KR20060065638A

KR20060065638A - 평면 안테나 어셈블리와 이를 포함하는 통신 장치 및 ｒｆ모듈

Info

Publication number: KR20060065638A
Application number: KR1020067001519A
Authority: KR
Inventors: 케빈 알 보일
Original assignee: 코닌클리즈케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
Priority date: 2003-07-24
Filing date: 2004-07-15
Publication date: 2006-06-14
Also published as: US20080055174A1; CN1826708A; ATE408248T1; EP1652268B1; JP2006528853A; WO2005011055A1; EP1652268A1; GB0317305D0; JP4611299B2; US7843397B2; KR101143731B1; DE602004016524D1

Abstract

휴대용 무선 전화와 같은 통신 장치는 그 위에 접지면(16)과 rf 차폐부(18) 내의 전자 부품을 갖는 인쇄 회로 기판(PCB:printed circuit board)(12)을 포함하는 하우징(40)을 포함한다. 예를 들어 PILA(planar inverted-L antenna)와 같은 평면 안테나(10)는 접지면에서 이격되어 장착되고, 예를 들어 공기와 같은 유전체(14)는 PCB와 평면 안테나 간 공간에 존재한다. 급전부(36)는 평면 안테나(10)를 rf 회로에 결합한다. 급전부는 안테나를 반응적으로 튜닝하는 병렬 L-C 공진 회로 소자, 전송선 또는 기타 뛰어난 반응성 네트워크를 포함한다. 듀얼 밴드 안테나의 경우에 상대적으로 낮은 주파수는 유도성으로 튜닝되고, 상대적으로 높은 주파수는 용량성으로 튜닝되도록 구성 요소가 선택된다. 이산형 또는 분산형이 될 수 있는 이 구성 요소는 PCB 또는 평면 안테나 구조체의 일부 상에 장착되고, 이로 인하여 장치의 통상적인 동작시에 사용자에 의해 디튜닝되지 않는다.

Description

평면 안테나 어셈블리와 이를 포함하는 통신 장치 및 ｒｆ 모듈{TUNING IMPROVEMENTS IN ＂INVERTED-L＂ PLANAR ANTENNAS}

본 발명은 개선된 평면 안테나에 관한 것으로, 특히 휴대용 전화에 사용되는 듀얼 밴드 안테나의 개선에 관한 것이지만, 이에 한정되지는 않는다. 이러한 전화는 GSM과 DCS 1800 표준에 따라서 동작할 수 있다.

PIFA(Planar Inverted-F Antenna)는 두부에 전송되는 에너지 손실이 적고 낮은 SAR(Specific Adsorption Ratio)을 갖으며, 전화 회로 상에 설치될 수 있을 정도로 작아서 전화 하우징 내의 공간을 보다 효율적으로 사용할 수 있으므로 휴대용 전화에 널리 사용되고 있다.

PIFA(10)의 투시도는 첨부 도면 중 도 1에 도시된다. 이 PIFA(10)는 도시된 예에서 공기인(air) 유전체(14)에 의해 인쇄 회로 기판(PCB:printed circuit board)으로부터 분리된다. rf 차폐부(18)(rf 캔이라고도 지칭) 내의 전자 부품은 전형적으로 PCB(10)의 양 측면 상에 장착되고, 전기적으로 도전성인 접지면(16)은 이들 부품을 둘러싸며 나머지 PCB(12) 영역을 덮는다.

PIFA(10)는 슬롯(slot)(20)을 지닌 패치(a patch)를 포함하는데, 슬롯의 일단부는 폐쇄되고 타단부는 패치의 상위 에지로 개방된다. 이 슬롯은 서로 직교하게 연장하면서 상호 접속된 4개의 사각형 부분(25,26,27,28)을 포함한다. 슬롯(20)은 패치를 중심 영역(30) 및 이(30)를 둘러싸는 U자형 영역(32)으로 분할한다. 두 영역들은 공통 베이스 영역(34)으로부터 연장한다. 급전 탭(a feed tab)(36)의 일단부는 베이스 영역(34)의 코너에 접속되고, 타단부는 PCB(12)상에 장착된 부품(도시 생략)에 접속된다. 단락 탭(a shorting tab)(38)의 일단부는 베이스 영역(34)의 코너와 슬롯(20)의 개방 단부에 접속되고, 타단부는 접지면(16)에 탄성적으로 접촉한다.

도 1에 도시된 구조의 통상적인 도면은 저주파 및 고주파 공진기, 즉 중심 영역(30)과 U자형 영역(32)에 의해 각각 형성된 구성 요소를 동일한 구조체 내에 포함시킴으로써 듀얼 밴드 동작이 달성됨을 도시한다. 슬롯(20)은 이들 공진기를 분리하는 한편 공통 급전 점(36)을 허용한다.

휴대용 전화의 하우징 안, 외부 커버 바로 아래에 PIFA를 장착하는 경우에 이들은 전화를 들고 있는 사람에 의해서 디튜닝(detuning)되기 쉽다는 결점이 있다. 이 디튜닝은 안테나 및 PCB 또는 슬롯과 관련이 있는 것으로 보인다.

본 발명의 목적은 사용자에 의해 안테나가 디튜닝되는 문제점을 해결하는 것이다.

본 발명의 제 1 측면에 따라서 평면 안테나 조립체가 제공되는데, 이는 그 위에 접지면과 rf 회로를 갖는 인쇄 회로 기판(PCB:printed circuit board)과, 패치 안테나와, 접지면과 이격되도록 패치 안테나를 장착하는 수단과, 패치 안테나를 rf 회로에 결합하는 급전부를 포함하되, 이 급전부는 상대적으로 낮은 주파수는 유도성으로 튜닝하고, 상대적으로 높은 주파수는 용량성으로 튜닝함으로써 안테나를 반응적으로 튜닝하는 구성 요소를 포함한다.

본 발명의 제 2 측면에 따라서 하우징을 포함하는 통신 장치가 제공되는데, 이 하우징은 접지면과 rf 회로를 갖는 인쇄 회로 기판과, 접지면과 이격된 평면 안테나와, PCB와 평면 안테나 간의 유전체와, 평면 안테나를 rf 회로에 결합하는 급전부를 포함하되, 이 급전부는 상대적으로 낮은 주파수는 유도성으로 튜닝하고, 상대적으로 높은 주파수는 용량성으로 튜닝함으로써 안테나를 반응적으로 튜닝하는 구성 요소를 포함한다.

본 발명의 제 3 측면에 따라서, rf 모듈이 제공되는데, 이는 접지면과 rf 회로를 갖는 인쇄 회로 기판과, 접지면과 이격된 평면 안테나와, PCB와 평면 안테나 간의 유전체와, 평면 안테나를 rf 회로에 결합하는 급전부를 포함하되, 이 급전부는 상대적으로 낮은 주파수는 유도성으로 튜닝하고, 상대적으로 높은 주파수는 용량성으로 튜닝함으로써 안테나를 반응적으로 튜닝하는 구성 요소를 포함한다.

본 발명은 듀얼 밴드에서 동작하는 슬롯 PIFA의 다른 측면에 바탕을 두고 있다. 다른 측면이란 도 1에 도시된 유형의 PIFA가 필요한 두 주파수 사이에서 단일 공진한다는 사실이다. 듀얼 밴드 특성은 대체로 안테나의 공진 주파수에 가까운 1/4 파장 전송선(안테나 사이즈에 따라 다름)처럼 동작하도록 슬롯을 반응적으로 튜닝하여 얻을 수 있다. 이 다른 측면은 예를 들어 튜닝된 병렬 LC-회로, 전송선과 같은 이산형 또는 분산형 구성 요소(들), 또는 예를 들어 필터와 같은 다른 뛰어난 반응성 네트워크가 슬롯을 대체할 수 있음을 나타내는데, 이들이 안테나 구조의 일부분 상에 위치하여 휴대용 전화를 들고 있는 사용자에 의해 안테나가 디튜닝되지 않게 된다.

이제 본 발명은 첨부 도면을 참조하여 예시로써 설명될 것이다.

도 1은 슬롯 PIFA의 단면도이다.

도 2는 본 발명에 따라 제조된 휴대용 통신 장치의 투영도이다.

도 3은 급전부(feed)가 직렬로 접속된 병렬 L-C 회로를 포함하는 평면 안테나의 반대편의 개략도이다.

도 4는 rf 회로의 출력단과 병렬 L-C 회로가 직렬로 접속된 PCB와 PIFA의 개략도이다.

도 5는 급전부가 전송선을 포함하는 평면 안테나의 반대편의 개략도이다.

도 6은 급전부가 필터 형태인 반응성 네트워크를 포함하는 평면 안테나의 반대편의 개략도이다.

도 7은 부하 단락 핀(a loaded shorting pin)을 갖는 PCB와 PIFA 및 등가 방사 모드와 평형 모드 표현을 나타낸 도면이다.

도 8은 급전부가 3개인 PIFA(a tri-fed PIFA)의 개략도이다.

도 9는 도 8에 도시된 구조와 비교할 때 슬롯은 없고 급전부는 동일한 PIFA 구조에 대한

그래프이다.

도 10은 도 8에 도시된 PIFA 구조의 개방 방사 모드, 평형 모드 및 이 둘을 합한 모드에서의

그래프이다.

도 11은 도 8에 도시된 구조와 비교할 때 급전부(3)가 제거되고 급전부(1,2)의 위상은 동일한 PIFA 구조에 대한

그래프이다.

도면에서 동일한 참조 번호는 동일한 특성을 나타낸다.

도 1은 본 명세서의 서두에 기술되었으므로 반복하지 않을 것이다.

도 2 및 도 3은 급전 탭(36)에 의하여 PCB(12)상에 장착된 rf 회로(도시 생략)와 결합하는 PIFA(10)를 포함하는 하우징(40)을 포함하는 휴대용 무선 전화와 같은 휴대용 통신 장치를 도시한다. 단락 탭(38)은 PCB(12)상의 접지면(16)과 탄성적으로 접촉한다. 단락 탭(38)은 임피던스 변환을 수행한다. 안테나 또는 이를 지지하는 기판의 반대편 상에 장착된 병렬 LC 회로(42)는 급전 탭(36)과 평면 안테나 상의 관통 핀(a feed through pin)(46) 사이에서 직렬로 접속된다. 실제로 관통 핀(46)은 안테나(10)의 동작에 영향을 주지 않도록 급전 탭(36)과 인접할 수 있다. 회로의 인덕턴스(50) 값과 캐피시턴스(48) 값은 안테나를 반응적으로 튜닝하 도록 선택된다. GSM 및 DCS 주파수용 듀얼 밴드 안테나의 경우, 낮은 GSM 주파수는 유도성으로 튜닝되고, 높은 DCS 주파수는 용량성으로 튜닝된다. 인덕턴스(50)와 캐피시턴스(48)는 이산형 또는 분산형 소자가 될 수 있다.

도 4는 도 2와 도 3에 도시된 실시예의 제 1 변형 실시예를 도시하되, 안테나(10)는 PIFA이고, 병렬 LC 회로(42)는 안테나(10)로부터 이격되어 PCB(12)의 표면 상에 장착되어 rf 블럭 회로(52)과 급전 탭(36) 사이에 접속된다. 이 실시예에서는 rf 블럭 회로(52)의 임피던스 변환 회로가 단락 탭의 임피던스 변환 기능을 대체하므로 단락 탭(38)은 필요하지 않다.

도 5는 도 2와 도 3에 도시된 실시예의 제 2 변형 실시예를 도시하되, 이 실시예에서는 PILA(Planar Inverted L Antenna)인 안테나(10)의 반대편에 전송선(54) 구간이 장착된다. 전송선(54)은 안테나를 반응적으로 튜닝하도록 사용된다. 또한 전송선(54)은 rf 회로를 급전 탭(36)에 접속하도록 PCB(12)상에 제공된다. 실제로 핀(46)은 급전 탭(36)과 가깝다.

도 6은 제 3 변형 실시예를 도시하되, 필터와 같은 다른 뛰어난 반응성 네트워크(56)는 PILA(10)의 반대편 상에 장착되며 안테나를 반응적으로 튜닝하는 데 사용된다. 또한 이 네트워크(56)는 rf 회로를 급전 탭(36)에 접속하도록 PCB(12)상에 제공될 수도 있다. 실제로 핀(46)은 급전 탭(36)과 가깝다.

이하에 기술되는 이론은 듀얼 밴드에서 동작하는 슬롯 PIFA의 다른 측면을 충분히 설명하도록 첨부 도면 중 도 7을 참조하여 개시될 것이다. 도 7은 부하 단락 탭(38)을 갖는 PCB(12)와 PIFA(10) 및 등가 방사 모드(RAD:Radiating mode)와 평형 모드(BAL:Balanced mode) 표현을 도시한다.

양단의 전압 강하와 크기 및 극성이 동일한 전압원으로 부하를 대체함으로써 방사 모드 분석에 부하를 도입할 수 있다.

입력 전류

는 다음과 같다.

(1)

α는 전류 분배 계수 IR2/IR1이고 방사 모드 전압은 다음과 같다.

(2)

식(1)의 두 항을 사용하여 다음과 같은 식이 주어진다.

(3)

V항 및 V'항을 묶어서 산출하면 다음과 같다.

(4)

정리하면 다음과 같다.

(5)

그러므로, 방사 모드 전압과 평형 모드 전압 간의 관계가 성립된다. 또한 다음 식에 의해 주어진 입력 전압(V1)에 대해 관계식을 유도할 수 있다.

(6)

(6)에 (5)를 대입하여 정리하면 다음과 같다.

(7)

입력 전류는 (1)과 (5)로부터 구할 수 있으며 다음과 같다.

(8)

정리하여 산출하면 다음과 같다.

(9)

식(7)과 식(9)은 공통 분모를 가지므로 두 식의 비율을 구하여 임피던스를 바로 도출한다.

(10)

=∞라 설정하면 다음과 같다.

(11)

평형 모드 임피던스는 감소하고(전류 분배 계수가 상당히 커지면 0이 됨), 방사 모드에 직렬로 가산된다.

이 결과는 특히 개방부가 급전부와 인접하거나 가까울 경우, 상부 플레이트에서 슬롯의 동작을 설명하는 데 사용된다.

도 8에 도시된 예시적인 구조를 고려하면, 도시된 안테나(10)는 3개의 급전 부(F1,F2,F3)를 갖는다. 급전부(F3) 및 이와 연관된 핀은 슬롯(20)의 영향을 검토하기 위한 "더미(dummy)" 소자이다. 최종 설계에서 이들은 제거될 것이다. 이 예에서 PCB(12)의 치수는 100×40×1㎣이고 안테나의 치수는 30×20×8㎣이다.

도 9는 치수는 동일하나 슬롯(20)이 없는 PILA의 응답을 도시한다. 이것은 각 급전부(F1,F2,F3)에 진폭과 위상이 동일한 신호를 인가함으로써 얻을 수 있다. S11 그래프는 800.00MHz에서 3.0GHz까지인 주파수 대역을 망라하고, 표지(S1,S2)는 각각 GSM900과 DCS1800의 중심 주파수를 가리킨다. 이 응답은 주어진 치수를 갖는 PCB상의 PILA에 대하여 예상되는 것이다.

개방 회로 부하를 갖는 PIFA의 임피던스는 식(11)에 의해 산출된다. 이것은 안테나(10)의 상부 플레이트에 있는 슬롯의 영향을 시뮬레이팅하는 데 사용될 수 있다.

분석은 급전부(F1)와 급전부(F2)를 서로 접속하고, 급전부(F1)와 급전부(F2)에는 공통 전압을, 급전부(F3)에는 상이한 전압을 인가함으로써 개시한다. 그 다음, 급전부(F3)가 개방 회로인 상태를 시뮬레이팅하는 데 방사 모드와 평형 모드를 합하는 방법으로 식(11)이 사용된다. 모든 모드의 결과(S11)는 도 10에 도시되었다. 방사 모드와 평형 모드의 합에 대한 S11은 "Χ"를 사용하여 도시되고 RAD/BAL로 지칭되며, 평형 모드는 "◆"를 사용하여 도시되었고 BAL로 지칭되며, 방사 모드는 "●"를 사용하여 도시되었고 RAD로 지칭된다. 도 10에서 각 표지는 다음과 같다.

r1 방사 모드, GSM 중심 주파수에서의 임피던스

r2 방사 모드, DCS 중심 주파수에서의 임피던스

b1 평형 모드, GSM 중심 주파수에서의 임피던스

b2 평형 모드, DCS 중심 주파수에서의 임피던스

rb1 GSM 중심 주파수에서의 방사 모드와 평형 모드의 합(Kαo 곱 포함)

rb2 DCS 중심 주파수에서의 방사 모드와 평형 모드의 합(Kαo 곱 포함)

GSM 및 DCS 주파수에서의 방사 모드 임피던스는 슬롯이 없는 PILA의 임피던스와 유사하고, 이는 슬롯이 이들 주파수에서의 방사 모드에 거의 영향을 주지 않는다는 것을 나타낸다. 그러나, 고주파에서는 다소 영향이 있다.

평형 모드에서 슬롯은 단순히 리액턴스(a reactance), 즉 단락 회로 전송선처럼 동작한다.

도 10으로부터 슬롯 길이와 전류 분배 계수는 방사 모드와 평형 모드의 합이 GSM 및 DCS 주파수 모두에서 공진하도록 최적화될 수 있음을 알 수 있다. 이때문에, 안테나가 통상적인 안테나보다 약간 작으므로 긴 슬롯이 필요하다.

도 11은 급전부(F3)(도 8) 및 이와 관련된 핀이 제거된 경우(최종 설계에서)의 S11을 도시한다. 이로 인해 평형 모드 전송선의 길이가 약간 짧아지므로 공진 주파수는 증가하지만 다른 응답은 명목상 동일한 것으로 관찰된다.

전술한 분석은 듀얼 밴드 PIFA의 특성에 대한 새로운 성찰을 제공한다. 이 안테나는 접속된 2개의 공진기가 아니라 단락 회로 전송선에 의해 반응적으로 튜닝 되는 일련의 단일 공진기로서 동작한다.

이 전송선은 근본적으로 안테나의 동작은 변경하지 않으면서 도 2 내지 도 4에 도시된 병렬 L-C 공진기로 대체될 수 있다. 또한 슬롯은 예컨대 사용자가 안테나(10)에 손가락을 대는 경우(실제로 상당히 자주 발생)에 디튜닝되기 쉬우므로, 이산 회로를 사용하는 것이 유리하며, 이로 인해 사용자와의 상호작용이 거의 없거나 아예 없을 것이다.

도 6에 도시된 바와 같이 전송선을 다른 뛰어난 반응성 네트워크(56)로 대체할 수 있다.

본 발명은 공진기가 슬롯을 대체하는 듀얼 밴드 안테나 및 슬롯을 단일 인덕턴스로 대체한 단일 대역 안테나에 적용할 수 있다.

본 명세서와 청구항에서 구성 요소 앞에 기재된 "하나의" 라는 용어는 이러한 구성 요소가 복수 개 존재할 가능성을 배제하지 않는다. 또한, "포함"은 기재된 구성 요소나 단계 이외의 것들을 배제하지 않는다.

당업자는 본 명세서를 읽음으로써 다른 변경이 가능함을 분명히 알 것이다. 이러한 변경은 평면 안테나와 구성 요소의 설계, 제조 및 사용에 있어 이미 알려져 있는 다른 특징을 포함하며, 본 명세서에 이미 기술된 특징과 함께 또는 그 대신 사용될 수 있다. 본 출원에서는 특정한 형태의 조합으로 청구 범위가 구성되었으나, 본 발명의 개시 범위는 임의의 청구항에서 청구되는 것과 동일한 발명에 관한 것인지 여부와 무관하게, 그리고 본 발명이 해결하는 것과 동일한 기술적 문제점의 일부 또는 모두를 해결하는지와 무관하게 본 명세서에 암시적으로 또는 명시적으로 개시된 임의의 새로운 형태 또는 형태들의 임의의 새로운 조합 또는 그 임의의 일반화도 포함한다는 것을 이해해야 한다. 본 출원인은 본 출원 또는 이로부터 유도되는 임의의 후속 출원의 절차 동안에 이러한 형태 및/또는 이러한 형태의 조합으로 새로운 청구 범위가 구성될 수 있음을 알린다.

Claims

그 위에 접지면(16)과 rf 회로를 갖는 인쇄 회로 기판(PCB:printed circuit board)(12)과,

패치 안테나(10)와,

상기 접지면과 이격되도록 상기 패치 안테나를 장착하는 수단과,

상기 패치 안테나(10)를 상기 rf 회로에 결합하는 급전부(a feed)(36)를 포함하되,

상기 급전부는 상대적으로 낮은 주파수는 유도성으로 튜닝하고, 상대적으로 높은 주파수는 용량성으로 튜닝함으로써 상기 안테나를 반응적으로 튜닝하는 구성 요소를 포함하는 평면 안테나 조립체.
제 1 항에 있어서,

상기 구성 요소는 직렬로 접속된 병렬 L-C 네트워크(42)를 포함하는 평면 안테나 조립체.
하우징(40)을 포함하는 통신 장치로서,

상기 하우징은 그 위에 접지면(16)과 rf 회로를 갖는 인쇄 회로 기판(12)과,

상기 접지면과 이격된 평면 안테나(10)와,

상기 PCB와 상기 평면 안테나 간의 유전체(14)와,

상기 평면 안테나(10)를 상기 rf 회로에 결합하는 급전부(36)를 포함하되,

상기 급전부는 상대적으로 낮은 주파수는 유도성으로 튜닝하고, 상대적으로 높은 주파수는 용량성으로 튜닝함으로써 상기 안테나를 반응적으로 튜닝하는 구성 요소를 포함하는 통신 장치.
제 3 항에 있어서,

상기 구성 요소는 상기 평면 안테나에 의해 지지되는 통신 장치.
제 3 항에 있어서,

상기 구성 요소는 상기 PCB상에 장착되는 통신 장치.
제 3 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 안테나는 PILA(planar inverted-L antenna)인 통신 장치.
제 3 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 구성 요소는 직렬로 접속된 병렬 L-C 네트워크(42)를 포함하는 통신 장치.
제 3 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 구성 요소는 전송선(54)을 포함하는 통신 장치.
접지면(16)과 rf 회로를 갖는 인쇄 회로 기판(12)과,

상기 접지면과 이격되는 평면 안테나(10)와,

상기 PCB와 상기 평면 안테나 간의 유전체(14)와,

상기 평면 안테나(10)를 상기 rf 회로에 결합하는 급전부(36)를 포함하되,

상기 급전부는 상대적으로 낮은 주파수는 유도성으로 튜닝하고, 상대적으로 높은 주파수는 용량성으로 튜닝함으로써 상기 안테나를 반응적으로 튜닝하는 구성 요소를 포함하는 rf 모듈.
제 9 항에 있어서,

상기 구성 요소는 상기 평면 안테나에 의해 지지되는 rf 모듈.
제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,

상기 구성 요소는 직렬로 접속된 병렬 L-C 네트워크(42)를 포함하는 rf 모듈.