KR20090023726A - 등각 및 소형 광대역 안테나 - Google Patents

Abstract

인쇄 배선 기판과 같은 기판은 접지용 금속화물의 절단부을 규정한다. 단극 방사 요소가 절단부에서 접지용 금속화물의 가장자리로부터 측방향으로 이격된다. 패치 방사 요소가 절단부에서 접지용 금속화물의 가장자리들로부터 측방향으로 이격된다. 단극 및 패치 방사 요소들은 접지용 금속화물이 없는 것이 특징인 개구를 통하여 유도 결합을 사용 가능하게 하기 위해 서로의 적어도 일부는 중첩되고, 패치 방사 요소는 코너에서 접지용 금속화물에 단락된다.

Description

등각 및 소형 광대역 안테나{Conformal and compact wideband antenna}

본 발명의 전형적이고 비제한적인 실시예들은 광대역 또는 듀얼 밴드 안테나들에 일반적으로 관련되고, 특히 상호 결합된 단극 및 패치 안테나들에 관련된다.

초광대역(UWB) 통신 시스템이 최근 몇 년 내의 강화되는 연구의 초점이었는데, 그런 시스템이 상당히 높은 속도(예컨대, 10 미터 범위 내에서 110 Mb/s부터 480 Mb/s까지)로 데이터를 전달할 수 있고 수신할 수 있기 때문이다. 이동식 핸드셋이 2007년경에 UWB 기능성을 추가할 것이라고 예측되었다. 많은 학술 논문과 특허들이 안테나 솔루션을 목표로 하기 위해 출판되었는데, 그 이유는 시스템이 매우 넓은 대역폭(3.1-10.5 GHZ)을 가지기 때문이다. 현재까지 보이는 대부분의 솔루션은 안테나 사이즈 제한에 관계없이 대역폭에 대한 관심을 다루려고 한다. 이들 솔루션은 그러므로 일부 기기들, 예를 들면, PC와 랩톱 컴퓨터에 적합할 수 있지만, 이동식 전화 핸드셋과 다른 핸드헬드 휴대용 통신 기기들 이를테면 휴대폰 핸드셋, 이메일 기기, 포켓 크기 디지털 비디오 기기 등에는 적합할 수 없다. 최소 대역폭 및 방사 효율 요건들은 위의 것들과 같은 작은 휴대용 통신 기기를 위해 UWB 안테나를 디자인하기 위한 중요한 도전이다. 통상, 안테나 대역폭과 방사 효율은 안테나의 크기에 비례하고, 그래서 더 작은 안테나들은 전형적으로는 좁은 대역폭과 낮 은 방사 효율을 나타낸다.

소형 크기에서 광대역 수신을 가능하게 하는 것을 추구하는 하나의 기존 안테나는 박익모 등의 미국 특허출원공개 2005/0116867호(공개일 2005년 6월 2일)에 기술되어 있다. 그 개시물은 단락된 패치 안테나와 접지 평면 사이에서 배치된 나선 스트립 라인 단극 안테나를 보인다. 하나의 유전체 기판이 단극 및 패치 안테나들 사이에 놓이고, 다른 유전체 기판이 접지 평면과 단극 안테나 사이에 놓인다. 단극 안테나는 4분의 1 파장이고, 패치(patch)는 11 mm x 11 mm의 사각형이거나 아니면 11 mm 직경의 둥근 것이다. 이것이 작을지는 모르지만, 현재 사용되고 개발 중에 있는 도전중인 이동식 전화기 핸드셋 치수들의 일부에 대해 측방향으로는 여전히 크다고 생각된다. 그 개시물에서의 테이블형 설계 데이터는 7-10 mm 범위에서의 높이 요건을 더 보이고 있어, 3차원 안테나를 기존의 크기의 대부분의 이동식 전화 핸드셋으로 설계하기는 어려울 것이라는 결과를 초래한다. 또한, 그런 높이의 3차원 안테나는 합리적으로는 높은 제조 원가를 강요할 것이라 예측될 수 있을 것이다.

필요한 것은, 매우 작은 크기, 바람직하게는 약 11 mm x 11 mm보다 작은 정사각형으로 되고 물리적 공간이 프리미엄인 다양한 이동식 통신 기기들에서의 사용을 가능하게 하는 낮은 프로파일의 광대역 안테나이다. 유익하게는, 그런 안테나는 완성된 무선 기기 내에서 그것의 제조 및 배치에 연관된 비용 증분을 낮게 유지하기 위해 현존의 프로세스들을 사용하여 제조하기에는 단순할 것이다.

이러한 가르침들의 현재의 바람직한 실시예들에 따라서, 전술한 및 다른 문제들이 극복되고, 다른 이점들이 실현된다.

본 발명의 다른 전형적인 실시예에 따라, 접지용 금속화물; 접지용 금속화물의 가장자리들로부터 측방향으로 이격된 단극 방사 요소; 및 접지용 금속화물의 가장자리들로부터 측방향으로 이격된 패치 방사 요소를 구비하는 안테나가 제공된다. 단극 및 패치 방사 요소들은 적어도 부분적으로는 서로 중첩되고, 패치 방사 요소는 접지용 금속화물에 단락된다.

본 발명의 전형적인 실시예에 따라, 안테나를 만드는 방법은 제공된다. 이 방법에서, 절단부(cutout)를 형성하는 적어도 2개의 인접한 가장자리를 규정하는 기판이 제공된다. 이 절단부는 금속화물이 없는 것이 특징이다. 절단부 내에는 패치 안테나 및 단극 안테나가 서로로부터 이격되고 적어도 부분적으로는 서로 중첩하도록 패치 안테나 및 단극 안테나가 배치된다. 패치 안테나는 적어도 2개의 인접한 가장자리의 각각으로부터 측방향으로 이격되도록 배치된다. 패치 안테나는 기판의 접지용 금속화물에 단락된다.

본 발명의 다른 전형적인 실시예에 따라서, 송수신기 및 안테나를 포함하는 휴대용 통신 기기가 제공된다. 안테나는, 제1 안테나 수단, 제2 안테나 수단, 및 접지용 수단을 구비한다. 제1 안테나 수단은 제1 주파수 대역에서의 4분의 1 파장 방사를 위해 송수신기에 결합된다. 제2 안테나 수단은 제2 주파수 대역에서의 8분의 1 파장 방사를 위해 제1 안테나 수단에 유도 결합된다. 접지용 수단은 제1 및 제2 안테나 수단들의 측방향 가장자리들로부터 이격되고 제2 안테나 수단에 단락된다. 제1 안테나 수단의 적어도 일부분은 제2 안테나 수단의 적어도 일부분 위에 놓인다. 실시예에서, 제1 안테나 수단은 단극 방사 요소일 수 있으며, 제2 안테나 수단은 패치 방사 요소일 수 있으며, 접지용 수단은 기판에 도금된 금속화물일 수 있고, 단극 및 패치 방사 요소들은 기판의 대향 측면들 상에 배치된다.

본 발명의 다른 전형적인 실시예에 따라, 접지용 금속화물; 접지용 금속화물에 길이방향으로 결합된 단극 방사 요소; 및 접지용 금속화물에 길이방향으로 결합되고 단극 방사 요소의 적어도 일부분에 중첩되는 패치 방사 요소로서, 접지용 금속화물에 단락되는 패치 방사 요소를 구비하는 안테나가 제공된다.

각종 실시예들과 구현예들에 관한 더 이상의 세부사항은 아래에 상술된다.

이들 가르침의 전술한 및 다른 양태들은 다음의 상세한 설명으로 다음의 첨부 도면들에 연계하여 읽힐 때 더 명확하게 된다:

도 1은 본 발명의 실시예에 따라 패치 방사 요소가 기판의 접지용 금속화물에 이격되는 관계로 배치된 기판의 평면도를 보인다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따라 단극 방사 요소가 기판의 접지용 금속화물에 이격되는 관계로 배치된 도 1의 기판의 저면도를 보인다.

도 3은 도 2의 단면선 3'-3'를 따르는 단면도를 보인다.

도 4a-4b는 도 1의 평면도와 유사하지만, 패치 방사 요소가 기판의 코너에서 측방향 측면을 따라 각각 배치되는 평면도들이다.

도 4c는 도 2와 유사하며 기판의 코너에 배치된 단극 방사 요소를 보이는 도 면이다.

도 5는 패치가 10 mm x 11 mm의 치수인 기존의 결합형 단극/패치 안테나에 대한 안테나 반사 손실(return loss)(dB) 대 주파수의 그래프이다.

도 6은 도 5와 유사하지만 본 발명의 실시예에 따른 안테나에 대해 다른 크기로 된 패치 방사 요소들에 대한 데이터를 보이는 그래프이다.

도 7은 도 6과 유사하지만 서로 다른 길이의 단극 방사 요소들에 대한 데이터를 보이는 그래프이다.

도 8은 본 발명의 실시예에 따르는 안테나에 대해 기판을 따라(along) 서로 다른 위치들에 따른 서로 다른 응답들을 보이는 안테나 반사 손실(dB) 대 주파수의 그래프이다.

도 9는 도 8과 유사하지만 다르게 위치된 안테나들의 평균 이득을 보이는 그래프이다.

도 10은 도 1의 안테나가 통합된 이동식 통신 기기의 개략적인 블록도이다.

도 11은 본 발명의 전형적인 실시예들에 따른 PWB의 사시도이다.

도 12는 본 발명의 전형적인 실시예들에 따른 다른 PWB의 사시도이다.

도 13은 본 발명의 전형적인 실시예에 따른 다른 PWB의 사시도이다.

본 발명의 전형적인 실시예들은 3-7 GHz에 걸쳐있는 파장들에 대해 유효한 작은 초광대역(UWB) 안테나를 사용할 수 있게 하고 전체 대역에서 -3dBi를 넘는 이득을 달성할 수 있다. 전체적으로, 2개의 방사 요소가 기판의 서로 다른 표면들 상 에 적어도 부분적으로는 서로 중첩되도록 놓인다. 그 점에서 그것들은 기판 자체에 대해 등각(conformal)일 수 있고, 별도로 제작되고 인쇄 배선 보드(PWB) 기판과는 별도로 제작되고 조립되기보다는, PWB 기판상에 직접 제작될 수 있다. 2개의 방사 요소들이 제작되고 서로 중첩되는 영역에서, 그 중첩 영역의 적어도 일부는 접지용 금속화물이 없는 것이 특징이다. 이것은 2개의 방사 요소가 전자기(유도) 결합되게 하는 개구(aperture) 또는 슬롯으로서 아래에서 상술된다. 하나의 방사 요소는 급전점을 가지고, 다른 방사 요소는 접지용 금속화물에 단락된다. 위의 구성은 광대역 안테나가 다른 공지의 솔루션들의 거의 절반의 크기의 패치 안테나를 가지는 것을 가능하게 한다.

도 1-3은 본 발명의 안테나(10)의 전형적인 실시예를 보인다. 바람직하게는, 기판은 적어도 2개의 금속화물 층을 가지는 다층 PWB이다. 도 1 및 2에서, PWB(12)는 사각형을 이루고 안네타 방사 요소들에 대한 접지 평면으로서 소용되는 금속화물은 그 사각형을 반영하지만 설명될 바와 같은 절단부들을 추가로 나타내고 있다. 단일 층이 여기에 보인 다층의 금속화물 층들에 대해 보인 경계들을 너머서 추가로 연장하지 않을 단일의 금속화물 층이 가능하다. 더 전형적으로는, 이동식 통신 기기를 위한 PWB들이 다층의 금속화물을 다층 PWB에 채용하고, 그래서 본 발명의 전형적인 실시예들은 가장 편리하게 기술되지만, 다층 PWB의 정황으로 제한되지는 않는다.

도 1에서 알 수 있는 바와 같이, PWB(12)는 적어도 일부 층들로 된 제1'절단부(cutout)'(14)를 보이고 있다. 패치 안테나(16)는 PWB(12)의 접지용 금속화물의 측방향 가장자리들(18, 20)로부터 이격되어 있다. 이것들은 복수의 가장자리들이고, 그래서 패치 안테나(16)는 PWB(12)에 의해 규정된 사각형에 대해 등각이지만 그것의 측방향 가장자리로부터 이격되지 않고, 그러므로 공간을 절약한다는 것에 주의한다. 패치 안테나(16)는 코너에서 쇼트(22)에 있는 접지용 금속화물에 단락된다. 패치 안테나(16)의 하나의 가장자리(16a)는 접지 평면의 인접한 가장자리(16)로부터 약 2 mm 이격되어 있다. 다른 가장자리(16b)가, 가장자리들(16b 및 20) 사이에서 슬롯(24)을 규정하기 위해, 접지 평면의 인접한 가장자리(20)로부터 약 0.5 mm 이격되어 있다. 안테나(10)가 동작 중일 때 이 슬롯(24)을 통하여서 패치 방사 요소(16) 및 단극 방사 요소(26) 사이의 유도 결합이 강하게 발생한다. 개구 결합(aperture coupling)이 이 기술분야에서 알려져 있지만, 발명자의 지식으로는 종래 기술의 접근방법들은 모두가 본 발명의 실시예들의 단일 PWB에서보다는 적어도 2층 적층형의 PWB를 요구한다. 패치 방사 요소(16)의 나머지 측면들(16c, 16d)은 최대 공간 효율, 등각 특성을 위해 PWB(12)의 측방향 가장자리들에 일치한다.

도 1은 패치 방사 요소(16)를 전면(foreground)에 그리고 그것 뒤에서부터 연장하는 단극 방사 요소(26)의 부분들을 보이고, 도 2는 PWB(12)의 뒷면을 보인다. 도 2에서, 단극 방사 요소(26)는 전면에 있고, 패치 방사 요소(16)는 후면(background)에 있다. 도시된 전형적인 실시예에tj, 단극 방사 요소(26)는 "L"자 형태로 구부려져 공간 절약 및 공진 둘 다를 제공하지만, 기능의 뚜렷한 손실 없이 다른 형상을 취할 수 있다. 단극 방사 요소(26)는 직선의 형태일 수 있거나, 반대로, 비선형 단극을 형성하도록 구부려질 수 있다. PWB(12)로부터의 유전체 층이 이 들 방사 요소(16, 26)를 제조의 용이함을 위해 분리할 수 있고, 그 경우 각각은 PWB(12)의 대향 표면들 상에 형성되지만 그것들 사이에는 접지용 금속화물이 놓이지 않는다. 도 1에 보인 것과 유사한 절단부(14) 또한 명백하지만, 도 2에는 단극 방사 요소(26)의 급전점(28)이 그 속으로 연장하는 절단부의 확장부(14a)가 있다. 이것은 패치 방사 요소(16) 또는 슬롯(24) 중의 어느 것 아래에 급전점(28)이 직접 놓이는 것을 피하게 한다. 급전점(28)은 무선 신호들이 안테나(10)에 제공되게 하고 그 안테나로부터 도출되게 하는 곳이고, 안테나(10)가 구성요소를 형성하는 전체 무선 통신 기기에서 송수신기에 결합한다. 본 발명의 전형적인 실시예들에서, 단극 안테나는 "급전(fed)" 안테나이고 그것은 몇 가지 표준 방식들, 예컨대, 전자기적으로 결합되는 마이크로스트립 피드들 또는 선로들을 사용하여 "간접적으로", 또는 갈바닉 접속을 사용하여 라디오/송수신기에 "직접적으로" 그리고 커패시터, 인덕터, 및 저항기와 같은 표준 구성요소들을 통하여 "급전" 또는 "결합(커플링)" 될 수 있다.

양쪽 방사 요소들(16, 26)이 별도의 접지용 금속화물로부터 측방향으로 이격된 것으로 보이고 있지만, 전형적인 대체 실시예들에서 양쪽 방사 요소들(16, 26)은 단일 접지 평면을 참조할 수 있다는 것이 인정될 것이다. 예를 들면, 접지용 금속화물은 접지용 금속화물의 대향 측면들의 각각 하나 상에 위치된 방사 요소들(16, 26)로써 다층 PCB의 하부 층에 접지 평면을 형성할 수 있다. 상이한 PWB/PCB들의 물리적 치수들은 매우 얇은 8-층 PCB가 각각의 층 사이에 수십 마이크론을 가질 수 있다고 상상할 수 있게 한다는 것을 의미한다. 그래서, 패치 방사 요 소(16)를 접지 평면에 결합하는 것은 동일한 평면 또는 층에서 "가장자리 결합"하는 것에 대한 대체물로서 그것들을 별개의 층들 상에서 부분적으로는 길이방향으로 중첩시킴으로써 일어날 수 있다.

보일 바와 같이, 도 1-2를 참조하여 서술되는 안테나(10)의 아키텍처는 3-7 GHz 대역폭에 대해 대략 6x11 mm(허용오차(clearance) 포함) 치수의 패치 방사 요소(16)를 사용 가능하게 한다. 단극 방사 요소(26)는 패치 방사 요소(16)의 측방향 확장에 추가되지 않는다. 크기에서, 이것은 위의 배경기술 부분에서 상술된 박의 출원공개의 11x11 mm 패치 안테나를 넘어서는 독특한 이점이다. 그러한 작은 크기는 플립(flip), 낮은 프로파일, 슬라이드, 및 모노 블록 구성들을 포함하여 다수의 상이한 이동식 핸드셋 구조들에 어울린다고 여겨진다. 단극 방사 요소(26)는 바람직하게는 슬롯(24)으로부터 그것의 가장 먼 끝까지를 측정하고 어떠한 구부림이나 만곡(meander)에 무관하게, 요망된 중심 주파수의 4분의 1 파장을 측정한다. UWB 애플리케이션을 위해, 그것의 전체 길이는 약 12 mm(예컨대, 11-13 mm)인데, 작은 세그먼트가 슬롯(24)을 넘어 절단부 확장부(14a) 속으로 연장하기 때문이다.

도 3은 도 1-2의 실시예의 단면도를 도시한다. 제1 및 제2 금속화물 층들(12a, 12b)과 제1 및 제2 유전체 층들(12c 및 12d)을 (각각) 포함하는 다층 PWB의 몇 개의 층들이 보이고 있다. 패치 방사 요소(16)는 제1 유전체 층(12c)의 제1 표면상에 위치되는데, 제1 유전체 층은 도 1-2의 직사각형 형상으로 되며 그 층에서 절단층을 보이지는 않는다. 단극 방사 요소(26)는 동일한 층(12c)의 대향하는 제2 표면에 형성된다.

도 11을 참조하면, 본 발명에 따른 다층 PWB의 다른 전형적인 실시예가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 유전체 층들(12c, 12d)의 각각은 단일 금속화물 층(12a, 12b, 12g)에 의해 분리된다. 금속화물 층들(12a, 12b, 12g)은 PWB의 전체 두께에 비교하여 얇다. 전형적인 실시예에서, 패치 방사 요소(16)는 최상층인 금속화물 층(12g) 속에 제작되는 한편 절단부(14)와는 동일한 크기로 된 윈도우가 낮은 금속화물 층들(12A, 12B)에 통합된다.

도 12를 참조하면, 패치 방사 요소(16)가 PWB/PCB의 제2 금속화물 층(12b) 상에 제작되는 본 발명에 따른 다층 PWB의 다른 대체 실시예가 도시되어 있다. 패치 방사 요소(16)는 3D-만곡 트랙(예를 들면, "PWB/PCB VIA" 기술로써 구현됨)을 사용하여 PWB/PCB의 금속화물 층(12g)까지 연장될 수 있다. 이 구성의 이점은 안테나 크기가 2개의 층 상에 존재하는 패치 안테나(16) 때문에 더 축소될 수 있다는 것이다. 도시된 전형적인 실시예에서, 패치 안테나(16)의 패치 트랙은 제2 금속화물 층(12b)과 제3 금속화물 층(12g)의 부분들을 포함하는 한편 단극 방사 요소(26)는 제1 금속화물 층(12a)과 동일한 레벨에 존재한다. 층간 패치 연장부(121)는 하나의 PWB/PCB로부터 다른 PWB/PCB 또는 기판까지 적용될 수 있다. 예를 들면, 패치 방사 요소(16)가 PWB/PCB의 꼭대기 층에만 제작될 때, 도 11에서처럼, 절단부(14) 크기를 가지는 기판의 조각(piece)은 패치 방사 요소(16)의 꼭대기에 적재될 수 있고 패치 트랙은 과외(extra)/제2 기판까지 연장/연결될 수 있다. 마찬가지로 만곡된 금속 조각(미도시)이 패치 방사 요소(16)의 부가적인 부분과 연장부로서 역할을 하기 위해 PWB/PCB의 꼭대기 층 표면에 이를테면 솔더링되는 것에 의해 부착될 수 있음으로써, 일부 부가적인 높이를 발생을 희생하여) 전체 면적이 더 작아지게 한다.

도 3의 단면도는 효율적인 제조에 꽤 적합한 하나의 전형적인 실시예로서 보이고 있으며, 이 도면에서 패치 방사 요소(16)와 단극 방사 요소(26)는 PWB(12) 자체의 유전체 층(12c)의 대향 표면들 상에 형성되지만 그 PWB의 모든 금속화물 층들(12a, 12b)(및 사실 모든 다른 층들)은 주지된 바와 같이 절단부(14) 또는 연장부(14a)를 점유하지 않도록 하기 위해 절단 제거된다. 실용상, 이들 층들을 미리 형성된 절단부들 및 연장부들과는 별도로 생성한 다음, 그 층들을 함께 구부려서 방사 요소들(16, 26)이 제1 유전체 층(12c)상에 위치되는 것으로 설명되는 PWB를 제공하는 것이 효율적이라고 생각된다. 어떠한 접지용 금속화물도 슬롯(24)을 따라 존재하지 않는다. 바람직한 것은, 패치 방사 요소(16)와 단극 방사 요소(26) 사이의 그것들이 서로 중첩하는 영역들에는 접지용 금속화물이 존재하지 않는 것이고, 가장 바람직한 것은, 절단부(14)나 그것의 연장부(14a)를 가지는 절단부(14)의 영역들에서 접지용 금속화물이 존재하지 않는 것이다. 하나의 실시예에서, PWB(12)는 1 mm 두께의 이중 구리 도금된 기판인데, 개재하는(intervening) 유전체 층의 대향 측면들 상의 구리 도금 층들은 절단부(14)와 절단부 연장부(24a)를 표시된 바와 같이 나타낸다. 패치 방사 요소(16)와 단극 방사 요소(26)는, 금속화물이 절단부 영역(14)에 존재하지 않는 한, 단일 또는 다중 유전체 층들일 수 있는 그 유전체 층의 대향 측면들에 위치된다.

도 3의 단면도에 대한 대체 실시예는 PWB(12)와는 별개의 기판상에 패치 방 사 요소(16)와 단극 방사 요소(26)를 형성하고, 그 다음 위에서 상술한 것과 마찬가지로, 방사 요소들 및 PWB의 가장자리들 사이에 측방향 간극(spacing)을 규정하기 위해 그 어셈블리를 절단부(14)에 인접하게 배치한다. 쇼트(22)가 형성되고 급전점(28)은 안테나 방사 요소들(16, 26)을 PWB상에 위치된 다른 회로에 결합하기 위해 접속된다.

단극 방사 요소(26)는 이중의 역할을 수행한다: 그것은 패치 방사 요소(16)의 제1 공진과는 다른 제2 공진을 생성하는 λ/4 단극 안테나이며; 그리고 그것은 그것 위에 위치된 패치 방사 요소에 급전하기 위해 커플링 급전선으로서 역할을 한다. 마이크로스트립 선로(line) 단극 방사 요소(26)가 커플링 급전선으로서 역할을 할 때, 그것에 대한 높은 전류 분산이 슬롯(24)의 위치에서 존재한다. 위에서 주목된 바와 같이, 이것은 슬롯(24)에서부터 단극 방사 요소(26)의 가장 먼 끝단까지의 선 길이가 약 4분의 1 파장이기 때문이다. 그러면 패치 방사 요소(16)의 크기는 종래기술에서와 같은 4분의 1 파장에서부터 8분의 1 파장으로 축소될 수 있다. 이것은 쇼트(22)에서 단락하는 코너와 연계하여 단극 방사 요소(26)로부터 공급되는 커플링이 1/8 파장 모드에서만 생성하도록 패치 방사 요소(16)를 제한하기 때문이다. 또한, 단극 방사 요소(26)는 안테나(10)의 전체 대역폭을 더 확장한다.

6분의 1 파장의 패치 방사 요소(16)가 캐리어로서 사용되는 유전체 기판의 영향에 응답하여 생성된다는 것이 인정될 수 있을 것이다. 유전체 기판의 예는 PCB FR4재료이다.

도 4a-4c는 테스트되는 안테나(10)의 상이한 구성들을 보인다. 도 4a에서, 패치 방사 요소(16)는 PWB(12)의 코너에서 배치된다. 도 4c는 단극 방사 요소(26)가 보일 수 있게 도 4a와 동일한 실시예의 반대 측면을 보인다. 도 4c에서 단극 방사 요소(26)에는, 위에서 언급된 바처럼 간급적이기보다는, 직접 급전되고 있다는 것에 주의한다. 이것은 테스트 목적을 위한 것이었다. 유도 접속을 통한 간접 급전은 공간을 절약하지만, 급전 방법이 완전히 기능적이다.

도 4b는 패치 방사 요소(16)의 PWB(12)에 대한 다른 배치를 도시한다. 이 실시예에서, 단극 방사 요소(미도시)는 여전히 패치 방사 요소의 밑에 있지만, 방사 요소들(16, 26)의 쌍은 지금은 반대 코너에서 PWB의 측방향 가장자리(30)를 따라 배치된다.

도 4a-4c의 실시예들은 단극 요소에 결합된 크기 10x11 mm의 기존의 패치 요소와 지금 비교되는데, 기존의 배치구성은 본 발명의 실시예들을 위해 위에서 상술한 슬롯(24) 및 쇼트(22)를 가지고 있지 않다. 사실, 패치 방사 요소(16)는 단일 층 PWB상에서 직접 공급될 수 있고 제작될 수 있다. 도 5는 그 기존의 결합형 단극/패치 안테나를 위한 안테나 반사 손실 S₁₁(dB) 대 주파수의 그래프이다. 10 mm x 11 mm를 측정하는 패치는 약 3.4 GHz에서 최저 공진 주파수를 생성한다. 도 13을 참조하면, 하나의 그런 만곡(또는 미만곡) 안테나 구성의 전형적인 실시예가 도시되어 있다. 패치 방사 요소(16)는 단일 층 금속상에 직접 제공될 수 있고 제작될 수 있다.

도 5의 기존의 (대형 크기의) 안테나를 본 발명의 3가지 상이한 실시예들을 위한 도 6의 데이터와 비교하면, 패치 방사 요소는 물리적 크기의 약 절반인 5.5 mm x 8 mm, 9 mm, 및 10 mm이다. 사실, PWB 허용오차를 포함하여, 도 6에서 테스트되는 실시예들에 의해 요구되는 총 크기는, 11 mm x 21 mm(종래기술)에서부터 PWB 면적의 약 70% 축소인 6 mm x 11 mm로 더 많이 축소된다. 도 6의 데이터는 도 5의 그것과 매우 유사한 공진 특성들을 보이지만, 도 6의 실시예들은 실질적인 크기 축소를 제공한다. PWB(12)는 도 6의 데이터에 대해 동일한 크기(90x37 mm)를 유지하고, 도 8에서는 도 4a-4c에서 보인 것과는 다른 위치들 및 방위에서 구현되는 2가지 프로토타입들이 성능이 실질적으로 저하하지 않는다는 것을 보일 것이다. 이것은 안테나(10)의 아키텍처가 다른 PWB 위치들에 장착될 수 있는 충분한 유연성을 나타내고 각종 핸드헬드 휴대용 통신 기기들의 각종 아키텍처들에 즉시 적용될 수 있다는 것을 확인한다.

도 6은 공진 주파수가 패치 크기를 조절하는 것에 의해 조정될 수 있다는 것을 보이고 있다. (L자 형) 단극 방사 요소(26)의 길이가 12 mm로 고정되고 패치 방사 요소(16)의 크기가 5.5 x 8 mm에서부터 5.5 x 10 mm로 늘려질 때, 안테나(10)의 낮은 공진 주파수는 하이에서 로우로 이동한다. 5.5 x 9 mm의 패치 방사 요소(16)의 대각선 길이는 10.5 mm이다. 단락된 단극 패치 조합이 3.3 GHz에서 단락을 발생하는데, 이는 패치 방사 요소(16)의 대각선 길이가 공진 주파수의 약 λ/8이라는 것을 확인한다. 절단부(14)의 고정된 크기가 6 x 11 mm로 주어지면(이것은 5.5 x 10 mm의 패치 방사 요소(16)에 충분하다), PWB(12)로부터의 측방향 간극은 패치 방사 요소의 크기가 축소됨에 따라 증가할 것이다. (이런 패치 방사 요소 치수들의 경우, 단극 방사 요소(28)의 형상을 재구성하는 것이 필요하지 않다) 그러므로 양호한 정합이 작은 패치 방사 요소(16), 예를 들면 5.5 x 8 mm로써 큰 허용오차로 달성된다. 그것의 S₁₁은 3.2-10 GHz 대역 내에서 -7dB 아래에 있다.

L자 형태의 단극 방사 요소(28)는 5.5 GHz 주변에서 높은 공진을 생성한다. 패치 방사 요소(16)의 크기가 5.5 x 9 mm로 고정될 때, 단극 방사 요소의 길이를 11 mm에서부터 13 mm로 늘리기 위한 데이터가 도 7에 보이고 있다. 단극 방사 요소의 높은 공진 주파수는 단극 길이를 감소시키는 것과 더불어 로우에서 하이로 이동한다. 통상 이중 공진 요소들(16, 26)을 위한 2개의 공진들 사이에는 피크가 존재한다. 만일 2개의 공진 주파수가 가깝다면, 안테나(10)는 대역에서 일치하는 방사 효율과 매우 양호한 정합을 달성할 수 있지만, 대역폭은 약간 좁아진다. 넓은 대역폭을 달성하기 위해, 2개의 공진 주파수는 그렇게 너무 가까울 수는 없고 그렇지 않으면 피크가 발생한다. 양호한 정합과 넓은 대역폭 둘 다를 달성하기 위해 타협이 요구된다.

테스트되고 시뮬레이션된 안테나 반사 손실들(S₁₁)은, 도 8에 보인 것처럼, 2.5-7 GHz의 대역에 꽤 양호하게 일치한다. 도 8의 테스트된 데이터는 도 4a(PWB의 꼭대기에서, 코너를 따라) 및 도 4b(PWB의 중간에서, 측방향 가장자리를 따라)의 2개의 구성들을 반영한다.

UWB 안테나(10)의 평균 이득(효율성)은 사티모(Satimo) 챔버에서 테스트되었고 그것을 위한 데이터는 도 9에 재현되어있다. 방사 효율은 5.5 GHz 미만에서만 측정될 수 있다. UWB 안테나(10)가 "꼭대기에서" (도 4ad에서와 같은 PWB의 코너를 따라) 제작될 때, 그것의 이득은 그것이 PWB의 측방향 가장자리(도 9에서 "측방향에서"로 표시됨)를 따라 도 4b에서와 같이 배치되어 있었던 것보다 양호하다. 도 4b에서 처럼 PWB(12)의 코너보다는 측방향 측면을 따라 배치되었을 때에도 안테나(10)의 최소 이득은 도 9에 보인 전체 대역에 걸쳐 -3 dBi를 넘는다는 것에 주의한다. 평균 방사 효율은 상당히 좋다. 시뮬레이션된 결과는 측정된 결과와 양호하게 일치하고 있다. 그러므로, 우리는 발명된 안테나가 대역에서 -3 dBi를 넘는 평균 이득을 달성할 수 있다고 예측할 수 있다. 여기에 보인 테스트되고 시뮬레이션된 데이터의 모두는 그것들 위나 아래에서 (적어도 수 mm 내에) 금속을 가지지 않는 방사 요소들에 달려 있다는 것에 주의한다.

본 발명의 전형적인 실시예들이 UWB 애플리케이션, 이중 대역 설계, 이를테면 이중 대역 WLAN(2.4 GHz 및 5.2 GHz), 및 WiMax에 제한되지 않고 장래의 시스템들도 포함하는 광대역 및 다중대역 공진들을 요구할 수 있는 다수의 애플리케이션에 적용될 수 있다는 것에 주의한다.

이해될 수 있는 바와 같이, 안테나(10)는 위에서 언급된 이동국 또는 다른 기기들과 같은 휴대용 통신 기기(32)에 배치될 수 있으며, 급전점(28)은 이 기술분야에서 알려져 있는 바와 같은 송수신기에 결합된다. 도 10은 그런 기기(32)의 절단면도로 보이고 있는데, 그 도면에서 송수신기와 다른 회로는 PWB(12) 상에 인쇄되거나 그 위에 장착된다. 그래픽 디스플레이 인터페이스(34)를 위한 그리고 사용자 입력 인터페이스(36) 이를테면 버튼들의 어레이를 위한 드라이버가, PWB(12)에 장착될 수도 있고 안테나(10)에 대한 접지 평면으로서 소용되는 동일한 금속화물에 접지될 수 있다.

전술한 설명이 첨부 도면들에 연계하여 읽힐 때 각종 변형예와 개조예가 관련 기술분야의 당업자들에게는 명백하게 될 것이다. 그러나, 본 발명의 가르침들의 어떤 것 또는 모든 변형들은 본 발명의 비제한적인 실시예들의 범위 내에 여전히 들어 있게 될 것이다.

더욱이, 본 발명의 전형적인 실시예들의 특징들의 일부는 다른 특징들의 상응하는 사용 없이 유익하게 될 수 있다. 이같이, 앞서의 상세한 설명은 본 발명의 원리들, 가르침들 및 전형적인 실시예들의 단순한 예시로서만 간주되어야 하고 본 발명의 제한으로는 간주되지 않아야 할 것이다.

Claims (25)

1. 접지용 금속화물;

   접지용 금속화물의 가장자리들로부터 측방향으로 이격된 단극 방사 요소; 및

   접지용 금속화물의 가장자리들로부터 측방향으로 이격되고 단극 방사 요소의 적어도 일부분 위에 놓이는 패치 방사 요소로서, 접지용 금속화물로 단락되는 패치 방사 요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나.
2. 청구항 1에 있어서, 다층 기판을 더 포함하며, 다층 기판은 접지용 금속화물, 다층 기판의 유전체층의 대향 표면들 상에 배치되고 다층 기판의 다른 층들의 가장자리들로부터 측방향으로 이격된 패치 방사 요소들을 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나.
3. 청구항 1에 있어서, 단극 방사 요소와 패치 방사 요소는 다층 기판의 개구를 통해 전자기적으로 서로 결합되는 것을 특징으로 하는 안테나.
4. 청구항 3에 있어서, 개구는 패치 방사 요소의 측방향 가장자리를 따라 슬롯을 포함하며, 상기 슬롯은 폭이 최소 0.5 mm인 것을 특징으로 하는 안테나.
5. 청구항 1에 있어서, 단극 방사 요소는 패치 안테나 요소의 기초가 되지 않는 급전점(feeding point)을 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나.
6. 청구항 1에 있어서, 단극 방사 요소는 길이를 제1 공진 파장의 대략 4분의 1로 규정하고, 패치 방사 요소는 대각선을 제2 공진 파장의 대략 8분의 1의 규정하는 것을 특징으로 하는 안테나.
7. 청구항 1에 있어서, 상기 패치 방사 요소는 적어도 2개의 금속화 층으로 형성된 굽은 요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나.
8. 청구항 6에 있어서, 단극 안테나는 약 11 mm 및 13 mm 사이의 길이를 규정하고, 패치 방사 요소는 약 9.5 mm 및 11.5 mm 사이의 대각선 길이 또는 직경을 규정하는 것을 특징으로 하는 안테나.
9. 청구항 1에 있어서, 패치 방사 요소는 코너에서 단락되는 것을 특징으로 하는 안테나.
10. 청구항 1에 있어서, 단극 방사 요소는 패치 방사 요소의 측방향 가장자리를 너머에 놓이는 급전점에서 결합되는 것을 특징으로 하는 안테나.
11. 청구항 1에 있어서, 단극 및 패치 방사 요소들은 접지용 금속화물을 포함하 는 기판의 코너를 따라 배치된 것을 특징으로 하는 안테나.
12. 청구항 1에 있어서, 단극 및 패치 방사 요소들은 접지용 금속화물을 포함하는 기판의 측방향 가장자리를 따라 배치된 것을 특징으로 하는 안테나.
13. 제1항에 있어서, 상기 안테나는 휴대용 통신 기기에 배치되고 단극 방사 요소의 급전점에서 송수신기에 결합되는 것을 특징으로 하는 안테나.
14. 청구항 1에 있어서, 단극 방사 요소는 비선형 단극을 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나.
15. 청구항 1에 있어서, 상기 패치 방사 요소는 복수 개의 금속화 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나.
16. 안테나를 만드는 방법에 있어서,

    절단부(cutout)를 형성하는 적어도 2개의 인접한 가장자리를 규정하는 기판을 제공하는 단계로서, 절단부는 금속화물이 없는 것이 특징인 단계;

    패치 안테나 및 단극 안테나가 서로로부터 이격되고 적어도 부분적으로는 서로 중첩하도록 그리고 패치 안테나가 적어도 2개의 인접한 가장자리의 각각으로부터 측방향으로 이격되도록 패치 안테나 및 단극 안테나를 절단부 내에 배치하는 단 계; 및

    패치 안테나를 기판의 접지용 금속화물에 단락시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
17. 청구항 16에 있어서, 단극 안테나는 패치 안테나의 가장자리를 너머서 연장하는 것을 특징으로 하는 방법.
18. 청구항 16에 있어서, 단극 안테나는 4분의 1 파장 안테나이고 패치 안테나는 8분의 1 파장 안테나인 것을 특징으로 하는 방법.
19. 청구항 16에 있어서, 절단부 내에 배치하는 단계는, 절단부를 가로질러 연장하는 기판의 유전체층의 제1표면 상에 패치 안테나를 배치하는 단계, 및 유전체층의 대향하는 제2표면 상에 단극 안테나를 배치하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
20. 청구항 16에 있어서, 패치 안테나와 단극 안테나는 적어도 2개의 인접한 가장자리를 규정하는 기판과는 별개의 제2기판 상에 배치되고, 절단부 내에 배치하는 단계는, 적어도 3개의 가장자리의 각각으로부터 측방향으로 이격되도록 패치 안테나를 배치하는 단게를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
21. 청구항 16에 있어서, 절단부는 기판의 코너를 따라 위치되는 것을 특징으로 하는 방법.
22. 청구항 16에 있어서, 절단부는 기판의 측방향 가장자리를 따라 위치되며, 적어도 2개의 인접한 가장자리는 적어도 3개의 가장자리에 의해 절단부를 형성하는 2개의 인접한 가장자리 중의 하나에 인접한 제3 가장자리를 포함하고; 배치하는 단계는 적어도 3개의 가장자리 중의 하나로부터 측방향으로 이격되도록 하기 위해 패치 안테나를 배치하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
23. 송수신기;

    안테나를 포함하는 휴대용 통신 기기로서, 안테나는,

    송수신기에 결합되어, 제1 주파수 대역에서의 4분의 1 파장 방사를 위한 제1 안테나 수단;

    제1 안테나 수단에 유도 결합되어, 제2 주파수 대역에서의 8분의 1 파장 방사를 위한 제2 안테나 수단; 및

    제1 및 제2 안테나 수단들의 측방향 가장자리들로부터 이격되고 제2 안테나 수단에 단락된 접지용 수단을 포함하며,

    제1 안테나 수단의 적어도 일부분은 제2 안테나 수단의 적어도 일부분 위에 놓이는 것을 특징으로 하는 휴대용 통신 기기.
24. 청구항 23에 있어서, 제1 안테나 수단은 단극 방사 요소를 포함하며, 제2 안테나 수단은 패치 방사 요소를 포함하며, 접지용 수단은 기판에 도금된 금속화물을 포함하고, 단극 및 패치 방사 요소들은 기판의 대향 측면들 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 휴대용 통신 기기.
25. 접지용 금속화물;

    접지용 금속화물에 길이방향으로 결합된 단극 방사 요소; 및

    접지용 금속화물에 길이방향으로 결합되고 단극 방사 요소의 적어도 일부분에 중첩되는 패치 방사 요소로서, 접지용 금속화물에 단락되는 패치 방사 요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나.

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