KR102577995B1

KR102577995B1 - 고전력 적응형 ｒｆ 안테나 튜닝 스위치

Info

Publication number: KR102577995B1
Application number: KR1020210168094A
Authority: KR
Inventors: 박성호; 김동주
Original assignee: 전희석
Priority date: 2021-11-30
Filing date: 2021-11-30
Publication date: 2023-09-13
Also published as: KR20230080692A

Abstract

본 발명은 고전력 적응형 RF 안테나 튜닝 스위치에 관한 것으로, 안테나와 RF 안테나 튜닝 스위치 사이에 RFP(RF protection) 회로 block을 별도 도입하고, 정상동작시에는 RFP 회로 block이 동작하지 않다가, all-off 조건과 같은 악조건에서는 RFP를 통해 과중된 신호전력을 접지(ground)로 소비하도록 함으로써, 상기 악조건에서 실효적으로 입사되는 전력량을 감소시켜 종래 문제를 해결함과 동시에 전력용량은 증가(향상)시키는 효과가 있다.

Description

고전력 적응형 ＲＦ 안테나 튜닝 스위치{HIGH-POWER ADAPTIVE RF ANTENNA TUNING SWITCH}

본 발명은 안테나 튜닝 스위치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고전력 적응형 RF 안테나 튜닝 스위치에 관한 것이다.

최근 무선 데이터의 사용량이 폭증하고, 5G 혹은 MIMO(Multiple Input and Multiple Output) 무선통신에 대한 서비스가 가속화됨과 동시에 사용자 측면에서 고효율 RF 송신기에 대한 요구도 증대됨에 따라, 다중대역 통신이 가능할 수 있도록 통신시스템이 개선되고 있다.

특히, 다중대역 안테나를 이용하여 대중대역 통신을 지원할 경우, 안테나의 개수가 증가하여 휴대폰 단말기의 크기 및 가격이 증가하는 단점을 가지게 된다. 따라서 최근 상용화된 5G 휴대폰 단말기 내부에는 TRx단과 안테나 사이에 RF tuning switch를 적용하여 단일한 안테나를 사용하면서도 효율적으로 안테나 임피던스를 변화시켜 다중대역 통신을 지원 가능할 수 있도록 도 1처럼 하드웨어를 설계하고 있다.

일반적으로, RF 안테나 튜닝 스위치는 필연적으로 휴대폰 단말기마다 다르게 지원하는 통신대역과 나라별 통신대역 등이 다르기 때문에, 고정적인 임피던스를 적용하기 보다는 임피던스가 가변될 수 있도록 설계된다.

그러나, 기존 RF 안테나 튜닝 스위치는 특정 목적에 따라 외장소자들과 연결되지 않는 상황에서(all-off 조건) 고전력이 안테나로부터 입사되었을 때, 도 2와 같이 높은 VSWR(voltage standing wave ratio) 특성으로 인해 쉽게 파괴될 수 있는 문제점이 있다. 도 2(a)는 기존 RF 안테나 튜닝 스위치로 스위칭 온(SW_On)되어 출력단 1을 통해 안테나로 수신된 신호가 나오는 개념도이고, 도 2(b)는 스위칭 오프(SW_OFF)로 스위치를 통해 외장소자들과 연결되지 않는 상황을 보여주는 개념도이다. 도 2(b)와 같이, 스위칭 오프(SW_OFF)시 switch path가 모두 off되는 all-off조건이 발생될 수 있고, 이때 안테나로부터 큰 신호전력이 입사될 경우, high VSWR 조건이 되기 때문에 실효적으로 실제 입사전력보다 큰 전력이 RF 안테나 튜닝 스위치로 입사되는 상황이 발생되어, 전력용량을 열화시키게 되는 문제점이 있다.

RF 안테나 스위치와 관련하여, 한국 등록특허 제10-2234905호가 있으나, 이는 고속의 스위치 온타임 특성을 개선하고자 하는 것이어서, 상기 문제점을 해결하기 위해선 별도의 연구가 필요하였다. 그러나 본 발명을 함에 관련기술로 참고하였고, 본 명세서에서도 필요한 내용을 인용하였다.

본 발명은 기존 RF 안테나 튜닝 스위치의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 안테나와 RF 안테나 튜닝 스위치 사이에 RFP(RF protection)라는 별도의 회로 block을 도입하는 고전력 적응형 RF 안테나 튜닝 스위치를 제공하고자 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 고전력 적응형 RF 안테나 튜닝 스위치는 안테나와 RF 안테나 튜닝 스위치 사이에 RFP(RF protection) 회로 block이 접지로 연결된 것을 포함하고, 상기 RFP 회로 block은 상기 RF 튜닝 스위치의 온 동작을 포함한 정상동작시에는 동작하지 않다가, 상기 RF 튜닝 스위치의 all-off 조건을 포함한 비정상적인 동작시에는 동작하여 상기 안테나를 통해 입력된 신호의 전력량은 감소시키고 전력용량은 증가하도록 구비된 것을 특징으로 한다.

상기 RFP 회로 block은 상기 안테나의 출력단에 연결된 상기 RF 안테나 튜닝 스위치의 제 1 입력단 또는 상기 RF 안테나 튜닝 스위치의 2개 이상의 스위치 경로로 분기되는 제 2 입력단과 접지 사이에 보호용 커패시터와 복수개의 트랜지스터가 직렬로 연결된 것을 본 발명에 의한 고전력 적응형 RF 안테나 튜닝 스위치의 다른 특징으로 한다.

상기 복수개의 트랜지스터는 각각 상기 2개 이상의 스위치 경로 각각의 신호 전달 지로(series branch) 또는 차단 지로(shunt branch)에 배치된 트랜지스터와 같은 게이트 저항과 바디 저항을 갖는 것을 본 발명에 의한 고전력 적응형 RF 안테나 튜닝 스위치의 다른 특징으로 한다.

상기 RFP 회로 block은 상기 all-off 조건에서 상기 전력용량이 5.7dB 이상 증가하도록 구비된 것을 본 발명에 의한 고전력 적응형 RF 안테나 튜닝 스위치의 다른 특징으로 한다.

본 발명은 안테나와 RF 안테나 튜닝 스위치 사이에 RFP(RF protection) 회로 block을 별도 도입하고, 정상동작시에는 RFP 회로 block이 동작하지 않다가, all-off 조건과 같은 악조건에서는 RFP를 통해 과중된 신호전력을 접지(ground)로 소비하도록 함으로써, 상기 악조건에서 실효적으로 입사되는 전력량을 감소시켜 종래 문제를 해결함과 동시에 전력용량은 증가(향상)시키는 효과가 있다.

도 1은 기존 RF 안테나 튜닝 스위치의 동작을 보여주는 개념도이다.
도 2는 기존 RF 안테나 튜닝 스위치의 고전력 문제점을 보여주는 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 고전력 적응형 RF 안테나 튜닝 스위치의 동작을 보여주는 개념도이다.
도 4는 도 3의 개념도를 구체화한 회로 설계도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 고전력 적응형 RF 안테나 튜닝 스위치의 all-off 조건에서 동작시의 전력용량 증가를 보여주는 시뮬레이션 결과도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 고전력 적응형 RF 안테나 튜닝 스위치의 정상 조건에서 스위치의 삽입손실특성을 보여주는 시뮬레이션 결과도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명한다.

본 발명의 일 실시예에 의한 고전력 적응형 RF 안테나 튜닝 스위치는, 도 3과 같이, 안테나(1)와 RF 안테나 튜닝 스위치(2) 사이에 RFP(RF protection) 회로 block(100)이 접지로 연결된 것을 포함한다.

상기 RFP 회로 block(100)은, 도 4와 같이, 상기 안테나(1)의 출력단에 연결된 상기 RF 안테나 튜닝 스위치(2)의 제 1 입력단(2a) 또는 상기 RF 안테나 튜닝 스위치(2)의 2개 이상의 스위치 경로(200, 300)로 분기되는 제 2 입력단(2b)과 접지 사이에 보호용 커패시터(110)와 복수개의 트랜지스터(120, 130)가 직렬로 연결되어 구성될 수 있다.

여기서, 상기 제 1 입력단(2a)과 상기 제 2 입력단(2b)은 도 4에서 분리 도시되었지만 동일한 단자일 수도 있고, 도 4와 같이 하나의 연결 도선으로 연결될 때는 상기 연결도선과 접지 사이에 상기 RFP 회로 block(100)이 구비된다.

또한, 도 4에서 보호용 커패시터(110)가 하나만 도시되었으나, 2개 이상이 직렬, 병렬 또는 직병렬로 연결될 수 있다.

상기 RFP 회로 block(100)의 복수개의 트랜지스터(120, 130)는 각각 상기 2개 이상의 스위치 경로 각각(200)(300)의 신호 전달 지로(series branch, 210) 또는 차단 지로(shunt branch, 220)에 배치된 트랜지스터와 같은 또는 임의의 게이트 저항(20)과 바디 저항(30)을 가질 수 있다. 실시예에 따라, 상기 RFP 회로 block(100)은 신호 전달 지로(210) 또는 차단 지로(220)의 회로 구성에 보호용 커패시터(110)를 직렬로 더 연결하여 만들 수 있다.

도 4를 세분하여 설명하면, 도 4a는 도 3의 개념도를 구체화한 회로 설계도이고, 도 4b는 RF 안테나 튜닝 스위치(2)가 어느 한 스위치 경로로 연결되는(SW_ON) 정상동작시(enable mode), 게이트 입력단(22)에 복수개의 트랜지스터(120, 130)를 오프(off)시킬 전압을 인가시킨 때 RFP 회로 block(100)의 등가회로이고, 도 4c는 RF 안테나 튜닝 스위치(2)가 all-off 조건을(SW_OFF) 포함한 비정상적인 동작시(disable mode), 게이트 입력단(22)에 복수개의 트랜지스터(120, 130)를 온(on)시킬 전압을 인가시킨 때 RFP 회로 block(100)의 등가회로이다.

상기와 같이 구성함으로써, RF 안테나 튜닝 스위치(2)가 정상동작시(enable mode) RFP 회로 block(100)는 동작하지 않아, 즉 복수개의 트랜지스터(120, 130)가 모두 오프(off)되어, 도 4b와 같이, 보호용 커패시터(Cap, 110)와 트랜지스터의 등가커패시터(TR_OFF)가 직렬로 연결되어, 도 6에 관련하여 후술하는 바와 같이, 스위치의 Insertion Loss(삽입손실)은 RFP 회로 block(100)를 부가하기 전과 비슷하게 유지하게 된다.

한편, RF 안테나 튜닝 스위치(2)가 비정상적인 동작시(disable mode) RFP 회로 block(100)가 동작하게 되어, 즉 복수개의 트랜지스터(120, 130)가 모두 온(on)되어, 도 4c와 같이, 보호용 커패시터(Cap, 110)와 트랜지스터의 등가저항(TR_On)가 직렬로 연결되어, 도 5에 관련하여 후술하는 바와 같이, RFP 회로 block(100)을 통해 과중된 신호전력을 접지(ground)로 소비하도록 함으로써, RF 안테나 튜닝 스위치(2)로 실효적으로 입사되는 전력량을 감소시켜 종래 문제를 해결함과 동시에 전력용량은 증가(향상)시키는 효과를 주게 된다.

상기 RFP 회로 block(100)의 동작은 게이트 입력단(22) 및/또는 바디 입력단(32)에 복수개의 트랜지스터(120, 130)를 온(on) 또는 오프(off)시킬 소정의 바이어스 전압을 인가하게 되는데, 실시예에 따라 RF 안테나 튜닝 스위치(2)의 온/오프 동작과 반대로 인가될 수 있다. 상기 바이어스 전압은 다양할 수 있으나, 신호 전달 지로(210)와 차단 지로(220)의 트랜지스터 동작전압과 같을 수 있고, 구체적으로 게이트 입력단(22)에 VG=±2.5V, 바디 입력단(32)에 0V일 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 고전력 적응형 RF 안테나 튜닝 스위치의 all-off 조건에서 동작시의 전력용량 증가를 보여주는 시뮬레이션 결과도이다.

먼저, 도 5에 도시된 회로도를 보면, RF 안테나 튜닝 스위치(2)의 모든 스위치 경로(200, 300)에서 각 신호 전달 지로(210)의 트랜지스터가 오프(off)되어 all-off 조건으로 비정상적인 동작시에는 RFP 회로 block(100)은 동작하게 되어, 즉 복수개의 트랜지스터(120, 130)가 모두 온(on)되어, 도 4c와 같은 등가회로를 갖게 된다.

도 5의 시뮬레이션 결과 그래프로부터, RF 안테나 튜닝 스위치(2)의 all-off 조건에서 RFP 회로 block(100)의 동작으로 제 3 고조파(3rd Harmonic)의 잡음을 줄이는데 위의 실시예(적색 데이터 라인)가 종래보다(검은색 데이터 라인) 적어도 5.7dB의 전력용량을 증가(향상)시킬 수 있음을 알 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 고전력 적응형 RF 안테나 튜닝 스위치의 정상 조건에서 스위치의 삽입손실특성을 보여주는 시뮬레이션 결과도이다.

먼저, 도 6에 도시된 회로도를 보면, RF 안테나 튜닝 스위치(2)의 정상동작으로 스위치 경로(200, 300) 중 두 번째 경로(300)가 선택되어 해당 출력단(4, output 2)으로 신호 흐름(310)이 생기게 되는데, 이 때는 RFP 회로 block(100)은 동작하지 않게 되어, 즉 복수개의 트랜지스터(120, 130)가 모두 오프(off)되어, 도 4b와 같은 등가회로를 갖게 된다.

도 6의 시뮬레이션 결과 그래프로부터, RF 안테나 튜닝 스위치(2)의 정상동작시에는 RFP 회로 block(100)은 동작하지 않게 함으로써, 입력 신호의 주파수에 따른 스위치의 Insertion Loss(삽입손실)이 위의 실시예(적색 데이터 라인)나 RFP 회로 block(100)를 부가하기 전(검은색 데이터 라인)이나 비슷함을 알 수 있다.

이상으로 첨부된 도면을 중심으로 설명하였으나, 첨부된 도면은 일 실시예를 보여주는 것이어서 이에 제한되지 않는다. 즉, 상술한 설명에 기초하여 점 더 일반적인 다음의 실시예를 생각해 볼 수 있다. 상기 RFP 회로 block(100)은 상기 RF 튜닝 스위치(2)의 온 동작을 포함한 정상동작시에는 동작하지 않다가, 상기 RF 튜닝 스위치(2)의 all-off 조건을 포함한 비정상적인 동작시에는 동작하여 상기 안테나(1)를 통해 입력된 신호의 전력량은 감소시키고 전력용량은 증가하도록 구비될 수 있다.

도 5와 도 6에 표시된 각 스위치 경로(200)(300)의 신호 전달 지로(210)와 차단 지로(220)의 트랜지스터 동작은 서로 반대로 하는데, 이와 관련된 내용과 기타 RF 안테나 스위치 관련 설명은 한국 등록특허 제10-2234905호를 참조할 수 있다.

1: 안테나 2: RF 안테나 튜닝 스위치
3: 제 1 스위치 경로 출력단 4: 제 2 스위치 경로 출력단
10: 트랜지스터 본체 20: 게이트 저항
22: 게이트 입력단 30: 바디 저항
32: 바디 입력단 100: RFP 회로 block
110: 보호용 커패시터 120, 130: 트랜지스터
200, 300: 스위치 경로 210: 신호 전달 지로
220: 차단 지로

Claims

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안테나와 RF 안테나 튜닝 스위치 사이에 RFP(RF protection) 회로 block이 접지로 연결된 것을 포함하고,
상기 RFP 회로 block은 상기 RF 튜닝 스위치의 온 동작을 포함한 정상동작시에는 동작하지 않다가, 상기 RF 튜닝 스위치의 all-off 조건을 포함한 비정상적인 동작시에는 동작하여 상기 안테나를 통해 입력된 신호의 전력량은 감소시키고 전력용량은 증가하도록 구비되되,
상기 RFP 회로 block은 상기 안테나의 출력단에 연결된 상기 RF 안테나 튜닝 스위치의 제 1 입력단 또는 상기 RF 안테나 튜닝 스위치의 2개 이상의 스위치 경로로 분기되는 제 2 입력단과 접지 사이에 보호용 커패시터와 복수개의 트랜지스터가 직렬로 연결되고,
상기 복수개의 트랜지스터는 각각 상기 2개 이상의 스위치 경로 각각의 신호 전달 지로(series branch) 또는 차단 지로(shunt branch)에 배치된 트랜지스터와 같은 게이트 저항과 바디 저항을 갖는 것을 특징으로 하는 고전력 적응형 RF 안테나 튜닝 스위치.
제 3 항에 있어서,
상기 RFP 회로 block은 상기 all-off 조건에서 상기 전력용량이 5.7dB 이상 증가하도록 구비된 것을 특징으로 하는 고전력 적응형 RF 안테나 튜닝 스위치.