KR102399600B1 - 상호 결합된 안테나 소자들을 포함하는 안테나 장치 - Google Patents

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KR102399600B1 KR1020170123515A KR20170123515A KR102399600B1 KR 102399600 B1 KR102399600 B1 KR 102399600B1 KR 1020170123515 A KR1020170123515 A KR 1020170123515A KR 20170123515 A KR20170123515 A KR 20170123515A KR 102399600 B1 KR102399600 B1 KR 102399600B1
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Abstract

안테나 장치가 제공된다. 일 실시예에 따른 안테나 장치는 주 안테나 소자 및 보조 안테나 소자를 포함할 수 있고, 주 안테나 소자 및 보조 안테나 소자는 서로에 대해 직교와 유사한 각도로 배치될 수 있다.

Description

상호 결합된 안테나 소자들을 포함하는 안테나 장치{ANTENNA DEVICE TO INCLUDE ANTENNA ELEMENTS MUTUALLY COUPLED}
이하, 안테나 장치와 관련된 기술이 제공된다.
근거리 무선통신이나 블루투스 등의 통신 기술 및 무선 전력 전송 기술이 발달하면서, 생체 등에 삽입되는 전자 장치는 소형이면서도 모든 방향에 대해 안정적으로 신호를 송수신하는 안테나 장치가 요구된다.
복수의 안테나 모듈을 실장하게 될 경우, 다양한 방향의 무선 신호 및 무선 전력을 송수신 할 수 있으나, 복수의 안테나 모듈을 연결하기가 어렵거나 추가 부품이 요구되어 제조 비용 등이 상승할 수 있다.
일 실시예에 따른 안테나 장치는, 전력 공급에 응답하여 보조 안테나 소자와 상호 결합(mutual coupling)을 형성하는 주 안테나 소자(main antenna element); 및 상기 주 안테나 소자의 중심축에 대해 직교와 다른 각도를 이루는 중심축을 가지는 배치를 통해 상기 주 안테나 소자와 상호 결합을 형성하는 보조 안테나 소자(sub antenna element)를 포함할 수 있다.
상기 각도는, 상기 주 안테나 소자와 상기 보조 안테나 소자에 대해 요구되는 상호 결합 계수에 기초하여 결정될 수 있다.
상기 주 안테나 소자 및 상기 보조 안테나 소자는 각각의 평면이 미리 정해진 상호 결합 계수에 기초하여 산출된, 각도를 형성하도록 배치될 수 있다.
상기 상호 결합 계수는, 상기 주 안테나 소자의 임피던스, 상기 보조 안테나 소자의 저항, 및 상기 보조 안테나 소자의 임피던스에 기초하여 결정될 수 있다.
상기 보조 안테나 소자는, 상기 주 안테나 소자와의 상호 결합에 응답하여, 상기 주 안테나 소자에 흐르는 전류의 위상보다 90도 위상이 지연된 전류를 상기 보조 안테나 소자에 흐르게 할 수 있다.
상기 주 안테나 소자 및 상기 보조 안테나 소자는, 서로 동일한 형태, 동일한 크기(size), 동일한 저항, 및 동일한 리액턴스를 가지는 안테나이고, 상기 보조 안테나 소자는, 상기 주 안테나 소자와의 상호 결합에 응답하여, 상기 주 안테나 소자에 흐르는 전류와 동일한 크기의 전류를 상기 보조 안테나 소자에 흐르게 할 수 있다.
상기 주 안테나 소자 및 상기 보조 안테나 소자는, 상호 간에 전기적 접촉(electrical contact)이 방지되도록 배치될 수 있다.
상기 주 안테나 소자 및 상기 보조 안테나 소자는, 루프(loop) 형태의 안테나일 수 있다.
상기 주 안테나 소자 및 상기 보조 안테나 소자는, 다이폴(dipole) 형태의 안테나일 수 있다.
상기 보조 안테나 소자는, 상기 주 안테나 소자와 상호 결합을 형성하도록 배치되는 복수의 안테나를 포함할 수 있다.
안테나 장치는 유선 연결(wired connection)을 통해 상기 주 안테나 소자로 전력을 직접(directly) 공급하는 급전부(feeder)를 더 포함할 수 있다.
안테나 장치는 상기 주 안테나 소자로 전력을 상호 결합을 통해 공급하는 급전부를 더 포함할 수 있다.
상기 보조 안테나 소자는, 상기 주 안테나 소자와 상호 결합을 형성하도록 배치되는 복수의 안테나를 포함하고, 상기 급전부는, 상기 주 안테나 소자 및 상기 복수의 안테나 중 적어도 하나와 상호 결합을 형성할 수 있다.
안테나 장치는 상기 주 안테나 소자와 상호 결합을 형성하여 신호를 전달하는 통신부; 및 상기 주 안테나 소자 및 상기 보조 안테나 소자의 중심에 대응하는 공간에 상기 통신부를 고정하는 고정부를 더 포함할 수 있다.
상기 보조 안테나 소자는, 루프 형태의 안테나; 및 커패시터를 포함할 수 있다.
상기 커패시터는, 상기 주 안테나 소자와 상기 보조 안테나 소자 간에 형성되는 상호 결합의 공진 주파수 및 상기 루프 형태의 안테나의 인덕턴스에 기초하여 결정되는 커패시턴스를 가질 수 있다.
상기 보조 안테나 소자는, 다이폴 형태의 안테나; 및 인덕터를 포함할 수 있다.
상기 인덕터는, 상기 주 안테나 소자와 상기 보조 안테나 소자 간에 형성되는 상호 결합의 공진 주파수 및 상기 다이폴 형태의 안테나의 커패시턴스에 기초하여 결정되는 인덕턴스를 가질 수 있다.
상기 주 안테나 소자는, 상기 주 안테나 소자의 임피던스를 변환하는 임피던스 매칭부를 포함할 수 있다.
상기 주 안테나 소자는, 제1 방향에 대하여 자기장을 생성하고, 상기 보조 안테나 소자는, 상기 제1 방향의 직교와 유사한 제2 방향에 대하여 자기장을 생성할 수 있다.
도 1 및 도 2는 안테나 소자의 종류를 도시한 도면이다.
도 3 내지 도 5는 안테나 소자의 방사를 도시한 도면이다.
도 6 내지 도 9는 서로 직교하는 2개의 루프 형태의 안테나 소자들 및 해당 안테나 소자들의 방사를 도시한 도면이다.
도 10 및 도 11은 일 실시예에 따른 루프 형태의 안테나 소자들의 배치를 설명하는 도면이다.
도 12는 일 실시예에 따라 도 10 및 도 11에 도시된 바와 같이 배치된 안테나 소자들의 상호 결합을 설명하는 도면이다.
도 13은 일 실시예에 따라 도 10 및 도 11에 도시된 바와 같이 배치된 안테나 소자들의 등가 회로를 설명하는 도면이다.
도 14는 일 실시예에 따라 도 10 및 도 11에 도시된 바와 같이 배치된 안테나 소자들의 각각에 흐르는 전류 사이의 위상차 및 전류비를 도시한 도면이다.
도 15는 일 실시예에 따라 배치된 안테나 소자들을 포함하는 안테나 장치의 방사를 설명하는 도면이다.
도 16은 일 실시예에 따라 도 10 및 도 11에 도시된 바와 같이 배치된 안테나 소자로 상호 결합을 통해 전력을 공급하는 구조를 가지는 안테나 장치를 도시한 도면이다.
도 17은 일 실시예에 따라 도 16에 도시된 안테나 장치에서 안테나 소자들 간의 상호 결합을 설명하는 도면이다.
도 18은 도 16에 도시된 안테나 장치의 등가 회로를 도시한 도면이다.
도 19 내지 도 21은 일 실시예에 따른 안테나 장치에서 급전부와 안테나 소자들 간의 연결을 설명하는 도면이다.
도 22는 일 실시예에 따른 안테나 장치의 패키징 케이스를 설명하는 도면이다.
도 23 및 도 24는 일 실시예에 따른 다이폴 형태의 안테나 소자들의 배치를 설명하는 도면이다.
도 25는 일 실시예에 따라 도 23 및 도 24에 도시된 바와 같이 배치된 안테나 소자들의 등가 회로를 설명하는 도면이다.
도 26 및 도 27은 일 실시예에 따라 급전부와 연결된 주 안테나 소자 및 해당 주 안테나 소자와 상호 결합을 형성하는 복수의 보조 안테나 소자들을 포함하는 안테나 장치를 설명하는 도면이다.
도 28 및 도 29는 일 실시예에 따라 급전부와 상호 결합을 형성하는 복수의 안테나 소자들을 포함하는 안테나 장치를 설명하는 도면이다.
도 30 및 도 31은 단일 안테나 소자에 의한 방사를 설명하는 도면이다.
도 32 및 도 33은 일 실시예에 따라 주 안테나 소자 및 해당 주 안테나 소자와 상호 결합을 형성하는 보조 안테나 소자에 의한 방사를 설명하는 도면이다.
도 34는 일 실시예에 따른 안테나 장치의 구성을 도시한 블록도이다.
이하, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 특허출원의 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
아래 설명하는 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있다. 아래 설명하는 실시예들은 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 이들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
실시예에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 실시예를 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수 개의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1 및 도 2는 안테나 소자의 종류를 도시한 도면이다.
안테나 소자(antenna element)(110, 210)는 특정 영역대의 전자기파(electromagnetic wave)를 송신 혹은 수신하기 위한 소자이다. 본 명세서의 안테나 소자(110, 210)는 예를 들어, 공진형 안테나(Resonator Antenna)로서, 전자기파를 송신하거나 수신할 때, 공진형 안테나를 구성하는 도선(wire)에 흐르는 전류 신호, 및 전압 신호 등이 정재파 패턴(standing wave pattern)을 나타낼 수 있다.
일 실시예에 따르면 안테나 소자(110, 210)는 외부로부터 방사된(radiated) 전자기파를 수신하거나, 급전부(feeder)(120, 220)로부터의 전력 공급에 응답하여 외부로 전자기파를 방사할 수 있다. 예를 들어, 안테나 소자(110, 210)는 도 1에 도시된 다이폴 형태의 안테나 소자(110), 및 루프 형태의 안테나 소자(210) 등으로 분류될 수 있다,
다이폴 형태의 안테나 소자(110)는 도 1에 도시된 바와 같이, 도선에 급전부(120)가 연결된 형태의 안테나 소자를 나타낼 수 있다. 도 1에서는 급전부가 도선의 중앙에 위치하는 것으로 도시되었으나, 이로 한정하는 것은 아니다.
루프 형태의 안테나 소자(210)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 급전부(220)와 연결된 도선이 루프 형태를 가지는 안테나 소자를 나타낼 수 있다. 도 2에서는 루프가 원형으로 도시되었으나, 이로 한정하는 것은 아니고, 루프는 도선이 정방형, 삼각형, 원형, 또는 타원형 등으로 여러 번 감긴 형태로 구성될 수도 있다.
도 3 내지 도 5는 안테나 소자의 방사를 도시한 도면이다.
도 3에서는 설명의 편의를 위해 도 2에 도시된 루프 형태의 안테나 소자(210)가 xy 평면 상에 배치된 구조를 도시하였으나 이로 한정하는 것은 아니다.
도 3에 도시된 바와 같이, 안테나 소자(210)의 방사를 설명하기 위해, 안테나 소자(210)의 중심이 원점(origin)으로 도시될 수 있다. 방사 패턴 벡터(301)는 안테나 소자(210)로부터 임의의 방향에 대한 방사를 지시하는 벡터일 수 있다.
극좌표계(polar coordinate system)로 표현하면, 방사 패턴 벡터(301)가 z축과 이루는 각도를
Figure 112017093435242-pat00001
로 나타낼 수 있고, 방사 패턴 벡터(301)가 xz평면과 이루는 각도를
Figure 112017093435242-pat00002
라고 나타낼 수 있다. 여기서, 방사 패턴 벡터(301)가 원점과 이루는 각도들
Figure 112017093435242-pat00003
,
Figure 112017093435242-pat00004
는 방사 방향(radiation direction)을 나타낼 수 있고, 방사 패턴 벡터(301)의 크기는 방사 세기(radiation power)를 나타낼 수 있다.
또한, 직각 좌표계(rectangular coordinate system)로 표현하면, 도 3에 도시된 방사 패턴 벡터(301)의 크기는 방사 세기를 나타낼 수 있고, 방사 패턴 벡터(301)의 방향은 방사 방향을 나타낼 수 있다.
도 4는 일 실시예에 따른 임의의 방향에 따른 방사세기 밀도(radiation power density)(예를 들어, 방사 패턴(radiation pattern))를 도시한다. 도 4의 가로축은 xy 평면 상의 임의의 축에 대응할 수 있다. 도 3에서 루프 형태의 안테나 소자는 도 4에 도시된 바와 같이, z축을 중심으로 도넛 형태의 대칭적인 방사 패턴을 나타낼 수 있다.
도 5는 도 4에 도시된 방사 패턴을
Figure 112017093435242-pat00005
에 대하여 표현한 그래프이다. 도 5에 도시된 바와 같이,
Figure 112017093435242-pat00006
가 0도인 방향 및 180도인 방향의 방사 세기는
Figure 112017093435242-pat00007
가 90도인 방향에 비해 15dB 이상 감쇄될 수 있다. 본 명세서에서 도시되진 않았으나, 도 1에 도시된 다이폴 형태의 안테나 소자(110)에 의한 방사(radiation)의 방사 세기도 특정 각도에 대해서 15dB 이상 감쇄될 수 있다.
도 6 내지 도 9는 서로 직교하는 2개의 루프 형태의 안테나 소자들 및 해당 안테나 소자들의 방사를 도시한 도면이다.
도 6은 2개의 루프 형태의 안테나 소자가 서로에 대해 직교하도록 배치된 안테나 장치를 도시한다. 도 6에 도시된 제1 안테나 소자(610) 및 제2 안테나 소자(620)는 서로 크기, 저항, 및 퀄리티 팩터(quality factor) 등의 특성이 동일한 소자일 수 있다. 설명의 편의를 위해 제1 안테나 소자(610)는 xy 평면에 배치되고, 제2 안테나 소자(620)는 yz 평면에 배치되는 것으로 도시하였으나, 이로 한정하는 것은 아니다.
도 6에 도시된 바와 같이 배치된 안테나 소자들(610, 620)은 도 7에 도시된 바와 같은 방사 패턴을 나타낼 수 있다. 제1 안테나 소자(610) 및 제2 안테나 소자(620)는 서로의 방사 세기가 감쇄되는 방향을 보완할 수 있다. 도 5에서는 제1 안테나 소자(610)에 의해 형성되는 방사 세기가
Figure 112017093435242-pat00008
가 0도인 방향 및 180도인 방향에 대해서 감쇄되었으나, 도 7에서는
Figure 112017093435242-pat00009
가 0도인 방향 및 180도인 방향에 대해서도 제2 안테나 소자(620)에 의한 방사 세기가 보완할 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 제1 안테나 소자(610) 및 제2 안테나 소자(620)를 포함하는 안테나 장치는 전 방향에 대하여 균일한 방사 세기(730)를 가지는 방사 패턴을 나타낼 수 있다. 도 8에 도시된 바와 같이, 제1 안테나 소자(610) 및 제2 안테나 소자(620)를 포함하는 안테나 장치는 방사 세기의 차이가 3dB 정도로 나타날 수 있다.
도 9에 도시된 바와 같이, 안테나 장치는 제1 안테나 소자(610) 및 제2 안테나 소자(620)의 각각의 임피던스를 매칭하는 임피던스 매칭부(911, 912)를 포함할 수 있다. 또한, 안테나 장치는 위상 지연기(PD, Phase Delay)(913)를 통해 제2 안테나 소자(620)에 흐르는 전류 i2의 위상을 지연시킬 수 있다. 예를 들어, 안테나 장치는 제1 안테나 소자(610)에 흐르는 전류 i1 및 제2 안테나 소자(620)에 흐르는 전류 i2간의 위상 차이를 하기 수학식 1과 같이 90도로 결정할 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112017093435242-pat00010
따라서, 안테나 장치는 서로 직교하는 각각의 안테나 소자에 90도의 위상차를 가지는 전류를 급전(feed)함으로써, 회전편파(circular polarization)를 발생시킬 수 있다.
도 10 및 도 11은 일 실시예에 따른 루프 형태의 안테나 소자들의 배치를 설명하는 도면이다.
도 10은 루프 형태의 안테나 소자들의 배치의 탑뷰(top-view)를 도시한 도면이다. 도 11은 루프 형태의 안테나 소자들의 배치를 측면에서 도시한 도면이다. 도 10 및 도 11에 도시된 바와 같이, 제1 안테나 소자(1010)가 배치된 평면 및 제2 안테나 소자(1020)가 배치된 평면은 직교와는 다른 각도를 이룰 수 있다. 따라서, 제1 안테나 소자(1010)의 중심축과 제2 안테나 소자(1020)의 중심축이 직교와 다른 각도를 이루도록, 제1 안테나 소자(1010)와 제2 안테나 소자(1020)가 배치될 수 있다. 다만, 제1 안테나 소자(1010)의 중심축 및 제2 안테나 소자(1020)의 중심축은 서로 평행하지 않게(nonparallel) 배치될 수 있다. 제1 안테나 소자(1010)의 중심축은 제1 안테나 소자(1010)가 배치된 평면에 대한 법선 벡터(normal vector)에 대응할 수 있다. 제2 안테나 소자(1020)의 중심축은 제2 안테나 소자(1020)가 배치된 평면에 대한 법선 벡터에 대응할 수 있다.
또한, 제1 안테나 소자(1010)가 배치된 평면 및 제2 안테나 소자(1020)가 배치된 평면이 이루는 각도는
Figure 112017093435242-pat00011
일 수 있다. 제1 안테나 소자(1010) 및 제2 안테나 소자(1020)는 각각의 평면이 미리 정해진 상호 결합 계수에 기초하여 산출된, 각도를 형성하도록 배치될 수 있다. 여기서, 제1 안테나 소자(1010)의 중심축 및 제2 안테나 소자(1020)의 중심축이 이루는 각도도
Figure 112017093435242-pat00012
로 나타낼 수 있다.
일 실시예에 따르면,
Figure 112017093435242-pat00013
는 제1 안테나 소자(1010)의 평면 및 제2 안테나 소자(1020)의 중심축이 이루는 각도를 나타낼 수 있다. 달리 말해,
Figure 112017093435242-pat00014
는 제2 안테나 소자(1020)의 평면 및 제1 안테나 소자(1010)의 중심축이 이루는 각도를 나타낼 수도 있다. 여기서,
Figure 112017093435242-pat00015
는 제1 안테나 소자(1010) 및 제2 안테나 소자(1020)에 대해 요구되는 상호 결합 계수 k에 기초하여 결정될 수 있다. 예를 들어,
Figure 112017093435242-pat00016
는 0도보다 크고 90도보다 작은 각도일 수 있다.
여기서, 제1 안테나 소자(1010)의 방사 패턴 방향 및 제2 안테나 소자(1020)의 방사 패턴 방향이 서로 직교에 가까워지도록, 제1 안테나 소자(1010) 및 제2 안테나 소자(1020)가 배치될 수 있다. 예를 들어, 상호 결합 계수 k는
Figure 112017093435242-pat00017
가 최소화되도록 설계될 수 있다. 따라서, 제1 안테나 소자(1010)의 중심축 및 제2 안테나 소자(1020)의 중심축은 직교보다 약간 작은 각도를 이룰 수 있다. 따라서, 제1 안테나 소자(1010)는, 제1 방향에 대하여 자기장을 생성할 수 있고, 제2 안테나 소자(1020)는, 제1 방향의 직교와 유사한 제2 방향에 대하여 자기장을 생성할 수 있다.
또한, 제1 안테나 소자(1010) 및 제2 안테나 소자(1020)는, 상호 간에 전기적 접촉(electrical contact)이 방지되도록 배치될 수 있다.
도 12는 일 실시예에 따라 도 10 및 도 11에 도시된 바와 같이 배치된 안테나 소자들의 상호 결합을 설명하는 도면이다.
일 실시예에 따른 안테나 장치는 제1 안테나 소자(1210), 제2 안테나 소자(1220), 및 임피던스 매칭부(1230)를 포함할 수 있다. 제1 안테나 소자(1210) 및 제2 안테나 소자(1220)는, 루프 형태의 안테나로 구현될 수 있다. 이 경우, 제2 안테나 소자(1220)는 리액턴스 성분으로서, 커패시터를 포함할 수 있다.
도 10 및 도 11에 도시된 바와 같이, 제1 안테나 소자(1210) 및 제2 안테나 소자(1220)가 이루는 각도는 90도로부터 살짝 틀어진 각도로 설계될 수 있다. 도 10 및 도 11에 도시된 안테나 소자들의 배치는, 전방향에 대해 균일한 방사 패턴을 나타낼 수 있고, 두 안테나 소자 간에 약한 상호 결합을 발생시킬 수 있다. 제1 안테나 소자(1210)는 임피던스 매칭부(1230)를 통해 급전부에 연결되고, 제2 안테나 소자(1220)는 상술한 상호 결합을 통해 제1 안테나 소자(1210)와 접촉 없이 전기적으로 연결될 수 있다. 제2 안테나 소자(1220)에는 상호 결합을 조절하기 위한 리액턴스 소자(예를 들어, 인덕터 L 또는 커패시터 C)가 연결될 수 있다. 도 12에서 리액턴스 소자는 커패시터 C2로 도시되었으나, 이로 한정하는 것은 아니다. 임피던스 매칭부(1230)는 제1 안테나 소자(1210)와 연결되어, 제1 안테나 소자(1210)의 임피던스를 매칭할 수 있다.
리액턴스 소자(도 12에서는 C2)의 리액턴스 값은, 제1 안테나 소자(1210) 및 제2 안테나 소자(1220)에 흐르는 전류 간의 위상차가 90도가 되도록 설계될 수 있다.
제1 안테나 소자(1210) 및 제2 안테나 소자(1220)는 도 10 및 도 11에 도시된 바와 같은 배치를 통해 상호 결합을 형성할 수 있다. 예를 들어, 제1 안테나 소자(1210)의 중심축 및 제2 안테나 소자(1220)의 중심축은 직교와는 다른 각도인
Figure 112017093435242-pat00018
를 가지도록 배치될 수 있다. 제1 안테나 소자(1210) 및 제2 안테나 소자(1220)는 상호 결합 계수 k에 대응하는 상호 결합을 형성할 수 있다.
일 실시예에 따른 안테나 장치는 제2 안테나 소자(1220)에 대해 직접적인 유선 연결을 통해 급전하는 대신, 제1 안테나 소자(1210)와 제2 안테나 소자(1220) 간의 상호 결합을 통해 제2 안테나 소자(1220)로 급전할 수 있다. 따라서, 안테나 장치는 전방향에 대한 방사 세기의 차이가 감소되면서도, 제2 안테나 소자(1220)로 직접 급전하기 위한 피드스루 포인트(feed through point)가 없는 간단한 구조로 구현될 수 있다.
도 13은 일 실시예에 따라 도 10 및 도 11에 도시된 바와 같이 배치된 안테나 소자들의 등가 회로를 설명하는 도면이다.
도 12에 도시된 안테나 소자들의 상호 결합은 도 13에 도시된 등가 회로로 표현될 수 있다. R1은 제1 안테나 소자(1210)의 저항, L1은 제1 안테나 소자(1210)의 인덕턴스를 나타낼 수 있다. R2는 제2 안테나 소자(1220)의 저항, L2는 제2 안테나 소자(1220)의 인덕턴스를 나타낼 수 있고, C2는 제2 안테나 소자와 연결된 리액턴스 소자의 커패시턴스를 나타낼 수 있다. 여기서, i1은 임피던스 매칭부(IM)를 통해 공급된, 제1 안테나 소자(1210)에 흐르는 전류를 나타낼 수 있고, i2는 상호 결합을 통해 유도되어(induced) 제2 안테나 소자(1220)에 흐르는 전류를 나타낼 수 있다. k는 제1 안테나 소자(1210) 및 제2 안테나 소자(1220) 간에 형성된 상호 결합의 계수(이하, 상호 결합 계수)를 나타낼 수 있다. 도 13에 도시된 등가 회로에 대한 수학식은 하기 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112017093435242-pat00019
w는 임피던스 매칭부(IM)를 통해 공급되는 전력의 주파수를 나타낼 수 있다. 상술한 수학식 2를 제1 안테나 소자(1210)의 전류 i1 및 제2 안테나 소자(1220)의 전류 i2의 전류비로 환산하면, 하기 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112017093435242-pat00020
제1 안테나 소자(1210) 및 제2 안테나 소자(1220)에 의해 형성되는 방사 패턴이 전방향에 대해 균일해지기 위해서, 하기 수학식 4와 같이, 공진 주파수 f0에서 제1 안테나 소자(1210)의 전류 i1 및 제2 안테나 소자(1220)의 전류 i2의 위상차가 90도, 전류비(current ratio)가 a로 설계될 수 있다. 따라서, 제2 안테나 소자(1220)는, 제1 안테나 소자(1210)와의 상호 결합에 응답하여, 제1 안테나 소자(1210)에 흐르는 전류의 위상보다 90도 위상이 지연된 전류를 제2 안테나 소자(1220)에 흐르게 할 수 있다. 크기 비 a는 제1 안테나 소자(1210) 및 제2 안테나 소자(1220)의 형태 및 크기(size) 등에 기초하여 결정될 수 있다.
예를 들어, 안테나 장치의 방사 세기가 전방향에 대하여 균일하게 형성되려면, 안테나 장치를 구성하는 두 안테나 소자들(1210, 1220) 각각의 방사 세기가 동일해야 할 수 있다. 두 안테나 소자들(1210, 1220)의 형태 및 크기가 같은 경우 각 안테나 소자의 전류 크기에 따른 방사 세기가 동일하므로, 이런 경우 두 안테나 소자들(1210, 1220)에 흐르는 전류 크기는 서로 동일하도록 설계될 수 있다. 다만, 두 안테나 소자들(1210, 1220)의 형태 및 크기가 다른 경우에는 각 안테나 소자에 대한 시뮬레이션(simulation)에 기초하여, 안테나 소자 별로 전류 크기에 따른 방사 세기가 추정될 수 있다. 따라서, 형태 및 크기가 다른 두 안테나 소자들(1210, 1220)에 대해서는 시뮬레이션 결과에 기초하여, 각 안테나 소자의 방사 세기가 동일해지도록 전류 크기 비 a가 설정될 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112017093435242-pat00021
상술한 수학식 4의 제한조건(constraint)을 충족하는 상호 결합 계수 k 및 커패시턴스 C2는 하기 수학식 5와 같이 도출될 수 있다.
[수학식 5]
Figure 112017093435242-pat00022
상술한 수학식 5와 같이, 상호 결합 계수 k는 전류비 a, 공진 주파수 w0, 제2 안테나 소자(1220)의 저항 R2, 제2 안테나 소자(1220)의 인덕턴스 L2, 및 제1 안테나 소자(1210)의 인덕턴스 L1에 기초하여 결정될 수 있다. 제2 안테나 소자(1220)를 구성하는 커패시터의 커패시턴스 C2는 공진 주파수 w0 및 제2 안테나 소자(1220)의 인덕턴스 L2에 기초하여 결정될 수 있다.
일 실시예에 따른 제1 안테나 소자(1210)의 중심축 및 제2 안테나 소자(1220)의 중심축이 이루는 각도는 제1 안테나 소자(1210)와 제2 안테나 소자(1220)에 대해 요구되는 상호 결합 계수에 기초하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 각도는 상술한 수학식 5에 따른 상호 결합 계수 k에 기초하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 임의의 안테나 소자들에 대해 수학식 5로부터 상호 결합 계수 k가 도출될 수 있고, 시뮬레이션을 통해 안테나 소자들의 각각의 중심축이 이루는 각도들 중 도출된 상호 결합 계수 k를 충족하는 각도가 결정될 수 있다.
도 14는 일 실시예에 따라 도 10 및 도 11에 도시된 바와 같이 배치된 안테나 소자들의 각각에 흐르는 전류 사이의 위상차 및 전류비를 도시한 도면이다.
도 12에 도시된 제1 안테나 소자(1210) 및 제2 안테나 소자(1220)가 크기 및 특성이 동일한 안테나 소자인 경우, 상술한 수학식 3에 대하여 하기 수학식 6과 같은 제한(constraint)이 설정될 수 있다. 예를 들어, 제1 안테나 소자(1210) 및 제2 안테나 소자(1220)는, 서로 동일한 형태, 동일한 크기(size), 동일한 저항, 및 동일한 리액턴스를 가지는 안테나일 수 있다.
[수학식 6]
Figure 112017093435242-pat00023
상술한 수학식 6에서 Q는 안테나의 특성(characteristic)에 대응하는 퀄리티 팩터(quality factor)를 나타낼 수 있다. 상술한 수학식 6의 제한조건 및 수학식 3을 충족하는 상호 결합 계수 k 및 커패시턴스 C2는 하기 수학식 7과 같이 도출될 수 있다.
[수학식 7]
Figure 112017093435242-pat00024
따라서, 두 안테나 소자가 동일한 특성을 가지는 경우, 상호 결합 계수 k는 퀄리티 팩터의 역수에 대응하는 값으로 설계될 수 있다. 커패시턴스 C2는 공진 주파수 w0 및 제2 안테나 소자(1220)의 인덕턴스 L2에 기초하여 결정될 수 있다.
상술한 수학식 7을 충족하도록 설계된 안테나 장치는 도 14에 도시된 바와 같은 시뮬레이션 결과를 나타낼 수 있다. 도 14는 공진 주파수가 433 MHz인 경우의 주파수 응답(frequency response)을 도시한다. 공진 주파수인 433 MHz에서, 두 안테나 소자들의 각각에 흐르는 전류비(1410)
Figure 112017093435242-pat00025
는 동일 크기(예를 들어, 전류비(1410)는 1)이고, 전류 사이의 위상차(1420)
Figure 112017093435242-pat00026
는 90도로 측정될 수 있다. 제2 안테나 소자(1220)는, 제1 안테나 소자(1210)와의 상호 결합에 응답하여, 제1 안테나 소자(1210)에 흐르는 전류와 동일한 크기의 전류를 제2 안테나 소자(1220)에 흐르게 할 수 있다.
도 15는 일 실시예에 배치된 안테나 소자들을 포함하는 안테나 장치의 방사를 설명하는 도면이다.
도 15는 서로에 대해 직교와 다른 각도로 배치된 제1 안테나 소자 및 제2 안테나 소자의 전방향에 대한 방사를 시뮬레이션한 결과를 도시한다.
예를 들어, 각 안테나 소자를 구성하는 도선의 선폭은 0.4 mm이며, 도선의 재질은 황동으로 설계될 수 있다. 제1 안테나 소자 및 제2 안테나 소자는 중심축끼리 이루는 각도가 84도로 배치될 수 있고, 제2 안테나 소자에 연결된 커패시터의 커패시턴스 C2=4.7pF로 설계될 수 있다. 각 안테나 소자의 인덕턴스는 L=30nH, 퀄리티 팩터는 Q=40일 수 있다.
도 15는 공진 주파수인 433 MHz에서 안테나 장치가 제1 안테나 소자에만 전력을 공급한 시뮬레이션 결과를 도시한다. 전방향에 대하여, 제1 안테나 소자 및 제2 안테나 소자의 방사 세기 차이는 4dB 정도로 나타날 수 있다.
도 16은 일 실시예에 따라 도 10 및 도 11에 도시된 바와 같이 배치된 안테나 소자로 상호 결합을 통해 전력을 공급하는 구조를 가지는 안테나 장치를 도시한 도면이다.
제1 안테나 소자(1610) 및 제2 안테나 소자(1620)는 도 10 및 도 11에 도시된 바와 유사하게, 각각의 중심축이 서로에 대해 직교와 다른 각도를 이루도록 배치될 수 있다.
급전부(1640)는 제1 안테나 소자(1610)가 배치된 평면과 동일한 평면에 배치될 수 있다. 급전부(1640)는 상호 결합을 통해 제1 안테나 소자(1610)로 전력을 공급할 수 있다. 상호 결합을 통해 급전부(1640)와 제1 안테나 소자(1610) 간의 직접 연결이 불필요하므로, 제조시 번거로움 및 사용되는 소자의 개수가 감소될 수 있다. 급전부(1640)와 제2 안테나 소자(1620) 간에도 상호 결합이 형성될 가능성이 있으나, 제1 안테나 소자(1610)와 급전부(1640) 간의 상호 결합에 비해 무시될 수 있을 정도로 결합의 세기가 작을 수 있다.
도 17은 일 실시예에 따라 도 16에 도시된 안테나 장치에서 안테나 소자들 간의 상호 결합을 설명하는 도면이다.
도 16에 도시된 바와 같이 배치된 제1 안테나 소자(1610), 제2 안테나 소자(1620), 및 급전부(1640)는 도 17에 도시된 바와 같이 상호 결합을 형성할 수 있다. 예를 들어, 급전부(1640) 및 제1 안테나 소자(1610)는 상호 결합 계수 k0를 가지는 상호 결합을 형성할 수 있다. 여기서, i0는 급전부(1640)에 흐르는 전류를 나타낼 수 있다. 제1 안테나 소자(1610) 및 제2 안테나 소자(1620)는 상호 결합 계수 k을 가지는 상호 결합을 형성할 수 있다. 제1 안테나 소자(1610)는 급전부(1640)와 상호 결합을 형성하기 위한 리액턴스 소자로서, 커패시턴스 C1을 가지는 커패시터와 연결될 수 있다. 제2 안테나 소자(1620)는 제1 안테나 소자(1610)와 상호 결합을 형성하기 위한 리액턴스 소자로서, 커패시턴스 C2를 가지는 커패시터와 연결될 수 있다.
도 18은 도 16에 도시된 안테나 장치의 등가 회로를 도시한 도면이다.
도 17에 도시된 제1 안테나 소자(1610), 제2 안테나 소자(1620), 및 급전부(1640) 간의 상호 결합에 의한 등가 회로는 도 18과 같이 나타낼 수 있다. 도 18에서 L0는 급전부(1640)의 인덕턴스를 나타낼 수 있다. R1은 제1 안테나 소자(1610)의 저항, L1은 제1 안테나 소자(1610)의 인덕턴스를 나타낼 수 있다. R2는 제2 안테나 소자(1620)의 저항, L2는 제2 안테나 소자(1620)의 인덕턴스를 나타낼 수 있다.
제1 안테나 소자(1610)와 제2 안테나 소자(1620) 간의 상호 결합의 상호 결합 계수 k 및 제2 안테나 소자(1620)에 연결된 커패시터의 커패시턴스 C2는 도 13에서 상술한 수학식들에 따라 도출될 수 있다.
도 19 내지 도 21은 일 실시예에 따른 안테나 장치에서 급전부와 안테나 소자들 간의 연결을 설명하는 도면이다.
도 19는 제1 안테나 소자(1910)가 급전부(1940)와 피드스루 포인트(feed through point)(1941)를 통해 연결된 구조를 도시한다. 제1 안테나 소자(1910)는 제2 안테나 소자(1920)와 도 20에 도시된 배치 또는 도 21에 도시된 배치를 통해 전기적으로 연결될 수 있다.
도 20은 제2 안테나 소자(1920)가 추가적인 피드스루 포인트(1942) 2개를 통해 급전부(1940)와 연결된 구조를 도시한다.
도 21은 도 20과 달리 추가적인 피드스루 포인트가 필요 없이, 상호 결합을 통해 제1 안테나 소자(1910) 및 제2 안테나 소자(1920)가 전기적으로 연결된 구조를 도시한다. 제1 안테나 소자(1910) 및 제2 안테나 소자(1920)의 중심축이 서로의 중심축에 대해 직교와 다른 각도로 배치되어 형성된 상호 결합을 통해, 보다 적은 개수의 피드스루 포인트가 사용될 수 있다. 또한, 피드스루 포인트 개수의 감소는 제조 공정 난이도를 하락시키고 제조 비용을 절감시킬 수 있다.
도 22는 일 실시예에 따른 안테나 장치의 패키징 케이스를 설명하는 도면이다.
도 22에 도시된 안테나 장치는 제1 안테나 소자(2210), 제2 안테나 소자(2220), 및 급전부(2240)를 포함할 수 있다. 또한, 안테나 장치는 제1 안테나 소자(2210), 제2 안테나 소자(2220) 및 급전부(2240)를 고정하는 고정부(2250)를 포함할 수 있다. 급전부(2240)는 도 21에서 상술한 바와 같은 구조를 통해 별도 연결 없이 상호 결합을 이용하여 제1 안테나 소자(2210) 및 제2 안테나 소자(2220)로 전력을 공급할 수 있다. 제1 안테나 소자(2210) 및 제2 안테나 소자(2220) 간의 상호 결합에 의해, 제1 안테나 소자(2210) 및 제2 안테나 소자(2220)에 대한 전력 배분 및 위상차가 형성될 수 있다.
급전부(2240)는 제1 안테나 소자(2210)와 상호 결합을 형성하여 신호를 전달하는 통신부를 포함할 수 있다. 예를 들어, 통신부는 생물체(2290) 내에서 수집된 센싱 데이터를 제1 안테나 소자(2210) 및 제2 안테나 소자(2220)를 통해 외부로 송신할 수 있다.
고정부(2250)는 충전재 및 프레임 구조 등을 통해 각 안테나 소자(2210, 2220) 및 급전부(2240)의 배치를 고정할 수 있다. 예를 들어, 고정부는 제1 안테나 소자(2210) 및 제2 안테나 소자(2220)의 중심에 대응하는 공간에 통신부를 고정할 수 있다.
안테나 장치는 도 22에 도시된 바와 같이 생물체(2290)의 체내(예를 들어, 위 등)에 삽입될 수 있다. 일 실시예에 따른 안테나 장치는 전방향에 대해 균일한 방사 패턴을 가지므로, 임의의 방향에 대해서 생물체(2290)의 외부로부터 전송된 신호를 수신하거나, 외부로 신호를 송신할 수 있다. 따라서, 안테나 장치는 생물체(2290) 등에 이식가능한 장치(implantable device)로서 구현될 수 있다.
도 23 및 도 24는 일 실시예에 따른 다이폴 형태의 안테나 소자들의 배치를 설명하는 도면이다.
도 23에 도시된 바와 같이 안테나 장치의 제1 안테나 소자(2310) 및 제2 안테나 소자(2320)는 다이폴(dipole) 형태의 안테나로 구현될 수도 있다. 제2 안테나 소자(2320)는 리액턴스 성분으로서 인덕터를 포함할 수 있다. 임피던스 매칭부(2330)는 제1 안테나 소자(2310)와 연결될 수 있다.
제1 안테나 소자(2310) 및 제2 안테나 소자(2320)의 중심축은 서로의 중심축에 대해 직교와 다른 각도, 예를 들어,
Figure 112017093435242-pat00027
의 각도를 이루도록 배치될 수 있다. 다이폴 형태의 안테나 소자의 중심축은, 해당 안테나 소자를 구성하는 도선의 중심을 관통하는 축을 나타낼 수 있다.
도 24에 도시된 바와 같이, 도 23에 도시된 배치를 통해, 제1 안테나 소자(2310) 및 제2 안테나 소자(2320)는 상호 결합을 형성할 수 있다. 여기서, 제2 안테나 소자(2320)는, 제1 안테나 소자(2310와 상호 결합을 형성하기 위한 리액턴스 소자(2421)와 연결될 수 있다. 예를 들어, 리액턴스 소자(2421)는 인덕터일 수 있다.
도 25는 일 실시예에 따라 도 23 및 도 24에 도시된 바와 같이 배치된 안테나 소자들의 등가 회로를 설명하는 도면이다.
도 24에 도시된 안테나 장치는, 도 25에 도시된 등가 회로와 같이 해석될 수 있다. R1은 제1 안테나 소자(2310)의 저항, C1은 제1 안테나 소자(2310)의 커패시턴스, V1은 제1 안테나 소자(2310)에 가해지는(applied) 전압을 나타낼 수 있다. R2는 제2 안테나 소자(2320)의 저항, C2는 제2 안테나 소자(2320)의 커패시턴스, V2는 제2 안테나 소자(2320)에 가해지는 전압을 나타낼 수 있고, L2는 제2 안테나 소자와 연결된 리액턴스 소자의 인덕턴스를 나타낼 수 있다. k는 제1 안테나 소자(2310) 및 제2 안테나 소자(2320) 간에 형성된 상호 결합의 계수를 나타낼 수 있다. 도 25에 도시된 등가 회로에 대한 수학식은 하기 수학식 8과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 8]
Figure 112017093435242-pat00028
상술한 수학식 8을 각 안테나 소자에 가해지는 전압의 비율로 하기 수학식 9와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 9]
Figure 112017093435242-pat00029
일 실시예에 따르면, 다이폴 형태의 안테나 소자에 있어서, 균일한 방사 패턴의 형성을 위해, 두 안테나 소자의 전압 크기의 비는 b로 설계될 수 있고, 위상 차이는 90도로 설계될 수 있다.
[수학식 10]
Figure 112017093435242-pat00030
상술한 수학식 10의 제한 조건 및 수학식 9에 기초하여, 상호 결합 계수 k 및 리액턴스 소자의 인덕턴스 L2는 하기 수학식 11과 같이 도출될 수 있다.
[수학식 11]
Figure 112017093435242-pat00031
상술한 수학식 11과 같이, 상호 결합 계수 k는 전압비 b, 공진 주파수 w0, 제2 안테나 소자(2320)의 저항 R2, 제2 안테나 소자(2320)의 커패시턴스 C2, 및 제1 안테나 소자(2310)의 커패시턴스 C1에 기초하여 결정될 수 있다. 제2 안테나 소자(2320)를 구성하는 인덕터의 인덕턴스 L2는 공진 주파수 w0 및 제2 안테나 소자(2320)의 커패시턴스 C2에 기초하여 결정될 수 있다.
일 실시예에 따른 제1 안테나 소자(2310)의 중심축 및 제2 안테나 소자(2320)의 중심축이 이루는 각도는 상술한 수학식 11에 따른 상호 결합 계수 k에 기초하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 임의의 안테나 소자들에 대해 수학식 11로부터 상호 결합 계수가 도출될 수 있고, 시뮬레이션을 통해 안테나 소자들의 각각의 중심축이 이루는 각도들 중 도출된 상호 결합 계수를 충족하는 각도가 결정될 수 있다.
도 26 및 도 27은 일 실시예에 따라 급전부와 연결된 주 안테나 소자 및 해당 주 안테나 소자와 상호 결합을 형성하는 복수의 보조 안테나 소자들을 포함하는 안테나 장치를 설명하는 도면이다.
도 26에 도시된 바와 같이 보조 안테나 소자들(2621, 2622, 2623)은, 주 안테나 소자(2610)와 상호 결합을 형성하도록 배치되는 복수의 안테나에 대응할 수 있다. 예를 들어, 주 안테나 소자(2610)가 임피던스 매칭부(2630)와 연결될 수 있고, 나머지 보조 안테나 소자들(2621, 2622, 2623)은 주 안테나 소자(2610)와 직교와 다른 각도로 배치될 수 있다. 도 1 내지 도 25에서 설명한 제1 안테나 소자는 주 안테나 소자(2610)에 대응할 수 있고, 제2 안테나 소자는 보조 안테나 소자들(2621, 2622, 2623)에 대응할 수 있다.
도 27에 도시된 바와 같이, 도 26에 도시된 주 안테나 소자(2610)는 보조 안테나 소자들(2621, 2622, 2623)과 상호 결합을 형성할 수 있고, 상호 결합을 통해 보조 안테나 소자들(2621, 2622, 2623)로 전력을 공급할 수 있다. 각각의 보조 안테나 소자들(2621, 2622, 2623)은 리액턴스 소자에 연결될 수 있다.
안테나 장치는 복수의 보조 안테나 소자들(2621, 2622, 2623)을 통해 보다 균일한 방사 패턴을 생성할 수 있다. 도 26 및 도 27에서는 보조 안테나 소자의 개수가 3개로 도시되었으나, 이로 한정하는 것은 아니다.
도 28 및 도 29는 일 실시예에 따라 급전부와 상호 결합을 형성하는 복수의 안테나 소자들을 포함하는 안테나 장치를 설명하는 도면이다.
도 28에 도시된 바와 같이 안테나 장치는 급전부(2840)와 동일 평면에 배치되는 주 안테나 소자(2810), 해당 주 안테나 소자(2810)에 대해 직교와는 다른 각도로 배치되는 보조 안테나 소자들(2821, 2822, 2823)을 포함할 수 있다. 보조 안테나 소자들(2821, 2822, 2823)은, 주 안테나 소자(2810)와 상호 결합을 형성하도록 배치되는 복수의 안테나들일 수 있다.
도 29에 도시된 바와 같이, 도 27에 도시된 주 안테나 소자(2810)는 리액턴스 소자에 연결될 수 있고, 급전부(2840)와 상호 결합을 통해 전력을 공급 받을 수 있다. 보조 안테나 소자들(2821, 2822, 2823)도 각각 리액턴스 소자에 연결될 수 있고, 주 안테나 소자(2810)와 상호 결합을 통해 전력을 공급 받을 수 있다. 또한, 급전부(2840)는, 주 안테나 소자(2810) 및 복수의 안테나 중 적어도 하나와 상호 결합을 형성할 수 있다.
안테나 장치는 복수의 보조 안테나 소자들(2821, 2822, 2823)을 통해 보다 균일한 방사 패턴을 생성할 수 있다. 더 나아가, 주 안테나 소자(2810) 및 복수의 보조 안테나 소자들(2821, 2822, 2823)은 물리적으로 직접적인 연결 없이도, 상호 결합을 통해 전력을 배분할 수 있다. 도 28 및 도 29에서는 보조 안테나 소자의 개수가 3개로 도시되었으나, 이로 한정하는 것은 아니다.
도 30 및 도 31은 단일 안테나 소자에 의한 방사를 설명하는 도면이다.
도 30에 도시된 루프 형태의 단일 안테나 소자(3010)는 패키징 케이스 내에 실장될 수 있다. 루프 형태의 단일 안테나 소자(3010)는 도 31에 도시된 바와 같이 비균일한 방사 패턴을 생성할 수 있다. 특정 방향(예를 들어, 도 31에서 Theta는 90도인 위치)에서는 15dB를 초과하는 방사 세기 차이가 발생할 수 있다.
도 32 및 도 33은 일 실시예에 따라 주 안테나 소자 및 해당 주 안테나 소자와 상호 결합을 형성하는 보조 안테나 소자에 의한 방사를 설명하는 도면이다.
도 32에 도시된 주 안테나 소자(3210) 및 보조 안테나 소자(3220)는 서로에 대해 직교와는 다른 각도로 배치될 수 있다. 주 안테나 소자(3210) 및 보조 안테나 소자(3220)는 패키징 케이스 내에 실장될 수 있다. 주 안테나 소자(3210) 및 보조 안테나 소자(3220)를 포함하는 안테나 장치는 균일한 방사 패턴을 생성할 수 있다. 예를 들어, 도 33에 도시된 바와 같이, 안테나 장치는 특정 방향(예를 들어, 도 33에서 Theta는 90도인 위치)에서도 도 31에 비해 10dB 정도 방사 세기의 차이를 개선할 수 있다.
도 34는 일 실시예에 따른 안테나 장치의 구성을 도시한 블록도이다.
안테나 장치(3400)는 제1 안테나 소자(3410), 제2 안테나 소자(3420), 및 급전부(3440)를 포함한다. 제1 안테나 소자(3410)는 주 안테나 소자라고도 나타낼 수 있고, 제2 안테나 소자(3420)는 보조 안테나 소자라고도 나타낼 수 있다.
제1 안테나 소자(3410)는 급전부(3440)로부터의 전력 공급에 응답하여 제2 안테나 소자(3420)와 상호 결합(mutual coupling)을 형성할 수 있다. 제2 안테나 소자(3420)는 제1 안테나 소자(3410)의 중심축에 대해 직교와 다른 각도를 이루는 중심축을 가지는 배치를 통해 제1 안테나 소자(3410)와 상호 결합을 형성할 수 있다.
제1 안테나 소자(3410) 및 제2 안테나 소자(3420)는 도 1 내지 도 33에서 상술한 바와 같이, 각각의 중심축이 서로의 중심축에 대해 직교와는 다른 각도를 이루도록 배치될 수 있다. 제1 안테나 소자(3410) 및 제2 안테나 소자(3420)는 상호 결합을 통해 별도의 물리적으로 직접적인 연결 없이도 전력을 배분할 수 있다. 제1 안테나 소자(3410) 및 제2 안테나 소자(3420) 간의 상호 결합 계수는, 상술한 수학식 5, 7, 및 11과 같이 제1 안테나 소자(3410)의 임피던스, 제2 안테나 소자(3420)의 저항, 및 제2 안테나 소자(3420)의 임피던스에 기초하여 결정될 수 있다.
급전부(feeder)(3440)는 제1 안테나 소자(3410)로 전력을 공급할 수 있다. 일 실시예에 따르면 급전부(3440)는 유선 연결(wired connection)을 통해 제1 안테나 소자(3410)로 전력을 직접(directly) 공급할 수 있다. 여기서, 급전부(3440)는 제1 안테나 소자(3410)의 임피던스를 매칭하기 위한 임피던스 매칭부를 포함할 수도 있다. 임피던스 매칭부는 제1 안테나 소자(3410)의 임피던스를 변환할 수 있다. 다른 일 실시예에 따르면 급전부(3440)는 제1 안테나 소자(3410)와 상호 결합을 통해 연결되어 전력을 공급할 수도 있다.
도 34에서 제1 안테나 소자(3410) 및 제2 안테나 소자(3420)는 1개로 도시되었으나, 이로 한정하는 것은 아니다. 도 26 내지 도 29에서 도시된 것처럼 안테나 장치(3400)는 제2 안테나 소자가 복수로 구성될 수도 있다.
일 실시예에 따른 안테나 장치(3400)는 무선 통신에서 안테나의 방향에 따라 방사 세기 차이로 인해 발생하는 송수신 성능 감소를 개선할 수 있다. 예를 들어, 안테나 장치(3400)는 생체(예를 들어, 인체)에 삽입되거나 부착되는 초소형 무선 통신 기기에 탑재될 수 있다. 또한, 안테나 장치(3400)는 사물인터넷 분야의 초소형 무선 통신 기기에 탑재될 수도 있다.
이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다.　 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.　　
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
3400: 안테나 장치
3410: 제1 안테나 소자
3420: 제2 안테나 소자

Claims (20)

  1. 안테나 장치에 있어서,
    전력 공급에 응답하여 보조 안테나 소자와 상호 결합(mutual coupling)을 형성하는 주 안테나 소자(main antenna element);
    상기 주 안테나 소자의 중심축에 대해 직교와 다른 각도를 이루는 중심축을 가지는 배치를 통해 상기 주 안테나 소자와 상호 결합을 형성하는 보조 안테나 소자(sub antenna element); 및
    유선 연결(wired connection)을 통해 상기 주 안테나 소자로 전력을 직접(directly) 공급하는 급전부(feeder)
    를 포함하는 안테나 장치
  2. 제1항에 있어서,
    상기 각도는,
    상기 주 안테나 소자와 상기 보조 안테나 소자에 대해 요구되는 상호 결합 계수에 기초하여 결정되는,
    안테나 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 주 안테나 소자 및 상기 보조 안테나 소자는 각각의 평면이 미리 정해진 상호 결합 계수에 기초하여 산출된, 각도를 형성하도록 배치되는,
    안테나 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 상호 결합 계수는,
    상기 주 안테나 소자의 임피던스, 상기 보조 안테나 소자의 저항, 및 상기 보조 안테나 소자의 임피던스에 기초하여 결정되는,
    안테나 장치.
  5. 안테나 장치에 있어서,
    전력 공급에 응답하여 보조 안테나 소자와 상호 결합(mutual coupling)을 형성하는 주 안테나 소자(main antenna element); 및
    상기 주 안테나 소자의 중심축에 대해 직교와 다른 각도를 이루는 중심축을 가지는 배치를 통해 상기 주 안테나 소자와 상호 결합을 형성하는 보조 안테나 소자(sub antenna element)
    를 포함하고,
    상기 보조 안테나 소자는,
    상기 주 안테나 소자와의 상호 결합에 응답하여, 상기 주 안테나 소자에 흐르는 전류의 위상보다 90도 위상이 지연된 전류를 상기 보조 안테나 소자에 흐르게 하는,
    안테나 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 주 안테나 소자 및 상기 보조 안테나 소자는,
    서로 동일한 형태, 동일한 크기(size), 동일한 저항, 및 동일한 리액턴스를 가지는 안테나이고,
    상기 보조 안테나 소자는,
    상기 주 안테나 소자와의 상호 결합에 응답하여, 상기 주 안테나 소자에 흐르는 전류와 동일한 크기의 전류를 상기 보조 안테나 소자에 흐르게 하는,
    안테나 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 주 안테나 소자 및 상기 보조 안테나 소자는,
    상호 간에 전기적 접촉(electrical contact)이 방지되도록 배치되는,
    안테나 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 주 안테나 소자 및 상기 보조 안테나 소자는,
    루프(loop) 형태의 안테나인,
    안테나 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 주 안테나 소자 및 상기 보조 안테나 소자는,
    다이폴(dipole) 형태의 안테나인,
    안테나 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 보조 안테나 소자는,
    상기 주 안테나 소자와 상호 결합을 형성하도록 배치되는 복수의 안테나
    를 포함하는 안테나 장치.
  11. 삭제
  12. 안테나 장치에 있어서,
    전력 공급에 응답하여 보조 안테나 소자와 상호 결합(mutual coupling)을 형성하는 주 안테나 소자(main antenna element);
    상기 주 안테나 소자의 중심축에 대해 직교와 다른 각도를 이루는 중심축을 가지는 배치를 통해 상기 주 안테나 소자와 상호 결합을 형성하는 보조 안테나 소자(sub antenna element); 및
    상기 주 안테나 소자로 전력을 상호 결합을 통해 공급하는 급전부
    를 포함하는 안테나 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 보조 안테나 소자는,
    상기 주 안테나 소자와 상호 결합을 형성하도록 배치되는 복수의 안테나
    를 포함하고,
    상기 급전부는,
    상기 주 안테나 소자 및 상기 복수의 안테나 중 적어도 하나와 상호 결합을 형성하는,
    안테나 장치.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 주 안테나 소자와 상호 결합을 형성하여 신호를 전달하는 통신부; 및
    상기 주 안테나 소자 및 상기 보조 안테나 소자의 중심에 대응하는 공간에 상기 통신부를 고정하는 고정부
    를 더 포함하는 안테나 장치.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 보조 안테나 소자는,
    루프 형태의 안테나; 및
    커패시터
    를 포함하는 안테나 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 커패시터는,
    상기 주 안테나 소자와 상기 보조 안테나 소자 간에 형성되는 상호 결합의 공진 주파수 및 상기 루프 형태의 안테나의 인덕턴스에 기초하여 결정되는 커패시턴스를 가지는,
    안테나 장치.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 보조 안테나 소자는,
    다이폴 형태의 안테나; 및
    인덕터
    를 포함하는 안테나 장치.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 인덕터는,
    상기 주 안테나 소자와 상기 보조 안테나 소자 간에 형성되는 상호 결합의 공진 주파수 및 상기 다이폴 형태의 안테나의 커패시턴스에 기초하여 결정되는 인덕턴스를 가지는,
    안테나 장치.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 주 안테나 소자는,
    상기 주 안테나 소자의 임피던스를 변환하는 임피던스 매칭부
    를 포함하는 안테나 장치.
  20. 제1항에 있어서,
    상기 주 안테나 소자는,
    제1 방향에 대하여 자기장을 생성하고,
    상기 보조 안테나 소자는,
    상기 제1 방향의 직교와 유사한 제2 방향에 대하여 자기장을 생성하는,
    안테나 장치.

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