KR20040088576A - 마이크로파 안테나 - Google Patents
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Abstract
마이크로파 안테나는 기판(11), 적어도 하나의 공진 금속화 구조체(1) 및 복사될 HF 전력을 커플링하기 위한 적어도 하나의 제 1 및 제 2 공급 지점(3,4,6,7)을 구비하며, 특히 인쇄회로기판(20) 상의 표면 실장에 적합하다. 상기 공급 지점들은 인쇄회로기판(20) 상의 안테나(10)의 다른 위치들에 대해서, 안테나(10)의 전기 특성이 적어도 실질적으로 변화되지 않는 각 경우에 공급 지점을 선택할 수 있도록 배열된다.
Description
이동 통신에서, 마이크로파 범위의 전자기파가 정보 전송을 위하여 사용된다. 이러한 보기들은 890 내지 960MHz(GSM900) 주파수 범위, 1710 내지 1880MHz(GSM 1800 또는 DCS) 주파수 범위와 1850 내지 1990MHz(GSM1900 또는 PCS) 주파수 범위의 GSM 이동 전화기 표준규격들과, UMTS 대역(1885 내지 2200MHz), 1880 내지 1990MHz 주파수 범위의 무선코드 전화기를 위한 DECT 표준규격 및 2400 내지 2480MHz의 주파수 범위의 블루투쓰 표준규격(Bluetooth standard)이며, 상기 블루투쓰 표준규격의 목적은 예를 들어, 이동 전화기 및 컴퓨터, 다른 이동 전화기 등과 같은 다른 전자 장치 사이에서 데이터가 교환될 수 있게 하는 것이다.
이 경우의 안테나들은 전자기 공진을 세팅함으로써 전자기 에너지를 복사한다. 이것은 안테나의 길이가 방출되는 복사 에너지의 제 4 파장과 적어도 동일한 것을 필요로 한다. 공기를 유전체로 하면(εr= 1), 1000MHz의 주파수에 필요한 안테나의 길이는 그에 따라서, 75mm이다.
방출된 복사에너지에 대하여 주어진 파장에서 안테나의 크기를 최소로 줄일기 위하여, 유전체 상수 εr>1를 갖는 유전체가 안테나를 위한 기본 빌딩 블록(basic building block)으로 사용될 수 있다. 이것은 복사에너지의 파장이의 계수(factor)에 의해서 유전체에서 감소되도록 유발한다. 상기 종류의 유전체에 기초하여 설계된 안테나의 크기는 그에 따라서 상기 동일 요소 만큼 더 작아진다.
이러한 종류의 안테나는 유전체 재질의 블록(기판)을 포함한다. 원하는 주파수 대역 또는 대역들로 표시된 상기 기판의 표면들에 하나 이상의 공진 금속화 구조체들이 적용된다. 공진 주파수의 값들은 기판의 유전체 상수의 값과 인쇄된 금속화 구조체의 크기에 따라서 좌우된다. 금속화 구조체의 길이가 증가하고 유전체 상수의 값들이 커짐에 따라서, 각 공진 주파수의 값들이 작아진다. 이러한 종류의 안테나는 인쇄 와이어 안테나(PWA) 또는 유전체 블록 안테나(DBA)로 기술되고 예를 들어, 독일 특허 제 100 49 844.2호와 제 100 49 845.0호에 기재되어 있다.
상기 안테나의 특수한 장점은 필요한 다른 부품들과 함께 전자기 전력에 공급할 필요가 있는 어떤 추가 설치물(핀들)없이도, 표면 실장 즉, 인쇄회로기판에 편평하게 납땜되고 동일 방식으로 접촉시킴으로써, 인쇄회로기판에 직접 설치될 수있다는 것이다.
그러나, 상기 안테나에 대한 단점은 그 전기 특성들이 예를 들어, 주위 플라스틱 하우징의 특성과 상기 주위 플라스틱 하우징들이 안테나로부터 이격된 거리와 같은 그 주위의 특성에 의해서 영향을 받으며, 안테나가 인쇄회로기판에 납땜되는 위치에 따라서 좌우된다는 것이다. 만약, 예를 들어, 안테나가 인쇄회로기판의 우측 상부 모서리에 설치되도록 크기 설정된다면, 안테나를 임의의 장소에 설치할 때, 중심 주파수 변위와 같은 입력 특성에 주요 변화를 유발하고, 이것은 복사 에너지 특성에서 변화를 일으킨다.
본 발명은 특히, 인쇄회로기판(PCB) 상에 표면 실장하기 위한 적어도 하나의 공진 금속화 구조체와 기판을 구비한 마이크로파 안테나에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 그와 같은 종류의 인쇄회로기판과 상기 마이크로파 안테나를 구비한 이동 통신장치에 관한 것이다.
도 1은 안테나의 제 1 실시예의 도해적인 평면도.
도 2는 본 발명에 따라서 다른 지점에서 안테나를 갖는 인쇄회로기판의 도해적인 도면.
도 3은 안테나의 제 1 실시예의 S11변수에 대한 그래프.
도 4는 안테나의 제 2 실시예의 도해적인 평면도.
도 5는 안테나의 제 2 실시예의 S11변수에 대한 그래프.
따라서, 본 발명의 목적은 그 전기 특성이 적어도 대략 지점, 특히 안테나가 인쇄회로기판 상에 설치되는 모서리와는 무관한 마이크로파 안테나를 제공하는 것이다.
본 발명의 의도는 그 전기 특성이 적어도 대략 자연과는 무관하고 주위 하우징에서 이격된 마이크로파 안테나를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 의도는 서두에 기재도니 이동 통신용 주파수 범위에 대하여, 이중-대역(dual-band) 또는 다중대역 안테나로 사용하기에 적합한 상기 종류의 마이크로파 안테나를 제공하는 것이다.
최종적인 본 발명의 의도는 그 제조비용이 비교가능한 공지된 마이크로파 안테나 보다 상당히 낮은 상기 종류의 마이크로파 안테나를 제공하는 것이다.
상기 목적은 청구항 1에 기재된 바와 같이, 기판, 적어도 하나의 공진 금속화 구조체 및 복사될 HF 전력을 커플링하기 위한 적어도 하나의 제 1 및 제 2 공급 지점들을 구비하는 마이크로파 안테나에 의해서 달성되며, 상기 마이크로파 안테나에서, 상기 공급 지점들은 인쇄회로기판 상의 안테나의 다른 위치들에 대해서, 안테나의 전기 특성이 적어도 실질적으로 변화되지 않는 각 경우에 공급 지점을 선택할 수 있도록 배열된다.
본 목적을 달성하는 상기 방식의 특수한 장점은 서두에 기재된 모든 주파수 범위에 대해서 안테나에 적용될 수 있고 또한 이중-대역 및 다중 대역 안테나에도 적용될 수 있다는 것이다.
종속 청구항은 본 발명의 다른 실시예에 관한 것이다.
청구항 2, 3 및 4에 기재된 다른 실시예로써, 특히 크게 안테나 위치가 변화되어도 안테나의 전기 특성이 불변의 상태를 유지할 수 있다.
청구항 5에 기재된 다른 실시예의 장점은 비록 설치 상태에서도 그 공진 주파수에 대해서 안테나가 조절될 수 있다는 것이다. 이것은 비록 금속화 구조체가 관련된 인쇄회로기판 상에 놓여지고 일단 안테나가 설치되면 더 이상 공급할 수 없는 경우에도 특히 청구항 7의 다른 실시예에 적용될 수 있다.
청구항 7에 기재된 다른 실시예는 금속화 구조체를 제공하기 위하여 기판이 단지 일측면 상에만 인쇄되어야 하기 때문에, 제조과정에서 상당한 비용이 절감되는 장점을 가진다. 핀들을 공급하지 않는 경우일 때에만, 단지 납땜 지점들만이 금속화 구조체들과 접촉하는 것을 필요로 하기 때문에, 금속화 구조체를 유지하는기판의 주요면이 인쇄회로기판 상에 놓여지는 방식으로 안테나가 인쇄회로기판에 설치된다면, 다른 비용 절감도 얻을 수 있다.
마지막으로, 청구항 6과 청구항 8에 기재된 다른 실시예로써, 공진 주파수의 규정에 대해서, 서두에 기재된 주파수 범위에서 특히 양호한 안테나 특성을 달성할 수 있다.
본 발명의 상기 목적 및 다른 관점들은 아래 실시예에서 명백하게 나타날 것이다.
그 기본형에 관한한, 기술된 안테나(10)는 적어도 하나의 공진 금속화 구조체(1)가 기판(11)에 적용되는 소위 유전체 블록 안테나(DBA) 또는 인쇄 와이어 안테나(PWA)이다. 그러므로, 문제시되는 안테나는 원칙적으로 와이어 안테나이고, 이 와이어 안테나는 마이크로스트립 라인 안테나(microstrip line antennas)와는 다르게, 기준 전위를 형성하기 위하여, 기판(11)의 후면 상에 금속 영역을 갖지 않는다.
하기에 기술된 실시예는 그 높이가 계수에 의해서 3 내지 10 만큼 그 길이 또는 폭 보다 작은 실질적인 평행 6면체형의 블록 형태의 기판(11)을 가진다. 이것에 기초하여, 도 1과 도 4에 도시된 도면에서 상부면인 기판(11)의 (큰) 면은 하기 설명에서 상부 주요면으로 기술되고, 인쇄회로기판(20) 상에 놓여지는 면은 하부 주요면으로 기술되고 그에 직각으로 배향되는 면들은 측면으로 기술된다.
그러나, 예를 들어, 나선형 경로를 추종하는 대응 공진 금속화 구조체가 적용되는, 예를 들어, 원통형과 같은 우측 평행 육면체형이 아닌 다른 기하학적 형태가 기판에 대해서 선택될 수 있다.
기판들은 중합체 매트릭스에 세라믹 분말을 끼워 넣음으로써 제조되고 εr> 1의 유전체 상수 및/또는 μr>1의 상대 투과율을 가진다.
정확하게는, 도 1에 도시된 안테나(10)의 제 1 실시예는 약 10.5mm의 길이와, 약 2.4mm의 폭과 1mm의 높이를 갖는 평행 6면체형 유전체 기판(11)을 포함한다. 기판 재질은 약 21.5의 유전체 상수εr를 가진다.
기판(11)의 하부 주요면에는 제 1 연결 지점(납땜 지점;2)을 통해서 접지 전위에 접속되는 제 1 공진 금속화 구조체(1)가 적용된다. 공진 금속화 구조체(1)는인쇄 도체 형태의 하나 이상의 개별 금속화에 의해서 형성될 수 있고 필요하다면, 비록 다른 폭으로도 형성될 수 있다. 도시된 제 1 실시예에서, 기판의 전체 길이에 대해서 실질적인 미로형 구성으로 연장되고의 전기 유효 길이 L'를 가지며, 여기서 L은 자유 공간의 신호 파장이다. 금속화 구조체의 크기는 안테나가 그 길이가 전자기 전력을 복사하도록 고안된 약 절반의 파장과 동일하도록 구성된다. 만약, 예를 들어, 안테나가 2400과 2483.5MHz 사이의 주파수 범위에서 작동하는 블루투쓰 표준규격으로 작동한다면, 자유 공간에서 약 12.5cm의 파장 L을 제공한다. 기판에 대해서 21.5의 유전체 상수 εr, 절반 파장 0.5 L' 및 그에 따라서 공진 금속화 구조체(1)에 대해서 필요한 기하학적 길이는 약 13.48mm로 짧아진다.
공진 금속화 구조체(1)는 기판(11)에 끼워넣어질 수 있다.
기판(11)의 하부 주요면 상에는, 공진 금속화 구조체(1) 이외에도, 복사될 HF 전력의 용량성 공급(capacitive infeed)을 위한 공급 지점(3,4)으로 사용되는 적어도 두 개의 다른 금속화 구조체가 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 상기 지점들은 제 1 공급 지점(3)과 제 2 공급 지점(4)이 있으며, 이들 지점은 기판(11)의 하부 주요면의 대향 에지에서 제 1 연결 지점(2)의 영역에서 기판(11)의 종축선에 대칭으로 배열된다. 제조 관련 이유들에 대해서, 공급 지점(3,4)은 양호하게는, 기판(11)의 에지로부터 약 200㎛ 이격된다. 제 1 연결 지점(2)과 같이, 공급 지점(3,4)은 인쇄회로기판(20)의 대응 접촉 지점들에 납땜된다.
기판(11)의 일 종방향 단부의 영역에는 3개의 납땜 지점(2,3,4)이 있으므로, 인쇄회로기판(20)이 예를 들어 굽혀지는 경우에 기계적 부하 유지 능력을 개선하고 신뢰성있는 접촉을 보장하기 위하여 다른 납땜 지점(5)이 제공되며, 납땜 지점(5)은 기판(11)의 대향 종방향 단부의 영역에서 기계적인 이유 때문에, 하부 주요면 상에 배열된다.
도 2는 예를 들어, 90×35mm의 이동 통신 장치에 대하여 통상적인 크기인 인쇄회로기판(20)의 도해적인 도면이다. 안테나(10)는 상기 종류의 인쇄회로기판(20)의 4개의 모서리중 하나에 고정된다. 도 2에서, 안테나(10)는 가능한 설치 위치들중 두 위치를 나타내기 위하여, 상부 우측 및 좌측 모서리들의 각각에 제공된다.
또한, 도 2에서 공진 금속화 구조체(1)에 대한 제 1 연결 지점(2)이 각각 제 1 인쇄 도체(21,22)에 (접지 접속) 납땜된다는 것을 알 수 있다. 복사될 HF 전력의 용량성 공급이 각각 제 2 및 제 3 인쇄 도체(23,24)를 통해서 발생한다. 안테나(10)의 전기 특성이 인쇄회로기판(20)의 모서리들중 하나에 위치함으로써 영향을 받지 않는다는 것과, 특수한 경우에 적당한 공급 지점(3,4)이 상기 공급에 대해서 선택된다는 것을 보장하는 것이 중요하다.
도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 안테나(10)가 상부 좌측 모서리에 배치되어서 제 2 인쇄 도체(23)에 납땜되는 경우에, 제 1 공급 지점(3)이 선택되고, 안테나(10)가 상부 우측 모서리에 배치되는 경우에, 제 2 인쇄 도체(24)에 접속된 제 2 공급 지점(4)이 선택된다.
안테나(10)가 도 2의 바닥 좌측 또는 우측 모서리에 배치되는 경우에, 미러 대칭을 제외하면, 동일하게 적용된다.
도 2에 도시된 안테나(10)의 두 위치에 대해서 S11변수의 측정이 행해져서 서로 비교되었다. 상기 측정 결과는 도 3에 도시된다. 파선 I은 인쇄회로기판의 상부 좌측 모서리에 있을 때 안테나(10)의 S11변수에 대한 곡선이고, 안테나(10)를 상부 와측 모서리에 배치할 때, 생성된 S11변수는 실선 Ⅱ으로 표시된다. 두 공진 주파수 사이에 있는 도 2의 약 2MHz의 차이는 두 위치들이 정확하게 증배될 수 없다는 사실에 의해서 발생되었다.
이중-대역 또는 다중대역 안테나를 제조하기 위하여, 둘 이상의 공진 금속화 구조체(1)가 기판(11)에 적용되거나 또는 그 내부에 끼워넣어질 수 있다.
놀랍게도, 안테나(10)에 대한 바람직한 전기 특성을 얻기 위하여, 특히 도시된 미로 형태(또는 어떤 다른 적당한 형태)일 때, 완전한 공진 금속화 구조체(1)가 기판(11)의 주요면들중 하나에만 적용되는 것으로 충분하다는 사실이 발견되었다. 만약, 공급 및 연결 지점(3,4,2)이 상기 주요면 상에 위치하는 경우에, 일반적으로 한면 이상에 대해서 분포되는 공진 금속화 구조체(1)에 적용하기 위하여, 기판(11)이 더 이상 3개의 크기로 인쇄될 필요가 없는 경우, 안테나의 제조 비용이 실질적으로 감소될 수 있다는 중요한 장점을 제공한다.
만약, 추가로 안테나(10)가 금속화 구조체(1,2,3,4)를 운반하는 주요면이 하부 주요면이 되는 방식으로 인쇄회로기판(20) 상에 설치되는 경우에, 금속화 구조체들과 접촉하기 위한 어떤 공급 핀에 대한 필요성이 없다(그러나, 단지 지점들을 납땜만 하면된다).
도 4는 본 발명에 따른 안테나(10)의 제 2 실시예를 도시하며, 부품들은 동일하거나 또는 서로 대응하는 부품들은 도 1과 동일 부호로 식별된다.
상기 안테나(10)도 역시 기판(11)과 공진 금속화 구조체(1)를 구비하며, 상기 공진 금속화 구조체(1)는 도시된 도면에서 하면인 기판(11)의 주요면에 적용된다. 상기 공진 금속화 구조체(1)는 제 1 연결 지점(2)을 통해서 인쇄회로기판(도시생략)의 접지 전위에 한번 다시 접속되고 공급 지점들에 의해서 용량적으로 공급된다. 도 1에 도시된 제 1 실시예와 대응하는 제 1 및 제 2 공급 지점(3,4) 뿐 아니라, 다른 제 3 및 제 4 공급 지점(6,7)이 상기 제 2 실시예에 제공되고, 상기 다른 제 3 및 제 4 공급 지점(6,7)은 기판의 횡방향 축선 주위에서 제 1 및 제 2 공급 지점(3,4)에 각각 대칭으로 배열된다.
상기 안테나(10)는 제 1 연결 지점(2)으로부터 공진 금속화 구조체(1)의 대향 단부에 배열되고 인쇄회로기판(도시생략) 상의 인쇄 도체(9)에 연결되는 제 2 연결 지점(8)을 가진다.
상기 인쇄 도체(9)는 조절 스터브(tuning stub)이고, 공진 금속화 구조체(1)의 공진 주파수가 상기 조절 스터브에 의해서 예를 들어, 그 길이를 레이저 빔으로 감소시킴으로써, 설치 상태의 안테나(10)에서 조절된다. 비록, 기판(11)의 하부 주요면 상의 공진 금속화 구조체(1)가 상기 상태에서 더 이상 공급가능하지 않을지라도, 안테나(10)는 그에 따라서 설치 상태에서 조절될 수 있다.
도 5는 인쇄 도체(9)의 두 다른 길이에 대한 S11변수의 형태로 안테나(10)의 입력 특성을 도시한다. 파선 I은 인쇄 도체(9)가 약 3mm의 길이일 때 S11변수에 대한 곡선을 도시하고, 실선 Ⅱ은 도체(9)가 약 2mm의 길이로 단축된 이후의 곡선을 도시한다. 이것은 상기 곡선들로부터 약 2.4GHz에서 약 2.45GHz으로 변위된 안테나(10)의 공진 주파수에서 실행되었다는 것을 명확하게 알 수 있다.
본 실시예는 4개의 공급 지점(3,4,6,7)의 대칭 구성으로 인하여, 안테나(10)는 필요하다면, 도면의 평면에서 180도 회전한 위치로 인쇄회로기판(20) 상에 설치될 수 있는 장점을 가진다. 대량 제조 시에, 예를 들어, 상기 장점으로 인하여, 안테나(10)가 인쇄회로기판(20) 상에 정확하게 배치되었는 지를 확인하는 시각 검사를 불필요하게 하므로, 시간 및 돈을 절약할 수 있다.
안테나(10)의 배치에 대하여, 제 1 실시예에 대해서 기술하고 또한 도 2에 대해서 기술한 것과 동일하게 적용된다. 이 실시예에서, 사용되지 않은 공급 지점들은 좌측이 연결해제된다.
마지막으로, 이 실시예는 (하부) 주요면의 약 중심에서 실질적인 직선으로 기판(11)의 길이에 대해서 연장되는 다른 금속화 구조체(1)를 가진다. 안테나(10)를 인쇄회로기판(20)에 추가로 기계적으로 고정하기 위하여 한번 다시 사용되는 두 납땜 지점(5)이 금속화 구조체(1)의 길이를 따라서 제공된다.
본 발명에 따른 안테나(10)는 그 크기, 그 금속화 구조체 또는 그 접속부에 대해서는 변경되지 않은 다른 설계의 인쇄회로기판에 사용하기에 적합하다. 특히,서두에 기재된 종류의 다른 주파수 대역에 대한 복수의 공진 금속화 구조체가 있는 경우에, 이것은 이동 통신에 대하여 다른 장치에서 범용으로 사용할 수 있는 용량을 제공한다.
마지막으로, 복수의 금속화 구조체(1)를 가지는 이중-대역 또는 다중 대역 안테나의 경우에, 금속화 구조체(1)의 공진 주파수를 조절하기 위하여 사용된 인쇄 도체(9)는 상기 각 금속화 구조체(1)에 대하여 인쇄회로기판(20) 상에 제공될 수 있다는 것을 주목해야 한다.
물론, 기술된 대칭으로 배열된 공급 지점(3,4,6,7)을 구비하지 않는 기판 안테나 또는 인쇄 도체(9)의 길이를 변화시킴으로써, 적당한 금속화 구조체(1)의 공진 주파수를 조절하도록 사용될 수 있고 연관된 인쇄회로기판(20)에 배열되는 인쇄 도체(9)에 접속되도록, 금속화 구조체(들)이 기판(11)의 복수의 면에 대해서 연장되는 기판 안테나도 가능하다. 상기 종류의 인쇄 도체(9)에 의한 조절능력은 대칭 공급 지점들을 가지는 상기 종류의 안테나 또는 금속화 구조체가 단지 하나의 주요면에 대해서만 연장되는 안테나에 한정되지 않는다.
Claims (10)
- 기판(11), 적어도 하나의 공진 금속화 구조체(1) 및 복사될 HF 전력을 커플링하기 위한 적어도 하나의 제 1 및 제 2 공급 지점(3,4,6,7)을 구비하고,상기 공급 지점들은 인쇄회로기판(20) 상의 안테나(10)의 다른 위치들에 대해서, 안테나(10)의 전기 특성이 적어도 실질적으로 변화되지 않는 각 경우에 공급 지점을 선택할 수 있도록 배열되는 마이크로파 안테나.
- 제 1 항에 있어서, 상기 공급 지점(3,4,6,7)은 기판(11)의 종축선 및/또는 횡축선에 대칭으로, 기판(11)의 주요면의 에지 영역에 배열되는 것을 특징으로 하는 마이크로파 안테나.
- 제 1 항에 있어서, 상기 복사될 HF 전력은 공급 지점(3,4,6,7)을 통해서 적어도 하나의 공진 금속화 구조체(1)로 용량 커플링(capacitively coupled)되는 것을 특징으로 하는 마이크로파 안테나.
- 제 1 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 공진 금속화 구조체(1)는 제 1 연결 지점(2)을 통해서 인쇄회로기판(20)의 접지 전위에 연결되는 것을 특징으로 하는 마이크로파 안테나.
- 제 1 항에 있어서, 적어도 하나의 공진 금속화 구조체(1)는 제 2 연결 지점(8)을 통해서 그 길이가 설치된 안테나(10)의 공진 주파수를 조절하도록 변화될 수 있는 인쇄회로기판(20) 상의 인쇄 도체(9)에 연결되는 것을 특징으로 하는 마이크로파 안테나.
- 제 5 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 연결 지점(2,8)은 적어도 하나의 공진 금속화 구조체(1)의 대향 단부에 위치하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 안테나.
- 제 1 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 공진 금속화 구조체(1)와 공급 및 연결 지점(3,4,6,7)이 기판(11)의 하나의 주요면 상에 위치하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 안테나.
- 제 1 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 공진 금속화 구조체(1)는 실질적으로 미로형 구성(meander-shaped configuration)으로 연장되는 것을 특징으로 하는 마이크로파 안테나.
- 제 1 항 내지 제 8 항중 어느 한 항에 기재된 마이크로파 안테나(10)를 가지는 특히, 전자 부품들의 표면 실장을 위한 인쇄회로기판.
- 제 1 항 내지 제 8 항중 어느 한 항에 기재된 마이크로파 안테나(10)를 가지는 통신 장치.
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