KR20070058010A - 어레이 애플리케이션용 안테나 - Google Patents

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그리핀 케이 고싸드
빙 치앙
크리스토퍼 에이 스니더
케네스 엠 게이니
제임스 에이 제이알 프록터
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아이피알 라이센싱, 인코포레이티드
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Abstract

안테나의 하부 영역에 위치된 제 1 도전성 소자와 안테나의 상부 영역에 상기 제 1 도전성 소자 위에 위치된 제 2 도전성 소자를 포함하는 안테나에 관한 것이다. 그 도전성 소자들 중 하나는 신호들을 전송 및 수신하는 능동 소자이고, 다른 소자는 접지 소자이다.
능동 소자, 수동 소자, 안테나, CDMA.

Description

어레이 애플리케이션용 안테나{ANTENNA FOR ARRAY APPLICATIONS}
도 1a는 본 발명에 따른 셀룰러 시스템의 모바일 가입자 유닛에 의해 사용된 안테나 장치의 양호한 구성을 나타내는 도면.
도 1b는 본 발명에 따른 셀룰러 시스템의 모바일 가입자 유닛에 의해 사용된 안테나 장치의 다른 양호한 구성을 나타내는 도면.
도 2a는 도 1a의 안테나 어레이를 제어하는 전자 기기의 시스템 레벨의 다이어그램.
도 2b는 도 1b의 안테나 어레이를 제어하는 전자기기의 시스템 레벨의 다이어그램.
도 3a는 도 1의 장치의 안테나 소자의 측면도.
도 3b는 도 3a의 안테나 소자의 반대측면도.
도 4는 본 발명에 따라 구성된 안테나 소자에 의해 수평면 위를 10°로 지향하는 빔을 도시하는 도면.
도 5는 본 발명에 따른 안테나 소자의 대안적 실시예.
도 6은 본 발명에 따른 안테나 소자의 다른 대안적 실시예.
도 7은 본 발명에 따른 안테나 소자의 또 다른 대안적 실시예.
도 8a는 도 1의 장치의 안테나 소자의 다른 대안적 실시예.
도 8b는 도 8a의 안테나 소자의 반대 측면도.
도 9a는 본 발명의 안테나 소자의 협대역폭 특징을 도시하는 다이어그램.
도 9b는 본 발명의 안테나 소자의 광대역폭 특징을 도시하는 다이어그램.
도 9c는 본 발명의 안테나 소자의 다중 대역폭 특징을 도시하는 다이어그램.
도 10a는 본 발명에 따른 수직 접지면에 연결된 하부 접지부 및 능동 상부를 구비한 안테나 소자의 투시도.
도 10b는 본 발명에 따른 수직 접지면에 연결된 상부 접지부 및 능동 하부를 구비한 안테나 소자의 투시도.
도 10c는 본 발명에 따른 수직 접지면을 구비한 초크 다이폴(choked dipole) 안테나 소자의 투시도.
도 10d는 본 발명에 따른 원뿔형 접지면을 구비한 다이폴 안테나의 투시도.
도 10e는 본 발명에 따른 접지면으로서 기능하는 셀룰러 전화를 구비한 다이폴 안테나의 투시도.
CDMA 통신 시스템들은 기지국과 하나 이상의 가입자 유닛들 간의 무선 통신을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 기지국은 전형적으로 지상형 PSTN에 상호 접속된 컴퓨터 제어되는 스위칭 트랜시버들의 집합이다. 기지국은 모바일 가입자 유닛들에 순방향 링크 무선 주파수 신호들을 전송하는 안테나 장치를 포함한다. 기지국 안테나는 또한 각각의 모바일 유닛으로부터 전송된 역방향 링크 무선 주파수 신호들의 수신을 책임진다. 각각의 모바일 가입자 유닛은 또한 순방향 링크 신호들의 수신 및 역방향 링크 신호들의 전송을 위한 안테나 장치를 포함한다. 전형적인 모바일 가입자 유닛으로는 무선 셀룰러 모뎀에 연결된 개인용 컴퓨터 또는 디지털 셀룰러 전화기 핸드세트가 있다.
모바일 가입자 유닛에서 신호들을 전송하고 수신하는데 사용되는 가장 일반적인 형태의 안테나는 무지향성 모노폴 안테나이다. 이러한 형태의 안테나는 가입자 유닛 내의 트랜시버에 연결되는 안테나 소자 또는 단일 와이어로 구성된다. 트랜시버는 가입자 유닛 내의 회로로부터 전송되는 역방항 링크 신호들을 수신하고, 그 신호들을 그 가입자 유닛에 할당된 특정 주파수로 안테나 소자 상에서 변조한다. 특정 주파수에서 안테나 소자에 의해 수신된 순방향 링크 신호들은 트랜시버에 의해 복조되고, 가입자 유닛내의 처리 회로에 공급된다. CDMA 셀룰러 시스템에서, 다수의 모바일 가입자 유닛들은 동일한 주파수 상의 신호들을 전송 및 수신할 수 있고, 각 유닛에 기초하여 개별적인 가입자 유닛들을 위한 시그널링 정보를 검출하기 위해 코딩 알고리즘을 사용한다.
모노폴 안테나로부터 전송된 전송 신호는 본질적으로 무지향성이다. 즉, 그 신호는 일반적으로 수평면의 모든 방향에서 동일한 신호 세기로 전송된다. 모노폴 안테나 소자를 사용한 신호들의 수신도 마찬가지로 무지향성이다. 모노폴 안테나는 한방향의 신호를 다른 방향으로부터 오는 동일 또는 상이한 신호와 대비하여 검출하는 능력을 갖추고 있지 않다.
무선 통신 시스템의 모바일 가입자 유닛상에서 사용된 종래 기술의 안테나에는 근본적으로 여러 문제점들이 존재한다. 전형적으로, 스캐닝 능력을 구비한 안테나 어레이는 접지면의 상부에 위치한 다수의 안테나 소자들로 구성된다. 가입자 유닛이 휴대 가능 조건을 만족하기 위해서는, 그 접지면은 물리적으로 작아야 한다. 예를 들어, 셀룰러 통신 애플리케이션에서, 접지면은 통상적으로 전송 및 수신된 신호들의 파장 보다 작다. 작은 접지면과 안테나 소자들(통상적으로는 모노폴 소자들) 간의 상호 작용 때문에, 그 빔 자체가 수평면을 따라 지향되더라도, 그 어레이에 의해 형성된 빔의 피크 세기는, 예를 들면 약 30°만큼 수평면 위로 상승되어 있다. 이에 대응하여, 수평면에 따른 그 빔의 세기는 피크 세기 보다 3db만큼 작다. 일반적으로, 가입자 유닛들은 기지국으로부터 먼 거리에 위치하고, 따라서 가입자 유닛과 기지국간의 입사각은 약 0°이다. 접지면은 그 피크 빔이 수평면을 향해 하강할 수 있도록 전송/수신된 신호들의 파장 보다 현저히 커야 할 것이다. 예를 들면, 800Mhz 시스템에서 접지면은 직경이 14인치보다 현저히 커야 하고, 약 1900Mhz에서 동작하는 PCS 시스템에서, 접지면은 직경이 6.5 인치보다 현저하게 커야한다. 그러한 크기를 갖는 접지면들은 휴대용 장치로서 가입자 유닛을 사용하지 못하게 한다. 따라서, 가입자 유닛이 모바일이 될 수 있도록 작은 접지면 상에 장착된 안테나 소자들을 사용하여 수평면을 따라 빔의 피크 세기를 지향시키는 것이 바람직하다. 또한, 저비용 대량 생산 기술을 사용하여 이러한 빔 지향 특징을 갖는 안테나 소자들을 생산하는 것이 바람직하다.
본 발명은 상술한 종래 기술의 안테나 시스템이 겪게 되는 문제점들을 현저하게 감소시킨다. 본 발명은 CDMA 셀룰러 통신 네트워크들과 같은 무선 동일 주파수 네트워크 통신 시스템의 가입자 유닛에 사용하기 위한 저렴한 안테나를 제공한다. 이 안테나는 인쇄된 구조의 정확한 제어를 위한 PCB(printed circuit board) 포토에칭 기술을 사용하여 제조될 수 있다.
일 양상에서, 본 발명은 안테나의 하부 영역에 위치된 제 1 도전성 소자와 안테나의 상부 영역에 그 제 1 도전성 소자 위에 위치된 제 2 도전성 소자를 구비한 안테나를 제공한다. 그 도전성 소자들 중 하나는 신호들을 전송하고 수신하는 능동 소자이고, 다른 소자는 접지 소자이다.
이 양상의 실시예들은 다음 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제 1 도전성 소자는 접지 소자이고, 제 2 도전성 소자는 전송 라인에 안테나를 연결시키는 것을 용이하게 하기 위한 급전 스트립(feed strip)에 연결된 중심 급전부를 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서, 제 2 도전성 소자는 접지 소자이고, 제 1 도전성 소자는 단부 급전부(end feed)를 포함할 수 있다.
접지 소자는 접지면에 연결될 수 있다. 접지면은 평면일 수 있다. 평면 접지면은 제 1 및 제 2 도전성 소자들에 실질적으로 평행 또는 수직으로 위치될 수 있다. 대안으로 또는 부가적으로, 제 1 및 제 2 도전성 요소들은 평면일 수 있다.
특정 실시예들에서, 접지면은 원뿔 형상을 가지며, 그 원뿔형 접지면의 꼭대기는 접지 소자 및 능동 소자에 근접하여 위치하고, 원뿔형 접지면의 베이스는 상 기 접지 소자 및 능동 소자로부터 멀리 위치하는 것일 수 있다.
안테나는 예를 들면 통상적인 인쇄 회로 기판(PCB) 재료인 폴리스틸렌 또는 테플론과 같은 유전체 재료로부터 제조된 기판을 포함할 수 있다. 제 1 및 제 2 도전성 소자들은 기판의 동일 측면상 또는 반대 측면들 상에 위치할 수 있다. 제 1 및 제 2 소자들은 구리와 같은 도전성 금속으로 만들어질 수 있다.
일부 구성에서, 능동 소자는 접지 소자에 의해 지구의 수평면을 따라 실질적으로 지향하는 피크 이득을 갖는 안테나 패턴을 갖는 신호들을 수신 및 전송한다. 그 피크 이득은 수평면 상에서 약 10°의 각도로 지향될 수 있다.
상술한 본 발명의 목적 및 다른 목적들, 특징들 및 장점들은 첨부 도면들에 도시된 바와 같이 본 발명의 양호한 실시예들에 대한 보다 상세한 설명으로부터 명백해 질 것이며, 도면에서 유사한 참조 번호는 동일한 부분을 지칭한다. 도면들은 축척에 따라 도시된 것이 아니라, 본 발명의 원리를 설명하는 경우 강조되어 도시되어 있다.
본 발명의 양호한 실시예들에 대한 설명은 다음과 같다. 실시예들은 예로서 제공된 것이며, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
도면을 참조하면, 도 1a에는 본원 발명에 따라 구성된 안테나 장치(10)가 도시되어 있다. 안테나 장치(10)는 기지국(12)과의 무선 신호들의 전송 및 수신이 무선 셀룰러 모뎀에 연결된 랩톱 컴퓨터(14)와 같은 가입자 유닛에 의해 달성되는 수단으로서 기능한다. 가입자 유닛은 기지국(12)을 통해 네트워크[PSTN, 패킷 교환 컴퓨터 네크워크, 또는 사설 인트라넷 또는 인터넷과 같은 다른 데이터 네트워크일 수 있음]에 무선 데이터 및/또는 음성 서비스를 제공하고, 랩톱 컴퓨터(14) 또는 PDA 등과 같은 장치들을 접속할 수 있다. 기지국(12)은 1차 ISDN 또는 네트워크가 인터넷과 같은 이더넷 네트워크인 경우 TCP/IP과 같은 임의의 수의 다른 효율적인 통신 프로코콜을 통해 네트워크와 통신할 수 있다. 가입자 유닛은 본질적으로 모바일일 수 있으며, 기지국(12)과 통신하면서 한 위치에서 다른 위치로 이동할 수 있다.
또한 당업자라면 도 1이 무선 채널들이 기지국(12)과 가입자 유닛(14) 간에 데이터 및/또는 음성 신호들을 전달하도록 할당되는 CDMA, TDMA GSM 또는 이외의 시스템과 같은 표준 셀룰러 형태의 통신 시스템일 수 있다는 것을 이해할 것이다. 양호한 실시예에서, 도 1은 미국특허 6,151,332호에서 정의된 것들과 같은 코드 분할 다중화 원리들을 사용하는 CDMA형 시스템이다.
안테나 장치(10)는 8개의 안테나 소자들(22)이 장착된 베이스 또는 접지면(20)을 포함한다. 도시된 바와 같이, 안테나 장치(10)는 랩톱 컴퓨터(14)(축척대로 도시 안됨)에 연결된다. 안테나 장치(10)는 랩톱 컴퓨터(14)가 기지국(12)으로부터 전송된 순향량 링크 신호들(30)과 기지국(12)에 전송된 역방향 링크 신호들(32)을 통해 무선 통신을 수행할 수 있도록 한다.
양호한 실시예에서, 각 안테나 소자(22)는 도면에 도시된 바와 같이 분산된 방식으로 접지면(20)에 배치된다. 즉, 양호한 실시예는 사각형의 코너들에 대응하는 위치들에 각각 위치되는 4개의 소자들과, 각각의 코너 소자들 사이의 사각형의 측면들을 따라 각각이 배치된 4개의 부가적인 소자들을 포함한다.
도 2a에는, 가입자 엑세스 유닛(11)을 제어하는 전자 기기의 블록도가 도시되어 있다. 가입자 엑세스 유닛(11)은 안테나 어레이(10), 안테나 무선 주파수(RF) 서브-어셈블리(40), 전자 서브-어셈블리(42)를 포함한다. 기지국으로부터 도착한 무선 신호들은 안테나 소자들(22-1,22-2, ..., 22-N)로 구성되는 안테나 어레이(10)에서 처음 수신된다. 각 안테나 소자에 도착한 신호들은, 예를 들면 위상 천이기(또는 임피던스 소자)(56), 지연 장치(58), 및/또는 스위치(59)를 포함하는 RF 서브-어셈블리(40)에 공급된다. 각각의 안테나 소자(22)와 연관된 관련 위상 천이기(56), 지연 장치(58), 및/또는 스위치(59)가 존재한다.
그 다음에 신호들은 통상적으로 각각의 신호 체인의 에너지를 가산하고 그 합산된 신호를 전자 서브-어셈블리(42)에 제공하는 결합기 분할기 네트워크(combiner divider network)(60)를 통해 공급된다.
전송 방향에서, 전자 서브-어셈블리(42)에 의해 제공된 무선 주파수 신호들은 결합기 분할기 네트워크(60)에 공급된다. 신호들은 스위치(59), 지연 장치(58), 및/또는 위상 천이기(56)를 포함하는 신호 체인을 통해 안테나 소자들(22)의 각각의 하나에 전송되고, 이로부터 기지국을 향해 다시 전송된다.
수신 방향에서, 전자 서브-어셈블리(42)는 수신된 신호들을 수신기(64)에 제공하는 듀플렉서 필터(62)에서 무선 신호를 수신한다. 무선 수신기(64)는 변조 코딩을 제거하는 디코더 회로(66)에 복조된 신호를 제공한다. 예를 들면, 그러한 디코더는 기술 분야에서 공지된 방식으로, 특정 가입자 유닛들을 위한 여러 신호들을 분리시키기 위해 의사 코드(pseudorandom code)들 및/또는 Walsh 코드들의 사용을 포함할 수 있는 CDMA 형태의 인코딩을 제거하도록 동작할 수 있다. 디코딩된 신호는 그 다음 데이터 버퍼링 회로(68)에 공급되고, 데이터 버퍼링 회로(68)는 그 디코딩된 신호를 데이터 인터페이스 회로(70)에 공급한다. 그 다음 인터페이스 회로(70)는 데이터 신호들을 USB, PCMCIA형 인터페이스, 시리얼 인터페이스 또는 랩톱 컴퓨터(14)와 호환 가능한 다른 공지된 컴퓨터 인터페이스에 의해 제공될 수 있는 것과 같은 전형적인 컴퓨터 인터페이스에 제공할 수 있다. 제어기(72)는 디코더(66), 인코더(74)의 동작과 송신기(76)와 수신기(64)의 튜닝을 제어하기 위해 메시지 인터페이스 회로(74)에/로부터 데이터 인터페이스로부터의 메시지들을 수신 및/또는 전송할 수 있다. 이것은 또한 스위치들(59), 지연 장치들(58), 및/또는 위상 천이기들(56)의 상태를 제어하는 것과 연관된 제어 신호들(78)을 제공할 수 있다. 예를 들면, 제 1 세트의 제어 신호들(78-3)은 각각의 개별적인 위상 천이기(56)가 소망하는 특정 위상 천이를 각각의 안테나 소자(22)에 의해 전송되거나 이로부터 수신된 신호들 중 하나에 부여하도록 위상 천이기를 제어할 수 있다. 이것은 전체 안테나 어레이(10)를 원하는 특정 방향으로 조정할 수 있게 하며, 이를 통해 그 장비를 사용하여 성취될 수 있는 전체 가용 데이터 레이트를 증가시킨다. 예를 들어, 엑세스 유닛(11)은 특정 방향으로 그것의 어레이를 조정하도록 명령하는 제어 메시지를 기지국으로부터 수신할 수 있고, 수신기(64) 및/또는 디코더(66)와 연관된 회로들은 제어기(72)에 신호 세기 표시를 제공할 수 있다.
도 1b 및 도 2b를 참조하면, 엑세스 유닛(11)의 안테나 어레이(10)를 위한 대안적 구성이 도시되어 있다. 이 구성에서, 단일 능동 안테나 소자(22-A)는 접지 면(20)의 중간에 위치하며, 수동 안테나 소자들(22-1,22-2,22-3, 22-N)의 세트에 의해 둘러싸여 있다(도 1b에서는 8개의 수동 안테나 소자들이 도시되어 있음). 여기에서는 능동 안테나 소자(22-A)만이 듀플렉서 필터(62)를 통해 직접 전자 서브-어셈블리(42)에 접속되어 있다. 관련 지연 장치(58), 가변 또는 럼프(lumped) 임피던스 소자(57), 및 스위치(59)가 각각의 수동 안테나 소자(22-1,22-2, 22-3, ..., 22-N)에 접속되어 있다.
도 1b 및 2b에 도시된 구성에서, 전송/수신 신호들이 기지국과 능동 안테나 소자(22-A) 간에 통신된다. 다시 말하면, 능동 안테나 소자(22-A)는 그 신호들을 전자 서브 어셈블리(42)에 제공하거나, 그 어셈블리(42)로부터 신호들을 수신한다. 수동 안테나 소자들(22-1,22-2,...22-N)은 그 신호들을 반사하거나 그 신호들을 능동 안테나 소자(22-A)로 유도한다. 제어기(72)는 지연 장치들(58), 임피던스 소자들(57), 및 스위치들(59)의 상태를 제어하기 위한 제어 신호들(78)을 제공할 수 있다.
도 3a 및 3b에 도시된 바와 같이, 각각의 안테나 소자(22)는 도전성 평면 소자(142)가 기판(140)의 하부 영역의 한 측면(144)상에 인쇄되고, 도전성 평면 접지 패치(146)가 기판(140)의 상부 영역의 반대 측면(148) 상에 인쇄되는 기판(140)을 포함한다. 도전성 평면 소자(142)는 그 도전성 평면 소자(142)의 확대된 사각형부(151)의 하부로부터 확장되고, 기판(140)의 하부 에지(154)에 위치한 하부 급전점(153; feed point)에서 전송 라인(152)에 접속하는 짧은 급전 라인(150)을 포함한다. 도전성 평면 소자(142) 및 전송 라인(152)은 전기적으로 접지면(20)으로부터 분리되어 있다. 급전 라인(150)은 급전점(153)으로부터 도전성 평면 소자(142)까지의 지연을 최소화하기 위해 짧게 구성되어 있다.
안테나 소자(22)가 수동 소자로서 기능할 경우, 전송 라인(152)은 지연 라인(58)에 접속되며, 이는 다시 가변 또는 럼프 임피던스 소자(57) 및 스위치(59)에 접속된다. 반사 안테나로부터 지향성 안테나로 안테나를 변경하거나 그 반대로 변경하기 위해 요구되는 지연이 수동 안테나 소자(22)의 유용한 수동 대역폭을 최대화하는 약 1/4 파장만큼 이격될 수 있도록, 특정 커패시턴스 값들이 안테나에 대한 급전 라인에 의도적으로 도입될 수 있다.
도 3b를 참조하면, 도전성 평면 접지 패치(146)는 확대된 사각형부(170)를 포함하고, 그 확대된 사각형부(170)의 하부로부터 기판의 하부 에지(154)까지 연장된 수직 스트립(172)에 접속된다. 수직 스트립(172)은 그 도전성 평면 접지 패치(146)를 접지면(20)에 연결한다.
기판(140)은 유전체 재료로 만들어진다. 예를 들면, 기판은 폴리스티렌 또는 테플론과 같은 PCB 재료들로 만들어질 수 있다. PCB 대역폭(1850Mhz-1990Mhz)의 애플리케이션에 있어서, 기판(140)은 약 2.4인치의 길이 "l", 약 0.8 인치의 폭 "w", 약 0.031 인치의 두께 "t"를 갖는다. 도전성 평면 소자(142), 수직 스트립(172), 도전성 평면 접지 패치(146)는 0.0015 인치의 두께로 기판(140)의 양측면들(144 및 148)에 각각의 구리층을 퇴적하고, 그 다음 그 구리층을 원하는 형상으로 포토에칭하도록 하는 인쇄 회로 기판 기술로 제조될 수 있다.
사용함에 있어서, 도전성 평면 소자(142)는 짧은 급전 라인(150)을 통해 급 전점(153)에 의해 직접 공급되므로, 도전성 평면 소자(142)는 모노폴 안테나로서 기능한다. 특유의 대역폭 요구 조건을 만족시키기 위해서는, 도전성 평면 소자(142)에 의해 형성된 빔은 접지면에 매우 의존적이 된다. 도전성 평면 접지 패치가 없는 경우, 도전성 평면 소자에 의해 형성된 빔의 피크 빔 세기는 수평면 위로 약 30°기울어진다. 그러나, 대부분의 애플리케이션들에서 기지국과 가입자 유닛간의 입사각은 약 0°이다. 따라서, 도전성 평면 접지 패치(146)는 피크 빔을 수평면을 따라 강제로 낮추기 위해 도전성 평면 소자(142) 위에 위치된다. 그러한 적층된 구성을 사용하여, 안테나 어레이(10)는 수평면 위로 약 10°이하 만큼 상승하는 피크 빔 세기로 빔을 전송할 수 있다.
상술한 바와 같이, 도전성 평면 소자(142)는 안테나(22)의 대역폭을 최소화하기 위해 사각형과 같은 형상을 갖는다. PCS 애플리케이션들에 있어서, 안테나 소자(22)는 예를 들면 약 10%의 대역폭을 갖는 약 1.92Ghz의 중심 주파수, "fc"로 공진한다. 도전성 평면 소자(142)는 안테나(22)의 대역폭을 더욱 최대화하기 위해 사각형으로 형성된다. 대안의 실시예에서는, 도전성 평면 소자(142)는 안테나 소자(22)가 이중 대역 또는 좁은 신호 대역과 같은 다른 대역폭 요구 조건에서 전송할 수 있도록 사각형이 아닌 형상을 가질 수 있다.
예를 들면, 도 5를 참조하면, T형 도전성 평면 소자(200)가 도시되어 있다. 소자(200)는 수평 스트립부(204)의 중간부로부터 연장되는 수직 스트립부(202)를 갖는다. 도전성 평면 소자(142)(도 3a 및 3b)와 마찬가지로, 수직 스트립부(202)는 전송 라인(152)과 같은 전송 급전 라인에 접속된 급전점(206)에서 종단된다.
도 6에 도시된 다른 실시예에서, 도전성 평면 소자(300)는 또한 널리 사용되는 T형 구조를 갖는다. 도전성 평면 소자(300)는 평면 소자(300)의 하부에 위치한 급전점(304)에서 급전 라인에 접속된 수직 스트립부(302)를 포함한다. 수직 스트립부는 수평 스트립부(306)까지 연장된다. 수평 스트립부(306)의 각각의 단부에, 도전성 평면 소자(300)의 하부를 향해 연장되는 하향 연장부(308)가 존재한다.
도 7에 도시된 본 발명의 다른 실시예에서, 도전성 평면 소자(400)는 일 단부에서 급전점(404)에서 종단하고 다른 단부에서 도전성 평면 소자(400)의 제 2 부분(406)의 중간부에 접속되는 수직 급전 스트립(402)을 포함한다. 도전성 평면 소자(400)의 제 2 부분(406)은 그 제 2 부분(406)의 각각의 단부에 수평면으로부터 수직 스트립(402)을 향해 하방으로 기울어져 있는 테이퍼부(tapered section)(408)를 포함한다. 각각의 테이퍼부(408) 및 수직 스트립(402)은 약 45°의 각도 "α"를 정의한다.
상술한 실시예에서는 모노폴 안테나와 관련하여 기술되었지만, 다이폴 안테나로서 기능하는 안테나도 본 발명의 범위 내에 존재한다. 예를 들면, 도 8a 및 도 8b를 참조하면, 소위 "초크(choked)" 다이폴 디자인을 갖는 안테나 소자(522)가 도시되어 있다.
각각의 안테나 소자(522)는 도전성 평면 소자(542)가 기판(540)의 상부 영역의 한 측(544) 상에 인쇄되어 있고, 도전성 평면 접지 패치(546)가 기판(540)의 하부 영역의 반대측(548) 상에 인쇄되어 있는 기판(540)을 포함한다. 급전 스트립(550)은 도전성 평면 소자의 하부로부터 연장되고 기판(540)의 하부 에지(554)의 하부에 위치한 하부 급전점(553)에서 전송 라인(152)에 접속된다. 도전성 평면 소자(542) 및 전송 라인(152)은 접지면(20)으로부터 전기적으로 분리되어 있다. 급전 스트립(550)은 확대부(551)를 포함한다. 급전 스트립(550)에 따른 확대부(551)의 위치 뿐만 아니라 그 크기도 안테나 소자(522)의 임피던스를 변경시키기 위해 변화될 수 있다. 통상적으로, 안테나 소자(522)의 임피던스는 급전(feed) 임피던스와 정합되어 있다.
안테나 소자(22)를 참조하여 이미 설명한 바와 같이, 안테나 소자(522)는 전송 라인(152)을 통해 위상 천이기(또는 임피던스 소자)(56)에 접속되고, 이는 다시 지연 라인(58) 및 스위치(59)에 접속된다. 안테나 소자(522)가 위상 천이기가 아니라 임피던스 소자(56)에 접속된 경우, 임피던스 소자는 가변 임피던스 소자 또는 럼프 임피던스 소자일 수 있다. 전송 라인(152)은 안테나 소자(522)로의 전송된 신호들 또는 안테나 소자(522)로부터의 수신된 신호들에 대한 경로를 제공한다. 각 안테나 소자(522)의 위상 천이기(56)는 안테나 소자(522)로부터 전송된 신호의 위상 변화를 용이하게 하기 위해 독립적으로 조정 가능하다.
도전성 평면 소자(542)는 급전 스트립(550)에 수직으로 정렬된 베이스(560)를 포함한다. 넓은 중간 암(562) 및 3개의 좁은 외측 암들(564)은 베이스(560)로부터 상방향으로 연장된다. 이러한 암들(562,564)는 기판(540)의 상부 에지(566)까지 연장된다.
도 8b의 소자의 반대측에 대한 도면을 참조하면, 도전성 평면 접지 패치(546)는 수평 스트립(572)의 중간부로부터 확대 베이스(574)까지 연장된 긴 중간 부(570)를 포함한다(도전성 평면 소자(542)의 프로파일은 또한 설명을 위해 도 8b에 도시되어 있음). 확대 베이스(574)는 도전성 접지 패치(574)를 접지면(20)에 전기적으로 연결시키기 위해 접지면(20)에 접속된다. 수평 스트립(572)의 각 단부상에는 하방향으로 연장된 암(576)이 위치한다. 각 암(576)은 긴 중간부(570)로부터 바깥쪽으로 젖혀지는 플래어부(flared section)(578)를 포함한다.
기판(540)은 유전체 재료로 만들어진다. 예를 들면, 기판(540)은 폴리스틸렌 또는 테플론과 같은 PCB 재료들로 만들어질 수 있다. PCS 대역폭(1850Mhz - 1990Mhz)의 애플리케이션들에 있어서, 기판은 약 3.035인치의 길이 "l", 약 0.833 인치의 폭 "w", 약 0.031 인치의 두께 "t"를 갖는다. 도전성 평면 소자(542), 급전 스트립(550), 도전성 평면 접지 패치(546)는 0.0015 인치의 두께로 기판(540)의 양측(544 및 548)에 각각의 구리층을 퇴적하고, 그 다음 그 구리층을 원하는 형상으로 포토에칭하도록 하는 인쇄 회로 기판 기술로 제조될 수 있다. 약 0.0001 인치의 두께를 가진 금, 땜납 재료, 또는 땜납 마스크의 후속 박막층이 그 구리의 상부에 적층된다.
사용함에 있어서, 도전성 평면 소자(542)는 급전 스트립(550)을 따라 급전점(553)을 통해 공급된다. 그러나, 도전성 평면 소자(542)와 도전성 평면 접지 패치(546) 간의 용량성 결합 때문에, 기판(540)의 중간 영역에서 분배된 급전점(580)을 제공하는 접합부가 생성된다. 따라서, 급전 스트립(550)이 도전성 평면 접지 패치(546)를 직접 공급하지 않더라도, 도전성 평면 소자(542)와 도전성 평면 접지 패치(546)의 용량성 결합은 분배된 급전점(580)에서 공급되는 비균형 다이폴 안테나 로서 동작한다. 즉, 도전성 평면 소자(542)에 제공된 에너지의 일부는 분산되어, 도전성 평면 접지 패치(546)의 암들(576)에 공급된다. 외측암들(576)의 섹션들(578)은 공진 암들(576)이 접지면(20)에 연결되어 있는 중간 확대부(570)와 결합하거나 상호 작용하는 것을 방지하기 위해, 도전성 평면 접지 패치(546)의 중간 확대부(570)로부터 바깥쪽으로 벌어져 있다.
도전성 평면 소자(542)는 접지면(20)으로부터 일정 거리만큼 이격되어 위치되어 있고, "초크"로서 기능하는 좁은 급전 스트립(550)에 의해 공급되기 때문에, 도전성 평면 소자(542)와 접지면(20) 간의 상호 작용은 최소화된다. 이렇게 함으로써, 안테나 소자(522)에 의해 전송된 빔의 피크 빔 세기는 보다 수평면을 향해 지향된다. 이미 논의된 안테나 소자들과 같이, 도 8a 및 8b의 안테나 소자들의 세트는 도 4에 도시된 바와 같이, 수평면으로부터 약 10°이하로 상승하는 피크 빔 크기로 빔을 형성할 수 있다.
암들(576)의 길이들, "l2" 는 전송된 파의 1/4 파장의 길이와 동일하다. 도전성 평면 소자(542)의 암들(562,564)의 길이 뿐만 아니라, 이 암들(576)의 길이들은 안테나 소자(522)의 전송 주파수를 변형하기 위해 수정된다. PCS 애플리케이션들에 있어서, 안테나 소자(522)는 약 10%의 대역폭을 갖는 약 1.92GHz의 중심 주파수 "fc"로 공진한다(도 9a). 대안으로, 도전성 평면 접지 패치(546)의 암들(576) 및 중간 암(562), 그리고 도전성 평면 소자(542)의 2개의 외측 암들(564)는 그 암들이 상이한 주파수에서 공진하도록 상이한 길이를 가질 수 있다. 상이한 공진 주 파수들은 안테나 소자(522)의 대역폭을 예를 들면 약 15%까지 효과적으로 확장(도 9b)하거나, 안테나 소자(522)가 좁은 대역들에 걸친 2개의 주파수들 "fc1", "fc2" 또는 2개의 주파수들 보다 많은 주파수들에서 공진할 수 있도록 한다.
본 발명의 범위 내에는 다른 안테나 구성, 예를 들면, 능동 소자 및 접지 소자들을 지원하는 기판을 사용을 필요로 하지 않는 도 10a 내지 10e에 도시된 안테나 소자들도 포함된다. 능동 및 접지 소자들은 오히려 공기 갭에 의해 분리된다.
도 10a를 참조하면, 접지 소자(604) 위에 위치된 능동 소자(602)를 구비한 안테나 소자(600)가 도시되어 있다. 능동 소자(602)는 급전 스트립(607)에 접속된 중앙 급전점(606)을 포함하며, 급전 스트립(607)은 전송 라인(152)에 접속되어 있는 반면에, 접지 소자(604)는 수직 접지면(608)에 직접 연결되어 있다. 능동 소자(602)와 접지 소자(604) 간에는 수직 갭(610)이 존재한다. 또한, 급전 스트립(607)은 접지 소자로부터 이격되어 있고, 수직 접지면(608)과 물리적인 접촉은 하지 않는다. 따라서, 능동 소자(602) 및 접지 소자(604)는 공기 갭에 의해 전기적으로 분리되어 있다.
도 10b를 참조하면, 안테나 소자(700)는 접지 소자(702) 및 능동 소자(704)가 수직 갭(705)을 규정하도록 안테나 소자의 상부에 위치된 접지 소자(702)와 접지 소자(702) 아래에 위치된 능동 소자(704)를 포함한다. 이 실시예에서, 능동 소자에는 전송 라인(152)에 접속된 급전 스트립(707)에 접속된 하부 급전부(706)가 제공되고, 접지 소자(702)는 스트립(710)으로 수직 접지면(708)에 연결된다. 급전 스트립(707)이 접지면(708)에 물리적으로 접속되어 있지 않고, 스트립(710)이 능동 소자(704)로부터 이격되어 있기 때문에, 접지 소자(702)로부터 능동 소자(704)를 분리하는 공기 갭이 존재한다.
도 10c를 참조하면, 도 8에 도시된 안테나 소자(600)와 유사한 구성을 갖는 안테나 소자(800)가 도시되어 있다. 안테나 소자(800)는 급전 스트립(806)으로 전송 라인(152)에 접속된 중앙 급전점(804)을 구비한 상부 능동 소자(802)와, 수직 접지면(808)에 연결된 하부 접지 소자(807)를 포함한다. 안테나 소자들(600,700)과 마찬가지로, 능동 소자(802)와 접지 소자(807) 간에는 수직 갭(810)이 존재한다. 또한, 안테나 소자(600)(도 8)와는 달리, 능동 소자(802)와 접지 소자(806)는 접지 소자(806)로부터 이격되어 이와 접촉되지 않는다.
도 3 및 도 8에 도시된 안테나 소자들의 실시예들은 접지 패치 또는 접지 소자에 수직으로 지향된 접지면에 연결되어 있는 반면, 도 10a 내지 10c를 참조하여 설명된 안테나의 실시예들은 수직 접지면에 연결되어 있다. 그러나, 도 3, 도 8, 도 10a-10c에 도시된 상술한 안테나 소자들 중 어느 것도 비평면 접지면들에 연결될 수 있다.
예를 들면, 도 10d에는 안테나 소자(도 10a)와 유사한 구성을 갖는 안테나 소자(900)가 도시되어 있다. 여기서, 안테나 소자(900)는 원뿔형 접지면(904)에 연결된 접지 소자(902)[원뿔형 접지면의 꼭대기가 접지 소자(902)에 가장 근접하여 위치함]와, 접지 소자(902) 위에 위치된 능동 소자(906)를 포함한다. 능동 소자(906)은 급전 스트립(910)으로 전송 라인(152)에 접속된 중앙 급전부(908)를 포 함한다. 능동 소자(906) 및 접지 소자(902)는 수직 갭(911)를 정의한다. 전송 라인(152)은 접지면(904)과 접촉하지 않고 접지면(904)의 개구(912)를 통해 연장된다. 따라서, 급전 스트립(910)은 접지 소자(902)로부터 물리적으로 분리되어 있기 때문에, 공기 갭이 능동 소자(906)와 접지 소자(902) 간에 제공된다.
접지면은 구형 또는 임의의 형상일 수 있다. 예를 들어, 도 10e에는 셀룰러 전화(1004)에 연결된 접지 소자(1002)를 구비한 안테나 소자(1000)가 도시되어 있다. 안테나 소자(600)(도 10a) 및 안테나 소자(900)(도 10d)와 마찬가지로, 안테나 소자(1000)는 접지 소자(1002) 위에 위치된 능동 소자(1006)를 포함하며, 2개의 소자들 간에는 수직 갭(1007)이 정의된다. 능동 소자(1006)는 셀룰러 전화(1004) 내에 위치된 전송 라인(152)에 접속된 급전 스트립(1010)을 통해 급전점(1008)에서 급전된다.
또한 도 10a-10e에 도시된 실시예들의 각각의 전송 라인(152)은 도 3 또는 8에 각각 도시된 위상 천이기(56), 지연 라인(58), 스위치(59)와 유사한 위상 천이기(또는 임피던스 소자), 지연 라인 및 스위치에 차례로 접속된다. 특정한 구성에서, 각각의 안테나 소자가 위상 천이기가 아니라 임피던스 소자(56)에 접속되어 있다면, 임피던스 소자는 럼프 임피던스 소자 또는 가변 임피던스 소자일 수 있다.
이미 설명한 바와 같이, 전송 라인(152)은 안테나 소자들(600,700,800,900,1000)로의 전송된 신호들 및 이로부터의 수신된 신호들, 보다 상세하게는 각각의 능동 소자들(602,704,802,906,1006)로의 전송된 신호들 및 이들로부터 수신된 신호들을 위한 경로를 제공한다. 각 안테나 소자의 위상 천이기(56) 는 안테나 소자로부터 전송된 신호의 위상을 용이하게 변화시킬 수 있도록 독립적으로 조정가능하다.
도 10a 내지 10e에서 도시된 실시예에서, 능동 소자 및 접지 소자들은 공기 갭에 의해 분리되어 있다. 대안으로, 능동 및 접지 소자들은, 예를 들면 도 3 및 8에 도시된 바와 같은 유전체 재료로 만들어진 기판의 반대 측면들 상에 위치할 수 있다. 또한, 도 3, 8, 10을 참조하여 상술한 안테나 소자들의 어느 하나가 기판의 동일한 측면 상에 위치한 능동 소자 및 접지 소자를 가질 수 있다. 따라서, PCB 제조 기술들은 능동 및 접지 소자들이 기판의 동일 측면 상에 존재하는 경우 동일 평면 도파관 구조를 제조하거나, 안테나 소자가 기판의 반대 측면들상에 능동 소자 및 접지 소자를 구비한 안테나 소자로 제조되는 경우 마이크로스트립 구조를 제조하는데 사용될 수 있다.
본 발명은 양호한 실시예들을 참조하여 도시되어 기술되어 있지만, 청구범위에 포함된 발명의 범위로부터 벗어나지 않고 형식 및 상세한 내용의 다양한 변화가 본 명세서의 범위 내에서 이루어질 수 있다는 것을 당업자라면 용이하게 이해할 수 있을 것이다.
본원 발명은 CDMA 셀룰러 통신 네트워크들과 같은 무선 동일 주파수 네트워크 통신 시스템의 가입자 유닛에 사용하기 위한 저렴한 안테나를 제공한다.

Claims (3)

  1. 안테나에 있어서,
    상기 안테나의 하부 영역에 위치한 제 1 도전성 소자와,
    상기 안테나의 상부 영역에서 상기 제 1 도전성 소자 위에 위치한 제 2 도전성 소자를 포함하며,
    상기 제 1 도전성 소자와 상기 제 2 도전성 소자 중 하나는 상기 제 1 도전성 소자와 상기 제 2 도전성 소자 각각이 신호들을 전송 및 수신하는 능동 소자로서 동작할 수 있도록 상기 안테나의 외부에 위치하며 접지 기준 전위로부터 전기적으로 분리되어 있는 전송 라인을 통해 송신기 또는 수신기에 연결되도록 구성되며,
    상기 제 1 도전성 소자와 제 2 도전성 소자 중 다른 하나는 상기 제 1 도전성 소자와 상기 제 2 도전성 소자 중 상기 다른 하나가 접지 소자로서 동작할 수 있도록 외부의 전송 라인과는 독립적인 접지 기준 전위에 전기적으로 연결되도록 구성되는 것인 안테나.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제 1 도전성 소자는 상기 접지 소자인 것인 안테나.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제 2 도전성 소자는 전송 라인에 안테나를 연결하도록 하기 위한 급전 스트립에 연결된 중앙 급전부를 포함하는 것인 안테나.
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