KR100683991B1

KR100683991B1 - 평면상 이중 스트립 안테나

Info

Publication number: KR100683991B1
Application number: KR1020007009303A
Authority: KR
Inventors: 알렌 트란
Original assignee: 콸콤 인코포레이티드
Priority date: 1998-02-23
Filing date: 1999-02-19
Publication date: 2007-02-20
Also published as: JP4259760B2; FI20001826A; JP2002504766A; CN1186852C; KR20010041218A; HK1035073A1; BR9908158A; WO1999043037A2; CN1299525A; EP1072064A2; FI117580B; CA2321788A1; DE69937048T2; CA2321788C; AU2772999A; DE69937048D1; WO1999043037A3; EP1072064B1

Abstract

평면 이중 스트립 안테나(400)는 2차원의 구조를 갖는다. 상기 안테나는 제 1 및 제 2 금속 스트립(404, 408)으로 구성되며, 각각은 얇은 평면 기판(412) 위에 인쇄되거나 에칭된다. 제 1 및 제 2 스트립(404, 408)은 미리 결정된 갭(T)으로 분리되어 있으며 2선식 전송선으로서 사용된다. 공면 도파관(416, 1520)은 평면 이중 스트립 안테나(400)에 결합된다. 공면 도파관(416, 1520)은 기판 위에 금속을 인쇄하거나 에칭함으로써 만들어진다. 도파관의 양극 단자(420,1522)는 제 1 스트립에 전기적으로 접속된다. 도파관의 음극 단자(424, 428)는 제 1 및 제 2 스트립 양쪽에 전기적으로 접속된다. 본 발명에 따른 평면 이중 스트립 안테나(400)는 일반적인 1/4 파장 혹은 반파장 패치 안테나에 대한 대역폭의 증가를 제공한다. 실험적인 결과들은 평면 이중 스트립 안테나(400)가 PCS 및 셀룰러 전화기들에 아주 바람직한 대략 8-20%의 대역폭을 갖는 것으로 나타났다.

Description

평면상 이중 스트립 안테나{UNIPLANAR DUAL STRIP ANTENNA}

본 발명은 일반적으로 안테나들, 특히 평면상 이중 스트립 다중 주파수 안테나에 관한 것이다. 본 발명은 특히 개선된 대역폭 및 방사 특성들을 갖는, 무선 장치용 내부 안테나들에 관한 것이다.

안테나들은 무선 통신 장치들 및 시스템들의 중요한 구성 요소이다. 비록 안테나들은 여러 다른 형태 및 크기로 이용될 수 있으나, 상기 안테나들은 각각 동일한 기본 전자기 법칙들에 따라 동작한다. 안테나는 유도파와 자유 공간파 사이 혹은 자유 공간파와 유도파 사이의 전이 영역과 관계되는 구조이다. 일반적인 원리로, 개방되는 전송선을 따라 이동하는 유도파는 전자기파로도 알려진 자유 공간파로서 방사할 것이다.

최근에, 휴대용 및 이동 셀룰러 및 개인용 통신 서비스(PCS) 전화들과 같은 개인용 무선 통신 장치들의 사용 증가로, 그러한 통신 장치들에 적합한 작은 안테나의 필요성이 증가했다. 최근의 집적 회로들 및 배터리 기술의 발달로 인하여 지난 몇 년에 걸쳐 그러한 통신 장치들의 크기 및 무게를 급격히 축소하는 것이 가능해졌다. 여전히 크기 축소가 바람직한 한 분야는 통신 장치 안테나이다. 이것은 안테나의 크기가 상기 장치의 크기를 줄이는데 중요한 역할을 할 수 있다는 사실에 기인한다. 게다가, 안테나 크기 및 모양은 장치 미학과 제조 비용에 큰 영향을 미친다.

무선 통신 장치들에 대한 안테나들을 디자인하는데 고려하는 중요한 한 가지 요소는 안테나 방사 패턴이다. 종래의 애플리케이션에서, 통신 장치는 다른 통신 장치나 상기 장치로부터 어느 방향으로도 위치할 수 있는 기지국, 허브, 혹은 위성과 통신하는 것이 가능해야 한다. 결과적으로, 그러한 무선 통신 장치들에 대한 안테나들은 거의 전방향성 방사 패턴을 갖는 것이 필수적이다.

무선 통신 장치들에 대한 안테나들을 디자인하는데 고려되는 또 다른 중요 요소는 안테나의 대역폭이다. 예를 들어, PCS 통신 시스템에 사용되는 전화기와 같은 무선 장치들은 1.85-1.99 GHz의 주파수 대역에 걸쳐 동작하므로, 7.29%의 가용 대역폭을 필요로 한다. 통상의 셀룰러 통신 시스템에 사용하는 전화기는 824-894 MHz의 주파수 대역에 걸쳐 동작하며, 이는 8.14%의 대역폭을 요구한다. 따라서 이런 유형의 무선 통신 장치들에 사용되는 안테나들은 적절한 대역폭 요건에 맞추어 디자인되어야 하며, 그렇지 않으면 통신 신호들이 심각하게 감쇠된다.

무선 통신 장치들에서 통상적으로 사용되는 안테나의 한 유형은 사용되지 않을 때는 보통 장치 내로 들어가 있는 휩(whip) 안테나이다. 그러나 휩 안테나에 관해서는 여러 단점들이 있다. 종종, 휩 안테나는 사용을 위해 뻗어나와 있을 때, 혹은 들어가 있을 때도 물체들, 사람들 혹은 표면에 걸려 손상을 입게 된다. 심지어 휩 안테나가 그러한 손상을 막기 위해 들어가는 것이 가능하도록 디자인되더라도, 휩 안테나는 상기 장치의 전 면적을 가로질러 뻗을 수 있으며 상기 장치의 몇 부분 내에서 진보된 모양들 및 회로들의 배치를 방해할 수 있다. 또한, 상기 휩 안테나는 들어갔을 때 바라던 것보다 더 큰 최소 장치 하우징 치수를 필요로 할 수 있다. 안테나는 들어갔을 때 크기를 줄이기 위해 신축성 있는 추가 섹션들로 구성될 수 있지만, 그것은 보통 미학성이 떨어지고, 더욱 박약하며 불안정하고, 혹은 소비자들이 조작하는 것도 힘들다.

더욱이, 휩 안테나는 중앙이 빈 도넛과 같은 형태로 되어있으며, 원래 환상 면의 방사 패턴을 갖는다. 그러한 안테나를 사용하는 셀룰러 전화기나 다른 무선 장치는 평지나 국소 지평면에 90도의 각도로, 평지에 수직인 안테나가 바람직하다고 볼 때, 이 공백은 90도 각도로 기울어지는 중앙 축을 갖는다. 이것은 보통 들어오는 신호들은 안테나에 관하여 반드시 90도로 도달하는 것은 아니기 때문에, 신호들의 수신을 막지 않는다. 그러나 전화기 사용자들은 종종 사용하는 동안 셀룰러 전화기를 기울여, 관련 휩 안테나 또한 기울어지게 한다. 셀룰러 전화기 사용자들은 보통 지평에 대하여 30도 정도의 각도로(수직선으로부터 60도) 전화기를 기울여, 휩 안테나를 30도 각도로 기울어지게 하는 것으로 알려져 왔다. 이것은 공백의 중앙 축 또한 30도 각도로 향하게 되는 결과를 가져온다. 그 각도에서, 공백은 30도 각도로 도달하는 들어오는 신호들의 수신을 막는다. 공교롭게도, 셀룰러 통신 시스템에 들어오는 신호들은 30도 각도 근처 또는 그 범위로 도달하며, 방향이 잘못 설정된 공백은 일부 신호의 수신을 막을 가능성을 증가시킨다.

무선 통신 장치들에 사용되는데 적합해 보이는 또 다른 형태의 안테나는 컨포멀 안테나이다. 일반적으로, 컨포멀 안테나들은 그것들이 설치되는 표면의 형태를 따르며 매우 낮은 프로파일을 나타낸다. 패치, 마이크로스트립 및 스트립라인 안테나들과 같은, 여러 다른 형태의 컨포멀 안테나들이 있다. 특히 마이크로스트립 안테나들은 최근에 개인용 통신 장치들에 사용되어 왔다.

그 용어가 나타내듯이, 마이크로스트립 안테나는 보통 방사기 패치라고 불리는 패치나 마이크로스트립 요소를 포함한다. 마이크로스트립 요소의 길이는 800 MHz나 1900MHz와 같은 관련 주파수를 매칭시키기 위해 선택되는 공진 주파수 f₀와 관련되는 파장 λ₀에 관하여 설정된다. 일반적으로 사용되는 마이크로스트립 요소의 길이는 반 파장(λ₀/2) 및 1/4 파장(λ₀/4)이다. 몇 가지 유형의 마이크로스트립 안테나들이 최근 무선 통신 장치들에 사용되었다 하더라도, 몇몇 영역에서 더욱 개선이 요구된다. 더욱 개선이 요구되는 그런 영역 중 하나는 전체 크기의 축소이다. 상당한 개선이 요구되는 또 다른 영역은 대역폭이다. 현재의 패치 또는 마이크로스트립 안테나 디자인들은 실제 크기에서, 진보된 통신 시스템들에 사용되는 데 바람직한 7.29% 내지 8.14% 이상의 대역폭 특성들을 얻지 못하는 듯하다.

따라서 진보된 통신 시스템 요구들에 더욱 비례하는 대역폭을 달성하는 새로운 안테나 구조 및 안테나 제조 기술이 필요하다. 게다가, 안테나 구조는 무선 장치 내에서 더욱 유동성 있는 구성요소 위치결정을 제공하도록 내부 설치에 도움이 되며, 미학을 크게 개선하고 안테나 손상을 감소시켜야 한다.

본 발명은 2차원의 구조를 갖는 평면 이중 스트립 안테나에 관한 것이다. 평면 이중 스트립 안테나는 얇은 평면 기판 위에 각각 인쇄되는 제 1 및 제 2 금속 스트립을 포함한다. 제 1 및 제 2 스트립은 미리 결정된 갭이나 비도전 물질의 영역에 의해 분리된다. 본 발명에 따르면, 제 1 및 제 2 스트립은 2선식 전송선의 컨덕터로 사용된다. 스트립들 사이의 공기나 기판 위에 증착된 유전 물질은 제 1 스트립과 제 2 스트립 사이에서 유전 매체로 동작한다. 본 발명의 한 실시예에서는, 제 1 스트립의 길이는 제 2 스트립의 길이보다 짧고 제 1 스트립의 폭은 제 2 스트립의 폭보다 좁다.

공면(coplanar) 도파관이 평면 이중 스트립 안테나에 결합된다. 공면 도파관은 기판 위에 금속을 에칭하거나 증착함으로써 만들어진다. 도파관의 양극 단자는 제 1 스트립에 전기적으로 연결된다. 도파관의 음극 단자는 제 1 스트립 및 제 2 스트립 양쪽에 전기적으로 연결된다. 선택적으로, 동축 케이블이 피드로서 공면 도파관 대신에 사용될 수 있다.

본 발명의 한 가지 실시예에서는, 공면 도파관은 두 개의 음극 단자 및 하나의 양극 단자를 갖는다. 양극 단자는 제 1 스트립에 연결된다. 음극 단자는 제 2 스트립에 연결되는 한편, 다른 음극 단자는 제 1 스트립에 연결된다. 음극 단자들은 편리한 위치에서 전기적으로 서로 연결된다.

본 발명의 한 가지 실시예에서, 평면 이중 스트립 안테나는 얇은 플렉시블(flexible) 기판 위에 금속 스트립들을 인쇄, 에칭 혹은 증착함으로써 만들어진다. 공면 도파관은 또한 플렉시블 기판 위에 에칭되거나 증착된다. 본 발명의 또 다른 실시예에서는, 평면 이중 스트립 안테나는 인쇄 회로(PC) 기판 위에 금속 스트립들을 에칭하거나 증착함으로써 만들어진다. 이것은 이중 스트립 안테나의 제작을 크게 간소화시킨다.

본 발명의 한 가지 실시예에서는, 제 1 및 제 2 스트립은 서로 거의 평행하다. 본 발명의 또 다른 실시예에서는, 제 1 및 제 2 스트립은 대기나 자유공간과 매칭하는 개선된 임피던스를 제공하기 위해 공면 도파관에 전기적으로 연결되는 곳으로부터 뻗어 나오는 개방 종단에서 플레어(flare) 된다. 그러나 본 발명의 또 다른 실시예에서는, 제 1 및 제 2 스트립은 휘어진다. 제 1 및 제 2 스트립에 대한 다양한 다른 형태들도 또한 사용될 수 있다.

본 발명에 따른 평면 이중 스트립 안테나는 보통 1/4 파장 혹은 반 파장 패치 안테나에 대한 대역폭의 증가를 제공한다. 실험적인 결과들은 평면 이중 스트립 안테나가 PCS 및 셀룰러 전화기에 매우 유용한 약 8-20%의 대역폭을 갖는 것으로 나타났다.

본 발명은 수반하는 도면들을 참조하여 기술된다. 유사 참조 번호들은 일반적으로 동등하며, 기능적으로 유사하고, 및/또는 구조적으로 비슷한 요소들을 나타내며, 도면에서 처음에 나타나는 요소는 참조 번호에서 맨 왼쪽의 숫자로서 나타내어지며, 상기 도면은 다음과 같다.

도 1a 및 1b는 휩 및 외부 나선형 안테나들을 갖는 휴대용 전화기를 도시한다.

도 2는 종래의 마이크로스트립 패치 안테나를 도시한다.

도 3은 도 2의 마이크로스트립 패치 안테나의 측면도를 도시한다.

도 4는 본 발명의 한 가지 실시예에 따른 평면 이중 스트립 안테나를 도시한다.

도 5a-5g는 스트립들을 연결하는데 구형 천이를 사용하여 본 발명의 여러 선택적인 실시예들의 평면도들을 도시한다.

도 6a-6c는 스트립들을 연결하는데 커브된 천이를 사용하여 본 발명의 여러 다른 선택적인 실시예들의 평면도들을 도시한다.

도 7a-7e는 스트립들을 연결하는데 V형 천이를 사용하여 본 발명의 또 다른 여러 선택적인 실시예들의 평면도들을 도시한다.

도 8a-8g는 커브, 각도, 및 복합 스트립 형들을 사용하여 본 발명의 부가적인 선택적인 실시예들의 평면도들을 도시한다.

도 9a-9b는 다른 애플리케이션들에 유용한 본 발명의 여러 다른 실시예들의 투시도들을 도시한다.

도 10은 셀룰러 전화기들에 사용되는데 적합한 본 발명의 한 가지 실시예의 측정된 주파수 응답을 도시한다.

도 11은 PCS 무선 전화기들에 사용되는 적합한 본 발명의 또 다른 실시예의 측정된 주파수 응답을 도시한다.

도 12 및 13은 본 발명의 한 가지 실시예에 대한 측정된 필드 패턴들을 도시한다.

도 14는 도 1의 전화기에 사용되는 본 발명의 한 가지 실시예의 평면도를 도시한다.

도 15는 도 1의 전화기에 사용되는 신호 피드 및 본 발명의 또 다른 실시예의 평면도를 도시한다.

도 16a 및 16b는 도 1의 전화기 내에 설치되는 본 발명의 한 가지 실시예의 측단면도들 바닥 평면도를 도시한다; 및

도 17은 본 발명이 사용될 수 있는 부가적인 무선 장치를 도시한다.

1. 발명의 개관 및 검토

종래의 마이크로스트립 안테나는 개인용 통신 장치들에 사용되기에 적합하도록 만드는 몇 가지 특성들을 갖는 반면, 셀룰러 및 PCS 전화기들과 같은 무선 통신 장치들에 사용되는데 더욱 바람직하게 하기 위해 마이크로스트립 안테나의 다른 영역에서 더욱 개선이 필요하다. 더욱 개선이 필요한 영역 중 하나는 대역폭이다. 일반적으로, PCS 및 셀룰러 전화기들은 만족스럽게 동작하기 위해서는 약 8% 대역폭을 필요로 한다. 현재 이용하는 마이크로스트립 안테나들의 대역폭은 약 1-2% 범위로 떨어지기 때문에, PCS 및 셀룰러 전화기들에 사용되는데 더욱 적합하도록 하기 위해 상기 마이크로스트립 안테나들의 대역폭 증가가 요구된다.

더욱 개선이 요구되는 또 다른 영역은 마이크로스트립 안테나의 크기이다. 예를 들어, 마이크로스트립 안테나의 크기의 축소는 상기 안테나가 사용되는 무선 통신 장치를 더욱 콤팩트하고 미학적으로 만들 것이다. 사실, 이것은 심지어 그러한 안테나가 무선 통신 장치에 전혀 쓰일 수 있는지 없는지를 결정할 수도 있다. 과거에는, 종래의 마이크로스트립 안테나의 크기의 축소는 사용되는 어떠한 유전체 기판의 두께를 줄임으로써, 혹은 유전 상수를 증가시킴으로써 가능해진다. 그러나 이것은 안테나 대역폭을 감소시키는 바람직하지 않은 효과를 가짐으로써, 무선 통신 장치들에는 적절하지 않게 한다.

더욱이, 패치 방사기들과 같은 종래의 마이크로스트립 안테나들의 필드 패턴은 일반적으로 지향성이다. 대부분 패치 방사기들은 안테나에 대한 지평선에 대해 상위 범위에서만 방사한다. 이전에 기술한 대로, 이런 패턴은 장치의 운동과 더불어 순환하거나 움직이며 유효범위에 바람직하지 않은 공백을 만들어낼 수 있다. 따라서 마이크로스트립 안테나들은 그것들의 방사 패턴에 기초한 많은 무선 통신 장치들에 사용되는데 그다지 바람직하지 않았었다.

본 발명은 위의 문제 및 다른 문제에 해결책을 제시한다. 본 발명은 2차원 구조를 가지며 확장 가능한 병렬의, 그러나 비대칭의 컨덕터 종단들을 갖는, 플레이트 도파관으로 동작한다. 평면 이중 스트립 안테나는 무선 통신 장치들에 사용되는데 바람직한 다른 특성들을 보유하면서 다른 안테나 디자인에 대한 크기 축소 및 증가된 대역폭을 제공한다.

평면 이중 스트립 안테나는 2차원의 구조를 갖기 때문에, 셀룰러 전화기나 다른 무선 장치의 플라스틱 하우징과 같은 다양한 표면들에 의해 지지되거나 컨포멀하게 부착될 수 있다. 평면 안테나는 휴대용 전화기와 같은 무선 통신 장치의 꼭대기나 바닥 표면들 근처에 만들어질 수 있거나 무선 장치에서 스피커들, 이어폰들, I/O 회로들, 키패드들 등등과 같은 다른 요소들에 인접하거나 뒤쪽에 설치될 수 있다. 평면 안테나는 또한 무선 통신 장치가 사용될 수 있는 운송 수단의 표면에 혹은 그 위에 만들어질 수 있다.

휩이나 외부 나선형 안테나와는 달리, 평면 이중 스트립 안테나는 물체들이나 표면에 걸려 손상되기 쉽지 않다. 또한, 평면 이중 스트립 안테나는 무선 통신 장치의 위 표면 가까이 혹은 벽을 따라 만들어질 수 있기 때문에, 진보된 피쳐(feature)들 및 회로들에 요구되는 내부 공간을 낭비하지 않을 것이며, 또는 안테나가 들어갔을 때 수용할 수 있도록 큰 하우징 치수들을 요구하지도 않을 것이다. 본 발명의 안테나는 안테나들과 관련된 노동력 및 비용을 줄이며, 안정성을 증가시키는 자동화된 공정들을 사용하여 제조될 수 있다. 더욱이, 평면 이중 스트립 안테나는 많은 무선 통신 장치들에 적합하도록 만드는 거의 전방향성 패턴을 방사한다.

2. 실시 환경

본 발명을 세부적으로 기술하기에 앞서, 본 발명이 실행될 수 있는 실시 환경을 기술하는 것이 유용하다. 넓은 의미에서는, 본 발명은 개인용 통신 장치, 무선 전화기들, 무선 모뎀들, 팩시밀리 장치들, 휴대용 컴퓨터들, 페이저들, 메시지 방송 수신기들 등등과 같은 어떠한 무선 장치에서도 실행될 수 있다. 그러한 환경 중 하나는 셀룰러, PCS 혹은 다른 상업적인 통신 서비스들에 사용되는 것과 같은 휴대용 혹은 핸드헬드 무선 전화기이다. 다른 하우징 형태들 및 스타일에 일치하는 그러한 무선 전화기들의 다양성은 기술 분야에 공지되어 있다.

도 1A 및 1B는 위에서 논의된 셀룰러 및 PCS 시스템들과 같은 무선 통신 시스템들에 사용되는 종래의 무선 전화기(100)를 도시한다. 도 1(1A,1B)에 나타낸 무선 전화기는 소형화를 위해 "클램 쉘(clam shell)", 폴딩 바디 혹은 플립형 전화기 구성을 갖는다. 다른 무선 장치들 및 전화기들은 더욱 전형적인 "바" 형태의 하우징들 혹은 구성을 사용한다.

도 1에 도시된 전화기는 하우징(102)으로부터 돌출한 휩 안테나(104) 및 휩과 중심이 같은 나선형 안테나(106)를 포함한다. 하우징의 앞 부분은 기술분야에서 잘 알려진, 종래의 무선 전화기 구성요소들인 스피커(110), 디스플레이 패널 혹은 스크린(112), 키패드(114), 마이크로폰 혹은 마이크로폰 액세스 홀(116), 외부 전력 소스 커넥터(118) 및 배터리(120)를 수용하는 것으로 나타난다. 도 1a에서, 안테나(104)는 들어가 있는 것으로 나타나는 반면(보는 각도 때문에 보이지 않음), 도 1b에서는, 안테나(104)는 사용하는 동안 일반적으로 조우하는 확장된 위치에 나타난다. 이 전화기는 단지 예시의 목적으로 사용되는데, 본 발명이 사용될 수도 있는 결합된 물리 구성들 및 무선 장치들 및 전화기들의 다양성이 있기 때문이다.

위에서 논의된 대로, 안테나(104)는 여러 단점들을 갖는다. 하나는 상기 안테나가 사용하는 동안 뻗어나왔을 때, 그리고 때때로 들어가 있을 때도 다른 물체들이나 표면에 걸려 손상 받기 쉬운 것이다. 상기 안테나는 또한 배터리들과 같은 전력 소스들을 포함하는 진보된 피쳐 및 회로에 대한 구성요소들의 배치를 더욱 제한적이며 덜 유연하게 하는 방식으로 전화기의 내부 공간을 낭비한다. 게다가, 안테나(104)는 들어갔을 때 수용할 수 없을 정도로 큰 최소 하우징 치수를 필요로 할 수도 있다. 안테나(106)는 또한 사용하는 동안 다른 아이템들이나 표면에 걸려 손상을 입으며 전화기 하우징(102) 내로 들어갈 수 없게 된다.

본 발명은 이러한 예의 환경에 관하여 기술된다. 이에 관한 기술은 오로지 명확함 및 편리함의 목적들로 제공된다. 이 실시 환경의 애플리케이션에 본 발명을 제한하는 의미는 아니다. 다음 기술을 숙독한 후에, 관련 기술분야에서 숙련된 자들은 선택적인 환경들에서 본 발명을 실행하는 방법을 명백히 알게 될 것이다. 사실, 아래에서 더욱 검토될 것처럼, 본 발명이 무선 통신 가능성을 갖는 휴대용 팩시밀리 머신이나 휴대용 컴퓨터 등등과 같은 어떠한 무선 통신 장치에도 이용될 수 있다는 것은 명백해질 것이다.

도 2는 종래의 마이크로스트립 패치 안테나(200)를 도시한다. 안테나(200)는 마이크로스트립 요소(204), 유전체 기판(208), 접지면(212) 및 피드 포인트(216)를 포함한다. 마이크로스트립 요소(204)(또한 보통 방사기 패치로 지칭되는) 및 접지면(212)은 각각 구리 플레이트와 같은 도전 물질층으로부터 만들어진다.

비록 원형과 같이 다른 모양을 갖는 마이크로스트립 요소들 및 관련 접지면이 사용될지라도, 가장 널리 사용되는 마이크로스트립 요소 및 관련 접지면은 직사각형 요소로 구성된다. 마이크로스트립 요소는 접지면이 인쇄 회로 기판의 한 면에 포토 에칭되는 한편, 인쇄 회로 기판의 다른 면 혹은 또 다른 층 위에 포토 에칭되는 것을 포함하는 다양한 공지 기술들을 사용하여 제조될 수 있다. 기판 위에 선택적으로 도전 물질을 증착하고, 플레이트들을 유전체에 본딩하거나 혹은 도전 물질로 플라스틱을 코팅하는 등, 마이크로스트립 요소 및 접지면이 구성될 수 있는 다른 여러 가지 방법이 있다.

도 3은 종래의 마이크로스트립 안테나(200)의 측면도를 나타낸다. 중앙 컨덕터(220) 및 외부 컨덕터(224)를 갖는 동축 케이블이 안테나(200)에 연결된다. 중앙 컨덕터(220)(양극 단자)는 피드 포인트(216)에서 마이크로스트립 요소(204)에 연결된다. 외부 커넥터(224)(음극 단자)가 접지면(212)에 연결된다. 마이크로스트립 요소(204)의 길이 L은 일반적으로 유전체 기판(208)에 관계되는 주파수에서 1/2 혹은 1/4 파장과 같으며(Richard C. Johnson & Henry Jasik, 안테나 공학 핸드북, 제 2 판의 챕터 7, 페이지 7-2를 보시오), 다음 관계로 표현된다.

L = 0.5λ_d = 0.5λ₀/ √ε_r 또는,

L = 0.25λ_d = 0.25λ₀ / √ε_r

여기서, L = 마이크로스트립 요소(204)의 길이

ε_r = 유전체 기판(208)의 상대 유전 상수

λ₀ = 자유 공간 파장

λ_d = 유전체 기판(208)에서의 파장

유전 상수 및 피드 인덕턴스의 편차는 정확한 치수들을 예측하기 어렵게 만들기 때문에, 시험 요소는 대개 정확한 길이를 결정하도록 만들어진다. 두께 t는 보통 가로 전류 또는 모드를 막거나 최소화하기 위해 대개 0.01λ₀ 정도의 파장보다 훨씬 작다. 선택된 t 값은 안테나가 동작해야 하는 대역폭에 기초하며, 뒤에 더욱 자세히 검토될 것이다.

마이크로스트립 요소(204)의 폭 "w"는 더 상위 모드가 자극되지 않도록 유전체 기판 물질에서의 파장, 즉 λ_d보다는 작아야 한다. 이것에 대한 예외는 다중 신호 피드들이 더 상위 모드를 제거하는데 사용되는 경우이다.

보통 사용되는 제 2 마이크로스트립 안테나는 1/4 파장 마이크로스트립 안테나이다. 1/4 파장 마이크로스트립 안테나의 접지면은 일반적으로 마이크로스트립 요소의 파장보다 훨씬 더 큰 영역을 갖는다. 마이크로스트립 요소의 길이는 기판 물질에 관계하는 주파수에서 거의 1/4 파장이다. 접지면의 길이는 기판 물질에 관계하는 주파수에서 거의 1/2 파장이다. 마이크로스트립 요소의 한쪽 종단은 접지면에 전기적으로 연결된다.

1/4 파장 마이크로스트립 안테나의 대역폭은 유전체 기판의 두께에 좌우된다. 앞서 기술한 대로, PCS 및 셀룰러 무선 전화기 동작들은 대략 8%의 대역폭을 요구한다. 1/4 파장 마이크로스트립 안테나가 8% 대역폭 요구를 맞추기 위해, 유전체 기판(208)의 두께는 셀룰러 주파수 대역(824-894 MHz)에 대해 대략 1.25 인치이며 PCS 주파수 대역에 대해 0.5 인치여야 한다. 이 크기의 두께는 대략 0.25 인치나 더 작은 치수의 두께가 바람직한 작은 무선 혹은 개인용 통신 장치에 명백하게 바람직하지 않다. 더 큰 두께의 안테나는 일반적으로 대부분 무선 통신 장치들의 이용 가능한 부피 내에서 수용될 수 없다.

3. 본 발명

본 발명의 한 실시예에 따라 동작하고 만들어지는 평면 이중 스트립 안테나(400)는 도 4에 나타난다. 도 4에서는, 평면 이중 스트립 안테나(400)는 제 1 스트립(404) 및 제 2 스트립(408), 유전체 기판(412), 및 공면 도파관(416)을 포함한다. 제 1 스트립(404)은 한쪽 종단에 인접하게 또는 한쪽 종단이 제 2 스트립(408)에 전기적으로 연결된다. 이 종단은 안테나(400)에 대한 "폐쇄 종단"(406)으로 지칭된다.

제 1 및 제 2 스트립(404, 408)은 각각 유전체 기판(412) 위에 인쇄되거나, 에칭되거나 증착되며 공지된 임피던스 및 전류 특성들에 가해지는 구리, 황동, 알루미늄, 은, 금 혹은 다른 공지된 도전 물질들과 같은 도전 물질로 만들어진다. 제 1 및 제 2 스트립(404, 408)은 미리 결정된 갭 T만큼 서로 간격을 두고 배치되며, 이 갭은 원하는 대로 그러한 용도로 공지된 폼(foam) 등의 유전 물질(보통 공기)로 채워질 수도 있다. 본 발명의 한 실시예에서, 제 1 및 제 2 스트립(404, 408)은 각각의 길이에 대해 서로 거의 평행하게 배치된다. 또 다른 실시예에서(예를 들어, 도 5a-5c 및 9b를 참조), 제 1 및 제 2 스트립은 공기나 자유 공간과 매칭하는 더 좋은 임피던스를 제공하기 위해 개방 종단에서 플레어 한다.

양극 단자(420) 및 두 개의 음극 단자(424, 428)를 갖는 공면 도파관 (416)은 제 1 및 제 2 스트립(404, 408)에 연결된다. 본 발명의 한 실시예에서는, 양극 및 음극 단자(420, 424, 428)는 세 개의 평행한 금속 스트립으로 형성된다. 중앙 스트립은 양극 단자(420)로 지정되며 제 1 스트립(404)에 전기적으로 연결된다. 하나의 외부 스트립은 음극 단자(424)로 지정되며 다른 외부 스트립은 음극 단자(428)로 지정된다. 음극 단자(424)는 제 1 스트립(404)에 전기적으로 연결되며 음극 단자(428)는 제 2 스트립(408)에 전기적으로 연결된다. 본 발명의 한 실시예에서는, 공면 도파관(416)은 유전체 기판(412) 위에 금속을 증착하거나 에칭하거나 인쇄함으로써 구성된다. 공면 도파관(416)은 구리, 은, 금, 알루미늄 혹은 다른 공지된 도전 물질들과 같은 도전 물질로 만들어진다. 선택적으로, 공면 도파관 대신 동축 케이블이 피드로 사용될 수도 있다.

평면 이중 스트립 안테나(400)는 이차원적 구조를 가진다. 따라서 상기 안테나는 셀룰러 전화기의 플라스틱 하우징과 같은 많은 표면들에 정합하도록 부착될 수 있다. 본 발명의 한 실시예에서는, 안테나(400)는 Mylar, Kapton 혹은 다른 공지된 플렉시블 유전 물질과 같은 유전체 기판이나 매체로서 기능할 수 있는 플렉시블 시트 위에 증착되거나 인쇄되거나 에칭된다. 이중 스트립 안테나는 아래에서 검토되는 것처럼, 무선 이동 전화기의 플립형, 클램 쉘 혹은 폴딩 부분과 같은 무선 장치들의 얇은 부분 위에 유리하게 설치될 수 있다.

제 1 및 제 2 스트립(404, 408)의 길이 및 폭이 주로 평면 이중 스트립 안테나(400)의 공진 주파수를 결정한다. 제 1 및 제 2 스트립(404, 408)의 길이 및 폭은 제 1 및 제 2 스트립(404, 408)이 미리 선택된 바람직한 주파수를 갖는 신호들을 수신하고 전송하는 것이 가능한 2선식 전송선으로서 동작하도록 대략 크기가 설정된다. 바람직한 주파수에서 제 1 및 제 2 스트립(404, 408)이 2선식 전송선으로 동작하도록 적절한 길이 및 폭을 선택하는 방법은 기술분야에 잘 알려져 있다. 간략하게 서술하면, 제 1 및 제 2 스트립(404, 408)이 2선식 전송선으로 동작하기 위해, 각각은 대략 λ/4의 길이를 가져야 하며, 여기서 λ는 전자기파에 관계하는 주파수에서의 파장이다. 다음으로, 2선식 전송선으로 형성된 결과적인 안테나의 대역폭은 증가한다. 이것은 바람직한 대역폭이 달성될 때까지, 제 1 스트립의 길이 및 폭을 감소시키는 동시에 제 2 스트립의 길이 및 폭을 증가시킴으로써 이루어진다.

공면 도파관(416)은 이중 스트립 안테나(400)에 신호 유닛(도시 생략)을 결합시킨다. 여기서 신호 유닛은 신호 소스 및/또는 신호 수신기에 의해 제공되는 기능성을 지칭하는데 사용됨에 유의한다. 신호 유닛은 안테나(400)가 어떻게 동작하느냐에 따라 이러한 기능성 중 하나 혹은 둘 다를 제공한다. 안테나(400)는, 예를 들어, 신호 유닛이 신호 소스로 동작하는 경우에, 전송 요소로서만 동작하도록 구성될 수 있다. 선택적으로, 신호 유닛은 안테나(400)가 수신 요소로서만 동작하도록 구성될 때 신호 수신기로서 동작한다. 신호 유닛은 안테나(400)가 전송 및 수신 요소 모두로서 동작하도록 구성될 때, 송수신기의 형태로 양 기능을 제공한다.

안테나 혹은 스트립은 1/4 원형, 반원형, 반타원형, 포물선, 각진형, 원형 및 사각 C형, L형, U형, V형과 같은, 그러나 이에 국한되지는 않는 다양한 다른 형태들로 형성될 수 있다. V형 구조는 90도 미만에서부터 거의 180도까지 다양할 수 있다. 곡선형 구조는 상대적으로 작은 혹은 큰 반경을 사용할 수 있다. 컨덕터, 즉, 제 1 및 제 2 스트립의 폭은 테이퍼, 커브, 혹은 다른 것들이 단계적으로 외부 종단(비-피드(non-feed) 부분)을 향해 좁은 폭으로 변화하도록 그 길이를 따라 변화될 수 있다. 기술분야에서 숙련된 자들에 의해 명백하게 이해되는 바와 같이, 이러한 여러 효과나 형태가 단일 안테나 구조에서 조합될 수 있다.

본 발명의 스트립에 대한 선택적인 실시예나 형태의 여러 평면도는 참조번호의 마지막 숫자가 아이템이 제 1 스트립이나 제 2 스트립임을, 즉, 각각 4나 8을 지시하는 도 5a-5g, 6a-6c,7a-7e 및 8a-8f에 나타난다. 첫 번째 숫자와 마지막 문자는 도 5a에 대해 504A, 도 7b에 대해 708B 등 요소가 나타나는 도면을 표시한다. 설명을 명확하게 하기 위해, 이 형태들에 사용되는 스트립들의 폭은 비교하지 않으며 보통 같다. 그러나 위에서 검토한 대로, 또 쉽게 명백해지겠지만, 이러한 두 개의 스트립은 일반적으로 바람직한 대역폭을 달성하기 위해 다른 폭을 가질 것이다.

도 5a-5g에 나타난 안테나 실시예들은 스트립들을 함께 연결하기 위해 직각 혹은 사각 천이를 사용하여 본 발명에 대한 선택적인 형태들을 도시한다. 즉, 도 5a-5g에 나타난 실시예들에서 안테나의 폐쇄 종단에 대해, 제 1 및 제 2 스트립은 수직 도전 연결요소 혹은 천이 스트립(506, 506A-506G)을 사용하여 함께 연결되거나 결합된다. 게다가, 서로 관련되는 스트립들에 대한 방향의 추가 변화는 실질적으로 사각 코너들로 달성된다. 각각의 방향 변화는 이전 부분에 대해 실질적으로 수직이거나, 90도 각도에서 각 스트립의 새로운 부분의 위치결정에 관여한다. 물론, 이러한 각도는 대부분 애플리케이션에 대해 정확해야 할 필요는 없으며 원하는 대로, 곡선형 또는 둥근 홈이 파인 코너들과 함께 다른 각도가 사용될 수 있다.

도 5b는 더 긴 제 2 스트립을 수용하기 위해 스트립이 안테나 구조에 대해 전체적으로 바람직한 길이를 유지하도록 접힐 수 있다는 것을 도시한다. 도 5c는 제 1 스트립이 놓이는 평면을 향하거나 떨어져 접힐 수 있음을 보여준다. 도 5d는 제 2 스트립이 제 1 스트립을 부분적으로 혹은 완전히 둘러싸며 접힐 수 있다는 것을 도시한다. 도 5e는 접힌 구조 전반에 대해 제 1 스트립의 확장을 도시한다. 도 5f는 제 1 및 제 2 스트립에 대한 방향의 변화가 더 작은 "단계"로 달성되는 것을 도시한다. 선택적으로, 각 스트립의 종단 부분은 도 5g에 나타낸 것과 같이 전체적으로 Y자 형태를 형성하도록 어떤 각도로 구부러지거나 어떤 각도를 향할 수 있다. 일반적으로, 분리 각도는 요구되지 않더라도, 더욱 뭉툭한 Y형 종단 구조가 허용되는 90도 각도이다.

도 6a-6c에 나타난 안테나 실시예는 스트립들을 함께 연결하기 위해 곡선형 혹은 곡선의 천이를 사용하여 본 발명에 대한 선택적인 형태들을 도시한다. 즉, 도 6a-6c에 도시된 실시예들에서는, 제 1 및 제 2 스트립은 곡선형 도전 연결 요소나 천이 스트립(1606; 1606A-1606C)을 이용하여 폐쇄 종단에 함께 연결되거나 결합된다. 스트립(1606; 1606A-1606C)은 1/4원형, 반원형, 반타원형, 혹은 포물선 혹은 그것들의 조합들을 포함하는 다양한 형태를 가질 수 있다. 곡선형 구조는 특정한 애플리케이션에 바람직한, 상대적으로 작거나 큰 반경을 사용할 수 있다. 게다가, 각각의 스트립은 도 5a-5g에 도시된 대로, 안테나 구조에 대한 전체의 바람직한 길이를 유지하기 위해 접혀질 수 있다. 도 6a는 일반적으로 커브된 반원형을 도시하며, 도 6b는 일반적으로 1/4원형, 타원형, 커브된 천이를 도시하며, 도 6c는 일반적으로 포물선 커브의 천이를 도시한다. 이러한 형태들의 천이들은 또한 조합형으로 사용될 수 있다.

도 7a-7e에 도시된 안테나 실시예들은 스트립들을 함께 연결하기 위해 V형 천이를 사용하여 본 발명의 선택적인 형태들을 도시한다. 즉, 도 7a-7e에 도시된 실시예들에서는, 제 1 및 제 2 스트립은 분리 도전 연결 요소나 천이 스트립을 사용하지 않고서, 혹은 매우 작은 것을 사용함으로써 폐쇄 종단에서 함께 연결되거나 결합된다. 대신에, 제 1 및 제 2 스트립은 외부 분리 또는 플레어 구성에서 공통 결합부로부터 뻗어있다. 게다가, 이전에서처럼, 각각의 스트립은 도 5a-5h에 도시된 대로, 안테나 구조에 대해 전체의 바람직한 길이를 유지하기 위해 접힐 수 있다.

도 7a 및 7b는 일반적으로 함께 결합하는 수직 V형 혹은 예각의 천이를 도시한다. 도 7b에서는, 두 스트립은 일반적으로 평행 스트립을 형성하도록, 혹은 서로에 대해 감소한 각도 경사를 제공하도록 다시 구부러진다. 도 7c-7e에서는, 두 스트립 중 적어도 하나는 최초 V형 결합 후에 구부러진다. 도 7c에서는, 양 스트립은 지수나 포물선 곡선 함수에 따르는 것처럼 휘어진다. 도 7d에서는, 하나의 스트립만 휘어지며, 도 7e에서는 양 스트립이 휘어지지만 수직 섹션으로 접힌다. 이전에, 이런 형태의 천이는 또한 특정한 애플리케이션에 대해 바람직하게는, 조합형으로 사용될 수 있다.

도 8a-8g는 휘어진, 각진 그리고 복합 스트립을 사용하여 본 발명의 스트립들에 대해 여러 선택적인 실시예나 형태를 도시한다. 여기서, 스트립들은 각각의 길이에 대해 서로 거의 평행하게 배치되지만, 상기 스트립들은 도전 연결 요소 혹은 천이 스트립(806; 806A-806F)을 사용하여 혹은 연결이 없는 스트립이 사용되는 도 8g의 원형 혹은 타원형 경우에 폐쇄 종단에서 함께 연결되거나 결합하는 곳에서부터 바깥으로 뻗어있는 원형, S자 곡선, 혹은 V형의 경로를 따른다. 복합 형태의 사용은 또한 회로소자나 불연속 구성요소들 및 장치들을 지지하기 위해, 혹은 타깃 무선 장치 내에서 다른 장치들 주위의 간극 통로를 허용하도록 지지 기판 위에 안테나 구조의 형성을 허용한다.

이 안테나 구조는 단일 평면에 존재하는 2차원의 구조이며, 상기 안테나 구조는 평면이 평평할 필요없는 컨포멀 또는 적합한 구조이다. 즉, 지지 기판을 구부리거나 성형함으로써 평면 안테나의 형태 또한 3차원으로 효과적으로 다양해질 수 있다. 2차원에서 평평한 평면 표면으로 나타나는 한 쌍의 스트립은 3차원(여기서 z)에서 아크를 따라 휘어지거나 어떤 각도로 구부러질 수 있다. 한 쌍의 스트립이 z 방향으로 휘거나 구부러지는 본 발명의 여러 실시예는 도 9A-9C에 도시된다. 이러한 실시예들은 무선 장치 내의 어떤 구성요소나 구조에 안테나가 "맞춰질" 필요가 있는 무선 장치의 어떤 공간 내에 안테나를 배치하는 것이 바람직할 때 매우 유용하다.

도 9a는 단순 커브를 이용하여, 3차원에서 각각의 길이를 따라 휘어지는, 도 4에 나타난 것과 같은 제 1 및 제 2 스트립을 도시한다. 도 9b는 V형 혹은 예각 천이로 함께 연결되는, 그러나 3차원으로는 V형 오프셋으로 보이는, 도 7a에 나타낸 것과 같은 제 1 및 제 2 스트립을 도시한다. 커브 혹은 접힘의 더욱 복잡한 세트는 스트립들이 도 9c에 존재하는 평면을 형성하는데 사용된다.

이중 스트립 안테나(400)는 유전체 기판의 대향하는 양면에 금속 스트립을 에칭하거나 증착하고, 하나 이상의 도금 도통 비아, 점퍼, 커넥터 혹은 와이어를 사용하여 한쪽 종단에서 금속 스트립들을 함께 전기적으로 접속함으로써 구성될 수도 있다. 이런 형태로, 안테나(400)는 두 스트립 사이에 배치된 유전체로서 기판 물질의 일부를 이용한다. 이것은 잘 알려진 대로 대역폭 및 다른 특성에 관해 안테나를 디자인하는데 고려된다. 이중 스트립 안테나(400)는 또한 바람직한 형태(U-,V-, C형, 혹은 커브형, 직각형 등등)를 갖는 지지 기판으로 플라스틱 혹은 다른 공지된 절연물질 혹은 유전 물질을 본뜨거나 형성하고 나서, 잘 알려진 방법들을 사용하여 적절한 부분들 위에 액상 형태의 도전 물질을 포함하는 도전 물질로 플라스틱을 도금하거나 커버함으로써 구성될 수 있다.

유전체 기판은 하우징을 제조하는데 사용되는 물질에 형성되는 포스트들, 릿지들, 채널들 등등을 이용하여 무선 장치 하우징의 부분들 내에 고정될 수 있다. 즉, 그러한 지지체들은 몰딩 주입과 같은 방법으로 제조될 때 장치 하우징의 벽에 본떠지거나 형성된다. 이러한 지지 요소들은 전화기의 어셈블리 동안, 그것들의 내부나 위로 삽입될 때 제자리에 기판을 고정할 수 있다. 다른 기술들은 장치 하우징 내에 어셈블리를 고정하기 위한 접착 물질층의 이용이나 기판의 가장자리나 구멍들과 상호작용하는 파스너(fastener)나 보존기의 몇 가지 형태를 사용하는 것을 포함한다.

앞서 기술한 대로, 본 발명에 따르면, 제 1 및 제 2 스트립(404, 408; 504, 508; 604, 608; 704, 708; 804, 808 등)은 2선식 전송선으로 동작한다. 2선식 전송선의 한가지 장점은 접지면을 요구하지 않는다는 것이다. 이것은 안테나(400)가 무시해도 좋은 두께를 갖는 2차원의 구조가 되게 한다. 안테나(400)의 두께의 대부분은 유전체 기판(412)의 두께에 의해 결정된다. 예를 들어, 0.0005 인치 내지 0.002 인치 범위의 두께를 갖는 얇은 Mylar 또는 Kapton 시트는 유전체 기판으로 사용될 수 있다. 반대로, 셀룰러 주파수 대역 동작에 대해 디자인된 종래의 마이크로스트립 안테나는 1.25 인치 두께를 갖는 유전체 기판을 필요로 하며, 반면에 PCS 주파수 대역에 대한 마이크로스트립 안테나는 0.5 인치 두께를 갖는 유전체 기판을 필요로 한다. 따라서 본 발명은 안테나의 전체 두께의 실질적인 감소를 허용하며, 그로 인해 PCS나 셀룰러 전화기와 같은 개인용 통신 장치들에 더욱 바람직하게 한다. 그러나 기술 분야에서 숙련된 자들은 안테나가 사용될 때나 무선 장치의 제조나 서비스시 설치하는 동안 안테나에 대해 바람직한 구조적 무결성을 유지하기 위해 더 두꺼운 물질을 포함하여 다른 두께가 사용될 수 있다는 것을 쉽게 알 것이다.

본 발명에 따른 평면 이중 스트립 안테나(400)는 종래의 1/4 파장 혹은 반파장 패치 안테나들에 비해 대역폭의 증가를 제공한다. 실험적인 결과들은 안테나(400)가 PCS 및 셀룰러 전화기들에 굉장히 바람직한 대략 8-20%의 대역폭을 가지는 것으로 나타났다. 앞서 기술한 대로, 종래 마이크로스트립 안테나들은 매우 좁은 대역폭을 가져, 개인용 통신 장치들에 사용하기에 덜 바람직하게 한다.

본 발명에서는, 대역폭의 증가는 주로 종래 마이크로스트립 패치 안테나로서 보다는 2선식 전송선으로 안테나(400)를 동작시킴으로써 가능해진다. 방사기 패치 및 접지면을 갖는 종래 마이크로스트립 패치 안테나와 달리, 안테나(400)에서는, 제 1 스트립(404) 및 제 2 스트립(408) 모두 활성 방사기들로 동작한다. 다시 말하면, 제 1 스트립 및 제 2 스트립의 길이 및 폭은 상기 제 1 스트립(404) 및 제 2 스트립(408)이 관련 주파수나 파장에서, 활성 방사기로 동작하도록 주의 깊게 설정된다. 안테나(400)의 동작 동안에, 제 2 스트립에서 뿐만 아니라 제 1 스트립에서도 표면 전류가 유도된다. 처음에, 본 발명자는 기술 분야에서 잘 알려진 분석 방법 및 EM 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하여 제 1 스트립 및 제 2 스트립의 적절한 치수, 즉 길이 및 폭을 선택했다. 그 후에, 본 발명자는 기술 분야에서 공지된 실험적인 방법들에 의한 시뮬레이션 결과들을 증명하였다.

방사기나 안테나 대역폭을 강화하기 위해, 바람직한 실시예에서 각 스트립의 치수는 미리 선택된 방법으로 서로 관련되는 다른 중앙 주파수를 설정하도록 선택된다. 예를 들어, f₀는 안테나의 바람직한 중앙 주파수를 말한다. 중앙 주파수가 f₀ + Δf 또는 그 근처에 있도록 더 짧은 스트립 길이가 선택될 수 있으며, 중앙 주파수가 f₀ - Δf 또는 그 근처에 있도록 더 긴 스트립 길이가 선택된다. 이것은 안테나에 3Δf/f₀ 내지 4Δf/f₀ 정도의 넓은 대역폭을 제공한다. 즉, f₀에 관계되는 +/- 주파수 오프셋의 사용 결과 안테나 방사기 대역폭이 강화된다. 이런 구성에서는, Δf는 f₀보다 크기가 훨씬 작게 선택되므로(Δf << f₀ ), 두 스트립의 공진 주파수 간격은 작다. Δf가 f₀만큼 크게 선택된다면 안테나는 만족스럽게 동작하지 않을 것이라고 여겨진다. 다시 말하면, 이것은 독립적인 안테나 방사기로 동작하는 각각 스트립에 의해 이중 대역 안테나로 사용되는 것은 아니라는 것이다.

본 발명에서는, 대역폭의 증가는 이에 상응하는 안테나 크기의 증가 없이 달성된다. 이것은 일반적으로 패치 안테나들의 두께를 증가시킴으로써 대역폭이 증가하고, 그로 인해 패치 안테나들의 전체 크기가 더 커지는 종래의 패치 안테나들의 특징들과는 반대이다.

본 발명의 한 실시예에서는, 안테나(400)는 셀룰러 주파수 대역, 즉, 824-894 MHz에 대해 적절한 크기가 된다. 셀룰러 주파수 대역을 위한 안테나(400)의 치수들은 아래 표 1에 주어진다.

표 1

제 1 스트립(404)의 길이(L1)	2.4 인치
제 2 스트립(408)의 길이(L2)	4.53 인치
제 1 스트립(404)의 폭(W1)	0.062 인치
제 2 스트립(408)의 폭(W2)	0.125 인치
제 1 스트립(404)과 제 2 스트립(408) 사이의 갭(t)	0.125 인치

위의 전형적인 실시예에서는, 1 oz의 구리가 제 1 스트립(404) 및 제 2 스트립(408)을 만드는데 사용되었으며, 0.031 인치 두께의 FR4(잘 알려진 상용화된 인쇄 회로 기판(PCB) 물질)가 유전체 기판(412)으로 사용되었다. 또한, 공면 도파관(416)의 양극 단자는 안테나(400)의 폐쇄 종단으로부터 0.330 인치의 거리에서 제 1 스트립(404)에 연결되었다.

도 10은 셀룰러 주파수 대역에 걸쳐 동작하도록 크기가 맞추어진 안테나(400)의 한 실시예의 측정된 주파수 응답을 도시한다. 도 10은 안테나가 825 MHz에서 -15.01 dB의 주파수 응답을 가지며 895.0 MHz에서 -17.38 dB의 주파수 응답을 갖는 것을 나타낸다. 따라서 안테나는 8.14%의 대역폭을 갖는다.

본 발명의 또 다른 전형적인 실시예에서는, 안테나(400)는 PCS 주파수 대역, 즉, 1.85-1.99 GHz에 걸쳐 동작하도록 크기가 맞추어진다. PCS 주파수 대역에 대한 안테나(400)의 치수들은 아래의 표 2에 주어진다.

표 2

제 1 스트립(404)의 길이(L1)	0.89 인치
제 2 스트립(408)의 길이(L2)	2.10 인치
제 1 스트립(404)의 폭(W1)	0.062 인치
제 2 스트립(408)의 폭(W2)	0.125 인치
제 1 스트립(404)과 제 2 스트립(408) 사이의 갭(t)	0.125 인치

위의 전형적인 실시예에서, 제 1 스트립(404) 및 제 2 스트립(408)을 만드는데 1 oz 구리가 다시 사용되었으며, 0.031 인치 두께의 FR4(PCB 물질)가 유전체 기판(412)으로 사용되었다. 또한, 공면 도파관(416)의 양극 단자는 안테나(400)의 폐쇄 종단으로부터 0.2 인치의 거리에서 제 1 스트립(404)에 연결되었다.

도 11은 PCS 주파수 대역에 걸쳐 동작하도록 크기가 정해진 안테나(400)의 한 실시예의 측정된 주파수 응답을 도시한다. 도 11은 안테나가 1.79 GHz에서 -9.92 dB 응답을 가지며 2.16 GHz에서 -10.18 dB 응답을 갖는 것을 나타낸다. 따라서 이 실시예에서 안테나(400)는 18.8% 대역폭을 갖는다.

도 12 및 13은 PCS 주파수 대역에 걸쳐 동작하는 안테나(400)의 한 실시예의 측정된 필드 패턴들을 도시한다. 특히, 도 12는 방위 평면에서 필드 패턴의 크기의 플롯을 나타내는 반면, 도 13은 고도 평면에서 필드 패턴의 크기의 플롯을 나타낸다. 도 12와 도 13 모두 이중 스트립 안테나가 대략 전방향성 방사 패턴을 가지며, 그로 인해 개인용 통신 장치들에 사용하기에 적합하게 하는 것을 나타낸다.

제 2 스트립이 제 1 스트립보다 훨씬 더 길며, 일반적으로 "내부"로 뻗고 제 1 스트립으로부터 떨어져서 접히고, 심지어 바람직하게는 제 2 스트립 자체 안으로 접혀지는 "D" 형태의 방사기 스트립 배열을 사용하는 한 실시예가 개발되었다. 이 안테나 구조는 안테나(1400)가 기판(1412) 위에 놓이거나 배치되는 스트립(1404, 1408)을 사용하여 형성되는 도 14에 도시되어 있다. 안테나의 꼭대기 부분은 "C"형(혹은 D의 선단 에지)으로 약간 커브되는 것으로 나타나는 제 1 도전 스트립(1404)에 의해 형성된다. 이 곡률은 만곡된 측벽들을 갖는 장치 하우징의 측면에 혹은 인접한 안테나(1400)의 배치를 가능하게 하는데 사용된다. 제 2 스트립은 위에서 검토된 대로, 대역폭을 개선하기 위해 제 1 스트립보다 더 넓다.

그러한 안테나의 모델은 상기 안테나가 놓이는 클램쉘 타입 무선 전화기의 플립-꼭대기 부분의 내부 크기에 개략적으로 일치되는 37.59 mm(Y) 대 51.89 mm(X) 정도의 전체 치수를 갖는 것으로 실험 및 구성되었다.

안테나(1400)는 피드 섹션(1416)을 사용하여 무선 장치 내에서 적절한 송수신기 회로소자에 연결된다. 소자(1420)는 다양한 공지 회로 구성요소들이나 장치들이 기판(1412) 위에 어떻게 설치될 수 있는지, 혹은 선택적으로 다양한 구성요소들 혹은 케이블들이 바람직하게 관통하여 뻗도록 패시지들 혹은 구멍들(1422)이 어떻게 형성될 수 있는지를 설명한다.

제 2 스트립이 제 1 스트립보다 훨씬 길고 넓으며, 일반적으로 제 1 스트립을 "둘러싸도록" 뻗어있는 D형 방사기 스트립 배열을 사용하는 바람직한 실시예가 개발되었다. 그러한 안테나 구조는 안테나(1500)가 기판(1512) 위에 놓이거나 배치되는 스트립(1504, 1508)을 사용하여 형성되는 도 15에 도시된다. 다시, 제 2 스트립에 의해 형성된 안테나(1500)의 꼭대기 부분은 무선 장치에서 안테나(1500)의 개선된 배치가 가능하도록 약간 커브되는 것으로 나타난다.

이런 형태의 안테나는 신호들을 공급하는데 사용되는 컨덕터들을 갖는 결합된 구조로 형성될 수 있다. 동축 피드 구조는 안테나를 형성하는 컨덕터와 동일한 플렉시블 기판(1512) 위에 형성될 수 있다. 예를 들어, Mylar, Kapton, 혹은 Teflon 기재의 얇은 시트는 모두 기술분야에서 잘 알려진 물질들이다. 이것이 어떻게 달성되는지의 실례는 "공면 도파관"의 형태로 긴 플렉시블 신호 피드 구조 혹은 섹션(1520)이 나타나는 도 15에 도시된다. 도파관(1520)은 공면 도파관의 접지 부분의 일부를 형성하는 음극 피드 스트립들(1524, 1528)에 한쪽 종단을 접촉하거나 한정한다. 피드 스트립(1524)은 연결 요소(1506)에 접속되거나 결합되는 한편, 다른 피드 스트립(1528)은 제 2 스트립(1508)에 접속된다. 양극 피드 스트립(1522)이나 피드 구조(1520)의 중앙은 제 1 스트립(1504)에 직접 접속된다. 이 피드 스트립에 대한 접속부와 스트립(1528) 사이의 간격은 공지된 대로, 사용되는 주파수 및 길이, 및 도전 물질(1506)의 다른 치수들에 따라 미리 결정된 임피던스를 제공하도록 선택된다.

양극 피드(1522)는 물질(1512)을 따라 짧은 거리를 한정하는 것으로 나타내며, 일반적으로 컨덕터들(1524, 1528)에 접속되거나 결합되며, 혹은 컨덕터들(1524, 1528)에 유사한 제 3 중앙 컨덕터(1526)가 되도록 확장한다. 컨덕터(1526)는 물질(1512)의 길이를 따라 커넥터 종단(1530)으로 뻗어, 공면 도파관의 중앙이나 양극 부분을 형성한다.

그러나 기판의 대향하는 양면에 하나 이상의 피드 스트립 컨덕터를 배치하는 것을 포함하는 다른 구성들이 사용될 수 있다. 예를 들어, 물질(1512)의 한 면에는 양극 피드 컨덕터가 형성될 수 있으며, 다른 면에는 음극 피드들이 형성될 수 있다. 적절한 경우 상기 물질을 통과해 신호들을 전송하기 위해 도전 비아가 사용된다. 컨덕터 및 비아의 다른 조합이 사용되어, 공지된 것처럼 신호 전송을 실현할 수도 있다.

그러므로 안테나(1500)는 이러한 컨덕터들(1522, 1524, 1528)과 함께 하나의 단일체 구조로서 형성되어, 비용 효율성, 안정성 및 제조 효율성의 향상을 제공한다. 피드 섹션(1520)의 컨덕터들(1524, 1526, 1528)은 일반적으로 안테나가 결합되는 회로 기판 위에 커넥터들이 로드되거나 다양한 스프링 동작에 접속하는데 사용되는 도전 패드들 혹은 작은 커넥터(1532)에 한정된다.

도 15에 사용되는 도파관 또는 피드 부분(1520) 및 기판(1512)에 대한 구성이나 전체 형태는 단지 예시를 위한 것이며, 나타낸 대로 무선 장치(100) 내에서 매우 효과적으로 적합하게 하기 위한 것이다. 그러나 기술분야에서 숙련된 자들은 다른 구성들이 유용할 수 있으며 본 발명의 특성 내에 있다는 것을 쉽게 이해할 것이다. 예를 들어, 대략 45도 각도인 도파관(1520)의 길이를 따라 각진 굴곡 대신에, 일련의 90도의 굴곡, 접힘, 회전이 컨덕터들에 대해 사용될 수 있다. 명백하게, 작은 케이블들이 사용되면, 다양한 굴곡 및 회전이 사용될 수 있다. 그러한 접힘 및 회전은 기판이나 안테나에 가해지는 물리적 구속을 수용하면서 컨덕터들의 경로 길이를 최소화하는데 사용된다. 게다가, 컨덕터들(1524, 1526, 1528)은 일반적으로 도파관(1520)을 따라 하나 이상의 지점들에서 폭이 좁아지며, 그러한 위치들은 또한 특정한 애플리케이션들에 따라 변할 수 있다. 전기적으로 결합하는 컨덕터들(1524, 1528)에 대해 도 15에 나타난 작은 에어 브릿지들이 유용하지만 본 발명에 의해 요구되지는 않는다.

피드 구조나 도파관(1520)은 무선 전화(100)와 같은 무선 장치의 내부에 배치될 때, 안테나(1500)와 무선 장치 내에서 사용되는 다양한 수신 및 전송 요소들 및 구성요소들 사이의 효율적인 신호 전송을 가능하게 한다. 보통의, 그러나 얇고 플렉시블한 유전체 기판 위에 안테나 및 공면 도파관을 형성함으로써, 안테나는 매우 작은 공간을 차지하고 스피커와 같은 많은 다른 불연속 구성요소들 주위에 형성될 수 있기 때문에 한 장치의 많은 부분 내에 설치될 수 있다. 피드 컨덕터들은 많은 무선 장치(전화기, 컴퓨터)에서 발견되는 것과 같은 플렉시블 순환이나 컬랩스한 결합부들 주위에 접속을 형성할 수 있다.

선택적으로, 비슷한 결과들을 달성하기 위해 도파관(피드)(1520) 대신 소형 동축선이 사용될 수 있다. 예를 들어, 0.8 mm나 1.2 mm 직경을 갖는 공지된 유형의 동축선이나 케이블이 바람직하게 안테나(1500)와 해당 혹은 적절한 회로 소자 사이에 신호들을 전송하는데 유용할 수 있는 것으로 도시하였다. 다른 스타일 및 형태의 컨덕터들은 공지된 대로, 신호 전송 특성들에 따라 특정 애플리케이션들에 사용될 수도 있다.

도 16a 및 16b는 도 1의 전화기(100) 내에 설치된 본 발명의 한 실시예의 각각의 측면 및 후위의 절단면도를 도시한다. 그런 전화기들은 일반적으로 요구되거나 바람직한 다양한 기능들을 수행하기 위해 일반적으로 하나 이상의 회로 기판에 지지되는 다양한 내부 구성요소들을 갖는다. 회로 기판(1602)은 도 16a 및 16b에서 저항기 및 커패시터와 같은 불연속 구성요소들(1606), 다양한 커넥터(1608)와 같은 집적 회로 및 칩(1604)과 같은 다양한 구성요소들을 지지하는 하우징(102)의 내부에 나타난다. 패널 디스플레이 및 키보드는 기판(1602)의 반대 면에 설치되어, 일반적으로 기판(1602) 위의 회로소자에 배터리나 외부 파워 서플라이, 스피커, 마이크로폰 혹은 다른 잘 알려진 요소들과 같은 다양한 다른 구성요소들을 인터페이스하는 와이어, 컨덕터, 및 커넥터(도시 생략)와 전화기 하우징(102) 앞을 대향시킨다.

이 실시예에서는, 슬라이드-인 혹은 플러그-인 형 커넥터(1610)가 전화기의 앞 부분에 가까운, 기판의 아랫부분에 설치되며, 안테나(1500)에 대한 피더 섹션(1520)의 접속 종단을 수용하도록 구성된다. 선택적으로, 하나 이상의 공지된 스프링 접촉부나 클립이 종단(1530)에 도전 패드들을 접촉시키고 기판(1602)에 안테나(1500)를 전기적으로 결합하거나 접속하는데 사용될 수 있다. 그러한 스프링 접촉부들이나 클립들은 솔더링이나 도전 부착들과 같은 잘 알려진 기술들을 사용하여 회로 기판(1602) 위에 설치되며, 바람직한 전송 및 수신 회로들로부터 그리고 상기 회로들에 신호들을 전송하는데 적합한 컨덕터들에 전기적으로 접속된다. 그러나 솔더의 사용, 혹은 소형 동축 커넥터들의 사용(작은 케이블이 사용될 때)을 포함하는 다른 형태의 접속 기술 또한 유용한 것으로 알려져 있다. 피드 구조와 상호연결하기 위해 무선 장치 내에서 사용되는, 잘 알려진 바람직한 임피던스 매칭 요소들 및 회로들이 특성화될 수 있다.

도 16b의 측면도에서, 회로 기판(1602)은 기술분야에서 다수 층 혹은 인쇄 회로 기판(PCB)으로 지칭되는 것을 형성하기 위해 함께 부착된, 도전 및 유전 물질들의 다수 층을 포함하는 것으로 나타난다. 그러한 기판들은 기술분야에 잘 알려져 있으며 숙지되어 있다. 이것은 금속 컨덕터층(1618) 다음에 유전 물질층(1616)이 배치 또는 지지되고, 다음에 금속 컨덕터층(1614)이 배치되고, 다음에 유전 물질층(1612)이 배치되는 것으로 나타난다. 도전 비아(도시 생략)는 외부 표면들 위에 구성요소들을 갖는 다른 층들이나 레벨들 위에 다양한 컨덕터들을 상호접속하는데 사용된다. 어떤 주어진 층위에 에칭된 패턴들은 그 층에 대한 상호접속 패턴들을 결정한다. 이런 구성에서, 층(1614)이나 층(1618)은 기술분야에서 알려진 대로, 기판(1602)에 대해 일반적으로 지칭되는 것처럼, 접지 층이나 접지면을 형성할 수 있을 것이다.

일반적으로, 일련의 지지 포스트들, 스탠드들, 혹은 릿지들(1620)이 하우징 내에서 회로 기판들 혹은 다른 구성요소들을 설치하는데 사용된다. 이것들은 부착이나 다른 잘 알려진 메커니즘들을 이용하여, 자리에 고정되든지, 주형 플라스틱 주입에 의해 형성되는 것과 같이, 하우징의 일부로서 형성될 수 있다. 게다가, 서로에 대해 하우징(102)의 제거 가능한 커버들과 같은 부분들을 고정하는 파스너를 수용하는데 사용되는 하나 이상의 고정 포스트(1622)가 있다.

이전에 검토된 대로, 안테나(1500)는 이런 기능에 유용한 것으로 알려진, 접착제, 아교, 테이프, 포팅 콤파운드, 본딩 콤파운드 등등과 같은 여러 공지 기술들을 사용하여 하우징(102)의 부분들 내에 고정될 수 있다. 예를 들어, 안테나(1500)는 기판(1512)에 접착된 부착층이나 스트립(1630)을 사용하여 무선 장치의 요소나 측벽 또는 다른 부분에 대항하여 지지될 수 있다. 상기 안테나는 일반적으로 상기 하우징 면에 대하여, 바람직하게는 절연 물질 위에, 혹은 브래킷, 나사 혹은 비슷한 고정 요소들을 사용하여 제자리에 설치될 수 있는 브래킷 어셈블리에 대하여 고정된다.

안테나를 제자리에 고정하거나 설치하기 위한 대안 메커니즘들이 공지되어 있다. 예를 들어, 하우징을 제조하는데 사용되는 물질에 형성되는 릿지, 채널 등등은 기판을 물리적으로 제자리에 고정하는데 사용될 수 있다. 일련의 돌출부들 혹은 범프들 또한 안테나를 지지하는데 사용될 수 있으며, 바람직한 애플리케이션에 대해 적절한 다양한 형태들을 가질 수 있다.

도 16b에 나타난 대로, 기판(1512)은 하우징의 형태를 가깝게 매칭시키도록 혹은 무선 장치 내에서 다른 요소들, 피쳐들, 구성요소들을 수용하기 위해 휘어지거나 구부러질 수 있다. 도면에서, 스피커(1632)는 안테나 방사기들이나 스트립들로 그 일부가 "둘러싸인" 채로 배치된 것으로 나타난다.

기판은 설치하는 동안 휘어지거나 접힌 형태 혹은 뒤틀린 채로 제조될 수 있다. 얇은 기판의 사용은 기판이 설치될 때, 때때로 고정된 혹은 구부러진 인접 표면에 대항하는 장력이나 압력을 제공할 때, 파스너 필요없이 상기 기판을 일반적으로 제자리에 고정할 수 있게 한다. 제자리에 고정되는 하우징 부분들이나 커버들 및 회로 기판들, 인접 장치들이나 구성요소들을 인접하여 설치함으로써 몇 가지 형태의 포착이 간단하게 달성된다. 그러나 본 발명을 적절히 동작시키기 위해 제조나 설치하는 동안 기판을 휘게 하거나 뒤틀리게 할 필요는 없다.

도 17은 이에 국한되는 것은 아니지만, 본 발명이 휴대용 컴퓨터, 모뎀, 데이터 단말기, 팩시밀리 머신 혹은 비슷한 휴대용 전자 장치와 같은 것에 사용될 수 있는 부가적인 무선 장치들을 도시한다. 도 17에서, 무선 장치(1700)를 사용하는 무선 장치나 장비는 상위 코너 섹션(1704)을 갖는 주 하우징이나 몸체(1702)를 갖는 것으로 나타난다. 도 17의 절단면도에서, 안테나(500)는 상위 코너(1704)에서 제자리에 고정되며, 무선 장치 내에서 적절한 회로소자에 안테나 피드(516)를 접속하는데 케이블 혹은 컨덕터 세트(1708)가 사용된다. 기술 분야에서 숙련된 자들은 발명의 특성 내에서 안테나에 대해 다른 구성 및 방향 설정이 가능한 것을 쉽게 알 것이다.

상기에 본 발명의 다양한 실시예를 기술하였지만, 실시예들은 단지 예시를 위한 것이며 한정이 아님을 숙지해야 한다. 따라서 본 발명의 범위와 넓이는 위에 기술된 전형적인 실시예들의 어떤 것에도 제한되면 안 되며, 다음의 청구항들 및 그의 등가물들에 따라서만 한정되어야 할 것이다.

Claims

유전체 기판의 단일 면상에 장착된 제 1 전기 도전성 금속 스트립 및 제 2 전기 도전성 금속 스트립을 포함하는 평면 이중 스트립 안테나로서,

상기 제 1 및 제 2 스트립은 선택된 일정한 갭만큼 서로 이격되어 있으며, 상기 제 1 및 제 2 스트립의 길이 및 폭은 상기 제 1 및 제 2 스트립이 전자기 에너지를 수신 및 전송하기 위한 2선식 전송선을 형성하도록 선택되며;

상기 평면 이중 스트립 안테나는 양극 단자 및 음극 단자를 가지는 공면 도파관(coplanar waveguide)을 더 포함하며, 상기 공면 도파관은 상기 기판의 동일면 상에 금속을 증착함으로써 형성되며, 상기 양극 단자는 상기 제 1 스트립에 전기적으로 접속되고, 상기 음극 단자는 상기 제 1 및 제 2 스트립에 전기적으로 접속되며, 상기 평면 이중 스트립 안테나가 상기 공면 도파관을 통한 전기 신호에 의하여 여기(energize)될 때 상기 제 1 및 제 2 스트립 상에 표면 전류가 형성되는, 평면 이중 스트립 안테나.
제 1 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 스트립은 상기 유전체 기판의 동일면 상에 인쇄된 금속 스트립들을 포함하는 것을 특징으로 하는 평면 이중 스트립 안테나.
제 1 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 스트립은 상기 유전체 기판의 동일면 상에 증착된 금속 스트립들을 포함하는 것을 특징으로 하는 평면 이중 스트립 안테나.
제 1 항에 있어서, 상기 제 1 스트립은 상기 제 2 스트립에 실질적으로 평행한 것을 특징으로 하는 평면 이중 스트립 안테나.
제 1 항에 있어서, 상기 제 1 스트립의 길이는 상기 제 2 스트립의 길이보다 짧은 것을 특징으로 하는 평면 이중 스트립 안테나.
제 1 항에 있어서, 상기 제 1 스트립의 길이는 상기 제 2 스트립의 길이와 같은 것을 특징으로 하는 평면 이중 스트립 안테나.
제 1 항에 있어서, 상기 제 1 스트립의 폭은 상기 제 2 스트립의 폭보다 좁은 것을 특징으로 하는 평면 이중 스트립 안테나.
제 1 항에 있어서, 상기 제 1 스트립의 폭은 상기 제 2 스트립의 폭과 같은 것을 특징으로 하는 평면 이중 스트립 안테나.
제 1 항에 있어서, 상기 유전체 기판은 유전 매체로 동작할 수 있는 플렉시블(flexible) 시트인 것을 특징으로 하는 평면 이중 스트립 안테나.
제 1 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 스트립의 길이 및 폭은 상기 평면 이중 스트립 안테나가 1.85-1.99 GHz의 주파수 범위를 갖는 신호들을 수신하고 전송할 수 있도록 하는 크기로 설정되는 것을 특징으로 하는 평면 이중 스트립 안테나.
제 1 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 스트립의 길이 및 폭은 상기 평면 이중 스트립 안테나가 824-894 MHz의 주파수 범위를 갖는 신호들을 수신하고 전송할 수 있도록 하는 크기로 설정되는 것을 특징으로 하는 평면 이중 스트립 안테나.
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