KR100718899B1 - 빔형성 컴포넌트를 가진 프린팅 배선 보드상에 적층된 안테나 어레이 구조 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 무선 채널을 통해 데이터를 전달하기 위한 시스템으로 사용하기 위한 소형화된 지향성 안테나에 관한 것이다. 상기 유니트는 기준 지평면에 대해 공지된 방향으로 다수의 안테나 엘리먼트를 지지한다. 이것은 소형화된 칩 다층 또는 나선형 안테나 엘리먼트를 사용하여 안테나 어레이의 조절 가능성 및 다른 방향 속성의 예측 가능성을 제공하고, 상기 유니트는 1900 MHz 주변의 주파수 대역내에서 동작하기 위하여 대략 3×3×1 인치의 하나의 케이스에 구성되거나 다른 형태의 팩터로 구성될 수 있다.

Description

빔형성 컴포넌트를 가진 프린팅 배선 보드상에 적층된 안테나 어레이 구조 {ANTENNA ARRAY STRUCTURE STACKED OVER PRINTED WIRING BOARD WITH BEAMFORMING COMPONENTS}
본 발명은 빔형성 컴포넌트를 가진 프린팅 배선 보드상에 적층된 안테나 어레이 구조에 관한 것이다.
사용자 컴퓨터, 개인용 휴대 단말(PDA), 및 다른 처리 장치의 사용자는 다양한 형태의 데이터에 액세스하기 위하여 다양한 형태의 네트워크 연결에 의존한다. 예를 들어, 세련된 비즈니스 사용자는 외출중이든지 집안에 있든지 고속 인터넷 액세스를 원한다. 정보 기술 부서는 위치 변화 및 일시적 방문객을 수용하기 위해 사용자에 대한 액세스를 빠르게 설정 및 차단할 필요성을 가진다. 게다가, 장치 수리, 패키지 전달, 및 다른 서비스 산업의 구성은 데이터 액세스를 요구한다.
셀룰러 전화 네트워크에 의해 제공된 바와 같은 현재의 무선 통신 인프라구조가 음성 통화에 폭넓게 사용되지만, 그 용도는 특히 데이터 응용에 폭넓게 사용되지 못하고 있다. 단지 9600 또는 14400 보드(baud) 레이트를 지원하는 셀 방식 접속이 데이터 전송을 위해서 사용하기에는 비교적 느리기 때문이다. 다른 고려 사항은 편리성이다. 예를 들어, 셀룰러 시스템을 사용하기 위하여, 셀룰러 전화를 휴대해야 할뿐만 아니라, 또한 랩탑 컴퓨터 또는 다른 퍼스널 컴퓨터 장치외에 특정 모뎀 장치를 가지고 있어야 한다.
디지털 셀룰러 장치는 통상적으로 종래의 단일 쌍극 안테나를 가지는 핸드세트를 이용한다. 불행하게도, 상기 안테나 유니트는 데이터 속도를 최대화하는데에는 최적화되지 않는다. 예를 들어, 코드 분할 다중 접속(CDMA) 신호전송을 이용하는 네트워크에서, 전력 레벨은 가입자로부터 기지국(역방향 링크)으로 다시 전송하기 위하여 주의 깊게 제어되어야 한다. 유효 방사 전력을 최적화함으로써, 데이터 레이트는 최대로 될 수 있다.
불행하게도, 공지된 쌍극 안테나 장치, 또는 공지된 쌍극 안테나 장치들의 조합은 유효 방사 전력에 대한 적당한 제어를 제공하지 못한다. 이것은 부분적으로 다수의 원인으로 인해 발생한다. 쌍극 안테나 하나만으로는 전력이 타겟 기지국으로 보다 효과적으로 지향되도록 하는 지향성 안테나 패턴을 제공하지 못한다. 게다가, 핸드세트내, 또는 컴퓨터 장치의 케이스에 통합된 다른 형태 내에 상기 장치를 제공하는 것은 안테나 엘리먼트가 지평면에 대해 적당하게 지향되는 것을 보장하는 것을 어렵게 만든다.
따라서, 예를 들어 현존하는 셀룰러 전화 네트워크 상에서 무선 데이터 액세스를 제공하기 위하여 사용될 수 있는 작고 편리한 유니트가 요구된다. 상기 장치는 셔츠 주머니 또는 지갑에 장착할 수 있는 편리한 형태의 팩터를 가져야 한다.
아라키 등에 의해 특허된 미국특허 5,628,053은 마이크로스트립 회로 라인으로 형성된 안테나 부분을 포함하는 집적화된 다층 마이크로파 회로를 개시한다. 상기 안테나는 지붕, 트렁크, 거울, 바람막이유리, 대시보드 등 같은 자동차의 외부상에 장착될 수 있다. 여기에 개시된 안테나는 지향성 방사 패턴을 제공하지만, 방사 패턴은 변경되거나 저장되지 않는다.
프랑스특허 2 710 195는 다수의 안테나 엘리먼트로 구성된 안테나 회로 어셈블리를 개시한다; 상기 안테나는 60 기가헤르쯔(GHz) 또는 그 이상의 매우 높은 마이크로파 주파수의 동작에 사용된다.
유럽특허 출원 0 793 293은 안테나 몸체 내의 전력 공급 전도체를 밀봉하는 안테나 유니트를 개시한다.
미국특허 5,680,144는 셀룰러 전화 같은 통신 장치에 사용하기 위하여 이중 C 타입 패치 안테나 엘리먼트의 사용을 개시한다.
본 발명은 지향성 이득을 제공하여 디지털 데이터 통신을 최적화하는데 사용될 수 있는 소형화된 지향성 안테나 어레이이다. 안테나 어레이는 테이블 또는 휴대용 컴퓨터 장치에 적합한 대략적으로 수평의 표면상에 배치될 수 있는 손바닥 크기의 케이스 내에 패키지화된다. 케이스 내의 어레이 안테나 엘리먼트들의 배치는 지평면에 대해 안테나 엘리먼트의 적절한 지향성을 자동적으로 제공한다.
바람직한 실시예에서, 어레이는 중심 안테나 엘리먼트 및 4개의 외부 또는 모서리 안테나 엘리먼트로 구성되는 5개의 안테나 엘리먼트 어레이이다. 외부 안테나 엘리먼트는 중심 안테나 엘리먼트로부터 반경 거리로 대략 1/4 파장 정도로 이격된다. 안테나 엘리먼트는 무선 파 진행에 투명한 플라스틱 같은 편리한 재료로 형성된 케이스내에 배치된 적당한 지지 구조에 고정된다. 스트립 라인 전력 분할기, 위상 시프터 컴포넌트, 및 전력 라우팅 컴포넌트 같은 다른 전기 엘리먼트는 안테나 어레이 지지 구조 아래에 배치된 다층 프린팅 회로 카드상에 배치된다.
바람직한 실시예에서, 안테나 엘리먼트 그 자체는 다층 칩 안테나로서 공지된 소형화된 안테나 엘리먼트 형태이다. 상기 칩 안테나는 매우 작은 크기이고 공지된 제조 기술에 따라 지지 구조내에 편리하게 장착될 수 있다.
대안적으로, 안테나 엘리먼트는 적당한 수직 방향을 가진 지지 구조내에 장착된 나선형 안테나일 수 있다.
전체적인 결과는 데이터 신호에 대한 무선 링크 신호전송 특성을 크게 향상시키는데 사용될 수 있는 대략 2.5 센티미터(cm)의 높이 및 7.5 cm의 폭 및 깊이를 초과하지 않는 안테나 패키지이다.
본 발명의 상술한, 그리고 추가적인 목적, 특징 및 장점은 첨부 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다음의 바람직한 특정 설명으로부터 명백하고, 동일 부재는 동일 부호로 기재된다. 도면은 반드시 비례적으로 도시되지 않고, 본 발명의 원리를 도시하는 중에 강조될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 안테나 유니트 및 컴퓨터 인터페이스 카드의 외부 모양을 도시한 도이다.
도 2는 안테나 유니트 내부의 상세도이다.
도 3은 칩 다층 안테나 엘리먼트의 상세도이다.
도 4는 어레이에 사용될 수 있는 나선형 안테나 엘리먼트의 상세도이다.
도 5, 6 및 7은 본 발명에 따른 안테나 어레이 구조의 시뮬레이션으로부터 발생된 안테나 패턴이다.
도 1은 본 발명에 따른 안테나 유니트(10)의 도면이다. 안테나 유니트(10)은 일반적으로 무선파에 투명한 플라스틱 같은 재료로 형성된 직사각형 케이스이다. 안테나 유니트(10)는 PCMCIA 인터페이스 카드(12) 같은 적당한 컴퓨터 인터페이스상에서 양방향 제어 케이블(11)을 통해 연결된다.
안테나 유니트(10)의 외부는 기준 지평면에 대해 유니트의 적당한 방향을 사용자에게 알리기 위하여 화살표(14) 같은 지시자로 표시된다. 동작 동안, 유니트(10)는 예를 들어 테이블 또는 책상 또는 다른 편평한 수평 표면상에 배치되고 PCMCIA 카드(12)를 통하여 랩탑 휴대용 컴퓨터, 개인용 휴대 단말(PDA), 또는 다른 컴퓨터 장치 같은 컴퓨터 장치에 연결된다. 사용자는 화살표가 위쪽 방향을 가리키도록 유니트(10)를 배치한다.
안테나 유니트(10)는 안테나 엘리먼트뿐 아니라 프린팅 회로 보드의 하나 이상의 회로 보드(16) 위에 배치되는 무선 주파수(RF) 회로, 중간 주파수(IF) 회로 및 디지털 회로를 포함하는 회로를 밀봉한다. 회로 보드(16)는 도 2에 보다 자세히 도시되고, 상기 회로 보드는 하나 이상의 프린팅 회로 보드 상에서 구현될 수 있다.
도 2는 유니트(10)의 보다 상세한 확대도이다. 유니트(10)는 그 내부에 이미 언급된 바와 같이 안테나 어레이(20) 및 다수의 회로 보드(16-1, 16-2, 16-3 및 16-4)를 포함한다. 바람직한 실시예에서 안테나 어레이(20)는 도시된 바와 같이 5개의 안테나 엘리먼트(22-1, 22-2, 22-3, 22-4 및 22-5)로 구성된다. 특히, 중심 안테나 엘리먼트(22-1)는 지지 구조(24)로서 사용된 사각형 프레임의 외부 모서리상에 배치된 4개의 외부 안테나 엘리먼트(22-2, 22-3, 22-4 및 22-5)와 함께 배열된다.
지지 구조(24)는 후면 벽(25-1), 전면 벽(25-2), 우측 벽(25-3), 좌측 벽(25-4), 및 중심 벽(25-6)을 포함하며, 기준 지평면에 대해 수직하는 다수의 표면으로 구성된다. 중심 벽(25-6)은 중심 안테나 엘리먼트(22-1)를 지지한다. 우측 벽(25-3)은 후면 우측 안테나 엘리먼트(22-3) 및 전면 우측 안테나 엘리먼트(22-4)를 지지한다. 좌측벽(25-4)은 후면 좌측 안테나 엘리먼트(22-2) 및 전면 좌측 안테나 엘리먼트(22-5)를 지지한다.
이 실시예에서, 안테나 엘리먼트(22)는 무라타 제조 회사가 판매하는 모델 LDA36D1920 같은 칩 다층 안테나이다. 이런 형태의 엘리먼트는 도 3과 관련하여 추가로 상세히 기술된다.
안테나 엘리먼트(22) 사이의 간격은 어레이(20)의 성능에 중요하다. 바람직한 실시예에서, 어레이 안테나 엘리먼트(22)의 간격은 동작시에 의도된 중심 주파수의 파장(λ)에 특히 의존한다. 대략 1850 내지 1990 MHz의 퍼스널 통신 시스템(PCS) 주파수 대역에서 동작하는 실시예에서, 파장(λ)은 대략 6.215 인치이다.
그러나 일반적으로 안테나 엘리먼트 간격은 외부 안테나 엘리먼트(22-2, ..., 22-5)의 중심 지점이 중심 안테나 엘리먼트(22-1)로부터 대략 0.26*λ의 반경 거리(radial distance)로 설정되도록 한다. 이 간격은 목표된 효과를 얻기 위하여 다소 가변될 수 있다. 상기 어레이는 상기 간격이 모든 인접한 외부 안테나 엘리먼트에 대해 동일하도록 정사각 어레이어야 한다. 예를 들어, 전면 안테나 엘리먼트(22-5 및 22-4) 사이의 최적 간격은
Figure 112006072698574-pct00009
*0.26*λ 이고, 이는 대략 측면 안테나 엘리먼트(22-2 및 22-5) 사이의 간격과 동일하다. 대략 1900 MHz의 동작에 대하여, 전체 유니트(10)의 치수는 대략 7.5 cm(W1)× 7.5 cm(D1)× 2.5cm(H1)이다.
지지 구조(24)는 플라스틱, 세라믹, 또는 무선 파의 전송에 투명한 임의의 편리한 재료로 형성될 수 있다. 중요한 것은 지평면에 대해 예측 가능한 방식으로 안테나 엘리먼트를 지향시키는 것이다. 따라서, 사용자가 화살표(14)에 의해 지시된 바와 같이 올바른 방향으로 안테나 유니트(10)를 배치시킬 때, 안테나 엘리먼트(22)는 지평면에 대해 정해진 방향성을 가지며, 보다 예측 가능한 동작 결과를 가진다.
어레이(20)는 적당하게 동작하도록 다른 컴포넌트를 요구한다. 예를 들어, 어레이(20)는 개별 안테나 엘리먼트(22)에 제공되는 전기 신호의 위상을 변화시킴으로써 다수의 다른 방향으로 조절될 수 있는 지향성 어레이이다. 따라서, 전력 분할기, 위상 시프터, 및 신호 라우팅 트레이스 같은 부가적인 컴포넌트가 안테나 유니트(10)내에 배치된다. 바람직하게 이들 컴포넌트는 이미 기술된 바와 같이 회로 보드(16)중 하나에 배치된다. 예를 들어, 상부 층(16-1)은 그라운드 평면 층이고, 제 2 층(16-2)은 안테나 어레이(20)에 인가되는 전기 신호 에너지를 5방향으로 분할하기 위한 스트립 라인 전력 분할기를 수용할 수 있다. 제 3 층(16-3)은 다른 그라운드 평면을 제공하고 제 4 층(16-4)은 위상 시프터 컴포넌트, 부가적인 전력 분할 컴포넌트, 및 신호와 전력 배선을 장착하기 위한 표면을 제공할 수 있다.
전도체(26-1, ..., 26-5)는 층(16-2)상의 스트립 라인 전력 분할기 컴포넌트 같은 전기 컴포넌트에 접속을 제공하기 위하여 각각의 안테나 엘리먼트(22-1, ..., 22-5)의 공급 지점으로부터 연장된다. 회로 보드(16)는 고체 접지 평면이거나 배선을 수용하기 위해 여러 장소에서의 중단부(interruptions)를 가진다.
따라서 도 2의 장치는 비교적 작은 패키지로 예를 들어 무선 디지털 데이터 네트워크에서의 동작을 최적화하기 위하여 안테나 엘리먼트가 미리 결정된 방향으로 지향되도록 하는 조절 가능한 어레이를 형성하는 소형화된 안테나 엘리먼트를 제공한다.
도 3은 소형화된 안테나 엘리먼트(22)중 하나를 상세히 기술한다. 무라타사로부터 얻어진 특정 안테나 엘리먼트는 LDA36D 시리즈로서 공지된 소형화된 형태의 안테나이다. 안테나 엘리먼트(22)는 레이저 트림 라인(32) 및 내부 상부 로딩 구조(34)가 형성된 기판(30)을 가진 상부 용량성 로딩 형태이다. 공급 단부 지점(36)은 공급 라인에 대한 접속이 이루어지는 지점을 제공한다. 안테나 엘리먼트(22)는 세라믹 기판 같은 편리한 재료로 제조될 수 있다. 안테나 엘리먼트는 1/4 파장형 안테나 엘리먼트로서 작동한다.
다른 실시예에서, 안테나 엘리먼트(22)는 토코 어메리카 인코포레이티드가 판매하는 소형화된 나선형 안테나 엘리먼트로서 구현될 수 있다. 모델 HEAW-T01-002 같은 안테나 엘리먼트는 대략 1.32 인치의 전체 높이(H3)를 가진다. 나선형 안테나(40)를 사용하는 경우, 상기 안테나는 아래 놓인 회로 보드(16-1)에 직접적으로 장착되므로, 칩 안테나(28)의 경우처럼 지지 구조(24)를 정교하게 만들 필요성이 없다. 그러나, 상기 구조(24)는 지평면에 대해 나선형 코일 안테나의 적당한 방향성을 제공하여야 하므로, 상기 구조는 사용자에 의해 공지된 방향으로 항상 배치될 것이다.
안테나 유니트(10)로 달성할 수 있는 안테나 패턴 형태의 샘플은 도 5, 6 및 7에 도시된다. 도 5는 0 도에 대해 지향 방향을 최적화하도록 설정된 안테나 위상을 가진 구조의 시뮬레이션으로부터 전개된 안테나 패턴이다. 상기 구조는 대략 30 도의 허용 가능한 대역폭을 얻기 위하여 사용될 수 있다.
도 6 및 도 7은 위상 엘리먼트 가중치가 각각 22 도 및 45 도에 대해 최적화될 때의 결과를 도시한다. 시뮬레이션 결과의 상대적 크기는 등방성에 대해 9 데시벨(dBi)의 예상되는 지향성 이득을 보여준다.
본 발명이 바람직한 실시예를 참조하여 도시되고 기술되었지만, 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위에 의해 정의된다.

Claims (14)

  1. 무선 채널을 통해 디지털 신호 통신을 제공하는 휴대용 데이터 처리 장치에서 사용하기 위한 지향성 안테나 유니트(10)로서,
    다차원 어레이 상에 배치되며, 의도된 파장의 결과에 따라 계산된 미리 결정된 위치상에서 배치되는 다수의 안테나 엘리먼트(22);
    기준 지평면에 대해 수직 방향으로 상기 안테나 엘리먼트를 지지하기 위한 지지 구조(24);
    다차원 안테나 엘리먼트 어레이 아래에 장착되는 지향성 조정 회로 컴포넌트를 포함하고,
    상기 회로 컴포넌트, 상기 지지 구조, 및 상기 다수의 안테나 엘리먼트는 하나의 케이스 내에 밀봉(enclose)되는 지향성 안테나 유니트.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 케이스는 상기 기준 지평면에 대해 상기 유니트의 적당한 방향을 표시하기 위하여 외부 표면에 배치된 방향 표시부(14)를 가지는 지향성 안테나 유니트.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 다수의 안테나 엘리먼트는 1개의 중심 엘리먼트 및 상기 중심 엘리먼트로부터 이격된 4개의 모서리 엘리먼트를 가지는 5개의 안테나 엘리먼트로 구성되는 지향성 안테나 유니트.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 4개의 모서리 엘리먼트는 상기 중심 엘리먼트로부터 반경(radial) 방향을 따라 1/4 파장 만큼 이격되는 지향성 안테나 유니트.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 안테나 엘리먼트는 칩-형태 엘리먼트인 지향성 안테나 유니트.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 지지 구조는 기준 지평면에 수직인 방향으로 상기 칩-형태 안테나 엘리먼트를 지지하는 지향성 안테나 유니트.
  7. 제 3 항에 있어서, 상기 4개의 모서리 엘리먼트는 안테나 동작 파장의 0.26배만큼 상기 중심 엘리먼트로부터 이격되는 지향성 안테나 유니트.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 다차원 어레이는 지향성 어레이인 지향성 안테나 유니트.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 안테나 엘리먼트들은 상기 기준 지평면에 대해 실질적으로 수직하는 지향성 안테나 유니트.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 다차원 어레이는 점 대 다중점(point to multipoint) 통신을 위해 동작하는 지향성 안테나 유니트.
  11. 디지털 신호의 지향성 RF 통신을 위해 동작하는 지향성 안테나 유니트로서,
    하우징;
    지지 접지 평면 계층, 전력 분할기 계층, 접지 평면 계층, 및 상호 연결된 위상 분배기, 전력 분할기, 신호 와이어링 및 전력 와이어링을 갖는 컴포넌트 계층을 포함하는 동일 평면(coplanar) 계층들로 구성되는 상기 하우징 내의 다중 계층 인쇄 회로 보드;
    상기 다중 계층 인쇄 회로 보드에 수직하며, 직사각형 형태로 배치되는 외부벽들을 포함하는 상기 다중 계층 인쇄 회로 보드 위의 지지 구조;
    상기 지지 구조의 마주하는 외부 벽들을 이등분하는 중앙 벽;
    상기 중앙 벽에 의해 이등분된 외부 벽들 중 하나의 벽의 양 끝단에 배치되며, 연결되는 외부 벽들에 인접하여 배치되는 제1 안테나 엘리먼트 및 제2 안테나 엘리먼트;
    상기 제1 안테나 엘리먼트 및 제2 안테나 엘리먼트를 갖는 외부 벽과 마주하는 외부 벽의 양 끝단에 배치되며, 연결되는 외부 벽들에 인접하여 배치되는 제3 안테나 엘리먼트 및 제4 안테나 엘리먼트; 및
    상기 중앙벽에 배치되는 제5 안테나 엘리먼트를 포함하며,
    상기 각각의 안테나 엘리먼트들은 의도된 파장의 결과에 따라 계산된 미리 결정된 위치에 배치되며, 조정 회로 컴포턴트가 상기 안테나 엘리머트들의 전력을 제어하는 지향성 안테나 유니트.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 각각의 안테나 엘리먼트는 칩 타입 엘리먼트인 지향성 안테나 유니트.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 지지 구조는 상기 다중 계층 회로 보드에 대해 수직 방향에서 안테나 엘리먼트를 지지하는 지향성 안테나 유니트.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 제5 안테나 엘리먼트에 대한 상기 제1, 제2, 제3, 및 제4 안테나 엘리먼트들의 미리 결정된 위치는 의도된 파장의 대략 0.26배만큼 상기 제5 안테나 엘리먼트로부터 이격되는 지향성 안테나 유니트.
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