KR100294189B1 - 무선전화기 내장형 마이크로스트립 패치안테나 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 무선전화기용 내장형 이중 구조를 갖는 마이크로 스트립 패치 안테나에 관한 것으로, 특히 일면에 송신용 패치 안테나(Patch Antenna)가, 타측면에 수신용 패치 안테나가 표면실장(SMD)방식으로 PCB에 실장되어 각각 송/수신 주파수의 중심대역에 정확하게 공진점을 갖는 유전체 안테나를 구성함에 의해 Q 팩터를 향상시켜 송수신 감도의 향상과 자유로운 디자인 설계가 가능한 900㎒ 무선전화기용 내장형 이중 구조를 갖는 마이크로 스트립 패치 안테나에 관한 것이다.
본 발명은 900㎒ 무선전화기용 내장형 마이크로 스트립 패치 안테나로서, 상기 무선전화기의 송신기능을 수행하도록 제1 유전체판 상면에 실장된 제1 마이크로 스트립 패치와 이에 연결된 제1 피드를 구비한 송신 안테나와, 상기 송신 안테나와 분리되어 무선전화기의 수신기능을 수행하도록 제2 유전체판 하면에 실장된 제2 마이크로 스트립 패치와 이에 연결된 제2 피드를 구비한 수신 안테나로 구성되며, 상기 송신 안테나와 수신 안테나가 대향하여 배치되도록 상기 제1 및 제2 유전체판의 하/상면은 접합됨과 동시에 접지 처리되는 것을 특징으로 한다.

Description

900㎒ 무선전화기용 내장형 이중 구조를 갖는 마이크로 스트립 패치 안테나
본 발명은 무선전화기용 내장형 이중 구조를 갖는 마이크로 스트립 패치 안테나에 관한 것으로, 특히 일면에 송신용 패치 안테나(Patch Antenna)가, 타측면에 수신용 패치 안테나가 표면실장(SMD)방식으로 PCB에 실장되어 각각 송/수신 주파수의 중심대역에 정확하게 공진점을 갖는 유전체 안테나를 구성함에 의해 Q 팩터를 향상시켜 송수신 감도의 향상과 자유로운 디자인 설계가 가능한 900㎒ 무선전화기용 내장형 이중 구조를 갖는 마이크로 스트립 패치 안테나에 관한 것이다.
무선통신에서 안테나는 상징적인 존재일 뿐 아니라 무선전화기의 성능에 큰 영향을 미친다. 무선전화기처럼 인간의 몸 가까이에서 조작하는 기기의 설계는 대단히 어려운 문제로 이 부분에 각 제조회사의 중요한 노하우가 집약되고 있다.
안테나는 무선기기와 자유공간의 인터페이스로서 외부의 영향이 적은 환경에서는 이론대로 특성을 발휘할 수 있으므로 설계하기가 쉽다. 일반적으로 작은 안테나는 방사(放射) 효율이 낮고 주파수 대역이 좁아지며, 안테나 소자와 무선기기 본체가 전자(電磁)적으로 결합하여 본체에도 전류가 유도되므로 예기치 않은 방향으로 전파가 방사되는 경우가 발생할 수 있다.
휴대기에 사용되는 선형 안테나에서는 사용하는 전파 파장의 1/2로 안테나의 길이를 설정하며, 이는 'λ/2 모노폴 안테나'라고 한다. 이를 개량한 것으로 λ/4 모노폴 안테나가 있으며, 또한 이를 개량한 것으로 'λ/2 휘프(whip) 안테나'가 개발되어 널리 사용되고 있다. 이 안테나는 900㎒, 1.9㎓ 일때 각각 16cm, 8cm 길이를 갖게되어 본체 안에 넣을 수 있는 길이를 이룬다.
한편 무선전화기에는 900㎒ 대의 주파수가 사용 가능한 주파수로 할당되어 있으므로 λ/2 모노폴 안테나를 사용하여 전파를 수신하기 위해서는 16cm 길이를 갖는 것이 필요하다.
따라서 상기한 모노폴 안테나를 채용한 무선전화기에서는 안테나의 길이가 비교적 길기 때문에 안테나가 본체의 외부로 돌출된 외장형 안테나를 일반적으로 채용하고 있으며, 이러한 종래의 외장형 안테나(3)를 갖는 무선전화기(1)가 도 1에 도시되어 있다.
그런데 이러한 외장형 안테나를 갖는 무선전화기(1)는 도 2에 도시된 바와 같이 RF 특성곡선을 볼 때 실제로 수신(Rx)과 송신(Tx) 통화신호가 포함된 상한(upper limit)과 하한(lower limit)에서 최대의 이득을 얻기가 곤란하고 이를 위해 대역폭을 넓게 조정할 경우 노이즈의 간섭에 약하게 되는 문제점이 있다.
더욱이 모노폴 타입의 외장형 안테나는 무선전화기의 자유로운 디자인을 제한하는 요소로 작용하고 있다.
본 발명은 이러한 종래기술의 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 그 목적은 일면에 송신용 패치 안테나가, 타측면에 수신용 패치 안테나가 표면실장(SMD)방식으로 PCB에 실장되어 각각 송/수신 주파수의 중심대역에 정확하게 공진점을 갖는 유전체 안테나를 구성함에 의해 Q 팩터를 향상시켜 무선전화기의 송수신 감도의 향상과 자유로운 디자인 설계가 가능한 900㎒ 무선전화기용 내장형 이중 구조를 갖는 마이크로 스트립 패치 안테나를 제공하는데 있다.
도 1은 종래의 외장형 안테나를 갖는 무선전화기를 보여주는 개략 정면도,
도 2는 도 1에 도시된 무선전화기의 안테나의 주파수 특성을 보여주는 그래프,
도 3은 본 발명에 따른 내장형 안테나를 갖는 무선전화기를 보여주는 개략 정면도,
도 4는 도 3에 도시된 무선전화기의 안테나의 주파수 특성을 보여주는 그래프,
도 5는 본 발명에 따른 내장형 이중 구조로서 마이크로 스트립 패치 안테나가 설치된 측면도,
도 6은 도 5에 도시된 마이크로 스트립 패치 안테나에 대한 평면도,
도 7a 및 도 7b는 본 발명에 따른 내장형 이중 구조를 갖는 마이크로 스트립 패치 안테나를 채용한 경우 유전율에 따른 사이즈 팩터의 변화를 보여주는 그래프이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
10 ; 무선전화기 12,14 ; 송신용/수신용 마이크로 스트립 패치
16A,16B ; 제1 및 제2 PCB 18,20 ; 상면/하면
22 ; 스트립 24 ; 스트립 라인 피드
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 900㎒ 무선전화기용 내장형 마이크로 스트립 패치 안테나에 있어서, 상기 무선전화기의 송신기능을 수행하도록 제1 유전체판 상면에 실장된 제1 마이크로 스트립 패치와 이에 연결된 제1 피드를 구비한 송신 안테나와, 상기 송신 안테나와 분리되어 무선전화기의 수신기능을 수행하도록 제2 유전체판 하면에 실장된 제2 마이크로 스트립 패치와 이에 연결된 제2 피드를 구비한 수신 안테나로 구성되며, 상기 송신 안테나와 수신 안테나가 대향하여 배치되도록 상기 제1 및 제2 유전체판의 하/상면은 접합됨과 동시에 접지 처리되는 것을 특징으로 하는 900㎒ 무선전화기용 내장형 이중 구조를 갖는 마이크로 스트립 패치 안테나를 제공한다.
상기 송신 안테나는 914.0125㎒∼914.9875㎒ 주파수에 동기되며, 상기 수신 안테나는 959.0125㎒∼959.9875㎒ 주파수에 동기되는 협대역 안테나로서 송신 및 수신 주파수는 45㎒ 분리된다.
제1 및 제2 피드의 급전방식은 각각 스트립 라인 피드 또는 동축 케이블로 구성될 수 있다.
본 발명에서는 상기 제1 및 제2 마이크로 스트립 패치와 제1 및 제2 패드로서 각각 도전성이 우수한 금속재로 이루어지는 4각형 스트립과, 상기 스트립의 양단부로부터 내측으로 연장 형성된 스트립 라인 피드로 구성하였다.
이 경우 상기 제1 및 제2 마이크로 스트립 패치는 하기 수학식 1 내지 수학식 3에 따라 유효 유전율( εreff )과 패치폭(W) 및 패치 길이(L)가 결정될 수 있다.
εreff=(εr+1)/2+(εr+1)/2×[1+12×t/W]-1/2
상기 수학식 1에서 t 는 유전체의 두께, εr 은 유전체의 유전율
Figure 1019970053323_B1_M0001
상기 수학식 2에서 fr 은 공진 주파수, v0 는 자유공간에서의 전파속도
Figure 1019970053323_B1_M0002
상기한 바와 같이 본 발명에서는 송신용 패치 안테나와 수신용 패치 안테나가 각각 PCB의 양측면에 실장되어 본체 내부에 수용되며, 각각 실제 통화대역인 송/수신 주파수의 중심대역에 정확하게 공진점을 갖는 유전체 안테나를 구성함에 의해 Q 팩터를 향상시켜 송수신 감도의 향상과 자유로운 디자인 설계가 가능해진다.
(실시예)
이하에 상기한 본 발명을 바람직한 실시예가 도시된 첨부도면을 참고하여 더욱 상세하게 설명한다.
첨부된 도 3은 본 발명에 따른 내장형 안테나를 갖는 무선전화기를 보여주는 개략 정면도, 도 4는 도 3에 도시된 무선전화기의 안테나의 주파수 특성을 보여주는 그래프, 도 5는 본 발명에 따른 내장형 이중 구조로서 마이크로 스트립 패치 안테나가 설치된 측면도, 도 6은 도 5에 도시된 마이크로 스트립 패치 안테나에 대한 평면도, 도 7a 및 도 7b는 본 발명에 따른 내장형 이중 구조를 갖는 마이크로 스트립 패치 안테나를 채용한 경우 유전율에 따른 사이즈 팩터의 변화를 보여주는 그래프이다.
먼저 도 3을 참고하면, 본 발명에 따른 내장형 안테나를 갖는 무선전화기(10)는 안테나가 본체 내부에 내장되어 있으므로 전화기의 전체 길이가 작아지고, 외관이 심플하게 설계될 수 있다.
이러한 내장형 안테나 구조로서 본 발명에서는 도 5에 도시된 바와 같이 송신용 마이크로 스트립 패치(12)와 수신용 마이크로 스트립 패치(14)가 무선전화기의 각종 부품이 실장되는 제1 및 제2 PCB(16A,16B)의 상면(18)과 하면(20)에 각각 SMD 방식으로 실장되어 이중구조를 형성하고 있다.
상기한 송신용/수신용 마이크로 스트립 패치(12,14)는 각각 914.0125㎒∼914.9875㎒ 및 959.0125㎒∼959.9875㎒에 동기되도록 유전체를 형성하는 제1 및 제2 PCB(16A,16B) 상면(18)과 하면(20)에 도 6에 도시된 바와 같이 4각형 스트립(22)이 도전성이 우수한 금속재로 이루어지고, 스트립(22)의 양단부에는 상기 4각형 스트립(22) 내측으로 연장 형성된 스트립 라인 피드(feed)(24)가 연결되어 있으며, 또한 상기 마이크로 스트립 패치(12,14)가 실장된 제1 및 제2 PCB(16A,16B)의 각각의 하면과 상면은 서로 접합되며 접지(ground)되어서 송신용 안테나와 수신용 안테나를 구성한다.
본 발명에서는 이러한 송신용/수신용 마이크로 스트립 패치(12,14)를 사용하여 유전체 안테나를 구성할 경우 안테나에 대한 공진 주파수( fr )와 크기에 대한 최적 해석을 위해 캐비티 모델(cavity model) 방식을 이용하였으며, 정확한 크기 및 감도 특성을 얻기 위해 하기 수학식 1 내지 수학식 3에 따라 유효 유전율( εreff )과 패치폭(W) 및 패치 길이(L)를 결정하였다.
(수학식 1)
εreff=(εr+1)/2+(εr+1)/2×[1+12×t/W]-1/2
상기 수학식 1에서 t 는 유전체의 두께, εr 은 유전체의 유전율
(수학식 2)
Figure 1019970053323_B1_M0003
상기 수학식 2에서 fr 은 공진 주파수, v0 는 자유공간에서의 전파속도
(수학식 3)
Figure 1019970053323_B1_M0004
또한 상기 수학식에 부가하여 재료에 의한 Q 및 방사 Q 등의 토탈 Q값, 대역폭, 효율, 피드폭, 입력 임피던스 등에 기초하여 도 7a 및 도 7b와 같은 형태의 사이즈 팩터(size factor)를 얻게 되었다.
도 7a는 유전율(εr)이 90인 경우이고, 도 7b는 유전율(εr)이 540인 경우의 사이즈 팩터를 나타낸다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 내장형 안테나를 갖는 무선전화기(10)는 도 4에 도시된 바와 같이 실제 통화신호가 포함된 914㎒와 959㎒ 대에 각각 송신 및 수신 공진점을 갖도록 송신/수신 안테나를 이중구조로 설계하여 SMD 형태로 PCB에 실장하여 양측단의 실제통화 대역에서 송/수신 주파수가 동기되는 고감도의 유전체 안테나를 실현함과 동시에 내장형 디자인 설계가 가능하게 된다.
즉, 본 발명은 송신과 수신 주파수가 45㎒ 분리되어 협대역을 갖는 900㎒ 무선전화기용 안테나로서 비유전율이 높은 재료를 사용하여 크기를 최소화하고 Q-팩터를 향상시킬 수 있게 되었다. 그 결과 종래의 45㎒의 대역폭을 갖는 외장형 안테나에 비해 높은 송수신 감도를 얻을 수 있게 되었다.
또한 본 발명 안테나는 칩(chip) 형태로 전화기 핸드셋 또는 베이스부에 SMD 형태로 내장되도록 함에 의해 자유로운 디자인 개선이 가능하여 디자인 경쟁력을 높일 수 있게 되었다.
더욱이 본 발명에서는 송/수신 마이크로 스트립 패치 안테나를 수직 조립하지 않고 평면에 배열하여 무선전화기의 베이스부에 적용할 경우에도 상기한 실시예와 동일한 효과를 나타낸다.
또한 급전방식으로서 안테나 피드(feed) 부위를 동축 타입의 케이블로 변경하는 것도 물론 가능하며, 이 경우에도 상기한 실시예의 스트립 라인 피드와 동일한 효과를 얻을 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명에서는 송신용 패치 안테나와 수신용 패치 안테나가 각각 PCB의 양측면에 실장되어 본체 내부에 수용되며, 각각 실제 통화대역인 송/수신 주파수의 중심대역에 정확하게 공진점을 갖는 협대역 유전체 안테나를 구성함에 의해 Q 팩터를 향상시켜 송수신 감도의 향상과 자유로운 디자인 설계가 가능하게 되어, 무선전화기의 송수신 도달거리의 향상과 디자인 경쟁력을 높일 수 있는 저가형 유전체 안테나를 제공하게 된다.
더욱이 종래의 외장형 안테나에 비하여 외부 충격에 강하고, 또한 종래의 도체판을 이용하는 내장형 안테나 보다 크기가 작고 감도가 뛰어난다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

Claims (5)

  1. 900㎒ 무선전화기용 내장형 마이크로 스트립 패치 안테나에 있어서,
    상기 무선전화기의 송신기능을 수행하도록 제1 유전체판 상면에 실장된 제1 마이크로 스트립 패치와 이에 연결된 제1 피드를 구비한 송신 안테나와,
    상기 송신 안테나와 분리되어 무선전화기의 수신기능을 수행하도록 제2 유전체판 하면에 실장된 제2 마이크로 스트립 패치와 이에 연결된 제2 피드를 구비한 수신 안테나로 구성되며,
    상기 송신 안테나와 수신 안테나가 대향하여 배치되도록 상기 제1 및 제2 유전체판의 하/상면은 접합됨과 동시에 접지 처리되는 것을 특징으로 하는 900㎒ 무선전화기용 내장형 이중 구조를 갖는 마이크로 스트립 패치 안테나.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 송신 안테나는 914.0125㎒∼914.9875㎒ 주파수에 동기되며, 상기 수신 안테나는 959.0125㎒∼959.9875㎒ 주파수에 동기되는 것을 특징으로 하는 900㎒ 무선전화기용 내장형 이중 구조를 갖는 마이크로 스트립 패치 안테나.
  3. 제 1 항에 있어서, 제1 및 제2 피드의 급전방식은 각각 스트립 라인 피드 또는 동축 케이블로 구성되는 것을 특징으로 하는 900㎒ 무선전화기용 내장형 이중 구조를 갖는 마이크로 스트립 패치 안테나.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 마이크로 스트립 패치와 제1 및 제2 패드는 각각 도전성이 우수한 금속재로 이루어지는 4각형 스트립과, 상기 스트립의 양단부로부터 내측으로 연장 형성된 스트립 라인 피드로 구성되는 것을 특징으로 하는 900㎒ 무선전화기용 내장형 이중 구조를 갖는 마이크로 스트립 패치 안테나.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 마이크로 스트립 패치는 수학식 1 내지 수학식 3에 따라 유효 유전율( εreff )과 패치폭(W) 및 패치 길이(L)가 결정되는 것을 특징으로 하는 900㎒ 무선전화기용 내장형 이중 구조를 갖는 마이크로 스트립 패치 안테나.
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