KR20090048440A - 듀얼 오토다이플렉싱 안테나 - Google Patents

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KR20090048440A
KR20090048440A KR1020097001846A KR20097001846A KR20090048440A KR 20090048440 A KR20090048440 A KR 20090048440A KR 1020097001846 A KR1020097001846 A KR 1020097001846A KR 20097001846 A KR20097001846 A KR 20097001846A KR 20090048440 A KR20090048440 A KR 20090048440A
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비제이 엘. 아스라니
아드리안 나폴리스
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Abstract

듀얼 오토다이플렉싱 안테나(300)는 전력 흐름(303)을 로딩되지 않은 안테나로부터 로딩된 안테나에 지향시켜, 로딩된 환경 하에서 통신 성능을 향상시킨다. 듀얼 오토다이플렉싱 안테나(300)는 휴대용 양방향 통신 장치(100)의 제1 단부(103)에 배치된 제1 안테나(101)를 포함한다. 제2 안테나는 휴대용 양방향 통신 장치(100)의 말단(104)에 배치된다. 제1 안테나(101) 및 제2 안테나(102)는 제1 송신선로 정합회로(201) 및 제2 송신선로 정합회로(202)에 의해 송수신기(107)에 각각 결합된다. 일 실시예에 있어서, 제1 안테나(101)는 주로 제1 대역폭에서 동작하도록 구성되는 반면, 제2 안테나(102)는 제2 대역폭에서 주로 동작하도록 구성된다. 제1 안테나(101) 및 제2 안테나(102) 중 하나가 로딩되는 때에, 전력 흐름(303)은 더 적게 로딩된 안테나에 재지향된다.
공칭 임피던스, 부하 임피던스, 안테나 방사 소자, 정합회로, 송신선로

Description

듀얼 오토다이플렉싱 안테나{DUAL AUTODIPLEXING ANTENNA}
본 발명은 일반적으로 통신 신호의 송신을 위한 안테나를 갖는 전자 장치에 관한 것으로서, 특히, 안테나 중 더 적게 로딩된 쪽의 안테나에 전력을 보내도록 오토다이플렉싱(autodiplexing)하는 듀얼 안테나를 갖는 전자 장치에 관한 것이다.
휴대 전화, 양방향 라디오, 및 PDA와 같은 양방향 통신 장치들 각각은 RF 통신 신호를 송수신하기 위하여 안테나를 사용한다. 이러한 안테나는 데이터를 송수신하기 위하여 WAN 타워, LAN 기지국, 및 기타의 장치들에 직접 통신한다. 안테나는 모든 통신이 공기중으로 발생할 수 있다는 점에서 장치들이 실제로 무선이 되도록 한다.
한때는 커서 접는 방식의 장치이었지만, 오늘날 대부분의 보통 통신 장치들에서 안테나는 매우 작다. 안테나는 일반적으로 스터브(stub)형 및 내장형의 2개의 형태 중 하나에 속한다. 스터브형 안테나에 있어서, 작은 돌기가 전자 장치로부터 방출된다. 내장형 안테나에서는, 안테나 자체가 장치 내부에 완전히 일체화되어, 더 모양새 좋고 스타일리쉬한 외관을 만든다.
스터브형 및 내장형 안테나 공히 일어나는 하나의 문제점은, 부하(loading)에 있다. 일례로서 휴대 전화를 이용하여 사용자가 통화하는 경우, 손으로 그들의 귀에 가깝게 전화를 파지한다. 오늘날 휴대 전화가 매우 소형화함에 따라, 때로는 손이 장치를 완전히 감싸게 된다. 그 결과, 장치 내부의 안테나는 타워, 기지국, 또는 기타의 장치와 통신하기 위하여 손을 통하거나 주변을 통해 전력을 송신하여야 한다. 안테나 다음에 위치되는 손은 안테나를 "로딩(load)"함으로써, 안테나가 다른 장치들과 "통화(talk)"하기 더욱 어렵게 만든다.
로딩 문제에 대하여는 종래에 2개의 해결책이 있다. 첫번째 해결책은 안테나를 더 크게 만드는 것이다. 예를 들어, 종래 기술의 양방향 라디오에 있어서, 안테나는 길고 신장가능한 금속 장치이다. 무엇을 로딩하고 있든지 안테나가 이를 넘어서 연장하는 경우, 로딩 효과가 감소된다. 그러나, 이러한 해결책은, 3인치 휴대 전화 상에서 2피트 안테나가 실용적이지는 않기 때문에, 오늘날의 현대식 전자 장치에 용이하지 않다. 또한, 높은 동작 주파수는 자신의 동작 파장에 비하여 매우 긴 안테나에 대하여는 적합하지 않을 수 있다.
두번째의 종래 기술의 해결책은 안테나가 언제 로딩되든지 송신 전력을 증가시키는 것이다. 이러한 해결책의 문제점은, 충전가능한 배터리가 이러한 휴대 전화에 전력을 공급한다는 점이다. 이 때, 송신 전력의 증가는 배터리 상의 부하가 증가됨을 의미한다. 이러한 증가된 부하는 충전 사이에 "통화 시간"을 더 작게 만들며, 이는 이러한 장치의 사용자들에게는 실망이 될 수 있다.
따라서, 로딩된 환경 하에서 동작할 수 있는 전자 통신 장치들에 있어서 개선된 안테나에 대한 필요성이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 듀얼 안테나를 갖는 휴대용 양방향 통신 장치의 일 실시예를 나타낸다.
도 2는 본 발명에 따른 듀얼 안테나를 갖는 휴대용 양방향 통신 장치의 일 실시예의 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따라 로딩되지 않은 듀얼 안테나를 갖는 휴대용 양방향 통신 장치의 일 실시예의 개략도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라서 각각 로딩되지 않은 제1 및 제2 안테나의 반사 손실 및 복소 임피던스 도의 일례이다.
도 6은 본 발명에 따라서 제1 안테나를 로딩하고 제2 안테나를 로딩하지 않도록 한 듀얼 안테나를 갖는 휴대용 양방향 통신 장치의 일 실시예를 나타낸 개략도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라서 로딩한 제1 안테나에 대한 반사 손실 및 복소 임피던스 도의 일례이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라서 제2 안테나를 로딩하고 제1 안테나를 로딩하지 않은 듀얼 안테나를 갖는 휴대용 양방향 통신 장치의 일 실시예의 개략도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라서 최악의 경우의 로딩된 상태에서 듀얼 오토다이플렉싱 안테나의 조합된 성능의 일례를 나타낸다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라서 시스템의 반사 손실의 위상에 대한 부하 임피던스의 실수부를 나타낸다.
당업자라면, 도면의 구성요소들은 간략화를 위하여 반드시 스케일되도록 작도된 것은 아니라는 것을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 도면내의 일부 구성요소의 치수는 다른 구성요소에 비하여 과장되어 본 발명의 실시예의 이해를 도울 수 있다.
본 발명에 따른 상세한 실시예를 설명하기에 앞서서, 실시예들은 주로 듀얼 오토다이플렉싱 안테나를 갖는 전자 장치에 관련된 장치 성분들의 조합에 있다. 따라서, 장치 성분들은 적절한 경우 도면 내에서 종래의 심볼로서 나타내어서, 본 명세서의 설명의 이익을 갖는 당업자에게 명백하게 세부적인 개시 내용을 불명확하게 하지 않도록 본 발명의 실시예들을 이해하는데 해당하는 세부 사항들만을 나타낸다.
이하, 본 발명의 실시예들을 상세하게 설명한다. 도면을 참조하면, 동일 번호는 동일한 부분을 나타낸다. 본 명세서의 설명과 청구항들에서 사용되는 바와 같이, 이하의 용어들은 달리 문맥상 명시하지 않는 한, 명세서에 명시적으로 관련된 의미를 갖는다: 하나의("a", "an") 및 그("the")의 뜻은 복수의 참조를 포함하며, 안("in")의 의미는 안("in")과 위("on")를 포함한다. 제1 및 제2, 상부 및 하부 등의 관계 용어들은, 하나의 개체 또는 조치를 다른 개체 또는 조치와 구분하기 위해서만 사용될 수 있는 것으로서, 이러한 개체 또는 조치 사이의 실제적인 관계 또는 순서를 필요로 하거나 의미하지는 않는다. 또한, 본 명세서에서 괄호 안의 참조자는 논의 중인 것이 아닌 도면 내에 도시된 성분들을 나타낸다. 예를 들어, 도 A를 논의하면서 장치(10)라 하면, 도 A가 아닌 도면 내에 도시된 구성요소 10을 참조하는 것이다.
전술한 바와 같이, 휴대 전화 등의 휴대용 통신 장치에서 안테나를 로딩하는 것은, 성능 저하를 일으킬 수 있다. 안테나에 대한 부하가 증가되는 것은, 안테나가 원격의 소스와 유효하게 통신하는 것을 더욱 어렵게 한다. 통신에 있어서 어려움은, 통화를 떨어뜨리고, 오디오를 끊어지게 하거나, 악화시키게 된다. 많은 휴대 전화 동작 주파수는 GSM(Global Standard for Mobile Communications)을 포함하여, 고주파에서 동작하므로, 안테나 구조는 더 소형이 되고 있다. 결과적으로, 핸드-로딩 효과는 이러한 종류의 장치들에서 더욱 심각해진다.
본 명세서에 설명 및 도시되는 바와 같이, 본 발명은 장치의 하부에 위치된 제1 안테나 및 상부에 위치된 제2 안테나를 갖는 양방향 통신 장치를 포함한다. 안테나는, 각각 방사 소자를 포함하며, 주로 상부 안테나는 제1 대역에서, 하부 안테나는 제2 대역에서 동작하여, 2개의 상이한 주파수 대역에서 동작하도록 된다. 예를 들어 GSM 프로토콜을 이용한다면, 하부 안테나는 저대역 GSM 통신(예컨대, 880 내지 960㎒)에 지정될 수 있는 한편, 상부 안테나는 고대역 동작(예컨대, 1710 내지 1880㎒)에 대하여 지정된다. 또 다른 실시예에 있어서, 저대역 GSM 범위는 약 824와 894㎒ 사이일 수 있는 한편, 고대역은 약 1850과 1990㎒ 사이일 수 있다. 이들 대역은 일례의 것이며, 적용예에 따라서 다른 대역들이 사용될 수 있다.
송수신기는 2개의 피동 송신선로 정합회로를 통해 2개의 안테나를 구동시킨다. 주로 저대역에서 동작하도록 지정되는 하부 안테나는 고대역에서도 동작가능 하므로, 오토다이플렉싱 기능의 제1 부분을 제공한다.
각각의 안테나는 공칭 임피던스와 다양한 부하 임피던스를 갖는다. 부하 임피던스는, 예를 들어, 사용자의 손이 일반적으로 장치의 배면을 가로질러 통신 장치를 귀에 대고 있을 때 발생할 수 있다. 실험에서는, 사용자의 손은 장치의 배면 상에서 안테나에 대한 특정의 위치에 두면서 통신 장치를 귀에 대고 있을 때 일어나는 최악의 경우의 부하의 일 실시예가 나타난다. 전화기의 경우, 사용자의 집게 손가락이 귀에 대는 부분을 누르고 있는 한편, 엄지손가락과 다른 손가락은 측편에서 전화기를 잡고 있을 수 있다.
공칭 임피던스에서, 각각의 안테나는 송수신기로부터 송신 신호의 일부를 수신한다. 안테나 중 하나가 로딩되는 경우, 아마도 사용자의 손에 의해, 안테나/송신선로 조합이 부정합되게 되어, 로딩된 안테나에 대하여 더 적은 신호가 가도록 한다. 일 실시예에서 사용자가 귀에 대는 부분을 눌러 상부 안테나를 로딩하는 한편, 장치의 배면의 특정 위치에 압력을 가하면, 전력이 "피동적으로" 더 낮고 더 적게 로딩된 안테나(양측 대역 모두에서 동작 가능함)에 보내지게 된다. 이는 종래 기술 안테나에 비하여 송신 성능을 향상시킨다. "피동적(passively)"이라는 용어는, 전력의 흐름 - 임피던스 부정합을 통해서 피동적으로 보내짐 - 을 보내는 능동 성분이 없기 때문에 사용된다.
송수신기를 안테나에 결합시키는 각각의 송신선로 정합 회로는 이와 관련되는 삽입 위상을 포함한다. 일 실시예에 있어서, 삽입 위상이 선택되어, 해당 안테나가 최악의 경우의 임피던스에 있는 때에, 송신선로 입력의 임피던스 중 실수 부 분을 최대화하고 리액턴스 부분(reactive part)을 최소화하도록 설계된다. 이러한 상황에서, 안테나의 유효 임피던스는 시스템에 비하여 높게 되며, 송수신기로부터 안테나에 수신되는 전력의 일부가 감소되게 된다. 따라서, 송신 전력은 다른 안테나에 지향된다.
일 실시예에 있어서, 삽입 위상은 최악의 경우의 조건에서 안테나 방사 소자가 로딩되는 경우, 안테나의 입력 임피던스를 증가시키도록 선택 및 설계된다. 삽입 위상은, 해당 방사 소자가 로딩되는 때에 안테나의 입력 임피던스를 최대화하도록 선택될 수 있다. 부정합 하에서, 송신선로/안테나 어셈블리는 다이플렉서(diplexer)로 기능하여, 부정합된 안테나로부터 멀리 전력을 스티어링(steering)시킨다. 본 발명의 실시예들은, F-구조의 안테나, 반전된 F-구조의 안테나, 반전된 C-구조의 안테나, 패치 안테나, 몸체 방사 안테나, 및 기타 종류의 안테나를 포함하여, 모든 종류의 안테나에 사용하기에 적합하다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 듀얼 오토다이플렉싱 안테나를 갖는 휴대용 양방향 통신 장치(100)의 일 실시예가 도시되어 있다. 휴대용 양방향 통신 장치(100)는 적어도 제1 대역폭에서 동작하도록 구성되는 제1 안테나(101)를 포함한다. 제1 안테나(101)는 휴대용 양방향 통신 장치(100)의 제1 단부(103)에 배치된다. 휴대용 양방향 통신 장치(100)가 휴대 전화인 경우, 휴대용 양방향 통신 장치(100)는 스피커(108)와 마이크(109)를 포함할 수 있다. 이러한 장치에서, 제1 안테나(101)는 스피커(108)에 인접할 수 있다.
휴대용 양방향 통신 장치(100)는 적어도 제2 대역폭에서 동작하도록 구성되 는 제2 안테나(102)를 포함하기도 한다. 제2 안테나(102)는 휴대용 양방향 통신 장치(100)의 말단(104)에 배치된다. 휴대용 양방향 통신 장치(100)가 휴대 전화인 경우, 제2 안테나(102)는 마이크(109)에 가까울 수 있다. 일 실시예에 있어, 제1 안테나(101) 및 제2 안테나(102)는 주로 휴대용 양방향 통신 장치(100)의 배면으로부터 지향성을 갖도록 휴대용 양방향 통신 장치(100)의 배면에 배치된다.
논의를 위해서, 본 명세서에서는 일례의 장치로서 휴대 전화가 사용되는 것이며, 본 개시물의 이점을 갖는 당업자라면, 본 발명은 이에 한하지 않는다는 것이 명백할 것이다. 듀얼 오토다이플렉싱 안테나 구조는 통신 수단으로서 안테나를 채용하는 임의의 종류의 장치에 적용될 수 있다. 이러한 장치는 양방향 라디오, 페이저, 게임 장치, PC, 등을 포함할 수 있다.
송수신기(107)는 제1 안테나(101) 및 제2 안테나(102) 양쪽 모두에 전기적으로 결합된다. 송신기 또는 수신기 중 하나이거나, 결합된 송수신기 일 수 있는, 송수신기(107)는 제1 안테나(101) 및 제2 안테나(102)에 대한 전달을 위한 통신 신호들을 생성하여 증폭한다. 송수신기(107)는 또한 관련 증폭 및 전력 관리 회로를 포함할 수 있다.
제1 안테나(101) 및 제2 안테나(102) 각각은 이에 관련된 방사 패턴(105, 106)을 갖는다. 방사 패턴(105, 106)은 특정 주파수에서 통신 신호들을 송수신함에 있어서의 안테나의 유효성을 나타낸다. 이러한 방사 패턴(105, 106)은 부하에 따라 변화할 것이다. 방사 패턴은 단지 안테나의 유효성을 나타내는 연상 장치를 제공하기 위하여 제공되는 것으로서, 더 기술적인 표지 - 반사 손실 및 스미스 차 트를 포함함 - 가 이하에서 사용될 것이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 듀얼 오토다이플렉싱 안테나를 갖는 휴대용 양방향 통신 장치(100)의 일 실시예의 단면도가 도시되어 있다. 이 단면도로부터 내부 성분들이 쉽게 이해될 수 있다.
전술한 바와 같이, 휴대용 양방향 통신 장치(100)는 제1 안테나(101) 및 제2 안테나(102)를 포함한다. 제1 안테나(101)는 제1 방사 소자(203)를 포함하며, 제2 안테나(102)는 제2 방사 소자(204)를 포함한다. 제1 안테나(101)는 신호 배선(feed)(205) 및 접지 배선(206)을 갖는다. 마찬가지로, 제2 안테나(102)는 신호 배선(207) 및 접지 배선(208)을 갖는다. 본 명세서에서 내부 FICA 안테나로 나타낸 이들 안테나는 전자기 에너지를 방사 또는 수신할 수 있는 도전성 금속(구리 등)의 절삭물이다. 본 발명의 실시예에 따라서 PIFA 구조 등의 다른 안테나 구조가 사용될 수도 있다. 도 3, 도 6, 및 도 8에서 설명하는 바와 같이, 제1 안테나(101) 및 제2 안테나(102) 각각은 공칭 임피던스 및 적어도 하나의 부하 임피던스와 관계를 갖는다. 공칭 임피던스는 자유공간 임피던스일 수 있는 한편, 부하 임피던스는 손실성 물체가 안테나 중 하나 근처에 있을 때 발생할 수 있다.
제1 안테나(101) 및 제2 안테나(102) 각각은 송수신기(107)에 의해 구동된다. 송수신기(107)는 송신선로 정합회로에 의해 제1 안테나(101) 및 제2 안테나(102)에 결합된다. 구체적으로, 제1 송신선로 정합회로(201)는 신호 배선(205)을 송수신기(107)와 함께 제1 안테나(101)에 결합시키는 한편, 제2 송신선로 정합회로(202)는 신호 배선(207)을 송수신기(107)와 함께 제2 안테나(102)에 결합시킨 다. 제1 실시예에 있어서, 각각의 송신선로 정합회로는 구리로 된 동평면상의 도파관으로 구성된다. 이들 도파관은 인쇄회로기판의 각 면 상에 구리 배선으로 이루어진다. 인쇄회로기판이 휴대용 전자 장치의 내부에 배치되는 경우, 인쇄 회로 기판은 또한 키패드 및 디스플레이 등의 다른 전자 성분들을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상부 배선(top trace)은 51 mil 구리 접지 경계 사이에서 이동하는 대략 12 mil 두께의 지그재그 구리 경로로서, 경로와 경계 사이에 3 내지 4 mills 사이의 간격을 갖는 것을 포함할 수 있다. 구리 경로 및 경계는 집합적으로 동평면상의(coplanar) 도파관을 포함한다. 인쇄 회로 기판의 반대편에는, 고체의 51 mil 배선이 경계 바로 아래를 지날 수 있다. 송신선로 정합회로의 길이는 다소 장치에 의존하는 반면, 일 실시예에 있어서, 제1 송신선로 정합회로(201)의 최적 길이는, 제2 송신선로 정합회로(202)가 분리되는 때에, 제1 송신선로 정합회로(201)와 제1 안테나(101)의 입력의 저대역 임피던스의 실수 부분을 증가 또는 최대화하고, 리액턴스 부분들을 감소 또는 최소화하는 길이로서, 여기서, 증가 또는 최대화하는 것은 안테나(101)의 로딩되지 않은 임피던스에 대한 로딩된 임피던스에 적용하는 것이다. 마찬가지로, 일 실시예에서, 제2 송신선로 정합회로(202)의 최적 길이는 제1 송신선로 정합회로(201)가 분리되는 때에, 제2 송신선로 정합회로(202) 입력 및 제2 안테나(102)의 입력에서의 고대역 임피던스의 실수 부분을 증가 또는 최대화하고, 리액턴스 부분들을 감소 또는 최소화하는 길이로서, 여기서, 증가 또는 최대화하는 것은, 안테나(102)의 로딩되지 않은 임피던스에 대한 로딩된 임피던스를 적용한다. 송신선로 정합회로는 로딩되지 않은 임피던스에 대한 로딩 된 임피던스의 실수 부분을 증가시키기 위한 삽입 위상을 제공하기 위하여 적절한 길이의 송신선로를 채용할 수 있다. 저대역, 고대역, 대역통과, 또는 전역통과 망 또는 이들의 결합을 포함하는 기타의 회로가 필요한 삽입 위상을 제공하도록 사용될 수 있다. 따라서, 다른 안테나 종류와 사용하기 위한 다른 송신선로 정합회로 또한 이러한 가이드라인 및 이하 설명에서 명기된 기타의 파라미터들에 따라서 설계될 수 있다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 오토다이플렉싱 안테나(300)의 제1 안테나(101), 제2 안테나(102), 및 송수신기(107)를 나타내는 개략도가 도시되어 있다. 전술한 바와 같이, 제1 안테나(101) 및 제2 안테나(102) 각각은 이와 관련하여 로딩되지 않은 상태에서의 공칭 임피던스 및 로딩된 상태에서의 적어도 제2의 부하 임피던스를 갖는다. 도 3에서, 제1 인피던스(301) 및 제2 임피던스(302)는 제1 안테나(101) 및 제2 안테나(102)의 공칭 임피던스를 각각 나타낸다. 안테나가 로딩되지 않은 채로 휴대용 양방향 통신 장치(100)가 자유 공간에 있을 때에 임피던스는 공칭(nominal)이다.
제1 안테나(101)는 제1 송신선로 정합회로(201)로 송수신기(107)에 결합된다. 제1 송신선로 정합회로(201)는 이와 관련된 제1 삽입 위상을 갖는다. 제2 안테나(102)는, 그와 관련된 제2 삽입 위상을 갖는, 제2 송신선로 정합회로(202)로 송수신기(107)에 결합된다. 제1 삽입 위상은 제1 안테나(101)의 방사 소자가 로딩되는 때에 제1 안테나(101)의 입력 임피던스를 증가 또는 실질적으로 최대화하도록 선택된다. 마찬가지로, 제2 삽입 위상은 제2 안테나의 방사 소자가 로딩되는 때에 제2 안테나(102)의 입력 임피던스를 증가 또는 실질적으로 최대화하도록 선택된다. "실질적(substantially)"이라는 용어는 본 개시물의 이점을 갖는 당업자에게 명백한 바와 같이, 전력 재지향(power redirection)이 최적이 되도록 절대 최대(alsolute maximum)가 성취될 필요는 없기 때문에 사용된다. 한계 또는 최대치에 대한 범위(window) 내에서의 실질적인 최대화가 적합하게 작용할 것이다.
일 실시예에 있어서, 제1 삽입 위상은 제2 삽입 위상보다 크다. 이 실시예는, 제1 안테나(101)가 고대역 송신을 위하여 설계되고, 제2 안테나(102)가 저대역 송신을 위해 설계되는 GSM 적용예에 대한 것이다. 실험 결과, 제1 송신선로 정합회로(201)에 대하여는 1㎓에서 50도보다 큰 삽입 위상 및 제2 송신선로 정합회로(202)에 대하여는 1㎓에서 50도보다 작은 삽입 위상이 애플리케이션에 적합한 것으로 나타났다. 이러한 애플리케이션의 시뮬레이션에서는, 제1 송신선로 정합회로(201)에 대하여는 1㎓에서 75도의 삽입 위상 및 제2 송신선로 정합회로(202)에 대하여는 1㎓에서 20도의 삽입 위상을 포함한다. 주어진 주파수의 작동 전력에서는 대부분 하나의 안테나로 흐르지만, 로딩되지 않은 상태에서의 전력 흐름(303)은 일반적으로 제1 안테나(101) 및 제2 안테나(102) 양쪽으로 향한다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 각각 제1 안테나(101) 및 제2 안테나(102)에 대한 공칭 반사 손실 및 복소 임피던스가 도시되어 있다. 도 4는 제1 안테나(101)에 대한 고대역 공칭 반사 손실 및 복소 임피던스를 나타내는 반면, 도 5는 제2 안테나(102)에 대한 저대역 공칭 반사 손실 및 복소 임피던스를 나타낸다.
도 4에서, 하이라이트된 부분(401)은 고대역에서 제1 안테나(101)의 반사 손 실을 나타내며, 하이라이트된 부분(402)는 저대역에서 제1 안테나(101)의 반사 손실을 나타낸다. 이는 GSM 적용예에 있어서 고대역 및 저대역으로서 1710 내지 1880㎒ 및 880 내지 960 ㎒의 예시적인 대역을 사용하는 것임에 주목하기 바란다. 본 개시물의 장점을 갖는 당업자에게, 본 발명은 이에 한하지 않음이 명백할 것이다. CDMA 등의 다른 확산 스펙트럼 통신 프로토콜에 적합한 것들을 포함하는 다른 듀얼 대역 구조들이 고대역 및 저대역을 정의하기 위하여 사용될 수 있다.
하이라이트된 부분(401)에서의 반사 손실을 보면, 제1 안테나(101)는, 그 반사 손실이 저대역에서보다 좋기 때문에, 주로 고대역에서의 동작에 특징이 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 하이라이트된 부분(403)은 종래의 스미스 차트 표현을 통해 고대역에서의 제1 안테나(101)의 공칭 복소 임피던스를 나타내는 반면, 하이라이트된 부분(404)은 저대역에서의 제1 안테나(101)의 공칭 복소 임피던스를 나타낸다.
도 5에 있어서, 하이라이트된 부분(501)은 고대역에서의 제2 안테나(102)의 반사 손실을 나타내는 반면, 하이라이트된 부분(502)은 저대역에서의 제2 안테나(102)의 반사 손실을 나타낸다. 하이라이트된 부분(501)에서의 반사 손실을 보면, 제2 안테나(102)는, 그 반사 손실이 고대역에서의 동작보다 더 좋기 때문에, 저대역에서의 동작에 특징이 있다는 것을 알 수 있다. 하이라이트된 부분(503)은 고대역에서의 제2 안테나(102)의 공칭 복소 임피던스를 나타내는 반면, 하이라이트된 부분(504)은 저대역에서의 제2 안테나(102)의 공칭 복소 임피던스를 나타낸다.
도 6을 참조하면, 제1 안테나(101)를 로딩한 듀얼 오토다이플렉싱 안테 나(300)가 도시되어 있다. 제1 안테나(101)는 적어도 하나의 손(404)이 휴대용 양방향 통신 장치(100)의 제1 단부(103)에 근접한 경우에 로딩될 수 있다. 손(404)은 제1 안테나(101)에 관련된 임피던스가 로딩되도록 한다. 부하 임피던스(401)는 손(404)이 머리 또는 머리/손 조합과 연계하여 제1 안테나(101)에 가깝게 위치 또는 근접하는 경우가 최악의 경우가 된다. 제1 안테나(101)의 로딩이 해당하는 반사 손실을 증가시키는 동안, 반사 손실의 위상은 2*π ± π/4 라디언이다. 더 일반적으로 표현하자면, 반사 손실의 위상은 2*π*n ± π/4 라디언이며, 여기서, n은 정수이다. 이는 저항의 해당하는 실수 부분이 실질적으로 최대화되는 경우이다. 송신선로 정합망의 삽입 위상은 이러한 기준에 부합하는 반사손실 위상을 제공하는 기능을 한다.
도 10을 간단히 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템에 대한 반사 손실의 위상에 대한 부하 임피던스의 실수 부분이 도시되어 있다. 도 10의 도해는 VSWR이 4, 송수신기(107)의 출력 저항이 50Ω인 경우이다. 곡선 1000에 도시된 바와 같이, 저항의 실수 부분은 2π 라디언의 배수, 예컨대, 점 1001과 같이 최대화된다. 저항의 실수 부분은, 영역 1002에서 임피던스 증가로 나타낸 바와 같이, 2π 라디언 ± π/4 라디언의 배수로 실질적으로 최대화된다.
전술한 바와 같이, 제1 송신선로 정합회로(201)의 삽입 위상은, 제1 안테나(101)가 최악의 경우 또는 최대로 로딩된 상태인 경우, 제1 안테나(101)에 관련된 입력 임피던스를 증가 또는 최대화하도록 선택된다. 이는, 송수신기(107)에 도시된 바와 같이, 제1 안테나(101)의 임피던스가 증가되도록 한다. 이러한 임피던 스의 증가는 전력 흐름이 제2 안테나로 증가되도록 한다.
도 7을 간략하게 참조하면, 로딩된 상태의 제1 안테나(101)의 반사 손실 및 복소 임피던스가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 하이라이트된 부분(701)에서 고대역의 반사 손실은 도 5의 하이라이트된 부분(401)의 것 보다 더 나쁘다. 따라서, 신호를 송수신하는 제1 안테나(101)의 기능은 부하로 인해 체감된다.
도 6을 다시 참조하면, 손(404)의 부하로 인해 도 3으로부터 변형된 도 6을 보면, 로딩되지 않은 상태로부터 로딩된 상태로 전환하는 제1 안테나(101)를 보상하기 위하여, 전력 흐름(303)은 제1 안테나(101)로부터 제2 안테나(102)로 재지향(redirect)되었다. 이러한 재지향은 부하 임피던스(401)로 인한 것이다. 부하 임피던스(401)는 손(404)에 의해 부하 하에서 제1 안테나(101)의 임피던스가 제1 송신선로 정합회로(201)로 인하여 최대화되기 때문에 발생한다. 제2 안테나(102)는 고대역 및 저대역 모두에서 동작가능하기 때문에, 제2 안테나(102)는 로딩된 환경하에서도 송신을 신뢰성있게 지속하는 메카니즘을 휴대용 양방향 통신 장치(100)에 제공한다.
듀얼 오토다이플렉싱 안테나는 반대의 방식으로도 작용할 수 있다. 도 8을 참조하면, 휴대용 양방향 통신 장치(100)의 말단(104)에 가깝게 손이 위치된(404) 상태에서 제2 안테나(102)가 로딩된 경우의 듀얼 다이플렉싱 안테나(300)가 도시되어 있다. 본 시나리오에서, 임피던스(802)는 제2 안테나(102)에 관련된 임피던스가 최대화됨에 따라, 임피던스(802)가 이제 최대로 로딩된다. 제2 송신선로 정합회로는 임피던스를 최대화하도록 선택되기 때문에, 전력 흐름(303)은 제2 안테 나(102)로부터 제1 안테나(101)로 재지향된다. 제1 송신선로 정합회로(201) 및 제2 송신선로 정합회로(202)와 연계하여 작용하는, 듀얼 안테나 구조는 더 작게 로딩되는 안테나에 대하여 전력을 다이플렉싱한다.
전술한 바와 같이, 듀얼 오토다이플렉싱 안테나(300)는 더 작게 로딩된 안테나에 대하여 전력을 보내는 반면, 휴대 전화기의 실시예에 있어서, 공통적인 최악의 경우의 로딩 시나리오는, 사용자가 손과 머리 양쪽 모두가 제1 단부(103)에 가깝게 위치되면서, 휴대용 양방향 통신 장치(100)의 제1 단부(103)를 파지하는 경우 발생한다. 이러한 이유로, 일 실시예에 있어서, 제2 안테나는 휴대용 양방향 통신 장치(100)가 이러한 최악의 경우의 조건에서도 신뢰성있게 통신할 수 있도록 더 높은 대역 및 더 낮은 대역 양쪽 모두에서 동작하도록 선택된다.
도 9를 참조하면, 본 발명에 따른 듀얼 오토다이플렉싱 안테나(300) 구조의 반사 손실 및 복소 임피던스의 시뮬레이션이 나타나 있다. 반사 손실 및 복소 임피던스는 최악의 경우의 로딩 하에 있다. 이러한 시뮬레이션에서, 이하의 도파관 파라미터들이 사용되었다: 제1 송신선로 정합회로(201)에 있어서, 길이 118㎜, 두께 12 mils, 및 접지판으로부터 100 마이크로미터의 간격을 갖는 도파관이 사용되었다. 제2 송신선로 정합회로(202)에 있어서, 길이 35㎜, 두께 12 mils, 및 접지판으로부터 100 마이크로미터의 간격을 갖는 도파관이 사용되었다. 도 2와 같은 기하형태를 갖는 안테나 모델이 사용되었다. 그 결과는 도 9에 도시되어 있다.
도 9에 도시된 바와 같이, 최악의 경우의 로딩 하에서, 본 발명의 듀얼 오토다이플렉싱 안테나(300)는 하이라이트된 세그먼트(901)에 나타낸 고대역에서의 성 능 및 하이라이트된 세그먼트(902)에 나타낸 저대역에서의 성능 모두 향상시킨다. 이러한 향상은 장치 주위의 사용자의 손의 위치의 함수로서 송수신기(107)로부터 더 적게 로딩된 안테나에 전력 송신을 지향시키는 다이플렉싱 특징으로 기인한다.
선택된 송신선로 정합회로의 사용과 조합하여, 하나는 장치의 상부 배면에 위치되고 다른 하나는 장치의 하부 배면에 위치되는, 2개의 안테나의 사용은, 로딩된 안테나로부터 로딩되지 않은 안테나에 에너지를 다이플렉싱하도록 기능한다. 상부 안테나는 일반적으로 제1 대역폭에서 동작가능한 반면, 제2 안테나는 일반적으로 제2 대역폭에서 동작가능하지만, 제2 안테나는 기능적으로 제2 및 제2 대역폭에서 기능적으로 동작할 수 있다. 로딩 하에서 전력 흐름의 재지향은, 최악의 경우의 안테나 임피던스가 송신선로 정합회로 인터페이스에서 고 임피던스에 회전하도록 송신선로 정합회로의 삽입 위상을 제공함으로써 성취된다.
전술한 설명에 있어서, 본 발명의 구체적인 실시예들을 설명하였다. 그러나, 당업자라면, 이하의 청구항들에 명시된 바와 같이, 본 발명의 범주를 일탈하지 않고서 다양한 개조예 및 변형예가 이루어질 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 바람직한 실시예들을 예시 및 설명하였지만, 본 발명은 이에 한하지 않는다는 것이 명백하다. 당업자에게는, 이하의 청구항들에 정의된 바와 같이 본 발명의 개념과 범주를 일탈하지 않고서, 수많은 개조예, 변형예, 변경예, 대체예, 및 균등물이 일어날 수 있을 것이다. 따라서, 상세한 설명과 도면들은 한정적 의미가 아니라 예시적인 의미로 간주되어야 하며, 모든 이러한 개조예들은 본 발명의 범주에 포함되도록 하기 위한 것이다.

Claims (20)

  1. 휴대용 양방향 통신 장치로서,
    a. 상기 휴대용 양방향 통신 장치의 제1 단부에 배치되는, 적어도 제1 대역폭에서 동작하도록 구성되는 제1 안테나와,
    b. 상기 휴대용 양방향 통신 장치의 말단에 배치되는, 적어도 제2 대역폭에서 동작하도록 구성되는 제2 안테나와,
    c. 제1 안테나 및 제2 안테나 양쪽 모두에 결합되는 수신기 및 송신기 중 적어도 하나를 포함하며,
    상기 제1 안테나 및 제2 안테나 각각은 적어도 이에 관한 공칭 임피던스 및 부하 임피던스를 가지며,
    상기 제1 안테나 및 제2 안테나 중 하나가 로딩되는 때에, 상기 수신기 및 송신기 중 적어도 하나로부터의 전력 흐름이 상기 상기 제1 안테나 및 제2 안테나 중 더 적게 로딩된 안테나에 지향되는 휴대용 양방향 통신 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 안테나는 적어도 손이 상기 제1 단부에 근접한 때에 로딩되는 휴대용 양방향 통신 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 안테나는 적어도 손이 상기 말단에 근접한 때에 로딩되는 휴대용 양방향 통신 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 안테나는 적어도 제1 안테나 방사 소자를 구비하며,
    상기 송신기 및 수신기 중 적어도 하나와 상기 제1 안테나 방사 소자 사이에 전기적으로 결합되며, 이와 관련된 제1 삽입 위상을 갖는 제1 송신선로 정합회로를 더 포함하는 휴대용 양방향 통신 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    제2 안테나는 적어도 제2 안테나 방사 소자를 포함하며,
    상기 송신기 및 수신기 중 적어도 하나와 상기 제2 안테나 방사 소자 사이에 전기적으로 결합되며, 이와 관련된 제2 삽입 위상을 갖는 제2 송신선로 정합회로를 더 포함하는 휴대용 양방향 통신 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제1 삽입 위상은 상기 제1 안테나 방사 소자가 로딩되는 때에 상기 제1 안테나의 입력 임피던스를 증가시키도록 선택되는 휴대용 양방향 통신 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제2 삽입 위상은 상기 제2 안테나 방사 소자가 로딩되는 때에 상기 제2 안테나의 입력 임피던스를 증가시키도록 선택되는 휴대용 양방향 통신 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제1 삽입 위상은 상기 제1 안테나 방사 소자가 로딩되는 때에 상기 제1 안테나의 입력 임피던스를 실질적으로 최대화하도록 선택되는 휴대용 양방향 통신 장치.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 제1 삽입 위상은 상기 제2 삽입 위상보다 더 큰 휴대용 양방향 통신 장치.
  10. 제5항에 있어서,
    상기 제1 대역폭은 약 1850㎒와 1990㎒ 사이이며, 또한, 상기 제2 대역폭은 약 824㎒와 894㎒ 사이인 휴대용 양방향 통신 장치.
  11. 제5항에 있어서,
    상기 부하 임피던스는, 상기 제1 안테나 또는 제2 안테나 중 하나의 반사 손실(return loss)이 2*π 라디언 ± π/4 라디언의 배수 내에 있도록, 적어도 손이 상기 제1 안테나 방사 소자 및 제2 안테나 방사 소자 중 하나에 근접한 경우 발생 하는 임피던스를 포함하는 휴대용 양방향 통신 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 휴대용 양방향 통신 장치는 스피커와 마이크를 갖는 휴대 전화를 포함하며, 상기 제1 안테나는 스피커와 가까이 있으며, 상기 제2 안테나는 마이크에 가까이 있는 휴대용 양방향 통신 장치.
  13. a. 송수신기와,
    b. 상기 송수신기에 결합되는 제1 송신선로와,
    c. 상기 제1 송신선로에 결합되는, 적어도 제1 대역폭에서 동작하는 것을 특징으로 하는 제1 안테나 - 상기 제1 안테나는 적어도 로딩되지 않은 상태에서 제1 임피던스 및 로딩된 상태에서 제2 임피던스를 가짐 - 와,
    d. 상기 송수신기에 결합되는 제2 송신선로와,
    e. 상기 제2 송신선로에 결합되는 적어도 제2 대역폭에서 동작하는 것을 특징으로 하는 제2 안테나
    를 포함하며,
    상기 제1 안테나가 로딩되지 않은 상태로부터 로딩된 상태로 전환하는 때에, 상기 제2 안테나에 대한 전력을 증가시키는 전자 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제1 안테나는 상기 제1 안테나에 관련된 임피던스가 최대화되는 때에 최대로 로딩된 상태가 되는 전자 장치.
  15. 제14항에 잇어서,
    상기 제1 안테나는 손, 머리, 및 그 조합 중 하나가 상기 제1 안테나에 가깝게 위치되는 때에 최대로 로딩된 상태가 되는 전자 장치.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 제1 송신선로의 삽입 위상은 상기 제1 안테나가 최대로 로딩된 상태인 경우, 상기 제1 송신선로에 관련된 입력 임피던스를 최대화하도록 선택되는 전자 장치.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 제1 송신선로의 삽입 위상은, 상기 제1 송신선로가 최대로 로딩된 상태인 경우, 상기 제1 안테나의 반사 손실 위상이 2π 라디언 ± π/4 라디언의 배수 내에 있도록 선택되는 전자 장치.
  18. 제13항에 있어서,
    상기 제1 송신선로의 삽입 위상은, 상기 제1 송신선로가 최대로 로딩된 상태인 경우, 상기 송수신기로부터 전달되는 전력의 리액턴스 성분(reactive component)을 최소화하도록 선택되는 전자 장치.
  19. 적어도 제1 대역폭에서 동작하는 제1 안테나 및 적어도 제2 대역폭에서 동작하는 제2 안테나를 포함하는 휴대 전화로서,
    제1 송신선로 및 제2 송신선로에 결합되는 송수신기를 더 포함하며,
    상기 제1 안테나는 상기 제1 송신선로에 결합되며, 상기 제2 안테나는 상기 제2 송신선로에 결합되며, 상기 제1 안테나 및 제2 안테나 각각은 공칭 임피던스 및 복수의 부하 임피던스를 가지며, 상기 복수의 부하 임피던스는 상기 휴대 전화 주변의 사용자의 손의 위치에 의해 결정되며,
    상기 송수신기로부터의 전력 송신은, 상기 휴대 전화 주위의 사용자의 손의 위치의 함수로서, 상기 제1 안테나 및 제2 안테나 중 더 적게 로딩된 안테나에 대하여 증가되는 휴대 전화.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 제1 안테나의 삽입 위상은 상기 제2 안테나보다 더 크며,
    상기 제1 대역폭 내의 주파수는 상기 제2 대역폭의 주파수보다 더 큰 휴대 전화.
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