KR100803496B1

KR100803496B1 - 이중 대역 패치 안테나 및 무선 통신 장치

Info

Publication number: KR100803496B1
Application number: KR1020027001236A
Authority: KR
Inventors: 케빈 아르. 보일레
Original assignee: 엔엑스피 비 브이
Priority date: 2000-06-01
Filing date: 2001-05-10
Publication date: 2008-02-14
Also published as: DE60126280T2; JP2003535542A; KR20020013977A; WO2001093373A1; EP1293012A1; US6624786B2; CN1227776C; ATE352885T1; DE60126280D1; US20010035843A1; CN1381079A; GB0013156D0; EP1293012B1; JP4237487B2

Abstract

이중 대역 패치 안테나(700)는 종래 패치 도체(106)와 접지 도체(102) 사이에 연결된 공진 회로(702,704)를 구비한 종래의 패치 도체(106)를 포함한다. 상기 공진 회로(702,704)는 상기 안테나(700)의 거동(behaviour)을 그 공진 주파수 근처에서 변경시키며, 이로 인해 양쪽 대역이 동시에 쓰일 수 있는 이중 대역 안테나를 제공한다. 상기 이중 대역 안테나의 총 복사(radiating) 대역폭은 공진 회로를 갖지 않은 등가의(equivalent) 안테나의 총 복사 대역폭 보다 현저히 크다. 추가의 공진 회로가 채택되어 다중 대역 안테나를 제공할 수 있다.

Description

이중 대역 패치 안테나 및 무선 통신 장치{DUAL BAND PATCH ANTENNA AND RADIO COMMUNICATIONS APPARATUS}

본 발명은 이중 대역 동작을 할 수 있는 무선 통신 장치를 위한 패치 안테나에 관한 것이다. 본 명세서에서, 이중 대역 안테나라는 용어는 2 가지(또는 그 이상)로 분리된 주파수 대역에서 충분히 동작하지만, 상기 대역 사이의 사용되지 않은 스펙트럼에서는 동작하지 않는 안테나에 관한 것이다.

패치 안테나는 실질적으로 평면인 도체를 포함하는데, 이는 종종 직사각형 또는 원형으로 되어 있다. 이러한 안테나에는 안테나 위의 한 점과 접지 도체 위의 한 점 사이의 전압 차이를 인가함으로써, 전력이 공급된다(feed). 접지 도체는 흔히 평면이며, 안테나에 실질적으로 평행한데, 이러한 조합은 자주, PIFA(Planar Inverted-F Antenna:평면 역-F형 안테나)라고 불린다. 코드리스(cordless) 전화 또는 셀룰러 전화 핸드세트(handset)에서 사용될 때는, 접지 도체는 대개 핸드세트 몸체에 의해 제공된다. 패치 안테나의 공진 주파수는 공급(feed) 포인트의 위치를 변경시킴으로써 그리고 상기 도체 사이에 여분의 단락 회로를 추가함으로써 변경될 수 있다.

코드리스 전화 또는 셀룰러 전화 핸드세트에 패치 안테나를 사용하는 데에는 몇 가지 장점이 있는데, 특히 콤팩트한 형태와 우수한 복사 패턴이 있다. 그러나, 패치 안테나의 대역폭은 한정되어 있으며, 안테나의 대역폭과 안테나가 차지하는 부피 사이에는 직접적인 관련이 있다.

셀룰러 무선 통신 시스템은 전형적으로 10%의 비대역폭(fractional bandwidth)을 가지는데, 이는 상대적으로 커다란 안테나 부피를 요구한다. 이러한 시스템 다수는 전체 스펙트럼이 두 부분으로 따로 구분되어, 하나는 송신에 사용되고 다른 하나는 수신에 사용되는 주파수 분할 듀플렉스이다. 몇몇 경우에 있어서, 송신 및 수신 대역 간에 사용되지 않은 스펙트럼이 상당 부분 존재한다. 예를 들면, UMTS(Universal Mobile Telecommunication System: 범용 이동 통신 시스템)에 대해, 업링크 및 다운링크 주파수는 각각 1900-2025MHz 및 2110-2170MHz이다(위성 성분 무시). 이는 2035MHz에 중심을 둔 13.3%의 총 비대역폭을 나타내는데, 이 총 비대역폭 중 업링크 비대역폭은 1962.5MHz에 중심을 둔 6.4%이고, 다운링크 비대역폭은 2140MHz에 중심을 둔 2.8%이다. 따라서, 총 대역폭의 대략 30%가 사용되지 않는다. 만약 이중 공진을 하는 안테나가 고안될 수 있다면, 총 대역폭 요구 조건이 감소되어 더 작은 안테나가 사용될 수 있다.

알려져 있는 솔루션 중 하나는 US-A-4 367 474 및 US-A-4 777 490에 개시된 것으로, 다이오드를 사용하여 스위칭함으로써 위치가 바뀌어지는 도체들 사이에 단락 회로를 제공하여, 이로써 안테나의 동작 주파수가 스위칭되게 하는 것이다. 그러나, 다이오드는 비선형(non-linear) 디바이스이며, 따라서 상호 변조(intermodulation) 결과물을 생성시킬 수 있다. 더 나아가, UMTS와 같은 시스템에서는, 동시적 송신 및 수신을 할 것을 요구하므로, 이러한 스위칭은 수용할 수 없다.

본 발명의 목적은 스위칭 없이 이중 대역 동작을 하는 패치 안테나를 제공하는 것이다.

본 발명의 첫번째 양상에 따라, 무선 통신 장치 용의 이중 대역 패치 안테나가 제공되는데, 상기 안테나는 실질적으로 평면인 패치 도체를 포함하고 있으며, 패치 도체 위의 한 점과 접지 도체 위의 한 점 사이에 공진 회로가 연결되어 있다.

본 발명의 두번째 양상에 따라, 본 발명에 의거하여 제작된 안테나를 포함한 무선 통신 장치가 제공된다.

본 발명은 선행 기술에는 없는 다음과 같은 인식에 기초하는데, 즉, 패치 도체 위의 한 점과 접지 도체 위의 한 점 사이에 공진 회로를 연결시킴으로서, 패치 안테나의 거동(behavior)이 변경되어, 스위칭할 필요 없이 이중 대역 동작을 제공한다. 이러한 배열은 공진 회로가 수동형일 수 있으며 양쪽 주파수대역 모두에서 동시적 송신 및/또는 수신을 가능하게 하는 장점을 가진다.

본 발명에 따라 제작된 패치 안테나는 광범위한 응용 장치에 적용하기에 적합한데, 특히 동시적 이중 대역 동작이 요구되는 곳에 적합하다. 이러한 응용 장치의 예로는 UMTS 및 GSM(Global System for Mobile communication: 이동 통신 세계화 시스템) 셀룰러 전화 핸드세트와, HIPERLAN/2 (High PErformance Radio Local Area Network type 2: 고성능 라디오 근거리 통신망 유형 2) 무선(wireless) 근거리 통신망에서 사용하기 위한 디바이스를 포함한다.

본 발명에 따라 제작된 패치 안테나의 예기치 못한 장점은, 두 개(또는 그 이상)의 공진이 합쳐진 대역폭이, 공진 회로를 갖지 않고 변경되지 않은 패치 안테나의 대역폭 보다 현저히 크다는 점이다. 이 같은 장점은 전형적인 무선 응용 장치에 사용하기에 훨씬 더 적합하게 한다.

본 발명의 실시예를 이제, 예시를 통해 첨부된 도면을 참조하여 설명할 것이다.

도 1의 a는 패치 안테나의 횡단면을 도시하고, 도 1의 b는 상부도(평면도)를 도시한 도면.

도 2는 도 1의 패치 안테나를 모델링하기 위한 등가 회로도.

도 3은 도 1의 패치 안테나에 대해 MHz의 주파수 f에 대해 리턴(return) 손실(S₁₁)을 dB로 나타낸 그래프로서, 특정된 결과는 실선으로, 모의 실험한(simulated) 결과는 파선으로 나타낸 도면.

도 4는 이중(dual) 공진 패치 안테나를 나타내는 변경된 등가 회로를 도시한 도면.

도 5는 도 4의 변경된 등가 회로에 대해 MHz의 주파수(f)에 대해 모의 실험한 리턴 손실(S₁₁)을 dB로 나타낸 그래프.

도 6은 주파수 범위 1500 내지 2000 MHz에 걸쳐 도 4의 변경된 등가 회로의 모의 실험한 임피던스를 도시한 스미스(Smith) 차트.

도 7은 이중 대역 동작을 위해 변경된 패치 안테나의 횡단면도.

도 8은 도 7의 패치 안테나에 대해 MHz의 주파수 f에 대해 측정된 리턴 손실 (S₁₁)을 dB로 나타낸 그래프.

도 9는 주파수 범위 1700 내지 2500MHz에 걸쳐 도 7의 변경된 패치 안테나의 측정된 임피던스를 도시한 스미스 차트.

도 10은 도 7의 패치 안테나를 병합한 이동 전화 핸드세트의 후면도(배면도).

도면에서 같은 참조 번호는 상응하는 특징을 표시하기 위해 사용되었다.

도 1은 1/4파 패치 안테나(100)의 일 실시예를 예시하는데, 도 1의 a는 횡단면도를 도시하고 도 1의 b는 상부도(평면도)를 도시한다. 안테나는, 평면이고 직사각형인 접지 도체(102)와, 전도 스페이서(104)와, 상기 접지 도체(102)에 실질적으로 평행하게 지지된, 평면이고 직사각형인 패치 도체(106)를 포함한다. 상기 안테나에는 동축(co-axial) 케이블을 통해 전력이 공급되는데(feed), 그 외부 도체(108)는 접지 도체(102)에 연결되고, 내부 도체(110)는 패치 도체(106)에 연결된다.

접지 도체(102)는 폭 40mm, 길이 47mm 및 두께 5mm이다. 패치 도체는 폭 30mm, 길이 41.6mm 및 두께 1mm를 가진다. 스페이서(104)는 길이 5mm 및 두께 4mm를 가져서, 도체(102,106) 사이에 4mm의 간격을 제공한다. 케이블(110)은 횡방향의 대칭축 상의 한 점에서 패치 도체(106)에 접속되는데, 스페이서(104)에 부착된 도체(106)의 가장자리(edge)에서 10.8mm 떨어진 점에서 패치 도체(106)에 접속된다.

도 2에 도시된 송신 라인 회로 모델은 안테나(100)의 거동을 모델링하기 위해 사용되었다. 첫번째 송신 라인 구역(TL₁)은 길이 30.8mm이고 폭 30mm이며, (도 1의 a와 b의 우측에 있는)개방된(opened) 단부와 동축 케이블의 안쪽 도체(110)의 연결부 사이에 있는 도체(102,106)의 부분을 모델링한 것이다. 두번째 송신 라인 구역(TL₂)은 길이 5.8mm와 폭 30mm를 가지며, 안쪽 도체(110)의 연결부와 스페이서(104)의 가장자리 사이에 있는 도체(102,106)의 부분을 모델링한 것이다{이는 도체(102,106) 사이에서 단락 회로 역할을 한다}.

정전용량(capacitance)(C₁)은 단부가 개방되어 있는 송신 라인의 가장자리 정전용량을 나타내며, 값 0.495pF을 가지며, 한편, 저항(R₁)은 가장자리의 복사(radiation) 저항을 나타내고, 값 1000Ω을 가지는데, 양쪽 값 모두 실험으로 정해졌다. 포트(port)(P)는 동축 케이블(108,110)이 안테나에 연결되는 점을 나타내며, 모의 실험에서 상기 포트(P)를 종료시키기 위해 케이블(108,110)의 임피던스와 같은 50Ω의 부하가 사용되었다.

도 3은 1500MHz와 2000MHz 사이의 주파수(f)에 대해 안테나(100)의 리턴 손실(S₁₁)에 대한 측정된 결과 및 모의 실험된 결과를 비교하고 있다. 측정된 결과는 실선으로 표시되고, (도 2에 도시된 회로를 사용해)모의 실험한 결과는 파선으로 표시된다. 특히, 상기 회로 모델의 간단한 특성을 고려하여, 측정된 결과와 모의 실험한 결과가 아주 잘 일치함을 볼 수 있다. (복사된 입력 전력의 대략 90%에 해당하는)7dB 리턴 손실에서의 단편적인 대역폭(fractional bandwidth)은 4.3%이다.

도 2의 회로의 변경이 도 4에 도시되어 있는데, 여기서, 두번째 송신 라인 구역(TL₂)은 두 구역, 즉 TL_2a 및 TL_2b 으로 나뉘며, 공진 회로는 이들 두 회로의 접점으로부터 접지로 연결되어 있다. 공진 회로는 인덕턴스(L₂) 및 정전용량(C₂)을 포함하는데, 이는 자체 공진 주파수,

에서 제로 임피던스를 가진다. 이러한 공진 주파수 부근에서, 패치의 거동이 변경되는 한편, 다른 주파수에서는 패치의 거동이 실질적으로 영향을 받지 않는다.

UMTS 송신 및 수신 대역 사이의 단편적 구분(fractional separation)에 해당하는, 8.7%의 작은 주파수 간격에서, 이중 공진을 얻을 때까지, 공진 회로의 성분 값 및 위치를 변화시키는 모의 실험이 수행되었다. 그 결과로 성분 값은 L₂가 값 1.95nH을 가지며, C₂는 값 3.7pF를 가지는 한편, 송신 라인 구역(TL_2a 및 TL_2b)은 각각 4.1mm와 1.7mm의 길이를 가진다.

도 5는 1500MHz와 2000MHz 사이의 주파수(f)에 대해 리턴 손실(S₁₁)에 대한 결과를 도시한다. 이제는 주파수 1718MHz와 1874MHz에 두 개의 공진이 존재한다. 상기 두 개의 공진 중 낮은 쪽의 공진은 공진 회로의 영향에 의해 감소된 원래의 공진 주파수에 해당하며, 한편 더 높은 공진은 공진 회로의 공진 주파수, 즉, 1873MHz에 근접한 주파수의 새로운 복사 대역에 해당한다. 7dB의 리턴 손실 대역폭은 2.2% 및 1.3%이며, 이는 3.5%의 총 복사 대역폭을 제공한다. 이것은 공진 회로의 추가 저장된 에너지로 인해 예상될 수도 있는 바와 같이, 변경되지 않은 패치의 대역폭에 걸쳐서 대역폭에 약간의 감소를 나타낸다.

같은 주파수 범위에 걸쳐 안테나의 모의 실험된 임피던스를 예시하는 스미스 차트가 도 6에 도시되어 있다. 추가의 매칭 회로로 매칭이 향상될 수 있으며, 상기 두 공진의 관련 대역폭은 예컨대 공진 회로의 인덕턴스나 정전용량을 변화시킴으로써 쉽게 교환(trade)될 수 있다.

기본적인(prototype) 패치 안테나는 실제 이러한 설계가 얼마나 잘 작용하는 지를 결정하도록 설계되었으며, 도 7에 횡단면으로 도시되었다. 변경된 패치 안테나(700)는 도 1의 것과 유사하며, 접지 도체(102)에 심봉(mandrel)(702)과 구멍(704)이 추가되었다. 심봉(702)은 M2.5 나사산이 형성된(threaded) 놋쇠(brass) 봉(cylinder)을 포함하는데, 이는 그 길이의 아래쪽 5.5mm에 대해서는 1.9mm의 직경으로 이어지고, 심봉(702)의 상기 나사 부분은 0.065mm 두께의 PTFE 슬리브 관(sleeve)에 끼워진다. 패치 도체의 길이는 UMTS 주파수 대역에 더 잘 대응되기 위하여, 38.6mm로 감소되었다.

심봉(702)의 나사산이 형성된 부분은 패치 도체(106) 안의 나사 절삭부(thread cut)와 상호 작용하여, 심봉(702)이 올라가고 내려가게 할 수 있게 한다. 심봉(702)의 아래쪽 부분은 구멍(704) 안에 타이트하게 끼워지는데, 상기 구멍의 지름은 2.03mm이다. 따라서, PTFE 유전체를 갖는 정전용량이, 구멍(704) 안으로 들어가는 심봉(702) 부분에 의하여 제공되는 한편, 인덕턴스는, 상기 접지 도체 및 패치 도체(102,106)사이의 심봉 부분에 의해 제공된다. 상기 심봉은 도체(102,106)의 너비 중앙에 위치하며, 그 중심은 스페이서(104)의 가장자리에서 1.7mm 떨어진 곳에 위치한다.

심봉(702)과 구멍(704) 사이의 정전 용량은 구멍(704)내로 심봉(702)이 관통하는 길이의 mm 당 대략 1.8pF이며, 최대 관통 길이는 4mm이다. 도체(102,106) 사이의 심봉(702)의 4mm 길이 부분의 인덕턴스는 대략 1.1nH이다.

1700MHz와 2500MHz 사이의 주파수(f)에 대하여 측정된 리턴 손실(S₁₁)의 도면은 심봉(702)이 구멍(704) 안에 완전히 끼워진 상태로서, 도 8에 도시되어 있다. 약 14%의 작은 주파수 간격으로 이중 공진이 분명히 달성된다. 공진의 7dB 리턴 손실 대역폭은 각각 5.6% 및 1.7%로, 이는 변경되지 않은 패치의 대역폭의 거의 두 배인, 총 복사 대역폭 7.3%를 제공한다. 이러한 개선 사항은 전혀 예측 못했던 것이며, 본 발명을 이중 대역 응용에 대해 특히 유리하게 한다.

같은 주파수 범위에 걸쳐, 측정된 임피던스를 예시하는 스미스 차트가 도 9에 도시되어 있다. 이 도면은 안테나(700)의 2개의 공진의 임피던스 특성이 유사하다는 것을 증명해준다. 따라서, 대역폭의 매칭 및 확장의 동시적 향상이 가능한 것으로 보인다.

심봉(702)을 구멍(704) 안에 부분적으로 들어가게 하는 추가의 조치가 수행되었다. 구멍(704) 속에 들어가 있는 심봉(702)의 길이가 줄어듦에 따라, 공진 회로의 정전용량이 이에 비례하여 감소하는 한편, 인덕턴스는 실질적으로 일정하게 유지된다. 심봉(702)이 구멍(704)에서 빠져 나옴에 따라, 제 2 공진의 공진 주파수가 높아지는 한편, 제 1 공진의 주파수는 약 1900MHz에서 실질적으로 일정하게 유지되는 것이 밝혀졌다. 심봉(702)이 빠져 나옴에 따라 양쪽 공진의 깊이가 감소하였다. 따라서, 8.7%의 작은 주파수 간격을 지니고 UMTS와 사용하기에 적합한 안테나는 공진 회로의 인덕턴스나 정전용량을 적당히 높임으로써 달성될 수 있다.

대량 생산에 적합한 패치 안테나(700)의 일 실시예에서, 공진 회로는 통상, 고정된 값을 갖는 분리되거나 프린트된 성분을 사용하여 구현될 수 있으며, 안테나 자체는 가장자리에서 급전되어도 좋다. 이러한 변경은 상술한 기본적인 실시예 보다 실질적으로 더 간단한 구현을 가능케 할 것이다. 본 발명의 통합 실시예는 LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic: 저온 소성 세라믹) 기판에서도 제작이 가능하며, 기판 바닥에 접지 도체(102)를 구비하고, 이 기판은 기판 상부에 패치 도체(106)를 구비하며, 중간(intermediate) 층 전체에 걸쳐 분포된 공급(feeding) 및 매칭 회로를 구비한다.

도 10은 본 발명에 따라 제작된 패치 안테나(700)를 병합시킨 이동 전화 핸드세트(1000)의 후면도(배면도)이다. 안테나(700)는 핸드세트의 케이스가 금속화(metallisation)되어 형성될 수 있다. 대안적으로, 상기 안테나는 상기 전화의 RF 성분을 차폐하는(shielding) 금속 싸개 위에 장착될 수 있는데, 상기 싸개는 접지 도체(102)의 역할을 할 수도 있다.

비록 상술한 실시예가 자체 공진 주파수에서 제로 임피던스를 갖는 공진 회로를 사용했지만, 다른 형태의 공진 회로를, 본 발명에 따라 제작된 안테나에 동일하게 사용할 수 있다. 원래의 복사 모드를 실질적으로 변하지 않은 채로 남겨 두면서, 안테나의 여분의 복사 모드(extra radiation mode)를 생성하기 위해 공진 주파수 영역에 그 공진 회로를 제공함으로써 안테나의 거동이 변경되는 것만이 필요하다. 공진 회로를 더 추가함으로써, 또는 복수의 공진주파수를 갖는 공진 회로를 사용함으로써, 다중 대역 안테나를 또한 설계할 수 있다.

본 개시 내용을 읽으면서, 당 업자에게는 다른 변경이 자명할 것이다. 이러한 변경은 패치 안테나의 설계, 제작 및 사용에 있어서 이미 알려져 있는 다른 특징을 수반할 수 있는데, 이와 같은 특징은 본 명세서에서 이미 설명한 특징 대신 또는 추가되어 사용될 수 있다. 비록 본 출원에서 청구 범위는 특징을 특수하게 조합하여 만들어졌지만, 본 출원의 개시 내용 범위에는, 임의의 신규 특징이나, 본 명세서에서 분명하게 또는 함축적으로 개시된 특징의 신규 조합, 또는 그것의 임의 종합 또한 포함되어야 하는데, 이는 임의의 청구항에서 현재(presently) 청구된 것과 같은 발명에 관한 것이든지 아니든지 상관없이, 그리고 본 발명과 동일한 기술적 문제들 중 임의의 것 또는 전부를 완화시키는 것이든지 아니든지 상관없다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 이로써, 본 출원인들은 본 출원 또는 거기에서 유도된 어떠한 추가 출원의 속행 중에 이러한 특징 및/또는 특징의 조합으로 새로운 청구 범위를 조직할 수 있음을 공지한다.

본 명세서 및 청구 범위에서, 단수로 개재된 요소는 이러한 요소가 복수 존재함을 배제하지 않는다. 또한, 단어 "포함하는"은 열거된 것 이외에 다른 요소나 단계가 존재함을 배제하지 않는다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 이중 대역 작동을 할 수 있는 무선 통신 장치를 위한 패치 안테나에 이용된다.

Claims

무선 통신 장치용 이중 대역 패치 안테나로서,

패치 도체,

구멍을 구비하는 접지 도체,

상기 패치 도체와 상기 접지 도체를 접속시키는 전도 스페이서,

상기 패치 도체에 급전하는 동축 케이블(a co-axial cable) - 상기 동축 케이블은 상기 패치 도체의 대칭축을 따라 상기 전도 스페이서로부터 이격된 지점에서 상기 패치 도체에 접속됨 - 과,

상기 전도 스페이서와 상기 동축 케이블의 접속 지점 사이의 위치에서 상기 패치 도체에 의해 지지되고 상기 접지 도체 내의 상기 구멍으로 연장되는 심봉(mandrel)을 포함하되,

상기 심봉은 상기 패치 도체와 상기 접지 도체 사이의 공간에 위치한 유도성 영역(inductive portion)과 상기 접지 도체의 상기 구멍 내에 위치한 용량성 영역(capacitive portion)을 포함하며, 상기 용량성 영역의 정전용량(capacitance)은 상기 심봉을 상기 구멍에 대해 축방향으로 이동시킴으로써 조정가능한

이중 대역 패치 안테나.
제 1 항에 있어서,

상기 정전용량은 상기 구멍 안으로 들어가는 심봉 부분에 의해 제공되고,

상기 인덕턴스는 상기 접지 도체와 상기 패치 도체 사이의 심봉 부분에 의해 제공되는

이중 대역 패치 안테나.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

적어도 하나의 추가 공진 회로가 상기 패치 도체와 상기 접지 도체 사이에 연결되고, 이로 인해 상기 안테나의 동시적 다중-대역(multi-band) 동작을 가능케 하는

이중 대역 패치 안테나.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 패치 도체는 나사 절삭부(thread cut)를 구비하고,

상기 심봉은 상기 나사 절삭부와 상호작용하는 나사산이 형성된 부분(threaded portion)을 구비하며,

상기 나사산이 형성된 부분은 상기 심봉이 올라가고 내려가게 하는

이중 대역 패치 안테나.
삭제
제 1 항 또는 제 2 항 중 어느 한 항에 기재된 패치 안테나를 포함하는

무선 통신 장치.