KR20010075432A - 신체 착용 개인용 통신 장치 - Google Patents

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KR20010075432A
KR20010075432A KR1020017003970A KR20017003970A KR20010075432A KR 20010075432 A KR20010075432 A KR 20010075432A KR 1020017003970 A KR1020017003970 A KR 1020017003970A KR 20017003970 A KR20017003970 A KR 20017003970A KR 20010075432 A KR20010075432 A KR 20010075432A
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케빈 아르. 보일레
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요트.게.아. 롤페즈
코닌클리케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
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Abstract

예를 들어 손목에 차는 와이어레스 전화기인 신체 착용 개인용 통신 장치에서, 안테나(102)는 헤리컬 안테나이거나 또는 물리적으로 길이를 줄인 전기 안테나이다. 이러한 안테나(102)는 신체에 근접한 전기장의 확장된 수직 성분(the enhanced normal component)을 이용함으로써, 지향 범위(a range of orientations)에서 양호한 성능을 갖는다. 일 실시예에서, 마이크로폰(114)은 상기 안테나(102)의 상부에 위치된다. 마이크로폰(114)은 안테나에 대한 톱 로드(top load)로서의 역할을 할 수 있으며, 이 때문에 더 짧은 안테나의 사용을 가능케 한다. 안테나(102)는 동축케이블로 형성될 수 있으며, 이 동축케이블은 마이크로폰(114)과 상기 장치의 몸체에 있는 송수신 회로부 간 전기 접속을 가능케 한다. 마이크로폰(114)이 무선 주파수에 대해 낮은 임피던스를 갖도록 조정함으로써, 동축케이블은 인덕티브 스터브(inductive stub)로 동작하고, 안테나(102)는 좀 더 짧아질 수 있다.

Description

신체 착용 개인용 통신 장치{BODY-WORN PERSONAL COMMUNICATIONS APPARATUS}
와이어레스(wireless) 전화기는 일반적으로, 기존의 핸드 헬드(hand-held) 방식인, 전화기 본체 안에 장착된 마이크로폰과 스피커를 이용하거나, 또는 사용자가 핸즈 프리(hands-free) 방식으로 사용할 수 있게 하는 헤드 세트를 이용하는 것이 가능하다. 전자 구성 성분이 소형화되는 추세로 인해 신체 착용 개인용 와이어레스 전화기 제품 생산이 가능해 졌으며, 상기 신체 착용 개인용 와이어레스 전화기는 별도의 핸드 헬드 전화기보다는 좀 더 편리하게 휴대하고 동작한다는 장점을 갖는다. 이러한 디바이스의 가장 일반적인 예가 손목 시계와 와이어레스 전화기가 결합된 것이지만, 와이어레스 전화기는 또한 예를 들어 목걸이 등의 장식(pendants) 같이 다른 신체 착용 제품에 응용(incorporate)될 수 있다.
다른 형태의 신체 착용 개인용 통신 디바이스는 와이어레스 접속성을 제공하는 것들을 포함한다. 이러한 디바이스의 예는, 정지 및 이동 통신 환경 모두에서 짧은 범위의 특정 데이터(short range ad-hoc data)와 음성 와이어레스 통신을 위한, 블루투스 설계(Bluetooth specification)에 따라 동작하는 손목 시계형 커뮤니케이터이다. 통신은 2.45 GHz 근처의 허가되지 않은(unlicensed) ISM 대역에서 이루어진다. 손목 시계형 커뮤니케이터는 예를 들어, 전화기와 상기 손목 시계간에 블루투스 링크를 이용한 통신으로, 기존의 이동 전화기에 대한 사용자 인터페이스로서 작용할 수 있을 것이다.
손목 착용 커뮤니케이터의 설계에 있어 특별한 문제점은, 배터리 수명을 최대화하는데 효과적이고, 상기 디바이스의 크기를 증가시키지 않도록 소형이며, 튼튼한 안테나를 제공해야 한다는 것이다. 이 분야에 많은 연구가 수행되어져 왔다. 다른 신체 착용 개인용 통신 디바이스에서도 동일한 문제점이 발생한다.
손목 착용 커뮤니케이터에서, 가장 일반적인 배치는 마그네틱 루프 안테나(magnetic loop antenna)를 시계줄에 포함시키는 것인데, 그러나 이러한 방법은 손목 둘레 길이와, 시계줄과 시계 케이스 사이의 접합부 그리고 두 시계줄의 양 끝 접합부가 변함으로 인한 문제점을 해결해야 한다. 시계줄 루프 안테나의 예가 미국 특허 US-A-5,450,091에 개시되어 있으며, 상기 특허에서, 겹쳐지는 시계줄 끝 부분 사이의 정전 용량은, 다른 손목 크기를 갖는 사용자에 의해 상기 손목 시계형 전화기가 착용 될 때 변하게 되고 이로 인해, 루프 크기(loop dimensions)의 변화에 대해 보정한다. 이러한 설계는, 특히 시계줄이 시계 케이스와 접하는 경우에, 역학적으로 튼튼하고 신뢰할 수 있게 만드는 것이 어렵다. 또한, 이러한 설계는 안테나를 포함시키기 위한 시계줄이나 이와 동일한 구조를 갖지 않는 다른 신체 착용 송수신기에 사용될 수 없다.
강도(robustness) 문제를 해결하기 위하여, 안테나들을 상기 시계 케이스 자체에 포함시키려는 시도들이 이루어져 왔다. 예를 들어, US-A-5,737,699는 시계 케이싱(watch casing) 내에 형성된 마그네틱 루프 안테나를 개시한다. 그러나, 상기 케이싱에 시계 메커니즘(watch mechanism)과 송수신기 회로부를 수용하기 위한 필요 때문에, 루프 안테나의 설계와 손목 시계형 전화기 어셈블리는 복잡해진다.
시계 케이싱 내부에 장착하기 위한 다수의 다른 안테나 설계들이 제안되어 왔지만, 모두 상당한 문제점들이 있다. 등각 다이폴(conformal dipoles)은 소형화 될 수 있지만, 자신들의 등각 특성 때문에, 신체의 존재로 인해 현저히 줄어든, 신체와 평행한 전기장 성분을 수신한다. 시계 케이싱에 사용하기 적당한 크기를 갖는 패치 안테나는, 예를 들어 2.4 GHz에서 1%와 2% 사이 부분 대역폭(fractional bandwidth) 같은, 본질적으로 낮은 대역폭을 갖는다. 이것은 많은 애플리케이션에 요구되는 부분 대역폭, 예를 들어 (2.45 GHz 근처의) 블루투스에 대해서는 4%이고, (880 MHz 내지 960 MHz에서 운영되는) GSM(Global System for Mobile communications)에 대해서는 9%, 그리고 (1900 MHz 내지 2200 MHz에서 운영되는) UMTS(Universal Mobile Telecommunications System)에 대해서는 15% 보다 훨씬 작다.
본 발명은 예를 들어 손목 착용 와이어레스 전화기 같은 신체 착용 개인용 통신 장치에 관한 것이다.
도 1은 개인용 통신 장치의 개략적인 블록도.
도 2는 본 발명에 따라 만들어진 손목 착용 개인용 통신 장치에 대한 평면도(top view).
도 3은 본 발명에 따라 만들어진 손목 착용 개인용 통신 장치에 대한 측면도.
도 4는 내장된 마이크로폰을 갖는 헤리컬 안테나에 대한 개념도.
도면에서, 동일한 참조 번호는 동일한 특징들을 가리키는데 사용됐다.
본 발명의 목적은 개인용 통신 장치를 위한 개선된 안테나를 제공하는 것이다.
본 발명에 따라, 안테나와 케이싱을 포함하며, 상기 케이싱은 자신의 내부에 송수신기 회로부를 배치하고 있으며, 상기 안테나는 물리적으로 길이를 줄인 전기안테나인 것을 특징으로 하는, 신체 착용 개인용 통신 장치가 제공된다.
이제 본 발명의 실시예들이, 첨부된 도면들을 참고하여 예로서 설명된다.
개인용 통신 장치(100)의 개략적인 블록도가 도 1에 도시되어 있다. 이 특정 예는 GSM 셀룰러 전화기를 기초로 하지만, 비슷한 원리들이 다른 셀룰러 전화 표준들에도 적용되며, 다른 개인용 통신 장치 예를 들어, 양방향 무전기(two-way radio)에도 적용된다.
먼저, 음성 전화 호(call)에 동작하는 회로의 수신부를 고려해 본다. 안테나(102)는 원격 기지국으로부터의 신호를 수신하고, 이 신호는 다이플렉서 필터(diplexer filter)(104)를 통과하는데, 상기 다이플렉서 필터의 목적은 송신된 강한 신호가 수신기 회로부로 흘러들거나(leak) 그리고 상기 수신기 회로부를 과부하 시키는 것을 방지하기 위한 것이다. 따라서 상기 신호는 무선 주파수 송수신기블록(RF)(108)으로 들어가고, 상기 RF 블록은 RF 신호를 낮은 중간 주파수(IF)로 다운 변환(down-converts)시킨다.
IF 신호들은 중간 주파수 블록(IF)(110)으로 들어가고, 상기 IF 블록은 IF 신호를 베이스밴드 신호로 다운 변환시킨다. 그 다음에, 이 신호는 베이스밴드 처리 블록(BB)(112)으로 들어간다. 이 블록은 통화 디코딩(speech decoding), 채널 디코딩 및 디인터리빙(deinterleaving)을 포함하는 다양한 임무를 수행한다. 수신된 오디오 신호는 스피커(116) 또는 다른 적절한 출력 디바이스에서 재생하기 위하여 아날로그 신호로 다시 변환된다.
이제, 상기 회로부의 송신측을 고려한다. 음성 신호들은 마이크로폰(114) 또는 다른 적당한 입력 디바이스를 통해 수신되며, 베이스밴드 처리 블록(112)으로 들어가서, 디지털 형태로 변환된다. 그러면, 베이스밴드 처리 블록(112)은 상기 통화를 인코딩하고, 수신 비트 에러율을 줄이기 위하여 채널 코딩 및 인터리빙을 수행한다. 송신하기 위한 최종 신호는 변조되어, IF 블록(110)으로 들어간다. 여기서, 베이스밴드 신호들은 IF 주파수까지 교차(transpose)된다.
IF 신호가 RF 송수신기 블록(108)으로 들어가면, IF 신호는 RF 송신 주파수까지 믹싱되고, 필요한 전력으로 전력 증폭기(PA)(106)에 의해 증폭된다. 그 다음, 상기 신호는 다이플렉서 필터(104)를 통과하여 안테나(102)에 의해 송신된다.
이제 손목 착용 개인용 통신 장치(100)에 대한 평면도와 측면도가 각각 도시된 도 2 및 도 3을 참고하여, 본 발명의 일 실시예가 설명된다. 상기 장치는 케이싱(202)과 시계줄(204)을 포함한다. 헤리컬 안테나(102)는 상기 케이싱에 장착되며, 상기 안테나의 축은 케이싱(202) 전체 면에 대해 실질적으로 수직이다. 개인용 통신 장치에 있는 대부분의 회로부는 케이싱(202) 내부에 배치되며, 안테나(102)와 접속된다. 마이크로폰(114)과 스피커(116)는 케이싱(202) 개구부의 뒤쪽(behind)에 위치한다. 또한 상기 장치(100)를 제어하는 디스플레이(206)와 키보드(208)가 제공된다.
인간의 신체에 근접해 있는 전자파가 신체의 존재로 인해 상당히 영향을 받는다는 사실은 널리 알려져 있다. 특히, 신체에 수직인 자기장은 감소되고, 신체와 평행한 자기장은 자신들의 자유 공간 값(free-space values)에 비례하여 6 dB 까지 증가한다{예를 들어, 1994년 발간된 K 후지모토와 J R 제임스의 '이동 안테나 시스템 핸드북(Mobile Antenna Systems Handbook)', 178쪽 내지 181쪽 참조}. 자기장 값의 이러한 변화는 입사파와 반사파 사이의 간섭에 의해 발생한다. 인터페이스에서의 전기 반사 계수는 자기 반사 계수의 음수 값이기 때문에, 자기장 성분이 (상쇄 간섭 때문에) 줄어든다면, 동일한 전기장 계수는 (보강 간섭 때문에) 커진다. 따라서, 신체와 평행한 전기장은 감소되며, 신체에 수직인 전기장은 자기장 변화량과 비슷하게 증가한다.
자기장에서의 신체 효과는 호출기(pagers)에 이용되는데, 호출기는 통상적으로 동작 중에 사용자의 신체와 직교되도록 배치된 루프 안테나를 포함하며, 따라서 자기장의 증가된 평행 성분을 수신한다.
현재와 미래의 무선 통신 시스템을 위해 사용되는 주파수는 대략 900MHz 내지 2 GHz, 그리고 그 이상이다. 이러한 주파수대에서, 전자파의 전기장 성분을 수신하는 안테나(102)는 일반적으로 (비슷한 크기의 안테나와 비교해서) 자기 루프 안테나보다 훨씬 더 효과적이다. 이러한 안테나(102)중 하나가 헤리컬 안테나이며, 헤리컬 모양으로 감겨진 하나 이상의 컨덕터를 포함한다. 헤리컬 안테나는 다이폴 안테나와 비슷한 효율을 가지면서, 더 소형이다.
통상적으로 대략 900 MHz의 GSM에 사용하기 적당한 안테나는 5 mm의 지름과 10 mm의 높이(height)를 갖는다. 크기(dimensions)는 수신되는 전자파의 파장과 연관되기 때문에, 더 높은 주파수에서 헤리컬 안테나의 크기는 이에 대응하여 줄어든다. 따라서, 헤리컬 안테나(102)의 크기는 900 MHz에서 GSM 손목 시계형 커뮤니케이터에 사용하기에 적당하며, 더 높은 주파수대에서 운용되는 디바이스에 사용하기에 더욱 적당하다.
많은 무선 통신 시스템에서의 송신은 수직으로 분극된 전기장(the electric field vertically polarised)을 가진다. 사용자가 손목 시계형 커뮤니케이터를 팔에서 풀어 바라볼 때, 상기 커뮤니케이터의 앞면은 일반적으로 수평으로 유지될 것이다. 따라서 안테나(102)는, 수직으로 분극된 송신의 최적 수신에 대해, 수직하게 정렬될 것이다. 나머지 다른 경우에 있어, 사용자의 팔은 통상적으로 사용자의 옆에 있을 것이고, 이 때문에, 안테나(102)는 수평으로 정렬되어, 안테나(102)와 송신된 신호 사이의 현저한 분극 불일치(polarisation mismatch)를 일으킬 것이다.
대부분의 무선 통신 시스템은 현저한 다중 경로 신호 레벨들을 갖는 환경에서 동작한다. Artech House에서 1998년에 발간된 K. Siwiak의 '라디오파의 전파와 개인용 통신 장치를 위한 안테나(Radiowave Propagation and Antennas forPersonal Communications)' 제 2판, 209 쪽 내지 211쪽을 참고하면, 이러한 신호들은 통상적으로 송신된 전기장 대략 6 dB 레벨 아래에서 송신된 전기장에 반대 분극의 전기장(a field of opposite polarisation)을 생성한다는 것이 나타나 있다. 신체의 존재로 인한 전기장의 수직 성분의 증가분과 결합될 때, 그 결과는 커뮤니케이터가 사용자의 옆에 있을 때 수신된 신호의 레벨이 커뮤니케이터가 일반적으로 수평으로 위치하게 될 때 수신된 것과 비슷해진다.
서로 다른 지향(different orientations)에서, 일부 추가적인 성능의 평균치가 컨덕팅 시계 케이싱(a conducting watch casing)(202)에 의해 제공될 수 있을 것이다. 상기 케이싱(202)은 실질적으로 안테나(102)의 축과 수직하기 때문에, 헤리컬 안테나(102)에 의해 수신되는 전기장의 반대 분극만큼, 케이싱 내에 유도된 전류를 가질 것이다. 시계 케이싱(202)과 안테나(102) 간 접속을 위한 적절한 설계를 통해, 시계 케이싱 내의 유도된 전류는 수신 신호의 강도를 개선시키는데 사용될 수 있다.
손목 시계형 커뮤니케이터에 헤리컬 안테나(102)를 사용함으로써, 다른 형식의 안테나를 사용할 때 보다 다수의 장점을 가진다. 안테나(102)는 일반적으로 시계 케이싱(202)에 의해 실딩(shielding)되지 않아 효율을 증가시키고, 패치 및 루프 안테나 보다 더 넓은 대역폭에서 운용된다. 정상적인 사용 위치에서, 사용자의 팔은 상기 시계가 실질적으로 수평이 되고, 안테나는 실질적으로 수직이 되도록, 팔의 모양이 유지된다. 이러한 위치에서, 안테나 방사 패턴은 수평면에 대해 실질적으로 전 방향(omnidirectional)적 이어서, 최적의 송신 및 수신 특성들을 제공한다.
앞에서 설명한 배치의 손쉬운 변경은, 마이크로폰(114)을 도 4에 나타난 바와 같이 안테나(102)의 상부에 장착하는 것이다. 헤리컬 안테나(102)는, 동축케이블 안쪽 컨덕터(inner conductor)의 한 끝이 마이크로폰(114)에 접속되고 다른 쪽 끝은 접지에 연결하는 접속선(402)을 갖는 동축케이블 형태일 수 있다. 마이크로폰(114)으로부터 나온 제 2 접속선(404)은 안테나(102)의 상부에서 케이블에 접속된다. 대안적으로, 안테나(102)는 마이크로폰을 접지에 접속하기 위해 제 1 접속선이 통과해 지나가는, 할로선(hollow wire)으로 형성될 수 있다.
안테나(102)의 아래 끝 부분에서, 마이크로폰(114)으로부터의 오디오 신호와 안테나(102)에 의해 송신 또는 수신된 RF 신호들은 쉽게 분리시킬 수 있다. 공유된 접속(406)은 안테나의 아래쪽 끝 부분에서 동축케이블의 바깥선(또는 할로 안테나 선)으로 된다. 이 접속에서, 마이크로폰으로부터 온 오디오 신호는 {도면에서, 단일 인덕터(408)로 도시된} 저역 통과 필터를 통하여 오디오 출력(410)에 접속되며, RF 신호는 {단일 축전기(412)로 도시된} 고역 통과 필터를 통해 RF 출력(414)에 접속된다.
접속을 위한 다른 가능성들이 고려될 수 있을 것이다. 예를 들어, 마이크로폰(114)으로부터 나온 두 개의 접속선들은 필터가 필요 없도록, 할로 안테나 선 안을 통과하게 할 수 있을 것이다. 대안적으로, 접속선들은 헤리컬 안테나(102)의 중심부를 통과하도록 위치시킬 수 있어, 안테나가 고체선(solid wire)으로 형성되도록 할 수 있을 것이다.
마이크로폰(114)을 안테나(102)의 상부에 위치시킴으로 인한 특별한 장점은 마이크로폰 패키지가 톱 로딩(top loading){방사 저항을 증가시키고, 용량성 리액턴스(capacitive reactance)를 감소시킴}을 제공하며, 이로 인해 더 짧은 안테나(102)의 사용을 가능케 한다는 것이다. 안테나(102)가 동축케이블로 형성되는 일 실시예에서, 마이크로폰(114)이 또한 낮은 RF 임피던스를 나타낸다면, 마이크로폰은 헤리컬 안테나의 상부에 단락 회로(short circuit)를 제공할 것이다. 그러면, 헬릭스(helix) 내부의 송신선은 짧은 회로 스터브(short circuit stub)가 되며, 이는 인덕티브 임피던스를 제공하여, 이것에 의해 안테나(102)의 용량성 리액턴스를 감소시키면서 짧은 안테나(102)를 사용할 수 있게 한다.
앞에서 설명된 본 발명의 실시예들은 헤리컬 안테나(102)를 사용한다. 그러나, 물리적으로 길이를 줄인 다른 형태의 전기 안테나가 대신 사용될 수 있을 것이다. 이러한 안테나들은 자신들의 전기적 길이보다 물리적으로 더 짧은 모노폴 또는 다이폴 류의 안테나이고, 주로(predominantly) 전기장을 수신한다. 이러한 대안 안테나의 예로, 민더라인 안테나(meander-line antenna)가 있다.
앞에서 설명한 실시예가 손목 시계형 전화기에 관한 것이지만, 본 발명은 다른 신체 착용 개인용 통신 장치에도 동일하게 적용 가능하다. 그 예로서, 목에 거는 장식(pendants)과, 사용하지 않을 때는 착용하고 있다가 사용할 때 떼어내는 브로치등이 있다.
더불어, 본 발명은 GSM, DECT(Digital Enhanced Cordless Telecommunications) 및 UMTS 같은 통신 시스템에서의 이용에만 한정되지 않는다.다른 애플리케이션들은, 블루투스와 HomeRF 체제에 의해 한정되는 것들 같은 무선 기반 근거리 통신망에 이용될 수 있으며, 상기 근거리 통신망에서, 손목 시계형 커뮤니케이터는 다른 디바이스 즉, 적당하게 장착된 텔레비전과 컴퓨터와 이동 전화기들과 상호 작용할 수 있다. 와이어레스 접속을 이용하는 헤드폰이나 이어피스(earpiece)도 역시, 애플리케이션이 될 수 있다.
본 명세서를 통해, 다른 변경물들이 당업자에게 명백해질 것이다. 이러한 변경물들은 개인용 통신 장치 및 이 장치의 구성 성분 부분의, 설계와 제조와 이용에 있어 이미 널리 알려진 다른 특징들을 포함할 수 있으며, 또한 이러한 변경물들은 본 명세서에서 이미 설명된 특징들을 대신하거나, 이에 추가하여 사용될 수 있다.
본 명세서와 청구항에서, 단수로 사용된 단어는 이러한 요소가 복수 개 존재한다는 것을 배제하지 않는다. 또한, 용어 '포함한다'는 나열된 요소나 단계들 외의 다른 요소나 단계의 존재를 배제하지 않는다.
본 발명은 무선 통신 시스템에서 사용하기 위한 신체 착용 장치에 적용 가능하다.

Claims (9)

  1. 안테나와 케이싱(casing)을 포함하며, 상기 케이싱은 자신의 내부에 송수신기 회로부를 배치하는, 신체 착용(body-worn) 개인용 통신 장치로서,
    상기 안테나는 물리적으로 길이를 줄인 전기 안테나인 것을 특징으로 하는, 신체 착용 개인용 통신 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 물리적으로 길이를 줄인 전기 안테나는 헤리컬 안테나인 것을 특징으로 하는, 신체 착용 개인용 통신 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 물리적으로 길이를 줄인 전기 안테나는 민더 라인 안테나(meander-line antenna)인 것을 특징으로 하는, 신체 착용 개인용 통신 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 안테나는 상기 케이싱을 통과하는 면에 대해 가로로(transversely) 장착된 것을 특징으로 하는, 신체 착용 개인용 통신 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 마이크로폰을 더 포함하며, 상기 마이크로폰은 상기 케이싱에서 가장 멀리 떨어진 안테나의 끝 부분에 위치되는 것을 특징으로 하는, 신체 착용 개인용 통신 장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 안테나는 동축케이블로 형성되며, 상기 동축케이블은 상기 마이크로폰과 상기 송수신기 회로부 사이에 전기적 접속을 제공하는 것을 특징으로 하는, 신체 착용 개인용 통신 장치.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 안테나는 할로선(hollow wire)으로 형성되며, 상기 마이크로폰과 상기 송수신기 회로부 사이의 제 1 전기적 접속은 상기 할로선에 의해 제공되고, 상기 마이크로폰과 상기 송수신기 회로부 사이의 제 2 전기 접속은 상기 할로선에 의해 둘러싸인 컨덕터에 의해 제공되는 것을 특징으로 하는, 신체 착용 개인용 통신 장치.
  8. 제 6 항에 있어서, 상기 마이크로폰은 라디오 주파수에서 낮은 임피던스를 제공하며, 이것에 의해 안테나를 형성하는 상기 동축케이블이 인덕티브 스터브(inductive stub)로 작용 가능하게 하는 것을 특징으로 하는, 신체 착용 개인용 통신 장치.
  9. 제 5 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 마이크로폰은 상기 안테나에 톱 로딩(top loading)을 제공하는 것을 특징으로 하는, 신체 착용 개인용 통신 장치.
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