KR101895103B1 - 전자기적 커플링 급전을 이용한 내장형 안테나 - Google Patents

Abstract

직접 급전 방식이 아닌 전자기적 커플링 급전을 이용하면서 단락핀을 사용하지 않는 내장형 안테나가 개시된다. 본 발명의 일 측면에 따른 내장형 안테나는, PCB 기판의 급전 라인에서 연장되어 상부로 두 번 굴곡되어 'ㄷ'자 형상을 갖는 급전체; 및 상기 급전체로부터 상부 방향으로 소정 간격 이격되어 배치되어 상기 급전체로부터 전자기적 커플링을 통해 신호가 인가되어 방사하는 방사체;를 포함한다.

Description

전자기적 커플링 급전을 이용한 내장형 안테나{INTERNAL ANTENNA USING A ELECTROMAGNETIC COUPLING FEEDING}

본 발명은 내장형 안테나에 관한 것으로, 보다 구체적으로 전자기적 커플링 급전을 이용한 내장형 안테나에 관한 것이다.

일반적으로 휴대 전화기 등의 이동통신단말기에 사용되는 안테나는 직선 형태의 금속 선재에 의한 휩(whip) 안테나 또는 금속 선재를 나선형으로 감은 헬리컬 안테나, 그리고 신축 가능형 안테나 등이 사용되었으나, 휴대에 불편하고 작은 부피의 단말기를 갖고자 하는 소비자의 욕구를 만족시키기 위한 소형화 추세에 따라 단말기 내부에 내장되는 내장형 안테나로 전환되고 있다.

상기 내장형 안테나로서는 대략 'ㄱ'자 형태의 금속 소자의 소정 위치에 급전선로가 형성된 역 에프(F)형 안테나(IFA;Inverted F antenna)가 이용된다. 상기 역 에프형 안테나는 단말기 크기를 소형화할 수 있고 전방향성에 가까운 방사패턴을 갖으며, 비교적 높은 이득과 대역폭을 제공하여 이동통신단말기에 널리 사용되고 있다.

도 1는 일반적인 역 에프형 안테나를 나타낸 사시도이고, 도 2는 도 1의 측면도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 일반적인 역 에프형 안테나는 PCB(Printed Cirtuit Board) 기판(10)의 접지면 상면에 방사체 역할을 하는 약 λ/4 의 길이를 갖는 방사체(20)가 설치되며, 그 방사체(20)와 PCB 기판(10) 사이에 하나 이상의 단락핀(30)과 에너지를 공급하는 급전핀(또는 급전판)(40)이 형성된다.

이와 같이 일반적인 역 에프형 안테나는 단말기의 상단에 위치하는데, 주된 방사 방향이 하반구에 분포되어 형성된다. 즉 상기 단락핀(30)이 PCB 기판(10)에 포함되어 있는 그라운드와 방사체(20)를 동시에 접촉하는 직접 급전 방식으로서 상기 그라운드 방향으로 주 방사가 분포된다. 따라서 방사 효율이 좋지 않은 문제점이 있다. 또한 상기와 같이 단락핀(30)을 사용하게 되어 급전부의 공간적 활용도가 낮은 문제점이 있다.

국내공개특허 제10-2010-0026653호(2010.03.10. 공개)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 직접 급전 방식이 아닌 전자기적 커플링 급전을 이용하면서 단락핀을 사용하지 않는 내장형 안테나를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 내장형 안테나는, PCB 기판의 급전 라인에서 연장되어 상부로 두 번 굴곡되어 'ㄷ'자 형상을 갖는 급전체; 상기 급전체로부터 상부 방향으로 소정 간격 이격 배치되어 상기 급전체로부터 전자기적 커플링을 통해 신호가 인가되어 방사하는 방사체;를 포함한다.

상기 방사체는, 상기 PCB 기판의 그라운드와 단락핀으로 연결되지 않는다.

상기 내장형 안테나는, 상기 급전체와 상기 방사체 사이에 배치되어 상기 급전체와 상기 방사체를 상기 소정 간격 이격시키기 위한 지지수단;을 더 포함할 수 있다.

상기 급전체와 상기 방사체 간의 이격 거리의 조절에 의해 방사 패턴 및 안테나 이득(Gain)이 변화될 수 있다.

상기 방사 패턴 및 상기 안테나 이득의 변화를 위해 상기 급전체의 길이와 폭은, 상기 급전체와 상기 방사체 간의 이격 거리에 의존하여 변경될 수 있다.

상기 이격 거리는, 0.2mm 내지 0.4mm의 높이를 갖는 것이 바람직하다.

상기 급전체의 하부측 폭과 상부측 폭이 서로 상이하고, 하부측 길이와 상부측 길이가 서로 상이할 수 있다.

상기 급전체와 상기 방사체는, 상기 PCB 기판의 그라운드 영역과 중첩되지 않는 것이 바람직하다.

상기 방사체는, 상반구에 주 방사를 형성하는 것을 특징으로 하는 내장형 안테나.

본 발명은 단말기의 하반구에 주 방사가 형성되는 일반적인 내장형 안테나에 비해 상반구에 주 방사가 형성되어 위성 통신용에서 높은 방사 효율을 갖는다.

또한 본 발명은 역 에프형 안테나에서 필요로 하는 단락핀을 사용하지 않아 급전부의 공간적 활용도를 높일 수 있다.

도 1는 일반적인 역 에프형 안테나를 나타낸 사시도이다.
도 2는 도 1의 측면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기적 커플링 급전을 이용한 내장형 안테나를 나타내는 사시도이다.
도 4는 도 3의 내장형 안테나의 평면도이다.
도 5는 도 3의 내장형 안테나의 측면도이다.
도 6은 도 1에 도시된 역 에프형 안테나의 전압 정재파 비(VSWR)과 스미스챠트(smithchart)를 나타낸 그래프이다.
도 7은 도 1에 도시된 역 에프형 안테나의 3D 방사 패턴을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 내장형 안테나의 전압 정재파 비(VSWR)과 스미스챠트(smithchart)를 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 내장형 안테나의 3D 방사 패턴을 나타낸 도면이다.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기적 커플링 급전을 이용한 내장형 안테나를 나타내는 사시도, 도 4는 도 3의 내장형 안테나의 평면도, 도 5는 도 3의 내장형 안테나의 측면도이다.

도 3 내지 도 5를 참조하면, 본 실시예에 따른 내장형 안테나는, PCB 기판(101), 상기 PCB 기판(101)의 급전 라인(102)에서 연장된 급전체(103) 및 상기 급전체(103)와 일정한 간격을 유지하며 상기 급전체(103)의 상부에 위치하는 방사체(104)를 포함한다.

도 3 및 도 5에 도시된 바와 같이, 급전체(103)는 PCB 기판(101)의 신호를 인가하는 급전 라인(102)에서 연장되어 상부측으로 두 번 골곡되어 'ㄷ'자 형상을 갖는다. 즉 급전체(103)는 PCB 기판(101)의 급전 라인(102)에서 연장되는 직선 형태의 제 1 급전부(103a)와 그 제 1 급전부(103a)의 상부에 상기 제 1 급전부(103a)와 평행하게 배치되는 직선 형태의 제 2 급전부(103c) 그리고 상기 제 1 급전부(103a)와 상기 제 2 급전부(103c)를 연결하는 연결부(103b)를 포함한다. 이러한 급전체(103)는 전도성이 있는 금속 물질로 만들어진다.

급전체(103)는 일정한 높이 h1와 일정한 길이 L1, L2를 갖는다. 즉 하부의 제 1 급전부(103a)는 L1의 길이를 갖고 상부의 제 2 급전부(103c)는 L2의 길이를 갖는다. 또한 도 4에 도시된 바와 같이 일정한 폭 w1, w2를 갖는다. 즉 하부의 제 1 급전부(103a)는 w1의 폭을 갖고 상부의 제 2 급전부(103c)는 w2의 길이를 갖는다.

방사체(104)는 전도성이 있는 금속 물질로 만들어지고 상기 급전체(103)와 일정한 이격 거리 h2를 두고 상기 급전체(103)의 상부에 설치된다. 따라서 방사체(104)는 PCB 기판(101)으로부터 h3(h1+h2)의 높이로 이격되어 있다. 방사체(104)는 길이 L3와 폭 w3을 갖는다. 방사체(104)는 직접 급전이 아닌 전자기적 커플링에 의해 상기 급전체(103)로부터 인가되는 신호를 자유공간상으로 방사한다. 도 4에 방사체(104)는 평면 나선형의 형태를 갖는 것으로 도시되어 있으나 여기에 제한되는 것은 아니며 공진 주파수, 안테나의 정합 상태, 방사 패턴의 최적화를 위해 그 형상은 변형될 수 있다.

이와 같이 급전체(103)와 방사체(104)는 직접 연결되어 있지 않고 일정한 이격 거리 h2를 두고 떨어져 있고, 급전체(103)는 전자기적 커플링을 통해 에너지를 상기 방사체(104)로 전달한다. 이때 급전체(103)를 상술한 바와 같이 상부측으로 두 번 골곡되어 'ㄷ'자 형상을 갖도록 함으로써 상부에서 보았을 때 두 개의 급전체가 적층된 것과 같은 구조를 갖게 되고 이에 따라 캐패시턴스 성분을 증가시켜 직접 급전과 같은 효과를 달성하게 된다. 즉, 'ㄷ'자 형상을 갖도록 하여 위와 같이 직접 급전과 같은 효과를 달성함으로써 전자기적 커플링에 의해서도 안테나의 이득을 높일 수 있다.

급전체(103)의 길이 L1와 L2는 서로 상이할 수 있고 폭 w1과 w2도 역시 서로 상이할 수 있다. 급전체(103)의 길이 L1와 L2, 폭 w1과 w2, 그리고 높이 h1의 조절을 통해 전자기적 커플링에 의한 안테나 이득(Gain)이 최대가 되도록 조절할 수 있고, 또한 PCB 기판(101), 방사체(104), 급전 라인(102)의 형상 및 조건에 따라 공진 주파수, 안테나의 정합 상태, 방사 패턴의 최적화를 위해 조절될 수 있다. 급전체(103)는 PCB 기판(101)의 급전 라인(102)에서 인가되는 신호를 전자기적 커플링에 의해 방사체(104)로 인가한다. 특히, 안테나 이득을 높이고 방사 패턴의 최적화를 위해 급전체(103)의 길이 L1와 L2, 폭 w1과 w2, 그리고 높이 h1는 급전체(103)와 방사체(104) 간의 이격 거리 h2에 의존하여 변경될 수 있다.

앞서 설명한 바와 같이 방사체(104)는 상기 급전체(103)와 일정한 이격 거리 h2를 두고 상기 급전체(103)의 상부에 설치된다. 따라서 방사체(104)와 급전체(103)의 간격을 유지하기 위한 지지수단(105)이 상기 방사체(104)와 상기 급전체(103) 사이에 구비된다. 종래의 역 에프 안테나에서는 방사체와 PCB 기판이 단락핀으로 연결되어 있으나, 본 실시예에 설명되는 바와 같이 본 실시예의 방사체(104)는 PCB 기판(101)과 단락핀으로 연결되지 않고 급전체(103) 상부에 설치된다. 즉 방사체(104)는 PCB 기판(101)의 그라운드와 연결되지 않는다. 상기 방사체(104)와 상기 급전체(103)의 이격 거리 h2에 의해 본 발명의 내장형 안테나의 방사 패턴이 결정될 수 있다. 즉 상기 이격 거리 h의 조절을 통해 본 발명에 따른 내장형 안테나는 하분구 뿐만 아니라 상분구에서 방사가 고르게 분포하고 특히 상반구에 주 방사가 분포한다. 이러한 이격 거리 h2는 상기 지지수단(105)을 통해 결정될 수 있다.

또한, 급전체(103)와 방사체(104) 간의 이격 거리, 즉 지지수단(105)의 높이 h2에 따라 안테나의 이득이 결정될 수 있다. 그 구체적인 실험예는 다음 [표1]과 같다.

h2	0.1mm	0.2mm	0.3mm	0.4mm	0.5mm
피크 이득 (dBi)	1.95	3.19	4.07	3.09	2.05

상기 [표1]의 실험예와 같이, 급전체(103)와 방사체(104) 간의 이격 거리는 0.2~0.4mm 범위 내의 값인 것이 바람직하고, 특히 0.3mm 간격일 때 가장 바람직하다.

도 3 내지 도 5에 있어서 PCB 기판(101)의 빗금친 부분은 그라운드(-) 영역이고 빗금치지 않은 부분은 급전(+) 영역이다. 급전체(103)와 방사체(104)는 모두 급전 영역에 위치하고, 특히 방사체(104)는 PCB 기판(101)의 급전 영역 내에 위치하되 그라운드 영역과는 일정한 거리 d1, d2를 유지하여 급전 영역에 위치하는 것이 바람직하다. 이와 같이 하는 이유는, 본 실시예에 따른 안테나는 내장형 안테나로서 단말기에 내장되는 형태이므로 방사체(104)는 PCB 기판(101)을 벗어나는 것은 바람직하지 않고, 또한 방사체(104)가 그라운드 영역과 마주하게 되면 방사효율이 낮아지기 때문이다.

도 6은 도 1에 도시된 역 에프형 안테나의 전압 정재파 비(VSWR)과 스미스챠트(smithchart)를 나타낸 그래프로서, 도 6의 (a)는 전압 정재파 비(VSWR:Voltage Standing Wave Ratio)를 나타낸 그래프이고 도 6의 (b)는 스미스챠트이다. 도 7은 도 1에 도시된 역 에프형 안테나의 3D 방사 패턴을 나타낸 도면이다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 내장형 안테나의 전압 정재파 비(VSWR)과 스미스챠트(smithchart)를 나타낸 그래프로서, 도 8의 (a)는 전압 정재파 비(VSWR:Voltage Standing Wave Ratio)를 나타낸 그래프이고 도 8의 (b)는 스미스챠트이다. 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 내장형 안테나의 3D 방사 패턴을 나타낸 도면이다.

도 6 및 도 8의 그래프를 비교하면, 일반적인 역 에프형 안테나와 본 발명의 실시예에 따른 내장형 안테나는 모두 1.5GHz 대역에서 공진 주파수를 형성하고 50옴 임피던스 매칭에서 유사한 성능을 나타낸다. 다만 도 7 및 도 9의 방사 패턴을 보면, 일반적인 역 에프형 안테나는 하반구에 주 방사가 분포되어 있는 반면, 본 발명의 실시예에 따른 내장형 안테나는 하분구 뿐만 아니라 상분구에서 방사가 고르게 분포함을 알 수 있다. 특히 상반구에 주 방사가 분포한다. 이는 종래의 역 에프형 안테나는 PCB 기판의 그라운드와 방사체가 단락핀으로 연결되어 있는 반면, 본 발명의 실시예에 따른 내장형 안테나는 단락핀을 구비하지 않기 때문이다. 즉 본 발명의 실시예에 따른 내장형 안테나는 종래의 역 에프형 안테나와 성능을 동일하면서 주 방사 방향이 고르게 분포되는 이점이 있는 것이다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

101 : PCB 기판
102 : 급전 라인
103 : 급전체
104 : 방사체
105 : 지지수단

Claims (9)

1. PCB 기판의 급전 라인에서 연장되어 상부로 두 번 굴곡되어 'ㄷ'자 형상을 갖는 급전체;
   상기 급전체로부터 상부 방향으로 소정 간격 이격 배치되어 상기 급전체로부터 전자기적 커플링을 통해 신호가 인가되어 방사하는 방사체;를 포함하고,
   상기 방사체는, 상기 PCB 기판의 그라운드와 단락핀으로 연결되지 않는 것을 특징으로 하는 내장형 안테나.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 급전체와 상기 방사체 사이에 배치되어 상기 급전체와 상기 방사체를 상기 소정 간격 이격시키기 위한 지지수단;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내장형 안테나.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 급전체와 상기 방사체 간의 이격 거리의 조절에 의해 방사 패턴 및 안테나 이득(Gain)이 변화되는 것을 특징으로 하는 내장형 안테나.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 방사 패턴 및 상기 안테나 이득의 변화를 위해 상기 급전체의 길이와 폭은, 상기 급전체와 상기 방사체 간의 이격 거리에 의존하여 변경되는 것을 특징으로 하는 내장형 안테나.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 이격 거리는,
   0.2mm 내지 0.4mm의 높이를 갖는 것을 특징으로 특징으로 하는 내장형 안테나.
7. 제 5 항에 있어서,
   상기 급전체의 하부측 폭과 상부측 폭이 서로 상이하고, 하부측 길이와 상부측 길이가 서로 상이한 것을 특징으로 하는 내장형 안테나,
8. 제 1 항 또는 제3 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 급전체와 상기 방사체는, 상기 PCB 기판의 그라운드 영역과 중첩되지 않는 것을 특징으로 하는 내장형 안테나.
9. 제 1 항 또는 제3 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 방사체는, 상반구에 주 방사를 형성하는 것을 특징으로 하는 내장형 안테나.

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