KR101257078B1

KR101257078B1 - 내장 안테나 장치 및 이를 구비한 휴대 단말기

Info

Publication number: KR101257078B1
Application number: KR1020060093749A
Authority: KR
Inventors: 박경순
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2006-09-26
Filing date: 2006-09-26
Publication date: 2013-04-19
Also published as: KR20080028221A

Abstract

본 발명은 휴대 단말기의 내장 안테나 장치에 관한 것으로, 그라운드면이 형성되는 회로기판과, 그라운드면에 대하여 이격되게 배치되는 도전성 메탈시트 및, 도전성 메탈시트의 높이를 일정하게 유지시킬 수 있도록 지지하는 지지부를 포함하여 구성되고, 지지부는 상기 도전성 메탈시트와 회로기판 사이를 전기적으로 연결하는 급전부 부근에 일정 유전율(ε_r)을 갖는 칩(chip) 형태로 형성되어 도전성 메탈시트의 공진 파장을 줄여 준다. 이에 의하여 안테나 장치 및 휴대 단말기의 소형화를 달성하기 용이하다.

핸드폰, 휴대폰, 단말기, 안테나, PIFA

Description

내장 안테나 장치 및 이를 구비한 휴대 단말기{INTERNAL ANTENNA APPARATUS AND MOBILE COMMUNICATION TERMINAL HAVING THE SAME}

도 1은 본 발명에 따른 일실시예로서, 내장 안테나 장치를 구비한 휴대 단말기의 분해 사시도,

도 2는 도 1의 휴대 단말기의 종단면도,

도 3은 도 1의 내장 안테나 장치의 평면도,

도 4는 본 발명에 따른 일 실시예로서, 도전성 메탈시트와 지지부의 고정방법을 도시한 분리 사시도,

도 5a 및 도 5b는 본 발명에 따른 다른 실시예로서, 도전성 메탈 시트와 지지부의 고정방법을 도시한 부분 단면도,

도 6은 도 1의 내장 안테나 장치의 S-파라미터를 주파수별로 표시한 정재파비(VSWR) 도표,

도 7은 도 1의 내장 안테나 장치의 S-파라미터를 임피던스에 대하여 나타내는 스미스 차트이다.

*도면중 주요부분에 대한 부호의 설명*

1: 휴대 단말기 10: 제1바디

20: 제2바디 30: 내장 안테나 장치

31: 메인 회로기판 40: 도전성 메탈시트

41: 수평연장부 42: 수직연장부

50: 급전부 60: 지지부

70: 보조 연장부 80: 추가 연장부

본 발명은 휴대 단말기의 내장 안테나 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 안테나의 높이와 크기를 줄일 수 있도록 하면서도 넓은 대역폭을 확보할 수 있는 내장 안테나 장치 및 이를 구비한 휴대 단말기에 관한 것이다.

이동통신을 위한 휴대 단말기는 사용자가 간편하게 휴대할 수 있게 경량화되고 슬림화되어 가는 반면에, 작고 제한된 장치 내에서 다양한 기능을 구현하는 것이 편리하도록 충분한 기구적인 뒷받침과 통신품질의 확보를 동시에 요구한다.

무선통신을 위하여 사용되는 안테나는 단말기의 외부로 노출된 형태인 외장형 안테나(external antenna)가 먼저 개발되었지만, 미관을 저해할 수 있고 외부의 충격에 의하여 파손되기 쉬운 단점이 있어 단말기의 내부에 설치되어 외부에서 보기 어려운 형태인 내장형 안테나(internal antenna 또는 intenna라고 칭하기도 한다)로 대체되고 있다.

저비용의 내장형 안테나로 각광받고 있는 PIFA(Planer Inverted F Antenna)는 IFA(Inverted F Antenna)의 구조에 평판 영역을 추가함으로써 안테나 방사이득 을 개선한 형태의 안테나로서, 그 급전 구조는 시그널 피딩(signal feeding)과 그라운드 피딩(ground feeding)을 방사소자에 연결하여 구성한다.

PIFA 안테나의 동작은 시그널 피딩 구조를 통하여 전류가 방사소자로 유입되고 그라운드 피딩을 통해 전류가 빠져나가도록 하는 원리를 이용한 것으로, 서비스 주파수 대역의 λ/4 정도의 파장 길이에서 공진하게 된다.

이러한 PIFA 안테나는 접지면에 대한 높이가 높을수록 임피던스(impedance) 대역폭이 증가하는 경향이 있어, 방사소자의 그라운드에 대한 높이의 확보가 중요하다. 즉, PIFA 안테나는 방사소자의 접지면에 대한 높이가 적은 경우 임피던스 대역폭이 좁아지게 되므로, 적정 높이의 확보를 통해서 안테나 대역폭 및 이득을 만족시킬 수 있다. 이러한 문제는 안테나 체적에 민감하게 달라지는 안테나의 성능과도 관련이 있다.

그러나, 휴대 단말기의 경량화 슬림화 경향에 따라, 방사소자의 높이를 같은 수준으로 유지하기 어렵고, 높이를 낮춘다 하더라도 임피던스 대역폭이 좁아지게 되어 성능확보도 안 되는 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 점에 부응하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명은 그라운드로부터의 높이와 크기를 줄이면서도 광대역 특성을 확보함으로써 안테나의 설치공간을 줄이고 단말기의 사이즈를 축소할 수 있는 안테나 장치 및 이를 구비한 휴대 단말기를 제공하는데 그 목적이 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 그라운드면이 형성되는 회로기판과, 상기 그라운드면에 대하여 이격되게 배치되는 도전성 메탈시트 및, 상기 도전성 메탈시트의 높이를 일정하게 유지시킬 수 있도록 지지하는 지지부를 포함하여 구성되고, 상기 지지부는 상기 도전성 메탈시트와 회로기판 사이를 전기적으로 연결하는 급전부 부근에 일정 유전율(ε_r)을 갖는 칩(chip) 형태로 형성되어 상기 도전성 메탈시트의 공진 파장을 줄여 주는 것을 특징으로 하는 내장 안테나 장치를 개시한다.

그리고 본원발명은, 단말기 본체 및, 상기 단말기 본체에 내장되는 내장 안테나 장치를 포함하고, 상기 내장 안테나 장치는, 그라운드면이 형성되는 회로기판과, 상기 그라운드면에 대하여 이격되게 배치되는 도전성 메탈시트 및, 상기 도전성 메탈시트의 높이를 일정하게 유지시킬 수 있도록 지지하는 지지부를 포함하여 구성되고, 상기 지지부는 상기 도전성 메탈시트와 회로기판 사이를 전기적으로 연결하는 급전부 부근에 일정 유전율(ε_r)을 갖는 칩(chip) 형태로 형성되어 상기 도전성 메탈시트의 공진 파장을 줄여 주는 것을 특징으로 하는 휴대 단말기를 제공한다.

이하, 본 발명에 의한 내장 안테나 장치 및 이를 구비한 휴대 단말기를 첨부도면에 도시한 실시예에 따라 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 일실시예로서, 내장 안테나 장치를 구비한 휴대 단말 기의 분해 사시도이고, 도 2는 도 1의 휴대 단말기의 종단면도이며, 도 3은 도 1의 내장 안테나 장치의 평면도이다.

이들 도면에 도시된 것과 같이, 휴대 단말기(1)는 제1바디(10)와 제1바디(10)에 폴딩(folding) 가능하게 연결되는 제2바디(20)를 구비하고 있으며, 제1바디(10)는 단말기의 운용상 필요한 부품이나 모듈이 실장되는 메인 회로기판(31)을 구비하고 있다.

메인 회로기판(31)의 상단에는 본 발명의 내장 안테나 장치(30)가 구비되어 있다. 바람직하게는, 상기 내장 안테나 장치(30)는 제1바디(10)의 하측에 장착되는 배터리(14)의 상단에 생성되는 공간(15)에 장착됨으로써 낭비되는 공간을 절약하여 휴대 단말기(1)의 슬림화를 이룰 수 있다.

내장 안테나 장치(30)는 메인 회로기판(31)에 대하여 이격되게 배치되는 도전성 메탈시트(40)를 구비하고 있으며, 도전성 메탈 시트(40)는 급전부(50)에 의하여 메인 회로기판(31)에 전기적으로 연결되고 있다.

도전성 메탈 시트(40)는 메인 회로기판(31)에 대하여 일정 높이를 유지할 수 있도록 지지부(60)에 의하여 지지되어 있다. 특히, 지지부(60)는 급전부(50) 부근에 일정 유전율(ε_r)을 갖는 칩(chip) 형태로 형성됨으로써, 저항값을 상승시켜 도전성 메탈시트(40)의 공진 파장을 줄여 준다. 이에 따라, 서비스 대역에 맞추기 위한 도전성 메탈 시트(40)의 총 길이를 줄일 수 있게 되고, 내장 안테나 장치(40)의 소형화를 달성하기 용이하다.

지지부(60)는 종래 내장 안테나를 지지하기 위한 캐리어(carrier)가 공기와 유사한 1 부근의 유전율(ε_r)을 가졌던 것보다 높은 9~11인 것이 바람직하며, 후술하는 도 6과 도 7에서는 유전율이 약 10인 지지부(60)에 대한 방사특성을 나타내었다.

지지부(60)는, 도 1에 도시된 것과 같이 메인 회로기판(31)의 장착패드(33)를 통하여 표면실장(SMT)되거나, 제1바디(10)의 하우징(11)(12)에 직접 고정될 수 있다. 메인 회로기판(31)에 표면실장되는 경우 고정을 위한 공정 수를 줄여주어 제조를 용이하게 하고 단말기의 슬림화를 꾀할 수 있다.

급전부(50)는 메인 회로기판(31)에 장착되는 통신모듈에 연결되는 시그널 급전부(51)와 그라운드면(16)에 연결되는 그라운드 급전부(52)를 포함함으로써 이른바 '역 에프 평판 안테나'(Planer Inverted F Antenna)를 구성하고 있다. 다만, 급전부(50)를 하나의 형태로 하는 '모노폴(Monopole Antenna) 안테나'로 구성하는 것도 가능하다. 이 경우, 그 도전성 메탈시트의 길이는 λ/2 정도가 된다.

도 3에서 도시된 것과 같이, 급전부(50)는 도전성 메탈 시트(40)에서 제1폭(W1)으로 형성된 후 회로기판(31)에 접촉되는 부위는 제1폭(W1)보다 작은 제2폭(W2)을 갖는 테이퍼(taper) 형상으로 형성되어 있다. 이에 따라, 전류의 급격한 변화를 방지하여 대역폭을 확장시킬 수 있다.

도전성 메탈시트(40)는 급전부(50) 부근에서 회로기판(31)에 평행하게 연장되는 수평 연장부(41) 및, 수평 연장부(41)의 끝단으로부터 수직으로 절곡되어 수 평 연장부(41)에 평행하게 연장되는 수직 연장부(42)를 포함하고 있다.

도전성 메탈시트(40)는 각 연장부(41)(42)의 길이의 합(L1+L2+L3)이 서비스 주파수 대역의 λ/4가 될 수 있는 길이로 형성되며, 후술하는 도 6과 도 7의 측정치는 L1 ,L2 및, L3가 각각 40mm, 5mm 및, 30.5mm인 조건에 대한 데이터를 보여준다.

바람직하게는, 수직 연장부(42)는 다시 급전부(50) 부근까지 연장되어 지지부(60)에 고정됨으로써 칩 형태의 지지부(60)로부터 벗어나 있는 부분에 위치하는 도전성 메탈시트(40)가 충분히 지지될 수 있도록 구성된다.

도전성 메탈시트(40)는 수평 연장부(41)와 수직연장부(42)의 조합에 의하여 결정되는 공진 주파수 대역을 확장시키는 보조 연장부(70)를 구비할 수 있다.

도 1에 의하면, 보조 연장부(70)는 수평 연장부(41)의 중간에서 수평 연장부(41)에 대하여 일정 각도로 수평하게 분지된 후 절곡되어 수직 연장부(42)에 평행하게 일정 길이로 연장 형성되어 있다.

보조 연장부(70)의 길이(M)는 가변적으로 할 수 있으며, 그 길이를 튜닝함으로써 보다 넓은 대역폭을 얻을 수 있다. 도 6과 도 7의 측정치는 M을 약 27.5mm로 형성한 것을 반영한 것이다.

도전성 메탈시트(40)에는 추가 공진 대역을 제공하는 추가 연장부(80)가 구비될 수 있다. 추가 연장부(80)를 보다 상세히 설명하면, 추가 연장부(80)는 급전부(50) 부근으로부터 수평으로 연장된 후 절곡되어 수직 연장부(42)에 평행하게 일정 길이로 연장된 형태로 되어 있다. 보조 연장부(80)의 길이(N)도 가변적으로 할 수 있으며, 그 길이를 튜닝함으로써 두 번째 공진 영역이 강하게 나타날 수 있도록 함과 아울러 넓은 대역폭을 얻을 수 있도록 한다. 도 6과 도 7의 측정치는 N을 약 13mm로 형성한 것을 반영하였다.

도 4는 본 발명에 따른 일 실시예로서, 도전성 메탈시트와 지지부의 고정방법을 도시한 분리 사시도이다. 도 4에 의하면 지지부(60)에는 수직방향의 돌기(62)가 형성되고, 도전성 메탈시트(40)에는 돌기(62)가 걸림되는 걸림구멍(45)이 형성됨으로써 도전성 메탈시트(40)를 견고하게 지지하는 구조로 할 수 있다.

도 5a 및 도 5b는 본 발명에 따른 다른 실시예로서, 도전성 메탈 시트와 지지부의 고정방법을 도시한 부분 단면도이다. 도 5a에 의하면 지지부(60)의 상면에는 도전성 메탈시트(40)가 수직방향으로 진입하여 걸림될 수 있도록 걸림홈(61)이 형성되어 있다. 걸림홈(61)의 양측벽에는 도전성 메탈시트(40)가 임의로 이탈되지 않도록 이탈방지턱(61a)가 형성될 수 있다.

도 6은 도 1의 내장 안테나 장치의 S-파라미터를 주파수별로 표시한 정재파비(VSWR) 도표이고, 도 7은 도 1의 내장 안테나 장치의 S-파라미터를 임피던스에 대하여 나타내는 스미스 차트이다.

앞에서 소개한 것처럼, 도정성 메탈 시트(40)의 길이 조건(L1+L2+L3)을 40+5+ 30.5(mm)로 하고, 보조 연장부(70)의 길이(M)를 27.5(mm)로 하며, 추가 연장부(80)의 길이(N)를 13(mm)으로 하였고, 지지부(40)의 유전율(ε_r)은 약 10이며, 그 높이는 약 4.2(mm)로 하였을 때의 측정치이다. 도전성 메탈 시트(40)의 두께는 약 0.25(mm)이다.

도 6에 의하면, 첫 번째 공진 대역은 약 750MHz ~ 1.1GHz로서, 그 대역폭(bandwidth)은 -8dB 이하로 측정된 것 기준으로 약 400MHz이다. 즉, 첫번째 공진 대역에 포함될 수 있는 CDMA 방식의 DCN 대역 및 GSM 대역을 모두 커버할 수 있다.

두 번째 공진 대역은 약 1.3 ~ 2.4 GHz로서, 그 대역폭은 -8dB 이하로 측정된 것 기준으로 약 1.03GHz가 나왔다. 따라서, GPS이나 PCS 대역을 모두 커버할 수 있음을 알 수 있다.

도 6의 데이터에서 알려주는 것처럼 유전율 높은 지지부(60)에 의하여 대역폭은 충분히 확장되고 있으며, 도전성 메탈 시트(40)의 높이를 종래 PIFA 안테나가 회로기판의 두께를 포함하여 7 ~ 8(mm)인 것보다 현저히 줄어든 4.2(mm)를 사용하여도 협대역 문제가 발생되지 않음을 알 수 있다. 따라서, 줄어든 내장 안테나 장치(30) 만큼 휴대 단말기(1)의 슬림화를 얻을 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명의 내장 안테나 장치 및 이를 구비한 휴대 단말기에 의하면, 도전성 메탈시트의 높이를 일정하게 유지시킬 수 있도록 지지하는 지지부가 상기 도전성 메탈시트와 회로기판 사이를 전기적으로 연결하는 급전부 부근에 일정 유전율(ε_r)을 갖는 칩(chip) 형태로 형성됨으로써 도전성 메탈시트의 공진 파장을 줄여 주어 내장 안테나 장치의 크기를 줄이게 된다. 이에 따라 휴대 단말기의 슬림화를 추구하기 용이하며, 넓어진 대역에 의하여 안테나의 사용환경을 변화시킬 수 있는 여러 상황이 발생하여도 안정적인 품질을 제공할 수 있게 된다.

이상과 같이 본 발명에 따른 내장 안테나 장치 및 이를 구비한 휴대 단말기를 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있다.

Claims

그라운드면이 형성되는 회로기판과, 상기 그라운드면에 대하여 이격되게 배치되는 도전성 메탈시트 및, 상기 도전성 메탈시트의 높이를 일정하게 유지시킬 수 있도록 지지하는 지지부를 포함하여 구성되고,

상기 지지부는 상기 도전성 메탈시트와 회로기판 사이를 전기적으로 연결하는 급전부 부근에 일정 유전율(ε_r)을 갖는 칩(chip) 형태로 형성되어 상기 도전성 메탈시트의 공진 파장을 줄여 주는 것을 특징으로 하는 내장 안테나 장치.
제1항에 있어서, 상기 급전부는,

상기 회로기판에 장착되는 통신모듈에 연결되는 시그널 급전부; 및

상기 그라운드면에 연결되는 그라운드 급전부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 내장 안테나 장치.
제1항에 있어서, 상기 도전성 메탈시트는,

상기 회로기판에 평행하게 연장되는 수평 연장부; 및

상기 수평 연장부의 끝단으로부터 수직으로 절곡되어 상기 수평 연장부에 평행하게 연장되는 수직 연장부를 포함하여 구성되는 내장 안테나 장치.
제3항에 있어서,

상기 수직 연장부는 그 끝단이 지지될 수 있도록 고정홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 내장 안테나 장치.
제3항에 있어서,

상기 도전성 메탈시트는 상기 수평 연장부와 수직연장부의 조합에 의하여 결정되는 공진 주파수 대역을 확장시키는 보조 연장부를 더 구비하고, 상기 보조 연장부는,

상기 수평 연장부의 중간에서 상기 수평 연장부에 대하여 일정 각도로 수평하게 분지된 후 절곡되어 상기 수직 연장부에 평행하게 일정 길이로 연장 형성되는 것을 특징으로 하는 내장 안테나 장치.
제5항에 있어서,

상기 도전성 메탈시트는 추가 공진 대역을 제공하는 추가 연장부를 더 구비하고, 상기 추가 연장부는,

상기 급전부 부근으로부터 수평으로 연장된 후 절곡되어 상기 수직 연장부에 평행하게 일정 길이로 연장 형성되는 것을 특징으로 하는 내장 안테나 장치.
제1항에 있어서,

상기 지지부는 유전율(ε_r)이 9~11인 것을 특징으로 하는 내장 안테나 장치.
제1항에 있어서,

상기 급전부는 상기 도전성 메탈 시트에서 제1폭으로 형성된 후 상기 회로기판에 접촉되는 부위는 상기 제1폭보다 작은 제2폭을 갖는 테이퍼 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 내장 안테나 장치.
제1항에 있어서,

상기 지지부는 상기 회로기판에 표면실장(SMT)되는 것을 특징으로 하는 내장 안테나 장치.
제1항에 있어서,

상기 지지부의 상면에는 상기 도전성 메탈시트가 수직방향으로 진입하여 걸림될 수 있도록 걸림홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 내장 안테나 장치.
제1항에 있어서,

상기 지지부에는 수직방향의 돌기가 형성되고, 상기 도전성 메탈시트에는 상기 돌기가 걸림되는 걸림구멍이 형성되는 것을 특징으로 하는 내장 안테나 장치.
단말기 본체 및, 상기 단말기 본체에 내장되는 내장 안테나 장치를 포함하고, 상기 내장 안테나 장치는,

그라운드면이 형성되는 회로기판과, 상기 그라운드면에 대하여 이격되게 배치되는 도전성 메탈시트 및, 상기 도전성 메탈시트의 높이를 일정하게 유지시킬 수 있도록 지지하는 지지부를 포함하여 구성되고,

상기 지지부는 상기 도전성 메탈시트와 회로기판 사이를 전기적으로 연결하는 급전부 부근에 일정 유전율(ε_r)을 갖는 칩(chip) 형태로 형성되어 상기 도전성 메탈시트의 공진 파장을 줄여 주는 것을 특징으로 하는 휴대 단말기.
제12항에 있어서, 상기 급전부는,

상기 회로기판에 장착되는 통신모듈에 연결되는 시그널 급전부; 및

상기 그라운드면에 연결되는 그라운드 급전부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 휴대 단말기.
제12항에 있어서, 상기 도전성 메탈시트는,

상기 회로기판에 평행하게 연장되는 수평 연장부; 및

상기 수평 연장부의 끝단으로부터 수직으로 절곡되어 상기 수평 연장부에 평행하게 연장되는 수직 연장부를 포함하여 구성되는 휴대 단말기.
제14항에 있어서,

상기 수직 연장부는 그 끝단이 지지될 수 있도록 고정홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 휴대 단말기.
제14항에 있어서,

상기 도전성 메탈시트는 상기 수평 연장부와 수직연장부의 조합에 의하여 결정되는 공진 주파수 대역을 확장시키는 보조 연장부를 더 구비하고, 상기 보조 연장부는,

상기 수평 연장부의 중간에서 상기 수평 연장부에 대하여 일정 각도로 수평하게 분지된 후 절곡되어 상기 수직 연장부에 평행하게 일정 길이로 연장 형성되는 것을 특징으로 하는 휴대 단말기.
제16항에 있어서,

상기 도전성 메탈시트는 추가 공진 대역을 제공하는 추가 연장부를 더 구비하고, 상기 추가 연장부는,

상기 급전부 부근으로부터 수평으로 연장된 후 절곡되어 상기 수직 연장부에 평행하게 일정 길이로 연장 형성되는 것을 특징으로 하는 휴대 단말기.
제12항에 있어서,

상기 지지부는 유전율(ε_r)이 9~11인 것을 특징으로 하는 휴대 단말기.
제12항에 있어서,

상기 급전부는 상기 도전성 메탈 시트에서 제1폭으로 형성된 후 상기 회로기판에 접촉되는 부위는 상기 제1폭보다 작은 제2폭을 갖는 테이퍼 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 휴대 단말기.
제12항에 있어서,

상기 지지부는 상기 회로기판에 표면실장(SMT)되는 것을 특징으로 하는 휴대 단말기.
제12항에 있어서,

상기 지지부의 상면에는 상기 도전성 메탈시트가 수직방향으로 진입하여 걸림될 수 있도록 걸림홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 휴대 단말기.
제12항에 있어서,

상기 지지부에는 수직방향의 돌기가 형성되고, 상기 도전성 메탈시트에는 상기 돌기가 걸림되는 걸림구멍이 형성되는 것을 특징으로 하는 휴대 단말기.