KR101145402B1

KR101145402B1 - 임베딩 안테나 장치

Info

Publication number: KR101145402B1
Application number: KR1020100087573A
Authority: KR
Inventors: 유종인; 김동수; 김준철; 박종철
Original assignee: 전자부품연구원
Priority date: 2010-09-07
Filing date: 2010-09-07
Publication date: 2012-05-15
Also published as: KR20120025278A

Abstract

본 발명의 임베딩 안테나 장치에서는, 기존의 다이폴 형태가 아닌 λ/4 길이의 부채꼴 혹은 삼각 형상의 패턴이 추가로 디자인된다. 즉, 안테나 패턴을 구성하는 각 라인 패턴들의 길이를 기준으로 안테나의 특성을 조정하는 것 아니라 부채꼴 또는 삼각 형상으로 추가 디자인된 패턴의 길이를 기준으로 안테나의 특성이 조정됨으로써, 기존의 안테나보다 더 넓은 대역을 커버할 수 있게 된다.

Description

임베딩 안테나 장치{EMBEDING ANTENNA DEVICE}

본 발명은 임베딩 안테나 장치에 관한 것으로서, 특히 광대역 특성을 갖는 인쇄회로기판에 임베딩된 안테나 패턴을 갖는 안테나 장치에 관한 것이다.

일반적으로 안테나는 하나의 모듈로 설계되는데, 최근에는 안테나를 인쇄회로기판(Printed Circuit Board: PCB)에 임베딩하는 기술이 개발되어, 모듈로 설계된 안테나를 PCB에 실장하는 SMT(Surface Mount Technology) 과정을 생략할 수 있게 되었다.

이로 인해 안테나와 모듈 간의 매칭시키는데 소요되는 시간이 절약되고, 안테나의 특성을 일정하게 유지할 수 있게 되었다. 또한, PCB에 임베딩 하여 단가 하락을 유도할 수 있게 되었다.

도 1은 기존의 안테나가 실장되는 PCB의 구성도이다.

도 1을 참조하면, IC1에서 나온 신호선은 커패시터(cap)와 인덕터(ind)를 거쳐 안테나(Anenna)에 연결되어 IC1으로부터 출력되는 신호를 안테나로 전달한다. IC1과 안테나가 연결되는 부위에 50옴 매칭을 위해 인덕터, 커패시터로 이루어진 매칭단이 구현된다. 이러한 기존의 안테나가 실장되는 인쇄회로기판에서는 안테나의 배치가 모듈의 디자인에 따라 달라진다.

도 2는 도 1에 도시된 안테나에 포함된 안테나 패턴의 형상을 보여주는 도면이고, 도 3은 도 2에 도시된 안테나 패턴의 대역폭을 보여주는 그래프이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 기존의 기판에 임베딩되는 안테나는 PIFA 형태 또는 다이폴 형태의 안테나를 사용하고 있는데, 이러한 기판에 임베딩되는 안테나는 그 구조적인 특성으로 인해 광대역 특성을 제공하지 못한다.

도 3에 도시된 바와 같이, 기존의 기판에 임베딩되는 안테나는 약 400 MHZ 정도의 대역폭을 제공하고 있어, 광대역 특성을 요구하는 개발자들의 기대치에 크게 못 미치는 실정이다.

따라서 본 발명의 목적은 광대역 특성을 갖는 인쇄회로기판에 임베딩된 안테나 장치를 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 임베딩된 안테나 장치는, 복수의 층으로 이루어진 인쇄회로기판 및 상기 복수의 층 중에서 어느 한 층에 형성된 안테나 패턴;을 포함하며, 상기 안테나 패턴은 복수의 패턴이 연결되어, 'F'자 형상으로 패터닝된 메인(main) 패턴 및 상기 복수의 패턴 중 적어도 하나의 패턴으로부터 부채꼴 형상으로 연장되 서브(sub) 패턴을 포함한다. 여기서, 상기 복수의 패턴은 제1 방향으로 연장되는 제1 라인 패턴과, 상기 제1 라인 패턴의 일측 단부로부터 상기 제1 방향의 수직한 제2 방향으로 연장되는 제2 라인 패턴; 및 상기 제1 라인 패턴의 일측 단부와 타측 단부 사이의 중간 단부로부터 상기 제2 라인 패턴과 평행하게 연장되는 제3 라인 패턴을 포함하되, 상기 서브 패턴은, 상기 제2 방향의 반대 방향으로 연장되되, 상기 제1 라인 패턴의 상기 중간 단부와 타측 단부에 걸쳐서 부채꼴 형상으로 연장되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 일면에 따른 임베딩 안테나 장치는 복수의 층으로 이루어진 인쇄회로기판 및 상기 복수의 층 중에서 어느 한 층에 형성된 안테나 패턴;을 포함하고, 상기 안테나 패턴은, 복수의 패턴이 연결되어, 'F'자 형상으로 패터닝된 메인(main) 패턴 및 상기 복수의 패턴 중 적어도 하나의 패턴으로부터 삼각형 형상으로 연장되 서브(sub) 패턴을 포함한다.

본 발명에 의하면, 부채꼴 패턴 또는 삼각형 패턴을 갖도록 디자인함으로써, 기존의 안테나에서 제공하는 대역폭 이상의 광대역 특성을 제공할 수 있게 된다. 따라서, 기존의 안테나 패턴에서 제공하는 협대역 특성을 개선할 수 있다.

또한, 단순히 패턴의 디자인만을 변경하면 되므로, 기존의 제조 공정을 거의 그대로 이용할 수 있어, 제조 공정이 단순하고, 공정의 추가 또는 변경에 따른 추가 비용이 크게 요구되지 않는다.

도 1은 기존의 안테나가 실장되는 PCB의 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시된 안테나에 포함된 안테나 패턴의 형상을 보여주는 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 안테나 패턴의 대역폭을 보여주는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 안테나 패턴이 구비된 임베딩 안테나 장치를 개략적으로 보여주는 사시도이다.
도 5는 도 4에 도시된 인쇄회로기판에서 안테나 패턴만 분리하여 확대한 상기 안테나 패턴의 평면도이다.
도 6은 도 5에 도시된 안테나 패턴의 다른 실시예를 보여주는 평면도이다.
도 7 및 도 8은 도 5에 도시된 안테나 패턴의 또 다른 실시예를 보여주는 평면도이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 임베딩 안테나 장치의 반사 손실 시뮬레이션 결과를 보여주는 그래프들이다.

본 발명의 인쇄회로기판에 임베딩되는 임베딩 안테나 장치에서는 주파수 대역폭의 성능 개선을 위하여 부채꼴 형상(또는 삼각형 형상)의 패턴을 갖는 안테나 패턴이 디자인된다.

본 발명에서는 기존의 안테나 패턴과는 달리 PIFA(Planar Inverted F Antenna)와 같은 안테나에 부채꼴 형태(또는 삼각형 형태)의 패턴이 추가로 디자인된다.

기존의 λ/4의 다이폴의 형태의 안테나에서 개선된 PIFA 형태의 안테나는 특정 주파수에서만 성능이 뛰어나 전체 주파수 대역에서 바라보면 낮은 대역폭을 가진다.

그러나 본 발명의 임베딩 안테나 장치에서는, 기존의 다이폴 형태가 아닌 λ/4 길이의 부채꼴 혹은 삼각형으로 구성한다. 즉, 안테나 패턴을 구성하는 각 라인 패턴들의 길이를 기준으로 안테나의 특성을 조정하는 것 아니라 부채꼴 또는 삼각 형상으로 추가 디자인된 패턴의 길이를 기준으로 안테나의 특성을 조정하는 것이다. 다시 말해 마치 다수의 라인 패턴들이 부채꼴 형상으로 뭉쳐있는 형태가 되어, 라인 패턴들의 각 길이들이 집합적으로 형성되어, 기존의 안테나보다 더 넓은 대역을 커버할 수 있게 된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직할 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장되게 도시된다. 명세서 전반에 걸쳐 기재된 동일한 참조번호(또는 참조기호)들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 안테나 패턴이 구비된 임베딩 안테나 장치를 개략적으로 보여주는 사시도이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 임베딩 안테나 장치는 도시된 바와 같이 다수의 층으로 이루어진 인쇄회로기판(100)을 포함한다. 인쇄회로기판(100)의 각 층에는 본 발명에서 제안하는 안테나 패턴(AP)이 배치되는 제1 영역과 상기 제1 영역을 둘러싸는 제2 영역이 동일하게 정의될 수 있다.

다수의 층 중 최상위층의 제1 영역에는 본 발명에서 제안하는 안테나 패턴(AP)이 구비되고, 각 층의 제2 영역에는 그라운드 플레인(Ground Plain: GP)이 구비된다.

본 실시예에서는 본 발명에서 제안하는 안테나 패턴(AP)이 최상위층의 제1 영역에만 존재하고, 나머지 층의 제1 영역에는 어떠한 패턴이나 그라운드 플레인도 존재하지 않는다. 최상위층의 구비된 그라운드 플레인(GP)은 안테나 패턴(AP)을 둘러싸고, 상기 안테나 패턴(AP)과 전기적으로 분리된다.

본 실시예에서는 안테나 패턴(AP)이 최상위층에 형성되는 안테나 패턴이 설명되고 있으나, 이를 한정하는 것을 아니고, 최상위층을 제외한 나머지 층의 제1영역에서 본 발명에서 제안하는 안테나 패턴(AP)이 형성될 수도 있다.

또한 본 실시예에 최상위 층에 구비된 본 발명에서 제안하는 안테나 패턴은 평판형 역-에프 안테나(Planar Inverted-F antenna: PIFA)로 기능 하는 것으로 가정한다.

이하, 본 실시예에 따라 최상위 층의 형성된 안테나 패턴에 대해 상세히 설명하기로 한다.

도 5는 도 4에 도시된 인쇄회로기판에서 안테나 패턴만 분리하여 확대한 상기 안테나 패턴의 평면도(또는 레이아웃)이다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 안테나 패턴(AP)은 메인 패턴(MP)과 서브 패턴(SP)을 포함한다.

메인 패턴(MP)은 복수의 패턴(P1, P2, P3)으로 구성되며, 이러한 복수의 패턴들이 연결되어, F 자 형상으로 패터닝 된다. 이 메인 패턴(MP)은 도전성을 갖는 재질이라면 어떠한 재질로 구성되어도 무방하며, 일례로, 구리, 알루미늄, 텅스텐, 금, 은 등과 같은 금속 재질일 수 있다. 메인 패턴을 구성하는 복수의 패턴(P1, P2, P3)은 개별적으로 패터닝 되어, 이들을 연결하는 접합 공정을 통해 상기 F 자 형상으로 패터닝될 수도 있으나, 상기 접합 공정 없이 하나의 일체형으로서 상기 F 자 형상으로 패터닝될 수도 있다.

서브 패턴(P4)은 메인 패턴(MP)과 동일한 층에서 형성되며, 상기 복수의 패턴(P1, P2, P3) 중 어느 하나의 패턴으로부터 연장되어, 부채꼴 형상으로 패터닝 된다. 이 서브 패턴(P4)은 상기 메인 패턴(MP)과 동일한 재질로 구성되며, 상기 메인 패턴(MP)과 일체형으로 이루어질 수 있다.

메인 패턴(MP)은 제1 라인 패턴(P1), 제2 라인 패턴(P2) 및 제3 라인 패턴(P3)을 포함한다. 제1 라인 패턴(P1)은 제1 길이(L1)를 가지며, 제1 방향(D1)으로 연장된다. 제2 라인 패턴(P2)은 제2 길이(L2)를 가지며, 상기 제1 라인 패턴(P2)의 일측 단부로부터 상기 제1 방향(D1)에 수직한 제2 방향(D2)으로 연장된다. 제3 라인 패턴(P3)은 제3 길이(L3)를 가지며, 상기 제1 라인 패턴의 일측 단부와 타측 단부 사이의 중간 단부로부터 상기 제2 방향(D2)으로 연장된다. 즉, 상기 제2 라인 패턴(P2)과 평행하게 연장된다.

서브 패턴(P4)은 부채꼴 형상으로 패터닝 되며, 제4 길이(L4)를 가지며, 상기 제1 라인 패턴(P1)의 상기 중간 단부와 타측 단부에 걸쳐서 상기 제2 방향(D2)의 반대 방향(D3)으로 연장된다. 이때, 상기 서브 패턴(P4)의 제4 길이와 제3 패턴(P3)의 제3 길이(L3)에 의해 λ/4의 길이가 형성된다. 구체적으로, 상기 제1 라인 패턴(P1)은 상기 제1 라인 패턴(P1)의 일측 단부를 포함하는 제1-1 라인 패턴(P1-1)과 상기 제1 라인 패턴(P1)의 중간 단부와 타측 단부를 포함하는 제1-2 라인 패턴(P1-2)을 포함하며, 이때, 상기 부채꼴 형상의 서브 패턴(P4)은 상기 제1-2 라인 패턴(P1-2)의 중간 단부와 타측 단부에 걸쳐서 형성되며, 상기 서브 패턴이 갖는 부채꼴 형상의 부채꼴 중심각은 최소 30도에서 최대 60도를 갖도록 설계할 수 있으며, 이러한 각도 범위 내에서 최적의 성능 즉, 넓은 주파수 대역폭을 제공할 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 임베딩 안테나 장치는 안테나의 주파수 대역폭 성능을 개선하기 위하여, 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 라인 패턴(P1)의 일부분으로부터 연장되는 부채꼴 형상의 서브 패턴(P4)이 추가적으로 설계된다. 기존의 λ/4 다이폴의 형태에서 개선된 PIFA 안테나는 특정주파수에서만 성능이 뛰어나 낮은 주파수 대역폭을 갖는다. 그러나 본 실시예에서는 도 5에 도시된 바와 같이, 기존의 다이폴 형태가 아닌 λ/4 길이의 라인 패턴들이 집합적으로 부채꼴 형태을 구성함으로써 기존의 안테나보다 더 넓은 대역을 커버할 수 있으며, 본 출원인은 이러한 주파수 대역폭 성능의 개선을 다양한 시뮬레이션을 통해 직접확인할 수 있었다.

도 6은 도 5에 도시된 안테나 패턴의 다른 실시예를 보여주는 평면도이다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 안테나 패턴은 도 5에 예시된 서브 패턴의 구조에서 차이가 있을 뿐 나머지 구조 즉, 메인 패턴(MP)은 그 구조 및 기능이 동일하다. 따라서, 도 6의 다른 실시예에 따른 안테나 패턴에 구성하는 메인 패턴(MP)에 대한 설명은 도 5에 대한 설명으로 대신한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 안테나 패턴을 구성하는 서브 패턴(P5)은 도 5의 예시된 서브 패턴(P4)과 마찬가지로 부채꼴 형상을 가지며, 다만, 그 형성 위치에서 도 5의 서브 패턴(P4)가 차이가 있다.

즉, 도 5에 도시된 서브 패턴(P4)은 제1 라인 패턴(P1)의 중간 단부에서 타측 단부 즉, 제1-2 라인 패턴(P1-2)의 전체 길이(L1-2)로부터 연장되어 부채꼴 형상을 구성하지만, 도 6의 서브 패턴(P5)은 제1 라인 패턴(P1)의 일측 단부에서 타측 단부 즉, 제1 라인 패턴(P1)의 전체 길이(L1 = L1-1 + L1-2)로부터 연장되어 부채꼴 형상을 구성한다. 이와 같이, 제1 라인 패턴(P1) 상에서 부채꼴 형상의 시작 지점(O: 부채꼴의 중심점)을 제1-2 라인 패턴(P1-2)이 시작 지점(S1)에서 제1-1 라인 패턴의 시작 지점(S2) 사이에서 다양하게 설정함으로써, 최적의 주파수 대역폭의 찾을 수 있다.

한편, 도 5 및 도 6에서는 부채꼴 형상의 서브 패턴을 예시하고 있으나, 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 삼각 형상의 서브 패턴(P6)에서도 도 5 및 도 6에서 얻을 수 있는 동일한 성능을 얻을 수 있다. 즉, 도 7에 도시된 이등변 삼각 형상 또는 도 8에 도시된 직각 삼각 형상의 서브 패턴(P6)에서도 도 5 및 도 6에서 얻을 수 있는 동일한 성능을 얻을 수 있다.

도 9 및 도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 임베딩 안테나 장치의 반사 손실 시뮬레이션 결과를 보여주는 그래프들로서, 가로축은 기가 헤르쯔(GHz) 단위의 주파수를 나타내고, 세로축은 데시벨(dB)로 표현되는 반사 손실을 나타낸다

도 9 및 도 10에서 알 수 있는 바와 같이, 본 시뮬레이션은 -30 dB의 반사계수를 안테나로서 동작하는 기준점으로 할 때, 대략 주파수 대역폭 715MHz(0.7153GHz = 2.8886GHz - 21733GHz) 을 확보할 수 있다. 이러한 주파수 대역폭 수치는 도 3에 도시된 기존의 안테나의 주파수 대역폭(0.3953 GHz=2.6282GHz - 2.2329GHz)보다 약 1.8 배의 높은 수치로서, 본 발명의 부채꼴 형상(또는 삼각 형상)의 서브 패턴을 갖는 임베딩 안테나 장치가 넓은 주파수 대역폭을 제공할 수 있음을 보여주는 결과이다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다 예컨대, 본 실시예에서는 인쇄회로기판을 가정하여 설계를 하였으나, 다른 재질의 기판 예컨대, 연성회로기판 등과 같은 다양한 기판을 사용하여 본 발명의 임베딩 안테나 장치가 구현될 수 있다.

Claims

복수의 층으로 이루어진 인쇄회로기판; 및
상기 복수의 층 중에서 어느 한 층에 형성된 안테나 패턴;을 포함하고,
상기 안테나 패턴은,
복수의 패턴이 연결되어, 'F'자 형상으로 패터닝된 메인(main) 패턴; 및
상기 복수의 패턴 중 적어도 하나의 라인 패턴으로부터 부채꼴 형상으로 연장된 서브(sub) 패턴을 포함하되,
상기 서브 패턴은,
상기 하나의 라인 패턴의 일측 단부와 중간 단부 사이의 임의의 지점을 기준점으로 하여, 상기 기준점으로부터 상기 하나의 라인 패턴의 타측 단부에 걸쳐서 상기 부채꼴 형상으로 연장되는 것인 임베딩 안테나 장치.
제1항에 있어서, 상기 복수의 패턴은,
제1 방향으로 연장된 제1 라인 패턴;
상기 제1 라인 패턴의 일측 단부로부터 상기 제1 방향의 수직한 제2 방향으로 연장된 제2 라인 패턴; 및
상기 제1 라인 패턴의 일측 단부와 타측 단부 사이의 중간 단부로부터 상기 제2 라인 패턴과 평행하게 연장된 제3 라인 패턴을 포함하고,
상기 서브 패턴은,
상기 제2 방향의 반대 방향으로 연장되되, 상기 제1 라인 패턴의 상기 중간 단부와 타측 단부에 걸쳐서 상기 부채꼴 형상을 형성하는 것인 임베딩 안테나 장치.
제2 항에 있어서, 상기 제1 라인 패턴은,
상기 제1 라인 패턴의 일측 단부를 포함하는 제1-1 라인 패턴; 및
상기 제1 라인 패턴의 중간 단부와 타측 단부를 포함하는 제1-2 라인 패턴을 포함하고,
상기 서브 패턴의 부채꼴 형상은,
상기 제1-2 라인 패턴의 중간 단부와 타측 단부에 걸쳐서 형성되는 것인 임베딩 안테나 장치.
제1 항에 있어서, 상기 복수의 패턴은,
제1 방향으로 연장되는 제1 라인 패턴;
상기 제1 패턴의 일측 단부로부터 상기 제1 방향의 수직한 제2 방향으로 연장되는 제2 라인 패턴; 및
상기 제1 라인 패턴의 일측 단부와 타측 단부 사이의 중간 단부로부터 상기 제1 패턴과 평행하게 연장되는 제3 라인 패턴을 포함하고,
상기 서브 패턴의 부채꼴 형상은,
상기 제1 방향의 반대 방향으로 연장되되, 상기 제1 라인 패턴의 상기 일측 단부와 상기 제1 라인 패턴의 타측 단부에 걸쳐서 형성되는 것인 임베딩 안테나 장치.
제4항에 있어서, 상기 제1 라인 패턴은,
상기 제1 라인 패턴의 일측 단부를 포함하는 제1-1 라인 패턴; 및
상기 제1 라인 패턴의 중간 단부와 타측 단부를 포함하는 제1-2 라인 패턴을 포함하고,
상기 서브 패턴의 부채꼴 형상은
상기 제1-1 라인 패턴의 상기 일측 단부에서 상기 제1-2 라인 패턴의 상기 타측 단부에 걸쳐서 형성되는 것인 임베딩 안테나 장치.
제2항 또는 제4항에 있어서, 상기 서브 패턴은,
30도 내지 60도의 부채꼴 중심각을 갖는 것인 임베딩 안테나 장치.
제2항 또는 제4항에 있어서,
상기 제1 내지 제3 라인 패턴과 상기 서브 패턴은 일체형으로 패터닝된 것인 임베딩 안테나 장치.
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