KR20070057280A - 무선 응용을 위한 다중 대역의 접이식 모노폴 안테나와그의 동작 및 제조 방법 - Google Patents

무선 응용을 위한 다중 대역의 접이식 모노폴 안테나와그의 동작 및 제조 방법 Download PDF

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빙 치앙
마이클 제이 린치
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아이피알 라이센싱, 인코포레이티드
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Abstract

상한 및 하한 주파수 대역을 지원하는 접이식 모노폴 안테나가 CDMA, WLAN 또는 다른 무선 통신 시스템에서 사용될 수 있다. 접이식 모노폴 안테나는 핸드셋에서 수직 접지 평면 옆에 위치될 수 있다. 접이식 모노폴 안테나는 적어도 2번 접혀질 수 있으며 리액턴스를 통해 접지 평면에 연결될 수 있다. 접이식 모노폴 안테나의 서로 다른 섹션의 치수는 하한 및 상한 주파수 대역 특성을 정의하며, 입력 피드의 오프셋 위치는 주파수 대역의 대역폭에 영향을 미친다. 안테나와 접지 평면 간의 리액턴스는 주파수 대역을 미세 조정하기 위해 선택될 수 있다. 코플래너 도파관을 비롯한 여러가지 입력 피드가 이용될 수 있다. 안테나를 다양한 환경에 적합하도록 하기 위해 입력 피드 및 접지 라인에 동적으로 조정가능한 리액턴스가 사용될 수 있다.
접이식 모노폴 안테나, 입력 피드, 리액턴스, 무선 통신

Description

무선 응용을 위한 다중 대역의 접이식 모노폴 안테나와 그의 동작 및 제조 방법{MULTI-BAND ANTENNA FOR WIRELESS APPLICATIONS}
도 1은 본 발명의 원리에 따른 접이식 모노폴 안테나가 이용될 수 있는 예시적인 네트워크를 나타낸 도면.
도 2a는 본 발명의 원리들에 따른 접이식 모노폴 안테나를 이용하는 핸드헬드 통신 장치의 기계적 측면을 나타낸 도면.
도 2b는 도 2a의 핸드헬드 통신 장치의 대체 실시예의 기계적 측면을 나타낸 도면.
도 2c는 도 2a의 접이식 모노폴 안테나를 이용하는 퍼스널 컴퓨터를 나타낸 도면.
도 3a 내지 도 3c는 도 2a의 접이식 모노폴 안테나의 기계적 측면을 나타낸 도면.
도 4a 내지 도 4d는 도 3a의 접이식 모노폴 안테나의 중심에 있는 또 중심을 벗어나 있는 실시예의 무선 주파수(RF) 전류 경로를 나타낸 도면.
도 5는 시뮬레이션을 통해 측정된 도 3a의 접이식 모노폴 안테나의 주파수 정합을 나타낸 스펙트럼도.
도 6a는 도 4b의 접이식 모노폴 안테나의 주파수 정합을 나타내는 곡선을 포 함하는 측정된 스펙트럼을 나타낸 도면.
도 6b는 도 6a의 측정된 스펙트럼을 나타낸 도면에 대응하는 곡선을 포함하는 스미스 차트.
도 7은 도 3a의 접이식 모노폴 안테나의 다른 실시예를 나타낸 도면.
본 출원은 2003년 7월 21일자로 출원된 미국 가특허출원 제60/489,149호를 우선권 주장한다. 상기 출원은 여기에 인용함으로써 그 전체 내용이 본 명세서에 포함된다.
도 1의 통신 시스템 등의 CDMA(code division multiple access, 코드 분할 다중 접속) 통신 시스템은 기지국(110)과 셀 전화(130), 개인 휴대 단말기(PDA)(140), 또는 셀룰러 모뎀을 갖춘 휴대용 컴퓨터(Portable Computer, PC)(135) 등의 하나 이상의 이동 또는 휴대용 가입자 유닛 간에 무선 통신을 제공한다. 기지국은 일반적으로 게이트웨이(도시 생략)를 통해 인터넷 등의 원거리 통신망(Wide Area Network, WAN)(115)에 연결되어 있는 지상 기반 공중 교환 전화망(Public Switched Telephone Network, PSTN)(112)에 상호 연결된 일련의 컴퓨터 제어 송수신기이다.
기지국은 또한 정방향 링크 무선 주파수 신호(150a)를 이동 가입자 유닛으로 전송하고 또 각각의 이동 가입자 유닛으로부터 전송된 역방향 링크 무선 주파수 신 호(150b)를 수신하기 위한 안테나 장치(105)를 더 포함한다. 각각의 이동 가입자 유닛은 또한 정방향 링크 신호의 수신 및 역방향 링크 신호의 전송을 위한 안테나 장치를 포함한다. 유사한 통신 기술은 네트워크 라우터(120)가 무선 액세스 포인트(125)를 WAN(115)에 연결시키고 있는 무선 근거리 통신망(Wireless Local Area Network, WLAN)(117)에서 발견된다. CDMA 또는 WLAN 시스템에서, 다수의 이동 가입자 유닛은 동일한 중심 주파수 상으로 신호를 전송 및 수신할 수 있지만, 고유의 변조 코드가 개개의 가입자 유닛으로 전송되거나 그로부터 수신되는 신호들을 구분시켜준다.
CDMA 이외에, 기지국과 하나 이상의 휴대용 또는 이동 유닛 간의 통신을 위해 이용되는 다른 무선 액세스 기술은 WLAN(117)에서 선택적으로 사용되는 IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineering) 802.11 표준 및 업계-개발 무선 블루투스 표준에 의해 기술된 것을 포함한다. 이러한 무선 통신 기술 모두는 수신 및 송신 사이트 둘다에서 안테나의 사용을 요구한다. 당업자라면 임의의 무선 통신 시스템에서 안테나 이득의 증가는 유익한 효과를 갖는다는 것을 잘 알고 있다.
이동 가입자 유닛에서 신호를 전송 및 수신하기 위한 통상의 안테나는 모노폴 안테나(또는 무지향성 방사 패턴을 갖는 임의의 다른 안테나)이다. 모노폴 안테나는 가입자 유닛 내의 송수신기에 연결되어 있는 단일의 와이어 또는 안테나 요소로 이루어져 있다. 가입자 유닛으로부터의 전송을 위한 아날로그 또는 디지털 정보는 송수신기에 입력되고 이 송수신기에서 그 정보는 CDMA의 경우에 그 가입자 유닛에 할당된 변조 코드를 사용하여 어떤 주파수에서 반송파 신호 상으로 변조된다. 변조된 반송파 신호는 가입자 유닛 안테나로부터 기지국으로 전송된다. 가입자 유닛 안테나에 의해 수신된 정방향 링크 신호는 송수신기에 의해 복조되어 가입자 유닛 내의 처리 회로에 공급된다.
본 발명의 원리들에 따르면, 접이식 모노폴 안테나는 3개의 평면 섹션을 포함한다. 제1 평면 섹션은 접이식 모노폴 안테나에 의해 지원되는 제1 공진 주파수를 실질적으로 정의하는 제1 치수를 갖는다. 일 실시예에서, 이 제1 치수는 높이이다. 제2 평면 섹션은 제1 평면 섹션에 실질적으로 평행하다. 제1 및 제2 평면 섹션은 개별적인 제1 및 제2 치수를 가지며, 이들 치수는 접이식 모노폴 안테나에 의해 지원되는 제2 공진 주파수를 실질적으로 정의한다. 제3 섹션은 제1 평면 섹션을 제2 평면 섹션에 연결시킨다. 제1, 제2 및 제3 섹션을 생성하기 위해, 금속 시트는 90도로 2번 접혀질 수 있다. 입력 피드는 제1 위치에서 제1 평면 섹션에 결합될 수 있고 또 접이식 모노폴 안테나 및 송수신기 등의 외부 장치로 또는 그로부터의 무선 주파수(RF) 신호를 피드(feed)하도록 구성되어 있다. 제1 위치와 제1 평면 섹션의 중심선 사이의 거리(즉, 오프셋)는 제1 공진 주파수에서의 제1 대역폭에 기여한다. 예를 들어, 대역폭은 입력 피드가 중심선에서 멀리 떨어져 있을 때보다 입력 피드가 중심선에 있을 때 더 좁다. 리액턴스는 제2 평면 섹션의 제2 위치에서 제2 평면 섹션과 접지 평면을 결합하도록 구성되어 있다. 제1 및 제2 위치와 제1 및 제2 평면 섹션의 중심선 사이의 거리(즉, 오프셋)는 제2 공진 주파수에 서 접이식 모노폴 안테나에 의해 지원되는 제2 대역폭에 기여한다.
접이식 모노폴 안테나의 여러가지 실시예가 가능하다. 예를 들어, 리액턴스는 제2 공진 주파수를 미세 조정하기 위해 단락과 개방을 포함하여 이들 사이에서 선택가능할 수 있다. 리액턴스는 접이식 모노폴 안테나의 동작 동안에 선택가능할 수 있다. 리액턴스는 또한 제2 평면 섹션과 접지 평면 사이에 분포된 다수의 리액턴스를 포함할 수 있다. 다수의 리액턴스의 경우에, 다수의 개별적인 스위치가 적어도 하나의 선택가능 위치에서 제2 평면 섹션과 접지 평면을 선택적으로 결합시키는 데 사용될 수 있다.
입력 피드는 제1 평면 섹션 상에 분포된 다수의 입력 피드 중 하나일 수 있다. 다수의 입력 피드의 경우에, 접이식 모노폴 안테나는 입력 피드들을 인에이블시키는 개별적인 스위치를 포함할 수 있다. 입력 피드는 또한 입력 정합을 위한 리액턴스(즉, 허수 부분)를 포함할 수 있으며, 이 리액턴스는 동작 전에 또는 동작 동안에 선택적으로 조정가능하다. 입력 피드는 코플래너 도파관일 수 있다. 입력 임피던스 정합을 위해 코플래너 도파관의 방사 저항(즉, 실수 부분)을 변경하도록 코플래너 도파관을 조정가능하게 구성하는 메카니즘이 코플래너 도파관과 연관될 수 있다.
제1 대역폭은 900 MHz를 포함할 수 있고, 제2 대역폭은 1.85 GHz를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 제1 대역폭은 2.4 GHz를 포함하고, 제2 대역폭은 5.2 GHz를 포함한다.
접이식 모노폴 안테나는 셀 전화, 개인 휴대 단말기(PDA) 및 랩톱 퍼스널 컴 퓨터(PC)를 비롯하여, 무선 근거리 통신망(WLAN)에서 사용하기 위힌 핸드헬드 또는 휴대용 무선 통신 장치에서 사용될 수 있다.
대응하는 방법 및 제조 방법도 역시 본 발명의 원리들의 범위 내에 속한다.
본 발명의 상기한 목적, 특징 및 이점과 기타의 목적, 특징 및 이점은 유사한 참조 번호가 서로 다른 도면에 걸쳐 동일한 부분을 언급하고 있는 첨부 도면에 도시된 바와 같은 본 발명의 양호한 실시에에 대한 이하의 보다 상세한 설명으로부터 명백하게 될 것이다. 이 도면은 반드시 축척대로 도시되지 않았으며, 그 대신에 본 발명의 원리를 설명하는 것에 중점을 두고 있다.
이하에서, 본 발명의 양호한 실시예에 대한 설명한다.
무선 핸드셋 산업은 항상 그의 응용에 적합하도록 안테나를 최적화하는 방법들을 찾고 있다. 통상적인 문제는 안테나를 고객에게 매력적인 소형 구조 내에 어떻게 집어넣느냐 하는 것이다. 이용가능한 공간의 크기 및 형상은 종종 아주 제한적이다. 다른 문제는 이용가능한 주파수 대역을 특정의 스펙트럼 소유자에게 세분하는 것이며, 안테나는 단일 주파수든지 다중 주파수 든지 이들 주파수에서 동작해야만 한다. 성능 업그레이드를 위한 가능성을 제공하기 위해, 안테나는 다양성, 선택성 및 스마트 기능을 제공할 수 있어야만 한다.
본 발명의 일 실시예의 선택된 출발점은 모노폴이지만, 본 명세서에 설명된 기술은 본 발명의 다른 실시예에서 다이폴 또는 루프에 적용될 수 있다. 전기적으로 소형인 안테나를 지배하는 궁극적인 물리적인 규칙을 만족시키기 위해, 최종 제 품은 그의 출발점에 상관없이 기본적으로 동일하다.
상기한 기준에 따라 안테나를 설계, 제조 및 사용하기 위해 여러가지 기술이 사용될 수 있다. 예를 들어, 이하의 기술들이 적용될 수 있다.
● 전기적으로 소형인 안테나는 그의 방사 저항이 극한에 이른다, 즉 아주 낮거나 아주 높다. 모노폴의 경우, 방사 저항은 아주 낮다. 이를 증가시키는 기술은 접이식 대응부 또는 접이식 모노폴 구조를 갖는 것이다.
● 보다 넓은 대역폭을 지원하기 위해, 안테나 폭이 증가된다.
● 전기적으로 소형인 안테나의 최대 이득 및 대역폭을 달성하기 위해, 접이식 구조 및 그의 폭은 이용가능한 공간을 채울 수 있다.
● 핸드셋의 경우, 그의 물리적 표면 및 부피는 안테나에 할당된 것보다 몇배 더 크다. 이 더 큰 표면 또는 부피는 안테나에 대한 접지로서 이용될 수 있다. 그렇게 할 때, 안테나 시스템은 더 크거나 더 이상 전기적으로 소형일 수 없고, 방사 효율 또는 이득-대역폭 곱이 향상된다.
● 피드 영역에서, 피드점을 안테나의 내부에 위치시키기 위해 코플래너 도파관이 사용될 수 있다. 이것은 피드점을 최적의 방사 중심에 위치시킬 수 있거나 입력 임피던스를 원하는 값으로 조정할 수 있다.
● 이중 대역 또는 다중 대역에 대한 입력 임피던스를 추가로 조정하기 위해 피드 라인을 따라 리액턴스가 부가될 수 있다.
● 리액턴스가 접이식 모노폴의 접지된 부분에 부가될 수 있다. 이것은 안테나의 유효 길이를 변경하는 효과를 갖는다. 예를 들어, 유도성 결합은 길이를 증가시키고 용량성 결합은 길이를 단축시킨다. 유효 길이는 공진 주파수 또는 주파수들을 직접 제어한다.
● 피드를 그 중앙이 안테나 폭의 중심점에 오도록 한다. 이것은 안테나의 기본 공진에서 폭넓은 공진을 제공하고 또한 제2 고조파에서도 폭넓은 공진을 제공한다.
● 피드를 안테나의 폭을 따라 모서리쪽으로 위치시키면 제2 주파수 대 기본 주파수의 비가 변경된다. 이것은 다수의 주파수를 조정할 수 있게 해준다.
● 핸드셋의 다른 부분들로 뻗어 있는 안테나의 접지 부분은 양호하게는 충분히 크다. 충분히 크다는 것은 그의 크기가 기본 공진을 지원하는 데 필요한 것보다 크다는 것을 말한다. 큰 경우, 안테나의 공진 주파수는 사용자가 핸드셋을 만지거나 들고 있는 때 등의 외부 요인에 민감하지 않다. 원하지 않는 주파수 천이는 종종 안테나의 유용성을 결정하는 주요 요인이다.
일 실시예에서, 적절한 치수로 설계되면 이하의 결과를 가져온다. 이 설계는 2개의 저 대역 및 2개의 고 대역을 생성한다. 2개의 고 대역은 함께 15% 대역을 차지하고 2개의 저 대역은 5% 대역을 차지한다. 고 대역은 저 대역보다 2.4배 높다. 이는 고 대역이 저 대역의 정확한 제2 고조파가 아니라는 사실을 말한다. 주파수 오프셋은 피드점이 입력 피드가 배치된 모노폴의 섹션의 중심선(즉, 폭 중심)으로부터 오프셋된 결과이다. 다른 원형(prototype)에서, 피드가 측면으로 오프셋되지 않은 경우, 주파수 비는 2:1에 훨씬 더 가깝다. 대역폭은 이득 대역폭보다는 오히려 입력 임피던스 대역폭으로서 정의된다. 대역내 영역은 입력 임피던스 가 -6dB보다 양호한 부정합을 갖는 영역이다. 임피던스 대역폭이 사용되는 이유는 빔의 폭이 넓고 따라서 빔을 정의하는 것이 어렵기 때문이다.
이상에서 요약한 기술들은 스마트한 안테나 구현에 적합한 다양한 패턴을 생성하는 데 사용될 수 있다. 콤팩트 사이즈로 인해, 본 발명의 일 실시예에 따른 접이식 모노폴 안테나는 이상적으로는 가입자 유닛에서 사용하기에 적합하다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 원리들에 따른 접이식 모노폴 안테나(본 명세서에서 "모노폴"이라고도 함) 및 상기한 개념들이 이용될 수 있는 응용들이다.
도 2a는 본 발명의 원리들에 따른 접이식 모노폴 안테나(200)의 실시예가 이용되는 셀 전화(130)의 기계적 측면을 나타낸 도면이다. 셀 전화는 접이식 모노폴 안테나(200) 이외에 지향성 안테나(205)를 포함한다. 접지 평면(220)은 지향성 안테나(205)와 함께 사용하기에 적합하게 되어 있고 또 이 셀 전화(130)의 길이를 그에 연결시키기 위해 접이식 모노폴 안테나(200)까지 연장시킨다.
지향성 안테나는 미국 특허 제6,600,456호에 기술되어 있는 것 등의 동적인 방식으로 제어되는 한쌍의 수동 안테나 요소(215)에 의해 둘러싸여 있는 능동 안테나 요소(210)를 포함하며, 상기 특허는 여기에 인용함으로써 그 전체 내용이 본 명세서에 포함된다. 지향성 안테나(205)는 주파수 대역을 잘 알고 있을 때 사용된다. 서로 다른 서비스 제공자가 "분할된(segmented)" 주파수(즉, 전송 및 수신)를 갖는 경우 또는 이중 사용이 요망되는 경우 등과 같이 주파수 대역을 잘 알고 있지 않은 경우, 모노폴(200)이 사용된다. 예를 들어, 이중 사용은 레거시(legacy) 셀 전화 대역(예를 들어, 900 MHz) 및 비레거시(non-legacy) PCS 대역(즉, 1.85 GHz) 을 포함할 수 있다. 다른 예는 IEEE 802.11(b) 또는 (g)(즉, 2.4 GHz) 및 802.11(a)(즉, 5.2 GHz)를 포함한다. 어느 이중 사용 예에서든지, 접이식 모노폴 안테나(200)는 양쪽 주파수 모두에서 설계 및 사용될 수 있고 또 서비스 제공자의 할당된 전송 및 수신 주파수를 지원하기 위해 각 주파수에서 충분히 넓은 대역폭을 가질 수 있다. 모노폴(200)은 일반적으로 무지향성 빔 패턴을 갖지만 보다 지향적인 빔 패턴을 생성하기 위해 수정될 수 있다.
도 2b는 접이식 모노폴 안테나(200)가 이용되는 다른 셀 전화(130)의 예이다. 셀 전화(130)는 핸드셋 몸체(230) 및 플라스틱 배터리 하우징(225)을 포함한다. 플라스틱 배터리 하우징(225)은 배터리(220) 및 모노폴(200)을 애워싸고 있다. 안테나 접지 평면(220)은 플라스틱 배터리 하우징(225) 내에 통합되어 있다.
모노폴(200)도 역시 핸드셋 몸체(230)에 배치될 수 있으며 그에 따라 접지 평면(220)이 연장되어 있음을 잘 알 것이다. 대체 실시예에서, 모노폴(200)은 셀 전화 부속물(도시 생략)을 비롯하여, 셀 전화(130)의 다른 영역에 위치될 수 있다.
도 2c는 모노폴(200)이 CDMA 네트워크 또는 WLAN 네트워크로의 무선 통신을 갖는 퍼스널 컴퓨터(135)에서 이용되는 예시적인 응용이다. 모노폴(200)은 PC(135)에서 후방쪽에 위치하는 것으로 도시되어 있지만, 예를 들어 PCMCIA 카드(도시 생략)에 또는 RF-호환 버스를 통해 PC(135)에 연결되는 플러그-인 유닛으로서, 기타 등등의 다른 영역에 배치될 수 있다.
도 3a는 접이식 모노폴 안테나(200)가 접지 평면(220) 옆에 있는 것을 나타낸 것이다. 모노폴(200)은 우측에 도시되어 있으며, 접지 평면(220)은 우측 하부 로부터 좌측의 전체 영역으로 뻗어 있다. 모노폴(200)은 금속 시트로 제조될 수 있다.
도 3a의 실시예에서, 모노폴(200)은 상부에서 두번 기계적으로 접혀지며, 따라서 제1("전방") 및 제2("후방") 평행 섹션을 형성하며, 제3("상부") 섹션은 전방 섹션과 후방 섹션을 연결시킨다.
후방 섹션은 라인 리액턴스(305)를 통해 접지 평면(220)에 연결된다. 모노폴 피드 영역(300)("피드")은 우측 하부에 도시되어 있다. 이 실시예에서, 피드는 개선된 방사 저항을 생성하기 위해 시트 금속 모노폴(200) 내로 돌출하는 코플래너 도파관이다. 입력 리액턴스를 조정하기 위해 피드 리액턴스(310)가 부가될 수 있다. 라인 리액턴스(305)는 접힌 부분의 유효 길이에 영향을 주며, 따라서 가변적이게 되어 있는 경우, 이는 주파수 조정 및 방사 패턴 형상의 제어를 위해 사용될 수 있다. 피드 리액턴스(310)는 임피던스 정합을 최적화하기 위해 가변적이게 되어 있을 수 있다.
도 3b는 RF 케이블와 커넥터 어셈블리(도시 생략)의 모노폴(200)의 입력 피드(300)로의 연결을 용이하게 해주는 동축 커넥터(320)를 3차원으로 나타낸 도면을 제공한다. 또한, 라인(305)에 설치된 인덕터(315)가 안테나(200)와 접지 평면(220) 사이에 도시되어 있다. 피드 인덕터(310) 및 라인 인덕터(315)는 상업적으로 이용가능한 칩 형태일 수 있거나 그의 개별적인 장소의 범위 내에 들어맞도록 구성된 다른 인덕터 형태일 수 있다. 일 실시예에서, 입력 피드 인덕터(310)는 5.62 nH이고, 라인 인덕터(315)는 3.74 nH이다.
입력 피드 인덕터(310) 및 라인 인덕터(315)는 초기화 프로세스 동안 또는 동작 동안 값들을 변경하기 위해 전기적으로 제어될 수 있다. 라인 인덕터(315)의 값들을 변경하는 이유로는 모노폴(200)에 의해 지원되는 대역폭에서의 중심 주파수를 변경하는 것이 있다.
도 3c는 모노폴(200) 및 접지 평면(220)의 기계적 측면을 2차원적으로 나타낸 도면이다. 예시적인 치수는 셀 전화 응용에 대한 것이며 단위는 영국식으로 나타내어져 있다. 또한, 입력 피드(300)도 영국식 단위로 된 치수를 포함하고 있다. 이 예에서, 입력 피드(300)는 입력 임피던스를 커넥터 어셈블리(320)에 연결된 동축 라인(도시 생략)에 정합시키는 코플래너 도파관이다. 코플래너 도파관은 수동 조정으로 방사 저항의 폭넓은 범위를 가능하게 해주는 데 필요한 것보다 더 길 수 있는 모노폴 내로 주어진 깊이까지 뻗어 있다. 방사 저항을 조정하기 위해, 도전성 테이프 또는 도전성 슬라이더(도시 생략)가 코플래너 도파관에 적용될 수 있다. 슬라이더의 경우에, 슬라이더는 일단 설정되면 선택된 성능을 유지하기 위해 슬라이드-홀드 기능을 용이하게 해주는 방식으로 모노폴(200)에 연결되어 있는 레일 또는 다른 메카니즘(들) 상에 설치될 수 있다. 이 목적을 위해 사용되는 슬라이더와 함께 여러가지 래치 또는 로크(locking) 메카니즘이 이용될 수 있다.
도 4a는 입력 피드(300)로부터 모노폴(200)과 관련 접지 평면(220) 간을 연결하는 라인까지 횡단하는 RF 신호가 지나가는 경로를 나타낸 도면이다. 경로에 대해 기술하기 전에, 모노폴(200)을 더 상세히 기술하기 위해 어떤 전문 용어가 제공된다.
모노폴(200)의 이 실시예에서, 모노폴은 3 섹션, 즉 제1(또는 전방) 섹션(405), 제2(또는 후방) 섹션(415) 및 제3(또는 상부) 섹션(410)으로 접혀진다. 이 실시예에서, 전방 및 후방 섹션(410, 415)과 상부 섹션(410) 간의 교선은 각각 굴곡부(fold)(407, 412)이고, 이들은 양호하게는 90도 이지만 대체 실시예에서는 다른 각도일 수 있다. 게다가, 상부 섹션(410)은 둥글게 되어 있거나 다른 실시예에서는 다른 형상일 수 있다. 또다른 실시예에서, 굴곡부(407, 412)는 본 명세서에 기술된 RF 응용에 사용하기에 적합한 연결부일 수 있다.
이제 입력 피드(300)로부터 접지 라인(305)까지 섹션(405, 410, 415)을 따라 뻗어 있는 것으로 도시된 RF 전류 경로(420a, 420b)(합하여 420)를 가리키는 화살표를 참조하면, 제1 경로(420a)는 전방 섹션(405)의 하부로부터 전방 섹션의 상부로 곧장 위쪽으로 뻗어 있고, 상부 섹션(410)을 거쳐 후방 섹션(415)으로 이동하고 후방 섹션(415)의 상부로부터 접지 라인(305)으로 수직으로 내려간다. 이 제1 경로(420a)는 소스[즉, 입력 피드(300)에 연결된 커넥터(320)]로부터 모노폴(200)을 통해 접지(220)에 이르는 최단 전류 경로이다. 제2 경로(420b)는 입력 피드(300)로부터 전방 섹션(405)의 좌측 상부 코너로 대각선으로 뻗어 있는 화살표로 도시되어 있으며, 상부 섹션(410)의 좌측 모서리를 통해 지나서 후방 섹션(415)의 좌측 상부 코너로부터 접지 라인(305)으로 대각선으로 내려간다.
도 4b는 입력 피드(300)가 전방 섹션(405)의 우측에 위치하고(즉, 오프셋되어) 있는 모노폴의 다른 실시예를 나타낸 것이다. 접지 라인(305)도 역시 후방 섹션(415)의 우측에 위치하고(즉, 오프셋되어) 있다. 입력 피드(300)로부터 모노 폴(200)을 통해 접지(220)으로의 대응하는 제1 경로(420a)(즉, 최단 RF 전류 경로)는 입력 피드(300)가 모노폴(200)의 이 배향에서의 수직 중앙(즉, "중심선")에 위치할(즉, 그 중심이 있을) 때와 동일한 길이이다. 그렇지만, 다른 일련의 화살표로 나타낸 바와 같이, 입력 피드(300) 및 접지 라인(305)이 중심선에 위치하고 있을 때 대각선 전류 경로(420c)는 대각선 전류 경로(420b)보다 더 길다. 이 증가된 대각선 전류 경로(420c)는 모노폴(200)에 의해 지원되는 대역폭을 증가시키며, 이에 대해서는 도 5, 도 6a 및 도 6b를 참조하여 이하에서 상세히 기술된다.
모노폴(200)의 주파수 및 대역폭 속성을 일반화하기 전에, RF 전류 경로의 추가의 설명에 대해 기술한다.
도 4c는 도 4a를 참조하여 전술한 것과 동일한 모노폴(200) 구성이다. 도 4c에서, 입력 피드(300) 및 접지 라인(305)은 또다시 중앙에 있다. 모노폴(200)의 전방 섹션(405)을 따라 위로 또 아래로 이동하는 RF 전류 경로를 나타낸 화살표가 도시되어 있다. 최단 전류 경로(425a)는 전방 섹션(405)을 따라 곧장 위로 또 아래로 뻗어 있다. 더 긴 전류 경로(425b)는 더 긴 대각선 화살표로 나타내어져 있다.
도 4d는 도 4b를 참조하여 전술한 것과 동일한 모노폴(200) 구성으로서, 입력 피드(300)와 접지 라인(305)이 오프셋되어 있다. 최단 전류 경로(425a)는 또다 시 화살표로 도시되어 있고, 더 긴 전류 경로(425c)는 또다시 대각선 화살표로 도시되어 있다.
모노폴(200)을 정의하는 2차원 섹션(405, 415)의 치수는 기본적으로 모노 폴(200)의 주파수 특성을 정의한다. 그렇지만, 상부 섹션(410)의 치수와 산란 등의 다른 RF 전류 효과가 주파수 특성에 기여한다는 것을 잘 알 것이다.
도 5는 도 3a 내지 도 3c에 지정된 치수를 갖는 도 4a 내지 도 4d의 모노폴(200)에 대응하는 시뮬레이션을 통해 발생된 스펙트럼도이다. 스펙트럼도(500)는 2개의 곡선, 즉 중심 피드 곡선(505) 및 오프셋(offset) 피드 곡선(510)을 포함하고 있다. 용어 "중심" 및 "오프셋"은 전방 섹션(405) 상에서의 입력 피드(300)의 위치 및 후방 섹션(415) 상에서의 접지 라인(305)의 위치에 대응한다. 중심 피드 곡선(505) 및 오프셋 피드 곡선(510)은 3 위치에서 각각 "양호한" 주파수 정합 특성(즉, 공진)을 갖는다. 중심 피드 곡선(505)은 점(515a, 515b, 520a) 주파수 정합 특성을 갖는다. 오프셋 피드 곡선(510)은 점(515c, 515c, 520b)에서 양호한 정합 특성을 갖는다. 유의할 점은 중심 피드 대역 간격(즉, 점(515a, 515b)과 점(515c, 515d) 사이의 거리)은 도 4b 및 도 4d의 오프셋 피드 구성보다 도 4a 및 도 4c의 중심 피드 구성에 대해 더 가깝다. 대역 간격 차이가 있는 이유는 대각선 전류 경로[420b(도 4a) 및 420c(도 4b)]의 길이의 차이를 반영하기 때문이다.
도 5의 곡선(505, 510)으로 나타내어진 주파수 특성은 다음과 같이 접이식 모노폴 안테나의 치수에 대응한다. 곡선(505, 510) 각각의 최하위 공진(515a, 515c)은 각각 입력 피드(300)와 접지 라인(305) 사이에서 RF 신호가 지나가는 총 전류 경로에 의해 결정된다. 곡선(505, 510)의 두번째 최하위 공진(520a, 520b)은 도 4a 및 도 4b에 도시된 비대각선 전류 경로에 의해 결정된다.
알 수 있는 바와 같이, 최하위 공진(515c)은 입력 피드(300)를 모노폴(200) 의 중심선으로부터 멀리 이동시킴으로써 또한 접지 라인(305)을 동일한 방향으로 중심선으로부터 멀리 이동시킴으로써 생성된다(도 4b 참조). 입력 피드(300) 및 접지 라인(305)이 중심선에 있든 모노폴의 한쪽 단부쪽에 있든지 간에 입력 피드(300)와 접지 라인(305) 간의 최단 전류 경로가 동일하게 유지되기 때문에, 소스와 접지 라인이 오프셋되어 있을 때 저 주파수에서의 대역폭이 더 넓다. 환언하면, 중심 구성과 오프셋 구성 간의 경로 길이의 차이가 대역폭을 결정한다.
고 주파수 공진(515b, 515d)는 전방 섹션(405)의 높이에 의해 결정된다. 저 주파수 대역폭과 유사하게, 고 주파수 대역폭은 최단 전류 경로(425a)의 왕복 경로 길이와 도 4c 및 도 4d에 예시된 전방 섹션(405)의 더 긴 경로 길이(425b, 425c)의 차이에 의해 결정된다.
따라서, 모노폴(200)의 주파수 특성을 변경하는 일은 전방 섹션(405) 또는 후방 섹션(415)의 치수를 변경함으로써 행해질 수 있다. 또한, 접지 라인(305) 또는 접지 라인 인덕터(315)(도 3b)는 저 주파수 대역의 중심을 약간 조정 또는 미세 조정하는데 사용될 수 있다. 인덕턴스가 더 크면 입력 피드(300)와 접지 평면(220) 간의 경로의 유효 전기 길이를 증대시키고 인덕턴스가 더 작으면 이 유효 전기 길이를 단축시킨다. 도 5의 스펙트럼도에서의 공진, 또는 최하위 점은 당업계에서 잘 알고 있는 바와 같이 주어진 주파수에서 모노폴(200)에서의 인덕턴스 및 컨덕턴스가 서로 상쇄되고 저항만이 남는 지점을 가리킨다는 것을 잘 알 것이다.
도 6a는 피드 인덕턴스(310)가 5.6 nH이고 접지 라인(305) 및 접지 라인(315) 인덕턴스가 3.9 nH인 도 3a 내지 도 3c의 접이식 모노폴 안테나(200)에 대한 측정된 스펙트럼을 나타낸 플롯(600a)이다. 최하위 공진(515c)에서의 마커 #2는 900 MHz에서 관찰되었고, 그 다음 공진은 대략 1.2 GHz에 있다. 최상위 공진(515d)는 대략 1.85 GHz에서 관찰되고 마커 #3 및 #4는 각각 1.8 GHz 및 1.9 GHz에 있다. 측정치는 도 4b 및 도 4d의 오프셋 피드 실시예에 대한 것이며, 이는 전술한 바와 같이 도 4a 및 도 4c의 중심 입력 피드 및 접지 라인의 실시예보다 더 넓은 대역폭을 갖는다.
도 6b는 도 6a의 곡선으로 나타낸 모노폴(200)의 측정된 스펙트럼 응답에 대응하는 스미스 차트(600b)이다. 표준 스미스 차트 분석이 적용된다.
도 7은 도 4a의 모노폴(200)의 대체 실시예이다. 이 실시예에서, 다수의 입력 피드(300) 및 접지 라인(305)은 RF 스위치의 사용을 통해 선택적으로 인에이블 또는 디스에이블된다. 구체적으로는, 입력 피드는 스위치(700a, 700b, 700c)(합하여 700) 선택적으로 인에이블 또는 디스에이블된다. 접지 라인은 스위치(705a, 705b, 705c)(합하여 705)를 통해 선택적으로 인에이블 또는 디스에이블된다. 스위치(700 또는 705)의 활성 또는 비활성은 구성 사이클 동안에 또는 동작 동안에 행해질 수 있다. 따라서, 대역폭은 구성 또는 동작 동안에 선택적으로 조정될 수 있다.
다른 실시예들에서, 입력 라인(300) 및 접지 라인(305)은 또한 공진 주파수 및 개별적인 대역폭을 실질적으로 변경시키기 위해 전방 섹션(405) 및 후방 섹션(415)의 측방에 배치될 수 있다. 이와 유사하게, 실제 또는 유효 RF 전류 경로(420, 425)를 짧게 하거나 길게 하기 위해 인덕터, 커패시터, 집중 임피던스, 단 락, 개방, 지연선, 또는 다른 수단을 비롯한 인덕턴스 또는 다른 리액턴스 요소가 모노폴(200)의 구성 또는 동작 동안에 전기적 또는 기계적 수단을 통해 조정될 수 있다.
본 발명이 그의 양호한 실시예를 참조하여 상세히 도시되고 기술되어 있지만, 당업자라면 형태 및 상세에 있어서의 여러가지 변경이 첨부된 청구항에 의해 포괄되는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 그 안에서 행해질 수 있음을 잘 알 것이다.
CDMA, WLAN 또는 다른 무선 통신 시스템에서 사용될 수 있는, 상한 및 하한 주파수 대역을 지원하는 접이식 모노폴 안테나가 제공된다.

Claims (3)

  1. 접이식 모노폴 안테나로서,
    상기 접이식 모노폴 안테나에 의해 지원되는 제1 공진 주파수를 실질적으로 정의하는 제1 치수를 갖는 제1 평면 섹션,
    상기 제1 평면 섹션에 실질적으로 평행한 제2 평면 섹션 - 상기 제1 및 제2 평면 섹션은 개별적인 제1 및 제2 치수를 가지며, 이들 치수는 조합되어 상기 접이식 모노폴 안테나에 의해 지원되는 제2 공진 주파수를 실질적으로 정의함 -,
    상기 제1 평면 섹션을 상기 제2 평면 섹션에 결합시키는 제3 섹션,
    제1 위치에서 상기 제1 평면 섹션에 결합되어 있고 또 상기 접이식 모노폴 안테나 및 외부 장치로 또는 그로부터의 무선 주파수(RF) 신호를 피드하도록 구성되어 있는 입력 피드 - 상기 제1 위치와 상기 제1 평면 섹션의 중심선 사이의 거리가 상기 제1 공진 주파수에서의 제1 대역폭에 기여함 -, 및
    상기 제2 평면 섹션의 제2 위치에서 상기 제2 평면 섹션과 접지 평면을 결합하도록 구성되어 있는 리액턴스 - 상기 제1 및 제2 위치와 상기 제1 및 제2 평면 섹션의 중심선 사이의 거리가 상기 제2 공진 주파수에서 상기 접이식 모노폴 안테나에 의해 지원되는 제2 대역폭에 기여함 -를 포함하는 접이식 모노폴 안테나.
  2. 제1항에 있어서, 상기 리액턴스는 상기 제2 공진 주파수를 미세 조정하기 위해 단락과 개방을 포함하여 이들 사이에서 선택가능한 것인 접이식 모노폴 안테나.
  3. 제2항에 있어서, 상기 리액턴스는 상기 접이식 모노폴 안테나의 동작 동안에 선택가능한 것인 접이식 모노폴 안테나.
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