KR20040017828A

KR20040017828A - 안테나 장치

Info

Publication number: KR20040017828A
Application number: KR10-2004-7000987A
Authority: KR
Inventors: 케빈 알. 보일
Original assignee: 코닌클리케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
Priority date: 2001-07-21
Filing date: 2002-06-24
Publication date: 2004-02-27
Also published as: JP2004522380A; CN1473376A; US6747601B2; US20030016179A1; WO2003010853A1; EP1413006A1; CN100375334C; GB0117882D0

Abstract

안테나 장치는 그라운드 평면(104)에 실질적으로 평행하게 서포트되는 패치 컨덕터(102), 제 1 포인트에서 패치 컨덕터에 연결되는 피드 핀(106), 및 패치 컨덕터 상의 제 2 포인트와 그라운드 평면 사이에 연결되는 그라운드 핀(108)을 포함한다. 상기 피드 및 그라운드 핀들은 링킹 컨덕터(510)에 의해 연결되며 이들 양단에 결합되는 션트 캐패시턴스 수단을 갖는다. 적합한 캐패시턴스 수단의 값들과 링킹 컨덕터의 위치 및 크기는 안테나에 좋은 매칭을 성취하도록 한다. 링킹 컨덕터는 패치 컨덕터에 직접적으로 연결될 수 있거나 링킹 컨덕터 아래와 위 둘 다에 피드 및 그라운드 핀들 사이에 캡들이 있을 수 있다. 임피던스 변형은 서로 다른 단면 영역들을 갖는 피드 및 그라운드 핀들에 의해 및/또는 패치 컨덕터 내의 슬롯의 준비에 의해 제공될 수 있다.

Description

안테나 장치{Antenna arrangement}

배경 기술

이동 전화 핸드셋들과 같은 무선 단말들은 보통 모드 헬릭스(helix) 또는 민더 라인(meander line) 안테나와 같은 외부 안테나 또는 평면 인버티드-F 안테나(PIFA ; Planar Inverted-F Antenna) 등과 같은 내부 안테나를 통상적으로 내장한다.

그러한 안테나들은 (파장에 비해) 작아서, 작은 안테나들의 근본적인 제한들에 기인하여 협대역이다. 그러나, 셀룰러 무선 통신 시스템들은 10% 또는 그 이상의 비대역폭(fractional bandwidth)을 통상적으로 갖는다. 예를 들어 PIFA로부터 그러한 대역폭을 성취하는 것은 상당한 부피를 요구하며, 패치 안테나의 대역폭과 그 부피 사이에 직접적인 관계가 있지만, 그러한 부피는 작은 핸드셋들을 향한 현재의 경향과 쉽게 활용가능하지 않다. 또한, PIFA들은 대역폭을 개선하는데 필수적인 패치 높이가 증가함에 따라 공진에서 반작용하게 된다.

국제 특허 출원 WO01/37369호는 PIFA를 개시하며 여기서 매칭은 피드를 링크하고 안테나에 매칭하는 적합한 임피던스를 제공하도록 선택된 크기를 갖는 도전성 매칭 소자와 핀들을 쇼트시켜서 성취된다.

유럽 특허 출원 EP 0,867,967호는 PIFA를 개시하며 여기서 피드 핀은 그 길이를 증가시키기 위해 민더링되며, 이로써 안테나가 매칭하기 쉽도록 하려는 의도로 그 인덕턴스를 증가시킨다. 광대역 매칭은 작은 매칭 캐패시턴스를 요구하는 그러한 안테나로 성취하기 어렵다.

우리의 동시 계류중인 미공개된 국제 특허 출원 PCT/IB02/00051호(출원인의 참조번호 PHGB 010009)는 종래 PIFA에 대한 변종을 개시하며 여기서 슬롯이 피드 핀과 쇼팅 핀(shorting pin) 사이의 PIFA 내에 도입된다. 그러한 배열은 종래의 PIFA 보다 작은 부피를 요구하면서 실질적으로 개선된 임피던스 특성들을 갖는 안테나를 제공한다.

기술 분야

본 발명은 실질적으로 평면인 패치 컨덕터(substantially planar patch conductor)를 포함하는 안테나 장치에 관한 것이며, 특히 그러한 장치를 내장하는 무선 통신 장치에 관한 것이다.

도면들의 간단한 설명

본 발명의 실시예들이 첨부된 도면들을 참조하여 예시적으로 이제 설명될 것이다.

도 1은 핸드셋 상에 장착된 PIFA의 투시도이다.

도 2는 0.45pF 캐패시터와 매칭하는 도 1의 안테나에 대해 MHz에서의 주파수에 대한 dB에서의 시뮬레이트된 리턴 손실 S₁₁의 그래프이다.

도 3은 주파수 범위 800 내지 3000MHz 상에서 0.45pF 캐패시터와 매칭하는 도 1의 안테나의 시뮬레이트된 임피던스를 보여주는 스미스 차트이다.

도 4는 주파수 범위 800 내지 3000MHz 상에서 매칭이 없는 도 1의 안테나의 시뮬레이트된 임피던스를 보여주는 스미스 차트이다.

도 5는 본 발명에 따라 만들어진 안테나 피드 장치의 측면도이다.

도 6은 1.75pF 캐패시터와 매칭하고 도 5의 피드 장치를 통해 피드되는 PIFA에 대한 MHz에서의 주파수에 대한 dB에서의 시뮬레이트된 리턴 손실 S₁₁의 그래프이다.

도 7은 주파수 범위 800 내지 3000MHz 상에서 1.75pF 캐패시터와 매칭하고 도 5의 피드 장치를 통해 피드되는 PIFA의 시뮬레이트된 임피던스를 보여주는 스미스 차트이다.

도 8은 주파수 범위 800 내지 3000MHz 상에서 매칭이 없는 도 5의 피드 장치를 통해 피드되는 PIFA의 시뮬레이트된 임피던스를 보여주는 스미스 차트이다.

도면들에서 동일한 참조 번호들은 대응하는 특징들을 나타내도록 사용되었다.

발명의 개시

본 발명의 목적은 개선된 평면 안테나 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 제 1 양상에 따르면 실질적으로 평면인 패치 컨덕터, 제 1 포인트에서 패치 컨덕터에 연결된 피드 핀 및 패치 컨덕터 상의 제 2 포인트와 그라운드 평면 사이에 연결된 그라운드 핀을 포함하는 안테나 장치가 제공되며, 여기서 이 장치는 상기 피드와 그라운드 핀들을 연결하는 링킹 컨덕터와 상기 피드와 그라운드 핀들 사이에 연결되는 션트 캐패시턴스 수단(shunt capacitance means)을 더 포함하고, 여기서 상기 링킹 컨덕터의 위치와 크기 및 상기 캐패시턴스 수단의 값은 안테나와 좋은 매칭이 성취되도록 선택된다.

링킹 컨덕터의 존재는 피드 및 그라운드 핀들에 의해 형성되는 쇼트 회로 전송 라인의 길이를 감소시키도록 동작하고, 따라서 그 인덕턴스를 감소시키고, 션트 캐패시터의 값이 증가하도록 하며 이것은 개선된 대역폭을 제공한다. 또한 링킹 컨덕터는 패치 컨덕터에 연결될 수 있거나, 링킹 컨덕터 위와 아래의 핀들 사이에 갭들이 있을 수 있다. 매칭 인덕턴스가 안테나 구조의 부분으로서 제공되도록 하는 배열에 의해, 인덕턴스는 부가적인 비용없이 회로 솔루션들에 의해 제공되는 것보다 더 높은 Q를 갖는다.

피드 및 그라운드 핀들은 임피던스 변형을 제공하기 위해 서로 다른 단면 영역들을 가질 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 피드 및 그라운드 핀들 중 하나 또는 둘 다는 임피던스 변형을 제공하기 위해 복수의 컨덕터들로 형성될 수 있다. 또한 임피던스 변형은 PCT/IB02/00051에 개시되는 바와 같이 피드 및 그라운드 핀들 사이의 패치 컨덕터내의 슬롯에 의해 제공될 수 있다.

본 발명의 제 2 양상에 따르면 본 발명에 따라 만들어진 안테나 장치를 포함하는 무선 통신 장치가 제공된다.

본 발명을 수행하기 위한 모드들

핸드셋 상에 장착된 PIFA의 투시도가 도 1에 보여진다. PIFA는 핸드셋의 부분을 형성하면서 그라운드 평면(104)에 평행하게 서포트되는 직사각 패치 컨덕터(102)를 포함한다. 안테나는 피드 핀(106)을 통해 피드되고 쇼팅 핀(108)(그라운드 핀으로도 알려짐)에 의해 그라운드 평면(104)에 연결된다. 피드 및 쇼팅 핀들은 구성의 편리를 위해 통상적으로 평행하지만, 이것은 안테나의 기능에 필수적인 것은 아니다.

PIFA의 통상적인 실시예에서, 패치 컨덕터(102)는 20 X 10mm의 크기를 가지며 40 X 100 X 1mm 치수의 그라운드 평면(104) 8mm 위에 위치된다. 피드 핀(106)은 패치 컨덕터(102)와 그라운드 평면(104) 둘 다의 코너에 위치되고, 쇼팅 핀(108)은 3mm만큼 피드 핀(106)으로부터 분리된다. 각각의 핀들(106,108)은 1mm의 폭으로 평평하다.

PIFA의 임피던스가 인덕티브인 것은 잘 알려져 있다. 이것을 위한 하나의 설명은 피드 및 쇼팅 핀들(106,108) 상에 전류들을 다른 모드(동일하게 및 반대적으로 방향을 갖는, 비-방출)와 공통 모드(동일한 방향을 갖는, 방출) 전류들의 합으로 생각하여 제공될 수 있다. 다른 모드 전류들에 대해, 피드 및 쇼팅 핀들(106,108)은 쇼트-회로 전송 라인을 형성하며, 이는 파장(도 1의 실시예에서 8mm, 또는 2GHz에서 0.05λ)에 비해 그것의 매우 짧은 길이로 인해 인덕티브 리엑턴스를 갖는다. 이 인덕티브 리엑턴스는 안테나 피드 양단의 션트 인덕턴스 처럼동작한다. 안테나(102)에 매칭하기 위해, 션트 캐패시턴스는 안테나의 공진 주파수에서 그것과 공진하여 인덕턴스를 몰아내기 위해 피드 및 쇼팅 핀들(106,108) 사이에 제공될 필요가 있다. 비록 이것이 션트 캐패시터에 의해 제공될 수 있다 하더라도, 공지된 PIFA들에서 이것은 안테나 기하학을 변경하여 통상적으로 제공될 수 있다. 예를 들어, 이것은 일부 부가적인 캐패시턴스를 그라운드에 제공하기 위해 피드 핀(106)에 인접한 그라운드 평면(104)을 향해 패치 컨덕터(102)를 연장하여 이루어질 수 있다.

도 1에 도시된 결합된 안테나(102)와 그라운드 평면(104)의 리턴 손실 S₁₁은 Ansoft 회사로부터 활용할 수 있는 고주파 구조 시뮬레이터(HFSS)를 사용하여 시뮬레이트되었다. 0.45pF 션트 캐패시터와 매칭할 때, 그 결과들은 800 내지 3000MHz 사이의 주파수들(f)에 대해 도2에 보여진다(120Ω으로 참조됨). 동일한 주파수 범위 상의 시뮬레이트된 임피던스를 도시하는 스미스 차트가 도 3에 보여진다. 매칭 캐패시터없이 시뮬레이트된 임피던스를 도시하는 부가적인 스미스 차트가 도4에 도시되며, 매칭없는 임피던스의 인덕티브 특성을 증명한다.

이 안테나 장치는 약 440MHz의 6dB 대역폭과 약 200MHz의 10dB 대역폭을 갖는다. 이 대역폭은 전송 라인의 션트 인덕턴스가 감소되고 캐패시터의 값이 증가하면 상당하게 개선될 수 있다. 이것은 제 1 근사화로서, 안테나가 실질적으로 일정한 저항을 갖는 직렬 공진 LCR 회로와 같이 보이기 때문이다. 그러한 회로는 보완적인 병렬 LC 회로에 의해 최상으로 넓은 대역화된다. (쇼트 회로 전송 라인에의해 제공되는) 병렬 회로의 인덕턴스를 감소하는 것과 캐패시턴스를 증가하는 것은 안테나 응답을 더 좋게 보완하는 응답을 제공하며 따라서 대역폭을 개선하는데 더욱 효과적이다.

이 목적은 본 발명에 따라 도 5의 측면도에 보여지는 바와 같은 피딩 장치를 변경하여 성취될 수 있다. 이 변경에서 그들 길이의 대부분 상으로 피드 및 쇼팅 핀들(106,108)을 같이 연결하는 링킹 컨덕터(510)가 제공된다. 도 5에 도시된 바와 같이, 링킹 컨덕터는 이들이 패치 컨덕터(102)를 접촉하고 따라서 패치 컨덕터(102)에 또한 연결되는 포인트들로부터 피드 및 쇼팅 핀들(106,108)을 연결한다. 그러나, 이 배열은 필수적인 것은 아니며 대안적인 실시예들에서 링킹 컨덕터(510) 위와 아래에 핀들(106,108) 사이에 갭이 있을 수 있다. 이것은 공통 모드 전류상에 최소한의 효과를 가지면서 링킹 컨덕터가 다른 모드 전류에 대해 핀들(106,108) 사이에 경로를 제공하기 때문이다. 따라서, 링킹 컨덕터(510)가 쇼트 회로 전송 라인을 (피드 및 쇼팅 핀들(106,108)과 같이) 형성하기에 충분한 높이를 가진다면, 패치 컨덕터 및 링킹 컨덕터(510)가 얇은 스트랩을 간단히 포함하는 한 이것이 연속하는 것은 필요 없다.

예로서, 리턴 손실 S₁₁을 결정하는 시뮬레이션들은 컨덕터(510)가 6mm의 길이를 갖고 피드 및 쇼팅 핀들(106,108)이 그들의 길이 2mm에 대해 연결되지 않도록 남겨두고 수행되었다. 1.75pF 션트 캐패시터와 매칭할 때, 그 결과들이 800 내지 3000MHz 사이의 주파수들(f)에 대해 도 6에 보여진다(120Ω으로 참조됨). 동일한주파수 범위 상에 시뮬레이트된 임피던스를 도시하는 스미스 차트가 도 7에 보여진다. 도 1의 종래 PIFA에 비하면, 10dB 대역폭이 거의 두배로 390MHz까지 되면서 6dB 대역폭은 550MHz까지로 25%까지 개선된다. 이 개선된 대역폭은 도 7 및 2에 도시된 스미스 차트들을 비교하여 명확하게 이해될 수 있다.

매칭 캐패시터없이 시뮬레이트된 임피던스를 도시하는 부가적인 스미스 차트가 도 8에 도시되며 이것은 캐패시터 없는 매칭이 매우 빈약하다는 것을 증명한다. 이것은 부가적인 매칭 성분들이 사용되지 않는 WO 01/37369 에 개시되는 안테나 장치에 대비하면 완전하다. 그러한 배열은 낮은 공통 모드 저항을 요구하며, 따라서 션트 인덕턴스가 인가될 때 50Ω에 매칭이 성취될 수 있다. 이 제한은 안테나가 본질적으로 좁은 대역일 것임을 의미한다.

링킹 컨덕터(510)의 길이를 증가시키고 더 높은 값의 캐패시터를 사용하여 더 좋은 수행이 성취될 수 있다는 것은 명백할 것이다.

안테나가 매칭하는 임피던스는 우리의 공동 계류중인 미공개된 국제 특허 출원 PCT/IB02/00051(출원인의 참조번호 PHGB010009)에 개시되는 바와 같이 피드 및 쇼팅 핀들(106,108)의 상대적인 두께를 변경하여 변경될 수 있다. 이것은 공통 모드 전류가 피드 및 쇼팅 핀들(106,108)에서의 전류들의 합이고 따라서 그들의 상대적인 두께를 변경하여(따라서 임피던스들을 변경하여) 핀들 사이의 전류 비가 변경될 수 있기 때문이다. 예를 들어, 쇼팅 핀(108)의 단면 영역이 증가하고 그 임피던스를 감소시키면 피드 핀(106) 상의 공통 모드 전류가 감소될 것이고 안테나의 효율적인 임피던스가 증가할 것이다. 또한 그러한 효과는 병렬로 연결된 복수의 컨덕터들에 의해 피드 및 쇼팅 핀들(106,108)의 하나 또는 둘 다를 대체하여 또는 이 두 개의 접근들의 조합에 의해 성취될 수 있다.

또한 임피던스 변형은 PCT/IB02/00051에 개시되는 바와 같이 피드 및 쇼팅 핀들(106,108) 사이의 패치 컨덕터(102) 내의 슬롯의 준비에 의해 마련될 수 있다. 패치 컨덕터내에 이 슬롯을 비대칭적으로 배열하여, 피드 및 쇼팅 핀들(106,108)에 의해 운반되는 상대적인 전류들이 변화될 수 있는데, 이는 패치 컨덕터(102)가 그후 다른 크기의 컨덕터들을 갖는 쇼트 회로 두 개의 컨덕터 전송 라인으로 나타나기 때문이다. 패치 컨덕터(102)가 전화 케이스의 내부 표면 상에 프린트될 수 있는 이동 전화 실시예에서, 그러한 배열은 (튀어나오는 접점들로서 제공될 수 있는) 공통 피드 및 쇼팅 핀들(106,108)을 사용하면서 안테나 임피던스들의 범위가 다른 패치 컨덕터 구성들에 의해 제공되도록 하는 장점을 갖는다.

본 발명이 단일 대역 PIFA에 관하여 설명되었지만, 2중 또는 다중 대역 구성들에 쉽게 적용될 수 있다는 것은 명백할 것이다. 그러한 실시예들에서, 각 대역에 대해 적합한 캐패시턴스는 주파수 선택형 패시브 네트워크를 통해 쉽게 제공될 수 있다. 또한 요구되는 캐패시턴스가 하나 이상의 이산 캐패시터들로서 제공되는 대신에 알려진 기술들의 범위에 의해 안테나 구조의 내장된 부분으로서 제공될 수 있다는 것도 명백할 것이다.

PIFA를 참조하여 위에 상세히 설명되었지만, 본 발명은 더 넓은 적용성을 가지며 어떠한 모노폴-유사 안테나 장치(monopole-like antenna arrangement)와 사용될 수 있으며, 여기서 이 안테나 피드 장치는 두 개의 전송 라인들을 포함하는 것으로 고려될 수 있으며 여기서 전송 라인들의 길이들은 전송 라인 임피던스들이 보완적인 회로 소자들과 연결하여 사용될 수 있도록 선택되며, 이에 의해 더 넓은 대역폭과 더 좋은 필터링을 제공한다(PIFA는 큰 상부 부하를 갖는 매우 짧은 모노폴 안테나로서 고려될 수 있음).

위에 설명된 PIFA 배열에서 전송 라인들은 쇼트 회로 전송 라인들이었으며 회로 소자들은 캐패시터들이었다. 그러나, 전송 라인들이 (캐패시터 임피던스를 갖는) 오픈 회로이고 보완 회로 소자들이 인덕터들인 대안적인 배열이 가능하다. 그러한 배열은 링킹 컨덕터(510)를 제거하고 패치 컨덕터(102)에 패치 컨덕터의 에지까지 확장하고 인덕터와 매칭을 위해 적합한 캐패시트 임피던스를 제공하도록 선택된 그것의 길이를 갖는 슬롯을 제공하여 도 5의 PIFA를 변경시켜 형성될 수 있다.

오픈 회로 배열이 가능하다 해도, 쇼트 회로 전송 라인들의 사용은 이것이 캐패시터들의 사용을 보완 회로 소자로서 가능하게 하기 때문에 여전히 선호된다. 캐패시터는 인덕터(통상적으로 약 40)에 비해 더 높은 Q(통상적으로 이동 통신 주파수들에서 약 200)를 일반적으로 가지며, 또한 더 좋은 허용오차들을 갖는다. 인덕턴스를 안테나 기판 상에(PIFA의 경우 공중에) 두는 것은 이것이 고품질이 될 수 있으며 높은 품질 이산 캐패시터와 연결하여 사용될 수 있음을 의미한다. 일부 경우들에서 (예를 들어, 오픈 회로 전송 라인의 경우에) 특히, 활용 가능한 회로 기술이 빈약하다면, 캐패시터를 직접적으로 안테나 기판상에 형성하는 것이 유익할 수 있다.

Claims

실질적으로 평면인 패치 컨덕터(substantially planar patch conductor), 제 1 포인트에서 상기 패치 컨덕터에 연결된 피드 핀(feed pin) 및 상기 패치 컨덕터 상의 제 2 포인트와 그라운드 평면(ground plane) 사이에 연결된 그라운드 핀을 포함하는 안테나 장치(antenna arrangement)에 있어서,

상기 장치는 상기 피드와 그라운드 핀들을 연결하는 링킹 컨덕터(linking conductor)와 상기 피드와 그라운드 핀들 사이에 결합되는 션트 캐패시턴스 수단(shunt capacitance means)을 더 포함하고, 상기 링킹 컨덕터의 위치와 크기 및 상기 캐패시턴스 수단의 값은 상기 안테나에 좋은 매칭이 성취되도록 선택되는 안테나 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 그라운드 평면은 상기 패치 컨덕터로부터 이격되어 이와 같이 걸치는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 피드 및 그라운드 핀들의 단면 영역들이 서로 다른 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 피드 핀은 복수의 컨덕터들을 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 그라운드 핀은 복수의 컨덕터들을 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 피드 및 그라운드 핀들은 실질적으로 평행한 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 캐패시턴스 수단은 이산 캐패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 링킹 컨덕터의 상부 에지는 상기 패치 컨덕터에 연결되는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 패치 컨덕터는 상기 제 1 및 제 2 포인트들 사이에 슬롯을 내장하는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 청구된 바와 같은 안테나 장치를 포함하는 무선 통신 장치(radio communications apparatus).