KR20200004797A - 개선된 통신 시스템을 위한 영점 조향 안테나 기술 - Google Patents

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Abstract

무선 통신 디바이스용 적응형 안테나 어레이를 구비하는 안테나 시스템이 제공된다. 하나의 예시적인 구현예에서, 안테나 시스템은 복수의 안테나 소자를 포함하는 제1 안테나 어레이를 포함한다. 안테나 시스템은 복수의 안테나 소자를 포함하는 제2 안테나 어레이를 포함한다. 제1 및 제2 안테나 어레이는 각각 무선 디바이스의 주변부 부근에 배치된다. 제1 안테나 어레이와 제2 안테나 어레이 중 적어도 하나는 능동형 멀티-모드 안테나를 구비하는 적응형 안테나 어레이이다. 능동형 멀티모드 안테나는 복수의 가능한 모드 중 하나의 구성으로 적응될 수 있다. 능동형 멀티-모드 안테나는 복수의 가능한 모드들의 각각으로 구성되었을 때, 별개의 방사 패턴에 연관된다.

Description

개선된 통신 시스템을 위한 영점 조향 안테나 기술
본 출원은 2017년 3월 24일에 출원한 미국 가출원 번호 제62/476,640호 및 2017년 6월 20일에 출원한 미국 가출원 번호 제62/522,109호의 우선권을 주장하며, 본 명세서에는 상기 미국 가출원 각각의 내용이 참조로 통합된다.
본 개시는 무선 통신, 보다 구체적으로는 무선 통신용 안테나 시스템 및 무선 통신 방법에 관한 것이다.
4G에서 작동하는 셀룰러 네트워크 및 무선 로컬 영역 네트워크(WLAN)는 많이 사용되고, 최근에는 넓은 지역에 걸쳐서 그리고 도시 전체에 걸쳐 안정적이고 신뢰성 있는 네트워크에서의 음성 통신을 제공함과 동시에, 데이터 전송 속도를 중간 속도에서 고속으로 제공하도록 발전해 왔다. 예컨대 휴대폰이나 태블릿과 같은 모바일 사용자 디바이스는 음성 통신과 저속-데이터 문자 및 이메일 서비스뿐 아니라, 고속-데이터 인터넷 연결성을 제공하는 수준으로 발전했다. 모바일 및 고속-데이터 통신 시스템의 다음 발전 단계는 5G 프로토콜 및 네트워크로의 전환이다. 5G 네트워크는 상당히 높은 속도와 짧은 대기시간을 제공할 수 있고, 음성, 데이터, 사물 인터넷(IoT) 어플리케이션에 적용될 수 있다. 또한, 밀리미터파(mmWave) 스펙트럼이 개방되어, 더욱 높은 데이터 속도를 지원하기 위해 더 큰 순간 대역폭을 사용할 수 있게 되었다. 이러한 밀리미터파 대역은 현재 4G 셀룰러 및 WLAN 어플리케이션에 사용되는 6GHz 이하 대역과 함께 5G 시스템에 사용될 수 있다.
본 개시의 양태의 한 예시는 관련 주변부를 구비하는 무선 디바이스에서 사용되기 위한 안테나 시스템에 관한 것이다. 안테나 시스템은 복수의 안테나 소자를 포함하는 제1 안테나 어레이를 포함한다. 안테나 시스템은 복수의 안테나 소자를 포함하는 제2 안테나 어레이를 포함한다. 제1 및 제2 안테나 어레이는 각각, 무선 디바이스의 주변부의 부근(about)에 배치된다. 제1 및 제2 안테나 어레이 중 적어도 하나는 능동형 멀티-모드 안테나를 구비하는 적응형 안테나 어레이이다. 능동형 멀티모드 안테나는 복수의 가능한 모드들 중 하나의 구성으로 적응될 수 있다. 능동형 멀티-모드 안테나는 복수의 가능한 모드들 중 각각의 것으로 구성될 때, 별개의 방사 패턴에 연관된다.
도 1은 모든 면을 중심으로 연장하는 주변부를 구비하는 평면형 무선 디바이스를 도시하며, 복수의 안테나 어레이는 주변부의 부근에 위치되고, 평면형 무선 디바이스의 평면 내에서 빔 포인팅하도록 구성된다.
도 2는 어레이 안테나 패턴이 가중 신호를 사용하여 어레이 내 각각의 안테나로 조향될 수 있는 평면형 안테나 어레이를 도시한다.
도 3은 도 2의 안테나 어레이가 구부러져 있어, 구부러진 안테나 어레이의 어레이 패턴이 어렵다는 것을 도시한다.
도 4는 두 면을 구비하는 안테나를 도시하며, 두 면은 서로 교차하도록 구성되고, 하나 이상의 능동형 멀티-모드 안테나가 안테나 어레이의 두 면 중 하나에 위치된다.
도 5는 도 4의 안테나 어레이와 그와 연관된 어레이 패턴을 도시하며, 이때 멀티-모드 안테나는 어레이 패턴의 조향을 제공한다.
도 6은 본 개시의 예시적인 실시예들에 따른 방사 소자와 비여진 도체를 구비하는 능동형 멀티-모드 안테나의 예시를 도시한다.
도 7은 본 개시의 예시적인 실시예들에 따른 방사 소자와 비여진 도체를 구비하는 능동형 멀티-모드 안테나의 예시를 도시한다.
도 8은 두 면을 구비하는 안테나 어레이를 도시하며, 이때 능동형 멀티-모드 안테나가 두 면의 각각에서 어레이에 대해 위치되어, 본 개시의 예시적인 실시예들에 따른 조향을 가능하게 한다.
도 9는 본 개시의 예시적인 실시예들에 따른, 주변부 부근에 위치되는 복수의 안테나를 포함하는 환형 구조를 도시한다.
도 10은 본 개시의 예시적인 실시예들에 따라 안테나 어레이에 근접하게 위치되고 무선 디바이스의 평면형 표면에 대해 위치되는 추가적인 안테나(다중-면 안테나)를 갖는 도 8의 안테나를 도시한다.
도 11은 무선 디바이스를 나타내는 3-차원 구조체를 도시하며, 복수의 안테나의 각각은 본 개시의 예시적인 실시예들에 따라 무선 디바이스의 주변부와 평면형 표면 부근에 위치된다.
도 12는 본 개시의 예시적인 실시예들에 따른, 디바이스 평면에서 안테나 성능을 제어하기 위한 복수의 안테나 어레이와, 디바이스 평면과는 별개의 적어도 하나의 추가적인 평면을 포함하는 2-차원 안테나 어레이 시스템을 도시한다.
도 13은 본 개시의 예시적인 실시예에 따른, 2-차원 안테나 어레이 시스템을 위한 방위 및 고도 빔 제어를 도시한다.
도 14는 복수의 전방 단부 모듈을 구비하는 라디오 시스템 온 칩(SOC)을 포함하는 적응형 안테나 어레이를 도시하며, 각각의 전방-단부 모듈(FEM)은 안테나들의 어레이 내 안테나에 커플링되고, 프로세서(예를 들어, 중앙 처리 장치(CPU))는 FEM과 안테나 어레이의 성능을 제어하기 위해 라디오 SOC에 신호를 전달하도록 구성된다.
도 15는 본 개시의 예시적인 실시예들에 따른, 도 14의 적응형 안테나 어레이를 도시하며, 안테나들은 능동형-멀티-모드 안테나를 포함한다.
도 16은 본 개시의 예시적인 실시예들에 따른, 주변부 부근에 위치되는 복수의 적응형 안테나 어레이를 구비하는 무선 디바이스를 도시한다.
도 17은 주변부 부근에 위치되는 복수의 적응형 안테나 어레이를 구비하는 무선 디바이스를 도시하며, 안테나 시스템은 모바일 디바이스 주변에 안테나 시스템 커버리지를 제공하기 위해, 섹터화된 접근법을 달성한다.
도 18은 예시적인 능동형 멀티-모드 안테나를 도시한다.
도 19는 예시적인 능동형 멀티-모드 안테나를 도시한다.
도 20은 예시적인 능동형 멀티-모드 안테나를 도시한다.
도 21은 예시적인 능동형 멀티-모드 안테나를 도시한다.
도 22는 예시적인 능동형 멀티-모드 안테나를 도시한다.
도 23은 예시적인 능동형 멀티-모드 안테나를 도시한다.
도 24는 예시적인 능동형 멀티-모드 안테나를 도시한다.
도 25는 예시적인 능동형 멀티-모드 안테나를 도시한다.
본 명세서의 목적상, "무선 디바이스"라는 용어는 무선 네트워크 또는 무선 통신 링크에 걸쳐 통신할 수 있는 임의의 디바이스를 포함한다. "모바일 무선 디바이스"는 작동 중에 사용자의 손으로 운반될 수 있는, 무선 네트워크 또는 무선 통신 링크에 걸쳐 통신될 수 있는 디바이스를 지칭한다. 예시적인 모바일 무선 디바이스는 스마트폰, 휴대폰, 태블릿, 웨어러블 디바이스, PDA, 전자 판독기 등을 포함한다. 본 명세서에서 사용되는, "주변부(periphery)"라는 용어는 무선 디바이스의 평면 영역의 외측 한계 또는 가장자리를 포함한다. "어레이 패턴"은 안테나 어레이와 연관된 방사 패턴을 지칭한다. 어레이 패턴은 안테나 어레이에 대한 어레이 빔을 지칭할 수도 있다. "적응형 안테나 어레이"는 안테나 어레이와 연관된 어레이 패턴을 조절하기 위해 제어될 수 있는 하나 이상의 멀티-모드 안테나를 갖는 안테나 어레이를 지칭한다.
본 개시의 예시적인 양태들의 대상은, 작은 형태 인자 무선 디바이스(예를 들어, 모바일 무선 디바이스)에 적용 가능한 적응형 안테나 어레이로, 안테나 시스템 성능을 향상하기 위해 어레이의 안테나들의 동적 제어가 구현된다. 어레이를 형성하는 안테나 소자들의 방사 모드의 동적 제어는 안테나 패턴과 편파 다이버시티를 모바일 안테나 시스템에 가져옴으로써, 의도된 통신 링크에 대한 게인을 향상시키기 위해, 비-의도된 소스들로부터의 간섭을 줄이기 위해, 및/또는 통신 링크 신뢰성을 향상시키기 위해 사용될 수 있다.
일부 실시예에서, 안테나 시스템은 하나 이상의 능동형 멀티-모드 안테나("모달 안테나"로서 지칭되기도 함)를 구비하는 어레이를 포함한다. 일부 양태에서, 몇몇 안테나 어레이는 무선 디바이스 내에 통합될 수 있고, 이러한 안테나 어레이들의 커버리지는 디바이스가 회전 또는 재-위치 설정될 때 끊김 없는 통신(seamless communication)을 제공하도록 조정될 수 있다. 고주파 통신 시스템에(예를 들어, 밀리미터파 시스템)의 경우, 디바이스의 근처에 모든 각도 커버리지(full angular coverage)를 제공하기 위해, 다수의 안테나 어레이들이 무선 디바이스(예를 들어, 모바일 무선 디바이스) 내에 통합될 수 있다. 시스템 작동 중에 성능을 향상시키기 위해, 다수의 어레이들 간의 핸드-오프 방법과 함께 빔 조향 방법이 사용될 수 있다.
일부 실시예에서, 멀티-모드 안테나는 다수의 방사 패턴 모드를 생성할 수 있는 단일 포트 안테나 시스템일 수 있으며, 방사 패턴 모드들은 서로 비교했을 때 상호 관련이 없다(de-correlated). 복수의 멀티-모드 안테나를 배열함으로써, 예컨대 수동 안테나와 같은 단일 방사 모드 안테나 소자들로부터 형성되는 안테나 어레이에 비해, 실질적으로 더욱 큰 수의 개별적 빔 상태들을 갖는 어레이가 생성될 수 있다. 멀티-모드 안테나들에 의해 생성되는 다수의 방사 패턴들은 무선 디바이스에 대한 복수의 서로 다른 어레이 방사 패턴들을 형성하는 데 사용될 수 있다. 멀티-모드 안테나들은 어레이 방사 패턴에서 영점(null) 및/또는 로브(lobe)를 형성 및 위치를 제어하는 데에 사용될 수 있다. 영점들은, 예를 들어 간섭자의 방향으로 영점을 조향함으로써, RF 간섭자들로부터의 간섭 억제를 제공하도록 위치 설정될 수 있다.
일부 실시예에서, 어레이 내 각각의 멀티-모드 안테나는 전방-단부 모듈(FEM)에 접속될 수 있다. FEM은 전력 증폭기(PA) 및 저잡음 증폭기(LNA)를 포함할 수 있다. FEM은 하나 이상의 프로세서와 간섭하여, 적응형 어레이를 제공하기 위해 멀티-모드 안테나들을 제어할 수 있다. 어레이의 소자들을 위치(populate)시키기 위해 사용되는 멀티-모드 안테나들과 함께 적응형 어레이 구현은, 어레이 방사 패턴에서의 빔 형성 면에서, 그리고 영점 형성 면에서 높은 정도의 유연성을 제공할 수 있다.
일부 실시예에서, 하나 또는 다수의 선형 어레이들이, 예컨대 모바일 무선 통신 디바이스와 같은 무선 통신 디바이스의 주변부에 또는 주변부 근처에 위치된다. 이러한 어레이들은 다수의 안테나 소자들을 포함할 수 있다. 하나 이상의 소자들은 복수의 가능한 모드로부터 다수의 방사 패턴들 중 하나를 생성할 수 있는 멀티-모드 안테나일 수 있다.
FEM은 어레이의 각각의 소자 또는 어레이 내 수많은 소자들에 접속되어, 적응형 어레이의 구조를 가능하게 할 수 있다. 이러한 선형 어레이 구조는 하나의 평면에는 어레이 패턴 생성 및 제어를 제공하고, 디바이스 평면과는 별개의 제2 평면에는 넓은 빔 폭 패턴을 제공한다. 제2 평면은 어레이 평면에 직교할 수도 있지만, 항상 그런 것은 아니다. 제어 루틴(예를 들어, 알고리즘)은, 통신 링크 성능을 향상(예를 들어, 게인의 향상, 간섭 완화 등)시키기 위해 적응형 어레이로부터 메인 빔을 형성 및 위치 설정하도록 무선 디바이스 내에 있는 또는 무선 디바이스에 커플링되는 하나 이상의 프로세서(예를 들어, 중앙 처리 장치(CPU))에 의해 실행되도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 제어 루틴은, 디바이스 내에 통합되는 다른 어레이들을 제어하고, 하나의 어레이로부터 다른 하나의 어레이로 안테나 시스템 기능의 핸드-오프를 조정하도록 구성될 수 있다.
일부 실시예에서, 하나의 또는 다수의 2-차원(2D) 어레이가 예컨대 모바일 무선 디바이스와 같은 무선 디바이스에 위치될 수 있다. 어레이 구조는, 선형 어레이가 디바이스의 주변부를 따라 위치 설정되고, 추가적인 소자들의 열이 디바이스의 전방 또는 후방 표면상에 또는 그 근처에 위치 설정되는 유형일 수 있다. 2D 어레이 구조는 다수의 평면에서 어레이 메인 빔을 스캐닝(scanning)하는 능력을 제공하여, 방위 및 고도 면에서 빔을 제어할 수 있도록 한다. 제어 루틴은, 통신 링크 성능을 향상(예를 들어, 게인 향상, 간섭 완화)시키기 위해 적응형 어레이로부터 메인 빔(예를 들어, 로브)을 형성 및 위치 설정하도록 구성될 수 있다. 추가적으로, 제어 루틴은 디바이스 내로 통합되는 다른 어레이들을 제어할 수 있고, 하나의 어레이로부터 다른 하나로의 안테나 시스템 기능의 핸드-오프를 조정할 수 있다.
일부 실시예에서, 제어 루틴은 하나 이상의 프로세서(예를 들어, 베이스 밴드 프로세서)로부터 하나 또는 다수의 신호 품질 메트릭(signal quality metrics)에 접근하거나 획득할 수 있다. 제어 루틴은 이러한 메트릭을 사용하여 어레이 패턴 조향 결정을 할 수 있다. 메트릭(들)은 전파 채널 및/또는 통신 시스템 성능에 관한 정보를 제공하는, 채널 품질 표시기(CQI), 수신 신호 강도 표시기(RSSI), 신호 대 간섭 잡음비(SINR), 비트 오류율(BER), 데이터율, 다른 치수(들), 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 하나 이상의 프로세서는 베이스 밴드 프로세서, 어플리케이션 프로세서, 또는 통신 시스템에 존재하거나(reside) 통신 시스템에 접속되는 다른 프로세서를 포함할 수 있다. 제어 루틴은 메트릭에 기초하여 안테나 모드 및 어레이 방사 패턴을 변경하기 위해 멀티-모드 안테나에 제어 신호 설정(setting)을 제공할 수 있다.
일부 실시예에서, 제어 루틴은, 예컨대 통신 시스템 또는 멀티-모드 안테나 어레이의 시야(field of view)에 있는 RF 전송의 다른 소스들과 같은 소스로부터 멀티-모드 안테나 어레이에 접속되는 통신 시스템에서 간섭을 감소시키기는 멀티-모드 안테나 어레이 패턴을 구체적으로 결정하도록 구성될 수 있다. 일부 구현예에서, 제어 루틴은, 각각의 안테나 어레이의 각각의 가능한(available possible) 방사 패턴의 전파 채널을 모델링하기 위해 CQI, RSSI, 및/또는 SINR을 사용할 수 있다. 각각의 가능한 어레이 빔 조합에 대해 모델링된 전파 채널을 가지고, 제어 루틴은 적응형 안테나 어레이의 다수의 방사 패턴들 중, 다음의 데이터 통신 교환에 대해 어떤 방사 패턴이 가장 우수한 성능 및/또는 향상된 성능을 제공할 것인지 예측할 수 있다. 특히, SINR 메트릭이 제어 루틴에 의해 최대화, 거의 최대화, 또는 상승된 경우, 간섭 수준이 고려될 수 있고, 선택된 방사 패턴은 의도된 트랜시버와의 양호한 통신 링크를 제공하고 및/또는 원치 않는 RF 소스로부터의 간섭을 감소시키는 방사 패턴일 수 있다.
일부 실시예에서, 제어 루틴은 무선 통신 디바이스에서 하나의 어레이로부터 또 다른 어레이로의 안테나 시스템 의무의 핸드-오프를 제어할 수 있다. 일부 실시예에서, 제어 루틴은 가능한 안테나 어레이 빔 조합의 각각에 대한 전파 채널을 모델링하기 위해 CQI, RSSI, 및/또는 SINR을 사용할 수 있다. 각각의 가능한 방사 패턴 빔 조합 및 각각의 안테나 어레이에 대해 모델링된 전파 채널로, 제어 루틴은 적응형 안테나 어레이의 다수의 방사 패턴 중에서 그리고 모든 어레이 중에서, 어떤 방사 패턴이 다음 데이터 통신 교환에 대해 가장 우수한 성능을 제공할 것인지 예측할 수 있다. 예를 들어, 제어 루틴은 안테나 어레이들의 제1 조합에 대한 현재의 방사 패턴이 언제 안테나 어레이들의 제2 조합에 대한 방사 패턴 조합보다 낮은 성능을 전달할 것인지 예측할 수 있다. 신호 품질 또는 성능의 임계값 델타(차이)가 설정될 수 있다. 어레이로의 핸드 오프에 의해 신호 품질 또는 성능의 델타가 임계값을 충족할 때 사용하기 위한 적절 어레이가 선택될 수 있다. 어레이 또는 복수의 어레이 내 능동형 멀티-모드 안테나의 각각은, 핸드-오프 프로세스를 개선하기 위해 각각의 멀티-모드 안테나의 모드 세트(mode set)에 걸쳐 향상된 성능을 갖도록 구성된다. 예를 들어, 모드들은 어레이들 간에 신호 품질의 델타를 증가시킴으로써, 핸드-오프에 필요한 시간을 줄이도록 선택될 수 있다.
일부 실시예에서, 멀티-모드 안테나는 하이브리드 어레이로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 이때 하나의 FEM이 2개 이상의 멀티-모드 안테나에 접속될 수 있다. 2개 이상의 멀티-모드 안테나는 서브-어레이로서 작동될 수 있고, 빔-조향 계수가 하이브리드 어레이 내 2개 이상의 멀티-모드 안테나들의 그루핑(grouping)을 구동시키도록 결정될 수 있다. 각각의 멀티-모드 안테나의 모드들이 조사(survey)될 수 있고, 향상된 통신 링크 성능을 제공하는 모드가 선택될 수 있다.
일부 실시예에서, 어레이 패턴은, 예컨대 핸드 앤드 헤드 장착(hand and head loading)을 교정하는 것과 같은 디바이스 유스케이스 또는 디바이스 배향에 따라 조절될 수 있다. 예를 들어, 제어 루틴이, 모든 가능성 및 모든 안테나 어레이들 중 어떤 것이 가장 우수한 방사 패턴 빔 조합인지 예상하기 위해 채널 모델화 및 예측에 의존하지 않을 경우, 결정론적 접근법이 사용될 수 있다. 결정론적 접근법에서는, 센서 정보에 기초하여, 각각의 어레이의 서로 다른 가능한 방사 패턴 중에서, 그리고 서로 다른 안테나 어레이들 중에서 방사 패턴이 선택될 수 있다. 디바이스 배향, 머리, 손의 충격을 포함한 다양한 사용 사례에 대한 서로 다른 안테나 어레이들의 (다양한 가능한 방사 패턴의 성능을 저장하는) 룩업 테이블이 사용될 수 있다.
예컨대 핸드 앤드 헤드 장착과 같은 디바이스 사용 사례는, 예컨대 하나 이상의 근접 센서, 가속도계, 또는 다른 모션 센서를 사용하는 것과 같이 다양한 방식으로 결정될 수 있다. 하나 이상의 프로세서는 센서들로부터 신호들을 수신할 수 있고, 신호에 기초하여 디바이스의 사용 사례를 결정하기 위해 제어 루틴을 구현할 수 있다. 그 다음, 하나 이상의 프로세서는 적어도 부분적으로 무선 디바이스의 사용 사례에 기초하여, 시스템 내 하나 이상의 능동형 멀티-모드 안테나의 작동 모드를 결정할 수 있다.
본 개시의 하나의 예시적인 실시예는, 관련 주변부를 구비하는 무선 디바이스에 사용하기 위한 안테나 시스템에 관한 것이다. 안테나 시스템은 복수의 제1 안테나를 포함하는 제1 안테나 어레이를 포함한다. 안테나 시스템은 복수의 제2 안테나를 포함하는 제2 안테나 어레이를 포함한다. 제1 및 제2 안테나 어레이들은 무선 디바이스의 주변부 부근에 각각 배치된다. 제1 및 제2 안테나 어레이 중 적어도 하나는 능동형 멀티-모드 안테나를 포함하는 적응형 안테나 어레이이다. 능동형 멀티-모드 안테나는 단일 급전 포트를 구비할 수 있다. 능동형 멀티-모드 안테나는 복수의 가능한 모드 중 하나의 구조에 대해 적응할 수 있다. 능동형 멀티-모드 안테나는, 복수의 가능한 모드들의 각각으로 구성되었을 때, 별도의 방사 패턴과 연관될 수 있다.
일부 실시예에서, 제1 및 제2 안테나 어레이의 각각은 능동형 멀티-모드 안테나를 포함하는 적응형 안테나 어레이이다. 능동형 멀티-모드 안테나는 단일 급전 포트를 구비할 수 있다. 능동형 멀티-모드 안테나는 복수의 가능한 모드들 중 하나의 구성에 대해 적응할 수 있다. 능동형 멀티-모드 안테나는 복수의 가능한 모드들 중 각각으로 구성될 때, 별개의 방사 패턴과 연관될 수 있다.
일부 실시예에서, 적응형 안테나 어레이는 (예를 들어, FEM 또는 다른 개재(intervening) 요소를 통해) 하나 이상의 프로세서에 커플링된다. 하나 이상의 프로세서는 제어 루틴을 구현하기 위해 (예를 들어, 하나 이상의 메모리 디바이스에 저장된 컴퓨터-판독 가능한 명령어를 실행함으로써) 제어 루틴을 실행하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 제어 루틴은 적응형 안테나 어레이의 어레이 방사 패턴의 메인 빔을 위치시키기 위해, 능동형 멀티-모드 안테나의 모드를 제어하도록 작동될 수 있다. 예를 들어, 제어 루틴은 하나 이상의 품질 메트릭(예를 들어, CQI, RSSI, SINR 등)에 적어도 부분적으로 기초하여, 능동형 멀티-모드 안테나의 모드를 제어하도록 작동될 수 있다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 프로세서는 제1 안테나 어레이와 제2 안테나 어레이 사이의 핸드오프를 조정하도록 작동할 수 있는 제어 루틴을 실행하도록 구성된다.
일부 실시예에서, 하나 이상의 프로세서는 하나 이상의 센서와 통신한다. 하나 이상의 프로세서는 적어도 부분적으로 하나 이상의 센서에 기초하여 무선 디바이스의 유스 케이스를 결정하도록 작동될 수 있다. 하나 이상의 프로세서는 적어도 부분적으로 사용 사례에 기초하여 적응형 안테나 어레이를 제어하기 위해, 제어 루틴을 실행하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 적응형 안테나 어레이는 무선 디바이스의 평면 내에서 빔 포인팅(예를 들어, 안테나 어레이의 메인 로브의 조향)하도록 구성된다.
일부 실시예에서, 적응형 안테나 어레이는, 접합부(junction)에서 서로 교차하는 제1 면과 제2 면을 구비하는 기판에 배치된다. 일부 구현예에서, 능동형 멀티-모드 안테나는 제1 면 또는 제2 면에 배치될 수 있다. 일부 구현예에서, 능동형 멀티-모드 안테나는 제1 면에 배치되는 제1 능동형 멀티-모드 안테나와 제2 면에 배치되는 제2 능동형 멀티-모드 안테나를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 적응형 안테나 어레이는 환형 구조로 배치된다.
일부 실시예에서, 안테나 시스템은 무선 디바이스의 주변부 내에 있는 평면형 표면에 배치되는 하나 이상의 다중-면 안테나를 포함한다. 평면형 표면은 무선 디바이스 하나 이상의 무선 디바이스의 전방 평면형 표면 또는 후방 평면형 표면일 수 있다. 일부 실시예에서, 각각의 제1 안테나와 각각의 제2 안테나 사이의 거리는 λ 내지 λ/4의 거리이다. λ는 제1 및 제2 안테나의 작동 주파수에 연관된다.
본 개시의 또 다른 예시적인 실시예는 주변부를 구비하는 무선 통신 디바이스 내에 사용하기 위한 안테나 시스템에 관한 것이다. 안테나 시스템은 무선 통신 디바이스의 주변부에 배치되는 복수의 제1 안테나 소자를 구비하는 제1 적응형 안테나 어레이를 포함한다. 제1 적응형 안테나 어레이는 복수의 가능한 모드들 중 하나의 구성으로 적응되는 제1 능동형 멀티-모드 안테나를 포함한다. 제1 능동형 멀티-모드 안테나는 복수 가능한 모드들 중 각각의 것으로 구성될 때, 별개의 방사 패턴과 연관된다. 제1 적응형 안테나 어레이는 제1 어레이 패턴과 연관된다. 시스템은 무선 통신 디바이스의 주변부에 배치되는 복수의 제2 안테나 소자를 구비하는 제2 적응형 안테나 어레이를 포함한다. 제2 적응형 안테나 어레이는 복수의 가능한 모드들 중 각각의 것으로 구성될 때 별개의 방사 패턴과 연관된다. 제2 적응형 안테나 어레이는 제2 어레이 패턴과 연관된다. 시스템은 제1 어레이 패턴과 제2 어레이 패턴을 제어하기 위해 제1 적응형 안테나와 제2 적응형 안테나를 제어하도록 작동 가능한 제어 루틴을 실행하도록 구성되는 하나 이상의 프로세서를 포함한다. 일부 실시예에서, 제어 루틴은 무선 통신 디바이스와 관련된 방위(azimuth)에 대해 빔 포인팅하도록 제1 적응형 안테나와 제2 적응형 안테나를 제어하도록 작동 가능하다.
일부 실시예에서, 안테나 시스템은 무선 통신 디바이스의 평면형 표면에 위치되는 제3 적응형 안테나 어레이를 포함한다. 제3 적응형 안테나 어레이는 복수의 가능한 모드들 중 하나로 구성되기에 적합한 제3 능동형 멀티-모드 안테나를 포함한다. 제3 능동형 멀티-모드 안테나는 복수의 가능한 모드들 중 각각의 것으로 구성될 때, 별개의 방사 패턴과 연관된다. 제3 적응형 안테나 어레이는 제3 어레이 패턴과 연관된다. 일부 실시예에서, 제어 루틴은 무선 디바이스에 대한 방위 빔 제어 및 고도 빔 제어를 위해 제1 적응형 안테나 어레이, 제2 적응형 안테나 어레이, 및 제3 적응형 안테나 어레이를 제어하도록 작동될 수 있다.
일부 실시예에서, 제어 루틴은 무선 통신 디바이스의 사용 사례에 기초하여 제1 적응형 안테나 어레이 및 제2 적응형 안테나 어레이를 제어하도록 작동될 수 있다. 사용 사례는 무선 통신 디바이스에 위치되는 센서(예를 들어, 근접 센서, 가속도계 등)으로부터의 하나 이상의 신호에 적어도 부분적으로 기초하여 결정될 수 있다.
이하에서는, 도면들을 참조하여 예시적인 실시예들을 설명할 것이다. 도 1은 모든 변(side) 부근으로 연장하는 주변부(10)를 구비하는 평면형 무선 디바이스(100)(예를 들어, 모바일 무선 디바이스)를 도시한다. 복수의 안테나 어레이(12a-12d)는 평면형 무선 디바이스 내에서 빔 포인팅하도록 구성된다. 각각의 안테나 어레이는 그와 연관된 어레이 패턴(11a-11d)을 갖는다. 디바이스는 디바이스 평면을 형성하는 수직 축(13a) 및 수평 축(13b)을 구현한다. 안테나 어레이(12a-12d)의 각각은 능동형 멀티-모드 안테나를 포함한다. 능동형 멀티-모드 안테나는 단일 급전 포트를 구비하고, 복수의 가능한 모드들 중 하나로 구성되도록 적응될 수 있으며, 능동형 멀티-모드 안테나는 복수의 가능한 모드들의 각각으로 구성되었을 때 별개의 방사 패턴을 포함한다. 일부 실시예에서, 능동형 멀티-모드 안테나의 모드들은, 수직 편파, 수평 편파, +45도 및 -45도 편파 상태 중 하나를 포함하도록 선택된다.
"모달 안테나" 또는 "영점 조향 안테나"로서 지칭되기도 하는 능동형 멀티-모드 안테나의 예시들이 공동으로 소유되는 US 9,748,637; US 9,240,634; US 8,648,755; US 8,362962; 및 US 7,911,402호에 기술되며, 이들 발명의 각각은 본 명세서에 참조로서 포함된다. 예시적인 능동형 멀티-모드 안테나가 도 18 내지 도 25를 참조하여 설명된다.
주어진 임의의 주파수에서 안테나 어레이의 어레이 패턴(빔)을 조정할 필요성이 있을 수 있다. 어레이 평면이 평평할 경우, 종래 기술은 종종 한정된 간격을 갖는 일련의 안테나 소자들을 사용한다. 하지만, 많은 IoT 디바이스, 휴대폰 및 다른 디바이스와 같이 표면 형상이 특이할 경우(평평하지 않을 경우), 빔 조향을 달성하기 위해 다른 기술이 요구될 수 있다.
도 2는 기판(22) 상에 위치되는 복수의 안테나 소자(21a-21d)를 포함하는 종래의 평면형 안테나 어레이(20)를 도시한다. 어레이 안테나 패턴은, 종래 기술에 따라 어레이 내 각각의 안테나 소자에 가중(weighted) 신호를 제공함으로써 조정(steered)될 수 있다. 각각의 가중 신호와 관련된 가중치는, 평면형 안테나 어레이(20)와 연관된 어레이 패턴에 대해 희망하는 조향 방향을 달성하기 위해 (예를 들어, 하나 이상의 프로세서 및/또는 FEM을 사용하여) 제어될 수 있다.
도 3은 도 2에 도시된 종래의 안테나 어레이(20)를 구부린 것을 도시한다. 기판(22)과 안테나 어레이가 구부러졌기 때문에, 예컨대 어레이 내 안테나 소자(21a-21d)의 각각에 제공되는 가중 신호의 가중치를 제어하는 것과 같은 종래의 기술을 사용해서 안테나 어레이(20)에 대한 어레이 패턴을 조정하는 것을 어려울 수 있다.
도 4는 본 개시의 예시적인 실시예에 따른 적응형 안테나 어레이(40)를 도시한다. 안테나 어레이는 두 면(S1, S2)을 구비하는 기판(43)에 배치될 수 있다. 기판(43)의 두 면(S1, S2)은 서로 (예를 들어 연결부(junction)(44)에서) 교차하도록 구성된다. 능동형 멀티-모드 안테나(42a-42d)는 면(S2)에 위치된다. 수동 안테나 소자(41a-41d)는 면(S1) 위에 위치된다. 도 4는 도시 및 설명의 목적으로, 면(S2)에 2개의 능동형 멀티-모드 안테나, 그리고 면(S1)에 2개의 수동 안테나를 도시한다. 통상의 기술자라면, 본 명세서에 제공되는 개시를 이용하여, 제1 면과 제2 면에 대해 임의의 개수의 능동형 멀티-모드 안테나와 수동 안테나를 혼합하는 것도 본 개시의 범위 내에 있음을 이해할 것이다.
도 5는 도 4에 도시된 적응형 안테나 어레이와 이와 연관된 어레이 패턴(45)을 도시한다. 멀티-모드 안테나(42a-42d)는 어레이 패턴의 조향을 제공한다. 이와 관련하여, 구부러진 어레이는, 도 2에 도시된 종래의 평면형 어레이를 가지고 달성했던 것과 동일한 또는 유사한 어레이 패턴 조향을 달성할 수 있다. 구부러진 어레이 내의 하나 이상의 능동형 멀티-모드 안테나의 빔 조향 기능은, 어레이 안테나들이 각각 무선 디바이스의 주변 부근에 위치되기 때문에, 무선 디바이스의 평면 내에 빔 포인팅 할 수 있도록(예를 들어, 메인 로브 또는 다른 로브가 무선 디바이스의 평면 내에 있도록 어레이 패턴을 조향하도록) 한다.
도 6은, 본 개시의 예시적인 실시예에 따른 적응형 안테나 어레이에 사용될 수 있는 방사 소자(46) 및 비여진(非勵振) 소자(47)를 구비하는 능동형 멀티-모드 안테나(42)의 일 예시를 도시한다. 방사 소자(46)는 단일 급전 포트를 포함할 수 있다. 도 6의 실시예에서, 방사 소자는 J자 또는 U자 형상일 수 있다. 방사 소자(46)에는 (예를 들어, FEM으로부터) RF 신호(46)가 제공될 수 있다. 비여진 소자(47)는 능동 튜닝 소자에 커플링될 수 있다. 능동 튜닝 소자는, 예를 들어 전압 제어형 튜닝 가능한 커패시터, 전압 제어형 튜닝 가능한 이상기(phase shifter), FET, 스위치, MEM 디바이스, 트랜지스터, 또는 ON/OFF 및/또는 능동적으로 제어 가능한 전도성/유도성 특징들을 나타낼 수 있는 회로일 수 있다. 비여진 도체 소자(47)는 방사 소자(46)에 인접하게, 그리고 이에 근접하게 위치될 수 있다. 능동 튜닝 소자는, 비여진 도체 소자(47)에 대한 무효 부하(reactive load)를 변경하여 도 6의 능동형 멀티-모드 안테나(42)에 대해 복수의 안테나 모드를 달성하는 데에 사용될 수 있다.
도 7은 본 개시의 예시적인 실시예에 따른 방사 소자(46) 및 비여진 도체 소자(47)를 구비하는 능동형 멀티-모드 안테나(42)의 또 다른 예시를 도시한다. 방사 소자(46)는 단일 급전 포트를 포함할 수 있다. 도 7의 실시예에서, 방사 소자(46)는 선형 형상을 가질 수 있다. 방사 소자(46)에는, (예를 들어, FEM으로부터) RF 신호(46)가 제공될 수 있다. 비여진 소자(47)는 능동 튜닝 소자에 커플링될 수 있다. 능동 튜닝 소자는, 예를 들어 전압 제어형 튜닝 가능한 커패시터, 전압 제어형 튜닝 가능한 이상기, FET, 스위치, MEM 디바이스, 트랜지스터, 또는 ON/OFF 및/또는 능동적으로 제어 가능한 전도성/유도성 특징을 나타낼 수 있는 회로 중 하나 이상일 수 있다. 비여진 도체 소자(47)는 방사 소자(46)에 인접하게, 그리고 방사 소자에 근접하게 위치될 수 있다. 능동 튜닝 소자는, 비여진 도체 소자(47)에 대한 무효 부하를 변경하여 도 7의 능동형 멀티-모드 안테나(42)에 대해 복수의 안테나 모드를 달성하는 데에 사용될 수 있다.
도 6 및 도 7에 실례적인 예시가 제공되어 있지만, 통상의 기술자라면 능동형 멀티-모드 안테나에 대해 무수히 많은 안테나 소자 구조가 가능하다는 것을 이해할 것이다. 하지만, 일반적으로, 능동형 멀티-모드 안테나는 단일 급전 포트를 갖는 방사 소자와, 방사 소자에 인접하게, 그리고 방사 소자에 근접하게 위치되는 비여진 도체 소자를 포함할 수 있고, 비여진 도체 소자 주위(about)의 무효 부하는 복수의 안테나 모드를 달성하기 위해 조절된다(전술한 것 및 도 18 내지 도 25를 참조하여 논의된 예시적인 능동형 멀티-모드 안테나가 참조로서 통합된, 공동 소유 특허들 참조).
도 8은 두 면(S1, S2)을 구비하는 기판(43)에 배치되는 안테나 어레이(40)를 도시한다. 어레이(40)는 어레이(40) 부근에, 상기 어레이의 두 면(S1, S2)에 각각 위치되는 능동형 멀티-모드 안테나(42a-42d)를 포함한다. 어레이 기판(43)의 다수의 면에 능동형 멀티-모드 안테나(42a-42d)를 위치함으로써, 단수 면에만 멀티-모드 안테나를 갖는 안테나 어레이와 비교할 때, 더 적은 제한을 갖는 어레이 패턴(45)의 조정이 가능해진다.
도 9는 주변부 부근에 각각 위치되는 복수의 안테나(42a-42d)를 포함하는 환형 구조체(50)를 도시한다. 하나 이상의 안테나(42a-42d)는 능동형 멀티-모드 안테나일 수 있다. 안테나 어레이 구조체(50)는, 무선 디바이스와 연관된 디바이스 평면에 빔 포인팅하기 위해 사용되거나, 다른 빔 조정 가능성을 제공하기 위해 사용될 수 있다.
도 10은 도 8의 안테나 어레이(40)와 다수-면(multi-face) 안테나(55a-55d)로서 지칭되는 추가적인 안테나를 도시하는데, 다수-면 안테나는 안테나 어레이(40)의 근접하게 위치되고, 무선 디바이스의 평면형 표면(P) 또는 무선 디바이스의 평면형 표면과 평행한 표면에 위치된다. 다수-면 안테나(55a-55d)들은 평면형 안테나 소자들을 포함할 수 있고, 수동 또는 능동형 멀티-모드 안테나를 포함할 수 있으며, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 다수-면 안테나(55a-55d)는 무선 디바이스의 후방 표면의 근처에 배치된다. 하지만, 다수-면 안테나(55a-55d)들은 본 개시의 범위로부터 벗어나지 않고 무선 디바이스의 전방 표면 근처에 위치될 수도 있다.
도 11은, 무선 디바이스(예를 들어, 스마트폰, 태블릿 등)을 나타내는 3-차원 구조체(60)를 도시하며, 복수의 안테나가 무선 디바이스의 주변부(65) 및 평면형 표면(P) 부근에 위치된다. 디바이스 부근에 위치되는 다양한 안테나 소자 및 어레이는, 적응형 안테나(61), 수동 안테나 소자(62), 수동 안테나 어레이(63), 능동형 멀티-모드 안테나(64), 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 주파수 및 배치에 따라, 안테나 소자들 및 어레이들 간의 거리는 λ와 λ/4 사이일 수 있으며, 이때 λ는 각각의 안테나와 관련된 파장이다. 이렇게 하여, 5G의 예시에서, 안테나들은 각각, 2.5GHz 내지 60.0? 범위의 주파수에서 작동할 수 있고, 약 12.0cm 내지 1.25mm 범위의 파장과 관련될 수 있다. 이러한 유형의 구조체는 기계적으로 접촉되는 분산된 구조체 또는 스킨-결합형(skin-coupled) 구조체를 포함할 수 있다.
다중-주파수 구조체는 저주파수 안테나(공유형 구조 안테나들) 내에 고주파수의 일련의 능동형 멀티-모드 안테나들을 포함할 수 있다. 분산은 어떤 후면 하우징 또는 커버를 통한 일련의 공동(corporate) 급전을 통해 달성될 수 있다. 기계적으로, 급전은 예컨대 스프링 연결부와 같이, 아래로부터의 접촉부 또는 용량성 커플링 구성요소일 수 있다.
도 12는, 디바이스 평면에서의 안테나 성능을 제어하기 위한 본 개시의 예시적 실시예에 따른 복수의 적응형 안테나 어레이(12a-12d)와, 상기 디바이스 평면과는 별도의 적어도 하나의 추가적인 평면, 예를 들어 디바이스 평면에 직교하는 직교 평면에서 안테나 성능을 제어하는 다중-면 안테나 어레이(71a-71d)를 포함하는, 2-차원 안테나 어레이 시스템을 도시한다.
도 13은 도 12에 도시된 것과 같은 2-차원 안테나 어레이 시스템에 대한 방위 및 고도 빔 제어를 도시한다. 화살표(73)는 방위 빔 제어를 나타낸다. 화살표(75)는 고도 빔 제어를 나타낸다.
도 14는 복수의 전방 단부 모듈(82)을 구비하는 라디오 시스템 온 칩(SOC)(83)을 포함하는 안테나 어레이를 도시한다. 각각의 전방-단부 모듈(FEM)은 안테나들의 어레이 내에서 수동 안테나(81)에 커플링된다. 하나 이상의 프로세서(들)(84)은 FEM과 안테나 어레이의 성능을 제어하기 위해 라디오 SCO(83)에 신호(85)를 전달하도록 구성된다.
도 15는 안테나가 능동형 멀티-모드 안테나(86)를 포함하는 적응형 안테나 어레이를 도시한다. 능동형 멀티-모드 안테나들은 조합되어 적응형 안테나 어레이를 형성한다. 각각의 안테나가 능동형 멀티-모드 안테나를 포함하는 것처럼 도시되어 있지만, 통상의 기술자라면 하나 이상이 안테나가 능동형 멀티-모드 안테나 대신에 수동 안테나를 포함할 수도 있음을 이해할 것이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 적응형 안테나 어레이는 복수의 전방 단부 모듈(82)을 구비하는 라디오 시스템 온 칩(83)을 포함한다. 각각의 전방-단부 모듈(FEM)은 안테나 어레이 내에서 수동 안테나(81)와 커플링된다. 하나 이상의 프로세서(들)(84)이 FEM 및 안테나 어레이의 성능을 제어하기 위해 라디오 SOC(83)로 신호(85)를 전달하도록 구성된다.
도 16은 주변부 부근에 위치되는 복수의 적응형 안테나 어레이를 구비하는 무선 디바이스를 도시하며, 상기 적응형 안테나 어레이들의 각각은 도 15에 도시된 것과 유사하다. 하나 이상의 프로세서(예를 들어, CPU)(84)를 구비하는 단일 처리 시스템이 4개의 적응형 어레이 각각에 커플링되어, 각각의 멀티-모드 안테나(86)의 모드를 제어하기 위해 신호(85)를 제공한다. 라디오 SOC(83)는 복수의 FEM(82)을 하우징하고, 각각의 FEM은 각각의 멀티-모드 안테나(86)에 커플링된다. 각각의 FEM(82)은 기능을 전송 및 수신하기 위한 전력 증폭기(PA) 및 저잡음 증폭기(LNA)를 포함할 수 있다. 처리 시스템(84) 내 알고리즘 또는 제어 라우팅은 모든 적응형 어레이 뿐만 아니라 멀티-모드 안테나에도 모드 선택을 제공할 수 있다.
도 17은 주변부(10) 부근에 위치되는 복수의 적응형 안테나 어레이(12a-12d)를 구비하는 무선 디바이스(100)(예를 들어, 스마트폰, 태블릿 등과 같은 모바일 무선 디바이스)를 도시한다. 각각의 적응형 어레이는 각각, 어레이 패턴(11a-11d)를 제공한다. 어레이 패턴은 핸드-오프 영역(90)에서 핸드-오프를 달성하기 위해 무선 디바이스(100)의 평면에서 빔 포인팅에 대해 적응된다. 이는, 처리 시스템(예를 들어, CPU)(84)를 사용하여 적응형 안테나 어레이에 커플링되는 다양한 라디오(83)에 제어 신호를 보냄으로써 달성된다. 도시된 예시에서, 핸드-오프 영역(90)은 도시된 바와 같이, 수직축(13a) 및 수평축(13b)에 의해 획정되는 디바이스 평면 내에 있다. 도 17에 도시된 안테나 시스템은 모바일 디바이스 주위에 안테나 시스템 커버리지를 제공하기 위해 섹터화(sectorized)된 접근방법을 달성한다.
다양한 실시예들의 추가적인 특징 및 이점은 다음을 포함할 수 있다:
무선 디바이스 주변부의 하나 이상의 모서리에 적응형 안테나 어레이가 구현될 수 있다;
능동형 멀티-모드 안테나에 대한 각각의 모드는 어레이 빔의 역학적 제어를 가능하게 하기 위해 수직 편파, 수평 편파, +45도 및 -45도 편파 상태 중 하나를 포함하도록 선택된다;
무선 디바이스 내 복수의 어레이를 제어하여, 디바이스 배향 및/또는 위치가 변할 때 한 어레이에서 다른 어레이로 빔 형성(forming) 책임을 전달(pass) 또는 핸드 오프하도록 알고리즘 또는 제어 루틴이 구현될 수 있다;
하나 또는 다수의 어레이가 적응형 안테나 어레이일 수 있고, 디지털 빔 형성 기술이 적용된다;
빔 선택 모드들은 어레이 내에 설계될 수 있고, 제어 루틴은 예컨대 액세스 포인트와 같은 노드와 통신하기 이전에 개시 위상에 필요한 파일럿 신호 또는 시그널링(signaling)을 탐색 및 선택하기 위한 무-지향성(omni-directional) 모드를 제공할 수 있다;
적응형 안테나 어레이들은 5G 시스템에서 사용하기 위한 mm 파동 진동수로 구현될 수 있다;
저주파수 밴드에서는, 위상 배열 어레이, 적응형 어레이, 또는 하이브리드 어레이를 제공하기 위해 감소된 수의 소자들이 디바이스 내에 통합될 수 있다; 및
스파트 폰의 핸드 로딩, 핸드 및 헤드 로딩과 같은 사용 사례에 의해 어레이들이 손상되면, 멀티-모드 안테나들의 작동 모드들이 이 사용 사례에 대해 보상하도록 제어될수 있다.
따라서, 일부 실시예에서, 다수의 안테나 어레이들이 무선 통신 디바이스 내로 통합될 수 있고, 능동형 멀티-모드 안테나 소자들은 통신 디바이스 내 라디오를 위해 풀 커버리지 및 연결성을 제공하기 위해, 어레이들 내 일부 또는 모든 안테나 소자들을 채워넣는(populate) 데에 사용될 수 있다. 알고리즘 또는 제어 루틴은 통신 링크를 최적화하기 위해 적응형 어레이들로부터 메인 빔을 형성 및 위치설정 하도록 구성될 수 있다. 추가적으로, 제어 루틴은 하나의 어레이로부터 다른 어레이로의 통신을 위해 사용되는 안테나 시스템 기능의 핸드-오프를 제어 및 조정(coordinate)할 수 있다. 어레이 빔 위치들은 통신 링크 유효 복사 전력(EIRP)를 증가시키기 위해, 또는 간섭 억제를 위해 선택될 수 있다. 어레이들은, 배향 및 위치가 역동적으로 변화할 때, 무선 디바이스에 대한 연속적 빔 위치 설정을 제공하도록 제어 루틴을 따라 구성될 수 있다. 다수 어레이의 이러한 구성은 mm 파동 어플리케이션뿐 아니라, 예컨대 LTE 통신과 같은 서브-6GHz 어플리케이션에 적용될 수 있다.
도 18는 본 개시의 예시적인 실시예들에 따른 예시적인 능동형 멀티-모드 안테나(200)를 나타낸다. 안테나(200)는 접지면(ground plane)(224)에 위치되는 메인 IMD(isolated magnetic dipole) 소자(221)를 포함한다. 도 18에 도시된 예시적인 실시예에서, 안테나(200)는, 접지면(224)에 위치되되는 메인 IMD 소자(221)쪽에 배치되는 비여진 소자(222)와 능동 소자(223)을 추가적으로 포함한다. 이 실시예에서, 능동 튜닝 소자(223)는 비여진 소자(222) 상에, 또는 비여진 소자와의 수직 연결부에 위치된다. 능동 튜닝 소자(223)는, 예를 들어 전압 제어형 유닝 가능한 커패시터, 전압 제어형 튜닝 가능한 이상기, FET, 스위치, MEM 디바이스, 트랜지스터, 또는 온-오프 및/또는 능동적으로 제어 가능한 전도성/유도성 특성을 나타낼 수 있는 회로 중 임의의 하나 또는 그 이상일 수 있다. 본 명세서 전반에서 지칭되는, 다양한 능동 제어 소자들을 다른 안테나 및/또는 비여진 소자들에 커플링하는 것은 다양한 방식으로 달성될 수 있음에 주목해야 한다. 예를 들어, 능동 소자들은, 능동 소자의 일 단부는 급전 라인에 전기적으로 커플링하고, 타 단부는 접지 부분에 커플링함으로써, 안테나의 급전 영역 및/또는 비여진 소자들 내에 일반적으로 배치될 수 있다. 능동 튜닝 소자(223)는 안테나(200)의 방사 패턴을 조절하기 위해 모드 변화(예를 들어, 빔 조향)를 제공하도록 제어될 수 있다.
도 19는 본 개시의 예시적인 실시예에 따른 예시적인 능동형 멀티-모드 안테나(250)를 나타낸다. 안테나(250)는 접지면(256)에 위치되는 메인 IMD 소자(251), 능동 소자(253)와 커플링되는 제1 비여진 소자(252), 그리고 제2 능동 소자(255)와 커플링되는 제2 비여진 소자(254)를 포함할 수 있다. 능동 튜닝 소자(252, 254)들은 안테나(250)의 방사 패턴을 조절하기 위해 주파수 변화 및/또는 모드 변화(예를 들어, 빔 조향)를 제공하도록 제어될 수 있다.
도 20은 본 개시의 예시적인 실시예들에 따른 예시적인 능동형 멀티-모드 안테나(270)를 도시한다. 안테나(270)는 접지면(277)에 위치되는 IMD(271), 제1 능동 튜닝 소자(273)에 커플링되는 제1 비여진 소자(272), 제2 능동 튜닝 소자(275)에 커플링되는 제2 비여진 소자(274), 그리고 능동 정합(matching)을 제공하기 위해 메인 IMD 소자(271)의 급전에 커플링되는 제3 능동 소자(276)를 포함한다.
도 21 내지 도 26은 빔 스위칭, 빔 조향, 영점 필링(null filling) 및 다른 빔 제어 가능성을 용이하게 하기 위해, 비여진 및 능동 튜닝 소자들의 위치 설정, 배향, 형상, 및 개수를 다양하게 변화시킨 예시적인 능동형 멀티-모드 안테나들을 도시한다. 도 21은, 접지면(299)에 위치되는 MD(291), 제1 능동 튜닝 소자(293)에 커플링되는 제1 비여진 소자(292), 제2 능동 튜닝 소자(295)에 커플링되는 제2 비여진 소자(294), 제3 능동 튜닝 소자(296), 그리고 대응하는 능동 튜닝 소자(298)에 커플링되는 제3 비여진 소자(297)을 포함하는 안테나(290)를 도시한다. 이러한 구성에서, 제3 비여진 소자(297)와 대응하는 능동 튜닝 소자(298)는 다른 주파수에서의 빔 조향 또는 영점 필링을 달성하기 위한 메커니즘을 제공한다. 도 21에는 IMD(291) 쪽에 위치되는 비여진 소자가 2개만 도시되어 있지만, 희망하는 수준의 빔 제어 및/또는 주파수 정형(shaping)을 달성하기 위해 추가적인 비여진 소자(그리고 연관된 능동 튜닝 소자)들이 더해질 수 있는 것으로 이해된다.
도 22는, 도 20에 도시된 안테나 구조와 유사하되, (도 20의 비여진 소자(52)와 비교했을 때) 비여진 소자(302)가 90도 회전된 예시적인 능동형 멀티-모드 안테나(300)를 도시한다. 능동 튜닝 소자(303)는 비여진 소자(303)에 커플링된다. 남은 안테나 소자들, 구체적으로는 접지면(306)에 위치되는 IMD(301), 비여진 소자(304) 및 연관된 튜닝 소자(305)는 도 20에 도시된 대응 구성과 유사하게 유지된다. 도 22에는 IMD(301)에 대해 단일 비여진 소자 배향으로 도시되어 있지만, 비여진 소자의 배향은 다른 평면에서의 희망하는 수준의 빔 제어를 달성하기 위해 90도가 아닌 다른 각도로 용이하게 조절될 수 있는 것으로 이해된다.
도 23은 제3 비여진 소자(316)와 관련 능동 튜닝 소자(317)의 존재를 제외하고 도 22에 도시된 것과 유사한, 본 개시의 예시적인 실시예들에 따른 또 다른 예시적인 안테나(310)를 제공한다. 도 23의 예시적인 구성에서, 제1 비여진 소자(312) 및 제3 비여진 소자(316)는 서로에 대해 90도 각도에 있다. 남은 안테나 구성요소들, 즉 메인 IMD 소자(311), 제2 비여진 소자(314), 및 관련 능동 튜닝 디바이스(315)는 도 20에 도시된 대응 구성과 유사한 위치에 위치된다. 이러한 예시적인 구성은, 서로에 대해 특정한 배향으로 다수의 비여진 소자들을 배치함으로써 및/또는 공간 내 임의의 방향으로 빔 조향을 제공하는 메인 IMD 소자를 배치함으로써 추가적인 빔 제어 가능성을 획득할 수 있음을 도시한다.
도 24는 본 개시의 예시적인 실시예들에 따른 능동형 멀티-모드 안테나(320)를 도시한다. 이러한 예시적인 실시예는, 안테나(320)의 기판에 제1 비여진 소자(322)가 배치된다는 점을 제외하면, 도 20의 것과 유사하다. 예를 들어, 공간이 결정적으로 제약되는(critical constraint) 적용에서, 비여진 소자(322)는 안테나(320)와 관련된 인쇄 회로 기판상에 배치될 수 있다. 나머지 안테나 소자, 특히 접지면(326)에 놓여지는 IMD(321)와 비여진 소자(325) 및 관련 튜닝 소자(325)는 도 20에 대응부와 유사한 위치에 유지될 수 있다.
도 25는 본 개시의 예시적인 실시예에 따른 능동형 멀티-모드 안테나(330)를 도시한다. 이 구성의 안테나(330)는 접지면(336)에 놓여지는 IMD(331), 제1 능동 튜닝 소자에 커플링되는 제1 비여진 소자(332), 그리고 제2 능동 튜닝 소자(335)에 커플링되는 제2 비여진 소자(334)를 포함한다. 안테나(330)의 특별한 특징은, 다수의 비여진 섹션을 갖는 제2 비여진 소자(332)가 있다는 것이다. 따라서, 비여진 소자는, 희망하는 수준의 빔 제어 및/또는 주파수 형성을 유발(effectuate)하기 위해 하나 2개 이상의 소자들을 포함하도록 설계될 수 있다. 비여진 소자들는 본 개시의 범위로부터 벗어나지 않으면서 다른 형상을 가질 수도 있다.
전술한 바와 같이, 도 21 내지 도 25에 도시된 다양한 실시예들은 단지, 도 20의 안테나 구성의 예시적인 수정안을 제공할 뿐이다. 빔 제어 및/또는 주파수 형성을 용이하게 하기 위해, 비여진 및/또는 능동 튜닝 소자의 추가 또는 제거, 혹은 이러한 소자들의 배향, 형상, 높이 또는 위치의 변화를 포함한 다른 수정안이 용이하게 구현될 수 있고, 이들은 본 개시의 범위 내에 있는 것으로 고려된다.
본 발명의 특정한 예시적인 실시예들에 대해 상세하게 설명되었지만, 전술된 것을 이해한 통상의 기술자라면, 이러한 실시예에 대한 변경, 변화 및 등가물을 용이하게 생성할 것이다. 따라서, 본 개시의 범위는 제한하기 위한 것이라기 보다는 예시적인 것이며, 본 개시는 통상의 기술자에게 명백한 바와 같이, 본 발명의 이러한 수정, 변형 및/또는 추가를 포함하는 것을 배제하지 않는다.

Claims (20)

  1. 관련 주변부를 구비하는 무선 디바이스용 안테나 시스템으로, 안테나 시스템은,
    복수의 제1 안테나를 포함하는 제1 안테나 어레이;
    복수의 제2 안테나를 포함하는 제2 안테나 어레이;를 포함하고,
    제1 안테나 어레이와 제2 안테나 어레이의 각각은 무선 디바이스의 주변부 부근(about)에 배치되고,
    제1 안테나 어레이와 제2 안테나 어레이 중 적어도 하나는 능동형 멀티-모드 안테나를 포함하는 적응형 안테나 어레이이고, 능동형 멀티-모드 안테나 어레이는 단일 급전 포트를 구비하고 복수의 가능한 모드들 중 하나의 구성으로 적응되며, 능동형 멀티-모드 안테나는 복수의 가능한 모드들의 각각으로 구성되었을 때에 별개의 방사 패턴에 연관되는 것을 특징으로 하는, 안테나 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    제1 안테나 어레이 및 제2 안테나 어레이의 각각은 능동형 멀티-모드 안테나를 포함하는 적응형 안테나 어레이를 포함하고, 능동형 멀티-모드 안테나는 단일 급전 포트를 구비하고 복수의 가능한 모드들 중 하나의 구성으로 적응되며, 능동형 멀티-모드 안테나는 복수의 가능한 모드들의 각각으로 구성되었을 때에 별개의 방사 패턴을 포함하는 것을 특징으로 하는, 안테나 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    적응형 안테나 어레이는 하나 이상의 프로세서에 커플링되는 것을 특징으로 하는, 안테나 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    하나 이상의 프로세서가, 능동형 멀티-모드 안테나의 모드를 제어하여 적응형 안테나 어레이의 어레이 방사 패턴의 메인 빔을 위치 설정하도록 작동 가능한 제어 루틴을 실행하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 안테나 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    제어 루틴은 하나 이상의 단일 품질 메트릭에 적어도 부분적으로 기초하여 능동형 멀티-모드 안테나의 모드를 제어하도록 작동 가능한 것을 특징으로 하는, 안테나 시스템.
  6. 제3항에 있어서,
    하나 이상의 프로세서는 제1 안테나 어레이와 제2 안테나 어레이 사이의 핸드오프(handoff)를 조정하도록 작동 가능한 제어 루틴을 실행하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 안테나 시스템.
  7. 제3항에 있어서,
    하나 이상의 프로세서는 하나 이상의 센서와 통신하고, 하나 이상의 프로세서는 하나 이상의 센서에 적어도 부분적으로 기초하여 무선 디바이스에 대한 유스 케이스(use case)를 결정하도록 작동 가능한 것을 특징으로 하는, 안테나 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    하나 이상의 프로세서는 유스 케이스에 적어도 부분적으로 기초하여 적응형 안테나 어레이를 제어하기 위해 제어 루틴을 실행하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 안테나 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    적응형 안테나 어레이는 무선 디바이스의 평면 내에서 빔 포인팅 하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 안테나 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    적응형 안테나 어레이는 접합부에서 서로 교차하는 제1 면과 제2 면을 구비하는 기판에 배열되고, 능동형 멀티-모드 안테나는 제1 면과 제2 면 중 적어도 하나에 배열되는 것을 특징으로 하는, 안테나 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    적응형 안테나 어레이가 제1 면에 위치되는 제1 능동형 멀티-모드 안테나와 제2 면에 위치되는 제2 능동형 멀티-모드 안테나를 포함하는 것을 특징으로 하는, 안테나 시스템.
  12. 제1항에 있어서,
    적응형 안테나 어레이가 환형 구조로 배열되는 것을 특징으로 하는, 안테나 시스템.
  13. 제1항에 있어서,
    안테나 시스템이 무선 디바이스의 주변부 내에, 평면형 표면에 배치되는 하나 이상의 다중-면 안테나를 포함하는 것을 특징으로 하는, 안테나 시스템.
  14. 제1항에 있어서,
    평면형 표면이 무선 디바이스의 전방 평면형 표면 또는 후방 평면형 표면인 것을 특징으로 하는, 안테나 시스템.
  15. 제1항에 있어서,
    각각의 제1 안테나와 각각의 제2 안테나 사이의 거리는 λ 내지 λ/4의 거리이며, λ는 제1 안테나들 및 제2 안테나들의 작동 주파수에 연관되는 파장인 것을 특징으로 하는, 안테나 시스템.
  16. 주변부를 구비하는 무선 통신 디바이스용 안테나 시스템으로, 안테나 시스템은,
    무선 통신 디바이스의 주변부에 배치되는 복수의 제1 안테나 소자를 구비하는 제1 적응형 안테나 어레이로, 제1 적응형 안테나 어레이는 복수의 가능한 모드 중 하나의 구성으로 적응되는 제1 능동형 멀티-모드 안테나를 포함하고, 제1 능동형 멀티-모드 안테나는 복수의 가능한 모드의 각각으로 구성되었을 때 별개의 방사 패턴에 연관되며, 제1 어레이 패턴에 연관되는 제1 적응형 안테나 어레이;
    무선 통신 디바이스의 주변부에 배치되는 복수의 제2 안테나 소자를 구비하는 제2 적응형 안테나 어레이로, 제2 적응형 안테나 어레이는 복수의 가능한 모드 중 하나의 구성으로 적응되는 제2 능동형 멀티-모드 안테나를 포함하고, 제2 능동형 멀티-모드 안테나는 복수의 가능한 모드의 각각으로 구성되었을 때 별개의 방사 패턴에 연관되며, 제2 어레이 패턴에 연관되는 제2 적응형 안테나 어레이; 및
    제1 어레이 패턴과 제2 어레이 패턴을 제어하기 위해 제1 적응형 안테나와 제2 적응형 안테나를 제어하도록 작동될 수 있는 제어 루틴을 실행하도록 구성되는 하나 이상의 프로세서;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 안테나 시스템.
  17. 제16항에 있어서,
    제어 루틴이 무선 통신 디바이스와 관련된 방위에 대해 빔 포인팅하기 위해 제1 적응형 안테나와 제2 적응형 안테나를 제어하도록 작동 가능한 것을 특징으로 하는, 안테나 시스템.
  18. 제16항에 있어서,
    안테나 시스템은 무선 통신 디바이스의 평면형 표면에 위치되는 제3 적응형 안테나 어레이를 추가적으로 포함하고, 제3 적응형 안테나 어레이는 복수의 가능한 모드 중 하나의 구성으로 적응되는 제3 능동형 멀티-모드 안테나를 포함하며, 제3 능동형 멀티-모드 안테나는 복수의 가능한 모드의 각각으로 구성되었을 때 별개의 방사 패턴에 연관되고, 제3 적응형 안테나 어레이는 제3 어레이 패턴에 연관되는 것을 특징으로 하는, 안테나 시스템.
  19. 제18항에 있어서,
    제어 루틴은 안테나 시스템에 대한 방위(azimuth) 빔 제어 및 고도(elevation) 빔 제어를 위해 제1 적응형 안테나 어레이, 제2 적응형 안테나 어레이, 그리고 제3 적응형 안테나 어레이를 제어하도록 작동 가능한 것을 특징으로 하는, 안테나 시스템.
  20. 제16항에 있어서,
    제어 루틴은 무선 통신 디바이스의 유스 케이스에 기초하여 제1 적응형 안테나 어레이와 제2 적응형 안테나 어레이를 제어하도록 작동될 수 있으며, 유스 케이스는 무선 통신 디바이스에 위치되는 센서로부터의 하나 이상의 신호에 적어도 부분적으로 기초하여 결정되는 것을 특징으로 하는, 안테나 시스템.
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