KR102257268B1 - 안테나 장치 및 이러한 안테나 장치를 포함하는 디바이스 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 안테나 장치(1)에 관한 것으로, 안테나 장치(1)는 사용 시 접지면(3)으로서 작용하는 금속 영역(3)을 갖는 인쇄 회로 기판(2), 접지면(3)의 에지 부분에 있는 리세스 부분(4), 리세스 부분(4)을 브리징하는 제 1 전기 반응성 네트워크(9), 제 1 전기 반응성 네트워크(9)와는 별도로 리세스 부분(4)을 브리징하는 제 2 전기 반응성 네트워크(16)를 포함하며, 리세스 부분(4)의 전기적 길이는 안테나 장치(1)의 공진 주파수의 파장의 1/10 이하이며, 제 1 전기 반응성 네트워크(9)와 제 2 전기 반응성 네트워크(16) 사이의 물리적 거리는 안테나 장치(1)의 공진 주파수의 파장의 1/12보다 작다. 본 발명은 또한 안테나 장치(1)를 포함하는 디바이스에 관한 것이다.

Description

안테나 장치 및 이러한 안테나 장치를 포함하는 디바이스
본 발명은 안테나 장치에 관한 것이다. 또한, 이러한 안테나 장치를 포함하는 디바이스에 관한 것이다.
도입부
수년에 걸쳐, 매우 다양한 안테나 및 안테나 장치가 제안되어왔다. 일반적으로, 개선해야 할 안테나의 특성 중 일부는 치수(크기), 효율성 및 비용이다.
EP 2704252 (A2)는 슬롯이 있는 접지면을 갖는 안테나 장치를 설명한다. 또한, 이 안테나 장치는 슬롯의 한 측면 상의 접지와 슬롯의 다른 측면 상의 신호 소스 사이에 결합된, 슬롯을 가로질러 연장되는 공급 요소를 포함한다. 공급 요소는 또한 커패시터를 포함한다. 커패시터의 특정 커패시턴스 값, 슬롯 크기 및 슬롯 위의 공급 요소 위치를 통해, 이중 대역 안테나가 활성화된다.
US 6 424 300 B1는 인쇄 회로 기판 상의 노치 안테나를 설명하며, 노치 안테나는 2 개의 측면 부분을 갖고 각각의 측면 부분 및 RF 회로에 RF 신호 피드가 전기적으로 연결된다. RF 신호 피드는 노치의 각각의 측면 부분과 직접 물리적으로 접촉한다. 안테나는 선택된 주파수 대역 내에서 안테나로서 공진하도록 구성된다. 일 실시예에서, 안테나는 상이한 주파수 대역에서 공진하는 2 개의 노치를 포함한다.
US 2012/0280890은 각각이 접지 전극에 연결된 부분을 갖는 복수의 방사 전극을 포함하는 용량성 급전형 안테나를 개시하고 있다. 안테나는 공급 회로에 연결된 단일 공급 전극을 더 포함한다. 공급 전극은 각각의 방사 전극에 대면하고, 이에 의해 공급 전극과 각각의 방사 전극 사이에 커패시턴스를 발생시킨다. 복수의 방사 전극 및 공급 전극은 커패시턴스가 발생하는 용량성 공급 부분에서 각각의 방사 전극이 단일 공급 전극에 의해 용량성으로 공급되도록 제공된다.
종래 기술 솔루션의 문제점
전술한 US 6 424 300 B1은 인쇄 회로 기판에 각각의 대역 당 하나씩 2 개의 노치를 제공함으로써 2 개의 상이한 대역에서 동작할 수 있게 한다. 그러나 인쇄 회로 기판의 공간이 제한된 응용 분야의 경우, 제 2 노치에 필요한 추가 공간을 수용하지 못할 수 있다.
EP 2704252 (A2)는 특정 전제 조건에 따라 단일 대역 및 이중 대역 동작을 모두 가능하게 한다. 그러나 안테나의 길이는 45 내지 57mm로 상당히 크다. 이로 인해 많은 응용 분야에서 안테나를 사용할 수 없게 할 수 있다. 도 1은 무선 회로(100)를 갖는 EP 2704252 (A2)에 따른 안테나를 개략적으로 도시한다. 이 문서에 따르면, 접지면의 크기는 약 108mm x 60mm이다. 슬롯의 길이는 약 45mm이고 폭은 약 0.6mm이다. 이 구성에서, 커패시터의 커패시턴스가 약 0.5pF 내지 1.5pF인 경우, 안테나 구조의 안테나 효율은 824MHz 내지 960MHz의 제 1 대역에서 49.7%보다 크고, 1710MHz 내지 2170MHz의 제 2 대역에서 35.3%보다 크다. 960MHz에서의 파장은 약 31cm이고, 2170MHz에서의 파장은 약 14cm이다. 즉, 안테나 구조는 파장의 약 1/7 내지 1/3이다.
그러나 EP 2704252 (A2)의 안테나 구조는 더 작은 안테나에 적합하지 않다. 예를 들어, 도 2에서, 도 1의 안테나는 더 작은 슬롯으로 재생성되고, 공급 요소(110)는 안테나의 상단을 향해 이동된다. 도 2의 슬롯 치수는 깊이 6mm, 폭 2mm이며, 안테나는 2.4GHz 주파수에 임피던스 정합된다. 2.4GHz에서, 파장은 약 12.5cm이다. 따라서, 도 2의 안테나는 파장의 약 1/20 크기를 갖는다. 도 3에서 볼 수 있는 바와 같이, 도 3은 도 2의 안테나의 반사 손실을 도시하며, 성능이 좋지 못하다. 많은 설계에서, 다른 구성 요소 및 회로를 위한 공간을 제공하기 위해 회로 기판 상에 안테나 장치를 가능한 작게 유지하는 것이 필수적이다.
US 2012/0280890은 '칩 안테나' 부류의 안테나 예이며, 방사 구성 요소인 '칩'은 안테나 구조의 적어도 일부를 포함한다. 이러한 칩은 자동화된 기계로 쉽게 장착할 수 있다. 그러나 칩 안테나는 다소 고가의 구성 요소일 수 있으며, 또한 제한된 성능을 가질 수 있다. 또한, 장착될 PCB에 대한 특정 레이아웃이 통합을 위해 필요하다. 소형 제품의 오늘날 트렌드를 위해서는 가능한 최상의 성능과 대역폭을 얻기 위해 각 제품에 안테나를 최적화하는 것이 중요하다. 이것은 칩 안테나가 장착되는 PCB의 특정 레이아웃이 필요하기 때문에 칩 안테나로는 불가능하다.
본 발명의 목적은 종래 기술의 문제점에 대한 솔루션 또는 문제점 감소를 제안하는 것이다.
결과적으로, 주요 목적은 크기가 작고, 단일 대역 및 이중 대역 동작을 가능하게 하며, 동시에 경제적인 솔루션을 제공할 수 있는 개선된 안테나 장치를 제안하는 것이다.
본 발명에 따르면, 이는 청구항 1의 특징을 갖는 안테나 장치로 달성된다.
이 솔루션은 본 발명의 리세스 부분을 가로지르는 추가 커패시턴스를 제공함으로써 상기 문제점을 완화시킨다.
본 발명에 따른 안테나 장치는 종래 기술의 많은 버전에 비해 공간 요구 사항을 실질적으로 절약할 수 있으면서 양호한 안테나 특성을 제공할 수 있다. 특히, 안테나 장치가 회로 보드의 에지를 절단하는 깊이는 작게 유지될 수 있으며, 이는 본 발명에 따른 안테나 장치의 회로 보드의 보존된 공간이 다른 구성 요소 및 회로로 채워질 수 있게 한다.
리세스 부분을 가로질러 커패시터를 추가하는 것은 고대역 단락으로 간주될 수 있으므로, 이 구성으로는 이중 대역 안테나가 가능하지 않다. 그러나 커패시턴스 값이 비정상적으로 낮게 수정될 때, 이 구성으로는 이중 모드 안테나가 가능하며 이는 상당히 놀라운 일이다. 또한, 수정된 커패시턴스 값을 사용하여 동일한 안테나로 단일 대역 구성이 가능하다.
또한, 본 발명에 따른 안테나 장치는 이중 대역 모드에서 튜닝하기가 더 쉽다. 전기 반응성 네트워크 사이의 공극 및 리세스 부분의 하부 밑면에 가장 가까운 전기 반응성 네트워크와 하부 밑면 자체 사이의 공극 각각은 일반적으로 대역 중 하나의 대역의 공진에만 기여하는 것으로 밝혀졌다. 즉, 제 1 공극은 주로 제 1 대역의 공진에 기여하고, 제 2 공극은 주로 제 2 대역의 공진에 기여한다. 이것은 각 대역의 특성을 조정하기가 쉽기 때문에 유리하다. 하나의 공극에서 공진을 조정할 때, 한 대역만 주로 영향을 받고, 다른 대역은 주로 영향을 받지 않으며 그 반대도 마찬가지이다.
본 발명은 또한 안테나 장치를 포함하는 디바이스에 관한 것으로 안테나 장치의 장점에 상응하는 장점을 갖는다.
다른 유리한 실시예들이 종속 항에 개시되어 있다.
설명하면, 역 F 안테나(Inverted F-antenna; IFA)라 불리는 공지된 안테나 구조가 본 발명과 다소 유사할 수 있다. 또한, 이러한 IFA의 경우, IFA의 공진 주파수를 낮추는 데 사용되는 커패시터를 포함하는 탑 로드 커패시터라는 기술이 있다. 이러한 탑 로드 커패시터는 안테나의 "노치"를 가로질러 위치되고, 노치의 개구 근처에 위치되어, 본 발명에 따른 럼프 직렬 커패시터를 포함하는 제 2 전기 반응성 네트워크와 유사한 것으로 보일 수 있다. 그러나 이들은 서로 매우 상이하다. 요컨대, IFA의 탑 로드 커패시터는 안테나의 공진 주파수의 파장의 약 1/4의 물리적 크기를 갖는 안테나 장치와 함께 사용되지만, 본 발명의 제 2 전기 반응성 네트워크의 커패시터는 파장의 1/10 이하에 대응하는 안테나 장치와 함께 사용된다. 실제로, 이들은 매우 상이한 특성을 생성한다.
IFA의 탑 로드 커패시터의 일반적인 용도는 안테나의 공진 주파수를 줄이기 위해 높은 전기장을 갖는 안테나 부분에 배치하는 것이다. 이는 탑 로드 커패시터가 일반적으로 안테나의 급전 부분으로부터 약 1/4 파장에 배치됨을 의미한다. 탑 로드 커패시터가 급전 부분에 가깝게 배치되면, 주파수 제어 특성이 손실된다. 반대로, 본 발명의 제 2 전기 반응성 네트워크의 커패시터는 제 1 전기 반응성 네트워크로부터 안테나 장치의 공진 주파수의 파장의 1/12 미만인 거리에 위치된다.
IFA의 경우, 용량성 정합은 일반적으로 슬롯의 RF 급전 부분에서 RF 급전 부분부터 접지까지 션트 커패시터를 사용하여 달성된다. 급전 부분을 조작하여 공진 주파수를 낮추기 위해, 일반적으로 직렬 인덕턴스가 사용된다.
IFA는 또한 양호한 동작을 위해 접지면 중심에서 가능한 한 멀리 떨어진 곳에 배치되어야 하는 일종의 전기 안테나 구조이다. 또한, 접지면의 깊이와 비교하여 상당한 깊이를 가져야 하고, 종래 기술 EP 2704252 (A2)에서 명백한 바와 같이 접지면의 깊이의 적어도 50%, 일반적으로 75% 이상의 깊이를 가져야 한다. 이러한 방식으로, 접지면을 반으로 절단하고 높은 전기장 위치에서, 즉 접지면의 측면에서 전기장을 생성한다.
본 발명에 따른 소형 리세스 부분 또는 노치의 경우, 급전 부분/직렬 커패시터를 갖는 직렬 반응성 네트워크(9)는 노치의 크기 및 형상과 함께 주 주파수 제어 구성 요소이다. 낮은 반응성 값(높은 커패시터 값)은 공진 주파수를 낮춘다. 그러나, 작은 노치 크기로 인해, 본 발명에 따른 안테나 장치는 일반적인 50 옴 정합과는 거리가 매우 먼 낮은 방사 저항을 갖는다. 안테나를 50 옴에 맞추기 위해, 정합 네트워크를 위한 확실한 배치는 RF 신호의 급전 부분에 있다. 소형 노치의 경우, 션트 커패시터를 추가하여 50 옴 정합을 달성할 것이다. US 6 424 300 (B1)에 따르면이, 이 값은 1575MHz에서 약 8pF이므로 접지에 12 옴 임피던스만 초래한다. 이것은 두 번째 더 높은 주파수 대역이 필요할 때 이중 대역 동작에서 원하지 않는 저역 통과 필터를 생성한다.
대신에, 본 발명에 따르면, (급전 부분/직렬 반응성 네트워크(9)와 함께) 노치에 대한 별도의 캐패시턴스는 저역 통과 필터링의 문제점을 놀라울 정도로 극복할 수 있다. 필요한 커패시턴스 값이 매우 작더라도, 그것은 예상외로 소형 노치 안테나에 양호한 임피던스 정합을 생성한다. 또한, 2.4GHz에서 약 0.2pF의 매우 작은 값으로 인해, 이중 대역 2.4GHz 및 5GHz 동작을 위한 주파수를 필터링하지 않는다. 이러한 작은 커패시턴스 값은 2.4GHz에서 약 300 옴, 5GHz에서 150 옴의 임피던스를 초래한다. 대형 안테나의 경우, 이러한 작은 구성 요소 값은 매우 제한된 효과를 갖는다. 작은 노치 크기는 작은 반응성 값에 더 큰 효과를 초래하는 것으로 보인다.
본 발명을 예시하는 실시예들이 이제 첨부된 도면에 의해 설명될 것이다.
도 1은 종래 기술의 실시예를 도시한다.
도 2는 도 1의 종래 기술을 소형화하려는 안테나 장치를 도시한다.
도 3은 도 2의 반사 손실을 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예를 도시한다.
도 5는 이중 대역 구성에서 도 4의 반사 손실을 도시한다.
도 6은 도 4의 반사 손실을 도시한다.
도 7은 변경된 기하학적 형상을 갖는 본 발명의 추가 소형화된 실시예를 도시한다.
도 8은 도 7의 반사 손실을 도시한다.
도 9는 반응성 네트워크의 대안적인 배치를 도시한다.
도 10은 도 9의 반사 손실을 도시한다.
도 11은 이중 대역 동작을 갖는 본 발명의 일 실시예를 도시한다.
도 12는 도 11의 반사 손실을 도시한다.
도 13은 이중 대역 자기장 생성의 개략도를 도시한다.
도 14는 본 발명에 따른 수정된 기하학적 구조를 도시한다.
도 15는 본 발명의 대안적인 기하학적 구조를 도시한다.
도 16은 도 11의 방사 효율을 도시한다.
도 17은 사행 라인을 포함하는 본 발명의 일 실시예를 도시한다.
도 18은 도 17의 반사 손실을 도시한다.
도 19는 도 17의 방사 효율을 도시한다.
도 4는 본 발명에 따른 예시적인 안테나 장치(1)를 도시한다. 안테나 장치(1)는 사용 시 접지면(3)으로서 작용하는 금속화(metallised) 영역(3)을 갖는 인쇄 회로 기판(2)을 포함한다. 접지면(3)의 에지 부분에는 리세스 부분(4)이 형성된다. 리세스 부분(4)은 서로 대향하는 제 1 측면(13) 및 제 2 측면(14)을 포함한다. 또한, 리세스 부분(4)은 제 1 측면(13) 및 제 2 측면(14)에 연결되는 하부 밑면(25)을 포함하여 리세스 부분(4)의 주변부(5)를 형성하고, 접지면(3)의 에지 부분에서 리세스 부분(4)의 개구(8)를 형성하는 2개의 지점(6, 7)에서 끝난다.
안테나 장치(1)는 럼프 직렬 커패시터 구성 요소(12)를 사이에 포함하는 2 개의 포트(10, 11)를 갖는 제 1 전기 반응성 네트워크(9)를 더 포함하고, 제 1 전기 반응성 네트워크(9)는 리세스 부분(4)을 브리징하고, 하나의 포트(11)는 리세스 부분(4)의 제 1 측면(13) 상의 접지면(3)에 전기적으로 연결되며, 다른 포트(10)는 리세스 부분(4)의 제 2 측면(14)에 무선 신호 급전점(15)을 제공한다. 일반적으로, 접지면에 연결된 포트(11)를 제외하고, 본 발명에 따른 제 1 전기 반응성 네트워크(9)는 접지면(3)으로부터 전기적으로 격리된다. 그러나 본 발명에 따른 안테나 장치의 특성을 유효하게 변경하는 일부 구성 요소(예를 들어, 반응성 값을 가짐)에 의해 접지에 대한 이론적인 전기적 연결을 갖는 것이 가능하다.
또한, 안테나 장치(1)는 럼프 직렬 커패시터 구성 요소(19)를 사이에 포함하는 2 개의 포트(17, 18)를 갖는 제 2 전기 반응성 네트워크(16)를 포함한다. 제 1 전기 반응성 네트워크(9)와는 별도로, 제 2 전기 반응성 네트워크(16)는 리세스 부분(4)을 브리징하고, 제 2 네트워크(16)의 하나의 포트(17)는 리세스 부분의 제 1 측면(13) 상의 접지면(3)에 전기적으로 연결되며, 제 2 네트워크(16)의 다른 포트(18)는 리세스 부분(4)의 제 2 측면(14) 상의 접지면(3)에 전기적으로 연결된다.
전파의 송신 및/또는 수신을 위한 무선 회로(20)가 급전점(15)에 연결되고 공진 주파수에서 전파를 수신 또는 송신할 때, 안테나 장치(1)는 공진 주파수를 갖는 안테나로서 공진하도록 구성된다.
임의의 접지면(3) 금속을 가로지르지 않는 개구(8)에서부터 개구(8)로부터 가장 멀리 놓여 있는 리세스 부분(4)의 주변부(5) 상의 지점까지의 물리적 길이로서 정의되는 리세스 부분(4)의 전기적 길이는 안테나 장치(1)의 공진 주파수의 파장의 1/10 이하이다.
또한, 제 1 전기 반응성 네트워크(9)와 제 2 전기 반응성 네트워크(16) 사이의 물리적 거리는 안테나 장치(1)의 공진 주파수의 파장의 1/12보다 작다. 예로서, 이 물리적 거리는 도 4에서 볼 수 있다. 커패시터(12)를 포함하는 네트워크(9) 및 커패시터(19)를 포함하는 네트워크(16)는 모두 도면에서 수평 방향으로 연장된다. 이들 사이의 물리적 거리는 단순히 네트워크(9)에서 시작하여 네트워크(16)에서 끝나는 가능한 가장 짧은 선의 길이이다. (도 4에서, 이것은 네트워크(9)에서 시작하여 네트워크(16)에 도달할 때까지 해당 네트워크(9)에 수직으로 연장되는 선이다.) 안테나 장치의 이러한 품질은 탑 로드를 갖는 IFA 안테나와는 구별화되는 것 중 하나이다. 네트워크(9)와 네트워크(16) 사이의 거리는 IFA에서 가능한 것보다 훨씬 작다. 물론, 이는 이러한 IFA에 비해 주어진 주파수에 대해 안테나 장치의 훨씬 더 작은 설계를 가능하게 한다.
연구에서, 도 4의 실시예는 6mm의 높이 및 2mm의 폭을 갖도록 구성되었다. 또한, 커패시터(12)는 0.5pF로 설정되었고, 커패시터(19)는 0.2pF로 설정되었다. 이 실시예의 결과적인 성능은 도 5에서 관찰될 수 있으며, 도 5는 반사 손실을 도시한다. 알 수 있는 바와 같이, 공진은 2.4GHz 및 약 6GHz에서 이루어졌다. 산란이 상당히 높지만 일부 응용 분야에서는 적합할 수 있다.
추가 연구에서, 도 4의 실시예는 이전 단락에서와 같이 6mm의 높이 및 2mm의 폭을 갖도록 구성되었다. 커패시터(12)는 0.3pF로 설정되었고, 커패시터(19)는 0.6pF로 설정되었다. 이 실시예의 결과적인 성능은 도 6에서 관찰될 수 있으며, 도 6은 반사 손실을 도시한다. 알 수 있는 바와 같이, 리스세 부분(4)이 단지 6mm의 높이만을 갖더라도, 2.4GHz에서 매우 양호한 공진을 갖는 단일 대역 안테나가 달성된다.
본 발명에 따른 안테나 장치(1)의 추가 실시예에서, 리세스 부분(4)은 밑면(25)이 리세스 부분(4)의 높이 이상인 형상을 가질 수 있다. 리세스 부분의 높이는 하부 밑면(25)과 개구(8) 사이의 최단 경로의 길이로서 정의된다. 이러한 방식으로 구성된 리세스 부분(4)의 비율을 사용하면, 폭의 길이보다 긴 높이를 갖는 리세스 부분(4)에 비해 공진 주파수 주위의 대역폭을 확장시킬 수 있음을 알 수 있다.
본 발명의 임의의 이전 실시예에 따른 안테나 장치(1)의 리세스 부분(4)의 기하학적 구조의 추가 변형은 리세스 부분(4)의 형상이 삼각형인 경우로서, 이 삼각형 형상의 하나의 꼭짓점에 리세스 부분(4)의 개구(8)가 있다. 이것은 도 7에서 관찰될 수 있다. 삼각형 형상은 리세스 부분(4)의 높이를 추가로 감소시켜 매우 좁은 공간에 이러한 안테나 장치의 포함을 용이하게 한다. 도 7의 안테나 장치의 성능은 도 8에 도시되어 있으며, 도 8은 도 7의 실시예의 반사 손실을 도시한다. 이 경우, 도 7의 안테나 장치(1)의 치수는 2.4GHz의 공진 주파수에서 3.5mm의 높이 및 8mm의 밑면(25)에서의 폭을 갖도록 구성되었다. 도 8에서 알 수 있는 바와 같이, 높이가 도 4에 도시된 전술한 실시예의 높이보다 상당히 작더라도(6mm에 비해 3.5mm), 공진 주파수 주위의 대역폭은 실질적으로 동일하다. 도 6 및 도 8에서 알 수 있는 바와 같이, 도 4 설계의 최적 임피던스 정합은 도 7 설계보다 조금 더 양호할 수 있다. 그러나 광범위하게 말하면, 도 7 설계의 대역폭 및 임피던스 정합은 도 4에 따른 안테나 장치의 높이보다 근본적으로 작은 높이를 갖는 설계를 제공하면서 도 4 설계의 대역폭 및 임피던스 정합과 동일하다.
도 9는 전기 반응성 네트워크(16)의 위치가 변할 때 발생하는 것을 설명하기 위해 도 7의 실시예의 변형을 도시한다. 구체적으로, 도 9에서, 네트워크(16)는 리세스 부분(4)의 밑면(25)에 가깝도록 이동되었다. 도 7에서, 네트워크(16)는 네트워크(9)에 더 가깝게 배치되었고, 대략 리세스 부분(4)의 중간에 배치되었다. 도 9의 실시예의 결과적인 성능은 도 10에서 볼 수 있다. 도 9의 안테나 장치의 모든 사양은 네트워크(16)의 다른 배치를 제외하고는 도 7의 사양과 동일하다. 도 10에서 알 수 있는 바와 같이, 네트워크(16)의 배치의 변화는 도 9의 안테나 장치에 대한 반사 계수가 약간 더 나빠지는 대신, 도 7의 네트워크(16) 배치에 비해 훨씬 더 양호한 대역폭을 생성한다. 따라서, 훨씬 더 양호한 대역폭이 요구되면, 네트워크(16)는 이러한 방식으로 이동될 수 있다.
제 2 전기 반응성 네트워크(16)의 배치를 고려하면, 많은 여유가 있다는 것이 밝혀졌다. 본 발명에 따른 안테나 장치(1)의 제 2 전기 반응성 네트워크(16)는, 예를 들어, 도 11에 도시된 바와 같이, 제 1 전기 반응성 네트워크(9)보다 리세스 부분(4)의 개구(8)에 더 가까이 위치될 수 있다. 따라서, 제 2 전기 반응성 네트워크(16)의 이러한 유연한 배치는, 예를 들어, 일부 종래 기술의 안테나 급전점에서의 션트 커패시터와 비교하여, 예를 들어, 본 발명에 따른 안테나 장치의 공진 주파수 또는 임피던스 정합을 조정할 때, 더 많은 옵션을 허용한다.
언급한 바와 같이, 본 발명의 이전 실시예들 중 임의의 실시예에 따른 안테나 장치(1)는 전파의 송신 및/또는 수신을 위한 무선 회로(20)가 급전점(15)에 연결되고 추가 공진 주파수에서 전파를 수신 또는 송신할 때 추가 공진 주파수를 갖는 안테나로서 공진하도록 구성될 수 있다. 단일 대역과 비교하여, 본 발명에 따른 안테나 장치의 이중 대역 동작을 위해서는 노치의 약간 더 큰 영역, 예를 들어, 더 깊고 더 넓은 영역이 요구된다.
안테나 장치가 (예를 들어 리세스 부분의 영역을 조정함으로써) 이중 대역 동작을 위해 구성되고 본 발명에 따른 안테나 장치(1)의 제 2 전기 반응성 네트워크(16)가 제 1 전기 반응성 네트워크(9)보다 리세스 부분(4)의 개구(8)에 더 가까이 위치될 때, 이중 모드에서 작동하는 본 발명에 따른 안테나 장치의 특히 유리한 구성이 발견되었다. 도 11의 본 발명에 따른 안테나 장치의 이러한 이중 대역 구성의 성능은 도 12에서 관찰될 수 있다. 도 12는 도 11의 안테나 장치가 5.5mm의 높이 및 10mm의 밑면(25)에서의 폭을 갖는 리세스 부분으로 구성될 때의 도 11의 반사 손실을 도시한다. 알 수 있는 바와 같이, 이 구성은 이중 대역 동작에 유리하다.
이러한 이중 대역 안테나를 설계할 때, 네트워크(9)는 주로 2.4GHz 대역의 공진 주파수에 영향을 미치고, 네트워크(16)는 주로 5GHz 대역의 공진 주파수에 영향을 미친다. 네트워크(16)는 또한 2.4GHz 대역의 임피던스 정합에도 영향을 미친다. 도 11에서의 2 개의 네트워크 사이에 놓여 있는 공극 영역/리세스 부분(4) 및 네트워크(9)와 하부 밑면(25) 사이의 공극 영역이 또한 공진 주파수에 영향을 미친다. 네트워크(9)가 아래쪽으로 이동하면, 이중 대역 구성의 하위 주파수(이 경우 기준선 2.4GHz)가 증가할 것이다. 상위 공진 주파수(이 경우 기준선 5GHz)는 감소할 것이다. 그러나 네트워크(9)의 위치는 거칠게 이동될 수 있는 것이 아니라, 이중 대역 구성이 양호한 특성을 갖는 공차 영역 내에서 유지되어야 한다. 이 공차 영역은 리세스 부분(4)/노치의 특정 기하학적 구조에 따라 실험적으로 설정되어야 한다.
임피던스 정합을 위해 급전에서 션트 커패시터를 사용하는 일부 종래 기술로부터 제 2 전기 반응성 네트워크(16)를 갖는 본 출원에 따른 안테나 장치(1)을 구별하는 한 가지는, 제 2 전기 반응성 네트워크(16)의 리액턴스가 상당히 높을 수 있다는 것이다. 본 발명의 모든 실시예들의 경우, 안테나 장치(1)의 동작 주파수에서 측정될 때 100 Ω보다 높은 임피던스를 갖는 것이 가능하다. 이는 종래 기술의 급전 부분에서의 션트 커패시터와는 반대로 안테나 장치의 잠재적인 상위 대역을 단락시키지 않고 본 발명에 따른 안테나 장치의 임피던스 정합을 용이하게 한다. 따라서, 본 발명에 따른 이러한 설계는 또한 잠재적인 상위 대역/이중 대역 설계를 가능하게 한다.
본 발명의 안테나 장치는 여러 방식으로 제공될 수 있다. 예를 들어, 무선 회로와 함께 메인 보드를 차지하거나 독립형 보드로 제공될 수 있다. 어쨌든, 사용 시, 본 발명에 따른 안테나 장치(1)는 또한 급전점(15)에 연결된, 전파의 송신 및/또는 수신을 위한 무선 회로(20)를 포함할 것이다. 이러한 무선 회로(20)는 수신 및/또는 송신이 일어날 적어도 하나의 공진 주파수를 가질 것이다.
본 발명의 커패시턴스에 대한 적절한 값의 예로서, 본 발명에 따른 안테나 장치(1)는 0.1pF 내지 0.8pF, 바람직하게는 0.2pF 내지 0.5pF 범위의 제 1 전기 반응성 네트워크(9)의 직렬 커패시턴스를 가질 수 있다. 제 2 전기 반응성 네트워크(16)의 직렬 커패시턴스는 0.05pF 내지 0.6pF, 바람직하게는 0.07pF 내지 0.4pF 범위에 있을 수 있다. 이러한 커패시턴스 값 및 본 명세서의 다른 곳에서 설명된 바와 같이 적절한 크기의 리세스 부분을 사용하면, 안테나 장치(1)는 2GHz 내지 6GHz 범위에서 동작하기에 적합하다.
본 발명에 따른 단일 대역 안테나의 특정 실시예에 대한 특정 값을 언급할 가치가 있을 수 있다. 본 발명에 따른 이러한 안테나 장치(1)는 약 0.3pF의 제 1 전기 반응성 네트워크(9)의 직렬 커패시턴스 및 약 0.2pF의 제 2 전기 반응성 네트워크(16)의 직렬 커패시턴스를 갖는다. 리세스 부분의 높이는 3.5mm이고 밑면(25)의 폭은 8mm이다. 이것은 약 2.4GHz의 공진 주파수를 생성한다. 리세스 부분의 높이는 하부 밑면과 개구(8) 사이의 최단 경로의 길이로서 정의된다. 이 실시예는 실질적으로 이전에 설명된 도 7의 것에 대응한다.
이중 대역 특성을 갖는 본 발명에 따른 안테나 장치의 예로서, 제 1 전기 반응성 네트워크(9)의 직렬 커패시턴스는 0.2pF 내지 0.4pF 범위에 있을 수 있다. 또한, 제 2 전기 반응성 네트워크(16)의 직렬 커패시턴스는 약 0.07pF일 수 있다. 리세스 부분의 높이는 5.5mm이고, 밑면(25)의 폭은 10mm이다. 이는 약 2.4GHz의 공진 주파수와 약 5GHz의 추가 공진 주파수를 생성한다. 이전과 같이, 리세스 부분의 높이는 하부 밑면(25)과 개구(8) 사이의 최단 경로의 길이로서 정의된다. 이 실시예는 실질적으로 이전에 설명된 도 11의 것에 대응한다.
보다 일반적으로, 본 발명에 따른 안테나 장치를 설계하기 위해, 본 명세서에 기술된 일부 실시예는 시작점으로서 사용될 수 있고, 예를 들어, 원하는 주파수로 스케일링 될 수 있다. 따라서 특정한 원래 설계가 특정 공진 주파수를 위해 7.8mm의 높이를 갖고 새로운 설계의 원하는 공진 주파수가 원래 설계의 절반인 경우, 새로운 설계의 높이는 원래 설계의 두 배가 될 수 있다. 또한, 새로운 설계에서는 원래 설계의 커패시턴스를 두 배로 늘릴 수 있다. 이 새로운 설계는 새로운 설계의 첫 번째 근사치를 제공할 수 있으며, 이는 물론 원하는 특성을 달성하기 위해 추가로 조정될 수 있다.
당 업계의 일반 안테나의 임피던스 정합에 관한 한, 일반적으로 정합은 발생기 급전을 설정하고, 설정의 특성을 확인하며, 그런 다음 용량성 션트와 같은 구성 요소를 발생기 급전에 연결하여 원하는 시스템 임피던스에 일치시키는 것을 포함한다.
그러나 본 발명의 경우, 제 2 전기 반응성 네트워크(16)가 급전점에 직접 연결되지 않기 때문에, 정합은 상이하게, 애드 혹(ad hoc) 방식으로 수행되어야 한다. 조정할 변수는, 예를 들어, 리세스 부분의 크기, 리세스 부분의 기하학적 구조, 제 1 및 제 2 전기 반응성 네트워크(9, 16)의 커패시턴스, 리세스 부분을 가로지르는 네트워크의 배치 및 네트워크(9, 16) 사이의 상호 물리적 거리를 포함한다. 이러한 애드 혹 정합은 본 발명의 놀라운 품질을 더욱 명백하게 하는데, 일반적으로 당업자는 안테나 설계를 튜닝할 때 종래의 임피던스 정합 절차를 사용하므로, 본 발명의 설계를 우연히 발견하지 않을 것이기 때문이다.
이전 실시예들 중 임의의 실시예에 따른 안테나 장치(1)는 전형적으로 어떤 종류의 디바이스에서도 사용될 수 있다. 예를 들어, 자동차, 휴대폰, 태블릿, 센서 또는 무선 연결이 필요하고 안테나의 크기가 작아야 하는 임의의 다른 디바이스에서 사용될 수 있다.
이중 대역 동작에서 본 발명의 하나의 장점은, 본 발명에 따른 안테나 장치의 전기 반응성 네트워크 사이의 공극(이러한 공극은 도 13에서 볼 수 있음) 각각이 그들 자신의 주파수 대역의 특성에만 실질적으로 기여한다는 것이다. 예를 들어, 도 13에서, 안테나 장치의 5GHz-H 필드는 삼각형 안테나 장치의 상부 공극에서 방출되는 것으로 볼 수 있는 반면, 2.4GHz-H 필드는 주로 하부 공극에서 방출된다. 이는 대역 중 하나의 대역의 특성을 수정하기 위해 공극 중 단지 하나의 공극만 수정되어야 함을 의미한다. 반대로, 주파수 대역 중 하나의 대역의 특성에 영향을 미치도록 공극 중 하나를 수정하는 것은 다른 대역에는 영향을 미치지 않는다. 따라서, 이러한 의미에서 본 발명에 따른 안테나 장치를 이중 대역 구성으로 튜닝하는 것은 상당히 간단하다.
본 발명에 따른 안테나 장치의 다른 변형이 또한 가능하다. 예를 들어, 도 14 및 도 15는 리세스 부분의 기하학적 구조가 직사각형 또는 삼각형일 필요가 없고, 다른 기하학적 구조를 가질 수도 있음을 도시한다. 임의의 기하학적 구조에 대해, 네트워크(9, 16)의 커패시턴스의 크기는 안테나 장치의 원하는 특성을 달성하도록 튜닝되어야 한다.
본 발명에 따른 안테나 장치의 다른 변형은 이전의 2 개 이외에 제 3 전기 반응성 네트워크를 포함할 수 있다. 이러한 제 3 전기 반응성 네트워크는 2 개의 포트를 가질 수 있고, 또한 이들 사이에 럼프 직렬 커패시터 구성 요소를 포함한다. 전술한 제 2 전기 반응성 네트워크(16)와 유사한 방식으로, 제 3 전기 반응성 네트워크는 제 1 및 제 2 전기 반응성 네트워크와는 별도로 본 발명의 리세스 부분을 브리징할 수 있다. 제 3 네트워크(21)의 하나의 포트(22)는 리세스 부분의 제 1 측면 상의 접지면에 전기적으로 연결되고, 제 2 네트워크의 다른 포트는 리세스 부분의 제 2 측면 상의 접지면에 전기적으로 연결될 것이다. 이러한 방식으로, 본 발명에 따른 안테나 장치의 추가 미세 튜닝이 가능하다.
본 발명에 따른 안테나 장치는 자기 안테나임을 유념해야 한다. 즉, 이 안테나는 높은 자기장을 갖는 위치를 "선호"하고, 접지면/인쇄 회로 기판의 모서리에서 멀리 떨어져 있을 때 가장 잘 작동한다. 바람직한 위치는 접지면의 가장 긴 면의 중간에 있다.
본 발명에 따른 안테나 장치는 자기형 안테나이기 때문에, 동작을 위해 인쇄 회로 기판(PCB)을 깊게 절단하는 리세스 부분을 필요로 하지 않는다.
본 발명에 따른 안테나 장치의 경우, 인쇄 회로 기판의 방향을 따라 인쇄 회로 기판으로의 리세스 부분(4)의 물리적 깊이는 동일한 방향에서 인쇄 회로 기판(2)의 깊이의 25% 이하일 수 있으며, 양호한 성능을 갖는다. 내부 PCB 영역은 다른 회로 및 구성 요소에 매우 유용하기 때문에 이는 매력적인 특성이다.
본 발명은 제시된 2.4GHz 및 5GHz 이외의 다른 통신 표준 및 주파수에도 적용 가능하다. GPS, Glonass 또는 기타 포지셔닝 시스템에 사용할 수 있다. 셀룰러 통신에 사용할 수 있다. ISM 대역 및 기타 단일 또는 이중 대역 시스템의 안테나에 사용할 수 있다.
도 11의 안테나로 돌아가면, 더 많은 이유로 흥미롭다. 안테나에 관한 한, 가장 중요한 특성은 방사 효율이다. 즉, 안테나의 측정된 실제 성능(예를 들어, 안테나 랩에서 측정됨)이다. 도 16은 도 11의 안테나에 대한 이러한 성능, 방사 효율을 도시하고 있으며, 이러한 안테나에 대해 놀랍게도 높은 것으로 밝혀졌다.
위에서 언급한 바와 같이, 도 11의 안테나는 5.5mm의 높이 및 10mm의 밑면(25)에서의 폭을 갖는 리세스 부분을 갖는다. 이 크기와 구동 주파수에서, 안테나는 소형 안테나로 정의될 수 있다. 휠러, H.,"소형 안테나의 기본 제한", Proc. IRE, vol. 35, no. 12, pp. 1479-1484, 1947에서, "소형 안테나"는 λ/(2*π)보다 작은 것으로 정의된다. 이 크기 이하에서 안테나 성능은 심하게 영향을 받는다.
전기적 소형 안테나는 일반적으로 보통 크기의 안테나에 비해 효율이 매우 낮다. 높은 효율을 얻으려면 더 큰 물체, 일반적으로 구리 층이 있는 전자 보드에 배치되어야 한다. 그런 다음, 전기적 소형 "안테나"는 여기 요소로 더 작용하여 전자기 방사선을 방출하는 전자 보드로부터 상당한 기여를 받는다. 제대로 작동하려면, 소형 안테나는 원하는 주파수의 공진 특성을 가져야 하며, 양호한 방사 효율과 함께 필요한 충분한 대역폭을 가져야 한다. 이것은 전기적 소형 안테나를 설계할 때 큰 도전이다.
전기적 소형 안테나는 용량성 및 유도성 요소인 반응성 요소가 있는 공진 회로로 볼 수 있다. 안테나 구조는 반응성 요소가 정확한 임피던스와 대역폭을 가진 공진을 생성하도록 구현되어야 한다. 원하는 특성을 부여하는 구리 층 구조와 함께 럼프 요소를 결합하는 것이 일반적이다. 안테나 크기를 줄이면 응용 분야에 충분한 대역폭과 양호한 방사 효율을 갖기가 어렵다.
도 17은 본 발명의 다른 실시예를 도시한다. 제 1 전기 반응성 네트워크(9)의 전기 라인의 적어도 일부는 사행 형태이다. 도 17에서는 네트워크(9)의 전체 길이를 따라 사행 형태를 볼 수 있다.
도 17에 도시된 예로서 본 발명의 이러한 사행 특징은 개선된 대역폭의 형태로 이점을 제공한다. 도 17의 실시예의 반사 손실을 도시한 도 18에서, 약 5-6GHz 대역폭은 도 11에 도시된 사행 라인 없는 대응하는 디바이스의 대역폭(도 12의 대응하는 반사 손실)과 비교하여 개선된 것으로 볼 수 있다. 또한, 도 19에서 볼 수 있는 바와 같이, 도 17에 따른 이러한 사행 라인 실시예에 대한 대응하는 방사 효율은 매우 높다.
1. 안테나 장치 2. 인쇄 회로 기판
3. 접지면 4. 리세스 부분
5. 리세스 부분의 주변부 6. 주변부 지점
7. 주변부 지점 8. 개구
9. 제 1 전기 반응성 네트워크 10. 제 1 전기 반응성 네트워크 포트
11. 제 1 전기 반응성 네트워크 포트 12. 램프 커패시터
13. 리세스 부분의 제 1 측면 14. 리세스 부분의 제 2 측면
15. 무선 신호 급전점 16. 제 2 전기 반응성 네트워크
17. 제 2 전기 반응성 네트워크 포트 18. 제 2 전기 반응성 네트워크 포트
19. 램프 커패시터 20. 무선 회로
21. 제 3 전기 반응성 네트워크 22. 제 3 전기 반응성 네트워크 포트
23. 제 3 전기 반응성 네트워크 포트 24. 램프 커패시터
25. 리세스 부분의 밑면 100. 무선 회로
110. 전기 반응성 네트워크

Claims (13)

  1. 안테나 장치(1)에 있어서,
    - 사용 시 접지면(3)으로서 작용하는 금속화(metallised) 영역(3)을 갖는 인쇄 회로 기판(2);
    - 상기 접지면(3)의 에지 부분에 있는 리세스 부분(4)으로서, 상기 리세스 부분(4)은, 서로 대향하는 제 1 측면(side)(13) 및 제 2 측면(14), 상기 제 1 측면(13) 및 상기 제 2 측면(14)에 연결되는 하부 밑면(bottom base side)(25)을 포함하여 상기 리세스 부분(4)의 주변부(5)를 형성하고, 상기 접지면(3)의 상기 에지 부분에서 상기 리세스 부분(4)의 개구(8)를 형성하는 2개의 지점(6, 7)에서 끝나는 것인, 상기 리세스 부분(4);
    - 럼프(lump) 직렬 커패시터 구성 요소(12)를 사이에 포함하는 2 개의 포트(10, 11)를 갖는 제 1 전기 반응성 네트워크(9)로서, 상기 제 1 전기 반응성 네트워크(9)는, 상기 리세스 부분(4)을 브리징하고, 하나의 포트(11)가 상기 리세스 부분(4)의 상기 제 1 측면(13) 상의 상기 접지면(3)에 전기적으로 연결되며, 다른 포트(10)는 상기 리세스 부분(4)의 상기 제 2 측면(14)에 무선 신호 급전점(15)을 제공하는 것인, 상기 제 1 전기 반응성 네트워크(9);
    - 럼프 직렬 커패시터 구성 요소(19)를 사이에 포함하는 2 개의 포트(17, 18)를 갖는 제 2 전기 반응성 네트워크(16)로서, 상기 제 1 전기 반응성 네트워크(9)와는 별도로, 상기 제 2 전기 반응성 네트워크(16)는 상기 리세스 부분(4)을 브리징하고, 상기 제 2 전기 반응성 네트워크(16)의 하나의 포트(17)는 상기 리세스 부분의 상기 제 1 측면(13) 상의 상기 접지면(3)에 전기적으로 연결되며, 상기 제 2 전기 반응성 네트워크(16)의 다른 포트(18)는 상기 리세스 부분(4)의 상기 제 2 측면(14) 상의 상기 접지면(3)에 전기적으로 연결되는 것인, 상기 제 2 전기 반응성 네트워크(16)
    를 포함하고,
    전파의 송신 및 수신 중 적어도 하나를 위한 무선 회로(20)가 상기 무선 신호 급전점(15)에 연결되고 공진 주파수에서 전파를 수신 또는 송신할 때, 상기 안테나 장치(1)는 공진 주파수를 갖는 안테나로서 공진하도록 구성되고,
    상기 개구(8)로부터, 임의의 접지면(3) 금속을 가로지르지 않는 상기 개구(8)에서 상기 개구(8)로부터 가장 멀리 놓여 있는 상기 리세스 부분(4)의 상기 주변부(5) 상의 지점까지의 물리적 길이로서 정의되는 상기 리세스 부분(4)의 전기적 길이는, 상기 안테나 장치(1)의 공진 주파수의 파장의 1/10 이하이며,
    상기 제 1 전기 반응성 네트워크(9)와 상기 제 2 전기 반응성 네트워크(16) 사이의 물리적 거리는 상기 안테나 장치(1)의 공진 주파수의 파장의 1/12보다 작으며,
    상기 리세스 부분(4)의 형상은 삼각형으로서, 상기 삼각형의 형상의 하나의 꼭짓점에 상기 리세스 부분(4)의 상기 개구(8)가 있는 것인, 안테나 장치(1).
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 리세스 부분(4)은 상기 밑면이 상기 리세스 부분(4)의 높이 이상인 형상을 가지며, 상기 리세스 부분의 높이는 상기 하부 밑면과 상기 개구(8) 사이의 최단 경로의 길이로서 정의되는 것인, 안테나 장치(1).
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 제 2 전기 반응성 네트워크(16)는 상기 제 1 전기 반응성 네트워크(9)보다 상기 리세스 부분(4)의 상기 개구(8)에 더 가까이 위치되는 것인, 안테나 장치(1).
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 안테나 장치(1)는 전파의 송신 및 수신 중 적어도 하나를 위한 무선 회로(20)가 상기 급전점(15)에 연결되고 추가 공진 주파수에서 전파를 수신 또는 송신할 때, 추가 공진 주파수를 갖는 안테나로서 공진하도록 구성되는 것인, 안테나 장치(1).
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 제 2 전기 반응성 네트워크(16)의 리액턴스는 상기 안테나 장치(1)의 동작 주파수에서 100 Ω보다 높은 것인, 안테나 장치(1).
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 무선 신호 급전점(15)에 연결된, 전파의 송신 및 수신 중 적어도 하나를 위한 무선 회로(20)를 포함하고, 상기 무선 회로(20)는 적어도 하나의 공진 주파수를 갖는 것인, 안테나 장치(1).
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 전기 반응성 네트워크(9)의 직렬 커패시턴스는 0.1pF 내지 0.8pF 범위에 있고, 상기 제 2 전기 반응성 네트워크(16)의 직렬 커패시턴스는 0.05pF 내지 0.6pF 범위에 있으며, 상기 안테나 장치(1)는 2GHz 내지 6GHz 범위에서 동작하도록 조정되는 것인, 안테나 장치(1).
  8. 제 7 항에 있어서,
    - 상기 제 1 전기 반응성 네트워크(9)의 직렬 커패시턴스는 0.3±0.1pF 범위에 있고,
    - 상기 제 2 전기 반응성 네트워크(16)의 직렬 커패시턴스는 0.2±0.1pF 범위에 있고,
    - 상기 리세스 부분의 높이는 3.5mm이고,
    - 상기 밑면(25)의 폭은 8mm이며,
    2.4 GHz 부근의 공진 주파수에서, 상기 리세스 부분의 높이는 상기 하부 밑면과 상기 개구(8) 사이의 최단 경로의 길이로서 정의되는 것인, 안테나 장치(1).
  9. 제 7 항에 있어서,
    - 상기 제 1 전기 반응성 네트워크(9)의 직렬 커패시턴스는 0.2pF 내지 0.4pF 범위에 있고,
    - 상기 제 2 전기 반응성 네트워크(16)의 직렬 커패시턴스는 0.07±0.01pF 범위에 있으며,
    - 상기 리세스 부분의 높이는 5.5mm이고,
    - 상기 밑면(25)의 폭은 10mm이며,
    2.4GHz 부근의 공진 주파수 및 5GHz 부근의 추가 공진 주파수에서, 상기 리세스 부분의 높이는 상기 하부 밑면(25)과 상기 개구(8) 사이의 최단 경로의 길이로서 정의되는 것인, 안테나 장치(1).
  10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 인쇄 회로 기판의 방향을 따라 상기 인쇄 회로 기판으로의 상기 리세스 부분(4)의 물리적 깊이는, 동일한 방향에서 상기 인쇄 회로 기판(2)의 깊이의 25% 이하인 것인, 안테나 장치(1).
  11. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 전기 반응성 네트워크(9)의 전기 라인의 적어도 일부는 사행 형태(meandering form)인 것인, 안테나 장치(1).
  12. 디바이스에 있어서,
    제 1 항 또는 제 2 항에 따른 안테나 장치(1)를 포함하는 디바이스.
  13. 제 3 항에 있어서, 상기 안테나 장치(1)는 전파의 송신 및 수신 중 적어도 하나를 위한 무선 회로(20)가 상기 급전점(15)에 연결되고 추가 공진 주파수에서 전파를 수신 또는 송신할 때, 추가 공진 주파수를 갖는 안테나로서 공진하도록 구성되는 것인, 안테나 장치(1).
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