KR101946963B1 - 임피던스 정합 장치 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시 예에 따른 전력 증폭기와 안테나 사이의 임피던스 정합을 수행하는 임피던스 정합 장치는, 상기 전력 증폭기로부터 입력되는 송신신호 및 상기 안테나로부터 반사되는 반사신호를 분리하여 출력하는 방향성 커플러와 상기 출력된 송신신호의 크기를 검출하는 송신전력 검출부와 상기 출력된 반사신호의 크기를 검출하는 반사전력 검출부와 상기 방향성 커플러와 상기 반사전력 검출부 사이에 위치하며, 상기 반사신호가 상기 송신전력 검출부로 유입되는 것을 방지하는 아이솔레이터 및 상기 검출된 송신신호와 반사신호의 크기에 기초하여 임피던스를 조절하는 임피던스 정합 회로를 포함한다.
본 발명의 다양한 실시 예에 따르면, 송신전력 및 반사전력의 크기 차이에 대한 오차를 줄여서 반사계수를 정확히 측정할 수 있다.

Description

임피던스 정합 장치 및 그 방법{APPARATUS FOR MATCHING IMPEDENCE AND METHOD THEREOF}
본 발명은 임피던스 정합 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
이동 통신 단말기에서 안테나 회로는 안테나를 통해 소정의 전파 신호를 송신하거나 전파를 수신하는 역할을 한다. 안테나가 최적의 송수신 방사성능을 갖도록 하기 위해서는 임피던스를 정확하게, 최적으로 정합시킬 필요가 있다.
임피던스를 정확히 정합시키기 위해 안테나 회로는 캐패시터 및 인덕터 등을 구비하고, 그 캐패시터 및 인덕터의 값을 조절한다. 임피던스 정합은 통상적으로 이동통신 단말기를 자유공간에 위치시킨 상태에서 안테나의 임피던스를 정합시키는 것이다.
한편, 이동통신 단말기는 기기의 특성상 사용자가 본체를 손으로 잡고, 스피커를 귀에 밀착시킨 상태에서 사용하거나 주머니나 이동통신 단말기의 본체를 가방 등에 넣고 이어폰을 이용하여 사용하게 된다. 사용자가 이동통신 단말기의 본체를 손으로 잡고, 귀에 밀착시켜 사용하거나, 주머니 또는 가방 등에 넣고 사용함에 따라 안테나의 임피던스 정합 조건이 가변하고, 이로 인하여 자유 공간에서 임피던스를 정합시킨 안테나의 송수신 방사 성능이 저하된다.
따라서, 임피던스 정합 조건이 가변될 경우에 자동으로 안테나의 임피던스를 조절하여 안테나가 최적의 송수신 방사성능을 갖도록 하는 적응형 튜닝 안테나 회로를 채택하고 있다.
이를 위해, 적응형 튜닝 안테나 회로는 커플러를 구비하고, 커플러에서 출력되는 반사 전력(Reflected Power) 및 송신 전력(Forward Power)을 검출하고, 검출한 반사 전력과 송신 전력에 따라 가변 캐패시터의 캐패시턴스 값을 변경하여 임피던스 정합을 수행한다.
이 때, 임피던스 정합을 위한 여러가지 알고리즘이 존재하는데, 종래에는 직렬 캐패시터와 병렬 캐패시터가 갖는 모든 캐패시턴스 값들에 대해 반사파 강도를 측정하여, 반사파 강도가 가장 낮은 점을 임피던스 최대 정합점으로 결정하였다.
그러나, 기존의 임피던스 정합 장치는 송신전력 및 반사전력의 차이를 나타내는 척도인 반사계수를 정확히 측정할 수 없는 문제가 있다.
본 발명은 송신전력 및 반사전력의 크기 차이에 대한 오차를 줄여서 반사계수를 정확히 측정할 수 있는 임피던스 정합 장치 및 그 방법의 제공을 목적으로 한다.
본 발명의 실시 예에 따른 전력 증폭기와 안테나 사이의 임피던스 정합을 수행하는 임피던스 정합 장치는, 상기 전력 증폭기로부터 입력되는 송신신호 및 상기 안테나로부터 반사되는 반사신호를 분리하여 출력하는 방향성 커플러; 상기 출력된 송신신호의 크기를 검출하는 송신전력 검출부; 상기 출력된 반사신호의 크기를 검출하는 반사전력 검출부; 상기 방향성 커플러와 상기 반사전력 검출부 사이에 위치하며, 상기 반사신호가 상기 송신전력 검출부로 유입되는 것을 방지하는 아이솔레이터; 및 상기 검출된 송신신호와 반사신호의 크기에 기초하여 임피던스를 조절하는 임피던스 정합 회로를 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 전력 증폭기와 안테나 사이의 임피던스 정합을 수행하는 임피던스 정합 장치의 임피던스 정합 방법은, 상기 임피던스 정합 장치는 방향성 커플러, 송신전력 검출부, 반사전력 검출부, 아이솔레이터 및 임피던스 정합 회로를 포함하고, 상기 전력 증폭기로부터 입력되는 송신신호 및 상기 안테나로부터 반사되는 반사신호를 수신하는 단계; 상기 반사신호가 상기 송신전력 검출부로 유입되는 것을 차단하는 단계; 상기 송신신호를 수신하여 송신전력을 검출하고, 상기 반사신호를 수신하여 반사전력을 검출하는 단계; 및 상기 검출된 송신전력과 반사전력의 크기를 기초로 임피던스를 조절하는 단계를 포함한다.
한편, 임피던스 정합 방법은 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체로 구현될 수 있다.
본 발명의 실시예인 임피던스 정합 장치 및 그 방법에 따르면, 송신전력 및 반사전력의 크기 차이에 대한 오차를 줄여서 반사계수를 정확히 측정할 수 있다.
한편 그 외의 다양한 효과는 후술될 본 발명의 실시 예에 따른 상세한 설명에서 직접적 또는 암시적으로 개시될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 임피던스 정합 장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 임피던스 정합 장치의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 임피던스 정합 방법의 흐름도이다.
이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 임피던스 정합 장치의 구성도이다.
임피던스 정합 장치(100)는 임피던스 정합 회로(110), 방향성 커플러(120), 검출부(130), 제어부(140), 안테나(150)를 포함한다.
임피던스 정합 회로(110)는 RF 신호를 송수신하는 안테나(150)와 연결된다.
임피던스 정합 회로(110)는 안테나(150)와 병렬 연결된 캐패시터(111a), 직렬 연결된 직렬 캐패시터(111b)와 인덕터 소자들(112a, 112b, 112c)를 포함하여 구성된다. 한편, 일 실시 예에서 캐패시터들(111a, 111b)과 인덕터(112a, 112b, 112c)의 결선 또는 소자 개수는 실시 예에 따라 달라질 수 있다. 일 실시 예에서 캐패시터들(111a, 111b)은 병렬 캐패시터(111a) 하나와 직렬 캐패시터(111b) 하나로 구성되는 것을 예시하고 있지만, 이에 한정되지 않고, 병렬 캐패시터 또는 직렬 캐패시터만으로 구성될 수 있고, 3 개이상의 캐패시터들로 구성될 수 있다.
방향성 커플러(Directional Coupler)(120)는 전력증폭기로부터 입력되는 신호와 안테나(150)의 종단으로부터 반사되는 신호를 분리하여 후술할 검출부(130)에 출력한다.
검출부(130)는 방향성 커플러(120)로부터 송신 신호 및 반사 신호를 수신하여 송신 전력 및 반사 전력의 크기를 검출할 수 있다.
검출부(130)로부터 출력되는 송신전압 및 반사전압은 각각 송신전력 및 반사전력에 비례하므로, 설명의 편의를 위하여 전압과 전력을 같은 개념으로 사용하도록 한다.
검출부(130)는 송신전력 검출부(131) 및 반사전력 검출부(132)를 포함할 수 있다. 송신전력 검출부(131)는 송신신호로부터 송신전력을 검출하고, 송신전력으로부터 송신전압을 출력한다. 반사전력 검출부(132)는 반사신호로부터 반사전력을 검출하고, 반사전력으로부터 반사전압을 출력한다. 송신전력 및 반사전력은 아날로그 형태의 신호이다.
제어부(140)는 출력된 송신 전력과 반사 전력의 크기를 기초로 변경시킬 임피던스 값을 결정할 수 있고, 결정된 임피던스 값에 따라 임피던스를 정합할 수 있다.
제어부(140)는 아날로그 디지털 변환기(ADC)를 더 포함할 수 있다. 아날로그 디지털 변환기(ADC)는 검출부(130)로부터 출력된 송신전력 및 반사전력을 디지털 형태의 신호로 변환한다.
제어부(140)는 송신전력 및 반사전력 크기의 차이를 검출할 수 있다. 제어부(140)는 검출된 송신전력 및 반사전력 크기의 차이를 기초로 임피던스 정합 회로(110)를 제어하여 임피던스 정합을 수행하도록 할 수 있다.
임피던스 정합회로(110)는 제어 신호에 의해 전력 증폭기와 안테나 사이의 임피던스 값을 정합하여 최적의 임피던스 정합을 가능하게 한다. 최적의 임피던스 정합을 위한 방법은 후술한다.
가변 캐패시터들(111a, 111b)의 캐패시턴스 값은 제어부(140)에 의해 인가되는 DC 전압에 의해 변하며, 그에 따라 송신 전력에 대한 반사 전력의 크기가 변하게 된다. 이때, 송신전력과 반사전력의 크기 차이가 작으면 임피던스 정합이 제대로 이루어지지 않은 것이고, 송신전력과 반사전력의 크기 차이가 클수록 임피던스 정합이 잘 이루어진 것이다. 구체적으로, 안테나와 전력증폭기 간의 정합 정도를 나타내는 지표 중의 하나인 전압 정재파비(VSWR, Voltage Standing Wave Ratio)를 측정하여 임피던스 정합의 정도를 판단한다. 전압 정재파비(VSWR, Voltage Standing Wave Ratio)는 1일 때, 최적의 조건이며, 이 때는 반사신호가 없는 경우를 의미한다. 즉, 전압 정재파비(VSWR, Voltage Standing Wave Ratio)가 1에 가깝게 정합이 수행되어야 임피던스 정합이 잘 이루어진 것으로 볼 수 있다.
도 2는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 임피던스 정합 장치의 구성도이다.
임피던스 정합 장치(200)는 임피던스 정합 회로(210), 방향성 커플러(220), 아이솔레이터(230), 검출부(240), 제어부(250), 안테나(260)를 포함한다.
임피던스 정합 회로(210)는 RF 신호를 송수신하는 안테나(260)와 연결된다.
임피던스 정합 회로(210)는 안테나(260)와 병렬 연결된 캐패시터(211a), 직렬 연결된 직렬 캐패시터(211b)와 인덕터 소자들(212a, 212b, 212c)를 포함하여 구성된다. 한편, 일 실시 예에서 캐패시터들(211a, 211b)과 인덕터(212a, 212b, 212c)의 결선 또는 소자 개수는 실시 예에 따라 달라질 수 있다. 일 실시 예에서 캐패시터들(211a, 211b)은 병렬 캐패시터(211a) 하나와 직렬 캐패시터(211b) 하나로 구성되는 것을 예시하고 있지만, 이에 한정되지 않고, 병렬 캐패시터 또는 직렬 캐패시터만으로 구성될 수 있고, 3 개이상의 캐패시터들로 구성될 수 있다.
방향성 커플러(Directional Coupler)(220)는 전력증폭기(미도시)로부터 입력되는 송신신호와 안테나(260)의 종단으로부터 반사되는 반사신호를 분리하여 후술할 검출부(240)에 출력한다.
아이솔레이터(230)는 방향성 커플러(220)로부터 출력된 반사신호를 후술할 송신전력 검출부(241)로 유입되는 것을 방지할 수 있다. 아이솔레이터(230)는 신호전파가 순방향으로는 되지만, 역방향으로는 되지 않는 회로소자로써, 실제로는 역방향에의 신호반사 성분이 제로는 아니기 때문에 아이솔레이터(230)의 성능은 순방향의 삽입손실에 대한 역방향의 감쇠량의 비에 의해 나타낸다.
일 실시 예에서 아이솔레이터(230)는 페라이트의 자이로 자기 특성을 이용한 공명형 아이솔레이터, 전계변위형 아이솔레이터, 패러데이 회전형 아이솔레이터, 에지모드형 아이솔레이터, 그리고 홀 효과의 비상반성을 이용한 홀 아이솔레이터 등의 마이크로파, 밀리파용 아이솔레이터와 편광자에 의한 패러데이 회전을 이용한 광 아이솔레이터일 수 있다.
검출부(240)는 송신전력 검출부(241) 및 반사전력 검출부(242)를 포함한다. 송신전력 검출부(241)는 방향성 커플러(220)로부터 출력된 송신신호를 통해 송신전력을 검출하고, 반사전력 검출부(242)는 방향성 커플러(220)로부터 출력된 반사신호를 통해 반사전력을 검출한다.
제어부(250)는 검출된 송신전압과 반사전압의 크기 차이를 기초로 변경시킬 임피던스 값을 결정할 수 있고, 결정된 임피던스 값에 따라 임피던스를 정합할 수 있다.
제어부(250)는 정합된 임피던스 값을 갖도록 임피던스 정합 회로(210)에 제어 신호를 인가한다.
임피던스 정합회로(210)는 제어 신호에 의해 전력 증폭기와 안테나(260) 사이의 임피던스 값을 정합하여 최적의 임피던스 정합을 가능하게 한다.
제어부(250)는 송신전력과 반사전력의 크기 차이가 최대가 되도록 임피던스 정합 회로(210)에 제어신호를 인가한다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 임피던스 정합 방법의 흐름도이다.
본 발명의 임피던스 정합 방법은 임피던스 정합 장치(200)를 이용하여 전력 증폭기(미도시)와 안테나(260) 사이의 임피던스 정합을 수행한다.
임피던스 정합 장치(200)는 임피던스 정합 회로(210), 방향성 커플러(220), 아이솔레이터(230), 검출부(240), 제어부(250), 안테나(260)를 포함하고, 상기 구성요소들의 기능은 도 2에서 설명한 바와 같다.
방향성 커플러(220)는 전력 증폭기(미도시)로부터 입력되는 송신신호 및 안테나(260)로부터 반사되는 반사신호를 분리하여 출력한다(S101).
아이솔레이터(230)는 출력된 반사신호가 송신전력 검출부(241)로 유입되는 것을 차단한다(S103).
그 후, 검출부(240)는 방향성 커플러(220)로부터 분리되어 출력된 송신신호를 통해 송신전력을 검출하고, 반사신호를 통해 반사전력을 검출한다.
제어부(250)는 검출된 송신전력과 반사전력을 이용해 송신전력과 반사전력의 차이를 검출해 낸다(S105). 상기 검출된 송신전력 및 반사전력은 아날로그 형태의 신호이다. 제어부(250)는 아날로그 디지털 컨버터 포트를 포함하며, 아날로그 디지털 컨버터 포트를 통해 아날로그 형태의 송신전력 및 반사전력을 디지털 형태의 신호로 변환할 수 있다. 또한, 제어부(250)는 송신전력과 반사전력의 크기 차이를 출력할 수 있다.
그 후, 제어부(250)는 출력된 송신전력과 반사전력의 크기 차이를 기초로 임피던스 정합 회로(210)에 제어신호를 인가하여 최적의 임피던스 정합을 수행하도록 임피던스를 조절한다(S107).
제어부(250)는 검출된 송신전력과 반사전력의 크기 차이가 최대가 되도록 임피던스 값을 결정할 수 있고, 결정된 임피던스 값에 따라 임피던스를 정합할 수 있다. 일 실시 예에서 검출된 송신전력과 반사전력 크기 차이를 기초로 임피던스를 조절하는 것은 가변 캐피시터들의 캐패시턴스 값을 변화시켜 송신전력과 반사전력의 크기 차이가 최대가 되도록 임피던스를 조절하는 방법을 사용할 수 있으나, 이에 한정될 필요는 없다.
상술한 본 발명에 따른 임피던스 정합 방법은 컴퓨터에서 실행되기 위한 프로그램으로 제작되어 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체에 저장될 수 있으며, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광 데이터 저장장치 등이 있다.
컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 그리고, 상기 방법을 구현하기 위한 기능적인(function) 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술분야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론될 수 있다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형 실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해 되어서는 안될 것이다.
200: 임피던스 정합 장치
210: 임피던스 정합 회로
220: 방향성 커플러
230: 아이솔레이터
240: 검출부
250: 제어부
260: 안테나

Claims (8)

  1. 전력 증폭기와 안테나 사이의 임피던스 정합을 수행하는 임피던스 정합 장치로서,
    상기 전력 증폭기로부터 입력되는 송신신호 및 상기 안테나로부터 반사되는 반사신호를 분리하여 출력하는 방향성 커플러;
    상기 출력된 송신신호의 크기를 검출하는 송신전력 검출부;
    상기 출력된 반사신호의 크기를 검출하는 반사전력 검출부;
    상기 방향성 커플러와 상기 반사전력 검출부 사이에 위치하여 상기 반사신호가 상기 송신전력 검출부로 유입되는 것을 방지하는 아이솔레이터; 및
    상기 검출된 송신신호와 반사신호의 크기에 기초하여 임피던스를 조절하는 임피던스 정합 회로를 포함하고,
    상기 아이솔레이터는 신호 전파가 역방향으로는 흐르지 않은 회로소자인 임피던스 정합 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 송신신호와 반사신호의 크기 차이가 최대가 되도록 상기 임피던스 정합 회로를 제어하는 제어부를 더 포함하고,
    상기 아이솔레이터는 공명형 아이솔레이터, 전계변위형 아이솔레이터, 페러디에 회전형 아이솔레이터, 에지모드형 아이솔레이터 또는 광 아이솔레이터를 포함하는 임피던스 정합 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 임피던스 정합 회로의 가변 캐피시터들의 캐패시턴스 값을 변화시켜 상기 송신신호와 반사신호의 크기 차이가 최대가 되도록 상기 임피던스 정합 회로를 제어하는 임피던스 정합 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 임피던스 정합 회로는,
    적어도 하나 이상의 캐패시터 및 적어도 하나 이상의 인덕터를 포함하여 구성되는 임피던스 정합 장치.
  5. 전력 증폭기와 안테나 사이의 임피던스 정합을 수행하는 임피던스 정합 장치의 임피던스 정합 방법으로서,
    상기 전력 증폭기로부터 입력되는 송신신호 및 상기 안테나로부터 반사되는 반사신호를 수신하는 단계;
    상기 반사신호가 출력된 송신신호의 크기를 검출하는 송신전력 검출부로 유입되는 것을 차단하는 단계;
    상기 송신신호를 수신하여 송신전력을 검출하고, 상기 반사신호를 수신하여 반사전력을 검출하는 단계; 및
    상기 검출된 송신전력과 반사전력의 크기를 기초로 임피던스를 조절하는 단계를 포함하고,
    신호 전파가 역방향으로는 흐르지 않은 회로소자를 배치하여 상기 반사신호를 상기 송신전력 검출부로 유입되는 것을 차단하는 단계를 수행하는 임피던스 정합 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 검출된 송신전력과 반사전력의 크기를 기초로 임피던스를 조절하는 단계는,
    상기 송신전력과 반사전력의 크기 차이가 최대가 되도록 임피던스를 조절하는 단계를 포함하는 임피던스 정합 방법.
  7. 제5항에 있어서, 상기 송신전력과 반사전력의 크기 차이가 최대가 되도록 임피던스를 조절하는 단계는,
    상기 임피던스 정합 회로의 가변 캐피시터들의 캐패시턴스 값을 변화시켜 상기 송신전력과 반사전력의 크기 차이가 최대가 되도록 임피던스를 조절하는 단계를 포함하는 임피던스 정합 방법.
  8. 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 기재된 방법을 실행시키기 위한 프로그램으로 제작되어 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체.
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