KR101870556B1 - 전환 가능한 pi 형상 안테나 - Google Patents

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Abstract

말단부를 갖는 하우징, 및 모바일 디바이스(10)를 동작시키도록 구성된 하우징 내에 배치된 전자 기기(18)를 포함하는 모바일 디바이스(10). 커넥터(30)는 전자 기기(18)에 결합되고, Pi-형상 안테나(12)는 커넥터(30)를 이용하여 공진을 생성하도록 커넥터(30)에 결합된 커플링을 갖는다. Pi-형상 안테나(12) 및 커넥터(30)는 무선 신호들을 무선으로 송수신하도록 구성된다. 임피던스 정합 네트워크(14)는 전자 기기(18)의 임피던스를 Pi-형상 안테나(12)에 정합시킨다. 임피던스 정합 네트워크(14)는 전자 기기(18)에 의해 전환 가능하며, 다수의 RF 대역들에 걸쳐, 적어도 2개의 상태들에서 전자 기기(18)의 임피던스를 Pi-형상 안테나(12)에 정합시키도록 구성된다.

Description

전환 가능한 PI 형상 안테나{SWITCHABLE PI SHAPE ANTENNA}
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2014년 5월 9일자로 출원되고 "전환 가능한 PI 형상 안테나"라는 제목의 미국 비-가 특허 출원 제14274474호의 우선권을 주장하며, 이는 본원에 전체로서 재현된 것처럼 참조에 의해 통합된다.
이 개시내용은 안테나들에 관한 것으로, 보다 상세하게는 대중적인 대역들을 커버하기 위해 스마트 폰들을 포함하는 고급 이동 디바이스들에 사용되는 로우 프로파일 안테나에 관한 것이다.
스마트 폰들을 포함한 무선 모바일 디바이스들은 원하는 제품 폼 팩터들을 충족시키기 위해 로우 프로파일 안테나를 필요로 한다. 이러한 디바이스들의 사용 가능한 내부 치수(ID)는 다른 컴포넌트 레이아웃 설계를 포함하여, 많은 요인들로 인해 제한된다.
기존의 T-형 안테나는 일반적으로 스마트 폰들에 사용되며, T-형 안테나는 디바이스 하우징에 제공된 USB 커넥터없이 3 세대(3G) 대역들을 커버하는 데 적합하다. 4 세대(4G) 롱 텀 에볼루션(LTE) 디바이스에서, 더 대중적인 대역들은 704-960MHz(LTE B17, B20, G850, G900) 및 1710-2170MHz(DCS, PCS, AWS) 내지 2500-2690MHz(LTE B7)이다. 기존의 T-형 안테나는 대역 커버리지가 제한적이며, 이러한 대중적인 대역들에 이상적이지 않다.
모바일 디바이스는 안테나, 공진을 생성하도록 구성된 커넥터, 및 수동 또는 전환 가능한 임피던스 정합 네트워크를 이용하여 다수의 대역들에 걸쳐 동작 가능하다.
일 실시예에서, 모바일 디바이스는 말단부를 갖는 하우징, 및 하우징 내에 배치되고 모바일 디바이스를 동작시키도록 구성된 전자 기기를 포함한다. 전자 기기는 음성 통화들 및 문자 메시지들을 포함한 무선 신호들을 전달하도록 구성된다. 커넥터는 전자 기기에 결합된다. PI-형상 안테나는 하우징 말단부에 배치되고, PI-형상 안테나는 커넥터에 결합된 커플링을 가지며 커넥터를 이용하여 공진을 생성하도록 구성된다. PI-형상 안테나 및 커넥터는 무선으로 무선 신호를 송수신하도록 구성된다. 임피던스 정합 네트워크는 전자 기기와 PI-형상 안테나 사이에 결합되고, 임피던스 정합 네트워크는 전자 기기의 임피던스를 PI-형상 안테나에 정합시키도록 구성된다.
일부 실시예들에서, 임피던스 정합 네트워크는 전자 기기에 의해 전환 가능하며 다수의 RF 대역들에 걸쳐 적어도 2개의 상태들에서 전자 기기의 임피던스를 정합시키도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 상기 Pi-형상 커넥터는 커플링을 포함하는 제1 레그, 제2 레그 및 제3 레그를 가지며, 상기 제1 레그는 상기 커넥터에 결합되고, 상기 제2 레그 및 상기 제3 레그는 각각 제2 스트립 라인 및 제3 스트립 라인을 형성한다. Pi-형상 안테나는 스트립 라인 안테나이며, 임피던스 정합 네트워크는 스위치, 커패시터들 및 인덕터들을 포함한다. Pi-형상 안테나는 하우징 말단부의 에지를 따라 배치된다.
일부 실시예들에서, 커넥터는 USB 커넥터, 이어폰 커넥터, 마이크로폰 커넥터 및 메모리 슬롯 커넥터 중 하나이다. 전자 기기는 롱 텀 에볼루션(LTE) 대역 B17, B20 및 B7에서 동작하도록 구성된 RF 드라이버를 포함 할 수 있으며, 여기서 안테나 및 커넥터는 대역 B7에서 공진을 생성한다. 커넥터는 쉘을 가지며, 여기서 커플링은 쉘에 결합된다.
본 개시내용, 및 그 이점에 대한 좀 더 완전한 이해를 위해, 이제 첨부된 도면과 관련하여 취해진 다음의 설명들을 참조하며, 여기서 동일한 도면 부호들은 유사한 대상들을 나타낸다.
도 1은 전환 가능한 Pi-형상 안테나, 커넥터, 및 임피던스 정합 네트워크를 갖는 모바일 디바이스를 도시하고;
도 2는 수동 네트워크로서 구성된 임피던스 정합 네트워크를 도시하고;
도 3은 인쇄 회로 기판(PCB)의 한 단부에서 백플레인 상에 레이아웃된 안테나의 일 실시예의 사시도를 도시하고;
도 4는 디바이스의 중앙에 안테나 및 USB 커넥터를 포함하는 모바일 디바이스를 도시하고;
도 5는 대역 B20 및 B7용 안테나에 대한 전형적인 반사 손실을 도시하고;
도 6은 상이한 대역들에 대한 안테나로 구동 회로를 선택적으로 튜닝하기 위해 전환 가능한 네트워크로서 구성된 임피던스 정합 네트워크를 도시하고;
도 7은 2개의 상이한 상태들에 대한 반사 손실을 도시하고;
도 8은 2개의 상이한 상태들에 대한 방사 효율을 도시하고;
도 9는 모바일 디바이스의 다른 실시예를 도시한다.
본 개시내용은 고 대역 B41뿐만 아니라, B17에서 B7까지의 다수의 대중적인 4G LTE 대역들을 커버하도록 구성된 전환 가능한 설계를 포함하는 로우 프로파일(low profile) Pi-형상 안테나를 포함하는 모바일 디바이스를 제공한다. Pi-형상 안테나는 각각 방사 부재에 결합되어 함께 그리스 기호 Pi의 형상을 형성하는 적어도 2개의 아암들을 갖는 안테나로서 정의된다.
도 1을 참조하면, 3개의 아암들(IL1, IL2) 및 커플링(S1)을 갖는 전환 가능한 Pi-형상 안테나(12)를 포함하는 모바일 디바이스(10)가 도시되어 있다. 후술되는 바와 같은 커넥터와 같은 다른 컴포넌트와 결합된 커플링(S1)은 공진을 제공하여 Pi-형상 안테나(12)의 고 대역을 생성하여, 모바일 디바이스(10) 상의 안테나의 대역폭을 확장하도록 유리하게 구성된다. 또한, 임피던스 정합 네트워크(14)는 안테나(12)를 디바이스 전자 기기(18)의 일부를 형성하는 무선 주파수(RF) 구동 회로(16)에 임피던스 정합시키도록 구성된다. 임피던스 정합 네트워크(14)는 아래에서 설명하는 바와 같이 수동적이거나 능동적일 수 있다. 구동 회로(16)는 급전점(19)을 통해 임피던스 정합 네트워크(14)에 결합되고, LTE 대역들 B17, B20 및 B7과 같은 다수의 RF 대역들을 통해 통신하도록 동작 가능한 RF 송수신기를 포함한다. 대역들 LTE B17, B20, G850, G900은 704-960MHz이고 대역 LTE B7은 1710-2170MHz(DCS, PCS, AWS) 내지 2500-2690MHz이다.
전자 기기(18)는 인쇄 회로 기판(PCB)(20)의 일부를 형성하며 상기 언급된 대역들에서 모바일 디바이스(10)를 동작시키도록 구성된다. 전자 기기(18)는 스마트 폰들, 태블릿들, 등을 포함하는 모바일 디바이스들에서 통상적인 프로세서, 메모리, 입력/출력 회로들, 디스플레이, 무선 송수신기들 및 배터리를 포함할 수 있다. 예를 들어, 모바일 디바이스(10)의 전자 기기(18)는 모바일 폰과 같이, 음성 호출들, 텍스트 메시지, 이미지들, 비디오 파일들, 게임 파일들, 및 다른 무선 통신 신호들을 배치하고 수신하도록 동작 가능하다. PCB 접지는 22에서 도시되고, 안테나(12)에 대한 RF 접지 및 백플레인을 형성할 수 있다. 커플링(S1)은 전자 기기(18)의 구동 회로(16)를 안테나(12)의 급전선(26)에 결합한다. 커플링(S1)은 디바이스 커넥터(30)에 결합되며, 커플링(S1)은 용량성 커플링을 포함한다. 임피던스 정합 네트워크(14)는 전자 회로(18)에 의해 제어되고, 필요하다면, 저 대역들(B17, B20)에서 고 대역들(B7, 및 B41)까지의 대중적인 4G LTE 대역들을 포함하는 다수의 대역들을 효과적으로 커버하기 위해 안테나(12)가 2개의 상태들 사이에서 선택적으로 전환되게 한다.
도 2는 수동 임피던스 정합 네트워크를 형성하는 임피던스 정합 네트워크(14)의 개략도를 도시한다. 임피던스 정합 네트워크(14)는 인덕터(L1), 커패시터(C1), C/L 컴포넌트들, 및 인덕터(L2)를 포함하며, 여기서 인덕터(L2)는 저 대역 및 고 대역 모두를 위한 안테나(12)의 임피던스를 정합시키기 위해 사용된다. 예로서, 임피던스 정합 네트워크(14)는 저 대역 B17 및 B20으로부터 고 대역 B7 및 B41까지의 주파수 범위에 걸쳐 구동 회로(16)를 안테나(12)에 임피던스 정합 시키도록 구성된다. 일 실시예에서, 안테나(12)는 스트립 라인 안테나이며 또한 커플링(S1), 및 임피던스 정합 네트워크(14)의 컴포넌트들의 치수들, 특히 인덕터(L1 및 L2)의 길이, 및 커플링(S1)의 IL2/커플링에 의해 튜닝된다.
도 1을 참조하면, 일 실시예에서 예로서, PCB 치수들에 따라, 치수 D는 8mm이고, IL1의 길이는 22mm이며, IL2의 길이는 30mm이다. 인덕터(L1)는 2nH의 값을 가질 수 있고, 커패시터(C1)는 1.5pF의 값을 가질 수 있으며, L2는 4.7nH의 값을 가질 수 있다. 급전점(19)은 PCB의 중앙에서 10mm 떨어져 있다. 안테나 아암들(IL1 및 IL2)은 직선이고 두꺼워서 저 대역을 개선한다. 커플링(S1)은 PCB(20)의 구동 회로(16)를 USB로 안테나 방사체들에 결합시켜 고 대역을 생성한다. 다른 실시예들에서, 이들 컴포넌트들의 값들 및 치수들은 다를 수 있으며 이들 값들 및 치수들에 대한 제한은 유추되지 않는다.
도 3은 수동 정합 네트워크(14)가 인쇄 회로 기판(PCB)(20)의 한 단부에서 백플레인(22) 위에 레이아웃된 안테나(12)를 포함하는 디바이스(10)의 일 실시예의 사시도를 도시한다. PCB(20)는 제1 급전선(26) 및 Pi-형상 안테나(12)를 포함하는 제2 전환 가능한 급전선(28)을 구동시키는 디바이스(10)의 전자 기기(18)를 포함한다.
도 4는 디바이스(10)의 말단부에 형성된 Pi-형상 안테나(12), 및 전자 기기(18)에 결합되는 근접 커넥터(30)를 갖는 디바이스(10)를 도시한다. 예를 들어, 커넥터(30)는 도시된 바와 같이, 디바이스의 중앙에 위치한 USB 커넥터를 포함할 수 있다. 유리하게는, 안테나(12)의 제1 아암을 형성하는 커플링(S1)은 커넥터(30) 및 접지(22)의 쉘에 결합되어 고 대역(B7)을 커버하는 또 다른 공진을 생성함으로써, 안테나(12)의 대역폭을 확장시킨다. 커플링(S1)은 또한 스피커/이어폰 커넥터, 마이크로폰 커넥터, 메모리 슬롯 커넥터, 수신기, 디바이스의 금속 커버, 또는 임의의 다른 컴포넌트들과 같은 다른 디바이스 커넥터들(30), 또는 (중앙에서 또는 코너에서) PCB 보드 상의 임의의 다른 종류의 접지에 결합될 수 있어, 2.6GHz에서와 같이, 하나 이상의 고 대역 공진을 생성하여 대역 B7을 커버한다. 이것은 휴대용 모바일 통신 디바이스의 안테나 대역폭을 향상시키기 위해 환경을 이용하는 새로운 방식이다. PCB 보드 상에서의 커플링(S1)과 커넥터/컴포넌트들/접지 사이의 거리, 커플링(S1)의 형상, 이들 사이의 재질, 모두는 안테나 성능에 영향을 미친다. 상이한 전화기들/상이한 환경들에 있어서, 안테나(12)의 형상, 디바이스 커넥터들 및 그 위치는 변할 수 있고, S1 커플링과 조합하여 고 대역 공진을 생성한다.
도 5는 대역 B20에서 대역 B7까지의 수동 임피던스 정합 네트워크(14)를 갖는 안테나(12)에 대한 전형적인 반사 손실을 도시한다.
도 6은 전환 가능한 임피던스 정합 네트워크로서 구성된 임피던스 정합 네트워크(14)를 도시한다. 임피던스 정합 네트워크(14)는 B17 및 B20과 같은 제1 상태에서의 저 대역, 및 B7과 같은 제2 상태에서의 고 대역과 같은 2개의 대역들에 대해 안테나(12)를 보다 효과적으로 튜닝하기 위해 2개(2)의 상태들을 갖도록 구성된다. 임피던스 정합 네트워크(14)는 드라이버(18)에 의해 제어되고 제1 상태 및 제2 상태에서의 다양한 컴포넌트들(L1, L2, C1 및 C2)을 선택적으로 구성하도록 구성된 스위치(SW1)를 포함한다. 스위치(SW1)는 다른 유형의 스위치들이 사용될 수 있고 본 개시내용의 범위 내에 속하는 경우에도 SP4T(single pull four throw)일 수 있다.
도 7은 상태 1 및 상태 2에 대한 2개의 상이한 상태들에서의 안테나(12)에 대한 반사 손실을 도시한다. 상태 1은 상태 2와 비교하여 대역 B17에 대한 감소된 반사 손실을 제공하는 반면, 상태 2는 상태 1과 비교하여 대역들 B5 및 B8에 대한 감소된 반사 손실을 제공한다. 전자 기기(18)는 안테나(12)를 동작시키는 2개의 상태들을 선택적으로 설정하고, 3개 이상의 상태들이 가능하며 본 개시내용의 범위 내에 속한다.
도 8은 2개의 대역인 대역 B17 및 대역 B7에 대한 상태 1 및 상태 2에서의 안테나(12)의 방사 효율을 도시한다.
도 9는 설명을 위해 디바이스(40)의 후면 상에 제거되고 위치된 Pi-형상 안테나(12)를 갖는 디바이스(40)의 제2 실시예를 도시한다. 전환 가능한 임피던스 정합 네트워크(14)는 디바이스(40)의 좌측 코너에 도시되고, USB 커넥터는 우측 코너에 도시된다.
임피던스 정합 네트워크(14)는 필요하다면 능동 컴포넌트들을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 능동 컴포넌트들은 이득 제어를 제공 할 수 있고 및/또는 빔 조정이 설정될 수 있다.
바람직하게는, 전환 가능한 임피던스 정합 네트워크를 갖는 용량 결합된 Pi-형상 안테나는, 로우 프로파일 안테나를 이용하여 원하는 대역들에서 커버리지를 제공하기 위해, 4G, 5G 및 다른 버전들을 제공하는 것들과 같은 고급 모바일 디바이스들을 가능하게 한다.
본 개시내용이 특정 실시예들 및 일반적으로 연관된 방법들을 기술하였지만, 이들 실시예들 및 방법들의 변경들 및 치환들은 본 분야의 기술자들에게 명백할 것이다. 따라서, 예시적인 실시예들의 상기 설명은 본 개시내용을 한정하거나 제한하지 않는다. 다음의 청구 범위에 의해 정의되는 바와 같이, 본 개시내용의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 변경들, 대체들 및 변형들이 또한 가능하다.

Claims (24)

  1. 다수의 무선(radio frequency, RF) 밴드들에 걸쳐 동작 가능한 모바일 디바이스로서,
    방사 스트립 라인으로 구성되는 Pi-형상 안테나 - 그리스 문자 Pi 형상으로 제1 암 및 제2 암이 형성되고, 상기 제1 암 및 상기 제2 암은 각각 상기 그리스 문자 Pi 형상의 두 레그(legs)에 해당됨 - 를 포함하고,
    상기 제1 암은 상기 Pi-형상 안테나의 커플링 컴포넌트를 포함하고,
    상기 커플링 컴포넌트는 상기 모바일 디바이스의 커넥터에 용량성으로 결합되어 상기 다수의 RF 밴드들 중 제1 밴드에 걸쳐 제1 공진을 제공하고,
    상기 제2 암은 임피던스 정합 네트워크를 통해 전자 기기에 결합되어 상기 다수의 RF 밴드들에 걸쳐 하나 이상의 제2 공진을 제공하는,
    모바일 디바이스.
  2. 제1항에 있어서, 상기 임피던스 정합 네트워크는 전환 가능하고(switchable) 다수의 RF 대역들에 걸쳐, 적어도 2개의 상태들에서 상기 전자 기기의 임피던스를 상기 Pi-형상 안테나에 정합시키도록 구성되는, 모바일 디바이스.
  3. 제1항에 있어서, 상기 커플링 컴포넌트는 용량성 결합을 통해 상기 커넥터에 결합되는, 모바일 디바이스.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 커넥터는 USB 커넥터, 이어폰 커넥터, 마이크로폰 커넥터 및 메모리 슬롯 커넥터 중 하나인, 모바일 디바이스.
  5. 제2항에 있어서, 상기 전자 기기는 상기 적어도 2개의 상태들을 선택적으로 설정하도록 구성되는, 모바일 디바이스.
  6. 제2항에 있어서, 상기 Pi-형상 안테나는 스트립 라인 안테나이고, 상기 임피던스 정합 네트워크는 스위치, 커패시터들 및 인덕터들을 포함하는, 모바일 디바이스.
  7. 제1항 내지 제3항, 제5항 및 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 Pi-형상 안테나는 하우징 말단부의 에지를 따라 배치되는, 모바일 디바이스.
  8. 제1항 내지 제3항, 제5항 및 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전자 기기는 롱 텀 에볼루션(LTE) 대역 B17, B20 및 B7에서 동작하도록 구성된 RF 드라이버를 포함하는, 모바일 디바이스.
  9. 제8항에 있어서, 상기 커플링 및 상기 커넥터는 대역 B7에서 공진을 생성하는, 모바일 디바이스.
  10. 제1항 내지 제3항, 제5항 및 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 커넥터는 쉘을 가지며, 상기 커플링은 상기 쉘에 결합되는, 모바일 디바이스.
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