KR100684388B1 - 커플러 타입의 내장형 칩안테나 - Google Patents

커플러 타입의 내장형 칩안테나 Download PDF

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Abstract

본 발명은 커플러 타입의 내장형 칩안테나에 관한 것으로서, 더 상세하게는 세라믹 재질의 칩안테나 문제점을 개선하고 커플러(coupler) 방식으로 설계대역과 이득(Gain)을 증대시키며 통신기기에 소형화 및 디자인을 유도할 수 있도록 내장할 수 있는 칩 타입 안테나를 장착하는 경우, PCB의 그라운드를 활용하여 2차 커플링 신호를 유도할 수 있는 내장형 칩안테나에 관한 것이다.
본 발명에 따른 칩안테나는 서로 대향하는 제1주면 및 제2주면과 상기 제1,2주면들에 실질적으로 직교하는 다수의 측면을 갖는 FR-4 유전체 블록과, 상기 제1주면의 일부영역에 형성된 방사패턴과, 상기 다수의 측면중 일측면의 일부영역에 상기 방사패턴과 연장되어 형성되고 상기 방사패턴과 방사소자의 역할을 수행하는 방사유도패턴과, 상기 일측면과 대향된 타측면의 일부영역에 상기 유전체 블록이 노출되어 형성된 갭 영역에 의해 상기 방사패턴과 이격되게 형성되어 신호가 입력되면 커플러 현상을 유도하는 급전점과, 상기 일측면과 타측면을 제외한 양외측면중 하나의 외측면에 형성되고 상기 방사유도패턴과 전기적으로 연결된 그라운드 더미를 포함하여 구성된다.
커플러, 내장형, 칩안테나, 패치, FR-4, 대역, 이득, 방사.

Description

커플러 타입의 내장형 칩안테나 {Coupler type internal chip antenna}
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 내장형 칩안테나의 사시도이다.
도 2는 도 1에서 나타나지 않은 저면과 배면을 보여주기 위한 사시도이다.
도 3a와 도 3b는 본 발명에 따른 내장형 칩안테나의 2차 커플러 유도를 보여주기 위한 도면이다.
도 4a와 도 4b는 본 발명의 일실시예에 따른 내장형 칩안테나의 주파수 대역과 지향성을 보여주는 그래프이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
20 : 칩안테나 22a,22b : 주면
24a,…,24d : 측면 30 : 방사패턴
32 : 방사유도패턴 34 : 마스킹
36 : 패치패턴 40 : 급전점
42a : 그라운드 더미 42b : 급전더미
44 : 급전 패드 50 : PCB(Test Board}
52 : 그라운드
본 발명은 커플러 타입의 내장형 칩안테나에 관한 것으로서, 더 상세하게는 내장형 안테나를 개발하는 목적으로 칩 타입(chip type) 안테나의 소형화를 추진하는 과정에서, 세라믹 재질의 칩안테나의 근본적인 문제점을 극복하고 커플러(coupler) 방식으로 설계대역과 이득(gain)을 증대시키며 통신기기에 내장된 PCB에 칩 타입 안테나를 장착하는 경우, PCB의 그라운드를 활용하여 2차 커플링 신호를 유도할 수 있는 칩안테나에 관한 것이다.
일반적으로, 소형 안테나는 이동통신기기의 휴대 단말기에 장착되어 마이크로웨이브(microwave) 대역으로 변조된 신호의 시작과 끝이 되는 시점으로서 무선통신에서 기본이 되는 부품이며, 이러한 안테나 자체의 성능은 휴대 단말기 전체의 성능에 중요한 역할을 한다.
이러한 종래의 안테나 중 다이폴(dipole) 안테나는 공진 주파수의 파장(λ)의 1/4 길이에 해당하는 2개의 다이폴이 연결된 형태로서, 단순한 구조를 갖고 있어서 제조하기가 쉽고, 또한 넓은 주파수 범위에서 사용 가능하다는 장점은 있으나, 다이폴 안테나의 길이가 매우 커지기 때문에 휴대하기가 불편하다.
나선형의 헬리컬(helical) 안테나는 절연 물질의 지지대에 도선이 나선 코일 형태로 감겨서 형성되고, 코일의 감긴 수와 간격 및 길이 등을 조절하여 공진 주파수 대역을 결정하며, 전체적인 길이가 상기한 다이폴 안테나에 비하여 작기 때문에 휴대가 용이하다.
최근에 CDMA(Code Division Multiple Access), PCS(Personal Communication Service), GSM(Group Special Mobile), DECT(Digital European Cordless Telephone) 등과 같이 사용 주파수 대역이 서로 다른 여러 종류의 무선 통신 서비스가 공급되어 각국의 가입자들이 이들을 사용하고 있으나, 각 서비스간의 호환이 되지 않는다는 단점이 있기 때문에, 이러한 단점을 보완하기 위하여 하나의 휴대 단말기로서 여러 주파수 대역에서 사용할 수 있는 넓은 밴드폭을 갖는 안테나가 필요하게 되었다.
일반적인 휴대 단말기에서 사용되는 안테나는 다이폴 안테나와 헬리컬 안테나가 결합된 형태의 리트랙터블(retractable) 안테나와 고정형(fixed) 안테나로, 리트랙터블 안테나의 경우 휴대 단말기의 상단부에 신축 자재하게 형성되어, 휴대 단말기 사용시 신장시켜서 사용하고, 사용하지 않을 때에는 축소시켜서 휴대하게 된다.
그러나, 상기한 리트랙터블 안테나 및 고정형 안테나는 휴대 단말기의 상단부에 돌출되어 위치하므로 파손 등의 문제가 있고, 휴대 또한 불편하며, 휴대 단말기에서 안테나가 차지하는 부피가 너무 크다는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 세라믹 칩 제조 기술을 이용하여 초소형이며 휴대 단말기 내부로의 내장이 가능한 칩안테나가 개발되었다.
종래 세라믹 칩안테나는 칩 적층 공정을 이용하여 세라믹 칩 내부에 코일을 나선형으로 감아서 형성된 헬리컬 도체를 포함하는 구조로서, 최근에 초소형의 SMD(Surface Mounted Device) 형태로 휴대 단말기에 내장이 가능한 단계까지 왔으나, 신뢰성 부분과 유전율이 높은 관계로 방사 효율이 매우 낮아서 차츰 사라져가 고 있는 실정이며 이에 따라 새로운 개념의 칩안테나 개발 필요성이 대두되었다.
본 발명은 상술한 필요성에 의해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 FR-4 소재를 사용하면서 특성을 향상시키고 대역폭을 확장하기 위하여 커플러 방식으로 설계 대역과 이득을 증대시키고 PCB에 안테나를 장착하는 경우 PCB의 그라운드를 활용하여 2차 커플러를 유도하므로서 특성을 향상시킬 수 있는 커플러 타입의 내장형 칩안테나를 제공하는데 있다.
상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 서로 대향하는 제1주면 및 제2주면과, 상기 제1,2주면들에 실질적으로 직교하는 다수의 측면을 갖는 유전체 블록;
상기 제1주면의 일부영역에 형성된 방사패턴;
상기 다수의 측면중 일측면의 일부영역에 상기 방사패턴과 연장되어 형성되고 상기 방사패턴과 방사소자의 역할을 수행하는 방사유도패턴;
상기 일측면과 대향된 타측면의 일부영역에 상기 유전체 블록이 노출되어 형성된 갭 영역에 의해 상기 방사패턴과 이격되게 형성되어 신호가 입력되면 커플러 현상을 유도하는 급전점; 및
상기 일측면과 타측면을 제외한 양외측면중 하나의 외측면에 형성되고 상기 방사유도패턴과 전기적으로 연결된 그라운드 더미를 포함하는 커플러 타입의 내장형 칩안테나를 제공하고자 한다.
여기서, 상기 제2주면의 일부영역에는 상기 방사유도패턴과 이격되게 패치패턴이 형성됨이 바람직하다.
또한, 상기 패치패턴이 형성된 제2주면이 PCB를 향한 상태에서 통신기기에 내장된 PCB에 칩안테나가 SMD에 의해 장착되어, PCB의 그라운드와 함께 2차 커플러를 유도하는 패치 안테나의 역할을 수행하도록 하여 내부공간의 활용을 극대화 함이 바람직하다.
이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참고로 그 구성 및 작용을 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 내장형 칩안테나의 사시도이다.
도 2는 상기 도 1에서 나타나지 않은 저면과 배면을 보여주기 위한 사시도이다.
본 발명에 따른 내장형 칩안테나(20)는 서로 대향하는 제1주면(22a) 및 제2주면(22b)과 상기 제1,2주면(22a,22b)들에 실질적으로 직교하는 다수의 측면(24a,…,24d)을 갖는 유전체 블록을 포함한다.
상기 유전체 블록은 FR-4(Epoxy)로 일반적인 범용적 제품이며, 여기에서 상기 FR-4는 미국전기공업협회(NEMA: National Electrical Manufactures Association)의 규격으로써, 유리 에폭시계 기판을 사용하여 가공이 용이하고 치수변화나 흡수성이 적어 다층판을 구성할 수 있기 때문에 산업기기 등에 널리 이용된다.
제1주면(22a)의 일부영역에는 방사패턴(30)이 형성되고 이웃된 일측면(24a)의 일부영역에 형성된 방사유도패턴(32)까지 연장된다.
상기 제1주면(22a)은 방사패턴(30)이 일부영역에 형성된 상태에서 방사패턴(30)과 유전체 블록이 노출된 갭 영역을 보호하기 위해 마스킹(masking,34) 작업으로 처리된다.
상기 방사패턴(30)과 방사유도패턴(32)이 커플링 신호를 유도하여 방사하는 방사소자의 역할을 수행한다.
상기 일측면(24a)의 방사유도패턴(32)이 형성된 부분이 방사유도패턴이 형성되지 않은 부분과 동일한 평면을 갖지 않는 이유는, 즉, 방사유도패턴(32)이 더 내측에 형성되는 이유는 제조공정상에서 방사유도패턴을 구성하는 동박을 형성하여 방사효율 증대 및 구조를 줄이기 위해서이다.
상기 방사유도패턴(32)이 형성되지 않은 쪽의 제1주면(22a)의 방사패턴(30)의 폭은 방사유도패턴(32)이 형성된 쪽의 가장 넓은 부분의 폭보다 좁고, 방사유도패턴(32)이 형성된 부분의 가장 좁은 폭보다는 넓으며 방사유도패턴(32)이 형성된 쪽의 제1주면(22a) 방사패턴(30) 폭은 안테나 주파수에 따른 영향을 받는 부분으로 신호의 유도부분이 된다.
상기 방사유도패턴(32)이 형성된 일측면(24a)의 대향되는 타측면(24b)에는 급전부분의 신호가 유도되는 급전점(40)이 비아홀(via hole)로 형성되고, 타측면(24b)과 제1주면(22a)의 유전체 블록이 노출된 갭 영역에 의해 급전점(40)은 방사패턴(30)과 주파수 영향에 따른 간격으로 분리된다.
상기 일측면(24a)과 타측면(24b)을 제외한 양외측면(24c,24d) 중 하나의 외측면(24d)은 그라운드 더미(ground dummy,42a)가 되고, 다른 외측면(24c)은 급전 더미(42b)가 된다.
상기 급전더미(42b)는 급전점(40)과 전기적으로 연결되고 방사패턴(30)과는 유전체 블록이 노출된 갭 영역에 의해 커플링의 주파수 영향에 따른 간격으로 분리되며 SMD에 의해 PCB(50)에 장착하는 경우, 급전 및 더미 역할을 수행한다.
상기 칩안테나가 PCB(50)에 장착되는 경우, 그라운드 더미(42a)는 방사유도패턴(32)과 전기적으로 연결되고 더미 및 방사 소자 역할을 수행한다.
즉, 칩안테나(20)의 양외측면(24c,24d)은 그라운드와 급전 연결 부분이 된다.
상기 측면과 측면이 만나는 모서리 부분은 제조공정상에서 드릴 등으로 라운드(round)지게 형성하여 이물질을 제거하고 숏트 등을 억제할 수 있도록 함이 바람직하다.
한편, 상기 제2주면(22b)의 일부영역에는 패치패턴(36)이 형성되어, 도 3a 및 도 3b에 도시한 바와 같이, 상기 제2주면(22b)이 휴대 단말기 등에 내장된 PCB에 탑재된 상태에서 SMD에 의해 상기 제2주면(22b)의 패치패턴(36) 부분과 PCB(50)의 그라운드가 연결되는 경우, PCB의 그라운드와 함께 2차 커플러를 유도하는 패치(patch) 안테나의 역할을 수행하게 된다.
상기 패치패턴(36)은 방사패턴(30)과 다르게 방사유도패턴(32)과 이격되어 형성되고, 제2주면(22b)의 유전체 블록이 노출된 갭 영역에는 PCB(50)와 연결하기 위한 급전 패드(44)가 형성된다.
상기 제2주면(22b)은 제1주면과 마찬가지로 급전 패드(44)를 제외한 패치패턴(36)과 유전체 블록이 노출된 갭 영역을 보호하기 위해 마스킹(34) 작업 처리된다.
상기한 구조에서, 타측면(24b)의 급전점(40)으로 고주파 신호원이 입력되고, 입력된 고주파 신호원은 상기 급전점(40) 및 급전 더미(42b)와 제1주면(22a)의 방사패턴(30) 사이에 형성된 정전용량 결합을 통해서 방사패턴(30) 및 방사패턴에 연장된 일측면(24a)의 방사유도패턴(32)으로 유도되어 외측면(24d)의 그라운드 더미(42a)를 통과하는 흐름을 갖는다.
즉, 급전점(40)의 신호가 커플링 유도되고 방사패턴(30) 및 방사유도패턴(32)으로 자기 유도되어 그라운드 더미(42a)를 통과함으로써 커플링 신호를 유도하여 방사하는 안테나 역할을 일차 수행하게 된다.
도 3a와 도 3b는 본 발명의 일실시예에 따른 내장형 칩안테나의 2차 커플러 유도를 보여주기 위한 도면이다.
도 3a는 패치패턴(36)이 형성된 제2주면(22b)이 PCB(50)에 접하도록 칩안테나를 탑재한 상태에서 납땜에 의해 PCB(50)에 전기적으로 연결한 것을 보여주고, 도 3b는 칩안테나(20)가 탑재된 PCB(50) 뒷면의 그라운드(52)를 보여준다.
이때 칩안테나(20)의 그라운드 부분이 PCB(50)의 그라운드(52)와 전기적으로 연결되어 패치패턴(36)이 PCB(50)의 뒷 그라운드 면적에 의해 그라운드(52)와 패치 부분과 함께 2차 커플러를 유도하게 된다.
즉, PCB(50)에 본 발명에 따른 칩안테나(20)를 장착하는 경우, PCB(50)의 그라운드(52)를 활용하여 2차 커플러를 유도하는 패치 안테나로 본 발명에 따른 칩안테나를 사용할 수 있다.
도 4a와 도 4b는 본 발명의 일실시예에 따른 내장형 칩안테나의 주파수 대역 과 지향성을 보여주는 그래프이다.
도시된 바와 같이, 주파수 대역이 대략 1.75~1.99GHz으로서, 1.71㎓에서 빔의 최대이득(beam peak)은 -1.26㏈이고 그때 각도는 -156°임을 알 수 있다.
또한, 1.81㎓에서 빔의 최대이득(beam peak)은 1.60㏈이고 그때 각도는 -125°임을 보여주고, 1.90㎓에서 빔의 최대이득(beam peak)은 1.23㏈이고 그때 각도는 -132°임을 보여주며, 1.99㎓에서 빔의 최대이득(beam peak)은 1.71㏈이고 그때 각도는 -100°임을 보여줌을 알 수 있다.
즉, 대역폭이 종래보다 2배 이상 확장되고 이득이 향상될 수 있음을 알 수 있다.
이상에서와 같이 본 발명에 따른 내장형 칩안테나는, 내장형 칩안테나(20) 자체에서 1차 커플링 신호를 유도하고, 또한 PCB(50)의 그라운드(52)를 활용하여 2차 커플링 신호를 유도하는 패치 안테나 역할을 수행함으로써, 소형화가 가능하고 칩안테나의 특성 향상으로 휴대 단말기 등에 적용할 수 있으며 주파수를 다양화하여 여러 내장형 분야에서 응용하여 적용할 수 있다.
또한 현재까지 특성 향상이 어려워 칩타입 안테나의 사용이 20% 미만에 불과한 것을 특성 개량으로 PCS, 무선 부분, DMB(Digital Multimedia Broadcasting) 분야에 70% 이상 적용할 수 있다.
또한 본 발명에 의하면 다양한 주파수 안테나, 멀티밴드 안테나 개발을 진행할 수 있어, 하나의 안테나로 듀얼 밴드 및 타 주파수 안테나 역할을 수행할 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 의하면, FR-4 소재를 사용하면서 커플러 유도 방식으로 대역이 약 2배 이상 확장되고, 커플러 유도 및 패치 타입으로 이득(gain)이 향상되며 PCB 부분의 커플러 유도 및 그라운드 부분의 사용이 용이할 뿐만 아니라 인체의 터치 영향을 줄일 수 있다.

Claims (5)

  1. 삭제
  2. 서로 대향하는 제1주면 및 제2주면과, 상기 제1,2주면들에 실질적으로 직교하는 다수의 측면을 갖는 유전체 블록;
    상기 제1주면의 일부영역에 형성된 방사패턴;
    상기 다수의 측면중 일측면의 일부영역에 상기 방사패턴과 연장되어 형성되고 상기 방사패턴과 방사소자의 역할을 수행하는 방사유도패턴;
    상기 일측면과 대향된 타측면의 일부영역에 상기 유전체 블록이 노출되어 형성된 갭 영역에 의해 상기 방사패턴과 이격되게 형성되어 신호가 입력되면 커플러 현상을 유도하는 급전점; 및
    상기 일측면과 타측면을 제외한 양외측면중 하나의 외측면에 형성되고 상기 방사유도패턴과 전기적으로 연결된 그라운드 더미를 포함하고,
    상기 양외측면 중 다른 외측면에 상기 급전점과 전기적으로 연결되고 방사패턴과 이격되게 형성된 급전 더미가 형성됨을 특징으로 하는 커플러 타입의 내장형 칩안테나.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 제2주면의 일부영역에는 상기 방사유도패턴과 이격되게 패치패턴이 형성됨을 특징으로 하는 커플러 타입의 내장형 칩안테나.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 패치패턴이 형성된 제2주면이 PCB를 향한 상태에서 통신기기에 내장된 PCB에 칩안테나가 SMD에 의해 장착되어, PCB의 그라운드와 함께 2차 커플러를 유도하는 패치 안테나의 역할을 수행함을 특징으로 하는 커플러 타입의 내장형 칩안테나.
  5. 청구항 3에 있어서, 상기 유전체 블록은 FR-4 물질로 형성됨을 특징으로 하는 커플러 타입의 내장형 칩안테나.
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