시스템을 위해 하나의 안테나 또는 N 개의 안테나를 사전결정된 주파수 대역에 할당하지만, 본 발명은 다중 대역에서 다중 대역으로의 주파수 재구성가능한 안테나를 사용하여 하나의 플랫폼에 보다 많은 무선기기를 통합할 수도 있다. 본 발명에 따르면, 모바일 플랫폼은 엔드 유저 요구를 만족하고 RF 간섭 거부 및 전자기 간섭 및 역량(EMI/EMC) 평가에 의해 무선 성능을 최적화하도록 상이한 구성으로 적응적으로 조정될 수 있다. 최소 개수의 안테나 구성요소가 MIMO 및 스위치 다이버시티 모두를 지원하는데 사용될 수 있다.

지금까지 GSM 850, PCS 1900, GSM 900, DCS 1800 및 IMT 2000를 포함하는 5개의 셀룰러 대역과 2개의 WLAN 대역을 커버하기 위해 단일 공급 포인트를 갖는 다중 대역 주파수 재구성가능한 안테나가 사용될 수 있음이 분명해 졌을 것이다. 본 발명의 재구성가능한 안테나는 필요한 안테나의 수 및 관련 RF 스위치의 수를 감소시키면서 무선 통신 주파수 대역을 커버하는 조정가능성(tunability)을 제공할 수 있다. RF 스위치 및 RF 스위치 제어 라인의 감소로 인한 플랫폼 공간의 절약에 의해 비용면에서 효율적인 멀티라디오 무선 플랫폼 환경을 제공할 수 있다.

따라서, 다중 대역 재구성가능한 안테나 설계에서 자연적인 고차 고조파를 구현함으로써, 다중 대역에서 다중 대역으로의 주파수 재구성가능한 안테나의 형성에 안테나의 고차 공진이 사용된다. 이들 본 발명의 실시예에서, 다중 대역에서 다중 대역으로의 주파수 재구성가능성은 스위치를 사용하여 이루어질 수 있다. 공간 할당이 최소화될 수 있고 힌지를 통한 RF 케이블의 수가 감소될 수 있다.

본 발명의 소정의 특징들을 예시하고 설명하였지만, 많은 변형, 대체, 변경 및 균등물이 당업자에 의해 이루어질 수 있을 것이다. 따라서, 첨부한 청구범위는 본 발명의 진정한 사상 내에 포함되는 그러한 변형 및 변경들을 모두 커버한다.

Claims (18)

1. 다중 대역에서 다중 대역으로의 주파수 재구성가능한 안테나(multi-band to multi-band frequency reconfigurable antenna)를 사용하여 통신하는 방법에 있어서,

   상기 재구성가능한 안테나가 셀룰러 대역에서 통신할 수 있도록 제 1 스위치 및 제 2 스위치를 제 1 위치에 배치하는 단계와,

   상기 재구성가능한 안테나가 WLAN 대역에서 통신할 수 있도록 상기 제 1 스위치 및 상기 제 2 스위치를 제 2 위치에 배치하는 단계와,

   스위치 패키지의 높이를 줄이기 위해 상기 제 1 스위치 및 상기 제 2 스위치를 가요성 기판의 하부면에 배치하는 단계를 포함하는

   통신 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 1 위치는 폐쇄 위치(closed position)이고, 상기 제 2 위치는 개방 위치(open position)인

   통신 방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 셀룰러 대역은 적어도 GSM 850, PCS 1900, GSM 900, DCS 1800 및 IMT 2000을 포함하는

   통신 방법.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 1 스위치 및 상기 제 2 스위치를 동시에 온 또는 오프로 전환시키는 단계를 더 포함하는

   통신 방법.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 재구성가능한 안테나를 상이한 다중 대역 스테이지에 동조시키기 위해 하나의 DC 스위치 제어 라인을 사용하는 단계를 더 포함하는

   통신 방법.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 다중 대역에서 다중 대역으로의 주파수 재구성가능한 안테나를 동적으로 조정하기 위해 상기 다중 대역 재구성가능한 안테나 상의 자연적인 고차 고조파(natural higher order harmonics)를 사용하는 단계를 더 포함하는

   통신 방법.
7. 삭제
8. 다중 대역 튜너블 주파수 재구성가능한 안테나(multi-band tunable frequency reconfigurable antenna)로서,

   제 1 스위치 및 제 2 스위치와,

   상기 제 1 스위치 및 상기 제 2 스위치가 제 1 위치에 있을 때 셀룰러 주파수 대역을 수용하고, 상기 제 1 스위치 및 상기 제 2 스위치가 제 2 위치에 있을 때 WLAN 주파수 대역을 수용하는 안테나 방사 소자를 포함하며,

   상기 제 1 스위치 및 상기 제 2 스위치는 상기 안테나 방사 소자 내의 높이를 줄이기 위해 기판의 후면에 배치되는

   다중 대역 튜너블 주파수 재구성가능한 안테나.
9. 제 8 항에 있어서,

   부가적인 매칭 요구 없이 상기 안테나 방사 소자에 공급되는 실질적으로 50Ω의 입력 임피던스를 더 포함하는

   다중 대역 튜너블 주파수 재구성가능한 안테나.
10. 삭제
11. 제 8 항에 있어서,

    상이한 안테나 금속 패턴 폭 및 형상을 선택하여 복수의 고차 고조파 공진 모드를 동조할 수 있는

    다중 대역 튜너블 주파수 재구성가능한 안테나.
12. 제 8 항에 있어서,

    상기 제 1 스위치 및 상기 제 2 스위치는 전계 효과 트랜지스터(FET) 스위치인

    다중 대역 튜너블 주파수 재구성가능한 안테나.
13. 제 8 항에 있어서,

    상기 제 1 스위치 및 상기 제 2 스위치는 PIN 다이오드 스위치인

    다중 대역 튜너블 주파수 재구성가능한 안테나.
14. 제 8 항에 있어서,

    상기 제 1 스위치 및 상기 제 2 스위치는 마이크로 전기기계(MEM) 스위치인

    다중 대역 튜너블 주파수 재구성가능한 안테나.
15. 재구성가능한 안테나를 갖는 무선기기(radio)로서,

    제 1 위치에서 상기 재구성가능한 안테나가 셀룰러 대역에서 통신할 수 있게 하고 제 2 위치에서 상기 재구성가능한 안테나가 WLAN 대역에서 통신할 수 있게 하는 제 1 스위치 및 제 2 스위치와,

    상기 제 1 스위치 및 상기 제 2 스위치에 결합되어, 상기 재구성가능한 안테나가 상이한 다중 대역 스테이지에 동조될 수 있도록 상기 제 1 스위치 및 상기 제 2 스위치를 함께 실질적으로 전환하는 하나의 DC 스위치 제어 라인과,

    스위치 패키지의 높이를 줄이기 위해 상기 제 1 스위치 및 상기 제 2 스위치가 하부면에 부착된 가요성 기판을 포함하는

    무선기기.
16. 제 15 항에 있어서,

    RF 신호 라인 및 상기 DC 스위치 제어 라인은 교차 결합 및 신호 간섭을 회피하도록 독립적인

    무선기기.
17. 삭제
18. 제 15 항에 있어서,

    상기 스위치 패키지를 포함하는 안테나 소자는 랩탑 리드(laptop lid)의 기계적인 케이스 내부에 배치되는

    무선기기.

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