KR20030028402A - 소형화된 지향성 안테나 - Google Patents

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Abstract

상세한 설명은, 적어도 하나의 공진 인쇄 배선 구조(3, 4, 5)를 갖는 세라믹 기판(2)을 구비한 소형화된 지향성 안테나에 대한 것인데, 특히 고-주파수 및 마이크로파 범위에 사용하기 위한 것으로서, 전기적 도체성의 마더보드(1, 11)가 제공되며, 그 마더보드 위에 상기 기판이 배열되고, 적어도 하나의 인쇄 배선 구조(3, 4, 5)가 상기 마더보드까지 그 일단(one end)이 연장되는 그러한 마더보드에 특히 적합한 안테나에 관한 것이다. 따라서, 하프-공간(half-space)에서만 매우 지향성인(directed) 방사 특성이 달성된다.

Description

소형화된 지향성 안테나 {Miniaturized directoral antenna}
본 발명은, 적어도 하나의 공진 인쇄 배선 구조(resonant printed wiring structure)를 갖는 세라믹 기판을 구비한 소형화된 지향성(directional) 안테나에 관한 것으로서, 특히 고-주파수 및 마이크로파 범위에 사용하는 안테나에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 이러한 종류의 안테나를 구비한 전기 및/또는 전자 구성요소(SMD-Surface Mounted Devices; 표면 탑재 디바이스)의 표면 탑재를 위한 인쇄회로 기판(PCB)에 관한 것이다.
무선 라디오 네트워킹은 현대 원거리통신에서 점차적으로 중요성이 커가고 있고, 범위도 확대되어 엔터테인먼트 전자기기 분야에서도 그러하다. 고-주파수 및 마이크로파 범위에서의 전자기파는 정보의 송신을 위해 사용된다. 그 예로는, 유럽에서는 약 880 내지 960㎒(GSM 900) 사이의 그리고 약 1710 내지 1880㎒(DCS 1800) 사이의 그리고 약 1850 내지 1990㎒(PCS 1900) 사이의 범위에 놓이는 이동 라디오 대역과, 약 1573㎒ 의 주파수 대역에서 방사되는 GPS 네비게이션 신호, 및 개별 단말기 사이에서 데이터의 교환을 위해 사용되는 약 2400㎒ 내지 2500㎒ 사이의 주파수 범위의 블루투스 대역이다.
이들 목적으로 사용되는 전자 구성요소들은, 특히 그것들의 소형화 정도, 비용-효과적인 탑재 성능 및 전기적 효율의 측면에서 매우 높은 요구사항을 만족해야 한다. 안테나 분야에서, 미래의 이동 전화에 그것들의 사용을 위해 부과되는 추가 요구사항의 예는: 내장성(internal locationing), 다중대역(multiband) 성능, 그리고 감소된 사용자 노출(reduced user irradiation) 및/또는 개선된 특별 흡수율(SAR; Specific Absorption Rate) 값이다.
외부 단극(monopalar) 안테나 또는 유전체 기판 위의 내부 PIFA(Planar Inverted F Antenna; 평면 반전된 F 안테나)와 같은, 이동 전화에 사용하기 위한 종래의 안테나는 상기 요구사항에 부합하지 못하거나, 또는 그 요구사항들에 부적합하게 부합한다.
예를 들어, 일본의 JP-07 240 962 호로부터, 접지 플레이팅(groundplating)을 구비하며 이동 통신 디바이스에 탑재되는 PCB 상에 탑재된 안테나가 알려져 있다. 그러한 수단으로 스크린 효과를 달성하기 위하여 상기 접지 플레이팅이 사용자의 몸 및 방출되는 전파의 방사 경로 사이에 놓이는 방식이 알려져 있다. 그러나, 적합한 수신 감도를 달성하기 위하여, 분리된 막대(rod) 안테나가 필요하다.
따라서 본 발명의 목적은, 바람직한 방향에 개선된 지향성 특성을 갖으며 증가된 효율을 갖는 상기 특정된 유형의 안테나를 제공하는 것이다.
나아가, 상대적으로 단순한 방식으로 임피던스 정합이 취해질 수 있는, 상기 특정된 유형의 안테나가 제공될 것이다.
또한, 상대적으로 넓은 대역폭이 달성될 수 있는 상기 특정된 유형의 안테나가 본 발명에 의해 제공될 것이다.
마지막으로, 몇몇의 위에-특정된 주파수 대역(다중대역 성능)에서 사용되기에 적합한, 상기 특정된 유형의 안테나가 또한 제공될 것이다.
끝으로, 위에-언급된 목적들이 특히 잘 달성될 수 있는, 상기 특정된 유형의 안테나를 구비한 PCB가 또한 본 발명에 따라 제공될 것이다.
상기 목적은 청구항 1에 따라, 즉 적어도 하나의 공진 인쇄 배선 구조를 갖는 세라믹 기판(substrate)을 구비한 지향성 안테나로서, 전기적 도체성 마더보드(motherboard)가 제공되며, 상기 마더보드에 상기 기판이 배열되며(arranged), 상기 적어도 하나의 인쇄 배선 구조의 일단부(one end)는 상기 마더보드에까지 연장되는(extending) 것을 특징으로 하는 지향성 안테나에 따라, 달성된다.
이 해결책의 중요한 장점은, 상기 안테나로써, 단지 하프-공간(half-space) 으로만 매우 지향된 방사 특성이 달성될 수 있다는 것이며, 따라서 상기 안테나가 병합된, 예를 들어, 이동 전화에서의 사용자의 전자기파에의 노출(irradiation)은 매우 감소될 수 있다는 사실이다.
종속항들은 본 발명의 유리한 추가 특징들을 포함한다.
청구항 2에 따른 실시예는, 기판의 레벨(level)의 적합한 선택을 통해, 안테나의 원하는 대역폭을 달성할 수 있다는 장점을 갖는다.
청구항 3에 따른 실시예에서, 특별히 높은 정도의 소형화가 달성될 수 있다.
청구항 4에 따른 실시예는, 리드-인(lead-in)을 변화시킴으로써 그래서 용량성 커플링(capacitive coupling)으로써 임피던스 정합이 단순한 방식으로 취해질 수 있다는 장점을 갖는다.
특히, 청구항 5에 따른 실시예는 단순한 방식으로 제공될 수 있는데, 본 발명에 따른 안테나는 인쇄 회로 보드의 일부로서 수행될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 안테나를 개략적으로 전체를 도시하는 도면.
도 2는 도 1에 보여진 안테나의 멀리떨어진 필드(distant field)의 방사 패턴을 도시하는 도면.
<도면 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 보드 2 : 기판
3, 4, 5 : 인쇄 배선 구조 6 : 리드-인(lead-in)
11 : 플레이팅(plating) 25 : 기판의 상부면
31, 41, 51 : 제 1 인쇄 배선 32, 42, 52 : 제 2 인쇄 배선
본 발명은 도면에서 보여진 실시예를 참조하여 더 상세히 설명될 것인데, 그러나 본 발명은 이것에 한정되지 않는다.
본 발명에 따른 안테나는 전기적 도체성 마더보드를 포함하는데, 도 1에 따르면, 상기 마더보드는 종래의 보드(1) (캐리어)에 플레이팅(plating, 11)을 구비시키고 상기 보드에 고정된(secured) 세라믹 기판(2)으로 형성되며, 상기 기판은몇몇의 공진 인쇄 배선 구조(3, 4, 5)와 리드-인(6)을 구비한다. 표시에서 최상부인 상기 보드(1)의 표면상에 위치하는 상기 플레이팅(11)은, 바람직하게는 상기 표면을 완전하게 커버하는데, 다만 인쇄 배선(12)이 리드-인(6)에 급전(feed)하도록 배열된 곳만을 오픈 상태로 남겨둔다. 상기 기판(2)은 상기 보드(1) 또는 상기 플레이팅(11) 상에, 예를 들면 점 용접(spot welds)(도시하지 않음.)으로, 탑재된다. 전도체-트랙 구조의 레이아웃을 분명하게 하기 위해 투명한 것처럼 도시되어 있다.
상기 세라믹 기판(2)은 본질적으로, 보드(1)의 평면에 대해 수직으로 뻗은 제 1 내지 제 4의 측면(21, 22, 23, 24), 상부면(25) 및 하부면(26)을 갖는 세워진(upright) 평행직육면체(cuboid)의 형상을 갖는다. 그러나, 이러한 평행직육면체 기판 대신에, 직사각형, 원, 삼각형 또는 다각형의 원통(cylindrical) 형상에서 각 경우에 공동(cavity)이 있거나 혹은 없는 것과 같은, 다른 기하학적 형상이 또한 선택될 수 있는데, 그러한 기판 상에 예를 들어 나선상으로(spirally) 뻗은 공진 인쇄 배선 구조가 놓인다.
상기 기판(2)은 1보다 큰 유전 상수(εr＞1) 및/또는 1 이상의 상대적 투자율(μr≥1)을 갖는다. 전형적인 재료로는, 고-주파수 특성으로 낮은 온도 민감성과 낮은 손실을 갖는 고-주파수-호환(high-frequency-compatible) 기판(NP0 또는 소위 SL 재료)이다. 폴리머 매트릭스(polymer matrix)에 세라믹 가루(ceramic powder)를 원하는 방식으로 끼워넣음(embedding)으로써 그것의 유전 상수 및/또는 상대적 투자율이 조정될(adjusted) 수 있는 기판이 또한 사용될 수 있다.
상기 인쇄 배선 구조(3 내지 5), 상기 리드-인(6) 및 다른 플레이팅(11, 12)이 은, 구리, 금, 알루미늄 또는 초전도체와 같은 전기적으로 높은 전도성을 갖는 재료로부터 주로 생산된다.
세부적으로, 다음과 같은 것이 기판(2) 상에 위치한다: 제 1 인쇄 배선 구조(3)는, 상기 상부면(25) 위의 제 1 인쇄 배선(printed wiring)(31)과, 상기 제 1 인쇄 배선에 연결되며 기판(2)의 제 4 측면(24) 상에서 본질적으로 상기 제 1 인쇄 배선에 직각으로 상기 플레이팅(11)에까지 아래로 뻗은 제 2 인쇄 배선(32)으로 구성된다. 제 2 인쇄 배선 구조(4)는, 상기 상부면(25) 위의 제 1 인쇄 배선(41)과, 상기 제 1 인쇄 배선에 연결되며 기판(2)의 제 2 측면(22) 상에서 본질적으로 상기 제 1 인쇄 배선에 직각으로 상기 플레이팅(11)에까지 아래로 뻗는 제 2 인쇄 배선(42)을 포함한다. 마지막으로, 제 3 인쇄 배선 구조(5)는 차례로, 상기 상부면(25) 위의 제 1 인쇄 배선(51)과, 상기 제 1 인쇄 배선에 연결되며 기판(2)의 제 2 측면(22) 상에서 본질적으로 상기 제 1 인쇄 배선에 직각으로 상기 플레이팅(11)에까지 아래로 뻗는 제 2 인쇄 배선(52)으로 구성된다. 상기 제 2 인쇄 배선(32, 42, 52)은 각각 바람직하게는 납땜으로써 또는 다른 수단으로써 상기 플레이팅(11)에 결합된다(bonded).
상기 인쇄 배선 구조(3, 4 및 5)는 리드-인(6)을 통하여 급전되는데, 상기 리드-인은 상기 제 1 측면(21)의 하부 에지(lower edge) 상에서 플레이팅 라미나(plating laminar)(61)로 시작해서, 기판(2)의 상기 하부면(26) 상에서 짧게(short way) 연장되며, 그리고 보드(1) 위 동일평면상의 상기 인쇄 배선(12)상으로 납땜된다. 상기 플레이팅 라미나(61)에 연결되는 제 1 인쇄 배선(62)은 상기 바닥면(26)의 그 에지 영역에서 상기 제 2 측면(22)을 따라서 제 2 인쇄 배선(63)에 직각 결합될 때까지 뻗어가며, 상기 제 2 인쇄 배선(63)은 상기 상부면(25)의 방향으로 상기 제 2 측면(22)을 따라 짧게 연장된다.
상기 인쇄 배선 구조(3, 4 및 5)는 상기 리드-인(6)을 통해 용량성 방식으로 급전되는데, 임피던스 정합은 상기 인쇄 배선 구조(3, 4 및 5)로부터 상기 리드-인(6)의 거리(distance), 그래서 본질적으로 상기 제 1 및 제 2 인쇄 배선(62, 63)의 길이를 통해서 달성된다. 상기 커플링 그리고 이에 따른 임피던스 정합은 또한 상기 제 2 인쇄 배선(63)의 길이를, 예를 들어 레이저 빔으로, 짧아지게(shortening)함으로써 안테나에 그 설치된 상태로 취해질 수 있다.
안테나의 전기적 원리는 본질적으로 L-형상의 인쇄 배선 구조(3, 4 및 5)의 각각에 4분의 1 파장 공진(quarter-wavelength resonance)의 여기(exitation)에 기초하는데, 상기 기판 재료의 유전 상수 및/또는 상대적 투자율을 고려하여, 상기 인쇄 배선 구조의 길이는 원하는 공진 주파수에 따라 계산된다.
상기 제 2 (수직) 인쇄 배선(32, 42, 52) 각각을 따라 상기 플레이팅(11)에 직각으로 뻗은 전기장(electrical field)의 성분은 따라서, 각 경우에 상기 상부면(25) 상에서 그 최대값으로부터 상기 플레이팅(11) 상에서 약 0의 값까지 감소한다.
안테나의 대역폭은 상기 기판(2)의 레벨을 변화시킴에 의해 영향을 받을 수 있다. 적용할 수 있는 관계는, 기판의 레벨이 증가함에 따라서 즉, 상기플레이팅(11)으로부터 상기 제 1 인쇄 배선(31, 41, 51)의 거리가 커짐에 따라서 상기 대역폭이 더 커진다는 것이다.
공진 주파수가 인쇄 배선 구조(3, 4, 5)의 각각에서 발생될 수 있으므로, 공진 주파수들의 원하는 수와 이에 따라 다중대역 성능이 상기 설명에 따른 인쇄 배선 구조의 대응하는 수를 적용함으로써 달성될 수 있다. 도 1에 보여진 실시예에서, 상기 제 1의, 더 긴 인쇄 배선 구조(3)는 GSM 900 대역에서의 공진을 여기하도록 작용하며, 상기 2개의 더 짧은, 즉 제 2 및 제 3 인쇄 배선 구조(4, 5)는 DCS 1800 및 PCS 1900 대역과 같은 더 높은 주파수 대역들에서의 공진을 여기하도록 작용한다.
상기 안테나의 하프-공간에서의 원하는 지향성 효율은 상기 보드(1) 상의 플레이트(11)에 의해 영향을 받는다. 도 2는 도 1에 보여진 안테나의 멀리떨어진 필드(distant field)의 방향성 다이어그램을 통한 섹션(φ=0)을 보여주는데, 상기 멀리떨어진 필드에서의 전기장 세기의 값은 도 1에 보여진 상기 플레이팅(11) 위의 하프-공간에서 본질적으로 구면의 다이어그램을 형성한다. 반사경 또는 스크리닝(screening)으로서 작용하는 상기 플레이팅(11)은 종래의 인쇄 회로 보드 상에 위치되었으며, 거기에서 상기 플레이팅은 약 90＊35 ㎟ 의 영역을 점유하고, 상기 기판은 길이 24㎜, 폭 4㎜, 및 높이 10㎜ 이었다. 상기 안테나는 약 900㎒의 주파수 범위에서 특히 작동되었다.
본 발명에 따른 안테나는 바람직하게는 PCB의 영역에서 또는, 그 일부로서 구현되는데, 상기 플레이팅(11)으로부터 분리된 PCB는, 예를 들어 위에-언급된 유형의 이동 원거리통신 디바이스을 위한, 추가적인 전기적 및/또는 전자적 구성요소를 수용한다(carry).
이상에서와 같은 본 발명에 따른 안테나는, 개선된 지향성 특성을 갖으며 증가된 효율을 갖으며, 상대적으로 단순한 방식으로 임피던스 정합이 취해질 수 있으며, 상대적으로 넓은 대역폭이 달성될 수 있고, 또한 다중대역 성능에 적합하게 되는 효과가 있으므로, 관련 산업에 이용될 수 있다.

Claims (7)

  1. 적어도 하나의 공진(resonant) 인쇄(printed) 배선 구조를 구비한 세라믹 기판을 갖는 소형화된 지향성 안테나(directional antenna)로서,
    전기적 도체성의 마더보드(1, 11)가 제공되며, 상기 마더보드 상에 상기 기판(2)이 배열되고, 상기 적어도 하나의 인쇄 배선 구조(3, 4, 5)의 일단부(one end)가 상기 마더보드에까지 연장되는(extending) 것을 특징으로 하는, 지향성 안테나.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 기판(2)은 본질적으로 평행직육면체(cuboid)이며, 상기 적어도 하나의 인쇄 배선 구조(3, 4, 5)는 상기 기판의 상부면(25)에 위치되는 제 1 인쇄 배선(31; 41; 51)을 구비하고, 상기 인쇄 배선은 제 2 인쇄 배선(32; 42; 52)을 통하여 상기 마더보드에 연결되는데, 상기 제 2 인쇄 배선은 상기 기판의 측면들(21, 22, 23, 24) 중의 하나를 따라 뻗어가는 것을 특징으로 하는, 지향성 안테나.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 인쇄 배선 구조(3, 4, 5)는 4분의 1 파장 공진(quarter-wavelength resonance)의 여기(excitation)를 위해 계산되는(calculated) 것을 특징으로 하는, 지향성 안테나.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 기판(2) 위에, 리드-인(lead-in)(6)이 상기 적어도 하나의 인쇄 배선 구조(3, 4, 5)의 용량성 급전(capacitive feeding)을 위해 제공되는 것을 특징으로 하는, 지향성 안테나.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 마더보드는, 플레이팅(plating)(11)으로 코팅된 P.C. 마더보드(1)로 형성되는 것을 특징으로 하는, 지향성 안테나.
  6. 특히 고-주파수 및 마이크로파 범위에 대한 이동 통신 디바이스를 위한 인쇄 회로 보드(PCB)로서,
    제 1항 내지 제 5항 중의 어느 한 항에 기재된 지향성 안테나를 특징으로 하는데, 상기 전기적 도체성의 마더보드는 플레이팅(11)으로 코팅된 PCB의 영역으로 형성되며, 상기 기판(2)은 상기 플레이팅 위에 배열되도록 하는 것을 특징으로 하는, 인쇄 회로 보드.
  7. 청구항 6항에 기재된 지향성 안테나를 구비한 인쇄 회로 보드(PCB)를 특징으로 하는, 고-주파수 및 마이크로파 범위에 대한 통신 디바이스(telecommunication device).
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