KR20110085586A - 무선통신 시스템에서 다중 안테나 장치 - Google Patents

무선통신 시스템에서 다중 안테나 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 무선통신 시스템에서 안테나들 간 거리가 가까운 상황에서 부가적인 장치 없이 안테나들 간의 간섭을 최소화하여 넓은 주파수 대역폭에서 낮은 결합 계수를 얻기 위한 것으로서, 송수신단은, 인버티드-F(inverted-F) 안테나 구조를 갖는 제1안테나 및 제2안테나와, 물리적으로 단절된 선로를 이용하여 상기 제1안테나 및 상기 제2안테나를 간접적으로 연결시키는 캐패시티브 뉴트럴라이제이션 라인(capacitive neutralization line)을 포함한다.

Description

무선통신 시스템에서 다중 안테나 장치{APPARATUS FOR MULTIPLE ANTENNAS IN WIRELESS COMMUNICATION SYSTEM}
본 발명은 무선통신 시스템을 위한 다중 안테나에 관한 것으로, 특히, 무선통신 시스템에서 넓은 주파수 대역폭에서 낮은 결합 계수를 갖는 다중 안테나 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 휴대 전화기 등에 사용되는 안테나는 직선 형태의 금속 선재에 의한 휩(whip) 안테나 또는 금속 선재를 나선형으로 감은 헬리컬 안테나, 그리고 신축 가능형 안테나 등이 사용되었으나, 휴대에 불편하고 작은 부피의 단말기를 갖고자 하는 소비자의 욕구를 만족시키기 위한 단말기의 소형화 추세에 따라 단말기 내부에 내장되는 내장형 안테나로 전환되고 있다. 상기 내장형 안테나로서는 대략 'ㄱ'자 형태의 금속 소자의 소정 위치에 급전선로가 형성된 인버티드-F(inverted-F) 안테나가 사용된다.
MIMO(Multiple Input Multiple Output) 기술을 적용하기 위해, 단말은 다수의 안테나들을 구비해야 한다. 이를 위해, 2개의 인버티드-F 안테나들을 단말에 탑재하기 위하여, 상기 2개의 안테나들을 도 1과 같은 형태로 배치할 수 있다. 상기 도 1을 참고하면, 안테나#1(101) 및 안테나#2(102)가 기판(borad)의 동일한 모서리 부근 서로 직각하는 변(side)들 각각에 위치한다. 각 안테나(101 및 102)는 급전부들(111)를 통해 신호를 피딩(feeding)받고, 접지부들(112)를 통해 그라운드(ground)와 연결된다. 이 경우, 상기 안테나들(101 및 102) 사이의 결합으로 인해, 도 2와 같이 결합 계수(S21)가 높아진다. 만일, 좁은 공간에 다수의 안테나들을 실장하기 위해 안테나 간의 거리를 더 줄인다면, 결합 계수는 더 높아진다.
따라서, 안테나들 간 거리가 가까운 상황에서 부가적인 장치 없이 안테나들 간의 간섭을 최소화하여 넓은 주파수 대역폭에서 낮은 결합 계수를 얻기 위한 대안이 제시되어야 한다.
따라서, 본 발명의 목적은 무선통신 시스템에서 안테나들 간 결합 계수를 최소화하기 위한 장치를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 무선통신 시스템에서 최대한의 주파수 범위에서 안테나의 결합 계수를 낮추기 위한 장치를 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 무선통신 시스템에서 안테나들 간 거리가 가까운 상황에서 부가적인 장치 없이 안테나들 간의 간섭을 최소화하여 넓은 주파수 대역폭에서 낮은 결합 계수를 얻기 위한 장치를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 견지에 따르면, 무선통신 시스템에서 다수의 안테나들을 구비한 송수신단 장치는, 인버티드-F(inverted-F) 안테나 구조를 갖는 제1안테나 및 제2안테나와, 물리적으로 단절된 선로를 이용하여 상기 제1안테나 및 상기 제2안테나를 간접적으로 연결시키는 캐패시티브 뉴트럴라이제이션 라인(capacitive neutralization line)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
안테나들 간 캐패시티브 뉴트럴라이제이션 라인(capacitive neutralization line)을 이용하여 연결하는 설계를 통해서, 각 안테나 간의 결합 계수를 효과적으로 낮춤과 동시에 넓은 주파수 대역에서 낮은 결합 계수를 얻을 수 있다. 또한, 각 안테나의 급전부를 점점 넓어지는 설계를 통해서, 넓은 주파수 대역폭에 대해서 낮은 반사계수를 가진다. 상기 두 가지의 설계를 통해 넓은 주파수 대역에서 안테나 간의 낮은 결합계수와 낮은 반사계수를 동시에 얻을 수 있다. 이에 따라, 인접한 안테나 간의 결합을 최소화하기 위한 별도의 장치나 이격 거리를 필요치 않기 때문에, 소형 단말기와 같은 작은 공간에서 다수의 안테나 소자를 필요로 하는 MIMO(Multiple Input Multiple Output) 안테나 시스템의 설계, 설치 등에 매우 용이하다.
도 1은 무선통신 시스템에서 안테나들의 배치 예를 도시하는 도면,
도 2는 도 1과 같은 배치에 따른 안테나들의 특성을 도시하는 도면,
도 3은 본 발명의 제1실시 예에 따른 안테나 설계를 도시하는 도면,
도 4는 본 발명의 제1실시 예에 따른 안테나 설계의 특성을 도시하는 도면,
도 5는 본 발명의 제2실시 예에 따른 안테나 설계를 도시하는 도면,
도 6은 본 발명의 제2실시 예에 따른 안테나 설계의 특성을 도시하는 도면,
도 7은 본 발명의 제3실시 예에 따른 안테나 설계를 도시하는 도면,
도 8은 본 발명의 제3실시 예에 따른 안테나 설계의 특성을 도시하는 도면,
도 9는 본 발명의 제4실시 예에 따른 안테나 설계를 도시하는 도면,
도 10은 본 발명의 제4실시 예에 따른 안테나 설계의 특성을 도시하는 도면,
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 안테나 설계의 적용 예를 도시하는 도면.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면의 참조와 함께 상세히 설명한다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우, 그 상세한 설명은 생략한다.
이하 본 발명은 무선통신 시스템에서 안테나들 간 거리가 가까운 상황에서 부가적인 장치 없이 안테나들 간의 간섭을 최소화하여 넓은 주파수 대역폭에서 낮은 결합 계수를 얻기 위한 기술에 대해 설명한다.
도 3은 본 발명의 제1실시 예에 따른 안테나 설계를 도시하고 있다. 상기 도 3을 참고하면, 안테나#1(301) 및 안테나#2(302)는 기판(borad)의 동일한 모서리 부근 서로 직각하는 변(side)들 각각에 위치한다. 상기 안테나#1(301) 및 상기 안테나#2(302)는 급전부들(311)를 통해 신호를 피딩(feeding)받고, 접지부들(312)를 통해 그라운드(ground)와 연결된다. 그리고, 상기 안테나#1(301) 및 상기 안테나#2(302) 간의 결합 계수를 감소시키기 위해, 상기 안테나#1(301) 및 상기 안테나#2(302) 간 뉴트럴라인(neutral line)(313)이 위치한다. 상기 뉴트럴라인(313)는 상기 안테나#1(301) 및 상기 안테나#2(302)를 직접적으로 연결시킨다. 상기 도 3과 같은 안테나 설계에 따른 특성은 도 4에 도시된 바와 같다.
도 4는 본 발명의 제1실시 예에 따른 안테나 설계의 특성을 도시하고 있다. 상기 도 4에서, 가로축은 주파수 대역을 의미하고, 세로축은 반사 계수 및 결합 계수의 크기를 의미한다. 상기 반사 계수는 안테나를 통해 송신하고자 하는 전력의 일부가 방사되지 못하고 되돌아오는 정도를 나타내는 파라미터로서, 낮을수록 안테나 방사 성능이 우수함을 의미한다. 상기 결합 계수는 하나의 안테나에서 방사된 신호가 다른 안테나로 입력되는 정도를 나타내는 파라미터로서, 낮을수록 안테나들 간 상호 간섭이 낮음을 의미한다. 상기 도 4에서 2.5 GHz에서 2.7GHz까지의 대역을 살펴보면, 단순히 안테나를 배치한 도 1의 경우에 비하여 결합 계수가 낮아진 것이 확인된다.
도 5는 본 발명의 제2실시 예에 따른 안테나 설계를 도시하고 있다. 상기 도 5를 참고하면, 안테나#1(501) 및 안테나#2(502)는 기판의 동일한 모서리 부근 서로 직각하는 변들 각각에 위치한다. 상기 안테나#1(501) 및 상기 안테나#2(502)는 급전부들(511)를 통해 신호를 피딩받고, 접지부들(512)을 통해 그라운드와 연결된다. 그리고, 상기 안테나#1(501) 및 상기 안테나#2(502)의 반사 계수가 낮아지는 대역을 넓히기 위해, 상기 안테나들(511 및 502) 및 상기 급전부들(511) 간 연결 라인은 상기 안테나들(511 및 502) 방향으로 점점 넓어지도록 설계된다. 즉, 상기 연결 라인은 테퍼드 피딩 라인(tapered fedding line)(513)으로 구현된다. 상기 도 5와 같은 안테나 설계에 따른 특성은 도 6에 도시된 바와 같다.
도 6는 본 발명의 제2실시 예에 따른 안테나 설계의 특성을 도시하고 있다. 상기 도 6에서, 가로축은 주파수 대역을 의미하고, 세로축은 반사 계수 및 결합 계수의 크기를 의미한다. 상기 반사 계수는 안테나를 통해 송신하고자 하는 전력의 일부가 방사되지 못하고 되돌아오는 정도를 나타내는 파라미터로서, 낮을수록 안테나 방사 성능이 우수함을 의미한다. 상기 결합 계수는 하나의 안테나에서 방사된 신호가 다른 안테나로 입력되는 정도를 나타내는 파라미터로서, 낮을수록 안테나들 간 상호 간섭이 낮음을 의미한다. 상기 도 6을 살펴보면, 단순히 안테나를 배치한 도 1의 경우에 비하여 상기 반사 계수가 약 -10dB 이하인 대역폭이 넓어진 것이 확인된다.
도 7은 본 발명의 제3실시 예에 따른 안테나 설계를 도시하고 있다. 상기 도 7을 참고하면, 안테나#1(701) 및 안테나#2(702)는 기판의 동일한 모서리 부근 서로 직각하는 변들 각각에 위치한다. 상기 안테나#1(701) 및 상기 안테나#2(702)는 급전부들(711)를 통해 신호를 피딩받고, 접지부들(712)을 통해 그라운드와 연결된다. 그리고, 상기 안테나#1(701) 및 상기 안테나#2(702)의 반사 계수가 낮아지는 대역을 넓히기 위해, 상기 안테나들(711 및 702) 및 상기 급전부들(711) 간 연결 라인은 상기 안테나들(711 및 702) 방향으로 점점 넓어지도록 설계된다. 즉, 상기 연결 라인은 테퍼드 피딩 라인(713)으로 구현된다. 또한, 상기 안테나#1(701) 및 상기 안테나#2(702) 간의 결합 계수를 감소시키기 위해, 상기 안테나#1(701) 및 상기 안테나#2(702) 간 뉴트럴라인(714)이 위치한다. 상기 뉴트럴라인(714)는 상기 안테나#1(301) 및 상기 안테나#2(302)를 직접적으로 연결시킨다. 상기 도 7와 같은 안테나 설계에 따른 특성은 도 8에 도시된 바와 같다.
도 8은 본 발명의 제3실시 예에 따른 안테나 설계의 특성을 도시하고 있다. 상기 도 8에서, 가로축은 주파수 대역을 의미하고, 세로축은 반사 계수 및 결합 계수의 크기를 의미한다. 상기 반사 계수는 안테나를 통해 송신하고자 하는 전력의 일부가 방사되지 못하고 되돌아오는 정도를 나타내는 파라미터로서, 낮을수록 안테나 방사 성능이 우수함을 의미한다. 상기 결합 계수는 하나의 안테나에서 방사된 신호가 다른 안테나로 입력되는 정도를 나타내는 파라미터로서, 낮을수록 안테나들 간 상호 간섭이 낮음을 의미한다. 상기 도 8을 살펴보면, 단순히 안테나를 배치한 도 1의 경우에 비하여 상기 반사 계수가 약 -10dB 이하인 대역폭이 넓어진 것이 확인된다. 또한, 상기 도 8에서 2.5 GHz에서 2.7GHz까지의 대역을 살펴보면, 상기 도 1의 경우에 비하여 결합 계수가 낮아진 것이 확인된다.
도 9는 본 발명의 제4실시 예에 따른 안테나 설계를 도시하고 있다. 상기 도 9를 참고하면, 안테나#1(901) 및 안테나#2(902)는 기판의 동일한 모서리 부근 서로 직각하는 변들 각각에 위치하고, 급전부들(911)를 통해 신호를 피딩받는다. 그리고, 상기 안테나#1(901) 및 상기 안테나#2(902)의 반사 계수가 낮아지는 대역을 넓히기 위해, 상기 안테나들(911 및 902) 및 상기 급전부들(911) 간 연결 라인은 상기 안테나들(911 및 902) 방향으로 점점 넓어지도록 설계된다. 즉, 상기 연결 라인은 테퍼드 피딩 라인(912)으로 구현된다. 또한, 상기 안테나#1(901) 및 상기 안테나#2(902) 간의 결합 계수를 감소시키기 위해, 상기 안테나#1(901) 및 상기 안테나#2(902) 간 캐패시티브 뉴트럴라이제이션 라인(capacitive neutralization line)(913)이 위치한다. 상기 캐패시티브 뉴트럴라이제이션 라인(913)은 물리적으로 이격된 선로를 이용하여 상기 안테나들(901 및 902)을 간접적으로 연결시킨다. 즉, 상기 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 캐패시티브 뉴트럴라이제이션 라인(913)은 물리적으로 단절된 선로를 이용하여 상기 안테나들(901 및 902)을 간접적으로 연결하고, 캐패시턴스(capacitance)의 부정합을 보상하기 위해 이격된 부분에 캐패시턴스 매칭 스터브(matcing stub)를 포함한다. 이때, 상기 캐패시턴스 매칭 스터브의 마주보는 평행 도체의 길이는 안테나의 특성에 의해 결정된 캐패시턴스 값 따라 조절된다. 상기 도 9와 같은 안테나 설계에 따른 특성은 도 10에 도시된 바와 같다.
도 10은 본 발명의 제4실시 예에 따른 안테나 설계의 특성을 도시하고 있다. 상기 도 10에서, 가로축은 주파수 대역을 의미하고, 세로축은 반사 계수 및 결합 계수의 크기를 의미한다. 상기 반사 계수는 안테나를 통해 송신하고자 하는 전력의 일부가 방사되지 못하고 되돌아오는 정도를 나타내는 파라미터로서, 낮을수록 안테나 방사 성능이 우수함을 의미한다. 상기 결합 계수는 하나의 안테나에서 방사된 신호가 다른 안테나로 입력되는 정도를 나타내는 파라미터로서, 낮을수록 안테나들 간 상호 간섭이 낮음을 의미한다. 상기 도 10을 살펴보면, 단순히 안테나를 배치한 도 1의 경우에 비하여 상기 반사 계수가 약 -10dB 이하인 대역폭이 넓어진 것이 확인된다. 또한, 상기 도 8에서 2.5 GHz에서 2.7GHz까지의 대역을 살펴보면, 상기 도 1의 경우는 물론 본 발명의 다른 실시 예들의 경우에 비하여 결합 계수가 현저히 낮아진 것이 확인된다.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 안테나 설계의 적용 예를 도시하고 있다.
도 11에 도시된 바와 같이, 사각형의 기판을 사용하는 송수신단은 모서리 당 2개씩 총 8개의 안테나들(111, 113, 115 및 117)을 구비할 수 있다. 상기 도 11에 도시된 바와 같은 구조는 다중 안테나 기술에 따른 무선통신을 수행하는 송수신단에 적용 가능하다. 예를 들어, 상기 도 11에 도시된 바와 같은 구조는 사용자 단말기 또는 소형 기지국 등에 적용될 수 있다.
한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (5)

  1. 무선통신 시스템에서 다수의 안테나들을 구비한 송수신단 장치에 있어서,
    인버티드-F(inverted-F) 안테나 구조를 갖는 제1안테나 및 제2안테나와,
    물리적으로 단절된 선로를 이용하여 상기 제1안테나 및 상기 제2안테나를 간접적으로 연결시키는 캐패시티브 뉴트럴라이제이션 라인(capacitive neutralization line)을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 캐패시티브 뉴트럴라이제이션 라인은, 캐패시턴스(capacitance)의 부정합을 보상하기 위해 이격된 부분에 캐패시턴스 매칭 스터브(matcing stub)를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 캐패시턴스 매칭 스터브의 마주보는 평행 도체의 길이는 안테나의 특성에 의해 결정된 캐패시턴스 값 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1안테나로 신호를 피딩(feeding)하는 급전부와,
    상기 제1안테나 및 상기 급전부를 연결하며, 상기 제1안테나 방향으로 점차 넓어지도록 설계된 테퍼드 피딩 라인(tapered fedding line)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1안테나를 그라운드(ground)와 연결시키는 접지부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
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