KR100442053B1 - 적층 구조를 갖는 칩 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 개인이동통신(GSM, PCS, DCS, IMT-2000) 및 Bluetooth, 무선랜(WLAN) 등의 무선단말기에 사용되는 칩 안테나에 관한 것으로, 그 형상은 다수의 세라믹 유전체시트를 이용하여 유전체블록(100)을 구성하고, 유전체블록 내, 외부에 미앤더라인 형태의 방사전극인 도체패턴을 다수개의 층에 형성한다. 각 층의 도체패턴은 분리된 계단형 방사전극이 상호 배열된 형태로 구성되고, 각 층간의 방사전극은 비아홀을 통해 전기적으로 연결하여 안테나를 구성한다.

따라서 적층 구조를 구현하여 동일 유전체블록 체적 대비 안테나 방사소자의 전기적 길이가 증가하므로 공진주파수의 중심주파수 포인트가 낮아지는 효과가 있다. 즉, 동일 공진주파수 대비 안테나를 소형화 할 수 있는 방법을 제공하며, 동시에 원가절감 및 대량생산에 용이한 장점이 있다.

Description

적층 구조를 갖는 칩 안테나{Chip Antenna with Stack Layer}

본 발명은 휴대전화(GSM, PCS, DCS, IMT-2000), PDA를 포함하는 개인 이동통신단말기 및, Bluetooth, WLAN(Wireless LAN)등의 무선통신단말기에 내장이 가능한 칩 안테나와 그 제조방법에 관한 것이다.

무선통신단말기의 수요가 증가하면서 단말기에 사용되는 안테나의 수요도 증가하고 있다. 또한 무선통신 단말기의 크기가 작아짐에 따라 안테나의 소형화와 시스템 내부의 집적화가 요구되어지고 있으며, 이러한 기술은 공정기술 발달에 힘입어 대량생산이 용이한 장점과 함께 부각되고 있다.

기존 무선통신단말기 안테나는 단말기 외부에 노출된 수납형(Retractable), 스터브(Stub)형 안테나가 대표적으로 이는 소형화 되는 단말기 부피에 적지않은 비중을 차지하게 되었다. 따라서 안테나 베이스유전체로 고유전체를 사용하여 안테나 방사소자의 전기적 길이를 증가시킴으로 안테나를 소형화하고, 단말기 내부 PCB에 장착이 가능한 소형 안테나로 유전체블록이나 벌크형유전체에 역F타입, 미앤더라인타입(도1(a),(b)), 핼리컬타입 구조로 도체패턴을 프린트하거나 삽입하는 구조가 칩 안테나의 기본 구조를 이루고 있다. 그러나 이러한 고유전체의 사용은 안테나의 대역폭이 좁아지며, 제조원가에 있어 저유전체보다 상대적으로 가격이 높기 때문에 적정선의 유전체를 선택하여 서비스대역폭을 유지하면서 소형화를 해야만 하는 단점이 있다.

이러한 단점을 해결하기 위한 종래 기술로는 안테나 방사소자 사이에 기생소자, 기생전극을 삽입하여 공진주파수 포인트를 변화시키거나, 구조적으로 PCB를 이용하여 방사소자의 도체패턴을 연장하여 전기적 길이를 증가시키는 변형된 모양을 가져가는 방법, 상이한 유전체재질을 사용하여 공진주파수포인트를 변화시키는 방법들을 사용하고 있다. 그러나 이 또한 구조적으로 복잡해지고 정밀한 공정관리가 요구되어 제품원가가 상승하게 되는 단점이 있다.

본 발명은 상기 문제를 최소화 하는 것을 목적으로 다수개의 유전체시트를 적층하여 유전체블록을 구성하고, 유전체블록 내, 외부에 안테나 방사소자 도체패턴을 다수개의 층으로 구성하여 각 층에 위치하는 도체패턴은 비아홀을 통해 전기적으로 연결하여 저온(800℃이상)에서 소성하는 저온소성세라믹다층기판가공기술, 이하 LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic)기술을 일예로 적용하였다. 이러한 공정기술은 본 발명의 실시예를 참고로 하면, 도체패턴이 위치하는 층의 상, 중, 하 면에 도체패턴을 프린트하고 비아홀이 위치하는 자리에 펀칭을 통해 비아홀을 형성한 뒤 다수개의 모델이 배열되어 구성된 시트를 조합해 저온에서 소성을 하게 되므로 복잡한 구조를 구현하기가 상대적으로 쉬워지게 되며, 여러 개의 안테나를 배열하여 제조하기 때문에 대량생산이 용이한 장점이 있다.

또한 1차, 2차, 3차등의 도체패턴을 층간 격리하여 배열하는 적층구조를 구현하므로 동일 유전체체적 대비 도체패턴의 전기적 길이를 증가 시키게 되어 공진주파수포인트를 하향 이동시킨다. 이는 주파수대역폭등 안테나 자체특성의 절감을 최소화 하면서도 안테나의 크기를 절감 시키는 방법을 제공하게 된다.

도 1(a),(b)는 각각 종래의 칩 안테나를 도시한 사시도

도 2(a),(b)는 본 발명 칩 안테나의 구조, 유전체블록 구성을 도시한 사시도

도 3(a),(b),(c),(d)는 각각 본 발명 제 1실시예의 도체패턴을 도시한 사시도

도 4(a),(b),(c),(d)는 각각 본 발명 제 2실시예의 도체패턴을 도시한 사시도

도 5(a),(b),(c),(d)는 각각 본 발명 제 3실시예의 도체패턴을 도시한 사시도

도 7은 본 발명에 따른 칩 안테나의 반사손실특성 비교를 도시한 그래프도

도 8은 본 발명에 따른 칩 안테나의 제조 방법의 실시예를 도시한 순서도도 9는 동일 공진주파수를 갖는 종래의 안테나와의 크기 비교도

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

100,101,102,103,104 : 유전체블록 및 세라믹 유전체시트

200,210 : 급전부 도체패턴

300,310,320 : 제 1차 도체패턴부

400,410,420,430 : 제 2차 도체패턴부

510 : 제 3차 도체패턴부

610,620 : 비아홀

도 1에 단일 또는 복수개의 유전체시트들로 구성된 유전체블록에 미앤더라인 형태의 방사도체를 실장한 종래의 안테나를 도시하였다. 도 1(a)는 단일 베이스유전체블록(100)의 하단면으로부터 상단면 까지 높이방향으로 실장된 안테나 급전부(200)와 상단면에 미앤더라인(300) 형태의 안테나 방사도체가 선폭(300a), 선사이간격(300b)가 동일 간격으로 배열된 구조를 갖는다. 도 1(b)는 도 1(a)와 동일한 규격을 갖고, 상, 하로 분리된 두 개의 유전체블록 중심에 방사체 도체패턴(400)을 삽입한 종래의 미앤더라인 안테나 구조를 도시하였다.

본 발명은 적층 구조를 갖는 칩 안테나에 관한 것으로서, 직육면체 형상의 베이스유전체블록은 도 2(b)에 나타낸 바와 같이 여러 장의 유전체시트(101, 102, 103, 104) 또는 유전체블록을 적층하여 도 2(a)의 단일 베이스유전체블록(100)을 구성한다. 또한 도 2(a)에 나타낸 바와 같이 유전체블록 내, 외부에 안테나의 급전부 및 방사체 도체패턴을 비아홀을 통해 수직 계단형으로 층간 연결한 방사체구조가 위치하게 된다. 이하 본 발명 안테나의 실시예에 대한 구성은 첨부된 도면을 중심으로 서술하도록 한다.

도 3(a),(b),(c),(d)는 각각 본 발명의 제 1실시예의 안테나 형상을 각 층의 유전체시트에 배열된 도체패턴과 비아홀의 위치를 도시하여 나타낸 사시도와 평면도이다. 도 3(a)는 도 1에 도시한 유전체블록(100)의 표면에 실장된 급전부(200)와 미앤더라인 형태의 도체패턴(300)을 동일 유전상수와 체적을 갖도록 유전체블록(100)의 상, 중, 하층부에 도 1(a)의 도체패턴과 동일한 선폭(300a), 선사이간격(300b)의 크기를 갖는 도체패턴의 형상을 적층구조를 이용하여 각각 제 1차 도체패턴(310, 320), 제 2차 도체패턴(410, 420, 430, 440), 제 3차 도체패턴(510)으로 분리된 형상의 도체패턴을 도시하였다. 또한 제 1차 도체패턴과 제 2차 도체패턴은 유전체시트에 비아펀칭을 통해 원형의 구멍을 만들고 그 내부에 전도체를 채운 원기둥 형상의 1차 비아홀(610)을 통해 전기적으로 연결되어 있으며, 제 2차 도체패턴과 제 3차 도체패턴은 2차 비아홀(620)을 통해 연결되어있다. 도 3(b),(c),(d)는 도 3(a)의 구조를 상(도 3(d)), 중(도 3(c)), 하층(도 3(b))부에 각각의 분리된 도체패턴과 비아홀의 배치를 도시한 평면도이다. 상기 도 3(b)는 솔더링을 통해 기판과 연결되는 급전부(210)와 급전부의 측면으로 L형상을 갖도록 90도 수직방향으로 연결부도체패턴(211)이 연결되고, 도 3(a)의 하층부 도체패턴(510)은 도 3(b)에 도시한 바와 같이 수직(511)-수평(512)-수직(513)방향으로 상호 90도 절곡된 계단형 구조를 갖는 형태로 도체패턴이 형성 되어있다. 중층부 도체패턴 은 수평방향패턴(410,420,430,440)으로만 배열되어 있으며, 상층부 도체패턴(310,320)도 도 3(d)에 도시한 바와 같이 상호 90도 절곡된 계단형 도체패턴(311,312,313,321,322,323)의 연결을 통해 형성되어 있다. 또한 미앤더라인 형태의 분리된 도체패턴은 베이스유전체블록의 높이방향으로 제 2차도체패턴-제 1차도체패턴-제 2차도체패턴-제 3차도체패턴의 순서로 수직계단형으로 등간 적층된 구조이다.

도 4(a),(b),(c),(d)는 각각 본 발명의 제 2실시예의 안테나형상을 각 층의 유전체시트에 배열된 도체패턴과 비아홀의 위치를 도시한 사시도와 평면도이다. 상기 제 1실시예와 동일한 베이스유전체블록(100)체적 내부에 도 1(a)에 도시한 바와 같은 동일한 선폭(300a)을 갖으나, 평면상 수평전류성분을 갖는 수평 도체패턴이 절반의 선사이간격(300b) 즉 300b/2의 구조를 갖도록 하여 동일 베이스유전체블록(100) 체적대비 방사도체의 전기적 길이를 연장시키고 수평 도체패턴을 베이스유전체블록의 높이방향으로 이격시키어 상호 결합량이 조절된 구조이며, 전체적인 구조는 제 1실시예를 기본으로 한다..

도 5(a),(b),(c),(d)는 각각 본 발명의 제 3실시예의 안테나형상을 각 층의 유전체시트에 배열된 도체패턴과 비아홀의 위치를 도시한 사시도와 평면도이다. 상기 제 1실시예와 동일한 베이스유전체블록(100) 체적 내부에 도 1(a)에 도시한 바와 같은 동일한 선폭(300a)을 갖으나 평면상 수평전류성분 을 갖는 수평 도체패턴간 선사이간격(300b)이 없는 구조를 갖도록 하여 동일 베이스유전체블록(100) 체적대비 방사도체의 전기적 길이를 제 2실시예의 증가분의 두배로 연장시킨 구조를 갖는 것을 특징으로 한다. 전체적인 구조는 제 1실시예를 기본으로 한다.

도 7은 상기 명시한 사항들에 대한 검증에 대한 데이타로, 도 1(a),(b)의 종래 안테나의 반사손실 특성과 본 발명에 의한 실시예 1,2,3안테나의 반사손실 특성을 비교한 그래프도 이다.

도 8은 상기 칩 안테나 제조법의 실시예로 공정순서 흐름을 저온소성기술을 적용하여 본 발명품을 제조하였을 경우에 대하여 나타내었다.

본 발명에 의하면 종래의 미앤더라인 형태의 방사도체를 갖는 안테나와 본 발명에서 제시한 적층구조를 이용하여 계단형으로 분리, 배열된 도체패턴을 갖는 실시예 1,2,3안테나의 반사손실특성 비교결과(도 7)를 통해서 상호 배열된 미앤더라인 형태의 도체패턴을 상하 적층구조로 분리하여 적절한 도체패턴간의 상호결합량을 유지하면서, 동일한 유전체체적을 갖는 안테나에 대해 공진주파수를 하향 이동시킬 수 있다는 사항을 도 7의 결과를 통해 보였다. 동일 체적 대비 공진주파수를 하향 이동시킬 수 있다는 의미는 안테나의 베이스유전체의 크기가 칩 안테나의 전체 크기를 좌우하는것을 감안할 때 안테나의 특성에 큰 지장을 주지 않으면서도 안테나의 크기를 효과적으로 감소할 수 있다는 의미와 동일하다.

상기 사항을 정리하면, 종래의 안테나특성에 비교하여 본 발명의 실시예 1을 비교해볼때 거의 거의 동일한 주파수 대역폭을 유지하면서 공진주파수를 하향 이동시킬 수 있으며, 본 발명의 실시 예 3의 특성으로, 반사손실 -10dB기준 무선랜(WLAN), Bluetooth 대역인 2400~2484MHz를 충분히 포함하는 320MHz(13.1% @2445MHz)의 대역폭(2315~2635MHz)을 가지는 칩 안테나를 구현하였다. 이는 간단한 적층구조의 구현만으로도 도 9에 도시한 바와 같이 종래 안테나의 크기대비 65%의 크기로 구현이 가능하고, 또한 평면배열상의 미앤더라인 형태의 도체패턴을 구현하는 종래의 안테나와 비교 하였을 때 수평전류성분을 갖는 수평패턴간 상호결합을 계단형으로 수직 분리함으로 베이스유전체블록의 높이방향으로 이격시키게 되므로 평면상 실제 수평전류성분을 갖는 도체패턴간 거리를 0까지도 줄일 수 있게되어 결국 전체 안테나의 크기를 감소 할 수 있게된다.

따라서 안테나의 공진주파수 포인트가 방사도체의 전기적 길이에 의존하는 사항과 안테나의 크기를 결정하는 것이 유전체크기에 의존하는 것을 감안할 때 본 발명에 의하면 동일 유전체체적대비 안테나의 특성에 큰 변화 없이 안테나를 소형화 할 수 있다는 효과가 있다. 또한 무선이동통신 단말기 시스템보드 PCB에 안테나 급전부를 솔더링작업을 통해 간단히 장착할 수 있게 되고, 별도의 추후 작업 없이 대량생산이 용이한 장점이 있다.

본 발명은 상기의 특정한 구조를 갖는 실시 예를 중심으로 도시하고 그에 관한 설명을 통해 청구항을 나열하였지만, 청구항에 언급하지 않은 본 발명의 취지에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형 및 개량이 가능하다는 것을 밝혀두며, 이는 당 업계 통상의 지식을 가진자는 쉽게 알 수 있음을 밝혀둔다.

Claims (5)

1. 상기 칩형 안테나는 다수개의 유전체시트(101,102,103,104)로 구성된 단일 유전체블록(100) 내, 외부에 급전부와 분리된 미앤더라인 형태의 방사전도체 도체패턴이 다수층에 수직 계단형으로 분리 적층되어있고, 각각의 분리된 전도체패턴은 비아홀을 통해 전기적으로 연결되어있는 구조를 갖는 칩 안테나.
2. 제 1항에 있어 급전부는 칩 안테나의 바닥면에 위치하고있는 급전부도체패턴과 급전부도체패턴의 측면에서 수직방향으로 L자 모양으로 90도 절곡되어있는 연결부도체패턴(211) 으로 구성된 모양을 갖는 칩 안테나
3. 제 1항에 있어 미앤더라인 형태의 방사전도체 도체패턴은 베이스유전체블럭의 길이방향으로 제 2차도체패턴부-제 1차도체패턴부-제 2차도체패턴부-제 3차도체패턴부의 순서로 측면에서 바라다본 계단형태로 상호 엇갈리어 배열되어 있는 구조를 갖는 칩 안테나.
4. 제 3항에 있어 제 1차도체패턴부, 제 3차도체패턴부는 각각 수직방향전류성분-수평방향전류성분-수직방향전류성분을 갖는 도체패턴이 계단형 모양으로 90도 상호 절곡된 구조를 갖는 칩 안테나.
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