KR101633464B1 - 평면 안테나의 조정을 위한 임피던스 조정 회로 - Google Patents

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Abstract

PILA형 평면 안테나의 임피던스 정합을 위한 간단한 회로가 제공된다. 본 회로는 신호 경로 입력과 신호 경로 출력 사이에 노드점을 가진 신호 경로를 포함한다. 신호 경로 입력과 노드점 사이에 제1유도 소자가 접속되고, 노드점과 신호 경로 출력 사이에 제1용량 소자가 접속되며, 상기 용량 소자의 커패시턴스는 가변적으로 조절될 수 있다. 조절 가능한 커패시턴스를 포함한 제2용량 소자는 신호 경로 입력과 접지 사이에 접속된다. 제2유도 소자는 노드점과 접지 사이에 접속되고, 제3유도 소자는 신호 경로 출력과 접지 사이에 접속된다.

Description

평면 안테나의 조정을 위한 임피던스 조정 회로{IMPEDANCE ADJUSTMENT CIRCUIT FOR ADJUSTING PLANAR ANTENNAS}
본 발명은 PILA형 평면 안테나의 임피던스 정합을 위한 임피던스 정합 회로에 관한 것이다.
평면 안테나는 소정의 임피던스에 정합되어 있지 않고, 최대 출력 전송을 위해 정합망을 필요로 하는 안테나이다.
평면 안테나와 그에 속한 임피던스 정합 회로의 접속은 예컨대 문헌 WO 2006/129239 A1에 공지되어 있다. 상기 임피던스 정합 회로는 복수 개의 유도 소자들 외에 다수의 MEMS 스위치를 용량 소자로서 포함한다. MEMS 스위치의 커패시턴스는 2개의 이산된 값들을 가질 수 있으며, 다수의 MEMS 스위치들이 접속되어, 임피던스 정합을 위해 충분한 동조 영역을 구현한다.
평면 안테나를 위한 공지된 임피던스 정합 회로의 문제점은, 동조 영역이 너무 작거나, 임피던스 정합 회로가 매우 복잡하고 접속된 소자의 수가 많다는 것이다. 후자의 경우 상대적으로 높은 결함 발생율을 야기한다.
본 발명의 과제는 덜 복잡하고, 회로 소자의 수를 줄이면서도 충분한 동조 영역을 구현하는 임피던스 정합 회로를 제공하는 것이다.
이러한 과제는, 본 발명에 따르면 특허청구범위 제1항에 따른 임피던스 정합 회로에 의하여 해결된다. 유리한 형성예는 종속항으로부터 도출된다.
본 발명은 신호 경로 입력과 신호 경로 출력 사이에 노드점(node point)을 가진 신호 경로를 포함한다. 신호 경로 입력과 노드점 사이에 제1유도 소자가 접속되고, 노드점과 신호 경로 출력 사이에 제1용량 소자가 접속되며, 상기 용량 소자의 커패시턴스는 가변적으로 조절될 수 있다. 조절 가능한 커패시턴스를 가진 제2용량 소자는 신호 경로 입력과 접지 사이에 접속된다. 제2유도 소자는 노드점과 접지 사이에 접속되고, 제3유도 소자는 신호 경로 출력과 접지 사이에 접속된다.
신호 경로 입력이 예컨대 무선 이동 장치용 프론트엔드 회로의 송신 경로 또는 수신 경로와 접속될 수 있고, 신호 경로 출력이 평면 안테나와의 접속을 위해 구비되는 접속 방식은, 안테나를 임피던스에 따라 프론트엔드 회로에 맞추기 위한 목적에 있어 간단한 회로, 즉 덜 복잡한 회로가 된다. 제3유도 소자는 임피던스 정합 회로 또는 접속된 프론트 회로의 ESD-(electrostatic discharge-)보호 소자로서 역할할 수 있다. 안테나에 의해 영향을 미치며 프론트엔드 회로 또는 상기 프론트엔드 회로의 개별 구성 요소를 손상시킬 수 있는 전류 임펄스는 유도 소자를 거쳐 아무런 손상도 일으키지 않고 접지쪽으로 안내된다.
유리하게는, 제1, 제2 및 제3유도 소자는 양질 계수(quality factor)가 15보다 크고, 제1 및 제2용량 소자는 양질 계수가 10보다 크다. 이때, 양질 계수는 공명 곡선의 진폭과 밴드폭 사이의 비율 또는 회로에서 에너지 손실에 대한 무차원 척도이다. 또한, 임피던스 정합 회로의 소자의 치수는, 제1, 제2 및 제3유도 소자의 인덕턴스가 0.5와 22 nH사이의 값을 가지고 제1 및 제2용량 소자의 커패시턴스가 0.5와 12 pF사이의 구간별로(interval) 조절될 수 있도록 결정되는 것이 유리하다. 이러한 구간은 예컨대 0.5 pF 내지 1.5 pF, 0.9 pF 내지 3.2 pF 또는 2.6 pF 내지 8.5 pF의 커패시턴스 범위를 덮을 수 있다.
유리한 형성예에서, 임피던스 정합 회로는 양질 계수가 50보다 크고 커패시턴스가 1과 35 pF 사이인 제3용량 소자 및 양질 계수가 15보다 크고 인덕턴스가 0.5와 10 nH사이인 제4유도 소자를 포함하며, 상기 소자들은 신호 경로 입력과 접지 사이에서 직렬로 접속된다. 임피던스 정합 회로의 다른 변형예에서는, 신호 경로 입력과 접지 사이에 양질 계수가 50보다 크고 커패시턴스가 4와 18 pF사이인 제4용량 소자가 접속된다.
유리하게는, 임피던스 정합 회로는 이동 통신 장치에 사용되며, 이 때 상기 회로는 수신 경로 또는 송신 경로와 평면 안테나 사이, 특히 PILA형 평면 안테나 사이에 접속되어, 신호 경로 입력이 송신 경로 및 수신 경로와 전기 전도적으로 연결되고, 신호 경로 출력이 안테나 공급라인에 의해 평면 안테나와 전기 전도적으로 연결된다. 상기 안테나 공급라인의 임피던스는 10과 60 Ohm 사이이다.
임피던스 정합 회로의 유리한 형성예에 대응하여, 송신 경로에서 정재파는 3보다 양호하며(즉, 더 작으며), 수신 경로에서 정재파는 4보다 양호하다(즉, 더 작다).
본 발명은 CDMA, W-CDMA, GSM, DVBH, W-LAN, WIFI 또는 다른 통상적 데이터 전송 시스템에서 500과 4500 MHz사이의 주파수 대역에 평면 안테나의 임피던스를 맞추기에 적합하다.
제1 또는 제2용량 소자의 동조비는 일 변형예에서 2.5:1 내지 3.5:1, 즉 예컨대 3:1이며, 다른 유리한 변형예에서는 3.5:1 내지 4.5:1 또는 4.5:1 내지 5.5:1이고, 매우 유리한 경우 5.5:1 내지 6.5:1이다. 이때, 동조비는 각각, 조절가능한 최대 커패시턴스를 조절가능한 최저 커패시턴스로 나눈 몫으로 정의된다.
바람직하게는, 용량 소자들 중 적어도 하나는 바륨스트론튬티타네이트(BST)를 함유한 유전층을 포함하는 버랙터 다이오드(varactor diode), 또는 비스므투-아연-니오베이트(BZN)를 함유한 유전층을 포함하는 버랙터 다이오드, 또는 대안적으로 CMOS 기술로 제조된 용량 소자이거나, MEMS 커패시터로 이루어진 회로이거나 반도체 버랙터 다이오드이다.
바람직하게는, 제4용량 소자는 제2용량 소자보다 큰 양질 계수를 가진 소자로 선택된다.
다른 유리한 형성예에서, 제5용량 소자는 노드점과 신호 경로 출력 사이에서 제1용량 소자에 대해 병렬로 접속된다. 또 바람직하게는, 신호 경로에서 방향성 결합기(directional coupler)와 신호 경로 입력이 접속된다. 방향성 결합기에 의해, 송신 에너지 중 실제로 송신 신호 경로로부터 안테나로 결합되는 비율(fraction)을 결정할 수 있다. 임피던스 정합은 이러한 비율을 최대화하는 것으로 소급할 수 있다. 안테나로부터 수신 신호 경로로 가는 수신 신호들에 대해서도 유사하게 적용된다.
또한, 임피던스 정합 회로가 신호 경로 입력과 접속된 듀플렉서를 프론트모듈의 일부로서 포함하는 경우가 매우 유리하다.
바람직하게는, 정합 회로의 유도 소자 및 용량 소자는 다층 기판에서 구조화된 금속배선으로서 형성된다. 상기 기판은 HTCC, LTCC, FR4 또는 라미네이트로 구성된 층들을 포함할 수 있다. 그러므로, 이에 상응하는 소자는 덜 복잡하면서도 공간 절약적인 구조를 가진다.
다른 형성예에서, 안테나 공급라인은 연결된 평면 안테나와 신호 경로 출력 사이에 접속되며, 상기 안테나 공급라인의 임피던스는 10과 60 Ohm 사이이다.
이하, 임피던스 정합 회로는 실시예 및 그에 속한 개략도에 의거하여 더욱 상세히 설명된다.
도 1은 유도 소자 및 용량 소자를 포함하고 신호 경로 입력과 신호 경로 출력 사이에 접속된 임피던스 정합 회로를 도시한다.
도 2는 도 1의 임피던스 정합 회로에 다른 회로 소자들이 포함된 경우를 도시한다.
도 1은 덜 복잡하면서도 충분한 동조 영역을 구현하는 평면 안테나용 임피던스 정합 회로를 도시한다. 신호 경로(SP)에서 신호 경로 입력(SPE)과 노드점(KP)사이에 제1인덕턴스(L1)가 접속되고, 노드점(KP)과 신호 경로 출력(SPA) 사이에 제1용량 소자(C1)가 접속되며, 상기 용량 소자의 커패시턴스는 가변적으로 조절될 수 있다. 신호 경로 입력(SPE)과 접지(M) 사이에 제2용량 소자(C2)가 접속되고, 상기 제2용량 소자의 커패시턴스도 마찬가지로 조절가능하다. 부가적으로, 노드점(KP)과 접지(M)사이에 제2유도 소자(L2)가, 신호 경로 출력(SPA)과 접지(M)사이에 제3유도 소자(L3)가 접속된다.
도 2는 도 1의 임피던스 정합 회로를 도시하되, 다른 유리한 형성예의 특징을 보여준다. 방향성 결합기(RK)는 신호 경로(SP)에서 신호 경로 입력(SPE)과 노드점(KP)사이에 접속된다. 이때, 방향성 결합기(RK)는 신호 경로 입력(SPE)과 접속된다. 방향성 결합기(RK)와 신호 경로 입력(SPE)사이에는 프론트모듈(FE)의 적어도 일부분이 접속된다. 프론트모듈(FE)은 하나 이상의 듀플렉서, 증폭기 또는 다른 필터 소자나 회로 소자를 포함할 수 있다. 신호 경로 입력, 프론트모듈, 방향성 결합기 및 노드점으로 이루어진 회로는 상징적으로만 도시되어 있다. 제4유도 소자(L4) 및 제3용량 소자(C3)는 신호 경로(SP)와 접지(M)사이에 직렬로 접속된다. 제4용량 소자(C4)도 마찬가지로 신호 경로(SP)와 접지사이에 접속된다. 제5용량 소자(C5)는 제1용량 소자(C1)에 대해 병렬로, 노드점(KP)과 신호 경로 출력(SPA)사이에 접속된다. 특히 "평면 역 L형 안테나(Planar Inverted L-Antenna)", 약어로 PILA일 수 있는 평면 안테나(PILA)는 안테나 공급라인(AL)을 경유하여 신호 경로 출력(SPA)과 접속된다.
본 발명에 따른 필터 회로는 기술된 실시예 중 어느 하나에 한정되지 않는다. 실시예들의 조합 및 예컨대 또 다른 유도 소자나 용량 소자를 포함하는 변형예도 마찬가지로 본 발명의 실시예를 나타낸다.
AL: 안테나 공급라인
C1: 제1용량 소자
C2: 제2용량 소자
C3: 제3용량 소자
C4: 제4용량 소자
C5: 제5용량 소자
FE: 프론트모듈
KP: 노드점
L1: 제1유도 소자
L2: 제2유도 소자
L3: 제3유도 소자
L4: 제4유도 소자
M: 접지
PILA: 평면 역 L형 안테나
RK: 방향성 결합기
SP: 신호 경로
SPA: 신호 경로 출력
SPE: 신호 경로 입력

Claims (23)

  1. 평면 안테나의 정합을 위한 임피던스 정합 회로로서,
    신호 경로 입력과 신호 경로 출력 사이의 노드를 포함하는 신호 경로;
    상기 신호 경로 입력과 상기 노드 사이에 접속된 제 1 유도 소자, 및 상기 노드와 상기 신호 경로 출력 사이에 접속되는, 가변 커패시턴스를 갖는 제 1 용량 소자;
    상기 신호 경로 입력과 접지 사이에 접속되는, 가변 커패시턴스를 갖는 제 2 용량 소자;
    상기 노드와 접지 사이에 접속되는 제 2 유도 소자; 및
    상기 신호 경로 출력과 접지 사이에 접속되는 제 3 유도 소자를 포함하는,
    임피던스 정합 회로.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1, 제 2 및 제 3 유도 소자들은 15보다 큰 양질(Q; quality) 계수들을 갖고, 가변 커패시턴스를 갖는 상기 제 1 및 제 2 용량 소자들은 10보다 큰 양질 계수들을 갖는, 임피던스 정합 회로.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 유도 소자는 0.5와 22 nH 사이의 인덕턴스를 갖고, 상기 제 2 유도 소자는 0.5와 22 nH 사이의 인덕턴스를 갖고, 상기 제 3 유도 소자는 0.5와 22 nH 사이의 인덕턴스를 갖고, 그리고 상기 제 1 용량 소자 및 상기 제 2 용량 소자의 커패시턴스는 0.5와 12 pF 사이의 간격들에서 조절가능한, 임피던스 정합 회로.
  4. 제 1 항에 있어서,
    50보다 큰 Q 계수와 1과 35 pF 사이의 커패시턴스를 갖는 제 3 용량 소자, 및 15보다 큰 Q 계수와 0.5와 10 nH 사이의 인덕턴스를 갖는 제 4 유도 소자를 더 포함하고, 상기 제 3 용량 소자 및 상기 제 4 유도 소자는 상기 신호 경로 입력과 접지 사이에서 직렬로 접속되는, 임피던스 정합 회로.
  5. 제 4 항에 있어서,
    50보다 큰 Q 계수와 4와 18 pF 사이의 커패시턴스를 갖는 제 4 용량 소자를 더 포함하고, 상기 제 4 용량 소자는 상기 신호 경로 입력과 접지 사이에 접속되는, 임피던스 정합 회로.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 임피던스 정합 회로는 송신 경로, 수신 경로 및 PILA형 평면 안테나를 갖는 모바일 통신 장치에서 사용하기 위해 구성되고,
    상기 신호 경로 입력은 상기 송신 경로 및 상기 수신 경로와 접속되고, 그리고
    상기 신호 경로 출력은 10 ohm 과 60 ohm 사이의 임피던스를 갖는 안테나 피드 라인(antenna feed line)을 경유하여 상기 평면 안테나에 접속되는, 임피던스 정합 회로.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 임피던스 정합 회로는 송신 주파수 대역의 상기 송신 경로 및 수신 주파수 대역의 상기 수신 경로를 상기 송신 경로에서 3보다 작은 정재파비(voltage standing wave ratio)를 갖는 상기 평면 안테나에 정합시키는, 임피던스 정합 회로.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 임피던스 정합 회로는 송신 주파수 대역의 상기 송신 경로 및 수신 주파수 대역의 상기 수신 경로를 상기 수신 경로에서 4보다 작은 정재파비를 갖는 상기 평면 안테나에 정합시키는, 임피던스 정합 회로.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 임피던스 정합 회로는 500과 4500 MHz 사이의 CDMA, W-CDMA 또는 GSM 주파수 대역들에서 사용하기 위해 구성되는, 임피던스 정합 회로.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 임피던스 정합 회로는 500과 4500 MHz사이의 DVB-H, W-LAN 또는 WIFI 주파수 대역들에서 사용하기 위해 구성되는, 임피던스 정합 회로.
  11. 제 1 항에 있어서,
    가변 커패시턴스를 갖는 상기 용량 소자들 중 어느 하나의 동조비(tuning ratio)는 2.5:1과 3.5:1 사이인, 임피던스 정합 회로.
  12. 제 11 항에 있어서,
    가변 커패시턴스를 갖는 상기 용량 소자들 중 어느 하나의 동조비는 3:1인, 임피던스 정합 회로.
  13. 제 1 항에 있어서,
    가변 커패시턴스를 갖는 상기 용량 소자들 중 어느 하나의 동조비는 3.5:1과 4.5:1 사이인, 임피던스 정합 회로.
  14. 제 1 항에 있어서,
    가변 커패시턴스를 갖는 상기 용량 소자들 중 어느 하나의 동조비는 4.5:1과 5.5:1 사이인, 임피던스 정합 회로.
  15. 제 1 항에 있어서,
    가변 커패시턴스를 갖는 상기 용량 소자들 중 어느 하나의 동조비는 5.5:1과 6.5:1 사이인, 임피던스 정합 회로.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 임피던스 정합 회로는, 바륨-스트론튬-티타네이트를 함유한 유전체층을 포함하는 버랙터(varacter) 다이오드, 비스무트-아연-니오베이트를 함유한 유전체층을 포함하는 버랙터 다이오드, CMOS 기술로 제조된 용량 소자, MEMS 커패시터들의 접속 및 반도체 버랙터 다이오드로부터 선택된, 가변 커패시턴스를 갖는 용량 소자를 포함하는, 임피던스 정합 회로.
  17. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 4 용량 소자의 Q 계수는 가변 커패시턴스를 갖는 상기 제 2 용량 소자의 Q 계수보다 큰, 임피던스 정합 회로.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 용량 소자와 병렬로 상기 노드와 상기 신호 경로 출력 사이에 접속되는 제 5 용량 소자를 더 포함하는, 임피던스 정합 회로.
  19. 제 1 항에 있어서,
    상기 신호 경로 입력에 접속되는 방향성 결합기(directional coupler)를 더 포함하는, 임피던스 정합 회로.
  20. 제 1 항에 있어서,
    상기 신호 경로 입력에 접속되는 프론트-엔드(front-end) 모듈을 더 포함하는, 임피던스 정합 회로.
  21. 제 1 항에 있어서,
    상기 신호 경로에 접속되는 듀플렉서(duplexer)를 더 포함하는, 임피던스 정합 회로.
  22. 제 1 항에 있어서,
    상기 유도 소자들은 HTCC, LTCC, FR4 및 라미네이트로부터 선택된 다층 기판에서 금속 배선(metallization)들로서 형성되는, 임피던스 정합 회로.
  23. 제 6 항에 있어서,
    상기 신호 경로 출력과 상기 평면 안테나 사이에 접속되는 안테나 피드 라인을 더 포함하고, 상기 안테나 피드 라인은 10과 60 ohm 사이의 임피던스를 갖는, 임피던스 정합 회로.
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