KR101919840B1

KR101919840B1 - 휴대용 단말기의 광대역 가변 안테나 장치

Info

Publication number: KR101919840B1
Application number: KR1020120074930A
Authority: KR
Inventors: 조범진; 김규섭; 변준호
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2012-07-10
Filing date: 2012-07-10
Publication date: 2018-11-19
Also published as: US20140015723A1; KR20140007645A; CN103545606A; US9640871B2; EP2685559A1; EP2685559B1; CN103545606B

Abstract

본 발명은 일면에 도전층이 형성된 회로 기판; 상기 회로 기판의 일측에 인접한 위치에서 상기 도전층을 부분적으로 제거하여 형성되며, 상기 회로 기판의 일측 가장자리에 나란하게 연장된 제1 슬릿; 상기 제1 슬릿의 일측에서 상기 회로 기판의 일측 가장자리에 위치된 상기 도전층의 일부분을 포함하는 방사부; 및 상기 제1 슬릿 상에 배치되어 상기 제1 슬릿의 타측으로부터 상기 방사부로 급전을 제공하는 급전 라인을 구비하고, 상기 방사부는, 1) 상기 제1 슬릿으로부터 상기 회로 기판의 일측 가장자리로 연장되어 상기 방사부를 형성하는 상기 도전층의 일부분을 가로지르는 제2 슬릿; 및 2) 상기 제2 슬릿 상에 배치되어, 상기 제2 슬릿의 양측으로 분리된 상기 도전층들을 직렬로 연결하는 주파수 조절 소자를 포함하는 안테나 장치를 개시한다.

Description

휴대용 단말기의 광대역 가변 안테나 장치 {BROAD BAND TUNABLE ANTENNA DEVICE FOR PORTABLE TERMINAL}

본 발명은 휴대용 단말기에 관한 것으로서, 특히, 휴대용 단말기의 안테나 장치에 관한 것이다.

통상적으로 휴대용 단말기라 함은, 사용자가 휴대하고 다니면서 음성통화, 단문 메시지 전송과 같은 다른 사용자와의 통신 기능이나, 인터넷, 모바일 뱅킹, 멀티미디어 파일 전송과 같은 데이터 통신 기능, 게임, 음악, 동영상 재생과 같은 엔터테인먼트 기능 등을 수행할 수 있게 하는 기기를 의미한다. 이러한 휴대용 단말기는 통신 기능, 게임 기능, 멀티미디어 기능, 전자 수첩 기능 등 각각의 기능으로 특화된 기기가 일반적이었지만, 최근에는 전기/전자 기술과 통신 기술의 발달에 힘입어, 이동통신 단말기 하나만으로도 다양한 기능을 즐길 수 있게 되었다.

이동통신 단말기의 사용이 보편화하면서 통신서비스 업자를 통한 통신 기능 외에도, 무선 랜이나 근접무선통신(near field communication; NFC) 기능을 탑재하여 이동통신 단말기만으로 차량, 가전제품 등을 제어나 교통비 결제, 보안 기능을 구현하기 위한 노력이 지속되고 있다. 따라서 이동통신 단말기로 대표되는 휴대용 단말기는 다양한 안테나 장치를 탑재할 필요성이 있다. 즉, 이동통신 서비스, 무선 랜, 근접무선통신은 서로 다른 주파수 대역에서 이루어지기 때문에, 각각의 안테나 장치가 요구되는 것이다.

더욱이, 최근에는 와이브로나 롱텀에볼루션(long term evolution; LTE)으로 대표되는 4세대 통신방식으로의 전환이 이루어지면서, 초고속, 광대역 안테나 장치가 요구되고 있다. 이와 같이, 통신 기술의 발달에 맞추어 휴대용 단말기는 고성능의 안테나 장치를 필요로 하게 된다. 초고속, 광대역 특성을 가지는 안테나 장치로는 역 F 안테나 구조(inverted F antenna; IFA), 평판형 역 F 안테나 구조가 유용하게 사용되고 있다.

도 1은 종래 기술의 일 실시 예에 따른 휴대용 단말기의 안테나 장치(10)를 개략적으로 나타내는 사시도로서, 역 F 안테나 구조에 기초한 것이다.

상기 안테나 장치(10)는 회로 기판(11)에 장착된 캐리어(21)에 방사부 패턴(23)을 형성하여 구성된다. 상기 방사부 패턴(23)은 휴대용 단말기에 요구되는 주파수 대역과 방사 성능에 따라 적절하게 설계된다. 이때, 상기 방사부 패턴(23)의 일단에는 그라운드 층(13)에 접속되는 단락핀(27)이 제공되며, 상기 단락핀(27)으로부터 일정 거리를 두고 급전 라인(25)이 형성된다.

이러한 역 F 안테나 구조에서 방사부 패턴(23)이 그라운드 층(13) 상에 위치될 경우, 방사부 패턴(23)에 송수신 신호가 인가되면 방사부 패턴(23)을 흐르는 신호 전력의 역방향으로 그라운드 층(13)에 유도 전류가 발생한다. 이러한 그라운드 층(13)의 역전류의 세기는 방사부 패턴(23)에 인가되는 신호 전력이 클수록, 그라운드 층(13)과 방사부 패턴(23) 사이의 거리가 가까울수록 더 커지게 된다. 역전류 현상은 안테나 성능, 구체적으로 방사 효율을 저하시키게 되므로, 역전류 현상을 억제하기 위해서는 그라운드 층(13)과 방사부 패턴(23)을 멀리 배치하는 것이 바람직하다.

그러나 안테나 장치(10)가 휴대용 단말기에 장착될 경우, 그라운드 층(13)과 방사부 패턴(23)의 거리, 다시 말해서, 상기 회로 기판(11) 상에서 상기 캐리어(21)의 높이(H)를 크게 하는 것은 휴대용 단말기의 소형화에 장애가 된다.

역 F 안테나 구조에서 캐리어의 높이를 낮출 수 있는 대안으로, 회로 기판(11) 상에 그라운드 층(13)을 일부 제거하여 필 컷 영역(fill cut area)(15)을 형성하고, 캐리어(21)를 필 컷 영역(15)에 배치하는 것이다. 이러한 구조를 통해 방사부 패턴(23)은 그라운드 층(13)으로부터 벗어난 위치에서 회로 기판(11) 상에 배치된다. 필 컷 영역(15)에 방사부 패턴(23)을 배치함으로써 역전류 현상을 방지할 수 있게 되어, 방사부 패턴(23)을 회로 기판(11)에 좀더 근접하게 배치할 수 있다. 즉, 필 컷 영역(15)을 형성함으로써 안테나 장치(10)의 두께를 줄일 수 있는 것이다. 그러나 회로 기판(11) 상에서 필 컷 영역(15)에는 실질적으로 다른 부품을 실장하는 것이 불가능하게 되므로, 회로 기판(11)의 면적에 비해 그 이용 효율이 저하될 수밖에 없다.

결국, 역 F 안테나 구조는 초고속 광대역 성능을 구현하면서도 휴대용 단말기에 실장하는데 유용하긴 하나, 여전히 휴대용 단말기의 소형화, 슬림화에 장애가 되고 있는 실정이다.

한편, 이러한 역 F 안테나나 평판형 역 F 안테나뿐만 아니라, 내장형 안테나로 활용되는 루프 안테나, 모노폴 형태의 안테나의 광대역, 다중 대역 특성을 확보하기 위해, 가변 안테나 구조가 활용되기도 한다. 예를 들어, 역 F 안테나나 평판형 역 F 안테나는 급전 라인(25)에 임피던스 매칭 조절 소자를 배치하거나, 단락핀(27)의 단락 경로를 선택할 수 있는 스위칭 소자를 배치하거나, 병렬 캐패시터(shunt capacitor) 소자를 이용하여 방사부 패턴(23)의 공진 주파수를 조절하기도 한다.

그러나 임피던스 매칭 조절 소자나 스위칭 소자를 이용하는 경우, 다중 대역의 특성 확보가 비교적 용이하지만 공진 주파수 대역에서 광대역 특성이 저하되는 단점이 있다. 병렬 캐패시터를 이용하는 경우, 공진 주파수 대역에서 광대역 특성을 비교적 용이하게 확보할 수 있지만, 낮은 주파수 대역에서는 방사 효율이 급격하게 저하되는 단점이 있다.

따라서 본 발명은, 휴대용 단말기의 소형화, 슬림화에 기여할 수 있는 안테나 장치를 제공하고자 한다.

또한, 본 발명은 소형화, 슬림화되면서도 휴대용 단말기의 내부 공간을 효율적으로 활용할 수 있는 안테나 장치를 제공하고자 한다.

또한, 본 발명은 다중 대역의 특성을 가지면서도, 서로 다른 공진 주파수 대역들에서 광대역 특성을 확보할 수 있는 휴대용 단말기의 안테나 장치를 제공하고자 한다.

이에, 본 발명은 일면에 도전층이 형성된 회로 기판; 상기 회로 기판의 일측에 인접한 위치에서 상기 도전층을 부분적으로 제거하여 형성되며, 상기 회로 기판의 일측 가장자리에 나란하게 연장된 제1 슬릿; 상기 제1 슬릿의 일측에서 상기 회로 기판의 일측 가장자리에 위치된 상기 도전층의 일부분을 포함하는 방사부; 및 상기 제1 슬릿 상에 배치되어 상기 제1 슬릿의 타측으로부터 상기 방사부로 급전을 제공하는 급전 라인을 구비하고,

상기 방사부는, 상기 제1 슬릿으로부터 상기 회로 기판의 일측 가장자리로 연장되어 상기 방사부를 형성하는 상기 도전층의 일부분을 가로지르는 제2 슬릿; 및 상기 제2 슬릿 상에 배치되어, 상기 제2 슬릿의 양측으로 분리된 상기 도전층들을 직렬로 연결하는 주파수 조절 소자를 포함하는 안테나 장치를 개시한다.

상기 방사부를 이루는 상기 도전층의 일부분은, 상기 제1 슬릿을 우회하여 상기 제1 슬릿의 타측 도전층에 연결되는 제1 방사부와, 상기 제2 슬릿에 의해 상기 제1 방사부로부터 분리된 제2 방사부를 포함하고, 상기 급전 라인은 상기 제1 방사부에 연결된다.

상기 회로 기판은, 일면에 상기 도전층이 형성된 제1 층; 상기 제1 층과 절연된 상태로 상기 제1 층의 타면에 대면하게 접합되는 제2 층; 및 상기 제2 층의 일면에 형성되는 신호 라인들을 포함하고, 상기 신호 라인들을 통해 상기 주파수 조절 소자의 전원 및 제어 신호가 제공될 수 있다.

이때, 상기 회로 기판은 상기 제1 층을 관통하게 형성된 비아 홀(via hole)들을 더 포함하고, 상기 신호 라인들은 각각 상기 비아 홀들 중 하나를 통해 상기 주파수 조절 소자에 접속됨이 바람직하다.

상기 주파수 조절 소자로는 SPDT(Single Pole Double Throw) 안테나 스위치와 집중소자(lumped element)의 조합 또는 가변용량 캐패시터(variable capacitor)가 활용될 수 있다.

상기 주파수 조절 소자의 접지 핀은 상기 방사부에 연결, 접지됨이 바람직하다.

상기와 같은 안테나 장치는, 상기 제1 슬릿 상에 위치되면서 상기 회로 기판의 일면에 대면하게 배치되는 보조 기판; 및 상기 보조 기판에 형성되는 방사부 패턴을 구비하고, 상기 방사부 패턴은 상기 제1 슬릿을 부분적으로 둘러싸게 배치될 수 있다.

이때, 상기 안테나 장치는, 슬릿의 타측 도전층에 설치되는 접속 단자; 및 상기 보조 기판의 일면에 제공되는 접속 패턴을 더 구비하고, 상기 접속 단자가 상기 접속 패턴에 접촉됨으로써, 상기 접속 패턴을 통해 또는 상기 보조 기판을 관통하게 형성된 비아 홀(via hole)을 통해 상기 방사부 패턴과 전기적으로 연결될 수 있다.

상기와 같은 안테나 장치는 상기 급전 라인 상에 제공되는 임피던스 정합 소자들을 더 구비할 수 있다.

한편, 상기 안테나 장치는, 상기 회로 기판의 타면에 형성되는 제2의 방사부 패턴; 및 상기 회로 기판을 관통하게 형성된 제2의 비아 홀을 더 구비하고, 상기 제2 방사부 패턴은 상기 제2 비아 홀을 통해 상기 방사부에 연결될 수 있다.

또한, 상기 안테나 장치는 상기 제1 슬릿 타측의 도전층과 상기 방사부를 연결하는 가변용량 집적회로 칩을 더 구비할 수 있으며, 요구되는 안테나 특성에 따라 상기 가변용량 집적회로 칩은 상기 급전 라인 상에 배치될 수 있다.

상기와 같이 구성된 휴대용 단말기의 안테나 장치는 회로 기판의 일면에 도전층을 형성하되, 슬릿을 형성하여 도전층의 일부분은 방사부로 활용하면서, 방사부에 주파수 조절 소자를 직렬로 배치함으로써, 다중 대역 특성을 확보하기 용이한 장점이 있다. 또한, 회로 기판의 도전층 일부는 방사부로, 나머지 일부는 접지부로 활용하되, 접지부와 방사부가 동일층 상에 배치되어 안테나 장치의 소형화가 용이하며, 추가의 방사부 패턴을 도전층 상에 배치하면서 슬릿의 주위에서 발생하는 역전류 현상을 방지하여 방사 성능이 저하되는 것을 방지할 수 있게 된다. 따라서 추가의 방사부 패턴을 회로 기판 상에 배치하더라도, 휴대용 단말기의 두께가 증가하는 것을 최소화할 수 있게 된다.

도 1은 종래 기술의 일 실시 예에 따른 휴대용 단말기의 안테나 장치를 개략적으로 나타내는 사시도,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 휴대용 단말기의 안테나 장치를 나타내는 사시도,
도 3은 도 2에 도시된 안테나 장치를 나타내는 평면도,
도 4는 도 2에 도시된 안테나 장치의 보조 기판의 저면을 나타내는 평면도,
도 5는 도 3에 도시된 안테나 장치의 회로 기판을 나타내는 평면도,
도 6은 도 5에 도시된 회로 기판의 제2층을 나타내는 측면도,
도 7은 도 2에 도시된 안테나 장치를 나타내는 단면 구성도,
도 8은 도 2에 도시된 안테나 장치의 변형 예를 나타내는 단면 구성도,
도 9는 도 2에 도시된 안테나 장치의 전체 방사 효율을 측정한 결과를 나타내는 도면,
도 10은 도 2에 도시된 안테나 장치의 방사 효율을 측정한 결과를 나타내는 도면,
도 11은 도 2에 도시된 안테나 장치의 반사 계수를 측정한 결과를 나타내는 도면.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

도 2 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 휴대용 단말기의 안테나 장치(100)는 도전층(111)이 형성된 회로 기판(101), 상기 도전층(111)을 부분적으로 제거하여 형성된 제1 슬릿(113), 상기 제1 슬릿(113)의 일측에서 상기 회로 기판(101)의 일측 가장자리에 위치된 상기 도전층(111)의 일부분을 포함하는 방사부 및 상기 제1 슬릿(113) 상에 배치되어 상기 제1 슬릿(113)의 타측으로부터 상기 방사부로 급전을 제공하는 급전 라인(115)을 구비한다. 이때, 상기 방사부는, 상기 방사부를 형성하는 상기 도전층(111)의 일부분을 가로지르는 제2 슬릿(213)과, 상기 제2 슬릿(213) 상에 배치되어 상기 제2 슬릿(213)의 양측으로 분리된 상기 도전층들을 직렬로 연결하는 주파수 조절 소자(113e)를 포함하게 된다.

상기 회로 기판(101)에는 상기 안테나 장치(100)를 통해 신호를 송수신하기 위한 통신 회로, 휴대용 단말기의 동작을 제어하거나 정보를 저장하기 위한 각종 메모리 및 제어 회로들이 탑재된다. 이때, 상기 회로 기판(101)의 일면에 상기 도전층(111)이 제공되어 상기 회로 기판(101)에 제공되는 회로 장치들의 그라운드를 제공하게 된다. 즉, 상기 회로 기판(101)은 휴대용 단말기의 주회로 기판으로 활용되는 것이다.

앞서 언급한 바와 같이, 상기 제1 슬릿(113)은 상기 도전층(111)의 일부분을 제거하여 형성한 것으로서, 상기 회로 기판(101) 상에서 일방향으로 연장된 구성이다. 바람직하게는, 상기 제1 슬릿(113)의 일단은 상기 도전층(111)의 가장자리로 개방되고 타단은 상기 도전층(111) 내에 위치되어 폐쇄된다. 아울러, 상기 제1 슬릿(113)은 상기 회로 기판(101)의 일측 가장자리에 근접한 위치에서 상기 회로 기판(101)의 일측 가장자리에 나란하게 연장된다.

상기 방사부는 상기 도전층(111)의 일부분을 포함하는 것으로서, 상기 제1 슬릿(113)의 타단을 우회하여 상기 도전층(111)의 나머지 부분에 연결된다. 이때, 상기 제1 슬릿(113)의 타단과 나란하게 위치되어 상기 도전층(111)의 나머지 부분에 연결되는 부분은 상기 방사부의 단락핀(113d)으로 활용된다. 상기 방사부에 제공되는 제2 슬릿(213)은 상기 제1 슬릿(113)으로부터 상기 회로 기판(101)의 일측 가장자리로 연장되어 상기 제1 슬릿(113)의 일측에서 상기 도전층(111)의 일부분을 둘로 나누게 된다. 즉, 상기 제2 슬릿(213)은, 상기 제1 슬릿(113)과 마찬가지로, 상기 방사부를 형성하는 도전층의 일부분을 제거하여 형성되는 것이다. 또한, 상기 제2 슬릿(213) 상에 배치된 주파수 조절 소자(113e)는 상기 제2 슬릿(213)에 의해 상기 제2 슬릿(213)의 양측으로 분리된 상기 도전층(111)의 일부분들(113b, 113c)을 직렬로 연결하게 된다. 이하에서는, 상기 제2 슬릿(213)에 의해 분리된 상기 도전층(111)의 일부분들(113b, 113c) 중, 상기 단락핀(113d)을 통해 상기 도전층(111)의 나머지 부분에 연결되는 부분을 제1 방사부(113b)라 하고, 상기 주파수 조절 소자(113e)를 통해 상기 제1 방사부(113b)에 직렬로 연결되는 부분을 제2 방사부(113c)로 구분하여 설명하기로 한다.

상기 급전 라인(115)은 상기 제1 슬릿(113)의 타측(113a)으로부터 상기 제1 슬릿(113)을 가로질러 상기 제1 슬릿(113)의 일측에서 상기 방사부, 구체적으로 상기 제1 방사부(113a)에 연결된다. 상기 급전 라인(115) 상에 또는 상기 급전 라인(115)의 주위에 임피던스 매칭, 공진 주파수 조절, 상기 안테나 장치(100) 전체의 동작 특성의 정밀한 조절 등을 위해 임피던스 매칭 소자나 가변용량 캐패시터와 같은 가변용량 집적회로 칩(119)이 배치될 수 있다. 물론, 상기 급전 라인(115)의 위치, 예를 들면, 상기 제1 슬릿(113) 타단으로부터 상기 급전 라인(115)까지의 거리(d)를 조절함으로써, 임피던스 매칭 등이 가능하다. 다만, 다중 대역 안테나에서, 공진 주파수 변형시, 안테나 장치의 동작 특성의 정밀한 조절을 위해 가변용량 집적회로 칩(119)을 활용할 수 있는 것이다.

상기 주파수 조절 소자(113e)는 상기 회로 기판(101)에 탑재된 통신 회로를 통해 인가되는 제어 신호에 따라 상기 안테나 장치(100)의 공진 주파수를 조절하게 된다. 상기 주파수 조절 소자(113e)로는 SPDT(Single Pole Double Throw) 안테나 스위치와 집중소자(lumped element)의 조합 또는 가변용량 캐패시터(variable capacitor) 등이 활용될 수 있다. 상기 주파수 조절 소자(113e)의 작동을 위한 전원, 제어 신호, 데이터 신호 등을 전달하기 위해, 상기 회로 기판(101)은 별도의 신호 라인(113f; 도 6에 도시됨)을 구비한다.

도 5 내지 도 7을 참조하면, 상기 회로 기판(101)은 복수의 층으로 이루어진다. 설명의 간결함을 위해, 본 발명의 구체적인 실시 예에서 상기 회로 기판(101)은 제1, 제2 층(101a, 101b)으로만 이루어진 구조를 예시하여 설명하지만, 상기 회로 기판(101)을 이루는 층의 수는 다양하게 설정될 수 있다.

상기 제1 층(101a)의 일면은 실질적으로 상기 회로 기판(101)의 일면으로서, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 도전층(111), 제1 슬릿(113), 방사부 및 주파수 조절 소자(113e) 등이 배치되어 있다. 상기 제2 층(101b)은 상기 제1 층(101a)과 절연된 상태로 상기 제1 층(101a)의 타면에 대변하게 접합된다. 상기 제2 층(101b)의 일면, 구체적으로, 상기 제1 층(101a)에 대면하는 면에는 한 쌍 이상의 상기 신호 라인(113f)들이 형성되어 있는데, 상기 신호 라인(113f)들은 상기 주파수 조절 소자(113e)에 제공되는 전원, 제어 신호, 데이터 신호를 전달하게 된다. 상기 신호 라인(113f)들을 통해 전달되는 전원, 제어 신호, 데이터 신호 등은 상기 제1 층(101a)을 관통하게 형성된 비아 홀(via hole)(113g)들 중 하나를 통해 상기 주파수 조절 소자(113e)로 전달된다.

한편, 상기 방사부는 고주파에 대해서는 상기 안테나 장치(100)의 방사체로서 활용되지만, 저주파의 관점에서는 전기적으로 그라운드를 제공하게 된다. 즉, 상기 방사부는 상기 안테나 장치(100)의 방사체로 활용되면서도 상기 주파수 조절 소자(113e)에 그라운드를 제공할 수 있는 것이다. 따라서 상기 주파수 조절 소자(113e)의 접지 핀은 상기 방사부, 더 구체적으로, 상기 제1 방사부(113b)에 연결, 접지된다.

상기와 같이 방사부 내에 가변용량 캐패시터 등을 이용한 주파수 조절 소자를 직렬로 배치함으로써, 상기 안테나 장치(100)의 공진 주파수를 다양하게 확보할 수 있게 된다. 상기 주파수 조절 소자(113e)로 가변용량 캐패시터를 설치한 경우, 상기 안테나 장치(100)의 동작 특성은 하기에서 도 9 내지 도 11을 통해 더 상세하게 설명될 것이다.

상기 안테나 장치(100)가 적용될 휴대용 단말기의 사양에 따라 추가의 방사체나 가변용량 집적 회로 칩 등이 더 추가될 수 있다.

도 2에 도시된 안테나 장치(100)에서는 보조 기판(121)에 방사부 패턴(123)을 형성하여 추가의 방사체를 제공한 구성을 예시하고 있다. 상기 방사부 패턴(123)을 상기 방사부, 구체적으로 상기 제2 방사부(113c)로 연결하기 위해, 상기 회로 기판에는 접속 단자(117)가 설치된다. 상기 접속 단자(117)으로는 판 스프링을 가공한 씨 클립(C-clip)이 예시되어 있으며, 상기 씨 클립은 상기 제2 방사부(113c)에 전기적으로 연결된 상태로 고정된다.

도 3, 도 4 및 도 7을 더 참조하면, 상기 보조 기판(121)은 상기 회로 기판(101)의 일면에 대면하면서 상기 제1 슬릿(113) 상에 배치된다. 도 3에 도시된 평면도로 본다면, 상기 제1 슬릿(113)은 상기 보조 기판(121)에 가려지게 된다. 상기 보조 기판(121)은 합성수지 재질 또는 통상의 회로 기판 제작에 이용되는 유전체로 제작될 수 있다.

상기 방사부 패턴(123)은 인쇄회로 패턴이나 금속 박판을 가공하여 상기 보조 기판(121)의 일면에 배치하여 형성할 수 있다. 인쇄회로 패턴을 이용한 방사부 패턴은 도금/에칭 등의 공정을 통해 상기 보조 기판(121)에 직접 형성하거나, 가요성 인쇄회로 기판을 상기 보조 기판(121)에 부착하여 형성된다. 금속 박판을 이용한 방사부 패턴은 요구되는 패턴에 맞게 금속재질, 예를 들면, 구리재질의 박판을 재단하여 상기 보조 기판(121)에 부착하여 형성한다. 상기 방사부 패턴(123)은 부분적으로, 더 구체적으로는, 적어도 상기 제1 슬릿(113)의 일측, 타단부 및 타측을 각각 부분적으로 감싸게 연장됨이 바람직하다.

도 3을 참조하면, 상기 방사부 패턴(123)은 제1 연장부(123a), 제2 연장부(123b) 및 제3 연장부(123c)를 구비한다. 상기 제1 연장부(123a)는 상기 제1 슬릿(113) 타측의 상기 도전층(111) 상에 위치되면서 상기 제1 슬릿(113)과 나란하게 연장되고, 상기 제2 연장부(123b)는 상기 제1 연장부(123a)의 일단으로부터 상기 제1 슬릿(113)의 타단부, 다시 말해서 상기 제1 슬릿(113)의 폐쇄된 단부를 둘러싸게 연장된다. 이때, 상기 제2 연장부(123b)는 일부분이 상기 제1 슬릿(113)의 타단부에 중첩될 수도 있다. 상기 제3 연장부(123c)는 상기 제2 연장부(123b)의 단부로부터 상기 제1 슬릿(113)과 나란하게 연장되면서, 상기 제1 슬릿(113)의 일측에서 상기 방사부 상에 위치된다.

즉, 상기 방사부 패턴(123)은 상기 제1 슬릿(113)의 양측에서 각각 나란하게 연장된 부분이 상기 제1 슬릿(113)의 타단부 외측에서 서로 연결되는 구성이다. 이때, 상기 방사부 패턴(123)은 상기 제3 연장부(123c)의 단부로부터 자유로운 패턴으로 연장되는 추가의 연장부를 더 구비할 수 있다. 이러한 추가의 연장부의 패턴은 상기 안테나 장치(100)가 동작하는 주파수 대역, 방사 효율 등의 최적화에 적합하게 결정된다.

이때, 상기 방사부 패턴(123)을 설명함에 있어, '제1 슬릿을 둘러싸게 형성 또는 배치된다'라고 언급한 것은 실제로 상기 방사부 패턴(123)이 상기 제1 슬릿(113)과 동일한 높이에서 상기 제1 슬릿(113)의 둘레에 위치되는 것은 아님에 유의한다. 즉, 상기 제1 슬릿(113)은 상기 도전층(111)에, 상기 방사부 패턴(123)은 상기 도전층(111)과 마주보게 배치된 상기 보조 기판(121)에 각각 형성되므로, 실제로는 상기 회로 기판(101)에 대하여 상기 방사부 패턴(123)과 제1 슬릿(113)이 서로 다른 높이에 위치되는 것이다. 다만, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 안테나 장치(100)를 평면도로 도시하였을 때 상기 방사부 패턴(123)은 상기 제1 슬릿(113)의 주위에 위치되는 것을 '슬릿을 둘러싸게 형성 또는 배치된다'라고 설명하고 있는 것이다.

상기와 같이 구성된 안테나 장치(100)는 상기 방사부 패턴(123)에 흐르는 신호 전력에 의해 상기 방사부를 포함하는 상기 도전층(111)에 유도 전류가 발생되지만, 상기 방사부 패턴(123)으로의 신호를 인가하는 구성에 따라 상기 도전층(111)에서의 전류 흐름을 유도할 수 있다. 즉, 상기 방사부 패턴(123)에 흐르는 신호 전력의 방향과 동일한 방향으로 상기 도전층(111)에 전류의 흐름을 발생시켜 역전류 현상을 억제하는 것이다. 이는 상기 제1 슬릿(113)의 타측에서, 즉, 상기 제3 연장부(123c)가 위치되는 도전층(111)의 일부 영역을 방사부 패턴(123)으로 활용함으로써 가능하다. 본 발명의 구체적인 실시 예에서는 설명의 간결함을 위해 상기 보조 기판(121)에 형성된 패턴을 방사부 패턴(123)이라 칭하고 있으나, 상기 안테나 장치(100)는 상기 도전층(111)의 일부, 즉, 상기 방사부 방사체로 활용되는 것이다.

앞서 언급한 바 있는 상기 접속 단자(117)는 상기 보조 기판(121)의 타면에 형성된 접속 패턴(125)에 접촉되어 상기 방사부 패턴(123)과 전기적으로 연결된다. 도 3과 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 접속 패턴(125)은 상기 보조 기판(121)의 타면으로부터 상기 보조 기판(121)의 일측면을 감싸게 연장되어 상기 보조 기판(121)의 타면에서 상기 방사부 패턴(123)에 연결된다. 이때, 상기 접속 패턴(125)은 상기 보조 기판(121)의 타면에만 형성되고, 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 보조 기판(121)을 관통하게 형성된 비아 홀(via hole)(127)을 통해 상기 방사부 패턴(123)에 전기적으로 연결될 수 있다.

상기 안테나 장치(100)는 상기 급전 라인(115)을 통해 송신 신호를 인가받게 된다. 상기 급전 라인(115)에 인가된 송신 신호는 순차적으로 상기 제1 방사부(113b), 상기 주파수 조절 소자(113e), 상기 제2 방사부(113d)를 지나 상기 접속 단자(117)를 통해 상기 방사부 패턴(123)으로 진행하게 된다. 결국, 상기 제1 슬릿(113)의 일측에서 상기 제1, 제2 방사부(113b, 113c) 등은 상기 방사부 패턴(123)과 함께 상기 안테나 장치(100)의 방사체로서 활용된다.

이때, 상기 급전 라인(115)에 송신 신호가 인가됨과 동시에 상기 제1 슬릿(113)의 주위에는 전류의 흐름이 형성된다. 이러한 전류의 흐름은 도 5에 도시된 상기 제1 슬릿(113)의 주위에서 반시계 방향을 따르게 된다. 상기 급전 라인(115)에 인가된 송신 신호에 따라 상기 방사부 패턴(123)을 흐르는 신호 전력 또한, 상기 제1 슬릿(113)의 주위에서 반시계 방향을 따르게 되므로, 상기 제1 슬릿(113) 주위의 전류 흐름과 상기 방사부 패턴(123)의 신호 전력의 흐름은 동일한 방향을 따르게 된다. 이로써, 신호의 송수신 동작에서 상기 제1 슬릿(113)의 주위에서 유도되는 역전류 현상을 방지하게 되는 것이다.

이와 같이, 방사부 패턴(123)에 인가된 신호 전력에 의해 도전층(111)에서 발생하는 역전류 현상을 방지함으로써, 상기 방사부 패턴(123)은 그라운드를 제공하는 도전층(111)에 인접하게 배치될 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 안테나 장치는 안정적이 안테나 성능을 확보하면서도 안테나 장치의 크기, 특히, 두께를 줄이기 용이하게 된다. 즉, 종래의 역 F 안테나 등과 비교할 때, 그라운드를 제공하는 도전층(111)과 방사부 패턴(123)의 거리(h)를 줄일 수 있는 것이다. 종래의 휴대용 단말기에 적용된 내장형 안테나의 경우, 안정적인 안테나 성능을 확보하기 위해 그라운드 층(11)과 방사부 패턴(23) 사이에 적어도 5mm 정도의 간격을 유지할 필요가 있었다. 반면에 본 발명에 따른 안테나 장치(100)는 상기 도전층(111)으로부터 2mm 이내의 간격에 상기 방사부 패턴(123)을 형성하더라도 종래의 안테나 장치와 동등하거나 그 이상의 성능을 확보할 수 있었다.

또한, 종래에는 역 F 안테나와 같은 내장형 안테나를 배치함에 있어, 안테나 성능을 확보하기 위해서는 그라운드층을 일부 제거한 필 컷 영역을 형성할 필요가 있었으나, 방사체로 활용되는 상기 도전층(111)의 일부 영역, 다시 말해서, 상기 제1, 제2 방사부(113b, 113c)는 여전히 그라운드를 제공할 수 있다. 즉, 안테나 장치(100)가 작동하는 고주파 영역에서 상기 제1, 제2 방사부(113b, 113c)는 방사체의 일부로 작동하지만, 저주파 영역에서 작동하는 일부 전기적 부품이나 조립용 체결 부재 등에 대해서 여전히 그라운드를 제공할 수 있는 것이다. 따라서 종래의 내장형 안테나와 비교할 때 본 발명에 따른 안테나 장치(100)는 두께를 줄이기 용이하면서도 회로 기판(101)의 활용 효율을 높일 수 있게 된다.

한편, 본 발명에 따른 안테나 장치(100)는 추가의 방사체로서, 상기 보조 기판(121) 및 방사부 패턴(123)을 사용하지 않고, 상기 회로 기판(101)의 타면에 형성되는 또 다른 방사부 패턴(223; 도 8에 도시됨)을 구비할 수 있다. 상기 방사부 패턴(223)은 상기 회로 기판(101)의 타면에 인쇄회로 패턴 또는 금속 박판을 부착하여 구성할 수 있다. 상기 방사부 패턴(223)은 상기 회로 기판(101)을 관통하는 비아 홀(113h)을 통해 상기 제2 방사부(113c)에 전기적으로 연결된다. 이때, 상기 방사부 패턴(223)은, 상기 보조 기판(121)에 형성된 방사부 패턴(123)과 마찬가지로, 역전류 현상을 방지할 수 있도록 형성되어야 할 것이다. 즉, 도 3에 도시된 방사부 패턴(123)의 형태와 일치하도록 상기 회로 기판(101)의 타면에 상기 방사부 패턴(223)을 형성할 수 있다.

상기와 같이, 회로 기판(101)의 타면에 추가의 방사체를 배치할 경우, 별도의 보조 기판이나 접속 단자를 배치할 필요가 없으므로, 안테나 장치의 두께를 줄이는데 더욱 유용하게 된다.

상기와 같은 안테나 장치(100)의 동작 주파수는 상기 제1 슬릿(113)의 폭(s), 상기 방사부 패턴(123)의 폭이나 형상 등에 따라 조절할 수 있다. 또한, 상기 방사부 패턴(123)이나 제1 슬릿(113) 상에 집중회로소자(lumped circuit element) 등을 배치하여 동작 주파수나 주파수 대역폭의 조절이 가능하다. 또한, 상기 제1, 제2 방사부(113b, 113c) 상에 추가의 슬릿을 형성하거나, 상기 방사부 패턴(123, 223)의 형상에 따라 상기 안테나 장치(100)의 동작 특성을 조정할 수 있게 된다.

주파수 조절 소자(113e)로서 가변용량 캐패시터를 적용하여 제작된 상기와 같은 안테나 장치의 동작 특성, 즉, 전체 방사 효율, 방사 효율 및 반사 계수를 측정한 결과가 도 9 내지 도 11에 도시되고 있다. 가변용량 캐패시터의 정전용량을 1.5pF, 2.2pF, 5.0pF으로 각각 설정했을 때, 900MHz, 850MHz, 700MHz 대역에서의 공진 주파수가 확보됨과 동시에, 가변용량 캐패시터의 정전용량과 관계없이 대략 1.8GHz, 2.1GHz 대역 등에서의 공진 주파수를 확보할 수 있었다. 도 9 내지 도 11에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 안테나 장치는 주파수 조절 소자를 제어함에 따라 서로 다른 주파수 대역에서 공진 주파수를 확보할 수 있음을 알 수 있다.

이상, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해서 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명하다 할 것이다.

100: 안테나 장치 101: 회로 기판
111: 도전층 113: 제1 슬릿
113e: 주파수 조절 소자 113f: 신호 라인
121: 보조 기판 123: 방사부 패턴

Claims

휴대용 단말기의 안테나 장치에 있어서,
일면에 도전층이 형성된 회로 기판;
상기 회로 기판의 일측에 인접한 위치에서 상기 도전층을 부분적으로 제거하여 형성되며, 상기 회로 기판의 일측 가장자리에 나란하게 연장된 제1 슬릿;
상기 제1 슬릿의 일측에서 상기 회로 기판의 일측 가장자리에 위치된 상기 도전층의 일부분을 포함하는 방사부로서, 상기 방사부는, 상기 제1 슬릿으로부터 상기 회로 기판의 일측 가장자리로 연장되어 상기 방사부에 포함된 상기 도전층의 일부분을 가로지르는 제2 슬릿과, 상기 제2 슬릿 상에 배치되어 상기 제2 슬릿의 양측으로 분리된 상기 도전층들을 직렬로 연결하는 주파수 조절 소자를 포함하고;
상기 제1 슬릿 상에 배치되어 상기 제1 슬릿의 타측으로부터 상기 방사부로 급전을 제공하는 급전 라인;
상기 제1 슬릿 상에 위치되면서 상기 회로 기판의 일면에 대면하게 배치되는 보조 기판; 및
상기 보조 기판에 형성되고 상기 안테나 장치를 평면도로 도시할 때, 상기 제1 슬릿의 주위에 위치된 방사부 패턴을 구비하고,
상기 방사부 패턴은 상기 방사부를 형성하는 상기 도전층의 일부분과 전기적으로 연결되며,
상기 급전 라인을 통해 송신신호가 인가되면, 상기 안테나 장치는 상기 방사부 패턴을 흐르는 신호 전력과 동일한 방향으로 상기 제1 슬릿의 주위에서 전류의 흐름을 형성함을 특징으로 하는 안테나 장치.
제1 항에 있어서, 상기 방사부를 이루는 상기 도전층의 일부분은, 상기 제1 슬릿을 우회하여 상기 제1 슬릿의 타측 도전층에 연결되는 제1 방사부와, 상기 제2 슬릿에 의해 상기 제1 방사부로부터 분리된 제2 방사부를 포함하고, 상기 급전 라인은 상기 제1 방사부에 연결됨을 특징으로 하는 안테나 장치.
제1 항에 있어서, 상기 회로 기판은,
일면에 상기 도전층이 형성된 제1 층;
상기 제1 층과 절연된 상태로 상기 제1 층의 타면에 대면하게 접합되는 제2 층; 및
상기 제2 층의 일면에 형성되는 신호 라인들을 포함하고,
상기 신호 라인들을 통해 상기 주파수 조절 소자의 전원 및 제어 신호가 제공됨을 특징으로 하는 안테나 장치.
제3 항에 있어서, 상기 회로 기판은 상기 제1 층을 관통하게 형성된 비아 홀(via hole)들을 더 포함하고,
상기 신호 라인들은 각각 상기 비아 홀들 중 하나를 통해 상기 주파수 조절 소자에 접속됨을 특징으로 하는 안테나 장치.
제1 항에 있어서, 상기 주파수 조절 소자는 SPDT(Single Pole Double Throw) 안테나 스위치와 집중소자(lumped element)의 조합 또는 가변용량 캐패시터(variable capacitor)임을 특징으로 하는 안테나 장치.
제1 항에 있어서, 상기 주파수 조절 소자의 접지 핀은 상기 방사부에 연결, 접지됨을 특징으로 하는 안테나 장치.
삭제
제1 항에 있어서, 상기 방사부 패턴은 상기 제1 슬릿의 양측에서 각각 상기 제1 슬릿과 나란하게 연장되면서 상기 제1 슬릿의 폐쇄된 단부 외측을 둘러싸게 연결됨을 특징으로 하는 안테나 장치.
제1 항에 있어서,
상기 제1 슬릿의 타측 도전층에 설치되는 접속 단자; 및
상기 보조 기판의 일면에 제공되는 접속 패턴을 더 구비하고,
상기 접속 단자가 상기 접속 패턴에 접촉됨을 특징으로 하는 안테나 장치.
제9 항에 있어서, 상기 방사부 패턴은 상기 보조 기판의 타면에 제공되며, 상기 접속 패턴은 상기 보조 기판의 일측면을 감싸게 연장되어 상기 보조 기판의 타면에서 상기 방사부 패턴과 연결됨을 특징으로 하는 안테나 장치.
제9 항에 있어서,
상기 보조 기판을 관통하게 형성된 비아 홀(via hole)을 더 구비하고,
상기 접속 패턴은 상기 비아 홀을 통해 상기 방사부 패턴과 전기적으로 연결됨을 특징으로 하는 안테나 장치.
제1 항 내지 제6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 급전 라인 상에 제공되는 임피던스 정합 소자들을 더 구비함을 특징으로 하는 안테나 장치.
제1 항 내지 제6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 회로 기판의 타면에 형성되는 제2의 방사부 패턴; 및
상기 회로 기판을 관통하게 형성된 제2의 비아 홀을 더 구비하고,
상기 제2 방사부 패턴은 상기 제2 비아 홀을 통해 상기 방사부에 연결됨을 특징으로 하는 안테나 장치.
제1 항 내지 제6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 슬릿 타측의 도전층과 상기 방사부를 연결하는 가변용량 집적회로 칩을 더 구비함을 특징으로 하는 안테나 장치.
제14 항에 있어서, 상기 가변용량 집적회로 칩은 상기 급전 라인 상에 배치됨을 특징으로 하는 안테나 장치.