KR100695813B1 - 대역차단필터와 임피던스 정합 회로를 이용한 다중대역내장형 안테나 구조 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 하나의 안테나소자로서 이중 공진과 함께 대역폭 개선을 통하여 삼중 대역 또는 그 이상의 대역을 안정되게 모두 사용할 수 있도록 하는 대역차단필터(Band Reject Filter)와 임피던스 정합회로가 구비되어 다중대역으로 동작되는 내장형 안테나 구조에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명은, 제 1급전라인 및 제 2급전라인과, 그 제2급전라인으로부터 간접급전방식에 의해 에너지를 공급받는 방사판이 구비되는 일반적인 내장형 안테나에 있어서, 그 이중대역이 가능하도록 인덕터(L)와 커패시터(C)로 이루어진 대역차단필터(Band Reject Filter)와, 고주파수 대역에서의 임피던스 정합과 광대역 특성을 통해 이중 대역 이상의 다중 대역을 제공하기 위한 인덕터(L)또는 캐패시터(C)를 임피던스 정합회로로 제 1 급전라인에 사용하여 상기 제 2급전라인에 연결시켜서 구성하여 다중대역으로 동작되는 내장형 안테나 구조를 제공하고자 한다.
내장형 안테나, 이중 공진, 대역차단필터(Band Reject Filter), 임피던스 정합 회로, 급전라인.
Description
도 1은 본 발명의 다중대역 내장형 안테나 구조를 보인 사시도,
도 2는 도 1의 평면도,
도 3은 도 1의 측면도,
도 4는 본 발명에 따라 주파수(f)(㎓)에 대하여 대역차단필터의 임피던스 허수부를 나타내기 위한 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면,
도 5는 본 발명에 따라 대역차단필터가 안테나와 결합된 상태에서 주파수(f)(㎓)에 대한 임피던스 허수부를 나타내는 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면,
도 6은 본 발명에 따라 대역차단필터가 안테나와 결합된 상태에서 주파수(f)(㎓)에 대한 반사손실(㏈)을 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면,
도 7은 본 발명에 따라 대역차단필터와 임피던스 정합 회로가 구비된 회로가 안테나와 결합될 때의 주파수(f)(㎓)에 대한 반사손실(㏈)를 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면,
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 주파수 대역에서의 방사패턴을 보이고 있는 것으로서,
8a는 셀룰러대역(824-894㎒)의 방사패턴,
8b는 GPS대역(1575㎒)의 방사패턴,
8c는 PCS대역(1750-1870㎒)의 방사패턴이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
104 : 제 1급전라인, 106 : 제2급전라인,
110 : 방사판, 120 : 대역차단필터(BRF),
130 : 임피던스 정합 회로
본 발명은 하나의 안테나소자로서 이중 공진과 함께 대역폭 개선을 통하여 삼중 대역 또는 그 이상의 대역을 안정되게 모두 사용할 수 있도록 하는 대역차단필터(Band Reject Filter)와 임피던스 정합회로가 구비되어 다중대역으로 동작되는 내장형 안테나 구조에 관한 것이다.
주지된 바와 같이, 안테나는 외부로부터 전송된 전파를 수신하고 내부로부터 전달된 신호를 외부로 송신하는 것으로서, 특히 이동통신단말기(Mobile Handset)에 사용되는 안테나는 종래 단말기의 본체 외부로 노출되게 설계되어 있어 휴대에 불편한 점을 극복하도록 최근에는 단말기 본체의 내부에 안테나가 내장되는 내장형 안테나(Internal antenna)가 개발되고 있다.
내장형 안테나의 사용으로 이동통신단말기 등의 무선기기 내부에 안테나가 장착되기 때문에 단말기의 전체적인 부피를 감소시키고 슬림화시킬 수 있게 되었으며, 현재의 단말기 내장형 안테나는 다중 대역 특성을 제공하며 대역간의 성능 편차(이득, 상대적인 대역폭, 방사패턴 등)를 최적화시키기에도 이르렀다.
그러나, 통상적으로 내장형 안테나는 제한된 공간과 크기로 인하여 협소한 임피던스 대역폭과 낮은 효율을 가지기 때문에 그 동작을 만족하는 설계가 매우 어려운 것이 사실이다.
따라서, 다중대역이 이루어지도록 하기 위하여 일반적으로는 둘 이상의 서로 다른 방사소자가 사용되거나, 또는 하나의 방사 소자에서 설계하고자 하는 각각의 주파수에 대하여 두 개 이상의 분리된 공진 모드(resonant mode)를 생성하여 서로 다른 두 개 이상의 공진 선로를 확보하는 방법이 이용된다.
그러나, 다중 방사소자를 이용하는 방법이나 공진 선로를 확보하는 방법은 한정된 이동통신 단말기 내의 좁은 공간을 효율적으로 사용하지 못하며, 이는 두 개 혹은 그 이상의 대역에서 동작하는 안테나의 경우 대역폭과 효율을 만족하기가 어렵다. 아울러 안테나의 방사패턴을 주파수 대역에 따라 고르게 형성시키지 못한다. 기본적으로도 하나의 두 개 혹은 그 이상의 주파수 대역을 이용할 때 각 주파수 대역에서 안테나의 임피던스 정합이 서로 다르기 때문에 두 대역 내에서 완벽한 안테나 특성을 제공하기가 쉽지 않다.
따라서, 안테나는 사용되는 주파수의 특성에 따라 길이와 정합 방법들이 상호 달라져야 하는 바, 일정한 주파수 대역에서 다중대역을 이용하기 위해서는 이중 대역의 생성과 광대역을 위한 임피던스 정합이 요구된다.
본 발명은 내장형 안테나의 개선에 관한 것으로서, 임피던스 특성을 갖는 소정값의 대역차단필터(Band Reject Filter)를 제공하여 안정되게 이중대역으로 사용되도록 함과 아울러 임피던스 정합을 위한 회로 부가에 따라서는 고주파수 대역에서 넓은 임피던스 대역폭이 제공되도록 하여 전체적으로 다중대역(Triple- band)으로 동작되도록 하는, 대역차단필터(Band Reject Filter)와 임피던스 정합을 위한 회로가 구비되어 다중대역으로 동작되는 내장형 안테나 구조를 제공함에 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 대역차단필터와 임피던스 정합과 매칭을 위한 회로가 구비되어 다중대역으로 동작되는 내장형 안테나 구조는; 소정 크기의 그라운드판 상면에 형성된 급전점으로부터 일정 길이의 제 1급전라인이 형성되고, 그 제 1급전라인의 끝단에는 높이를 갖는 급전핀에 의해 지지되는 제 2급전라인이 제 1급전라인과 전기적으로 연결되어 일방향으로 형성되며, 상기 제 2급전라인의 상부방향에는 소정 간격 이격되어 간접 급전방식에 의해 에너지를 제공받는 방사판이 상기 그라운드판의 상부 좌측면에 높이를 갖는 단락핀에 의해 지지 설치되는 내장형 안테나에 있어서, 이중대역이 가능하도록 대역차단필터(Band Reject Filter)와, 고주파수 대역에서의 임피던스 정합과 광대역을 제공하기 위한 매칭 회로가 병렬 구조로 제공되어 상기 제 1급전라인과 연결되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 대역차단필터는, 인덕터(L)와 커패시터(C)로 직렬 구성되며, 상기 임피던스 정합 회로는, 인덕터(L)와 커패시터(C)의 직렬, 병렬, 직병렬 혼합 또는 각각의 소자가 독자적으로 사용된다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 다중대역 내장형 안테나 구조를 보인 사시도, 도 2는 도 1의 평면도, 도 3은 도 1의 측면도이다.
도시된 바와 같이, PCB 기판의 그라운드판(100) 상면에 형성된 급전점(102)으로부터 소정 길이의 제 1급전라인(104)이 형성되고, 그 제 1급전라인(104)의 끝단에는 높이(a)를 갖는 급전핀(114)에 의해 지지되는 제 2급전라인(106)이 일방향으로 형성되며, 상기 제 2급전라인(106)의 상부방향에는 소정 간격 이격되는 방사판(110)이 상기 그라운드판(100)의 상부 좌측면에 높이(a)를 갖는 단락핀(112)에 의해 지지 설치된다.
단락핀(112)은 또한 안테나가 1/4 파장의 길이에서도 동작할 수 있게 하며, 이는 기존의 PIFA 안테나의 공진 특성을 이루는 역할을 한다.
상기 제 1급전라인(104)의 소정 개소에는 본 발명의 이중대역을 실현하기 위한 대역차단필터(Band Reject Filter)(120)와 함께 고주파수 대역에서 임피던스 정합을 통한 광대역을 위해 임피던스 정합과 매칭을 위한 임피던스 정합 회로(130)가 장착된다.
대역차단필터(120)와 임피던스 정합과 매칭을 위한 회로(130)는 안테나소자인 방사판(110)의 연결점으로부터 즉, 안테나 소자인 방사판(11)을 간접근접하는 제 2급전라인(106)과 이와 연결되는 급전핀(114), 급전핀(114)과 연결되는 제 1급전라인(104)에 인덕터(L)와 캐패시터(C)가 단독으로 사용되거나 혹은 상호 병렬 혹은 직렬, 직병렬이 혼합된 구조로 제공된다.
상기 제 1급전라인(104)과 제 2급전라인(106)은 폭과 길이가 서로 상이하게 제공될 수 있다.
그리고, 공지된 기술로서 상기 급전라인(104,106)과 방사판(110)은 전도성이 있는 금속물질로 이루어지며, 상기 급전핀(114)은 PCB 기판의 (+)부분과 접촉되고, 단락핀(112)은 PCB 기판의 그라운드(-)와 접지된다.
아울러, 전자기적인 커플링 방식에 의해 상기 제 2급전라인(106)에서 방사판(110)에 에너지를 간접 급전하는 방식이며, 이는 방사판(110)의 동작 범위에서 공진되도록 설계되고, 안테나 임피던스의 동조해제(detuned)된 개방점은 급전라인상에 위치된다.
한편, 상기 대역차단필터(120)와 임피던스 정합 회로(130)는 그 장착 위치에 따라서도 안테나의 공진 특성이 결정된다.
대역차단필터(120)는 수동소자인 인덕터(L)와 커패시터(C)로 직렬 구성되며, 상기 임피던스 정합 회로(130)는 인덕터(L)와 커패시터(C)를 동시에 또는 단독으로 사용한다.
여기서 도 1 및 도 2에서 설명되지 않은 부호들은 각 구성소자들의 물리적인 크기 비를 나타내기 위한 부호로들로서,
가로(c+d+e+f)*세로(g+h+i)*두께(b)로 방사판(110)의 크기를 나타내고, L은 제 1급전라인(104)의 폭이고, e는 제 1급전라인(104)의 길이를 나타내며, 상기의 c는 방사판9110)의 좌측단으로부터 단락핀(112)까지의 길이, d는 단락핀(112)과 급전핀(114)까지의 길이를 나타낸다.
k는 급전점(102)으로부터 임피던스 정합회로(130)까지의 간격, j는 임피던스 정합회로(130)와 대역차단필터(120)까지의 간격을 나타내고, g는 접지면(100)으로부터 방사판(110)이 외부방향으로 돌출된 길이를 나타낸다.
도 4는 본 발명에 따라 주파수(f)(㎓)에 대하여 대역차단필터의 임피던스 허수부를 나타내는 도면이다.
대역차단필터 임피던스의 허수부는 낮은 주파수 대역에서 (+)값을, 높은 주파수 대역에서는 (-)값을 가짐을 알 수 있다.
이는 일반적인 PIFA형태의 안테나, 즉 RLC 병렬 공진회로가 갖는 임피던스 특성과 정반대의 특성을 가지며, 따라서 단락핀을 포함한 PIFA형태의 안테나와 대역차단 필터를 서로 결합하였을 때 두 개의 공액정합 주파수를 가지게 되며 따라서 안테나를 이중 대역으로 동작시킬 수 있다.
그리고, 특정 인덕터(L)와 커패시터(C)를 이용하여 임피던스 정합을 수행할 수 있게 되며, 상기 임피던스 정합은 서비스 사업자가 제공하는 주파수 대역에서 최상의 성능을 제공하도록 방사성능, 반사손실 등이 고려되어 설계된다.
이는 대역 차단 필터와 결합된 안테나는 이중 대역에서 동작을 하며 상기 특정 값을 갖는 인덕터(L)와 캐패시터(C)에 의한 임피던스 정합을 통해 삼중 대역 또는 그 이상의 대역까지 신호를 수신하여 이동통신단말기의 내부회로에게로 입력되 는 구조이다.
본 발명에서는 이중대역 동작을 위한 정합회로로서 대역차단필터(120)가 사용된다.
대역차단필터(120)의 임피던스는 실수부 50옴(Ω)과 도 4에 도시된 허수부 특성이 제공된다. 임피던스 허수부는 도 4에 도시된 바와 같이 대역차단필터(120)의 Q값에 의해 슬로프(Slope)가 다양하게 나타남을 알 수 있다.
그리고, 내장형 안테나의 제 1급전라인(104)에 대역차단필터(120)가 장착되어 공진기로서의 안테나로 동작되는 경우, 도 5와 같이 임피던스 허수부가 제로(0)가 되는 시점에 공진되며 이 지점이 두 개가 나타남으로 원하는 이중 대역 주파수를 획득하게 된다.
여기서, 공진주파수는 대역차단필터(120)의 Q값에 의해 제어되기 때문에, 상술한 바와 같이 대역차단필터(120)의 값 조정에 따라서 원하는 주파수 대역이 제공된다.
즉, 주파수(f)(㎓)에 대한 임피던스 허수부를 나타내는 시뮬레이션한 도 5와, 반사손실(㏈)를 시뮬레이션한 도 6를 참조하면, 이는 이중 대역을 결정하는 대역차단필터(120)의 Q값에 의해 가변적으로 변화되는 것을 보이고 있다.
특히, 도 6을 참조하면 반사손실에 대한 결과가 0.5㎓ 에서 2.5㎓ 사이에서 나타나고 있으며, 대역차단필터(120)의 Q(5,10,15)값에 따라서 이중 공진이 발생하는 주파수가 다름을 확인할 수 있다.
이와 같이, 대역차단필터(120) 사용으로 인하여 이중 공진이 발생가능하게 된다.
한편, 상기 대역차단필터(120)와 함께 임피던스 정합 회로(130)를 이용하면 높은 범위 대역에서의 임피던스 정합이 가능하고 넓은 대역폭을 얻을 수 있게 되어 결과적으로 둘 이상의 주파수 대역의 이용이 가능한 바, 이를 설명한다.
도 7은 본 발명에 따라 대역차단필터와 임피던스 정합 회로가 안테나와 결합될 때의 주파수(f)(㎓)에 대한 반사손실(㏈)를 측정한 결과 도면이다.
이를 참조하면, 그 결과들이 0.5㎓ 내지 2.5㎓내에서 나타나고 있으며, 각각의 대역은 824-894㎒ 대역(Cellular), 1575㎒ 대역(GPS), 1750-1870㎒ 대역(PCS)을 가리킨다.
그리고, 도 7과 같은 각각의 대역에 대하여 측정된 방사패턴을 도 8을 참조하여 설명한다.
도시된 바와 같이, a)는 셀룰러방식(824-894㎒)의 단말기에서의 방사패턴이고, b)는 GPS대역(1575㎒)의 방사패턴이고, c)는 PCS대역(1750-1870㎒)의 방사패턴이며, 이와 같이 모든 주파수 대역에서 전방향으로 방사가 됨을 알 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 대역차단필터와 임피던스 정합과 매칭을 위한 회로가 구비되어 다중대역으로 동작되는 내장형 안테나 구조에 따르면 역에프형(PIFA) 안테나에 대역차단필터를 부가하여 이중 공진이 이루어지고, 또한 임피던스 정합회로를 추가하면 고주파수대역에서 대역폭이 개선되기 때문에, 결과적으로 셀룰러, GPS, PCS 대역 또는 다중대역을 모두 사용할 수 있는 효과가 있다.
Claims (3)
- 소정 크기의 그라운드판 상면에 형성된 급전점으로부터 일정 길이의 제 1급전라인이 형성되고, 그 제 1급전라인의 끝단에는 높이(a)를 갖는 급전핀에 의해 지지되는 제 2급전라인이 일방향으로 형성되며, 상기 제 2급전라인의 상부방향에는 소정 간격 이격되어 간접 급전방식에 의해 에너지를 제공받는 방사판이 상기 그라운드판의 상부 좌측면에 높이(a)를 갖는 단락핀에 의해 지지 설치되는 내장형 안테나에 있어서,이중대역이 가능하도록 대역차단필터(Band Reject Filter)와, 고주파수 대역에서의 임피던스 정합과 광대역을 제공하기 위한 임피던스 정합회로가 상기 제 1급전라인에 장착되는 것을 특징으로 하는 대역차단필터와 임피던스 정합회로가 구비되어 다중대역으로 동작되는 내장형 안테나 구조.
- 제 1항에 있어서,상기 대역차단필터는, 인덕터(L)와 커패시터(C)를 포함하여 구성되며, 인덕터(L)와 커패시터(C)가 직렬로 연결구성된 것을 특징으로 하는 대역차단필터와 임피던스 정합회로가 구비되어 다중대역으로 동작되는 내장형 안테나 구조.
- 제 1항에 있어서,상기 임피던스 정합 회로는, 인덕터(L) 또는 커패시터(C)중 어느 하나 또는 인덕터(L)와 커패시터(C)가 직렬,병렬, 직병렬 혼합 중 어느 하나의 형태로 구성되는 것을 특징으로 하는 대역차단필터와 임피던스 정합회로가 구비되어 다중대역으로 동작되는 내장형 안테나 구조.
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