KR100757506B1 - 안테나 장치 및 무선 통신 장치 - Google Patents

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Abstract

무선 통신 장치용 안테나 장치, 바람직하게 휴대용 통신 장치는 제1 피딩 장치(24)에 접속된 제1 피딩부(22)를 포함하는 제1 안테나 소자, 및 제2 피딩 장치(34)에 접속된 제2 피딩부(32, 33; 332, 333)를 포함하는 제2 안테나 소자(30; 230; 330; 430; 530; 630)를 포함하며, 상기 제1 안테나 소자(20)는 불평형 피드를 가지며, 상기 제2 안테나 소자(30; 230; 330; 430; 530; 630)는 본질적으로 평형 피드를 가진다.
안테나 장치, 무선 통신 장치, 피딩 장치, 무선 신호, 평형 필터, 평형 증폭기

Description

안테나 장치 및 무선 통신 장치{ANTENNA DEVICE AND RADIO COMMUNICATION DEVICE}
본 발명은 일반적으로 안테나 장치에 관한 것으로, 특히 이동 전화와 같은 무선 통신 장치에서 사용되는 안테나 장치에 관한 것이다.
휴대용 무선 통신 장치에서는 안테나 내부 구조용 공간이 제한된다. 보다 많은 기능성과 보다 나은 무선 채널 품질에 대한 요구로 인해, 이동 전화와 같은 휴대용 무선 통신 장치에서는 하나 이상의 안테나 소자들을 사용하는 것이 종종 필요하게 된다. 휴대용 무선 통신 장치에서 이러한 제한된 공간때문에, 내부 안테나들은 조밀하다. 이런 조밀한 안테나 소자로 인해, 안테나들간에 예기치 않은 커플링(coupling)이 일어날 수 있다.
조밀한 안테나들간의 낮은 커플링은 다양한 어플리케이션에 필수적이다. 이들은 예컨대, 다이플렉서(diplexer)에 대한 요구를 제거하는 RX 및 TX 안테나 시스템, 안테나 다이버시티 시스템(송수신기 양자의 다이버시티), 및 다른 시스템(예컨대, GSM 블루투스)을 분리시키는 것일 수 있다.
WO 9013152에는 분리된 RX/TX 안테나들이 개시되어 있다. WO 9013152에는 동일한 타입의 2개의 안테나들(2개의 유사한 패치들)의 경우만 언급한다. WO 9013152에는 다이플렉서에 대한 요구를 제거하는 해법이 제공된다. 더욱이, 분리 된 송수신 안테나들이 도전성 페데스탈(pedestal)에 의해 접지면 위에서 행해지는 것이 개시된다. 여기서, 페데스탈은 안테나들간에 위치되며 안테나들을 전기적으로 고립시킨다.
상술한 특허들은 분리된 송수신 안테나들간에 커플링을 감소시키는 것만을 개시하고 있다.
본 발명의 일 목적은 무선 통신 장치 바람직하게는 휴대용 무선 통신 장치에서 사용되는 안테나 장치를 제공하여, 송수신 안테나 소자들간의 전기 커플링을 최소화하는 것이다.
본 발명은 하나의 안테나 소자가 평형 피드(balanced feed)를 가지며 다른 안테나 소자가 불평형(unbalanced) 피드를 갖는 경우를 기초로 하여, 안테나들간의 커플링이 평형 또는 불평형 피드를 갖는 2개의 안테나들간의 커플링 보다 낮을 수 있는 방식으로 2개의 안테나들을 설계하는 것이 가능하게 한다.
평형 및 불평형 안테나쌍의 이점은 수신기 전자 회로로는 평형 입력이, 출력 증폭기로부터는 불평형 피딩이 있다는 것으로, 송수신기에 낮은 손실과 개선된 매칭이 달성된다는 것이다.
본 발명에 따르면, 첨부된 청구항 제1항에 한정된 바와 같은 안테나 장치가 제공된다.
또한, 이런 안테나 장치를 포함하는 무선 통신 장치가 제공된다.
더욱 바람직한 실시예는 첨부된 청구항들에서 한정된다.
도 1은 본 발명에 따르는 안테나 장치의 일 실시예를 도시한 개요 사시도.
도 2는 본 발명에 따르는 안테나 장치의 제2 실시예를 도시한 개요 평면도.
도 3은 본 발명에 따르는 안테나 장치의 제3 실시예를 도시한 개요 평면도.
도 4는 본 발명에 따르는 안테나 장치의 제4 실시예를 도시한 개요 평면도.
도 5는 본 발명에 따르는 안테나 장치의 제5 실시예를 도시한 개요 평면도.
도 6은 본 발명에 따르는 안테나 장치의 제6 실시예를 도시한 개요 평면도.
도 7은 본 발명에 따르는 안테나 장치의 수신 RF 체인의 바람직한 레이아웃을 도시한 블럭도.
도 8은 본 발명에 따르는 안테나 장치의 전송 RF 체인의 바람직한 레이아웃을 도시한 블럭도.
본 발명에 따르는 안테나 장치의 바람직한 실시예의 상세한 설명이 후술된다. 후술될 몇몇 실시예에서 동일한 도면 부호는 다른 실시예에서의 동일한 부분에 주어진다.
평형 피드는, 접지의 존재시 2개의 도체들을 포함하는 전송 라인이, 모든 횡단면에서 2개의 도체들의 전압이 크기가 동일하며 접지에 대하여 극성이 반대일 때 2개의 도체에서의 전류가 크기가 실질적으로 동일하며 방향이 반대가 되도록 하는 방식으로, 동작할 수 있는 것으로 정의된다. 불평형 피드는 상술한 기준을 달성하지 않는 피드로서 정의된다.
먼저, 도 1을 참조하면, 안테나 장치 또는 모듈은 1로 명시되며, 이동 전화(도시 안됨)의 전자 회로의 송신부(24) 및 수신부(34)에 대해 장착되는 회로를 갖는 PCB(10)를 포함한다. PCB(10)는 20으로 명시된 방사 소자, PIFA(Planar Inverted F Antenna)에 대한 접지면으로서 작용한다. 방사 소자(20)는 PCB(10)와 이격되어 위치하며 이에 평행하고, 송신부(24)의 피드 소자에 접속된 피딩부(22), 및 송신부의 접지 소자에 접속된 접지부(23)를 포함한다. 따라서, PIFA(20)는 장치(1)의 송신 안테나로서 작용한다.
PIFA(20)는 접지부(23)가 접지에 직접 접속되는 불평형 피드 전기 안테나이다. 집중(lumped) 또는 분배 인덕터 및/또는 커패시터를 포함하는 정합 네트워크를 통해 선택적인 접속이 있을 수 있다.
안테나 장치(1)는 또한 루프 안테나(330)를 포함한다. 루프 안테나는 PCB(10) 및 방사 소자(20)에 평행한 면 및 PIFA 소자의 면에서 루프를 형성하며 PIFA 소자를 둘러싸는 도전 와이어로 이루어진다.
PIFA 안테나(20)와 평형 피드 루프 안테나(330)들간의 커플링은 PIFA(20)가 안테나면에 수직한 전기장을 제공하며 안테나면에 수직한 방향으로 자기장을 제공하기 때문에 낮다. 따라서, 안테나는 서로간에 낮은 커플링을 가진다.
루프 안테나(330)는 그 단부(332, 333)에 의해 수신부(34)의 각각의 입력에 접속된다. 도면에서, 하나의 입력은 양으로, 다른 입력은 음으로 명시된다. 루프 안테나(330)는 평형이다. 즉, 대향 신호들에 의해 피딩되어 자기 안테나로서 작용하게 된다.
선택적으로, 루프 안테나(330)는 폐루프, 즉 다이폴 안테나로 대체될 수 있다.
수신부(34)의 수신 RF 체인의 바람직한 레이아웃은 도 7을 참고로 설명된다. RF 체인은 평형 필터(334)를 포함하며, 도면에서 "+" 및 "-"로 명시된 입력은 그 단부(332, 333)에 의해 수신 안테나(330)에 접속된다. 평형 필터(334)의 출력은 "+" 및 "-"로 명시된 평형 입력을 갖는 LNA(Low Noise Amplifier)(335)에 접속된다. LNA(335)는 수신부(34)의 RF 전자장치(도시 안됨)에 순서대로 접속된다. 이런 접속은 평형 또는 불평형일 수 있다.
평형 필터(334)의 제공은 다음의 이점을 제공한다. 먼저, 불평형에서 평형으로 수신 신호를 변환하는 종래 장치에서는 생략되었던, 신호 손실, 제조 비용 및 RF 전자장치에 의해 요구되는 공간을 감소시킨다. 둘째, 송신기와 수신기 회로간의 고립은 송신기 체인이 불평형이며 수신기 체인이 평형이기 때문에 증가된다. 이는 회로들간의 크로스토크(crosstalk)를 감소시킨다.
평형 LNA를 갖는 다른 이점은 바람직한 ASIC(Application Specific IC) 기술에 의해 이루어질 수 있다는 점이다.
송신부(24)의 송신 RF 체인의 바람직한 레이아웃은 도 8을 참조로 이하 후술된다. TX 체인은 송신기 전자장치(도시 안됨)에 접속된 입력을 갖는 평형 전력 증폭기(PA)(25)를 포함한다. 이 입력은 평형 또는 불평형일 수 있다. 증폭기의 평형 출력은 평형 필터(334)의 입력에 접속되며, 그 출력은 송신기 안테나에 제공된다.
송신기 체인을 이런 방식으로 제공하는 이점은 송신과 수신 회로들간의 커플링을 감소시켜, 크로스토크 등을 줄이는 것이다.
도 2에 도시된 다른 제2 실시예에서, 루프 안테나는 2개의 소선형부(strand like portions)(231a, 231b)를 포함하는 다이폴 안테나(230)에 의해 대체될 수 있다. 이들 부분은 그 어느 한측에서 PIFA 소자(20)를 둘러싸며, 평면 소자(20)와 같은 레벨을 가진다. 제1 실시예에서, 다이폴 안테나(230)는 평형 피드부를 가진다.
2개의 소선형부(231a, 231b)는 동일한 길이의 2 부분으로서 도시되나, 바람직하게는 하나의 소자, 예컨대 231b의 길이는 다이폴 안테나(230)의 임피던스 및/또는 공진 주파수를 조절하도록 조정된다.
도 3에 도시된 선택적인 제3 실시예에서, 수신 안테나는 수신기부의 각각의 입력에 접속된 그 단부(32, 33)를 갖는 루프 안테나(30)이다. 그러나, 도 1을 참조하면, 본 실시예와는 다르게, 이런 루프 안테나가 PCB(10) 및 PIFA 소자(20)에 수직한 면에 제공된다.
도 1-3에 도시된 3가지 실시예는 본 발명에 따르는 모든 기본적인 구성이다. 이들 모두는 루프 또는 다이폴중 어느 하나인, 송신 안테나로서 작용하는 불평형 PIFA 안테나 및 평형 피드 수신 안테나가 제공되는 것이 공통이다. 도 1 및 2에서, 평형 피드 안테나(330, 230)는 더욱 PIFA 안테나(20)를 둘러싼다.
도 4-6에서, 기본 구성의 변형이 도시된다. 도 4에 도시된 실시예는 도 1의 실시예와 유사하지만, 루프 안테나(430)와의 접속(432, 433)이 PIFA의 피딩 및 접 지부(22, 23)에 대향하는 PIFA부(20)의 측면상에서 이루어진다는 점에서 차이가 있다. 이는 PCB와의 커플링에 영향을 미치며 소정의 설계에 적응한다는 이점을 제공한다.
도 5에 도시된 실시예는 도 3의 실시예와 유사하지만, 루프 안테나(530)가 PIFA의 피딩 및 접지부(22, 23)의 대향하는 PIFA부(20)의 측면상에 제공된다는 점에서 차이가 있다. 이는 PCB와의 커플링에 영향을 미치며 소정의 설계에 적응한다는 이점을 제공한다.
도 6에 도시된 실시예는 도 2의 실시예와 유사하지만, 다이폴 안테나(630)의 접속부가 PIFA의 피딩 및 접지부(22, 23)의 대향하는 PIFA 소자(20)의 측면상에 제공된다는 점에서 차이가 있다. 이는 PCB와의 커플링에 영향을 미치며 소정의 설계에 적응된다는 이점을 가진다.
불평형과 평형 안테나들 간의 커플링을 최소화하기 위하여, 불평형 안테나는 바람직하게 최소화된다. 불평형 안테나를 고유전율 물질, 예컨대 세라믹 또는 세라믹 및 플라스틱의 혼합물로 로딩함에 의해, 불평형과 평형 안테나간의 최소 거리는 증가하여, 이들간의 커플링이 더욱 감소하게 된다.
본 발명에 따르는 안테나 장치의 바람직한 실시예가 이하 후술된다. 그러나, 본 기술 분야의 전문가들에게는 이것은 본 발명의 개념을 벗어남이 없이 첨부된 청구항의 범위내에서 변경될 수 있음을 알 수 있다. 따라서, 송수신 안테나가 비록 도시된다 할지라도, 이에 제한되지 않음을 이해해야 한다. 일 예로서, 하나가 평형이며 다른 하나가 불평형인 2개의 수신 안테나들이 제공될 수 있다. 이런 방식으로, 이들간의 커플링은 최소화된다. 또한 안테나 다이버시티가 얻어진다. 다른 안테나들은 다른 통신 시스템, 예컨대 블루투스, GSM, 및 UMTS에 대해 동작할 수 있다. 이들은 또한 다른 대역, 예컨대 GSM900 및 GSM1800에서 동작한다. 또한, 2개의 송수신 안테나들; 송수신 안테나 및 수신 안테나; 송수신 안테나 및 송신 안테나; 2개의 수신 안테나들; 2개의 송신 안테나들; 및 송신 안테나 및 수신 안테나의 가능한 조합이 되도록 추가적인 조합이 제공되며, 이들 각각의 조합에서 각각의 안테나는 불평형 또는 평형일 수 있다.
특정 안테나 패턴들이 도시된다. 그러나, 본 기술 분야의 전문가에게는 불평형 안테나가 PIFA에 필수적이지 않고 예컨대 패치, 수정 PIFA, 멘더(meander) PIFA 또는 슬롯일 수 있음을 이해한다.
도면에서, 피딩 장치(24, 34)는 송신 안테나용 피드 장치, 수신 안테나용 수신기 장치, 및 송수신 안테나용 피드/수신기 장치로서 해석되는 것으로 예시된다.
도 7을 참고로 설명된 수신기 RF 체인 및 도 8을 참고로 설명된 송신기 RF 체인이 상술한 실시예 모두의 수신기 및 송신기부에 적용가능함에 유의해야 한다.

Claims (23)

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  12. 제1 피딩 장치(24)에 접속된 제1 피딩부(22)를 포함하는 제1 안테나 소자(20), 및 제2 피딩 장치(34)에 접속된 제2 피딩부(32, 33; 332, 333)를 포함하는 제2 안테나 소자(30; 230; 330; 430; 530; 630)을 포함하는 무선 통신 장치용 안테나 장치로서,
    상기 제1 안테나 소자(20)는 불평형 피드를 가지며,
    상기 제2 안테나 소자(30; 230; 330; 430; 530; 630)는 본질적인 평형 피드를 가지며,
    상기 제1 안테나 소자(20)는 PIFA, 패치, 수정 PIFA, 멘더 PIFA 및 슬롯으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 제2 안테나 소자는 루프 안테나(30; 330; 430; 530)인 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
  14. 제1 피딩 장치(24)에 접속된 제1 피딩부(22)를 포함하는 제1 안테나 소자(20), 및 제2 피딩 장치(34)에 접속된 제2 피딩부(32, 33; 332, 333)를 포함하는 제2 안테나 소자(30; 230; 330; 430; 530; 630)을 포함하는 무선 통신 장치용 안테나 장치로서,
    상기 제1 안테나 소자(20)는 불평형 피드를 가지며,
    상기 제2 안테나 소자(30; 230; 330; 430; 530; 630)는 본질적인 평형 피드를 가지며,
    상기 제2 안테나 소자는 다이폴 안테나(230; 630)인 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
  15. 제14항에 있어서, 상기 다이폴 안테나(230; 630)는 다른 길이의 부분(231a, 231b)을 갖는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
  16. 제 12 항 또는 제 14 항에 있어서, 상기 제2 안테나 소자(230; 330; 430; 630)는 상기 제1 안테나 소자(20)에 본질적으로 평행한 면에 위치하는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
  17. 제1 피딩 장치(24)에 접속된 제1 피딩부(22)를 포함하는 제1 안테나 소자(20), 및 제2 피딩 장치(34)에 접속된 제2 피딩부(32, 33; 332, 333)를 포함하는 제2 안테나 소자(30; 230; 330; 430; 530; 630)을 포함하는 무선 통신 장치용 안테나 장치로서,
    상기 제1 안테나 소자(20)는 불평형 피드를 가지며,
    상기 제2 안테나 소자(30; 230; 330; 430; 530; 630)는 본질적인 평형 피드를 가지며,
    상기 제2 안테나 소자(30; 530)는 상기 제1 안테나 소자(20)에 본질적으로 수직한 면에 위치하는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
  18. 제 12 항, 제 14 항 및 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 안테나 소자(230; 330; 430; 630)는 상기 제1 안테나 소자(20)를 본질적으로 둘러싸는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
  19. 제1 피딩 장치(24)에 접속된 제1 피딩부(22)를 포함하는 제1 안테나 소자(20), 및 제2 피딩 장치(34)에 접속된 제2 피딩부(32, 33; 332, 333)를 포함하는 제2 안테나 소자(30; 230; 330; 430; 530; 630)을 포함하는 무선 통신 장치용 안테나 장치로서,
    상기 제1 안테나 소자(20)는 불평형 피드를 가지며,
    상기 제2 안테나 소자(30; 230; 330; 430; 530; 630)는 본질적인 평형 피드를 가지며,
    상기 제2 피딩 장치(34)는 상기 제2 피딩부(32, 33; 332, 333; 432, 433)으로부터 신호를 수신하도록 배열되는 입력을 갖는 평형 필터(334)와, 상기 평형 필터(334)의 출력으로부터 신호를 수신하도록 배열되는 입력을 갖는 평형 증폭기(335)를 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
  20. 제19항에 있어서, 상기 평형 증폭기(335)는 저잡음 증폭기이며, 바람직하게는 ASIC 기술에 의해 제공되는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
  21. 제1 피딩 장치(24)에 접속된 제1 피딩부(22)를 포함하는 제1 안테나 소자(20), 및 제2 피딩 장치(34)에 접속된 제2 피딩부(32, 33; 332, 333)를 포함하는 제2 안테나 소자(30; 230; 330; 430; 530; 630)을 포함하는 무선 통신 장치용 안테나 장치로서,
    상기 제1 안테나 소자(20)는 불평형 피드를 가지며,
    상기 제2 안테나 소자(30; 230; 330; 430; 530; 630)는 본질적인 평형 피드를 가지며,
    상기 제1 피딩 장치(24)는 송신될 신호를 수신하도록 배열된 입력과 평형된 출력을 갖는 평형 증폭기(25)와, 상기 증폭기로부터 신호를 수신하도록 배열된 입력과 상기 제1 안테나 소자(20)로 신호를 송신하도록 배열된 출력을 갖는 평형 필터(26)를 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
  22. 제 12 항, 제 14 항, 제 17 항, 제 19 항 및 제 21 항 중 어느 한항에 따르는 안테나 장치를 포함하는 무선 통신 장치.
  23. 제22항에 있어서, 상기 무선 통신 장치는 휴대용인 것을 특징으로 하는 무선 통신 장치.
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