KR20140072827A - 기판의 유전율 분산이 보상된 무선 주파수 디바이스 및 조정 방법 - Google Patents

기판의 유전율 분산이 보상된 무선 주파수 디바이스 및 조정 방법 Download PDF

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KR20140072827A
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Abstract

본 발명은 유전체 기판상에 인쇄 기술로 실현된 적어도 하나의 안테나(31) 및/또는 적어도 하나의 필터(32a, 32b)를 포함하는 무선 주파수 신호들을 송신 및/또는 수신하기 위한 디바이스(30)에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 이 디바이스는 기판의 유전율 분산을 보상하기 위한 수단을 구비하고 있다. 이를 위해, 디바이스는, 기판의 유전율을 측정하여 측정된 유전율 값을 전달할 수 있는 회로(10) 및 상기 측정된 유전율 값에 따라 상기 필터의 주파수 응답 및/또는 안테나의 임피던스를 조정할 수 있는 조정 수단(20, 36)을 포함한다.

Description

기판의 유전율 분산이 보상된 무선 주파수 디바이스 및 조정 방법{RADIO FREQUENCY DEVICE WITH COMPENSATION OF PERMITTIVITY DISPERSION OF THE SUBSTRATE AND ADJUSTMENT METHOD}
본 발명은 유전체 기판을 포함하는 회로 기판상에 실현된 무선 주파수 디바이스의 분야에 관한 것이다. 본 발명은 보다 구체적으로 유전체 재료의 기판상에 인쇄 회로 기술로 실현된 적어도 하나의 안테나 및/또는 적어도 하나의 필터를 포함하는 무선 주파수 신호들을 송신 및/또는 수신하기 위한 디바이스에 관한 것이다.
고 레벨의 집적도를 얻기 위해, 무선 주파수 디바이스는 전통적으로 유전체 기판을 갖는 하나 이상의 인쇄 회로 기판상에 실현된다. 그러한 디바이스에서, 안테나는 통상적으로 유전체 기판상에 배치되는 적절한 기하학적 형태의 도전 재료의 층으로 실현된다. 도전층은 특정한 형태의 하나 이상의 방사 스트랜드(radiating strands)에 의해 또는 슬롯을 구비한 도전판에 의해 형성될 수 있다. 이러한 디바이스는 또한 전통적으로 필터들을 포함한다. 이러한 필터들은, 유전체 기판상에 배열된, 도전성 라인들, 예를 들어, 마이크로스트립 라인들에 의해 완전히 또는 부분적으로 실현될 수 있다.
이러한 안테나들 및/또는 필터들의 동작은 기판의 유전체 재료의 전기적 및 기계적 속성들과 강하게 연관되는 것으로 알려져 있다. 또한, 가전 기기의 분야에서, 기판을 제조하는데 흔히 사용되는 재료는 저가의 재료인 FR4 유형이다. 이 재료의 단점은 유전율 값(dielectric permittivity values)의 견지에서 비교적 높은 분산을 갖는다는 것이다. 유전율에 있어서 변화의 범위는 제조자에 따라 더 크거나 더 작다. 일반적으로, 재료가 더 비쌀수록, 유전율에 있어서 변화의 범위는 줄어든다.
이러한 유전율의 분산은 무선 주파수 디바이스의 수신 및/또는 송신 채널의 여러 중요 기능들, 특히, 이러한 유전체 기판과 함께 실현된 안테나 및 필터들의 동작에 영향을 미칠 수 있다. 더 구체적으로, 유전율의 분산은 필터의 응답에 있어서 주파수 표류(frequency drifts)를 만들고, 안테나의 임피던스가 표류하게 하므로, 그들의 성능에 있어서의 저하로 이어진다.
현재, 인쇄 회로 상의 무선 주파수 디바이스의 제조자는 이러한 표류를 방지하기 위해 두 가지 옵션을 갖는다:
1) 그들은 유전율에 있어서 낮은 변화를 갖는 유전체 기판을 사용하는데, 이는 디바이스에 대한 추가적인 비용을 초래하고; 또는
2) 그들은, 예를 들어, 안테나의 대역폭을 증가시킴으로써 기판의 유전율에 있어서의 이러한 잠재적 변화를 고려하기 위해 디바이스의 기술적 특성을 수정하는데, 이는 디바이스의 성능에 있어서의 열화로 이어진다.
본 발명은 무선 주파수 디바이스의 안테나 또는 필터의 성능을 저하하지 않고 저가의 유전체 재료를 계속 사용할 수 있게 하는 또 다른 해결책을 제안한다.
본 발명에 따르면, 유전체 기판의 유전율과 연관된 값을 측정하기 위한 회로 및 측정된 유전율 값에 따라 안테나의 임피던스와 필터의 주파수 응답을 조정할 수 있게 하는 회로들이 장착된 무선 주파수 디바이스가 제안된다.
이를 위해, 본 발명은 유전체 기판상에 인쇄 기술로 실현된 적어도 하나의 안테나 및/또는 적어도 하나의 필터를 포함하는 무선 주파수 신호를 송신 및/또는 수신하기 위한 디바이스에 관한 것으로, 그 디바이스는 기판의 유전율과 연관된 값을 측정하여 유전율과 연관된 측정된 값을 전달할 수 있는 회로 및 상기 측정된 값에 따라 상기 필터의 주파수 응답 및/또는 안테나의 임피던스를 조정할 수 있는 조정 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명에 따르면, 디바이스의 필터의 주파수 응답 및/또는 안테나의 임피던스는 기판의 유전율의 실제 값을 고려하여 조정된다. 따라서, 기판의 유전율의 분산과 연관된 필터의 응답에 있어서의 주파수 표류 및/또는 안테나의 미스매칭이 방지된다.
특정한 실시예에 따르면, 조정 수단은:
- 측정된 유전율 값을 수신할 수 있고, 상기 측정된 유전율 값에 따라 적어도 하나의 디지털 제어 신호를 전달할 수 있는 조정 제어 회로; 및
- 상기 안테나의 입/출력에 접속되고, 상기 적어도 하나의 디지털 제어 신호에 의해 제어되어, 안테나의 임피던스를 수정하고 그것을 미리 결정된 값으로 복원하는 임피던스 매칭 및/또는 상기 필터에서, 상기 적어도 하나의 디지털 제어 신호에 의해 제어되어 상기 적어도 하나의 필터의 주파수 응답을 수정하고 그것을 미리 결정된 값으로 복원하는 가변-용량 소자
를 포함한다.
하나의 실시예에 따르면, 임피던스 매칭 네트워크는 상기 적어도 하나의 디지털 제어 신호에 의해 디지털 방식으로 제어된 조정가능한 커패시터를 포함한다. 상기 적어도 하나의 필터 내부에 있는 가변-용량 소자는 버랙터 다이오드(varactor diode)이다.
특정한 실시예에 따르면, 유전율과 연관된 값을 측정하는 회로는:
- 제어 신호에 의해 디지털 방식으로 제어가능하고, 미리 결정된 주파수 대역 내의 상이한 주파수들을 갖는 복수의 무선 주파수 신호를 발생할 수 있는 무선 주파수 신호 발생기;
- 발생기에 의해 발생한 상기 무선 주파수 신호들을 수신할 수 있고, 상이한 주파수들을 갖는 이러한 신호들 각각에 대해, 출력 신호를 전달할 수 있는 공진기;
- 상기 공진기에 의해 전달된 출력 신호들 각각에 대한 신호 전력을 측정하기 위한 전력 측정 회로;
- 전력 측정 회로에 의해 측정된 전력 값들로부터 공진기의 공진 주파수를 결정하고, 무선 주파수 신호 발생기를 제어하기 위한 신호를 발생하기 위한 마이크로컨트롤러; 및
- 상기 공진 주파수로부터 기판의 비 유전율(relative permittivity)을 계산하기 위한 프로세서
를 포함한다.
특정한 실시예에 따르면, 상기 공진기는 링 공진기이다. 변형예에 따르면, 공진기는
Figure pat00001
와 실질적으로 동일한 길이를 갖는 직선 마이크로스트립 라인(rectilinear microstrip line)을 포함하는 공진기로서, 여기서,
Figure pat00002
는 무선 주파수 신호 파장이다.
바람직하게, 공진기는 송신되거나 수신된 무선 주파수 신호의 주파수에 가까운 공진 주파수를 갖도록 설계된다.
특정한 실시예에 따르면, 디바이스는 상이한 동작 주파수들에서 동작하는 적어도 두 개의 송신 및/또는 수신 채널을 포함하고, 각각은 단일 유전체 기판상에 인쇄 기술로 실현된 적어도 하나의 안테나 및/또는 적어도 하나의 필터를 포함하며, 상기 유전체 기판의 상기 비 유전율을 측정하기 위해 유전율과 연관된 값을 측정하는 회로를 더 포함하고, 측정 회로의 공진기는 일반적으로 기판의 유전율의 분산에 의해 야기된 표류들에 가장 민감한 주파수인 최고 동작 주파수에 가까운 공진 주파수를 갖도록 설계된다.
본 발명의 목적은 또한 이전에 정의된 바와 같은 디바이스의 필터의 주파수 응답 및/또는 안테나의 임피던스를 조정하기 위한 방법으로서, 이는 다음과 같은 단계들:
- 미리 결정된 주파수 대역 내의 상이한 주파수들을 갖는 복수의 무선 주파수 신호를 발생하는 단계;
- 기판의 비 유전율과 연관된 값을 측정하는 단계; 및
- 상기 측정된 유전율 값에 따라 필터의 주파수 응답 및/또는 안테나의 임피던스를 조정하기 위한 제어 신호들을 전달하는 단계
를 포함한다.
바람직하게, 이 방법은 디바이스가 처음 켜질 때 한 번만 구현된다.
예시로서 주어진, 첨부 도면들에 의해 예시된, 아래의 실시예들을 읽으면, 당업자에게 다른 이점들이 떠오를 수도 있다.
- 도 1은, 기판의 비 유전율이 약 ±10%만큼 변화할 때 기판상에 실현된 대역-제거 필터의 주파수 표류를 나타내는 도면이고;
- 도 2는 링 공진기가 그 위에 실현되는 기판의 실제 비 유전율을 측정하는데 사용되는 링 공진기의 개략도이고;
- 도 3은 도 2의 공진기의 주파수 응답을 나타내는 도면이고;
- 도 4는 유전율과 연관된 값을 측정하는 회로 및 측정된 값에 따라 무선 주파수 디바이스의 필터의 주파수 응답 및 안테나의 임피던스를 조정하는 조정 신호를 발생하도록 의도된 조정 제어 회로의 도면이고;
- 도 5는 공진 주파수의 함수로서 도 2의 공진기로부터 결정된 기판의 비 유전율의 변화를 나타내는 곡선이고;
- 도 6은 도 2의 유전율 회로와 연관된 값을 측정하는데 포함된 전력 측정 회로의 도면이고;
- 도 7은 본 발명에 따른 무선 주파수 신호들을 송신/수신하기 위한 제1 디바이스의 개략도를 나타내고;
- 도 8은 도 7의 디바이스의 매칭 네트워크의 개략도를 나타내고;
- 도 9는 도 7의 디바이스의 매칭 네트워크 및 필터들의 조정 방법의 단계들을 나타내고;
- 도 10은 본 발명에 따른 무선 주파수 신호를 송신/수신하기 위한 제1 디바이스의 개략도를 나타낸다.
도 1은 기판의 비 유전율(relative permittivity)
Figure pat00003
의 함수로서 유전체 기판상에 마이크로스트립 라인으로 실현된 대역-제거 필터(band-rejection filter)의 주파수 응답(파라미터 S12)을 나타낸다. 이 필터는 5GHz-7GHz 대역 내의 주파수들을 제거하도록 의도된 것이다. 세 개의 주파수 응답 곡선이 도시된다:
- 비 유전율
Figure pat00004
이 4.4인 유전체 기판으로 실현된 제1 곡선;
- 비 유전율
Figure pat00005
이 4.0인 유전체 기판으로 실현된 제2 곡선;
- 비 유전율
Figure pat00006
이 4.8인 유전체 기판으로 실현된 제3 곡선.
이 도면은, 약 ±10%의 비 유전율 분산
Figure pat00007
이 ±200MHz의 주파수 표류로 이어질 수 있다는 것을 보여주는데, 이는 많은 분야, 특히, 2.4 & 5GHz 와이-파이(Wi-Fi), DECT, 3G, 블루투스(Bluetooth), 지그비(ZigBee) 또는 GPS 신호와 같은 멀티미디어 신호의 송신 및 수신의 분야에서 허용될 수 없다.
주파수가 높을수록, 기판의 비 유전율 값
Figure pat00008
의 분산은 필터의 응답에 더 많은 영향을 미치고, 이는 필터의 유형(대역-제거, 대역-통과, 저역-통과, 고역-통과)에 관계없이 사실이다.
기판의 비 유전율의 분산은 유전체 기판상에 인쇄 기술로 실현된 안테나의 임피던스에도 마찬가지로 영향을 미친다.
따라서, 본 발명에 따르면, 그들이 그 위에 실현되어 있는 유전체 기판의 비 유전율
Figure pat00009
의 유효 값에 따라 무선 주파수 디바이스의 안테나의 임피던스 및/또는 필터의 주파수 응답을 조정하는 것이 제안된다.
본 발명에 따르면, 그 다음, 측정된 값에 따라 무선 주파수 디바이스의 임피던스 및/또는 필터의 주파수 응답을 조정하기 위해, 기판의 비 유전율
Figure pat00010
와 연관된 값을 측정하는 것이 제안된다.
인쇄 회로 기판의 유전체 기판의 비 유전율
Figure pat00011
은 상이한 공지된 기술들에 따라 측정될 수 있다. 그들 중 하나는, 기판의 유전율이 측정될 회로 기판상에, 예를 들어, 마이크로스트립 라인을 갖는 링 공진기를 실현한 다음, 이러한 링의 공진 주파수를 결정하는 것으로 이루어진다. 그러한 공진기는 도 2에 도식적으로 보여진다.
마이크로스트립 라인을 갖는 공진기 회로의 경우에, 전자기파는 기판, 마이크로스트립 라인 및 공기로 형성된 불균질 매체(heterogeneous medium)에서 전파한다. 흔히, 유효 유전율
Figure pat00012
로 불리는, 이러한 불균질 매체의 유전율은 다음과 같은 수학식에 의해 결정된다:
Figure pat00013
Figure pat00014
여기서, I는 공진기의 링의 원주로서,
Figure pat00015
이고,
Figure pat00016
는 공진 주파수 f에서 상기 불균질 매체에서 전파하는 무선 주파수 신호들의 파장이고, r은 공진기의 링의 반경이고,
Figure pat00017
은 공진 주파수 f에서 진공에서 전파하는 무선 주파수 신호의 파장이다.
수학식 1 및 2가 조합되는 경우, 다음과 같은 수학식이 얻어진다:
Figure pat00018
여기서, f는 링의 공진 주파수이고, c는 진공에서 빛의 속도(3.108m/s)이다.
앞선 수학식들은 공진기의 공진 주파수 f와 유효 유전율
Figure pat00019
간의 관계를 보여준다. 후자는 다음과 같은 관계에 의해 기판의 비 유전율
Figure pat00020
과 연관된다:
Figure pat00021
여기서, h는 기판의 두께를 나타내고, w는 링을 형성하는 마이크로스트립 라인의 폭이다.
따라서 기판의 비 유전율
Figure pat00022
은 다음과 같은 관계에 의해 얻어진다:
Figure pat00023
따라서, 링의 공진 주파수 f를 결정함으로써, 수학식 3을 사용하여 매우 정확하게 유효 비 유전율
Figure pat00024
을 추론한 다음 수학식 5를 사용하여 기판의 비 유전율
Figure pat00025
을 매우 정확하게 추론할 수 있다.
공진 주파수 f를 결정하는 것은 공진기에 의해 전달된 전력이 최대인 신호 주파수를 결정하는 것으로 이루어진다.
도 3은 도 3에 의해 도시된 바와 같은 링 공진기의 주파수 응답(파라미터 S21)의 HFSS(High Frequency Structural Simulator) 시뮬레이션을 도시한다. 이렇게 시뮬레이션된 응답은 비 유전율
Figure pat00026
이 4.4이고 손실 탄젠트가 0.02인 기판에 대해 얻어졌다.
이 도면에서 알 수 있는 바와 같이, 공진기의 응답은 공진 주파수 f(본 경우에는 약 5.25GHz) 및 그의 고조파에서 진폭 피크를 갖는다.
이러한 진폭 피크의 검출은, 공진기의 공진 주파수 f를 결정할 수 있게 해 주고, 수학식 3 및 5와 공지된 파라미터들인 파라미터들 n, l, h 및 w를 사용하여 기판의 비 유전율
Figure pat00027
를 추론할 수 있게 해 준다.
따라서, 기판의 비 유전율
Figure pat00028
을 결정하기 위해, 유전율과 연관된 값을 측정하는 회로는 도 2에 정의되는 바와 같은 공진기를 포함할 뿐만 아니라, 공진기에 가변 주파수의 무선 주파수 신호를 공급하기 위한 수단, 공진기의 공진 주파수를 결정하기 위한 수단 및 공진 주파수로부터 기판의 비 유전율
Figure pat00029
를 계산하기 위한 수단을 포함해야 한다.
도 4를 참조하면, 기판의 유전율과 연관된 값을 측정하는 회로(10)는:
- 상이한 주파수들을 갖는 복수의 무선 주파수 신호를 디지털 방식으로 제어가능하고 그 신호들을 발생할 수 있는 무선 주파수 신호 발생기(11) - 발생된 신호들의 주파수는 예를 들어 미리 결정된 주파수 대역에서 미리 정의된 주파수 스텝에 따라 변화하고; 발생기(11)는 발생된 신호의 주파수를 변화시키기 위해 제어 신호(cmd)에 의해 제어되고; 발생기는 기판의 유전율 분산으로 인한 잠재적 주파수 표류를 포함하기 위해 기판의 이른바 공칭 유전율 값에 의해 계산된 이른바 공칭 공진 주파수 주위의 비교적 넓은 주파수 대역에 걸쳐 스윕(sweep)함 - ;
- 발생기(11)에 의해 발생된 무선 주파수 신호들을 수신할 수 있고, 상이한 주파수들을 갖는 이러한 신호들 각각에 대해, 출력 신호를 전달할 수 있는 미리 정의된 공진기(12);
- 공진기에 의해 전달된 출력 신호들 각각에 대한 신호 전력을 측정하기 위한 전력 측정 회로(13);
- 전력 측정 회로(13)에 의해 측정된 전력 값들로부터 공진기의 공진 주파수를 결정하고, 무선 주파수 신호 발생기(11)를 제어하기 위한 신호(cmd)를 생성하기 위한 마이크로컨트롤러(14); 및
- 마이크로컨트롤러(14)에 의해 결정된 공진 주파수 f로부터 기판의 비 유전율
Figure pat00030
을 계산하기 위한 프로세서(15)
를 포함한다.
유전율과 연관된 값을 측정하는 회로는 또한 전력 측정 회로(13)에 의해 측정된 전력 값을 적어도 일시적으로 저장하기 위한 마이크로컨트롤러(14)에 접속된 메모리(16)를 포함한다.
발생기(11)는 분석될 주파수 대역의 복수의 무선 주파수 신호를 순차적으로 전달한다. 상술한 바와 같이, 분석될 이러한 주파수 대역은 기판의 제조자에 의해 제공된 공칭 비 유전율 값(예를 들어,
Figure pat00031
=4.55)에 대해 얻어진 공진기의 이른바 공칭 공진 주파수, 및 기판의 비 유전율의 분산으로 인한 것인 공진 주파수의 표류에 대응하는 이러한 공칭 공진 주파수 주위의 주파수들을 포함한다.
예를 들어, 약 ±10%만큼 변화하기 쉬운 4.5인, 다시 말해서, 4.05와 4.95 사이인 공칭 비 유전율
Figure pat00032
을 갖는 FR4 유형의 기판상에 실현된 공진기를 고려하는 경우, 그의 공진 주파수는 도 5의 도면에 도시된 바와 같이 5.3GHz와 5.7GHz 사이에서 변화하고, 마이크로컨트롤러(14)는, 신호(cmd)를 통해, 발생기(11)를 제어하여, 5.3GHz와 5.7GHz 사이에 포함된 주파수 대역에 걸쳐 스윕한다. 공진기의 공진 주파수는 바람직하게는 그것이 삽입되는 송신/수신 디바이스의 최고 작동 주파수에 가깝다. 이러한 주파수는 일반적으로 기판의 유전율의 분산으로 인한 표류에 가장 민감한 주파수에 대응한다.
주파수 대역은 미리 결정된 값 스텝, 예를 들어, 100KHz를 갖도록 스윕된다. 이 스텝이 작을수록, 공진기의 공진 주파수는 더 정확하게 결정될 것이다.
공진기(12)에는 발생기(11)에 의해 생성된 신호들 각각이 연속적으로 공급된다. 따라서, 이에 의해 전달된 신호의 진폭은 공진기의 공진 주파수에 접근할수록 최대를 갖는다.
공진기(12)의 출력에서, 전력 측정 회로(13)는 공진기(12)에 의해 전달된 신호의 전력을 측정한다. 대수 전력 측정 회로(logarithmic power measuring circuit)의 일례의 도면은 도 6에 도시된다. 이러한 전력 검출기는 본 기술 분야에서 잘 알려져 있다. 그것은 매우 높은 감도와 넓은 동적 범위를 갖는다. 출력에서, dBm의 RF 입력 전압에 비례하는 볼트의 DC 전압을 생성한다.
마이크로컨트롤러(14)는 회로(13)에 의해 측정된 전력 값들을 메모리(16)에 저장한 다음, 분석될 주파수 대역의 전체 스윕(full sweep)에 대한 최대 전력 값을 결정한다.
마이크로컨트롤러(14)는 그 다음 이러한 최대 전력을 제공하는 공진기에 공급되는 신호의 주파수를 결정한다. 이러한 주파수는 공진기의 공진 주파수 f에 대응한다.
마이크로컨트롤러(14)는, 수학식 3 및 5에 의해, 기판의 비 유전율 값
Figure pat00033
을 계산하는 프로세서(15)에 이러한 공진 주파수 값 f를 공급한다.
이러한 비 유전율 값이 계산되면, 프로세서(15)의 중재자에 의해, 유전율과 연관된 값을 측정하는 회로(10)는, 무선 주파수 디바이스의 필터의 주파수 응답 및/또는 안테나의 임피던스를 조정하도록 의도된 조정 수단을 제어할 수 있는 조정 제어 회로(20)에 그 값을 공급한다.
도 4에서, 조정 제어 회로(20)는, 유전율과 연관된 값을 측정하는 회로(10)에 의해 공급된 비 유전율 값을 입력에서 수신하고, 무선 주파수 디바이스의 안테나 및 필터의 조정을 제어하기 위한 복수의 제어 신호(C1, C2, C3)를 출력에서 전달하는 참고표(a table to be consulted) 또는 LUT(Look-Up Table)의 형태로 제시된다.
본 발명에 따른 무선 주파수 신호를 송신 및/또는 수신하기 위한 디바이스가 도 7에 도시된다. 참조 번호 30인 디바이스는, 예를 들어, 5GHz 와이-파이 신호를 송신/수신하기 위한 무선 주파수 신호 송신/수신 채널을 포함한다.
이러한 송신/수신 채널은 안테나(31), 안테나에 의해 수신된 RF 신호를 필터링하기 위한 대역-통과 필터(32a), 필터(32a)로부터 출력된 신호들을 증폭하기 위한 저잡음 증폭기(33a), 및 증폭기(33a)에 의해 전달된 RF 신호들을 처리하기 위한 처리 회로(34)를 포함한다. 이 회로(34)는 특히 수신된 RF 신호들을 기저대역 신호로 변환할 수 있다. 채널은 또한 처리 회로(34)에 의해 생성되어 전송될 RF 신호들을 증폭하기 위한 전력 증폭기(33b) 및 증폭기(33b)에 의해 증폭된 신호들을 필터링하기 위한 고역-통과 필터(32b)를 포함한다. 스위칭 회로(35)는 또한 필터(32a)(수신) 및 필터(32b)(송신)에 선택적으로 안테나(31)를 접속하기 위해 필터들(32a 및 32b)과 안테나(31) 사이에 배치된다.
본 발명의 구현을 위해, 디바이스(30)는 또한 이전에 설명된 바와 같은 측정 회로와 제어 회로(20), 및 측정된 비 유전율에 따라, 안테나의 임피던스를 미리 결정된 값, 예를 들어, 50 옴(ohm)으로 조정하기 위한 매칭 네트워크(36)를 포함한다. 또한, 필터들(32a 및 32b)은 그의 주파수 응답을 측정된 비 유전율에 따라 조정할 수 있는 필터들이다.
조정 제어 회로(20)는 세 개의 제어 신호:
- 기준값, 예를 들어, 50 옴이 되도록 안테나의 임피던스를 조정하기 위한 제어 신호 C1;
- 대역-통과 필터(32a)의 주파수 응답을 미리 결정된 값으로 조정하기 위한 제어 신호 C2; 및
- 고역-통과 필터(32b)의 응답을 다른 미리 결정된 값으로 조정하기 위한 제어 신호 C3
을 전달한다.
매칭 네트워크(36)는 예를 들어 L 또는 Pi 토폴로지를 갖는 하나 이상의 기본 임피던스 네트워크(elementary impedance networks)에 의해 형성된다. 이러한 네트워크는 도 8에 도시된 바와 같이 제어 신호 C1의 복수의 비트들(b1...bi)에 의해 디지털 방식으로 제어된 복수의 스위치드 커패시터(switched capacitor)로 구성된 적어도 하나의 DTC(Digitally Tunable Capacitor)를 포함한다.
이 도면에서, 매칭 네트워크(36)는 L 토폴로지를 갖는 두 개의 기본 LC 네트워크를 포함한다. 각각의 기본 네트워크는 기본 네트워크의 입력과 출력 사이에 인덕터 Lp 및 기본 네트워크의 입력과 접지(earth) 사이에 3개의 병렬 스위치드 커패시터 Cp를 포함한다. 스위치드 커패시터 각각은 제어 신호 C1의 한 비트에 의해 제어된다. 따라서, 이 예에서, 제어 신호 C1는 안테나(31)의 임피던스를 변화시키기 위해 6 비트, 다시 말해, 64개의 가능한 값을 포함한다.
마찬가지로, 필터들(32a 및 32b) 각각은 제어 신호들(C2 및 C3)에 따라 그들의 주파수 응답을 변경하기 위해 적어도 하나의 DTC 또는 하나의 버랙터 다이오드를 포함한다.
상이한 가능한 조정을 얻기 위해 필요한 상이한 제어 신호들(C1, C2, C3)은 미리 정의되고 룩-업 테이블(20)에 저장된다.
동작하는 동안, 측정 회로(10)가 기판의 비 유전율 값을 전달할 때, 이러한 후자는 매칭 네트워크(36) 및 필터들(32a 및 32b)을 조정하기 위해 적절한 제어 신호들(C1, C2, C3)을 전달하는 룩-업 테이블(20)에 전송된다.
매칭 네트워크 및 필터들의 이러한 조정은 바람직하게는 무선 주파수 디바이가 처음 켜질 때 한 번만 수행된다.
도 9를 참조하면, 매칭 네트워크(36) 및 필터들(32a 및 32b)의 조정은 다음과 같은 방식으로 수행된다:
- 단계 E1 : 발생기(32)가, 상기 주파수 대역이 완전히 스윕될 때까지, 미리 결정된 주파수 스텝에 따라 미리 결정된 주파수 대역 내의 상이한 주파수들을 갖는 신호들을 연속적으로 발생하고;
- 단계 E2 : 마이크로컨트롤러(14)가 공진기의 공진 주파수를 결정하고;
- 단계 E3 : 프로세서(15)가 기판의 비 유전율 값을 결정하고;
- 단계 E4 : 제어 회로(20)가 매칭 네트워크(32) 및 필터들(32a 및 32b)로 적절한 제어 신호들을 전달한다.
본 발명의 디바이스는 단지 하나의 송신 채널 또는 하나의 수신 채널만을 포함할 수 있다. 반대로, 본 발명의 디바이스는 또한 도 10에 도시된 바와 같이 복수의 송신/수신 채널을 포함할 수 있다.
도 10은, 예를 들어 하나는 5GHz 와이-파이 신호들의 송신/수신에 전용이고 다른 하나는 2.4GHz 와이-파이 신호들의 송신/수신에 전용인 두 개의 송신/수신 채널, 회로(10)와 동일한 측정 회로(100) 및 디바이스의 두 개의 송신/수신 채널의 조정가능한 회로들에 대해 복수의 제어 신호를 전달할 수 있는 제어 회로(200)를 포함하는, 본 발명에 따른 디바이스(300)를 도시한다.
5GHz 와이-파이 신호들을 송신/수신하기 위한 제1 채널은 도 7의 것과 동일하다. 따라서, 제1 채널은 안테나(31)와 동일한 안테나(301), 네트워크(36)와 동일한 매칭 네트워크(306), 필터(32a)와 동일한 대역-통과 필터(302a), 증폭기(33a)와 동일한 저잡음 증폭기(303a), 필터(32b)와 동일한 고역-통과 필터(302b) 및 증폭기(33b)와 동일한 전력 증폭기(303b)를 포함한다.
2.4GHz 와이-파이 신호들을 송신/수신하기 위한 제2 채널은, 제1 송신/수신 채널의 대응하는 소자들과 동일한 방식으로 배열된, 안테나(301'), 매칭 네트워크(306'), 대역-통과 필터(302a'), 저잡음 증폭기(303a'), 저역-통과 필터(302b') 및 전력 증폭기(303b')를 포함한다. 그러나, 제1 송신/수신 채널에 있는 고역-통과 필터(302b)는 제2 송신/수신 채널에 있는 저역-통과 필터(302b')에 의해 대체된다는 것을 주목한다.
디바이스(300)는 또한 두 개의 수신 채널들에 공통인 처리 회로(304) 및 스위칭 회로(305)를 포함한다. 스위칭 회로(305)는 매칭 네트워크(306)를 통해 필터들(302a 및 302b)을 안테나(301)에 선택적으로 접속하고, 매칭 네트워크(306')를 통해 필터들(302a' 및 302b')을 안테나(301')에 선택적으로 접속한다. 처리 회로(304)는 무선 주파수 신호들을 기저대역 신호들로 변환하는 것 및 그 반대를 수행한다.
이러한 실시예에서, 제어 회로(200)는 조정가능한 소자들(306, 302b, 302a, 306', 302b' 및 302a')을 각각 제어하기 위한 제어 신호들(C1, C2, C3, C1', C2' 및 C3')을 생성한다.
디바이스의 조정가능한 소자들의 조정은 도 7의 디바이스에 대해 이전에 설명된 바와 같이 수행된다. 그러나, 여기에서 제1 무선 채널에 대한 5GHz 및 제2 무선 채널에 대한 2.4GHz의 경우와 같이 매우 상이한 주파수에서 동작하는 무선 채널들의 경우, 작동 주파수에 따라 유전율 측정 정확도를 증가시키기 위하여, 두 개의 공진기, 즉, 각각의 무선 채널에 대해 하나의 공진기를 제공할 수 있고, 이들 공진기들 중 하나는 5GHz에 가까운 공진 주파수를 갖고, 다른 공진기는 2.4GHz에 가까운 공진 주파수를 갖는다. 따라서 이러한 공진기들 각각은 연관된 무선 채널의 제어 신호들을 결정하는 데 사용된다.
다양한 실시예에 따르면, 디바이스는 측정 회로가 차지하는 공간을 줄이기 위해 단지 하나의 공진기를 포함한다. 이러한 특정한 실시예에서는, 바람직하게는 공진기의 점유 공간을 더 최소화하기 위해, 디바이스의 최고 작동 주파수 - 본 실시예의 경우 5 GHz - 에 가까운 공진 주파수를 갖는 공진기를 선택한다.
따라서 필터의 주파수 응답 및 안테나의 임피던스의 이러한 매칭은 저가의 기판, 예를 들어, FR4 유형의 기판상에 실현된 멀티-라디오 디바이스의 경우에 특히 유용하다.
본 발명은 두 가지 특정한 실시예와 관련하여 설명되었지만, 결코 제한적인 것이 아니고, 본 발명의 범위 내에 있다면, 그들의 조합과 함께 설명된 수단들의 모든 기술적 등가물을 포함한다는 것이 분명하다.
물론, 링 공진기 이외의 유형의 공진기, 특히, 실질적으로
Figure pat00034
의 길이를 갖는 직선 마이크로스트립 라인을 포함하는 공진기가 사용될 수 있다.
본 발명은 단지 하나의 송신 채널 또는 단지 하나의 수신 채널만을 포함하는 디바이스에 적용가능하다. 또한, (필터의 주파수 응답을 수정하지 않고) 안테나의 임피던스만 조정되는 디바이스 또는 (안테나의 임피던스를 수정하지 않고) 필터의 주파수 응답만 조정되는 디바이스에도 적용가능하다.

Claims (10)

  1. 유전체 기판상에 인쇄 기술로 실현된 적어도 하나의 안테나(31; 301, 301') 및/또는 적어도 하나의 필터(32a, 32b; 302a, 302b, 302a', 302b')를 포함하는 무선 주파수 신호들을 송신 및/또는 수신하기 위한 디바이스(30, 300)로서,
    상기 기판의 유전율과 연관된 값을 측정하여 상기 유전율과 연관된 측정된 값을 전달할 수 있는 회로(10; 100), 및
    유전율과 연관된 상기 측정된 값에 따라 상기 필터의 주파수 응답 및/또는 상기 안테나의 임피던스를 조정할 수 있는 조정 수단(20, 36; 200, 306, 306')
    을 포함하는 디바이스.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 조정 수단은,
    상기 유전율과 연관된 상기 측정된 값을 수신할 수 있고, 상기 측정된 값에 따라 적어도 하나의 디지털 제어 신호(C1, C2, C3; C1', C2', C3')를 전달할 수 있는 조정 제어 회로(20, 200); 및
    상기 안테나의 입력/출력에 접속되고, 상기 적어도 하나의 디지털 제어 신호에 의해 제어되어, 상기 안테나의 임피던스를 수정하고 그것을 미리 결정된 값으로 복원하는 임피던스 매칭 네트워크(36; 306, 306') 및/또는 상기 필터에서, 상기 적어도 하나의 디지털 제어 신호에 의해 제어되어, 상기 적어도 하나의 필터의 주파수 응답을 수정하고 그것을 미리 결정된 값으로 복원하는 가변-용량 소자
    를 포함하는 디바이스.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 임피던스 매칭 네트워크(36; 306, 306')는 상기 적어도 하나의 디지털 제어 신호에 의해 디지털 방식으로 제어된 조정가능한 커패시터를 포함하는 디바이스.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 필터 내부의 상기 가변-용량 소자는 버랙터 다이오드(varactor diode)인 디바이스.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유전율과 연관된 값을 측정하는 상기 회로(10)는,
    제어 신호(cmd)에 의해 디지털 방식으로 제어가능하고, 미리 결정된 주파수 대역 내의 상이한 주파수들을 갖는 복수의 무선 주파수 신호를 발생할 수 있는 무선 주파수 신호 발생기(11);
    상기 발생기에 의해 발생된 상기 무선 주파수 신호들을 수신할 수 있고, 상이한 주파수들을 갖는 이러한 신호들 각각에 대해, 출력 신호를 전달할 수 있는 공진기(12);
    상기 공진기에 의해 전달된 상기 출력 신호들 각각에 대한 신호 전력을 측정하기 위한 전력 측정 회로(13);
    상기 전력 측정 회로에 의해 측정된 상기 전력 값들로부터 상기 공진기의 공진 주파수를 결정하고, 상기 무선 주파수 신호 발생기를 제어하기 위한 상기 신호(cmd)를 발생하기 위한 마이크로컨트롤러(14); 및
    상기 공진 주파수로부터 상기 기판의 비 유전율(relative permittivity)을 계산하기 위한 프로세서(15)
    를 포함하는 디바이스.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 공진기는 링 공진기인 디바이스.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    상기 공진기는 송신되거나 수신된 상기 무선 주파수 신호들의 주파수에 가까운 공진 주파수를 갖도록 설계되는 디바이스.
  8. 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상이한 동작 주파수들에서 동작하는 적어도 두 개의 송신 및/또는 수신 채널을 포함하고, 각각의 채널은 단일 유전체 기판상에 인쇄 기술로 실현된 적어도 하나의 안테나(301, 301') 및/또는 적어도 하나의 필터(302a, 302b, 302a', 302b')를 포함하며, 상기 디바이스는 상기 유전체 기판의 상기 비 유전율을 측정하기 위해 상기 유전율과 연관된 값을 측정하는 회로(100)를 더 포함하고, 상기 유전율과 연관된 값을 측정하는 상기 회로(100)의 상기 공진기는 최고 동작 주파수에 가까운 공진 주파수를 갖도록 설계되는 디바이스.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 디바이스의 필터의 주파수 응답 및/또는 안테나의 임피던스를 조정하기 위한 방법으로서,
    미리 결정된 주파수 대역 내의 상이한 주파수들을 갖는 복수의 무선 주파수 신호를 발생하는 단계(E1);
    상기 기판의 상기 비 유전율 값을 측정하는 단계(E2, E3); 및
    상기 측정된 값에 따라 상기 필터의 상기 주파수 응답 및/또는 상기 안테나의 임피던스를 조정하기 위한 제어 신호들을 전달하는 단계(E4)
    를 포함하는 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 방법은 상기 디바이스가 처음 켜질 때 한 번만 구현되는 방법.
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