KR20020013673A - Pcs대역 표면실장용 적층형 세라믹 유전체 칩 안테나 - Google Patents

Pcs대역 표면실장용 적층형 세라믹 유전체 칩 안테나 Download PDF

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KR20020013673A
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우종명
이종환
김현학
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우종명
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Abstract

현대 사회가 정보화 사회로의 발전을 하게 됨에 따라 무선 이동 통신 기술에 대한 수요가 많아지고 있다. 특히 근래에 들어 이러한 무선 이동 통신의 대표적인 상업적 수요 대상인 핸드폰(휴대 단말기)의 발전이 매우 빠르게 이루어지고 있다. 한편 이동 통신 시스템에 있어서 휴대용 단말기를 제외한 다른 통신 개체들은 그 크기에 있어서 크게 제한을 받지 않지만 휴대전화는 휴대라는 목적을 위해 소형화 및 경량화가 필요하다. 기존의 무선휴대전화 단말기(셀룰라 폰, 무선 전화기, PCS 폰 등)에 사용되고 있는 안테나는 크게 휩 안테나와 판형 역F 안테나로 구분될 수 있다. 이런 안테나 사용에 있어서 휩 안테나의 경우 외부로 돌출되어 있어 파손 위험이 크다. 또한 이 휩 안테나로 인하여 단말기 외부로 전류가 흐르게 되어 안테나만의 전파방사특성이 얻어지기 어려운 점이 있다. 또한 판형 역F 안테나의 경우 단말기 회로기판과 별도로 제작되어야 함은 물론 안테나 자체 크기로 인해 단말기의 부피를 줄이는 데 부담을 주게 된다. 따라서 단말기에 사용되는 안테나를 하나의 칩 형태로 제작하여 단말기 회로기판상에 부착시킬 경우 대량생산 및 완제품 조립시 경제적이며 안테나 소형화로 인한 단말기 크기를 상당히 줄일 수 있는 장점이 있다.
본 발명은 기존의 무선단말기용 안테나에 있어서 단말기 크기를 줄일 수 있고 내부 기판상에 표면장착이 가능한 적층형 유전체 세라믹 칩안테나 발명에 관한 것이다. 본 발명의 안테나는 [도 1], [도 2]에 나타낸 바와 같이 고 비유전율인 박막의 세라믹 유전체 시트를 다수겹으로 적층시켜 직육면체의 세라믹 유전체를 형성시킨 다음 유전체표면에 헬리컬 구조의 도체띠를 형성시켰다. 이때 상하층의 도체띠 표면위에 박막의 세라믹 유전체시트를 다시 한번 피복시켰다. 표면시트간 상하연결은 각 박막 유전체시트마다 홀을 형성시켜 금속을 채운다음 적층시킨 상태에서 가열하여 상하층 홀의 금속을 연결시키는 방법을 사용하였다.

Description

PCS대역 표면실장용 적층형 세라믹 유전체 칩 안테나{Surface-mounted multi-layered Chip Ceramic Dielectric antenna for PCS Phone}

본 발명의 안테나는 무선휴대단말기에 쓰이는 기존의 휩 안테나와 판형 역F 안테나를 대체할 수 있는 칩 형태의 안테나로, 본 발명의 안테나의 경우와 동일한 급전 구조를 갖는 마이크로스트립 모노폴 안테나의 크기와 비교해 그 크기를 약 1/5로 감소시킴으로써 무선휴대단말기의 크기 및 무게를 상당히 감소시키고 휩 안테나 또는 모노폴 안테나의 특성을 유지하면서 안테나를 회로기판과 별도로 형성·위치시키지 않고 무선휴대단말기 내부 회로기판에 직접 부착함을 목적으로 한다.

본 발명이 속하는 기술분야는 무선휴대단말기 등에 사용되는 안테나 분야이다.

[도 3] 에 나타낸 바와 같이 종래의 휩 안테나의 경우 그 크기를 감소시키는 데 한계가 있어 외부로 돌출되어 파손의 위험이 있을 뿐 만 아니라 단말기 외부에 전류가 흐르게 되는 단점이 있다. 또한 휩 안테나와 함께 사용되는 판형 역F 안테나 역시 그 크기를 감소시키는 데 제한이 있어 단말기 부피를 크게 줄일 수 없을 뿐 만 아니라 접지기판의 영향으로 안테나 후면방향으로의 전파방사도 억제된다. 또한 기존의 칩안테나는 벌크형 유전체 봉에 도체띠를 도금형태로 표면장착시킨 형태로 도체띠 길이 변화가 어려워 미세주파수 범위 조정이 어렵다.

본 발명의 PCS대역 표면실장용 적층형 칩 유전체 세라믹 안테나를 [도 1] 과 [도 2] 에서 나타내는 것처럼 작은 크기의 칩 안테나를 회로 기판상에 직접 부착함으로써 기존의 휩 안테나와 판형 역F 안테나의 사용으로 인한 문제점을 해결할 수있으나 본 발명의 안테나 특성 측정 결과 이득(gain)이 다소 낮고, 대역폭이 협소하므로 유전체의 물질 특성과 유전체 피복 모양 변화, 도체띠 모양 변화 시도 등 이득과 대역폭의 개선이 좀 더 해결해야 할 문제로 남아있다.

[도 1] 은 헬리컬 구조를 갖는 도체띠가 직육면체 형태의 세라믹봉상에 형성되고 그 전면과 후면에 얇은 세라믹시트가 피복된 구조의 표면실장용 적층형 세라믹 유전체 칩 안테나의 구조. [도 1] 에서 ①은 도체띠, ②는 상승각, ③은 비유전율이 23인 유전체로 이루어진 직육면체 모양의 세라믹, ④는 급전점, ⑤는 비유전율이 23인 유전체판.

[도 2] 는 코플레나 급전(Co-planar feeding) 구조를 갖는 마이크로스트립 회로상에 표면실장된 적층형 세라믹 유전체 칩 안테나 구조.

[도 3] 은 기존의 무선 휴대 단말기 안테나 구조.

[도 4] 는 PCS대역 표면실장용 적층형 세라믹 유전체 칩 안테나의 반사손실.

[도 5] 는 PCS대역 표면실장용 적층형 세라믹 유전체 칩 안테나의 H-면 패턴.

[도 6] 은 PCS대역 표면실장용 적층형 세라믹 유전체 칩 안테나의 E-면 패턴.

본 발명의 안테나는 현재 사용중인 휴대단말기의 회로기판에 직접 표면장착할 수 있도록 [도 1] 과 같이 적층형 세라믹 유전체 칩과 유전체 표면에 금속을 헬리컬 구조로 장착시킨 도체띠로 구성되었다. 이 때 안테나는 급전선을 접지면 위로 연장시켜 안테나 급전점과 연결시키는 방법으로 표면부착시켰다. 본 발명의 적층형 유전체 칩 안테나는 소형화,경량화를 위해 적층공정을 이용하였으며 Ag전극과 동시소결이 가능한 저온소결용 (800 °C∼900 °C) 세라믹 유전체로 조성되었다. 유전체 조성은 ZnNb2O6와 Pb5Nb4O15을 몰비로 첨가하여 유전율과 품질계수 및 공진주파수 온도계수를 조절하였다. 또한 저온소결을 하기 위해 CuV2O6와 Glass(PbO-SiO2계)를 wt%로 첨가하였고 유전특성향상을 위해 Sb2O3를 wt%로 넣어 유전율이 23∼25이고 품질계수가 15000∼20000을 갖는 저온형 세라믹 유전체 조성을 개발·이용하였다. 헬리컬 구조의 패턴설계 과정은 유전체 각 박막시트의 홀에 Ag로 채워놓고 적층시킨다음 상하면에 도체띠를 형성시켜 온도상승으로 인해 상하연결이 이루어지며 이로써 헬리컬 구조의 도체패턴를 형성시켰다. 최종적으로 상하면에 유전체 박막으로 피복시킴으로써 PCS 주파수 대역에서 사용가능한 경량화·소형화된 세라믹 유전체 칩 안테나를 개발하였다.

[도 4] 는 본 발명의 안테나의 반사손실을 나타낸 것이다. 측정 결과 주파수 1.91GHz에서 반사손실 27.36dB, -10dB 대역폭은 76MHz로 나타났다. [도 4] 에서 볼 수 있듯이 본 발명의 안테나는 대역폭 면에서 일반적인 모노폴 안테나의 대역폭을 가지고 있다. 급전 회로에서 확보된 접지면의 크기가 안테나에 비해 작을 경우 접지효과가 작아져 접지면에 흐르는 전류가 많이 흐르게 되어 광대역 특성을 가진 것처럼 보일 수 있지만 그것은 안테나 자체의 특성이 아니기 때문에 편파 문제 등 여러 문제점이 생긴다. 본 발명의 안테나는 그 크기가 작기 때문에 적은 접지면을 확보하고 있음에도 불구하고 그러한 문제점이 나타나지 않는다는 점을 확인할 수 있다.

[도 5] 는 본 발명의 안테나의 H-면 방사패턴을 나타내었다. 전형적인 모노폴 안테나의 특징인 양호한 전방향성 특성을 나타내고 있으며 H-면 평균이득은 -9.43dBd로 나타났다.

[도 6] 은 본 발명의 안테나의 E-면 방사패턴을 나타낸다. 90°부근에서 리플 현상이 나타나고 있지만 전체적으로 볼 때 전형적인 8자형 패턴을 나타내고 있으며 이 때 안테나 전면의 이득은 약 -8.6dBd이다.

따라서 본 발명의 칩 안테나는 전형적인 1/4파장의 모노폴 안테나 작용을 하고 있음을 확인할 수 있었다.

본 발명의 안테나는 무선휴대단말기에 사용되는 기존의 휩 안테나와 판형 역F 안테나를 대체할 수 있는 칩 안테나로서 모노폴 안테나와 유사한 특성을 가지며 휩 안테나와 판형 역F 안테나의 경우와는 달리 회로기판상에 직접 부착할 수 있고 작은 접지면을 필요로 하기 때문에 단말기의 부피를 감소시킬 수 있다. 또한 간단한 구조로 인한 제작상의 간편함으로 저가로 제작할 수 있는 장점이 있다.

Claims (5)

  1. 무선휴대단말기에 있어서 [도 1] , [도 2] 에 나타낸 바와 같이 박막의 세라믹 시트를 적층시켜 직육면체 유전체 봉을 구성하여 상하측면 표면에 헬리컬 구조의 도체띠를 형성시킨 표면실장용 적층형 세라믹 유전체 칩 안테나.
  2. 청구항 1에 있어서 [도 1] 에 나타내듯이 상승각에 의해 칩 안테나와 급전선로와의 임피던스 매칭조정 방법.
  3. 청구항 1에 있어서 각 박막형 세라믹 시트 측면에 홀을 형성시키고 홀 내막에 금속을 삽입시킨 다음 적층시켜 온도가열로 적층간 도선연결을 시킨 방법.
  4. 청구항 1에 있어서 유전체 상하면에 형성된 도체띠 위에 다시 한번 유전체 시트를 피복시킨 표면실장용 적층형 세라믹 유전체 칩 안테나.
  5. 청구항 1에 있어서 유전체 시트의 적층 숫자 변화에 의해 도체띠 길이조정으로 인한 주파수를 변화시킨 [도 1] 과 같은 표면실장용 적층형 칩 세라믹 유전체 안테나.
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