KR100697537B1 - 다수의 역 ｌ형 안테나를 포함하는 ｍｉｍｏ 무선 통신단말기 - Google Patents

다수의 역 ｌ형 안테나를 포함하는 ｍｉｍｏ 무선 통신단말기 Download PDF

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Abstract

접지면을 포함하는 기판 및 상기 기판 위에 배치되는 2 이상의 역 L형 안테나들을 포함하는 MIMO 무선 통신 단말기에 있어서, 상기 역 L형 안테나들은 각각의 전기장이 최대인 지점이 서로 최대 이격되도록 배치되는, MIMO 무선 통신 단말기가 개시된다. 본 발명에 따르면, 소형 단말기에 적합하고, 안테나 간의 격리도가 충분히 확보된 MIMO 시스템을 갖춘 무선 통신 단말기가 제공된다.
역 L형 안테나, MIMO

Description

다수의 역 Ｌ형 안테나를 포함하는 ＭＩＭＯ 무선 통신 단말기{MIMO WIRELESS COMMUNICATION TERMINAL INCLUDING MULTIPLE INVERTED L-TYPE ANTENNAS}
도 1 은 본 발명의 일 실시형태에 따른 MIMO 무선 통신 단말기에 포함되는 역 L형 안테나의 사시도.
도 2 는 본 발명의 일 실시형태에 따른 MIMO 무선 통신 단말기에 포함되는 기판 및 이에 배치된 4 개의 역 L형 안테나들을 도시하는 평면도.
도 3 은 본 발명의 일 실시형태에 따른 MIMO 무선 통신 단말기에 포함되는 기판 및 이에 배치된 4 개의 역 L형 안테나들을 도시하는 사시도.
도 4 는 본 발명의 일 실시형태에 따른 MIMO 무선 통신 단말기에 관한 실험에 사용된 역 L형 안테나의 사시도.
도 5 는 본 발명의 일 실시형태에 따른 MIMO 무선 통신 단말기에 관한 실험에 사용된 기판 및 이에 배치된 4 개의 역 L형 안테나들을 도시하는 사시도.
도 6 은 본 발명의 일 실시형태에 따른 MIMO 무선 통신 단말기에 관한 실험 결과 얻어진 각 안테나의 반사 계수를 나타내는 S 파라미터에 관한 그래프.
도 7 은 본 발명의 일 실시형태에 따른 MIMO 무선 통신 단말기에 관한 실험 결과 얻어진 각 안테나 간의 격리도를 나타내는 S 파라미터에 관한 그래프.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
100 : 기판 120 : 접지면
140 : 제 2 기판 200 : 역 L형 안테나
220 : 방사체 240 : 유전체
본 발명은 일반적으로 MIMO 시스템에 관한 것으로서, 특히 다수의 역 L형 안테나를 이용하는 MIMO 안테나 시스템에 관한 것이다.
무선 통신 단말기의 광범위한 보급 및 전기통신 분야의 급속한 발전에 따라 무선 통신 단말기를 통한 비디오, 음악, 게임 등 각종 멀티미디어의 제공이 시도되고 있다. 영상 및 음성을 담는 멀티미디어는 그 정보의 양이 방대하므로, 단말기를 통해 멀티미디어의 제공이 원활하게 이루어지기 위해서는 높은 데이터 전송율이 보장되어야 한다. 고속의 데이터 전송을 위한 시스템으로서, MIMO(Multiple-Input Multiple-Output) 시스템이 알려져 있다. MIMO 시스템을 채용하는 무선 통신 단말기는 다수의 안테나를 구비하며, 이 안테나들은 서로 다른 신호를 수신함으로써 고속의 데이터 전송을 가능하게 한다.
MIMO 안테나 시스템의 성능에 가장 큰 영향을 미치는 것은, 단말기의 소형화를 위해 서로 근접하게 배열되는 안테나 간의 간섭이다. 전자기파를 송수신하는 안 테나는 접지면에 전류를 발생시키며, 이 전류는 동일 접지면 상에 배열된 다른 안테나와의 전자기적 결합에 의해 다른 안테나의 특성에 변화를 일으킬 수 있다. 또한, 근접하게 배열되는 안테나 간의 전자기적 결합에 의한 간섭이 있을 수 있다.
MIMO 시스템을 위한 안테나 간의 격리도를 향상시킴으로써 각 안테나가 설계된 특성을 발휘할 수 있도록 하기 위해, 서로 다른 방향의 원편파 안테나들을 사용하여 안테나 간의 전자기적 결합을 저지하거나, 접지면에 송수신 전자기파의 주파수에 대한 파장의 1/4배 길이의 슬릿을 형성하는 기술이 알려져 있다.
그러나, 지향성을 갖는 원편파 안테나는 MIMO 시스템에 사용되는 경우 무지향성의 다이폴 안테나보다 경로 손실이 더 높게 발생하는 문제점이 있다.
역 F형 안테나는 접지면과 직접 접속되므로, 전자기파의 송수신시 안테나로부터 접지면으로 전류가 쉽게 흘러들어, MIMO 시스템에 이용되는 경우 동일 접지면에 배열되는 다른 안테나에 매우 큰 영향을 미친다. 이러한 안테나 간의 간섭을 피하기 위해 안테나 사이의 접지면에 안테나의 공진 주파수에 대한 파장의 1/4 배 길이의 슬릿을 형성함으로써, 안테나 간의 격리도를 향상시킬 수 있다. 그러나, 이러한 접지면의 가공은, 그만큼 다른 소자가 배치될 수 있는 공간에 제약을 가하므로, 단말기의 소형화에 반하는 문제점이 있다.
한편, 동축 케이블의 내부 핀은 안테나의 일단과 접속되고, 외부 동축 캐이블은 안테나의 타단과 접속되는 불평형 급전(unbalanced feeding) 구조의 접힌 루프 안테나(folded-loop antenna)는 접지면에 적은 양의 불평형 전류(unbalanced current flow)를 발생시킴이 알려져 있다. 그러나, 불평형 급전 구조의 접힌 루프 안테나 역시 그 급전 구조의 복잡성으로 인해 부피가 커져 단말기의 소형화에 반하는 문제점이 있다.
본 발명은 소형 단말기에 적합하고, 안테나 간의 격리도가 충분히 확보된 MIMO 시스템을 갖춘 무선 통신 단말기를 제공함을 목적으로 한다.
상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 접지면을 포함하는 기판 및 상기 기판 위에 배치되는 2 이상의 역 L형 안테나들을 포함하는 MIMO 무선 통신 단말기에 있어서, 상기 역 L형 안테나들은 각각의 전기장이 최대인 지점이 서로 최대 이격되도록 배치되는, MIMO 무선 통신 단말기가 제공된다.
상기 역 L형 안테나들의 개수는 4 로서, 제 1 안테나 및 제 2 안테나는 상기 기판의 위쪽 모서리에 소정 거리 이격되도록 배치되고, 제 3 안테나는 상기 기판의 왼쪽 아래의 구석에 배치되며, 제 4 안테나는 상기 기판의 오른쪽 아래의 구석에 배치될 수 있다.
상기 역 L형 안테나는 그 공진 주파수에 대한 파장의 3/8배 길이, 5/8배 길이 및 3/4배 길이 중 어느 하나의 전기적 길이를 갖는 것이 바람직하다.
또한, 상기 역 L형 안테나들 중 어느 2 개의 역 L형 안테나들은 각각의 배치 방향이 서로 직교하도록 배치되는 것이 바람직하다.
상기 MIMO 무선 통신 단말기는 상기 기판의 하단과 연결되고, 상기 기판과 일체로 형성되는 제 2 기판을 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 역 L형 안테나들은 상기 기판의 가장자리를 따라 배치되는 것이 바람직하다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명한다.
도 1 은 본 발명의 일 실시형태에 따른 MIMO 무선 통신 단말기에 포함되는 역 L형 안테나의 사시도이다. 도 1 의 (b) 는 도 1 의 (a) 에 도시된 점선 화살표(260) 방향의 사시도이다.
도 1 에 도시된 바와 같이, 본 실시형태에 따른 MIMO 무선 통신 단말기에 포함되는 역 L형 안테나(200)는 전자기파를 송수신하는 방사체(220) 및 방사체(220)의 지지체이자 안테나의 크기를 감소시킬 수 있는 유전체(240)를 포함한다.
역 L형 안테나의 방사체(220)는, 일단에 형성된 급전 단자(222)를 통해 RF 회로의 급전부(미도시)와 전기적으로 접속되지만, 접지면(미도시)과는 직접 접속되지 않는다. 방사체(220)의 일단에는 스터브(stub; 224)가 형성될 수 있으며, 스터브(224)의 길이 또는 폭을 변경함으로써 방사체(220)의 방사 특성을 조정할 수 있다. 방사체(220)는 그 형상에 따라 특정 주파수의 전자기파와 공진함으로써 전자기파를 송수신하며, 이때 방사체(220)에 형성되는 전기장의 크기는, 본 실시형태에 사용된 역 L형 안테나(200)의 경우, 방사체(220)의 개방단(226)에서 최대가 된다.
도 2 및 도 3 은 각각 본 실시형태에 따른 MIMO 무선 통신 단말기에 포함되 는 접지면(120)을 포함하는 기판(100) 및 기판(100) 위에 배치된 2 이상의 역 L형 안테나(200)들을 도시하는 평면도 및 사시도이다.
도 2 및 도 3 에 도시된 바와 같이, 본 실시형태에 따른 MIMO 무선 통신 단말기에 포함되는 4 개의 역 L형 안테나(200)들 중, 제 1 안테나 및 제 2 안테나는 사각형의 기판(100)의 위쪽 모서리에 소정 거리 이격되도록 배치되고, 제 3 안테나는 기판(100)의 왼쪽 아래의 구석에 배치되며, 제 4 안테나는 기판(100)의 오른쪽 아래의 구석에 배치된다.
접지면(120)은 도 2 및 도 3 에 도시된 바와 같이 기판(100)의 전면에 형성될 수 있으며, 다른 방법으로는 기판(100)의 배면 또는 내부에 형성될 수도 있다.
본 실시형태에 따른 MIMO 무선 통신 단말기는 역 L형 안테나(200)들이 접지면(120)과 접속되지 않도록 접지면(120) 위에 절연 부분(300, 320)을 포함한다. 본 실시형태에 따른 MIMO 무선 통신 단말기에 포함되는 역 L형 안테나(200)의 방사체(220)는 인덕턴스 성분이 큰 패턴을 지니며, 역 L형 안테나(200)와 접지면(120)의 간격에 따라 유기되는 커패시턴스 성분은 역 L형 안테나(200)의 공진 주파수 및 반사손실에 영향을 미친다. 따라서, 절연 부분(300)의 폭(340)을 조절함으로써, 역 L형 안테나(200)의 공진 주파수 및 반사 손실을 조정할 수 있다.
역 L형 안테나(200)는 접지면(120)과 직접 접속되지 않으므로, 전자기파의 송수신시 역 L형 안테나(200)가 접지면(120)에 발생시키는 전류는, 접지면과 접속되는 역 F형 안테나로부터 접지면으로 흘러드는 전류보다는 상당히 약하다. 따라서, 역 L형 안테나(200)가 접지면(120)에 발생시키는 전류가 다른 안테나와의 전자 기적 결합에 의해 다른 안테나에 미칠 수 있는 영향은 미약하다.
역 L형 안테나(200)의 전기적 길이는 그 공진 주파수에 대한 파장의 1/4배 길이일 수 있다. 그러나, 이는 접지면(120)에 대한 영상 효과를 충분히 얻기 위한 길이이므로, 전자기파의 송수신시 이보다 긴 길이의 역 L형 안테나에 비해 강한 전류가 접지면(120)에 유기된다. 따라서, 역 L형 안테나(200)가 접지면(120)에 발생시키는 전류를 최소화하고 MIMO 시스템을 위한 안테나 간의 격리도를 보다 향상시키기 위해, 역 L형 안테나(200)의 전기적 길이를 그 공진 주파수에 대한 파장의 1/4배 길이보다 긴 3/8배 길이, 5/8배 길이 또는 3/4배 길이로 형성하는 것이 바람직하다. 이는 접지면(120)으로부터 전기장이 최대인 지점인 방사체(220)의 개방단(226)까지의 거리를 늘린다는 점에서도 안테나 간의 격리도 향상에 기여하는 바가 있다. 또한, 저항 및 리액턴스가 커 임피던스 정합이 어려운, 공진 주파수에 대한 파장의 1/2배 길이를 갖는 역 L형 안테나에 비해 50Ω회로와 임피던스 정합이 용이한 장점을 갖는다.
한편, 같은 기판(100) 위에 배열되는 역 L형 안테나(200)들은 서로 간의 전자기적 결합에 의한 영향을 받을 수 있으며, 이러한 간섭에 주된 영향을 미치는 것은 각 안테나의 전기장이 최대인 지점인 방사체(220)의 개방단(226)이다. 따라서, 도 2 및 도 3 에 도시된 바와 같이, 역 L형 안테나(200)들은 점선 윗부분으로 표시되는 기판(100) 위에서 각각의 전기장이 최대인 지점(방사체(220)의 개방단(226))이 서로 최대 이격되도록 배치됨으로써, 서로 간의 전자기적 결합에 의한 영향을 최소화할 수 있다. 특히, 도 2 및 도 3 에 도시된 바와 같이, 동일한 방사 특성을 가진 어느 인접한 2 개의 역 L형 안테나(200)들을 각각의 배치 방향이 서로 직교하도록 배치할 수 있으며, 이로써 안테나 간의 전자기적 결합에 의한 영향을 한층 더 저감할 수 있다.
본 발명에 따른 MIMO 무선 통신 단말기는 역 L형 안테나(200)들이 배치된 기판(100)의 하단과 연결되고, 기판(100)과 일체로 형성되는 제 2 기판(140)을 더 포함할 수 있다. 이때 RF 회로를 비롯한 단말기 회로들은 기판(100) 및/또는 제 2 기판(140) 위에 형성될 수 있다. 기판(100)은 단말기의 상부에, 제 2 기판(140)은 단말기의 하부에 위치할 수 있고, 이로써 역 L형 안테나(200)들은 단말기의 상부에 자리 잡게 된다. 사용자가 무선 통신 단말기를 통해 전화를 하거나 비디오, 게임과 같은 멀티미디어를 제공받을 때, 사용자는 디스플레이 장치, 스피커 등이 위치하는 단말기의 상부보다는 키패드가 위치하는 단말기의 중·하부를 손으로 움켜쥐고 단말기를 사용하는 것이 일반적이다. 따라서, 역 L형 안테나(200)들이 배치된 기판(100)을 무선 통신시 사용자의 손이 잘 닿지 않는 단말기의 상부에 배치함으로써, 역 L형 안테나(200)들의 전자기파 송수신 성능이 사용자의 손에 의해 영향받는 것을 최소화할 수 있다.
또한, 역 L형 안테나(200)들은, 도 2 및 도 3 에 도시된 바와 같이, 기판(100)의 가장자리를 따라 배치될 수 있다. 이 경우 RF 회로 등을 위한 다른 소자들이 기판(100)에 배치될 때 받는 제약이 최소화되는 한편, 다른 소자들이 역 L형 안테나(200)의 전자기파 송수신 성능에 미치는 영향도 최소화된다.
본 실시형태에 따른 MIMO 무선 통신 단말기는 MIMO 시스템을 위한 안테나로 서 접지면과 직접 접속되지 않는 역 L형 안테나(200)를 사용하므로, 무선 통신시 접지면(100)에 유기되는 전류는 미약하다. 특히, 공진 주파수에 대한 파장의 3/8배 길이, 5/8배 길이 또는 3/4배 길이의 역 L형 안테나(200)를 사용함으로써, 접지면(100)에 유기되는 전류가 다른 안테나와의 전자기적 결합에 의해 다른 안테나에 미칠 수 있는 영향을 최소화할 수 있다. 뿐만 아니라, 역 L형 안테나(200) 간의 전자기적 결합에 의한 간섭을 최소화하기 위해, 역 L형 안테나(200)들을 방사체(220)의 개방단(226)들이 최대 이격되도록 배치함으로써, 안테나 간의 격리도는 현저히 향상된다.
본 실시형태에 따른 MIMO 무선 통신 단말기를 IEEE 802.11a WLAN 과 5.8 ㎓ 의 ISM 대역에 적합하도록 구현하였다. 이하, 도 4 내지 도 7 을 참조하여 본 실시형태에 따른 MIMO 무선 통신 단말기에 포함되는 역 L형 안테나들의 방사 특성 및 격리도에 관한 실험 및 그 결과를 설명한다.
도 4 및 도 5 는 각각 본 실험에 사용된 역 L형 안테나 및 4 개의 역 L형 안테나들이 배치된 기판(100)을 도시하는 사시도이다.
본 실험에 사용된 역 L형 안테나의 크기는 10×4×4 ㎣ 이다. 역 L형 안테나의 유전체로서 비유전율 3.8의 재료를 사용하였으며, 방사체의 폭(w)은 2 ㎜ 이고, 급전단자의 폭(f) 및 길이(d)는 1 ㎜ 이다. 기판(100) 및 제 2 기판(140)의 전면에 형성된 접지면(120)의 크기는 66×126×1 ㎣ 이며, 접지면(120)과 역 L형 안테나의 간격(c)은 4 ㎜ 이다.
도 6 은 본 실험을 수행하여 얻어진 각 안테나의 반사 계수를 나타내는 S 파 라미터에 관한 그래프이다. 도 6 에 도시된 바와 같이, 본 실험에 사용된 안테나들은 5.15 ~ 5.35 ㎓ 의 IEEE 802.11a WLAN 과 5.725 ~ 5.825 ㎓ 의 ISM 대역에서 VSWR ≤ 3 을 만족한다. 본 실험에 사용된 역 L형 안테나들은 좌우 대칭으로 배열되어 있으므로, 제 1 안테나(10)와 제 2 안테나(20)의 특성(S1,1 및 S2,2)이 동일하고, 제 3 안테나(30)와 제 4 안테나(40)의 특성(S3,3 및 S4,4)이 동일하다.
도 7 은 본 실험을 수행하여 얻어진 각 안테나 간의 격리도를 나타내는 S 파라미터에 관한 그래프이다. 도 7 에 도시된 바와 같이, 각 안테나 간의 S 파라미터는 5.15 ~ 5.35 ㎓ 의 IEEE802.11a WLAN 과 5.725 ~ 5.825 ㎓ 의 ISM 대역에서 -20 ㏈ 이하를 만족한다. 본 실험에 사용된 역 L형 안테나들은 좌우 대칭으로 배열되어 있으므로, S1,3 과 S2,4 가 동일하고, S2,3 과 S1,4 가 동일하다.
이상, 구체적인 실시형태와 관련하여 본 발명을 설명하였으나, 이는 예시에 불과하며, 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
본 발명에 따르면, 소형 단말기에 적합하고, 안테나 간의 격리도가 충분히 확보된 MIMO 시스템을 갖춘 무선 통신 단말기가 제공된다.

Claims (6)

  1. 접지면을 포함하는 기판 및 상기 기판 위에 배치되는 2 이상의 역 L형 안테나들을 포함하는 MIMO 무선 통신 단말기에 있어서,
    상기 역 L형 안테나들은 각각의 전기장이 최대인 지점이 서로 최대 이격되도록 배치되는, MIMO 무선 통신 단말기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 역 L형 안테나들의 개수는 4 로서,
    제 1 안테나 및 제 2 안테나는 상기 기판의 위쪽 모서리에 소정 거리 이격되도록 배치되고,
    제 3 안테나는 상기 기판의 왼쪽 아래의 구석에 배치되며,
    제 4 안테나는 상기 기판의 오른쪽 아래의 구석에 배치되는, MIMO 무선 통신 단말기.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 역 L형 안테나는 그 공진 주파수에 대한 파장의 3/8배 길이, 5/8배 길이 및 3/4배 길이 중 어느 하나의 전기적 길이를 갖는, MIMO 무선 통신 단말기.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 역 L형 안테나들 중 어느 2 개의 역 L형 안테나들은 각각의 배치 방향이 서로 직교하도록 배치되는, MIMO 무선 통신 단말기.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 기판의 하단과 연결되고, 상기 기판과 일체로 형성되는 제 2 기판을 더 포함하는 MIMO 무선 통신 단말기.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 역 L형 안테나들은 상기 기판의 가장자리를 따라 배치되는, MIMO 무선 통신 단말기.
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