KR20070116226A - 다중 폴드들을 구비한 안테나 - Google Patents

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KR20070116226A
KR20070116226A KR1020077019850A KR20077019850A KR20070116226A KR 20070116226 A KR20070116226 A KR 20070116226A KR 1020077019850 A KR1020077019850 A KR 1020077019850A KR 20077019850 A KR20077019850 A KR 20077019850A KR 20070116226 A KR20070116226 A KR 20070116226A
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필립 팍-린 콴
폴 비어드
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사이프레스 세미컨덕터 코포레이션
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Abstract

무선 장치는 통신 포트를 구비한 모듈과 상기 통신 포트에 전기적으로 커플되는 안테나를 갖고, 상기 안테나는 다중 폴드들을 구비한다. 안테나는 접지 평면에 접속되는 분로 스터브와, 다중 폴드들 또는 위글들을 구비하는 방사 부분을 가지며, 양호한 전기적 성능이 최소 크기로 달성되도록 한다.
안테나, 폴드

Description

다중 폴드들을 구비한 안테나{Antenna with multiple folds}
본 발명의 개시는 무선 장치들에 대한 것이며, 특히 무선 장치들에서 사용되는 안테나에 대한 것이다.
무선 장치들은 안테나를 통하여 신호들을 전송하고 수신한다. 전송을 위하여, 안테나는 전력 증폭기로부터의 전기적 신호들을 전자기 필드로 변환시키고, 원하는 메인저(manger)에서 이들 필드를 밖으로 방사한다. 수신할 때, 안테나는 방사된 전자기적 필드를 수신하고, 무선 장치들에 의해 해석 및 동작시키기 위해서 그것들을 다시 전기적 신호로 변환한다.
안테나의 많은 상이한 유형들이 무선 애플리케이션들에서 사용되고 있다. 공통적인 하나가 역(inverted) 'F'형 안테나이다. 그것은 무선 장치에 전기적 접속을 제공하는 두 개의 '핑거들(fingers)'을 가지며, 길고, 곧은 암(arm)은 무선 장치가 탑재된 인쇄 회로 기판의 가장자리와 전형적으로 평행하다. 역 F형 안테나는 양호한 전기적 성능을 제공하나, 물리적으로 좀 더 큰 크기를 갖는다. 다른 선택은 '물음표 (question mark)'와 유사한 형태인 안테나인데, 그것의 물리적 크기는 역 F형 안테나와 비슷하다.
케이블들 및 전선들로부터 자유롭기 때문에, 무선 장치들은 소형의 휴대가능 한 구현들을 위해 특히 적합하다. 장치를 더 작게 만드는데 주요한 물리적 제약들 중의 하나가 안테나의 크기이다. 그러나 소형 안테나들이 대형 안테나의 전기적 성능에 부합될 수 있도록 하는 것이 필요하다.
본 발명의 일 실시예는 통신 포트(port)를 갖는 모듈과 상기 통신 포트에 전기적으로 커플되는 안테나를 갖는 무선 장치에 대한 것이며, 상기 안테나는 다중 폴드들(folds)을 갖는다.
본 발명의 다른 실시예는 접지 평면에 접속되는 분로 스터브(shunt stub) 및 다중 폴드들 또는 위글들(wiggle)을 구비한 방사 부분을 갖는 안테나이며, 양호한 전기적 성능을 최소 크기로 달성되도록 허용한다.
본 발명의 다른 실시예는 다중 폴드들을 구비한 안테나를 제조하는 방법에 대한 것이다.
본 발명의 실시예들은 도면들을 참조한 개시를 읽음으로써 잘 이해될 것이다.
도1은 역 F형 안테나를 도시하며,
도2는 모듈을 구비한 기판 및 다중 폴드들을 구비한 안테나의 실시예를 도시하며,
도3은 다중 폴드들 및 수직적 분로 스터브를 구비한 안테나의 실시예를 도시하고,
도4는 다중 폴드들 및 수평적 분로 스터브를 구비한 안테나의 실시예를 도시하며,
도5는 상이한 기판 두께에 대하여 안테나 반사 손실(return loss) 대 주파수의 그래프를 도시하며,
도6a 내지 도6d는 기판 상에 다중 폴드들을 구비한 안테나를 제조하는 방법의 실시예에 대한 흐름도를 도시한다.
역 F형 안테나의 실시예가 도1에 도시된다. 기판(10) 상에 모듈(12)이 장착된다. 기판은 인쇄 회로 기판, 또는 계층화된 세라믹 기판과 같은 그와 동등한 것일 수 있다. 기판은 모듈이 전력부, 통신부, 및 다른 유형의 트레이스(trace)에 접속되도록 전기적 접속을 제공한다. 예를 들어, 이러한 기판은, 상기 기판이 마더보드(mother board)와 같은 더 큰 기판 상의 슬롯(slot)에 삽입되도록 하는 에지 커넥터(edge connector)(15)를 가질 수 있다. 마더보드는 에지 커넥터의 참조번호 17과 같은 개별 도전체들에 전력, 접지, 및 신호들을 제공한다. 그러면, 이러한 도전체들은 기판 상의 트레이스들을 통하여 모듈에 접속된다.
또한 기판은 역 F형 안테나(18) 대하여 커넥터(16) 사이에 커넥터(14)를 제공한다. 분로 스터브(19)는 안테나의 방사 부분과 모듈(12) 간에 접속을 제공한다. 커넥터(16)는 상기 모듈(12)로 하여금 안테나들로부터 방사되는 신호들을 제공하고, 변환(conversion) 및 동작을 위해 안테나로부터 신호들을 수신하도록 하는 통신 포트를 포함한다.
도1에 도시된 바와 같이, 기판(10)의 크기는 역 F형 안테나(18)의 크기에 크게 의존한다. 이것은 양호한 전기적 성능을 제공하기 위해서 안테나의 필수적 크기에 기인하기 때문이다. 이미 언급한 바와 같이, 무선 모듈의 크기를 줄이는 것이 일반적으로 바람직하며, 안테나가 크기 면에서 주요한 물리적 제약들 중의 하나이다.
대안적인 설계는 물음표 '?'와 같은 모양의 안테나일 수 있다. 그러나, 이러한 안테나의 필수적 크기는 역 F형 안테나의 크기와 유사하며, 유닛의 크기를 바람직한 크기보다 더 크게 되도록 강제한다.
도2에서, 다중 폴드들을 구비한 안테나의 실시예가 도시된다. 이것은 '위글(wiggle)' 안테나로서 언급될 수 있다. 모듈들과 안테나들의 실제 크기는 변화할 수 있으며, 그들 간의 상대적인 크기는 도1과 도2를 비교함으로써 알 수 있다. 이러한 실시예에서, 두 개의 기판들은 유사한 수직 범위를 가지며, 그러나 도2에 도시된 접혀진 안테나 기판은 역 F형 안테나 기판의 수평 범위의 절반보다 작다.
도2에서, 기판(20)은 참조번호 26과 같은 커넥터들과 함께 모듈(22)을 갖는다. 만약 실제 커넥터가 기판의 층들에 매장되면 보이지 않을 수도 있으나, 커넥터(24)는 모듈(22)을 커넥터(26)에 접속시킨다. 커넥터(24)는 모듈(22)에 대하여 통신 포트를 제공한다. 일 실시예에서, 상기 모듈(22)은 범용 직렬 버스(Universal Serial Bus:USB) 통신 프로토콜을 사용하는 다른 장치들과 통신하는 USB 모듈이다. 기판(20)은 도1에 도시된 기판(10)의 에지 커넥터와 같은 다른 요소들을 갖거나 갖지 않을 수 있다.
안테나(28)는 참조번호 32a와 32b와 같은 다중 폴드들을 갖는다. 도2의 실시예는 수직적 분로 스터브(30)를 갖는다. 수직적 분로 스터브 또는 수평적 분로 스터브의 선택은 시스템의 설계자에게 맡겨지며, 이러한 특정 실시예에서 수직적 분로 스터브의 선택은 단지 예시적 목적을 위함이다. 수평적 및 수직적 분로 스터브 구조들의 예시들이 도3과 도4에 도시된다.
도3은 수직적 분로 스터브 위글 안테나를 도시한다. 안테나는 하부층 금속(40)과 상부층 금속(44)을 갖는 기판으로부터 제조된다. 하부층 금속은 왼쪽에 도시된다. 그것은 폭(WG) 및 높이(HGB)를 갖는다. 상기 실시예에서, 높이 H5와 폭 W3를 갖는 노치(notch)가 하부층 금속의 상단 왼쪽 코너에 도시된다. 이것은 단지 예시적 목적을 위함이며, 상기 노치는 안테나의 적절한 접속을 허용하는 하부층 금속의 어떤 위치에서라도 제공될 수 있다.
이러한 실시예에서, 안테나는 오른쪽에 도시된 상부층 금속(44)으로부터 형성된다. 상부층 금속은 하부층 금속의 높이(HGB)보다 작을 수 있는 높이(HGT)를 갖는다. 안테나의 방사 부분은 커넥터 패드(54)를 통하여 접속되는 접속암(connecting arm)(46)을 갖는다. 안테나는 참조번호 48과 같은 다중 폴드들을 갖고, 각각은 거리 G로 이격되고, H1의 내부 높이를 가지며, 하부층 금속으로부터는 거리 H2로 이격된다.
접속암 및 안테나의 폴드들의 폭은 본원에서 폭 W로 도시된 바와 같이 일반적으로 동일하다. 그러므로, 안테나의 외부 높이는 내부 높이 H1에서 폴드들의 상단에서 안테나 자체의 폭 W를 합한 것이 된다. 안테나는 길이 L_팁인 팁(50)을 갖 는다. 이러한 치수들의 개별적 선택은 설계자 및 안테나가 설계되는 모듈의 제약들에 맡겨진다.
이러한 실시예에서, 분로 스터브(52)는 수직적 분로 스터브이다. 상기 분로 스터브(52)는 안테나의 첫 번째 폴드로부터 거리 G3로 이격된다. 분로 스터브(52)는 제조의 용이를 위해서, 전형적으로 안테나의 폴드들 만큼 넓게 될 것이다. 이러한 실시예에서, 안테나의 폴드들의 하단은 상부층 금속(44)으로부터 거리 H6로 이격된다. 비교하면, 도3의 거리 H6는 도4의 H3+W+H2의 거리와 실질적으로 동일하다.
안테나의 방사 부분에 추가하여, 안테나는 분로 스터브(52)를 갖는다. 일 실시예에서, 방사 부분과 분로 스터브는 동일한 층으로부터 제조된다. 이런 구조들이 개별적으로 제조되는 것에 대한 어떤 제한도 암시되지 않는다. 도3에서 도시된 바와 같이, 분로 스터브(52)는 하부층 금속(40)에 접속된다. 이것은 안테나에 대하여 확장된 접지 평면을 제공한다. 상기 확장된 접지 평면은 안테나의 반사 손실과 대역폭 제어를 개선한다. 반사 손실(return loss)은, 전송 라인 상의 입력 전압 또는 전류와 특정 지점에서 측정되는 반사된 전류 또는 전압 간을 비교하여, 보통 데시벨(dB)로 표현되는, 차이로서 전형적으로 정의된다. 이것은 도5와 관련하여 더 설명될 것이다. 또한 분로 스터브의 위치 및 크기는 원하는 공명 반응을 달성하는데 도움이 된다.
대역폭 제어와 관련하여, 대역폭 제어는 기판 내에서 금속의 상부층과 하부층 간의 거리에 의해 개선될 수 있다. 이러한 거리는 오프셋(offset)으로서 언급된다. 주어진 주파수와 주어진 기판 두께에 대하여 최적의 오프셋이 존재한다. 그라 운드 오프셋은 튜닝 캐패시터와 유사하게 안테나에 대하여 튜닝 요소로서 동작한다. 상이한 기판 두께에서 위글 안테나의 성능은 도5에 도시되었다.
도4에서, 수평적 분로 스터브를 구비한 안테나의 실시예가 도시된다. 이러한 실시예에서, 안테나의 접속암은 패드(54)에 접속되고, 안테나(48)의 폴드들은 도4에서 도시된 수평적 분로 스터브의 실시예에서와 같이, 거리 G만큼 분리되어 이격된다. 분로 스터브(52)는 금속의 상부층(44) 위로 거리 H3만큼 이격되고, 안테나의 폴드들의 하단으로부터 거리 H2만큼 이격된다.
도4에서 관하여 상술한 바와 같이, 위글 안테나의 사용은 여전히 양호한 반사 손실 성능을 제공하면서, 안테나의 크기를 감소시킨다. 도5는 4개의 상이한 기판들의 두께에 대하여 반사 손실 대 주파수의 그래프를 도시한다. 상기 그래프에서, 기판들은 인쇄 회로 기판들이며, 그러나 기판들로서 PCB들의 사용에 대한 어떤 제한들이 의도되거나 함축되지 않는다.
그래프 상에서, 곡선(60)은 반사 손실에 대한 성능 사양이다. 곡선(62)은 15mils의 기판 두께 상에서 위글 안테나에 대한 반사 손실 성능이다. 기판의 두께는 상부층 금속과 하부층 금속 간의 분리된 거리임에 유의하라. 곡선(64)은 32mils 두께의 기판에 대한 것이다. 곡선(66)은 47mils 두께의 기판에 대한 것이고, 곡선(68)은 63mils 두께의 기판에 대한 것이다. 이러한 결과에 의해서 알 수 있듯이, 반사 손실은 위글 안테나에 대하여 훨씬 더 만족스럽다.
위글 안테나 제조는 역 F형 안테나 또는 물음표 안테나와 같은 유사한 구조의 제조보다 많이 복잡한 것은 아니다. 이러한 프로세스는 도3과 도4에서 도시된 하부층 금속과 상부층 금속과 관련하여 설명될 것이다.
도6a에서, 하부층 금속(40)은 상단 왼쪽 코너에서 노치(42)와 함께 도시된다. 이미 언급한 바와 같이, 상기 노치는 제조의 편의를 위하여, 시스템 설계자가 원하는 어떤 위치에서라도 위치될 수 있다. 도6a에서, 접촉 패드(54)는 노치(42)와 인접하여 제공된다.
상부 금속층(44)이 형성되거나 다른 방법으로 제공될 때, 도6b에서 도시된 구조가 된다. 안테나가 상부층 금속으로부터 형성되는 일 실시예에서, 금속의 상부층은 금속의 하부층 전체를 커버할 수 있다. 도3과 도4에 관하여 설명한 바와 같이, 안테나의 폴드들의 치수들은 일정할 수 있다. 이것은 금속으로 하여금 더 적은 단계들을 이용하여 패턴화하고 에치(etched)되도록 한다.
예를 들어, 금속이 UV-처리 마스크를 이용하여 패턴화되는 프로세스를 가정하자. 포토레지스트(photoresist) 또는 다른 마스킹 재료들이 금속의 상부층 상에 형성된다. 적절한 패턴들을 형성하기 위해서 레티클(reticle)들을 사용할 때, 포토레지스트는 도6c에 도시된 하나와 같은 패턴으로 처리된다. 구조의 치수들에 대한 균일성은 더 적은 레티클들이 사용되도록 허용하고, 안테나의 폴드들을 형성하기 위해서 단계 및 반복 프로세스(step-and-repeat processes)를 더 쉽게 한다.
도6d에서, 노출된 금속은 에치되고, 마스크가 제거되면, 도3에 도시된 구조들이 된다. 안테나(48)는 커넥터 패드(54)에 접속되고, 수직 스터브(52)는 하부층 금속(40)에 접속된다. 수직 스터브 안테나의 프로세스도 매우 유사할 것이다. 상기한 바와 같이, 안테나에 대한 논의는 방사 부분과 분로 스터브를 마치 그것들이 개 별적인 구조들인 것처럼 언급할 수 있다. 그러나, 실제로, 이러한 구조들은 동일한 금속층으로부터 동시에 형성될 수 있다.
이러한 실시예에서, 안테나는 금속의 상부층에 형성되고, 금속의 하부층은 접지 평면을 위해 사용된다. 그러나, 그 역 또한 구현될 수 있다. 기본적 프로세스는 기판 상에 금속층을 형성하고, 그 후에 다중 폴드들을 구비한 안테나를 형성하기 위해 금속을 패턴화하고 에치하는 것이다. 안테나가 형성되는 금속층은 상부층 또는 하부층일 수 있다.
예를 들어, 기판 상에 형성된 상기 금속층은 기판 상에서 직접적으로 형성된 하부 금속층일 수 있다. 대안적으로, 상기 금속층은 하부 금속층을 포함하여 다른 층들을 적층하여 기판 상에 형성된 상부 금속층일 수 있다. 그것은 안테나에 대하여 상부층을 사용하고, 접지 평면에 대하여 하부층을 사용하여 제조 흐름을 더 단순하게 할 것이나, 프로세스는 시스템 설계자에 의해 필요에 따라 조절될 수 있다.
위글 안테나는 여러 가지 장점들을 갖는다. 더 소형화된 크기는 무선 장치들에서 바람직하게 전체적인 유닛들이 더 작아지도록 한다. 기판의 전면(상부층) 또는 후면(하부층) 상에서 확장된 접지 평면을 사용하는 것은 향상된 반사 손실 성능을 제공한다. 유사하게, 확장된 접지 평면은 더 나은 대역폭 제어를 허용한다. 분로 스터브의 위치 및 크기는 특정 공명 반응에 대하여 허용되도록 조절될 수 있다.
본 명세서를 통한 "일 실시예(one embodiment)" 또는 "실시예(an embodiment)"의 참조는 실시예와 관련되어 설명된 특별한 특징, 구조, 특성들이 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함된다는 것을 의미함을 이해할 것이다. 그러므 로, 본 명세서의 여러 부분에서 "실시예" 또는 "일 실시예" 또는 "대안적 실시예"에 대한 둘 또는 그 이상의 참조들은 반드시 모두 동일한 실시예를 언급하는 것은 아님을 강조하며, 그리고 이것이 이해될 것이다. 더욱이, 특별한 특징들, 구조들, 또는 특성들은 본 발명의 하나 또는 그 이상의 실시예들에서 적합하게 조합될 수 있다.
유사하게, 본 발명의 예시적 실시예들에 대한 상기 설명에서, 본 발명의 여러 특징들은 하나 또는 그 이상의 여러 독창적인 양상들에 대한 설명을 돕는 개시를 간결하게 하기 위해서, 때때로 단일의 실시예, 도면, 또는 설명으로 함께 결합될 수 있다. 그러나, 개시된 본 발명의 방법은 청구된 본 발명이 각 청구항에서 명백히 인용된 것 이상의 특징들을 요구하는 발명을 반영하는 것으로서 해석되지 않는다. 오히려, 아래 청구항들이 반영하는 것과 같이, 독창적인 양상들은 상기 개시된 단일한 실시예의 모든 특성들보다 적은 특성들을 가진다.

Claims (20)

  1. 통신 포트(port)를 갖는 모듈; 및
    상기 통신 포트에 전기적으로 커플되는 안테나를 포함하며,
    상기 안테나는 다중 폴드(fold)들을 갖는 무선 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 모듈은 범용 직렬 버스(Universal Serial Bus) 모듈을 더 포함하는 무선 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 안테나는 분로 스터브(shunt stub)를 더 포함하는 무선 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 분로 스터브는 수직적 분로 스터브를 더 포함하는 무선 장치.
  5. 제3항에 있어서, 상기 분로 스터브는 수평적 분로 스터브를 더 포함하는 무선 장치.
  6. 제3항에 있어서, 상기 분로 스터브는 확장된 접지 평면에 접속되는 무선 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 모듈 및 안테나는 인쇄 회로 기판 상에 장착되는 무선 장치.
  8. 분로 스터브; 및
    방사 부분을 포함하고,
    상기 방사 부분은 다중 폴드들을 갖는 안테나.
  9. 제8항에 있어서, 상기 다중 폴드들은 실질적으로 동일한 높이의 각각의 폴드들을 더 포함하는 안테나.
  10. 제8항에 있어서, 상기 다중 폴드들은 나머지 다른 폴드들로부터 실질적으로 동일한 거리의 각각의 폴드들을 더 포함하는 안테나.
  11. 제8항에 있어서, 상기 다중 폴드들은 실질적으로 동일한 폭을 갖는 각각의 폴드들을 더 포함하는 안테나.
  12. 제8항에 있어서, 상기 분로 스터브는 수직적 분로 스터브를 더 포함하는 안테나.
  13. 제8항에 있어서, 상기 분로 스터브는 수평적 분로 스터브를 더 포함하는 안테나.
  14. 제8항에 있어서, 상기 방사 부분 및 분로 스터브는 금속의 동일한 층으로부터 형성되는 안테나.
  15. 제8항에 있어서, 상기 분로 스터브는 확장된 접지 평면에 접속되는 안테나.
  16. 제15항에 있어서, 상기 방사 부분 및 상기 확장된 접지 평면은 대역폭 제어를 제공하기 위해서 소정의 거리로 오프셋되는 안테나.
  17. 안테나를 제조하는 방법에 있어서,
    기판 상에 금속층을 형성하는 단계; 및
    상기 금속층을 분로 스터브와 다중 폴드들을 갖는 안테나를 형성하도록 패턴화하는 단계를 포함하는 안테나 제조 방법.
  18. 제17항에 있어서, 금속층을 형성하는 단계는 금속의 상부층을 형성하는 것을 더 포함하는 방법.
  19. 제17항에 있어서, 상기 기판 상에 금속층을 형성하는 단계는 금속의 하부층 을 갖는 기판 상에 상기 금속층을 형성하는 것을 더 포함하는 방법.
  20. 제17항에 있어서, 상기 금속층을 형성하는 단계는 금속의 하부층을 형성하는 것을 더 포함하는 방법.
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