KR20050033074A - 안테나소자 및 휴대전화기 - Google Patents

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KR20050033074A
KR20050033074A KR1020057003233A KR20057003233A KR20050033074A KR 20050033074 A KR20050033074 A KR 20050033074A KR 1020057003233 A KR1020057003233 A KR 1020057003233A KR 20057003233 A KR20057003233 A KR 20057003233A KR 20050033074 A KR20050033074 A KR 20050033074A
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미쓰비시덴키 가부시키가이샤
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Abstract

하나의 전원 공급점을 통해 접지기판과 접속되는 평판형 안테나에, 각각 소정의 전기적 길이를 갖는 모노폴 안테나 및 선형 안테나 복수 개를 전원 공급점에 대해 직렬로 접속함으로써, 각 안테나의 전원 공급점을 하나로 하고, 이에 따라, 광대역성능, 복수 공진성능을 갖는 안테나소자를 얻는 것이다.

Description

안테나소자 및 휴대전화기{ANTENNA ELEMENT AND MOBILE TELEPHONE DEVICE}
본 발명은 복수의 주파수대역에 이용하는 휴대전화기의 안테나소자에 관한 것이다.
종래의 휴대전화기의 안테나에 대해서는, 모노폴(monopole) 안테나 및 헬리컬(helical) 안테나 등이 사용되고 있다. 또한, 이 구성 중에서, 안테나소자끼리 직접 접촉시켜서 도통시키는 구성으로서, 일본 특개평11-261318호 공보가 있다.
최근, 휴대전화는 PDC(Personal Digital Cellular)방식으로부터 CDMA(Code Division Multiple Access)방식으로 이행함에 있어서, PDC와 CDMA 쌍방을 사용할 수 있는 듀얼모드 휴대전화기의 개발이 진행되고 있다. 이들 방식은, 송수신하기 위하여 사용되는 전파의 주파수대역이 상이하지만, 임의의 주파수대역에서 정보통신을 행할 경우에는, 이들 주파수대역에서 임피던스 정합이 얻어지는 것이 필요하며, 일반적으로 사용 주파수대역에서의 VSWR(Voltage Standing Wave Ratio : 전압 정재파비)이 적어도 3이하가 되는 것을 목표로 하여 설계를 행하기 때문에, 각각의 사용 주파수대역에서 VSWR이 3이하가 되도록 설계할 필요가 있다. 그러나, 종래의 정합회로를 갖는 안테나에서는, 복수의 기능을 갖는 휴대 정보단말로서 사용되기 위해서는 VSWR이 3이하인 영역이 좁아서, 조정이 곤란하였다.
또한, 종래의 휴대전화기의 안테나 구성에서는, 2개 이상의 떨어진 주파수대역을 사용할 때에, 각각의 주파수에 대응한 안테나소자를 설치하고, 각각의 안테나소자에 대하여, 전원 공급을 행하기 위한 핀이나 스프링, 정합회로, 안테나 전환용의 스위치가 필요하다.
그러나, 최근의 휴대전화기에 대해서는 종단 사용자가 박형이며 소형인 휴대전화기를 좋아하는 경향이 있고, 주파수대역이 복수로 되면, 실장 면적이 증대하여 박형화ㆍ소형화에 역행하기 때문에, 상품 경쟁력이 저하한다고 하는 문제가 있다.
또한, 각각의 안테나소자에 정합회로를 설치하는 구성은, 정합회로에 사용되는 코일 및 콘덴서에서 손실이 발생하여, 전기신호의 전달 효율이 저하한다고 하는 문제가 있었다.
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 안테나소자의 평면도이고,
도 2는 본 발명의 실시예 1에 따른 안테나소자의 사시도이고,
도 3은 본 발명의 실시예 1에 따른 안테나소자의 특성을 나타내는 스미스 선도(Smith chart)이고,
도 4는 본 발명의 실시예 1에 따른 안테나소자의 특성을 나타내는 VSWR도이고,
도 5는 평판형 안테나만의 특성을 나타내는 스미스 선도이고,
도 6은 모노폴 안테나만의 특성을 나타내는 스미스 선도이고,
도 7은 종래의 안테나소자의 구성을 도시하는 도면이고,
도 8은 종래의 안테나소자의 특성을 나타내는 스미스 선도이고,
도 9는 종래의 안테나소자의 특성을 나타내는 VSWR도이고,
도 10은 본 발명의 실시예 1에 따른 안테나소자의 다른 구성을 나타내는 평면도이고,
도 11은 본 발명의 실시예 2에 따른 안테나소자의 평면도이고,
도 12는 본 발명의 실시예 2에 따른 안테나소자의 사시도이고,
도 13은 본 발명의 실시예 2에 따른 안테나소자의 특성을 나타내는 스미스 선도이고,
도 14는 본 발명의 실시예 2에 따른 안테나소자의 특성을 나타내는 VSWR도이다.
본 발명은, 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해 이루어진 것으로, 복수의 안테나에 대한 전원 공급점을 평판형 안테나의 한 점으로 하고, 상기 평판형 안테나의 단부에 복수의 폴 안테나를 설치함으로써, 가능한 한 전기신호의 전달에 의한 효율저하ㆍ안테나의 실장 면적을 억제하고, 복수의 주파수대역에서 VSWR이 3이하를 실현할 수 있는 안테나를 얻는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 안테나소자는, 소정의 전기적 길이를 가지는 평판형 금속으로, 전원 공급점을 통해 접지 기판과 접속되는 평판형 안테나와, 상기 전원 공급점에 대하여 상기 평판형 안테나와 직렬로 접속되는 상기 평판형 안테나의 전기적 길이와 상이한 전기적 길이를 갖는 모노폴 안테나와, 상기 전원 공급점에 대하여 상기 평판형 안테나와 직렬로 접속됨과 동시에, 상기 모노폴 안테나와 병렬로 접속되는 상기 평판형 안테나 및 상기 모노폴 안테나 각각의 전기적 길이와 상이함과 동시에, 서로 상이한 전기적 길이를 갖는 복수의 선형 안테나를 갖는 것이다.
[실시예 1]
본 발명의 실시예 1에 대해 설명한다. 본 발명은, 평판형 안테나의 한 점을 전원 공급점으로 하고, 상기 평판형 안테나에 복수의 상이한 전기적 길이를 갖는 폴 안테나, 선형안테나를 전원 공급점에 대하여 직렬로 접속함으로써, 가능한 한 전기신호의 전달에 의한 효율저하ㆍ안테나의 실장 면적을 억제하여, 복수의 주파수대역에서 VSWR이 3이하를 실현하는 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 안테나소자의 평면도이며, 도 2는 사시도이다. 각 도면에서, 11은 소정의 절연 기판 위에 금속층(예를 들어, 구리)을 퇴적하여 형성되는 접지기판이다. 13은 2GHz 대역에서 전기적 길이 약 λ2/8(λ2는 2GHz 전파의 파장, λ2 = 15cm)인 제1안테나 부분으로서의 평판형 안테나이다. 여기서, 평판형 안테나의 종횡의 길이를 각각 W1, W2로 한다. 여기서, 전기적 길이 λ2/8(=1.875cm)=W1+W2가 되도록 조정한다. 또한, 상기 평판형 안테나(13) 근처 위의 한 점(12)(이하, 전원 공급점이라 함)에 전원 공급을 행한다. 또한, 평판형 안테나(13)는 전원 공급점(12)에서 접지기판(11)에도 접속되어 있다. 이 전원 공급을 행한 평판형 안테나(13)에는, 전원 공급점(12)과는 별도의 단부에서 800MHz 대역에서 전기적 길이 약 λ800/4(9.375cm)=W1+W2+A(A는 모노폴 안테나의 길이)가 되도록 조정된 모노폴 안테나 14a가 접속된다. 마찬가지로, 평판형 안테나(13)에 접속된 1.5GHz 대역에서 전기적 길이 약 λ1.5/4(=5cm)=W1+W2+B1+B2(B1, B2는 각각 선형 안테나의 종횡의 길이)가 되도록 조정한 선형 안테나(15)와, 2GHz 대역에서 전기적 길이 약 λ2/4=W1+W2+C1+C2(C1, C2는 각각 선형 안테나(16)의 종횡의 길이)가 되도록 조정한 선형 안테나(16)를 전원 공급점(12)에 대하여 직렬 접속으로 되도록 평판형 안테나(13)와 접속한다. 평판형 안테나(13), 모노폴 안테나 14a, 선형 안테나(15, 16)의 재질은 예를 들어, 구리 등의 도체를 사용한다.
도 3은 도 1에 도시한 구성의 안테나 특성을 나타내는 스미스 선도이며, 도 4는 VSWR이다. 각 안테나의 크기는,
평판형 안테나(13) W1 : 10mm W2 : 5mm
모노폴 안테나 14a A : 78mm
제1선형 안테나(15) B1 : 4mm B2 : 26mm
제2선형 안테나(16) C1 : 2mm C2 : 21mm
도 3, 도 4에 대해 설명하기 전에, 비교를 위해 평판형 안테나소자 및 모노폴 안테나소자의 안테나 특성에 대해 설명한다. 도 5는 평판형 안테나만의 경우의 특성을 도시한 스미스 선도이다. 도 5에 도시한 것과 같이, 평판형 안테나(13)에 대해서는, 일반적인 임피던스의 기준이 되는 50Ω의 점을 중심으로 반원을 그리는 것과 같은 특성이 얻어질 수 있다. 공진점 근처의 주파수보다도 고주파에서는, 점 H로 도시한 것과 같이, 임피던스의 허수부가 양(+)의 값이 되고, 이에 대하여, 공진 점 근처의 주파수보다도 저주파에서는, 점 L로 도시한 것과 같이, 임피던스의 허수부가 음(-)의 값이 된다.
또한, 도 6은 모노폴 안테나만의 경우의 특성을 도시한 스미스 선도이다. 도 6에 도시한 것과 같이, 모노폴 안테나 14a에서는, 공진점 근처의 주파수보다도 높은 주파수에서는, 점 H로 도시한 것과 같이, 임피던스의 허수부가 음의 값이 된다. 이에 대하여, 점 L로 도시한 것과 같이, 공진점 근처의 주파수보다도 낮은 주파수에서는, 임피던스의 허수부가 양의 값이 된다.
그것에 대하여, 도 3의 스미스 선도에서 도시한 것과 같이, 본 발명의 실시예 1에서는 평판형 안테나(13)만의 경우인 도 5, 모노폴 안테나만의 경우인 도 6에 비해, 임피던스의 궤적이 중심점 50Ω근처에 가까운 부분이 증가하고, 각 안테나의 상호 작용에 의해 임피던스 정합이 얻어짐을 알 수 있다.
또한, 도 4에 도시한 VSWR의 주파수 특성과 같이, VSWR이 3이하가 되는 영역이 800MHz 근처 및 1.5∼2.5MHz에 걸쳐 넓혀져 있고, 종래에 비해 광대역성능, 복수 공진성능이 얻어짐을 알 수 있다. 도 3 및 도 4 중의 점 1∼7의 주파수는, 각각 점 1이 800MHz, 점 2가 1500MHz, 점 3이 2000MHz, 점 4가 696.5MHz, 점 5가 962MHz, 점 6이 1356MHz, 점 7이 2785MHz이다.
특정 주파수에서의 임피던스 및 VSWR에 대해 표 1에 나타낸다.
점 주파수[MHz] 안테나소자의 임피던스[ Ω] VSWR
실수부[ Ω] 허수부[ Ω]
1 800 54.906 6.124 1.198
2 1500 33.801 12.861 1.647
3 2000 121.91 -33.224 2.662
이 때, 도 4로부터 비대역폭(relative band width)을 구하면, 비대역폭은 800MHz 대역에서 32%이고, 1.5GHz∼2.0GHz 대역에 대하여 69%이었다. 여기서, 본 명세서 중에서, "비대역폭"이라 함은, VSWR이 3이하인 영역에 대한 비대역폭을 말하고, VSWR ≤3이 되는 주파수의 최대값을 f1, VSWR ≤3이 되는 주파수의 최소값을 f2로 하여, 중심 주파수 f0을,
f0=(f1+f2)/2로부터 구하고, 이 중심 주파수로부터,
비대역폭 = (f1-f2)/f0으로 하여 구한다.
비교를 위해, 종래의 안테나소자의 비대역폭에 대해 나타낸다. 도 7은 종래의 안테나소자의 회로도이다. 도 7에서, 상기 안테나소자는, 모노폴 안테나 14c, 코일(17), 스터브(stub)(18) 및 콘덴서(19)를 이용하여 구성되어 있다. 코일(17)은 6.8nH의 인덕턴스(inductance)를 갖는다. 콘덴서(19)는 4pF의 용량을 갖는다. 모노폴 안테나 14c는 길이 55mm(전기적 길이 3λ/8)이다. 이러한 정합회로를 갖는 안테나소자에 대하여, 주파수 1.5GHz에서 2.5GHz의 전파를 전원 공급점(12)으로부터 입력하고, 안테나소자의 임피던스, 스미스 선도 및 VSWR을 조정하였다. 특정한 점에 대하여 임피던스와 VSWR을 표 2에 나타낸다.
점 주파수[MHz] 안테나소자의 임피던스[ Ω] VSWR
실수부[ Ω] 허수부[ Ω]
201 1920 58 0 1.2
202 1980 44 3 1.3
203 2110 48 14 1.4
204 2170 48 -10 1.4
또한, 도 8은 종래의 안테나소자의 특성을 나타내는 스미스 선도, 도 9는 VSWR도이다. 도 8에 도시한 스미스 선도로부터, 종래의 안테나소자에서는, 주파수가 높은 영역과 낮은 영역에서 반사계수가 커지고 있음을 알 수 있다. 이에 대하여, 점 201 내지 점 204에서 도시한 것과 같이, 주파수 1.9GHz 이상 2.2GHz 이하인 범위에서는, 반사계수가 작아짐을 알 수 있다.
또한, 도 9로부터, VSWR이 3이하인 영역은 주파수가 1.78GHz 이상 2.22GHz 이하인 영역이다. 또한, 이러한 경우의 비대역폭은 약 22%이었다.
따라서, 종래의 안테나소자에 비해, 본 발명의 실시예 1에 따른 안테나소자는 2GHz 대역에서의 광대역화(비대역폭 69%)가 달성됨과 동시에, 800MHz에서도 광대역화(비대역폭 32%)가 달성되고 있음을 알 수 있다.
본 발명의 실시예 1과 같이, 평판형 안테나의 한 점을 전원 공급점으로 하여, 상기 평판형 안테나에 소정의 전기적 길이를 갖는 모노폴 안테나나 선형 안테나를 복수 접속함으로써, 광대역성능, 복수 공진성능을 얻을 수 있는 기구에 대해서는, 이론적으로는 아직 해명되지 않고 있지만, 실험적 사실이며, 재현성도 확인할 수 있다.
이 때, 전원 공급점의 위치에 대해서는 평판형 안테나의 외주의 한 점이면 어디라도 특성에 큰 영향을 주지 않는다. 또한, 모노폴 안테나 14a 및 선형 안테나(15, 16)의 위치에 대해서는, 도 1에서는 공간 생략의 목적으로 인해 동일한 단부에 접속하였지만, 상이한 단부에 배치하는 구성으로 하여도 특성상으로는 문제가 없다. 예를 들어, 모노폴 안테나 14a 대신에 도 10에 도시한 것과 같이, 휴대전화 본체의 측면이 되는 부분으로부터 선형 안테나 15a를 돌출하도록 평판형 안테나(13)에 접속하는 구성으로 하여도 좋다. 또한, 모노폴 안테나 14a 및 선형 안테나(15, 16)는 각각 상이한 주파수를 수신하기 위한 것이지만, 상기 각 안테나끼리 가능한 한 떨어지게 하는 것이 서로 간섭이 적다. 또한, 안테나는 접지기판(11)으로부터 가능한 한 떨어지는 것이 경험상 좋은 특성을 얻을 수 있다. 접지기판(11)은 중앙부가 삭제된 외주부만이어도 좋다.
이상과 같이, 본 발명의 실시예 1에서는, 평판형 안테나의 한 점을 전원 공급점으로 하여, 상기 평판형 안테나에 각각 소정의 전기적 길이를 갖는 모노폴 안테나 및 선형 안테나를 전원 공급점에 대하여 직렬로 접속함으로써, 각 안테나의 전원 공급점을 하나로 하고, 이에 따라 광대역성능, 복수 공진성능을 갖는 안테나소자를 얻는 것이다.
[실시예 2]
다음으로, 본 발명의 실시예 2에 대해 설명한다. 도 11은 본 발명의 실시예 2에 따른 안테나소자의 구성을 나타내는 평면도이다. 또한, 도 12는 동 사시도이다. 도 11, 도 12에 도시한 것과 같이, 상기 실시예 1과 상이한 점은 모노폴 안테나 대신에 헬리컬 안테나 14b를 구비하는 점이다. 그 외의 평판형 안테나(13), 선형 안테나(15, 16)에 대해서는 상기 실시예 1과 마찬가지이다.
헬리컬 안테나 14b는, 자신의 전기적 길이와 평판형 안테나(13)의 전기적 길이의 합이 800MHz 대역에서 전기적 길이 약 λ800/4로 되는 것이다. 이와 같이 구성된 안테나소자는 도 1에서 도시한 안테나소자와 마찬가지의 효과를 나타낸다.
도 13은 본 실시예 2에 따른 안테나소자의 안테나 특성을 나타내는 스미스 선도, 도 14는 VSWR도이다. 도 13에 도시한 것과 같이, 평판형 안테나(13), 헬리컬 안테나 14b, 선형 안테나(15, 16)의 각 안테나의 상호 작용에 의해 임피던스의 궤적이 중심점 50Ω근처에 모여 있고, 넓은 대역에서 임피던스 정합이 얻어짐을 알 수 있다.
이 때, 상기 실시예 1과 마찬가지로, 이러한 안테나간의 상호 작용에 대한 상세한 것은 이론적으로 해명되지 않고 있지만, 실험에 의한 재현성은 확인되고 있다.
이 때, 전원 공급점의 위치에 대해서는, 평판형 안테나의 외주의 한 점이면 어디라도 특성의 큰 영향을 주지 않는다. 또한, 헬리컬 안테나 14b 및 선형 안테나(15, 16)의 위치에 대해서는, 도 8에서는 공간 절약의 목적으로 인해 동일한 단부에 접속하였지만, 상이한 단부에 배치하는 구성으로 하여도 특성상으로는 문제가 없다. 또한, 헬리컬 안테나 14b 및 선형 안테나(15, 16)는 각각 상이한 주파수를 수신하기 위한 것이지만, 상기 각 안테나끼리 가능한 한 떨어지는 것이 서로 간섭이 적다. 또한, 안테나는 접지기판(11)으로부터 가능한 한 떨어지게 하는 것이 경험상 좋은 특성을 얻을 수 있다. 접지기판(11)은 중앙부가 삭제된 외주부 프레임만이어도 좋다.
특정 주파수에서의 임피던스 및 VSWR에 대해 표 3에 나타낸다.
점 주파수[MHz] 안테나소자의 임피던스[ Ω] VSWR
실수부[ Ω] 허수부[ Ω]
1 800 15.107 -30.817 4.758
2 1500 33.949 -28.624 2.154
3 2000 112.37 -25.873 2.425
도 14로부터 비대역폭을 구하면, 비대역폭은 1.5GHz∼2GHz 대역에서 56%이고, 종래의 안테나소자에 비해 광대역화할 수 있음을 알 수 있다. 또한, 800MHz에서의 VSWR은 3이상이 되지만, 도 14에서 보면, 800MHz의 고주파측 근처에서 VSWR 3 이하인 대역이 발생하고 있음을 알 수 있다.
이상과 같이, 본 발명의 실시예 2에서는, 하나의 전원 공급점을 통해 접지기판과 접속된 평판형 안테나에, 각각 소정의 전기적 길이를 갖는 헬리컬 안테나 및 선형 안테나 복수를 전원 공급점에 대해 직렬로 접속함으로써, 각 안테나의 전원 공급점을 하나로 하고, 이에 따라, 광대역성능, 복수 공진성능을 갖는 안테나소자를 얻는 것이다.
본 발명에 따른 안테나소자는 휴대전화기 등의 휴대정보 단말, 범용 무선기기, 특수 무선기기 등의 분야에서 이용할 수 있다.

Claims (8)

  1. 소정의 전기적 길이를 갖는 평판형의 금속에서 구성되고, 전원 공급점을 통해 접지기판과 접속되는 평판형 안테나와,
    상기 평판형 안테나의 전기적 길이와 상이한 전기적 길이를 가지며, 상기 평판형 안테나에 접속되는 모노폴 안테나와,
    상기 평판형 안테나 및 상기 모노폴 안테나 각각의 전기적 길이와 상이함과 동시에, 서로 상이한 전기적 길이를 가지며, 상기 평판형 안테나에 접속되는 복수의 선형 안테나를 구비하는 것을 특징으로 하는 안테나소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 평판형 안테나의 전기적 길이가 2GHz 대역에서 약 8분의 1 파장이며,
    상기 모노폴 안테나의 전기적 길이와 상기 평판형 안테나의 전기적 길이의 합이 800MHz 대역에서 약 4분의 1 파장이며,
    2개의 상기 선형안테나를 갖고 있고, 제1선형 안테나의 전기적 길이와 상기 평판형 안테나의 전기적 길이의 합이 1.5GHz 대역에서 약 4분의 1 파장이며, 제2선형 안테나의 전기적 길이와 상기 평판형 안테나의 전기적 길이의 합이 2.0GHz 대역에서 약 4분의 1 파장인 것을 특징으로 하는 안테나소자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 평판형 안테나는 사각형 형상을 갖고 있고, 상기 사각형의 제1정점 근처에 전원 공급점을 갖고 있음과 동시에,
    상기 모노폴 안테나, 상기 제1 및 제2선형 안테나는 상기 정점과 대향하는 근처 위에서 접속되는 것을 특징으로 하는 안테나소자.
  4. 제1항에 있어서,
    모노폴 안테나 대신에 헬리컬 안테나를 설치한 것을 특징으로 하는 안테나소자.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 평판형 안테나의 전기적 길이가 2GHz 대역에서 약 8분의 1 파장이며,
    상기 헬리컬 안테나의 전기적 길이와 상기 평판형 안테나의 전기적 길이의 합이 800MHz 대역에서 약 4분의 1 파장이며,
    2개의 상기 선형 안테나를 갖고 있고, 제1선형 안테나의 전기적 길이와 상기 평판형 안테나의 전기적 길이의 합이 1.5GHz 대역에서 약 4분의 1파장이며, 제2선형 안테나의 전기적 길이와 상기 평판형 안테나의 전기적 길이의 합이 2.0GHz 대역에서 약 4분의 1 파장인 것을 특징으로 하는 안테나소자.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 평판형 안테나는 사각형 형상을 갖고 있고, 전원 공급점을 상기 사각형의 하나의 정점 근처에 갖고 있음과 동시에,
    상기 헬리컬 안테나, 상기 제1 및 제2선형 안테나는 상기 정점과 대향하는 근처 위에 접속되는 것을 특징으로 하는 안테나소자.
  7. 소정의 전기적 길이를 갖는 평판형 금속으로, 전원 공급점을 통해 접지기판과 접속되는 평판형 안테나와,
    상기 전원 공급점에 대하여 상기 평판형 안테나와 직렬로 접속되는 상기 평판형 안테나의 전기적 길이와 상이한 전기적 길이를 갖는 모노폴 안테나와,
    상기 전원 공급점에 대하여 상기 평판형 안테나와 직렬로 접속됨과 동시에, 상기 모노폴 안테나와 병렬로 접속되는 상기 평판형 안테나 및 상기 모노폴 안테나 각각의 전기적 길이와 상이함과 동시에, 서로 상이한 전기적 길이를 갖는 복수의 선형 안테나를 포함하는 안테나소자를 구비하는 것을 특징으로 하는 휴대전화기.
  8. 제7항에 있어서,
    모노폴 안테나 대신에 헬리컬 안테나를 설치한 것을 특징으로 하는 휴대전화기.
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