KR20040019295A - 입력 인피던스에 매치된 소형 안테나 제작방법 및 그방법에 따라 제작된 소형 안테나 - Google Patents

Abstract

필요로 하는 출력 임피던스에 매치되고, 필터링을 필요로 하지 않고, 제작ㅇ 간단하고 저렴하며, 최소비용, 최소외부구성요소 및 최소 에너지손실을 가지며 용이하게 통합할 수 있는 고성능의 소형 안테나를 제작하는 방법이 개시되어 있다. 상기 방법은 안테나 기하학적 치수/파장 비 그래프에 대한 임피던스에서 매우 높은 양의 리액턴스를 나타내는 단일 포인트(102)를 발견하는 단계, 이 포인트를 매치시키기 위하여 안테나 기하학을 세팅하는 단계, 및 바람직하게는 적어도 하나의 갭 캐패시터(202)에 의해 제공된 매우 작은 캐패시턴스를 상기 안테나에 추가함으로써 상기 매치로부터 생성하는 매우 높은 양의 리액턴스(높은 인덕턴스)를 취소하는 단계를 포함한다. 상기 안테나는 루프 안테나(200)인 것이 바람직하고, 안테나와 갭 캐패시터(202)(204)는 모두 PCB나 세라믹 기질상에 인쇄 방법에 의해 실행되는 것이 바람직하다. 상기 안테나(200)는 또한 비-차동 제작물안에서 실행될 수도 있다.

Description

입력 인피던스에 매치된 소형 안테나 제작방법 및 그 방법에 따라 제작된 소형 안테나 {A method for designing a small antenna matched to an input impedance, and small antennas designed according to the method}

현재, 관련된 산업은 특히 다음과 같은 몇가지 중대한 어려움에 직면해 있는데, 그들은 (1)성능에 큰 영향을 미치지 않으면서 안테나의 소형화; (2)시스템에 안테나 및 안테나들을 합성하는 비용을 낮춤; (3)대역외 신호의 프론트-엔드 제거의 일부로서 안테나에 부착된 저-손실 필터에 대한 요구; (4)제품 공차 및/또는 인접한 인간 존재의 최소한 영향과 함께, 안정된 매칭을 유지할 저손실 임피던스 매칭 네트워크에 대한 요구 등이다.

전통적인 루프 안테나는 일반적으로 그것의 물리적인 길이가 그것이 수신하거나 전송하는 신호의 전기적인 파장과 동일할 때에 공진하도록 만들어진다. 하기의 상세한 설명에 있어서, "루프(loop)"는 차동 전송 라인 포트에서 종료하는 임의의 폐쇄 커브를 언급한다. 그런 안테나를 사용하고자 하는 설비에 있어서, 이것은크기 및 형성 인자에 있어서 중요한 제한이 있다. 예를들어, 전형적인 2.4Ghz 안테나는 원주길이가 대략 12.5㎝인데, 이것은 많은 설비(예를들어, 보다 소형의 안테나를 필요로 하는 리모트 콘트롤러)에 사용하기에는 너무 길다. 그런 설비에서 안테나 크기의 감소는 일반적으로 유전체의 부하에 의해 달성된다. 예를들어, 안테나는 높은 유전율을 갖는 세라믹 기질의 층들 사이에 삽입될 수 있다. 결론적으로, 안테나에서 전기적인 신호의 유효파장을 감소시키는 유효 유전율이 증가하면, 그들의 크기가 줄어든다. 그러나, 유전체 물질에서 전송되거나 수신된 에너지 낭비의 대부분으로서 유전체 부하가 안테나 이득을 크게 감소시킨다. 이것은 보통 방사 패턴을 편향시키고 또한 상대적으로 비싸게 생각된다.

안테나의 크기를 감소시키기 위한 여러가지 다른 방법들은 복잡하고 값비싼 매칭 네트워크들을 생성한다. 이들 방법들은 보통 바람직하지 않은 영향들을 갖는 정규적인 분리식 매칭 요소(캐패시터, 인덕터)를 사용한다(상기 요소의 치수가 안테나 치수 또는 파장에 대해서 크게 될 때에, 그런 것은 높은 주파수에서 특히 탁월하다). 많은 경우에 있어서, 많은 에너지가 이들 구성요소들 상에서 낭비되고, 그래서 상기 안테나 이득이 감소된다. 그런 구성요소들은 보통 생산 공차를 갖는다. 그것은 예를들어, 임피던스 매칭이 하나의 소자로부터 다른 소자까지 변하기 때문에 그들이 협대역 안테나를 생성하기 위해 사용될 수 없다는 것을 의미한다.

필터링(filtering)에 대한 논쟁 또한 매우 중요하다. 근거리 무선 설비 산업은 미국내의 FCC규정과 같은 전자기 적합성 규정에 순응하도록, 대역외 신호의 방사를 방지하고 간섭신호로부터 시스템을 보호하기 위하여 안테나 포트에서 필터링을 필요로 한다. 그러므로, 값비싼 필터들이 안테나 포트에 설치된다. 일반적으로 보통의 필터들은 "삽입손실(insertion loss)"로 고생을 하는데, 그 삽입손실은 필터들이 요구되는 주파수 대역 내에 있는 에너지의 몇가지를 차단한다는 것을 의미한다.

RF 증폭기와 안테나의 일체화는 또한 몇가지 문제점들 발생시킨다. RF 칩들은 보통 저 전류 소비를 갖기 위해 고출력 임피던스를 나타낸다. 오늘날 판매시장에 있는 대부분의 안테나들은 다른 손실과 값비싼 매칭 네트워크의 사용을 필요로 하는 전통적인 50오옴(ohm)의 임피던스를 매치하기 위하여 설치된다. 또한, 균형 인터페이스(balanced interface)는 RF 칩들의 전력 효율을 개선시켜서, 많은 칩이 오늘날 균형(차동) RF 포트를 갖는 설계 칩들을 제작한다. 오늘날 시장에서 판매되는 대부분의 안테나들이 비균형적(안테나들이 마이크로스트립 라인과 같은 비-차동 전송 라인에 공급된다는 것을 의미함)으로 만들어지기 때문에, "발룬(balun)" 구성요소는 안테나 칩 인터페이스에서 필요로 하는데, 비용을 추가시키고 에너지 로스를 추가시킨다.

존재하는 다른 어려움은 안테나 근처에 사람이 있을때 안테나의 성능에 영항을 미친다는 사실이다. 그것은 인간 피부조직의 높은 유전율이 안테나에 의해 제작된 전기장을 흡수한다는 사실 때문이다. 그것을 설명하기 위한 또 다른 방법은 인간의 피부조직이 안테나에 결합되는 부하로서 행동하고 그로인해 안테나 포트에서 측정되는 입력 임피던스를 변화시킨다는 것을 말한다. 많은 설비들이 오늘날 휴대용 설비들이기 때문에, 인간의 존재에 의해 영향을 받지 않는 안테나에 매칭을 유지하기 위해서는 큰 어려움이 있다. 때때로, 이것은 라디오 제작자들로 하여금 몇가지 크기의 명령들에 의해 전송 전력을 증가시키도록 한다.

그러므로 최소비용, 최소 외부 구성요소 및 최소 에너지 손실과 함께, 요구되는 출력 임피던스에 매치되고, 필터링을 필요로 하지 않으며, 제작이 간단하고 저렴하며, RF 전력 증폭기에 용이하게 통합될수 있는 고성능의 소형 안테나에 대한 인식이 폭넓게 요구된다. 본 발명은 상기에 열거된 모든 어려움들을 극복하고, 안테나를 제작하기 위해 새로운 방법에 의한 이들 장점들을 제공하며, 이 방법을 사용하여 제작된 안테나들의 실시예들이 보여질 것이다.

본 발명은 안테나에 관한 것으로, 특히 저 비용의 근거리 무선 설비, 예를 들면 무선 장난감, 무선 키보드, 무선 안전시스템, TV용 RF식 리모트 콘트롤러 등에 사용되는 소형의 인쇄 안테나에 관한 것이다.

도 1은 루프 안테나의 임피던스의 동작을 서술한 도면.

도 2는 본 발명의 방법에 따라 제작된 안테나의 바람직한 실시예 및 시뮬레이션 결과를 도시한 도면.

도 3은 인쇄 방법을 사용하여 기질 상에 실행되는 도 2의 안테나를 나타낸 사진.

도 4는 도 3의 안테나 상에서 얻어진 측정결과.

도 5는 RF 모듈내에 일체화된 도 4의 인쇄식 안테나의 사진.

도 6은 본 발명의 방법에 의해 제작된 안테나의 다른 양호한 실시예.

도 7은 본 발명의 방법에 의해 제작된 안테나들의 여러가지 가능한 기하학들을 개략적으로 설명한 도면.

본 발명은 아주 좁은 대역폭에서 RF신호를 전송하고 수신하기 위한 혁신적이고, 고성능이며, 작은 공간을 차지하는 매치식 안테나를 개시하고 있다. 특히, 본 발명의 안테나는 천조 분의 수십 패러드(farad)에 대한 수천조 분의 일 패러드의 명령 상에서의 매우 작은 캐패시턴스로서, 인쇄된 갭(gap)에 의해 얻어지는 캐패시턴스를 제공하는 구성요소에 연결된다. 상기 안테나는 원하는 출력 임피던스에 임피던스 매치되고, 추가의 필터링을 필요로 하지 않으며, 용이하고 값싸게 제작될 수 있다. 본 발명의 안테나는 비디오, 라디오 또는 어떤 다른 형태의 데이터 전송물을 위한 RF 송수신기에 사용될 수 있고; 입력 및 제어 장치와 같은 무선 설비(TV용 리모트 콘트롤러, 무선 키보드 등과 같은)에 통합되는 RF 모듈에 사용될 수 있고; 장난감 및 게임(무선 게임 패드, 휴대용 게임들)들에 사용될 수 있고; 홈 오토메이션 및 안전 설비(무선 전등 스위치, 방범 경보시스템용 무선 센서)들에 사용될수 있으며; 산업 자동화용 무선 센서에 사용될 수 있고; 휴대폰에 사용될 수 있으며; 무선 모뎀 등에 사용될 수 있다.

본 발명에 따라서, 소정의 주파수에서 작동하고, 필요로하는 입력 임피던스에 매치되는 소형 안테나를 제작하기 위한 방법에 제공되어 있으며, 상기 임피던스는 실제부(real part)와 가공부(imaginary part)를 구비하며, 상기 방법은 (a)단일 포인트에 관련된 임피던스 매칭 포인트를 선택하는 단계; 및 (b)소정의 주파수에서 작동하고, 필요로하는 임피던스에 매치된 안테나의 제작을 얻기 위해 입력 임피던스의 가상부를 취소하는 단계를 포함한다.

본 발명에 따라서, 요구되는 입력 임피던스에 매치되고 요구되는 주파수에서 작동하도록 설계된 기하학적 치수를 갖는 소형의 루프 안테나를 얻기 위한 방법이 제공되는데, 상기 방법은 (a)기하학적 치수와 요구되는 주파수 사이에서의 상호관계에 의해서 그리고 입력 임피던스에 의해서 한정된 단일 포인트를 매칭하는 것에 기초한 최적의 설계를 얻는 단계; 및 (b)상기 설계를 실행하는 단계를 포함한다.

본 발명에 따라서, 입력 임피던스에 매치된 소형 안테나가 제공되는데, 상기 입력 임피던스는 상기 매칭 이전에 매우 높은 양의 리액턴스(reactance)를 가지며,상기 안테나는 소정의 주파수에서 작동하도록 설계되며, 상기 안테나는 (a)상기 매우 높은 양의 리액턴스와 상호 관련된 상관관계로서, 상기 주파수에 관련된 기하학적 치수를 갖는 안테나 요소; 및 (b)상기 안테나가 입력 임피던스에 매치되고 아주 좁은 주파수 대역에서 작동하도록 매우 높은 양의 리액턴스를 취소하고 상기 안테나 요소에 추가되는 캐패시턴스를 포함한다.

본 발명은 근거리 무선 설비들을 위한 고성능, 협대역, 임피던스 매치식, 소형 안테나들에 관한 것이다. 특히, 본 설비들의 안테나들은 특별한 단일 포인트를 선택함으로써 소정의 입력 임피던스에 매치된다. 상기 매칭은 안테나의 일체화 부분이고 안테나 피딩 포트(feeding port)에 일렬로 연결되는 요소에 의해 제공되는 매우 작은 캐패시턴스를 사용함으로써 얻어지는데, 상기 요소는 바람직하게는 인쇄식 갭(printed gap)이다.

상기에 언급된 바와 같이, 안테나 산업이나 RF 모듈 제작자들에게 직면한 현재의 어려움들이 본 발명의 본질이며 독특하고 명쾌한 기술에 의해 극복될 수 있다. 일반적으로, 상기 제작 절차는 입력 임피던스의 단일 영역에서 안테나를 매치하기위해 서택함으로써 개시한다. 단일영역은 실제부와 가상부의 입력 임피던스가 안테나의 기하학적 치수에 대하여 높은 파생물을 갖는 간격(interval)이다. 일예가 도 1(a)에서 피크(100) 주위의 영역이고, 그 대응하는 영역이 도 1(b)에서 도면부호(100')이다. 이 설명에 있어서, 용어 "기하학적 치수(geometrical dimensions)"느 루프 길이 또는 원주나 금속 라인의 길이로서의 특징물들을 언급한 것 뿐만 아니라 폭 및 두께, 안테나 라인 폭 또는 두께, 금속 형태, 또는 상기 특징들 중 어느 하나의 조합과 같은 기질의 성질들을 언급한 것이다. 기하학적 치수들이 안타네에 존재하는 주파수 모드에 관련된 것이기 때문에, 상기 파생물들은 주파수에 대비해서 높을 것이다. 이 단일 간격(도 1(a)에서 피크(100) 주위의 영역)에 있어서, 상기 임피던스의 실제부는 극적으로 상승하고 비교적 적은 기하학적 변화 또는 주파수 변화내에서 큰 범위의 값을 커버한다. 상기 매칭 포인트는 우리가 안테나를 매치하고자 하는 임피던스의 실제 값을 반영하는 것이 되도록 선택될 것이다. 단일 영역(임피던스의 실제부가 상승하고 하락함)에서 그런 포인트들이 두개가 있는데, 그것은 매우 높은 양의 리액턴스(높은 양의 가상 임피던스)를 갖는 포인트와 매우 낮은 음의 리액턴스를 갖는 포인트이다. 우리는 우리의 매칭을 위하여 상기 첫번째 포인트를 선택해야만 한다. 높은 양의 리액턴스가 실제적으로 높은 인덕턴스이기 때문에, 소정의 실제 임피던스 값에 매칭하는 것은 그것과 함께 공진할 매우 작은 일련의 캐패시턴스를 사용하여 높은 인덕턴스를 취소함으로써 얻어진다.

안테나의 입력 임피던스를 계산하고 매칭 포인트를 확인하는 것은 간단한 구조물(간단한 루프와 같은)에 대해 분석적으로 이루어질 수 있다. 그러나, 더 복잡한 형상에 대해서는 모멘트 전자기적 해결 알고리즘의 방법(the Method of Moments electromagnetic solving algorithm) 또는 에프디티디 알고리즘(FDTD algorithm)을 사용하는 것과 같이 전자기적 시뮬레이션 도구를 이용하는 것에 의해 이루어질 수 있다. 이들 시뮬레이션 도구들은 금속 및 기질 물질들의 전자기적 특성을 포함한 안테나의 물리적 모델을 입력으로서 수신할 것이고, 주파수나 기하학적 매개변수들 중 어느 하나 상의 안테나의 입력 임피던스의 의존성을 나타내는 그래프를 생성한다.

본 발명에 따라서, 공진 요소(바람직하게는, 인쇄식 갭)를 사용하여 단일 포인트에 대한 임피던스 매치식 안테나의 작동 및 원리는 도면 및 첨부된 설명을 참조하면 더 잘 이해될 것이다.

단지 실시예로서, 단일 포인트를 찾는 양호한 방법이 하기에 설명되어 있다. 루프 안테나의 임피던스 동작이 도 1에 나타나 있다[캘리포니아 발라니스, "안테나 이론, 분석 및 제작", 존 윌리 앤 선즈 인코오포레이티드, 2판, 1997년, 페이지 227 (Balanis C.A., "Antenna theory, analysis and design", John Wiley& Sons Inc, second edition, 1997, page 227)]. 도 1의 2개의 그래프들은 안테나가 지니는 신호의 파장(작용 주파수와 상관관계인)과 물리적 원주(길이) 사이의 비율에 대한 루프 입력 임피던스(실제부(a)와 가상부(b))를 나타낸다. 루프 길이가 파장의 절반 쯤으로 감소하면, 저항(입력 임피던스의 실제부)은 극적으로 증가한다. 리액턴스는 루프길이/파장 비율(C/λ)이 저항 피크(100)에서 어느 하나의 아래에 있으면 매우 큰 인덕턴스(높은 양의 리액턴스)로서 동작하고, 루프길이/파장 비율이 저항 피크에서 어느 하나의 바로 위에 있으면 매우 작은 캐패시턴스(음의 리액턴스)로서 동작한다. 그러므로, 이런 특별한 예에 있어서, 단일 포인트는 루프 길이가 파장의 대략 0.5(C/λ= 0.5)일 경우에 발견된다. 일반적으로, 루프용 단일 포인트는 1보다 작은 소수의 길이, 대표적으로는 파장의 0.2 내지 0.7 사이의 길이에서 발견될 것이다.

여기에서, 안테나 제작에서 본 실시예와 반대된다는 점에서, 그리고 개시 포인트로서 이런 단일 포인트를 선택하는 것이 상당히 비자명하다는 사실을 언급할 만한 가치가 있다. 사실, 본 실시예에 있어서, 제작자들은 그런 단일 포인트들을 피하는 경향이 있는데, 이는 (a)그들이 단일포인트들을 취급하기가 매우 어렵거나 심지어는 불가능하다는 것을 알기 때문이고, (b)그들이 단일 포인트를 사용하는 것에서의 장점이나 잠재력을 볼 수 없다는 것 때문이다. 본 발명은 단일성(특이성)을 사용하는 많은 장점들을 드러낸 독특하고 명쾌한 접근법으로서 이러한 단일성을 취급하고 있다.

이제 다시 도면을 참조하면, 도 1에서 단일영역에서 임피던스의 실제부는 수 오옴(ohm)의 값으로부터 1킬로오옴(kohm) 이상까지의 범위인 것을 알 수 있다. 이제 예를들어 개론을 벗어나지 않고 추정을 해보면, 사람들은 200 오옴의 임피던스까지 소형 루프안테나를 매치시키기를 바란다. 단일 영역에서, 임피던스의 실제부가 200 오옴인 두개의 포인트들이 있는데 - 하나는 도 1(a)상의 포인트(102)에서의 대략 0.4 파장에서이고, 하나는 도 1(a)상의 포인트(104)에서의 대략 0.4 파장에서이다. 가상 임피던스의 양의 값들은 도 1(b)에서 커브(106)에 의해 제공되고, 그들은 C/λ= 0.5에서 점선(110)에 의해 나타난 값까지 우측으로부터 점근선적으로 값을 증가시킨다. 그러므로, 본 발명의 방법에 따르면, 사람들은 0.4 파장 포인트(포인트 102)를 선택할 것인데, 이는 상기 포인트에서 입력 임피던스의 가상부가 도 1(b)의 포인트(102)에 평행한 포인트를 찾을 때 반영되듯이 높은 양(positive)이 된다(높은 인덕턴스를 반영함). 다시 말하면, 사람은 작용 주파수의 파장을 계산할 것이고, 대략 0.4 파장 길이를 갖는 루프를 제작할 것이다. 예를 들어, 2.4 Ghz 안테나에 있어서, 파장은 12.5㎝이기 때문에, 루프 원주는 5㎝일 것이다. 분명하게, 실제로, 이것은 작용 포인트를 결정하는 다른 물리적 매개변수(재질, 인쇄식 안테나용 기질구조, 라인 두께 등 또는 더 일반적으로 상기에 언급된 "기하학적 치수들" 중 어느 하나)들이 있기 때문에 훨씬 더 복잡하다. 그러므로, 시뮬레이션은 특히, 기하학이 루프와 같이 간단하지 않을 경우에, 정확한 작용 포인트를 결정하기 위하여 실행되어야만 한다.

제작의 첫번째 장점은 이제 즉시 관찰될 수 있는데, 루프 안테나들이 보통 1 파장 길이이며, 그래서 사람들이 0.4 파장 작용점을 선택하면, 안테나가 장착되는 영역은 0.4 제곱의 인자만큼, 다시말하면 6배이상만큼 감소될 것이다.

작용 포인트를 선택한 후에, 본 발명의 제작방법에 따라서, 사람들은 임피던스 매칭쪽으로 이동할 필요가 있다. 선택된 단일 작용 포인트에서,임피던스의 실제부가 소정의 매칭용 임피던스이기 때문에, 사람들은 이전에 언급된 바와 같이, 가상부를 제거할 필요가 있다. 가상부가 높은 임피던스를 반영하기 때문에, 매우 작은 일련의 캐패시턴스에 의해 실행되는 것을 제거한다. 예를들어, 2.4Ghz의 주파수에서 2 kohm인 양의 리액턴스를 제거하기 위하여 아주 작은 캐패시턴스인 대략 30ff인 전체 캐패시턴스를 갖는 일련의 캐패시터 또는 캐패시터들의 조합을 연결하는 것이 필요하다. 수십 내지 수백 ohm의 대표적인 임피던스에 매치되고, GHZ 범위에서 작용하도록 제작된 안테나용 캐패시턴스들은 수천조 패러드로부터 수십조의 패러드까지의 범위일 것이다. 또한, 임피던스 파생물이 단일 작용 포인트에서 너무 높기 때문에, 대량 생산에서 안정된 포인트를 유지하기 위해 필요한 공차가 매우 높다. 이것은 선행기술 제작이 왜 자연적으로 이런 작용 포인트를 피하려 했는지에 대한 또 다른 이유이다. 필요로하는 정확한 공차를 유지하고 분리된 구성요소들을 사용하여 상기 저 캐패시턴스 값에 도달하는 것은 대단히 어렵다.

본 발명의 방법에 있어서, 요구되는 낮은 캐패시턴스는 인쇄식 안테나들에 대부분 적용할 수 있는 적어도 하나의 인쇄식 갭을 사용함으로써 달성된다. 갭은 안테나의 포트에서 안테나 스트립 상에 형성되고, 필요로 하는 캐패시턴스를 제공한다. 갭은 실제로 안테나의 통합부가 되고, 정확성을 위해 안테나와 함께 시뮬레이팅되어야만 한다. 비록 아주 낮기는 하지만, 갭에 의해 형성된 캐패시턴스는 공차를 제작하는 인쇄회로기판이 고려될 때에는 그렇게 민감하지 않기 때문에, 완벽한 해법을 제공할 수 있다. 또한, 차동 안테나의 선택은 안테나 포트의 각각의 폴(pole)에서 캐패시턴스를 필요로 할 것이며, 그 결과 각각의 포트에서 필요로 하는 캐패시턴스는 임피던스 매칭을 위해 필요로 하는 전체 캐패시턴스의 두배가 된다.

본 발명의 일렬로 연결된 인쇄식 갭을 갖는 안테나의 양호한 실시예가 도 2(a)에 도시되어 있다. 제작물은 200ohm의 차동 임피던스에 매치되고 2.44Ghz에서 작용하기 위한 사각형 루프 안테나(200)이다. 바람직하게는, 안테나는 상대유전율이 4.4이고 두께가 0.6mm인 FR4 유전 기질 상에 인쇄된 마이크로스트립 안테나 요소이다. 두개의 갭(202) 및(204)가 피드 라인(208: feed line)에 평행하게 안테나 입력 포트(206)에서 형성되고, 매칭을 위해 필요로하는 캐패시턴스를 제공한다. 각각의 갭 폭은 바람직하게는 대략 0.2mm이다. 본 실시예에 있어서, 안테나 크기는 대략 14 x 17 mm이다. 두개의 갭들은 단지 예로서 주어진 것이고, 하나 이상의 갭, 및 매칭을 위한 필요로 하는 소형 캐패시턴스를 제공할 수 있는 갭들의 임의의 조합이 본 발명의 범위 내에서 이루어진다.

도 2는 또한 모멘트 전자기적 시뮬레이션 도구의 방법을 사용하여 시뮬레이팅하고 200ohm 소오스 임피던스에 대하여 계산되기 때문에, db스케일에서 이런 안테나의 반사계수(S11)의 절대 크기를 도시하고 있다. 도면은 안테나가 소정의 주파수에서 잘 매치되는 것을 나타낸다. 이런 안테나의 다른 중요한 장점이 이제 드러나는데, 상기 매칭은 매우 좁은 대역으로 되고 - 작용 주파수의 약 3%인 약 80mhz, (S11)이 -6db인 포인트들 사이의 간격에서 정해진다. 이런 품질은 대역외 신호의 수신 및 전송을 방지하는 높은 Q대역-패스 필터로 안테나를 선회시킨다. 높은 Q 필터링은 안테나가 매치되는 단일 영역에서 높은 임피던스 파생물 때문에 달성되고, 또한 매칭 메카니즘이 에너지 분산에서 최소라는 사실 때문에 달성된다.

도 3은 200ohm 균형 대 50ohm 비균형의 2.4Ghz "바룬(barun)" 구성요소(304)를 통해서 50ohm SMA 컨넥터(302)에 연결된 도 2의 안테나 사진을 도시하고 있다. 도 4(a)는 주파수 기능으로서 극성 표현('Smith Chart')에서 안테나의 반사계수(S11)을 도시하고 있다. 중심에 가장 근접한 포인트는 2.44Ghz에 있고, 필요로 하는 공진을 나타낸다. 도 4(b)는 대수 스케일(logarithmic scale)에서 반사계수(S11)의 절대 크기를 나타내고, 2.44Ghz에서의 에너지 흡수가 분명하게 보여지는데 협대역 흡수이다. 반사계수는 HP8753 벡터 네트워크 분석기를 사용하여 측정된다. 그 결과 파일은 저장되었고 안소프트 세레네이드 V8.5 소프트웨어(Ansoft Serenade V8.5 software)를 사용하여 계획된다(Fig4). 도 4(b)와 도 2(b)를 비교하면, 실험결과들이 시뮬레이션 결과들과 일치한다는 것을 분명하게 알 수 있다. 대량의 이들 안테나들이 동일한 성능을 나타내면서 제작되었다. 이것은 매칭의 단일성에도 불구하고 생산 공차에 대해 안테나 중심 주파수의 낮은 민감성을 나타낸다. 이런 반복성과 낮은 민감성은 생산 공차들에 대해 갭 캐패시턴스의 낮은 민감성에 직접 관련된다.

본 발명에 따른 안테나의 다른 독특하 자세나 장점은 환경에 의해 거의 영향을 받지 않는다는 사실이다. 매치된 주파수는 심지어 인간의 피부조직이 안테나로부터 아주 근거리에 위치한다 하여도 안정하게 남게 된다. 안테나가 안테나로부터 1㎝의 거리에서 인간 피부에 의해 에워싸여질 때, 특정한 실시예에 대해서 안테나의 중앙 주파수가 일정하게 남았다는 것은 반사계수 측정을 사용하여 실험적으로 보여진다. 이것은 예를 들어 이극아테나와는 달리 루프 안테나가 자기장내에서 그것의 근접장 에너지(near-field energy)를 저장한다는 사실에 의해 설명될 수 있는데, 상기 근접장 에너지는 전기적이고 장의 패턴은 인간의 조재에 대해 매우 민감하다. 비록 이런 사실이 본 발명에 직접 관련되지 않았지만, 루프 안테나들의 특성이고, 본 제작 방법은 매칭 매카니즘이 최소화하고 정확하다는 사실에 의해 이런 장점들에 기여하고, 그래서 인간의 존재에 민감하지 않은 협대역 안테나가 용이하게 제작될 수 있다.

도 5는 RF송수신기(500)의 일부분으로서 본 발명의 안테나를 나타낸다. 안테나 구조(504)와 RF 칩(506) 사이의 인터페이스(502)를 보면, 안테나(504)가 칩에 직접 연결된 것을 분명하게 볼 수 있다. 그러므로, 매칭 구성요소, 필터 또느 발룬 구성요소와 같은 추가의 구성요소들이 필요하지 않다. 그러므로, 칩과 안테나 사이 경로에서의 에너지 분산이 극적으로 최소화되고, 상기 시스템이 더 효율적이 되며 안테나 이득이 증가한다. 또한, 생산단가 및 복잡성이 감소한다.

본 발명의 안테나의 다른 양호한 실시예는 도 6에 도시되어 있다. 상기 제작은 도 2의 것과 기본적으로 유사하지만, 갭 캐패시턴스(602)는 갭들이 피드 라인에 대해 평행한 도 2에서와는 달리, 피드라인(208)에 대해 직각이다. 이런 제작은 도 2의 것보다는 다소 작고, 또한 도 6(b)에서의 S11그래프에 나타낸 바와 같이, 더 좁은 밴드폭(약 60Mhz)를 제공한다. 이런 안테나가 또한 제작되었고 테스트되었으며, 상기 측정된 결과들은 시뮬레이팅된 결과들과 일치했다.

비록 상기에 나타낸 기하학들이 직사각형 루프이지만, 많은 다른 안테나 기하학들이 상술된 원리에 부합할 수 있는 동일한 임피던스 동작을 나타낼 수 있다. 둥근 루프는 하나의 사소한 예이지만, 많은 다른 곡선형상이나 폐쇄된 기하학 형상들, 예를 들면 타원, 직사각형, 삼각형, 육각형 등, 뿐만 아니라 비규칙적이 형상들이 사용될 수 있다. 도 7은 그런 비규칙적인 형상들 3개를 도시하고 있는데, (a)노치식 직사각형; (b)포크형 루프; (c)이중 층 나선구조가 그들이다. 동일한 단일 동작을 나타내는 루프, 나선구조 또는 쌍극구조의 조합과 같은 더 복잡한 형상들이 본 발명의 범위내에 포함된다(예를들면, 도 7(d)내의 루프/쌍극구조의 조합). 상기 방법은 차동 포트에 적용할 수만은 없고, 예를들면 도 7(e) 및 (f)에 각각 도시된 단극성 및 나선 단극성 구조에서와 같은 비-차동 안테나에서 동일한 단일성을 발견하는 것이 가능하다.

또한, 생산 방법을 위한 많은 가능성들이 있다. 일 예들이 FR4와 같은 단층 PCB 기질상에 인쇄된 안테나를 상기에 나타내었다. 그러나, 상기 안테나는 PCB의 두층들 사이에 삽입될 수 있고(이것은 그 크기를 감소시키지만 유전손실을 증가시키고 이들을 감소시킬 것임), 또는 하나 한층 이상의 층에 인쇄될 수도 있다(한층위의 안테나부 - 그리고 다른층의 안테나부). PCB기술은 보통 FR4나 테플론(Teflon)과 같은 유기 물질을 사용한다. HTCC나 LTCC(고/저 온도 사라믹 코-파이어(co-fire))기법에서 세라믹 기질을 사용하는 것과, 하나 이상의 세라믹 기질 층위에 안테나를 인쇄하는 것 또는 세라믹 재질 내부에 안테나를 삽입하는 것이 가능하다. 세라믹 재질은 매우 높은 유전상수를 가질 수 있기 때문에, 이것은 한편으로는 크기를 극적으로 감소시키지만 다른 한편으로는 효율을 감소시킬 것이다.

인쇄된 마이크로스트립안의 갭에 의해 상술된 예들에 제공된 캐패시턴스와관련하여, 안테나가 세라믹 기질에 삽입되고 인쇄될 때네 세라믹 기법으로 그것을 달성하는 것이 가능하다. 일렬로 된 두개 이상의 갭, 또는 캐패시턴스를 감소시킬 임의의 다른 갭의 조합을 사용하는 것이 가능하다. 만약에 캐패시터들이 적당한 공차 및 작은 값(비록 이것이 가격이나 에너지 분산을 증가시킬 수도 있지만)을 가지면서 제작된다면, 분리된 캐패시터들을 사용하는 것이 가능하다. 용어 "캐패시턴스(capacitance)"는 임의의 단일 캐패시터나 캐패시터들의 임의의 조합에 의해 달성될 수 있는 임의의 작은 캐패시턴스를 설명하기 위해 본원에서 사용된다.

본 명세서에서 언급된 모든 공지사항들은 각각의 개별적인 공지사항이 참고적으로 본원에 포함되도록 특별하고 개별적으로 나타낸 범위까지만 본원에 기재되어 있다. 또한, 본 출원에서 참고된 인용문이나 확인은 그런 참고가 본 발명에 대한 종래기술로서 이용할 수 있다는 허가로서 제작되지 않을 것이다.

본 발명은 제한적으로 다수의 실시예에 대해 설명하였지만, 본 발명의 변경, 수정 및 다른 출원들이 이루어질 수 있음은 자명할 것이다.

Claims (24)

1. 소정의 주파수에서 작동하고, 실제부와 가공부를 구비하고 필요로하는 입력 임피던스에 매치되는 소형 안테나를 제작하기 위한 방법으로서, 상기 방법은,

   (a) 단일 포인트에 관련된 임피던스 매칭 포인트를 선택하는 단계; 및

   (b) 소정의 주파수에서 작동하고 필요로 하는 임피던스에 매치된 안테나의 제작을 얻기 위해 입력 임피던스의 가상부를 취소하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 임피던스 매치를 선택하는 단계는 상기 원하는 작동 주파수와 수학적 상관관계로 상기 안테나의 적어도 하나의 기하학적 치수를 세팅하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 기하학적 치수는 길이이고, 상기 길이를 상기 작동 주파수와 수학적 상관관계로 세팅하는 단계는 상기 주파수에 비례해서 파장 1보다 작은 소수의 길이로 세팅하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제 2항에 있어서,

   상기 세팅 단계는 상기 단일 포인트에서 임피던스의 필요로하는 실제부를 매치시키기 위하여 상기 적어도 하나의 기하학적 치수와 상기 소정의 작동 주파수 사이의 상관관계를 이용하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 취소하는 단계는 입력 임피던스의 가상부의 매우 높은 양의 값을 가지며 공진하는 매우 작은 일련의 캐피던스를 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제 5항에 있어서,

   상기 매우 작은 일련의 캐피던스를 제공하는 단계는 갭 캐피던스를 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
7. 제 3항에 있어서,

   상기 안테나는 루프 안테나이고, 상기 기하학적 치수들은 상기 루프의 길이를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
8. 제 2항에 있어서,

   상기 안테나는 비-차동 안테나인 것을 특징으로 하는 방법.
9. 필요로 하는 입력 임피던스에 매치되고, 필요로 하는 주파수에서 작동하도록 설계된 기하학적 치수를 갖는 소형의 루프 안테나를 얻기 위한 방법으로서, 상기 방법은,

   (a) 기하학적 치수와 필요로 하는 주파수 사이에서의 상호관계에 의해서 그리고 입력 임피던스에 의해서 한정된 단일 포인트를 매칭하는 것에 기초한 최적의 설계를 얻는 단계; 및

   (b) 상기 설계를 실행하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
10. 제 9항에 있어서,

    상기 단일 포인트를 매칭하는 단계는 상기 임피던스의 실제부가 상승하는 단일 영역을 확인하고 상기 단일영역에서 단일포인트를 선택함으로써 진행되는 것을 특징으로 하는 방법.
11. 제 10항에 있어서,

    상기 단일 포인트를 선택하는 단계는 상기 임피던스의 실제부를 매칭하는 것에 기초하고, 상기 실제부를 매칭하는 것은 매우 높은 양의 리액턴스를 선택하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
12. 제 9항에 있어서,

    상기 실행하는 단계는 인쇄회로기판기법을 사용하여 기질상에 상기 제작물을실행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
13. 제 11항에 있어서,

    상기 임피던스의 실제부에 매칭하는 단계는 상기 매우 높은 양의 리액턴스를 취소하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
14. 제 13항에 있어서,

    상기 취소하는 단계는 일련의 캐패시턴스를 상기 안테나에 추가함으로써 달성되는 것을 특징으로 하는 방법.
15. 제 14항에 있어서,

    상기 일련의 캐패시턴스를 추가하는 단계는 갭 캐패시터를 추가하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
16. 제 15항에 있어서,

    상기 갭 캐패시터는 수천조분의 일 패러드 내지 수십조분의 일 패러드 사이의 범위인 캐패시턴를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
17. 매칭 이전에 매우 높은 양의 리액턴스를 갖는 입력 임피던스에 매치되고, 소정의 주파수에서 작동하도록 설계된 소형 안테나로서, 상기 안테나는,

    (a) 상기 매우 높은 양의 리액턴스와 상호 관련된 상관관계로서, 상기 주파수에 관련된 기하학적 치수를 갖는 안테나 요소; 및

    (b) 상기 안테나가 입력 임피던스에 매치되고 매우 좁은 주파수 대역에서 작동하도록, 매우 높은 양의 리액턴스를 취소하고 상기 안테나 요소에 추가되는 캐패시턴스를 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나.
18. 제 17항에 있어서,

    상기 캐패시터는 갭 캐패시턴스를 갖는 적어도 하나의 갭 캐패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나.
19. 제 18항에 있어서,

    상기 안테나 요소 및 상기 적어도 하나의 갭 캐패시터는 기질 상에 인쇄되는 것을 특징으로 하는 안테나.
20. 제 18항에 있어서,

    상기 갭 캐패시턴스는 수천조분의 일 패러드로부터 수십조분의 일 패러드까지의 범위인 것을 특징으로 하는 안테나.
21. 제 17항에 있어서,

    상기 안테나 요소는 루프, 나선구조, 쌍극자구조 및 그들의 조합으로 구성된그룹으로부터 선택된 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 안테나.
22. 제 19항에 있어서,

    상기 기질은 단일층 PCB기질, 이중 층 PCB기질, 다층 PCB기질, 단일 층 세라믹 기질, 및 다층 세라믹 기질로 구성된 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 안테나.
23. 제 21항에 있어서,

    상기 루프 형상은 타원, 삼각형,육각형 및 비-규칙적인 기하학 형상들로 구성된 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 안테나.
24. 제 23항에 있어서,

    비-차동 안테나로서 실행되는 것을 특징으로 하는 안테나.