KR20040097301A - 무선 단말기 및 무선 단말기용 모듈 - Google Patents

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KR20040097301A KR10-2004-7015940A KR20047015940A KR20040097301A KR 20040097301 A KR20040097301 A KR 20040097301A KR 20047015940 A KR20047015940 A KR 20047015940A KR 20040097301 A KR20040097301 A KR 20040097301A
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Abstract

본 발명에 따른 주파수 이중 시스템(a frequency duplex system)의 송신 및 수신 주파수 대역에서 사용하기 위한 무선 단말기는, 송신 및 수신 단(Tx, Rx)과, 송신 및 수신 단에 결합된 신호 전파 수단(22, 24, 26)을 포함한다. 신호 전파 수단은 상기 송신 및 수신 주파수 대역 중 더 큰 대역을 커버하기에 충분한 대역폭을 갖는 PIFA(Planar Inverted-F Antenna)와 같은 안테나 구조물(24)과, 각 급전 장치에 의해 상기 안테나 구조물(24)에 결합된 BAW 필터(22) 및 BAW 수신 필터(26)를 포함한다. 필터(22, 26)는 안테나 구조물이 작은 부피를 가지며 상이한 FDD 주파수에서 재이용할 수 있도록 한다.

Description

무선 단말기 및 무선 단말기용 모듈{IMPROVEMENTS IN OR RELATING TO WIRELESS TERMINALS}
통상적으로 셀룰러 전화기는 비교적 광대역폭 내에서 신호를 수신 및 송신하는 공통 안테나를 포함한다. FDD 시스템에 사용된 송신기 및 수신기의 주파수 모두를 커버할 정도로 충분히 넓은 대역폭을 갖는 다양한 안테나 장치가 종래 기술 분야에 공지되어 있다.
미국 특허 제 5,659,886 호는 그 서두에, 디지털 무선 통신을 위한 종래의 이동 장치에서, 수신기 및 송신기가 모두 송신 대역 통과 필터 및 수신 대역 통과 필터를 통해 공통 수신/송신 안테나에 접속되는 경우를 개시하고 있다. 이들 필터는 유전체 필터 또는 음향파 필터로서 제조될 수도 있다. 그러한 소자는 집적 회로로서 제조하기 어렵고, 또한 비교적 부피가 크기 때문에, 이 특허는 부피를 줄이기 위해 송신 대역 통과 필터를 아이솔레이터(isolator)로 교체하는 것을 제안하고 있다. 전술한 특정 예에서, 공통 안테나는 외부 휩 안테나(whip antenna)를 포함한다. 아이솔레이터는 안테나로부터 반사된 전력을 분산시킬 수 있기 때문에, 아이솔레이터 그 자체는 비효율적인 소자로서 간주된다.
이동 전화 핸드셋과 같은 무선 단말기는 PIFA(Planar Inverted-F Antenna) 등과 같은 내부 안테나를 포함한다. 그러한 안테나는 (파장에 비해) 소형이며, 따라서 협소 대역이라고 하는 소형 안테나의 기본적인 한계를 갖는다. 그러나, UMTS와 같은 셀룰러 무선 통신 시스템은 PIFA가 13.3%의 비대역폭(fractional bandwidth)을 가질 것을 요구한다. 예를 들어 PIFA로부터 그러한 대역폭을 획득하기 위해서는 상당한 부피가 요구되며, 안테나의 대역폭과 안테나의 부피 사이에는 직접적인 관계가 있지만, 그러한 부피는 현재의 소형의 핸드셋으로의 추세에 의해서는 쉽게 얻어질 수 없다. 따라서, 전술한 한계 때문에, 현재의 무선 단말기 내의 소형 안테나로부터 효과적인 광대역 방사(wide band radiation)를 얻을 수는 없다.
본 발명은 무선 단말기에서의 개선 및 무선 단말기에 관한 것으로, 특히 별개의 송신 및 수신 주파수 대역을 갖는, GSM, DCS 및 UMTS와 같은 FDD(frequency division duplex) 시스템을 포함하는 프로토콜에 따라서 동작하는 무선 단말기에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 무선 단말기의 일실시예의 개략적인 블록도.
도 2는 PIFA 및 송신 및 수신 필터를 구비한 회로 기판을 도시한 도면.
도 3은 PIFA의 방사 (또는 공통) 및 평형화(또는 차동) 모드를 도시한 도면.
도 4는 BAW 송신 및 수신 필터에 각각 접속된 안테나 구조물을 도시한 도면.
도 5는 안테나 구조물 및 BAW 필터의 S11응답을 도시한 도면.
본 발명의 목적은 비교적 작은 부피의 공통 수신/송신 안테나로부터 비교적 넓은 대역폭 내의 원하는 주파수 대역을 커버하는 것이다.
본 발명의 일측면에 따르면, 주파수 이중 시스템(a frequency duplexsystem)의 송신 및 수신 주파수 대역에서 사용하기 위한 무선 단말기로서, 송신 및 수신 단(transmitting and receiving stages)과 상기 송신 및 수신 단에 결합된 신호 전파 수단을 포함하고, 상기 신호 전파 수단은 상기 송신 및 수신 주파수 대역 중 더 큰 대역을 커버하기에 충분한 대역폭을 갖는 안테나 구조물과, 각 급전 장치에 의해 상기 안테나 구조물에 결합된 송신 필터 및 수신 필터를 포함하는 무선 단말기가 제공된다.
본 발명의 제 2 측면에 따르면, 주파수 이중 시스템의 송신 및 수신 주파수 대역에서 동작 가능한 무선 단말기에 사용하기 위한 모듈로서, 상기 송신 및 수신 주파수 대역 중 더 큰 대역을 커버하기에 충분한 대역폭을 갖는 안테나 구조물과, 각 급전 장치에 의해 상기 안테나 구조물에 결합된 송신 필터 및 수신 필터와, 상기 무선 단말기를 RF 단에 접속하기 위한 단자를 포함하는 신호 전파 수단을 포함하는 무선 단말기용 모듈이 제공된다.
본 발명은 필터가 FDD 시스템의 송신기 및 수신기 통과 대역을 브리징하는 통과 대역에서의 상이한 주파수에서 협소 대역 안테나 구조를 재이용할 수 있게 하는데 사용될 수 있다는 인식에 근거하고 있다.
본 발명의 일실시예에서, 안테나 구조는 PIFA를 포함한다. PIFA는 PIFA를 한 단부에서 상호접속되는 중심 요소와 두 개의 외부 요소로 분리시키는 두 개의 차동 슬롯을 포함할 수도 있다. 중심 요소의 자유단은 접지판에 접속되고, 두 개의 외부 요소의 자유단은 상기 수신 및 송신 필터에 각각 접속된다.
필터는 BAW(Bulk Acoustic Wave) 및 SAW(Surface Acoustic Wave) 필터와 같은 고체 상태 필터일 수도 있다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 예를 통해 본 발명을 설명한다. 도면에서, 동일한 참조 부호는 대응하는 특징부를 나타내는데 사용되었다.
도 1에서, 트랜스시버는 입력 신호 처리단(SPT)(12)에 결합된 신호 입력 단자(10)를 포함하는 송신기부(Tx)를 포함한다. 입력 신호 처리단(12)은 변조기(MOD)(14)에 결합되고, 이 변조기는 주파수 합성기와 같은 신호 발생기(18)가 접속되는 곱셈기(16)를 포함하는 주파수 업 컨버터에 변조된 신호를 제공한다. 주파수 업 컨버팅된 신호는 전력 증폭기(20), 송신 필터(22) 및 매칭/주파수 동조 네트워크(23)를 통해 신호 전파 구조물(24)에 결합된다.
트랜스시버의 수신기부(Rx)는 매칭/주파수 동조 네트워크(25) 및 수신 필터(26)를 통해 신호 전파 구조물(24)에 결합된다. 저잡음 증폭기(28)의 출력부는 주파수 합성기와 같은 신호 발생기(32) 및 곱셈기(30)를 포함하는 주파수 다운 컨버터에 결합된다. 주파수 다운 컨버팅된 신호는 복조기(DEMOD)(34)에서 복조되고 그 출력은 출력 신호를 단자(38)에 제공하는 신호 처리단(SPR)(36)에 인가된다. 트랜스시버의 동작은 프로세서(40)에 의해 제어된다.
도 2에서, 인쇄 회로 기판(PCB)은 한쪽 면 상에 소자들(도시되지 않음)을 구비하고, 반대쪽 면 상에 접지판(GP)을 구비한다. PIFA(24)는 PCB 상에 탑재되거나 또는 PCB에 포함된다. PIFA는, 예를 들어, 절연 재료 기둥을 사용하여 PCB에 포함되는 사전 형성된 금속판, PCB에 포함되는 인쇄 회로 기판의 사전 에칭된 부분, 절연 재료 상에 제공된 도전층을 선택적으로 에칭하거나 또는 절연 블록 상에 도전층을 선택적으로 인쇄함으로써 형성된 PIFA를 갖는 절연 재료의 블록 또는 셀룰러폰 케이스 상의 안테나와 같이 다양한 방식으로 구현될 수 있다. UMTS 주파수에서 사용하는데 있어서, PIFA(24)의 치수는 길이(치수 "a")가 30mm이고, 높이(치수 "b")가 10mm이며, 깊이(치수 "c")가 4mm이다. 이들 치수는 PIFA(24)가 보다 큰 FDD UMTS 대역을 커버하기에 충분한 대역폭을 갖도록 한다. 대역폭은 실질적으로 3.1%이다. 이것은 전체 UMTS 대역(약 13.3%)을 커버하는데 요구된 대역폭보다 4배 더 작다. 일반적으로 PIFA(24)는 송신 및 수신 대역 사이에서 공진한다.
PIFA(24)는 한쪽 에지로부터 다른 쪽 에지까지의 거리의 일부만큼 길이 방향으로 연장되는 두 개의 차동 슬롯(42, 44)을 구비한다. 그 결과는 그 단부 중 하나에 상호접속된 세 개의 빗살 또는 요소(PR1, PR2, PR3)와 서로 연결되어 있지 않은 다른 쪽 단부를 갖는 빗과 유사하다. 중간 요소(PR2)는 공통 단락 핀(a common shorting pin)(46)에 의해 공통 PCB의 접지판(GP)에 접속된다. 요소(PR1)는 핀(48)에 의해 송신 필터(22)(도 1)의 출력에 결합되고, 요소(PR3)는 핀(50)에 의해 수신 필터(26)에 결합된다(도 1).
차동 슬롯(differential slot)(42, 44)은 또한 안테나의 공진 주파수를 동조시키는데 사용될 수 있다. 비대칭 슬롯, 즉, 상이한 길이 및/또는 상이한 형상의 슬롯이 두 급전 장치, 즉 핀(48, 50)에 대해 상이한 공진 주파수를 제공한다.
차동 슬롯은 필수적인 것은 아니지만, 이들이 없으면 단락 핀(46)에 급전하는 필터에 대한 커플링 내에 잠재적인 인덕턴스의 문제가 존재한다. 슬롯은 차동 모드 리액턴스를 증가시키고 사용하지 않는 포트, 즉, 송신 모드에서는 수신기 포트, 수신 모드에서는 송신기 포트의 격리를 용이하게 한다. 이것은 도 3에 도시되어 있는데, 도 3에서는 요소(PR2)가 접지되고, 신호 소스(S1)가 요소(PR1)에 결합되는 PIFA(24)의 일실시예가 좌측에 도시되어 있다. 화살표(52)는 이 급전 장치가 차동 포트를 구성한다는 것을 나타낸다. 이런 방식으로 접속된 PIFA(24)는 방사(또는 공통) 모드(24R) 및 평형화(또는 차동) 모드(24B)의 조합과 등가인 것으로 표현될 수 있다. 방사 모드(24R)에서는, 동위상 신호 소스(S2, S3)가 요소(PR1, PR2)에 각각 결합되고, PIFA는 단일의 일체형 안테나로서 나타난다. 평형화 모드(24B)의 경우에, 반대 위상 소스(S4, S5)가 요소(PR1, PR2)에 각각 결합되며, 따라서 전류는 화살표(54, 56)로 나타낸 바와 같이 PR1에서 PR2로 흐르고, 슬롯(42) 양단에 전계가 존재한다. 이 모드에서는, 차동 모드 리액턴스가 증가하고, 필터를동조시킴으로써 사용되지 않은 포트를 보다 쉽게 격리시켜, 예를 들어 안테나에 대한 개방 또는 단락과 같이 반사 종료(reflective termination)를 제공한다.
도 4에서, 송신 필터(22)는 4 요소(4-element), 즉 매칭/주파수 동조 네트워크(23)에 의해 안테나 요소(PR1)에 결합된 비평형화(unbalanced) BAW 사다리꼴 필터를 포함한다. 이 유형의 필터는 송신기에 일반적으로 요구되는 비평형화 입력 및 출력을 허용한다. 50 ohm 임피던스(60)로 표현된 소스 임피던스가 2nH 인덕터에 의해 필터(22)의 입력에 결합된다. 6nH 인덕터(64)는 필터(22)의 출력을 안테나 요소(PR1)에 결합시킨다. 인덕터(62, 64)는 동조 기능을 수행하며, 인덕터(64)의 값은 PIFA(24)의 공진 주파수를 송신기 주파수 대역에 요구되는 공진 주파수까지 감소시키도록 최적화된다. 또한, 인덕터는 수신기 주파수에서 BAW 필터의 출력 정적 캐패시턴스(도시되지 않음)와 함께 적절한 단락 회로를 제공하도록 구성된다.
수신 필터(26)는 도 1에 도시된 실시예에서 저잡음 증폭기(28)를 포함하는 50 ohm 소스 임피던스(70)에 접속하기 위한 평형화 입력과, PIFA(24)의 요소(PR3)에 결합된 비평형화 출력을 갖는 평형화 BAW 격자 유형의 필터를 포함한다. 직렬 연결된 1.5nH 인덕터(72)와 션트(shunt) 2.4pF의 캐패시터(74)는 필터(24)의 출력 회로에 제공되고, 매칭/주파수 동조 네트워크(25)를 포함한다. 캐패시터(74)는 안테나의 공진 주파수를 증가시키고, 인덕터(72)는 수신기측이 매칭되어 송신 필터의 정적 캐패시턴스(도시되지 않음)와 외부 회로의 조합이 수신기용 안테나에 적절한 단락을 제공하도록 보장한다.
도 5는 UMTS 주파수 대역에 걸쳐서 동작하는 광대역 안테나에 대해 일점쇄선으로 표시한 이상적인 특성(84)과 함께 도 4에 도시된 결합된 PIFA 및 필터 조합에 대한 S11응답을 도시하고 있다. S11응답은 실선으로 표시된 송신기 특성(80) 및 점선으로 표시된 수신기 특성(82)을 포함한다. 송신기 특성(80)에 대하여, r1 및 r2로 표시된 점들은 1.920 GHz의 주파수에서 -18.428 dB의 감쇄 및 1.980 GHz의 주파수에서 -6.282 dB의 감쇄를 각각 나타낸다. 수신기 특성(82)의 경우에, r3 및 r4로 표시된 점들은 각각 2.110 GHz의 주파수에서 -14.057 dB의 감쇄 및 2.170 GHz의 주파수에서 -13.471 dB의 감쇄를 각각 나타낸다.
너무 작아서 송신기 및 수신기 대역 모두에서 동시에 커버할 수 없는 안테나를 이용하여 송신기 및 수신기 대역 모두에서 만족스런 성능이 달성된다는 것은 분명하다. 도 4에 도시된 조합에서, 수신기가 먼저 최적화되었고, 그 결과로 보다 우수한 성능이 나타나는데, 이것은 격자 필터(24)의 고유의 보다 우수한 성능에 의해 용이하게 된다. 그러나, 송신기의 성능은 다른 디자인 반복(disign iteration)에 의해 향상될 수 있는 것으로 생각된다.
도 5는 상이한 주파수(이중 주파수)에서 소형 안테나를 재사용하기 위해 필터를 이용하는 개념이 유효하다는 것을 확인시켜 준다. SAW 및 세라믹 필터와 같은 BAW 필터 외의 다른 유형의 필터에 의해 유사한 결과를 얻는 것이 가능하다.
본 명세서 및 청구범위에서 한 개로 한정되지 않은 요소는 그러한 요소가 복수 개 존재할 수도 있다. 또한 "포함"이라는 용어는 나열된 요소들 또는 단계들 외의 다른 요소들 또는 단계들의 존재를 배제하지 않는다.
이상의 상세한 설명으로부터, 당업자에게 자명한 다른 변형들이 있을 수도 있음을 알 수 있을 것이다. 그러한 변형들은 무선 단말기 및 그 구성요소의 설계, 제조 및 사용에 있어서 이미 공지되어 있는 다른 특징들을 포함할 수도 있고, 본원 명세서에서 설명한 특징들 대신에 또는 추가로 사용될 수도 있다.

Claims (12)

  1. 주파수 이중 시스템(a frequency duplex system)의 송신 및 수신 주파수 대역에서 사용하기 위한 무선 단말기로서,
    송신 및 수신 단(transmitting and receiving stages)과 상기 송신 및 수신 단에 결합된 신호 전파 수단을 포함하고,
    상기 신호 전파 수단은 상기 송신 및 수신 주파수 대역 중 더 큰 대역을 커버하기에 충분한 대역폭을 갖는 안테나 구조물과, 각 급전 장치(feed)에 의해 상기 안테나 구조물에 결합된 송신 필터 및 수신 필터를 포함하는
    무선 단말기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 안테나 구조물은 PIFA(Planar Inverted-F Antenna)를 포함하는
    무선 단말기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 PIFA는 두 개의 차동 슬롯(differential slot)을 포함하는
    무선 단말기.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 두 개의 차동 슬롯은 상기 PIFA를 중심 요소(central element)와 두 개의 외부 요소(outer element)로 분리시키고, 상기 중심 요소 및 외부 요소는 상호 접속되며,
    상기 중심 요소의 자유단은 접지판에 접속되고,
    상기 두 개의 외부 요소의 자유단은 상기 수신 및 송신 필터에 각각 접속되는
    무선 단말기.
  5. 제 3 항 또는 4 항에 있어서,
    상기 차동 슬롯은 사이즈 및 형상이 실질적으로 동일한
    무선 단말기.
  6. 제 3 항 또는 4 항에 있어서,
    상기 차동 슬롯은 비대칭인
    무선 단말기.
  7. 제 1 항 내지 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 송신 및 수신 필터는 BAW(Bulk Acoustic Wave) 필터인
    무선 단말기.
  8. 주파수 이중 시스템의 송신 및 수신 주파수 대역에서 동작 가능한 무선 단말기에 사용하기 위한 모듈로서,
    상기 송신 및 수신 주파수 대역 중 더 큰 대역을 커버하기에 충분한 대역폭을 갖는 안테나 구조물과, 각 급전 장치에 의해 상기 안테나 구조물에 결합된 송신 필터 및 수신 필터와, RF 단에 상기 무선 단말기를 접속하기 위한 단자를 포함하는 신호 전파 수단을 포함하는
    무선 단말기용 모듈.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 안테나 구조물은 PIFA(Planar Inverted-F Antenna)를 포함하는
    무선 단말기용 모듈.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 PIFA는 두 개의 차동 슬롯을 포함하는
    무선 단말기용 모듈.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 두 개의 차동 슬롯은 상기 PIFA를 중심 요소(central element)와 두 개의 외부 요소(outer element)로 분리시키고, 상기 중심 요소 및 외부 요소는 상호 접속되며,
    상기 중심 요소의 자유단은 접지판에 접속되고,
    상기 두 개의 외부 요소의 자유단은 상기 수신 및 송신 필터에 각각 접속되는
    무선 단말기용 모듈.
  12. 제 8 항 내지 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 송신 및 수신 필터는 BAW(Bulk Acoustic Wave) 필터인
    무선 단말기용 모듈.
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