KR20220100571A - 5g 안테나를 구비하는 전자 기기 - Google Patents

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KR20220100571A
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우승민
조일남
양윤오
이상욱
황진엽
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엘지전자 주식회사
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Abstract

본 발명에 따른 5G 통신을 위한 안테나를 구비하는 전자 기기가 제공된다. 상기 전자 기기는 전자 기기 내부에 다층 기판(multi-layer)으로 구현되고, 복수의 안테나 소자를 포함하는 배열 안테나(array antenna)를 포함한다. 한편, 배열 안테나의 각각의 안테나 소자는, 상기 다층 기판의 특정 레이어에 배치되고, 급전선에서 인가된 신호를 방사하도록 구성된 패치 안테나; 상기 패치 안테나의 좌측 또는 우측에 상기 패치 안테나에 평행하게 배치되는 제1 전자기 밴드 갭(electronic band gap, EBG) 엘리먼트; 및 상기 패치 안테나의 상측 또는 하측에 상기 패치 안테나에 평행하게 배치되는 제2 전자기 밴드 갭(EBG) 엘리먼트를 포함한다.

Description

5G 안테나를 구비하는 전자 기기
본 발명은 5G 안테나를 구비하는 전자 기기에 관한 것이다.
전자기기(electronic devices)는 이동 가능여부에 따라 이동 단말기(mobile/portable terminal) 및 고정 단말기(stationary terminal)로 나뉠 수 있다. 다시 전자기기는 사용자의 직접 휴대 가능 여부에 따라 휴대(형) 단말기(handheld terminal) 및 거치형 단말기(vehicle mounted terminal)로 나뉠 수 있다.
전자기기의 기능은 다양화되고 있다. 예를 들면, 데이터와 음성통신, 카메라를 통한 사진촬영 및 비디오 촬영, 음성녹음, 스피커 시스템을 통한 음악파일 재생 그리고 디스플레이부에 이미지나 비디오를 출력하는 기능이 있다. 일부 단말기는 전자게임 플레이 기능이 추가되거나, 멀티미디어 플레이어 기능을 수행한다. 특히 최근의 이동 단말기는 방송과 비디오나 텔레비전 프로그램과 같은 시각적 컨텐츠를 제공하는 멀티캐스트 신호를 수신할 수 있다.
이와 같은 전자기기는 기능이 다양화됨에 따라 예를 들어, 사진이나 동영상의 촬영, 음악이나 동영상 파일의 재생, 게임, 방송의 수신 등의 복합적인 기능들을 갖춘 멀티미디어 기기(Multimedia player) 형태로 구현되고 있다.
이러한 전자기기의 기능 지지 및 증대를 위해, 단말기의 구조적인 부분 및/또는 소프트웨어적인 부분을 개량하는 것이 고려될 수 있다.
상기 시도들에 더하여, 최근 전자기기는 LTE 통신 기술을 이용한 무선 통신 시스템이 상용화되어 다양한 서비스를 제공하고 있다. 또한, 향후에는 5G 통신 기술을 이용한 무선 통신 시스템이 상용화되어 다양한 서비스를 제공할 것으로 기대된다. 한편, LTE 주파수 대역 중 일부를 5G 통신 서비스를 제공하기 위하여 할당될 수 있다.
이와 관련하여, 이동 단말기는 5G 통신 서비스를 다양한 주파수 대역에서 제공하도록 구성될 수 있다. 최근에는 6GHz 대역 이하의 Sub6 대역을 이용하여 5G 통신 서비스를 제공하기 위한 시도가 이루어지고 있다. 하지만, 향후에는 보다 빠른 데이터 속도를 위해 Sub6 대역 이외에 밀리미터파(mmWave) 대역을 이용하여 5G 통신 서비스를 제공할 것으로 예상된다.
한편, 이러한 밀리미터파(mmWave) 대역에서의 5G 통신 서비스를 위해 할당될 주파수 대역은 28GHz 대역, 39GHz 및 64 GHz 대역이 고려되고 있다. 이와 관련하여, 밀리미터파 대역에서 다수의 배열 안테나들이 전자 기기에 배치될 수 있다.
이와 관련하여, mmWave 대역에서의 안테나 소자가 빔 포밍을 위해 복수 개 배치되어 배열 안테나를 형성하는 경우, 안테나 소자 간 간격은 빔 스캔 각도를 위해 반파장(half-wavelength) 정도로 근접하게 배치될 수 있다.
이와 같이 안테나 소자 간 간격이 근접하게 배치됨에 따라 안테나 소자 간 간섭 수준이 증가할 수 있다. 이에 따라 배열 안테나의 방사 효율이 저하되고 빔 스캔 성능이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명은 전술한 문제 및 다른 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다. 또한, 다른 일 목적은 다층 기판에 구현되는 5G 안테나에서 방사 효율을 향상시키고 안테나 소자 상호 간 간섭 수준을 저감하기 위한 구조 설계 방법을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 다른 일 목적은, 5G 안테나가 배치되는 다층 기판에서 별도의 비용 추가 없이 방사 효율을 향상시키고 안테나 소자 상호 간 간섭 수준을 저감하기 위한 구조 설계 방법을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 다른 일 목적은, 안테나 제작을 위한 다층 기판과 다층 기판 공정을 그대로 이용하면서, EBG 구조의 성능 최적화를 통해 안테나 성능을 최대화기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 다른 일 목적은, 5G mmWave에서 중요한 성능인 안테나 이득과 스캔 각도(Scan angle) 성능 향상을 위한 것이다.
상기 또는 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 5G 통신을 위한 안테나를 구비하는 전자 기기가 제공된다. 상기 전자 기기는 전자 기기 내부에 다층 기판(multi-layer)으로 구현되고, 복수의 안테나 소자를 포함하는 배열 안테나(array antenna)를 포함한다. 한편, 배열 안테나의 각각의 안테나 소자는, 상기 다층 기판의 특정 레이어에 배치되고, 급전선에서 인가된 신호를 방사하도록 구성된 패치 안테나; 상기 패치 안테나의 좌측 또는 우측에 상기 패치 안테나에 평행하게 배치되는 제1 전자기 밴드 갭(electronic band gap, EBG) 엘리먼트; 및 상기 패치 안테나의 상측 또는 하측에 상기 패치 안테나에 평행하게 배치되는 제2 전자기 밴드 갭(EBG) 엘리먼트를 포함한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제2 EBG 엘리먼트의 배치 형상은 상기 제1 EBG 엘리먼트의 배치 형상과 상이하도록 구성될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 배열 안테나의 각각의 안테나 소자에 인가되는 신호를 제어하여, 상기 배열 안테나를 통해 빔 포밍을 수행하도록 구성된 송수신부 회로(transceiver circuit)를 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 EBG 엘리먼트는 상기 패치 안테나의 좌측 또는 우측에서 상기 패치 안테나와 소정 간격으로 이격되어 평행하게 배치되는 제1 메탈 스트립; 및 상기 패치 안테나의 좌측 또는 우측에서 상기 패치 안테나와 상기 소정 간격으로 이격되어 평행하게 배치되는 제2 메탈 스트립을 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 EBG 엘리먼트 및 상기 제2 EBG 엘리먼트는 상기 패치 안테나가 배치되는 상부 층과 다층 회로 기판의 그라운드 층을 연결하도록 구성된 복수의 비아(via)들을 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 복수의 비아들 중 상기 그라운드 층에 인접한 레이어에 배치된 적어도 하나의 비아의 직경은 다른 비아들의 직경보다 더 크게 형성될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 EBG 엘리먼트 및 상기 제2 EBG 엘리먼트의 복수의 비아들 중 가장 큰 직경을 갖는 비아의 직경은 상기 제1 EBG 엘리먼트 및 상기 제2 EBG 엘리먼트를 구성하는 각각의 메탈 스트립의 너비보다 작게 형성될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 EBG 엘리먼트에 형성되는 복수의 비아들은 상기 제1 메탈 스트립 및 상기 제2 메탈 스트립의 단부(end portion) 상에 형성될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 EBG 엘리먼트가 배치되는 영역에 대응하는 상기 그라운드 층에는 특정 길이와 너비를 갖고 상호 간에 소정 거리로 이격되어 형성되는 복수의 슬롯들을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제2 EBG 엘리먼트는 상기 패치 안테나의 상측 또는 하측에서 상기 패치 안테나와 소정 간격으로 이격되어 평행하게 배치되는 제3 메탈 스트립; 및 상기 패치 안테나의 상측 또는 하측에서 상기 제3 메탈 스트립과 이격되어 평행하게 배치되는 제4 메탈 스트립을 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제2 EBG 엘리먼트에 형성되는 복수의 비아들은 상기 제3 메탈 스트립 및 상기 제4 메탈 스트립의 중심부(center portion) 상에 형성될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 각각의 안테나 소자는 상기 패치 안테나의 중심부에 대응하는 상기 다층 기판의 그라운드 층에는 그라운드가 제거된 슬롯 영역; 및 일정 길이와 너비의 메탈 라인으로 형성되고, 상기 슬롯 영역을 통해 신호가 상기 패치 안테나로 커플링되도록 구성된 급전선을 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 EBG 엘리먼트는 상기 패치 안테나의 좌측 및 우측에 모두 형성되고, 상기 제2 EBG 엘리먼트는 상기 패치 안테나의 상측 및 우측에 모두 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 패치 안테나로 신호를 공급하는 급전선은 상기 다층 기판의 그라운드 층의 하부에 배치되고, 상기 급전선을 통해 전달되는 신호는 상기 그라운드 층에 형성된 슬롯 영역을 통해 상기 패치 안테나로 커플링될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 배열 안테나는 일 축 방향으로 소정 개수의 안테나 소자가 배치되어 상기 일 축 방향으로 빔 포밍을 수행하도록 1차원 배열 안테나(one-dimensional array antenna)로 구성될 수 있다. 이 경우, 상기 배열 안테나가 배치되는 축 방향으로 제1 메탈 스트립 및 제2 메탈 스트립의 단부(end portion) 상에 형성되는 비아를 구비할 수 있다. 한편, 상기 제1 메탈 스트립 및 제2 메탈 스트립은 인접하는 패치 안테나들과 실질적으로 동일 간격으로 배치될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 배열 안테나는 일 축 방향으로 M개의 안테나 소자와 타 축 방향으로 상기 M개보다 적은 N개의 안테나 소자가 배치되는 2차원 배열 안테나(two-dimensional array antenna)로 구성될 수 있다. 이 경우, 상기 일 축 방향으로 제1 메탈 스트립 및 제2 메탈 스트립의 단부(end portion) 상에 비아를 구비하는 제1 EBG 엘리먼트가 배치될 수 있다. 한편, 상기 제1 메탈 스트립 및 제2 메탈 스트립은 인접하는 패치 안테나들과 실질적으로 동일 간격으로 배치될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 배열 안테나는 상기 타 축 방향으로 제3 메탈 스트립 및 제4 메탈 스트립의 중심부(center portion)에 비아를 구비하는 제2 EBG 엘리먼트가 배치될 수 잇다. 이 경우, 배열 안테나가 배치되는 축 방향으로 복수의 비아들이 제1 메탈 스트립 및 제2 메탈 스트립의 단부(end portion) 상에 형성되는 제1 EBG 엘리먼트가 배치될 수 있다. 한편, 상기 제3 메탈 스트립은 상기 패치 안테나에 대해 소정 간격 이격되어 배치되고, 상기 제4 메탈 스트립은 상기 제3 메탈 스트립에 대해 상기 소정 간격보다 더 좁은 간격으로 이격되어 배치될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 송수신부 회로에 연결되고, 상기 송수신부 회로를 제어하여 상기 전자 기기의 서로 다른 위치에 배치된 복수의 배열 안테나를 통해 빔 포밍 및 다중 입출력(MIMO)을 수행하도록 구성된 기저대역 프로세서를 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 복수의 배열 안테나는 상호 간에 실질적으로 90도만큼 회전된 상태에서 전자 기기의 서로 다른 위치에 배치되는 제1 배열 안테나 내지 제4 배열 안테나를 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 기저대역 프로세서는 상기 제1 배열 안테나를 통해 수신되는 제1 신호의 품질이 임계치 이하이면, 상기 제1 배열 안테나에 대해 실질적으로 90도만큼 회전된 제2 배열 안테나를 통해 제2 신호를 수신하도록 상기 송수신부 회로를 제어할 수 있다.
본 발명에 따르면, 패치 안테나 상부/하부와 좌측/우측에 서로 다른 형태의 EBG 구조를 통해, 패치 안테나에 형성되는 E-field의 방향성에 최적화하게 동작하여, 안테나 이득과 안테나 스캔 각도(Scan angle)를 향상시킬 수 있다.
또한 본 발명에 따르면, 패치 안테나의 주변의 유전체를 표면을 따라 생성되는 표면파(Surface wave)를 저감하여, 자유 공간(free space)로 방사되는 신호 성분을 증가시켜, 안테나 효율을 향상시킬 수 있다.
또한 본 발명에 따르면, 상이한 형태의 EBG 구조를 통해 안테나 간 간섭이 감소하여, 방사 패턴 향상이 가능하고 이에 따라 Scan angle이 확장될 수 있다.
본 발명의 적용 가능성의 추가적인 범위는 이하의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 그러나 본 발명의 사상 및 범위 내에서 다양한 변경 및 수정은 당업자에게 명확하게 이해될 수 있으므로, 상세한 설명 및 본 발명의 바람직한 실시 예와 같은 특정 실시 예는 단지 예시로 주어진 것으로 이해되어야 한다.
도 1a는 본 발명과 관련된 전자 기기를 설명하기 위한 블록도이고, 도 1b 및 1c는 본 발명과 관련된 전자 기기의 일 예를 서로 다른 방향에서 바라본 개념도이다.
도 2는 본 발명에 따른 복수의 무선 통신 시스템에서 동작 가능한 전자 기기의 무선 통신부의 구성을 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 전자 기기의 복수의 안테나들이 배치될 수 있는 구성의 예시를 나타낸다.
도 4a는 일 예시예에 따른 안테나와 주변에 배치되는 EBG 구조의 전면도를 나타낸다. 한편, 도 4b는 일 예시예에 따른 안테나와 주변에 배치되는 EBG 구조가 다층 기판에 구현된 측면도를 나타낸다.
도 5는 일 실시 예에 따른 EBG 구조에서 제1 타입의 EBG 구조를 나타낸다.
도 6은 일 실시 예에 따른 EBG 구조에서 제2 타입의 EBG 구조를 나타낸다.
도 7은 도 4a 내지 도 6 에 따른 EBG 구조가 배치된 복수의 안테나 소자들이 배열 안테나와 이를 제어하는 구성을 나타낸다.
도 8은 일 실시 예에 따른 배열 안테나의 방사 패턴을 나타낸다.
도 9는 다른 실시 예에 따른 소정 각도로 회전된 상태의 배열 안테나 및 이와 연결된 회로 구성을 나타낸다.
도 10은 일 예시에 따른 복수의 서로 다른 배열 안테나 및 이들을 제어하기 위한 송수신부 회로와 기저대역 프로세서를 나타낸다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 본 출원에서, "실질적으로(substantially)"의 의미와 관련하여, "실질적으로 동일"한 의미는 서로 다른 두 요소 간의 물리량, 예컨대 거리, 방향, 또는 각도 등이 동일하다는 의미이다.
본 명세서에서 설명되는 전자 기기에는 휴대폰, 스마트 폰(smart phone), 노트북 컴퓨터(laptop computer), 디지털방송용 단말기, PDA(personal digital assistants), PMP(portable multimedia player), 네비게이션, 슬레이트 PC(slate PC), 태블릿 PC(tablet PC), 울트라북(ultrabook), 웨어러블 디바이스(wearable device, 예를 들어, 워치형 단말기 (smartwatch), 글래스형 단말기 (smart glass), HMD(head mounted display)) 등이 포함될 수 있다.
그러나, 본 명세서에 기재된 실시 예에 따른 구성은 이동 단말기에만 적용 가능한 경우를 제외하면, 디지털 TV, 데스크탑 컴퓨터, 디지털 사이니지 등과 같은 고정 단말기에도 적용될 수도 있음을 본 기술분야의 당업자라면 쉽게 알 수 있을 것이다.
도 1a 내지 도 1c를 참조하면, 도 1a는 본 발명과 관련된 전자 기기를 설명하기 위한 블록도이고, 도 1b 및 1c는 본 발명과 관련된 전자 기기의 일 예를 서로 다른 방향에서 바라본 개념도이다.
상기 전자 기기(100)는 무선 통신부(110), 입력부(120), 센싱부(140), 출력부(150), 인터페이스부(160), 메모리(170), 제어부(180) 및 전원 공급부(190) 등을 포함할 수 있다. 도 1a에 도시된 구성요소들은 전자 기기를 구현하는데 있어서 필수적인 것은 아니어서, 본 명세서 상에서 설명되는 전자 기기는 위에서 열거된 구성요소들 보다 많거나, 또는 적은 구성요소들을 가질 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 구성요소들 중 무선 통신부(110)는, 전자 기기(100)와 무선 통신 시스템 사이, 전자 기기(100)와 다른 전자 기기(100) 사이, 또는 전자 기기(100)와 외부서버 사이의 무선 통신을 가능하게 하는 하나 이상의 모듈을 포함할 수 있다. 또한, 상기 무선 통신부(110)는, 전자 기기(100)를 하나 이상의 네트워크에 연결하는 하나 이상의 모듈을 포함할 수 있다. 여기서, 하나 이상의 네트워크는 예컨대 4G 통신 네트워크 및 5G 통신 네트워크일 수 있다.
이러한 무선 통신부(110)는, 4G 무선 통신 모듈(111), 5G 무선 통신 모듈(112), 근거리 통신 모듈(113), 위치정보 모듈(114) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
4G 무선 통신 모듈(111)은 4G 이동통신 네트워크를 통해 4G 기지국과 4G 신호를 전송 및 수신할 수 있다. 이때, 4G 무선 통신 모듈(111)은 하나 이상의 4G 송신 신호를 4G 기지국으로 전송할 수 있다. 또한, 4G 무선 통신 모듈(111)은 하나 이상의 4G 수신 신호를 4G 기지국으로부터 수신할 수 있다.
이와 관련하여, 4G 기지국으로 전송되는 복수의 4G 송신 신호에 의해 상향링크(UL: Up-Link) 다중입력 다중출력(MIMO: Multi-Input Multi-Output)이 수행될 수 있다. 또한, 4G 기지국으로부터 수신되는 복수의 4G 수신 신호에 의해 하향링크(DL: Down-Link) 다중입력 다중출력(MIMO: Multi-Input Multi-Output)이 수행될 수 있다.
5G 무선 통신 모듈(112)은 5G 이동통신 네트워크를 통해 5G 기지국과 5G 신호를 전송 및 수신할 수 있다. 여기서, 4G 기지국과 5G 기지국은 비-스탠드 얼론(NSA: Non-Stand-Alone) 구조일 수 있다. 예컨대, 4G 기지국과 5G 기지국은 셀 내 동일한 위치에 배치되는 공통-배치 구조(co-located structure)일 수 있다. 또는, 5G 기지국은 4G 기지국과 별도의 위치에 스탠드-얼론(SA: Stand-Alone) 구조로 배치될 수 있다.
5G 무선 통신 모듈(112)은 5G 이동통신 네트워크를 통해 5G 기지국과 5G 신호를 전송 및 수신할 수 있다. 이때, 5G 무선 통신 모듈(112)은 하나 이상의 5G 송신 신호를 5G 기지국으로 전송할 수 있다. 또한, 5G 무선 통신 모듈(112)은 하나 이상의 5G 수신 신호를 5G 기지국으로부터 수신할 수 있다.
이때, 5G 주파수 대역은 4G 주파수 대역과 동일한 대역을 사용할 수 있고, 이를 LTE 재배치(re-farming)이라고 지칭할 수 있다. 한편, 5G 주파수 대역으로, 6GHz 이하의 대역인 Sub6 대역이 사용될 수 있다.
반면, 광대역 고속 통신을 수행하기 위해 밀리미터파(mmWave) 대역이 5G 주파수 대역으로 사용될 수 있다. 밀리미터파(mmWave) 대역이 사용되는 경우, 전자 기기(100)는 기지국과의 통신 커버리지 확장(coverage expansion)을 위해 빔 포밍(beam forming)을 수행할 수 있다.
한편, 5G 주파수 대역에 관계없이, 5G 통신 시스템에서는 전송 속도 향상을 위해, 더 많은 수의 다중입력 다중출력(MIMO: Multi-Input Multi-Output)을 지원할 수 있다. 이와 관련하여, 5G 기지국으로 전송되는 복수의 5G 송신 신호에 의해 상향링크(UL: Up-Link) MIMO가 수행될 수 있다. 또한, 5G 기지국으로부터 수신되는 복수의 5G 수신 신호에 의해 하향링크(DL: Down-Link) MIMO가 수행될 수 있다.
한편, 무선 통신부(110)는 4G 무선 통신 모듈(111)과 5G 무선 통신 모듈(112)을 통해 4G 기지국 및 5G 기지국과 이중 연결(DC: Dual Connectivity) 상태일 수 있다. 이와 같이, 4G 기지국 및 5G 기지국과의 이중 연결을 EN-DC(EUTRAN NR DC)이라 지칭할 수 있다. 여기서, EUTRAN은 Evolved Universal Telecommunication Radio Access Network로 4G 무선 통신 시스템을 의미하고, NR은 New Radio로 5G 무선 통신 시스템을 의미한다.
한편, 4G 기지국과 5G 기지국이 공통-배치 구조(co-located structure)이면, 이종 반송파 집성(inter-CA(Carrier Aggregation)을 통해 스루풋(throughput) 향상이 가능하다. 따라서, 4G 기지국 및 5G 기지국과 EN-DC 상태이면, 4G 무선 통신 모듈(111) 및 5G 무선 통신 모듈(112)을 통해 4G 수신 신호와 5G 수신 신호를 동시에 수신할 수 있다.
근거리 통신 모듈(113)은 근거리 통신(Short range communication)을 위한 것으로서, 블루투스(Bluetooth™), RFID(Radio Frequency Identification), 적외선 통신(Infrared Data Association; IrDA), UWB(Ultra Wideband), ZigBee, NFC(Near Field Communication), Wi-Fi(Wireless-Fidelity), Wi-Fi Direct, Wireless USB(Wireless Universal Serial Bus) 기술 중 적어도 하나를 이용하여, 근거리 통신을 지원할 수 있다. 이러한, 근거리 통신 모듈(114)은, 근거리 무선 통신망(Wireless Area Networks)을 통해 전자 기기(100)와 무선 통신 시스템 사이, 전자 기기(100)와 다른 전자 기기(100) 사이, 또는 전자 기기(100)와 다른 전자 기기(100, 또는 외부서버)가 위치한 네트워크 사이의 무선 통신을 지원할 수 있다. 상기 근거리 무선 통신망은 근거리 무선 개인 통신망(Wireless Personal Area Networks)일 수 있다.
한편, 4G 무선 통신 모듈(111) 및 5G 무선 통신 모듈(112)을 이용하여 전자 기기 간 근거리 통신이 수행될 수 있다. 일 실시 예에서, 기지국을 경유하지 않고 전자 기기들 간에 D2D (Device-to-Device) 방식에 의해 근거리 통신이 수행될 수 있다.
한편, 전송 속도 향상 및 통신 시스템 융합(convergence)을 위해, 4G 무선 통신 모듈(111) 및 5G 무선 통신 모듈(112) 중 적어도 하나와 Wi-Fi 통신 모듈(113)을 이용하여 반송파 집성(CA)이 수행될 수 있다. 이와 관련하여, 4G 무선 통신 모듈(111)과 Wi-Fi 통신 모듈(113)을 이용하여 4G + WiFi 반송파 집성(CA)이 수행될 수 있다. 또는, 5G 무선 통신 모듈(112)과 Wi-Fi 통신 모듈(113)을 이용하여 5G + WiFi 반송파 집성(CA)이 수행될 수 있다.
위치정보 모듈(114)은 전자 기기의 위치(또는 현재 위치)를 획득하기 위한 모듈로서, 그의 대표적인 예로는 GPS(Global Positioning System) 모듈 또는 WiFi(Wireless Fidelity) 모듈이 있다. 예를 들어, 전자 기기는 GPS모듈을 활용하면, GPS 위성에서 보내는 신호를 이용하여 전자 기기의 위치를 획득할 수 있다. 다른 예로서, 전자 기기는 Wi-Fi모듈을 활용하면, Wi-Fi모듈과 무선신호를 송신 또는 수신하는 무선 AP(Wireless Access Point)의 정보에 기반하여, 전자 기기의 위치를 획득할 수 있다. 필요에 따라서, 위치정보모듈(114)은 치환 또는 부가적으로 전자 기기의 위치에 관한 데이터를 얻기 위해 무선 통신부(110)의 다른 모듈 중 어느 기능을 수행할 수 있다. 위치정보모듈(114)은 전자 기기의 위치(또는 현재 위치)를 획득하기 위해 이용되는 모듈로, 전자 기기의 위치를 직접적으로 계산하거나 획득하는 모듈로 한정되지는 않는다.
구체적으로, 전자 기기는 5G 무선 통신 모듈(112)을 활용하면, 5G 무선 통신 모듈 과 무선신호를 송신 또는 수신하는 5G 기지국의 정보에 기반하여, 전자 기기의 위치를 획득할 수 있다. 특히, 밀리미터파(mmWave) 대역의 5G 기지국은 좁은 커버리지를 갖는 소형 셀(small cell)에 배치(deploy)되므로, 전자 기기의 위치를 획득하는 것이 유리하다.
입력부(120)는, 영상 신호 입력을 위한 카메라(121) 또는 영상 입력부, 오디오 신호 입력을 위한 마이크로폰(microphone, 122), 또는 오디오 입력부, 사용자로부터 정보를 입력받기 위한 사용자 입력부(123, 예를 들어, 터치키(touch key), 푸시키(mechanical key) 등)를 포함할 수 있다. 입력부(120)에서 수집한 음성 데이터나 이미지 데이터는 분석되어 사용자의 제어명령으로 처리될 수 있다.
센싱부(140)는 전자 기기 내 정보, 전자 기기를 둘러싼 주변 환경 정보 및 사용자 정보 중 적어도 하나를 센싱하기 위한 하나 이상의 센서를 포함할 수 있다. 예를 들어, 센싱부(140)는 근접센서(141, proximity sensor), 조도 센서(142, illumination sensor), 터치 센서(touch sensor), 가속도 센서(acceleration sensor), 자기 센서(magnetic sensor), 중력 센서(G-sensor), 자이로스코프 센서(gyroscope sensor), 모션 센서(motion sensor), RGB 센서, 적외선 센서(IR 센서: infrared sensor), 지문인식 센서(finger scan sensor), 초음파 센서(ultrasonic sensor), 광 센서(optical sensor, 예를 들어, 카메라(121 참조)), 마이크로폰(microphone, 122 참조), 배터리 게이지(battery gauge), 환경 센서(예를 들어, 기압계, 습도계, 온도계, 방사능 감지 센서, 열 감지 센서, 가스 감지 센서 등), 화학 센서(예를 들어, 전자 코, 헬스케어 센서, 생체 인식 센서 등) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 한편, 본 명세서에 개시된 전자 기기는, 이러한 센서들 중 적어도 둘 이상의 센서에서 센싱되는 정보들을 조합하여 활용할 수 있다.
출력부(150)는 시각, 청각 또는 촉각 등과 관련된 출력을 발생시키기 위한 것으로, 디스플레이부(151), 음향 출력부(152), 햅팁 모듈(153), 광 출력부(154) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 디스플레이부(151)는 터치 센서와 상호 레이어 구조를 이루거나 일체형으로 형성됨으로써, 터치 스크린을 구현할 수 있다. 이러한 터치 스크린은, 전자 기기(100)와 사용자 사이의 입력 인터페이스를 제공하는 사용자 입력부(123)로써 기능함과 동시에, 전자 기기(100)와 사용자 사이의 출력 인터페이스를 제공할 수 있다.
인터페이스부(160)는 전자 기기(100)에 연결되는 다양한 종류의 외부 기기와의 통로 역할을 수행한다. 이러한 인터페이스부(160)는, 유/무선 헤드셋 포트(port), 외부 충전기 포트(port), 유/무선 데이터 포트(port), 메모리 카드(memory card) 포트, 식별 모듈이 구비된 장치를 연결하는 포트(port), 오디오 I/O(Input/Output) 포트(port), 비디오 I/O(Input/Output) 포트(port), 이어폰 포트(port) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 전자 기기(100)에서는, 상기 인터페이스부(160)에 외부 기기가 연결되는 것에 대응하여, 연결된 외부 기기와 관련된 적절할 제어를 수행할 수 있다.
또한, 메모리(170)는 전자 기기(100)의 다양한 기능을 지원하는 데이터를 저장한다. 메모리(170)는 전자 기기(100)에서 구동되는 다수의 응용 프로그램(application program 또는 애플리케이션(application)), 전자 기기(100)의 동작을 위한 데이터들, 명령어들을 저장할 수 있다. 이러한 응용 프로그램 중 적어도 일부는, 무선 통신을 통해 외부 서버로부터 다운로드 될 수 있다. 또한 이러한 응용 프로그램 중 적어도 일부는, 전자 기기(100)의 기본적인 기능(예를 들어, 전화 착신, 발신 기능, 메시지 수신, 발신 기능)을 위하여 출고 당시부터 전자 기기(100)상에 존재할 수 있다. 한편, 응용 프로그램은, 메모리(170)에 저장되고, 전자 기기(100) 상에 설치되어, 제어부(180)에 의하여 상기 전자 기기의 동작(또는 기능)을 수행하도록 구동될 수 있다.
제어부(180)는 상기 응용 프로그램과 관련된 동작 외에도, 통상적으로 전자 기기(100)의 전반적인 동작을 제어한다. 제어부(180)는 위에서 살펴본 구성요소들을 통해 입력 또는 출력되는 신호, 데이터, 정보 등을 처리하거나 메모리(170)에 저장된 응용 프로그램을 구동함으로써, 사용자에게 적절한 정보 또는 기능을 제공 또는 처리할 수 있다.
또한, 제어부(180)는 메모리(170)에 저장된 응용 프로그램을 구동하기 위하여, 도 1a와 함께 살펴본 구성요소들 중 적어도 일부를 제어할 수 있다. 나아가, 제어부(180)는 상기 응용 프로그램의 구동을 위하여, 전자 기기(100)에 포함된 구성요소들 중 적어도 둘 이상을 서로 조합하여 동작시킬 수 있다.
전원공급부(190)는 제어부(180)의 제어 하에서, 외부의 전원, 내부의 전원을 인가받아 전자 기기(100)에 포함된 각 구성요소들에 전원을 공급한다. 이러한 전원공급부(190)는 배터리를 포함하며, 상기 배터리는 내장형 배터리 또는 교체가능한 형태의 배터리가 될 수 있다.
상기 각 구성요소들 중 적어도 일부는, 이하에서 설명되는 다양한 실시 예들에 따른 전자 기기의 동작, 제어, 또는 제어방법을 구현하기 위하여 서로 협력하여 동작할 수 있다. 또한, 상기 전자 기기의 동작, 제어, 또는 제어방법은 상기 메모리(170)에 저장된 적어도 하나의 응용 프로그램의 구동에 의하여 전자 기기 상에서 구현될 수 있다.
도 1 b 및 1c를 참조하면, 개시된 전자 기기(100)는 바 형태의 단말기 바디를 구비하고 있다. 다만, 본 발명은 여기에 한정되지 않고 와치 타입, 클립 타입, 글래스 타입 또는 2 이상의 바디들이 상대 이동 가능하게 결합되는 폴더 타입, 플립 타입, 슬라이드 타입, 스윙 타입, 스위블 타입 등 다양한 구조에 적용될 수 있다. 전자 기기의 특정 유형에 관련될 것이나, 전자 기기의 특정유형에 관한 설명은 다른 타입의 전자 기기에 일반적으로 적용될 수 있다.
여기에서, 단말기 바디는 전자 기기(100)를 적어도 하나의 집합체로 보아 이를 지칭하는 개념으로 이해될 수 있다.
전자 기기(100)는 외관을 이루는 케이스(예를 들면, 프레임, 하우징, 커버 등)를 포함한다. 도시된 바와 같이, 전자 기기(100)는 프론트 케이스(101)와 리어 케이스(102)를 포함할 수 있다. 프론트 케이스(101)와 리어 케이스(102)의 결합에 의해 형성되는 내부공간에는 각종 전자부품들이 배치된다. 프론트 케이스(101)와 리어 케이스(102) 사이에는 적어도 하나의 미들 케이스가 추가로 배치될 수 있다.
단말기 바디의 전면에는 디스플레이부(151)가 배치되어 정보를 출력할 수 있다. 도시된 바와 같이, 디스플레이부(151)의 윈도우(151a)는 프론트 케이스(101)에 장착되어 프론트 케이스(101)와 함께 단말기 바디의 전면을 형성할 수 있다.
경우에 따라서, 리어 케이스(102)에도 전자부품이 장착될 수 있다. 리어 케이스(102)에 장착 가능한 전자부품은 착탈 가능한 배터리, 식별 모듈, 메모리 카드 등이 있다. 이 경우, 리어 케이스(102)에는 장착된 전자부품을 덮기 위한 후면커버(103)가 착탈 가능하게 결합될 수 있다. 따라서, 후면 커버(103)가 리어 케이스(102)로부터 분리되면, 리어 케이스(102)에 장착된 전자부품은 외부로 노출된다. 한편, 리어 케이스(102)의 측면 중 일부가 방사체(radiator)로 동작하도록 구현될 수 있다.
도시된 바와 같이, 후면커버(103)가 리어 케이스(102)에 결합되면, 리어 케이스(102)의 측면 일부가 노출될 수 있다. 경우에 따라서, 상기 결합시 리어 케이스(102)는 후면커버(103)에 의해 완전히 가려질 수도 있다. 한편, 후면커버(103)에는 카메라(121b)나 음향 출력부(152b)를 외부로 노출시키기 위한 개구부가 구비될 수 있다.
전자 기기(100)에는 디스플레이부(151), 제1 및 제2 음향 출력부(152a, 152b), 근접 센서(141), 조도 센서(142), 광 출력부(154), 제1 및 제2 카메라(121a, 121b), 제1 및 제2 조작유닛(123a, 123b), 마이크로폰(122), 인터페이스부(160) 등이 구비될 수 있다.
디스플레이부(151)는 전자 기기(100)에서 처리되는 정보를 표시(출력)한다. 예를 들어, 디스플레이부(151)는 전자 기기(100)에서 구동되는 응용 프로그램의 실행화면 정보, 또는 이러한 실행화면 정보에 따른 UI(User Interface), GUI(Graphic User Interface) 정보를 표시할 수 있다.
또한, 디스플레이부(151)는 전자 기기(100)의 구현 형태에 따라 2개 이상 존재할 수 있다. 이 경우, 전자 기기(100)에는 복수의 디스플레이부들이 하나의 면에 이격되거나 일체로 배치될 수 있고, 또한 서로 다른 면에 각각 배치될 수도 있다.
디스플레이부(151)는 터치 방식에 의하여 제어 명령을 입력 받을 수 있도록, 디스플레이부(151)에 대한 터치를 감지하는 터치센서를 포함할 수 있다. 이를 이용하여, 디스플레이부(151)에 대하여 터치가 이루어지면, 터치센서는 상기 터치를 감지하고, 제어부(180)는 이에 근거하여 상기 터치에 대응하는 제어명령을 발생시키도록 이루어질 수 있다. 터치 방식에 의하여 입력되는 내용은 문자 또는 숫자이거나, 각종 모드에서의 지시 또는 지정 가능한 메뉴항목 등일 수 있다.
이처럼, 디스플레이부(151)는 터치센서와 함께 터치 스크린을 형성할 수 있으며, 이 경우에 터치 스크린은 사용자 입력부(123, 도 1a 참조)로 기능할 수 있다. 경우에 따라, 터치 스크린은 제1조작유닛(123a)의 적어도 일부 기능을 대체할 수 있다.
제1음향 출력부(152a)는 통화음을 사용자의 귀에 전달시키는 리시버(receiver)로 구현될 수 있으며, 제2 음향 출력부(152b)는 각종 알람음이나 멀티미디어의 재생음을 출력하는 라우드 스피커(loud speaker)의 형태로 구현될 수 있다.
광 출력부(154)는 이벤트의 발생시 이를 알리기 위한 빛을 출력하도록 이루어진다. 상기 이벤트의 예로는 메시지 수신, 호 신호 수신, 부재중 전화, 알람, 일정 알림, 이메일 수신, 애플리케이션을 통한 정보 수신 등을 들 수 있다. 제어부(180)는 사용자의 이벤트 확인이 감지되면, 빛의 출력이 종료되도록 광 출력부(154)를 제어할 수 있다.
제1카메라(121a)는 촬영 모드 또는 화상통화 모드에서 이미지 센서에 의해 얻어지는 정지영상 또는 동영상의 화상 프레임을 처리한다. 처리된 화상 프레임은 디스플레이부(151)에 표시될 수 있으며, 메모리(170)에 저장될 수 있다.
제1 및 제2 조작유닛(123a, 123b)은 전자 기기(100)의 동작을 제어하기 위한 명령을 입력 받기 위해 조작되는 사용자 입력부(123)의 일 예로서, 조작부(manipulating portion)로도 통칭될 수 있다. 제1 및 제2 조작유닛(123a, 123b)은 터치, 푸시, 스크롤 등 사용자가 촉각적인 느낌을 받으면서 조작하게 되는 방식(tactile manner)이라면 어떤 방식이든 채용될 수 있다. 또한, 제1 및 제2 조작유닛(123a, 123b)은 근접 터치(proximity touch), 호버링(hovering) 터치 등을 통해서 사용자의 촉각적인 느낌이 없이 조작하게 되는 방식으로도 채용될 수 있다.
한편, 전자 기기(100)에는 사용자의 지문을 인식하는 지문인식센서가 구비될 수 있으며, 제어부(180)는 지문인식센서를 통하여 감지되는 지문정보를 인증수단으로 이용할 수 있다. 상기 지문인식센서는 디스플레이부(151) 또는 사용자 입력부(123)에 내장될 수 있다.
마이크로폰(122)은 사용자의 음성, 기타 소리 등을 입력 받도록 이루어진다. 마이크로폰(122)은 복수의 개소에 구비되어 스테레오 음향을 입력 받도록 구성될 수 있다.
인터페이스부(160)는 전자 기기(100)를 외부기기와 연결시킬 수 있는 통로가 된다. 예를 들어, 인터페이스부(160)는 다른 장치(예를 들어, 이어폰, 외장 스피커)와의 연결을 위한 접속단자, 근거리 통신을 위한 포트[예를 들어, 적외선 포트(IrDA Port), 블루투스 포트(Bluetooth Port), 무선 랜 포트(Wireless LAN Port) 등], 또는 전자 기기(100)에 전원을 공급하기 위한 전원공급단자 중 적어도 하나일 수 있다. 이러한 인터페이스부(160)는 SIM(Subscriber Identification Module) 또는 UIM(User Identity Module), 정보 저장을 위한 메모리 카드 등의 외장형 카드를 수용하는 소켓의 형태로 구현될 수도 있다.
단말기 바디의 후면에는 제2카메라(121b)가 배치될 수 있다. 이 경우, 제2카메라(121b)는 제1카메라(121a)와 실질적으로 반대되는 촬영 방향을 가지게 된다.
제2카메라(121b)는 적어도 하나의 라인을 따라 배열되는 복수의 렌즈를 포함할 수 있다. 복수의 렌즈는 행렬(matrix) 형식으로 배열될 수도 있다. 이러한 카메라는, 어레이(array) 카메라로 명명될 수 있다. 제2카메라(121b)가 어레이 카메라로 구성되는 경우, 복수의 렌즈를 이용하여 다양한 방식으로 영상을 촬영할 수 있으며, 보다 나은 품질의 영상을 획득할 수 있다.
플래시(124)는 제2카메라(121b)에 인접하게 배치될 수 있다. 플래시(124)는 제2카메라(121b)로 피사체를 촬영하는 경우에 피사체를 향하여 빛을 비추게 된다.
단말기 바디에는 제2 음향 출력부(152b)가 추가로 배치될 수 있다. 제2 음향 출력부(152b)는 제1음향 출력부(152a)와 함께 스테레오 기능을 구현할 수 있으며, 통화시 스피커폰 모드의 구현을 위하여 사용될 수도 있다.
단말기 바디에는 무선 통신을 위한 적어도 하나의 안테나가 구비될 수 있다. 안테나는 단말기 바디에 내장되거나, 케이스에 형성될 수 있다. 한편, 4G 무선 통신 모듈(111) 및 5G 무선 통신 모듈(112)와 연결되는 복수의 안테나는 단말기 측면에 배치될 수 있다. 또는, 안테나는 필름 타입으로 형성되어 후면 커버(103)의 내측면에 부착될 수도 있고, 도전성 재질을 포함하는 케이스가 안테나로서 기능하도록 구성될 수도 있다.
한편, 단말기 측면에 배치되는 복수의 안테나는 MIMO를 지원하도록 4개 이상으로 구현될 수 있다. 또한, 5G 무선 통신 모듈(112)이 밀리미터파(mmWave) 대역에서 동작하는 경우, 복수의 안테나 각각이 배열 안테나(array antenna)로 구현됨에 따라, 전자 기기에 복수의 배열 안테나가 배치될 수 있다.
단말기 바디에는 전자 기기(100)에 전원을 공급하기 위한 전원 공급부(190, 도 1a 참조)가 구비된다. 전원 공급부(190)는 단말기 바디에 내장되거나, 단말기 바디의 외부에서 착탈 가능하게 구성되는 배터리(191)를 포함할 수 있다.
이하에서는 본 발명에 따른 다중 송신 시스템 구조 및 이를 구비하는 전자 기기, 특히 이종 무선 시스템(heterogeneous radio system)에서 전력 증폭기 및 이를 구비하는 전자 기기와 관련된 실시 예들에 대해 첨부된 도면을 참조하여 살펴보겠다. 본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다.
도 2는 본 발명에 따른 복수의 무선 통신 시스템에서 동작 가능한 전자 기기의 무선 통신부의 구성을 도시한다. 도 2를 참조하면, 전자 기기는 제1 전력 증폭기(210), 제2 전력 증폭기(220) 및 RFIC(250)를 포함한다. 또한, 전자 기기는 모뎀(Modem, 400) 및 어플리케이션 프로세서(AP: Application Processor, 500)를 더 포함할 수 있다. 여기서, 모뎀(Modem, 400)과 어플리케이션 프로세서(AP, 500)와 물리적으로 하나의 chip에 구현되고, 논리적 및 기능적으로 분리된 형태로 구현될 수 있다. 하지만, 이에 한정되지 않고 응용에 따라 물리적으로 분리된 chip의 형태로 구현될 수도 있다.
한편, 전자 기기는 수신부에서 복수의 저잡음 증폭기(LNA: Low Noise Amplifier, 410 내지 440)을 포함한다. 여기서, 제1 전력 증폭기(210), 제2 전력 증폭기(220), 제어부(250) 및 복수의 저잡음 증폭기(310 내지 340)는 모두 제1 통신 시스템과 제2 통신 시스템에서 동작 가능하다. 이때, 제1 통신 시스템과 제2 통신 시스템은 각각 4G 통신 시스템과 5G 통신 시스템일 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, RFIC(250)는 4G/5G 일체형으로 구성될 수 있지만, 이에 한정되지 않고 응용에 따라 4G/5G 분리형으로 구성될 수 있다. RFIC(250)가 4G/5G 일체형으로 구성되는 경우, 4G/5G 회로 간 동기화 (synchronization) 측면에서 유리할 뿐만 아니라, 모뎀(400)에 의한 제어 시그널링이 단순화될 수 있다는 장점이 있다.
한편, RFIC(250)가 4G/5G 분리형으로 구성되는 경우, 4G RFIC 및 5G RFIC로 각각 지칭될 수 있다. 특히, 5G 대역이 밀리미터파 대역으로 구성되는 경우와 같이 5G 대역과 4G 대역의 대역 차이가 큰 경우, RFIC(250)가 4G/5G 분리형으로 구성될 수 있다. 이와 같이, RFIC(250)가 4G/5G 분리형으로 구성되는 경우, 4G 대역과 5G 대역 각각에 대하여 RF 특성을 최적화할 수 있다는 장점이 있다.
한편, RFIC(250)가 4G/5G 분리형으로 구성되는 경우에도 4G RFIC 및 5G RFIC가 논리적 및 기능적으로 분리되고 물리적으로는 하나의 chip에 구현되는 것도 가능하다.
한편, 어플리케이션 프로세서(AP, 500)는 전자 기기의 각 구성부의 동작을 제어하도록 구성한다. 구체적으로, 어플리케이션 프로세서(AP, 500)는 모뎀(400)을 통해 전자 기기의 각 구성부의 동작을 제어할 수 있다.
예를 들어, 전자 기기의 저전력 동작(low power operation)을 위해 전력 관리 IC (PMIC: Power Management IC)를 통해 모뎀(400)을 제어할 수 있다. 이에 따라, 모뎀(400)은 RFIC(250)를 통해 송신부 및 수신부의 전력 회로를 저전력 모드에서 동작시킬 수 있다.
이와 관련하여, 어플리케이션 프로세서(AP, 500)는 전자 기기가 대기 모드(idle mode)에 있다고 판단되면, 모뎀(300)을 통해 RFIC(250)를 다음과 같이 제어할 수 있다. 예를 들어, 전자 기기가 대기 모드(idle mode)에 있다면, 제1 및 제2 전력 증폭기(110, 120) 중 적어도 하나가 저전력 모드에서 동작하거나 또는 오프(off)되도록 모뎀(300)을 통해 RFIC(250)를 제어할 수 있다.
다른 실시 예에 따르면, 어플리케이션 프로세서(AP, 500)는 전자 기기가 low battery mode이면, 저전력 통신이 가능한 무선 통신을 제공하도록 모뎀(300)을 제어할 수 있다. 예를 들어, 전자 기기가 4G 기지국, 5G 기지국 및 액세스 포인트 중 복수의 엔티티와 연결된 경우, 어플리케이션 프로세서(AP, 500)는 가장 저전력으로 무선 통신이 가능하도록 모뎀(400)을 제어할 수 있다. 이에 따라, 스루풋을 다소 희생하더라도 어플리케이션 프로세서(AP, 500)는 근거리 통신 모듈(113)만을 이용하여 근거리 통신을 수행하도록 모뎀(400)과 RFIC(250)를 제어할 수 있다.
또 다른 실시 예에 따르면, 전자 기기의 배터리 잔량이 임계치 이상이면, 최적의 무선 인터페이스를 선택하도록 모뎀(300)을 제어할 수 있다. 예를 들어, 어플리케이션 프로세서(AP, 500)는 배터리 잔량과 가용 무선 자원 정보에 따라 4G 기지국 및 5G 기지국 모두를 통해 수신할 수 있도록 모뎀(400)을 제어할 수 있다. 이때, 어플리케이션 프로세서(AP, 500)는 배터리 잔량 정보는 PMIC로부터 수신하고, 가용 무선 자원 정보는 모뎀(400)으로부터 수신할 수 있다. 이에 따라, 배터리 잔량과 가용 무선 자원이 충분하면, 어플리케이션 프로세서(AP, 500)는 4G 기지국 및 5G 기지국 모두를 통해 수신할 수 있도록 모뎀(400)과 RFIC(250)를 제어할 수 있다.
한편, 도 2의 다중 송수신 시스템(multi-transceiving system)은 각각의 무선 시스템(radio System)의 송신부와 수신부를 하나의 송수신부로 통합할 수 있다. 이에 따라, RF 프론트 엔드(Front-end)에서 두 종류의 시스템 신호를 통합하는 회로부분을 제거할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 프론트 엔드 부품을 통합된 송수신부로 제어 가능하므로, 송수신 시스템이 통신 시스템 별로 분리되었을 경우보다 효율적으로 프론트 엔드 부품을 통합할 수 있다.
또한, 통신 시스템 별로 분리되는 경우, 필요에 따라 다른 통신 시스템을 제어하는 것이 불가능하거나, 이로 인한 시스템 지연(system delay)를 가중시키기 때문에 효율적인 자원 할당이 불가능하다. 반면에, 도 2와 같은 다중 송수신 시스템은, 필요에 따라 다른 통신 시스템을 제어하는 것이 가능하고, 이로 인한 시스템 지연을 최소화할 수 있어 효율적인 자원 할당이 가능한 장점이 있다.
한편, 제1 전력 증폭기(210)와 제2 전력 증폭기(220)는 제1 및 제2 통신 시스템 중 적어도 하나에서 동작할 수 있다. 이와 관련하여, 5G 통신 시스템이 4G 대역 또는 Sub6 대역에서 동작하는 경우, 제1 및 제2 전력 증폭기(220)는 제1 및 제2 통신 시스템에서 모두 동작 가능하다.
반면에, 5G 통신 시스템이 밀리미터파(mmWave) 대역에서 동작하는 경우, 제1 및 제2 전력 증폭기(210, 220)는 어느 하나는 4G 대역에서 동작하고, 다른 하나는 밀리미터파 대역에서 동작할 수 있다.
한편, 송수신부와 수신부를 통합하여, 송수신 겸용 안테나를 이용하여 하나의 안테나로 2개의 서로 다른 무선 통신 시스템을 구현할 수 있다. 이때, 도 2와 같이 4개의 안테나를 이용하여 4x4 MIMO 구현이 가능하다. 이때, 하향링크(DL)를 통해 4x4 DL MIMO가 수행될 수 있다.
한편, 5G 대역이 Sub6 대역이면, 제1 내지 제4 안테나(ANT1 내지 ANT4)는 4G 대역과 5G 대역에서 모두 동작하도록 구성될 수 있다. 반면에, 5G 대역이 밀리미터파(mmWave) 대역이면, 제1 내지 제4 안테나(ANT1 내지 ANT4)는 4G 대역과 5G 대역 중 어느 하나의 대역에서 동작하도록 구성될 수 있다. 이때, 5G 대역이 밀리미터파(mmWave) 대역이면, 별도의 복수 안테나 각각이 밀리미터파 대역에서 배열 안테나로 구성될 수 있다.
한편, 4개의 안테나 중 제1 전력 증폭기(210)와 제2 전력 증폭기(220)에 연결된 2개의 안테나를 이용하여 2x2 MIMO 구현이 가능하다. 이때, 상향링크(UL)를 통해 2x2 UL MIMO (2 Tx)가 수행될 수 있다. 또는, 2x2 UL MIMO에 한정되는 것은 아니고, 1 Tx 또는 4 Tx로 구현 가능하다. 이때, 5G 통신 시스템이 1 Tx로 구현되는 경우, 제1 및 제2 전력 증폭기(210, 220) 중 어느 하나만 5G 대역에서 동작하면 된다. 한편, 5G 통신 시스템이 4Tx로 구현되는 경우, 5G 대역에서 동작하는 추가적인 전력 증폭기가 더 구비될 수 있다. 또는, 하나 또는 두 개의 송신 경로 각각에서 송신 신호를 분기하고, 분기된 송신 신호를 복수의 안테나에 연결할 수 있다.
한편, RFIC(250)에 해당하는 RFIC 내부에 스위치 형태의 분배기(Splitter) 또는 전력 분배기(power divider)가 내장되어 있어, 별도의 부품이 외부에 배치될 필요가 없고 이로 인해 부품 실장성을 개선시킬 수 있다. 구체적으로, 제어부(250)에 해당하는 RFIC 내부에 SPDT (Single Pole Double Throw) 형태의 스위치를 사용하여 2개의 서로 다른 통신 시스템의 송신부(TX) 선택이 가능하다.
또한, 본 발명에 따른 복수의 무선 통신 시스템에서 동작 가능한 전자 기기는 위상 제어부(230), 듀플렉서(duplexer, 231), 필터(232) 및 스위치(233)를 더 포함할 수 있다.
mmWave 대역과 같은 주파수 대역에서 전자 기기는 기지국과의 통신을 위한 커버리지 확보를 위해 지향성 빔을 사용할 필요가 있다. 이를 위해, 각각의 안테나(ANT1 내지 ANT4)는 복수의 안테나 소자들로 이루어질 배열 안테나(ANT1 내지 ANT4)로 구현될 필요가 있다. 위상 제어부(230)는 각각의 배열 안테나(ANT1 내지 ANT4)의 각각의 안테나 소자로 인가되는 신호의 위상을 제어하도록 구성 가능하다. 이와 관련하여, 위상 제어부(230)는 각각의 배열 안테나(ANT1 내지 ANT4)의 각각의 안테나 소자로 인가되는 신호의 크기와 위상을 모두 제어 가능하다. 이에 따라, 위상 제어부(230)는 신호의 크기와 위상을 모두 제어하므로 전력 및 위상 제어부(230)로 지칭할 수 있다.
듀플렉서(231)는 송신 대역과 수신 대역의 신호를 상호 분리하도록 구성된다. 이때, 제1 및 제2 전력 증폭기(210, 220)를 통해 송신되는 송신 대역의 신호는 듀플렉서(231)의 제1 출력 포트를 통해 안테나(ANT1, ANT4)에 인가된다. 반면에, 안테나(ANT1, ANT4)를 통해 수신되는 수신 대역의 신호는 듀플렉서(231)의 제2 출력포트를 통해 저잡음 증폭기(310, 340)로 수신된다.
필터(232)는 송신 대역 또는 수신 대역의 신호를 통과(pass)시키고 나머지 대역의 신호는 차단(block)하도록 구성될 수 있다. 이때, 필터(232)는 듀플렉서(231)의 제1 출력 포트에 연결되는 송신 필터와 듀플렉서(231)의 제2 출력포트에 연결되는 수신 필터로 구성될 수 있다. 대안적으로, 필터(232)는 제어 신호에 따라 송신 대역의 신호만을 통과시키거나 또는 수신 대역의 신호만을 통과시키도록 구성될 수 있다.
스위치(233)는 송신 신호 또는 수신 신호 중 어느 하나만을 전달하도록 구성된다. 본 발명의 일 실시 예에서, 스위치(233)는 시분할 다중화(TDD: Time Division Duplex) 방식으로 송신 신호와 수신 신호를 분리하도록 SPDT (Single Pole Double Throw) 형태로 구성될 수 있다. 이때, 송신 신호와 수신 신호는 동일 주파수 대역의 신호이고, 이에 따라 듀플렉서(231)는 서큘레이터(circulator) 형태로 구현될 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시 예에서, 스위치(233)는 주파수 분할 다중화(FDD: Time Division Duplex) 방식에서도 적용 가능하다. 이때, 스위치(233)는 송신 신호와 수신 신호를 각각 연결 또는 차단할 수 있도록 DPDT (Double Pole Double Throw) 형태로 구성될 수 있다. 한편, 듀플렉서(231)에 의해 송신 신호와 수신 신호의 분리가 가능하므로, 스위치(233)가 반드시 필요한 것은 아니다.
한편, 본 발명에 따른 전자 기기는 제어부에 해당하는 모뎀(400)을 더 포함할 수 있다. 이때, RFIC(250)와 모뎀(400)을 각각 제1 제어부 (또는 제1 프로세서)와 제2 제어부(제2 프로세서)로 지칭할 수 있다. 한편, RFIC(250)와 모뎀(400)은 물리적으로 분리된 회로로 구현될 수 있다. 또는, RFIC(250)와 모뎀(400)은 물리적으로 하나의 회로에 논리적 또는 기능적으로 구분될 수 있다.
모뎀(400)은 RFIC(250)를 통해 서로 다른 통신 시스템을 통한 신호의 송신과 수신에 대한 제어 및 신호 처리를 수행할 수 있다. 모뎀(400)은 4G 기지국 및/또는 5G 기지국으로부터 수신된 제어 정보(Control Information)을 통해 획득할 수 있다. 여기서, 제어 정보는 물리 하향링크 제어 채널(PDCCH: Physical Downlink Control Channel)을 통해 수신될 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
모뎀(400)은 특정 시간 및 주파수 자원에서 제1 통신 시스템 및/또는 제2 통신 시스템을 통해 신호를 송신 및/또는 수신하도록 RFIC(250)를 제어할 수 있다. 이에 따라, RFIC(250)는 특정 시간 구간에서 4G 신호 또는 5G 신호를 송신하도록 제1 및 제2 전력 증폭기(210, 220)를 포함한 송신 회로들을 제어할 수 있다. 또한, RFIC(250)는 특정 시간 구간에서 4G 신호 또는 5G 신호를 수신하도록 제1 내지 제4 저잡음 증폭기(310 내지 340)를 포함한 수신 회로들을 제어할 수 있다.
한편, 도 2와 같은 다중 송수신 시스템이 구비된 본 발명에 따른 5G 안테나를 구비하는 전자기기의 구체적인 동작 및 기능에 대해서 이하에서 검토하기로 한다.
본 발명에 따른 5G 통신 시스템에서, 5G 주파수 대역은 Sub6 대역보다 높은 주파수 대역일 수 있다. 예를 들어, 5G 주파수 대역은 밀리미터파 대역일 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니고 응용에 따라 변경 가능하다.
도 3은 본 발명에 따른 전자 기기의 복수의 안테나들이 배치될 수 있는 구성의 예시를 나타낸다. 도 3을 참조하면, 전자 기기(100)의 내부에 복수의 안테나들(1110a 내지 1110d)이 배치될 수 있다. 여기서, 전자 기기(100)의 내부에 배치되는 복수의 안테나들(1110a 내지 1110d)은 다층 기판(multi-layer)상에 배치되는 안테나로 구현될 수 있다.
또한, 전자 기기(100)의 내부에 배치되는 복수의 안테나들(1110a 내지 1110d) 각각이 배열 안테나(array antenna)로 구현될 수 있다. 이와 관련하여, 복수의 배열 안테나들(1110a 내지 1110d)은 밀리미터파 대역(mmWave band)에서 신호를 송신 또는 수신하도록 구성 가능하다.
구체적으로, 전자 기기(100)의 내부에 배치되는 복수의 안테나들(1110a 내지 1110d)은 1차원 배열 안테나(one-dimensional array antenna) 또는 2차원 배열 안테나(one-dimensional array antenna)로 구현 가능하다.
복수의 안테나들(1110a 내지 1110d)이 1차원 배열 안테나로 배열되는 경우, Mx1 배열 안테나로 지칭할 수 있고, 복수의 안테나가 배치된 일 축 방향에서 빔 포밍이 가능하다. 이와 관련하여, 복수의 안테나가 배치된 일 축 방향은 수평 방향(horizontal direction)일 수 있다.
다른 실시예로, 복수의 안테나들(1110a 내지 1110d)이 1차원 배열 안테나로 배열되는 경우, 1xN 배열 안테나로 지칭할 수 있고, 복수의 안테나가 배치된 일 축 방향에서 빔 포밍이 가능하다. 이와 관련하여, 복수의 안테나가 배치된 일 축 방향은 수직 방향(vertical direction)일 수 있다.
또 다른 실시 예로, 복수의 안테나들(1110a 내지 1110d)이 2차원 배열 안테나로 배열되는 경우, MxN 배열 안테나로 지칭할 수 있다. 한편, 복수의 안테나가 배치된 제1 축 방향 및/또는 이에 직교하는 제2 축 방향에서 빔 포밍이 가능하다. 이와 관련하여, 복수의 안테나가 배치된 제1 축 방향은 수평 방향(horizontal direction)이고, 제2 축 방향은 수직 방향(vertical direction)일 수 있다.
도 3을 참조하면, 복수의 안테나들(1110a 내지 1110d)은 MxN 배열 안테나로 구현되어 수평 방향 및/또는 수직 방향에서 모두 빔 포밍(beam-forming)을 수행할 수 있다. 이와 관련하여, 복수의 안테나들(1110a 내지 1110d)은 디스플레이 전면에 배치되거나 또는 전자 기기 내부에 배치될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 복수의 안테나들(1110a 내지 1110d)은 상호 간에 소정 각도 회전된 상태(rotated state)로 배치될 수 있다. 이에 따라, 복수의 안테나들(1110a 내지 1110d) 상호 간에 배치가 용이해지고, 상호 간 간섭 수준을 저감할 수 있다는 장점이 있다. 도 3에서, 복수의 안테나들(1110a 내지 1110d) 상호 간에 실질적으로 90도의 각도로 회전된 상태로 배치되었지만, 이에 한정되는 것은 아니고 응용에 따라 다양하게 변경 가능하다. 일 예로, 복수의 안테나들(1110a 내지 1110d) 상호 간에 실질적으로 90도의 각도로 회전된 상태로 배치될 수 있다.
구체적으로, 복수의 안테나들(1110a 내지 1110d)은 4x2 배열 안테나로 구현될 수 있지만, 안테나 소자의 개수는 이에 한정되는 것은 아니고, 응용에 따라 다양하게 변경 가능하다.
한편, 각각의 배열 안테나 (1110a 내지 1110d)를 통해 독립적으로 빔 포밍(beam-forming)을 수행할 수 있다. 한편, 복수의 배열 안테나 (1110a 내지 1110d) 중 복수의 배열 안테나를 통해 다중 입출력(multi-input multi-output: MIMO) 또는 다이버시티(diversity)를 수행할 수 있다.
또한, 전자 기기(100)의 측면에 복수의 안테나들(1110S1 및 1110S2)이 배치될 수 있다. 여기서, 측면에 배치되는 복수의 안테나들(1110S1 및 1110S2)의 개수는 2개에 한정되는 것은 아니고, 4개, 6개, 8개 등 응용에 따라 확장 가능하다.
한편, 측면에 배치되는 복수의 안테나들(1110S1 및 1110S2) 중 일부는 패치 안테나들이 복수로 배치된 배열 안테나로 구현되어, 밀리미터파 대역에서 동작 가능하다. 대안으로, 측면에 배치되는 복수의 안테나들(1110S1 및 1110S2) 일부는 도전 멤버(conductive member)로 구현되어, 4G 대역 또는 5G Sub6 대역에서 동작 가능하다.
또한, 전자 기기(100)의 배면 또는 배면을 향하여 내부에 안테나들(1150B)이 배치될 수 있다. 여기서, 안테나들(1150B)의 개수는 전술한 복수의 안테나들(1110a 내지 1110d)의 개수와 같이 응용에 따라 2개, 4개, 6개, 8개 등으로 확장 가능하다.
일 예로, 전자 기기(100)의 배면을 향하여 내부에 배치되는 안테나들(1150B)은 다층 기판 구조에서 안테나 소자들이 다층 기판의 배면에 배치될 수 있다. 이에 따라, 다층 기판의 배면에 배치되는 안테나 소자에 의해, 안테나들(1150B)은 전자 기기(100)의 배면을 향하여 신호를 방사할 수 있다. 이와 관련하여, 안테나들(1150B)에 의해 신호가 방사되는 전자 기기(100)의 배면 영역에는 유전체가 배치될 수 있다. 이에 따라, 전자 기기(100)의 외관을 메탈 케이스로 형성하면서, 일부 영역에 유전체가 형성되도록 구성할 수 있다.
이와 관련하여, 전자 기기(100)의 배면을 향하여 내부에 배치되는 안테나들(1150B)은 복수 개의 배열 안테나로 구성될 수 있다. 따라서, 전자 기기(100)의 배면을 향하여 내부에 배치되는 안테나들(1150B)에 의해 전자 기기(100)의 배면을 향하여 신호를 방사할 수 있다.
구체적으로, 복수 개의 배열 안테나들(1150B) 각각은 mmWave 안테나 모듈로 구성될 수 있다. 여기서, mmWave 안테나 모듈은 전자 기기(100)의 배면, 즉 후면에 배치되며, 후면의 배터리/카메라 모듈/스피커 모듈이 배치되는 영역을 제외한 영역에 배치될 수 있다.
한편, 도 2를 참조하면, 전자 기기(100)의 전면에 복수의 안테나들(ANT 1 내지 ANT 4)이 배치될 수 있다. 여기서, 복수의 안테나들(ANT 1 내지 ANT) 각각은 밀리미터파 대역에서 빔 포밍을 수행할 수 있도록 배열 안테나로 구성될 수 있다. 송수신부 회로(250)와 같은 무선 회로의 사용을 위한 단일(single) 안테나 및/또는 위상 배열 안테나로 구성된 복수의 안테나들(ANT 1 내지 ANT) 각각이 전자 기기(100) 상에 장착(mount)될 수 있다.
한편, 도 2 및 도 3을 참조하면, 복수의 안테나들(ANT 1 내지 ANT 4)에 해당하는 복수의 안테나들(1110a 내지 1110d)을 통해, 적어도 하나 이상의 신호를 송신하거나 또는 수신할 수 있다. 이와 관련하여, 복수의 안테나들(1110a 내지 1110d) 각각이 배열 안테나로 구성 가능하다. 전자 기기는 복수의 안테나들(1110a 내지 1110d) 중 어느 하나의 안테나를 통해 기지국과 통신이 가능하다. 또는, 전자 기기는 복수의 안테나들(1110a 내지 1110d) 중 둘 이상의 안테나를 통해 기지국과 다중 입출력(MIMO) 통신이 가능하다.
한편, 본 발명은 전자 기기(100)의 측면에 복수의 안테나들(1110S1 및 1110S2)을 통해, 적어도 하나 이상의 신호를 송신하거나 또는 수신할 수 있다. 도시된 바와 달리, 전자 기기(100)의 전면에 복수의 안테나들(1110S1 내지 1110S4)을 통해, 적어도 하나 이상의 신호를 송신하거나 또는 수신할 수 있다. 이와 관련하여, 복수의 안테나들(1110S1 내지 1110S4) 각각이 배열 안테나로 구성 가능하다. 전자 기기는 복수의 안테나들(1110S1 내지 1110S4) 중 어느 하나의 안테나를 통해 기지국과 통신이 가능하다. 또는, 전자 기기는 복수의 안테나들(1110S1 내지 1110S4) 중 둘 이상의 안테나를 통해 기지국과 다중 입출력(MIMO) 통신이 가능하다.
한편, 본 발명은 전자 기기(100)의 전면 및/또는 측면에 복수의 안테나들(1110a 내지 1110d, 1150B, 1110S1 내지 1110S4)을 통해, 적어도 하나 이상의 신호를 송신하거나 또는 수신할 수 있다. 이와 관련하여, 복수의 안테나들(1110a 내지 1110d, 1150B, 1110S1 내지 1110S4) 각각이 배열 안테나로 구성 가능하다. 전자 기기는 복수의 안테나들(1110a 내지 1110d, 1150B, 1110S1 내지 1110S4) 중 어느 하나의 안테나를 통해 기지국과 통신이 가능하다. 또는, 전자 기기는 복수의 안테나들(1110a 내지 1110d, 1150B, 1110S1 내지 1110S4) 중 둘 이상의 안테나를 통해 기지국과 다중 입출력(MIMO) 통신이 가능하다.
이하에서는, 본 발명에 따른 5G 안테나를 구비하는 전자 기기에 대해 설명하기로 한다. 구체적으로, 밀리미터파 대역에서 동작 가능한 배열 안테나와 이의 성능 향상을 위한 EBG (electronic band gap)구조를 구비하는 전자 기기에 대해 설명하기로 한다.
이와 관련하여, 5G mmWave 배열 안테나에 대한 상용화 시점이 본격적으로 도래하면, 패치 안테나 성능 향상에 대한 연구가 더 활발히 이뤄질 것으로 예상된다. 한편, 기존 안테나에 비해 추가적인 단가 상승 없이 현재의 배열 테나 구조를 이용하여 안테나 이득과 빔포밍을 위한 스캔 각도(Scan angle)성능 향상이 필요하다. 이러한 안테나 이득과 빔포밍을 위한 스캔 각도 성능 향상을 위해 EBG (electronic band gap) 구조를 적용할 수 있다.
한편, 패치 안테나 주변에 일정 주기로 배치되는 EBG는 동일한 구조의 반복시킴에 따라 성능 향상의 한계가 있다. 또한, 이러한 EBG 구조는 안테나 전체 사이즈를 증가시키는 문제가 있다. 구체적으로, 패치 안테나 주변에 일정 주기로 배치되는 EBG 구조는 다음과 같은 점에서 안테나 성능 향상에 제약이 발생할 수 있다.
1) 동일한 주기구조와 형태를 갖는 EBG 구조와 관련하여, 패치 안테나의 E-field는 안테나 상부/하부에서 발생하는 필드와 좌측/우측에서 발생하는 필드가 다르다. 따라서, 패치 안테나의 상부/하부와 좌측/우측에 동일한 구조의 EBG를 사용하면, EBG의 성능을 최대한 발휘하지 못하게 된다.
2) 따라서, 이러한 EBG 구조를 적용하면, 복수의 안테나 소자를 배열한 경우에도 최대 이득이 약 12 dBi 정도의 값만을 갖는다. 반면에, 이하에서 설명할 본 발명에 따른 서로 다른 구조를 갖는 하이브리드 EBG 구조는 최대 이득이 약 14.5dB로 개선될 수 있다는 장점이 있다.
3) 5G mmWave에서 핵심성능인 스캔 각도(Scan angle)와 관련하여, 동일한 주기구조와 형태를 갖는 EBG 구조에서는 안테나 소자 상호 간의 간섭에 의해 방사패턴의 비대칭이 발생할 수 있다. 또한, 안테나 소자 상호 간의 간섭에 의해 방사패턴의 부엽(sidelobe)가 증가할 수 있다. 이에 따라, 동일한 주기구조와 형태를 갖는 EBG 구조에서 빔 포밍에 따른 스캔 성능이 열화 되고, 이에 따라 스캔 각도(Scan angle)가 제한될 수 있다. 반면에, 이하에서 설명할 본 발명에 따른 서로 다른 구조를 갖는 하이브리드 EBG 구조를 이용하면, 안테나 소자 상호 간의 간섭이 저감될 수 있다. 이에 따라, 패치 안테나의 상부/하부와 좌측/우측에 서로 다른 형태의 EBG 구조를 통해 빔 포밍에 따른 스캔 성능이 향상되고, 이에 따라 스캔 각도(Scan angle)가 증가될 수 있다.
따라서, 본 발명에서는 서로 다른 2가지 구조를 갖는 EBG 구조를 새롭게 설계하여 안테나 전체 사이즈에 변화없이 5G mmWave의 배열 안테나 성능을 향상시키는 EBG 구조와 배치 형태를 제안한다. 또한, 본 발명에서는 또한, EBG 구조의 소형화를 위해 Ground 레이어에 Slot을 형성하는 구조를 제안한다. 이와 같이 Ground 레이어에 Slot을 형성하여, 인덕턴스를 최대화하여 EBG 구조 크기를 소형화 할 수 있다.
한편, 이러한 본 발명의 제안에 따른 본 발명의 목적은 다층 기판에 구현되는 5G 안테나에서 방사 효율을 향상시키고 안테나 소자 상호 간 간섭 수준을 저감하기 위한 구조 설계 방법을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 다른 일 목적은, 5G 안테나가 배치되는 다층 기판에서 별도의 비용 추가 없이 방사 효율을 향상시키고 안테나 소자 상호 간 간섭 수준을 저감하기 위한 구조 설계 방법을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 다른 일 목적은, 안테나 제작을 위한 다층 기판과 다층 기판 공정을 그대로 이용하면서, EBG 구조의 성능 최적화를 통해 안테나 성능을 최대화기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 다른 일 목적은, 5G mmWave에서 가장 중요한 성능인 안테나 이득과 스캔 각도(Scan angle) 성능 향상을 위한 것이다.
이와 관련하여, 도 4a는 일 예시예에 따른 안테나와 주변에 배치되는 EBG 구조의 전면도를 나타낸다. 한편, 도 4b는 일 예시예에 따른 안테나와 주변에 배치되는 EBG 구조가 다층 기판에 구현된 측면도를 나타낸다.
한편, 도 4a와 달리 패치 안테나 주변에 동일한 형태의 EBG 구조가 형성되어, 동일한 형태의 EBG 구조가 패치 안테나를 둘러싸는 경우 안테나 방사 성능이 저하될 수 있다. 이와 관련하여, 패치안테나에 의해 형성된 E-field 분포도는 EBG에 의해 표면파가 억제되어, 자유공간으로 신호를 방사하도록 하여야 한다. 하지만, 동일한 구조의 EBG의 경우, E-field에 직교하는 방향으로 커패시턴스가 불필요하게 발생하게 된다. 이러한 커패시턴스 성분을 갖는 EBG에 의해 일부 E-field가 안테나 내부로 캡쳐(Capture)되어 방사 에너지를 커패시턴스로 전환하여 저장(Store)하게 된다. 이와 같이 이러한 커패시턴스 성분을 갖는 EBG에 의해 안테나의 방사성능을 저하시키게 된다.
반면에, 도 4a를 참조하면, 안테나의 E-field 방향과 동일한 방향으로 형성된 제1 EBG 엘리먼트(EBG1)의 커패시턴스는 인덕턴스와 함께 공진하여 고 임피던스(High Impedance)를 형성하게 된다. 이에 따라, 안테나의 E-field 방향과 동일한 방향으로 형성된 제1 EBG 엘리먼트(EBG1)에 따라 안테나의 E-field는 자유 공간으로 더 방사하게 된다는 장점이 있다. 특히, 제1 EBG 엘리먼트(EBG1)에 대응하는 그라운드 영역에 형성된 복수의 슬롯에 의해 안테나의 E-field는 자유 공간으로 더 방사하게 된다는 장점이 있다.
또한, 제2 EBG 엘리먼트(EBG2)는 복수 개의 메탈 스트립이 인접하게 배치됨에 따라, 복수 개의 메탈 스트립 간에 커패시턴스 성분이 안테나의 E-field 방향과 동일한 방향으로 형성된다. 이에 따라, 안테나의 E-field 방향과 동일한 방향으로 형성된 제2 EBG 엘리먼트(EBG1)에 따라 안테나의 E-field는 자유 공간으로 더 방사하게 된다는 장점이 있다. 특히, 제2 EBG 엘리먼트(EBG2)에 해당하는 복수의 메탈 스트립과 메탈 스트립의 중심 부에 위치하는 비아에 의해 안테나의 E-field는 자유 공간으로 더 방사하게 된다는 장점이 있다.
이에 따라, 패치안테나(1101)에 의해 형성된 E-field 분포도를 참조하면, E-field에 직교하는 방향으로 커패시턴스가 발생하지 않도록 상부/하부, 좌측/우측의 EBG 구조를 서로 다르게 설계할 수 있다. 따라서, 안테나 내부로 에너지를 저장하도록 하는 불필요한 Capacitance 성분이 발생하지 않아 안테나 방사 성능을 향상시킬 수 있다.
한편, 도 5는 일 실시 예에 따른 EBG 구조에서 제1 타입의 EBG 구조를 나타낸다. 반면에, 도 6은 일 실시 예에 따른 EBG 구조에서 제2 타입의 EBG 구조를 나타낸다.
한편, 도 7은 도 4a 내지 도 6 에 따른 EBG 구조가 배치된 복수의 안테나 소자들이 배열 안테나와 이를 제어하는 구성을 나타낸다.
도 3 내지 도 7을 참조하면, 전자 기기는 적어도 하나의 배열 안테나(array antenna, 1110a 내지 1100d), 송수신부 회로(transceiver circuit, 1250) 및 기저대역 프로세서(baseband processor, 1400)을 포함한다.
배열 안테나(1110a 내지 1100d)는 전자 기기 내부에 다층 기판(multi-layer)으로 구현되고, 복수의 안테나 소자를 포함하고, 특정 방향으로 빔을 형성하도록 구성된다. 이와 관련하여, 각각의 배열 안테나(1110a 내지 1100d)는 디스플레이의 전면의 서로 다른 영역에 이격되어 배치되고, 다중 입출력(MIMO)을 수행할 수 있다. 이 경우, 각각의 배열 안테나(1110a 내지 1100d)는 상호 간에 격리도 향상 및 최적 배치를 위해 소정 각도, 예컨대 90도만큼 회전된 상태로 배치될 수 있다.
한편, 각각의 배열 안테나(1110a 내지 1100d)는 2차원 영역 상에서 복수의 안테나 소자들을 포함하는 MxN 배열 안테나로 구성될 수 있다. 일 예로, 도 3 및 도 7에 도시된 바와 같이 4x2 배열 안테나로 구성될 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니고, 각각의 배열 안테나(1110a 내지 1100d)는 1차원 영역 상에서 복수의 안테나 소자들을 포함하는 Mx1 배열 안테나 또는 1xN로 구성될 수 있다.
한편, 송수신부 회로(1250)는 배열 안테나(1110a 내지 1100d)의 각각의 안테나 소자에 인가되는 신호를 제어하여, 배열 안테나(1110a 내지 1100d)를 통해 빔 포밍을 수행하도록 구성된다. 일 예로, 송수신부 회로(1250)는 Radio Frequency Integrated Chip (RFIC)(1250)로 구현될 수 있다. 구체적으로, 프로세서인 Radio Frequency Integrated Chip (RFIC)(1250)는 급전선(1104) 하부에서 급전선(1104)과 범핑(bumping) 형태로 연결되어, 밀리미터파 대역의 신호가 RFIC(1250)와 급전선(1104) 간에 전달될 수 있다.
한편, 각각의 배열 안테나(1110a 내지 1100d)를 구성하는 각각의 안테나 소자는 패치 안테나(1101, P1 내지 P8)와 복수의 전자기 밴드 갭(electronic band gap, EBG) 엘리먼트(1103)을 포함할 수 있다. 이와 관련하여, 복수의 EBG 엘리먼트(1103)는 제1 및 제2 EBG (EBG1, EBG2)를 포함할 수 있다.
따라서, 본 발명에서 제안하는 제1 및 제2 EBG (EBG1, EBG2)는 안테나 소자의 상부 및 하부와 좌측과 우측에 배치되는 EBG 구조가 서로 다른 2 종류의 EBG가 사용된다는 차별점이 있다. 또한, EBG 구조의 소형화를 위해 Ground 레이어에 Slot을 형성할 수 있다. 이와 같이 Ground 레이어에 Slot을 형성하여, 인덕턴스를 최대화하여 EBG 구조 크기를 소형화 할 수 있다는 장점이 있다.
한편, 패치 안테나(1101, P1 내지 P8)는 다층 기판의 특정 레이어에 배치되고, 급전선(1104)에서 인가된 신호를 방사하도록 구성된다. 패치 안테나(1101, P1 내지 P8)는 상부 기판의 전면에 배치되고, 급전선(1104)은 하부 기판의 후면에 배치될 수 있다. 급전선(1104)에서의 신호는 그라운드 레이어(Ground layer)의 슬롯(S)을 통해서 패치 안테나(1101, P1 내지 P8)로 슬롯 커플링될 수 있다.
제1 EBG 엘리먼트(EBG1)는 패치 안테나(1101, P1 내지 P8)의 좌측 또는 우측에 패치 안테나(1101, P1 내지 P8)에 평행하게 배치될 수 있다. 반면에, 제2 EBG 엘리먼트(EBG2)는 패치 안테나(1101, P1 내지 P8)의 상측 또는 하측에 패치 안테나(1101, P1 내지 P8)에 평행하게 배치될 수 있다. 이와 관련하여, 제2 EBG 엘리먼트(EBG2)의 배치 형상은 제1 EBG 엘리먼트(EBG1)의 배치 형상과 상이하도록 배치될 수 있다. 또한, 제1 EBG 엘리먼트(EBG1)를 구성하는 메탈 스트립의 폭(W1)과 길이(L1)는 제2 EBG 엘리먼트(EBG2)를 구성하는 메탈 스트립의 폭(W2)과 길이(L2)와 상이하게 설정될 수 있다. 따라서, 제1 EBG 엘리먼트(EBG1)와 제2 EBG 엘리먼트(EBG2)는 배치 영역과 형상이 모두 상이하도록 구성될 수 있다.
한편, 제1 EBG 엘리먼트(EBG1)는 제1 메탈 스트립(strip1)과 제2 메탈 스트립(strip2)을 포함하도록 구성 가능하다. 제1 메탈 스트립(strip1)은 패치 안테나(1101, P1 내지 P8)의 좌측 또는 우측에서 패치 안테나와 소정 간격으로 이격되어 평행하게 배치될 수 있다. 반면에, 제2 메탈 스트립(strip2)은 패치 안테나(1101, P1 내지 P8)의 좌측 또는 우측에서 패치 안테나와 소정 간격으로 이격되어 평행하게 배치될 수 있다.
또한, 제2 EBG 엘리먼트(EBG2)는 제3 메탈 스트립(strip3)과 제4 메탈 스트립(strip4)을 포함하도록 구성 가능하다. 제3 메탈 스트립(strip3)은 패치 안테나(1101, P1 내지 P8)의 상측 또는 하측에서 패치 안테나와 소정 간격으로 이격되어 평행하게 배치될 수 있다. 반면에, 제4 메탈 스트립(strip4)은 패치 안테나(1101, P1 내지 P8)의 상측 또는 하측에서 제3 메탈 스트립(strip3)과 이격되어 평행하게 배치될 수 있다.
이와 관련하여, 제3 메탈 스트립(strip3)에 형성되는 필드와 제4 메탈 스트립(strip4)에 형성되는 필드 간에 상호 작용이 발생하도록 제3 메탈 스트립(strip3)과 제4 메탈 스트립(strip4)는 인접 배치될 수 있다. 일 예로, 패치 안테나(1101, P1 내지 P8)와 제3 메탈 스트립(strip3)과의 간격보다 제3 메탈 스트립(strip3)과 제4 메탈 스트립(strip4)과의 간격이 더 좁게 형성될 수 있다.
한편, 제1 EBG 엘리먼트(EBG1)와 제2 EBG 엘리먼트(EBG2)는 다층 기판의 서로 다른 레이어를 연결하도록 다층 기판 상에 구현될 수 있다. 구체적으로, 제1 EBG 엘리먼트(EBG1)는 패치 안테나가 배치되는 상부 층과 다층 회로 기판의 그라운드 층을 연결하도록 구성된 복수의 비아들(Via1, Via2)을 포함할 수 있다. 또한, 제2 EBG 엘리먼트(EBG2)는 패치 안테나가 배치되는 상부 층과 다층 회로 기판의 그라운드 층을 연결하도록 구성된 복수의 비아들(Via3, Via4)을 포함할 수 있다.
이와 관련하여, 제1 EBG 엘리먼트(EBG1)는 그라운드 레이어에 복수의 슬롯들(S2)을 구비하며, 이에 따라 복수의 비아들(Via1, Via2)은 메탈 스트립의 단부와 연결될 수 있다. 즉, 제1 EBG 엘리먼트(EBG1)에 형성되는 복수의 비아들(Via1, Via2)은 제1 메탈 스트립(strip1) 및 제2 메탈 스트립(strip2)의 단부(end portion) 상에 형성될 수 있다. 반면에, 제2 EBG 엘리먼트(EBG2)의 복수의 비아들(Via3, Via4)은 메탈 스트립의 중심 지점과 연결될 수 있다. 즉, 제2 EBG 엘리먼트(EBG2)에 형성되는 복수의 비아들(Via3, Via4)은 제3 메탈 스트립(strip3) 및 제4 메탈 스트립(strip4)의 중심부(center portion) 상에 형성될 수 있다.
한편, 제1 EBG 엘리먼트(EBG1)의 복수의 비아들 중 그라운드 층에 인접한 레이어에 배치된 적어도 하나의 비아의 직경(D2)은 다른 비아들의 직경(D1)보다 더 크게 형성될 수 있다. 마찬가지로, 제2 EBG 엘리먼트(EBG2)의 복수의 비아들 중 그라운드 층에 인접한 레이어에 배치된 적어도 하나의 비아의 직경(D2)은 다른 비아들의 직경(D1)보다 더 크게 형성될 수 있다.
한편, 제1 EBG 엘리먼트(EBG1) 중 그라운드 층에 가장 인접한 비아의 직경(D3)은 상부의 비아의 직경(D2)보다 더 작게 형성될 수 있다. 이와 관련하여, 메탈 스트립 하부에 형성되고, D1의 직경을 갖는 비아를 제1 타입 비아(Via type1)로 지칭할 수 있다. 반면에, 제1 타입 비아(Via type1) 하부에 배치되고 D1보다 큰 D2의 직경을 갖는 비아를 제2 타입 비아(Via type2)로 지칭할 수 있다.
또한, 제2 타입 비아(Via type2)와 그라운드 층 사이에 형성되고, D3의 직경을 갖는 비아가 더 배치될 수 있다. 이 경우, 비아의 직경 D3은 제2 타입 비아(Via type2)와 그라운드 사이의 필드 불연속성(discontinuity)을 감소시키기 위해 D2보다 작은 값으로 설정될 수 있다. 필드 불연속성을 감소시키면서 설계 복잡도를 감소시키기 위해, 비아의 직경 D3은 제1 타입 비아(Via type1)의 직경 D1과 동일한 값으로 설정될 수 있다.
한편, 제1 EBG 엘리먼트(EBG1) 및 제2 EBG 엘리먼트(EBG2)의 복수의 비아들 중 가장 큰 직경을 갖는 비아의 직경은 제1 EBG 엘리먼트 및 제2 EBG 엘리먼트를 구성하는 각각의 메탈 스트립의 너비보다 작게 형성될 수 있다. 이와 관련하여, 제1 EBG 엘리먼트(EBG1) 및 제2 EBG 엘리먼트(EBG2)에 형성되는 비아는 패치 안테나(1101, P1 내지 P8) 상호 간의 간섭을 저감하면서 안테나 효율을 개선시키기 위한 것이다. 따라서, 제1 EBG 엘리먼트(EBG1) 및 제2 EBG 엘리먼트(EBG2)는 패치 안테나 간 간섭을 발생시키는 필드만을 인접 패치 안테나로 전달되지 못하도록 하여야 한다. 즉, 제1 EBG 엘리먼트(EBG1) 및 제2 EBG 엘리먼트(EBG2)는 패치 안테나가 신호를 잘 방사할 수 있도록 패치 안테나로부터 방사되는 필드를 방해하지 않아야 한다. 이를 위해, 제1 EBG 엘리먼트(EBG1) 및 제2 EBG 엘리먼트(EBG2)의 복수의 비아들 중 가장 큰 직경을 갖는 비아의 직경은 제1 EBG 엘리먼트 및 제2 EBG 엘리먼트를 구성하는 각각의 메탈 스트립의 너비보다 작게 형성될 수 있다.
한편, 제1 EBG 엘리먼트(EBG1)가 배치되는 영역에 대응하는 그라운드 층에는 특정 길이와 너비를 갖고 상호 간에 소정 거리로 이격되어 형성되는 복수의 슬롯들(S2)을 포함할 수 있다. 이와 관련하여, 제1 EBG 엘리먼트(EBG1)는 패치 안테나(1101, P1 내지 P8)에 형성되는 전계(E-field)와 동일한 방향으로 배치된다. 따라서, 패치 안테나(1101, P1 내지 P8)에 형성되는 전계(E-field)와 동일한 방향으로 배치되는 제1 EBG 엘리먼트(EBG1)가 배치되는 영역의 하부의 그라운드 층에는 복수의 슬롯들(S2)이 형성될 수 있다.
이상에서는 본 발명에 따른 제1 및 제2 EBG 엘리먼트(EBG1, EBG2)를 구비하는 5G 안테나에 대해 설명하였다. 이와 관련하여, 1 및 제2 EBG 엘리먼트(EBG1, EBG2)를 구비하는 5G 안테나에서 권리를 받고자 하는 사항을 중심으로 설명하면 다음과 같다.
1) 본 발명은 패치안테나와 서로 다른 2가지 종류의 EBG 구조를 통한 mmWave 안테나 성능 향상에 대한 내용이다
2) 패치안테나는 단층 또는 복수 개의 적층형으로 구성될 수 있다
3) 급전방식은 Coupling을 이용한 간접 급전방식 또는 Via를 이용한 직접 Feeding 방식 등이 있다.
4) 패치안테나를 중심으로 상부/하부, 좌측/우측에 EBG 구조가 배치된다
5) 패치 안테나 상부/하부의 EBG는 서로 동일한 구조이며 대칭(Mirror)될 수도 있다.
6) 패치 안테나 좌측/우측의 EBG는 서로 동일한 구조이며 대칭(Mirror)될 수도 있다.
7) 패치 안테나의 상부/하부와 좌측/우측에 발생하는 E-field의 분포가 서로 다르기 때문에 상부/하부의 EBG와 좌측/우측의 EBG구조는 효과적으로 동작하기 위한 설계가 서로 다르다.
8) EBG의 패치면의 중앙에 Via가 Ground와 연결될 수도 있지만, 커패시턴스를 증가시켜 EBG 전체 구조를 소형화 시키기 위해 끝단에 연결될 수도 있다.
9) EBG Via와 연결된 Ground 면에 Slot이 없을 수도 있지만, 인덕턴스를 증가시켜 EBG 전체 구조를 소형화 시키기 위해 Ground에 한 개 또는 복수개의 Slot이 있을 수 있다.
10) PCB 멀티 레이어에 존재하는 각각의 Via패드의 사이즈는 커패시턴스를 증가시키기 위해 서로 다를 수 있다.
한편, 도 5 및 도 6을 참조하여, 본 발명에 따른 제1 및 제2 EBG 엘리먼트(EBG1, EBG2)와 같은 안테나 성능 향상을 위한 EBG 구조는 권리를 받고자 하는 사항과 관련하여 다음과 같은 구조적 특징을 갖는다.
1) EBG 구조는 상단의 패치면, 하단의 그라운드면, 그리고 상단과 하단을 연결하는 비아(Via)로 구성된다.
2) 비아는 수직으로 연결될 수 있으며, 특정 주파수에서 불요 방사를 감소시키기 위해 지그재그 형태(zig-zag form)으로 상부에서 하부로 연결될 수 있다.
3) PCB 멀티 레이어의 비아와 관련하여, 각 층마다 비아의 전기적 연결을 위해 비아 패드가 배치될 수 있다.
4) 복수의 비아 패드 중 1개 이상의 비아 패드의 사이즈는 커패시턴스 값을 조절하기 위해 그 크기가 서로 다를 수 있다.
한편, 배열 안테나를 구성하는 각각의 안테나 소자(1110, P1 내지 P8)은 슬롯 영역(S) 및 급전선(1104)를 포함하도록 구성된다. 이와 관련하여, 슬롯 영역(S)은 패치 안테나(1101, P1 내지 P8)의 중심부에 대응하는 다층 기판의 그라운드 층(1102)에는 그라운드가 제거되어, 급전선(1104)으로부터의 신호를 전달하도록 구성된다. 또한, 급전선(1104)은 일정 길이와 너비의 메탈 라인으로 형성되고, 슬롯 영역(S)을 통해 신호가 패치 안테나(1101, P1 내지 P8)로 커플링되도록 구성된다.
한편, 본 발명에 따른 제1 EBG 엘리먼트(EBG1)와 제2 EBG 엘리먼트(EBG2)는 패치 안테나(1101, P1 내지 P8)을 둘러싸도록 형성될 수 있다. 이에 따라, 패치 안테나(1101, P1 내지 P8)로부터 유전체를 따라 흐르는 표면파(surface wave)를 감소시켜 안테나 효율 개선과 함께 안테나 간섭 저감이 가능하다. 즉, 패치 안테나(1101, P1 내지 P8)로부터 유전체를 따라 흐르는 표면파(surface wave)를 감소됨에 따라, 패치 안테나(1101, P1 내지 P8)로부터의 신호가 자유 공간(free space)로 방사되는 비율이 증가하게 된다. 이와 같이 유전체를 따라 흐르는 표면파(surface wave)가 감소됨에 따라 안테나 효율 개선과 함께 안테나 간섭 저감이 가능하다는 장점이 있다.
이를 위해, 제1 EBG 엘리먼트(EBG1)는 패치 안테나(1101, P1 내지 P8)의 좌측 및 우측에 모두 형성될 수 있다. 또한, 제2 EBG 엘리먼트(EBG2)는 패치 안테나(1101, P1 내지 P8)의 상측 및 우측에 모두 형성될 수 있다. 한편, 유전체를 따라 흐르는 표면파를 효과적으로 감소시키기 위해, 제1 EBG 엘리먼트(EBG1)와 제2 EBG 엘리먼트(EBG2)는 다층 기판 상에 구현될 수 있다. 이 경우, 패치 안테나(1101, P1 내지 P8)와 급전선(1104)은 다층 기판의 서로 다른 레이어에 배치될 수 있다.
구체적으로, 패치 안테나(1101, P1 내지 P8)로 신호를 공급하는 급전선(1104)은 다층 기판의 그라운드 층(1102)의 하부에 배치될 수 있다. 이 경우, 급전선(1104)을 통해 전달되는 신호는 그라운드 층(1102)에 형성된 슬롯 영역(S)을 통해 패치 안테나(1101, P1 내지 P8)로 커플링될 수 있다.
한편, 도 3 및 도 7을 참조하면, 배열 안테나(1110a 내지 1110d)는 일 축 방향으로 M개의 안테나 소자와 타 축 방향으로 M개보다 적은 N개의 안테나 소자가 배치되는 2차원 배열 안테나(two-dimensional array antenna)로 구성될 수 있다. 도 3 및 도 7에 도시된 바와 같이, 배열 안테나(1110a 내지 1110d)는 일 축 방향으로 4개의 안테나 소자와 타 축 방향으로 2개의 안테나 소자가 배치되는 2차원 배열 안테나인 4x2 안테나로 구성될 수 있다.
하지만, 이에 한정되는 것은 아니고, 배열 안테나는 일 축 방향으로 소정 개수의 안테나 소자가 배치되어 상기 일 축 방향으로 빔 포밍을 수행하도록 1차원 배열 안테나(one-dimensional array antenna)로 구성될 수 있다. 일 예로, 1차원 배열 안테나는 4x1 안테나로 구성될 수 있다.
일 예로, 본 발명에 따른 배열 안테나(1110a 내지 1110d)는 2차원 배열 안테나로 구성되면서 1차원 빔 포밍 할 수 있다. 이 경우, 본 발명에 따른 배열 안테나(1110a 내지 1110d)는 2차원 배열 안테나인 4x2 안테나로 구성되면서, 수평 또는 수직 평면에서 1차원 빔 포밍 할 수 있다.
1차원 배열 안테나에서, 배열 안테나가 배치되는 축 방향으로 제1 메탈 스트립 및 제2 메탈 스트립의 단부(end portion) 상에 형성되는 비아를 구비할 수 있다. 일 예로, 제1 메탈 스트립 및 제2 메탈 스트립은 인접하는 패치 안테나들과 실질적으로 동일 간격으로 배치될 수 있다. 구체적으로, 패치 안테나(P1, P2) 사이에 형성되는 제1 메탈 스트립 및 제2 메탈 스트립은 인접하는 패치 안테나들(P1, P2)과 실질적으로 동일 간격으로 중심 지점에 배치될 수 있다. 이와 관련하여, "실질적으로(substantially)"의 의미와 관련하여, "실질적으로 동일 간격"의 의미는 동일 간격과 동일 간격으로 간주될 수 있는 범위를 포함한다. 구체적으로, 인접하는 패치 안테나 사이에 배치되는 EBG 엘리먼트는 인접하는 각각의 안테나로부터의 거리가 동일하거나 또는 동일하다고 간주할 수 있는 정도의 거리를 포함한다.
이에 따라, 제1 EBG 엘리먼트(EBG1)는 패치 안테나(P1 내지 P8)에 형성되는 전계 방향과 동일한 방향으로 배치되어 패치 안테나(P1 내지 P8) 상호 간의 간섭 수준을 저감하면서 안테나 효율을 개선시킬 수 있다.
한편, 2차원 배열 안테나는 일 축 방향으로 제1 메탈 스트립 및 제2 메탈 스트립의 단부(end portion) 상에 비아를 구비하는 제1 EBG 엘리먼트(EBG1)가 배치될 수 있다. 일 예로, 제1 메탈 스트립 및 제2 메탈 스트립은 인접하는 패치 안테나들과 실질적으로 동일 간격으로 배치될 수 있다. 구체적으로, 패치 안테나(P1, P2) 사이에 형성되는 제1 메탈 스트립 및 제2 메탈 스트립은 인접하는 패치 안테나들(P1, P2)과 실질적으로 동일 간격으로 중심 지점에 배치될 수 있다.
이에 따라, 제1 EBG 엘리먼트(EBG1)는 패치 안테나(P1 내지 P8)에 형성되는 전계 방향과 동일한 방향으로 배치되어 패치 안테나(P1 내지 P8) 상호 간의 간섭 수준을 저감하면서 안테나 효율을 개선시킬 수 있다. 이와 관련하여, 도 8은 일 실시 예에 따른 배열 안테나의 방사 패턴을 나타낸다.
도 8을 참조하면, 제1 및 제2 EBG 엘리먼트(EBG1, EBG2)가 모두 사용된 경우, 4x2 배열 안테나에서 방위각 90도의 각도를 갖는 평면에서의 방사 패턴을 나타낸 것이다. 즉, 4x2 배열 안테나에서 2개의 안테나 소자가 배치된 축 방향에서의 방사 패턴을 나타낸 것이다. 한편, 도 8의 방사 패턴은 28GHz의 주파수 대역에서 동작하는 x2 배열 안테나에서 방위각 90도의 각도를 갖는 평면에서의 방사 패턴을 나타낸 것이다.
제1 및 제2 EBG 엘리먼트(EBG1, EBG2)가 모두 사용된 경우, 4x2 배열 안테나는 약 14.19dB의 이득을 갖고, 약 24.48도의 빔 폭을 갖는다. 특히, 제1 및 제2 EBG 엘리먼트(EBG1, EBG2)와 패치 안테나 간 간격을 최적화하면, 4x2 배열 안테나는 약 14.45dB의 이득을 갖고, 약 24.61도의 빔 폭을 갖는다. 본 발명에 따른 제1 및 제2 EBG 엘리먼트(EBG1, EBG2)가 모두 사용된 배열 안테나는 안테나 효율 개선과 함께 안테나 간 간섭이 저감되어 방사 패턴의 널(null)이 선명하게 형성됨을 알 수 있다.
반면에, 일반적인 EBG 구조, 예컨대 안테나 소자 주변에 일정한 형태의 주기적 EBG 구조가 사용된 경우, 4x2 배열 안테나는 약 12,0dB의 이득을 갖고, 안테나 소자 간 간섭으로 인해 빔 폭도 증가할 수 있다. 또한, 일반적인 EBG 구조가 사용된 배열 안테나는 안테나 효율 감소와 함께 안테나 간 간섭에 의해 방사 패턴이 비대칭 형태가 되거나 방사패턴의 널(null)이 형성되지 않을 수 있다.
한편, 도 3 및 도 7을 참조하면, 2차원 배열 안테나는 타 축 방향으로 제3 메탈 스트립 및 제4 메탈 스트립의 중심부(center portion)에 비아를 구비하는 제2 EBG 엘리먼트(EBG2)가 더 배치될 수 있다. 이와 관련하여 전술한 바와 같이, 배열 안테나가 배치되는 축 방향으로 복수의 비아들이 제1 메탈 스트립 및 제2 메탈 스트립의 단부(end portion) 상에 형성되는 제1 EBG 엘리먼트(EBG1)가 배치될 수 있다. 한편, 제2 EBG 엘리먼트(EBG2)의 제3 메탈 스트립은 패치 안테나에 대해 소정 간격 이격되어 배치되고, 제4 메탈 스트립은 제3 메탈 스트립에 대해 소정 간격보다 더 좁은 간격으로 이격되어 배치될 수 있다.
한편, 기저대역 프로세서(1400)는 송수신부 회로(1250)에 연결되고, 송수신부 회로(1250)를 제어하도록 구성된다. 구체적으로, 기저대역 프로세서(1400)는 전자 기기의 서로 다른 위치에 배치된 복수의 배열 안테나(1100a 내지 1110d)를 통해 빔 포밍 및 다중 입출력(MIMO)을 수행하도록 구성된다. 이와 관련하여, 복수의 배열 안테나(1100a 내지 1110d 또는 ANT1 내지 ANT4)는 전자 기기의 서로 다른 영역에서 서로 다른 배치 형태로 배치되어 MIMO 동작 시 상호 간 간섭 수준을 저감할 수 있다.
이와 관련하여, 도 9는 다른 실시 예에 따른 소정 각도로 회전된 상태의 배열 안테나 및 이와 연결된 회로 구성을 나타낸다. 한편, 도 10은 일 예시에 따른 복수의 서로 다른 배열 안테나 및 이들을 제어하기 위한 송수신부 회로와 기저대역 프로세서를 나타낸다.
도 3, 도 7 및 도 9를 참조하면, 제1 배열 안테나(1110a, ANT1)에 대해 제2 배열 안테나(1110b, ANT2)는 소정 각도로 회전된 상태로 배치될 수 있다. 일 예로, 제1 배열 안테나(1110a, ANT1)에 대해 제2 배열 안테나(1110b, ANT2)는 90도 각도만큼 회전된 상태로 배치될 수 있다.
한편, 도 3 및 도 10을 참조하면, 복수의 배열 안테나는 상호 간에 실질적으로 90도만큼 회전된 상태에서 전자 기기의 서로 다른 위치에 배치되는 제1 배열 안테나(1110a, ANT1) 내지 제4 배열 안테나(1110d, ANT4)를 포함할 수 있다. 이에 따라, 복수의 배열 안테나(1100a 내지 1110d 또는 ANT1 내지 ANT4)는 전자 기기의 서로 다른 영역에서 서로 다른 배치 형태로 배치되어 MIMO 동작 시 상호 간 간섭 수준을 저감할 수 있다. 와 관련하여, "실질적으로(substantially)"의 의미와 관련하여, "실질적으로 90도"의 의미는 90도 각도 또는 90도 각도로 간주될 수 있는 범위를 포함한다. 구체적으로, 서로 다른 배열 안테나(1110a 내지 1110d, 또는 ANT1 내지 ANT4)는 상호 간에 90도 각도 또는 90도 각도로 간주될 수 있는 범위에서 회전된 상태로 서로 다른 영역에 배치될 수 있다.
한편, 기저대역 프로세서(1400)는 제1 배열 안테나(1110a, ANT1)를 통해 수신되는 제1 신호의 품질이 임계치 이하이면, 다른 배열 안테나를 통해 제2 신호를 수신하도록 제어할 수 있다. 이와 관련하여, 기저대역 프로세서(1400)는 제1 배열 안테나(1110a, ANT1)에 대해 실질적으로 90도만큼 회전된 제2 배열 안테나(1110b, ANT2)를 통해 제2 신호를 수신하도록 상기 송수신부 회로를 제어할 수 있다.
한편, 기저대역 프로세서(1400)는 제1 배열 안테나(1110a, ANT1)와 제2 배열 안테나(1110b, ANT2)를 통해 MIMO 동작을 수행할 수 있다. 이와 같은 MIMO 동작 중 제1 신호 또는 제2 신호의 품질이 임계치 이하이면, 다른 배열 안테나를 통해 해당 신호를 수신하도록 제어할 수 있다. 이와 관련하여, 제1 배열 안테나(1110a, ANT1)를 통해 수신되는 제1 신호의 품질이 임계치 이하이면, 다른 배열 안테나를 통해 제1 신호를 수신하도록 제어할 수 있다. 예를 들어, 제3 배열 안테나(1100c, ANT3) 또는 제4 배열 안테나(1100d, ANT4)를 통해 제1 신호를 수신하도록 제어할 수 있다.
반면에, 제2 배열 안테나(1110b ANT2)를 통해 수신되는 제2 신호의 품질이 임계치 이하이면, 다른 배열 안테나를 통해 제2 신호를 수신하도록 제어할 수 있다. 예를 들어, 제3 배열 안테나(1100c, ANT3) 또는 제4 배열 안테나(1100d, ANT4)를 통해 제1 신호를 수신하도록 제어할 수 있다.
한편, 도 10을 참조하면, 각각의 배열 안테나(1110a 내지 1110d 또는 ANT1 내지 ANT4)는 일 축 방향으로 소정 개수의 안테나 소자와 타 축 방향으로 소정 개수의 안테나 소자가 배치되는 2차원 배열 안테나(two-dimensional array antenna)로 구성될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 배열 안테나는 방사 성능을 향상시키기 위한 주기적 격자 구조인 electric band gap (EBG) 구조가 서로 다른 형태, 즉 제1 및 제2 EBG 엘리먼트(EBG1, EBG2)로 적용될 수 있다.
한편, 도 1a 내지 도 10에 따른 본 발명에 따른 패치 내부에 복수의 비아 구조가 배치된 안테나 소자 및 이를 이용한 배열 안테나는 기저대역 프로세서(1400)에 의해 제어 가능하다. 이와 관련하여, 기저대역 프로세서(1400)는 송수신부 회로(1250)에 연결되고, 송수신부 회로(1250)를 제어하여 상기 전자 기기의 서로 다른 위치에 배치된 복수의 배열 안테나(1100a 내지 1100d 또는 ANT1 내지 ANT4)를 통해 빔 포밍 및 다중 입출력(MIMO)을 수행하도록 구성된다.
이와 관련하여, 복수의 배열 안테나(1100a 내지 1100d 또는 ANT1 내지 ANT4)는 전자 기기 내부에 배치되어, 전자 기기의 후면으로 신호를 방사할 수 있다. 대안으로, 복수의 배열 안테나(1100a 내지 1100d 또는 ANT1 내지 ANT4)는 전자 기기 측면에 배치되어, 전자 기기의 측면으로 신호를 방사할 수 있다. 또 다른 대안으로, 복수의 배열 안테나(1100a 내지 1100d 또는 ANT1 내지 ANT4)는 전자 기기 전면에 디스플레이 안테나 형태로 구현되어, 전자 기기의 전면으로 신호를 방사할 수 있다.
한편, 기저대역 프로세서(1400)는 복수의 배열 안테나 중 제1 배열 안테나(ANT1)와 제2 배열 안테나(ANT2)를 통해 서로 다른 방향으로 빔 포밍을 수행할 수 있다. 이 경우, 제1 배열 안테나(ANT1)와 제2 배열 안테나(ANT2)는 상호 소정 각도로 회전된 상태로 배치되어 상호 간 간섭 수준이 저감되어 MIMO 특성이 향상될 수 있다. 이에 따라, 중 제1 배열 안테나(ANT1)와 제2 배열 안테나(ANT2)를 통한 복수의 MIMO 스트림 간 격리도를 개선할 수 있다.
이상에서는 본 발명에 따른 5G 안테나를 구비하는 전자 기기에 대해 설명하였다. 이와 관련하여, 안테나 방사 효율 향상 및 간섭 저감을 위한 EBG 구조를 채택하는 5G 안테나를 구비하는 전자 기기의 기술적 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따르면, 패치 안테나 상부/하부와 좌측/우측에 서로 다른 형태의 EBG 구조를 통해, 패치 안테나에 형성되는 E-field의 방향성에 최적화하게 동작하여, 안테나 이득과 안테나 스캔 각도(Scan angle)를 향상시킬 수 있다.
또한 본 발명에 따르면, 패치 안테나의 주변의 유전체를 표면을 따라 생성되는 표면파(Surface wave)를 저감하여, 자유 공간(free space)으로 방사되는 신호 성분을 증가시켜, 안테나 효율을 향상시킬 수 있다.
또한 본 발명에 따르면, 상이한 형태의 EBG 구조를 통해 안테나 간 간섭이 감소하여, 방사 패턴 향상이 가능하고 이에 따라 Scan angle이 확장될 수 있다.
본 발명의 적용 가능성의 추가적인 범위는 이하의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 그러나 본 발명의 사상 및 범위 내에서 다양한 변경 및 수정은 당업자에게 명확하게 이해될 수 있으므로, 상세한 설명 및 본 발명의 바람직한 실시 예와 같은 특정 실시 예는 단지 예시로 주어진 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 적용 가능성의 추가적인 범위는 이하의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 그러나 본 발명의 사상 및 범위 내에서 다양한 변경 및 수정은 당업자에게 명확하게 이해될 수 있으므로, 상세한 설명 및 본 발명의 바람직한 실시 예와 같은 특정 실시 예는 단지 예시로 주어진 것으로 이해되어야 한다.
전술한 본 발명과 관련하여, EBG 구조를 포함하는 배열 안테나의 설계하는 설계 및 이의 제어는 프로그램이 기록된 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체는, 컴퓨터 시스템에 의하여 판독될 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체의 예로는, HDD(Hard Disk Drive), SSD(Solid State Disk), SDD(Silicon Disk Drive), ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어, 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한, 상기 컴퓨터는 단말기의 제어부(180, 1250, 1400)를 포함할 수도 있다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

Claims (15)

  1. 안테나를 구비하는 전자 기기에 있어서,
    상기 전자 기기 내부에 다층 기판(multi-layer)으로 구현되고, 복수의 안테나 소자를 포함하는 배열 안테나(array antenna); 및
    상기 배열 안테나의 각각의 안테나 소자에 인가되는 신호를 제어하여, 상기 배열 안테나를 통해 빔 포밍을 수행하도록 구성된 송수신부 회로(transceiver circuit)을 포함하고,
    상기 각각의 안테나 소자는,
    상기 다층 기판의 특정 레이어에 배치되고, 급전선에서 인가된 신호를 방사하도록 구성된 패치 안테나;
    상기 패치 안테나의 좌측 또는 우측에 상기 패치 안테나에 평행하게 배치되는 제1 전자기 밴드 갭(electronic band gap, EBG) 엘리먼트; 및
    상기 패치 안테나의 상측 또는 하측에 상기 패치 안테나에 평행하게 배치되는 제2 전자기 밴드 갭(EBG) 엘리먼트를 포함하고,
    상기 제2 EBG 엘리먼트의 배치 형상은 상기 제1 EBG 엘리먼트의 배치 형상과 상이한, 전자 기기.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 EBG 엘리먼트는,
    상기 패치 안테나의 좌측 또는 우측에서 상기 패치 안테나와 소정 간격으로 이격되어 평행하게 배치되는 제1 메탈 스트립; 및
    상기 패치 안테나의 좌측 또는 우측에서 상기 패치 안테나와 상기 소정 간격으로 이격되어 평행하게 배치되는 제2 메탈 스트립을 더 포함하는, 전자 기기.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 제1 EBG 엘리먼트 및 상기 제2 EBG 엘리먼트는,
    상기 패치 안테나가 배치되는 상부 층과 다층 회로 기판의 그라운드 층을 연결하도록 구성된 복수의 비아(via)들을 포함하고,
    상기 복수의 비아들 중 상기 그라운드 층에 인접한 레이어에 배치된 적어도 하나의 비아의 직경은 다른 비아들의 직경보다 더 크게 형성되는, 전자 기기.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 EBG 엘리먼트 및 상기 제2 EBG 엘리먼트의 복수의 비아들 중 가장 큰 직경을 갖는 비아의 직경은 상기 제1 EBG 엘리먼트 및 상기 제2 EBG 엘리먼트를 구성하는 각각의 메탈 스트립의 너비보다 작게 형성되는, 전자 기기.
  5. 제2 항에 있어서,
    상기 제1 EBG 엘리먼트에 형성되는 복수의 비아들은 상기 제1 메탈 스트립 및 상기 제2 메탈 스트립의 단부(end portion) 상에 형성되는, 전자 기기.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 EBG 엘리먼트가 배치되는 영역에 대응하는 상기 그라운드 층에는 특정 길이와 너비를 갖고 상호 간에 소정 거리로 이격되어 형성되는 복수의 슬롯들을 포함하는, 전자 기기.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 EBG 엘리먼트는,
    상기 패치 안테나의 상측 또는 하측에서 상기 패치 안테나와 소정 간격으로 이격되어 평행하게 배치되는 제3 메탈 스트립; 및
    상기 패치 안테나의 상측 또는 하측에서 상기 제3 메탈 스트립과 이격되어 평행하게 배치되는 제4 메탈 스트립을 더 포함하는, 전자 기기.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 제2 EBG 엘리먼트에 형성되는 복수의 비아들은 상기 제3 메탈 스트립 및 상기 제4 메탈 스트립의 중심부(center portion) 상에 형성되는, 전자 기기.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 각각의 안테나 소자는,
    상기 패치 안테나의 중심부에 대응하는 상기 다층 기판의 그라운드 층에는 그라운드가 제거된 슬롯 영역; 및
    일정 길이와 너비의 메탈 라인으로 형성되고, 상기 슬롯 영역을 통해 신호가 상기 패치 안테나로 커플링되도록 구성된 급전선을 더 포함하는, 전자 기기.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 EBG 엘리먼트는 상기 패치 안테나의 좌측 및 우측에 모두 형성되고,
    상기 제2 EBG 엘리먼트는 상기 패치 안테나의 상측 및 우측에 모두 형성되고,
    상기 패치 안테나로 신호를 공급하는 급전선은 상기 다층 기판의 그라운드 층의 하부에 배치되고, 상기 급전선을 통해 전달되는 신호는 상기 그라운드 층에 형성된 슬롯 영역을 통해 상기 패치 안테나로 커플링되는, 전자 기기.
  11. 제1 항에 있어서,
    상기 배열 안테나는,
    일 축 방향으로 소정 개수의 안테나 소자가 배치되어 상기 일 축 방향으로 빔 포밍을 수행하도록 1차원 배열 안테나(one-dimensional array antenna)로 구성되고,
    상기 배열 안테나가 배치되는 축 방향으로 제1 메탈 스트립 및 제2 메탈 스트립의 단부(end portion) 상에 형성되는 비아를 구비하고,
    상기 제1 메탈 스트립 및 제2 메탈 스트립은 인접하는 패치 안테나들과 실질적으로 동일 간격으로 배치되는, 전자 기기.
  12. 제1 항에 있어서,
    상기 배열 안테나는,
    일 축 방향으로 M개의 안테나 소자와 타 축 방향으로 상기 M개보다 적은 N개의 안테나 소자가 배치되는 2차원 배열 안테나(two-dimensional array antenna)로 구성되고,
    상기 일 축 방향으로 제1 메탈 스트립 및 제2 메탈 스트립의 단부(end portion) 상에 비아를 구비하는 제1 EBG 엘리먼트가 배치되고,
    상기 제1 메탈 스트립 및 제2 메탈 스트립은 인접하는 패치 안테나들과 실질적으로 동일 간격으로 배치되는, 전자 기기.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 배열 안테나는,
    상기 타 축 방향으로 제3 메탈 스트립 및 제4 메탈 스트립의 중심부(center portion)에 비아를 구비하는 제2 EBG 엘리먼트가 배치되고,
    상기 제3 메탈 스트립은 상기 패치 안테나에 대해 소정 간격 이격되어 배치되고, 상기 제4 메탈 스트립은 상기 제3 메탈 스트립에 대해 상기 소정 간격보다 더 좁은 간격으로 이격되어 배치되는, 전자 기기.
  14. 제1 항에 있어서,
    상기 송수신부 회로에 연결되고, 상기 송수신부 회로를 제어하여 상기 전자 기기의 서로 다른 위치에 배치된 복수의 배열 안테나를 통해 빔 포밍 및 다중 입출력(MIMO)을 수행하도록 구성된 기저대역 프로세서를 더 포함하는, 전자 기기.
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 복수의 배열 안테나는 상호 간에 실질적으로 90도만큼 회전된 상태에서 전자 기기의 서로 다른 위치에 배치되는 제1 배열 안테나 내지 제4 배열 안테나를 포함하고,
    상기 기저대역 프로세서는,
    상기 제1 배열 안테나를 통해 수신되는 제1 신호의 품질이 임계치 이하이면, 상기 제1 배열 안테나에 대해 실질적으로 90도만큼 회전된 제2 배열 안테나를 통해 제2 신호를 수신하도록 상기 송수신부 회로를 제어하는, 전자 기기.
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