KR100992919B1 - 조절가능 다중 대역 안테나 - Google Patents

조절가능 다중 대역 안테나 Download PDF

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Abstract

조절가능 다중-대역 평면 안테나는 이동 단말기 및 무선 장치에 특히 적용될 수 있다. 안테나의 조절 회로(430)는 방사기의 지점(X)에 갈바닉 연결되는데, 이 회로는 적어도 두 개의 동작 대역의 위치에 영향을 미칠 수 있다. 조절 회로는 다중-극 스위치(433)를 포함하며, 이를 통하여 상기 방사점은 대안적 송신 라인들 중 하나에 연결될 수 있다. 예를 들어, 송신 라인(434, 435) 중 하나는 개방되고 다른 것은 단락된다. 이산 커패시터(C2)가 추가적 동조 성분으로서 송신 라인의 개별 컨덕터 및 스위치의 출력 극 사이에 위치될 수 있다. 조절 회로는 방사기(320) 및 스위치 사이의 LC 회로(432)를 포함한다. 그러면, 다른 것들 중에서 송신 라인의 길이, 이산 성분들의 값들, 및 안테나 단락점(G) 및 조절 회로 연결점(X) 사이의 거리가 안테나 조절의 관점에서 볼 때의 변수들이다. 스위치 상태가 변경될 때 안테나 동작 대역들 각각이 개별적으로 원하는 위치로 천이되도록 이러한 변수들의 값이 연산된다. 조절 회로를 위하여 요구되는 공간을 작으며, 스위치를 이용하는데도 불구하고 안테나의 상대적으로 높은 효율이 달성된다.

Description

조절가능 다중 대역 안테나{Adjustable multiband antenna}
본 발명은 이동 단말기에 특히 적용 가능한 조절가능 다중 대역 안테나에 관련된다. 또한, 본 발명은 이러한 안테나를 포함하는 무선 장치에 관련된다.
본 명세서에서 안테나의 조절가능성(adjustability)이란 안테나의 공진 주파수 또는 공진 주파수들이 전기적으로 변경될 수 있다는 것을 의미한다. 그 목적은, 공진 주파수 주위의 안테나의 동작 대역이 언제나 해당 기능이 각 순간에 예정한 주파수 대역을 커버할 수 있도록 하는 것이다. 안테나 조절가능성이 필요한 데에는 상이한 이유들이 존재한다. 이동 단말기와 같은 휴대용 무선 장치들이 두께의 관점에서 점점 작아지면서, 내장 평면 안테나의 방사면 및 접지면 사이의 거리는 어쩔 수 없이 점점 짧아진다. 그 결과, 예를 들어 안테나 대역폭이 감소하게 된다. 그러면, 이동 단말기가 서로 상대적으로 인접한 주파수 범위를 가지는 복수 개의 무선 시스템에서 동작하도록 설계되기 때문에, 하나 이상의 무선 시스템에 의하여 이용되는 주파수 범위를 커버하는 것이 점점 어려워지거나 아예 불가능해진다. 이러한 시스템 쌍의 예를 들면 GSM 1800 및 GSM 1900(Global System for Mobile Telecommunications)이 있다. 따라서, 단일 시스템의 송신 및 수신 대역 모두에 대한 사양에 따르는 동작을 안정적으로 수행하는 것은 더 난해해질 수 있 다. 만일 시스템이 서브-대역 분할 기술을 이용한다면, 안테나의 공진 주파수가 각 경우에 이용되는 서브-대역 내에 동조될 수 있는 것이 바람직하며, 이것은 무선 연결성 품질의 관점에서 볼 때 그러하다.
이 명세서에서 설명되는 본 발명에서, 안테나 조절 동작은 스위치에 의하여 구현된다. 관심 대상인 목적을 달성하기 위하여 스위치를 이용하는 기술은 이미 공지된 바 있다. 예를 들어, 공개 번호 EP1113 524호는 특정 지점에서 평면 방사기가 스위치에 의하여 접지에 연결될 수 있는 안테나를 개시한다. 스위치가 닫혀지면, 방사기의 전기적 길이는 감소하고, 이 경우에 안테나의 공진 주파수는 더 높아지고 이러한 공진 주파수에 상응하는 동작 대역은 상향 천이된다. 커패시터가 스위치와 직렬 연결됨으로써 대역 천이(band displacement)를 원하는 만큼 크게 설정할 수 있다. 이러한 솔루션은 단일-대역 안테나에 대한 경우에 적합하다. 다중-대역 안테나의 동작 대역을 이와 같이 제어하여 천이시키는 것은 불가능하다.
도 1에서, 공개 번호 EP04008490.7호로부터 공지된 스위치를 포함하는 솔루션이 도시된다. 안테나 베이스 구조 중에서, 도 1에는 오직 방사면(120)의 일부 만이 도시된다. 안테나는 두 개의 분리된 동작 대역을 가진다. 안테나는 베이스 구조와 더불어, 기생 성분(131), 필터(132), 2-웨이 스위치(133), 종단 성분(terminating element, 138), 및 송신 라인을 가지는 조절 회로를 포함한다. 기생 성분은 방사면에 대한 현저한 전자기적 커플링을 가지며, 단 송신 라인을 통하여 필터(132)의 입력 포트로 연결된다. 각 송신 라인은 접지 컨덕터 및 개별 컨덕터를 포함한다. 필터의 출력 포트는 제2 단 송신 라인(short transmission line) 을 통하여 스위치(133)로 연결되고, 출력 포트의 "핫" 극(hot pole)은 제2 송신 라인의 개별 컨덕터에 의하여 스위치의 공통 극으로 연결된다. 스위치의 공통 극은 스위치를 제어함으로써 스위치의 제2 또는 제3 극에 연결될 수 있다. 스위치의 제2 극은 제3 단 송신 라인의 개별 컨덕터(134)에 고정되어 연결되는데, 이러한 제3 단 송신 라인은 그 대향 단부에서 개방된다. 스위치의 제3 극은 제4 단 송신 라인의 개별 컨덕터(135)에 고정되어 연결된다. 제4 송신 라인의 대향 단부에는 리액티브 종단 성분(reactive terminating element, 138)이 존재한다. 그 리액턴스(X)는 단지 단락될 수 있다(0의 인덕턴스일 수 있다). 방사기로부터 바라본 조절 회로가 제공하는 임피던스는 송신 라인의 길이 및 리액턴스 X에 의존한다. 회로는, 스위치의 공통 극이 제3 극에 연결되었을 때에는 조절 회로의 임피던스가 매우 높고, 공통 극이 제2 극에 연결되었을 때에는 임피던스가 적절하도록 설계될 수 있다. "적절하다"라는 것은, 스위치의 상태가 변경될 때 동작 대역이 원하는 만큼 천이되도록 야기하는 값을 의미한다.
필터(132)의 목적은 스위칭의 효과를 단일 동작 대역으로 한정시키는 것이다. 효과가 예를 들어 상위 동작 대역에 한정되는 것이 요구된다면, 필터는 고역 통과 타입으로 설계되며, 그 차단 주파수(cut-off frequency)는 안테나 동작 대역들 사이로 조정된다. 이러한 경우에, 하위 동작 대역은 필터의 차단 대역(stop band) 내에 위치하고, 하위 동작 대역의 주파수에서의 조절 회로의 임피던스는 스위치의 두 가지 상태 모두에서 높은 값을 가진다. 그러면, 스위치 상태를 변경시키는 것이 안테나의 전기적 길이를 변경시키지도, 및 하위 동작 대역의 천이를 야 기하지도 않는다.
도 1에 따른 솔루션에서, 커플링 성분으로서 이용된 기생 성분의 위치를 변경시키지 않은 채 다중-대역 안테나의 단일 동작 대역을 조절하는 것이 가능하다. 그러나, 두 대역들을 동시에 천이시키도록 제어하는 것은 불가능하다. 또한, 기생 성분 및 방사기 간의 커플링의 공차(tolerance)를 그 생성물에서 충분히 낮게 유지시키는 것이 곤란하다.
도 2에서, 공개 번호 US 6,650,295호로부터 공지된 스위치를 포함하는 솔루션이 도시된다. 평면 안테나의 방사면(220)이 도시된다. 이러한 방사면은 무선 장치의 회로 기판 상에 위치하며, 회로 기판의 도전성 상부면은 안테나의 접지면(210) 및 송신 라인의 접지 컨덕터로서 동작하고, 이들은 도시된 구조에 포함된다. 안테나의 단락 컨덕터(211) 및 급전 컨덕터(212)는 방사면으로 결합된다. 그러므로, 안테나는 평면 역 F 안테나(Planar Inverted F-Antenna, PIFA) 타입을 가진다. 방사면에는 그 발단부에서 출발하는 비-도전성 슬롯(225)을 포함하는데, 이 슬롯은 평면을 그 단락점에서 볼 때 분할하여 상이한 길이를 가지는 두 브랜치들로 분할한다. 그러면, PIFA는 이중-대역 안테나가 된다. 하위 동작 대역은 더 긴 브랜치(221)에 기반하고, 상위 동작 대역은 더 짧은 브랜치(222)에 기반한다.
하위 동작 대역 및 상위 동작 대역 모두는 도 2에 따르는 구조 내에 배치될 수 있다. 하위 동작 대역의 배치를 위하여 제1 조절 회로(230)가 존재하고 상위 동작 대역의 배치를 위하여 제2 조절 회로(240)가 존재한다. 제2 조절 회로(230)는 제1 송신 라인, 제1 스위치(232) 및 두 개의 연장 라인들을 포함한다. 제1 송 신 라인은 연장 라인들보다 더 길다. 제1 송신 라인의 개별 컨덕터(231)는 그 긴 브랜치(221)의 일 지점에서 방사면의 에지에 연결된다. 개별 컨덕터(231)의 제2 단부는 제1 스위치(232)의 공통 극에 연결된다. 이 스위치는 세 개의 상태를 가진다. 그 제1 상태에서, 개별 컨덕터(231)의 제2 단부는 무극(nothing)으로 스위칭되고, 제2 상태에서 그것은 제1 연장 라인의 개별 컨덕터(233)로 스위칭되며, 제3 상태에서 그것은 제2 연장 라인의 개별 컨덕터(234)로 스위칭된다. 각 연장 라인은 그 대향 단부에서 단락된다. 이들은 상이한 길이를 가지고, 따라서 방사면의 더 긴 브랜치는 제1 스위치(232)의 상태에 따라서 세 개의 대안적인 전기적 길이를 가지고, 이에 상응하여 안테나의 하위 동작 대역은 세 개의 대안적 위치들을 가진다. 제2 조절 회로(240)는 제1 조절 회로와 유사하다. 제4 연장 라인의 개별 컨덕터(241)는 제1 연장 라인의 개별 컨덕터(231)에 상응하여 방사면의 에지에 연결되는데, 이 때 제2 조절 회로가 단지 상위 동작 대역에만 주로 영향을 주도록 하는 지점에 연결된다. 상위 동작 대역의 위치는 제2 스위치(242)를 이용하여 세 개의 대안적 위치들로부터 선택될 수 있다.
제1 및 제4 송신 라인의 길이는 대략 사분파(quarter wave)의 크기(order)를 가진다. 만일 그 길이가 사분파보다 짧으면, 짧은 연장 라인을 그 단부에 연결하면 해당 대역이 상향 천이되게 되고, 만일 길이가 사분파보다 길면, 짧은 연장 라인을 그 단부에 연결하면 해당 대역폭이 하향 천이되게 된다. 스위치에 의하여 야기되는 손실 및 그에 기인한 스위치의 안테나 효율에 대한 영향은 방사면에 연결되는 송신 라인의 길이에 의존한다. 연장 라인의 길이 및 길이들은 최적화되어 원하 는 대역 배치가 안테나 효율성을 상대적으로 적게 열화시키면서 이루어지도록 한다. 더 나아가, 조절 회로는 몇 개의 송신 라인에 추가하거나 이들 대신에 이산 동조 커패시터(discrete tuning capacitor)를 포함할 수 있다.
전술된 솔루션에서, 두 대역의 조절되는 배치가 이루어지려면 각각의 스위치를 포함하는 두 개의 조절 회로들이 필요하다. 이것은 상대적으로 구조가 복잡하며 생산 단가가 높아진다는 것을 의미한다.
본 발명의 목적은 신규한 방법으로 다중-대역 안테나의 조절 기법을 구현하는 것으로서, 이 방법은 종래 기술에 관련된 단점을 완화시킨다. 본 발명에 따른 조절가능 다중-대역 안테나는, 독립항 1항에 특정된 바에 따르는 특징을 가진다. 본 발명의 실시예들의 몇 가지 장점들은 독립항에 제공된다.
본 발명의 기본적 기술적 사상은 다음과 같다. 적어도 두 개의 동작 대역을 가지는 조절가능 안테나의 조절 회로는 방사면의 소정 지점에 갈바닉 연결되는데 (glavanically connected), 이 지점에서 조절 회로는 두 개의 안테나 동작 대역의 위치에 영향을 끼칠 수 있다. 조절 회로는 다중-극 스위치를 포함하고, 이 스위치를 통하여 상기 방사점이 대안 송신 라인들 중 하나에 연결될 수 있다. 예를 들어, 두 개의 송신 라인들 중 하나는 개방되고 다른 하나는 단락된다. 이산 커패시터가 송신 라인의 개별 컨덕터 및 스위치의 출력 극 사이에 추가적 동조 성분으로서 배치될 수 있다. 조절 회로는 더 나아가 방사기 및 스위치 사이에 LC 회로를 포함한다. 다른 무엇보다도, 송신 라인의 길이, 이산 성분들의 값, 및 안테나 단락-회로 지점 및 조절 회로 연결 지점 사이의 길이는 안테나 조절 동작의 관점에서 바라본 변수이다. 이러한 변수들에 대한 값들이, 스위치 상태가 변경될 때 두 개의 안테나 동작 대역들 각각이 개별적으로 원하는 다른 지점으로 천이되도록 하기 위하여 연산된다.
본 발명의 장점은, 두 개의 안테나 동작 대역에 대한 원하는 이격 거리가 획득될 수 있다는 점이다. 또한, 이러한 이격 거리들 중 하나는 0일 수도 있다. 본 발명의 다른 장점은, 이러한 이격 거리가 상대적으로 간단한 조절 회로에 의하여 구현될 수 있으며, 이러한 조절 회로는 오직 한 지점에서만 방사기에 연결된다는 점이다. 본 발명의 다른 장점은, 안테나 조절 회로를 위하여 요구되는 공간이 상대적으로 작은 공간이라는 점이다. 이것은, 본 발명에 따르는 조절 회로에서 물리적으로 매우 짧은 송신 라인들도 충분하다는 점에 기인한다. 본 발명의 다른 장점은, 스위치의 이용에도 불구하고 안테나에 대하여 상대적으로 높은 효율이 구현된다는 점이다. 본 발명의 다른 장점은, 상기 LC 회로는 동시에 해당 스위치를 위한 ESD(정전기) 보호기로서도 동작할 수 있다는 점이다.
이하, 본 발명이 상세히 설명된다. 설명 중 참조되는 도면들은 다음과 같다.
도 1은 종래 기술에 따른 조절가능 안테나의 일 예를 제공한다.
도 2는 종래 기술에 따르는 조절가능 안테나의 제2 예시를 제공한다.
도 3은 본 발명에 따르는 조절가능 안테나의 방사면의 일 예를 제공한다.
도 4는 본 발명에 따르는 조절 회로의 일 예를 제공한다.
도 5는 본 발명에 따르는 안테나의 동작 대역의 배치의 일 예를 제공한다.
도 6은 도 5에 도시된 예시적인 경우에서의 안테나 조절 회로의 임피던스의 변화를 도시한다.
도 7은 도 5에 도시된 예시적인 경우의 안테나 효율을 제공한다.
도 8은 본 발명에 따르는 안테나의 조절 회로의 다른 실시예를 제공한다.
도 9는 본 발명에 따른 안테나의 다른 실시예를 제공한다.
도 10은 본 발명에 따르는 안테나를 포함하는 무선 장치의 일 실시예를 제공한다.
도 1 및 도 2는 종래 기술에 관련된 설명에서 이미 기술되었다.
도 3은 상부 또는 방사면의 측면에서 바라본 본 발명에 따른 안테나의 일 실시예를 도시한다. 무선 장치의 회로 기판(PCB)은 방사면(320) 하부로부터 바라본 것이며, 회로 기판의 도전성 상부면은 안테나의 접지면(310)으로서 동작한다. 안테나 단락 컨덕터는 단락점에서 방사면과 접하거나 접지점(G)에서 접하고, 급전 컨덕터는 급전점(F)에서 방사면과 만난다. 또한, 안테나 조절 회로의 컨덕터는 조절점(X)에서 방사면과 만난다. 도시된 실시예에서, 방사면은 외곽이 사각형이며 모든 세 지점들은 그 동일한 장측면에 위치되고, 급전점은 모서리에 인접하도록 배치되고 접지점은 그들 사이에 배치된다. 방사면은 도시된 안테나가 이중-대역 안테나일 수 있도록 성형되고, 이것은 하부 및 상위 동작 대역을 가진다. 하위 동작 대역은 방사면, 접지면, 및 급전 및 단락 회로 컨덕터에 의하여 형성된 PIFA 구조 상에 기반한다. 상위 동작 대역은 슬롯 방사기(slot radiator)에 기반하는데, 이 슬롯(322)은 접지점(G)에서부터 바라본 지점(X)의 더 먼 측면 상의 조절점(X) 주위의 방사면의 에지에서 출발한다. 슬롯(322)은 급전점에서부터 바라본 평면의 대향 단부에 인접한 방사면의 내부 영역 내에서 중단된다. 슬롯은 자연적으로 동시에 하위 동작 대역 방사기(320)의 전기적 길이에 영향을 준다. 방사면에는 급전점 및 단락점 사이에서 출발하는 L-형 슬롯도 포함하는데, 이 슬롯에 의하여 안테나 매칭 동작이 하부 및 상부 동작 대역 모두에서 개선된다. 또한, 방사면은 도시된 실시예에서 안테나를 동조시키고 그 매칭을 개선하기 위하여 접지면을 향하여 유도되는 두 개의 돌기(projection)를 가진다. 제1 돌기(328)는 급전점의 측면 상의 단부에 위치하고, 제2 돌기(329)는 접지 및 조절점들의 측면에서, 슬롯 방사기(322)의 개방 단부로부터 평면의 대향 단부를 향하여 배치된다.
조절점(X)의 위치에 기반하여, 이에 연결된 회로는 하부 및 상위 동작 대역 모두에 영향을 미친다. 만일 조절점이 예를 들어 직접적으로 급전면에 연결된다면, 하부 및 상위 동작 대역 모두에 상응하는 안테나 성분들의 전기적 길이는 감소할 것이며, 이 경우에 양 대역 모두 하향 천이될 것이다. 조절점에 연결된 조절 회로는 방사면(320) 하부 또는 회로 기판(PCB)의 대향 측면 상에 위치된다.
접지점(G) 및 조절점(X) 사이의 전기적 길이는 조절 회로가 제어될 때 대역 이격 거리가 얼마나 커지느냐에 중대한 영향을 미친다. 본 발명에 따르는 안테나에서, 이러한 거리는 원하는 결과를 찾는 동안의 조절 회로의 변수들에 추가되는 하나의 변수이다. 이러한 거리를 설정하기 위하여 방사면 내에 한 장치(arrangement)가 추가된다. 가장 단순하게는, 이러한 장치란 지점 G 및 X 사이의 직접 거리가 적합하게 선택된다는 것을 의미할 뿐이다. 도 3에 도시된 실시예에서, 이러한 장치는 이러한 지점들 간의 방사면의 일부 내에 위치된 노치(326)를 포함한다.
도 4는 본 발명에 따르는 안테나의 조절 회로의 일 실시예를 도시한다. 조절 회로(430)는 조절점(X)에서 안테나 방사기에 갈바닉 연결된다 (glavanically connected). 조절 회로는 방사기로부터 순서대로 조절 회로의 입력 라인(431), LC 회로(432), 스위치(433), 및 동조 라인(434, 435)들을 포함한다. 각 송신 라인은 접지 컨덕터 및 접지로부터 절연된 컨덕터를 포함하는데, 이 컨덕터는 본 명세서에서 개별 컨덕터(separate conductor)라고도 불린다. LC 회로(432)는 일면으로는 스위치의 ESD 보호(ESD protection)를 위하여 존재하고, 다른 면으로는 조절 회로의 가변 파라미터들의 개수를 증가시키기 위한 것이다. 이것은 코일(L) 및 커패시터(C1)로 구성된다. 코일은 입력 라인(431)에 가로질러 연결되는데, 다시 말하면 그 개별 컨덕터 및 접지 간에 연결된다. 커패시터(C1)는 입력 라인의 개별 컨덕터와 직렬 연결되고, 커패시터의 제2 단자는 스위치(433)의 공통 극에 연결된다. 스위치는 2-웨이 스위치인데, 여기서 공통 극은 두 개의 다른 극들 중 하나에 연결될 수 있다. 이러한 다른 극들이 스위치의 출력 극이라고 불린다. 스위치의 제1 출력 극은 제1 동조 라인(434)의 개별 컨덕터의 헤드 단부에 연결되고, 제2 출력 극은 커패시터(C2)를 통하여 제2 동조 라인(435)의 개별 컨덕터의 헤드 단부에 연결된다. 그러므로, 조절 회로의 입력 라인은 LC 회로 및 스위치 이후에 제1 동조 라인으로서 또는 제2 동조 라인으로서 계속 진행될 수 있다. 스위치 상태가 변경되면, 방사면의 조절점(X)으로부터 접지 방향으로 바라본 리액티브 임피던스가 변경된다. 이러한 경우에, 안테나부의 공진 주파수가 변경되고 따라서 동작 대역들이 천이된다.
도시된 실시예에서, 제1 동조 라인(434)은 그 테일 단부에서 개방되고, 제2 동조 라인(435)은 그 테일 단부에서 단락된다. 동조 라인들은 짧으며, 일반적으로 사분 파장보다 짧다. 이러한 경우에 개방 라인은 특정 커패시턴스를 나타내고, 단락 라인은 특정 인덕턴스를 나타낸다. 공지된 바와 같이, 커패시턴스 및 인덕턴스의 값은 주파수에 의존한다. 라인이 상위 대역 내의 사분 파장보다도 짧다면 상위 동작 대역에서는 이 값들은 하위 동작 대역에서의 주파수에서보다 더 높다. 이산 커패시터에서의 커패시턴스의 주파수 의존성은 무시할 만하다. 그러므로 동조 라인의 길이들이 동조 회로가 설계될 때 본 발명에 의하여 변수로서 이용된다. 다른 것들 중에서는, 조절 회로의 이산 성분들의 값들, 입력 라인(431)의 길이, 및 방사면에서의 접지점(G) 및 조절점(X) 사이의 거리(도 3에 대한 설명에서 언급된 바 있다)가 다른 변수들이거나 다른 가변 파라미터들이다. 자연스럽게, 시작 지점은 방사면의 일부에 대한 안테나 기본 구조의 척도 변경(dimensioning)이다. 변수들의 개수는 조절 회로의 단순성을 고려할 때 크고, 이들 중 몇 가지 변수들은 다른 것들과는 상이한 주파수 특성을 가진다. 이러한 사실에 의하여, 조절 회로를 이용하여 안테나를 설계함으로써 원하는 방향성 및 확장성(extents)을 가지는 이격 거리가 하위 및 상위 동작 대역들에 대하여 서로로부터 독립되도록 얻어질 수 있게 된다. 예를 들어, 만일 한 대역이 그 위치에 유지되어야 한다면, 그 이격 거 리(displacement)는 0인 것으로 조정될 수 있다.
커패시터(C2)는 또한 스위치의 제어 회로로부터 볼 때의 단락된 동조 라인을 통한 직접 전류 경로를 형성하는 것을 방지하는 차폐 커패시터(blocking capacitor)로서도 동작한다. 개방 동조 라인의 일측에는 물론 차폐 커패시터가 필요하지 않지만, 동조 목적을 위한 이산 성분이 존재할 수도 있다.
스위치 동작 상태의 개수 및 이러한 상태에 상응하는 회로들 및 동조 라인들의 개수는 자연적으로 2개 이상임으로써 동작 대역에 대하여 수 개의 대안적 위치를 구현할 수도 있다. 반면에, 두 개 이상의 동작 대역들이 방사면에 의하여 구현될 수도 있으며, 이 경우에 이들 모두의 배치(displacement)는 어느 정도까지는 한 조절 회로에 의하여 제어될 수 있다.
도 5는 본 발명에 따르는 안테나의 동작 대역들의 배치의 일 예를 도시한다. 도시된 실시예는 도 4에 따르는 조절 회로를 포함하는 도 3에 따르는 안테나에 관련된다. 목적은, 한 스위치 상태에서 안테나의 하위 동작 대역이 GSM900 시스템의 주파수 범위 890-960 MHz를 커버하고, 상위 동작 대역이 GSM1800 시스템의 주파수 범위 1710-1880 MHz를 커버하도록 하며, 다른 스위치 상태에서는 하위 동작 대역이 GSM850 시스템의 주파수 범위 824-894 MHz를 커버하고, 상위 동작 대역이 GSM1900 시스템의 주파수 범위 1850-1990 MHz를 커버하도록 하는 것이다. 곡선 51은 방사기가 매우 짧은 단락된 동조 라인에 연결될 때의 반사 계수의 변동(fluctuation)을 주파수의 함수로서 도시한다. 곡선 52는 방사기가 그 테일 단부에서 개방된 동조 라인에 연결되었을 때의 반사 계수의 변동을 도시한다. 이러한 곡선들로부터, 사 용 가능한 반사 계수(reflection coefficient)에 대한 척도로서 -5dB이 고려될 경우에 하위 동작 대역의 부분에 대하여 전술된 목적이 달성된다는 것을 알 수 있다. 이러한 목적은 또한 가장 높은 부분의 경우만을 제외하고 하위 동작 대역에 대해서도 달성되는데, 이러한 부분에서 안테나 매칭만이 통과 가능하다(passable).
도 5에 도시된 예에서 안테나 조절 회로는 L=5.6nH, C1=8.2pF, 및 C2=100pF의 값을 가지도록 설계되었다. 제1 동조 라인(434)은 3mm 길이의 평행선으로서 회로 기판 물질(FR-4)의 표면 상에 존재한다. 제2 동조 라인의 길이 및 조절 회로의 입력 라인(431)의 길이는 실질적으로는 0이다. 이러한 경우에, 방사기가 단락된 동조 라인에 연결된다면, 전체 조절 회로는 방사기로부터 하위 동작 대역의 주파수에서 매우 짧은 단락 송신 라인인 것으로 "보인다". 이것은 임피던스가 작다는 것을 의미한다. 커패시터(C2)가 없으면, 조절 회로는 약 1/8 파장을 가지는 단락 송신 라인을 나타낼 것인데, 그러나 송신 라인의 전기적 길이를 0으로까지 단축시키는 커패시턴스(C2)에 대한 값이 검색된다. 상위 동작 대역의 주파수에서, 커패시턴스(C2)는 단지 사소한 영향만을 미친다. 상위 동작 대역이 하위 대역에 비할 때 약 두 배의 주파수에 위치되기 때문에, 조절 회로는 방사기로부터는 상위 동작 대역의 주파수들에서 약 사분 파장을 가지는 단락 송신 라인인 것으로 "보인다". 이것은 임피던스가 크다는 것을 나타낸다. 반면에, 조절 회로는 방사기가 개방 동조 라인에 연결되면 전체 조절 회로가 방사기로부터 하위 동작 대역의 주파수에서는 매우 짧은 개방 송신 라인인 것으로서 "보이도록" 설계된다. 이것은 임피던스가 크다는 것을 나타낸다. 코일(L)이 없으면, 조절 회로는 약 1/8 파장을 가지는 개 방 송신 라인을 나타낼 것인데, 인덕턴스 L에 대한 값은 송신 라인의 전기적 길이를 0으로까지 단축시키도록 검색된다. 상위 동작 대역의 주파수들에서는, 인덕턴스 L은 사소한 영향만을 미친다. 이러한 이유 때문에, 조절 회로는 방사기로부터 상위 동작 대역의 주파수들에서는 약 사분 파장을 가지는 개방 송신 라인인 것으로서 "보인다". 이것은 임피던스가 낮다는 것을 나타낸다. 이러한 사실은 동작 대역들의 배치의 방향을 설명한다.
다른 대안은, 방사기가 개방 동조 라인에 연결될 경우 전체 조절 회로가 하위 동작 대역의 주파수들에서 약 사분 파장을 가지는 개방 송신 라인인 것으로서 "보이도록" 하고, 이에 상응하여 상위 동작 대역의 주파수에서는 약 이분 파장을 가지는 개방 송신 라인인 것으로서 "보이도록" 하도록 조절 회로를 설계하는 것이다. 반면에, 방사기가 단락 동조 라인에 연결되면, 전체 조절 회로는 하위 동작 대역의 주파수에서는 약 사분 파장을 가지는 단락 송신 라인인 것으로서 "보이게" 되고, 이에 상응하여 상위 동작 대역의 주파수에서는 약 이분 파장을 가지는 단락 송신 라인인 것으로서 "보이게" 될 것이다. 또한 이러한 경우에 조절 회로의 임피던스는 스위치 상태가 변경되면 하위 동작 대역에서는 낮은 값에서 높은 값으로 변경되고 상위 동작 대역에서는 높은 값에서 낮은 값으로 변경될 것이다. 이것은 또한, 예시적인 설계에 따르는 이전 경우에서와 같이 하위 동작 대역이 하향 천이되고 상위 동작 대역이 상향 천이되는 결과가 된다. 본 발명에 따른 이산 성분들을 이용하면, 필요한 송신 라인의 물리적 길이는 매우 짧게 되고, 이러한 이유 때문에 조절 회로는 더 작은 공간에 들어갈 수 있다.
도 6은 본 발명에 따르는 안테나의 조절 회로의 임피던스 내의 변화의 일 예를 스미스 차트(Smith diagram)의 형태로서 도시한다. 도시된 실시예는 도 5에 도시된 정합 곡선(matching curve)들과 동일한 구조에 관련된다. 곡선 61은 방사기가 매우 짧은 단락된 동조 라인에 연결될 때의 임피던스의 변동을 주파수의 함수로서 도시한다. 곡선 62는 방사기가 그 테일 단부에서 개방된 동조 라인에 연결될 때의 임피던스의 변동을 도시한다. 무손실 조건이 만족되는 경우에, 이러한 곡선들은 차트의 외부 원을 따라서 진행할 것이다. 이제, 이들은 오직 외부 원에만 근접하여 진행할 것인데, 이것은 조절 회로 내의 어느 정도의 손실을 나타낸다. 이러한 손실들이 도 7에 도시된 효율 곡선(efficiency curve) 내에 포함된다.
곡선 61의 좌측 단부는 GSM900에 의하여 이용되는 대역을 나타내고, 우측 단부는 GSM 1800 시스템에 의하여 이용되는 대역을 나타낸다. 전자의 대역에서 조절 회로 임피던스는 낮은 값을 갖도록 의도되는데, 이러한 경우에 특히 임피던스의 저항성 부분이 낮은 값을 가져야 한다. 저항성 부분은 실질적으로 안테나 특성 임피던스의 약 5%만을 차지한다. GSM 1800 시스템에 의하여 이용되는 이러한 대역에서 조절 회로 임피던스는 높은 값을 가지도록 의도된다. 도시된 실시예에서 이것은 유도성 성분이고, 안테나 특성 임피던스의 값에 약 5배에 해당하는 절대값을 가진다. 곡선 62의 좌측 단부는 GSM1900에 의하여 이용되는 대역을 나타내고, 우측 단부는 GSM850 시스템에 의하여 이용되는 대역을 나타낸다. 전자의 대역에서 조절 회로 임피던스는 낮은 값을 갖도록 의도되는데, 이러한 경우에 특히 임피던스의 저항성 부분이 낮은 값을 가져야 한다. 저항성 부분은 실질적으로 안테나 특성 임피 던스의 약 10%만을 차지한다. GSM850 시스템에 의하여 이용되는 이러한 대역에서 조절 회로 임피던스는 높은 값을 가지도록 의도된다. 도시된 실시예에서 이것은 유도성 성분이고, 안테나 특성 임피던스의 값의 거의 3배에 해당하는 절대값을 가진다.
도 7은 본 발명에 따른 안테나의 효율의 일 예를 도시한다. 도시된 예는 도 5에 도시된 정합 곡선과 동일한 구성에 관련된 것이다. 곡선 71은 방사기가 매우 짧은 단락된 동조 라인에 연결될 때의 효율의 변동을 주파수의 함수로서 도시한다. 곡선 72는 방사기가 그 테일 단부에서 개방된 동조 라인에 연결될 때의 효율의 변동을 도시한다. 이러한 곡선들로부터, 효율은 하위 동작 대역에서는 0.4보다 높고, 최상위 부분만을 제외하고는 상위 동작 대역에서는 0.5보다 높다는 것을 알 수 있다.
도 8은 본 발명에 따르는 안테나의 조절 회로의 다른 실시예를 도시한다. 조절 회로(830)는 조절점(X)에서 안테나 방사기에 갈바닉 연결된다 (glavanically connected). 조절 회로(830)는 조절점(X)에서 안테나 방사기에 갈바닉 연결된다. 조절 회로는 도 4에서와 같이, 방사기로부터 순서대로 조절 회로의 입력 라인(831), LC 회로(832), 스위치(833), 및 동조 라인(834, 435)들을 포함한다. 도 4와 유사하게, 스위치의 제1 출력 극은 제1 동조 라인(834)의 개별 컨덕터의 헤드 단부에 연결되고, 제2 출력 극은 커패시터(C2)를 통하여 제2 동조 라인(835)의 개별 컨덕터의 헤드 단부에 연결된다. 도 8에 도시된 실시예에서도 제1 동조 라인(834)은 그 테일 단부에서 개방된다. 도 4와 비교할 때의 차이점은 다음과 같다. 도 8의 동조 라인들은 동일한 길이를 가지고, 제2 동조 라인은 코일 L2에 의하여 종단(terminate)되며, 커패시터(C2)는 단지 차폐 커패시터로서만 동작한다.
적합한 안테나 및 조절 회로는, 방사기가 개방 동조 라인에 연결될 때 안테나의 상위 동작 대역이 예를 들어 GSM1800의 주파수 대역을 커버하고 안테나의 하위 동작 대역이 예를 들어 GSM850 시스템의 주파수 범위를 커버하도록 설계된다. 하위 동작 대역의 주파수에서, 조절 회로 임피던스는 상대적으로 높은 값을 가지도록 조정된다. 코일 L2의 인덕턴스는, 상위 동작 대역에서의 그 리액턴스가 상대적으로 높은 값을 가지도록 선택된다. 이러한 이유에서, 조절 회로 임피던스는 방사기가 코일 L2에 의하여 종단된 동조 라인에 연결되면 상위 동작 대역의 주파수에서 거의 변하지 않는다. 이러한 경우에, 상위 동작 대역은 거의 자신의 위치에서 유지된다. 그 대신에, 하위 동작 대역의 주파수에서는 조절 회로 임피던스는 더 작은 값으로 변경되어, 하위 동작 대역이 상향 천이되어 예를 들어 GSM900 시스템에 의하여 이용되는 대역으로 천이되도록 한다.
스위치의 효과를 한 동작 대역으로 한정시키기 위한 다른 방법은, LC 회로를 방사기 및 스위치 사이에 필터로서 구현시키는 것인데, 이 필터의 차단 주파수는 안테나의 하위 및 상위 동작 대역들 사이에 위치된다. 목적이 상위 동작 대역만을 배치하는 것이라면, 필터는 고역 통과 타입이며, 목적이 하위 동작 대역만을 배치하는 것이라면 필터는 저역 통과 타입이 된다. 필터의 순서는 자연적으로 선택 가능하다. 또한 이러한 필터는 동시에 스위치의 ESD 보호기로서도 동작한다. 이러한 목적을 위하여, 고역 통과 부분이 저역 통과 필터에 추가됨으로써 대역 통과 필 터가 구현될 수도 있다.
도 9는 상부에서 내려다보았을 경우 또는 방사면의 측면으로부터 바라보았을 때의 본 발명에 따르는 안테나의 일 실시예를 도시한다. 진보적인 부분에 있어서, 도시된 안테나는 도 3에 제공된 안테나와 유사하다. 한 가지 차이점은 도 9에 도시된 안테나가 기생 방사기(parasitic radiator, 950)를 더 포함한다는 것이다. 이것은 급전점(F)의 측면에서 방사면(920)의 말단 측에 위치되고, 급전점(F)에 인접한 접지점(G2)에서 접지면에 연결된다. 주 방사기(main radiator)의 공진 주파수를 변경시키는 것은 기생 성분의 공진 주파수에 거의 영향을 주지 않는데, 그 이유는 위치 때문이다. 기생 성분의 공진 주파수는 예를 들어 2.2GHz 대역 내로 구현됨으로써, 해당 안테나에 대하여 WCDMA(광대역 코드분할 다중접속) 시스템에 의하여 이용되는 주파수 범위 내의 동작 대역을 구현할 수 있도록 할 수 있다.
도 9에 도시된 안테나에는 방사면 하부의 상대적으로 넓은 영역(901) 상의 접지면이 존재하지 않는다. 이러한 특징은 전술된 기생 방사기와는 아무런 관련이 없다. 본 발명에 따른 안테나는 방사면 하부의 "고형(solid)" 접지면을 요구하지 않는다. 접지면은 도 9에 도시된 실시예보다 방사면으로부터 훨씬 더 원거리에 위치될 수도 있다.
도 10은 무선 장치(RD)를 도시하는데, 무선 장치(RD)는 본 발명에 따른 조절가능 다중-대역 안테나(A00) 및 그 조절 회로(A30)를 포함한다.
본 발명에 따르는 조절가능 다중-대역 안테나는 전술된 바 있다. 이러한 안테나의 구조는 도시된 것들과 자연적으로 상이할 수 있다. 본 발명은 안테나의 제 조 방법을 한정하는 것은 아니다. 안테나는 예를 들어 세라믹 안테나일 수 있는데, 이 경우에 방사기들은 세라믹 성분의 도전성 코팅들이다. 조절 회로에 이용된 스위치는 예를 들어 FET(Field Effect Transistor), PHEMT(Pseudomorphic High Electron Mobility Transistor), 또는 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 타입일 수 있다. 커패시턴스 다이오드를 조절 성분으로서 이용하는 것도 역시 가능하다. 본 발명의 진보한 기술적 사상은 독립항 1항에 정의된 기술적 범위 내에서 상이한 방식으로 적용될 수 있다.
본 발명은 이동 단말기에 특히 적용할 수 있는 조절가능 다중 대역 안테나에 적용될 수 있다. 또한, 본 발명은 이러한 안테나를 포함하는 무선 장치에 적용될 수 있다.

Claims (12)

  1. 적어도 하위 동작 대역 및 상위 동작 대역을 가지는 조절가능 안테나에 있어서,
    접지면(310),
    방사면(320), 및
    상기 안테나의 적어도 하나의 동작 대역을 배치하기 위한 조절 회로(430; 830)를 포함하며,
    상기 방사면은 급전점(F), 접지점(G), 상기 안테나의 조절점(X), 및 상기 하위 동작 대역 및 상위 동작 대역을 구현하기 위한 상이한 전기적 길이를 가지는 두 개의 방사부를 포함하고,
    상기 조절 회로는 그 입력이 상기 조절점에서 상기 방사면에 갈바닉 연결된 (galvanically connected) LC 회로(432; 832), 그 공통 극(common pole)이 상기 LC 회로의 출력에 연결된 스위치(433; 833), 및 적어도 두 개의 동조 라인(tuning line)들을 포함하며,
    상기 동조 라인들 중 제1 동조 라인(434; 834)은 그 테일 단부 (tail end)에서 개방되고 그 헤드 단부(head end)에서 상기 스위치의 제1 출력 극(output pole)에 연결되고, 상기 동조 라인들 중 제2 동조 라인(435; 835)은 그 테일 단부에서 단락되고 그 헤드 단부에서 직렬 연결된 커패시터 (C2)를 통해 상기 스위치의 제2 출력 극에 연결됨으로써, 상기 조절점(X) 및 접지(GND) 사이에 대안적 임피던스들(alternative impedances)을 구현하고 이에 따라서 상기 안테나의 동작 대역들을 배치하며,
    상기 방사면 내에서의 상기 접지점(G) 및 상기 조절점(X) 간의 전기적 길이는 상기 동작 대역들의 바람직한 배치를 위하여 조정되고,
    상기 동조 라인들의 길이는 최대 상기 안테나의 최고 이용 주파수(highest utilization frequency)에 상응하는 파장의 5분의 1이고,
    상기 조절점 (X)이 상기 제2 동조 라인(435; 835)에 연결되면, 상기 조절 회로는 상기 상위 동작 대역 내에서 사분 파장(quarter wavelength)을 가지는 단락 송신 라인, 및 상기 하위 동작 대역 내에서 상기 커패시터 (C2)의 소정 커패시턴스에 기반하는 제로 길이(zero length)를 가지는 단락 송신 라인에 상응하도록 조정되며,
    상기 조절점(X)이 상기 제1 동조 라인(434; 834)에 연결되면, 상기 조절 회로는 상기 상위 동작 대역 내에서 사분 파장을 가지는 개방 송신 라인, 및 상기 하위 동작 대역 내에서 LC 회로의 코일(L)의 소정 인덕턴스에 기반하는 제로 길이를 가지는 개방 송신 라인에 상응하도록 조정됨을 특징으로 하는 조절가능 안테나.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 스위치(833)의 상태가 변경될 때, 상기 조절 회로(830)의 상기 제1 동조 라인(834)은 그 테일 단부에서 개방되고, 상기 제2 동조 라인(835)은 그 테일 단부에서 다른 코일(L2)에 의하여 종단되어, 상기 상위 동작 대역을 자신의 위치에 유지시키는 것을 특징으로 하는 조절가능 안테나.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 방사면(320)은 상기 접지점(G) 및 상기 조절점(X) 사이에서 상기 전기적 길이를 구현하는 형상(shaping, 326)을 포함하는 것을 특징으로 하는 조절가능 안테나.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 동조 라인들의 상기 길이는 상기 안테나의 상기 최고 이용 주파수에 상응하는 상기 파장의 12분의 1보다 더 짧은 것을 특징으로 하는 조절가능 안테나.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 스위치의 상기 출력 극들의 개수는 적어도 세 개여서 적어도 하나의 동작 대역의 대안적 (alternative) 동조 라인들의 개수를 증가시키고 그에 따라 적어도 한 동작 대역의 대안 위치 (alternative places)의 수를 증가시킴을 특징으로 하는 조절가능 안테나.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 LC 회로(L, C1)는 동시에 상기 스위치의 ESD 보호기(protector)인 것을 특징으로 하는 조절가능 안테나.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 LC 회로는, 상기 스위치 상태의 변경의 영향을 상기 하위 동작 대역으로 제한하기 위한 저역 통과 필터인 것을 특징으로 하는 조절가능 안테나.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 LC 회로는, 상기 스위치 상태의 변경의 영향을 상기 상위 동작 대역으로 제한하기 위한 고역 통과 필터인 것을 특징으로 하는 조절가능 안테나.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 스위치는 FET(Field Effect Transistor), PHEMT(Pseudomorphic High Electron Mobility Transistor), 또는 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 타입인 것을 특징으로 하는 조절가능 안테나.
  12. 제1항에 따르는 조절가능 다중 대역 안테나(A00)를 포함하는 무선 장치(radio device, RD).
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