KR100477271B1 - 마이크로 칩 듀얼밴드 안테나 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 그라운드(ground) 면(11)과 비 그라운드(non ground) 면(12)으로 나뉘어진 기판(10) 위에 탑재되는 마이크로 칩 듀얼밴드 안테나(30)에 있어서, 직사각체를 이루는 유전체(31)의 길이(L)방향의 양측면에 씌워진 일측면 패치(32) 및 타측면 패치(33)와, 상기 일측면 패치(32)로부터 이격되면서 상기 타측면 패치(33)를 향하여 상기 유전체(31)의 상면에 지그재그 형상으로 씌워진 제 1 방사패치(34)와, 상기 타측면 패치(33)에 이어지면서 상기 유전체(31) 전체 길이(L)의 1/2 지점 미만 길이까지 상기 일측면 패치(32)를 향하여 상기 유전체(31)의 하면에 상기 제 1 방사패치(34)에 엇갈리도록 지그재그 형상으로 씌워진 제 2 방사패치(35)와, 상기 유전체(31)의 일측 정면에 뚫려져 상기 제 1 방사패치(34) 및 제 2 방사패치(35)를 서로 연결하도록 도금된 급전홀(36)을 포함하여 이루어지는 것을 그 기술적 구성상의 기본 특징으로 한다.

Description

마이크로 칩 듀얼밴드 안테나{MICRO CHIP DUAL BAND ANTENNA}
본 발명은 마이크로 칩 듀얼밴드 안테나에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 듀얼밴드에서의 통신기기에 적합한 반사손실 및 정재파비를 얻을 수 있고 양호한 복사패턴을 구현할 수 있을 뿐만 아니라 안테나의 크기를 극소화시킬 수 있으며 각종 무선통신 장비에 소형으로 내장시킬 수 있는 마이크로 칩 듀얼밴드 안테나(Micro Chip Dual Band Antenna)에 관한 것이다.
최근 들어 휴대 이동통신의 소형화가 이루어지고 있고, 이동통신 단말기류에 있어서 내장형 안테나가 등장하고 있으며, 다양한 통신 서비스가 본격화됨에 따라 고품질의 서비스를 효과적으로 제공하기 위하여 안테나 역시 소형, 경량이면서 외장형 안테나의 단점을 극복할 수 있는 마이크로 칩 안테나가 개발되고 있다. 그리고, 그 중 여러 종류의 서비스를 통합적으로 충족시킬 수 있는 듀얼밴드 안테나(Dual Band Antenna)가 중요시되고 있다.
그런데, 종래의 마이크로 칩 안테나는 이러한 시대적 요구에도 불구하고 단말기의 소형화 및 디자인에 대한 문제점을 해결하지 못하고 있을 뿐만 아니라 듀얼밴드의 문제점이라 할 수 있는 대역폭 확장 역시 특별히 개발진척을 보여주지 못하고 있으며, 특히 종래 기술의 안테나는 주로 외장형으로 임피던스 정합회로를 구현하여 공정수가 많고 생산단가가 비싼 단점을 지니고 있었다.
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 그 목적으로 하는 바는 각종 무선통신 장비에 소형으로 내장시킬 수 있도록 듀얼밴드에 적합한 반사손실을 얻을 수 있고 정재파비가 양호하며 우수한 복사패턴을 구현할 수 있는 마이크로 칩 듀얼밴드 안테나를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은,
그라운드(ground) 면과 비 그라운드(non ground) 면으로 나뉘어진 기판 위에 탑재되는 마이크로 칩 듀얼밴드 안테나에 있어서,
직사각체를 이루는 유전체의 길이방향의 양측면에 씌워진 일측면 패치 및 타측면 패치와,
상기 일측면 패치로부터 이격되면서 상기 타측면 패치를 향하여 상기 유전체의 상면에 지그재그 형상으로 씌워진 제 1 방사패치와,
상기 타측면 패치에 이어지면서 상기 유전체 전체 길이의 1/2 지점 미만 길이까지 상기 일측면 패치를 향하여 상기 유전체의 하면에 상기 제 1 방사패치에 엇갈리도록 지그재그 형상으로 씌워진 제 2 방사패치와,
상기 유전체의 정면 측면에 뚫려져 상기 제 1 방사패치 및 제 2 방사패치를 서로 연결하도록 도금된 급전홀을 포함하여 이루어지는 것을 그 기술적 구성상의 기본 특징으로 한다.
이하, 본 발명에 따른 마이크로 칩 듀얼밴드 안테나의 바람직한 실시예를 도면을 참조하면서 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예는 다수 개가 존재할 수 있으며, 이들 실시예를 통하여 본 발명의 목적, 특징 및 이점들을 보다 더 잘 이해할 수 있을 것이다.
정보화 사회를 맞이하면서 개인의 사회 및 경제활동이 점차 증가하고 정보전달의 비중이 높아짐에 따라 "언제나, 어디서나, 누구에게나" 정보를 자유롭게 교환할 수 있는 시스템이 필요하게 되었다.
이러한 요구에 부응하여 차세대 이동통신 시스템인 PCS(개인휴대통신서비스) 단말기는 유선전화에 버금가는 수준의 통화품질과 저렴한 서비스 요금 및 휴대성을 고려하면서 소형 및 경량화를 구현하고 있으며 데이터 서비스 등 멀티미디어 환경을 구사하고 있다.
한편, 아날로그 시스템의 제한된 용량 및 낮은 서비스 품질과 성능 등을 극복하기 위하여 제안된 디지털 단말기는 음성을 모두 코드화시키므로써 보안성이 높고 에러 정정이 용이하며 간섭에 강하고 용량이 크다는 장점이 있다.
디지털 방식에서 사용되는 다중 접속방법으로는 CDMA와 TDMA을 들 수 있고, 각 채널의 용량은 주파수 대역폭과 할당된 시간에 의해 제한되며, 디지털 방식의 셀룰라 이동통신 역시 Multipath와 Fading, 주파수 재사용에 의한 문제가 발생할 수 있다는 사실을 고려하여야 한다.
이때, CDMA는 주파수 재사용의 제약을 받지 않지만 TDMA의 경우 주파수를 재사용하기 위해서 동일한 주파수를 사용하기 위한 셀 간의 거리를 가능한 한 간섭의 영향을 받지 않을 만큼 충분히 이격시켜야 한다.
이러한 TDMA 방식을 사용하는 GSM(Group Special Mobile)은 범 유럽지역에서 사용 가능한 900㎒ 대역에서 운용되는 셀룰라 시스템으로 높은 음성품질, 저렴한 서비스 비용, International Roaming 지원, 주파수 대역의 사용효율 향상 등과 같은 장점을 지니고 있다.
그리고, GSM을 Upbanded시킨 PCN(Personal Communication Network; 개인 휴대 통신망)이 바로 DCS(Digital Cellular System)로서 1,800㎒ 대역 및 1,900㎒ 대역에서 운용되고, 기본적으로는 GSM 방식에 기초하고 있으며 SIM(Subscriber Identification Module)을 사용하므로 GSM과의 로밍 또한 가능하다.
본 발명은 GSM 대역 및 DCS 대역과 같은 듀얼밴드에 공통으로 사용할 수 있는 마이크로 칩 듀얼밴드 안테나(30)를 제안하고 더욱 구체적으로 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 마이크로 칩 듀얼밴드 안테나(30)의 표면실장 상태를 설명하기 위한 기판(10)을 포함한 사시도로서 그라운드(ground) 면(11)과 비 그라운드(non ground) 면(12)으로 나뉘어진 기판(10) 위에 탑재되는 마이크로 칩 듀얼밴드 안테나(30)를 보여주고 있고, 바람직한 실시예로서 기판(10)의 길이와 폭은 각각 38㎜, 90㎜로 하였고, 그 중 그라운드 면(11)의 폭과 길이는 38㎜, 78㎜이고, 비 그라운드 면(12)의 폭과 길이는 38㎜, 12㎜로 하였으며, 에폭시 재질의 유전체(31)를 이용하여 제조비용을 절감할 수 있도록 하였다.
도 2는 본 발명에 따른 마이크로 칩 듀얼밴드 안테나(30)를 나타내는 사시도로서 직사각체로 된 유전체(31)의 길이(L=30㎜), 폭(W=8㎜), 높이(H=3.2㎜)를 하나의 실시예로서 제시하고 있고, 도 3은 본 발명에 따른 마이크로 칩 듀얼밴드 안테나(30)의 하면을 보여주기 위한 사시도로서 유전체(31)의 상면을 생략 내지는 점선으로 표현하여 그 하면의 모습을 확인할 수 있도록 하였다.
도 4는 본 발명에 따른 마이크로 칩 듀얼밴드 안테나(30)를 나타내는 평면도로서 제 1 방사패치(34)를 명확히 나타내고 있고, 도 5는 본 발명에 따른 마이크로 칩 듀얼밴드 안테나(30)를 나타내는 저면도로서 제 2 방사패치(35)를 자세히 보여주고 있다.
본 발명에 따른 마이크로 칩 듀얼밴드 안테나(30)는 도 1 내지 도 5에 도시된 바와 같이 직사각체를 이루는 유전체(31)의 길이(L)방향의 양측면에 씌워진 일측면 패치(32) 및 타측면 패치(33)를 구비한다.
그리고, 유전체(31)의 상면에는 일측면 패치(32)로부터 이격되면서 타측면 패치(33)를 향하여 지그재그 형상으로 씌워져 예를 들면 GSM 대역에서 공진하는 제 1 방사패치(34)가 구현되고, 유전체(31)의 하면에는 타측면 패치(33)에 이어지면서 유전체(31) 전체 길이(L)의 1/2 지점 미만 길이까지 일측면 패치(32)를 향하여 제 1 방사패치(34)에 엇갈리도록 지그재그 형상으로 씌워져 예를 들면 DCS 대역에서 공진하는 제 2 방사패치(35)가 구현된다.
유전체(31)의 상하면에 제 1 방사패치(34)와 제 2 방사패치(35)를 서로 엇갈리게 씌워지도록 함으로써 상호간의 방사영향 및 간섭을 최소화시킬 수 있고, 하나의 실시예로서 제 1 방사패치(34)는 유전체(31)의 전체 길이(L)를 이용하여 900㎒ 대역에서 운용될 수 있도록 하였으며, 제 2 방사패치(35)는 유전체(31)의 전체 길이(L) 중 그 절반을 이용하여 1,800㎒ 또는 1,900㎒ 대역에서 운용될 수 있도록 하였다.
유전체(31)의 일측 정면은 제 1 방사패치(34) 및 제 2 방사패치(35)를 서로 연결하도록 뚫려져 도금된 급전홀(36)을 구비하고, 유전체(31)의 타측 정면은 제 1 방사패치(34) 및 제 2 방사패치(35)를 상호 연결하도록 뚫려져 도금된 다른 급전홀(37)을 더 포함하며, 이러한 급전홀들(36, 37)은 기판(10)의 그라운드 면(11)으로부터 회로정합에 의한 신호를 제공하는 시그널 라인(13)에 솔더링 접속된다.
한편, 직사각체를 이루는 유전체(31)의 측면에 씌워진 일측면 패치(32)는 그라운드 면(11)과 연결되는 구간에 그라운드 길이의 확장효과를 제공하는 칩형 인덕터(38)를 포함하여 대역폭을 10∼20％ 정도까지 확장시킬 수 있게 되고, 이때 사용되는 칩형 인덕터(38)는 5∼10nH의 값을 이용할 수 있다.
이와 같이 본 발명은 단일의 급전홀(36)을 통하여 유전체(31)의 상하면에 구현된 제 1 방사패치(34) 및 제 2 방사패치(35), 즉 듀얼밴드를 이용함으로써 이동통신 분야에서의 GSM 대역 및 DCS 대역(듀얼밴드)에서의 운영을 더욱 원활히 할 수 있으며, 더불어 휴대통신 단말기에서 내장형으로 탑재되어 소형화 구현이 가능하고, 기판(10) 위에 표면실장으로 접속이 가능하여 시그널 라인(13)으로부터 신호가 공급될 경우 별도의 급전선로를 필요하지 않을 뿐만 아니라 전기력선의 부정(不整)분포를 능동적으로 극복할 수 있게 된다.
이러한 본 발명에 따른 마이크로 칩 듀얼밴드 안테나(30)는 셀룰러 폰 및 PCS(Personal Communication Service)를 이용하는 개인 휴대통신 서비스, 무선 가입자망 서비스(Wireless Local Looped), 플림스(Future Public Land Mobile Telecommunication System) 및 위성통신 등을 포함하는 무선통신에 사용되어 기지국과 휴대용 단말기 상호간의 신호를 송수신하는 데에 매우 유용하게 사용될 수 있다.
한편, 종래에 사용되던 마이크로스트립 적층 안테나는 근본적인 속성이 공진형 안테나이므로 주파수 대역폭이 수％ 이하로 매우 좁고 복사이득이 낮은 단점을 지니고 있으며, 이득이 좋지 않아 여러 장의 패치를 어레이시키거나 적층시켜야만 하기 때문에 안테나의 크기 및 두께가 당연히 커질 수밖에 없고, 이러한 이유로 일반적인 개인 휴대용 단말기나 휴대통신 중계기용 안테나, 기타 무선통신 장비 등에 탑재할 경우 어려움이 따르는 문제가 있었다.
그러나, 본 발명에 따른 마이크로 칩 듀얼밴드 안테나(30)는 광범위의 주파수 대역폭을 가질 뿐만 아니라 누설전류를 작게 하여 이득을 보다 좋게 할 수 있으며 특히 정재파비를 개선하여 소형의 크기로 각종 통신장비의 극소화를 구현할 수 있다.
상기한 바와 같은 활용범위로 이용되는 본 발명에 따른 마이크로 칩 듀얼밴드 안테나(30)의 특성을 이하에 더욱 상세하게 설명한다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 칩 듀얼밴드 안테나(30)의 주파수에 대한 반사손실(RETURN LOSS)을 나타내는 그래프이고, 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로 칩 듀얼밴드 안테나(30)의 주파수에 대한 반사손실을 나타내는 그래프이다.
도 6에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 마이크로 칩 듀얼밴드 안테나(30)의 서비스 대역은 제 1 방사패치(34)에 의하여 824∼894㎒(마커 1∼마커 2) 및 제 2 방사패치(35)에 의하여 1,850∼1,990㎒(마커 3∼마커 4)의 듀얼밴드로서 구현되고, 여기에 칩형 인덕터(38)를 더 추가하였을 경우 도 7에 도시된 바와 같이 제 1 방사패치(34)에 의하여 824∼894㎒(마커 1∼마커 2) 및 제 2 방사패치(35)에 의하여 1,850∼1,990㎒(마커 3∼마커 4)의 듀얼밴드로서 10∼20％ 정도 확장됨을 알 수 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로 칩 듀얼밴드 안테나(30)의 주파수에 대한 정재파비(VSWR)를 나타내는 그래프로서 칩형 인덕터(38)를 더 추가하였을 경우이고, GSM의 동작 주파수 대역에서 공진 임피던스 50Ω에 대하여 최대 정재파비가 1:2.5007∼2.8486으로 나타나고, DCS 동작 주파수 대역에서 공진 임피던스 50Ω에 대하여 최대 정재파비가 1:2.9314∼3.3695로 나타나는 것을 보여주고 있다.
즉, 마이크로 칩 듀얼밴드 안테나(30)에 있어서의 정재파비가 1이 이상적이라 했을 때, GSM 대역인 마커 1에서의 정재파비는 2.8486으로 나타나고 이때의 주파수는 880㎒이며, 마커 2에서의 정재파비는 2.5007, 주파수는 960㎒이고; DCS 대역인 마커 3에서의 정재파비는 2.9314, 주파수는 1,710㎒이고, 마커 4에서의 정재파비는 3.3695, 주파수는 1,880㎒으로 각각 나타남을 알 수 있고, 이러한 상태는 GSM 대역 및 DCS 대역에서의 공진 임피던스 50Ω에 대한 정재파비가 매우 좋게 구현되고 있음을 반증한다 할 것이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로 칩 듀얼밴드 안테나(30)를 설명하기 위한 스미스 챠트(Smith Chart)로서 칩형 인덕터(38)를 더 추가하였을 경우이다.
도 9에 도시된 바와 같이 GSM 및 DCS 주파수 대역에서 공진 임피던스를 50Ω으로 기준하였을 때, GSM 대역에서의 마커 1은 임피던스가 23.813Ω으로 나타나고, 이때의 주파수는 880㎒이며, 마커 2에서의 임피던스는 29.068Ω, 주파수는 960㎒이다. 그리고, DCS 대역에서의 마커 3은 임피던스가 30.939Ω, 주파수는 1,710㎒이며, 마커 4의 임피던스는 154.80Ω, 주파수는 1,880㎒로 각각 나타남을 알 수 있고, 이러한 상태는 GSM 대역에서의 공진 임피던스가 전체적으로 23.813∼29.068Ω을 구현하고 있고, DCS 대역에서의 공진 임피던스가 전체적으로 30.939∼154.80Ω을 구현하고 있는 것으로 듀얼밴드에서의 활용가치를 더욱 명확화하는 바람직한 값이라 할 수 있다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로 칩 듀얼밴드 안테나(30)를 설명하기 위한 수직 복사패턴(Radiation Pattern)으로서 전자파 무반사실에서 측정한 결과 GSM 대역에서는 0dBi을 얻었고, DCS 대역에서는 2dBi의 복사이득을 얻어 휴대 이동통신에서의 보다 효율적인 복사를 구현할 수 있음을 알 수 있고, 도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로 칩 듀얼밴드 안테나(30)를 설명하기 위한 수평 복사패턴으로서 전방향성 복사패턴을 구현함을 보여주고 있고, 이로써 어느 위치에서라도 송수신이 가능하며 방향성 문제를 해결할 수 있음을 알 수 있다. 이때, 본 발명의 마이크로 칩 듀얼밴드 안테나(30)의 측정은 전기적 장애물이 없는 무반사실 및 전후방 50m 내에 장애물이 없는 필드에서 측정하여야 하고, 이에 따라 본 자체기술시험에서는 무반사실에서 측정을 하였으며 각 마커 포인트의 주전계면과 주자계면의 복사패턴을 측정한 결과 각 측정 주파수에서 주전계면과 주자계면의 복사패턴은 전방향성을 나타내어 GSM 대역 및 DCS 대역에 있어서의 송수신용 안테나로서 매우 적합한 것임을 다시 한번 확인할 수 있다.
이상에서와 같이 본 발명에 따른 마이크로 칩 듀얼밴드 안테나는 듀얼밴드, 즉 GSM 대역 및 DCS 대역에서의 -5dB 이하의 반사손실을 얻을 수 있고, 정재파비가 GSM의 동작 주파수 대역에서 1:2.5007∼2.8486으로 양호하고, DCS 동작 주파수 대역에서 1:2.9314∼3.3695로 양호하며, 공진 임피던스는 GSM 대역에서 23.813∼29.068Ω을 구현하고, DCS 대역에서 30.939∼154.80Ω을 구현하고 있으며, 수직 복사패턴은 GSM 대역에서 0dBi, DCS 대역에서 2dBi를 얻을 수 있고, 수평 복사패턴이 전방향에 대하여 이루어지며, 기판 위에 용이하게 탑재할 수 있고, 셀룰러 폰 및 PCS(Personal Communication Service)를 이용하는 개인 휴대통신 서비스, 무선 가입자망 서비스(Wireless Local Looped), 플림스(Future Public Land Mobile Telecommunication System), IMT-2000 및 위성통신 등을 포함하는 무선통신에 사용되어 휴대용 단말기 상호간 또는 무선 랜의 신호를 송수신하는 데에 매우 용이하게 응용할 수 있는 유용함이 있다.
특히, 본 발명에 따른 마이크로 칩 듀얼밴드 안테나는 단일의 급전홀을 이용하여 듀얼밴드를 구현할 수 있을 뿐만 아니라 누설전류를 작게 하여 이득을 좋게 할 수 있으며 정재파비를 개선할 수 있기 때문에 소형의 크기로 각종 통신장비에 내장할 수 있는 탁월한 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 마이크로 칩 듀얼밴드 안테나의 표면실장 상태를 설명하기 위한 기판을 포함한 사시도.
도 2는 본 발명에 따른 마이크로 칩 듀얼밴드 안테나를 나타내는 사시도.
도 3은 본 발명에 따른 마이크로 칩 듀얼밴드 안테나의 하면을 보여주기 위한 사시도.
도 4는 본 발명에 따른 마이크로 칩 듀얼밴드 안테나를 나타내는 평면도.
도 5는 본 발명에 따른 마이크로 칩 듀얼밴드 안테나를 나타내는 저면도.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 칩 듀얼밴드 안테나의 주파수에 대한 반사손실(RETURN LOSS)을 나타내는 그래프.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로 칩 듀얼밴드 안테나의 주파수에 대한 반사손실(RETURN LOSS)을 나타내는 그래프.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로 칩 듀얼밴드 안테나의 주파수에 대한 정재파비(VSWR)를 나타내는 그래프.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로 칩 듀얼밴드 안테나를 설명하기 위한 스미스 챠트(Smith Chart).
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로 칩 듀얼밴드 안테나를 설명하기 위한 수직 복사패턴(Radiation Pattern).
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로 칩 듀얼밴드 안테나를 설명하기 위한 수평 복사패턴.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 기판 11 : 그라운드 면
12 : 비 그라운드 면 13 : 시그널 라인
30 : 마이크로 칩 듀얼밴드 안테나 31 : 유전체
32 : 일측면 패치 33 : 타측면 패치
34 : 제 1 방사패치 35 : 제 2 방사패치
36 : 급전홀 37 : 다른 급전홀
38 : 칩형 인덕터 H : 높이
L : 길이 W : 폭

Claims (3)

  1. 그라운드(ground) 면(11)과 비 그라운드(non ground) 면(12)으로 나뉘어진 기판(10) 위에 탑재되는 마이크로 칩 듀얼밴드 안테나(30)에 있어서,
    직사각체를 이루는 유전체(31)의 길이(L)방향의 양측면에 씌워진 일측면 패치(32) 및 타측면 패치(33)와,
    상기 일측면 패치(32)로부터 이격되면서 상기 타측면 패치(33)를 향하여 상기 유전체(31)의 상면에 지그재그 형상으로 씌워진 제 1 방사패치(34)와,
    상기 타측면 패치(33)에 이어지면서 상기 유전체(31) 전체 길이(L)의 1/2 지점 미만 길이까지 상기 일측면 패치(32)를 향하여 상기 유전체(31)의 하면에 상기 제 1 방사패치(34)에 엇갈리도록 지그재그 형상으로 씌워진 제 2 방사패치(35)와,
    상기 유전체(31)의 일측 정면에 뚫려져 상기 제 1 방사패치(34) 및 제 2 방사패치(35)를 서로 연결하도록 도금된 급전홀(36)을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로 칩 듀얼밴드 안테나(30).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 일측면 패치(32)와 그라운드 면(11)이 연결되는 구간에 그라운드 길이의 확장효과를 제공하여 대역폭을 확장시키는 칩형 인덕터(38)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 칩 듀얼밴드 안테나(30).
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 유전체(31)의 타측 정면에 뚫려져 상기 제 1 방사패치(34) 및 제 2 방사패치(35)를 연결하도록 도금된 다른 급전홀(37)을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로 칩 듀얼밴드 안테나(30).
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