KR20020028801A - 마이크로파 범위를 위한 패치 안테나 - Google Patents

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KR20020028801A KR1020010061874A KR20010061874A KR20020028801A KR 20020028801 A KR20020028801 A KR 20020028801A KR 1020010061874 A KR1020010061874 A KR 1020010061874A KR 20010061874 A KR20010061874 A KR 20010061874A KR 20020028801 A KR20020028801 A KR 20020028801A
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인드라 고쉬
레벡카 포라트
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요트.게.아. 롤페즈
코닌클리케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
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Abstract

마이크로파 범위를 위한 적어도 하나의 패치 공진기(10,20)를 지닌 패치 안테나로서, 상기 안테나는 특히, 단락 회로 컨덕터(14,24)를 지닌 다층 안테나로서의 실시예 및, 인쇄 회로 기판 상에 SMD 장착에 대해 적합하다. 상기 안테나는 같은 유전값 또는 투과성(permeability)값을 지닌 기판(11,21)이 사용될 때에도 이동 원격 통신에 사용하기에 충분한 대역폭을 가진다. 이는 상기 피드 터미널이 접지 금속(12)과 금속 패치의 패턴(13) 사이에서 공진기의 제 1 측면(112) 상에 연장하는 적어도 제 1 금속 조각(17)을 포함하는 한편, 안테나의 입력 임피던스가 상기 금속 조각의 치수에 있어서의 변화를 통해 조정 가능하다는 점에서 필수적으로 얻어진다. 상기 안테나의 특별 실시예는 마이크로스트립 라인 공진기(10') 또는 인쇄된 와이어 공진기(19,29)의 형태인 라인 공진기에 의한 공진 결합을 포함하여, 안테나의 대역폭이 추가로 증대될 수 있도록 하고, 또한, 상기 안테나가 단락 회로 컨덕터를 제공받기에 그리고 SMD 장착에 적합하도록 한다.

Description

마이크로파 범위를 위한 패치 안테나{PATCH ANTENNA FOR THE MICROWAVE RANGE}
본 발명은 패치 안테나, 특히 마이크로파 범위를 위한 패치 안테나에 관한 것으로, 상기 패치 안테나는 금속 패치 패턴 및 접지 금속(ground metallization) 뿐만 아니라 전자기 에너지의 공급을 위한 피드 터미널을 지닌 적어도 하나의 패치 공진기(patch resonator)를 구비한다.
마이크로파 범위 안의 전자기파는 정보의 전달을 위한 이동 원격 통신에 사용된다. 이러한 예로는 890로부터 960 MHz 까지의 주파수 범위(GSM900) 및 1710로부터 1880 MHz 까지의 주파수 범위(GSM1800 또는 DCS)에 있는 GSM 이동 전화 표준이 있으며, 더 나아가 UMTS 대역(1970 내지 2170 MHz), 1880로부터 1900 까지의 주파수 범위에 있는 코드리스(cordless) 전화를 위한 DECT 표준, 및 2400로부터 2480 MHz 까지의 주파수 범위에 있는 새로운 블루투스(Bluetooth) 표준이 있으며, 이는 예를 들면, 이동 전화와, 예컨대 컴퓨터, 다른 이동 전화 등과 같은 다른 전자 디바이스 사이에서 데이터를 교환하는 데 이용할 수 있다.
시장에서는, 이들 디바이스의 소형화를 지향하는 강력한 추세를 보여준다. 이는 이동 통신을 위한 부품, 즉 전자 부품을 크기 면에서 역시 줄이고자 하는 바램으로 귀착된다. 현재, 이동 전화에 사용되는 안테나 타입은 대개 와이어 안테나로서, 상기 면에서 실질적으로 불리한 점을 가지는데, 그 이유는 그것들이 상대적으로 크기 때문이다. 그것들은 이동 전화로부터 돌출되어 있어서, 쉽게 파손될 수 있고, 원하지 않게 사용자의 눈에 띄게 되고, 또한 미학적인 디자인에 있어 방해가 되도록 위치된다. 점점 더, 이동 전화에 의한 사용자에 대한 원하지 않는 마이크로파 방사 또한 대중의 논쟁의 요지가 되어 왔다. 와이어 안테나가 이동 전화로부터 돌출된 경우에, 방출된 방사 전력의 대부분은 사용자의 머리에 흡수될 수 있다.
(SMD들, 즉 표면 장착된 디바이스를 통한)표면 장착, 즉 웨이브 솔더링 배쓰(wave soldering bath)나 리플로 솔더링 처리(reflow soldering process)에 의한 PCB 즉, 인쇄된 회로 보드 상의 전자 부품들의 평면(planar) 솔더링은 현대의 디지털 전자 디바이스의 기술적 실현에 있어서 일반적인 것이 되었다는 사실에서 또 다른 문제점이 발생한다. 그러나, 이제까지 사용된 안테나는 이러한 장착 기술에는 적합하지 않은데, 그 이유는 상기 안테나가 종종 특별한 지지대에 의해 이동 전화의 인쇄 회로 기판 상에서만 제공될 수 있는 한편, 또한 전자기력의 공급이 핀 등과 같은 특별한 공급/지지 요소에 의해서만 가능하기 때문이다. 이는 원하지 않는 장착 단계, 품질 문제, 및 추가의 경비를 초래한다.
이동 전화에 오늘날 사용되는 안테나는 전자기 공진의 생성 직후 전자기 에너지를 방사한다. 이것은 안테나의 길이가 전송된 방사의 파장의 적어도 1/4에 해당하여야 할 것을 필요로 한다. 유전율(=1)인 대기로는, 주파수 1 GHz에 대해 75 mm의 필수적인 안테나 길이로 귀착된다.
방출된 방사의 주어진 파장을 위한 안테나의 크기를 최소로 줄이기 위해서, 유전 상수>1의 유전체가 안테나에 대한 기본 건조(building) 블록으로 사용될 수 있다. 이는 상기 유전체에서 방사의 파장을 인자 1/⊆만큼의 감소를 가져온다. 그러한 유전체를 기초로 하여 설계된 안테나는 따라서 이와 같은 인자만큼 줄어든 크기를 가질 것이다.
예를 들면, WO 98/18177에서 설명된 바와 같은, 소위 패치 패턴 안테나 또는 패치 안테나라 불리는 것은 유전 상수에 의해 소형화가 소용될 수 있는 안테나 타입이다. 상기 안테나는>1인 유전 물질의 고체 블록으로 이루어진다. 여기서, 블록의 높이는 통상 그것의 길이 및 폭 보다 인자 3 내지 10 만큼 더 작다. 상기 블록에는 하나의 표면의 전체 또는 일부 위에 걸쳐 금속 패치의 패턴, 및 다른 표면 상에 접지 금속이 제공된다. 이들 전극들 사이에, 전자기 공진이 생성되는데, 그것의 주파수는 전극의 치수 및 상기 블록의 유전 상수의 값에 따른다. 개개의 공진 주파수의 값은 안테나의 측면 치수가 증가하면 감소하며-상기 설명된 바와 같이-, 유전 상수의 증가하는 값과 함께 감소한다. 따라서, 높은 정도의 안테나의 소형화를 얻기 위해,은 높은 값으로 설계될 것이며, 최저 주파수를 갖는 모드는 공진 스펙트럼으로부터 선택될 것이다. 이러한 모드는 기본 또는 기초(fundamental) 모드로 표시된다.
추가의 소형화를 향한 단계는 두 개의 전극 사이의 유전체에 전도성 접속(단락 회로 컨덕터)의 추가 삽입으로 이루어진다. 같은 공진 주파수가 주어진다면, 그로써 안테나의 크기를 인자 4 만큼 줄이는 것이 일반적으로 가능하다.
그러나, (단락 회로 컨덕터를 지니거나 지니지 않은)이들 패치 안테나에 있어서의 문제점은 대역폭이 GSM 표준의 주파수 범위 내에 있는 공진 주파수에 대해 겨우 몇 MHz에 달한다는 것이다. 덧붙여, 상기 대역폭은 유전 물질의 유전 상수가 증가함에 따라 감소한다. 대조적으로 GSM 표준에 요구되는 대역폭은 대략 70 MHz이다. 따라서, 종래의 패치 안테나는 그러한 광대역 애플리케이션에 대해해 적합하지 않다.
단락 회로 컨덕터를 지니거나 지니지 않은 수 개의 패치 패턴 공진기들은 패치 안테나로도 더 큰 대역폭을 실현하도록 수직으로 적층될 수 있다. 이러한 구성은 다층 패치 안테나로 표시된다. 다층 패치 안테나의 기초 모드의 수는 구성 패치 공진기의 수와 동일하다. 만약 상기 기초 모드 간의 주파수 간격이 그것의 대역폭 보다 더 작다면, 안테나의 총 대역폭은 따라서 증가될 수 있다.
그러나, 이러한 타입의 안테나는 두 개의 주요 단점 역시 가진다. 하나는, 쉽게 구분될 수 있는 유전 상수 값을 지닌 기판 물질이 개개의 패치 공진기에 대해 사용되어야만 하는데(예를 들면,=2.2 및=1.07), 이는 공진기의 적합한 주파수 간격을 얻도록 한다. 이것은 제작 경비를 증가시킨다.
다른 하나는, 동축(coax) 케이블이 안테나에 전자기력을 공급하기 위한 그리고 한정된 범위에 대해 안테나의 입력 임피던스를 조정하여 단락 회로 컨덕터를 지닌 다층 패치 안테나의 경우에 피드 구조에서 조그만 반사만이 발생하도록 하게 하기 위한 유일한 수단인 것으로 밝혀졌다는 것이다. 그러나, 이러한 타입의 피드라인(feedline)은 이동 전화의 인쇄 회로 기판(PCB: printed circuit board) 상으로의 SMD 집적(integration)을 방해하는데, 그 이유는 아래로부터 금속을 통해 통과될 PCB 상에 전자기력의 공급을 위해 적합한 핀이 제공되어, 안테나가 표면 장착(SMD 기술)에 의해 다른 부품과 같이 PCB 상에 솔더링될 수 없도록 할 것이기때문이다.
따라서, 본 발명의 목적은 개시 장에서 언급한 종류의 패치 안테나를 제공하는 것으로, 상기 패치 안테나는 인쇄 회로 기판 상에, 또한 단락 회로 컨덕터를 지니고, 표면 장착(SMD)에 적합하다.
본 발명의 목적은 서로 다른 유전 상수를 가진 유전체를 사용하지 않고도. 적은 치수로 위에 언급한 애플리케이션에 대해 만족스러운 대역폭을 제공하는 패치 안테나를 제공하는 것이다.
더 나아가, 본 발명은 그 입력 임피던스가 조정될 수 있어서, 안테나에 공급된 전력이 안테나에서 반사되지 않지만, 그러나 동축 피드 라인을 포함하여야 하는 안테나 없이 실질적으로 완전히 방사되는 패치 안테나를 제공하는 것이다.
마지막으로, 특별히 더 큰 대역폭을 특징으로서 구비한 패치 안테나가 제공될 것이다.
청구항 제 1 항에 따라, 상기 목적은 개시 장에서 언급된 종류의 패치 안테나에 의해 성취되는데, 상기 패치 안테나는 피드 터미널이 접지 금속과 금속 패치의 패턴 사이에서 공진기의 제 1 측면 위로 연장하는 적어도 제 1 금속 조각을 포함하며, 한편 안테나의 입력 임피던스는 상기 금속 조각의 치수에 의해 결정되는 것을 특징으로 한다.
본 해결 방법의 특별한 장점은 구체적인(concrete) 구조적인 상황으로의 입력 임피던스의 최적 동조(attunement)가 간단한 방식으로(예를 들면, 레이저 트리밍을 통해) 가능하여, 안테나에서 반사가 일어나지 않도록 그리고 공급된 전자기력이 실질적으로 완전히 방사되도록 한다. 이러한 안테나에는 그것의 치수를 줄이기 위해 단락 회로 컨덕터가 동시에 고정(fitted)될 수 있다.
상기 언급한 문제에 대한 추가의 해결 방법은 청구항 4에 따라 개시 장에서 언급한 종류의 패치 안테나로 이루어지는데, 상기 패치 안테나는 적어도 하나의 기판 상에 제공된 라인으로써 형성된 그리고 상기 적어도 하나의 패치 공진기로 상기 피드 터미널에 공급된 전자기 에너지의 공진 결합을 위해 역할을 하는 라인 공진기를 특징으로 한다.
본 해결책의 특별한 장점은 이러한 공진 결합 메커니즘이 패치 패턴 공진의 형성으로부터 손상하지 않으며, 안테나의 대역이 추가 공진을 부가하여 실질적인 정도로 추가로 증가될 수 있다는 점이다. 덧붙여, 이러한 안테나는 또한, SMD 장착 및 단락 회로 컨덕터의 제공에 적합하다.
종속 항들은 본 발명의 유리한 추가 실시예에 관한 것이다.
청구항 2의 실시예는 상기 SMD 기술에 의해 안테나의 특별히 간단한 표면 장착을 가능하게 해주는데, 그 이유는 제 2 금속 조각이 인쇄 회로 기판 상에 접지 금속과 함께 직접 솔더링될 수 있기 때문이다.
청구항 3의 실시예는 대역폭이 두 개의 공진기를 통해 또한 같은 유전값 또는 투과성 값의 기판이 사용될 때 추가로 증대되며, 그것이 단락 회로 컨덕터를 지닌 구조에도 적합하다는 특별한 장점을 지닌다.
청구항 5의 실시예는 라인 공진기와 패치 공진기 사이의 결합 강도가 종단 치수에 의해 조정될 수 있다는 특별한 장점을 지닌다. 본 실시예 및 청구항 7에서한정된 추가의 장점은 공진 결합의 주파수가 상기 라인들의 길이의 적당한 한정을 통해 조정될 수 있다는 점이다.
청구항 6의 실시예는 피드 터미널과 라인 공진기 사이의 결합 강도의 적응(adaptation)을 가능하게 해준다.
안테나의 대역폭은 청구항 8의 실시예로 추가로 증대될 수 있는 한편, 청구항 9 및 10의 실시예는 본질적으로, 안테나의 추가적인 소형화를 가능케 해준다.
마지막으로, 본 발명에 따른 안테나는 청구항 11에서 한정된 인쇄 회로 기판 상에, 그리고 청구항 12에서 한정된 이동 원격 통신 디바이스에서 특별한 장점으로 사용될 수 있다.
본 발명의 추가 세부 사항, 특징 및 장점은 다음의 바람직한 실시예에 대한 설명으로부터 자명해질 것이며, 상기 설명은 도면을 참조하여 제공될 것이다.
도 1은 안테나의 제 1 실시예를 개략적으로 도시한 도면.
도 2는 상기 안테나의 반사도.
도 3은 상기 안테나의 제 2 실시예를 개략적으로 도시한 도면.
도 4는 상기 안테나의 반사도.
도 5는 상기 안테나의 제 3 실시예를 개략적으로 도시한 도면.
<도면 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10: 제 1 패치 공진기 11: 제 1 기판
12: 접지 금속 13: 금속 패치의 패턴
14: 단락 회로 컨덕터 15: 피드 터미널
16: 리세스 영역 17: 금속 조각
20: 제 2 패치 공진기 21: 제 2 기판
도 1, 3 및 5에 도시된 패치 안테나는 직각 방향으로 서로로부터 분리되어 각각 묘사되고, 조립된(assembled) 상태에서 패치의 패턴에 의해 형성된 두 개의 개별적인 공진기로 패치 안테나를 형성하는 수 개의 층으로 구성된다. 각 층은 실질적으로 직사각형 블록의 형태로 세라믹 기판으로써 형성되는데, 상기 직사각형 블록의 높이는 일반적으로, 그것의 길이 또는 폭 보다 인자(factor) 3 내지 10 만큼 더 작다. 다음 설명은 이러한 상황에 기초하고 있으며, 도면의 그림에서 상단(top) 및 하단(bottom)으로 도시된 기판의 표면은 상부(upper) 표면 및 하부(lower) 표면으로 표시될 것이며, 한편, 더 작고, 수직인 표면들은 측면(sidefaces)으로 표시될 것이다.
그러나, 대안으로, 기판에 대해 블록 모양 대신 예를 들면, 원통 모양과 같이 다른 기하학적 모양을 선택하는 것이 상당히 가능한 일인데, 그러면 상기 기판 상에, 예를 들면 나선 모양을 지닌 대응하는 공진 컨덕터 트랙 구조가 제공된다.
상기 기판은 예를 들면, 세라믹 파우더를 폴리머 매트릭스에 삽입하여 제작될 수 있고, 유전 상수 값>1 및/또는 투과성 값>1을 갖는다.
도 1에 도시된 안테나의 제 1 실시예는 두 개의 층을 포함하는데, 상기 두 개의 층은 조립된 상태에서, 각각 하부의, 제 1 및 상부의, 제 2 패치 패턴 공진기(10 및 20)를 각각 형성한다. 상기 제 1 공진기(10)는 제 1 기판(11)을 포함하며, 상기 제 1 기판의 하부 표면에는 접지 금속(12)이 제공된다. 제 1 기판(11)의 상부 표면은 금속 패치의 제 1 패턴(13)을 지지하는데, 상기 금속 패치의 제 1 패턴(13)은 상부 표면 대부분의 위로 연장하며, 한편 상기 상부 표면의 가장 자리 부분(111)만 그것에서 벗어나 있다. 단락 회로 컨덕터의 제 1 부분(14)은 접지 금속(12)과 패치의 제 1 패턴(13) 사이에서 연장한다.
제 1 기판(11)의 제 1 측면(112)의 길이의 대략 중간 쯤에 피드 터미널(15,17)이 존재하는데, 상기 피드 터미널(15,17)은 상기 기판의 상부 표면을 향한 방향으로 연장하는 스트립 컨덕터(17)의 형태로 상기 측면에서 제 1 금속 조각으로써 그리고 접지 금속(12)의 리세스 영역(16)에서 하부 표면 상에 놓여져 있는 제 2 금속 조각(15)으로써 형성된다. 따라서, 상기 피드 터미널은 접지 금속(12)으로부터 절연된다.
임의의 형태를 갖춘(patterned) 패치의 제 2 공진기(20)는 그 상부 표면 상에 금속 패치의 제 2 패턴(23)이 제공된 제 2 기판(21)에 의해 형성되는데, 상기 금속 패치의 제 2 패턴(23)은 전체 상부 표면 위로 연장한다. 게다가, 단락 회로 컨덕터의 제 2 부분(24)은 제 2 기판(21) 안에 존재한다. 안테나가 화살표(A)의 방향으로 두 개의 공진기를 함께 결합시킴으로써 조립될 때, 제 2 부분(24)은 제 1 부분(14)의 연장을 형성할 것이고, 이로써 단락 회로 컨덕터가 생성된다.
안테나의 이러한 제 1 실시예 본래의 특징은 다음과 같은 놀라운 인식에 기초하는데, 즉, 이제까지 우세했던 관점과는 현저히 다르게도, 패치 안테나 속으로의 전자기 에너지의 결합은 설명된 종류의 비-동축 피드 터미널(15,17)로도 가능한데, 즉, 상기 안테나에 단락 회로 컨덕터가 제공되면, 그로써 안테나의 치수가 추가로 줄여질 수 있다는 점이다.
안테나의 입력 임피던스는 스트립 컨덕터(17)의 높이와 폭을 적절히 선택함으로써 조정될 수 있어서, 안테나의 낮은 반사에 관해 최적화가 얻어질 수 있고, 그리하여 안테나에 공급된 전자기력의 훨씬 대부분이 실로 방사되도록 한다는 점이 추가로 밝혀졌다.
피드 터미널 또는 스트립 컨덕터(17)는 다양한 폭의 수 개의 금속 조각으로 조성될 수 있다.
피드 터미널의 제 2 금속 조각(15)이 제 1 기판(11)의 하부 표면에 존재하므로, 그리고 어떠한 핀이나 유사한 요소가 동축 케이블로써 형성된 피드 터미널의 경우에서와 같이 요구되지 않으므로, 안테나는 종래의 표면 장착 처리(SMD:surface mounting process)로 인쇄 회로 기판 상에 다른 부품과 함께 장착될 수 있다. 더 나아가, 접지 금속(12)은 또한, 이러한 방식으로 상기 인쇄 회로 기판 상에 대응하는 접지 접속에 솔더링될 수도 있다.
본 실시예의 추가의 장점은 같은 물질이 제 1 및 제 2 기판(11,12)에 대해 사용될 수 있다는 점인데, 상기 제 1 및 제 2 기판의 물질은 단락 회로 컨덕터를 지닌 선행 기술의 패치 안테나의 경우에서 그러했던 것처럼, 안테나의 충분한 대역폭을 얻기 위해 서로 다른 상수를 가질 필요가 없다.
본 발명에 따라, 상기 언급된 애플리케이션에 대해 요구되는 주파수 대역폭은 그 중에서도 특히, 안테나가, 작동 모드에서의 개별적인 공진이 패치의 제 1 및 제 2 패턴(13,23)의 서로 다른 크기로 인하여 얼마간 다른, 패치 패턴의 (적어도)두 개의 층, 즉 두 개의 공진기(10,20)로 구성된다는 점에서 얻어진다.
대안으로, 상기 패치 패턴들은 동일할 수 있다. 이 경우, 두 개의 공진기의 결합은 공칭상(nominally) 동일한 공진 주파수의 분할(splitting-up)을 얻게 되며, 따라서 주파수 대역폭이 증대된다.
이러한 안테나의 바람직한 실현에 있어서, 기판(11,21)의 치수는 각각 대략 19.4 ×10.9 ×2.0 mm3이다. 기판에 사용된 물질의 유전 특성은 대략 다음과 같다:=18.55,=1.17 ×10-4. 이것은 상업적으로 이용 가능한 NP0-K17 세라믹(Ca0.05Mg0.95TiO3세라믹)의 고주파수 특성에 대응한다. 금속(은 페이스트)의전도도는 대략=3.0×107S/m이다. 최하의(lowermost), 제 1 패치 패턴(13)은 대략 17.0 ×8.5 mm의 치수를 가지며, 최상의(uppermost), 제 2 패치 패턴(23)은 제 2 기판(21)의 표면을 실질적으로 완전히 덮는다. 접지 금속(12)은 제 2 금속 조각(15)을 수용하는 리세스 영역(16)을 제외하고, 제 1 기판(11)의 하부 표면을 실질적으로 완전히 덮는다. 측면의 스트립 컨덕터(17)는 폭이 대략 1.8 mm이고, 높이가 대략 2.0 mm이다. 그것은 대략 0.5 mm의 길이를 지닌 제 2 금속 조각(15)의 형태로 제 1 기판(11)의 하부 표면 상에 연속된다. 상기 단락 회로 컨덕터(14,24)는 대략 0.5 mm의 지름과, 매번 3.5 mm의 기판(11, 21)의 두 코너 쪽으로 두 측면 방향에서의 거리를 가지며, 상기 금속 사이에서 두 기판 내부에서 연장한다.
도 2는 이러한 안테나의 반사도, 즉 안테나에서 반사된 전력과 안테나에 공급된 전력 사이의 주파수(F)[GHz]의 함수인 비율 R[dB]을 도시한다. 상기 두 층(패치 공진기)의 개개의 공진은 패치 안테나의 총 대역폭의 확장에 기여하는 것으로서 명확히 판명된다.
도 3은 본 발명에 따른 안테나의 제 2 실시예를 도시한 것으로, 마이크로스트립 공진기(10')와 그 위에 배열된 제 1 및 제 2 패치 공진기(20,30)로 구성된다.
마이크로스트립 공진기(10')는 제 1 기판(11')을 포함하는데, 상기 제 1 기판(11')은 도면에서 상부 표면으로서 도시된 그것의 표면 상에서 접지 금속(12')으로 코팅된다. 꼬불꼬불한 마이크로스트립 컨덕터(18')가 상기 제 1 층의 하부 표면 상에 제공되는데, 상기 컨덕터는 피드 터미널(15')에서 시작하며, 기판(11')의 측면에서 위쪽 방향으로 인도된다. 접지 금속(12')과 마이크로스트립 컨덕터(18') 사이의 단락 회로는 이러한 위쪽 방향 트랙을 피해가야 할 것이다. 이것은 예를 들면, 제 1 기판(11')의 관련 측면에서 접지 금속(12')의 적절한 단축으로써 될 수 있다.
피드 터미널(15')은 U 모양으로 마이크로스트립 컨덕터(18')의 시작부 둘레를 감싸며, 그 둘 사이에 갭이 존재하는데, 그 둘의 치수로써 그 둘 사이의 결합 강도가 조정된다. 이러한 마이크로스트립 공진기(10')의 공진 주파수는 대개 그렇듯이, 마이크로스트립 컨덕터(18')의 길이에 의해 실질적으로 결정된다. 단락 회로 컨덕터의 제 1 부분(14') 역시 상기 제 1 층에 존재한다.
제 1 패치 공진기(20)는 제 2 기판(21)에 의해 형성되는데, 상기 제 2 기판(21)은 그것의 상부 표면 위에 금속 패치의 제 1 패턴(23)을 지지하며, 상부 표면 주변의 가장 자리 영역(211)은 벗어나 있다(free). 기판(21)의 측면(213)에는 종단(28)이 있는데, 이는 안테나의 조립된 상태에서, 마이크로스트립 컨덕터(18')를 연장하며, 후자를 종결시킨다. 제 1 패치 공진기(20)로의 결합 강도는 상기 종단 치수에 의해 세팅될 수 있다. 단락 회로 컨덕터의 제 2 부분(24)은 제 1 패치 공진기(20)에 추가로 존재한다.
제 2 패치 공진기(30)는 제 3 기판(31)으로써 형성되는데, 상기 제 3 기판(31)은 그것의 상부 표면 상에 금속 패치의 제 2 패턴(33)을 지지하며, 한편 상기 상부 표면의 둘레에 있는 가장 자리 부분(311)은 또 다시 벗어나 있다. 상기 단락 회로 컨덕터의 제 3 부분(34)은 제 2 패치 공진기(20)를 통과해 연장한다. 금속 패치의 제 1 및 제 2 패턴(23,33)은 상기 제 1 실시예의 경우에서처럼 기판(21 및 31) 상에 서로 다른 치수를 가질 수 있다.
이들 세 개의 층이 화살표(A)의 방향으로 함께 결합되면, 전자기 에너지의 공진 결합을 지닌 다층 패치 안테나가 생성되는데, 이는 공진 결합이 없는 다층 패치 안테나와 비교했을 때, 대역폭에 있어서 추가의 증대를 얻게 된다.
이러한 구성은 다음과 같은 놀라운 인식에 기초하는데, 즉, 개개의 패치 공진기의 기초 모드의 공진 주파수가 상기 설명된 종류의 마이크로스트립 공진기(10')에 의한 공진 결합에 의해서만 무시해도 좋을 정도로 간섭을 받는다는 점이다. 이것은 특히, 단락 회로 컨덕터(14', 24, 34)가 사용될 때에도 맞다. 접지 금속(12')은 제 1 패치 공진기(20)와 마이크로스트립 공진기(10')를 위한 접지를 동시에 구성한다. 개별적인 패치 패턴 공진의 생성은 추가로 대응하는 다층 패치 안테나의 대역폭을 증대시킨다.
마이크로스트립 공진기(10')로의 패치 공진기(20,30)의 전자기 결합은 제 2 기판(21)의 측면(213)을 따라 위쪽 방향으로 연장하는 마이크로스트립 컨덕터(18',28)를 통해 발생하여, 안테나의 결합 강도 및 대역폭이 상기 제 1 패치 공진기(20) 상의 특히 종단(28)의 높이 및 폭에 의해 한정 또는 변경될 수 있다.
마이크로스트립 공진기(10')의 공진 주파수는 알려진 방식으로 마이크로스트립 컨덕터(18',28)의 길이로써 조정될 수 있다.
마지막으로, 피드 터미널(15')과 마이크로스트립 컨덕터(18',28) 사이의 결합은 그 둘 사이의 갭의 폭을 적절히 선택함으로써 조정될 수 있다.
이러한 제 2 실시예는 다시, 다음과 같은 장점을 가지는데, 즉, 표면 장착(SMD 기술)에 의해 인쇄 회로 기판(PCB: printed circuit board) 상에 다른 부품들과 함께 제공될 수 있다는 점이다. 피드 터미널(15')은 이러한 목적을 위해 상기 인쇄 회로 기판의 적절한 스트립 컨덕터로 솔더링되는데, 상기 컨덕터를 통해, 방사될 전자기 에너지가 공급된다. 접지 금속(12')은 제 1 기판(11') 상의 금속 피드 터미널(미도시)을 통해 인쇄 회로 기판의 접지 접속으로 솔더링될 수 있다.
본 실시예의 추가의 장점은 알려진 갭 공진기에 의한 공진 결합과는 현저히 다르게도, 패치 공진기(20,30)의 접지 금속(23,33)의 기하(geometries)가 실질적으로 변하지 않은 채로 남을 수 있다는 점이다. 이는 다층 패치 안테나, 특히 단락 회로 컨덕터를 지닌 그러한 안테나의 설계에 실질적인 단순화를 내포한다. 다음의 값이 이러한 안테나의 실현에 있어서 바람직하게 선택되었다. 제 2 및 제 3 기판(21,31)의 치수는 각각 대략 19.0 ×10.5 ×2.0 mm3이다. 제 1 기판(11)의 치수는 대략 19.0 ×10.5 ×1.0 mm3이다. 유전 특성은 대략 다음과 같이 선택된다:=18.55,=1.17 ×10-4. 이것은 상업적으로 이용 가능한 NP0-K17 세라믹(Ca0.05mG0.95TiO3세라믹)의 고주파수 특성에 대응한다. 금속의 전도도는 대략 s=3.0 ×107S/m(은 페이스트)가 되도록 선택된다. 상기 두 개의 패치 패턴(13, 23)은 대략 17.0 ×8.5 mm2의 치수를 가진다. 상기 단락 회로 컨덕터는 대략 0.5 mm의 지름과 상기 패치 패턴의 각각의 코너로부터 두 측면 방향으로 대략 2.4 mm의 거리를 지니며, 세 개의 층(10',20,30)을 관통하여 연장한다. 접지 금속(12)은 대략 18.5 mm의 길이와 대략 10.5 mm의 폭을 지닌다. 마이크로스트립 공진기(대략 0.36 mm 폭의 스트립)는 대략 1.0 mm의 높이를 지닌 NP0-K17 기판 상에서 접지 금속(12') 아래에 꼬불꼬불한 모양으로 연장된다. 이러한 공진기의 수직 끝은 먼저 대략 1.0 mm의 길이에 대해 대략 0.36 mm의 폭을 가지며, 그리고 나서 대략 1.8 mm의 길이에 대해 대략 1.4 mm의 폭을 가진다. 마이크로스트립 라인의 총 길이는 따라서, 대략 42.93 mm이다.
마이크로스트립 컨덕터(18')의 시작부와, 상기 마이크로스트립 컨덕터의 시작부 둘레에 U 모양으로 존재하는 피드 터미널(15') 사이의 거리는 모든 방향에서 대략 0.18 mm이다.
도 4는 반사 특성의 기울기(gradient), 즉, 안테나 구조에서 반사된 전력과 안테나에 공급된 전력 사이에서 주파수(F)[GHz]의 함수인 비율 R[dB]을 도시하는 도면이다. 세 개의 공진은 명확하게 구분될 수 있는데, 상기 세 개의 공진은 안테나의 총 대역폭의 확대에 기여한다. 여기서 중앙의 공진은 마이크로스트립 공진기에 의해 야기된 것이며, 나머지 두 개의 공진은 패치 공진기에 의해 야기된 것이다.
도 5는 본 발명에 따른 안테나의 제 3 실시예를 도시한 것으로, 상기 제 3 실시예는 전자기 에너지의 공진 결합이 마이크로스트립 공진기(10')에 의해서가 아니라 소위 인쇄된 와이어 안테나("인쇄된 와이어 공진기")(19,29)로써 형성된 공진기에 의해 일어나며, 여기서 상기 타입은 인쇄된 컨덕터 트랙(192,292)을 지닌 상기 언급된 종류의 기판으로써 형성되는 와이어 안테나 공진기 타입이라는 점에서 상기 제 2 실시예와는 본질적으로 달리한다.
상기 컨덕터 트랙(192,292)은 피드 터미널(15)의 신호 컨덕터에 전기적으로 접속되어 있으며, 전자기 공진의 도달 직후, 파의 형태로 에너지를 방사할 수 있다. 상기 공진 주파수의 값은 일반적으로 알려진 바와 같이, 상기 인쇄된 컨덕터 트랙의 치수 및 상기 기판의 유전값 또는 투과성 값에 따른다.
제 1 패치 공진기(10)는 제 1 기판(11)으로써 형성되는데, 상기 제 1 기판(11)의 하부 표면 상에는 접지 금속(12)이 제공된다. 금속 패치의 제 1 패턴(13)은 상기 기판(11)의 길이 방향으로 연장하도록 제 1 기판(11)의 상부 표면의 부분 위에 존재한다. 그곳으로 평행하게, 상기 제 1 기판(11)의 측면을 따라서, 공진기의 제 1 부분(19)이 배열되는데, 상기 공진기의 제 1 부분(19)은 제 1 컨덕터 트랙 부분(192)이 위에 인쇄된 제 1 기판(11)의 제 1 가장 자리 부분(191)으로써 형성된다. 상기 컨덕터 트랙 부분은 기판(11)의 하부 표면에서 피드 터미널(15)로 접속되는데, 상기 피드 터미널은 안테나의 표면 장착 동안 전자기 에너지의 대응하는 공급 컨덕터로 솔더링된다. 덧붙여, 평면 단락 회로 컨덕터의 제 1 부분(14)은 기판(11)의 또 다른 측면을 따라 배열된다.
제 2 패치 공진기(20)는 제 2 기판(21)으로써 형성되는데, 상기 제 2 기판(21)의 상부 표면 상에는 금속 패치의 제 2 패턴(23)이 제공된다. 공진기의 제 1 부분(19)에 대응하는 제 2 공진기 부분(29)은 제 2 기판(21)의 측면을 따라 제공되며, 제 2 컨덕터 트랙 부분(292)이 위에 인쇄된 제 2 기판(21)의 제 2 가장 자리영역(291)으로써 형성된다. 마지막으로, 평면 단락 회로 컨덕터의 제 2 부분(24)은 제 2 기판(21)의 또 다른 측면을 따라 배열되며, 안테나의 조립된 상태에서 제 1 부분(14)과 이어져, 단락 회로 컨덕터를 형성한다.
게다가, 상기 두 개의 층이 화살표(A)를 따라 함께 결합되면, 상기 두 개의 컨덕터 트랙 부분(192,292)은 서로 보완하여, 기판의 표면의 일부와 측면을 따라 꼬불꼬불한 형상으로 나아가며, 전자기 에너지의 공급 직후 공진으로 여기되는 결합 컨덕터 트랙을 형성한다. 그로 인해 여기되는 패치 공진기(10,20)의 공진과 결합하며, 여기서 상기 공진은 금속 패치의 패턴(13,23)의 서로 다른 표면 면적 때문에 서로 약간씩 다른데, 도 4의 그림에서 도시된 대역폭과 유사한 패치 안테나의 상당히 큰 대역폭이 얻어진다. 패치 공진기(20,30)로의 전자기 결합은 인쇄된 와이어 공진기(19,29)의 표류(stray) 필드를 통해 다시 발생한다.
이러한 제 3 실시예는 추가로, 제 2 실시예를 참조하여 설명된 바와 실질적으로 동일한 장점을 가진다.
상기 설명된 패치 안테나를 그것의 공진 주파수 및 그것의 입력 임피던스와 관련하여 구체적인 구조적 상황에 적응시키는 것은 금속 패치의 패턴 변경, 및 결합을 위해 역할을 하는 금속 구조, 또는 레이저 빔(레이저 트리밍)에 의한 상기 피드 터미널과 마이크로스트립 라인 사이의 갭의 변경을 통하여 얻어질 수 있다.
본 발명에 따른 패치 안테나는 특히 이동 전화(그 밖에 DECT 및 블루투스 대역)에 사용하기에 적합한데, 그 이유는 그것들이 GSM 및 UMTS 대역에 대해 충분한대역폭과 조그만 치수를 결합하기 때문이며, 동시에 표면 장착(SMD 기술)에 의해 인쇄 회로 기판 상에 다른 전자 부품과 함께 제공될 수 있기 때문이다.

Claims (12)

  1. 금속 패치 패턴 및 접지 금속(ground metallization) 뿐만 아니라 전자기 에너지의 공급을 위한 피드 터미널(feed terminal)을 지닌 적어도 하나의 패치 공진기(patch resonator)를 지닌 패치 안테나로서,
    상기 피드 터미널은 상기 접지 금속(12)과 금속 패치의 상기 패턴(13) 사이에 상기 공진기의 제 1 측면(112) 위로 연장하는 적어도 하나의 제 1 금속 조각(metallization piece)(17)을 포함하며, 한편 상기 안테나의 입력 임피던스(input impedance)는 상기 금속 조각의 치수(dimensions)에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는,
    패치 안테나.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 피드 터미널은 절연된 방식으로 상기 접지 금속(12)의 리세스에 제공되며, 스트립(strip) 컨덕터(17)의 형태로 상기 제 1 금속 조각으로 이어지는 제 2 금속 조각(15)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 패치 안테나.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 패치 공진기(10)는 제 1 표면에 상기 접지 금속(12) 및 반대편의, 제 2 표면에 금속 패치의 상기 제 1 패턴(13)을 지닌 제 1 기판(11)을 포함하는 한편, 제 2 기판(21)을 갖는 제 2 패치 공진기(20)가 제공되는데, 상기 제 2 패치 공진기는 그것의 제 1 표면에서 금속 패치의 제 2 패턴(23)을지지하며, 대향하는 제 2 표면이 그것의 반대편에 있는, 금속 패치의 상기 제 1 패턴(13)을 향하도록 위치하는 것을 특징으로 하는, 패치 안테나.
  4. 적어도 하나의 패치 공진기 및 전자기 에너지의 공급을 위한 피드 터미널을 지닌 패치 안테나로서,
    적어도 하나의 기판(11';11,21) 상에 제공되는 라인(18';192,292)으로써 형성되며 상기 피드 터미널(15)에 공급되는 상기 전자기 에너지의 상기 적어도 하나의 패치 공진기(10,20)에 대한 공진결합에 알맞은 라인 공진기(10';19,29)를 특징으로 하는, 패치 안테나.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 라인 공진기는 한 표면에 마이크로스트립 라인(18')을 그리고 반대쪽 표면에 접지 금속(12')을 지닌 제 1 기판(11')으로써 형성된 마이크로스트립 라인 공진기(10')이며, 한편 적어도 하나의 제 1 패치 공진기(20)가 상기 접지 금속(12')에 배열되고 상기 마이크로스트립 라인의 종단(28)은 상기 전자기 에너지의 결합을 위해 상기 제 1 패치 공진기(20)의 측면(213)에 대하여 놓이는 것을 특징으로 하는, 패치 안테나
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 피드 터미널(15')과 상기 마이크로스트립 라인(18')의 시작부 사이에 갭(gap)이 존재하며, 상기 두 개의 라인 사이의 결합 강도는 상기 갭의 크기에 의해 결정되는, 패치 안테나.
  7. 제 4 항에 있어서, 상기 라인 공진기는 상기 적어도 하나의 기판(11,21)의 가장 자리 영역(191,291)을 따라 꼬불꼬불한(meandering) 컨덕터 트랙(192,292)으로써 형성되는 인쇄된 와이어 공진기(19,29)인 것을 특징으로 하는, 패치 안테나.
  8. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서, 금속 패치의 상기 패턴(13)은 서로 다른 폭의 서로 다른 공진 주파수를 생성하기 위해 수 개의 패치 공진기(10,20,30)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 패치 안테나.
  9. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 패치 안테나를 통해 연장하는 단락 회로 컨덕터(short-circuit conductor)(14';14,24,34)를 특징으로 하는, 패치 안테나.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 단락 회로 컨덕터(14,24)는 상기 패치 안테나의 측면에서 스트립 컨덕터에 의해 형성되는, 패치 안테나.
  11. 특히, 전자 구성품의 표면 장착을 위한 인쇄 회로 기판으로서,
    제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 청구된 바와 같은 패치 안테나를 특징으로 하는,
    인쇄 회로 기판.
  12. 특히 이중 대역(dual-band) 또는 다중 대역 작동을 위한 이동 원격 통신 디바이스로서,
    제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에서 청구된 바와 같은 패치 안테나를 특징으로 하는,
    이동 원격 통신 디바이스.
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