KR100861868B1 - 안테나 장치 - Google Patents

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Abstract

안테나 장치는 전송 라인을 규정하는 제 1 및 제 2 섹션들(102, 104)을 포함하는 접힌 구조(100)를 포함한다. 섹션들은 미앤더 라인(meander-line) 소자들 또는 다른 물리적으로 단락된 전기 소자들, 예를 들어 헤리컬(helical) 소자일 수 있다. 각각의 급전점들(103, 105)은 섹션들(102, 104)의 자유단들에 제공되며, 그것에 의해서 독립적인 접속들이 전송 및 수신과 같은 다른 모드들에서 행해질 수 있게 된다. 부가적인 실시예들에서, 탑-로딩 및 부가적인 단락 회로 소자들은 성능을 향상시키기 위해서 그리고 안테나 볼륨을 감소시키기 위해서 제공될 수 있다. 섹션들(102, 104)의 임피던스들은 전도체 폭을 조절하거나 또는 섹션들 중 하나를 병렬로 접속된 복수의 전도체들로서 제조함으로써 다르게 배열될 수 있다. 개량된 설계 가능성들을 제공하기 위해서, 별개의 구성 요소들이 안테나 구조 내에 포함될 수 있으며, 다중-대역(multi-band) 동작은 동일한 볼륨내의 부가적인 접힌 구조들의 제조에 의해서 가능하게 된다.
안테나 장치, 안테나 구조, 접힌 구조, 무선 통신 전도체

Description

안테나 장치{ANTENNA ARRANGEMENT}
본 발명은 전송 라인을 규정하는 제 1 및 제 2 섹션들을 갖는 접힌 구조(folded structure)를 포함하는 안테나 장치 및 이러한 장치를 포함하는 무선 통신 장치에 관한 것이다.
무선 통신 시스템들에서 사용되는 단말기들은 예를 들어 셀룰러 폰 핸드셋들과 같이 점점 더 작아지고 있다. 그러므로, 방사 성능이나 효율을 희생하지 않고 보다 작은 안테나들을 제공할 필요가 있다. 다른 요구 조건은 예를 들어, GSM(Global System for Mobile communications; 이동 통신 세계화 시스템), UMTS(Universal Mobile Telecommunication System; 범용 이동 통신 시스템) 및 블루투스(Bluetooth)와 같은, 다른 무선 시스템들에서 동작할 수 있는 안테나들을 제공하는 것이다.
콤팩트 안테나 장치들, 예를 들어 헤리컬(helical) 및 미앤더 라인(meander-line) 안테나들이 공지되어 있으며, 후자의 안테나는 예를 들어 국제 특허 출원 WO 97/49141에 기재되어 있다.
발명의 개시
본 발명의 목적은 개량된 콤팩트 안테나를 제공하는 것이다.
본 발명의 제 1 양태에 따라 전송 라인을 규정하는 제 1 및 제 2 섹션들을 갖는 접힌 구조를 포함하는 안테나 장치가 제공되며, 여기서 제 1 및 제 2 섹션들 각각은 그 자유단에서 급전점(feed point)을 각각 갖는 물리적으로 단축된 전기 소자를 포함한다.
제 1 및 제 2 섹션들은 정확하게 평행할 필요는 없으며 예를 들어 이것들은 테이퍼된(tapered) 전송 라인을 규정할 수 있다. 유사하게, 제 1 및 제 2 섹션들은 정확하게 대칭일 필요는 없지만, 전송 라인이 규정되도록 하기 위해 대략적으로 동일한 루트를 취할 필요가 있다.
이러한 장치는 각각의 동작 모드에 대해서 하나의 급전점의 사용을 가능하게 한다. 다른 동작 모드들은 전송 및 수신 기능들, 다른 시스템들(예를 들어, GSM 및 UMTS), 다른 주파수 대역들, 또는 이 모드들의 임의의 조합으로 구성될 수 있다. 각 모드에 대해서 별개의 개별적인 급전점을 사용함으로써, 모든 모드에 있어서 최적의 로딩 및 효율을 제공하는 것이 상당히 용이하게 된다.
탑 로딩은 제 1 및 제 2 섹션들 사이에 제공될 수 있으며, 그것에 의하여 안테나 성능이 향상되고 접힌 구조를 통해 보다 균일한 전류 분포가 제공된다. 부가적인 단락 회로 소자들은 장치의 임피던스를 변화시키는데 사용될 수 있다.
급전에 의해 제공되는 상대 임피던스는 제 1 및 제 2 섹션들의 전도체들을 다른 폭으로 구성하도록 배열함으로써 또는 섹션들 중 하나가 병렬로 접속된 복수의 전도체들을 포함하도록 배열함으로써 변경될 수 있다.
안테나 장치는 특히 이것이 PCB 또는 LTCC와 같은 기판 상에 제조되는 경우 별개의 구성 요소들을 포함할 수 있다. 이러한 구성 요소들은 접힌 구조상의 전류 분포를 변화시킬 수 있거나 또는 스위칭 기능을 구현할 수 있다.
다중 대역 동작은 동일한 볼륨내에서, 감소된 스케일로, 접힌 구조의 복제에 의해 가능하게 될 수 있다.
본 발명의 제 2 양태에 따라 본 발명에 따라 만들어진 안테나 장치를 포함하는 무선 통신 장치가 제공된다.
본 발명은 미앤더 라인 또는 다른 물리적으로 단축된 전기 안테나를 접음으로써 감소된 볼륨으로 향상된 성능이 제공될 수 있다고 하는, 종래 기술에 존재하지 않는 인식에 기초한 것이다.
본 발명의 실시예들은 첨부한 도면들을 참조하여, 예로서 이제 기술되어질 것이다.
도면들에서 동일한 참조 번호들은 대응하는 특징들을 나타내는데 사용되었다.
도 1은 본 발명에 따라 만들어진 기본적인 안테나 장치를 도시한 도면.
도 2는 탑 로딩을 갖는 안테나 장치를 도시한 도면.
도 3은 트랙 폭에 변동을 주는 것으로 제공되는 다른 임피던스의 섹션들을 갖는 안테나 장치를 도시한 도면.
도 4는 부가적인 트랙들의 통합(incorporation)에 의해 제공되는 다른 임피던스의 섹션들을 갖는 안테나 장치를 도시한 도면.
도 5는 별개의 구성 요소들을 포함하는 안테나 장치를 도시한 도면.
도 6은 스위칭된 안테나 장치를 도시한 도면.
도 7은 다중 대역 안테나 장치를 도시한 도면.
본 발명을 실시하기 위한 모드들
도 1을 참조하면, 본 발명의 기본적인 실시예는 제 1 및 제 2 미앤더 라인 섹션들(102, 104)을 포함하는 접힌 안테나(100)를 포함한다. 도시된 섹션들은(102, 104)은 "지그-재그" 타입으로 이루어져 있지만, 예를 들어 헤리컬 또는 구형파(후자는 WO 97/49141에 도시됨)와 같은 다른 형태들도 가능하다. 미앤더 라인들을 설계하는 주된 기준들은 전류의 수평 성분들(즉, 섹션들(102, 104)의 축들에 수직인 성분들)이 상쇄되는 반면 전류의 수직 성분들은 상쇄되지 않도록 하는 것이다.. 만약 접은 부분의 2개의 측면들(102, 104)이 대략적으로 동일한 루트를 취한다면 안테나는 완전히 대칭되지 않아도 되며, 그것에 의하여 전송 라인이 규정된다. 이 요구 조건에 대한 이유들은 다음의 설명으로부터 명백해질 것이다.
제 1 및 제 2 급전점들(103, 105)은, 제 1 및 제 2 소스들(106, 108)로부터의 신호들에 의해 제각각 급전되는 제 1 및 제 2 섹션들(102, 104)의 자유단들에 제공된다. 제 1 소스(106)가 사용되고 있을 때 제 2 소스(108)는 다이오드(110)에 의해 접지에 접속된다. 유사하게, 제 2 소스(108)가 사용되고 있을 때, 제 1 소스는 스위칭 수단(도시되지 않음)에 의해 접지에 접속된다. 스위칭은 다이오드(110)의 대체물들, 예를 들어 온-칩 트랜지스터나 소스들(106, 108)이 다른 주파수로 동작하면 수동 LC 공진 회로 등에 의해서도 달성될 수 있다.
도 1에 도시된 구성은 우리와 동시 계류중인 미공개 영국 특허 출원 제 0025709.7호(출원인의 참조 번호 PHGB000145)에 개시된 바와 같이 값싸고 왜곡이 적은 스위치들의 사용을 허용한다. 안테나에는 또한 복수의 급전들이 제공될 수 있으며, 이것에 의하여 우리와 동시 계류중인 미공개 국제 특허 출원 PCT/EP01/06760(출원인의 참조번호 PHGB000083)에 개시된 바와 같이 분산형 멀티플렉서로의 동작이 가능하게 된다.
접힌 안테나(100)의 전기적 거동(behavior)은 2개의 섹션들(102, 104)에서 동일한 방향으로 흐르는 불평형(unbalance) 전류들과 2개의 섹션들(102, 104)에서 반대 방향들로 흐르는 평형(balance) 전류들의 중첩(superposition)으로 간주될 수 있다. 방사는 불평형 전류들에 의해서만 발생된다. 방사 모드의 임피던스는 총 길이가 동일하나 접히지 않은 구조의 임피던스에 대략 4배이며, 전형적으로 짧은 안테나의 낮은 임피던스가 약 50Ω에 변환되도록 허용한다. 평형 모드의 임피던스는 적절한 길이의 단락 회로 전송 라인의 임피던스에 대략 2배이다.
안테나(100)에 의해 제공된 총 임피던스는 2개의 모드들의 임피던스들의 병렬 결합이다. 각 섹션(102, 104)의 전기적 전체 길이를 파장의 4분의 1보다 작게 만들므로써, 평형 모드의 임피던스는 파장의 4분의 1보다 작은 길이를 갖는 단락 회로 스터브(stub)의 임피던스가 되며, 즉 유도적이 된다. 그러므로 이 임피던스는 평형 모드의 용량성 리액턴스를 무시하는데 사용될 수 있다.
그러므로 기본적인 실시예는 등가의 접히지 않은 안테나보다 짧은 길이를 갖는 그리고 효율적인 스위칭과 다중 주파수 동작(다중 급전들(feeds)을 통해)을 지원하는 콤팩트 안테나를 제공한다. 이는 전형적으로 인쇄된 구조로서, 무선 트랜시버에 존재하는 회로판의 일부로서 또는 별도의 모듈로서 구현될 것이다. 각 모드(예를 들어 전송 및 수신)에 대해서 독립적인 급전들을 가짐으로써, 안테나는 보다 좁은 대역으로 만들어질 수 있고, 이에 의해서 보다 작아져 정합 회로들의 설계가 간단해진다.
인쇄된 구조의 사용에 의해 새로운 가능성들이 또한 제공된다. 도 2는 이미 공지된 바와 같이 안테나 임피던스를 개량시키고 보다 균일한 전류 분포를 제공하는 탑 로딩(202)의 추가에 의해 안테나(200)가 더 축소된 실시예를 도시한다.
단락 회로(204)는 또한 섹션들(102, 104) 사이에 제공되며, 그것에 의하여 방사 모드(안테나의 2개의 섹션들(102, 104) 각각에 대응하는 점들이 방사 모드에서 동일한 전위에 있으므로)의 성능에 영향을 미치지 않고 평형 모드(단락 회로 스터브의 길이를 변경함으로써)의 임피던스를 변경한다. 그러므로, 급전 임피던스는 단락 회로(204)의 위치를 조정함으로써 알맞은 값으로 쉽게 조절될 수 있다.
급전들에서의 안테나 임피던스는 또한 다른 방식으로 변경될 수 있다. 하나는 각 급전점(103, 105)에서 독립적인 정합 회로의 추가에 의한 것이며, 그것에 의하여 각 급전의 보다 효율적인 정합과 광대역화(broadbanding)를 가능하게 한다. 다른 방법은 트랙 폭 또는 와이어 직경 또는 트랙들 또는 와이어들의 수들을 변화시킴으로써 안테나의 각 측면의 상대 임피던스들을 변경하는 것이다.
도 3은, 제 1 섹션(302)에는 보다 넓은 트랙이 사용되며 제 2 섹션(104)의 폭은 변화되지 않는 안테나(300)의 실시예를 도시한다. 그러므로 제 1 급전점(103)에 제공된 임피던스는 제 2 급전점(105)에 제공된 임피던스에 비해 감소된다. 그러므로 트랜시버에서 제 1 급전(103)은 송신기 전력 증폭기에 접속될 수 있고, 제 2 급전(105)은 수신기 저노이즈 증폭기에 접속될 수 있으며, 그것에 의하여 향상된 동작 조건들이 제공된다.
도 4는 병렬인 2개의 트랙들(402)이 제 1 섹션에 사용되는 안테나(400)의 대안적인 실시예를 도시하며, 이는 유사하게 제 2 급전점(105)과 비교해서 제 1 급전점(103)에서 감소된 임피던스를 나타낸다. 명료하게 소정의 응용의 특정 요구 조건들에 맞게 만든, 폭 넓은 변동들이 가능하다.
예를 들어 PCB(Printed Circuit Board), LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic) 등과 같은 기판상에 인쇄된 구조로서 용이하게 제조될 수 있는 안테나의 다른 이점은 안테나 구조 내에 별개의 구성 요소들을 포함할 수 있다는 것이다. 도 5는 안테나 전류 분포를 변화시키기 위해 덩어리로 된 수동 구성 요소들(lumped passive components)을 포함하는 안테나(500)의 실시예를 도시한다.
스위칭 구성 요소들은 또한 안테나 구조에 포함될 수 있고, 예를 들어 안테나 구조의 부분들을 동작에 안팎으로 스위칭함으로써 다중 모드 동작을 가능하게 한다. 도 6은 도 1의 안테나에 기초한, 예를 들어 이중으로 튜닝되는 안테나(600)를 도시한다. 제 1 및 제 2 섹션들(102, 104)은 분로 스위치(610)에 의해 연결되며 또한 제 1 및 제 2 직렬 스위치들(612, 614)에 의해 다른 미앤더 라인 섹션들(602, 604)에 연결된다.
도 6에 도시된 바와 같이, 분로 스위치(610)는 닫히고 직렬 스위치들(612, 614)은 개방 회로이며 그것에 의해 안테나의 탑 부분을 회로 밖에서 스위칭한다. 3개의 모든 스위치 상태의 반전은 다른 섹션들(602, 604)을 통해 전류를 라우트한다. 그러므로 이중 대역 동작이 임의의 대역 쌍으로 가능하게 된다. 그러므로 안테나(600)는 LC 공진 회로가 그것의 공진 주파수에서 안테나의 실효 길이를 변화시키는 LC 트랩 휩(trap whip)의 전자적인 등가물이다. 또 다른 스위치들이 사용되어 다중 대역 동작을 가능하게 하는 것 외에, 도 2의 단락 회로 트랙(204)에 의해 제공된 방식과 동일한 방식으로(스위칭 능력이 없는) 안테나의 임피던스를 변화시킬 수 있다. 이러한 스위칭은 또한 그 밖의 다른 별개의 구성 요소들을 회로의 안팎으로 스위칭하는데 사용될 수 있다.
스위치들(610, 612, 614)은 임의의 적절한 구성 요소들을 사용하여 구현될 수 있다. 이들은 다이오드들뿐만 아니라 MEMS(Micro ElectroMagnetic Systems) 스위치들과 같은 보다 새로운 개발물들을 포함한다. MEMS는 또한 종래의 가변 캐패시터에 수반하는 비선형성의 문제점들이 없는 가변 캐패시터들로서 사용될 수 있다.
도 7은 다중 대역 안테나(700)가 볼륨 변화를 최소로 하여 안테나 구조를 복제함으로써 획득되는 다른 실시예를 도시한다. 제 1 및 제 2 섹션들(102, 104)을 포함하는 제 1 접힌 미앤더 라인 외에, 안테나(700)는 제 3 및 제 4 섹션들(702, 704)과 제 3 및 제 4 급전점들(706, 708)을 포함하는 다른 접힌 미앤더 라인을 포함한다. 도시된 구성은 4개의 대역들로 동작 가능하다. 다른 미앤더 라인이 기판의 다른 층 또는 다른 측면 상에 인쇄되었다면, 제 1 미앤더 라인에서조차 겹칠 수 있다. 보다 소수의 급전점들이 필요하게 되면, 제 1 및 제 3 급전점들(103, 703)이 조합될 수 있거나 또는 제 2 및 제 4 급전점들(105, 705)이 조합될 수 있거나 또는 급전점들의 두 세트들이 조합될 수 있다.
모든 상기 기술들은 용이하게 조합될 수 있어, 넓은 범위의 응용들에 적합한 낮은 볼륨의 안테나들의 설계를 가능하게 한다.
상술된 실시예들은 섹션들(102, 104) 각각이 단일 직선을 포함하는 축을 갖는 접힌 모노폴(monopole) 안테나에 관한 것이라 하더라도, 다른 구조들은 예를 들어 'L' 자형이 가능하다. 유일한 제약은 섹션들(102, 104)이 전형적으로 실질적으로 평행하도록 함으로써 전송 라인을 규정하기 위해 충분히 유사한 경로를 따르는 것이다.
상술된 본 발명의 실시예들은 미앤더 라인의 안테나(100)를 사용한다. 그러나, 다른 타입들의 물리적으로 단축된 전기 안테나들을 대신 사용할 수 있다. 이러한 안테나들은 자신의 전기적 길이보다 물리적으로 작고 주로 전기장을 수신하는 모노폴 안테나 또는 쌍극형(dipole-like) 안테나이다. 이러한 대안적인 안테나의 예는 헤리컬 안테나이다.
본 명세서를 판독하면, 다른 수정예들은 당업자에게 명백해질 것이다. 이러한 수정들은 안테나 장치들 및 그 구성 요소들의 설계, 제조 및 사용에 이미 공지된 다른 특징들을 포함할 수 있으며, 이는 여기에 이미 기술된 특징들 대신 또는 그것에 부가하여 사용될 수 있다.
본 명세서 및 청구항들에서 요소 앞의 단수는 복수의 이러한 요소들의 존재를 배제하지 않는다. 게다가, 단어 "포함하는(comprising)"은 나열된 것 이외의 다른 요소들 또는 단계들의 존재를 배제하지 않는다.

Claims (12)

  1. 안테나 장치에 있어서,
    제 1 종단 및 제 2 종단을 가지는 물리적으로 단축된 제 1 전기 소자(a first physically-shortened electric element having a first end and a seocnd end)를 포함하는 제 1 섹션과, 제 1 종단 및 제 2 종단을 가지는 물리적으로 단축된 제 2 전기 소자를 포함하는 제 2 섹션을 구비하여 전송 라인을 규정하는 접힌 구조체(a folded structure)와,
    상기 제 1 섹션의 상기 제 1 종단과 상기 제 2 섹션의 상기 제 1 종단을 상호연결하는 단락 회로와,
    상기 제 1 섹션의 상기 제 2 종단에 위치한 제 1 신호용 제 1 급전점과,
    상기 제 2 섹션의 상기 제 2 종단에 위치한 제 2 신호용 제 2 급전점을
    포함하는 안테나 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 섹션 및 상기 제 2 섹션은 서로 평행한 것을 특징으로 하는, 안테나 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    물리적으로 단축된 전기 소자 각각은 미앤더 라인(meander-line) 소자인 것을 특징으로 하는, 안테나 장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 급전점을 접지에 접속하기 위한 스위칭 수단이 제공되는 것을 특징으로 하는, 안테나 장치.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 접힌 구조체는 상기 제 1 섹션과 상기 제 2 섹션 사이에 탑 로드(top load)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 안테나 장치.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 섹션 및 상기 제 2 섹션 사이에 부가적인 단락 회로가 제공되는 것을 특징으로 하는, 안테나 장치.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 섹션은 제 1 폭의 전도체를 포함하고, 상기 제 2 섹션은 제 2 폭의 전도체를 포함하며, 상기 제 1 폭 및 상기 제 2 폭은 서로 다른 것을 특징으로 하는, 안테나 장치.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 섹션 및 상기 제 2 섹션 중 적어도 하나는 병렬로 접속된 유사한 형상의 복수의 전도체들을 포함하는 것을 특징으로 하는, 안테나 장치.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 섹션 및 상기 제 2 섹션 중 적어도 하나는 별도의 구성 요소(discrete component)를 포함하는 것을 특징으로 하되,
    상기 별도의 구성 요소는 안테나 전류 분포를 변화시키기 위한 수동 구성 요소 및 스위칭 수단 중 적어도 하나를 포함하는, 안테나 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 스위칭 수단은 상기 제 1 섹션의 일부분을 상기 제 1 섹션으로부터 연결해제하고 상기 제 2 섹션의 일부분을 상기 제 2 섹션으로부터 연결해제하는 것을 특징으로 하는, 안테나 장치.
  11. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 장치는 적어도 하나의 부가적인 접힌 구조체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 안테나 장치.
  12. 제 1 항 또는 제 2 항에 청구된 안테나 장치를 포함하는 무선 통신 장치.
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