KR20040004218A - 무선 랜 광대역 칩 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 무선 랜에 사용되는 안테나로서, 듀얼 밴드 동작 특성과 4.9㎓-5.85㎓ 대의 주파수 대역에서 광대역 특성을 갖는 무선 랜 광대역 칩 안테나를 개시한다. 상기 무선 랜 광대역 칩 안테나는, 세라믹 유전체의 한 쪽 방향으로만 역에프형 안테나 형태의 방사소자와 급전기판상에 방사소자를 패턴 형성하여, 서로 다른 주파수 대역에서 동작할 수 있도록 함은 물론 급전기판의 배면부에 고주파수 대역의 방사소자와 그라운드를 근접되게 설계하여 보다 넓은 주파수 대역에서 신호를 송수신하도록 제공된다.

그리고, 상기 세라믹 유전체에 형성된 방사소자는 미앤더라인(meander line)으로 설계할 수 있도록 함으로써, 안테나의 전체적인 크기를 줄일수 있다.

Description

무선 랜 광대역 칩 안테나{Wide band chip antenna for wireless LAN}

본 발명은 무선 랜 장치의 안테나에 관한 것으로서, 특히 서로 다른 두개의 주파수 대역에서 동작할 수 있는 듀얼밴드 동작 특성과 광대역 방사 특성을 갖도로 하는 무선 랜 광대역 칩 안테나에 관한 것이다.

일반적으로, 휴대 전화기 등에 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 단말기의 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 사용되고 있으나, 이 역 에프형 안테나는 단일 주파수 대역에서만 동작하는 협대역일 뿐만 아니라 안테나 자체의 크기도 크고, 안테나 제조시에 안테나의 고유특성을 유지하기 위한 공정과 시험절차가 있다는 단점이 있었다.

다시말해, 오늘날 이동통신기기의 사용 주파수대가 높아지고 다양한 통신 서비스가 제공됨에 따라 안테나에 있어서도 소형화 및 다기능화가 요구되고 있지만, 현재 사용되는 대부분의 안테나는 단일 주파수 대역에서만 사용되고 있는 것이다.

이는 무선 통신 장치를 이용하여 빌딩 내부 지역들간, 빌딩과 다른 빌딩간 또는 빌딩과 외부 지역간에 디지털 데이터(digitally-formatted data)를 무선으로 송·수신하는데에 사용되는 무선 랜(WLAN : Wireless Local Area Networks)이 제공되는 환경에서는 적합하지 않게 되었고, 따라서 무선 랜 시스템 환경하에서 무선 통신 장치용으로 사용할 수 있도록 대역폭이 넓고 다중 주파수 대역에서 동작하는 안테나가 필요하게 되었다.

여기서, 상기 무선 랜은 사용 주파수에 관한 국제 표준에 의거하여 그 사용 주파수가 2.4㎓로 대표되는 IEEE802.11b 시스템과 사용 주파수가 5.725㎓로 대표되는 IEEE802.11a 시스템으로 분리되어 있다.

이에, 현재 무선 랜 시스템에서 사용되고 있는 장치에는 두 개의 안테나가 제공된다. 즉, 2㎓ 대의 주파수 대역에서 동작하는 안테나와 5㎓대의 주파수 대역에서 동작하는 안테나가 별도로 제공되는 것이다.

그러나, 상기 두개의 안테나 체계는 무선 랜 장치를 양 시스템에 호환적으로 사용할 수 있도록 하는 것이지만, 구조적 및 경제적으로 매우 불리한 구조를 가지고 있다. 따라서, 양 시스템에서 공용될 수 있는 안테나 즉 양 시스템에서 각각 사용되는 서로 다른 주파수 대역에서 모두 동작할 수 있는 듀얼 밴드 안테나의 개발이 절실히 요구되고 있다.

상기 듀얼 밴드 안테나로서 듀얼밴드 동작특성을 갖도록 세라믹 패치 안테나가 개시된 바 있다.

상기 패치 안테나는 세라믹 기판과, 상기 세라믹 기판의 일측 표면 상에 형성되는 금속성 패치(Metalized patch)와, 상기 세라믹 기판의 반대쪽 표면에 배치되는 그라운드 면(Ground plane)을 포함한다.

그러한 세라믹 패치안테나는 실제적으로 소형화가 가능하지만 다이폴 안테나에 비하여 가격이 고가이고, 또한 특수한 컨넥터 및 케이블 등이 필요하기 때문에 설치 비용의 추가 부담이 수반된다.

또한, 종래 다이폴 안테나는 대략 λ/2의 길이를 갖도록 설계되나 기본적인길이 특성에 의해 안테나를 작게 만들수 없었다.

그리고, 세라믹 패치안테나는 지향성 방사 특성을 갖기 때문에 전방향성 방사 특성을 필요로 하는 무선 랜용 안테나로 사용하기에는 적합하지가 않다.

마찬가지로, 이동통신기기의 내부에 장착되는 대부분의 내장형 평면 역 에프형 안테나(Planar Inverted F Antenna ; PIFA)구조의 칩 안테나들의 지향 패턴도 하늘 방향을 향하는 지향성 패턴이 제공되기 때문에 전 방향성 특성을 요구하는 무선 랜용 안테나용으로는 적합하지 않았다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, PCB 보드의 소정 개소에 장착되는 세라믹 유전체의 한 쪽면에만 역 에프형 형태의 안테나 패턴을 인쇄하여 넓은 주파수 대역폭을 이용할 수 있도록 한 무선 랜 광대역 칩 안테나를 제공함에 그 목적이 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 미앤더라인(meander line)을 적용하여 칩 안테나 크기를 최소화 하여 제작할 수 있도록 하며 설치가 간편한 무선 랜 광대역 칩 안테나를 제공하고자 하는 것이다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무선 랜 광대역 칩 안테나가 PCB 보드상에 장착된 것을 보인 사시도,

도 2는 도 1의 평면도,

도 3은 무선 랜 광대역 칩 안테나가 장착되는 분리 사시도,

도 4는 본 발명의 무선 랜 광대역 칩 안테나가 장착되는 PCB 기판의 평면도,

도 5는 도 4의 배면도,

도 6a 및 도 6b는 본 발명의 무선 랜 광대역 칩 안테나의 변형된 구조를 보인 도면,

도 7는 2.3㎓에서 6㎓까지의 전 대역에서 도 1의 안테나의 정재파비(VSWR)를 측정한 결과를 보여주는 그래프,

도 8은 2.4㎓에서 도 1의 안테나의 방사패턴을 측정하여 나타낸 도면으로, (a)는 수평 패턴을, (b)는 수직 패턴을 보여주는 도면,

도 9는 4.9㎓에서 도 1의 안테나의 방사패턴을 측정하여 나타낸 도면으로, (a)는 수평 패턴을, (b)는 수직 패턴을 보여주는 도면이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

10. PCB 보드 100. 세라믹 유전체 블록

102,104. 급전기판 110. 방사소자

100a 저주파용 방사소자 100b,100c.고주파용 방사소자

130. 급전홀 140. 그라운드부

150. 급전라인

무선 랜 시스템에서 무선 통신 장치와 함께 사용되는 무선 랜 광대역 칩 안테나를 개시한다.

본 발명의 무선랜 광대역 칩 안테나는 PCB보드의 소정 위치에 형성된 급전기판 상에 안착 고정되는 직육면체의 세라믹 유전체 블럭과; 상기 세라믹 유전체 블럭의 한쪽 방향 바람직하게 두개 면에 배열된 방사소자와 상기 세라믹 유전체 블록이 안착되는 급전기판상에 배열된 방사소자로 이루어진 도전패턴으로 이루어진다. 상기 도전 패턴은 상기 세라믹 유전체 블럭에 역 에프형 안테나 패턴이 구성된 2개의 방사소자에 의해 2중 공진되며, 상기 급전기판상에 형성된 방사소자에 의해 공진이 발생되어 전체적으로 3중 공진이 일어나도록 한다.

본 발명의 무선랜 광대역 칩 안테나는 고주파 대역에서 원할한 방사가 이루어지도록 PCB 보드상의 급전부가 고주파용 방사부와 가깝도록 설계된다. 상기 급전기판에 장착되는 무선랜 광대역 칩 안테나의 크기가 작을 경우에는 방사소자는 미앤더라인(meander line)으로 설계한다.

상기에서 전술되거나 또는 기재되지 않은 본 발명에 따른 무선랜 광대역 안테나의 특성과 효과는 이하에서 도면을 참조하여 설명하는 바람직한 실시예를 통하여 보다 명백해질 것이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무선 랜 광대역 칩 안테나가 PCB 보드상에 장착된 것을 보인 사시도, 도 2는 도 1의 평면도, 도 3은 무선 랜 광대역 칩 안테나가 장착되는 분리 사시도이다.

이에 도시된 바와 같이 본 발명의 무선 랜 광대역 칩 안테나는, PCB보드(10)의 소정 위치에 관통홀(도면 미도시)을 매개로 장착되는 대략 직육면체의 세라믹 소재로 이루어진 유전체 블럭(100)을 구비한다.

상기 유전체 블럭(100)에는 한 쪽 방향으로만 인쇄된 역 에프형 안테나의 도전 패턴의 방사소자(110)가 형성된다.

상기 역 에프형 안테나 패턴은 유전체 블럭(100)의 상부면에 저주파용 방사소자(100a)와 직각 위치의 측면에 고주파용 방사소자(100b)가 일측방향으로 연장 형성된다. 상기 저주파용 방사소자(100a)는 연장시 대략 '７' 형상으로서 끝단부가굴곡 형성된 상태로 상기 유전체 블럭(100)이 상부면을 둘러싼 형태를 갖는다. 그리고, 상기 저주파용 방사소자(100a) 및 고주파용 방사소자(100b)에 급전을 하기 위한 급전라인이 수직 방향으로 연결되며, 상기 유전체 블럭(100)이 장착되는 급전기판(102) 상의 상기 급전라인과 연결된 지점에 급전홀(130)이 형성되며, 그 급전홀(130)로부터 상기 방사소자(100a,100b)가 형성된 방향으로 평행하게 고주파용 방사소자(100c)가 연장되어 형성된다.

상기 저주파용 방사소자(100a) 및 고주파용 방사소자(100b)는 동일한 폭을 갖도록 설계된다.

상기 저주파수 대역에서 동작하도록 설계된 저주파용 방사소자(100a)는 실제로는 2.4-2.5㎓에서 동작할 수 있도록 설계되며, 고 주파수 대역에서 동작하도록 설계된 고주파용 방사소자(100b,100c)는 실제로는 4.9- 5.85㎓에서 동작할 수 있도록 설계된다.

그리고, 상기 역 에프형 안테나 형태의 패턴을 접지시키기 위하여 끝단이 그라운드면(140)에 접지된다.

상기 급전홀(130)측에는 대략 'ㄴ' 형상의 급전라인(150)이 형성된다.

한편, 상기 PCB 보드(10)에는 다이버시티(Diversity)를 위하여 상기 세라믹 유전체 블럭(100)이 배치된 방향과 수직방향(90°)으로 배치되며 소정 이격된 개소에 급전기판(104)이 형성된다.

참조부호 120은 접지 단락(Groun short) 상태를 나타낸다.

도 4는 본 발명의 무선 랜 광대역 칩 안테나가 장착되는 PCB 기판의 평면도,도 5는 도 4의 배면도이다.

이를 참조하면, 4.9㎓ - 5.85㎓ 범위의 고주파수 대역에서 동작되는 고주파수 방사소자(100c)는 그라운드와 가깝게 설계된다. 다시 말해, 일정 거리(d)만큼 그라운드부가 방사소자(100c)측으로 근접하게 패턴 형성된다. 상기 방사소자(100c)와 그라운드 상호간의 간격은 후술하는 본 발명의 안테나의 변형 구조(도 6a, 도 6b)에서도 동일하게 적용된다.

그와 같이 유전체 블럭(100) 표면에 저주파용 방사소자(100a) 및 고주파용 방사소자(100b)와 급전기판(102)의 고주파용 방사소자(100c)가 상호 평행하게 형성되고, 상기 고주파용 방사소자(100c)와 그라운드면이 근접하게 형성되면, 저주파수 대역(2.4-2.5㎓)과 고주파수 대역(4.9-5.85㎓)의 신호를 송수신할 수 있게 된다.

한편, 본 발명의 무선 랜 광대역 칩 안테나의 변형된 구조를 보인 도 6a 및 도 6b와 같이, 상기 유전체 블럭(100) 표면상에는 안테나 특성에 따라 그 패턴을 변형시켜 인쇄할 수 있다.

즉, 도 6a에 도시된 바와 같이 상기 유전체 블럭(100)의 측면에 급전라인이 포함된 역에프형 안테나 패턴이 형성되고, 상기 패턴에서 최상에 있는 방사소자 즉 저주파용 방사소자는 그 끝단이 상기 유전체 블럭(100)의 상부면으로 연장 형성된다.

또한, 본 발명의 칩 안테나의 크기가 작을 경우에는 세라믹 유전체 블럭(100)에 형성된 저주파용 방사소자를 미앤더라인(meander line)(100a)으로 설계할 수 있다.

한편, 상기 유전체 블럭(100)에 형성된 도전 패턴은 그 유전체 블럭의 표면에 일정 두께의 동박을 입힌 다음 불필요한 부분을 화학적으로 부식시켜 제거하고 필요한 패턴만을 기판상에 남기는 에칭 기법으로 형성하고 있으나, 일반적인 와이어 도체를 이용하여 배칠될 수 있음은 물론이다.

도 7는 2.3㎓에서 6㎓까지의 전 대역에서 도 1의 안테나의 정재파비(VSWR)를 측정한 결과를 보여주는 그래프이다.

이를 참조하면, 마커는 주파수 2.40㎓, 2.50㎓, 5.725㎓, 5.825㎓에 각각 위치하고 있으며, 2.40㎓ - 2.50㎓ 및 5.725 ㎓- 5.825㎓ 범위의 주파수 대역에서 1.5: 1의 정재파비(VSWR)가 나타나는 것을 측정되었다.

그리고, 그 측정 결과 본 발명의 안테나는 전방향성 특성을 갖는다.

도 8은 2.4㎓에서 도 1의 안테나의 방사패턴을 측정하여 나타낸 도면으로, (a)는 수평 패턴을, (b)는 수직 패턴을 보여주는 도면이다.

이를 참조하면, 수평패턴(도 8a)이 대략의 원형 패턴으로 나타나고, 또한 수직패턴(도 8b)이 주파수 전용 안테나의 전방향 특성인 8-형 패턴으로 나타남으로써, 전방향성 특성을 갖고 있음을 알 수 있다.

도 9는 4.9㎓에서 도 1의 안테나의 방사패턴을 측정하여 나타낸 도면으로, (a)는 수평 패턴을, (b)는 수직 패턴을 보여주는 도면이다.

마찬가지로, 수평패턴(도 9a)이 대략의 원형 패턴으로 나타나고, 또한 수직패턴(도 9b)이 주파수 전용 안테나의 전방향 특성인 8-형 패턴으로 나타남으로써, 전방향성 특성을 갖고 있음을 알 수 있다.

상기와 같이 정재파비와 안테나의 방사패턴을 참조하면 2.40㎓에서 1dBi, 4.9㎓-5.85㎓ 주파수 범위에서 약 -3dBi 정도로 일정한 패턴모양이 나타나는 것을 볼 수 있으며, 종래 광대역 안테나에 비하여 널 포인트(Null point)가 작게 나타나고 8-형 패턴 특성을 볼 수 있다.

본 발명의 무선 랜 광대역 칩 안테나에 따르면, 4.9㎓-5.85㎓로 광대역 특성을 가지며, 정재파비와 수평/수직 패턴이 일정하게 측정되며 이득이 우수한 잇점이 있다.

그리고, 세라믹 유전체의 크기가 작을 경우에는 방사소자를 미앤더라인(meander line)으로 설계하여 제공할 수 있기 때문에 전체적인 안테나 크기를 줄일 수 있다.

이상에서, 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자에 의하여 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 범주로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명이 다양하게 수정 및 변경될 수 있을 것이다.

Claims (7)

1. PCB보드의 소정 위치에 형성된 급전기판 상에 안착 고정되는 직육면체의 세라믹 유전체 블럭과;

   상기 유전체 블럭의 한 쪽 방향으로만 인쇄된 역 에프형 안테나 패턴의 2개의 방사소자와 상기 유전체 블럭이 장착되는 급전기판 상의 상기 급전라인과 연결된 지점에 형성된 급전홀로부터 상기 방사소자가 형성된 방향으로 평행하게 형성되는 방사소자로 이루어진 일정한 폭을 갖는 도전 패턴으로 이루어지며,

   상기 역 에프형 안테나 패턴은 유전체 블럭의 상부면과 측면에 방사소자가 일측방향으로 각각 연장 형성되며, 상기 상부면에 형성된 방사소자는 상기 상부면을 둘러쌓는 대략 '７' 형상으로 그 끝단부가 굴곡 형성되는 것을 특징으로 하는 무선 랜 광대역 칩 안테나.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 유전체 블럭에는 그 측면에 급전라인이 포함된 역에프형 안테나 패턴이 형성되고, 상기 패턴에서 최상위의 방사소자의 끝단이 상기 유전체 블럭의 상부면으로 연장 형성되는 것을 특징으로 하는 무선 랜 광대역 칩 안테나.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 세라믹 유전체 블럭의 크기가 작은 경우에는 상기 상부면에 형성된 방사소자를 미앤더라인(meander line)으로 설계하는 것을 특징으로 하는 무선 랜 광대역 칩 안테나.
4. 제 1항 내지 제 3항중 어느 한 항에 있어서,

   상기 방사소자의 일부는 고 주파수 대역에서 동작하고 다른 일부는 저 주파수 대역에서 동작하도록 설계되는것을 특징으로하는 무선 랜 광대역 칩 안테나.
5. 제 4항에 있어서,

   상기 고 주파수 대역은 4.9-5.825㎓ 범위이고, 상기 저 주파수 대역은 2.4-2.5㎓ 범위인것을 특징으로 하는 무선 랜 광대역 칩 안테나.
6. 제 1항 내지 제 3항중 어느 한 항에 있어서,

   상기 PCB 보드의 그라운드면과 인접하여 있는 고 주파수 대역의 방사소자는 그라운드와 근접되게 설계되도록 그라운드면을 단차가 있도록 굴곡지게 설계하는 것을 특징으로 하는 무선 랜 광대역 칩 안테나.
7. 제 1항에 있어서,

   상기 PCB 보드의 급전기판에 장착된 세라믹 유전체 블럭이 배치된 방향과 수직방향(90°)으로 급전기판이 배치되는 것을 특징으로 하는 무선 랜 광대역 칩 안테나.