KR100326224B1 - 다수의 주파수 대역에서 동작되도록 적용되는 안테나 - Google Patents

다수의 주파수 대역에서 동작되도록 적용되는 안테나 Download PDF

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Abstract

두가지의 다른 안테나 위치에서 이중-대역(dual-band) 동작을 가능하게 하는 새로운 집어넣을 수 있는 안테나(retractable antenna)가 설명된다. 또한, 새로운 집어넣을 수 있는 안테나는 두가지의 다른 정합 회로의 전기적 또는 기계적 스위칭 사용을 없애도록 본 발명의 다양한 실시예에 따라 다양한 정합 회로 배열에 연결된다.

Description

다수의 주파수 대역에서 동작되도록 적용되는 안테나{AN ANTENNA ADAPTED TO OPERATE IN A PLURALITY OF FREQUENCY BANDS}
본 발명은 안테나에 관한 것으로, 특히 하나 이상의 주파수 대역에서 동작되도록 적용되는 안테나에 관한 것이다.
무선 통신 디바이스 사용의 증가로, 스펙트럼(spectrum)이 부족해졌다. 많은 경우에서, 하나의 특정 대역에 서비스를 제공하는 네트워크 운영자는 고객을 수용하기 위해 분리된 대역에 서비스를 제공하여야 했다. 예를 들면, 소정의 영역내의 서비스는 GSM 시스템에서 900 MHz 주파수 대역에 제공될 수 있고, DCS 시스템에서는 1800 MHz 주파수 대역에, 또는 PCS 시스템과 같은 제3 시스템에서라도 1900 MHz 주파수 대역에 제공될 수 있다. 유사하게, 또 다른 영역내의 서비스는 800 MHz 주파수 대역에서의 AMPS 시스템과 1900 MHz 주파수 대역에서의 PCS 시스템을 포함할 수 있다. 비록 단일 네트워크 운영자가 소정의 영역내에서 두 시스템의 모든 서비스를 제공하지 못하더라도, 무선 통신 디바이스의 사용자는 그들 중 한 시스템에서 서비스를 제공받을 수 없는 경우에 다른 시스템을 살펴보고자 할 것이다. 따라서, 셀룰러(cellular) 무선 전화기와 같은 무선 통신 디바이스는 두 주파수에서 모두 통신될 수 있어야 한다.
또한, 아래 또는 들어간 위치로 집어넣을 수 있는 휩 안테나(whip antenna)를 갖는 디바이스에서는 부싱(bushing)을 통해 안테나로 에너지가 연결됨으로서 휩에 계속 전력이 공급된다. 따라서, 안테나는 아래 위치에서 재정합되어야 한다. 종래 기계 스위치나 핀 다이오드(pin diode)는 상하 위치에 있을 때 안테나와 송수신기 사이에서 정합 회로를 변화시키는데 사용될 수 있다. 그러나, 상하 위치에서 정합 회로를 변화시키기 위해 스위치를 사용하는데는 몇가지 불편한 점이 있다. 회로가 더 복잡해지는 것 외에, 스위치는 전송 및 수신할 때 부가적인 전력 손실을 부가한다. 보다 중요하게는, 기계 스위치는 잘 부서지고, 핀 다이오드 스위치는 정적 방전에 의해 쉽게 부서질 수 있다.
따라서, 상하 위치에 대해 새로운 정합 회로를 갖고 집어넣을 수 있는 안테나를 포함하여, 하나 이상의 주파수에서 동작될 수 있는 안테나가 필요하다.
도 1은 본 발명에 따른 셀룰러(cellular) 무선 전화기와 같은 무선 통신 디바이스의 블록도.
도 2는 도 1의 무선 통신 디바이스에 연결되는 안테나의 부분적 투시도.
도 3은 본 발명에 따른 안테나의 평면도.
도 4는 본 발명에 따른 도 3의 안테나의 단면도.
도 5는 본 발명에 따른 안테나의 또 다른 실시예에 대한 단면도.
도 6은 본 발명에 따른 도 5의 안테나 소자의 평면도.
도 7은 본 발명에 따른 안테나의 또 다른 실시예에 대한 단면도.
도 8은 본 발명에 따른 도 7의 안테나 소자의 평면도.
도 9는 도 5의 안테나의 주파수 응답을 도시하는 그래프.
도 10은 본 발명에 따른 도 1의 정합 회로를 도시하는 회로도.
도 11은 본 발명에 따른 안테나의 또 다른 실시예에 대한 단면도.
도 12는 본 발명에 따른 도 11의 안테나 소자의 평면도.
도 13은 본 발명에 따른 안테나의 또 다른 실시예에 대한 단면도.
도 14는 본 발명에 따른 도 13의 안테나 소자의 평면도.
도 15는 본 발명에 따른 안테나의 또 다른 실시예에 대한 단면도.
도 16은 본 발명에 따른 안테나의 또 다른 실시예에 대한 단면도.
도 17은 본 발명에 따른 안테나의 또 다른 실시예에 대한 단면도.
도 18은 본 발명에 따른 안테나의 또 다른 실시예에 대한 단면도.
도 19는 본 발명에 따른 안테나의 또 다른 실시예에 대한 단면도.
도 20은 본 발명에 따른 안테나를 포함하는 무선 통신 디바이스에 대한 회로 보드의 평면도.
도 21은 본 발명에 따른 안테나를 포함하는 무선 통신 디바이스에 대한 회로 보드의 평면도.
도 22는 본 발명에 따른 안테나를 포함하는 무선 통신 디바이스에 대한 회로 보드의 평면도.
도 23은 본 발명에 따른 안테나를 포함하는 무선 통신 디바이스에 대한 회로 보드의 평면도.
도 24는 본 발명에 따른 안테나를 포함하는 무선 통신 디바이스에 대한 회로 보드의 평면도.
도 25는 본 발명에 따른 안테나를 포함하는 무선 통신 디바이스에 대한 회로 보드의 단면도.
도 26은 본 발명에 따른 안테나를 포함하는 무선 통신 디바이스에 대한 회로 보드의 평면도.
도 27은 본 발명에 따른 안테나를 포함하는 무선 통신 디바이스에 대한 회로보드의 평면도.
도 28은 본 발명에 따른 안테나를 포함하는 무선 통신 디바이스에 대한 회로 보드의 평면도.
도 29는 본 발명에 따른 안테나를 포함하는 무선 통신 디바이스에 대한 회로 보드의 평면도.
도 30은 상단 위치에 있는 본 발명의 집어넣을 수 있는 안테나의 주파수 응답을 도시하는 그래프.
도 31은 하단 위치에 있는 본 발명의 집어넣을 수 있는 안테나의 주파수 응답을 도시하는 그래프.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
101 : 프레임 발생기
103 : 마이크로프로세서
104 : 메모리
105 : RAM
107 : EEPROM
109 : ROM
111 : 패키지
113 : 디스플레이
115 : 키패드(keypad)
116 : 슬리브부
117 : 마이크로폰
119 : 오디오 회로
121 : 스피커(speaker)
123, 124 : 전송기
125 : 합성기
127, 128 : 수신기
130 : 정합 네트워크 및 T/R 스위치
131 : 메세지 수신기 및 저장 디바이스
무선 통신 산업에서의 신속한 발전은 하나 이상의 주파수 대역에서 사용될 수 있는 새로운 안테나 설계를 요구한다. 전형적으로, 이중-대역 안테나는 미국내의 800 MHz AMPS 및 1900 MHz PCS, 또는 유럽내의 900 MHz GSM 및 1800 MHz DCS 대역에서 모두 동작되도록 요구된다. 삼중-대역 안테나는 3개의 대역에서 동작되도록 요구된다.
본 발명은 다중 주파수 대역에서 신호를 수신하도록 적용되는 안테나에 관한 것이다. 특히, 안테나는 바람직하게 단일 급전점(feedpoint)에 연결된, 나선형 코일 안테나(helical coil antenna)와 고정된 휩 안테나(whip antenna)를 포함한다. 단일 정합 회로는 휩 안테나와 나선형 코일 안테나 모두에 정합을 제공하면서, 또한 정적 보안을 제공하도록 적용된다. 한 실시예에 따라, 안테나는 또한 나선형 코일의 피치(pitch)를 감소시키면서, 안테나의 휩 부분 후미부에 디스크를 부착함으로서 크기를 줄일 수 있다. 유전 물질은 바람직하게 휩 부분을 둘러싸고 나선형 코일 안테나에 대한 지지를 제공한다. 안테나가 무선 통신 디바이스에 연결되도록 허용하는 부착 멤버는 고정된 휩 안테나와 나선형 코일 안테나로 장착된 모노폴(monopole)로 동작된다. 마지막으로, 클립(clip)은 고정 휩 안테나와 나선형 코일 안테나의 전기적 길이를 더 줄이도록 급전점을 안테나에 제공하는데 사용될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 안테나는 바람직하게 접혀질 수 있고, 상단에 설치된 나선형 와이어(helical wire)와 함께 직선 휩을 갖는다. 안테나에는 금속 부싱(bushing)을 통해 RF 에너지를 연결시킴으로서 상하 위치에서 모두 전력이 공급된다. 연장된 위치에서는 이중 주파수가 휩의 길이와 휩의 하단에 연결된 정합 회로에 의해 공명된다. 집어넣어진 위치에서는 LC 네트워크와 같은 외부 정합 회로가 휩 상의 어떤 한 점에 바람직하게 연결하여, 휩은 급전 위치에서의 오픈 회로와 동일하다.
상단 위치에서는 정합을 위해 급전점에 LC 네트워크가 필요하다. 집어넣어진 휩 부분이 약 1/4 파장(AMPS/GSM 대역에서) 및 1/2 파장(DCS/PCS 대역에서)이므로, 안테나를 정합시키는 새로운 기술은 급전점에서 휩을 전기적으로 분리시키는 것이다. 이는 두 대역 모두에 대하여 급전점에서 고임피던스 상태로 변형될 휩의 하단부의 어느 지점에 부하 임피던스를 발생시킴으로서 행해진다. 급전점에서의 고임피던스는 하단에 위치한 안테나로부터 휩을 제거하는 것과 동일하다. 요구되는 부하 임피던스, 즉 바람직한 직렬 또는 병렬 LC 회로, 는 AMPS/GSM 대역에서 저임피던스값을 갖고 DCS/PCS 대역에서 고임피던스를 가져야 한다. 그러므로, 하단 위치의 안테나는 자체 공명 이중 대역 안테나와 동일하다. 다양한 안테나 및 안테나상에서 하나 이상의 지점 (휩의 상단부, 휩의 하단부, 또는 휩의 상단부와 하단부 사이의 어느 지점에서의 급전점과 같은)에 위치하는 다양한 정합 회로의 다양한 실시예는 나머지 도면에서 상세히 설명된다.
도 1을 참고로, 본 발명을 포함하는 이중 대역 셀룰러 무선전화기와 같은 무선 통신 디바이스의 블록도가 도시된다. 바람직한 실시예에서는 모토롤라사 (Motorola, Inc.)로부터 이용가능한 CMOS ASIC와 같은 프레임(frame) 발생기 ASIC(101)와, 모토롤라사로부터 또한 이용가능한 68HC11 마이크로프로세서와 같은 마이크로프로세서(103)가 조합되어 셀룰러 시스템에서 동작되기 위해 필요한 통신 프로토콜(protocol)을 발생한다. 마이크로프로세서(103)는 바람직하게 한 패키지(111)로 통합된 RAM(105), EEPROM(107), 및 ROM(109)을 포함하는 메모리(104)를 사용하여, 본 발명에 따라, 프로토콜을 발생하는데 필요한 단계를 실행하고, 디스플레이(113)에 기록하는 것, 키패드(keypad)(115)로부터 정보를 수용하는 것, 주파수 합성기(125)를 제어하는 것, 또는 신호를 증폭시키는데 필요한 단계를 실행하는 것과 같이, 통신 유닛에 대한 다른 기능을 실행한다. ASIC(101)는 오디오 회로(119)에 의해 변환된 소리를 마이크로폰(microphone)(117)에서 스피커(speaker)(121)에 이르기까지 처리한다.
송수신기는 무선 주파수 신호를 처리한다. 특히, 전송기(123) 및 (124)는 주파수 합성기(125)로 만들어진 반송파 주파수를 사용해 안테나(129)를 통해 신호를 전송한다. 통신 디바이스의 안테나(129)에 의해 수신된 정보는 정합 네트워크 및 전송/수신 스위치(130)를 통해 수신기(127) 및 (128)로 들어간다. 바람직한 정합 네트워크 및 전송/수신 스위치(130)는 도 10에서 더 상세히 도시된다. 수신기(127) 및 (128)은 주파수 합성기(125)로부터의 반송파 주파수를 사용해 메시지 프레임을 포함하는 심볼을 복조한다. 전송기 및 수신기는 집합적으로 송수신기라 칭하여진다. 통신 디바이스는 디지털 신호 처리 수단을 포함하는 메시지 수신기 및 저장 디바이스(131)를 선택적으로 포함할 수 있다. 메시지 수신기 및 저장 디바이스는 예를 들면, 디지털 응답기나 호출 수신기가 될 수 있다.
도 2의 부분적인 단면도는 도 1에 도시된 바와 같은 무선 통신 디바이스에 연결된 본 발명에 따른 안테나를 도시한다. 안테나(129)는 슬리브(sleeve)(204)를 갖는 오버몰드(overmold)나 외부 하우징(housing)(202)을 포함한다. 모노폴(205)은 연결부(208)로 연장되는 세선부(threaded portion)(206)를 포함한다. 모노폴의 길이는 일반적으로 수직 분극에 영향을 주어, 더 긴 모노폴은 일반적으로 더 큰 수직 분극을 제공한다. 모노폴은 나머지 도면을 참고로 더 상세히 설명된다.
안테나는 기저부(216)에 연결된 플랙시블 암(flexible arm)(214)의 후미부에 접촉소자(212)를 갖는 클립(clip)(210)에 연결된다. 기저부(216)는 바람직하게 도 1의 회로나 일부 다른 적절한 회로를 갖는 회로 보드에 부착된다. 브래킷(bracket)(210)은 또한 기저부(216)로 연장되는 플랙시블 암(220)에 연결된 제2 접촉부(218)를 더 포함한다. 연결부(208)는 또한 전기적인 접촉을 제공하는 플랙시블 암(214) 및 (220)에 의해 유지된다. 플랙시블 암의 크기 차원은 바람직하게 안테나의 효율성을 최적화하도록 선택된다. 즉, 플랙시블 암의 길이 및 폭은 안테나에 적절한 인덕턴스(inductance) 또는 캐패시턴스(capacitance)를 제공하도록 선택되어, 더 좁은 암은 더 큰 인덕턴스를 제공하고 더 넓은 암은 더 큰 캐패시턴스를 제공한다.
도 2는 또한 도 1에 도시된 무선 통신 디바이스의 하우징(230)을 도시한다. 하우징은 안테나의 수신 세선부(206)에 세선 너트(nut)(234)를 유지시키는 부분적인 단면도로 도시된, 수신 슬리브(232)를 포함한다. 비록 안테나의 급전점이 바람직하게 결합부(205)의 기저부 부근의 접촉소자(212) 및 (214)에 주어지지만, 급전점은 본 발명에 따라 세선 너트(234)에 주어질 수 있다.
도 3을 참고로, 평면도는 무선 통신 디바이스로부터 분리된 안테나(129)를 도시한다. 도 4의 단면도는 안테나에 대한 한 실시예의 단면을 도시한다. 특히, 오버몰드(202)내의 유전 코어(404)는 바람직하게 유전 물질을 포함한다. 예를 들면, 코어는 산타프렌(santaprene) 및 폴리프로필렌(polypropylene)을 포함하는 유전 물질이 될 수 있다. 예를 들어, 유전 코어는 75% 산타프렌과 25% 폴리프로필렌으로 구성되어 2.0의 유전 상수를 갖는 유전 물질을 생성할 수 있다. 유전 코어(402)내에는 실질적으로 직선 와이어(wire)인 휩 안테나(406)를 덮는 유전 슬리브(405)가 있다. 예를 들면, 유전 슬리브(405)는 테플론(Teflon) 물질이 될 수 있다. 유전 코어(402)는 바람직하게 유전 상수 ε1을 갖고, 유전 슬리브는 바람직하게 유전 상수 ε2를 갖는다. 여기서, ε1ε2이다. 유전 슬리브(405)는 더 넓은 대역폭을 제공할 뿐만 아니라, 안테나에 기계적인 강도를 제공한다. ε1ε2인 한, 고체 플라스틱도 사용될 수 있다. 다른 방법으로, 슬리브의 면적은 빈 공간으로 남겨질 수 있으며, 이 때에는 유전 상수 ε = 1을 갖는 공기가 양호한 전기적 특정을 제공한다. 대역폭을 고려하는 것에 의존하여, 슬리브는 또한 나머지 도면의 일부에서 도시되는 바와 같이 제거될 수도 있다.
또한, 나선형의 코일 안테나(408)는 유전 코어(402)의 나선형 형태의 오목한 부분(407)에 형성된다. 비록 나선형 코일 안테나가 유전 코어(402)의 외부 끝부분에 형성되지만, 나선형 안테나는 또한 유전 코어(402)로 완전히 둘러싸여질 수 있다. 휩 안테나와 나선형 코일 안테나는 모두 모노폴(205)에 전기적으로 연결된다. 특히, 휩 안테나의 하단부(410)는 모노폴의 숄더부(shoulder portion)(411)의 오목한 곳에서 모노폴(205)에 연결되는 한편, 나선형 코일 안테나(408)의 하단부(412)도 또한 모노폴의 오목한 곳에 연결된다. 비록 나선형 코일 안테나는 실질적으로 휩 안테나를 둘러싸는 것으로 도시되지만, 나선형 코일 안테나는 휩 안테나에 인접할 수 있다.
도 5를 참고로, 안테나에 대한 단면도의 또 다른 실시예가 도시된다. 특히, 유전 슬리브(405)가 제거되어, 유전 코어(502)가 휩 안테나(406)를 둘러싼다.
도 6을 참고로, 도 6의 투시도는 오버몰드나 유전층 없이 본 발명에 따른 휩 안테나(406)와 나선형 코일 안테나(408)를 도시한다. DCS 대역(1710 - 1880 MHz 주파수)과 PCS 대역(1850 - 1990 MHz 주파수)에서 신호를 전송 및 수신하기 위해, 휩 안테나는 l1의 길이가 모노폴의 숄더로부터 측정하여 약 28.1 (+/- .5) mm가 되도록 선택된다. GSM 대역(880 - 960 MHz 주파수)에서 신호를 전송 및 수신하기 위해서는 휩 안테나는 l2의 길이가 모노폴의 숄더로부터 측정하여 대략 25.4 (+/- .8) mm이고 l3의 구조는 약 7.15 mm에 대략 3.7 회전의 피치 차원 갖도록 선택된다.
도 7 및 도 8을 참고로, 본 발명의 또 다른 실시예는 전체적인 안테나의 길이를 단축시키도록 안테나의 후미부에 디스크(704)를 갖는 더 짧은 휩 부분(702)을 도시한다. 나선형 코일 안테나의 피치 차원도 안테나가 짧아질 수 있도록 줄일 수 있다. 기술된 주파수 대역이나 다른 주파수 대역에 대한 다른 차원이 본 발명에 따라 사용될 수 있다.
도 9를 보면, 그래프는 도 5에 도시된 본 발명 안테나의 주파수에 대한 함수로서 5 dB의 증가분으로 복귀 손실을 도시한다. 도면에 도시된 바와 같이, 안테나는 AMPS, GSM, DCS, PCS, 및 PHS의 주파수 대역을 포함하는 830 - 960 MHz 대역과 1710 - 2000 MHz 대역 사이에서 -10 dB 복귀 손실로 신호를 동작시키게 된다. 나선형 코일과 휩 안테나의 길이를 수정하여, 공명 주파수를 원하는 주파수로 동조할 수 있다.
도 10을 참고하면, 정합 네트워크 및 전송/수신 스위치(130)를 더 상세히 도시하였다. 특히, 정합 네트워크(1002)는 캐패시터(1004)와 인덕터(1006)를 포함한다. GSM, PCS, 및 DCS 대역에 대한 정합 네트워크로 동작하기 위해, 예를 들어, 캐패시터(1004)는 대략 4.7 pf이 될 수 있고, 인덕터(1006)는 대략 8.2 nH가 된다. 정합 네트워크의 또 다른 이점은 인덕터가 정적 보안을 제공하기 위한 DC 경로를 제공한다는 것이다. 마지막으로, 종래 전송/수신 스위치(1008)가 본 발명에 따라 사용될 수 있다.
도 11을 참고로, 본 발명에 따른 안테나(1100)의 또 다른 실시예의 단면도가 도시된다. 특히, 오버몰드(1101)내의 유전 코어(1102)는 바람직하게 유전 물질을 포함한다. 코어와 오버몰드는 도 4에서 설명된 것과 같은 물질을 포함할 수 있다. 유전 코어(1102)내에는 실질적으로 직선 와이어인 휩 부분(1106)이 있다. 또한, 나선형 코일 안테나(1108)는 도체 멤버(1109)에 연결된다. 도체 멤버(1109)는 안테나가 하단 위치에 있을 때 휩 부분(1106)의 상단 부분과 나선 부분이 부싱(bushing)(1110)에 전기적으로 직접 접촉될 수 있게 한다. 나선형 코일과 도체 멤버는 예를 들면, GSM 대역에서 1/4 파장이 될 수 있다. 오버몰드(1101)와 휩부분(1106)에 대해 이동가능한 부싱(1110)은 숄더부(1112), 세선부(1114), 및 슬리브부(116)를 포함하고, 휩의 상단부와 나선형 코일에 대해 급전점으로 동작된다. 따라서, 안테나가 하단 위치에 있을 때, 휩의 상단부와 나선형 코일은 도 5의 안테나와 같은 방식으로 동작된다.
절연부(1118)는 도체 멤버(1109)로부터 휩의 말단부의 접촉부(1120)까지 휩 부분을 덮는다. 접촉부(1120)는 이후 도면을 참고로 상세히 설명될 바와 같이, 바람직하게는 상단 위치의 안테나를 유지시키고 회로 보드상에서 접촉부를 수신하도록 접촉부 주위에 연장된 오목한 부분(1122)을 포함한다. 도 12에는 유전 물질이 없는 도 11의 안테나 소자의 평면도를 도시하였다. 도 6에 대해 앞서 설명된 바와 같이, 나선형 코일의 차원과 유전 물질의 특성은 하단 위치에서 원하는 주파수에 의존해 선택될 수 있다.
도 13을 참고로, 본 발명에 따른 안테나에 대한 또 다른 실시예의 단면도가 도시된다. 그 구조는 실질적으로 도 13의 안테나가 도체 멤버(1109)를 포함하지 않는 것을 제외하면 도 11의 안테나와 같다. 반대로, 나선형 코일(1108)은 휩 부분(1106)에 직접 연결된다. 그러므로, 나선형 코일과 휩의 상단부는 전기용량적으로 부싱(1110)에 연결된다. 나선형 코일(1108)이 휩 부분(1106)에 직접 연결되는 것은 도 14에서 보다 명백히 볼 수 있다.
도 15를 참고로, 본 발명에 따른 안테나에 대한 또 다른 실시예의 단면도가 도시된다. 특히, 나선형 코일은 더 이상 존재하지 않고, 휩 부분은 안테나 소자를 포함한다. 나머지 도면을 참고로 더 상세히 설명될 바와 같이, 안테나는 하단 위치에서 부싱(1110)에 전기용량적으로 연결되고, 상단 위치에서 오목한 부분(1122)이 부싱에 접촉될 때는 부싱에 직접 연결될 수 있다.
도 16 및 도 17을 참고로, 본 발명에 따른 안테나에 대한 또 다른 실시예의 단면도가 도시된다. 도 16 및 도 17은 각각 도 11 및 도 13에 대응하지만, 금속 접촉부(1602) 및 (1702)를 포함한다. 나머지 도면을 참고로 상세히 설명될 바와 같이, 접촉부(1602) 및 (1702)는 안테나가 하단 위치에 있을 때 무선 통신 디바이스의 회로 보드에서 휩 부분(1106)을 정합 회로에 직접 연결시키게 할 수 있다.
도 18을 참고로, 본 발명에 따른 안테나에 대한 또 다른 실시예의 단면도가 도시된다. 도 18의 실시예에 따라, 휩 부분은 나선형 부분에 대해 이동가능하다. 특히, 캡(cap)(1802)이 휩 부분(1106)의 상단부에 연결되고, 오버몰드(1101), 유전 코어(1102), 및 나선형 코일(1108)은 부싱(1110)에 대해 고정되게 유지된다. 휩 부분(1106)과 나선형 코일(1108)은 바람직하게 접촉 멤버(1109)에 직접 연결되어, 부싱(1110)에 대한 직접적인 접촉을 제공한다. 다른 방법으로, 휩 부분(1106)은 도체 멤버(1109)가 제거되는 경우 부싱(1110)에 전기용량적으로 연결될 수 있다. 도 19의 실시예는 나머지 도면을 참고로 더 상세히 설명될 바와 같이, 정합 회로로의 직접적인 접촉을 가능하게 하는 접촉부(1902)를 더 포함한다.
상술된 안테나는 AMPS(824 - 894 MHz) 및 PCS(1850 - 1990 MHz) 또는 GSM(890 - 960 MHz) 및 DCS(1710 - 1880 MHz)와 같은 이중 대역 주파수에서 동작되도록 의도되었고, 바람직하게 하나의 급전점을 갖는다. 그러나, 이는 이중 대역이나 단일 대역 송수신기에서 사용될 수 있다. 대역폭은 좁거나 넓어질 수 있다.똑같은 안테나 소자는 정합 변화와 함께, 또는 정합 변화 없이 하나 이상의 송수신기에서 사용될 수 있다. 도 11 내지 도 19에 도시된 안테나는 도 20 내지 도 29를 참고로 설명되는 다양한 정합 회로 배열을 갖는 다양한 회로 보드 구성에서 사용될 수 있다.
먼저 도 20을 참고로, 본 발명에 따른 안테나를 포함하는 무선 통신 디바이스에 대한 회로 보드(2002)의 평면도가 도시된다. 회로 보드는 접촉부(2004), (2006), 및 (2008)을 갖는다. 상단 접촉부(2004)는 바람직하게 단일 급전점으로 동작되고, 통신 회로(2012)에 연결된 정합 회로(2010)에 연결된다. 안테나가 하단 위치에 있을 때, 대부분의 휩은 전화기 하우징 내부로 접힌다. 휩이 DCS 대역에서 3/4 파장으로 선택되면, 1/4 파장 부분은 급전점 위에 있을 수 있고, 1/2 파장 부분은 대역 아래에 있을 수 있다. 휩이 대략 PCS 대역의 3/4 파장인 AMPS 및 DSC 대역에 대해 설계된 안테나에서는 휩의 1/4 파장 부분이 급전점 위에서 연장될 수 있다. 이러한 휩 부분은 안테나를 부정합시킬 뿐만 아니라 PC 보드에서 회로에 RF 에너지를 방사하므로, 위상 에러와 EM 간섭을 더 일으키게 된다. 따라서, 정합 회로(2010)는 휩의 하단부에서 이러한 휩 부분을 전기적으로 개방시키는데 사용하여, 이러한 휩 부분을 하단 위치의 안테나로부터 동가적으로 분리한다. 접힌 안테나 부분의 길이는 AMPS/GSM에 대해 약 1/4 파장이고 DCS/PCS에 대해 1/2 파장이기 때문에, 바람직하게 LC 네트워크를 포함하는 네트워크(2014)를 정합할 수 있다. 이는 AMPS/GSM 주파수에 대해 단락(또는 저임피던스) 상태를 갖지만, DCS/PCS 주파수에 대해서는 개방(또는 고임피던스) 상태를 갖는다. 제2 정합 회로(2014)는 중간 접촉부(2006)에 연결될 수 있다. 정합 회로는 이미 종래 기술에서 공지되어 있고, 도 10에 도시된 회로와 같은 LC 네트워크를 포함할 수 있다. 캐패시터 및 인덕터의 값은 원하는 주파수, 차원, 안테나 소자의 형상과 구성, 하우징 등을 포함하는 많은 계수에 의존해 선택된다. 제2 정합 회로(2014)는 바람직하게 중간 접촉부(2006)에 연결된다. 휩 부분(1106)을 따라 중간 접촉부(2006)의 위치는 정합 네트워크를 선택할 때 고려한 계수를 포함한 설계 선택에 의해 선택된다. 마지막으로, 접지에 연결된 하단 접촉부(2008)는 오목한 부분(1122)에 직접 연결된다.
도 21은 상단 위치에서의 본 발명의 안테나를 도시한다. 상단 위치에서, 휩에는 금속 부싱을 통해 안테나로 에너지를 연결시킴으로서 전력이 공급된다. 안테나 동작의 두가지 모드는 정합, 안테나 길이, 및 연결 부싱의 선택에 의해 일어난다. 안테나는 AMPS/GSM 대역에서 제1 공명 모드를 갖고 DCS/PCS 대역에서 제2 공명 모드를 갖도록 조정된다. 휩 부분의 길이는 예를 들면, DCS 대역에서의 주파수에 대해 3/4 파장이 될 수 있다. 다른 방법으로, PCS 대역에서는 3/4 파장이고 AMPS 대역에서는 1/3 파장이 될 수 있다. 공명 주파수는 또한 접지 평면, 차폐 캔(shield can), 및 PCB 특성에 의해 영향을 받어, 이중 대역에 걸쳐 약 10 dB 이하의 복귀 손실을 갖기 때문에, 정합 회로는 PC 보드와 차폐 캔의 다양한 크기 및 특성에 섬세하게 동조될 필요가 있다. 도 22의 실시예에서는 중간 접촉부(2006)가 정합 회로 대신 접지에 연결될 수 있다.
도 23을 참고로, 본 발명에 따른 안테나를 포함한 무선 통신 디바이스에 대한 회로 보드의 다른 실시예의 평면도가 도시된다. 도시된 바와 같이, 중간 접촉부(2006)는 접지에 연결되고, 정합 회로(2302)는 하단 접촉부(2008)에 연결된다. 집어넣어진 휩은 전송선같이 동작된다. 휩의 하단부에서의 부하 임피던스는 전송선 공식에 따라 변환된다.
Z = Zc(ZL + jZc tan(I) / (Zc + jZL tan(I).
그러므로, AMPS/GSM에 대한 1/4 파장 전송선은 하단 접촉부(2008)에서의 저임피던스를 상단 접촉부(2004)에서의 고임피던스로 변환시키게 된다. 그러나, DCS/PCS에 대한 1/2 파장 전송선은 여전히 하단 접촉부(2008)에서의 고임피던스를 상단 접촉부(2004)에서의 고임피던스로 변환시키게 된다. 정합 회로(2302)는 부싱에서 급전점의 송수신기에 대해 현존하는 정합에 부가하여, 하단 주파수 대역에서 단락 상태를 제공하고 상단 주파수 대역에서 개방 상태를 제공함으로서 안테나 실행도를 개선시킨다.
AMPS/GSM에서는 저임피던스를 갖고 DCS/PCS에서는 고임피던스를 갖는 네트워크를 생성하는 방법은 많이 있다. 가장 쉬운 두가지 방법은 병렬 공명 회로와 직렬 공명 회로가 있다. 예를 들어, L = 1 nH이고 C = 7 pF인 병렬 회로는 840 MHz에서 6.5 Ohm 임피던스를 만들지만, 1900 MHz에서는 5k Ohm 임피던스를 만든다. L = 22 nH이고 C = 1.5 pF인 직렬 회로는 840 MHz에서 0.03 Ohm 임피던스를 만들지만, 1900 MHz에서는 206 Ohm 임피던스를 만든다. 부하 임피던스와 휩 전송선의 정합으로, 접힌 위치의 안테나는 PCS/DCS 주파수(PCS/DCS에서 공명되는)에서 1/4 파장에 근접하고 AMPS/GSM 주파수(AMPS/GSM 주파수에서 공명되는)에서 단락 다이폴(dipole)에 근접한다.
도 24를 참고로, 본 발명에 따른 안테나를 포함하는 무선 통신 디바이스에 대한 회로 보드의 평면도가 도시된다. 집어넣어진 휩은 완전한 전송선이 아니고, LC 네트워크는 AMPS/GSM에서의 완전한 단락 상태와 DCS/PCS에서의 완전한 개방 상태를 제공할 수 없으므로, 접지에 연결되는 것은 도 24에 도시된 바와 같이 안테나 실행도를 개선시키는데 사용될 수 있다. 연결점은 직접적인 접촉부가 아니다. 정합 회로(2014)에 연결된 원통형 고리(2402)는 안테나에 전기용량적 연결을 가능하게 한다. 고리의 단면은 도 25에 도시된다. 연결 위치 및 양은 원하는 안테나 실행도를 제공하도록 선택된다. 이러한 접지로의 연결은 안테나의 개방/단락 정합을 개선시키고, 그에 의해 접혀질 때 안테나 실행도를 개선시킨다. 다른 방법의 정합은 도 20 및 도 21에 도시되고, 여기서는 정합 회로가 휩의 중간에 연결되지만, 휩의 하단은 접지된다.
도 26 및 도 27을 참고로, 도 18의 안테나를 포함하는 무선 통신 디바이스에 대한 통신 보드의 평면도가 각각 하단 위치 및 상단 위치로 도시된다.
도 28 및 도 29를 참고로, 본 발명에 따른 안테나와 새로운 금속 튜브 또는 스트로(straw)를 포함하는 무선 통신 디바이스에 대한 회로 보드의 평면도가 도시된다. 도 28에 도시된 바와 같이, 튜브(2802)는 길이 'l'로 연장되는 금속 부분(2804)을 갖는다. 길이는 필요한 경우 안테나를 적절히 정합시키도록 조정될 수 있다. 금속 튜브는 바람직하게 중간 접촉부(2006)에 연결된 정합 회로를 대신한다. 금속 튜브와 안테나의 휩은 동축 전송선을 형성한다. 전송선의 임피던스는 전송선 이론을 사용해 특징지워지고, 튜브의 금속 부분의 길이 및 지름을 조정하여변화될 수 있다. 특히, 둘러싸인 전송선의 임피던스 특성은 다음과 같다.
여기서, Z0= 특성 임피던스
D = 외부 지름
d = 내부 지름
Er= 상대 유전 상수
튜브로 덮히지 않은 휩의 임피던스는 상술된 식에 포함된다. 튜브의 금속 부분의 길이를 적절하게 선택하면, 안테나 정합에 적합한 임피던스가 제공된다. 다른 방법으로, 정합 회로는 튜브(2802)와 연관되어 사용될 수 있다.
도 30 및 도 31을 참고로, 그래프는 각각 하단 및 상단 위치에 있는 본 발명의 도 11 내지 도 19에 도시된 안테나에 따라 주파수의 함수로서 복귀 손실을 5 dB의 증가분으로 도시한다. 휩 안테나와 나선형 코일의 길이를 수정함으로서 공명 주파수는 원하는 주파수 대역에 동조될 수 있다.
상기의 설명과 도면에서 본 발명이 설명되고 도시되었지만, 이 설명은 단지 실시예를 통한 것이고, 본 발명의 진정한 의도 및 범위에서 벗어나지 않고 다양한 변화 및 수정이 이루어질 수 있는 것으로 종래 기술에 숙련된 자에 의해 이해된다. 도 20 내지 도 29의 다양한 실시예는 접촉부(2004), (2006), 및 (2008)이 직접적인 연결이나 전기용량적인 연결인 것으로 도시되지만, 직접 연결 접촉부와 전기용량적연결 접촉부는 자유롭게 상호교환될 수 있다. 유사하게, 도 11 내지 도 19의 안테나는 접촉부(2004), (2006), 또는 (2008)에 대한 직접 또는 전기용량적 연결로 수정되는 것과 같이, 도 20 내지 도 29의 회로 보드의 구성에 사용될 수 있다. 본 발명은 휴대용 셀룰러 무선전화기에서 특정한 응용을 발견하였지만, 본 발명은 호출기, 전자 조직물, 또는 컴퓨터를 포함하는 무선 통신 디바이스에 적용될 수 있다. 출원인의 발명은 다음의 청구항에 의해서만 제한되어야 한다.

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  11. 적어도 두 주파수 대역에서 동작하도록 적용되고(adapted) 단일 급전점을 통하여 송수신기에 연결된 집어넣을 수 있는(retractable) 안테나에 있어서:
    휩(whip) 부분;
    상기 휩 부분에 연결되는 제1 접촉부;
    상기 제1 접촉부에 연결되고, 상기 휩 부분이 돌출된 위치에 있는 때와 상기 휩 부분이 집어넣어진 위치에 있는 때에 상기 휩 부분의 임피던스를 상기 송수신기에 정합하기 위한 제1 정합 회로;
    상기 휩 부분의 집어넣어지는 부분에 연결되는 제2 접촉부 - 상기 휩 부분 중에서 상기 제1 접촉부와 상기 제2 접촉부 사이의 상기 휩 부분이 돌출됨 -; 및
    상기 제2 접촉부에 연결되고, 상기 휩 부분의 상기 집어넣어지는 부분에 제1 주파수 대역에서는 높은 임피던스를 부여하고 제2 주파수 대역에서는 낮은 임피던스를 부여하여 무선 주파수(RF) 에너지가 상기 휩 부분의 상기 집어넣어진 부분에 전달되지(directed) 않도록 하는 제2 정합 회로
    를 포함하는 집어넣을 수 있는 안테나.
  12. 상기 제11항에 있어서, 상기 제1 접촉부는 상기 집어넣을 수 있는 안테나와 상기 제1 정합 회로 사이에서 무선 주파수 에너지를 전송하기 위한 제1 급전점인, 집어넣을 수 있는 안테나.
  13. 상기 제11항에 있어서, 제3 접촉부가 상기 제1 접촉부과 상기 제2 접촉부 사이에서 상기 집어넣을 수 있는 안테나에 연결되는, 집어넣을 수 있는 안테나.
  14. 상기 제13항에 있어서, 상기 제3 접촉부는 또한 접지되는(coupled to ground), 집어넣을 수 있는 안테나.
  15. 상기 제11항에 있어서, 상기 휩 부분을 둘러싸는 나선형 코일(helical coil)을 더 포함하는, 집어넣을 수 있는 안테나.
  16. 상기 제15항에 있어서, 상기 나선형 코일은 상기 휩 부분과 전기적으로 연결된, 집어넣을 수 있는 안테나.
  17. 적어도 두 주파수 대역에서 동작하도록 적용되고(adapted) 단일 급전점을 통하여 송수신기에 연결된, 집어넣을 수 있는(retractable) 안테나에 있어서:
    휩(whip) 부분;
    상기 휩 부분에 연결되는 제1 접촉부 - 상기 제1 접촉부는 상기 휩 부분과 상기 제1 접촉부 사이에서 무선 주파수 에너지를 전송하기 위한 급전점임 -;
    상기 제1 접촉부에 연결되고, 상기 휩 부분의 임피던스를 상기 송수신기에 정합하기 위한 제1 정합 회로;
    상기 휩 부분에 연결되는 제2 접촉부 - 상기 제2 접촉부는 상기 집어넣을 수 있는 안테나의 상기 제2 접촉부에 대한 상대적인 위치에 따라 상기 휩 부분에 선택적으로 연결됨 -; 및
    상기 제2 접촉부에 연결되고, 상기 휩 부분의 선택된 부분에 제1 주파수 대역에서는 높은 임피던스를 부여하고 제2 주파수 대역에서는 낮은 임피던스를 부여하는 제2 정합 회로
    를 포함하는 집어넣을 수 있는 안테나.
  18. 상기 제17항에 있어서, 상기 선택된 부분은 상기 제1 접촉부와 상기 제2 접촉부 사이의 상기 휩 부분의 돌출되는 부분인, 집어넣을 수 있는 안테나.
  19. 상기 제17항에 있어서, 제3 접촉부가 상기 제1 접촉부와 상기 제2 접촉부 사이에서 상기 집어넣을 수 있는 안테나에 연결되는, 집어넣을 수 있는 안테나.
  20. 상기 제19항에 있어서, 상기 제3 접촉부는 또한 접지되는(coupled to ground), 집어넣을 수 있는 안테나.
  21. 상기 제17항에 있어서, 상기 휩 부분을 둘러싸는 나선형 코일(helical coil)을 더 포함하는, 집어넣을 수 있는 안테나.
  22. 상기 제21항에 있어서, 상기 나선형 코일은 상기 휩 부분과 연결되는, 집어넣을 수 있는 안테나.
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