KR20060013399A - 무선 단말기 및 무선 모듈 - Google Patents

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KR20060013399A
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Abstract

무선 단말기는 접지면을 구비한 기판(12)을 포함하는 하우징(10)과, 기판 상에 부착된 RF 구성 요소와, 기판에 의해 반송되며 RF 구성 요소에 전기적으로 결합된 PIFA(평탄형 역 F 안테나(16)와, PIFA에 의해 송신된 신호의 일부의 송신 대역폭을 최소한 부분적으로 겹치는 주파수 대역에서 신호를 수신하는 기판 내의 노치 안테나(14)를 포함한다.

Description

무선 단말기 및 무선 모듈{IMPROVEMENTS IN OR RELATING TO WIRELESS TERMINALS}
본 발명은 무선 단말기의 개선 또는 무선 단말기에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 절대적이지 않지만, GSM(880 내지 960 MHz), DCS(1710 내지 1880 MHz) 및 PCS(1850 내지 1990 MHz)와 같은 전화 표준과, 옵션으로 블루투스RTM(2.4GHz 영역의 ISM 대역)에 따라서 동작가능한 다수의 표준 셀룰러 전화에 응용된다. 또한, 본 발명은 안테나와, 결합 스테이지에 포함된 최소한의 구성 요소를 구비한 무선 모듈에 관한 것이다.
연속적인 세대의 셀룰러 전화를 개발하는 과정에서, 무선 단말기의 부피를 축소하는데에 상당한 노력을 소비했다. 전체 부피의 축소는 감도를 여전히 유지하면서 안테나의 부피를 축소하고자 하는 소망과 결합되었다. 외부 부착된 단극 안테나는 PIFA(평탄형 역 F 안테나) 및 노치 안테나와 같은 내부 안테나에 의해 이어졌다.
미국 특허 출원 공개 US 2003/0103010 A1에는 PIFA를 포함하는 이중 대역 안테나 배열을 구비한 핸드셋이 개시되어 있다. PIFA는, 낮은 SAR(전자파 인체 흡수율 : Specific Absorption Rate) 성능(및 헤드까지의 이로써 보다 적은 손실)을 나타내며, 전화 회로 위에 설치되고, 어느 정도 전화 내의 공간을 "재이용"하기 때문에, 핸드셋의 몇몇 제조업자에게 인기가 많다. 이러한 인용 명세서에 개시된 PIFA는 접지 도체, 적어도 RF 구성 요소가 그 위에 장착된 인쇄 회로판으로부터 이격되어 있지만 이 접지 도체에 인접하게 부착된 평탄형 패치 도체를 포함한다. 제 1 공급 도체는 제 1 포인트에서 패치 도체에 접속되며, 제 2 공급 도체는 제 2 포인트에서 패치 도체에 접속되며, 접지 도체는 제 1 및 제 2 포인트 사이에 위치한 제 3 포인트에서 패치 도체에 접속되어 있다. 안테나를 정합하는 임피던스는 제 1, 제 2 및 접지 도체의 상대적인 두께를 변경함으로써 변경될 수 있다. PIFA는 예를 들어, GSM 및 DCS 회로가 접속되는 디플렉서(diplexer)에 의해 공급된다. 변형예에서, 평탄형 패치 안테나는 평탄형 도체를 공통 공급선에 접속된 2개의 다른 크기의 안테나로 분할하는 것으로 고려될 수 있는 슬롯을 가진다. 보다 작은 2개의 안테나가 결합되어 DCS 주파수를 수신하고, 보다 큰 2개의 안테나가 결합되어 GSM 주파수를 수신한다. 그러나, 이러한 안테나는 물리적으로 커서 2 이상의 셀룰러 대역을 이용하는 것이 어렵다.
미국 특허 제 6,424,300 B1 호에는, 휴대용 무선 단말기에 사용하기 위한 노치 안테나가 개시되어 있다. 노치 안테나는 RF 신호를 송수신하기 위해 RF 회로를 구비한 인쇄 회로판(PCB)의 접지 평면 도체에 바람직하게 형성된다. 이러한 명세 서에서, 노치 안테나는 무선 통신 신호를 송수신하는 1차 안테나로서, 또는 블루투스 RTM 또는 GPS와 같은 신호를 수신하는 2차 안테나로서 사용될 수 있다. 노치 안테나가 2차 안테나로서 사용될 때, 1차 안테나는 다른 노치 안테나, 외부 단극 휩(whip) 안테나 또는 PIFA를 포함할 수 있다. 1차 및 2차 안테나가 둘 다 노치 안테나일 때, 이들 안테나는 그들 간을 양호하게 분리하는 수직 편광 방향을 바람직하게 가지고 있다. 필수적으로, 본 명세서는 2개의 안테나를 구비한 휴대용 무선 단말기를 개시하고 있으며, 여기서, 2개의 안테나 중 적어도 하나는 2개의 표준 중 하나에 따라서 동작하는 신호를 처리하는데 사용하기 위한 노치 안테나이다. 2 이상의 주파수 대역을 이용하는 배열은 개시되어 있지 않다.
발명의 개요
본 발명의 목적은 안테나 부피를 축소시키거나 무선 단말기에 의해 커버되는 대역의 개수를 증가시키는 것이다.
본 발명의 제 1 측면에 따르면, 접지 평면을 구비한 기판, 기판 상에 부착된 RF 구성 요소 및 접지 평면에 전기적으로 접속된 접속부를 구비한 PIFA(평탄형 역 F 안테나)를 포함하는 무선 단말기와 RF 구성 요소가 있으며, 신호를 수신하는 노치 안테나가 기판 내에 제공되며, PIFA가 신호를 송신하는데 사용될 때 노치 안테나를 활성화 해제하는 활성화 해제 수단이 제공되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제 2 측면에 따르면, RF 구성 요소가 부착되는 기판과, PIFA(평탄 형 역 F 안테나)에 접속하기 위한 수단을 포함하는 무선 모듈이 제공되며, 노치 안테나는 기판 내에 제공되며, 활성화 해제 수단은 노치 안테나를 활성화 해제하기 위해 제공되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은, 낮은 SAR 성능이 송신 용도로 PIFA를 주로 사용하는 것을 선호하고, 공동 위치한 노치가 수신용으로 사용되는 것(또는 이러한 응용예에서 SAR가 중요한 것으로 고려되지 않음)을 기초로 한다. 이러한 배열의 장점은, 송신 및 수신 대역 모두의 커버리지가 2 이상의 안테나 사이에서 분할되는 경우에, 안테나 분수 대역폭이 감소될 수 있다는 것이다.
본 발명은 첨부 도면을 기준으로 예시적으로 설명될 것이며,
도 1은 미국과 유럽에서 셀룰러 전화 대역이 할당되는 방법을 나타내는 도면,
도 2는 공동 위치한 PIFA 및 노치 안테나를 포함하는 휴대용 무선 단말기의 사시도,
도 3은 PIFA S11에 관련된 스미스(Smith) 차트,
도 4는 노치 안테나 S11에 관련된 스미스 차트,
도 5는 도 2에 도시된 안테나 배열을 작동시키기 위한 조합된 개략 회로도,
도 6은 수동 네트워크에 의해 종료되는 노치 안테나를 도시하는 도면,
도 7은 다이버시티 모드에서 동작되는 PIFA 및 노치 안테나의 블록도.
도면에서, 동일 참조 번호는 대응하는 특징을 나타내는데 사용된다.
도 1은 유럽과 북미 셀룰러 대역을 나타낸다. 송신 대역(Tx)은 (각 쌍의 좌측에서) 흑색으로 도시되며, 수신 대역(Rx)은 (우측에서) 백색으로 도시되어 있다. 유럽에서, 각각 880 내지 960 MHz 및 1710 내지 1880 MHz의 GSM 및 DCS 대역은 시분할 이중 방식 시스템을 채택하며, 1920 내지 1980 MHz(송신) 및 2110 내지 2170 MHz(수신)의 UMTS 대역은 주로 주파수 분할의 풀 듀플렉스이다. 미국에서, 시스템과 듀플렉스 방법의 혼합은 각각 824 내지 894MHz 및 1850 내지 1990MHz의 AMPS 및 PCS 대역에 사용된다. 1710 내지 1755MHz 및 2110 내지 2155MHz의 진보된 무선 시스템(AWS) 대역은, 그 대역이 사용될 수 있는 방법이 해결되었지만, 3G 시스템에 최근에 할당되었다.
현재 대부분의 전화는 US PCS 대역(TDMA IS54/136 모드)과 함께, 유럽 GSM 및 DCS 대역을 지원하도록 제조되고 있다. 대부분의 다른 나라에서는 유럽 또는 미국 대역 할당을 채택하고 있기 때문에, 이는 인접 세계의 로밍을 가능하게 한다. 이들 대역을 커버하기 위해서, 15.1%의 안테나 분수 대역폭이 필요하다(1710-1990MHz). 송신 대역만을 커버하기 위해서, 단 11%의 분수 대역폭만이 필요하며, 즉, 필요한 대역폭은 대략 1/3만큼 감소된다. 이러한 장점을 취하기 위해서, 본 발명에 따른 무선 단말기는 송신 대역에 대해 PIFA를, 또한 수신 대역, 예를 들어, PCS Rx 대역에 대해 노치를 이용한다. PIFA가 사용될 때, 노치는 개방 단말에 걸쳐 스위칭함으로써 활성화 해제될 수 있다. PIFA와 노치는 동일한 부피를 차지할 수 있고, 2개의 안테나 모두는 총 대역폭의 일부만을 커버할 필요가 있기 때문에, 차지하는 총 부피는 다른 알려진 해결 방법에 비해 축소될 수 있다.
도 2는 전형적으로 40x100x1mm를 측정하고, 모듈을 반송하는 인쇄 회로판(pcb)(12)의 형태의 기판을 포함하는 하우징(10)과, 무선 단말기의 RF, AF 및 제어 회로를 포함하는 다른 구성 요소를 포함하는 휴대용 무선 단말기의 사시도이다. 또한, pcb(12)는 pcb(12) 내에 구현된 노치 안테나(14)와, 노치 안테나(14) 위에 장착되고 pcb(12)와 평행한 평면 내에 위치하면서 pcb(12)와 이격된 이중 대역 GSM/DCS PIFA(16)를 포함하는 안테나 어셈블리의 접지 평면을 또한 형성한다.
노치 안테나(14)는 pcb(12) 내에 L형 노치(N)를 포함한다. 노치(N)는 pcb(12)를 가로질러 연장하는 제 1 블라인드 단부(blind end) 브랜치(B1)를 포함한다. 제 1 브랜치(B1)의 개방 단부는 제 2 브랜치(B2)의 하나의 단부와 통신하며, 브랜치(B2)의 다른 단부는 pcb(12)의 에지로 개방한다. 노치(N)는 제 1 브랜치(B1)의 블라인드 단부 부근의 선택된 포인트(18)에서 전달되고, 동조/스위칭 신호는 제 2 브랜치(B2)의 개방 단부에 인접한 선택된 포인트(20)에 인가된다. 노치 안테나(14)는 동조 캐패시터(22)를 선택된 포인트(20)에 배치함으로써 동조될 수 있다. 소형의 동조 캐패시터를 이용하면, 노치 안테나(14)는 이중 대역 PIFA(16)의 성능에 역효과를 내지 않고, 블루투스RTM, 또는 2.4GHz의 영역의 ISM 대역에서의 다른 주파수용으로 사용될 수 있다. 대형의 동조 캐패시터를 이용하면, 노치 안테나(14)는 PCS 수신 대역(1930-1990MHz) 용으로 사용될 수 있다.
PIFA(16)는 복수의 상호 접속 직선 섹션(L1, L2, L3, L4)에 의해 형성된 우회 라인 슬롯(24)을 구비한 평탄형 도체를 포함한다. 섹션(L1)은 하나의 단부에서 폐쇄되고, 섹션(L4)은 도 2에 도시된 바와 같이 평탄형 도체의 상부 에지에서 개방한다. 슬롯(24)은 공동 공급부에 접속된 2개의 안테나, 즉, DCS/PCS 주파수 대역용의 소형의 중앙 라디에이터와, GSM 대역용의, 중앙 라디에이터 주변에 감싸진 긴 라디에이터로 패치 도체를 분할하는 것으로서 고려될 수 있다. 피드 접속부(26)는 패치 도체의 코너(28)를 pcb(12)의 대응하는 코너에서 접속점(30)에 접속하고, 접지 접속부(32)는 코너(28)로서 슬롯(24)의 개구의 동일측에 위치한 패치 도체 상의 포인트(34)에 pcb(12) 상의 접지면을 접속한다.
작동시에, 노치 안테나(14)는 대형 캐패시터를 이용하여 PCS 수신 대역으로 동조될 수 있다. PIFA(16)가 동작하는 상위 주파수에 이러한 주파수가 근접함에 따라, PIFA가 사용될 때 개방 단부에서 노치를 단락하는 것이 필요하다. 이는 선택된 포인트(20)에 위치한 단일 스위치(SW2)(예를 들어, PIN 다이오드, FET 또는 MEM(마이크로 전자기 시스템) 장치)를 이용하여 달성될 수 있다.
스위치(SW2)가 온 상태, 즉, 도전성일 때, 40x100x1mm pcb(12) 상의 이중 대역 PIFA(16)의 S11 성능은 도 3에 도시된 스미스 차트에 도시된 바와 같다. 스미스 차트는 800 MHz와 3.0 GHz 사이의 주파수(f)에 대한 시뮬레이션 결과를 나타내며, 소스 임피던스는 50Ω이다. 마커(s1, s2)는 GSM 대역 에지를 나타내며, 마커(s3, s4)는 DCS 대역 에지를 나타낸다. 노치 안테나(14)는 PIFA의 입력 임피던스에 영향을 주지 않음을 알 수 있다. 노치 안테나(14)는 SAR에 악영향을 주지 않을 것으로 믿고 있다.
상술한 시뮬레이션에서, 안테나의 총 효율성(부정합을 포함)은, 스위치가 정확히 10Ω의 온 저항을 가진다고 가정할지라도, GSM 및 DCS/PCS 대역에 걸쳐 60%를 초과한다. 이런 이유로, 온 상태에서, 스위치 품질은 중요한 요인이 아니다는 것이 증명되었다.
스위치(SW2)가 오프된 상태, 즉 비전도성이고, PCS 수신용의 최적의 동조 캐패시턴스(22)가 개방 단부에서 노치(N)를 오프하도록 인가될 때, 800 MHz와 3.0 GHz 사이의 주파수(f)의 노치 안테나(14)의 성능이 도 4에 도시된 바와 같다. 도 4에서, 마커(s1, s2)는 PCS Rx 대역 에지를 나타낸다. 이러한 시뮬레이션을 마킹할 때, 오프 상태는 0.2pF의 역바이어스 캐패시턴스와 20의 Q를 가진 PIN 다이오드에 의해 제공되는 것으로 가정된다. 이러한 조건에서, 50%의 최악의 효율성(부정합을 포함)이 달성된다. 보다 양호한 성능은 MEM 장치와 같은 양호한 품질의 스위치를 이용하여 달성될 수 있다.
도 5는 PIFA(16)와 노치 안테나(14)용의 상술한 회로 모델을 개략적으로 도시한다.
GSM(송신/수신 모드)와 DCS 송신 모드에서, 스위치(SW2)와 동기적으로 동작되는 스위치(SW1)는 PIFA 피드 포인트(26)에 접속되어 있다. 스위치(SW2)에 의해 닫힌 동조 캐패시터(22)는 노치 안테나(14)에 접속되어 있다. 스위치(SW2)의 동작은 제어기(36)에 의해 제어된다. 피드 포인트(18)는 캐패시터(C1)에 의해 PCS 수신기(38)의 입력에 결합되어 있다. 다른 캐패시터(C2)는 입력을 접지시킨다.
PIFA(16)의 피드 접속부(26)는 일련의 스위치(SW1)에 의해 디플렉서(40)에 결합되어 있다. 스위치(SW1)는 제어기(36)에 의해 제어된다. GSM/DCS/PCS 송신기(42)는 디플렉서(40)의 입력에 결합되며, 디플렉서의 출력은 GSM/DCS 수신기(44)에 결합되어 있다.
송신/수신 모드에서, 제어기(36)는 스위치(SW1, SW2)를 동기적으로 동작시켜 둘 다의 스위치를 온 또는 오프시킨다.
GSM/DCS/PCS 송신 모드에서, 스위치(SW1, SW2)는 온 상태에 있다. 송신기(42)는 스위치(SW1)에 의해 PIFA(16)의 피드 포인트(26)에 결합되어 있다. 온 상태에 있는 스위치(SW2)는 동조 캐패시터(22)를 닫음으로써 노치 안테나(14)를 동조 해제한다.
스위치(SW1, SW2)가 오프 상태에 있을 때, 송신 신호는 피드 포인트(26)에 공급되지 않으며, 동조 캐패시터(22)는 노치 안테나(14)에 결합되어 PCS 신호를 수신할 수 있다. 수신된 신호는 캐패시터(C1)에 의해 PCS 수신기로 전달된다.
도 6은 노치 안테나(14)가 신호를 송신하는 것을 차단하기 위한 수동 네트워크(46)의 사용을 도시하고 있다. 수동 네트워크(46)는 노치 안테나의 주파수에서는 개방 회로이며, PIFA의 주파수에서는 단락 회로인 밴드스톱 필터 특성을 갖는다. 예를 들어, PIFA(16)는 UMTS Tx용으로 사용되며, 노치 안테나(14)는 UMTS Rx 용으로 사용된다. Tx와 Rx 둘 다는 UMTS 용으로 동시에 필요하기 때문에, 노치 안테나(14)는, 실제로 단락되는 동조 캐패시터와 필터, 즉, 수동 네트워크(46)에 의해 UMTS 송신 주파수에서 비활성 상태이며, 실질적으로 개방 회로인 네트워크(46)의 결과로 효과적인 동조 캐패시터와 필터에 의해 UMTS 수신 주파수에서 활성 상태로 되도록 형성될 수 있다. 수동 네트워크는 벌크 음파(BAW) 공진자로서 구현될 수 있다.
하나 이상의 노치 안테나가, 예를 들어, GSM/DCS/PCS 및 블루투스RTM의 동시 제공용으로 또는 다이버시티의 제공용으로 사용될 수 있다.
도 7은 신호 품질/세기 측정값에 기초하여 이들 안테나 중 하나 또는 다른 하나를 선택하는 스위칭 다이버시티를 위해, 또한, 안테나 둘 다에 의해 수신된 신호를 조합하는 동시 다이버시티를 위해서 PIFA와 노치 안테나를 이용하는 개략적인 회로 배열을 도시한다. 둘 다의 안테나의 출력은 각각의 증폭기(48, 50)의 입력에 접속되어 있다. 이들 증폭기의 출력은 증폭기의 출력을 조합하는 합산 스테이지(52)에 접속되어 있다.
증폭기(48, 50)의 출력은 제어기(36)에 출력이 결합된 신호 품질/세기 측정 스테이지(54)에 또한 접속되어 있다.
스위칭 다이버시티의 경우에, 제어기(36)는 도 5를 기준으로 설명한 방식으로 스위치(SW1, SW2)를 제어하며, 이들 스위치는 온 상태 또는 오프 상태에 있으며, 그 결과, 한번에 PIFA 또는 노치 안테나 중 하나 또는 다른 하나가 사용중에 있다. 동작시에, PIFA가 선택되면, 품질/세기는 측정 스테이지(54)에 의해 측정된다. 제어기(36)는 스위치의 조건을 변경시키고, 그 결과, 노치 안테나(14)를 이용하여 측정한다. 결과는 비교되며, 보다 양호한 안테나가 제어기(36)에 의해 선택된다.
동시의 경우에, 제어기는, 도시된 바와 같이, SW1가 온 상태에 있고, SW2가 오프 상태에 있도록, 스위치(SW1, SW2)를 제어한다. 2개의 안테나로부터의 신호는 합산 스테이지(52)에서 합산된다.
본 발명은 몇몇 대역용으로 낮은 SAR 만이 필요한 다중 대역 시스템에 적용될 수 있다. 이는 모든 현재 및 미래의 무선 통신 시스템에 특히 적합하다.
본 발명이 PIFA 안테나를 가지며 GSM, DCS 및 PCS 대역에서 동작하는 무선 단말기를 기준으로 설명되어 있지만, 본 발명은 다중 대역 라디오 및 다른 이중 대역 응용예에 적용될 수 있다.
본 명세서 및 청구범위에서, 구성 요소가 "단수"임을 표시하는 용어는 이러한 구성 요소가 복수개 존재할 수 있음을 배제하지 않는다. 또한, "포함하는"의 용어는 리스트된 구성 요소 또는 단계 이외의 다른 구성 요소 또는 단계를 배제하지 않는다.
본 명세서를 읽으면, 당업자라면 다른 수정이 가능함이 자명할 것이다. 이러한 수정은 무선 단말기와 구성 요소 부품의 설계, 제조 및 사용에서 이미 알려져 있으며 본 명세서에 이미 설명된 특징에 추가하여 또는 대신에 사용될 수 있는 다른 특징을 포함할 수 있다.
본 발명은 다중 표준 셀룰러 전화와 같은 안테나, 무선 모듈 및 무선 단말기에 이용가능하다.

Claims (10)

  1. 상부에 접지면(12)을 구비한 기판과,
    상기 기판 상에 부착된 RF 구성 요소와,
    상기 접지면에 전기적으로 결합된 접속부를 구비한 PIFA(평탄형 역 F 안테나)(16)를 포함하되,
    노치 안테나(14)가 신호를 수신하기 위해 상기 기판 내에 제공되며,
    상기 PIFA(16)가 신호를 송신하는데 사용되고 있을 때 활성화 해제 수단(SW1, SW2, 36)이 상기 노치 안테나를 활성화 해제하기 위해 제공되는 것을 특징으로 하는 무선 단말기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 PIFA는 이중 대역 슬롯의 평탄 패치 안테나인 것을 특징으로 하는 무선 단말기.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 활성화 해제 수단은 상기 노치 안테나의 활성화에 응답하여 상기 PIFA를 활성화 해제하는 것을 특징으로 하는 무선 단말기.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 활성화 해제 수단은 상기 노치 안테나를 동조 해제하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 단말기.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 노치 안테나를 동조하기 위해서 상기 노치에 걸쳐 캐패시턴스 수단이 접속되며,
    상기 노치 안테나를 활성화 해제하는 수단은 상기 캐패시턴스 수단을 단락하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 단말기.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 활성화 해제 수단은 상기 패치 안테나의 동작 주파수에서 개방 회로를 나타내며 상기 PIFA의 동작 주파수에서 단락 회로를 나타내는 수동 네트워크(46)를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 단말기.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 활성화 해제 수단은 상기 PIFA와 상기 노치 안테나 모두가 수신 모드에서 활성 상태인 다이버시티 동작 모드를 가지며, 상기 PIFA와 상기 노치 안테나로부터의 출력 신호를 합산하는 수단이 제공되는 것을 특징으로 하는 무선 단말기.
  8. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 PIFA와 상기 노치 안테나에 의해 수신된 신호의 동시성 품질을 측정하고, 신호를 수신함에 있어서 보다 양호한 품질 신호를 수신하는 상기 PIFA와 노치 안테나 중 하나를 선택하는 수단(54)을 특징으로 하는 무선 단말기.
  9. 무선 모듈로서,
    RF 구성 요소가 그 위에 부착된 기판(12)과,
    PIFA(평탄형 역 F 안테나)(16)에 접속하기 위한 수단을 포함하되,
    노치 안테나(14)가 상기 기판 내에 제공되며,
    활성화 해제 수단(SW1, SW2)이 상기 노치 안테나를 활성화 해제하기 위해 제공되는 것을 특징으로 하는 무선 모듈.
  10. 제 9 항에 있어서,
    캐패시턴스 수단이 상기 노치 안테나를 동조하기 위해서 상기 노치에 걸쳐 접속되며,
    상기 노치 안테나를 활성화 해제하는 수단은 상기 캐패시턴스 수단을 단락하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 모듈.
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