KR101705742B1

KR101705742B1 - 안테나

Info

Publication number: KR101705742B1
Application number: KR1020127015822A
Authority: KR
Inventors: 야스노리 다카키; 아키노리 미사와
Original assignee: 히타치 긴조쿠 가부시키가이샤
Priority date: 2009-11-20
Filing date: 2010-11-19
Publication date: 2017-02-10
Also published as: KR20120105004A; JP5640992B2; WO2011062274A1; JPWO2011062274A1; US20120229345A1; US9088072B2

Abstract

전극 패턴을 형성한 유전체 세라믹층을 적층하여 이루어지는 적층체를 가지는 안테나로서, 상기 적층체는, 하면에 급전 선로와 접속되는 제1 단자 전극과, 접지용의 제2 단자 전극을 가지는 동시에, 상면 또는 그 근방의 내층에 방사 전극과, 상기 하면과 상기 방사 전극 사이에 결합 전극을 가지고, 상기 결합 전극은 비아홀을 통하여 제1 단자 전극과 접속하고, 상기 방사 전극은 비아홀을 통하여 제2 단자 전극과 접속하고, 상기 결합 전극과 상기 방사 전극은 적층 방향으로 부분적으로 대향하고, 용량 결합부를 형성하고 있는 안테나.

Description

안테나 {ANTENNA}

본 발명은 양호한 안테나 특성 및 높은 이득을 가지는 소형의 무선 통신용 안테나에 관한 것이다.

최근 WLAN(Wireless Local Area Network), WiMAX(등록상표), 블루투스(Bluetooth, 등록상표) 등의 다양한 무선 통신 시스템이 급속히 보급되고, 이들을 채용한 무선 통신 장치의 소형화, 박형화 및 경량화가 요구되게 되었다. 이에 따라 무선 통신 장치에 사용하는 안테나도 소형이면서 각종 주파수대에서 이용 가능할 것이 요구되게 되었다.

일본 특허공개공보 평 09-162633호는, 도 32에 나타낸 바와 같이 용량 결합 급전형의 표면 실장형 안테나를 개시하고 있다. 이 안테나(132)는, 유전체 또는 자성체로 이루어지는 실질적으로 직육면체형의 기체(substrate)(121)의 표면에 형성된 방사 전극(122), 급전 단자(127), 및 접지 단자(128)를 구비하고 있다. 방사 전극(122)은 기체(121)의 상면 및 측면 상에 실질적으로 루프형으로 연장되고, 기체(121)의 상면에 L자형 단부(end portion)를 가진다. 급전 단자(127)는 기체(121)의 측면에서 상면에 걸쳐 형성되어 있고, 상면 위의 L자형 단부는 방사 전극(122)의 L자형 단부와 용량 결합한다. 접지 단자(128)는 방사 전극(122)의 다른 하나의 단부와 접속하도록 기체(121)의 측면에 형성되어 있다. 안테나(132)가 배치된 실장 기판(131)에는 급전 전극(125) 및 접지 전극(126)이 형성되어 있다. 급전 단자(127)와 급전 전극(125)이 접속하고, 접지 단자(128)와 접지 전극(126)이 접속하도록, 안테나(132)는 실장 기판(131) 상에 실장된다. 안테나(132)로 덮인 실장 기판(131)의 영역(124)에는 접지 전극(126)이 형성되지 않는다.

기체(121)의 외면에 갭(123)을 가지는 일본 특허공개공보 평 09-162633호의 안테나에서는, 방사 전극(122)의 L자형 단부와 급전 단자(127)의 L자형 단부의 대향 길이 및 간격을 트리밍(trimming) 등에 의해 변경함으로써 결합 용량을 조정하고, 따라서 용이하게 임피던스를 변화시킬 수 있다. 그러나, 무선 통신 장치의 하우징 내에서는, 근접하는 소자의 영향을 받기 쉽고, 안테나의 임피던스 조정만으로는 양호한 안테나 특성 및 높은 이득을 얻을 수 없는 경우가 많다.

또 기체 표면에 형성할 수 있는 방사 전극의 길이는 한정되어 있어, 안테나의 소형화에 따라 방사 전극의 선로 길이가 부족한 경우가 있다. 불충분한 선로 길이에 의한 이득의 저하를 보충하려면 신호의 증폭이 필요하지만, 증폭기에서 소비하는 전력이 증가한다. 그 결과, 무선 장치에 내장하는 배터리의 대형화를 초래하여, 무선 장치의 소형화를 달성할 수 없다. 또한, 일본 특허공개공보 평 09-162633호의 안테나에서는, 단독으로 상이한 주파수 대역(예를 들면, 상이한 통신 시스템)에 대응할 수 없다.

따라서, 본 발명의 제1 목적은, 양호한 안테나 특성과 높은 이득을 안정적으로 얻을 수 있는 소형이면서 표면 실장 가능한 안테나를 제공하는 것이다.

본 발명의 제2 목적은, 단독으로도 상이한 주파수 대역에 대응할 수 있는 안테나를 제공하는 것이다.

본 발명의 안테나는, 전극 패턴을 형성한 유전체 세라믹층을 적층하여 이루어지는 적층체를 포함하고, 상기 적층체는, 하면에 급전 선로와 접속되는 제1 단자 전극과, 접지용의 제2 단자 전극을 포함하는 동시에, 상면 또는 그 근방의 내층에 방사 전극과, 상기 하면과 상기 방사 전극 사이에 결합 전극을 포함하고, 상기 결합 전극은 비아홀을 통하여 제1 단자 전극과 접속하고, 상기 방사 전극은 비아홀을 통하여 제2 단자 전극과 접속하고, 상기 결합 전극과 상기 방사 전극은 적층 방향으로 부분적으로 대향하고, 용량 결합부를 형성하고 있는 것을 특징으로 한다. 상기 적층체는 단독으로도 안테나로서 기능 한다.

이 구성에 의해 제1 단자 전극에서 결합 전극까지의 사이의 경로, 용량 결합부, 및 방사 전극과 제2 단자 전극 사이의 경로를 적층체 내에 구성할 수 있으므로, 다른 회로 소자 등 사이의 간섭을 억제할 수 있어, 방사 효율 및 이득의 저하 없이 임피던스 특성이 안정적인 안테나를 얻을 수 있다. 또 방사 전극과 결합 전극의 대향 면적뿐 아니라, 이들 사이의 유전체 세라믹층의 재질 및 두께를 변경함으로써, 양자의 결합 용량을 조정할 수 있다.

유전체 세라믹층은 닥터 블레이드법(doctor blade method), 인쇄법 등의 공지의 방법으로, 수μm∼300μm정도의 두께로 정밀도 양호하게 형성할 수 있으므로, 결합 용량의 불균일이 작고, 임피던스 특성이 안정적인 안테나를 얻을 수 있다. 또 방사 전극과 결합 전극의 간격을 좁혀도 단락의 우려가 없기 때문에, 용량 결합부를 작게 할 수 있고, 따라서, 적층체를 소형화할 수 있다.

상기 방사 전극은 복수의 전극부로 이루어지고, 상기 결합 전극과 대향하는 전극부가 다른 전극부와 상이한 층에 형성되어 있어도 된다. 예를 들면, 방사 전극은, 주방사 전극부와, 주방사 전극과 상이한 층에 형성되고 상기 결합 전극과 적층 방향으로 대향하는 부방사 전극부로 이루어진다. 주방사 전극부와 부방사 전극부는 비아홀을 통하여 직류적으로 접속되어 있고, 상기 용량 결합부는 부방사 전극부와 결합 전극으로 구성된다.

본 발명의 바람직한 일 실시예에서는, 상기 적층체는 하면에 접지용의 제3 단자 전극을 구비하고, 상기 제3 단자 전극은, 상기 방사 전극 및 상기 결합 전극에는 접속되지 않지만, 상기 방사 전극과 적층 방향으로 중첩되고, 또한 상기 제1 단자 전극 사이에서 캐패시턴스를 형성하고 있다. 단자 전극의 수를 늘림으로써, 실장된 기판과의 접속 강도가 증가한다. 상기 제3 단자 전극을 접지하면, 상기 제1 단자 전극 사이에 형성된 캐패시턴스에 의해, 안테나의 입력 임피던스를 조정할 수 있다.

본 발명의 바람직한 다른 실시예에서는, 상기 적층체는 하면에 접지용의 제3 단자 전극을 포함하고, 상기 제3 단자 전극은, 상기 방사 전극 및 상기 결합 전극에는 접속되지 않지만, 상기 방사 전극과 적층 방향으로 중첩되고, 또한 상기 제1 단자 전극에 접속되어 있다. 상기 제1 단자 전극과의 접속은, 적층체에 형성한 접속 전극, 또는 기판에 형성한 접속 전극을 통하여 이루어질 수 있다. 이 구성에 의해 방사 전극이 접지된 역F자 구조의 안테나로 할 수 있고, 입력 임피던스의 조정이 더욱 용이하게 된다.

상기 적층체는 하면의 실질적으로 중앙부에 제5 단자 전극을 포함하고 있어도 된다. 상기 제5 단자 전극은 적층 방향으로 상기 방사 전극 및 상기 결합 전극과 중첩되지 않는 것이 바람직하다.

본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 의한 안테나는, 상기 적층체를 실장하는 기판을 포함하고, 상기 기판에는 제1 선로 전극을 가지는 접지 전극이 형성되어 있고, 상기 제2 단자 전극은 상기 제1 선로 전극을 통하여 상기 접지 전극에 접속되어 있는 것이 바람직하다. 상기 제1 선로 전극은 추가의 방사 전극으로서 기능하므로, 이득이 향상된다. 상기 제1 선로 전극에 리액턴스 소자를 설치하면, 위상을 조정할 수 있는 동시에, 고주파 신호에 대하여 방사 전극의 실효 길이(effective length)가 부족한 경우 등에는 이득을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 의한 안테나는, 상기 적층체를 실장하는 기판을 포함하고, 상기 기판에는 제1 선로 전극 및 제2 선로 전극을 가지는 접지 전극이 형성되어 있고, 상기 제2 단자 전극은 상기 제1 선로 전극을 통하여 상기 접지 전극에 접속되어 있고, 상기 제3 단자 전극은 상기 제2 선로 전극을 통하여 상기 접지 전극에 접속되어 있는 것이 바람직하다. 제3 단자 전극에는, 제1 단자 전극 사이에 형성되는 캐패시턴스, 및 방사 전극 사이에 형성되는 캐패시턴스를 통하여 고주파 전력이 나타난다. 그래서 제3 단자 전극에 접속하는 제2 선로 전극을 상기 방사 전극과 상이한 공진 주파수의 방사 전극으로서 사용함으로써, 복수의 주파수대에 대응 가능한 멀티밴드 안테나로 할 수 있다. 또한, 상기 제1 선로 전극 및 상기 제2 선로 전극에 각각 리액턴스 소자를 설치하여, 방사 전극의 실효 길이를 보충하는 것이 바람직하다.

도 1은 본 발명의 안테나를 구성하는 적층체의 일례의 외관을 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명의 안테나를 구성하는 적층체의 일례의 층 구성을 나타낸 분해 사시도이다.
도 3은 도 2의 적층체의 횡단면도이다.
도 4는 적층체의 하면에 형성된 단자 전극의 다른 예의 배치를 위에서 본 도면이다.
도 5는 도 4에 나타낸 단자 전극과 방사 전극 및 결합 전극의 위치 관계를 나타낸 도면이다.
도 6은 도 2의 적층체의 다른 예의 횡단면도이다.
도 7은 결합 전극의 다른 예를 나타낸 평면도이다.
도 8은 적층체 중의 용량 결합부를 나타낸 부분 확대 단면도이다.
도 9는 본 발명의 안테나를 구성하는 적층체의 다른 예의 층 구성을 나타낸 분해 사시도이다.
도 10은 도 9의 적층체의 횡단면도이다.
도 11은 본 발명의 안테나를 구성하는 적층체의 또 다른 예를 나타내는 분해 사시도이다.
도 12a는 기판의 접지 전극 및 선로 전극의 일례를 나타낸 평면도이다.
도 12b는 도 12a의 기판에 적층체가 실장 되었을 때의 적층체의 단자 전극과 기판의 접지 전극 및 선로 전극과의 위치 관계를 나타낸 평면도이다.
도 13은 도 12에 대응하는 안테나의 등가 회로를 나타낸 도면이다.
도 14는 기판에 적층체가 실장 되었을 때의 적층체의 단자 전극과 기판의 접지 전극 및 선로 전극과의 위치 관계의 다른 예를 나타낸 평면도이다.
도 15는 도 14에 대응하는 안테나의 등가 회로를 나타낸 도면이다.
도 16a는 기판의 접지 전극 및 선로 전극 또 다른 예를 나타낸 평면도이다.
도 16b는 도 16a의 기판에 적층체가 실장 되었을 때의 적층체의 단자 전극과 기판의 접지 전극 및 선로 전극과의 위치 관계를 나타낸 평면도이다.
도 17은 도 16에 대응하는 안테나의 등가 회로를 나타낸 도면이다.
도 18은 기판에 적층체가 실장 되었을 때의 적층체의 단자 전극과 기판의 접지 전극 및 선로 전극과의 위치 관계의 또 다른 예를 나타낸 평면도이다.
도 19는 도 18에 대응하는 안테나의 등가 회로를 나타낸 도면이다.
도 20은 기판에 적층체가 실장 되었을 때의 적층체의 단자 전극과 기판의 접지 전극 및 선로 전극과의 위치 관계의 또 다른 예를 나타낸 평면도이다.
도 21은 도 20에 대응하는 안테나의 등가 회로를 나타낸 도면이다.
도 22는 기판에 적층체가 실장 되었을 때의 적층체의 단자 전극과 기판의 접지 전극 및 선로 전극과의 위치 관계의 또 다른 예를 나타낸 평면도이다.
도 23은 실시예 1의 안테나의 VSWR 특성을 나타낸 그래프이다.
도 24는 실시예 1의 안테나의 평균 이득 특성을 나타낸 그래프이다.
도 25는 실시예 1의 안테나에서 L1 및 L2를 변화시킨 때의 평균 이득 특성을 나타낸 그래프이다.
도 26은 실시예 2의 안테나에서의 적층체의 단자 전극과 기판의 접지 전극 및 선로 전극과의 위치 관계를 나타낸 평면도이다.
도 27a는 실시예 2의 안테나의 임피던스 특성을 나타낸 스미스 차트(Smith chart)이다.
도 27b는 실시예 2의 안테나의 VSWR 특성을 나타낸 그래프이다.
도 28은 실시예 3의 안테나에서의 적층체의 단자 전극과 기판의 접지 전극 및 선로 전극과의 위치 관계를 나타낸 평면도이다.
도 29a는 실시예 3의 안테나의 임피던스 특성을 나타낸 스미스 차트이다.
도 29b는 실시예 3의 안테나의 VSWR 특성을 나타낸 그래프이다.
도 30은 실시예 5에서의 적층체의 단자 전극을 위에서 본 도면이다.
도 31은 실시예 4 및 5의 안테나의 평균 이득 특성을 나타낸 그래프이다.
도 32는 종래의 안테나의 외관을 나타낸 사시도이다.

도 1은 본 발명의 안테나에 사용하는 적층체의 외관을 나타내고, 도 2는 적층체의 내부 구조를 나타내고, 도 3은 적층체(1)의 횡단면을 나타내고, 도 4는 적층체의 하면에 설치된 단자 전극의 배치를 나타낸다. 적층체(1)는 상면, 하면 및 4개의 측면(제1 및 제2 짧은 측면(1a, 1c), 및 제1 및 제2 긴 측면(1b, 1d))을 가지는 직육면체형이며, 예를 들면, 길이 5mm 이하, 폭 5mm 이하, 및 두께 1.5mm 이하의 외형 치수를 가진다. 상면에는 적층체의 방향을 나타내는 마크(200)가 착색 유리 등으로 형성되어 있고, 마크(200)에 숫자, 알파벳 등의 식별 기호를 설치해도 된다.

적층체(1)의 하면에는, 제1 짧은 측면(1a)의 근방에서 제1 긴 측면(1b)에 접한 제1 단자 전극(80a), 제2 짧은 측면(1c)의 근방에서 제2 긴 측면(1d)에 접한 제2 단자 전극(80b)(제1 단자 전극(80a)에 대하여 대각선 상에 위치함), 제1 짧은 측면(1a)의 근방에서 제2 긴 측면(1d)에 접한 제3 단자 전극(80c), 및 제2 짧은 측면(1c)의 근방에서 제1 긴 측면(1b)에 접한 제4 단자 전극(80d)(제3 단자 전극(80c)에 대하여 대각선 상에 위치함)이 형성되어 있다. 도 4에 나타낸 예에서는, 적층체(1)의 하면의 실질적으로 중앙부에 제5 단자 전극(80e)이 형성되어 있다. 제4 및 제5 단자 전극(80d, 80e)은 실장 시에 기판과의 접속 강도를 증가시키기 위해 설치된 전극으로, 방사 전극 및 결합 전극과 접속되지 않는다. 단자 전극의 수가 증가한 만큼 기판과의 접속 면적이 증가하여 접속 강도가 증가하지만, 안테나의 특성을 고려할 필요도 있다. 예를 들면, 제4 및 제5 단자 전극(80d, 80e)이 방사 전극(20)과 적층 방향으로 중첩하면, 방사 전극(20)에 흐르는 공진 전류가 제4 및 제5 단자 전극(80d, 80e)을 통하여 귀환하고, 안테나 특성이 열화될 우려가 있다. 따라서, 제4 및 제5 단자 전극(80d, 80e)을 방사 전극(20) 또는 결합 전극과 적층 방향으로 중첩되지 않도록 위치 결정하는 것이 바람직하다. 도시한 예에서는 각 단자 전극(80a∼80e)은 직사각형이지만, 원 형상과 같은 다른 형상이라도 되고, 또 모든 단자 전극이 같은 크기일 필요는 없다.

적층체(1)는 유전체 세라믹으로 이루어지므로, 외력의 작용에 의해 모서리 부분이 이지러지거나 하는 경우가 있다. 모서리 부분의 이지러짐에 의해 단자 전극의 일부가 결락(缺落)되면, 안테나 특성이 영향을 받으므로, 미리 단자 전극의 모서리 부분에 노치(notch)를 설치하거나, 단자 전극의 주위 둘레를 적층체(1)의 하면 바깥쪽 둘레보다 내측으로 하거나 하여, 단자 전극의 결락을 방지하는 것이 바람직하다.

적층체(1)의 내부에는, 제1 단자 전극(80a)에 접속되는 결합 전극(10), 및 결합 전극(10)과 유전체층을 통하여 부분적으로 대향하여 용량 결합하는 방사 전극(20)이 형성되어 있다. 방사 전극(20)의 일단(20a)은 개방단이고, 타단(20b)은 제2 단자 전극(80b)과 접속한다. 제1 단자 전극(80a)과 결합 전극(10)의 접속, 및 방사 전극(20)과 제2 단자 전극(80b)의 접속은, 적층체(1)에 형성된 비아홀(90)을 통하여 이루어진다. 그리고, 적층체(1)는 층(L1∼L5) 외의 층도 포함하지만, 생략되어 있다.

도 2에 나타낸 바와 같이, 결합 전극(10)은 층(L4) 상에 제1 짧은 측면(1a)의 근방으로부터 제1 긴 측면(1b)에 따라 연장되는 폭 0.1∼1mm의 스트립형(strip) 전극 패턴으로 형성되어 있고, 방사 전극(20)은, 층(L2) 상에 제2 짧은 측면(1c)의 근방으로부터 제2 긴 측면(1d), 제1 짧은 측면(1a) 및 제1 긴 측면(1b)에 따라 굴곡되면서 J자형으로 연장되는 폭 0.1∼1mm의 스트립형 전극 패턴으로 형성되어 있다. 방사 전극(20)의 선로 길이(일단(20a)에서 타단(20b)까지의 길이)는 동작 주파수의 파장(λ)의 실질적으로 1/4이다. 여기서 "선로 길이"는 유전체에 의한 파장 단축 효과 등을 포함한 실효 길이를 의미한다. J자형의 형상에 따라 방사 전극(20)은 한정된 면적 내에서 필요한 선로 길이를 확보하고 있다. 단, 방사 전극(20)을 미앤더형으로 굴곡시키면, 역상 전류의 영향이 커지고 이득의 저하를 초래하므로, 주로 입방사에 기여하는 방사 전극(20)의 제2 긴 측면(1d)에 따른 전극부는 굴곡시키지 않는 것이 바람직하다.

결합 전극(10)과 방사 전극(20)은 적층 방향으로 부분적으로 중첩되어 있다. 결합 전극(10)의 개방단(10a)은 제2 짧은 측면(1c) 측이며, 제1 짧은 측면(1a) 측의 단부(10b)는 제1 단자 전극(80a)에 접속되어 있다. 방사 전극(20)을 층(L2) 대신에 층(L1)(적층체(1)의 상면)에 형성하는 경우, 도 6에 나타낸 바와 같이 적층체(1)의 상면을 오버코트(overcoat) 유리의 보호층(11)으로 덮는 것이 바람직하다.

결합 전극(10)과 방사 전극(20)의 대향 면적 및 적층 방향의 간격으로, 결합 용량을 조정한다. 결합 전극(10)과 방사 전극(20)의 간격은, 필요로 하는 용량값에도 의존하지만, 300μm 이하인 것이 바람직하다. 이 간격이 300μm를 넘으면, 결합 전극(10)을 크게 하여 용량값을 확보할 필요가 있어, 적층체(1)의 대형화를 초래한다.

결합 전극(10)의 형상은, 단순한 스트립형 구형체(矩形體) 이외에, 도 7에 나타낸 바와 같이 일부(예를 들면, 개방 단부(10a))를 광폭으로 해도 된다. 또 도 8에 나타낸 바와 같이 한쪽의 전극(예를 들면, 결합 전극(10))을 다른 쪽의 전극(예를 들면, 방사 전극(20))보다 광폭으로 해도 된다. 결합 전극(10)을 방사 전극(20)보다 광폭으로 함으로써, 적층 시의 면 방향의 어긋남에 따른 캐패시턴스의 불균일을 억제할 수 있다. 결합 전극(10) 또는 방사 전극(20)의 일부를 적층체(1)의 제1 긴 측면(1b)에 노출시켜도 된다. 이 경우, 다른 부품과의 간섭은 적어, 측면에 드러난 전극을 트리밍함으로써 캐패시턴스의 조정을 용이하게 행할 수 있다.

도 2에 나타낸 예에서는 방사 전극(20)은 일체적인 전극 패턴으로 형성되어 있지만, 복수의 전극 패턴으로 구성해도 된다. 도 9는, 방사 전극(20)이 주방사 전극부(21)와 부방사 전극부(22)로 이루어지는 예를 나타낸다. 도 9의 적층체(1)의 기본적인 구성은 도 2에 나타낸 것과 같으므로, 동일한 부분의 설명을 생략한다. 유전체층(L4) 상의 제1 긴 측면(1b) 측에 위치하는 결합 전극(10)은 폭 0.1∼1mm의 I자형의 스트립형 전극 패턴으로 이루어지고, 유전체층(L3) 상의 부방사 전극부(22)는 제1 긴 측면(1b) 측에 위치하는 폭 0.1∼1mm의 I자형의 스트립형 전극 패턴으로 이루어지고, 유전체층(L2) 상의 주방사 전극부(21)는 제2 긴 측면(1d) 및 제1 짧은 측면(1a)에 따라 연장되는 폭 0.1∼1mm의 L자형의 스트립형 전극 패턴으로 이루어진다. 도 10에 나타낸 바와 같이, 유전체층(L4) 상의 결합 전극(10)은 유전체층(L3) 상의 부방사 전극부(22)과 적층 방향으로 대향하고, 유전체층(L3)을 통하여 용량 결합부(40)를 형성하고 있다. 부방사 전극부(22)의 제2 짧은 측면(1c) 측은 개방단(22b)이며, 제1 짧은 측면(1a) 측의 단부(22a)는 유전체층(L2) 상의 주방사 전극부(21)의 제1 긴 측면(1b) 측의 단부(21a)에 비아홀(90)을 통하여 접속되어 있다. 주방사 전극부(21)의 제2 짧은 측면(1c) 측의 단부(21b)는 비아홀(90)을 통하여 제2 단자 전극(80b)에 접속되어 있다.

도 11은 적층체의 다른 구성예를 나타낸다. 결합 전극(10)은 제1 짧은 측면(1a) 및 제1 긴 측면(1b)에 따라 연장되는 L자형의 스트립형 전극 패턴으로 이루어지고, 방사 전극(20)은 제2 긴 측면(1d), 제1 짧은 측면(1a) 및 제1 긴 측면(1b)에 따라 연장되는 U자형의 스트립형 전극 패턴으로 이루어진다. 방사 전극(20)을 길게 해도 도전 손실(conduction loss)을 증가시키지 않고 소형화를 도모하기 위해서는 용량 결합부(40)를 방사 전극(20)의 단부에 설치하는 것이 바람직하지만, 도 11에 나타낸 바와 같이 용량 결합부(40)를 제1 짧은 측면(1a) 및 제1 긴 측면(1b)에 따라 설치해도 된다.

도 12a는 적층체(1)를 실장하는 기판(90)을 나타낸다. 기판(90)에는, 접지 전극(GND), 접지 전극(GND)으로부터 일체적으로 돌출하는 선로 전극(30), 및 각 단자 전극을 납땜하는 전극(92∼94)이 형성되어 있다. 도 12b에 나타낸 바와 같이, 파선으로 나타내는 적층체(1)는, 제2 긴 측면(1d)이 기판(90)의 에지 부분에 면하도록 실장된다. 방사 전극(20)의 일단부와 접속하는 제2 단자 전극(80b)은 선로 전극(30)에 의해 접지 전극(GND)과 접속된다. 도 13의 등가 회로로부터 명백한 바와 같이, 이 안테나는, 급전 선로 측에 용량 결합부(40)를 포함하고, 방사 전극(20)의 일단이 접지된 1/4 파장형 안테나이다. 적층체(1)의 대향 모서리 부분에 설치된 제1 및 제2 단자 전극(80a, 80b)에 접속된 방사 전극(20)은 J자형이며, 적층체(1)의 제2 긴 측면(1d) 측이 기판(90)의 에지 부분에 면하므로, 입방사에 기여하는 방사 전극(20)의 제2 긴 측면(1d) 측은 급전 선로로부터 이격되어 있어, 우수한 안테나 특성을 발휘할 수 있다.

이와 같은 구성의 안테나의 이득은, 접지 전극(GND)에 흐르는 이미지 전류(image current)에 의해 변화한다. 따라서, 도 22에 나타낸 바와 같이, 길이(L)가 안테나의 동작 파장(λ)의 실질적으로 1/2인 기판(90) 상에 형성된 접지 전극(GND)의 긴 변의 실질적으로 중간부에 적층체(1)를 실장하는 것이 바람직하다. 기판(90)의 길이(L)가 불충분한 경우, 접지 전극(GND)의 긴 변에 슬릿을 설치하여 에지 부분을 외관상 길게 해도 된다. 적층체(1)의 실장 위치가 기판(90)의 짧은 변 측으로부터 중간부에 가까워짐에 따라 안테나 특성이 향상된다. 기판(90)의 한쪽의 단면에서 접지 전극(GND)의 노치부(90a)까지의 길이(La)와 다른 쪽의 단면에서 접지 전극(GND)의 노치부(90a)까지의 길이(Lb)는 실질적으로 동일한 것이 바람직하다. 이 경우도, 접지 전극(GND)의 긴 변 측에 슬릿을 설치하여 외관 길이를 조절해도 된다.

도 14는 본 발명에 사용하는 기판(90)의 다른 예를 나타낸다. 이 예에서는, 기판(90) 상의 접지 전극(GND)의 노치부(90a)에, 제1 및 제2 선로 전극(30a, 30b)이 접지 전극(GND)으로부터 일체적으로 돌출되어 있다. 제1 선로 전극(30a)은 적층체(1)의 제2 단자 전극(80b)에 접속되고, 제2 선로 전극(30b)은 적층체(1)의 제3 단자 전극(80c)에 접속된다. 이 구성에 의해, 제1 단자 전극(80a)과 제3 단자 전극(80c)의 사이에 캐패시턴스가 생성된다. 그 등가 회로를 도 15에 나타낸다. 제1 단자 전극(80a)과 제3 단자 전극(80c)의 사이에 발생한 캐패시턴스(85)는 용량 결합부(40)와 급전 선로 사이에 접속된다. 캐패시턴스(85)를 조정함으로써 입력 임피던스를 조정할 수 있다.

도 16a 및 도 16b는 본 발명에 사용하는 기판의 또 다른 예를 나타낸다. 이 예에서는, 접지 전극(GND)으로부터 제1 및 제2 선로 전극(30a, 30b)이 일체적으로 돌출되어 있는 동시에, 제2 선로 전극(30b)과 전극(93) 사이에 제3 선로 전극(30c)이 형성되어 있다. 이 구성의 기판(90)에 적층체(1)를 실장하면, 제1 및 제3 단자 전극(80a, 80c)은 접지 전극(GND)과 접속하게 된다. 그 등가 회로를 도 17에 나타낸다. 용량 결합부(40)와 급전 선로 사이에 접지 경로가 형성되어, 역F자 안테나와 같은 구성이 되고, 입력 임피던스를 용이하게 조정할 수 있다.

도 18은 본 발명에 사용하는 기판의 또 다른 예를 나타낸다. 이 예에서는, 제2 단자 전극(80b)은 기판(90)에 형성된 접지 전극(GND)으로부터 연장되는 긴 제1 선로 전극(30a)에 접속되어 있고, 제3 단자 전극(80c)은 접지 전극(GND)으로부터 연장되는 짧은 제2 선로 전극(30b)에 접속되어 있다. 적층체(1)의 소형화에 의해 방사 전극(20)의 실효 길이가 동작 파장에 대하여 부족한 경우, 긴 제1 선로 전극(30a)은 방사 전극(20)에 추가되는 방사 전극으로서 기능한다. 그 등가 회로를 도 19에 나타낸다. 기판(90)을 구성하는 재료는 통상 적층체(1)를 구성하는 유전체 세라믹보다 비유전률이 작고 품질 계수(Q)가 크기 때문에, 기판(90)의 제1 선로 전극(30a)을 추가의 방사 전극으로서 사용함으로써, 이득이 향상되는 동시에, 위상의 조정이 용이하게 된다.

도 20은 본 발명에 사용하는 기판의 또 다른 예를 나타낸다. 이 예에서는, 제2 단자 전극(80b)에 접속하는 제1 선로 전극(30a)에 리액턴스 소자(50)가 설치되어 있다. 그 등가 회로를 도 21에 나타낸다. 방사 전극(20)의 실효 길이가 동작 파장에 대하여 과부족하는 경우, 리액턴스 소자(50)에 의해 위상 조정하고, 이득을 향상시킬 수 있다.

적층체(1)용의 유전체 세라믹은, 온도 특성, 손실 등을 고려하여, 목표 주파수에 대하여 적당히 선택할 수 있지만, 소형이면서도 충분한 이득을 얻을 수 있도록, 비유전률(εr)이 5∼200 정도인 유전체 세라믹(예를 들면, εr이 10 정도인 알루미나, εr이 40 이하인 티탄산칼슘 및 티탄산마그네슘, εr이 200 이하인 티탄산바륨)을 사용하는 것이 바람직하다. 유전체층은 닥터 블레이드법 등에 의해 형성할 수 있다.

두께 수μm∼20μm의 방사 전극(20), 결합 전극(10) 및 제1∼제4 단자 전극(80a∼80d)은, 유전체 세라믹에 은 페이스트 등의 도전성 페이스트를 스크린 인쇄법 등에 의해 인쇄하고, 일체적으로 소결함으로써 형성할 수 있다. 도전체로서는 은 외에, 금, 동, 팔라듐, 백금, 은 팔라듐 합금, 은 백금 합금 등을 들 수 있다.

본 발명을 이하의 실시예에 의해 더욱 상세하게 설명하지만, 본 발명은 이들에 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

비유전률(εr)이 8인 Al-Si-Sr계 유전체 세라믹을 사용하여, 주파수 대역이 2.4∼2.5GHz인 블루투스/WLAN 안테나용의 적층체(도 9에 나타낸 기본 구조를 가짐)를 하기 방법에 의해 제조하였다. 먼저, 50 질량%의 Al₂O₃, 36 질량%의 SiO₂, 10 질량%의 SrO, 및 4 질량%의 TiO₂으로 이루어지는 주성분 100 질량%에 대하여, 부성분으로서 2.5 질량%의 Bi₂O₃, 2 질량%의 Na₂O, 및 0.5 질량%의 K₂O의 소결체 조성이 되도록, Al₂O₃ 분말, SiO₂ 분말, SrCO₃ 분말, TiO₂ 분말, Bi₂O₃ 분말, Na₂CO₃ 분말, 및 K₂CO₃ 분말을 칭량(秤量)하고, 볼 밀(ball mill)로 균일하게 습식 혼합하고, 하소(calcination), 분쇄 및 조립한 후, 닥터 블레이드법에 의해 상이한 두께의 세라믹 그린 시트를 성형하였다.

각 세라믹 그린 시트에 은 페이스트를 전극 패턴형으로 스크린 인쇄하고, 도 9에 나타낸 구성으로 되도록 적층하고, 820℃으로 소결하여, 마더 기판(mother substrate)을 제조하였다. 주방사 전극부(21)는 두께 5μm, 폭 0.3mm 및 길이 3.5mm의 스트립형 전극이며, 부방사 전극부(22)는 두께 5μm, 폭 0.3mm 및 길이 1.5mm의 스트립형 전극이며, 결합 전극(10)은 두께 5μm, 폭 0.3mm 및 길이 1.5mm의 스트립형 전극이었다.

적층체(1)의 상면에서 주방사 전극부(21)까지의 사이에, 양자의 거리가 50μm가 되도록 유전체층(L1)을 설치하고, 주방사 전극부(21)에서 부방사 전극부(22)까지의 사이에, 양자의 거리가 200μm이 되도록, 두께 100μm의 유전체층(L2)과 비아홀(90)만 형성된 두께 100μm의 유전체층(도시하지 않음)을 설치하였다. 부방사 전극부(22)와 결합 전극(10) 사이에, 양자의 간격이 200μm로 되도록, 두께 100μm의 유전체층(L3)과 비아홀(90)만 형성된 두께 100μm의 유전체층(도시하지 않음)을 설치하였다. 하면에서 결합 전극(10)까지는 300μm이고, 유전체층(L4)과 복수의 유전체층(L5)으로 구성하였다. 접속용의 비아홀의 직경은 100μm이었다. 마더 기판의 하면에 은 페이스트를 인쇄하여 단자 전극 패턴을 형성하고, 구운 후, 소정의 치수로 절단하고, 외형 치수가 3.2mm×1.6mm×0.7mm인 적층체(1)를 얻었다. 이 적층체(1)를 도 18 및 도 22에 나타낸 기판(90)(L= 90mm, W= 45mm, La= 41mm, Lb= 41mm, L1= 8mm, L2= 4mm, 및 선로 전극(30)의 길이= 4.5mm)에 실장하고, 납땜하여 안테나를 제조하였다.

이 안테나를 전파 암실(전파무향실, radio wave anechoic chamber) 내의 회전하는 턴테이블 상에 배치하였다. 안테나를 네트워크 분석기(network analyer)의 포트에 동축 케이블로 접속하고, 안테나로의 급전을 네트워크 분석기로 행하였다. 3m 떨어진 위치로부터 송신된 전파를 안테나로 수신하고, 수신 전력으로부터 VSWR 및 평균 이득을 구하였다. 도 23으로부터 명백한 바와 같이, 이 안테나는 2.4∼2.5GHz의 주파수 대역에서 3 이하의 VSWR를 가지고 있었다. 도 24는, 이 안테나의 평균 이득(X-Y면, Z-X면 및 Y-Z면의 이득을 평균)을 나타낸다. 도 24로부터 명백한 바와 같이, 2.4∼2.5GHz의 주파수 대역에서 3.0dBi 이상의 평균 이득을 얻었다. 도 25는 기판(90)의 L1 및 L2를 변경했을 때의 평균 이득의 변화를 나타낸다. 도 25로부터 명백한 바와 같이, 간격 L1 및 L2가 증가함에 따라 평균 이득은 증가하였다.

실시예 2

2.4GHz대 및 5GHz대에 대응 가능한 WLAN용 안테나

실시예 1과 동일한 기본 구조를 가지는 적층체(1)를 도 26에 나타낸 기판(90)(L= 90mm, W= 45mm, La= 38.5mm, Lb= 38.5mm, L1= 13mm, L2= 6mm)에 납땜에 의해 실장하였다. 기판(90)에, 적층체(1)의 제2 단자 전극(80b)에 접속되는 길이 6mm의 제1 선로 전극(30a)와, 제3 단자 전극(80c)에 접속되는 길이 4mm의 제2 선로 전극(30b)을 형성하였다. 제1 선로 전극(30a)에는, 리액턴스 소자(50)로서 칩 캐패시터(chip capacitor) C1( 1.0pF))를 설치하였다. 따라서, 제1 선로 전극(30a)은 추가의 방사 전극을 구성하고, 안테나는 2.4GHz대로 이용 가능하게 되었다.

적층체(1)의 방사 전극(20)에 접속되지 않는 제3 단자 전극(80c)에 납땜되는 제2 선로 전극(30b)은, 제1 단자 전극(80a)과 제3 단자 전극(80c) 사이의 캐패시턴스, 및 방사 전극(20)과 제3 단자 전극(80c) 사이의 캐패시턴스에 의해 급전 선로에 접속되었다. 제2 선로 전극(30b)의 도중에는 리액턴스 소자(50)로서 칩 커패시터 C2(0.3pF) 및 C3(0.3pF)을 설치하였다. 따라서, 제2 선로 전극(30b)은 추가의 방사 전극을 구성하고, 안테나는 5GHz대에서 이용 가능하게 되었다. 그리고, 제2 선로 전극(30b)에 용량값 조정용의 2개의 리액턴스 소자(50)을 설치하는 대신에, 적당한 용량값의 하나의 칩 커패시터를 설치해도 된다.

얻어진 안테나의 특성을 실시예 1과 마찬가지로 전파 암실 내에서 평가하였다. 도 27a는 안테나의 임피던스 특성을 나타내는 스미스 차트이며, 도 27b는 VSWR 특성을 나타낸다. 도 27b부터 명백한 바와 같이, 2.4GHz 및 5GHz에서 3 이하의 VSWR를 얻을 수 있었다.

실시예 3

1.5GHz대 및 2.4GHz대에 대응 가능한 GPS/WLAN용 안테나

실시예 1와 동일한 기본 구조를 가지는 적층체(1)(부방사 전극부(22)의 길이= 2.5mm, 결합 전극(10)의 길이= 2.5mm, 및 부방사 전극부(22)과 결합 전극(10)의 간격= 100μm)를, 도 28에 나타낸 기판(90)에 납땜에 의해 실장하였다. 기판(90)에는, 적층체(1)의 제2 단자 전극(80b)과 접속되는 제1 선로 전극(30a)과, 제3 단자 전극(80c)과 접속되는 제2 선로 전극(30b)이 형성되어 있었다. 기판(90)의 L, W, La, Lb, L1 및 L2, 및 선로 전극(30) 및 제2 선로 전극(30b)의 길이는 실시예 2와 같았다.

적층체(1)의 방사 전극(20)에 접속된 제2 단자 전극(80b)에 납땜되는 제1 선로 전극(30a)에, 리액턴스 소자(50)로서 칩 커패시터 C1((10pF))를 설치하였다. 따라서, 제1 선로 전극(30a)은 추가의 방사 전극을 구성하고, 안테나는 2.4GHz에서 이용 가능하게 되었다. 적층체(1)의 방사 전극(20)에 접속되지 않는 제3 단자 전극(80c)에 납땜되는 제2 선로 전극(30b)은, 적층체(1)의 제1 단자 전극(80a)과 제3 단자 전극(80c) 사이의 캐패시턴스, 및 방사 전극(20)과 제3 단자 전극(80c) 사이의 캐패시턴스에 의해 급전 선로에 접속되었다. 따라서, 제2 선로 전극(30b)은 추가의 방사 전극을 구성하고, 안테나는 1.5GHz대에서 이용 가능하게 되었다.

제2 선로 전극(30b)을 적층체(1)의 하면 중앙의 제5 단자 전극(80e)까지 연장시켜, 제1 단자 전극(80a)과 캐패시턴스 결합을 강하게 하였다. 제2 선로 전극(30b)과 제2 단자 전극(80b) 사이에도 캐패시턴스가 형성되고, 적층체(1)의 방사 전극(20)을 통과하지 않고 제1 선로 전극(30a)에 이르는 경로가 형성되었다. 이 구성에 의해 2.4GHz대에서의 주파수 대역이 넓어졌다.

적층체(1)를 이 기판(90)에 납땜에 의해 실장하여 이루어지는 안테나의 특성을, 실시예 1와 마찬가지로 전파 암실 내에서 평가하였다. 도 29a는 안테나의 임피던스 특성을 나타내는 스미스 차트이며, 도 29b는 VSWR 특성을 나타낸다. 도 29b로부터 명백한 바와 같이, 1.5GHz 및 2.4GHz에서 3 이하의 VSWR를 얻을 수 있었다.

실시예 4 및 실시예 5

1.5GHz대에 대응 가능한 GPS용 안테나

실시예 4는, 도 5에 나타낸 바와 같이 하면 중앙부에 제5 단자 전극(80e)을 구비하고, 제5 단자 전극(80e)이 방사 전극(20) 및 결합 전극(10)과 적층 방향으로 중첩되지 않는 것을 제외하고는 실시예 3과 동일한 기본 구조를 가지는 적층체(1)를 사용하고, 실시예 5는, 도 30에 나타낸 바와 같이 제5 단자 전극(80e)이 방사 전극(20) 및 결합 전극(10)과 적층 방향으로 중첩되도록 큰 것을 제외하고는, 실시예 3과 동일한 기본 구조를 가지는 적층체(1)를 사용하였다. 각 적층체(1)를 실시예 3과 동일한 기판(90)에 납땜에 의해 실장하여 안테나를 제조하고, 전파 암실 내에서 실시예 1와 마찬가지로 1.5GHz대에서의 평균 이득을 측정하였다. 도 31은 평균 이득의 주파수 특성을 나타낸다. 제5 단자 전극(80e)이 방사 전극(20)과 중첩되지 않는 실시예 4의 안테나에서는, 제5 단자 전극(80e)이 방사 전극(20)과 중첩되는 실시예 5의 안테나보다 0.5dBi 이상 큰 평균 이득을 얻을 수 있었다. 그리고, 제5 단자 전극(80e)을 갖지 않는 적층체를 사용한 안테나에서는 실시예 4와 동 등한 이득을 얻을 수 있었다.

Claims

전극 패턴을 형성한 유전체 세라믹층을 적층하여 이루어지는 적층체를 포함하는 안테나로서,
상기 적층체는, 하면에 급전 선로와 접속되는 제1 단자 전극과, 접지용의 제2 단자 전극 및 제3 단자 전극을 가지는 동시에, 상면 또는 상기 상면보다 내측에 위치한 층에 방사 전극과, 상기 하면과 상기 방사 전극 사이에 결합 전극을 포함하고,
상기 결합 전극은 비아홀을 통하여 제1 단자 전극과 접속하고,
상기 방사 전극의 일단은 개방단이고, 타단은 비아홀을 통하여 상기 제2 단자 전극과 접속하고, 상기 방사 전극은 상기 유전체 세라믹층을 통해 상기 제3 단자 전극과 적층 방향으로 중첩되며,
상기 결합 전극과 상기 방사 전극은 적층 방향으로 부분적으로 대향하고, 용량 결합부를 형성하고 있는, 안테나.
제1항에 있어서,
상기 방사 전극은 복수의 전극부로 이루어지고, 상기 결합 전극과 대향하는 전극부는 다른 전극부와 상이한 층에 형성되어 있는, 안테나.
제1항에 있어서,
상기 제3 단자 전극은, 상기 제1 단자 전극과의 사이에서 캐패시턴스를 형성하고 있는, 안테나.
제1항에 있어서,
상기 제3 단자 전극은, 상기 제1 단자 전극에 접속되어 있는, 안테나.
제3항에 있어서,
상기 적층체는 하면의 중앙부에 제5 단자 전극을 포함하고 있는, 안테나.
제5항에 있어서,
상기 제5 단자 전극은 적층 방향으로 상기 방사 전극 및 상기 결합 전극과 중첩되지 않는, 안테나.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적층체를 실장하는 기판을 포함하고, 상기 기판에는 제1 선로 전극 및 제2 선로 전극을 가지는 접지 전극이 형성되어 있고, 상기 제2 단자 전극은 상기 제1 선로 전극을 통하여 상기 접지 전극에 접속되어 있으며, 상기 제3 단자 전극은 상기 제2 선로 전극을 통해 상기 접지 전극에 접속되어 있는, 안테나.
제7항에 있어서,
적어도 상기 제1 선로 전극에 리액턴스 소자가 설치되어 있는, 안테나.
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