KR20110129475A - 멀티모드 안테나 구조 - Google Patents

Abstract

통신 장치 내 전자기 신호 전송 및 수신을 위한 멀티모드 안테나 구조가 제공된다. 상기 통신 장치는 상기 안테나 구조로 및 상기 안테나 구조로부터 통신된 신호들을 처리하기 위한 회로를 포함한다. 상기 안테나 구조는: 상기 회로에의 커플링을 위한 복수의 안테나 포트들; 복수의 안테나 요소들 - 각각이 상기 안테나 포트들 중 상이한 하나에 작동가능하게 커플링됨 - ; 그리고 복수의 연결 요소들을 포함한다. 상기 연결 요소들 각각은 이웃하는 안테나 요소들과 전기적으로 연결되어, 상기 안테나 구조의 주변 둘레에 상기 안테나 요소들 및 상기 연결 요소들이 배치되고 하나의 방사 구조를 형성한다. 하나의 안테나 요소 상 전류들은 연결된 이웃하는 안테나 요소들로 흐르고 상기 이웃하는 안테나 요소들에 커플링된 안테나 포트들을 대체로 바이패스하여서, 하나의 안테나 포트에 의해 여기된 안테나 모드가 주어진 희망 신호 주파수 범위에서 다른 하나의 안테나 포트에 의해서 여기된 모드와 대체로 전기적으로 격리되고 그리고 상기 안테나 구조가 다양한 안테나 패턴들을 생성한다.

Description

멀티모드 안테나 구조 {MULTIMODE ANTENNA STRUCTURE}

관련 출원에 대한 상호 참조( CROSS REFERENCE TO RELATED APPLICATIONS )

[0001] 본 출원은 미국 가특허출원 번호 61/161,669를 기초로 하는 우선권을 주장하는데, 상기 미국 가특허출원은 2009년 3월 19일에 출원되고 발명의 명칭이 멀티모드 안테나 구조이며 인용에 의하여 본 명세서에 편입된다. 본 출원은 또한 2008년 4월 8일에 출원되고 발명의 명칭이 멀티모드 안테나 구조인 (미국 특허 번호 7,688,273으로서 발행될) 미국 특허출원 번호 12/099,320의 일부 계속 출원(continuation-in-part)인데, 이것은 차례로 2007년 6월 27일에 출원되고 발명의 명칭이 멀티모드 안테나 구조인 (미국 특허 번호 7,688,275로서 발행될) 미국 특허출원 번호 11/769,565의 일부 계속 출원이고, 이것은 차례로 2007년 4월 20일에 출원되고 발명의 명칭이 멀티모드 안테나 구조인 미국 가특허출원 번호 60/925,394와 그리고 2007년 5월 8일에 출원되고 발명의 명칭이 또한 멀티모드 안테나 구조인 미국 가특허출원 번호 60/916,655의 일부 계속 출원이며, 이들 모든 출원들은 인용에 의하여 또한 본 명세서에 편입된다.

[0002] 본 발명은 일반적으로 무선 통신 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 이러한 장치에 사용되는 안테나들에 관한 것이다.

[0003] 많은 통신 장치가, 함께 근접하여(예를 들어, 1/4 파장보다 작게 떨어져) 패키지되고 동일한 주파수 대역 내에서 동시에 작동할 수 있는 멀티 안테나들을 구비한다. 이러한 통신 장치의 흔한 예시들은 이동전화 단말기(cellular handset), 개인 휴대정보 단말기(Personal Digital Assistant; PDA), 및 개인용 컴퓨터(PC)에 사용되는 무선 네트워크 장치 또는 데이터 카드와 같은 휴대용 통신 제품들을 포함한다. (다중 입력 다중 출력(MIMO; Multiple Input Multiple Output)과 같은) 많은 시스템 아키텍쳐들과 (802.16e(WiMAX), HSDPA, 및 1xEVDO와 같은 3G 데이터 통신 그리고 무선 LAN 용도의 802.11n과 같은) 모바일 무선 통신 장치에 사용되는 표준 프로토콜들은 동시에 작동하는 멀티 안테나들을 필요로 한다.

간단한 요약( Brief SUMMARY )

[0004] 하나 이상의 실시예들을 따라서, 통신 장치 내 전자기 신호 전송 및 수신을 위한 멀티모드 안테나 구조가 제공된다. 상기 통신 장치는 상기 안테나 구조로 및 상기 안테나 구조로부터 통신된 신호들을 처리하기 위한 회로를 포함한다. 상기 안테나 구조는: 상기 회로에의 커플링을 위한 복수의 안테나 포트들; 복수의 안테나 요소들 - 각각이 상기 안테나 포트들 중 상이한 하나에 작동가능하게 커플링됨 - ; 그리고 복수의 연결 요소들을 포함한다. 상기 연결 요소들 각각은 이웃하는 안테나 요소들과 전기적으로 연결되어, 상기 안테나 요소들 및 상기 연결 요소들이 상기 안테나 구조의 주변 둘레에 배치되고 하나의 방사 구조를 형성한다. 하나의 안테나 요소 상 전류들은 연결된 이웃하는 안테나 요소들로 흐르고 상기 이웃하는 안테나 요소들에 커플링된 안테나 포트들을 대체로 바이패스하여서, 하나의 안테나 포트에 의해 여기된 안테나 모드가 주어진 희망 신호 주파수 범위에서 다른 하나의 안테나 포트에 의해서 야기된 모드와 대체로 전기적으로 격리되고 그리고 상기 안테나 구조가 다양한 안테나 패턴들을 생성한다.

[0005] 하나 이상의 다른 실시예들을 따라서, 통신 장치 내 전자기 신호 전송 및 수신을 위한 멀티모드 안테나 구조가 제공된다. 상기 통신 장치는 상기 안테나 구조로 및 상기 안테나 구조로부터 통신된 신호들을 처리하기 위한 회로를 포함한다. 상기 안테나 구조는: 상기 회로에의 커플링을 위한 복수의 안테나 포트들; 그리고 복수의 안테나 요소들 - 각각이 상기 안테나 포트들 중 상이한 하나에 작동가능하게 커플링됨 -을 포함한다. 상기 복수의 안테나 요소들은 상기 안테나 구조의 주변 둘레에 배치된다. 상기 안테나 구조는 상기 안테나 요소들을 공통점에 전기적으로 연결하여 하나의 방사 구조를 형성하는 하나의 연결 요소;를 더 포함한다. 하나의 안테나 요소 상 전류들은 다른 하나의 안테나 요소로 흐르고 상기 다른 하나의 안테나 요소에 커플링된 안테나 포트를 대체로 바이패스하여서, 하나의 안테나 포트에 의해 여기된 안테나 모드가 주어진 희망 신호 주파수 범위에서 다른 하나의 안테나 포트에 의해서 야기된 모드와 대체로 전기적으로 격리되고 그리고 상기 안테나 구조가 다양한 안테나 패턴들을 생성한다.

[0006] 하나 이상의 다른 실시예들에 따라서, 통신 장치 내 전자기 신호 전송 및 수신을 위한 멀티모드 안테나 구조가 제공된다. 상기 통신 장치는 상기 안테나 구조로 및 상기 안테나 구조로부터 통신된 신호들을 처리하기 위한 회로를 포함한다. 상기 안테나 구조는: 상기 회로에의 커플링을 위한 복수의 안테나 포트들; 그리고 복수의 안테나 요소들 - 각각이 상기 안테나 포트들 중 상이한 하나에 작동가능하게 커플링됨 - 을 포함한다. 각각의 안테나 요소가 대체로 평행하게 이격된 윗 및 아랫 평면형 섹션들과 상기 윗 및 아랫 평면형 섹션들을 연결하는 사이드 섹션을 포함한다. 상기 안테나 구조는 하나 또는 복수의 연결 요소들 - 각각이 상기 평면형 섹션들 중 하나에서 이웃하는 안테나 요소들과 전기적으로 연결되어, 상기 안테나 요소들이 하나의 방사 구조를 형성하도록 함 - 을 더 포함한다. 하나의 안테나 요소 상 전류들은 연결된 이웃하는 안테나 요소로 흐르고 상기 이웃하는 안테나 요소에 커플링된 안테나 포트를 대체로 바이패스한다. 상기 하나의 안테나 요소를 통해 흐르는 전류들 및 상기 이웃하는 안테나 요소를 통해 흐르는 전류의 크기가 대체로 같아서, 하나의 안테나 포트에 의해 여기된 안테나 모드가 주어진 희망 신호 주파수 범위에서 다른 하나의 안테나 포트에 의해서 여기된 모드와 대체로 전기적으로 격리되고 그리고 상기 안테나 구조가 다양한 안테나 패턴들을 생성한다.

[0007] 후술하는 상세한 설명으로부터 본 발명의 다양한 실시예들이 제공된다. 실현될 수 있는 바와 같이, 모두가 본 발명을 벗어나지 아니하면서, 본 발명은 다른(other and different) 실시예들이 될 수 있으며, 그 몇몇(several) 상세들이 다양한 양태들로 변형될 수 있다. 따라서, 도면 및 상세한 설명은 본래적으로 예시적인 것으로서 간주되어야 하며, 본 발명을 한정하거나 제한하려는 것이 아니며, 본 출원의 범주(scope)는 청구항들에서 지시된다.

[0008] 도 1a는 두 평행 다이폴들을 구비하는 안테나 구조를 나타낸다.
[0009] 도 1b는 도 1의 안테나 구조에서 하나의 다이폴의 여기에 의해서 야기되는 전류를 나타낸다.
[0010] 도 1c는 도 1a의 안테나 구조에 상응하는 모델을 나타낸다.
[0011] 도 1d는 도 1c의 안테나 구조에 대한 산란 파라미터들을 나타내는 그래프이다.
[0012] 도 1e는 도 1c의 안테나 구조에 대한 전류 비율들을 나타내는 그래프이다.
[0013] 도 1f는 도 1c의 안테나 구조에 대한 이득 패턴들을 나타내는 그래프이다.
[0014]도 1g는 도 1c의 안테나 구조에 대한 포락선 상호연관을 나타내는 그래프이다.
[0015] 도 2a는 본 발명의 하나 이상의 실시예들을 따라서 연결 요소들에 의해 연결된 두 평행 다이폴들을 구비하는 안테나 구조를 나타낸다.
[0016] 도 2b는 도 2a의 안테나 구조에 상응하는 모델을 나타낸다.
[0017] 도 2c는 도 2b의 안테나 구조에 대한 산란 파라미터들을 나타내는 그래프이다.
[0018] 도 2d는 양 포트들에서 집중 요소 임피던스 매칭(lumped element impedance matching)을 구비하는 도 2b의 안테나 구조에 대한 산란 파라미터들을 나타내는 그래프이다.
[0019] 도 2e는 도 2b의 안테나 구조에 대한 전류 비율들을 나타내는 그래프이다.
[0020] 도 2f는 도 2b의 안테나 구조에 대한 이득 패턴들을 나타내는 그래프이다.
[0021] 도 2g는 도 2b의 안테나 구조에 대한 포락선 상호연관을 나타내는 그래프이다.
[0022] 도 3a는 본 발명의 하나 이상의 실시예들을 따라서 미앤더링된 연결 요소들에 의해서 연결된 두 평행 다이폴들을 구비하는 안테나 구조를 나타낸다.
[0023] 도 3b는 도 3a의 안테나 구조에 대한 산란 파라미터들을 나타내는 그래프이다.
[0024] 도 3c는 도 3a의 안테나 구조에 대한 전류 비율들을 나타내는 그래프이다.
[0025] 도 3d는 도 3a의 안테나 구조에 대한 이득 패턴들을 나타내는 그래프이다.
[0026] 도 3e는 도 3a의 안테나 구조에 대한 포락선 상호연관을 나타내는 그래프이다.
[0027] 도 4는 본 발명의 하나 이상의 실시예들을 따라서 접지 또는 매설지선을 구비하는 안테나 구조를 나타낸다.
[0028] 도 5는 본 발명의 하나 이상의 실시예들에 따르는 평형 안테나 구조(balanced antenna structure)를 나타낸다.
[0029] 도 6a는 본 발명의 하나 이상의 실시예들에 따르는 안테나 구조를 나타낸다.
[0030] 도 6b는 특정한 다이폴 폭 크기에 대하여 도 6a의 안테나 구조에 대한 산란 파라미터들을 나타내는 그래프이다.
[0031] 도 6c는 다른 다이폴 폭 크기에 대하여 도 6a의 안테나 구조에 대한 산란 파라미터들을 나타내는 그래프이다.
[0032] 도 7은 본 발명의 하나 이상의 실시예들을 따라서 인쇄 회로 기판 상에 제조된 안테나 구조를 나타낸다.
[0033] 도 8a는 본 발명의 하나 이상의 실시예들을 따라서 이중 공진을 가지는 안테나 구조를 나타낸다.
[0034] 도 8b는 도 8a의 안테나 구조에 대한 산란 파라미터들을 나타내는 그래프이다.
[0035] 도 9는 본 발명의 하나 이상의 실시예들에 따르는 튜닝가능한 안테나 구조를 나타낸다.
[0036] 도 10a 및 도 10b는 본 발명의 하나 이상의 실시예들을 따라서 안테나 요소들의 길이를 따라서 상이한 위치들에 위치된 연결 요소들을 구비하는 안테나 구조들을 나타낸다.
[0037] 도 1Oc 및 도 1Od는 각각 도 10a의 안테나 구조 및 도 10b의 안테나 구조에 대한 산란 파라미터들을 나타내는 그래프들이다.
[0038] 도 11은 본 발명의 하나 이상의 실시예들을 따라서 스위치들을 구비하는 연결 요소들을 포함하는 안테나 구조를 나타낸다.
[0039] 도 12는 본 발명의 하나 이상의 실시예들을 따라서 필터가 커플링된 연결 요소를 구비하는 안테나 구조를 나타낸다.
[0040] 도 13은 본 발명의 하나 이상의 실시예들을 따라서 필터들이 커플링된 두 연결 요소들을 구비하는 안테나 구조를 나타낸다.
[0041] 도 14는 본 발명의 하나 이상의 실시예들을 따라서 튜닝가능한 연결 요소를 구비하는 안테나 구조를 나타낸다.
[0042] 도 15는 본 발명의 하나 이상의 실시예들에 따라서 PCB 조립체 상에 장착된 안테나 구조를 나타낸다.
[0043] 도 16은 본 발명의 하나 이상의 실시예들에 따라서 PCB 조립체 상에 장착된 다른 안테나 구조를 나타낸다.
[0044] 도 17은 본 발명의 하나 이상의 실시예들에 따라서 PCB 조립체 상에 장착될 수 있는 대안적인 안테나 구조를 나타낸다.
[0045] 도 18a는 본 발명의 하나 이상의 실시예들에 따르는 3 모드 안테나 구조를 나타낸다.
[0046] 도 18b는 도 18a의 안테나 구조에 대한 이득 패턴들을 나타내는 그래프이다.
[0047] 도 19는 본 발명의 하나 이상의 실시예들에 따라서 안테나 및 안테나 구조에 대한 전력 증폭기 결합기 어플리케이션을 나타낸다.
[0048] 도 20a 및 도 20b는 본 발명의 하나 이상의 다른 실시예들에 따라서 예를 들어 WiMAX USB 또는 익스프레스카드/34 장치에서 사용가능한 멀티모드 안테나 구조를 나타낸다.
[0049] 도 2Oc는 도 20a 및 도 20b의 안테나의 성능을 측정하는 데에 사용되는 테스트 조립체를 나타낸다.
[0050] 도 20d 내지 도 20j는 도 20a 및 도 20b의 안테나에 대한 테스트 측정 결과들을 나타낸다.
[0051] 도 21a 및 도 21b는 본 발명의 하나 이상의 대안적인 실시예들에 따라서 예를 들어 WiMAX USB 동글에서 사용가능한 멀티모드 안테나 구조를 나타낸다.
[0052] 도 22a 및 도 22b는 본 발명의 하나 이상의 대안적인 실시예들에 따라서 예를 들어 WiMAX USB 동글에서 사용가능한 멀티모드 안테나 구조를 나타낸다.
[0053] 도 23a는 도 21a 및 도 21b의 안테나의 성능을 측정하는 데에 사용되는 테스트 조립체를 나타낸다.
[0054] 도 23b 내지 도 23k는 도 21a 및 도 21b의 안테나에 대한 테스트 측정 결과들을 나타낸다.
[0055] 도 24는 본 발명의 하나 이상의 실시예들에 따라서 빔 스티어링 기구(beam steering mechanism)를 구비하는 안테나 구조의 도식적인 블록 다이어그램이다.
[0056] 도 25a 내지 도 25g는 도 25a의 안테나에 대한 테스트 측정 결과들을 나타낸다.
[0057] 도 26은 공급점들(feedpoints) 간의 위상각 차이의 함수로서, 본 발명의 하나 이상의 실시예들에 따르는 안테나 구조의 이득 어드밴티지를 나타낸다.
[0058] 도 27a는 간단한 이중-대역 브랜치 라인 모노폴 안테나 구조를 나타내는 도식적인 다이어그램이다.
[0059] 도 27b는 도 27a의 안테나 구조에서의 전류 분포를 나타낸다.
[0060] 도 27c는 스퍼라인 대역 저지 필터(spurline band stop filter)를 나타내는 도식적인 다이어그램이다.
[0061] 도 27d 및 도 27e는 도 27a의 안테나 구조에서 주파수 거절(frequency rejection)을 나타내는 테스트 결과들이다.
[0062] 도 28은 본 발명의 하나 이상의 실시예들에 따라서 대역-거절 슬롯을 구비하는 안테나 구조를 나타내는 도식적인 다이어그램이다.
[0063] 도 29a는 본 발명의 하나 이상의 실시예들에 따라서 대역-거절 슬롯을 구비하는 대안적인 안테나 구조를 나타낸다.
[0064] 도 29b 및 도 29c는 도 29a의 안테나 구조에 대한 테스트 측정 결과들을 나타낸다.
[0065] 도 30a는 하나 이상의 실시예들을 따라서 하나의 주파수 대역 내에서 작동가능한 세 개의 포트들을 구비하는 예시적인 원통형 안테나를 나타낸다.
[0066] 도 30b는 도 30a의 안테나의 횡단면도이다.
[0067] 도 30c는 도 30a의 안테나의 VSWR의 그래프이다.
[0068] 도 30d는 도 30a의 안테나의 포트 투 포트 커플링의 그래프이다.
[0069] 도 30e는 도 30a의 안테나의 실현된 방사 효율의 그래프이다.
[0070] 도 30f는 도 30a의 안테나의 안테나 패턴들 간의 상호연관(correlation)의 그래프이다.
[0071] 도 30g는 도 30a의 안테나의 방위 평면(azimuth plane) 상 방사 패턴들의 그래프이다.
[0072] 도 30h는 케이블 초크를 구비하는 및 구비하지 않는 도 30a의 안테나의 방위 평면 상 방사 패턴들의 그래프이다.
[0073] 도 30i는 케이블 초크를 구비하는 및 구비하지 않는 도 30a의 안테나의 φ = 90 앙각면(elevation plane) 상 방사 패턴들의 그래프이다.
[0074] 도 31a는 하나 이상의 실시예들에 따라서 하나의 주파수 대역 내에서 작동가능한 세 개의 포트들을 구비하는 스탬프드(stamped) 금속 안테나를 나타낸다.
[0075] 도 31b는 도 31a의 안테나를 사용하는 PCB 조립체를 나타낸다.
[0076] 도 31c는 도 31a의 안테나의 VSWR의 그래프이다.
[0077] 도 31d는 도 31a의 안테나의 포트 투 포트 커플링의 그래프이다.
[0078] 도 31e는 도 31a의 안테나의 실현된 방사 효율의 그래프이다.
[0079] 도 31f는 도 31a의 안테나의 안테나 패턴들 간의 상호연관의 그래프이다.
[0080] 도 31g는 도 31a의 안테나의 방위 평면 상 방사 패턴들의 그래프이다.
[0081] 도 32a는 하나 이상의 실시예들을 따라서 멀티 주파수 대역들 내에서 작동가능한 세 개의 포트들을 구비하는 원통형 안테나를 나타낸다.
[0082] 도 32b 및 도 32c는 도 32a의 안테나를 사용하는 케이블링된 안테나 조립체들을 나타낸다.
[0083] 도 32d는 도 32a의 안테나의 산란 파라미터들의 그래프이다.
[0084] 도 32e 및 도 32f는 상이한 주파수 범위들에서 도 32a의 안테나의 실현된 방사 효율의 그래프들이다.
[0085] 도 32g 및 도 32h는 상이한 주파수 범위들에서 도 32a의 안테나의 피크 이득(peak gain)의 그래프들이다.
[0086] 도 33a는 하나 이상의 실시예들을 따라서 하나의 주파수 대역 내에서 작동가능한 네 개의 포트들을 구비하는 멀티모드 안테나를 나타낸다.
[0087] 도 33b는 도 33a의 안테나의 VSWR의 그래프이다.
[0088] 도 33c는 도 33a의 안테나의 포트 투 포트 커플링의 그래프이다.
[0089] 도 33d는 도 33a의 안테나의 실현된 방사 효율의 그래프이다.
[0090] 도 34a는 하나 이상의 실시예들을 따라서 하나의 주파수 대역 내에서 작동가능한 두 개의 포트들을 구비하는 스탬프드 금속 안테나를 나타낸다.
[0091] 도 34b는 도 34a의 안테나의 평면도이다.
[0092] 도 34c는 도 34a의 안테나의 저면도이다.
[0093] 도 34d는 도 34a의 안테나를 이용하는 테스트 조립체를 나타낸다.
[0094] 도 34e는 도 34a의 안테나의 VSWR의 그래프이다.
[0095] 도 34f는 도 34a의 안테나의 포트 투 포트 커플링의 그래프이다.
[0096] 도 34g는 도 34a의 안테나의 실현된 방사 효율의 그래프이다.
[0097] 도 34h는 도 34a의 안테나의 안테나 패턴들 간의 상호연관의 그래프이다.
[0098] 도 34i는 도 34d의 테스트 조립체의 포트 1에 의해서 생성된 방위 평면 상 방사 패턴의 그래프이다.
[0099] 도 34j는 도 34d의 테스트 조립체의 포트 1에 의해서 생성된 φ = 0 앙각면 상 방사 패턴의 그래프이다.
[00100] 도 34k는 도 34d의 테스트 조립체의 포트 1에 의해서 생성된 φ = 90 앙각면 상 방사 패턴의 그래프이다.
[00101] 도 34l은 도 34d의 테스트 조립체의 포트 2에 의해서 생성된 방위 평면 상 방사 패턴의 그래프이다.
[00102] 도 34m은 도 34d의 테스트 조립체의 포트 2에 의해서 생성된 φ = 0 앙각면 상 방사 패턴의 그래프이다.
[00103] 도 34n은 도 34d의 테스트 조립체의 포트 2에 의해서 생성된 φ = 90 앙각면 상 방사 패턴의 그래프이다.
[00104] 도 35a는 하나 이상의 실시예들에 따라서 멀티 주파수 대역들 내에서 작동가능한 두 개의 포트들을 구비하는 스탬프드 금속 안테나를 나타낸다.
[00105] 도 35b는 도 35a의 안테나의 고주파수 모드 및 저주파수 모드를 나타낸다.
[00106] 도 35c는 도 35a의 안테나를 사용하는 테스트 조립체를 나타낸다.
[00107] 도 35d는 도 35a의 안테나의 산란 파라미터들의 그래프이다.
[00108] 도 35e는 도 35a의 안테나의 실현된 방사 효율의 그래프이다.
[00109] 도 35f는 2450 MHz에서 도 35c의 테스트 조립체의 포트 1에 의해서 생성된 방위 평면 상 방사 패턴의 그래프이다.
[00110] 도 35g는 2450 MHz에서 도 35c의 테스트 조립체의 포트 1에 의해서 생성된 φ = 0 앙각면 상 방사 패턴의 그래프이다.
[00111] 도 35h는 2450 MHz에서 도 35c의 테스트 조립체의 포트 1에 의해서 생성된 φ = 90 앙각면 상 방사 패턴의 그래프이다.
[00112] 도 35i는 5150 MHz에서 도 35c의 테스트 조립체의 포트 1에 의해서 생성된 방위 평면 상 방사 패턴의 그래프이다.
[00113] 도 35j는 5150 MHz에서 도 35c의 테스트 조립체의 포트 1에 의해서 생성된 φ = 0 앙각면 상 방사 패턴의 그래프이다.
[00114] 도 35k는 5150 MHz에서 도 35c의 테스트 조립체의 포트 1에 의해서 생성된 φ = 90 앙각면 상 방사 패턴의 그래프이다.
[00115] 도 36a는 하나 이상의 실시예들을 따라서 멀티 주파수 대역들 내에서 작동가능한 네 개의 포트들을 구비하는 안테나를 나타낸다.
[00116] 도 36b는 도 36a에 대한 안테나의 산란 파라미터들의 그래프이다.
[00117] 도 36c는 도 36a에 대한 안테나의 실현된 방사 효율의 그래프이다.

[00118] 본 발명의 다양한 실시예들에 따라서, 통신 장치 내 전자기 신호를 송신 및 수신하는 멀티모드 안테나 구조들이 제공된다. 통신 장치는 안테나 구조에 통신된 신호 및 안테나 구조로부터 통신된 신호를 처리하는 회로를 포함한다. 안테나 구조는 상기 회로에 작동가능하게 커플링된 복수의 안테나 포트들 그리고, 각각이 상이한 안테나 포트에 동작가능하게 커플링되는 복수의 안테나 요소들을 포함한다. 안테나 구조는, 주어진 신호 주파수 범위에서 하나의 안테나 포트에 의해 여기된 안테나 모드가 다른 하나의 안테나 포트에 의해 여기된 모드와 대체로 전기적으로 격리되도록, 안테나 요소들을 전기적으로 연결하는 하나 이상의 연결 요소들을 더 포함한다. 또한 상기 포트들에 의해 생성되는 안테나 패턴들은 낮은 상호연관도를 나타내는 잘-규정된(well-defined) 패턴 다이버서티(pattern diversity)를 나타낸다.

[00119] 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 안테나 구조들은, 복수의 안테나가 동시에 그리고 특히 동일한 주파수 대역 내에서 사용되는 장치들을 포함하여, 함께 근접하여(예를 들어 1/4 파장보다 작게 떨어져) 패키징되어야 하는 멀티 안테나들을 필요로 하는 통신 장치에서 특히 유용하다. 안테나 구조들이 사용될 수 있는 이러한 장치의 흔한 예시들은 이동전화 단말기, 개인 휴대정보 단말기(PDA), 및 개인용 컴퓨터(PC)에 사용되는 무선 네트워크 장치 또는 데이터 카드와 같은 휴대용 통신 제품들을 포함한다. 또한 동시에 작동하는 멀티 안테나를 필요로 하는, (MIMO와 같은) 시스템 아키텍쳐들과 (802.16e(WiMAX), HSDPA, 및 1xEVDO와 같은 3G 데이터 통신 그리고 무선 LAN 용도의 802.11n과 같은) 모바일 무선 통신 장치에 대한 표준 프로포콜들에서, 상기 안테나 구조들이 특히 유용하다.

[00120] 도 1a 내지 도 1g는 안테나 구조(100)의 작동(operation)을 나타낸다. 도 1a는 두 평행 안테나들을, 특히 길이가 L인 평행 다이폴들(102, 104)(parallel dipoles)을 구비하는 안테나 구조(100)를 도식적으로 나타낸다. 다이폴들(102, 104)은 거리 d만큼 이격되고 어떤 연결 요소에 의해서도 연결되지 않는다. 다이폴들(102, 104)은 약 L=λ/2에 해당하는 기본 공진 주파수를 가진다. 각각의 다이폴은 동일한 주파수에서 작동할 수 있는 독립적인 송신/수신 시스템에 연결된다. 이러한 시스템 연결은 두 안테나들에 대하여 동일한 특성 임피던스(z₀)를 가질 수 있는데, 이 예시에서는 50 Ω이다.

[00121] 하나의 다이폴이 신호를 송신할 때, 상기 다이폴에 의해 송신되는 신호의 일부는 이웃하는 다이폴로 직접 커플링될 것이다. 커플링의 최대 양은 대체로 개별 다이폴의 반파 공진 주파수 근처에서 발생하며 이격 거리(d)가 더 작아질수록 증가한다. 예를 들어, d < λ/3에 대하여 커플링의 크기는 0.1 또는 -10 dB보다 더 크고, d < λ/8에 대하여 커플링의 크기는 -5 dB보다 더 크다.

[00122] 어떤 커플링도 존재하지 아니하거나(다시 말해서 완전 격리되거나) 안테나들 간의 커플링을 줄이는 것이 바람직하다. 예를 들어 커플링이 -10 dB이면, 이웃 안테나로 직접 커플링되는 전력량 때문에 송신 전력의 10 퍼센트가 손실된다. 또한 이웃하는 안테나에 연결된 송신기의 성능의 저하 또는 이웃 안테나에 연결된 수신기의 포화(saturation) 또는 감도저하(desensitization)와 같은 시스템 악효과가 있을 수 있다. 이웃 안테나에 유도된 전류들은 개별 다이폴에 의해 생성되는 것과 비교하여 이득 패턴을 왜곡시킨다. 이러한 효과는 다이폴들에 의해서 생성된 이득 패턴들 사이의 상호연관을 줄이는 것으로 알려져 있다. 따라서 커플링이 몇몇 패턴 다이버서티(pattern diversity)를 제공할 수 있는 동안, 전술한 바와 같이 시스템 악영향을 가진다.

[00123] 근접한 커플링(close coupling) 때문에, 안테나들은 독립적으로 동작하지 아니하고, 상이한 두 이득 패턴들에 상응하는 두 쌍들의 터미널들 또는 포트들을 구비하는 안테나 시스템으로서 간주될 수 있다. 어느 하나의 포트를 사용하는 것은 두 다이폴들을 포함하는 전체 구조를 실질적으로 수반한다. 이웃 다이폴의 기생 여기(parasitic excitation)는 근접한 다이폴 간격에서 다이버서티가 얻어질 수 있도록 하지만, 다이폴에 여기된 전류들이 소스 임피던스(source impedance)를 통해 흐르고 따라서 포트들 간의 상호 커플링을 명백히 나타낸다.

[00124] 도 1c는 시뮬레이션 용도로 사용된 도 1에 도시된 안테나 구조(100)에 상응하는 모델 다이폴 쌍을 나타낸다. 이 예시에서, 다이폴들(102, 104)은 1 mm x 1 mm인 사각 횡단면과 56 mm인 길이(L)을 가진다. 이러한 크기는 50-Ω 소스에 부착될 때, 2.45 GHz의 중심 공진 주파수를 가져온다. 이러한 주파수에서 자유 공간 파장(free-space wavelength)은 122 mm이다. 10 mm 또는 약 λ/12인 이격 거리(d)에 대한 산란 파라미터들(scattering parameters)(S11 및 S12)의 작도가 도 1d에 도시되어 있다. 대칭성 및 상호성 때문에, S22=S11이고 S12=S21이다. 간단히 하고자 S11 및 S12만을 도시하고 설명한다. 이러한 구성에 있어서, S12로서 표시한 것과 같이 다이폴들 간의 커플링은 최대 -3.7 dB에 이른다.

[00125] 도 1e는 포트(106)가 여기되고 포트(108)가 수동적으로(passively) 종료되는(terminate) 조건 하에서 안테나 구조의 다이폴(102)의 전류에 대한 다이폴(104)의 수직 전류의 (도면에서 "크기 I2/I1"로서 표시한) 비율을 나타낸다. 전류들의 비율(다이폴 104/다이폴 102)이 최대인 주파수는 다이폴 전류들 간의 위상차가 180 도인 주파수에 해당하고 도 1d에 도시된 최대 커플링 점보다 주파수가 단지 다소 더 크다.

[00126] 도 1f는 포트(106)의 여기에 의한 몇몇 주파수들에 대한 방위(azimuthal) 이득 패턴들을 나타낸다. 패턴들은 균일한 무지향성(omnidirectional)이 아니고, 커플링의 크기와 위상 변화에 기인하여, 주파수와 함께 변한다. 대칭성 때문에, 포트(108)의 여기로부터 야기되는 패턴들은 포트(106)에 대한 패턴들의 거울 영상이 될 것이다. 따라서 왼쪽으로부터 오른쪽으로 패턴이 더 비대칭적일수록 패턴들은 이득 크기의 관점에서 더 다양해진다.

[00127] 패턴들 간의 상호연관 계수의 연산은 패턴 다이버서티의 정량적인 특징화를 제공한다. 도 1g는 포트(106) 및 포트(108) 안테나 패턴들 사이의 연산된 상호연관을 나타낸다. 이상적인 다이폴들에 대하여 클락의 모델(Clark's model)에 의해서 예견되는 바보다 상호연관이 훨씬 더 작다. 이것은 상호 커플링에 의해서 도입된 패턴들의 차이들에 기인한다.

[00128] 도 2a 내지 2f는 본 발명의 하나 이상의 실시예들에 따른 예시적인 2 포트 안테나 구조(200)의 작동을 나타낸다. 2 포트 안테나 구조(200)는 근접하게 이격된 두 공진 안테나 요소들(202, 204)을 포함하고, 포트들(206, 208) 사이에 작은 커플링과 낮은 패턴 상호연관을 제공한다. 도 2a는 2 포트 안테나 구조(200)를 도식적으로 나타낸다. 이러한 구조는 도 1b에 도시된 다이폴들의 쌍을 포함하는 안테나 구조(100)와 유사하지만, 포트들(206, 208) 중 어느 일 측 상에서 다이폴들 사이의 수평 전도성 연결 요소들(210, 212)을 부가적으로 포함한다. 두 포트들(206, 208)은 도 1의 안테나 구조에서와 동일한 위치(locations)에 위치된다. 하나의 포트가 여기될 때, 결합된 구조는 다이폴들의 부착되지 않은 쌍의 공진과 유사한 공진을 나타내지만, 이 때 커플링이 유의미하게 감소하고 패턴 다이버서티가 증가한다.

[00129] 10 mm만큼 다이폴이 분리된 안테나 구조(200)의 예시적인 모델이 도 2b에 도시되어 있다. 이러한 구조는 일반적으로 도 1c에 도시된 안테나 구조(100)와 동일한 기하형상(geometry)를 가지지만, 포트들의 다소 위와 다소 아래에서 안테나 요소들을 전기적으로 연결하는 두 수평 연결 요소들(210, 212)을 부가적으로 구비한다. 이러한 구조는 부착되지 않은 다이폴들과 동일한 주파수에서 강한 공진을 나타내지만, 도 2c에 도시된 바와 같이 매우 상이한 산란 파라미터들을 나타낸다. -20 dB 아래에서 커플링의 깊은 드랍-아웃(deep drop-out)과 S1l으로 표시한 바와 같은 입력 임피턴스의 변이(shift)가 존재한다. 이러한 예시에서, 최상의 임피던스 매칭(S11 최소)는 가장 작은 커플링(S12 최소)와 일치하지 아니한다. 매칭 네트워크는 입력 임피던스 매칭 향상에 사용될 수 있고 그리고 여전히 도 2d에 도시된 바와 같이 매우 작은 커플링을 얻을 수 있다. 이러한 예시에서, 션트 캐퍼시터가 뒤따르는 직렬 인덕터를 포함하는 집중 요소 매칭 네트워크(lumped element matching network)가 각각의 포트와 구조 사이에 부가된다.

[00130] 도 2e는 포트(206)의 여기로부터 야기되는 다이폴 요소(202)에 흐르는 전류에 대한 다이폴 요소(204)의 전류의 비율(도면에서는 "크기 I2/I1")을 나타낸다. 이러한 작도는 공진 주파수 아래에서, 다이폴 요소(204) 상에서 전류들이 실제로 더 크다는 것을 나타낸다. 공진 근처에서, 증가하는 주파수에 따라서 다이폴 요소(202) 상 전류들에 비하여 다이폴 요소(204) 상 전류들이 감소하기 시작한다. 최소 커플링 점(여기서는 2.44 GHz)는 두 다이폴 요소들 상 전류들의 크기가 대체로 동일한 주파수 근처에서 발생한다. 이러한 주파수에서, 다이폴 요소(204) 상 전류들의 위상은 다이폴 요소(202)의 전류들의 위상보다 약 160도만큼 늦다.

[00131] 연결 요소들을 구비하지 아니하는 도 1c의 다이폴들과는 달리, 도 2b의 결합된 안테나 구조(200)의 안테나 요소(204) 상 전류들은 포트(208)의 종단 임피던스(terminal impedance)를 거쳐 흐르도록 강요되지 아니한다. 대신에 공진 모드가 제공되는데, 여기에서 도 2a에 도시된 화살표에 의해 지시된 바와 같이 전류가 안테나 요소(204) 아래로 흐르고 연결 요소(210, 212)를 지나서, 안테나 요소(202) 위로 흐른다. (이러한 전류 흐름은 공진 사이클의 하나의 절반을 나타내는 것이고; 다른 절반 동안에는 전류 방향이 역전됨을 유의하라). 결합된 구조의 공진 모드는 다음을 특징으로 한다: (1) 안테나 요소(204) 상 전류들은 대부분 포트(208)를 바이패스하여서, 포트들(206, 208) 사이의 높은 격리를 허용하고, 그리고 (2) 두 안테나 요소들(202, 204) 상 전류들의 크기는 대략 같고 이것은 더 상세히 후술하는 바와 같이 상이한 및 상호연관되지 않은 이득 패턴들을 허용한다.

[00132] 안테나 요소들에서 전류들의 크기가 거의 동일하기 때문에, 부착되지 않은 다이폴들을 구비하는 도 1c의 안테나 구조(100)의 경우에서보다 (도 2f에 도시된 바와 같이) 훨씬 더 지향성을 가지는(directional) 패턴이 제공된다. 전류들이 동일할 때, x 방향(또는 φ=0)으로의 패턴을 상쇄(nulling)하기 위한 조건은 다이폴(204) 상 전류들의 위상이 양 π-kd만큼 다이폴(202) 상 전류들의 위상을 지연하는 것이다(여기서 k=2π/λ이고 λ는 유효 파장 길이이다). 이러한 조건 하에서, 다이폴(204)로부터 φ=0 방향으로 진행하는 장들(fields)은 다이폴(202)의 장들과 180도 위상차가 날 것이고, 따라서 이들 둘의 결합은 φ=0 방향으로 상쇄(null)를 가질 것이다.

[00133] 도 2b의 모델 예시에서, d는 10 mm이거나 또는 λ/12인 유효 전기적 길이를 가진다. 이 경우에서, kd는 π/6와 같거나 30도이고, 그 결과 지향성을 가지는 방위 방사 패턴(directional azimuthal radiation pattern)이 φ=0을 향하는 상쇄와 φ=180를 향하는 최대 이득을 가지는 조건은 다이폴(204) 상 전류가 150도만큼 다이폴(202) 상 전류를 지연하는 것이다. (도 2e에 도시한 바와 같이) 공진에서, 전류들은 이러한 조건에 근접하게 흐르는데, 이것은 패턴들의 지향성을 설명한다. 다이폴(204)이 여기되는 경우에, 방사 패턴들은 도 2f의 그것들의 거울역상(mirror opposite)이고 최대 이득은 φ=0 방향이다. 2 포트들로부터 제공되는 안테나 패턴들에서의 차이는 도 2g에 도시된 바와 같이 연관된 작게 예측된 포락선 상호연관(associated low predicted envelope correlation)을 가진다. 따라서 결합된 안테나 구조는 2개의 포트들로서, 서로로부터 격리되고 작은 상호연관을 가지는 이득 패턴들을 제공하는 2개의 포트들을 가진다.

[00134] 이에, 커플링의 주파수 응답은 연결 요소들(210, 212)의 특성들 - 임피던스 및 전기적 길이를 포함 - 에 의존적이다. 본 발명의 하나 이상의 실시예들을 따라서, 원하는 정도의 격리가 유지될 수 있는 주파수 또는 대역폭이 연결 요소들의 적절한 구성에 의해서 제어될 수 있다. 크로스 연결을 구성하는 한 방법은 연결 요소의 물리적인 길이를 바꾸는 것이다. 이러한 것의 예시가 도 3a의 멀티모드 안테나 구조(300)에 의해서 도시되는데, 연결 요소들(310, 312)의 크로스 연결 경로에 미앤더(meander)가 부가된다. 이것은 두 안테나 요소들(302, 304) 사이 연결의 전기적 길이 및 임피던스 양자가 일반적으로 증가하는 효과를 가진다. 산란 파라미터들, 전류 비율들, 이득 패턴들 및 패턴 상호연관을 포함하는 이러한 구조의 성능 특성들이 도 3b, 도 3c, 도 3d, 도 3e에 각각 도시되어 있다. 이러한 실시예에서, 물리적인 길이의 변화는 상기 구조의 공진 주파수를 유의미하게 바꾸지 아니하지만, 미앤더를 구비하지 아니하는 구조들과 비교하여 더 넓은 대역폭 및 더 큰 최소값을 나타내면서, S12의 유의미한 변화가 존재하게 된다. 따라서 연결 요소들의 전기적인 특성들을 변경하여서, 격리 성능을 향상시키거나 최적화시키는 것이 가능해진다.

[00135] 본 발명의 다양한 실시예들을 따라서 예시적인 멀티모드 안테나 구조들은 (도 4에서 안테나 구조(400)에 의해서 도시된 바와 같이) 접지 또는 매설 지선(402)(counterpoise)으로부터 여기되도록 설계될 수 있거나 (도 5에서 안테나 구조(500)에 의해 도시된 바와 같이) 평형 구조(balanced structure)로서 설계될 수 있다. 어느 하나의 경우에서, 각각의 안테나 구조는 둘 이상의 안테나 요소들(도 4에서는 402, 404 그리고 도 5에서는 502, 504)을 포함하고 하나 이상의 전기 전도성 연결 요소들(도 4에서는 406, 그리고 도 5에서는 506, 508)을 포함한다. 설명의 편의상, 예시적인 다이어그램들에서 단지 2-포트 구조를 도시하고 있다. 그러나 본 발명의 다양한 실시예들을 따라서 2개보다 많은 포트들을 포함하도록 상기 구조가 확장될 수 있다. 각각의 안테나 요소에 안테나 구조에의 신호 연결 또는 포트(도 4에서는 418, 412 그리고 도 5에서는 510, 512)가 제공된다. 연결 요소는 관심 주파수 또는 주파수 범위에서 두 안테나 요소들 사이에 전기적 연결을 제공한다. 안테나가 비록 물리적으로 및 전기적으로 하나의 구조일지라도, 그 작동은 안테나를 두 개의 독립적인 안테나들로서 간주함으로써 설명될 수 있다. 안테나 구조(100)와 같은 연결 요소를 포함하지 않는 안테나 구조들에 대하여, 상기 구조의 포트(106)는 안테나(102)에 연결되었다고 할 수 있고, 포트(108)는 안테나(104)에 연결되었다고 할 수 있다. 그러나, 안테나 구조(400)와 같은 이러한 결합된 구조의 경우에서는, 포트(418)는 하나의 안테나 모드와 연관되었다고 언급될 수 있고, 포트(412)는 다른 하나의 안테나 모드와 연관되었다고 언급될 수 있다.

[00136] 희망 주파수 또는 희망 주파수 작동 범위에서 공진하도록 안테나 요소들이 설계된다. 안테나 요소가 1/4 파장인 전기적 길이를 가질 때 가장 작은 오더의 공진이 발생한다. 따라서 불평형 구성의 경우에 간단한 요소 설계는 1/4파장 모노폴(monopole)이다. 더 높은 오더 모드들을 사용하는 것이 또한 가능하다. 예를 들어, 1/4 파장 모노폴들로부터 형성된 구조는 또한 기본 주파수의 세 배인 주파수에서 높은 격리를 나타내는 이중 모드 안테나 성능을 나타낸다. 따라서 멀티대역 안테나를 생성하는 것에 더 높은 오더의 모드들이 활용될 수 있다. 유사하게 평형 구성에서, 반파장 중앙-급전 방식 다이폴에서처럼 안테나 요소들은 상보적인 1/4 파장 요소들일 수 있다. 그러나, 안테나 구조는 또한 희망 주파수 또는 희망 주파수 범위에서 공진하는 다른 유형의 안테나 요소들로부터 형성될 수도 있다. 가능한 다른 안테나 요소 구성들은 헬리컬 코일들, 와이드밴드 평면 형태들(wideband planar shapes), 칩 안테나들, 미앤더된 형태들, 루프들, 및 PIFA들(Planar Inverted-F Antennas)와 같은 유도 션트 형태들을 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니다.

[00137] 본 발명의 하나 이상의 실시예들에 따른 안테나 구조의 안테나 요소들은 동일한 기하형상을 가지거나 동일한 유형의 안테나 요소일 필요는 없다. 안테나 요소들은 각각 희망 주파수 또는 희망 주파수 작동 범위에서 공진을 가져야 한다.

[00138] 본 발명의 하나 이상의 실시예들을 따라서, 안테나 구조의 안테나 요소들은 동일한 기하형상을 가진다. 이것은 일반적으로 간단한 설계에 대하여, 특히 어느 하나의 포트에의 연결에 대하여 안테나 성능 요건이 동일할 때, 바람직하다.

[00139] 결합된 안테나 구조의 대역폭 및 공진 주파수들은 안테나 요소들의 대역폭 및 공진 주파수들에 의해서 제어될 수 있다. 따라서 예를 들어 도 6a, 도 6b, 및 도 6c에 도시된 바와 같이 결합된 구조의 모드들에 대하여 더 넓은 대역폭을 제공하기 위해서, 더 넓은 대역폭 요소들이 사용될 수 있다. 도 6a는 연결 요소들(606, 608)에 의해서 연결된 두 다이폴들(602, 604)을 포함하는 멀티모드 안테나 구조(600)를 나타낸다. 다이폴들(602, 604)은 각각 폭(W)과 길이(L)를 가지고 거리(d)만큼 이격되어 배치된다. 도 6b는 다음의 예시적인 치수를 가지는 구조에 대한 산란 파라미터들을 나타낸다: W=1 mm, L=57.2 mm, 그리고 d=10mm. 도 6c는 다음의 예시적인 치수를 가지는 구조에 대한 산란 파라미터들을 나타낸다: W=10 mm, L=50.4 mm, 그리고 d=10mm. 도시한 바와 같이, 다른 치수가 대체로 동일하게 유지되는 채로 W가 1 mm로부터 10 mm로 증가하는 것은, 안테나 구조에 대하여 더 넓은 격리 대역폭 및 임피던스 대역폭을 야기한다.

[00140] 안테나 요소들 간의 격리의 증가는 안테나 구조에 대하여 격리 대역폭 및 임피던스 대역폭을 증가시킨다는 것을 또한 알아냈다.

[00141] 일반적으로, 연결 요소는 결합된 공진 구조의 고전류 영역에 위치한다. 따라서 연결 요소가 높은 전도성을 가지는 것이 바람직하다.

[00142] 그들이 별도의 안테나들처럼 작동된다면 그들이 위치될 것과 같이, 포트들은 안테나 요소의 공급점들(feed points)에 위치된다. 요소들 또는 구조들을 매칭하는 것은 포트 임피던스를 희망 시스템 임피던스에 매칭하는 데에 사용될 수 있다.

[00143] 본 발명의 하나 이상의 실시예들을 따라서, 멀티모드 안테나 구조는 도 7에 도시된 바와 같이, 예를 들어 인쇄 회로 기판에 통합된 평면 구조일 수 있다. 이러한 예시에서, 안테나 구조(700)는 포트들(708, 710)에서 연결 요소(706)에 의해서 연결된 안테나 요소들(702, 704)을 포함한다. 안테나 구조는 인쇄 회로 보드 기판(712) 상에 만들어진다. 도면에서 도시된 안테나 요소들은 간단한 1/4 파장 모노폴들이다. 그러나, 안테나 요소들은 등가적인 유효 전기적 길이를 가져오는 임의의 기하형상일 수 있다.

[00144] 본 발명의 하나 이상의 실시예들을 따라서, 이중 공진 주파수들 및 이로써 이중 작동 주파수들을 구비하는 결합된 안테나 구조를 제공하기 위해, 이중 공진 주파수들을 구비하는 안테나 요소들이 사용될 수 있다. 도 8a는 멀티모드 다이폴 구조(800)의 예시적인 모델을 나타내는데, 여기서 다이폴 안테나 요소들(802, 804)은 각각 상이한 길이를 가지는 두 핑거들(806, 808 및 810, 812)로 나누어진다. 다이폴 안테나 요소들은 각각의 두 개의 상이한 핑거 길이들과 연관되는 공진 주파수들을 가지고 따라서 이중 공진을 나타낸다. 유사하게, 이중-공진 다이폴 아암들을 사용하는 멀티모드 안테나 구조는 두 개의 주파수 대역들을 나타내고 여기서 높은 격리(또는 작은 S21)는 도 8b에 도시된 바와 같이 얻어진다.

[00145] 본 발명의 하나 이상의 실시예들을 따라서, 도 9에 도시된 멀티모드 안테나 구조(900)는 튜닝 가능한 안테나를 형성하는 가변 길이 안테나 요소들(902, 904)을 구비하면서 제공된다. 각각의 안테나 요소(902, 904)에서 RF 스위치(906, 908)와 같은 제어가능한 장치에 의해서 안테나 요소의 유효 전기적 길이를 변경하여서, 이것을 행할 수 있다. 이러한 예시에서, (더 높은 주파수 작동을 위하여) 더 짧은 전기적 길이를 생성하기 위해 (제어가능한 장치를 작동하여서) 스위치가 열릴 수 있거나, (더 낮은 주파수 작동을 위하여) 더 긴 전기적 길이를 생성하기 위해 스위치가 닫힐 수 있다. 동시에(in concert) 양 안테나 요소들을 튜닝하여서 높은 격리의 피처를 포함하는 안테나 구조(900)에 대한 작동 주파수 대역을 튜닝할 수 있다. 예를 들어 제어가능한 유전체 물질의 사용, 멤스(MEMs) 장치, 버랙터(varactor), 또는 튜닝가능한 유전체 커패시터와 같은 가변 커패시터를 구비하는 안테나 요소들의 로딩, 그리고 기생 요소들의 스위치 온 또는 오프를 포함하여 안테나 요소들의 유효 전기적 길이를 변경하는 다양한 방법들에 의해서 이러한 접근이 사용될 수 있다.

[00146] 본 발명의 하나 이상의 실시예들을 따라서, 연결 요소 또는 연결 요소들은 요소들 간의 전기적 거리와 대략 같은 전기적 길이를 구비하는 안테나 요소들 사이에 전기적 연결을 제공한다. 이러한 조건 하에서 그리고 연결 요소들이 안테나 요소들의 포트 단들에서 부착될 때, 안테나 요소들의 공진 주파수 근처인 주파수에서 포트들이 격리된다. 이러한 배열은 특정한 주파수에서 거의 완전한 공급을 제공할 수 있다.

[00147] 대안적으로, 전술한 바와 같이, 격리가 특정한 값을 초과하는 대역폭을 넓히기 위해, 연결 요소의 전기적 길이가 증가할 수 있다. 예를 들어, 안테나 요소들 간의 직선 연결은 특정한 주파수에서 -25 dB인 최소 S21을 제공할 수 있고, 이에 대하여 S21 < -10 dB인 대역폭은 100 MHz일 수 있다. 전기적 길이를 증가시킴으로써, 최소 S21이 -15 dB까지 증가하되 이에 대하여 S21 < -10 dB인 대역폭이 150 MHz까지 증가할 수 있는 새로운 응답이 얻어질 수 있다.

[00148] 본 발명의 하나 이상의 실시예들에서 따라서 다양한 다른 멀티모드 안테나 구조들이 가능하다. 예를 들어, 연결 요소는 변화된 기하형상을 가질 수 있고, 또는 안테나 구조의 특성을 변화시키는 구성 요소들을 포함하도록 구성될 수 있다. 이러한 구성 요소들은 예를 들어 수동 인덕터와 커패시터 요소들, 공진기 또는 필터 구조들 또는 위상 변이기들과 같은 능동 구성 요소들을 포함할 수 있다.

[00149] 본 발명의 하나 이상의 실시예들을 따라서, 안테나 구조의 특성을 조정하기 위해서, 안테나 요소들의 길이를 따르는 연결 요소의 위치가 변할 수 있다. 포트들로부터 멀리 그리고 안테나 요소들의 말단(distal end)을 향하여 안테나 요소들 상 연결 요소의 부착 점을 이동시킴으로써, 포트들이 격리되는 주파수 대역이 주파수에 있어서 상향(upward) 변이될 수 있다. 도 10a 및 도 10b는 각각 멀티모드 안테나 구조들(1000, 1002)을 나타내는데, 각각은 안테나 요소들에 전기적으로 연결된 연결 요소를 구비한다. 도 10a의 안테나 구조(1000)에서, 연결 요소(1004)와 지표면(ground plane)(1006)의 맨윗 가장자리 사이의 간격이 3 mm가 되도록 연결 요소(1004)가 구조 내에 위치한다. 도 1Oc는 이러한 구성에서 1.15 GHz의 주파수에서 높은 격리가 얻어질 수 있음을 보이는 구조에 대한 산란 파라미터들을 나타낸다. 1.15 GHz에서 임피던스 매칭을 제공하고자 션트 커패시터/직렬 인덕터 매칭 네트워크가 사용된다. 도 10d는 도 10b의 구조(1002)에 대한 산란 파라미터들을 나타내는데, 여기서 연결 요소(1008)와 지표면의 맨윗 가장자리(1010) 간의 간격이 19 mm이다. 도 10b의 안테나 구조(1002)는 약 1.50 GHz에서 높은 격리를 나타내는 작동 대역을 나타낸다.

[00150] 도 11은 본 발명의 하나 이상의 다른 실시예들에 따른 멀티모드 안테나 구조(1100)를 도식적으로 나타낸다. 안테나 구조(1100)는 둘 이상의 연결 요소들(1102, 1104)을 포함하고, 이들 각각은 안테나 요소들(1106, 1108)을 전기적으로 연결한다. (설명의 편의상, 단지 두 연결 요소들만을 도면에 도시하였다. 두 연결 요소들보다 더 많은 수가 사용하는 것을 또한 고려할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.) 안테나 요소들(1106, 1108)을 따라서 서로로부터 연결 요소들(1102, 1104)이 이격하여 배치된다. 연결 요소들(1102, 1104)의 각각은 스위치(1112, 1110)를 포함한다. 스위치들(1110, 1112)를 제어하여서, 피크 격리 주파수들이 선택될 수 있다. 예를 들어, 스위치(1110)을 닫고 스위치(1112)를 열여서 주파수 f1을 선택할 수 있다. 스위치(1110)을 열고 스위치(1112)를 닫아서 다른 주파수 f2를 선택할 수 있다.

[00151] 도 12는 본 발명의 하나 이상의 대안적인 실시예들에 따른 멀티모드 안테나 구조(1200)를 나타낸다. 안테나 구조(1200)는 작동가능하게 커플링된 필터(1204)를 구비하는 연결 요소(1202)를 포함한다. 필터(1204)는 안테나 요소들(1206, 1208) 사이의 연결 요소 연결이 단지 높은 격리 공진 주파수와 같이 희망 주파수 대역 내에서만 유효하도록 선택된 저역 통과 필터 또는 대역 통과 필터일 수 있다. 더 높은 주파수들에서, 개방된 회로인, 전기 전도성 연결 요소에 의해서 커플링되지 않은 두 개의 별개의 안테나 요소들처럼 상기 구조가 기능할 것이다.

[00152] 도 13은 본 발명의 하나 이상의 대안적인 실시예들에 따른 멀티모드 안테나 구조(1300)를 나타낸다. 안테나 구조(1300)는 각각이 필터들(1306, 1308)을 포함하는 둘 이상의 연결 요소들(1302, 1304)을 포함한다. (설명의 편의상, 단지 두 연결 요소들만을 도면에 도시하였다. 두 연결 요소들보다 더 많은 수가 사용하는 것을 또한 고려할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.) 가능한 일 실시예에서, 안테나 구조(1300)는 (안테나 포트들에 더 가까운) 연결 요소(1304) 상에 저역 통과 필터(1308)를 구비하고 연결 요소(1302) 상에 고역 통과 필터(1306)를 구비하여, 높은 격리의 두 개의 주파수 대역들, 다시 말해서 이중 대역 구조를 가지는 안테나 구조를 생성한다.

[00153] 도 14는 본 발명의 하나 이상의 대안적인 실시예들에 따른 멀티모드 안테나 구조(1400)를 나타낸다. 안테나 구조(1400)는 작동가능하게 연결된 튜닝가능한 요소(1406)를 구비하는 하나 이상의 연결 요소들(1402)을 포함한다. 안테나 구조(1400)는 또한 안테나 요소들(1408, 1410)을 포함한다. 튜닝가능한 요소(1406)는 전기적 연결의 위상 또는 지연을 변경하거나 전기적 연결의 리액티브 임피던스(reactive impedance)를 바꾼다. 전기적 지연의 변화 또는 임피던스의 변화에 의해서 산란 파라미터들(S21/S12)의 크기와 주파수 응답이 영향 받을 수 있고 그리고 그 결과 튜닝가능한 요소(1406)를 사용하여서 특정한 주파수들에서 격리에 대하여 안테나 구조가 적응될 수 있거나 대체로 최적화될 수 있다.

[00154] 도 15는 본 발명의 하나 이상의 대안적인 실시예들에 따른 멀티모드 안테나 구조(1500)를 나타낸다. 예를 들어 WIMAX USB 동글(dongle)에서 멀티모드 안테나 구조(1500)가 사용될 수 있다. 예를 들어 2300으로부터 2700 MHz까지의 WiMAX 대역들에서 동작하도록 안테나 구조(1500)가 구성될 수 있다.

[00155] 안테나 구조(1500)는 전도성 연결 요소(1506)에 의해서 연결된 두 안테나 요소들(1502, 1504)을 포함한다. 안테나 요소들은 희망 작동 주파수 범위를 얻고자 요소들의 전기적 길이를 늘리기 위한 슬롯들을 포함한다. 이러한 예시에서, 2350 MHz의 중심 주파수에 대하여 안테나 구조가 최적화된다. 더 높은 중심 주파수들을 얻기 위해 슬롯들의 길이는 줄어들 수 있다. 인쇄 회로 기판 조립체(1508) 상에 안테나 구조가 장착된다. 2-구성요소 집중 요소 매칭(two-component lumped element match)이 각각의 안테나 피드(antenna feed)에 제공된다.

[00156] 예를 들어 금속 스탬핑(metal stamping)에 의해서 안테나 구조(1500)가 제조될 수 있다. 이것은 예를 들어 0.2 mm 두께의 구리 합금 시이트로 이루어질 수 있다. 안테나 구조(1500)는 구조의 질량 중심에서 연결 요소 상에 픽업 피처(1510)를 포함하는데, 이것은 픽-앤-플래이스(pick-and-place) 조립체 프로세스에서 사용될 수 있다. 안테나 구조는 또한 표면-장착 리플로우 조립체(surface-mount reflow assembly)와 양립가능하다.

[00157] 도 16은 본 발명의 하나 이상의 대안적인 실시예들에 따른 멀티모드 안테나 구조(1600)를 나타낸다. 도 15의 안테나 구조(1500)와 마찬가지로, 예를 들어 WIMAX USB 동글에서 안테나 구조(1600)가 또한 사용될 수 있다. 예를 들어 2300으로부터 2700 MHz까지의 WiMAX 대역들에서 동작하도록 안테나 구조가 구성될 수 있다.

[00158] 안테나 구조(1600)는 두 안테나 요소들(1602, 1604)을 포함하고 이들 각각은, 미앤더링된 모노폴을 포함한다. 미앤더의 길이는 중심 주파수를 결정한다. 도면에 보여지는 예시적인 설계는 2350 MHz의 중심 주파수에 대하여 최적화된다. 더 높은 중심 주파수를 얻기 위해서, 미앤더의 길이가 줄어들 수 있다.

[00159] 연결 요소(1606)는 안테나 요소들을 전기적으로 연결한다. 2-구성요소 집중 요소 매칭이 각각의 안테나 피드에 제공된다.

[00160] 안테나 구조는 예를 들어 구리로부터 플라스틱 캐리어(1608) 상에 장착된 연성 인쇄 회로(FPC; flexible printed circuit)로서 제조될 수 있다. 연성 인쇄 회로의 금속화된 부분들에 의해서 안테나 구조가 생성될 수 있다. 플라스틱 캐리어는 기계적인 지지를 제공하고 PCB 조립체(1610)에의 장착을 용이하게 한다. 대안적으로, 안테나 구조는 시이트-금속으로 이루어질 수 있다.

[00161] 도 17은 본 발명의 다른 실시예에 따른 멀티모드 안테나 구조(1700)를 나타낸다. 예를 들어 USB, 익스프레스 34, 및 익스프레스 54 데이터 카드 포맷들에 대하여, 이러한 안테나 설계가 사용될 수 있다. 2.3으로부터 6 GHz까지의 주파수들에서 동작하도록, 도면에 도시된 예시적인 안테나 구조가 설계된다. 예를 들어 플라스틱 캐리어(1702) 상의(over) 연성 인쇄 회로에 의해서 또는 시이트-금속으로부터 안테나 구조가 제조될 수 있다.

[00162] 도 18a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 멀티모드 안테나 구조(1800)를 나타낸다. 안테나 구조(1800)는 세 개의 포트들을 구비하는 3 모드 안테나를 포함한다. 이러한 구성에서, 이웃 안테나 요소들을 연결하는 전도성 링을 포함하는 연결 요소(1808)를 사용하여 3개의 모노폴 안테나 요소들(1802, 1804, 1806)을 연결한다. 하나의 중공형 전도성 실린더(single hollow conductive cylinder)인 공통 매설지선 또는 슬리브(1810)에 의해서, 안테나 요소들이 평형을 이룬다. 안테나는 안테나 구조를 통신 장치에 연결하는 세 개의 동축 케이블들(1812, 1814, 1816)을 구비한다. 동축 케이블들(1812, 1814, 1816)은 슬리브(1810)의 빈 내부를 관통하여 지나간다. 안테나 조립체는 실린더 내로 감싸진 하나의 연성 인쇄 회로로부터 구성될 수 있고, 세 개의 별개의 안테나들을 대신하는 하나의 안테나 조립체를 제공하도록 원통형 플라스틱 인클로져(enclosure)로 패키징될 수 있다. 예시적인 일 실시예에서, 실린더의 직경은 10 mm이고 안테나의 전체적인 길이는 56 mm이어서, 2.45 GHz에서 포트들 사이에서 높은 격리를 나타내도록 작동한다. 예를 들어 MIMO와 같은 멀티 안테나 라디오 시스템들 또는 2.4 내지 2.5 GHz 대역들에서 동작하는 802.11N 시스템들에 의해서 이러한 안테나 구조가 사용될 수 있다. 포트 대 포트 격리에 덧붙여, 이롭게도 각각의 포트가 도 18b에 도시된 바와 같이 상이한 이득 패턴을 제공한다. 이것은 하나의 특정한 실시예에 불구하고, 이러한 구조는 임의의 희망 주파수에서 동작되도록 스케일링될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 2-포트 안테나들과 관련하여 전술한 대역폭의 튜닝, 조작 그리고 멀티대역 구조들의 생성을 위한 방법들이 이러한 멀티포트 구조에 또한 적용될 수 있음을 또한 이해할 수 있을 것이다.

[00163] 비록 전술한 실시예가 실제(true) 실린더로서 도시되었을지라도, 동일한 이점들을 제공하는 세 개의 안테나 요소들 및 연결 요소들의 다른 배열들이 사용될 수 있다. 이것은 연결 요소들이 삼각형 또는 다른 다각형 기하형상을 형성하도록 직선 연결들을 구비하는 배열들을 포함하지만 이에 한정되는 것은 아니다. 공통 매설지선을 구비하는 세 개의 모노폴 요소들 대신에 세 개의 별개의 다이폴 요소들을 유사하게 연결하여서, 유사한 구조를 구성하는 것이 또한 가능하다. 또한, 비록 안테나 요소들의 대칭적인 배열이 바람직하게도 각각의 포트로부터 등가적인 성능, 예를 들어 동일한 대역폭, 격리, 임피던스 매칭을 생성할지라도, 안테나 요소들을 비대칭적으로 배열하거나 어플리케이션에 따라서 서로 다른 간격으로 배열하는 것이 또한 가능하다.

[00164] 도 19는 본 발명의 하나 이상의 실시예들에 따른 결합기 어플리케이션(combiner application)에서 멀티모드 안테나 구조(1900)의 사용을 나타낸다. 도면에서 도시된 바와 같이, 안테나 구조(1900)의 양 안테나 포트들에 송신 신호들이 동시에 적용될 수 있다. 이러한 구성에서, 멀티모드 안테나는 안테나 및 전력 증폭기 결합기로서의 역할을 할 수 있다. 안테나 포트들 간의 높은 격리는 두 증폭기(1902, 1904) 간의 상호작용을 제한하는데, 상기 상호 작용은 신호 왜곡 및 효율 손실과 같은 불리한 효과들을 가지는 것으로 알려져 있다. 임피던스 매칭 요소들(1906)에서 안테나 포트들에 최적화된 임피던스 매칭이 제공될 수 있다.

[00165] 도 20a 및 도 20b는 본 발명의 하나 이상의 대안적인 실시예들에 따른 멀티모드 안테나 구조(2000)를 나타낸다. 예를 들어 WiMAX USB 또는 익스프레스카드/34 장치에서, 안테나 구조(2000)가 또한 사용될 수 있다. 예를 들어 2300으로부터 6000 MHz까지의 WiMAX 대역들에서 동작하도록, 상기 안테나 구조가 구성된다.

[00166] 안테나 구조(2000)는 각각이 브로드 모노폴(broad monopole)을 포함하는 두 안테나 요소들(2001, 2004)을 포함한다. 연결 요소(2002)는 안테나 요소들을 전기적으로 연결한다. 5000 MHz 이상에서 입력 임피던스 매치를 향상시키고자 슬롯들(또는 다른 절개부들(cut-outs))(2005)이 사용된다. 도면에 도시된 예시적인 설계는 2300 내지 6000 MHz의 주파수들을 아우르도록 최적화된다.

[00167] 예를 들어 금속 스탬핑에 의해서 안테나 구조(2000)가 제조될 수 있다. 그것은 예를 들어 0.2 mm 두께 구리 합금 시이트로 이루어질 수 있다. 안테나 구조(2000)는 대체로 구조의 질량 중심에서 연결 요소(2002) 상에 픽업 피처(2003)를 포함하고, 상기 픽업 피처는 자동화된 픽-앤-플래이스 조립체 프로세스에 사용될 수 있다. 안테나 구조는 또한 표면-장착 리플로우 조립체와 양립가능하다. 안테나의 공급점들(feed points)(2006)은 PCB 상에 라디오 회로에의 연결점들을 제공하고, 또한 PCB에 안테나의 구조적인 장착을 위한 지지로서의 역할을 한다. 부가적인 접촉점들(2007)이 구조적인 지지를 제공한다.

[00168] 도 20c는 안테나(2000) 성능을 측정하는 데에 사용되는 테스트 조립체(2010)를 나타낸다. 도면은 또한 원거리-장 패턴들(far-field patterns)에 대한 기준 좌표를 나타낸다. 익스프레스카드/34 장치를 나타내는 30 x 88 mm PCB 2011 상에 안테나(200)가 장착된다. PCB 2011의 접지된 부분은 노트북 컴퓨터의 전형적인 매설지선 크기를 나타내기 위한 (이 예시에서는 165 x 254 mm 치수를 가지는) 더 넓은 금속 시이트(2012)에 부착된다. PCB(2011) 상에서 테스트 포트들(2014, 2016)은 50-Ω 스트립선을 통해 안테나에 연결된다.

[00169] 도 20d는 테스트 포트들(2014, 2016)에서 측정된 VSWR을 나타낸다. 도 20e는 테스트 포트들 간에 측정된 커플링(S21 또는 S12)을 나타낸다. 이롭게도 예를 들어 2300 내지 6000 MHz의 넓은 범위의 주파수들에 걸쳐서 VSWR 및 커플링이 낮은 값을 가진다. 도 2Of는 테스트 포트들(2014(포트 1), 2016(포트 2))로부터 참조되는 측정된 방사 효율을 나타낸다. 도 20g는 시험 포트(2014)(포트 1)의 여기에 의해 제공되는 방사 패턴들 대 시험 포트(2016)(포트 2)의 여기에 의해 제공되는 방사 패턴들 사이의 연산된 상호연관을 나타낸다. 페턴들 간의 상호연관이 관심 주파수들에서 이롭게도 낮은 동안 방사 효율이 이롭게도 큰 값을 가진다. 도 2Oh는 2500 MHz의 주파수에서 테스트 포트(2014)(포트 1) 또는 테스트 포트(2016)(포트 2)의 여기에 의한 원거리 장 이득 패턴들을 나타낸다. 도 20i 및 도 20j는 각각 3500 MHz의 주파수에서 및 5200 MHz의 주파수에서 동일한 패턴 측정들(pattern measurements)을 나타낸다. 테스트 포트(2014)(포트 1)로부터 야기되는 패턴들은 서로 다르고 테스트 포트(2016)(포트 2)로부터 야기되는 패턴들과 φ = 0 또는 XZ 평면 및 θ=90 또는 XY 평면에서 상보적이다.

[00170] 도 21a 및 도 21b는 본 발명의 하나 이상의 대안적인 실시예들을 따르는 멀티모드 안테나 구조(2100)를 나타낸다. 예를 들어 WiMAX USB 동글에서 안테나 구조(2100)가 또한 사용될 수 있다. 예를 들어 2300 MHz로부터 2400 MHz에 이르는 WiMAX 대역들에서 작동하도록 안테나 구조가 구성될 수 있다.

[00171] 안테나 구조(2100)는 각각이 미앤더링된 모노폴을 포함하는 두 안테나 요소들(2102, 2104)을 포함한다. 미앤더의 길이는 중심 주파수를 결정한다. 원하는 전기적 길이를 제공하기 위해서, 예를 들어 헬리컬 코일들 및 루프들과 같은 다른 토추어스 구성들이 사용될 수도 있다. 도면들에 도시된 예시적인 설계는 2350 MHz의 중심 주파수에 대하여 최적화된다. (도 21b에 도시된) 연결 요소(2106)은 안테나 요소들(2102, 2104)을 전기적으로 연결한다. 2-구성 요소 집중 요소 매칭이 각 안테나 피드에 제공된다.

[00172] 안테나 구조는 예를 들어 구리로부터 플라스틱 캐리어(2101) 상에 장착된 연성 인쇄 회로(2103)로서 제조될 수 있다. 연성 인쇄 회로(2103)의 금속화된 부분들에 의해서 안테나 구조가 생성될 수 있다. 플라스틱 캐리어(2101)는 안테나를 PCB 조립체(미도시)에 부착하기 위한 장착 핀들 또는 피프들(pips)(2107)을 제공하고, 연성 인쇄 회로(2103)를 캐리어(2101)에 고정하기 위한 피프들(2105)을 제공한다. 연성 인쇄 회로(2103)의 금속화된 부분은 PCB 상에서 회로에 안테나를 전기적으로 접촉하기 위한 노출부들 또는 노출 패드들(2108)을 포함한다.

[00173] 더 높은 중심 주파수들을 얻기 위해서, 요소들(2102, 2104)의 전기적 길이를 줄일 수 있다. 도 22a 및 도 22b는 멀티모드 안테나 구조(2200)을 나타내는데, 그 설계는 2600 MHz의 중심 주파수에 대하여 최적화된다. 요소들(2202, 2204)의 전기적 길이는 도 21a 및 도 21b의 요소들(2102, 2104)의 전기적 길이보다 더 짧은데, 요소들(2202, 2204)의 단부에서 금속화가 제거되고 공급단(feed end)에서 요소들의 폭이 커지기 때문이다.

[00174] 도 23a는 원거리-장 패턴들에 대한 기준 좌표와 함께 도 21a 및 도 21b의 안테나(2100)를 사용하는 테스트 조립체(2300)를 나타낸다. 도 23b는 테스트 포트들(2302(포트 1), 2304(포트 2))에서 측정된 VSWR을 나타낸다. 도 23c는 테스트 포트들(2302(포트 1), 2304(포트 2)) 간에 측정된 커플링(S21 또는 S12)을 나타낸다. VSWR과 커플링은 관심 주파수에서 예를 들어 2300MHz 내지 2400 MHz에서 이롭게도 작은 값을 가진다. 도 23d는 테스트 포트들로부터 참조되는 측정된 방사 효율을 나타낸다. 도 23e는 테스트 포트(2302(포트 1))의 여기에 의해 생성된 방사 패턴들 대 테스트 포트(2304(포트 2))의 여기에 의해 생성된 방사 패턴들 간의 연산된 상호연관을 나타낸다. 패턴들 간의 상호연관이 관심 주파수에서 이롭게도 작은 값을 가지는 동안, 방사 효율이 이롭게도 큰 값을 가진다. 도 23f는 2400 MHz의 주파수에서 테스트 포트(2302(포트 1)) 또는 테스트 포트(2304(포트 2))의 여기에 의한 원거리 장 패턴들을 나타낸다. 테스트 포트(2302(포트 1))로부터 야기되는 패턴들은 테스트 포트(2304(포트 2))로부터 야기되는 패턴들과 φ = 0 또는 XZ 평면에서 그리고 θ=90 또는 XY 평면에서 서로 다르고 상보적이다.

[00175] 도 23g는 안테나(2100) 대신에 안테나(2200)를 구비하는 조립체(2300)의 테스트 포트들에서 측정된 VSWR을 나타낸다. 도 23h는 테스트 포트들 사이에서 측정된 커플링(S21 또는 S12)을 나타낸다. VSWR과 커플링은 이롭게도 관심 주파수에서 예를 들어 2500MHz 내지 2700 MHz에서 작은 값을 가진다. 도 23i는 테스트 포트들로부터 참조되는 측정된 방사 효율을 나타낸다. 도 23j는 테스트 포트(2302(포트 1))의 여기에 의해 생성된 방사 패턴들 대 테스트 포트(2304(포트 2))의 여기에 의해 생성된 방사 패턴들 간의 연산된 상호연관을 나타낸다. 패턴들 간의 상호연관이 이롭게도 관심 주파수에서 작은 값을 가지는 동안, 방사 효율이 이롭게도 큰 값을 가진다. 도 23k는 2600 MHz의 주파수에서 테스트 포트(2302(포트 1)) 또는 테스트 포트(2304(포트 2))의 여기에 의한 원거리 장 패턴들을 나타낸다. 테스트 포트(2302(포트 1))로부터 야기되는 패턴들은 테스트 포트(2304(포트 2))로부터 야기되는 패턴들과 φ = 0 또는 XZ 평면에서 그리고 θ=90 또는 XY 평면에서 서로 다르고 상보적이다.

[00176] 본 발명의 하나 이상의 다른 실시예들은 널 스티어링(null steering) 또는 빔 포인팅(beam pointing)을 목적으로 하는 빔 패턴 제어에 대한 기법들에 관한 것이다. (한 파장의 수분의 1(some fraction of a wavelength)만큼 이격하여 배치된 별개의 안테나 요소들을 포함하는) 종래의 어레이 안테나(array antenna)에 이러한 기법들이 적용되면, 참조 신호 또는 파형의 위상 변이된 버전인 신호가 배열 안테나의 각각의 요소에 제공된다. 등가로 여기된 균일한 선형 어레이에 대하여, 제공되는 빔 패턴은 각각의 개별 요소의 위상과 요소 간의 요소 간격(d)에 의존하는 어레이 인자(F)에 의해서 기술될 수 있다.

여기서 β = 2π/λ, N = 요소들의 총 수, a = 연속적인 요소들 간의 위상 변이, 그리고 θ = 어레이 축으로부터의 각도

[00177] 위상(α)를 값 α_i으로 제어함으로써, F의 최대값이 다른 지향(direction) θi로 조정될 수 있고, 이로써 최대 신호가 브로드캐스팅되는 또는 수신되는 지향을 제어할 수 있다.

[00178] 종래의 어레이 안테나들에서 요소간 간격은 종종 1/4 파장 오더이며 거의 동일한 편파(polarization)를 가지면서 안테나들이 근접하게 커플링된다. 커플링은 어레이 안테나들의 설계 및 성능에 있어서 몇몇 문제들을 일으킬 수 있기 때문에, 요소들 간의 커플링을 줄이는 것이 바람직하다. 예를 들어 과다한 요소간 커플링으로부터 요소들의 주어진 수에 대하여 얻을 수 있는 최대 이득의 저하뿐만 아니라 패턴 왜곡 및 스캔 블라인드니스(scan blindness)(Stutzman, 안테나 이론 및 설계(Antenna Theory and Design), Wiley 1998, 122-128쪽, 135-136쪽, 및 466-472쪽 참조)와 같은 문제들이 발생할 수 있다.

[00179] 멀티 공급점들(multiple feedpoints) 사이에 높은 격리를 나타내는, 하나 이상의 연결 요소들에 의해 연결된 안테나 요소들을 구비하는 본 명세서에 기술된 모든 멀티모드 안테나 구조들에 대하여 이롭게는 빔 패턴 제어 기법들이 적용될 수 있다. 높은 격리 안테나 구조에서 포트들 간의 위상이 안테나 패턴 제어에 사용될 수 있다. 공급점들 간의 커플링이 줄어들면, 간단한 빔-형성 어레이로서 안테나가 사용될 때 주어진 지향들로 더 큰 피크 이득이 얻어질 수 있음을 알아냈다. 따라서 공급단들에 주어지는 캐리어 신호들의 위상 제어를 이용하는 다양한 실시예들에 따라서, 높은 격리 안테나 구조로부터 선택된 지향들에서 더 큰 이득이 얻어질 수 있다.

[00180] 안테나들이 1/4 파장보다 훨씬 작게 이격되는 핸드셋 어플리케이션들에서, 종래의 안테나들에서의 상호 커플링 효과는 어레이의 방사 효율을 떨어뜨리고 이로써 얻을 수 있는 최대 이득을 떨어뜨린다.

[00181] 다양한 실시예들에 따라서 높은 격리 안테나의 각각의 공급점에 제공된 캐리어 신호의 위상을 제어함으로써, 안테나 패턴들에 의해 제공되는 최대 이득의 지향을 제어할 수 있다. 빔 스티어링에 의해서 얻어지는 예를 들어 3 dB의 이득 어드밴티지는 특히, 빔 패턴이 고정되고 장치의 방위가 사용자에 의해서 무작위로 제어되는 휴대용 장치 어플리케이션들에서 바람직하다. 예를 들어 다양한 실시예들을 따르는 패턴 제어 장치(2400)를 나타내는 도 24의 도식적인 블록 다이어그램에서 도시된 바와 같이, 각각의 안테나 피드(2404, 2408)에 적용된 RF 신호들에 위상 변이기(2402)에 의해서 상대적인 위상 변이(α)가 적용된다. 안테나 구조(2410)의 개개의 안테나 포트들에 신호들이 제공된다.

[00182] 위상 변이기(2402)는 예를 들어 전기적으로 제어되는 위상 변이 장치들 또는 표준 위상 변이 네트워크들과 같은 표준 위상 변이 구성 요소들을 포함할 수 있다.

[00183] 도 25a 내지 도 25g는 안테나들에의 두 피드들 간의 상이한 위상차들(α)에 대하여, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 높은 격리 안테나들의 2-D 어레이 및 다이폴 안테나들의 근접하게 위치된 종래의 2-D 어레이에 의해서 제공되는 안테나 패턴들의 비교를 제공한다. 도 25a 내지 도25g에 있어서, θ = 90 도에서 안테나 패턴들에 대한 곡선들이 도시되어 있다. 도면들에서 실선들은 다양한 실시예들에 따른 피격리 피드 싱글 요소 안테나(isolated feed single element antenna)에 의해 제공되는 안테나 패턴을 나타내는 한편, 점선들은 싱글 요소 피격리 피드 구조(single element isolated feed structure)의 폭과 동일한 간격만큼 이격된 종래의 두 별개의 모노폴 안테나들에 의해 제공되는 안테나 패턴을 나타낸다. 따라서 종래의 안테나와 높은 격리 안테나는 대체로 등가적인 크기를 가진다.

[00184] 도면들에 도시된 모든 경우들에서, 다양한 실시예들에 따라서 높은 고립 안테나에 의해 제공되는 피크 이득은 빔 패턴의 방위 제어(azimuthal control)를 제공하는 동안, 종래의 두 별개의 다이폴들과 비교하여 더 큰 이득 여유를 제공한다. 이러한 거동은 특정한 지향으로 추가적인 이득을 필요로 하는 또는 추가적인 이득이 요구되는 송신 또는 수신 어플리케이션들에서 높은 격리 안테나를 사용하는 것을 가능하게 만든다. 구동점 신호들(drivepoint signals) 간의 상대적인 위상을 조정함으로써 지향을 제어할 수 있다. 이것은 특히 예를 들어 기지국과 같은 수신점을 향햐여 에너지를 지향시킬(direct) 필요가 있는 휴대용 장치들에 대하여 이롭다. 결합된 높은 격리 안테나는 유사한 방식으로 페이징(phase) 때 종래의 두 하나의 안테나 요소들과 비교하여 더 큰 어드밴티지를 제공한다.

[00185] 도 25a에 도시한 바와 같이, 다양한 실시예들에 따른 결합된 다이폴은 α=0(위상차가 0도)에 대하여 균일한 방위 패턴(θ=90)에서 더 큰 이득을 나타낸다.

[00186] 도 25b에 도시된 바와 같이, 다양한 실시예들에 따른 결합된 다이폴은 α=30(공급점들 간의 위상차가 30도)에 대하여 비대칭 방위 패턴(θ=90 다이어그램(plot))과 함께 (φ=0에서) 더 큰 피크 이득을 나타낸다.

[00187] 도 25c에 도시된 바와 같이, 다양한 실시예들에 따른 결합된 다이폴은 α=60(공급점들 간의 위상차가 60도)에 대하여 변이된 방위 패턴(θ=90 다이어그램)과 함께 (φ=0에서) 더 큰 피크 이득을 나타낸다.

[00188] 도 25d에 도시된 바와 같이, 다양한 실시예들에 따른 결합된 다이폴은 α=90(공급점들 간의 위상차가 90도)에 대하여 변이된 방위 패턴(θ=90 다이어그램)과 함께 (φ=0에서) 휠씬 더 큰 피크 이득을 나타낸다.

[00189] 도 25e에 도시된 바와 같이, 다양한 실시예들에 따른 결합된 다이폴은 α=120(공급점들 간의 위상차가 120도)에 대하여 (φ=180에서) 더 큰 후엽(backlobe)에 대하여 변이된 방위 패턴(θ=90 다이어그램)과 함께 (φ=0에서) 더 큰 피크 이득을 나타낸다.

[00190] 도 25f에 도시된 바와 같이, 다양한 실시예들에 따른 결합된 다이폴은 α=150(공급점들 간의 위상차가 150도)에 대하여 (φ=180에서) 훨씬 더 큰 후엽에 대하여 변위된 방위 패턴(θ=90 다이어그램)과 함께 (φ=0에서) 더 큰 피크 이득을 나타낸다.

[00191] 도 25g에 도시된 바와 같이, 다양한 실시예들에 따른 결합된 다이폴은 α=180(공급점들 간의 위상차가 180도)에 대하여 쌍엽 방위 패턴(θ=90 다이어그램)과 함께 (φ=0 & 180에서) 더 큰 피크 이득을 나타낸다.

[00192] 도 26은 하나 이상의 실시예들에 따른 결합된 높은 격리 안테나가 두 공급점 안테나 어레이에 대하여 공급점들 간 위상 각 차이의 함수로써 두 별개의 다이폴들을 뛰어넘을(over) 때 이상적인 이득 어드밴티지를 나타낸다.

[00193] 본 발명의 다른 실시예들은 주어진 주파수 범위에서 서로에 대하여 아주 근접하여 작동하는 멀티-대역 안테나 포트들 사이에 증가된 높은 격리를 제공하는 멀티모드 안테나 구조들에 관한 것이다. 이들 실시예들에 있어서, 슬롯이 튜닝되는 주파수에서 감소된 커플링을 제공하기 위하여 안테나 구조의 안테나 요소들 중 하나에 대역-거절 슬롯이 통합된다.

[00194] 도 27a는 간단한 이중-대역 브랜치 라인 모노폴 안테나(2700)를 도식적으로 나타낸다. 안테나(2700)는 두 브랜치 공진기들(2704, 2706)을 정의하는 대역-거절 슬롯(2702)을 포함한다. 신호 생성기(2708)에 의해서 안테나가 구동된다. 안테나(2700)가 구동되는 주파수에 의존하여서, 두 브랜치 공진기들(2704, 2706)에서 다양한 전류 분포들이 실현된다.

[00195] 도 27a에 도시된 바와 같이 슬롯(2702)의 물리적인 크기는 폭(Ws) 및 길이(Ls)에 의해서 정의된다. 여기 주파수가 Ls = lo/4의 조건을 만족하면, 슬롯 피처는 공진하게 된다. 이러한 점에서 전류 분포는 도 27b에 도시된 바와 같이 슬롯의 짧아진 섹션 부근에 집중된다.

[00196] 브랜치 공진기들(2704, 2706)을 통하여 흐르는 전류들은 크기가 대략 같고 슬롯(2702)의 측부들(sides)을 따라서 반대 방향으로 지향된다. 이것은 안테나 구조(2700)가 (도 27c에 도식적으로 도시된) 스퍼라인 대역 거절 필터(2720)에 유사한 방식으로 거동하게끔 하는데, 이것은 안테나 입력 임피던스를 명목 소스 임피던스보다 유의미하게 더 작게 아래로 변환한다. 이러한 커다란 임피던스 미스매칭은도 27d 및 도 27e에 도시한 바와 같이 매우 큰 VSWR을 야기하고, 이로써 희망 주파수 거절이 야기된다.

[00197] 하나의 안테나 요소가 희망 주파수의 신호들을 전달할(pass) 필요가 있고 다른 하나의 주파수 요소는 그럴 필요가 없는, 서로에 대하여 매우 근접하여 작동하는 두 개의 (또는 둘을 넘는 수의) 안테나 요소들을 구비하는 안테나 시스템에 이러한 대역-거절 슬롯 기법이 적용될 수 있다. 하나 이상의 실시예들에서, 두 안테나 요소들 중 하나는 대역-거절 슬롯을 포함하고, 다른 하나는 포함하지 아니한다. 도 28은 제1 안테나 요소(2802)와 제2 안테나 요소(2804)와 연결 요소(2806)를 포함하는 안테나 구조(2800)를 도식적으로 나타낸다. 안테나 구조(2800)는 안테나 요소들(2802 및 2804)에서 각각 포트들(2808 및 2810)을 포함한다. 이러한 예시에서, 신호 생성기는 포트(2808)에서 안테나 구조(2802)를 구동하는 한편, 포트(2810)에서 전류를 측정하기 위해 계측기가 포트(2810)에 커플링된다. 그러나 두 포트들 모두 또는 두 포트들 중 어느 하나가 신호 생성기들에 의해서 구동될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 안테나 요소(2802)는 두 브랜치 공진기들(2814, 1816)을 정의하는 대역-거절 슬롯(2812)을 포함한다. 이러한 실시예에서, 브랜치 공진기들은 안테나 구조의 메인 송신 섹션을 포함하고, 한편 안테나 요소(2804)는 안테나 구조의 다이버서티 수신부를 포함한다.

[00198] 대역-거절 슬롯(2812)을 구비하는 안테나 요소(2802)의 포트에서의 커다란 미스매칭 때문에, 그것 사이의 상호 커플링 및 슬롯 공진 주파수에서 실제로 매칭되는 다이버서티 수신 안테나 요소(2804)가 매우 작을 것이고 상대적으로 높은 격리가 야기될 것이다.

[00199] 도 29a는 본 발명의 하나 이상의 다른 실시예들에 따라서 GPS 대역에서 대역-거절 슬롯 기법을 이용하는, 멀티-대역 다이버서티 수신 안테나 시스템을 포함하는 멀티모드 안테나 구조(2900)의 사시도이다. (GPS 대역은 1575.42 MHz인데 그 대역폭은 20 MHz이다.) 유전체 캐리어(2904) 상에 층으로서 형성된 플렉서블 막 유전체 기판(flex film dielectric substrate)(2902) 상에 안테나 구조(2900)가 형성된다. 안테나 구조(2900)는 안테나 구조(2900)의 주 송신 안테나 요소(2908) 상에 GPS 대역 거절 슬롯(2906)을 포함한다. 안테나 구조(2900)는 또한 다이버서티 수신 안테나 요소(2910)를 포함하고 그리고 주 송신 안테나 요소(2908) 및 다이버서티 수신 안테나 요소(2910)를 연결하는 연결 요소(2912)를 포함한다. GPS 수신기(미도시)는 다이버서티 안테나 요소(2910)에 연결된다. 주 송신 안테나 요소(2908)로부터의 안테나 커플링을 대체로 최소화하고자 그리고 이들 주파수들에서 다이버서티 안테나 방사 효율을 대체로 최대화하고자, 주 안테나 요소(2908)는 대역-거절 슬롯(2906)을 포함하고 GPS 대역의 중심 근처에서 전기적인 1/4 파장으로 튜닝된다. 다이버서티 수신 안테나 요소(2910)는 이러한 대역 거절 슬롯을 포함하지 아니하지만, 주 안테나 소스 임피던스에 적절하게 매칭되는 GPS 안테나 요소를 포함하여서, 그 결과 그것과 GPS 수신기 간에 대체로 최대 전력이 전달될 것이다. 비록 두 안테나 요소들(2908, 2910)가 아주 근접하여 공존하고 있지만, 주 송신 안테나 요소(2908)에서 슬롯(2906)에 기인하는 높은 VSWR이 슬롯(2906)이 튜닝되는 주파수에서 주 안테나 요소 소스 저항에의 커플링을 감소시키고, 이로써 GPS 주파수에서 두 안테나 요소들(2908, 2910) 간의 격리를 제공한다. 도 29b 및 도 29c에 도시된 바와 같이 시스템 설계에 대한 격리 요건을 충족시키도록 안테나 요소들을 디커플링할 정도로, GPS 대역 내에서 두 안테나 요소들(2908, 2910) 간의 결과적인 미스매칭이 충분히 크다.

[00200] 도 30a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 멀티모드 안테나(3000)를 나타낸다. 안테나(3000)는 세 개의 포트들을 가지는 3 모드 안테나를 포함한다. 이러한 구조에 있어서, 세 개의 모노폴 안테나 요소들(3002, 3004, 3006)이 이웃 안테나 요소들을 연결하는 전도성 링을 형성하는 연결 요소(3008)를 사용하여 연결된다. 하나의 중공형 전도성 실린더인 공통 매설지선 또는 슬리브(3010)에 의해서 안테나 요소들이 평형을 이루게 된다. 통신 장치에 안테나를 연결하기 위한 세 개의 동축 케이블들(3012, 3014, 3016)을 상기 안테나가 포함한다. 동축 케이블들(3012, 3014, 3016)은 슬리브(3010)의 중공형 내부를 통과해 지나간다. 슬리브를 포함하는 안테나 조립체는 예를 들어 1/2 온스 구리와 함께 1-mil 두께 폴리이미드 물질로부터 만들어지는 하나의 연성 인쇄 회로로부터 구성될 수 있다. 연성 인쇄 회로는 (도시 편의상 도 30a에서는 미도시된) 실린더 상으로 싸여질 수 있고 세 개의 별개 안테나들을 대신할 수 있는 하나의 안테나 조립체를 제공하기 위하여 원통형 플라스틱 인클로저로 패키징될 수 있다.

[00201] 안테나 포트들 간의 격리는 미앤더링의 양 및 링의 폭을 포함하는 연결 링(3008)의 특성에 적어도 부분적으로 의존한다. 이들 파라미터들은 특정한 어플리케이션에 대하여 안테나 성능을 최적화하기 위해 조정될 수 있다. 간단한 모노폴 요소들에 대하여, 동축 케이블의 연결점에서 입력 임피던스는 포트들이 높게 격리되었을 때 50 오옴 시스템과 비교할 때 대체로 용량성이고 높은 임피던스를 가질 것이다. 종래 기술에 의해 알려진 바와 같은 집중 인덕터와 커피시터 요소들에 의한 것과 같이 매칭 네트워크를 사용하는 것에 의해서 입력 임피던스가 변형될 수 있다. 그러나 집중 매칭 요소들을 사용하지 아니하고 50 오옴에의 양호한 매칭을 얻기 위해 변형된 피드 기하형상을 사용하는 것도 가능하다. 이것을 위한 예시적인 배열은 유도성 트레이스(3018)를 사용하여 일 지점으로의 공급점을 추가적으로 안테나 내로 이송(transfer)하는 것이다. 이러한 기법은 동시에 직렬 인덕턴스 및 임피던스 변환을 동축 케이블의 연결점에서 50 오옴에의 양호한 매칭을 가져오기 위해 피드에 적용한다.

[00202] 1/4파장 슬리브(3010)의 사용과 슬리브의 중심을 통하는 케이블들의 경로 형성(routing)은 안테나로부터 케이블들을 디커플링하는 역할을 한다. 그러나 안테나와 동축 케이블 쉴드들 간의 일부 잔여 커플링이 발생할 수 있다. 동축 케이블 쉴드들의 외부 상 전류들의 여기는 쉴드들로부터 방사를 야기하여 이로써 안테나 패턴에 영향을 미칠 수 있거나 또는 케이블들로부터 전도된 경로들을 매개로 추가적인 손실을 가져올 수 있는데, 이들 어느 것이나 대체로 바람직하지 아니하다. 누출 전류 제어가 중요할 때 추가적인 1/4파장 초크(3020)가 안테나 밑에서 사용될 수 있다. 초크(3020)는 맨위(안테나에 더 가까운 단부)에서 개방되고 저면에서 폐쇄된 중공형 전도성 실린더로부터 형성된다. 케이블 쉴드들 및 초크는 공통점에서 전기적으로 연결되는데 여기서 케이블들은 도 30b에 도시된 바와 같이 초크의 저면으로부터 나온다(pass out). 이런 방식으로 초크의 개방 단부가 케이블들 아래로 전도될 어느 하나의 공통 모드 또는 (케이블들 간의) 차분 모드 신호들에 높은 임피던스를 부여한다.

[00203] 도 30c 내지 도 30i는 예시적인 일 배열 - 실린더의 직경이 12 mm이고 슬리브(3010)의 저면 및 안테나 요소들(3002, 3004, 3006)의 맨위로부터 거리가 39 mm이어서 2.5 GHz에서 포트들 간에 높게 격리되면서 작동될 수 있음 - 의 측정된 성능을 나타낸다. 포트 투 포트 격리에 부가하여, 각각의 포트는 이롭게도 도 30g에서 도시된 바와 같이 상이한 이득 패턴을 제공한다. 참고로, 포트 1은 도 30a의 지향에서 도시된 것과 같이 요소(3002)에의 연결이다. 최대 이득은 연결점의 반대 방향으로 발생하는데 각각의 안테나 포트는 120도만큼 회전된 명목상(nominally) 동일한 하트형(cardioid) 방사 패턴을 생성한다.

[00204] 도 30h 및 도 30i 상 작도들은 추가적인 케이블 초크(3020)를 구비하여 및 구비하지 않고 생성된 포트(1)로부터의 방사 패턴들을 비교한다. 이것은 초크의 추가에 의해서 얻어진 향상된 균일성 및 패턴 매끄러움을 보여준다.

[00205] 도 31a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 멀티모드 안테나(3100)를 나타낸다. 안테나(3100)는 세 개의 포트들을 가지는 3 모드 안테나를 포함한다. 이러한 구조에 있어서, 세 개의 모노폴 안테나 요소들(3102, 3104, 3106)은 연결 요소들(3108, 3110, 3112)을 매개로 연결된다. 안테나의 저면에서 세 개의 평면형 탭들(3114, 3116, 3118)은 안테나에의 연결점으로서 역할을 하고 인쇄 회로 기판(PCB) 조립체에의 납땜 연결에 적합한다. 안테나의 기하형상은 바람직하게는 안테나가 하나의 금속 시이트로부터 예를 들어 0.2 mm 두께 구리 합금 물질로부터 형성되고 컷팅될 수 있도록 하는 것이다.

[00206] 안테나가 PCB의 하나의 에지로부터 연장되도록 안테나 탭들(3114, 3116, 3118)은 도 31b에 도시된 것과 같이 PCB(3120)에 부착될 수 있다. PCB는 안테나에의 매설지선으로서 역할을 하는, 하지만 또한 안테나 포트들의 각각에 대하여 회로를 매칭시키는 것을 제공하기 위해 사용될 수도 있고 전자 장치에 대하여 통신 회로를 포함하는 다른 구성요소들을 홀딩할 수도 있는 하나 이상의 RF 접지 레이어를 포함한다.

[00207] 도 31c 내지 도 31g는 2.5 GHz 근처의 주파수 영역에서 작동되도록 설계된 예시적인 일 배열의 시뮬레이션된 성능을 나타낸다. 이러한 배열에 대하여 PCB의 에지로부터 안테나의 길이는 28 mm이고 폭은 22 mm이고 PCB의 크기는 50 x 50 mm이다. 피드 탭들(3114, 3116, 및 3118)은 각각 포트들(3, 2, 1)에 연결된다. 세 개의 안테나 포트들의 각각은 이롭게도 낮은 VSWR, 낮은 포트 투 포트 커플링, 및 높은 방사 효율을 가지는 안테나 모드를 제공한다. 추가적으로 각각의 포트는 다른 안테나 패턴들 중 하나에 낮은 상호연관을 가지는 독특한 이득 패턴을 생성한다.

[00208] 도 32a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 멀티모드 안테나(3200)를 나타낸다. 안테나(3200)는 세 개의 포트들을 구비하는 멀티모드 안테나를 포함한다. 이러한 구조에 있어서, 실린더 상에 대칭적으로 배치된 세 개의 대체로 동일한 안테나 요소들(3202)이 존재한다. 각각의 안테나 요소(3202)는 상이한 두 주파수들에서 공진을 생성하기 위한 두 개의 브랜치들을 가지는데, 더 긴 브랜치는 더 낮은 공진 주파수와 결부되고 더 짧은 브랜치는 더 높은 공진 주파수와 결부된다. 안테나 요소들은 안테나 요소들 간에 요소들(3204)을 미앤더링하는 것에 의해서 하나의 구조가 되도록 함께 연결된다. 하나의 중공형 전도성 실린더인 공통 매설지선 또는 슬리브(3206)에 의해서 안테나 요소들이 평형을 이룬다.

[00209] 안테나는 안테나를 통신 장치로 연결하기 위하여 세 개의 동축 케이블들(3212, 3214, 3216)을 가진다. 동축 케이블들의 쉴드들은 슬리브에 전기적으로 부착되는 한편 중심 전도체들은 안테나 요소들의 각각 상에서의 지점들(3210)에서 안테나의 저면에 부착된다. 동축 케이블들(3212, 3214, 3216)은 슬리브(3206)의 중공형 내부를 통과해 지나간다. 슬리브를 포함하는 안테나 조립체는 예를 들어 1/2 온스 구리와 함께 1-mil 두께 폴리이미드 물질로부터 만들어지는 하나의 연성 인쇄 회로(3208)로부터 구성될 수 있다. 연성 인쇄 회로는 실린더 내로 싸여질 수 있고 세 개의 별개 안테나들을 대신하는 하나의 안테나 조립체를 제공하기 위하여 각각 도 32b 및 도 32에 도시된 바와 같이 원통형 플라스틱 인클로저(3218, 3220)로 패키징될 수 있다.

[00210] 도 32d 내지 도 32h는 주파수 대역들 2.4 내지 2.5 GHz 그리고 5.15 내지 5.85 GHz에서 작동하도록 설계된 예시적인 일 배열의 측정된 성능을 나타낸다. 세 개의 안테나 포트들 각각은 이롭게도 작은 VSWR, 작은 포트 투 포트 커플링 및 높은 방사 효율을 가지는 안테나 모드를 제공한다. 추가적으로, 각각의 포트는 나머지 안테나 패턴들 중 하나에 낮은 상호연관을 가지는 독특한 이득 패턴을 생성한다.

[00211] 도 33a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 멀티모드 안테나(3300)를 나타낸다. 안테나(3300)는 네 개의 포트들을 구비하는 멀티모드 안테나를 포함한다. 이러한 구조에 있어서, 실린더 상에 대칭으로 배치된 대체로 동일한 네 개의 안테나 요소들이 존재한다. 안테나 요소들(3302, 3304, 3306, 3308)은 스포크형 크로스 부재(3310)에 의해서 하나의 구조가 되도록 함께 연결된다. 하나의 중공형 전도성 실린더인 공통 매설지선 또는 슬리브(3312)에 의해서 안테나 요소들이 평형을 이룬다.

[00212] 실린더의 둘레를 따르는 요소들에 의해 이웃 안테나 요소들이 연결되는 하지만 세 개가 아닌 네 개의 모노폴 요소들을 구비하는 도 30a의 형태의 구조를 사용하는 것이 가능하다. 그러나 이러한 배열에 있어서, 격리는 서로 마주보게(across from each other) 위치된 안테나 포트들의 경우에 대하여보다 이웃 안테나 포트들의 경우에 대하여 상이하다. 이것에 대한 한 가지 이유는 두 경우들에서 두 포트들 간의 물리적 거리들이 상이하기 때문이다. 다른 이유는 안테나 요소들 간의 연결이 구조의 대향 측들(opposite sides) 상에서 안테나 요소들 간의 직접 경로(direct path)를 제공하지 아니하기 때문이다. 대신에 연결 경로는 이웃 안테나 요소들을 지나는 것이고 이로써 기하형상이 대향 측들 상에서 포트들 간 격리에 대하여 최적화되었다면, 이웃 포트들 간의 격리는 최적화되지 아니한다. 격리에 있어서의 상이는 대체로 네 개의 모든 포트들이 동일한 주파수에서 최적화된 격리를 얻는 것을 막는다. 향상된 격리는 도 33a의 스포크형 크로스 부재(3310)와 같은 안테나의 중심축을 통해 지나가는 요소들 간의 상호연결을 사용하는 것에 의해서 얻어진다. 이러한 구조는 모든 포트들 간 격리 응답의 더 나은 균일성을 성취한다.

[00213] 도 33a의 안테나는 예를 들어 1/2 온스 구리와 함께 1-mil 두께 폴리이미드 물질로부터 만들어지는 하나의 연성 인쇄 회로로부터 구성될 수 있다. 연성 인쇄 회로는 실린더 상에 싸여질 수 있다. 안테나 요소들(3302, 3304, 3306, 3308)의 각각 내 슬롯들은 크로스 부재(3310)가 맨위로부터 위치 내로 삽입될 수 있도록 하고 안테나에 납땜될 수 있도록 한다. 크로스 부재(3310)는 시이트 금속으로 예를 들어 0.2 mm 두께 구리 합금 물질로 형성될 수 있다. 대안적으로, 전체 구조는 금속 시이트로부터 스탬핑될 수 있고 도시된 구조 내로 폴딩(fold)될 수 있다. 통신 장치에 안테나를 연결하기 위한 수단을 제공하기 위해서 안테나 내부 상에서 공급점들(3314, 3316, 3318, 3320)에 동축 케이블이 부착될 수 있다. 안테나는 전술한 바와 같이 50 오옴에 입력 임피던스를 매칭시키는 역할을 하는, 피드 부착점들의 각각에서 좁은 전도체의 섹션을 구비한다.

[00214] 도 33b, 도 33c, 및 도 33d는 5.15 내지 5.85 GHz의 주파수 대역들에서 작동하도록 설계된 예시적인 일 배열의 측정된 성능을 나타낸다. 안테나 포트들의 각각은 이롭게도 작은 VSWR, 작은 포트 투 포트 커플링 및 높은 방사 효율을 가지는 안테나 모드를 제공한다. 추가적으로, 각각의 포트는 나머지 안테나 패턴들 중 하나에 낮은 상호연관을 가지는 독특한 이득 패턴을 생성한다.

[00215] 도 34a, 도 34b, 및 도 34c는 본 발명의 하나 이상의 대안적인 실시예들에 따른 멀티모드 안테나(3400)를 나타낸다. 안테나(3400)는 두 개의 안테나 요소들(3402, 3404)를 포함하는데 이들은 도 34b에 도시된 바와 같은 맨위 측(top side)으로부터 도 34c에 도시된 바와 같은 저면 측(bottom side)까지 감싼다(wrap). 저면 측은 연결 요소(3406) 및 공급점들(3408 및 3410)을 포함한다. 저면 표면은 PCB 조립체에의 전기적 연결 및 지지 수단을 제공한다. 안테나(3400)는 예를 들어 금속 스탬핑에 의해서 제조될 수 있다. 안테나는 예를 들어 0.2 mm 두께 구리 합금 시이트로부터 만들어질 수 있다. 안테나는 어떠한 추가적인 지지 또는 유전체 물질들을 필요로 하지 아니한다. 안테나는 또한 표면-장착 리플로우 조립체와 양립가능하다.

[00216] 예를 들어 2500 내지 2700 MHz의 WiMAX 대역들을 사용하는 WIMAX USB 동글에서 안테나(3400)가 사용될 수 있다. 안테나(3400)의 테스트 및 평가를 위해 사용되는 이러한 유형의 예시적인 조립체가 도 34d에 도시된다. 테스트 PCB 조립체(3420)는 안테나 포트들의 각각에 대하여 2-구성요소 집중 요소 매치 네트워크들을 포함한다.

[00217] 도 34e 내지 도 34n은 테스트 조립체(3420)의 측정 성능을 나타낸다. 안테나 포트들의 각각은 이롭게도 낮은 VSWR, 낮은 포트 투 포트 커플링 및 높은 방사 효율을 가지는 안테나 모드를 제공한다. 추가적으로, 각각의 포트는 나머지 안테나 패턴들 중 하나에 대하여 낮은 상호연관을 가지는 독특한 이득 패턴을 생성한다.

[00218] 도 35a는 본 발명의 하나 이상의 대안적인 실시예들에 따른 멀티모드 안테나(3500)를 나타낸다. 안테나(3500)는 두 개의 스트립들로 구성된 연결부(3506) 그리고 두 개의 안테나 요소들(3502, 3504)을 포함한다. 안테나는 저면에서 두 개의 공급점들(3508, 3510)을 구비한다. 저면 표면은 PCB 조립체에의 전기적 연결 및 지지 수단을 제공한다. 안테나(3500)는 예를 들어 금속 스탬핑에 의해서 제조될 수 있다. 예를 들어 0.2 mm 두께 구리 합금 시이트로부터 만들어질 수 있다. 안테나는 어떠한 추가적인 지지 또는 유전체 물질들을 필요로 하지 아니한다. 안테나는 또한 표면-장착 리플로우 조립체와 양립가능하다.

[00219] 안테나(3500)는 두 개의 주파수 대역들에서 사용되도록 설계된다. 이것은 요소들(3502, 3504)의 미앤더링된 구조에 의해서 성취된다. 상기 요소들은 전도체의 더 긴 유도 경로(inductive path)를 매개로 더 낮은 주파수 공진을 지원하고 그리고 도 35b에 도시된 바와 같이 미앤더들 사이에 갭들을 가로질러 커플링된 경로를 따라 더 높은 제2 주파수 공진을 지원한다. 안테나(3500)는 예를 들어 작동 주파수 대역들이 2400 내지 2500 MHz 그리고 4900 내지 6000 MHz인 802.11a/b/g/n 인에이블된 장치에서 사용될 수 있다. 안테나(3500)의 테스트 및 평가를 위해 사용되는 이러한 유형의 예시적인 조립체가 도 35c에 도시된다. 테스트 PCB 조립체(3520)는 안테나 포트들의 각각에 대하여 2-구성요소 집중 요소 매치 네트워크들을 포함한다.

[00220] 도 35d 내지 도 35k는 테스트 조립체(3520)의 시뮬레이션된 성능을 나타낸다. 안테나 포트들의 각각은 이롭게도 낮은 VSWR, 낮은 포트 투 포트 커플링 및 높은 방사 효율을 가지는 안테나 모드를 제공한다. 추가적으로, 각각의 포트는 나머지 안테나 패턴들 중 하나에 대하여 낮은 상호연관을 가지는 독특한 이득 패턴을 생성한다.

[00221] 도 36a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 멀티모드 안테나(3600)를 나타낸다. 안테나(3600)는 네 개의 포트들을 구비하는 멀티모드 안테나를 포함한다. 이러한 구조에 있어서, 실린더 상에 대체로 대칭적으로 배치된 네 개의 대체로 동일한 안테나 요소들(3602, 3604, 3606, 3608)이 존재한다. 각각의 안테나 요소(3602)는 상이한 두 주파수들에서 공진을 생성하기 위한 두 개의 브랜치들을 가지는데, 더 긴 브랜치는 더 낮은 공진 주파수와 결부되고 더 짧은 브랜치는 더 높은 공진 주파수와 결부된다. 안테나 요소들은 안테나 요소들 간에 스포크형 크로스 부재(3612)에 의해서 하나의 구조가 되도록 함께 연결된다. 하나의 중공형 전도성 실린더인 공통 매설지선 또는 슬리브(3610)에 의해서 안테나 요소들이 평형을 이룬다.

[00222] 도 36a의 안테나는 실린더 내로 감싸진 하나의 연성 인쇄 회로로부터 구성될 수 있다. 스포크형 크로스 부재(3610)는 예를 들어 연성 인쇄 회로에 납땜되는 것에 의해서 전기적으로 부착될 수 있다. 크로스 부재는 시이트 금속으로부터 예를 들어 0.2 mm 두께 구리 합금 물질로부터 형성될 수 있다. 통신 장치에 안테나를 연결하는 수단을 제공하기 위해서 안테나의 내부 상에서 공급점들에 동축 케이블들이 부착될 수 있다.

[00223] 도 36b 및 도 36c는 주파수 대역들 2.4 내지 2.5 GHz 그리고 5.15 내지 5.85 GHz에서 작동하도록 설계된 예시적인 일 배열의 시뮬레이션된 VSWR 및 실현된 방사 효율을 나타낸다.

[00224] 도 30 내지 도 36에 도시된 안테나들이 각각 두 개, 세 개 또는 네 개의 안테나 요소들을 가지는 것으로 도시되었지만, 안테나 구조들의 각각은 연결 요소들에 의해 연결된 임의의 수의 안테나 요소들을 포함하도록 구성될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

[00225] 추가적으로 도 30, 도 32, 도 33 및 도 36에 도시된 안테나들은 원통형 구성 또는 다면체형(polyhedral) 구성(다시 말해서 다수의 평면 표면들을 가지는 구성) 중 하나를 가질 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

[00226] 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 본 명세서에 기술된 안테나들에 있어서, 안테나 요소들 및 연결 요소들이 바람직하게는 어느 하나의(either) 포트에 제공된 신호가 개별 방사 구조들이 아닌 전체로서 전체 안테나가 방사되게 여기할 수 있도록 하나의 일체화된 방사 구조를 형성한다. 그러한 것으로서, 본 명세서에 기술된 기법들은 안테나 공급점들에서 디커플링 네트워크들을 사용하지 아니하고도 안테나 포트들의 격리를 제공한다.

[00227] 비록 본 발명을 특정한 실시예들의 관점에서 이상 설명하였지만, 전술한 실시예들은 단지 예시적으로 제공된 것이며 본 발명의 범주를 제한하거나 정의하지 아니함을 이해할 수 있을 것이다.

[00228] 다음을 포함하되 이들로 한정되지는 아니하는, 다양한 다른 실시예들이 또한 청구항들의 범주 내에 속한다. 예를 들면 본 명세서에 기술된 다양한 멀티모드 안테나들의 요소들 또는 구성요소들은 추가적으로 추가적인 구성요소들로 분할될 수 있거나 또는 동일한 기능을 수행하는 더 적은 수의 구성요소들을 형성하기 위해 함께 결합(join)될 수 있다.

[00229] 이상 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명하였지만, 본 발명의 사상 및 범주를 벗어나지 아니하면서 변형들이 이루어질 수 있음은 명백하다 할 것이다.

Claims (32)

1. 통신 장치 내 전자기 신호 전송(transmitting) 및 수신을 위한 멀티모드 안테나 구조로서,
   상기 통신 장치는 상기 안테나 구조로 및 상기 안테나 구조로부터 통신된 신호들을 처리하기 위한 회로를 포함하고,
   상기 안테나 구조는:
   상기 회로에의 커플링을 위한 복수의 안테나 포트들;
   복수의 안테나 요소들 - 각각이 상기 안테나 포트들 중 상이한 하나에 작동가능하게(operatively) 커플링됨 - ; 그리고
   복수의 연결 요소들 - 각각이 이웃하는 안테나 요소들을 전기적으로 연결하여, 상기 안테나 구조의 주변(periphery) 둘레에(about) 상기 안테나 요소들 및 상기 연결 요소들이 배치되고 하나의 방사 구조(radiating structure)를 형성함 - ;
   을 포함하고,
   하나의 안테나 요소 상 전류들은 연결된 이웃하는 안테나 요소들로 흐르고 상기 이웃하는 안테나 요소들에 커플링된 안테나 포트들을 대체로(generally) 바이패스하여서, 하나의 안테나 포트에 의해 여기된 안테나 모드가 주어진 희망 신호 주파수 범위에서 다른 하나의 안테나 포트에 의해서 여기된 모드와 대체로 전기적으로 격리되고 그리고 상기 안테나 구조가 다양한 안테나 패턴(diverse antenna pattern)들을 생성하는,
   멀티모드 안테나 구조.
   
2. 제1 항에 있어서,
   상기 복수의 안테나 요소들은 세 개의 안테나 요소들을 포함하고
   상기 복수의 연결 요소들은 세 개의 연결 요소들을 포함하는,
   멀티모드 안테나 구조.
   
3. 제1 항에 있어서,
   상기 안테나 요소들은 공통 매설지선에 의해서 평형을 이루는(balanced),
   멀티모드 안테나 구조.
   
4. 제3 항에 있어서,
   상기 공통 매설지선은 중공형 전도성 실린더를 포함하는,
   멀티모드 안테나 구조.
   
5. 제4 항에 있어서,
   상기 실린더를 관통해(through) 연장되는 케이블에 공급점들(feed points) 각각이 커플링되는,
   멀티모드 안테나 구조.
   
6. 제5 항에 있어서,
   각각의 케이블이 관통해 지나가는 중공형 전도성 실린더를 포함하는 초크(choke)를 더 포함하는,
   멀티모드 안테나 구조.
   
7. 제6 항에 있어서,
   상기 각각의 케이블이 공통점에서 상기 초크에 전기적으로 연결된 케이블 쉴드(cable shield)를 구비하는 동축 케이블인,
   멀티모드 안테나 구조.
   
8. 제1 항에 있어서,
   상기 복수의 연결 요소들 각각은 주어진 전기적 길이(electrical length; 파장 길이)를 제공하기 위한 토츄어스 구성(tortuous configuration: 구불구불한 형태)를 구비하는,
   멀티모드 안테나 구조.
   
9. 제1 항에 있어서,
   상기 멀티모드 안테나 구조는 연성 인쇄 회로(flexible printed circuit)로부터 구성되는,
   멀티모드 안테나 구조.
   
10. 제9 항에 있어서,
    상기 연성 인쇄 회로는 실린더 상으로 싸여지고(wrapped) 실린더형 플라스틱 인클로저로 패키징된,
    멀티모드 안테나 구조.
    
11. 제1 항에 있어서,
    각각의 공급점으로부터 이격된 상기 안테나 요소들 상 지점(location)에서 각각의 안테나 요소에 커플링된 유도성 트레이스(inductive trace)를 더 포함하는,
    멀티모드 안테나 구조.
    
12. 제1 항에 있어서,
    상기 안테나 구조는 금속 시이트로부터 형성되고 복수의 동일 평면 상 탭들(tabs)을 포함하고,
    각각의 탭은 각각의 안테나 요소에 연결되고
    상기 동일 평면 상 탭들은 인쇄 회로 기판 조립체의 에지에 고정되도록 구성된,
    멀티모드 안테나 구조.
    
13. 제1 항에 있어서,
    각각의 안테나 요소가 상이한 두 주파수들에서 공진(resonance)을 생성하도록 상이한 길이를 가지는 두 브랜치들을 가지는,
    멀티모드 안테나 구조.
    
14. 통신 장치 내 전자기 신호 전송 및 수신을 위한 멀티모드 안테나 구조로서,
    상기 통신 장치는 상기 안테나 구조로 및 상기 안테나 구조로부터 통신된 신호들을 처리하기 위한 회로를 포함하고,
    상기 안테나 구조는:
    상기 회로에의 커플링을 위한 복수의 안테나 포트들;
    복수의 안테나 요소들 - 각각이 상기 안테나 포트들 중 상이한 하나에 작동가능하게 커플링되고 그리고 상기 복수의 안테나 요소들은 상기 안테나 구조의 주변 둘레에 배치됨 - ; 그리고
    상기 안테나 요소들을 공통점에 전기적으로 연결하여 하나의 방사 구조(radiating structure)를 형성하는 연결 요소;
    를 포함하고,
    하나의 안테나 요소 상 전류들은 다른 하나의 안테나 요소로 흐르고 상기 다른 하나의 안테나 요소에 커플링된 안테나 포트를 대체로 바이패스하여서, 하나의 안테나 포트에 의해 여기된 안테나 모드가 주어진 희망 신호 주파수 범위에서 다른 하나의 안테나 포트에 의해서 여기된 모드와 대체로 전기적으로 격리되고 그리고 상기 안테나 구조가 다양한 안테나 패턴들을 생성하는,
    멀티모드 안테나 구조.
    
15. 제14 항에 있어서,
    상기 복수의 안테나 요소들은 네 개의 안테나 요소들을 포함하는,
    멀티모드 안테나 구조.
    
16. 제14 항에 있어서,
    상기 안테나 요소들은 공통 매설지선에 의해서 평형을 이루는,
    멀티모드 안테나 구조.
    
17. 제16 항에 있어서,
    상기 공통 매설지선은 중공형 전도성 실린더를 포함하는,
    멀티모드 안테나 구조.
    
18. 제17 항에 있어서,
    상기 실린더를 관통해 연장되는 케이블에 공급점들 각각이 커플링되는,
    멀티모드 안테나 구조.
    
19. 제18 항에 있어서,
    각각의 케이블이 관통해 지나가는 중공형 전도성 실린더를 포함하는 초크를 더 포함하는,
    멀티모드 안테나 구조.
    
20. 제19 항에 있어서,
    상기 각각의 케이블이 공통점에서 상기 초크에 전기적으로 연결된 케이블 쉴드를 구비하는 동축 케이블인,
    멀티모드 안테나 구조.
    
21. 제14 항에 있어서,
    각각의 공급점으로부터 이격된 상기 안테나 요소들 상 지점에서 각각의 안테나 요소에 커플링된 유도성 트레이스를 더 포함하는,
    멀티모드 안테나 구조.
    
22. 제14 항에 있어서,
    상기 안테나 구조는 금속 시이트로부터 형성되는,
    멀티모드 안테나 구조.
    
23. 제14 항에 있어서,
    모노폴 안테나 요소들이 연성 인쇄 회로로부터 구성되는,
    멀티모드 안테나 구조.
    
24. 제23 항에 있어서,
    상기 연결 요소는 상기 연성 인쇄 회로에 납땜되는,
    멀티모드 안테나 구조.
    
25. 제14 항에 있어서,
    각각의 안테나 요소가 상이한 두 주파수들에서 공진을 생성하도록 상이한 길이를 가지는 두 브랜치들을 가지는,
    멀티모드 안테나 구조.
    
26. 제14 항에 있어서,
    상기 연결 요소가 스포크 형(spoke-like) 형태를 가지는,
    멀티모드 안테나 구조.
    
27. 통신 장치 내 전자기 신호 전송 및 수신을 위한 멀티모드 안테나 구조로서,
    상기 통신 장치는 상기 안테나 구조로 및 상기 안테나 구조로부터 통신된 신호들을 처리하기 위한 회로를 포함하고,
    상기 안테나 구조는:
    상기 회로에의 커플링을 위한 복수의 안테나 포트들;
    복수의 안테나 요소들 - 각각이 상기 안테나 포트들 중 상이한 하나에 작동가능하게 커플링됨 그리고 각각의 안테나 요소가 대체로 평행하게 이격된 윗 및 아랫 평면형 섹션들과 상기 윗 및 아랫 평면형 섹션들을 연결하는 사이드 섹션(side section)을 포함함 - ; 그리고
    하나 또는 복수의 연결 요소들 - 각각이 상기 평면형 섹션들 중 하나에서 이웃하는 안테나 요소들을 전기적으로 연결하여서, 상기 안테나 요소들이 하나의 방사 구조를 형성하도록 함 - 을 포함하고,
    하나의 안테나 요소 상 전류들은 연결된 이웃하는 안테나 요소로 흐르고 상기 이웃하는 안테나 요소에 커플링된 안테나 포트를 대체로 바이패스하고, 상기 하나의 안테나 요소를 통해 흐르는 전류들 및 상기 이웃하는 안테나 요소를 통해 흐르는 전류의 크기가 대체로 같아서, 하나의 안테나 포트에 의해 여기된 안테나 모드가 주어진 희망 신호 주파수 범위에서 다른 하나의 안테나 포트에 의해서 여기된 모드와 대체로 전기적으로 격리되고 그리고 상기 안테나 구조가 다양한 안테나 패턴들을 생성하는,
    멀티모드 안테나 구조.
    
28. 제27 항에 있어서,
    상기 복수의 연결 요소들 각각은 주어진 전기적 길이를 제공하기 위한 토츄어스 구성을 구비하는,
    멀티모드 안테나 구조.
    
29. 제27 항에 있어서,
    상기 복수의 안테나 요소들 각각은 주어진 전기적 길이를 제공하기 위한 토츄어스 구성을 구비하는,
    멀티모드 안테나 구조.
    
30. 제27 항에 있어서,
    상기 멀티모드 안테나 구조는 금속 시이트로부터 구성되는,
    멀티모드 안테나 구조.
    
31. 제27 항에 있어서,
    두 개의 연결 요소들이 이웃하는 안테나 요소들을 전기적으로 연결하는,
    멀티모드 안테나 구조.
    
32. 제27 항에 있어서,
    각각의 안테나 요소의 상기 아랫 평면형 섹션은 인쇄 회로 기판 조립체에 연결된,
    멀티모드 안테나 구조.

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