KR20130016597A

KR20130016597A - 임피던스 정합장치 및 방법

Info

Publication number: KR20130016597A
Application number: KR20110078626A
Authority: KR
Inventors: 이상훈
Original assignee: 엘지이노텍 주식회사
Priority date: 2011-08-08
Filing date: 2011-08-08
Publication date: 2013-02-18
Also published as: WO2013022237A1; EP2742593A4; KR101305597B1; CN103858341B; US20140167878A1; EP2742593B1; CN103858341A; EP2742593A1; US9124241B2

Abstract

본 발명의 임피던스 정합장치는 다중 대역의 RF 신호를 선택적으로 통과시키는RF 전치부와, 상기 RF 신호에 대해 출력 전력 및 반사 전력을 측정하는 RF 전력 검출부와, 상기 반사 전력이 최소가 되도록 가변 소자를 변화시키는 매칭부와, 상기 RF 전치부에 배치되어 RF 신호를 바이패스 경로 상으로 선택적으로 제1 스위치부와, 상기 바이패스 경로 상에는 RF 신호를 매칭부와 선택적으로 스위칭시키는 제2 스위치부와, 사용중인 주파수 대역을 확인하고 사용 주파수 대역이 특정 주파수이면 RF 신호가 바이패스 경로 상에 스위칭되도록 제어신호를 제공하는 연산 제어부를 포함할 수 있다.
상기와 같은 발명은 특정 주파수 구간에서는 임피던스 정합을 비수행함으로써, 매칭부의 삽입 손실에 의해 임피던스 정합 효율이 떨어지는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.

Description

임피던스 정합장치 및 방법{IMPEDANCE MATCHING APPARATUS AND METHOD}

본 발명은 임피던스 정합장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 무선 성능을 향상시키기 위한 임피던스 정합장치에 관한 것이다.

일반적으로, 이동통신 단말기는 서로 다른 방식의 광대역 신호를 포함하도록 개발이 이루어지고 있다.

이를 위해 이동통신 단말기에는 자동으로 주파수 튜닝을 수행하도록 가변형임피던스 정합장치가 더 구비될 수 있다.

종래 가변형 임피던스 정합장치는 안테나 공진점을 사용하고자 하는 주파수를 용이하게 조절할 수 있으나, 액티브형 가변 소자로 이루어지는 가변형 임피던스 정합장치의 특성상 일정 dB의 삽입 손실이 발생될 수 있다.

이에, 주파수의 특정 영역에서는 오히려 가변형 임피던스 정합장치는 삽입 손실이 고정형 임피던스 정합장치의 삽입 손실보다 커지게 되어 무선 성능을 악화시키는 문제점이 발생된다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 이동통신 단말기의 무선 성능을 향상시키기 위한 임피던스 정합장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 임피던스 정합장치는 다중 대역의 RF 신호를 선택적으로 통과시키는 RF 전치부와, 상기 RF 신호에 대해 출력 전력 및 반사 전력을 측정하는 RF 전력 검출부와, 상기 반사 전력이 최소가 되도록 가변 소자를 변화시키는 매칭부와, 상기 RF 전치부에 배치되어 RF 신호를 바이패스 경로 상으로 선택적으로 스위칭시키는 제1 스위치부와, 상기 바이패스 경로 상에는 RF 신호를 매칭부와 선택적으로 스위칭시키는 제2 스위치부와, 사용중인 주파수 대역을 확인하고 사용 주파수 대역이 특정 주파수이면 RF 신호가 바이패스 경로 상에 스위칭되도록 제어신호를 제공하는 연산 제어부를 포함할 수 있다.

또한, 상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 임피던스 정합방법은 주파수 대역을 확인하는 단계와, 상기 반사 계수가 최소가 되도록 임피던스 정합을 수행하는 단계와, 상기 주파수 대역이 특정 주파수이면 임피던스 정합을 수행하지 않고 RF 신호를 바이패싱시키는 단계를 포함한다.

본 발명은 특정 주파수 구간에서는 임피던스 정합을 비수행함으로써, 매칭부의 삽입 손실에 의해 임피던스 정합 효율이 떨어지는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 스위치를 구비함으로써, RF 신호를 바이패스 경로로 용이하게 우회시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 스위치로서 RF MEMS 스위치를 사용함으로써, 스위치 자체의 전기적 삽입 손실을 최소화할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 스위치로서 RF 전치부에 배치된 단일점 타입을 쌍극점 타입의 스위치로 교체함으로써, 스위치의 설치가 용이한 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 스위치부가 구비된 임피던스 정합장치를 나타낸 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 임피던스 정합장치의 부정합 손실을 나타낸 그래프.
도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 스위치부의 동작을 나타낸 구성도.
도 5는 본 발명에 따른 임피던스 정합방법을 나타낸 순서도.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 스위치부가 구비된 임피던스 정합장치를 나타낸 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 임피던스 정합장치의 부정합 손실을 나타낸 그래프이고, 도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 스위치부의 동작을 나타낸 구성도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 임피던스 정합장치는 다중 대역의 RF 신호를 선택적으로 통과시키는 RF 전치부(200)와, 상기 RF 신호에 대해 출력 전력 및 반사 전력을 측정하는 RF 전력 검출부(300)와, 상기 반사 전력이 최소가 되도록 가변 소자를 변화시키는 매칭부(700)와, 상기 RF 전치부에 배치되어 RF 신호를 바이패스 경로 상으로 스위칭시키는 제1 스위치부(800)와, 상기 바이패스 경로 상에는 RF 신호를 매칭부와 선택적으로 스위칭시키는 제2 스위치부(900)와, 사용중인 주파수 대역을 확인하고 사용 주파수 대역이 특정 주파수이면 RF 신호가 바이패스 경로 상에 스위칭되도록 제어신호를 제공하는 연산 제어부(600)를 포함할 수 있다.

RF 전치부(Front-End, 200)은 다중 대역의 RF 신호를 선택적으로 통과시키며, 예컨대, 펜타 밴드(5-대역) 이상의 송수신 신호를 제공할 수 있다. 이로 인해 W-CDMA(Wide Code Division Multiple Access), GSM(Global System for Mobile communications) 방식을 통해 통화가 가능할 수 있다.

RF 전치부(200)에는 다중 대역의 주파수를 제공할 수 있도록 다수의 단자(220)가 구비될 수 있으며, 다수의 단자(220)는 WCSMA 850TRx, WCDMA 1900TRx, WCDMA 2100TRx, GSM 850/900Tx, GSM 1800/1900Tx, GSM 850Rx, GSM 900Rx, GSM 1800Rx, GSM 1900Rx 신호를 선택적으로 제공할 수 있다. 물론, 상기와 같이 제공되는 다중 대역의 RF 입력 신호는 변경될 수 있다.

상기 단자(220)에는 저역통과 필터(Low Pass Filter, 220) 및 대역통과 필터(Band Pass Filter)가 구비될 수 있다.

RF 입력 신호는 RF 전치부(200)로부터 안테나(100)에 제공되며, 안테나(100)는 제공받은 RF 입력 신호를 외부로 출력할 수 있다.

RF 전력 검출부(300)는 안테나(100)에 연결되어 안테나로부터 RF 입력 신호에 따른 반사파 파워 예컨대, 반사 전력을 측정하는 역할을 한다. 이와 함께, RF 전력 검출부(200)는 반사 전력과 함께, RF 입력 신호를 측정할 수 있다. 이를 위해 RF 전력 검출부(300)로는 방향성 커플러(Directional Coupler)와 디텍터(Detector)가 사용될 수 있다.

RF 전력 검출부 (300)에는 AD 컨버터(400)가 더 연결될 수 있다. AD 컨버터(400)는 RF 전력 검출부 (300)로부터 측정된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시키는 역할을 한다. 이와 함께, AD 컨버터(400)는 RF 입력 신호를 디지털 신호로 변환시킬 수 있다.

매칭부(700)는 반사 전력이 최소가 되도록 가변 소자 예컨대, 가변 캐패시터들을 제어하는 역할을 한다. 이로 인해 매칭부(700)는 반사 전력이 최소값을 가지도록 제어하여 RF 입력 신호와 RF 출력 신호와의 임피던스 매칭을 용이하게 수행할 수 있다.

이를 위해 매칭부(700)은 다수의 가변 캐패시터들(720)과, 고정 인덕터들(740)을 포함할 수 있다. 가변 캐패시터(720)는 제1 가변 캐패시터(722)와 제2 가변 캐패시터(724)를 포함할 수 있으며, 제1 가변 캐패시터(722)와 RF 출력단에 대해 병렬로 연결되며, 제2 가변 캐패시터(724)는 직렬로 연결될 수 있다.

고정 인덕터(740)는 제1 인덕터(742), 제2 인덕터(744) 및 제3 인덕터(746)를 포함할 수 있으며, 제1 인덕터(742)는 RF 출력단에 대해 직렬로 연결되며, 제2 인덕터(744)와 제3 인덕터(746)는 병렬로 연결될 수 있다.

상기와 같은 다수의 가변 캐패시터(720)와 고정 인덕터(740)의 결선 및 소자 개수는 실시예에 따라 다양한 구조로 변경될 수도 있다.

상기와 같은 매칭부(700)는 연산 제어부(500)의 제어 신호에 의해 신호가 인가될 수 있다. 보다 구체적으로, 연산 제어부(500)는 가변 캐패시터(720)들의 커패시턴스 값을 변화시키면서 최적의 튜닝된 값을 찾도록 가변 캐패시터들에게 신호를 제공할 수 있다.

한편, 임피던스 부정합에 의한 부정합 손실(Mismatch Loss, ML)이 매칭부(700) 자체의 삽입 손실보다 작아지는 특정 주파수에서는 매칭부(700)로부터 임피던스 정합을 수행하는 것이 오히려 무선 성능을 열화시킬 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 실제 다중 대역 안테나의 저대역(Low Band)주파수의 특성의 예를 살펴보면, 이동통신 GSM 850 및 GSM 900 방식의 전체 주파수 구간 예컨대, 824MHz~960MHz에서 경계 부근의 주파수에서는 안테나의 성능이 열화되는 것을 알 수 있으며, 824MHz에서 약 3.5dB의 부정합 손실을 발생시키는 것을 알 수 있다.

이는 임피던스 부정합에 의해 약 3.5dB의 무선 방사 출력(Total Radiated Power, TRP) 내지는 무선 수신 감도(Total Isotropic Sensitivity, TIS)가 열화될 수 있다는 것을 의미한다.

부정합 손실은 수학식 1에 의해 결정될 수 있다.

여기서, 전압 정재파비(VSWR)은 안테나(100)의 반사 전력을 측정함으로써 구해질 수 있으며, 전압 정재파비는 수학식 2에 의해 결정될 수 있다.

이로 인해 매칭부(700)의 자체 삽입 손실을 1dB라고 가정하면, 특정 주파수 구간 예컨대, 870MHz~920MHz 사이의 주파수 구간에서는 부정합 손실이 1dB 이상이므로, 오히려 매칭부(700)의 자체 삽입 손실이 부정합 손실보다 더 커지게 된다.

따라서, 870MHz~920MHz 사이의 주파수 구간에서는 가변 임피던스 정합장치를 사용함으로 인해 무선 성능이 더 열화될 수 있다.

특정 주파수 구간은 부정합 손실이 매칭부(700)의 자체 삽입 손실보다 작아지는 구간으로서, 특정 주파수 구간은 단말기의 안테나 특성에 따라 달라질 수 있다.

이를 해결하기 위해 RF 신호를 바이패스 경로 상으로 스위칭시키는 스위치부(800, 900)를 더 포함할 수 있다.

도 1로 돌아가서, 스위치부는 제1 스위치(800)와 제2 스위치(900)를 포함할 수 있다.

제1 스위치(800)는 RF 전치부(200)의 내부에 배치될 수 있으며, 쌍극점(Double Pole) 타입의 스위치가 사용될 수 있다. 이로 인해 RF 신호가 특정 주파수 구간인 경우, RF 입력 신호를 바이패스 경로(P)로 스위칭시킬 수 있으며, RF 신호가 특정 주파수 구간이 아니면 RF 입력 신호를 바이패스 경로(P)가 아닌 RF 경로로 스위칭시킬 수 있다.

이는 종래 RF 전치부(200)에 사용되는 단일점(Single Pole) 타입의 스위치를 쌍극점 타입의 스위치로 교체만 하면 되기 때문에 쌍극점 스위치의 설치가 상당히 간단해질 수 있다.

쌍극점 스위치로는 RF 스위치가 사용될 수 있으며, 특히, 내부 삽입 손실이 상당히 작은 특성을 가지는 RF MEMS 스위치가 사용될 수 있다. 이러한 RF MEMS 스위치는 스위치 자체에서 발생되는 전기적 삽입 손실을 최소화할 수 있다.

제2 스위치(900)는 바이패스 경로(P) 상에 배치될 수 있으며, 보다 구체적으로는 안테나(100)와 매칭부(700) 사이에 배치되어 바이패스 경로(P)와 RF 경로 사이를 선택적으로 스위칭시킬 수 있다.

제2 스위치(900)는 제1 스위치(800)와 마찬가지로 RF 스위치가 사용될 수 있으며, RF MEMS 스위치가 사용되는 것이 효과적이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 저대역 주파수 구간에서 현재 사용중인 주파수 대역 정보가 특정 주파수가 아닌 경우, 상기 연산 제어부(500)는 제1 스위치(800) 및 제2 스위치(900)를 동작시켜 RF 신호가 매칭부(700)로 전송되도록 스위칭시킬 수 있다.

즉, 연산 제어부(500)는 사용 주파수 대역이 특정 주파수인지 확인하여 그에 맞게 제어 신호를 제1 스위치(800) 및 제2 스위치(900)에 제공할 수 있다.

반면, 도 4에 도시된 바와 같이, 저대역 주파수 구간에서 현재 사용중인 주파수 대역 정보가 특정 주파수인 경우, 상기 연산 제어부(500)는 RF 신호가 바이패스 경로(P)를 지나도록 제1 스위치(800) 및 제2 스위치(900)를 동작시킬 수 있다. 이로부터 RF 신호는 임피던스 정합이 수행되지 않고, 저손실의 바이패싱 경로로 통과하게 된다.

이하에서는 도 5를 참조하여 본 발명에 따른 임피던스 정합방법에 대해 보다 상세히 설명한다.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 임피던스 정합방법은 주파수 대역을 확인하는 단계(S100)와, 상기 반사 전력이 최소가 되도록 임피던스 정합을 수행하는 단계(S200)와, 상기 주파수 대역이 특정 주파수이면 임피던스 정합을 수행하지 않고 RF 신호를 바이패싱시키는 단계(S300)를 포함한다.

먼저, 주파수 대역을 확인하는 단계(S100)를 수행할 수 있다. 주파수 대역을 확인하는 단계는 현재 사용중인 저대역 주파수 대역을 확인할 수 있으며, 연산 제어부(400)는 이미 현재 사용중인 주파수 대역 정보를 알고 있기 때문에 연산 제어부(400)로부터 현재 사용중인 주파수 대역 정보를 확인할 수 있다.

이어서, 저주파 주파수 예컨대, RF 신호가 특정 주파수 범위인지 판단하는 단계(S200)를 수행할 수 있다.

특정 주파수는 부정합 손실이 매칭부(700)의 자체의 삽입 손실보다 작아지는 구간으로써, 부정합 손실에 의해 결정될 수 있다.

부정합 손실은 앞서 설명한 수학식 1 및 수학식 2의 수식에 의해 결정될 수 있으며, 부정합 손실은 전압 정재파비와 안테나(100)의 반사 전력으로부터 측정될 수 있다.

이어서, RF 신호가 특정 주파수 범위라고 아니라고 판단되면, 임피던스 매칭경로로 온시키는 단계(S400)를 수행할 수 있으며, 이로부터 임피던스 정합을 수행할 수 있다.(S500)

임피던스 정합은 매칭부(700)의 가변 캐패시터(720)들을 변화시켜 수행할 수 있으며, 가변 캐패시터(720)들을 변화시키는 순서는 실시예에 따라 다양하게 수행될 수 있다.

반면, RF 신호가 특정 주파수라고 판단되면 바이패싱 경로로 온시키는 단계 (S300)를 수행할 수 있다.

이를 위해 연산 제어부(400)는 RF 신호가 바이패스 경로(P)로 스위칭되도록 제1 스위치(800) 및 제2 스위치(900)를 스위칭시킬 수 있다. 여기서, 제1 스위치(800) 및 제2 스위치(900)로는 RF MEMS 스위치가 사용될 수 있다.

상기와 같이, 본 발명은 특정 주파수 구간에서는 임피던스 정합을 비수행함으로써, 매칭부의 삽입 손실에 의해 임피던스 정합 효율이 떨어지는 것을 방지하여 무선 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

상기에서는 도면 및 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명은 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음은 이해할 수 있을 것이다.

100: 안테나 200: RF 전치부
300:RF 전력 검출부 400: AD 컨버터
500: 연산 제어부 700: 매칭부
800: 제1 스위치 900: 제2 스위치

Claims

다중 대역의 RF 신호를 선택적으로 통과시키는 RF 전치부;
상기 RF 신호에 대해 출력 전력 및 반사 전력을 측정하는RF 전력 검출부;
상기 반사 전력이 최소가 되도록 가변 소자를 변화시키는 매칭부;
상기 RF 전치부에 배치되어 RF 신호를 바이패스 경로 상으로 선택적으로 스위칭시키는 제1 스위치부;
상기 바이패스 경로 상에는 RF 신호를 매칭부와 스위칭시키는 제2 스위치부; 및
사용중인 주파수 대역을 확인하고 사용 주파수 대역이 특정 주파수이면 RF 신호가 바이패스 경로 상에 스위칭되도록 제어신호를 제공하는 연산 제어부;
를 포함하는 임피던스 정합장치.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 스위치부는 쌍극점 타입의 고주파 스위치인 임피던스 정합장치.
청구항 1에 있어서,
상기 제2 스위치부는 RF MEMS 스위치인 임피던스 정합장치.
청구항 1에 있어서,
상기 특정 주파수는 부정합 손실이 매칭부의 자체의 삽입 손실보다 작아지는 구간인 임피던스 정합장치.
청구항 4에 있어서,
상기 부정합 손실(Mismatch Loss, ML)은

, (VSWR = 전압 정재파비)
의 수식에 의해 결정되는 임피던스 정합장치.
청구항 5에 있어서,
상기 전압 정재파비(VSWR)는

의 수식에 의해 결정되는 임피던스 정합장치.
주파수 대역을 확인하는 단계;
상기 반사 전력이 최소가 되도록 임피던스 정합을 수행하는 단계; 및
상기 주파수 대역이 특정 주파수이면 임피던스 정합을 수행하지 않고 RF 신호를 바이패싱시키는 단계;
를 포함하는 임피던스 정합방법.
청구항 7에 있어서,
상기 특정 주파수는 부정합 손실이 매칭부의 자체의 삽입 손실보다 작아지는 구간인 임피던스 정합방법.
청구항 8에 있어서,
상기 부정합 손실(Mismatch Loss, ML)은

, (VSWR = 전압 정재파비)
의 수식에 의해 결정되는 임피던스 정합방법.
청구항 9에 있어서,
상기 전압 정재파비(VSWR)는

의 수식에 의해 결정되는 임피던스 정합방법.
청구항 7에 있어서,
상기 바이패싱은 RF MEMS 스위치를 사용하여 수행하는 임피던스 정합방법.