KR100621335B1 - 폴더타입 통신 핸드셋 장치 내에서의 접지효과 감소 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 폴더타입 통신 핸드셋의 안테나에 관한 것이다. 핸드셋은 하나가 다른 하나에 대하여 회전할 수 있도록 선회가능하게 결합되는 제 1 외장(Enclosure) 및 제 2 외장을 포함한다. 안테나는 제 1 외장 내에 있는 인쇄회로기판 내에 형성된 접지판 상부에 배치된다. 제 2 외장 또한 접지판을 포함한다. 안테나의 급전단자 및 접지단자는 제 2 외장 내의 접지판과 급전단자 사이의 필드 커플링을 제한하도록 배치된다. 급전단자 및 접지단자는 각각 절곡형 도체부에 의하여 인쇄회로기판 상의 해당 단자에 연결된다.
안테나, 핸드효과, 폴더, 핸드셋

Description

폴더타입 통신 핸드셋 장치 내에서의 접지효과 감소 장치{Apparatus for Reducing Ground Effects in a Folder-Type Communication Handset Device}
도 1 및 도 2는 본 발명의 원리에 따르는 핸드셋 통신 장치 내에서 사용되기 적합한 안테나의 투시도이고;
도 3은 닫혀진 위치에 있는 핸드셋 장치의 일예를 도시하고;
도 4는 열려진 위치에 있는 핸드셋 장치의 일예를 도시하고;
도 5 및 도 6은 본 발명의 원리에 따라 구성된 안테나를 도시하며,
도 7 내지 도 9는 본 발명의 다른 실시예에 의하여 구성된 안테나를 도시하고;
도 10A 및 도 10B는 본 발명의 원리에 따라 구성된 안테나가 전자파흡수율(Specific Absorption Ratio; SAR)에 미치는 영향을 도시하며;
도 11A 및 도 11B는 본 발명의 원리에 따라 구성된 안테나가 핸드 효과 현상(Hand Effect Phenomenon)에 미치는 영향을 도시한다.
본 출원은 "폴더타입 통신 핸드셋 장치내에서의 접지효과 감소 장치"라는 명칭으로 2003. 07. 11일 출원된 출원번호 제60/486,585호 임시특허출원(Provisional Patent Application)의 우선권을 주장한다.
본 발명은 일반적으로 휴대 통신 장치를 위한 안테나, 더 상세하게는 폴더 타입(Folder-Type) 통신 장치의 방사특성에 영향을 미치는 접지판 효과를 제한하는 안테나에 관한 것이다.
일반적으로 안테나의 성능은 안테나 구성요소의 크기, 형태 분리거리 및 재료성분, 크기와 관련이 있으며, 또한 안테나에 의하여 송수신될 신호의 파장과 안테나의 특정 물리적 파라미터(예컨데, 루프 안테나의 직경 및 선형 안테나의 길이 등) 사이의 관계와 관련이 있는 것으로 알려져 있다. 이러한 파라미터 및 관계는 입력 임피던스, 이득, 지향성(Directivity), 신호 편광, 동작주파수, 대역폭 및 방사패턴을 포함하는 여러 가지 안테나의 작동 변수들을 결정하게 된다. 작동 가능한 안테나는 일반적으로 동작 주파수의 반파장(또는 그의 배수) 단위로 최소 물리적 안테나 크기(또는 전기적 유효 최소 크기)가 결정되어야 한다. 이렇게 함으로써, 저항 손실에 의하여 소실되는 에너지를 효과적으로 제한하고 따라서 전송 에너지를 최대화할 수 있기 때문이다. 접지판 상부의 반파장(1/2파장) 또는 1/4파장 안테나(이들은 반파장 안테나로서 유효하게 작동한다)가 가장 일반적으로 사용된다.
무선 통신 장치와 시스템의 획기적인 성장으로 인하여 물리적으로 더 소형이 고, 덜 눈에 띄면서도 광대역 동작, 광대역 또는 다중 주파수 대역 및/또는 다중 모드(예를 들면, 선택가능한 방사패턴 또는 선택가능한 신호 편광)에서 동작할 수 있는 더 효율적인 안테나에 대한 필요성이 대두되고 있다. 셀룰러폰 핸드셋, 다른 휴대장치와 같은 종래의 소형 통신장비에서는 일반적인 1/4파장 및 반파장 안테나를 위한 충분한 공간을 제공하지 않는다. 따라서, 관심 있는 주파수 대역에서 동작하고 다른 필요한 안테나 동작 특성(입력임피던스, 방사패턴, 신호편광 등)을 제공하면서도 물리적으로도 소형인 안테나에 대한 필요성이 증가되고 있다. 이상적으로는, 이러한 안테나는 핸드셋 케이스 내부에 배치됨으로써 외부 장착 안테나의 경우 발생할 수 있는 손상이나 파손을 피할 수 있다.
반파장 및 1/4파장 다이폴 안테나는 가장 일반적인 외부 장착 핸드셋 안테나이다. 두 안테나 모두 대부분의 에너지가 방위각(Azimuth) 방향으로 균일하게 방사되고 앙각(Elevation) 방향으로는 거의 에너지가 방사되지 않는 전방향성(Omnidirectional) 방사패턴(즉, 잘 알려진 전방향성 도넛 형상)을 나타낸다. 특정 휴대 통신장비에서 관심 있는 주파수 대역은 1710∼1990MHz 및 2110∼2200MHz이다. 반파장 다이폴 안테나는 1900MHz에서 약 3.11인치의 길이, 1710MHz에서는 약 3.45인치의 길이, 2200MHz에서는 약 2.68인치의 길이를 가진다. 전형적인 안테나 이득은 약 2.15dBi이다. 이러한 길이의 안테나는 대부분의 핸드셋 응용제품에는 적절하지 않다.
접지판 위에 배치되는 1/4파장 모노폴 안테나는 반파장 다이폴 안테나로부터 유래를 찾을 수 있다. 안테나의 길이는 1/4파장이지만 접지판 상부에 위치할 때는 반파장 다이폴 안테나로 동작한다. 따라서, 접지판 상부의 1/4파장 모노폴 안테나의 방사패턴은 반파장 다이폴 안테나와 유사하며 전형적인 이득은 약 2dBi이다.
몇 가지 다른 타입의 안테나가 통신 핸드셋 장치내에 장착될 수 있다. 일반적으로, 이러한 안테나들은 작은 외부윤곽을 가짐으로써 핸드셋 패키지의 외장내에 가능한 공간 내에 맞추어질 수 있는 것이 바람직하다. 핸드셋 케이스로부터 돌출되어 있는 안테나는 부러지거나 휘어져 손상되는 경향이 있다.
루프 안테나는 핸드셋내에 장착될 수 있는 안테나 중 하나이다. 일반적인 자유 공간(Free Space; 즉 접지판 상부가 아닌) 루프 안테나(약 1/3파장의 직경을 가지는) 또한 방사축(Radial Axis)을 따르는 도넛 형상의 방사패턴을 보이며, 약 3.1dBi의 이득을 가진다. 1900MHz에서 루프 안테나의 직경은 약 2인치이다. 전형적인 루프 안테나의 입력 임피던스는 50옴(Ohm; Ω)으로서 우수한 정합특성을 제공한다.
평면 방사 및/또는 급전요소를 포함하는 안테나 구조물이 장착 안테나로 사용될 수도 있다. 이러한 안테나 중 하나가 훌라 루프 안테나(Hula Loop Antenna)로서, 전송선 안테나(즉, 접지판 상부의 도전요소)로 알려져 있다. 루프는 반드시 유도성(Inductive)이며, 따라서 안테나는 공진 구조를 형성하도록 접지판과 훌라 루프 도체의 일단부 사이에 연결된 커패시터를 포함하게 된다. 다른 단부는 안테나 급전 단자(Feed Terminal)로 작용한다.
인쇄된 안테나 또는 마이크로스트립 안테나는 인쇄회로기판 제작에 사용되는 패터닝 기술과 에칭 기술을 이용하여 형성된다. 작은 크기와 제작의 용이성 및 상 대적으로 낮은 제작비용 때문에 이러한 안테나들이 일반적으로 사용된다. 통상, 유전체 기판 상에 있는 패터닝된 금속층이 방사 요소로 기능한다. 인쇄 안테나의 한 형태인 패치 안테나는 접지판을 덮는 유전체 기판과, 상부 유전체 면을 덮는 방사 요소를 포함한다. 패치 안테나는 약 3dBi의 이득을 가지며, 방향성 반구형 범위(Directional Hemispherical Coverage)를 제공한다.
다른 타입의 인쇄 또는 마이크로스트립 안테나로는, 유전체 기판의 일면상에 바람직한 형상으로 형성되는 도전체 구성요소(Conductive Element)를 구비하는 나선형 안테나 및 시너우스 안테나(Sinuous Antenna)가 포함된다. 접지판은 대향면상에 배치되어 있다.
핸드셋 장치 내에 장착되기 적합한 다른 안테나로는, "이중 대역 나선형 안테나"라는 명칭으로 2002. 10. 31일자로 출원되어 10/285291호를 출원번호로 부여받은 공동소유 출원에 개시되어 있는 듀얼 루프 안테나 또는 듀얼 나선형 안테나가 있다. 상기 안테나는 다중 주파수 대역 및/또는 광대역폭 동작이 가능하며, 작은 크기와 비교적 저렴한 제작비용에도 불구하고, 비교적 높은 방사효율 및 이득을 나타낸다.
도 1에 도시된 바와 같이, 나선 안테나(8)는 접지판(12) 상부에 있는 방사요소(Radiating Element; 10)를 포함한다. 접지판(12)은 유전체 기판에 의하여 분리되는 상부 및 하부 도전성 재료 표면, 또는 다른 실시예에서는 유전체 기판상에 배치되는 하나의 도전성 재료 판으로 이루어진다. 방사요소(10)는 접지판과의 사이에 있는 유전성 간극(13; 예를 들면 공기 또는 다른 공지의 유전물질을 포함하는)에 의하여 접지판(12)과 이격되어 있되 실질적으로 접지판에 평행하도록 배치된다. 일실시예에서는, 접지판(12)과 방사요소(10) 사이의 거리는 약 5mm이다. 도 1에 의하여 구성된 안테나는 일반적인 핸드셋 통신장치 내에 삽입되기에 적당한 크기를 가지도록 한다.
급전핀(14) 및 접지핀(15) 또한 도 2에 도시되어 있다. 급전핀(14)의 한쪽 단부는 방사요소(10)와 전기적으로 연결되어 있다. 다른쪽 단부는 접지판(12)의 가장자리(20)로 연장되는 급전 자취(Feed Trace; 18)에 전기적으로 연결되어 있다. 전송모드에서 안테나(8)로 신호를 공급하고 수신모드에서 안테나(8)로부터 신호에 응답하기 위하여 연결부(Connector; 도 1에는 미도시)가 급전 자취(18)에 연결되어 있다. 비록, 특징이 도 1에서는 구체적으로 도시되지는 않지만, 알려진 바와 같이, 급전 자취(18)는 접지판(12)의 도전성 면으로부터 절연되어 있다. 급전 자취(18)는 급전 자취(18) 주위의 도전성 재료 영역을 제거하여 급전 자취(18)가 접지판(12)으로부터 절연시키 방식에 의하여 접지판(12)의 도전성 재료로부터 형성된다.
접지핀(15)은 방사 요소(10) 및 접지판(12) 사이에 연결된다. 다른 실시예에서 급전핀(14) 및 접지핀(15)은 속이 비었거나 속이 찬 구리 로드와 같이, 속이 비었거나 단단한 도전성 로드(Rod)로 이루어진다.
도 2에 상세하게 도시되는 바와 같이, 방사부(10)는 유전체 기판(28) 상에 배치되는 서로 연속되게 연결된 두 개의 루프 도전체(이하에서는, 이를 나선부 또는 나선영역이라고 함)(24, 26)로 형성된다. 외부 루프(24)는 주요 방사영역으로서 안테나 공진 주파수 전체에 걸쳐 주요한 영향을 미친다. 내부 루프(26)는 안테나는 주로 안테나 이득 및 대역폭에 영향을 미친다. 그러나, 내부 루프(26)와 외부 루프(24) 사이에는 눈에 띄는 전기적 상호작용이 있는 것으로 알려져 있다. 따라서, 상호 관계가 복잡하기 때문에, 어느 하나 또는 다른 하나가 안테나 파라미터를 결정하는데 주된 책임이 있다고 하는 것은 기술적으로 과도하게 단순화시키는 것이 될 수 있다. 또한, 비록 방사부(10)가 내부 루프(26) 및 외부 루프(24)를 포함하는 것으로 설명되고 있으나, 이러한 두 구성요소 사이에 절대적인 경계는 없다.
본 발명은 통신 신호를 송수신 하도록 동작하는 통신장치로 이루어지며, 통신장치는 제 1 및 제 2 외장(엔클로저; Enclosure) 각각의 가장자리를 따라 제 1 및 제 2 외장을 결합하는 선회가능한 조인트(Pivotable Joint)에 의하여 결합되는 제 1 및 제 2 외장을 포함하고, 제 1 및 제 2 외장은 각각 제 1 및 제 2 표면을 포함하며, 통신장치는 제 1 및 제 2 표면이 인접하여 면하는 관계일 때 닫혀진 상태에 있게 되며, 통신장치는 상기 선회가능한 조인트에 대한 제 1 및 제 2 외장의 피벗에 의하여 제 1 및 제 2 표면이 서로 공간적으로 이격되어 있는 관계일 때 열린 상태에 있게 된다.
통신장치는 제 1 외장내에, 제 1 급전단자와 제 1 접지단자를 구비하는 라디오 주파수 신호 방사요소와, 상기 방사요소와 공간적으로 이격되어 있고 제 2 접지단자를 구비한 접지판을 포함하는 제 1 기판이 구비되어 있으며, 상기 기판은 제 2 급전단자를 추가로 구비하고 있다. 제 1 외장은 제 1 및 제 2 급전단자 사이에 연결되는 제 1 도전성 구성요소와, 제 1 및 제 2 접지단자 사이에 연결되는 제 2 도전성 구성요소를 추가로 포함한다. 제 2 접지판이 제 2 외장 내에 내장되어 있다. 제 1 급전단자 및 제1 접지단자 중 적어도 하나는 방사요소와 제 2 접지판 사이의 커플링을 최소화 할 수 있도록 통신장치가 열려있는 상태일 때 제 2 접지판으로부터 최대한 먼 거리를 가지는 방사요소상의 위치에 배치된다.
전술한 본 발명의 특징 및 본 발명의 기타 다른 특징은 아래와 같이 첨부 도면에서 도시하는 바와 같은 본 발명의 더 상세한 기재에 의하여 명확하게 설명된다. 아래에서 유사한 참조기호는 전체 다른 도면에 걸쳐 동일한 부분을 참조한다. 도면은 본 발명의 원리를 설명하기 위하여 예시적, 강조적으로 사용되었으며 본 발명의 원리를 한정하는 것은 아니다.
본 명세서에 개시된 내용은 본 발명의 일실시예에 불과하다.
도 3은 임베디드 안테나(Embedded Antenna; 52)를 포함하는 소위 폴더타입 통신 핸드셋 장치 (50; 전형적인 셀룰러 전화 핸드셋 스타일)를 도시한다. 일실시예에서 임베디드 안테나(52)는 접지판(58) 및 유전체 기판(60)을 추가로 구비한 인쇄회로기판(56)에 물리적 및 전기적으로 부착되는 방사요소(10)를 추가로 구비하는 나선 안테나(Spiral Antenna; 8)을 포함한다. 일반적으로 접지판(58)은 인쇄회로기판(56)의 일부분 상에 배치되는 도전성 영역을 포함하며, 인쇄회로기판(56)의 다른 영역 상에는 전기적 구성요소(Electronic Component; 61) 및 상호연결용 도전성 자취(Interconnecting Conductive Trace; 미도시)가 배치된다. 급전핀(14; 도 1 및 도 2 참고)은 방사요소(10)와 인쇄회로기판(56) 상의 급전 자취(Feed Trace; 미도시) 사이에서 전기적으로 연결되며, 급전 자취는 하나 또는 그 이상의 전기적 구성요소 및 상호연결용 도전성 자취에 연결될 수 있다. 접지핀(15; 도 1 및 도 2 참고)은 방사요소(10)와 접지판(58) 사이에 연결된다. 급전핀(14) 및 접지핀(15)은 일반적으로 도 3의 구성요소 61로 표시되며, 회로기판(56)에서 방사요소(10)로 연장된다. 도 1의 실시예에서 급전핀(14) 및 접지핀(15)은 옆으로 인접하기 때문에 도 3의 측면도에서는 하나가 가려져 있음을 이해하여야 한다.
전술한 바와 같은 예의 안테나에서와 같이, 방사요소(10)는 접지판과 함께 동작함으로써, 임베디드 안테나(52)로 하여금 핸드셋(50)이 전송 모드에서 동작할 때에는 라디오 주파수 에너지를 방출하고 핸드셋(50)이 수신 모드로 동작할 때에는 라디오 주파수 에너지를 수신할 수 있도록 한다. 여기서 도시된 안테나(52)는 전술한 바와 같은 것과 알려진 다른 것들(예컨데, 인버티드 F 안테나 또는 PIFA 안테나)을 포함하는 핸드셋(50) 내에 내장될 수 있는 다양한 안테나 디자인중 하나를 포함할 수 있다.
핸드셋(50)은 임베디드 안테나(52)와 인쇄회로기판을 둘러싸는 하부 케이스 또는 하부 폴더(62)와, 접지판(65)과 LCD(액정유리표시장치; 66) 및 핸드셋(50)과 함께 동작하는 알려진 다른 구성요소를 구비하는 상부 케이스 또는 상부 폴더(64)를 추가로 포함한다. 상부 폴더(64) 및 하부 폴더(62) 각각에 형성되어 있는 적당한 개구(Opening)를 관통하는 구부러지기 쉬운 케이블(Flexible Cable; 67)에 의하여 접지판 58 및 65가 연결된다. 도시된 바와 같이, 하부 폴더(62)는 표면 62A를 추가로 포함하고, 상부 폴더(64)는 표면 64A를 추가로 포함한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 닫힌 상태 또는 닫힌 위치에서는, 표면 62A은 표면 64A로부터 아주 가까이 서로 이격되어 있으며, 표면 64A와 전체적으로 평행하다. 하부 및 상부 폴더(62, 64)는 회전가능하거나 선회가능한 조인트(68)에 의하여 서로 기계적으로 연결되어 있어서, 상부 폴더(64)가 하부 폴더(62)에 대하여 선회하여 도 4에 도시된 바와 같이 표면 62A가 표면 64A와 공간적으로 이격되어 있는 동작 (또는 열린) 위치로 이동할 수 있다.
임베디드 안테나(52)에 관한 도 4를 계속하여 설명하면, 최대 전류영역(70)은 급전핀(14)이 방사요소(10)와 전도성으로 연결되는 곳과 같이, 전류가 방사요소(10)로 급전되는 위치에 존재한다. 영역 70에서의 큰 전류 흐름으로 인하여, 핸드셋 장치(50)가 도 4와 같은 열린 위치 또는 동작 위치에 있을 때 상부 폴더(64)의 접지판(65)과 방사 요소(10) 사이에 상당한 전기장 커플링(Coupling)이 있게 된다. 필드선 72로 표시되는 이러한 커플링(Coupling)이 임베디드 안테나(52)의 동작 주파수를 디튠(Detune; 조화 주파수가 쉬프트되는 현상)시키고, 다른 동작 안테나 파라미터들에 영향을 미칠 수 있다. 일반적으로, 임베디드 안테나(52)는 접지판(58)과 연동하여 동작하도록 설계된다. 그러나, 도 4와 같이 열린 위치로 되었 을 때 접지판 65 또한 안테나(52)와 연결되어 전술한 디튜닝 효과(Detuning Effect)를 야기한다.
예를 들어, (도 3과 같이) 핸드셋(50)이 닫힌 위치일 때, 안테나(52)는 약 875MHz에서 공진 주파수 피크(Peak)를 나타내는 것으로 증명되었다. 핸드셋(50)이 열린 위치(도 4와 같은)가 되면, 공진 주파수 피크는 약 825MHz로 이동(즉, 안테나가 디튜닝됨)한다. 따라서, 방사요소(10)와 접지판(65) 사이의 커플링이 안테나의 동작 주파수를 약 50MHz만큼 이동시키게 되는 것이다. 이러한 상당한 양의 주파수 이동은 핸드셋(50)의 성능을 심각하게 저하시킬 수 있다.
하부 및 상부 폴더(62, 64)가 닫힌 위치에 있을 때에는, 접지판(58)이 사이에 끼워져 방사요소(10) 상에서 접지판(65)의 효과를 차단하기 때문에, 커플링 효과는 없음을 주지하여야 한다. 물론, 핸드셋(50)은 닫힌 위치에서 동작하도록 설계되는 것은 아니다.
본 발명의 원리에 의하면, 안테나(52)와 접지판 65 사이의 커플링을 감소시키기 위하여 핸드셋(50)이 열린 위치에 있게 되는 때에는, 큰 전류 흐름 영역이 접지판 65로부터 떨어진 곳에 재배치된다. 따라서, 핸드셋(50)이 동작을 위하여 열리는 때, 안테나 성능 특성이 실질적으로 변경되지 않을 것이다. 커플링을 감소시키기 위하여, 핸드셋(50)이 열린 상태에 있을 때 방사요소와 접지판 65 사이의 커플링을 최소화하기 위하여 종래의 방사요소(10) 상의 급전 및 접지단자 중 하나 또는 둘 모두가 재배치된다. 본 발명의 원리에 의한 커플링이 최소화되는 범위(Extent)는 핸드셋(50)의 다양한 구성요소 들의 분리 거리 및 물리적 구조에 따라 달라진 다.
일반적으로 인쇄회로기판(56; 방사요소의 접지 및 급전 단자가 연결되는) 상에서 급전 및 접지단자의 위치를 유지함으로써, 본 발명에 의하여 구성된 안테나가 전술한 바와 같은 주파수 디튜닝 효과(Detuning Effect)를 나타내는 종래 안테나에 대한 핀대핀(Pin-for-Pin) 대체를 구성하도록 하는 것이 바람직한 것으로 판단된다. 또한, 안테나 디튜닝을 야기하는 커플링 효과는 인쇄회로기판(56) 상에 있는 급전 및 접지 단자의 위치에 대한 영향을 실질적으로 받지 않는다.
도 5의 평면도에 도시된 바와 같이, 인쇄회로기판(56)은 급전 단자(80) 및 접지 단자(82)를 포함하며, 이들은 인쇄회로기판(56) 상에서 예시적인 위치에 있는 것으로 도시되어 있다. 본 발명에 의하여 구성된 안테나(78)는, 도 5의 평면도와 도 6의 측면도에 도시되어 있는 바와 같이, 인쇄회로기판(56) 상의 급전 및 접지단자(80, 82) 사이와, 안테나(78)의 방사요소(79) 상에서 급전 및 접지 단자 사이에 연결되는 도체부 84와 86을 포함한다. 도체부(84, 86)는 절곡형 도체부(Meanderline Conductor)로 이루어지는 것이 바람직하다. 절곡형 도체부는 일반적으로 사이에 분리용 유전체 재료를 가지고 접지판 상부에 배치되는 도전성 구조체로 한정되며, 도체부의 전기적 길이(Electrical Length)는 그의 물리적 길이와 동일하지 않을 수 있다. 따라서, 도 5 및 도 6의 실시예에서, 절곡형 도체부 84 및 86은, 도 6의 측면도에 도시된 바와 같이, 인쇄회로기판(56)과 방사요소(79) 사이에 떠 있어서, 아래의 접지판(즉, 접지판 58)과 유전체 재료(즉, 공기 간극 유전체)가 도체부 구조물과 접지판 사이에 있게 된다. 공기 유전체인 때의 유효 전기적 길이와 비교할 때, 공기 이외의 다른 유전체 재료를 사용하는 경우 절곡형 도체부의 유효 전기적 길이(Effective Electrical Length)가 증가한다. 따라서, 공기 이외의 유전체 재료가 사용된 경우 절곡형 도체부 84 및 86 각각의 물리적 길이를 더 짧게 할 수 있으나, 절곡형 도체부 84 및 86은 안테나(78)에서 송수신되는 신호의 파장에 대하여 적절한 전기적 길이를 나타낸다.
절곡형 도체부 84 및 86은 도체부의 물리적 크기가 전기적 크기와 동일하지 않는 소위 저속파 구조(Slow Wave Structure)이다. 일반적으로, 저속파 도체부 또는 구조는 진행파(Traveling Wave)의 위상속도가 자유공간 광속보다 작은 것으로 정의된다. 위상 속도는 파장과 주파수의 곱(Product)이고, 물질의 유전율(Permittivity) 및 투자율(Permeability)을 고려하면
Figure 112006007149001-pat00016
이다. 저속파 구조를 통하여 전파되는 동안 주파수는 변화하지 않으므로 전파가 진공에서의 광속(c)보다 늦게(즉, 위상속도가 더 작도록) 진행한다면 구조(Structure) 내에서의 전파의 파장이 자유공간에서의 파장보다 더 작게 된다. 따라서, 예를 들면, 전파가 광속(c)으로 전파하게 되는 일반적인 반파장 구조보다 반파장 저속파 구조(Structure)가 더 짧게 된다. 저속파 구조는 물리적 길이, 공진 주파수 및 파장 사이의 통상적인 관계를 분리(De-couple)하고, 도체부 내에서 진행하는 전파의 파장이 자유공간 파장보다 감소하게 됨으로써 물리적으로 더 짧은 도체부를 사용할 수 있게 된다.
저속파 구조는 "마이크로파 주파수에서의 주기적 도파 구조"라는 명칭의 논 문(마이크로웨이브 이론 및 기술에 관한 IRE 트랜잭션, 1960년 1월, 페이지 30-61)에서 A. F 하비(A. F. Harvey)에 의하여, 또한 존윌리 및 손스가 1964년 발행한 R. M. 베벤시(R. M. Bevensee)의 저서 "전자기 저속파 시스템"에서 심도 깊게 논의된 바 있다. 이러한 인용문헌 모두는 본 명세서에 인용자료로 통합되도록 취급된다.
유전체 기판을 덮는 전송라인 또는 도전성 표면은 저속파 특성을 나타냄으로써, 아래의 수식과 같이 저속파 구조의 유효 전기적 길이는 실제 물리적 길이보다 커진다.
Figure 112006007149001-pat00017
여기서 le는 유효 전기적 길이, lp는 실제 물리적 길이, εeff는 전송라인 부근에 있는 유전체 재료의 유전상수(εr)이다.
절곡형 도체부84 및 86은 또한 적절한 임피던스 정합 특성을 보이며, 안테나(78)의 원하는 특성을 발생하는데 필요한 전기적 길이를 제공한다. 또한, 일실시예에서 절곡형 도체부 84(인쇄회로기판(56) 상의 급전 단자(80)를 방사요소(79)상의 급전 단자(88)로 연결하는)의 길이는 약 λ/8보다 짧도록 하여야 할 것이며, 여기서 λ는 절곡형 도체부 84에 의하여 전해지는 신호의 파장을 나타낸다. 만일, λ/8보다 긴 경우에는 절곡형 도체부 84가 방사 구조로 작용하여 방사요소(79)와의 큰 에너지 커플링을 야기함으로써 안테니(78)의 효율(이득)을 저하시키는 문제점을 발생할 수 있다.
다른 실시예에서, 절곡형 도체부 84 및 86은, 도 7의 측면도에 도시된 바와 같이, 아래에 놓인 유전체 기판(91)에 의하여 지지된다. 유전체 기판 91을 사용함으로써 물리적으로 짧은 절곡형 도체부 84 및 86을 사용할 수 있게 되고(왜냐하면, 유전체 기판 91의 유전 상수가 공기의 유전 상수보다 크기 때문), 또한 절곡형 도체부 84 및 86의 적절한 물리적 배치를 보장하기 때문에 제작 공정 동안의 반복성(Repeatability)을 진작시킬 수 있다.
또다른 실시예에서, 절곡형 도체부 84 및 86은 방사요소(79)와 인쇄회로기판(56) 사이 영역을 실질적으로 채우게 되는 캐리어 또는 유전체 기판(92)의 하나 이상의 표면 내부 또는 표면 상에 형성된다. 도 8에서는 보는 방향에서 절곡형 도체부 86가 가려져 있기 때문에 절곡형 도체부 84만이 도시되어 있다. 절곡형 도체부 84의 영역 84A 및 84C는 유전체 기판 92의 표면 92A 및 92C 상에 배치된다. 영역 84C는 인쇄회로기판(56)상의 급전 단자(80)에 연결된다. 영역 84B는 유전체 기판 92의 내부에 배치된다. 방사요소(79)는 표면 92B 상에 배치된다. 유전체 기판 92 및 도전성 구성요소는 단일층 및 다층 인쇄회로기판 상에 도전성 패턴을 형성하는데 사용되는 것과 같이, 알려진 마스킹 및 기판 에칭 기술을 이용하여 형성될 수 있다. 또한, 도 8의 실시예는 절곡형 도체부 84, 86와 방사요소(79)의 정확한 배치와 반복 제작을 가능하게 할 수 있다.
도 9에 도시된 또다른 실시예에서는, 유전체 기판 94이 두 개의 도전성 매개물 95A 및 95B를 포함하며, 두 매개물 사이에 절곡형 도체부 84가 있다. 도전성 매개물 95A는 또한 방사요소(79)와 연결되며, 도전성 매개물 95B는 또한 인쇄회로기판(56) 상의 급전 단자(80)에 연결된다.
절곡형 도체부 84, 86에서와 같이 절곡형 구조를 사용하면, 전술한 바와 같이 절곡형 구조의 경우 전기적 크기가 물리적 크기보다 더 크기 때문에, 안테나(78)의 크기를 감소시킬 수 있는 장점이 있다.
도 5에서의 방사요소(79) 상에서의 급전 단자(88)의 위치(비교적 큰 전류 영역)는 도 4의 실시예보다 접지판 65로부터 더 멀리 있기 때문에(핸드셋 50이 열린 위치에 있을 때), 방사요소(79)와 접지판 65 사이의 커플링은, 특히 도 4의 높은 전류 영역(70)에서 감소하게 된다. 커플링이 감소하면, 접지판 65에 의하여 발생하는 접지판 디튜닝 효과가 감소한다. 일 실시예에서, 주파수 이동(Shift)은 앞에서와 같은 50MHz에서 약10-20MHz로 감소하게 된다. 그러나, 이러한 장점은 방사요소(79) 상의 급전 및 접지단자 88, 90을 인쇄회로기판(56) 상의 급전 및 접지단자 80, 82에 연결하기 위하여 절곡형 도체부를 사용함으로써 전체적인 안테나 크기를 증가시키지 않고서도 달성할 수 있다.
또한, 전술한 바와 같은 다양한 실시예에서와 같은 방식으로 급전 및 접지 단자가 방사 요소(10)에 연결될 때, 전자파흡수율(또는 SAR, 전화기가 사용자 머리 근처의 동작위치에 있을 때 셀룰러 전화기 사용자에게 노출되는 방사량을 재는 척도)이 감소하는 효과도 있는 것으로 확인되었다. 이러한 효과는 도 10A 및 도 10B에 도시(명확히 하기 위하여 상부 폴더 64는 미도시)되어 있는 바, 여기서 안테나의 근접장 전자기 방사의 크기는 화살표 100의 길이로 표시되고, 최대 표면 전류 영역은 도면부호 102 및 103으로 표시된다. 급전 및 접지단자가 도 3 및 도 4에서 도시된 바와 같은 경우, 최대 표면 전류는 영역 102(도면 10A)에서 발생한다. 도 5 에 도시된 바와 같이, 표면 최대 전류 103가 방사요소(10) 상의 급전 및 접지 단자 88, 90에서 발생하는 도 10B에 도시된 근접장 방사 감소를 주목하여야 한다.
핸드 또는 바디효과(Hand or Body Effect)는 핸드헬드(Handheld) 통신 장치의 안테나 설계시 고려하여야 할 현상으로 알려져 있다. 비록, 그러한 장치내에 통합되는 안테나는 특정한 이상적인 성능 특성을 제공하기 위하여 설계되고 구성되지만, 실제로 통신장치가 사용될 때 사용자 손(Hand)이나 신체(Body)가 안테나에 접근하게 됨으로써 모든 성능 특성이 영향을 받으며, 몇몇은 심하게 영향을 받는다. 사람의 손 또는 다른 접지된 물체가 안테나 근처에 위치하게 되면, 접지된 물체와 안테나 사이에 부유 커패시턴스(Stray Capacitance)가 형성된다. 이러한 커패시턴스는 안테나를 심하게 디튜닝(Detune)시켜 안테나 공진 주파수를 (일반적으로 낮은 주파수로) 이동시키며, 그에 따라서 송수신 신호의 강도가 감소될 수 있다. 각각의 사용자가 핸드셋 통신장치를 각기 다르게 취급하고 쥐기 때문에, 이러한 효과를 완전하게 개선한 안테나를 정확하게 예측하여 설계하는 것은 불가능하다.
본 발명에 의하면, 도 5에 도시된 바와 같이 방사요소(79) 상의 급전 및 접지단자 88, 90의 위치에 의하여 핸드 효과(Hand Effect)가 감소한다. 도 11A에 도시된 바와 같이, 동작모드에서 핸드셋(50)을 쥐었을 때, 사용자 손(120)의 손가락(119)이 표면 전류 최대 영역 102 근처에 있게 된다. 본 발명에 의한, 즉 도 5에 도시된 바와 같이 구성된 안테나의 경우에는, 표면 전류 최대는 영역 103에 발생하고 핸드 효과 및 그로 인한 주파수 디튜닝이 감소하게 된다. 도 11B를 참고한다.
이상에서는 안테나가 통신 핸드셋 장치내에서 유용한 것으로 설명되었다. 이상에서는 본 발명이 특정한 응용 및 예시적인 실시예로서 설명되고 도시되었으나, 여기에 개시된 원리는 다양한 방식으로 회로 구조 등을 변경시키는 기본 원리를 제공한다. 본 발명의 범위 내에서 수많은 변형이 가능할 것이다. 설명된 실시예의 하나 또는 그 이상과 관련된 특징 및 구성요소는 모든 실시예에서 요구되는 것으로 구성되지는 않는다. 본 발명은 아래의 청구범위에 의해서만 한정된다.
본 발명의 실시예에서와 같은 방식으로 급전 및 접지 단자가 방사 요소에 연결하면, 사용자에게 노출되는 전자파흡수율을 감소시킬 수 있다. 또한, 도 5에 도시된 바와 같이 구성된 안테나의 경우에는, 표면 전류 최대 영역이 영역 103에서 발생하고 핸드 효과 및 그로 인한 주파수 디튜닝이 감소하게 된다.
한편, 급전 및 접지단자를 방사요소에 연결하기 위하여 절곡형 도체부를 사용함으로써 전체적인 안테나 크기를 증가시키지 않고서도 위에서 언급한 효과를 달성할 수 있다는 장점이 있다.

Claims (18)

  1. 통신 신호를 송수신하도록 동작하는 통신장치로서, 통신장치는 제 1 및 제 2 외장(엔클로저 Enclosure) 각각의 가장자리를 따라 제 1 및 제 2 외장을 결합하는 선회가능한 조인트(Pivotable Joint)에 의하여 결합되는 제 1 및 제 2 외장을 포함하고, 제 1 및 제 2 외장은 각각 제 1 및 제 2 표면을 포함하며, 통신장치는 제 1 및 제 2 표면이 인접하여 면하는 관계일 때 닫혀진 상태에 있게 되며, 통신장치는 상기 선회가능한 조인트에 대한 제 1 및 제 2 외장의 피벗에 의하여 제 1 및 제 2 표면이 서로 공간적으로 이격되어 있는 관계일 때 열린 상태에 있게 되는 통신장치로서:
    (a) 제 1 외장 내에는
    제 1 급전 단자 및 제 1 접지 단자를 포함하는 라디오 주파수 신호 방사요소
    상기 방사요소로부터 공간적으로 이격되어 있고, 제 2 접지 단자를 구비한 제 1 접지판, 및 제 2 급전 단자를 추가로 포함하는 제 1 기판
    상기 제 1 및 제 2 급전 단자 사이에 연결되는 제 1 도전성 구성요소 및
    상기 제 1 및 제 2 접지단자 사이에 연결되는 제 2 도전성 구성요소가 포함되며,
    (b) 제 2 외장 내에는 제 2 접지판을 포함하며,
    통신장치가 열린 상태에 있을 때 방사 요소와 제 2 접지판 사이의 커플링(Coupling)을 최소화할 수 있도록 상기 제 1 급전단자 및 제 1 접지단자 중 적어도 하나는 상기 통신장치가 열린 상태에서 상기 제2접지판으로부터의 거리가 최대한 먼 상기 방사요소 상의 위치에 배치되는 것을 특징으로 하는 통신장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 도전성 구성요소는 각각 제 1 및 제 2 절곡형 도체부(Meanderline Conductor)를 포함하는 것을 특징으로 하는 통신장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 절곡형 도체부는 유전체 기판상에 배치되는 것을 특징으로 하는 통신장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 신호 방사요소 및 제 1 접지판은 둘 사이에 공기 간극을 가지면서 공간적으로 이격되는 관계에 있으며, 제 1 도전성 구성요소의 일부 영역 및 제 2 도전성 구성요소의 일부 영역은 상기 공기 간극 내부에 배치되는 것을 특징으로 하는 통신장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 도전성 구성요소 및 제 2 도전성 구성요소는 상기 제 1 접지판으로부터 공간적으로 이격되는 관계로 배치되어, 제 1 도전성 구성요소와 상기 제 1 접지판 사이에 공기 간극을 형성하고, 제 2 도전성 구성요소와 상기 제 1 접지판 사이에 공기 간극을 형성하는 것을 특징으로 하는 통신장치.
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 외장은 폴더타입 셀룰러 전화기의 하부 폴더를 구성하고, 제 2 외장은 폴더타입 셀룰러 전화기의 상부 폴더를 구성하는 것을 특징으로 하는 통신장치.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 도전성 구성요소는 제 1 급전단자 및 제 2 급전단자의 임피던스를 실질적으로 정합시키기 위한 크기를 가지며, 상기 제 2 도전성 구성요소는 제 1 접지단자 및 제 2 접지단자의 임피던스를 실질적으로 정합시키기 위한 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 통신장치.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 도전성 구성요소는 λ/8보다 짧으며, λ는 제 1 도전성 구성요소 상에서 전도되는 신호의 파장을 나타내는 것을 특징으로 하는 통신장치.
  10. 제 1 항에 있어서, 통신장치가 열린 상태에 있을 때, 상기 제 2 급전 단자는 상기 제 1 급전단자 및 제 2 접지판 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 통신장치.
  11. 제1항에 있어서, 상기 제2급전단자는 상기 선회가능한 조인트 근처에 배치되고, 제1급전단자는 상기 선회가능한 조인트로부터 제2급전단자보다 더 먼 거리상에 배치되는 것을 특징으로 하는 통신장치.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 방사요소는 상기 제 1 기판을 덮도록 배치되어 둘 사이에 유전체 재료가 위치하도록 하며, 제 1 도전성 구성요소는 상기 유전체 재료에 인접하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 통신장치.
  13. 통신 신호를 송수신하도록 동작하는 통신장치로서, 통신장치는 제 1 및 제 2 외장(엔클로저 Enclosure) 각각의 가장자리를 따라 제 1 및 제 2 외장을 결합하는 선회가능한 조인트(Pivotable Joint)에 의하여 결합되는 제 1 및 제 2 외장을 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 외장은 각각 제 1 및 제 2 표면을 포함하며, 통신장치는 제 1 및 제 2 표면이 인접하여 면하는 관계일 때 닫혀진 상태에 있게 되며, 통신장치는 상기 선회가능한 조인트에 대한 제 1 및 제 2 외장의 피벗에 의하여 제 1 및 제 2 표면이 서로 공간적으로 이격되어 있는 관계일 때 열린 상태에 있게 되는 통신장치로서:
    (a) 상기 제 1 외장 내에는
    제 1 급전 단자 및 제 1 접지 단자를 포함하는 라디오 주파수 신호 방사요소
    상기 방사요소로부터 공간적으로 이격되어 있고, 제 2 접지 단자를 구비한 제 1 접지판, 및 제 2 급전 단자를 추가로 포함하는 제 1 기판
    상기 제 1 급전단자 및 제 2 급전단자를 연결하는 제 1 절곡형 도체부
    제 1 접지단자와 제 2 접지단자를 연결하는 제 2 절곡형 도체부를 포함하며,
    (b) 제 2 외장 내에는 제 2 접지판을 포함하며,
    상기 제1급전단자 및 제1접지단자 중 하나 이상은 상기 선회가능한 조인트로부터 각각 상기 제2급전단자 및 제2접지단자보다 더 먼 거리에 배치되는 것을 특징으로 하는 통신장치.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 통신장치는 상기 제 1 절곡형 도체부 및 제 2 절곡형 도체부 중 적어도 하나를 아래에 두는 유전체 기판을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 통신장치.
  15. 제 13 항에 있어서, 상기 통신장치는 유전체 기판을 추가로 포함하며, 상기 제 1 절곡형 도체부 및 제 2 절곡형 도체부 중 적어도 하나는 상기 유전체 기판에 인접하여 배치되는 것을 특징으로 하는 통신장치.
  16. 제 13 항에 있어서, 상기 통신장치는 유전체 기판을 추가로 포함하며, 상기 제 1 절곡형 도체부 및 제 2 절곡형 도체부 중 적어도 하나는 상기 유전체 기판내에 배치되는 것을 특징으로 하는 통신장치.
  17. 제 13 항에 있어서, 비교적 높은 전류 영역이 상기 제 1 급전 단자에 인접하여 위치하며, 상기 비교적 높은 전류 영역은 상기 통신장치 사용자의 전자파흡수율(SAR)을 감소시키도록 위치하는 것을 특징으로 하는 통신장치.
  18. 제 13 항에 있어서, 비교적 높은 전류 영역이 상기 제 1 급전 단자에 인접하여 위치하며, 상기 비교적 높은 전류 영역은 상기 통신장치 사용자의 핸드 효과를 감소시키도록 위치하는 것을 특징으로 하는 통신장치.
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