KR20020093114A

KR20020093114A - 무선 통신 장치를 위한 다중 대역 안테나 장치

Info

Publication number: KR20020093114A
Application number: KR1020027014687A
Authority: KR
Inventors: 케빈 알. 보일
Original assignee: 코닌클리케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
Priority date: 2001-03-03
Filing date: 2002-02-14
Publication date: 2002-12-12
Also published as: CN100477379C; EP1368857A1; CN1457533A; GB0105441D0; US6674411B2; WO2002071541A1; JP2004519915A; US20020149524A1

Abstract

안테나 장치는 그라운드 플레인(104)에 실질적으로 평행하게 지지된 패치 컨덕터(102)와 패치 컨덕터에 접속된 피드 컨덕터(106)를 포함한다. 그러한 장치는 알려진 PIFA들에서 패치 컨덕터와 그라운드 플레인 사이에 접속된 부가적 그라운딩 컨덕터의 결여를 제외하면, 종래의 평면 역 F 안테나(PIFA)와 유사하다. 이러한 그라운딩 컨덕터의 제거는 매칭이 외부 회로 소자에 의해 실행될 수 있게 하고, 그에 의해 더 나은 매칭을 성취할 수 있게 하며 감소된 부피로 종래의 PIFA 안테나들과 유사한 실행을 성취할 수 있게 한다. 이러한 이점들은 이중 대역(또는 다중 대역) 동작에 특히 명백하며 이중 대역 매칭 회로의 이용은 이용될 안테나보다 더 작고 덜 복잡함을 허용한다.

Description

무선 통신 장치를 위한 다중 대역 안테나 장치{Multiband antenna arrangement for radio communications apparatus}

이동 전화 핸드세트들 같은 무선 단말기들은 전형적으로, 정규 모드 나선형 또는 지그재그형 안테나 같은 외부 안테나나, 또는 평면 역 F 안테나(PIFA: Planar Inverted-F Antenna) 또는 유사한 내부 안테나를 포함한다.

이러한 안테나들은 소형이며(파장에 비례), 따라서 작은 안테나들의 기본 한도들에 기인하여 협대역이다. 그러나, 셀룰러 무선 통신 시스템들은 전형적으로 10% 또는 그 이상의 프렉션 대역폭(fractional bandwidth)을 가진다. 예를 들면, 상당한 부피를 요구하는 PIFA로부터 그러한 대역폭을 성취하기 위하여, 패치 안테나의 대역폭과 그 부피 사이에서 직접적 관계(direct relationships)가 있지만, 그러한 부피는 소형 핸드세트들을 지향하는 현재 경향들로 인해 쉽게 이용가능하지 않다. 또한, PIFA들은 패치 높이가 증가함에 따라 공진에서 반응하게 되며, 그것은 대역폭을 개선시키는데 필요하다.

이중 대역 응용에 이용하도록 의도된 PIFA는 전형적으로 공통의 피드 포인트를 가진 두 개의 공진기들을 포함한다. 그러한 안테나의 예는 유럽 특허 출원 EP 0,997,974호에 개시되어 있으며, 거기에서 두 PIFA 안테나들은 공통 포인트로부터 공급되고 공통의 단락 핀(common shorting pin)을 공유한다. 그러나 다중 공진기들의 이용은 또한 안테나 부피를 증가시킨다.

본 발명은 실질적으로 평면형인 패치 컨덕터를 포함한 안테나 장치와, 그러한 장치를 통합하는 무선 통신 장치에 관한 것이다.

도 1은 핸드세트에 장착된 평면 역 L 안테나(PILA : Planar inverted L antenna)의 투시도.

도 2는 매칭 없는 도 1의 PILA에 대해 dB의 시뮬레이션된 반사 손실 S₁₁대 MHz의 주파수 f의 그래프.

도 3은 주파수 범위 800 내지 3000MHz에 걸쳐 도 1의 PILA의 시뮬레이션된 임피던스를 도시한 스미스 차트.

도 4는 병렬 LC 공진 회로를 통해 구동되는 도 1의 PILA에 대해 시뮬레이션된 반사 손실 S₁₁대 MHz의 주파수 f의 그래프.

도 5는 주파수 범위 800 내지 3000MHz에 걸쳐 병렬 LC 공진 회로를 통해 구동되는 도 1의 PILA의 임피던스의 스미스 차트.

도 6은 이중 대역 매칭 회로의 회로도.

도 7은 도 6의 매칭회로를 통해 구동되는 도 1의 PILA에 대해 시뮬레이션된 반사 손실 S₁₁대 MHz의 주파수 f의 그래프.

도 8은 도 6의 매칭회로를 통해 구동되는 주파수 범위 800 내지 3000MHz에 걸쳐 도 1의 PILA의 시뮬레이션된 임피던스를 도시한 스미스 차트.

도 9는 UMTS, DCS1800 및 GSM에 대한 5개 대역 매칭 네트워크의 회로도.

도 10은 도 9의 UMTS 매칭 회로를 통해 구동되는 도 1의 PILA에 대해 시뮬레이션된 반사 손실 S₁₁대 MHz의 주파수 f의 그래프.

도 11은 도 9의 UMTS 매칭 회로를 통해 구동되는 주파수 범위 800 내지 3000MHz에 걸쳐 도 1의 PILA의 시뮬레이션된 임피던스를 도시한 스미스 차트.

도 12는 도 9의 GSM Tx 매칭 회로를 통해 구동되는 도 1의 PILA에 대해 시뮬레이션된 반사 손실 S₁₁대 MHz의 주파수 f의 그래프.

도 13은 도 9의 GSM Tx 매칭 회로를 통해 구동되는 주파수 범위 800 내지 3000MHz에 걸쳐 도 1의 PILA의 시뮬레이션된 임피던스를 도시한 스미스 차트.

본 발명의 목적은 유사한 이중 대역 또는 다중 대역 실행을 제공하면서, 알려진 PIFA들보다 실질적으로 더 소형의 부피를 요구하는 평면 안테나 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 제 1 양상에 따라, 그라운드 플레인에 실질적으로 평행하게 지지된 평면 패치 컨덕터와 상기 패치 컨덕터에 접속된 피드 컨덕터를 포함하는 안테나 장치로서,

상기 패치 컨덕터는 안테나 장치의 동작 주파수들에서 그라운드 플레인으로부터 전기적으로 절연되고, 상기 피드 컨덕터는 복수의 이산 주파수들에서 안테나에 대한 매칭을 제공하도록 배열된 매칭 네트워크에 결합되는, 상기 안테나 장치를 제공한다.

그러한 안테나 장치는, 패치 컨덕터와 그라운드 플레인 사이에 접속된 그라운딩 컨덕터가 없다는 점에서 종래의 PIFA와 다르다. 이러한 그라운딩 컨덕터를 제거하고 외부 회로 소자로 이중 대역(또는 다중 대역) 매칭을 실행함으로써, 더 나은 매칭이 넓은 범위의 주파수들에 걸쳐 성취될 수 있으며, 감소된 부피와 덜 복잡한 안테나로 종래 PIFA 안테나들과 유사한 실행이 성취될 수 있게 한다.

본 발명의 제 2 양상에 따라, 본 발명에 따라 만들어진 안테나 장치를 포함한 무선 통신 장치를 제공한다.

본 발명은 PIFA로부터 그라운딩 핀을 제거하고 별도의 다중 대역 매칭 네트워크를 이용함으로써 충분히 감소된 안테나 부피가 가능하다는 인식에 기초되어 있으며, 종래 기술 분야에서 제공하지 않는다.

본 발명의 실시예들은 첨부한 도면들을 참조하여, 예의 방법으로 기술된다.

도면들에서 동일한 참조 번호들은 대응하는 특징들을 표현하는데 이용되었다.

핸드세트에 장착된 평면 역 L 안테나(PILA)의 투시도가 도 1에 도시되어 있다. PILA는 핸드세트의 부분을 형성하는 그라운드 플레인(104)에 병렬로 지지된 사각형 패치 컨덕터(102)를 포함한다. 안테나는 피드 핀(106)을 통해 공급된다. 이러한 안테나는 그라운드 플레인(104)에 패치 컨덕터(102)를 접속하는 부가의 단락 핀이 없다는 점에서 PIFA와 다르다.

PIFA에서 단락 핀은 매칭 기능을 실행하지만, 이러한 매칭은 한 주파수에서만 효율적이고 다른 주파수들에서는 매칭을 희생시킨다. 폐소의 함께 계류중인 공표되지 않은 영국 특허 출원 GB0101667.4(출원자 참조번호 PHGB010009)는 종래의 PIFA의 단락 및 피드 핀들이 어떻게 차동 모드(각 핀에 대해 반대 방향 전류들로)에서 단락 회로 전송선을 형성하는지를 도시하고 있다. 이러한 전송선은 매칭 기능(분로 리액턴스)을 실행한다. 상향 임피던스 전송은 공통 모드에서도 또한 실행될 수 있다. 그러나, 만들어진 매칭은 이중 대역(또는 다중 대역) 응용들에 최적이 아니며, 더 나은 매칭이 이산 컴포넌트들을 이용하여 일반적으로 만들어질 수 있다.

GSM 및 DCS 주파수 대역들에 이용되기 위한 PILA의 실시예에 있어서, 패치 컨덕터(102)는 치수들 20x10mm를 가지며 측정치들 40x100x1mm인 그라운드 플레인(104) 8mm 위에 위치된다. 피드 핀(106)은 패치 컨덕터(102)와 그라운드 플레인(104)의 두 구석에 위치된다.

본 실시예(매칭 없는)의 반사 손실 S₁₁은 Ansoft Corporation으로부터 이용 가능한 고주파수 구조 시뮬레이터(HFSS : High Frequency Structure Simulator)를 이용하여 시뮬레이션 되었으며, 800과 3000MHz 사이의 주파수들 f에 대한 결과들이 도 2에 도시되었다. 동일한 주파수 범위에 걸쳐 본 실시예의 시뮬레이션된 임피던스를 도시한 스미스 차트가 도 3에 도시되어 있다. 응답은 저주파수들에서 용량성이며 고주파수들에서 유도성이다. 그라운드 플레인(104)의 영향에 크게 기인하여, 전체 주파수 범위에 걸쳐 저항만이 10과 30Ω사이에서 변화한다.

이러한 임피던스 특성은 피드 핀(106)과 그라운드 플레인(104) 사이에 접속된 병렬 LC 공진 회로를 이용하여 직접적으로 광대역 매칭에 적용하도록 한다. 그러한 공진 회로를 통하여 공급되는 도 1에 도시된 PILA의 시뮬레이션들이 둘다 일정한 50의 Q를 갖는다고 가정하고 1nH의 유도성과 8pF의 용량성을 이용하여 실행되었다. 반사 손실 S₁₁에 대한 결과들이 도 4에 도시되어 있고 스미스 차트는 800과 3000MHz 사이의 주파수들 f에 대한 두 경우에 대해 도 5에 도시되어 있다. LC 공진회로가 크게 개선된 안테나 대역폭을 광대역/이중 대역 응답에 제공함이 명백하다.

그러나, 단순 병렬 LC 매칭은 분명히 최상이 아니며,

패치 컨덕터(102) 또는 그라운드 플레인(104)의 치수들을 변화시키는 단계,

직렬 LC 공진기를 추가하는 단계, 및

더 종래의 L, П, 또는 T 매칭 회로를 추가하는 단계를 포함하는 측정 범위에 의해 더 개선될 수 있다.

이들 모든 측정들의 이용은 본 기술 분야에 기술된 숙련자들에게 친숙할 것이다.

PILA 구조는 또한 이중 대역 매칭 회로를 통해 공급받을 수 있다. GSM 및 DCS1800 응용들에 적당한 회로의 예는 도 6에 도시되어 있으며, 여기에서, 이용된 소자들, C₁은 1.2pF의 값을 가지고, L₁은 6.5nH의 값을 가지며, C₂는 3pF의 값을 가지고 L₂는 6.9nH의 값을 가진다. 이용에 있어서, 매칭 회로는 P₁과 P₂의 접속들 양단에 50Ω의 소스로부터 공급되고, P₃은 피드 핀(106)에 접속되며, P₄는 그라운드 플레인(104)에 접속된다.

도 6에 도시된 이중 대역 매칭 회로를 통해 공급되는 도 1에 도시된 PILA의 시뮬레이션들이 실행되었다. 800과 3000MHz 사이의 주파수들 f에 대한 두 경우에 대해, 반사 손실 S₁₁에 대한 결과들이 도 7에 도시되어 있고 스미스 차트는 도 8에 도시되어 있다. 두 공진들은 3dB에서 120MHz의 대역폭을 갖는 920MHz과 3dB에서 350MHz의 대역폭을 갖는 1810MHz에 중심이 된다. 이러한 실행은 종래의 이중 대역 PIFA 구조의 것에 가깝다. 그러나, 그러한 종래의 이중 대역 PIFA는 도 1의 PILA의 1600mm³의 네 배의 부피보다 큰 7200mm³의 부피를 생성하는 전형적으로 30x30x8mm의 치수들을 가진다.

매칭 회로 소자들의 각각이 50의 Q를 갖는다고 가정하면, 안테나의 효율성은 GSM에 대해 40%와 DCS에 대해 70%이다. 다시 말하면, 이것은 종래의 PIFA 설계들의 전형적 효율성에 가깝다. 반사 손실과 효율성이 더 최적화될 수 있는 것이 명백할 것이다.

다른 실시예들은 본 발명에 따라 만들어진 안테나 장치의 넓은 응용성을 논증한다. 도 1에 도시된 것과 동일한 치수들을 갖는 PILA는 도 9에 도시된 스위칭되는 5개 대역 매칭 회로를 통해 구동된다. 그러한 다중화기 회로는 폐소의 함께 계류중인 공표되지 않은 국제 특허 출원 PCT/EP01/06760(출원인 참조번호 PHGB000083)에 개시되어 있는 것을 기초로 한다. 그것은 피드 핀(106)에 RF 신호들을 결합하기 위한 출력(902)과 입력 소스를 선택하기 위한 5가지 방식 스위치(904)를 포함한다. UMTS 수신(906) 및 송신(908), DCS 수신(910), DCS 송신(912), GSM 수신(914), 및 GSM 송신(916)의 6개의 입력들이 있다.

UMTS 신호들은 다이플렉서(918)(주파수 분할 듀플렉스 동작을 허용하기 위해)와 1.5pF 커패시터 C₁을 포함하는 매칭 네트워크를 통하여 공급된다. 매칭 네트워크의 다른 가지에 있는 소자값들은, C₂는 1.4pF이고 L₁은 0.75nH, L₂는10nH, L₃은 14nH, L₄는 13nH, L₅는 10nH이며, C₃은 0.75pF이다. UMTS에 대한 매칭은 50Ω시스템에 대한 설계였으며, 반면에 GSM 및 DCS 송신은 10Ω에 대해 설계되었고 GSM 및DCS 수신은 250Ω에 대해 설계되었다. 이것은 각각의 대역에 대한 임피던스 특성들과 주파수 둘다의 개개의 매칭이 충분히 최적화된 실행을 하게 하는 것이 가능하다는 다중화기 배열의 특정 이점을 논증한다.

도 9의 5개 대역 매칭 회로를 통해 공급된 도 1의 PILA의 시뮬레이션들이 실행되었다. 이들에 대해, 스위치(904)는 선택된 브랜치에 대한 2.25Ω저항기(50Ω시스템에서 0.2dB와 등가)와 다른 브랜치들에 대한 50kΩ저항기(50Ω시스템에서 30dB와 등가)의 5개의 저항기들로서 모델링되었다. 이 품질의 스위치들은 마이크로 일렉트로마그네틱 시스템들(MEMS : Micro ElectroMagnetic Systems)에 의해 쉽게 성취 가능해야 한다.

800과 3000MHz 사이의 주파수들 f에 대한 반사 손실 S₁₁에 대해 시뮬레이션된 결과들이 UMTS 브랜치에 대해 도 10에 도시되어 있고, 더불어 동일한 주파수 범위에 걸친 임피던스의 스미스 차트가 도 11에 도시되어 있으며, GSM 송신 브랜치에 대해 도 12에 도시되어 있고, 더불어 스미스 차트가 도 13에 도시되어 있다. 모든 브랜치들에 대한 결과들이 다음 테이블에 요약되어 있다.

대역	주파수(MHz)	대역폭	효율	분리
UMTS	1900-2170	6dB	65%	60dB
DCS Rx	1805-1880	10dB	60%	50dB
DCS Tx	1710-1785	10dB	70%	50dB
GSM Rx	935-960	10dB	60%	40dB
GSM Tx	890-915	10dB	50%	40dB

이러한 테이블에서, 대역폭은 특정 주파수 대역에 걸쳐 S₁₁의 (음의)최대값을 표현한 것이다. 대역폭들은 모두 효율적인 것들로서 매우 수용 가능하다. 분리 숫자들(isolation figures)은 다중화기 네트워크가 스위치(904)에 의해 제공되는 부가적 분리를 제공함을 표현하는데 그것은 많은 실시예들에 유용할 수 있다.

이러한 실시예는 다중 대역 매칭 네트워크와 함께 매우 소형의 PILA가 서로 다른 주파수들에서 통신 대역들의 범위에 걸쳐 매우 양호한 실행을 제공할 수 있음을 논증한다.

상기 기술된 실시예들에서 모든 매칭 소자들이 안테나의 외부에 있지만, 매칭 기능들 중 어떤 것은 예를 들면, 안테나를 지지하는 저손실 기판을 이용하여, 안테나 구조 자체를 실행할 수 있다. 이것은 예를 들면 더 높은 Q 유도기들의 포함을 가능하게 한다.

본 개시물을 읽음으로써, 다른 변형들이 본 기술 분야의 숙련된 숙련자들에게는 명백할 것이다. 그러한 변형들은 안테나 장치들 및 그것의 소자 부품들의 설계, 제조 및 이용에서 이미 알려진 다른 특징들을 관련할 수 있으며, 그것은 본 명세서에 이미 기술된 특징들 대신이거나 그것에 부가하여 이용될 수 있다.

본 명세서 및 청구항들에서 소자들 앞의 단어 "a" 또는 "an"은 복수의 소자들의 존재를 배제하지 않는다. 또한, 단어 "포함(comprising)"은 목록된 것들 이외의 다른 소자들이나 단계들의 존재를 배제하지 않는다.

Claims

그라운드 플레인에 실질적으로 평행하게 지지된 실질적으로 평면형인 패치 컨덕터와 상기 패치 컨덕터에 접속된 피드 컨덕터를 포함하는 안테나 장치로서,

상기 패치 컨덕터는 상기 안테나 장치의 동작 주파수들에서 상기 그라운드 플레인으로부터 전기적으로 절연되고, 상기 피드 컨덕터는 복수의 이산 주파수들에서 상기 안테나에 대한 매칭을 제공하도록 배열된 매칭 네트워크에 결합되는, 안테나 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 그라운드 플레인은 상기 패치 컨덕터로부터 이격되고, 상기 패치 컨덕터와 공동 범위에 걸치는 것을 특징으로 하는, 안테나 장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 매칭 네트워크는 복수의 매칭 회로들에 결합된 복수의 입력들과 상기 복수의 매칭 회로들 중 하나를 선택하는 스위칭 수단을 포함하고, 상기 스위칭 수단의 출력은 상기 피드 컨덕터에 결합되는 것을 특징으로 하는, 안테나 장치.
제 3 항에 있어서, 상기 스위칭 수단은 MEMS 스위치들을 포함하는 것을 특징으로 하는, 안테나 장치.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 청구된 안테나 장치를 포함하는 무선 통신 장치.