KR20060032302A

KR20060032302A - 내장형 안테나를 갖는 휴대용 무선단말기의 안테나 매칭장치 및 방법

Info

Publication number: KR20060032302A
Application number: KR1020040081196A
Authority: KR
Inventors: 김강식
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2004-10-12
Filing date: 2004-10-12
Publication date: 2006-04-17
Also published as: EP1648095A2; DE602005022151D1; US7239289B2; EP1648095B1; US20060077107A1; EP1648095A3; CN1761163A; KR100714163B1

Abstract

본 발명은 내장형 안테나를 갖는 절첩식(foldable type) 휴대용 무선단말기의 안테나 매칭 장치에 관한 것으로, 안테나와 듀플렉서 사이에 연결되는 파이형 매칭회로와, 상기 파이형 매칭 회로와 상기 듀플렉서 사이에 병렬(shunt)로 연결되는 수동소자와, 폴더의 개폐에 따라 상기 수동소자의 일단을 접지(GND)에 연결하거나 오픈(open)시키는 능동소자를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이와 같은 본 발명은 폴더 개방 및 폐쇄 사이에 발생했던 임피던스 매칭의 차이를 줄일 수 있기 때문에, 단말기의 개폐에 관계없이 방사 성능(정재파비, 공진주파수)을 항상 일정하게 유지할수 있는 이점이 있다.

안테나 임피던스 매칭, 정재파비, 공진주파수, 능동형 매칭회로, 파이형 매칭회로

Description

내장형 안테나를 갖는 휴대용 무선단말기의 안테나 매칭 장치 및 방법{ANTENNA MATCHING DEVICE AND METHOD FOR PORTABLE WIRELESS TERMINAL WITH BUILT-IN ANTENNA}

도 1은 종래기술에 따른 안테나 매칭 장치의 구성을 보여주는 도면.

도 2a 및 도 2b는 도 1의 파이형 매칭 회로를 사용했을 때 폴더 개방 및 폐쇄에 따른 VSWR 측정 결과를 나타낸 그래프.

도 3은 일반 내장형 안테나를 갖는 폴더 타입 휴대용 무선단말기의 사시도.

도 4는 도 3의 폴더가 개방된 상태를 도시한 휴대용 무선단말기의 사시도.

도 5는 도 4의 상태에서 단말기상의 인테나 위치를 개략적으로 도시한 도면.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 내장형 안테나를 갖는 폴더 타입 휴대용 무선단말기에서 방사 성능 개선을 위한 안테나 매칭 장치의 구성을 보여주는 도면.

도 7a 및 도 7b는 도 6의 안테나 매칭 장치를 사용했을 때 폴더 개방 및 폐쇄에 따른 VSWR 측정 결과를 나타낸 그래프.

본 발명은 내장형 안테나(built-in antenna device)를 갖는 휴대용 무선단말기에 관한 것으로, 특히 단말기 폴더의 개방 및 폐쇄 상태에 관계없이 항상 일정한 방사 성능을 갖도록 하는 안테나 매칭 장치 및 방법에 관한 것이다.

최근 들어, 휴대용 무선단말기가 점차 보급화되어감에 따라 다양한 기능과 디자인의 단말기가 등장하고 있다. 또한, 단말기가 점차 소형화, 경박 단소화되어감과 동시에 그 기능의 다양성이 더욱 부각되고 있는 실정이다. 따라서, 상기와 같은 소비자의 욕구를 만족시키기 위해서는 기능을 유지 또는 향상시키면서도 단말기의 부피를 줄여야 하는데 역점을 두고 있다.

특히, 안테나 장치의 경우, 단말기의 외부로 일정 길이만큼 돌출되도록 설치되는 로드 안테나(또는 휩 안테나) 또는 헬리컬 안테나는 단말기의 낙하시 파손될 수 있는 가장 취약한 부분이며, 휴대성을 저하시키는 문제점을 야기시킨다. 따라서, 최근에는 단말기의 내부에 실장되는 내장형 안테나(소위 '인터널 안테나' 또는 '인테나'라고 함)를 많이 사용하고 있다. 상기 내장형 안테나에는 예를들어, PIFA(Planar Inverted-F Antenna)형 안테나와 FMA(folded monopole ant)형 안테나 등이 있다.

기존의 외장형 안테나는 안테나의 게인이 충분하기 때문에 설계가 용이하나, 상기 내장형 안테나는 단말기의 모양에 따라서 개발하기가 상당히 어려운 문제점이 있다. 가장 문제가 되는 것은, 내장형 안테나를 사용하는 경우, 폴더 개방(또는 슬라이드 업) 및 폐쇄(또는 슬라이드 다운)에 따라 각각 임피던스가 달라져서 송수신 율 저하를 가져온다는 것이다. 즉, 폴더 개방(또는 슬라이드 업)과 폐쇄(슬라이드 다운)에 따라 방사 성능에서 많은 차이를 보이고 있다. 이와 같이, 방사 성능에서 많은 차이를 보이는 이유는, 안테나 임피던스 매칭을 폴더 개방(또는 슬라이드 업) 기준으로 설계하기 때문이다.

도 1은 종래기술에 따른 안테나 매칭 장치의 구성을 보여준다. 도시된 바와 같이, 종래기술에 따르면, 수동소자(예 : L과 C)들로 이루어진 파이(π)형 매칭 회로를 이용해 안테나 임피던스를 매칭한다. 상기 파이형 매칭 회로는 당업계에서 널리 알려진 기술이기 때문에 그 상세한 설명은 생략하기로 한다. 여기서, 상기 파이형 매칭 회로는 폴더 개방(또는 슬라이드 업)을 기준으로 설계된 것이다.

일반적으로, 임피던스는 전류가 흐르기 어려움을 나타내는 양이다. 리그(RIG)와 동축케이블, 그리고 안테나 모두 각각의 임피던스 값을 가지고 있다. 이 세 임피던스 값이 일치할 때 가장 효과적으로 전파가 전달된다. 보통 리그(RIG)와 동축케이블의 임피던스는 50Ω으로 고정되어 생산된다. 그러나 안테나 임피던스는 50Ω이 아닌 경우가 많다. 그러므로 안테나의 임피던스가 50Ω에 가깝도록 조정을 해주어야 하며 이러한 조정을 매칭(matching)이라고 한다. VSWR(Voltage Standing Wave Ratio : 정재파비)는 바로 임피던스가 일치한 정도를 나타내는 값이다. 상기 VSWR은 1 이상의 값을 가지며 VSWR이 1에 가까우면 더욱 효과적으로 전파를 보낼수 있고 리그(RIG) 손상이 적어진다.

도 2a 및 도 2b는 도 1과 같은 파이형 매칭 회로를 사용했을 때 폴더 개방 및 폐쇄에 따른 VSWR 측정 결과를 나타낸 그래프이다. 도 2a는 폴더 개방 상태에서 의 그래프를 보여주고, 도 2b는 폴더 폐쇄 상태에서의 그래프를 보여준다. 그래프에서 가로축은 주파수(f)이고, 세로축은 정재파비를 나타낸다.

여기서, 시뮬레이션에 사용된 파이형 매칭 회로의 각 수동소자 값을 살펴보면, L1은 5.6nH이고, L2는 1.0nH이며, C1은 1.5pF이다. 도면에서 마크1 및 마크2는 GSM(Global System for Mobile)의 상하 주파수(880MHz, 960MHz)에서 측정된 정재파비를 나타내고, 마크3 및 마크4는 DCS(Digital Cordless System)의 상하 주파수(1710MHz, 1880MHz)에서 측정된 정재파비를 나타낸다.

먼저, 폴더 개방 상태(도 2a)를 살펴보면, GSM의 경우 송신시 정재파비가 "2.3629"이고, 수신시 정재파비가 "1.4791"이다. 이에 반하여, 폴더 폐쇄 상태(도 2b)의 경우, 송신시 정재파비가 "7.0171"이고, 수신시 정재파비가 "2.5504"이다. 또한, 폴더 폐쇄 상태에서 공진주파수가 사용 주파수 대역(880-960MHz) 외에 나타남을 알 수 있다. 이와 같이, 폴더 폐쇄 상태에서, 공진주파수가 원하는 주파수가 아닌 다른 주파수로 이동되고, 정재파비가 높아지는 이유는 안테나 임피던스 매칭이 폴더 개방을 기준으로 설계되었기 때문이다. 특히, 공진주파수가 사용 주파수 대역을 이탈하게 되면, 단말기의 송수신율 저하를 가져와 약전계에서 뮤트(mute)가 발생하는 문제점이 있다.

이상 살펴본 바와 같이, 종래기술에 따르면, 하나의 파이형 매칭 회로를 가지고 안테나 매칭을 수행한다. 이러한 파이형 매칭 회로는, 폴더 개방(슬라이드 업) 및 폴더 폐쇄(슬라이드 다운) 모두의 경우를 커버(cover)하지 못하기 때문에, 방사 특성이 어느 한쪽의 경우(폴더 개방)로 치우칠 수밖에 없다. 즉, 폴더의 개폐에 관계없이 항상 일정한 방사 성능을 가질 수 있는 안테나 매칭 기술이 요구되고 있다.

따라서 본 발명의 목적은 내장형 안테나를 갖는 절첩식(foldable type) 휴대용 무선단말기에서 단말기의 개폐에 관계없이 항상 일정한 방사 성능을 갖도록 하는 안테나 매칭 장치 및 그 운용 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 내장형 안테나를 갖는 절첩식 휴대용 무선단말기에서 단말기의 개폐에 관계없이 항상 일정한 공진주파수를 갖도록 하는 안테나 매칭 장치 및 그 운용 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 내장형 안테나를 갖는 절첩식 휴대용 무선단말기에서 단말기의 개폐에 관계없이 항상 일정한 정재파비를 갖도록 하는 안테나 매칭 장치 및 그 운용방법을 제공하는데 있다.

상기 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 제1견지에 따르면, 내장형 안테나를 갖는 절첩식(foldable type) 휴대용 무선단말기의 안테나 매칭 장치는, 안테나와 듀플렉서 사이에 연결되는 파이형 매칭회로와, 상기 파이형 매칭회로와 상기 듀플렉서 사이에 연결되는 능동형 매칭회로와, 폴더의 개폐에 따라 상기 능동형 매칭회로를 동작 또는 오픈(open)시키는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제2견지에 따르면, 내장형 안테나를 갖는 절첩식(foldable) 휴대용 무선단말기의 안테나 매칭 장치는, 안테나와 듀플렉서 사이에 연결되는 파이형 매칭회로와, 상기 파이형 매칭 회로와 상기 듀플렉서 사이에 병렬(shunt)로 연결되는 수동소자와, 폴더의 개폐에 따라 상기 수동소자의 일단을 접지(GND)에 연결하거나 오픈(open)시키는 능동소자를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제3견지에 따르면, 내장형 안테나를 가지며, 안테나와 듀플렉서 사이에 파이형 매칭회로와 능동형 매칭회로가 연결되는 휴대용 무선단말기에서, 안테나 임피던스 매칭 방법은, 폴더의 개폐를 감지하는 과정과, 상기 폴더 개방 감지시, 상기 파이형 매칭회로만 동작하는 과정과, 상기 폴더 폐쇄 감지시, 상기 파이형 매칭회로와 상기 능동형 매칭회로가 함께 동작하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면의 참조와 함께 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

이하 본 발명은 내장형 안테나를 갖는 절첩식(foldable type) 휴대용 무선단말기에서 단말기의 개폐에 관계없이 항상 일정한 방사 성능을 갖도록 하는 안테나 매칭 장치에 대해 설명할 것이다. 여기서, 단말기의 개폐는 폴더 개/폐 및 슬라이드 업/다운을 모두 포함하는 의미이다. 본 발명을 설명함에 있어서, 폴더 타입 단 말기를 예를들어 설명하나, 내장형 안테나를 사용하는 슬라이딩 단말기에도 동일하게 적용할수 있음은 물론이다.

도 3은 일반 내장형 안테나를 갖는 폴더 타입 휴대용 무선단말기의 사시도이고, 도 4는 도 3의 폴더가 개방된 상태를 도시한 휴대용 무선단말기의 사시도이고, 도 5는 도 4의 상태에서 단말기상의 인테나 위치를 개략적으로 도시한 도면이다.

일반적인 내장형 안테나를 갖는 절첩식 휴대용 무선 단말기는 도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 메인 바디인 본체(110)와 상기 본체상에서 일정 각도로 개폐 가능하도록 설치되는 폴더(120) 및 상기 본체상에 폴더를 일정 각도(일반적으로 약 130°∼140°)로 개폐시키는 힌지 모듈로 구성된다.

상기 본체(110)에는 데이터 입력 수단으로 네비게이션 키버튼을 포함하는 키패드 어셈블리(140)가 설치되어 있으며 그 하측으로는 음성을 입력할수 있는 송화부인 마이크로폰 장치(150)가 설치된다. 또한, 상기 폴더(120) 상에는 데이터 출력수단인 디스플레이 장치(130)(바람직하게는 컬러 와이드 엘씨디 모듈)가 설치되며, 그 상측으로는 음성을 송출할수 있는 수화부인 스피커폰 장치(160)가 설치된다. 또한, 폴더의 외면상에는 슬레이브 엘씨디 모듈이 설치될 수 있으며, 그 상부에 피사체 촬영을 위한 카메라 장치(170)가 설치된다. 본 발명에 따른 단말기(100)는 기기의 내부에 실장되는 내장형 안테나를 채용하였기 때문에 본체 외부로 돌출되는 안테나 장치가 존재하지 않는다.

도 5는 내장형 안테나가 단말기의 RF보드에 실장되는 상태를 개략적으로 도 시한 구성도로서, RF보드(112)는 단말기(100)의 본체(110)에 설치되고, 그 상부에 내장형 안테나(113)가 설치된다. 상기 내장형 안테나(113)는 플레이트 형태의 다양한 모양으로 형성될 수 있다. 예컨대, 단말기의 형태, 크기, 사용 주파수 등에 따라 안테나의 특성을 향상시킬 수 있는 여타 다른 모양으로 형성되어도 무방하다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 내장형 안테나를 갖는 폴더 타입 휴대용 무선단말기에서 방사 성능 개선을 위한 안테나 매칭 장치의 구성을 도시하고 있다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 안테나 매칭 창치는, 파이(π)형 매칭회로(601), 능동(active)형 매칭회로(603), 폴더 개폐 감지부(605) 및 제어부(607)를 포함하여 구성된다. 여기서, 상기 능동형 매칭회로는, 수동소자(613)와 능동소자(623)를 포함하여 구성된다. 이하 설명은, 예를들어 상기 수동소자(613)로 인덕터(L)를 사용하고, 상기 능동소자(623)로 트랜지스터(Transistor)를 사용하는 것으로 가정하기로 한다.

상기 파이형 매칭회로(601)는 안테나(ANT)와 RF입출력 단자(또는 듀플렉서) 사이에 연결된다. 인덕터(613)의 일단은 상기 파이형 매칭회로(601)와 상기 RF입출력단자 사이에 연결되고, 타단은 트랜지스터(623)의 콜렉터(Collector)단에 연결된다. 상기 트랜지스터(623)의 베이스(base)단은 제어부(607)의 소정 GPIO(General Purpose Input/Output)에 연결되고, 에미터(emitter)단은 접지(GND)에 연결된다.

도 6을 참조하면, 폴더 개폐 감지부(605)는 폴더의 개폐를 감지하여 그 감지신호를 제어부(607)로 출력한다. 상기 제어부(607)는 상기 폴더 개폐 감지부(605) 로부터의 상기 감지신호에 따라 상기 트랜지스터(623)의 베이스단으로 제어신호를 발생한다. 예를들어, 폴더가 개방되면 상기 트랜지스터(623)로 로우(Low) 신호를 발생하고, 폴더가 폐쇄되면 상기 트랜지스터(623)로 하이(High) 신호를 발생한다.

상기 트랜지스터(623)는 상기 제어부(607)로부터의 제어신호에 따라 온/오프되어 상기 인덕터(613)의 타단을 오픈(open)시키거나 접지(GND)에 연결한다. 만일, 폴더가 개방된 상태이면, 상기 트랜지스터(623)는 오프(off)되고 이로 인해 상기 인덕터(613)의 타단은 오픈(open)된다. 따라서, 파이형 매칭 회로(601)만 동작한다. 여기서, 파이형 매칭회로(601)는 폴더 개방 상태를 기준으로 최적화되었기 때문에, 폴더 개방 상태에서 최적화된 방사 성능으로 통신을 수행할수 있다.

만일, 폴더가 폐쇄된 상태이면 상기 트랜지스터(623)는 온(on)되고 이로 인해 상기 인덕터(613)의 출력단은 접지(GND)에 연결된다. 따라서, 파이형 매칭회로(601)와 상기 인덕터(613)가 함께 동작한다. 여기서, 상기 파이형 매칭회로(601)와 상기 능동형 매칭 회로(603)를 포함하는 임피던스 매칭 회로는 폴더 폐쇄 상태를 기준으로 최적화되었기 때문에, 폴더 폐쇄 상태에서도 최적화된 방사 성능으로 통신을 수행할수 있다.

도 7a 및 도 7b는 도 6과 같은 안테나 매칭 장치를 사용했을 때 폴더 개방 및 폐쇄에 따른 VSWR 측정 결과를 나타낸 그래프이다. 도 7a는 폴더 개방 상태에서의 그래프를 보여주고, 도 7b는 폴더 폐쇄 상태에서의 그래프를 보여준다. 그래프에서 가로축은 주파수(f)이고, 세로축은 정재파비를 나타낸다.

여기서, 시뮬레이션에 사용된 안테나 임피던스 매칭 회로의 각 수동소자 값을 살펴보면, L1은 5.6nH이고, L2는 1.0nH이며, C1은 1.5pF이고, L3은 4.7nH이다. 도면에서 마크1 및 마크2는 GSM(Global System for Mobile)의 상하 주파수(880MHz, 960MHz)에서 측정된 정재파비를 나타내고, 마크3 및 마크4는 DCS(Digital Cordless System)의 상하 주파수(1710MHz, 1880MHz)에서 측정된 정재파비를 나타낸다. 본 발명에서도 폴더 개방 상태에서는 파이형 매칭 회로만 동작하기 때문에, 폴더 개방 상태에서의 그래프(a)가 종래기술과 동일함을 알 수 있다.

먼저, 폴더 개방 상태(도 7a)를 살펴보면, GSM의 경우 송신시 정재파비가 "2.3629"이고, 수신시 정재파비가 "1.4791"이다. 이에 반하여, 폴더 폐쇄 상태(도 7b)의 경우, 송신시 정재파비가 "1.73961"이고, 수신시 정재파비가 "2.1567"이다. 즉, 폴더의 개폐와 관계없이 정재파비가 거의 비슷한 수준으로 유지됨을 알 수 있다. 기존의 그래프(도 2b)와 비교했을 때, 본 발명은 폴더 폐쇄 상태에서 종래기술에 비하여 정재파비가 많이 개선됨을 알 수 있다. 아울러, 본 발명은 공진주파수도 사용 주파수 대역(880-960MHz) 내에 존재하기 때문에 종래기술에 비하여 방사 성능을 현저히 높일 수 있다.

한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 예를들어, 본 발명에 따른 안테나 임피던스 매칭 회로에 사용되는 수동소자들은 마이크로스트립(microstrip)과 같은 분산소자로 대치 가능하다. 그러므로 본 발 명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 내장형 휴대용 무선단말기에서 폴더 개방 및 폐쇄 사이에 발생했던 임피던스 매칭의 차이를 줄일 수 있는 효과가 있다. 즉, 단말기의 개폐에 관계없이 방사 성능(정재파비, 공진주파수)을 항상 일정하게 유지할수 있는 이점이 있다.

Claims

내장형 안테나를 갖는 절첩식(foldable type) 휴대용 무선단말기의 안테나 매칭 장치에 있어서,

안테나와 듀플렉서 사이에 연결되는 파이형 매칭회로와,

상기 파이형 매칭회로와 상기 듀플렉서 사이에 연결되는 능동형 매칭회로와,

폴더의 개폐에 따라 상기 능동형 매칭회로를 동작 또는 오픈(open)시키는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항에 있어서,

상기 폴더의 개폐 감지 신호를 상기 제어부로 제공하기 위한 폴더개폐 감지부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항에 있어서, 상기 능동형 매칭회로는,

상기 파이형 매칭 회로와 상기 듀플렉서 사이에 병렬(shunt)로 연결되는 수동소자와,

상기 제어부의 제어하에 상기 수동소자의 일단을 접지에 연결하거나 오픈(open)시키기 위한 능동소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제3항에 있어서,

상기 수동소자는 인덕터 또는 캐패시터 또는 마이크로스트립(microstrip)과 같은 분산소자로 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
제3항에 있어서,

상기 능동소자는 트랜지스터로 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항에 있어서, 상기 능동형 매칭회로는,

상기 파이형 매칭 회로와 상기 듀플렉서 사이에 병렬(shunt)로 연결되는 인덕터와,

상기 제어부의 제어하에 온/오프되어 상기 인덕터의 일단을 접지에 연결하거나 오픈(open)시키기 위한 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
내장형 안테나를 갖는 절첩식(foldable) 휴대용 무선단말기의 안테나 매칭 장치에 있어서,

안테나와 듀플렉서 사이에 연결되는 파이형 매칭회로와,

상기 파이형 매칭 회로와 상기 듀플렉서 사이에 병렬(shunt)로 연결되는 수동소자와,

폴더의 개폐에 따라 상기 수동소자의 일단을 접지(GND)에 연결하거나 오픈(open)시키는 능동소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제7항에 있어서,

상기 수동소자는 인덕터 또는 캐패시터 또는 마이크로스트립(microstrip)과 같은 분산소자로 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
제7항에 있어서,

상기 수동소자는 트랜지스터로 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
내장형 안테나를 가지며, 안테나와 듀플렉서 사이에 파이형 매칭회로와 능동형 매칭회로가 연결되는 휴대용 무선단말기에서, 안테나 임피던스 매칭 방법에 있어서,

폴더의 개폐를 감지하는 과정과,

상기 폴더 개방 감지시, 상기 파이형 매칭회로만 동작하는 과정과,

상기 폴더 폐쇄 감지시, 상기 파이형 매칭회로와 상기 능동형 매칭회로가 함께 동작하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제10항에 있어서,

상기 능동형 매칭회로는, 상기 파이형 매칭회로와 듀플렉서 사이에 병렬(shunt)로 연결되는 능동소자와, 상기 능동소자의 일단을 접지에 연결하거나 오픈(open)시키기 위한 능동소자로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
제11항에 있어서,

상기 수동소자는 인덕터 또는 캐패시터 또는 마이크로스트립(microstrip)과 같은 분산소자로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
제11항에 있어서,

상기 능동소자는 트랜지스터로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.