KR100893738B1 - 표면 실장형 안테나 및 이를 탑재한 통신 기기 - Google Patents

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히타치 긴조쿠 가부시키가이샤
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Abstract

비유전율(εr )이 6 이상인 고유전재(高誘電材)로 이루어지는 기체(基體), 일단(一端)이 접지되고 타단(他端)이 개방된 띠형의 방사 전극, 방사 전극의 일단에 접속 또는 용량 결합하는 접지 전극, 방사 전극으로부터 갭을 두고 측면에 설치된 문형(門型)의 급전(給電) 전극을 가지고, 급전 전극은 일단에 급전부를 가지고, 타단에 접지부를 가지며, 그들의 사이에 방사 전극과 대략 병행인 부분을 가지고, 병행부의 길이, 갭 길이 또는 문형 형상을 적절히 설정함으로써 급전 전극 자체가 가지는 커패시턴스에 더해 인덕턴스를 적절히 조정하여 이로써 임피던스 정합을 용이하게 행할 수 있는 표면 실장형 안테나이다.
고유전재, 임피던스 정합, 지향성, 표면 실장형 안테나, 통신 기기

Description

표면 실장형 안테나 및 이를 탑재한 통신 기기 {SURFACE-MOUNTED ANTENNA AND COMMUNICATIONS APPARATUS COMPRISING SAME}
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 의한 표면 실장형 안테나를 나타내는 사시도이며,
도 2는 제1 실시예의 안테나의 등가회로를 도시한 도면이며,
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 의한 표면 실장형 안테나를 나타내는 사시도이며,
도 4는 도 3의 방사 전극의 전개도이며,
도 5는 제2 실시예의 안테나의 등가회로를 도시한 도면이며,
도 6은 본 발명에 이용하는 급전 전극의 다른 예를 나타내는 도면이고,
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 의한 표면 실장형 안테나를 나타내는 사시도이며,
도 8은 본 발명의 제4 실시예에 의한 표면 실장형 안테나를 나타내는 사시도이며,
도 9는 본 발명의 제5 실시예에 의한 표면 실장형 안테나를 나타내는 사시도이며,
도 10 (a)는 본 발명의 제6 실시예에 의한 표면 실장형 안테나를 나타내는 사시도, (b)는 전개도이며,
도 11 (a)는 본 발명의 제7 실시예에 의한 표면 실장형 안테나를 나타내는 사시도, (b)는 전개도이며,
도 12 (a)는 본 발명의 제8 실시예에 의한 표면 실장형 안테나를 나타내는 사시도, (b)는 전개도이며,
도 13 (a)는 본 발명의 제9 실시예에 의한 표면 실장형 안테나를 나타내는 사시도, (b)는 전개도이며,
도 14 (a)는 본 발명의 제10 실시예에 의한 표면 실장형 안테나를 나타내는 사시도, (b)는 전개도이며,
도 15 (a)는 본 발명의 제11 실시예에 의한 표면 실장형 안테나를 나타내는 사시도, (b)는 전개도이며,
도 16 (a)는 본 발명의 제12 실시예에 의한 표면 실장형 안테나를 나타내는 사시도, (b)는 전개도이며,
도 17은 비유전율과 입력임피던스의 관계를 나타내는 그래프이며,
도 18은 본 발명의 안테나를 회로기판에 실장한 상태를 나타내는 사시도이며,
도 19는 본 발명의 안테나를 탑재하는 통신 기기를 나타내는 개략도이며,
도 20 (a)는 본 발명의 안테나를 회로기판에 실장한 다른 예를 나타내는 평면도이며, (b)는 (a)의 안테나의 급전 전극을 나타내는 측면도이고, (c)는 (a)의 안테나의 방사 전극을 나타내는 측면도이며,
도 21은 종래의 표면 실장형 안테나의 일례를 나타내는 사시도이며,
도 22는 도 21의 안테나의 등가회로를 도시한 도면이며,
도 23은 비교예 1의 표면 실장형 안테나의 방사 전극을 나타내는 전개도이다.
본 발명은 세라믹스나 수지 등의 유전체 또는 자성체(磁性體)를 기체(基體)로 하는 소형 안테나에 관한 것으로, 특히 임피던스 정합 기능을 급전 전극에 부여한 표면 실장형 안테나 및 이를 탑재한 통신 기기에 관한 것이다.
GHz 대를 반송파로 하는 GPS(Global Positioning System)이나 무선 LAN(Local Area Network) 등에는 표면 실장형 안테나가 사용되고 있다. 휴대 단말 기기의 소형화는 급격한 속도로 진행되고 있고, 표면 실장형 안테나도 마찬가지로 소형이고 높이가 낮은[소형 저배(小型低背)] 동시에 방사 효율이 좋고 또한 지향성이 없고 광대역일 것이 요구되고 있다. 그러나 종래의 표면 실장형 안테나는 소형 저배화를 진행시키면 특성이 열화되기 때문에 충분한 소형 저배화를 실현하는 데에는 반드시 만족은 아니었다.
일반적으로 이런 종류의 안테나의 방사 전극 길이는 1/4 파장에 상당하도록 설정된다. 이것은 1/4파장으로 하면 안테나의 방사 효율이 최대로 되기 때문으로 1회의 충전에 의해 전지를 가능한 장시간 사용할 수 있을 것이 필요한 휴대 단말 기기에서는 특히 중요하다. 유전체의 기체 상에 방사 전극을 배치하면, 그 실효 길이는 비유전율(εr)의 제곱근에 반비례함이 알려져 있고, 이것은 파장 단축 효과라 한다. 파장 단축 효과를 이용하면 안테나의 방사 전극을 짧게 할 수 있고, 안테나를 소형 저배화할 수 있다.
안테나의 전파 주파수가 낮아질 수록 기체에 비유전율이 큰 재료를 사용함으로써 안테나를 소형화할 수 있다. 그러나, 현실로는 고유전율 재료의 사용에는 한도가 있고, 실제로는 비유전율(εr)이 약 4인 유전체 기체가 실용화되어 있는 것에 불과하다. 이것은 비유전율(εr)이 이보다 커지면 임피던스 정합의 문제가 생기기 때문이다. 고 비유전율의 표면 실장형 안테나에서는 급전점에서의 입력 임피던스가 대폭 변화되기 쉽기 때문에 소형화와 함께 임피던스 정합의 문제를 해결하는 것은 곤란했다.
예를 들면 도 21에 도시한 바와 같이, 미국 특허 제5,867,126호에 기재된 표면 실장형 안테나는 대략 직사각형의 기체(90)의 상면(91)에 대략 L자형 또는 대략 C자형으로 굴곡되며 일단이 개방되고 타단이 접지된 방사 전극(92)과, 방사 전극(92)을 여기(excitation)시키기 위해서 갭(96)을 사이에 두고 기체(90) 상면에 형성된 급전(給電) 전극(94)을 가지고, 급전 전극(94)의 일단은 급전선(99)에 접속되어 있다. 도 22에 나타낸 바와 같이 그 등가 회로는 방사 전극(92)의 방사 저항(R) 및 인덕턴스(L), 방사 전극(92)과 지도체(地導體) 사이에 형성되는 커패시턴스(C) 및 방사 전극(92)과 급전 전극(94) 사이에서 형성되는 커패시턴스(Ci’)로 이루어지는 병렬 공진 회로이다.
이 안테나에서는 송신 회로(도시하지 않음)로부터의 고주파 전력은 회로 기판의 급전선(99)을 통하여 급전 전극(94)에 전달되고, 방사 전극(92)과 지도체로 형성하는 공진 회로에 입력되며, 병렬 공진하여 방사 전극(92)으로부터 전자파로서 방사된다. 급전점(98)에서 전압 반사가 생기지 않도록 임피던스 정합을 할 필요가 있다.
급전 전극(94)의 송신 회로 측에서 본 입력 임피던스, 즉 급전점(98)에서의 입력 임피던스를 특성 임피던스(50Ω)에 일치시키는 임피던스 정합 수단으로서 여러 가지가 제안되어 있다. 예를 들면, 도 21에 나타내는 안테나에서는 방사 전극(92)과 급전 전극(94)은 용량 결합되어 있고, 도 22의 등가 회로에 나타낸 대로 방사 전극(92)의 인덕턴스(L)을 제거하도록 방사 전극(92)과 급전 전극(94) 사이의 커패시턴스(Ci’)가 설정된다.
그러나, 도 21에 나타내는 종래의 안테나에서는 급전 전극과 방사 전극은 직접 접속하지 않고서 커패시턴스 결합만 하고 있으며, 임피던스 정합에 인덕턴스는 이용되고 있지 않다. 이로 인하여 이 안테나를 소형 저배화하면 임피던스 정합이 용이한 고 특성의 안테나로 할 수 없다. 또한 GPS나 무선 LAN 등에 이용하는 안테나에서는 기본적으로 무(無)지향성이 필요하며, 방사 효율이나 이득의 향상 및 대역폭의 확대도 필요하다. 종래 이 점의 배려 및 검토는 충분하지 않았다.
임피던스 부정합이 생긴 경우, 새로운 정합 회로를 송수신 회로와 안테나 사이에 삽입하는 경우가 있지만, 새로운 정합 회로의 추가는 안테나 장치를 대형화시 키는 문제가 있다. 임피던스 정합 회로에 관해서 일본 특허공개공보 제2000-286615호는 기체를 적층 구조로 하고 층 사이에 정합 회로를 내장한 소형 안테나를 기재하고 있다. 그러나, 이것은 안테나의 구조가 복잡화 할 뿐 아니라 제조 비용의 증가를 초래하는 문제가 있다.
미국 특허 제6,323,811호는 기체 상면에 제1 방사 전극(급전측 방사 전극)과 제2 방사 전극(무급전측 방사 전극)을 가지고, 2개의 방사 전극 사이가 복(復)공진 상태에 있으며, 나아가 기체 측면에 정합 회로용 전극을 가지는 안테나를 기재하고 있다. 이 안테나에서는 제1 방사 전극(급전측 방사 전극)과 정합 전극은 임피던스 정합 위치에서 직접 접속되어 있지만, 급전 전극은 커패시턴스를 가지지 않으며, 오로지 인덕턴스를 조작하여 임피던스 정합을 꾀하고 있다. 이러한 정합 회로를 가지는 전극 구성은 종래의 역(逆) F 안테나에 상당하고, 원래 임피던스 정합이 쉬운 안테나 구조이다.
일본 특허공개공보 평8-186431호 및 일본 특허공개공보 평11-340726호는 기체 상면에 방사 도체를 형성하고 기체 바닥면 전체에 접지 도체를 형성한 구조를 가지는 단지향성 안테나에서의 임피던스 정합 기술을 기재하고 있다. 그러나, 이러한 안테나는 GPS나 무선 LAN 등의 무지향성을 필요로 하는 용도에는 부적합하다. 이것은 예를 들면 기체 상면에 설치된 급전 도체를 방사 도체가 둘러싸는 배치로 되어 있고, 커패시턴스의 결합이 강하게 커지는 구성인 것으로부터도 안다. 또한 소형화, 방사 효율, 이득 및 대역폭도 고려되어 있지 않기 때문에 GPS 등에 사용하는 데에는 문제가 있다.
따라서 본 발명의 목적은 비교적 높은 유전율의 재료를 이용한 경우에도 임피던스 정합이 용이하고 소형화할 수 있는 안테나로서, 특히 GPS나 무선 LAN 등에 적합하며, 고이득, 광대역이면서 무지향성을 가지는 표면 실장형 안테나를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 이 표면 실장형 안테나를 탑재한 휴대 전화, 헤드폰, 개인용 컴퓨터, 노트북 컴퓨터, 디지털 카메라 등의 용도인 통신 기기를 제공하는 것이다.
상기 목적을 감안하여 예의 연구의 결과, 급전 전극을 커패시턴스 외에 인덕턴스를 가지는 구조로 함으로써 임피던스 정합 기능을 부여하면 비교적 높은 유전율의 재료를 이용한 경우에도 임피던스 정합이 용이하고 무지향성을 가지는 소형의 표면 실장형 안테나를 얻을 수 있는 것을 발견하고 본 발명에 이르렀다.
본 발명의 제1 표면 실장형 안테나는 유전체 또는 자성체로 이루어지는 기체, 상기 기체의 적어도 상면에 설치된 방사 전극, 상기 방사 전극의 일단에 직접 접속하거나 용량 결합하도록 상기 기체에 설치된 접지 전극, 그리고 상기 방사 전극과 갭을 사이에 두고 면하도록 상기 기체의 적어도 측면에 설치된 급전 전극을 구비하며, 상기 급전 전극은 일단에 급전점을 타단에 접지점을 각각 가지고, 상기 급전점과 상기 접지점 사이에 커패시턴스 및 인덕턴스에 의한 임피던스 정합부를 가지며, 상기 기체의 바닥면에서의 상기 접지 전극의 면적율은 30% 이하인 것을 특 징으로 한다.
본 발명의 제2 표면 실장형 안테나는 유전체 또는 자성체로 이루어지는 기체, 상기 기체의 적어도 상면에 설치된 방사 전극, 상기 방사 전극의 일단에 직접 접속하거나 용량 결합하도록 상기 기체에 설치된 접지 전극, 그리고 상기 방사 전극과 갭을 사이에 두고 면하도록 상기 기체의 적어도 측면에 설치된 급전 전극을 구비하며, 상기 급전 전극은 일단에 급전부를 타단에 접지부를 가지고, 양자간에 상기 방사 전극과 갭을 사이에 두고 정렬하는 병행부를 가지는 문형상(門型狀)인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제3 표면 실장형 안테나는 유전체 또는 자성체로 이루어지는 기체, 상기 기체의 적어도 상면에 설치된 방사 전극, 상기 방사 전극의 일단에 직접 접속하거나 용량 결합하도록 상기 기체에 설치된 접지 전극, 그리고 상기 방사 전극과 갭을 사이에 두고 면하도록 상기 기체의 적어도 측면에 설치된 급전 전극을 구비하며, 상기 급전 전극은 상기 기체의 대향하는 측면에 설치된 2개의 L자형 전극과 상기 기체의 단면에 설치된 하나의 I자형 전극이 연결되어 이루어지고, 한 쪽 L자형 전극은 일단에 급전부를 가지고 다른 쪽 L자형 전극은 일단에 접지부를 가지며, 상기 I자형 전극은 병행부이고, 그 때문에 상기 급전 전극은 문형상(門型狀)인 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 급전 전극은 상기 기체의 대향하는 측면에 설치된 제1 및 제2 전극과 상기 기체의 단면에 설치된 하나의 I자형 전극이 연결되어 이루어지며, 제1 전극은 일단에 급전부를 가지고 제2 전극은 일단은 접지부를 가지며, 상기 I자 형 전극은 병행부이며, 그 때문에 상기 급전 전극은 문형상이며, 또 상기 기체의 단면 또는 대향하는 측면에 형성된 접지 전극부가 형성되어 있는 것이 바람직하다.
상기 급전 전극 및 방사 전극은 적어도 일부에 미앤더(meander)형, C자형, L자형, 크랭크축형 중 어느 하나의 형상을 갖는 것이 바람직하다.
상기 급전 전극은 상기 방사 전극의 개방단 측에 갭을 사이에 두고 상기 기체의 측면에 설치하는 것이 바람직하다. 이 때, 상기 방사 전극의 개방단 부근에 급전부를 배치하는 것이 바람직하다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에서는, 상기 방사 전극의 적어도 일부는 상기 기체의 일단으로부터 길이 방향의 타단을 향하여 연속적 및/또는 단계적으로 실질적으로 폭을 좁히면서 연장된다. 본 발명의 바람직한 다른 실시예에서는, 방사 전극은 상기 기체의 일단으로부터 길이 방향의 타단을 향하여 연속적 및/또는 단계적으로 실질적으로 폭을 좁히면서 연장되며, 타단에서 대략 C자형으로 굴곡되어 있다.
본 발명의 바람직한 다른 일 실시예에서는, 상기 방사 전극은 상기 급전 전극이 형성된 측면과는 상이한 측면을 경유하여 상면에 이르도록 형성되어 있다. 이 때, 기체의 상면에 설치된 방사 전극을 기체의 하면에 투영했을 때, 중첩하는 접지 전극이 없는 것이 바람직하다.
상기 방사 전극 및/또는 급전 전극의 각부(角部)를 둥그스름하게 하는 것이 바람직하다.
본 발명의 안테나는 그 기체에 상기 방사 전극의 타단과 갭을 사이에 두고 대향하는 제2 접지 전극을 설치할 수도 있다.
본 발명의 특히 바람직한 일 실시예에 의한 표면 실장형 안테나는 유전체 또는 자성체로 이루어지는 기체, 상기 기체에 설치된 띠형 방사 전극, 상기 방사 전극의 일단에 직접 접속하거나 용량 결합하도록 상기 기체에 설치된 접지 전극, 그리고 상기 방사 전극과 소정의 갭을 사이에 두고 면하도록 상기 기체의 적어도 측면에 설치된 급전 전극을 구비하며, 상기 방사 전극은 상기 기체의 일 측면에 길이 방향으로 형성된 전극부와 상기 기체의 상면에 형성된 L자형 전극부가 연결한 전체적으로 C자형 형상을 가지고, 상기 급전 전극은 상기 기체의 다른 쪽의 측면 상을 대략 수직으로 신장하는 급전부 및 접지부와, 상기 급전부와 상기 접지부 사이에 상기 방사 전극과 대략 평행하게 상기 갭을 사이에 두고 연장되는 병행부를 가지고, 상기 기체의 바닥면에서의 상기 접지 전극의 면적율은 30% 이하이며, 상기 급전 전극 및 상기 방사 전극의 형상 및 위치 관계를 수정함으로써 커패시턴스 및 인덕턴스를 조정하며, 그 때문에 임피던스 정합을 행할 수 있는 것을 특징으로 한다.
상기 급전 전극의 상기 급전부는 상기 방사 전극의 개방단 부근에 위치하며, 상기 접지부는 상기 접지 전극과 반대측 기본 단부 부근에 위치하는 것이 바람직하다.
본 발명의 안테나용 기체는 6 ∼ 50의 비유전율(εr)을 가지는 유전체로 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명의 통신 기기는 상기 표면 실장형 안테나를 회로 기판의 지도체가 없 는 영역에 탑재한 안테나 장치를 구비하며, 상기 방사 전극이 길이 방향으로 연장되는 상기 기체는 상기 회로 기판의 지도체 에지부와 갭을 사이에 두고 정렬하며, 상기 급전 전극은 상기 지도체 측에 배치되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에서는, 표면 실장형 안테나 상에서 회로 기판의 지도체와 반대측에 위치하는 접지 전극부는 회로 기판의 각부 측에 위치하며, 접지 전극부와 회로 기판의 도체는 선형 도체에 의해 접속된다.
[1] 임피던스 정합
기체에 방사 전극, 접지 전극 및 급전 전극 등을 배치하면 전극 사이에 커패시턴스가 생성된다. 급전 전극과 방사 전극 사이의 커패시턴스 증대는 입력 임피던스를 저하시키고 임피던스의 부정합을 야기한다. 커패시턴스는 비유전율(εr)에 비례하여 증가하기 때문에 전파 주파수를 낮추기 위하여 고유전율 재료를 사용하면 임피던스의 부정합이 현저하게 된다. 이 때문에 종래부터 비유전율(εr)이 기껏해야 4 정도까지로 낮은 유전체의 기체가 사용되고 있다. 본 발명은 한정적이지 않지만 비유전율(εr)이 6 이상, 바람직하게는 8 이상, 더욱 바람직하게는 20∼50 또는 그 이상인 유전재의 사용을 가능하게 한다.
본 발명은 고유전율 재료를 기체에 사용함으로써 방사 전극과 급전 전극 사이의 커패시턴스가 증가하더라도 급전 전극을 길게 하여 그 인덕턴스를 증대시켜 커패시턴스의 증가분을 제거하고, 임피던스 정합을 도모하는 것이다. 종래의 이런 종류의 안테나 급전 전극은 등가 회로상 커패시턴스만을 부여하는 구성이지만, 본 발명에 의해 커패시턴스에 더하여 인덕턴스를 획득할 수 있는 형상으로 하였다. 구체적으로는 급전 전극을 띠형으로 형성하여 인덕턴스를 얻기 쉽게 함과 동시에 급전 전극의 일부를 갭을 사이에 두고 방사 전극에 나란하게 함으로써 커패시턴스의 조정을 가능하게 했다. 또한 띠형 급전 전극의 일단을 급전부로 하고 타단을 접지부로 함으로써 도 2에 나타낸 바와 같이 병렬 성분(L2)과 직렬 성분(L1, Ci )을 설치하고, 임피던스 정합의 설계를 용이하게 하여 개발 기간을 단축화할 수 있었다.
표면 실장형 안테나에는 용도에 따라서 여러 가지 형태가 있으므로 임피던스 정합 조건은 그들의 광범한 요건을 만족해야 한다. 상기한 바와 같이, 본 발명의 급전 전극은 병렬 성분(L2)과 직렬 성분(L1, Ci)의 조합이라 볼 수 있다. 이 급전 전극을 미앤더형, C자형, L자형, 크랭크축형 또는 이들의 조합으로 함으로써 임피던스 정합 조건에 한정되지 않고 인덕턴스와 커패시턴스를 임의로 설정할 수 있다. 예를 들면, 커패시턴스와 인덕턴스를 대략 동일하게 하거나, 어느 한 쪽을 크게 하거나 할 수 있다. 인덕턴스는 급전 전극의 길이로 비례하고, 커패시턴스는 급전 전극과 방사 전극의 대향길이의 함수이다. 따라서, 본 발명의 급전 전극을 이용하여 임피던스 정합을 행하는 경우, 우선 등가 회로 중의 L2, L1, Ci 중 어느 것을 어느 정도 증감하여야 하는지를 결정한다. 다음에 L1, L2는 급전 전극의 길이에 비례하고, Ci는 급전 전극과 방사 전극의 대향 길이의 함수인 것을 이용하면 임피던스 정합을 위해 바람직한 파라미터를 만족하는 급전 전극의 형상을 용이하게 설정할 수 있다.
[2] 방사 전극 및 급전 전극
본 발명의 일 실시예에 의한 안테나 구성에서는, 방사 전극은 기체의 적어도 상면에 설치되며, 그 일단은 접지되고 타단은 개방단으로 되어 있다. 이 안테나 구조는 방사 전극의 접지단 근방에 급전 전극이 접속된 역 F형 안테나에 가까운 것처럼 보이지만, 본 발명에서는 방사 전극과 급전 전극은 떨어져 용량 결합하고 있는 점에서 기본적으로 역 F형 구조와 상위하다. 또, 급전 전극은 기체의 측면 일면에 형성하는 편이 전극을 인쇄 형성할 때 인쇄 어긋남 등이 없고 제조가 용이하며 특성상도 안정하다.
본 발명에서는 방사 전극과 급전 전극 사이의 거리나 병행 길이 및/또는 급전 전극의 다리 길이나 형상을 적절한 설정함으로써 임피던스 정합을 용이하게 하고 있다. 이것에 의해 대역폭(BW)을 임의로 선택할 수 있다.
BW ∝ 1/Q 및 Q = R√(C/L)의 관계가 있으므로 용량 결합 정도나 전극 길이에 근거하여 C 또는 C/L을 제어하면,대역폭(BW)을 넓힐 수 있다. 예를 들면, 방사 전극의 개방단 부근에 급전 전극의 급전부 측을 배치하면 방사단은 인덕터로 간주되어 인덕턴스분(L)을 크게 취할 수 있다. 동일 공진 주파수에서의 설계이면 그 만큼 커패시턴스분(C)을 작게 하여 Q 값을 높일 수 있다. 따라서 대역폭을 넓힐 수 있다.
[3] 접지 전극
본 발명의 표면 실장형 안테나는 우수한 무지향성을 가지기 때문에, 바닥면에 접지 전극을 대부분 갖지 않는 것을 특징으로 한다. 이면(裏面) 전체에 접지 전극이 형성되어 있으면 상면의 방사 전극과의 커패시턴스 결합에 의해 안테나의 무지향성이 소실된다. 구체적으로는, 바닥면에서의 접지 전극의 총면적/바닥면의 전체 면적의 비는 30% 이하가 바람직하고, 20% 이하가 보다 바람직하다. 또한 바닥면 중 상면에 설치된 방사 전극의 아래 영역에는 실질적으로 접지 전극이 없는 것이 바람직하다.
방사 전극의 개방단에 갭을 사이에 두고 제2 접지 전극을 대향시켜 배치할 수도 있다. 이 경우, 대향하는 접지 전극과의 용량 결합이 강한 때문에 근방에 급전 전극을 배치하더라도 비교적 영향이 적다. 따라서, 대폭 전파 주파수를 조정하는 경우, 방사 전극과 제2접지 전극과의 결합도를 조정함으로써 주파수의 주(主) 조정을 행하고, 또 방사 전극과 급전 전극과의 결합도를 조정함으로써 주파수의 미세 조정을 행한다.
[4] 비유전율의 상한값
본 발명에서 기체의 비유전율(εr)은 6 ∼ 50 범위가 바람직하다. 이 비유전율(εr)은 유전체의 온도 계수, 기체의 가공 정밀도 등을 고려하여 결정한 것이지만, 재질, 가공 정밀도 등이 향상되면 당연히 그 상한값도 인상된다. 이러한 비유전율(εr)을 가지는 기체는, 예를 들면 22.22 중량%의 MGO, 5.13 중량%의 CaCO3, 48.14 중량%의 TiO2 및 24.51 중량%의 ZnO 각 원료로 이루어지는 소체(素體)를 소성 하고, 소성 기체로서 36.6 mol%의 MGO, 3.4 mol%의 CaO, 40 mol%의 TiO2 및 20 mol%의 ZnO로 이루어지는 유전 세라믹[비유전율(εr) : 21]으로 형성할 수 있다.
고유전체의 기체를 사용하면 방사 전극의 방사 효율이 저하된다. 방사 효율의 저하를 억제하기 위하여 자유 공간에의 방사를 높이도록 방사 전극 및 접지 전극을 구성하거나 고유전체와 저유전체를 복합화한 기체를 사용하거나 한다.
[5] 표면 실장형 안테나의 구체적인 예
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 의한 표면 실장형 안테나를 나타내는 사시도이다. 이 안테나(1A)는 직사각형의 기체(1) 상면에 배치된 방사 전극(2), 방사 전극(2)의 일단에 접속된 접지 전극(3), 측면에 방사 전극(2)과 소정의 간격(G1)을 사이에 두고 형성된 급전 전극(4)을 가진다. 방사 전극(2)의 타단은 개방단(20)으로 되어있다. 안테나(1A)는 역 F 안테나와 유사한 구성을 갖지만 급전 전극(4)이 갭(G1)을 사이에 두고 방사 전극(2)에 면하고 있는 점에서 역 F 안테나와 상이하다. 기체(1)의 바닥면(1a)에는 납땜용 전극 이외의 전극은 배치되어 있지 않고, 또한 안테나(1A)도 회로 기판 상의 지도체가 없는 영역에 실장되기 때문에 안테나(1A)는 어떠한 방향으로도 대략 균일한 방사 전계 패턴의 무지향성을 나타낸다.
급전 전극(4)은 띠형의 전극을 2곳에서 굴곡시킨 문형(門型)(C자형) 형상을 가지고, 방사 전극(2)의 에지부(23)에 대략 병행하여 대향하는 병행부(41)를 가진다. 급전 전극(4)은 일단의 급전부(43)에 송수신 회로(도시하지 않음)의 급전선에 접속되는 급전점(40)을 가지는 동시에 타단의 접지부(44)에 지도체에 접속되는 접 지단(42)을 가진다. 급전 전극(4)의 급전부(43) 및 접지부(44)는 주로 인덕턴스를 생성하고, 방사 전극(2)과 병행부(41)는 주로 커패시턴스를 생성한다. 따라서, 본 발명에 의한 표면 실장형 안테나는 도 2에 나타내는 등가회로를 가진다.
인덕턴스(L1, L2)는 급전 전극의 다리부(43, 44)에서 형성되고 커패시턴스(Ci)는 방사 전극(2)과 급전 전극(4)의 병행부(41) 사이에서 형성된다. 따라서, 다리부(43, 44)나 병행부(41)의 길이 및 형상을 적절히 설정하여 L1, L2 및 Ci를 변화시킴으로써 급전점(40)으로부터 방사 전극(2)을 본 입력 임피던스(Zin)을 50Ω에 일치시킬 수 있다. 이와 같이 방사 전극(2)과 급전 전극(4) 사이의 커패시턴스에 더하여 급전 전극(4)의 인덕턴스를 조작하여 입력 임피던스의 정합을 독자적으로 행할 수 있는 것은 본 발명이 중요한 특징이다. 또 이하의 실시예에서도 마찬가지지만 급전점(40)과 접지점(42)의 위치는 좌우 반대로 되어 있어도 된다. 또한 병행부(41)는 방사 전극(2)과의 사이에서 갭을 사이에 두고 정렬하고 있으면 되고, 평행할 필요는 없다.
도 3은 제2 실시예에 의한 표면 실장형 안테나를 나타내는 사시도이며, 도 4는 그 방사 전극의 전개도이고, 도 5는 이 안테나의 등가회로를 도시한 도면이다.
본 실시예의 표면 실장형 안테나(1B)는 GPS용이며, 직사각형의 기체(1), 그 상면(1c) 및 인접하는 측면(1d)에 형성한 방사 전극(2), 방사 전극(2)의 일단에 접속된 접지 전극(3), 그리고 기체(1)의 길이 방향 측면(1b)에서 상면(1c)에 걸쳐서 문형으로 형성된 급전 전극(4)을 가진다. 급전 전극(4)은 측면(1b)에만 설치할 수 도 있다. 문형의 급전 전극(4)의 배치 및 형상은 임피던스 정합과 광대역화의 균형을 잡아 결정한다.
본 실시예의 방사 전극(2)은 기체(1)의 일단으로부터 길이 방향으로 연속적 및/또는 단계적으로 실질적으로 폭을 좁히면서 연장되는 형상을 가진다. 도 4의 전개도에 도시한 바와 같이, 방사 전극(2)은 기체(1)의 상면(1c)에 설치된 방사 전극부(21), 인접하는 측면(1d)에 연속적으로 형성한 방사 전극부(22)로 이루어지고, 방사 전극부(22)도 약간 선단에 향하여 폭을 좁히고 있다. 이와 같이 기체(1)의 상면(1c) 뿐 아니라 인접하는 측면(1d)에도 서서히 폭이 좁아지는 방사 전극(2)을 형성함으로써 다중 공진을 유기하고 소형화와 동시에 더욱 무지향성으로 할 수 있다.
접지 전극(3)과 방사 전극(2)은 비접촉 용량 결합에 의해 접속되어 있어도 된다. 접지 전극(3)은 기체(1)의 일 단면(1e)의 주위를 둘러싸는 4면에 설치할 수도 있다. 바닥면(1a)에 형성된 접지 전극(3)은 납땜용 전극도 겸하며, 회로 기판의 지도체에 접속된다. 급전 전극(4)도 기체(1)의 바닥면(1a)에 접지 전극부(50)를 가지고, 접지 전극부(50)는 회로 기판과의 납땜용 전극으로서 작용한다.
본 실시예에서는, 급전 전극(4)은 폭 1mm에서 등가 길이가 10mm인 문형(C자형)이다. 도 6 (a) ∼ (c)는 급전 전극(4)의 여러 가지 형상을 나타낸다. 도 6 (a)는 C자형 급전 전극(4)의 예를 나타내며, 좌우 다리부에 생기는 인덕턴스(L1, L2)는 대략 동등하다. 도 6 (b) 및(c)에 나타내는 형상은 각각 좌우 다리부의 길이 가 다른 것으로, 도체의 길이에 의해 인덕턴스를 조정하는 예이다. 도 6 (b)는 우측 다리부를 미앤더형으로 하고, L1 < L2로 한 것이다. 또한 도 6 (c)는 좌측 다리부를 크랭크형으로, 우측 다리부를 미앤더형으로 하고 , L1 > L2로 한 것이다. 인덕턴스를 이용하여 조정하는 경우, 입력 임피던스를 증가시키고 싶은 경우에는 L1을 증가시키고, 반대로 입력 임피던스를 감소시키고 싶은 경우에는 L2를 증가시킨다.
급전 전극(4)의 중앙 병행부(41)는 본 발명의 특징 중 하나이다. 중앙 병행부(41)에 의해 C 및 Ci를 임의로 설정할 수 있다. 즉, 커패시턴스(Ci)는 대체로 병행부(41)의 길이(W)에 비례하며, 병행부(41)와 방사 전극(2)과의 거리(G1)에 반비례한다. 따라서, Ci를 증가시키는 경우, 병행부(41)를 길게하거나 병행부(41)와 방사 전극(2)과의 거리(G1)를 단축한다. 또한 Ci를 감소시키는 경우, 그 역으로 한다. 이와 같이 병행부(41)의 길이(W)나 병행부(41)와 방사 전극(2)과의 거리(G1)를 바꾸는 것에 의해 Ci를 조정할 수 있다.
본 실시예는 방사 전극(2)에도 특징이 있다. 방사 전극(2)의 기본 형상은 고주파 전류의 흐름[기체(1)의 길이 방향]에 대하여 수직 방향의 전극 길이, 즉 폭을 일정하게 하지 않고서 개방단(20) 측에 접근함에 따라 서서히 감소시킨 형상으로 하고 있다. 급전 전원으로부터 급전 전극(4)을 사이에 두고 공급된 고주파 전 류는 방사 전극(2)의 인덕턴스와 대지 사이에서 형성되는 커패시턴스로 결정되는 주파수로 공진을 일으켜 공간에 전자 에너지로서 방사된다. 이 때, 접지 전극(3)과 개방단(20)을 마디(node)와 배로 하는 전류 분포 모드가 된다. 방사 전극(2)의 폭이 일정하면, 이 전류 분포 모드는 하나 밖에 존재하지 않지만 방사 전극(2)의 폭이 일정하지 않으면 안테나에는 도 5에 나타낸 바와 같이 복수의 인덕턴스(Lr1, Lr2, Lr3, ...)와 커패시턴스(Cr1, Cr2, Cr3, ...)에 의한 공진 회로가 등가적으로 형성된다. 각 공진 회로의 공진 주파수는 상당히 접근하고 있기 때문에 공진이 연속하여 복수 존재하는 것과 같은 상태로 되어 결과적으로 광대역의 공진 특성이 얻어진다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 의한 표면 실장형 안테나를 나타낸다. 상기 실시예와 동일 부분에는 동일 부호를 부여하고 그 설명을 생략한다. 상기 실시예와 마찬가지로 방사 전극(24)은 기체(1)의 일단으로부터 길이 방향 타단을 향하여 연속적 및/또는 단계적으로 실질적으로 폭을 좁히면서 연장되는 대략 사다리꼴형을 가지고, 급전 전극(4)은 기체(1)의 측면(1b) 및 상면(1c)에 걸쳐 설치되어 있다. 이 실시예에서는 급전 전극(4)은 U자형이기 때문에 병행부(41)와 방사 전극(24)의 간격은 일정하지 않고 커패시턴스는 약간 적다. 이와 같이 방사 전극(24)과 급전 전극(4)은 평행하지 않아도 되며, 일부가 나란하면 된다.
도 8은 본 발명의 제4 실시예에 의한 표면 실장형 안테나를 나타낸다. 상기 실시예와 동일 부분에는 동일 부호를 부여하고 그 설명을 생략한다. 방사 전극(25)은 마이크로스트립(microstrip)형이며, 그 일단은 접지되고 타단(20)은 개방되어 있다. 상기 실시예에서는 모두 유전체 기체(1)의 상면(1c)의 전체 길이에 걸쳐 방사 전극(2)이 설치되어 있지만 방사 전극의 길이는 원하는 주파수의 1/4 파장으로 선택하면 되고, 반드시 기체(1)의 전체 길이에 설치할 필요는 없다. 본 실시예에서는 기체(1) 보다도 방사 전극(25)이 짧다. 이에 따라, 전파 중심 주파수를 낮추기 위한 조정대(調整代)를 가질 수 있다. 또한 기체(1)의 단부에 치수 불량이나이지러짐 등의 결함이 있더라도 방사 전극(25)의 형성에 문제가 없다.
도 9는 본 발명의 제5 실시예에 의한 표면 실장형 안테나를 나타낸다. 상기 실시예와 동일 부분에는 동일부호를 부여하고 그 설명을 생략한다. 방사 전극(26)의 개방단(20)에 갭(G2)을 사이에 두고 대향하도록 제2 접지 전극(5)이 기체(1) 상에 형성되어 있다. 이에 따라, 방사 전극(26)의 개방단(20)과 지도체 사이에 매우 안정된 커패시턴스가 형성되고, 주파수의 대폭적인 조정이 가능하다. 미세 조정은 급전 전극(4)의 인덕턴스 및 커패시턴스로 행하면 된다.
방사 전극(26)의 개방단(20)과 제2 접지 전극(5)과의 갭(G2)에 의해 커패시턴스가 있는 만큼, 방사 전극(26)이 짧더라도(인덕턴스가 작더라도) 원하는 주파수를 얻을 수 있다. 때문에 이러한 구조의 표면 실장형 안테나는 소형화에 적합하다.
급전 전극(4)은 기체(1)의 측면(1b)에서 상면(1c)에 걸쳐서 형성되어 있지만, 조건에 따라서 측면(1b)에만 설치할 수도 있다. 이것은 상기 실시예에 공통된 다. 급전 전극(4)을 측면(1b)에만 설치하는 경우, 스크린 인쇄 등으로 형성할 때에 이음매의 정밀도 등에 주의하지 않아도 되며, 공정수가 감소하기 때문에 제조면에서도 바람직하다.
도 10 ∼ 도 12는 본 발명의 제6 ∼ 제8 실시예에 의한 표면 실장형 안테나를 나타낸다. 상기 실시예와 동일 부분에는 동일부호를 부여하고 그 설명을 생략한다. 이들 실시예에서는 띠형의 방사 전극(2)은 기체(1)의 측면(1d)에서 상면(1c)까지 형성되어 있다.
도 10에 나타내는 제6 실시예에서는, 기체(1)의 상면(1c)의 단부에는 L자형전극부(27)가 형성되어 있으며, 인접하는 측면(1d)에 L자형 전극(28)이 연속적으로 형성되어 있다. 급전 전극(4)은 각각 급전단 및 접지단이 되는 다리부(43, 44)와 중앙 병행부(41)를 가지는 문형(C자형)이며, 기체(1)의 측면(1b)의 L자형 전극부(27)의 개방단 측에 나란히 형성되어 있다.
도 11에 나타내는 제7 실시예에서는, 기체(1)의 상면(1c) 단부에는 L자형 전극부(27)가 형성되어 있으며, 인접하는 측면(1d)에 L자형 전극(29)이 연속적으로 형성되어 있다. 또한 도 12에 나타내는 제8 실시예에서는, 기체(1)의 상면(1c)의 단부에는 L자형 전극부(27)가 형성되어 있으며, 인접하는 측면(1d)에 I자형 전극(30)이 연속적으로 형성되어 있다. 또 급전 전극(4)의 형상으로 대해서는 제7 및 제8 실시예는 제6 실시예와 실질적으로 동일이다.
전극(51)은 안테나를 회로 기판에 고정하기 위한 납땜용 전극이지만, 도 11 및 도 12의 예에서는 회로 기판과의 접합 강도를 높이기 위해서 납땜용 전극(52)이 추가되어 있다. 전극(51, 52)은 회로 기판의 지도체에 접속되지 않는다. 도 10 ∼ 도 12의 예에서는 인덕턴스를 크게 하기 위해서 방사 전극은 L자형이다. 도 11의 예에서는 L자형 방사 전극부(29)와 문형 급전 전극(4)의 굴곡부는 둥글게 되어 있다. 곡률(R)을 갖는 것은 방사 전극만일 수도 있다. 기체(1)를 저배화한 경우, 도 12에 도시한 바와 같이 납땜용 전극(52)을 접속 전극(31)을 사이에 두고 방사 전극(30)에 직접 연속시키면 안테나 특성에 큰 변화 없이 안정하다.
도 11에 나타낸 바와 같이 L자형 전극부(29)의 굴곡부에 둥그스름한 부분(R)을 갖게 하면 방사 이득이 향상된다. 대략 L자형, C자형, 미앤더형 또는 크랭크형의 굴곡 부분을 가지는 종래의 방사 전극에서는 직선 부분과 굴곡 부분의 폭이 동일하지 않으며, 모난 채로 연결되어 있다. 이것은 임피던스가 불연속으로 변화되는 것을 의미하며 그 불연속성에 의해 진행파의 일부가 반사된다. 이로 인하여, 입력한 고주파의 반사 로스가 크고 이득 저하가 나타났다. 굴곡 부분에 둥그스름한 부분을 갖게 하면 선로는 대략 동일한 폭이 되고 임피던스의 불연속성을 회피할 수 있음을 알 수 있었다. 또는 각부를 베어 놓은 각 모따기를 실시하는 것도 효과가 있음을 알 수 있었다. 굴곡 부분에서의 반사 로스 발생이 억제되면 안테나의 방사 전극을 흐르는 공진 전류의 전송 손실이 감소되고 이득이 향상된다.
도 13 및 도 14는 본 발명의 제9 및 제10 실시예에 의한 표면 실장형 안테나를 나타낸다. 상기 실시예와 동일 부분에는 동일부호를 부여하고 그 설명을 생략한다. 이들 실시예에서는, 방사 전극(33)과 급전 전극(4)에 특징이 있다. 방사 전극(33)은 주로 기체(1)의 상면(1c)에 형성되어 있으며, 도 3에 나타내는 예와 같 이 접지 전극(3)과 접속하는 일단으로부터 길이 방향의 타단을 향하여 연속적 및/또는 단계적으로 실질적으로 폭을 좁히면서 연장되는 방사 전극부(33a)와, 좌단(左端) 부분에서 C자형 또는 U턴형으로 굴곡된 방사 전극부(33b)로 이루어진다. 이러한 방사 전극(33)에 의해 사다리꼴형의 방사 전극부(33a)에서 광대역의 공진 특성이 얻어져, 굴곡된 방사 전극부(33b)에서 인덕턴스를 보충할 수 있다. 전극(51)은 안테나를 회로 기판에 고정하기 위한 납땜용 전극으로서 필요 최소한으로 설치한다.
방사 전극(33)의 외주와 기체(1)의 능선 사이에 0.2 ∼ 0.5mm 정도의 간극이 설치되어 있다. 이 간극에 의해 전극 인쇄가 용이하게 되어, 인쇄 어긋남이 쉽게 생기지 않는다. 또한 기체(1) 에지부의 변형이나 이지러짐 등에 의한 전극 박리를 방지할 수 있다. 인쇄 어긋남이나 전극 박리를 방지함으로써 전파 주파수의 편차를 억제할 수 있다. 방사 전극(33)을 기체(1)의 상면(1c)에만 설치하는 구성은 측면에도 방사 전극을 설치하는 구성에 비해 회로 기판의 지도체와의 커패시턴스 결합이 줄기 때문에 비교적 높은 이득을 얻을 수 있다.
도 13에 도시한 바와 같이, 측면(1b)에 설치된 문형의 급전 전극(4)은 방사 전극부(33b)의 개방단(20)과 대향한다. 도 14에 나타내는 급전 전극(4)은 일단에 급전단(43)을 가지며 측면(1b)에 설치된 L자형 전극부(41), 단면(1f)에 설치된 I 자형 전극부(42), 그리고 일단에 접지단(44)을 가지며 측면(1d)에 설치된 L자형 전극부(45)으로 이루어진다. 문형의 급전 전극(4)은 2측면(1b, 1d)과 단면(1f)에 걸쳐 설치된 전극부(41, 42, 45)로 이루어지는 C자형 병행부(41)를 가지고, 병행부(41)는 C자형 방사 전극(33b)에 대향하고 있다. 이러한 급전 전극(4)에 의해 방사 전극(33)의 C자형부의 대략 전체에 걸쳐 커패시턴스 결합을 할 수 있기 때문에 안테나의 소형화에 유리하다. 또한 동일 커패시턴스 값에 대해서는 급전 전극(4)과 방사 전극(33)과의 간격을 넓게 하여 인쇄 어긋남 등에 기인하는 커패시턴스 값의 편차 및 전파 주파수의 편차를 감소시킬 수 있다.
도 15는 제11 실시예의 표면 실장형 안테나를 나타낸다. 이 예에서는 급전 전극(4)의 구성이 다른 예와 상이하다. 즉 급전 전극(4)은 기체(1)의 측면(1b)에 설치된 급전단(43) 및 접지단(44)을 가지는 F자형 전극부(41)와 단면(1f) 및 측면(1d)에 형성된 직선형 전극부(42, 45)로 이루어진다. 이 실시예의 급전 전극은 임피던스 정합과 동시에 복 공진을 이용한 광대역화가 가능하다.
도 16은 제12 실시예의 표면 실장형 안테나를 나타낸다. 띠형의 방사 전극(133)은 측면(1d)에 길이 방향으로 형성된 크랭크축형의 전극부(133d)와 상면(1c)에 형성된 L자형 전극부(133c)로 이루어지고, 전체적으로는 C자형이다. 이와 같이 방사 전극(133)은 기체(1)의 상면(1c)에서 측면(1d)까지 굴곡형으로 연장되기 때문에, 전체 길이를 길게 할 수 있다. 그 결과, 동일 대역폭에서는 안테나 기체(1)의 크기를 작게 할 수 있다.
급전 전극(104)의 급전부(143) 및 접지부(144)의 위치 관계는 상기 실시예와 반대이며, 급전점(140)이 기체의 대략 중앙부에 위치하고, 방사 전극(133)의 개방단 근방에 급전부(143)가 위치하도록 한다. 또한 상면(1c)에 형성된 L자형 전극부(133c)를 하면(1a)에 투영했을 때 접지 전극(32)과 겹치지 않도록 하고 있 다. 이렇게 함으로써 대역폭의 향상과 무지향성이 양호하며 GPS용 안테나 특성으로서 균형이 잡힌 것이 된다. 방사 전극(133)의 개방단과 급전 전극(104)의 병행부(141)는 접근하고 있다. 병행부(141)를 광폭으로 함으로써 임피던스 정합이 용이하고, 이득도 약간 향상된다.
본 실시예에서는 병행부(141)는 폭이 넓고 직사각형이지만, 급전 전극(104)의 형상은 회로 기판에 실장하는 안테나의 위치, 회로 기판 상의 도체 패턴 배치, 방사 전극 구조 등에 의하여 여러 가지로 변경할 수 있다. 또한 회로 기판이나 방사 전극(133)의 수단이 변경되더라도 급전점(140)과 접지점(142) 사이에서 급전 전극(104)의 배치, 형상, 크기 등을 적절한 설정함으로써 인덕턴스와 커패시턴스를 적당히 조정하여 임피던스 정합을 용이하게 할 수 있다.
도 17은 도 1의 표면 실장형 안테나(본 발명) 및 도 21의 표면 실장형 안테나(종래 예)에 대해 시뮬레이션에 의해 구한 입력 임피던스(Zin)과 기체의 비유전율(εr)과의 관계를 나타낸다. 본 발명에서는 고유전율의 기체를 사용하는 것에 수반하는 커패시턴스의 증가를 인덕턴스에 의해 적절한 제거할 수 있고, 비유전율(εr)이 50 정도까지의 고유전체를 사용할 수 있다. 종래의 비유전율(εr)이 4 정도인 경우와 비교하면 5배 이상의 εr을 가지는 유전재를 사용할 수 있고, 안테나의 소형화에 큰 효과가 있다. 또 고온 영역에서 안정된 유전재가 개발되거나 가공 기술이 개선되면 입력 임피던스(Zin)의 상한값은 더욱 상승한다. 또한 고유전 재와 저유전재의 복합재가 개발되었을 때에도 상한값이 인상될 것으로 예상된다.
[6] 통신 기기
도 18은 도 3에 나타내는 안테나(1B)를 회로 기판(6) 상에 실장한 상태를 나타낸다. 또 도 18에서는 안테나 이외의 부품은 생략되어 있다. 안테나(1B)는 회로 기판(6)의 지도체가 없는 노출부(65) 상에서 지도체(62)의 에지부(63)와 약간의 갭을 사이에 두고 길이 방향으로 정렬하도록 배치되어 있다. 그 때, 급전 전극(4)은 지도체(62)측에 위치하고 방사 전극(2)의 개방단(20)은 지도체(62)로부터 먼 위치에 있다. 문형 급전 전극(4)의 일단은 급전선(61)에 접속되고, 타단은 지도체(62)에 접속된다. 이에 따라, 급전 전원(60)으로부터 공급된 고주파 신호는 급전선(61)을 지나서 급전 전극(4)에 공급되고 급전단(40)으로부터 병행부(41)를 사이에 두고 방사 전극(2) 측을 향하는 전류와 접지단(42)을 사이에 두고 지도체(62)를 향하는 전류로 분리되어 임피던스의 정합을 도모함과 동시에 방사 전극(2)을 여기(excitation) 시킨다. 그 결과, 방사 전극(2)의 개방단(20)으로부터 전자파가 공간에 방사된다.
종래는 안테나를 지도체(62)의 에지부에 수직으로 배치하는 것이 많았다. 이 경우 소용없는 공간(dead space)이 커지고 설계의 자유도가 작은 것은 물론이다. 그러나 본 발명에서는 안테나를 지도체(62)의 에지부에서 약간 떨어져 그것에 평행하게 배치함으로써 안테나에 의해 실질적으로 점유되는 면적(소용없는 공간을 포함함)은 현저하게 감소되고 실장 레이아웃의 자유도 및 밀도가 증가하기 때문에 안테나 장치의 공간 절약화를 도모할 수 있다.
급전 전극(4)의 급전부(43) 및 접지부(44)의 좌우 배치는 기판(6)의 급전선(61)과 지도체(62)의 배치에 따라서 변경할 수도 있지만, 적어도 급전 전극(4)을 급전선(61) 측에 배치하고, 지도체(62)와 안테나 기체(1)의 길이 방향을 병행으로 하는 것은 작은 점유 면적으로 본 발명의 효과를 얻기 위하여 필요하다. 무지향성으로 하기 위하여 본 발명의 안테나는 지도체(62)가 없는 노출부(65)에 실장하는 것이 바람직하다.
이와 같이 안테나를 실장한 회로 기판(6)을 도 19에 모식적으로 나타내는 휴대 전화나 개인용 컴퓨터 등의 내부에 탑재함으로써 GPS나 무선 LAN 기능을 구비한 통신 기기로서 이용할 수 있다.
도 20은 도 16에 나타내는 안테나를 도 18과 다른 회로 기판(6) 상에 실장한 예를 나타낸다. 도 18과 동일인 부분에는 동일 부호를 부여한다. 안테나(1L)는 회로 기판(6) 상의 지도체(62)가 형성되어 있지 않은 노출부(65) 상에 지도체(62)의 에지부(63)와 안테나 기체(1)가 약간의 갭을 사이에 두고 정렬하도록 배치되어 있다.
급전 전극(4)은 지도체(62) 측의 기체(1) 측면(1b)에 형성되어 있고, 급전 전극(104)의 급전단(140)은 급전선(61)에 접속되고, 접지단(142)은 지도체(62)에 접속되어 있다. 방사 전극(133)과 접속하는 접지 전극(32) 중 회로 기판(6)의 각부 측에 위치하는 부분은 회로 기판(6)의 지도체(62)와 선형 전극(66)에 의해 접속되어 있다. 선형 전극(66)은 인덕턴스 작용을 하고 안테나 기체(1)의 소형화를 용이하게 한다. 또한 동일 기체(1)에서는 더욱 저유전율의 재료를 이용하고 대역폭 을 확대할 수 있다. 금속 영역(51’, 53’)은 안테나 기체(1)를 회로 기판(6)에 땝납으로 고정하기 위해서 설치되어 있다.
도 3에 나타내는 제2 실시예, 도 11에 나타내는 제7 실시예 및 도 16에 나타내는 제12 실시예에 대해, 안테나의 특성시험을 하였다. 또한 방사 전극(2)의 일부를 도 23에 나타낸 바와 같이 미앤더형으로 한 이외 도 3에 나타낸 것과 동일한 안테나를 비교예 1로 하고, 안테나의 특성시험을 하였다. 안테나 기체는 비유전율(εr )이 21인 세라믹스 유전체로 형성하고, 그 기체 치수는 제2 실시예 및 비교예 1에서는 길이 15mm × 폭 3mm × 두께 3mm로 하고, 제7 실시예 및 제12 실시예에서는 길이 10mm × 폭 3mm ×두께 2mm로 했다. 전파 주파수의 중심 주파수를 1.575 GHz ±1MHz로 하고, 전압 정재파비 2(VSWR = 2)에서의 대역폭 BW(MHz), 평균 이득(dBi) 및 지향성을 측정했다.
안테나 실장 기판의 일단에 설치한 급전 단자와, 네트워크 아날라이저(network analyzer)의 입력 단자를 동축케이블(특성 임피던스 50Ω)을 통하여 접속한 상태에서 상기 급전 단자에 있어서 네트워크 아날라이저 측에서 본 안테나의 산란 파라미터(Scattering Parameter)를 측정한 값으로부터 VSWR를 산출했다. 이득은 전파 무향(無響) 암실 내로 피시험 안테나(송신측)의 급전 단자에 신호 발생기를 접속하고 상기 안테나로부터 방사된 전력을 수신용 기준 안테나로 수신했다. 피시험 안테나로부터 오는 수신 전력을 Pa라 하고, 기지의 이득 Gr를 갖는 송신용 기준 안테나에 의해 측정한 수신 전력을 Pr라고 하면, 피시험 안테나 의 이득 Ga는 Ga = Gr ×Pa/Pr로 나타난다. 지향성에 관해서는 피시험 안테나를 회전 테이블에 탑재하고, 피시험 안테나를 도 18에 도시한 바와 같이 X, Y 및 Z축을 중심으로 하여 회전시키면서 회전 각도에 대한 이득을 각각 측정했다. 또한 도 19와 같이 휴대 전화 등의 통신기기에 탑재하는 것을 상정하여 특성의 금속 의존성을 조사했다. 측정 결과를 표 1에 나타낸다.
[표 1]
실시예 번호 도면 번호 대역폭 (MHz) 평균이득 (dBi) 금속 의존성
제2 실시예 3 40 -4.5 소(안정하게 고이득)
제7 실시예 11 35 -5.5 소(안정하게 고이득)
제12 실시예 16 45 -4.5 소(안정하게 고이득)
비교예 1 23 45 -6.0 대(금속을 가까이 하면 급격히 열화)
이상의 결과로부터 제2, 제7, 제12 실시예의 안테나는 비교적 높은 비유전율의 기체를 가지면서 임피던스 정합을 용이하게 취할 수 있음을 알 수 있었다. 또 제2, 제7 실시예의 안테나는 비교예 1의 것에 비하여 대역폭은 약간 좁지만 금속 접근에 의한 이득 저하가 적고, 높은 방사 이득 및 안정된 안테나 특성을 가지고 있다. 제7, 제12 실시예에서는 기체 치수를 약 2/3로 작게 했음에도 불구하고 대역폭 및 이득이 모두 양호했다. 무지향성에 관해서는, 세 실시예 모두 3축 모두 이득이 대략 영에 가깝고 지향성이 없는 무지향 특성이 얻어졌다. 이상으로부터 제2, 제7, 제12 실시예, 특히 제12 실시예의 안테나에 대해 대역폭, 방사 이득, 지향성 및 금속 의존성의 모두에서 균형이 잡힌 양호한 결과가 얻어졌다. 또 비교예 1의 방사 이득이 낮은 원인은 임피던스 정합이 용이해서가 아니라 정합용 인덕턴스를 벌기 위해서 방사 전극을 미앤더형으로 한 것 때문이라 생각한다.
이상으로부터, 도 10 ∼ 도 16에 나타내는 형상의 방사 전극을 채용함으로써 안테나를 길이 10mm ×폭 3mm ×두께 2mm 정도 또는 그 이하로 소형화할 수 있음을 알 수 있었다.
안테나 기체는 직방체에 한하는 것이 아니라 적절한 형상이 있고, 자성체, 수지체 또는 이들의 적층체로 할 수도 있다. 또한 대역폭을 넓히거나 주파수를 조정하거나 하기 위하여 방사 전극(2)의 선단 부근의 병행부(23a) 또는 기체(1)를 트리밍하는 것이 유효하다.
방사 전극의 형상으로는 사다리꼴형, 계단형, 곡선형, 미앤더형, 부분 미앤더형, 크랭크형 등 여러 가지 있지만, 길이 방향으로 연속적 및/또는 단계적으로 실질적으로 폭을 좁히면서 연장되는 형상으로 하는 것이 바람직하다. 방사 전극의 일단에 반드시 연속적으로 접지 전극을 접속할 필요는 없고 비연속인 용량 결합으로 할 수도 있다.
본 발명의 안테나는 회로 기판의 지도체가 없는 영역에 실장하면 최대의 특성이 기대할 수 있지만, 설계에 따라서는 어느 정도 특성을 희생하더라도 지도체 상에 실장하는 경우도 있다. 상기 각 실시예의 안테나 구성은 조합할 수도 있으며, 본 발명의 범위 내에서 여러 가지 변경을 가할 수도 있다.
이상과 같이, 본 발명에 의하면 특히 고유전율의 재료를 기체에 사용한 경우의 임피던스 정합이 용이하게 되고, 소형 경량으로 고이득, 광대역, 또한 무지향성을 가지는 표면 실장형 안테나를 얻을 수 있다. 본 발명의 표면 실장형 안테나를 GPS나 무선 LAN 등에 이용하면 안테나의 특성을 충분 인출한 통신 기기가 된다.

Claims (17)

  1. (a) 상면, 저면 및 측면을 가지는 유전체 또는 자성체로 이루어지는 기체와, (b) 상기 기체에 설치된 띠 형상의 방사 전극과, (c) 상기 방사 전극의 일단에 직접 접속하거나 용량 결합하도록 상기 기체에 설치된 접지 전극과, (d) 상기 기체에서 길이가 긴 쪽의 측면 상에 수직으로 연장된 급전부 및 접지부와, 상기 급전부와 상기 접지부의 사이에 연장된 병행부를 가지는 문형상(門型)의 급전 전극을 구비하는 표면 실장형 안테나로서,
    상기 기체의 저면에서의 상기 접지 전극의 면적율은 30% 이하이며,
    상기 방사 전극은, 상기 기체에서 상기 급전부 및 상기 접지부가 형성된 측면과는 다른 측면으로서 길이가 긴 쪽의 측면에 형성된 전극부와, 상기 기체의 상면에 형성된 L자형상 전극부가 연결된 띠 형상이고,
    상기 병행부는, 상기 급전부와 상기 접지부의 사이에서 상기 L자형 전극부와 평행하게 연장되고,
    상기 병행부와 상기 L자형 전극부 사이의 갭에 의해 상기 급전 전극이 상기 방사 전극으로부터 떨어져 있는 것을 특징으로 하는 표면 실장형 안테나.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 급전 전극은, 적어도 일부에 미앤더형, C자형, L자형, 크랭크축형 중 어느 하나의 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 표면 실장형 안테나.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서,
    상기 기체의 상면에 설치된 방사 전극의 적어도 개방단의 아래 영역에는 접지 전극이 없는 것을 특징으로 하는 표면 실장형 안테나.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 방사 전극은, 미앤더형, C자형, L자형 또는 크랭크축형의 굴곡 부분을 가지는 것을 특징으로 하는 표면 실장형 안테나.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 방사 전극 및 상기 급전 전극 중 하나 이상의 각부(角部)에 둥그스름하게 한 부분을 갖게 한 것을 특징으로 하는 표면 실장형 안테나.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 방사 전극의 타단과 갭을 사이에 두고 대향하는 제2 접지 전극이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 표면 실장형 안테나.
  14. 삭제
  15. 제1항에 있어서,
    상기 급전 전극의 상기 급전부는 상기 방사 전극의 개방단 부근에 위치하며, 상기 접지부는 상기 접지 전극과 반대측의 기체 단부 부근에 위치하는 것을 특징으로 하는 표면 실장형 안테나.
  16. 제15항에 기재한 표면 실장형 안테나를 회로기판의 지도체가 없는 영역에 탑재한 안테나장치를 구비하는 통신 기기로서,
    상기 방사 전극이 길이 방향으로 연장되는 상기 기체는, 상기 회로 기판의 지도체의 에지부와 갭을 사이에 두고 정렬하고, 상기 급전 전극은 상기 지도체 측에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 통신 기기.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 표면 실장형 안테나 상에서 상기 회로 기판의 지도체와 반대측에 위치하는 상기 접지 전극은 상기 회로 기판의 각부 측에 배치되어 있고, 상기 접지 전극과 상기 회로 기판의 도체는 선형 도체에 의해 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 통신 기기.
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