KR20120084770A - 무선 통신을 위한 변형된 역-ｆ 안테나 - Google Patents

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경섭 한
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Abstract

본 발명의 실시예는 무선 통신을 위한 변형된 역-F 안테나이다. 안테나 회로는 제 1 표면을 갖는 유전체 기판, 유전체 기판의 제 1 표면 상의 방사 스터브, 및 접지에 연결하기 위한 상기 유전체 기판의 제 1 표면 상의 제 1 접지 플레이트를 포함한다. 제 1 접지 플레이트는 상기 방사 스터브와 간격을 두고 떨어진 하나 이상의 접지 용량성 스터브들을 포함한다. 상기 하나 이상의 접지 용량성 스터브들은 성능 파라미터들을 조정한다.

Description

무선 통신을 위한 변형된 역-Ｆ 안테나{MODIFIED INVERTED-F ANTENNA FOR WIRELESS COMMUNICATION}
본 출원은 "Modified Inverted-F Antenna for Wireless Communication"이라는 명칭으로 2006년 3월 28일자 제출된 예비 출원 60/786,896호를 우선권으로 청구한다.
본 발명의 실시예들은 일반적으로 무선 통신 시스템용 무선 안테나에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명의 실시예들은 무선 광대역 통신 시스템 및 셀룰러 무선 통신 시스템의 가입자 유닛들을 위한 낮은 비용의 소형 인쇄 회로 기판(PCB) 안테나에 관한 것이다.
특정 주파수들의 전자기 방사를 전송 및 수신하여 신호를 반송하기 위해 안테나들이 사용될 수 있는 것으로 널리 알려져 있다. 즉, 안테나는 통상적으로 반송파 주파수들의 범위에 걸쳐 신호를 전송 및 수신하도록 설계된다. 안테나는 모든 무선 통신 디바이스의 중대한 부분이다. 통상적으로, 안테나는 크기, 효율, 넓은 동작 대역폭, 공간에 프리미엄이 있을 때 효율적으로 기능하는 능력 및 낮은 제조 비용에 관한 매우 엄중한 요건들을 충족시켜야 한다. 보통 안테나에 이용 가능한 작은 공간은 안테나 종류를 지시하며, 이는 인쇄 단극 안테나, L자형 안테나, 평면 역-F 안테나, 인쇄 디스크 안테나 또는 패치 안테나일 수 있다.
보통 동작 파장의 4분의 1인 작은 크기의 인쇄 안테나들은 안테나 설계에 이용되는 접지 플레이트 효과의 결과이다. 유도 전류들은 접지 플레이트 상에 방사 엘리먼트의 거울 이미지를 형성한다. 결국, 안테나의 효율적인 크기는 유도 전류의 상당 부분을 포함하는 접지 플레이트의 일부를 포함해야 한다. 한편, 유도 전류는 안테나 근처에 배치되는 임의의 전도 엘리먼트들에 매우 민감할 수 있다. 인쇄 안테나의 성능을 개선하기 위해 일반적으로 사용되는 접근법은 디바이스의 임의의 전도 컴포넌트와 안테나를 떨어뜨리는 것이다. 3㎓ 주파수 대역에서 안전한 것으로 간주되는 경우 안테나와 RF 컴포넌트들 간의 최소 거리는 약 1㎝와 같다. 이러한 법칙의 위반은 안테나와 전송 라인 간의 상당한 임피던스 불일치, 효율 손실 및 공진 주파수 시프트를 일으킨다.
안테나 성능에 상당한 영향을 주는 다른 요소는 통신 디바이스 플라스틱 케이스이다. 플라스틱 케이스는 안테나의 방사 효율에 상당한 영향을 준다. 그렇지만, 디바이스를 소형화하고자 하는 시도로 설계자들은 실제로 PCB와 플라스틱 커버 사이에 많은 공간을 남기지 않는다.
상술한 모든 요소는 안테나 설계 절차를 극도로 복잡하고 어렵게 한다. 각각의 특별한 경우에, 무선 주파수(RF) 컴포넌트들의 PCB 크기 및 위치뿐 아니라 디바이스들의 플라스틱 바디 모양 및 재료의 유전 상수 또한 고려되어야 한다. 비용, 휴대성 및 가능하면 미학과 같은 안테나의 다른 설계 기준이 고려되어야 할 수도 있다. 이러한 설계 기준은 특히 일반 대중에게 판매될 휴대용 무선 통신 디바이스들에 특히 관련된다. 더욱이, 휴대용 무선 통신 디바이스들의 크기 또는 형태 요소는 안테나 설계에 있어 특별한 도전을 제기한다. 추가로, 소비자들은 무선 통신 디바이스 및 시스템에서 더 높은 휴대성, 더 높은 데이터 대역폭 및 더 나은 신호 품질을 요구하고 있다.
본 발명의 실시예는 무선 통신을 위한 변형된 역-F 안테나이다. 안테나 회로는 제 1 표면을 갖는 유전체 기판, 유전체 기판의 제 1 표면 상의 방사 스터브, 및 접지에 연결하기 위한 상기 유전체 기판의 제 1 표면 상의 제 1 접지 플레이트를 포함한다. 제 1 접지 플레이트는 상기 방사 스터브와 간격을 두고 떨어진 둘 이상의 접지 용량성 스터브들을 포함한다. 상기 둘 이상의 접지 용량성 스터브들은 상기 둘 이상의 접지 용량성 스터브들의 개수 및 상기 둘 이상의 접지 용량성 스터브들을 둘러싸는 치수들(dimensions)에 따라 상기 성능 파라미터들을 조정한다.
발명의 실시예들은 다음 설명 및 발명의 실시예들을 설명하는데 사용되는 첨부 도면을 참조로 가장 잘 이해될 수 있다.
도 1a는 인쇄 회로 기판의 코너에서의 변형된 역-F 안테나에 대한 제 1 실시예의 상면도이다.
도 1b는 인쇄 회로 기판의 코너에서의 변형된 역-F 안테나에 대한 제 2 실시예의 상면도이다.
도 1c는 도 1a-1b에 나타낸 접지된 공면(coplanar) 도파관의 단면도이다.
도 2a는 인쇄 회로 기판의 코너에서의 변형된 역-F 안테나에 대한 제 3 실시예의 상면도이다.
도 2b는 방사 스터브를 따라 변형된 역-F 안테나에 대한 제 3 실시예의 단면도이다.
도 2c는 인쇄 회로 기판의 코너에서의 변형된 역-F 안테나에 대한 제 4 실시예의 상면도이다.
도 2d는 인쇄 회로 기판의 코너에서의 변형된 역-F 안테나에 대한 제 5 실시예의 상면도이다.
도 3a는 인쇄 회로 기판의 에지를 따라 변형된 역-F 안테나에 대한 제 6 실시예의 상면도이다.
도 3b는 방사 스터브를 따라 변형된 역-F 안테나에 대한 제 6 실시예의 단면도이다.
도 3c는 인쇄 회로 기판의 에지를 따라 변형된 역-F 안테나에 대한 제 7 실시예의 상면도이다.
도 4는 인쇄 회로 기판의 에지를 따라 변형된 역-F 안테나에 대한 제 8 실시예의 상면도이다.
도 5는 Car㏈us 애플리케이션에 사용하기 위한 접지된 공면 도파관 공급 라인들을 구비한 PCB의 코너들에서 변형된 역-F 안테나 쌍의 상면도이다.
도 6은 접지된 공면 도파관 공급 라인들을 구비한 접지 플레이트들로부터 돌출된 4개의 변형된 역-F 안테나로 이루어진 선형 안테나 어레이이다.
도 7은 도 5의 안테나 설계 및 스위칭 다이버시티 기술을 이용하는 시스템을 포함하는 고레벨 블록도이다.
도 8은 도 5의 안테나 설계 및 2×2 MIMO 기술을 이용하는 시스템을 포함하는 고레벨 블록도이다.
도 9는 도 5에서 설명한 것과 같은 Car㏈us 인쇄 회로 기판에 대한 변형된 역-F 안테나의 반사(return) 손실에 관한 그래프를 나타낸다.
도 10은 도 5에 나타낸 Car㏈us 변형된 역-F 안테나에 대한 수평면에서의 원거리장(far field) 방사 패턴의 차트를 나타낸다.
도 11은 도 5에 나타낸 Car㏈us 변형된 역-F 안테나에 대한 수직면에서의 원거리장 방사 패턴의 차트를 나타낸다.
도 12는 본 발명의 실시예들을 이용하는 가입자 유닛들을 갖는 무선 통신 네트워크를 나타낸다.
도 13a는 가입자 유닛에 의해 사용되는 변형된 역-F 안테나의 실시예들에 의한 인쇄 회로 기판을 포함하는 무선 범용 직렬 버스(USB) 어댑터를 나타낸다.
도 13b는 변형된 역-F 안테나의 실시예들에 의한 인쇄 회로 기판을 포함하는 다른 무선 카드 또는 어댑터를 나타낸다.
도 14는 변형된 역-F 안테나의 실시예들에 의한 인쇄 회로 기판을 포함하는 무선 카드의 기능 블록도를 나타낸다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따라 변형된 역-F 안테나를 형성하는 프로세스를 설명하는 흐름도이다.
도면에서 동일 참조 부호 및 표기는 비슷한 기능을 제공하는 동일 엘리먼트들을 지시한다. 추가로, 여기서 제공되는 모든 도면은 단지 예시를 목적으로 하며 반드시 엘리먼트들의 실제 모양, 크기 또는 치수를 반영하는 것은 아닌 것으로 이해한다.
본 발명의 실시예는 무선 통신을 위한 변형된 역-F 안테나이다. 변형된 역-F 안테나는 기판, 방사 스터브, 하나 이상의 접지 용량성 스터브, 단축 레그, 기판의 바깥층 위의 접지 플레이트, 연장된 공급 스트립 및 공급 전송 라인을 포함한다. 공급 전송 라인은 마이크로스트립 라인, 스트립 라인, 공면 도파관(CPW) 또는 접지된 공면 도파관(GCPW)으로서 구현될 수 있고, 동일한 바깥층 위에 또는 다층 기판의 다른 내부 또는 다른 외부 층 위에 연장된 공급 스트립과 함께 배치되어 동일한 층 위치를 위해 연장된 공급 스트립을 통해 직접 또는 다른 층 위치들을 위해 연장된 공급 스트립 및 비아(via) 홀을 통해 방사 스터브에 연결될 수 있다. 내부 또는 다른 외부 기판 층들은 연장된 공급 스트립을 가진 층을 배제한 변형된 역-F 안테나의 어떠한 영역에도 금속 스트립을 갖고 있지 않다. 하나 이상의 접지 용량성 스터브는 안테나의 성능 파라미터들을 조정한다.
다음 설명에서, 다수의 특정 항목이 설명된다. 그러나 발명의 실시예들은 이들 특정 항목 없이 실시될 수도 있는 것으로 이해한다. 다른 경우에, 이 설명의 이해를 불명료하게 하는 것을 피하기 위해 잘 알려진 회로, 구조 및 기술은 도시되지 않았다.
본 발명의 일 실시예는 보통 흐름도, 순서도, 구조도 또는 블록도로 표시되는 프로세스로서 설명될 수 있다. 흐름도는 순차적 프로세스로서 동작들을 설명할 수도 있지만, 많은 동작이 병렬로 또는 동시에 수행될 수 있다. 또한, 동작 순서는 재정렬될 수도 있다. 프로세스는 그 동작이 완료되면 종료한다. 프로세스는 방법, 프로그램, 프로시저, 제조 및 제작 방법 등에 대응할 수 있다.
발명의 실시예들은 무선 통신 시스템에서 무선 통신 전자기 신호들을 방사 및/또는 수신하는 변형된 역-F 안테나를 포함한다. 기지국(BS)과 대비하여, 고정국(FS) 또는 이동국(MS)일 수 있는 무선 통신 가입자국(SS)에 대한 변형된 역-F 안테나가 설계된다. 통상의 가입자국에서, 스위칭 다이버시티, 다중 입력 다중 출력(MIMO) 또는 적응형 안테나 어레이 기술 애플리케이션들을 위한 하나 이상의 안테나에 대한 요건 및 빈틈없이 패키지화된 RF 회로로 인해 치수 및 성능이 중요하다. 작은 형성 요소를 가진 예시적인 애플리케이션은 랩탑 컴퓨터(예를 들어, MiniPCI SS를 위한 인쇄 역-F 안테나(PIFA)), 셀룰러폰 및 개인 디지털 보조기기(PDA)뿐 아니라 Car㏈us, 개인용 컴퓨터 메모리 카드 국제 연합(PCMCIA) 및 USB-단자 어댑터와 같은 무선 어댑터들을 포함한다.
변형된 역-F 인쇄 회로 기판 안테나는 양호한 정합을 가지며 액티브 RF 회로 및 다른 구조들이 인접하는 애플리케이션들을 위해 설계된다. 발명의 다수의 실시예에서, 변형된 역-F 안테나는 인쇄 회로 기판의 하나 이상의 코너에 형성된다. 발명의 다수의 다른 실시예에서, 변형된 역-F 안테나는 인쇄 회로 기판의 에지를 따라 형성된다.
변형된 역-F 안테나의 각 실시예는 서로 다른 방식으로 구현될 수 있는 공급 전송 라인 및 연장된 공급 스트립을 포함한다. 공급 전송 라인은 마이크로스트립 라인, 스트립 라인, 공면 도파관(CPW) 또는 접지된 공면 도파관(GCPW)으로서 구현될 수 있다. 연장된 공급 스트립은 공급 전송 라인과 동일한 층에 형성되고 이에 연결된다. 선택된 공급 전송 라인의 타입은 변형된 역-F 안테나의 성능에 거의 영향을 주지 않는다. 대신, 선택된 공급 전송 라인의 타입은 증폭기들로부터의 신호들이 PCB의 어떤 층들에서 이용 가능한지와 같이 전체 RF PCB가 어떻게 설계되는지에 기초한다. 발명의 어떤 실시예들에서는, 공급 라인, 연장된 공급 스트립 및 방사 스터브가 인쇄 회로 기판의 동일면 위에 있고 이로써 서로 쉽게 접속될 수 있다. 발명의 다른 실시예들에서, 공급 라인 및 연장된 공급 스트립은 방사 스터브와 다른 층들에 있다. 이 경우, 한 층의 공급 라인 및 연장된 공급 스트립은 금속화된 벽들을 가진 홀인 비아(VIA)에 의해 방사 스터브에 연결될 수 있다.
도 1a를 참조하면, 변형된 역-F 안테나(100A)에 대한 제 1 실시예의 상면도가 설명된다. 변형된 역-F 안테나(100A)는 기판 유전체 층(101) 및 외부 도전 금속층(102)을 포함하는 인쇄 회로 기판(100)의 통합부이다. 기판 유전체 층(101) 위의 외부 도전 금속층(102)의 패턴은 일반적으로 도시된 바와 같이 A × B의 치수를 갖는 유전체 창(109)의 영역에 변형된 역-F 안테나(100A)를 형성한다. 본 발명의 일 실시예에서, A의 치수는 9.4 밀리미터이고 B의 치수는 20.8 밀리미터이다. 변형된 역-F 안테나(100A)는 기판 유전체 층(101) 위에 형성된 동일한 외부 도전 금속층(102) 상에 다수의 접지 용량성 스터브 및 접지된 공면 도파관 공급 라인을 갖도록 설계된다. 유전체 기판 표면의 유전체 창은 패턴 및 하나 이상의 접지 용량성 스터브에 의해 부분적으로 커버된다. 즉, 패턴 및 하나 이상의 접지 용량성 스터브는 유전체 창(109)으로 연장하거나 잠식한다.
변형된 역-F 안테나(100A)는 도 1a에 나타낸 것과 같이, 기판 유전체 층(101), 방사 스터브(112), 하나 이상의 접지 용량성 스터브(105A-105B), 단축 레그(115), 및 기판(101) 바깥층의 금속층(102)에 형성된 하나 이상의 접지 플레이트(104A-104B)를 포함한다. 하나 이상의 접지 플레이트(104A-104B)는 접지에 연결되어야 한다.
방사 스터브(112)는 제 1 사이드 에지(122R), 제 2 사이드 에지(122L) 및 상부 에지(122T)를 갖는다. 접지 플레이트(104A)는 방사 스터브(112)의 제 1 사이드 에지(122R) 및 상부 에지(122T)를 따라 간격을 두고 형성된다.
하나 이상의 접지 용량성 스터브(105A-105B)는 방사 스터브의 제 1 사이드 에지(122R)와 평행한 접지 플레이트(104A)의 제 1 에지(108A)로부터 연장한다. 하나 이상의 접지 용량성 스터브(105A-105B)의 높이(h)는 방사 스터브를 향하게 한다. 접지 플레이트(104A)의 제 2 에지(108B)는 실질적으로 제 1 에지(108A)와 수직이다. 접지 플레이트(104A)의 제 2 에지(108B)는 도 1a에 나타낸 것과 같이 실질적으로 방사 스터브의 상부 에지(122T)와 평행하며 치수(X)만큼 간격을 두고 있다.
변형된 역-F 안테나(100A)는 도 1a에 나타낸 것과 같이 연장된 공급 스트립(113B)을 더 포함한다. 이 경우, 접지된 공면 도파관(GCPW)(110)은 공급 전송 라인이다.
접지된 공면 도파관(GCPW)(110)은 접지 플레이트(104A-104B)에 의해 좌우 측의 경계가 되는 중앙 스트립(113A)을 더 포함하며, 이들 각각은 갭(114)에 의해 분리된다. GCPW(110)를 완성하기 위해, 인쇄 회로 기판(100)은 (도 1c에 나타낸) 제 2 금속층(103) 위에 그리고 중앙 스트립(113A)과 갭(114) 아래에 (도 1c에 나타낸) 접지 플레이트(125)를 갖는다. 접지 플레이트(125)는 기판(101)의 유전체 층에 의해 중앙 스트립(113A)과 절연된다. 중앙 스트립(113A)은 연장된 공급 스트립(113B)에 연결된다. 중앙 스트립(113A)과 갭(114)의 폭은 무선 통신 채널의 반송파 주파수들의 파장과 기판(101)의 유전체 층들의 성능의 함수이다.
연장된 공급 스트립(113B)은 한 단부는 방사 스터브(112)에 반대쪽 단부는 중앙 스트립(113A)에 연결된다. 단축 레그(115)는 한 단부는 접지 플레이트(104B)에 반대쪽 단부는 방사 스터브(112)에 연결된다. 단축 레그(115)의 길이는 연장된 공급 스트립(113B)에 대한 GCPW(110)의 접합시 안테나에 50 옴의 액티브 입력 임피던스를 제공하도록 선택된다. 안테나 자체가 도전성 접지 스터브로서 나타나기 때문에 안테나의 입력 임피던스는 방사 스터브(112) 및 단축 레그(115)를 형성하는 금속으로부터 어떠한 유도 저항을 갖는다. 방사 스터브의 단부와 접지 플레이트 사이의 갭을 좁히거나 방사 스터브를 접지 플레이트 쪽으로 구부리는 등으로 이 유도 저항을 줄이고자 하는 종래 기술의 시도는 안테나 입력 임피던스에 대한 한정된 영향으로 인해 충분히 성공하지 못했다.
도 1b를 참조하면, 변형된 역-F 안테나(100B)에 대한 제 2 실시예의 상면도가 설명된다. 변형된 역-F 안테나(100B)는 안테나가 형성되는 기판의 동일한 바깥층에 형성된 공급 전송 라인을 갖는다.
변형된 역-F 안테나(100B)는 변형된 역-F 안테나(100A)와 비슷하지만 접지 플레이트(104A)에 의해 폭(g) 및 간격 또는 갭(S)을 갖는 단 하나의 접지 용량성 스터브(105)를 갖는다. 이 예시적인 실시예에서, 방사 스터브(112)의 에지(122R)는 방사 스터브의 상부 에지(122T)가 접지 용량성 스터브(105)의 폭(g)을 넘어 공간(S)으로 연장하도록 접지 용량성 스터브(105)와 평행하다.
다른 점에서는, 변형된 역-F 안테나(100B)는 변형된 역-F 안테나(100A)와 비슷한 엘리먼트들을 갖고 비슷한 참조 부호 및 용어를 사용한다. 이에 따라, 간결성의 위해 변형된 역-F 안테나(100B)의 엘리먼트들의 설명은 반복되지 않으며, 안테나(100A)의 엘리먼트들의 설명이 안테나(100B)의 엘리먼트들에 동일하게 적용될 수 있는 것으로 이해한다.
변형된 역-F 안테나의 엘리먼트들에 대한 다양한 치수가 도면에 나타난다. 단축 레그(115)는 도시한 것과 같이 폭(W1) 및 길이(L1)를 갖는다. 방사 스터브(112)는 도시한 것과 같이 길이(L2) 및 폭(W2)을 갖는다. 단축 레그(115)로부터 방사 스터브(112) 위에서의 거리(F)에서, 도시한 바와 같이 연장된 공급 스트립(113B)이 방사 스터브(112)에 연결된다. 치수(A)를 따라 유전체 창(109)에서 안테나의 위치 결정은 단축 레그(115)의 길이(L1)에 의해 설정된다. 치수(B)를 따라 유전체 창(109)에서 안테나의 위치 결정은 방사 스터브의 길이(L2) 및 유전체 창의 에지로부터의 치수(S4, g1, S5, g2, S6, W1)에 의해 설정된다.
발명의 다수의 실시예에서 상기 또는 다른 치수들로부터 방사 스터브(112)의 상부 에지(122T)와 접지 플레이트(104A) 또는 유전체 창(109)의 에지 사이에 공간(X)이 형성될 수 있다.
하나 이상의 접지 용량성 스터브(105,105A-105B)는 각각 높이(h); 폭(g, g1, g2); 및 갭 또는 공간(S, S4, S5)을 가질 수 있다. 어떤 안테나 설계에서, 갭 또는 공간(S4)은 위치 정보를 거의 제공하지 않으며, 이 경우 접지 용량성 스터브(105B)와 중앙 스트립(113A) 사이의 갭 또는 공간(S1) 또는 접지 용량성 스터브(105B)와 단축 레그(115) 사이의 갭 또는 공간(S6)이 위치 정보를 제공하는데 사용될 수 있다.
접지 용량성 스터브들의 높이(h), 길이(L1) 및 방사 스터브(112)의 폭(W2)을 알면, D = L1 - W2 - h의 식으로부터 하나 이상의 접지 용량성 스터브와 방사 스터브(112) 사이의 거리(D)가 결정될 수 있다. 치수(h, D) 외에도, 접지 플레이트의 에지를 따르며 방사 스터브(112)의 길이와 평행한 하나 이상의 접지 용량성 스터브의 전체 유효 길이(예를 들어, S4 + S5 + g1 + g2; 또는 S + g)가 안테나 조정에 중요한 값일 수 있다.
도 1a에 나타낸 변형된 역-F 안테나(100A)의 한 예시적인 실시예에서, Car㏈us WiMAX(Worldwide Interoperability for Microwave Access) 애플리케이션에 대한 3.5㎓ 안테나의 치수는 다음과 같다:
A = 9.4㎜; B = 20.8㎜; L2 = 14.2㎜; F = 4.4㎜; L1 = 5.1㎜; W1 = W2 = 1.8㎜; S4 = 2.3㎜; S5 = 0.8㎜; g2 = 4㎜; g1 = 2.4㎜; h = 1.8㎜.
이 경우, 기판 유전체 층(101)은 0.7㎜의 유전체 두께를 갖는 FR-4 유전체이다. 또한, 공급 라인은 50 옴 임피던스를 갖는다. 즉, 마이크로스트립 라인, 공면 도파관 또는 접지된 공면 도파관은 무엇이 선택되든지 특정 기판, 0.7㎜의 유전체 두께를 갖는 FR-4 유전체에 대해 계산된 치수를 가지므로 50 옴 임피던스를 갖는다.
도 1a에 나타낸 예시적인 실시예에서, 방사 스터브의 상부 에지(122T)는 접지 용량성 스터브(105B)의 폭(g2), 제 1 접지 용량성 스터브와 제 2 접지 용량성 스터브 사이의 간격(S5)을 넘어 접지 용량성 스터브(105A)의 폭(g1)의 중심점까지 연장한다.
스터브(112), 단축 레그(115) 및 연장된 공급 스트립(113B)은 금속층(102)에 역-F자 모양을 형성하므로 명칭이 역-F 안테나이다. 역-F 안테나는 무선 통신 신호를 반송하기 위해 특정 주파수들의 전자기 방사를 전송 및 수신하는데 사용된다.
하나 이상의 접지 용량성 스터브(105, 105A-150B)(도 1a의 스터브(105A-105B) 및 도 1b의 스터브(105) 참조)는 안테나의 성능 파라미터들을 조정(tune)하기 위한 튜닝(tuning) 엘리먼트 역할을 함으로써 역-F 안테나의 성능을 변형시키거나 조정한다. 성능 파라미터들은 입력 임피던스의 리액턴스, 낮은 손실 정합, 접지 평면 영향, 안테나 레이돔, RF 컴포넌트 영향, 다중 상호 커플링 작용, 안테나의 공진 주파수, 안테나와 전송 라인 간의 임피던스 정합, 이득 크기 및 안테나 방사 패턴 중 적어도 하나를 포함한다. 안테나의 성능을 개선하기 위해 다른 파라미터들 또한 하나 이상의 접지 용량성 스터브(105, 105A-150B)에 의해 조정될 수 있다. 하나 이상의 접지 용량성 스터브(105, 105A-150B)는 안테나의 입력 임피던스로 변환되는 용량 리액턴스를 유도한다. 하나 이상의 접지 용량성 스터브(105, 105A-150B)는 (1) 컴포넌트들의 고유 유도 리액턴스 및 (2) 다른 외부 작용들에 의해 유도되는 외부 리액턴스에 대한 안테나의 입력 임피던스의 리액턴스들을 보상한다. 하나 이상의 접지 용량성 스터브(105, 105A-150B)는 무손실 방식으로 역-F 안테나의 성능을 조정한다.
*튜닝 엘리먼트 역할을 하는 하나 이상의 접지 용량성 스터브에 의해, 안테나는 양호한 저 손실 정합 성능을 달성한다. 하나 이상의 접지 용량성 스터브에 의해 제공되는 조정은 실제 설계 환경을 고려하여 접지 평면 영향, 인접하게 위치하는 안테나 레이돔, RF 컴포넌트 영향, 및 안테나의 공진 주파수에 대한 다중 안테나 상호 커플링 작용을 보상한다.
역-F 안테나에 제공되는 조정은 사용되는 하나 이상의 접지 용량성 스터브(105, 105A-150B) 수는 물론, 높이(h); 폭(g, g1, g2); 갭 또는 공간(S, S4, S5); 간격(D)의 상술한 치수들을 포함하여 접지 용량성 스터브(105, 105A-150B)를 둘러싸는 치수에 의해 조정될 수 있다.
하나 이상의 접지 용량성 스터브(105, 105A-150B)는 22%까지의 넓은 상대 주파수 대역에 걸쳐 안테나와 선택된 공급 라인 사이의 실제 임피던스를 달성한다. 즉, 하나 이상의 접지 용량성 스터브(105, 105A-150B)는 원하는 통신 시스템의 반송파 주파수를 중심으로 ±11%의 주파수 범위에서 실제 임피던스 정합을 제공한다. 더욱이, 하나 이상의 접지 용량성 스터브(105, 105A-150B)는 실제 임피던스 정합을 제공하는 동시에, 안테나 방사 패턴에 상당한 영향을 주지 않고도 안테나의 이득 크기를 실질적으로 최대화한다. 후술하는 도 9-도 11은 변형된 역-F 안테나의 예시적인 성능을 나타낸다.
중앙 스트립(113A) 및 연장된 공급 스트립(113B)을 포함하는 50 옴 접지된 공면 도파관(GCPW)(110)은 신호들이 안테나의 방사 스터브(112)로/로부터 전파되게 한다. 안테나 임피던스는 하나 또는 다수의 접지 용량성 스터브(105, 105A-150B)에 의해 GCPW(110)의 50 옴 임피던스에 실질적으로 정합된다.
접지된 공면 도파관(110)의 50 옴 임피던스는 또한 안테나 스위치, 신호 필터, 저잡음 증폭기의 입력 임피던스 및 출력 증폭기의 출력 임피던스와 같은 액티브 및 패시브 RF 회로의 50 옴 임피던스에 의해 정합된다.
뒤에 더 상세히 설명하는 바와 같이, 송신 전력 증폭기가 GCPW(110)의 단부에 연결되어 방사 스터브(112)로부터의 송신을 위한 무선 신호들을 증폭한다. 수신 저잡음 증폭기(LNA)가 GCPW(110)의 단부에 연결되어 방사 스터브(112)에 의해 수신된 신호들을 증폭할 수 있다. 뒤에 더 상세히 설명하는 바와 같이, 안테나 스위치, RF 대역 통과 필터 또는 RF 저역 통과 필터가 안테나와 송신 전력 증폭기 및 저잡음 수신 증폭기 사이에 연결되어 송신 및 수신 신호에 대한 안테나의 사용뿐 아니라 송신을 위한 다수의 안테나 중 하나 및 수신을 위한 다른 안테나의 선택을 다중화한다.
도 2a-도 2b를 참조하면, 변형된 역-F 안테나(200A)의 제 3 실시예의 상면도 및 단면도가 도시된다. 도 2b에 나타낸 PCB의 단면은 방사 스터브(112)를 따른다. 변형된 역-F 안테나(200A)의 이러한 제 3 실시예에서, 공급 라인은 인쇄 회로 기판(200')에서 안테나와는 다른 층에 있다. 즉, 공급 라인은 안테나 층에서 다층 PCB의 맞은 편 바깥층에 있다. 이 경우, 안테나는 다층 기판에 형성되는 것으로 간주할 수 있다.
도 2b에 나타낸 바와 같이, 변형된 역-F 안테나(200A)의 방사 스터브(112)는 기판 유전체 층(101)의 제 1 바깥 표면에 형성된 제 1 금속층(102)에 형성된다. 공급 라인(213A) 및 연장된 공급 스트립(213B)은 제 1 바깥 표면과 반대인 기판(101)의 제 2 바깥 표면 상의 제 2 금속층(202)에 형성된다.
하나의 층에 형성된 공급 라인(213A) 및 연장된 공급 스트립(213B)과 다른 층에 형성된 방사 스터브(112)로, 공급 라인(213A) 및 연장된 공급 스트립(213B)은 인쇄 회로 기판(200')의 비아 홀(VIA)(217)에 의해 방사 스터브(112)에 연결될 수 있다. VIA 콘택(216)은 기판에 금속화된 홀이고, 도 2b에 나타낸 것과 같이 연장된 공급 스트립(213B)과 방사 스터브(112) 사이에 연결된다.
하나의 층에 형성된 공급 라인(213A) 및 연장된 공급 스트립(213B)과 다른 층에 형성된 방사 스터브(112)로, 도 2a에 나타낸 것과 같이 안테나 주위에 금속층(102)에 의해 단일 접지 플레이트(204)가 제공될 수 있다. 이 경우, 유전체 층(101)에 의해 분리되는 접지 플레이트(204) 아래의 공급 라인(213A)은 공급 라인(213A)의 길이를 따라 효율적으로 마이크로스트립 라인(210)을 형성한다.
변형된 역-F 안테나(200A)가 효율적으로 방사할 수 있도록, 변형된 역-F 안테나의 일부를 형성하는 단축 레그(115)와 방사 스터브(112)의 영역에는 방사 스터브(112)에 연결되며 안테나의 일부를 형성하는 연장된 공급 스트립(213B)에 대해서만 다른 어떤 층에도 금속 스트립이나 금속 플레이트가 없다. 도 2b에서, 금속층(202)의 제 2 접지 플레이트(205)는 연장된 공급 스트립(213B)과 공간(214)만큼 실질적으로 간격을 두고 있다. 제 2 접지 플레이트(205)는 제 1 접지 플레이트(204)의 부분들과 오버랩할 수 있다. 추가 조정이 제공되어야 하지 않는다면, 금속층(202)에는 안테나 아래나 금속층(102)에 금속 없이 형성되는 안테나 유전체 창의 개구 안을 제외한 거의 어디든 금속이 형성될 수 있다. 안테나의 추가 조정은 하나 이상의 접지 용량성 스터브(105,105A-105B) 아래에 이와 평행하게 금속층(202)에 형성되는 하나 이상의 접지 용량성 스터브를 포함하는 제 2 외부 접지 플레이트(205)에 의해 제공될 수 있다.
변형된 역-F 안테나(200A)의 다른 엘리먼트들은 변형된 역-F 안테나(100A)와 유사하고 동일한 참조 부호 및 용어를 갖는다. 이에 따라 간결성을 위해 변형된 역-F 안테나(200A)의 엘리먼트들의 설명은 반복되지 않으며, 안테나(100A)의 엘리먼트들의 설명이 안테나(200A)의 엘리먼트들에 동일하게 적용될 수 있는 것으로 이해한다.
도 2c-도 2d를 참조하면, 변형된 역-F 안테나(200C-200D)의 제 4 및 제 5 실시예의 상면도가 도시된다. 변형된 역-F 안테나(200C-200D) 각각에서, 공급 라인(213A)은 접지 플레이트(204C-204D) 및 유전체 기판 층(101)으로 인해 공급 라인(213A)의 길이를 따라 효율적으로 마이크로스트립 라인(210)을 형성하는 변형된 역-F 안테나(200A)와 비슷하다.
변형된 역-F 안테나(200C-200D)는 변형된 역-F 안테나(200A)와 비슷하지만 단 하나의 접지 용량성 스터브(105, 205)를 갖는다. 도 2c의 접지 용량성 스터브(105)는 접지 플레이트(204C)의 넓은 표면적에 대해 폭(g) 및 공간 또는 갭(S)을 갖는다. 도 2c의 접지 용량성 스터브(205)는 접지 플레이트(204D)의 넓은 표면적에 대해 공간 또는 갭(S) 없이(즉, S = 0) 폭(g)을 갖는다. 도 2d에 나타낸 예시적인 실시예에서, D만큼 간격을 두지만 방사 스터브의 상부 에지(122T)는 실질적으로 오버랩하지 않는 접지 플레이트(204D)와 상부 에지(122T) 사이에 공간(X)만을 갖고 접지된 용량성 스터브(205)의 폭(g)으로 연장한다. 즉, 방사 스터브(122)의 제 1 에지(122R)는 공간(X)을 갖지만 그 폭(g)의 상당 부분에 걸쳐 접지 용량성 스터브(205)의 상부 에지와 평행하다.
다른 점에서는, 변형된 역-F 안테나(200C-200D)는 변형된 역-F 안테나(100A)와 유사한 엘리먼트들을 갖고 동일한 참조 부호 및 용어를 사용한다. 이에 따라 간결성을 위해 변형된 역-F 안테나(200C-200D)의 엘리먼트들의 설명은 반복되지 않으며, 안테나(200A)의 엘리먼트들의 설명이 안테나(200B-200D)의 엘리먼트들에 동일하게 적용될 수 있는 것으로 이해한다.
이전에, 변형된 역-F 안테나들의 실시예는 인쇄 회로 기판의 코너에 형성되었다. 그러나 변형된 역-F 안테나들은 인쇄 회로 기판의 에지를 따라 형성될 수도 있다.
도 3a-도 3b를 참조하면, 변형된 역-F 안테나(300A)의 제 6 실시예의 상면도 및 단면도가 도시된다. 도 3b에 나타낸 PCB의 단면은 방사 스터브(112)를 따른다.
이러한 변형된 역-F 안테나(300A)의 실시예에서, 공급 라인은 인쇄 회로 기판(300')에서 안테나와는 다른 층에 있다. 즉, 공급 라인은 다층 PCB의 기판의 안쪽 층에 있지만 안테나는 기판의 바깥 표면에 형성된다. 이 경우, 안테나는 다층 기판에 형성되는 것으로 간주할 수 있다.
도 3b에 나타낸 바와 같이, 변형된 역-F 안테나(300A)의 방사 스터브(112)는 기판 유전체 층(101A)의 제 1 바깥 표면 상의 제 1 금속층(102)에 형성된다. 공급 라인(313A) 및 연장된 공급 스트립(313B)은 도시한 바와 같이 기판 유전체 층(101B, 101C) 사이의 다른 금속층(302)에 형성되고 VIA에 의해 방사 스터브에 연결될 수 있다.
도 3b는 방사 스터브(112)를 따라 PCB(300)의 단면을 나타낸다. 안테나를 형성하는 공급 라인, 연장된 공급 스트립 및 상부 층에 대해서만, 방사 스터브(112) 아래에서 다른 층들의 금속 플레이트들이 회피되어야 한다. 즉, 유전체 창에 불필요한 금속이 회피되어야 한다. 그러나 접지된 플레이트(304A) 아래의 유전체 창 바깥 영역에는, 유전체 층들 사이 또는 제 2 외부 금속층에 다른 금속 플레이트들이 형성되어 무선 디바이스에 대한 PCB(300') 설계를 완성할 수 있다.
도 3a에 나타낸 것과 같이, 안테나는 인쇄 회로 기판(300')의 에지를 따라 형성된다. 접지 플레이트(304A)에 연결되는 접지 용량성 스터브(105A-105B)는 변형된 역-F 안테나를 조정하도록 제공된다. 그러나 안테나는 에지를 따라 형성되기 때문에 공간(S4)이 상당히 크고 심지어 PCB(300')을 넘어 연장한다. 이 설계에서 공간(S4)은 접지 용량성 스터브에 대한 위치 정보를 제공하지 않기 때문에, 접지 용량성 스터브(105B)와 단축 레그(115) 사이의 공간(S6)이 사용된다.
단축 레그(115), 방사 스터브(112) 및 하나 이상의 접지 용량성 스터브(105A-105B)를 포함하는 변형된 역-F 안테나(300A, 300C)의 엘리먼트들은 접지 플레이트(304A)로부터 돌출되는 것으로 나타난다. 방사 스터브(112)는 제 1 사이드 에지(122R), 제 2 사이드 에지(122L) 및 상부 에지(122T)를 갖는다. 이 경우, 접지 플레이트(304A)는 방사 스터브(112)의 상부 에지(122T)가 아니라 제 1 사이드 에지(122R) 따라 간격을 두고 형성된다.
안쪽 층에 형성된 공급 라인(313A) 및 연장된 공급 스트립(313B)과 기판(101')의 바깥층에 형성된 방사 스터브(112)에 의해, 공급 라인(313A) 및 연장된 공급 스트립(313B)은 도 3b에 나타낸 것과 같이, 연장된 공급 스트립(313B)과 방사 스터브(112) 사이에 연결된 기판(101)의 금속화된 홀인 VIA를 통해 방사 스터브(112)에 연결될 수 있다.
하나의 층에 형성된 공급 라인(313A) 및 연장된 공급 스트립(313B)과 다른 층에 형성된 방사 스터브(112)에 의해, 하나 이상의 접지 플레이트(304A, 304B)는 안테나 주위의 금속층(102)에 의해 제공될 수 있다. 추가로, 도 3a 및 도 3c에 나타내지 않은 PCB 구조의 다른 추가 내부 층들뿐 아니라 외부 층도 기판(101)에 형성될 수 있다. 이 경우, 접지 플레이트(304A, 304B)와 다른 외부 층 사이에서 유전체 층(101A-101C)에 의해 분리되는 공급 라인(313A)은 공급 라인(313A)의 길이를 따라 효율적으로 스트립 라인(310)을 형성한다.
변형된 역-F 안테나(300A-300C)가 효율적으로 방사할 수 있도록, 변형된 역-F 안테나의 일부를 형성하는 단축 레그(115)와 방사 스터브(112)의 영역에는 방사 스터브(112)에 연결되며 안테나의 일부를 형성하는 연장된 공급 스트립(313B)에 대해서만 다른 어떤 층에도 금속 스트립이나 금속 플레이트가 없다. 그러나 마주하는 외부 표면에 (도시하지 않은) 제 2 접지 플레이트가 제공될 수 있고 제 1 접지 플레이트(304A, 304B)의 부분들과 오버랩할 수 있다. 제 2 접지 플레이트(205)는 금속층에 하나 이상의 접지 용량성 스터브를 더 포함하여 안테나를 추가 조정할 수도 있다.
도 3c를 참조하면, 변형된 역-F 안테나(300C)의 제 7 실시예의 상면도가 도시된다. 변형된 역-F 안테나(300C)에서, 공급 라인(313A)은 접지 플레이트(304C) 및 유전체 기판 층(101')으로 인해 공급 라인(313A)의 길이를 따라 효율적으로 스트립 라인(310)을 형성하는 변형된 역-F 안테나(300A)와 비슷하다.
변형된 역-F 안테나(300C)는 변형된 역-F 안테나(300A)와 비슷하지만 단 하나의 접지 용량성 스터브(105)를 갖는다. 도 2c의 접지 용량성 스터브(105)는 폭(g) 및 안테나(300A)의 S4와 비슷한, 훨씬 더 큰 공간 또는 갭(S)을 갖는다.
다른 점에서는, 변형된 역-F 안테나(300C)는 변형된 역-F 안테나(300A)와 유사한 엘리먼트들을 갖고 동일한 참조 부호 및 용어를 사용한다. 이에 따라 간결성을 위해 변형된 역-F 안테나(300C)의 엘리먼트들의 설명은 반복되지 않으며, 안테나(300A)의 엘리먼트들의 설명이 안테나(300C)의 엘리먼트들에 동일하게 적용될 수 있는 것으로 이해한다.
도 4를 참조하면, 변형된 역-F 안테나(400)의 제 8 실시예의 상면도가 도시된다. 변형된 역-F 안테나(400)에서는, 접지된 공면 도파관(110)이 방사 스터브(112)에 대한 공급 라인으로서 사용된다. 안테나(400)의 엘리먼트들은 기판 층(101)의 동일한 바깥 표면 상의 동일한 금속층(102)에 형성된다. 넓은 면적의 금속 플레이트(404A, 404B)가 접지되며, 적어도 접지된 공면 도파관을 형성하기 위해 기판 내부 또는 다른 외부 층에 하나의 금속 플레이트가 있다.
변형된 역-F 안테나(400)의 엘리먼트들은 접지 플레이트(404A-404B)로부터 돌출되는 것으로 나타난다. 단축 레그(115) 및 방사 스터브(112)는 접지 플레이트(404B)로부터 돌출되는 것으로 나타난다. 하나 이상의 접지 용량성 스터브(105A-105B)는 접지 플레이트(404A)로부터 돌출되는 것으로 나타난다.
도 4에 나타낸 것과 같이, 안테나(400)는 인쇄 회로 기판(400')의 에지를 따라 형성된다. 접지 플레이트(404A)에 연결된 접지 용량성 스터브(105A-105B)는 역-F 안테나(400)를 조정하도록 제공된다. 그러나 안테나는 에지를 따라 형성되기 때문에 공간(S4)이 상당히 크고 심지어 PCB(400')을 넘어 연장한다. 즉, 접지 플레이트(404A)는 방사 스터브(112)의 상부 에지가 아니라 방사 스터브(112)의 사이드 에지를 따른다. 이 설계에서 공간(S4)은 접지 용량성 스터브에 대한 위치 정보를 제공하지 않기 때문에, 접지 용량성 스터브(105B)와 중앙 스트립(113A) 사이의 공간(S1)이 사용된다.
공급 전송 라인으로서 접지된 공면 도파관(110)을 사용하는 상세는 도 1a-도 1b를 참조로 상술하였다.
더욱이, 변형된 역-F 안테나(400)의 다른 엘리먼트들은 변형된 역-F 안테나(100A)와 유사하고 동일한 참조 부호 및 용어를 갖는다. 이에 따라 간결성을 위해 변형된 역-F 안테나(400A)의 엘리먼트들의 설명은 반복되지 않으며, 안테나(100A)의 엘리먼트들의 설명이 안테나(400A)의 엘리먼트들에 동일하게 적용될 수 있는 것으로 이해한다.
추가로, 도 4는 PCB(400')의 에지를 따라 안테나(400)를 조정하는 다수의 접지 용량성 스터브(105A-105B)를 나타내지만, 도 1b에 나타낸 것과 같이 하나의 접지 용량성 스터브가 대신 사용될 수도 있다.
도 5를 참조하면, Car㏈us 무선 어댑터에 사용하기 위한 인쇄 회로 기판(500)의 일부로서 안테나 회로가 도시된다. PCB(500)는 PCB의 양쪽 코너에 한 쌍의 변형된 역-F 안테나(501A-501B)를 포함한다. 안테나(501A-501B)는 각각 도 1a에 관해 상술한 안테나(100A)의 예이며 각각의 안테나에 대해 접지된 공면 도파관 공급 라인(510A-510B)을 포함한다. 접지된 공면 도파관 공급 라인(510A-510B)은 변형된 역-F 안테나(501A-501B)와 동일한 금속층 및 동일한 기판 표면에 형성된다. 변형된 역-F 안테나(501A-501B)는 방사 스터브(112A-112B)에 연결된 하나의 접지 플레이트(504)를 공유하여 공간을 보존한다는 점에 주목한다. 추가 접지 플레이트(505A-505B)가 각 안테나의 접지 용량성 스터브(105A-105B)에 접지를 연결한다.
도 6을 참조하면, 기판(601) 상에 4개의 변형된 역-F 안테나(400A-400D)로 이루어진 선형 안테나 어레이(602)를 포함하는 안테나 회로가 인쇄 회로 기판(600)의 일부로서 도시된다. 4개의 변형된 역-F 안테나(400A-400D)는 접지 플레이트(604A-604B, 605A-606B, 606A-606B)로부터 돌출되며 각각 도 4에 관해 상술한 안테나(400)의 예이다. 각 안테나(400A-400D)는 각각 접지된 공면 도파관 공급 라인(610A-610B)을 포함한다. 선형 안테나 어레이는 안테나(400A, 400D)와 함께 그 에지를 따라 PCB(600)의 한 단부에 위치한다. 이 경우, 각 안테나에 대한 파라미터(S4)는 매우 크다.
접지된 공면 도파관 공급 라인(610A-610D)은 변형된 역-F 안테나(400A-400D)와 동일한 금속층 및 동일한 기판 표면에 형성된다. 변형된 역-F 안테나(400A-400B)는 방사 스터브(112A-112B)에 연결된 접지 플레이트(604A)를 공유하여 공간을 보존한다는 점에 주목한다. 변형된 역-F 안테나(400C-400D)는 방사 스터브(112C-112D)에 연결된 접지 플레이트(604B)를 공유한다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 도 5의 안테나 회로를 포함하는 시스템의 고레벨 블록도가 설명된다. 도 7에 나타낸 시스템은 스위칭 다이버시티 기술을 이용하는 한편, 도 8에 나타낸 시스템은 2×2 MIMO 기술을 이용한다.
도 7에서, 변형된 역-F 안테나(501A-501B)는 인쇄 회로 기판(700)의 일부로서 형성된다. 큰 접지 평면(705)이 접지된 공면 도파관 공급 라인(510A-510B)의 차단 없이 접지 플레이트(505A-505B) 및 공유 접지 플레이트(504)에 연결된다.
플러그형 무선 가입자 시스템은 도시한 바와 같이 함께 연결된 안테나 스위치(SW)(710), RF 송수신기(TRX)(712) 및 기저대역 주문형 집적 회로(ASIC) 또는 프로세서(714)를 더 포함한다. 안테나 스위치(710)는 DPDT(double-pole-double-throw) RF 스위치이다. 안테나 스위치(710)는 송신 신호와 수신 신호 사이를 스위칭한다. RF 송수신기(712)는 특히 신호를 전송하기 위한 전력 증폭기(PA)(720) 및 신호를 수신하기 위한 저잡음 증폭기(LNA)(722)를 포함한다. 기저대역 ASIC(714)는 한편으로는 아날로그 신호들에 의해 RF 송수신기(720)와 인터페이스 접속하는 합성 신호 집적 회로이고 다른 한편으로는 디지털 신호들에 의한 디지털 시스템이다.
추가 RF 대역 통과 필터 또는 RF 저역 통과 필터가 안테나와 송신 전력 증폭기(720) 및 수신 저잡음 증폭기(722) 사이에 연결될 수 있다.
상술한 바와 같이, 도 7의 시스템은 ASIC(714)에 의해 지원되는 스위칭 다이버시티 기술 및 ASIC에 의해 제어되는 안테나 스위치(710)를 사용한다. 상술한 바와 같이, RF 송수신기(712)는 신호를 전송하기 위한 전력 증폭기(PA)(720) 및 신호를 수신하기 위한 저잡음 증폭기(LNA)(722)를 포함한다. 스위치(710)는 송신 신호와 수신 신호 모두에 대한 최상의 신호 품질을 제공하는 안테나를 선택하는데 사용된다. 스위치(710)는 동일한 안테나를 통해 신호를 전송 및 수신하기 위해 선택된 안테나에 대한 PA(720) 및 LNA(722)의 연결을 토글하는데 사용된다.
도 8에서, 변형된 역-F 안테나(501A-501B)는 인쇄 회로 기판(800)의 일부로서 형성된다. 큰 접지 평면(805)이 접지된 공면 도파관 공급 라인(510A-510B)의 차단 없이 접지 플레이트(505A-505B) 및 공유 접지 플레이트(504)에 연결된다.
플러그형 무선 가입자 시스템은 도시한 바와 같이 함께 연결된 한 쌍의 안테나 스위치(SW)(810A-810B), RF 송수신기(TRX)(812A-812B) 및 MIMO 기저대역 주문형 집적 회로(ASIC)(814)를 더 포함한다. 한 쌍의 안테나 스위치(810A-810B)는 SPDT(single-pole-double-throw) RF 스위치이다. 각 RF 송수신기(812A-812B)는 특히 신호를 전송하기 위한 전력 증폭기(PA)(720) 및 신호를 수신하기 위한 LNA(722)를 포함한다. MIMO 기저대역 ASIC(814)는 한편으로는 아날로그 신호들에 의해 RF 송수신기(812A-812B)와 인터페이스 접속하는 합성 신호 집적 회로이고 다른 한편으로는 디지털 신호들에 의한 디지털 시스템이다.
상술한 바와 같이, 도 8의 시스템은 ASIC(814)에 의해 지원되는 2×2 MIMO 기술 및 ASIC에 의해 제어되는 안테나 스위치(810A-810B)를 사용한다. 이 경우, 두 안테나(510A-510B) 모두 동시에 신호를 송신 또는 수신하는데 사용된다. MIMO 기저대역 ASIC(814)는 이들 신호를 코히어런트 결합하여 어느 한 안테나가 개별적으로 제공될 수 있는 것보다 양호한 신호를 생성한다.
안테나(501A)는 접지된 공면 도파관(510A)을 통해 안테나 스위치(810A)에 연결된다. 안테나(501B)는 접지된 공면 도파관(510B)을 통해 안테나 스위치(810B)에 연결된다. 송수신기(812A)는 안테나 스위치(810A)에 연결된다. 송수신기(812B)는 안테나 스위치(810B)에 연결된다. 이 경우, 안테나 스위치(810A-810B)는 안테나(501A-501B) 사이를 스위칭하지 않는다. 대신, 스위치들은 이 경우에 신호를 송신 또는 수신하기 위해 안테나에 대해 전력 증폭기(720) 또는 저잡음 증폭기(722)를 연결하는데 있어 송신과 수신 사이에서만 스위칭한다. 즉, 스위치(810A-810B)는 동일한 안테나를 통해 신호를 송신 또는 수신하기 위해 안테나에 대한 PA(720) 및 LNA(722)의 연결 사이를 토글하는데 사용된다.
도 9는 도 5에서 설명한 것과 같은 Car㏈us 인쇄 회로 기판에 대한 변형된 역-F 안테나의 입력 반사(return) 손실에 관한 그래프를 나타낸다. 도 5의 변형된 역-F 안테나(501A-501B)는 Car㏈us 플러그형 카드의 형성 인자를 기초로 3.5㎓ WiMAX 주파수 대역에 대해 설계된다.
곡선(901)은 안테나만의 입력 반사 손실을 나타낸다. 곡선(902)은 안테나 위에 레이돔이 조립된 안테나의 입력 반사 손실을 나타낸다.
레이돔은 종종 안테나를 커버하여 주변 엘리먼트들로부터 보호하는데 사용되는, 무선 주파수 방사에 투명한 껍질 또는 케이스이다. 도 13b는 플러그형 무선 어댑터 카드(1300B)의 안테나 부분(1315) 위의 레이돔(1316)을 나타낸다. 도 13a에서, 레이돔은 플러그형 USB 어댑터(1300A)의 안테나 부분(1305)을 포함하는 전체 인쇄 회로 기판을 덮는 케이스(1306)이다.
도 9의 입력 반사 손실 곡선(901, 902)을 비교하면, 변형된 역-F 안테나 위의 레이돔 존재는 자신의 정합 성능을 열화하지 않는다. 반면, 변형된 역-F 안테나 위의 레이돔 존재는 안테나의 정합 성능을 개선한다.
도 10 및 도 11을 참조하면, Car㏈us 안테나 설계에 대한 원거리장(far field) 방사 패턴의 차트가 설명된다. 도 10은 도 5에 나타낸 것과 같은 변형된 역-F 안테나들을 포함하는 Car㏈us 설계에 대한 수평면에서의 원거리장 방사 패턴의 차트를 나타낸다. 도 11은 도 5에 나타낸 변형된 역-F 안테나들을 포함하는 Car㏈us 설계에 대한 수직면에서의 원거리장 방사 패턴의 차트를 나타낸다.
도 5의 Car㏈us 안테나 설계는 이들 측정치를 얻는데 사용된다. 각 안테나는 방사 스터브와 동일한 바깥층에 형성된 접지된 공면 도파관 공급 라인을 이용하여 측정되었다. 변형된 역-F 안테나들을 포함하는 도 5의 Car㏈us 안테나 설계의 측정 및 계산된 이득은 실질적으로 3.1 데시벨(㏈)로 측정되었다.
도 12를 참조하면, 본 발명의 실시예들을 이용하는 가입자 유닛들을 갖는, 예를 들어 IEEE(Institute of Electronics and Electrical Engineers) 802.16 표준을 기반으로 하는 무선 통신 네트워크(1200)가 설명된다. 무선 통신 네트워크(1200)는 하나 이상의 기지국(BS)(1201) 및 하나 이상의 이동 또는 고정 가입자국(SS)(1204A-1204C)을 포함하여 이들 사이에 인터넷 프로토콜/공중 전화 교환망(IP/PSTN) 네트워크를 통해 음성 및 데이터 신호를 둘 다 전달한다. SS(1204A-1204C)는 일단 BS(1201)에 등록되면, 네트워크 구름(1203)에 접속된 BS를 통해 인터넷에 접속할 수 있다.
여기서 설명한 안테나들은 IEEE 802.11, IEEE 802.15, IEEE 802.16-2004, IEEE 802.16e 및 셀룰러 통신 표준에 따른 주파수 대역으로 동작하는 무선 통신 시스템에 사용되도록 설계된다. IEEE 802.16-2004 및 802.16e 표준은 각각 고정 및 이동 광대역 무선 액세스 시스템에 대한 에어 인터페이스를 기술하며, 이들은 MAN(Metropolitan Area Network) 또는 WAN(Wide Area Network)에 대한 것인 한편, 블루투스로 알려진 IEEE 802.15 및 대중들에게 Wi-Fi로 알려진 IEEE 802.11와 같은 무선 PAN(Personal Area Network) 및 무선 LAN(Local Area Network)에 대한 다른 표준들이 있다.
여기서 설명한 안테나들을 구비한 인쇄 회로 기판들은 가입자 유닛에 설계될 수도 있고 고정될 수도 있다. 대안으로, 여기서 설명한 안테나들을 구비한 인쇄 회로 기판들은 가입자 유닛에 플러그 접속되어 그 일부가 될 수도 있고 플러그 접속 해제되어 다른 가입자 유닛에 사용될 수도 있다. 즉, 여기서 설명한 안테나들을 구비한 인쇄 회로 기판들을 가진 무선 디바이스는 플러그 접속 가능할 수도 있다. 도 12에 의해 설명되는 무선 통신 시스템(1200)에서, 가입자국(1204A)은 플러그형 무선 어댑터(1210)를 포함한다.
도 13a-도 13b를 참조하면, 여기서 설명한 변형된 역-F 안테나들을 구비한 인쇄 회로 기판을 포함하는 플러그형 무선 디바이스들이 설명된다. 이들 플러그형 무선 디바이스들 및 이들의 안테나는 특히 WiMAX, 이동 WiMAX 및 무선 광대역(WiBro) 명세를 포함하는 IEEE 802.16 표준에 따라 가입자국들을 동작시키는데 유용하다.
도 13a는 가입자 유닛의 일부로서 사용하기 위한 변형된 역-F 안테나의 실시예들에 의한 인쇄 회로 기판(1304)을 포함하는 무선 범용 직렬 버스(USB) 어댑터(1300A)를 나타낸다. 어댑터(1300A)는 플러그형 라디오부(1301) 캡 부분(1302)을 포함한다. 플러그형 라디오(1301)는 한 단부에 안테나부(1305)를 갖고 다른 단부에 USB 커넥터(1303)를 갖는 인쇄 회로 기판(1304)을 포함한다. 라디오(1301)는 변형된 역-F 안테나를 포함하는 내부 인쇄 회로 기판(1304)을 덮는 케이스(1306)를 더 구비한다. 케이스(1306)는 무선 신호들에 투명하며 PCB(1304) 상에서 안테나를 보호하기 위한 레이돔 역할을 한다.
도 13b는 변형된 역-F 안테나의 실시예들에 의한 인쇄 회로 기판을 포함하는 다른 무선 카드 또는 어댑터를 나타낸다. 카드(1300B)는 한 단부에는 안테나부(1315)를 갖고 다른 단부에는 커넥터(1313)를 갖는 인쇄 회로 기판(1314)을 포함한다. 금속 케이스(1316A)가 PCB의 일부를 둘러싸는 한편, 레이돔 케이스(1316B)가 변형된 역-F 안테나들을 덮는다. 어댑터 또는 카드의 타입에 따라, 커넥터(1313)는 PCMCIA 커넥터, Car㏈us 커넥터 등과 같은 다양한 타입일 수 있다.
각 어댑터(1300A-1300B)는 무선 디바이스의 크기나 형태 인자에 매우 제한적이므로 이들은 휴대성이 매우 높다. 상술한 바와 같이 (때로는 PCB 상에 "인쇄 안테나"로서 "인쇄"되는 것으로 언급되는) 인쇄 회로 기판의 일부로서 형성되는 변형된 역-F 안테나는 이러한 작은 형태 인자 애플리케이션에 잘 맞는다.
도 14를 참조하면, 변형된 역-F 안테나들(501A-501B)을 갖는 인쇄 회로 기판(1401)을 포함하는 무선 카드(1400)의 기능 블록도가 설명된다. 무선 카드(1400)의 기능 블록도는 도 8을 참조로 상술한 MIMO 기저대역 ASIC(814)의 기능 블록도를 포함한다. MIMO 기저대역 ASIC(814)는 카드(1400)의 커넥터(1402)에 연결하기 위한 인터페이스를 갖는다. 커넥터(1400)는 무선 통신을 제공하기 위한 다양한 디지털 디바이스에 플러그 접속될 수 있다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따라 변형된 역-F 안테나를 형성하는 프로세스(1500)를 설명하는 흐름도이다.
시작시 프로세스(1500)는 제 1 표면을 갖는 제 1 금속층 위에 유전체 층을 형성한다(블록 1510). 다음에, 프로세스(1500)는 유전체 층 위에 제 2 금속층의 패턴을 형성하여 유전체 층의 일부인 유전체 창을 노출한다(블록 1520). 패턴은 방사 스터브 및 상기 방사 스터브와 간격을 둔 하나 이상의 접지 용량성 스터브를 갖는다. 하나 이상의 접지 용량성 스터브는 방사 스터브의 사이드 에지와 평행한 제 1 접지 플레이트의 제 1 에지로부터 돌출한다.
다음에, 프로세스(1500)는 하나 이상의 접지 용량성 스터브에 연결된 제 1 접지 플레이트를 형성한다(블록 1530). 제 1 접지 플레이트는 제 2 금속층의 일부이며 접지에 연결된다. 다음에, 프로세스(1500)는 방사 스터브 바닥에 연결된 제 1 단부를 가진 단축 레그를 형성한다(블록 1540). 단축 레그는 제 1 단부와 반대인 제 2 단부를 갖고 제 1 접지 플레이트에 연결된다. 그 다음, 프로세스(1500)는 단축 레그와 간격을 두고 떨어진 방사 스터브의 사이드 에지에 연결된 연장된 공급 스트립을 형성한다(블록 1550). 방사 스터브, 단축 레그 및 연장된 공급 스트립은 함께 연결되어 F자 모양을 형성한다.
다음에, 프로세스(1500)는 제 1 접지 플레이트와 간격을 두고 떨어진 제 2 접지 플레이트를 형성한다(블록 1560). 제 2 접지 플레이트는 접지 및 단축 레그의 제 1 단부와 마주하는 제 2 단부에 연결된다. 그 다음, 프로세스(1500)는 연장된 공급 스트립에 연결된 공급 라인을 형성한다(블록 1570). 공급 라인은 한 쌍의 갭을 형성하는 제 1 접지 플레이트 및 제 2 접지 플레이트와 간격을 둔 중앙 스트립을 갖는 접지된 공면 도파관이다. 그 다음, 프로세스(1500)가 종료한다.
프로세스(1500)는 변형된 역-F 안테나 회로를 형성하기 위한 대표적인 프로세스이다. 상술한 바와 같이 변형된 역-F 안테나 회로의 다양한 실시예를 형성하기 위해 추가 프로세스가 사용될 수도 있다.
본 발명은 여러 가지 실시예에 관해 설명되었지만, 당업자들은 발명이 설명한 실시예들에 한정되는 것이 아니라 첨부된 청구범위의 진의 및 범위 내에서 변형 및 수정하여 실시될 수 있는 것으로 인식할 것이다. 따라서 설명은 한정 대신 예시로서 간주해야 한다.

Claims (30)

  1. 장치로서,
    제 1 표면을 갖는 유전체 기판;
    상기 유전체 기판의 제 1 표면 상의 방사 스터브(radiating stub); 및
    접지에 연결하기 위한 상기 유전체 기판의 제 1 표면 상의 제 1 접지 플레이트를 포함하며, 상기 제 1 접지 플레이트는 상기 방사 스터브와 간격을 두고 떨어진 하나 이상의 접지 용량성 스터브들을 포함하고, 상기 하나 이상의 접지 용량성 스터브들은 성능 파라미터들을 조정하는, 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 접지 용량성 스터브들은 상기 방사 스터브의 사이드 에지와 평행하게 상기 제 1 접지 플레이트의 제 1 에지로부터 연장하는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 방사 스터브의 바닥에 연결된 제 1 단부를 가진 단축 레그; 및
    상기 단축 레그로부터 간격을 두고 상기 방사 스터브의 사이드 에지에 연결되는 연장된 공급 스트립을 더 포함하며;
    상기 방사 스터브, 상기 단축 레그 및 상기 연장된 공급 스트립은 F자 모양을 형성하도록 함께 연결되는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 단축 레그는 상기 제 1 접지 플레이트에 연결되는, 상기 제 1 단부 맞은 편의 제 2 단부를 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    접지에 연결하기 위한, 상기 제 1 접지 플레이트와 간격을 두고 떨어진 제 2 접지 플레이트를 더 포함하며, 상기 단축 레그는 상기 제 2 접지 플레이트에 연결되는, 상기 제 1 단부 맞은 편의 제 2 단부를 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 연장된 공급 스트립에 연결되는 공급 라인을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 공급 라인은 상기 제 1 접지 플레이트 및 상기 제 2 접지 플레이트와 간격을 두고 떨어진 중앙 스트립을 가져 한 쌍의 갭을 형성하는 접지된 등평면 도파관인 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 표면에 대향하는 상기 유전체 기판의 제 2 표면 상의 제 3 접지 플레이트를 더 포함하며, 상기 제 3 접지 플레이트는 접지에 연결되고, 상기 제 3 접지 플레이트는 상기 중앙 스트립과 상기 한 쌍의 갭 아래에 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 연장된 공급 스트립은 상기 제 1 표면에 대향하는 상기 유전체 기판의 제 2 표면 상의 제 2 금속층에 형성되고, 상기 공급 라인은 상기 연장된 공급 스트립에 연결되며 상기 유전체 기판의 제 2 표면 상의 제 2 금속층에 형성되는 마이크로스트립 라인인 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 연장된 공급 스트립과 상기 방사 스터브 사이에 연결된 상기 유전체 기판의 비아 홀 내에 금속 도체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 접지 플레이트는 상기 방사 스터브의 상부 에지로부터 간격을 두고 평행하게 떨어져 있는 상기 접지 플레이트의 제 1 에지에 수직인 제 2 에지를 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 접지 용량성 스터브들은 상기 제 1 접지 플레이트의 제 1 에지로부터 연장하며 상기 방사 스터브를 향하는 단일 접지 용량성 스터브이고, 상기 방사 스터브는 상기 방사 스터브의 상부 에지가 상기 단일 접지 스터브의 폭을 넘어 상기 제 1 접지 플레이트와의 공간으로 연장하도록 상기 단일 접지 용량성 스터브와 평행한 것을 특징으로 하는 장치.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 접지 용량성 스터브들은 상기 방사 스터브를 향하는 상기 제 1 접지 플레이트의 제 1 에지로부터 간격을 두고 평행하게 연장하는 제 1 접지 용량성 스터브 및 제 2 접지 용량성 스터브이고, 상기 방사 스터브는 상기 방사 스터브의 상부 에지가 상기 제 1 접지 용량성 스터브의 폭 및 상기 제 1 접지 용량성 스터브와 상기 제 2 접지 용량성 스터브 사이의 공간을 넘어 상기 제 2 접지 용량성 스터브의 폭의 중심점까지 연장하도록 상기 제 1 접지 용량성 스터브 및 상기 제 2 접지 용량성 스터브와 평행한 것을 특징으로 하는 장치.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 접지 플레이트는 상기 유전체 기판의 표면에 유전체 윈도우를 형성하며, 상기 유전체 윈도우는 상기 방사 스터브 및 상기 하나 이상의 접지 용량성 스터브들에 의해 잠식(encroach)되는 것을 특징으로 하는 장치.
  15. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 접지 플레이트 및 상기 제 2 접지 플레이트는 상기 유전체 기판의 표면에 유전체 윈도우를 형성하고, 상기 유전체 윈도우는 상기 방사 스터브 및 상기 하나 이상의 접지 용량성 스터브들에 의해 잠식되는 것을 특징으로 하는 장치.
  16. 방법으로서,
    제 1 표면을 갖는 제 1 금속층 상에 유전체 층을 형성하는 단계;
    상기 유전체 층의 일부인 유전체 윈도우를 노출하기 위해 상기 유전체 층 상에 제 2 금속층의 패턴을 형성하는 단계 - 상기 패턴은 방사 스터브 및 상기 방사 스터브와 간격을 두고 떨어진 하나 이상의 접지 용량성 스터브들을 가짐 -; 및
    상기 하나 이상의 접지 용량성 스터브들에 연결되며, 상기 제 2 금속층의 일부이고 접지에 연결되는 제 1 접지 플레이트를 형성하는 단계를 포함하는, 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 접지 용량성 스터브들은 상기 방사 스터브의 사이드 에지와 평행한 상기 제 1 접지 플레이트의 제 1 에지로부터 연장하는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 방사 스터브의 바닥에 연결된 제 1 단부를 가진 단축 레그를 형성하는 단계; 및
    상기 단축 레그로부터 간격을 두고 상기 방사 스터브의 사이드 에지에 연결되는 연장된 공급 스트립을 형성하는 단계를 더 포함하며;
    상기 방사 스터브, 상기 단축 레그 및 상기 연장된 공급 스트립은 F자 모양을 형성하도록 함께 연결되는 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 단축 레그는 상기 제 1 접지 플레이트에 연결되는, 상기 제 1 단부 맞은 편의 제 2 단부를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 제 16 항에 있어서,
    접지에 연결하기 위한, 상기 제 1 접지 플레이트와 간격을 두고 떨어진 제 2 접지 플레이트를 형성하는 단계를 더 포함하며, 상기 단축 레그는 상기 제 2 접지 플레이트에 연결되는, 상기 제 1 단부 맞은 편의 제 2 단부를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 제 18 항에 있어서,
    상기 연장된 공급 스트립에 연결되는 공급 라인을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 공급 라인은 상기 제 1 접지 플레이트 및 상기 제 2 접지 플레이트와 간격을 두고 떨어진 중앙 스트립을 가져 한 쌍의 갭을 형성하는 접지된 등평면 도파관인 것을 특징으로 하는 방법.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 제 1 표면에 대향하는 상기 유전체 기판의 제 2 표면 상에 제 3 접지 플레이트를 형성하는 단계를 더 포함하며, 상기 제 3 접지 플레이트는 접지에 연결되고, 상기 제 3 접지 플레이트는 상기 중앙 스트립과 상기 한 쌍의 갭 아래에 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 연장된 공급 스트립은 상기 제 1 표면에 대향하는 상기 유전체 기판의 제 2 표면 상의 제 2 금속층에 형성되고, 상기 공급 라인은 상기 연장된 공급 스트립에 연결되며 상기 유전체 기판의 제 2 표면 상의 제 2 금속층에 형성되는 마이크로스트립 라인인 것을 특징으로 하는 방법.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 연장된 공급 스트립과 상기 방사 스터브 사이에 연결된 상기 유전체 기판의 비아 홀 내에 금속 도체를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  26. 시스템으로서,
    기저대역 신호들을 처리하며, 송신 신호를 생성하고 수신 신호를 처리하는 기저대역 프로세서;
    상기 기저대역 프로세서에 연결되어 상기 송신 신호 및 상기 수신 신호를 처리하는 송수신기;
    상기 송수신기에 연결되어 상기 송신 신호와 상기 수신 신호 사이를 스위칭하는 스위치; 및
    상기 스위치에 연결되어 상기 송신 신호를 전송하고 상기 수신 신호를 수신하는 안테나 회로를 포함하며, 상기 안테나 회로는,
    제 1 표면을 갖는 유전체 기판,
    상기 유전체 기판의 제 1 표면 상의 방사 스터브, 및
    접지에 연결하기 위한 상기 유전체 기판의 상기 표면 상의 제 1 접지 플레이트를 포함하며, 상기 제 1 접지 플레이트는 상기 방사 스터브와 간격을 두고 떨어진 하나 이상의 접지 용량성 스터브들을 포함하고, 상기 하나 이상의 접지 용량성 스터브들은 성능 파라미터들을 조정하는, 시스템.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 접지 용량성 스터브들은 상기 방사 스터브의 사이드 에지와 평행하게 상기 제 1 접지 플레이트의 제 1 에지로부터 연장하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  28. 제 26 항에 있어서,
    상기 안테나 회로는,
    상기 방사 스터브의 바닥에 연결된 제 1 단부를 가진 단축 레그; 및
    상기 단축 레그로부터 간격을 두고 상기 방사 스터브의 사이드 에지에 연결되는 연장된 공급 스트립을 더 포함하며;
    상기 방사 스터브, 상기 단축 레그 및 상기 연장된 공급 스트립은 F자 모양을 형성하도록 함께 연결되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  29. 제 28 항에 있어서,
    상기 단축 레그는 상기 제 1 접지 플레이트에 연결되는, 상기 제 1 단부 맞은 편의 제 2 단부를 갖는 것을 특징으로 하는 시스템.
  30. 제 26 항에 있어서,
    상기 안테나 회로는 접지에 연결하기 위한, 상기 제 1 접지 플레이트와 간격을 두고 떨어진 제 2 접지 플레이트를 더 포함하며, 상기 단축 레그는 상기 제 2 접지 플레이트에 연결되는, 상기 제 1 단부 맞은 편의 제 2 단부를 갖는 것을 특징으로 하는 시스템.
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