KR100895658B1

KR100895658B1 - Low Profile Smart Antennas and Related Methods for Wireless Applications

Info

Publication number: KR100895658B1
Application number: KR1020077001230A
Authority: KR
Inventors: 빙 에이 시앙; 마이클 제이 린치; 더글라스 에이치 우드; 토마스 리우; 고빈드 알 카담비; 마크 더블유 키즐러
Original assignee: 인터디지탈 테크날러지 코포레이션
Priority date: 2004-06-17
Filing date: 2005-06-17
Publication date: 2009-05-07
Anticipated expiration: 2025-06-17
Also published as: KR20070022161A

Abstract

낮은 프로파일 스마트 안테나는 유전체 기판에 탑재된 T형상을 가진 능동 안테나 소자를 포함한다. 수동 안테나 소자들은 능동 안테나 소자의 측면에 인접한 역L형상 부분을 가지며 유전체 기판에 탑재된다. 임피던스 소자들은 안테나 빔 조향을 위해 수동 안테나 소자에 선택적으로 연결될 수 있다. Low profile smart antennas include active antenna elements having a T shape mounted on a dielectric substrate. Passive antenna elements have an inverted L-shaped portion adjacent the sides of the active antenna element and are mounted on a dielectric substrate. Impedance elements can be selectively connected to passive antenna elements for antenna beam steering.

Description

LOW PROFILE SMART ANTENNA FOR WIRELESS APPLICATIONS AND ASSOCIATED METHODS}

본 발명은 무선 통신 분야에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 이동 가입자 유닛과 함께 이용하기 위한 낮은 프로파일 스마트 안테나에 관한 것이다. TECHNICAL FIELD The present invention relates to the field of wireless communications, and more particularly, to a low profile smart antenna for use with a mobile subscriber unit.

휴대 또는 이동 가입자 유닛들이 CDMA2000 통신 시스템과 같은, 기지국과 통신하는 무선 통신 시스템에서, 이 이동 가입자 유닛은 통상적으로, 예를 들어 셀룰러폰(cellular telephone)과 같은 핸드 헬드 장치(hand-held device)이다. 일부 실시예에서, 안테나는 이동 가입자 유닛의 하우징 또는 인클로져(enclosure)로부터 돌출되어 있다. 이 안테나는 예를 들어, 돌출형 모노폴 또는 다이폴 안테나일 수도 있다. 모노폴 또는 다이폴 안테나는 무지향성(omni-directional) 안테나 패턴과 같은 고정 패턴으로 제한되어 있다.
이동 가입자 유닛과 함께 사용되는 또 다른 종류의 안테나는 스위치드 빔 안테나(switched beam antenna)이다. 스위치드 빔 안테나 시스템은 무지향성 안테나 빔과 하나 이상의 지향성 안테나 빔을 포함하는 복수의 안테나 빔을 생성한다. 지향성 안테나 빔은 기지국과 이동 가입자 유닛 간의 통신 범위를 유리하게 증가시키고 네트워크 처리율도 증가시키기 위하여 높은 안테나 이득을 제공한다. 또한, 스위치드 안테나 빔은 스마트 안테나 또는 적응형 안테나 어레이(adaptive antenna array)로도 알려져 있다.
미국 특허 제6,876,331호는 이동 가입자 유닛을 위한 스마트 안테나를 개시하고 있다. 이 특허는 본 발명의 현재 양수인에게 양도되어 있으며 그 전체가 여기에 참고 문헌으로서 포함되어 있다. 특히, 스마트 안테나는 이동 가입자 유닛의 하우징으로부터 돌출하는 능동 안테나 소자와 복수의 수동 안테나 소자를 포함한다.
특히, 스마트 안테나에 대하여 이동 가입자 유닛의 하우징으로부터 다양한 종류의 안테나의 돌출부가, 사용자에 의해 운반되는 경우에 부러지거나 손상될 수도 있다. 돌출형 안테나에 경미한 손상조차도 돌출형 안테나의 동작 특성을 크게 변경시킬 수 있다. 게다가, 긴 돌출부는 이동 가입자 유닛의 외관으로부터 멀리 떨어져 있다.In a wireless communication system where portable or mobile subscriber units communicate with a base station, such as a CDMA2000 communication system, this mobile subscriber unit is typically a hand-held device such as, for example, a cellular telephone. . In some embodiments, the antenna protrudes from the housing or enclosure of the mobile subscriber unit. This antenna may be, for example, a raised monopole or dipole antenna. Monopole or dipole antennas are limited to fixed patterns, such as omni-directional antenna patterns.
Another type of antenna used with a mobile subscriber unit is a switched beam antenna. The switched beam antenna system generates a plurality of antenna beams comprising an omnidirectional antenna beam and one or more directional antenna beams. The directional antenna beam provides high antenna gain in order to advantageously increase the communication range between the base station and the mobile subscriber unit and to increase the network throughput. Switched antenna beams are also known as smart antennas or adaptive antenna arrays.
U. S. Patent No. 6,876, 331 discloses a smart antenna for a mobile subscriber unit. This patent is assigned to the current assignee of the present invention, which is hereby incorporated by reference in its entirety. In particular, the smart antenna comprises an active antenna element and a plurality of passive antenna elements protruding from the housing of the mobile subscriber unit.
In particular, with respect to the smart antenna, projections of various kinds of antennas from the housing of the mobile subscriber unit may be broken or damaged when carried by the user. Even minor damage to the protruding antenna can significantly change the operating characteristics of the protruding antenna. In addition, the long projection is far from the exterior of the mobile subscriber unit.

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따라서, 전술한 배경 기술을 고려할 때, 본 발명의 목적은 휴대성(portability) 및 외관을 개선하도록 이동 가입자 유닛의 하우징으로부터 돌출하는 스마트 안테나의 높이를 축소시키는 것이다.
본 발명에 따른 이 목적과 다른 목적과, 특징, 및 이점은, 유전체 기판(Dielectric Substrate)과, 이 유전체 기판에 탑재되고 T형상을 갖는 능동 안테나 소자와, 이 유전체 기판에 탑재된 하나 이상의 수동 안테나 소자를 포함하고 능동 안테나 소자의 측면에 인접한 역L형상 부분을 포함하는 스마트 안테나에 의해 제공된다. 하나 이상의 임피던스 소자는 안테나 빔 조향(antenna beam steering)을 위해 하나 이상의 수동 안테나 소자에 선택적으로 연결될 수 있다.
수동 안테나 소자들의 역L형상 부분과 T형상 능동 안테나 소자는 이동 가입자 유닛의 하우징으로부터 돌출하는 안테나 소자의 높이를 크게 감소시킴으로써, 이동성 및 외관을 개선한다.
이동 가입자 유닛의 다른 실시예에서, 스마트 안테나는 하우징 내부에 있을 수도 있다. 다시 말하면, 능동 및 수동 안테나 소자의 높이를 감소시키면, 유리하게 하우징으로부터 돌출하는 대신에 그 하우징에 의해 스마트 안테나를 밀폐시킬 수 있다.
능동 안테나 소자는 T형상을 규정하기 위하여 하단 부분과 그 하단 부분에 연결되는 상단 부분을 포함할 수 있고, 여기서 하단 부분은 구불한(meandering) 형상을 갖는다. 게다가, 상단 부분은 하단 부분에 대하여 대칭적으로 배치될 수도 있고, 한 쌍의 역L형상 말단부를 포함한다.
스마트 안테나는 하나 이상의 임피던스 소자에 하나 이상의 수동 안테나 소자를 선택적으로 연결하는 유전체 기판에 탑재된 하나 이상의 스위치를 더 포함할 수도 있다. 각각의 임피던스 소자는 각각의 수동 안테나 소자와 연관될 수도 있고, 각 임피던스 소자는 유도성 부하(inductive load)와 용량성 부하(capacitive load)를 포함할 수도 있다. 유도성 부하와 용량성 부하는 무지향성 안테나 빔과 복수의 지향성 안테나 빔을 포함하는 안테나 빔을 발생시키는 수동 안테나 소자에 선택적으로 연결될 수도 있다.
각각의 수동 안테나 소자는 하나 이상의 임피던스 소자를 통하여 L형상 부분에 연결되는 제1 연장 부분을 더 포함할 수도 있다. 수동 안테나 소자의 L형상 부분의 길이와 능동 안테나 소자의 길이가 축소되었기 때문에, 제1 연장 부분은 일반적으로 길이가 길다.
그 결과, 본 발명의 또 다른 양태는 스마트 안테나의 전체 길이를 축소하는 것은 물론 대역폭을 개선하는 것이다. 이것은 제1 연장 부분의 한 측면에 개구부(opening)를 갖는 각각의 제1 연장 부분에 루프를 형성함으로써 성취된다. 각각의 제1 연장 부분은 개구부에 걸쳐서 루프에 연결되어 있는 임피던스 소자를 더 포함할 수도 있다. 게다가, 루프와 임피던스 소자는 안테나가 접지 면에 매우 근접함으로써 기인하는 연결(coupling)의 임의의 악영향에 대항하는데 효과적으로 사용될 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태는 낮은 프로파일, 듀얼 밴드 스마트 안테나를 제공하는 것에 관한 것이다. 앞서 언급한 바와 같은, 제1 연장 부분은 임피던스 소자를 통하여 수동 안테나 소자의 L형상 부분에 연결될 수도 있다. 현재, 이 안테나 구성은 예를 들면, 1.75 GHz 내지 2.5 GHz(즉, 높은 대역)와 같은, 특정 주파수 대역을 통해 동작한다.
예를 들어, 824 MHz 내지 960 MHz와 같은, 낮은 주파수 대역에서 동작하도록, 제2 능동 안테나 소자가 능동 안테나 소자에 병렬로 연결될 수도 있고, 필터와 제2 연장 부분은 각각의 제1 연장 부분에 연결될 수도 있다. 동작시에, 필터는 예를 들면, 824 MHz 내지 960 MHz와 같은 낮은 대역을 통해 동작하도록 제2 연장 부분을 전기적으로 연결한다.
본 발명의 또 다른 양태는 상술된 바와 같이 스마트 안테나를 제조하는 방법에 관한 것이다. Accordingly, in view of the background art described above, it is an object of the present invention to reduce the height of the smart antenna protruding from the housing of the mobile subscriber unit to improve portability and appearance.
This and other objects, features, and advantages of the present invention include a dielectric substrate, an active antenna element mounted on the dielectric substrate and having a T shape, and one or more passive antennas mounted on the dielectric substrate. Provided by a smart antenna comprising an element and comprising an inverted L-shaped portion adjacent the side of the active antenna element. One or more impedance elements may be selectively connected to one or more passive antenna elements for antenna beam steering.
The inverted L-shaped and T-shaped active antenna elements of the passive antenna elements greatly reduce the height of the antenna element protruding from the housing of the mobile subscriber unit, thereby improving mobility and appearance.
In another embodiment of the mobile subscriber unit, the smart antenna may be inside the housing. In other words, reducing the height of the active and passive antenna elements can advantageously seal the smart antenna by the housing instead of protruding from the housing.
The active antenna element may comprise a lower portion and an upper portion connected to the lower portion to define the T shape, where the lower portion has a meandering shape. In addition, the top portion may be disposed symmetrically with respect to the bottom portion and includes a pair of inverted L-shaped ends.
The smart antenna may further comprise one or more switches mounted on a dielectric substrate that selectively connects one or more passive antenna elements to one or more impedance elements. Each impedance element may be associated with a respective passive antenna element, and each impedance element may include an inductive load and a capacitive load. The inductive load and the capacitive load may be selectively connected to a passive antenna element that generates an antenna beam comprising an omnidirectional antenna beam and a plurality of directional antenna beams.
Each passive antenna element may further comprise a first extension portion connected to the L-shaped portion via one or more impedance elements. Since the length of the L-shaped portion of the passive antenna element and the length of the active antenna element are reduced, the first extension portion is generally long.
As a result, another aspect of the present invention is to reduce the overall length of the smart antenna as well as to improve the bandwidth. This is accomplished by forming a loop in each first extension portion having an opening on one side of the first extension portion. Each first extending portion may further comprise an impedance element connected to the loop over the opening. In addition, the loop and impedance elements can be effectively used to counter any adverse effects of coupling caused by the antenna being very close to the ground plane.
Another aspect of the invention is directed to providing a low profile, dual band smart antenna. As mentioned above, the first extension portion may be connected to the L-shaped portion of the passive antenna element via an impedance element. Currently, this antenna configuration operates over a specific frequency band, such as, for example, 1.75 GHz to 2.5 GHz (ie high band).
For example, to operate in a low frequency band, such as 824 MHz to 960 MHz, the second active antenna element may be connected in parallel to the active antenna element, and the filter and the second extension portion may be connected to each first extension portion. It may be. In operation, the filter electrically connects the second extension to operate over a low band, such as, for example, 824 MHz to 960 MHz.
Another aspect of the invention relates to a method of manufacturing a smart antenna as described above.

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도 1은 본 발명에 따른 스마트 안테나를 갖춘 이동 가입자 유닛의 개략도이다.
도 2는 도 1에 도시된 이동 가입자 유닛의 스마트 안테나의 집적화를 예시하는 분해도이다.
도 3은 이동 가입자 유닛 내부에 있는 도 1에 도시된 스마트 안테나의 개략도이다.
도 4는 도 3에 도시된 이동 가입자 유닛의 스마트 안테나의 집적화를 예시하는 분해도이다.
도 5는 도 1 내지 4에 도시된 스마트 안테나의 개략도이다.
도 6은 유전체 기판상에 다른 핸드셋 회로에 아주 근접한 도 5에 도시된 스마트 안테나의 개략도이다.
도 7은 본 발명에 따른 수동 안테나 소자의 스위치 및 임피던스 소자의 개략도이다.
도 8은 도 1에 도시된 스마트 안테나의 다양한 방사 패턴을 예시하는 그래프이다.
도 9는 본 발명에 따른 듀얼 밴드 스마트 안테나의 개략도이다.
도 10은 도 9에 도시된 듀얼 밴드 스마트 안테나 부분의 분해도이다.
도 11은 도 10에 도시된 전도성판(conductive plate)의 RF 입력의 평면도이다.
도 12는 도 10에 도시된 전도성판의 측면도이다.
도 13은 높은 대역에서의 도 9에 도시된 듀얼 밴드 스마트 안테나의 방사 패턴을 예시하는 그래프이다.
도 14는 낮은 대역에서의 도 9에 도시된 듀얼 밴드 스마트 안테나의 방사 패턴을 예시하는 그래프이다.
도 15는 도 9에 도시된 듀얼 밴드 스마트 안테나에 대한 반사 손실(return loss)을 예시하는 그래프이다. 1 is a schematic diagram of a mobile subscriber unit with a smart antenna in accordance with the present invention.
FIG. 2 is an exploded view illustrating the integration of the smart antenna of the mobile subscriber unit shown in FIG. 1.
3 is a schematic diagram of the smart antenna shown in FIG. 1 inside a mobile subscriber unit.
4 is an exploded view illustrating the integration of the smart antenna of the mobile subscriber unit shown in FIG.
5 is a schematic diagram of the smart antenna shown in FIGS.
6 is a schematic diagram of the smart antenna shown in FIG. 5 in close proximity to another handset circuit on a dielectric substrate.
7 is a schematic diagram of a switch and an impedance element of a passive antenna element according to the present invention.
FIG. 8 is a graph illustrating various radiation patterns of the smart antenna shown in FIG. 1.
9 is a schematic diagram of a dual band smart antenna according to the present invention.
FIG. 10 is an exploded view of the dual band smart antenna portion shown in FIG. 9.
FIG. 11 is a plan view of the RF input of the conductive plate shown in FIG. 10.
FIG. 12 is a side view of the conductive plate shown in FIG. 10.
FIG. 13 is a graph illustrating the radiation pattern of the dual band smart antenna shown in FIG. 9 at high band.
14 is a graph illustrating the radiation pattern of the dual band smart antenna shown in FIG. 9 in the low band.
FIG. 15 is a graph illustrating return loss for the dual band smart antenna shown in FIG. 9.

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다음으로, 본 발명을 본 발명의 바람직한 실시형태들이 도시되어 있는 첨부 도면들을 참조하여 이하에서 더 상세히 설명할 것이다. 그러나, 본 발명은 많은 다른 형태로 구현될 수도 있고, 여기서 설명된 실시형태들로 제한되는 것으로 이해해서는 안 된다. 오히려, 이러한 실시형태들은 이러한 개시가 철저하고 완전한 것이 되도록 제공되고, 당업자에게 본 발명의 범위를 충분히 전달할 것이다. 동일한 부호는 명세서 전반에 걸쳐서 동일한 요소를 지칭하고, 프라임 표시는 대안적인 실시예들에서 유사한 요소를 나타내는데 사용된다.
먼저, 도 1과 2를 참조하면, 예시된 이동 가입자 유닛(20)은 낮은 프로파일 스마트 안테나(22)를 포함한다. 스마트 안테나(20)는 이동 가입자 유닛(20)의 하우징(24)으로부터 돌출하였더라도, 능동 안테나 소자(30)와 수동 안테나 소자(32)가 돌출한 거리는 이동성 및 외관(appearance)을 개선하도록 축소되어 있다. 예시되어 있진 않지만, 능동 안테나 소자(30)와 수동 안테나 소자(32)는 옵션으로 보호 피복(protective coating) 또는 실드(shield)로 커버될 수도 있다.
스마트 안테나(22)는 무선 근거리 통신 네트워크(WLAN) 프로토콜을 이용하는 무선 데이터 유닛의 경우에는 액세스 포인트로부터 또는 셀룰러 핸드셋의 경우에는 기지국과 무선 통신 신호의 지향성 수신 및 송신을 제공한다.
이동 가입자 유닛(20)으로의 스마트 안테나(22)의 집적화를 예시하는 도 2의 분해도에서, 스마트 안테나는 인쇄 회로 기판상에 형성되고, 이동 가입자 유닛의 후면 하우징[24(1)] 내에 위치된다. 중앙 모듈(26)은 전자 회로, 무선 수신 및 송신 장비 등을 포함할 수도 있다. 외부 하우징[24(2)]은 예를 들면 이동 가입자 유닛(20)의 전면(front) 커버로서 기능할 수도 있다. 후면 하우징[24(1)]과, 외부 하우징[24(2)]이 함께 연결된 경우에, 이들이 이동 가입자 유닛(20)의 하우징(24)을 형성한다.
스마트 안테나(22)의 인쇄 회로 기판 구현은 핸드셋 폼 팩터 내에서 용이하게 맞춤화될 수 있다. 다른 실시형태에 있어서, 스마트 안테나(22)가 중앙 모듈(26)의 통합 부분으로서 형성될 수도 있으므로 스마트 안테나와 중앙 모듈이 동일한 인쇄 회로 기판상에 제작된다.
스마트 안테나(22)의 접지 부분(41)은 하우징(24) 내부에 삽입된다. 능동 안테나 소자(30)와 수동 안테나 소자(32)가 돌출함으로써 능동 안테나 소자(30)와 수동 안테나 소자(32)는 자유롭게 방사할 수 있다. 낮은 프로파일 스마트 안테나(22)의 폼 팩터는 앞서 참조된 '331 특허에 개시된 스마트 안테나의 폼 팩터와 비교하여 핸드셋에 더 쉽게 패키지화된다.
능동 안테나 소자(30)와 수동 안테나 소자(32)의 높이를 축소하는 것은 많은 단계를 수반한다. 제1 단계는 중앙에서 능동 안테나 소자(30)의 높이를 축소하는 것이다. 제2 단계는 빔 형성과 스위칭을 수행하기에 충분한 방사 결합(radiation coupling)을 유지하는 동안 능동 안테나 소자(30)에 인접한 수동 안테나 소자(32)의 높이를 축소하는 것이다. 제3 단계는 안테나 소자(30, 32)의 크기 감소로 인해 손실된 이득을 회복하는 것이다.
이동 가입자 유닛의 다른 실시형태에 있어서, 스마트 안테나(22)는 도 3 내지 4에 예시된 바와 같이 하우징(24) 내부에 있을 수 있다. 바꾸어 말하면, 당업자에 의해 쉽게 이해될 수 있는 바와 같이, 능동 안테나 소자(30)와 수동 안테나 소자(32)의 축소된 높이는, 유리하게도 스마트 안테나(22)를 하우징(24)에 의해 밀폐시킬 수 있다.
다음으로, 도 5 내지 7을 참조하여 스마트 안테나(22)를 더욱 상세히 설명한다. 중앙 능동 안테나 소자(30)와 외부 수동 안테나 소자(32)를 포함하는 스마트 안테나(22)는 인쇄 회로 기판과 같은 유전체 기판(40)상에 배치된다. 이하에서 더욱 상세히 설명되는 바와 같이 수동 안테나 소자(32) 각각은 반사 모드 또는 지향성(directive) 모드에서 동작될 수 있다.
능동 안테나 소자(30)는 유전체 기판(40)상에 배치된 "T"자형의 전도성 방사체를 포함한다. 수동 안테나 소자(32)들도 유전체 기판(40)상에 배치되고 이들 각각은 능동 안테나 소자(30)의 측면에 인접한 역L형상 부분을 포함한다. T형상 능동 안테나 소자(30)와 수동 안테나 소자(32)의 L형상 부분은 이동 가입자 유닛(20)의 하우징(24)으로부터 돌출하는 스마트 안테나(22)의 높이를 유리하게 축소한다.
이동 가입자 유닛(20)의 하우징(24)으로부터의 능동 안테나 소자(30)의 돌출 길이의 축소는 탑 로딩(Top Loading)을 제공하고, 동시에 안테나의 본체를 위한 저속파 구조(slow wave structure)를 제공함으로써 성취된다. 이러한 능동 안테나 소자(30)는 높이가 60% 보다 크게 축소된다. 이 낮은 프로파일 설계는 여전히 앞서 참조된 '331 특허에서와 같이 지향성 및 무지향성 안테나 패턴을 제공한다.
방사용 소자 크기의 축소에 이용가능한 기술들 중 하나는 구불한 선로(meander-line) 기술이다. 다른 기술은 예를 들어, 유전체 부하, 및 코러게이션(corrugation)을 포함할 수 있다. 능동 안테나 소자(30)에 대하여 예시된 구조는, 일례로서 예시되는 구불한 선로이다.
능동 안테나 소자(30)와 수동 안테나 소자(32)는 인쇄 회로 기판과 같은 단일 유전체 기판으로부터 그 위에 배치되는 각각의 소자들과 함께 제조되는 것이 바람직하다. 안테나 소자(30, 32)는 변형가능하거나 유연한 기판에 배치될 수도 있다.
수동 안테나 소자(32)는 각각 상부 전도성 세그먼트[32(1)](L형상 부분 포함)는 물론 대응하는 하부 전도성 세그먼트[32(2)]를 구비한다. 수동 안테나 소자(32)의 높이는 역L형상을 형성하도록 이 수동 안테나 소자의 상단 부분을 구부림으로써 감소된다. 다른 방법으로, 탑 로딩이 사용될 수도 있다. 저속파 구조는 수동 안테나 소자(32)의 본체에 부가될 수 있지만, 반드시 필요한 것은 아니다. 이는 급전점(feed point)에서의 용량성 부하[60(1)], 유도성 부하[60(2)]가 높이 변경을 보상하도록 조정될 수 있으므로, 수동 안테나에서 이러한 부하들을 보상할 필요가 없다.
역L형상은 능동 안테나 소자(30)의 탑 로딩 세그먼트를 충족시키도록 형성되지만, 더 많은 전력이 최적의 빔 형성을 위해 능동 안테나 소자(30)로부터 수동 안테나 소자(32)로 연결될 수 있는 방식으로 접촉하지는 않는다. 도 5에 도시된 능동 안테나 소자(30)와 수동 안테나 소자(32)의 상부 전도성 세그먼트[32(1)]의 높이는 0.6 인치이고, 이는 '331 특허에서 예시되는 안테나 소자의 형태에 대해 대응하는 높이보다 낮은 0.9 인치 정도이다.
스마트 안테나(22)의 물리적인 크기가 축소되는 경우에 이득은 감소될 것으로 예상된다. 일부 크기가 제약되는 경우에, 이러한 이득 감소는 패키징 요건을 충족시키는 것을 가능하게 할 수 있다. 그러나, 다양한 기술들이 이러한 손실을 감소시키는데 사용될 수 있다. 하우징(24)의 바깥쪽에 스마트 안테나(22)의 부분에서 높이의 축소가 요구되기 때문에, 삽입된 부분의 길이, 즉, 하부 전도성 세그먼트[32(2)]는 축소된 높이를 보상하도록 증가될 수 있다.
이것은 실제로 수동 안테나 소자(32)를 오프셋 다이폴(offset fed dipoles)로 돌린다. 수동 안테나 소자(32)는 제어가능한 진폭과 위상을 갖는 반사기/지시기 소자로서 수행하는데 사용될 수 있다. 반응 부하(reactive load)(60)에 매치되는 어떤 입력 임피던스도 없다. 실제로, 반응 부하(60)가 손실이 적고 미스매치 위상이 제어될 수 있는 한, 길이 변경과 오프셋 급전(offset feeding)은 스마트 안테나(22)의 성능을 방해하지 않도록 무손실 미스매치가 요구된다.
수동 안테나 소자(32)를 반사 모드 또는 지향성 모드 중 어느 하나에서 동작시키기 위하여, 상부 전도성 세그먼트[32(1)]는 하나 이상의 임피던스 소자(60)를 통해 하부 전도성 세그먼트[32(2)]에 연결된다. 하나 이상의 임피던스 소자(60)는 용량성 부하[60(1)]와, 유도성 부하[60(2)]를 포함하고, 각각의 부하는 스위치(62)를 통해 상부 전도성 세그먼트[32(1)]와 하부 전도성 세그먼트[32(2)] 사이에 연결된다. 스위치(62)는 예를 들어, SPDT(Sngle-Pole Double-Throw) 스위치일 수도 있다.
상부 전도성 세그먼트[32(1)]가 유도성 부하[60(2)]를 통해 각각의 하부 전도성 세그먼트[32(2)]에 연결되는 경우, 수동 안테나 소자(32)는 반사 모드로 동작한다. 이에 의해, 무선 주파수(RF) 에너지는 수동 안테나 소자(32)로부터 그것의 소스 쪽으로 다시 반사된다.
상부 전도성 세그먼트[32(1)]가 용량성 부하[60(1)]를 통해 각각의 하부 전도성 세그먼트[32(2)]에 연결되는 경우, 수동 안테나 소자(32)는 지향성 모드로 동작한다. 이에 의해, RF 에너지는 RF 에너지의 소스로부터 떨어져 수동 안테나 소자(32) 쪽으로 방향지워진다.
스위치 제어 및 구동 회로(64)는 전도성 트레이스(66)를 통해 각각의 스위치(62) 각각에 논리 제어 신호를 제공한다. 스위치(62), 스위치 제어 및 구동 회로(64) 및 전도성 트레이스(66)는 안테나 소자(30, 32)로서 동일한 유전체 기판(40)상에 배치될 수도 있다.
앞서 언급한 바와 같은, 전자 회로, 무선 수신 및 송신 장비 등은 중앙 모듈(26)상에 배치될 수도 있다. 다른 방법으로, 이러한 장비는 스마트 안테나(22)로서 동일 유전체 기판(40)상에 배치될 수도 있다. 도 6에 예시된 바와 같이, 이러한 장비는 안테나 빔을 선택하는 빔 선택기(70)와, 능동 안테나 소자(30)의 급전(feed)(68)에 연결되는 송수신기(72)를 포함한다.
안테나 조향 알고리즘 모듈(74)은 어떤 안테나 빔이 최적의 수신을 제공하는지를 결정하는 안테나 조향 알고리즘을 실행한다. 안테나 조향 알고리즘은 복수의 안테나 빔을 주사하는 빔 선택기(70)를 동작시켜 신호들을 수신한다.
다음으로, 예시된 낮은 프로파일 스마트 안테나(22)의 성능을 도 8을 참조하여 설명한다. 스마트 안테나(22)는 1.87 GHz의 주파수에서 동작하고, 두 개의 위치 스위치(62)가 두 개의 수동 안테나 소자(32) 각각에 사용되기 때문에 네 개의 모드가 이용될 수 있다. 최대 이득은 4 dBi이며, 이것은 선 80에 대응된다. 선 80은 반사 모드에 있는 다른 수동 안테나 소자와 지향성 모드에 있는 수동 안테나 소자 중 하나를 나타낸다. 이것은 예를 들면 1.5 인치의 전체 길이 소자들을 갖는 유사한 스마트 안테나의 이득보다 낮은 약 1 1/2 dB 이다. 널(null)은 깊이와 같고, 이것은 많은 간섭 제거 애플리케이션에 대해 매우 바람직하다.
도 8의 그래프를 계속해서 참조하면, 선 82는 선 80과 유사하고 각각의 수동 안테나 소자(32)에 대한 반사/지향성 모드의 역(逆)을 나타낸다. 이 역전에 대응하는 피크 안테나 이득은 선 82로 표시된다. 선 82는 선 80과 관련된 안테나 이득과 동일한 안테나 이득을 갖는다. 선 84는 지향성 모드에 있는 수동 안테나 소자(32) 양측을 나타내며, 이는 약 2 dBi의 무지향성 피크 안테나 이득에 대응한다. 선 86은 반사 모드에 있는 수동 안테나 소자(32) 양측을 나타내며 약 -5 dBi의 피크 안테나 이득에 대응한다.
또한, 하부 전도성 세그먼트[32(2)]는 그것의 한 측면에 개구부를 갖는 루프(90)를 포함할 수도 있다. 전자 부품(92)은 개구부에 걸쳐서 루프(90)에 연결되어 있다. 전자 부품(92)은 예를 들면 캐패시터이다. 다른 실시형태들에서, 전자 부품(92)은 능동 장치일 수도 있다. 다양한 리액턴스 장치 또는 전자 부품(92)을 이용하는 루프(90)는 좀더 효과적인 방식으로 스마트 안테나(22)를 튜닝시키는 역할을 수행한다. 게다가, 루프(90)와 전자 부품(92)의 결합물은 스마트 안테나(22)의 전체 길이를 축소시키는데 기여한다.
스마트 안테나(22)의 대역폭은 물론 효율성은 접지 면과 안테나 사이의 이격 거리가 매우 작은 경우에 훨씬 더 크게 나빠진다. 낮은 프로파일 스마트 안테나(22)는 그 안테나가 접지 면(41) 위에 약 1.75 mm의 높이에 있는 경우 그 대역폭이 크게 개선됨을 보여준다. 대역폭의 개선과 안테나 전체 길이의 축소의 개선은 하부 전도성 세그먼트[32(2)]상의 루프(90)를 포함하는 변형된 설계에 기인한다. 루프(90)와 그것과 관련된 전자 부품(92)은 안테나(22)가 접지 면(41)에 매우 근접하는 경우에 생기는 연결의 임의의 악영향에 대항하는데 효과적으로 사용될 수 있다.
안테나(22)와 접지 면(41) 사이의 이격 거리는 1.75 mm 만큼 작을 수 있다. 낮은 프로파일 스마트 안테나(22)는 여전히 인쇄 회로 기판(40)상에서 제조될 수 있다. 접지 면(41)에 대한 안테나의 상대적인 위치는 물론 세부 치수는 셀룰러 핸드셋의 플립 버전 또는 플립이 아닌 버전 중 하나로 통합되는데 적합하다.
본 발명의 또 다른 양태는 낮은 프로파일의 듀얼 밴드 스마트 안테나(22')를 제공하는 것이다. 이동 통신 시스템에서는, 멀티 밴드 동작이 통상적으로 요구된다. 예를 들면, 동작 대역은 824 MHz 내지 960 MHz, 및 1.75 GHz 내지 2.5 GHz일 수도 있다. 당업자에 의해 쉽게 이해될 수 있는 바와 같이 이동 가입자 유닛을 위한 다른 동작 대역도 적용될 수 있다. 상술한 바와 같은 스마트 안테나(22)는 1.75 GHz 내지 2.5 GHz의 주파수 범위, 즉, 예를 들면 높은 대역을 통해 동작한다.
다음으로, 도 9 내지 12를 참조하면, 스마트 안테나(22')는 824 MHz 내지 960 MHz의 주파수 범위, 즉, 예를 들면 낮은 대역을 통해서도 동작하도록 변형된다. 접지 면(41')은 안테나(22')의 공진 대응부(resonance counterpart)와 스마트 안테나의 동작을 제어하는 전자 회로에 대한 플랫폼을 제공한다. 높은 대역(1.75 GHz 내지 2.5 GHz)은 하부 전도성 세그먼트[32(2)]에 의해 지원된다. 낮은 대역은 하부 전도성 세그먼트[32(2)']에 연결되는 전도성 확장 세그먼트[32(3)']와 스위치(100')에 의해 지원된다. 각각의 스위치(100')는 예를 들면 도 9에 도시된 바와 같은 LC 탱크 회로(LC tank circuit)와 같은 필터일 수도 있다.
높은 대역에서 동작하는 경우, 필터(100')들은 전도성 확장 세그먼트[32(3)']로 하여금 마치 필터(100')들이 접지 면(41')에 연결되어 있지 않은 것처럼 보이게 한다. 이와 반대로, 낮은 대역에서 동작하는 경우에는, 필터(100')들은 전도성 확장 세그먼트[32(3)']로 하여금 마치 필터(100')들이 접지 면(41')에 연결되어 있는 것처럼 보이게 한다.
스마트 안테나(22') 조립체의 상단 부분은 평탄한 2층 구조이다. 능동 안테나 소자(30')는 상술한 바와 같이 T형상을 가지거나 또는 도 9과 10에 최적으로 예시된 바와 같이 직사각 형상을 가질 수도 있다. 능동 안테나 소자(30')의 이 부분은 높은 대역에서의 동작을 지원한다.
낮은 주파수 대역에서의 동작을 지원하기 위하여, 제2 능동 안테나 소자(102')는 전도성 포스트(conductive post)(112')를 통해 능동 안테나 소자(30')에 전기적으로 연결된다. 제2 능동 안테나 소자(102')는 층간 테이퍼화된 전도성 스트립(106')을 통하여 RF 입력(104')에 연결된다. 상술한 바와 같이 RF 입력(104')이 능동 안테나 소자(30')에 연결되는 대신에, RF 입력은 제2 능동 안테나 소자(102')에 연결된다. 듀얼 밴드 스마트 안테나(22')의 분해도가 도 10에 제공된다.
제2 능동 안테나 소자(102')는 예를 들어, 패치 전도체(patch conductor), 루프 또는 구불한 선로를 포함할 수도 있다. 제2 능동 안테나 소자(102')와 그것의 탑 로딩 부분(108')은 층 1에 위치된다. 탑 로딩 부분(108')은 측면 부분[108(1)']과 측면 부분에 대하여 구부러지거나 경사진 상단 부분[108(2)']을 포함한다. 이것은 스마트 안테나(22')의 낮은 프로파일을 유지하는 것을 돕는다.
RF 입력(104')은 층 2에 또는 중앙 모듈(26')에 있는 유전체 기판(40')상에 형성되는 RF 회로 구조에 의해 지지된다. 스마트 안테나 조립체(22')는 작은 물리적 부피를 차지하고, 높은 대역은 물론 800 MHz의 낮은 주파수 대역에서도 동작한다.
제2 능동 안테나 소자(102')와 금속 스트립[108(1)']을 가능한 한 크게 제조하기 위하여, 금속 스트립[108(2)']의 일부분은 앞서 언급한 바와 같이, 층 2의 방향 쪽으로 구부러진다. 구부러진 부분[108(2)']은 금속 스트립[108(1)']에 연결되어 모놀리식 조각(monolithic piece)을 형성한다. 금속 스트립[108(1)']은 구부러진 부분[108(2)']과 함께 예를 들어 럼프 인덕터(lump inductor)와 같은 임피던스 소자(110')를 통하여 제2 능동 안테나 소자(102')에 연결된다.
수동 안테나 소자(32')는 앞서 언급한 바와 같이 전기적 성능을 유지하면서 z 방향으로의 축소된 높이를 제공하는 역L형상을 갖는다. L형상을 형성하는 두 개의 작은 전도성판(35')은 입력 임피던스 매칭을 조정하는 럼프 임피던스 소자(33')를 통하여 상부 전도성 세그먼트[32(1)']에 연결될 수도 있다. 또한, 전도성판(35')은 듀얼 밴드 스마트 안테나(22')의 반사 손실을 크게 개선시킬 수도 있다.
듀얼 밴드 스마트 안테나(22')에는 몇 가지 장점이 있다. 안테나 구조의 방사 부분이 소형화되고, 이것은 대부분의 제조회사의 셀룰러 폰과 다른 핸드헬드 무선 장치에 맞추어 진다. 안테나(22')는 평탄한 2층 구조상에 형성되고, 이것은 인쇄 회로 기술을 이용하여 저가로 제조될 수 있다.
두 개의 필터(100')는 낮은 대역의 성능을 개선할 뿐만 아니라 앙각(仰角) 면(elevation plane)에서 안테나 빔의 방향을 조정하는 방법을 제공한다. 두 개의 작은 전도성판(35')은 럼프 소자(33')와 함께 안테나(22')의 입력 임피던스를 제어하는 것을 돕는다. 이것은 무지향성 안테나 빔 모드와 지향성 안테나 빔 모드 양측에서 단일 RF 입력 포트(104')에 대한 안테나 매칭을 크게 향상시킨다.
낮은 대역의 주파수 f1은 탑 로딩 기술과 함께, 테이퍼화된 급전 구조(tapered feeding structure)를 이용함으로써 실현된다. 이에 의해 상대적으로 작은 물리적 부피 내에서 동작시킬 수 있다. 또한, 이 안테나 실시형태는 듀얼 또는 트리플 밴드에서도 동작할 수 있다. 안테나는 주파수 fl, f2, f3에서 동작될 수도 있고, 여기서 fl < f2 < f3이며, f1은 f2의 약 절반이다. 낮은 대역 f1은 800 MHz 대역 (GSM, AMPS)을 포함할 수도 있는 반면에 높은 대역은 예를 들면, 1.75 GHz 내지 2.5 GHz (PCS, 802.11b)를 포함할 수도 있다. 바꾸어 말하면, 당업자에 의해 쉽게 이해될 수 있는 바와 같이, 높은 대역은 여전히 몇 개의 대역으로 분할될 수 있다.
낮은 대역에서의 성능을 향상시키는 필터(100') 이외에, 필터들은 앙각 면에서 안테나 빔의 방향을 조정하는 방법도 제공한다. 스마트 안테나(22')는 무지향성 안테나 빔 이외에, 반대 방향을 가리키는 두 개의 지향성 안테나 빔을 생성할 수 있다.
낮은 프로파일의 듀얼 밴드 스마트 안테나(22')에 대한 방사 패턴들은 도 13과 14에 제공된다. 선 120은 높은 대역에서의 무지향성 안테나의 패턴을 나타낸다. 마찬가지로, 선 122는 낮은 대역에서의 무지향성의 안테나의 패턴을 나타낸다. 듀얼 밴드 스마트 안테나(22')의 반사 손실의 대표적인 주파수 응답은 도 15에 제공된다. 듀얼 밴드 특성은 선 124, 126, 및 128에 의해 표시되는 바와 같이, 명확하게 식별될 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태는 유전체 기판(40)상에 T형상을 갖는 능동 안테나 소자(30)를 형성하는 단계를 포함하는, 스마트 안테나(22)의 제조 방법을 제공하는 것이다. 이 방법은, 유전체 기판(40)상에, 능동 안테나 소자(30)의 측면에 인접한 역L형상 부분을 포함하는 하나 이상의 수동 안테나 소자(32)를 형성하는 단계를 더 포함한다. 하나 이상의 임피던스 소자(60)는 유전체 기판(40)상에 형성되고, 안테나 빔 조향을 위해 하나 이상의 수동 안테나 소자(32)에 선택적으로 연결될 수 있다.
전술한 설명 및 이와 관련된 도면에 표현된 교시 내용의 장점을 갖는 본 발명의 많은 변형 및 다른 실시형태들이 당업자에 의해 실현될 수 있다. 그러므로, 본 발명은 개시된 특정 실시형태들에 한정되지 않고, 본 발명의 변형들 및 실시형태가 첨부된 청구항들의 범위 내에 포함되도록 의도된다는 것을 이해해야 한다.Next, the present invention will be described in more detail below with reference to the accompanying drawings, in which preferred embodiments of the invention are shown. However, the invention may be embodied in many other forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art. Like numbers refer to like elements throughout, and prime marks are used to indicate similar elements in alternative embodiments.
First, referring to FIGS. 1 and 2, the illustrated mobile subscriber unit 20 includes a low profile smart antenna 22. Although the smart antenna 20 protrudes from the housing 24 of the mobile subscriber unit 20, the distance that the active antenna element 30 and the passive antenna element 32 protrude is reduced to improve mobility and appearance. . Although not illustrated, the active antenna element 30 and the passive antenna element 32 may optionally be covered with a protective coating or shield.
The smart antenna 22 provides for directional reception and transmission of wireless communication signals from an access point in the case of a wireless data unit using a wireless local area network (WLAN) protocol or in the case of a cellular handset.
In the exploded view of FIG. 2 illustrating the integration of the smart antenna 22 into the mobile subscriber unit 20, the smart antenna is formed on a printed circuit board and located in the rear housing 24 (1) of the mobile subscriber unit. . Central module 26 may include electronic circuitry, wireless receiving and transmission equipment, and the like. The outer housing 24 (2) may, for example, function as a front cover of the mobile subscriber unit 20. When the rear housing 24 (1) and the outer housing 24 (2) are connected together, they form the housing 24 of the mobile subscriber unit 20.
The printed circuit board implementation of the smart antenna 22 can be easily customized within the handset form factor. In other embodiments, the smart antenna 22 may be formed as an integral part of the central module 26 so that the smart antenna and the central module are fabricated on the same printed circuit board.
The ground portion 41 of the smart antenna 22 is inserted inside the housing 24. As the active antenna element 30 and the passive antenna element 32 protrude, the active antenna element 30 and the passive antenna element 32 can radiate freely. The form factor of the low profile smart antenna 22 is more easily packaged in the handset compared to the form factor of the smart antenna disclosed in the '331 patent referenced above.
Reducing the height of the active antenna element 30 and the passive antenna element 32 involves many steps. The first step is to reduce the height of the active antenna element 30 at the center. The second step is to reduce the height of the passive antenna element 32 adjacent to the active antenna element 30 while maintaining sufficient radiation coupling to perform beamforming and switching. The third step is to recover the gain lost due to the size reduction of the antenna elements 30, 32.
In another embodiment of the mobile subscriber unit, the smart antenna 22 may be inside the housing 24 as illustrated in FIGS. In other words, as can be easily understood by those skilled in the art, the reduced height of the active antenna element 30 and the passive antenna element 32 can advantageously seal the smart antenna 22 by the housing 24. .
Next, the smart antenna 22 will be described in more detail with reference to FIGS. 5 to 7. The smart antenna 22 comprising a central active antenna element 30 and an external passive antenna element 32 is disposed on a dielectric substrate 40 such as a printed circuit board. As described in more detail below, each of the passive antenna elements 32 may be operated in a reflective mode or a direct mode.
The active antenna element 30 includes a "T" shaped conductive emitter disposed on the dielectric substrate 40. Passive antenna elements 32 are also disposed on the dielectric substrate 40, each of which includes an inverted L-shaped portion adjacent the side of the active antenna element 30. The L-shaped portions of the T-shaped active antenna element 30 and the passive antenna element 32 advantageously reduce the height of the smart antenna 22 protruding from the housing 24 of the mobile subscriber unit 20.
Reduction of the protruding length of the active antenna element 30 from the housing 24 of the mobile subscriber unit 20 provides for top loading and at the same time provides a slow wave structure for the body of the antenna. Is achieved by providing. The active antenna element 30 is reduced in height by more than 60%. This low profile design still provides directional and omnidirectional antenna patterns as in the '331 patent referenced above.
One of the techniques available for reducing the size of radiating elements is meander-line technology. Other techniques may include, for example, dielectric loading, and corrugation. The structure illustrated for the active antenna element 30 is a tortuous line illustrated as an example.
The active antenna element 30 and the passive antenna element 32 are preferably manufactured with respective elements disposed thereon from a single dielectric substrate, such as a printed circuit board. Antenna elements 30 and 32 may be disposed on a deformable or flexible substrate.
The passive antenna elements 32 each have an upper conductive segment 32 (1) (including an L-shaped portion) as well as a corresponding lower conductive segment 32 (2). The height of the passive antenna element 32 is reduced by bending the upper portion of the passive antenna element to form an inverted L shape. Alternatively, top loading may be used. The slow wave structure can be added to the body of the passive antenna element 32, but is not necessary. It is not necessary to compensate for these loads in the passive antenna since the capacitive load 60 (1) at the feed point, inductive load 60 (2) can be adjusted to compensate for the height change.
The inverted L shape is formed to meet the top loading segment of the active antenna element 30, but in such a way that more power can be connected from the active antenna element 30 to the passive antenna element 32 for optimal beam formation. No contact The height of the top conductive segment 32 (1) of the active antenna element 30 and the passive antenna element 32 shown in FIG. 5 is 0.6 inches, which corresponds to the height of the antenna element illustrated in the '331 patent. Lower than 0.9 inches.
The gain is expected to be reduced if the physical size of the smart antenna 22 is reduced. In the case of some size constraints, this gain reduction may make it possible to meet packaging requirements. However, various techniques can be used to reduce this loss. Since a reduction in height is required at the part of the smart antenna 22 on the outside of the housing 24, the length of the inserted part, ie the lower conductive segment 32 (2), can be increased to compensate for the reduced height. have.
This actually turns the passive antenna element 32 into offset fed dipoles. The passive antenna element 32 can be used to perform as a reflector / indicator element with controllable amplitude and phase. There is no input impedance that matches the reactive load 60. Indeed, as long as the reaction load 60 is low loss and the mismatch phase can be controlled, loss of length mismatch is required so that the length change and offset feeding do not interfere with the performance of the smart antenna 22.
In order to operate the passive antenna element 32 in either reflective or directional mode, the upper conductive segment 32 (1) is connected to the lower conductive segment 32 (2) via one or more impedance elements 60. do. One or more impedance elements 60 comprise a capacitive load 60 (1) and an inductive load 60 (2), each load being via the switch 62 an upper conductive segment [32 (1)]. And lower conductive segment 32 (2). The switch 62 may be, for example, a single-pole double-throw (SPDT) switch.
When the upper conductive segment 32 (1) is connected to each lower conductive segment 32 (2) via an inductive load 60 (2), the passive antenna element 32 operates in the reflective mode. By this, radio frequency (RF) energy is reflected back from the passive antenna element 32 toward its source.
When the upper conductive segment 32 (1) is connected to each lower conductive segment 32 (2) via a capacitive load 60 (1), the passive antenna element 32 operates in the directional mode. Thereby, the RF energy is directed away from the source of RF energy towards the passive antenna element 32.
The switch control and drive circuit 64 provides a logic control signal to each of the switches 62 via conductive traces 66. The switch 62, the switch control and drive circuit 64, and the conductive trace 66 may be disposed on the same dielectric substrate 40 as the antenna elements 30, 32.
As mentioned above, electronic circuitry, wireless receiving and transmitting equipment, and the like may be disposed on the central module 26. Alternatively, such equipment may be placed on the same dielectric substrate 40 as the smart antenna 22. As illustrated in FIG. 6, such equipment includes a beam selector 70 that selects an antenna beam, and a transceiver 72 that is connected to a feed 68 of the active antenna element 30.
Antenna steering algorithm module 74 executes an antenna steering algorithm that determines which antenna beam provides optimal reception. The antenna steering algorithm operates a beam selector 70 that scans a plurality of antenna beams to receive the signals.
Next, the performance of the illustrated low profile smart antenna 22 will be described with reference to FIG. 8. The smart antenna 22 operates at a frequency of 1.87 GHz and four modes can be used because two position switches 62 are used for each of the two passive antenna elements 32. The maximum gain is 4 dBi, which corresponds to line 80. Line 80 represents one of the other passive antenna elements in reflection mode and one of the passive antenna elements in directional mode. This is, for example, about 1 1/2 dB lower than the gain of a similar smart antenna with 1.5 inch full length elements. Null is equal to depth, which is very desirable for many interference cancellation applications.
With continued reference to the graph of FIG. 8, line 82 is similar to line 80 and represents the inverse of the reflection / directional mode for each passive antenna element 32. The peak antenna gain corresponding to this inversion is indicated by line 82. Line 82 has the same antenna gain as antenna gain associated with line 80. Line 84 represents both sides of passive antenna element 32 in the directional mode, which corresponds to an omni-directional peak antenna gain of about 2 dBi. Line 86 represents both sides of passive antenna element 32 in reflection mode and corresponds to a peak antenna gain of about -5 dBi.
The lower conductive segment 32 (2) may also include a loop 90 having an opening on one side thereof. The electronic component 92 is connected to the loop 90 over the opening. The electronic component 92 is a capacitor, for example. In other embodiments, the electronic component 92 may be an active device. Loop 90 using various reactance devices or electronic components 92 serves to tune smart antenna 22 in a more efficient manner. In addition, the combination of the loop 90 and the electronic component 92 contributes to reducing the overall length of the smart antenna 22.
The efficiency as well as the bandwidth of the smart antenna 22 is much worse if the separation distance between the ground plane and the antenna is very small. The low profile smart antenna 22 shows that its bandwidth is greatly improved when the antenna is at a height of about 1.75 mm above the ground plane 41. The improvement of the bandwidth and the reduction of the overall antenna length is due to the modified design including the loop 90 on the lower conductive segment 32 (2). Loop 90 and its associated electronic component 92 can be effectively used to counter any adverse effects of the connection that occur when antenna 22 is very close to ground plane 41.
The separation distance between the antenna 22 and the ground plane 41 may be as small as 1.75 mm. The low profile smart antenna 22 can still be manufactured on the printed circuit board 40. The detailed position as well as the relative position of the antenna relative to the ground plane 41 is suitable for incorporating either a flip version or a non- flip version of the cellular handset.
Yet another aspect of the present invention is to provide a low profile dual band smart antenna 22 '. In mobile communication systems, multiband operation is typically required. For example, the operating band may be 824 MHz to 960 MHz, and 1.75 GHz to 2.5 GHz. Other operating bands for mobile subscriber units may also be applied, as will be readily appreciated by those skilled in the art. The smart antenna 22 as described above operates over a frequency range of 1.75 GHz to 2.5 GHz, ie for example a high band.
Next, referring to FIGS. 9-12, the smart antenna 22 ′ is modified to operate over a frequency range of 824 MHz to 960 MHz, that is, for example, a low band. The ground plane 41 'provides a platform for the resonance counterpart of the antenna 22' and an electronic circuit for controlling the operation of the smart antenna. The high band (1.75 GHz to 2.5 GHz) is supported by the bottom conductive segment 32 (2). The low band is supported by the conductive extension segment 32 (3) 'and the switch 100'connected to the lower conductive segment 32 (2)'. Each switch 100 'may be, for example, a filter such as an LC tank circuit as shown in FIG.
When operating at high bands, the filters 100 'cause the conductive extension segment 32 (3)' to appear as if the filters 100 'are not connected to the ground plane 41'. In contrast, when operating in a low band, the filters 100 'cause the conductive extension segment 32 (3)' to appear as if the filters 100 'are connected to the ground plane 41'.
The upper portion of the smart antenna 22 'assembly is a flat two layer structure. The active antenna element 30 'may have a T shape as described above or may have a rectangular shape as best illustrated in FIGS. 9 and 10. This portion of the active antenna element 30 'supports operation in high bands.
To support operation in the low frequency band, the second active antenna element 102 'is electrically connected to the active antenna element 30' via a conductive post 112 '. The second active antenna element 102 'is connected to the RF input 104' via an interlayer tapered conductive strip 106 '. Instead of the RF input 104 'connected to the active antenna element 30' as described above, the RF input is connected to the second active antenna element 102 '. An exploded view of the dual band smart antenna 22 'is provided in FIG.
The second active antenna element 102 'may comprise, for example, patch conductors, loops or winding lines. The second active antenna element 102 'and its top loading portion 108' are located in layer one. The top loading portion 108 'includes a side portion 108 (1)' and an upper portion 108 (2 '' bent or inclined relative to the side portion. This helps to maintain a low profile of the smart antenna 22 '.
The RF input 104 'is supported by an RF circuit structure formed on the dielectric substrate 40' in layer 2 or in the central module 26 '. The smart antenna assembly 22 'occupies a small physical volume and operates in the high band as well as in the low frequency band of 800 MHz.
In order to make the second active antenna element 102 'and the metal strip 108 (1)' as large as possible, a portion of the metal strip 108 (2) 'is directed towards the direction of layer 2, as mentioned above. Bends The bent portion 108 (2) ′ is connected to the metal strip 108 (1) ′ to form a monolithic piece. The metal strip 108 (1) ′ together with the bent portion 108 (2) ′ is connected to the second active antenna element 102 ′ via an impedance element 110 ′, for example a lump inductor. Connected.
The passive antenna element 32 'has an inverted L shape that provides a reduced height in the z direction while maintaining electrical performance as mentioned above. Two small conductive plates 35 'forming the L shape may be connected to the upper conductive segment 32 (1)' through a lump impedance element 33'to adjust the input impedance matching. In addition, the conductive plate 35 'may greatly improve the reflection loss of the dual band smart antenna 22'.
The dual band smart antenna 22 'has several advantages. The radiated portion of the antenna structure is miniaturized, which is adapted to most manufacturers' cellular phones and other handheld wireless devices. Antenna 22 'is formed on a flat two-layer structure, which can be manufactured at low cost using printed circuit technology.
The two filters 100 'not only improve the performance of the low band but also provide a way to adjust the direction of the antenna beam in the elevation plane. Two small conductive plates 35 ', along with the lumped elements 33' help to control the input impedance of the antenna 22 '. This greatly improves antenna matching for a single RF input port 104 'in both the omni directional and directional antenna beam modes.
The low band frequency f1 is realized by using a tapered feeding structure with top loading technology. This allows operation within a relatively small physical volume. This antenna embodiment can also operate in dual or triple bands. The antenna may be operated at frequencies fl, f2, f3, where fl <f2 <f3 and f1 is about half of f2. The low band f1 may include the 800 MHz band (GSM, AMPS) while the high band may include, for example, 1.75 GHz to 2.5 GHz (PCS, 802.11b). In other words, as can be easily understood by those skilled in the art, the high band can still be divided into several bands.
In addition to the filter 100 ′, which improves performance in low bands, the filters also provide a way to orient the antenna beam in elevation. In addition to the omni-directional antenna beam, the smart antenna 22 'may generate two directional antenna beams pointing in opposite directions.
Radiation patterns for the low profile dual band smart antenna 22 ′ are provided in FIGS. 13 and 14. Line 120 shows the pattern of the omni directional antenna in the high band. Similarly, line 122 represents the pattern of the omni-directional antenna in the low band. An exemplary frequency response of the return loss of the dual band smart antenna 22 'is provided in FIG. The dual band characteristic can be clearly identified, as indicated by lines 124, 126, and 128.
Yet another aspect of the present invention is to provide a method of manufacturing a smart antenna 22, comprising forming an active antenna element 30 having a T shape on a dielectric substrate 40. The method further includes forming on the dielectric substrate 40 one or more passive antenna elements 32 comprising inverted L-shaped portions adjacent the sides of the active antenna element 30. One or more impedance elements 60 are formed on the dielectric substrate 40 and may be selectively connected to one or more passive antenna elements 32 for antenna beam steering.
Many modifications and other embodiments of the invention can be realized by those skilled in the art having the advantage of the teachings presented in the foregoing descriptions and the associated drawings. Therefore, it is to be understood that the invention is not limited to the specific embodiments disclosed and that modifications and embodiments of the invention are intended to be included within the scope of the appended claims.

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Claims

In the smart antenna,

A dielectric substrate;

An active antenna element having a T shape mounted on the dielectric substrate;

At least one passive antenna element comprising an inverted L-shaped portion adjacent the side of said active antenna element and mounted to said dielectric substrate;

One or more impedance elements selectively connectable to the one or more passive antenna elements for antenna beam steering

Including,

The at least one passive antenna element comprises a first elongated portion connected to the at least one impedance element,

And the first extending portion comprises a loop having an opening on one side.

The smart antenna of claim 1, wherein the active antenna element includes a lower portion and an upper portion connected to the lower portion to define a T shape, and the lower portion has a meandering shape.

The smart antenna of claim 2, wherein the top portion is disposed symmetrically with respect to the bottom portion and comprises a pair of inverted L-shaped ends.

The smart antenna of claim 1, further comprising one or more switches mounted to the dielectric substrate for selectively coupling the one or more passive antenna elements to the one or more impedance elements.

delete

10. The device of claim 1, wherein each impedance element is associated with a respective passive antenna element, each impedance element comprising an inductive load and a capacitive load, wherein the inductive load and the And the capacitive load is selectively connectable to each passive antenna element.

delete

The smart antenna of claim 1, wherein the first extension portion further comprises an impedance element connected to the loop over the opening.

The smart antenna of claim 1, further comprising a ground-plane coupled to the at least one impedance element.

The method of claim 1, wherein the active antenna element is sized to operate in a high frequency band,

The smart antenna,

A second active antenna element connected in parallel to the active antenna element and sized to operate in a low frequency band;

A switch connected to each first extension portion;

Further comprising a second extension portion connected to each switch,

And the switch connects the second extension portion to the first extension portion when the second active antenna element operates in the low frequency band.

The smart antenna of claim 10, wherein the second active antenna element comprises one or more of a patch conductor, a loop, and a meandering line.

The smart antenna of claim 10, wherein the low frequency band has a frequency range that is half of a frequency range of the high frequency band.

The smart antenna of claim 10, wherein the switch comprises a filter.

11. The smart antenna of claim 10 further comprising a tapered RF input coupled to the second active antenna element.

15. The device of claim 14, further comprising: an impedance element coupled to the second active antenna element;

And a conducting strip coupled to the impedance element connected to the second active antenna element for top-loading of the second active antenna element.

The method of claim 15, wherein the conductive strip,

Side portions adjacent the sides of the second active antenna element;

The upper portion bent in the direction of the second active antenna element

Smart antenna to include.

11. The method of claim 10, wherein the inverted L-shaped portion of the at least one passive antenna element is

An impedance element of the inverted L-shaped portion;

A conductive plate connected to the impedance element of the inverted L-shaped portion

It comprises a smart antenna.

In a mobile subscriber unit,

A smart antenna for generating a plurality of antenna beams;

A beam selector connected to the smart antenna and selecting one of the plurality of antenna beams;

A transceiver connected to the beam selector and the smart antenna

Including;

The smart antenna,

A dielectric substrate;

An active antenna element having a T shape mounted on the dielectric substrate;

At least one passive antenna element adjacent the side of the active antenna element and mounted on the dielectric substrate;

That includes,

And said first extending portion comprises a loop having an opening on one side.

19. The mobile subscriber unit of claim 18 wherein the one or more passive antenna elements comprise an inverted L-shaped portion.

19. The mobile subscriber unit of claim 18 wherein the active antenna element comprises a lower portion and an upper portion connected to the lower portion to define a T shape, the lower portion having a meandering shape.

21. The mobile subscriber unit of claim 20 wherein the top portion is disposed symmetrically with respect to the bottom portion and comprises a pair of inverted L-shaped ends.

19. The mobile subscriber unit of claim 18 wherein the smart antenna further comprises one or more switches mounted to the dielectric substrate for selectively coupling the one or more passive antenna elements to the one or more impedance elements.

delete

19. The mobile subscriber unit of claim 18 wherein the first extension portion further comprises an impedance element coupled to the loop over the opening.

19. The mobile subscriber unit of claim 18 further comprising a ground-plane coupled to the one or more impedance elements.

19. The device of claim 18, wherein the active antenna element is sized to operate in a high frequency band,

The mobile subscriber unit,

A switch connected to each first extension portion;

Second extension part connected to each switch

More,

28. The device of claim 27, further comprising: an impedance element coupled to the second active antenna element;

And a conducting strip connected to said impedance element connected to said second active antenna element for top-loading of said second active antenna element.

The method of claim 28, wherein the conductive strip,

Side portions adjacent the sides of the second active antenna element;

The upper portion bent in the direction of the second active antenna element

Mobile subscriber unit.

19. The mobile subscriber unit of claim 18 further comprising a housing for enclosing the smart antenna, the beam selector and the transceiver comprising the active and passive antenna elements.

As a method of manufacturing a smart antenna,

Forming an active antenna element having a T shape on the dielectric substrate;

Forming at least one passive antenna element on the dielectric substrate, the at least one passive antenna element comprising an inverted L-shaped portion adjacent a side of the active antenna element;

Forming at least one impedance element on the dielectric substrate selectively connectable to the at least one passive antenna element for antenna beam steering

Including,

The at least one passive antenna element comprises a first elongated portion connected to the inverted L-shaped portion via the at least one impedance element,

And said first extending portion comprises a loop having an opening on one side thereof.

32. The method of claim 31, wherein the active antenna element includes a lower portion and an upper portion connected to the lower portion to define a T shape, wherein the lower portion has a meandering shape. Way.

33. The method of claim 32, wherein the top portion is disposed symmetrically with respect to the bottom portion and includes a pair of inverted L-shaped ends.

32. The method of claim 31, further comprising forming one or more switches on the dielectric substrate to selectively connect the one or more passive antenna elements to the one or more impedance elements.

delete

32. The method of claim 31 wherein an impedance element is connected to the loop over an opening in the loop.

32. The device of claim 31, wherein the active antenna element is sized to operate in a high frequency band,

The manufacturing method of the smart antenna,

Coupling a second active antenna element in parallel to the active antenna element, wherein the second active antenna element is sized to operate in a low frequency band;

Coupling a switch to each first extension portion;

Coupling a second extension portion to each switch;

Operating the switch to connect the second extension portion to the first extension portion when the second active antenna element operates in the low frequency band.