KR101649016B1

KR101649016B1 - 듀얼 안테나, 단일 피드 시스템

Info

Publication number: KR101649016B1
Application number: KR1020137012196A
Authority: KR
Inventors: 올 재기엘스키; 사이몬 스벤센
Original assignee: 몰렉스 엘엘씨
Priority date: 2010-10-12
Filing date: 2011-10-12
Publication date: 2016-08-17
Also published as: US9246237B2; KR20130085418A; TW201222976A; WO2012051311A1; US20130187817A1; CN103250302B; TWI543448B; CN103250302A

Abstract

안테나 시스템은 저대역 주파수를 위한 저대역 안테나와 고대역 주파수를 위한 고대역 안테나를 포함한다. 저대역 안테나는 고대역 주파수에서 높은 임피던스를 갖도록 구성되는 반면, 고대역 안테나는 저대역 주파수에서 높은 임피던스를 갖도록 구성된다. 전송 라인은 양 안테나를 함께 결합하는데 사용될 수 있고, 전송 라인은 저대역 안테나와 고대역 안테나의 임피던스에 위상 지연을 추가하는데 사용되어 안테나가 설정되지 않은, 대응하는 주파수가 스미스 차트에서 무한 임피던스 지점을 향해 이동될 수 있다.

Description

듀얼 안테나, 단일 피드 시스템 {Dual Antenna, Single Feed System}

본 출원은 2012년 10월 12일에 출원된 미국 가특허출원 제61/392,181호의 우선권을 주장한다. 해당 문헌 전체가 참고문헌으로 인용된다.

본 발명은 안테나 분야에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 휴대용 기기에 사용되기에 적합한 안테나의 분야에 관한 것이다.

간접 피드 안테나를 사용하는 것은 다수의 이점들을 갖는데, 이러한 기술에 대한 논의는 2010년 9월 7일에 출원된 국제출원 제 PCT/US10/4797호에서 제공되고, 해당 출원은 그 전체가 참고문헌으로 인용된다. 도 1은 이러한 시스템을 제공하는데 사용될 수 있는 예시적인 설계를 도시한다. 저대역 안테나(30)는 결합기(coupler)(32)에 결합되는 피드(31)를 포함한다. 결합기(32)는 고대역 소자(35)에 결합하여 접지하는 단락부(37)를 갖는 고대역 소자(35)와 결합한다. 고대역 안테나(40)는, 접지를 위한 단락부(47)를 갖는 슬롯(42)에 결합되는 피드를 포함한다. 고대역 소자(45)는 슬롯(42)에 용량성으로(capacitively) 결합하고 접지를 위한 단락부(48)를 갖는다. 저대역 안테나와 고대역 안테나는 모두 적절한 부품으로 구성되어 주파수 응답을 적절하게 할 수 있다. 예를 들어, 인덕터 또는 캐패시터가 결합기와 직렬로 배치되어 저대역 안테나의 임피던스를 조절할 수 있다. 또한, 인덕터는 고대역 소자와 접지 사이에 직렬로 배치되어 고대역 안테나의 임피던스를 조절할 수 있다.

저대역 HISF 안테나의 조정되기 전의 안테나(raw antenna)를 위한 임피던스 플롯은 도 2a에 도시되고, 50 Ω으로 정합된 때는 도 2b에 도시된다. 도 2a와 도 2b에서 알 수 있는 바와 같이, 개시 값(51a)(GSM 850의 최저값이 될 수 있음)으로부터 종결 값(51b)(GSM 900의 최대값이 될 수 있음)까지 이어질 수 있는 저대역 주파수 범위(51)는, 적절한 부품들을 사용함으로써(예를 들어, 인덕터 또는 캐패시터를 피드와 결합기 사이에 추가) 스미스 차트(Smith chart)에서 원하는 위치로 이동되어, 저대역 주파수(51)에 대한 응답이, 3의 값을 가질 수 있는 정재파비(standing wave ratio, SWR) 서클(55) 내에 들어간다.

고대역 LISF 안테나의 조정되기 전의 안테나를 위한 임피던스 플롯은 도 3a에 도시되고, 50 Ω으로 정합된 때는 도 3b에 도시된다. 도 3a와 도 3b에서 알 수 있는 바와 같이, 개시 값(52a)(GSM 1800의 최저값이 될 수 있음)으로부터 종결 값(52b)[UMTS 1 (Rx)의 최대값이 될 수 있음]까지 이어질 수 있는 고대역 주파수 범위(52)는 스미스 차트에서 원하는 위치로 이동되어, 고대역 주파수(52)에 대한 응답이 SWR 서클(55) 내에 들어갈 수 있다.

도시된 시스템이 상대적으로 소형이긴 하지만, 모바일 기기를 더 작고 더 에너지 효율성 있게 하는 동시에 성능도 향상시키고자하는 요구는 통신 시스템에 있어서 증가되어 왔다. 칩 설계자들은 효율과 성능을 극대화하려는 시도로써 다수의 통신 칩 세트(chipset)를 CPU설계에 통합하고 있다. 따라서, 통신 시스템의 성능을 어떻게라도 향상시킬 수 있는 안테나 시스템을 개발하는 것은 특정 주체들에게 인정받게 될 것이다.

안테나 시스템은 저대역 주파수를 위해 구성된 저대역 안테나와 고대역 주파수를 위해 구성된 고대역 안테나를 포함한다. 저대역 안테나와 고대역 안테나는 단일 트랜시버(transceiver)에 의해 피드되고 원하는 길이가 될 수 있는 전송라인에 의해 함께 결합된다. 저대역 안테나는 고대역 주파수가 높은 임피던스를 갖도록 구성되는 한편, 고대역 안테나는 저대역 주파수가 높은 임피던스를 갖도록 구성된다. 전송라인은 저대역 안테나와 고대역 안테나의 임피던스에 위상 지연을 추가하는데 사용되어, 안테나가 설정되지 않은, 대응하는 주파수는 스미스 차트에서 무한 임피던스 지점을 향해 이동될 수 있다.

본 발명은 예시적으로 도시되고, 첨부 도면에 제한되지 않으며, 첨부 도면에서 참고 도면 부호는 유사한 구성 요소들을 표시한다.
도 1은 안테나 시스템의 실시예의 사시도를 도시한다.
도 2a는 동조(tuning) 전에 스미스 차트에서 저대역 안테나의 임피던스 플롯을 도시한다.
도 2b는 동조 후에 스미스 차트에서 저대역 안테나의 임피던스 플롯을 도시한다.
도 3a는 동조 전에 스미스 차트에서 고대역 안테나의 임피던스 플롯을 도시한다.
도 3b는 동조 후에 스미스 차트에서 고대역 안테나의 임피던스 플롯을 도시한다.
도 4a는 위상 지연이 추가된 후, 스미스 차트에서 저대역 안테나의 임피던스 플롯을 도시한다.
도 4b는 위상 지연이 추가된 후, 스미스 차트에서 고대역 안테나의 임피던스 플롯을 도시한다.
도 5는 저대역 안테나와 고대역 안테나를 결합하는 전송라인을 갖는 안테나 시스템의 실시예의 개략도를 도시한다.
도 6은 도 5에 도시된 안테나 시스템의 복소 임피던스 플롯을 도시한다.
도 7은 도 5에 도시된 안테나 시스템의 로그값 임피던스 플롯을 도시한다.
도 8은 저대역 안테나와 고대역 안테나를 결합하는 전송 라인을 갖는 안테나 시스템의 또 다른 실시예의 개략도를 도시한다.

이하 상세한 설명은 예시적인 실시예들을 기술하고, 명확하게 개시된 조합체(들)에 한정되도록 하는 것은 아니다. 따라서, 달리 기술된 바가 없다면 여기 개시된 구성들은 함께 결합되어 간결한 기재를 위해 달리 도시하지 않은 추가적인 조합들을 형성할 수도 있다.

도 2b로부터 알 수 있는 바와 같이, 저대역 주파수 범위(51)가 SWR 서클(55) 내에 위치되도록 저대역 안테나가 구성될 때, 고대역 주파수 범위(52)는 스미스 차트의 무한 임피던스 위치에 근접하게 위치된다. 마찬가지로 도 3b에서 알 수 있는 바와 같이, 고대역 주파수 범위(52)가 SWR 서클(55) 내에 위치될 때, 고대역 주파수 범위(52)는 스미스 차트의 무한 임피던스 위치에 근접하게 위치된다. 대응되는 고대역 주파수 또는 저대역 주파수가 스미스 차트의 무한 임피던스 지점에 더 근접하게 편이될 수 있도록 양 안테나를 조정하는 것이 유익할 것이다. 또는 다른 방식으로, 한 실시예에서 스미스 차트의 높은 임피던스 지점(중심 우측)에서 비공진 대역의 주파수를 가질 수 있고, 두 개의 안테나는 단순히 두 개의 50 Ω의 피드 지점을 함께 추가함으로써 단일 피드 안테나로 결합될 수 있다.

피드 기술, LISF와 HISF, 그리고 스미스 차트의 공진 대역의 위치에 대한 선택은 50 Ω으로 정합되기 전에 스미스 차트에서 높은 임피던스 지점에 최대한 가까운 비공진 대역을 갖도록 최적화되었다(도 2b, 도 3b 참조). 이어서, 도 4a와 도 4b에 도시된 바와 같이[저대역 범위(51)와 고대역 범위(52)가 타원으로 표시됨] 공진 대역이 50 Ω으로 정합된 후, 비공진 대역은 스미스 차트의 높은 임피던스 대역으로 회전될 수 있다. 회전을 위한 유용한 방법은 각각의 안테나 시스템에 위상 지연을 추가하는 것이다.

저대역을 위한 위상 지연은 2mm 길이의 50 Ω의 전송 라인으로 달성되는 반면, 고대역 위상 지연은 17mm의 전송라인으로 달성된다. 도 5에 개략적으로 도시된 바와 같이, 단순히 피드 신호에 결합하여 단일 피드 안테나를 달성하는 것이 가능하다. 결합된 안테나의 복소 임피던스는 도 6에 도시된 한편, 로그값 임피던스는 도 7에 도시된다.

두 개의 신호 경로를 결합하는데 사용되는 전송 라인의 총 길이는 19mm로 시뮬레이션될 수 있다. 그러나 19mm는 공기 중의 전송 라인을 위한 것인데(전기 길이), 모바일 기기 디자인에서는 전송 라인은 대체로 회로 기판에 설계되므로 그럴 가능성이 매우 낮다. 이와 관련하여, FR4는 회로 기판으로 사용되는 가장 통상적인 기판이며 약 4.5의 유전 상수를 갖는다. 공기 중의 19mm의 전기 길이는 전형적인 FR4 기판에서 약 9mm의 물리적 길이와 동일시된다.

도 1에 도시된 참고 안테나의 개념은 LISF의 피드와 HISF의 피드 사이에 10mm의 물리적 거리를 갖는다. 이러한 길이는 FR4에서 9mm로 예상되는 길이보다 조금 더 길다. 그러나 전송 라인의 길이가 최적이 아니더라도 허용 가능한 성능이 달성될 수 있다고 판정되었다. 특히, 비공진 대역이 자연스럽게 스미스 차트의 높은 임피던스 대역에 있고 낮은 위상 속도를 갖기 때문에, 안테나 시스템이 고대역폭을 갖는 여러 상황에서 전송라인(또는 더 긴 전송라인들)을 최소한으로 사용해도 될 것으로 예상된다.

그러나 더 높은 Q 안테나 소자를 갖는 시스템을 위해 더 정확한 전송 라인이 유익할 것이라는 것이 예상된다. 이는 이러한 안테나들이 비공진 대역에서 더 빠른 위상 속도와 감소된 임피던스 대역폭을 가지려는 경향이 있기 때문이다.

전송 라인의 상기 시스템은 표준 직접 피드 안테나에 사용될 수 있는 한편, 감소된 대역폭과 증가된 위상 속도는 훨씬 긴 전송 라인(약 4배)을 필요로 하기 쉽다. 이처럼 긴 전송 라인은 휴대용 시스템에서는 비실용적이고, 따라서 소형 시스템에서 이익을 얻는 어떠한 시스템에서도 유용하지 않다. 또한, 슬롯 피드 안테나를 사용하는 것과 비교하여 표준 직접 피드 안테나는 더 정확하고/정밀한 설계를 필요로 하고, 비공진 대역의 더 빠른 위상 속도와 더 낮은 임피던스 대역폭 때문에 대역폭 손실이 증가하는 어려움을 겪기 쉽다. 따라서, 알 수 있는 바와 같이, 표준 직접 피드 안테나를 사용하기 위해서는 다수의 원하지 않는 변경이 필요하게 된다. 이는 모두 이러한 두 개의 표준 직접 피드 안테나를 결합시키는 것을 더 어렵게 만드는 요인들이다.

단일 트랜시버가 가능한 것에 더하여, 이러한 컨셉의 또 다른 장점은, 두 개의 피드 사이의 거리가 안테나 소자의 Q에 영향을 미치지 않고 특정한 거리로 최적화 될 수 있다는 점이다. 이는, 소자 그 자체가 움직이지 않기 때문에 소자의 Q를 유지하면서 간접 피드가 서로 더 근접하게 이동할 수 있다는 점 때문에 가능하다.

슬롯 피드를 이동시키는 것은 안테나의 위상 쉬프트(phase shift)에 영향을 줄 것이고, 슬롯에서만 필요한 위상 쉬프트를 얻는 것은 불가능하고/하거나 실현할 수 없을 것이다. 그러나 회로의 별개의 병렬 캐패시터에 의해 추가적인 위상 쉬프트가 추가될 수 있다. 예를 들어, 고대역 슬롯의 위상 쉬프트가 고대역 주파수에 대해 너무 작아서 직렬 인덕터와 함께 50 Ω으로 정합될 수 없는 경우, 위상 쉬프트는 도 8에 도시된 바와 같은 캐패시터(80)를 추가함으로써 증가될 수 있다.

위상 쉬프트를 별도로 동조하는 것(discrete tuning)은 고대역 피드에서 가장 유익할 것으로 예상되나, 위상 쉬프트를 별도로 동조는하는 것은 저대역 피드에서도 사용될 수 있다. 알 수 있는 바와 같이, 도 8에 도시된 예는 별개의 캐패시터를 사용하여 매우 짧은 전기 길이를 갖는 슬롯을 동조시키는 실시예를 개시한다. 캐패시터를 인덕터로 치환함으로써, 매우 긴 전기 길이를 갖는 슬롯을 동조시키는 것이 가능하다.

여기에 제공된 개시 내용은 그 자체의 바람직하고 예시적인 실시예들의 구성들을 기술한다. 이러한 개시된 내용을 검토함으로써 첨부된 특허청구범위의 범위와 의미 내에서의 다수의 다른 실시예, 변경, 변형은 당해 기술분야의 통상의 기술자에게 자명할 것이다.

Claims

안테나 시스템으로서,
낮은 주파수 대역에서 공진하도록 구성된 제1 안테나 - 상기 제1 안테나는 제1 결합기(coupler)를 통해 간접적으로 피드됨 -,
높은 주파수 대역에서 공진하도록 구성된 제2 안테나 - 상기 제2 안테나는 제2 결합기를 통해 간접적으로 피드됨 -
를 포함하고,
제1 안테나와 제2 안테나 모두는 상기 제1 결합기와 상기 제2 결합기 모두로 연장되는 전송라인에 의해 피드되고, 제1 안테나는 고대역 주파수 입력에 높은 임피던스를 제공하도록 구성되고, 제2 안테나는 저대역 주파수 입력에 높은 임피던스를 제공하도록 구성된, 안테나 시스템.
제1항에 있어서, 상기 전송라인은 트랜시버에 결합되고, 상기 트랜시버와 제1 결합기 사이의 전송 라인을 따르는 제1 거리는 상기 트랜시버와 제2 결합기 사이의 전송라인을 따르는 제2 거리와 상이한, 안테나 시스템.
제1항에 있어서, 제2 안테나는 전기 길이를 갖는 슬롯에 결합되는 피드를 포함하고, 상기 제2 결합기는 상기 슬롯의 전기 길이를 증가시키도록 구성된 캐패시터와 결합되는, 안테나 시스템.
제1항에 있어서, 제2 안테나는 전기 길이를 갖는 슬롯에 결합되는 피드를 포함하고, 상기 제2 결합기는 상기 슬롯의 전기 길이를 감소시키도록 구성된 인덕터와 결합되는, 안테나 시스템.