JP2007013981A

JP2007013981A - 内蔵型チップアンテナ

Info

Publication number: JP2007013981A
Application number: JP2006179599A
Authority: JP
Inventors: 碩 ▲哀▼; Seok Bae; Yasuhiko Mano; ▲靖▼彦眞野
Original assignee: Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Priority date: 2005-06-30
Filing date: 2006-06-29
Publication date: 2007-01-18
Also published as: US7345650B2; KR100638872B1; US20070001925A1

Abstract

【課題】本発明は移動通信端末機内部に構成され低い帯域の信号を処理することが可能なチップアンテナに関する。
【解決手段】本発明に伴う内蔵型チップアンテナは、基板と、前記基板の内部または表面にスパイラル状で形成され、主にアンテナのインダクタンスを調節する少なくとも一つのスパイラル放射部を有する第１放射部と、前記第１放射部に連結され、前記基板の長さ方向に配列される上部メアンダー放射部と、前記上部メアンダー放射部の下部で前記上部メアンダー放射部と対向して配列される下部メアンダー放射部を有し、主にアンテナのキャパシタンスを調節する第２放射部及び、前記第１放射部に連結され所定帯域の高周波電流が入力される給電部を含むことを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、移動通信端末機に具備され無線信号を送受信するアンテナに関するもので、特に、移動通信端末機内部に構成され低い帯域の信号を処理することが可能なチップアンテナに関する。

最近、移動通信端末機に搭載される無線技術の増加により、移動通信端末機のアンテナの使用周波数帯域が多様になる趨勢にある。具体的に、現在移動通信端末機から使用される周波数帯域には、携帯電話(８００ＭＨｚ〜２ＧＨｚ)、無線ＬＡＮ(２．４ＧＨｚ、５ＧＨｚ)、非接触式ＲＦＩＤ(１１３．５６ＭＨｚ)、ブルートゥース(Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ)(２．４ＧＨｚ)、ＧＰＳ(１．５７５ＧＨｚ)、ＦＭラジオ(７６〜９０ＭＨｚ)、ＴＶ放送(４７０〜７７０ＭＨｚ)、ＵＷＢ、Ｚｉｇｂｅｅ及びＤＭＢ(ＤｉｇｉｔａｌＭｕｌｔｉｍｅｄｉａＢｒｏａｄｃａｓｔｉｎｇ)放送等がある。ここで、ＤＭＢは、衛星ＤＭＢ(２６３０〜２６５５ＭＨｚ)と地上波ＤＭＢ(１８０〜２１０ＭＨｚ)に区分される。

また、移動通信端末機は、小型化及び軽量化されつつも、多様なサービス提供機能が要求されている。このような要求を満足させるため、移動通信端末機に採用されるアンテナ及び部品は、多機能化され、同時に漸次小型化されつつある。さらに、最近移動通信端末機に使用されるアンテナは、漸次端末機の中に内蔵される趨勢にある。従って、移動通信端末機内部に装着されるアンテナは、端末機内部で非常に小さいアンテナ容積を占めながらも必要な性能を満足させることが要求されている。

図１は、一般的な内蔵型平面逆アンテナ(ＰＩＦＡ)の構造図である。
平面逆アンテナ(ＰＩＦＡ)は、移動端末機に内蔵することが可能なアンテナであり、図１に示されたとおり、基本的に平面形状の放射部１、前記放射部１に連結された接地ライン３、給電ライン５、及び接地板７で構成される。前記放射部１は給電ライン５を通じ給電され、前記接地ライン３により接地板７と短絡させインピーダンス整合を成すこととなる。前記ＰＩＦＡは、接地ライン３の幅Ｗｐと放射部１の幅Ｗに伴い、前記放射部１の長さＬとアンテナの高さＨを考慮して設計すべきである。

このようなＰＩＦＡは、前記放射部１に誘起された電流により発生される全体ビームのうち接地面側に向うビームが再誘起され人体に向うビームを減殺させＳＡＲ特性を改善すると同時に放射部方向に誘起されるビームを強化させる指向性を有し、矩形の平板形放射部の長さが半分に減少された矩形のマイクロストリップアンテナとして作動することとなり、低いプロファイル構造を実現することが可能である。また、ＰＩＦＡは内蔵型アンテナとして端末機の内部に構成されるため、端末機の外観を秀麗にデザインすることが可能で外部の衝撃にも優秀な特性を有する。

このような従来の内蔵型アンテナは、高誘電体基板を使用して１ＧＨｚ程度以上の周波数領域では約１０ｍｍ×１０ｍｍ程度の大きさを有するよう製作することが可能である。しかし、地上波ＤＭＢ放送のための移動通信端末機のようにアンテナが処理する周波数が数百ＭＨｚ以下の帯域に落ちると、端末機のアンテナに要求される長さ(λ、λ/２またはλ/４、ここでλは電波の波長)は数十ｃｍに至ることとなる。

例えば、地上波ＤＭＢアンテナの場合中心周波数が２００ＭＨｚであるため、モノポールアンテナを製造する場合、アンテナの長さ(自由空間波長/４)は３９ｃｍが必要となる。従って、従来の内蔵型アンテナを利用する場合、地上波ＤＭＢ放送などのように低い帯域の周波数を処理することが不可能な問題がある。

また、携帯型電話機のような移動通信端末機内部に内蔵され使用されることが可能なアンテナの大きさは５ｃｍ以下になるべきである。従って、従来の内蔵型アンテナ技術を利用してアンテナを製作する場合その大きさが数十ｃｍとなり、内蔵型アンテナとして実用性が喪失されるという問題がある。

本発明は上記のような問題点を解消するため提案されたものであり、本発明の目的は、移動通信端末機に内蔵することが可能で、小型で容易にインピーダンスを調節することが可能なアンテナを提供することにある。

上記目的を達成するための本発明に伴う内蔵型チップアンテナは、基板と、前記基板の内部または表面にスパイラル状に形成され、主にアンテナのインダクタンスを調節する少なくとも一つのスパイラル放射部を有する第１放射部と、前記第１放射部に連結され、前記基板の長さ方向に配列される上部メアンダー放射部と、前記上部メアンダー放射部の下部で前記上部メアンダー放射部と対向して配列される下部メアンダー放射部を有し、主にアンテナのキャパシタンスを調節する第２放射部、及び前記第１放射部に連結され所定帯域の高周波電流が入力される給電部を含むことを特徴とする。

前記基板は、フェライト(ｆｅｒｒｉｔｅ)またはフェライト−樹脂複合材料で形成されることが好ましい。

また、前記スパイラル放射部は、実質的に四角形のループ形状からなる導電性の上部ループ及び下部ループを少なくとも有し、前記上部ループ及び下部ループは相互に電気的に接続されることが好ましい。

また、前記上部ループと下部ループとの間に、実質的に四角形を有する少なくとも一つの中間ループを追加で配列し、前記中間ループは前記上部ループ及び下部ループと電気的に接続されるよう構成することも可能である。

また、前記スパイラル放射部の上部ループ及び下部ループは、前記基板の厚さ方向に積層されることが好ましい。

また、前記第１放射部は複数のスパイラル放射部を有し、前記複数のスパイラル放射部は隣接するスパイラル放射部の上部ループまたは下部ループ同士で相互に電気的に接続されることが好ましい。

また、前記上部メアンダー放射部と前記下部メアンダー放射部は電気的に接続されることが好ましい。

また、前記上部メアンダー放射部と前記下部メアンダー放射部は同一パターンで成され、相互に対称的に向い合うよう配列されることが好ましい。

さらに、前記アンテナは前記基板の下面一側端部に形成され、前記アンテナを接地させるための接地部をさらに含むことが可能である。

本発明によると、地上波ＤＭＢのように低い帯域の信号を処理するための内蔵型アンテナを超小型で製作することが可能で、またスパイラル構造及びメアンダー構造の放射部を利用してアンテナのインダクタンス及びキャパシタンス成分を容易に調節することが可能な利点がある。

以下、本発明の好ましい実施形態の詳細な説明が添付の図面を参照して説明される。図面中、参照番号及び同一構成要素に対しては他の図面上に表示されても可能な限り同一参照番号及び符号で示されていることに留意すべきである。本書類において「連結」という用語は、機械的な結合又は電気的な接続を意味し、それらに置き換えることが可能である。下記に本発明を説明するにおいて、関連された公知機能または構成に対する具体的な説明が本発明の要旨を不明確にしていると判断される場合にはその詳細な説明を省略する。

図２は本発明の一実施形態に伴う内蔵型チップアンテナの構成図である。
図２を参照すると、この実施形態によるチップアンテナ１０は、基板１１、接地部２０、給電部３０、スパイラル(ｓｐｉｒａｌ)(螺旋)形状の第１放射部４０及びメアンダー(ｍｅａｎｄｅｒ)形状に曲がりくねった第２放射部８０を含む。前記チップアンテナ１０は、超小型構造として地上波ＤＭＢのような低い帯域で使用されるよう前記基板１１を磁性誘電材料として形成するだけではなく、前記第１、２放射部４０、８０が小さい空間内でも最大限長い長さを有する構造に形成することにより、容易にインピーダンス整合を得ることが可能である。

前記基板１１は実質的に直方体の形状を有することが好ましく、長さＬは２０ｍｍ、幅Ｗは３ｍｍ、厚さＴは１ｍｍのように超小型に製作されることが可能である。また、前記基板１１は次のような理由で、磁性体及び誘電体の性質を全て有するフェライト(ｆｅｒｒｉｔｅ)またはフェライト−樹脂複合材料のような磁性誘電材料で形成される。

前記フェライト−樹脂複合材料は、エポキシ系、フェノール系、ナイロン系または弾性重合体(ｅｌａｓｔｏｍｅｒ)材料のうち一つ以上の有機材料を基材として、フェライト、磁性金属、非晶質体(ａｍｏｒｐｈｏｕｓ)のうち１種類以上の磁性材料の粒子を分散させるか、またはＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｂａ、Ｓｒ及びＺｎのうち２種類以上の元素を含んだ磁性酸化物材料によって形成されることが可能である。

アンテナ小型化の基本になる共振長さ(ｒｅｓｏｎａｎｔｌｅｎｇｔｈ)の短縮率は、次の数式１で表される。

ここで、λはアンテナの実際使用波長、λ_０は自由空間での波長、εは誘電率、そしてμは透磁率を示す。

従来は一般的に、アンテナに誘電率(ε)が４〜７のガラスセラミックス(ｇｌａｓｓｃｅｒａｍｉｃｓ)を使用した。しかし、上記数式１から分かるように、アンテナの長さを短縮させるため誘電率を高くすると共振長さが小さくなるが、アンテナの使用帯域幅(ｂａｎｄｗｉｄｔｈ)が狭くなる短所が発生するため、むやみに誘電率を高めることが不可能な問題がある。

その反面、磁性体の場合は透磁率を大きくしても帯域幅に及ぼす影響が小さい特性を有する。従って、一般的な高誘電率の基板(透磁率＝１)を使用する場合より、誘電率(ε)と透磁率(μ)を同時に有する材料の基板を使用するとアンテナの共振長さ短縮率が大きくなり、これによってアンテナ導線の長さが減少し結果的により大幅に小型化を成すことが可能となる。

従って、本発明では前記基板１１の材料として、透磁率(μ)が２〜１００、誘電率(ε)が２〜１００を有するフェライト−樹脂複合材料を利用する場合、一般的なアンテナに主に使用される誘電率(ε)が４〜７のガラスセラミックス(ｇｌａｓｓｃｅｒａｍｉｃｓ)より波長短縮率が大きくなり、共振長さ短縮率が大きくなり、アンテナの小型化がより容易になる。また本発明では前記基板１１として、誘電体及び磁性体特性を全て有するフェライト(ｆｅｒｒｉｔｅ)を使用することも可能である。

前記接地部２０は前記基板１１の下面一側端部に形成され、前記移動通信端末機に構成された接地部(図示せず)に連結されアンテナを接地させる。図２に示す実施形態では逆Ｆタイプのアンテナ(ＰＩＦＡ)が開示されている。

しかし、前記チップアンテナ１０は、前記接地部２０が存在しないモノポール形態のアンテナとして使用されることも可能で、これもまた本発明の範囲に含まれる。

前記給電部３０は前記スパイラル状の第１放射部４０に連結され、移動通信端末機の回路部(図示せず)に連結され、前記回路部から前記第１放射部４０及び第２放射部８０に電流を供給する。

前記第１放射部４０は前記接地部２０及び給電部３０に連結され、少なくとも一つのスパイラル(ｓｐｉｒａｌ)形状からなるスパイラル放射部５０、６０、７０を含む。前記第１スパイラル放射部５０、第２スパイラル放射部６０および第３スパイラル放射部７０は、前記基板１１の内部または表面に形成される。

図２では前記スパイラル(ｓｐｉｒａｌ)放射部５０、６０、７０が３つ形成された構造を示している。前記スパイラル(ｓｐｉｒａｌ)放射部５０、６０、７０は前記基板１１の下面に配列された四角形ループ形状の導電性を有する下部ループ５１、６１、７１と、前記基板１０の上面に配列され、同じく四角形ループ形状の導電性を有する上部ループ５２、６２、７２が各々導電性の側面電極５３、６３、７３に連結される。

前記スパイラル(ｓｐｉｒａｌ)放射部５０、６０、７０は四角形で形成されることにより、前記直方体形状の基板１１内部または表面で充分長い長さを有するよう形成されることが可能である。

ここで、前記スパイラル(ｓｐｉｒａｌ)放射部５０、６０、７０は次のように隣接するスパイラル放射部５０、６０、７０の上部ループ５２、６２、７２または下部ループ５１、６１、７１同士で電気的に連結される。

前記複数のスパイラル放射部５０、６０、７０のうち第１スパイラル放射部５０の下部ループ５１の一端は前記給電部３０に連結される。第１スパイラル放射部５０の下部ループ５１の他端は第１側面電極５３により上部ループ５２の一端と連結される。そして前記第１スパイラル放射部５０の上部ループ５２の他端は第２スパイラル放射部６０上部ループ６２の一端と連結される。

前記第２スパイラル放射部６０の上部ループ６２の他端は第２側面電極６３によって下部ループ６１の一端に連結される。そして前記第２スパイラル放射部６０の下部ループ６１の他端は第３スパイラル放射部７０の下部ループ７１の一端と連結される。前記第３スパイラル放射部７０の下部ループ７１の他端は第３側面電極７３によって上部ループ７２の一端に連結される。そして前記第３スパイラル放射部７０の上部ループ７２の他端は前記第２放射部８０に連結される。

前記図２において、前記スパイラル放射部５０、６０、７０は上部ループ５２、６２、７２と下部ループ５１、６１、７１が基板１１の厚さＴ方向に積層されて重なった構造で配列される。しかし、アンテナ１０の放射パターンに伴いマッチング効果を調節するため長さＬ方向に重なった構造で配列されることも可能である。そして、前記上部ループ５２、６２、７２と下部ループ５１、６１、７１は各々同一の面積を有する実質的に四角形からなる。

また、前記上部ループ５２、６２、７２と下部ループ５１、６１、７１は前記基板１１の上下面で相互に対称的に向かい合うよう配列されることが好ましい。また、前記図２では各々のスパイラル放射部５０、６０、７０は上部ループ５２、６２、７２及び下部ループ５１、６１、７１の２つのパターンを有する２ターン(ｔｕｒｎ)構造からなる。しかし、前記スパイラル放射部５０、６０、７０は前記上部ループ５２、６２、７２及び下部ループ５１、６１、７１の間にまた異なる四角形のループ構造(図示せず)を形成することにより、３つのパターン以上を有する多層スパイラル構造から成ることが可能である。

前記各々のスパイラル放射部５０、６０、７０は、本発明によるチップアンテナ１０のインピーダンス(ｉｍｐｅｄａｎｃｅ)のうち主にインダクタンス(ｉｎｄｕｃｔａｎｃｅ)を調節する機能をする。従って、前記チップアンテナ１０の反射パラメータがスミスチャート(Ｓｍｉｔｈｃｈａｒｔ)上で上半球のキャパシタンス(ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ)領域に傾いた場合には、前記スパイラル放射部５０、６０、７０の個数または各々のスパイラル放射部５０、６０、７０のパターン数を増加させることにより、チップアンテナ１０のインダクタンス成分を強化することが可能である。また前記チップアンテナ１０は、上部ループ５２、６２、７２及び下部ループ５１、６１、７１の間の間隔を変化させることにより、インダクタンス成分を調節することが可能である。

前記第２放射部８０は前記第１放射部４０に連結され、図２に示されたとおり多数の折れた(ｆｏｌｄｅｄ)単位パターンを有するメアンダー(ｍｅａｎｄｅｒ)形状からなっている上下部メアンダー放射部８１、８２を含む。

前記第２放射部８０の上部メアンダー放射部８１は前記基板１１の上部で配列され、一端は前記第３スパイラル放射部７０の上部ループ７２の他端に連結され、他端は前記基板１１の一側端部に位置する。

また、前記第２放射部８０の下部メアンダー放射部８２は前記基板１１の下部に配列され、一端は導電性の側面電極８３を通じ前記上部メアンダー放射部８１の他端と連結される。そして前記上部メアンダー放射部８１および下部メアンダー放射部８２は相互に同一のパターンを有するよう形成され、前記基板１１の上下面で相互対称構造として向かい合うよう配列されることが好ましい。

前記第２放射部８０は、前記上下部メアンダー放射部８１、８２の間の電気容量結合を調節することにより、本発明によるチップアンテナ１０のインピーダンス(ｉｍｐｅｄａｎｃｅ)のうち主にキャパシタンス(ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ)を調節する機能をする。従って、前記チップアンテナ１０の反射パラメータがスミスチャート(Ｓｍｉｔｈｃｈａｒｔ)上で下半球のインダクタンス(ｉｎｄｕｃｔａｎｃｅ)領域に傾いた場合には、前記上下部メアンダー放射部８１、８２の折れた(ｆｏｌｄｅｄ)単位パターンの数を増加させるか、または異なるメアンダー放射部(図示せず)を追加で構成することにより、チップアンテナ１０のキャパシタンス成分を強化することが可能である。

また、前記チップアンテナ１０は、前記上下部メアンダー放射部８１、８２の間の間隔または折れた単位パターンの間の間隔を変化させることにより、キャパシタンス成分を調節することが可能である。

図３は、本発明の実施形態に伴う内蔵型チップアンテナの電圧定在波比(ＶＳＷＲ)特性を示す図面である。

図３を参照すると、本発明の実施形態によるチップアンテナ１０は、地上波ＤＭＢ帯域の中心周波数(２００ＭＨｚ)に対して、スミスチャート上で反射パラメータがスミスチャートの中央線と交差する地点ａの電圧定在波比(ＶｏｌｔａｇｅＳｔａｎｄｉｎｇ-ＷａｖｅＲａｔｉｏ：ＶＳＷＲ)値が１．６５になることが分かる。一般的にＶＳＷＲが２未満であるとアンテナの整合(ｍａｔｃｈｉｎｇ)特性が良いものとみる。従って、本発明によるチップアンテナ１０は、地上波ＤＭＢ帯域の中心周波数(２００ＭＨｚ)で非常に優秀な整合特性を示すことが分かる。

図４は、本発明の他の実施形態による内蔵型チップアンテナの構成図である。
図４を参照すると、本発明の他の実施形態による内蔵型チップアンテナは、第１放射部４０のスパイラル(ｓｐｉｒａｌ)放射部５０、６０、７０の上部ループ５２、６２、７２と下部ループ５１、６１、７１との間に、中間ループ５４、６４、７４がさらに含まれる。

そして、前記下部ループ５１、６１、７１と前記中間ループ５４、６４、７４は第１側面電極５５、６５、７５によって連結され、前記中間ループ５４、６４、７４と前記上部ループ５２、６２、７２は第２側面電極５６、６６、７６によって連結される。このように本発明によるチップアンテナは、前記スパイラル放射部５０、６０、７０が３つパターン以上を有する多層スパイラル構造からなることが可能である。これによって前記チップアンテナのインダクタンス成分をさらに強化することが可能で、低い帯域で容易にインピーダンス整合を成すことによりアンテナを小型化させることが可能である。

一方、本発明の詳細な説明では具体的な実施形態に関して説明したが、本発明の範囲から外れない限度内で様々な変形が可能である。従って、本発明の範囲は説明された実施形態に限らず、特許請求の範囲だけではなくこの特許請求の範囲と均等なものによって決められるべきである。

一般的な平面逆アンテナ(ＰＩＦＡ)の構造図である。本発明の一実施形態による内蔵型チップアンテナの構成図である。本発明の一実施形態による内蔵型チップアンテナの電圧定在波比(ＶＳＷＲ)特性を示す図面である。本発明の他の実施形態による内蔵型チップアンテナの構成図である。

符号の説明

１放射部
３接地ライン
５給電ライン
７接地板
１０本発明によるチップアンテナ
１１基板
２０接地部
３０給電部
４０第１放射部
５０、６０、７０スパイラル放射部
５１、６１、７１下部ループ
５２、６２、７２上部ループ
５３、６３、７３、８３側面電極
５４、６４、７４、８４中間ループ
５５、６５、７５、８５第１側面電極
５６、６６、７６、８６第２側面電極
８０第２放射部
８１上部メアンダー放射部
８２下部メアンダー放射部

Claims

基板と、
前記基板の内部または表面にスパイラル状に形成され、主にアンテナのインダクタンスを調節する少なくとも一つのスパイラル放射部を有する第１放射部と、
前記第１放射部に連結され、前記基板の長さ方向に配列される上部メアンダー放射部と、前記上部メアンダー放射部の下部で前記上部メアンダー放射部と対向して配列される下部メアンダー放射部を有し、主にアンテナのキャパシタンスを調節する第２放射部、及び
前記第１放射部に連結され所定帯域の高周波電流が入力される給電部を含むことを特徴とする内蔵型チップアンテナ。
前記基板は、フェライト(ｆｅｒｒｉｔｅ)またはフェライト−樹脂複合材料で形成されることを特徴とする請求項１に記載の内蔵型チップアンテナ。
前記スパイラル放射部は、実質的に四角形のループ形状からなる導電性の上部ループ及び下部ループを少なくとも有し、前記上部ループ及び下部ループは相互に電気的に接続されることを特徴とする請求項１に記載の内蔵型チップアンテナ。
前記上部ループと下部ループとの間に、実質的に四角形を有する少なくとも一つの中間ループを有し、前記中間ループは前記上部ループ及び下部ループと電気的に接続されることを特徴とする請求項３に記載の内蔵型チップアンテナ。
前記スパイラル放射部の上部ループ及び下部ループは、前記基板の厚さ方向に積層されることを特徴とする請求項３に記載の内蔵型チップアンテナ。
前記第１放射部は複数のスパイラル放射部を有し、
前記複数のスパイラル放射部は隣接するスパイラル放射部の上部ループまたは下部ループ同士で相互に電気的に接続されることを特徴とする請求項１に記載の内蔵型チップアンテナ。
前記上部メアンダー放射部と前記下部メアンダー放射部は電気的に接続されることを特徴とする請求項１に記載の内蔵型チップアンテナ。
前記上部メアンダー放射部と前記下部メアンダー放射部は同一パターンから成り、相互に対称的に向い合うよう配列されることを特徴とする請求項１に記載の内蔵型チップアンテナ。
前記基板の下面一側端部に形成され、前記アンテナを接地させるための接地部をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の内蔵型チップアンテナ。