KR100861880B1 - 병렬-고리 구조의 내장형 안테나 - Google Patents

병렬-고리 구조의 내장형 안테나 Download PDF

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Abstract

본 발명은 병렬-고리(parallel-ring) 구조의 내장형 안테나에 관한 것이다. 본 발명에 따른 내장형 안테나는, 복수의 고리 및 중심 도체를 포함하는 병렬-고리; 및 상기 병렬-고리와 결합되는 고유전체를 포함한다. 이때, 상기 고리의 두께, 상기 고리의 직경인 제1 직경, 상기 고리간의 간격 또는 상기 중심 도체의 직경인 제2 직경에 따라 반사 손실(return loss)이 변화할 수 있다. 또한, 상기 고유전체는 내부에 상기 병렬-고리의 외형에 대응하는 홈이 형성되고, 상기 병렬-고리는 상기 홈을 통해 상기 고유전체와 결합될 수 있다.
내장형 안테나, 병렬-고리(parallel-ring), 반사 손실(return loss), 블루투스(Bluetooth), 이득(gain)

Description

병렬-고리 구조의 내장형 안테나{INTEGRATED ANTENNA OF PARALLEL-RING TYPE}
도 1은 본 발명의 일실시예에 있어서, 병렬-고리 구조의 내장형 안테나를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 있어서, 병렬-고리를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 고리의 두께 변화에 따른 반사 손실 변화의 일례이다.
도 4는 고리간의 간격 변화에 따른 반사 손실 변화의 일례이다.
도 5는 중심 도체의 직경 변화에 따른 반사 손실 변화의 일례이다.
도 6은 고리의 직경 변화에 따른 반사 손실 변화의 일례이다.
도 7은 병렬-고리의 전체 길이 변화에 따른 반사 손실 변화의 일례이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 있어서, 고유전체를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 있어서, 접점 구조를 설명하기 위한 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100: 내장형 안테나
101: 복수의 고리
102: 중심 도체
103: 접점 구조
104: 고유전체
200: 병렬-고리
801: 홈
802: 고정핀
본 발명은 병렬-고리(parallel-ring) 구조의 내장형 안테나에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 기존의 칩 안테나의 크기를 유지하면서 이득(gain) 및 능동(active) 성능을 최대한으로 올릴 수 있고, 캐리어(carrier) 없이 구현 가능하여 원가를 절감할 수 있는 내장형 안테나에 관한 것이다.
과거 이동 통신 단말기에서는 주로 외장형 안테나를 사용하였다. 외장형 안테나는 말 그래도 안테나가 외부로 돌출돼 있는 형태로, 안테나에 코일을 나선형으로 감은 헬리컬 형태의 안테나를 말한다. 성능이 좋아 아직까지도 사용되고 있지만 이동 통신 단말기가 디자인 위주로 설계되고, 또한 그 소형화를 위해 점차 내장형 안테나로 변화해 가고 있는 추세이다.
그러나 내장형 안테나는 크기가 커서 공간 활용면에서 좋지 않고, 형태가 정형화되어 있지 않아 이동 통신 단말기마다 설계를 다시 해야 하는 단점이 있었고, 그래서 나오기 시작한 것이 세라믹 칩 안테나이다.
이와 같은 세라믹 칩 안테나는 크게 벌크형과 저온동시소성세라믹(LTCC) 형 으로 나눌 수 있다. 벌크형은 세라믹 표면에 패턴을 도금하는 형식으로 방사체를 구현하는 방식이며, LTCC형은 세라믹 내부에 패턴을 적층, 성능을 개선한 방식이다.
여기서 LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic, 저온 동시 소성 세라믹)란 전기 전도도가 우수한 은(Ag), 구리(Cu) 등의 전극 회로를 이용하여 다수의 수동 소자(L, R, C)와 배선 회로(interconnection circuit)를 그린 시트(green-sheet)라 부르는 소성되지 않은 유전체 세라믹 상에 구현하고, 이를 3차원적으로 적층한 후, 전극과 세라믹을 회로 전극의 융점 이하인 ~900℃에서 동시에 소성함으로써 다수의 수동 소자를 한 개의 칩(Chip) 형태로 구현할 수 있는 세라믹 소재 또는 기술을 의미한다.
이러한 칩 안테나는 블루투스(Bluetooth)나 무선랜(wireless LAN), GPS(Global Positioning System)와 같이 단일 주파수용, 서브 밴드용으로 많이 사용되고 있으나 세라믹 자체가 가지고 있는 유전율과 재질 특성상 저주파수 대역폭 확보가 힘들다는 문제점이 있다.
또한, 최근 이동 통신 외에도 블루투스, 무선랜, 와이브로(WiBro) 및 지그비(Zigbee) 등과 같은 무선통신 관련 기술들의 확산이 빠르게 이루어지면서 이와 같은 기술들을 탑재하기 위한 소형화 및 임베디드화가 빠르게 진행되고 있어, 회로 내에서의 용적률을 높이고 이득을 증가시킬 수 있는 내장형 안테나가 절실히 요구된다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해, 병렬-고리(parallel-ring) 구조의 내장형 안테나에 관한 새로운 기술을 제안한다.
본 발명은 기존의 칩 안테나의 크기를 유지하면서 최대한의 이득(gain) 및 능동(active) 성능을 얻고, 병렬-고리에 고유전체를 결합함으로써, 안테나의 설계에 있어서 쉽고 간편하게 크기의 변화 및 구조 변경을 수행 가능한 내장형 안테나를 설계하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 병렬-고리의 고리 두께, 고리간의 간격, 고리의 직경 또는 중심 도체의 직경의 변화에 따른 반사 손실의 변화를 이용하여 대역폭의 확보가 용이하고, 주파수의 변경이 용이하며 튜닝하기 쉬운 내장형 안테나를 설계하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 캐리어(carrier) 없이 구현 가능한 구조를 통해 원가를 절감할 수 있는 내장형 안테나를 설계하는 것이다.
상기의 목적을 달성하고, 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 일실시예에 따른 내장형 안테나는, 복수의 고리 및 중심 도체를 포함하는 병렬-고리(parallel-ring) 및 상기 병렬-고리와 결합되는 고유전체를 포함한다.
본 발명의 일측에 따르면, 상기 고리의 두께, 상기 고리의 직경인 제1 직경, 상기 고리간의 간격 또는 상기 중심 도체의 직경인 제2 직경에 따라 반사 손실(return loss)이 변화할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 고유전체는 내부에 상기 병렬-고리의 외형에 대응하는 홈이 형성되고, 상기 병렬-고리는 상기 홈을 통해 상기 고유전체와 결합될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 병렬-고리는, 인쇄회로기판(PCB: Printed Circuit Board)에 접속되는 두 개의 접점 구조를 더 포함할 수 있고, 상기 두 개의 접점 구조는 각각 급전선 또는 그라운드(GND)가 될 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 다양한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이때, 본 명세서에서 “무선 송수신기”라 함은 무선으로 전파를 송신 또는 수신하는 장치들을 통칭하는 개념으로 해석된다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 있어서, 병렬-고리 구조의 내장형 안테나를 설명하기 위한 도면이다. 이때, 도 1의 도면부호(a)는 본 발명에 따른 내장형 안테나(100)를 나타내고, 도면부호(b)는 내장형 안테나(100)의 단면도를 나타낸다.
도 1에 도시된 바와 같이 내장형 안테나(100)는 복수의 고리(101), 중심 도체(102) 및 인쇄회로기판에 실장되는 두 개의 접점 구조(103)로 구성된 병렬-고리와 상기 병렬-고리의 외부에 결합되는 고유전체(104)를 포함할 수 있다. 우선, 상기 병렬-고리에 대해서는 도 2 내지 도 7을 통해 자세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 있어서, 병렬-고리를 설명하기 위한 도면이다.
병렬-고리(200)는 고리(101)의 두께(201), 고리(101)의 직경(202), 고리(101)간의 간격(203) 또는 중심 도체(102)의 직경(204)에 따라 반사 손실이 변화될 수 있다. 이와 같은 상기 반사 손실의 변화에 대해서는 도 3 내지 도 7을 통해 더욱 자세히 설명한다.
도 3은 고리의 두께 변화에 따른 반사 손실 변화의 일례이다. 도 3에 도시된 바와 같이 그래프(300)는 고리(101)의 두께(201)가 각각 0.3mm, 0.5mm, 1mm, 1.5mm 및 2mm일 때의 주파수에 따른 반사 손실을 나타내고 있다.
이때, 그래프(300)에서 확인할 수 있는 바와 같이 두께(201)이 0.3mm 에서 2mm로 증가할수록 공진점이 고주파 쪽으로 이동하였음을 알 수 있다. 이는 로딩 부분의 길이가 고정된 조건 하에서 고리(101)의 두께(201)가 증가할수록 안테나의 전기적 길이가 짧아지는 현상에 의해 발생한다.
도 4는 고리간의 간격 변화에 따른 반사 손실 변화의 일례이다. 도 4에 도시된 바와 같이 그래프(400)는 고리(101)간의 간격(203)이 각각 0.5mm, 1mm, 1.5mm, 2mm 및 2.5mm일 때의 주파수에 따른 반사 손실을 나타내고 있다.
이때, 그래프(400)에서 확인할 수 있는 바와 같이 간격(203)이 0.5mm 에서 2.5mm로 증가할수록 공진점이 고주파 쪽으로 이동하였음을 알 수 있다. 이는 고리(101)간의 간격(203)이 증가할수록 전체 안테나의 전기적 길이가 짧아지는 현상에 의해 발생한다.
도 5는 중심 도체의 직경 변화에 따른 반사 손실 변화의 일례이다. 도 5에 도시된 바와 같이 그래프(500)는 중심 도체(102)의 직경(204)이 각각 0.5mm, 1mm, 1.5mm, 2mm 및 2.5mm일 때의 주파수에 따른 반사 손실을 나타내고 있다.
이러한 그래프(500)에서 확인할 수 있는 바와 같이 중심 도체(102)의 직경(204)이 0.5mm 에서 2.5mm로 증가할수록 공진점이 고주파 쪽으로 이동하였음을 알 수 있다. 이는 중심 도체(102)의 직경(204)이 증가할수록 고리의 유효 직경이 감소하므로 안테나의 전기적 길이가 짧아지는 현상에 의해 발생한다.
도 6은 고리의 직경 변화에 따른 반사 손실 변화의 일례이다. 도 6에 도시된 바와 같이 그래프(600)는 고리(101)의 직경(202)이 각각 2mm, 3mm, 4mm, 5mm 및 6mm일 때의 주파수에 따른 반사 손실을 나타내고 있다.
이러한 그래프(600)에서 확인할 수 있는 바와 같이 직경(202)이 2mm 에서 6mm로 증가할수록 공진점이 저주파 쪽으로 이동하였음을 알 수 있다. 이는 고리(101)의 직경(202)이 증가할수록 전기적 길이가 길어지는 현상에 의해 발생한다.
도 7은 병렬-고리의 전체 길이 변화에 따른 반사 손실 변화의 일례이다. 도 7에 도시된 바와 같이 그래프(700)는 병렬-고리(200)의 길이가 16.4mm, 14.4mm, 12.4mm, 10.4mm 및 8.4mm일 때의 주파수에 따른 반사 손실을 나타내고 있다. 이러한 그래프(700)에서 확인할 수 있는 바와 같이 병렬-고리(200)의 전체 길이가 8.4mm에서 16.4mm로 증가할수록 공진점이 저주파 쪽으로 이동한다.
이와 같이 병렬-고리(200)의 전체 길이가 증가하면 안테나의 전기적 길이가 증가하여 동일한 공진점을 위해 안테나의 전체적인 물리적 길이를 줄일 수 있는 효과가 있다.
이처럼, 도 3 내지 도 7에서 살펴본 바와 같이 고리(101)의 두께(201), 고리(101)간의 간격(203) 또는 중심 도체(102)의 직경(204)이 증가할수록 공진점이 고주파 쪽으로 이동하는 효과를 얻을 수 있으며, 고리(101) 의 직경(202) 또는 병렬-고리(200)의 전체 길이가 증가할수록 상기 공진점이 저주파 쪽으로 이동하는 효과를 얻을 수 있음을 확인할 수 있다. 이와 같이, 내장형 안테나(100)는 이와 같 은 병렬-고리(200)를 어떻게 설계하느냐에 따라 원하는 대역폭을 얻을 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 내장형 안테나(100)는 대역폭의 확보 및 주파수의 변화가 용이하며, 튜닝하기 쉬운 장점을 갖는다. 또한 병렬-고리(200)를 이용함으로써 칩 안테나에 비해 방사체의 부피가 증가하므로 안테나의 이득이 향상된다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 있어서, 고유전체를 설명하기 위한 도면이다.
고유전체(104)는 내부에 병렬-고리(200)의 외형에 대응하는 홈(801)이 형성되고, 병렬-고리(200)는 홈(801)을 통해 고유전체(104)와 결합될 수 있다. 이와 같은 고유전체(104)는 내장형 안테나(100)의 쇼트(short)를 방지하며, 유전율을 이용하여 내장형 안테나(100)를 소형화하는 역할을 한다. 또한, 고유전체(104)는 인쇄회로기판으로의 고정을 위한 고정핀(802)을 포함할 수 있다. 이러한 고정핀(802)을 통해 내장형 안테나(100)가 유동성 없이 상기 인쇄회로기판에 고정될 수 있다.
한편, 고유전체(104)로서는 15 이상의 비유전율을 갖는 PPS(Polyphenylene Sulfide) 재질을 이용할 수 있으며, 사출 성형에 의해 고유전체(104)를 원하는 형태로 제조할 수 있다. 바람직하게는 인서트 사출(insert moulding)에 의해 고유전체(104)와 병렬-고리(200)가 일체로 형성될 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 내장형 안테나(100)는 고유전체(104)를 이용함으로써 크기의 변화가 용이하고 즉, 소형화될 수 있고, 구조를 변경하기 쉬운 장점을 가질 수 있다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 있어서, 접점 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 9의 도면부호(a)는 병렬-고리(200)에 포함된 두 개의 접점 구조(103)를 나타내고, 도면부호(b)는 접점 구조(103)를 포함하는 병렬-고리(200)에 고유전체(104)이 결합된 모습을 나타낸다.
이러한 접점 구조(103)는 인쇄회로기판에 실장되며, 방향성 없이 한쪽은 급전선으로서, 다른 한쪽은 그라운드로서 이용되어 전체적으로 루프 안테나를 구성하도록 할 수 있다. 그러나, 접점 구조(103) 중 하나만을 급전선으로 이용하고 다른 하나를 개방시킴으로써 역 L형 안테나 또는 모노폴 안테나 형태로 사용하는 것도 가능하다.
이상과 같이 살펴본 본 발명에 따른 내장형 안테나(100)는 기존의 칩 안테나의 크기를 유지하면서 최대한의 이득 및 능동 성능을 얻을 수 있고, 병렬-고리에 고유전체를 결합함으로써, 쉽고 간편하게 크기의 변화 및 구조 변경을 수행할 수 있다. 또한, 병렬-고리의 고리 두께, 고리간의 간격, 고리의 직경 또는 중심 도체의 직경의 변화에 따른 반사 손실의 변화를 이용하여 대역폭의 확보가 용이하고, 주파수의 변경이 용이하며 튜닝하기 쉽고, 캐리어(carrier) 없이 구현 가능한 구조를 통해 원가를 절감할 수 있다.
뿐만 아니라, 이와 같은 내장형 안테나(100)를 포함하는 무선 송수신기는 위에서 설명한 내장형 안테나(100)의 장점 또한 모두 포함할 수 있고, 내장형 안테나(100)의 구조 변경이 쉽고 간편하기 때문에 무선 송수신기의 설계 또한, 간편해지는 장점이 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한 정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
본 발명에 따르면, 기존의 칩 안테나의 크기를 유지하면서 최대한의 이득(gain) 및 능동(active) 성능을 얻을 수 있고, 병렬-고리에 고유전체를 결합함으로써, 안테나의 설계에 있어서 쉽고 간편하게 크기의 변화 및 구조 변경을 수행 가능한 내장형 안테나를 설계할 수 있다.
본 발명에 따르면, 병렬-고리(parallel-ring)의 고리 두께, 고리간의 간격, 고리의 직경 또는 중심 도체의 직경의 변화에 따른 반사 손실의 변화를 이용하여 대역폭의 확보가 용이하고, 주파수의 변경이 용이하며 튜닝하기 쉬운 내장형 안테나를 설계할 수 있다.
본 발명에 따르면 캐리어(carrier) 없이 구현 가능한 구조를 통해 원가를 절감할 수 있는 내장형 안테나를 설계할 수 있다.

Claims (7)

  1. 복수의 고리 및 상기 복수의 고리를 관통하는 중심 도체를 포함하는 병렬-고리(parallel-ring); 및
    내부에 상기 병렬-고리를 구비하는 고유전체
    을 포함하는 내장형 안테나.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고리의 두께, 상기 고리의 직경인 제1 직경, 상기 고리간의 간격 또는 상기 중심 도체의 직경인 제2 직경에 따라 반사 손실(return loss)이 변화하는 내장형 안테나.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 병렬-고리는,
    인쇄회로기판(PCB: Printed Circuit Board)에 실장되는 적어도 하나의 접점 구조를 포함하는 내장형 안테나.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 접점 구조는 두 개이고, 각각 급전선 및 그라운드(GND)에 접속되는 내장형 안테나.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 고유전체는 내부에 상기 병렬-고리의 외형에 대응하는 홈이 형성되고,
    상기 병렬-고리는 상기 홈을 통해 상기 고유전체와 결합되는 내장형 안테나.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 고유전체는
    인쇄회로기판으로의 고정을 위한 고정핀
    을 포함하는 내장형 안테나.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 내장형 안테나를 포함하는 무선 송수신기.
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