KR20040077323A - 다중대역 내장형 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 링 안테나와 변형된 역 F형 안테나를 결합하여 GPS 대역을 포함하는 3중 대역의 주파수를 송수신할 수 있는 다중대역 내장형 안테나에 관한 것으로, 본 발명은 중앙에 안쪽 슬롯을 가지며, 일정 부분이 일정 폭을 갖는 링 형상으로 이루어진 제1 복사체; 상기 제1 복사체의 일정 위치에서 수직으로 일정 길이 연장된 브랜치; 상기 브랜치에 설치된 단락핀; 상기 단락핀과 다른 위치에 설치된 급전핀; 상기 제1 복사체의 외측에 형성된 제1 슬롯에 의해 형성되는 제2 복사체; 및 상기 제1 복사체의 내측에 형성된 제2 슬롯에 의해 형성되는 제3 복사체를 포함한다.

Description

다중대역 내장형 안테나{Multi-band built-in antenna}

본 발명은 내장형 안테나에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 링 안테나와 변형된 역 F형 안테나를 결합하여 GPS 대역을 포함하는 3중 대역의 주파수를 송/수신할 수 있는 다중대역 내장형 안테나에 관한 것이다.

현재 휴대전화기에 사용되는 안테나로는 중심 주파수의 λ/4 길이를 갖는 모노폴 안테나, 헬리컬 안테나, 상기 모노폴 안테나와 헬리컬 안테나를 조합한 신축 가능형 안테나 등이 있다.

한편, 상기와 같은 안테나들이 갖는 단점을 극복하기 위해 내장형 안테나가 제안되고 있으며, 국가별 사업자별로 서로 다른 주파수 대역을 사용하고 있는 관계로 다중 대역 특성을 갖는 안테나가 요구되고 있다. 이와 같은 요구에 의해 제안되는 내장형 안테나로 인쇄회로 기술을 이용하는 마이크로 스트립 패치 안테나, 고유전체의 세라믹 물질을 이용하는 세라믹 칩 안테나, 역 F형 안테나 등이 있다.

하지만, 마이크로스트립 패치 안테나는 전체 안테나의 크기가 커지는 문제점이 있고, 세라믹 칩 안테나는 충격에 약하고 이득이 낮으며, 또한 고가라는 문제점이 있다.

역 F형 안테나의 경우에는 급전점에 인접하여 단락핀을 구비시킴으로써 전체 안테나의 크기가 작아지는 장점을 가지고 있는데, 도1을 참조하여 종래의 역 F형안테나에 대해 살펴본다.

도면에서, 일반적인 역 F형 안테나는 급전핀(13), 슬롯(12), 단락핀(14), 제1 복사체(10), 제2 복사체(11)를 포함한다. 급전핀(13)을 통해 입력되는 신호 중 일부는 상기 슬롯(12)에 의해 나누어진 상기 제1 복사체(10)에 생성되는 전류 경로를 따라 흐르게 되고, 그 전체적인 구조에 의해 전자기 에너지가 복사되며, 상기 슬롯(12)의 안쪽에 위치하는 제2 복사체(11)에도 전류가 분류되어 흐르게 되는데, 이는 높은 주파수 대역을 가지게 된다. 이와 같은 종래의 역 F형 안테나는 이중대역 특성을 가지는 장점이 있으나, 주파수 응답 특성이라는 측면에서 보면 대역이 모두 협대역이라는 문제점이 있다.

최근에는 휴대전화기에 위치 추적을 위한 GPS 기능을 포함시키고 있다. 이러한 이유로 인해 안테나에 있어서도 기본적으로 이중 대역 안테나 이외에 GPS 대역의 신호도 송수신할 수 있는 3중 대역 안테나가 요구되고 있다.

3중 대역 안테나를 구현함에 있어서 외장형 안테나로 구현하는 방법과 내장형 안테나로 구현하는 방법이 있을 수 있다.

외장형 안테나로 구현하는 경우에는 GPS 대역을 독립된 단일 공진 주파수로 발생시키는 것이 아니라 인접한 1900MHz 대역과 함께 매칭 유닛을 사용하여 광대역으로 구현하는 것이 일반적이다. 이는 제한된 공간에서 헬리컬과 같은 구조로서 800MHz 공진을 기본적으로 서비스하고, 이와 더불어 1575MHz와 1900MHz의 근접 대역에서의 이중 공진을 만들기가 용이하지 않음에 기인한다. 이러한 광대역의 주파수 응답 특성의 경우 듀플렉서 또는 표면탄성파(SAW) 필터 등의 성능이 우수하지않을 경우 불필요한 주파수 대역 신호의 혼입으로 인한 단말기 전체의 노이즈 특성 증가로 단말기의 일부 특성 저하를 초래할 수도 있다.

한편, 내장형 안테나로 구현함에 있어서 종래의 역 F형 안테나 3개를 결합하여 3중대역 내장형 안테나를 구현할 수도 있다. 하지만, 이 경우에는 안테나의 사이즈 문제로 공진 주파수 대역에 원하는 대역을 넘어서는 공간적인 문제와 더불어 역 F형 안테나의 협대역 특성에 따른 특성상의 문제가 발생한다.

3중 대역을 구현한 종래의 내장형 안테나로는 대한민국 공개특허공보 제2001-52509호의 '다중 주파수 대역 안테나'가 있다.

도2는 상기 종래의 3중대역 내장형 안테나의 구조도로서, 이를 참조하여 종래의 3중대역 내장형 안테나를 설명한다.

종래의 3중대역 안테나는 다이버시티 안테나로서, 제1 및 제2 대향면과 대향하는 제1 및 제2 단부를 갖는 유리섬유 회로 기판과 같은 유전체 기판으로 구성된다. 삼각형 형태의 구리 또는 다른 전도성의 물질의 층이 대향하는 단부에서 제1 및 제2 기판 표면에 고정되어 있고, 각 삼각형의 밑면은 각각의 기판 단부에 인접한다. 각 전도성 층은 각각의 단부로부터 각 표면상의 각각의 중앙부로 점감된다. 도면에서 방사 소자(40a, 40b)는 적어도 세개 또는 더 많은 주파수 대역내에서 공진할 수 있도록 안테나가 동조될 수 있게 한다. 각각의 전도성 층의 각 일부분 또는 슬롯(42a, 42b)은 각각 44a, 44b로 표시되는 RF 에너지를 방사하는 뇌문의 전기 전도성 패턴을 생성하도록 제거된다. 방사 소자(40a, 40b)내의 슬롯(42a, 42b)은상이한 주파수에서 상이하게 동작한다. 800MHz 대역과 같은 낮은 주파수에서 방사 소자(40a, 40b)의 전기적 길이는 일반적으로 가장 길다. 1500 및 1900MHz 대역과 같은 중간 범위 및 높은 주파수에서 방사 소자의 전기 길이는 더 짧게 된다. 더 높은 주파수에서 파장은 더 작게 되고, 이것은 에너지가 슬롯을 통해 점프할 수 있기 때문에 슬롯의 효과를 감소시킨다. 도면에서 도면부호 55는 안테나 피드를 결합하기 위한 중앙 홀이다.

그러나 상기 다이버시티 안테나로 다중대역을 처리하기 위해서는 각각의 대역에 따른 상이한 주파수를 처리하기 위한 슬롯을 형성하여야 하기 때문에 각각의 방사소자의 각 뇌문의 전기 전도성 패턴의 길이가 길어져야 하고, 상기 상이한 주파수를 처리하는 각각의 주파수에 따른 회로를 설계하여야 하기 때문에 안테나 및 단말기의 구조가 복잡해지고 안테나의 크기가 커지는 문제점이 있다.

또한, 상기 안테나의 크기를 감소하기 위해서는 각각의 대역을 처리하는 슬롯과 그에 따른 전도성 패턴을 형성할 수 없으므로 대역폭이 좁아지거나 대역에 따른 주파수 처리를 할 수 없으므로 충분한 대역폭을 생성할 수 없고 효율이 떨어지는 문제점이 있다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 링 안테나와 변형된 역 F형 안테나를 결합하여, 링 안테나가 동작하는 한 파장 동작 특성을 0.5λ 이하에서 동작하도록 하는 다중대역 내장형 안테나를 제공하는데그 목적이 있다.

도1은 종래의 역 F형 이중 대역 내장형 안테나의 구조도.

도2는 종래의 GPS 대역을 수용하는 3중 대역 내장형 안테나의 구조도.

도3은 본 발명에 따른 실시예로 내장형 안테나가 설치되는 형태를 설명하기 위한 도면.

도4는 본 발명에 따른 GPS 대역을 수용하는 3중 대역 내장형 안테나의 구조도.

도5는 본 발명에 따른 안테나의 전압정재파비(VSWR)를 설명하기 위한 그래프.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

100, 101, 102 : 복사체

103 : 브랜치

104 : 급전 핀

105 : 단락 핀

110, 111 : 슬롯

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 중앙에 안쪽 슬롯을 가지며, 일정 부분이 일정 폭을 갖는 링 형상으로 이루어진 제1 복사체; 상기 제1 복사체의 일정 위치에서 수직으로 일정 길이 연장된 브랜치; 상기 브랜치에 설치된 단락핀; 상기 단락핀과 다른 위치에 설치된 급전핀; 상기 제1 복사체의 외측에 형성된 제1 슬롯에 의해 형성되는 제2 복사체; 및 상기 제1 복사체의 내측에 형성된 제2 슬롯에 의해 형성되는 제3 복사체를 포함한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다.

도3은 본 발명에 따른 실시예로 내장형 안테나가 설치되는 형태를 설명하기 위한 도면으로, 도면에서 60은 휴대전화기 배면 하우징, 61은 평판 복사체, 62는 지지 플라스틱 프레임, 63은 휴대전화기 메인 인쇄회로기판(PCB)을 각각 나타낸다.

본 발명에 있어서, 평판 복사체는 유전체 기판인 FR-4 기판이거나 접착성 테이프로 고정 가능한 필름 인쇄회로기판(FPCB) 혹은 동판 등을 사용할 수 있다. 상기 평판 복사체는 사용되는 재질에 따라 안테나 폭과 슬롯 간격은 상이하게 되는데, 사용되는 평판 복사체에 따른 유전율에 따라서 안테나 폭과 슬롯 간격을 계산하면 된다. 본 발명에서는 실시예로 유전체 기판인 FR-4 기판을 사용하는 경우에대해 설명한다.

평판 복사체(61)는 휴대전화기의 배면 하우징(60)과 메인 인쇄회로기판(63) 사이에 위치하며, 지지 플라스틱 프레임(62)에 의해 지지된다. 평면 복사체(61)와 메인 인쇄회로기판(63)은 서로 평행하게 설치되며, 메인 인쇄회로기판(63)에는 접지면이 형성되어 있다. 통상 내장형 안테나에서는 하나 이상의 단락핀(도시되지 않음)이 마련되는데, 단락핀은 복사체와 접지면을 상호 접속시킨다. 통상 단락핀은 급전핀(도시되지 않음)으로부터 서로 다른 거리에 위치한다. 급전핀의 한 단자는 복사체에 연결되고, 다른 하나는 메인 인쇄회로기판에 연결된다.

도4는 본 발명에 따른 3중대역 내장형 안테나의 구조도로서, 본 발명에 따른3중 대역 내장형안테나는, 링 안테나인 제1 복사체(100)와, 상기 링안테나 일부에 설치된 제2 복사체(101) 및 제3 복사체(103)와, 상기 링 안테나에서 링의 안쪽 슬롯에 수직으로 설치된 브랜치(103)와, 상기 브랜치(13) 하단에 설치된 급전핀(104)과, 상기 급전핀(104)과 다른 위치에 설치된 단락 핀(105)과, 상기 제1 복사체(100)와 제2 복사체 사이 설치된 제1 슬롯(110)과, 상기 제1 복사체(100)과 상기 제3 복사체(103) 사이에 설치된 제2 슬롯(111)으로 구성된다.

본 발명에 따른 3중 대역 내장형 안테나는 일반적인 링 안테나를 변형하고, 상기 링 안테나를 중심으로 내,외측에 변형된 역 F형 안테나를 형성한 것이다. 이를 도4를 참조하여 보다 구체적으로 살펴본다.

도면에서, 본 발명에 따른 안테나는 사각 형태의 평판인데, 이는 다양한 형태를 취할 수 있다. 본 발명은 변형된 링 안테나인 제1 복사체(100)를 포함하는데, 제1 복사체(100)는 2/3 정도만 일정 폭을 갖는 링 형상을 가지며, 링의 안쪽 슬롯에 수직으로 연장된 브랜치(103)를 포함한다. 상기 브랜치(103)의 자유 단부에는 단락핀(105)이 설치된다. 브랜치 라인이 가늘고 길수록 브랜치 라인이 가지는 고유 인덕턴스 성분이 증가하여 안테나의 전체적인 공진주파수를 감소시키고 또 대역폭을 조절할 수 있도록 하는 주요한 설계 파라미터가 된다. 이에 따라 링 안테나의 동작 주파수를 낮추어 실제 동작 주파수보다 더욱 낮은 곳에서 동작하게 할 수 있는데, 링 안테나는 0.5∼0.6λ 정도에서 동작한다.

상기 변형된 링 안테나인 제1 복사체(100)의 내/외측에는 각각 원형의 제1 슬롯(110) 및 제2 슬롯(111)을 형성하고, 상기 제1 슬롯(110) 및 제2 슬롯(111)의 내/외측에는 각각 다른 주파수에서 동작하는 제2 복사체(101) 및 제3 복사체(102)를 형성하여, 변형된 역 F형 안테나를 형성한다. 이에 따라 제1 복사체(100)의 외측에는 제2 복사체(101)가 형성되고, 제1 복사체(100)의 내측에는 제3 복사체(102)가 형성된다. 도면에서 제3 복사체(102)는 링의 안쪽 슬롯과 원형의 제2 슬롯(111)에 의해 전체적으로 일정 폭을 갖는 링 형상을 갖는다. 급전핀(104)은 상기 단락핀(105)과는 일정 거리를 두어 설치된다.

본 발명에서 링 안테나인 제1 복사체(100)의 동작 주파수(1.9GHz)는 대략 중심주파수의 0.35∼0.4λ 정도의 전기적인 길이에서 동작한다. 그리고, 800MHz 대역용인 제2 복사체(101)는 850MHz 중심주파수의 0.2λ 정도의 전기적인 길이에서 동작하며, 또한 1500MHz 대역용인 제3 복사체(102)는 1570MHz 중심주파수의 0.2λ 정도의 전기적인 길이에서 동작한다.

상기 링 안테나인 제1 복사체(100)의 폭(108)을 증가시키면 대역폭이 증가하는 반면에 동작 주파수가 낮아지므로, 본 발명에서는 소형의 구조에서 다중 대역을 구현하기 위해, 제1 복사체(100)의 폭(108)은 동작 주파수의 0.005∼0.01λ 사이에서 설계한다. 그리고 제1 복사체(100)와 제2 복사체(101) 사이에 형성된 제1 슬롯(110)의 간격(109)은 0.01λ 정도로 설계하고, 제1 복사체(100)와 제3 복사체(102) 사이에 형성된 제2 슬롯(111)의 간격(107)은 0.005λ 정도로, 상기 제2 복사체(100)의 폭은 0.03λ 정도, 제3 복사체(102)의 폭(106)은 0.01λ 정도로 설계한다. 상기 슬롯의 간격을 좁히면 링 안테나인 제1 복사체(100)의 동작 주파수가 더욱 감소하게 되므로, 주어진 환경에 따라 각각의 공진 주파수를 변화시키는 주요한 파라미터로 활용할 수 있다.

본 발명에 따른 안테나는 각각의 공진 주파수 대역에서 동작하는 복사체가 독립적으로 결정되므로, 각각의 복사체 중에서 필요에 따라 복사체를 선택적으로 사용할 수 있다. 예를 들어, 최근 북미에서 사용되는 GSM/DCS/US-PCS 삼중 대역의 경우 1800MHz 대역에서 매우 광대역의 특성이 필요한데, 본 발명에서 링 안테나와 링 안테나 외부 슬롯을 따라 구성되는 제3 복사체의 길이를 조절하여 DCS 대역 공진 특성으로 이동시켜 DCS/US-PCS 대역을 커버하거나, 제3 복사체를 빼고 제1복사체의 폭을 증가시킴으로써 1800MHz 대역에서 광대역 특성을 갖도록 하여 GSM/DCS/US-PCS 삼중 대역 내장형 안테나를 구성할 수 있다.

상기와 같은 본 발명에 의하면, 변형된 링 안테나와 변형된 역 F형 안테나를 결합하여, 3중 대역에 따른 크기 부담을 최소화하면서 매칭 유닛을 사용하지 않아도 충분한 특성을 발휘할 수 있는 장점이 있다.

도5는 본 발명에 따른 안테나의 전압정재파비(VSWR)를 설명하기 위한 그래프로서, 역 F형 안테나 기술만을 사용할 경우 2∼5% 정도의 대역폭(VSWR 2:1)을 기대할 수 있지만, 본 발명에서는 도5에 도시된 바와 같이 상용 대역폭을 커버할 수 있는 10% 이상의 대역폭을 확보할 수 있다.

Claims (7)

1. 중앙에 안쪽 슬롯을 가지며, 일정 부분이 일정 폭을 갖는 링 형상으로 이루어진 제1 복사체;

   상기 제1 복사체의 일정 위치에서 수직으로 일정 길이 연장된 브랜치;

   상기 브랜치에 설치된 단락핀;

   상기 단락핀과 다른 위치에 설치된 급전핀;

   상기 제1 복사체의 외측에 형성된 제1 슬롯에 의해 형성되는 제2 복사체; 및

   상지 제1 복사체의 내측에 형성된 제2 슬롯에 의해 형성되는 제3 복사체를 포함하는 다중대역 내장형 안테나.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 제1 내지 제3 복사체는 유전체 기판인 것을 특징으로 하는 다중대역 내장형 안테나.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 제1 내지 제3 복사체는 접착성 테이프로 고정 가능한 필름 인쇄회로기판(FPCB) 또는 동판인 것을 특징으로 하는 다중대역 내장형 안테나.
4. 제 2 항에 있어서,

   상기 제1 복사체는 중심주파수의 0.35∼0.4λ 정도의 전기적인 길이에서 동작하고, 상기 제2 및 제3 복사체는 각각 중심주파수의 0.2λ 정도의 전기적인 길이에서 동작하는 것을 특징으로 하는 다중대역 내장형 안테나.
5. 제 2 항에 있어서,

   상기 제1 복사체의 폭은 동작 주파수의 0.005∼0.01λ, 상기 제2 복사체의 폭은 동작 주파수의 0.03λ, 상기 제3 복사체의 폭은 동작 주파수의 0.01λ 정도에서 각각 결정되는 것을 특징으로 하는 다중대역 내장형 안테나.
6. 제 2 항에 있어서,

   상기 제1 슬롯의 간격은 0.01λ, 상기 제2 슬롯의 간격은 0.005λ 인 것을 특징으로 하는 다중대역 내장형 안테나.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 브랜치 라인의 폭과 길이를 조절해 상기 브랜치 라인의 고유 인덕턴스성분을 변화시킴으로써 안테나의 공진 주파수와 대역폭 특성을 조절하도록 한 것을 특징으로 하는 다중대역 내장형 안테나.