KR20090081162A - 상호 간섭 캐패시턴스와 인덕턴스를 이용한 다중 대역 칩안테나 - Google Patents

Abstract

상호 간섭 캐패시턴스와 인덕턴스를 이용한 다중 대역 칩 안테나가 개시된다. 개시된 안테나는 유전체 블록; 상기 유전체 블록의 제 1면에 형성되는 급전 패턴; 상기 급전 패턴으로부터 연장되는 나선 구조의 매칭 패턴; 상기 매칭 패턴으로부터 연장되며 상기 제1 면에 형성되고, 상기 유전체 블록의 일 측면을 경유하여 상기 제 1면과 대향하는 제 2면에 연장 형성되는 방사 패턴을 포함한다. 개시된 안테나에 의하면, 칩 안테나를 통해 다중 대역 특성을 안정적으로 확보할 수 있는 장점이 있으며, 특히 슬림형 단말기에 효과적으로 적용될 수 있는 장점이 있다.

안테나, 칩, 상호 간섭 캐패시턴스

Description

상호 간섭 캐패시턴스와 인덕턴스를 이용한 다중 대역 칩 안테나{Ultra Wide Band Antenna Using Double Side Radiator}

본 발명은 안테나에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 소형으로 다중 대역에서 사용 가능한 칩 안테나에 관한 것이다.

이동통신용 안테나는 이동통신 중 공중의 RF 신호를 이동통신 단말기의 내부로 수신하거나 내부 신호를 외부로 송신하는 장치로서 이동통신에 필요한 필수 부품 중 하나이다. 안테나 기술은 이동통신용 단말기의 기능과 크기에 다른 영향을 받기 때문에 최근에는 외장형 안테나의 개발 보다는 이동통신용 단말기의 소형화 및 기능의 다변화로 인해 다중 대역에서 송수신이 가능한 소형 내장형 안테나의 개발이 활발히 이루어지고 있다.

Wi-Fi, Wimax, 블루투스, 위성 통신, DMB와 같이 서비스 대역이 상이한 다양한 방식의 통신 서비스들이 제공되고 있으며, 이러한 기능들이 단말기에 구현됨에 따라 다중 대역 안테나의 개발이 필요해졌으며, 디자인을 우선시하는 현대인의 취향에 발맞추기 위해 소형화와 슬림화에 적합한 내장형 안테나가 개발되거나 연구가 진행 중에 있다.

다중 대역을 위한 내장형 안테나로 가장 널리 사용되는 것은 역-F 안테나(Planar Inverted F Antenna)이다. 역-F 안테나는 다른 안테나에 비해 다중 대역 특성을 용이하게 확보할 수 있는 장점은 있으나, 형태상 이동통신 단말기 기판으로부터 일정 거리 이격되어 장착되어야 하는 문제점이 있어 슬림형 단말기에는 적합하지 않은 문제점이 있었다.

이와 같은, 역-F 안테나의 문제점을 해결하기 위해 기판과 이격될 필요가 없는 칩 안테나의 연구가 진행되고 있으며, 다중 대역을 만족하면서 소형화가 가능한 칩 안테나가 요구되고 있다.

본 발명에서는 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해, 다중 대역 특성을 안정적으로 확보할 수 있는 칩 안테나를 제안하고자 한다.

본 발명의 다른 목적은 슬링형 단말기에 적용될 수 있으며 다중 대역을 만족할 수 있는 소형의 칩 안테나를 제안하는 것이다.

본 발명의 다른 목적들은 하기의 실시예를 통해 당업자에 의해 도출될 수 있을 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 유전체 블록; 상기 유전체 블록의 제 1면에 형성되는 급전 패턴; 상기 급전 패턴으로부터 연장되는 나선 구조의 매칭 패턴; 상기 매칭 패턴으로부터 연장되며 상기 제1 면에 형성되고, 상기 유전체 블록의 일 측면을 경유하여 상기 제 1면과 대향하는 제 2면에 연장 형성되는 방사 패턴을 포함하는 상호 간섭 캐패시턴스와 인덕턴스를 이용한 다중 대역 칩 안테나가 제공된다.

상기 제1 면 및 이와 대향하는 제2 면에 형성되는 방사 패턴은 대칭 구조인 것이 바람직하다.

상기 제1 면 및 제2 면에 형성되는 방사 패턴은 미앤더 구조인 것이 바람직하다.

상기 유전체 블록은 직육면체이며 FR4 재질인 것이 바람직하다.

상기 급전 패턴은 직사각형의 판 구조를 가질 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 유전체 블록; 상기 유전체 블록의 제1 면에 형성되는 급전 패턴; 상기 급전 패턴과 전기적으로 연결되며 상기 유전체 블록의 제1 면 및 유전체 블록의 일측면을 경유하여 상기 제1 면과 대향하는 제2 면에 연장되어 형성되는 방사 패턴을 포함하되, 상기 제1 면과 제2 면에 단일 구조로 형성된 방사 패턴은 상호 간섭 캐패시턴스를 발생시키는 다중 대역 칩 안테나가 제공된다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 유전체 블록; 인덕턴스 발생을 위해 상기 유전체 블록의 적어도 한 면 이상에 형성되는 인덕턴스 발생 패턴; 상기 인덕턴스 발생 패턴과 전기적으로 연결되며 상기 유전체 블록의 대향하는 두 개의 면에 대칭적으로 형성되며 단일 구조인 방사 패턴을 포함하되, 상기 대향하는 두 개의 면에 형성되는 방사 패턴은 상호 간섭 캐패시턴스를 발생시키는 다중 대역 칩 안테나가 제공된다.

본 발명에 의하면, 칩 안테나를 통해 다중 대역 특성을 안정적으로 확보할 수 있는 장점이 있으며, 특히 슬림형 단말기에 효과적으로 적용될 수 있는 장점이 있다.

이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 상호 간섭 캐패시턴스와 인덕턴스를 이용한 다중 대역 칩 안테나의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 상호 간섭 캐패시턴스와 인덕턴스를 이용한 다중 대역 칩 안테나의 구조를 도시한 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 상호 간섭 캐패시턴와 인덕턴스를 이용한 다중 대역 칩 안테나의 전면도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 상호 간섭 캐패시턴스와 인덕턴스를 이용한 다중 대역 칩 안테나의 후면도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 호 간섭 캐패시턴스와 인덕턴스를 이용한 다중 대역 칩 안테나의 우측면도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 칩 안테나는 유전체 블록(100), 급전 패턴 (102), 매칭 패턴(104) 및 방사 패턴(106)을 포함할 수 있다.

도 1에서, 유전체 블록(100)은 일정한 폭과 길이를 가지는 직육면체의 형태를 가질 수 있다. 유전체 블록(100)의 육면은 전면(a), 후면(b), 우측면(c), 좌측면(d), 상면(e) 및 하면(f)으로 구성된다. 유전체 블록(100)은 다양한 유전체 재질로 구현될 수 있으며, 바람직하게는 FR4 재질이 이용될 수 있다.

유전체 블록에는 급전 패턴(102), 매칭 패턴(104) 및 방사 패턴(106)이 형성되며, 매칭 패턴(102) 및 방사 패턴(104)은 도전성 재질로 구현된다.

본 발명의 안테나는 GSM 대역 및 PCS 대역에서 사용될 수 있으며, 이 경우 유전체 블록의 높이는 10.3mm일 수 있으며, 상면(e) 및 하면(f)의 폭은 5mm, 길이는 3.2mm로 설정될 수 있다.

유전체 블록의 후면(b)의 최하부에는 급전 패턴(102)이 형성된다. 급전 패턴은 직사각형 형태의 금속 패턴이며, 약 가로 5mm, 세로 1mm의 크기를 가질 수 있다. 급전 패턴(102)은 이동통신 단말기의 기판에 형성된 회로로부터 RF 신호를 급 전받는다.

급전 패턴(102)으로부터 연장되어 나선형 구조의 매칭 패턴(104)이 형성된다. 매칭 패턴(104)은 유전체 블록(100)의 후면(b)에서부터 시작되어 직육면체의 유전체 블록(100)을 두르는 형태로 형성된다.

도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 매칭 패턴(104)은 유전체 블록(100)의 전면(a), 후면(b), 우측면(c) 및 좌측면(d)에 모두 형성된다.

이와 같은 나선형 구조의 매칭 패턴은(104)은 이중 대역에서의 주파수 공진을 위한 임피던스 매칭 기능을 수행한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 나선형 구조의 매칭 패턴(104)은 후면(b)에서는 사선 구조로 형성되나 양 측면 및 전면에서는 직선 구조로 형성될 수 있다.

나선형 구조의 매칭 패턴(104)으로부터 연장되어 방사 패턴(106)이 형성된다. 도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 방사 패턴(106)은 다수에 걸쳐 절곡된 미앤더 형태의 패턴인 것이 바람직하다.

방사 패턴(106)은 유전체 블록(100)의 후면(b) 하부에서 시작하여 상부까지 형성되며, 이는 우측면(c)으로 다시 연장되어 유전체 블록(100)의 전면(a)으로 연장된다. 유전체 블록의 전면(a)에는 다시 미앤더 형태의 방사 패턴(106)이 연장되어 형성된다. 도 1 내지 도 4에서 전면(a)의 방사 패턴은 빗금으로 표시되어 있고 다른 면의 방사 패턴은 검은 색으로 표시되어 있는데, 이는 식별을 위한 것이며 방사 패턴은 서로 연결된 단일 구조이다.

서로 대향하는 면인 전면(a) 및 후면(b)에 형성되는 방사 패턴(106)은 상호 대칭적인 것이 바람직하다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 미앤더 패턴의 폭은 0.3mm일 수 있고, 미앤더 패턴의 패턴간 이격 거리는 0.3mm일 수 있다. 미앤더 패턴의 폭 및 이격 거리가 다양하게 변경될 수 있음은 당업자에게 있어 자명할 것이다.

또한, 급전 패턴(102), 매칭 패턴(104) 및 방사 패턴(106)은 단일 구조의 패턴으로 이루어진다. 종래의 경우 다중 대역 특성을 칩 안테나로부터 획득하기 위해 단일 구조가 아닌 가지(branch) 구조의 패턴이 형성되는 것이 일반적이었으나, 본 발명에서는 급전 패턴, 매칭 패턴 및 방사 패턴이 단일화된 구조로 형성되는 방식을 제안한다.

유전체 블록(100)의 전면(a) 및 후면(b)에 마주보면서 형성된 방사 패턴(106)은 서로 마주 보는 공간에서 상호 간섭 캐패시턴스를 발생시킨다. 이러한 구조에 의해 발생하는 상호 간섭 캐패시턴스는 2중 대역 특성 설계 시 고주파 대역에서 충분한 대역폭을 확보하는 것을 가능하게 한다. 통상적으로, 고주파 대역에서 저주파 대역에 비해 큰 대역폭이 할당되나 상호 간섭 캐패시턴스가 존재하지 않는 구조에서는 고주파 대역에서 넓은 대역폭의 확보가 어려운 문제점이 있었다.

또한, 본 발명의 상호 간섭 캐패시턴스를 발생시키는 구조는 고주파 대역에서의 공진 주파수를 하락시킨다. 이와 같은 특징은 안테나의 높이를 줄일뿐만 아니라 전체 패턴 길이를 감소시키는 효과가 있다.

한편, 나선형 구조의 매칭 패턴은 작은 인덕턴스 값을 발생시킨다. 나선형 매칭 구조에 의해 발생하는 작은 인덕턴스 값은 고주파 대역에서의 공진점에 대한 매칭이 보다 낮은 주파수에서 발생하도록 하는 효과가 있다. 특히, GSM 대역과 PCS 대역에서 사용할 경우 고주파인 PCS 대역보다 공진점이 높게 형성되는 문제점이 있었는데, 나선형 구조의 매칭 패턴에 의해 공진점을 하락시킴으로써 이와 같은 문제점을 해결할 수 있다.

높은 값의 인덕턴스는 안테나의 입력 리액턴스 값의 변화량을 크게 만들어 대역폭을 감소시키지만, 작은 인덕턴스 값은 주파수 대역에 큰 영향을 미치지 않으면서 목표하는 대역의 리액턴스 값을 조정할 수 있다.

도 1 내지 도 4에는 방사 패턴이 미앤더 구조인 경우가 도시되어 있으나 단일 구조에서 상호 간섭 캐패시턴스를 발생시킬 수 있는 다양한 구조의 방사 패턴이 사용될 수 있음은 당업자에게 있어 자명할 것이다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 칩 안테나가 휴대용 단말의 접지면에 결합된 형태를 도시한 도면이다.

도 5에서, 접지면(500)의 크기는 일반적인 휴대폰의 크기와 같은 40mm 80mm인 것이 바람직하며, 이는 휴대폰의 접지면이 방사체로 동작하여 안테나와 함께 다이폴 구조를 형성하여 공진 특성에 영향을 미치므로 안테나 장착 조건을 실제 환경과 동일하게 하기 위함이다.

도 6은 상호 간섭 캐패시턴스가 존재할 경우 개방된 전송 선로의 등가 회로를 나타낸 도면이다.

도 6에서, (a)는 상호 간섭 캐패시턴스가 존재하지 않을 경우의 등가 회로를 나타낸 것이고, (b)는 상호 간섭 캐패시턴스가 존재할 경우의 등가 회로를 나타낸 것이다.

도 6의 (b)에 대한 입력 임피던스는 다음의 수학식 1과 같이 연산된다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나에서 상호 간섭 캐패시턴스가 존재할 경우와 존재하지 않을 경우에 대한 리액턴스 곡선 및 반사 손실 곡선을 도시한 도면이다.

도 7의 (a)는 리액턴스 곡선을 도시한 도면이며, 도 7의 (b)는 반사 손실 곡선을 도시한 것이고 실선은 상호 간섭 캐패시턴스가 존재하지 않는 경우이며 점선은 상호 간섭 캐패시턴스가 존재하는 경우이다.

도 7의 (a) 및 도 7의 (b)를 참조하면, 두 개의 공진점이 형성될 때 저주파 대역의 공진 주파수는 상호 간섭 캐패시턴스가 존재하는 경우와 존재하지 않는 경우에 크게 변화되지 않음을 확인할 수 있다.

반면에, 고주파 대역의 공진 주파수는 상호 간섭 캐패시턴스가 존재하는 구조에서 공진 주파수가 낮아지는 것을 확인할 수 있다. 이러한 고주파 대역에서의 공진 주파수 하락은 안테나의 소형화에 장점이 있다. 이와 같이 고주파 대역의 공진 주파수가 낮아지는 이유는 저주파 대역의 반공진 주파수의 하락 폭이 고주파 대역의 반공진 주파수의 하락폭에 비해 매우 크기 때문이다.

또한, 도 7의 (a) 및 (b)를 참조하면 상호 간섭 캐패시턴스가 존재할 경우 고주파 공진 대역의 대역폭이 넓어지는 것을 확인할 수 있다. 일반적으로 고주파 대역에서 더 큰 대역폭이 요구되는 바, 상호 간섭 캐패시턴스를 발생시키는 구조는 고주파 대역에서 더 큰 대역폭을 확보할 수 있는 장점이 있다.

도 8은 상호 간섭 캐패시턴스가 존재하는 전송 선로에 직렬 인덕턴스를 추가한 회로를 도시한 도면이다.

도 8을 참조하면, 직렬 인덕턴스가 존재할 때 입력 임피던스는 다음의 수학식 2에 의해 연산된다.

도 9는 작은 인덕턴스 발생을 위한 나선형 구조의 매칭 패턴이 존재하는 경우와 존재하지 않는 경우의 리액턴스 곡선 및 반사 손실 곡선을 도시한 도면이다.

도 9에서 (a)는 리액턴스 곡선이고 (b)는 반사 손실 곡선이며, 실선은 작은 인덕턴스가 존재하지 않는 경우이고 점선은 작은 인덕턴스가 존재하는 경우이다.

도 9를 참조하면, 나선형 구조의 매칭 패턴으로 작은 인덕턴스를 발생시킬 경우 고주파 대역의 공진 주파수가 낮아지는 것을 확인할 수 있다. 즉, 나선형 구조의 매칭 패턴으로 인해 고주파 대역의 공진 주파수가 보다 낮은 지점에서 매칭이 되도록 조절하는 것이 가능하며 따라서, 고주파 대역의 공진점을 조절할 수 있는 장점이 있다.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 상호 간섭 캐패시턴스를 이용한 칩 안테나의 방사 패턴을 도시한 도면이다.

도 10을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 칩 안테나는 전방향성의 방사 패턴을 가지고 있는 바, 단말기용 안테나로 적합하게 사용될 수 있음을 확인할 수 있다.

상기한 본 발명의 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대해 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 내에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 상호 간섭 캐패시턴스와 인덕턴스를 이용한 다중 대역 칩 안테나의 구조를 도시한 사시도

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 상호 간섭 캐패시턴와 인덕턴스를 이용한 다중 대역 칩 안테나의 전면도.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 상호 간섭 캐패시턴스와 인덕턴스를 이용한 다중 대역 칩 안테나의 후면도.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 호 간섭 캐패시턴스와 인덕턴스를 이용한 다중 대역 칩 안테나의 우측면도.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 칩 안테나가 휴대용 단말의 접지면에 결합된 형태를 도시한 도면.

도 6은 상호 간섭 캐패시턴스가 존재할 경우 개방된 전송 선로의 등가 회로를 나타낸 도면.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나에서 상호 간섭 캐패시턴스가 존재할 경우와 존재하지 않을 경우에 대한 리액턴스 곡선 및 반사 손실 곡선을 도시한 도면.

도 8은 상호 간섭 캐패시턴스가 존재하는 전송 선로에 직렬 인덕턴스를 추가한 회로를 도시한 도면.

도 9는 작은 인덕턴스 발생을 위한 나선형 구조의 매칭 패턴이 존재하는 경우와 존재하지 않는 경우의 리액턴스 곡선 및 반사 손실 곡선을 도시한 도면.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 상호 간섭 캐패시턴스를 이용한 칩 안테나의 방사 패턴을 도시한 도면.

Claims (11)

1. 유전체 블록;

   상기 유전체 블록의 제 1면 하부에 형성되는 급전 패턴;

   상기 급전 패턴으로부터 연장되는 나선 구조의 매칭 패턴;

   상기 매칭 패턴으로부터 연장되며 상기 제1 면에 형성되고, 상기 유전체 블록의 일 측면을 경유하여 상기 제 1면과 대향하는 제 2면에 연장 형성되는 방사 패턴을 포함하는 것을 특징으로 하는 상호 간섭 캐패시턴스와 인덕턴스를 이용한 다중 대역 칩 안테나.
2. 제1항에 있어서,

   상기 제1 면 및 이와 대향하는 제2 면에 형성되는 방사 패턴은 대칭 구조인 것을 특징으로 하는 상호 간섭 캐패시턴스와 인덕턴스를 이용한 다중 대역 칩 안테나.
3. 제1항에 있어서,

   상기 제1 면 및 제2 면에 형성되는 방사 패턴은 미앤더 구조인 것을 특징으로 하는 상호 간섭 캐패시턴스와 인덕턴스를 이용한 다중 대역 칩 안테나.
4. 제1항에 있어서,

   상기 유전체 블록은 직육면체이며 FR4 재질인 것을 특징으로 하는 상호 간섭 캐패시턴스와 인덕턴스를 이용한 다중 대역 칩 안테나.
5. 제1항에 있어서,

   상기 급전 패턴은 직사각형의 판 구조인 것을 특징으로 하는 상호 간섭 캐패시턴스와 인덕턴스를 이용한 다중 대역 칩 안테나.
6. 유전체 블록;

   상기 유전체 블록의 제1 면에 형성되는 급전 패턴;

   상기 급전 패턴과 전기적으로 연결되며 상기 유전체 블록의 제1 면 및 유전체 블록의 일측면을 경유하여 상기 제1 면과 대향하는 제2 면에 연장되어 형성되는 방사 패턴을 포함하되,

   상기 제1 면과 제2 면에 단일 구조로 형성된 방사 패턴은 상호 간섭 캐패시턴스를 발생 시키는 것을 특징으로 하는 다중 대역 칩 안테나.
7. 제6항에 있어서,

   상기 방사 패턴과 상기 급전 패턴 사이에는 나선형 구조의 매칭 패턴이 형성되는 것을 특징으로 하는 다중 대역 칩 안테나.
8. 제7항에 있어서,

   상기 제1 면 및 제2 면에 형성되는 방사 패턴은 대칭적인 것을 특징으로 하는 다중 대역 칩 안테나.
9. 제7항에 있어서,

   상기 제1 면 및 제2 면에 형성되는 방사 패턴은 미앤더 구조인 것을 특징으로 하는 다중 대역 칩 안테나.
10. 제7항에 있어서,

    상기 급전 패턴은 직사각형의 판 구조인 것을 특징으로 하는 다중 대역 칩 안테나.
11. 유전체 블록;

    인덕턴스 발생을 위해 상기 유전체 블록의 적어도 한 면 이상에 형성되는 인덕턴스 발생 패턴;

    상기 인덕턴스 발생 패턴과 전기적으로 연결되며 상기 유전체 블록의 대향하는 두 개의 면에 대칭적으로 형성되며 단일 구조인 방사 패턴을 포함하되,

    상기 대향하는 두 개의 면에 형성되는 방사 패턴은 상호 간섭 캐패시턴스를 발생시키는 것을 특징으로 하는 다중 대역 칩 안테나.

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