KR20160002794A

KR20160002794A - 임피던스 매칭을 위한 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20160002794A
Application number: KR1020157030085A
Authority: KR
Inventors: 야밍 장; 렵 멩 로; 윌리엄 헐리; 존 알렉스 인터란트
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2013-05-02
Filing date: 2014-02-27
Publication date: 2016-01-08
Also published as: WO2014178526A1; US20140327594A1

Abstract

무선 통신에서의 사용을 위한 임피던스 매칭을 위한 장치가 제공된다. 상기 장치는 송신 신호를 안테나로 운반하는 순방향 경로를 포함한다. 상기 장치는 또한 상기 안테나로 향할 전송될 순방향 신호 및 상기 안테나로부터 반사된 역방향 신호 각각으로부터 동 위상 및 직교 위상 구성요소들을 추출 및 피드백 하도록 구성되는 직교 피드백 경로를 포함한다. TMN(tunable matching network)는 상기 안테나의 임피던스로 내부 임피던스를 매칭하기 위하여 복수의 조정 가능한 요소들을 가지는 상기 순방향 경로와 결합된다. 컨트롤러는 상기 순방향 신호 및 상기 역방향 신호 각각으로부터의 상기 동 위상 및 직교 위상 구성요소들에 기반하여 TMN 입력 임피던스의 진폭 및 위상을 계산하도록 구성된다.

Description

임피던스 매칭을 위한 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR MATCHING IMPEDENCE}

본 명세서는 일반적으로 임피던스 매칭(impedence matching)을 위한 장치 및 방법에 관한 것이고, 특히, 직교피드백 회로가 있는 임피던스 매칭 송신기에 관한 것이다.

새로운 모바일 폰들은 전력 소모를 최소화하는 것과 동시에 더 많은 주파수 대역들과 동작 모드들을 통합하려는 목적과 함께 발달되고 있다. 이러한 대역들과 동작 모드들의 조합은 복잡한 RF(radio frequency) 프론트 엔드를 요구하고, 이는 주파수 대역 각각이 이들의 특정 하드웨어를 요구하기 때문이다. 이는 상기 RF 프론트 엔드의 전력 소모처럼, 회로판에서의 공간 요구뿐만 아니라 구성요소들의 숫자의 증가를 의미한다. 엄격한 캐리어 RF 성능 사양에 부합하기 위한 최대 복사/민감도(radiation/sensitivity)를 얻기 위해, λ/4 구조 길이가 바람직하나, 공교롭게도, 이는 거대한 안테나 크기의 결과를 가져온다. 그러나, 상기 큰 디스플레이 및 배터리 사이즈는 상기 폰 안테나의 가용 크기를 줄여준다. 동시에, 모바일 폰들은 카메라, MP3 플레이어, 라디오 및 TV 튜너들과 같은 추가적인 기능들의 증가를 장착한다. 모바일 폰들 조차 점점 작아짐에 따라, 그들에 장착된 상기 안테나들은 또한 더 소형이어야 한다. 현재, 공진 회로로서 작용하는 내부 저용량 평면 안테나는 주로 이러한 목적으로 사용된다. 이들 단점은 근처 필드가 모바일 폰 사용자들간 상호작용과 같은 외부의 영향들에 과도하게 민감한 반응을 하는 점이다. 이들은 송신 및 수신 품질의 강한 영향에 대응하여 상기 안테나 임피던스를 상당히 변경한다. 플립 또는 슬라이더 폰과 같은 다양한 모바일 폰의 성질들, 이동 가능한 키패드 및 디스플레이들은 추가적으로 안테나의 성능을 복잡하게 하는데, 이는 다양한 커먼 그라운드 부하들(common-ground loads)이 이들의 임피던스에 영향을 미치기 때문이다.

안테나의 입력 임피던스가 다른 때, 두 가지 주된 효과와 함께 상기 전력 모듈과 상기 안테나 사이에 불일치가 있다. 첫째는, 상기 전력 모듈이 부하의 변동하에 최적의 효율로 수행되지 못할 것이다. 둘째, 방사 전력이 반사 전력으로 인해 감소되므로, 상기 장비는 상기 감소를 보상하기 위해 상기 전력을 증가시켜야 한다. 상기 결과는 에너지 소비의 증가 또는 송신 질의 악화를 가져온다. 또한, 신호 레벨의 반사가 과도하게 높고 아이솔레이터(isolator)가 사용되지 않는다면, 상기 전력 모듈은 손상을 입게 될 수 있다.

따라서 아래의 실시예들은, 최대 전력 전달을 위하여 직교 피드백 회로를 이용한 임피던스 매칭을 위한 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.

무선 통신에서의 사용을 위한 임피던스 매칭을 위한 방법을 제공한다. 상기 방법은 안테나로의 송신을 수행하는 순방향 경로에서, 상기 안테나를 향하여 송신된 순방향 신호 및 상기 안테나로부터 반사된 역방향 신호를 검출하는 과정을 포함한다. 상기 방법은 또한 직교 피드백 경로를 통해 상기 순방향 신호 및 상기 역방향 신호 각각으로부터 동 위상 및 직교 위상 구성요소들을 추출 및 피드백하는 과정을 포함한다. 또한, 상기 순방향 신호 및 상기 역방향 신호 각각으로부터의 상기 동 위상 및 직교 위상 구성요소들에 기반하여, 상기 방법은 복수의 조정 가능한 요소들과 함께, TMN(tunable matching network)의 입력 임피던스의 진폭 및 위상을 결정하는 과정을 포함한다. 상기 방법은 상기 조정 가능한 요소들을 튜닝하여 상기 결정된 입력 임피던스의 위상 및 진폭을 가지는 상기 TMN을 구성하는 방법을 더 포함한다.

하기의 상세한 설명에 들어가기 전에, 본 특허 문서 전체에서 사용되는 특정 단어 및 어구들의 정의를 기재하는 것이 유리할 수 있다. 용어 "포함하다(include)", "구성하다(comprise)", 뿐만 아니라 이들의 파생어들은 제한 없이 포함함을 의미한다. 용어 "또는"은 포괄적으로, 및/또는 을 의미한다. 구문 "~와 관련된(associated with)" 및 "이와 관련된(associated therewith)", 뿐만 아니라 이의 파생어들은 포함하다(include), ~내에 포함되다(be included within), ~와 내적 연결하다(interconnect with), 포함하다(contain), ~내에 포함되다(be contained within), ~에 또는 ~와 연결하다(connect to or with), ~에 또는 ~와 결합하다(couple to or with), ~와 통신할 수 있는(be communicable with), ~와 협력하다(cooperate with), 끼우다(interleave), 나란히 놓다(juxtapose), ~에 인접하다(be proximate to), ~에 또는 ~와 결합되다(be bound to or with), 가지다(have), ~의 속성을 갖다(have a property of) 기타 등등을 의미한다. 용어 "컨트롤러(controller)"는 적어도 하나의 동작을 제어하는 임의의 장치, 시스템 또는 이들의 부분을 의미한다. 이러한 장치는 하드웨어, 펌웨어 또는 소프트웨어, 또는 앞서 말한 것들의 적어도 두 가지의 조합들로 구현될 수 있다. 임의의 특정 컨트롤러와 관련된 기능은 국부적이든(locally) 원격적이든(remotely) 관계없이 집중화되거나 분산될 수 있다. 다른 특정 단어들 및 구문들의 정의가 본 특허 문서 전반에 걸쳐서 제공된다. 당업자는 대부분의 경우는 아니더라도 많은 경우에, 그러한 정의들이 정의된 단어들 및 구문들로 미래뿐 아니라 이전의 사용들에도 적용될 수 있음을 이해하여야 한다.

다양한 실시예들에 따른 방법 및 장치는, 최대 전력 전달을 위하여 직교 피드백 회로를 이용한 임피던스 매칭을 위한 장치 및 방법을 제공한다. 특히 VSWR(voltage standing wave ratio) 검출에 기반한 최적화 기준에 비하여 손실이 없거나 적은 경우 외에도 높은 정확도를 가지는 임피던스 매칭을 위한 장치 및 방법을 제공한다.

본 개시와 장점들을 보다 더 완벽하게 이해하기 위해서, 첨부된 도면과 함께, 하기의 설명으로 참조가 이루어지고, 동일한 참조 번호는 같은 부분들을 나타낸다.
도 1은 본 개시의 실시예에 따른 무선 통신 네트워크를 도시한다.
도 2a는 본 개시의 실시예에 따른 OFDMA(orthogonal frequency division multiple access)의 또는 밀리미터 웨이브 송신 경로의 하이 레벨 다이어그램이다.
도 2b는 본 개시의 실시예에 따른 OFDMA 또는 밀리미터 웨이브 수신 경로의 하이 레벨 다이어그램이다.
도 3은 본 개시의 실시예에 따른 가입자 스테이션을 도시한다.
도 4는 본 개시의 실시예에 따른 적응형 안테나 매칭 튜닝 유닛이 있는 송신기를 도시한다.
도 5는 본 개시의 실시예에 따른 직교 피드백 회로가 있는 송신기를 도시한다.
도 6은 본 개시의 실시예에 따른 TMN(tunable matching network)을 도시한다.
도 7은 본 개시의 실시예에 따른 임피던스 매칭을 위한 프로세스의 하이 레벨 흐름도를 도시한다.

후술할 도 1 내지 도 7, 및 본 특허 문서에서 본 개시의 원리를 설명하기 위해 사용되는 다양한 실시 예들은 단지 예시를 위한 것으로 어떠한 방식으로든 본 개시의 범위를 한정하는 의미로 해석되어서는 안 된다. 당업자들은 본 개시의 원리들이 적절하게 배치된 전자장치로 구현될 수 있음을 이해할 것이다.

도 1은 본 개시의 실시예에 따른 무선 통신 네트워크를 도시한다. 도 1에 도시된 무선 통신 네트워크 100의 실시예는 단지 설명을 위한 것이다. 본 개시의 범위를 벗어나지 않는 한 무선 통신 네트워크 100의 다른 실시예들은 이용될 수 있다.

상기 도시된 실시예에서, 무선 통신 네트워크 100은 기지국(BS) 101, 기지국(BS) 102, 기지국(BS) 103, 및 다른 기지국들(도시되지 않음)을 포함한다. 기지국 101은 기지국 102 및 기지국 103과 통신한다. 기지국 101은 또한 인터넷 130 또는 비슷한 IP 기반 시스템(도시되지 않음)과 통신한다.

기지국 102는 기지국 102의 커버리지 영역 120 내의 제1 복수의 가입자 스테이션들(이하 모바일 스테이션)에게 인터넷 130에 대한 무선 광대역 액세스(wireless broadband access)를 (기지국 101을 통하여) 제공한다. 본 개시의 전반에 걸쳐, '모바일 스테이션(MS) 용어'는 '가입자 스테이션(SS) 용어'와 상호 교환될 수 있다. 상기 제1 복수의 가입자 스테이션들은 소기업(SB)에 위치할 수 있는 가입자 스테이션 111, 대기업(E: enterprise))에 위치할 수 있는 가입자 스테이션 112, 와이파이 핫스팟(Wi-Fi Hot Spot)에 위치할 수 있는 가입자 스테이션 113, 제1 거주지(R)에 위치할 수 있는 가입자 스테이션 114, 제2 거주지(R)에 위치할 수 있는 가입자 스테이션 115, 및 휴대폰, 무선 랩톱, 무선 PDA 기타 등등과 같은, 모바일 장치(M)일 수 있는 가입자 스테이션 116을 포함한다.

기지국 103은 기지국 103의 커버리지 영역 125 내의 제2 복수의 가입자 스테이션들에게 네트워크 130에 대한 무선 광대역 액세스를 (기지국 101을 통하여) 제공한다. 제2 복수의 가입자 스테이션들은 가입자 스테이션 115 및 가입자 스테이션 116을 포함한다. 예시적인 실시예에서, 기지국 101-103은 본 개시의 실시예에 설명된 폐루프 적응형 임피던스 매칭 튜닝(closed-loop adaptive impedance matching tunung)을 포함하는 OFDM 또는 OFDMA 기술들을 이용하여 서로 및 가입자 스테이션 111-116과 함께 통신할 수 있다.

각 기지국 101-103은 광역적으로 고유의 기지국 식별자(BSID: base station identifier)를 가지고 있다. BSID는 주로 MAC ID 이다. 각 기지국 101-103은 다수의 셀들(예를 들면, 하나의 섹터는 하나의 셀)을 가질 수 있고, 셀 각각은 물리적 셀 식별자들 또는 프리앰블(preamble sequence) 시퀀스를 가질 수 있고, 주로 동기화 채널에서 운반된다.

도 1에는 단지 여섯 개의 가입자 스테이션들만 도시되어 있지만, 무선 통신 네트워크 100에는 추가적인 가입자들로의 무선 광대역 액세스를 제공할 수 있음이 이해되어야 한다. 가입자 스테이션 115 및 가입자 스테이션 116은 커버리지 영역 120 및 커버리지 영역 125 둘 모두의 가장자리에 위치함을 주의하여야 한다. 가입자 스테이션 115 및 가입자 스테이션 116은 기지국 102 및 기지국 103 둘 모두와 각각 통신하고 당업자에게 알려진 대로, 핸드오프 모드에서 동작한다고 할 수 있다.

가입자 스테이션 111-116은 인터넷 130을 통해 음성, 데이터, 비디오, 비디오 회의, 및/또는 다른 광대역 서비스에 접근할 수 있다. 예를 들면, 가입자 스테이션 116은 무선 사용이 가능한 랩톱 컴퓨터, PDA(personal data assistant), 노트북, 휴대 가능한 장치(handheld device), 또는 다른 무선 사용 가능한 장치를 포함하는, 다수의 모바일 장치들 중 임의의 하나일 수 있다. 가입자 스테이션 114 및 115는, 예를 들면, 무선 사용이 가능한 PC, 랩톱 컴퓨터, 게이트웨이(gateway), 또는 다른 장치일 수 있다.

도 2a는 본 개시의 실시예에 따른 OFDMA(orthogonal frequency division multiple access)의 또는 밀리미터 웨이브 송신 경로의 하이 레벨 다이어그램이다. 도 2b는 본 개시의 실시예에 따른, OFDMA 또는 밀리미터 웨이브 수신 경로의 하이 레벨 다이어그램이다. 도 2a 및 도 2b에서, 송신 경로 200은 예를 들면, 기지국 102에서 구현되고, 수신 경로 250은 예를 들면, 도 1의 가입자 스테이션 116과 같은, 가입자 스테이션에서 구현된다. 그러나, 수신 경로 250은 기지국(예를 들면, 도 1의 기지국 102)에서 구현될 수 있고, 송신 경로 200은 가입자 스테이션에서 구현될 수 있음이 이해되어야 한다. 송신 경로 200 및 수신 경로 200 모두 또는 이들의 일부는 하나 이상의 프로세서들을 포함하거나, 포함될 수 있다.

송신 경로 200은 채널 코딩(channel coding) 및 변조(modulation) 블록 205, 직렬-병렬 변환(S-to-P) 블록 210, 크기 N의 역 고속 푸리에 변환(IFFT) 블록 215, 병렬-직렬 변환(P-to-S) 블록 220, 순환 전치(cyclic prefix) 추가 블록 225, 및 상향 변환(UC) 블록 230을 포함한다. 수신 경로 250은 하향 변환(DC) 255, 순환 전치 제거 블록 260, 직렬-병렬 변환(S-to-P) 블록 265, 크기 N의 고속 푸리에 변환(FFT) 블록 270, 병렬-직렬 변환(P-to-S) 블록 275, 및 채널 디코딩 및 복조(demodulation) 블록 280을 포함한다.

도 2a 및 2b에서 구성요소들의 적어도 몇몇은 소프트웨어에서 구현될 수 있고, 반면 다른 구성요소들은 구성 가능한 하드웨어 또는 구성 가능한 하드웨어와 소프트웨어의 혼합에 의해 구현될 수 있다. 특히, 본 개시에서 서술된 FFT 블록 및 IFFT 블록은 구성 가능한 소프트웨어 알고리즘들로서 구현될 수 있고, 여기서 크기 N의 값은 구현에 따라 수정될 수 있다.

또한, 본 개시는 FFT 및 IFFT를 구현하는 실시예들에 관한 것이지만, 이것은 단지 예시를 위한 것으로, 본 발명의 범위를 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 개시의 실시예의 대체로서, FFT 및 IFFT는 각각, 이산 푸리에 변환(DFT) 및 역 이산 푸리에 변환(IDFT)으로 쉽게 대체될 수 있다. DFT 및 IDFT 기능들에서 변수 N의 값은 (1, 2, 3, 4 등과 같이) 임의의 정수일 수 있고, 반면 FFT 및 IFFT 기능들에서 변수 N의 값은 (1, 2, 4, 8, 16 등과 같이) 2의 거듭제곱인 임의의 정수일 수 있다.

송신 경로 200에서, 채널 코딩 및 변조 블록 205는 정보 비트들의 세트(set)들을 수신하고, 코딩(예를 들면, 저밀도 패리티 체크(LDPC: Low Density Parity Check))을 적용하고, 주파수 도메인 변조 심볼들의 시퀀스(sequence)를 생성하기 위해 입력 비트들을 변조(예를 들면, QPSK(Quadrature Phase Shift Keying) 또는 QAM(Quadrature Amplitude Modulation)) 한다. 직렬-병렬 변환 블록 210은 N개의 병렬 심볼 스트림(stream)을 생성하기 위해 상기 직렬 변조된 심볼들을 병렬 데이터로 변환(예를 들면, 디-멀티플렉스(de-multiplex))하고, 여기서 N은 기지국(BS) 102 및 가입자 스테이션(SS) 116에서 사용되는 IFFT/FFT의 크기이다. 크기 N의 IFFT 블록 215는 시간 도메인 출력 신호들을 생성하기 위해 N개의 병렬 심볼 스트림들에서 IFFT 동작을 수행한다. 병렬-직렬 변환 블록 220은 직렬 시간 도메인 신호를 생성하기 위해 크기 N의 IFFT 블록 215로부터 상기 병렬 시간 도메인 출력 심볼들을 변환(예를 들면, 멀티플렉스(multiplex))한다. 순환 전치 추가 블록 225는 상기 시간 도메인 신호에 순환 전치(cyclic prefix)를 삽입한다. 마지막으로, 상향 변환 블록 230은 무선 채널을 통한 송신을 위해 순환 전치 삽입 블록 225의 출력을 RF 주파수로 변조(예를 들면, 상향 변환)한다. 상기 신호는 또한, RF 주파수로 변환 전에 기저대역에서 필터링 될(filtered) 수 있다.

송신된 RF 신호는 무선 채널을 통하여 통과한 후 가입자 스테이션 116에 도착하고, 기지국 102에서의 동작들과 정반대의 동작들이 가입자 스테이션 116에서 수행된다. 하향 변환 블록 255는 상기 수신된 신호를 기저대역 주파수로 하향 변환하고, 순환 전치 제거 블록 260은 직렬 시간 도메인 기저대역 신호를 생성하기 위해 상기 순환 전치를 제거한다. 직렬-병렬 변환 블록 265는 상기 시간 도메인 기저대역 신호를 병렬 시간 도메인 신호들로 변환시킨다. 크기 N의 FFT 블록 270은 N개의 병렬 주파수 도메인 신호들을 생성하기 위해 FFT 알고리즘을 수행한다. 병렬-직렬 변환 블록 275는 상기 병렬 주파수 도메인 신호들을 변조된 데이터 심볼들의 시퀀스로 변환시킨다. 채널 디코딩 및 복조 블록 280은 원래의 입력 데이터 스트림을 복구하기 위해 상기 변조된 심볼들을 복조하고 디코딩한다.

기지국 101 내지 103 각각은 가입자 스테이션 111 내지 116으로의 하향링크 송신과 유사한 송신 경로를 구현할 수 있고, 가입자 스테이션 111 내지 116으로부터의 상향링크 수신과 유사한 수신 경로를 구현할 수 있다. 마찬가지로, 가입자 스테이션 111 내지 116 각각은 기지국 101 내지 103으로의 상향링크 송신을 위한 아키텍쳐(architecture)에 해당하는 송신 경로를 구현할 수 있고, 기지국 101 내지 103으로부터의 하향링크 수신을 위한 아키텍쳐에 해당하는 수신 경로 250을 구현할 수 있다.

본 개시의 일 실시예에서, 기지국(BS)은 하나 이상의 다수의 셀들을 가질 수 있고, 각 셀들은 하나 이상의 다수의 안테나 배열들을 가질 수 있으며, 여기서 하나의 셀 내의 배열 각각은 다른 프레임 구조를 가질 수 있는데, 예를 들면, TDD(time division duplex) 시스템에서 상향링크와 하향링크의 비율이 다른 경우다. 다수의 TX/RX(transmitting/receiving) 체인들은 하나의 배열 또는 하나의 셀에 적용될 수 있다. 셀 안의 하나 또는 다수의 안테나 배열은 같은 하향링크 제어 채널(예를 들면, 동기화 채널, 물리적 방송 채널 기타 등등) 송신을 가질 수 있고, 반면 다른 채널들(예를 들면, 데이터 채널)은 안테나 배열 각각에 특정한 프레임 구조로 송신될 수 있다.

상기 기지국은 빔 포밍(beam forming)을 수행하기 위해 하나 이상의 안테나들 또는 안테나 배열들을 사용할 수 있다. 안테나 배열들은 다른 폭을 가지는 빔(예를 들면, 넓은 빔, 좁은 빔 등)을 형성할 수 있다. 하향링크 제어 채널 정보, 방송 신호들 및 메시지들, 및 방송 데이터 채널들 및 제어 채널들은 넓은 빔에서 송신될 수 있다. 넓은 빔은 한 번에 송신되는 단일 넓은 빔을 포함하거나, 순차적으로 좁은 빔들의 스윕(sweep)일 수 있다. 멀티캐스트 및 유니캐스트 데이터 및 제어 신호들 및 메시지는 좁은 빔에서 송신될 수 있다.

셀들의 식별자들은 상기 동기화 채널에서 수행될 수 있다. 배열들, 빔들 기타 등등의 식별자들은 암묵적으로 또는 명시적으로, 하향링크 제어 채널들(예를 들면, 동기화 채널, 물리적 방송 채널 기타 등등)에서 수행될 수 있다. 이 채널들은 넓은 빔을 통하여 전송될 수 있다. 이러한 채널들을 획득하기 위하여, 상기 모바일 스테이션(MS)은 상기 식별자들을 검출할 수 있다.

모바일 스테이션(MS)는 또한 빔포밍을 수행하기 위하여 하나 이상의 안테나들 또는 안테나 배열들을 사용할 수 있다. 기지국(BS) 안테나 배열들에서 같이, 상기 모바일 스테이션(MS)에서의 안테나 배열들은 다른 폭을 가지는 빔(예를 들면, 넓은 빔, 좁은 빔 등)을 형성할 수 있다. 방송 신호들 및 메시지, 및 방송 데이터 채널들 및 제어 채널들은 넓은 빔에서 송신될 수 있다. 멀티캐스트 및 유니캐스트 데이터 및 제어 신호들 및 메시지는 좁은 빔에서 송신될 수 있다.

도 3은 본 개시의 예시적인 실시예에 따른 가입자 스테이션을 도시한다.

특정 실시예에서, 메인 프로세서 340은 마이크로프로세서(microprocessor) 또는 마이크로컨트롤러(microcontroller)이다. 메모리 360은 메인 프로세서 340과 결합된다. 본 개시의 몇몇 실시예에 따를 때, 메모리 360의 부분은 RAM(random access memory)을 포함하고 다른 메모리 360의 부분은 플래시 메모리를 포함하고, 이는 ROM(read-only memory)으로 동작한다.

메인 프로세서 340은 무선 가입자 스테이션 116의 전반적인 동작을 제어하기 위해서 메모리 960에 저장된 기본 운영체제(OS) 프로그램 361을 실행한다. 하나의 동작에서, 메인 프로세서 340은 잘 알려진 원리들에 따라, 무선 주파수(RF) 송신기 910, RX 처리 회로 325, TX 처리 회로 315에 의하여 순방향 채널 신호 수신 및 역방향 신호의 송신을 제어한다.

메인 프로세서 340은 본 개시의 실시예에 서술된 폐루프 적응형 임피던스 매칭 튜닝(closed-loop adaptive impedance matching tuning)의 동작들과 같은, 메모리 360에 내재된 다른 프로세스들 및 프로그램들 실행할 수 있다. 메인 프로세서 340은 실행된 프로세스가 요구하는 대로, 메모리 360 안 또는 밖으로 데이터를 이동시킬 수 있다. 몇몇 실시예에서, 메인 프로세서 340은 CoMP 통신 및 MU-MIMO 통신을 위한 애플리캐이션들과 같은 복수의 애플리캐이션들 362를 실행하도록 구성된다. 메인 프로세서 340은 운영체제(OS) 361에 기반하거나 기지국(BS) 102로부터 수신된 신호에 응답하여 복수의 애플리캐이션들 362를 동작할 수 있다. 메인 프로세서 340은 또한 I/O 인터페이스 345에 결합된다. I/O 인터페이스 345는 가입자 스테이션 116에게 랩톱 컴퓨터들 및 휴대 가능한 컴퓨터들(handheld computers)과 같은 다른 장치들에 연결할 수 있는 능력(ability)을 제공한다. I/O 인터페이스 345는 이들의 액세서리들(accessories)과 메인 프로세서 940 사이의 통신 경로이다.

메인 프로세서 340은 또한 키패드 350 및 디스플레이 유닛 355와 결합된다. 가입자 스테이션 116의 상기 관리자(operator)는 가입자 스테이션 116에 데이터를 입력하기 위해 키패드 950을 사용할 수 있다. 디스플레이 355는 웹 사이트들로부터 같은, 텍스트 및/또는 적어도 제한된 그래픽을 렌더링(rendering)할 수 있는 액정 디스플레이(LCD: Liquid Crystal Display)일 수 있다. 대안(alternative)의 실시예들은 디스플레이들의 다른 유형을 사용할 수 있다.

도 4는 본 개시의 실시예에 따른 적응형 안테나 매칭 튜닝 유닛이 있는 송신기를 도시한다. 도 4에 도시된 송신기 400의 실시예는 단지 예시를 위한 것이다. 다른 실시예들은 본 개시의 범위를 벗어나지 않고 사용될 수 있다.

도 4에 도시된 대로, 송신기 400은 PA(power amplifier) 401, 커플러(coupler) 402, 듀플렉서(duplexer) 403, RF 검출기 404, TMN(tunable matching network) 405, 튜닝 컨트롤러 413을 포함한다.

PA 401에서 증폭된 RF 신호는 RF 검출기 404를 통하여 TMN 405로 송신된다. TMN 405는 튜닝 컨트롤러 413의 제어 아래 상기 안테나로부터 신호의 반사를 최소화하기 위하여 내부 임피던스 매칭 회로를 동적으로 조정한다.

RF 검출기 404는 ADC(analog to digital converter) 412를 통하여 안테나 406으로부터 반사된 신호를 튜닝 컨트롤러 413에 제공한다. 튜닝 제어 알고리즘을 구현하는, 튜닝 컨트롤러 413은 RF 검출기 404의 출력을 이용하여 TMN 405에서 필요한 변경의 여부 및 무슨 변경들인지를 가리키는 제어 신호를 생성하고, TMN 405로 상기 제어 신호를 통과시킨다. 버랙터 커패시턴스(varactor capacitance) 또는 가변 인덕턴스(variable inductance)를 변화시킴으로써 TMN 405는 상기 제어 신호 아래 임피던스 매칭의 변화를 수행한다. 송신기 400은 이 과정을 원하는 임피던스 또는 VSWR(voltage standing wave ratio), 예를 들면 2:1의 VSWR, 를 얻을 때까지 반복한다.

특정 실시예에서, RF 검출기 404 는 VSWR에 기반할 수 있다. VSWR 검출기는 상기 진폭 정보만을 제공하고, 이는 스미스 차트(Smith chart)에 위치한 입력 임피던스의

원을 나타낸다. 이는 검출과 튜닝이 입력 임피던스의 결정적인 위상 정보 없이 이루어질 수 있음을 의미한다.

VSWR 검출기 출력에 기반한 최적화 기준(optimization criteria)은 VSWR을 최소화하고(예를 들면 상기 신호의 반사를 최소화), 반면 최종 궁극의 매칭 목표는 상기 부하에 전달되는 상기 전력을 최대화 하는 것이다. 손실 없는 매칭 네트워크의 경우, 상기 반사 계수를 최소화하는 것 또는 접합 매치(conjugation match)를 성취하기 위한 튜닝은 상기 부하로의 상기 전력 전달을 최대화하는 것을 의미한다. 그러나, 실제로, 상기 매칭 네트워크는 일정 부분의 손실을 가지며, 더 이상 전술한 것과 같지 않다. 따라서, 입력 반사 계수 최소화에 기반한 임의의 임피던스 매칭 접근 또는 알고리즘은, 부분 또는 전체에서, 손실이 없거나 적은 손실의 매칭 네트워크 또는 튜너들(tuners)에만 좋은 정확도를 가진다.

그러나, VSWR에 기반한 상기 튜닝 제어 알고리즘은 상기 튜닝 목표에 도착하기 위해 상당한 양의 시간을 소비하여, 반복적인 프로세스를 통해 올바른 구성요소 튜닝 설정을 찾는다. 또한, 최적화 선택과 초기 설정에 따라, 로컬 최소값에 수렴하는 위험이 있다. 따라서, 튜닝 시간을 줄이고 튜닝 상태의 중첩을 피하기 위하여 상기 임피던스 매칭의 최종 구성요소 튜닝 설정을 직접 계산하거나, 또는 합리적인 크기의 룩업 테이블에 기반하여 얻도록, 속도 향상 방법을 개발하는 것이 바람직하다.

상기 TMN들은 가변 임피던스의 처리 동작(behavior)에 중요한 이점을 갖는다. 그러므로, 추가적으로 피드백 컨트롤러가 구현된다면, 안테나 임피던스 스미스 차트(Smith chart)의 커버리지와 접합하는 조정 가능한 매칭 네트워크에 따라, 전체 시스템은 상기 안테나의 거의 모든 임피던스 변화들에 적응적으로 대응할 수 있다.

도 5는 본 개시의 실시예에 따른 직교 피드백 회로 510가 있는, 송신기를 도시한다. 도 5에 도시된 송신기 500의 실시예는 단지 예시를 위한 것이다. 다른 실시예들은 본 개시의 범위를 벗어나지 않고 사용될 수 있다.

송신기 500은 PA 501, 커플러 502, 듀플렉서 503, 양방향 연결기 504, 조정 가능한 매칭 네트워크 505 및 튜닝 컨트롤러 523을 포함한다. 튜닝 컨트롤러 523은 안테나 매칭 네트워크 제어 알고리즘을 구현하도록 구성된다.

PA 501에서 증폭된 RF 신호는 TMN 505로 커플러 502, 듀플렉서 503 및 양방향 연결기 504를 통하여 송신된다. TMN 505는 튜닝 컨트롤러 523의 제어 아래 안테나 506으로부터 반사된 신호를 최소화하기 위하여 내부 임피던스 매칭 회로를 동적으로 조정한다.

양방향 연결기 504는 안테나 506을 향하는 순방향 경로와 결합된 때, 양방향 연결기 504는 PA 501로부터 송신된 순방향 신호를 제공한다. 대안으로, 양방향 연결기 504는 역방향 경로와 결합된 때, 안테나 506으로부터 반사된 역방향 신호를 제공한다. SPDT(single pole, double throw) 스위치 507은 상기 결합된 순방향 경로 및 상기 결합된 역방향 경로를 직교 피드백 회로 510으로 다중 통신(multiplex) 한다.

양방향 연결기 504로부터 제공된 상기 신호는 LNA(low noise amplifier) 511 에서 증폭되고 로컬 발진기(oscillator) 514 및 위상 전이기 513로부터 생성되는, 90도의 차이의 두 개의 참조 주파수들이 믹서 512에서 혼합되어 동 위상(I) 및 직교(Q) 신호들로 분리된다.

튜닝 컨트롤러 523은 믹서 512의 출력으로부터 반사 계수 진폭 및 위상 정보 둘 모두를 수신한다. 튜닝 컨트롤러 523은 상기 I/Q 신호들을 수신하고 안테나 506의 조정 가능한 매칭 회로 505에서 필요한 변경의 여부 및 무슨 변경들인지를 가리키는 제어 신호를 생성하기 위하여 하기에 서술된 상기 안테나 매칭 네트워크 제어 알고리즘을 구현한다. 라디오 출력 I/Q 신호들과 함께, 튜닝 컨트롤러 523은 기저대역 신호 처리를 통하여 TMN 입력 임피던스의 진폭 및 위상 둘 모두를 계산하고, 따라서 스미스 차트(Smith Chart)에서 상기 TMN 입력 임피던스를 원 대신에 점으로 정확히 가리킨다(pin-point). 결과적으로, 튜닝 컨트롤러 523으로부터 상기 제어 신호를 수신하는 튜닝 매칭 네트워크 505는 버랙터 커패시턴스(varactor capacitance) 또는 가변 인덕턴스(variable inductance)를 변화시킴으로써 상기 제어 신호 아래 상기 임피던스 매칭의 변화를 수행한다.

도 6은 본 개시의 실시예에 따른 TMN 회로를 도시한다. 도 6에 도시된 TMN 회로600의 실시예는 단지 예시를 위한 것이다. 다른 실시예들은 본 개시의 범위를 벗어나지 않고 사용될 수 있다. TMN 회로 600은 복수의 가변 임피던스들을 포함하고 임피던스 매칭을 위한 파이(PI) 네트워크 회로로 구성된다. 따라서 상기 TMN 입력의 상기 입력 임피던스는 안테나의 상기 입력 포트로부터 추측될 수 있다. 예를 들면, TMN 회로 600은 가변 임피던스 605 및 복수의 어드미턴스 610을 포함할 수 있다.

도 7은 본 개시의 실시예에 따른 임피던스 매칭을 위한 프로세스의 하이 레벨 흐름도를 도시한다. 상기 흐름도가 순차적인 일련의 단계들을 묘사하지만, 명시적으로 언급하지 않는 한, 수행의 특정 순서에 관한 시퀀스, 동시에 또는 중첩적인 방식이라기 보다 연속적으로 시퀀스의 단계들 또는 부분의 수행, 또는 사이에 들어가거나 중간적인 단계들의 발생 없이 독점적으로 묘사되는 단계들의 수행으로부터 어떠한 추론도 도출되어서는 안 된다. 상기 예에서 묘사되는 상기 프로세스는 예를 들면, 모바일 스테이션 안의 송신기 체인(transmitter chain)에 의해 구현된다.

프로세스 700은 단계 701에서 PA 501로 복소 기저대역 송신 신호

를 송신하면서 시작한다. 양방향 연결기 504는 신호

를 수신하기 위하여 순방향 경로에 연결되도록 스위칭 한다. SPDT 스위치 507은 아래쪽 단자로 스위칭하고 신호

를 직교 피드백 회로 510으로 통과시킨다. 직교 피드백 회로 510은 신호

로부터 I 및 Q 신호들을 추출하고 상기 I 및 Q 신호들을 튜닝 컨트롤러 523으로 제공하고, I 및 Q 신호들은 복소 송신 신호

를 형성하여 튜닝 컨트롤러 523에 저장된다.

단계 702에서, 프로세스 700은 복소 기저대역 송신 신호

를 PA 501로 송신한다. 양방향 연결기는 상기 안테나로부터 반사된 신호

를 수신하기 위하여 역방향 경로에 연결되도록 스위칭한다. SPDT 스위치 507은 위쪽 단자로 스위칭하고 신호

를 직교 피드백 회로 510으로 통과시킨다. 직교 피드백 회로 510은

로부터 I 및 Q 신호들을 추출하고 상기 I 및 Q 신호들을 튜닝 컨트롤러 523으로 제공하며, 여기서 I 및 Q 신호들은 복소 송신 신호

를 형성하여 튜닝 컨트롤러 523에 저장된다.

단계 703에서, 상기 안테나 매칭 네트워크 알고리즘은 수학식 1을 이용하여 TMN 입력에서 복소 계수의 반사 손실

을 계산한다.

수학식 1에서 심볼

은 상호 연관(cross-correlation)을 나타낸다.

및

는 송신 신호는 정상적으로 동작 중(normal in-operation) 송신된 신호이다. 그러므로 상기 방식은 네트워크 안에서 실시간 동작들과 완벽히 호환된다.

단계 704에서, 상기 TMN의 입력 임피던스

은 수학식 2를 사용하여 계산된다.

은 상기 시스템의 특성 내부 임피던스다. 프로세스 700은 상기 I/Q 신호들과 함께 TMN 입력 임피던스의 진폭과 위상 둘 모두를 계산하고, 따라서 스미스 차트에서 상기 TMN 입력 임피던스를 원 대신에 점으로 정확히 가리킨다.

TMN 505는 임피던스 매칭을 위해 파이(pi) 네트워크 TMN를 채택한 실시예들에서, 수학식 2를 이용하여 계산된

과 함께, 상기 안테나의 부하 임피던스

는 수학식 3을 이용하여 상기 파이 네트워크 TMN의 상기 입력 임피던스로부터 계산된다.

도 6에 도시된 대로

,

는 가변 어드미턴스,

는 가변 임피던스다.

실시예들에서, 안테나의 상기 부하 임피던스를 안 후에는, 프로세스 500은 변수 임피던스 및 어드미턴스를 매핑하기 위하여 결정론적 접근에 기반한 LUT(look up table)을 참조한다. 상기 LUT는 상기 튜닝 시간을 줄이고 튜닝 상태의 중첩을 피하기 위하여 최종 콜스(coarse) 구성요소 튜닝 설정을 매핑한다. 상기 LUT는 상기 TMN 손실을 고려하여 만들어지고, 따라서 최종 콜스(coarse) 구성요소 설정은 상대 변환기 이득 및 안테나 부하로 전달되는 전력을 최대화하도록 설계된다. 최종 콜스 구성요소 튜닝 설정은 상기 LUT로부터 정확히 가리켜지면, 최종 콜스(coarse) 구성요소 주위의 미세 단계 튜닝이 상기 튜닝의 정확도를 향상시키고 TMN의 디임베딩(de-embedding) 프로세스에서 무수한(un-counted) 기생 효과를 완화시키기 위하여 이루어질 수 있다. 즉 다시 말하면, TMN의 집중 회로 모델에서 상기 무수한 기생 효과는 디임베딩 프로세스의 부정확을 야기 시킬 수 있고, 이는 미세한 튜닝 프로세스를 통하여 조정될 수 있다.

결정론적 접근 방법에 기반한 LUT 외에, 다른 직접 계산 방법은 안테나의 부하 임피던스를 안 후에 최종 구성요소 설정을 계산하도록 사용된다.

본 개시의 실시예들은 단말(UE)에 의한 적응형 안테나 임피던스 매칭을 용이하게 한다. 현재, 내부 안테나 디자인에 사용 가능한 작은 용적(volume) 및 안테나 근처 필드에 영향을 미치는 스마트폰 사용자와의 상호 작용의 증가 때문에, 모바일 단말들에서 폐루프 안테나 임피던스 매칭을 상용화할 동기가 증가하였다. 본 개시의 실시예들은 진폭 및 위상 정보 둘 모두를 사용한다. 그러므로 특정 실시예들은 단지 VSWR 진폭 검출기의 선행기술에 비해 고유한 장점을 가지고 있다. 본 개시의 실시예들은 또한 안테나의 상기 부하 임피던스로부터 최종 콜스 구성요소 설정을 직접적으로 매핑하는 방법에 기반한 LUT를 사용한다. 그러므로 길고 반복적인 튜닝 프로세스를 피하고 로컬 최소값(local minima)에 수렴 가능성을 피한다. 또한, 상기 LUT는 변환기 이득 및 상기 안테나 부하에 전달되는 전력을 최대화하도록 설계되고, 따라서 상기 LUT는 송신기 전력 효율 및 배터리 수명을 최대화하는 의미에서 VSWR을 최소화하는 것보다 더 바람직하다.

상기 실시예들의 특정 특징들 및 양상들의 다양한 조합들 및 하위 조합들이 이루어질 수 있음을 고려할 수 있고, 첨부된 청구항의 범위 내에 여전히 해당될 수 있다. 예를 들면, 몇몇 실시예에서, 상기 실시예들 중 몇몇에 관한, 본 문서에서 개시되지 않거나 참조로서 인용되지 않은 상기 특징들(features), 구성들, 또는 다른 세부사항들은 본 문서에서 명시적으로 개시되지 않은 새로운 실시예들을 형성하기 위해 다른 실시예들에 관한, 본 문서에서 개시되지 않은 다른 특징들, 구성들, 또는 세부사항들과 호환 가능하다. 기능들 및 구성들의 조합들을 가지는 실시예들 모두는 본 개시의 일부로서 고려된다. 또한, 달리 언급하지 않는 한, 본 문서에서 명시적으로 필요하거나 필수적이라고 서술되어 있지 않으면, 본 문서에 개시된 임의의 스텐트(stent) 또는 커넥터 실시예들 중 특징이나 세부사항이 없는 것은 본 문서에 개시된 임의의 실시예들에 필요하거나 필수적인 것을 의미한다.

본 개시는 예시적인 실시 예들을 사용하여 기술 되었지만, 다양한 변경들 및 수정들이 당업자에게 제안될 수 있다. 본 개시는 첨부된 청구항의 범위 내에 있는 이러한 변경들 및 수정들을 포함하는 것으로 의도된다.

Claims

무선 통신에서 사용을 위한 임피더스 매칭을 위한 방법에 있어서,
안테나로 송신을 수행하는 순방향 경로에서, 상기 안테나를 향하여 전송될 순방향 신호 및 상기 안테나로부터 반사되는 역방향 신호를 검출하는 과정;
직교 피드백 경로를 통하여 상기 순방향 신호 및 상기 역방향 신호 각각으로부터의 동 위상 및 직교 위상 구성요소들을 추출 및 피드백하는 과정;
상기 순 방향 신호 및 상기 역방향 신호 각각으로부터의 상기 동 위상 및 직교 위상 구성요소들에 기반하여, 복수의 조정 가능한 요소들과 함께 조정 가능한 매칭 네트워크(TMN: tunable matching network)의 입력 임피던스의 진폭과 위상을 계산하는 과정; 및
상기 조정 가능한 요소들에 의하여 상기 결정된 입력 임피던스의 진폭과 위상을 갖도록 상기 TMN을 구성하는 과정을 포함하는 방법.
무선 통신에서 사용을 위한 임피던스 매칭을 위한 장치에 있어서,
안테나로 송신 신호를 운반(carry)하도록 구성된 순방향 경로;
상기 안테나를 향하여 송신될 순방향 신호 및 상기 안테나로부터 반사된 역방향 신호 각각으로부터 동 위상 및 직교 위상 구성요소들을 추출 및 피드백하도록 구성된 직교 피드백 경로;
내부 임피던스와 상기 안테나의 임피던스를 매치시키도록 구성된 복수의 조정 가능한 요소들을 가지는 상기 순방향 경로와 결합된 조정 가능한 매칭 네트워크(TMN); 및
상기 순방향 신호 및 상기 역방향 신호 각각으로부터 동 위상 및 직교 위상 구성요소들에 기반하여 TMN 입력 임피던스의 진폭 및 위상을 계산하도록 구성된 컨트롤러.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 순방향 경로는 상기 직교 피드백 경로와 함께, 상기 순방향 신호 또는 상기 역방향 신호 중 어느 하나를 제공하도록 구성된 양방향 연결기를 포함하는 방법 또는 장치.
청구항 3 에 있어서, 상기 양방향 연결기는 상기 순방향 신호 및 상기 역방향 신호를 상기 직교 피드백 경로로 다중 통신(multiplex)하도록 구성된 SPDT(single pole, double throw) 스위치와 연결된 방법 또는 장치.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 직교 피드백 경로는 상기 순방향 신호 및 상기 역방향 신호로부터 동 위상 및 직교 위상 구성요소들을 추출하도록 구성된 믹서를 포함하는 방법 또는 장치.
청구항 1에 있어서, 상기 컨트롤러는 제1 신호를 상기 순방향 경로를 통하여 송신하고 제1 신호로부터 추출된 상기 동 위상 및 직교 위상 구성요소들을 저장하도록 구성되고, 제2 신호를 상기 순방향 경로를 통하여 송신하고 상기 안테나로부터 반사된 상기 제2 신호로부터 추출된 상기 동 위상 및 직교 위상 구성요소들을 저장하도록 구성된 방법.
청구항 6에 있어서, 하기의 식으로부터 반사 손실
을 계산하는 과정을 더 포함하는 방법.

(
는 상기 제1 신호,
는 상기 제2 신호,
은 상기 순방향 신호,
는 상기 역방향 신호.)
청구항 7에 있어서, 상기 TMN의 상기 입력 임피던스
은 하기의 식을 이용하여 계산되는 방법.

(
는 특성 내부 임피던스)
청구항 8에 있어서, 상기 TMN은 파이 네트워크 회로를 포함하고, 상기 파이 네트워크 회로의 가지 각각은 가변 임피던스 또는 어드미턴스와 함께 하나 이상의 요소들을 포함하는 방법.
청구항 9에 있어서, 상기 TMN의 입력 임피던스에 기반하여 상기 안테나의 부하 임피던스를 계산하는 과정을 더 포함하는 방법.
청구항 10에 있어서, 상기 가변 임피던스 또는 어드미턴스를 결정하기 위해 LUT(look up table)을 참조하는 과정을 더 포함하는 방법.
청구항 6 내지 11 중 어느 하나의 방법을 구현하도록 배치된 무선 통신에 사용하기 위한 임피던스 매칭을 위한 장치.