KR200415547Y1

KR200415547Y1 - 휴대 무선 통신 장치에서의 위성 통신용 안테나 모듈

Info

Publication number: KR200415547Y1
Application number: KR2020060003127U
Authority: KR
Inventors: 민상보
Original assignee: 민상보
Priority date: 2006-02-03
Filing date: 2006-02-03
Publication date: 2006-05-03
Also published as: KR20070079761A

Abstract

본 고안은 휴대 무선 통신 장치에서의 위성 통신용 안테나 모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이동 및 휴대용 통신 단말기에서 GPS 또는 위성 DMB(Digital Multimedia Broadcasting System) 등의 위성 신호를 수신할 때 장착 위치나 수신 방향의 제약 없이 안정적인 신호 수신을 할 수 있도록 하는 휴대 무선 통신 장치에서의 위성 통신용 안테나 모듈에 관한 것이다.

본 고안에 따르면, 안테나부와 피더 기판부를 분리하여 제작함으로써 안테나 모듈의 구현이 간단하고 제품 적용이 용이하며, 피더 기판부에서 피더가 양면 이상의 다층 기판을 사용하여 안테나부와 결합됨으로써 안테나의 위상을 조정하여 원하는 빔폭 구현이 가능하고 증폭기와 같은 회로의 구성을 동일한 기판 내에서 모두 구성 가능하므로 구조가 간단하고 다양한 형태의 안테나 모듈을 구현할 수 있다.

QHA, 헬리컬, 안테나, 위성, DMB, GPS, 기판

Description

휴대 무선 통신 장치에서의 위성 통신용 안테나 모듈{Antenna module of mobile wireless devices for satellite communication}

도 1은 종래의 위성 통신용 패치 안테나를 나타낸 참고도,

도 2는 종래의 헬리컬 안테나를 나타낸 구조도,

도 3은 종래의 QHA 타입의 안테나를 나타낸 구조도,

도 4는 도 3에 따른 QHA 타입 안테나의 구성 형태를 나타낸 참고도,

도 5는 본 고안의 일 실시예에 따른 안테나 모듈을 나타낸 구조도,

도 6은 도 5에 따른 안테나 모듈의 다양한 구성 형태를 나타낸 구성도,

도 7은 도 5에 따른 안테나 모듈에 저잡음 증폭기를 결합한 구조의 다양한 형태를 나타낸 구성도,

도 8은 도 5에 따른 안테나 모듈의 안테나부와 피더 기판부의 결합을 나타낸 제 1 구조도,

도 9는 도 5에 따른 안테나 모듈의 안테나부와 피더 기판부의 결합을 나타낸제 2 구조도,

도 10은 본 고안의 일 실시예에 따른 안테나 모듈의 실장 형태를 나타낸 참고도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>

51 : 안테나부 52 : 안테나 패턴

53 : 피더 기판부 55 : 하우징

57 : 저잡음 증폭기 59 : 커넥터

83 : 잠금키 85 : 안테나 조립부 홈

95 : 잠금키 97 : 안테나 조립부 소켓

세계적으로 위성을 활용한 방송, 통신, 인터넷 산업이 폭발적으로 성장하고 있으며 이는 21세기 정보화 사회의 핵심 매체로 자리 잡아가고 있다. 이미 위성 안테나를 비롯하여 위성방송 수신 설비 산업이 발달하여 왔고, 이는 특히 최근의 GPS 분야 및 위성 DMB 분야에서 두드러지게 발전하고 있다. 또한 반도체의 발달과 통신 기술의 발달로 점차 소형화, 경량화되어감에 따라 그 응용 범위가 광범위해져 차량 용은 물론이고 개인 휴대용 장비에서의 GPS 및 DMB 수신 기능 등 그 사용이 일반화되어 가고 있는 추세이다.

종래의 위성 신호 수신을 위한 안테나의 대표적인 예로서 패치 안테나는 도 1에 도시된 바와 같이 평면 형상을 한 안테나를 말하며, 평면 속에 안테나 회로를 구성하고 있었다. 이러한 종래 방식은 작고, 가벼우며 가격이 저렴하고 집적이 쉽다는 장점이 있으나 지향성 안테나의 특성상 위성 신호 수신을 위해서는 안테나의 정면이 늘 위쪽을 향하도록 설치해야 하며 그에 따라 자동차의 경우 루프 또는 대쉬 보드 등에 장착되어야 하는 등과 같이 설치에 제약이 많다는 단점이 있었다. 이러한 설치의 제한은 디자인 적용시 한계를 가지며, 휴대할 경우 마찰이나 악세사리 및 장착 위치 등에 의하여 수신 레벨이 떨어질 수 있다는 문제점을 가진다.

이러한 문제점을 보완하기 위한 안테나로 등장한 것이 종래의 헬리컬 안테나(helix antenna)를 응용한 QHA(Quadrifilar Helix Antenna)이다. 도 2는 헬리컬 안테나의 구조를 나타낸 것으로, 도시된 바와 같이 헬리컬 안테나는 전기적으로 λ/4 파장의 길이를 갖는 스프링 형태로 된 코일(21)을 감고 있는 안테나를 말하는 것으로 동축 급전선의 중심 도체에 나선형의 도체를 연결하고 동축 케이블(23)의 외부 도체는 접지 평면(25)과 연결한 형태의 안테나이다. 헬리컬 안테나는 같은 주파수에서 다이폴 안테나 및 모노폴 안테나 등에 비해 훨씬 작은 크기로 구현될 수 있다는 장점을 가진다.

도 3은 종래의 QHA 타입의 안테나 구조를 나타낸 것으로, QHA 타입 안테나는 이동통신 단말기나 GPS 수신기와 같은 휴대 무선 통신 장치에서 위성 통신을 위해 사용되는 안테나의 한 형태이다. 안테나는 원형으로 편파되는 방사를 제공하며 단부가 단락된 1/4 파장 구조나 반파장 구조를 가지는 것으로 설계될 수 있다. 도면을 참조하여 설명하면, QHA는 급전부(31)와 단락부(37)를 형성하고 그 사이를 전기적으로 연결하기 위해 접지부(35)를 구성한다. 급전부와 단락부의 일면에 전기적으로 연결된 4개의 방사 소자(33)들을 포함하여 구성하며 급전부는 4개의 방사 소자에 90도의 위상차를 가지고 급전할 수 있도록 배열되어 원형으로 편파된 방사 패턴을 제공하게 된다.

이러한 QHA 타입의 안테나 장치는 도 4에서 (a), (b)에 도시된 바와 같은 형태로 구현될 수 있는데, (a)는 세라믹 원통 유전체에 안테나 패턴을 인쇄 및 에칭(etching)한 구조로, 개발 및 생산 시 안테나 패턴 구현이 난해하고 주파수 튜닝이 어려워 신규 제품 장착 시에 새로운 주파수 튜닝이 어렵고 이에 따른 고정 주파수 안테나의 사용으로 인한 디자인 적용의 한계를 가진다. 또한 발룬(balun) 또는 동축을 사용하여 피딩(feeding)하여 매칭하는 구조로 비용 부담의 문제점이 있다. (b)는 테프론 또는 얇은 박막 필름에 안테나와 피더를 인쇄하여 만든 구조로서 가격이 상대적으로 비싼 테프론을 사용하므로 비용상의 부담을 가지며, 유전율이 낮아 크기가 커지는 문제점이 있다.

상기한 바와 같은 헬리컬 안테나를 응용한 QHA 타입의 안테나는 현재 개발되어 유통되고 있는데 다이폴 안테나 및 패치 안테나에 비해 작고 컴팩트한 구조를 가지며 핸들링 및 그라운드 효과에 비교적 덜 민감하고 쉽게 형성될 수 있는 방사 패턴 및 광범위한 원편광빔을 가진다는 장점을 가진다. 그러나 그 구조가 복잡하고 주파수 매칭이 어려우며 특히 수신기 제품 적용시 주위 환경에 따른 주파수 변경에 있어서 수신 주파수 튜닝이 어렵다는 문제점이 있다. 또한 고정된 구조의 형태를 이루고 있어 제품 디자인 적용에 한계가 따른다.

따라서, 본 고안은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 고안의 목적은 위성 신호를 안테나의 장착 위치 및 수신 방향에 구애받지 않고 수신함으로써 이동 중에도 안정적인 신호 수신을 할 수 있도록 하는 휴대 무선 통신 장치에서의 위성 통신용 안테나 모듈을 제공하는 데 있다.

또한 본 고안의 다른 목적은 안테나와 피더 기판을 분리하여 제작함으로써 주파수 변경이 용이하고 새로운 제품 개발 시 적용 및 장착이 용이하도록 하는 데 있다.

또한 본 고안의 다른 목적은 구조가 간단하여 구현이 용이하고 다양한 형태의 안테나 모듈을 구현할 수 있도록 하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 고안의 휴대 무선 통신 장치에서의 위성 통신용 안테나 모듈은, 원통 기둥 형상의 유전체에 특정 극성을 갖는 네 개 이상의 헬리컬 안테나 패턴을 형성하고 있는 안테나부; 상기 안테나부로 전기에너지 를 공급하는 피더와 상기 안테나부에 대한 임피던스 매칭을 수행하는 매칭 회로를 구성하는 피더 기판부; 및 상기 안테나부와 상기 피더 기판부의 외형을 이루는 하우징;을 포함하여 구성된다.

이하, 본 고안의 일 실시예에 의한 위성신호 수신을 위한 휴대 무선 통신 장치에서의 위성 통신용 안테나 모듈에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 5는 본 고안의 일실시예에 의한 안테나 모듈의 구성을 개략적으로 나타낸 것으로, 도 (a)는 본 고안에 따른 기본적인 안테나 모듈 구조를 나타낸 것이고 도 (b)는 도(a)의 안테나 모듈에 저잡음 증폭기(LNA, Low Noise Amplifier)를 추가 구성한 구조를 나타낸 것이다.

안테나부(51)는 세라믹이나 알루미나와 같은 높은 유전율을 갖는 원통 기둥 형태의 유전체에 RHCP(Right Hand Circular Polarization) 또는 LHCP(Left Hand Circular Polarization)의 특정 극성을 갖는 네 개의 헬리컬 안테나 패턴(52)을 인쇄 또는 에칭하여 구현된다. 이때 헬리컬 안테나 패턴은 네 개 이상을 갖도록 구현될 수 있으며 네 개 이상의 안테나 패턴으로 구현할 경우, 안테나의 이득을 개선하고 두 개의 수신 주파수를 동시에 수신할 수 있도록 하는 듀얼 밴드 안테나에 적용할 수 있다.안테나부는 오직 안테나 패턴만을 형성하고 있으며, 그 패턴 구조를 통해 수신 신호의 극성(polarization)을 매칭하고 패턴의 길이를 조정함으로써 주파수를 맞출 수 있다. 이때 안테나부는 원통형 유전체로서 유전율이 높은 세라믹 또 는 알루미나를 사용하는 것이 바람직하며 이를 통해 안테나부의 소형화를 이룰 수 있다.

피더 기판부(53)는 기판(PCB, Printed Circuit Board)을 사용하여 그 위에 피더(feeder) 및 매칭 회로를 구성한다. 피더는 안테나부(51)로 전기에너지를 제공하는 역할을 수행하며 90도의 위상차를 가지는 위상 배열 4 입력 구조를 갖도록 설계하여 기판 위에 구현하는데, 보다 상세하게는 0, 90, 180, 270 도의 위상차를 갖는 피더를 기판의 유전율 및 기판의 특성을 고려하여 설계하고자하는 주파수 및 임피던스(impedence) 특성에 맞게 설계하여 기판 위에 구현하도록 한다. 안테나의 입출력 매칭 회로를 기판 위에 구현하고, 상기한 바와 같이 피더 및 매칭 회로가 설계된 피더 기판부를 안테나부와 조립 결합함으로써 최종의 안테나 모듈이 제작된다. 이때 매칭 회로는 송신 및 수신 장치의 임피던스에 대해 안테나부의 특정 임피던스를 매칭시키는 역할을 수행한다.

또한 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이, 안테나 모듈은 수신 신호를 증폭하기 위해 저잡음 증폭기(57)를 피더 기판부에 추가로 구성할 수 있다. 저잡음 증폭기(LNA, Low Noise Amplifier)는 위성으로부터 수신된 신호가 감쇄 및 잡음의 영향으로 인해 매우 낮은 전력 레벨을 가지고 있으므로 이를 증폭해야 하는데, 이때 잡음을 최소화하여 증폭하는 역할을 수행한다.

피더 기판부는 양면 또는 다층 기판을 사용하여 구현될 수 있으며, 기판은 안테나와 연동되는 증폭기 또는 수신 모듈의 구조나 형태 및 수신기 사용 기판에 따라 다양하게 사용될 수 있다. 또한 임피던스 매칭만 하는 경우, 기판의 종류에 상관없이 어느 기판을 사용해도 무방하며 사이즈의 소형화를 달성하기 위해 알루미나 및 에폭시 등을 사용하여 제작하며 기판의 형태는 원형 내지 사각의 형태등 다양한 형태로 구성될 수 있다.

하우징(55)은 안테나부와 피더 기판부로 구성된 안테나 모듈 내지 안테나부, 피더 기판부 및 저잡음 증폭기로 구성된 안테나 모듈의 외형을 이루는 것으로 도(b)와 같이 피더 기판부에 저잡음 증폭기가 추가 구성되는 경우, 저잡음 증폭기와 맞닿는 하우징의 일면에 커넥터(59)를 구비하여 저잡음 증폭기의 신호를 출력할 수 있도록 한다. 하우징은 본 고안의 안테나 모듈이 외부 영향에 상관없이 독립적인 동작을 수행하며, 바로 가져다가 조립하는 것만으로도 쉽게 사용할 수 있도록 안테나 모듈을 패키징한다.

상기한 바와 같이, 안테나부와 피더 기판부는 각각 설계 제작되고 이를 조립 결합하여 안테나부의 입출력 매칭 회로를 피더 기판부의 기판 위에 구현하는 것만으로 안테나 모듈이 제작된다. 보다 상세하게는 피더를 구성하고 있는 기판 위에 안테나의 입출력 매칭 회로를 구현하여 최종 안테나를 제작하고 수신 신호 증폭을 위한 저잡음 증폭기를 구현하여 전체적으로 안테나부와 피더 기판부 및 증폭기의 부분으로 각각 나뉘어 제작될 수 있다. 제작시 특정 주파수를 갖는 피더를 설계하고 튜닝(tuning)이 완료되면 이후 안테나의 패턴 길이 조정만으로도 주파수 튜닝이 가능하므로 제품 및 주위 회로에 맞게 주파수 튜닝을 할 수 있으므로 수신기에 대한 안테나 적용이 매우 간단해진다. 피더는 각 사용 주파수에 맞게 설계하여 적용하면 되므로 기판의 특성이나 재질이 변경되더라도 그 특성에 맞게 재설계하면 되 므로 제품 구현이 용이해진다.

본 고안의 안테나 모듈에서 안테나부와 피더 기판부는 다양한 형태의 구성을 가지고 구현될 수 있다. 도 6과 도 7은 각각 안테나 모듈의 다양한 구성 형태를 나타낸 것으로, 도 6은 기본적인 안테나 모듈의 구성으로 안테나부와 피더 기판부의 결합 구조를 나타낸 것이고, 도 7은 기본적인 안테나 모듈에 저잡음 증폭기를 추가 구성한 것으로, 안테나부, 피더 기판부 및 저잡음 증폭기의 다양한 결합 구조를 나타낸 것이다.

도 6과 도 7에 도시된 바와 같이 다양한 형태의 안테나 모듈 구현은 소형 위성 수신 단말기, PDA, PC, 소형 LCD 네비게이션 시스템 및 핸드폰 등과 같은 이동 수신 단말기에 장착할 경우 종래의 패치 안테나에 비해 접지에 의한 안테나의 특성이 덜 민감하여 장착의 운용 범위가 다양해진다. 또한 소형 단말기에 적용할 경우 안테나의 크기가 작아 제품의 소형화가 가능하고 제품 설계시에도 장착에 의한 영향이 미비하여 다양한 제품 디자인의 적용이 가능하다. 도 10은 안테나 모듈의 실장 형태를 나타낸 것으로서, 도(a)와 도(b)는 각각 외장형 안테나 실장 형태와 내장형 안테나 실장 형태를 보여주고 있다. 도시된 바와 같이 본 고안의 안테나 모듈은 다양한 형태의 구성이 가능하다. 보다 상세하게는 피더 기판부, 증폭기 및 수신용 엔진 등을 동일한 기판 위에 구현할 수 있고 이를 안테나부와 더불어 각각 분리하여 설계됨으로써 안테나 모듈의 형태를 일자, 기역자 또는 원형 및 사각형 등 여러 가지 형태로 구성 가능함으로써 다양한 디자인 적용 및 장착이 용이하며 따라서 제품 실장 시 적용 범위가 넓다.

안테나부와 피더 기판부의 효율적이고 안정적인 고정 및 장착을 위하여 안테나부와 피더 기판부는 도 8과 도 9에 도시된 바와 같은 구조를 가진다. 도 8과 도 9는 각각 안테나부와 피더 기판부의 고정 결합 구조를 나타낸 것으로, 도 8의 경우, 안테나부는 원통형 유전체(81)의 하부면에 요철 형태의 잠금키(83)를 형성한다. 이때 잠금키는 네 개의 헬리컬 안테나 패턴(82)의 위치에 각각 대응되도록 형성한다. 안테나부의 잠금키와의 조립을 위해 피더 기판부(89)는 각각의 잠금키에 대응하는 위치에 안테나 조립부 홈(85)을 형성하고, 안테나부의 잠금키가 안테나 조립부 홈과 결합하도록 함으로써 안테나부와 피더 기판부는 고정 결합하게 된다.

도 9의 경우, 안테나부와 피더 기판부의 결합을 위해 안테나부는 원통형 유전체(91)의 하부면에 네 개의 헬리컬 안테나 패턴(93)과 대응되도록 요철 형태의 잠금키(95)를 각각 형성하고, 피더 기판부(99)는 잠금키와의 결합을 위해 각각의 잠금키에 대응하는 위치에 안테나 조립부 소켓(97)을 형성하여 안테나부의 잠금키가 안테나 조립부 소켓에 삽입되어 고정 결합될 수 있도록 한다.

안테나부와 피더 기판부의 고정 결합 후 네 개의 헬리컬 안테나 패턴과 동일한 모양의 안테나 패턴을 피더 기판부에 구현하여 안테나 특성을 일괄적으로 구현하고 안테나부와 피더 기판부의 정확한 결합을 통해 위상 오차를 감소시킬 수 있다.

본 고안에 따른 안테나 모듈은 여러 가지 형태의 안테나 패턴을 구현하여 안테나의 방사 패턴과 주파수 및 이득 등 안테나의 전반적인 특성을 튜닝하여 구현하고자 하는 소형 QHA 타입의 안테나를 제작하며 이러한 방식으로 안테나 및 위성 수 신기의 튜너 또는 수신엔진에 안테나를 조립하여 안테나와 피더 및 증폭기 그리고 수신 튜너를 동일한 기판 위에 구현할 수 있으므로 사이즈의 소형화, 특성 개선 및 노이즈에 대한 안정성 및 원가 절감으로 인한 가격 경쟁력 등을 확보할 수 있는 안테나 모듈을 제조할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 고안에 의한 휴대 무선 통신 장치에서의 위성 통신용 안테나 모듈에 의하면, 안테나부와 피더 기판부를 분리하여 제작함으로써 안테나 모듈의 구현이 간단하고 제품 적용이 용이하다.

또한, 주파수 변경이 간단하여 새로운 주파수 밴드를 가진 안테나 개발이 용이하고 그에 따라 제품 개발 기간을 단축시킬 수 있다.

또한, 피더 기판부에서 피더는 양면 이상의 다층 기판을 사용하여 안테나부와 결합됨으로써 안테나의 위상을 조정하여 원하는 빔폭 구현이 가능하고 증폭기와 같은 회로의 구성을 동일한 기판 내에서 모두 구성 가능하므로 구조가 간단하고 다양한 형태의 안테나 모듈을 구현할 수 있다.

또한, 접지에 의한 안테나의 특성이 덜 민감하여 장착의 운용 범위가 넓고 특히 소형 단말기 적용시에 안테나의 크기가 작아 제품의 소형화가 가능하고 제품 설계시 장착에 의한 영향이 미비하여 다양한 제품 디자인 적용이 가능하다.

Claims

원통 기둥 형상의 유전체에 특정 극성을 갖는 네 개 이상의 헬리컬 안테나 패턴을 형성하고 있는 안테나부;

상기 안테나부로 전기에너지를 공급하는 피더와 상기 안테나부에 대한 임피던스 매칭을 수행하는 매칭 회로를 구성하는 피더 기판부; 및

상기 안테나부와 상기 피더 기판부의 외형을 이루는 하우징;

을 포함하여 구성하는 휴대 무선 통신 장치에서의 위성 통신용 안테나 모듈.
제1항에 있어서,

상기 피더 기판부는 수신 신호를 증폭하기 위한 저잡음 증폭기를 더 구성하는 것을 특징으로 하는 휴대 무선 통신 장치에서의 위성 통신용 안테나 모듈.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 안테나부는 세라믹 또는 알루미나 등과 같은 높은 유전율을 갖는 유전체를 이용하여 구현되는 것을 특징으로 하는 휴대 무선 통신 장치에서의 위성 통신용 안테나 모듈.
제3항에 있어서,

상기 안테나부는 원통형 기둥의 유전체 하단에 네 개의 헬리컬 안테나 패턴과 대응하는 위치에 요철 형태의 잠금키를 형성하여 상기 피더 기판부와 고정 결합하는 것을 특징으로 하는 휴대 무선 통신 장치에서의 위성 통신용 안테나 모듈.
제4항에 있어서,

상기 안테나부는 원통형 기둥 외곽면에 RHCP(Right Hand Circular Polarization) 또는 LHCP(Left Hand Circular Polarization)의 극성을 갖는 안테나 패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는 휴대 무선 통신 장치에서의 위성 통신용 안테나 모듈.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 피더 기판부는 상기 안테나부의 잠금키에 대응하는 위치에 안테나 조립부 홈 내지 안테나 조립부 소켓을 형성하여 상기 안테나부와 고정 결합하는 것을 특징으로 하는 휴대 무선 통신 장치에서의 위성 통신용 안테나 모듈.
제6항에 있어서,

상기 피더 기판부는 알루미나, 에폭시를 이용하여 구현되는 것을 특징으로 하는 휴대 무선 통신 장치에서의 위성 통신용 안테나 모듈.
제6항에 있어서,

상기 피더 기판부는 양면 또는 다층 기판으로 구현될 수 있는 것을 특징으로 하는 휴대 무선 통신 장치에서의 위성 통신용 안테나 모듈.
제6항에 있어서,

상기 피더 기판부는 원형, 사각형 또는 다각형의 다양한 형태의 기판을 사용하여 구현될 수 있는 것을 특징으로 하는 휴대 무선 통신 장치에서의 위성 통신용 안테나 모듈.