KR100979437B1 - 멀티모드 안테나 구조물 - Google Patents

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Abstract

멀티모드 안테나 구조물은 통신장치에서 전자기적 신호를 송수신하기 위해 제공된다. 이때, 상기 통신장치는 상기 멀티모드 안테나 구조물과 양방향 통신을 위한 신호처리용 회로를 포함한다. 그리고 상기 멀티모드 안테나 구조물은 상기 회로에 유효하게 연결된 복수의 안테나 포트와, 상기 안테나 포트 중 상이한 하나에 각각 유효하게 연결된 복수의 안테나 소자를 포함한다. 또한 상기 멀티모드 안테나 구조물은 상기 안테나 소자와 전기적으로 연결된 적어도 하나의 연결소자를 포함하는 것을 특징으로 하는바, 상기 안테나 소자 중 임의의 안테나 소자에서의 전기적 흐름은 해당 안테나 소자와 연결된 이웃 안테나 소자를 향하고 상기 해당 안테나 소자와 연결된 이웃 안테나 포트로 우회(bypass)하고 상기 전기적 흐름은 상기 해당 안테나 소자와 상기 이웃 안테나 소자에서 동일한 크기이며, 상기 안테나 포트 중 임의의 안테나 포트를 통해 여기된 안테나 모드는 희망신호주파수범위(desired signal frequency range)가 인가된 또 다른 안테나 포트 및 그 밖의 안테나 패턴에 의해 구동된 안테나 모드와 전기적으로 분리된다.

Description

멀티모드 안테나 구조물{Multimode Antenna Structure}
본 발명은 일반적인 무선통신장치(wireless communications device)와 관련된 것으로, 특히 무선통신장치에 사용되는 안테나(antenna)에 관한 것이다.
일반적인 통신장치에는 근접 패키징(packaging) 된(일례로, 1/4 파장 간격보다 작게) 복수의 안테나가 갖추어지고, 이들은 일제히 동일 주파수 대역으로 동작한다. 이러한 통신장치에는 휴대폰(cellular handsets), PDA(Personal Digital Assistants), 무선 네트워킹 장치(wireless networking device) 또는 PC(personal computer)용 데이터 카드(data card)와 같은 휴대용 통신제품이 있다. 또한 MIMO(Multiple Input Multiple Output)와 같은 대부분의 시스템 체계를 비롯, 이동 무선통신장치(예컨대, 무선랜(wireless LAN)을 위한 802.11n, 3G 데이타 통신을 위한 802.16e(WIMAX), HSDPA, 1xEVDO 등의)에 사용되는 통상의 프로토콜들은 일제히 동작하는 복수의 안테나를 요구한다.
본 발명의 여러 실시예에 따른 멀티모드 안테나 구조물은 통신장치에서 전자기적 신호를 송수신하기 위해 제공된다. 이때, 상기 통신장치는 상기 멀티모드 안테나 구조물과 양방향 통신을 위한 신호처리용 회로를 포함한다. 그리고 상기 멀티모드 안테나 구조물은 상기 회로에 유효하게 연결된 복수의 안테나 포트와, 상기 안테나 포트 중 상이한 하나에 각각 유효하게 연결된 복수의 안테나 소자를 포함한다.
또한 상기 멀티모드 안테나 구조물은 상기 복수의 안테나 소자 가운데 하나의 안테나 소자의 전류가 해당 안테나 소자에 전기적으로 연결된 이웃하는 안테나 소자로 흐르며, 상기 이웃하는 안테나 소자에 결합된 안테나 포트를 우회하여 흐르고, 상기 해당 안테나 소자를 통해 흐르는 전류의 크기는 상기 이웃하는 안테나 소자를 통해 흐르는 전류와 크기가 동일하고, 상기 복수의 안테나 포트 가운데 하나의 포트에 의해 여기된 안테나 모드는 다른 안테나 포트에 의해 여기된 안테나 모드와 원하는 주파수 범위에서 전기적으로 격리되어 상기 복수의 안테나 소자들이 다양한 안테나 패턴을 생성하도록 상기 안테나 소자들을 전기적으로 연결하는 하나 이상의 연결소자를 포함한다.
삭제
한편, 이하의 상세한 설명에서는 본 발명에 따른 여러 가지 실시예가 설명되는데, 이를 통해 알 수 있듯이 본 발명은 서로 다른 다양한 실시예로 구현 가능한 것은 물론, 그 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 얼마든지 변형 가능하다. 따라서 첨부된 도면 및 상세한 설명에 개시된 실시예는 본 발명의 일례에 지나지 않으며, 이들은 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 한정하지 않는다.
도 1a는 두 개의 병렬 다이폴로 이루어진 안테나 구조물을 도시한 도면.
도 1b는 도 1a의 안테나 구조물 중 어느 하나의 다이폴의 동작으로 인한 전류 흐름을 도시한 도면.
도 1c는 도 1a의 안테나 구조물에 대응되는 모델을 도시한 도면.
도 1d는 도 1c의 안테나 구조물의 산란계수를 나타낸 그래프.
도 1e는 도 1c의 안테나 구조물의 전류비를 나타낸 그래프.
도 1f은 도 1c의 안테나 구조물의 이익패턴을 나타낸 그래프.
도 1g은 도 1c의 안테나 구조물의 포락선 상관도를 나타낸 그래프.
도 2a은 본 발명의 실시예에 따라 연결소자로 연결된 두 개의 병렬 다이폴로 이루어진 안테나 구조물을 도시한 도면.
도 2b는 도 2a의 안테나 구조물에 대응하는 모델을 도시한 도면.
도 2c는 도 2b의 안테나 구조물의 산란계수를 나타낸 도면.
도 2d은 도 2b의 안테나 구조물의 산란계수를 나타낸 도면.
도 2e는 도 2b의 안테나 구조물의 전류비를 나타낸 그래프.
도 2f은 도 2b의 안테나 구조물의 이익패턴을 나타낸 그래프.
도 2g는 도 2b의 안테나 구조물의 포락선 상관도를 나타낸 그래프.
도 3a는 본 발명의 실시예에 따라 미엔더 연결소자로 연결된 두 개의 병력 다이폴로 이루어진 안테나 구조물을 도시한 도면.
도 3b은 도 3a의 안테나 구조물의 산란계수를 나타낸 그래프.
도 3c은 도 3a의 안테나 구조물의 전류비를 나타낸 그래프.
도 3d은 도 3a의 안테나 구조물의 이익패턴을 나타낸 그래프.
도 3e는 도 3a의 안테나 구조물의 포락선 상관도를 나타낸 그래프.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 접지면 혹은 카운터포이스 상의 안테나 구조물을 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 평형 안테나 구조물을 도시한 도면.
도 6a는 본 발명의 실시예에 따라 안테나 구조물을 도시한 도면.
도 6b는 특정 다이폴 폭 값을 가지는 도 6a의 안테나 구조물의 산란계수를 나타낸 그래프.
도 6c는 도 6b와 다른 특정 다이폴 폭 값을 가지는 도 6a의 안테나 구조물의 산란계수를 나타낸 그래프.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 PCB에 실장된 안테나 구조물을 도시한 도면.
도 8a는 본 발명의 실시예에 따라 이중 공진 하는 안테나 구조물을 도시한 도면.
도 8b는 도 8a의 안테나 구조물의 산란계수를 나타낸 그래프.
도 9는 본 발명의 실시예에 따라 동조 가능 안테나 구조물을 도시한 도면.
도 10a 및 도 10b는 각각 본 발명의 실시예에 따라 안테나 소자 길이에 대해 서로 다른 위치에 배치된 연결소자를 포함하는 안테나 구조물을 도시한 도면.
도 10c 및 도 10d는 각각 도 10a 및 도 10b의 안테나 구조물의 산란계수를 나타낸 그래프.
도 11은 본 발명의 실시예에 따라 스위치를 가진 연결소자를 포함하는 안테나 구조물을 도시한 도면.
도 12는 본 발명의 실시예에 따라 필터를 가진 연결소자를 포함하는 안테나 구조물을 도시한 도면.
도 13은 본 발명의 실시예에 따라 필터와 결합된 두 개의 연결소자를 포함하는 안테나 구조물을 도시한 도면.
도 14는 본 발명의 실시예에 따라 동조 가능 연결소자를 포함하는 안테나 구조물을 도시한 도면.
도 15는 본 발명의 실시예에 따라 PCB 어셈블리에 형성된 안테나 구조물을 도시한 도면.
도 16은 본 발명의 실시예에 따라 PCB 어셈블리에 형성된 또 다른 안테나 구조물을 도시한 도면.
도 17은 본 발명의 실시예에 따라 PCB 어셈블리에 형성될 수 있는 교호 안테나 구조물을 도시한 도면.
도 18a는 본 발명의 실시예에 따라 세 가지 모드를 갖는 안테나 구조물을 도시한 도면.
도 18b는 도 18a의 안테나 구조물의 이익패턴을 나타낸 그래프.
도 19는 본 발명의 실시예에 따라 안테나 구조물의 안테나 및 전력 증폭 결합 어플리케이션을 도시한 도면.
도 1a 내지 도 1g는 제 1 안테나 구조물(100)에 대한 도면으로, 이중에서 도 1a은 한 쌍의 안테나 소자(antenna element)로서 제 1-1 및 제 1-2 다이폴(dipoles, 102,104)이 병렬 배치된 제 1 안테나 구조물(100)을 개략적으로 나타낸 도면이다. 제 1 안테나 구조물(100)을 이루는 제 1-1 및 제 1-2 다이폴(102,104)은 각각 L의 길이를 나타내고, 분리거리 d의 간격으로 평행하게 이격되며, 그 사이에서는 어떠한 연결소자(connecting element)도 없다. 그리고 제 1-1 및 제 1-2 다이폴(102, 104) 각각은 L=1/2 파장에 근접 대응되는 기준 공진 주파수(fundametal resonant frequency)를 보이며, 독립적인 송수신 시스템에 각각 연결되어 동일한 주파수에서 동작할 수 있다. 또한 제 1-1 및 제 1-2 다이폴(102,104)은 동일 임피던스 특성 z0을 보이며, 본 예에서는 50Ω(ohms)이라 한다.
임의의 제 1-1 다이폴(102)에서 신호를 송신할 때, 신호의 일부는 이웃한 제 1-2 다이폴(104)에 직접적으로 커플링 된다. 일반적으로 커플링의 최대량은 별개의 다이폴에 대한 반 파장 공진 주파수(half-wave resonant frequency)에 가깝고, 분리거리 d가 작아지면 증가한다. 일례로 d<λ/3 일때 커플링의 크기는 0.1 또는 -10dB 보다 크고, d<λ/8 일 때 -5dB 보다 크다.
안테나들 사이에서는 커플링의 크기를 감소시키거나 제거(완전 격리)하는 것이 바람직한데, 만일 커플링의 크기가 -10dB라면 이웃한 안테나와 직접적으로 커플 링 되는 전력량으로 인해 10%의 전송전력 손실이 나타나며, 이러한 현상은 이웃 안테나에 연결된 수신기의 포화(saturation)나 감도손실(desensitization) 혹은 이웃 안테나에 연결된 송신기의 성능저하 등 시스템에 유해한 작용을 끼칠 수 있다. 아울러 이웃한 안테나 사이에서 나타나는 전류들은 개개의 다이폴로부터 산출된 이익패턴(gain pattern)에 왜곡을 가하는바, 커플링이 비록 패턴의 다양성을 제공할 수 있을지는 모르지만, 상기한 바와 같이 시스템에 유해한 영향을 준다.
커플링의 제거를 위해, 안테나들이 독립적으로 동작하지 않으면서도 서로 다른 두 패턴에 대응되는 두 쌍의 터미널(terminal) 또는 포트를 갖는 안테나 시스템을 고려해 볼 수 있다. 이때, 각 포트의 사용을 위해서는 두 다이폴을 포함하는 실질적인 전체구조를 요구한다. 그리고 이웃 다이폴의 기생 여기(parasitic excitation)는 근접 배치된 다이폴에 대한 다양성을 가능하게 하지만, 전류는 소스 임피던스(source impedence)를 통과하는 다이폴로부터 여기(exite)되며, 이로 인해 포트들 사이에서 상호커플링이 발생한다.
도 1c는 도 1에 보인 제 1 안테나 구조물(100)의 제 1-1 및 제 1-2 다이폴(102,104) 모델을 시뮬레이션한 도면이다. 보이는 것처럼, 한 쌍의 제 1-1 및 제 1-2 다이폴(102,104)의 단면적은 1mm×1mm, 길이(L)는 56mm 이고, 해당 구성이 50Ω의 소스에 부착되면 2.45GHz의 중심 공진 주파수를 나타내며, 상기 주파수에서 자유공간 파장은 122mm이다. 그리고 분리거리(d)가 10mm 또는 λ/12 정도일 때 산란변수(scattering parameter) S11, S12이 도 1d에 나타나 있다. 이때, 대칭 및 상호성(symmetry and reciprocity)을 감안하면 S22=S11, S12=21이며, 간략하게 S11와 S12 만을 고려할 경우 S12에 의한 다이폴 사이의 최대 커플링 지점은 -3.7dB이다.
도 1e는 제 1 안테나 구조물(100)에 있어서 임의의 제 1-2 다이폴(104) 대 제 1-1 다이폴(102)의 수직전류 비(크기값(magnitude) I2/I1으로 표시)를 보여준다. 여기서 세로축의 단계는 °이며, 이하 동일하다. 이때, 제 1-1 포트(106)는 여기되고, 제 1-2 포트(108)는 수동적으로 종결(passively terminated) 되었다. 이들 수직전류의 비(제 1-2 다이폴(104)/제 1-1 다이폴(102))에 있어서 주파수는 180° 위상차에 대응해서 최대값을 나타내고, 이는 도 1d에 보인 최대 커플링 지점보다 약간 높은 주파수이다.
도 1f는 임의의 제 1-1 포트(106)에 대한 다양한 주파수의 여기를 통해 얻어지는 방위각의 이익패턴(azimuthal gain pattern)을 보여준다. 이들 패턴은 공통적으로 전방위(omni-directional)적이지 않으며, 크기값(magnitude)이나 위상(phase)의 변화으로 인해 주파수와 함께 변화한다. 그리고 대칭성을 감안하면 제 1-2 포트(108)의 여기로 인한 패턴들은 제 1-1 포트(106)에 대한 거울 이미지(mirror-image)가 될 수 있다. 그 결과, 불균형이 커질수록 패턴들은 왼쪽에서 오른쪽으로 이동하며, 다양성이 커질수록 패턴들은 이익등급(gain magnitude) 경향을 보인다.
패턴 사이의 상관계수(correlation coefficient)를 산술하면 다양성에 대한 특성분석이 가능하다. 도 1g는 제 1-1 포트(106)와 제 1-2 포트(108)의 이익패턴에 대한 산술 상관도를 보여준다. 이때, 상관도는 이상적인 다이폴을 위한 클락의 모델(Clark's model)에서 예상되는 값보다 낮은데, 이는 상호 커플링에 의해 간섭된 패턴들로 인한 것이다.
도 2a 내지 2f는 본 발명에 따른 제 2 안테나 구조물(200)을 나타낸 도면이다. 이때, 제 2 안테나 구조물(200)에는 두 개의 인접한 안테나 소자로서 한 쌍의 제 2-1 및 제 2-2 다이폴(202, 204)을 포함하며, 제 2-1 및 제 2-2 포트(206, 208) 사이의 낮은 패턴 상관도(low pattern correlation)와 낮은 커플링(low coupligg)을 나타낸다. 이중에서 도 2a는 제 2-1 및 제 2-2 포트(206,208)를 갖는 제 2 안테나 구조물(200)을 개략적으로 나타낸 도면으로서, 도 1b의 그것과 비슷할 수 있지만, 제 2-1 및 제 2-2 포트(206, 208)를 사이에 두고 제 2-1 및 제 2-2 다이폴(202,204) 사이로 한 쌍의 도전성 연결소자(210, 212)가 평행하게 추가된다. 이때, 한 쌍의 제 2-1 및 제 2-2 포트(206, 208)는 도 1의 안테나 구조물(100)과 같은 위치에 있으며, 임의의 제 2-1 포트(206)가 여기되면 비슷한 공진점(resonance)을 나타내지만, 커플링의 손실 및 패턴의 다양성 증가는 없다.
도 2b에는 분리간격(d) 10mm로 이격된 제 2-1 및 제 2-2 다이폴(202,204)을 포함하는 제 2 안테나 구조물(200)이 나타나 있다. 이때, 상기 제 2 안테나 구조물(200)에는 제 2-1 및 제 2-2 포트(206,208)를 사이에 두고 제 2-1 및 제 2-2 다이폴(202,204)과 전기적으로 연결된 한 쌍의 제 2-1 및 제 2-2 연결소자(210, 212)가 추가되며, 그 밖에는 도 1c와 유사한 형태를 보인다. 이러한 구조에서는 도 2c에 나타난 것처럼 산란계수가 다른 것 이외에도 착탈된 다이폴이 동일 주파수 범위에서 더 강한 공진을 보여준다. 또한, 커플링에는 -20dB 이하의 깊은 결락(drop-out)이 있으며, S11과 같이 입력 임피던스의 이동이 있다. 또한 S11이 최소값을 나타내는 최적의 임피던스 매치는 최소 커플링과 부합되지 않지만, 매칭 네트워크는 입력 임피던스 매치를 통해 개선할 수 있으며, 도 2d에 나타난 것처럼 매우 낮은 커플링을 얻을 수 있다. 따라서 상기한 예의 경우에는 분류 커패시터에 따른 일련의 인덕터로 이루어진 네트워크 매칭 소자 세트가 제 2-1 및 제 2-2 포트(206,208)와 제 2-1 및 제 2-2 다이폴(202,204) 사이로 더해질 수 있다.
도 2e는 제 2-1 포트(206)의 여기로 인한 제 2-1 다이폴(202)과 제 2-2 다이폴(204)의 전류비(크기값 I2/I1로 표시)를 나타낸 도면으로, 플롯(plot)은 공진 주파수 아래에서 나타나며, 전류는 제 2-2 다이폴(204)에서 실질적으로 더 크다. 또한 공진점 근처에서 제 2-2 다이폴(204)의 주파수가 증가하고, 제 2-1 다이폴(202)은 주파수가 감소하기 시작한다. 그리고 최소 커플링 지점(2.44GHz)에서 제 2-1 및 제 2-2 다이폴(204,206)의 전류는 동일크기 주파수로 근접하고, 해당 주파수에서 제 2-2 다이폴(204)의 위상은 제 2-1 다이폴(202)의 위상을 약 160° 만큼 지연시킨다.
이때, 연결소자가 없는 도 1c와 달리 도 2b의 제 2 안테나 구조물(200)에 포함된 제 2-1 및 제 2-2 다이폴(202,204)의 전류는 제 2-2 포트(208)의 터미널 임피던스를 통과함에 있어서 별다른 제약이 없다. 대신에 공진모드는 도 2a에서 확인할 수 있는 것처럼 전류들이 제 2-2 다이폴(204)을 흘러 내려가거나 제 2-1 및 제 2-2 연결소자(210, 212)를 가로지르거나, 제 2-1 다이폴(202)를 거슬러 올라가는 것으로 나타난다.(이러한 전류의 흐름에는 공진 사이클의 1/2이 반영되며, 나머지 1/2 사이클에서는 전류 방향이 역전된다.) 그 결과 제 2 안테나 구조물(200)의 공진모드는 다음의 특징을 나타낸다. (1) 제 2-2 다이폴(204)에서 전류들은 제 2-2 포트(208)를 우회하여 흐르며, 이로 인해 제 2-1 및 제 2-2 포트(206, 208) 사이의 높은 격리도(high isolation)를 나타낸다. (2) 제 2-1 및 제 2-2 다이폴(202, 204)에서 전류 크기는 거의 동일하며, 이로 인해 서로 연관성 없는 이익패턴이 나타난다.
전류 크기가 제 2-1 및 제 2-2 다이폴(202,204)에서 거의 동일하기 때문에 착탈 다이폴 및 도 1c의 제 1 안테나 구조물(100) 보다 더 많은 방향성 패턴을 보인다.(도 2f 참조). 그리고 전류가 동일할 때 x(또는 phi=0) 방향에서 패턴값을 0으로 하기 위한 조건은 π-kd의 값에 의해 제 2-1 다이폴(202)의 전류 위상을 지연시키기 위한 제 2-2 다이폴(204)의 전류 위상인바, (단, k=2π/λ 이며, λ는 유효파장) phi=0 방향에서 제 2-2 다이폴(204)의 표면 전파(fields propagation)는 제 2-1 다이폴(202)의 전류 위상을 180° 벗어나며, 그 결과 제 2-1 및 제 2-2 다이폴(202,204)의 조합은 0이 된다.
한편, 도 2b의 제 2 안테나 구조물(200)에 있어서 d값은 10mm 또는 λ/12의 유효 전자길이(effective electrical length)다. 따라서 kd는 π/6 또는 30°이며, phi=0 방향에서 0, phi=180 방향에서 최대이득을 가진 일 방향 방위각의 방사패턴(directional azimuthal radiation pattern) 조건은 제 2-2 다이폴(204)의 전류 위상을 제 2-1 다이폴(202)의 전류 위상까지 150°지연시킨다. 그 결과 공진점에서 전류들은 앞서 조건에 근접한 흐름을 보이며(도 2e 참조), 전류는 패턴의 방향성을 설명한다. 또한 제 2-2 포트(204)가 여기된 경우, 방사 패턴들은 도 2f의 방사 패턴들과 반대인 거울 이미지이며, 최대 이득은 phi=0 방향이다. 그 결과 두개의 포트로 인한 안테나 패턴의 차이는 도 2g와 같이 연관된 최하점을 나타내며, 제 2 안 테나 구조물(200)은 고립된 두 개의 포트를 가지며 낮은 상관도의 이익패턴을 보인다.
따라서, 커플링의 주파수 응답은 임피던스와 전기적 길이를 포함하는 제 2-1 및 제 2-2 연결소자(210,212)의 자체 특성에 의존한다. 그 결과 원하는 격리도를 넘어서는 주파수 또는 대역폭은 제 2-1 및 제 2-2 연결소자(210,212)를 적절히 배열시켜 유지할 수 있고, 필요하다면 제 2-1 및 제 2-2 다이폴(202,204) 교차 연결을 위해 제 2-1 및 제 2-2 연결소자(210,212)의 물리적 길이를 변화시킬 수 있다. 이에 따라 도 3a는 제 3 안테나 구조물(300)로서, 제 3-1 및 제 3-2 안테나 소자(302,304)의 교차연결을 위해 굴곡진 미엔더(meander) 형태의 제 3-1 및 제 3-2 연결소자(310,312)를 사용한다. 이때, 제 3-1 및 제 3-2 연결소자(310,312)는 제 3-1 및 제 3-2 안테나 소자(302,304) 사이의 전기적 길이 또는 연결 임피던스를 증가시키는 효과가 있다. 또한, 제 3 안테나 구조물(300)에 대한 산란계수, 전류비, 이익패턴, 패턴 상관도 등의 동작특성이 도 3b, 도 3c, 도 3d 및 도 3e에 각각 나타나 있다. 이러한 제 3 안테나 구조물(300)에 있어서 제 3-1 및 제 3-2 연결소자(310,312)의 물리적 길이 변화는 굴곡이 없는 경우와 비교할 때 상대적으로 넓은 대역폭과 큰 최소값을 나타내며, 공진 주파수를 눈에 띄게 변경시키는 대신 S12에서 중요한 변화를 야기한다. 그 결과 연결소자의 전기적 특성을 변화시켜 격리 동작을 최적화 또는 개선할 수 있다.
또 다른 한편, 본 발명에 따른 안테나 구조물은 도 4의 제 4 안테나 구조물(400)처럼 접지면(ground) 혹은 카운터포이스(counterpoise,402)로부터 여기되거 나, 도 5의 제 5 안테나 구조물(500)처럼 평형 구조로 설계될 수 있는바, 제 4 및 제 5 안테나 구조물(400,500)은 각각 두 개 이상의 제 4-1 및 4-2 안테나 소자(402, 404)와 제 5-1 및 제 5-2 안테나 소자(502, 503) 그리고 적어도 하나의 제 4 연결소자(406)와 제 5-1 및 제 5-2 연결소자(506, 508)를 포함한다. 이때, 비록 도면에는 두 가지 예시가 나타나 있지만 본 발명의 다양한 실시예에 따라 두 개 이상의 포트를 가진 안테나 구조물로 확장이 가능하며, 이들에 의한 연결 신호는 각 안테나 소자(402,403,502,503)에 제공된다.(도 4의 412, 418과 도 5의 510, 512 참조). 또한 제 4 연결소자(406)와 제 5-1 및 제 5-2 연결소자(506,508)는 각각 관계 주파수에서 제 4-1 및 제 4-2 안테나 소자(402,404)과 제 5-1 및 제 5-2 안테나 소자(502,504)의 전기적 연결을 제공한다. 이 경우 제 4 및 제 5 안테나 구조물(400,500)은 물리적, 전기적으로 하나의 구조이지만, 그 동작은 실질적으로 독립적인 기능을 하는 것으로 간주될 수 있다. 이러한 구조로서, 제 1 안테나 구조물(100)처럼 연결소자를 포함하지 않는 경우에도 제 1-1 다이폴(102) 및 제 1-1 포트(106)는 제 1-2 다이폴(104) 및 제 1-2 포트(108)에 연결될 수 있다. 그러나 제 4 안테나 구조물(400)의 경우에는 하나의 안테나 모드와 연관된 것이라 하기 어렵고, 제 4-2 포트(412)는 다른 안테나 모드와 연관된 것이라 볼 수 없다.
한편, 안테나 소자는 원하는 주파수 또는 동작 주파수 범위에서 공진 하도록 설계되며, 가장 낮은 차수(lowest order)의 공진은 안테나 소자의 전기적 길이가 파장의 1/4일 때 발생한다. 따라서, 단순한 소자 설계는 불균형 배치의 경우 1/4 파장 모노폴(monopole)이며, 이러한 설계는 높은 차수 모드로 사용된다. 예를 들 어, 1/4 파장 모노폴로 구성된 안테나 구조물은 기본 주파수의 세배에 해당되는 주파수에서 높은 격리도와 이중모드를 나타낸다. 그 결과 높은 차수의 모드들은 다중대역 안테나를 구현하는데에 크게 공헌할 수 있다. 비근한 예로서, 평형 배열에서 안테나 소자는 1/2 파장 다이폴(half-wave center fed dipole)로서 1/4 파장 소자가 될 수 있다. 더불어, 안테나 구조물은 원하는 주파수 혹은 주파수 범위에서 공진하는 안테나 소자의 또 다른 형상으로 구성될 수 있다. 즉, 안테나 소자는 평형배열로 보완할 수 있는 것은 물론, 헬리컬 코일(helical coil), 2차원 형태의 광대역 평판형(wideband planer shape), 칩 안테나(chip antennas), 미엔더 형태(meandered shapes), 루프(loops) 또는 유도성 션트형태(inductively shunted forms)로서 평판 역F형 안테나(Plannar Inverted-F Antennas: PIFAs)와 같이 구분되어 질 수 있지만, 본 발명은 여기에 한정되지 않는다.
다시 말해, 발명에 따른 안테나 구조물의 안테나 소자 각각은 원하는 주파수 혹은 동작 주파수 범위에서 공진점을 가지는 한 동일 배열이나 동일 형태일 필요가 없다.
안테나 소자가 동일 배열을 가질 경우에는 특히 안테나 동작 요구들이 각 포트에 연결되어 동일하게 이루어지도록 단순 설계될 수 있다.
결합 안테나 구조물의 대역폭과 공진 주파수는 안테나 소자의 대역폭과 공진 주파수에 의해 조절될 수 있다. 그래서 넓은 대역폭의 안테나 소자는 도 6a, 도 6b, 및 도 6c에 도시된 것처럼 결합 구조물 모드를 위한 넓은 대역폭을 생성할 수 있다. 이때, 도 6a는 제 6-1 및 제 6-2 연결소자(606, 608)들로 연결된 두 개의 제 6-1 및 제 6-2 다이폴(602, 604)로 이루어진 멀티모드의 제 6 안테나 구조물을 도시한 도면으로, 제 6-1 및 제 6-2 다이폴(602, 604)은 각각 소정너비(W)와 길이(L)를 나타내고, 일정거리(d) 이격된다. 첨부된 도 6b는 W=1mm, L=57.2mm, d=10mm인 제 6 안테나 구조물(600)의 산란계수를 나타낸 도면이며, 도 6c는 W=10mm, L=50.4mm, d=10mm 인 제 6 안테나 구조물(600)의 산란계수를 도시한 도면이다. 이들 도면에서 확인할 수 있는 것처럼, 다른 조건이 동일하다면 W 값의 1mm 내지 10mm 범위에서 증가는 격리대역폭과 임피던스 대역폭의 증가를 야기한다.
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제 6-1 및 제 6-2 연결소자(606,608)는 높은 전류영역에서의 결합 공진구조를 보이므로 전도성이 높은 것이 바람직하다.
제 6-1 및 제 6-2 포트(도면상 포트 1, 포트 2로 표시, 이하 동일하다.)가 만일 제 6-1 및 제 6-2 다이폴(602,604)의 급전점에 위치한다면, 분리된 안테나처럼 동작한다. 그 결과 연결소자와 안테나 구조물을 매칭시키는 것은 포트 임피던스를 원하는 시스템 임피던스에 매칭시키는 것일 수 있다.
본 발명에 따른 멀티모드 안테나 구조물은 평면구조(plannar structure)로 병합될 수 있고, 필요하다면 도 7에 나타난 것처럼 PCB(Printed Circuit Board)에 포함 및 병합될 수 있다. 이때, 도 7은 본 발명에 따른 제 7 안테나 구조물(700)을 나타낸 것으로, 제 7-1 및 제 7-2 안테나 소자(702,704)는 제 7-1 및 제 7-2 포트(708,710)에 있는 제 7 연결소자(706)에 의해 연결되며, 이러한 제 7 안테나 구 조물(700)은 제 1 PCB(712) 상에 형성된다. 이때, 비록 도면상에는 1/4파장 모노폴이 나타나 있지만, 필요하다면 제 7-1 및 제 7-2 안테나 소자(702,704)는 동일한 유효 전기적 길이를 갖는 모든 종류의 기하학적 배열도 가능하다.
본 발명에 따른 안테나 구조물은 이중 공진 주파수들과 이중 동작 주파수를 나타내도록 두 개의 공진주파수를 갖는 안테나 소자의 결합으로 이루어질 수 있다. 도 8a는 본 발명에 따른 제 8 안테나 구조물(800)로서, 제 8-1 및 제 8-2 안테나 소자(802, 804)가 각각 서로 다른 길이의 두 핑거(806,808 과 810,812)로 나뉘어진 멀티모드 다이폴 구조를 보여준다. 이때, 다이폴의 제 8-1 및 제 8-2 안테나 소자(802,804)는 각각 두 개의 상이한 핑거 길이와 연관된 공진주파수를 가지며, 그 결과 이중 공진을 나타낸다. 동일하게, 이중공진 다이폴 암(arm)을 사용한 멀티모드 안테나 구조물은 도 8b에 나타난 바와 같이, 높은 격리도를 갖는 두 개의 주파수 대역을 보인다.
본 발명에 따른 안테나 구조물은 도 9에 나타난 바와 같이, 동조 가능한 제 9 안테나 구조물(900)로 이루어질 수도 있는바, 제 9 안테나 구조물(900)은 제 9-1 및 제 9-2 안테나 소자(902, 904)를 포함하며, 이들은 길이가 가변될 수 있는 것을 특징으로 한다. 상기 예에서, 더 짧은 전기적 길이를 나타내도록(고주파 동작에 대한) 제 1 및 제 2 스위치(906,908)를 개방할 수도 있으며(제어장치를 동작시킴에 따른), 또는 더 긴 전기적 길이를 나타내도록 제 1 및 제 2 스위치(906,908)를 닫을 수도 있다(저주파 동작에 대한). 이때, 제 9 안테나 구조물(900)은 높은 격리도 특성을 포함하는 동작 주파수 대역으로 동조시키기 위해 제 9-1 및 제 9-2 안테나 소자(902,904)를 일제히 동조하는 것도 가능한바, 이러한 접근은 보다 다양한 변형이 가능하다. 즉, 안테나 소자의 유효 전기적 길이를 가변하는 방법으로서, 조절가능한 절연물질을 이용하거나, MEMs 장치, 버렉터(varactor) 또는 동조가능 절연 커패시터(tunable dielectric capacitor) 등의 가변 커패시터를 부가하거나 기생소자(parasitic elements)들을 온/오프(on/off)시 킬 수도 있다.
본 발명은 연결소자 혹은 안테나 소자들 사이의 전기적 거리와 동일한 전기적 길이의 안테나 소자 간 전기적 연결 방법을 제공하는바, 연결소자가 안테나 소자의 포트 일측에 부착될 때, 포트는 안테나 소자의 공진 주파수에 근접하는 주파수로부터 격리된다. 이러한 배치는 특정 주파수에서 거의 완벽한 격리도를 보여준다.
상기한 바와 연관되어, 앞서 언급된 것처럼 연결소자의 전기적 길이는 특정 수치를 초과하는 대역폭의 격리도를 달성하기 위해 가변될 수 있다. 예를 들어, 안테나 소자 사이의 직선연결은 특정 주파수에서 -25dB을 가지는 최소값 S21을 생성할 수 있으며, S21 < -10dB 이라면 대역폭은 100MHz가 될 수 있다. 또한 전기적 길이의 증가에 의해 추가응답은 최소값 S21이 -15dB로 증가할 때 획득되는 반면, S21 < -10dB이라면 대역폭은 150MHz로 증가 될 수 있다.
본 발명에 따르면 다양한 형태의 멀티모드 안테나 구조물이 가능하다. 예를 들어, 안테나 소자를 비롯한 연결소자 등의 전기적 소자는 다양한 결합구조를 가지거나, 안테나 구조물의 특성을 가변하는 요소들을 포함할 수 있는바, 상기 요소들은 수동의 인덕터(passive inductor)와 커패시터(capacitor) 소자, 공진 기(resonator) 또는 필터구조(filter structure), 위상변위기(phase shifter) 등 능동 소자를 예로 들 수 있다.
본 발명의 적어도 하나 이상의 실시예에 따르면, 안테나 소자의 길이에 따라 연결소자의 배치를 가변할 수 있다. 이때, 주파수 대역은 포트가 격리된 것 이상으로 감소하고, 안테나 소자 위에서 각각의 중심을 지향하도록 연결소자의 부착지점을 이동시켜 주파수를 이동시킬 수 있다. 도 10a와 도 10b는 각각 제 10-1 및 제 10-2 안테나 소자에 전기적으로 연결된 제 10-1 및 제 10-2 연결소자(1004,1008)가 갖추어진 제 10-1 및 제 10-2 안테나 구조물(1000, 1002)을 도시한 도면이다. 먼저, 도 10a의 제 10-1 안테나 구조물(1000)에 있어서 제 10-1 연결소자(1004)와 접지면(1006) 상단 사이의 간격은 3mm 정도이다. 도 10c는 제 10-1 안테나 구조물(1000)에 있어서 1.15GHz의 주파수에서 높은 격리도를 획득할 수 있음을 보여주며, 이 경우 네트워크를 매칭하는 분류 커패시터/시리즈 인덕터는 임피던스를 1.15GHz에 매칭한다. 또한 도 10d는 제 10-2 안테나 구조물(1002)에 대한 산란 계수를 나타내는데, 이 경우 연결소자(1008)와 접지면 상단(1010) 사이의 간격은 19mm이며, 1.50GHz에서 높은 격리도의 동작대역을 보인다.
도 11은 본 발명에 따른 제 11 안테나 구조물(1100)을 나타낸 도면으로, 제 11-1 및 제 11-2 안테나 소자(1106, 1108)를 전기적으로 연결하는 두 개 이상의 제 11-1 및 제 11-2 연결소자(1102, 1104)를 포함한다. 이때, 필요하다면 세개 이상의 연결소자를 추가적으로 사용할 수 있는 것은 물론이며, 제 11-1 및 제 11-2 연결소자(1102,1104)는 서로 이격 배치되어 있다. 또한 제 11-1 및 제 11-2 연결소 자(1102,1104)는 별도의 제 3 및 제 4 스위치를 포함할 수 있고, 이들을 통해 최고 격리도 주파수를 선택할 수 있다. 예를 들어 소정의 주파수 f1는 제 3 스위치(1110)를 닫고 제 4 스위치(1112)를 개방하여 선택 가능하고, 이와 상이한 주파수 f2는 제 3 스위치(1110)를 개방하고 제 4 스위치(1112)를 닫아 선택할 수 있다.
도 12는 본 발명에 따른 제 12 안테나 구조물(1200)을 나타낸 도면이다. 이때, 제 12 안테나 구조물(1200)은 실효적으로 연결된 제 1 필터(1204)가 갖추어진 제 12 연결소자(1202)를 포함하는바, 제 1 필터(1204)는 저역통과 또는 대역통과 필터 중에서 선택될 수 있고, 따라서 제 12-1 및 제 12-2 안테나 소자(1206, 1208) 사이의 소자연결은 높은 격리도 공진 주파수와 같이 목적하는 주파수 범위 내에서 매우 효과적이다. 그리고 높은 주파수에서 해당 안테나 구조물(1200)은 두 개의 분리된 별개로 동작할 수도 있다.
도 13은 본 발명에 따른 제 13 안테나 구조물(1300)을 도시한 도면이다. 이때, 제 13 안테나 구조물(1300)은 각각 적어도 두 개의 제 13-1 및 제 13-2 연결소자(1302, 1304)를 포함하고, 이들 제 13-1 및 제 13-2 연결소자(1302,1304)에는 각각 제 2 및 제 3 필터(1306,1308)가 갖추어진다. 이 경우 필요하다면 두 개 이상의 연결소자를 사용하는 것도 가능함은 물론이다. 그리고 포트에 근접한 제 13-2 연결소자(1304)의 제 3 필터(1308)은 저역통과필터를, 제 13-1 연결소자(1302)의 제 2 필터(1306)는 고역통과필터를 사용할 수 있으며, 이를 통해 높은 격리도의 두 주파수 대역을 나타낼 수 있다.
도 14는 본 발명에 따른 제 14 안테나 구조물(1400)을 도시한 도면이다. 이 때, 제 14 안테나 구조물(1400)은 동조 가능한 적어도 하나의 제 14 연결소자(1406)를 포함하는바, 제 14 연결소자는 전기적 연결에 대한 지연시간 또는 위상을 가변하거나 전기적 연결에 대한 반응 임피던스를 가변시킬 수 있다. 이 경우 산란계수 S21/S12의 크기와 주파수 응답은 전기적 지연시간 또는 임피던스의 변화에 영향을 받으며, 따라서 제 14 안테나 구조물(1400)은 제 14 연결소자(1406)가 사용되는 특정 주파수에서 격리도를 적응 또는 최적화할 수 있다.
도 15는 본 발명에 따른 제 15 안테나 구조물(1500)을 도시한 도면이다. 이때, 제 15 안테나 구조물(1500)은 일례로 소프트 웨어 보호장치의 일종인 WIMAX USB 동글(dongle)에 사용될 수 있으며, 일례로 2300MHz에서 2700MHz까지의 WIMAX 대역에서 동작하도록 할 수 있다.
이를 위한 제 15 안테나 구조물(1500)은 전도성의 제 15 연결소자(1506)로 연결된 두 개의 제 15-1 및 제 15-2 안테나 소자(1502, 1504)를 포함한다. 이때, 제 15-1 및 제 15-2 안테나 소자(1502,1504)에는 각각 원하는 동작 주파수 범위를 획득할 수 있도록 그 전기적 길이를 증가시키는 슬롯이 포함되며, 일례로 중심 주파수 2350MHz로 최적화되는바, 필요하다면 슬롯의 길이는 상대적으로 높은 중심 주파수를 획득하기 위해 감소될 수 있다. 또한 제 15 안테나 구조물(1500)은 제 2 제 2 PCB(1508)에 배치되며, 각각의 안테나 접점에는 일괄된 소자 매치를 위한 두 개의 매칭요소가 마련될 수 있다.
한편, 이러한 제 15 안테나 구조물(1500)은 금속성형에 의해 제조될 수 있고, 0.2mm 두께의 구리 합금판으로 제조될 수 있다. 그리고 제 15 안테나 구조 물(1500)은 그 중앙의 연결소자에 있어서 픽업(pick-up)이 가능한 구조를 나타내어 자동 파지 및 배치 어셈블리(automated pick-and-place assembly)로 처리될 수 있으며, 또한 리플로우 방식의 표면실장어셈블리(surface-mount reflow)로 처리될 수도 있다.
도 16은 본 발명에 따른 제 16 안테나 구조물(1600)을 도시한 도면이다. 이때, 제 16 안테나 구조물(1600)은 일례로 제 15 안테나 구조물(1500)과 같이 WIMAX USB 동글에 사용될 수 있고, 2300MHz에서 2700MHz까지인 WIMAX 대역에서 동작할 수 있다.
제 16 안테나 구조물(1600)은 각각 굴곡진 형태의 미엔더 모노폴(meander monopole)로 이루어진 두 개의 제 16-1 및 제 16-2 안테나 소자(1602, 1604)를 포함하는바, 각각의 미엔더 길이는 중심 주파수를 결정한다. 이때, 도면에 나타난 형태는 2350MHz 중심주파수에 최적화되어 있고, 높은 중심주파수를 획득하기 위해 필요하다면 미엔더의 길이는 감소될 수 있다.
그리고 제 16 연결소자(1606)은 제 16-1 및 제 16-2 안테나 소자(1602,1604)를 전기적으로 연결하고, 두 개의 집중소자 매칭요소(component lumped element match)가 각각의 안테나 소자(1602,1604)에 전원을 제공한다.
이러한 제 16 안테나 구조물(1600)은 일례로 구리로 제조되어 FPC(Flexible Printed Circuit)에 탑재된 제 1 플라스틱 캐리어(1608)에 실장될 수 있고, FPC의 금속부에 생성될 수도 있는데, 제 1 플라스틱 캐리어(1608)은 PCB 어셈블리(1610)에 실장될 수 있는 기계적 지원 및 작업의 용이함을 제공한다. 더불어, 제 16 안테 나 구조물(1600)은 금속판으로 형성되는 것도 가능하다.
도 17은 본 발명에 따른 제 17 안테나 구조물(1700)을 도시한 도면이다. 이때, 제 17 안테나 구조물(1700)은 일례로 USB나 ExpressCard/34, ExpressCard/54 등의 데이터 카드 포맷에 사용될 수 있으며, 금속판이나 FPC에 탑재된 제 2 플라스틱 캐리어(1702) 상에 실장될 수 있다.
도 18a는 본 발명에 따른 제 18 안테나 구조물(1800)을 도시한 도면이다. 이때, 제 18 안테나 구조물(1800)은 세 개의 포트를 포함하는 세 가지 모드의 안테나를 이룬다. 이러한 구조물에서, 세 개의 모노폴인 제 18-1, 18-2, 18-3 안테나 소자(1802,1804,1806)는 서로 이웃한 안테나 소자(1802,1804,1806)들과 전도성 고리의 제 18 연결소자(1808)로 연결된다. 그리고 제 18-1,18-2,18-3 안테나 소자(1802,1804,1806)는 공통 카운터포이스 또는 공동(空洞)의 단일 전도성 실린더인 슬리브(sleeve, 1810)로 유지되며, 통신장치에 있어서 안테나 구조물의 연결을 위한 세 개의 동축 케이블(1812, 1814, 1816)을 포함하는바, 이들 동축케이블(1812, 1814, 1816)은 슬리브(1810)의 내부를 관통한다. 이와 같이 제 18 안테나 구조물(1800)을 포함하는 안테나 어셈블리는 실린더를 감싸는 단일 FPC로부터 설계될 수 있으며, 세 개의 분리된 안테나를 대신해서 플라스틱 원통의 밀폐공간에 집중되는 단일 안테나 어셈블리로 이루어질 수도 있다. 이때, 일례로 실린더의 직경은 10mm이며 안테나의 전체 길이는 2.45GHz에서 포트 간 높은 격리도를 유지 및 동작할 수 있도록 56mm가 될 수 있으며, 2.4GHz부터 2.5GHz까지의 대역에서 동작하는 MIMO나 802.11N 시스템 등 다중 안테나 방사 시스템에 사용될 수 있다. 또한 포트 간 격리도를 더함으로써 각각의 포트는 도 18b에서처럼 서로 상이한 이익패턴을 용이하게 생성할 수 있다. 이때, 상기의 내용은 특정한 일례에 지나지 않는바, 어떠한 목적 주파수에서도 동작 가능하도록 설계될 수 있으며, 동조, 대역폭 조절 및 다중대역 구조물을 생성하기 위한 방법은, 앞서 내용을 토대로 할 때 다중포트 구조물에 적용 가능한 두 개의 포트 안테나 환경을 통해 자명하게 실현될 수 있다.
제 18 안테나 구조물(1800)은 적합한 실린더를 사용함으로써 제 18-1,18-2,18-3 안테나 소자(1802,1804,1806)의 또 다른 배치 방법에도 불구하고 동일 이득을 얻는 제 18 연결소자를 사용할 수 있지만, 본 발명의 기술적 사상은 여기에 한정되지 않으며, 직선연결은 물론 삼각형을 구성하거나 또 다른 다각적 배열도 가능하다. 아울러 공통 카운터포이스와 더불어 세 개의 모노폴 소자들 대신에 세 개의 분리된 다이폴을 비슷하게 연결한 구조를 설계하는 것도 가능하고, 안테나 소자(1802,1804,1806)의 대칭배열을 통해 각 포트로부터 동일한 효과(일례로, 대역폭, 격리도, 임피던스 매칭)를 얻음으로써 어플리케이션에 의존하는 비대칭적의 상이한 배치방법도 가능하다.
도 19는 본 발명에 따른 제 19 안테나 구조물(1900)을 도시한 도면이다. 이때, 전송 신호는 제 19 안테나 구조물(1900)의 모든 안테나 포트에 동시에 적용될 수 있는데, 이를 위해 증폭기를 결합시킬 수 있다. 이 경우 안테나 포트들 사이의 높은 격리도는 두 개의 제 1 및 제 2 증폭기(1902, 1904) 사이의 상호작용을 제한하며, 이로 인해 신호왜곡이나 효율손실 등 비교적 바람직하지 못한 결과를 얻을 수도 있다. 한편, 제 19 안테나 구조물(1900)은 안테나 포트에 제공된 임피던스 매 칭소자(1906)을 통해 임피던스를 매칭할 수 있는바, 비록 특정 실시예에 관하여 설명했지만 이들은 모두 예시에 지나지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 한정 또는 제약하지 않는다.
더 나아가 이하의 특허청구범위에 기재된 기술적 사상의 범위 내에서 얼마든지 다른 실시예가 가능한바, 앞서 살펴본 안테나 구조물들의 각종 소자 등은 동일동작을 수행하기 위한 별도의 요소가 가감될 수 있다.
일례로 안테나 구조물의 일부인 안테나 소자와 연결소자 또는 연결소자는 복수의 안테나 포트에 유효하게 연결된 다중 급전점을 갖는 단일 방사 구조물을 이룰 수 있다.
따라서, 본 발명의 바람직한 양태에 대한 이상의 설명은 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형이 이루어질 수 있다는 것은 당업자에게 자명한 사실일 것이다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 멀티모드 안테나 구조물은 통신장치에서 전자기적 신호를 송수신하기 위해 제공된다. 이때, 상기 통신장치는 상기 멀티모드 안테나 구조물과 양방향 통신을 위한 신호처리용 회로를 포함한다. 그리고 상기 멀티모드 안테나 구조물은 상기 회로에 유효하게 연결된 복수의 안테나 포트와, 상기 안테나 포트 중 상이한 하나에 각각 유효하게 연결된 복수의 안테나 소자를 포함한다. 또한 상기 멀티모드 안테나 구조물은 상기 안테나 소자와 전기적으로 연결된 적어도 하나의 연결소자를 포함하는 것을 특징으로 하는바, 상기 안테나 포트 중 임의의 안테나 포트를 통해 여기된 안테나 모드는 희망신호주파수범위(desired signal frequency range)가 인가된 또 다른 안테나 포트와 전기적으로 분리된다. 더불어, 상기 안테나 포트에 의해 고안된 안테나 패턴들은 낮은 상관도에서 최적화된 다양성을 나타낸다.
이와 같이 본 발명의 다양한 실시예에 따른 멀티모드 안테나 구조물은 특히 인접해서 패키징 된(1/4 파장 거리보다 작게) 복수의 안테나를 필요로 하는 통신장치에서 그 성능을 발휘하며, 더불어 상기 통신장치는 동일 주파수 대역에서 사용되는 적어도 하나의 안테나를 채택하는 종류도 될 수 있는바, 이러한 통신장치의 예로는 휴대폰(cellular handsets), PDA(Personal Digital Assistants), 무선 네트워킹 장치(wireless networking device) 또는 PC(personal computer)용 데이터 카드(data card)와 같은 휴대용 통신제품과 더불어 MIMO(Multiple Input Multiple Output)와 같은 시스템 구조 및 무선 통신 장치들(예컨대, 무선랜의 802.11n, 802.16e(WIMAX), HSDPA, 1xEVDO와 같은 3G 데이터 통신들) 등의 표준 프로토콜에 유용하다.

Claims (29)

  1. 안테나와의 양방향 통신을 위한 신호처리용 회로가 포함된 통신장치에서 전자기적 신호를 송수신하기 위한 멀티모드 안테나 구조물로서,
    상기 신호처리용 회로에 연결된 복수의 안테나 포트와;
    상기 안테나 포트에 각각 연결된 안테나 소자와;
    상기 안테나 소자들 중 임의의 안테나 소자와 그에 인접한 안테나 소자를 상기 각 안테나 소자의 방사 영역에서 전기적으로 서로 연결하여 단일 방사체가 되도록 하는, 안테나 패턴으로 이루어진 하나 이상의 연결 소자를 포함하며,
    상기 하나 이상의 연결 소자에 의해 상기 인접한 안테나 소자와 커플된 안테나 포트를 우회(bypass)하면서 상기 임의의 안테나 소자에서 상기 인접한 안테나 소자로 전류가 흘러 상기 임의의 안테나 소자와 상기 인접 안테나 소자의 전류 크기가 같아지게 되어, 상기 임의의 안테나 소자와 연결된 안테나 포트에 의해 여기된 안테나 모드는 기 설정된 희망 신호 주파수 대역(desired signal frequency range)에서 상기 인접 안테나 소자와 연결된 안테나 포트에 의해 여기된 안테나 모드와 전기적으로 분리되는 것을 특징으로 하는 멀티모드 안테나 구조물.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 통신장치는 휴대폰(cellular handset), PDA(Personal Digital Assistants), 무선 네트워크 장치(wireless networking device), 또는 PC(personal computer)용 데이터 카드(data card)를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티모드 안테나 구조물.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 안테나 소자는 다이폴들(dipoles)을 포함하고, 상기 하나 이상의 연결소자는 대향되는 안테나 포트들의 다이폴들을 서로 연결하는 것을 특징으로 하는 멀티모드 안테나 구조물.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 안테나 소자들은 모노폴들(monopoles)을 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티모드 안테나 구조물.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 희망 신호 주파수 대역에서 상기 안테나 소자의 입력 임피던스를 매칭시키는 매칭 네트워크(matching network)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티모드 안테나 구조물.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 안테나 소자들은 헬리컬 코일(helical coils), 광대역 평판 형태(wideband planer shapes), 칩 안테나(chip antennas), 미엔더 형태(meandered shapes), 루프(loops) 또는 유도성 션트 형태(inductively shunted forms)인 것을 특징으로 하는 멀티모드 안테나 구조물.
  7. 제 1항에 있어서.
    상기 안테나 소자들 중 적어도 두 개는 서로 다른 기하학적 형태인 것을 특징으로 하는 멀티모드 안테나 구조물.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 안테나 소자들은 서로 동일한 기하학적 형태인 것을 특징으로 하는 멀티모드 안테나 구조물.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 안테나 소자들은 일정범위의 격리대역폭(isolation bandwidth)과 임피던스 대역폭(impedance bandwidth)을 나타내는 기 설정된 폭을 가지는 것을 특징으로 하는 멀티모드 안테나 구조물.
  10. 삭제
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 멀티모드 안테나 구조물은 PCB 상에 2차원 구조로 형성된 것을 특징으로 하는 멀티모드 안테나 구조물.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 안테나 소자들은 각각 다중 공진 주파수(multiple resonant frequency)를 제공하도록 서로 다른 길이로 분리된 핑거(split finger)를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티모드 안테나 구조물.
  13. 제 1항에 있어서.
    상기 복수의 안테나 소자는 길이 조절이 가능한 가변 안테나(tunable antenna)인 것을 특징으로 하는 멀티모드 안테나 구조물.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 안테나 소자들은 상기 안테나 소자의 전기적 길이를 증가 또는 감소시키는 제어 가능한 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티모드 안테나 구조물.
  15. 제 1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 연결소자는 상기 안테나 소자들 사이의 전기적 거리와 동일한 전기적 길이로 상기 안테나 소자들을 연결하는 것을 특징으로 하는 멀티모드 안테나 구조물.
  16. 제 1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 연결소자는 일정범위의 격리대역폭(isolation bandwidth)을 나타내도록 일정범위의 전기적 길이를 가지는 것을 특징으로 하는 멀티모드 안테나 구조물.
  17. 제 1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 연결소자는 일정범위의 격리대역폭(isolation bandwidth)을 나타내도록 상기 안테나 소자들의 길이 방향을 따라 배치되는 것을 특징으로 하는 멀티모드 안테나 구조물.
  18. 제 1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 연결소자는 일정범위의 격리대역폭(isolation bandwidth)을 나타내도록 상기 안테나 소자들의 길이 방향을 따라 배치되고, 상기 연결소자와 상기 안테나 소자 사이의 연결을 선택적으로 개방하는 스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티모드 안테나 구조물.
  19. 제 1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 연결소자는 기 설정된 주파수 대역 특성을 가지는 필터를 더 포함하여, 상기 기 설정된 주파수 대역에서만 유효한 전기적 연결을 제공하는 것을 특징으로 하는 멀티모드 안테나 구조물.
  20. 제 19항에 있어서,
    상기 연결소자는 한 쌍으로 된 연결소자를 포함하며, 그 하나가 고역통과 필터를 포함하고, 다른 하나는 저역통과 필터를 포함하도록 하여 이중 대역 안테나 구조를 제공하도록 한 것을 특징으로 하는 멀티모드 안테나 구조물.
  21. 제 1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 연결소자는 각각 가변 소자(tunable element)를 더 포함하여, 상기 안테나 소자 사이의 전기적 연결에 대한 지연시간, 위상, 또는 임피던스를 가변하는 것을 특징으로 하는 멀티모드 안테나 구조물.
  22. 제 1항에 있어서,
    상기 멀티모드 안테나 구조물은 자동 파지 및 배치 어셈블리 처리(automated pick and place assembly process)를 위해 그 중앙에 픽업구조(pickup feature)를 갖춘 금속성형물(stamped metal part)로 이루어진 것을 특징으로 하는 멀티모드 안테나 구조물.
  23. 제 1항에 있어서,
    상기 멀티모드 안테나 구조물은 FPC(Flexible Printed Circuit)가 탑재된 플라스틱 캐리어(carrier)에 실장되는 것을 특징으로 하는 멀티모드 안테나 구조물.
  24. 제 1항에 있어서,
    상기 복수의 안테나 소자가 실장되고, 상기 하나 이상의 연결소자가 이웃하는 안테나 소자들을 연결하는 전도성 띠(conductive band) 형태로 실장되는 슬리브(sleeve)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티모드 안테나 구조물.
  25. 제 24항에 있어서,
    상기 안테나 구조물을 상기 통신장치에 연결하기 위한 동축케이블을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티모드 안테나 구조물.
  26. 제 1항에 있어서,
    상기 안테나 포트에 인가되는 전송신호를 증폭하기 위한 적어도 하나의 증폭기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티모드 안테나 구조물.
  27. 제 1항에 있어서,
    상기 전류는 상기 임의의 안테나 소자로부터 그와 연결된 복수의 이웃 안테나 소자들로 흐르고, 상기 이웃 안테나 소자들과 연결된 안테나 포트들을 우회하며 상기 전류의 크기는 상기 임의의 안테나 소자와 상기 이웃 안테나 소자들에서 동일한 것을 특징으로 하는 멀티모드 안테나 구조물.
  28. 안테나와의 양방향 통신을 위한 신호처리용 회로가 탑재된 PCB 어셈블리를 포함하는 통신장치에 있어서 상기 PCB 어셈블리에 실장되어 전자기적 신호를 송수신하는 멀티모드 안테나 구조물로서,
    상기 신호처리용 회로에 연결된 복수의 안테나 포트와;
    상기 안테나 포트에 각각 연결된 안테나 소자와;
    상기 안테나 소자들 중 임의의 안테나 소자와 그에 인접한 안테나 소자를 상기 각 안테나 소자의 방사 영역에서 전기적으로 서로 연결하여 단일 방사체가 되도록 하는, 안테나 패턴으로 이루어진 하나 이상의 연결 소자를 포함하며,
    상기 하나 이상의 연결 소자에 의해 상기 인접한 안테나 소자와 커플된 안테나 포트를 우회하면서 상기 임의의 안테나 소자에서 상기 인접한 안테나 소자로 전류가 흘러 상기 임의의 안테나 소자와 상기 인접 안테나 소자의 전류 크기가 같아지게 되어, 상기 임의의 안테나 소자와 연결된 안테나 포트에 의해 여기된 안테나 모드는 기 설정된 희망 신호 주파수 대역에서 상기 인접 안테나 소자와 연결된 안테나 포트에 의해 여기된 안테나 모드와 전기적으로 분리되고,
    상기 안테나 포트, 안테나 소자, 연결 소자 중 적어도 하나를 포함하는 구조물은 금속 성형 또는 인쇄구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 멀티모드 안테나 구조물.
  29. 안테나와의 양방향 통신을 위한 신호처리용 회로가 포함된 통신장치에서 전자기적 신호를 송수신하는 멀티모드 안테나 구조물로서,
    상기 회로와 연결된 적어도 세 개의 안테나 포트와;
    상기 안테나 포트중 서로 다른 안테나 포트에 연결되고, 상기 멀티모드 안테나 구조물이 실장되는 인크로져(enclosure)의 표면에 이격 배치되는 세 개 이상의 안테나 소자와;
    상기 안테나 소자들 중 임의의 안테나 소자와 그에 인접한 안테나 소자를 상기 각 안테나 소자의 방사 영역에서 전기적으로 서로 연결하는 하나 이상의 연결 소자를 포함하며,
    상기 하나 이상의 연결 소자에 의해 상기 인접한 안테나 소자와 커플된 안테나 포트를 우회하면서 상기 임의의 안테나 소자에서 상기 인접한 안테나 소자로 전류가 흘러 상기 임의의 안테나 소자와 상기 인접 안테나 소자의 전류 크기가 같아지게 되어, 상기 임의의 안테나 소자와 연결된 안테나 포트에 의해 여기된 안테나 모드는 기 설정된 희망 신호 주파수 대역에서 상기 인접 안테나 소자와 연결된 안테나 포트에 의해 여기된 안테나 모드와 전기적으로 분리되는 것을 특징으로 하는 멀티모드 안테나 구조물.
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