KR100285950B1 - 인체의영향을최소화시키는휴대용전화기의안테나회로를구현하는방법 - Google Patents

Abstract

휴대용 전화기를 인체에 근접시켜 사용할 시 통화특성이 저하됨을 최소화시키는 안테나 회로를 구현하는 방법이 개시되어 있다. 본 발명에 따른 안테나 회로는 안테나의 리액턴스 성분이 "0"이 되도록 하고, 저항성분이 매우 높은 하이 임피던스 상태가 되도록 구현된다. 본 발명에 따르면, 제1임피던스 특성을 가지는 무선모듈과; 제2임피던스 특성을 가지는 안테나와; 서로 다른 임피던스 특성을 가지는 상기 무선모듈과 상기 안테나의 사이에 접속되어 이들의 임피던스를 매칭시키기 위한 매칭회로로 이루어지는 휴대용 전화기의 안테나 회로를 구현하는 방법은: 스미스 챠트상에서 상기 안테나의 순수 저항성분 값과 상기 무선모듈의 순수 저항성분 값을 각각 찾아 제1지점 및 제2지점의 값으로 지정하는 과정과, 상기 제1지점을 상기 제2지점으로 옮기기 위한 병렬 캐피시턴스 값과 직렬 인덕턴스 값을 상기 스미스 챠트의 어드미턴스 챠트와 임피던스 챠트상에서 각각 구하는 과정과, 상기 구해진 인덕턴스 값을 가지는 인덕터를 상기 무선모듈의 출력단과 상기 안테나의 입력단 사이에 접속시키고, 상기 구해진 캐패시턴스 값을 가지는 캐패시터를 상기 안테나의 입력단과 접지단 사이에 상기 인덕터에 대해 병렬로 접속시키는 과정으로 이루어진다.

Description

인체의 영향을 최소화시키는 휴대용 전화기의 안테나 회로를 구현하는 방법{METHOD FOR EMBODING ANTENNA CIRCUIT OF MOBILE PHONE FOR REDUCING AN INFLUENCE OF HUMAN BODY}

본 발명은 휴대용 전화기의 안테나에 관한 것으로, 특히 인체의 영향에 의해 통화특성이 저하됨을 최소화시키는 안테나 회로를 구현하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 휴대폰이나 유무선전화기의 휴대장치와 같은 휴대용 전화기의 안테나로는 헤리칼 안테나(Helical Antenna), λ/4 안테나, λ/2 다이폴(Dipole) 안테나, λ/2 모노폴(Monopole) 안테나 등이 이용될 수 있다. 이중에서 헤리칼 안테나는 인덕턴스 성분이 높아 열로서 소모되는 전력량이 많기 때문에 가장 나쁜 안테나 특성을 나타낸다. 이에 따라 현재 휴대용 전화기의 안테나로 헤리칼 안테나는 거의 사용되고 있지 않는 실정이다.

이와 달리 휴대용 전화기의 안테나로 이용될 수 있는 λ/4 안테나, λ/2 다이폴(Dipole) 안테나, λ/2 모노폴(Monopole) 안테나 등은 도 1a 내지 도 1c에 도시된 바와 같이 인체에 대한 전류 누설량을 갖는다. 여기서 인체에 대한 전류 누설량이란 사용자가 휴대용 전화기를 몸체, 특히 귀에 안착시키는 경우에 몸체로 누설되는 전류의 양을 말하는 것으로, 전류 누설량이 많다는 것은 휴대용 전화기의 통달거리가 짧아진다는 것을 의미한다. 상기 도 1a 내지 도 1c를 참조하면, 몸체로 누설되는 전류의 양이 λ/4 안테나, λ/2 다이폴 안테나, λ/2 모노폴 안테나의 순으로 적음을 알 수 있다. 즉, 상기 안테나들중에서 λ/2 모노폴 안테나가 휴대용 전화기의 안테나로 이용되는 경우 가장 좋은 통달거리를 제공할 수 있다. 따라서 현재 대부분의 휴대용 전화기의 안테나로는 λ/2 모노폴 안테나가 이용되고 있는 실정에 있다.

그러나 λ/2 모노폴 안테나를 휴대용 전화기의 안테나로 구현하더라도 상기 휴대용 전화기를 인체에 근접시켜 사용하는 경우에는 안테나의 특성을 결정하는 중요한 요소인 정재파비(SWR: Standing Wave Ratio)의 증가를 야기시킨다. 이와 같이 정재파비가 증가된다는 것은 휴대용 전화기의 통달거리를 단축시키는 것을 의미하며, 결과적으로 안테나의 특성을 저하시키는 것이다.

물론 휴대용 전화기의 안테나를 설계할 시 이러한 안테나의 특성이 고려될 수도 있다. 그러나 이러한 안테나의 특성들을 고려하여 휴대용 전화기의 안테나를 설계하는 경우 그 휴대용 전화기의 본체의 길이에 비해 안테나의 길이가 상대적으로 길다는 단점이 있다. 예를 들어, λ/2 모노폴 안테나를 900MHz 무선전화기의 휴대장치에 구현하는 경우에 그 안테나는 약 16cm정도의 길이를 가지도록 구현되고 있다. 그러나 현재 무선전화기의 휴대장치의 길이가 16cm보다도 더 작게 설계되고 있는 추세에 있다는 사실을 고려한다면, 상기 길이를 가지는 λ/2 모노폴 안테나를 휴대용 전화기에 채용하는 것은 매우 적합하지 않다는 것을 입증하는 것이다.

따라서 본 발명의 목적은 휴대용 전화기를 인체에 근접시켜 사용하는 경우에도 안테나의 특성이 저하됨을 방지하기 위한 안테나 회로를 구현하는 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 휴대용 전화기의 안테나를 인체에 근접하여 사용하는 경우에 정재파비가 커짐을 방지하기 위한 안테나 회로를 구현하는 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 또다른 목적은 휴대용 전화기의 통달거리를 증가시키기 위한 안테나 회로를 구현하는 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 또다른 목적은 휴대용 전화기에 채용되는 안테나의 길이를 축소시키기 위한 안테나 회로를 구현하는 방법을 제공함에 있다.

이러한 목적들을 달성하기 위한 본 발명에 따른 안테나회로는 휴대용 전화기의 안테나를 인체에 근접시키는 경우에도 인체에 영향이 제거되록 하기 위해서 안테나의 리액턴스 성분이 "0"이 되도록 하고, 저항성분이 매우 높은 하이 임피던스 상태가 되도록 한다. 또한 인체에 의한 영향이 제거되면서도 안테나의 길이가 최소화되도록 하기 위해, 안테나의 길이를 축소해 가면서 스미스챠트상에서 가장 높은 순수저항성분의 값을 찾는 방법을 제안한다.

본 발명에 따르면, 제1임피던스 특성을 가지는 무선모듈과; 제2임피던스 특성을 가지는 안테나와; 서로 다른 임피던스 특성을 가지는 상기 무선모듈과 상기 안테나의 사이에 접속되어 이들의 임피던스를 매칭시키기 위한 매칭회로로 이루어지는 휴대용 전화기의 안테나 회로를 구현하는 방법은: 스미스 챠트상에서 상기 안테나의 순수 저항성분 값과 상기 무선모듈의 순수 저항성분 값을 각각 찾아 제1지점 및 제2지점의 값으로 지정하는 과정과, 상기 제1지점을 상기 제2지점으로 옮기기 위한 병렬 캐피시턴스 값과 직렬 인덕턴스 값을 상기 스미스 챠트의 어드미턴스 챠트와 임피던스 챠트상에서 각각 구하는 과정과, 상기 구해진 인덕턴스 값을 가지는 인덕터를 상기 무선모듈의 출력단과 상기 안테나의 입력단 사이에 접속시키고, 상기 구해진 캐패시턴스 값을 가지는 캐패시터를 상기 안테나의 입력단과 접지단 사이에 상기 인덕터에 대해 병렬로 접속시키는 과정으로 이루어진다.

도 1a 내지 도 1c는 휴대용 전화기에 채용될 수 있는 각종 안테나들을 인체에 접근시킬 때 누설되는 전류량들을 보여주는 도면.

도 2는 본 발명에 따른 안테나 회로의 구성을 보여주는 도면.

도 3은 본 발명에 따라 구현된 축소된 길이를 가지는 안테나의 구조를 보여주는 도면.

도 4는 도 3에 도시된 매칭회로의 인덕터 및 캐패시터 값을 스미스 챠트로부터 구하는 동작을 설명하기 위한 도면.

도 5는 본 발명에 따라 구현된 안테나 회로를 내장하는 휴대용 전화기를 방치한 경우에 측정되는 SWR도표를 보여주는 도면.

도 6은 본 발명에 따라 구현된 안테나 회로를 내장하는 휴대용 전화기를 귀에 안착시켰을 시 측정되는 SWR도표를 보여주는 도면.

이하 본 발명의 바람직한 실시예의 상세한 설명이 첨부된 도면들을 참조하여 설명될 것이다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의내려진 용어들로서 이는 사용자 또는 칩설계자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로, 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

우선 본 발명에 따른 안테나 회로, 즉 λ/2 모노폴 안테나를 사용하는 휴대용 전화기는 도 2에 도시된 바와 같이 구성된다는 사실을 밝혀두는 바이다. 여기서 통상의 λ/2 모노폴 안테나는 그 길이가 약 16.7cm이다. 상기 도 2를 참조하면, 휴대용 전화기의 무선(RF: Radio Frequency)모듈 10과 안테나 ANT의 사이에는 병렬접속된 인덕터(Inductor)(L)와 캐패시터(Capacitor)(C)로 이루어지는 매칭회로 (Matching Circuit) 30이 부가적으로 접속된다. 상기 인덕터(L)는 RF모듈 10과 안테나(ANT)의 사이에 접속되며, 캐패시터(C)는 상기 인덕터(L)에 대해 병렬로 접속되고 안테나(ANT)와 접지단의 사이에 접속된다. 이러한 매칭회로 30이 부가된 이유는 RF모듈 10의 임피던스는 전형적으로 50오옴이지만, 요즈음에는 안테나의 길이를 줄이기 위해 휴대용 전화기의 안테나로 상기 RF모듈 10의 임피던스와 상이한 임피던스 특성을 가지는 안테나, 즉 비 50오옴의 안테나가 이용되고 있기 때문이다. 즉, 상기 매칭회로 30은 서로 다른 임피던스 특성을 가지는 RF모듈 10과 안테나(ANT) 사이의 임피던스를 매칭시키는 역할을 행하게 된다.

한편 도 2에 도시된 바와 같은 안테나 회로를 내장하는 휴대용 전화기를 인체에 근접시키는 경우에는 전술한 바와 같이 인체를 통해 누설되는 전류가 발생함에 따라 안테나의 특성이 저하된다. 인체의 영향에 의해 안테나의 특성이 저하된다는 사실에 대해 본 출원의 발명자는 λ/2 모노폴 안테나의 임피던스(Z=R±jX) 특성을 분석하여 다음과 같은 결과를 얻었다. 즉, λ/2 모노폴 안테나는 200∼300오옴(Ω,ohm)의 낮은 값의 저항성분(R)을 가지고 있으며, -300∼-400오옴의 리액턴스성분(X)을 가지고 있다. 이러한 임피던스 특성을 가지는 λ/2 모노폴 안테나를 인체에 근접시켜 사용하게 되면, 인체에 근접되지 않는 일반적인 상태(휴대용 전화기가 책상 위 또는 바닥에 방치되는 상태; 하기에서는 이를 "방치상태"라 칭함)에서의 50오옴 매칭이 인체와의 전기적인 영향으로 인해 틀어져 버림에 따라 SWR이 커지게 되고, 이에 따라 결과적으로 안테나의 효율이 저하된다. 따라서 본 출원의 발명자는 인체에 휴대용 전화기를 근접시키는 경우, 구체적으로 말하면 안테나를 귀에 안착시키는 경우에도 그 영향이 없도록 하기 위해서는 안테나의 리액턴스성분을 0으로 해야하고, 저항성분을 가능한 한 높게 하여 하이임피던스의 값이 되도록 하여야 한다는 결론에 도달하였다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 안테나 회로는 RF모듈 10과, 안테나(ANT)와, 매칭회로 30을 포함하여 이루어진다. 상기 RF모듈 10은 중간주파수(IF: Intermediate Frequency)신호를 외부로 송출하기에 적합한 RF신호로 변환시켜 출력하고, 안테나(ANT)를 통해 수신되는 RF신호를 IF신호로 변환하여 출력한다. 안테나(ANT)는 상기 RF모듈 10으로부터 출력되는 RF신호를 외부 공간상으로 방사하고 외부 공간상에 방사된 RF신호를 수신하여 상기 RF모듈 10으로 출력한다. 이때 RF모듈 10과 안테나(ANT)는 서로 다른 임피던스 특성을 갖는다. 즉 RF모듈 10은 50오옴의 임피던스 특성을 가지며, 안테나(ANT)는 450오옴 내지 500오옴의 임피던스 특성을 갖는다. 그러므로 RF모듈 10과 안테나(ANT)의 사이에는 이들의 서로 다른 임피던스 특성을 매칭시키기 위한 매칭회로 30이 접속된다. 상기 매칭회로 30은 RF모듈 10의 출력단과 안테나(ANT)의 입력단 사이에 접속되는 인덕터(L)와, 안테나(ANT)의 입력단과 접지단의 사이에 상기 인덕터(L)에 대해 병렬로 접속되는 캐패시터를 포함하여 이루어진다.

도 2에 도시된 본 발명에 따른 안테나 회로는 전술한 바와 같이 안테나 회로의 낮은 저항성분과, 리액턴스성분에 의해 휴대용 전화기의 안테나를 귀에 안착시키는 경우에 통화특성이 저함됨을 방지하기 위한 것이다. 또한 본 발명에 따른 안테나 회로는 점점 소형화 추세에 있는 휴대용 전화기에 채용되기에 적합한 안테나, 즉 축소된 길이를 가지는 안테나를 제공하기 위한 것이다. 이를 위해 본 발명에 따른 안테나 회로는 리액턴스 성분은 "0"이 되도록 하고 저항 성분은 가능한 한 높게 하여 하이 임피던스가 되도록 한다. 상기 안테나 회로는 이러한 조건을 만족하면서도 이와 동시에 안테나의 길이가 축소되도록 하여야 한다. 이러한 동작은 안테나를 디지털분석기(Digital Analyzer)에 연결한 후에 안테나 길이를 축소시켜 가면서 가장 높은 순수 저항(Real R)값을 도 4에 도시된 바와 같은 스미스챠트(smith chart)상에서 찾음으로써 이루어진다.

도 3은 본 발명에 따른 동작에 따라 구현된 안테나의 구조를 보여주는 도면으로, 이 안테나는 종래 기술에 따른 안테나에 비해 그 길이가 축소되어 약 11센티미터(최장 110.8mm)의 길이를 갖는다. 이러한 안테나의 길이는 스미스챠트상에서 가장 높은 순수 저항값을 가지는 경우에 대응하는 안테나의 길이이다.

도 4는 상기 도 3에 도시된 바와 같이 11센티미터의 길이를 가지는 안테나를 구현할 시 매칭회로 30을 구성하는 인덕터(L)의 인덕턴스 값과 캐패시터(C)의 캐패시턴스 값을 결정하는 동작을 보여주는 스미스챠트이다.

도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 안테나 회로의 구현에는 우선적으로 스미스챠트상에서 안테나(ANT)의 순수 저항성분 값과 RF모듈 10의 순수 저항성분 값을 찾는 동작이 선행되어야 한다. 상기 도 4에서 A지점은 리액턴스 성분은 존재하지 않고 순수 저항 성분만이 존재하는 지점으로, 안테나(ANT)의 임피던스에 대응하는 지점이다. 다시 말하면, 상기 A지점은 안테나(ANT)가 11cm로 설계된 경우에도 인체의 영향이 최소화되도록 하는 지점으로, 상기 안테나(ANT)는 450∼500오옴의 순수 저항성분 값을 갖는다. B지점은 RF모듈 10의 임피던스에 대응하는 지점이다.

한편 서로 다른 임피던스 특성을 가지는 RF모듈 10과 안테나(ANT)를 매칭시키기 위해서는 RF모듈 10과 안테나(ANT)의 사이에 접속되는 매칭회로 30의 인덕터(L) 및 캐패시터(C)의 값을 결정하여야 한다. 이 값은 도 4의 스미스 챠트상에서 매칭원리에 따라 A지점을 B지점으로 옮김으로써 결정된다. 즉, 매칭원리에 따라 상기 A지점을 B지점으로 옮기기 위해서는 어드미턴스 챠트상의 경로와 임피던스 챠트상의 경로를 통하여야 하는데, 이때 어드미턴스 챠트상의 경로(A→C)는 병렬 캐패시턴스 값을 나타내며, 임피던스 챠트상의 경로(C→B)는 직렬의 인덕턴스 값을 나타낸다. 결과적으로, 도 2에 도시된 매칭회로 30의 캐패시터(C)는 1피코패러드(pF)의 캐패시턴스 값을 가지도록 결정되며, 인덕터(L)는 24밀리헨리 (mH)의 인덕턴스 값을 가지도록 결정된다.

상기에서 매칭회로 30의 캐패시터(C)의 캐패시턴스 값은 하기의 〈수학식 1〉에 의해 결정되며, 인덕터(L)의 인덕턴스 값은 〈수학식 2〉에 의해 결정된다. 이러한 캐피시턴스값 및 인덕턴스값을 구하는 것은 스미스챠트에 대해 알고 있는 당업자에게는 잘 알려진 사실이다.

Z1(=α×특성임피던스) = 1/ωC = 1/2πfC

Z2(=β×특성임피던스) = ωL = 2πfL

상기 〈수학식 1〉 및 〈수학식 2〉에서 α는 도 4의 C점과 어드미턴스챠트가 만나는 점의 원주점(0.3)이고, β는 도 4의 C점과 임피던스챠트가 만나는 점의 원주점(3)이다. 그리고 특성임피던스는 무선전화기, 즉 RF모듈의 특성임피던스(50Ω)이고, f는 무선전화기의 사용주파수로 900MHz가 될 수 있다.

도 5 및 도 6은 도 4에 도시된 바와 같은 방법을 통해 결정된 인덕턴스 값과 캐패시턴스 값을 가지도록 구현된 인덕터(L)와 캐패시터(C)를 포함하여 이루어지는 매칭회로 30을 내장하는 휴대용 전화기의 방지상태 및 귀에 안착시킨 상태에서 측정되는 각각의 SWR도표를 보여주는 도면이다. 상기 도 5를 참조하면, 900MHz 무선전화기의 주파수 914.8MHz와 959.5MHz에서 SWR은 1.5 이하의 값으로 표시된다. 도 6을 참조하면, 900MHz 무선전화기의 주파수 914.8MHz와 959.5MHz에서 SWR은 1.8 이하의 값으로 표시된다. 즉, 휴대용 전화기의 방치상태나 귀에 안착된 상태에서 측정되는 SWR은 거의 유사한 것으로, 휴대용 전화기가 인체에 근접하더라도 SWR의 특성에는 거의 변화가 없음을 알 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명은 휴대용 전화기를 인체에 근접시켜 사용하는 경우에도 방치상태의 SWR특성과 거의 변화없는 우수한 SWR특성을 나타낸다. 이러한 특성은 결과적으로 휴대용 전화기의 통달거리를 향상시켜 통화감도를 개선하는 효과가 있다. 또한 16cm보다 축소된 11cm의 길이를 가지는 안테나를 구현할 수 있으므로, 점차적으로 소형화 추세에 있는 휴대용 전화기에 채용하기에 적합한 안테나를 제공하는 이점이 있다.

한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도내에서 여러가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 않되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (5)

1. 제1임피던스 특성을 가지는 무선모듈과; 제2임피던스 특성을 가지는 안테나와; 서로 다른 임피던스 특성을 가지는 상기 무선모듈과 상기 안테나의 사이에 접속되어 이들의 임피던스를 매칭시키기 위한 매칭회로로 이루어지는 휴대용 전화기의 안테나 회로를 구현하는 방법에 있어서,

   스미스 챠트상에서 상기 안테나의 순수 저항성분 값과 상기 무선모듈의 순수 저항성분 값을 각각 찾아 제1지점 및 제2지점의 값으로 지정하는 과정과,

   상기 제1지점을 상기 제2지점으로 옮기기 위한 병렬 캐피시턴스 값과 직렬 인덕턴스 값을 상기 스미스 챠트의 어드미턴스 챠트와 임피던스 챠트상에서 각각 구하는 과정과,

   상기 구해진 인덕턴스 값을 가지는 인덕터를 상기 무선모듈의 출력단과 상기 안테나의 입력단 사이에 접속시키고, 상기 구해진 캐패시턴스 값을 가지는 캐패시터를 상기 안테나의 입력단과 접지단 사이에 상기 인덕터에 대해 병렬로 접속시키는 과정으로 이루어짐을 특징으로 하는 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 안테나는 50오옴의 순수 저항값을 상기 제1임피던스의 특성값으로 가지며, 상기 무선모듈은 450오옴 내지 500오옴의 순수한 저항값을 상기 제2임피던스의 특성값으로 가지는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 인덕턴스 값은 24밀리헨리임을 특징으로 하는 방법.
4. 제2항에 있어서, 상기 캐패시턴스 값은 1피코패러드임을 특징으로 하는 방법.
5. 제1항 내지 제7항중의 어느 한 항에 있어서, 상기 안테나는 1/2λ 모노폴 안테나이며, 11센티미터의 길이를 가짐을 특징으로 하는 방법.

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