KR100667221B1 - 나선형 안테나 - Google Patents

Abstract

복수의 방사소자(10A, 10B)를 갖는 유전-부하 안테나와 원통형 세라믹 코어(12)의 표면에 도금된 루프안테나(20)는 동작주파수대역을 정의하도록 서로 결합되어 있는 공진의 평형모드와 단일 종단모드를 갖는다. 공진의 2개의 모드는

방사소자들에서 각각의 다른 무선 주파수 전류패턴과 관련되어 있고, 그 공급점에서 안테나에 의해 표현되는 부하의 입력 리액턴스 성분은 대응하는 입력 저항성분이 유한하고 거의 0이 아닐때에만 동작주파수내에서 거의 0이다.

Description

나선형 안테나{Helix antenna}

본 발명은 200MHz를 초과하여 동작하는 안테나와 이 안테나를 포함하는 무선통신장치에 관한 것이다.

셀룰러 또는 무선 전화기 핸드셋의 안테나의 요구조건은 우선 소형이고 전방향성이어야 한다. 800MHz 내지 2GHz 사이의 주파수 범위내에서 동작하는 핸드셋용 안테나는 전형적으로 확장되었을 때 거의 1/4 파장과 동등한 길이를 갖는 연장 가능한 봉이거나 또는 여러 번의 회전을 갖는 나선형의 와이어이다. 안테나는 통상 핸드셋 장치내에 부분적으로 설치되고, 이어폰 근처의 장치의 끝부분에서 일부분이 돌출되게 설치되어 있다.

개인용 전화기 사용을 위해 설계된 것들과 같은 소형 안테나의 단점은 일반적으로, 동작에 필요한 주파수 대역에 걸쳐 낮은 이득을 얻는다. 소형 공진 안테나들은 일반적으로 낮은 주파수에서 동작하도록 설계된 대응의 더 큰 안테나보다 더 좁은 부분적인 대역폭을 갖는 것으로 알려져 있다. 또 다른 단점은 안테나들이 더 작아질수록 강한 근접계(near-field) 전자기 방사 즉, 신호의 전송동안 이러한 안테나가 머리에 근접하여 사용될 때 건강의 유해를 나타내는 것으로 인지되는 방사를 발생하는 경향이 더 커진다.

일반적으로 특정 흡수율(SAR: Specific Absorption Rate)이라 하는 파라미터를 생성하는 것으로 이 효과의 측정이 행해진다.

후자의 단점은 나선 방사하는 축으로 세워질 때 방위각 널(null)을 갖는 방사패턴을 표시하는 트위스티드 루프(twisted loop)안테나를 개시하고 있는 출원인의 계류중인 영국 특허 출원번호 2309592에 어느 정도 지적되어 있다.

휴대용 전화기의 하우징에 안테나를 적절하게 설치하면, 이 널(null)은 그 방향으로의 조사강도를 줄이도록 사용자의 머리로 지향될 수 있다.

본 발명의 목적은 개선된 대역폭과 좋은 SAR 성능을 결합한 소형안테나를 제공하는 것이다.

본 발명의 제 1관점에 따르면, 200MHz를 초과하는 주파수에서 동작하는 안테나가 제공된다. 그 안테나는 5 보다 큰 상대 유전 상수를 갖는 고체 물질로 되고, 그 외부면이 크기를 규정하며 그 대부분이 상기 고체 물질에 의해 점유된 절연코어; 송신선의 길이를 포함하는 피더구조물; 제 1위치에서 상기 송신선에 연결된 복수의 방사소자와, 상기 피더구조물을 따라서 상기 제 1위치에서 떨어진 제 2위치에서 상기 방사소자들을 상기 송신선에 분리되게 연결하는 연결소자를 포함하고, 상기 코어의 외부면 상에 또는 근접하여 배치되는 전기 전도성 구조물;을 포함하고, 상기 코어와 상기 전도성 구조물은 상기 안테나가 송신선으로 공급되거나 또는 송신선으로부터 수신된 신호에 대한 동작 주파수대역을 함께 규정하도록 결합된 적어도 2개의 다른 공진 모드를 갖도록 배열되어 있고, 상기 공진의 다른 모드는 전도성 구조물에서 각각 다른 무선 주파수 전류패턴과 관련되고, 각각의 패턴은 상기 방사소자를 포함한다.

안테나는 (a) 공진의 제 1모드는 상기 대역내의 제 1주파수에서 발생하고, 상기 방사 소자가 상기 제 1위치에서 상기 송신선과 연결되어 있는 위치에서 시작하고 끝나며 상기 방사 소자를 포함하는 무선 주파수 전류 루프와 연관되어 있고, 상기 연결소자가 상기 제 1주파수에서 고 임피던스 블락킹 소자로서 동작하고,

(b) 제 2공진의 모드는 상기 대역내의 제 2주파수에서 발생하고, 상기 제1위치에서 상기 방사 소자의 상기 송신선으로의 접속위치로부터 직렬로 상기 방사소자와 연결소자를 통하여 상기 제 2위치에서 상기 피더 구조물과 연결되는 곳으로 통하는 무선주파수 전류루프와 연관되도록 배열될 수 있다.

안테나에 의해 표현되는 부하의 입력 리액턴스 성분은 대응하는 입력 저항성분이 유한하고 대략 0 이 아닐때에만 동작주파수내에서 대략 0이 되도록 안테나는 또한 배열될 수 있다.

동작대역내에서 안테나에 의해 제공되는 부하 임피던스의 대응되는 스미스챠트(Smith Chart) 표현은 전형적으로 루프의 자기 교차하는 궤적의 형태이다.

바람직한 실시예에서, 안테나의 단일 동작 대역 내에서 공진의 2개 모드가 있고, 제 1 모드는 평형모드이고, 공진의 제 2모드는 단일 종단모드이다. 안테나 소자들, 밸룬 트랩의 형태의 연결 소자 및 송신선은 모두 공진의 양 모드에서 전류 캐리어 소자로서 동작한다. 이 바람직한 실시예에서, 코어는 대칭의 중심 축을 갖는 원통형이고, 안테나 소자는 송신선의 끝과 트랩소자 사이에서 연장하며 축상으로 함께 연장된 복수의 도체이다. 이들 안테나 소자는 유일한 방사소자이고, 안테나는 양쪽의 모드에서 현저하게 방사 소자로서 동작하는 다른 소자를 갖고 있지 않다. 효과적으로, 안테나는 공진의 2개의 다른 구조적 모드를 만들기 위해 양 모드와 함께 동작하는 전도성 소자의 단일 세트를 갖는 단일 구조물을 포함한다.

이러한 안테나는 큰 안테나 소자 구조물 또는 복수의 분리되게 공급되는 안테나 소자 구조물들을 사용하지 않으면서 개선된 동작대역폭을 제공한다. 각각의 모드와 관련된 주파수 응답은 주파수영역에서 서로 결합되어 동작대역폭을 규정한다.

2개의 모드가 요구대역 예를 들면, 셀룰러폰용 1710MHz 내지 1880MHz DCS-1800대역 또는 셀룰러 폰용 890MHz 내지965MHz 유럽의 GSM대역내에서 발생하도록 소자의 크기를 정함으로써, 이들 대역중 어느 하나의 전체는 안테나의 대역폭을 공급해줄 수 있고, 공진의 하나의 모드와 관련된 에너지 저장이 공진의 다른 모드 에너지 저장과 공유되도록 2개의 공진모드가 결합됨으로서, 정상이 평평하거나 또는 2개의 공진 피크치(peaks) 사이에서 0이 아닌(non-zero) 새들(saddle) 점을 갖는 주파수응답을 형성한다. 전형적으로, 공진의 모드들은 결합되도록 배열되어 동작대역의 중심주파수의 적어도 3%의 부분적인 대역폭에 걸쳐서 3dB 한계내에서 응답을 유지하는 안테나에 대하여 결합된 이득 특성을 얻는다.

본 발명에 따른 바람직한 안테나에서, 방사소자는 송신선의 말단에서 피드연결부를 구성하는 안테나 소자들의 타단들로 코어주위의 전도성 물질의 경로를 형성하도록 연결소자에 의해 각각의 끝에서 상호 연결된 단일 쌍의 연장가능한 안테나 소자를 포함한다. 안테나 소자들은 동일하게 연장되고, 각 소자는 코어의 외부 원통면상에 축방향으로 이격된 위치들 사이에 연장한다. 소자는 코어상에 증착되거나 접합된 금속화된 트랙일 수 있고, 각각의 이격된 부분에서 소자의 각각의 이격된 부분이 거의 직경방향으로 대향하도록 배열된다. 이격된 부분들은 모두 코어의 중심축을 포함하는 단일 평면에 거의 놓여있고, 이격된 부분들중 하나에서, 부분들은 루프를 형성하도록 연결소자에 의해 서로 연결되고, 이격된 부분들중 다른 하나에서, 부분들은 코어의 종단면상에 일반적으로 방사상으로 연장하는 크로스(cross) 소자에 의해 루프에 대한 피드연결부와 결합된다. 안테나 소자는 바람직하게 동일한 길이이고, 나선형이며, 이격된 부분사이에서 코어의 주위로 각각 반회전 한다. 피드연결부는 축상의 코어를 통하여 연장하는 송신선을 형성하는 동축 피더에 연결될 수 있다. 코어의 타단면은 금속화되고 결과된 전도층은 연결 소자의 부분을 형성한다.

송신선이 코어의 타단면에서 나오는 경우, 동축케이블 외부 부분(스크린 도체)은 전기적으로 전도층과 연결되고, 선(line)은 안테나에 대하여 말단을 형성한다. 상기에서 언급한 부하파라미터 및 대역폭을 결정하기 위해, 이 말단에서 삽입 손실과 반사계수는 측정될 수 있다.

안테나는 또한 극히 소형이고, 예를 들면 1710 MHz 내지 1880MHz의 DCS 1800 대역에서 동작하는 안테나는 전형적으로 약 36.5 또는 더 큰 상대 유전(dieletric) 상수를 갖는 코어물질을 사용하여 12.1mm의 축길이와 10mm의 직경을 갖는 원통형 코어를 갖는다.

본 발명의 제 2관점에 따르면, 무선 송수신기, 무선 통신장치의 내부 면으로부터의 소리 에너지를 안내하고 사용시 사용자의 귀에 대하게 놓이는 일체형 이어폰, 상기 송수신기에 연결되는 전술한 바와 같은 안테나를 포함하고, 상기 안테나는 대칭의 중심축을 갖고, 송신선상의 상기 제 1위치 및 제 2위치는 축을 따라 이격되어 있고, 동작주파수대역의 적어도 일부에 걸쳐서 축에 수직으로 코어를 통과하는 평면상에서 널을 제외하고 거의 전방향성인 방사패턴을 갖고, 안테나의 축은 장치의 상기 내부면에 일반적으로 평행이고, 널은 장치의 상기 내부면에 일반적으로 수직으로 향하고 있고, 장치의 사용시 사용자의 머리를 향하도록 안테나가 설치된 핸드헬드(handheld) 무선 통신장치가 제공된다.

방위를 고려하여, 안테나 코어가 동일하게 연장된 한 쌍의 안테나 소자를 갖는 원통형(드럼 또는 봉형도 가능)인 경우에, 안테나 소자의 각 끝단이 코어의 중심축을 포함하는 평면에 놓여 있고, 상기 평면은 장치의 내부면과 바람직하게는 평행하다. 금속화된 슬리브 형태의 밸룬(balun) 또는 트랩(trap)을 안테나에 제공함으로서, 안테나 루프가 거의 균형된 상태에서 급전될 뿐만 아니라, 통신장치가 나타내는 비교적 작은 접지 량(ground mass)의 영향을 감소시킨다. 또한, 예를 들면 납땜질 또는 클램핑에 의해 안테나를 안정되게 설치하는데 유용한 표면적을 제공한다.

물리적, 전기적인 안정성의 이유때문에, 코어의 물질은 세라믹, 예를 들면 지르코늄-티탄산염 (zirconium-titanate-based) 재질, 마그네슘 칼슘 티탄산염(magmesium calcium titanate), 바륨 지르코늄 탄탈염(barium zirconium tantalate), 바륨 네오디뮴 티탄산염(barium neodymium titanate) 또는 이러한 것 들의 화합물과 같은 마이크로 웨이브 세라믹 물질이 유리하다. 바람직한 상대 유전상수(ε_ｒ)는 10 이상 또는 실제로, 20, 36 이상이고, 바륨-티탄산염 물질을 사용하여 수치 80에 이를수 있다. 안테나의 Q가 코어손실 보다는 안테나 소자의 전기적 저항에 의해 더 지배되는 정도까지는 이러한 재질은 무시할수 있는 유전 손실을 갖는다.

바람직한 안테나에서, 안테나소자는 말단으로부터 공급되고, 코어는 동축의 피더구조물을 수용하는 중심통로를 갖는데, 피더 구조물은 코어의 기단부 또는 장착단으로부터 연장하고, 그리고 방사상 안테나 소자(radial elements)가 코어의 원통 외부 면상에서 방사 안테나 소자를 각각 피더 구조물의 내부 도체와 외부 도체에 연결하는 말단에서 개방되어 있다. 연결도체는 고리형이고, 바람직하게는 코어의 기단부의 외부면상에 원통형 슬리브에 의해 구성된다.

본 발명의 제 3관점에 따르면, 무선 송수신기와 위에서 설명한 안테나를 구비한 핸드헬드 무선통신장치가 제공되고, 안테나는 송수신기에 연결되며, 송수신기는 안테나의 상기 동작주파수 대역내에서 서로 다르지만 근접한 송신대역부와 수신대역부를 갖는다.

도 1은 본 발명에 따른 안테나의 사시도,

도 2는 공진의 평형모드에서 안테나를 표현하는 등가회로도,

도 3은 공진의 단일 종단모드에서 안테나를 표현하는 등가회로도,

도 4a는 공진의 분리된 모드들로 인한 주파수상의 안테나 이득의 변동을 나타내는 도면,

도 4b는 공진의 결합된 모드에서 도 1의 안테나의 주파수상의 안테나 이득의 변동을 나타내는 도면,

도 5는 안테나의 스미스 챠트를 나타내는 도면,

도 6a 및 도 6b는 주파수에 대하여 안테나의 방사소자에서 무선 주파수 전류의 크기와 위상을 각각 그래프들, 그리고

도 7은 본 발명에 따른 안테나를 결합한 전화기 핸드셋의 사시도이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도면을 참조하여 설명한다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 안테나(10)는 세라믹 코어(12)의 원통형 외면상에 금속 도체 트랙으로서 형성된 2개의 종방향으로 연장된 방사 안테나 소자(10A, 10B)를 가지는 안테나 소자 구조물을 갖는다. 여기서, "방사소자"는 안테나가 전송을 위해서 사용될 때, 에너지를 공간으로 방사하는 소자를 의미한다. 이러한 소자는 신호를 수신하기 위해 사용될 때, 공간으로부터 역방향으로 에너지를 수신한다. 코어(12)는 내부 금속라이닝(metallic lining)(16)을 갖는 중심통로(14)를 갖고, 그 통로는 축 내부 피더(feeder conductor) 도체(18)를 수용한다.

이 경우에서 내부도체(18)와 라이닝은 코어의 종단면(12D)상의 피드(feed) 위치에서 안테나 소자(10A, 10B)에 공급선을 결합하기 위한 송신선 피더구조물을 형성한다. 안테나 소자의 구조물은 또한 피더 구조물에 각각 종방향으로 연장된 소자(10A, 10B)의 직경으로 대향된 단(10AE, 10BE)을 연결하는 종단면(12D)상에 금속트랙으로 형성된 대응하는 방사상 안테나 소자(10AR, 10BR)을 포함한다. 안테나 소자(10A, 10B)의 타단은 또한 직경방향으로 대향되고 환형의 공통 가상 접지도체에 의해 코어(12)의 기단부를 둘러싸는 평탄한 슬리브의 형태로 연결되어 있다. 슬리브(20)는 코어(12)의 종단면(12D)에 놓임으로써 중심통로(14)의 라이닝(16)에 차례로 연결된다.

본 실시예에서, 슬리브(20)는 안테나 코어(12)의 기단부를 덮음으로써 피더 구조물(16, 18)을 둘러싸고, 코어(12)의 재질은 슬리브(20)와 중심통로(14)의 금속 라이닝(16)사이의 전체 공간을 채운다. 안테나를 통과하는 어느 주어진 횡 단면에서, 안테나 소자(10A, 10B)는 거의 직경방향으로 대향되고, 안테나 소자 브랜치의 기단(10AF, 10BF)은 슬리브의 림을 만나는 곳에서 거의 직경방향으로 대향된다. 종방향으로 연장된 소자는 동일한 길이이고, 각각은 코어(12)의 축주위로 반회전을 시킨 단순한 나선형의 형태로 되어 있다.

금속으로 된 슬리브(20)는 코어(12)의 기단면(12P)의 판(22)에 의해 외부 도체로서의 금속 라이닝(16)에 연결된 실린더를 형성한다. 슬리브(20)와 판(22)은 결합하여 밸룬을 형성하고, 제 1소정의 주파수 또는 그 근처에서, 피더구조물(16, 18)에 의해 형성된 송신선에서 신호는 안테나의 기단부에서 비평형 상태와 슬리브(20)의 상단(20U)의 평면에서 대략 축위치에서 평형된 상태 사이에서 변환된다. 이러한 효과를 이루기 때문에, 슬리브(20)의 축길이는 비교적 높은 유전상수의 기본적인 코어물질의 존재하에서 밸룬이 소정의 주파수에서 약 λ/4의 전기 길이를 갖도록 된다. 안테나의 코어물질은 단축(foreshorting) 효과를 가지지 때문에, 내부 도체(18)를 둘러싸는 환형 공간은 비교적 작은 유전상수를 가지는 절연 유전 물질(17)로 채워지고, 슬리브(20)의 종단부의 피더구조물은 짧은 전기 길이를 갖는다. 그 결과, 피더구조물(16, 18)의 종단에서 신호들은 적어도 거의 평형되고, 안테나는 소정 주파수에서 소위 공진의 평형모드에서 동작되는 것으로 여겨진다.

슬리브(20)의 부가 효과는 제 1소정 주파수의 영역내의 신호에 대해서, 슬리브(20)의 림(20U)은 피드구조물의 외부 도체에 의해 표현되는 접지로부터 효과적으로 절연된다는 것이다. 이것은 안테나 소자(10A, 10B) 사이에서 순환하는 전류는 림(20U)에 국한되고, 안테나 소자에 의해 형성된 루프는 절연된다. 그래서 슬리브는 절연 트랩으로 동작한다.

안테나 소자(10A, 10B)는 피더구조물의 내부 도체(18)와 금속 라이닝(16)에 그들의 각각의 방사소자에 의해 각각 연결된다. 그러면, 나선형소자, 방사소자(10AR, 10BR) 및 슬리브(20)는 함께 코어(12)의 외면에 도체 루프를 형성하고, 루프는 기단으로부터 코어를 통하여 연장되어 있고 안테나 소자(10A, 10B) 사이에 놓여진 피더구조물에 의해 코어의 종단 끝에서 공급된다. 따라서, 안테나는 끝에서 공급된 2개의 실모양의(bifilar) 나선형 구조물을 갖는다.

안테나 소자(10AE, 10AF, 10BE, 10BF)의 4개의 끝들은 모두 코어(12)의 축(12A)을 포함하는 공통 평면에 놓여진다. 공통평면은 도 1에 쇄선으로 표시되어 있다. 안테나 소자 구조물로의 피드연결부 또한 공통면(24)에 놓여진다. 안테나 소자구조물은 공진의 평형모드에서 이 구조물의 요소의 단편에 평면(24)에 수직인 방향(28)으로부터 안테나에 입사되고 평평한 파면(wave front)을 갖는 파에 의해 유도된 전체 전류가 공급위치에서 즉, 피더구조(16, 18)가 안테나 소자 구조물에 연결된 곳에서 0으로 합계 되도록 구성된다. 실제로, 2개의 소자(10A, 10B)는 평면에 대해 벡터적인 대칭을 가져오게 평면의 양면 상에 동일하게 배치되고, 면의 양면에 가중된다. 각각의 소자(10A, 10B)는 중심축(12A)으로부터 동일한 거리에서 소자(10A, 10B)의 다른 대응하는 보완 증분(increment)들이 직경방향으로 대향하여 놓여지는 복수의 증분들로 이루어지는 것으로 여겨질 수 있다.

앞서 설명된 안테나는 공진의 평형모드를 나타낼 뿐아니라, 다른 주파수에서 공진의 단일 종단모드를 또한 일반적으로 나타낸다는 것이 이해될 것이다. 2개의 모드의 각각의 주파수에 대하여 서로 근접하도록 배열함으로써, 모드는 결합되도록 만들어질수 있고, 그에 따라 각각의 공진에 대응하는 대역폭 보다 더 넓은 대역폭에 걸쳐 방사하는 안테나를 만들 수 있다.

안테나 소자구조물과 공진의 평형모드와 단일 종단모드에서의 특성 동작을 표현하는 등가회로도가 도 2와 도 3에 각각 도시되어 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 공진의 평형모드에서 안테나의 동작을 고려하면, 2개의 안테나소자(10A, 10B)는 적어도 대략 λ/2(또는 (2n +1)λ/2)인 전기 길이의 송신선 부분에 의해 표현될 수 있다. 여기서, λ는 평형모드에서 동작하는 안테나의 중심 파장이고, n= 0, 1, 2, 3, …이다. 슬리브(20)와 코어의 도금된 판(22)은 소정의 축길이를 갖는 슬리브(20)내에서 비교적 높은 상대 유전상수의 코어물질의 존재에 의해 유사한 송신선 부분으로 표현될 수 있다. 이것은 소자(10A, 10B) 사이의 전기 길이와 λ/4의 피더 구조물을 갖는다. 중심통로의 내부 금속라이닝(16)과 내부 피더구조물은 마찬가지로 피더 유전물질(17)의 단축 효과의 결과로서 λ/4의 전기 길이를 갖는 송신선 부분에 의해 표현될 수 있다.

공진의 단일 종단모드와 관련된 주파수에서 동작할 때, 슬리브(20)와 도금된 판(22), 안테나 소자(10A, 10B) 및 피더구조물(16, 18)은 도면에 도시하지는 않았지만, 각각의 전기 길이(l1, l2, l3)로 표현될 수 있다. 단일 종단모드에서 동작할 때, 결합된 전기 경로길이(l1 + l2 + l3) 즉, 중심통로의 내부 금속라이닝(16), 안테나 소자(10B) 및 슬리브(20)와 도금된 판(22)의 결합을 포함하는 도전 경로의 전기 길이는 약 λ(또는 nλ, 여기서 n = 1, 2, 3, …)와 같은 반면, 코어의 도금된 판(22)과 슬리브(20)의 결합의 전기 길이는 약 λ/4(또는 nλ/4, 여기서 n = 1, 2, 3, …)이다. 여기서, λ는 공진의 단일 종단모드와 관련된 중심 파장이다.

도 2를 참조하면, 안테나가 동작의 평형모드와 관련된 주파수에서 동작할 때, 슬리브(20)의 절연효과는 전류를 주로 슬리브의 림(20U)으로 제한하고, 이 점은 전류의 최대의 위치를 표시한다. 기단면(22)에서 슬리브의 림(20U)으로부터 피더 구조물로의 밸룬길이에 대하여 90°가 되게 배열하면, 밸룬은 슬리브로 바라보았을 때의 임피던스(Z_S)가 도 2에 표시된 것같이 피더구조물의 말단에서 임피던스와 같이 무한대로 가도록 전류-전압 변환기로서 동작한다. 따라서, 전류는 내부 도체(18)로부터 제 1소자(10A)를 통하여 림(20U)을 돌아 제 2소자(10B)로 흐르고, 제 2소자(10B)를 통하여 피더구조물의 외부 도체(16)로 흐르고, 이 루프를 도는 전체길이가 360°가 된다. 이와 같이, 어느 주어진 시점에서, 안테나 소자(10A, 10B)의 직경방향으로 대향된 위치에서 전류(I1, I2)의 크기는 동일하고, 서로 반대이므로, 피더 구조물의 말단 즉, 피더 구조물이 안테나 소자 구조물에 연결되는 곳에서 합이 제로가 된다. 절연(즉, 다른 모드와 결합되지 않은)을 고려할 때, 공진의 평형 모드는 코어(12)의 대칭 중심축(12A)에 대해 횡으로 위치된 쌍극자(dipole)의 형태로 전계를 생성한다.

공진의 다른 모드로 인한 안테나 소자 구조물에서의 다른 전류패턴의 존재, 특히 방사소자에서 다른 전류경로들이 있는 것을 방사소자상에서 공간상으로 떨어진 위치에서 방사소자로 무선 주파수 전압 프로브(probes) 쌍들을 인가함으로써, 바람직하게 방사소자(10A, 10B)의 림(20U) 위로 짧은 거리에서 전류 최대치에 가깝게 인가함으로써 관찰될 수 있다. 소자(10A)에서 무선 주파수 전류를 측정하기 위해, 예를 들면 프로브들이 림(20U)을 갖는 소자(10A)의 결합부(10AF)에서 그리고, 그 점으로부터 소자(10A)를 따라서 짧은 거리에 인가될 수 있다. 프로브들 사이에서 관찰된 전압강하는 전류를 나타낸다.

소자(10A, 10B)에서 전류의 크기와 상대 위상이 도 6a 및 도 6b에 각각 도시되어 있다. 도 6a에서는, 2개의 네트워크 분석 트레이스가 도시되고, 주파수범위에 걸쳐서 하나는 소자(10A) 상에서 전압강하에 대한 것이고, 하나는 소자(10B) 상에서의 전압강하에 대한 것이다. 2개의 피크가 각각의 트레이스에서 보여진다. 이것들은 평형 및 단일 종단모드와 각각 관련된 공진주파수(f1, f2)에 대응한다.

도 6b를 참조하면, f1에서 2개의 트레이스는 2개의 전류사이에 180°의 위상차를 나타내는 반면, 도 2 및 도 3을 참조하여 앞서 설명한 것같이 2개의 모드에서 전류(I1, I2)의 극성으로부터 기대되는 것같이 f2에서 전류들은 동위상이다.

도 3을 참조하면, 공진의 단일 종단모드와 관련된 주파수에서, 슬리브(20)는 더 이상 현저한 절연 효과를 갖지 않고 슬리브를 보는 임피던스(Z_S)는 0이 된다. 그러므로, 소자(10A, 10B)를 통한 전류(I1, I2)가 슬리브(20)의 림(20U)에서 함께 합해져서 슬리브를 통하여 피더구조물의 외부 도체로 향하는 결합된 전류(I3)를 생성한다. 슬리브(20)는 예를 들면 이동통신장치상의 접지면에 연결될 수 있고, 합전류는 슬리브(20)를 통하여 접지로 흐를 수 있다.

절연이 고려될 때, 공진의 단일 종단모드는 코어의 대칭 중심축에대해 일반적으로 평행하게 방향된 쌍극자형태로 전계를 생성한다.

일반적인 경우에, 단일 종단모드는 평형모드와는 다른 주파수와 관련되어, 안테나 이득특성에서 그 자신의 공진 피크를 생성한다. 이런 일반적인 경우에서 공진의 각각의 피크가 도 4a에 도시되어 있다. 공진 피크(40)는 공진의 단일 종단모드와 관련된 안테나의 주파수 응답을 표시하고, 공진 피크(42)는 공진의 평형모드와 관련된 주파수 응답을 표시한다.

이제, 동작의 평형모드와 단일 종단모드와 관련된 각각의 주파수 응답이 주파수영역에서 결합되고, 서로 움직이도록 안테나의 크기(dimension)가 배열되어서 에너지가 그들 사이에서 공유되면, 안테나는 현저히 더 넓은 전체 동작 대역폭을 갖는다. 안테나(10)의 동작대역폭은 복수의 분리되고, 근접하여 위치하는 공진주파수 응답을 간단히 나타내는 안테나에 의해 정의되지 않는다는 것이 인식되어져야한다. 2개의 공진모드는 결합되어 그 엔빌로프(envelope)가 2개의 동작모드로 인해 안테나에서 에너지의 저장을 나타내는 특정 이득과 관련된 결합된 트랜지션(transition) 영역을 포함하는 반사감쇠량(return loss)특성을 만든다. 2개의 동작 모드를 결합하는 이 주파수영역이 도 4b에 명백하게 도시되어 있다. 얕은 "새들"영역(44)이 각각의 모드에 대응하는 공진 피크들 사이에 존재한다.

다른 유형의 안테나의 공진의 모드가 있다는 것이 주지되어야 한다. 즉, 동작대역폭은 복수의 동일 유형의 공진 모드(예를 들면, 복수의 평형 모드 공진)가 결합되는 근접한 주파수에 놓이도록 단순히 배열함으로써 정의되지 않는다.

여기서, 다른 모드, 이 바람직한 경우에 공진의 평형 모드 및 단일 종단모드는 다른 전체 전도경로에 의해 특징되고 이 경로를 통해 무선 주파수 전류가 안테나 소자 구조물의 일부에 걸쳐서 흐른다.

바람직하게, 안테나의 크기는 안테나가 적어도 0.03(3%)의 사용가능한 부분적인 대역폭을 나타내도록 배열되고, 여기서 부분적인 대역폭은 대역의 중심주파수(fc)에 대한 동작 대역(B)의 폭의 비율로서 정의되고, 대역내에서 안테나의 반사감쇠량은 대역 밖의 평균 반사감쇠량에 대해 적어도 3dB 만큼 다른데, 바람직하게 대역 밖의 평균 반사감쇠량 보다 적어도 3dB 작다. 반사감쇠량은 20log₁₀(Vr/Vi)로서 정의되고, 여기서, Vr 및 Vi는 피더구조물의 피드단에서 반사 및 입사 무선 주파수 전압의 크기이다.

안테나의 이득에 대하여 안테나의 말단 또는 단일 포트에서 반사된 에너지와 관련된 반사감쇠량에서 관련된 변동이 있다는 것이 이해될 것이다. 반사감쇠량은 주파수에 따라 변화하고, 안테나에 의해 표현되는 부하의 리액턴스 및 저항에서 관련된 변화가 있고, 그에 따른 임피던스 정합을 제공할 수 있다는 능력에 관련된 변화가 있다. 안테나(10)는 대역폭에 걸쳐 정합가능하고, 이것은 복소(complex) 부하 임피던스가 정규화된 반사 계수 다이어그램(통상 스미스챠트라고 칭하는)상에 구성될 때 명백해진다. 스미스챠트는 극성 임피던스 궤적에 의해 표시된 것 같이 안테나가 정합될 수 있는 임피던스 영역의 다이어그램화된 표현을 제공한다. 바람직한 안테나의 스미스챠트 표시는 도 5에 도시되고, 저항 성분은 챠트의 오른쪽 방향끝에서 무한대로 향한다.

소정의 동작대역에 걸쳐 공진의 결합된 모드를 갖는 본 안테나의 궤적(50)은 챠트의 중심을 도는(encircling) 내부 루프(50a)(50Ω의 소스 임피던스에 대응하는)를 가지고, 도 5에서 궤적 부분(50a)에 의해 표시된 것같이 경로를 따라서 궤적ㅇ서 발생하는 도 4B의 얕은 "안장"영역(44)에 의해 표시된 리턴손실에 대응한다.

이와 같이, 안테나에 의해 표현된 부하의 입력 리액턴스 성분(X)(선(48)들은 일정한 리액턴스의 원이다)은 대응하는 입력저항(원(46)으로 표시된 것같이)이 0 도 아니고 또는 무한대가 아닐 때에 동작 주파수 대역내에서 오직 0으로 접근한다.

공진의 평형모드에 대해 단독으로 안테나의 방사패턴을 고려함으로써, 반회전 나선형 소자(10A, 10B)를 갖는 안테나 소자구조들은 그 방사패턴에서 축(12A)의 횡방향 및 평면(24)에 수직인 방향으로 널(null)을 갖으며, 단일 평면 루프와 유사한 방법으로 동작한다. 안테나의 동작대역은 복수의 결합된 공진에 의해 정의되기 때문에, 상기 방사패턴과 단일 종단모드와 관련된 일반적인 환상(toroidal)의 방사패턴(축(12A)에 평행인 방향으로 널(null)을 갖는)은 이들 2개의 패턴의 하이브리드(hybrid)인 전체 방사 패턴을 생성한다. 이와 같이, 하이브리드 패턴은 안테나 소자 구조물을 형성하는 물질의 크기와 물리적 특성에 의존한다.

하이브리드 방사패턴과 관련된 안테나 주위의 근접계(near-field) 영역에서 리액턴스 필드(fields)는 양호한 SAR 성능을 이룰수 있다.

안테나는 200MHz 이상의 주파수에서 특별한 응용을 갖는다. 방사패턴은 도 7에 도시된 것같이 안테나가 셀룰러 또는 무선 전화기 핸드셋과 같은 핸드헬드(hand-held) 통신장치에서 특별히 사용하기 위한 것이다. 안테나의 방위를 고려하면, 그 중심축(12A)(도 7참조)과 평면(24)(도 1참조)이 핸드셋의 내부면(30I)(특히, 이어폰(32)의 영역에서 내부면(30I))과 평행이 되도록 설치되고, 내부 피더도체(18)에 연결된 방사상 안테나 소자(10AR)는 핸드셋의 에지(34) 즉, 핸드셋의 내부 면(30I)과 동일한 방향으로 향해진 코어면의 부분에 위치한 내부 피더도체(18)에 연결된 나선형 소자(10A)를 향하도록 방향설정된다. 축(12A)은 또한 도 7에 도시된 것 같이 핸드셋(30)의 종방향으로 뻗쳐있다. 또한, 안테나 및 핸드셋(30)의 상대 방위는 도 7의 축시스템의 표시와 도 1에 도시된 것같이 축시스템(X, Y, Z)을 비교함으로써 명백하다. 따라서 널(null)은 일반적으로 장치의 내부 면에 수직으로 지향되고, 그리고 사용시 사용자의 머리를 향하게 된다.

안테나의 코어(12)의 바람직한 물질은 지르코늄-티탄산염(zirconium-titanate-based) 재질이다. 이 물질은 약 36의 상대 유전상수를 갖고, 온도 변화에 대해 그 크기와 전기적 안정성이 있는 것으로 알려졌다. 유전손실은 무시된다. 코어는 압출, 프레싱 또는 몰딩에 의해 생성될 수 있다.

안테나 소자(10A, 10B, 10AR, 10BR)는 코어(12)의 외부 원통 면 및 말단면에 접합된 금속 도체트랙이고, 각각의 트랙은 그 동작길이에 걸쳐서 그 두께의 4배의 폭을 갖는다. 본 실시예에서, 안테나 소자 트랙은 두께가 대략 3 만분의 1인치이고, 방사손실과 소실손실 모두를 포함하는 안테나의 루프저항은 대략 3.2Ω이다. 트랙은 코어(12)의 표면을 우선 금속층으로 도금하고 그 다음 인쇄회로기판을 에칭하기 위해 사용되는 것과 유사한 감광층에 적용된 패턴에 따라서 코어가 노출되도록 선택적으로 층을 에칭함으로써 형성될 수 있다. 또 다르게는, 금속물질이 선택적인 증착 또는 인쇄기술에 의해 적용될 수 있다. 모든 경우에, 칫수적으로 안정된 코어의 외면상에 전체 층으로서 트랙을 형성하는 것은 안테나가 칫수적으로 안정적인 안테나 소자를 갖도록 한다.

실질적으로 공기보다 더 높은 상대 유전상수 예를 들면, ε_r=36을 갖는 코어 재질로 된 안테나는 앞서 서술한 것 같이 1710MHz 내지 1880 MHZ의 영역에 있는 DCS-1800대역에 대하여 전형적으로 약 10mm의 코어지름을 갖고, 축방향으로(즉, 중심축(12A)에 평행인) 약 12.1mm의 코어길이를 갖는다. 코어의 지름에 대한 축길이의 종횡비는 바람직하게는 1:1 내지 2:1의 범위이내에 놓인다. DCS-1800 대역에 대하여, 밸룬 슬리브의 길이는 전형적으로 4.2mm의 영역에 있고, 슬리브와 안테나 소자의 결합된 축크기에 대한 슬리브의 축크기의 비는 0.25:1 내지 0.5:1의 범위내에 있다. 안테나 소자와 슬리브가 그 2개의 끝면 사이의 코어의 전체 길이를 함께 걸치는 경우에, 슬리브의 축길이는 전형적으로 0.25L과 0.5L의 사이에 있다. 여기서 L은 코어의 축길이이다. 도체트랙의 폭은 0.75 내지 1.25mm의 영역에 있고, 전형적인 모양에서 0.9mm를 갖는다.

본 실시예의 동작대역폭의 "새들"영역(44)은 대역폭의 몇분의 일에 걸쳐서 약간 감소된 이득의 영역을 표현한다. 그래서, 이 영역은 예를 들면, 셀룰러폰 대역에서 송수신 채널사이의 가드대역과 일치하도록 편리하게 배열된다.

안테나(10)의 소형 크기는 이동전화 핸드셋과 다른 개인용 통신장치와 같은 핸드헬드 장치에서 특히 적합하게 한다. 도금된 밸룬 슬리브(20) 및/또는 코어(12)의 기단면(12P)에서 도금된 층(22)은 안테나가 인쇄회로기판 또는 다른 접지구조물상에 특별히 안정된 방법으로 직접 설치되게끔 한다. 전형적으로, 안테나가 종단 에 설치되면, 기단면(12P)은 내부 피드도체(18)가 저면상의 도체트랙에 납땜 되게 기판에 있는 도금홀을 통해 통과시키면서 인쇄회로기판의 상부면 상의 접지면으로 납땜될수 있다. 또다르게는, 슬리브(20)는 접지면의 에지 위로 연장한 안테나 소자(10A, 10B)를 지나고 안테나의 종단면을 갖게 축(12A)과 평행하게 연장한 인쇄회로기판 접지판에 클램프되거나 또는 납땜된다. 안테나(10)를 전체 핸드셋장치내에 설치하거나 또는 도 7과 같이 부분적으로 돌출하도록 설치할수 있다. 본 실시예의 안테나는 15Ω특성 임피던스의 정합된 케이블과 연결될 수 있다.

Claims (27)

1. 200MHz를 초과하는 주파수에서 동작하는 안테나에 있어서,

   5보다 큰 상대 유전 상수를 갖는 고체 물질로 된 절연코어로서, 상기 절연코어의 외부면이 체적을 가지며 상기 체적의 대부분은 상기 고체 물질로 점유된 절연코어;

   송신선을 포함하는 피더구조물;

   상기 송신선의 제1위치에 연결되는 복수의 방사소자와, 상기 송신선의 상기 제1위치에서 상기 피더구조물을 따라서 이격된 제 2위치로 상기 방사소자들을 독립적으로 연결하는 연결소자를 포함하는 전기 전도성 구조물로서, 상기 코어의 외부면 상에 또는 근접하여 배치되는 전기 전도성 구조물;을 포함하고,

   상기 코어와 상기 전도성 구조물은 상기 안테나가 송신선으로 공급되거나 또는 송신선으로부터 수신된 신호에 대한 동작 주파수대역을 함께 규정하도록 결합된 적어도 2개의 다른 공진 모드를 갖도록 배열되어 있고, 상기 공진의 다른 모드는 전도성 구조물에서의 각각 다른 무선 주파수 전류패턴과 관련되고, 각각의 패턴은 상기 방사소자를 포함하는 것인 안테나.
2. 제 1항에 있어서, 상기 안테나는

   (a) 공진의 제 1모드는 상기 대역내의 제 1주파수에서 발생하며,

   그리고 상기 공진의 제 1모드는, 상기 방사소자를 포함하는 무선 주파수 전류 루프로서 상기 방사소자가 상기 송신선의 제1위치와 연결되는 위치에서 시작하고 끝나는 무선 주파수 전류 루프와 연관되며, 상기 연결소자가 상기 제 1주파수에서 고 임피던스 블락킹 소자로서 동작하고,

   (b) 공진의 제 2모드는 상기 대역내의 제 2주파수에서 발생하며, 그리고 상기 공진의 제 2모드는, 상기 송신선의 제1위치로의 상기 방사 소자의 연결위치로부터, 직렬로 된 상기 방사소자와 연결 소자를 통하여, 상기 피더구조물의 제2위치와의 연결 부분으로 이루어지는 무선주파수 전류루프와 연관되도록 배열되는 것인 안테나.
3. 제 1항에 있어서,

   안테나로 표현된 부하의 입력 리액턴스 성분은 대응하는 입력 저항성분이 유한하고 대략 0 이 아닐때에만 동작주파수내에서 대략 0이며,

   상기 공진 모드는 평형모드와 단일 종단모드를 포함하는 것인 안테나.
4. 제1항 내지 제3항중 어느 한 항에 있어서,

   상기 코어는 중심축과 말단면 및 기단면을 갖고, 상기 방사소자는 상기 코어의 일단면의 영역에서 상기 송신선에 연결되고 상기 연결소자와의 연결부분까지 연장된 축방향으로 동일하게 연장된 복수의 도체들을 포함하고, 상기 연결소자는 상기 코어의 타단면의 영역에서 상기 송신선에 직접 또는 간접으로 연결되어 있으며,

   상기 송신선은 일단면으로부터 타단면까지 상기 코어를 통하여 연장되어 있으며,

   상기 코어는 원통형이고, 상기 연결소자는 도전 슬리브를 포함하며,

   상기 도전 슬리브는, 상기 코어의 원통형 외부면상에서, 상기 코어의 타단면으로부터 상기 코어의 일단면과 타단면 사이의 위치까지 연장되어 상기 위치에서 환형의 슬리브 림을 형성하며,

   상기 방사 소자는 단일 쌍의 직경방향으로 대향된 소자를 포함하며, 상기 각각의 대향된 소자는 상기 코어의 타단면상의 상기 송신선과의 연결부분으로부터 상기 슬리브의 림까지 각각 연장되며, 상기 코어의 직경에 대한 길이의 비는 1:1 내지 2:1의 범위안에 있으며, 및

   상기 슬리브의 축방향으로의 범위는 0.25L 내지 0.5L의 범위에 있고, 여기서 L은 상기 코어의 축길이인 것인 안테나.
5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 결합된 공진모드들에 의해 생성된 동작주파수대역은 적어도 0.03 fc의 3dB 대역폭을 갖고, 여기서 fc는 동작 주파수 대역의 중심주파수이고, 3dB 대역폭은 안테나의 반사감쇠량(return loss)이 대역 밖의 평균 반사감쇠량에 대하여 적어도 3dB 만큼 다른 주파수 범위인 것인 안테나.
6. 제 4 항에 있어서,

   상기 공진의 제 1모드와 관련된 전계성분이 상기 코어의 중심축을 횡단하는 방향으로 배향된 전압 쌍극자이고, 상기 공진의 제 2모드와 관련된 전계성분은 상기 중심축과 전체적으로 평행하게 배향된 전압 쌍극자가 되도록 구성되어 있으며,

   상기 연결소자는 밸룬 트랩이고, 상기 모드중 하나에서 상기 제 1위치의 상기 송신선과 방사소자 사이의 연결부분에서 거의 평형 전류(balanced current)를 활성화하도록 배열된 것인 안테나.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 코어는 중심축을 갖고, 상기 방사소자는 상기 축을 중심으로 하고 축주위로 서로에 대하여 대향되게 위치하며 축방향으로 함께 연장된 단일 쌍의 나선형 도체를 포함하고, 상기 연결소자는 상기 송신선과의 연결부에 대향하는 말단에서 상기 방사소자를 교차하도록 상기 코어 주위와 상기 축주위에서 연장되며, 송신선상의 제2위치와 방사소자들의 연결소자에 의해 형성된 전도 경로의 전기 길이와 및 상기 방사소자의 전기 길이들은 상기 동작대역내에서 상기 안테나가 공진의 제 1모드와 공진의 제 2모드를 나타내도록 하는 길이이며, 상기 공진의 제 1모드에서는 연결소자가 1/4파장 트랩을 형성하고 상기 나선형 도체 쌍이 상기 연결소자와의 연결부에 근접한 상기 도체에서 흐르는 각각의 위상이 거의 반대인 전류로 공진 루프를 형성하며, 상기 공진의 제 2모드에서는 상기 나선형 도체쌍과 상기 연결소자가 연결소자와의 연결부분에 근접한 상기 도체에 흐르는 위상이 거의 동일한 전류와 상기 연결 소자를 통하여 상기 송신선의 제 2위치까지 흐르는 전류로 공진 결합을 형성하며, 상기 두 공진 모드는 각각의 관련된 공진 주파수 사이에서 송신선의 종단에서 측정된 동작주파수대역내에서 안테나의 반사감쇠량이 대역 밖의 평균 반사감쇠량에 대하여 적어도 3dB만큼 다르도록 결합되는 것인 안테나.
8. 제 7항에 있어서,

   상기 동작대역내에서 안테나로 표현된 부하 임피던스의 스미스 챠트표시는 루프된 자기교차 궤적(looped self-intersecting locus)을 갖는 것인 안테나.
9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서, 상기 방사소자는 단일 직경 위에 놓여진 방사부에 의해 상기 송신선의 제1위치에 연결되어 있으며,

   상기 송신선은 동축 구조이고, 상기 연결소자는 상기 제 2위치에서 상기 송신선의 스크린 도체에 연결되어 있는 것인 안테나.
10. 제 1 항 내지 제 3 항, 제 7 항, 및 제 8 항 중 어느 한항에 있어서,

    상기 방사소자와 상기 연결소자는 한쌍의 측면 부와 상기 각각의 측면 부 사이에서 연장하는 크로스부를 갖는 루프를 형성하고, 상기 측부의 말단은 개념적인 직사각형의 코너를 형성하고, 상기 크로스부중 하나는 상기 방사소자와 상기 송신선 사이의 피드연결부를 포함하는 것인 안테나.
11. 제 10항에 있어서,

    상기 말단 사이에서, 상기 측면 부는 상기 직사각형의 평면의 대향면 상에서 연장되며,

    상기 방사소자와 상기 연결소자는 함께, 공진의 상기 모드중 하나에서, 360°의 전기 길이를 갖는 트위스티드 루프를 형성하는 것인 안테나.
12. 핸드핼드 무선통신장치(handheld radio communication unit)에 있어서,

    무선 송수신기, 상기 무선 통신장치의 내부 면으로부터의 소리 에너지를 안내하고 사용시 사용자의 귀에 대하게 놓이는 일체형 이어폰, 및 제 1 항 내지 제 3 항, 제 7 항, 및 제 8 항 중 어느 한항에 따른 안테나로서 상기 송수신기에 연결되는 안테나를 포함하며,

    상기 안테나는, 대칭의 중심축을 갖고, 송신선상의 상기 제 1위치 및 제 2위치는 축을 따라 이격되어 있고, 상기 안테나는, 동작주파수대역의 적어도 일부에 걸쳐서 축에 수직으로 코어를 통과하는 평면상에서 널을 제외하고 거의 전방향성인 방사패턴을 갖고, 상기 안테나는, 안테나의 축이 상기 장치의 상기 내부면에 전체적으로 평행이고, 상기 널은 상기 장치의 상기 내부면에 전체적으로 수직으로 향하고 있고, 상기 장치의 사용시 사용자의 머리를 향하도록 안테나가 설치되어 있는 것인 핸드헬드 무선통신장치.
13. 제 12항에 있어서,

    상기 안테나 코어는 원통형이고, 상기 안테나 코어의 중심축은 이어폰영역에서 상기 내부면에 거의 평행이고, 상기 방사소자는 코어상에서 축방향으로 이격된 한쌍의 위치 사이에서 연장하고, 상기 방사소자들의 종단들은, 상기 무선통신장치의 상기 내부면에 전체적으로 평행이고 상기 중심축을 포함하는 평면에서, 각각 서로 거의 대향되는 곳에 위치하는 것인 무선통신장치.
14. 핸드헬드 무선통신장치에 있어서,

    무선 송수신기와 제 1 항 내지 제 3 항, 제 7 항, 및 제 8 항 중 어느 한항에 따른 안테나를 가지며, 상기 안테나는 상기 송수신기와 결합되고, 상기 송수신기는 상기 안테나의 상기 동작 주파수 대역내에서 서로 다르지만 근접한 송신대역부와 수신대역부를 갖는 것인 핸드헬드 무선통신장치.
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