KR20070045360A - 멀티-안테나 휴대용 무선 통신 장치 - Google Patents

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KR20070045360A
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미구엘 에이. 리차드
안토니오 파라온
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모토로라 인코포레이티드
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Abstract

휴대용 무선 통신 장치들에 대해 접지 구조(116, 810, 1210, 1824) 옆에 배치된 제1 비평형 피드 안테나(112, 718, 802, 1204, 1812) 및 제2 평형 피드 안테나 다이폴 안테나(202, 716, 804, 1202, 1802)를 포함하는 휴대용 무선 통신 장치(100)용 안테나 시스템이 제공된다. 평형 피드 다이폴 안테나 및 비평형 피드 안테나는 MIMO 트랜시버와 함께 사용하기에 적합한 다른 공간-편파 패턴들을 제공하며, 두 개의 안테나에 의하여 수신된 신호들의 역상관은 접지 구조를 통한 저레벨 결합 때문에 유지되며, 이러한 저레벨 결합은 두 개의 안테나들의 동작과 연관된 접지 구조에서 부분적으로 전류 패턴들의 대칭 특성들의 차이 때문에 발생한다. 두 개의 안테나들은 별개의 안테나를 사용하여 수신 및 전송하는 트랜시버(629)에서 사용될 수 있다.
비평형 피드 안테나, 카운터포이즈, 다이폴 안테나

Description

멀티-안테나 휴대용 무선 통신 장치{Multi-antenna handheld wireless communication device}
본 발명은 휴대용 무선 통신 장치(handheld wireless communication device)에 관한 것이다.
지난 십 년에 걸쳐 무선 통신 장치의 발전은 개인 통신 분야를 눈에 띄게 변화시켰다. 휴대용 무선 통신 장치들은 즉시 그리고 거의 어느 곳에서나 전화 네트워크들 및 인터넷에 액세스할 수 있다.
향후에는, 휴대용 무선 통신 장치들이 고대역폭 통신을 조절할 수 있게 하는 것에 관심을 가질 것이다. 특히, 고대역폭 통신을 조절하는 것은 비디오 및 음악의 전송 및 수신을 용이하게 하고 휴대용 무선 통신 장치들을 통해 다른 고속 음성 파일의 전송을 용이하게 한다. 그러나, 이러한 임의의 계획들은 정부규제에 의하여 규정된 대역폭 제약들 내에서 동작해야 한다. 주어진 주파수 대역의 효율적인 데이터 대역폭을 최대화하기 위하여, 연구자들은 다중-입력 다중-출력(Multi-Input Multi Output;MIMO)으로서 알려져 있는 새로운 종류의 물리계층 통신기술들을 개발하였다. MIMO 방법들은 다른 방사 패턴들을 가지나 동일한 주파수 대역 내에서 동작하는 다중 안테나들을 사용하여 적어도 부분적으로 독립 채널들을 형성한다. 따 라서, 동일한 주파수 대역을 사용할 때, 강화된 대역폭 또는 강화된 데이터 신뢰성이 획득될 수 있다. MIMO 방법들에 의하여 제공된 향상들은 다중 안테나들로부터 전송되거나 또는 다중 안테나들에 의하여 수신된 신호들간의 역상관도(degree of decorrelation)에 따른다. 휴대용 장치들에 MIMO 방법들을 적용할 때, 휴대용 장치들(다른 방향들로 튀어나오는 다중 안테나들을 가짐)의 실제 외부 설계시에 부여된 제한사항들, 제한된 휴대용 장치들의 크기, 특히 휴대용 장치들의 안테나들에 대한 접지 기준들 및 카운터포이즈들(counterpoises)로서 사용되는 휴대용 장치들의 접지 구조들(예컨대, 인쇄회로기판(PCB) 접지면들)의 제한된 크기와 관련한 문제점에 부딪히게 된다. 전술한 제한사항들은 다중 안테나들과 연관된 신호들 사이의 달성가능한 역상관을 제약하는 경향(상관을 증가시키는 경향)이 있다. 따라서, 본 발명의 목적은 전술한 제한사항들을 충족하고 MIMO를 효율적으로 이용할 수 있는 휴대용 장치 설계를 제공하는데 있다.
특히 임의의 시장 세분화(market segments)를 위해 휴대용 무선 통신 장치들을 설계하는데 있어서의 또 다른 목적은 비용을 감소시키는 것이다. 휴대용 무선 장치들은 전형적으로 신호들을 수신 및 전송하는데 단일 안테나가 사용될 수 있도록 하는 전송/수신 스위치 네트워크를 포함한다. 현재, 전송/수신 스위치 네트워크들의 높은 비용은 휴대용 무선 통신 장치들의 비용을 더 감소시키는데 장애를 제공한다.
본 발명은 유사한 도면부호들이 유사한 구성 요소들을 나타내는 첨부 도면들을 참조로 하여 예시적인 실시예로 기술될 것이며, 이러한 실시예들은 본 발명을 제한하지 않는다.
도 1은 제1 실시예에 따른 휴대용 무선 통신 장치의 사시도.
도 2는 도 1에 도시된 휴대용 무선 통신 장치의 부품인 두 개의 안테나를 가진 제1 인쇄회로기판의 하부도.
도 3는 두 개의 안테나 중 제1 안테나를 구동시킬 때 도 1-2에 도시된 두 개의 안테나 및 제1 인쇄회로기판에서 유도된 제1 전류패턴을 도시한 도면.
도 4는 두 개의 안테나 중 제2 안테나를 구동시킬 때 두 개의 안테나 및 제1 인쇄회로기판에서 유도된 제2 전류 패턴을 도시한 도면.
도 5는 도 3에 도시된 두 개의 안테나를 가진 제1 인쇄회로기판의 특성을 나타내는 S 파라미터들의 플롯들을 포함하는 제1 그래프.
도 6은 제1 실시예에 따라 도 1에 도시된 휴대용 무선 통신 장치의 블록도.
도 7은 제2 실시예에 따라 도 1에 도시된 휴대용 무선 통신 장치의 부분 블록도.
도 8은 제3 실시예에 따라 두 개의 안테나를 가진 제2 인쇄회로기판을 도시한 하부도.
도 9는 도 8에 도시된 두 개의 안테나들 중 제1 안테나를 구동시킬 때 도 8에 도시된 두 개의 안테나 및 제2 인쇄회로기판에 포함된 제1 전류 패턴을 도시한 도면.
도 10은 도 8에 도시된 두 개의 안테나 중 제2 안테나를 구동시킬 때 도 8에 도시된 두 개의 안테나 및 제2 인쇄회로기판에서 유도되는 제2 전류를 도시한 도면.
도 11은 도 8에 도시된 두 개의 안테나를 가진 제2 인쇄회로기판의 특성을 나타내는 S 파라미터의 플롯들을 도시한 제2 그래프.
도 12는 제4 실시예에 따라 두 개의 안테나를 가진 제3 인쇄회로기판의 하부도.
도 13은 도 12에 도시된 두 개의 안테나를 가진 제3 인쇄회로기판의 정면도.
도 14는 도 12-13에 도시된 두 개의 안테나를 가진 제3 인쇄회로기판의 측면도.
도 15는 도 12-14에 도시된 두 개의 안테나를 가진 제3 인쇄회로기판의 특성을 나타내는 S 파라미터들의 플롯들을 포함한 제3 그래프.
도 16은 도 12-14에 도시된 두 개의 안테나 중 제1 안테나의 극 이득 플롯을 도시한 도면.
도 17은 도 12-14에 도시된 두 개의 안테나 중 제2 안테나의 극 이득 플롯을 도시한 도면.
도 18은 제5 실시예에 따라 두 개의 이중 주파수 안테나를 가진 제4 인쇄회로기판의 하부도.
도 19는 도 18에 도시된 두 개의 이중 주파수 안테나 중 제1 이중 주파수 안테나에 대한 리턴 손실의 플롯을 도시한 도면.
도 20은 도 18에 도시된 두 개의 이중 주파수 안테나 중 제2 이중 안테나에 대한 리턴 손실의 플롯을 도시한 도면.
도 21은 도 18에 도시된 두 개의 이중 주파수 안테나 사이의 결합 진폭의 플롯을 도시한 도면.
필요에 따라, 본 발명의 상세한 실시예들이 본원에 기술되나, 기술된 실시예들은 다양한 형식들로 구현될 수 있는 본 발명의 예시를 기술한다는 것이 이해되어야 한다. 따라서, 여기에 기술된 특정 구조 및 기능 세부사항들은 제한으로서 해석되지 않아야 하며 단순히 임의의 적절한 세부 구조로 본 발명을 다양하게 사용하기 위하여 청구범위에 대한 기본서로서 그리고 개시를 위한 기본서로서 해석되어야 한다. 게다가, 여기에서 사용된 용어들 및 구들은 제한으로서 제공되지 않고 오히려 본 발명의 용이한 이해를 위한 설명서로서 제공된다.
여기에서, 단수는 복수를 배제하지 않는다. 여기에서 사용된 용어 "다수"는 두개보다 두 개 이상으로서 정의된다. 여기에서 사용된 용어 "다른"은 적어도 제 2 이상으로서 정의된다. 용어 "포함한다" 및/또는 "가진다"는 포함한다로서 정의된다(즉, 개방언어(open language)로서 정의된다). 여기에서 사용된 용어 "결합된"은 직접 결합되는 것뿐만 아니라 기계적으로 결합되는 것으로 정의된다.
도 1은 제1 실시예에 따른 휴대용 무선 통신 장치(200)의 사시도이다. 장치(100)는 전면부(104)를 포함하는 하우징(102)을 포함한다. 디스플레이(106) 및 키패드(108)는 하우징(102)의 전면부(104)에 배치된다. 파퓰레이티드 회로기 판(populated circuit substrate), 특히 제1 인쇄회로기판(110)은 하우징(102) 내에 배치된다. 제1 인쇄회로기판(110)은 접지면(116)을 포함한다. 모노폴 안테나(112)인 제1 안테나는 제1 인쇄회로기판(110)으로부터 하우징(102) 밖으로 연장된다. 모노폴 안테나(112)는 단일 단자(206)에 신호를 인가함으로써 구동되는 단일 종단형 안테나(single ended antenna)이다(도 2). 모노폴 안테나(112)는, 모노폴 안테나(112)와 접지면(116) 사이에 신호를 인가함으로써 모노폴 안테나(112)가 구동되는 비평형 피드 안테나이다. 모노폴 안테나(112)는 제1 인쇄회로기판(110)의 가로 중심에 있는 제1 인쇄회로기판(110)의 상부 단부(114) 근처에 장착된다. 모노폴 안테나(112)는 장치(100) 및 제1 인쇄회로기판(110)의 공통 세로 중심라인(117)에 병렬로 지향된다. 세로 중심라인(117)은 제1 인쇄회로기판(110) 및 접지면(116)의 가로 중심에 배치된다. 제1 인쇄회로기판(110)의 접지면(116)은 모노폴 안테나(112)의 카운터포이즈로서 사용된다. 모노폴 안테나(112)의 동작 동안, 전기장 라인들은 모노폴 안테나(112)와 접지면(116) 사이에서 연장된다. 카운터포이즈로서 사용하는 접지면(116)은 무선 신호들을 방사 및 수신할 때 모노폴 안테나(112)의 역할과 상호 보완적으로 동작한다. 사용중에, 전류는 신호들이 모노폴 안테나(112)에 의하여 전송 또는 수신될 때 모노폴 안테나(112)뿐만 아니라 접지면(116)에서 유도된다.
도 2는 모노폴 안테나(112) 및 제2 안테나, 특히 차동 피드 폴드형 다이폴 안테나(202)를 가진 제1 인쇄회로기판(110)의 하부도이다. 선택적으로, t-매칭 다이폴 안테나는 제2 안테나로서 사용된다. 다이폴 안테나(202)는 제1 인쇄회로기 판(110)의 하부 단부(204) 근처에 있는 제1 인쇄회로기판(110)상에 배치된다. 다이폴 안테나(202)는 제1 인쇄회로기판(110)의 금속층을 패터닝함으로써 적절하게 형성된다. 선택적으로, 다이폴 안테나는 제1 회로기판(110)으로부터 분리되어 제조된다. 단일 피드 단자(206)를 포함하는 모노폴 안테나(112)와 대조적으로, 다이폴 안테나(202)는 이중 단부를 가지며, 피드 단자들(208)의 쌍을 포함한다. 피드 단자들(208)의 쌍은 다이폴 안테나(202)의 평형 피드를 구성한다. 피드 안테나들(208)은 세로 중심라인(117)의 양 측면상의 세로 중심라인(117) 근처에 배치된다. 제1 회로기판(110)상에 형성된 통신회로들 중 적어도 제1 회로소자(210)(개별 소자 또는 집적소자 중 하나)는 모노폴 안테나(12)의 단일 피드 단자(206)에 커플링된다. 또한, 제1 회로기판(110)상에 형성된 통신회로들 중 적어도 제2 회로 소자(212)는 다이폴 안테나(202)의 피드 단자들(208)의 쌍에 커플링된다. 다이폴 안테나(202)는 제1 회로기판(110) 및 장치(100)의 공통 세로 중심라인(117)에 수직한 제1 회로기판(110) 상에 배열된다. 선택적으로, 다이폴 안테나(202)는 제1 회로기판(110)으로부터 떨어지도록(수직으로) 연장된다. 특히, 후자의 경우에, 다이폴 안테나(202)는 선택적으로 비평면이다. 예컨대, 다이폴 안테나(202)는 무선 통신 장치의 하우징의 형성과 일치하는 화합물 곡선형 형상을 가질 수 있다. 도시된 바와 같이, 다이폴 안테나(202)는 모노폴 안테나(112)에 수직이다. 후자의 구조는 모노폴 안테나(112)와 연관된 편파가 다이폴 안테나(202)와 연관된 편파에 일반적으로 수직하도록 하며, 안테나(112, 202)의 이득 패턴들을 다르게 지향시킨다. 분리된 것으로 보이는 두 개의 안테나(112, 202)와 연관된 편파들 및 이득 패턴들의 방향간의 차이들은 신호들이 산란되고 다중경로 현상들이 발생하는(예컨대, 도시 세팅 또는 옥내에서) 환경에서 동작할 때 두 개의 안테나에 도달하는 신호들이 통계적으로 덜 상관되는 결과, 즉 MIMO 시스템들에서 바람직한 조건을 유발하는 경향을 가진다. 그러나, 두 개의 안테나들의 각 안테나의 편파들 및 이득 패턴들을 분리하여 볼 때 두 개의 안테나들을 근접하게 동작시켜 동일한 접지 구조를 공유하면 두 개의 안테나들 사이에 내부 결합이 발생하여 필연적으로 신호들간에 상관도가 바람직하지 않게 증가한다는 사실이 고려되지 않는다. 그러나, 이하에 기술된 바와 같이, 장치(100)의 설계는 두 개의 안테나들(112, 120)을 통해 무선 채널들로부터 커플링된 신호들의 역상관이 유지되도록 모노폴 안테나(112)와 다이폴 안테나(202) 간에 비교적 낮은 내부결합을 수행할 수 있다.
다이폴 안테나(202)의 구조는 제1 회로기판(110)의 세로 중심라인(117)에 대하여 쌍방 대칭을 제공하나, 다이폴 안테나(202)가 구동될 때 다이폴 안테나(202) 및 접지면(116)에서 형성된 전류는 제1 회로기판(110)의 세로 중심라인(117)에 대하여 반대칭(홀수)이다.
비록 접지면(116)이 전형적으로 제1 회로기판(110) 내에 배치될지라도, 접지면(116)은 x-레이를 통해 보는 것처럼 다이폴 안테나(202)와의 그것을 관계를 보여주기 위하여 도 2에 도시된다. 접지면(116)은 대부분의 다이폴 안테나(202) 아래로 연장하지 않는다. 단지 다이폴 안테나(202)의 피드 단말들(208)의 쌍만이 다이폴 안테나(202) 내부로 그리고 다이폴 안테나(202) 외부로 신호를 커플링하기 위하여 사용되는 짧은 스트립라인들을 형성하는 접지면(116) 위에서 연장한다.
도 3은 모노폴 안테나(112)를 구동시킬 때 도 1-2에 도시된 두 개의 안테나들(112, 202) 및 제1 회로기판(110)에서 유도되는 제1 전류 패턴을 기술한다. 이하에 기술된 제1 전류 패턴 및 다른 전류 패턴들은 주기적 마이크로파 또는 RF 사이클 동안 순간 시간에 대응한다. 이하에 기술된 도 3, 도 4, 도 9 및 도 10에서, 도시된 회로기판들 및 안테나들 주위에 위치한 화살표들은 전류의 국부 방향 및 진폭을 개략적으로 나타낸다. 도 3, 도 4, 도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이, 전류는 도시된 회로기판들의 주변 근처에 집중된다.
도 3에 도시된 제1 전류 패턴에서는 접지면(116)의 길이를 따라 두 쌍의 널들(304, 306) 및 제1 회로기판(110)으로부터 이격되는 모노폴 안테나(112)의 상부 단부(302)에 전류 널이 존재한다. 전류 흐름의 방향은 널들(304, 306)에서 반전된다. 게다가, 도시된 바와 같이, 전류는 모노폴 안테나(112)를 구동시킬 때 다이폴 안테나(202)에서 유도된다. 그러나, 모노폴 안테나(112)를 동작시킴으로써 접지면(116) 및 다이폴 안테나(202)에서 유도된 전류는 제1 회로기판(110)의 세로 중심라인(117)에 대하여 대칭적이다. 다이폴 안테나(202)가 반대칭인 모드에서 동작하고 다이폴 안테나(202)에 그리고 다이폴 안테나(202)로부터 평형 신호들을 커플링하도록 설계된 하나 이상의 통신 회로소자들(예컨대, 차동증폭기들)에 커플링되기 때문에, 모노폴 안테나(112)를 동작시킴으로써 다이폴 안테나(202) 상에서 유도된 대칭 전류는 다이폴 안테나(202)에 커플링된 통신회로들에 의하여 거절될 것이다. 따라서, 비록 모노폴 안테나(112)를 동작시켜서 다이폴 안테나(202)에서 전류를 유도할지라도, 모노폴 안테나(112)에 의하여 유도된 전류의 대칭과 다이폴 안테 나(202)의 의도된 모드와 연관된 전류의 반대칭 간의 비매칭 때문에, 접지면(116)을 통해 모노폴 안테나(112)로부터, 다이폴 안테나(202)와 상기 다이폴 안테나(202)에 커플링된 통신회로들(예컨대, 평형 증폭기들)로의 신호들의 바람직하지 않은 유효 커플링량이 제한된다.
도 4는 다이폴 안테나(202)를 구동시킬 때 제1 인쇄회로기판(110)에서 유도된 제2 전류 패턴을 기술한다. 다이폴 안테나(202) 및 접지면(116)의 전자기 결합은 접지면(116)에서 전류를 포함하는 제2 전류 패턴을 형성한다. 제2 전류 패턴은 제1 회로기판(110)의 세로 중심라인(117)에 대하여 반대칭이다. 제2 전류 패턴은 접지면(116)을 순환하나 임의의 중요한 범위가 아니라 모노폴 안테나(12)를 통과하는 전류를 포함한다. 비록 일부 작은 전류가 모노폴 안테나(112)에서 유도될지라도, 이러한 전류는 모노폴 안테나(112)의 단일 피드 단자(206)를 통과하는 순수 전류가 무시 가능하도록 모노폴 안테나(112)의 양 측면 상에서 반대방향으로 흐르는 경향이 있다. 따라서, 모노폴 안테나(112)가 접지면(116)에 커플링되고 다이폴 안테나(202)가 구동될 때 전류가 접지면(116)에서 유도될지라도, 다이폴 안테나(202)로부터 접지면(202)을 통해 모노폴 안테나(112)로의 신호들의 결합은 장치(100)에서 제한된다. 따라서, 장치(100)의 두 개의 안테나들(112, 202)은 다른 목적을 위하여 개별적으로 사용되거나 또는 MIMO 통신 동안 역상관된 신호들을 획득하기 위하여 사용될 수 있다.
도 5는 도 3에 도시된 두 개의 안테나(112, 202)를 가진 제1 회로기판(110)의 특성을 나타내는 S 파라미터들의 플롯들(502, 504, 506)을 포함하는 제1 그래 프(500)이다. 도 5에서, 가로축은 주파수를 나타내며 기가헤르츠로 표시되며, 세로좌표는 S 파라미터들의 진폭을 나타내며 데시벨로 표시된다. 제1 플롯(502)은 모노폴 안테나(112)의 리턴 손실이며, 제2 플롯(504)은 다이폴 안테나(202)의 리턴 손실이다. 두 개의 안테나(112, 202)는 중첩 통과 대역들을 가진다. 도 3-4에 도시된 전류 패턴들은 통과 대역의 주파수에서 동작하기 위한 것이다. 제3 플롯(506)은 모노폴 안테나(112)와 다이폴 안테나(202) 사이의 결합 진폭이다. 두 개의 안테나들(112, 202) 사이의 결합은 두 개의 안테나(112, 140)의 중첩 통과 대역을 포함하는 그래프의 영역에서 -40dB이하이다. 제3 플롯(506)은 도 3-4를 참조로 하여 앞서 제공된 분리를 설명과 일치하는 고레벨의 분리를 도시한다. 비록 특정 동작 이론들이 앞서 제공되었을지라도, 본 발명은 이들 이론들에 제한되지 않는다.
비록 장치(100)가 비폴더형일지라도, "캔디 바(candy bar)"는 인자 셀룰라 전화를 형성한다. 선택적으로, 장치(100)는 폐쇄 구조로부터 개방 구조로 서로에 대하여 이동가능한 두 개의 부분을 포함한다. 두 개의 부분 장치의 적절한 예는 클램쉘 셀룰라 전화(clamshell cellular telephone)이다.
도 6은 제1 실시예에 따라 도 1에 도시된 휴대용 무선 통신장치(100)의 블록도이다. 도 6에 도시된 제1 실시예에 따르면, 장치(100)는 프로세서(604), 프로그램 메모리(606), 워크스페이스 메모리(608), 디스플레이 구동기(610), 경보 구동기(612), 키 입력 디코더(614), 디지털-아날로그 변환기(D/A)(616), 및 아날로그-디지털 변환기(A/D)(618)를 포함하는 마이크로제어기(602)를 포함한다. 프로세 서(604)는 프로그램 메모리(606)에 저장되고 장치(100)를 동작시키는 프로그램들을 실행하도록 워크스페이스 메모리(608)를 사용한다. 디스플레이 구동기(610)는 디스플레이(106)에 커플링된다. 경보 구동기(612)는 가청 경보 또는 가시 경보와 같은 경보(620)에 커플링된다. 키 입력 디코더(614)는 키패드(108)에 커플링된다. D/A(616)는 스피커(622)에 커플링되며, A/D(618)는 마이크로폰(624)에 커플링된다. 오디오 증폭기들(도시안됨)은 스피커(62) 및 마이크로폰(624)을 위하여 제공될 수 있다.
마이크로제어기(602)는 트랜시버(629)의 인코더(628) 및 디코더(626)에 커플링된 입력/출력 인터페이스(I/O)(624)를 포함한다. 소스 디코딩 및 인코딩이 프로세서(606) 또는 다른 전용 디코더들 및 인코더들(도시안됨)에 의하여 조절될 수 있을지라도, 디코더(626) 및 인코더(628)는 채널 디코딩 및 인코딩을 조절하며, 선택적으로 소스 디코딩 및 인코딩을 조절하는 추가 내부 스테이지들을 포함한다. 디코더(626)는 복조기(630)에 커플링되어 복조기(630)로부터의 신호들을 수신한다. 복조기(630)는 마이크로파 또는 RF 통신 신호를 수신하고, 이를 처리하여 기저대역 신호를 추출하고 기저대역 신호를 디코더(626)에 출력한다. 복조기(630)는 스테이지들에서 수신된 신호의 주파수를 시프트하는 다중 내부 스테이지들을 포함할 수 있다. 각각의 스테이지는 혼합기, 필터 및 증폭기(도시안됨)를 포함할 수 있다. 저잡음 증폭기(632)는 복조기(630) 및 제1 안테나(634)에 커플링된다. 제1 안테나(634)는 모노폴 안테나(112)와 다이폴 안테나(202) 중 하나이다. 만일 제1 안테나(634)가 다이폴 안테나(202)이면, 저잡음 증폭기(634)는 다이폴 안테나(202)의 단자들(208)의 쌍에 커플링된 차동 입력들을 가진 차동 증폭기이다. 저잡음 증폭기(632)는 제1 안테나(634)로부터 신호들을 수신하며, 신호들을 증폭하며, 신호들의 증폭된 버전들을 복조기(630)에 출력한다.
인코더(628)는 복조기(636)에 커플링된다. 인코더(628)는 복조기(636)에 인코딩된 기저대역 신호들을 출력한다. 변조기(636)는 전력 증폭기(638)를 통해 제2 안테나(640)에 커플링된다. 제2 안테나는 제1 안테나(634)로서 사용되지 않은, 모노폴 안테나(112)와 다이폴 안테나(202) 중 하나이다. 만일 제2 안테나(640)가 다이폴 안테나(202)이면, 전력 증폭기(638)는 다이폴 안테나(202)의 단자들(208)의 쌍에 커플링된 차동 출력들을 가진 차동 증폭기이다. 변조기(636)는 인코더(628)로부터 수신된 기저대역 신호들로 캐리어를 변조하며, 전력 증폭기(638)에 의하여 증폭되고 제2 안테나(640)에 의하여 방사되는 변조된 RF 또는 마이크로파 신호를 출력한다.
도 6에 도시된 트랜시버(629)의 구조는 전송/수신 스위치 네트워크의 사용을 필요로 하지 않으며 하이브리드의 사용없이 전이중 통신들을 지원할 수 있다.
이하에 기술된 제3, 제4 및 제5 실시예에 포함된 안테나들은 선택적으로 제1 안테나(634) 및 제2 안테나(640)로서 사용된다.
도 7은 제2 실시예에 따라 도 1에 도시된 휴대용 무선 통신 장치(100)의 부분 블록도이다. 도 7은 장치(100)에 대한 대안 트랜시버(700) 구조를 도시한다. 대안 트랜시버(700)는 I/O(624)에 커플링된 다중 출력 디코더(720) 및 다중 입력 인코더(704)를 포함한다. 다중 출력 디코더(702) 및 다중 입력 인코더(704)는 장 치(100)에서 수행되는 통신들의 스펙트럼 효율성을 향상시키기 위하여 MIMO 처리를 사용한다. 비록 MIMO 처리의 내부 세부사항들이 본 발명의 요지를 벗어날지라도, 도 1-5를 참조로 하여 앞서 기술된 바와 같이 장치(100)에서 실제 컴팩트한 형태로 제공되고 역상관된 신호들을 전송 및 수신할 수 있는 다중 안테나들을 사용하는데 있어서 MIMO 처리가 요구된다는 것에 유의해야 한다. "다중 출력 디코더(multiple output decoder)"(702)에서 용어 "출력(output)"은 무선 채널의 출력들을 언급하며, "다중 입력 인코더(multiple input encoder)"(704)에서 용어 "입력(input)"은 무선 채널의 입력들을 언급한다. 다중 입력 인코더(704)는 제1 변조기(706) 및 제2 변조기(708)에 커플링된다. 제1 변조기(706) 및 제2 변조기(708)는 각각 제1 전력 증폭기(710) 및 제2 전력 증폭기(712)를 통해 제1 전송/수신 스위치(T/R)(714) 및 제2 전송/수신 스위치(TR)(716)에 각각 커플링된다. 제1 T/R(714)은 제1 안테나(718)에 커플링되며, 제2 T/R(716)은 제2 안테나(720)에 커플링된다. 제1 T/R(714) 및 제2 T/R(716)은 각각 제1 저잡음 증폭기(722) 및 제2 저잡음 증폭기(724)를 통해 제1 복조기(726) 및 제2 복조기(728)에 각각 커플링된다. 제1 복조기(726) 및 제2 복조기(728)는 다중 출력 디코더(702)에 커플링된다. 제2 안테나(720)는 다이폴 안테나(202) 및 이하의 다른 실시예들에 기술된 다이폴 안테나 중 하나이다. 따라서, 제2 전력 증폭기(712)는 차동 출력들을 가지며, 제2 저잡음 증폭기(724)는 차동 입력들을 가진다. 다중 출력 디코더(702) 및 다중 입력 인코더(704)는 하드웨어로, 즉 전문 회로들로, 소프트웨어로 또는 이들의 결합으로 선택적으로 실현된다. 비록 하나의 특정 MIMO 트랜시버 구조가 도 7에 도시될지라 도, 본 발명은 특정 도시된 구조에 제한되는 것으로 구성되지 않아야 한다. 오히려, 여기에 기술된 두 개의 안테나 시스템들은 다양한 타입의 MIMO 처리 시스템들과 관련하여 사용될 수 있다.
도 8은 제3 실시예에 따른 장치(100)에 사용하는 폴더형 다이폴 안테나(804) 및 모노폴 안테나(802)를 가진 제2 인쇄회로기판(800)의 하부도이다. 제3 실시예에 있어서, 모노폴 안테나(802)는 (제2 인쇄회로기판(800)의 세로 중심라인(816)상에 정렬되는 것과 반대로) 제2 인쇄회로기판(800)의 상부 에지(806)의 한 측면에 근접하게 부착된다. 다이폴 안테나(804)는 제1 실시예에서처럼 제2 회로기판(800)의 하부 에지(808) 근처에 배치된다. 제2 회로기판(800)의 접지면(810)은 다이폴 안테나(804)의 대부분 아래에서 연장되지 않는다. 다이폴 안테나(804)는 단자(812)의 쌍을 포함하며, 모노폴 안테나(802)는 접지면(810)의 주변 근처에 모두 배치된 단일 단자(814)를 포함한다.
도 9는 모노폴 안테나(802)를 구동시킬 때 제2 회로기판(800), 모노폴 안테나(802) 및 다이폴 안테나(804)에서 유도되는 제1 전류 패턴을 기술한다. 도 10은 다이폴 안테나(804)를 구동할 때 제2 회로기판(800), 모노폴 안테나(802) 및 다이폴 안테나(804)에서 유도되는 제2 전류를 기술한다. 모노폴 안테나(802)를 구동시킬 때 다이폴 안테나(804)에서 전류 발진이 유도된다는 것에 유의해야 한다. 그러나, 다이폴 안테나(804)에서 유도된 전류는 대략 대칭적이며, 따라서 모노폴 안테나(802)를 구동시킴으로써 다이폴 안테나(804)의 단자들(812)의 쌍에서 유도된 신호의 대부분은 단자들(812)의 쌍에 커플링된 차동 회로들(예컨대, 하나 이상의 차 동 증폭기들)에 의하여 용이하게 거절된다. 다이폴 안테나(804)를 구동시킬 때 모노폴 안테나(802)에서 비교적 작은 전류가 유도된다는 것에 유의해야 한다. 또한, 안테나(802, 804) 중 하나를 구동시킬 때 접지면(810)에서 유도된 전류 패턴들이 제2 회로기판(800)의 세로 중심라인(816)에 대하여 비대칭적(대칭적 및 반대칭적이 아님)이라는 것에 유의해야 한다.
도 11은 도 8에 도시된 모노폴 안테나(802) 및 다이폴 안테나(804)를 가진 제2 회로기판(800)의 특성을 나타내는 S 파라미터들의 플롯들을 포함하는 제2 그래프(1100)이다. 제2 그래프(1100)의 가로좌표는 주파수를 나타내며, 기가헤르츠로 표시되며, 세로좌표는 다양한 S-파라미터들의 진폭을 지시하고 데시벨로 표시된다. 제2 그래프(1100)에서, 제1 플롯(1102)은 모노폴 안테나(802)의 리턴 손실이며, 제2 플롯(1104)은 다이폴 안테나(804)의 리턴 손실이며, 제3 플롯(1106)은 모노폴 안테나(802)와 다이폴 안테나(804) 간의 결합이다. 제2 그래프(1100)에 도시된 바와 같이, 두 개의 안테나(802, 804)는 중첩 통과 대역을 제공한다. 도 9-10에 도시된 전류 패턴들은 통과 대역들의 중심 근처의 주파수에서의 동작을 위한 것이다. 제3 플롯(1106)에 반영된 바와 같이, 두 개의 안테나들(802, 804) 간의 결합의 진폭은 통과 대역들의 주파수 범위 전반에 걸쳐 약 -16dB 이하이다. 제3 실시예에서 두 개의 안테나들(802, 804) 간의 분리는 제1 실시예에서 두 개의 안테나들(112, 202) 사이의 분리보다 양호하지 않다는 것에 유의해야 한다. 이는 모노폴 안테나(802)를 중심에서 분산시키면 접지면(810)에서 전류 패턴들의 전술한 비대칭이 유발되기 때문이며, 이에 따라 다이폴 안테나(804)의 동작과 연관된 접지면(810)에서의 비대 칭 전류 패턴은 제1 실시예에서 모노폴 안테나(112) 및 다이폴 안테나(202)의 동작과 연관된 대칭 및 반대칭 전류 패턴들의 매우 낮은(이론적으로 0) 상관관계와 비교하여 모노폴 안테나(802)의 동작과 연관되는 접지면(810)의 비대칭 전류 패턴과 약간 더 상관된다. 그럼에도 불구하고, 제3 실시예에서 달성되는 분리 정도는 임의의 응용들을 위하여 충분하다.
도 12는 제4 실시예에 따라 장치(100)에서 사용하기 위하여 두 개의 안테나들(1202, 1204)을 가진 제3 회로기판(1200)의 하부도이며, 도 14는 두 개의 안테나들(1202, 1204)를 가진 제3 회로기판(1202)의 측면도이다. 두 개의 안테나(1202, 1204)는 제3 회로기판(1200)의 하부 단부(1206) 근처에 배치된 다이폴 안테나(1202), 및 제3 회로기판(1200)의 상부 단부(1208) 근처에 배치된 평면 반전형 "F" 안테나(PIFA)(1204)를 포함한다. 제3 회로기판(1200)은 다이폴 안테나(1202)의 대부분 아래에서 연장하지 않는 접지면(1210)을 포함한다. 다이폴 안테나(1202)의 신호 피드들(1212) 중 단지 한 쌍만이 스트립 라인 단자들을 형성하는 접지 평면(1210)을 중첩한다. PIFA(1204)는 제3 회로기판(1200)의 하부면(1214)으로부터 변위된다. 신호 피드(1302) 및 접지 도체(1402)는 제3 회로기판(1200)의 하부면(1214)으로부터 PIFA(1204)로 연장된다. 신호 피드(1302)는 PIFA(1204)의 비평형 피드이다. 유전체 지지부(도시안됨)는 제3 회로기판(1200)에 대하여 PIFA(1204)를 고정적으로 지지하기 위하여 사용될 수 있다. 제3 회로기판(1200)상에 형성된 통신 회로들(도시안됨)은 다이폴 안테나(1202) 및 PIFA(1204)를 구동시키기 위하여 사용된다.
PIFA(1204) 및 다이폴 안테나(1202)는 제3 회로기판(1200)의 세로 중심라인(1216) 상에 중심을 둔다. 또한, 신호 피드(1302) 및 접지 도체(1402)는 세로 중심라인(1216) 상에 중심을 둔다. PIFA(1204) 신호 피드(1302) 및 접지 도체(1402)의 대칭적 배치 때문에, PIFA(1204)가 신호들을 수신 또는 전송하기 위하여 사용될 때 접지면(1210)에서 유도된 전류들은 세로 중심라인(1216)에 대하여 대칭적이다. 대조적으로, 다이폴 안테나(1202)가 신호들을 전송 또는 수신하기 위하여 사용될 때 접지면(1210)에서 유도된 전류들은 반대칭적이다. 비록 임의의 특정 동작 이론에 의하여 한정되는 것을 원하지 않을지라도, 이전 경우의 대칭성 및 후자 경우의 반대칭성은 다이폴 안테나(1202)와 PIFA(1204) 사이의 결합의 낮은 진폭이 달성되는 것으로 고려한다.
도 15는 도 12-14에 도시된 두 개의 안테나(1202, 1204)를 가진 제3 회로기판(1200)의 특성을 나타내는 S 파라미터들의 플롯들을 포함하는 제3 그래프(1500)이다. 제3 그래프(1500)의 가로좌표는 주파수를 나타내며 기가헤르츠로 표시되며, 세로좌표는 다양한 S-파라미터들의 진폭을 지시하고 데시벨로 표시된다. 제1 플롯(1502)은 다이폴 안테나(1202)의 리턴 손실이며, 제2 플롯(1504)은 PIFA(1204)의 리턴 손실이다. 다이폴 안테나(1202) 및 PIFA(1204)는 약 1.75Ghz에 중심을 둔 통과 대역들을 가진다. 제3 그래프(1500)상의 제3 플롯(1506)은 다이폴 안테나(1202)와 PIFA(1204) 사이의 결합 진폭이다. 제3 그래프(1500)에 반영된 바와 같이, 다이폴 안테나(1202)와 PIFA(1204) 간의 결합은 통과 대역들에서 약 -45dB로 제한된다.
도 16은 PIFA(1204)의 극 이득 플롯이며, 도 17은 다이폴 안테나(1202)의 극 이득 플롯이다. 도 16 및 도 17에 도시된 이득 플롯들은 제3 회로기판(1200)의 세로 중심라인(1216), 및 제3 회로기판(1200)의 하부면(1214에 수직한 벡터를 포함하는 평면에서 측정된다. 도 16 및 도 17에 도시된 이득 플롯들에서 독립변수는 제3 회로기판(1200)의 하부면(1214)에 수직한 것으로부터 측정된 극 각도이다. 도 16-17에서 도시된 이득 플롯들에서 방사 좌표는 데시벨로 표시된다.
도 16에 도시된 PIFA(1204)이 이득 플롯은 이득 플롯들이 측정되는 평면에서 전기장 편파에 의하여 특징지워지는 방사된 성분과 관련된다. PIFA(1204)의 경우에, 측정 평면에 수직한 전기장 편파에 의하여 특징 지워지는 방사된 장 성분은 0이다. 대조적으로, 도 17에 도시된 다이폴 안테나(1202)의 이득 플롯은 전술한 측정 평면에 수직한 전기장 편파에 의하여 특징지워지는 방사 장 성분과 관련되며, 전술한 측정 평면에서 전기장 편파에 의하여 특징지워지는 방사 장 성분은 0이다. 따라서, 두 개의 안테나들(1202, 1204)을 가진 제3 회로기판(1200)에서 구현되는 안테나 시스템에서, 두 개의 안테나들(1202, 1204)은 두 개의 편파 성분들의 다른 공간 분포들을 가진 방사 패턴들을 제공한다. 이는 그것이 특히 높은 산란 환경에서 두 개의 안테나들(1202, 1204)에 의하여 방사되거나 또는 수신되는 신호들간에 역상관을 유발하기 때문에 MIMO 시스템들에서 유리하다.
두 개의 안테나들(1202, 1204) 사이의 고레벨의 분리와 관련하여 두 개의 편파 성분을 가진 공간 분포의 차이들(플롯(1506)(도 15)에 도시되고 양 안테나들(1202, 1204)이 동일한 제한된 크기의 접지면(1210)과 작용하는 사실에도 불구하 고 실현되는)은 두 개의 안테나들(1202, 1204)에 대한 두 개의 편파 성분들의 다른 공간 분포에 의하여 생성된 신호들의 역상관이 컴팩트한 휴대용 무선 통신장치(예컨대, 100)의 형태로 실현되도록 한다. 더욱이, 제4 실시예의 경우에, 외부 안테나를 필요로 하지 않는 MIMO 장치가 실현된다. 내부 안테나들을 가진 휴대용 장치들은 일반적으로 더 컴팩트하며, 이들의 안테나는 덜 파손되는 경향이 있다.
따라서, 다이폴 안테나(1202) 및 PIFA(1204)를 가진 제3 회로기판(1200)에서 구현되는 안테나 시스템은 도 6에 도시된 바와 같이 개별 수신 및 전송 경로들을 가진 트랜시버 구조에 사용하기에 적합하거나 또는 도 7에 도시된 바와 같이 MIMO 트랜시버에 사용되기에 적합하다.
도 18은 제5 실시예에 따라 두 개의 듀얼 주파수 안테나들(1802, 1812)을 가진 제4 회로기판(1800)의 하부도이다. 제1 듀얼 주파수 안테나(1802)는 제1 폴더형 다이폴(1806) 및 제1 폴더형 다이폴(1806)내에 배치되어 제1 폴더형 다이폴(1806)과 병렬로 다이폴 피드 단자들(1810)의 쌍에 연결된 제2 폴더형 다이폴(1808)을 포함한다. 제2 듀얼 주파수 안테나(1812)는 직선 모노폴 안테나(1814) 및 직선 모노폴 안테나(1814)에 대하여 동축으로 배열된 나선 모노폴 안테나(1816)를 포함한다. 튜닝 연장부(1818)는 나선 모노폴 안테나(1816)의 상부 단부(1820)로부터 아래방향으로 연장된다. 선택적으로, 나선 모노폴 안테나(1816)의 피치 및/또는 길이는 적정 대역통과 주파수를 달성하도록 조절된다. 직선 모노폴 안테나(1814) 및 나선 모노폴 안테나(1816)는 모노폴 피드 단자(1822)에 병렬로 연결된다. 제4 회로기판(1800)은 접지면(1824)을 포함한다. 모노폴 피드 단자(1822) 및 다이폴 피드 단자들(1810)은 접지면(1824)의 주변 근처에 배치된다.
도 19는 도 18에 도시된 제1 듀얼 주파수 안테나(1802)에 대한 리턴 손실의 플롯(1902)이다. 도 19 및 도 20에서, 가로좌표는 주파수를 나타내며 기가헤르츠로 표시되며, 세로좌표는 리턴 손실의 상대 진폭을 지시한다. 도 19에 도시된 바와 같이, 제1 듀얼 주파수 안테나(1802)는 약 0.94GHz에 중심을 둔 제1 통과 대역 및 약 1.85Ghz에 중심을 둔 제2 통과 대역을 제공한다.
도 20은 도 18에 도시된 제2 듀얼 주파수 안테나(1812)에 대한 리턴 손실의 플롯(2002)이다. 도 20에 도시된 바와 같이, 제2 듀얼 주파수 안테나(1912)는 제1 듀얼 주파수 안테나(1802)의 제1 통과 대역을 중첩하는 제1 통과 대역 및 제1 듀얼 주파수 안테나(1802)의 제2 통과 대역을 중첩하는 제2 광통과 대역을 제공한다.
도 21는 도 18에 도시된 두 개의 듀얼 주파수 안테나들(1802, 1804) 사이의 결합 진폭의 플롯이다. 도 21에 도시된 바와 같이, 두 개의 안테나들(1802, 1804) 사이의 결합은 제1 대역들에서 약 -24dB에 제한되며 제2 대역들에서 약 -16dB에 제한된다. 따라서, 제1 듀얼 주파수 안테나(1802) 및 제2 듀얼 주파수 안테나(1804)를 가진 제4 회로기판(1800)은 도 6에 도시된 것과 같은 개별 수신 및 전송 경로들을 가진 트랜시버에 그리고 도 7에 도시된 것과 같은 MIMO 트랜시버에 사용하기에 적합하다. 더욱이, 두 개의 안테나들(1802, 1804)을 가진 제4 회로기판은 휴대용 무선 통신장치(예컨대, 100)에 사용하기 위하여 충분히 컴팩트하다.
앞서 기술된 실시예들에서, 회로기판의 접지면과 상호작용하는 두 개의 안테나들이 제공된다. 선택적으로, 접지구조 또는 카운터포이즈는 다른 형태를 취할 수 있다. 예컨대, 도전성 하우징 부분은 두개의 안테나가 상호작용하는 접지 구조 또는 카운터포이즈로서 사용될 수 있다.
본 발명의 바람직한 및 다른 실시예들이 기술되었을지라도, 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 이하의 청구범위에 의하여 한정된 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않고 다수의 수정들, 변화들, 변형들, 대체들 및 균등물들이 당업자에 의하여 이루어질 수 있다.

Claims (10)

  1. 휴대용 무선 통신 장치에 있어서,
    비평형 피드 안테나(unbalanced feed antenna);
    상기 비평형 피드 안테나에 근접하게 배치되고, 상기 비평형 피드 안테나에 대한 카운터포이즈(counterpoise)로서 사용되는 접지 구조; 및
    상기 접지 구조에 근접하게 배치된 평형 피드 안테나(balanced feed antenna)를 포함하고,
    상기 평형 피드 안테나는 전자기적 상호작용을 통해 상기 접지 구조에 커플링되는, 휴대용 무선 통신 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 비평형 피드 안테나는 상기 접지 구조의 가로 중심(transverse center)에 근접하게 배치된 제1 단자를 포함하며;
    상기 평형 피드 안테나는 상기 접지 구조의 가로 중심에 근접하게 배치된 제2 피드 단자 및 제3 피드 단자를 포함하는, 휴대용 무선 통신 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 비평형 피드 안테나는 상기 접지 구조의 가로 중심에 근접하게 배치된 제1 피드 단자를 포함하며;
    상기 평형 피드 안테나는 상기 접지 구조의 가로 중심의 반대 쪽들상에 배치된 제2 피드 단자 및 제3 피드 단자를 포함하는, 휴대용 무선 통신 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 접지 구조는 인쇄회로의 접지면을 포함하는, 휴대용 무선 통신 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 비평형 피드 안테나는 상기 인쇄회로에 부착되며, 상기 평형 피드 안테나는 상기 인쇄회로상에 배치되는, 휴대용 무선 통신 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 접지 구조는 제1 단부 및 상기 제1 단부에 대향하는 제2 단부를 포함하며;
    상기 비평형 피드 안테나는 상기 제1 단부에 근접하게 배치되며, 상기 평형 피드 안테나는 상기 제2 단부에 근접하게 배치되는, 휴대용 무선 통신 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 평형 피드 안테나는 다이폴 안테나(dipole antenna)를 포함하며;
    상기 비평형 피드 안테나는 모노폴 안테나(monopole antenna)를 포함하는, 휴대용 무선 통신 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 평형 피드 안테나는 다이폴 안테나를 포함하며;
    상기 비평형 피드 안테나는 평면 반전형 "F" 안테나(planar inverted "F" antenna)를 포함하는, 휴대용 무선 통신 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 비평형 피드 안테나에 커플링된 송신기; 및
    상기 평형 피드 안테나에 커플링된 수신기를 더 포함하는, 휴대용 무선 통신 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 비평형 피드 안테나에 커플링된 수신기; 및
    상기 평형 피드 안테나에 커플링된 송신기를 더 포함하는, 휴대용 무선 통신 장치.
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