KR101276649B1 - 안테나 장치 및 이를 포함하는 무선 통신 장치 - Google Patents

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Abstract

안테나 장치가 개시된다. 안테나 장치는 급전부, 상기 급전부와 소정 높이 만큼 이격되어 형성되는 제1 방사체 및 상기 급전부 및 방사체 사이에 형성되며, 유전율 및 투자율을 동시에 갖는 자성체 블럭을 포함한다. 상기 안테나 장치는 자성체 블럭을 통해 급전부와 제1 방사체 사이에 커플링 급전 방식을 사용하여 무선 통신용 전 주파수 대역을 커버할 수 있는 광대역 특성을 구현할 수 있다.

Description

안테나 장치 및 이를 포함하는 무선 통신 장치{ANTENNA DEVICE AND WIRELESS COMMUNICATION APPARATUS INCLUDING THE SAME}
본 발명은 안테나 장치에 관한 것으로, 특히, 무선 통신용 전 주파수 대역을 송수신할 수 있는 커플링 급전 방식의 안테나 장치 및 이를 포함하는 무선 통신 장치에 관한 것이다.
현재, 세계 각국은 자국이 채택한 통신 방식에 따라 서로 다른 주파수 대역을 사용하여 무선 통신 서비스를 제공하고 있다. 예를 들어, LTE(long term evolution)은 700㎒, GSM(Global System for Mobile communications)은 850㎒ 또는 900㎒, DCS(Digital Cellular System)은 1800㎒, PCS(personal communications services)은 1900㎒ 주파수 대역을 사용하며, WCDMA(wideband code division multiple access)은 2100㎒ 주파수 대역을 사용한다.
한편, 이전에는 세계 각국은 자국의 통신 방식에 따라 하나의 주파수 대역만을 사용하는 무선 통신 서비스를 주로 제공하였으나, 최근에는 다양한 서비스에 대한 요구와 글로벌화 추세에 따라 하나의 단말기로 세계 여러 나라의 무선 통신 서비스를 이용할 수 있는 다중 대역 단말기 시장이 성장하고 있다.
이러한 무선 통신 단말기에서 무선 통신의 품질을 결정하는 핵심 소자는 안테나인데, 안테나는 특정 주파수 대역의 무선 신호를 송수신하는 기능을 수행한다. 따라서, 이동 통신 단말기가 다중 대역의 통신 서비스를 제공하기 위해서는 안테나가 다중 대역을 지원하여야 한다. 이에 따라, 최근 이동 통신 단말기의 성능을 높이기 위해 이중 대역 이상을 지원하는 광대역 안테나에 대한 연구가 지속적으로 이루어지고 있다.
본 발명의 실시 예들은 이동 통신용 전 주파수 대역을 커버할 수 있는 안테나 장치 및 이를 포함하는 무선 통신 장치를 제공하고자 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 안테나 장치는 급전부, 상기 급전부와 소정 높이 만큼 이격되어 형성되는 제1 방사체 및 상기 급전부 및 제1 방사체 사이에 형성되며, 유전율 및 투자율을 동시에 갖는 자성체 블럭을 포함한다.
본 발명의 실시 예들은 서로 간에 이격된 급전부와 방사체 사이에 유전율과 투자율을 동시에 갖는 자성체 블럭을 배치하여 자성체 블럭을 통해 커플링 급전함으로써, 방사체와 급전부 사이의 높은 임피던스를 매칭시키고 방사체의 주파수 대역을 확장시켜 무선 통신용으로 사용되는 전 주파수 대역을 커버할 수 있는 광대역 특성을 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 안테나 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 안테나 장치에 자성체 블럭을 사용한 경우 안테나의 반사 손실을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 안테나 장치의 구성을 도시한 도면이다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 내장형 안테나의 구체적인 실시 예를 설명하기로 한다. 그러나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 발명의 기술적 사상은 청구범위에 의해 결정되며, 이하의 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 효율적으로 설명하기 위한 일 수단일 뿐이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예들에 따른 안테나 장치를 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 안테나 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 안테나 장치(100)는 급전부(102), 제1 방사체(106) 및 자성체 블럭(110)을 포함한다.
급전부(102)는 급전 핀(102a) 및 급전부(102b)를 포함한다. 여기서, 급전 핀(102a)은 메인 PCB(Printed Circuit Board, PCB)(104)에 구비되는 급전 회로와 전기적으로 연결되며, 도전성 패치(102b)는 급전 핀(102a)을 통해 급전 회로로부터 급전을 받게 된다.
제1 방사체(106)는 캐리어(108) 상에 형성되어 메인 PCB(104)에 구비된 급전부(102)로부터 소정 높이 만큼 이격되며, 커플링부(106a), 제1-1 방사체(106b) 및 제1-2 방사체(106c)를 포함한다.
제1 방사체(106)는 이와 같이 캐리어(108) 상에 형성될 수도 있으며, 캐리어(108) 없이 지지대 등을 통해 독립적으로 형성될 수도 있다. 또한, 상기 급전부(102)와 제1 방사체(106) 사이의 높이는 특정되는 것은 아니며, 무선 통신 장치의 송수신 주파수 대역을 고려하여 당업자가 설정할 수 있다.
이후, 급전부(102)와 제1 방사체(106) 간의 이격 거리를 안테나 높이(h)로 정의하기로 하겠다.
커플링부(106a)는 자성체 블럭(110)으로부터 소정 거리 만큼 이격되어 형성되며, 제1-1 방사체(106b)는 커플링부(106a)로부터 분기되어 형성된다. 또한, 제1-2 방사체(106c)도 커플링부(106a)로부터 분기되어 형성되며, 방사체 길이를 늘리기 위해 캐리어(108)의 모서리에서 L자로 절곡된다. 여기서, 제1-1 방사체(106b)는 상대적으로 고주파수 대역인 1700㎒∼2180㎒를 송수신하기 위한 패턴이고, 제1-2 방사체(110c)는 상대적으로 저주파수 대역인 698㎒∼1080㎒를 송수신하기 위한 패턴이다.
한편, 본 발명에서는 안테나의 광대역 특성을 위해 커플링 급전 방식을 사용하여 급전부(102)로부터 제1 방사체(106)를 소정 높이 만큼 높이게 된다. 통상, 커플링 급전 방식을 사용하는 경우 안테나 높이(h)를 증가시킬수록 안테나의 대역폭은 넓어지고, 반대로 안테나 높이(h)를 감소시킬수록 안테나의 대역폭은 좁아진다. 한편, 안테나 높이(h)를 증가시킬수록 이에 상응하여 방사체(110)의 특성 임피던스도 증가하기 때문에 안테나 높이(h)를 높이는 경우 변화하는 특성 임피던스에 대응하여 임피던스 매칭도 달라져야 한다.
본 발명에서는, 안테나 장치(100)의 임피던스 매칭과 광대역 특성을 위해 제1 방사체(106)와 급전부(102) 사이에 자성체 블럭(110)을 배치하는데, 자성체 블럭(110)은 유전율과 투자율을 동시에 갖는 재질로 형성되며, 예를 들어, 페라이트(ferrite) 블럭이 사용될 수 있다.
구체적으로, 자성체 블럭(110)은 급전부(102)의 도전성 패치(102b)와 방사체(106)의 커플링부(106a) 사이에 배치된다. 이때, 자성체 블럭(110)은 투자율에 따라 자성체 블럭(110) 내부에 저장되는 자기적 에너지를 증가시켜 급전부(102) 측 임피던스를 증가시킴으로써 임피던스 매칭을 수행하고, 유전율에 따라 도전성 물질인 방사체(106)의 공진 특성을 변경시켜 방사체(106)의 주파수 대역폭을 넓히게 된다. 즉, 자성체 블럭(110)은 급전부(102)와 제1 방사체(106) 사이에서 안테나의 임피던스 매칭과 동시에 주파수 대역폭을 넓히는 역할을 수행한다.
한편, 자성체 블럭(110)를 크게 제작하여 자성체 블럭(110)의 일부가 제1-1 방사체(106b) 또는 제1-2 방사체(106c)에 인접하게 될 경우, 제1-1 방사체(106b) 또는 제1-2 방사체(106c)에 신호 간섭 현상이 일어날 수도 있다. 따라서, 자성체 블럭(110)은 도전성 패치(102b) 및 커플링부(106a)의 크기에 상응하도록 형성하는 것이 바람직하다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 안테나 장치(100)는 급전부(102) 및 제1 방사체(106) 사이에 자성체 블럭(110)을 배치하여, 급전부(102)와 제1 방사체(106) 사이에 자성체 블럭(110)을 통한 커플링 급전이 이루어지며, 자성체 블럭(110)에 의해 임피던스 매칭과 동시에 안테나의 광대역 특성을 얻게 된다.
한편, 제1 방사체(106)와 급전부(102) 사이에 배치되는 자성체 블럭(110)의 유전율 및 투자율을 변화시키게 되면, 안테나 장치(100)가 송수신할 수 있는 주파수 대역폭도 달라질 수 있는데, 표1을 참조하여 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
블럭 종류 유전율 및 투자율 저주파수 대역폭(%) 고주파수 대역폭(%)
31.6(698∼960㎒) 23.7(1710∼2170㎒)
없음 2
유전체 블럭 유전율=5,투자율=1 21.3 14.2
유전체 블럭 유전율=20,투자율=1 26.5 10.9
유전체 블럭 유전율=30,투자율=1 21.2 14.3
자성체 블럭 유전율=5,투자율=1.5 31.7 23.9
자성체 블럭 유전율=5,투자율=1.7 32.0 24.1
자성체 블럭 유전율=5,투자율=2 32.5 24.3
자성체 블럭 유전율=5,투자율=7 32.9 24.5
자성체 블록 유전율=20,투자율=1.5 32.0 24.2
자성체 블럭 유전율=20,투자율=2 33.2 25.5
자성체 블럭 유전율=20,투자율=7 33.4 24.4
자성체 블록 유전율=20,투자율=8 29.6 22.0
자성체 블록 유전율=30,투자율=1.5 32.1 24.1
자성체 블럭 유전율=30,투자율=2 33.2 24.2
자성체 블럭 유전율=30,투자율=7 32.8 24.0
자성체 블럭 유전율=30,투자율=8 29.4 21.5
표1에서, 주파수 대역폭의 단위는 ㎒가 아니라 %로 표기하였다. 이는 %로 표시할 경우 대역폭을 하나의 값으로 표시할 수 있어 대역폭들 간의 비교가 용이하기 때문이다. 이러한 대역폭(%)은 수학식 1에 의해 산출할 수 있다.
Figure 112011044234418-pat00001
수학식 1에서, fmax는 주파수 대역 범위 중에서 가장 큰 주파수를 가리키고, fmin은 가장 작은 주파수를 가리킨다. 그리고, fcenter는 fmax와 fmin 사이의 중간 주파수를 가리킨다. 한편, 표1에서 안테나 장치(100)의 안테나 높이는 5mm로 설정하였다.
표1을 보면, 저주파수 대역에서 목표 대역은 698㎒∼960㎒이고, 이를 대역폭으로 환산하면 31.6%가 된다. 또한, 고주파수 대역에서 목표 대역은 1710㎒∼2170㎒이고, 이를 대역폭으로 환산하면 23.7%이 된다. 여기서, 저주파수 목표 대역은 LTE 방식이 사용하는 700㎒와 GSM 방식이 사용하는 850㎒ 및 900㎒를 포함하는 대역이며, 고주파수 목표 대역은 DCS 방식이 사용하는 1800㎒, PCS 방식이 사용하는 1900㎒ 및 WCDMA 방식이 사용하는 2100㎒를 포함하는 대역이다. 즉, 안테나 장치(100)가 31.6% 이상의 저주파수 대역폭을 가지고, 23.7% 이상의 고주파수 대역폭을 가질 경우 무선 통신용 전 주파수 대역을 커버할 수 있게 된다.
이에, 자성체 블럭(110)의 유전율을 5 내지 30 사이에서 설정하고 투자율을 1초과 7 이하로 설정하는 경우, 안테나 장치(100)의 대역폭은 저주파수 대역에서 31.6% 이상으로 나타나고, 고주파수 대역에서 23.7% 이상으로 나타나, 각각 목표 대역폭 이상으로 나타남을 알 수 있다.
즉, 자성체 블럭(110)을 사용하여 커플링 급전 방식을 사용하는 안테나 장치(100)에서, 자성체 블럭(110)의 유전율을 5 내지 30 사이에서 설정하고 투자율을 1초과 7 이하로 설정하는 경우, 안테나 장치(100)는 무선 통신용 전 주파수 대역을 커버하는 광대역 특성을 갖게 된다는 것을 알 수 있다.
한편, 제1 방사체와 급전부 사이에 아무런 블럭도 배치하지 않은 경우를 보면, 저주파수 대역폭만 2%를 나타낸다. 즉, 이 경우 안테나 장치는 정상적인 안테나 기능을 수행하지 못함을 알 수 있다.
또한, 제1 방사체와 급전부 사이에 유전율만 갖는 유전체 블럭을 배치하는 경우를 보면, 유전율을 변화시키는 것에 상관없이 저주파수 대역폭과 고주파수 대역폭이 각각 목표 대역폭에 미치지 못함을 알 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 안테나 장치에 자성체 블럭을 사용한 경우 안테나의 반사 손실을 나타낸 도면이다. 참고로, 자성체 블럭과의 비교를 위해 안테나 장치에 유전체 블럭을 사용한 경우를 추가로 도시하였다.
여기서, 자성체 블럭은 유전율 20 및 투자율 7로 설정되고, 유전체 블럭은 유전율 20 및 투자율 1로 설정된 것으로 가정하였다.
도 2를 참조하면, 안테나 장치에 자성체 블럭을 사용한 경우의 반사 손실(return loss)은 실선으로 표시되어 있고, 유전체 블럭을 사용한 경우의 반사 손실은 점선으로 표시되어 있다. 일반적으로, 무선 통신용 장치의 전압 정재파비(VSWR)가 3:1 이하, 반사 손실이 -6㏈ 이하인 경우를 안테나 성능이 우수한 것으로 판단하는 기준으로 하며, 이러한 기준은 도3에서도 적용되었다.
자성체 블럭을 사용하는 경우 반사 손실은 698㎒∼1080㎒ 주파수 대역에서 -6㏈ 이하로 나타나고, 1700㎒∼2180㎒ 주파수 대역에서 -6㏈ 이하로 나타나는 것을 알 수 있다. 이때, 698㎒∼1080㎒ 주파수 대역은 무선 통신 방식들 중 LTE 방식의 700㎒ 주파수 대역과 GSM 방식의 850㎒ 및 900㎒ 주파수 대역을 포함한다. 또한, 1700㎒∼2180㎒ 주파수 대역은 DCS 방식의 1800㎒ 주파수 대역, PCS 방식의 1900㎒ 주파수 대역 및 WCDMA 방식의 2100㎒ 주파수 대역을 포함한다.
이와 같이, 자성체 블럭을 사용한 경우의 반사 손실이 -6㏈ 이하로 내려가는 주파수 대역은 무선 통신용 전 주파수 대역을 포함하므로, 자성체 블럭을 통해 커플링 급전 방식을 사용하는 안테나 장치는 무선 통신용 전 주파수 대역을 커버하는 광대역 특성을 갖게 된다.
한편, 안테나 장치에 유전체 블럭을 사용한 경우 안테나의 반사 손실은 698㎒∼1080㎒ 주파수 대역의 일부에서 -6㏈ 이하로 나타나고, 1700㎒∼2180㎒ 주파수 대역의 일부에서 -6㏈ 이하로 나타나는 것을 알 수 있다. 또한, 자성체 블럭을 사용하는 경우에 비해 전반적으로, 반사 손실이 -6㏈ 이하로 나타나는 구간이 좁다는 것을 알 수 있다. 즉, 유전체 블럭을 적용한 안테나 장치는 무선 통신용 주파수 대역들 중 일부 주파수 대역만을 커버할 수 있게 됨을 알 수 있다.
도 2에서는, 자성체 블럭의 유전율이 20이고 투자율이 7인 경우만을 살펴보았으나, 자성체 블럭을 유전율 5 내지 30 사이와 투자율 1 초과 7 이하 사이에서 어느 값으로 설정하는 경우에도 표1에 나타난 바와 같이, 무선 통신용 전 주파수 대역에서 -6㏈ 이하의 반사 손실을 얻을 수 있음을 알 수 있을 것이다.
이를 정리하면, 본 발명의 실시 예에 따른 안테나 장치 및 이를 포함하는 무선 통신 장치는 광대역 특성을 얻기 위해 소정 높이 만큼의 안테나 높이를 설정하며, 제1 방사체와 급전부 사이에 배치되는 자성체 블럭을 통해 제1 방사체와 급전부 사이에 커플링 방식으로 급전을 수행함으로써 임피던스 매칭과 광대역 특성을 얻을 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 안테나 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 급전부(102)와 직접 연결되는 제2 방사체(107)가 기판 상에 형성된 것 이외에는 다른 구성요소는 모두 도1과 동일하다. 따라서, 도1과 동일한 구성요소에 대하여는 자세한 설명을 생략하고 차이가 나는 구성요소(제2 방사체(107))에 대하여 설명하기로 한다.
도1 및 도2와 같은 본 발명의 일 실시예에 따르면 자성체 블럭(110)을 급전부(102)와 방사체(106) 사이에 두고 커플링 방식으로 급전을 수행하는 경우 임피던스 매칭과 광대역 특성이라는 효과가 있는 반면에, 자성체 블럭(110)의 특성에 의해 손실되는 주파수대가 발생할 수 있다. 예를 들어, 0.8 GHz ~3.0 GHz 주파수 대역을 커버하여야 하는데, 자성체 블록(110)을 사용함으로써 0.8GHZ ~2.18GHZ 까지만 커버한다고 하면 나머지 2.18GHz~3.0GHz 주파수대는 손실이 발생되는 것이다.
따라서, 자성체 블록(110)으로 인해 발생되는 주파수 손실을 급전부(102)와 직접 연결되는 제2 방사체(107)를 추가로 형성함으로써 보상할 수 있는 것이다. 여기서, 제2 방사체(107)는 손실되는 주파수 대역을 송수신할 수 있는 길이 및 크기로 설계할 수 있을 것이며, 도 3의 형상에 한정되는 것은 아니다. 또한, 도 3에서는 제2 방사체(107)를 기판 상에 형성한 것으로 도시하였지만, 이에 한정되는 것은 아니며 캐리어(108) 상에 형성될 수도 있을 것이다.
이상에서 대표적인 실시 예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시 예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다.
그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100: 안테나 장치 102: 급전부
102a: 급전 핀 102b: 도전성 패치
104: 메인 PCB 106: 제1 방사체
106a: 커플링부 106b: 제1-1 방사체
106c: 제1-2 방사체 107: 제2 방사체
108: 캐리어 110: 자성체 블럭

Claims (6)

  1. 급전부;
    상기 급전부와 소정 높이 만큼 이격되어 형성되는 제1 방사체; 및
    상기 급전부 및 제1 방사체 사이에 형성되며, 유전율 및 투자율을 동시에 갖는 자성체 블럭;
    을 포함하며, 상기 제1 방사체는 상기 자성체 블럭으로부터 소정 높이 만큼 이격되며, 상기 자성체 블럭을 통한 커플링에 의해 급전이 이루어지는 커플링부를 포함하는, 안테나 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 자성체 블럭은, 투자율은 1 초과 7 이하인, 안테나 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 자성체 블록은, 유전율이 5 내지 30인, 안테나 장치.
  4. 제 1 항 에 있어서,
    상기 제1 방사체는,
    상기 커플링부에서 분기되어 형성되며, 제1-1 주파수 대역의 신호를 송수신하는 제1-1 방사체; 및
    상기 커플링부에서 분기되어 형성되며, 제1-2 주파수 대역의 신호를 송수신하는 제1-2 방사체;
    를 더 포함하는, 안테나 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 급전부와 직접 연결되어 소정의 주파수 대역의 신호를 송수신하는 제2 방사체를 더 포함하는, 안테나 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 하나의 항에 기재된 안테나 장치를 포함하는 무선 통신 장치.
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