WO2018217061A1 - 안테나 및 안테나를 포함하는 무선 통신 장치 - Google Patents

안테나 및 안테나를 포함하는 무선 통신 장치 Download PDF

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WO2018217061A1
WO2018217061A1 PCT/KR2018/005971 KR2018005971W WO2018217061A1 WO 2018217061 A1 WO2018217061 A1 WO 2018217061A1 KR 2018005971 W KR2018005971 W KR 2018005971W WO 2018217061 A1 WO2018217061 A1 WO 2018217061A1
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slot elements
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metal layer
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알렉산드로브나 셰펠레바엘레나
알렉산드로비치 예프츄시킨겐나지이
세르게예비치 루키야노프안톤
유리예비치 니키쇼프아르템
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삼성전자 주식회사
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    • H01Q21/24—Combinations of antenna units polarised in different directions for transmitting or receiving circularly and elliptically polarised waves or waves linearly polarised in any direction
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    • H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/0485—Dielectric resonator antennas

Definitions

  • Various embodiments of the present disclosure relate to an antenna and an antenna including an antenna in a wireless communication network.
  • a 5G communication system or a pre-5G communication system is called a after 4G network communication system or a post-LTE system.
  • 5G communication systems are being considered for implementation in the ultra-high frequency (mmWave) band (e.g., 60 gigabyte (60 GHz) band).
  • mmWave ultra-high frequency
  • MIMI massive multi-input multi-output
  • I / O full-dimensional multi-input
  • FD-MIMO Full dimensional MIMO
  • array antenna analog beam-forming, and large scale antenna techniques are discussed.
  • 5G communication systems have advanced small cells, advanced small cells, cloud radio access network (cloud RAN), ultra-dense network (ultra-dense network) Device to device communication (D2D), wireless backhaul, moving network, cooperative communication, coordinated multi-points, and interference cancellation
  • cloud RAN cloud radio access network
  • ultra-dense network ultra-dense network
  • D2D Device to device communication
  • wireless backhaul moving network
  • cooperative communication coordinated multi-points
  • interference cancellation interference cancellation
  • ACM advanced coding modulation
  • SWM hybrid FSK and QAM modulation
  • SWSC sliding window superposition coding
  • FBMC filter bank multi carrier
  • SAP NOMA Non-orthogonal multiple access
  • SCMA sparse code multiple access
  • Next-generation standards should allow users to spend as little time as possible finding the information they want on the Internet. For this reason, fifth generation standards can operate at millimeter wavelengths.
  • US8760352 B2 (published 4 October 2005) describes a mobile device and its antenna array, which covers end-fire (of the telephone plane) and broadside orientation (orthogonal to the telephone plane).
  • a low profile antenna with interleaved TX / RX antenna elements is disclosed. This solution is not easy to implement in a mobile device with a metal case because the electromagnetic wave can be distorted by the metal case.
  • US3225351 (published December 21, 1965) also relates to a vertically deflected microstrip antenna for a glide path system, which discloses a traveling wave antenna array for guiding a plane to the landing.
  • This approach may not be easy to implement in mobile communication technology despite the use of similar principles. The reason is that it does not use the ability to scan space, so it cannot be implemented in a mobile device with a metal frame. Also, the antenna size of this scheme is 2-3 wavelengths larger than the developed scheme.
  • a wireless communication device having an antenna array to obtain an effective radiation direction in a wireless communication device can be provided.
  • a wireless communication device includes a housing, a dielectric substrate fixed in the housing, and a dielectric cover on the dielectric substrate, wherein the dielectric substrate is a multi-layer printed circuit and the multi-layer printing.
  • a slot antenna array configured, wherein one or a plurality of even slot elements of the plurality of first slot elements are configured to deviate in line with one or a plurality of odd slot elements on the metal layer, and the plurality of second slots
  • One or multiple even-numbered slot elements of the elements may comprise one or multiple odd-numbered slots on the metal layer. It may be configured so as to escape from the cattle and the straight line.
  • An antenna for a wireless communication device may include a dielectric substrate including a multi-layer printed circuit, a metal layer covering an upper surface of the multi-layer printed circuit, and a top of the metal layer included in the dielectric substrate.
  • the present disclosure not only can provide an antenna radiation pattern, increase the scanning range, but also reduce the signal loss while increasing the radiation in the preset direction of the millimeter range antenna, which is essentially a communication Will improve performance.
  • 1 is a diagram illustrating radiation directions from an antenna of a communication device.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an array of slot radiators of an antenna array on a top view of a communication device, according to various embodiments.
  • FIG 3 is a side view illustrating a communication device having an antenna array according to various embodiments of the present disclosure.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating an example of implementing passive reflection slots in a communication device according to various embodiments of the present disclosure.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating an implementation example of a slot antenna array and passive reflective slots in combination with a metal reflective screen, when the antenna is located under a back cover of a device according to various proposed embodiments.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a graph of a gain versus a radiation direction in an antenna unit according to various embodiments of the present disclosure.
  • the expression “A or B”, “at least one of A or / and B” or “one or more of A or / and B” may include all possible combinations of items listed together.
  • “A or B”, “at least one of A and B” or “at least one of A or B” includes (1) at least one A, (2) at least one B, or (3) may refer to a case including both at least one A and at least one B.
  • Expressions such as “first,” “second,” “first,” or “second,” used in various embodiments may modify various elements in any order and / or importance, and define the elements. I never do that.
  • the above expressions may be used to distinguish one component from another.
  • the first user device and the second user device may represent different user devices regardless of the order or importance.
  • the first component may be referred to as a second component, and similarly, the second component may be renamed to the first component.
  • One component is "(operatively or communicatively) coupled with / to" to another component (eg second component) or " When referred to as “connected to,” it is to be understood that any component may be directly connected to the other component or may be connected via another component (e.g., a third component).
  • a component e.g., a first component
  • another component e.g., a second component
  • no other component e.g., a third component
  • the expression “configured to” used in this document is, for example, “suitable for”, “having the capacity to” depending on the situation. It may be used interchangeably with “designed to”, “adapted to”, “made to”, or “capable of”.
  • the term “configured to” may not necessarily mean only “specifically designed to” in hardware. Instead, in some situations, the expression “device configured to” may mean that the device “can” along with other devices or components.
  • the phrase “processor configured (or set up) to perform A, B, and C” may execute a dedicated processor (eg, an embedded processor) or one or more software programs stored in a memory device to perform the operation. By doing so, it may mean a general-purpose processor (for example, a CPU or an application processor) capable of performing the corresponding operations.
  • a communication device including a housing having a metal frame capable of providing coverage in the signal propagation directions required by the antenna array of the communication device by providing operation in accordance with 5G, WiGig standards, and the like. It can provide an antenna unit that can be located in the housing of the.
  • the signal propagation directions may include a broadside direction and an end fire direction.
  • the broad side direction is a direction perpendicular to the plane of the communication device
  • the end fire direction is a direction parallel to the display plane of the communication device. That is, the broad side direction and the end fire direction may have 90 degrees.
  • Various embodiments proposed in the present disclosure may provide an improvement in the directional characteristics of the antenna, and in some embodiments, may reduce back radiation of the traveling wave antenna.
  • the antenna proposed by at least the preferred embodiment can provide the following.
  • 1 is a diagram illustrating radiation directions from an antenna of a communication device.
  • one or more traveling waves may be generated by the proposed configuration of slot antenna array elements.
  • the generated one or more traveling waves may travel through a dielectric cover and / or a dielectric substrate surrounding a metal frame of a telecommunication device housing.
  • One or more traveling waves propagated through the dielectric cover and / or dielectric substrate are emitted in a horizontal direction (end fire direction) along the display plane of the communication device or in a vertical direction (broadcast) of the display plane of the communication device. Can be emitted in a broadcast direction.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an arrangement of slot radiators constituting an antenna array on a top view of a communication device according to various embodiments of the present disclosure.
  • the variant of the illustrated antenna array may be constituted by slot elements of each of a plurality of groups on or within the dielectric substrate 3.
  • the slot elements of each of the plurality of groups are configured on the dielectric substrate 3 for convenience of description.
  • the proposed embodiments should not be limited to the case where the slot elements of each of the plurality of groups are configured on the dielectric substrate 3. That is, the proposed embodiments may include slot elements of each of the plurality of groups configured in the dielectric substrate 3 or a part of the dielectric substrate 3, and a part of the remaining groups on the dielectric substrate 3.
  • slot elements of each of at least two groups may be configured on the dielectric substrate 3.
  • slot elements 1a, 1b, 1c, 1d of the first group 1 and slot elements 2a, 2b, 2c, 2d of the second group 2 may be formed on the dielectric substrate 3.
  • the slot elements 1a, 1b, 1c, 1d of the first group 1 and the slot elements 2a, 2b, 2c, 2d of the second group 2 are metals located on the dielectric substrate 3. Can be cut outs of rectangles created in the hierarchy.
  • the slot elements 1a, 1b, 1c and 1d of the first group 1 may have the same length L1 and the same width w1.
  • the slot elements 2a, 2b, 2c, 2d of the second group 2 may have the same length L2 and the same width w2.
  • the length L then corresponds to the dimension of the long side of the rectangular cut-out corresponding to the slot element, and the width w corresponds to the dimension of the short side of the rectangular cut-out corresponding to the slot element.
  • Length L1 of slot elements 1a, 1b, 1c, 1d of the first group 1 and length L2 of slot elements 2a, 2b, 2c, 2d of the second group 2 ) May have different values.
  • the length L1 of the slot elements 1a, 1b, 1c, 1d of the first group 1 is the length of the slot elements 2a, 2b, 2c, 2d of the second group 2. It may be longer than (L2).
  • the slot elements 1a, 1b, 1c, 1d of the first group 1 on the dielectric substrate 3 may be disposed in the vertical direction as defined below.
  • the odd-numbered slot elements 1a and 1c and the even-numbered slot elements 1b and 1d constituting the slot elements 1a, 1b, 1c and 1d of the first group 1 are perpendicular to each other. May be arranged in parallel to have different heights. That is, the odd-numbered slot elements 1a and 1c of the first group 1 may be arranged in parallel to have the same height in the vertical direction, and the even-numbered slot elements 1b of the first group 1 may be disposed in parallel. , 1d) may be arranged in parallel to have the same height in the vertical direction.
  • the odd-numbered slot elements 1a and 1c and the even-numbered slot elements 1b and 1d of the first group 1 may be alternately arranged up and down in the vertical direction. That is, the upper long side (or lower long side) of the odd-numbered slot elements 1a and 1c of the first group 1 and the lower long side (or upper long side) of the even-numbered slot elements 1b and 1d. ) May have the same height in the vertical direction or be spaced apart by a predetermined distance.
  • the upper long side (or lower long side) of the odd-numbered slot elements 1a and 1c of the first group 1 and the lower side of the even-numbered slot elements 1b and 1d The distance between the long side (upper long side) may be equal to the width w1 of the slot elements 1a, 1b, 1c, 1d of the first group 1.
  • the upper long side (or lower long side) of the odd-numbered slot elements 1a and 1c of the first group 1 and the even-numbered slot elements 1b and 1d are separated from each other.
  • the distance between the lower long side (or upper long side) may have a predetermined value. In this case, the predetermined value may be a relatively large value compared to the width w1 of the slot elements 1a, 1b, 1c, and 1d of the first group 1.
  • the slot elements 1a, 1b, 1c, 1d of the first group 1 on the dielectric substrate 3 may be disposed in the horizontal direction as defined below.
  • each of the slot elements 1a, 1b, 1c, 1d of the first group 1 may be arranged to be spaced apart by a predetermined distance D1 from the slot element disposed next in the left to right direction (horizontal direction).
  • a predetermined distance D1 from the slot element disposed next in the left to right direction (horizontal direction).
  • the left short side (or right short side) of the first slot element 1a of the first group 1 is the right short side (or left short side) of the second slot element 1b disposed next in the horizontal direction.
  • the predetermined value D1 may be a value larger than the length L1 of the slot elements 1a, 1b, 1c, and 1d of the first group 1.
  • the slot elements 2a, 2b, 2c, 2d of the second group 2 on the dielectric substrate 3 may be disposed in the vertical direction as defined below.
  • the odd-numbered slot elements 2a and 2c and the even-numbered slot elements 2b and 2d constituting the slot elements 2a, 2b, 2c and 2d of the second group 2 are perpendicular to each other. May be arranged in parallel to have different heights. That is, the odd-numbered slot elements 2a and 2c of the second group 2 may be arranged in parallel to have the same height in the vertical direction, and the even-numbered slot elements 2b of the second group 2 may be disposed in parallel. , 2d) may be arranged in parallel to have the same height in the vertical direction.
  • the odd-numbered slot elements 2a and 2c and the even-numbered slot elements 2b and 2d of the second group 2 may be alternately arranged up and down in the vertical direction. That is, the upper long side (or lower long side) of the odd-numbered slot elements 2a and 2c of the second group 2 and the lower long side (or upper long side) of the even-numbered slot elements 2b and 2d. ) May have the same height in the vertical direction or be spaced apart by a predetermined distance.
  • the upper long side (or lower long side) of the odd-numbered slot elements 2a, 2c of the second group 2 and the lower side of the even-numbered slot elements 2b, 2d The distance between the long side (upper long side) may be equal to the width w1 of the slot elements 2a, 2b, 2c, 2d of the second group 2.
  • the upper long side (or lower long side) of the odd-numbered slot elements 2a and 2c of the second group 2 and the even-numbered slot elements 2b and 2d are separated.
  • the distance between the lower long side (or upper long side) may have a predetermined value.
  • the predetermined value may be a value relatively larger than the width w2 of the slot elements 2a, 2b, 2c, and 2d of the second group 2.
  • the slot elements 2a, 2b, 2c, 2d of the second group 2 on the dielectric substrate 3 may be disposed in the horizontal direction as defined below.
  • each of the slot elements 2a, 2b, 2c, 2d of the second group 2 is separated by a predetermined distance (not shown) from the slot element disposed next in the left to right direction (horizontal direction).
  • a predetermined distance (not shown) from the slot element disposed next in the left to right direction (horizontal direction).
  • the left short side (or right short side) of the first slot element 2a of the second group 2 is the right short side (or left short side) of the second slot element 2b disposed next in the horizontal direction.
  • the predetermined value may be a value relatively larger than the length L2 of the slot elements 2a, 2b, 2c, and 2d of the second group 2.
  • (1a, 1b, 1c, 1d) of the first group 1 and the slot elements 2a, 2b, 2c, 2d of the second group 2 on the dielectric substrate 3 It can have a relationship in the vertical direction as defined below.
  • the odd-numbered elements 1a and 1c of the first group 1 and the odd-numbered elements 2a and 2c of the second group 2 are spaced at regular intervals D2 having a lower (or upper) long side. Can be arranged to fall apart. Even-numbered elements 1b and 1d of the first group 1 and even-numbered elements 2b and 2d of the second group 2 are spaced apart by a constant distance D2 from the lower (or upper) long side. It may be arranged to.
  • the constant spacing D2 is the width w1 of the slot elements 1a, 1b, 1c, 1d of the first group 1 or the slot elements 2a, 2b, 2c, 2d of the second group 2. It may be a relatively large value compared to the width (w2) of.
  • (1a, 1b, 1c, 1d) of the first group 1 and the slot elements 2a, 2b, 2c, 2d of the second group 2 on the dielectric substrate 3 It may have a relationship in the horizontal direction as defined below.
  • the slot elements 1a, 1b, 1c, 1d of the first group 1 and the slot elements 2a, 2b, 2c, 2d of the second group 2 have all long sides in the horizontal direction (left and right) on the drawing.
  • Direction may be disposed on the dielectric substrate 3.
  • the parallel to the horizontal direction has the meaning of including not only parallel (parallel on a straight line) at the same height in the vertical direction but also parallel (parallel keeping the horizontal) at different heights in the vertical direction.
  • the slot elements 1a, 1b, 1c, 1d of the first group 1 and the slot elements 2a, 2b, 2c, 2d of the second group 2 may be paired.
  • the first slot element 1a of the first group 1 and the first slot element 2a of the second group 2 form a pair a
  • the slot element 1b and the second slot element 2b of the second group 2 form a pair b
  • the third slot element 2c of) forms a pair c
  • the fourth slot element 1d of the first group 1 and the fourth slot element 2d of the second group 2 are one Can be paired (d).
  • Each pair of slot elements of the first group 1 and the slot elements of the second group 2 may be disposed on or inside the dielectric substrate 3 so as to face each other in the vertical direction in the drawing.
  • the slot elements of each pair of first groups 1 and the center axes of the slot elements of each pair of first groups 1 and the center axes of the slot elements of the second group 2 are aligned with each other; Slot elements of the second group 2 may be located on the dielectric substrate 3.
  • the central axes C of the slot elements 1a, 1b, 1c, and 1d of the first group 1 and the slot elements 2a, 2b, 2c, and 2d of the second group 2 are respectively It may be perpendicular to the long sides of the corresponding slot element.
  • the first of the first group 1 can be aligned in a vertical direction (see C).
  • the central axis C can then bisect the long side of the first slot element 1a of the first group 1 and the long side of the first slot element 2a of the second group 2.
  • the structure according to the above-described example is the same for the remaining pairs (pairs consisting of the remaining slot elements 1b, 1c and 1d of the first group and the remaining slot elements 2b, 2c and 2d of the second group).
  • the remaining pairs (pairs consisting of the remaining slot elements 1b, 1c and 1d of the first group and the remaining slot elements 2b, 2c and 2d of the second group).
  • the distance between the central axes of the pairs may be equal to D1 defined above.
  • a plurality of pairs (a, b) constituted by the slot elements (1a, 1b, 1c, 1d) of the first group 1 and the slot elements (2a, 2b, 2c, 2d) of the second group (2) , c, d) may be disposed on the dielectric substrate 3 in a left to right direction in the drawing. That is, the central axis of each of the plurality of pairs a, b, c, d may be disposed on the dielectric substrate 3 so as to be parallel to each other in the left and right directions on the drawing.
  • the phase difference between the signals emitted by the slot elements of each of the pairs disposed on the dielectric substrate 3 may be 90 degrees. That is, the first signal emitted by the slot elements of the first group 1 forming a pair and the second signal emitted by the slot elements of the second group 2 may have a phase difference of 90 degrees.
  • the different lengths of the slots provide an effective slope of the radiation beam along the slot aperture, and as a result can provide antenna total radiation in the desired end fire direction.
  • the slot elements 1a, 1b, 1c, 1d of the first group 1 and the slot elements 2a, 2b, 2c, 2d of the second group 2 are formed on or on the dielectric substrate 3. 3) may be cut, for example, in a metal layer located on or within the dielectric substrate 3.
  • Lengths L1 and L2 and widths w1 and w2 of the slots may be determined by Equation 1 according to a general theory of slot antennas.
  • ⁇ eff is the average dielectric constant ⁇ eff ( Effective wavelength, which is converted for equivalent materials with), can be defined by the thickness of the dielectric substrate h1 material and the thickness of the dielectric coating h2 material.
  • the distance between pairs of slots may be defined as the distance from the short side of a pair of slot elements to the corresponding short side of slot elements of an adjacent pair. According to a general theory of antenna arrays, it can be calculated by Equation 2 below.
  • ⁇ 1 means the wavelength in the dielectric substrate.
  • the distance D1 between the slot elements constituting each pair may be defined as the distance from one long side of the slot element of the first group to the corresponding long side of the slot element of the second or next group. In this case, D1 corresponds to approximately 1/4 wavelength.
  • Radiation phase shift of antenna slot elements corresponding to one pair with this configuration can be provided by 90 degrees. If there are more than two groups of slot elements, that is, when the next slot element (s) is added to a pair of slot elements, the distance between each adjacent slot element is likewise equal to the radiated phase shift of the antenna slot elements by 90 degrees. Should be able to provide
  • the arrangement of the pairs of antenna slot elements can be off linear and non-linear. That is, adjacent pairs of antenna slot elements may not be aligned along a common axis. For example, even pairs of slot elements can be aligned on one line and odd pairs of slot elements can be aligned on another row. In this case, the long sides of all slots will be side by side and the sides of adjacent pairs of slot elements will face each other. However, these pairs may not be located along the same axis. That is, the even pairs may be offset by the distance D3 corresponding to the distance between the long sides of each of the even / odd pairs of slots for the adjacent odd pairs.
  • the offset value D3 may correspond to approximately 1/10 wavelength to suppress parasitic signals from propagating along the metal casing.
  • the distance D4 defined as the distance from the edge of the dielectric substrate to the long side of the slot element closest to that edge, which may correspond to the position of the metal frame corresponding to the housing of the communication device, will be approximately a multiple of l eff / 2. Can be.
  • the D4 may be determined according to the purpose of minimizing the reflection of electromagnetic waves propagated through the dielectric coating from the metal case.
  • FIG 3 is a side view illustrating a communication device having an antenna array according to various embodiments of the present disclosure.
  • the communication device may comprise a multi-layer printed circuit board 7 covered by a dielectric substrate 3, for example a metal layer 5.
  • a dielectric substrate 3 On this dielectric substrate 3 there may be a dielectric coating (dielectric screen) constituting the display 4 of the communication device.
  • Groups of slots (slot elements of the first group and slot elements of the second group) formed in the metal layer 5 may receive a signal through the signal supply line 8, which is a micro stream line in one embodiment.
  • One operating characteristic of the proposed antenna unit is that the metal frame 6 of the communication device is not an obstacle to the traveling wave generated by the antenna unit.
  • Each pair by antenna slot elements may consist of at least two slot antenna elements 1 and 2 of the first and second group. However, if there are additional groups of slot elements, then the next slot elements, such as third, fourth, etc. associated with the additional groups, may be added to the pairs of slot elements. In this case, the pair will include not only slot elements of the first and second groups, but also additional slot elements of the first and subsequent groups.
  • Each of the pair of slot antenna elements may be sequentially excited by traveling waves passing through the feed microstrip line.
  • the first slot may be located at a distance corresponding to approximately one-half wavelength propagating through the dielectric substrate from the short circuit to the ground of the feed line.
  • the second and subsequent slots should be located at a distance such that the phase shift between the signals they radiate from the first (or previous) slot along the feedline is 90 degrees.
  • Each slot is from half-wavelength to one wavelength in length, with one slot in the pair being shorter than the other, with shorter emitters implemented as “wave channel” antennas that are directors for longer radiators. It is similar to the principle.
  • the presence of a dielectric display screen having a dielectric constant greater than that of the substrate above the slot antenna elements of the communication device can provide a better radial direction in the end fire direction.
  • the dielectric display screen is a delay line for the slot antenna elements, withholding surface waves in the dielectric and preventing premature radiation in the broad side direction, improving the directional characteristics of the traveling wave radiated by the slot antenna array, directional and overall gain of the antenna array. Can increase.
  • the slot antenna array elements are in misaligned alignment. That is, adjacent even and odd pairs of adjacent slot elements and slot elements of the first and second groups may be offset relative to each other such that the distances from the edge of the dielectric substrate to the even and odd pairs are different from each other.
  • This alignment can inhibit parasitic waves that appear as a result of in-phase reflections from the housing from propagating along the metal housing.
  • a small phase shift of approximately 1/10 wavelength can increase the antenna array gain by eliminating the phasing-in of the reflected surface waves.
  • Slot elements of the antenna array can excite surface waves in the dielectric coating. This makes it possible to provide the radiated power transmitted by these radio waves through the metal frame of the communication device or other metal obstacles that may be the housing of the communication device.
  • passive reflective slot elements 9a-1, 9a- located behind the radiation slots 1a, 1b, 1c, 1d on the opposite side of the main direct radiation direction (arrow in FIG. 4). 2, 9b-1, 9b-2, 9c-1, 9c-2, 9d-1, 9d-2) may be used.
  • the passive reflection slots 9a-1, 9a-2, 9b-1, 9b-2, 9c-1, 9c-2, 9d-1, 9d-2 reflect surface waves propagating in the dielectric.
  • the passive reflective slots 9a-1, 9a-2, 9b-1, 9b-2, 9c-1, 9c-2, 9d-1, 9d-2 are radiating slot elements. located at approximately the distance l 2/4 to 2 l / 2 can provide additional reverse phase of the waves from the front and rear. Where l 2 is the wavelength in the dielectric coating. Similar to the principle of "wave channel" antennas, the length of the reflective slots may be somewhat larger than the length of the main radiating slots.
  • Reflective slots with inductive impedance characteristics can be "reflectors" for radiating slots.
  • the width of the passive reflective slots may be approximately equal to the widths w1, w2 of the radiation slots.
  • one radiating slot may be used for each antenna array element, but when dividing them into several slots (e.g. a reflective slot where the long sides are located on the same line parallel to the long sides of the radiating slot elements in the pair) Using a pair of?) Can further suppress the introduction of reverse radiation.
  • This solution can substantially suppress parasitic radiation in the rear end fire direction and improve directional characteristics in the front end fire direction.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating an example of implementing passive reflection slots in a communication device according to various embodiments of the present disclosure.
  • each pair of radiating slot elements has two symmetrically aligned with respect to the central axis of each pair of radiating slot elements such that the long sides of the passive reflective slot elements are parallel to the long sides of the radiating slot elements. It may be associated with passive reflective slot elements.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating an implementation example of a slot antenna array and passive reflective slots in combination with a metal reflective screen, when the antenna is located under a back cover of a device according to various proposed embodiments.
  • the metal wall 10 reflects a portion of the radiation wave propagating in free space
  • the metal wall 10 can be used as a reflective element located at a distance slightly greater than half the wavelength of the traveling wave on the dielectric. have. That is, when the antenna array is located under the rear cover of the device where the dielectric parameters satisfy the following waveguide structure parameters, the metal wall of the camera embedded in the communication device where the metal reflective screen function is located on the plane of the antenna array ( 10).
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a graph of a gain versus a radiation direction in an antenna unit according to various embodiments of the present disclosure. That is, FIG. 6 shows a simulation result of antenna unit operation in accordance with the proposal of various disclosures.
  • the thick solid line shows the proposed antenna unit gain versus radiation direction, with the m1 point corresponding to the end fire direction of radiation.
  • the scanning range is given from m2 points to m3 points and is 150 degrees (+/- 75 degrees).
  • the proposed antenna unit can be implemented on or in a dielectric multi-layer printed circuit board, which is then closely connected to the display (eg using adhesive).
  • the connection parameters are also taken into account within the computational model (eg the thickness and dielectric properties of the adhesive joint are taken into account).
  • the material of the dielectric display screen Since the material of the dielectric display screen has a higher permittivity than the material of the dielectric substrate that houses the antenna elements, it is a structure that slows down the electromagnetic waves excited by the antenna array.
  • conditions defining the display as a dielectric waveguide (primarily parameters of the dielectric constant and display height) are observed for the display, thus guiding electromagnetic waves in the direction of the end fire in the structure of the dielectric display and reducing radiation in the broadside direction. It is possible to let.
  • the proposed approach also provides for the efficient use of millimeter wave antennas embedded in communication devices and other communication devices with metal casings or metal casing frames.
  • a communication device capable of wireless communication and having a claimed antenna unit employs an antenna array in a mobile phone, a tablet computer adapted to perform wireless communication, a laptop, an ultrabook, a PDA, a display device with wireless communication capability, or a communication device housing. It may be any mobile communication device, such as any other device having a function and a display.
  • the antenna unit may be embedded in the communication unit of the communication device.
  • the communication unit of the communication device comprises a radiation source, a power supply, a data output, a user input and other units necessary to implement the purpose.
  • the radiation source includes data converters for transmitting and receiving user input signals and for converting data received from the user into signals suitable for transmission to a suitable receiving device.
  • the data output may in particular comprise a display and loudspeaker showing the user the data necessary for communication.
  • the user input may include a microphone, a keyboard, a display, and any other unit suitable for receiving data from the data direction to the user and the communication unit.
  • the power supply supplies power for the operation of the units described above.
  • the radio waves surround the metal housing of the communication device, thereby enabling radiation in the end fire direction. This obviates the need for any discontinuities or certain ports in the metal housing that can worsen the integrity of the housing.
  • the structure of the antenna unit and the communication device including the same in the present disclosure has the following advantages.
  • the expansion of the scanning area is related to the deceleration characteristics of the dielectric cover for the radio waves excited by the antenna radiator.
  • the antenna characteristics in the present disclosure provide for improving the directing characteristics of the traveling wave antenna in the end fire direction by supporting surface waves, and improving the beam scanning of the radiation pattern in the longitudinal plane without scanning loss due to electromagnetic waves propagating in the dielectric cover.
  • the metal frame of the communication device housing is used to match the antenna unit with the external environment.
  • the use of traveling waves enables effective propagation in the direction of radiation and end fire into the metal frame.
  • Embodiments proposed in the present disclosure are not limited to those described above.
  • the previously proposed antenna unit comprises a dielectric cover, such as a printed circuit board, on which an array of slot antenna elements for generating a traveling wave excited by a microstrip line formed therein is formed thereon.
  • Each slot element of the antenna array excites traveling waves propagating within the dielectric display screen and dielectric cover, and then radiation waves surrounding the metal frame of the housing are emitted towards the base station.
  • a traveling wave antenna whose signal propagates in the dielectric has a large reactive component of the output resistance and will adapt to the external environment.
  • Metal elements such as the metal frame of the device housing at the ends of the dielectric, are used to provide effective compensation for such reactive components of the output impedance and direct radiation to the external environment.
  • the presence of the “step” of the metal object itself will be the introduction of a matching responsiveness.
  • the thickness of the metal housing frame ceases to exert a strong influence.
  • this parameter can be varied by the manufacturer, it may be taken into account in the optimization analysis.
  • the dielectric display screen which may be glass or any other dielectric material, may have a dielectric constant ⁇ 1 greater than the dielectric constant ⁇ 2 of the substrate dielectric housing the antenna.
  • the deceleration effect of the dielectric display is implemented in the various embodiments proposed in the present disclosure, so that it is possible to hold electromagnetic waves in the thickness of the dielectric display screen and reduce premature emission in the broad side direction.
  • the described antenna array may be located under the rear cover of the communication device if the permittivity is greater than the permittivity of the substrate dielectric and meets the conditions of the slow waveguide structure, as defined for the dielectric display screen.
  • the implemented communication device may have a housing in which an “edge” is formed. That is, it includes a display with rounded edges. This embodiment also ensures the operation of the device of the invention as described above, and provides the achievement of the same desirable effects of providing better communication between the base station and the communication device individually and collectively.
  • the free space matching responsiveness may be in other ways, for example a matching stub. Can be managed using
  • the operational relationship of the elements should be understood as a relationship which ensures correct interaction of these elements with each other and the functional implementation of the elements.
  • Specific examples of the functional relationship may be a relationship with a data exchange means, a relationship with a plurality of current transmission means, a relationship with a mechanical moving means, a relationship with a transmission means such as light, sound, electromagnetic or mechanical vibration.
  • the particular type of functional relationship is determined by the interaction of the above elements and is provided by well known means using principles well known in the art unless otherwise noted.
  • the hardware may include one or more application specific integrated circuits (ASICs), digital signal processors (DSPs), DSP devices, programmable logic devices, field programmable gate arrays (FPGAs), processors, controllers, microcontrollers, It may be implemented within microprocessors, electronic devices, other electronic modules configured to perform the operations disclosed herein, a computer, or a combination thereof.
  • ASICs application specific integrated circuits
  • DSPs digital signal processors
  • FPGAs field programmable gate arrays
  • processors controllers, microcontrollers
  • It may be implemented within microprocessors, electronic devices, other electronic modules configured to perform the operations disclosed herein, a computer, or a combination thereof.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
  • Waveguide Aerials (AREA)

Abstract

본 개시는 LTE와 같은 4G 통신 시스템 이후 보다 높은 데이터 전송률을 지원하기 위한 5G 또는 pre-5G 통신 시스템에 관련된 것이다. 본 개시의 다양한 실시 예에서는 하는 장치 및 방법을 제안한다. 이를 위해, 안테나 유닛은 유전체 기판, 유전체 기판 상의 유전체 커버, 유전체 기판 위나 안에 정렬되는 금속 계층 안에 형성되는 슬롯 안테나 어레이를 포함할 수 있다. 상기 슬롯 안테나 어레이는 유전체 기판과 유전체 커버에서 전파되는 진행파를 생성하도록 구성되며, 적어도 두 그룹들 (제1 및 제2그룹)의 슬롯 요소들을 가질 수 있다. 제2그룹의 슬롯 요소들 각각은 제1그룹의 슬롯 요소보다 길이가 짧고, 제1 및 제2그룹의 슬롯들은 슬롯 요소들의 쌍들을 형성하도록 서로 반대로 배치될 수 있다. 하나의 쌍 안에서 제1그룹의 슬롯 요소로부터 제2그룹의 슬롯 요소까지의 거리는 그들의 90도 방사파들 간 위상 천이를 제공하도록 선택될 수 있다. 상기 슬롯 요소들의 쌍들은 슬롯 요소들의 짝수 쌍들이 슬롯 요소들의 홀수 쌍들에 대해 오프셋되는 방식으로 일직선에서 벗어나 정렬될 수 있다.

Description

안테나 및 안테나를 포함하는 무선 통신 장치
본 개시의 다양한 실시 예들은 무선 통신 네트워크에서 안테나 및 안테나를 포함하는 무선 통신 장치에 관한 것이다.
4G (4th-generation) 통신 시스템 상용화 이후 증가 추세에 있는 무선 데이터 트래픽 수요를 충족시키기 위해, 개선된 5G (5th-generation) 통신 시스템 또는 pre-5G 통신 시스템을 개발하기 위한 노력이 이루어지고 있다. 이러한 이유로, 5G 통신 시스템 또는 pre-5G 통신 시스템은 4G 네트워크 이후 (beyond 4G network) 통신 시스템 또는 LTE 이후 (post LTE)의 시스템이라 불리고 있다.
높은 데이터 전송률을 달성하기 위해, 5G 통신 시스템은 초고주파 (mmWave) 대역 (예를 들어, 60기가 (60GHz) 대역과 같은)에서의 구현이 고려되고 있다. 초고주파 대역에서 전파의 경로 손실 완화 및 전파의 전달 거리를 증가시키기 위해, 5G 통신 시스템에서는 빔포밍 (beamforming), 거대 배열 다중 입출력 (massive multi-input multi-output: massive MIMO), 전차원 다중입출력 (full dimensional MIMO: FD-MIMO), 어레이 안테나 (array antenna), 아날로그 빔형성 (analog beam-forming), 및 대규모 안테나 (large scale antenna) 기술들이 논의되고 있다.
또한 시스템의 네트워크 개선을 위해, 5G 통신 시스템에서는 진화된 소형 셀, 개선된 소형 셀 (advanced small cell), 클라우드 무선 액세스 네트워크 (cloud radio access network: cloud RAN), 초고밀도 네트워크 (ultra-dense network), 기기 간 통신 (device to device communication: D2D), 무선 백홀 (wireless backhaul), 이동 네트워크 (moving network), 협력 통신 (cooperative communication), CoMP (coordinated multi-points), 및 수신 간섭제거 (interference cancellation) 등의 기술 개발이 이루어지고 있다.
이 밖에도, 5G 시스템에서는 진보된 코딩 변조 (advanced coding modulation: ACM) 방식인 FQAM (hybrid FSK and QAM modulation) 및 SWSC (sliding window superposition coding)과, 진보된 접속 기술인 FBMC (filter bank multi carrier), NOMA (non-orthogonal multiple access), 및 SCMA (sparse code multiple access) 등이 개발되고 있다.
차세대 표준은 사용자들이 인터넷 상에서 원하는 정보를 발견하는데 최대한 짧은 시간을 쓰게 해야 한다. 이러한 이유로, 5세대 표준은 밀리미터 파장으로 동작할 수 있다.
US8760352 B2 (2005년 10월 4일 공개됨)는 모바일 장치 및 그 안테나 어레이를 기술한 방안으로써, (전화기 평면의) 엔드 파이어 (end-fire) 및 (전화기 평면에 직교하는) 브로드 사이드 방향을 커버하는 인터리브 (interleaved) TX/RX 안테나 요소들을 가지는 저 프로파일 안테나를 공개하고 있다. 이 방안은 전자기파가 금속 케이스에 의해 왜곡될 수 있어, 금속 케이스를 가진 모바일 장치에서 구현하는 것이 용이하지 않았다.
또한, US3225351 (1965년 12월 21일 공개됨)은 글라이드 패스 (glide path) 시스템을 위한 수직 편향 마이크로스트립 안테나에 관한 것으로써, 비행기를 착륙대로 안내하기 위한 진행파 안테나 어레이에 대해 공개하고 있다. 이 방안은 비슷한 원리를 사용함에도 불구하고 모바일 통신 기술에서 구현하는 것이 용이하지 않을 수 있다. 그 이유는 공간을 스캐닝하는 기능을 사용하지 못하기 때문에 금속 프레임을 가진 모바일 장치 안에서 작용하는 기능으로 구현될 수 없는 것이다. 또한, 이 방안의 안테나 크기는 개발된 방안 보다 큰 2-3 파장이다.
또한, “적외선 및 밀리미터파에 대한 국제 저널”이라는 논문집에 2007년 3월 공개된 “Masataka Ohira, Amane Miura и Masazumi Ueba”의 논문이 알려져 있다. 해당 논문은 후방 방사를 억제하고, 그 안테나가 매우 낮은 프로파일을 가지도록 (겨우 동작 파장의 약 4%) 하는 기판 집적 도파로 중공에 대해 기술한다. 특히, 해당 논문은 임피던스 정합을 향상시키기 위해 반원형단을 가진 슬롯 공진기, 1/4 파장 마이크로스트립 공진기와 같은 몇 가지 기법들을 소개하고 있다. 연구된 결과들은 이러한 안테나가 54.3-67Ghz의 넓은 동작 대역폭과, 좁은 방사 패턴 및 낮은 수준의 교차 편향을 가진다는 것을 증명하고 있다. 해당 논문에서 기술하고 있는 해법은 전자 스캐닝의 가능성을 제공하지 못함에 따라, 안테나에 있어서 큰 사이즈와 길이 방향에서의 저 증폭과 유전 물질에서의 큰 손실을 가질 수 있다.
본 개시의 다양한 실시 예에 따르면, 무선 통신 장치에서 유효한 방사 방향을 얻도록 하는 안테나 어레이를 갖는 무선 통신 장치를 제공할 수 있다.
본 개시의 한 실시 예에 따르면, 하우징이 지시하는 방향 (지향, end fire)으로 유효하게 신호를 방사하는 디스플레이의 유전체 코팅을 가진 통신 장치 내의 슬롯 안테나 어레이 요소들에 대한 설정 및 구성을 제공할 수 있다.
본 개시의 다양한 실시 예에 따른 무선 통신 장치는, 하우징과, 상기 하우징 안에 고정되는 유전체 기판 및 상기 유전체 기판 상의 유전체 커버를 포함하며, 여기서, 상기 유전체 기판은 다중 계층 인쇄 회로와, 상기 다중 계층 인쇄 회로의 상부 면을 덮고 있는 금속 계층을 포함하며, 상기 금속 계층은 제1 길이를 갖는 다수의 제1 슬롯 요소들과, 상기 제1 길이보다 긴 제2 길이를 갖는 다수의 제2 슬롯 요소들로 구성된 슬롯 안테나 어레이를 가지며, 상기 다수의 제1 슬롯 요소들의 하나 또는 다수의 짝수 번째 슬롯 요소는 상기 금속 계층 상에서 하나 또는 다수의 홀수 번째 슬롯 요소와 일직선에서 벗어나도록 구성되며, 상기 다수의 제2 슬롯 요소들의 하나 또는 다수의 짝수 번째 슬롯 요소들은 상기 금속 계층 상에서 하나 또는 다수의 홀수 번째 슬롯 요소들과 일직선에서 벗어나도록 구성될 수 있다.
본 개시의 다양한 실시 예에 따른 무선 통신 장치용 안테나는, 다중 계층 인쇄 회로와, 상기 다중 계층 인쇄 회로의 상부 면을 덮고 있는 금속 계층을 포함하는 유전체 기판 및 상기 유전체 기판에 포함된 상기 금속 계층 위로 적층된 유전체 커버를 포함하며, 여기서, 상기 금속 계층은 각각이 서로 상이한 길이를 갖는 적어도 두 개의 슬롯 요소들을 포함하는 다수의 슬롯 요소들의 쌍들로 구성된 슬롯 안테나 어레이를 가지며, 상기 다수의 슬롯 요소들의 쌍들의 하나 또는 다수의 짝수 쌍들은 상기 금속 계층 상에서 하나 또는 다수의 홀수 쌍들과 일직선에서 벗어나도록 구성될 수 있다.
본 개시의 다양한 실시 예에 따르면, 안테나 방사 패턴을 제공하고, 스캐닝 범위를 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라, 밀리미터 범위 안테나의 미리 설정된 방향에서의 방사를 늘리면서도 신호 손실을 줄일 수 있어, 이는 본질적으로 통신 성능을 향상시킬 수 있도록 할 것이다.
도 1은 통신 장치의 안테나로부터의 방사 방향들을 도시한 도면이다.
도 2는 다양한 실시 예에 따른, 통신 장치의 상면도 상에서 안테나 어레이의 슬롯 방사기들의 어레이를 도시한 도면이다.
도 3은 다양한 실시 예에 따른, 안테나 어레이를 가진 통신 장치의 측면도를 도시한 도면이다.
도 4는 제안된 다양한 실시 예에 따른, 통신 장치 안에서 수동 반사 슬롯들의 구현 예를 도시한 도면이다.
도 5는 제안된 다양한 실시 예에 따른, 안테나가 장치의 백 커버 아래에 위치할 경우에 대해, 금속 반사 스크린과 조합되는 슬롯 안테나 어레이 및 수동 반사 슬롯들의 구현 예를 도시한 도면이다.
도 6은 제안된 다양한 실시 예에 따른, 안테나 유닛에서 이득 대 방사 방향의 그래프를 도시한 도면이다.
이하, 본 개시의 다양한 실시 예가 첨부된 도면을 참조하여 기재된다. 그러나 이는 본 개시를 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 개시의 실시 예의 다양한 변경 (modification), 균등물 (equivalent), 및/또는 대체물 (alternative)을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면의 설명과 관련하여, 유사한 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다.
본 문서에서, "가진다" 또는 "가질 수 있다" 또는 “포함한다” 또는 “포함할 수 있다” 등의 표현은 해당 특징 (예: 수치, 기능, 동작, 또는 부품 등의 구성요소)의 존재를 가리키며, 추가적인 특징의 존재를 배제하지 않는다.
본 문서에서, “A 또는 B”, “A 또는/및 B 중 적어도 하나” 또는 "A 또는/및 B 중 하나 또는 그 이상" 등의 표현은 함께 나열된 항목들의 모든 가능한 조합을 포함할 수 있다. 예를 들면, “A 또는 B", “ A 및 B 중 적어도 하나” 또는 “ A 또는 B 중 적어도 하나”는, (1) 적어도 하나의 A를 포함, (2) 적어도 하나의 B를 포함, 또는 (3) 적어도 하나의 A 및 적어도 하나의 B 모두를 포함하는 경우를 모두 지칭할 수 있다.
다양한 실시 예에서 사용된 “제 1”, “제 2”, “첫째” 또는 “둘째” 등의 표현들은 다양한 구성요소들을, 순서 및/또는 중요도에 상관없이 수식할 수 있고, 해당 구성요소들을 한정하지 않는다. 상기 표현들은 한 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들면, 제 1 사용자 기기와 제 2 사용자 기기는, 순서 또는 중요도와 무관하게, 서로 다른 사용자 기기를 나타낼 수 있다. 예를 들면, 본 개시의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 바꾸어 명명될 수 있다.
어떤 구성요소 (예: 제 1 구성요소)가 다른 구성요소 (예: 제 2 구성요소)에 "(기능적으로 또는 통신적으로) 연결되어 ((operatively or communicatively) coupled with/to)"있다거나 "접속되어 (connected to)"있다고 언급된 때에는, 상기 어떤 구성요소가 상기 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나, 다른 구성요소 (예: 제 3 구성요소)를 통하여 연결될 수 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소 (예: 제 1 구성요소)가 다른 구성요소 (예: 제 2 구성요소)에 "직접 연결되어"있다거나 "직접 접속되어"있다고 언급된 때에는, 상기 어떤 구성요소와 상기 다른 구성요소 사이에 다른 구성요소 (예: 제 3 구성요소)가 존재하지 않는 것으로 이해될 수 있다.
본 문서에서 사용된 표현 "~하도록 구성된 (또는 설정된)(configured to)"은 상황에 따라, 예를 들면, "~에 적합한 (suitable for)", "~하는 능력을 가지는 (having the capacity to)", "~하도록 설계된 (designed to)", "~하도록 변경된 (adapted to)", "~하도록 만들어진 (made to)" 또는 "~를 할 수 있는 (capable of)"과 바꾸어 사용될 수 있다. 용어 "~하도록 구성 (또는 설정)된"은 하드웨어적으로 "특별히 설계된 (specifically designed to)"것만을 반드시 의미하지 않을 수 있다. 대신, 어떤 상황에서는, "~하도록 구성된 장치"라는 표현은, 그 장치가 다른 장치 또는 부품들과 함께 "~할 수 있는" 것을 의미할 수 있다. 예를 들면, 문구 "A, B, 및 C를 수행하도록 구성 (또는 설정)된 프로세서"는 해당 동작을 수행하기 위한 전용 프로세서 (예: 임베디드 프로세서), 또는 메모리 장치에 저장된 하나 이상의 소프트웨어 프로그램들을 실행함으로써, 해당 동작들을 수행할 수 있는 범용 프로세서 (generic-purpose processor) (예: CPU 또는 application processor)를 의미할 수 있다.
본 문서에서 사용된 용어들은 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 다른 실시예의 범위를 한정하려는 의도가 아닐 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 개시의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가질 수 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 동일 또는 유사한 의미를 가지는 것으로 해석될 수 있으며, 본 문서에서 명백하게 정의되지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. 경우에 따라서, 본 문서에서 정의된 용어일지라도 본 개시의 실시 예들을 배제하도록 해석될 수 없다.
본 개시에서 제안된 다양한 실시 예들은 5G, WiGig 표준 및 기타에 따른 동작을 제공함으로써, 통신 장치의 안테나 어레이가 요구하는 신호 전파 방향들의 커버리지를 제공할 수 있는 금속 프레임을 가진 하우징을 포함하는 통신 장치의 하우징 안에 위치할 수 있는 안테나 유닛을 제공할 수 있다. 상기 신호 전파 방향들은 브로드 사이드(broadside) 방향과 엔드 파이어 방향을 포함할 수 있다. 상기 브로드 사이드 방향은 통신 장치의 평면에 수직인 방향이고, 상기 엔드 파이어 방향은 통신 장치의 디스플레이 평면에 나란한 방향이다. 즉, 상기 브로드 사이드 방향과 상기 엔드 파이어 방향은 90도를 가질 수 있다.
본 개시에서 제안된 다양한 실시 예들은 안테나의 방향 특성 개선을 제공하고, 일부 실시 예들에서 진행파 안테나의 후방 방사를 감소시킬 수 있다.
적어도 바람직한 실시 예에 의해 제안된 안테나는 다음과 같은 사항을 제공할 수 있다.
- 금속 프레임을 가진 통신 장치를 이용할 때에도 신뢰성 있고 안정적인 신호 수신;
- 4 쌍의 안테나 요소들에 대해 10dB 보다 큰 높은 이득;
- 낮은 반사 손실 (<-10dB의 반사 계수);
- +/- 75도의 개선된 스캐닝 범위;
- 후방 엔드 파이어 방향의 반사 감소;
- 안테나 어레이의 칸막이 쳐진 (screened) 구조로 인해 장치의 다른 요소들과의 전기적 절연.
이하 제안될 다양한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 통신 장치의 안테나로부터의 방사 방향들을 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 하나 또는 다수의 진행파들은 슬롯 안테나 어레이 요소들의 제안된 설정에 의해 생성될 수 있다. 상기 생성된 하나 또는 다수의 진행파들은 통신 장치 하우징 (telecommunication device housing)의 금속 프레임을 감싸는 유전체 커버 및/또는 유전체 기판을 통해 진행될 수 있다. 상기 유전체 커버 및/또는 유전체 기판을 통해 진행된 하나 또는 다수의 진행파들은 통신 장치의 디스플레이 평면을 따라 수평 방향 (엔드 파이어 방향 (end fire direction))으로 방출되거나 상기 통신 장치의 디스플레이 평면의 수직 방향 (방송 방향 (broadcast direction))으로 방출될 수 있다.
도 2는 다양한 실시 예에 따른, 통신 장치의 상면도 상에서 안테나 어레이를 구성하는 슬롯 방사기들의 배치 (array)를 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 도시된 안테나 어레이의 변형은 유전체 기판(3) 위 또는 내부에 다수의 그룹들 각각의 슬롯 요소들에 의해 구성될 수 있다. 하기에서는 설명의 편의를 위해 다수의 그룹들 각각의 슬롯 요소들은 유전체 기판(3) 위에 구성됨을 가정할 것이다. 하지만 제안된 실시 예들이 다수의 그룹들 각각의 슬롯 요소들이 유전체 기판(3) 위에 구성되는 경우로 한정되어서는 안될 것이다. 즉 제안된 실시 예들은 다수의 그룹들 각각의 슬롯 요소들이 유전체 기판(3) 내부에 구성되거나 일부가 유전체 기판(3) 내부에 구성되고 나머지 일부가 유전체 기판(3) 위에 구성될 수도 있다.
일 실시 예에 따르면, 유전체 기판(3) 위에 적어도 두 개의 그룹들 (예컨대 제1 및 제2그룹(1, 2)) 각각의 슬롯 요소들이 구성될 수 있다. 예컨대, 유전체 기판(3) 위에 제1그룹(1)의 슬롯 요소들(1a, 1b, 1c, 1d) 및 제2그룹(2)의 슬롯 요소들(2a, 2b, 2c, 2d)로 구성될 수 있다. 상기 제1그룹(1)의 슬롯 요소들(1a, 1b, 1c, 1d) 및 제2그룹(2)의 슬롯 요소들(2a, 2b, 2c, 2d)은 유전체 기판(3) 상에 위치한 금속 계층에 만들어진 직사각형의 오려진 것 (컷-아웃, cutout)들이 될 수 있다.
상기 제1그룹(1)의 슬롯 요소들(1a, 1b, 1c, 1d)은 동일한 길이 (L1)와 동일한 너비 (w1)를 가질 수 있다. 상기 제2그룹(2)의 슬롯 요소들(2a, 2b, 2c, 2d)은 동일한 길이 (L2)와 동일한 너비 (w2)를 가질 수 있다. 이때 길이 L은 해당 슬롯 요소에 상응한 직사각형 컷-아웃의 긴 변의 치수에 해당하고, 너비 w는 해당 슬롯 요소에 상응한 직사각형 컷-아웃의 짧은 변의 치수에 해당한다.
상기 제1그룹(1)의 슬롯 요소들(1a, 1b, 1c, 1d)의 길이 (L1)과 상기 제2그룹(2)의 슬롯 요소들(2a, 2b, 2c, 2d)의 길이 (L2)는 서로 다른 값을 가질 수 있다. 일 예로써, 제1그룹(1)의 슬롯 요소들(1a, 1b, 1c, 1d)의 길이 (L1)는 제2그룹(2)의 슬롯 요소들(2a, 2b, 2c, 2d)의 길이 (L2)보다 길 수 있다.
하나의 실시 예에 따르면, 유전체 기판(3) 상에서 제1그룹(1)의 슬롯 요소들(1a, 1b, 1c, 1d)은 아래에 정의된 바와 같이 수직 방향으로 배치될 수 있다.
보다 구체적으로, 제1그룹(1)의 슬롯 요소들(1a, 1b, 1c, 1d)을 구성하는 홀수 번째 슬롯 요소들(1a, 1c)와 짝수 번째 슬롯 요소들(1b, 1d)은 수직 방향에서 상이한 높이를 갖도록 평행하게 배치될 수 있다. 즉, 상기 제1그룹(1)의 홀수 번째 슬롯 요소들(1a, 1c)은 수직 방향에서 동일한 높이를 갖도록 평행하게 배치될 수 있고, 상기 제1그룹(1)의 짝수 번째 슬롯 요소들(1b, 1d)은 수직 방향에서 동일 높이를 갖도록 평행하게 배치될 수 있다.
이 경우, 상기 제1그룹(1)의 홀수 번째 슬롯 요소들(1a, 1c)과 짝수 번째 슬롯 요소들(1b, 1d)은 수직 방향에서 위/아래에 교번적으로 배치될 수 있다. 즉, 상기 제1그룹(1)의 홀수 번째 슬롯 요소들(1a, 1c)의 위쪽 긴 변 (또는 아래쪽 긴 변)과 짝수 번째 슬롯 요소들(1b, 1d)의 아래쪽 긴 변 (또는 위쪽 긴 변)은 수직 방향에서 동일 높이를 갖거나 소정 거리만큼 이격될 수 있다. 상기 수직 방향에서 동일 높이를 갖는 경우, 제1그룹(1)의 홀수 번째 슬롯 요소들(1a, 1c)의 위쪽 긴 변 (또는 아래쪽 긴 변)과 짝수 번째 슬롯 요소들(1b, 1d)의 아래쪽 긴 변 (위쪽 긴 변) 간의 거리는 상기 제1그룹(1)의 슬롯 요소들(1a, 1b, 1c, 1d)의 폭(w1)과 동일할 수 있다. 상기 수직 방향에서 소정 거리만큼 이격되는 경우, 제1그룹(1)의 홀수 번째 슬롯 요소들(1a, 1c)의 위쪽 긴 변 (또는 아래쪽 긴 변)과 짝수 번째 슬롯 요소들(1b, 1d)의 아래쪽 긴 변 (또는 위쪽 긴 변) 간의 거리는 소정 값을 가질 수 있다. 이때 상기 소정 값은 제1그룹(1)의 슬롯 요소들(1a, 1b, 1c, 1d)의 폭(w1)에 비해 상대적으로 큰 값일 수 있다.
하나의 실시 예에 따르면, 유전체 기판(3) 상에서 제1그룹(1)의 슬롯 요소들(1a, 1b, 1c, 1d)은 아래에 정의된 바와 같이 수평 방향으로 배치될 수 있다.
보다 구체적으로, 제1그룹(1)의 슬롯 요소들(1a, 1b, 1c, 1d) 각각은 좌측에서 우측 방향 (수평 방향)에서 다음에 배치된 슬롯 요소와 소정 거리 (D1)만큼 떨어져 배치될 수 있다. 예컨대, 제1그룹(1)의 첫 번째 슬롯 요소(1a)의 좌측 짧은 변 (또는 우측 짧은 변)은 수평 방향에서 다음에 배치된 두 번째 슬롯 요소(1b)의 우측 짧은 변 (또는 좌측 짧은 변)과 소정 거리 (D1)만큼 떨어져 배치될 수 있다. 이때 상기 소정 값 (D1)은 제1그룹(1)의 슬롯 요소들(1a, 1b, 1c, 1d)의 길이(L1)에 비해 상대적으로 큰 값일 수 있다.
하나의 실시 예에 따르면, 유전체 기판(3) 상에서 제2그룹(2)의 슬롯 요소들(2a, 2b, 2c, 2d)은 아래에 정의된 바와 같이 수직 방향으로 배치될 수 있다.
보다 구체적으로, 제2그룹(2)의 슬롯 요소들(2a, 2b, 2c, 2d)을 구성하는 홀수 번째 슬롯 요소들(2a, 2c)와 짝수 번째 슬롯 요소들(2b, 2d)은 수직 방향에서 상이한 높이를 갖도록 평행하게 배치될 수 있다. 즉, 상기 제2그룹(2)의 홀수 번째 슬롯 요소들(2a, 2c)은 수직 방향에서 동일한 높이를 갖도록 평행하게 배치될 수 있고, 상기 제2그룹(2)의 짝수 번째 슬롯 요소들(2b, 2d)은 수직 방향에서 동일 높이를 갖도록 평행하게 배치될 수 있다.
이 경우, 상기 제2그룹(2)의 홀수 번째 슬롯 요소들(2a, 2c)과 짝수 번째 슬롯 요소들(2b, 2d)은 수직 방향에서 위/아래에 교번적으로 배치될 수 있다. 즉, 상기 제2그룹(2)의 홀수 번째 슬롯 요소들(2a, 2c)의 위쪽 긴 변 (또는 아래쪽 긴 변)과 짝수 번째 슬롯 요소들(2b, 2d)의 아래쪽 긴 변 (또는 위쪽 긴 변)은 수직 방향에서 동일 높이를 갖거나 소정 거리만큼 이격될 수 있다. 상기 수직 방향에서 동일 높이를 갖는 경우, 제2그룹(2)의 홀수 번째 슬롯 요소들(2a, 2c)의 위쪽 긴 변 (또는 아래쪽 긴 변)과 짝수 번째 슬롯 요소들(2b, 2d)의 아래쪽 긴 변 (위쪽 긴 변) 간의 거리는 상기 제2그룹(2)의 슬롯 요소들(2a, 2b, 2c, 2d)의 폭(w1)과 동일할 수 있다. 상기 수직 방향에서 소정 거리만큼 이격되는 경우, 제2그룹(2)의 홀수 번째 슬롯 요소들(2a, 2c)의 위쪽 긴 변 (또는 아래쪽 긴 변)과 짝수 번째 슬롯 요소들(2b, 2d)의 아래쪽 긴 변 (또는 위쪽 긴 변) 간의 거리는 소정 값을 가질 수 있다. 이때 상기 소정 값은 제2그룹(2)의 슬롯 요소들(2a, 2b, 2c, 2d)의 폭(w2)에 비해 상대적으로 큰 값일 수 있다.
하나의 실시 예에 따르면, 유전체 기판(3) 상에서 제2그룹(2)의 슬롯 요소들(2a, 2b, 2c, 2d)은 아래에 정의된 바와 같이 수평 방향으로 배치될 수 있다.
보다 구체적으로, 제2그룹(2)의 슬롯 요소들(2a, 2b, 2c, 2d) 각각은 좌측에서 우측 방향 (수평 방향)에서 다음에 배치된 슬롯 요소와 소정 거리 (도시되지 않음)만큼 떨어져 배치될 수 있다. 예컨대, 제2그룹(2)의 첫 번째 슬롯 요소(2a)의 좌측 짧은 변 (또는 우측 짧은 변)은 수평 방향에서 다음에 배치된 두 번째 슬롯 요소(2b)의 우측 짧은 변 (또는 좌측 짧은 변)과 소정 거리만큼 떨어져 배치될 수 있다. 이때 상기 소정 값은 제2그룹(2)의 슬롯 요소들(2a, 2b, 2c, 2d)의 길이(L2)에 비해 상대적으로 큰 값일 수 있다.
하나의 실시 예에 따르면, 유전체 기판(3) 상에서 제1그룹(1)의 (1a, 1b, 1c, 1d)과 제2그룹(2)의 슬롯 요소들(2a, 2b, 2c, 2d)은 아래에 정의된 바와 같이 수직 방향으로의 관계를 가질 수 있다.
보다 구체적으로, 제1그룹(1)의 홀수 번째 요소들(1a, 1c)과 제2그룹(2)의 홀수 번째 요소들(2a, 2c)은 아래쪽 (또는 위쪽) 긴 변이 일정한 간격(D2)만큼 떨어지도록 배치될 수 있다. 상기 제1그룹(1)의 짝수 번째 요소들(1b, 1d)과 상기 제2그룹(2)의 짝수 번째 요소들(2b, 2d)은 아래쪽 (또는 위쪽) 긴 변이 일정한 간격(D2)만큼 떨어지도록 배치될 수 있다. 상기 일정한 간격(D2)는 제1그룹(1)의 슬롯 요소들(1a, 1b, 1c, 1d)의 폭(w1) 또는 제2그룹(2)의 슬롯 요소들(2a, 2b, 2c, 2d)의 폭(w2)에 비해 상대적으로 큰 값일 수 있다.
하나의 실시 예에 따르면, 유전체 기판(3) 상에서 제1그룹(1)의 (1a, 1b, 1c, 1d)과 제2그룹(2)의 슬롯 요소들(2a, 2b, 2c, 2d)은 아래에 정의된 바와 같이 수평 방향으로의 관계를 가질 수 있다.
제1그룹(1)의 슬롯 요소들(1a, 1b, 1c, 1d)과 제2그룹(2)의 슬롯 요소들(2a, 2b, 2c, 2d)은 모든 긴 변들이 도면 상에서 수평 방향 (좌우 방향)으로 평행하도록, 유전체 기판(3) 상에 배치될 수 있다. 여기서 수평 방향으로의 평행은, 수직 방향으로 동일 높이에서의 평행 (일직선 상에서의 평행)뿐만 아니라 수직 방향으로 상이한 높이에서의 평행 (수평을 유지하는 평행)을 모두 포함하는 의미를 갖는다.
보다 구체적으로, 제1그룹(1)의 슬롯 요소들(1a, 1b, 1c, 1d)과 제2그룹(2)의 슬롯 요소들(2a, 2b, 2c, 2d)은 쌍을 이룰 수 있다. 예컨대, 제1그룹(1)의 첫 번째 슬롯 요소(1a)와 제2그룹(2)의 첫 번째 슬롯 요소(2a)가 하나의 쌍(a)을 이루고, 제1그룹(1)의 두 번째 슬롯 요소(1b)와 제2그룹(2)의 두 번째 슬롯 요소(2b)가 하나의 쌍(b)을 이루며, 제1그룹(1)의 세 번째 슬롯 요소(1c)와 제2그룹(2)의 세 번째 슬롯 요소(2c)가 하나의 쌍(c)을 이루고, 제1그룹(1)의 네 번째 슬롯 요소(1d)와 제2그룹(2)의 네 번째 슬롯 요소(2d)가 하나의 쌍(d)을 이룰 수 있다.
각 쌍을 이루는 제1그룹(1)의 슬롯 요소와 제2그룹(2)의 슬롯 요소는 도면 상에서 상하 방향으로 서로 마주보도록 유전체 기판(3) 상 또는 내부에 배치될 수 있다.
상기 각 쌍을 이루는 제1그룹(1)의 슬롯 요소의 중심 축과 제2그룹(2)의 슬롯 요소의 중심 축이 일렬 정렬되도록, 상기 각 쌍을 이루는 제1그룹(1)의 슬롯 요소와 제2그룹(2)의 슬롯 요소가 유전체 기판(3) 상에 위치될 수 있다. 이때 상기 제1그룹(1)의 슬롯 요소들(1a, 1b, 1c, 1d)과 상기 제2그룹(2)의 슬롯 요소들(2a, 2b, 2c, 2d) 각각의 중심 축들 (C)은 해당 슬롯 요소의 긴 변들에 수직일 수 있다.
일 예로써, 제1그룹(1)의 첫 번째 슬롯 요소 1a와 제2그룹(2)의 첫 번째 슬롯 요소 2a로 이루어진 첫 번째 쌍 (a)의 경우, 상기 제1그룹(1)의 첫 번째 슬롯 요소 1a의 중심 축과 상기 제2그룹(2)의 첫 번째 슬롯 요소 2a의 중심 축이 상하 방향으로 일렬 정렬될 수 있다 (C 참조). 이때 상기 중심 축 C는 제1그룹(1)의 첫 번째 슬롯 요소 1a의 긴 변과 제2그룹(2)의 첫 번째 슬롯 요소 2a의 긴 변을 이등분할 수 있다.
상술한 일 예에 따른 구조는 나머지 쌍들 (제1그룹의 나머지 슬롯 요소들(1b, 1c, 1d)와 제2그룹의 나머지 슬롯 요소들(2b, 2c, 2d)로 이루어진 쌍들)에 대해서도 동일하게 적용될 수 있을 것이다.
이 경우, 쌍들의 중심축들 간의 거리는 앞에서 정의된 D1과 동일할 수 있다. 아울러 제1그룹(1)의 슬롯 요소들(1a, 1b, 1c, 1d)과 제2그룹(2)의 슬롯 요소들(2a, 2b, 2c, 2d)에 의해 구성된 다수의 쌍들(a, b, c, d)은 도면 상에서 좌에서 우측 방향으로 유전체 기판(3) 상에 배치될 수 있다. 즉, 다수의 쌍들(a, b, c, d) 각각의 중심 축은 도면 상에서 좌우 방향으로 서로 평행하도록 유전체 기판(3) 상에 배치될 수 있다.
상술한 바에 따라 유전체 기판(3)에 배치된 쌍들 각각의 슬롯 요소들이 방출하는 신호들 사이의 위상 차는 90도가 될 수 있다. 즉, 하나의 쌍을 이루는 제1그룹(1)의 슬롯 요소가 방출하는 제1 신호와 제2그룹(2)의 슬롯 요소가 방출하는 제2 신호는 90도의 위상 차를 가질 수 있다.
이 경우, 슬롯들의 서로 다른 길이들은 슬롯 구경을 따라 방사 빔의 유효한 기울기를 제공하며, 그 결과로 원하는 엔드 파이어 방향에서의 안테나 전방사 (total radiation)를 제공할 수 있다.
제1그룹(1)의 슬롯 요소들(1a, 1b, 1c, 1d)과 제2그룹(2)의 슬롯 요소들(2a, 2b, 2c, 2d)은 유전체 기판(3) 상 또는 유전체 기판(3) 내에 위치될 수 있다, 예컨대, 유전체 기판(3) 위나 유전체 기판(3) 안에 위치한 금속 계층 안에서 오려질 수 있다.
슬롯들의 길이(L1, L2)와 너비(w1, w2)는 슬롯 안테나들에 대한 일반적인 이론에 따라, 하기 <수학식 1>에 의해 결정될 수 있다
[수학식 1]
λeff/2 < L2 < L1 <λeff,
w1, w2 ~ (0.1-0.3)λeff,
여기서 λeff 는 평균 유전 상수 εeff(
Figure PCTKR2018005971-appb-I000001
)를 가진 등가적 물질에 대해 환산되는 유효 파장으로, 유전체 기판 h1 물질의 두께 및 유전체 코팅 h2 물질의 두께에 의해 규정될 수 있다.
슬롯들의 쌍들 간 거리(도 2의 D1)는 한 쌍의 슬롯 요소들의 짧은 변에서 인접 쌍의 슬롯 요소들의 대응하는 짧은 변까지의 거리로서 정의될 수 있다. 안테나 어레이들에 대한 일반적인 이론에 따르면, 하기 <수학식 2>에 의해 산출될 수 있다.
[수학식 2]
λ1/2 <D1 <λ1
여기서 λ1 는 유전체 기판에서의 파장을 의미한다.
각 쌍을 구성하는 슬롯 요소들 간의 거리 D1는 제1그룹의 슬롯 요소의 한 긴 변에서 제2 또는 다음 그룹의 슬롯 요소의 대응하는 긴 변까지의 거리로서 정의될 수 있다. 이 경우 상기 D1은 대략 1/4 파장에 상응한다.
이러한 구성을 갖는 하나의 쌍에 상응한 안테나 슬롯 요소들의 방사 위상 천이는 90도 만큼이 제공될 수 있다. 둘을 넘는 그룹들의 슬롯 요소들이 있는 경우, 즉, 다음 슬롯 요소(들)가 슬롯 요소들의 쌍에 추가될 때, 각각의 인접한 슬롯 요소들 간 거리는 마찬가지로, 90도 만큼의 안테나 슬롯 요소들의 방사 위상 천이를 제공할 수 있어야 한다.
안테나 슬롯 요소들의 쌍들의 배열은 일직선 상에서 벗어나 비선형이 될 수 있다. 즉 안테나 슬롯 요소들의 인접 쌍들은 공통 축을 따라 정렬되지 않을 수 있다. 예를 들어, 슬롯 요소들의 짝수 쌍들은 한 줄 상에 정렬될 수 있고, 슬롯 요소들의 홀수 쌍들은 다른 줄에 정렬될 수 있다. 이 경우, 모든 슬롯들의 긴 변들이 나란하고, 슬롯 요소들의 인접 쌍들의 측변들이 서로 마주보게 될 것이다. 하지만, 이 쌍들이 동일한 축을 따라 위치하지 않을 수 있다. 즉, 짝수 쌍들은 인접하는 홀수 쌍들에 대해 짝/홀수 쌍의 슬롯들 각자의 긴 변들 간 거리에 상응하는 거리 D3만큼 오프-셋될 수 있다. 오프셋 값 D3는 기생 신호들이 금속 케이싱을 따라 전파하는 것을 억제하기 위해 대략 1/10 파장에 상응할 수 있다.
통신 장치의 하우징에 상응한 금속 프레임의 위치에 해당할 수 있는 유전체 기판의 가장자리에서 그 가장자리에 가장 가까운 슬롯 요소의 긴 변까지의 거리로서 정의되는 거리 D4는 대략적으로 leff/2의 배수가 될 수 있다. 상기 D4는 금속 케이스로부터 유전체 코팅을 통해 전파되는 전자기파들의 반사를 최소화한다는 목적에 따라 결정될 수 있다.
도 3은 다양한 실시 예에 따른, 안테나 어레이를 가진 통신 장치의 측면도를 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 통신 장치는 유전체 기판(3), 예컨대 금속 계층(5)에 의해 커버되는 다중계층 인쇄 회로 보드(7)를 포함할 수 있다. 이 유전체 기판(3) 상에는 통신 장치의 디스플레이(4)를 구성하는 유전체 코팅 (유전체 스크린)이 존재할 수 있다.
상기 금속 계층(5)에 형성되는 슬롯들(제1그룹의 슬롯 요소 및 제2그룹의 슬롯 요소)의 그룹들은, 일 실시 예에서 마이크로 스트림 선인 신호공급선(8)을 통해 신호를 공급받을 수 있다. 제안된 안테나 유닛의 한 가지 동작 특성은, 통신 장치의 금속 프레임(6)이 안테나 유닛이 생성한 진행 파에 대한 장애물이 아니라는 것이다.
안테나 슬롯 요소들에 의한 각 쌍은 제1 및 제2그룹의 적어도 2 개의 슬롯 안테나 요소들(1 및 2)로 구성될 수 있다. 그러나 추가적인 슬롯 요소들의 그룹들이 존재할 경우, 예컨대 상기 추가 그룹들과 관련된 제3, 제4 등의 다음 슬롯 요소들이 슬롯 요소들의 쌍들에 추가될 수 있다. 이 경우, 해당 쌍은 제1 및 제2그룹들의 슬롯 요소들만이 아니라 제1 및 그 다음 그룹들의 추가 슬롯 요소들도 포함할 것이다.
한 쌍을 이루는 슬롯 안테나 요소들 각각은 급전 마이크로 스트립 선을 통과하는 진행파에 의해 순차적으로 여자될 수 있다. 최대 방사를 위해, 제1슬롯은 급전선의 그라운드까지의 단락 회로로부터 유전체 기판을 통해 전파하는 대략적인 1/2 파장에 상응하는 거리에 위치할 수 있다.
제2 및 그 다음 슬롯들(존재할 경우)은 급전선을 따라 제1 (또는 이전) 슬롯으로부터 그들이 방사하는 신호들 간 위상 천이가 90도가 되게 하는 거리에 위치되어야 한다.
각각의 슬롯의 길이는 반파장에서 한 파장까지이며, 쌍 안의 한 슬롯은 다른 한 슬롯보다 길이가 짧고, 보다 짧은 방사기가 보다 긴 방사기에 대한 디렉터(director)인 “웨이브 채널” 안테나들로 구현되는 원리와 유사하다.
통신 장치의 슬롯 안테나 요소들 위에서 기판의 유전율보다 큰 유전율을 가지는 유전체 디스플레이 스크린의 존재는 엔드 파이어 방향으로 보다 나은 방사 방향을 제공할 수 있다.
유전체 디스플레이 스크린은 슬롯 안테나 요소들을 위한 지연선이고, 유전체 내에 표면파를 보류하고 브로드 사이드 방향의 조기 방사를 방지하여, 슬롯 안테나 어레이가 방사하는 진행파의 방향 특성을 개선하며, 안테나 어레이의 방향성 및 전반적 이득을 높일 수 있다.
슬롯 안테나 어레이 요소들은 어긋난 정렬을 이룬다. 즉 제1 및 제2그룹의 인접 슬롯 요소들 및 슬롯 요소들의 인접하는 짝수 및 홀수 쌍들은 유전체 기판의 가장자리에서 그 짝수 및 홀수 쌍들까지의 거리가 서로 상이하도록 서로에 대해 오프셋될 수 있다. 이러한 정렬은 하우징으로부터의 동위상 반사의 결과로서 나타나는 기생파들이 금속 하우징을 따라 전파되는 것을 억제할 수 있다. 대략 1/10 파장의 작은 위상 천이는 반사된 표면파들의 단계적 도입(phasing-in)을 없애서 안테나 어레이 이득을 높일 수 있다.
안테나 어레이의 슬롯 요소들은 유전체 코팅 내 표면파들을 여자시킬 수 있다. 이는 통신 장치의 금속 프레임이나 통신 장치의 하우징일 수 있는 다른 금속 장애물들을 통해 이 전파들에 의해 전송되는 방사 출력을 제공하는 것이 가능하도록 한다.
상술한 해법을 이용할 때, 메인 방사 방향과 반대 방향에 작은 기생 방사가 존재할 수 있다. 이러한 기생 방사를 억제하기 위해, 메인 디렉트 방사 방향 (도 4의 화살표)와 반대 측에 있는 방사 슬롯들(1a, 1b, 1c, 1d) 뒤에 위치하는 수동 반사 슬롯 요소들(9a-1, 9a-2, 9b-1, 9b-2, 9c-1, 9c-2, 9d-1, 9d-2)이 사용될 수 있다. 상기 수동 반사 슬롯들(9a-1, 9a-2, 9b-1, 9b-2, 9c-1, 9c-2, 9d-1, 9d-2)은 유전체 안에서 전파되는 표면파들을 반사한다.
이들의 유효 동작을 위해, 상기 수동 반사 슬롯들(9a-1, 9a-2, 9b-1, 9b-2, 9c-1, 9c-2, 9d-1, 9d-2)은 방사 슬롯 요소들로부터 약 l2/4 내지 l2/2의 거리에 위치하여 전방 및 후방파들의 역위상 추가를 제공할 수 있다. 이때 l2는 유전체 코팅에서의 파장이다. “웨이브 채널” 안테나들의 원리와도 유사한 반사 슬롯들의 길이는 메인 방사 슬롯들의 길이보다 다소 클 수 있다.
유도 임피던스 특성을 가진 반사 슬롯들은 방사 슬롯들에 대한 “반사기들”이 될 수 있다. 수동 반사 슬롯들의 너비는 방사 슬롯들의 너비 w1, w2와 대략적으로 동일할 수 있다. 일반적으로, 각각의 안테나 어레이 요소마다 하나의 방사 슬롯이 사용될 수 있으나, 이들을 여러 슬롯들로 나눌 때 (예컨대, 쌍 안의 방사 슬롯 요소들의 긴 변들과 평행인 동일한 선 상에 긴 변들이 위치하는 반사 슬롯들의 쌍을 이용함) 역 방사의 도입을 더 억제할 수 있다. 이러한 해법은 후방 엔드 파이어 방향의 기생 방사를 실질적으로 억제하고, 전방 엔드 파이어 방향의 방향 특성들을 향상시킬 수 있다.
도 4는 제안된 다양한 실시 예에 따른, 통신 장치 안에서 수동 반사 슬롯들의 구현 예를 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 각 쌍의 방사 슬롯 요소들은, 수동 반사 슬롯 요소들의 긴 변들이 방사 슬롯 요소들의 긴 변과 평행하도록, 각 쌍의 방사 슬롯 요소들의 중심축에 대해 대칭적으로 정렬되는 두 개의 수동 반사 슬롯 요소들과 관련될 수 있다.
도 5는 제안된 다양한 실시 예에 따른, 안테나가 장치의 백 커버 아래에 위치할 경우에 대해, 금속 반사 스크린과 조합되는 슬롯 안테나 어레이 및 수동 반사 슬롯들의 구현 예를 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 수동 반사 슬롯들(9a-1, 9a-2, 9b-1, 9b-2, 9c-1, 9c-2, 9d-1, 9d-2)뿐 아니라, 금속 반사 스크린(10) 또한 개별적으로나 조합된 형식으로 반사 요소로 사용될 수 있다.
예를 들어, 금속 벽(10)이 자유 공간에서 전파되는 방사파의 일부를 반사하므로, 상기 금속 벽(10)이 유전체 상의 진행파의 1/2 파장보다 다소 큰 거리에 위치하는 반사 요소로서 사용될 수 있다. 즉, 안테나 어레이가 유전체 파라미터들이 이하의 도파로 구조의 파라미터들을 만족시키는 장치의 후방 커버 아래에 위치하는 경우, 금속 반사 스크린 기능이 안테나 어레이의 평면 상에 위치하는 통신 장치에 내장된 카메라의 금속 벽(10)에 의해 수행될 수 있다.
도 6은 제안된 다양한 실시 예에 따른, 안테나 유닛에서 이득 대 방사 방향의 그래프를 도시한 도면이다. 즉, 도 6은 다양한 개시들의 제안에 따른 안테나 유닛 동작의 시뮬레이션 결과를 보여준다.
도 6을 참조하면, 두꺼운 실선은 제안된 안테나 유닛 이득 대 방사 방향의 그래프를 보여주며, m1 포인트는 방사의 엔드 파이어 방향에 해당한다. 스캐닝 범위는 m2 포인트에서 m3 포인트까지 주어지며, 150도 각도(+/- 75도)이다.
제안된 안테나 유닛은 유전체 다중 계층 인쇄 회로 보드 상이나 그 안에서 구현될 수 있고, 이어서 디스플레이에 밀착 연결된다 (가령, 접착제를 사용함). 연결 파라미터들은 연산 모델 안에서도 고려된다 (예를 들어, 접착 조인트의 두께 및 유전체 특성들이 고려된다).
유전체 디스플레이 스크린의 재료가 안테나 요소들을 수용하는 유전체 기판의 재료보다 높은 유전율을 가지므로, 그것은 안테나 어레이에 의해 여자된 전자기파들을 감속시키는 구조가 된다. 따라서, 디스플레이를 유전체 도파로 (주로 유전체 상수 및 디스플레이 높이의 파라미터들)로서 정의하는 조건들이 그 디스플레이에 대해 관찰되므로, 유전체 디스플레이의 구조에서 엔드 파이어 방향으로 전자기파들을 안내하고, 브로드 사이드 방향의 방사를 감소시키는 것이 가능하다.
또한 제안된 방안은 금속 케이싱이나 금속 케이싱 프레임을 가진 통신 장치들 및 기타 통신 기기들에 내장되는 밀리미터파 안테나의 효율적 사용 가능성을 제공한다.
무선 통신이 가능하고 청구된 안테나 유닛을 가지는 통신 장치는 모바일 전화, 무선 통신을 수행하도록 된 태블릿 컴퓨터, 랩탑, 울트라북, PDA, 무선 통신 기능을 가진 디스플레이 장치, 또는 통신 장치 하우징 안에 안테나 어레이를 채택하는 기능 및 디스플레이를 가진 어떤 다른 장치와 같은 임의의 모바일 통신 장치일 수 있다.
안테나 유닛은 통신 장치의 통신 유닛 안에 내장될 수 있다. 기능적으로 말해, 통신 장치의 통신 유닛은 방사 소스, 전력 공급부, 데이터 출력부, 사용자 입력부 및 목적을 구현하는데 필요한 다른 유닛들을 포함한다. 방사 소스는 사용자 입력 신호를 송수신하고, 사용자로부터 수신한 데이터를 적절한 수신 장치에 전송하기 적합한 신호들로 변환하기 위한 데이터 컨버터들을 포함한다. 데이터 출력부는 특히, 사용자에게 통신에 필요한 데이터를 보여주는 디스플레이 및 확성기를 포함할 수 있다. 사용자 입력부는 마이크로폰, 키보드, 디스플레이, 및 사용자 및 통신부로의 데이터 방향으로부터 데이터를 수신하기 적합한 어떤 다른 유닛을 포함할 수 있다. 전력 공급부는 상술한 유닛들의 동작을 위한 전력을 공급한다.
본 개시에서의 진행파 안테나 사용을 통해, 전파가 통신 장치의 금속 하우징을 감싸고, 그에 따라 엔드 파이어 방향으로의 방사를 가능하게 한다. 이는 하우징의 무결성을 악화시킬 수 있는 금속 하우징에서의 어떤 불연속성들이나 어떤 포트들의 필요성을 없앤다.
본 개시에서의 안테나 유닛 및 그것을 포함하는 통신 장치의 구조는 다음과 같은 이점들을 가진다.
- 높은 이득의 안테나;
- +/-70도 범위 내 엔드 파이어 방향에서의 개선된 스캐닝으로서, 스캐닝 영역의 확장은 안테나 방사기에 의해 여자된 전파들에 대한 유전체 커버의 감속 특성들과 관련이 있다.
본 개시에서의 안테나 특성들은 표면파들을 지원함으로써 엔드 파이어 방향에서의 진행파 안테나의 지향 특성들의 향상, 유전체 커버에서 전파되는 전자기파로 인한 스캐닝 손실 없이 종방향 평면에서의 방사 패턴의 빔 스캐닝 개선을 제공한다.
통신 장치 하우징의 금속 프레임은 안테나 유닛을 외부 환경과 매칭시키기 위해 사용된다. 진행파의 사용은 금속 프레임으로의 방사 및 엔드 파이어 방향으로 효과적 전파를 가능하게 한다.
본 개시에서 제안된 실시 예들은 상술한 것들에 국한되지 않는다.
앞서 제안된 안테나 유닛은 유전체 커버, 예컨대 인쇄 회로 보드를 포함하며, 인쇄 회로 보드에는 그 안에 형성된 마이크로스트립 선로에 의해 여자되는 진행파 생성을 위한 슬롯 안테나 요소들의 어레이가 그 위나 내부에 형성된다.
안테나 어레이의 각각의 슬롯 요소는 유전체 디스플레이 스크린 및 유전체 커버 내에서 전파되는 진행파들을 여자시키며, 그런 다음 하우징의 금속 프레임을 감싸는 방사파가 기지국을 향해 방출된다.
유전체 안에서 신호가 전파되는 진행파 안테나는 출력 저항의 큰 무효 성분을 가지며, 외부 환경에 부합될 것이다.
유전체의 말단에서 장치 하우징의 금속 프레임과 같은 금속 요소들은 출력 임피던스의 그러한 무효 성분에 대한 효과적인 보상과, 외부 환경으로의 지향적 방사파를 제공하기 위해 사용된다. 일반적으로 금속 오브젝트의 “단차”의 존재 그 자체는 매칭 반응성의 도입이 될 것이다. (공중에서) l/8보다 큰 값들의 경우, 금속 하우징 프레임의 두께는 강한 영향력의 발휘를 멈춘다. 그러나, 보다 적은 값들의 경우, 이 파라미터가 제조자에 의해 가변될 수 있을 때, 그것이 최적화 해석 시 고려될 수도 있다.
커버 및 기판의 유전체 물질들은 서로 다른 유전율 특성들의 비를 가질 수 있다. 예컨대 커버의 유전율이 ε1에 해당하고, 기판 유전체의 유전율이 ε2에 해당하면, 서로 다른 비율들이 있을 수 있다 (ε1 > ε2, ε1< ε2 or ε1= ε2).
본 개시에서 제안된 다양한 실시 예에서, 유리나 어떤 다른 유전체 물질일 수 있는 유전체 디스플레이 스크린은 안테나를 수용하는 기판 유전체의 유전율 ε2 보다 큰 유전율 ε1을 가질 수 있다. 그러한 비율을 통해, 유전체 디스플레이의 감속 효과가 본 개시에서 제안된 다양한 실시 예들에서 구현됨으로써, 유전체 디스플레이 스크린의 두께로 전자기파들을 보류하는 것이 가능하고 브로드 사이드 방향의 조기 방출을 줄일 수 있다.
일 실시 예에서, 기술된 안테나 어레이는, 유전율이 유전체 디스플레이 스크린에 대해 정의되었던 것과 같이, 기판 유전체의 유전율보다 크고 감속 도파로 구조의 조건들을 만족시키는 경우, 통신 장치의 후방 커버 밑에 위치할 수 있다.
실시 예들 중 하나에서, 구현된 통신 장치는 “가장자리 (edge)”가 형성된 하우징을 가질 수 있다. 즉 둥근 가장자리들을 가진 디스플레이를 포함한다. 이러한 실시 예는 또한 상술한 바와 같은 발명의 장치의 동작을 보장하며, 개별적이고도 집합적으로 기지국과 통신 장치의 보다 우수한 통신을 제공하는 동일한 바람직한 효과들의 달성을 제공한다.
통신 장치가 금속 프레임을 갖지 않거나 금속 프레임이 안테나 요소들의 위치 및 디스플레이의 바닥 표면보다 한참 아래에 있으면(>l/4 - l/2), 자유 공간 매칭 반응성은 다른 방식으로, 예컨대 매칭 스텁 (stub)들 등을 사용하여 관리될 수 있다.
실시 예들이 여기 개시된 사항들에 국한되는 것은 아니며, 당업자는 본 명세서에 포함된 정보 및 선행 기술에서의 지식을 기반으로 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않은 채 다른 실시 예들을 예상할 수 있을 것이다.
단수로 언급된 요소들은 달리 특정하지 않는 한 복수의 요소들을 배제하지 않는다.
요소들의 동작 관계는 이 요소들의 서로에 대한 올바른 상호동작 및 요소들의 기능 구현을 보장하는 관계로서 이해되어야 한다. 기능적 관계의 구체적 예들은 데이터 교환 수단과의 관계, 복수의 전류 전송 수단과의 관계, 기계적 이동 수단과의 관계, 광, 사운드, 전자기 또는 기계적 진동 등의 전송 수단과의 관계가 될 수 있다. 기능적 관계의 특정 유형은 상기 요소들의 상호동작에 의해 결정되며, 달리 언급하지 않는 한 이 분야에 잘 알려진 원리들을 이용하는 잘 알려진 수단에 의해 제공된다.
본 개시는 도면의 블록들을 구현하기 위한 어떤 특정 소프트웨어 및 하드웨어를 기술하는 것이 아니며, 당업자라면 본 개시에서 제안된 다양한 실시 예들의 본질이 특정 하드웨어나 소프트웨어 구현에 국한되지 않으며, 따라서 이 분야에 알려진 임의의 하드웨어나 소프트웨어 수단이 본 발명을 구현하는데 사용될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 따라서 하드웨어는 하나 이상의 ASIC (application specific integrated circuit)들, DSP (digital signal processor)들, DSP 소자들, 프로그래머블 로직 소자들, FPGA (field programmable gate array)들, 프로세서들, 컨트롤러들, 마이크로 컨트롤러들, 마이크로프로세서들, 전자 장치들, 여기 개시된 동작들을 수행하도록 구성된 다른 전자 모듈들, 컴퓨터, 또는 이들의 조합 안에서 구현될 수 있다.
그리고 다양한 실시 예에서 하위 개념으로 언급되는 특징들 및 상세한 설명의 다양한 부분에서 개시된 실시 예들이 결합되어 (그러한 결합 가능성이 명시적으로 개시되지 않더라도) 바람직한 효과를 얻을 수 있다.
본 명세서나 도면에서의 자료에서 지시된 수치들은 언급된 범위의 하한 치에서 상한 치까지의 모든 값들을 포함하도록 되어 있다.
예시된 실시 예들이 첨부된 도면들에서 상세히 기술 및 도시되었다는 사실에도 불구하고, 이러한 실시 예들은 다만 예시적인 것으로 보다 광범위한 발명을 제한하고자 하는 것이 아니며, 당업자에게는 다른 다양한 변형들이 자명해 보이므로 본 개시에서 제안된 다양한 실시 예들이 예시 및 기술된 배열 및 구조들에 국한되는 것은 아니라는 것을 알아야 한다.
한편, 본 개시의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 개시에서 제안한 다양한 실시 예에 따른 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 변형에 의한 실시할 수 있음은 물론이다. 그러므로 본 개시에 따른 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허 청구의 범위뿐만 아니라, 이 특허 청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다. 그뿐만 아니라, 이러한 변형 실시들은 본 개시의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이다.

Claims (14)

  1. 무선 통신 장치에 있어서,
    하우징(housing);
    상기 하우징 안에 고정되는 유전체 기판; 및
    상기 유전체 기판 상의 유전체 커버를 포함하며,
    여기서, 상기 유전체 기판은 다중 계층 인쇄 회로와, 상기 다중 계층 인쇄 회로의 상부 면을 덮고 있는 금속 계층을 포함하며,
    상기 금속 계층은 제1 길이를 갖는 다수의 제1 슬롯 요소들과, 상기 제1 길이보다 긴 제2 길이를 갖는 다수의 제2 슬롯 요소들로 구성된 슬롯 안테나 어레이를 가지며,
    상기 다수의 제1 슬롯 요소들의 하나 또는 다수의 짝수 번째 슬롯 요소는 상기 금속 계층 상에서 하나 또는 다수의 홀수 번째 슬롯 요소와 일직선에서 벗어나도록 구성되며,
    상기 다수의 제2 슬롯 요소들의 하나 또는 다수의 짝수 번째 슬롯 요소들은 상기 금속 계층 상에서 하나 또는 다수의 홀수 번째 슬롯 요소들과 일직선에서 벗어나도록 구성되는 무선 통신 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 다수의 제1 슬롯 요소들 각각은 상기 다수의 제2 슬롯 요소들 중 하나와 90도의 위상 천이를 갖도록 동일 방사 방향에 구성되는 무선 통신 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 하우징은 외부 환경과, 상기 유전체 커버 안에서 전파되는 신호들(waves)을 추가 매칭할 수 있는 금속 프레임을 더 포함하는 무선 통신 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 슬롯 요소들 및/또는 상기 제2 슬롯 요소들의 길이는 진행파의 1/2 파장에서 상기 진행파의 파장까지의 범위에서 선택되는 무선 통신 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    짝수 번째 제1 및 제2 슬롯 요소는 홀수 번째 제1 및 제2 슬롯 요소들에 대해 1/10 파장만큼 오프-셋되는 무선 통신 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 금속 계층에는 후방 방사파를 반사하도록 수동 반사 슬롯 요소들을 더 구성됨을 특징으로 하는 무선 통신 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 금속 계층에는 백스캐터링(back scattering)되는 금속 스크린이 더 구성됨을 특징으로 하는 무선 통신 장치.
  8. 무선 통신 장치용 안테나에 있어서,
    다중 계층 인쇄 회로와, 상기 다중 계층 인쇄 회로의 상부 면을 덮고 있는 금속 계층을 포함하는 유전체 기판; 및
    상기 유전체 기판에 포함된 상기 금속 계층 위로 적층된 유전체 커버를 포함하며,
    여기서, 상기 금속 계층은 각각이 서로 상이한 길이를 갖는 적어도 두 개의 슬롯 요소들을 포함하는 다수의 슬롯 요소들의 쌍들로 구성된 슬롯 안테나 어레이를 가지며,
    상기 다수의 슬롯 요소들의 쌍들의 하나 또는 다수의 짝수 쌍들은 상기 금속 계층 상에서 하나 또는 다수의 홀수 쌍들과 일직선에서 벗어나도록 구성된 무선 통신 장치용 안테나.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 다수의 슬롯 요소들의 쌍들은 90도의 위상 천이를 갖도록 동일 방사 방향에 구성되는 제1 슬롯 요소와 제2 슬롯 요소를 포함하는 무선 통신 장치용 안테나.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 유전체 커버 안에서 전파되는 신호들(waves)을 추가 매칭할 수 있는 금속 프레임을 더 포함하는 무선 통신 장치용 안테나.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 적어도 두 개의 슬롯 요소들의 길이는 진행파의 1/2 파장에서 상기 진행파의 파장까지의 범위에서 서로 상이하게 선택되는 무선 통신 장치용 안테나.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 하나 또는 다수의 짝수 쌍들은 상기 금속 계층 상에서 상기 하나 또는 다수의 홀수 쌍들에 대해 1/10 파장만큼 오프-셋되는 무선 통신 장치용 안테나.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 슬롯 안테나 어레이에는 후방 방사파를 반사하도록 수동 반사 슬롯 요소들을 더 구성함을 특징으로 하는 무선 통신 장치용 안테나.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 슬롯 안테나 어레이에는 백스캐터링되는 금속 스크린을 더 구성함을 특징으로 하는 무선 통신 장치용 안테나.
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