KR20070116600A - 전자기성 쉴드 카운터포이즈를 갖는 패치 안테나 - Google Patents

전자기성 쉴드 카운터포이즈를 갖는 패치 안테나 Download PDF

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KR20070116600A
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조지 파브레가-산체스
시드니 시타히트
앤드류 스테판 포이노트
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키오세라 와이어리스 코포레이션
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Abstract

패치 안테나는 인쇄 회로 기판(108)의 하나의 측 상에 위치하는 방사 소자(104)와 상기 인쇄 회로 기판의 반대편 측 상에 위치하는 전자기성 쉴드(106)를 포함한다. 상기 전자기성 쉴드는 카운터포이즈의 부분, 또는 전체를 형성하며, 하나 이상의 위치에서, 상기 PCB의 접지로 연결된다. 휴대용 통신 장치의 크기가 최소화되면서, 안테나를 휴대용 통신 장치 내에 위치시킴에 있어 설계 유연성이 최대화된다.

Description

전자기성 쉴드 카운터포이즈를 갖는 패치 안테나{PATCH ANTENNA WITH ELECTROMAGNETIC SHIELD COUNTERPOISE}
본 발명은 일반적으로 안테나에 관한 것이며, 더 세부적으로 전자기성 쉴드 카운터포이즈를 갖는 패치 안테나에 관한 것이다.
전자기성 신호가 안테나를 통해 송신 및 수신된다. 특정 장치에 대한 안테나의 선택, 또는 설계는 다양한 요인, 가령 신호 주파수, 최소 안테나 성능 및 가용 공간에 따라서 달라질 수 있다. 모바일 무선 장치에서, 안테나의 크기와 위치는 안테나의 성능에 대한 중요한 고려사항이다. 종래의 모바일 장치는 내장형 패치 안테나, 가령 방사 소자가 인쇄 회로 기판(PCB)의 전도성 접지 층에 의해 형성된 접지 평면에 평행하게 위치하는 평판형 역"F"자 안테나(PIFA)를 사용한다. 상기 방사 소자는 PCB의 전도성 층 내에서 인쇄될거나, 상기 PCB의 접지 층 가까이에 부착된 별도의 구성요소 상에서 형성될 수 있다. 종래의 패치 안테나 설계는 제한적이다, 왜냐하면, 상기 PCB의 접지 평면의 위치뿐 아니라, 모바일 장치 설계의 기계적 제약사항이 방사 소자의 잠재적인 위치와 자세를 제한하기 때문이다. 패치 안테나의 성능 특성, 가령 대역폭과 효율도는 접지 평면과 방사 소자 사이의 공간에 따라 밀접하게 좌우된다. 따라서 종래의 모바일 장치의 PCB에서의 위치 및 자세가 방사 소자 의 잠재적인 위치를 제한하며, 종종 필요 이상으로 모바일 통신 장치의 크기가 더 커지게 된다.
따라서 휴대용 통신 장치 내에서 안테나 위치의 유연성을 최대로 하고, 모바일 통신 장치의 소형 설계를 촉진시키는 패치 안테나에 대한 요구가 존재한다.
패치 안테나는 인쇄 회로 기판(108)의 하나의 측 상에 위치하는 방사 소자(104)와 상기 인쇄 회로 기판의 반대편 측 상에 위치하는 전자기성 쉴드(106)를 포함한다. 상기 전자기성 쉴드는 카운터포이즈의 부분, 또는 전체를 형성하며, 하나 이상의 위치에서, 상기 PCB의 접지로 연결된다. 휴대용 통신 장치의 크기가 최소화되면서, 안테나를 휴대용 통신 장치 내에 위치시킴에 있어 설계 유연성이 최대화된다.
도 1은 본 발명의 한 가지 바람직한 실시예에 따르는 패치 안테나 장치의 블록 다이어그램이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따르는, 모바일 통신 장치 조립체의 측면도를 나타난다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따르는, 모바일 통신 장치 조립체의 저면도를 나타난다.
도 4는 전자기성 쉴드가 장방형의 금속 쉴드인 모바일 통신 장치 조립체의 투시도이다.
본 발명의 한 가지 바람직한 실시예에 따르면, 패치 안테나는 인쇄 회로 기판의 하나의 평면 측 상에 위치하는 방사 소자(radiating element)와, 상기 인쇄 회로 기판의 반대편 평면 측 상에 위치하는 전자기성 쉴드(electromagnetic shield)를 포함한다. 상기 전자기성 쉴드는 안테나의 카운터포이즈(counterpoise)의 부분, 또는 전체를 형성하며, 이는 하나 이상의 위치에서 상기 PCB의 접지로 연결된다. 바람직한 패치 안테나 장치가 모바일 통신 장치의 크기를 최소화하면서, 모바일 통신 장치 내의 안테나 위치의 유연성(flexibility)을 최대화한다.
도 1은 본 발명의 하나의 예시적 실시예에 따르는, 모바일 통신 장치 조립체(100) 내의 패치 안테나(102)의 측면도의 블록다이어그램이다. 도 1의 블록은 예시적인 관련 구성을 제공하는 것이지, 이러한 도시된 구성요소의 관련 크기, 또는 자세가 필수적인 것은 아니다. 상기 패치 안테나(102)는 방사 소자(104)와, 전자기성 실드(106)에 의해 부분적으로, 또는 전체적으로 형성되는 카운터포이즈를 포함한다. 바람직한 실시예에서, 상기 패치 안테나(102)는 셀방식 전화기, 또는 무선 PDA 등의 모바일 통신 장치의 인쇄 회로 기판(108)과 일체형으로 구성된다. 그러나 일부 환경에서, 상기 패치 안테나(102)는 그 밖의 다른 장치와 통합 구성될 수 있거나, 모바일 통신 장치에 연결가능한 분리된 구성요소로서 형성될 수 있다. 상기 패치 안테나(102)는 하나 이상의 주파수 대역폭에서 동작하도록 구성된다. 바람직한 실시예에서, 상기 패치 안테나(102)는 824 - 894㎒ 주파수 대역(U.S. 셀방식)과, 1850 - 1990㎒(U.S. PCS)와, 1575㎒ 주파수 대역(GPS)에서 동작하도록 최적화 된 다중 대역 평판형 역“F”자 안테나(PIFA)이다.
패치 안테나(102)의 방사 소자(104)는 인쇄 회로 기판(PCB)(108)의 하나의 측에 위치하고, 전자기성 쉴드(106)는 PCB(108)의 반대편 측에 위치한다. 상기 전자기성 쉴드(106)는 PCB(108)의 접지(110)로 연결되며, 패치 안테나(102)에 대한 카운터포이즈(접지 평면)의 부분, 또는 전체를 형성한다. 바람직한 실시예에서, 상기 패치 안테나(102)의 카운터포이즈는 전자기성 쉴드(106)와 상기 PCB(108)의 접지(110)의 조합에 의해 형성된다. 특정 설계상 제약사항과, 동작 주파수와, 요망 성능에 따라서, 상기 전자기성 쉴드(106)는 몇 가지 전기 전도성 물질 중 임의의 것으로부터 형성될 수 있으며, 몇 가지 형태와 크기를 가질 수 있다. 추후 상세히 설명될 바와 같이, 전자기성 쉴드(106)의 크기는 패치 안테나(102)에 대한 접지 평면의 요망 자세에 따라서, 선택된다.
앞서 언급된 바와 같이, 상기 전자기성 쉴드(106)가 PCB(108)의 접지(110)로 연결된다. 바람직한 실시예에서, 상기 전자기성 쉴드(016)의 부분, 또는 전체가 PCB(108)의 접지 층에 납땜된다. 일부 환경에서는, 그 밖의 다른 기법을 이용하여, 상기 전자기성 쉴드(106)가 연결될 수 있다. 예를 들어, 상기 전자기성 휠드(106)가 다음에서 설명되는 바와 같이 하나 이상의 접지 비아로 납땜될 수 있다.
방사 소자(104)는 전기 신호로 적정하게 여기될 때, 카운터포이즈(접지 평면)와 함께 동작되는, 전자기성 에너지를 방사하기에 적합한 임의의 전도성 스트립, 또는 플레이트, 또는 시트(sheet), 또는 장치이다. 추후 설명될 바와 같이, 바람직한 실시예에서의 방사 소자(104)는 스탬핑 처리된 소자, 피드 핀(feed pin), 접지 핀, 지지 프레임을 포함하는 개별적인 PIFA 방사 소자이다. 바람직한 실시예에서, 플라스틱 클립 장치 등의 부착 수단을 이용하여, 개별적인 PIFA 방사 소자의 프레임이 PCB(108)에 고정된다. 그러나 상기 방사 소자(104)는 특정 종류의 방사 소자의 설계에 따라서 다양한 방식으로 상기 PCB(108)에 고정될 수 있다. 예를 들어, 방사 소자(104)는 식각되거나, 상기 PCB(108)의 전도성 층 내로 형성될 수 있다. 또한 일부 환경에서, 둘 이상의 소자와 기생 소자(parasitic element) 중 하나 이상에 의해 상기 방사 소자는 형성될 수 있다. 상기 방사 소자(104)가 개별적인 방사 소자인 경우, 상기 방사 소자(104)를 PCB(108)로 연결하기에 적합한 유연한 탭(tab), 또는 핀, 또는 그 밖의 다른 수단이 사용될 수 있다. 일부 환경에서, 상기 방사 소자(104)는 PCB(108)의 구리 트레이스, 또는 층으로 납땜될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 피드 및 접지 커넥터가 상기 방사 소자 피드 및 접지 핀을 모바일 통신 장치 조립체(100)의 적정한 회로 연결로 전기-연결한다.
상기 모바일 통신 장치 조립체(100)는, 모바일 통신 장치의 회로를 형성하기 위해 상기 PCB(108) 상에서 배열되고 상호연결되는 전기 부품(112)을 포함한다. 상기 패치 안테나(102)는 구리 트레이스, 또는 와이어, 또는 전기 부품, 또는 커넥터를 통해 하나 이상의 회로로 연결된다. PCB(108) 상의 구리 트레이스가 안테나 회로를 커넥터로 연결하며, 상기 커넥터는 방사 소자(104)의 피드 핀 및 접지 핀과 연계된다.
바람직한 실시예에서, 상기 PCB(108)는 방사 소자(104)와 전자기성 쉴드(106) 사이의 오프닝(opening, 114)을 포함한다. 그러나 일부 환경에서는, 상기 방사 소자(104)와 전자기성 쉴드(106) 사이의 영역이 PCB(108)의 유전 물질을 부분적으로, 또는 전체적으로 포함할 수 있다. 따라서 바람직한 실시예에서의 방사 소자(104)가 전자기성 쉴드(106)의 부분, 또는 전체를 노출시키는 PCB 오프닝(114) 위에서 부분적으로, 또는 전체적으로 위치한다.
도 2는 측면에서 바라본 본 발명의 바람직한 실시예에 따르는 모바일 통신 장치 조립체(100)의 기계적인 개략적 표현이며, 도 3은 아래에서 바라본 본 발명의 바람직한 실시예에 따르는 모바일 통신 장치 조립체(100)의 기계적인 개략적 표현이다. 명료성을 위해, 모바일 통신 장치 조립체(100)의 다양한 세부사항이 도 2와 도 3에서는 생략되었다. 도 2 및 도 3에서의 개괄적인 도시에 의해 나타난 부품과 소자들은 다른 부품과 장치에 적용된다. 예를 들어, 회로 부품이 도 2와 도 3의 사각 블록(112)으로서 도시될지라도, 전기 부품은 임의의 다양한 형태와 크기를 가질 수 있다. 해당업계 종사자라면 개괄적인 도시에 의해 표현된 다양한 부품을 쉽게 인식할 것이다.
바람직한 실시예에서 접지 평면으로부터 적정한 간격에서 위치할 때, 방사 소자(104)는 다중대역 PIFA 패치 안테나(102)를 생성하는 패턴으로 배열된 구리 시트(204)를 지지하는 플라스틱 프레임(206)을 포함하는 개별 장치이다. 그러나 앞서 언급된 바와 같이, 상기 방사 소자(204)는 몇 가지 안테나 설계 중 임의의 방사 소자일 수 있으며, 일부 환경에서는 PCB(108)의 전도성 층 내에 형성될 수 있다.
바람직한 실시예의 부착 수단(208)은 PCB(108) 상으로 스냅(snap) 고정되는 둘 이상의 플라스틱 탭을 포함한다. 피드 핀(210)은 PCB(108)상에서 안테나 회로 연결되는 피드 안테나 커넥터와 연계된다. 접지 핀은 PCB(108)의 접지(110)로 연결되는 접지 커넥터와 연계된다.
전자기장 쉴드(106)는 전도성 물질, 가령 구리, 스틸, 전도성 플라스틱, 플레이트형 플라스틱, 또는 전도성 페인트가 도포된 플라스틱의 접힌 시트이다. 전자기성 쉴드(106)를 형성하기 위해 사용되는 물질의 선택과 제조 기법은 특정 구현예, 비용 고려사항, 그 밖의 다른 요인에 따라 좌우된다. 전자기성 쉴드(106)의 적합한 구조의 예로는, 안테나 성능 저하를 초래하는 변형을 최소화하기 위한 적정히 견고한 구조가 있다. 상기 바람직한 전자기성 쉴드(106)는 시트 금속 스탬핑 공정을 이용하여, 냉간 압연된 스틸(1010-1008 시리즈)의 0.2㎜ 두께(38게이지) 시트로부터 형성된다. 전자기성 쉴드(106)의 형태를 정하기 위한 적합한 기법의 예로는 프레스 성형(forming press)을 사용하는 것이 있다. 예시적 실시예에서, 상기 전자기성 쉴드(106)는 주석으로 도금되어, 납땜 속성을 개선할 수 있다. 상기 전자기성 쉴드(106)의 높이는 방사 소자(104)와 접지 평면 사이의 바람직한 이격간격을 토대로 결정된다. 상기 바람직한 이격간격은 패치 안테나(102)의 특정 구현예에 따라서, 종래의 안테나 설계 기법에 따라서 결정된다.
전자기성 쉴드(106)의 부분, 또는 전체는 PCB(108)의 접지(110)로 연결된다. 바람직한 실시예에서, 4개의 등변 에지 중 하나의 부분이 PCB(108)의 상단 전도성 접지 평면으로 납땜된다. 전자기성 쉴드(106)를 납땜하기 위한 적합한 기법으로는 전자기성 쉴드(106)의 에지와 상기 PCB(108) 사이에 납땜 페이스트(solder paste)를 제공하는 것과, 리플로우 오븐(reflow oven)에서 조립체를 적정한 온도로 노출 시키는 것이 있다. 바람직한 실시예에서, 상기 전자기성 쉴드(106)는 상기 PCB(108) 상에 패드(pad)를 납땜하기 위해 납땜되는 올바른 각도에서 피트(feet)를 갖는 하나 이상의 레그(leg)를 포함한다. 상기 피트(feet)는 PCB(108)에 평행이며, 납땜 패드로 납땜 페이스트를 이용하여 고정되며, 상기 납땜 패드는 리플로우 납땜 공정 동안 전자기성 쉴드(106)가 상기 PCB(108) 상에 위치할 수 있게 해준다. 추가적인 구조적 무결성을 위해, 상기 전자기성 쉴드(106)의 둘 이상의 측이 PCB(108)로 연결될 수 있다. 예를 들어, 장방형의 쉴드의 2개의 측, 3개의 측, 또는 4개의 측 모두가 접지(110)로 납땜될 수 있다. 일부 경우에서, 전자기성 쉴드(106)의 둘 이상의 측을 접지로 납땜하는 것은 안테나 성능을 저하시킬 수 있다. 덧붙여, 전자기성 쉴드(106)를 PCB(108)의 접지로 연결하기 위해, 그 밖의 다른 기법이 사용될 수 있다. 예를 들어, 일부 환경에서, 하나 이상의 전도성 받침대(pillow), 또는 개스킷(gasket)을 이용하여 연결이 이뤄질 수 있다.
도 4는 전자기성 쉴드(106)가 장방형의 금속 쉴드인 바람직한 모바일 통신 장치 조립체(400)의 투시도이다. 바람직한 전자기성 쉴드(106)는 4개의 등변 측부를 포함하며, 이때 상기 측부 중 두 개 의 부분(406)은 PCB(108)의 접지(110)로 납땜된다. 상기 접지(110)는 전자기성 쉴드(106)가 연결되는 PCB(108)의 측부 상에서 형성되는 전도성 접지 층(402)을 포함한다. 접지 비아(404)는 그 밖의 다른 접지 층을 전도성 접지 층(404)으로 연결한다. 일부 환경에서, 상기 접지 비아(404)는 제거될 수 있다. 덧붙여, 상기 전자기성 쉴드(106)는 PCB 접지(110)의 접지 비아(404)로 직접 연결될 수 있다. 바람직한 전자기성 쉴드(106)가 장방형이지만, 쉴 드(06)가 임의의 개수의 측부를 가질 수 있고 비대칭형일 수 있는 그 밖의 다른 형태와 구성이 사용될 수 있다. 예를 들어, 쉴드(106)는 타원형, 원형, 삼각형, 사각형, 육각형일 수 있으며, 하나 이상의 측에서 노치(notch), 그루브(groove), 오목부, 또는 그 밖의 다른 불연속적인 부분을 포함할 수 있다.
따라서 상기 방사 소자(104)와 전자기성 쉴드(106)가 방사 소자(104)가 상기 PCB(108)의 제 1 측부 상에 위치하고, 전자기성 쉴드(106)가 그 반대편 측부에 부착되는 패치 안테나(102)를 포함한다. PCB(108)의 오프닝(114)이 손실을 최소화한다. 전자기성 쉴드(106)의 단일 측이 PCB(108)의 접지(110)로 연결될 수 있지만, 일부 환경에서, 다수의 측부가 전도성 접지 평면(402)으로 납땜될 수 있다. 상기 전자기성 쉴드(106)에 의해, 바람직한 안테나(102)의 접지 평면이 PCB(108)의 평면으로부터 이격되거나 PCB(108)의 표면으로부터 이격될 수 있다. 종래의 안테나와 비교될 때, 모바일 통신 장치의 다양한 부품에 대하여 패치 안테나(102)를 위치시킴에 있어, 추가적인 유연성이 제공된다. 예를 들어, 패치 안테나(102)가 모바일 통신 장치의 하우징 내부의 중심에 위치할 수 있기 때문에, 상기 모바일 통신 장치의 하우징의 두께는 감소될 수 있다.

Claims (20)

  1. 패치 안테나(patch antenna)에 있어서, 상기 패치 안테나는
    인쇄 회로 기판의 제 1 측 상에 위치하는 방사 소자(radiating element), 그리고
    상기 인새 회로 기판의 반대 측 상에 위치하고, 상기 패치 안테나의 카운터포이즈(counterpoise)의 부분, 또는 전체를 형성하는 전자기성 쉴드(electromagnetic shield)
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 패치 안테나.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 안테나의 카운터포이즈는 전자기성 쉴드와, 인쇄 회로 기판의 접지를 포함하는 것을 특징으로 하는 패치 안테나.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 방사 소자는 상기 전자기성 쉴드의 부분, 또는 전체를 노출시키는 상기 인쇄 회로 기판의 오프닝(opening) 위에서 부분적으로, 또는 전체적으로 위치하는 것을 특징으로 하는 패치 안테나.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 방사 소자 및 전자기성 쉴드는 평판형 역F자 안테나(PIFA)를 부분적으로, 또는 전체적으로 형성하는 것을 특징으로 하는 패치 안테나.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 전자기성 쉴드는 상기 인쇄 회로 기판의 접지로 납땜되는 것을 특징으로 하는 패치 안테나.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 전자기성 쉴드는 4개의 측부를 가지며, 상기 측부들 중 하나 이상의 측부의 부분, 또는 전체를 따라서 접지로 납땜되는 것을 특징으로 하는 패치 안테나.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 전자기성 쉴드는 상기 측부들 중 단지 하나의 측부의 부분, 또는 전체를 따라서 접지로 납땜되는 것을 특징으로 하는 패치 안테나.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 전자기성 쉴드는, 상기 인쇄 회로 기판의 반대편 표면으로부터 이격되어 있는 상단 표면을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 패치 안테나.
  9. 패치 안테나에 있어서, 상기 패치 안테나는
    제 1 측과 제 2 측을 갖는 인쇄 회로 기판,
    상기 인쇄 회로 기판의 제 1 측으로 연결되고 상기 인쇄 회로 기판의 하나의 오프닝(opening)의 위에 부분적으로, 또는 전체적으로 위치하는 평면 방사 소자(radiating element), 그리고
    상기 인쇄 회로 기판의 제 2 측으로 연결되며, 상기 오프닝 아래에서 부분적으로, 또는 전체적으로 위치하는 전자기성 쉴드(electromagnetic shield)로서, 상기 패치 안테나의 카운터포이즈(counterpoise)의 부분, 또는 전체를 형성하는 상기 전자기성 쉴드(electromagnetic shield)
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 패치 안테나.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 전자기성 쉴드는 4개의 측부를 가지며, 하나의 측부의 부분, 또는 전체가 상기 인쇄 회로 기판의 전도성 접지 층으로 납땜되는 것을 특징으로 하는 패치 안테나.
  11. 제 10 항에 있어서, 단 하나의 측부의 부분, 또는 전체가 상기 전도성 접지 층으로 납땜되는 것을 특징으로 하는 패치 안테나.
  12. 제 10 항에 있어서, 둘 이상의 측부의 부분, 또는 전체가 상기 전도성 접지 층으로 납땜되는 것을 특징으로 하는 패치 안테나.
  13. 제 12 항에 있어서, 셋 이상의 측부의 부분, 또는 전체가 상기 전도성 접지 층으로 납땜되는 것을 특징으로 하는 패치 안테나.
  14. 제 9 항에 있어서, 상기 전자기성 쉴드는 상기 인쇄 회로 기판의 반대쪽 표 면으로부터 이격된 상단 표면을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 패치 안테나.
  15. 제 9 항에 있어서, 상기 방사 소자와 전자기성 쉴드는 평판형 역F자 안테나(PIFA)를 부분적으로, 또는 전체적으로 형성하는 것을 특징으로 하는 패치 안테나.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 PIFA는 다중대역 PIFA인 것을 특징으로 하는 패치 안테나.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 PIFA는 824 내지 894㎒의 주파수 대역과, 1850 내지 1990㎒의 주파수 대역과, 1575㎒의 주파수 대역에서 동작하도록 최적화되는 것을 특징으로 하는 패치 안테나.
  18. 모바일 통신 장치 조립체에 있어서, 상기 모바일 통신 장치 조립체는
    제 1 측 및 제 2 측을 갖는 인쇄 회로 기판,
    상기 인쇄 회로 기판으로 장착되는 다수의 전기 부품,
    상기 인쇄 회로 기판의 제 1 측으로 연결되고 상기 인쇄 회로 기판의 오프닝(opening) 위에서 부분적으로, 또는 전체적으로 위치하는 평면 방사 소자(radiating element), 그리고
    상기 인쇄 회로 기판의 제 2 측으로 연결되고, 상기 오프닝 아래에서 부분적 으로, 또는 전체적으로 위치하는 전자기성 쉴드(electromagnetic shield)
    를 포함하며, 이때 상기 평면 방사 소자와 상기 전자기성 쉴드가 패치 안테나의 부분, 또는 전체를 형성하는 것을 특징으로 하는 모바일 통신 장치 조립체.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 전자기성 쉴드는 4개의 측부를 가지며, 하나의 측부의 부분, 또는 전체가 상기 인쇄 회로 기판의 전도성 접지 층으로 납땜되는 것을 특징으로 하는 모바일 통신 장치 조립체.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 전자기성 쉴드의 둘 이상의 측부 각각의 부분, 또는 전체가 상기 전도성 접지 층으로 납땜되는 것을 특징으로 하는 모바일 통신 장치 조립체.
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