KR20020035626A - 무선 터미널 - Google Patents

Abstract

무선 터미널은 안테나 급전부에 연결된 접지 컨덕터(1102) 및 트랜시버를 포함하는데, 안테나 급전부는 접지 컨덕터(1102)에 직접 연결된다. 일 실시예에서, 접지 컨덕터는 전도성 케이스(1102)이다. 커플링은 케이스(1102)의 표면(1108) 및 플레이트(506)로 형성된 병렬 플레이트 커패시터(504)를 통해 될 수 있다. 케이스(1102)는 효과적인 광대역 복사체의 역할을 하는데, 이것은 별도의 안테나에 대한 필요성을 제거한다. 이 실시예의 변형에서, 슬롯(1112)은, 트랜시버에 의해 알 수 있듯이 케이스(1102)의 저항을 증가시켜, 터미널의 복사하는 대역폭을 증가시키도록 제공된다.

Description

무선 터미널{WIRELESS TERMINAL}

일반적으로, 이동 전화 핸드셋과 같은 무선 터미널은, 정상 모드의 헬릭스(helix) 또는 민더 라인(meander line) 안테나와 같은 외부 안테나, 또는 평면 역-F 안테나(PIFA: Planar Inverted-F Antenna) 또는 이와 유사한 안테나와 같은 내부 안테나와 병합한다.

그러한 안테나는 소형(파장과 관련하여)이므로, 소형 안테나의 근본적인 한계로 인해 협대역이다. 그러나, 일반적으로, 셀룰러 라디오 통신 시스템은 10% 이상의 비대역폭(fractional bandwidth)을 갖는다. 예를 들어 PIFA로부터 그러한 대역폭을 달성하는 것은, 패치(patch) 안테나의 대역폭과 체적(volume) 사이에 직접적인 관련이 있으므로 상당한 체적을 필요로 하지만, 그러한 체적은, 현재 추세가 소형의 핸드셋으로 향하므로 쉽게 이용가능하지 않다. 따라서, 전술한 한계 때문에, 현재의 무선 터미널에서의 소형 안테나로부터 효과적인 광대역 복사(radiation)를 달성하는 것이 가능하지 않다.

무선 터미널을 위한 알려진 안테나 장치(arrangements)에 대한 추가 문제는, 일반적으로 상기 장치가 균형이 맞지 않으므로(unbalanced), 터미널 케이스에 튼튼하게 결합되어 있다는 점이다. 그 결과, 상당한 양의 복사선은 안테나보다 터미널 자체로부터 발산된다.

본 발명은 무선 터미널, 예를 들어 이동 전화 핸드셋에 관한 것이다.

도 1은 안테나 및 무선 터미널의 조합을 나타내는, 비대칭 다이폴 안테나의 모델을 도시한 도면.

도 2는 비대칭 다이폴의 임피던스 성분의 분리성(separability)을 설명하는 그래프.

도 3은 핸드셋과 안테나의 조합의 등가 회로도.

도 4는 용량성 백 커플링(capacitively back-coupled)된 핸드셋의 등가 회로도.

도 5는 기본 용량성 백 커플링된 핸드셋의 사시도.

도 6은 도 5의 핸드셋에 대해 시뮬레이팅(simulated)된 dB 단위의 리턴 손실(return loss)(S₁₁) 대 MHz 단위의 주파수(f)의 그래프.

도 7은 주파수 범위(1000 내지 2800MHz)에 걸쳐 도 5의 핸드셋의 시뮬레이팅된 임피던스를 도시한 스미스 차트(Smith chart).

도 8은 도 5의 핸드셋의 시뮬레이팅된 저항을 도시한 도면.

도 9는 좁은 용량성 백 커플링된 핸드셋의 사시도.

도 10은 도 9의 핸드셋의 시뮬레이팅된 저항을 도시한 그래프.

도 11은 슬로팅된(slotted) 용량성 백 커플링된 핸드셋의 사시도.

도 12는 도 11의 핸드셋에 대해 시뮬레이팅된 dB 단위의 리턴 손실(S₁₁) 대 MHz 단위의 주파수(f)의 그래프.

도 13은 주파수 범위(1000 내지 2800MHz)에 걸쳐 도 11의 핸드셋의 시뮬레이팅된 임피던스를 도시한 스미스 차트.

도 14는 용량성 백 커플링된 시제품의 평면도.

도 15는 도 14의 시제품에 대해 측정된 dB 단위의 리턴 손실(S₁₁) 대 MHz 단위의 주파수(f)의 그래프.

도 16은 주파수 범위(800 내지 3000MHz)에 걸쳐 도 14의 시제품의 측정된 임피던스를 도시한 스미스 차트.

도 17은 유도성 소자를 사용하는 용량성 백 커플링된 시제품의 평면도.

도 18은 도 17의 시제품에 대해 측정된 dB 단위의 리턴 손실(S₁₁) 대 MHz 단위의 주파수(f)의 그래프.

도 19는 주파수 범위(800 내지 3000MHz)에 걸쳐 도 17의 시제품의 측정된 임피던스를 도시한 스미스 차트.

본 발명의 목적은 광대역폭에 걸쳐 효과적인 복사 특성을 갖는 무선 터미널을 제공하는 것이다.

본 발명에 따라, 안테나 급전부(feed)에 연결된 트랜시버, 및 접지 컨덕터를 포함하는 무선 터미널을 제공하는 것이며, 여기서 안테나 급전부는 접지 컨덕터에 연결된다.

본 발명은, 종래 기술에는 존재하지 않는, 안테나 및 무선 핸드셋의 임피던스가 분리가능한 비대칭 다이폴(asymmetric dipole)의 임피던스와 유사하다는 인식과, 안테나 임피던스가 복사하지 않는(non-radiating) 커플링(coupling) 소자로 대체될 수 있다는 추가 인식에 기초한다.

본 발명의 실시예는 첨부 도면을 참조하여 예로서 이제 설명될 것이다.

도면에서, 동일한 참조 번호는 대응하는 특징을 나타내는데 사용되었다.

도 1은 안테나 급전점(feed point)에서의 무선 핸드셋에서 송신 모드에 있는 트랜시버에 의해 알게 되는 임피던스의 모델을 도시한다. 임피던스는 비대칭 다이폴로서 모델링되는데, 여기서 제 1 암(arm)(102)은 안테나의 임피던스를 나타내고, 제 2 암(104)은 핸드셋의 임피던스를 나타내고, 양 쪽 암은 소스(106)에 의해 구동된다. 도면에 도시된 바와 같이, 그러한 장치의 임피던스는, 가상 접지(108)로부터 개별적으로 구동되는 각 암(102, 104)의 임피던스의 합과 실질적으로 동일하다. 이 모델은, 이것이 시뮬레이팅하기 약간 더 어려울지라도, 소스(106)를 트랜시버의 임피던스를 나타내는 임피던스로 대체함으로써 수신을 위해 동일하게 잘 사용될 수 있다.

이러한 모델의 유효성(validity)은, 길이가 40mm이고 직경이 1mm인 제 1 암(102)과, 길이가 80mm이고 직경이 1mm인 제 2 암(104)에 대한 잘 알려진 NEC(Numerical Electromagnetics Code: 수치 전자기 코드)을 사용하는 시뮬레이션에 의해 검사된다. 도 2는, 임피던스를 개별적으로 시뮬레이팅하고 그 결과를 합산함으로써 얻어진 결과와 함께 조합된 장치(Ref R 및 Ref X)의 임피던스(R+jX)의 실수부 및 허수부에 대한 결과를 도시한다. 시뮬레이션의 결과가 매우 유사하다는 것을 알 수 있다. 임피던스가 정확히 시뮬레이팅하기 어려울 때, 유일하게 현저한 편차는 반파장의 공진 영역에 존재한다.

안테나의 급전부에서 볼 수 있듯이, 안테나과 핸드셋의 조합을 위한 등가 회로는 도 3에 도시된다. R₁및 jX₁은 안테나의 임피던스를 나타내는 한편, R₂및 jX₂는 핸드셋의 임피던스를 나타낸다. 이러한 등가 회로로부터, 안테나(P₁) 및 핸드셋(P₂)에 의해 복사된 전력비가 다음과 같이 주어지는 것을 추론할 수 있다.

안테나의 크기가 감소되면, 그 복사 저항(R₁)도 또한 감소할 것이다. 안테나가 초소형(infinitesimally small)이 되면, 복사 저항(R₁)은 0으로 떨어질 것이고, 모든 복사는 핸드셋으로부터 나올 것이다. 이러한 상태는, 핸드셋 임피던스가 암을 구동하는 소스(106)에 적합한 경우, 및 미소(infinitesimal) 안테나의 용량성 리액턴스가 핸드셋의 용량성 백 커플링을 증가시킴으로써 최소화될 수 있는 경우에 유리한 상태가 될 수 있다.

이러한 변형을 통해, 등가 회로는 도 4에 도시된 회로로 변형된다. 그러므로, 안테나는, 최대 커플링 및 최소 리액턴스를 위한 대용량의 커패시턴스를 갖도록 설계된, 물리적으로 매우 소형의 백 커플링 커패시터로 교체된다. 백 커플링 커패시터의 잔류 리액턴스는 간단한 매칭(matching) 회로로 동조될 수 있다. 핸드셋의 정확한 설계에 의해, 결과로서 생기는 대역폭은 종래의 안테나와 핸드셋의 조합보다 훨씬 더 넓을 수 있는데, 그 이유는, 핸드셋이 낮은 Q의 복사 소자(시뮬레이션은 전형적인 Q가 약 1인 것을 보여준다)의 역할을 하는 반면, 종래의 안테나는 일반적으로 약 50의 Q를 갖기 때문이다.

용량성 백 커플링된 핸드셋의 기본 실시예는 도 5에 도시된다. 핸드셋(502)은 일반적으로 최신식 셀룰러 핸드셋의 10×40×100mm의 크기를 갖는다. 2×10×10mm의 크기를 갖는 병렬 플레이트 커패시터(504)는, 훨씬 더 큰 안테나가 일반적으로 차지하는 위치에서 핸드셋(502)의 상부 에지(edge)(508)의 2mm 위에 10×10mm의 플레이트(506)를 장착함으로써 형성된다. 결과로서 생기는 커패시턴스는 약 0.5pF인데, 이것은 커패시턴스{핸드셋(502)과 플레이트(504)의 간격을 감소시킴으로써 증가됨}와 커플링 효율{핸드셋(502)과 플레이트(504)의 간격에 달려있음} 사이의 절충물(compromise)을 나타낸다. 커패시터는, 핸드셋 케이스(502)로부터 절연되는 지지대(510)를 통해 급전된다.

매칭 이후에 이 실시예의 리턴 손실(S₁₁)은, 안소프트 코포레이션(Ansoft Corporation)으로부터 입수할 수 있는, 고주파수 구조 시뮬레이터(HFSS: High Frequency Structure Simulator)를 사용하여 시뮬레이팅되는데, 그 결과는 1000MHz와 2800MHz 사이의 주파수(f)에 대해 도 6에 도시된다. 종래의 2개의 인덕터 "L"네트워크는 1900MHz에서 매칭하는데 사용된다. 결과로서 생기는 7dB의 리턴 손실(복사된 입력 전력의 대략 90%에 해당함)의 대역폭은 대략 60MHz, 또는 3%인데, 이것은 유용하지만 가능한 한 클 필요는 없다. 동일한 주파수 범위에 걸친 이러한 실시예의 시뮬레이팅된 임피던스를 도시한 스미스 차트는 도 7에 도시된다.

대역폭이 낮은 것은, 핸드셋(502)이 1900MHz에서 대략 3-j90Ω의 임피던스를 제공하기 때문이다. 도 8은 HFSS를 사용하여 시뮬레이팅된, 이전과 동일한 주파수 범위에 걸친 저항 변동(variation)을 도시한다. 이것은 저항을 증가시키기 위해 케이스를 재설계함으로써 향상될 수 있다.

이것이 이루어질 수 있는 한가지 방식은 핸드셋(502)의 폭을 감소시키는 것인데, 그 이유는, 다이폴의 반경이 감소할 때 저항이 다이폴과 대체로 동일한 방식으로 증가하기 때문이다. 도 9는 좁은 용량성 백 커플링된 핸드셋(902)을 갖는 제 2 실시예를 도시한다. 핸드셋(902)은 10×10×100mm의 크기를 갖는 한편, 플레이트(506)와, 핸드셋(902)의 상부 표면(908)과, 지지대(510)로부터 형성된 커패시터(504)의 크기는 이전의 실시예로부터 변하지 않는다. 이러한 실시예의 저항의 변동을 결정하기 위해 시뮬레이션이 다시 수행되는데, 그 결과는 도 10에 도시되어 있다. 이것은, 폭이 좁은 핸드셋의 사용이, 저항이 기본 구성의 저항보다 더 높아지는 곳에 더 넓은 대역폭을 제공하는 것을 명백하게 설명한다. 핸드셋의 길이는, 구조의 공진 주파수를 변화시킴으로써(shifting) 특정 주파수에 중심을 둔 광대역폭을 제공하도록 최적화될 수 있다. 고정된 길이의 핸드셋에 대해, 수평 슬롯(즉, 핸드셋의 폭을 가로지르는 슬롯)은 핸드셋을 전기적으로 단락시키거나 연장시키기 위해 사용될 수 있다.

케이스의 저항을 증가시키는 대안적인 방식은, 수직 슬롯(즉, 핸드셋의 길이, 또는 주축에 평행한 슬롯)을 삽입하는 것이다. 도 11은, 커패시터(504)와 함께 케이스에서 깊이가 33mm인 슬롯(1112)을 구비하는 슬로팅된 용량성 백 커플링된 핸드셋(1102)을 갖는 제 3 실시예를 도시한다. 핸드셋(1102)의 플레이트(506) 및 상부 표면(1108)으로부터 형성된 커패시터(504)와, 지지대(510)의 크기는 이전 실시예로부터 변하지 않는다. 슬롯(1112)의 제공은, 트랜시버에 의해 알 수 있듯이, 1900MHz의 영역에서 케이스의 저항을 상당히 증가시키고, 낮은-Q 케이스로 하여금 대역폭에서 상당한 손실을 입지 않고도 50Ω에 매칭되도록 한다.

이러한 실시예의 리턴 손실(S₁₁)은 HFSS를 사용하여 다시 시뮬레이팅되고, 그 결과는, 기본 실시예에 사용된 것과 유사한 2개의 인덕터 매칭 네트워크를 사용하여 1000과 2800MHz 사이의 주파수(f)에 대해 도 12에 도시된다. 그 결과로서 생기는 7dB의 리턴 손실에서의 대역폭은 대략 350MHz, 또는 18%에서 크게 증가되는데, 이것은 UMTS 및 DCS 1800 대역을 동시에 커버하는데 필요한 대역폭에 도달한다. 동일한 주파수 범위에 걸쳐 이 실시예의 시뮬레이팅된 임피던스를 도시한 스미스 차트는 도 13에 도시된다.

시제품은 전술한 시뮬레이션 결과의 실제 적용을 증명하도록 제작된다. 도 14는 시제품의 평면도인데, 상기 시제품은, 0.8mm 두께의 FR4 회로 보드(측정된 4.1의 유전 상수를 갖는)상에서 40×100mm의 크기를 갖는 구리 접지면(1402)을 포함한다. 3×29.5mm의 슬롯(1412)은 접지면에 제공되고, 10×10mm의 플레이트(506)는 접지면(1402)의 코너 2mm 위에 위치한다. 접지면(1402)의 동일한 면상에 걸친(co-extensive) 부분, 및 상기 플레이트는 전술한 실시예에서와 같이 병렬 플레이트 커패시터를 형성한다. 커패시터는 회로 보드의 배면부(rear surface)에 부착된 동축 케이블(1404), 및 수직 핀(510)을 통해 급전된다.

이 실시예의 리턴 손실(S₁₁)은 매칭없이 측정되고, 그 다음에 상기 매칭은 시뮬레이션에 추가된다. 추가된 매칭은 전술한 시뮬레이션에 사용된 것과 유사한, 3.5nH 직렬 인덕터 및 4nH 션트(shunt) 인덕터이다. 그 결과는 800과 3000MHz 사이의 주파수(f)에 대한 도 15에 도시되어 있다. 결과로서 생기는 7dB의 리턴 손실에서의 대역폭은 1600MHz에 중심을 둔 대략 350MHz, 또는 22%인데, 이것은 대략 UMTS 및 DCS 1800 대역을 동시에 커버하는데 필요한 비대역폭이다. 동일한 주파수 범위에 걸쳐 이 실시예의 임피던스를 도시한 스미스 차트는 도 16에 도시되어 있다.

전술한 실시예는 용량성 커플링에 기초한다. 그러나, 임의의 다른 희생(sacrificial)(복사되지 않음) 커플링 소자는 예를 들어 유도성 커플링 대신 사용될 수 있다. 또한, 커플링 소자는 임피던스 매칭에 도움을 주기 위해 변경될 수 있다. 예를 들어, 용량성 커플링은 어떠한 추가 매칭 성분을 필요로 하지 않는 장점을 갖는 유도성 소자를 통해 달성될 수 있다.

이러한 기술의 일례로서, 추가 시제품이 제작되고, 이것은 도 17에 평면도로 도시되어 있다. 이러한 시제품은 도 14에 도시된 것과 유사한데, 그 차이점은, 플레이트(506)가 접지면(1402)의 코너로부터 다소 오프셋(offset)되고, 더 이상 완전히 금속화되지 않고, 그 대신 급전 핀(510)에 한 단부가 연결된 나선형 트랙(1706)이 제공된다는 점이다. 상기 트랙(1706)의 길이는 요구되는 주파수, 이 실시예에서는 대략 1600MHz에서 공진하도록 선택된다. 상기 트랙(1706)은 회로 보드의 배면부 위의 스트립라인(stripline)(1704)을 통해 급전된다.

이 실시예의 리턴 손실(S₁₁)은 매칭없이 측정된다. 그 결과는 800과 3000MHz 사이의 주파수(f)에 대해 도 18에 도시되어 있다. 결과로서 생기는 7dB의 리턴 손실에서의 대역폭은 1580MHz에 중심을 둔 대략 135MHz, 또는 9%이고, 이러한 대역폭이 추가 최적화 및 매칭에 의해 상당히 개선될 수 있다고 생각된다. 동일한 주파수 범위에 걸쳐 이 실시예의 임피던스를 도시한 스미스 차트는 도 19에 도시되어 있다.

전술한 실시예에서, 전도성 핸드셋 케이스는 복사 소자이다. 그러나, 무선 터미널에서의 다른 접지 전도체는 유사한 기능을 수행할 수 있다. 그 예는, EMC 차폐 및 인쇄 회로 기판(PCB: Printed Circuit Board)의 금속화 영역에 사용된 전도체, 예를 들어 접지면을 포함한다.

본 명세서를 읽음으로써, 다른 변형은 당업자에게 명백할 것이다. 그러한 변형은, 무선 터미널 및 무선 터미널의 구성 부품의 설계, 제조 및 사용에서 이미 알려지고, 본 명세서에서 이미 설명한 특징 대신 또는 특징에 부가하여 사용될 수 있는 다른 특징을 포함할 수 있다. 청구항이 본 명세서에서 특징의 특정한 조합에 대해 기재될지라도, 본 명세서의 개시의 범주가, 본 명세서에서 명백히 또는 함축적으로 개시된 특징의 임의의 새로운 특징 또는 임의의 새로운 조합, 또는 이들의 일반화를 역시 포함하는데, 임의의 청구항에서 현재 청구된 동일한 발명에 관한 것인 지의 여부 및 본 발명이 해결한 동일한 기술적 문제를 일부 또는 모두를 완화시키는 지의 여부에 관계없이 포함한다는 것을 이해할 수 있다. 본 명세서 또는 본 명세서에서 유도되는 임의의 추가 응용의 수행동안 새로운 청구항이 그러한 특징 및/또는 특징의 조합으로 형성될 수 있다는 것을 출원인은 이에 따라 주의해야 한다.

본 명세서 및 청구항에서, 단수로 기재된 요소는 복수의 그러한 요소의 존재를 배제하지 않는다. 더욱이, 단어 "포함하는"은 기입된 것보다 다른 요소 또는 단계의 존재를 배제하지 않는다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 무선 터미널, 예를 들어 이동 전화 핸드셋 등에 이용된다.

Claims (9)

1. 안테나 급전부(feed)에 연결된 트랜시버, 및 접지 전도체를 포함하는, 무선 터미널로서,

   상기 안테나 급전부는 상기 접지 전도체에 연결되는, 무선 터미널.
2. 제 1항에 있어서, 상기 안테나 급전부는 커패시터를 통해 상기 접지 전도체에 연결되는 것을 특징으로 하는, 무선 터미널.
3. 제 2항에 있어서, 상기 커패시터는 상기 접지 전도체의 부분과 전도성 플레이트(plate)로 형성된 병렬 플레이트 커패시터인 것을 특징으로 하는, 무선 터미널.
4. 제 1항에 있어서, 상기 안테나 급전부는 유도성 소자와 상기 접지 전도체 사이의 커패시턴스에 의해 상기 접지 전도체에 연결되는 것을 특징으로 하는, 무선 터미널.
5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 슬롯(slot)은 상기 접지 전도체에 제공되는 것을 특징으로 하는, 무선 터미널.
6. 제 5항에 있어서, 상기 슬롯은 상기 터미널의 주축(major axis)에 평행한 것을 특징으로 하는, 무선 터미널.
7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 접지 전도체는 핸드셋 케이스인 것을 특징으로 하는, 무선 터미널.
8. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 접지 전도체는 인쇄 회로 기판(printed circuit board)의 접지면인 것을 특징으로 하는, 무선 터미널.
9. 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서, 매칭(matching) 네트워크는 상기 트랜시버와 상기 안테나 급전부 사이에 제공되는 것을 특징으로 하는, 무선 터미널.