KR20070057277A - 적응형 안테나 어레이를 구비한 이동 통신 핸드세트 - Google Patents

적응형 안테나 어레이를 구비한 이동 통신 핸드세트 Download PDF

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KR20070057277A
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빙 치앙
크리스토퍼 에이. 스누더
그리핀 케이. 고날드
데이비트 씨. 조긴슨
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아이피알 라이센싱, 인코포레이티드
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Abstract

본 발명의 이동 통신 핸드세트는 적어도 하나의 수동 안테나 소자 및 하우징으로부터 돌출된 상기 수동 안테나 소자들에 인접한 능동 안테나 소자를 포함한다. 상기 능동 소자는 전자 무선 통신 회로에 결합되고 상기 수동 안테나 소자들은 상기 안테나 소자들에 결합된 통신 신호들의 지향성에 영향을 미치는 회로 소자들에 결합된다.

Description

적응형 안테나 어레이를 구비한 이동 통신 핸드세트{MOBILE COMMUNICATION HANDSET WITH ADAPTIVE ANTENNA ARRAY}
도면들 1a, 1b, 및 1c는 다양한 실시예들에 따른 3-엘리먼트 적응형 지향성 안테나 어레이들을 포함하는 무선 통신 장치들의 고도의 개략도들이다.
도 2는 일 실시예에 따른 3-엘리먼트 적응형 안테나를 통합하는 분해조립도이다.
도 3a는 일 실시예에 따른 3-엘리먼트 적응형 안테나의 더 상세한 도면이다.
도 3b는 선택적인 실시예에 따른 3-엘리먼트 적응형 안테나의 더 상세한 도면이다.
도 3c는 추가의 선택적인 실시예에 따른 3-엘리먼트 적응형 안테나의 더 상세한 도면이다.
도 4는 일 실시예에 따른 3-엘리먼트 적응형 어레이에 대하여 가능한 급전 구조를 도시하는 회로도이다.
도 5a 내지 5d는 도 3a-3c의 실시예에 따른 3-엘리먼트 적응형 어레이에 대한 방위각 방사 패턴들을 도시한다.
도 6a 내지 6c는 핸드세트내에 하우징된 3-엘리먼트 적응형 어레이에 대한 방사 패턴들을 도시한다.
도 7a 내지 7d는 다양한 실시예들에 따른 3-엘리먼트 적응형 어레이에 대한 선택적인 접지 구조들의 고도의 개략도이다.
도 8은 일 실시예에 따른 2-엘리먼트 적응형 안테나를 통합하는 무선 통신 장치의 개략도이다.
도 9는 일 실시예에 따른 2-엘리먼트 적응형 안테나의 더 상세한 도면이다.
도 10a 내지 10c는 다양한 실시예들에 따른 2-엘리먼트 적응형 안테나에 대한 급전 구조들을 도시하는 선택적인 회로도들을 도시한다.
본 발명은 적응형 안테나 어레이를 구비한 이동 통신 핸드세트에 관한 것이다.
코드 분할 다중 액세스(CDMA) 변조 및 기타 확산 스펙트럼 기술들은 이제 셀룰러 이동 전화통신, 무선 랜 및 유사한 시스템들과 같은 무선 시스템에서 폭넓은 응용을 발견하고 있다. 상기 시스템들에서, 중심 허브(central hub) 또는 기지국과 하나 이상의 이동국 또는 원격 가입자 유닛들 사이의 연결이 제공된다. 기지국은 통상적으로 순방향 링크 무선 신호들을 이동 가입자 유닛들에 송신하고 상기 이동 유닛들로부터 송신된 역방향 링크 무선 신호들을 수신하기 위해 특정된 안테나를 포함한다. 각각의 이동 가입자 유닛은 또한 순방향 링크 신호들의 수신 및 역방향 링크 신호들의 송신을 위한 자체 안테나를 포함한다. 통상적인 이동 가입자 유닛은 예를 들어 통합 셀룰러 모뎀을 구비한 디지털 셀룰러 전화 핸드세트 또는 개인용 정보 단말기, 또는 기타 무선 데이터 디바이스일 수 있다. CDMA 시스템들에서, 다중 이동 가입자 유닛들은 통상적으로 동시에 동일한 반송 주파수로 신호들을 송수신하고 있다. 고유한 변조 코드들이 개별적인 가입자 유닛들로부터 생성되거나 개별적인 가입자 유닛들로 송신되도록 의도된 신호들을 구별한다.
다른 무선 액세스 기술들은 또한 집중식 유닛(centralized unit)과 하나 이상의 원격 또는 이동 유닛들 사이의 통신을 위한 확산 스펙트럼을 사용한다. 이들은 전기 전자 엔지니어들(electrical and electronic engineers, IEEE) 802.11의 규칙에 의해 공표 랜 표준 및 개선된 무선 블루투스(Bluetooth) 표준을 포함한다.
이동 가입자 유닛에서 사용된 가장 일반적인 안테나는 단극형이다. 단극 안테나는 흔히 단일 와이어 또는 기타 연장된 금속 소자로 구성된다. 상기 단극 안테나로부터 송신된 신호는 일반적으로 본질적으로 전방향성이다. 즉, 신호가 대략적인 지평면에서 모든 방향으로 대략적으로 동일한 신호 전력으로 송신된다. 단극 안테나에 의한 신호의 수신, 성분은 마찬가지로 전방향성이다. 따라서 단극 안테나는 일방향으로부터 유래한 신호들 대 타방향으로부터 생성된 다른 신호 사이를 구별할 수 없다. 대부분의 단극 안테나들이 상승 평면에서 상당한 방사를 생성하지 못하지만, 세 방향에서 예측된 안테나 패턴은 통상적으로 도넛-모양 토로이드(donut-like toroidal)이고, 안테나 소자는 도넛 홀의 중심에 위치된다.
불행히도, CDMA 통신 시스템들은 통상적으로 간섭이 제한된다. 즉, 가입자 유닛들이 특정 영역 내에서 더욱 활성화되고 동일한 기지국에 대한 액세스를 더욱 공유할 수록, 가입자 유닛들 사이의 간섭은 증가되고, 이에 따라 이들이 겪는 비트 에러율도 증가된다. 에러율이 증가하는 사실에서 시스템 온전성(integrity)을 유지하기 위해서, 종종 하나 이상의 사용자들에 이용가능한 최대 데이터 레이트가 감소되어야 하거나, 활성 유닛들의 수가 무선 스펙트럼을 명확히 하도록 제한되어야 한다.
기지국 및/또는 이동 유닛들에서 지향성 안테나를 사용하여 과도한 간섭을 제거하는 것이 가능하다. 통상적으로, 지향성 안테나 빔 패턴은 기지국에서 위상 어레이 안테나(phased array antenna)의 사용을 통해 달성된다. 상기 위상 어레이는 각각의 안테나 소자들에 대한 신호 입력의 위상 각도를 제어함으로써 원하는 방향에서 전기적으로 스캐닝되거나 조종된다.
그러나, 위상 어레이 안테나들은 방사된 신호들의 파장과 비교하여 배열들이 전기적으로 작게 되기 때문에 효율 및 이득이 감소된다. 위상 어레이들이 사용되거나, 휴대용 가입자 유닛과 함께 사용되려고 한다면, 안테나 어레이들 간격은 상대적으로 작아야 하고, 이에 따라 성능은 손상된다.
휴대용 무선 디바이스용 안테나를 설계할 때 여러가지 고려사항들이 고려되어야 한다. 예를 들어, 전파 신호들이 예를 들어 비트 에러율, 신호 대 잡음비, 또는 신호 대 잡음 및 간섭 비와 같은 미리 결정된 표준 요건들을 만족시키도록 안테나의 전기 특성들이 주의 깊게 고려되어야 한다.
안테나는 또한 통상적인 사용자의 요구를 만족시키도록 특정한 기계적 특성 을 나타내어야 한다. 예를 들어, 각각의 안테나 어레이 소자의 물리적 길이는 송수신 주파수에 의존한다. 만일 안테나가 단극형으로 구성된다면, 상기 길이는 통상적으로 신호 주파수의 1/4 파장이고; 800 메가헤르쯔(MHz)(흔한 무선 주파수 대역들 중 하나)에서의 동작에 대해 1/4 파장 단극은 통상 약 3.7" 길이여야 한다.
또한 안테나는 미적으로 만족스런 외관을 제공해야 한다. 특히 이동 또는 휴대용 유닛에서 사용될 때, 전체 디바이스는 휴대하기 용이한 모양을 가지고 상대적으로 작고 가벼워야 한다. 따라서 안테나는 기계적으로 단순하고 신뢰할 수 있어야 한다.
안테나의 전기적, 기계적, 및 미적 특성들은 중요할 뿐만 아니라, 상기 안테나는 무선 환경에서의 고유한 성능 문제점들을 극복해야만 한다. 하나의 상기와 같은 문제점은 다중경로 페이딩(multipath fading)으로 불린다. 다중경로 페이딩에서, 송신자(기지국 또는 이동 가입자 유닛 중 하나)로부터 송신된 무선 신호는 의도된 수신자로의 루트에서 간섭을 만날 수 있다. 신호는 예를 들어 건물들과 같은 물체들로부터 반사되어, 본래 신호의 반사된 버전이 수신자에게 향할 수 있다. 이와 같은 경우에, 동일한 무선 신호의 2가지 버전들, 즉 본래 버전과 반사된 버전이 수신된다. 각각의 수신 신호들은 동일한 주파수이지만, 수신된 신호는 반사에 기인하여 본래 신호와 위상이 다를 것이고, 수신자로의 상이한 전송 경로 길이를 초래할 것이다. 결과적으로, 본래 신호 및 반사된 신호는 서로 부분적으로 소거(상쇄 간섭)할 것이고, 이는 수신 신호에서의 페이딩 또는 드롭아웃을 초래할 것이다.
단일 소자 안테나들은 다중경로 페이딩에 매우 취약하다. 단일 소자 안테나 는 전송 신호 성분이 송신되는 방향을 결정할 수 없고, 이에 따라 전송 신호를 더 정확히 검출하고 수신하도록 동조될 수 없다. 상기 안테나의 방향 패턴은 안테나 구성요소들의 물리적 구조에 의해 고정된다. 단지 안테나 위치 및 방향만이 다중경로 페이딩 효과를 방지하려는 노력에서 변화될 수 있다.
전술한 특허 참조에서 기술된 이중 소자 안테나도 안테나 패턴의 반구형 돌출부(hemispherical lobe)들의 대칭성 및 대향성에 기인하여 다중경로 페이딩에 취약하다. 상승 컷(elevation cut)이 명백한 안테나 패턴의 돌출부들은 서로 거의 대칭이고 대향하기 때문에, 안테나의 후면에 반사된 신호는 전면에서 수신된 신호와 동일한 수신 전력을 가질 수 있다. 즉, 송신 신호가 의도된 수신 장소 이상 또는 이후의(beyond or behind) 물체로부터 반사되고 나서 안테나의 후면으로 반사된다면, 상기 2개의 신호들에서의 위상 차이가 다중경로 페이딩에 기인하여 상쇄 간섭을 일으키는 공간 내의 한 지점에서, 상기 신호는 소스로부터 직접 수신된 신호와 간섭될 것이다.
셀룰러 통신 시스템에 존재하는 다른 문제점은 셀간 신호 간섭이다. 대부분의 셀룰러 시스템들은 개별 셀들로 분할되고, 각각의 셀은 중심에 위치된 기지국을 갖는다. 각각의 기지국의 위치는 인접 기지국들이 설로부터 대략 60도 간격으로 위치되도록 배열된다. 각각의 셀은 중심에 있는 기지국이 있는 6각형으로 보일 수 있다. 각각의 셀의 에지들은 인접 셀들과 인접하고, 셀들 그룹은 벌꿀 모양(honeycomb-like) 패턴을 형성한다. 셀 에지로부터 기지국까지의 거리는 통상적으로 셀의 에지 근처에 위치된 이동 가입자 유닛으로부터 그 셀의 기지국까지의 수 용가능한 신호를 전송하기 위해 필요한 최소 전력(즉, 하나의 셀 반경과 동일한 거리만큼 수용가능한 신호를 전송하기 위해 필요한 전력)에 의해 유도된다.
셀간 간섭은 하나의 셀의 에지 근처의 이동 가입자 유닛이 에지를 통해 인접 셀로 가로지르는 신호를 전송하고 상기 인접 셀 내에서 발생하는 통신과 간섭을 일으킬 때 발생한다. 통상적으로, 동일하거나 근접한 주파수들인 인접 셀들 내의 신호들은 셀간 간섭을 일으킨다. 셀간 간섭의 문제는 셀의 에지들 근처의 가입자 유닛들이 통상적으로 전송된 신호들이 셀 중심에 위치된 의도된 기지국에 의해 효율적으로 수신될 수 있도록 더 높은 전력 레벨로 전송한다는 사실에 의해 복합된다. 또한, 의도된 수신기 이상 또는 이후에 위치된 다른 이동 가입자 유닛으로부터의 신호가 동일한 전력 레벨로 기지국에 도달할 수 있고, 이는 부가적인 간섭을 나타낸다.
셀간 간섭 문제는 인접 셀들 내의 가입자 유닛들이 통상적으로 동일한 반송 또는 중심 주파수로 전송되기 때문에 CDMA 시스템에서 악화된다. 예를 들면, 동일한 캐리어 주파수에서 동작하지만 서로다른 기지국들에 전송하는 인접하는 셀들내의 두개의 가입자 유니트들은 두 신호들 모두가 기지국들 중 하나에서 수신되면 서로 간섭한다. 하나의 신호는 다른 신호에 대하여 잡음으로 나타난다. 간섭의 정도와 의도된 신호를 검출 및 복조하는 수신기의 능력은 가입자 유니트들이 동작하는 전력 레벨에 의해 영향받는다. 만약 가입자 유니트들 중 하나가 하나의 셀의 에지에 놓이면, 의도된 기지국들에 도달하기 위해 상기 셀과 인접셀내의 다른 유니트들에 대하여 더 높은 전력 레벨로 전송한다. 그러나, 그 신호는 의도되지 않은 기지 국, 즉, 인접셀내의 기지국에 의해 수신된다. 의도되지 않은 기지국에서 수신된 두개의 동일한 캐리어 주파수 신호들의 상대적인 전력 레벨에 따라, 인접셀로부터 전송된 신호와 상기 셀내에 전송된 신호를 적절히 구별할 수는 없다. 가입자 유니트들의 안테나의 명확한 시야를 감소시키기 위해 요구되는 메카니즘은 기지국에서 수신된 간섭하는 전송들의 횟수를 감소시킴으로써 역방향 링크(가입자로부터 기지국으로의)의 동작에 현조한 효과를 보일수 있다. 순방향 링크에 대한 안테나 패턴의 유사한 개선은 전송된 신호 전력에서의 감소가 원하는 수신 신호 품질을 달성하도록 한다.
요약하면, 무선 통신 기술에서 안테나 성능을 최대화 시키는 반면 크기와 제작의 복잡성을 감소시키는 것이 가장 중요함이 명백하다.
본 발명은 적어도 하나의 수동 안테나 엘리먼트 및 하우징으로부터 뻗어나온 상기 수동 안테나 엘리먼트들에 인접한 능동 안테나 엘리먼트를 포함하는 이동 통신 핸드세트가다. 바람직하게, 하나 또는 두개의 수동 엘리먼트들은 각각 두개의 엘리먼트 및 3개의 엘리먼트 적응형 안테나 어레이들을 발생한다. 능동 엘리먼트는 전자 무선 통신 회로들에 결합되고, 수동 안테나 엘리먼트들은 상기 안테나 엘리먼트들에 결합된 통신 신호들의 지향성에 작용하는 회로 엘리먼트들에 결합된다. 국한되지는 않지만, 안테나 엘리먼트들은 단극 또는 쌍극 안테나들이 될 수 있다. 다양한 실시예들에 따라, 안테나 엘리먼트들은 (i)고정된 전도성 스트립들, (ii)플렉시블한 필름에 부착된 전도성 스트립들, 또는 (iii)유전 기판의 부분들에 배치된 전도성 세그먼트들이 될 수 있다.
안테나 엘리먼트들은 유전 기판상에 배치되며, 수동 및 능동 안테나 엘리먼트들은 선형 안테나 어레이 구성을 제공하는 유전 기판의 동일한 면에 위치될 수 있다. 선택적으로, 수동 안테나 엘리먼트들 중 적어도 하나는 비선형 어레이 구성에 의해 제공되는 지향성 빔 패턴들의 범위가 더 넓어지도록 하기 위해 유전 기판의 반대편 면에 우치될 수 있다.
핸드세트는 또한 접지 기판 및 하나 또는 그이상의 스위치들을 포함할 수 있다. 스위치는 수동 엘리먼트와 접지 구조사이에 배치되어 그들사이의 전자기 결합을 제어할 수 있다. 스위치가 수동 엘리먼트를 접지에 결합하면, 수동 엘리먼트는 반사 모드로 동작한다. 수동 엘리먼트가 개방 회로에 결합되면, 수동 엘리먼트는 지향성 모드로 동작한다. 스위치는 다른 임피던스 엘리먼트들에 제어가능하게 접속하는 다수의 위치들을 가질 수 있다. 상기 방법에서, 스위치는 능동 및 수동 안테나들이 하나의 상태에서 전방향성 안테나 어레이로서, 또는 다른 상태들에서 서로다른 형상들의 지향성 빔들로 서로다른 다른 방향들을 가리키는 지향성 안테나 어레이로서 선택적으로 동작하도록 제어한다.
특정 실시예들에서, 접지 구조는 안테나 엘리먼트들의 베이스쪽으로 안테나 엘리먼트들의 전류 또는 인접 전자기 필드를 국한시키는 형상을 가질 수 있다. 상기 방식에서 핸드세트를 고정하는 인간의 손 또는 또는 핸드세트 자체의 몸체에 의한 성능의 부정적인 결과들은 감소될 수 있다.
상기 안테나 어레이는 두개의 안테나 엘리먼트들을 포함하며, 제 1 안테나 엘리먼트는 전자 무선 통신 회로에 능동 결합하고 제 2 안테나 엘리먼트는 안테나 엘리먼트들에 결합된 통신 신호들의 지향성에 영향을 미치는 회로 엘레인트들에 수동 결합한다. 또다른 실시예에 따라, 안테나 엘리먼트들에 결합된 개별 스위치들은 상기 엘리먼트들 사이의 능동 및 수동 상태들을 교환하기 위해 동기화될 수 있다.
본 발명의 전술된 목적, 특징 및 장점들과 다른 목적, 특징 및 장점들이 첨부 도면에 도시된 바와 같은 본 발명의 바람직한 실시예들에 대한 아래의 더욱 상세한 설명으로부터 자명해질 것이고, 도면들에서 동일한 참조 문자들은 다른 도면들에서 동일한 부분들을 나타낸다. 도면들은 반드시 축적에 맞지는 않으며, 대신에 본 발명의 원리들을 도시하기 위한 것으로 강조된다.
도면들 1a, 1b, 1c는 다양한 실시예들에 따른 3-엘리먼트 적응형 지향성 안테나 어레이를 통합하는 무선 통신 장치들의 고도의 개략도들이다. 일반적으로, 장치들(100)은 이동 통신 핸드세트(예를 들면, 셀룰러 핸드세트) 또는 개인 디지털 보조장치(예를 들면, Palm Pilot)과 같은 무선 통신 장치의 임의의 형태이다. 각각의 장치(100)는 안테나 어레이(120)내에 통합된 하우징(110)을 포함한다.
안테나 어레이(120)는 셀룰러 핸드세트(100)의 경우에 기지국으로부터 또는 무선 로컬 영역 네트워크(WLAN) 프로토콜들을 사용하는 무선 데이터 유니트(100)의 경우에 액세스 포인트로부터 무선 통신 신호들의 지향성 수신 및 송신들을 제공한다. 특정 기지국 및/또는 액세스 포인트와 지향성 통신하는 신호들에 의해, 안테나 어레이(120)는 이동 유니트(100)에 대한 셀간 간섭 및 다중경로 페이딩의 전체 영향을 감소시키는 것을 지원한다. 또한, 간략히 설명하면, 안테나 어레이에 의해 발 생된 안테나 빔 패턴들은 원하는 방향을 향해 연장하지만, 대부분 다른 방향들에서 감쇠되기 때문에 기지국에 의한 효율적인 전송을 위해 더 적은 전력이 요구된다.
예시적인 실시예에서, 안테나 어레이(120)는 능동 중심 엘리먼트(102) 및 그 한쪽 측면상에 각각 위치된 한쌍의 수동 엘리먼트들(104)을 포함한다. 간략하게 설명하면, 수동 엘리먼트들(104)은 각각 반사 또는 지향성 모드에서 동작될 수 있으며; 이는 어레이(120)가 특정 방향으로 조정될 수 있는 경우에 편리하다. 상기 실시예들이 3개의 엘리먼트들을 도시하고 있는 반면에, 어레이(120)는 국한되지 않으며, 1, 2, 3, 또는 4개, 또는 심지어 그이상의 수동 엘리먼트들이 포함될 수 있음이 이해되어야만 한다. 또다른 실시예들은 위상 어레이(phased array)와 같은 안테나 어레이에 대하여 가능하며, 중심 엘리먼트(102)는 결여되고 다른 엘리먼트들은 스스로 능동 신호 결합 회로와 함게 능동 엘리먼트들로서 사용된다.
국한되지는 않지만, 안테나 엘리먼트들은 단극 엘리먼트들 또는 쌍극 엘리먼트들이 될 수 있다. 쌍극 엘리먼트들은 이득을 개선하지만, 높이의 증가를 필요로 한다. 그러나, 높이는 명확한 스펙트럼으로의 액세스의 필요성이 시스템 오퍼레이터들이 높은 캐리어 주파수들을 사용하도록 하는 것과 같이 향후에 논의되지는 않을 것이다.
도 1a 및 1b를 참조로 하여, 안테나 어레이는 내부에 숨겨진 안테나 접지 구조(비도시)를 가지는 핸드세트의 상부에 장착될 수 있다. 선택적으로 도 1c에서와 같이, 안테나 어레이는 인간의 두뇌와 같이 방해물 및 흡수물과는 거리가 먼 핸드세트의 바닥부에 장착될 수 있다.
하우징으로부터 뻗어나가는 안테나 엘리먼트들은 유전 기판 받침(backing)을가지며 선택적으로 보호 코팅에 의해 덮여지는 전도성 세그먼트가 될 수 있다. 안테나 엘리먼트로부터 뻗어나가는 부분들은 상대적으로 고정된 전도체들이 될 수 있으며, 선택적으로 보호 코팅 또는 금속으로 덮여질 수 있다. 선택적으로, 도 1b에서와 같이, 안테나들은 서로다른 정도의 유연성을 가지는 필름에 부착된 얇은 전도성 스트립들이 될 수 있다.
상기 안테나 엘리먼트들은 PCS 대역들에서 공진하는데 적합하다. 그러나, 능동 엘리먼트(102)는 800MHz에서 통신하기 위한 풀-아웃 휩 안테나(pull-out whip antenna)와 함께 구현될 수 있다. 연장된 능동 엘리먼트의 길이에 비례하여, 수동(기생) 엘리먼트들은 짧으며 따라서 800MHz에서 투명하다. 상기 안테나 어레이 구조는 800MHz에서 방사하는 단일 단극을 발생한다.
도 2는 일 실시예에 따라 3-엘리먼트 적응형 지향성 안테나 어레이를 하나의 핸드세트에 통합하는 것을 도시하는 분해조립도이다. 상기 실시예에서, 3-엘리먼트 지향성 어레이(120)는 인쇄 회로 기판상에 형성되며 예를 들면, 핸드세트의 후면 커버(405)내에 위치된다. 중심 모듈(410)은 전기 회로, 무선 송수신 장치, 등등을 포함할 수 있다. 최종 모듈(420)은 예를 들면, 장치의 전면 커버로서 제공될 수 있다. 여기에서 볼 수 있는 중요한 사실은 안테나 어레이(120)의 인쇄 회로 기판 구현이 핸드세트 형성 인자내에서 용이하게 적합할 수 있다는 것이다. 선택적인 실시예에서, 안테나 어레이(120)는 어레이(120)를 발생하는 중심 모듈(410)의 통합부로서 형성될 수 있으며, 중심 모듈은 동일한 인쇄 회로 기판상에 제작된다.
도 3a는 일 실시예에 따른 3-엘리먼트 적응형 안테나 어레이의 더 상세한 도면이다. 여기에서 안테나 어레이(120)는 인쇄 회로 기판과 같이 중심 엘리먼트(102) 및 이전에 전술된 수동 엘리먼트들(104a 및 104c)를 포함하는 유전 기판의 부분들에 배치된다. 각각의 수동 엘리먼트(104)는 곧 알게 될 바와 같이 반사성 모드나 지향성 모드로 동작될 수 있다.
중앙 엘리먼트(102)는 유전체 기판(108) 상에 배치되는 전도성 방사기(106)를 포함한다. 수동 엘리먼트들(104a 및 104c) 자체 각각은 상부 전도성 세그먼트(110a 및 110c)뿐만 아니라 상응하는 하부 전도성 세그먼트(112a 및 112c)를 구비한다. 이러한 세그먼트들(110a, 110c, 112a, 및 112c)은 또한 상기 유전체 기판(108) 상에 배치된다. 하부 전도성 세그먼트들(112a 및 112c)은 일반적으로 그들의 상단에서 접지된다. 이러한 방식으로, 상부 전도성 세그먼트들은 효과적으로 단극 세그먼트가 됨으로써, 그것들은 그들의 피딩이나 로딩을 균형잡기 위해 밸륜(baluns)을 필요로 하지 않는다. 또한, 일반적으로, 상부 세그먼트들(110a 및 110c) 및 하부 세그먼트들(112a 및 112c)은 거의 동일한 길이를 갖는다.
수동 엘리먼트들(104) 중 하나의 상부 전도성 세그먼트, 일예로 상부 전도성 세그먼트(110a)가 각각의 하부 전도성 세그먼트(112a)에 연결되었을 때, 수동 엘리먼트(104a)는 반사성 모드에서 동작한다. 이는 무선 주파수(RF) 에너지가 수동 엘리먼트(104a)로부터 그것의 소스를 향해 반사되도록 한다.
상부 전도성 세그먼트(110a)가 오픈되었을 때(즉, 하부 전도성 세그먼트(112a) 또는 다른 접지 전위에 연결되지 않았을 때), 수동 엘리먼트(104a)는 반 사성 모드로 동작하고, 상기 반사성 모드에서 상기 수동 엘리먼트(104a)는 본질적으로 그것을 통하여 흐르는 전파 중인 RF 에너지가 보이지 않는다.
일실시예에서, 중앙 엘리먼트(102) 및 수동 엘리먼트(104a 및 104c)는 도 3a에 도시된 바와 같이 각각의 엘리먼트들이 배치되어 있는 인쇄 회로 기판과 같은 단일 유전체 기판으로 제작된다. 상기 안테나 엘리먼트들은 또한 변형가능하거나 유동적인 기판 상에 배치될 수 있거나 또한 중앙 엘리먼트(102)의 한 표면에 부착될 수 있다.
각각의 스위치 모듈들(116a 및 116c)을 포함해서 마이크로전자 모듈(122)도 또한 전도성 트레이스들(124)을 갖는 동일 기판(108) 상에 배치될 수 있는데, 상기 전도성 트레이스들(124)은 상기 스위치 모듈들(116a 및 116c) 사이에 제공된다. 전도성 트레이스들(124)을 통해 운반되는 신호들은 수동 엘리먼트들(104a 및 104c)에 대한 특정 동작 상태를 달성하는 마이크로전자 모듈(116a 및 116c) 내의 성분들의 상태를 제어함으로써, 일예로 상술된 바와 같이 상기 수동 엘리먼트들을 반사성 또는 지향성 상태가 되도록 한다. 핸드세트(100)의 나머지 부분에 위치하는 외부 제어기 장치와 어레이(120) 사이에 전기 신호 제어 접속을 제공하기 위해 마이크로전자 모듈(122)에는 인터페이스(125)가 또한 연결된다. 인터페이스(125)는 일예로 리본 케이블이나 다른 커넥터와 같이 딱딱하거나 유동적인 재료로 제작될 수 있다.
도 3b는 대안적인 실시예에 따른 3-엘리먼트 적응 안테나 어레이에 대한 더욱 상세한 도면이다. 중앙 엘리먼트(102) 및 수동 엘리먼트들(104a 및 104c)은 제어 모듈(410)의 전자 무선 통신 회로(130)와 동일한 유전체 기판 상에 제작된다. 이런 특정 실시예는 커넥터에 대한 필요성을 제거한다. 단일 인쇄 기판에 안테나 및 무선 통신 회로가 제작될 수 있기 때문에 제작 비용이 줄어든다. 또한, 안테나와 무선 통신 회로 사이에 커넥터가 부분적으로 제거되기 때문에 라인 손실의 감소가 이루어진다.
도 3c는 다른 대안의 실시예에 따른 3-엘리먼트 적응성 안테나 어레이의 더욱 상세한 도면이다. 본 실시예에서, 적응성 중앙 엘리먼트(102)(점선의 직사각형으로 도시)는 수동 엘리먼트들(104a 및 104c) 보다는 유전체 기판의 반대 면 상에 위치된다. 이러한 비선형적인 어레잉 구성을 통해, 무선 통신 신호들의 수신 및 전송은 도 3a 및 3b의 선형 안테나 구성에 비해 더 큰 각도 변동으로 지향될 수 있다.
도 4는 일실시예에 따른 3-엘리먼트 적응성 안테나 어레이(120)에 대한 피드 구조를 나타내는 회로도이다. 마이크로전자 모듈(122)과 연관된 스위치 제어 및 구동기(142)는 각각의 엘리먼트(104a 및 104c)와 연관된 각각의 제어 모듈들(116a 및 116c) 각각에 논리 신호들을 제공한다. 일예로, 각각의 이러한 제어 모듈(116)은 스위치(S1 또는 S2) 및 두 개의 임피던스(Z1 및 Z2)와 연관될 수 있다. 스위치(S1 또는 S2)의 상태는 제 1 임피던스(Z1)나 제 2 임피던스(Z2)를 연결하는 것에 대한 연결 상태를 제공한다. 바람직한 실시예에서, 제 2 임피던스(Z2)는 0 Ω일 수 있고, 제 1 임피던스(Z1)는 무한적일 수 있으며, 따라서 접지 회로에 대한 원하는 단락 회로 또는 오픈 회로를 제공한다. 그러나, 여러 리액티브 값들과 같은 임피던스(Z1 및 Z2)의 다른 값들이 가능하다는 것을 알아야 한다. 또한, 다른 스위치 위 치들이 다른 방사 각도 방향을 제공하기 위해 추가될 수 있다.
여기서, 중앙 엘리먼트(102)는 핸드세트과 연관된 수신기 회로(300)에 직접 유도된다는 것이 또한 명백하다. 따라서, 다른 타입의 지향성 어레이들과는 달리, 이러한 특정 지향성 어레이(120)는 그것이 동작에 있어 매우 간단하고 복잡한 결합기 등이 불필요하다는 장점을 갖는다.
도 5a 내지 5d는 3-엘리먼트 적응성 안테나 어레이로부터 이용가능한 방위각 방사 패턴을 도시한다. 도 5a 및 5B는 지향성 빔 및 깊은 널(deep nulls)을 갖는 방사 패턴을 도시한다. 지향성 빔 각각은 반원을 대략적으로 커버한다. 각각의 지향 빔은 고유의 깊은 널을 가지고, 이는 신호-대-간섭+잡음 비율을 향상시키기 위해 간섭성 신호를 억제시키게 된다.
-X 방향을 따라 지향되는 도 5a의 빔 패턴은 수동 엘리먼트(104a)가 지향성 모드에서 동작하도록 하고 또한 수동 엘리먼트(104c)가 반사성 모드에서 동작하게 한다. 역으로, +X 방향을 따라 지향된 도 5b5c 방사 패턴은 수동 엘리먼트들(104a 및 104c)에 대한 동작 모드를 교환함으로써 이루어진다.
도 5c는 양방향성 방사 패턴을 나타낸다. 상기 양방향성 패턴은 각도 다이버시티에 추가하기 위해 사용될 수 있는데, 상기 각도 다이버시티는 높은 신호-대-잡음+간섭비를 실현하는 동일하게 좋은 기회를 갖는다. 도 5c의 상기 양방향성 방사 패턴은 수동 엘리먼트들(104a 및 104c) 모두가 반사성 모드로 동작하게 한다.
도 5d는 파일롯 탐색을 위해 통상적으로 필요한 전방향성 방사 패턴을 나타낸다. 이러한 패턴은 양 수동 엘리먼트들 모두가 지향성 모드로 동작하게 한다. 도 3c에서와 같이 비선형성 배열로 3-엘리먼트 안테나 어레이를 제작하고 또한 임피던스값 Z를 조정함으로써, 빔 패턴들은 더 많은 각도 위치들로 지향될 수 있다.
도 6a 및 6b는 핸드세트 내에 하우징되는 어레이(120)의 성능을 나타내는 안테나 패턴이다. 달성가능한 이득은 대략 3dBi이다. 도 6a는 3차원 방사 패턴이다(핸드세트(500)에 대해 도시된 관련 다이어그램에 대해 X, Y 및 Z 방향).
도 6b는 엘리먼트들 중 하나가 지향성 모드에 있고 다른 엘리먼트는 반사성 모드에 있을 때 달성가능한 방위 방사 패턴을 도시한다. 전도성 엘리먼트(Z 방향으로 전기적으로 덜 길게 제작됨)는 수신된 무선 파를 인터셉트하고 그것을 반사시킨다. +X 방향으로는 어떠한 전자기 차단도 없기 때문에, 파는 통과하고 피크를 생성한다. X 방향으로의 회로 기판의 디멘션은 공진 파장과 유사하지 않으며, 따라서 신호는 방위 평면 주변의 모든 방향으로 순환할 수 있다.
도 6c의 패턴은 입면 패턴이며, 하우징(110)의 효과를 나타내기 위해 이상적인 대칭 패턴에 비교되어야 한다. 상기 비교는 방위 평면 상에서의 모든 효과가 X-축으로부터 대략 15°만큼 벗어난 빔의 미세한 비대칭이다. 도 6c의 상기 패턴은 또한 "네킹-다운(necking-down)"을 나타내는데, 상기 네킹-다운은 핸드세트에 방사 엘리먼트를 배치한 효과이다. 비록 비대칭이 명백하더라도, 양호한 지향성이 적어도 거의 180°방위 평면을 따라 확인된다.
도 7a 내지 7d는 여러 실시예들에 따른 3-엘리먼트 적응성 안테나 어레이의 다른 접지 구조에 대한 고도의 개략도이다. 이동 통신 핸드세트과 같은 무선 통신 장치들에서, 핸드세트의 본체와 사람의 손은 무선 통신 신호의 수신 및 전송에 방 해가 될 수 있다. 일예로, 사람의 손은 RF 에너지를 흡수하여 통신 신호의 이득을 감소시킬 수 있다. 또한, 사람의 손의 반사 효과는 안테나의 공진 주파수를 시프트시킬 수 있다. 또한, 만약 안테나 엘리먼트의 니어필드가 국부적이지 않은 경우, RF 전류는 핸드세트의 본체쪽으로 확산하여 장치의 성능을 방해할 수 있다. 핸드세트 본체나 사람의 손과 어레이의 상호작용을 제한하기 위해서, 안테나 엘리먼트들의 베이스 근처 영역들에서 RF 전류나 니어 전자기 필드를 국한시키도록 하는 대안적인 접지 구조가 구현될 수 있다.
특히, 도 7a는 경상 접지 스트립(112a, 112c; mirror image ground strips)을 갖는 접지 구조를 도시하는데, 상기 스트립들은 수동 엘리먼트들의 형태 및 길이를 반영한다. 도 7b는 수동 안테나 엘리먼트와 동일한 길이를 갖는 휘어진 스트립(112a, 112c)을 구비하고 있는 접지 구조를 나타낸다. 도 7c는 대응하는 수동 엘리먼트들과 동일한 전기적인 길이를 갖는 미로 라인의 형태로 접지 구조를 도시한다. 도 7d는 유도성, 유전성 또는 페라이트 재료를 가지고 위치하는 짧은 스트립(112a 112c)과 같은 접지 구조를 도시한다.
도 8은 일실시예에 따른 2-엘리먼트 적응성 지향 안테나 어레이(220)를 포함하고 있는 무선 통신 장치(200)의 개략도이다. 예시적인 실시예에서, 안테나 어레이(220)는 두 개의 단극 안테나 엘리먼트(104 및 102)로 구성된다.
3-엘리먼트 어레이와 같이, 2-엘리먼트 어레이도 하우징 내에 은폐된 접지 구조 모두와 안테나의 일부분과 함께 핸드세트(110)의 상단 또는 하단에 장착될 수 있다. 2-엘리먼트 안테나 어레이(220)는 또한 상이한 정도의 유동성을 갖는 막에 부착되는 얇은 도전체 스트립들에서 보호성 코딩을 갖는 비교적 딱딱한 전도체들일 수 있다.
안테나 어레이(220)는 하나의 엘리먼트는 능동성인 반면 다른 엘리먼트는 수동성이도록 동작될 수 있다. 능동 및 수동 엘리먼트들의 지정은 정해질 수 있지만, 수동 엘리먼트들은 상이한 방사 위상으로 지향적이거나 또는 반사적일 수 있기 때문에, 안테나가 다중 지향성 모드를 갖게 한다. 능동 및 수동 엘리먼트들의 설계는 또한 교환가능하기 때문에 안테나가 이중 지향성 모드들을 갖게 한다. 후자의 설계에서는, 2-엘리먼트 어레이는 3-엘리먼트 안테나 어레이에 비교해서 거의 절반의 크기 감소를 갖는 동일한 수의 지향성 모드를 제공한다.
도 9는 일실시예에 따른 2-엘리먼트 적응성 안테나 어레이의 더욱 상세한 도면이다. 2-엘리먼트 안테나 어레이의 제작은 안테나 엘리먼트 및 피드 구조의 수를 제외하고는 도 3a의 3-엘리먼트 어레이와 유사하다.
도 10a 내지 10c는 여러 실시예들에 따른 2-엘리먼트 적응성 안테나 어레이에 대한 피드 구조를 나타내는 다른 회로도를 도시한다.
도 10a는 능동 및 수동 안테나 엘리먼트들의 지정이 정해지는 피드 구조의 회로도이다. 스위치 및 제어 구동기(242)는 엘리먼트(104)와 연관된 제어 모듈(116)에 논리 제어 신호들을 제공한다. 예컨대, 제어 모듈(116)은 스위치(S1) 및 두개의 임피던스(Z1, Z2)와 연관될 수 있다. 스위치(S1)의 상태는 제 1 임피던스(Z1) 또는 제 2 임피던스(Z2)중 어느 하나를 접속하는 접속 상태들을 위하여 제공한다. 상기 피드 구조와 함께 실현가능한 빔 패턴들은 전방향성 또는 단방향성 모드 빔 패턴에 제한된다. 제 3 스위치 위치가 제 3 임피던스에 접속하도록 추가되면, 반대 방향 및 다른 형상을 가질 수 있는 제 2 방향 패턴이 생성될 수 있다.
도 10b는 안테나 엘리먼트들이 능동 및 수동 상태들사이에서 교환가능한 피드 구조에 대한 회로도이다. 이러한 실시예에서, 양 엘리먼트들은 핸드세트와 연관된 트랜시버 회로(300)에 직접 접속된다. 스위치 및 제어 드라이버(242)는 엘리먼트들(104, 102)과 각각 연관된 제어 모듈들(116, 122)에 논리 제어 신호들을 제공한다. 예컨대, 각각의 제어 모듈은 스위치(S1 또는 S2) 및 두개의 임피던스들(Z1, Z2)과 연관될 수 있다.
바람직한 실시예에서, 제 2 임피던스는 0 오옴일 수 있으며, 제 1 임피던스(Z1)는 무한하여 적정 단락회로를 접지(SC) 또는 개방회로(OC)에 제공한다. 그 다음에, 두개의 스위치들(S1, S2)은 이들중 하나가 개방회로에 접속되고 다른 하나가 단락회로에 접속될 수 있도록 동기된다. 접지에 접속되는 안테나 엘리먼트(102 또는 104)은 반사 모드에서 동작하는 수동 엘리먼트이고, 개방 회로에 접속되는 안테나 엘리먼트(104 또는 102)는 능동 엘리먼트이다. 이러한 방식에서, 두개의 엘리먼트 에레이는 두방향 모드 빔 패턴들 및 전방향 빔 패턴을 제공할 수 있다.
도 10c는 스위치들(S1, S2)에 다른 위치가 추가되는 대안적인 교환가능한 피드 구조에 대한 회로도이다. 이러한 실시예에서, 스위치(S1, S2)는 접지(SC), 개방회로(OC) 또는 트랜시버 회로(300)중 하나에 안테나 엘리먼트들을 개별적으로 접속할 수 있다. 이러한 피드 구조에서, 능동 및 수동 상태들은 두개의 엘리먼트사이에서 교환될 수 있다. 게다가, 엘리먼트가 수동일때, 이 엘리먼트는 반사 및 지향 모 드 둘다에서 동작할 수 있다.
본 발명이 특히 바람직한 실시예들과 관련하여 기술되었지만, 실시예들의 다양한 수정 및 변형이 첨부된 청구범위에 의하여 한정된 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 이루어질 수 있다는 것을 당업자는 이해해야 한다.
본 발명은 적응형 안테나 어레이를 구비한 이동 통신 핸드세트를 제공한다.

Claims (3)

  1. 하우징;
    상기 하우징내에 배치된 유전체 기판;
    상기 유전체 기판의 제 1부분상에 배치된 적어도 하나의 수동 안테나 엘리먼트; 및
    상기 적어도 하나의 수동 안테나 엘리먼트에 인접하게 상기 유전체 기판의 제 1부분상에 배치되며, 전자 무선 통신회로들에 접속된 능동 안테나 엘리먼트를 포함하며;
    상기 적어도 하나의 수동 안테나 엘리먼트는 상기 안테나 엘리먼트에 접속된 통신신호들의 지향성에 영향을 미치는 회로 엘리먼트들에 접속되는 이동 통신 핸드세트.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 수동 안테나 엘리먼트 및 상기 능동 엘리먼트는 단극 안테나들인 것을 특징으로 하는 이동 통신 핸드세트.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 수동 안테나 엘리먼트 및 상기 능동 안테나는 쌍극 안테나들인 것을 특징으로 하는 이동 통신 핸드세트.
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