KR20140059895A - 스위치 어블 및 튜너블이 가능한 핸드폰 안테나 모듈 및 이의 사용방법 - Google Patents

Abstract

주파수 스위칭 및 임피던스 튜닝 가능한 핸드폰 안테나 모듈 및 이의 사용방법이 개시된다. 본 발명의 스위칭 및 튜닝 가능한 핸드폰 안테나 모듈은 신호를 송수신하는 안테나; 상기 안테나와 연결되어 복수 개의 주파수 대역을 선택하여 송수신하는 SPnT(Single-Pole-n-Throw) 또는 DPnT(Double-Pole-n-Throw) 형식의 스위치 어블 솔루션칩(Swithchable Solution Chip); 상기 안테나와 스위치 어블 솔루션 칩에서 분기 연결된 튜너블 솔루션 칩(Tunable Solution Chip); 상기 안테나에 출력 신호를 방사하는 신호 소스(Feeding); 및 상기 안테나가 실시간으로 송신 또는 수신하는 신호를 기준 안테나의 방사 레벨 또는 수신 레벨과 비교하여 그 차이만큼 보상하기 위하여 상기 스위치 어블 솔루션 칩 및 튜너블 솔루션 칩에 제어 신호를 전송하는 메인 칩과 컨트롤러로 구성되는 칩셋을 포함한다. 본 발명에 따르면, 스위치 어블 솔루션 칩(Switchable Solution Chip)이 갖는 주파수 이동 특성 및 튜너블 솔루션 칩(Tunable Solution Chip)이 갖는 안테나 메칭(matching)이 모두 가능하며, 국가마다 제작했던 핸드폰을 단일의 글로벌 핸드폰으로 구현이 가능하며, 소비자의 인체 접촉으로 인한 특성 열화를 폐쇄 루프 시스템(Closed-Loop System)으로 자동으로 핸드폰이 인지해주므로 핸드폰의 특성 열화를 극복 및 개선할 수 있다.

Description

스위치 어블 및 튜너블이 가능한 핸드폰 안테나 모듈 및 이의 사용방법{The using Module and Methods of Switchable And Tunable Mobile Antenna}

본 발명은 핸드폰 안테나 모듈 및 이의 사용방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 스위치 어블 및 튜너블이 가능한 핸드폰 안테나 모듈 및 이의 사용방법에 관한 것이다.

현재 각 국가마다 통신 시스템의 차이와 통신 주파수의 차이로 하나의 핸드폰으로 모든 국가에서 자유로운 통신을 즐길 수 없다. 그러나 통신 시스템의 경우, 반도체 집적화 등의 기술 발전으로 모든 통신 시스템을 하나의 핸드폰에서 구현이 가능해졌다. 그러나, 안테나의 경우 모든 주파수를 하나의 주파수로 통합한 단일 핸드폰 안테나를 구현하는 것은 불가능한 일이라고 판단하고 있다. 즉, 현재 사용되고 있는 핸드폰 안테나는 각각의 주파수 대역이 분리되어 있다. 특히, LTE 700MHz, CDMA, GSM850, GSM900과 같이 800MHz 이하의 주파수를 하나의 안테나로 설계하는 것은 불가능한 것으로 인식되고 있다. 이유는 안테나의 물리적인 크기만큼 핸드폰의 물리적인 크기가 커질 수 없기 때문이다.

그럼에도 불구하고, 최근에는 핸드폰 통신에서는 서비스의 품질과 속도 향상을 위해 다양한 통신규격을 정하고 이를 활용하고 있다. 그 대표적인 예가 LTE(Long Term Evolution)이다. LTE의 하향링크 최대 전송속도는 100Mbps, 상향링크의 최대 전송속도는 50Mbps로써, 3 세대 이동통신의 HSDPA보다 12배 이상 빠른 속도로 통신할 수 있기 때문에 4 세대 통신으로 꼽히고 있다. 이 때문에 세계 통신사에서는 이를 서비스하기 위해 노력하고 있다. LTE의 무선인터페이스를 E-UTRA(Evolved UMTS Terrestrial Radio Access)라고 한다. 상기 E-UTRA가 동작하는 주파수 밴드를 3GPP에 LTE 밴드별 업링크(Uplink) 주파수와, 다운링크(Downlink) 주파수에 따라 40개 이상 정의되어 있다.

실질적으로 미국 통신사인 A사의 경우, 모바일 밴드인 LTE17(704~746MHz), GSM850(824 ~ 894MHz), GSM900(880 ~ 960MHz), DCS(1710 ~ 1880 MHz), 및 WCDMA(1920 ~ 2170MHz)를 만족하는 안테나를 설계해야 한다. 통상적으로 이와 같은 설계는 전파 통신의 미모(MIMO) 안테나 또는 다이버시티 안테나 혹은 안테나의 하모닉(Harmonic)을 이용하여 설계한다.

하지만, A사의 LTE 주파수는 LTE 밴드 17(업링크: 704 ~ 716 MHz, 다운링크: 734 ~ 746 MHz)를 사용한다. 공간이 충분한 핸드폰 기기의 경우에는 LTE 전용 안테나를 설계하여 장착하면 되지만, 현재의 핸드폰과 같이 기기가 작고, 얇은 상태에서는 추가적인 안테나를 두는 것이 무리가 있다.

이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 최근 스위칭이 가능한 안테나인 엑티브(Active) 안테나를 이용하고 있다.

하지만 이와 같은 엑티브 안테나는 제한적인 공간에서는 안테나의 충분한 공진 길이를 만족시키는데, 한계가 있을 뿐만 아니라, 단지 낮은 밴드 (Low band)에서 ON, OFF의 기능만으로 동작하여 주파수의 이동에 한계가 있으며, DCS, PCS, WCDMA 등과 같은 핸드폰 밴드의 성능 저하를 가져오는 단점이 있다.

한편, 양산된 핸드폰이 소비자에게 사용되면, 소비자의 신체 접촉에 의해서 특성이 열화 될 수 있으며, 이는 방사 효율 좋은 안테나의 외부 간섭 및 주변 환경에 따른 변동을 줄 수 있다. 따라서, 핸드폰의 열화된 특성 개선을 위한 안테나의 임피던스 메칭 튜닝 및 다중 밴드들을 다 수용할 수 있는 안테나의 개발의 필요성이 절실히 요구되고 있는 시점이다.

대한민국 공개특허공보 10-2008-0009256 대한민국 공개특허공보 10-2012-0072698 대한민국 공개특허공보 10-2012-0077950

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 주파수 스위칭이 가능하며, 동시에 임피던스 튜닝 가능한 솔루션을 안테나에 접목하여 멀티 대역의 주파수 대역을 하나의 안테나로 구현할 수 있는 핸드폰 안테나 모듈 및 이의 사용방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 양산된 핸드폰 안테나 특성의 물리적 열화, 예컨대 소비자 인체 접촉에 의한 성능 열화를 보상할 수 있는 핸드폰 안테나 모듈 및 이의 사용방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 모든 주파수를 하나의 주파수로 통합하기 어려운 안테나의 물리적 특성 및 사용자의 사용 환경에 따라 열화된 핸드폰의 특성을 스위치 어블 및 튜너블이 가능한 솔루션으로 극복 가능한 핸드폰 안테나 모듈 시스템 블록 (System Block) 및 이의 사용방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 주파수 스위칭 및 임피던스 튜닝 가능한 핸드폰 안테나 모듈은 신호를 송수신하는 안테나; 상기 안테나와 연결되어 복수 개의 주파수 대역을 선택하여 송수신하는 SPnT(Single-Pole-n-Throw) 또는 DPnT(Double-Pole-n-Throw) 형식의 스위치 어블 솔루션칩(Switchable Solution Chip); 상기 안테나와 스위치 어블 솔루션칩과 별도로 신호 소스(Feeding) 단에 분기 연결된 튜너블 솔루션칩(Tunable Solution Chip); 상기 안테나에 출력 신호를 방사하는 신호 소스(Feeding); 및 상기 안테나가 실시간으로 송신 또는 수신하는 신호를 기준 안테나의 방사 레벨 또는 수신 레벨과 비교하여 그 차이만큼 보상하기 위하여 상기 스위치 어블 솔루션칩 및 튜너블 솔루션칩에 제어 신호를 전송하는 메인 칩과 컨트롤러로 구성되는 칩셋을 포함한다.

본 발명에 있어서, 상기 스위치 어블 솔루션 칩이 SPnT 인 경우에, n개의 출력단(out)에 추가 가변 캐패시터를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 스위치 어블 솔루션칩이 DPnT인 경우에, 더블 폴(Double-Pole) 중의 하나는 추가 가변 캐패시터와 연결되며, 상기 추가 가변 캐패시터는 상기 칩셋에 의하여 제어신호를 수신하여 가변될 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 튜너블 솔루션칩은, 캐패시터만으로 구성된 회로, 인덕터만으로 구성된 회로, 또는 캐패시터와 인덕터로 구성된 회로일 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 칩셋은, 메인 칩에서 안테나로부터 수신되는 RSSI/CQR 신호를 비교 연산한 데이터를 컨트롤러인 F-PGA 칩으로 전송하는 구조, 메인 칩에서 안테나로부터 수신되는 RSSI/CQR 신호를 비교 연산한 데이터를 컨트롤러인 컨트롤러 칩으로 전송하는 구조, 또는 메인 칩에 컨트롤러를 포함하여 메인 칩에서 안테나로부터 수신되는 RSSI/CQR 신호를 비교 연산한 데이터를 메인 칩에서 바로 명령을 하는 구조 중의 어느 하나일 수 있다.

상기 기술적 또 다른 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 스위칭 및 튜닝 가능한 핸드폰 안테나 모듈의 사용방법은 안테나로부터 송수신 되는 신호 레벨을 스위치 어블 솔루션 칩과 튜너블 솔루션 칩를 통하여 메인 칩이 수신하는 단계; 상기 메인 칩에서 저장되어 있는 기준 안테나의 신호레벨과 비교하여 그 차이 값을 연산하는 단계; 상기 메인 칩에서 컨트롤러에게 그 차이 값을 전달하는 단계; 상기 컨트롤러에서 수신된 차이 값에 해당하는 제어신호를 상기 스위치 어블 솔루션 칩과 튜너블 솔루션 칩에 전송하는 단계; 및 상기 스위치 어블 솔루션 칩과 튜너블 솔루션칩은 상기 제어신호에 따라서 스위칭 또는 튜닝을 실행하는 단계를 포함한다.

본 발명에 있어서, 상기 스위치 어블 솔루션칩은, SPnT이며, n개의 출력단(out)에 추가 가변 캐패시터들을 더 포함할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 스위치 어블 솔루션칩은, DPnT이며, 더블 폴(Double-Pole) 중의 하나는 추가 가변 캐패시터들과 연결되며, 상기 추가 가변 캐패시터는 상기 칩셋에 의하여 제어신호를 수신하여 가변될 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 스위칭 및 튜닝 가능한 핸드폰 안테나 모듈의 사용방법은 그 단계들이 무한 반복되는 폐쇄 루프 시스템 솔루션(Closed-Loop System solution)일 수 있다.

본 발명에 따르면, 스위치 어블 솔루션 칩(Switchable Solution Chip)이 갖는 주파수 이동 특성 및 튜너블 솔루션 칩(Tunable Solution Chip)이 갖는 안테나 메칭(matching)이 모두 가능하다.

또한, 국가마다 제작했던 핸드폰을 단일의 글로벌 핸드폰으로 구현이 가능하다.

또한, 소비자의 인체 접촉으로 인한 특성 열화를 자동으로 핸드폰이 폐쇄 루프 시스템(Closed-Loop System)으로 인지해주므로 핸드폰의 특성 열화를 극복 및 개선 할 수 있다.

도 1은 종래기술에 따른 스위칭 가능 안테나의 SPDT의 구조와 다이오드 상태를 나타내는 도면이다.
도 2는 일반적인 스위칭 가능한 안테나의 구조를 나타내는 도면이다.
도 3은 도 2의 스위칭 가능한 안테나 구조로 제작한 안테나의 실험 결과를 나타내는 도면이다.
도 4는 일반적인 안테나의 구조에 튜너블 솔루션을 적용한 구조를 나타내는 도면이다.
도 5는 도 4의 튜너블 솔루션을 적용한 안테나의 구조에서 캐패시터들의 용량이 바뀔 때의 반사손실을 나타내는 도면이다.
도 6은 도 4의 튜너블 솔루션을 적용한 안테나의 구조에서 캐패시터들의 용량이 바뀔 때의 스미스 챠트(Smith Chart)를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 실시 일예에 따른 스위치 어블 가능한 솔루션이 갖는 문제점을 해결하기 위한 회로를 나타낸다.
도 8은 도 7의 회로를 사용하는 경우의 인덕터와 캐패시터에 의한 스미스 챠트(Smith Chart)의 움직임을 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시 일예에 따른 튜너블 솔루션의 구조인 폐쇄루프 (Closed Loop)의 구조를 나타내는 도면들이다.
도 10은 본 발명의 실시 일예에 따른 스위치 어블 솔루션과 튜너블 솔루션을 함께 구성한 회로도이다.
도 11은 도 10 회로의 작동 순서도이다.
도 12는 본 발명의 실시 일예에 따른 메인 칩과 컨트롤러의 구성을 나타내는 구성도이다.
도 13은 본 발명의 실시 일예에 따른 메인 칩과 컨트롤러의 구성을 나타내는 실시 일예들이다.
도 14는 본 발명의 실시 일예에 따른 폐쇄루프 시스템에 캐패시터들의 그라운드를 갖는 안테나를 나타내는 도면이다.
15는 ADS(Advanced Design System) 시뮬레이션(Simulation Tool)을 사용하여 스위치 어블 솔루션의 아래에 여러 단의 션트(shunt) 캐패시터들을 연결하며, 연결된 션트(shunt)단의 변화에 따른 스미스 챠트와 반사 손실(return loss)를 나타내는 도면이다.
도 16은 ADS(Advanced Design System) 시뮬레이션(Simulation Tool)을 사용하여 급전단에 하나의 션트(Shunt) 캐패시터를 연결하여 연결된 캐패시터들의 변화에 따른 스미스 챠트와 반사 손실(Return Loss)를 나타내는 도면이다.
도 17은 본 발명의 실시 일예에 따른 스위치 어블 솔루션과 튜너블 솔루션을 동시에 갖는 구조와 수신(RX)용일 때의 동작방법을 나타내는 도면이다.
도 18은 본 발명의 실시 일예에 따른 스위치 어블 솔루션과 튜너블 솔루션을 동시에 갖는 구조와 송신(TX)용일 때의 동작방법을 나타내는 도면이다.
도 19는 본 발명의 실시 일예에 따른 스위치 어블 솔루션 아래 단에 캐패시터들을 연결하여 연결된 캐패시터들을 변화시킬 때 주파수 이동을 나타내는 도면이다.
도 20은 본 발명의 실시 일예에 따른 튜너블 솔루션의 가변에 따른 주파수 이동을 나타내는 도면이다.
도 21은 본 발명의 실시 일예에 따른 폐쇄루프 시스템(Closed-Loop System) 에 DP4T를 갖는 안테나를 나타내는 도면이다.
도 22는 본 발명의 실시 일예에 따른 DPnT 더블 폴(Double-Pole) 스위치에 가변 캐패시터를 사용한 구조를 나타내는 도면이다.
도 23은 본 발명의 실시 일예에 따른 DTnT와 추가 튜너블 솔루션을 가진 안테나 및 RX일 때의 동작 방법을 나타내는 도면이다.
도 24는 본 발명의 실시 일예에 따른 DTnT와 추가 튜너블 솔루션을 가진 안테나 및 TX일 때의 동작 방법을 나타내는 도면이다.

상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 일예를 상세히 설명한다.

본 발명은 모든 주파수를 통합하는 가변 스위치 어블 솔루션칩(Switchable Solution Chip)을 제시한다. 또한, 본 발명은 소비자의 신체 접촉에 의한 특성의 열화를 튜너블 솔루션칩(Tunable Solution Chip)이 보정해 줄 수 있다. 또한, 핸드폰의 폐쇄 루프 시스템(Closed-Loop System)을 사용한다.

본 발명은 핸드폰 메인칩(main chip)에서 마이크로컨트롤러(micro-controller) 또는 F-PGA로 RSSI 또는 SQR 등의 수신된 값을 감지하여서 자동으로 이를 연산하여 가변 스위치 솔루션칩(Switchable Solution Chip) 및 튜너블 솔루션칩(Tunable Solution Chip)들을 조절하여 소비자 신체 접촉에 의해서 열화된 핸드폰 고유의 특성을 개선해 준다.

본 발명은 종래의 스위치 어블 안테나의 단점인 ON, OFF 만의 기능을 극복하기 위하여, 스위치 어블 솔루션에 여러 단의 캐패시터들을 연결하여 주파수의 이동을 자유롭게 할 수 있는 가변 스위치 어블 솔루션 및 튜너블 솔루션으로서 가변 가능한 캐패시터로 안테나의 임피던스를 변화하여 양산된 핸드폰이 소비자에 사용 되면서, 소비자의 신체 접촉에 의해서 특성이 열화된 특성을 임피던스 메칭으로 안테나의 성능을 개선하기 위해 가변 스위치 어블 솔루션칩(Switchable Solution Chip)과 튜너블 솔루션 칩(Tunable Solution Chip)을 추가하여 낮은 밴드 (Low Band)의 대역폭을 개선하며, 안테나의 열화된 성능을 개선하는데 사용한다.

마이크로파 및 밀리미터파 대역에서의 전통적 스위칭 소자인 PIN 다이오드와 같은 소자는 성능이 저하되기 때문에 낮은 손실, 저전력, 및 우수한 선형성의 특성을 가지는 스위치 소자들이 각광을 받고 있다. 뿐만 아니라, 싱글-폴-싱글-드로우(Single-Pole-Single-Throw,SPST), 싱글-폴-듀얼-드로우(Single-Pole-Dual-Throw, SPDT) 등의 싱글-폴-엔-드로우(Single-Pole-n-Throw,SPnT)가 있으며, 이러한 SPnT를 하나로 집적화시켜 만든 더블-폴-엔-드로우(Double-Pole-n-Throw, DPnT)가 있다.

도 1은 종래기술에 따른 스위치 가능 안테나의 SPDT의 구조와 다이오드 상태를 나타내는 도면이다.

도 1을 참조하면, 신호가 포트1(Port1)에서 포트2(Port2)로 전달되는 경우에는, 다이오드 D1과 D4가 온(On)되고, 나머지 다이오드들은 오프(Off)가 된다. D4가 온(On) 되는 것은 포트3(Port3)를 그라운드 상태로 만들기 때문에 포트들 간에 상호 격리도를 높이기 위한 것이다.

도 2는 일반적인 스위치 어블 안테나의 구조를 나타내는 도면이다.

도 2를 참조하면, 일반적으로 스위치 가능한 안테나는 하나의 신호소스(Feeding)과 두 개의 그라운드를 갖는다. GND 1이 쇼트되고 GND 2가 오픈된 경우의 안테나 방사부의 전체 길이는 'A'가 되고, GND 1이 오픈되고 GND 2가 쇼트인 경우의 안테나 방사부의 길이는 'B'가 된다. 따라서 방사부의 길이가 달라지므로 두 가지 주파수를 선택적으로 이용할 수 있다. 하지만 SPDT의 스위칭 가능한 안테나의 경우 주파수의 선택은 두 가지밖에 되지 않으며, 만약에 공간 제약이 있는 경우에는 이 조차도 힘들어 지는 단점이 있다.

본 발명에서는 이러한 단점을 극복하기 위하여 SPnT, DPnT 인 스위치 어블 솔루션 칩(Switchable Solution Chip)과 튜닝 솔루션 칩(Tunable Solution Chip)을 조합하여 사용하는 안테나를 제안한다.

상술한 스위칭 가능한 안테나의 단점을 보완하기 위한 방법으로는 튜닝가능한 솔루션과 추가 캐패시터들을 그라운드 구조를 갖는 아이엠디(IMD) 안테나를 제안한다. 추가 캐패시터 그라운드의 선택은 SPnT가 선택할 수 있다.

도 3은 도 2의 스위치 가능한 안테나 구조로 제작한 안테나의 실험 결과를 나타내는 도면이다.

도 3을 참조하면, 어떤 그라운드를 선택하는지에 따라서 주파수는 50MHz 이동한다. 하지만, 이 스위치 가능한 안테나는 단 두 가지 주파수만을 선택할 수 있는 단점이 있다. 따라서 다양한 주파수 대역을 커버하기 위해서는 다양한 선택 가능한 경우의 수를 가져야 한다. 도 3의 결과에서 보듯이 850MHz와 900MHz 사이의 널(null)은 커버할 수가 없다. 이러한 문제점을 보완하기 위한 방법이 본 발명이 제시하는 튜닝 가능한 솔루션이다.

도 4는 일반적인 안테나의 구조에 임피던스 튜닝 가능한 솔루션을 적용한 구조를 나타내는 도면이다.

도 4를 참조하면, 튜닝 가능한 솔루션으로서 하나의 캐패시터에 자동적으로 캐패시턴스 값을 바꾸어주는 역할을 한다. 일반적인 션트 캐패시터(shunt capacitor)와 동일한 효과를 나타낸다.

도 5는 도 4의 튜닝 가능한 솔루션을 적용한 안테나의 구조에서 캐패시터의 용량이 바뀔 때의 반사손실을 나타내는 도면이며, 도 6은 이의 스미스 챠트를 나타낸다.

도 5 및 도 6을 참조하면, 캐패시터의 용량이 1.1pF, 1.5pF, 1.8pF, 및 2pF으로 캐패시터의 용량이 바뀔 때, 주파수는 850MHz, 870MHz, 880MHz, 및 890MHz로 주파수는 높은 쪽으로 이동하며, 스미스 챠트에서 보듯이 일반적인 션트 캐패시터가 보이는 어드미턴스의 시계방향으로 돌아가는 것을 알 수 있다.

따라서, 튜너블 솔루션과 스위치 어블 솔루션을 접목시키면 주파수가 이동하는 모든 범위를 사용할 수 있는 장점이 있다.

하지만, 상술하였듯이 스위치 가능한 솔루션이 갖는 문제점을 보완할 필요가 있다.

도 7은 본 발명의 실시 일예에 따른 스위치 가능한 솔루션이 갖는 문제점을 해결하기 위한 회로를 나타낸다.

도 7을 참조하면, 스위치 어블 솔루션칩(Switchable Solution Chip)이 갖는 문제점을 해결하기 위하여, 가변 캐패시터는 시리즈(series)와 션트(shunt)로 연결되며, 인덕트는 션트(shunt) 로 연결되어 있다.

도 8은 도 7의 회로를 사용하는 경우의 인덕터와 캐패시터에 의한 스미스 챠트의 움직임을 나타내는 도면이다.

도 8을 참조하면, 시리즈와 션트 캐패시터와 인턱터의 두 개를 동시에 사용하면 스미스 챠트(Smith Chart) 상에서 주파수의 보정 범위가 넓어지고 쉬워진다.

도 9는 본 발명의 실시 일예에 따른 튜닝 가능한 솔루션의 구조인 폐쇄루프(Closed Loop)의 구조를 나타내는 도면들이다.

도 9를 참조하면, 폐쇄루프의 구조는 캐패시터만으로 구성된 회로, 인덕터만으로 구성된 회로, 캐패시터 및 인덕터로 구성된 회로로 구성할 수 있다. 캐패시터는 가변 캐패시터로써 원하는 용량값으로 가변할 수 있다.

예컨대, ⓔ의 경우에는, 튜너블 솔루션을 이용한 폐쇄루프의 형태로 스미스 챠트 상에서 시리즈 캐패시터와 션트 캐패시트를 모두 사용한 폐쇄루프의 형태를 나타낸다.

ⓖ의 경우에는, 시리즈 캐패시터와 각각의 션트 캐패시터 및 션트 인덕터를 이용한 폐쇄루프의 형태이다.

이와 같이 인덕터와 가변 캐패시터를 이용한 폐쇄루프 형태는 스미스 챠트에서 공진 주파수의 이동이 자유롭기 때문에 주파수의 가변이 용이하다.

도 10은 본 발명의 일시 예에 따른 튜닝 가능한 솔루션과 스위치 가능한 솔루션을 함께 구성한 회로도이며, 도 11은 도 10 회로의 작동 순서도이다.

도 10을 참조하면, 회로도는 신호를 송수신하는 안테나(10), 상기 안테나와 연결되는 스위치 어블 솔루션 칩(20) 및 튜너블 솔루션 칩(30), 안테나가 실시간으로 송신 또는 수신하는 신호를 기준 안테나의 방사 레벨 또는 수신 레벨과 비교하여 그 차이를 연산하는 메인 칩(40) 및 그 차이를 보상하기 위하여 상기 스위치 어블 솔루션 칩(20) 및 튜너블 솔루션 칩(30)에 제어 신호를 전송하는 컨트롤러(50)로 구성된다.

도 11을 참조하면, 작동 순서도는 안테나는 RSSI/CQR 신호를 수신한다.(S1)

스위치 어블 솔루션 칩 및 튜너블 솔루션 칩은 안테나로부터 RSSI/CQR 신호를 수신한다.(S2)

메인 칩은 스위치 및 튜너블 솔루션 칩으로부터 RSSI/CQR을 수신하여, 그 수신된 신호가 저장되어 있는 기준 안테나의 RSSI/CQR 값과 얼마만큼의 차이가 있는지를 연산한다.(S3)

차이 값이 0인 경우에는 시스템을 유지(S4)하고, 차이 값이 있는 경우에는 메인 칩은 그 차이 값을 컨트롤러에게 전송한다.(S5)

컨트롤러는 수신된 차이 값에 해당하는 명령을 스위치 어블 솔루션칩 및 튜너블 솔루션 칩에게 명령한다.(S6) 컨트롤러에는 차이 값의 크기에 따른 각각의 명령이 기 저장되어 있다.

명령을 받은 스위치 어블 솔루션 칩 및 튜너블 솔루션 칩은 명령에 따라 실행하게 된다.

결과적으로, 수신되는 신호는 저장되어 있는 기준 안테나와 동일한 RSSI/CQR 값을 수신하게 된다. 따라서 안테나는 어떠한 상황에서도 최상의 신호를 수신 및 발신할 수 있게 된다.

도 12는 본 발명의 실시 일예에 따른 메인 칩과 컨트롤러의 구성을 나타내는 구성도이다.

도 12를 참조하면, 메인 칩에서는 솔루션들에게서 수신되는 RSSI/CQI 신호와 메인 칩에 저장되어 있는 기준 안테나의 RSSI/CQI 값과 실시간으로 연산한다.

메인 칩은 연산된 값은 SPI를 통해 컨트롤러에 전송된다.

컨트롤러는 중앙처리장치(CPU)에 저장되어 있는 명령어를 GPIO를 통해서 각각의 솔루션들에게 전달하게 된다.

이렇게 수신된 신호들로부터 신호가 계속적으로 연산되어 처리되는 시스템을 폐쇄루프 시스템(Closed-Loop System)라고 한다. 본 발명에서는 폐쇄루프 시스템에 스위치 어블 솔루션과 튜너블 솔루션을 적용한 광대역 엑티브 안테나를 제공하는 것이다.

도 13은 본 발명의 실시 일예에 따른 메인 칩과 컨트롤러의 구성을 나타내는 일시 예들이다.

도 13을 참조하면, ⓐ는 퀄컴과 같은 메인 칩에서 안테나로부터 수신되는 RSSI/CQR 신호를 비교 연산한 데이터를 FPGA 칩으로 전송한다. FPGA 칩은 이에 해당하는 명령을 스위치 및 튜닝 가능 솔루션에게 명령을 하게 된다.

ⓑ는 퀄컴과 같은 메인 칩에서 안테나로부터 수신되는 RSSI/CQR 신호를 비교 연산한 데이터를 컨트롤러 칩으로 전송한다. 컨트롤 칩은 이에 해당하는 명령을 스위치 및 튜닝 가능 솔루션에게 명령을 하게 된다.

ⓒ는 컬컴과 같은 메인 칩에서 안테나로부터 수신되는 RSSI/CQR 신호를 비교 연산한 데이터를 메인 칩에서 바로 명령을 하는 구조이다.

도 14는 본 발명의 실시 일예에 따른 폐쇄루프 시스템에 캐패시터 그라운드를 갖는 안테나를 나타내는 도면이다.

도 14를 참조하면, 신호소스(feeding)의 튜너블 솔루션은 메칭을 위해 설치되어 있으며, GND 1에는 SP4T를 두어 각각의 스위치 출력단(Out1. Out2, Out3, Out4)에 각각 다른 추가 캐패시터들(미도시)을 연결할 수 있도록 한다. 이러한 추가 캐패시터들은 그라운드와 연결되었으며, 이는 또한 하나의 칩(Chip)으로 구현 될 수 있다.

도 6에서 상술하였듯이, 션트 캐패시터는 스미스 챠트의 어드미턴스 써클을 시계방향으로 회전시킨다. 그런데, 도 14와 같이, 한쪽의 그라운드 GND 2는 그라운드와 쇼트 시키고, 다른 한쪽의 그라운드 GND 1 은 캐패시터들과 연결할 경우에는, 캐패시터 값이 변하게 되면, 스미스 챠트의 어드미턴스 써클은 시계방향으로 회전하지만, 그 회전양은 많지 않고 써클이 제자리에서 시계방향으로 돌아가는 역할을 하게 된다.

도 15, 도 16은 ADS(Advanced Design System) 시뮬레이션(Simulation Tool) 을 사용하여 하나의 션트 캐패시터는 신호 소스(Feeding)에 안테나 메칭과 같이 연결하였으며, 다른 하나는 그라운드 직접 연결한 상태인 경우의 스미스 챠트와 반사 손실(return loss)를 나타내는 도면이다.

계산된 경우에서 보듯이, 캐패시터가 그라운드에 직접 연결된 도 15 의경우는 주파수 이동은 35 MHz이며, 캐패시터가 신호 소스(Feeding)에 안테나 메칭으로 연결된 도 16의 경우의 주파수 이동은 16MHz이다. 도 15와 16을 합한 주파수 이동 41MHz 이고, 이는 단일의 션트 그라운드와 션트 캐패시터가 있는 경우 보다 휠씬 좋은 결과를 보인 것으로 간접적으로 시뮬레이션 툴(Simulation Tool)에서 예상할 수 있다.

도 17은 본 발명의 실시 일예에 따른 추가 캐패시터들과 튜닝 및 스위치 가능한 솔루션을 갖는 구조와 수신(RX)용일 때의 동작방법을 나타내는 도면이다.

도 17을 참조하면, ⓛ 입력 신호가 안테나로 수신되면 수신된 입력 수신 레벨(RSSI/CQR)이 칩셋(chipset)으로 인가된다. 여기서 칩셋은 도 13과 같이 메인칩과 컨트롤러가 합쳐진 구성이다.

② 인가된 입력 신호 레벨과 칩셋에 저장된 기준 안테나의 수신레벨을 비교하여 그 차이 값을 연산한다. 예컨대, 기준 안테나의 수신 레벨이 -100dBm, 실제 입력 수신 레벨이 -98dBm이라면, -2dBm 만큼의 신호를 보상할 수 있도록 스위치 어블 및 튜너블 솔루션에 명령을 내릴 준비를 한다.

③ 칩셋에서는 입력 신호 레벨의 차이를 보상할 수 있는 명령을 튜너블 솔루션과 스위치 어블 솔루션에 내린다. 예컨대, -2dBm 차이 만큼의 데이터를 각각의 솔루션에 명령을 내린다.

이어서, 각각의 솔루션에서는 명령을 받아서 가변하게 된다.

수신(RX)용일 때 이런 방법을 사용하면 실시간 최대 입력 신호를 받을 수 있게 된다.

도 18은 본 발명의 실시 일예에 따른 추가 캐패시터들과 튜닝 및 스위치 가능한 솔루션을 갖는 구조와 송신(TX)용일 때의 동작방법을 나타내는 도면이다.

도 18을 참조하면, ⓛ 출력 신호가 신호 소스(Feeding)단에 도달하여 안테나를 통하여 방사된다. 이때, 다른 조건이나 상황에 따라서 방사되는 전파의 양이 달라진다.

② 방사되는 양의 레벨을 신호 소스(Feeding)에서 칩셋으로 인가하게 되면, 기준 안테나의 방사 신호 레벨과 비교하여 그 차이 값을 연산한다.

③ 칩셋에서는 레벨 만큼의 차이를 보상하기 위해 스위치 어블 및 튜너블 솔루션에 명령을 내린다.

이어서, 각각의 솔루션에서 연산된 출력 신호 레벨의 차이만큼 가변하게 된다.

따라서 송신(TX)용일 때, 상술한 방법에 의하여 실시간으로 최대 출력 신호를 방사하게 된다.

도 19는 본 발명의 실시 일예에 도 2에서 GND1과 GND2 사이의 안테나의 패턴 GND 슬롯의 깊이에 따른 주파수 변화이며, 이는 안테나의 길이 변화와 동일한 의미를 나타내는 것으로 판단된다. 여기서, 짧은 길이(Short length), 중간 길이(Middle length), 긴 길이(Long length)는 동일 설계에서 안테나 방사체의 길이에 변화에 주파수 변화를 보여 준 것이다.

도 19를 참조하면, 1GHz 이하에서 최대 198.6 MHz 이동 가능하며 그 사이에서 제공하는 서비스들을 충분히 이용할 수 있다.

도 20은 본 발명의 실시 일예에 따른 튜너블 솔루션의 가변에 따른 주파수 이동을 나타내는 도면이다.

도 20을 참조하면, 도 19에서 그라운드 캐패시터(GND Cap) = 긴 길이(Long length) 이고, G1 Cap = 1.2pF일 때, 튜너블 솔루션을 이용하여 주파수를 가변시킨 결과를 나타낸다. 693.4 MHz ~ 706.5MHz 사이의 주파수들을 모두 이용 가능한 것을 나타내고 있다.

도 21은 본 발명의 실시 일예에 따른 폐쇄루프 시스템에 DP4T를 갖는 안테나를 나타내는 도면이다.

도 21를 참조하면, DP4T와 같은 듀얼 스위칭 가능한 장치를 이용하여 GND1과 GND2의 두 개 중 하나를 선택하는 방법으로, 선택된 그라운드는 튜닝 솔루션 칩(Tunable Solution Chip)과 연결되는 구조이다. 칩셋의 구조와 튜닝 솔루션 칩(Tunable Solution Chip)의 구조는 도 9 및 도 13과 동일하다.

도 21의 안테나는 도 14의 폐쇄루프 시스템(Closed-Loop System)에 캐패시터들의 그라운드를 갖는 안테나와 비교하면 차이점은 다음과 같다.

ⓛ 다중의 그라운드 중 하나의 그라운드만 선택한다.

② 선택된 하나의 그라운드와 튜너블 솔루션 칩(Tunable Solution Chip)가 연결되어 임피던스 튜닝이 가능하다.

③ 그라운드 선택과 튜너블 솔루션 칩(Tunable Solution Chip)의 변화에 의해 주파수가 가변이 가능하다.

도 22는 본 발명의 실시 일예에 따른 듀얼 스위치를 사용한 구조를 나타내는 도면이다.

도 22를 참조하면, 스위치1(S/W1)과 스위치2(S/W2)의 선택이 출력단1(Out1)과 출력단2(Out2)일 때, 스위치1(S/W1)의 출력단1(Out1)은 사용자가 원하는 출력을 사용할 수 있고, 스위치2(S/W2)의 출력단2(Out2)는 추가 튜닝 솔루션 칩과 연결된다. 도 22의 안테나에서는 도 14의 각각의 스위치 출력단(Out1. Out2, Out3, Out4)에 각각 다른 추가 캐패시터들을 연결하여 캐패시턴스의 값의 변화를 추가 가변 캐패시터 솔루션으로 할 수 있는 구조이다.

이와 같은 구조를 이용하여 안테나를 설계하면, 하나의 안테나를 이용하여 로우 밴드(Low Band) 다중 주파수를 전부 이용 가능하다는 장점이 있다.

도 23은 본 발명의 일실시예에 따른 DTnT와 추가 튜닝가능한 솔루션을 가진 안테나 및 RX일 때의 동작 방법을 나타내는 도면이다.

도 23을 참조하면, ⓛ 입력 신호가 안테나로 수신되면 수신된 입력 수신 레벨(RSSI/CQR)이 칩셋으로 인가된다.

② 칩셋에서는 인가된 입력 신호 레벨과 저장된 기준 안테나의 수신레벨을 비교하여 그 차이 값을 연산한다.

③ 칩셋에서는 연산된 값에 의하여 스위치가능 솔루션에 n개의 GND 중 하나를 선택하는 명령을 내리고, 튜닝 가능한 솔루션 및 추가 튜닝 가능한 솔루션에 캐패시터들의 값이 인가되도록 한다.

따라서, 이러한 방법을 수신(RX)용일 때 사용하면, 실시간 최대 입력 신호를 수신할 수 있다.

도 24는 본 발명의 실시 일예에 따른 DTnT와 추가 튜너블 솔루션을 가진 안테나 및 TX일 때의 동작 방법을 나타내는 도면이다.

도 24를 참조하면, ⓛ 출력 신호가 신호 소스(Feeding)에 도달하여 안테나를 통해 방사되며, 반사되는 양의 레벨을 신호 소스에서 칩셋으로 인가한다. 이때, 다른 조건이나 상황에 따라 방사되는 전파의 양이 달라진다.

② 칩셋에서는 신호 소스(Feeding) 단에서 수신한 방사 레벨과 저장된 기준 안테나의 방사 레벨을 비교하여 그 차이 값을 연산한다.

③ 칩셋에서는 차이 값에 근거하여 스위치 어블 솔루션에는 여려 개의 그라운드 중에서 한 가지의 그라운드를 선택할 수 있는 명령을 내리고, 신호 소스에 튜너블 솔루션 및 스위치 어블 솔루션에 연결된 추가 튜닝 가능한 솔루션에 각각 용량 값을 가변하는 명령을 내려 기준 안테나의 상태와 가장 유사하게 만든다.

따라서, 이러한 방법을 TX일 때 사용하면, 실시간으로 최대 출력 신호를 방사할 수 있다.

본 발명에 따르면, 스위치 어블 솔루션이 갖는 주파수 이동 특성 및 튜너블 솔루션이 갖는 안테나 메칭(matching)이 가능하다.

현재 이동통신 분야에서는 너무도 많은 주파수 통신 대역이 존재하며, 이들 통신 대역을 하나의 시스템으로 묶기 위한 여러 가지 방법이 모색되고 있지만, 현재 핸드폰 시스템에서는 900MHz 이하의 주파수 대역을 하나의 안테나로 구현하는 것이 불가능하다. 특히 LTE 시스템 즉, 4G 시스템의 구현으로 800MHz 이하의 낮은 주파수 대역을 하나의 안테나로 구현하는 것은 물리적으로 힘들 것으로 판단하고 있다. 본 발명은 900MHz 및 현재 문제화되는 700MHz의 핸드폰 시스템의 안테나를 하나의 안테나로 구현이 가능하다. 나아가, 핸드폰 양산 이후에 소비자의 손이나 얼굴 등의 인체에 의한 영향을 받아 물리적 특성이 열화된 안테나의 특성을 자동으로 핸드폰이 폐쇄 루프 시스템(Closed-Loop System)으로 찾아줘서 열화된 안테나의 특성 및 개선을 보상해 줄 수 있다.

10: 안테나 20: 스위칭솔루션칩 및 튜닝솔루션칩
30: 메인 칩 50: 컨트롤러

Claims (9)

1. 신호를 송수신하는 안테나;
   상기 안테나와 연결되어 복수 개의 주파수 대역을 선택하여 송수신하는 SPnT(Single-Pole-n-Throw) 또는 DPnT(Double-Pole-n-Throw) 형식의 스위치 어블 솔루션 칩(Swithchable Solution Chip);
   상기 안테나와 스위치 어블 솔루션칩에서 분기 연결된 튜너블 솔루션 칩(Tunable Solution Chip);
   상기 안테나에 출력 신호를 방사하는 신호 소스(Feeding); 및
   상기 안테나가 실시간으로 송신 또는 수신하는 신호를 기준 안테나의 방사 레벨 또는 수신 레벨과 비교하여 그 차이만큼 보상하기 위하여 상기 스위치 어블 솔루션 칩 및 튜너블 솔루션 칩에 제어 신호를 전송하는 메인 칩과 컨트롤러로 구성되는 칩셋을 포함하는 핸드폰 안테나 모듈.
2. 제1항에 있어서,
   상기 스위치 어블 솔루션 칩이 SPnT(Single-Pole-n-Throw)인 경우에,
   n개의 출력단(out)에 추가 가변 캐패시터들을 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 핸드폰 안테나 모듈.
3. 제1항에 있어서,
   상기 스위치 어블 솔루션 칩이 DPnT(Double-Pole-n-Throw)인 경우에,
   더블 폴(Double-Pole) 중의 하나는 추가 가변 캐패시터와 연결되며,
   상기 추가 가변 캐패시터는 상기 칩셋에 의하여 제어신호를 수신하여 가변되는 것을 특징으로 하는 핸드폰 안테나 모듈.
4. 제1항에 있어서,
   상기 튜너블 솔루션 칩은,
   캐패시터만으로 구성된 회로, 인덕터만으로 구성된 회로, 또는 캐패시터와 인덕터로 구성된 회로인 것을 특징으로 하는 핸드폰 안테나 모듈.
5. 제1항에 있어서,
   상기 칩셋은,
   메인 칩에서 안테나로부터 수신되는 RSSI/CQR 신호를 비교 연산한 데이터를 컨트롤러인 FPGA 칩으로 전송하는 구조, 메인 칩에서 안테나로부터 수신되는 RSSI/CQR 신호를 비교 연산한 데이터를 컨트롤러인 컨트롤러 칩으로 전송하는 구조, 또는 메인 칩에 컨트롤러를 포함하여 메인 칩에서 안테나로부터 수신되는 RSSI/CQR 신호를 비교 연산한 데이터를 메인 칩에서 바로 명령을 하는 구조 중의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 핸드폰 안테나 모듈.
6. 안테나로부터 송수신 되는 신호 레벨을 스위치 어블 솔루션 칩 및 튜너블 솔루션 칩를 통하여 메인 칩이 수신하는 단계;
   상기 메인 칩에서 저장되어 있는 기준 안테나의 신호레벨과 비교하여 그 차이 값을 연산하는 단계;
   상기 메인 칩에서 컨트롤러에게 그 차이 값을 전달하는 단계;
   상기 컨트롤러에서 수신된 차이 값에 해당하는 제어신호를 상기 스위치 어블 솔루션 칩 및 튜너블 솔루션 칩에 전송하는 단계; 및
   상기 스위치 어블 솔류션 칩 및 튜너블 솔루션 칩은 상기 제어신호에 따라서 스위칭 또는 튜닝을 실행하는 단계를 포함하는 핸드폰 안테나 모듈의 사용방법.
7. 제6항에 있어서,
   상기 스위치 어블 솔루션 칩은, SPnT(Single-Pole-n-Throw)이며, n개의 출력단(out)에 추가 가변 캐패시티를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 핸드폰 안테나 모듈의 사용방법.
8. 제6항에 있어서,
   상기 스위치 솔루션 칩은, DPnT(Double-Pole-n-Throw)이며, 더블 폴(Double-Pole) 중의 하나는 추가 가변 캐패시터와 연결되며, 상기 추가 가변 캐패시터는 상기 칩셋에 의하여 제어신호를 수신하여 가변되는 것을 특징으로 하는 핸드폰 안테나 모듈의 사용방법.
9. 제6항에 있어서,
   상기 스위칭 및 튜닝 가능한 핸드폰 안테나 모듈의 사용방법은 그 단계들이 무한 반복되는 폐쇄 루프 시스템(Closed-Loop System)인 것을 특징으로 하는 핸드폰 안테나 모듈의 사용방법.

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