KR101532281B1 - 휴대용 무선 장치들의 개선점 또는 그에 관련된 개선점 - Google Patents

Abstract

휴대용 무선 단자를 다룰 시에, 사용자 상호 작용으로 인한 부정합을 상쇄시키는 방법에 있어서, 안테나 정합은 임계치 레벨을 초과하는 리액턴스 변화에 응답하여, 유도성 정합에서 용량성 정합으로 변화되고, 반대 변화가 검출될 시에 그 반대로도 변화된다. 안테나 인터페이스 모듈(44)은 RF 출력 또는 입력단(25 또는 33)과 안테나(48 또는 50) 사이에서 연결된다. 안테나 인터페이스 모듈은 제 1 스위치 및 제 2 스위치(SW1/1, SW1/2 또는 SW2/1, SW2/2), 전력 증폭기와 제 1 스위치 사이에서 연결된 유도성 리액턴스(68 또는 96)를 포함하는 제 1 정합 회로, RF 출력 또는 입력단과 제 2 스위치(SW1/1 또는 SW2/1) 사이에서 연결된 용량성 리액턴스(68 또는 92)를 포함하는 제 2 정합 회로를 포함한다. 리액턴스 임계치 검출기(54 또는 56)는, 리액턴스 변화가 소정의 임계치 값을 트래버싱하는 경우를 판별하고, 그리고 제 1 스위치 및 제 2 스위치가 작동되도록 하여, 정합은 유도성에서 용량성으로 변화시키거나, 또는 그 반대로 변화시킨다.

Description

휴대용 무선 장치들의 개선점 또는 그에 관련된 개선점{IMPROVEMENTS IN OR RELATING TO PORTABLE WIRELESS DEVICES}

본 발명은 휴대용 무선 장치들의 개선점에 관련되거나, 또는 휴대용 무선 장치들에 관련된 개선점에 관한 것이다. 본 발명은 배타적이지 않고, 특히, 모바일 폰들 및 다른 휴대용 무선 장치들에 사용된 안테나 구조들의 정합(matching)에 적용된다.

평면 역 F 안테나들(Planar Inverted-F Antennas, PIFAs)과 같은 소형 평면 안테나들을 가진, 손으로 휴대할 수 있는 무선 장치들을 동작하는데 따른 문제점은, 사용자가 장치를 소지할 시에, 안테나의 임피던스가 현저히 민감하게 변화될 수 있다는 것이다. 그 결과, 무선 주파수 회로로의 안테나의 정합은 이러한 민감한 변화들에 의해 부정적인 영향을 끼친다.

EP 1 564 896 A1는 전력 증폭기의 출력단에 전력 제어를 이루기 위해, 전력 증폭기와 안테나 사이에서 연결된 임피던스의 값을 변화시키는 것을 개시한다. 동작시, 안테나에서의 실질적인 부하 임피던스는 계측되고, 임피던스의 값은 조정되어, 단지 순수하게 저항 부하만 전력 증폭기에 의해 행하게 된다.

WO 2006/054246는 전력 증폭기의 출력과 안테나단 사이에 연결된 제어 정합단(controlled matching stage)을 개시한다. 제어 정합단은 전력 증폭기로부터 획득된 제 1 신호와, 입력으로부터 안테나단에 연결된 스위칭단까지 획득된 제 2 신호 사이의 위상차를 검출하는 위상 검출기를 포함한다. 제 1 신호와 제 2 신호 사이의 위상차는 스위칭단의 임피던스를 조정하기 위해 사용된다. 전형적으로, 스위칭단은 고정 인덕턴스 및 조정가능한 캐패시턴스를 포함한, 직렬 LC 회로를 포함한다.

GB 0 804,103A는 조정가능한 안테나 입력 커플링 및 슬라이딩 단락 회로 각각을 구동시키는 서보 모터들(servo motors)을 이용한 자동 튜닝 시스템(automatic tuning system)을 개시한다. 안테나와 송신기의 전송선 연결의 저장 및 리액턴스는 감지되고, 그 결과물은 서보 모터들을 제어하는 서보 증폭기들을 구동하는데 사용된다. 계측은 나타나게 되어, 초기에 서보 모터들이 빠르게 구동되기 위해 그리고 그 후에 더 천천히 구동될 수 있다.

GB 1 362 154 A는 안테나의 임피던스를 송신기의 전력 증폭기 출력단에 필요한 부하 저장으로 변환시키는 자동 튜너(automatic tuner)를 개시한다. 자동 튜너는 선택된 안테나의 반응 조건을 나타내는 위상 입력 및 임피던스 입력을 필요로 하는 튜닝 회로 소자의 제어 방법을 사용한다. 위상 입력은 안테나 임피던스 정합 네트워크에서 캐패시터들의 스위칭을 제어하기 위해 사용되고, 임피던스 입력은 안테나 임피던스 정합 네트워크에서 임피던스들의 스위칭을 제어하기 위해 사용된다.

WO 2006/038167 A1는 안테나의 임피던스를 검출하는 회로에 의해 안테나에 RF 전력 증폭기를 연결시키는 것을 개시한다. 상기 회로는 RF 전력 증폭기로부터 안테나까지 신호 이동을 검출하고, 상기 신호의 피크 전류(peak current)를 계측한다. 특히, 회로는 RF 전력 증폭기의 출력 전압의 피크값을 감지하는 제 1 수단, RF 전력 증폭기의 출력 전압의 피크를 감지하는 제 2 수단, 및 출력 전압과 출력 전류 사이의 위상을 얻는 제 3 수단을 포함한다.

WO 2004/010595 A1는 전력 증폭기와 안테나 사이의 동적 임피던스 정합을 위한 장치를 개시한다. 상기 장치는 제 2 포트를 통해 제 1 포트에서의 전력 증폭기로부터 안테나까지 수신된 신호의 루트를 정하는(route) 순환 장치(circulator)를 포함한다. 추가적으로, 상기 순환 장치는, 안테나에서 반사되고 제 3 포트를 통하여 제 2 포트에서 수신된 신호를 전환시킨다. 정합 네트워크는 제공된다. 동작시, 지향성 커플러(directional coupler)는 전력 증폭기로부터 안테나까지 신호 이동의 비율을 전환시키고, 이로부터 신호의 크기 및 위상은 신호 검출기까지 획득될 수 있다. 순환 장치는 안테나에서 반사된 전체 신호를 신호 검출기 내로의 루트를 정한다. 신호 검출기는 안테나로 이동한 신호 및 안테나에서 반사된 신호 모두의 크기 및 위상을 제어기로 통과시키고, 이때 상기 제어기는 신호 검출기로부터 수신된 정보를 평가하여, 안테나의 현재 임피던스 값을 판별하고, 판별된 안테나의 임피던스 값에 따라 능동 소자 및 수동 소자를 포함하는, 제어가능한 정합 네트워크를 보정한다.

본 발명의 과제는, 자유공간에서, 그리고 사용자 상호 작용이 일어날 시에, 이러한 둘 다의 상황에서, 안테나 구조에 RF 단의 수용가능한 정합을 제공하는 것에 있다.

본 발명의 일 양태에 따라서, RF 출력 또는 입력단에 연결된 제 1 포트 및 제 2 포트를 가진 안테나 인터페이스 모듈, 상기 제 2 포트와, 안테나에 연결된 안테나 단자 사이에서 연결된 리액턴스 임계치 검출기를 포함하는 임계치 검출기를 포함하는 휴대용 무선 단자를 제공하고, 상기 안테나 인터페이스 모듈은 제 1 스위치 및 제 2 스위치, 상기 제 1 포트와 상기 제 1 스위치의 제 1 극 사이에서 연결된 유도성 리액턴스를 포함하는 제 1 정합 회로(matching circuit), 상기 제 1 포트와 상기 제 2 스위치의 제 1 극 사이에서 연결된 용량성 리액턴스를 포함하는 제 2 정합 회로를 포함하고, 상기 제 1 스위치 및 상기 2 스위치의 제 2 극들은 상기 2 포트에 연결되고, 소정의 임계치 값을 트래버싱(traversing)하는 리액턴스 임계치 검출기에 응답하여, 상기 임계치 검출기는 제 1 조건에서 제 2 조건으로 제 1 스위치의 상태를, 그리고 제 2 조건에서 제 1 조건으로 제 2 스위치의 상태를 변화시키거나, 또는 그 반대로도 상태를 변화시키는 출력을 제공한다.

본 발명의 제 2 양태에 따라서, RF 출력 또는 입력단에 연결된 제 1 포트 및 제 2 포트를 가진 안테나 인터페이스 모듈, 상기 제 2 포트와, 안테나에 연결된 안테나 단자 사이에서 연결된 리액턴스 임계치 검출기를 포함하는 휴대용 무선 단자를 동작시키는 방법으로서, 상기 안테나 인터페이스 모듈은 제 1 스위치 및 제 2 스위치, 상기 제 1 포트와 상기 1 스위치의 제 1 극 사이에서 연결된 유도성 리액턴스를 포함하는 제 1 정합 회로, 상기 제 1 포트와 상기 제 2 스위치의 제 1 극 사이에서 연결된 용량성 리액턴스를 포함하는 제 2 정합 회로를 포함하고, 상기 제 1 스위치 및 상기 제 2 스위치의 제 2 극들은 상기 제 2 포트에 연결되는 휴대용 무선 단자를 동작시키는 방법에 있어서, 상기 방법은 상기 제 2 포트에서 신호의 리액턴스를 모니터링하는 단계, 및 소정의 임계치 값을 트래버싱하는 리액턴스 임계치 검출기에 응답하여, 제 1 조건에서 제 2 조건으로 상기 제 1 스위치의 상태를, 그리고 제 2 조건에서 제 1 조건으로 상기 제 2 스위치의 상태를 변화시키거나, 또는 그 반대로도 상태를 변화시키는 단계를 포함한다.

본 발명은, 자유 공간에서, 송신기 RF 단이 직렬 인덕턴스를 사용한 안테나에 정합될 수 있다는 실현성에 기반되었지만, 그러나 사용자 상호 작용, 즉, 사용자에 의해 소지된 무선 단자는 많은 경우에서 역효과적인 유도성 이동(inductive shift)을 일으킨다. 상기와 같은 경우에서, 정합은 용량성 정합에 의해 이루어질 수 있다. 사용자 상호 작용이 사람들 사이에서 변화됨에 따라서, 유도성 정합으로부터 용량성 정합으로의 변화 또는 그 반대로도의 변화는 동적으로 영향을 미치는 것이 바람직하다. 본 발명에 따라 구현된 휴대용 무선 단자를 실행시키는데 있어서, 안테나의 리액턴스는 모니터링되고, 어느 방향으로 임계치 값이 트래버싱된다고 리액턴스 변화가 검출된 경우, 리액턴스 임계치 검출기는 정합이 유도성에서 용량성으로, 또는 그 반대로 스위칭되도록 한다.

본 발명은 예를 들면 첨부된 도면을 참조하여, 기술되고, 도면에서:
도 1은 본 발명에 따라서 구현된 휴대용 무선 단자의 개략적인 블럭 다이어그램이고,
도 2는 도 1에서 제시된 휴대용 무선 단자에서 사용되는 바와 같이, RF 단 및 안테나 인터페이스 모듈의 부분적이고 개략적인 블럭 회로 다이어그램이고,
도 3은 리액턴스 임계치 검출기의 개략적인 회로 다이어그램이고,
도 4는 안테나 임피던스(Z_A)로, 상수(K₁)의 윤곽을 나타내는 스미스 차트이고,
도 5는 x_s = 1인 경우, 안테나 임피던스(Z_A)로, 상수(K₂)의 윤곽을 나타내는 스미스 차트이고,
도 6은 x_s = 0.5인 경우, 안테나 임피던스(Z_A)로, 상수(K₂)의 윤곽을 나타내는 스미스 차트이고,
도 7은 자유 공간에서, 그리고 적응형 스위칭(adaptive switching)없이, 사용자 상호 작용으로 안테나 인터페이스 모듈(AIM) 임피던스들에 대해 GSM850 TX 대역(824 - 849 MHz 대역)에서의 MHz의 주파수의 함수로서, a)는 스미스 차트이고, b)는 전압 정재파비(Voltage Standing Wave Ratio)의 그래프이고,
도 8은 자유 공간에서, 그리고 사용자 상호 작용으로, 안테나 인터페이스 모듈(AIM) 임피던스들에 대해 GSM850 TX 대역에서의 MHz의 주파수의 함수로서, a)는 스미스 차트이고, b)는 전압 정재파비의 그래프이고,
도 9는 자유 공간에서, 그리고 적응형 스위칭을 가지고, 사용자 상호 작용으로 AIM 임피던스들에 대해 GSM850 TX 대역에서의 MHz의 주파수의 함수로서, a)는 스미스 차트이고, b)는 전압 정재파비의 그래프이고,
도 10은 자유 공간에서, 그리고 적응형 스위칭을 가지고, 사용자 상호 작용으로 AIM 임피던스들에 대해 GSM 1800 TX 대역에서의 MHz의 주파수의 함수으로서, a)는 스미스 차트이고, b)는 전압 정재파비의 그래프이고,
도 11은 자유 공간에서, 그리고 사용자 상호 작용으로, AIM 임피던스들에 대해 GSM 1800 TX 대역에서의 MHz의 주파수의 함수로서, a)는 스미스 차트이고, b)는 전압 정재파비의 그래프이고,
도 12는 자유 공간에서, 그리고 적응형 스위칭을 가지고, 사용자 상호 작용으로 AIM 임피던스들에 대해 GSM 1800 TX 대역에서의 MHz의 주파수의 함수로서, a)는 스미스 차트이고, b)는 전압 정재파비의 그래프이다.
도면에서, 동일한 참조 번호는 해당 특징을 나타내기 위해 사용된다.

설명의 편의상, 본 발명은 상대적으로 낮은 주파수 대역(824 내지 960 MHz)에서, 그리고 상대적으로 높은 주파수 대역(1710 내지 2170 MHz) 사이에서 동작가능한 다양한 무선 통신 표준들에 따라 동작할 수 있는 휴대용 무선 단자를 참조하여, 기술될 것이다.

도 1을 참조하여, 휴대용 무선 단자(10)는 오디오 주파수(AF) 단(14) 및 무선 주파수(RF) 단(24)에 의해 형성된 무선 송수신 단(12)을 포함한다. RF단은 마이크로폰(16)에 연결된 입력 및 라우드스피커(loudspeaker)(18)에 연결된 출력을 가진다. RF 단(24)은, RF 단(24)을 형성하는 각각의 저주파 RF 트랜시버 단(transceiver stage) 및 고주파 RF 트랜시버 단(20, 22)에 연결된 단자들을 가진다. 트랜시버 단들(20, 22)은, 도 2를 참조하여 이하에서 더 상세하게 기술된 안테나 인터페이스 모듈(AIM)(44)의 포트들(26 내지 32 및 34 내지 42)에 각각 연결된 입/출력 포트들을 가진다. AIM(44)은 저주파 대역 안테나(48)에 연결된 제 1 저주파 대역 안테나 커플링(46) 및 고주파 대역 안테나(52)에 연결된 제 2 고주파 대역 안테나 커플링(50)을 가진다. 안테나들(48, 52)은 평면 역 에프 안테나들(PIFAs)과 같은 적합한 안테나들을 포함한다.

휴대용 무선 단자(10)는 판독 전용 메모리(ROM)(57)에 저장된 제어 소프트웨어를 사용하여, 단자(10)의 동작을 제어하는 마이크로제어기(55)를 더 포함한다. 마이크로제어기(55)는 원하는 무선 표준에 따라서 동작하는 단을 구성하기 위해 무선 송수신 단(12)에 연결된다. 랜덤 액세스 메모리(RAM)(59)는 마이크로제어기(55)에 연결되고, 데이터 메시지와 같은 데이터를 저장하는 역할을 한다. 키패드(61)에 의해 표시된 사람/기계 인터페이스는 또한 마이크로제어기(55)에 연결된다. 휴대용 무선 단자(10)의 기본 동작은, 추가적인 설명이 필요없이, 기술 분야의 당업자라면 이해할 것이다.

도 2를 참조하면, 저주파 RF 단 및 고주파 RF 단(20, 22) 각각은 복수의 입/출력 단들(25 내지 31 및 33 내지 41)을 포함한다. 상기 단들(25 내지 31) 각각은 GSM850 TX 824-849/GSM900 TX 880-915; GSM900 RX 925-960; GSM850 RX 869-894/UTRA V RX 869-894 및 UTRA V TX 824-849를 나타내고, 상기 단들(33 내지 41) 각각은 GSM1800 TX 1710-1785/GSM1900 TX 1850-1910; GSM1900 RX 1930-1990/UTRA II RX 1930-1990; UTRA II TX 1850-1910; UTRA I RX 2110-2170 및 UTRA I TX 1920-1980을 나타낸다. UTRA는 UMTS Terrestrial Radio Access을 위해 사용된 약어이고, 다음 대역을 가진다:

대역 TX (MHz) RX (MHz)

I 1920-1980 2110-2170

II 1850-1910 1930-1990

III 1710-1785 1805-1880

IV 1710-1755 2110-2155

V 824-849 869-894

VI 830-840 875-885

VII 2500-2570 2620-2690

VIII 880-915 925-960

IX 1749.9-1784.9 1844.9-1879.9

송신기 단들(25, 31, 33, 37 및 41)은 전력 증폭기 단들을 전형적으로 포함하고, 수신 단들(27, 29, 35 및 39)은 저 노이즈 증폭기 및 RF 필터링 단들을 전형적으로 포함한다. AIM(44)의 포트들(26 내지 32 및 34 내지 42)은 단들(25 내지 31 및 33 내지 41) 각각에 연결된다.

AIM(44)은 스위치들(SW1/1 내지 SW1/4 및 SW2/1 내지 SW2/4)의 제 1 및 제 2 뱅크들(banks)(54, 56)을 포함한다. 스위치들은 pHEMT들(pseudomorphic High Electron Mobility Transistors), MEMS(Micro Electro-Mechanical Systems) 장치들 또는 PIN 다이오드들과 같은 적합한 스위칭 수단을 포함할 수 있다. 각각의 스위치들(SW1/1 내지 SW1/4 및 SW2/1 내지 SW2/4)은 제 1 극 및 제 2 극을 가진다. 뱅크(54)의 제 2 극들은 공통 접합(common junction) 또는 포트(58)에 연결되고, 뱅크(56)의 제 2 극들은 공통 접합 또는 포트(60)에 연결된다. 각각의 공통 접합들(58, 60)은 각각 직렬로 연결된 dc 차단 캐패시터(62A, 62B) 및 임계치 검출기(66A, 66B)의 유도성 리액턴스(64A, 64B)에 의해 저주파 대역 안테나(48) 및 고주파 대역 안테나(50)에 각각 연결된다. 도 2에서 도시된 실시예에서, 제 1 및 제 2 뱅크들(54, 56)은 각각의 안테나(48 또는 52)에 연결되는 포트들(26 내지 42) 중 특별한 하나를 선택하기 위해, 마이크로제어기(55)(도 1)에 의해 제어된다. 추가적으로 유도성/용량성 안테나 정합을 가지는 포트들(26, 34)에 대해서, 스위치들(SW1/1 및 SW1/2) 및 스위치들(SW2/1 및 SW2/2)은 임계치 검출기(66A, 66B)에 의해 생성된 dc 제어 신호들에 의해 추가적으로 제어된다.

포트(26)는 접합(67)에 연결된다. 스위치(SW1/1)의 제 1 극은 안테나 정합 캐패시턴스(68)에 의해 접합(67)에 연결된다. 안테나 정합 인덕턴스(72)의 일 측 상에는 접합(67)이 연결되고, 다른 측 상에서는 dc 차단 캐패시터(70)에 의해 스위치(SW1/2)의 제 1 극에 연결된다. 포트(28)는 안테나 정합 캐패시턴스(74)에 의해, 스위치(SW1/3)의 제 1 극에 연결된다. 포트들(30 및 32)은, 각각의 인덕턴스들(76, 78)에 의해, 듀플렉서 필터(duplexer filter)(80)의 각각의 대역통과 필터들(82, 84)에 연결된다. 듀플렉서 필터(80)의 출력은, 안테나 정합 배치에 의해, 스위치(SW1/4)의 제 1 극에 연결된다. 안테나 정합 배치는 접지에 연결된 션트 인덕턴스(shunt inductance)(90)와 함께, 인덕턴스(86) 및 캐패시턴스(88)을 포함한다.

포트(34)는 접합(91)에 연결된다. 스위치(SW2/1)의 제 1 극은, 안테나 정합 캐패시턴스(92)에 의해, 접합(91)에 연결된다. 일측 상에서, 안테나 정합 인덕턴스(96)는 접합(91)에 연결되고, 다른 측 상에는 dc 차단 캐패시터(94)에 의해, 스위치(SW2/2)의 제 1 극에 연결된다. 포트들(36 및 38)은 듀플렉서 필터(98)의 각각의 대역통과 필터들(100, 102)에 연결된다. 듀플렉서 필터(98)의 출력은, 안테나 정합 캐패시턴스(104)에 의해, 스위치(SW2/3)의 제 1 극에 연결된다. 포트들(40 및 42)은 듀플렉서 필터(106)의 대역통과 필터들(108, 110) 각각에 연결된다. 듀플렉서 필터(106)의 출력은, 안테나 정합 캐패시턴스(112)에 의해, 스위치(SW2/4)의 제 1 극에 연결된다.

본 발명의 이해와 관련하여, GSM850 TX 824-849 및 GSM900 TX 880-915이 단(25)에서 전력 증폭기를 공유한다는 사전 설명을 주목해야 할 것이다. 따라서, 스위치들(SW1/1 및 SW 1/2)의 동작은 리액턴스 임계치 검출기(66A)의 dc 제어 전압에 응답하여 동적으로 선택될 수 있다. 리액턴스 임계치 검출기(66A)는, 무선 단자가 자유 공간에서 대향하면서 사용자에 의해 유지될 시에, 안테나의 리액턴스의 변화에 반응하고, 그 반대로도 가능하다. 단(33)에서 GSM1800 TX 1710-1785 및 GSM1900 TX 1850-1910 전력 증폭기 포트에 있어서도 마찬가지이다(스위치들(SW2/1 및 SW 2/2)은 동적으로 설정될 수 있다). 본 발명의 개시는 GSM 송신 채널들에 한정적인 것이 아니라, 다른 단들(27 내지 31 및 35 내지 41)의 일부 또는 모두를 그들 각각의 안테나들에 정합시키기 위해 적용될 수 있다.

도 3은 안테나 리액턴스가 임계치를 초과하는지를 판별하기 위해 사용될 수 있는 리액턴스 임계치 검출기(120)를 도시한다. 이는 특정 값의 인덕터 또는 캐패시터를 가진 리액턴스 임계치 검출기를 사용하여 이루어질 수 있다.

리액턴스 임계치 검출기(120)는 인덕터 또는 캐패시터일 수 있는 리액턴스(X_S)를 포함한다. RF 앞면단으로부터의 신호는 단자(122)로 인가되고, 전류(i₁)는 직렬로 배치된 안테나 저항(R_A) 및 리액턴스(X_A)에 의해 나타나는 안테나 임피던스(Z_A)로 흐른다. 리액턴스(X_S)의 안테나 측면에서 전압(V₁)은 제 1 고임피던스 버퍼 증폭기(124)의 하나의 입력에 공급된다. 리액턴스(X_S)의 의 다른 측 상에서, 전압(V₂)은 증폭기(124)의 제 2 입력에, 그리고 제 2 고임피던스 버퍼 증폭기(126)의 하나의 입력에 인가되고, 상기 제 2 고임피던스 버퍼 증폭기(126)의 제 2 입력은 접지에 연결된다. 증폭기들(124, 126)의 출력들은 각각의 리미터들(limiters)(128, 130)에 제한되고, 상기 리미터들로부터의 출력들은 곱셈기(132)에서 곱셈 연산을 수행한다. dc 제어 전압은 곱셈기(132)의 출력에 연결된 단자(136)에서 사용가능하다. 큰 값의 션트 캐패시터(134)로 구성된 필터 또한 곱셈기(132)의 출력에 연결될 수 있다.

위상 검출기의 동작은 지금 기술될 것이다.

리액턴스(X_S)는 감지 소자로 사용될 수 있고, 상기 감지 소자 주위에서 2 개의 전압들(v₁ 및 v₂)이 모니터링된다. 제 1 증폭기(124)는 전압차(dv = v₂-v₁)를 처리하면서, 제 2 증폭기(126)는 도시된 바와 같이 v₂ 상에서 동작된다. 이 증폭기는 v₁을 증폭하기 위해 구성될 수도 있다. 증폭기들은 고 임피던스 버퍼들로 역할할 수도 있다.

전압들(v₁ 및 v₂)은 안테나 임피던스(Z_A = R_A + jX_A)의 함수들은 다음 식에서 주어진다:

여기서, 위상들(Φ₁ 및 Φ₂)은 다음 식에 의해 임피던스들에 관련된다.

Φ₁은 안테나 임피던스의 위상이고, Φ₂는 리액턴스 계측에 대해 사용될 것이다.

전압차(dv)는 다음 식에서 주어진다.

괄호 내의 기호는 인덕터에 대해 양이고, 그리고 캐패시터에 대해 음인 것을 나타낸다.

증폭기들(124, 126) 및 리미터들(128, 130)을 사용하여 이러한 전압들을 증폭 및 제한시키는 것은 진폭 정보를 제거한다. 그 후에, v₁ 및 dv의 증폭 및 제한된 버전들을 곱셈 연산 수행하면, 다음과 같은 식을 얻는다.

여기서, A 및 B는 비례 상수들이다.

이를 큰 값의 션트 캐패시터(134)로 필터링하면, 도 3에서 도시된 바와 같이, 단지 DC 부만 남게 되어 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다.

여기서, 음 및 양의 기호들은 용량성 및 유동성 감지 각각에 인가된다.

유사하게, 다음 식과 같이 생성되는 v₂ 및 dv를 처리하기 위해 선택될 수 있다.

이전의 하위 부분(sub-section)은, 주어진 V_DC가 특별한 위상에 대응된다는 것을 나타낸다. 수학식들(3 및 4)로부터, V_DC는 또한 스미스 차트에 대한 윤곽으로서 나타날 수 있는 안테나 저항의 범위 및 리액턴스 값들에 대응된다. 이를 행하는 가장 간단한 방식은, 우선, 반사 계수의 실수 성분 및 허수 성분(차트 x 축 및 y 축 각각)로 저항들 및 리액턴스들을 나타내는 것이다

설명 뒤쪽에 포함된 부록 A에서 얻어진 바와 같이, 표준화된(normalised) 안테나 저항(r_A) 및 리액턴스(x_A)는 다음과 같은 식에 의해, 반사 계수의 실수 성분 및 허수 성분에 관련된다.

여기서,

ρ_Ar 안테나 반사 계수의 실수부

ρ_Ai 안테나 반사 계수의 허수부

v₁ 및 dv이 위상 검출기에 의해 처리되면, 수학식(3)으로부터 위상-그리고 이에 따른 V_DC는, x_A/r_A이 일정하면, 일정하다. 따라서, 다음과 같은 식이 주어진다.

수학식(3)으로부터, K₁은 다음과 같이 주어진다.

수학식(11)을 간단하게 하면, 다음과 같이 주어진다.

이는 다음과 같이 재배열될 수 있다.

이는, (ρ_Ar, ρ_Ai)평면에서, (0, -K₁)이 중심이고, 반경이

인 원의 식이다. K₁ = tan^-1(Φ₁)이기 때문에, 이는 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.

수학식(14)는 스미스 차트 상에서 상수(K_l)의 윤곽을 나타내기 위해 사용될 수 있고, 이때의 스미스 차트는 모든 가능한 안테나 임피던스들을 나타내기 위해 사용된다. 수학식들(7 및 12)로부터, K₁ = ∞이면, V_DC는 제로이고, 윤곽은 제로 리액턴스의 선(차트의 중심을 통한 수평선)으로 나타난다. 모든 다른 선들은, 도 4에 도시된 바와 같이, 단락 및 개방 회로들을 나타내는 점들에서 시작되고, 종료된다.

안테나 임피던스의 위상이 일정하면, 이전의 하위 부분의 윤곽이 나타난다. 그러나, 일정한 위상의 윤곽은, 본 발명이 관계하는 한 차선적(suboptimal)이다. 이는, 안테나의 위상이 일정한 위상의 윤곽에 거의 평행하게 진행되고, 단지 작은 전압만이 검출되기 때문이다. 본 발명은 일정한 리액턴스의 윤곽을 사용하여 관계되고, 실질적으로 수직인 일정한 리액턴스의 윤곽을 가로질러 임피던스에서 변화된다.

일정한 리액턴스가 계측될 수 있는 수단은 지금 얻어질 것이다.

일정한 리액턴스에 대해서, v₂ 및 dv는 리액턴스 임계치 검출기에 의해 처리된다. 수학식들(4 및 8)로부터, V_DC는, (x_A+x_S)/r_A이 일정하면, 일정하다. 따라서, 다음과 같은 식을 가진다.

수학식(4)으로부터, K₂는 다음과 같은 식이 주어진다.

수학식(16)을 간단하게 하면, 다음과 같은 식이 주어진다.

따라서,

수학식(19)에 다음의 수학식(20 및 21)을 대입하면,

및

다음과 같은 수학식(22)이 주어진다.

이 방정식의 우측 항들은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

따라서, 다음과 같은 식을 얻는다.

다시, 이는, (ρ_Ar, ρ_Ai)평면에서, 원의 방정식이다. (K₂x_S/(1+K₂x_S), -K₂/(1+K₂x_S))이 원의 중심이 되고, 반경은

으로 주어진다. 다시, 이는 상수(K₂)의 윤곽을 나타내기 위해 사용될 수 있다. 수학식들(8 및 17)로부터, 중심 좌표들 및 반경이 다음 식일 경우, K₂ = ∞이면 V_DC는 제로이고;

따라서, V_DC는 제로이고, 수학식(24)는 다음 식처럼 간단해진다.

이는 스미스 차트(부록 A참조) 상에서 표준화된 리액턴스(-x_s)의 라인과 직접적으로 같은 값이다. 상기와 같이, 이는 리액턴스 검출 임계치를 설정하기 위해 사용될 수 있다: -x_s 밑의 리액턴스는 음의 V_DC으로 주어질 것이고, 반면에 -x_s 위의 리액턴스는 양의 V_DC으로 주어질 것이다.

x_s = 1이면, 상수(K₂)의 윤곽은 도 5에서 나타난다. K2 = ∞일 때의 윤곽은 x_A = -1일 때의 일정한 리액턴스 원과 일치하게 된다.

유사하게, 도 6은 x_s = 0.5일 경우의 상수(K₂)의 윤곽을 나타낸다.

도 4 및 도 5는, 리액턴스 임계치가 적당한 인덕터(X_s)를 선택함으로써 선택될 수 있다는 것을 나타낸다. 필요하다면, AIM들은 특별한 적용에 맞도록, 인덕터를 선택하는 선택 수단과 함께, 다른 값을 가진 여러 개의 인덕터들(X_s)을 포함할 수 있다.

다음 설명은 리액턴스 임계치 검출 회로가 도 2에서 도시된 구조를 가진 안테나 인터페이스 모듈(AIM)에서 어떻게 사용될 수 있는지를 설명한다. 도 7(a) 내지 12(a)에 도시된 스미스 차트들에서, 참조선(118)은 자유 공간 조건에 관련되고, 다른 선들은 서로 다른 사용자 상호 작용들에 관련된다. 도 7(b) 내지 12(b)에서, 굵고 흑색의 선(120)은 자유 공간 조건에 관련되고, 다른 선들은, 서로 다른 지원자들이 휴대용 무선 장치를 소지하고 있는 경우에 주목된 조건들에 관련된다.

도 7은 자유 공간에서, 그리고 실험에서, 저대역 안테나 임피던스 선(120)을 나타내고, 상기 실험에서, 본 발명에 따라서 구현된 휴대용 무선 단자는 GSM850 TX 대역에서 63 명의 지원자들에 의해 소지된다.

도 8은 자유 공간에서, GSM850 TX 대역이 인덕터(72)(도 2)와 직렬로 정합되는 결과를 나타낸다. 그러나, 사용자 상호 작용은 유동성 이동(inductive shift)을 일으키고, 그 결과 대부분의 사용자들(63 명 중 51 명)의 인덕턴스는 역효과적이다. 이러한 사용자의 상호작용 결과물들은 자유 공간 조건선(118)으로부터 시계방향으로 가장 멀리가고, 이때 상기 자유 공간 조건선(118)은 인덕턴스 정합이 비효율적이고 사실상 많은 결과물들이 여러 정합이 없을 때보다 더 나쁘다는 것을 나타낸다. 상기와 같은 상황에서, SM850 TX 대역(자유 공간에서)을 정합시키는 캐패시터(68)(도 2)에서 스위치하기에 더 좋다.

이 임계치에 이르는 리액턴스는 감지 인덕턴스(x_S)를 판별하기 위해 사용되고, 다음과 같은 식으로 주어진다.

여기서,

x_L 정합 인덕턴스의 리액턴스(양)

x_C 정합 인덕턴스의 리액턴스(음)

상기의 경우에 대해서, 정합 인덕터(72)는 6.2nH(837MHz에서 36.2Ω)이고, 캐패시터(68)는 8pF(837MHz에서 -23.8Ω)이다. 이는 0.83nH(837MHz에서 4.4Ω)의 감지 인덕터(68) 값을 제공한다. 필요하다면, 캐패시턴스(62A)의 값은 인덕터의 직렬 인덕턴스(64A)의 변화를 고려하기 위해 변형될 수 있다.

이 값으로 시뮬레이션하고, 인덕턴스를 튠 아웃(tune out)하기 위해 dc 차단 캐패시터(70)을 조정하면, 도 9에서 도시된 결과들을 제공한다. VSWR은 현저하게 분명히 개선되었는데, 폰이 보유된 63 개 중 38 개의 결과들은 유도성 정합보다는 오히려 용량성 정합을 사용한다.

도 10은 63 명의 지원자들이 GSM1800 TX 대역에서 소지하고 있을 시에 자유 공간에서 고대역 안테나 임피던스를 도시한다.

자유 공간 임피던스에 기반한 유도성 정합으로, AIM의 입력에서의 임피던스는 도 11에서 도시된 바와 같이 된다.

정합 인덕터(96)가 3.6nH(1747MHz에서 39.5Ω)인 반면, GSM1900 TX 대역을 정합시키기 위해 사용된 캐패시터(92)는 11pF(1747MHz에서 -8.3Ω)이다. 이는 1.42nH(1747MHz에서 15.6 Ω)의 감지 인덕터(64B) 값을 제공한다.

이 값으로 시뮬레이션되고, 인덕턴스를 튠 아웃하기 위해 dc 차단 캐패시터(94)를 조정하면, 도 12에서 도시된 결과들을 제공한다. 저주파 대역에 대해서, VSWR이 현저하게 개선된다. 폰이 보유된 63 개 중 26 개의 결과들은 유도성 정합보다는 오히려 용량성 정합을 사용한다.

저주파 대역 및 고주파 대역 모두에서, 다소 큰 값의 감지 인덕터는 더 최적일 수 있는데, 이는 상기의 이론이 회로 손실, 기생성분들(parasitics) 등을 고려하지 않았기 때문이다.

리액턴스 계측들은 수신 채널에 인가될 수 있지만, 그러나 리액턴스 계측들이 송신 채널 상에서 구현되는 것이 바람직한데, 이는 전력이 전력 증폭기에 의해 공급되기 때문이다.

부록 A - 스미스 차트

A.1 - 임피던스 원들

반사 계수(ρ)는 스미스 차트 상에서 직접 나타낼 수 있고, 이는 사용된 좌표 시스템이 ρ의 실수 성분 및 허수 성분에 대한 데카르트(Cartesian)이기 때문이다. 그러나, 일정한 저항 및 리액턴스의 선을 나타내기 위해서, ρ의 성분들과의 관계를 발견해야 한다. 다행히, 이는 직접적으로 행해진다.

표준화된 임피던스는 다음과 같은 반사 계수에 관련된다:

A.1)

여기서,

ρ_r 반사 계수의 실수부

ρ_i 반사 계수의 허수부

r 입력 임피던스(예를 들면 50 Ω)로 분할된 안테나 저항(R_A) 비에 의해 판별된, 표준화된 저항

x 입력 임피던스(예를 들면 50 Ω)로 분할된 안테나 저항(R_A) 비에 의해 판별된, 표준화된 리액턴스

이는 다음과 같이 주어진 식으로 간단하게 된다.

A.2)

실수부는 저항을 제공한다.

A.3)

허수부는 리액턴스를 제공한다.

A.4)

(A.3)은 다음과 같이 주어진 식으로 간단하게 된다.

A.5)

그 후, 이는 다음과 같이 주어진 식으로 더 간단하게 된다.

A.6)

이는 (ρ_r, ρ_i)평면에서, 중심이 (r/(1+r),O)이고, 반경이 1/(1 +r)인 원의 방정식이다.

(A.4)는 다음과 같이 주어진 식으로 더 간단해 질 수 있다.

A.7)

이는 (ρ_r, ρ_i)평면에서, 중심이 (1, 1/X)이고, 반경이 1/x 인 원의 방정식이다.

A.2 - 어드미턴스 원들

표준화된 일정한 컨덕턴스(conductance)(g)의 선들은 다음과 같은 식으로 주어져서 간단한 방식으로 제시될 수 있다.

A.8)

표준화된 일정한 어드미턴스(b)의 선들은 다음과 같은 식으로 주어진다.

A.9)

본원 및 청구항들에서, 용어 "a" 또는 "an" 선행 소자는 상기와 같은 복수의 소자의 존재를 배제하지는 않는다. 또한, 용어 "포함하다"는 이렇게 나열된 것 이외에 다른 소자들 또는 단계들의 존재를 배제하지는 않는다.

청구항에서 괄호들 사이에 있는 참조 기호의 사용은 청구항들의 권리 범위를 한정하는 것으로 구성되어서는 안된다.

본원의 이해로부터, 다른 변형물들은 기술분야의 당업자로부터 명백해질 것이다. 상기와 같은 변형물은 휴대용 무선 단자들의 설계, 제조 및 사용, 그리고 이에 따른 구성요소부들에서 이미 고안된 다른 특징들을 포함할 수 있고, 본원에서 이미 기술된 특징 대신 또는 그 특징을 추가하여 사용될 수 있다.

Claims (10)

1. RF 출력 또는 입력단에 연결된 제 1 포트 및 제 2 포트를 가진 안테나 인터페이스 모듈,
   상기 제 2 포트와, 안테나에 연결된 안테나 단자 사이에서 결합된 리액턴스 임계치 검출기를 포함하는 임계치 검출기
   를 포함하고,
   상기 안테나 인터페이스 모듈은,
   제 1 스위치 및 제 2 스위치,
   상기 제 1 포트와 상기 제 1 스위치의 제 1 극 사이에서 결합된 유도성 리액턴스를 포함하는 제 1 정합 회로, 및
   상기 제 1 포트와 상기 제 2 스위치의 제 1 극 사이에서 결합된 용량성 리액턴스를 포함하는 제 2 정합 회로
   를 포함하고,
   상기 제 1 스위치 및 상기 제 2 스위치의 제 2 극들은 상기 제 2 포트에 결합되고, 소정의 임계치 값을 트래버싱(traversing)하는 리액턴스 임계치 검출기에 응답하여, 상기 리액턴스 임계치 검출기는 제 1 조건에서 제 2 조건으로 상기 제 1 스위치의 상태를, 그리고 제 2 조건에서 제 1 조건으로 상기 제 2 스위치의 상태를 변화시키거나, 또는 그 반대로도 상태를 변화시키는 출력을 제공하며,
   상기 리액턴스 임계치 검출기는,
   상기 안테나 단자에 결합된 제 1 단자 및 상기 제 2 포트에 결합된 제 2 단자를 가지는 리액턴스 소자,
   상기 제 1 단자 및 상기 제 2 단자에서 전압들(v₁, v₂)을 수신하고, 이들 전압들 사이의 차(dv)를 얻기 위한 입력들을 가지는 제 1 증폭기,
   상기 제 2 단자에서, 상기 전압(v₂)을 수신하기 위한 입력을 가지는 제 2 증폭기,
   상기 제 1 증폭기 및 상기 제 2 증폭기의 출력들에서 상기 전압들로부터 진폭 정보를 제거하기 위한 회로,
   상기 진폭 정보가 출력을 생성하기 위해 제거되는 전압들과 함께 곱셈 연산을 하기 위한 곱셈기(multiplier), 및
   상기 제 1 스위치 및 상기 제 2 스위치를 동작시키기 위한 제어 전압을 생성하기 위해 상기 곱셈기의 출력을 필터링하기 위한 필터를 포함하는,
   휴대용 무선 단자.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 임계치 값은 선택된 리액턴스 소자의 리액턴스(x_s)의 함수인,
   휴대용 무선 단자.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 리액턴스 소자는 인덕터인,
   휴대용 무선 단자.
6. 제 1 항에 있어서,
   자유 공간에서, 상기 유도성 리액턴스는 정합되기 위해 선택되고, 리액턴스 변화를 일으키는 사용자 상호 작용에 응답하여, 상기 용량성 리액턴스는 정합되기 위해 선택되는,
   휴대용 무선 단자.
7. RF 출력 또는 입력단에 연결된 제 1 포트 및 제 2 포트를 가진 안테나 인터페이스 모듈, 상기 제 2 포트와, 안테나에 연결된 안테나 단자 사이에서 결합된 리액턴스 임계치 검출기를 포함하는 임계치 검출기를 포함하는 휴대용 무선 단자를 동작시키는 방법으로서,
   상기 안테나 인터페이스 모듈은 제 1 스위치 및 제 2 스위치, 상기 제 1 포트와 상기 제 1 스위치의 제 1 극 사이에서 결합된 유도성 리액턴스를 포함하는 제 1 정합 회로, 상기 제 1 포트와 상기 제 2 스위치의 제 1 극 사이에서 결합된 용량성 리액턴스를 포함하는 제 2 정합 회로를 포함하고, 상기 제 1 스위치 및 상기 제 2 스위치의 제 2 극들은 상기 제 2 포트에 결합되고,
   상기 휴대용 무선 단자를 동작시키는 방법은,
   상기 제 2 포트에서 신호의 리액턴스를 모니터링하는 단계, 및
   소정의 임계치 값을 트래버싱하는 리액턴스 임계치 검출기에 응답하여, 제 1 조건에서 제 2 조건으로 상기 제 1 스위치의 상태를, 그리고 제 2 조건에서 제 1 조건으로 상기 제 2 스위치의 상태를 변화시키거나, 또는 그 반대로도 상태를 변화시키는 단계를 포함하며,
   상기 리액턴스 임계치 검출기는 상기 안테나 단자에 결합된 제 1 단자 및 상기 제 2 포트에 결합된 제 2 단자를 가지는 리액턴스 소자를 포함하고,
   상기 휴대용 무선 단자를 동작시키는 방법은,
   상기 리액턴스 소자에 걸친 전압차(dv) 및 상기 리액턴스 소자의 제 2 단자에서 전압(V₂)을 얻는 단계, 얻어진 전압들을 증폭 및 제한하는 단계, 증폭 및 제한된 전압들과 함께 곱셈 연산하는 단계, 및 곱셈 연산된 신호들을 필터링함으로써, DC 제어 전압을 얻는 단계를 더 포함하는,
   휴대용 무선 단자를 동작시키는 방법.
8. 삭제
9. 삭제
10. 제 7 항에 있어서,
    자유 공간에서, 상기 유도성 리액턴스는 정합되기 위해 선택되며, 리액턴스 이동(shift)을 일으키는 사용자 상호 작용에 응답하여 상기 용량성 리액턴스는 정합되기 위해 선택되는,
    휴대용 무선 단자를 동작시키는 방법.

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