KR101093365B1

KR101093365B1 - ＭｌＭＯ/Ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ 내장형 안테나 장치

Info

Publication number: KR101093365B1
Application number: KR1020060094121A
Authority: KR
Inventors: 정경호; 윤정호
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2006-09-27
Filing date: 2006-09-27
Publication date: 2011-12-14
Also published as: CN101154764A; CN101154764B; DE102007043141B4; FR2906409A1; US7609221B2; FR2906409B1; KR20080028613A; US20080074341A1; BRPI0703704A; DE102007043141A1; USRE44588E1

Abstract

본 발명에 따른 MIMO(Multi-In Multi-Out)/Diversity 내장형 안테나 장치는 안테나 사이의 상호간섭(Mutual Coupling)을 차단하는 차단막(Shielding Wall), 접지핀(Shorting Pin), 안테나 도체 사이를 전기적으로 접속시키는 커넥팅 라인 등을 이용하여 구성되며, 셀룰러 폰(Cellular phone), PDA, 노트북, PMP, 각종 이동통신단말기 등과 같이 그 내부 공간이 협소한 장치에 사용되어 필요한 안테나 성능을 유지하면서도 다중 안테나 사이의 격리도(Isolation) 특성을 개선하고, 단위 안테나 사이의 상호간섭(Mutual Coupling)은 최소화시킬 수 있다.

MIMO, 다이버시티, 내장형 안테나, 격리도, 상호간섭, 차단막

Description

ＭｌＭＯ/Ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ 내장형 안테나 장치{ Internal Antenna Apparatus for Multi-In Multi-Out and Diversity Function }

도 1은 본 발명에 따른 내장형 안테나 장치의 일 실시예,

도 2는 안테나 도체를 구성하는 구체적 일 실시예,

도 3은 본 발명에 따른 내장형 안테나 장치의 또 다른 실시예,

도 4는 상기 내장형 안테나 장치의 측면도,

도 5는 반사손실에 관한 S 파라미터 특성 그래프의 예,

도 6은 격리도에 관한 S 파라미터 특성 그래프의 예,

도 7은 격리도에 관한 S 파라미터 특성 그래프를 차단막의 유무에 따라 도시한 예이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

11-1,11-2: 안테나 도체 12-1,12-2,32-1,32-2: 피딩 라인

13-1,13-2,33-1,33-2: 접지핀 14,34: PCB 기판의 접지면

15,35: 차단막 16,36: 커넥팅 라인

21: 상부 도체판 22: 하부 도체판

31-1,31-2: 안테나 도체

본 발명은 MIMO/Diversity 내장형 안테나 장치에 관한 것으로서, 특히 Cellular phone, PDA, 노트북, PMP, 각종 이동통신단말기 등과 같이 내부 공간이 협소한 장치에 사용되어 필요한 안테나의 성능을 유지하면서도 다중 안테나 사이의 격리도(Isolation) 특성을 개선하고, 단위 안테나 사이의 상호간섭(Mutual Coupling)은 최소화하면서 MIMO(Multi-In Multi-Out) 기능과 Diversity 기능을 수행할 수 있는 내장형 안테나 장치에 관한 것이다.

종래 이동통신시스템에서는 단일 안테나를 주로 사용하였고, 이동통신단말기와 같은 휴대용 장치에 다중 안테나를 구현할 때는 내장형 및 외장형 안테나를 혼합 사용하여 Diversity를 구현하였다.

한편, 이동 통신 기술이 발전하고 관련 시장이 확대됨에 따라 슬림형 단말기를 찾는 소비자들의 요구를 만족시켜 주기 위하여 이동통신단말기는 점점 얇아지고 슬림화되는 경향을 보이고 있다. 이에 따라 이동통신단말기 내부 공간의 크기는 점점 줄어들고 있으나, 최근에는 이동통신단말기의 미관을 고려해서 내장형 안테나가 요구되고 있다.

특히, 차세대 이동통신시스템에서는 이동통신단말기 안에 다수의 안테나를 내장해야 하며, 송수신 신호의 질을 높이기 위해 내장된 안테나 사이의 상호간섭을 최소화해야 하는 등 안테나 성능은 더욱 엄격해지고 있다.

이와 관련하여, 차세대 이동통신시스템인 3.5G, 4G 시스템 등에서는 채널용량과 신호의 신뢰도를 높이기 위해서 이동통신단말기 안에 2개 이상의 다중 안테나설치가 요구된다. 또한 이동통신시스템의 다중 경로 페이딩(fading)을 완화하기 위하여 이동통신단말기 안에 Diversity 안테나를 구현해야 한다.

그러나, 다수의 안테나를 작고 얇은 이동통신단말기의 내부 공간에 내장하면 안테나 사이에서 전자기적인 상호간섭이나 전자기적 결합이 발생하게 되며, 이로 인해 안테나의 전체 송수신 성능이 떨어질 수 있다. 따라서 다수의 안테나를 집적하기가 더욱 어려워지고 있다. 안테나 사이의 영향을 최소화하기 위해서는 반 파장 이상 안테나를 떨어뜨려야 하는데, 이는 안테나의 작은 공간 때문에 불가능 하다. 따라서 작은 공간 안에서 필요한 안테나의 성능은 유지하면서도 안테나 사이의 상호간섭은 최소화시키는 방법이 요구된다.

이에 본 발명은 상기와 같은 필요성에 부응하기 위하여 안출된 것으로서, 협소한 각종 장치의 내부 공간에 복수의 안테나를 내장시키면서도 안테나의 성능을 유지하고 다중 안테나 사이의 격리도(Isolation) 특성 개선과 단위 안테나 사이의 상호간섭(Mutual Coupling) 최소화를 이룰 수 있는 MIMO/Diversity 내장형 안테나 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 MIMO/Diversity 내장형 안테나 장치는, 복수의 안테나 도체; 상기 각 안테나 도체 사이를 전기적으로 연결하는 커넥팅 라인; 상기 안테나 도체 사이의 커플링(Coupling)을 차단하는 차단막; RF 신호를 상기 각 안테나 도체로 입력시키는 피딩 라인; 및 상기 각각의 안테나 도체를 접지시키는 접지핀을 포함하여 이루어진다.

상기 각 안테나 도체는 접은 모노폴 안테나(Folded Monopole Antenna)의 형태로 구성될 수 있다.

상기 안테나 도체는 2개로 구성할 수 있다.

이 때, 상기 각각의 안테나 도체는 'ㄷ' 형태의 상부 도체판과 하부 도체판으로 이루어지고, 상기 상부 도체판과 하부 도체판은 두 개의 횡측 말단 중 하나에서만 서로 연결되도록 구성될 수 있다.

또한, 상기 각 안테나 도체는 상기 'ㄷ' 형태의 열린 부분이 서로 마주보도록 위치하고, 상기 커넥팅 라인은 상기 두 안테나 도체의 횡측 말단 중 상기 상부 도체판과 하부 도체판이 서로 연결되지 않은 말단의 각 상부 도체판 사이를 전기적으로 연결하도록 구성될 수 있다.

상기 피딩 라인은 상기 각 안테나 도체의 하부 도체판의 임의 위치에 연결되어 상기 안테나 도체의 전기적 길이를 결정하도록 구성될 수 있다.

상기 차단막은 접지면으로부터 수직으로 형성되는 도체판으로 구성될 수 있다. 이 때, 상기 접지핀은 상기 커넥팅 라인의 임의의 두 지점에서 상기 차단막과 연결되어 상기 각 접지핀 사이에는 캐패시턴스(Capacitance)가 존재하도록 하고, 상기 각 안테나 도체와 상기 차단막 사이에는 인덕턴스(Inductance)가 존재하도록 하는 역할을 수행하도록 구성될 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1을 참조하자면, 본 발명에 따른 MIMO/Diversity 내장형 안테나 장치(이하, 내장형 안테나 장치라 한다)는 셀룰러 폰(Cellular Phone), PDA(Personal Digital Assistant), 노트북 컴퓨터, PMP(Portable Multimedia Player) 등 이동성이 있는 각종 장치에 내장되어 사용된다. 내장형 안테나 장치는 복수의 안테나 도체(11-1,11-2), 커넥팅 라인(16, Connecting Line), 차단막(15, Shielding Wall), 피딩 라인(12-1,12-2, Feeding Line), 접지핀(13-1,13-2, Shorting Pin)을 포함하여 이루어진다.

안테나 도체(11-1,11-2)는 입력 RF(Radio Frequency) 신호를 공기 중으로 복사하는 역할을 수행하며, 안테나 도체는 복수로 구성될 수 있다. 각각의 안테나 도체에는 이하에서 설명하는 구조가 그대로 적용될 수 있는 것이므로, 2개의 안테나 도체(11-1,11-2)를 사용하는 실시예로 설명하기로 한다.

각각의 안테나 도체(11-1,11-2)는 서로 떨어져 위치하고 있으나, 커넥팅 라인(16)을 통해 서로 전기적으로 연결된다. 이러한 커넥팅 라인(16)은 안테나 도체(11-1,11-2)를 밸런스 구조로 만들어서 PCB(Printed Circuit Board) 기판의 표면전류나 인체의 영향을 적게 받도록 한다.

또한, 차단막(15)은 PCB 기판의 표면전류 및 각 안테나 도체(11-1,11-2) 사이의 상호간섭(Mutual Coupling)을 차단하는 역할을 수행한다.

피딩 라인(12-1,12-2)은 각각 RF 신호를 해당 안테나 도체(11-1,11-2)로 입력시키는 통로이며, 접지핀(13-1,13-2)은 각 안테나 도체(11-1,11-2)를 PCB 기판의 접지면(14)과 연결한다.

안테나 도체(11-1,11-2)는 PCB 기판에 유기되는 전류의 영향을 적게 받도록 하기 위하여 접은 모노폴 안테나(Folded Monopole Antenna)의 형태로 구성될 수 있는데, 접은 모노폴 안테나는 보통의 내장형 안테나에 비해 전기적 길이를 약 0.5배 줄이고, 부피도 줄일 수 있기 때문에 이동통신단말기 등에 내장하기 위한 소형화가 가능하다는 장점이 있다.

도 2를 참조하여, 안테나 도체(11-1)를 구성하는 일 실시예를 설명하자면, 안테나 도체(11-1)는 'ㄷ' 형태의 상부 도체판(21)과 하부 도체판(22)으로 이루어질 수 있는데, 상부 도체판(21)과 하부 도체판(22)은 서로 일정 간격 떨어져 있다. 또한, 상부 도체판(21)과 하부 도체판(22)은 두 개의 횡측 말단(A,B) 중 하나(A)에서만 서로 전기적으로 연결되어 있고, 다른 횡측 말단(B)은 서로 떨어져 있다.

다른 안테나 도체(11-2)도 동일한 형태로 구성되며, 각 안테나 도체(11-1,11-2)는 도시한 바와 같이 'ㄷ' 형태의 열린 부분이 서로 마주보도록 위치한다. 이 때, 커넥팅 라인(16)은 두 안테나 도체(11-1,11-2)의 횡측 말단 중 상부 도체판(21)과 하부 도체판(22)이 연결되지 않은 말단(B)의 상부 도체판 사이를 전기적으로 연결한다.

도 3은 도 2에 도시한 실시예의 안테나 도체를 사용하여 본 발명에 따른 내장형 안테나 장치를 구성하는 실시예를 도시한 것으로서, 이하에서는 도 3을 참조 하여 본 발명에 따른 내장형 안테나 장치를 구체적으로 설명하기로 한다.

차단막(35, Shielding Wall)은 PCB 기판의 접지면(34)으로부터 수직으로 형성되는 도체판으로 구성된다. 이러한 차단막(35)은 각 안테나 도체(31-1,31-2) 사이의 격리도(Isolation) 특성을 개선하기 위한 구성요소로서, PCB 기판에 유기되는 전류의 영향을 제한할 수 있도록 PCB 기판과 안테나 도체의 사이에 설치되는 것이 바람직하며, PCB 기판의 표면전류와 안테나 도체 사이의 커플링(coupling)을 차단하여 상호간섭을 줄여준다. 차단막(35)은 필요에 따라 다양한 형태로 구성할 수 있는 것이며, 도 3에는 직사각형 형태를 도시의 편의상 일부 생략하여 도시하였다.

한편, 피딩 라인(32-1,32-2)은 각 안테나 도체(31-1,31-2)의 하부 도체판의 임의 위치에 연결된다. 이러한 피딩 라인(32-1,32-2)의 위치는 안테나의 공진 주파수를 결정한다. 이는 피딩 라인(32-1,32-2)의 위치가 안테나의 전기적 길이를 결정하기 때문이며 PIFA(Planar Inverted F Antenna)의 특징과 유사하다. 이러한 피딩 라인(32-1,32-2)은 각각 RF 신호를 해당 안테나 도체(31-1,31-2)로 입력시키는 통로이며, 차단막(35)과 연결되지는 않는다.

접지핀(33-1,33-2)은 커넥팅 라인(36)의 임의의 두 지점에서 차단막(35)과 연결되며, 접지핀(33-1,33-2)의 위치는 격리도(Isolation) 특성을 제어할 수 있다. 도 3에 도시한 실시예에서는 커넥팅 라인(36)으로부터 수직방향으로 내려간 후 접지면(34)과 평행 방향으로 차단막(35)과 연결되는 구조의 예를 도시하였다.

이러한 접지핀(33-1,33-2)은 안테나 도체(31-1,31-2)와 차단막(35) 사이에서는 인덕터(Inductor)의 기능을 하게 되며, 두 접지핀(33-1,33-2)의 사이에는 캐패 시턴스(Capacitance)가 존재한다. 따라서 2개의 접지핀(33-1,33-2)과 차단막(15)은 LC 고역통과필터(High Pass Filter)와 같이 동작하며, 접지핀(33-1,33-2)의 위치변화는 LC 고역통과필터의 동작주파수를 결정하게 된다. 궁극적으로, 최적의 피딩 라인(32-1,32-2)과 접지핀(33-1,33-2)의 위치는 원하는 주파수 대역에서의 안테나 성능 및 격리도 특성을 결정하게 된다.

도 4는 도 3에 도시한 내장형 안테나 장치의 측면도로서, 안테나 도체(31-1), 피딩 라인(32-1), 접지핀(33-1), PCB 접지면(34), 차단막(35)의 위치와 구조를 구체적으로 보여주고 있다.

도 5 내지 도 7은 도 3에 도시한 실시예에 관한 S 파라미터의 특성 그래프로서, S 파라미터는 주파수 분포상에서 입력전압 대 출력전압의 비를 나타내는 것이다. 예로서, S11은 1번 포트에서 입력된 전력이 1번 포트로 얼마나 출력되는가를 나타내는 수치로 이해할 수 있다. 이 때, S11은 입력 포트에서의 반사 계수를 나타내고, S22는 출력 포트에서의 반사 계수를 나타낸다. 또한, S12는 2번 포트에 입력된 입력 전력과 1번 포트에서 출력된 출력 전력의 비율을 나타내며, S21은 1번 포트에 입력된 입력 전력과 2번 포트에서 출력된 출력 전력의 비율을 나타낸다.

도 5는 반사손실(Return Loss)에 관한 S 파라미터 특성 그래프의 예로서, 가로축은 주파수를 나타내고 세로축은 dB 단위의 S 파라미터 S11과 S22를 나타낸다. 위에서 설명한 바와 같이 공진 주파수는 피딩 라인(32-1,32-2)의 위치에 의해 결정된다.

도 6은 격리도에 관한 S 파라미터 특성 그래프의 예로서, 격리도 특성은 커 넥팅 라인(36)과 차단막(35)의 유무, 및 접지핀(33-1,33-2)의 위치에 의해서 결정된다. 여기서, 가로축은 주파수를 나타내고 세로축은 dB 단위의 S 파라미터 S12와 S21을 나타낸다. 이 때, 커넥팅 라인(36)은 본 발명의 안테나를 밸런스 구조로 만들어 PCB 기판의 표면전류의 영향을 적게 받게 하고, 차단막(35)은 안테나와 PCB 기판 사이의 전자기적 간섭을 차단하여 격리도(Isolation) 특성을 향상시킨다.

도 7은 차단막(35)의 유무에 따른 격리도 특성 그래프로서, 가로축은 주파수를 나타내고 세로축은 dB 단위의 S12 파라미터를 나타낸다. 커넥팅 라인(36)과 차단막(35)이 존재할 때 격리도 특성이 개선됨을 보여주고 있다.

본 발명에 따르면, 협소한 각종 장치의 내부 공간에 복수의 안테나를 내장시키면서도 필요한 안테나의 성능을 유지하고 다중 안테나 사이의 격리도(Isolation) 특성 개선과 단위 안테나 사이의 상호간섭(Mutual Coupling) 최소화를 이룰 수 있다.

이에 따라 셀룰러 폰(Cellular phone), PDA, 노트북 컴퓨터, PMP, 및 각종 이동통신단말기에 3.5G, 4G 이동 통신 서비스를 구현하기 위한 내장형 다중 안테나를 채택할 경우 효과적으로 사용될 수 있으며, 다양한 내장형 MIMO/Diversity 안테나에 응용 가능하다.

Claims

복수의 안테나 도체;

상기 각 안테나 도체 사이를 전기적으로 연결하는 커넥팅 라인;

상기 안테나 도체 사이의 커플링(Coupling)을 차단하는 차단막;

RF 신호를 상기 각 안테나 도체로 입력시키는 피딩 라인; 및

상기 각각의 안테나 도체를 접지시키는 접지핀을 포함하고,

상기 각 안테나 도체는 접은 모노폴 안테나(Folded Monopole Antenna)의 형태로서, 'ㄷ' 형태의 상부 도체판과 하부 도체판으로 이루어지고, 상기 상부 도체판과 하부 도체판은 두 개의 횡측 말단 중 하나에서만 서로 연결되도록 구성되며,

상기 각 안테나 도체는 상기 'ㄷ' 형태의 열린 부분이 서로 마주보도록 위치하고, 상기 커넥팅 라인은 상기 횡측 말단 중 상기 상부 도체판과 하부 도체판이 서로 연결되지 않은 말단의 각 상부 도체판 사이를 전기적으로 연결하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 MIMO/Diversity 내장형 안테나 장치.
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제 1 항에 있어서,

상기 피딩 라인은 상기 각 안테나 도체의 하부 도체판의 임의 위치에 연결되어 상기 안테나 도체의 전기적 길이를 결정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 MIMO/Diversity 내장형 안테나 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 차단막은 접지면으로부터 수직으로 형성되는 도체판으로 구성되는 것을 특징으로 하는 MIMO/Diversity 내장형 안테나 장치.
제 7 항에 있어서,

상기 접지핀은 상기 커넥팅 라인의 임의의 두 지점에서 상기 차단막과 연결되어 상기 각 접지핀 사이에는 캐패시턴스(Capacitance)가 존재하도록 하고, 상기 각 안테나 도체와 상기 차단막 사이에는 인덕턴스(Inductance)가 존재하도록 하는 역할을 수행하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 MIMO/Diversity 내장형 안테나 장치.