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KR20110031985A - 안테나 장치 - Google Patents

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KR20110031985A
KR20110031985A KR1020117003815A KR20117003815A KR20110031985A KR 20110031985 A KR20110031985 A KR 20110031985A KR 1020117003815 A KR1020117003815 A KR 1020117003815A KR 20117003815 A KR20117003815 A KR 20117003815A KR 20110031985 A KR20110031985 A KR 20110031985A
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알렉산더 아자리
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소니 에릭슨 모빌 커뮤니케이션즈 에이비
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Abstract

본 발명은 접지 평면, 피드 요소, 피드 요소에 연결되는 방사 요소를 포함하는 신규한 안테나 장치에 관한 것으로서, 상기 방사 요소는 피드 요소 및 단락 요소에 의해 반송 구조의 제 1 면 상에 배열되는 접지 평면으로부터 실질적으로 평행하고 수직으로 대체되고, 상기 안테나는 상기 반송 구조상에 직접 제공되는 기생 소자를 상기 반송 구조 접지 층으로 더 포함한다.

Description

안테나 장치{ANTENNA ARRANGEMENT}
본 발명은 안테나들에 관한 것으로, 특히 기생 소자(parasitic element)를 포함하는 반-평판 역 F-안테나(semi-planar inverted F antenna)에 관한 것이다.
예를 들어, 셀룰러 및 다른 무선 전화들, 무선 네트워크(WiLAN) 컴포넌트들, GPS 수신기들, 모바일 무선통신 장치들, 페이저(pager)들 등과 같은 무선 통신 장비들은 다중-대역 안테나들을 이용하여 다중 무선 통신 주파수 대역들 상태인 무선 신호들을 송신하고 수신한다. 그러므로, 무선 디바이스들 중 필수적인 컴포넌트들 중 하나는 안테나이고, 상기 안테나는 고 신호 강도, 약한 신호들의 양호한 수신, 증가(또는 필요한 경우 협소) 대역 및 스몰 패키징(small packaging)의 측면에서 고 성능의 요구들을 충족시켜야만 한다.
모바일 전기통신에서 마이크로파 영역 내의 전자기 파들은 정보를 전송하는데 이용된다. 그러므로, 안테나는 전기통신 디바이스의 필수적인 부분인데, 왜냐하면 안테나로 인해 전자기파들의 수신 및 송신할 수 있기 때문이다.
셀룰러 시스템들은 GSM(Global System for MObile) 및 DCS(Digital Communication System)이라 칭해지는 두 상이한 주파수 대역들에서 동작할 수 있다. 유럽에서 880 MHz 내지 960 MHz에 위치되는 주파수 대역 GSM 900, 및 1710 MHz 내지 1889 MHz에 위치되는 GSM 1800(DCS)가 이용된다. 추가로 주로 미국에서 사용되는 1859 MHz로부터 1990 MHz까지의 GSM 1900 (PCS) 주파수 대역 및 824 MHz로부터 894 MHz까지의 GSM 850 주파수 대역이 존재한다.
평판 역 F-안테나(PIFA)들은 많은 장점들을 갖는다. 상기 안테나들은 용이하게 제조되고, 단순한 디자인을 가지며, 제소시에 비용이 적게 소비된다. 오늘날 PIFA는 예를 들어 셀룰러 폰들과 같은 작은 통신 디바이스들에서 광범위하게 사용된다. 이는 보호된 안테나를 제공하는 디바이스의 하우징(housing)에 통합하는 것을 용이하게 하는 자신의 컴팩트(compact)한 크기 때문이다. PIFA는 또한 예를 들어 방사 노출(radiation exposure)과 관련된 대중적인 휩 안테나(whip antenna)들에 비해 추가 장점들을 제공한다. 휩 안테나는 전방향 방사 필드(omnidirectional radiation field)를 가지는데 반해, PIFA는 이용자들을 향한 상대적으로 제한된 방사 필드들을 가진다.
PIFA는 일반적으로 λ/4 공진 구조이고 방사 요소를 전도성 벽, 플레이트(plate), 또는 기둥을 이용하여 접지 평면에 단락-회로화함으로써 구현된다. 그러므로, 종래의 PIFA는 접지 평면에 평행하게 배치되는 전도성 방사기 요소로 구성되고 유전체 재료, 통상적으로는 공기에 의해 접지 평면과 절연된다. 이 방사기 요소는 두 핀들에 접속되고, 이들은 전형적으로 요소의 하나의 종단을 향하여 배치되어, 측면으로부터 반전된 "F"의 형상을 제공한다. 제 1 핀은 방사기를 접지 평면과 전기적으로 접속시키고, 제 2 핀은 안테나 피드(antenna feed)를 제공한다. PIFA의 주파수 대역폭, 이득 및 공진 주파수는 전도성 방사기 요소의 높이, 폭, 및 깊이, 및 방사기 요소 및 접지에 접속되는 제 1 핀 및 안테나 피드에 접속되는 제 2 핀 사이의 거리에 좌우된다.
도 2는 종래의 PIFA 200 디자인을 도시한다. 종래의 PIFA(200)는 안테나의 방사 요소(209)를 형성하는 전도성 플레이트를 포함한다. 방사 요소(209)는 기판(211) 상에 형성되는 접지 평면(210)에 거의 평행하게 배치된다. 방사 요소(209) 및 접지 평면(210) 사이의 이 평행한 배향(orientation)은 최적의 성능을 제공하지만 다른 배향들이 가능하다. 방사 요소(209)는 튜닝(tuning) 또는 단락 요소(212) 및 피드 요소(213)를 통해 접지 평면(210)에 전기적으로 접속되고, 상기 요소(212)는 가장 흔하게는 방사 요소(209)의 한 측에 배치된다. 피드(213)는 접지 평면(210)과 어느 정도 전기적으로 절연되어 있다. 전류가 피드 요소(213)를 통해 접지 평면(210) 위에 실장된 방사 요소(209)에 공급되면, 방사 요소(209) 및 접지 평면(210)은 여자(exited)되어 방사 디바이스 역할을 한다. PIFA(200)의 동작 주파수 또는 공진 주파수는 방사 요소(209)의 치수들 및 형상을 조정하거나 아니면 튜닝 요소(212)에 대하여 피드 요소(213)의 위치를 이동시킴으로써 수정될 수 있다. 공진 주파수는 또한 튜닝 요소(212)의 높이 및 폭을 변경함으로써 미세하게 수정될 수 있다. 그러므로 종래의 PIFA에서 동작 주파수 또는 공진은 피드(213), 튜닝(212), 또는 방사 요소들(209)에 의해 각각 고정된다. PIFA(200)의 대역폭을 변경하기 위해서, 높이가 증가해야만 하고, 이는 전반적인 안테나 크기를 바람직하지 않게 증가시키는 결과를 초래할 것이다.
더 작은 단말기들, 즉 더 얇고 더 짧은 모바일 단말기로의 경향으로 인해, 안테나 요소에 대해 이용 가능한 공간이 매우 제한되므로(GSM/WCDMA), -6 dB S11에서의 High Band, DCS, PCS, 및 UMTS(1710 MHz -> 2170 MHz)의 대역폭은 달성하기 점점 더 어려워지고 있다.
기생 소자들을 구비한 PIFA들은 오늘날 고 대역 대역폭을 강화하는데 이용되고 있으나, 통상적으로 PCB 상에 추가 접속(씨-클립(c-clip) 또는 포고 핀(Pogo Pin)하는데 있어서 안테나 캐리어 상의 가요성 필름(flex film)을 이용한다.
본 발명의 목적은, 안테나의 매칭(matching) 및 대역폭이 개선되고 방식으로, 마이크로스트립 기생 소자(Microstrip Parasitic Element: MPE)를 반송 구조(carry structure), 예를 인쇄 회로 기판(Printed Circuit Board: PCB)의 접지 층의 일부로 이용하는 것이다.
상기 목적은: 접지 평면, 피드 요소, 및 피드 요소에 연결되는 방사 요소를 포함하는 안테나 장치를 이용하여 달성되고, 방사 요소는 피드 요소 및 단락 요소에 의해 반송 구조의 제 1 면 상에 배열되는 접지 평면으로부터 실질적으로 평행하고 수직으로 대체된다. 상기 안테나는 상기 반송 구조상에 직접 제공되는 기생 소자를 상기 반송 구조 접지 층으로 더 포함한다. 바람직하게도, 기생 소자는 상기 반송 구조의 에지(edge)를 넘어 신장될 수 있다. 기생 소자는 마이크로스트립이고 최저 지상고 에어리어(ground clearance area)에 배열된다. 기생 소자는 또한 상기 반송 구조의 제 2 표면으로 신장될 수 있다. 반송 구조는 PCB(Printed Circuit Board)이다.
본 발명은 또한: 반송 구조상에 제공되는 접지 평면, 피드 요소, 및 피드 요소와 연결되는 방사 요소를 포함하는 안테나를 포함하는 무선 통신 디바이스에 관한 것으로서, 상기 방사 요소는 피드 요소 및 단락 요소에 의해 접지 평면으로부터 실질적으로 평행하고 수직으로 대체된다. 상기 안테나는 상기 반송 구조 접지 층의 일부로 상기 반송 구조 상에 직접 제공되는 기생 소자를 더 포함한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의해, 안테나 크기를 증가시키지 않고 안테나의 매칭 및 대역폭이 개선된다.
통합되어 명세서의 일부를 구성하는 첨부 도면들은 본 발명의 다수의 실시예들을 도시하고, 명세서와 함께 본 발명을 설명할 것이다. 도면에서:
도 1은 본 발명에 따른 무선 통신 디바이스의 블록도;
도 2는 종래 기술에 따른 반-PIFA 디자인을 도시한 도면;
도 3은 본 발명에 따른 반-PIFA를 도시한 도;
도 4는 본 발명에 따른 무선 통신 디바이스의 블록도;
도 5는 PCB의 일부를 통과하여 절단된 단면을 도시한 도면.
다음의 설명에서 기술되는 안테나 디자인들은 "평판" 안테나들이다. "평판" 안테나는 일반적으로 평면을 따라 놓이는 확장 형상을 가지는, 즉, 안테나는 3차원을 가지지만 상기 차원들 중 하나는 다른 두 차원들보다 약 10배 적다.
도 1은 예시적인 무선 통신 디바이스(10)의 블록도를 도시한다. 무선 통신 디바이스(10)는 하우징(11) 내에 제어기(101), 메모리(102), 이용자 인터페이스(103), 송수신기(104), 키 입력 유닛(105), 디스플레이 유닛(106), 및 다중대역 안테나(100)를 포함한다. 송수신기(104)는 안테나(100)를 이용하여 무선 통신 디바이스(10)를 무선 네트워크와 인터페이스하도록 한다. 송수신기(104)는 당업자에게 공지되어 있는 임의의 공지된 무선 통신 표준들 중 하나 이상에 따라 신호들을 송신하거나 수신할 수 있다. 제어기(101)는 메모리(102)에 저장되어 있는 프로그램들 및 이용자에 의해 인터페이스(103)를 통해 제공되는 명령들에 응답하여 무선 통신 디바이스(10)의 동작을 제어한다.
본 발명에 따라 마이크로스트립 기생 소자를 PCB 상에 접지 평면의 일부로 구비하는 안테나 디자인은 매칭 및 대역폭을 개선하거나 증가시킨다.
도 3은 본 발명에 따른 안테나, 소위 반-PIFA를 개시한다. PIFA(300)는 기판(311) 상에 형성되는 접지 평면(310)을 포함한다. 이 실시예에서 접지 평면(310)은 기판(311)(즉, 인쇄 회로 기판(PCB)) 상에 직접 임베딩되는 것으로 도시되고, 기판(311)은 또한 디바이스의 다른 전기 컴포넌트들(도시되지 않음)을 반송할 수 있다. 이는 안테나가 PCB에 상대적으로 근접하게 실장될 수 있는 장점을 제공함으로써, 무선 디바이스 내의 체적을 절약한다. PIFA는 더욱이 저 주파수 방사 요소 및 고 주파수 방사 요소를 각각 포함할 수 있는 방사 요소(309)를 포함한다. 방사 요소(309)는 임의의 공지된 구성 또는 패턴을 포함할 수 있고 대역폭, 동작 주파수, 방사 패턴 등을 최적화하기 위해 크기가 변할 수 있다. 방사 요소(309)는 튜닝 또는 단락 요소(312)를 통해 접지 평면(310)에 전기적으로 접속된다. 피드 요소(313)는 신호 소스를 무선장치 또는 다른 RF 송신기, 수신기 또는 송수신기(도시되지 않음)로부터 방사 요소(309)로 연결시킨다. 피드(313)는 접지 평면(310)으로부터 어느 정도 전기적으로 절연되어 피드(313)에서 접지하는 것을 방지하는 것이 바람직하다.
고-대역의 매칭 및 대역폭을 강화하기 위해서, 기생 소자(315)는 바람직하게도 안테나 최저 지상고 에어리어(316) 상에서 접지 평면(310)으로부터 신장되어 배열된다. 기생 소자는 직각, 원형, 미앤더(emander) 등과 같은 임의의 원하는 형상을 가질 수 있다.
기생 소자의 크기(즉, 길이 및 폭)가 충분하지 않다면(예를 들어 <10mm 최저 지상고), 마이크로스트립이 PCB의 다른 측 또는 적절한 방향으로 계속 나아가는 것 또한 가능하다. 이는 도 5에 도시된다. (315') 및 (315'')는 PCB(311)의 에지(edge)를 넘는 기생 소자의 신장부분 및 이의 다른 측을 각각 나타낸다. 기생 소자(315''')는 또한 비아 홀(via hole)을 통해 신장될 수 있다.
협대역(narrowband)일 수 있는, 본 발명에 따른 기생 소자인, 광-빔 안테나(wide-beam antenna)는 절연 유전체 기판에 접착되어 있는 금속 트레이스(trace) 내의 안테나 요소 패턴을 접지 평면을 형성하는 기판에 접착되어 있는 예속 금속 층과 함께 에칭함으로써 제조된다. 공통 마이크로스트립 안테나 방사기 형상들은 정사각형, 직사각형, 원형 및 타원형이고, 임의의 연속 형상이 가능하다. 대부분 공통적으로 이용되는 마이크로스트립 안테나는 직사각형 패치(patch)이다. 직사각형 패치 안테나는 직사각형의 마이크로스트립 송신 라인의 약 1/2 파장의 길이 섹션(section)이다. 공기가 안테나 기판이면, 직사각형 마이크로스트립 안테나의 길이는 약 자유공간 파장의 1/2이다. 안테나가 자신의 기판으로 유전체에 적재될 때, 안테나의 길이는 기판의 상대적인 유전체 상수가 증가할 때 감소한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 모바일 통신 단말기(40)의 구조를 도시한 블록도이다. 도 4를 참조하면, 모바일 통신 단말기(40)는 메모리(402), 키 입력 유닛(405), 디스플레이 유닛(406), 송수신기(404), PIFA(400), 기생 소자(415), 및 제어기(401)를 포함한다. 제어기(401)는 전화 호출에 대한 프로토콜, 데이터 통신 또는 무선 인터넷 액세스에 따라 음성 신호들 및 데이터를 프로세싱하고, 모바일 통신 단말기의 각각의 컴포넌트들을 제어한다. 더욱이, 제어기(401)는 키 입력 유닛(405)으로부터 키 입력을 수신하고, 디스플레이 유닛(406)을 제어하여 키 입력에 반응한 이미지 정보를 생성하고 제공한다. 제어기(401)는 이용자 또는 BS로부터 현재 위치 정보를 수신한다. 수신된 위치 정보를 통해, 제어기(401)는 메모리(402)에 포함된 영역 주파수 메모리(408)로부터 현재 위치로 매핑(mapping)된 주파수 대역을 식별한다.
단어 "comprising"은 본원에 기재된 것 이외의 다른 요소들 또는 단계들의 존재를 배제하지 않고, 요소 앞의 단어들 "a" 또는 "an"은 그와 같은 요소들의 복수의 존재를 배제하지 않음이 주목되어야 한다. 어떤 참조 부호들이라도 본 청구항들의 범위를 제한하지 않고, 본 발명은 하드웨어 및 소프트웨어 이 둘에 의해 적어도 부분적으로 구현될 수 있고, 여러 "means", "units", 또는 "devices"는 동일한 하드웨어의 아이템에 의해 표현될 수 있음이 또한 주목되어야 한다.
상기 진술되고 설명된 실시예들은 단지 예들로서 제공되므로 본 발명을 제한하지 않아야 한다. 본 발명의 범위 내의 다른 해법들, 이용예들, 목적들, 및 기능들은 후술되는 특허 청구항들에 청구되는 바와 같이, 당업자에게 명백해야 한다.
10: 무선 통신 디바이스 200 : 종래의 PIFA
209 : 방사 요소 100 : 안테나
211 : 기판

Claims (7)

  1. 안테나 장치(100, 300)로서, 상기 안테나 장치는 접지 평면(310), 피드 요소(313), 및 상기 피드 요소(313)에 연결되는 방사 요소(309)를 포함하고, 상기 방사 요소(309)는 상기 피드 요소 및 단락 요소에 의해 반송 구조(311)의 제 1 면 상에 배열되는 접지 평면(310)으로부터 실질적으로 평행하고 수직으로 대체되는, 안테나 장치에 있어서, 상기 안테나 장치는 상기 반송 구조(311) 상에 직접 제공되는 기생 소자를 상기 반송 구조 접지 층으로 더 포함하는, 안테나 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기생 소자는 마이크로스트립인 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 기생 소자는 최저 지상고 에어리어(ground clearance area)에 배열되는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기생 소자는 상기 반송 구조의 에지(edge)를 넘어 신장되는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기생 소자는 상기 반송 구조의 제 2 표면으로 신장되는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반송 구조는 PCB(Printed Circuit Board)인 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
  7. 안테나(300, 400)를 포함하는 무선 통신 디바이스로서, 상기 안테나는 반송 구조(311) 상에 제공되는 접지 평면, 피드 요소, 및 상기 피드 요소와 연결되는 방사 요소를 포함하고, 상기 방사 요소는 상기 접지 평면으로부터 실질적으로 평행하고 수직으로 대체되는 무선 통신 디바이스(40)에 있어서, 상기 안테나(300, 400)는 상기 반송 구조 접지 층의 일부로 상기 반송 구조(311) 상에 직접 제공되는 기생 소자(315, 415)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 통신 디바이스.
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