최근 이동통신 단말기는 소형화 및 경량화되면서도, 서로 다른 주파수 대역의 이동통신 서비스를 하나의 단말기를 이용하여 제공받을 수 있는 기능이 요구되고 있다. 예를 들어, 한국에서 상용화된 824~894 MHz 대역의 CDMA 서비스와, 1750~1870 MHz 대역의 PCS 서비스, 일본에서 상용화된 832~925 MHz 대역의 CDMA 서비스, 미국에서 상용화된 1850~1990 MHz 대역의 PCS 서비스, 유럽, 중국 등에 상용화된 880~960 MHz 대역의 GSM 서비스 및 유럽 일부 지역에서 상용화된 1710~1880 MHz 대역의 DCS 서비스 등의 다양한 주파수 대역을 이용한 이동통신 서비스 가운데 필요에 따라 다중 대역의 신호를 동시에 이용할 수 있는 단말기가 요구되고 있으며 이러한 다중 대역의 수용을 위해 광대역 특성을 가지는 안테나가 요구되고 있다.
이외에도 블루투스, 지그비, 무선랜, GPS 등과 같은 서비스를 이용할 수 있 는 복합 단말기가 요구되고 있는 실정이다. 이와 같은 다중 대역의 서비스를 이용하기 위한 단말기에는 원하는 둘 이상의 대역에서 동작할 수 있는 다중 대역 안테나가 사용되어야 한다. 일반적으로 사용되는 이동통신 단말기의 안테나로는 헬리컬 안테나(helical antenna)와 평면 역-F 안테나(Planar Inverted F Antenna: PIFA)가 주로 사용된다.
여기서, 헬리컬 안테나는 단말기 상단에 고정된 외장형 안테나로서 모노폴 안테나와 함께 사용된다. 헬리컬 안테나와 모노폴 안테나가 병용되는 형태는 안테나를 단말기 본체로부터 인출(extended)하면 모노폴 안테나로 동작하고, 삽입(Retracted)하면 λ/4 헬리컬 안테나로 동작한다. 이러한 안테나는 높은 이득을 얻을 수 있는 장점이 있으나, 무지향성으로 인해 전자파 인체 유해기준인 SAR 특성이 좋지 않다. 또한, 헬리컬 안테나는 단말기의 외부에 돌출된 모양으로 구성되므로, 단말기의 미적외관 및 휴대기능에 적합한 외관 설계가 어려운데, 이에 대한 내장형의 구조는 아직 연구된 바 없다.
그리고, 역-F 안테나는 이러한 단점을 극복하기 위하여, 낮은 프로파일 구조를 갖도록 설계된 안테나이다. 역-F 안테나는 상기 방사부에 유기된 전류에 의해 발생되는 전체 빔 중 접지면측으로 향하는 빔이 재유기되어 인체에 향하는 빔을 감쇠시켜 SAR 특성을 개선하는 동시에 방사부 방향으로 유기되는 빔을 강화시키는 지향성을 가지며, 직사각형인 평판형 방사부의길이가 절반으로 감소된 직사각형의 마이크로 스트립 안테나로서 작동하게 되어 낮은 프로파일 구조를 실현할 수 있다.
이러한 역-F 안테나는 인체방향으로 빔의 세기를 감쇠시키며 인체 바깥 방향 으로 빔의 세기를 강하게 해주는 지향성을 갖는 방사 특성을 가지므로 헬리컬 안테나와 비교하였을 때 전자파 흡수율이 우수한 특성을 얻을 수 있다. 그러나, 역F 안테나는 주파수 대역폭이 협소한 문제점이 있다.
역-F 안테나가 주파수 대역폭이 협소해지는 것은 방사체와의 매칭 시 특정 포인트에서 매칭이 이루어지는 포인트 매칭에 기인한다.
이와 같은 포인트 매칭에 의한 협대역을 극복하기 위해 본 발명자에 의해 한국출원 제호가 제안되었으며, 이 출원은 비교적 긴 구간에서의 커플링 매칭 및 커플링 급전을 통해 기존 역-F 안테나의 좁은 대역폭을 극복할 수 있는 구조를 제안한다.
그러나, 이와 같은 커플링 매칭 및 커플링 급전을 위한 별도의 임피던스 매칭부가 비교적 큰 공간을 차지하면서 안테나의 사이즈가 커지는 문제점이 있었다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 광대역 임피던스 매칭을 지원하는 내장형 안테나의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
본 발명에 의한 광대역 임피던스 매칭을 지원하는 내장형 안테나는 캐리어를 이용하여 구현될 수 있으나, 설명의 편의를 위해 캐리어를 생략한 구조의 안테나를 도 1 내지 도 4를 참조하여 먼저 설명하고 캐리어에 구현된 구조를 후에 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 내장형 안테나의 단면도를 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 내장형 안테나의 사시도를 도시한 도면이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 내장형 안테나를 다른 방향에서 본 사시도를 도시한 도면이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 내장형 안테나에서 기판상에 형성되는 급전부 및 급전 패치만을 도시한 도면이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 임피던스 매칭을 지원하는 내장형 안테나는 기판(100), 급전점(102), 임피던스 매칭/급전부(104), 접지핀(106) 및 방사체(108)를 포함한다. 여기서 임피던스 매칭부(104)는 급전 패치(120) 및 접지 패치(130)를 포함한다.
급전점(102)은 기판(100)상에 형성되며, 급전점(102)으로는 RF 신호가 인가된다. 급전점(102)은 임피던스 매칭/급전부(104)의 급전 패치(120)와 전기적으로 연결된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 급전 패치(120)는 기판(100)상에 형성되며 급전 패치는 기판상에 결합된 상태에서 급전점(102)과 전기적으로 연결되며, 사각형 형태를 가질 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
도 1의 단면도로부터 접지 패치(130)는 급전 패치(120)와 소정 거리 이격되어 급전 패치(120) 위에 위치한다. 접지 패치(130)는 단말기의 접지와 전기적으로 연결되며, 도 1에는 일례로 접지핀(106)에 의해 접지 패치(130)가 접지와 전기적으로 연결되는 구조가 도시되어 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 의한 안테나가 캐리어에 결합된 구조를 후에 설명할 것이나, 접지 패치(130)는 안테나 캐리어에 부착됨으로써 급전 패치(120)와 소정 거리 이격된 상태로 고정될 수 있을 것이다.
급전 패치(120) 및 접지 패치(130)를 포함하는 임피던스 매칭/급전부(104)는 안테나의 임피던스 매칭 및 커플링 급전을 수행한다.
급전 패치(120)로 제공된 RF 신호는 소정 거리 이격된 접지 패치(130)로 커플링되며, 소정의 길이를 가지는 영역에서 이루어지는 이와 같은 커플링은 기존의 평면 역-F 안테나에 비해 보다 광대역에 대한 임피던스 매칭이 가능하도록 한다.
광대역에 대한 임피던스 매칭을 위해 급전 패치(120)와 접지 패치(130)는 소정의 길이를 가져야 하며, 약 0.1 파장의 길이를 가질 수 있으나, 이는 주파수 대 역 및 사용 주파수에 따라 적절히 변경될 수 있다.
또한, 임피던스 매칭/급전부(104)에서 커플링에 의해 RF 신호는 급전 패치(120)에서 접지 패치(130)로 전달되는 커플링 급전이 이루어진다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 접지 패치의 중앙부에는 슬롯이 형성된다. 슬롯은 급전 패치(120) 및 접지 패치(130)간의 커플링을 조절하기 위해 형성되며, 필요에 따라 형성되지 않을 수도 있다. 광대역에 대한 매칭을 지원하기 위해 커플링을 위한 캐패시턴스는 다변화되는 것이 바람직하며, 이와 같은 구조는 슬롯에 의해 달성될 수 있다.
급전 패치(120) 및 접지 패치(130)를 소정 거리 이격시켜 임피던스 매칭 및 커플링 급전을 수행하는 본 발명의 임피던스 매칭/급전부(104)의 구조는 특정 포인트에서 임피던스 매칭이 이루어지는 일반적인 평면 역-F 안테나와는 상이하며 보다 광대역에 대한 매칭을 지원한다.
방사체(108)는 접지 패치(130)로부터 연장된다. 도 2 및 도 3을 참조하면, 방사체(108)는 접지 패치(130)로부터 수직으로 상승한 후 절곡되어 기판과 평행하게 형성되는 구조가 도시되어 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 다양한 형태로 형성될 수 있을 것이다.
방사체(108)의 길이는 사용 주파수 대역에 따라 설정되며, 방사체의 형태 역시 다양하게 설정될 수 있다. 도 2 및 도 3에는 방사체에서 기판과 평행한 부분이 한번 절곡된 L자형이나 기판과 평행한 부분이 라인 형태 및 미앤더 형태로 구현되는 경우도 본 발명의 범주에 포함될 수 있다는 점은 당업자에게 있어 자명할 것이 다.
일반적인 평면 역-F 안테나에서 방사체는 직접 급전을 받으므로 급전핀과 전기적으로 연결되나, 본 발명의 실시예에 따른 안테나의 방사체(108)는 커플링 급전에 의해 급전을 받으며 접지 패치로부터 연장되는 구조이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나가 결합되는 안테나 캐리어의 일례를 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나가 결합되는 안테나 캐리어는 평면 상부(500), 측벽부(502. 504), 접지 패치 결합부(506) 및 지지부(508)를 포함할 수 있다.
평면 상부(500)는 안테나의 방사체가 결합되는 부분으로서 소정의 면적을 가지고 있다.
제1 측벽부(502)는 캐리어의 제1 측면에 형성되며 기판에 결합되고, 제2 측벽부(504)는 캐리어의 제2 측면에 형성되며 기판과는 소정 거리 이격된다.
접지 패치 결합부(506)에는 임피던스 매칭/급전부(104)의 접지 패치(130)가 결합되며, 접지 패치 결합부(506)는 지지부(508)에 의해 기판으로부터 소정 거리 이격된다.
도 6은 도 5에 도시된 안테나 캐리어에 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나가 결합된 사시도를 도시한 도면이고, 도 7은 도 6과는 다른 방향에서 도 5에 도시된 안테나 캐리어에 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나가 결합된 사시도를 도시한 도면이다. 또한, 도 8은 접지 패치가 안테나 캐리어의 접지 패치 결합부에 결합된 상태를 도시한 도면이다.
도 6 내지 도 8을 참조하면, 안테나 캐리어(300)는 기판상에 결합되며, 지지부(508)는 기판 상부와 접촉한다. 이때, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 지지부(508)는 기판에 형성된 급전 패치부(120)와 접촉되며, 지지부(508)의 넓이는 급전 패치부(120)의 넓이와 동일하거나 유사한 것이 바람직하다.
도 8을 참조하면, 접지 부재 결합부(506)에는 중앙에 슬롯이 형성된 접지 패치(130)가 결합된다. 전술한 바와 같이, 접지 부재(130)는 접지핀과 같은 구성 요소에 의해 접지와 전기적으로 연결될 수 있다.
도 6 내지 도 8과 같은 구조로 안테나 캐리어가 형성될 때, 지지부(508)가 접지 부재 결합부(506)로부터 돌출되어 형성되는 구조이므로, 접지 부재 결합부(506)에 결합되는 접지 부재는 중앙에 슬롯이 형성된 구조이다. 그러나, 지지부(508)는 도 6내지 도 8과 같은 구조가 아닌 다양한 방식으로 형성될 수 있다는 점은 당업자에게 자명하며, 이 경우 중앙에 슬롯이 형성되지 않은 패치 형태의 접지 부재가 결합될 수도 있을 것이다.
기판에 형성되는 급전 패치(120) 및 접지 부재 결합부(506)에 결합되는 접지 패치(130)는 지지부(508)에 의해 소정 거리 이격되며 커플링에 의한 임피던스 매칭 및 급전이 이루어진다.
접지 부재(130)와 전기적으로 결합되는 방사체는 제2 측벽부(504) 및 평면 상부(500)에 형성된다. 제2 측벽부(504)에 결합되는 방사체의 일부는 수직 방향으로 형성되며, 평면 상부(500)에 형성되는 방사체의 일부는 수평 방향으로 형성된 다.
일반적으로, 캐리어에는 상부에만 방사체 및 급전부가 형성되는 것이 일반적이나, 본 발명에서는 캐리어의 하부, 측부 및 상부 모두에 급전부 및 방사체를 형성함으로써 단말기 내의 한정된 공간을 효율적으로 활용하는 것이 가능하다.
특히, 본 발명에서는 캐리어의 일부를 기판으로부터 소정 거리 이격시키고 이격된 부분의 하부인 접지 부재 결합부에 접지 부재를 결합시켜 급전 부재와 접지 부재 사이의 커플링 공간을 형성함으로써 안테나 캐리어의 공간을 최대한 활용하고 커플링 매칭 및 급전을 사용하는 안테나의 사이즈를 줄일 수 있게 된다.