KR20210119042A - 고주파 신호 전송경로 전환 장치 및 고주파 모듈 - Google Patents

고주파 신호 전송경로 전환 장치 및 고주파 모듈 Download PDF

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허영식
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곽시헌
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Abstract

본 발명의 일 실시 예에 따른 고주파 신호 전송경로 전환 장치는, 각각 고주파(Radio Frequency) 신호가 통과하도록 구성된 제1, 제2, 제3 및 제4 포트 중 제1 및 제2 포트의 사이에 전기적으로 연결된 제1 인덕터와, 제3 및 제4 포트의 사이에 전기적으로 연결되고 제1 인덕터와 상호 인덕턴스를 이루도록 배치된 제2 인덕터와, 제1 포트와 그라운드 사이의 전기적 연결 여부를 스위칭하는 제1 스위치와, 제2 포트와 그라운드 사이의 전기적 연결 여부를 스위칭하는 제2 스위치와, 제3 포트와 그라운드 사이의 전기적 연결 여부를 스위칭하는 제3 스위치와, 제4 포트와 그라운드 사이의 전기적 연결 여부를 스위칭하는 제4 스위치를 포함하고, 제1 및 제2 인덕터는 제1 및 제2 포트 중 하나와 제3 및 제4 포트 중 하나의 사이에서 고주파 신호를 통과시키도록 제1 및 제2 스위치 중 하나와 제3 및 제4 스위치 중 하나를 통해 각각 그라운드에 전기적으로 연결될 수 있다.

Description

고주파 신호 전송경로 전환 장치 및 고주파 모듈{Apparatus for switching transmission route of radio frequency signal and radio frequency module}
본 발명은 고주파 신호 전송경로 전환 장치 및 고주파 모듈에 관한 것이다.
최근, 스마트폰과 같은 전자기기는 다양한 통신규격(예: GSM /EDGE /CDMA /UMTS /WCDMA /LTE)에 대응되는 통신수단을 제공할 수 있으며, 5G나 밀리미터파(mmWave) 통신과 같이 보다 높은 주파수 대역에 대응되는 통신수단도 제공할 수 있다.
전자기기는 통신수단을 효율적으로 제공하기 위해 고주파 신호 전송경로를 전환하는 수단을 가질 수 있다. 일반적으로, 고주파 신호 전송경로를 전환하는 수단은 고주파 신호의 송신경로와 수신경로 간의 전환 동작을 수행할 수 있으며, 복수의 통신수단의 전송경로 간의 전환 동작을 수행할 수 있다.
그러나, 고주파 신호 전송경로를 전환하는 수단은 전송되는 고주파 신호의 감쇠 요소로 작용하거나 비선형성 요소로 작용할 수 있으며, 이러한 감쇠/비선형성 요소는 통신수단의 대응되는 주파수가 높을수록 통신수단의 성능에 더욱 큰 영향을 줄 수 있다.
미국 등록특허공보 7,369,096
본 발명은 고주파 신호 전송경로 전환 장치 및 고주파 모듈을 제공한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 고주파 신호 전송경로 전환 장치는, 각각 고주파(Radio Frequency) 신호가 통과하도록 구성된 제1, 제2, 제3 및 제4 포트 중 제1 및 제2 포트의 사이에 전기적으로 연결된 제1 인덕터; 상기 제3 및 제4 포트의 사이에 전기적으로 연결되고 상기 제1 인덕터와 상호 인덕턴스를 이루도록 배치된 제2 인덕터; 상기 제1 포트와 그라운드 사이의 전기적 연결 여부를 스위칭하는 제1 스위치; 상기 제2 포트와 그라운드 사이의 전기적 연결 여부를 스위칭하는 제2 스위치; 상기 제3 포트와 그라운드 사이의 전기적 연결 여부를 스위칭하는 제3 스위치; 및 상기 제4 포트와 그라운드 사이의 전기적 연결 여부를 스위칭하는 제4 스위치; 를 포함하고, 상기 제1 및 제2 인덕터는 상기 제1 및 제2 포트 중 하나와 상기 제3 및 제4 포트 중 하나의 사이에서 고주파 신호를 통과시키도록 상기 제1 및 제2 스위치 중 하나와 상기 제3 및 제4 스위치 중 하나를 통해 각각 그라운드에 전기적으로 연결될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 고주파 모듈은, 기판; 상기 기판에 배치되고 상기 기판의 제1 방향으로 방사패턴을 형성하도록 구성된 제1 안테나; 상기 기판에 배치되고 상기 기판의 제2 방향으로 방사패턴을 형성하도록 구성된 제2 안테나; 및 상기 기판에 배치되고 상기 제1 및 제2 안테나에 전기적으로 연결된 고주파 신호 전송경로 스위치; 를 포함하고, 상기 고주파 신호 전송경로 스위치는, 상기 제1 및 제2 안테나의 사이에 전기적으로 연결된 제2 인덕터; 상기 제2 인덕터와 상호 인덕턴스를 이루도록 배치된 제1 인덕터; 상기 제1 인덕터의 일단과 그라운드 사이의 전기적 연결 여부를 스위칭하는 제1 스위치; 상기 제1 인덕터의 타단과 그라운드 사이의 전기적 연결 여부를 스위칭하는 제2 스위치; 상기 제2 인덕터의 일단과 그라운드 사이의 전기적 연결 여부를 스위칭하는 제3 스위치; 및 상기 제2 인덕터의 타단과 그라운드 사이의 전기적 연결 여부를 스위칭하는 제4 스위치; 를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 고주파 신호 전송경로 전환 장치 및 고주파 모듈은, 고주파 신호 전송경로 전환 수단을 제공하면서도 고주파 신호 전송경로 전환에 따른 고주파 신호의 감쇠 및 비선형성을 감소시킬 수 있으며, 비교적 적은 개수의 인덕터를 사용하여 다양한 고주파 신호 전송경로를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 고주파 신호 전송경로 전환 장치를 나타낸 도면이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 고주파 신호 전송경로 전환 장치의 제1 전송경로 모드를 나타낸 도면이다.
도 2c 및 도 2d는 본 발명의 일 실시 예에 따른 고주파 신호 전송경로 전환 장치의 제2 전송경로 모드를 나타낸 도면이다.
도 2e 및 도 2f는 본 발명의 일 실시 예에 따른 고주파 신호 전송경로 전환 장치의 제3 전송경로 모드를 나타낸 도면이다.
도 2g 및 도 2h는 본 발명의 일 실시 예에 따른 고주파 신호 전송경로 전환 장치의 제4 전송경로 모드를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 고주파 신호 전송경로 전환 장치에 포함될 수 있는 컨트롤러 및 복수의 트랜지스터를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 고주파 신호 전송경로 전환 장치에 포함될 수 있는 송신 증폭기, 수신 증폭기, 제3 인덕터, 제4 인덕터, 제5 스위치 및 제6 스위치를 나타낸 도면이다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 일 실시 예에 따른 고주파 모듈을 나타낸 도면이다.
도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 일 실시 예에 따른 고주파 신호 전송경로 전환 장치의 제1 및 제2 인덕터의 배치를 예시한 도면이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 실시 예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 고주파 신호 전송경로 전환 장치를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 고주파 신호 전송경로 전환 장치(100a)는, 제1 인덕터(111), 제2 인덕터(112), 제1 스위치(121a), 제2 스위치(122a), 제3 스위치(123a) 및 제4 스위치(124a)를 포함할 수 있으며, 제1, 제2, 제3 및 제4 포트(P1, P2, P3, P4)의 사이에서 고주파 신호 전송경로 전환 동작을 수행할 수 있다.
제1, 제2, 제3 및 제4 포트(P1, P2, P3, P4)는 각각 고주파(Radio Frequency) 신호가 통과하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 제1, 제2, 제3 및 제4 포트(P1, P2, P3, P4)는 임피던스 매칭(impedance matching) 구조로 구현되거나, 부품이나 집적회로의 단자로 구현되거나, 특정 회로(예: 송신 증폭기, 수신 증폭기)의 입력단이나 출력단으로 구현될 수 있다.
제1 인덕터(111)는 제1 및 제2 포트(P1, P2)의 사이에 전기적으로 연결될 수 있다.
제2 인덕터(112)는 제3 및 제4 포트(P3, P4)의 사이에 전기적으로 연결되고 제1 인덕터(111)와 상호 인덕턴스(mutual inductance)를 이루도록 배치될 수 있다. 여기서, 제1 및 제2 인덕터(111, 112)가 상호 인덕턴스를 이룬다는 것은 제1 및 제2 인덕터(111, 112) 각각의 인덕턴스가 제1 및 제2 인덕터(111, 112) 중 하나만 배치된 경우의 제1 또는 제2 인덕터(111, 112)의 인덕턴스와 다르다는 것을 의미한다. 예를 들어, 제1 또는 제2 인덕터(111, 112)는 하나의 집적회로나 하나의 인쇄회로기판에 함께 배치됨으로써 상호 인덕턴스를 이룰 수 있다.
제1 및 제2 인덕터(111, 112)는 서로 상호 인덕턴스를 이루도록 배치되어 트랜스포머(110a)로 동작할 수 있으며, 제1 및 제2 인덕터(111, 112) 중 하나에 전송된 고주파 신호에 대응되는 전류 및 자기장을 통해 제1 및 제2 인덕터(111, 112) 사이의 고주파 신호 전송 경로를 제공할 수 있다.
예를 들어, 제1 및 제2 인덕터(111, 112)는 각각 코일(coil)과 같이 도전성 전선이 감긴 형태를 가질 수 있으며, 고주파 신호의 기본 주파수(예: 28GHz)에 대응되는 인덕턴스를 가질 수 있다. 예를 들어, 고주파 신호의 기본 주파수가 28GHz일 경우, 제1 및 제2 인덕터(111, 112) 각각의 인덕턴스는 190pH로 설계될 수 있으며, 제1 및 제2 인덕터(111, 112) 각각의 인덕턴스는 고주파 신호 전송경로 전환 장치(100a)의 기생 캐패시턴스(capacitance)와 스위치의 기생 캐패시턴스에 기반하여 결정될 수 있다.
제1 스위치(121a)는 제1 포트(P1)와 그라운드(GND) 사이의 전기적 연결 여부를 스위칭할 수 있다.
제2 스위치(122a)는 제2 포트(P2)와 그라운드(GND) 사이의 전기적 연결 여부를 스위칭할 수 있다.
제3 스위치(123a)는 제3 포트(P3)와 그라운드(GND) 사이의 전기적 연결 여부를 스위칭할 수 있다.
제4 스위치(124a)는 제4 포트(P4)와 그라운드(GND) 사이의 전기적 연결 여부를 스위칭할 수 있다.
예를 들어, 제1, 제2, 제3 및 제4 스위치(121a, 122a, 123a, 124a) 각각은 온(on) 상태일 경우에 2개 단자 사이를 전기적으로 연결시키고 오프(off) 상태일 경우에 2개 단자 사이를 차단하도록 구성될 수 있다. 여기서, 2개 단자 중 하나는 제1 또는 제2 인덕터(111, 112)에 전기적으로 연결되고 다른 하나는 그라운드(GND)에 전기적으로 연결될 수 있다.
제1 및 제2 인덕터(111, 112)는 제1 및 제2 포트(P1, P2) 중 하나와 제3 및 제4 포트(P3, P4) 중 하나의 사이에서 고주파 신호를 통과시키도록 제1 및 제2 스위치(121a, 122a) 중 하나와 제3 및 제4 스위치(123a, 124a) 중 하나를 통해 각각 그라운드(GND)에 전기적으로 연결될 수 있다.
이에 따라, 제1 인덕터(111)의 일단 또는 타단은 그라운드(GND)에 전기적으로 연결될 수 있으며, 제2 인덕터(112)의 일단 또는 타단은 그라운드(GND)에 전기적으로 연결될 수 있다.
제1 인덕터(111)에서 그라운드(GND)에 전기적으로 연결되는 경로는 2개이며, 제2 인덕터(112)에서 그라운드(GND)에 전기적으로 연결되는 경로는 2개이므로, 트랜스포머(110a)의 그라운드 접속 경우의 수는 총 4개일 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 고주파 신호 전송경로 전환 장치(100a)가 제공하는 전송경로 개수는 트랜스포머(110a)의 그라운드 접속 경우의 수에 대응될 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시 예에 따른 고주파 신호 전송경로 전환 장치(100a)는 하나의 트랜스포머(110a) 또는 2개의 인덕터로 4개의 전송경로를 제공할 수 있다.
트랜스포머(110a)의 제1 및 제2 인덕터(111, 112)가 리액턴스(reactance) 소자이므로, 트랜스포머(110a)를 통과하는 고주파 신호의 감쇠율은 반도체 트랜지스터와 같은 능동소자를 통과하는 고주파 신호의 감쇠율에 비해 상대적으로 낮을 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시 예에 따른 고주파 신호 전송경로 전환 장치(100a)의 삽입손실(insertion loss)은 감소할 수 있다. 예를 들어, 고주파 신호 전송경로 전환 장치(100a)의 삽입손실은 1dB 이하일 수 있다.
트랜스포머(110a)의 제1 및 제2 인덕터(111, 112)가 수동소자이므로, 트랜스포머(110a)를 통과하는 고주파 신호의 선형성(예: P1dB, IMD2, IMD3 등)은 반도체 트랜지스터와 같은 능동소자를 통과하는 고주파 신호의 선형성에 비해 상대적으로 높을 수 있다.
일반적으로, 제1 및 제2 인덕터(111, 112)와 같은 수동소자는 반도체 트랜지스터와 같은 능동소자에 비해 더 클 수 있다.
그러나, 본 발명의 일 실시 예에 따른 고주파 신호 전송경로 전환 장치(100a)는 하나의 트랜스포머(110a) 또는 2개의 인덕터로 4개의 전송경로를 제공할 수 있으므로, 제1 및 제2 인덕터(111, 112)의 크기 대비 다양한 전송경로를 제공할 수 있다.
결국, 본 발명의 일 실시 예에 따른 고주파 신호 전송경로 전환 장치(100a)는, 고주파 신호 전송경로 전환 수단을 제공하면서도 고주파 신호 전송경로 전환에 따른 고주파 신호의 감쇠 및 비선형성을 감소시킬 수 있으며, 비교적 적은 개수의 인덕터를 사용하여 다양한 고주파 신호 전송경로를 제공할 수 있다.
또한, 인덕터의 크기는 고주파 신호의 기본 주파수가 높을수록 작아질 수 있으므로, 본 발명의 일 실시 예에 따른 고주파 신호 전송경로 전환 장치(100a)는 밀리미터파에 대응되는 주파수(예: 28GHz, 60GHz)의 고주파 신호의 전송경로를 전환하는데 더욱 효율적일 수 있다.
따라서, 제1 및 제2 인덕터(111, 112)의 고주파 신호 통과대역의 중심주파수는 20GHz보다 더 높도록 설계될 수 있다. 상기 중심주파수는 제1 및 제2 인덕터(111, 112)의 인덕턴스와 고주파 신호 전송경로 전환 장치(100a)의 기생 캐패시턴스에 의해 결정될 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 고주파 신호 전송경로 전환 장치의 제1 전송경로 모드를 나타낸 도면이다.
도 2a를 참조하면, 제1 및 제2 인덕터(111, 112)는, 제2 및 제3 스위치(122a, 123a)가 온(ON) 상태이고 제1 및 제4 스위치(121a, 124a)가 오프(OFF) 상태일 경우에 제1 및 제4 포트(P1, P4) 사이의 제1 전송경로(RT1)를 제공하는 제1 전송경로 모드로 동작할 수 있다.
도 2b를 참조하면, 제1 전송경로 모드는 제1 인덕터(111)의 일단 및 타단 중 타단에만 그라운드(GND)가 접속되고, 제2 인덕터(112)의 일단 및 타단 중 일단에만 그라운드(GND)가 접속된 구조의 등가회로에서 동작할 수 있다.
도 2c 및 도 2d는 본 발명의 일 실시 예에 따른 고주파 신호 전송경로 전환 장치의 제2 전송경로 모드를 나타낸 도면이다.
도 2c를 참조하면, 제1 및 제2 인덕터(111, 112)는, 제2 및 제4 스위치(122a, 124a)가 온(ON) 상태이고 제1 및 제3 스위치(121a, 123a)가 오프(OFF) 상태일 경우에 제1 및 제3 포트(P1, P3) 사이의 제2 전송경로(RT2)를 제공하는 제2 전송경로 모드로 동작할 수 있다.
도 2d를 참조하면, 제2 전송경로 모드는 제1 인덕터(111)의 일단 및 타단 중 타단에만 그라운드(GND)가 접속되고, 제2 인덕터(112)의 일단 및 타단 중 타단에만 그라운드(GND)가 접속된 구조의 등가회로에서 동작할 수 있다.
도 2e 및 도 2f는 본 발명의 일 실시 예에 따른 고주파 신호 전송경로 전환 장치의 제3 전송경로 모드를 나타낸 도면이다.
도 2e를 참조하면, 제1 및 제2 인덕터(111, 112)는, 제1 및 제4 스위치(121a, 124a)가 온(ON) 상태이고 제2 및 제3 스위치(122a, 123a)가 오프(OFF) 상태일 경우에 제2 및 제3 포트(P2, P3) 사이의 제3 전송경로(RT3)를 제공하는 제3 전송경로 모드로 동작할 수 있다.
도 2f를 참조하면, 제3 전송경로 모드는 제1 인덕터(111)의 일단 및 타단 중 일단에만 그라운드(GND)가 접속되고, 제2 인덕터(112)의 일단 및 타단 중 타단에만 그라운드(GND)가 접속된 구조의 등가회로에서 동작할 수 있다.
도 2g 및 도 2h는 본 발명의 일 실시 예에 따른 고주파 신호 전송경로 전환 장치의 제4 전송경로 모드를 나타낸 도면이다.
도 2g를 참조하면, 제1 및 제2 인덕터(111, 112)는, 제1 및 제3 스위치(121a, 123a)가 온(ON) 상태이고 제2 및 제4 스위치(122a, 124a)가 오프(OFF) 상태일 경우에 제2 및 제4 포트(P2, P4) 사이의 제4 전송경로(RT4)를 제공하는 제4 전송경로 모드로 동작할 수 있다.
도 2h를 참조하면, 제4 전송경로 모드는 제1 인덕터(111)의 일단 및 타단 중 일단에만 그라운드(GND)가 접속되고, 제2 인덕터(112)의 일단 및 타단 중 일단에만 그라운드(GND)가 접속된 구조의 등가회로에서 동작할 수 있다.
도 2a 내지 도 2h를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 고주파 신호 전송경로 전환 장치(100a)는 제1, 제2, 제3 및 제4 전송경로 모드 중 선택된 하나로 동작할 수 있다.
예를 들어, 고주파 신호 전송경로 전환 장치(100a)는 TDD(Time Division Duplex) 방식으로 동작할 수 있으며, 제1, 제2, 제3 및 제4 전송경로 모드로 기설정된 시간마다 순차적으로 변환될 수 있다. 즉, 고주파 신호 전송경로 전환 장치(100a)의 제1, 제2, 제3 및 제4 전송경로 모드는 각각 기준 주기마다 반복될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 고주파 신호 전송경로 전환 장치에 포함될 수 있는 컨트롤러 및 복수의 트랜지스터를 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 고주파 신호 전송경로 전환 장치(100b)는 컨트롤러(130) 및 복수의 제1, 제2, 제3 및 제4 트랜지스터(M1, M2, M3, M4)를 포함할 수 있으며, 복수의 제1, 제2, 제3 및 제4 게이트 저항(R1, R2, R3, R4)을 더 포함할 수 있다.
컨트롤러(130)는 제1, 제2, 제3 및 제4 전송경로 모드 중 하나를 선택하도록 제1, 제2, 제3 및 제4 스위치(121b, 122b, 123b, 124b)로 제1, 제2, 제3 및 제4 제어신호(C1, C2, C3, C4)를 각각 제공할 수 있다. 예를 들어, 컨트롤러(130)는 디코더(decoder), 레벨쉬프터(level shifter) 및 버퍼(buffer) 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 통신모뎀 또는 RFIC로부터 입력 받은 값에 대응되는 제1, 제2, 제3 및 제4 제어신호(C1, C2, C3, C4)를 생성할 수 있다.
제1, 제2, 제3 및 제4 스위치(121b, 122b, 123b, 124b)는 복수의 제1, 제2, 제3 및 제4 트랜지스터(M1, M2, M3, M4) 중 대응되는 복수의 트랜지스터가 서로 직렬로 연결된 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 복수의 트랜지스터가 서로 직렬로 연결된 구조는 복수의 트랜지스터의 드레인(drain) 단자와 소스(source) 단자가 교대로 연결된 구조일 수 있으며, 제1, 제2, 제3 및 제4 제어신호(C1, C2, C3, C4)는 복수의 트랜지스터의 게이트(gate) 단자로 인가될 수 있다.
복수의 제1, 제2, 제3 및 제4 게이트 저항(R1, R2, R3, R4)의 저항값은 제1, 제2, 제3 및 제4 제어신호(C1, C2, C3, C4)의 인가에 따른 제1, 제2, 제3 및 제4 스위치(121b, 122b, 123b, 124b)의 온/오프 상태 전환 속도에 영향을 줄 수 있으며, 제1 및 제2 인덕터(111, 112)의 Q-팩터(factor)에 영향을 줄 수 있으며, 복수의 제1, 제2, 제3 및 제4 트랜지스터(M1, M2, M3, M4)의 채널 폭(channel width)에 영향을 받을 수 있다.
제1, 제2, 제3 및 제4 스위치(121b, 122b, 123b, 124b)는 제1, 제2, 제3 및 제4 제어신호(C1, C2, C3, C4)의 전압 또는 전류에 따라 온/오프 상태 전환을 수행할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 고주파 신호 전송경로 전환 장치에 포함될 수 있는 송신 증폭기, 수신 증폭기, 제3 인덕터, 제4 인덕터, 제5 스위치 및 제6 스위치를 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 고주파 신호 전송경로 전환 장치(100c)는 도 1에 도시된 고주파 신호 전송경로 전환 장치(100a)를 포함하고, 송신 증폭기(141), 수신 증폭기(142), 제3 인덕터(113), 제4 인덕터(114), 제5 스위치(125a) 및 제6 스위치(126a) 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
송신 증폭기(141)는 송신 고주파 신호를 증폭하여 제1 포트(P1)로 전달할 수 있다. 예를 들어, 송신 증폭기(141)는 적어도 하나의 전력증폭기(Power Amplifier)를 포함할 수 있으며, 복수의 전력증폭기가 병렬로 연결된 구조를 가질 수 있으며, 전력증폭기의 입력단에 전기적으로 연결된 구동증폭기(Drive Amplifier)를 더 포함할 수 있다.
수신 증폭기(142)는 제2 포트(P2)로부터 수신 고주파 신호를 전달받아 증폭할 수 있다. 예를 들어, 수신 증폭기(142)는 저잡음증폭기(Low Noise Amplifier)를 포함할 수 있으며, 복수의 저잡음증폭기가 병렬로 연결된 구조를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 고주파 신호 전송경로 전환 장치(100c)는 송신 증폭기(141)에 의해 증폭된 신호를 제3 및 제4 포트(P3, P4) 중 하나로 전송할 수 있으며, 제3 및 제4 포트(P3, P4) 중 하나로부터 수신된 수신 고주파 신호를 제2 포트(P2)로 전송할 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시 예에 따른 고주파 신호 전송경로 전환 장치(100c)는 하나의 트랜스포머 또는 2개의 인덕터를 사용하여 송수신 전환 동작을 수행하면서도 제3 및 제4 포트(P3, P4)를 각각 송수신 공통 포트로 사용할 수 있으므로, 전체 사이즈의 큰 증가 없이도 다양한 역할을 수행할 수 있다.
예를 들어, 송신 및 수신 증폭기(141, 142)는 각각 적어도 하나의 반도체 트랜지스터(예: BJT, FET 등)의 CS(common source) 구조나 CG(common gate) 구조를 가질 수 있으며, 게이트/베이스 단자나 소스/에미터 단자를 통해 입력신호를 입력 받고 드레인/콜렉터 단자를 통해 증폭된 신호를 출력할 수 있으며, 드레인/콜렉터 단자를 통해 전원(Vcc)을 공급받을 수 있다.
제3 인덕터(113)는 제5 포트(P5)와 그라운드(GND) 사이에 전기적으로 연결될 수 있다.
제4 인덕터(114)는 제3 인덕터(113)와 상호 인덕턴스를 이루도록 배치되고 송신 증폭기(141)의 입력단과 수신 증폭기(142)의 출력단의 사이에 전기적으로 연결될 수 있다.
제3 및 제4 인덕터(113, 114)는 트랜스포머로 동작할 수 있으며, 제1 및 제2 인덕터와 유사한 방식으로 구현될 수 있다.
제5 스위치(125a)는 송신 증폭기(141)의 입력단과 그라운드(GND) 사이의 전기적 연결 여부를 스위칭할 수 있다.
제6 스위치(126a)는 수신 증폭기(142)의 출력단과 그라운드(GND) 사이의 전기적 연결 여부를 스위칭할 수 있다.
제5 스위치(125a)가 온 상태이고 제6 스위치(126a)가 오프 상태일 경우, 수신 증폭기(142)에서 증폭된 고주파 신호는 제5 포트(P5)로 전송될 수 있다.
제5 스위치(125a)가 오프 상태이고 제6 스위치(126a)가 온 상태일 경우, 제5 포트(P5)에서 입력된 고주파 신호는 송신 증폭기(141)로 전송될 수 있다.
즉, 제5 포트(P5)는 송수신 공통 포트로 사용될 수 있으며, 본 발명의 일 실시 예에 따른 고주파 신호 전송경로 전환 장치(100c)의 단자 개수 및 단자에 연결되는 배선 개수는 감소할 수 있으며, 고주파 모듈의 전체 크기는 축소될 수 있다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 일 실시 예에 따른 고주파 모듈을 나타낸 도면이다.
도 5a를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 고주파 모듈(200a)은 고주파 신호 전송경로 스위치(100d)를 포함하고, 기판(210a), 제1 안테나(221a) 및 제2 안테나(222a) 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
고주파 신호 전송경로 스위치(100d)는 도 1 내지 도 4를 참조하여 전술한 고주파 신호 전송경로 전환 장치와 동일하거나 유사할 수 있으며, 기판(210a)에 배치될 수 있다. 예를 들어, 고주파 신호 전송경로 스위치(100d)는 집적회로로 구현될 경우에 기판(210a)의 일면 상에 실장될 수 있다.
기판(210a)은 인쇄회로기판으로 구현될 수 있으므로, 복수의 절연층과 복수의 배선층이 교대로 적층된 구조를 가질 수 있으며, 복수의 배선층의 사이를 상하방향으로 전기적으로 연결시키는 비아(via)를 포함할 수 있다.
상기 고주파 신호 전송경로 전환 장치의 제3 및 제4 포트는 제1 및 제2 급전경로(231a, 232a)를 통해 제1 및 제2 안테나(221a, 222a)에 전기적으로 연결될 수 있다. 제1 및 제2 급전경로(231a, 232a)는 기판(210a)의 복수의 배선층의 배선과 비아의 조합으로 구현될 수 있다.
제1 안테나(221a)은 기판(210a)의 제1 방향(예: 수직방향)으로 방사패턴을 형성하도록 구성될 수 있다.
제2 안테나(222a)은 기판(210a)의 제2 방향(예: 수평방향)으로 방사패턴을 형성하도록 구성될 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 일 실시 예에 따른 고주파 모듈(200a)은 서로 다른 방향으로 고주파 신호를 송수신할 수 있으며, 서로 다른 방향으로 고주파 신호를 송수신하기 위한 고주파 모듈(200a)의 크기를 쉽게 축소시킬 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시 예에 따른 고주파 모듈(200a)이 구비될 수 있는 전자기기는 하나의 고주파 모듈(200a)로 서로 다른 방향으로 고주파 신호를 송수신할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 고주파 모듈(200a)은 제1 안테나(221a)를 송수신 겸용으로 사용할 수 있으며, 제2 안테나(222a)를 송수신 겸용으로 사용할 수 있으므로, 제1 및 제2 안테나(221a, 222a)의 개수를 절반으로 줄일 수 있으며, 기판(210a)의 크기를 쉽게 축소시킬 수 있고, 더욱 축소된 크기를 가질 수 있다.
제1 및 제2 안테나(221a, 222a)의 총 이득(gain) 또는 최대출력은 제1 및 제2 안테나(221a, 222a)의 개수가 많을수록 높을 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시 예에 따른 고주파 모듈(200a)은 제1 및 제2 안테나(221a, 222a)의 개수 대비 안테나 성능을 2배로 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 고주파 모듈(200a)은 제1 및 제2 안테나(221a, 222a)의 개수를 절반으로 줄임으로써 제1 및 제2 급전경로(231a, 232a)의 개수도 절반으로 줄일 수 있으므로, 기판(210a)의 크기를 더욱 효율적으로 축소시킬 수 있다.
예를 들어, 제1 안테나(221a)은 기판(210a)의 중심보다 제1 방향(예: 상측)으로 치우쳐져 배치된 적어도 하나의 패치 안테나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 패치 안테나는 기판(210a)의 배선층에 배치될 수 있으며, 기판(210a)의 상면 상에 배치된 세라믹 유전체에 배치될 수 있다.
예를 들어, 제2 안테나(222a)은 기판(210a)의 중심보다 제2 방향으로 치우쳐져 배치(예: 기판의 측면에 인접)된 적어도 하나의 엔드-파이어 안테나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 엔드-파이어 안테나는 다이폴 안테나 또는 모노폴 안테나로 구현될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 고주파 모듈(200a)은 서브기판(241)을 더 포함할 수 있으며, 서브기판(241)은 고주파 신호 전송경로 스위치(100d)의 제1 및 제2 포트에 전기적으로 연결되거나 제5 포트에 전기적으로 연결될 수 있다.
도 5b를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 고주파 모듈(200b)의 기판(210b)은, 제1 및 제3 절연층(211, 213) 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 제1 또는 제3 절연층(211, 213)의 상면 또는 하면 상에 적층되고 적층방향(예: 수직방향)으로 오버랩(overlap)되지 않는 부분을 가지고 제1 또는 제3 절연층(211, 213)보다 더 유연한 제2 절연층(212)을 포함할 수 있다.
예를 들어, 제2 절연층(212)은 폴리이미드나 LCP(Liquid Crystal Polymer)를 포함함으로써 제1 및 제3 절연층(211, 213)보다 더 유연할 수 있다.
제1 안테나(221b)는 제1 및 제2 절연층(221, 222)에 적층방향으로 오버랩되도록 배치되고, 제2 안테나(222b)는 제2 절연층(212)에서 제1 절연층(211)에 적층방향으로 오버랩되지 않는 부분에 배치될 수 있다.
제2 절연층(212)이 휘어짐에 따라, 제1 및 제2 안테나(221b, 222b)는 서로 다른 방향으로 방사패턴을 형성할 수 있다.
제1 및 제2 안테나(221b, 222b)는 제1 및 제2 급전경로(231b, 232b)를 통해 고주파 신호 전송경로 스위치(100d)에 전기적으로 연결될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 고주파 모듈(200b)은 커넥터(242)를 더 포함할 수 있으며, 커넥터(242)는 베이스 배선(233b)를 통해 고주파 신호 전송경로 스위치(100d)의 제1 및 제2 포트에 전기적으로 연결되거나 제5 포트에 전기적으로 연결될 수 있다.
서브기판(241) 및 커넥터(242)는 본 발명의 일 실시 예에 따른 고주파 모듈(200b)이 구비될 수 있는 전자기기의 베이스 기판에 전기적으로 연결될 수 있으며, 베이스 기판은 통신모뎀 및 기저대역 집적회로의 배치공간을 제공할 수 있다.
도 5c를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 고주파 모듈(200c)은, 고주파 신호 전송경로 스위치(100e) 및 RFIC(300)를 더 포함할 수 있다.
RFIC(300)는 기판(210c)에서 고주파 신호 전송경로 스위치(100e)로부터 이격되어 배치되고, 베이스 신호를 입력 또는 출력받고, 베이스 신호의 주파수보다 더 높은 주파수의 고주파 신호를 고주파 신호 전송경로 스위치(100e)로 전달하거나 고주파 신호 전송경로 스위치(100e)로부터 전달받을 수 있다.
예를 들어, RFIC(300)는 캐리어 신호를 생성하고 캐리어 신호와 베이스 신호를 믹싱(mixing)하여 고주파 신호를 생성할 수 있으며, 고주파 신호에 대한 필터링 또는 위상제어를 수행할 수 있다.
고주파 신호 전송경로 스위치(100e)와 RFIC(300)가 별도로 구현될 경우, 고주파 신호 전송경로 스위치(100e)는 고주파 신호에 대한 증폭 및 송수신 전환을 수행하는데 더욱 효율적으로 설계될 수 있으며, 고주파 신호 전송경로 스위치(100e)와 RFIC(300)가 통합적인 단일 집적회로로 구현되는 경우에 비해 더욱 넓은 방열경로를 가질 수 있으므로, 고주파 모듈(200c)의 전반적인 통신성능은 더욱 효율적으로 향상될 수 있다.
도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 일 실시 예에 따른 고주파 신호 전송경로 전환 장치의 제1 및 제2 인덕터의 배치를 예시한 도면이다.
도 6a, 도 6b 및 도 6c를 참조하면, 트랜스포머(110b, 110c, 110d)의 제1 및 제2 인덕터(111b, 111c, 111d, 112b, 112c, 112d)는 제1 및 제2 인덕터(111b, 111c, 111d, 112b, 112c, 112d)의 권선축 방향으로 서로 오버랩되는 면적이 오버랩되지 않는 면적보다 더 크도록 배치될 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 일 실시 예에 따른 고주파 신호 전송경로 전환 장치의 전체 크기는 더욱 축소될 수 있으며, 삽입손실(insertion loss)를 더욱 줄일 수 있다.
한편, 본 명세서에 개진된 전자기기는 스마트 폰(smart phone), 개인용 정보 단말기(personal digital assistant), 디지털 비디오 카메라(digital video camera), 디지털 스틸 카메라(digital still camera), 네트워크 시스템(network system), 컴퓨터(computer), 모니터(monitor), 태블릿(tablet), 랩탑(laptop), 넷북(netbook), 텔레비전(television), 비디오 게임(video game), 스마트 워치(smart watch), 오토모티브(Automotive) 등일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
본 명세서에 개진된 고주파 신호는 Wi-Fi(IEEE 802.11 패밀리 등), WiMAX(IEEE 802.16 패밀리 등), IEEE 802.20, LTE(long term evolution), Ev-DO, HSPA+, HSDPA+, HSUPA+, EDGE, GSM, GPS, GPRS, CDMA, TDMA, DECT, Bluetooth, 3G, 4G, 5G 및 그 이후의 것으로 지정된 임의의 다른 무선 및 유선 프로토콜들에 따른 형식을 가질 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
이상에서는 본 발명을 실시 예로써 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형이 가능할 것이다.
100a: 고주파 신호 전송경로 전환 장치
110a: 트랜스포머(transformer)
111: 제1 인덕터(inductor)
112: 제2 인덕터
113: 제3 인덕터
114: 제4 인덕터
121a: 제1 스위치(switch)
122a: 제2 스위치
123a: 제3 스위치
124a: 제4 스위치
125a: 제5 스위치
126a: 제6 스위치
130: 컨트롤러(controller)
141: 송신 증폭기
142: 수신 증폭기
200a: 고주파 모듈
210a: 기판
211: 제1 절연층
212: 제2 절연층
221a: 제1 안테나
222a: 제2 안테나
300: RFIC(Radio Frequency Integrated Circuit)
GND: 그라운드(ground)
P1: 제1 포트(Port)
P2: 제2 포트
P3: 제3 포트
P4: 제4 포트
P5: 제5 포트

Claims (15)

  1. 각각 고주파(Radio Frequency) 신호가 통과하도록 구성된 제1, 제2, 제3 및 제4 포트 중 제1 및 제2 포트의 사이에 전기적으로 연결된 제1 인덕터;
    상기 제3 및 제4 포트의 사이에 전기적으로 연결되고 상기 제1 인덕터와 상호 인덕턴스를 이루도록 배치된 제2 인덕터;
    상기 제1 포트와 그라운드 사이의 전기적 연결 여부를 스위칭하는 제1 스위치;
    상기 제2 포트와 그라운드 사이의 전기적 연결 여부를 스위칭하는 제2 스위치;
    상기 제3 포트와 그라운드 사이의 전기적 연결 여부를 스위칭하는 제3 스위치; 및
    상기 제4 포트와 그라운드 사이의 전기적 연결 여부를 스위칭하는 제4 스위치; 를 포함하고,
    상기 제1 및 제2 인덕터는 상기 제1 및 제2 포트 중 하나와 상기 제3 및 제4 포트 중 하나의 사이에서 고주파 신호를 통과시키도록 상기 제1 및 제2 스위치 중 하나와 상기 제3 및 제4 스위치 중 하나를 통해 각각 그라운드에 전기적으로 연결되는 고주파 신호 전송경로 전환 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 인덕터는,
    상기 제2 및 제3 스위치가 온 상태이고 상기 제1 및 제4 스위치가 오프 상태일 경우에 상기 제1 및 제4 포트 사이의 제1 전송경로를 제공하는 제1 전송경로 모드와,
    상기 제2 및 제4 스위치가 온 상태이고 상기 제1 및 제3 스위치가 오프 상태인 경우에 상기 제1 및 제3 포트 사이의 제2 전송경로를 제공하는 제2 전송경로 모드와,
    상기 제1 및 제4 스위치가 온 상태이고 상기 제2 및 제3 스위치가 오프 상태인 경우에 상기 제2 및 제3 포트 사이의 제3 전송경로를 제공하는 제3 전송경로 모드와,
    상기 제1 및 제3 스위치가 온 상태이고 상기 제2 및 제4 스위치가 오프 상태인 경우에 상기 제2 및 제4 포트 사이의 제4 전송경로를 제공하는 제4 전송경로 모드 중 선택된 하나로 동작하는 고주파 신호 전송경로 전환 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1, 제2, 제3 및 제4 전송경로 모드 중 하나를 선택하도록 상기 제1, 제2, 제3 및 제4 스위치로 제1, 제2, 제3 및 제4 제어신호를 각각 제공하는 컨트롤러를 더 포함하는 고주파 신호 전송경로 전환 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1, 제2, 제3 및 제4 스위치 중 적어도 하나는 서로 직렬로 연결된 복수의 트랜지스터를 포함하고,
    상기 복수의 트랜지스터는 상기 제1, 제2, 제3 및 제4 제어신호 중 적어도 하나의 전압 또는 전류에 따라 온 상태 또는 오프 상태로 전환되는 고주파 신호 전송경로 전환 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    송신 고주파 신호를 증폭하여 상기 제1 포트로 전달하는 송신 증폭기; 및
    상기 제2 포트로부터 수신 고주파 신호를 전달받아 증폭하는 수신 증폭기; 를 더 포함하는 고주파 신호 전송경로 전환 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    제5 포트와 그라운드 사이에 전기적으로 연결된 제3 인덕터;
    상기 제3 인덕터와 상호 인덕턴스를 이루도록 배치되고 상기 송신 증폭기의 입력단과 상기 수신 증폭기의 출력단의 사이에 전기적으로 연결된 제4 인덕터;
    상기 송신 증폭기의 입력단과 그라운드 사이의 전기적 연결 여부를 스위칭하는 제5 스위치; 및
    상기 수신 증폭기의 출력단과 그라운드 사이의 전기적 연결 여부를 스위칭하는 제6 스위치; 를 더 포함하는 고주파 신호 전송경로 전환 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 인덕터는 상기 제1 및 제2 인덕터의 권선축 방향으로 서로 오버랩되는 면적이 오버랩되지 않는 면적보다 더 크도록 배치된 고주파 신호 전송경로 전환 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 인덕터의 고주파 신호 통과대역의 중심주파수는 20GHz보다 더 높은 고주파 신호 전송경로 전환 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제2 인덕터의 일단은 제1 안테나에 전기적으로 연결되고,
    상기 제2 인덕터의 타단은 제2 안테나에 전기적으로 연결되는 고주파 신호 전송경로 전환 장치.
  10. 기판;
    상기 기판에 배치되고 상기 기판의 제1 방향으로 방사패턴을 형성하도록 구성된 제1 안테나;
    상기 기판에 배치되고 상기 기판의 제2 방향으로 방사패턴을 형성하도록 구성된 제2 안테나; 및
    상기 기판에 배치되고 상기 제1 및 제2 안테나에 전기적으로 연결된 고주파 신호 전송경로 스위치; 를 포함하고,
    상기 고주파 신호 전송경로 스위치는,
    상기 제1 및 제2 안테나의 사이에 전기적으로 연결된 제2 인덕터;
    상기 제2 인덕터와 상호 인덕턴스를 이루도록 배치된 제1 인덕터;
    상기 제1 인덕터의 일단과 그라운드 사이의 전기적 연결 여부를 스위칭하는 제1 스위치;
    상기 제1 인덕터의 타단과 그라운드 사이의 전기적 연결 여부를 스위칭하는 제2 스위치;
    상기 제2 인덕터의 일단과 그라운드 사이의 전기적 연결 여부를 스위칭하는 제3 스위치; 및
    상기 제2 인덕터의 타단과 그라운드 사이의 전기적 연결 여부를 스위칭하는 제4 스위치; 를 포함하는 고주파 모듈.
  11. 제10항에 있어서, 상기 고주파 신호 전송경로 스위치는,
    송신 고주파 신호를 증폭하여 상기 제1 인덕터의 일단으로 전달하는 송신 증폭기; 및
    상기 제1 인덕터의 타단으로부터 수신 고주파 신호를 전달받아 증폭하는 수신 증폭기; 를 더 포함하는 고주파 모듈.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 기판에서 상기 고주파 신호 전송경로 스위치로부터 이격되어 배치되고, 베이스 신호를 입력 또는 출력받고, 상기 베이스 신호의 주파수보다 더 높은 주파수의 고주파 신호를 상기 고주파 신호 전송경로 스위치로 전달하거나 상기 고주파 신호 전송경로 스위치로부터 전달받는 RFIC를 더 포함하는 고주파 모듈.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 송신 증폭기의 입력단과 상기 수신 증폭기의 출력단의 사이에 전기적으로 연결된 제4 인덕터;
    상기 제4 인덕터와 상호 인덕턴스를 이루도록 배치된 제3 인덕터;
    상기 송신 증폭기의 입력단과 그라운드 사이의 전기적 연결 여부를 스위칭하는 제5 스위치; 및
    상기 수신 증폭기의 출력단과 그라운드 사이의 전기적 연결 여부를 스위칭하는 제6 스위치; 를 더 포함하고,
    상기 제3 인덕터의 일단은 상기 RFIC에 전기적으로 연결되고 타단은 그라운드에 전기적으로 연결되는 고주파 모듈.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 제1 안테나는 상기 기판의 중심보다 제1 방향으로 치우쳐져 배치된 적어도 하나의 패치 안테나를 포함하고,
    상기 제2 안테나는 상기 기판의 중심보다 제2 방향으로 치우쳐져 배치된 적어도 하나의 엔드-파이어 안테나를 포함하는 고주파 모듈.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 기판은, 제1 절연층과, 상기 제1 절연층의 상면 또는 하면 상에 적층되고 적층방향으로 오버랩되지 않는 부분을 가지고 상기 제1 절연층보다 더 유연한 제2 절연층을 포함하고,
    상기 제1 안테나는 상기 제1 및 제2 절연층에 적층방향으로 오버랩되도록 배치되고, 상기 제2 안테나는 상기 제2 절연층에서 상기 제1 절연층에 적층방향으로 오버랩되지 않는 부분에 배치되는 고주파 모듈.
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