KR20140138742A - 용량성 결합을 사용하는 유전체 슬롯 안테나 - Google Patents

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KR20140138742A
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톰슨 라이센싱
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Abstract

본 발명은 전자 디바이스, 예를 들어, 셋톱 박스를 위한 슬롯 안테나에 관한 것이다. 유전체 재료(310, 320, 330, 340, 350) 및 전극들(240, 360)을 포함하는 인쇄 회로 기판(210)은 디바이스의 금속 인클로저(110) 내의 직사각형의 슬롯(120)으로 연장되어, 전극들은 직사각형의 슬롯의 긴 치수의 대향 에지들 상의 위치들과 결합된다. 이 결합은 결합의 정도에 영향을 미치거나 또는 구동점 반사 손실(return loss)을 최적화시키기 위하여 용량적으로 될 수 있다. 슬롯 내의 유전체의 존재는 주어진 파장에 대해 보다 짧은 슬롯을 사용할 수 있다.

Description

용량성 결합을 사용하는 유전체 슬롯 안테나{DIELECTRIC SLOT ANTENNA USING CAPACITIVE COUPLING}
본 발명은 일반적으로 전자 디바이스를 위한 슬롯 안테나에 관한 것이다.
본 발명은 일반적으로 전자 디바이스를 위한 슬롯 안테나에 관한 것이다. 유전체 재료 및 전극들을 포함하는 인쇄 회로 기판은 디바이스의 금속 인클로저(metal enclosure) 내의 직사각형의 슬롯으로 연장되어, 전극들은 직사각형의 슬롯의 긴 치수의 대향 에지들 상의 위치들과 결합된다. 슬롯 내의 유전체의 존재는 주어진 파장에 대해 보다 짧은 슬롯을 사용할 수 있다.
본 섹션은 아래에서 설명하는 본 발명의 다양한 측면과 관련될 수 있는 기술의 다양한 관점들을 독자에게 소개하기 위한 것이다. 이러한 설명은 본 발명의 다양한 관점의 이해를 보다 용이하게 하기 위하여 배경 정보를 독자에게 제공하는 데 도움이 될 것으로 생각된다. 이에 따라, 이러한 관점에서 종래의 기술의 인정이 아닌 설명들을 판독해야 하는 것으로 이해되어야 한다.
텔레비전 및 텔레비전 셋톱 박스의 역할은 방송 콘텐츠의 제시를 넘어 확장된다. 이들 디바이스는 인터넷과 같은 콘텐츠의 다른 소스에 대한 포털로 진화하고, 가정을 위한 미디어 허브 역할을 하고 있다. 사용자는 모바일 컴퓨팅 디바이스에서 텔레비전 및 셋톱 박스와 상호 작용, 또는 이들을 제어할 수 있을 것으로 점점 더 기대한다. 이러한 기능을 제공하는 것은 네트워크 연결을 필요로 한다.
많은 가정에서, 텔레비전 또는 셋톱 박스는 근거리 네트워크 연결 및 인터넷 액세스를 가정에 제공하는 케이블 모뎀, DSL 모뎀 또는 다른 디바이스와 동일한 장소에 있지 않다. 대부분의 가정은 또한 텔레비전 또는 셋톱 박스와 네트워크 라우터 사이의 유선 네트워크 연결을 위한 적절한 배선이 부족하다. 따라서, 텔레비전 또는 셋톱 박스는 무선 네트워킹 기능을 갖는 것이 유리하다.
그러나, 무선 네트워킹은 텔레비전 또는 셋톱 박스에 비용과 복잡성을 부가한다. 부가적인 네트워킹 가전 부품 이외에, 하나 이상의 안테나가 또한 요구된다.
텔레비전 및 셋톱 박스는 이전에 각각 상당한 단점을 갖는 외부 및 내부 안테나 모두를 사용했다. 외부 안테나의 경우, 동축 케이블은 일반적으로 디바이스 인클로저 내의 전자 부품에 안테나를 연결하는 데 사용된다. 때때로 전자 부품은 또한 인쇄 또는 기타, 안테나를 구동하기 위해 인클로저 외부에 배치된다. 이러한 외부 안테나는 사용자의 환경에서 추가적인 비용, 추가적인 설치, 추가적인 복잡성 및 추가적인 혼란(clutter)을 요구하는 단점을 갖는다.
다른 구현은 내부 안테나를 사용한다. 이는 방사가 효과적으로 통과되게 하기 위해 디바이스 인클로저의 적어도 일부가 플라스틱으로 되어야 한다는 것을 일반적으로 요구한다. 이는 단가의 증가, 조립 비용의 증가, 및 디바이스의 무결성의 감소로 유도될 수 있다. 또한, 인클로저의 나머지 금속 부분, 또는 내부 안테나의 근방의 다른 금속은 방사 패턴의 이조(detuning) 또는 원치 않는 변형을 야기시킬 수 있다.
이는, 이전의 외부 및 내부 안테나들의 단점을 대부분 제거하지만, 동일한 기능을 제공하는 셋톱 박스에 사용하기 위해 저비용 기능 안테나를 구축하는 것이 문제이다. 본 명세서에 기재된 발명은 상기 및/또는 다른 문제점을 다룬다.
상술한 문제들을 해결하기 위하여, 전자 디바이스를 위한 슬롯 안테나를 개시한다. 유전체 재료 및 전극들을 포함하는 인쇄 회로 기판은 디바이스의 금속 인클로저 내의 직사각형의 슬롯에 연장되어, 전극들은 직사각형의 슬롯의 긴 치수의 대향 에지들 상의 위치와 결합된다. 슬롯 내의 유전체 존재는 주어진 파장에 대해 보다 짧은 슬롯을 사용할 수 있다.
본 발명의 상기 및 다른 관점들은 첨부 도면을 참조하여 상세하게 설명될 것이다. 본 발명에 따라, 직사각형의 슬롯을 포함하는 금속 인클로저; 유전체 재료를 포함하는 인쇄 회로 기판; 및 인쇄 회로 기판에 통합된 두 개의 전극을 포함하는 장치를 제공하며, 유전체 재료를 포함하는 인쇄 회로 기판의 일부는 금속 인클로저 내의 직사각형의 슬롯으로 연장되어, 전극들이 직사각형의 슬롯의 긴 치수의 대향 에지 상의 위치들과 결합될 수 있다.
본 발명에 따라, 유전체 재료 및 전극들을 포함하는 인쇄 회로 기판은 디바이스의 금속 인클로저 내의 직사각형의 슬롯으로 연장되어, 전극들이 직사각형의 슬롯의 긴 치수의 대향 에지들 상의 위치들과 결합되며, 이러한 결합은 결합의 정도에 영향을 미치거나 구동점 반사 손실(return loss)을 최적화하기 위하여 용량적으로 될 수 있으며, 슬롯 내의 유전체의 존재는 주어진 파장에 대해 보다 짧은 슬롯을 사용할 수 있다.
도 1은 슬롯 안테나를 포함하는 셋톱 박스 시스템의 외관도;
도 2는 유전체 슬롯 안테나의 다이어그램; 및
도 3은 텔레비전 셋톱 박스의 유전체 슬롯 안테나의 측면도이다.
본 발명의 상기 언급 및 다른 특징과 장점, 및, 이들을 달성하는 방식은 첨부한 도면과 함께 보다 더 명백하게 될 것이며, 본 발명은 본 발명의 실시예의 다음 설명을 참조하여 보다 용이하게 이해될 것이다.
본 명세서에 제시된 예시들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하며, 이러한 예시들은 어떤 방식으로든 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다.
본 명세서에 설명된 것처럼, 본 발명은 전자 디바이스용 슬롯 안테나를 제공한다. 유전체 재료 및 전극들을 포함하는 인쇄 회로 기판은 디바이스의 금속 인클로저(metal enclosure) 내의 직사각형 슬롯으로 연장되어, 전극들이 직사각형 슬롯의 긴 치수의 대향 에지들 상의 위치들과 결합된다. 슬롯 내의 유전체의 존재는 주어진 파장에 대해 보다 짧은 슬롯을 사용할 수 있다.
본 발명은 바람직한 설계를 갖는 것으로 설명되었지만, 본 발명은 본 공개의 사상 및 범위 내에서 또한 변경될 수 있다. 따라서, 본 출원은 일반적인 원리를 사용하여 본 발명의 임의의 변형, 사용, 또는 적응을 포함하는 것으로 의도된다. 또한, 본 출원은, 본 발명이 속하고 첨부된 청구 범위의 제한 내에 해당하는 기술 분야에서 공지 또는 관행 내에 있는 것으로서 본 공개로부터 그와 같은 변화를 커버하는 것으로 의도된다.
본 발명은 무선 주파수 송신 또는 수신을 필요로 하는 텔레비전 셋톱 박스, 텔레비전, 컴퓨팅 디바이스, 또는 다른 전자 디바이스에서 구현될 수 있다.
도 1은 셋톱 박스 시스템(100)의 다이어그램이다. 셋톱 박스(100)는 슬롯(120)을 갖는 금속 하우징(110)을 포함한다. 셋톱 박스(100)의 전면 패널은, 예를 들어, 사용자 컨트롤뿐만 아니라 디스플레이 또는 다른 상태 표시기를 포함할 수 있다. 도시하지 않은 후면 패널은, 예를 들어, 비디오, 오디오, 및 네트워킹 접속을 위한 커넥터를 포함할 수 있다. 금속 하우징(110)은, 예를 들어, 동조 회로, 마이크로프로세서, 메모리, 전원, 및 하드 드라이브를 포함하는 다양한 구성 요소들을 내장할 수 있다.
슬롯(120)의 적당한 길이는 관심의 송신 파장에 의해 결정된다. 무선 홈 네트워킹은 2.4 GHz 및 5 GHz가 공통 주파수이다. 블루투스® 표준을 사용하는 개인 영역 네트워크 (PAN)는 2.4 GHz에서 또한 동작할 수 있다.
오픈 슬롯으로, 전자기 방사는 약 c의 속도를 가질 것이다. 2.4 GHz의 신호의 파장은 다음과 같이 계산된다.
Figure pct00001

특정 파장에서 송신 또는 수신을 위해 의도된 종래의 슬롯 안테나는 그 파장의 절반의 길이를 갖는다. 이에 따라, 2.4 GHz를 위해 의도된 슬롯 안테나는 0.125 m 파장의 절반, 또는 62.5 mm와 동일한 길이를 가질 것이다.
62.5 mm의 길이가 대형 디바이스에서 실현 가능하지만, 슬롯 설계, 비용, 및 구조적인 이유로 인하여 슬롯이 보다 작게 되는 것이 바람직할 수 있다. 슬롯내의 유전체의 존재는 파의 파장을 짧게 하고, 이에 의해 슬롯 안테나의 요구된 길이를 줄일 것이다.
유전체의 존재에 있어서, 전자기 방사의 속도는 다음과 같이 감소될 것이다.
Figure pct00002
여기서, εr은 유전체의 상대 유전율이다. 따라서, 슬롯내의 유전체로, 2.4GHz의 결과 파장은 다음과 같이 결정된다.
Figure pct00003

예를 들어, 4의 상대 유전율(εr)은 신호의 파장을 절반까지 감소시킬 것이다. 이에 따라, 슬롯의 요구된 길이는 절반으로 감소될 것이다. 안테나 전자 제품을 포함하는 전자 인쇄 회로 기판(PCB)은, 본 발명에 따라 설계될 때, 슬롯 안테나 유전체로서 역할을 할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예의 평면도를 예시한다. PCB(210) 상의 발룬(220)은 공급 라인(230)을 통해 상단 전극(240)에 연결되고, 도시하지 않은 제 2 공급 라인을 통해 PCB(210)의 대향 표면 상에, 도시하지 않은 제 2 전극에 연결된다. 발룬(220)은 안테나를 셋톱 박스의 다른 회로에 연결하기 위해 사용되는 커넥터(250)에 언밸런스 라인(260)을 통해 연결된다. 바람직한 실시예에 있어서, 커넥터(250)는 동축 커넥터이다, 일부 실시예에 있어서, 커넥터는 초소형 버전 A(SubMiniature version A)(SMA) 커넥터가 될 수 있다. 다른 요소들 및 연결들은 PCB(210)의 예시된 부분 또는 다른 부분들에 존재할 수 있다. PCB(210)는 STB(100)의 금속 하우징(110) 내의 슬롯 (120)에 삽입된다.
예시된 실시예에 있어서, PCB(210)는 기본적으로 안테나 기능의 지원으로 제한된다. 다른 실시예에 있어서, PCB(210)는 다양한 기능을 포함하는 보다 큰 PCB일 수 있고, 커넥터(250)는 필요하지 않을 수도 있다.
바람직한 실시예에 있어서, 50, 100, 또는 200 Ω과 같은 임피던스용 발룬 변압기가 사용될 수 있다. 예를 들어, 50 Ω 발룬을 사용하는 한 실시예에서 사용하기 위한 가능한 발룬은 Anaren® Model BD2425J5050A00가 될 수 있다. 슬롯에 관련된 전극(240)의 위치는 선택된 임피던스로 변화할 것이다. 50 Ω 발룬을 사용하는 한 실시예에 있어서, 전극들은 인쇄 회로 기판의 에지 및 슬롯의 에지로부터 약 3.125 mm로 배치될 것이다. 본 기술에 공지된 임피던스 정합 네트워크는 발룬에서 임피던스가 50 Ω에 충분히 가깝지 않은 경우 사용될 수 있을 것이다.
도 3은 도 2의 장치의 측면도의 예시를 도시한 도면이다. 본 예시된 실시예에서의 PCB(210)는 유전체 기판 층(310, 320, 330, 340, 및 350)을 포함한다. PCB(210)는 STB(100)의 금속 하우징(110)의 슬롯(120)에 삽입된다. 예시된 실시예에 있어서, 제 1 및 제 2 전극(240 및 360)은 PCB(210)의 상단 및 하단 표면에 각각 위치된다. 전극들(240 및 360)은 구리로 프린트될 수 있으며, 슬롯에 대한 결합 메커니즘으로서 동작한다. 일부 실시예에 있어서, 솔더 마스크 층은 전극들(240 및 360)과 슬롯 에지 사이의 유전체로서 동작할 수 있다.
도 2에 도시된 것처럼, PCB(210) 상의 발룬(220)은 공급 라인(230)을 통해 상단 전극(240)에 접속되고, 도시하지 않은 제 2 공급 라인을 통해 PCB(210)의 대향 표면 상의 하단 전극(360)에 접속된다. 발룬(220)은 셋톱 박스의 다른 회로에 안테나를 연결하는데 사용되는 커넥터(250)에 연결된다.
슬롯 안테나의 구동 점에 직접 연결되는 밸런스 라인 대신에, 밸런스 라인은 용량적으로 결합된다. 이러한 결합은, 바람직한 실시예에 있어서, 안테나에 의해 사용되는 주파수에서 무시 가능한 임피던스를 갖는다. 안테나의 설계는 기판과 안테나 사이의 결합 효율을 최대화시키도록 적응될 수 있다. 예를 들어, 다층 PCB를 사용하면, 제 1 및 제 2 전극(240 및 360)은 PCB(210)의 얇은 내부층에 위치될 수 있고, 결합은 더 증가한다. 금속 전극(240) 위의 PCB 층은 유전체로서 동작하고, 여기되는 슬롯의 지점과 전극 사이의 용량을 변경시킨다. 전극(240 및 360)의 형상은 변경되어 결합의 레벨에 영향을 줄 수 있다. 설계의 선택은 또한 안테나를 구동하는 전자 부품에 대한 구동점 반사 손실과 안테나의 방사 효율을 최적화시키도록 만들어질 수 있다.
한 양호한 실시예에 있어서, PCB(210)는 약 0.118 mm, 0.13 mm, 0.41 mm, 0.13 mm, 및 0.118 mm의 두께와 약 3.99, 3.91, 4.07, 3.91, 및 3.99의 유전체 상수를 각각 갖는 5개의 유전체 층(310, 320, 330, 340, 및 350)을 포함할 것이다. 따라서, 양호한 실시예에 있어서, 평균 상대 유전율은 다음과 같이 될 것이다.
Figure pct00004

상술한 것처럼, 슬롯의 유전체에 대한 4의 상대 유전율은 신호의 파장을 절반으로 감소시키는 효과가 있으며, 이에 의해, 필요한 슬롯의 길이를 절반으로 감소시킨다.
PCB(210)는, 금속 인클로저에 의해, 신호 전파 경로를 제공하는 커넥터와 슬롯(l20)만을 감쌀 수 있다. 임의의 수의 라디에이터가 모노폴, 다이폴 또는 나선형 안테나와 같은 PCB(210)의 표면에 인쇄될 수 있는 구조를 제공할 것이다. 슬롯을 통하여 전파를 허용하면서 안테나의 뒤를 완전히 커버한 캐비티는 방사를 다시 제한하는 바람직한 장점을 갖고, 슬롯의 방향으로 보다 큰 지향성을 제공할 것이다. 보다 많은 무지향성 커버리지의 일부 경우에 있어서, 캐비티는 사용되지 않게 되어, PCB의 슬롯이 없는 방향으로부터 증가된 방사의 결과를 나타낸다. 측면상의 결합의 뒷면에서 비아(vias)는 그 방사을 차단하는데 매우 효과적이지 못하다. 이 마지막 경우에, 캐비티는 또한 신호의 고조파에 매우 반사적이도록 계산될 수 있고, 이에 따라, 대역 통과 필터로서 동작한다. 송신기의 대부분의 구현은 고조파를 제거하기 위해 일부 저역 통과 필터를 갖는다. 이 마지막 경우는 그들 구성 요소를 제거한다.
본 발명이 특정 실시예의 관점에서 설명되었지만, 본 발명의 범위 내에서 변경안이 이루어질 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 셋톱 박스 기능은 별도의 인클로저 내에 또는 텔레비전 디스플레이 디바이스 자체의 인클로저 내에 내장될 수 있다. 따라서, 텔레비전 디바이스의 인클로저의 슬롯은 또한 안테나로서 사용될 수 있다. 슬롯 길이의 서로 다른 감소는 PCB의 서로 다른 유전체 재료의 사용을 통해 달성될 수 있다. 서로 다른 슬롯 형상은 2.4 GHz 및 5.8GHz와 같은 다중 주파수에서 수신할 수 있도록 사용될 수 있다. 또한, 안테나의 서로 다른 개수는 통신 기술에 적절할 때 조합될 수 있다.
100: 셋톱 박스 110: 금속 하우징
120: 슬롯 210: PCB
220: 발룬 230: 공급 라인
240: 상단 전극 360: 하단 전극
250: 커넥터

Claims (21)

  1. 장치로서,
    직사각형의 슬롯을 포함하는 금속 인클로저;
    유전체 재료를 포함하는 인쇄 회로 기판; 및
    인쇄 회로 기판에 통합된 두 개의 전극을 포함하고,
    유전체 재료를 포함하는 인쇄 회로 기판의 일부는 금속 인클로저 내의 직사각형의 슬롯으로 연장되어, 전극들이 직사각형의 슬롯의 긴 치수의 대향 에지 상의 위치들과 결합되는, 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    전극들은 직사각형의 슬롯의 긴 치수의 대향 에지들 상의 위치들과 용량적으로 결합되는, 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    전극들에 연결된 발룬(balun)을 더 포함하는, 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    발룬은 인쇄 회로 기판의 표면에 장착되는, 장치.
  5. 제 3 항에 있어서,
    발룬에 연결된 무선 주파수 트랜시버를 더 포함하는, 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    무선 주파수 트랜시버는 슬롯을 안테나로서 사용하여 통신하도록 동작하는, 장치.
  7. 제 5 항에 있어서,
    무선 주파수 트랜시버는 약 2.4GHz 또는 5GHz 중 적어도 하나에서 동작하는, 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    인쇄 회로 기판은 다층 인쇄 회로 기판인, 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    전극들은 다층 인쇄 회로 기판의 내부 층들에 형성되는, 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    슬롯 길이는 약 31.25 mm 이고, 전극들은 인쇄 회로 기판의 에지로부터 약 3.125 mm에 배치되는(50 Ω 설계), 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    슬롯 길이는 약 31.25 mm 이고, 전극들은 인쇄 회로 기판의 에지로부터 약 6.25 mm에 배치되는(100 Ω 설계), 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    슬롯 길이는 약 31.25 mm 이고, 전극들은 인쇄 회로 기판의 에지로부터 약 12.5 mm에 배치되는(200 Ω 설계), 장치.
  13. 제 1 항에 있어서,
    슬롯 높이는 약 0.9 mm인, 장치.
  14. 제 1 항에 있어서,
    직사각형의 슬롯으로 연장되는 인쇄 회로 기판의 일부는 직사각형의 슬롯을 실질적으로 채우는, 장치.
  15. 제 1 항의 장치를 포함하는 텔레비전 셋톱 박스 시스템.
  16. 셋톱 박스로서,
    직사각형의 슬롯를 포함하는 금속 인클로저;
    인쇄 회로 기판;
    인쇄 회로 기판에 통합된 두 개의 전극에 연결된 발룬; 및
    무선 주파수 트랜시버를 포함하고,
    인쇄 회로 기판의 일부는 슬롯으로 연장되어, 전극들이 슬롯의 긴 치수의 대향 에지들과 용량적으로 결합되고,
    상기 무선 주파수 트랜시버는 상기 발룬 및 상기 전극들을 포함하는 신호 경로에 의해 구동되는 안테나로서 상기 직사각형의 슬롯을 사용하여 신호를 송신 및 수신하도록 동작하는, 셋톱 박스.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 무선 주파수 트랜시버는 약 2.4GHz 또는 5GHz 중 적어도 하나에서 동작하는, 셋톱 박스.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 무선 주파수 트랜시버는 직사각형의 슬롯을 안테나로서 사용하여 무선 주파수 원격 제어로부터 신호를 수신하도록 동작하는, 셋톱 박스.
  19. 제 16 항에 있어서,
    상기 무선 주파수 트랜시버는 직사각형의 슬롯을 안테나로서 사용하여 무선 라우터에 신호를 송신하고, 무선 라우터로부터 신호를 수신하도록 동작하는, 셋톱 박스.
  20. 전자 디바이스에서의 통신 방법으로서,
    무선 주파수 트랜시버로 신호를 생성하는 단계;
    유전체 재료를 포함하는 인쇄 회로 기판 상의 전극들에 신호를 전송하는 단계를 포함하고,
    인쇄 회로 기판의 일부는 전자 디바이스의 금속 하우징의 슬롯으로 연장되어, 전극들이 슬롯을 안테나로서 사용하기 위하여 슬롯의 긴 치수의 대향 에지들과 용량적으로 결합되는, 전자 디바이스에서의 통신 방법.
  21. 제 20 항에 있어서,
    전자 디바이스는 텔레비전 셋톱 박스를 포함하는, 전자 디바이스에서의 통신 방법.
KR1020147026074A 2012-03-20 2012-03-20 용량성 결합을 사용하는 유전체 슬롯 안테나 KR20140138742A (ko)

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