KR20150138339A - 재구성 가능 다중 모드 능동 안테나 시스템 - Google Patents

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Abstract

임피던스 정합을 하고, 주파수 응답을 변경하고, 안테나의 방사 패턴을 변경하는 데 사용되는 능동 및 수동 컴포넌트들을 결합시키는 재구성 가능 안테나 시스템이 기재된다. 스위치들과 튜닝 가능 커패시터들과 같은 컴포넌트들의 재사용은 회로 토폴로지들을 더욱 공간 및 비용 효율적으로 만들면서, 필요한 제어 시그널링의 복잡도를 감소시킨다. 단일 및 다중 급전 및/또는 접지 접속들을 가진 안테나 구조들이 기재되고 능동 회로 토폴로지들이 이러한 구성들에 대해 도시된다. 프로세서와 알고리즘이 안테나 회로와 함께 존재할 수 있고, 또는 안테나 최적화를 제어하기 위한 알고리즘은 호스트 장치 내의 프로세서 내에 구현될 수 있다.

Description

재구성 가능 다중 모드 능동 안테나 시스템{RECONFIGURABLE MULTI-MODE ACTIVE ANTENNA SYSTEM}
본 발명은 일반적으로 무선 통신 분야에 관한 것으로서, 구체적으로는 안테나 튜닝 모듈과 관련된 능동 안테나를 포함하는 능동 안테나 시스템에 관한 것이며, 능동 안테나 시스템은 강건한 다중 대역 동작을 제공하도록 적응된다.
현재 및 미래의 통신 시스템들은 다수의 주파수 대역에 걸쳐 동작할 수 있는 안테나 시스템들을 필요로 할 것이다. 더 양호한 전체 통신 시스템 성능을 제공하기 위해서는 안테나 시스템의 효율 개선이 필요할 것이며, 예를 들어 안테나 효율의 증가는 이동 무선 장치의 배터리 수명을 증가시킬 것이다. 다중 입력 다중 출력(MIMO) 응용에서는 다수의 주파수 대역에 걸쳐 다수의 안테나 사이는 물론, 역상관된 방사 패턴들 사이의 격리를 유지하는 것이 필요할 것이다. 안테나에 통합된 폐쇄 루프 능동 임피던스 정합 회로들은 예를 들어 핸드셋이 사용자의 머리와 접촉하는 사용 조건과 같은 다양한 사용 조건들에 대해 안테나를 동적으로 임피던스 정합시키기 위한 능력을 가능하게 할 것이다. 이들 및 다른 요구들은 능동 주파수 시프팅, 능동 빔 조종 및 능동 임피던스 정합과 같은 동적 튜닝 솔루션들에 대한 필요성을 계속 유발하며, 따라서 안테나 특성들은 안테나 성능 개선을 위해 동적으로 변경될 수 있다.
"ANTENNA AND METHOD FOR STEERING ANTENNA BEAM DIRECTION"이라는 명칭으로 2011년 3월 22일자로 허여된 일반 소유의 미국 특허 제7,911,402호는 단일 안테나가 다수의 방사 모드를 생성할 수 있는 빔 조종 기술을 설명한다. 요컨대, 이러한 빔 조종 기술은 피구동 안테나 및 하나 이상의 오프셋 기생 소자를 이용하여 실현되며, 그러한 기생 소자는 기생 소자 상의 리액턴스 부하가 변할 때 피구동 안테나 상의 전류 분포를 변경한다. 다수의 모드가 생성되며, 따라서 이러한 기술은 "모달 안테나 기술"로 지칭될 수 있고, 이러한 방식으로 방사 모드들을 변경하도록 구성되는 안테나는 "능동 다중 모드 안테나" 또는 "능동 모달 안테나"로 지칭될 수 있다.
도 7a-d는 '402 특허에 따른 능동 모달 안테나의 일례를 도시하며, 도 7a는 회로 보드 및 그 위에 배치된 피구동 안테나 요소를 도시하고, 회로 보드와 피구동 안테나 요소 사이의 볼륨은 안테나 볼륨을 형성한다. 제1 기생 소자가 안테나 볼륨 내에 적어도 부분적으로 배치되며, 그와 결합된 제1 능동 튜닝 요소를 더 포함한다. 제1 능동 튜닝 요소는 수동 또는 능동 컴포넌트 또는 일련의 컴포넌트들일 수 있으며, 가변 리액턴스 또는 접지 단락을 통해 제1 기생 소자 상의 리액턴스를 변경하여 안테나의 주파수 시프트를 유발하도록 적응된다. 제2 기생 소자가 회로 보드 주위에 배치되고, 안테나 볼륨 밖에 배치된다. 제2 기생 소자는 또한 하나 이상의 능동 및 수동 컴포넌트를 개별적으로 포함하는 제2 능동 튜닝 요소를 포함한다. 제2 기생 소자는 피구동 요소에 인접하게, 그러나 안테나 볼륨 밖에 배치되어, 그의 리액턴스를 변경함으로써 피구동 안테나 요소의 방사 패턴 특성들을 시프트시키는 능력을 생성한다. 이러한 안테나 방사 패턴의 시프팅은 "빔 조종"으로 지칭될 수 있다. 안테나 방사 패턴이 공백(null)을 포함하는 예들에서는, 유사한 동작이 "공백 조종"으로 지칭될 수 있는데, 이는 공백이 안테나에 대해 대안 위치로 시프트될 수 있기 때문이다. 도시된 예에서, 제2 능동 튜닝 요소는 "온" 상태일 때 제2 기생 소자를 접지에 단락시키고 "오프" 상태일 때 단락을 종료시키기 위한 스위치를 포함한다. 그러나, 제1 또는 제2 기생 소자들 중 임의의 기생 소자 상의 가변 리액턴스는 예를 들어 가변 커패시터 또는 다른 튜닝 가능 컴포넌트를 이용하여 안테나 패턴 또는 주파수 응답의 가변 시프팅을 더 제공할 수 있다는 점에 유의해야 한다. 도 7b는 제1 및 제2 기생 소자들이 스위치 "오프"될 때의 안테나의 주파수(f0); 제1 기생 소자가 접지에 단락될 때의 안테나의 주파수(f3); 및 제1 및 제2 기생 소자들이 접지에 각각 단락될 때의 주파수들(f4; f0)을 나타낸다. 도 7c는 제1 및 제2 기생 소자들 양자가 "오프" 상태(모드 1)일 때의 안테나 방사 패턴을 나타내고, 도 7d는 제1 및 제2 기생 소자들 양자가 "온" 상태로 단락(모드 2)될 때의 안테나 방사 패턴을 나타낸다. 도 7d의 "모드 2"의 방사 패턴은 도 7c에 도시된 바와 같은 "모드 1"에서의 안테나의 초기 패턴에 비해 안테나 방사 패턴의 90도 시프트를 나타낸다는 점에 유의한다. 이러한 타입의 모달 안테나의 추가 상세들이 '402 특허의 검토시에 이해될 수 있다.
그러한 능동 모달 안테나들과 관련된 사용을 위해 식별되는 이전의 응용은 "MODAL ANTENNA WITH CORRELATION MANAGEMENT FOR DIVERSITY APPLICATIONS"라는 명칭으로 2011년 9월 7일자로 출원된 일반 소유의 미국 특허 출원 제13/227,361호에 설명된 수신 다이버시티 응용을 포함하며, 여기서는 단일 모달 안테나가 다수의 방사 모드를 생성하여 일 형태의 스위칭 다이버시티를 제공하도록 구성될 수 있다. 이러한 기술의 소정의 이익들은 전통적인 2-안테나 수신 다이버시티 스킴에 의해 요구되는 볼륨 대신에 단일 안테나 구조에 대해 이동 장치 내에 요구되는 볼륨의 감소, 트랜시버 상의 수신 포트 수의 2개에서 1개로의 감소, 및 이러한 수신 포트들 및 관련 도전성 표면들의 감소로부터 유발되는 전류 소비의 감소를 포함한다.
다중 입력 다중 출력(MIMO) 시스템들이 액세스 포인트 및 셀룰러 통신 분야들에서 점점 더 널리 보급됨에 따라, 이동 장치 또는 작은 폼 팩터의 액세스 포인트 내에 병치되는 2개 이상의 안테나에 대한 필요가 더 일반화되고 있다. MIMO 시스템 내의 이러한 안테나들의 그룹들은 양호한 격리 및 낮은 상관성과 더불어 높은 그리고 바람직하게는 동일한 효율들을 갖는 것이 필요하다. 핸드헬드 이동 장치들의 경우에는, 장치의 다수의 사용 사례: 셀 폰의 핸드 로딩, 셀 폰이 사용자의 머리에 배치되는 사례, 셀 폰이 금속 표면에 배치되는 사례 등에 의해 유발되는 안테나 디튜닝에 의해 문제가 커진다. 셀 폰 및 액세스 포인트 응용들 양자에 대해, 다중 경로 환경이 계속 변하고 있으며, 이는 통신 링크의 처리량 성능에 영향을 준다.
"ANTENNA WITH ACTIVE ELEMENTS"라는 명칭으로 2010년 9월 29일자로 출원된 일반 소유의 미국 특허 출원 제12/894,052호는 하나 또는 다수의 기생 소자가 피구동 안테나의 볼륨 내에 배치된 능동 안테나를 설명한다. 도 7e는 일 실시 형태에 따른 능동 소자들을 갖는 안테나를 도시하며, 안테나(10)는 회로 보드(13) 위에 배치되어 그와의 사이에 안테나 볼륨을 형성하기 위한 방사 요소(11), 안테나 볼륨 내에 적어도 부분적으로 배치되는 제1 기생 소자(12) 및 기생 소자에 결합되는 능동 튜닝 요소(14)를 포함한다. 기생 소자와 접지 평면의 접합부에서의 임피던스는 안테나의 공진 주파수의 변화를 유발하도록 변경된다. 여러 주파수에서의 다수의 공진을 포함하도록 설계되는 피구동 안테나의 경우, 다수의 공진은 하나 또는 다수의 기생 소자를 이용하여 주파수가 시프트될 수 있다. 이것은 주파수 응답이 수동 안테나에 의해 서비스될 수 있는 것보다 넓은 주파수 범위에 걸친 송수신을 위해 안테나를 최적화하도록 변경될 수 있는 동적 튜닝 가능 안테나 구조를 제공한다.
이들 다른 능동 모달 안테나 기술들은 안테나와 결합하거나 그 안에 통합될 능동 컴포넌트들을 갖는 모듈 또는 다른 회로에 대한 필요성을 유발한다. 그러한 능동 컴포넌트들은 튜닝 가능 커패시터, 튜닝 가능 인덕터, 스위치, PIN 다이오드, 버랙터 다이오드, MEMS 스위치 및 튜닝 가능 컴포넌트, 및 위상 시프터를 포함할 수 있다. 게다가, 수동 컴포넌트들은 또한 능동 안테나들을 구동하기 위해 그러한 모듈들 및 다른 회로들 내에 통합될 수 있는 반면, 수동 컴포넌트들은 안테나를 튜닝하기 위해 고정 및 가변 전기 지연을 갖는 커패시터, 인덕터 및 송신 라인을 포함할 수 있다. 따라서, 이들 및 다른 능동 모달 안테나들과 결합하기 위한 모듈들 또는 회로들에 대한 당면한 그리고 계속적인 필요성이 존재한다.
임피던스 정합을 하고, 주파수 응답을 변경하고, 안테나의 방사 패턴을 변경하는 데 사용되는 능동 및 수동 컴포넌트들을 결합시키는 재구성 가능 안테나 시스템이 기재된다. 스위치들과 튜닝 가능 커패시터들과 같은 컴포넌트들의 재사용은 회로 토폴로지들을 더욱 공간 및 비용 효율적으로 만들면서, 필요한 제어 시그널링의 복잡도를 감소시킨다. 단일 및 다중 급전 및/또는 접지 접속들을 가진 안테나 구조들이 기재되고 능동 회로 토폴로지들이 이러한 구성들에 대해 도시된다. 프로세서와 알고리즘이 안테나 회로와 함께 존재할 수 있고, 또는 안테나 최적화를 제어하기 위한 알고리즘은 호스트 장치 내의 프로세서 내에 구현될 수 있다.
도 1은 실시 형태에 따른 모달 안테나와 안테나 튜닝 모듈(ATM)을 이용하는 재구성 가능 능동 안테나 시스템을 설명한다.
도 2는 또 다른 실시 형태에 따른 모달 안테나와 ATM을 이용하는 재구성 가능 능동 안테나 시스템을 설명한다.
도 3은 알고리즘이 ATM 내에 상주하는, 모달 안테나와 ATM을 이용하는 재구성 가능 능동 안테나 시스템을 설명한다.
도 4는 2개의 기생 소자를 이용하는 모달 안테나를 포함하는 재구성 가능 능동 안테나 시스템을 설명하는데, 기생 소자 1은 다중-대역 안테나 밑에 배치되고 안테나의 주파수 응답을 변경하는 데 이용되며; 기생 소자 2는 안테나에 근접하여 배치되고 안테나의 방사 패턴을 변경하는 데 이용된다.
도 5는 다수의 기생 소자들을 이용하는 모달 안테나를 포함하는 재구성 가능 안테나 시스템을 설명하는데, 복수 개의 기생 소자가 주파수를 변경하기 위해 안테나 구조 밑에 배치되고 복수 개의 기생 소자가 방사 모드를 변경하기 위해 안테나에 근접하여 있다.
도 6은 주파수를 변경하기 위해 안테나 구조의 밑에 배치된 제1 기생 소자, 및 방사 모드를 변경하기 위해 안테나에 근접한 제2 기생 소자를 이용하는 모달 안테나를 포함하는 재구성 가능 안테나 시스템을 설명한다.
도 7a 내지 도 7f는 빔 조향을 위해 구성된 안테나, 능동 소자들을 가진 안테나, 및 능동 정합 안테나를 포함하는, 더 유능한 안테나 시스템을 조립하기 위해 개별적으로 구현되거나 결합될 수 있는 3개의 능동 안테나 기법을 설명한다.
도 8a 및 8b는 급전 및 접지 접속들이 안테나 성능을 최적화하기 위해 동적으로 변경될 수 있는 n-포트 ATM을 설명한다.
도 9a 내지 도 9c는 멀티-포트 스위치가 평면 역 f-안테나(PIFA) 또는 고립된 자기 다이폴(IMD) 소자를 형성하기 위해 방사기에 결합되는 재구성 가능 안테나 토폴로지를 설명한다.
도 10a 내지 도 10c는 접지 G1에 결합된 튜닝 가능 커패시터를 가진 안테나 위에 2개의 접지 접속이 구성되는 재구성 가능 안테나 토폴로지를 설명한다.
도 11은 안테나를 튜닝하기 위해 동일한 튜닝 가능 커패시터를 사용하도록 구성된 4개의 안테나 시스템을 설명한다.
도 12는 안테나를 튜닝하기 위해 동일한 튜닝 가능 커패시터를 사용하도록 구성된 2개의 안테나 시스템을 설명한다.
도 13a 및 도 13b는 멀티-포트 스위치가 안테나와의 접지 접속을 접속 또는 분리하는 능력을 제공하여, 모노폴 또는 PIFA 유형 방사기들을 생성하는 재구성 가능 안테나 토폴로지를 설명한다.
도 14a 및 도 14b는 멀티-포트 스위치가 방사 소자의 길이를 변경하는 능력을 제공하여, 여러 주파수에 최적화된 안테나를 생성하는 재구성 가능 안테나 토폴로지를 설명한다.
도 15는 멀티-포트 스위치가 접지 접속의 전기적 길이를 변경하는 능력을 제공하기 위해 안테나에 결합되는 재구성 가능 안테나 토폴로지를 설명한다.
도 16은 2-포트 스위치가 2개의 급전 위치들을 선택하는 능력을 제공하기 위해 안테나에 결합되는 재구성 가능 안테나 토폴로지를 설명한다.
도 17은 튜닝 가능 커패시터의 이중 사용을 제공하는 기술을 설명한다.
도 18은 IMD 안테나 밑에 기생 소자와 송신 라인의 접합부에 인덕터가 부가된 도 16에 도시된 기술을 설명한다.
도 19는 안테나와 안테나 밑에 배치된 기생 소자들과의 사이의 영역에서 안테나를 유전체 로딩하는 방법을 설명한다.
도 20은 안테나와 안테나 밑에 배치된 기생 소자들과의 사이의 영역에서 안테나를 유전체 로딩하는 방법을 설명한다.
도 21은 능동 및 수동 컴포넌트들을 포함하는 모듈이 안테나의 유전체 지지 구조에 직접 부착되는 능동 안테나를 제조하는 집적화 방법을 설명한다.
도 22는 안테나, 및 제1 접지 접속, 제2 접지 접속에서의 ST 모듈을 포함하는 안테나 아키텍처; 및 안테나의 급전점을 정합시키기 위한 튜닝 가능 컴포넌트를 도시한다.
도 23은 도 22의 ST 모듈을 더욱 상세히 도시한다.
도 24는 STT 모듈을 설명한다.
도 25는 STT 모듈을 더욱 상세히 설명한다.
재구성 가능 능동 안테나 시스템이 제공된다. 안테나 시스템은 안테나/전단 모듈 인터페이스에서의 부정합 손실을 최소화함으로써 개선된 통신 링크를 제공하기에 충분한 가변 급전 및 접지 접속 기하구조로 하나 이상의 동적 임피던스 정합, 대역 스위칭, 및 빔 조종 기술들을 통합하도록 적응된다.
한 실시 형태에서, 모달 안테나는 다중 기능들이 개방 및 폐쇄 루프 임피던스 정합, 안테나 구조의 대역 스위칭, 다중 방사 패턴들이 단일 안테나로부터 발생될 수 있는 공백 조종 기능, 및 안테나 시스템을 제어 및 최적화하기 위한 알고리즘을 포함하게 하기 위해 수동 및 능동 컴포넌트들을 포함한다. 능동 소자들은 안테나 튜닝 모듈(ATM) 내로 조립된다. 모달 안테나 내로 통합된 튜닝 기능들은 광범위한 장치들 및 폼 팩터들을 위해 최적화될 수 있는 재구성 가능 안테나를 위해 제공한다. 안테나 구조 상의 급전 및 접지 접속들의 수는 안테나 시스템의 주파수 대역폭을 확장하거나 통신 링크 성능을 개선하기 위해 ATM에 의해 변화될 수 있다.
마이크로프로세서는 안테나 시스템의 요구된 튜닝 기능들의 완전한 제어를 가능하게 하기 위해 안테나 모듈 내로 통합된다. 대안적으로, 마이크로프로세서는 호스트 무선 장치의 기저대역 및 다른 부분들에서 프로세서들과 함께 동작할 수 있다.
모듈 내로 설계된 튜닝 기능들은 헤드 및 핸드 효과들과 같은 주변 변화들에 적응하는 안테나 시스템을 제공한다. 빔 조종을 야기하는 모달 안테나 기능은 링크 품질 개선을 위한 다중 방사 패턴 상태들을 제공하기 위해 안테나 내로 통합된다. 대안적으로, 빔 조종 기능은 안테나 쌍들 간의 분리를 개선하거나 전자파 흡수율(SAR: Specific Absorption Rate) 및/또는 보청기 호환성 인증(HAC: Hearing Aid Compatibility)을 감소시키기 위해 안테나 파라미터들을 수정하기 위해 사용될 수 있다.
안테나 모듈은 개방 및 폐쇄 루프 동작 둘 다 가능하다. 예를 들어, 안테나의 주파수 응답이 안테나가 다른 대역에서 동작하게 하도록 변화되는 대역 스위칭이 주변 효과들을 위한 정정 없이, 개방 루프로 구현될 수 있다. 폐쇄 루프 동작의 예는 ATM 내의 능동 정합 회로가 ATM에서 모니터링된 반사 전력 및 안테나의 임피던스 부정합을 정정하기 위해 정합 회로 내의 능동 컴포넌트에 보내진 명령들과 같은 주변 효과들에 관련된 메트릭들에 기초하여 조정될 때이다. 부가적으로, 근접 센서들로부터의 정보는 안테나를 현재의 사용 조건으로 보다 더 최적화하도록 안테나 성능을 변경하기 위한 알고리즘에 의해 사용될 수 있다.
안테나 튜닝 모듈은 단일 급전점 또는 단일 접지점 또는 다중 급전 및 접지점 위치들을 포함하는 안테나 토폴로지들을 위해 구성될 수 있다. 다중 접지점들의 사용의 한 가지 예는 안테나 상의 하나의 접지점이 접지에 직접 접속되고 제2 접지점이 스위치에 접속되고, 이 스위치가 안테나를 접지에 접속 또는 분리하는 안테나 토폴로지이다. 하나 또는 다수의 수동 또는 튜닝 가능 컴포넌트들은 안테나 접지점 및 스위치에, 또는 안테나 스위치 포트와 접지 사이에 접속될 수 있다. 스위치를 활성화함으로써 제2 접지점은 안테나의 주파수 응답을 시프트하기 위해 변화될 수 있다. 대안적으로, 안테나 임피던스는 관련 또는 현재 사용 조건의 주파수용으로 안테나를 튜닝하기 위해 제2 접지점 상의 스위치를 활성화함으로써 변경될 수 있다.
다른 실시 형태에서, 2개의 급전점 구성이 구현될 수 있는데 여기서 제1 급전점 및 제2 급전점들은 멀리-포트 스위치에 결합된다. 스위치의 공통 포트는 트랜시버에 접속되고 튜닝 가능 커패시터는 제1 급전점 상에 구현될 수 있고 고정된 수동 정합 회로는 제2 급전점 상에 구현될 수 있다. 안테나 요소 상의 급전점 위치들은 이들 주파수 대역들을 위해 최적화된 수동 또는 튜닝 가능 정합 회로들로, 특정한 주파수 대역들 또는 대역들의 그룹들을 위한 안테나 성능을 최적화하도록 선택될 수 있다. 대안적으로, 튜닝 가능 커패시터들은 제1 및 제2 급전점들 둘 다 위에서 구현될 수 있고, 튜닝 가능 커패시터 특성들이 각각의 급전점에 의해 서비스되는 주파수 대역들을 위해 최적화된다.
다른 실시 형태에서, 단일 튜닝 가능 커패시터가 안테나 상에 튜닝 가능 정합 회로 및 대역 스위칭 기능 둘 다를 제공하도록 구성되는 신규한 기술이 구현될 수 있다. 이것은 안테나의 급전점에 정합 회로 내의 튜닝 가능 커패시터를 배치함으로써 실현될 수 있다. 송신 라인의 한 단부는 튜닝 가능 커패시터에 결합될 수 있고, 송신 라인의 다른 단부는 안테나를 대역 스위칭하기 위해 안테나에 근접하여 배치된 기생 소자에 결합된다. 튜닝 가능 커패시터의 커패시턴스를 변화시키면 안테나 요소에 결합된 기생 소자 상의 기생/접지 접합에서의 임피던스가 변화할 뿐만 아니라 안테나 급전점에서의 정합 회로의 임피던스가 변화할 것이다. 정합 회로의 적절한 설계는 대역 스위칭 기능을 위한 임피던스 요건들에 정합 회로의 임피던스 요건들을 동기화하는 것이 요구된다. 튜닝 가능 인덕터가 튜닝 가능 커패시터 대신에 또는 튜닝 가능 커패시터와 함께 사용될 수 있다.
이제 도면을 다시 참조하면, 도 1은 모달 안테나와 안테나 튜닝 모듈(ATM)을 이용하는 재구성 가능 능동 안테나 시스템의 블록도를 도시한다. 다중 급전선들은 ATM을 안테나 구조에 접속하고 다수의 기생 소자는 안테나의 주파수 응답을 변경하기 위해 안테나 구조에 결합된다. 부가적으로, 다수의 기생 소자는 가변 방사 패턴을 제공하도록 안테나의 방사 모드를 변경하기 위해 안테나에 근접하여 배치된다. ATM 모듈들은 다수의 급전 및 접지 접속들을 활성화하는 반복 가능하고 체계적인 접근을 제공하기 위해 ARM을 구성하는 데 사용된다. 재구성 가능 안테나 시스템을 제어하기 위한 알고리즘은 프로세서 내에 상주하며, 제어 신호들은 프로세서로부터 ATM으로 공급된다.
도 2는 모달 안테나와 ATM(안테나 튜닝 모듈)을 이용하는 재구성 가능 능동 안테나 시스템을 설명한다. 능동 안테나 시스템을 제어하기 위한 알고리즘은 프로세서 내에 상주하며, 제어 신호들은 프로세서로부터 ATM으로 공급된다.
도 3은 알고리즘이 ATM 내에 상주하는, 모달 안테나와 ATM을 이용하는 재구성 가능 능동 안테나 시스템을 설명한다. 기저대역 프로세서로부터의 입력 신호들은 ATM에 공급된다.
도 4는 2개의 기생 소자들을 이용하는 모달 안테나를 포함하는 재구성 가능 능동 안테나 시스템을 설명하는데, 기생 소자 1은 IMD 안테나 밑에 배치되고 안테나의 주파수 응답을 변경하며; 기생 소자 2는 IMD 안테나에 근접하여 배치되고 IMD 안테나의 방사 패턴을 변경하는데 사용된다. 포트들 상의 다양한 임피던스 부하들을 갖는 멀티-포트 RF 스위치는 각각의 기생 소자에 접속된다. 능동 컴포넌트는 튜닝 가능 커패시터의 경우에, IMD 안테나와 트랜시버 사이에서, IMD 안테나의 급전점에 부착되고 IMD 안테나의 정합 임피던스를 변경하는 데 사용된다. 프로세서에 내장된 알고리즘은 안테나의 튜닝을 조정하기 위해 능동 컴포넌트들에 제어 신호들을 보낸다.
도 5는 다수의 기생 소자를 이용하는 모달 안테나를 포함하는 일반화된 재구성 가능한 안테나 시스템을 설명하며, 다수의 기생 소자는 주파수를 변경하기 위한 안테나 구조 아래와 방사 모드를 변경하기 위해 안테나에 인접하게 위치한다. ATM 모듈들은 기생 소자에서 임피던스의 동적 튜닝을 제공하기 위해 각각의 기생 소자에 접속된다. 다중 급전은 안테나 설계에 통합되고, 안테나 임피던스의 동적 튜닝을 제공하기 위해 급전점들에서 튜닝 가능한 컴포넌트들을 갖는 트랜시버에 접속된다. 프로세서에 내장된 알고리즘은 안테나의 튜닝을 조절하기 위한 제어 신호들을 능동 컴포넌트들에 송신한다.
도 6은 주파수를 변경하기 위한 안테나 구조 아래에 위치한 제1 기생 소자와, 방사 모드를 변경하기 위해 안테나에 인접한 제2 기생 소자를 이용하는 모달 안테나를 포함하는 일반화된 재구성 가능한 안테나 시스템을 설명한다. 제1 및 제2 기생 소자들 양자는 기생 소자를 형성하는 도체의 섹션들을 분리하는데 이용되는 다수의 능동 컴포넌트를 가진다. 능동 컴포넌트들은 도체의 섹션들을 연결 또는 분리하는데 이용되어, 기생 소자의 길이를 증가 또는 감소시키는 능력을 제공한다. 능동 컴포넌트들은 스위치들, 튜닝 가능한 커패시터들, 튜닝 가능한 인덕터들, 다이오드들 또는 기타 컴포넌트들일 수 있다. 다중 급전은 안테나 설계에 통합되고, 안테나 임피던스의 동적 튜닝을 제공하기 위해 급전점들에서 튜닝 가능한 컴포넌트들을 갖는 트랜시버에 접속된다. 프로세서에 내장된 알고리즘은 안테나의 튜닝을 조절하기 위한 제어 신호들을 능동 컴포넌트들에 송신한다.
도 7은 개별적으로 구현되거나 더 유능한 안테나 시스템을 조립하기 위해 결합될 수 있는 3개의 능동 안테나 기술을 설명한다. 모달 안테나는 모달 안테나의 방사 패턴을 변경하기 위한 능력을 제공하는 것으로 도시된다. 대역 스위칭된 안테나 구성은 안테나 방사기를 동적으로 튜닝하기 위한 능력을 제공하는 것으로 도시된다. 능동 정합형 안테나는 안테나의 임피던스 특성이 동적으로 변경될 수 있는 것으로 도시된다.
도 8은 급전과 접지 접속들이 안테나 성능을 최적화하기 위해 동적으로 변경될 수 있는 일반화된 n-포트 ATM을 설명한다. 알고리즘으로부터의 제어 신호들은 ATM 기능을 구동한다.
도 9는 멀티 포트 스위치가 피파(Pifa) 또는 IMD 요소를 형성하기 위해 방사기에 결합되는 재구성 가능한 안테나 토폴로지를 설명한다. G2에서 컴포넌트의 결합은 고정된 접지 접속을 제공하며; G1은 동적으로 변경될 수 있는 능동 접지 접속이다. G1과 G2 양자는 안테나 성능을 변경하기 위해 튜닝할 수 있는 능동 접지 접속일 수 있다.
도 10은 2개의 접지 접속이 접지 G1에 결합된 튜닝 가능한 커패시터를 가진 안테나 상에 구성되는 재구성 가능한 안테나 토폴로지를 설명한다. 튜닝 모듈은 튜닝 가능한 커패시터와 4 포트 스위치를 포함한다.
도 11은 안테나를 튜닝하기 위해 동일한 튜닝 가능한 커패시터를 이용하도록 구성된 4 안테나 시스템을 설명한다. 4 포트 스위치는 사용하려고 의도된 안테나를 튜닝 가능한 커패시터와 트랜시버에 접속한다.
도 12는 안테나를 튜닝하기 위해 동일한 튜닝 가능한 커패시터를 이용하도록 구성된 2 안테나 시스템을 설명한다. 2 포트 스위치는 사용하려고 의도된 안테나를 튜닝 가능한 커패시터와 트랜시버에 접속한다.
도 13은 멀티 포트 스위치가 접지 접속을 안테나에 연결 또는 분리하는 능력을 제공하는 재구성 가능한 안테나 토폴로지를 설명한다. 스위치의 추가 포트들은 안테나를 상이한 주파수 대역들 또는 임피던스 상태들로 튜닝하도록 반응적으로 로딩될 수 있다. 튜닝 가능한 커패시터는 안테나의 최적화를 제공하기 위해 포함된다.
도 14는 멀티 포트 스위치가 방사 요소의 길이를 변경하는 능력을 제공하여 여러 주파수에서 최적화된 안테나를 유발하는 재구성 가능한 안테나 토폴로지를 설명한다. 예시적인 사용 예는 GPS와 블루투스 안테나의 조합이며, 여기서 도체의 추가 길이는 GPS 기능용의 안테나의 동작 주파수를 감소시키기 위해 기존 도체에 연결된다. 스위치의 추가 포트들은 안테나들을 상이한 주파수 대역들 또는 임피던스 상태로 튜닝하기 위해 반응적으로 로딩될 수 있다. 튜닝 가능한 커패시터는 안테나의 최적화를 제공하기 위해 포함된다.
도 15는 멀티 포트 스위치가 접지 접속의 전기 길이를 변경하는 능력을 제공하기 위해 안테나에 결합되는 재구성 가능한 안테나 토폴로지를 설명한다. 튜닝 가능한 커패시터는 안테나의 동적 튜닝을 제공하기 위해 급전점에서 안테나에 결합된다.
도 16은 2 포트 스위치가 2개의 급전 위치를 선택하는 능력을 제공하기 위해 안테나에 결합되는 재구성 가능한 안테나 토폴로지를 설명한다. 튜닝 가능한 커패시터는 안테나의 접지 접속에 결합되고; 수동 연결은 또한 접지 접속에 영향을 미치는 2가지 옵션을 제공하기 위해 이용 가능하다.
도 17은 튜닝 가능한 커패시터의 이중 용도를 제공하는 기술을 설명한다. 튜닝 가능한 커패시터는 션트 구성으로 정합 회로에 부착되고; 송신 라인은 튜닝 가능한 커패시터의 단부들에 걸쳐 연결되며, 송신 라인의 대향 단부는 IMD 안테나 아래에 위치한 기생 소자의 일부들에 연결된다. 튜닝 가능한 커패시터는 이런 방식으로 연결될 때, 기생 소자의 임피던스 로딩을 동시에 변경하면서 IMD 안테나의 급전점에 연결된 정합 회로의 임피던스를 변경하는 능력을 제공하여, 결국 IMD 안테나의 주파수 응답을 조절할 것이다.
도 18은 IMD 안테나 아래의 기생 소자와 송신 라인의 접합부에 인덕터가 추가된 도 16에 도시된 기술을 설명한다. 적절한 값의 인덕터의 추가는 도 17에 도시된 안테나 구성과 비교해 상반되는 방식으로 IMD 안테나의 주파수 응답을 시프트하는 능력을 제공한다.
도 19는 안테나 아래에 위치한 기생 소자와 안테나 사이의 영역에서 안테나를 유전체 로딩하는 방법을 설명한다. 유전체의 고체 블록을 구현하는 것은 또한 안테나 요소와 기생 소자 모두를 기계적으로 지지하는 방법을 제공한다. 개별 유전체 블록은 안테나의 방사 패턴을 변경하는데 사용된 오프셋 기생 소자를 지지하는데 사용된다. 단일 모듈은 안테나의 능동 안테나 기능을 제공하기 위해 능동 및 수동 컴포넌트들 모두를 포함한다.
도 20은 안테나와, 안테나 아래에 배치된 기생 소자들 사이의 영역에 안테나의 유전체 로딩 방법을 도시하며, 여기서 두 개의 상이한 유전체들이 사용될 수 있다. 안테나와 기생 소자들 사이의 영역의 일부들에서 물질의 유전 상수를 변경하는 것은 안테나 성능을 최적화하기 위한 부가적 파라미터를 제공한다. 두 개 이상의 상이한 유전 상수들이 구현되는 유전체의 고체 블록을 구현하는 것은 또한 안테나 요소와 기생 소자들 양쪽의 기계적 지지 방법을 제공한다. 별도의 유전체 블록은 안테나의 방사 패턴들을 변경하는 데 사용되는 오프셋 기생 소자를 지지하는 데 사용된다. 단일 모듈이 안테나의 능동 안테나 기능들을 제공하기 위해 모든 능동 및 수동 컴포넌트들을 포함한다.
도 21은 능동 안테나를 제조하는 집적화 방법을 도시하고, 여기서 능동 및 수동 컴포넌트들을 포함하는 모듈이 안테나의 유전체 지지 구조에 직접적으로 부착된다. 안테나를 위한 유전체 지지체는 안테나와, 안테나 아래에 배치된 기생 소자들 사이의 영역에 두 개의 상이한 유전체 물질들을 갖는다. 안테나와 기생 소자들 사이의 영역의 일부들에서 물질의 유전 상수를 변경하는 것은 안테나 성능을 최적화하기 위한 부가적 파라미터를 제공한다. 두 개 이상의 상이한 유전 상수들이 구현되는 유전체의 고체 블록을 구현하는 것은 또한 안테나 요소와 기생 소자들 양쪽의 기계적 지지 방법을 제공한다. 별도의 유전체 블록은 안테나의 방사 패턴들을 변경하는 데 사용되는 오프셋 기생 소자를 지지하는 데 사용된다. 오프셋 기생 소자와 함께 사용되는 능동 및/또는 수동 컴포넌트들을 포함하는 제2 모듈이 기생 소자의 유전체 지지 구조에 직접적으로 부착된다.
다른 실시 형태에서, 안테나는 안테나 접지 접속의 임피던스를 스위칭 및 튜닝하도록 구성된 모듈에 결합되고, 이 모듈은 안테나 접지 접속을 스위칭 및 튜닝하는 능력을 일컫는 "ST 모듈"이라고 본 명세서에서 지칭될 수 있다. 도 22는 안테나, 제1 접지 접속에서의 ST 모듈, 제2 접지 접속, 및 안테나의 급전점과 정합하기 위한 튜닝 가능 컴포넌트를 포함하는 안테나 구조를 도시한다. ST 모듈 자체는 통상의 기술자가 이해할 수 있는 바와 같이, 무수한 구조들에 따라 구성될 수 있고, 예를 들어, 2개, 3개, 4개, 또는 "N" 개의 스위칭 가능 포트들이 각각의 포트가 별개의 부하를 가지며 제공될 수 있다. 스위치는 원하는 부하를 제공하기 위해 복수의 포트들 중에서 포트를 선택한다. 튜닝 가능 컴포넌트, 예를 들어, 튜닝 가능 커패시터는 모듈에서 리액턴스를 튜닝하기 위해 스위치의 안테나 포트에 션트로 구성된다. 그러므로, ST 모듈은 스위칭 가능하고 튜닝 가능한 안테나 접지 접속을 제공한다.
도 23은 도 22의 ST 모듈을 더 상세히 도시한다. 예시된 실시 형태에서, ST 모듈은 5개의 포트 스위치를 포함하며, 여기서 포트들 중 하나는 50 ohm의 부하로 안테나를 종단하여, 유효하게 안테나를 턴오프하도록 구성된다. 이러한 부하는 안테나를 트랜시버로부터 분리할 것이다.
또 다른 실시 형태에서, 안테나는 ST 모듈과 유사한, 안테나 접지 접속을 스위칭 및 튜닝하도록 구성된 모듈에 결합되고, 예컨대 안테나의 임피던스 정합 또는 부가적인 안테나 튜닝과 같은 각종 부가적인 애플리케이션들을 서비스할 수 있는 부가적인 튜닝 가능 컴포넌트를 가지고 더 구성되며; 이 모듈은 본 명세서에서 "STT 모듈"로서 지칭될 수 있다. 도 24는 예시적인 안테나 구조를 도시하고, 여기서 안테나는 전술한 것과 유사한 방식으로 STT 모듈, 및 제2 접지, 또는 기준에 결합된다. 예시된 예에서, 제2 튜닝 가능 컴포넌트는 튜닝 가능 정합을 위해 구성되지만, 통상의 기술자는 이 부가적인 튜닝 가능 컴포넌트가, 도시된 안테나, 다른 안테나, 또는 튜닝 가능 캡(cap)을 이용할 수 있는 임의의 다른 디바이스 또는 컴포넌트를 튜닝하는 것을 포함한, 임의의 목적을 위해 이용될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 제2 튜닝 가능 컴포넌트는 STT 모듈 내에 포함되고, 통신 디바이스 내의 설치 동안 안테나 급전점과 결합하도록 구성된다.
그러므로, 도 24는 상기의 ST 모듈과 유사한 STT 모듈을 도시하며, 이 모듈은 급전점에서 안테나 임피던스를 튜닝하는 능력을 제공할 뿐만 아니라 접지 접속의 임피던스를 변경하기 위한 스위칭 가능하고 튜닝 가능한 커패시터 회로를 제공하기 위해 모듈 내에 제2 튜닝 가능 커패시터를 가지고 더 구성된다. 이것은 안테나를 임피던스 정합시키기 위해 하나 또는 두 개의 튜닝 가능 커패시터가 구성되는 전형적인 튜닝 가능 정합 회로에 비해 부가적인 자유도를 제공한다. 여기서 제안되는 토폴로지는 안테나의 급전 및 접지 접속들 양쪽을 동시에 튜닝하는 능력을 제공한다. 그 결과는 대역 스위칭(접지 접속의 임피던스를 변경) 및 임피던스 정합(급전 접속에 대해 튜닝 가능 커패시터)이 구현되는 RFIC이다.
도 25는 STT 모듈을 더 상세히 도시하며, 이 모듈은 4개의 별개의 포트들(레이블된 RF 포트들) 및 트랜시버와의 접속을 종료시키는 종단 부하(50 Ohms)를 갖는 5개의 포트 스위치; 스위치 및 안테나에 션트로 결합된 제1 튜닝 가능 컴포넌트, 예를 들어, 튜닝 가능 커패시터; 및 안테나 급전점, 다른 안테나, 또는 튜닝 가능 리액턴스를 필요로 하는 다른 디바이스에 연결하기 위한 개방 부하를 갖는 제2 튜닝 가능 컴포넌트를 포함한다.
그러므로, 실시 형태에서 하나 이상의 급전 접속 및 하나 이상의 접지 접속을 가진 안테나가 기술된다. 안테나의 급전 접속에 연결될 수 있는 튜닝 가능 커패시터를 제공하도록 단일 집적 회로가 구성될 수 있다. 멀티-포트 스위치가 안테나의 하나 이상의 접지 접속들에 연결하도록 구성된다. 튜닝 가능 커패시터가 스위치 포트의 임피던스를 변경하는 능력을 제공하기 위해 스위치 포트들 중 하나에 연결된다.

Claims (9)

  1. 안테나 시스템으로서,
    멀티-포트 스위치 및 튜닝 가능 컴포넌트를 포함하는 임피던스 튜닝 모듈에 결합된 안테나를 포함하고;
    상기 멀티-포트 스위치는
    복수의 선택 가능 포트 - 상기 복수의 포트 각각은 별개의 부하에 결합되고, 상기 복수의 포트 중 하나는 상기 안테나를 효과적으로 단락시키도록 구성된 부하를 가진 종단 포트를 포함함 -, 및
    상기 안테나를 상기 복수의 포트 중 선택된 포트에 결합하기 위한 안테나 포트를 포함하고;
    상기 멀티-포트 스위치는 안테나 접지 접속의 임피던스를 변화시키기 위해 상기 복수의 포트 중 한 포트를 스위칭 가능하게 선택하도록 구성되고;
    상기 튜닝 가능 컴포넌트는 상기 안테나 포트와 션트(shunt)로 존재하고;
    상기 임피던스 튜닝 모듈은 상기 안테나 접지 접속에서 최적의 임피던스를 스위칭 가능하게 선택하고 상기 튜닝 가능 컴포넌트를 이용하여 상기 안테나를 튜닝하도록 구성되는 안테나 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 안테나는 적어도 제1 주파수 대역을 가진 제1 모드, 및 상기 제1 주파수 대역과 다른 제2 주파수 대역을 가진 제2 모드에서 동작하도록 구성된 모달 안테나(modal antenna)를 포함하고; 상기 안테나 튜닝 모듈은 상기 안테나를 상기 모드들 중 하나에서 동작하도록 스위칭 가능하게 구성하도록 구성되는 안테나 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 안테나를 정합시키기 위해 안테나 급전점(antenna feed point)에 결합된 제2 튜닝 가능 컴포넌트를 더 포함하는 안테나 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 임피던스 튜닝 모듈은 상기 안테나를 정합시키기 위해 상기 안테나 급전점에 결합되도록 구성된 제2 튜닝 가능 컴포넌트를 더 포함하는 안테나 시스템.
  5. 안테나 시스템에서, 안테나 접지 접속을 스위칭 가능하게 선택하고 튜닝하고 그와 결합된 안테나를 정합시키도록 구성된 안테나 튜닝 모듈로서, 상기 안테나 튜닝 모듈은
    상기 안테나 접지 접속의 리액턴스를 튜닝하고 임피던스를 변화시키도록 구성된 스위칭 가능하고 튜닝 가능한 접지 접속 회로; 및
    상기 안테나를 정합시키기 위해 안테나 급전점과 결합되도록 구성된 튜닝 가능 정합 컴포넌트를 포함하고;
    상기 스위칭 가능하고 튜닝 가능한 접지 접속 회로는
    상기 안테나 접지 접속의 임피던스를 변화시키도록 구성된 멀티-포트 스위치, 및
    상기 안테나 접지 접속의 리액턴스를 변화시키기 위한 튜닝 가능 컴포넌트를 포함하고;
    상기 멀티-포트 스위치는
    복수의 선택 가능 포트 - 상기 복수의 포트 각각은 별개의 부하에 결합되고, 상기 복수의 포트 중 하나는 상기 안테나를 효과적으로 단락시키도록 구성된 부하를 가진 종단 포트를 포함함 -, 및
    상기 안테나를 상기 복수의 포트 중 선택된 포트에 결합하기 위한 안테나 포트를 포함하고;
    상기 멀티-포트 스위치는 상기 안테나 접지 접속의 임피던스를 변화시키기 위해 상기 복수의 포트 중 한 포트를 스위칭 가능하게 선택하도록 구성되고;
    상기 튜닝 가능 컴포넌트는 상기 스위치의 상기 안테나 포트에 결합되는 안테나 튜닝 모듈.
  6. 적어도 하나의 안테나와 결합되고,
    (i) 접지 접속 임피던스를 스위칭 가능하게 선택하고 튜닝하고;
    (ii) 상기 안테나를 정합시키도록
    구성된 안테나 튜닝 모듈을 가진 안테나 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 안테나 튜닝 모듈은
    (iii) 접속된 트랜시버로부터 상기 안테나를 분리하도록 더 구성된 안테나 시스템.
  8. 동시에 접지 접속 임피던스를 구성하고 안테나 급전점에서의 리액턴스를 변화시키도록 구성된 안테나 집적 회로.
  9. 동봉된 명세서에 도시되고 기술된 것과 같은 안테나 시스템.
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