KR101497261B1 - 전기적으로 전도성 메쉬층 패치 안테나를 포함하는 전자 디바이스 및 관련된 방법 - Google Patents

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Abstract

전자 디바이스는 기판, 및 기판에 의해 적재된 패치 안테나를 포함할 수 있다. 패치 안테나는 사이에 첨점을 갖는 적어도 한 쌍의 아치형 둘레 세그먼트를 포함하는 둘레 세그먼트에 의해 규정된 둘레를 갖는 전기적으로 전도성 메쉬층을 포함할 수 있다. 패치 안테나는 또한 패치 안테나에 결합된 적어도 하나의 안테나를 포함할 수 있다.

Description

전기적으로 전도성 메쉬층 패치 안테나를 포함하는 전자 디바이스 및 관련된 방법{ELECTRONIC DEVICE INCLUDING ELECTRICALLY CONDUCTIVE MESH LAYER PATCH ANTENNA AND RELATED METHODS}
본 발명은 전자 디바이스의 분야, 그리고 더 구체적으로, 안테나를 포함하는 전자 디바이스 및 관련된 방법에 관한 것이다.
안테나는 통신 또는 내비게이션과 같은 다양한 목적을 위해 사용될 수 있고, 무선 디바이스는 방송 수신기, 호출기, 또는 무선 측위 디바이스("ID 태그")를 포함할 수 있다. 무선 전화기는 상당히 흔한 무선 통신 디바이스의 일례이다. 상대적으로 작은 크기, 증가된 효율성, 및 상대적으로 넓은 방사 패턴은 휴대용 라디오 또는 무선 디바이스용 안테나의 일반적으로 요구되는 특성이다.
추가적으로, 무선 디바이스의 기능성이 향상됨에 따라서, 사용자가 휴대하기에 더 쉽고 더 편리하지만, 상대적으로 더 작은 전력을 사용하고 및/또는 더 긴 대기 시간을 갖는 더 작은 무선 디바이스에 대한 수요 역시 증가한다. 무선 디바이스 제조자에게 제기하는 하나의 도전은 안테나에 이용가능한 상대적으로 제한된 공간량 내에서 요구되는 작동 특성을 제공하고, 감소된 전력량을 사용하도록 관련된 회로와 협동하는 안테나를 설계하는 것이다. 예를 들어, 안테나가 예를 들어, 대역폭, 편파, 이득 패턴, 및 방사 패턴과 같은, 요구되는 특성을 갖는 주어진 주파수에서 통신하고, 무선 디바이스가 단일 배터리 또는 충전 사이클 상에서 여러 날 동안 작동하는 것이 요구될 수 있다.
개인 통신 디바이스, 예를 들어, 무선 전화기는 상대적으로 작은 크기인 것이 요구될 수 있다. 달리 말해서, 디바이스 부피 및 표면 영역이 상대적으로 제한되는 것이 요구될 수 있다. 이것은, 결국, 부품 사이에 크기와 성능 맞교환을 초래할 수 있다, 예를 들어, 상대적으로 큰 배터리를 갖는 것은 상대적으로 작은 안테나를 갖는 것을 의미할 수 있다. 복합 설계가 부품 집적화를 개선하도록 요구될 수 있다.
예를 들어, 전자 디바이스의 전력 요구사항은 일반적으로 감소되어 왔다. 예를 들어, 전계 효과 반도체는 태양열 전력의 전자기기조차 점점 더 대중화 시켰다. 태양 전지는 증가된 제품 표면 영역을 요구할 수 있지만, 그러나 그것은 예를 들어, 키보드와 같은 다른 목적에 바람직할 수 있다.
많은 안테나는 예를 들어, 효율성을 위해 상대적으로 양호한 전도체와 상대적으로 양호한 절연체의 조합을 포함할 수 있다. 이것은 강력한 근접장 반응성 에너지가 열 손실을 일으킬 수 있는 인쇄 회로 기판 유전체에서 순환하기 때문에, 예를 들어, 마이크로스트립 패치 안테나에서 특히 그러할 수 있다. 예를 들어, 반도체를 포함하는 태양 전지는 상대적으로 양호한 전도체나 상대적으로 양호한 절연체가 아니다.
요구되는 안테나 특성을 얻기 위해, 안테나, 예를 들어, 패치 안테나의 크기와 형태는 조절될 수 있다. 예를 들어, 타바코빅(Tabakovic)에 대한 미국 특허출원 공개 제 2010/0103049호는 패치 안테나 부재 및 도전층 및 그것에 결합된 이중 분리 피드를 갖는 패치 안테나를 개시한다. 이중 피드의 각각은 전도체 세그먼트 및 전도체 세그먼트에 직교하는 삼각주 형상의 전도성 스트립을 갖는다. 맥캐릭 등(McCarrick et al.)에 대한 미국 특허출원 공개 제 2009/0051598호는 입체 기하학적 구조, 예를 들어, 사각형, 다각형, 타원, 타원체(oval), 반원, 및 삼각주를 갖는 패치 안테나를 개시한다.
전력 소비를 감소시키기 위해, 광기전 전지(photovoltaic cell)의 기능성은 안테나와 조합될 수 있다. 예를 들어, 케이퍼(Keifer)에 대한 미국 특허 제 6,590,150호는 단일 유니트에서 광기전 전지의 기능성과 안테나를 조합하는 것을 시도한다. 더 구체적으로, 케이퍼는 적층된 배열로 구성된 그리드 또는 전방 전기 접촉, 반사 방지 코팅, 두 개의 반도체층, 유전체층, 및 접지 평면층을 개시한다.
공간 절약을 더 제공하는 시도에서, 여러 가지 접근은 적층된 상태인 디스플레이와 안테나의 사용을 개시한다. 예를 들어, 잉(Ying)에 대한 미국 특허 제 6,697,020호는 LCD 디스플레이와 유전체 기판 사이에 결합된 안테나를 포함하는 휴대용 통신 디바이스를 위한 일체화된 다층 구조를 개시한다. 엡스타인 등(Epstein et al.)에 대한 미국 특허 제 6,774,847호는 적층된 배열로 결합된 칩 안테나, 그리드 인쇄 회로, 전도성 물질, 렌즈 물질, 및 디스플레이를 개시한다.
앞서 언급한 배경의 관점에서, 그러므로 요구되는 작동 특성을 제공하고 감소된 크기를 갖는 패치 안테나를 포함하는 전자 디바이스를 제공하는 것이 본 발명의 목적이다.
본 발명에 부합하는 이러한 그리고 다른 목적, 특징, 및 이점은 기판 및 기판에 의해 적재된 패치 안테나를 포함하는 전자 디바이스에 의해 제공된다. 패치 안테나는 사이에 첨점(cusp)을 갖는 적어도 한 쌍의 아치형 둘레 세그먼트(perimeter segments)를 갖는 복수의 둘레 세그먼트에 의해 규정된 둘레를 갖는 전기적으로 전도성 메쉬층을 포함한다. 적어도 하나의 안테나 피드는 패치 안테나에 결합된다. 따라서, 전자 디바이스는 상대적으로 감소된 크기를 갖고 요구되는 작동 특성을 제공하는 패치 안테나를 포함한다.
적어도 한 쌍의 아치형 둘레 세그먼트는 예를 들어, 내부로 연장할 수 있다. 복수의 둘레 세그먼트의 각각은 아치형 둘레 세그먼트를 포함할 수 있다.
패치 안테나는 평면일 수 있다. 둘레는 예를 들어, 하이포사이클로이드 형태를 가질 수 있다.
전자 디바이스는 기판과 패치 안테나 사이에 안테나 접지 평면을 더 포함할 수 있다. 전자 디바이스는 안테나 접지 평면과 패치 안테나 사이에 유전체층을 더 포함할 수 있다. 적어도 하나의 안테나 피드는 예를 들어, 비-선형 편파를 위한 한 쌍의 안테나 피드를 포함할 수 있다. 전자 디바이스는 패치 안테나에 결합된 무선 회로를 더 포함할 수 있다.
전기적으로 전도성 메쉬층은 예를 들어, 플렉시블하고 교착된(interwoven) 전기적으로 전도성 메쉬층일 수 있다. 전기적으로 전도성 메쉬층은 바디 부분과 그것에 결합된 헴(hem) 부분을 포함할 수 있다. 전기적으로 전도성 메쉬층은 예를 들어, 몰리브덴 및 골드 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 기판은 예를 들어, 서로 ±50 퍼센트 내의 상대 유전율 및 상대 투과율을 가질 수 있다.
일 방법 측면은 전자 디바이스를 제조하는 방법에 관한 것이다. 그 방법은 기판에 의해 적재되고, 사이에 첨점을 갖는 적어도 한 쌍의 아치형 둘레 세그먼트를 포함하는 복수의 둘레 세그먼트에 의해 규정된 둘레를 갖는 전기적으로 전도성 메쉬층을 포함하도록 패치 안테나를 형성하는 단계를 포함한다. 그 방법은 또한 패치 안테나에 적어도 하나의 안테나 피드를 결합시키는 단계를 포함한다.
본 발명은 요구되는 작동 특성을 제공하고 감소된 크기를 갖는 패치 안테나를 포함하는 전자 디바이스 및 관련된 방법을 제공한다.
도 1은 본 발명에 부합하는 전자 디바이스의 부분 사시도이다.
도 2는 라인 2-2를 따라 취해진 도 1의 전자 디바이스의 일부의 확대된 횡단면도이다.
도 3은 원형 안테나와 도 1의 패치 안테나의 형태 사이의 관계를 도시하는 그래프이다.
도 4는 본 발명에 부합하는 전자 디바이스의 또 다른 실시예의 부분 사시도이다.
도 5는 라인 5-5를 따라 취해진 도 4의 전자 디바이스의 일부의 확대된 횡단면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 전자 디바이스의 또 다른 실시예의 평면도이다.
도 7은 도 6의 전자 디바이스의 일부의 분해 사시도이다.
도 8은 본 발명에 따른 프로토타입 전자 디바이스의 측정된 임피던스의 그래프이다.
도 9는 프로토타입 전자 디바이스의 측정된 전압 정재파비의 그래프이다.
도 10은 프로토타입 전자 디바이스의 측정된 이득의 그래프이다.
도 11은 프로토타입 전자 디바이스의 계산된 방사 패턴의 그래프이다.
본 발명은 이제 본 발명의 바람직한 실시예가 도시되는 첨부된 도면을 참조하여 이하에 더 완전하게 설명될 것이다. 그러나 본 발명은 많은 다른 형태로 구현될 수 있고, 여기에 제시된 실시예로 한정되는 것으로 해석되지 않아야 한다. 그보다는, 이들 실시예는 본 개시가 철저하고 완전하며, 해당 기술분야의 당업자에게 본 발명의 범위를 충분히 전달하도록 제공된다. 동일한 번호는 전체에 걸쳐 동일한 부재를 말하고, 프라임 및 다중 기호는 대안적인 실시예에서 유사한 부재를 나타내도록 사용된다.
도 1-3에 대해 최초로 언급하면서, 전자 디바이스(20)는 하우징(31)을 일예로서 포함한다. 전자 디바이스는 또한 하우징(31)에 의해 적재되는 회로(34)를 포함한다. 전자 디바이스(20)는 또한 하우징(31)에 의해 적재되는, 입력 디바이스(33) 및 디스플레이(32)를 포함한다. 회로(34)는 또한 전력 분배기(38)와 그것에 결합된 수신기 및/또는 송신기(37)를 포함한다.
회로(34)는 디스플레이(32)와 입력 디바이스(33)에 결합되고 하우징(31)에 의해 적재된 제어기(35)를 포함한다. 물론, 전자 디바이스(20)는 디스플레이(32) 및/또는 입력 디바이스(33)를 포함하지 않을 수 있다, 예를 들어, 회로가 적어도 하나의 지리적-측위(geo-location) 기능 또는 다른 기능을 수행하도록 구성된다면 이러한 부품은 요구되지 않을 수 있다. 제어기(35)는 적어도 하나의 무선 통신 기능을 수행할 수 있다. 예를 들어, 전자 디바이스(20)는 무선 전화기일 수 있고, 제어기(35)는 무선 기지국과 통신하도록 수신기 및/또는 송신기(37)와 협동할 수 있다. 물론, 전자 디바이스(20)는 또 다른 유형의 디바이스, 예를 들어, 양방향 라디오 또는 위성 수신기일 수 있다. 제어기(35)는 수신 및 송신 기능 중 어느 하나 또는 둘 모두를 수행하도록 수신기 및/또는 송신기(37)와 협동할 수 있다.
전자 디바이스(20)는 일예로서 기판(21)을 포함한다. 기판은 예를 들어, 인쇄 회로 기판(PCB)과 같은, 회로 기판일 수 있다. 일부 실시예에서, 기판(21)은 디바이스 하우징(31)일 수 있다.
기판(21)은 그것을 통한 광 송신을 증가시키도록 서로 ±50% 내의 유전율과 투과율을 갖는 소재로 구성될 수 있다. 기판 소재가 서로 ±10% 내의 유전율과 투과율을 가질 수 있는 것이 바람직할 수 있다. 이것은 예를 들어, 반사로 인한 광 송신의 손실을 감소시킬 수 있다. 기판(21)에서 서로 ±50% 내에 있는 유전율 및 투과율은 공기에 대한 반사를 감소시킬 수 있고, 그것은 예를 들어, 태양열 발전 실시예에서 전력 생산을 증가시킬 수 있다.
이것은 수학적으로 도시될 수 있다. 기판 인터페이스에 대한 공기에서의 반사 계수는:
Figure 112013103177355-pct00001
에 따른 공기와 기판(21)의 특성 임피던스의 함수이고, 여기서:
Figure 112013103177355-pct00002
=반사 계수, 0과 1 사이의 무차원수, 바람직하게 기판(21)에 있어서 0,
Figure 112013103177355-pct00003
=기판에서의 파동 임피던스 옴(ohms), 및
Figure 112013103177355-pct00004
=공기에서의 파동 임피던스=377 옴.
결국 공기 또는 기판(21)에서의 파동 임피던스는:
Figure 112013103177355-pct00005
에 따라 계산될 수 있고, 여기서:
Figure 112013103177355-pct00006
=공기 또는 기판의 상대 자기 투과율, 및
Figure 112013103177355-pct00007
=공기 또는 기판의 상대 유전체 투과율.
기판(21)에서
Figure 112013103177355-pct00008
일 때 이러한 조건이 수학식(2)에서
Figure 112013103177355-pct00009
를 야기하기 때문에, 제로 반사 및 증가된 광 송신이 발생한다. 수학식(1)에서 인지될 수 있는 바와 같이
Figure 112013103177355-pct00010
일 때 분자는 0이고, 그것은 수학식(1)이 0임을 의미하며, 따라서 그것은 어떠한 반사도 없다는 것을 의미한다.
전자 디바이스(20)는 또한 기판(21)에 의해 적재되는 패치 안테나(40)를 포함한다. 패치 안테나(40)는 네 개의 아치형 둘레 세그먼트(42a-42d)를 규정하는 둘레를 갖는 전기적으로 전도성 메쉬층(41)을 포함한다. 각각의 첨점(43a-43d)은 네 개의 아치형 둘레 세그먼트의 각각 사이에 있다. 네 개의 아치형 둘레 세그먼트(42a-42d)의 각각은 일예로서 내부로 연장한다. 물론, 모든 둘레 세그먼트(42a-42d)가 아치형인 것이 아닐 수 있고, 모든 둘레 세그먼트가 내부로 연장하는 것이 아닐 수 있다. 예를 들어, 단일 쌍의 세그먼트가 아치형일 수 있다. 부가적으로, 네 개의 둘레 세그먼트가 도시되는 반면에, 패치 안테나(40)는 두 개 이상의 둘레 세그먼트를 포함할 수 있다. 실제로, 해당 기술분야의 당업자에 의해 인지될 바와 같이, 전기적으로 전도성 메쉬층(41)의 형상은 하이포사이클로이드와 유사한 것으로 설명될 수 있다. 하이포사이클로이드 형상은 예를 들어, 삼각주 형상 및 아스트로이드를 포함할 수 있다.
아치형 둘레 세그먼트(42a-42d)의 내부로 또는 외부로의 조절은 주파수를 변경한다. 달리 말해서, 주파수는 패치 안테나(40)의 전체 크기에 의존한다. 전방 방사에 있어서, 둘레는 360도 안내 파장에 대응할 수 있고, 그것은 또한 유전체 인쇄 회로 기판에서, 예를 들어, 강제 공진 또는 요구되는 작동 주파수의 1 파장에 대응할 수 있다. 전방 방사를 제공하는 실시예의 원주에 관한 근사 공식은:
Figure 112013103177355-pct00011
이고, 여기서:
C=패치 안테나(40)의 원주
c=광속
f=작동 주파수 헤르츠(Hertz)
Figure 112013103177355-pct00012
=기판 상대 자기 투과율
Figure 112013103177355-pct00013
=기판 상대 유전체 유전율
직경 a의 증가는 작동 주파수를 감소시키고 그것은 또한 안테나 크기를 감소시킨다(도 3). 이것은 패치 안테나(40)를 통한 전류가 그러한 형상에 대해 주변을 따라 회전하는 더 긴 경로를 가졌기 때문이다.
유리하게, 주파수는 패치 안테나(40)의 엔빌로프를 변경하지 않고 조절될 수 있고, 따라서 더 작은 패치 안테나를 유지할 수 있다. 해당 기술분야의 당업자에 의해 인지될 수 있는 바와 같이, 패치 안테나(40)의 형상은 선형(직사각형) 및 원형 패치 안테나 모두의 안테나 특징을 가정한다. 달리 말해서, 패치 안테나(40)의 형상을 조절하는 것에 의한, 발산 및 회전(curl)의 계속적인 맞교환(trade-off), 및 예를 들어, 크기, 주파수, 및 빔 폭과 같은, 패치 안테나 사이의 안테나 특징이 있다. 이러한 관계는 도 3에 더 구체적으로 도시되고, 여기서 x2/3 +y2 /3 =a2 /3 , x= a cos3f, 및 y= a sin3f 이고, 그것은 하이포사이클로이드의 식이다. 하이포사이클로이드 식은 유리하게, 다이폴 턴스타일(X 형상) 및 루프(원 형상) 패치 안테나 사이의 하이브리드를 형성하도록 패치 안테나(40)의 형상에 변형을 제공한다. 예를 들어, 오목한 아치형 패치 실시예는 볼록한 아치형 실시예보다 더 큰 빔폭을 가지며 그 역 또한 같다. 볼록한 아치형 실시예는 오목한 아치형 실시예보다 영역에 대해 더 큰 이득을 가지며 그 역 또한 같다.
전기적으로 전도성 메쉬층(41)은 또한 플렉시블하다. 달리 말해서, 전기적으로 전도성 메쉬층(41)은 해당 기술분야의 당업자에 의해 인지될 수 있는 바와 같이, 예를 들어, 하우징(31), 기판(21), 또는 다른 구조를 둘러싸 윤곽을 나타낼 수 있다. 부가적으로, 전기적으로 전도성 메쉬층(41)은 또한 교착될 수 있다.
전기적으로 전도성 메쉬층(41)은 또한 바디 부분에 결합된, 헴 부분(48)을 포함한다. 헴 부분(48), 또는 솔리드 보더(solid border)는 패치 안테나의 전체 강도를 유리하게 증가시키고 체비쉐브 응답을 평평하게 한다. 더 구체적으로, 헴 부분(48)은 다항식 제로에 대해 대칭인 체비쉐브 응답을 구성할 수 있다.
전기적으로 전도성 메쉬층(41)은 금속 소재, 예를 들어, 몰리브덴 및 골드를 포함한다. 전기적으로 전도성 메쉬층(41)의 또 다른 세부사항은 참조에 의해 전체에서 병합되는, 본 출원의 양수인에게 양도된 보안 등(Boan et al.)에 대한 미국 특허 제 4,609,923호 및 제 4,812,854호에서 발견될 수 있다.
예를 들어, 투명도를 증가시키도록 전기적으로 전도성 메쉬층(41)을 형성하는 전도체의 직경을 감소시키는 것이 특히 유리할 수 있다. 실시예의 전도체 폭은:
Figure 112013103177355-pct00014
에 의해 주어지는 라디오 주파수 표면 깊이에 대응하고, 여기서:
w = 메쉬 전도체 폭
Figure 112013103177355-pct00015
= 메쉬 전도체의 저항
ω = 각 주파수= 2πf
μ = 메쉬 전도체의 자기 투과율
일례로, 1 GHz에서의 구리 전도체에 있어서, 요구되는 전도체 폭은 2.1 X 10-6 미터가 되도록 계산한다. 따라서, 상대적으로 미세한 폭 메쉬 전도체가 예를 들어, 디스플레이 가시도를 개선하기에 특히 유리할 수 있다.
패치 안테나(40)는 일예로서 평면이다. 실제로, 패치 안테나(40)가 평면인 것은 예를 들어, 제한된 공간 하우징(31)에서 공간 절약을 향상시키기에 특히 유리할 수 있지만, 일부 실시예에서 패치 안테나는 평면이 아닐 수 있다(미도시).
전자 디바이스(20)는 또한 기판(21)과 패치 안테나(40) 사이에 안테나 접지 평면(51)을 포함한다. 안테나 접지 평면(51)은 기판(21) 또는 PCB에 의해 적재되는 도전층일 수 있고, 안테나 접지 평면은 바람직하게 광학적으로 투명하다, 예를 들어, 상대적으로 미세한 메쉬이다. 기판 또는 PCB(21)는 안테나 접지 평면(51)을 포함하거나 그로부터 분리될 수 있다. 유전체층(52)은 또한 안테나 접지 평면(51)과 패치 안테나(40) 사이에 있다. 안테나 접지 평면 소재는 예를 들어, 위에 언급된 보안 등에 대한 미국 특허 제 4,609,923호 및 제 4,812,854호에 설명된 바와 같이, 전도성 패브릭일 수 있다. 기판(21)은 예를 들어, 유전체층(52)을 통해 광 송신을 증가시키도록 반사 방지 코팅으로 코팅될 수 있다(미도시). 반사 방지 코팅은 다른 층으로 사용될 수 있다.
한 쌍의 안테나 피드(44)가 패치 안테나에 결합된다. 한 쌍의 안테나 피드(44) 역시 회로(32)에, 그리고 더 구체적으로, 전력 분배기(38)에 결합된다. 전력 분배기(38)는 영-도 전력 분배기이지만, 또 다른 유형의 전력 분배기일 수 있다. 한 쌍의 안테나 피드(44)는 일예로서 동축 케이블 피드이다. 동축 케이블 피드(44a, 44b)의 각각은 유전체층(47)에 의해 분리되는 각각의 내부 및 외부 전도체(45, 46)를 가진다. 동축 케이블(44a, 44b)의 각각의, 내부 전도체(45), 또는 구동 핀은 접지 평면(51)을 통해 통과하고 패치 안테나(40)에 결합한다. 외부 전도체(46)는 접지 평면(51)에 결합된다.
전기적으로 전도성 메쉬층(41)과 전력 분배기(38) 사이에 결합된 각각의 동축 케이블 피드(44a, 44b)는 다른 길이일 수 있다. 다른 길이는 유리하게, 신호에 90-도 교류(AC) 위상차(즉, 시간 지연)를 도입한다. 따라서, 신호는 원형, 또는 비-선형, 편파를 가진다. 일부 실시예에서, 신호 안테나 피드가 사용될 수 있고, 따라서, 신호는 선형 편파를 가질 수 있다.
제 1 동축 케이블(44a)은 제 1 위치에서 전기적으로 전도성 메쉬층(41)에 결합되는 반면에, 제 2 동축 케이블(44b)은 전기적으로 전도성 메쉬층(41)에 대해 제 1 위치로부터 대각선인 제 2 위치에서 안테나에 결합된다. 제 1 및 제 2 위치의 포지션은 임피던스를 결정하고, 그것은 도시된 실시예에서, 약 50 옴이다. 안테나 피드(44a, 44b)의 각 포지션은 편파각 및 지향각을 결정한다. 더 구체적으로, 예를 들어, 동축 케이블, 또는 안테나 피드의 길이차로 인해, 사인파가 제 1 안테나 피드(44a)에 적용된다면, 코사인파는 제 2 위치에 적용될 수 있다. 이러한 배열은 예를 들어, 송신된 신호의 원형 편파를 제공한다. 실제로, 안테나 피드(44a, 44b)는 일예로서 동축 케이블인 반면에, 그들은 예를 들어, 전기적으로 전도성 튜브와 같은 다른 유형의 안테나 피드일 수 있다.
이제 도 4-5에 대해 언급하면서, 도 1에 도시된 패치 안테나와 유사한 패치 안테나(40')를 포함하는 특히 유리한 실시예가 전자 디바이스(20')에 도시된다. 전자 디바이스(20')는 기판(21') 및 적층된 배열층을 포함한다. 광기전층(60')은 기판(21') 위에 있다. 광기전층(60')은 일예로서 태양전지층이다. 광기전층(60')은 해당 기술분야의 당업자에 의해 인지될 바와 같이, 다른 유형의 광기전 전지 또는 디바이스를 포함할 수 있다.
안테나 접지 평면(51')은 일예로서 광기전층(60') 위에 그리고 기판(21')과 패치 안테나(40') 사이에 있다. 안테나 접지 평면(51')은 일예로서 메쉬여서 광학적으로 투과한다. 안테나 접지 평면(51')은 예를 들어, 구리일 수 있다. 안테나 접지 평면(51')은 해당 기술분야의 당업자에 의해 인지될 바와 같이, 또 다른 유형의 전도성 소재일 수 있다. 광기전층(60')의 태양 전지가 일반적으로 상대적으로 불량한 접지 평면이기 때문에 안테나 접지 평면(51')은 특히 유리하다.
패치 안테나(40')는 일예로서 광기전층(60')과 안테나 접지 평면(51') 위에 있다. 패치 안테나(40')는 일예로서 전도성 메쉬 소재이거나 역시 광학적으로 투과하는 전도성 메쉬층(41')을 포함한다. 광학적으로 투과하는 패치 안테나(40') 및 안테나 접지 평면(51')은 광기전층(60')에 약 51-52% 사이의 광을 유리하게 허용한다.
안테나 접지 평면(51')과 패치 안테나(40') 사이의 유전체층(52') 역시 광투과성이다. 유전체층(52')은 유리일 수 있다. 그러나, 유리는 증가되는 파손에 민감할 수 있고 상대적으로 깨지기 쉬울 수 있다. 유전체층(52')은 폴리스티렌일 수 있다. 유전체층(52')은 또한 해당 기술분야의 당업자에 의해 인지될 바와 같이, 증가된 RF 소실을 나타내는 폴리카보네이트일 수 있다.
유전체층(52')은 광기전층(60')으로부터의 광 반사를 감소시키도록 양 측면 상에 반사 방지층(53a', 53b')을 일예로서 포함한다. 물론, 반사 방지층(53')은 유전체층(52')의 하나의 측면 상에 있을 수 있고 그 유전체층의 일부 또는 부분들 상에 있을 수 있다.
반사 방지층(53')은 요구되는 광에 대해서 1/4-파장 두께일 수 있다. 반사 방지층(53')은 티타늄 및/또는 불소를 포함할 수 있다. 물론, 반사 방지층(53')은 다른 유형의 소재를 포함할 수 있다.
추가적으로, 각각의 반사 방지층(53')은 약 ±10%의 유전율 내에 있는 투과율을 가질 수 있다. 이것은 색상 또는 파장에 상관없이 빛이 통과하는 것을 유리하게 허용할 수 있다.
해당 기술분야의 당업자에 의해 인지될 바와 같이, 패치 안테나(40'), 유전체층(52'), 및 안테나 접지 평면(51')을 통해 광기전층(60')으로 통과하는 광은 전기 에너지로 변환된다. 광기전층(60')으로부터 변환된 전기 에너지는 예를 들어, 무선 회로(34')에 전력을 공급하도록 사용될 수 있다.
선행기술의 접지 평면 안테나는 예를 들어, 일반적으로, 접지 평면에 걸쳐 방사 부재를 갖는 단단한 사각형의 금속 소재이다. 따라서, 광은 통과할 수 없고, 그것은 요구되는 안테나 특성을 얻도록 광기전층의 기능성을 패치 안테나와 결합하는 것을 점점 더 어렵게 할 수 있다.
실제로, 예를 들어, 태양 전지를 포함하는 광기전층과 패치 안테나의 조합은 위성 통신에서 특히 유리할 수 있다. 더 구체적으로, 조합된 안테나와 광기전층 디바이스는 위성의 표면 영역을 감소시킬 수 있고, 따라서 발사 비용을 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 2000년 발사 비용은 파운드 당 약 $11,729.00이었다. 대개 실리콘인, 태양 전지는 입방 미터 당 약 5803 파운드의 중량이 나가고, 약 0.002 미터두께이다. 따라서, 태양 전지는 평방 미터 당 약 15 파운드의 중량이 나가며, 따라서 태양 전지에 있어서 평방 미터 당 $176,000.00의 발사 비용이 소요된다. 따라서, 전체 중량의 임의의 감소는 비용을 유리하게 감소시킨다.
이제 도 6-7에 대해 언급하면서, 패치의 또 다른 특히 유리한 실시예는 전자 디바이스(20")에 도시된다. 전자 디바이스(20")는 일예로서 모바일 무선 통신 디바이스이고 하우징(31")에 의해 적재된 입력 디바이스(33") 또는 키 및 디스플레이(32")를 포함한다. 전자 디바이스(20")는 기판(21")과 적층된 배열층을 포함한다(도 7). 시각 디스플레이층(70")은 기판(21') 위에 있다. 시각 디스플레이층(70")은 일예로서 액정 디스플레이(LCD)이다. 시각 디스플레이층(70")은 해당 기술분야의 당업자에 의해 인지될 바와 같이, 또 다른 유형의 발광 또는 광변조 시각 디스플레이일 수 있다.
안테나 접지 평면(51")은 일예로서 시각 디스플레이층(70") 위에 그리고 기판(21")과 패치 안테나(40") 사이에 있다. 안테나 접지 평면(51")은 또한 일예로서 메쉬여서 시각 디스플레이층(70")이 그것을 통해 보이도록 광학적으로 투과한다. 시각 디스플레이층(70")이 접지 평면을 포함하거나 그것으로서 충분할 수 있기 때문에, 일부 실시예에서, 안테나 접지 평면(51")은 제거될 수 있다.
패치 안테나(40")는 일예로서 시각 디스플레이층(70")과 안테나 접지 평면(51") 위에 있다. 패치 안테나(40")는 일예로서 전도성 메쉬 소재이거나 역시 광학적으로 투과하는 전도성 메쉬층(41")을 포함한다.
안테나 접지 평면(51")과 패치 안테나(40") 사이의 유전체층(52") 역시 광투과성이다. 유전체층(52")은 예를 들어, 플라스틱일 수 있고, 무선 통신 디바이스(20")의 하우징(31")의 부분일 수 있다. 더 구체적으로, 유전체층(52")은 일반적으로 시각 디스플레이층(70"), 또는 LCD를 덮는 무선 통신 디바이스 하우징(31")의 투명한 플라스틱층일 수 있다.
유전체층(52")은 또한 시각 디스플레이층(70")으로부터의 광 반사를 감소시키도록 양 측면 상에 반사 방지층(53a", 53b")을 포함할 수 있다. 물론, 반사 방지층(53")은 유전체층(52")의 하나의 측면 상에 있을 수 있고 유전체층의 일부 또는 부분들 상에 있을 수 있다.
해당 기술분야의 당업자에 의해 인지될 바와 같이, 시각 디스플레이층(70")으로부터 패치 안테나(40"), 유전체층(52"), 및 안테나 접지 평면(51")을 통해 통과하는 광은 사용자가 시각 디스플레이층을 보도록 유리하게 허용하는 한편, 패치 안테나의 기능성을 포함한다. 따라서, 적층된 배열층에 있어서 전자 디바이스의 전체 크기 증가는 상대적으로 작다.
이제 도 8-11에서 그래프(71, 72, 73, 74, 75)에 대해 언급하면서, 프로토타입 전자 디바이스가 형성되고 전기적으로 전도성이고 광학적으로 투과하는 메쉬 안테나 패치층, 광학적으로 투과하는 유전체층, 및 역시 전기적으로 전도성 메쉬층을 갖는 광학적으로 투과하는 안테나 접지 평면을 갖는 패치 안테나를 포함했다. 프로토타입 전자 디바이스는 표 1에서 아래에 열거된 파라미터, 예를 들어, 크기를 가진다.
Figure 112013103177355-pct00016
표 1에서 시뮬레이트된 데이터는 완벽한 무손실의 소재를 가정하는 반면에, 측정된 데이터는 열 손실을 갖는 소재를 구비한 물리적 프로토타입으로부터 취해 졌다는 것이 언급되어야만 한다. 프로토타입에 대한 측정된 그리고 시뮬레이트된 손실 사이의 차에 대해서, 폴리카보네이트, 즉, 광학적으로 투과하는 유전체층로부터의 손실은 폴리카보네이트가 마이크로파 인쇄 회로 기판, 또는 유전체, 소재로서 판매되지 않게 할 수 있다. 폴리카보네이트 실제 손실 탄젠트는 표에 열거된 것보다 더 높았다. 폴리카보네이트를 폴리스티렌 소재로 대체하는 것은 손실을 감소시키는 것에 의해 성능을 향상시킬 수 있다. 폴리카보네이트 기판은 높은 내충격성 때문에 사용되었고 GPS 수신을 허용할 만큼 상대적으로 효율적이었다.
부가적으로, 동축 케이블 및 전력 분배기는 시뮬레이트되지 않았다. 브라스 메쉬 또는 스크린이었던 접지 평면층에 대해서, 측정된 결과는 시뮬레이션에 의해 파악되지 않았던 접촉 저항, 지향성 바이어스, 및 기계적 공차를 포함한다.
도 8에서 스미스 차트(71)에 대해 특히 언급하면서, 임피던스 응답(76)의 두 개의 회전은 패치 안테나가 복동조 체비쉐브 다항식 거동을 가진다는 것을 나타낸다. 체비쉐브 거동은 예를 들어, 이차 및/또는 단조 응답의 약 4배이기 때문에, 대역폭에 대해 상대적으로 양호하다.
물리적 프로토타입의 구현된 이득이 안테나 범위에 대해 측정되었다. 이제 도 10의 그래프(73)에 대해 언급하면서, 주파수에 대해 측정된 구현된 이득 응답이 도시된다. 이것은 스웹트 이득(swept gain) 측정으로 언급될 수 있다. 데이터는 안테나의 물리적 평면에 대해 전방 또는 수직인, 방사 패턴 피크 진폭의 보기각(look angle)에서 취해졌다. 사용된 방법은 이득 비교 방법 또는 대체 방법이었고, 얇은 와이어 1/2 파 다이폴이 2.1 dBil의 이득을 갖는 것으로 알려진 이득 표준으로서 사용되었다.
기준 다이폴 이득은 선(81)에 의해 도시되고, 안테나 피드의 각각에서 구현된 이득은 선(82, 83)에 의해 도시된다. 하이브리드 상에 두 개의 안테나 피드 포트가 있었다: 하나는 오른쪽 원형 편파를 다른 하나는 왼쪽 원형 편파를 제공한다. 프로토타입 수신은 1/2파 다이폴로부터 5.2 dB이었다. 대체 방법의 적용: 측정된 패치 안테나 이득=기준 다이폴 이득+편파 손실 인자+전송 손실에서의 차=2.1+3.0+(-5.2)=-0.1 dBic.
편파 손실 인자는 소스 다이폴이 선형으로 편파되고, 테스트 하의 안테나가 원형으로 편파되었다는 사실로부터 발생한다. 원형 편파를 수신하는 선형으로 편파된 안테나에 대한 편파 손실 인자는 3dB이다. 측정된 구현 이득은 예를 들어, 소재 가열 및 VSWR과 같은 현실의 안테나가 수반하는 손실 메커니즘을 포함한다. 선(82, 83)이 프로토타입의 편파와 중첩하는 곳은 실질적으로 또는 거의 완벽하게 원형이었고 그래서 거의 완벽한 원형 편파가 1610 MHz 부근에서 구현되었다.
도 11의 그래프(74)는 수치 전자기 시뮬레이션에 의해 얻어진 엘리베이션 평면 방사 패턴 컷이고, 그것은 1/2파 빔폭이 88도임을 도시한다. 방사 패턴 로브는 전방이다, 예를 들어, 빔은 안테나가 놓인 평면에 대해 수직이고 안테나 평면에 최소 방사 패턴이 있다. 도 8은 무한 접지 평면을 사용하여 계산되었고 그래서 플롯에 어떠한 사이드 로브나 백로브도 없다.
또 다른 프로토타입 전자 디바이스가 형성되고 그리고 광기전층이 더 포함되었다. 프로토타입 전자 디바이스는 DC 전력 생산에 대해 테스트되었다. 광기전층은 캘리포니아, 밀피타스의 IXYS 코포레이션(IXYS Corporation)에 의해 제조된 식스 모델 XOB 17-12 X1 솔라 셀(six model XOB 17-12 X1 Solar Cells)의 직렬 배선 스트링을 포함했다. 독립적으로, 태양 전지 스트링은 상대적으로 밝은 태양광에서 362 밀리암페어에서 2.9 볼트를 제공했다. 프로토타입 전자 디바이스의 부분으로서 포함될 때, 측정된 전류 출력은 거의 동일한 전압에서 18.4 밀리암페어였다. 따라서, 50%의 그늘 지지 않은 전력 출력이 얻어졌다. 해당 기술분야의 당업자에 의해 인지될 바와 같이, 패치 안테나는 무선 송신과 수신의 유익한 맞교환을 제공하는 한편 동일한 표면 영역으로부터의 유용한 태양열 발전 생산을 허용했고, 그래서 증가된 수준의 DC 전력 출력이 얻어질 수 있었다. 광학 코팅이 프로토타입 전자 디바이스에 사용되지 않았지만, 그것은 층 중 어느 하나와 관련해서 사용될 수 있다. 부가적으로, 상대적으로 더 미세한 전도성 메쉬 역시 사용될 수 있다.
태양열 발전 테스팅 동안 패치 안테나의 어떠한 광민감도도 언급되지 않았다. 달리 말해서, 태양 전지나 태양광 중 어느 것도 패치 안테나의 동조에 영향을 미치지 않았다.
일 방법 측면은 전자 디바이스(20)를 제조하는 방법에 관한 것이다. 그 방법은 기판(21)에 의해 적재되고, 사이의 첨점(43a-43d)을 갖는 두 쌍의 아치형 둘레 세그먼트(42a-42d)를 포함하는 복수의 둘레 세그먼트에 의해 규정된 둘레를 갖는 전기적으로 전도성 메쉬층(41)을 포함하도록 패치 안테나(40)를 형성하는 단계를 포함한다. 그 방법은 또한 패치 안테나에 적어도 하나의 안테나 피드(44)를 결합시키는 단계를 포함한다.
또 다른 방법 측면은 전자 디바이스(20')를 제조하는 방법에 관한 것이다. 그 방법은 적어도, 기판(21') 위에 광기전층(60')을 위치시키고, 광기전층(60') 위에 안테나 접지 평면(51')을 위치시키는 것에 의해 기판(21') 상에 적층된 배열층을 형성하는 단계를 포함한다. 안테나 접지 평면(51')은 광학적으로 투과하는 제 1 전기적으로 전도성 메쉬층을 포함한다. 적층된 배열을 형성하는 단계 역시 광학적으로 투과하는 제 2 전기적으로 전도성 메쉬층을 포함하는 광기전층(60') 위에 패치 안테나(40')를 위치시키는 단계를 포함한다.
또 다른 방법 측면은 전자 디바이스(20")를 제조하는 방법에 관한 것이다. 그 방법은 적어도 시각 디스플레이층(70") 위에 패치 안테나(40")를 위치시키는 것에 의해 기판(21") 상에 적층된 배열의 층을 형성하는 단계를 포함한다. 패치 안테나(40")는 광학적으로 투과하는 전기적으로 전도성 메쉬를 포함한다.

Claims (10)

  1. 기판;
    상기 기판에 의해 적재되고 그리고 사이에 첨점을 갖는 적어도 한 쌍의 아치형 둘레 세그먼트를 포함하는 복수의 둘레 세그먼트에 의해 규정된 둘레를 갖는 전기적으로 전도성인 와이어 메쉬층을 포함하는 패치 안테나; 및
    상기 패치 안테나에 결합된 적어도 하나의 안테나 피드를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 디바이스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 한 쌍의 아치형 둘레 세그먼트는 내부로 연장하는 것을 특징으로 하는 전자 디바이스.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 복수의 둘레 세그먼트의 각각은 아치형 둘레 세그먼트를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 디바이스.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 패치 안테나는 평면인 것을 특징으로 하는 전자 디바이스.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 둘레는 하이포사이클로이드 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 전자 디바이스.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 기판과 상기 패치 안테나 사이에 안테나 접지 평면을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 디바이스.
  7. 사이에 첨점을 갖는 적어도 한 쌍의 아치형 둘레 세그먼트를 포함하는 복수의 둘레 세그먼트에 의해 규정된 둘레를 가지도록 전기적으로 전도성인 와이어 메쉬층을 형성하는 단계를 포함하는, 기판에 의해 적재되도록 패치 안테나를 형성하는 단계; 및
    상기 패치 안테나에 적어도 하나의 안테나 피드를 결합시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 디바이스의 제조 방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 전기적으로 전도성인 와이어 메쉬를 형성하는 단계는 상기 적어도 한 쌍의 아치형 세그먼트가 내부로 연장하도록 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 디바이스의 제조 방법.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 패치 안테나를 형성하는 단계는 상기 패치 안테나가 평면이도록 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 디바이스의 제조 방법.
  10. 제 7항에 있어서,
    상기 전기적으로 전도성인 와이어 메쉬층을 형성하는 단계는 상기 전기적으로 전도성인 와이어 메쉬층이 하이포사이클로이드 형상으로 상기 둘레를 갖도록 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 디바이스의 제조 방법.
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