KR101194227B1

KR101194227B1 - 조절가능 다중대역 안테나

Info

Publication number: KR101194227B1
Application number: KR1020107021541A
Authority: KR
Inventors: 슬라토리우브 밀로사블리에빅; 헤이키 코르바
Original assignee: 펄스 핀랜드 오와이
Priority date: 2008-02-28
Filing date: 2009-02-18
Publication date: 2012-10-29
Also published as: CN101971418B; CN101971418A; FI20085185A; FI121445B; EP2250702A4; WO2009106682A1; EP2250702A1; FI20085185A0; EP2250702B1; KR20100128310A; US20120119955A1

Abstract

특히 모바일 단말에 사용하려는 조절가능 다중대역 안테나가 제공된다. 그 안테나 구조는 방사체(320), 피드 요소(330) 및 조절 회로(350)를 포함한다. 그 방사체는 무선 기기의 외부 커버(COV)의 전도성 부분 또는 그 커버의 전도성 코팅이다. 그것은 비교적 얇은 유전체 기판에 의해 그 방사체로부터 절연된 피드 요소에 의해 전자기적으로 피드된다. 그 피드 요소는 그 기기의 안테나 포트에 그리고 접지면(310)에 직접적으로 그렇지 않으면 중간 요소(340)를 통해 연결되며, 그리고 그것은 그 안테나가 적어도 2개의 동작 대역들을 갖게 하도록 모양을 형성한다. 조절 회로는 그 피드 요소 내의 조절 포인트(adjusting point; AP)에 연결되며, 그 조절 포인트 및 그라운드 사이의 리액턴스 및 이에 따라 안테나의 전기적 사이즈는 그 조절 회로 내 스위치(SW)에 의해 변경될 수 있다. 다른 것보다도, 그 조절 회로의 콤포넌트 값들 그리고 그 피드 요소 내 단락 포인트(SP) 및 조절 포인트(AP) 간의 거리는 안테나 조절의 관점에서 볼 때 변수들이다. 스위치 상태를 변경함으로써, 안테나의 적어도 2개의 동작 대역들에 대하여 서로 독립적으로, 원하는 방향들과 길이들을 가진 변위들을 획득한다. 그 안테나의 효율은 대응되는 공지된 안테나들의 효율보다 더 좋으며, 그것의 정합은 그 안테나의 하위 동작 대역 및 상위 동작 대역 양쪽 모두에서 잘 이루어질 수 있다.

Description

조절가능 다중대역 안테나{Adjustable multiband antenna}

본 발명은 특히 모바일 단말에 사용하려는 조절가능 다중대역 안테나(adjustable multiband antenna)에 관한 것이다.

본 설명에서 안테나 수단의 조절가능성(adjustability)은 안테나의 공진 주파수나 주파수들이 전기적으로 변경될 수 있음을 의미한다. 그 목표는 공진 주파수에 가까운 안테나의 동작 대역이 동작에서 매번 가정하는 주파수 범위를 커버하는 것이다. 조절가능성의 필요성에 관한 여러 가지 이유들이 있다. 모바일 단말과 같은 휴대용 무선 기기들이 두께 면에서도 더 작아지고 있음에 따라, 내장형 평면 안테나(internal planar antenna)의 방사면(radiating plane)과 접지면(ground plane) 간의 거리는 불가피하게 더 짧아지고 있다. 이는 예를 들어 안테나 대역폭들이 감소되는 결과를 야기한다. 그러면, 모바일 단말이 비교적 서로 가까운 주파수 범위들을 가진 복수의 무선 시스템들에서 동작하는데 사용하려고 할 때, 하나보다 많은 무선 시스템에 의해 사용되는 주파수 범위들을 커버하는 것은 더 어려워지거나 불가능하게 된다. 이러한 시스템 쌍은 예컨대 GSM1800 및 GSM1900 (Global System for Mobile telecommunications)이다. 이와 관련하여, 단일 시스템의 송신 대역 및 수신 대역 양자 모두에서 명세(specifications)에 따르는 기능을 확보하는 것은 더 어려워지게 될 수 있다. 만약 시스템이 서브-대역(sub-band) 분할을 활용한다면, 그것은, 무선 연결(radio connection) 품질의 관점에서 볼 때, 매번 사용될 서브-대역에서 안테나의 공진 주파수가 튜닝(tune)될 수 있다면 이점을 갖는다.

여기에서 기술된 발명에서 안테나 조절은 스위치에 의해 구현된다. 당해 목적을 위한 스위치의 사용은 그 자체로 잘 알려져 있다. 예를 들어 공개문헌 EP1113 524에서는 평면 방사체(radiator)가 어떤 포인트에서 스위치에 의해 그라운드에 연결될 수 있는 안테나를 개시한다. 스위치가 닫힐 때, 방사체의 전기적 길이(electric length)가 줄어들고, 이 경우에 안테나 공진 주파수는 더 높아지게 되며 그 공진 주파수에 대응되는 동작 대역은 상향으로 변위(displace)된다. 그 대역 변위를 원하는 만큼 길게 세팅하기 위해 커패시터가 그 스위치와 직렬로 있을 수 있다. 이 솔루션은 단일-대역 안테나들에 있어서 적합하다. 다중-대역 안테나의 동작 대역들의 변위 제어는 불가능하다.

도 1a 및 도 1b에서는, 공개문헌 WO 2007/012697에서 공지된, 스위치에 의해 조절되는 안테나가 있다. 도 1a에서, 안테나(100)는 방사면의 측면에서 또는 위에서 본 것이며, 그리고 도 1b에는 그것의 조절 회로(150)가 있다. 그 안테나는 평면 역F형 안테나(Planar Inverted F-antenna; PIFA) 타입이며, 그 경우에서 그것은 접지면(110) 및 피드 도체(feed conductor)와 단락 도체(short-circuit conductor)를 가진 방사면(120)을 포함한다. 접지면은 무선 기기의 회로판(PCB)의 상부 표면 상에서의 신호 그라운드(GND)의 부분이다. 피드 도체는 피드 포인트(FP)에 방사면을 그리고 단락 포인트에 단락 도체를 결합한다. 이에 더하여, 안테나 조절 회로의 도체는 조절 포인트(AP)에 방사면을 갈바니 전기적으로(galvanically) 결합시킨다. 세 포인트들 모두는 방사면의 동일 장측(long side)에 위치하며, 이때 단락 포인트는 그들 사이에 있다. 방사면(120)은 그 안테나가 이중-대역(dual-band) 안테나일 수 있도록 모양을 형성한다; 그것은 하위 동작 대역(lower operating band) 및 상위 동작 대역(upper operating band)을 가진다. 하위 동작 대역은 전체 방사면 및 접지면에 의해 구성되는 공진기에 기초하며, 상위 동작 대역은 슬롯 방사체(slot radiator) - 그것의 슬롯(122)이 조절 포인트(AP) 옆의 방사면 에지(edge)에서 시작함 - 에 기초한다. L-형상의 슬롯은 피드 포인트 및 단락 포인트 사이에서 시작되며, 이에 의하여 안테나 정합(antenna matching)이 하위 동작 대역 및 상위 동작 대역 양쪽 모두에서 향상된다.

조절 포인트(AP)의 위치에 기초하여, 그것에 연결된 회로는 하위 동작 대역 및 상위 동작 대역 양자 모두에 영향을 끼친다. 예를 들어, 만약 조절 포인트가 접지면에 직접 연결된다면, 하위 동작 대역에 대응되는 안테나 부분 및 상위 동작 대역에 대응되는 부분 양자 모두의 전기적 길이가 줄어들 것이고, 이 경우에 양 대역들 모두가 상향으로 변위될 것이다. 도 1a 및 도 1b에서 도시된 구조에서, 그 대역들의 변위들의 방향들 및 길이들은, 조절 회로의 설계에 의하여 그리고 단락 포인트(SP) 및 조절 포인트(AP) 간의 전기적 거리(electric distance)를 선택함으로써 원하는 대로 세팅된다. 이 거리는 당연히 포인트(SP) 및 포인트(AP) 간의 직접적 거리에 의해 영향을 받는다. 도 1a의 예에서 전기적 거리는 그들 포인트들 간의 방사면의 부분에서의 노치(notch, 125)에 의해 튜닝된다.

조절 회로(150)는, 방사체에서부터 순서대로, 입력 라인, LC 회로(151), 스위치(SW) 및 튜닝 라인들(152, 153)을 포함한다. LC 회로(432)는 한편으로는 그 스위치의 ESD 보호(ESD protection)를 위한 것이고 그리고 다른 한편으로는 그 조절 회로의 가변 파라미터들의 개수를 증가시키기 위한 것이다. 그것은 코일(L1) 및 커패시터(C11)로 이루어져 있다. 그 코일은 입력 라인에 횡단으로 연결되어 있고, 그리고 커패시터(C11)는 입력 라인의 도체와 직렬로 있는데, 여기서 그 도체는 그라운드로부터 분리되어 있다. 스위치는 2-웨이(two-way) 스위치로, 그것의 공통 단자(common terminal) 또는 입력은 다른 두 단자들 중 하나에 연결될 수 있다. 이들 다른 단자들은 그 스위치의 출력들로 불린다. 그 스위치의 제1 출력은 제1 튜닝 라인(152)의 별도 도체의 전단(head end)에 연결되고, 제2 출력은 커패시터(C12)를 통하여 제2 튜닝 라인(153)의 별도 도체의 전단에 연결된다. 따라서, 조절 회로의 입력 라인은, 그 LC 회로와 스위치 후에, 제1 튜닝 라인으로서 또는 제2 튜닝 라인으로서 중 어느 하나로서 계속될 수 있다. 스위치 상태가 변경될 때, 리액티브 임피던스(reactive impedance) - 이것은 방사면의 조절 포인트(AP)에서 그라운드까지 "본" 것임 - 가 변경되며, 이 경우에 안테나 부분들의 공진 주파수들이 변화되며 그로 인하여 동작 대역들이 변위된다.

도 1b의 예에서 제1 튜닝 라인(152)은 그것의 후단(tail end)에서 개방되어 있고 제2 튜닝 라인(153)은 그것의 후단에서 단락되어 있다. 튜닝 라인들은 짧은데, 통상적으로 1/4 파장보다 더 짧다. 그 경우에 개방 라인은 일정 커패시턴스를 나타내고, 단락 라인은 일정 인덕턴스를 나타낸다. 알려진 바와 같이, 커패시턴스 및 인덕턴스의 값들은 주파수에 의존한다: 만약 그 라인이 또한 상부 대역에서도 1/4 파장보다 짧은 경우, 상부 동작 대역의 주파수들에서 그것들은 하부 동작 대역의 주파수들에서보다 더 높다. 그래서 조절 회로가 설계될 때 튜닝 라인들의 길이들은 변수들로서 사용된다. 다른 것보다도, 조절 회로의 개별 콤포넌트들의 값들 그리고 상기에서 언급한 방사면의 단락 포인트(SP) 및 조절 포인트(AP) 간의 상기 언급한 전기적 거리는 다른 변수 파라미터들이다. 다수의 변수들 및 그들의 상이한 주파수 특성들은 자신의 조절 회로를 가진 안테나를 설계하는 것을 가능하게 하여서 하위 동작 대역 및 상위 동작 대역에 대하여 서로 독립적으로, 원하는 방향들 및 길이들을 가진 변위들을 얻을 수 있게 된다.

상기에서 기술된 솔루션의 단점은 그것에 의해 가정되는 PIFA가, 무선 기기가 특별히 작고 평평하여야 할 때, 그것의 공간 요건들에 대하여 사용하기 만족스럽지 않다는 것이다.

도 2a 및 도 2b에서는, 특허 출원 FI 20065728으로부터 공지된, 스위치에 의해 조절되는 안테나가 있다. 도 2a에서, 뒤에서 본 그리고 측면에서 단순화된 종단면으로 본 무선 기기 - 그것의 안테나가 논의되어질 것임 - 가 있고, 도 2b에서는 그 안테나의 조절 회로(250)가 있다. 그 기기의 외부 커버(COV)의 후면부의 상부 - 이 상부는 전도성 재료로 이루어져 있음 - 는 지금 안테나의 방사체(220)로서 기능한다. 무선 기기의 회로판(PCB) 상의 방사체에, 안테나의 접지면으로서 기능하는 신호 그라운드(GND)가 존재한다. 방사체는 별도의 피드 요소(feed element, 231)에 의해 전자기적으로 피드되며, 그 별도의 피드 요소는 얇고 유연한 유전체 기판(dielectric substrate)의 표면 상의 전도체 스트립(strip)이다. 그 기판의 한 측은 방사체의 내부 표면에 접해 있다. 피드 요소(231)는 무선 기기의 후면도에서 점선으로서 그리고 단면도에서 외부 커버를 따르는 선으로서 제시된다. 그 피드 요소는 이 예에서 넓은 직사각형 문자 U와 닮은 형태이다. 그것의 중간 부분은 방사체(220)가 뻗어 있는 무선 기기 말단에 비교적 가깝고, 평행한 측면 부분들은 그 중간 부분의 단들로부터 그 기기의 반대 단 쪽으로 향해 있다. 안테나의 피드 포인트(FP)는 그것이 피드 도체(feed conductor; FC)에 의해 무선 기기의 회로판(PCB) 상에서 안테나 포트에 연결되는 그 피드 요소의 한 코너 포인트에 있다. 그것의 위치로 인하여, 피드 포인트(FP)는 피드 요소(231)를 상이한 길이의 2개의 브랜치(branch)들로 나눈다. 제1의 그리고 더 긴 브랜치(B1)는 안테나의 다른 부분들과 함께 안테나의 하위 동작 대역에서 공진하고, 제2의 그리고 더 짧은 브랜치(B2)는 안테나의 다른 부분들과 함께 상위 동작 대역에서 공진한다. 그 피드 요소는 또한 그라운드에 단락될 수 있다.

상기 기판의 표면 상에, 피드 요소(231)에 더하여, 기생 요소(parasitic element, 232)가 존재한다. 이것은, 피드 포인트(FP)에서 볼 때 방사체의 대각선 반대 코너에 비교적 가깝게 위치하며 그 피드 요소의 중간 부분에 평행한 도체 스트립이다. 그 기생 요소의 한쪽 말단에 안테나의 조절 포인트(AP)가 있는데, 그 조절 포인트에서 그 기생 요소가 선택가능한 리액티브 회로들을 통해 그라운드(GND)에 연결될 수 있다. 기생 요소(232), 그 연결을 위해 사용될 2-웨이 스위치(SW) 및 리액티브 회로들(251, 252)이 안테나의 조절 회로(250)를 구성한다. 그 리액티브 회로들은 병렬 공진 회로들이다: 제1 리액티브 회로(251)는 코일(L21) 및 커패시터(C21)의 병렬 회로로 이루어져 있고, 제2 리액티브 회로(252)는 제2 코일(L22) 및 제2 커패시터(C22)의 병렬 회로로 이루어져 있다.

조절 회로는 다음과 같이 설계된다: 제1 리액티브 회로(251)가 스위치에 의해 선택될 때, 조절 회로의 임피던스는 하위 동작 대역에서 용량성(capacitive)이고 상위 동작 대역에서 유도성(inductive)이다. 제2 리액티브 회로(252)가 선택될 때, 조절 회로의 임피던스는 하위 동작 대역에서 유도성이고 상위 동작 대역에서 용량성이다. 제1 리액티브 회로가 제2 리액티브 회로로 바뀔 때, 그 경우 하위 동작 대역에 관하여 임피던스는 용량성에서 유도성으로 변화하고 상위 동작 대역에 관하여서는 유도성에서 용량성으로 변화한다. 이는 전체 안테나의 전기적 길이가 하위 동작 대역에서는 증가하고 상위 동작 대역에서는 감소하는 결과를 가져온다. 이는 더 나아가 하위 동작 대역이 하향으로 변위되고 상위 동작 대역이 상향으로 변위됨을 의미한다. 스위치의 한 상태에 관하여 안테나는 예를 들어 GSM850 및 GSM1800 시스템들에서 기능할 수 있고 스위치의 다른 상태에 관하여 EGSM- (Extended GSM) 및 GSM1900 시스템들에서 기능할 수 있다.

도 2a에 따른 안테나는 공간을 적게 차지하는데(space-saving), 왜냐하면 무선 기기의 외부 커버가 방사체로 사용되고 보통의 PIFA에서 접지면과 피드 요소 사이의 거리가 접지면과 방사체 사이의 거리보다 더 작기 때문이다. 이에 더하여, 방사체는 비교적 자유롭게 모양을 형성할 수 있고 그것은 또한 대형일 수도 있는데, 왜냐하면 안테나의 전기적 정합이 주로 피드 요소 및 기생 요소의 모양 형성(shaping)으로 구현될 수 있기 때문이다. 도 2a 및 도 2b에 따른 솔루션에서의 단점은 비교적 높은 스위치 손실(loss)로 인하여 안테나의 효율(efficiency)이 여전히 별로 높지 않다는 점이다. 부가하여, 방사체 아래 기판 상의 기생 요소를 위한 영역을 남겨두어야 하고, 이는 피드 요소의 최적 모양 형성을 제약한다.

본 발명의 목적은 선행기술과 연관된 결점들을 경감하는 새로운 방식으로 다중대역 안테나의 조절을 구현하는 것이다.

본 발명에 따른 조절가능 다중대역 안테나는 특허청구범위의 독립 청구항 제1항에 규정된 것을 특징으로 한다. 본 발명의 몇 가지 유리한 구현들이 종속항들에서 제시된다.

본 발명의 기본적인 아이디어는 다음과 같다: 그 안테나 구조는 방사체, 피드 요소 및 조절 회로를 포함한다. 그 방사체는 무선 기기의 외부 커버의 전도성 부분 또는 그 커버의 전도성 코팅이다. 그것은 비교적 얇은 유전체 기판에 의해 그 방사체로부터 절연된 피드 요소에 의해 전자기적으로 피드된다. 그 피드 요소는 그 기기의 안테나 포트에 그리고 접지면에 직접적으로 그렇지 않으면 중간 요소를 통해 연결되며, 그리고 그것은 그 안테나가 적어도 2개의 동작 대역들을 갖게 하도록 모양을 형성한다. 조절 회로는 그 피드 요소 내의 조절 포인트에 연결되며, 그 조절 포인트 및 그라운드 사이의 리액턴스 및 이에 따라 안테나의 전기적 사이즈는 그 조절 회로 내 스위치에 의해 변경될 수 있다. 다른 것보다도, 그 조절 회로의 콤포넌트 값들 그리고 그 피드 요소 내 단락 포인트 및 조절 포인트 간의 거리는 안테나 조절의 관점에서 볼 때 변수들이다.

본 발명의 이점은, 스위치 상태를 변경함으로써, 안테나의 적어도 2개의 동작 대역들에 대하여 서로 독립적으로, 원하는 방향들과 길이들을 가진 변위들을 획득한다는 점이다. 이는 설계에서 사용될 변수들의 양과 성질에 기인한다. 본 발명의 또 하나의 이점은, 동작 대역들의 변위들이 비교적 간단하고 공간절약적인 조절 회로에 의해 구현될 수 있다는 점이다. 본 발명의 또 다른 이점은 안테나의 효율이 대응되는 공지된 안테나들의 효율보다 더 좋다는 점이다. 이는 안테나 구조의 내부 임피던스 배열들에 의해 스위치에서의 전류들이 비교적 낮게 유지될 수 있다는 점에 기인한다. 본 발명의 또 다른 이점은, 방사 요소가 기기의 커버에 있어서, 그 기기 안의 안테나를 위해 필요로 되는 공간이 비교적 작으며 그리고 안테나의 방사 특성(radiation characteristic)들이 내장형 방사체에 비해 향상된다는 점이다. 본 발명의 또 다른 이점은 그 발명이 안테나의 하위 동작 대역 및 상위 동작 대역 양자 모두에서 양호한 정합을 가능하게 한다는 점이다. 본 발명의 또 다른 이점은 동작 대역들의 위치들을 조정하는 것 및 안테나를 정합하는 것 양자 모두 그것들로 인한 방사체 요소의 모양 형성 없이 구현될 수 있다는 점이다.

아래에서 본 발명이 상세하게 설명된다. 이제 첨부된 도면들에 대하여 언급할 것이다.

도 1a 및 도 1b는 선행기술에 따른 조절가능 안테나의 일례를 제시하고 있고,
도 2a 및 도 2b는 선행기술에 따른 조절가능 안테나의 제2 예를 제시하고 있고,
도 3a 내지 도 3c는 본 발명에 따른 조절가능 안테나의 일례를 제시하고 있고,
도 4는 본 발명에 따른 조절가능 안테나의 제2 예를 제시하고 있고,
도 5는 본 발명에 따른 안테나의 조절 회로의 일례를 제시하고 있고,
도 6은 본 발명에 따른 안테나의 동작 대역들의 변위에 관한 일례를 제시하고 있으며, 그리고
도 7은 본 발명에 따른 안테나의 효율에 관한 일례를 제시하고 있다.

도 1 및 도 2는 선행기술에 관한 설명에서 이미 설명하였다.

도 3a, 도 3b 및 도 3c에서, 스위치에 의해 조절될 본 발명에 따른 안테나의 일례가 보여진다. 그 안테나를 포함하는 무선 기기가 후면도인 도 3a에서, 단순화된 종단면으로서 측면도인 도 3b에서 도시되어 있고, 그리고 도 3c에서는 그 안테나의 조절 회로의 원리적인 구조가 보여진다. 그 안테나는 도 2a에서처럼 접지면(310) - 이것은 신호 그라운드(GND)의 부분임 - , 방사 요소나 방사체(320) - 이것은 무선 기기의 외부 커버(COV)의 전도성 부분임 -, 그것의 피드 요소(330) 및 조절 회로(350)를 포함한다. 방사체는 커버(COV)의 후면부의 한쪽 헤드를 형성한다. 아래에서 가로 방향(transverse direction)은 그 헤드의 방향을 의미하고 이에 대응하여 세로 방향(longitudinal direction)은 그 가로 방향에 수직인 커버(COV)의 긴 측면의 방향을 의미한다. 피드 요소(330)는 얇고 유연한 유전체 기판(SBS)의 내부 표면 상의 도체 스트립이고, 여기서 그 유전체 기판의 외부 표면은 방사체의 내부 표면과 접해 있다. 피드 요소는 그것의 제1 말단에 가까운 단락 포인트(SP)로부터 접지면에 연결된다. 피드 요소는, 단락 포인트에서부터 시작하여, 상대적으로 넓은 제1 부분(331)을 먼저 포함하고, 이것은 더 좁은 제2 부분(332)으로 변해 간다. 이것은 방사체의 측면 에지 근처에 가로 방향으로 뻗어 있다. 거기에서 제2 부분(332) 이후에 세로 방향의 제3 부분 및 최종적으로는 제4 부분이 연속되며, 그 제4 부분은 방사체의 중간에 걸쳐 가로 방향으로 뻗어 있는 그 방사체의 반대편의 또는 제2의 측면 에지 쪽으로 되돌아간다.

이 예에서, 기판(SBS)의 내부 표면 상에, 또한 중간 요소(340)가 존재하는데, 이 중간 요소는 대부분 피드 요소의 제1 부분(331) 및 방사체의 제2 측면 에지 간에 위치한다. 이 예에서 안테나의 피드 포인트(FP)는 중간 요소(340)에서, 당해 헤드에서 볼 때 그것의 더 먼 말단에, 위치해 있다. 피드 포인트(FP)는 도 3b에서 볼 수 있는 피드 도체(FC)에 의해 회로판(PCB) 상에서 무선 기기의 안테나 포트에 연결된다. 이와 대응되게, 피드 요소 내의 단락 포인트(SP)는 단락 도체(SC)에 의해 회로판 상에서 접지면(310)에 연결된다.

피드 요소의 제1 부분(331) 및 중간 요소(340)는 그 피드 요소의 필드(field)로 그리고 또한 방사체(320)의 필드로 송신 에너지를 전하기 위해 그들 간의 충분한 전자기적 커플링(electromagnetic coupling)이 존재하도록 서로 가까이 있다. 반면에, 중간 요소는 또한 방사체를 직접 피드한다. 따라서, 중간 요소(340) 및 피드 요소(330)는 함께 총체적 피드 요소 기능을 이룬다. 분리된 중간 요소에 의해, 하위 동작 대역 및 상위 동작 대역 양자 모두에서 동시에 양호한 정합을 달성할 기회가 높아진다. 이를 위해 상기에서 언급한 전자기적 커플링은 커패시터(CM) - 이것은 상기 단락 포인트(SP)에 상대적으로 가깝게 피드 요소의 제1 부분과 중간 요소 간에 연결됨 - 에 의해 적합하게끔 튜닝된다. 단락 포인트는 다시, 이 문제에 맞게, 바람직하게는 중간 요소 쪽을 향한 제1 부분(331)의 에지 근처에 위치한다. 커패시터(CM)는 도 3a의 작은 보충 도면에서 볼 수 있는데, 그 도면에서 중간 요소 및 피드 요소의 제1 부분은 기기의 안쪽에서 바라봤을 때의 모습이다.

안테나의 상위 동작 대역은 피드 요소의 제1 부분, 방사체 및 접지면과 함께 중간 요소의 공진에 기초한다. 안테나의 하위 동작 대역은 다른 안테나 부분들과 함께 전체 피드 요소의 공진에 기초한다.

조절 회로(350)는 본 발명에 따른 안테나에서 피드 요소(330)에 연결된다. 조절 회로의 연결 포인트, 즉 조절 포인트(AP)는 피드 요소의 제2 부분(332)에 있다. 조절 포인트(AP)의 위치를 위해, 조절 회로는 하위 동작 대역 및 상위 동작 대역 양자 모두에 영향을 끼친다. 그 대역들의 변위들의 방향들과 길이들은 그 조절 회로의 설계에 의해 그리고 단락 포인트(SP)와 조절 포인트(AP) 간의 전기적 거리를 선택함으로써 원하는 방향들과 길이들로 세팅된다. 그때 이 거리는 안테나를 설계할 때 중요한 파라미터이다. 만약 그 전기적 거리가 어떤 값에서부터 증가한다면, 동작 대역들의 변위들은 조절 회로에서의 스위치의 상태가 변경될 때 증가한다.

조절 회로(350)는 회로판(PCB) 상에 위치하며 도체(AC)에 의해 조절 포인트(AP)에 연결된다. 이와 같은 조절 회로는 원리에 있어 도 1의 것과 유사하다. 그것은, 피드 요소에서부터 순서대로, LC 회로(351), 멀티-웨이 스위치(multi-way switch, SW) 및 리액티브 회로들(X1-XN)을 포함한다. LC 회로는 한 편으로는 스위치의 ESD 보호를 위한 것이고 다른 한편으로는 조절 회로의 가변 파라미터들의 개수를 증가시키기 위함이다. 이에 더하여, 그것은, 안테나의 하위 동작 대역 및 상위 동작 대역 사이에 있는 컷-오프(cut-off) 주파수를 가진 필터로서 기능할 수 있다. 단지 상위 동작 대역만을 변위하는 것이 목표일 때, 필터는 고역통과(high-pass) 타입이고, 단지 하위 동작 대역만을 변위하는 것이 목표일 때 그 필터는 저역통과(low-pass) 타입이다. 스위치에 의하여, 리액티브 회로들 중 어떤 것이 LC 회로와 그라운드(GND) 사이에서 그 LC 회로와 직렬로 연결될 것인지가 선택된다. 앞의 인덱스 N은 선택가능한 리액티브 회로들의 개수가 변할 수 있음을 의미한다. 이와 유사하게, 적어도 하나의 동작 대역의 선택가능 위치들의 개수가 변할 수 있다. 단일의 리액티브 회로는 하나의 커패시터나 코일, 또는 하나 이상의 커패시터(들)와 하나 이상의 코일(들)의 조합을 포함할 수 있거나, 또는 그것은 도 1b에서처럼 쇼트(short), 개방 또는 단락된 전송 라인에 기초할 수 있다. 특별한 경우에 이러한 전송 라인의 길이는 실제적으로 영(zero)이다.

도 3a 및 도 3b의 예에서, 또한 기판(SBS)의 내부 표면 상에 비교적 작은 튜닝 요소(360)가 존재한다. 그것은 방사체의 제2 측면 에지 및 기기의 중간부와 대면하는 에지에 의해 형성되는 코너에 위치하고, 그라운드 도체(GC)에 의해 그것의 포인트들 중 한 포인트로부터 접지면에 연결된다. 튜닝 요소(360)의 목적은 안테나 구조에서 나타나는 공진의 기본 주파수(basic frequency)의 어떤 고조파 주파수(harmonic frequency)를 주파수 스케일 상에서 원하는 포인트로 세팅하기 위한 것이고, 그러한 공진은 주로 방사 요소 및 접지면에 기초한다. 개별적인 제3 동작 대역이 만들어질 수 있거나 또는 상기 상위 동작 대역이 그 고조파 주파수에 의해 넓어질 수 있다.

도 4에서 스위치에 의해 조절될 본 발명에 따른 안테나의 제2 예가 보여진다. 그 안테나를 포함하는 무선 기기가 그 도면에서 후면도로서 도시된다. 방사체(420)는 무선 기기의 외부 커버(COV)의 전도성 부분이고 그것에 대하여 도 3a에서처럼 얇은 기판에 의해 절연된 피드 요소(430)가 존재한다. 또한 이 예에서도 조절 회로는, 보이지는 않지만, 포인트(AP)에서 피드 요소에 연결된다. 도 3a 및 도 3b에서 도시된 구조와의 실질적인 차이점은, 어떠한 중간요소도 없지만, 안테나의 피드 포인트(FP)가 피드 요소에서 그것의 단락 포인트(SP)에 상대적으로 가깝게 위치한다는 점이다. 피드 요소는, 안테나의 하위 동작 대역이 전체 피드 요소가 다른 안테나 부분들과 함께 갖는 공진에 기초하도록, 그리고 상위 동작 대역이 피드 포인트 및 단락 포인트 쪽의 피드 요소의 말단(431)이 방사체 및 접지면과 함께 갖는 공진에 기초하도록, 모양을 형성한다. 조절 포인트(AP)는 피드 요소의 나머지 부분으로부터 분기되는 스트립의 말단에 위치하며, 그에 의해 단락 포인트(SP) 및 조절 포인트(AP) 간의 전기적 거리를 형성하는 것이 영향을 받는다.

도 5는 본 발명에 따른 안테나의 조절 회로의 일례를 도시하고 있다. 조절 회로(550)의 LC 회로는 도 1b의 것과 유사하다. 따라서 그것은 조절 회로의 입력 라인에서 횡단 방향으로 있는 코일(L51) 및 그라운드로부터 분리되어 있는 입력 라인의 도체와 직렬로 연결된 커패시터(C51)를 포함한다. 이 경우에 LC 회로에 의해, 조절 회로의 가변 파라미터들의 개수가 증가되고, 스위치가 ESD에 대하여 보호되며 그리고 코일(L51) 및 피드 요소를 통한 스위치(SW)에서 그라운드로의 직접 전류 회로의 형성이 방지된다. 코일의 인덕턴스는 예를 들어 6 nH이고 커패시터(C51)의 커패시턴스는 8 pF이다. 이 예에서, 멀티-웨이 스위치(SW)는 전계 효과 트랜지스터(field effect transistor)들 - 이는 예를 들어 PHEMT(Pseudo-morphic High Electron Mobility Transistor) 타입임 - 에 의해 구현된다. 그 트랜지스터들의 개수는 스위치가 2개의 출력들을 가지도록 2개이다. 어떤 트랜지스터가 전도성인지는 제어 신호(CTR)의 상태에 의존한다. 통합 스위치(integrated switch)는 제어 회로(552)를 포함하고 있고, 여기서 제어 신호(CTR)가 그 제어 회로의 입력 신호이며, 그리고 그 제어 회로는 트랜지스터들의 게이트 전압들을 세팅한다. 또한 공급 전압(V_s)이 당연히 스위치에서 필요하다. 스위치의 제1 출력은 커패시터(C52)를 통해 그라운드에 연결된다. 이것의 커패시턴스는 예를 들어 100 pF이고, 이는 안테나의 사용 주파수들에서 단락에 대응된다. 그러므로, 커패시터(C52)의 목표는 스위치에서 그라운드로의 직접 전류 회로의 형성을 방지하기 위함이다.

또한, 어떤 리액턴스를 나타내는 상당히 낮은 커패시턴스 값이 사용될 수 있다. 스위치의 제2 출력은 그것과 그라운드 간의 임피던스가 매우 높도록 개방된다.

조절 회로는, 피드 요소가 스위치의 단락된 출력에 연결될 때, 하위 동작 대역의 주파수들에서 약 1/4 파장의 길이를 가진 단락 전송 라인으로 그리고 이와 대응되게 상위 동작 대역의 주파수에서 약 1/2 파장의 길이를 가진 단락 전송 라인으로서 "보여지도록" 설계된다. 둘째로, 피드 요소가 스위치의 개방 출력에 연결될 때, 전체 조절 회로는 하위 동작 대역의 주파수들에서 약 1/4 파장의 길이를 가진 개방 전송 라인으로 그리고 이와 대응되게 상위 동작 대역의 주파수들에서 약 1/2 파장의 길이를 가진 개방 전송 라인으로서 "보일" 것이다. 이 경우에, 스위치의 상태가 변경될 때, 조절 회로의 임피던스는 하위 동작 대역에서는 낮은 상태에서 높은 상태로 변할 것이고 상위 동작 대역에서는 높은 상태에서 낮은 상태로 변할 것이다. 이는 다시 하위 동작 대역이 하향으로 변위되고 상위 동작 대역이 상향으로 변위되거나 또는 이와 역으로 변위되는 결과를 가져온다.

도 6은 본 발명에 따른 안테나의 동작 대역들의 변위들에 관한 일례를 도시하고 있다. 이 예는 도 5에서의 것과 같은 조절 회로를 가진 안테나에 관한 것이다. 그 목표는 하나의 스위치 상태에서 안테나의 하위 동작 대역은 GSM900 시스템의 주파수 범위 890-960 MHz - 그 도면에서 w1 - 를 커버하고 상위 동작 대역은 GSM1800 시스템의 주파수 범위 1710-1880 MHz - 그 도면에서 w2 - 를 커버하려는 것이었다. 다른 스위치 상태에서 하위 동작 대역은 GSM850 시스템의 주파수 범위 824-894 MHz - 그 도면에서 w3 - 를 커버하고 상위 동작 대역은 GSM1900 시스템의 주파수 범위 1850-1990 MHz - 그 도면에서 w4 - 를 커버할 것이다. 곡선(61)은, 방사체가 스위치의 단락된 출력에 연결될 때 주파수의 함수로서 반사 계수(reflection coefficient)의 변동(fluctuation)을 보여주고, 곡선(62)은, 방사체가 스위치의 개방 출력에 연결될 때, 반사 계수의 변동을 보여준다. 그 곡선들로부터 만약 -5 dB의 값이 이용가능 반사 계수에 대한 기준으로서 고려된다면 상기 언급한 목표는 달성됨을 알 수 있다.

곡선들(61, 62)로부터, 또한 안테나가 2.1 GHz 주파수보다 높은 주파수에서 제3 공진(r3)을 가짐을 알 수 있다. 주로 방사 요소 및 접지면의 공진이 그러하고, 그 공진은 도 3a에서 보이는 요소(360)에 의해 튜닝된다. 공진(r3) 때문에 안테나는 제3 동작 대역을 가지는데, 그 대역은 WCDMA(Wideband Code Division Multiple Access) 시스템의 수신 대역인 2110-2170 MHz를 위해 의도된 것이다.

안테나 설계를 변경함으로써, 하위 동작 대역의 위치가 또한 예를 들어 GSM900 시스템의 송신 대역 또는 수신 대역 중 어느 한 쪽으로 세팅될 수 있다. 유사하게 멀티-웨이 스위치(SpnT(single-pole n through))에 의해 송신 대역 및 수신 대역 양쪽 모두에서 서브-대역 분할이 구현될 수 있다.

도 7은 본 발명에 따른 안테나의 효율에 관한 일례를 도시하고 있다. 그 예는 도 6의 정합 곡선들과 같은 구조에 관한 것이다. 곡선(71)은, 방사체가 스위치의 단락 출력에 연결될 때, 자유 공간(free space)에서 주파수의 함수로서 효율의 변동을 보여주고, 곡선(72)은, 방사체가 스위치의 개방 출력에 연결될 때, 자유 공간에서 효율의 변동을 보여준다. 그 곡선들로부터, 하위 동작 대역들 w1 및 w3에서 효율은 -5 db 이상으로 좋고, 상위 동작 대역들에서는 w2 대역에서 -3.5dB 이상으로 좋고 w4 대역에서는 -5.5dB 이상으로 좋음을 볼 수 있다.

본 발명에 따른 조절가능한 다중대역 안테나가 상기에서 설명되었다. 그것의 구조는 제시된 것과 세부적인 면에 있어서 달라질 수 있다. 예를 들어 안테나의 방사체는, 커버의 전도성 부분 대신에, 유전체 커버의 전도성 코팅일 수 있다. 조절 회로에서 사용되는 멀티-웨이 스위치는 또한 예를 들어 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 기술에 의해 만들어질 수도 있다. 안테나의 접지면은 전체 방사체 아래에 또는 단지 방사체의 일부분 아래에 있을 수 있다. 본 발명은 안테나의 제조 방법을 제한하지 않는다. 본 발명의 아이디어는 독립 청구항 제1항에 의해 정의되는 범위 내에서 여러 가지 방식들로 적용될 수 있다.

Claims

조절가능 안테나(adjustable antenna)에 있어서,
상기 조절가능 안테나는 적어도 하위 동작 대역(lower operating band) 및 상위 동작 대역(upper operating band)을 가지며, 접지면(ground plane, 310), 방사 요소(radiating element, 320; 420), 무선 기기의 안테나 포트에 연결될 피드 요소(feed element, 330; 430) 및 조절 회로(adjusting circuit, 350; 550)를 포함하며,
상기 방사 요소는 상기 무선 기기의 외부 커버의 전도성 부분이거나 또는 상기 커버의 전도성 코팅으로 되어 있으며 기판(SBS)에 의해 상기 피드 요소로부터 갈바니 전기적으로(galvanically) 절연되며, 이 경우에 상기 방사 요소와 상기 피드 요소 간에는 하나의 전자기적 커플링(electromagnetic coupling)만이 존재하고,
상기 피드 요소는 상기 접지면에 연결된 단락 포인트(short-circuit point; SP)를 포함하며 그리고 상기 피드 요소가 상기 안테나의 다른 부분들과 함께 하위 동작 대역 및 상위 동작 대역 양자 모두에서 공진 주파수를 갖도록 하는 모양을 형성하며(shaping),
상기 조절 회로는, 상기 안테나의 적어도 하나의 동작 대역을 변위(displace)하기 위해, 멀티-웨이(multi-way) 스위치(SW) 및 적어도 2개의 선택가능한 (alternative) 리액티브 회로들(X1-XN) - 상기 회로들은 그들의 한쪽 말단에서 상기 접지면에 연결됨 - 을 포함하며,
상기 조절가능 안테나는,
상기 피드 요소(330; 430)가 조절 포인트(AP)를 포함하고, 그 경우 상기 조절 회로(350)가 상기 조절 포인트와 상기 접지면(310) 간에 연결되며, 그리고 상기 조절 포인트(AP) 및 상기 단락 포인트(SP) 사이의 상기 피드 요소에서의 전기적 거리(electric distance)는 상기 동작 대역들의 변위에 대하여 원하는 길이로 구성되는 것을 특징으로 하는, 조절가능 안테나.
제1항에 있어서,
상기 조절가능 안테나는, 상기 안테나의 피드 포인트(FP)가 위치해 있으며 그리고 상기 방사 요소 (radiating element, 320)으로의 그리고 상기 피드 요소(330) - 상기 피드 요소에 상기 단락 포인트(SP)가 위치함 - 의 한 말단으로의 전자기적 커플링을 가지는 중간 요소(340)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 조절가능 안테나.
제2항에 있어서,
상기 하위 동작 대역 및 상기 상위 동작 대역 양쪽 모두에서 정합(matching)을 튜닝(tuning)하기 위해 상기 중간 요소(340) 및 상기 피드 요소(330) 간에 커패시터(CM)가 존재하는 것을 특징으로 하는 조절가능 안테나.
제1항에 있어서,
상기 조절 회로는 적어도 상기 조절 회로의 가변 파라미터들의 개수를 증가시키기 위해 상기 조절 포인트(AP)와 상기 멀티-웨이 스위치(SW) 사이에 LC 회로(351)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 조절가능 안테나.
제1항에 있어서,
상기 조절 회로에서의 상기 리액티브 회로들의 개수는 2개이고, 상기 안테나의 사용 주파수들에서 상기 리액티브 회로들 중 하나는 쇼트된 회로(shorted circuit)에 대응되고 상기 리액티브 회로들 중 다른 하나는 개방 회로(open circuit)에 대응되는, 조절가능 안테나.
제5항에 있어서,
상기 피드 요소가 상기 쇼트된 회로에 연결될 때, 전체 조절 회로(550)는 상기 하위 동작 대역의 주파수들에서 1/4 파장의 길이를 가진 단락 전송 라인(short-circuited transmission line)으로서 나타나고 상기 상위 동작 대역의 주파수들에서 1/2 파장의 길이를 가진 단락 전송 라인으로서 나타나며,
상기 피드 요소가 상기 개방 회로에 연결될 때, 상기 조절 회로는 상기 하위 동작 대역의 주파수들에서 1/4 파장의 길이를 가진 개방 전송 라인(open transmission line)으로서 나타나고 상기 상위 동작 대역의 주파수들에서 1/2 파장의 길이를 가진 개방 전송 라인으로서 나타나며,
그 경우 상기 스위치의 상태가 변경될 때, 상기 하위 동작 대역은 하향으로 변위되고 상기 상위 동작 대역은 상향으로 변위되며 또는 이와는 역으로 상기 하위 동작 대역은 상향으로 변위되고 상기 상위 동작 대역은 하향으로 변위되는 것을 특징으로 하는 조절가능 안테나.
제1항에 있어서,
상기 조절가능 안테나는, 상기 방사 요소 및 상기 접지면에 의해 만들어지는 공진기의 공진 주파수를 활용하기 위해 상기 기판(SBS)의 표면 상에 튜닝 요소(360)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 조절가능 안테나.
제1항에 있어서,
상기 멀티-웨이 스위치는 PHEMT(Pseudo-morphic High Electron Mobility Transistor) 또는 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 기술에 의해 만들어지는 것을 특징으로 하는 조절가능 안테나.