KR101525426B1 - 안테나 크기 소형화를 유지하고 효율을 개선하기 위해 안테나 파라미터를 적응적으로 제어하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

통신 디바이스의 성능을 개선하기 위해서 안테나 임피던스 및/또는 안테나 공진 주파수를 변경하도록 제어되는 구성가능 엘리먼트를 가진 통신 디바이스에 대한 안테나. 안테나 임피던스는 송신을 위한 신호를 안테나에 공급하는 전력 증폭기의 출력 임피던스에 실질적으로 매칭하도록 제어된다. 안테나 공진 주파수는 안테나를 디튜닝할 수 있는 다양한 동작 상태들의 효과들을 극복하기 위해서 또는 동작가능 주파수 대역에 응답하여 제어된다.

안테나, 안테나 임피던스, 안테나 공진 주파수

Description

안테나 크기 소형화를 유지하고 효율을 개선하기 위해 안테나 파라미터를 적응적으로 제어하기 위한 방법 및 장치{METHODS AND APPARATUSES FOR ADAPTIVELY CONTROLLING ANTENNA PARAMETERS TO ENHANCE EFFICIENCY AND MAINTAIN ANTENNA SIZE COMPACTNESS}

본 출원은 2004 년 10 월 15 일에 출원한, 가특허 출원 번호 제 60/619,231 호에 대한 우선권을 주장하는, 2005년 10 월 17 일에 출원한 미국 특허 출원 번호 제 11/252,248 호에 대한 우선권을 주장하는 부분적으로 계속 중인 출원이다.

발명의 기술 분야

본 발명은 일반적으로 무선 통신 디바이스를 위한 안테나에 관한 것이며, 보다 상세하게는, 통신 디바이스의 성능을 개선하기 위해 안테나 파라미터들을 적응적으로 제어하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.

발명의 배경

안테나 성능은 안테나 엘리먼트의 크기, 형태 및 재료 조성, 엘리먼트들 사이의 상호작용 및 특정 안테나 물리적 파라미터들 (예를 들어, 선형 안테나에 대해서는 길이 및 루프 안테나에 대해서는 직경) 사이의 관계 및 안테나에 의해서 수신 또는 송신되는 신호의 파장에 의존한다는 것이 알려져 있다. 이러한 물리적 및 전기적 특성은 입력 임피던스, 이득, 방향성, 신호 극성 (polarization), 공진 주파수, 대역폭 및 방사 (radiation) 패턴을 포함하는 여러 안테나 동작 파라미터를 결정한다. 안테나는 통신 디바이스의 신호 수신 및 송신 경로의 통합 엘리먼트이기 때문에, 안테나 성능은 디바이스 성능에 직접적으로 영향을 준다.

일반적으로, 동작가능 안테나는 저항 손실로 손실된 에너지를 제한하고 송신 또는 수신된 에너지를 최대화하기 위해서 동작 주파수의 반파장 (또는 그 배수) 정도의 최소 물리적 안테나 디멘션을 가져야 한다. 그라운드 평면 이미지의 영향 때문에, 그라운드 평면 위에서 동작하는 1/4 파장 안테나 (또는 그 홀수 정수배)는 반파장 안테나와 유사한 특성을 보여준다. 통신 디바이스 제품 설계자는 넓은 대역폭 및/또는 다중 주파수 대역 동작을 할 수 있고, 통신 시스템의 송신 및 수신 컴포넌트에 전기적으로 매칭 (예를 들어, 임피던스 매칭) 되며, 다수의 모드 (예를 들어, 선택가능한 신호 극성 및 선택가능한 방사 패턴) 로 동작가능한 효율적 안테나를 선호한다.

반파장 다이폴 안테나는 많은 애플리케이션에서 일반적으로 사용된다. 방사 패턴은, 에너지가 대부분 방위 방향으로 균일하게 방사되며 고도 방향으로는 거의 방사되지 않는 친숙한 도너츠 모양이다. 특정 통신 디바이스에 대해서 관심있는 주파수 대역은 1710 내지 1990 MHz 및 2110 내지 2200 MHz 이다. 반파장 다이폴 안테나는 1900 MHz 에서 대략 3.11 인치 길이, 1710 MHz 에서 3.45 인치 길이, 및 2200 MHz 에서 2.68 인치 길이이다. 통상적 이득은 약 2.15 dBi 이 다.

그라운드 평면 상에 배치된 1/4 파장 모노폴 안테나는 반파장 다이폴로부터 유도된다. 물리적 안테나 길이는 1/4 파장이지만, (이미지 안테나를 생성하는) 그라운드 평면과의 전자기 에너지의 상호작용은 안테나가 반파장 다이폴 성능을 보여주도록 한다. 따라서, 그라운드 평면 상의 모노폴 안테나에 대한 방사 패턴은 대략 2 dBi 의 통상적 이득을 가진, 반파장 다이폴 패턴과 유사하다.

(송신 또는 수신된 주파수의 대략 1/3 파장의 직경을 가진) 공통 자유공간 (즉, 그라운드 평면상이 아닌) 루프 안테나는 또한 대략 3.1 dBi 의 이득을 가진, 방사축에 따른 익숙한 도너츠 방사 패턴을 디스플레이한다. 1900 MHz 에서, 이 안테나는 약 2 인치의 직경을 가진다. 통상적 루프 안테나 입력 임피던스는, 표준 50 ohm 송신 라인에 양호한 매칭 특성을 공급하는, 50 ohm 이다.

널리 공지된 패치 안테나는 대략 4.7 dBi 의 이득을 가진 방향성 반구적 커버리지 (directional hemispherical coverage) 를 공급한다. 1/4 또는 반파장 안테나에 비해 되더라도, 패치 안테나는 비교적 좁은 대역폭을 가진다. 작은 크기는 패치 안테나의 플레이트들 사이에서 사용된 유전 물질과 연관된 전파 속도에만 오직 기인한다.

1/4 및 반파장 안테나의 바람직한 성능이 주어진다면, 종래의 안테나들은 안테나 길이가 방사 주파수의 1/4 파장 정도이며 안테나가 그라운드 평면 상에서 동작하거나, 또는 안테나 길이가 그라운드 평면을 사용하지 않으면서 반파장이 되도록 통상적으로 구성된다. 이러한 디멘션들은 안테나가 공진 주파수에서 또는 그 주위에서 쉽게 여기되고 동작하도록 허용한다 (여기에서 공진 주파수 (f) 는 식 c = λf 에 따라서 결정되며, c 는 광속이며, λ 는 전자기 방사의 파장이다). 반파장 및 1/4 파장 안테나는 저항 손실에서 손실된 에너지를 제한하며 송신된 에너지를 최대화한다. 그러나 동작 주파수가 증가/감소함에 따라서, 동작 파장은 감소/증가하며 안테나 엘리먼트 디멘션이 비례적으로 감소/증가한다. 특히, 수신 또는 송신된 신호의 공진 주파수가 감소함에 따라, 1/4 파장 및 반파장 안테나의 디멘션이 비례적으로 증가한다. 결과적 더 큰 안테나는, 1/4 파장에서도, 특정 통신 디바이스, 특히 사용자에 의해서 휴대되도록 의도되는 휴대 및 개인용 통신 디바이스에 대한 사용에 적합하지 않다. 이러한 안테나는 통신 디바이스보다 더 큰 경향이 있기 때문에, 안테나들은 통신 디바이스로부터 돌출된 안테나의 부분에 통상적으로 탑재되고 따라서 파손되기 쉽다.

무선 통신 디바이스 및 시스템의 급증하는 성장은 넓은 대역폭 또는 다중 주파수 대역 동작 및/또는 다수의 모드 (즉, 선택가능한 방사 패턴 또는 선택가능한 신호 극성) 에서의 동작을 할 수 있는 물리적으로 더 작고, 덜 거슬리고, 더 효율적인 안테나에 대한 실질적인 필요성을 생성하였다. 예를 들어, 다중 주파수 대역에서의 동작이 상이한 주파수 대역 내의 신호 프로토콜 또는 다중 통신 시스템과 통신 디바이스의 동작에 요구될 수도 있다. 예를 들어, 셀룰러 전화 시스템 송신기/수신기 및 글로벌 측위 시스템 수신기는 상이한 신호 프로토콜을 사용하는 상이한 주파수 대역에서 동작한다. 통신 주파수들은 상이한 국가들에서 공통적으로 할당되지 않기 때문에, 다수의 국가들에서의 디바이스의 동작은 또한 다중 주 파수 대역 동작을 요구한다.

개인용 통신 핸드셋과 같은, 최신 통신 디바이스의 더 작은 패키지는 종래의 1/4 및 반파장 안테나 엘리먼트에 대한 충분한 공간을 공급하지 않는다. (통신 디바이스의 모든 동작 주파수를 커버하기 위해서 다중 공진 주파수 및/또는 광대역폭을 나타내는) 관심있는 주파수 대역에서 동작할 수 있고 다른 소망하는 안테나 동작 성능 (입력 임피던스, 방사 패턴, 신호 극성 등) 을 공급하는 물리적으로 더 작은 안테나가 특히 요구된다.

당업자에게 공지되어 있는 바와 같이, 적어도 단일 엘리먼트 안테나에 대해서, 물리적 안테나 크기와 안테나 이득 사이에는 관계 : 이득 (gain) = (βR)^2 + 2βR 에 따른 직접적 관계가 존재하며, 여기에서, R 은 안테나를 포함하는 구의 반경이며 β 는 전파 팩터이다. 따라서 증가된 이득이 물리적으로 더 큰 안테나를 요구하고, 그에 반하여 사용자는 더 작은 안테나를 요구하는 물리적으로 더 작은 핸드셋을 계속 요구한다. 다른 제약으로, 시스템 설계를 단순하게 하고 최소 비용을 추구하기 위해서, 장치 설계자 및 시스템 작동자들은 통신 디바이스가 상이한 주파수 대역 내에서 동작하는 다양한 무선 서비스 또는 넓은 대역폭에 대해서 동작하는 그러한 서비스에 액세스하도록 허용하는 효율적 다중 대역 및/또는 넓은 대역폭 동작을 할 수 있는 안테나를 이용하는 것을 선호한다. 마지막으로, 이득은 안테나 동작 주파수와 (파장으로 표현되는) 유효 전기 길이 사이의 공지된 관계에 의해서 제한된다. 즉, 안테나 이득은 특정 지리적 구조, 즉 유효 안테나의 길이가 동작 주파수의 파장의 1/4 인 동작 주파수에서의 모든 1/4 파장 안테 나에 대해서 일정하다.

핸드셋 및 개인용 통신 디바이스에 의해서 부가된 안테나 크기 제한을 극복하기 위해서, 안테나 설계자는 구조의 물리적 디멘션이 유효 전기 디멘션과 동일하지 않은 소위 느린 파동 구조 (slow wave structure) 의 사용으로 향한다. 유효 안테나 디멘션은 상술한 유익한 방사 및 낮은 손실 성능을 달성하기 위해서 반파장 (또는 그라운드 평면 상의 1/4 파장) 정도이어야 한다. 일반적으로, 느린 파동 구조는 운송파의 위상 속도가 자유공간 광속보다 작은 것으로 정의된다. 파동 속도 (c) 는 파동 및 주파수의 곱이며 물질 유전율 및 투과율을 고려하며, 즉, c/((sqrt(ε_r)sqrt(μ_r)) = λf. 주파수가 느린 파동 구조를 통한 전파 동안에 변하지 않기 때문에, 파동이 광속보다 더 느리게 움직이면 (즉, 위상 속도가 더 느리면), 그 구조내의 파장은 자유공간 파장보다 더 작다. 느린 파동 구조는 물리적 길이, 공진 주파수 및 파장 사이의 종래의 관계를 분리시킨다.

느린 파동 구조에서 전파하는 파동의 위상 속도가 자유공간 광속보다 작기 때문에, 이러한 구조들의 유효 전기 길이는 광속으로 파동을 전파시키는 구조의 유효 전기적 길이보다 더 크다. 느린 파동 구조에 대한 결과적 공진 주파수가 그에 따라 증가된다. 따라서 두개의 구조들이 동일한 공진 주파수에서, 예를 들어, 반파장 다이폴로서 동작해야 하면, 느린 파동을 전파시키는 구조는 광속에서 파동을 전파시키는 구조보다 물리적으로 더 작을 것이다. 그러한 느린 파동 구조들은 안테나 엘리먼트들로서 또는 안테나 방사 구조로서 사용될 수 있다.

휴대용 통신 디바이스 (예를 들어, 셀룰러 핸드셋) 의 설계자가 더 많은 동작 특징을 공급하면서 디바이스 크기를 계속 감소시킴에 따라, 안테나 성능에 대한 요구사항은 더욱 엄격해진다. 그러한 통신 디바이스에 대한 성능의 다음 레벨을 달성하는 것은 개선된 성능을 가진, 특히 방사 효율성에 대해서 더 작은 안테나들을 요구한다. 현재, 설계자들은 디바이스들의 다중 대역 특징에 대한 충분한 다중 대역 안테나 성능을 획득하려고 노력한다. 그러나, 공지되어 있는 바와 같이, 효율성 및 대역폭은 관련되어 있고 따라서 설계 트레이드 오프가 요구된다. 설계자들은 하나의 (또는 몇몇 경우에서 두개 이상의) 동작 주파수 대역에서 성능을 최적화할 수 있지만, 두개 이상의 대역에서 동시에 충분한 성능을 달성하기 위해 효율성 또는 대역폭을 일반적으로타협해야 한다. 하지만, 대부분의 휴대용 통신 디바이스는 소정의 시간에서 2 개 이상의 대역폭에서의 동작을 거의 요구하지 않는다.

또한, 현대의 휴대용 통신 디바이스들은 제한된 배터리 리소스로 충분한 동작 시간을 공급하려고 시도하면서 크기 소형화 및 고 효율을 유지해야한다. 따라서, 안테나 소형화 및 효율은 그에 따라 상업적으로 실용적인 무선 디바이스를 달성하는 것이 중요하다.

공지된 Chu-Harrington 관계는 안테나의 크기 및 대역폭에 관한 것이다. 일반적으로, 크기가 감소함에 따라 안테나 대역폭이 또한 감소된다. 그러나, 대조적으로, 핸드셋 통신 디바이스의 능력이 대역폭 집중 정보 (예를 들어, 스트리밍 비디오) 의 수신 및 더 높은 데이터 레이트를 공급하기 위해서 확장됨에 따라, 안테나 대역폭이 증가되어야 한다.

GSM, EDGE, CDMA, Bluetooth. 802.11x 및 UWB 및 WCDMA 와 같은 다양한 통신 신호 프로토콜에 따라 동작하는 현재 무선 통신 디바이스는 다음과 같은 동작 결함을 경험한다.

A. PA (power amplifier : 전력 증폭기) 의 출력 전력이 통신 디바이스의 동작 동안 변화함에 따라, 및 신호 주파수가 변하면서 안테나 임피던스가 변화함에 따라, 차선 (sub-optimal) PA 로드 임피던스로 인한 불량한 PA 효율 (여기에서 안테나 임피던스는 PA 로드 임피던스임).

B. 통신 디바이스의 사용가능 공간 엔벨로프내에 적합한 그 비교적 작은 크기로 인해서 안테나의 비교적 좁은 대역폭에 의해서 더욱 영향받는 상기 A 에서 상술한 불량한 PA 효율 (즉, Chu-Harrington 제한).

C. 핸드-이펙트 (hand-effect) 또는 근접 영향이 안테나 공진 주파수를 디튜닝 (detune) 하고/하거나 안테나 임피던스를 변경함에 따라 차선 PA 로드 임피던스로 인한 불량한 PA 효율.

D. 비교적 작은 안테나 및 그 대응하는 비교적 좁은 대역폭의 사용으로 인한 차선 PA 출력 임피던스 (즉, 차선 안테나 임피던스) 로 인한 방사 에너지 전송 (커플링 효율) 의 손실.

E. 핸드-이펙트 또는 근접 영향에 의해서 유발된 안테나 공진 주파수의 디튜닝으로 인한 방사 에너지 전송 (커플링 효율) 의 손실.

F. 더 높은 값 (즉, 50 ohm) 대 안테나의 자연 방사 저항에 더 근접한 더 작 은 값에 대한 임피던스 변환으로 인한 불량한 PA 효율.

본 발명의 교시는 하나 이상의 이러한 불이익을 극복하고 따라서 통신 디바이스의 동작을 개선하도록 의도된다.

본 발명의 간단한 요약

일 실시형태에 따라서, 본 발명은 안테나; 송신을 위해 그 안테나에 제 1 신호를 공급하기 위해서 입력 신호를 동작시키는 전력 증폭기로서, 그 안테나는 상기 전력 증폭기에 대한 로드 임피던스를 제공하며, 그 제 1 신호는 전력 관련 파라미터를 가지는, 전력 증폭기; 및 그 전력 관련 파라미터에 따라서 그 로드 임피던스를 제어하는 제어기를 포함하는 통신 장치를 포함한다.

다른 실시형태에 따라서, 본 발명은 유전체 기판; 그 기판의 상이한 표면들 상에 배치된 제 1 및 제 2 방사 구조 및 전자 모듈을 더 포함하며, 그 전자 모듈은, 전력 증폭기; 그 제 1 방사 구조에 접속되는 제 1 제어가능 임피던스 엘리먼트; 그 제 2 방사 구조에 접속되는 제 2 제어가능 임피던스 엘리먼트; 그 제 1 제어가능 임피던스 엘리먼트를 제 1 상태에서의 그 전력 증폭기에 접속하고 그 제 2 제어가능 임피던스 엘리머트를 제 2 상태에서의 그 전력 증폭기에 접속하기 위한 제어기를 포함하는 안테나를 포함한다.

도면의 간단한 설명

본 발명의 다음의 상세한 설명이 다음의 도면과 함께 읽혀질 때 본 발명은 보다 용이하게 이해되며 그 장점 및 이용이 보다 용이하게 명확해진다.

도 1 은 전력 증폭기 출력 전력의 함수로서 전력 증폭기 효율을 도시하는 도면이다.

도 2 및 3 은 본 발명의 교시에 따른 통신 디바이스의 블록도이다.

도 4 및 5 는 본 발명의 교시에 따른 통신 디바이스의 컴포넌트의 2 개의 실시형태들의 개략도이다.

도 6 은 핸드셋 통신 디바이스의 사시도이며 도 7 은 핸드셋 통신 디바이스의 단면도이다.

도 8 은 본 발명의 일 실시형태에 따른 안테나의 개략도이다.

도 9 는 도 7 의 안테나의 기생 커패시턴스의 개략도이다.

도 10 은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 안테나의 개략도이다.

도 11 내지 18 은 본 발명의 교시들에 따른 하나 이상의 안테나를 제어하는 장치의 블록도이다.

도 19 내지 21 은 본 발명의 교시들에 따라서 다양한 안테나 제어 기술들의 블록도이다.

도 22 는 제어가능 고 대역 및 저 대역 안테나를 포함하는 통신 디바이스의 블록도이다.

도 23 은 본 발명의 교시에 따라서 구성된 프런트 엔드 모듈의 개념도이다.

도 24 는 본 발명의 교시에 따라서 송신 신호 경로의 이격된 단자 엔드들에서 피드 포인트들을 가진 안테나의 개략도이다.

도 25 는 본 발명의 교시에 따라서 송신 신호 경로의 블록도이다.

도 26 은 통신 신호를 수신 및 송신하기 위한 안테나 시스템 및 관련 컴포넌트의 블록도이다.

일반적 사용에 따라서, 다양한 설명된 디바이스 특성은 스케일링되어 그려지지 않으며, 본 발명에 관련된 특정 특징을 강조하기 위해서 그려진다. 유사한 참조 문자는 도면 및 텍스트 전체에 걸쳐 유사한 엘리먼트를 나타낸다.

본 발명의 상세한 설명

안테나 구조 및 동작 파라미터를 제어하는 것에 관련된 예시적 방법 및 장치들을 상세히 설명하기 전에, 본 발명은 주로 엘리먼트들 및 프로세스 단계들의 신규한 및 분명하지 않은 (non-obvious) 조합에 존재하는 것이 이해되어야 한다. 당업자에게 쉽게 명백한 내용으로 본 명세서를 불명료하지 않게 하기 위해서 특정한 종래의 엘리먼트들 및 단계들은 조금 덜 상세하게 설명되며, 그에 반하여 본 발명의 이해에 관련된 다른 엘리먼트들 및 단계들은 조금 더 상세하게 설명된다.

다음의 실시형태들은 본 발명의 방법 또는 구조에 관한 한계를 규정하는 것이 아니라 예시적 구성을 공급하기 위해서 의도된다. 실시형태들은 강제적이라기보다는 허용적이며 철저하기보다는 예시적이다.

안테나 튜닝 제어 기술은 다중 대역 통신 디바이스를 위한 다중 대역 안테나 성능을 공급하기 위해서 당업계에 공지되어 있다. 본 발명은 (안테나 튜닝 프로세스에 의해서 도입되는) 차선의 안테나 임피던스 및 통신 디바이스의 성능을 손 상시키는 주파수 디튜닝 효과를 극복하는 안테나 제어 방법 및 장치를 교시한다.

본 발명의 일 실시형태에 따라서, 안테나는 안테나의 동작 환경에 의해서 초래된 공진 디튜닝을 방지하기 위해서 소망하는 공진 주파수에 (그 유효 전기 길이를 제어함으로써) 튜닝된다. 안테나를 재튜닝하는 것은 안테나의 성능을 개선하고 그에 따라 통신 디바이스의 성능을 개선한다.

통신 디바이스의 송신 전력 증폭기 (PA) 는 그 로드 (즉, 안테나) 에 제어가능 출력을 공급하기 위해서 및 소망하는 출력 임피던스 (통상적으로 임의의 임피던스 전송 엘리먼트를 포함하는 50 ohm) 를 제공하기 위해서 설계된다. 전력 증폭기가 설계되는 출력 전력 범위는 디바이스에 의해서 이용된 신호 프로토콜 및 동작 환경에 의존한다. 출력 전력은 수신 디바이스와의 효과적 통신을 허용하기 위해서 디바이스 컴포넌트에 의해서 제어된다. 예를 들어, 셀룰러 핸드셋 PA 의 출력 전력은 핸드셋이 기지국 커버리지 영역 주위를 움직일 때 셀룰러 기지국과 효율적으로 통신하도록 제어된다.

종래 기술에서, PA 효율은 고정된 로드 임피던스 (즉, 고정된 안테나 임피던스) 로 PA 에 의해서 공급된 전력이 변화함에 따라 변화한다. 또한, PA 출력 전력 및 그에 따라 PA 효율은 로드 임피던스 (안테나 임피던스) 에서의 변화에 응답하여 변한다. 안테나가 명목상 50 ohm 을 제공하도록 설계되지만, 사실 임피던스는 신호 주파수에 따라 변하는 것으로 알려진다. 예를 들어, 안테나 임피던스는 신호 주파수가 안테나의 동작 주파수 대역의 중심 부근의 안테나 공진 주파수로부터 대역 에지 주위의 신호 주파수로 이동될 때 변한다. 안테나 임피던 스는 신호 주파수에 따라 변하기 때문에, 동작 주파수 대역 전체에 걸쳐 PA 출력 임피던스를 안테나 임피던스로 매칭하는 것이 불가능하다. 따라서, 종래 기술에 따라서, 기대될 수 있는 최선은 종래의 50 ohm 에서 PA 출력 임피던스를 달성하고, 공진 주파수에서 50 ohm 에 대한 안테나를 설계하며 신호 주파수가 공진 주파수와 다를 때 비효율이 시스템으로 야기된다는 것을 인지하는 것이다. 요약하면, 종래 기술에서, PA 효율은 PA 출력 전력이 변할 때 및 신호 주파수가 변할 때 감소될 수도 있다. 감소된 출력 전력 효율은 더 많은 배터리 전력을 요구하고 따라서 배터리 수명을 단축시킨다.

본 발명의 다른 실시형태에 따라서, 안테나 임피던스 (PA 로드 임피던스) 는 명령된 PA 무선 주파수 (RF) 출력 전력에서 출력 전력의 전력 부가 효율 (PAE : power added efficiency) 을 개선하는 임피던스를 PA 에 제공하기 위해서 제어된다. 임피던스 값의 범위로부터 소망하는 임피던스를 값을 제공하기 위해서 로드 임피던스를 제어하는 것은 (PA 출력 전력을 결정하는) PA 출력 전압 및 전류가, 임의의 명령된 전력 레벨에서 효율을 개선하면서, PA 전력 공급에 의해서 공급될 수 있는 값들에 미치도록 허용한다. 많은 통신 디바이스가 배터리 전력으로 동작하기 때문에 효율을 개선하는 배터리 충전 사이의 (특정 배터리 크기에 대한) "통화 시간"을 연장시킨다. 또한, 안테나 (로드) 임피던스를 제어하는 것은 신호 주파수가 변화함에 따라 안테나 임피던스 변화가 자연스럽게 발생하는 효과를 극복한다.

본 발명의 또 다른 실시형태는 양 기술들의 결합된 장점들을 획득하기 위해 서 안테나 공진 주파수 및 임피던스 양자를 제어한다.

본 발명의 임피던스 제어 기술은 복소 켤레 매칭 (즉, 제 1 컴포넌트의 임피던스는 접속되는 제 2 컴포넌트의 입력 임피던스의 복소 켤레임) 의 종래 기술 임피던스 매칭 기술과 상이하다는 것을 주의한다. 이러한 종래 기술은 제 1 컴포넌트로부터 제 2 컴포넌트로의 전력 전송을 최대화하도록 의도된다.

본 발명을 고려하여 PA 효율에 대한 많은 측정이 존재하지만, 바람직한 측정은 PA 에 입력된 RF 전력보다 작은 RF 출력 전력, PA 에 공급된 DC 전력 (즉, DC 전류 및 DC 전압의 곱) 및 RF 입력 전력의 합에 의해서 나뉘어진 결과적 양으로 정의된 전력 부가 효율 (PAE) 로 나타난다. (PA 이득으로도 표현되는) PA 효율의 추가적 측정은 Vendelin, Pavio 및 Rohde 에 의한, "Microwave Circuit Design Using Linear Techniques and Nonlinear Techniques" 이란 명칭의 참고 문헌의 페이지 63 에서 볼 수 있다.

일반적으로 종래 기술에 따라서, PA 출력 임피던스는 작은 ohm (일반적 PA 토폴리지에 대해서는 3Ω) 이며, 안테나의 입력 임피던스, 명목상으로 50Ω으로 (PA 와 증폭기 사이에 개재된 임피던스 매칭 회로에 의해서) 변환되어야 한다. 비교적 큰 임피던스 변환에 대한 요구사항이 주어지면, 변환하도록 요구되는 리액티브 네트워크는 비교적 좁은 대역폭을 가진다. 이 임피던스 변환이 본 발명에 따라서 요구되지 않기 때문에, 좁은 대역폭 변환 컴포넌트의 대역폭 협소화 영향이 피해진다.

도 1 은 고정된 로드 임피던스에 대한 전력 증폭기 출력 전력 (dBm 으로) 의 함수로서 전력 증폭기 PAE 의 도면을 도시한다. 최대 전력 출력에서, 전력 증폭기 PAE 는 약 50 % (클래스 A 모드에서 동작하는 전력 증폭기에 대한 이론적 최대 효율) 이다. 전력 출력이 감소함에 따라서, PAE 가 떨어진다. 곡선 (96) 은 PA 가 고정된 DC 바이어스를 가지며 고정된 50 ohm 안테나 로드 임피던스와 같은 고정된 임피던스로 신호를 공급할 때 이러한 PAE 감소를 도시한다. 낮은 PAE 는 PA 가 로드를 구동하기 위해서 사용가능 전력 공급 전력을 사용하지 하기 때문에 바람직하지 않다.

곡선 (98) 은 전력 출력이 감소함에 따라서, PA 에 공급된 DC 바이어스 전압을 제어하기 위해서, DC-DC 변환기와 함께 증가되는 PA 에 대해서 달성가능한 개선된 PAE 를 도시한다. 고정된 DC 공급 전압에 응답하는 DC 투 DC 변환기는 PA 전력 출력에 응답하여 PA 를 바이어싱하기 위해서 제어가능한 DC 전압을 생성한다. 이 기술은 곡선 (96) 보다 더 높은 PAE 를 도시하는 곡선 (98) 에 의해서 나타나듯이 PAE 를 증가시킨다. 하지만, 이러한 방법은 추가적 컴포넌트를 요구하고 PA 및 동작하는 통신 디바이스에 복잡성을 부가한다.

대부분의 셀룰러 전화기 및 다른 무선 통신 디바이스는 일반적으로 적당한 전력 레벨에서 동작하는 것을 주의한다. 통계적으로, GSM 핸드셋은 약 18dBm 의 평균 출력 전력에서 동작하며, 여기에서 PAE 는 도 1 에서 도시된 종래 기술 임피던스 매칭 기술에 따라서 통상적으로 25 % 보다 작다.

전력 출력 레벨 변화와 연관된 PA 비효율 및 통신 디바이스의 동작에서의 결과적 비효율 (즉, 감소된 "통화 시간") 의 문제를 해결하기 위해서, 본 발명은 PA 의 전력 출력 레벨에 응답하여 PA 로드 임피던스 (즉, 안테나 임피던스) 의 동적 및 적응성 제어를 공급한다.

일 실시형태에서, 통신 디바이스의 동작 동안에 PAE 가 떨어짐에 따라 PA 출력 전력 레벨에 응답하여 PA 로드 임피던스 (안테나 임피던스) 를 개선하기 위해서, 이하 설명될 기술에 따라서, 안테나 임피던스가 조정된다. 본 발명에 따른 PA 의 제어는 입력 신호 (PA 가 입력 신호를 포화시키고 클립시키도록 하는 임의의 작은 전압) 를 증폭시키고 배터리 전력으로 동작하는 그 통신 디바이스에 대한 배터리 수명 및 통화 시간을 연장하기 위해서 모든 사용가능한 공급 전압/전류를 PA가 사용하도록 허용하는 것에 의도된다. PA 의 출력 전력 (PA 로부터의 출력 신호의 전력) 에 연관된 다른 파라미터들은 PA 출력 신호에서의 피크 DC 전류를 포함하는, 안테나 임피던스를 제어하기 위해서 사용될 수 있다.

도 1 에서의 곡선 (100) 에 의해서 도시된 바와 같이, 일 실시형태에서, 본 발명은 명령된 출력 전력에 응답하여, 40% 의 제 1 PAE 레벨과 약 50% 의 제 2 PAE 사이의 불연속 단계에서의 안테나 임피던스를 조정한다. PAE 가 약 40 % 로 떨어질 때, 안테나 (로드) 임피던스는 약 50 % 로 PA PAE 를 다시 올리도록 조정된다. 따라서 본 발명은 종래 기술에 의해서 공급된 것보다 더 좋은 PAE 를 공급한다. 본 발명의 교시에 따른 PA 로드 임피던스의 제어는 도 1 에 도시된 바와 같이, 불연속 임피던스 값 단계로 달성될 수도 있고 또는 허용가능하고 달성가능한 값들의 범위에 대해서 실질적으로 연속적으로 달성될 수 있다.

실세 PAE 와 이론적 최대 가능 PAE 는, 통신 프로토콜 및 전력 증폭기 설계 를 포함하는 많은 인자에 의해서 결정되는 것으로 알려지기 때문에, 도 1 에서 도시된 PAE 값들은 단지 예시적이다. 도 1 에서 도시된 바와 같이, 그 기술은 일반적으로 임의의 전력 레벨에서 동작하는 PA 에 적용가능하지만, PAE 는 약 0 에서 약 30 dBm 까지의 전력 레벨에서 개선된다. 또한, PA PAE 는 PA 출력 전력 레벨 변화에 응답하여 안테나 임피던스를 계속적으로 수정하는 것에 의해서, 도시된 것처럼 불연속이라기 보다는, 계속적으로 개선될 수 있다. 안테나 임피던스, 즉, PA 의 출력 단자에 제공되는 임피던스를 제어하는 기술들이 당업계에 공지되어 있다. PA 출력 전력은 또한 전력 공급에 의해서 공급되는 사용가능 전류 및 전압에 의해서 제한될 수도 있다.

특정 통신 디바이스들은 PA 와 안테나 사이의 임피던스 변환 엘리먼트를 포함한다. 본 발명의 다른 실시형태에 따라서, PA 효율을 제어하기 위해서 안테나 임피던스를 제어하는 것 대신에, 임피던스 변환 엘리먼트에 의해서 PA 에 제공되는 임피던스는 PA 효율을 제어하기 위해서 제어된다.

본 발명의 다른 실시형태에서, 프로세서 또는 제어기는 안테나를 주파수 튜닝하기 위한 및/또는 안테나의 임피던스를 수정하기 위한 하나 이상의 안테나 엘리먼트 또는 안테나 컴포넌트를 제어한다. 도 2 는 무선 주파수 링크 (106) 를 통하여 정보 신호를 수신 및 송신하기 위한 안테나 (105) 를 포함하는 통신 디바이스 (103) 를 도시한다. 일 실시형태에서, 통신 디바이스 (103) 는 셀룰러 전화기 핸드셋을 포함한다. 안테나 (105) 에 의해서 수신된 신호들은 그 안에 포함된 정보를 추출하기 위해서 수신 회로 (107) 에 의해서 프로세싱된다. 안테나 (105) 에 의한 송신을 위한 정보 신호들은 송신 회로 (109) 에서 생성되고 무선 주파수 링크 (106) 를 통한 송신을 위해서 전력 증폭기 (111) 를 통하여, 안테나 (105) 로 공급된다. 제어기 (110) 는 수신 및 송신 회로 (107/109) 를 제어한다.

안테나 프로세서/제어기 (113)(예를 들어, 안테나 제어기) 는 통신 디바이스 (103) 의 동작 파라미터를 나타내는 제어기 (110) 에 의해서 공급된 신호에 응답한다 (또는, 다른 방법으로 송신 회로 (109) 또는 전력 증폭기 (111) 에 응답한다). 이 신호에 응답하여, 프로세서/제어기 (113) 는 주파수 튜닝 및/또는 임피던스 제어 엘리먼트 (117) 를 제어하기 위해서 제어 신호를 개발한다. 예를 들어, 프로세서/제어기 (113) 는 통신 디바이스 (103) 의 동작 주파수 또는 PA 출력 전력을 나타내는 신호에 응답한다. 그것에 응답하여, 프로세서/제어기 (113) 는 안테나 임피던스 및/또는 안테나 공진 주파수를 변화시키기 위해서 안테나에 변화를 준다. 예를 들어, 프로세서/제어기 (113) 는 안테나의 임피던스를 수정하기 위해서 안테나의 구조 상의 피드 포인트 및/또는 그라운드 포인트의 위치를 선택하고/하거나 안테나의 방사 구조를 효과적으로 늘리거나 줄이기 위해서 방사 세그먼트를 제어함으로써 안테나의 유효 전기 길이를 변화시킨다. 안테나 임피던스 및/또는 공진 주파수의 변화에 응답하여, PAE 가 개선되고/되거나 통신 디바이스의 동작이 개선된다.

주파수 튜닝 및/임피던스 제어 엘리먼트 (117) 는 복수의 제어된 임피던스 엘리먼트 (각각의 엘리먼트는 하나 이상의 유도성 및 용량성 엘리먼트를 더 포함) 를 포함하는 일 실시형태에서, 프로세서/제어기 (113) 는 하나 이상의 임피던스 엘리먼트에서 스위칭하거나 그 하나 이상의 임피던스 엘리먼트를 안테나 (105) 에 접속하여, PA 에 제공된 안테나 임피던스를 변화시키고, 명령된 PA RF 전력 출력에서 PA PAE 를 개선한다.

예를 들어, 제 1 값의 커패시터의 안테나 회로로의 삽입은 PCS 주파수 대역에서의 동작에 대한 PA PAE 를 개선하고 제 2 값의 커패시터의 삽입은 DCS 주파수 대역에서의 동작에 대한 PAE 를 개선하는 것이 본 발명의 교시에 따라서 결정될 수도 있다. 적절한 커패시터가 안테나 프로세서/제어기 (113) 에 공급되는 통신 디바이스 (103) 의 동작 대역을 나타내는 신호에 응답하여 안테나 회로로 삽입된다.

또 다른 실시형태에서, 프로세서/제어기 (113) 는 안테나 공진 주파수를 변경하고 그것에 의해서 현재 동작 주파수 대역을 위해서 통신 디바이스 (103) 의 성능을 개선하기 위해서 하나 이상의 안테나 물리적 특성 (예를 들어, 유효 전기 길이, 피드 포인트 위치, 그라운드 포인트 위치) 을 (안테나 회로에 안테나 엘리먼트 및 관련 회로를 스위칭 인 및/또는 아웃함으로써, 그 피드 포인트에 대한 안테나 그라운드 포인트를 이동시키는 것 또는 그라운드 포인트에 대한 피드 포인트를 이동시킴으로써) 변경한다. 본 명세서에서 개시된 예시들로부터 알 수 있듯이, 통신 디바이스 (103) 의 동작을 개선하기 위해서 안테나 임피던스 및/또는 안테나 공진 주파수를 제어가능하도록 변경하기 위해서 이용될 수도 있는 다수의 기술들 및 구조적 엘리먼트들이 존재한다.

안테나 공진 주파수를 제어하는 하나의 기술은 안테나 방사 구조를 커패시터에 직렬로 삽입하여 안테나 임피던스를 오직 미세하게 변화시키면서 인지가능한 공진 주파수를 변화를 초래하는 것이다. 안테나 방사 구조와 병렬로 배치된 커패시터는 또한 공진 주파수를 변화시킬 수 있지만, 안테나 임피던스에서의 더 큰 변화를 초래할 수 있다.

다른 실시형태에서, 안테나 공진 주파수는 안테나 방사 구조로부터 상이한 길이의 도전성 엘리먼트들을 삽입 (스위칭 인) 또는 제거 (스위칭 아웃) 함으로써 프로세서/제어기 (113) 의 제어 하에서 변경된다. 제어 신호는 따라서 안테나 유효 전기 길이를 변경한다. 예를 들어, 상이한 유효 전기 길이를 가진 미엔더라인 엘리먼트는 공진 주파수를 변화시키기 위해서 안테나 (105) 로부터 스위칭 인되거나 스위칭 아웃될 수 있다. 이러한 공진 주파수 튜닝에 영향을 주는 그러한 컴포넌트가 이하 더 설명된다.

도 2 의 주파수 튜닝 및/또는 임피던스 제어 엘리먼트 (117) 는 안테나 (105) 와 연관된 엘리먼트를 포함할 수 있고 또는 도 3 에 도시된 바와 같이, 안테나 (105) 와 분리되고 PA (111) 과 안테나 (105) 사이에서 개재된 임피던스 제어 엘리먼트 (119) 를 포함할 수 있다. 엘리먼트 (117) 에 대한 여기에서의 레퍼런스는 엘리먼트 (119) 를 포함한다.

통신 디바이스 (103) 및 그 컴포넌트들의 다양한 동작 파라미터들이 결정될 수 있고 그것에 응답하여 제어 신호가 주파수 튜닝 및/또는 임피던스 제어 엘리먼트 (117) 에 공급된다. 그러한 파라미터들은 PA RF 출력 전력, 통신 디바이스 의 동작 주파수 및 PA/안테나 신호 경로상의 VSWR 을 포함하지만 그에 국한되지 않는다.

본 발명의 셀룰러 애플리케이션에서, 셀룰러 핸드셋에서 전력 증폭기는 기지국 송수신기를 가진 폐쇄 루프 제어 시스템의 엘리먼트이다. 턴 온 될 때, 핸드셋 RF 전력은 디폴트 값 (아마도 최대 출력 전력 주위) 으로 설정되고 동작 주파수가 선택된다. 사용자가 전화걸 때, 신호는 주파수 또는 시간 슬롯 할당을 요청하는 기지국에 제어 채널 상에서 송신된다. 기지국은 핸드셋에 대한 할당된 주파수 및 송신 전력에 반응한다. 본 발명의 교시에 따라서, 안테나 임피던스는 명령된 송신 전력에 응답하여 소망하는 값으로 조정되며 적절한 공진 주파수로 튜닝된다.

셀룰러 통화 동안, 기지국 송수신기는 통신 시스템 및 핸드셋의 동작 환경에 따라서, 차이 주파수에 대한 송신 또는 수신으로 그 출력 전력 및/또는 변화를 감소 또는 증가시키기 위해서 핸드셋을 명령할 수도 있다. 새로운 명령된 전력 출력은 안테나 임피던스 및/또는 안테나 공진 주파수를 다시 조정하기 위해서 이용된다. 따라서, 기저국 전력 명령은 송신된 신호의 전력 레벨을 변화시키기 위해서 PA 를 제어하고 또한 PAE 를 개선하는 임피던스를 제공하기 위해서 안테나 임피던스 (PA 로드 임피던스) 를 제어한다.

일 실시형태에서, 임피던스는 50 % 의 최대 PAE 로 PA PAE 를 증가시키기 위해서 제어된다. 종래 기술과 달리, 설명한 기술들이 당업계에서 현재 공지된 다중 단계 스위칭된 전력 증폭기 단계들 또는 바이어스의 사용을 금지하지 않지만, PAE 는 PA DC 바이어스 전압/전류를 변화시키지 않고 증가된다.

다른 실시형태에서, VSWR (또는 포워드 전력) 는 측정될 수 있고 제어 신호는 PAE 를 개선하기 위해서 안테나의 임피던스를 제어하기 위해서 그로부터 유도된다.

프로세서/제어기 (113) 는 상술한 바와 같이 안테나 공진 주파수를 조정할 때, 그후 수신 디바이스에서 신호 세기 또는 신호 대 노이즈 비율이, 수신 말단에서 신호 품질을 손상시키는 것 없이 전력 감소를 허용하면서, 공진 주파수 변화에 응답하여 증가하기 때문에, PA 출력 전력을 감소시키는 것이 가능할 수도 있다. 따라서 공진 주파수 조정은 PAE 를 개선하기 위해서 안테나 임피던스 조정을 개시할 수 있다.

다른 실시형태에 따라서, 안테나 파라미터들은 통신 디바이스의 PA PAE 및 전체 효율을 개선하기 위해서 안테나의 공진 길이 또는 안테나 임피던스를 변화시키도록 주파수 튜닝 및 임피던스 제어 엘리먼트 (117) 를 제어하는 불연속 조정가능 또는 연속적 조정가능 스위칭 엘리먼트 또는 제어 컴포넌트의 동작에 의해서 사용자에 의해서 수동으로 조정가능하다. 그러한 실시형태는 주파수 튜닝 및 임피던스 제어 엘리먼트 (117) 를 자동으로 조정하기 위한 프로세서/제어기 (113) 를 또한 포함할 수도 있다.

도 4 는 그라운드 평면 (128) 상에 배치된 도전성 엘리먼트 (124) 를 포함하는 안테나 (120) 를 도시한다. 스위칭 엘리먼트 (130, 132, 134 및 136) 는 피드 컨덕터 (140, 142, 144 및 146) 를 도전성 엘리먼트 (124) 상의 각각의 위치에 스위칭가능하게 접속되어, 신호 소스 (150) 가 폐쇄 스위칭 엘리먼트 (130, 132, 134 또는 136) 를 통하여 도전성 엘리먼트 (124) 에 접속된다. 안테나 구조에 대한 신호 피드의 위치는 안테나 임피던스에 영향을 준다. 스위칭 엘리먼트 (130, 132, 134 및 136) 는 전력 레벨 센서 (160) 에 의해서 공급된 제어 신호에 응답하여 개방 또는 폐쇄 상태로 구성된다. 그러한 전력 레벨 센서는 상업적으로 사용가능한 전력 증폭기와 통상적으로 연관된다.

유사하게, 안테나의 그라운드로의 접속은 각각이 상이한 도전성 엘리먼트를 통하여 그라운드로 안테나를 접속하는 하나 이상의 복수의 스위칭 엘리먼트의 동작에 의해서 재위치될 수도 있다. 도 5 는 도정성 엘리먼트 (200, 202, 204 및 206) 를 그라운드로 스위칭가능하게 접속하기 위한 스위칭 엘리먼트 (190, 192, 194 및 196) 를 포함하는 안테나 (180) 를 도시한다. 스위칭 엘리먼트들 (200, 202, 204 및 206) 중 적절한 엘리먼트들이 안테나 임피던스에 영향을 주고 그에 따라 안테나 (180) 와 동작하는 PA 의 PAE 에 영향을 주기 위해서 전력 레벨 센서 (160) 에 의해서 공급된 제어 신호에 응답하여 특정 전력 레벨에서 폐쇄 또는 개방된다.

본 발명의 교시들은 도 4 및 5 의 PIFA 안테나 (planar-inverted F 안테나) 에 대해 설명되지만, 그 교시들은, 스파이럴/패치, 미엔더라인 로딩된 PIFA, ILA 및 다른 안테나들과 같은 결합된 안테나뿐만 아니라 모노폴 및 다이폴 안테나, 패치 안테나, 헬리컬 안테나 및 유전 공진 안테나를 포함하는 다른 타입의 안테나에 적용가능하다.

도 4 및 5 에서 식별된 스위칭 엘리먼트들은 피드와 그라운드 단자 사이에 나타나는 임피던스, 즉, 안테나를 구동시키는 전력 증폭기에 의해서 보여지는 임피던스를 변화시키면서, 안테나 구조내의 피드 탭 (피드 단자) 포인트 또는 그라운드 탭 (그라운드 단자) 을 이동시키기 위해서 분리된 스위치들 (예를 들어, PIN 다이오드, 제어 필드 효과 트랜지스터, 마이크로 전기 기계적 시스템 또는 당업계에 공지된 다른 스위칭 기술) 에 의해서 구현될 수 있다. 스위칭 엘리먼트는 안테나 및 그 관련 컴포넌트가 탑재된 기판 및 안테나를 포함하는 모듈을 형성하기 위해서 안테나에 부착된 유기 박판 캐리어를 포함할 수 있다. 하나 이상의 스위칭 엘리먼트의 적절한 선택에 의해서 피드 포인트의 재위치는 여기에서 설명된 보다 효율적 PA 동작을 획득하기 위해서 PA 를 로딩하는 임피던스에 대해서 약 5 ohm 에서 수백 ohm 까지의 임피던스를 변화시킬 수 있다.

특정 통신 디바이스는 다양한 통신 서비스를 공급하고 따라서 그 서비스들에 의해서 이용되는 다중 주파수 대역 (하부-대역) 에서 동작하도록 요구된다. 대부분의 종래 기술 통신 디바이스는 각각의 하부 대역을 커버하기 위해서 다수의 공진 행동을 나타내는 단일 안테나를 포함한다.

Chu-Harrington 관계에 따라서, 안테나의 대역폭은 감소하는 안테나 크기의 직접적 함수로서 감소된다. 이 관계는 동작 파장에 비례하면서 물리적 안테나 거리를 고려한다. Chu-Harrington 한계 (특정 크기의 안테나로부터 사용가능한 가장 넓은 대역폭) 은 단일 대역 안테나에 적용된다. 이 관계에 따라서, 비교적 넓은 단일 대역 종래의 안테나는 다중 주파수 대역에서 동작하는 통신 디바이스 의 전체 동작 대역폭을 충분히 커버하도록 요구된다. 하지만, 휴대용 통신 디바이스는 그 관계에 따라서 더 좁은 대역폭을 나타내는, 비교적 작은 안테나를 요구한다. 또한, 임의의 통신 디바이스가 두 개 이상의 하부 대역에서 동시에 동작하도록 요구된다는 것을 주의한다.

단일 안테나가 다중 동작 대역을 제공할 때, 개별적 대역에 기초하여 Chu-Harrington 한계를 평가하는 것이 적절할 수도 있다. 본 발명은 대역 마다에 (per band) 기초하여 안테나 성능을 개선하기 때문에, Chu-Harrington 한계는 대역 마다에 기초하여 재평가될 수 있고 그 결과는 안테나에 의해서 커버된 전체 대역폭에 대한 결과를 산출하도록 결합된다.

본 발명의 교시에 따라서, 안테나 공진 주파수는 여기에서 설명된 임의의 다양한 기술들을 사용하여 소망하는 동작 하부 대역으로 튜닝된다. 각각의 하부 대역이 전체 대역폭보다 좁기 때문에, 본 발명의 튜닝가능 안테나는 Chu-Harrington 관계가 요구하는 단일의 넓은 공간-헝그리 (large space-hungry) 안테나보다 작을 수 있다.

도 6 은 참조 번호 (242) 로 일반적으로 표시된 영역에서 디바이스 (240) 내에 배치된 안테나를 가진 핸드셋 또는 다른 통신 디바이스 (240) 를 도시한다. 당업계에서 공지된 바와 같이, 핸드셋 (240) 이 신호를 수신 또는 송신하기 위해서 사용자에 의해서 휴대될 때, 사용자의 핸드는 영역 (242) 부근에 위치된다. 사용자의 핸드와 안테나 사이의 거리는 사용자의 핸드의 크기 및 안테나에 대한 핸드의 방위에 의해서 결정된다.

소위 핸드 이펙트 또는 근접 로딩은 안테나 성능에 대한 사용자의 핸드의 영향을 말한다. 사용자의 핸드 (및 머리) 가 핸드셋 및 그 내부 안테나에 근접할 때, 핸드 및 머리를 포함하는 전체 유전 상수가 자유공간 환경에서 경험된 것으로부터 안테나 동작 특성을 변화시킨다, 즉, 자유공간 환경에서는, 공기가 안테나를 에워싸고 따라서 안테나 성능은 공기의 유전 상수에 의해서 결정된다. 이러한 효과는 통상적으로 공진 주파수를 낮추면서, 안테나 공진 주파수를 디튜닝한다. 안테나는 또한 폴터 타입 핸드셋에 대한 폴더 위치 및 슬라이더 타입 핸드셋에 대한 슬라이더 위치와 같은 특정 핸드셋 기계적 컴포넌트의 구성에 의해서 디튜닝될 수도 있다. 본 발명의 교시는 또한 이러한 물리적 구성의 디튜닝 효과를 방지할 수 있다.

824-894 MHz 의 CDMA 대역에서의 동작을 위해서 설계된 핸드셋은 수용가능한 핸드셋 성능을 달성하기 위해서 CDMA 주파수 대역의 대부분을 포함하는 안테나 대역폭 및 대역 중심 부근의 공진 주파수 피크를 나타내는 안테나를 포함한다. 하지만, 핸드 이펙트는 안테나를 디튜닝하여 공진 주파수는 대역 중심 아래의 주파수로 또는 아마도 대역 밖으로 이동되게 한다. 안테나 대역폭이 824-894 MHz 의 CDMA 주파수 대역과 더 이상 일치하지 않기 때문에, 그 결과는 손상된 안테나 및 핸드셋 성능이다. 핸드 이펙트는 CDMA 대역에서 동작하는 핸드셋에 대한 40-50 MHz 까지 안테나를 디튜닝할 수 있다.

핸드-이펙트를 극복하는 하나의 공지된 기술은 관심있는 주파수, 즉 824-894 MHz 를 포함하고, 관심있는 대역 위 및 아래 모두의 주파수로 연장되는 넓은 대역 폭 안테나를 사용하는 것이다. 핸드 이펙트가 안테나를 디튜닝할 때, 동작 주파수가 안테나 대역폭내에서 유지된다. 하지만, 안테나의 물리적 속성 및 성능 (예를 들어, Chu-Harrington 영향) 을 지배하는 다양한 원칙에 따라서, 안테나 대역폭과 크기 사이에 직접적 관계가 존재한다, 즉, 안테나 대역폭이 증가할 때, 안테나 크기가 증가된다. 그러나, 핸드셋 크기가 계속해서 감소하면서, 넓은 대역폭 동작을 공급하는 더 큰 안테나들의 사용은 실현될 수 없으며 핸드셋 설계자 및 사용자에 의해서 받아들여질 수 없는 것으로 간주된다.

핸드 이펙트를 극복하는 다른 공지된 기술은 (인쇄용 회로 기판 (252) 상에 탑재된) 안테나 (250) 과 핸드셋 케이스 (254) 사이의 거리 (249)(도 7 을 참조) 를 증가시킨다. 이 거리를 5 mm 만큼 작게 인지가능하게 증가시키는 것은 핸드 이펙트를 감소시킨다. 하지만, 핸드셋 크기는 증가된 거리를 수용하도록 증가되어야 한다.

본 발명의 일 실시형태에 따라서, 주파수 튜닝 가능 활성 내부 통신 디바이스 (핸드셋) 안테나는 상술한 종래 기술 안테나와 관련된, 특히 바디 또는 다른 오브젝트에 의해서 안테나의 핸드 이펙트 및 근접 안테나 로딩에 대한 특정 결점을 극복한다. 안테나를 튜닝하는 것은 (송신 및 수신 모드 양자에서) 이러한 효과를 감소시키고 시스템, 즉 통신 디바이스의 안테나, 전력 증폭기 및 관련 컴포넌트의 방사 효율을 개선한다. 튜닝은 예를 들어, 핸드 이펙트에 의해서 안테나가 디튜닝되는 것을 나타내는 신호에 응답하여 달성될 수 있다. 예를 들어, 제어 신호는 통신 디바이스의 전력 출력 또는 송신 주파수 또는 주변 필드 프로브로부터 유도된 신호를 감지한다. 튜닝은 또한 사용자에 의해서 동작되는 수동으로 제어되는 스위치에 의해서 영향받을 수 있다.

도 8 은 핸드셋 통신 디바이스 내에 배치된 그라운드 평면 (302) 부근에 또는 그 상에 탑재된 안테나 (300) 를 포함한다 (이 예에서 안테나 (300) 는 스파이럴 안테나를 포함하지만 본 발명의 교시는 스파이럴 안테나에 국한되지 않는다). 안테나 (300) 는 또한 내부 스파이럴 세그먼트 (300A) 및 외부 스파이럴 세그먼트 (300B) 를 포함한다. 안테나 (300) 의 그라운드 단자 (304) 는 그라운드 평면 (302) 에 접속된다. 핸드셋은 핸드셋이 수신 모드에서 동작할 때 안테나 (300) 에 의해서 수신된 신호를 프로세싱하기 위해서 및 핸드셋이 송신 모드에서 동작될 때 안테나 (300) 에 신호를 공급하기 위해서 동작하는 신호 프로세싱 컴포넌트 (미도시) 를 포함한다. 피드 단자 (306) 는 그러한 추가적 컴포넌트와 안테나 (300) 사이에 접속된다.

안테나 (300) 의 등가 회로 (310) 가, 핸드셋이 송신 모드에서 동작할 때 안테나 (300) 에 의해서 송신되는 신호를 나타내는 신호 소스 (312) 를 포함하는, 도 9 에 도시된다. 등가 회로 (310) 는 내부 스파이럴 세그먼트 (300A) 와 그라운드 평면 (302) 사이, 외부 스파이럴 세그먼트 (300B) 와 그라운드 평면 (302) 사이, 및 외부 스파이럴 세그먼트 (300B) 와 내부 스파이럴 세그먼트 (300A) 사이의 커플링으로부터 각각 형성된 기생 커패시턴스 (316, 318 및 320) 를 더 포함한다.

본 발명의 일 실시형태의 교시에 따라서, 하나 이상의 이러한 기생 커패시턴스는, PA PAE 를 개선하기 위해서 안테나 임피던스를 변경하는 본 발명의 교시에 관해서 안테나 임피던스에 대한 일부 영향을 또한 가지는, 안테나 (300) 의 공진 주파수를 변화시키기 위해서 변경된다. 따라서, 도 8 에 도시된 바와 같이, 안테나 (300) 는 버랙터 다이오드 (350) 의 커패시턴스를 변경하고 그에 따라 안테나 (300) 와 그라운드 평면 (302) 사이의 커패시턴스를 변경하기 위한 가변 전압 소스 (352) 에 응답하는 버랙터 다이오드 (350) 를 더 포함한다. 안테나 공진 주파수는 따라서 커패시턴스 변화에 의해서 변화되고, 그 커패시턴스 변화는 차례대로 전압 소스 (352) 에 의해서 공급된 전압에 의해서 제어된다. 일 실시형태에서, 수동 동작된 제어기는 최적의 성능을 위한 안테나 (300) 를 튜닝하기 위해서 버랙터 다이오드에 인가된 전압을 수동으로 핸드셋 사용자가 조정하도록 허용하기 위해서 공급된다. 다른 실시형태에서, 안테나 프로세서/제어기 (113)(도 2 참조) 는 예를 들어 통신 디바이스가 동작하는 서브 대역에 응답하여 가변 전압 소스 (352) 를 제어한다.

안테나 (300) 의 임의의 영역에서의 커패시턴스를 변화시키는 것은 안테나의 공진 주파수를 변화시킬 것이다. 전류가 최대 또는 최대 근방인 커패시턴스를 변화시키는 것은 공진 주파수에서의 실제 변화를 유발할 수도 있다. 또한, 비교적 작은 커패시턴스 값들은, 작은 커패시터의 리액턴스가 높은 임피던스 영역에서 안테나의 임피던스에 관해서 더욱 중요하기 때문에, 안테나의 높은 임피던스 영역에서의 변화에 영향을 주도록 사용될 수 있다. 임피던스 변화가 생성될 수 있는 일 영역은 그라운드 근방의 영역 및/또는 피드 단자들 (304/306) 을 포함하며, 따라서 버랙터 다이오드 (350) 는 바람직하게는 그라운드/피드 단자 (304/306) 근방에 배치된다. 버랙터의 사용 이외에, 커패시턴스는 본 발명의 범위내에서 고려되는 다른 기술에 의해서 변화될 수 있다.

다른 실시 형태에 따라서, 안테나 (300) 의 인덕턱스는 (기본 공진 주파수 및 다른 공진 모드를 포함하는) 안테나의 공진 주파수를 변화시키도록 변경된다. 그러한 인덕턴스는 안테나 (300) 와 (그라운드에) 병렬로 또는 직렬로 될 수 있다. 따라서 안테나 리액턴스의 유도성 또는 용량성 리액티브 컴포넌트 중 하나 (또는 그 둘다) 가 공진 주파수를 변화시키기 위해서 변경될 수 있다.

또 다른 실시형태에 따라서, 공진 주파수는 스위칭 엘리먼트 (364) 를 통하여 전압 소스 (350) 에 의해서 버럭터 다이오드 (350) 로 공급된 불연속 고정 DC 전압의 인가에 의해서 제어된다. 도 10 을 참조한다. 스위치 (364) 는 안테나가 그 공진 주파수로부터 디튜닝되는 것을 나타내는 성능 파라미터 또는 동작 메트릭에 응답하여 사용자에 의해서 수동으로 동작될 수 있거나 자동으로 제어될 수 있다.

따라서, 이 실시형태는 스위칭 엘리먼트가 폐쇄 또는 단락된 상태에서 위치될 때 DC 전압의 값에 응답하여 불연속 공진 주파수 이동을 공급한다. 본 발명은 다수의 커패시턴스 값들을 공급하고 그에 따라서 단일 안테나로부터 다수의 공진 주파수들을 공급하기 위해서 다수의 전압 소스들 및 대응하는 다수의 스위치들을 더 고려한다. MEMS 스위칭된 또는 집적된 커패시터들은 또한 다른 용량성 튜닝 방법 뿐만 아니라, 이 애플리케이션에서 사용될 수도 있다.

다른 실시형태에서, 도 11 의 RF (무선 주파수) 프로브 (400) 는 전력 증폭 기 (111) 에 응답하여 튜닝가능 안테나 (404) 의 주변 필드 영역에서 방사된 전력을 감지한다. (도 2 의 안테나 프로세서/제어기 (113) 를 포함하는) 본 명세서에서 설명된 시스템과 같은, 안테나 튜닝 시스템은 프로브 반응을 최대화하기 위해서 안테나 공진 주파수를 튜닝한다. 튜닝은 불연속 사전 결정된 단계로 또는 감지된 주변 필드 전력을 최대화하는 것에 응답할 수도 있다. 일반적으로, 이 기술은 안테나를 둘러써하는 물질에서의 흡수 손실을 보상하지는 않지만, 안테나 공진 주파수에 대한 무손실 유전 영향을 보정한다.

특정 통신 디바이스 또는 핸드셋은 다수의 프로토콜 (예를 들어, CDMA, TDMA, EDGE, 셀룰러 시스템에 대한 GSM, 또는 Bluetooth 또는 IEEE 802.11x) 에 따라서 동작가능하며, 각각의 프로토콜은 (하부 대역으로도 불리는) 상이한 주파수 대역에 할당된다. 종래 기술에서, 그러한 핸드셋은 다수의 안테나들을 포함하며, 각각의 안테나는 다중 공진 행위를 할 수 있는 안테나 또는 주파수 대역들 중 하나에서의 동작으로 지정된다. 특히 하부 대역이 이격되어서, 그것에 의해서 성능을 저하시키면, 다중 안테나들의 사용은 핸드셋 크기를 명백하게 증가시키고 다중 공진 행위를 지닌 단일 안테나는 임의의 특정 주파수에 대해서 최적화되지 않는다.

본 발명은, 예를 들어, 상이한 셀룰러 프로토콜에 응답하여, 상이한 주파수 대역에서 핸드셋을 동작시키도록 소망될 때, (안테나 공진 주파수를 변화시키는 적절한 스위치 엘리먼트의 활동에 의해서) 동작 하부 대역에 응답하여 단일 안테나를 튜닝한다. 상이한 사용가능한 프로토콜로 자동적으로 스위치하는 핸드셋에 대 해서, 핸드셋 제어기는 안테나 공진 주파수가 선택된 동작 대역내에 있도록 버랙터 다이오드 (350) 에 대한 적절한 DC 전압을 선택함으로써 안테나 공진 주파수를 자동적으로 제어한다.

본 발명에 따라서 그러한 다중대역 안테나는 도 12 의 다중대역 튜닝가능 안테나 (450) 으로 묘사된다. 다중대역 안테나 (450) 의 동작성 파라미터는 통신 디바이스의 현재 동작하는 하부 대역을 나타내는, 제어기 (110) 로부터 공급되는 신호에 응답하여 제어된다.

통신 디바이스는 제 1 주파수 대역에서의 동작과 제 2 주파수 대역에서의 동작 사이의 스위칭할 때, 안테나 (450) 에 의해서 제공된 임피던스가 변화하며 PA (111) 에 대한 최적의 임피던스가 될 수 없으며, 즉, 소망하는 PAE 에서 동작하도록 PA 를 허용하는 로드 임피던스를 공급한다. 최적의 임피던스는 다중 대역이 주파수면에서 매우 이격되면 덜 적당할 것이다. 그러한 시나리오는 GSM 대역 (880-960 MHz) 에서의 동작으로부터 CDMA 대역 (824-894 MHz) 로의 스위칭할 때 전력 증폭기 PAE 에서의 주목할만한 감소가 존재하는 핸드셋에서 발생할 수도 있다. 예를 들어, 동작이 제 2 주파수 대역으로 스위칭할 때 VSWR 은 증가할 수 있고 PAE 가 떨어질 수 있다. 따라서 본 발명의 일 실시형태에 따라서, 공진 주파수 및 안테나 임피던스 모두는 PA 의 PAE 를 포함하는, 통신 디바이스의 동작을 개선하기 위해서 제어될 수 있다.

현재 동작 대역 또는 하부 대역을 나타내는 제어 신호에 응답하여 안테나가 상이한 공진 주파수로 튜닝되고/되거나 안테나 임피던스는 PA PAE 를 올리는 PA 로 드 임피던스를 제공하기 위해서 변경된다. 주파수 튜닝 및/또는 임피던스 조정은, 요청된 PA 출력 전력 레벨에 대해서 PA PAE 를 개선하기 위해서 안테나 임피던스를 변경하거나 안테나를 그 소망하는 공진 주파수로 다시 튜닝하면서, 스터브 튜너 또는 집중된 및 분산된 엘리먼트들에 의해서 달성될 수 있다.

선택적으로, 안테나 공진 주파수 및/또는 임피던스는 하나 이상의 집중된 커패시턴스 또는 인덕턴스 엘리먼트를 사용하는 것 또는 본 명세서에서 설명된 다양한 기술들을 사용하는 것에 의해서 이러한 특징들의 변경을 포함하여, 하나 이상의 안테나의 유효 전기 길이, 인덕턴스 또는 커패시턴스를 변경하는 것에 의해서 변화될 수 있다. 일 애플리케이션에서, 도 12 의 엘리먼트들에 의해서 구현된 안테나 대역 튜닝은 약 9 % 까지 PA PAE 를 상승시키며; 약 20 % 까지의 PAE 상승이 또한 관찰된다.

안테나가 임의의 시간에서 오직 하나의 대역 또는 하부 대역에서 공진하는 것이 요구되기 때문에, 안테나 주파수 튜닝 성능을 공급하는 것은 감소된 대역폭 요구사항 때문에 안테나 부피 크기의 감소 (약 1/2 로 평가되는 감소) 를 허용한다. 시뮬레이션은 특정 애플리케이션에서 안테나 주파수 공진 튜닝 단독으로, 각각의 대역 또는 하부 대역을 커버하기 위해서 충분한 대역폭을 유지하고, 그것에 의해서 감소된 안테나 부피의 가능성을 이용하면서, 안테나 임피던스, 즉 PA 로드 임피던스를 제어할 필요성을 제거하면서, 소망하는 PAE 이득을 생성할 수 있다는 것을 보여준다.

도 13 은 필터 (460) 및 안테나 (465) 중 하나 또는 둘다의 임피던스는 상술 한 바와 같이 전력 증폭기 출력 전력이 변화할 때 전력 증폭기 (111) 의 PAE 를 개선하기 위해서 제어가능한, 본 발명의 다른 실시형태를 도시한다. 스위치 어셈블리 (462) 는 필터 입력 임피던스 변화에 영향을 주기 위해서 필터 (460) 의 엘리먼트를 선택한다. 유사하게, 스위치 어셈블리 (464) 는 안테나 임피던스 변화에 영향을 주기 위해서 안테나 (465) 의 엘리먼트는 선택한다.

일반적으로, 필터는 예를 들어, 최소 삽입 손실을 지닌 주파수 대역내의 조화 주파수 대역외를 필터링하는, 그 필터링 기능에 따라서 제어된다. 필터를 제어하는 것은 또한 소망하는 PA PAE 를 달성하기 위해서 (안테나 임피던스와 관련하여) 소망하는 PA 로드 임피던스를 제공하는 것을 보조한다.

통신 디바이스에 의해서 생성된 여러 상이한 신호들 중 임의의 것은 스위치 어셈블리들 (462 및 464) 을 제어하기 위해서 사용될 수 있다. 도시된 실시형태에서, 전력 센서 (468) 로부터 유래된 제어 신호는 각각의 스위치 어셈블리 (462 및 464) 에 대한 제어 신호를 생성하기 위해서 인코더/멀티플렉서 (470) 에 공급된다. 제어 신호에 응답하여, (기계적 스위치로 도시되지만 전기적, 기계적 또는 전기 기계적 스위치로 구현가능한) 스위치 (462 및 464) 는 그 각각의 제어된 디바이스들에 대한 소망하는 임피던스를 제공하도록 구성된다. 본 명세서에서 다른 곳에서 설명된 안테나 임피던스를 제어하는 기술 및 컴포넌트는 필터 입력 및/또는 출력 임피던스 및 안테나 임피던스를 제어하기 위해서 도 13 실시형태에 적용될 수 있다.

도 14 는 850/960 MHz 의 GSM 대역 및 1800/1900 MHz 에서 동작할 수 있는 듀얼 대역 통신 디바이스 (480) 의 특정 엘리먼트를 도시한다. 전자인 GSM 대역에서 동작할 때, 송신되는 신호는 전력 증폭기 (486) 및 정확하게 구성된 송신/수신 제어 스위치 (487) 를 통하여 안테나 (484) 에 공급된다. 후자인 GSM 대역에서 동작할 때, 송신되는 신호는 전력 증폭기 (488) 및 송신/수신 제어 스위치 (487) 의 상이한 구성을 통하여 안테나 (484) 에 공급된다. 안테나 (484) 는 방사 구조 (490) 및 안테나의 공진 주파수 및/또는 그 임피던스의 조정을 허용하는 제어가능 안테나 엘리먼트 (491) 를 포함한다.

제어기 (110) 에 의해서 공급된 제어 신호는 소망하는 동작 대역 또는 하부 대역 및 PA 출력 전력에 응답하여 전력 증폭기 (486/488) 및 제어가능 안테나 엘리먼트 (485) 를 제어한다. 제어 신호는 PA (486/488) 에 대한 소망하는 PAE 를 공급하는 안테나 임피던스를 제공하는 엘리먼트 (485) 를 제어한다. 추가적으로, 제어 신호는 동작 주파수 대역 또는 하부 대역 내의 안테나 공진 주파수를 제공하는 엘리먼트 (491) 를 제어한다.

GSM 대역들 중 하나에서 동작하는 통신 디바이스와 관련하여 설명되지만, 통신 디바이스 (480) 와 관련하여 설명되는 본 발명의 교시들은 다른 신호 송신 프로토콜, 즉, EGSM, CDMA, DCS, PCS, EDGE 등 및 다른 비-셀룰러 통신 시스템 및 프로토콜에 적용가능하다.

통신 디바이스에서 안테나를 튜닝하는 성능을 공급하는 것은 또한 안테나 구조 (및 PA 와 같은, 그 관련된 컴포넌트) 가 종래 기술의 안테나들보다 더 높은 PAE 에서 동작하면서 더 작은 안테나 구조의 사용을 허용한다. 명백하지는 않 지만, 이것은 대역폭과 안테나 부피 사이의 Chu-Harrington 관계의 직접적 결과이다. 일반적으로 더 작은 안테나는 더 좁은 대역폭을 보여주지만, 안테나 공진 주파수가 통신 디바이스의 현재 동작 대역에 제어가능하면, 통신 디바이스가 동작하는 모든 주파수 대역에서 수용가능한 동작을 할 수 있는 넓은 대역 안테나가 요구되지는 않는다. 안테나의 동작 대역 또는 하부 대역이 동작 대역 또는 하부 대역에 응답하여 선택가능하면, 더 작은 (및 그에 따라 더 효율적인) 안테나가 통신 디바이스에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 하프 듀플렉스 통신 시스템 (상이한 송신 및 수신 주파수) 에서, 송신/수신 제어 스위치의 위치는 안테나에 그 공진 주파수를 무선 디바이스가 송신 또는 수신 상태에 있는 지에 의존하는 동작성 하부 대역을 변화하도록 명령한다. 이 기술은 대부분의 안테나가 약 1/2 의 팩터만큼 부피 감소되도록 허용하며 적당하게 안테나의 PAE 를 증가시킨다.

다른 실시형태에 따라서, 하프 듀플렉스 통신 프로토콜에 대해서, 통신 디바이스 프로세서는 핸드셋 동작 모드에 의존하여 대역 (하부 대역) 의 수신 또는 송신 부분 중 하나를 선택하고, 안테나 공진 주파수 및/또는 안테나 임피던스를 변경하기 위해서 여기에서 설명된 기술들에 의해서 하나 이상의 안테나 파라미터들을 변경하도록 안테나에 제어 신호를 공급한다. 하부 대역이 통신 디바이스가 동작하는 전체 대역 보다 더 좁은 대역폭을 가지기 때문에, 안테나 크기는 이 실시형태들에 따라서 감소될 수 있다.

당업자에게 명백하지 않은 것은 본 발명의 실시형태가, 동작 대역폭에 대해서 안테나 성능 (예를 들어, PAE) 을 개선하면서, 통신 디바이스 내의 더 작은 안 테나의 사용을 허용한다는 점이다. 통신 디바이스의 동작 주파수에 응답하여 안테나 성능 파라미터 (예를 들어 공진 주파수) 를 변경하거나 선택하는 능력은 모든 가능한 대역에서 동작할 수 있는 안테나에 대한 요구사항을 제거하고, 또한 안테나 성능을 희생시키는 것 없이 더 작은 적응성 안테나의 사용을 더 허용한다. 사실 안테나 성능이 개선될 수도 있다. 최소한으로, 더 작은 안테나를 구성하는 것 및 그 성능을 개선하기 위해서 본 발명의 교시를 사용하는 것은 더 작은 안테나의 공지된 성능을 극복한다. 따라서 더 작은 핸드셋은 안테나 및 핸드셋 성능을 희생시키는 것 없이, 더 작은 안테나의 사용으로 설계될 수 있다. 안테나 성능을 개선하기 위해서, 프로세서는 피드 포인트, 그라운드 포인트, 임피던스, 안테나 구성 또는 주어진 동작 조건 (예를 들어, 신호 극성 또는 신호 프로트콜) 또는 동작 주파수에 대한 안테나 유효 길이를 개선할 수 있다.

본 발명에 따라 획득된 장점들은 1) 더 작은 안테나 크기; 및 2) 현재 동작 대역폭에 기초한 안테나 구성의 적응성 제어로 인한 동작 대역폭에 대한 개선된 안테나 PAE 이다.

안테나 튜닝은 핸드 또는 다른 근접 이펙트로 인한 디튜닝을 또한 극복할 수 있다. 핸드셋 또는 무선 통신 디바이스에 근접하여 사용자가 바디 부분 또는 다른 오브젝트를 가져올 때 안테나 주파수가 이동될 수 있음이 공지되어 있다. 2 개의 물리적 현상이 그 경우에 발생하며, 그 두가지 현상은 불량한 핸드셋 수신 및 송신을 초래한다. 제 1 영향은 안테나의 근접 용량성 로딩에 의해서 초래된 안테나 공진의 디튜닝이다. 제 2 영향은 근접 생물학적 또는 다른 물질 (나무, 종이, 물 등) 의 유전 특성과 관련된 저항 손실 체계 (허수-값 유전 상수를 포함) 에 의해서 초래된 신호의 흡수이다.

인간 바디에 근접하여 무선 휴대용 디바이스를 동작시키는 것은 먼 필드 방사된 신호에서의 7 dB 초과의 손실을 종종 초래한다. 적어도 3 dB 의 손실은 공개된 시뮬레이션 연구에 의해서 확인된 것처럼 흡수에 기인할 수 있다. 따라서 나머지 손실의 부분은 안테나 디튜닝 효과 (4 dB 이상) 에 기인할 수 있다.

본 발명은 안테나를 활성으로 튜닝하지만, 방사된 필드 성분의 흡수로 인한 상술한 손실을 보정하지 않을 수도 있다. 그럼에도 불구하고, 이러한 방법은 몇몇 데시벨 만큼 핸드셋 수신 또는 송신 성능을 개선한다. 핸드/헤드 로딩으로 인한 방사된 신호 성능의 현재 감소는 통상적으로 -3 dBi 에서 -10 dBi 초과이다. 4 dB 이상의 추가된 이득은 본 발명의 근접 필드 제어된 튜닝 기술로부터 초래될 수도 있다는 것을 추정할 수 있다.

이 실시형태는 도 15 에 도시된 바와 같이, 근접 센서 (506) 에 응답하여 안테나 (504) 의 주파수 튜닝 및 임피던스 제어 엘리먼트 (502) 를 제어하는 것과 같이, 안테나에서 유도성 또는 용량성 튜닝 엘리먼트를 변경함으로써 구현될 수 있다. 본 실시형태는 또한 상술한 안테나의 유효 전기 길이를 변화시킴으로써 구현될 수 있다.

다른 실시형태에서, 근접 센서 (506) 는 전력 증폭기 (111) 에 의해서 안테나 (514) 로 보여지는 임피던스를 제어하거나 안테나 (514) 의 공진 주파수를 제어하는 제어 신호를 안테나 임피던스 제어 회로 (512)(도 16 을 참조) 에 공급한다.

근접 센서 (506) 는 광학 센서, 용량성 센서 또는 다른 감지 디바이스를 사용하는 바디 또는 바디 부분의 존재를 탐지하는 센서를 포함한다. 그 제어 신호에 응답하여, 안테나는 근접 오브젝트에 의해서 초래된 디튜닝을 오프셋하고 디튜닝으로 인한 손실을 부분적으로 보상하기 위해서 사전 결정된 주파수로 튜닝된다. 다른 실시형태에서, 근접 센서는 주변 필드 신호를 최대화하기 위해서 안테나를 튜닝하는 제어 신호를 공급하기 위한 주변 필드 RF 프로브로 대체된다.

다른 실시형태에서, 센서 (506) 는 핸드셋 통신 디바이스의 구성을 탐지하기 위한 컴포넌트를 포함한다. 예를 들어, 슬라이더 타입 핸드셋 및 플립 타입 핸드셋은 안테나 (504) 의 동작에 영향을 미치는, 개방 또는 폐쇄 위치에 있을 수 있다. 핸드셋 구성을 결정함으로써, 안테나는 안테나 및 핸드셋 성능을 개선하기 위해서 제어될 수 있다.

또 다른 실시형태에서, 본 발명은 제조 프로세서에서 공진 주파수 변동을 감소시키기 위해서 통신 디바이스의 제조 동안에 사용하기 위한 안테나 공진 주파수 튜닝 컴포넌트를 포함한다.

그러한 공진 주파수 튜닝 컴포넌트는 생산 변동으로부터 초래된 공진 주파수 및 대역폭 변동의 예상된 범위를 보상하도록 제어가능한, 상술한 주파수 튜닝 및 임피던스 제어 엘리먼트 (117)(도 2 참조) 또는 튜닝 가능 안테나 (404)(도 11 참조) 와 같은 복수의 튜닝 컴포넌트 (예를 들어, 컴포넌트의 메트릭스) 를 포함한다. 생산 단계 동안에, 튜닝 컴포넌트는 최적의 성능 (PAE, VSWR 등) 에 대한 소망하는 공진 주파수를 설정하기 위해서 구성된다. 일 실시형태에서, 튜닝 메 트릭스는 메트릭스 컴포넌트를 안테나 회로로 삽입하기 위해서 개방되는 (끊긴) 가용성 링크를 가진 패시브 어셈블리를 포함한다. 다른 실시형태에서 활성 디바이스 스위치들 (제어 필드 효과 트렌지스터, 마이크로-전기-기계 시스템 (MEMS) 또는 당업계에 공지된 다른 스위치 기술) 이 하나 이상의 스위칭 디바이스에 의해서 컴포넌트를 안테나 회로에 삽입하기 위해서 사용된다.

도 17 은 안테나의 주요 방사 구조 (550) 를 도시한다. 스위치 (552)(예를 들어, 가용성 링크, 트랜지스터 스위치) 는 하나 이상의 안테나 임피던스 및 공진 주파수를 제어하기 위해서 주요 방사 구조 (550) 상의 다양한 위치에 하나 이상의 튜닝 컴포넌트 (556A, 556B, 556C 및 556D) 를 스위칭가능하게 접속한다. 스위치들은 제조 변이의 효과를 극복하기 위해서 주요 방사 구조 (550) 를 제조 및 테스트한 후에 영훤히 개방 또는 폐쇄될 수 있다. 다른 실시형태에서, 스위치들 (552) 은 중 방사 구조 (550) 이 동작하는 통신 장치와 연관된 제어기에 의해서 제어되며, 그 제어기는 스위치 (552) 를 제어하고 그것에 의해서 안테나의 동작, 특히 안테나 공진 주파수 및 임피던스를 제어하기 위해서 통신 장치의 동작 특성에 응답한다.

본 발명의 교시는 안테나 다이버시티를 공급하는 통신 디바이스에 또한 적용될 수 있다. 즉, 각각의 다양한 안테나들은 안테나 공진 주파수를 제어하기 위해서 유효 전기 길이에서의 변화 또는 리액턴스의 변화를 일으키는 컴포넌트를 포함한다.

도 18 에 도시된 바와 같이, 통신 디바이스 (600) 는 2 개의 안테나들 (602 및 604) 를 포함하며, 각각은 본 발명의 다양한 교시들 및 실시형태들에 따라서 각각의 안테나 공진 주파수 및/또는 임피던스를 제어하기 위한 안테나 제어기 (610 및 612) 에 응답한다. 다이버시티 제어기 (618) 는 주어진 소정의 시간에서 안테나들 (610 및 612) 중 어느 것이 동작되는 지를 결정한다 (수신 모드에서, 신호들은 합성 수신 신호를 생성하기 위해서 결합될 수 있다). 적절한 알고리즘을 실행하는 프로세서는 통신 디바이스의 신호 품질 메트릭을 개선하기 위해서 안테나 제어기들 (210 및 212) 및 다이버시티 제어기 (218) 를 제어한다.

도 19 내지 21 은 안테나의 동작 환경 내의 바람직하지 않은 상태들의 영향을 극복 또는 적어도 감소시키는 능력을 공급하는 추가적 구성가능 또는 제어가능 안테나들을 도시한다. 도 19 에서의 안테나 (700) 는 복수의 미엔더라인 세그먼트 (702A) 를 더 포함하는 미엔더라인 구성 (702), 피드 (704) 에 접속된 제 1 말단 엔드 및 방사 구조 (706) 에 접속된 제 2 말단 엔드를 포함한다. 하나 이상의 미엔더라인 세그먼트 (702A) 에 접속된 예시적 탭 (710) 은 안테나 제어기 (718) 의 제어하에서 관련 스위치 (714) 를 폐쇄함으로써 그라운드에 접속된다. 하나 이상의 미엔더라인 세그먼트들 (702A) 을 그라운드에 접속하는 것은 하나 이상의 안테나 공진 주파수, 대역폭 및 입력 임피던스에 영향을 준다.

미엔더라인 구성 (702) 은 미엔더라인 구성 (702) 를 포함하는 컨덕터의 물리적 디멘션이 그 유효 전기 디멘션과 동일하지 않은 느린 파동 구성이다. 일반적으로, 느린 파동 컨덕터 또는 구성은 운송파의 위상 속도가 자유공간 광속보다 작은 것으로 정의된다. 위상 속도는 파장 및 주파수의 곱이며 미엔더라인 구성 이 형성되는 물질의 유전율 및 투과율을 고려한다, 즉, c/((sqrt(ε_r)sqrt(μ_r)) = λf. 주파수가 느린 파동 미엔더라인 구성 (702) 을 통한 전파 동안에 변하지 않기 때문에, 파동은 진공에서의 광속 (c) 보다 더 느리게 움직이면 (즉, 위상 속도가 더 느리면), 그 구조내의 파장은 자유공간 파장보다 더 작다. 느린 파동 구조는, 컨덕터에서 전파하는 파동의 파장이 그 자유공간 파장으로부터 감소되기 때문에 물리적으로 더 짧은 컨덕턱의 사용을 허용하면서, 물리적 길이, 공진 주파수 및 파장 사이의 종래의 관계를 분리한다.

피드 (704) 는 안테나 (700) 와 동작하는 통신 디바이스의 1xX RF 스위치 (722) 를 통한 수신 및 송신 회로 (720) 에 접속된다. 당업계에 공지된 수신 및 송신 회로 (700) 는 하나 이상의 낮은 노이즈 증폭기들 및 안테나 (700) 에 의해서 수신된 신호로부터 정보 신호를 결정하기 위한 관련된 수신, 복조 및 디코딩 컴포넌트를 포함하며, 또한 하나 이상의 전력 증폭기들, 정보 신호에 응답하여 송신된 신호를 생성하는 변조 및 코딩 컴포넌트를 포함한다.

수신 및 송신 회로 (720) 의 특정 컴포넌트는 주파수에 민감하며 따라서 통신 디바이스의 최적의 성능을 위해서 적절한 주파수 감지 컴포넌트를 통신 디바이스의 동작 대역 및 모드에 응답하여 선택되어야 한다. 제어 컨덕터 (724) 에 대한 회로들 (720) 에 의해서 공급된 제어 신호 또는 안테나 제어기 (718) 로부터의 제어 신호에 의해서 제어된, 1xX 스위치 (722) 는 안테나 (700) 를 수신 및 송신 회로 (700) 의 적절한 주파수 감지 컴포넌트에 접속하는 능력을 공급한다. 추가적으로, 통신 디바이스의 동작 모드에 응답하는, 안테나 (700) 의 성능을 개선하기 위해서 안테나 제어기 (718) 를 구성하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 통신 디바이스는 제 1 주파수 대역에서 수신 모드에서 동작할 때, 1xX 스위치 (722) 는 제 1 주파두 대역에서 동작을 위해서 최적화된 수신 컴포넌트를 안테나 (700) 에 접속하도록 구성된다. 또한, 안테나 제어기 (718) 는 제 1 주파수 대역에서 신호를 수신하기 위한 안테나 (700) 의 동작을 개선하기 위해서 스위치 (714) 를 제어하도록 구성된다. 예시적 실시형태에서, 안테나 성능의 최적화는 스위치 (714) 가 동작 수신 회로 (720) 의 PAE 를 개선하는 안테나 임피던스를 제공하도록 구성된다는 것을 제안한다.

일 실시형태에서, 도 19 의 안테나 (700) 는 유전체 기판 상에 또는 그 내부에 형성된다. 따라서, 기판을 포함하는 유전 물질의 유전율 및 투과율은 미엔더라인 구성 (702) 의 특성에 영향을 주고 따라서 안테나 (700) 의 특성에 영향을 준다. 그러한 실시형태에서, 안테나 (700) 는 도 6 의 핸드셋 또는 통신 디바이스 (240) 과 같은, 통신 디바이스의 과련 회로에 단순화된 삽입 및 접속을 위한 모듈로써 형성될 수 있다. 모듈 안테나의 사용은 또한 안테나의 적절한 물리적 배치 및 접속을 보장하기 위해서 제조 프로세스 동안 반복성능을 촉진시킨다.

일 실시형태에서, 스위치 (714) 는 각각의 탭 (710) 을 위한 DC 그라운드를 달성하기 위해서 인덕터를 통하여 각각의 탭 (710) 을 그라운드로 접속함으로써 구현된다.

도 20 실시형태에서, 안테나 (750) 는 미엔더라인 구성 (702) 을 포함하는 설정가능 신호 피드 구성을 포함한다. 안테나 동작 특성 (예를 들어, 안테나 임피던스, 이득, 방사 패턴) 은 안테나 제어기 (718) 의 제어 하에서 복수의 스위치들 (754) 중 하나를 폐쇄함으로써 결정된다.

도 21 은 안테나 (800) 의 불연속 공진 주파수 튜닝을 공급하기 위해서 안테나 제어기 (718) 에 의해서 제어된 복수의 미엔더라인 세그먼트 (802A) 및 예시적 스위치들 (808) 을 더 포함하는 미엔더라인 구성 (802) 을 포함하는 안테나 (800) 를 도시한다. 미엔더라인 구성 (802) 이 안테나의 일부분을 형성하고 따라서 공진 주파수를 포함하는 안테나 파라미터들에 영향을 주기 때문에, 하나 이상의 미엔더라인 세그먼트들 (802A) 을 단축하는 것은 공진 길이를 변화시키고 따라서 안테나 (800) 의 공진 주파수를 변화시킨다. 하나 이상의 스위치들 (808) 은 소망하는 주파수로 안테나 (800) 를 튜닝하기 위해서 폐쇄될 수 있다. 일반적으로, 스위치들 (808) 의 동작에 의한 튜닝은 연속적이라기 보다는 불연속적인 공진 주파수의 튜닝을 초래한다.

예시적 동작 모드에서, 1xX 스위치 (722) 는 통신 디바이스의 현재 동작 파미터에 응답하여, 안테나 (800) 에 수신 및 송신 회로들 (720) 의 적절한 주파수 감지 컴포넌트를 접속하기 위해서 제어된다. 안테나 (800) 의 공진 주파수는 안테나 제어기 (718) 의 제어하에서, 스위치 (808) 가 선택된 주파수 감지 컴포넌트의 동작 주파수와 동일한 안테나 공진 주파수를 달성하도록 구성함으로써 또한 제어된다.

도 19 내지 21 에 나타난 다양한 스위칭 엘리먼트들 불연속 스위치들 (예를 들어, PIN 다이오드, 제어 필드 효과 트랜지스터, 마이크로-전기-기계 시스템 또는 당업계에 공지된 다른 스위칭 기술) 에 의해서 구현될 수 있다. 스위칭 엘리먼트들은 안테나 (예를 들어, 미엔더라인 구성 및 방사 구성), 제어 스위치들 및 단일 유전체 기판 상의 1xX 스위치를 포함하는 모듈을 형성하기 위해서 안테나에 부착된 유기 박판 캐리어를 포함한다.

도 22 는 개별적 저 대역 및 고 대역 안테나들 (902 및 904) 을 포함하는 대역 스위칭된 안테나 구성 (900) 을 도시한다. 임피던스 제어 회로 (906 및 907) 는 무선 주파수 (RF) 스위치 (910) 의 스위칭 단자 (908) 에 저 대역 안테나 (902) 를 접속한다. RF 스위치 (910) 의 개별적 송신 및 수신 단자들 (912 및 914) 은 저 대역 전력 증폭기 (920) 및 필터 (922) 의 직렬 접속 및 제 1 대역 저 노이즈 증폭기 (LNA)(928) 및 필터 (930) 의 직렬 접속에 각각 접속된다.

RF 스위치 (910) 의 개별적 송신 및 수신 단자들 (932 및 934) 은 직렬로 접속된 저 대역 전력 증폭기 (920) 와 필터 (922) 및 직렬로 접속된 제 2 대역 LNA (938) 과 필터 (940) 에 각각 접속된다. 스위칭 단자 (941) 는 입력 단자 (932) 또는 입력 단자 (934) 중 하나를 선택하도록 동작가능하다.

일반적으로, 임피던스 제어 회로들 (906 및 907) 은 그 동작을 개선하는 저 대역 전력 증폭기 (920) 에 선택가능한 안테나 (로드) 임피던스를 제공하는 것과 다르다. 통상적으로, 전력 증폭기 (920) 는 두개의 주파수 대역에서 동작하며, 각각은 상이한 PA 출력 임피던스를 제공한다. 따라서, 선택가능한 임피던스 (임피던스 제어 회로 (906 또는 907)) 를 공급하는 것이 바람직하다.

일 실시형태에서, 임피던스 제어 회로 (906) 는, 공통 단자와 그라운드 사이에 접속된 인덕터와, 공통 단자에서의 제 1 과 제 2 커패시터와의 직렬 접속을 포함한다. 일 실시형태에서, 임피던스 제어 회로 (907) 는, 공통 단자와 그라운드 사이에 접속된 커패시터와, 공통 단자에서의 제 1 과 제 2 인덕터와의 직렬 접속을 포함한다. 다른 실시형태에서, 상이한 임피던스 제어 회로는 저 대역 안테나 (902) 의 임피던스 및 PA (920) 의 임피던스에 의존하여 사용될 수 있다.

고 대역 안테나 (904) 는 임피던스 제어 회로 (906) 를 통하여 스위칭 단자 (950) 에 접속되며 임피던스 제어 회로 (907) 를 통하여 스위칭 단자 (954) 에 접속된다. RF 스위치 (910) 의 개별적인 송신 및 수신 단자 (960 및 962) 는 직렬 접속된 고 대역 전력 증폭기 (964) 와 필터 (966) 및, 직렬 접속된 제 3 대역 LNA (970) 와 필터 (972) 에 각각 접속된다.

RF 스위치 (910) 의 개별적 송신 및 수신 단자들 (978 및 980) 은 직렬 접속된 고 대역 전력 증폭기 (964) 와 필터 (966), 및 직렬 접속된 제 4 대역 LNA (984) 와 필터 (986) 에 각각 접속된다.

LNA 와 연관된 필터들 (930, 940, 972 및 986) 은, 수신된 신호로부터 노이즈 및 대역외 주파수 성분을 제거하기 위해서 종래의 방식으로 기능하며, 각각의 필터 (930, 940, 972 및 986) 의 통과 대역은 그 관련된 LNA 의 동작 대역에 의존한다.

스위칭된 안테나 (900) 의 동작 모드는 안테나 (900) 가 기능하는 통신 디바이스의 동작에 의해서 결정된다. 저 대역 (즉, 저 주파수 동작) 수신 모드에서 동작할 때, 스위칭 단자 (908) 이 저 대역 안테나 (903) 와 임피던스 제어 회로 (906) 를 필터 (930) 와 제 1 대역 LNA (928) 에 접속하도록 구성되거나 또는 스위칭 단자 (941) 가 저 대역 안테나 (902) 와 임피던스 제어 회로 (907) 를 필터 (940) 와 제 2 대역 LNA (938) 에 접속하도록 구성된다. 스위칭 단자들 (908 및 941) 의 구성은 통신 디바이스의 동작 특성에 기초한 안테나 제어기 (도 22 에는 미도시) 에 의해서 제어된다. 특히, 통신 디바이스가 2 개의 상이한 저 대역 주파수로 동작하면, 스위칭 단자들 (908 또는 940) 중 하나는 관련된 LNA (928 또는 938) 를 각각 동작 저 대역 주파수에 응답하여 저 대역 안테나 (902) 에 접속하도록 동작한다.

저 주파수 대역 송신 모드에서 동작 동안에, PA (920) 는 전력 증폭기 (920) 의 PAE 를 개선하는 임피던스 제어 회로들 (906 또는 907) 중 하나에 의해서 결정된 바와 같이, 단자 (912) 또는 단자 (932) 중 하나에 의한 것인, RF 스위치 (910) 의 선택된 구성에 의한 임피던스 제어 회로들 (906 및 907) 중 하나를 통하여 저 대역 안테나 (902) 에 접속된다. 다른 실시형태에서, 임피던스 제어 회로들 (906 및 907) 은 그 전력 증폭기 PAE 를 개선하기 위해서 관련된 전력 증폭기에 의해서 보여진 임피던스를 변화시키기 위해서 또한 제어가능하다.

고 주파수 대역에서의 스위칭된 안테나 (900) 의 동작 동안에, 스위칭 단자들 (950 및 954) 은 임피던스 제어 회로들 (906 및 907) 을 통하여 수신 모드에서 고 대역 안테나 (904) 에 LNA (970) 또는 LNA (984) 중 하나를 접속하기 위해서 또는 고 대역 PA (964) 를 고 대역 안테나 (904) 에 접속하기 위해서 제어된다.

본 명세서의 다른 부분에서 설명된 바와 같이, 보통 디바이스 성능을 개선하기 위해서 송신 및 수신 신호 경로에서 컴포넌트의 임피던스를 명목상 50 ohm 으로 변환하는 것이 통신 디바이스 설계자의 의도이다. 이러한 컴포넌트는 보통 개별적으로 획득되고 어셈블링되기 때문에, 제공된 임피던스 값들은 실질적으로 50 ohm 과 상이하며 50 ohm 으로의 변환은 상술한 바와 같은 바람직하지 않은 대역폭 제한을 초래할 수도 있다.

추가적으로, (50 ohm 임피던스와 달리 존재할 수도 있는) 컴포넌트 및 접속 컨덕터의 레이아웃은 임피던스가 소망하는 50 ohm 에서 변하는 것을 초래하는 경향이 잇다. 마지막으로, 안테나 공급자는 안테나 성능에 실질적으로 영향을 줄 수 있는 송신 및 수신 신호 경로에서 설계 특성 및 컴포넌트에 어떠한 제어 및 어떠한 영향도 가지지 않는다.

이러한 불일치로 인한 성능 저하 이외에, 또한 통신 디바이스에서의 컴포넌트와의 안테나의 주변 전기 및 자기장의 상호작용은 a) 전기적 저항 손실 체계를 부과하는 근접 엘리먼트에서 원하지 않는 전류의 발생으로 인한 더 낮은 방사 PAE 및 b) 그 공진 주파수에 영향을 주는 안테나 엘리먼트에 대한 유전 로딩 영향을 초래할 수도 있다는 것이 공지되어 있다.

안테나 성능에 대한 이러한 영향을 극복하기 위해서, 본 발명은 하나 이상의 송신 및 수신 회로, 낮은 노이즈 증폭기, 전력 증폭기, 및 이러한 컴포넌트를 안테나에 접속하는 엘리먼트를 포함하는 직렬 컴포넌트 스트링의 하나 이상의 컴포넌트를 포함하는 무선 주파수 모듈을 교시한다. 모듈 컴포넌트에 의해서 제공된 임 피던스는 종래 기술의 임피던스 변동 및 불일치의 영향을 극복하면서, 신호 수신 및 송신 성능을 개선하기 위해서 모든 모듈 컴포넌트 사이에서 실질적으로 일관된다 (그리고 종래의 50 ohm 은 아님). 예시적 모듈은 도 23 에 도시되며 수반된 텍스트에서 설명된다.

모듈은 또한 (배터리 충전 사이의 더 긴 통화 시간을 초래하는) 전력 증폭기 PAE 를 개선한다. 모듈의 사용은, 모든 컴포넌트가 모듈에 포함하고 그 제조가 반복가능하기 때문에, 시장으로의 개발 시간을 감소시키고 제조 및 컴포넌트 집적 비용을 감소시킨다.

도 22 의 스위칭된 안테나 (900) 의 모듈 실시형태가 도 23 에 도시되며, 모듈 (1000) 은 (일 실시형태에서, 임피던스 제어 회로 (906 및 907), RF 스위치 (910), 필터들 (922, 966, 930, 940, 972 및 986), 전력 증폭기 (920 및 964) 및 저 노이즈 증폭기 (928, 938, 970 및 984) 또는 이러한 엘리먼트들의 임의의 조합을 포함하는) 프런트 엔드 전자 모듈 (1002), 유기 (또는 다른) 박판 재료 (1004), (바람직하게는 도전성 플렉스 (flex) 필름 재료를 포함하는 도전성 재료의 적절한 길이로 구성되며, 박판 (1004) 의 하나 이상의 표면 상에 프린트되거나 그 표면으로부터 감산적으로 제거하는) 저 대역 및 고 대역 안테나 (902 및 904) 및 캐리어 (1008) 를 포함한다. 다른 실시형태에서, 임피던스 제어 회로 (906 및 907) 의 패시브 컴포넌트 및 필터들 (922, 966, 930, 940, 972 및 984) 의 패시브 컴포넌트는 박판 (1004) 의 물질 내에서 패시브 엘리먼트로 형성된다. 후보 박판 재료는 섬유 유리 필러 재료를 가지거나 가지지 않은 공지된 PCB 혼합물 및 에폭시 재 료를 포함한다. 프린트된 회로 보드 재료 및 플렉스 필름 재료는 유기 박판 재료를 대신하여 사용될 수 있다.

저 및 고 대역 안테나가 824-960 MHz 및 1710-1990 MHz 의 개별적 주파수 대역에서 동작하는 일 실시형태에서, 모듈 스위칭된 안테나 (900)(즉, 박판 물질) 은 약 28 mm 길이, 약 15 mm 너비 및 약 7 mm 높이이며, 종래 다중 대역 안테나의 부피의 약 1/2 내지 1/4 의 안테나 부피를 제공한다. 모듈 형태로 여기에서 교시된 다양한 안테나 제어 기술을 구체화하는 것은 보다 효율적인 패키지화, 통신 디바이스로의 더 단순한 삽입, 더 낮은 비용, 더 좋은 신뢰성 및 더 좋은 성능을 공급한다. 특히, 통신 디바이스에서 모듈의 사용과 관련된 설계 및 레이아웃 프로세서들이 실질적으로 감소된다. 또한 여기에서 설명된 다양한 실시형태들의 선택가능한/제어가능한/튜닝가능한 특징들이 종래 기술 다중 대역 안테나보다 동작 대역폭에 대해서 더 높은 PA PAE 를 공급한다.

모듈 (1000) 내에서, 접속된 컴포넌트의 임피던스 값을 종래의 50 ohm 으로 변환하는 것은 필요하지 않다.

CDMA 시스템에서, 여기에서 설명된 안테나의 활성 튜닝 안테나와 PA 중간의 듀플렉서를 통하여 PA 출력에서 제공되는 임피던스를 제공한다. 안테나의 위상, 진폭 및/또는 임피던스가 조정되는 것에 따른 다양한 체계들이 필연적으로 듀플렉서의 송신 특성을 고려하거나 안테나 및 PA 에 관련된 송신 라인들을 고려해야만 할 것이다. 듀플렉서의 주파수 의존성 특성은 따라서 안테나 임피던스를 조정할 때 고려되어야 한다. 선택적으로, 듀플렉서의 주파수 변화 튜닝이 안테나 에서 튜닝된 엘리먼트이외에 사용될 수 있다. 레이팅된 로드보다 작게 증폭기 PAE 를 개선하기 위해서, 듀플렉서 그자체의 전력 의존 튜닝이 역시 요구될 수도 있다.

결과적으로, 도 23 의 모듈 (1000) 과 같은, 모듈의 부분으로 안테나, 위상/진폭/임피던스 튜닝 컴포넌트, 듀플렉서, 및 관련 제어 컴포넌트를 포함하는 것이 바람직하다. 모듈은 상술한 바와 같이, PA 효율을 최적화하는 동작 주파수에서 PA 에 로딩을 제공하도록 기능하다. 다른 실시형태에서, 일정 정도의 미스튜닝이 동작 동안 안테나 근접 효과 (예를 들어, 사용자들의 핸드 및 바디의 안테나에 대한 근접 관계) 를 조정하기 위해서 이용될 수도 있다.

(상술한 다양한 실시형태에서 설명한 것처럼) 안테나에서 튜닝 컴포넌트의 포함은 또한 CDMA 시스템에 대한 휴대용 디바이스 RF 설계에서 현재 발생하는 많은 문제에 대한 수용가능한 해결 방법이다. GSM 동작에 대한 PA 효율을 최적화하는 것, 근접 유전체 (인간 바디, 테이블등) 의 존재에서의 안테나 공진을 유지하는 튜닝, 안테나 물리적 부피의 감소를 허용하는 대역 선태가능 튜닝 (DCMA 에서는 어떠한 하부 대역도 비존재), 및 더 일정한 임피던스 (더 양호한 매칭) 대 동작 주파수를 제공하는 튜닝과 같은, 상기 설명 기술은 튜닝 컴포넌트의 포함의 모든 가능한 부산물이다.

본 발명의 다른 안테나 제어 실시형태에서 따라서, 안테나 공간 다이버시티는 단자 엔드 (1104) 또는 단자 엔드 (1108) 중 하나로부터, 선택적으로 방사 구조 (1100) 를 구동함으로써 달성된다 (도 24 참조). 미엔더라인 방사 구조는 단지 예시적 실시형태로 도시된다.

참조 번호 (1112A) 로 표시된 구성에서 스위치 (1112) 및 구성 (1120B) 에서의 스위치 (1120) 를 이용하여, 피드 (1114) 는 단자 엔드에 커플링되어, 단자 엔드 (1108) 에서 최소의 전류 및 단자 엔드 (1104) 에서 최대의 전류를 초래한다. 스위치 (1112) 를 구성 (1112B) 로 재구성하는 것 및 스위치 (1120) 를 폐쇄하는 스위치 (1120) 의 구성은 최대 전류를 엔드 (1108) 로 및 최소 전류를 엔드 (1104) 로 시프트시킨다. 최대 전류 및 최소 전류의 위치를 변화시키는 것은 공간 다이버시티를 달성하기 위해서 안테나 패턴 (위상 중심) 을 변경한다.

스위치 (1112 및 1120) 는 통신 디바이스의 다른 엘리먼트에서 발생된 제어 신호에 의해서 제어된다. 예를 들어, 수신된 신호의 신호 대 노이즈 비가 식별된 임계값 아래로 떨어지면 (또는 수신된 신호의 비트 오차 레이트가 사전 결정된 임계값을 초과하면) 스위치 구성은 성능을 개선하기 위해서 역전된다.

본 명세서의 다른 부분에서 설명된 바와 같이, 단일 안테나와 동작하는 종래의 통신 디바이스의 일 실시형태는, 전력 증폭기 (및 수신 모드에서 저 노이즈 증폭기), 스위치 플렉서 (GSM 프로토콜에서의 사용) 또는 듀플렉서 (CDMA 프로토콜에서의 사용), 안테나 임피던스 제어 엘리먼트 및 안테나를 포함하는 직렬 컴포넌트 스트링 (신호 경로) 을 이용한다. 스위치 플렉서 또는 듀플렉서는 동작 상태에 응답하여 직렬 스트링 적절한 전력 증폭기 또는 저 노이즈 증폭기로 스위칭한다.

실제적 명목 안테나 임피던스는 그 동작 대역폭에 대한 주파수의 함수로서 약 20 ohm 과 수 ohm 사이의 범위일 수 있다고 공지되어 있다. 전력 증폭기의 출력 임피던스는 통상적으로 수 ohm (대략 3 내지 7 ohm 이며 보통 복소수) 이며 상술한 출력 전력에 따라 변한다. 신호 경로에서의 임피던스 변이를 수용하고 임의의 경우에서 임피던스가 주파수에 따라 변한다는 것을 인지하기 위해서, 안테나 임피던스는 전력 증폭기 PAE 를 개선하는 임피던스로 변환된다. 특히, 최적 임피던스는 안테나에 공급된 신호 주파수와 PA 로부터 출력된 명령된 RF 전력의 함수로써 발생된 포인트의 궤적으로부터 선택된다. 최적의 임피던스는 전력 증폭기가 최적의 PAE 에서 동작하도록 허용한다, 즉, 신호 클립핑 또는 포화 없이 가능한 공급 전압/전류를 사용하는 출력 신호를 생성한다.

종래에, 전력 증폭기 임피던스는 약 50 ohm 으로 변환된다. 따라서, 전력 증폭기에 50 ohm 송신 라인에 의해서 접속될 때, 안테나가 PA 에 대한 만족할 만한 로드를 공급하도록, (안테나 방사 저항, 통상적으로 대략 15 ohm 을 50 ohm 으로 변환함으로써) 50 ohm 임피던스를 안테나가 제공하는 것이 바람직하다. PA 와 안테나 사이의 신호 경로에서 50 ohm 상호 접속을 사용함으로써, 종래의 필터 및 스위칭 엘리먼트 (및 바이어스 회로, RF 커넥터들, 송신 라인들, 송신/수신 스위치들과 같은 신호 경로에서 임의의 다른 신호 프로세싱 엘리먼트) 의 삽입 및 캐스케이딩이 이용되며 최대 전력은 전력 증폭기로부터 안테나로 전송된다.

큰 임피던스 변환 (예를 들어, 3 에서 50 ohm 으로) 은 신호 대역폭을 감소시킬 수 있으며, 여기에서 대여폭 감소는 2 개의 임피던스들의 비율의 직접적 함수라는 것이 공지되어 있다. 대역폭 감소를 극복하는 하나의 공지된 기술은 다중 단계 메칭을 이용하는 것이며, 다중 단계 매칭에서 전체 임피던스 변환은 순차적인 단계들에서 달성될 수 있으며, 각각의 단계는 Fano 매칭 표준에 의해서 설명된, 전체 임피던스 변환의 비율보다 작은 비율의 2 개의 임피던스를 매칭한다.

이러한 임피던스 불일치 및 임피던스 변화의 영향을 극복하기 위해서 본 발명의 일 실시형태에 따라서, 전력 증폭기 출력 임피던스는 50 ohm 으로 변환되지 않고, 대신에 안테나 방사 저항에 근접한 값 또는 50 ohm 과 PA 출력 임피던스 상이의 중간값으로 변환된다. 필터가 전력 증폭기와 안테나 사이에 개재되는 다른 실시형태에서, 전력 증폭기와 안테나 양자의 임피던스는 필터 임피던스로 변환된다. 50 ohm 보다 작은 임피던스로 변환하는 것은 두 임피던스들의 비율이 더 작아짐에 따라 수반하는 대역폭 감소를 감소시킨다.

도 25 는 필터 및/또는 스위치 플렉서 (1150) 가 전력 증폭기 (1152) 와 안테나 (1154) 사이에 개재되는 본 발명의 이러한 양태를 도시한다. 임피던스 변환 컴포넌트 (1160) 는 전력 증폭기 (1152) 의 출력 임피던스 Zout = n 은 임피던스 m 으로 변환하며, 스위치 플렉서 및/또는 필터 (1150) 는 입력 임피던스 Zin = m 및 출력 임피던스 Zout = p 를 가진다. 임피던스 변환 컴포넌트 (1164) 는 스위치 플렉서 및/또는 필터 (1150) 에 의해서 제공된 임피던스를 안테나 입력 임피던스 Zin = q 로 변환한다. 바람직하게는 모든 직렬 등가 특성 임피던스 값들, n, m, p 및 q 모두는 50 ohm 보다 작다. 따라서, 이러한 임피던스 변환에 관련된 대역폭 감소는 모든 임피던스가 50 ohm 으로 변환되는 종래 기술 시스템보다 작다. PA 의 출력 임피던스에 더 가까운 임피던스 매치를 공급하여, 그것에 의해서 인공적으로 지정된 값으로의 임피던스 변환의 필요를 제거하고, 안테나 체 인에서의 PA, 필터, 스위치플렉서 (또는 디플렉서) 및 엘리먼트의 성능을 최적화하는 안테나를 설계하는 것이 또한 가능하다. 이러한 방법의 장점은 송신 및 수신에서의 더 작은 손실 및 더 큰 대역폭에 있다.

바람직한 실시형태에서, 도 25 에서 도시된 다양한 엘리먼트들은, 집적 회로를 둘러싼 유전 물질을 포함하는, 무선 주파수 안테나/전력 증폭기 모듈로써 형성되며, 여기에서 엘리먼트들 (1150, 1160 및 1164) 의 전자 컴포넌트는 집적 회로내에 형성된다. 모듈 내에 포함된 다른 컴포넌트에 대한 PA 의 고정된 사전 포지셔닝은 모듈화된 엘리먼트에 대한 최적의 성능을 공급한다.

엘리먼트 (1150) 의 필터 컴포넌트는 모듈 내의 패시브 컴포넌트로 구현될 수 있고 따라서 집적 회로내에서 반드시 형성될 필요는 없다.

전력 증폭기의 성능을 개선하기 위해서, 적절한 대역폭에 대한 PAE 를 개선하는 PA 로드 임피던스가 결정된다. 하나 이상의 모듈 엘리먼트의 임피던스는 PA 로 그 로드 임피던스를 제공하기 위해서 변환되며 임피던스 변환 컴포넌트 (1160 및 1164) 는 엘리먼트들 (PA (1152) 를 제외) 사이에서 임피던스들을 매치하기 위해서 제어된다.

본 발명의 다른 실시형태는 도 26 에서의 블록도 형태에서 도시된 프런트 엔드 모듈 (FEM)(1200) 의 모듈화를 교시한다. FEM (1200) 은 안테나 (1204) 및 라우팅 스위치 (1206) 를 포함한다. 수신 경로는 수신 필터 (1208) 및 저 노이즈 증폭기 (1210) 를 포함한다. 송신 경로는 송신 필터 (1214) 및 전력 증폭기 (1218) 를 포함한다. 다른 실시형태에서, FEM (1200) 는 또한 FEM (1200) 의 대역폭 응답을 개선하기 위한 도 24 에 도시된 임피던스 변환 컴포넌트를 포함한다.

LNA (1210) 및 PA (1218) 는 또한 송신 모드에서의 인출 신호 및 수신 모드에서 인입 신호의 프로세싱, 예를 들어, 상향 및 하향 주파수 변환, 변조 및 복조 및 신호 주파수 합성과 관련된 종래의 컴포넌트를 포함하는 RF 집적 회로 (RFIC)(1230) 에 접속된다. 기저 대역 프로세서 (1240) 는 정보 신호를 생성하기 위해서 수신 모드에서 RFIC (1230) 에 의해서 공급된 기저 대역 신호를 디코딩한다. 송신 모드에서, 기저 대역 프로세서 (1240) 는 정보 신호를 인코딩하고 인코딩된 신호를 RFIC (1230) 에 공급한다. 수신 모드에서, 기저 대역 프로세서 (1240) 는 RFIC (1230) 으로부터 기저 대역 신호를 수신하고, 동일한 신호를 디코딩하여 정보 신호를 생성한다.

FEM (1200) 의 사용은 컴포넌트 및 기능성이 모듈 형태로 통상적으로 공급되기 때문에 통신 디바이스의 제조자에 대한 시장화 시간을 감소시킨다. 감소된 제조 비용 (목록화하고 추적할 더 적은 컴포넌트, 더 단순한 설계가 요구됨) 및 제조 반복가능성은 FEM (1200) 의 사용에 의해서 또한 실현된다.

일 실시형태에서, FEM (1200) 은 상이한 전력 레벨에서 PA 를 로딩하고, 따라서 상술한 바와 같이 PA 동작 PAE 를 개선하기 위한 이로운 동적으로 선택된 임피던스 값들을 병합한다. 발명자에 의해서 10 % 내지 20 % 로 보여지는 PAE 개선은 배터리 수명이 연장됨에 따라, 핸드셋 "통화" 시간을 늘린다.

안테나 임피던스 제어와 관련된 본 발명의 교시들은 또한 PA 에 의해서 송신 을 위한 안테나에 공급된 신호의 VSWR 을 제어하기 위해서 적용될 수 있다. 실제 VSWR 은 공지된 기술에 의해서 측정될 수 있고 소망하는 VSWR 에 비교될 수 있다. 안테나 임피던스는 소망하는 VSWR 을 달성하기 위해서 실제 VSWR 에 반응하여 제어가능하다.

본 발명은 바람직한 실시형태에 대해서 설명되지만, 다양한 변화가 행해지며 균등한 엘리먼트가 본 발명의 범위에서 벗어남이 없이 엘리먼트들을 대체할 수 있음을 당업자는 이해할 것이다. 본 발명의 범위는 또한 본 명세서에서 개시된 다양한 실시형태들로부터의 엘리먼트들의 임의의 조합을 포함한다. 또한, 변경이 필연적 범위로부터 벗어남 없이 본 발명의 교시에 특정한 상황을 적응하기 위해서 행해질 수도 있다. 따라서, 본 발명은 개시된 특정 실시형태에 제한되지 않으며, 발명은 첨부된 청구항들의 범위내에 존재하는 모든 실시형태들을 포함하는 것으로 의도된다.

Claims (57)

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40. 제 1 주파수 대역에서의 신호 및 제 2 주파수 대역에서의 신호를 선택적으로 송신하기 위한 안테나;

    송신을 위해 상기 안테나에 제 1 주파수 대역에서의 제 1 신호를 선택적으로 공급하기 위한 제 1 전력 증폭기;

    송신을 위해 상기 안테나에 제 2 주파수 대역에서의 제 2 신호를 선택적으로 공급하기 위한 제 2 전력 증폭기;

    상기 안테나의 동작 주파수 대역을 제어하기 위한 제어기; 및

    상기 제어기가 상기 안테나를 상기 제 1 주파수 대역에서의 제 1 공진 주파수로 제어하는 것에 응답하여 상기 제 1 주파수 대역에서의 통신 장치의 동작에 응답하여 상기 안테나에 상기 제 1 전력 증폭기를 접속시키는 제 1 상태로 동작하는 스위칭 엘리먼트를 포함하며,

    상기 스위칭 엘리먼트는, 상기 제어기가 상기 안테나를 상기 제 2 주파수 대역에서의 제 2 공진 주파수로 제어하는 것에 응답하여 상기 제 2 주파수 대역에서의 상기 통신 장치의 동작에 응답하여 상기 안테나에 상기 제 2 전력 증폭기를 접속시키는 제 2 상태로 동작하는, 통신 장치.
41. 제 40 항에 있어서,

    상기 제어기는 상기 제 1 전력 증폭기 또는 상기 제 2 전력 증폭기의 출력 전력에 응답하여 안테나 임피던스를 제어하는, 통신 장치.
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45. 제 1 및 제 2 방사 구조물;

    제 1 및 제 2 전력 증폭기;

    제 1, 제 2 , 제 3 및 제 4 수신 증폭기;

    상기 제 1 방사 구조물에 접속된 제 1 및 제 2 임피던스 제어 회로;

    상기 제 2 방사 구조물에 접속된 제 3 및 제 4 임피던스 제어 회로;

    제 1 상태에서 상기 제 1 임피던스 제어 회로를 상기 제 1 전력 증폭기에 선 택적으로 접속시키고 제 2 상태에서 상기 제 1 임피던스 제어 회로를 상기 제 1 수신 증폭기에 선택적으로 접속시키는 제 1 스위칭 엘리먼트;

    제 1 상태에서 상기 제 2 임피던스 제어 회로를 상기 제 1 전력 증폭기에 선택적으로 접속시키고 제 2 상태에서 상기 제 1 임피던스 제어 회로를 상기 제 2 수신 증폭기에 선택적으로 접속시키는 제 2 스위칭 엘리먼트;

    제 1 상태에서 상기 제 3 임피던스 제어 회로를 상기 제 2 전력 증폭기에 선택적으로 접속시키고 제 2 상태에서 상기 제 3 임피던스 제어 회로를 상기 제 3 수신 증폭기에 선택적으로 접속시키는 제 3 스위칭 엘리먼트; 및

    제 1 상태에서 상기 제 4 임피던스 제어 회로를 상기 제 2 전력 증폭기에 선택적으로 접속시키고 제 2 상태에서 상기 제 4 임피던스 제어 회로를 상기 제 4 수신 증폭기에 선택적으로 접속시키는 제 4 스위칭 엘리먼트를 포함하는, 통신 장치.
46. 제 45 항에 있어서,

    상기 제 1 전력 증폭기, 상기 제 2 전력 증폭기, 상기 제 1 수신 증폭기, 상기 제 2 수신 증폭기, 상기 제 3 수신 증폭기 및 상기 제 4 수신 증폭기의 각각의 입력 단자에 접속된 제 1, 제 2, 제 3, 제 4, 제 5 및 제 6 필터를 더 포함하는, 통신 장치.
47. 제 45 항에 있어서,

    상기 제 1 방사 구조물은 상기 제 2 방사 구조물보다 낮은 공진 주파수를 제 공하는, 통신 장치.
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50. 유전체 기판;

    상기 유전체 기판의 상이한 표면들 상에 배치된 제 1 및 제 2 방사 구조물; 및

    전자 모듈을 포함하며,

    상기 전자 모듈은,

    제 1 및 제 2 전력 증폭기;

    제 1, 제 2, 제 3, 및 제 4 수신 증폭기,

    상기 제 1 방사 구조물에 접속된 제 1 및 제 2 임피던스 제어 회로;

    상기 제 2 방사 구조물에 접속된 제 3 및 제 4 임피던스 제어 회로;

    제 1 송신 주파수에서의 송신 동작을 위해서 상기 제 1 임피던스 제어 회로를 상기 제 1 전력 증폭기에 선택적으로 접속시키고 제 1 수신 주파수에서의 수신 동작을 위해서 상기 제 1 임피던스 제어 회로를 상기 제 1 수신 증폭기에 선택적으로 접속시키기 위한 제 1 스위칭 엘리먼트;

    제 2 송신 주파수에서의 송신 동작을 위해서 상기 제 2 임피던스 제어 회로를 상기 제 1 전력 증폭기에 선택적으로 접속시키고 제 2 수신 주파수에서의 수신 동작을 위해서 상기 제 2 임피던스 제어 회로를 상기 제 2 수신 증폭기에 선택적으로 접속시키기 위한 제 2 스위칭 엘리먼트;

    제 3 송신 주파수에서의 송신 동작을 위해서 상기 제 3 임피던스 제어 회로를 상기 제 2 전력 증폭기에 선택적으로 접속시키고 제 3 수신 주파수에서의 수신 동작을 위해서 상기 제 3 임피던스 제어 회로를 상기 제 3 수신 증폭기에 선택적으로 접속시키기 위한 제 3 스위칭 엘리먼트; 및

    제 4 송신 주파수에서의 송신 동작을 위해서 상기 제 4 임피던스 제어 회로 를 상기 제 2 전력 증폭기에 선택적으로 접속시키고 제 4 수신 주파수에서의 수신 동작을 위해서 상기 제 4 임피던스 제어 회로를 상기 제 4 수신 증폭기에 선택적으로 접속시키기 위한 제 4 스위칭 엘리먼트를 포함하는, 안테나.
51. 제 1 및 제 2 단자 엔드를 가진 방사 구조물;

    피드 단자; 및

    상기 피드 단자를 상기 제 1 단자 엔드에 접속시키기 위한 제 1 상태 및 상기 피드 단자를 상기 제 2 단자 엔드에 접속시키기 위한 제 2 상태를 가진 제 1 스위칭 엘리먼트를 포함하는, 안테나.
52. 제 51 항에 있어서,

    상기 방사 구조물은 미엔더라인 안테나를 포함하는, 안테나.
53. 제 51 항에 있어서,

    상기 제 1 단자 엔드가 상기 피드 단자에 접속될 때 상기 제 2 단자 엔드를 그라운드에 접속시키고, 상기 제 2 단자 엔드가 상기 피드 단자에 접속될 때 상기 제 1 단자 엔드를 그라운드에 접속시키기 위한 제 2 스위칭 엘리먼트를 더 포함하는, 안테나.
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