KR20150140796A - 다중 대역 안테나 - Google Patents

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KR20150140796A
KR20150140796A KR1020157032100A KR20157032100A KR20150140796A KR 20150140796 A KR20150140796 A KR 20150140796A KR 1020157032100 A KR1020157032100 A KR 1020157032100A KR 20157032100 A KR20157032100 A KR 20157032100A KR 20150140796 A KR20150140796 A KR 20150140796A
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KR1020157032100A
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도미니끄 로 이네 똥
필립쁘 미나르
장-루크 로버트
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톰슨 라이센싱
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Abstract

본 발명은 다중 대역 안테나와 관련된다. 이러한 안테나는 기판, 및 특정 주파수 대역들에서 공진하는 PIFA들과 같은 복수의 안테나를 갖는 적어도 하나의 도전층을 포함한다. 안테나들은 소형 안테나를 달성하도록 캐스케이드된다. 제1 안테나는 제1 방사 요소(30), 상기 제1 방사 요소에 접속된 제1 피드 요소(31), 및 제1 접지 귀환 요소(32)를 포함하고, 제2 안테나는 제2 방사 요소(20), 상기 제2 방사 요소에 접속된 제2 피드 요소(21), 및 제2 접지 귀환 요소(22)를 포함한다. 접지 평면(10)이 제1 또는 제2 안테나와 동일한 층에 인쇄된다.

Description

다중 대역 안테나{MULTI-BAND ANTENNA}
본 발명은 일반적으로 무선 통신 시스템들을 위한, 예를 들어 홈 네트워킹 장치들 또는 이동 장치들을 위한 다중 대역 안테나에 관한 것이다.
게이트웨이 및 셋톱 박스와 같은 홈 네트워킹 장치들은 더욱더 많은 무선 표준에 적합한 것이 필요하다. 이러한 표준들은 예를 들어 2.4 GHz 및 5 GHz 대역에서 동작하는 WLAN(Wireless Local Area Network), 2.4 GHz 대역에서 동작하는 블루투스 및 RF4CE(Radio Frequency For Consumer Electronics), 1900 MHz에서 동작하는 DECT(Digital Enhanced Cordless telecommunications), 및 UHF 및 L 대역들에서 동작하는 LTE(Long Term Evolution)이다.
복수의 무선 표준에 적합한 장치들에 대한 이러한 요구는 필요한 안테나들의 수를 증가시키고, 이어서 장치들의 비용을 증가시킨다. MIMO 시스템들의 요구도 안테나들의 수를 증가시킨다. n차 MIMO 시스템들의 경우, n개의 안테나가 필요하다. 게다가, RF4CE 또는 DECT 시스템들과 같은 시스템들에 대한 방사 다이버시티의 요구도 이러한 증가에 기여한다.
이러한 다중 대역 무선 시스템들에 대해 상이한 안테나 아키텍처들이 가능하다. 도 1a 내지 도 1c는 3개의 가능한 안테나 아키텍처를 나타낸다.
도 1a는 각각의 필요한 대역에 대해 특정 단일 대역 안테나 및 특정 필터를 포함하는 제1 안테나 아키텍처를 나타낸다. 이러한 해법은 각각의 안테나와 각각의 필터 사이에 커넥터를 필요로 하므로 매우 비용이 많이 든다.
도 1b는 각각의 필요한 대역에 대해 단일 광대역 안테나 및 특정 필터를 포함하는 제2 안테나 아키텍처를 나타낸다. 이러한 아키텍처에서는, 안테나가 양호하게 임피던스 매칭되는 주파수 대역이 다중 대역 시스템의 모든 주파수 대역들을 커버해야 한다. 신호들을 상이한 필터들 및 관련 송수신기들로 지향시키기 위해 멀티플렉서가 사용된다. 이러한 해법은 하나의 커넥터 및 하나의 멀티플렉서만을 필요로 하므로 비교적 싸다. 그러나, 목표 주파수 대역폭에 따라서는, 이러한 종류의 안테나의 설계는 매우 어려울 수 있으며, 크기와 성능(반사 손실, 이득, 효율 등) 간의 절충 해법을 필요로 할 수 있다. 게다가, 광대역 안테나는 그의 광대역 이득으로 인해 EMI 문제를 증가시킬 수 있다.
도 1c는 각각의 필요한 대역에 대해 다중 대역 안테나 및 특정 필터를 포함하는 제3 안테나 아키텍처를 나타낸다. 이러한 종류의 안테나의 경우, 안테나 반사 손실 응답은 다중 대역이다. 이것은 안테나가 목표 주파수 대역들에서만 양호하게 매칭된다는 것을 의미한다. 이러한 해법은 하나의 커넥터 및 하나의 멀티플렉서만을 사용하므로 저비용 해법이다.
본 발명은 위의 사항을 고려하여 이루어졌다.
발명의 요약
본 발명의 제1 양태에 따르면, 적어도 하나의 도전층을 갖는 기판 - 상기 적어도 하나의 도전층은 접지부를 포함함 -; 제1 방사 요소, 상기 제1 방사 요소에 접속된 제1 피드 요소(31), 및 상기 제1 방사 요소 및 상기 접지부에 접속된 제1 접지 귀환 요소(32) - 상기 제1 방사 요소(30) 및 상기 제1 피드 요소(31)는 상기 접지부로부터 가로로 오프셋되고, 상기 제1 방사 요소(30), 상기 제1 피드 요소(31) 및 상기 제1 접지 귀환 요소(32)는 제1 주파수 대역에서 공진하는 제1 안테나를 형성하도록 배열됨 -; 제2 방사 요소(20), 상기 제2 방사 요소에 접속된 제2 피드 요소(21), 및 상기 제2 방사 요소(20), 상기 제1 접지 귀환 요소(32) 및 상기 접지부(10)에 접속된 제2 접지 귀환 요소(22) - 상기 제2 방사 요소(20), 상기 제2 피드 요소(21) 및 상기 제2 접지 귀환 요소(22)는 제2 주파수 대역에서 공진하는 제2 안테나를 형성하도록 배열됨 -를 포함하고, 상기 제2 방사 요소의 길이(L20)는 상기 제1 방사 요소의 길이(L30)와 다르고, 상기 제2 방사 요소(20) 및 상기 제2 피드 요소(21)는 상기 제1 방사 요소(30) 및 상기 제1 피드 요소(31)로부터 가로로 오프셋되고, 상기 제1 피드 요소는 링크에 의해 상기 제2 피드 요소에 접속되며, 따라서 상기 제2 방사 요소는 상기 제1 피드 요소를 통해 공통 피딩 포트(80)에 접속되는 다중 대역 안테나가 제공된다.
제1 안테나 및/또는 제2 안테나는 평면 형태로, 예로서 인쇄 평면 안테나로서 제공될 수 있다. 본 발명의 일부 실시예들에서, 제1 및/또는 제2 안테나는 예를 들어 반전 F 안테나(PIFA)로서 형성될 수 있다.
일부 실시예들에서, 기판은 기판에 의해 서로 분리된 제1 도전층 및 제2 도전층을 구비하고, 접지부 및 제1 안테나는 제1 도전층 내에 제공되고, 제2 안테나는 제2 도전층 내에 제공된다.
2개의 안테나는 예를 들어 상부 도전층 및 하부 도전층을 갖는 기판 상에 형성된다. 제1 안테나의 방사 요소 및 피드 요소는 상부 도전층 내에 제공될 수 있으며, 제2 PIFA의 방사 요소 및 피드 요소는 하부 도전층 내에 제공된다.
제2 피드 요소는 바람직하게는 제2 도전층 내에 인쇄된 마이크로스트립 라인에 의해 그리고 비아 홀과 같은 관통 접속을 통해 제1 피드 요소에 접속되며, 상기 마이크로스트립 라인은 제1 방사 요소 아래 또는 위에 배열된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 접지 귀환 요소는 비아 홀과 같은 관통 접속에 의해 접지부에 접속된다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제2 접지 귀환 요소는 비아 홀과 같은 상기 관통 접속에 의해 제1 접지 귀환 요소에 접속된다.
본 발명의 특정 실시예에서, 제1 방사 요소는 직선 도전성 라인 내에 형성된다.
다른 실시예에서, 제1 방사 요소는 제1 및 제2 연속 부분들을 포함하고, 제2 부분은 제1 부분에 수직이다.
본 발명의 특정 실시예에서, 제1 방사 요소의 길이는 제2 방사 요소의 길이보다 크며, 따라서 제2 주파수 대역은 제1 주파수 대역보다 높다.
본 발명의 특정 실시예에서, 링크는 예로서 하나 이상의 인덕터 및/또는 커패시터와 같은 전자 컴포넌트들을 포함한다.
본 발명의 특정 실시예에서, 제1 피드 요소는 예로서 하나 이상의 인덕터 및/또는 커패시터와 같은 전자 컴포넌트들을 포함한다.
본 발명의 특정 실시예에서, 제2 피드 요소는 예로서 하나 이상의 인덕터 및/또는 커패시터와 같은 전자 컴포넌트들을 포함한다.
유리하게, 제1 피드 요소의 길이 및 폭은 제1 안테나의 임피던스를 제1 피드 요소에 접속된 무선 주파수 회로의 임피던스와 매칭시키도록 정의된다.
유리하게, 제1 피드 요소는 커패시터와 직렬로 캐스케이드된 인덕터를 통해 무선 주파수 회로에 접속되고, 인덕터의 인덕턴스는 제2 안테나와 무선 주파수 회로의 임피던스 매칭을 달성하도록 결정되고, 커패시터의 용량은 제1 안테나와 무선 주파수 회로의 임피던스 매칭을 달성하도록 결정된다.
본 발명의 일 실시예는 또한 2개보다 많은 주파수 대역을 포함하는 다중 대역 안테나와 관련된다.
따라서, 본 발명의 특정 실시예에서, 안테나는 제1 및 제2 도전층들 사이에 배열된 기판의 제3 도전층을 더 포함하고, 상기 제3 도전층은 제3 방사 요소, 상기 제3 방사 요소에 접속된 제3 피드 요소, 및 상기 제3 방사 요소 및 상기 접지부에 접속된 제3 접지 귀환 요소를 포함하고, 상기 제3 방사 요소의 길이는 상기 제1 및 제2 방사 요소들의 길이들과 다르고, 상기 제3 방사 요소 및 상기 제3 피드 요소는 상기 제1 및 제2 방사 요소들, 상기 제1 및 제2 피드 요소들 및 상기 접지부로부터 가로로 오프셋된다. 상기 제3 방사 요소, 상기 제3 피드 요소 및 상기 제3 접지 귀환 요소는 제3 주파수 대역에서 공진하는 인쇄 반전 F 안테나와 같은 제3 안테나를 실질적으로 형성하도록 배열된다.
이러한 안테나에서는, 안테나 예로서 PIFA가 기판에 부착된 3개의 도전층 각각에 인쇄된다.
특정 실시예에 따르면, 제1 피드 요소, 제2 피드 요소 및 제3 피드 요소는 피드 포트에 접속된다. 예를 들어, 제2 피드 요소는 제2 도전층에 인쇄된 제1 마이크로스트립 라인 및 비아 홀과 같은 적어도 하나의 관통 커넥터에 의해 제3 피드 요소에 접속되고, 상기 제1 마이크로스트립 라인은 상기 제3 방사 요소 아래 또는 위에 배열되고, 상기 제1 피드 요소는 상기 제3 도전층에 인쇄된 제2 마이크로스트립 라인 및 적어도 하나의 관통 커넥터에 의해 제3 피드 요소에 접속되고, 상기 제2 마이크로스트립 라인은 제1 방사 요소의 아래 또는 위에 배열된다.
본 발명의 다른 실시예에서, 상기 제1 및 제2 도전층들 중 하나는 제3 방사 요소, 상기 제3 방사 요소에 접속된 제3 피드 요소, 및 상기 제3 방사 요소 및 상기 접지부에 접속된 제3 접지 귀환 요소를 더 포함하고, 상기 제3 방사 요소의 길이는 상기 제1 및 제2 방사 요소들의 길이들과 다르고, 상기 제3 방사 요소 및 상기 제3 피드 요소는 상기 제1 및 제2 방사 요소들, 상기 제1 및 제2 피드 요소들 및 상기 접지부로부터 가로로 오프셋된다. 상기 제3 방사 요소, 상기 제3 피드 요소 및 상기 제3 접지 귀환 요소는 제3 주파수 대역에서 공진하는 인쇄 반전 F 안테나와 같은 제3 안테나를 형성하도록 배열된다.
이러한 실시예에서, 도전층들 중 적어도 하나는 적어도 2개의 안테나를 포함한다.
본 발명의 추가 양태는 본 발명의 임의의 실시예에 따른 다중 대역 안테나를 포함하는 무선 통신용 전자 장치를 제공한다. 전자 장치는 예를 들어 게이트웨이 장치 또는 셋톱 박스일 수 있다.
본 발명의 일반적인 실시예에서, 다중 대역 안테나는 예를 들어 하나 이상의 기판 층에 의해 중첩 및 분리되는 PIFA들과 같은 인쇄 평면 안테나들을 포함하는 복수의 안테나로부터 형성된다.
본 발명의 실시예들은 예를 들어 도 1c의 아키텍처에 따라 사용될 수 있는 다중 대역 안테나를 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 소형 저가 다중 대역 안테나가 제공될 수 있으며, 다중 대역 안테나는 복수의 단일 대역 안테나의 성능과 동등한 성능을 가질 수 있다.
이제, 아래의 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들이 단지 예시적으로 설명된다. 도면들에서:
이미 설명된 도 1a 내지 도 1c는 다중 대역 시스템들에 대한 안테나 아키텍처의 예들을 개략적으로 도시한다.
도 2는 종래 기술의 PIFA의 개략도이다.
도 3은 본 발명에 따른 이중 대역 안테나의 제1 실시예의 개략도이다.
도 4는 도 3의 안테나의 제1 방사 요소 및 제1 피드 요소를 나타내는 도 3의 부분도이다.
도 5는 도 3의 안테나의 제2 방사 요소 및 제2 피드 요소를 나타내는 도 3의 부분도이다.
도 6은 도 3의 요소들 간의 거리들을 나타내는 도 3의 부분도이다.
도 7은 본 발명에 따른 이중 대역 안테나의 제2 실시예를 개략적으로 나타낸다.
도 8은 본 발명에 따른 이중 대역 안테나의 제3 실시예를 개략적으로 나타낸다.
도 9는 본 발명에 따른 이중 대역 안테나의 제4 실시예를 개략적으로 나타낸다.
도 10은 본 발명에 따른 이중 대역 안테나의 제5 실시예를 개략적으로 나타낸다.
도 11은 WLAN 2.4 GHz 및 5 GHz 대역들에서 동작하는 도 7에 도시된 바와 같은 이중 대역 안테나의 반사 손실을 그래프로 나타낸다.
도 12 및 도 13은 각각 WLAN 2.4 GHz 및 5 GHz 대역들에서 동작하는 도 7에 도시된 바와 같은 이중 대역 안테나에 대해 2.4 GHz 대역에서의 그리고 5 GHz 대역에서의 이득을 그래프로 나타낸다.
도 14 및 도 15는 각각 WLAN 2.4 GHz 및 5 GHz 대역들에서 동작하는 도 7에 도시된 바와 같은 이중 대역 안테나에 대해 2.4 GHz 대역에서의 그리고 5 GHz 대역에서의 안테나 효율을 그래프로 나타낸다.
도 16 및 17은 각각 WLAN 2.4 GHz 및 5 GHz 대역들에서 동작하는 도 7에 도시된 바와 같은 이중 대역 안테나에 대해 2.45 GHz 및 5.5 GHz에서의 3D 방사 패턴을 나타낸다.
도 18 및 19는 각각 WLAN 2.4 GHz 및 5 GHz 대역들에서 동작하는 도 7에 도시된 바와 같은 이중 대역 안테나에 대해 2.45 GHz의 주파수 및 5.5 GHz의 주파수에서의 전류 분포들을 나타낸다.
도 20은 본 발명에 따른 3-대역 안테나의 제1 실시예의 개략도이다.
도 21은 도 20의 부분도이다.
도 22는 본 발명에 따른 3-대역 안테나의 제2 실시예의 개략도이다.
도 23은 본 발명에 따른 이중 대역 안테나의 추가 실시예의 개략도이다.
본 명세서에서 설명되는 예들은 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명하며, 그러한 예들은 어떠한 방식으로도 본 발명의 범위를 한정하는 것으로 해석되지 않아야 한다.
본 발명의 일부 실시예들에서는, PIFA들과 같은 복수의 안테나를 포함하는 다중 대역 안테나가 제공된다. 도 2는 단일 PIFA의 예시적인 설계를 나타낸다.
도 2의 특정 실시예에서, PIFA 안테나는 2개의 도전성 금속층: 피드 요소(F), 방사 요소(R) 및 접지 귀환 요소(GR)가 상부에 인쇄되는 (해칭 라인 내의) 상층, 및 접지부 또는 접지 평면(G)이 상부에 인쇄되는 하층을 갖는 기판 상에 인쇄된다.
방사 요소(R)는 기본적으로 직사각형 라인으로 구성된다. 이 방사 요소는 그의 길이를 줄이기 위해 굽을 수도 있다. 이 요소의 길이(L0)는 안테나의 목표 대역폭의 중심 주파수에서의 파장의 1/4과 실질적으로 동일하다.
방사 요소(R)는 한 단부에서는 개방되고, 나머지 단부에서는 접지 귀환 요소(GR) 및 비아 홀들(H)에 의해 접지부(G)에 단락된다. 방사 요소 및 피드 요소는 접지부(G)로부터 가로로 오프셋된다.
방사 요소(R)는 방사 요소에 수직으로 배열된 피드 요소(F)에 의해 피딩되며, 이들 양 요소는 접지 귀환 요소(GR)와 함께 접지 평면의 수직 에지와 더불어 일종의 반전 F 형상을 형성한다. 이러한 기술 분야에서, PIFA는 실질적으로 반전된 F 형상을 갖는 안테나 또는 실질적으로 T 형상을 갖는 안테나를 지시한다.
안테나의 목표 성능을 달성하기 위해 아래와 같이 여러 파라미터가 조정된다.
- 피드 요소(L)와 접지부(G)의 수직 에지 사이의 갭(d1), 피드 요소 폭(W0), 및 방사 요소(R)와 접지 평면의 수평 에지 사이의 갭(d2)은 안테나를 목표 임피던스에 매칭시켜, 필요한 반사 손실 레벨을 충족시키도록 정의된다.
- 방사 요소(R)의 길이(L0) 및 폭(W0), 및 방사 요소의 단부(E1)와 접지부의 우측 수직 에지 간의 갭(d3)은 목표 대역폭 및 방사 성능(효율, 이득)을 달성하도록 정의된다.
본 발명의 특정 실시예에 따르면, 서로 위에 적층되는 복수의 PIFA에 기초하는 다중 대역 안테나가 제안된다.
도 3 내지 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 이중 대역 안테나를 나타낸다.
단일 PIFA와 관련하여, 이중 대역 안테나는 2개의 도전성 금속층: 기판의 상면에 부착되는 (해칭 라인 내의) 상층 및 기판의 하면에 부착되는 하층을 갖는 기판 상에 형성된다. 하층은 접지부(10)를 포함한다.
방사 요소(30), 피드 요소(31) 및 접지 귀환 요소(32)가 상층에 인쇄된다. 방사 요소(30) 및 피드 요소(31)는 접지부(10)로부터 가로로 오프셋된다. 방사 요소(30)는 접지 귀환 요소(32) 및 비아 홀들(60)에 의해 접지부(10)에 접속되는 단부를 갖는다. 방사 요소(30)의 나머지 단부는 개방된다. 피드 요소(31)는 방사 요소(30)에 수직으로 접속된다. 피드 요소(31)의 자유 단부는 피드 포트(80)에 접속된다.
이 실시예에서, 방사 요소(30)는 2개의 연속적인 직사각형 부분, 즉 제1 부분(30A) 및 부분(30A)에 수직인 제2 부분(30B)을 포함한다.
방사 요소(30), 피드 요소(31) 및 접지 귀환 요소(32)는 제1 주파수 대역(B1)에서 공진하는 제1 안테나를 형성하도록 배열된다. 이 예에서, 제1 안테나는 실질적으로 제1 인쇄 반전 F 안테나로서 형성된다. 방사 요소(30)의 길이(L30)는 λ1/4와 실질적으로 동일하며, 여기서 λ1은 대역(B1)의 중심 주파수에서의 파장이다.
본 발명의 일 실시예에서, 하층은 또한 제2 주파수 대역(B2)에서 공진하는 제2 안테나를 형성하는 방사 요소(20), 피드 요소(21) 및 접지 귀환 요소(22)를 포함한다. 접지 귀환 요소(22)는 접지부(10)의 일부이다. 접지부(10)는 도면들에서 점들(점들을 갖는 영역)로 표시된다. 방사 요소(20) 및 피드 요소(21)는 상층의 방사 요소(30) 및 피드 요소(31)로부터 가로로 오프셋된다.
이 실시예에서, 피드 요소들(21, 31)은 하층에 인쇄된 마이크로스트립 라인(50) 형태의 링크 요소를 통해 그리고 기판을 통과하는 관통 접속에 의해 함께 접속된다. 이 예에서, 관통 접속은 비아 홀(70)이다. 이러한 방식으로, 2개의 피드 요소(21, 31)는 동일 피드 포트(80)에 접속된다. 구체적으로, 제2 방사 요소(20)는 제1 방사 요소(30)의 피드 요소를 통해 공통 피드 포트(80)에 접속된다.
본 발명의 특정 실시예에 따르면, 방사 요소(20), 피드 요소(21) 및 접지 귀환 요소(22)는 제2 주파수 대역(B2)에서 공진하는 제2 인쇄 반전 F 안테나를 실질적으로 형성하도록 배열된다. 방사 요소(20)의 길이(L20)는 λ2/4와 실질적으로 동일하며, 여기서 λ2는 대역(B2)의 중심 주파수에서의 파장이다.
이러한 특정 배열은 2개의 캐스케이드된 안테나를 제공하며, 이들은 본 예에서 PIFA들을 형성하고, 이들의 기능은 비교적 서로 무관하다. 각각의 안테나는 나머지 안테나와 무관하게 최적화될 수 있다. 주파수 대역(B1)에서 공진하는 제1 안테나의 파라미터들은 아래의 값들에 작용함으로써 조정될 수 있다:
- 방사 요소(30)의 폭(W30) 및 길이(L30);
- 피드 요소(31)의 폭(W31);
- 접지부(10)의 제1 수직 에지와 피드 요소(31) 간의 거리(d11); 이 거리는 도 6에 도시됨;
- 접지부(10)의 수평 에지와 방사 요소(30)의 부분(30A) 간의 거리(d12); 이 거리는 도 6에 도시됨;
- 접지부(10)의 제2 수직 에지와 방사 요소(30)의 부분(30B) 간의 거리(d13); 이 거리는 도 6에 도시됨.
같은 방식으로, 주파수 대역(B2)에서 공진하는 제2 안테나의 파라미터들은 아래의 값들에 작용함으로써 조정될 수 있다:
- 방사 요소(20)의 폭(W20) 및 길이(L20);
- 피드 요소(21)의 폭(W21);
- 마이크로스트립 라인(50)의 폭(W50);
- 접지부(10)의 제1 수직 에지와 피드 요소(21) 간의 거리(d21); 이 거리는 도 6에 도시됨;
- 방사 요소(20)와 방사 요소(30)의 부분(30A) 간의 거리(d22); 이 거리는 도 6에 도시됨;
- 방사 요소(20)의 개방 단부와 방사 요소(30)의 부분(30B) 간의 거리(d23); 이 거리는 도 6에 도시됨.
본 실시예에서, 주파수(B1)에서 공진하는 PIFA의 길이(L30)는 주파수(B2)에서 공진하는 PIFA의 길이(L20)보다 크며, 따라서 주파수 대역(B1)은 대역(B2)보다 낮다.
이 실시예에서, 방사 요소(30), 피드 요소(31) 및 접지 귀환 요소(32)에 의해 구성되는 PIFA는 하위 대역 PIFA를 형성하고, 방사 요소(20), 피드 요소(21) 및 접지 귀환 요소(22)에 의해 구성되는 PIFA는 상위 대역 PIFA를 형성한다.
피드 요소(31)의 폭(W33), 거리(d11) 및 길이(L31)는 주파수 대역(B1)에서 공진하는 PIFA의 임피던스를 피드 포트에 접속된 무선 주파수 회로의 임피던스와 매칭시키도록 정의된다.
피드 요소(31)의 폭(W31) 및 길이(L31)는 피드 요소(21)의 폭(W21) 및 길이(L21), 마이크로스트립 라인(50)의 폭(W50) 및 거리(d21)와 함께 주파수 대역(B2)에서 공진하는 PIFA의 임피던스를 피드 포트에 접속된 무선 주파수 회로의 임피던스와 매칭시키도록 정의된다.
도 7에 도시된 바람직한 실시예에서, 피드 포트(80)는 커패시터(27)와 직렬로 캐스케이드된 인덕터(26)를 통해 무선 주파수 회로에 접속되고, 인덕터(26)의 인덕턴스는 상위 대역(대역 B2)에서 공진하는 PIFA와 무선 주파수 회로의 임피던스 매칭을 달성하도록 결정되며, 커패시터(27)의 용량은 하위 대역(대역 B1)에서 공진하는 PIFA와 무선 주파수 회로의 임피던스 매칭을 달성하도록 결정된다.
제1 실시예들의 변형들이 도 8 내지 10에 도시된다.
도 8에 도시된 변형에서, 방사 요소(30)는 비교적 직선으로 형성되고 부분(30B)의 반대쪽에서 중앙 부분(30A)에 수직으로 접속된 제3의 가늘고 긴 부분(30C)을 포함하며, 부분들(30B, 30C)은 반대 방향으로 연장한다. 비아 홀들(35)이 부분 C의 자유 단부에 배치된다.
일 변형에서, 방사 요소(30)는 비교적 직선으로 형성되지 않을 수 있으며, 예를 들어 방사 요소는 만곡부들을 형성하는 복수의 직선부를 포함할 수 있다.
도 9에 도시된 다른 변형에서, 방사 요소(30)는 단일 직선부를 포함한다.
도 10에 도시된 다른 변형에서는, 예를 들어 상위 주파수 대역에서 더 좁은 대역폭을 달성하기 위해 하층 내에 슬롯(11)이 에칭된다.
이러한 이중 대역 안테나는 예를 들어 WLAN 이중 대역 2.4/5GHz 안테나일 수 있다. 이러한 안테나는 예를 들어 1.2mm의 두께를 갖는 FR-4 기판 상에 인쇄된다. 이 경우, 240x142 mm2의 PCB 크기 상에 22x8 mm2의 이중 대역 PIFA 크기를 달성하는 것이 가능하다.
그러한 안테나의 성능은 HFSS(상표) 3D-EM 시뮬레이션 도구에 의해 시뮬레이션되었으며, 아래에 제공된다. 시뮬레이션된 이중 대역 안테나는 그의 입력에 0.7 pF의 커패시터(27)와 캐스케이드된 2.5 nH의 인덕터(26)를 포함한다.
이러한 안테나의 성능은 도 11 내지 19에 도시된다. 도 11은 반사 손실 레벨들이 양 대역 [2.4GHz-2.5GHz] 및 [5.15 GHz-5.85GHz]에서 일반적으로 요구되는 레벨(-10dB)보다 낮다는 것을 보여준다.
도 12 및 도 13은 시뮬레이션된 이득이 2.4 GHz 및 5 GHz 각각에서 상당한 레벨, 즉 약 4dBi 및 5dBi에 있다는 것을 보여준다.
도 14 및 도 15는 안테나가 양 주파수 대역에서 높은 효율, 즉 약 80-85%의 효율을 갖는다는 것을 보여준다.
도 16 및 도 17은 2.45 GHz 및 5.5 GHz 각각에서의 3D 방사 패턴을 나타낸다. 그들은 방사가 주로 정면을 향하는 단일 대역 PIFA를 나타낼 수 있는 것과 유사하다.
도 18 및 도 19는 2.45 GHz 및 5.5 GHz 각각에서의 전류 분포들을 나타낸다. 도 18은 상위 대역에서 공진하는 방사 요소(20)가 전혀 활성화되지 않는다는 것을 나타내며, 그에 따라 이 요소가 2.4 GHz 대역에서 매우 투명하다는 것을 나타낸다. 5.5 GHz의 더 높은 대역에서 안테나를 여기시킬 때, 도 19는 방사 요소(20)가 공진하는 반면에 방사 요소(30)는 그를 둘러싸는 접지 평면과도 같이 잔여 전류를 구동한다는 것을 보여준다.
캐스케이드된 안테나들의 이러한 토폴로지는 2개보다 많은 주파수 대역을 갖는 다중 대역 안테나로 확장될 수 있다. 예를 들어, 이것은 도 20 및 21에 도시된 바와 같은 3-대역 안테나를 설계하는 데 사용될 수 있다.
도 20 및 21의 안테나는 다층 기판 및 3개의 중첩된 도전층을 포함하며, 이들 도전층 각각은 기판 층에 의해 인접 도전층으로부터 분리된다. 이들 도전층은 하층, 중간층 및 상층으로서 정의된다. 하층은 접지부(10)를 포함한다.
도 3의 이중 대역 안테나에 비해, 도 20 및 21의 안테나는 중간층에 인쇄된 B1 및 B2와 다른 주파수 대역(B3)에서 공진하는, 예를 들어 PIFA 안테나로서 형성된 추가 안테나를 포함한다.
상층은 방사 요소(30), 피드 요소(31) 및 접지 귀환 요소(32)로 구성되는 제1 PIFA를 포함한다. 하층은 방사 요소(20), 피드 요소(21) 및 접지 귀환 요소(22)로 구성되는 제2 PIFA를 포함한다. 그리고, 중간층은 방사 요소(40), 피드 요소(41) 및 접지 귀환 요소(42)로 구성되는 제3 PIFA를 포함한다.
도 3의 이중 대역 안테나와 관련하여, 방사 요소(30)는 접지 귀환 요소(32) 및 비아 홀들(60)에 의해 접지부(10)에 접속된다. 방사 요소(40)는 접지 귀환 요소(42) 및 비아 홀들(61)에 의해 접지부(10)에 접속된다. 접지 귀환 요소(22)는 상기 비아 홀들(61)에 의해 접지 귀환 요소(42)에 접속된다.
피드 요소(21)는 하층에 인쇄된 마이크로스트립 라인(50a) 및 비아 홀들(70a)에 의해 피드 요소(41)에 접속되며, 피드 요소(41)는 중간층에 인쇄된 마이크로스트립 라인(50b) 및 비아 홀들(70b)에 의해 피드 요소(31)에 접속된다.
이 실시예에서는 방사 요소(20)의 길이가 방사 요소(30)의 길이보다 작은 방사 요소(40)의 길이보다 작으므로, 방사 요소(30)는 더 낮은 주파수 대역에서 공진하고, 방사 요소(40)는 중간 주파수 대역에서 공진하며, 방사 요소(20)는 더 높은 주파수 대역에서 공진한다.
캐스케이드된 PIFA들의 토폴로지는 n-대역 안테나들로 확장될 수 있다. 이러한 실시예에서, 각각의 도전층은 단일 PIFA를 포함한다. 도 22에 도시된 3-대역 안테나의 일 변형에서, 도전층들 중 하나는 2개의 PIFA를 포함한다. 3-대역 안테나는 2개의 도전층, 즉 하층 및 상층만을 포함한다. 방사 요소(20), 피드 요소(21) 및 접지 귀환 요소(22)로 구성되는 PIFA는 하층에 인쇄되며, 방사 요소들(30, 40), 피드 요소들(31, 41) 및 접지 귀환 요소들(32, 42)로 구성되는 2개의 다른 PIFA는 상층에 인쇄된다.
도 20의 3-대역 안테나와 관련하여, 방사 요소(30)는 접지 귀환 요소(32) 및 비아 홀들(60)에 의해 접지부(10)에 접속된다. 방사 요소(40)는 접지 귀환 요소(42) 및 비아 홀들(61)에 의해 접지부(10)에 접속된다. 이들 요소는 상층에 형성된다.
하층에 형성된 방사 요소(20), 피드 요소(21) 및 접지 귀환 요소(22)는 방사 요소(40)와 방사 요소(30) 사이에 배치된다.
접지 귀환 요소(22)는 접지부(10)에 직접 접속된다.
피드 요소(41)는 상층에 인쇄된 마이크로스트립 라인(51) 및 비아 홀들(71)에 의해 피드 요소(21)에 접속되며, 피드 요소(21)는 하층에 인쇄된 마이크로스트립 라인(50) 및 비아 홀들(70)에 의해 피드 요소(31)에 접속된다.
이전 실시예들에서는 제2 안테나의 피드 요소를 제1 안테나의 피드 요소에 접속하는 링크 요소가 마이크로스트립 라인을 포함하지만, 본 발명의 다른 실시예들에서 링크 요소의 적어도 일부는 예를 들어 하나 이상의 인덕터 및/또는 커패시터와 같은 하나 이상의 전자 컴포넌트로 구성될 수 있다. 더욱이, 제1 및/또는 제2 피드 요소의 적어도 일부는 하나 이상의 그러한 전자 컴포넌트로 구성될 수 있다.
도 23은 인덕터 및/또는 커패시터와 같은 하나 이상의 전자 컴포넌트가 링크 요소(50)에 의해 제1 피드 요소(31)의 경로를 따라 제공되는 본 발명의 일 실시예를 나타낸다. 이 예에서, 링크 요소(50)는 방사 요소(30)로부터 제1 피드 요소(31)의 구간(312)을 따라 연장한다. 하나 이상의 인덕터 및/또는 커패시터가 피드 요소(31)의 구간(312)과 중첩되는 링크 요소(50)의 부분 상에 포함된다. 이러한 방식으로, 제1 피드 라인이 제1 방사 요소(30) 전에 적응된다.
그러한 구성은 예를 들어 주파수 대역폭이 넓어서 방사 요소에 대한 안테나의 적응이 제1 방사 요소 전에 피드 라인 상에서 행해질 수 있는 LTE 응용에서 적용될 수 있다. 다른 실시예들에서, 전자 컴포넌트들은 피드 요소(31) 상에 제공될 수 있다.
따라서, 복수의 무선 기능을 갖는 전자 장치가 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 대역 안테나를 구비할 수 있다. 전자 장치는 예를 들어 상이한 무선 표준들에 따라 동작하는 게이트웨이 장치, 셋톱 박스 또는 이동 무선 장치일 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 다중 대역 안테나의 이러한 토폴로지는 아래의 장점들을 제공한다.
- 그의 간결성은 PCB 내의 다수의 안테나에 의해 점유되는 표면적의 감소를 가능하게 한다.
- 크기 감소는 PCB 비용의 감소를 가능하게 한다.
- 그의 간결성에도 불구하고, 달성되는 성능은 다중 단일 안테나 성능에 필적한다.
- 마케팅 시간의 감소를 가능하게 하는 목표 성능을 달성하도록 설계를 최적화하기 위한 쉬운 방법이다.
본 발명은 위에서 특정 실시예들을 참조하여 설명되었지만, 본 발명은 특정 실시예들로 한정되지 않으며, 본 발명의 범위 내에 속하는 변경들이 이 분야의 기술자에게 명백할 것이다.
예를 들어, 위의 예들은 인쇄 반전 F 안테나(PIFA)와 관련하여 설명되었지만, 본 발명은 다른 적절한 형상의 안테나들에 적용될 수 있다는 것을 알 것이다.
더욱이, 설명된 실시예들은 기판의 개별 도전층들 상에, 예를 들어 대향 표면들 상에 제공되는 안테나 요소들과 관련되지만, 본 발명의 대안 실시예들에서는 복수의 안테나가 기판의 동일 표면 상에 제공될 수 있다는 것을 알 것이다.
첨부된 청구항들에 의해서만 결정되는 본 발명의 범위를 한정하는 것을 의도하는 것이 아니라 단지 예시적으로 제공되는 전술한 실시예들을 참조할 때 많은 추가 변경들 및 변형들이 이 분야의 기술자들에게 암시될 것이다. 구체적으로, 상이한 실시예들로부터의 상이한 특징들이 적절한 경우에 교환될 수 있다.

Claims (17)

  1. 다중 대역 안테나로서,
    적어도 하나의 도전층을 갖는 기판 - 상기 적어도 하나의 도전층은 접지부(10)를 포함함 -;
    제1 방사 요소(30), 상기 제1 방사 요소에 접속된 제1 피드 요소(31), 및 상기 제1 방사 요소 및 상기 접지부에 접속된 제1 접지 귀환 요소(32) - 상기 제1 방사 요소(30) 및 상기 제1 피드 요소(31)는 상기 접지부로부터 가로로 오프셋되고, 상기 제1 방사 요소(30), 상기 제1 피드 요소(31) 및 상기 제1 접지 귀환 요소(32)는 제1 주파수 대역에서 공진하는 제1 안테나를 형성하도록 배열됨 -;
    제2 방사 요소(20), 상기 제2 방사 요소에 접속된 제2 피드 요소(21), 및 상기 제2 방사 요소(20), 상기 제1 접지 귀환 요소(32) 및 상기 접지부(10)에 접속된 제2 접지 귀환 요소(22) - 상기 제2 방사 요소(20), 상기 제2 피드 요소(21) 및 상기 제2 접지 귀환 요소(22)는 제2 주파수 대역에서 공진하는 제2 안테나를 형성하도록 배열됨 -
    를 포함하고,
    상기 제2 방사 요소의 길이(L20)는 상기 제1 방사 요소의 길이(L30)와 다르고, 상기 제2 방사 요소(20) 및 상기 제2 피드 요소(21)는 상기 제1 방사 요소(30) 및 상기 제1 피드 요소(31)로부터 가로로 오프셋되고, 상기 제1 피드 요소는 링크(50)에 의해 상기 제2 피드 요소에 접속되며, 그에 따라 상기 제2 방사 요소는 상기 제1 피드 요소를 통해 공통 피딩 포트(80)에 접속되는 다중 대역 안테나.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 상기 기판에 의해 서로 분리된 제1 도전층 및 제2 도전층을 구비하고, 상기 접지부 및 상기 제1 안테나는 상기 제1 도전층 내에 제공되고, 상기 제2 안테나는 상기 제2 도전층 내에 제공되는 다중 대역 안테나.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 링크는 상기 제2 도전층에 인쇄된 마이크로스트립 라인(50)을 포함하고, 적어도 하나의 관통 커넥터(70)에 의해 상기 제1 도전층에 접속되며, 상기 마이크로스트립 라인은 상기 제1 방사 요소의 아래 또는 위에 배열되는 다중 대역 안테나.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 접지 귀환 요소(32)는 적어도 하나의 관통 커넥터(60)에 의해 상기 접지부(10)에 접속되는 다중 대역 안테나.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제2 접지 귀환 요소(22)는 상기 적어도 하나의 관통 커넥터(60)에 의해 상기 제1 접지 귀환 요소(32)에 접속되는 다중 대역 안테나.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 방사 요소(30)는 직선 도전성 라인인 다중 대역 안테나.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 방사 요소는 제1 및 제2의 연속적인 직선 부분들(30B, 30A)을 포함하고, 상기 제2 부분(30A)은 상기 제1 부분(30B)에 수직인 다중 대역 안테나.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 방사 요소(30)의 길이(L30)는 상기 제2 방사 요소(20)의 길이(L20)보다 크며, 그에 따라 상기 제2 주파수 대역은 상기 제1 주파수 대역보다 높은 다중 대역 안테나.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 피드 요소(31)의 길이(L31) 및 폭(W31)은 상기 제1 안테나의 임피던스를 상기 제1 피드 요소에 접속된 무선 주파수 회로의 임피던스와 매칭시키도록 정의되는 다중 대역 안테나.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 피드 요소(31)는 커패시터(27)와 캐스케이드된 인덕터(26)를 통해 상기 무선 주파수 회로에 접속되고, 상기 인덕터의 인덕턴스는 상기 제2 안테나와 상기 무선 주파수 회로의 임피던스 매칭을 달성하도록 결정되고, 상기 커패시터의 용량은 상기 제1 안테나와 상기 무선 주파수 회로의 임피던스 매칭을 달성하도록 결정되는 다중 대역 안테나.
  11. 제2항에 있어서,
    제1 및 제2 도전층들 사이에 배열된 상기 기판의 제3 도전층을 더 포함하고, 상기 제3 도전층은 제3 방사 요소(40), 상기 제3 방사 요소에 접속된 제3 피드 요소(41), 및 상기 제3 방사 요소(40) 및 상기 접지부(10)에 접속된 제3 접지 귀환 요소(42)를 포함하고, 상기 제3 방사 요소의 길이(L40)는 상기 제1 및 제2 방사 요소들의 길이들(L30, L20)과 다르고, 상기 제3 방사 요소(40) 및 상기 제3 피드 요소(41)는 상기 제1 및 제2 방사 요소들(30, 20), 상기 제1 및 제2 피드 요소들(31, 21) 및 상기 접지부(10)로부터 가로로 오프셋되며;
    상기 제3 방사 요소(40), 상기 제3 피드 요소(41) 및 상기 제3 접지 귀환 요소(42)는 제3 주파수 대역에서 공진하는 제3 안테나를 형성하도록 배열되는 다중 대역 안테나.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 피드 요소(31), 상기 제2 피드 요소(21) 및 상기 제3 피드 요소(41)는 피드 포트(80)에 접속되는 다중 대역 안테나.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제2 피드 요소(21)는 상기 제2 도전층에 인쇄된 제1 마이크로스트립 라인(50a) 및 적어도 하나의 관통 커넥터에 의해 상기 제3 피드 요소(41)에 접속되고, 상기 제1 마이크로스트립 라인은 상기 제3 방사 요소(40) 아래 또는 위에 배열되고, 상기 제1 피드 요소(31)는 상기 제3 도전층에 인쇄된 제2 마이크로스트립 라인(50b) 및 적어도 하나의 관통 커넥터에 의해 상기 제3 피드 요소(41)에 접속되고, 상기 제2 마이크로스트립 라인은 상기 제1 방사 요소(30)의 아래 또는 위에 배열되는 다중 대역 안테나.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 도전층들 중 하나는 제3 방사 요소(40), 상기 제3 방사 요소에 접속된 제3 피드 요소(41), 및 상기 제3 방사 요소(40) 및 상기 접지부(10)에 접속된 제3 접지 귀환 요소(42)를 더 포함하고, 상기 제3 방사 요소의 길이(L40)는 상기 제1 및 제2 방사 요소들의 길이들(L30, L20)과 다르고, 상기 제3 방사 요소(40) 및 상기 제3 피드 요소(41)는 상기 제1 및 제2 방사 요소들(30, 20), 상기 제1 및 제2 피드 요소들(31, 21) 및 상기 접지부(10)로부터 가로로 오프셋되며,
    상기 제3 방사 요소(40), 상기 제3 피드 요소(41) 및 상기 제3 접지 귀환 요소(42)는 제3 주파수 대역에서 공진하는 제3 F 안테나를 형성하도록 배열되는 다중 대역 안테나.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 안테나, 상기 제2 안테나 및/또는 상기 제3 안테나는 반전 F 안테나로서 형성되는 다중 대역 안테나.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 피드 요소, 상기 제2 피드 요소 및/또는 상기 링크 중 적어도 일부는 하나 이상의 전자 컴포넌트를 포함하는 다중 대역 안테나.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항의 다중 대역 안테나를 포함하는 무선 통신용 전자 장치.
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