KR101569979B1 - 사이드­바이­사이드 수동 루프 안테나를 포함하는 무선 통신 디바이스 및 관련된 방법 - Google Patents

사이드­바이­사이드 수동 루프 안테나를 포함하는 무선 통신 디바이스 및 관련된 방법 Download PDF

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Abstract

무선 통신 디바이스는 하우징, 및 하우징에 의해 적재된 무선 통신 회로를 포함할 수 있다. 무선 통신 디바이스는 또한 하우징에 의해 적재되고 무선 통신 회로에 결합된 안테나 조립체를 포함할 수 있다. 안테나 조립체는 기판 및 기판에 의해 적재되고 사이드-바이 사이드 관계로 배열된 복수의 수동 루프 안테나를 포함할 수 있다. 복수의 떨어져 이격된 수동 루프 안테나 각각은 수동 루프 전도체 및 그것에 결합된 튜닝 부재를 포함할 수 있다. 안테나 조립체는 또한 기판에 의해 적재되고 복수의 수동 루프 안테나 각각과 적어도 부분적으로 같은 공간을 차지하도록 배열된 능동 루프 안테나를 포함할 수 있다. 능동 루프 안테나는 능동 루프 전도체 및 내부에 형성된 한 쌍의 피드포인트를 포함할 수 있다.

Description

사이드­바이­사이드 수동 루프 안테나를 포함하는 무선 통신 디바이스 및 관련된 방법{WIRELESS COMMUNICATIONS DEVICE INCLUDING SIDE-BY-SIDE PASSIVE LOOP ANTENNAS AND RELATED METHODS}
본 발명은 통신의 분야, 그리고, 더 구체적으로, 안테나 및 관련된 방법에 관한 것이다.
안테나는 통신 또는 내비게이션과 같은 다양한 목적을 위해 사용될 수 있고, 휴대용 라디오 디바이스는 방송 수신기, 호출기, 또는 무선 측위 디바이스("ID 태그")를 포함할 수 있다. 셀룰러 전화기는 매우 흔한 무선 통신 디바이스의 일례이다. 상대적으로 작은 크기, 증가된 효율성, 및 상대적으로 넓은 방사 패턴은 휴대용 라디오 또는 무선 디바이스용 안테나에 일반적으로 요구되는 특징이다. 부가적으로, 무선 디바이스의 기능성이 계속적으로 증가함에 따라서, 사용자가 이동하기에 더 쉽고 더 편리한 더 작은 무선 디바이스에 대한 요구 역시 증가한다. 무선 디바이스 제조자에게 이것이 야기하는 하나의 도전은 안테나를 위해 이용가능한, 상대적으로 제한된 양의 공간 내에 요구되는 작동 특징을 제공하는 안테나를 설계하는 것이다. 예를 들어, 안테나가 다중 주파수 대역에 걸쳐 그리고 더 낮은 주파수에서 통신하는 것이 요구될 수 있다.
더 새로운 설계 및 제조 기법은 전자 부품을 상대적으로 작은 크기로 이끌어서 많은 무선 통신 디바이스와 시스템의 크기를 감소시켰다. 불행히도, 안테나, 그리고 특히, 광대역 안테나는 비교가능한 수준으로 크기를 감소시키지 못해서 종종 더 작은 통신 디바이스에 사용되는 더 큰 부품 중 하나이다.
실제로, 안테나 크기는 작동 주파수 또는 주파수들에 기반할 수 있다. 예를 들어, 안테나는 작동 주파수가 감소함에 따라서 점점 더 커질 수 있다. 파장을 감소시키는 것은 안테나의 크기를 감소시킬 수 있지만, 더 긴 파장이 전파 향상을 위해 요구될 수 있다. 장-범위 통신에 사용되는, 고주파수(HF), 예를 들어 3 내지 30 MHz에서, 효율적인 안테나, 예를 들어, 송신 안테나는 너무 커서 휴대가능하지 않을 수 있고, 고정국에서 유선 안테나가 요구될 수 있다. 따라서, 단지 안테나 크기를 감소시킬 뿐만 아니라, 요구되는 주파수 대역에 걸쳐 최소 영역에 대해 최대 이득을 갖는 감소된 크기의 안테나를 설계하고 제조하는 것 역시 이들 무선 통신 어플리케이션에서 점점 더 중요해질 수 있다.
전기적으로 작은 안테나의 순시 3 dB 이득 대역폭(반전력 고정 튜닝 방사 대역폭으로도 알려짐)은 추-해링턴 한계(Chu-Harrington limit) 하에 제한되는 것으로 간주된다("전방향 안테나의 물리적 한계, 엘.제이. 추, 응용 물리학지, 19권, 1163-1175쪽, 1948년 12월; "Physical Limitations Of Omni-Directional Antennas, L.J. Chu, Journal of Applied Physics, Vol. 19, pp 1163-1175, Dec. 1948). 추의 한계의 일 형태는 최대 가능한 3 dB 이득 안테나 대역폭은 1600(πr/λ)3 퍼센트로 제한했다(여기서 r은 안테나를 포함할 수 있는 최소 구의 반경이고, λ은 자유 공간 파장이다)는 것을 제공한다. 이것은 회로에 일치되는 단일 모드 안테나를 위한 것일 수 있다. 불행히도, 그러한 반경=λ/20 구형 엔빌로프 내부에 맞춰지는 그러한 안테나는 이러한 대역폭의 6.1%보다 많이 갖지 않을 수 있다. 또한, 실제 안테나는 추의 한계 대역폭에 거의 접근하지 않는다. 일 예는 1.2% 대역폭, 예를 들어, 추의 한계의 1/5에서 작동되는 r=λ/20 구 크기에 의해 포함되는 상대적으로 작은 나선 안테나이다. 따라서 크기에 있어서, 증가된 대역폭을 갖는 작은 안테나가 요구될 수 있다.
정규 안테나는 선과 원 형상으로, 다이폴과 루프 안테나를 포함한다. 그들은 예를 들어, 발산과 컬 기능을 구현하도록 전류를 변환하고 회전한다. 다양한 코일은 다이폴과 루프의 하이브리드를 형성할 수 있다. 안테나는 형태에서 선, 평면, 또는 볼륨메트릭일 수 있고, 예를 들어, 그들은 거의 1, 2, 또는 3 차원일 수 있다. 안테나 크기화를 위한 최적 엔빌로프는 두 개의 포인트 사이의 상대적으로 짧은 거리의 증가된 최적화, 원주에 대해 증가된 영역, 및 감소된 표면에 대해 증가된 볼륨을 각각 제공할 수 있는, 선, 원, 및 구와 같은 유클리드 기하학적 구조일 수 있다. 이러한 크기에서 가장 큰 방사 대역폭을 제공하는 안테나를 아는 것이 요구될 수 있다. 광대역의 전기적으로 큰(r>λ/2π) 안테나, 예를 들어, 나선형 안테나는 더 낮은 컷오프 위의 이론적으로 제한되지 않는 대역폭을 갖는 하이 패스 응답을 제공할 수 있다. 그러나 전기적으로 작은 크기(r<λ/2π)에서, 나선형은 매우 제한된 대역폭을 갖는 이차, 밴드패스 형태의 응답만을 제공할 수 있다.
평면 안테나는 제조 및 제품 통합의 용이함으로 인해 점점 더 가치있을 수 있다. 기본 평면 다이폴은 금속 디스크 상에 흐르는 방사 전류에 의해 형성될 수 있다("원형 회절 안테나의 이론," 에이. 에이. 피스톨코르스, 라디오 엔지니어 협회 의사록, 1948년 1월, 56-60쪽). 피딩을 위해 원형 및 선형 노치가 요구될 수 있다. 와이어의 원은 동일한 방사 패턴을 줄 수 있고, 그것은 구동의 용이함을 위해 바람직할 수 있다. 와이어 루프 안테나의 대역폭을 연장하는 부재가 요구될 수 있다. 전파 팽창은 광속으로 발생한다. 광속이 감소된다면, 안테나 크기 역시 감소될 수 있다.
보스하드(Bosshard) 등에 대한 미국 특허 출원 공개 제2009/0212774호는 자기 공명 장치를 위한 안테나 배열을 개시한다. 특히, 안테나 배열은 행렬(즉, 열과 행) 구성으로 배열된 적어도 네 개의 개별적으로 작동가능한 안테나 전도체 루프를 포함한다. 열 또는 행에 인접한 두 개의 안테나 전도체 루프는 서로로부터 유도에 의해 결합해제되는 반면에, 서로 대각선으로 인접한 두 개의 안테나 루프는 서로로부터 용량적으로 결합해제된다.
레이코우시(Reykowsi)에 대한 미국 특허 출원 공개 제2009/0009414호는 안테나 어레이를 개시한다. 안테나 어레이는 서로 옆에 배열된 다중의 개별적인 안테나를 포함한다. 개별적인 안테나는 각각의 전도체 루프에 삽입된 커패시터를 갖는 라디오-주파수 폐쇄된 전도체 루프 내에 배열된다.
비버(Biber) 등에 대한 미국 특허 출원 공개 제2010/0121180호는 자기 공명 디바이스에 대한 헤드 코일을 개시한다. 다수의 안테나 부재가 지지 몸체에 의해 적재된다. 지지 몸체는 구형 마개로서 형상화된 단부 섹션을 가진다. 버터플라이 안테나는 섹션의 단부에 장착되고, 버터플라이 안테나와 중첩하는 적어도 하나의 그룹 안테나에 의해 환형으로 둘러싸인다. 그러나, 이러한 접근 중 어느 것도 다대역 주파수 작동을 갖는 한편, 크기가 작고, 영역에 대해 원하는 이득을 갖는 안테나를 제공하는 것에 초점을 두지 않는다.
그러므로, 앞서 언급한 배경의 관점에서, 상대적으로 작은 크기 다대역 안테나를 제공하는 것이 본 발명의 목적이다.
본 발명에 따른 이러한 그리고 다른 목적, 특징, 및 이점이 하우징 및 하우징에 의해 적재되는 무선 통신 회로를 포함하는 무선 통신 디바이스에 의해 제공된다. 무선 통신 디바이스는 또한 예를 들어, 하우징에 의해 적재되고 무선 통신 회로에 결합되는 안테나 조립체를 포함한다.
안테나 조립체는 기판, 및 기판에 의해 적재되고 사이드-바이-사이드 관계로 배열된 복수의 수동 루프 안테나를 포함한다. 복수의 수동 루프 안테나 각각은 예를 들어, 수동 루프 전도체 및 그것에 결합된 튜닝 부재를 포함한다.
안테나 조립체는 또한 기판에 의해 적재되고 복수의 수동 루프 안테나 각각과 적어도 부분적으로 같은 공간을 차지하도록 배열된 능동 루프 안테나를 포함한다. 능동 루프 안테나는 예를 들어, 능동 루프 전도체 및 그 안에 규정된 한 쌍의 피드포인트를 포함한다. 따라서, 안테나 조립체는 예를 들어, 다대역 주파수 작동을 제공하고, 영역에 대해 증가된 이득을 제공하는 것에 의해, 상대적으로 감소된 크기를 갖는 한편, 성능을 유지한다.
복수의 수동 루프 안테나 각각은 각각의 이웃하는 수동 안테나에 인접한 각각의 직선 측면을 가질 수 있다. 복수의 수동 루프 안테나 각각은 예를 들어, 다각형 형상을 가질 수 있다. 다각형 형상은 사각형 형상, 육각형 형상, 및 삼각형 형상 중 하나일 수 있다. 복수의 수동 루프 안테나 각각은 동일한 크기와 형상을 가질 수 있다.
능동 루프 안테나는 예를 들어, 원 형상을 가질 수 있다. 복수의 수동 루프 안테나는 중심점을 규정할 수 있다. 능동 루프 안테나는 예를 들어 중심점을 갖는 동심원일 수 있다.
튜닝 부재 각각은 예를 들어, 커패시터를 포함할 수 있다. 복수의 수동 루프 안테나는 기판의 제 1 측면 상에 위치될 수 있고 능동 루프 안테나는 예를 들어, 기판의 제 2 측면 상에 위치된다. 수동 루프 전도체 각각과 능동 루프 전도체는 절연선을 포함한다.
방법의 일 측면은 하우징에 의해 적재되고 무선 통신 회로에 결합되는 안테나 조립체를 구성하는 방법에 관한 것이다. 그 방법은 사이드-바이-사이드 관계로 기판에 의해 적재되는 복수의 수동 루프 안테나를 위치시키는 단계를 포함한다. 복수의 수동 루프 안테나 각각은 예를 들어, 수동 루프 전도체 및 그것에 결합된 튜닝 부재를 포함한다. 방법은 또한 기판에 의해 적재되고 복수의 수동 루프 안테나 각각과 적어도 부분적으로 같은 공간을 차지하는 능동 루프 안테나를 위치시키는 단계를 포함한다. 능동 루프 안테나는 예를 들어, 능동 루프 전도체 및 그 안에 규정된 한 쌍의 피드포인트를 포함한다.
따라서, 본 발명의 안테나 조립체의 실시예와 유사한 루프 안테나는 상대적으로 낮은 손실 및 상대적으로 저렴한 커패시터를 사용하여 크기 감소, 로딩, 및 튜닝을 달성할 수 있기 때문에 다이폴 안테나보다 바람직할 수 있다. 루프 안테나는 또한 한정된 또는 감소된 추가적인 부품으로 인덕터 및 변압기 권선을 제공한다. 따라서, 본 발명의 실시예는 안테나 인덕터, 매칭 변압기, 및 발룬이 안테나 구조에 일체화되는 복합 설계를 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 안테나 조립체를 포함하는 모바일 통신 디바이스의 도식화된 다이어그램이다.
도 2는 본 발명에 따른 프로토타입 안테나 조립체의 측정된 주파수 응답의 그래프이다.
도 3a-3d는 도 1의 안테나 조립체에 관한 방사 패턴 그래프이다.
도 4는 본 발명에 따른 육각형 수동 루프 안테나에 대한 크기와 주파수 사이의 관계를 도시하는 그래프이다.
도 5는 도 1의 안테나 조립체의 회로 등가물의 도식화된 다이어그램이다.
도 6은 본 발명에 따른 안테나 조립체의 또 다른 실시예의 도식화된 다이어그램이다.
도 7은 본 발명에 따른 안테나 조립체의 더 또 다른 실시예의 도식화된 다이어그램이다.
도 8은 본 발명에 따른 안테나 조립체의 체비쉐브(Chebyschev) 실시예에 대한 이득 응답 대 주파수의 그래프이다.
도 9는 본 발명에 따른 안테나 조립체에 대해 측정된 품질 계수의 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 해석되어서는 안 된다. 그보다는, 이들 실시예는 본 개시가 완전해지고 완성되도록 제공되며, 해당 기술 분야의 당업자에게 본 발명의 범위를 완전하게 전달할 것이다. 동일한 번호는 전체에 걸쳐 동일한 부재를 말하고, 프라임 및 멀티플 기호는 대안적인 실시예에서 유사한 부재를 나타내도록 사용된다.
도 1에 대해 최초로 언급하면서, 무선 통신 디바이스(10)는 하우징(11) 및 하우징에 의해 적재되는 무선 통신 회로(12)를 포함한다. 무선 통신 회로(12)는 예를 들어, 셀룰러 통신 회로 또는 무선 측위(radiolocation) 태그 회로일 수 있고, 음성 및/또는 데이터를 전달하도록 구성될 수 있다. 무선 회로(12)는 복수의 주파수 대역, 예를 들어, 셀룰러, WiFi, 및 글로벌 위치확인 시스템(GPS; global positioning system) 대역에 걸쳐 통신하도록 구성될 수 있다. 물론, 무선 통신 회로(12)는 다른 주파수 대역에 걸쳐 통신하도록 구성될 수 있다. 다른 회로, 예를 들어, 제어기(13)는 하우징(11)에 의해 적재되고 무선 통신 회로(12)에 결합될 수 있다. 부가적으로, 무선 통신 디바이스(10)는 제어기(13) 및/또는 무선 통신 회로(12)에 결합되는, 입력 디바이스(미도시), 예를 들어, 입력 키, 및/또는 마이크로폰과 출력 디바이스(미도시), 예를 들어, 디스플레이 및/또는 스피커를 포함할 수 있다.
무선 통신 디바이스(10)는 또한 하우징(11)에 의해 적재되고 무선 통신 회로(12)에 결합되는 안테나 조립체(20)를 포함한다. 안테나 조립체(20)는 기판(21)을 설명적으로 포함한다. 기판(21)은 예를 들어, 인쇄 회로 보드 기판일 수 있고, 해당 기술분야의 당업자에 의해 인지될 수 있는 바와 같이, 다른 부품을 적재할 수 있다. 안테나 조립체(20)는 또한 기판(21)에 의해 적재되는 세 개의 동일-크기로된 6각형 형상의 수동 루프 안테나(22a-22c)를 포함한다. 수동 루프 안테나(22a-22c)는 사이드-바이-사이드 관계(나란히)로 배열된다. 도시된 실시예에서, 세 개의 수동 루프 안테나(22a-22c) 각각은 각각의 이웃하는 수동 안테나에 인접한 각각의 직선 측면을 가진다. 바람직한 실시예에서, 예를 들어, 수동 루프 안테나(22a-22c) 각각은 작동 주파수에서 0.5 파장 또는 그보다 작은 원주를 가진다, 예를 들어, 수동 방사 루프 안테나는 자연적으로 공진하거나 전기적으로는 파장에 비해 상대적으로 작다.
해당 기술분야의 당업자에 의해 인지될 수 있는 바와 같이, 6각형 수동 루프 안테(22a-22c) 각각은 개별적인 안테나 부재로 간주될 수 있고 그래서 결합된 전기적 특성은 루프 안테나 어레이처럼 작동한다. 수동 루프 안테나(22a-22c)의 6각형 형상은 공간의 사용에 증가된 효율성을 유리하게 제공하는 허니컴 격자를 생성한다. 폴리에드라를 채우는 공간의 6각형 타일링은 하우징(21)이 크기에서 상대적으로 한정되는 휴대용 무선 통신 디바이스에서 특히 유리할 수 있다. 수동 루프 안테나의 6각형 형상은 증가된 효율성 이득 및 감소된 전체 크기에 있어서 감소된 전도체 손실에서 증가된 방사 저항을 전개한다.
수동 루프 안테나(22a-22c) 각각은 수동 루프 전도체(27a-27c) 및 그것에 결합된 튜닝 부재(28)를 포함한다. 해당 기술분야의 당업자에 의해 인지될 수 있는 바와 같이, 튜닝 부재(28)는 그것의 크기가 아닌, 특정 수동 루프 안테나(22)의 주파수 대역을 결정한다. 대신에, 각각의 수동 루프 안테나(22)의 크기는 각각의 수동 루프 안테나에 대응하는 주파수 대역에서 안테나 조립체(20)의 이득에 관련된다.
각각의 수동 루프 안테나(22)는 또한 수동 루프 전도체(27)를 둘러싸는 유전체 절연층(29)을 포함한다. 달리 말해서, 각각의 수동 루프 안테나(22)는 절연된 와이어일 수 있다. 튜닝 부재(28)는 설명적으로 커패시터이고 수동 루프 전도체(27)와 인라인 결합된다. 물론, 튜닝 부재(28)는 부품의 또 다른 유형, 예를 들어, 인덕터일 수 있고, 인라인 결합되지 않을 수 있으며, 예를 들어, 페라이트 비드(ferrite bead)가 수동 루프 전도체(27)와 유전체 절연층(29)을 대신에 둘러쌀 수 있다. 튜닝 부재(28)가 예를 들어, 커패시터일 때, 수동 루프 안테나(22a-22c)는 더 작은 물리적 크기 및/또는 낮은 주파수에서 작동하도록 전기적으로 로드된다. 따라서, 튜닝 부재(28), 또는 커패시터는 크기를 감소시킨다.
해당 기술분야의 당업자에 의해 인지될 수 있는 바와 같이, 능동 루프 안테나(23)는 유도 결합에 의해 수동 루프 안테나(22a-22c)와 협력하고 그래서 수동 루프 안테나는 세 개의 독립적인 튜너블 안테나로서 작동한다. 수동 루프 안테나(22a-22c) 각각의 독립적인 튜닝은 튜닝 부재(28) 각각의 값, 특히, 커패시턴스를 선택하거나 변경하는 것에 의해 달성된다.
안테나 조립체(20)는 또한 기판(21)에 의해 적재되는 능동 루프 안테나(23)를 포함한다. 능동 루프 안테나(23)는 원형 형상을 설명적으로 가지며 복수의 수동 루프 안테나(22a-22c) 각각과 부분적으로 같은 공간을 차지한다. 달리 말해서, 능동 루프 안테나(23)와 수동 루프 안테나(22a-22c)의 영역은 서로 터치하지 않고 중첩할 수 있다. 능동 루프 안테나는 능동 루프 전도체(25) 및 그 안에 규정된 한 쌍의 피드포인트(26a, 26b)를 포함한다. 능동 루프 안테나(23)는 또한 능동 루프 전도체(25)를 둘러싸는 절연층(36)을 포함할 수 있다. 달리 말해서, 능동 루프 안테나(23)는 또한 절연된 와이어일 수 있다. 각각의 절연층은 회로를 단락시키지 않도록 수동 루프 안테나(22a-22c)와 능동 루프 안테나(23) 사이에 유전체 간격을 유리하게 제공한다.
설명적으로, 수동 루프 안테나(22a-22c)의 사이드-바이-사이드 관계는 중심점(24)를 규정하고, 능동 루프 안테나(23)는 설명적으로 중심점과 동심이다. 물론, 능동 루프 안테나(23)는 다른 실시예에서 중심점(24)과 동심이 아닐 수 있다. 해당 기술분야의 당업자에 의해 인지될 수 있는 바와 같이, 오프셋 양의 조절은 수동 루프 안테나(22a-22c) 각각에 결합된 파워의 양에 영향을 미칠 수 있다.
피드 전도체(31) 또는 케이블은 안테나 조립체(20)를 피드포인트(26a, 26b)를 통해 무선 통신 회로(12)에 결합시킬 수 있다. 피드 전도체(31)는 예를 들어, 동축 케이블일 수 있고, 피드포인트(26a, 26b) 중 하나에 결합된 중심 전도체(32) 및 피드포인트 중 다른 하나에 결합되고, 유전체층(33)에 의해 내부 전도체로부터 분리되는 외부 전도체(34)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 절연된 와이어의 꼬임쌍선과 같은, 케이블 또는 전도체의 다른 유형이 사용될 수 있다. 일부 예에서, 피드 케이블(31)은 그 자체로 안테나가 될 수 있다. 유리하게, 능동 루프 안테나(23)는 의도하지 않게 안테나가 되는 피드 케이블(31)의 효과를 감소시키도록 발룬을 제공할 수 있다. 이것은 수동 루프 안테나(22a-22c)가 피드 케이블(31)에 대해 직류(DC) 연결을 갖지 않기 때문이다(즉, 통전 접촉이 없고, 그보다는 유도 결합이 있다). 능동 루프 안테나(23)는 또한 예를 들어, 동축 피드라인 상의 공통 모드 전류를 감소시키도록 발룬 또는 "절연 변압기(isolation transformer)"로서 기능할 수 있다.
이제 도 2에 대해 언급하면서, 도 1에 도시된 바와 같은 안테나 조립체(20)와 유사한 다대역 프로토타입 안테나 조립체의 측정된 주파수 응답, 또는 전압 정재파 비에 관한 그래프(50)가 도시된다. 프로토타입 안테나 조립체는 세 개의 6각형 수동 루프 안테나 및 원형 능동 루프 안테나를 포함했다. 제 1 커패시터는 30 피코패럿의 값을 가졌고, 제 2 커패시터는 10 피코패럿이었고, 제 3 커패시터는 20 피코패럿이었다. 따라서, 각각의 수동 루프 안테나 루프는 다른 값의 튜닝 커패시터를 가졌다. 그래프(50)는 각각의 커패시터의 값에 기반해서 독립적으로 구현되는, 약 86 MHz, 106 MHz, 및 144 MHz 각각에서 세 개의 대역(51a, 51b, 51c)을 설명적으로 포함한다. 다대역 프로토타입의 요약은 다음과 같다:
Figure 112013091462831-pct00001
예를 들어, 개별적인 전기적으로 작은 안테나는 2차 주파수 응답을 가질 수 있다. 따라서, 그러한 안테나는 상대적으로 좁을 수 있는 단일 주파수 대역을 커버할 수 있다. 그러나 안테나 조립체(20)는, 세 개의 주파수 대역 각각이 개별적으로 각각 주파수 대역에 대해 단일 확대된 또는 넓은 주파수 대역을 형성하도록 결합될 수 있도록 튜닝될 수 있다. 더 구체적으로, 각각의 6각형 형상의 수동 루프 안테나(22a-22c)의 공진은 특정 리플에 증가된 대역폭을 제공하도록 체비쉐브 다항식에 따라서 조절될 수 있다. 예를 들어, 수동 루프 안테나 각각은 n차 체비쉐브 다항식의 영으로 스태거 튜닝될 수 있다. 예를 들어, 두 개의 수동 루프 안테나는 2개의 리플 피크를 갖는 4차 체비쉐브 응답 및 단일 수동 루프 안테나의 약 4배의 대역폭을 제공할 수 있다.
더 구체적으로, 예를 들어, 단일 6각형 형상 수동 루프 안테나를 갖는 안테나 조립체는 ax 2 + bx +c=0에 따른 2차 응답을 가진다. 예를 들어, 단일 6각형 형상 수동 루프 안테나가 0.12λ의 직경을 가진다면, 6:1 전압 정재파 비(VSWR) 대역폭은 약 1.52%이다. 예를 들어, 두 개의 6각형 형상 수동 루프 안테나를 갖는, 본 발명에 따른 안테나 조립체는:
Figure 112013091462831-pct00002
에 따른 체비쉐브 다항식 응답을 갖고, 여기서:
T n = n 차의 체비쉐브 다항식
x= 각 주파수 = 2πf
따라서, 각각의 6각형 형상 수동 루프 안테나 역시 0.12λ의 직경을 가진다면, 대역폭은 약 4 x 1.52% 또는 6.1%이다. 체비쉐브 다항식의 리플 주파수는 차수 n과 함께 일반적으로 증가하고 그래서 리플 진폭이 일정하게 유지될 때, 수확체감이 순차 n을 증가시키는 것과 함께 발생한다. 해당 기술분야의 당업자에 의해 인지될 수 있는 바와 같이, 예를 들어, 무한 수의 수동 루프 안테나는 단일 방사 루프 안테나보다 3π까지 더 많은 순시 대역폭을 제공할 수 있다. 테스팅은 두 개의 수동 루프 안테나가 단일 수동 루프 안테나의 4배의 대역폭을 제공한다는 것을 나타낸다. 따라서, 본 발명의 실시예는 감소된 크기 및 증가된 순시 대역폭에 있어서 다목적 튜닝을 갖는 루프 안테나 어레이를 유리하게 제공한다. 본 발명의 실시예는 인덕터 및/또는 커패시터의 래더 네트워크 없이, 예를 들어, 수동 부품의 외부 집중 부재 네트워크보다는 방사 구조를 통한 다목적 튜닝을 유리하게 제공한다. 이제 도 3a-3d, 및 도 4의 그래프(61, 62, 63, 64, 65)에 대해 언급하면서, 안테나 조립체(20)의 방사 패턴은 일반적으로 토로이달이다. 그래프(61)는 직교 좌표계에서 안테나 조립체(20)의 평면을 도시한다. 해당 기술분야의 당업자에 의해 인지될 수 있는 바와 같이, 안테나 조립체(20)의 평면은 XY 평면에 놓인다. 그래프(62)는 안테나 조립체(20)의 XY 평면 방사 패턴 컷이 원형이고 전방향임을 도시한다.
유사하게, 그래프(63, 64) 각각은 YZ과 ZX 평면에서 방사 패턴 컷의 형상이 함수 cos2θ를 갖는 두 개의 꽃잎을 가진 장미의 형상임을 도시한다. 방사 패턴은 더 작은 루프 크기에서 균일한 루프 주위의 전류 분포의 푸리에 변환이다. ½ 파 다이폴이 수직으로 편파되고 안테나 조립체(20)가 수평으로 편파됨에도, 안테나 조립체(20) 방사 패턴 형상은 그래프(61) Z축을 따라 지향된 정준 ½ 파 와이어 다이폴과 유사하다. 수평 편파는 예를 들어, 대류권 반사에 의한 장 범위 전파에서 돕기에 특히 유리할 수 있다. 게다가, 안테나 조립체(20)는 안테나 평면 옆으로 방사 패턴 널을 갖고, 방사 패턴 로브는 안테나 평면에 있다. YZ 및 ZX 패턴 컷에서 안테나 조립체(20)의 반전력 빔폭은 약 82도이다. 지향성은 1.5이다. 해당 기술분야의 당업자에 의해 인지될 수 있는 바와 같이, 예를 들어, 미스매치 손실이 영일 때, 구현된 이득 및 방사 패턴은:
구현된 이득 = 10 log 10 (η D cos 2 θ)
에 따라서 계산될 수 있고, 여기서:
η = 안테나 조립체(20)의 방사 효율성
D = 안테나 지향성 = 안테나 조립체(20)에 있어서 1.5
Θ = 안테나 조립체의 평면에 대한 법선으로부터 측정된 앙각
20.(안테나 평면에 대한 법선 θ=0 0 및 안테나 조립체 평면에서 θ=90 0 )
실제에서, 상대적으로 낮은 손실 튜닝 커패시터와 함께, 방사 효율성 η는 대개 수동 루프 안테나 전도체 손실 저항 Rl과 관련한 수동 루프 안테나(22a-22c) 방사 저항 Rr의 함수이고 그래서 방사 효율성은:
방사 효율성 η = R R /( R r + R l )
로서 계산될 수 있고 구현된 이득은:
구현된 이득 = 1.76-10 log 10 ( R r /( R r + R l ) dBil
로서 계산될 수 있다.
도 4의 그래프(65)는 단일 6각형 수동 루프 안테나에 있어서 크기, 구현된 이득, 및 주파수 사이의 일반적인 관계(계산됨)를 도시한다. 도 4의 그래프(65)는 또한 안테나 조립체의 실시예에 의해 제공된 일반적인 구현된 이득을 도시한다. 그래프(65)에 대응하는 안테나 조립체는 도 1의 안테나 조립체(20)와 유사한 단일 수동 루프 안테나이고, 구리이며 3 RF 표면 깊이 두께보다 더 크다. 안테나 조립체는 예를 들어, 방사 패턴 피크 이득을 사용하는 것에 의해, 튜닝되고 매치되며, 편파는 동일-편파된다. 튜닝 부재는 품질 계수 Q=1000을 갖는 커패시터이고, 수동 루프 안테나 선폭은 수동 루프 안테나 외부 직경에서 약 0.15이다. 설명적으로, 선(66, 67, 68, 및 69)은 각각, 구현된 이득 +1.5, 0.0, -10.0, 및 -20.0 dBil에 대응한다. 해당 기술분야의 당업자에 의해 인지될 수 있는 바와 같이, 본 실시예는 안테나 크기와 구현된 이득 사이의 트레이드오프를 유리하게 허용하고 크기에 대해 증가된 효율성을 제공한다.
도 1의 안테나 조립체(20)와 유사한 프로토타입 안테나 조립체의 테스트에서, 안테나 조립체는 글로벌 위치확인 시스템 (GPS) 위성을 사용하는 무선 측위 목적을 위해 사용되었다. 안테나 조립체는 상대적으로 높은 GPS 위성군의 능력을 제공했고 그래서 많은 위성이 즉시 수신될 수 있었다. 프로토타입 안테나 조립체 GPS 수신에 관한 성능 요약은 다음과 같다:
Figure 112013091462831-pct00003
GPS 프로토타입은 감소된 딥 크로스 감지 원형 편파 페이드의 작동 이점을 가졌다. 오른쪽 원형으로 편파된 마이크로스트립 패치 안테나는 반전될 때, 왼쪽 원형으로 편파되는 경향이 있어서, GPS 수신에서 딥 페이드를 생성할 수 있다. 따라서, 무선 통신 회로가 안테나 조립체와 함께, 예를 들어, GPS 무선 측위 태그를 포함할 때, 안테나 조립체는 예를 들어, 원형 편파를 갖는 마이크로스트립 패치 안테나보다 증가된 신뢰도의 수신 및 더 높은 이득을 제공했다. GPS 무선 측위 디바이스에서, 안테나는 일반적으로 조준되지 않고 지향되지 않는다. 실제로, 본 발명의 실시예에서, 수동 루프 안테나의 원주가 ½ 파장에 접근할 때, 방사 패턴은 거의 구형이 되고 등방성이 된다.
이제 도 5에 대해 추가적으로 언급하면서, 안테나 조립체(20)의 회로 등가 모델은 다중 2차 권선을 갖는 변압기로서 간주될 수 있고, 그래서 예를 들어, 전력 분배기가 구현된다. 신호 발생기 S는 무선 통신 회로(12)에 대응한다. 해당 기술분야의 당업자에 의해 인지될 수 있는 바와 같이, 능동 루프 안테나(23)는 1차 권선 L에 대응하는 반면에, 세 개의 6각형 수동 루프 안테나(22a-22c)는 각각의 2차 k1, k2, k3에 대응한다. 전력은 세 개의 6각형 수동 루프 안테나(22a-22c)에 의해 규정된 중심점(24)과 동심인 능동 루프 안테나(23)에 의해, 세 개의 방향으로 동일하게 분배될 수 있다. 능동 루프 안테나(23)에 걸쳐 세 개의 6각형 수동 루프 안테나(22a-22c)의 같은 공간을 차지하는 양의 조절은 다중 턴 권선을 갖는 통상의 변압기의 "턴 비율(turns ratio)"의 조절과 등가이다.
도시된 대응하는 회로 도식화된 다이어그램에서, 등가 튜닝 부재는 커패시터 C1, C2, C3이다. 도시된 레지스터 Rr1, Rr2, Rr3는 방사 저항에 대응한다. 달리 말해서, 이것은 전도체 그 자체, 예를 들어, 구리 전도체에 의해 제공되는 저항이다. R11, R12, R13은 줄 효과 가열로부터의 전도체 저항 손실에 대응한다. 해당 기술분야의 당업자에 의해 인지될 수 있는 바와 같이, 안테나 조립체(20)가 너무 작다면, R1은 증가하고, 성능은 잠재적으로 허용할 수 없는 수준으로 감소할 수 있다. R1은 일반적으로 안테나 효율성의 지배적인 결정요인이다. 사실, 튜닝 커패시터 등가 직렬 저항(ESR) 손실은 종종 무시될 수 있다. 그러므로 개별적인 수동 루프 안테나의 방사 효율성 η은:
Figure 112013091462831-pct00004
에 의해 대략적으로 있을 수 있고 구현된 이득은:
Figure 112013091462831-pct00005
에 의해 대략화될 수 있다.
배경에서와 같이, 금속 전도체의 손실 저항은 일반적으로 실온의 전기적으로 작은 안테나의 효율성 및 이득에 대한 근본적인 제한이다. 전기적으로 작을 때, 개별적인 수동 루프 안테나의 지향성은 1.76 dB이다. 이러한 지향성의 값은 수동 루프 안테나의 수와 함께 현저하게 증가하거나 감소하지 않는다. 전형적인 실제에서, 능동 루프 안테나는 50 옴의 저항을 제공하도록 조절될 수 있고, 능동 루프의 금속 전도체 손실은 무시될 수 있다.
수동 루프 안테나는 루프 구조가 중첩하지 않을 때, 일반적으로 서로 현저하게 결합하지 않는다(예를 들어, 상호 결합은 이러한 환경에서 약 -15 dB보다 작다). 수동 루프 안테나의 중첩은 원하는 대로 상호 결합을 변경할 수 있다. 상호 결합의 차수는 체비쉐브 응답 사이의 간격을 조절한다. 따라서, 본 발명의 특징은 구동 저항(능동 루프 직경), 리액턴스(튜닝 커패시터), 주파수(튜닝 부재 값), 부재 상호 결합(수동 루프 안테나 사이의 간격), 크기(튜닝 부재는 로딩을 제공한다), 이득(수동 루프 안테나 직경), 및 대역폭(수동 루프 안테나(22)의 수는 주파수 응답 리플을 조절한다)의 제어를 허용한다.
이제 도 6에 대해 언급하면서, 안테나 조립체(20')의 또 다른 실시예는 각각이 사각형 형상을 갖고 기판(21')의 제 1 측면(37')에 의해 적재되는 네 개의 수동 루프 안테나(22a'-22d')를 설명적으로 포함한다. 네 개의 수동 루프 안테나(22a'-22d')는 사이드-바이-사이드 관계로 설명적으로 배열되고 사각형 수동 루프 안테나 각각의 모서리에 대응하는 중심점(24')을 규정한다. 기판(21')의 제 2 측면(38') 또는 수동 루프 안테나(22')로부터의 반대편 측면 상에 적재되는, 능동 루프 안테나(23')는 네 개의 사각형 형상 수동 루프 안테나(22a'-22d') 각각과 부분적으로 같은 공간을 차지한다. 네 개의 사각형 수동 루프 안테나(22a'-22d') 각각은 각각의 튜닝 부재(28a'-28d'), 또는 각 수동 루프 전도체(27a'-27d')에 결합된 커패시터를 포함한다. 해당 기술분야의 당업자에 의해 인지될 수 있는 바와 같이, 네 개의 수동 루프 안테나(22a'-22d') 각각은 각각의 커패시터(28a'-28d')에 의해 결정된 주파수 대역에 대응한다.
이제 도 7에 대해 언급하면서, 안테나 조립체(20”)의 더 또 다른 실시예는 각각이 삼각형 또는 파이 형상을 갖는 여덟 개의 수동 루프 안테나(22a”-22h”)를 설명적으로 포함한다. 여덟 개의 수동 루프 안테나(22a”-22h”)는 사이드-바이-사이드 관계로 설명적으로 배열되고 삼각형 수동 루프 안테나 각각의 포인트에 대응하는 중심점(24”)을 규정한다. 능동 루프 안테나(23”)는 여덟 개의 삼각형 형상 수동 루프 안테나(22a”-22h”) 각각과 부분적으로 같은 공간을 차지한다. 여덟 개의 삼각형 수동 루프 안테나(22a”-22”) 각각은 각각의 수동 루프 전도체(27a”-27h")에 결합된, 각각의 튜닝 부재(28a'-28d'), 또는 커패시터를 포함한다. 해당 기술분야의 당업자에 의해 인지될 수 있는 바와 같이, 여덟 개의 수동 루프 안테나(27a”-27h”) 각각은 각각의 커패시터(28a”-28h”)에 의해 결정된 주파수 대역에 대응한다.
여기에 설명된 각각의 수동 루프 안테나(22)는 설명적으로 동일한 크기 형상이고, 수동 루프 안테나는 임의의 다각형 형상을 가질 수 있다. 부가적으로, 일부 실시예에서, 수동 루프 안테나(22) 각각은 동일한 크기가 아닐 수 있다.
방법적 측면은 하우징(11)에 의해 적재되고 무선 통신 회로(12)에 결합되는 안테나 조립체(20)를 구성하는 방법에 관한 것이다. 방법은 사이드-바이-사이드 관계로 기판(21)에 의해 적재되도록 복수의 수동 루프 안테나(22)를 위치시키는 단계를 포함한다. 수동 루프 안테나(22) 각각은 수동 루프 전도체(27)와 그것에 결합된 튜닝 부재(28)를 포함한다. 방법은 또한 기판(21)에 의해 적재되도록 그리고 수동 루프 안테나(22) 각각과 적어도 부분적으로 같은 공간을 차지하도록 능동 루프 안테나(23)를 위치시키는 단계를 포함한다. 능동 루프 안테나(23)는 능동 루프 전도체(25) 및 그 안에 규정된 한 쌍의 피드포인트(26a, 26b)를 포함한다.
이제 도 8의 그래프(100)에 대해 언급하면서, 안테나 조립체의 더블 튜닝된/4차 체비쉐브 실시예의 이득 응답이 도시된다. 설명적으로, 두 개의 이득 피크를 갖는 리플된 통과대역(106)이 있지만, 통과 대역의 두 개의 피크는 예를 들어, 단일 계속 통과대역인 것으로 간주되고, 그래서 리플을 갖는 단일 대역 안테나가 형성된다. 통과대역(106)의 리플은 예를 들어, 증가된 대역폭을 제공하기에 특히 유리할 수 있다. 그래프(100)에 대응하는 안테나 조립체는 서로 인접한 두 개(2)의 수동 루프 안테나와 각각의 수동 루프 안테나와 중첩하는 하나(1)의 능동 루프 안테나를 포함한다. 더블 튜닝된 4차 체비쉐브 다항식 응답을 구현하기 위해, 방사 루프 안테나는 우선적으로 동일한 크기의 것이고, 그들은 유사하거나 동일한 값의 튜닝 부재 커패시터를 사용한다. 따라서, 수동 루프 안테나의 개별적인 공진 주파수는 그 자체로 동일하다. 그러나, 수동 루프 안테나가 서로 상대적으로 가까워질 때, 상호 결합은 주파수 응답에서 두 개의 이득 피크(106, 108)를 형성하게 할 수 있다. 따라서 두 개의 개별적인 수동 루프 안테나의 2차 응답은 더블 튜닝된 4차 체비쉐브 응답이 되도록 결합한다.
리플 진폭(104) 및 대역폭(106)은 서로에 대해 수동 루프 안테나의 간격을 조절하는 것에 의해 조절될 수 있다. 두 개의 수동 루프 안테나가 더 떨어질 때, 이득 피크(102) 사이의 간격은 감소되고 그래서 대역폭(106)이 감소되며, 리플 레벨 진폭(104)이 감소된다.
두 개의 수동 루프 안테나 사이의 간격이 더 가까워질 때, 이득 피크(108, 110) 사이의 간격(102)이 증가되고(응답이 벌어지고), 그래서 대역폭(106)이 증가되며, 리플 진폭(104)이 증가된다. 두 개의 수동 루프 안테나는 상대적으로 매우 큰 대역폭을 생성하도록 심지어 서로 중첩할 수 있다(그러나 서로 터치하지 않는다). 인지될 수 있는 바와 같이, 더블 튜닝된 4차 체비쉐브 실시예는 리플 레벨(104)과 대역폭(106) 사이의 넓고 계속적인 범위의 트레이드오프를 유리하게 제공한다.
두 개의 수동 루프 안테나를 사용하는 더블 튜닝된 4차 체비쉐브 실시예에서, 능동 루프 안테나의 직경은 안테나가 무선 통신 회로에 제공하는 회로 저항을 조절한다. 더 큰 직경 능동 루프는 송신기에 제공되는 저항을 증가시키고, 더 작은 직경 능동 루프는 송신기에 제공되는 저항을 감소시킨다. 50 옴 저항은, 능동 루프의 직경이 약 0.2 내지 0.5 수동 루프 안테나의 직경이었을 때, 실제로 용이하게 획득가능했다. 능동 루프 안테나의 크기는 능동 및 1 대 1 VSWR을 얻도록 조절될 수 있다. 대안적으로, 능동 루프 안테나는 두 개의 이득 피크(108, 110)에서 증가된 VSWR을 갖는 증가된 대역폭에 대해 과능동 트레이드를 제공하도록 크기에서 증가될 수 있다.
능동 루프 안테나는 주어진 주파수에 걸쳐 저항 보상을 유리하게 제공한다. 달리 말해서, 수동 루프 안테나가 더 작아짐에 따라, 그들의 방사 저항은 강하하지만, 수동 루프 안테나가 더 작아짐에 따라서 능동 루프 안테나의 결합 인자는 증가한다. 따라서, 전자기기 회로에 의해 보이는 원하는 저항은 상대적으로 넓은 대역폭에 걸쳐 일정할 수 있다. 보상 거동은 감소된 수동 루프 안테나 원주로 균일화하도록 사인곡선으로부터의 수동 루프 안테나의 전류 분포에서의 트랜지션으로 인한 것으로 생각된다. 루프 안테나는 전기적으로 작을 때 더 강한 자기의 근거리 장을 갖고 그래서 그들은 더 양호한 변압기 부속물이 된다. 수동 루프 안테나는 방사를 위한 원거리 장 안테나이고, 또한 근거리 장 안테나이다.
가장 높은 이득은 수동 루프 안테나를 형성하는 전도체가 루프 외부 직경의 0.15에 가까운 폭을 가질 때 일어난다. 따라서, 수동 루프 안테나가 1.0 인치의 외부 직경을 갖고, 각각의 수동 루프 안테나가 와이어라면, 와이어 직경이 0.15 인치일 때 가장 높은 구현된 이득이 일반적으로 발생한다. 수동 루프 안테나가 직경에서 1인치이고 인쇄 배선 기판(PWB) 선으로서 형성된다면, 선폭 역시 증가된 방사 효율성을 위해 약 0.15 인치이어야만 한다. 물론 원한다면 다른 전도체 폭이 사용될 수 있다.
전도체 손실 저항은 선폭이 너무 작을 때 효율적으로 전도하기에는 지나치게 적은 금속이 있기 때문에 증가된다. 그렇지만, 선폭이 지나치게 클 때, 근접 효과가 전도체 손실 저항을 증가시킨다. 전도체 근접 효과가 발생할 때, 전류는 루프 전도체의 내부 에지를 따라 흐르지만 모든 금속이 방사를 위해 사용되는 것은 아니다. 루프의 반대편 측면 상의 루프 전도체는 근접 효과를 일으킨다. 루프의 홀은 일반적으로 적절하게 크기조절되어야만 한다. 수동 루프 안테나를 위한 최적 루프 전도체 선폭은 실험에 의해 검증되었다.
도 9의 그래프(110)는 PWB 실시예 단일 수동 루프 안테나 대 루프 전도체 선폭의 측정된 품질 계수(Q)(111)를 도시한다. Q는 안테나 이득의 인디케이션이고 그래서 Q가 가장 높을 때 구현된 안테나 이득이 가장 높다. 외부 루프 직경은 1.0 인치였고 그것은 146.52 MHz에서 작동되었고 그래서 외부 루프 직경은 λ/84였다. 따라서, 146.52 MHz에서의 임계 능동 및 공진이 고려되고 조절되었다. PWB 구리선의 두께는 3 표면 깊이 두께보다 더 컸다. 루프 안테나 홀이 외부 직경의 90 퍼센트였을 때, 22 피코패럿 커패시터가 146.52 MHz에서 공진을 설정하도록 루프의 갭을 가로질러 연결되었다. 수동 루프 안테나 내부 홀 크기가 영이었을 때, 안테나는 효과적으로 노치된 금속 디스크였다. 그것은 디스크 림에서 노치를 가로질러 290 피코패럿 칩 커패시터를 사용했고, 공진은 다시 146.52 MHz에 있었다. 도 9의 그래프(110)로부터 도시된 바와 같이 가장 양호한 측정된 Q(111)는 225였고, 이것은 내부 홀의 직경이 루프 외부 직경의 70%이었을 때 발생했다. 루프 외부 직경은 1.0 인치였고, 루프 내부 직경은 가장 높은 Q 및 구현된 이득에서 0.7 인치로 동일했다. 그러므로 가장 양호한 구현된 이득을 위한 선폭은 (1.0-0.7)/2=0.15 루프 외부 직경이었다.
능동 루프 안테나(23)는 일반적으로 눈에 띄게 방사하지 않거나 현저한 옴 손실을 갖지 않았다. 배경으로서, 능동 루프 안테나(23)는 또한 절연 변압기 유형의 발룬을 제공한다.
테스팅은 안테나 조립체(20)의 G10 및 FR4 유형 에폭시 글래스 인쇄 회로 기판 실시예에서의 손실이 UHF에서, 예를 들어, 300 MHz와 3000 MHz 사이의 주파수에서 미미하다는 것을 나타냈다. 따라서, 대개의 상업적 회로 소재는 일반적으로 기판(21)에 적합하다. 안테나 조립체(20)는 PWB 유전체 손실을 최소화하는 방사 전기 근거리 장보다는 더 강한 방사 자기 근거리 장을 갖는 것에 의해 이러한 작동 이점을 달성한다. 부가적으로, 안테나 조립체(20) 튜닝 및 로딩은 PWB 유전체보다는 부품 커패시터에 의해 달성된다. 예를 들어, 칩 커패시터는 상대적으로 저렴하고 저 손실이며, NPO 다양성은 상대적으로 평평한 온도 계수를 가진다. 온도에 걸친 안정적인 커패시턴스는 안테나 조립체(20)가 온도에 걸쳐 작동의 상대적으로 안정적인 주파수를 가질 수 있다는 것을 의미한다. 이것은 예를 들어, 일반적인 마이크로스트립 패치 안테나에 대한 안테나 조립체(20)의 이점일 수 있다.
배경으로서, 마이크로스트립 패치 안테나는 안테나 "패치"가 PWB 유전체에서 전기 근거리 장에 집중하는 인쇄 회로 송신 라인을 형성하기 때문에 값비싸고, 저손실 제어된 유전율 소재를 요구할 수 있다. 마이크로스트립 패치 안테나 PWB 소재의 커패시턴스는 일반적으로 온도에 대해 NPO 칩 커패시터만큼 안정적이지 않다. 따라서 안테나(20)는 안정적인 튜닝을 가질 수 있고 평면일 수 있고 상대적으로 저비용으로 구성하기에 상대적으로 용이할 수 있다.
본 발명의 실시예는 다대역 작동을 유리하게 제공하고 및/또는 체비쉐브 통과대역 응답을 갖는 상대적으로 넓은 단일 대역 대역폭을 제공한다. 그러나, 안테나 조립체의 실시예는 또한 넓은 튜닝가능한 대역폭을 제공한다. 넓은 범위에 걸친 가변적인 튜닝이 예를 들어, 튜닝 부재(28)의 리액턴스를 변경하는 것에 의해 달성된다. 따라서, 튜닝 부재(28)는 예를 들어, 가변 커패시터일 수 있다. 튜닝가능한 대역폭은 상대적으로 낮은 전압 정재파 비(VSWR)를 갖는 7 대 1 주파수 범위에 걸쳐 있을 수 있다. HF 프로토타입에서, 2 대 1 아래 VSWR이 10 내지 1000 피코패럿의 범위를 갖는 진공 가변 커패시터를 사용하여 계속적인 3 내지 22 MHz 튜닝 범위에 걸쳐 구현되고, 수동 루프 안테나(22)는 18 피트의 원주를 갖는 구리 배수관의 6각형으로부터 형성되었다. 안테나 작동 주파수의 변화는 튜닝 부재(28)에서 리액턴스 변화의 제곱근이고, 그래서, 예를 들어, 작동 주파수를 두 배로 하기 위해, 튜닝 부재 커패시터 값은 원래 값의 1/22=1/4로 감소된다. 튜닝 부재(28)는 예를 들어, 전자 튜닝을 위한 버랙터 다이오드일 수 있다. 일단 수동 루프 안테나(22)의 인덕턴스가 알려지면, 튜닝 부재(28)의 원하는 값이 공통 공진 식 1/2π√LC로부터 계산될 수 있다. 수동 루프 안테나(22)의 인덕턴스는 식:
L 마이크로-헨리=0.01595[2.303 Log 10 (8D/d-2)]
을 사용하여 측정되거나 계산될 수 있고, 여기서:
D = 수동 루프 안테나의 평균 직경
d = 와이어 전도체의 직경
튜닝 부재(28)의 커패시턴스를 증가시키는 것은 안테나 조립체(20)의 작동 주파수를 낮추고, 커패시턴스를 감소시키는 것은 주파수를 상승시킨다. 원한다면 인덕터가 사용될 수 있음에도, 대개의 환경에서, 감소된 손실을 위한 튜닝 부재(28)로서 커패시터를 사용하는 것이 바람직하다. 안테나 조립체(20)에 관한 실시예와 어플리케이션은 확장된 범위를 갖는 텔레비전 및 FM 방송 수신을 위한 것이다. 이들 주파수 대역에서의 일반적인 방송은 수평 편파 부품을 포함하고, 안테나 조립체(20)는 수평 평면에서 지향될 때 수평 편파 부품에 유리하게 응답한다. 수평 편파는 대류권 굴절에 의해 수평선 위로 전파하는 것으로 알려져 있다. 따라서, 안테나 조립체(20)는 수직 ½ 파 다이폴보다 더 큰 범위를 제공할 수 있다. 안테나 조립체(20)는 수평으로 편파될 때 전방향이고, 조준은 요구되지 않을 수 있다. 수동 루프 안테나(22a-22c)는 직경이 19인치일 때 100 MHz에서 +1.0 dBil 구현된 이득을 제공할 수 있고, 따라서 실내에서 사용될 수 있다.
루프 안테나와 다이폴 안테나 사이에 많은 차이가 있을 수 있음에도, 전기적으로 작은 다이폴 안테나 및 루프 안테나는 각각 커패시터와 인덕터와 함께 더 작은 크기로 일반적으로 로드된다. 현재 기술수준에서, 그리고 실온에서, 전도체보다 더 양호한 절연체가 있고, 그래서 커패시터의 효율성 및 Q가 일반적으로 인덕터보다 훨씬 더 양호하다. 실제로, 커패시터의 품질 계수는 일반적으로 인덕터보다 10 내지 100배 더 양호하다. 따라서, 본 발명의 안테나 조립체의 실시예와 유사한 루프 안테나는 상대적으로 낮은 손실 및 상대적으로 저렴한 커패시터를 사용하여 크기 감소, 로딩, 및 튜닝을 달성할 수 있기 때문에 다이폴 안테나보다 바람직할 수 있다. 루프 안테나는 또한 한정된 또는 감소된 추가적인 부품으로 인덕터 및 변압기 권선을 제공한다. 따라서, 본 발명의 실시예는 안테나 인덕터, 매칭 변압기, 및 발룬이 안테나 구조에 일체화되는 복합 설계를 제공한다.

Claims (10)

  1. 하우징;
    상기 하우징에 의해 적재되는 무선 통신 회로; 및
    상기 하우징에 의해 적재되고 상기 무선 통신 회로에 결합되며 그리고
    기판,
    상기 기판에 의해 적재되고 사이드-바이-사이드 관계로 배열되는 복수의 수동 루프 안테나, 상기 복수의 수동 루프 안테나의 각각이 수동 루프 전도체 및 그것에 결합된 튜닝 부재를 포함하고, 상기 복수의 수동 루프 안테나의 각각은 각각의 이웃하는 수동 안테나에 인접한 각각의 직선 측면을 가지며, 작동 주파수에서 0.5 파장 또는 그보다 작은 길이를 가지고, 그리고
    상기 기판에 의해 적재되고 상기 복수의 수동 루프 안테나의 각각과 적어도 부분적으로 같은 공간을 차지하도록 배열된 능동 루프 안테나를 포함하는 안테나 조립체;를 포함하고, 상기 능동 루프 안테나는 능동 루프 전도체 및 그 안에 규정된 한 쌍의 피드포인트를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 통신 디바이스.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 복수의 수동 루프 안테나의 각각은 다각형 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 무선 통신 디바이스.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 다각형 형상은 사각형 형상, 6각형 형상, 및 삼각형 형상 중 하나인 것을 특징으로 하는 무선 통신 디바이스.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 복수의 수동 안테나 각각은 동일한 크기와 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 무선 통신 디바이스.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 능동 루프 안테나는 원형 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 무선 통신 디바이스.
  7. 하우징에 의해 적재되고 무선 통신 회로에 결합되도록 안테나 조립체를 구성하는 방법으로,
    상기 방법은:
    복수의 수동 루프 안테나를 사이드-바이-사이드 관계로 기판에 의해 적재되도록 위치시키는 단계; 상기 복수의 수동 루프 안테나의 각각이 각각의 이웃하는 수동 안테나에 인접한 각각의 직선 측면을 갖도록 위치시키고, 상기 복수의 수동 루프 안테나의 각각이 수동 루프 전도체 및 그것에 결합된 튜닝 부재를 포함하고, 상기 복수의 수동 루프 안테나의 각각은 작동 주파수에서 0.5 파장 또는 그보다 작은 길이를 가지며, 그리고
    능동 루프 안테나를 상기 기판에 의해 적재되고 상기 복수의 수동 루프 안테나의 각각과 적어도 부분적으로 같은 공간을 차지하도록 위치시키는 단계;를 포함하고, 상기 능동 루프 안테나는 능동 루프 전도체 및 그 안에 규정된 한 쌍의 피드포인트를 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나 조립체의 구성 방법.
  8. 삭제
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 복수의 수동 루프 안테나의 각각은 다각형 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 안테나 조립체의 구성 방법.
  10. 제 7항에 있어서,
    상기 능동 루프 안테나는 원형 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 안테나 조립체의 구성 방법.
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