KR100688648B1 - 단락 스터브를 이용한 이동통신단말기용 다중대역 내장형안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이동통신용 다중 대역 내장형 안테나에 관한 것으로, 특히 직렬 공진 특성을 갖는 안테나에 단락 스터브를 이용하여 단층 또는 적층형 내장형 안테나를 구성하여 다중대역을 실현하여 이동통신 단말기 시스템에 보다 적합한 안테나를 구현하고자 한 단락 스터브를 이용한 이동통신단말기용 내장형 안테나에 관한 것이다.

이동통신안테나, 단락스터브, 다중대역, 이동통신단말기안테나, 내장형안테나

Description

단락 스터브를 이용한 이동통신단말기용 다중대역 내장형 안테나{Multi-band Internal Antenna Using a Short Stub for Mobile Terminals}

도 1은 본 발명 단락 스터브를 이용한 단층형 다중대역 내장형 안테나의 전체 구성을 나타낸 도면.

도 2는 본 발명 단락 스터브를 이용한 적층형 다중대역 내장형 안테나의 전체 구성을 나타낸 도면.

도 3a 내지 도 3b는 단락 스터브를 이용한 단층형 다중대역 내장형 안테나를 방사체와 단락 스터브로 나누어 보인 도면으로,

도 3a는 급전부를 포함하는 기존 모노폴 형태의 전기적 소형 안테나.

도 3b는 단락 스터브.

도 3c는 단락스터브를 이용한 단층형 안테나.

도 4a 내지 도 4c는 단락 스터브를 이용한 적층형 다중대역 내장형 안테나를 방사체와 단락 스터브로 나누어 보인 도면으로,

도 4a는 급전부를 포함하는 적층 안테나 구조.

도 4b는 단락스터브.

도 4c는 단락 스터브를 이용한 적층형 안테나.

도 5는 본 발명에 있어서, 다른 형태의 모노폴 안테나에 단락 스터브를 추가 한 예를 나타낸 도면.

도 6은 본 발명에 있어서, 급전점과 단락점의 설치예를 나타낸 도면.

도 7은 본 발명에 있어서, 급전점과 단락점의 설치예를 나타낸 도면.

도 8은 본 발명에 있어서, 단락 스터브의 설치예를 나타낸 도면.

도 9는 본 발명에 있어서, 적층형 안테나에 있어서, 상부 방사체에 슬롯 또는 슬릿을 형성한 예를 나타낸 도면.

도 10은 본 발명에 있어서, 적층형안테나에 급전점과 단락점을 설치한 예를 나타낸 도면.

도 11은 본 발명에 있어서, 적층형안테나에 급전점과 단락점을 설치한 예를 나타낸 도면.

본 발명은 이동통신용 다중 대역 내장형 안테나에 관한 것으로, 특히 직렬 공진 특성을 갖는 안테나에 단락 스터브를 이용하여 단층 또는 적층형 내장형 안테나를 구성하여 다중대역을 실현하여 이동통신 단말기 시스템에 보다 적합한 안테나를 구현하고자 한 단락 스터브를 이용한 이동통신단말기용 내장형 안테나에 관한 것이다.

현재 이동 통신 단말기는 새로운 변혁의 시대를 맞이하고 있다. 이제 그것은 더 이상 단순한 무선 전화기가 아니라 TV, Internet, Camera/Camcorder 기능까지도 포함하고 있는 생활필수품으로 인식되고 있다.

이러한 이동 통신 단말기에 대한 사람들의 인식의 변화는 소비자들로 하여금 핸드폰을 더 작고, 더 Low-profile하고, 보다 매력적인 디자인, 더 편리할 뿐만 아니라 오랜 시간을 사용해도 인체에 보다 안전한 장치가 되었으면 하는 요구를 낳았다.

또한 다중 대역 및 다중 모드를 실현하는 단말기가 점차 증가함에 따라 내장형 안테나는 추가적으로 다양한 대역을 쉽게 구현할 수 있어야 한다는 점과 대역 간의 성능 편차(이득, 상대적인 대역폭, 방사패턴 등등)가 적어야 한다는 점을 요구받고 있다.

일반적으로 다중 대역 내장형 안테나를 설계함에 있어 사용되는 방법은 크게 세 가지로 나뉜다.

우선 설계하고자 하는 각각의 주파수에 대하여 두 개 이상의 분리된 공진 모드를 생성할 수 있게 하기 위하여 슬롯 혹은 슬릿을 방사체에 구성함으로써 서로 다른 두 개 이상의 공진 선로를 확보하는 방법이 있다.

이 방법은 설계의 용이성, 기구 적인 신뢰성 등으로 인하여 가장 많이 채택되는 방법이지만 한정된 공간내에 두 가지 이상의 다른 공진 선로들을 확보해야 한다는 점 때문에 임피던스 대역폭이 비교적 협소하고, 안테나의 방사패턴이 주파수 대역별로 고르게 형성시키기 힘들다는 단점을 가지고 있다.

그리고 두 번째로는 방사체가 일종의 공진기라는 것에 착안하여 하나의 방사체의 고차 모드를 활용하여 다중 대역을 구성하는 방법이 있다.

이 방법은 기본 모드가 동작하는 낮은 주파수 대역에서는 앞서 설명한 방법에 비하여 안테나의 효율, 임피던스 대역폭 등에서 장점을 가지고 있지만 첫 번째 고차모드에서 동작하게 되는 주파수 대역에서는 상대적으로 협소한 임피던스 대역폭, 낮은 효율, 이동 통신 시스템에 적합하지 않은 방사 패턴을 필연적으로 가지게 된다는 단점을 안고 있다.

마지막으로 다중 대역 내장형 안테나를 설계하는 방법으로는 기생 방사체를 활용하여 새로운 공진 주파수를 생성하는 방법이 있다.

이 방법은 주 방사체의 인접 거리 내에 새로운 기생 방사체를 구성하여 전자기적인 커플링을 통하여 기생 방사체를 구동하는 방식이다.

이 방법의 가장 큰 문제점은 기생 방사체로써 구동하는 주파수 대역에서 임피던스 대역폭이 상당히 협소해 진다는 것과 기생 방사체가 주 방사체에도 영향을 미치기 때문에 설계 시 매우 많은 변수가 존재한다는 점이다.

현재, 이동 통신 단말기에서 설계가 비교적 간단하고 기구적인 안정감을 극대화 할 수 있다는 장점을 가지고 있는 첫 번째 방법을 활용한 다중 대역 역 에프형 안테나(PIFA)가 90%이상의 점유율을 가지고 있다.

그러나 앞서 설명했던 대로 이 방식은 안테나를 구성할 수 있는 공간이 일정 수준 이상으로 크지 않다는 가정 하에서는 스터비 혹은 리트랙터블 안테나와 같은 외장형과 비교할 때 상대적으로 낮은 효율, 좁은 대역폭, 높은 주파수 대역에서의 널(Null)이 심한 방사패턴과 더불어 표면 전류 밀도가 한쪽으로 편중되기 쉽기 때문에 인체 접촉에 매우 예민하다는 문제점이 있다.

본 발명에서는 상기에서 설명했던 기존의 내장형 안테나가 가지고 있는 문제점을 최소화 하여 이동 통신 단말기 시스템에 보다 적합한 안테나를 구현하고자 한다.

본 발명은 종래의 다중 대역 구현 방식과는 다르게 직렬 공진 특성을 갖는 안테나에 단락 스터브를 포함하여 다중 대역을 실현한 구조를 제안하고자 한 것이다.

본 발명의 안테나는 단층 혹은 적층형의 구조를 제안하고자 한 것이다.

본 발명은 단층형과 적층형으로 구분되며,

단층형 안테나는,

PCB의 접지면, 방사체와 접지면 사이의 전기적인 길이를 확보하기 위한 유전체(공기, 플라스틱 등등)층, 단락점을 포함하며 금속과 같은 도전 물질로 만들어진 일정한 길이의 단락 스터브, 금속과 같은 도전 물질로 이루어지며 급전부를 포함한 주방사체로 크게 구성된다.

상기 PCB 접지면은 일부 제거될 수 있다.

적층형 안테나는,

PCB의 접지면, 급전부를 포함한 하층 방사체와 접지면 사이의 전기적인 길이를 확보하기 위한 유전체(공기, 플라스틱 등등)층, 하층 방사체와 상층 방사체 사이의 전기적 길이를 확보하기 위한 유전체(공기, 플라스틱 등)층, 단락점을 포함하 며 금속과 같은 도전 물질로 만들어진 일정한 길이의 단락 스터브, 금속과 같은 도전 물질로 이루어진 하나 이상의 상층 방사체, 상층 방사체와 하층 방사체를 전기적으로 연결하는 금속과 같은 도전 물질로 이루어진 연결부로 크게 구성된다.

PCB 접지면은 일부 제거될 수 있다.

또한 본 발명에서는 제안한 안테나는 기존의 안테나 구조와 달리 급전점에서 거리가 상당히 이격된 지점에 단락점을 가지고 있다.

단층형 안테나는 급전부를 포함한 기존 모노폴 형태의 전기적 소형 안테나를 주방사체로서 구성한다.

여기서 모노폴 형태의 안테나는 기본적으로 그 동작 주파수가 이동통신 단말기용에 적합하거나, 혹은 그렇지 않은 이중 공진 특성을 갖는다.

또한 단락점을 포함하고 있는 일정한 길이의 단락 스터브는 대역 통과 여과기와 비슷한 효과를 가지고 있다.

이러한 단락 스터브의 역할은 급전부을 포함한 모노폴 형태 안테나의 특정 지점에 연결되어 높은 주파수 대역에서 넓은 대역폭의 임피던스 정합이 가능하게 하는 것이다.

또한 방사체의 도체 손실을 고려하였을 때 안테나 표면의 전류가 특정 부분에 집중되어 분포되지 않고 균일하게 하는 것이 안테나의 효율면에서 매우 바람직하다.

다음으로 적층형 안테나는 높은 주파수 대역에서 공진하며 급전부를 포함하는 하층 방사체, 낮은 주파수 대역에서 공진하는 상층 방사체, 그리고 상층 방사체 와 하층 방사체를 전기적으로 연결하는 연결부로 구성되며 두 방사체를 이용함으로써 기본적으로 이중 공진 특성을 갖는다.

단락점을 포함하고 있는 일정한 길이의 단락 스터브는 대역 통과 여과기와 비슷한 효과를 가지며 급전부를 포함한 하층 방사체와 특정 지점에서 연결되어 높은 주파수대역에서 넓은 대역폭의 임피던스 정합이 가능하게 한다.

본 발명에서 제안한 단락 스터브를 이용한 다중 대역 내장형 안테나는 일정한 길이를 갖는 단락 스터브의 특성을 이용하여 높은 주파수 대역에서의 광대역 임피던스 정합을 이루며, 이를 통해 다중 대역을 실현하고자 하였다.

주방사체(단층형의 경우) 혹은 하층 방사체(적층형의 경우)와 특정 지점에서 전기적으로 연결된 단락 스터브는 광대역 임피던스 정합을 가능하게 하며, 단락점을 급전점과 상당 거리 이격시킴으로써 도체 손실을 고려하였을 때 기존의 다른 안테나에 비해 높은 효율을 가지고 있다.

이에 제안된 안테나는 다중 대역, 다중 모드 방식의 이동 통신 단말기에 특히 유용하게 쓰일 수 있다.

이와 같은 본 발명을 첨부된 도면에 도시된 실시예를 참조하여 그 구조 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명 단락 스터브를 이용한 단층형 다중대역 내장형 안테나의 전체 구성을 나타낸 것이다.

단락 스터브를 이용한 단층형 다중대역 내장형 안테나는 기본적으로 PCB 접지면과, 방사체와 접지면 사이의 전기적인 길이를 확보하기 위한 유전체(공기, 플 라스틱 등등)층, 단락점을 포함하며, 금속과 같은 도전 물질로 만들어진 일정한 길이의 단락 스터브와, 금속과 같은 도전 물질로 이루어지며 급전부를 포함한 주방사체로 구성된다.

이때, PCB 접지면은 일부 제거될 수 있다.

도2 는 본 발명 단락 스터브를 이용한 적층형 다중대역 내장형 안테나의 전체 구성을 나타낸 것이다.

단락 스터브를 이용한 적층형 다중대역 내장형 안테나는 기본적으로 PCB의 접지면과, 급전부를 포함한 하층 방사체와 접지면 사이의 전기적인 길이를 확보하기 위한 유전체(공기, 플라스틱 등등)층, 하층 방사체와 상층 방사체 사이의 전기적 길이를 확보하기 위한 유전체(공기, 플라스틱 등)층, 단락점을 포함하며, 금속과 같은 도전 물질로 만들어진 일정한 길이의 단락 스터브와, 금속과 같은 도전 물질로 이루어진 하나 이상의 상층 방사체와 상층방사체와 하층 방사체를 전기적으로 연결하는 금속과 같은 도전 물질로 이루어진 연결부로 구성된다.

이때, PCB 접지면은 일부 제거될 수 있다.

본 발명 안테나는 기존의 안테나 구조와는 달리 급전점에서 거리가 상당히 이격된 지점에 단락점이 위치하는 구조를 가지며, 방사체내의 임의의 임피던스 지점 혹은 임의의 전류 경로상에서 단락 스터브가 방사체와 전기적으로 결합된다.

도 3a와 도 3b는 단락 스터브를 이용한 단층형 다중대역 내장형 안테나를 방사체와 단락 스터브로 나누어 보인 것이다.

도 3a는 급전부를 포함하는 기존 모노폴 형태의 전기적 소형 안테나이다.

모노폴 형태의 안테나는 기본적으로 그 동작 주파수가 이동통신 단말기용에 적합하거나, 혹은 그렇지 않은 이중 공진 특성을 갖는다.

또한 도 3b와 같이 단락점을 포함하고 있는 일정한 길이의 단락 스터브는 대역 통과 여과기와 비슷한 효과를 가지고 있다.

이러한 단락 스터브의 역할은 급전부를 포함한 모노폴 형태 안테나의 특정 지점에 연결되어 높은 주파수 대역에서 넓은 대역폭의 임피던스 정합이 가능하게 하는 것이다.

그 전체적인 구조는 도 3c와 같다.

이때 단락 스터브와 방사체가 전기적으로 연결되는 지점을 변경함으로써 주파수 특성과 임피던스 특성을 변화할 수 있다.

또한 방사체의 특정 지점에서 선로의 두께(또는 너비)를 변화시킴으로써 높은 주파수 대역에서의 대역폭의 조절 역시 가능하다.

기존의 대부분의 모노폴 형태 내장형 안테나로부터 이러한 적용이 가능하며 방사체의 도체 손실을 고려하였을 때 안테나 표면의 전류가 특정 부분에 집중되어 분포되지 않고 균일하게 하는 것이 안테나의 효율면에서 매우 바람직하다.

도 4a와 도 4b는 단락 스터브를 이용한 적층형 다중대역 내장형 안테나를 방사체와 단락 스터브로 나누어 보인 것이다.

전체적인 방사체는 도 4a와 같이, 높은 주파수 대역에서 공진하며 급전부를 포함하는 하층 방사체, 낮은 주파수 대역에서 공진하는 상층 방사체, 그리고 상층 방사체와 하층 방사체를 전기적으로 연결하는 연결부로 구성되며 두 방사체를 이용 함으로써 기본적으로 이중 공진 특성을 갖는다.

도 4a에서 외부 실선은 상층 방사체 모양을, 그리고 내부 실선은 하층 방사체 모양을 표현하였으며 이해를 돕기 위하여 측면도를 함께 나타내었다.

두 방사체는 그 사이에 유전체(공기, 플라스틱 등등)층을 포함하고 있다.

도 4b와 같은 단락점을 포함하고 있는 일정한 길이의 단락 스터브는 대역 통과 여과기와 비슷한 효과를 가지며 급전부를 포함한 하층 방사체와 특정 지점에서 연결되어 높은 주파수대역에서 넓은 대역폭의 임피던스 정합이 가능하게 한다.

그 전체적인 구조는 도 4c와 같다.

이때 단락 스터브와 방사체가 전기적으로 연결되는 지점을 변경함으로써 주파수 특성과 임피던스 특성을 변화할 수 있다.

낮은 주파수 대역의 동작을 위해 상층 방사체에 추가적으로 슬릿이나 슬롯을 사용하거나 상층 방사체의 모양을 변형할 수 있다.

도 5는 다른 형태의 모노폴의 경우에도 단락 스터브를 추가함으로써 적용이 가능한 사례를 보여주고 있다.

또한 방사체의 특정 지점에서 선로의 두께(또는 너비)를 변화시킴으로써 높은 주파수 대역에서의 추가적인 대역폭의 개선이 가능하며 안테나 표면의 전류가 특정 부분에 집중되어 분포되지 않고 분산되므로 도체 손실이 줄고 안테나의 효율을 극대화할 수 있다.

도 6은 높은 주파수 대역에서 발생할 수 있는 널(null)이 심한 방사패턴을 방지하기 위해 급전점과 단락점을 중앙에 위치시킨 경우이다.

도면에 표시된 선을 따라 방사체의 일부를 측면으로 접는 경우 고주파 대역에서의 용량성 부하 성분으로 인한 대역폭 향상도 기대할 수 있다.

도 7은 도 6과 같이 높은 주파수 대역에서 발생할 수 있는 널(null)이 심한 방사패턴을 방지하기 위해 급전점과 단락점을 중앙에 위치시킨 경우이다.

표시된 선을 따라 방사체의 일부를 측면으로 접음으로써 생기는 높은 주파수 대역에서의 용량성 부하 성분으로 인한 대역폭 향상 뿐 만 아니라 도 5의 경우와 같이, 방사체의 특정 지점에서 선로의 두께(또는 너비)를 변화시킴으로써 얻는 높은 주파수 대역에서 대역폭 개선을 동시에 얻을 수 있음을 보여준다.

도 8은 상기에서 설명한 단층형 안테나의 사례들처럼 기존의 모노폴 내장형 안테나의 이중공진 특성을 토대로 높은 주파수에서의 광대역 임피던스 정합을 실현하는 경우이지만, 다른 예들과는 다르게 단락점을 포함하는 단락 스터브가 급전점을 포함하는 모노폴 방사체와 서로 다른 층에 형성되고 연결부를 통해 방사체와 전기적 결합이 이루어진다.

이는 단락 스터브가 존재하는 층과 모노폴 방사체가 존재하는 층 사이에 유전율을 갖는 유전체등을 추가하여 안테나의 전체적인 길이를 감소시키는 효과를 가지며, 안테나는 구현할 수 있는 면적이 작은 경우 단락 스터브를 안테나 방사체 층 아래에서 구현할 수 있으므로 공간상 매우 효과적이다.

도 9는 실제 단말기에 적용할 때 1GHz 미만의 주파수를 튜닝하기 위하여 슬릿 혹은 슬롯을 사용하여 원하는 주파수 대역폭을 보다 세밀하게 튜닝할 수 있는 안테나의 구성 사례를 보여주고 있다.

이와 마찬가지로 높은 주파수 대역의 광대역 특성에 영향을 주지 않고도 상층 방사체에 슬롯과 슬릿 등을 이용한 변형을 통해 낮은 주파수 대역의 특성을 극대화할 수 있다.

도 10은 높은 주파수 대역에서 발생할 수 있는 널(null)이 심한 방사패턴을 방지하기 위해 급전점과 단락점을 중앙에 위치시킨 경우이다.

이 경우 낮은 주파수 대역과 높은 주파수 대역 모두에서 표면전류밀도를 보다 균일하게 해주는 효과를 나타내며, 마찬가지로 높은 주파수 대역에서의 광대역 특성을 통해 다중대역의 실현이 가능하다.

도 11은 단락점의 위치를 급전점으로부터 물리적으로 멀리 떨어뜨린 경우이다.

이 경우에도 마찬가지로 낮은 주파수 대역과 높은 주파수 대역의 이중 공진 특성이 나타나며, 높은 주파수 대역의 광대역 특성으로부터 다중대역의 동작을 확인할 수 있다.

고주파수 대역의 광대역 임피던스 정합 특성은 단락점과 급전점 사이의 물리적 간격이나 위치에 의해서가 아니라 전기적 거리에 의해 나타나는 것이므로 이와 같이 전기적 길이가 일정한 경우 하층 방사체의 변형은 안테나 표면 전류 및 접지면에서의 전류 분포를 변화시킬 수 있다.

이와 같은 본 발명을 적용하면, 내장형 안테나의 문제점을 최소화하면서 이동통신단말기 시스템에 보다 적합한 안테나를 구현할 수 있다.

Claims (5)

1. 방사체와 접지면 사이의 전기적인 길이를 확보하기 위한 유전체층, 단락점을 포함하며, 금속과 같은 도전 물질로 만들어진 일정한 길이의 단락 스터브와, 금속과 같은 도전 물질로 이루어지며 급전부를 포함한 방사체로 구성되는 것을 특징으로 하는 단락 스터브를 이용한 이동통신단말기용 다중대역 내장형 안테나.
2. 급전부를 포함한 하층 방사체와, 접지면 사이의 전기적인 길이를 확보하기 위한 유전체층, 하층 방사체와 상층 방사체 사이의 전기적 길이를 확보하기 위한 유전체층, 단락점을 포함하며, 금속과 같은 도전 물질로 만들어진 일정한 길이의 단락 스터브와, 금속과 같은 도전 물질로 이루어지며 슬롯 또는 슬릿 어느 하나를 구성하는 하나 이상의 상층 방사체와, 상층방사체와 하층 방사체를 전기적으로 연결하는 금속과 같은 도전 물질로 이루어진 연결부로 구성되는 것을 특징으로 하는 단락 스터브를 이용한 이동통신단말기용 다중대역 내장형 안테나.
3. 제 2항에 있어서, 단락점을 포함하는 단락 스터브가 급전점을 포함하는 방사체와 서로 다른 층에 형성되고 연결부를 통해 방사체와 전기적 결합이 이루어지도록 하여, 단락 스터브가 존재하는 층과 방사체가 존재하는 층 사이에 유전율을 갖는 유전체층을 더 구성한 것을 특징으로 하는 단락 스터브를 이용한 이동통신단말기용 다중대역 내장형 안테나.
4. 제 1항 또는 제 2항 있어서, 높은 주파수 대역에서 발생할 수 있는 널(null)이 심한 방사패턴을 방지하기 위해 급전점과 단락점을 중앙에 위치시킨 것을 특징으로 하는 단락 스터브를 이용한 이동통신단말기용 다중대역 내장형 안테나.
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