KR20050034172A - 이동통신단말기의 다중밴드용 내장형 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이동통신단말기에 내장되는 평면 안테나에 있어서, 유전체에 서로 다른 공진 주파수를 갖는 복수개의 패턴이 층을 이루며 겹치는 상태로 구비되어 주파수 대역폭에 대한 한계를 극복하고, 넓은 주파수 대역을 포괄하는 광대역 특성을 갖도록 한 것이다.

본 발명의 구성은, 유전체에 서로 층을 이루며 부착되어 신호의 입력과 방사의 기능을 수행하도록 복수개로 구비되는 소정의 패턴과; 상기 패턴으로부터 수신되는 신호를 입력하거나 출력하기 위하여 유전체의 일측에 구비되는 급전선로;로 이루어진 이동통신단말기의 다중밴드용 내장형 안테나 구조가 제공된다.

본 발명을 사용하게 되면, 단일 안테나가 가지고 있는 하나의 공진 주파수 대역폭에 대한 한계를 극복할 수 있고, 아울러 복수개의 주파수를 포괄하는 광대역 특성을 통해 새로운 인접 주파수들을 갖는 각종 통신서비스를 이용할 수 있게 된다.

Description

이동통신단말기의 다중밴드용 내장형 안테나{Built-in Type Antenna for Multi-Band of Mobile Communication Terminal}

본 발명은 이동통신단말기의 다중밴드용 내장형 안테나에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유전체에 서로 다른 공진 주파수를 갖는 복수개의 패턴이 서로 층을 이루며 구비되어, 상기 패턴의 설치 갯수에 따라 복수개의 공진 주파수를 형성하도록 한 것이다.

또한, 단일 안테나의 패턴이 가지고 있는 공진 주파수 대역폭의 한계를 극복하고, 나아가 공진 주파수를 포괄하는 광대역 안테나의 특성을 갖도록 한 것이다.

현재, 이동통신단말기에서 신호를 송수신하기 위한 안테나는, 신축형 안테나와 고정형 안테나가 대표적으로 사용되며, 내장형으로는 이동통신단말기의 슬림화에 맞추어 주로 평면 안테나가 사용되고 있다.

이러한 내장형 평면 안테나는 첨부된 예시도면 도 1에 도시된 바와 같이 소정의 길이와 두께를 갖는 유전체(10)의 일면에 안테나 기능을 갖는 하나의 패턴(12)이 프린트되는 상태로 부착되어 있다.

그리고, 상기 패턴(12)과 근접되는 위치에는 도전체로 이루어지는 급전선로(14)가 유전체(10)의 일면에 부착되어 있는데, 상기 급전선로(14)는 이에 국한되지 아니하고 유전체(14)의 내부에 내장될 수 있다.

그리고, 상기 패턴(12)과 급전선로(14)간에는 입력과 방사에 따른 신호연결을 위하여 유전체(10)를 뚫는 상태로 급전홀(16)이 형성되어 있으며, 참고적으로 급전선로(14)의 일 끝은 이동통신단말기에 내장된 안테나단자에 최종 연결된다.

이러한 내장형 평면 안테나는 대부분 3% ~ 7% 정도의 범위를 갖는 대역폭을 형성하고 있는데, 통상 10% ~ 15% 정도의 대역폭을 형성하는 외장형 안테나와 비교해 볼때, 상기 내장형 평면 안테나는 제작과 내장에 대한 한계로 인하여 외장형 안테나 보다 대역폭이 작게 형성되는 근본적인 문제점을 안고 있다.

이에 따라 첨부된 예시도면 도 2에 도시된 바와 같이 하나의 안테나에 하나의 공진 주파수(f0)가 설정되어 주파수 대역폭이 작음을 확인할 수 있다.

따라서, 현재 CDMA(Code Division Multiple Access), GSM(Group Special Mobile)와 같은 2세대 2.5세대 통신과, 향후 IMT-2000(International Mobile Teleccommunication-2000)과 같은 3세대 및 4세대의 발전을 눈앞에 두고 있는 현실에 비추어 볼때, 주파수 자원의 포화로 인하여 기존 주파수 이외에 새로운 인접 주파수들을 사용한 각종 통신서비스를 제공하게 된다.

이때 인접 주파수를 통한 통신서비스에 대해서는 주파수 대역폭이 작아 제공받을 수 없게 되고, 이로 인하여 사용자에게 불편함을 주는 문제점이 있다. 이에 따라 이동통신단말기에 내장이 가능하도록 소형으로 제작되면서 광대역폭을 갖는 새로운 안테나가 요구되었다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해 발명된 것으로, 유전체에 서로 상이한 주파수를 갖는 복수개의 패턴을 구비시켜 주파수 대역폭에 대한 한계를 극복하는 점에 목적이 있다.

또한, 복수개의 주파수를 포괄하는 광대역 특성에 의하여 새로운 인접 주파수들을 사용하고, 그에 따라 각종 통신서비스를 이용할 수 있도록 하는 점에 다른 목적이 있다.

나아가, 3세대 및 4세대와 같은 차세대 이동통신에서 요구되는 보다 넓은 대역의 주파수 재원을 확보하여 차세대 이동통신용 안테나로도 활용할 수 있도록 하는 점에 또 다른 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 유전체에 서로 층을 이루며 부착되어 신호의 입력과 방사의 기능을 수행하도록 복수개로 구비되는 소정의 패턴과; 상기 패턴으로부터 수신되는 신호를 입력하거나 출력하기 위하여 유전체의 일측에 구비되는 급전선로; 로 이루어진 이동통신단말기의 다중밴드용 내장형 안테나에 기술적 특징이 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 예시도면에 의거 상세히 설명하기로 한다.

첨부된 예시도면 도 3 및 4는 본 발명의 이동통신단말기의 다중밴드용 내장형 평면 안테나를 도시한 것이고, 도 5 및 도 6은 본 발명의 다중밴드용 내장형 평면 안테나의 다른 실시예를 도시한 것이다. 또한 도 7 및 도 8은 기생안테나의 기능이 구비된 본 발명의 다중밴드용 내장형 평면 안테나의 또 다른 실시예를 도시한 것이고, 도 9는 본 발명의 다중밴드용 내장형 평면 안테나가 가지고 있는 특성을 도시한 그래프이다.

[실시예 1]

첨부된 예시도면 도 3 및 도 4를 참조하면, 먼저 유전체(10)의 상층부와 하층부에는 서로 폭(W, W')을 달리하면서 안테나의 기능을 갖는 복수개의 패턴(20,22)이 서로 층을 이루며 구비된 구조이며, 상기 패턴(20)과 패턴(22) 사이의 유전체(10) 일측에는 급전선로(14)가 내장되어 있다.

또한, 상기 유전체(10)에는 급전선로(14)와 복수개의 패턴(20,22)이 서로 연결될 수 있도록 유전체(10)를 관통하는 급전홀(24,26)이 서로 일치하도록 형성되어 있다.

[실시예 2]

첨부된 예시도면 도 5 및 도 6을 참조하면, 유전체(10)의 상층부와 중층부에는 실시예 1과 마찬가지로 서로 폭(W, W')을 달리하는 복수개의 패턴(30,32)이 서로 층을 이루며 설치되어 있다.

이때 상기 패턴(32)은, 상기 패턴(30)이 가지고 있는 방향성과 다르게 형성되도록 상기 패턴(32)이 설치된 위치를 기준으로 하여 패턴(30)을 수평으로 이동시켜 서로 어긋나는 상태로 설치되어 있다.

그리고 상기 유전체(10)의 저면 일측에는 급전선로(14)가 형성되어 있고, 상기 패턴(30,32)과 급전선로(14)간에 형성된 각각의 급전홀(34,36)은 유전체(10)에 개별적으로 형성되어 있다.

[실시예 3]

첨부된 예시도면 도 7 및 도 8을 참조하면 유전체(10)의 상층부와 중층부에는 실시예 1과 마찬가지로 서로 폭(W, W')을 달리하는 복수개의 패턴(30,32)이 층을 이루며 설치되어 있다.

또한, 상기 유전체(10)의 저면 일측에는 급전선로(14)가 설치되어 있으며, 상기 유전체(10)에는 패턴(42)과 급전선로(14) 사이에 급전홀(44)이 형성되어 있다.

본 발명에 적용되는 유전체(10)는, 유전율이 통상 2.0 ~ 12.0이며, 유전율이 낮을 수록 안테나의 방사 효율이 우수하기 때문에 주로 유전율 5.0이하의 재질이 사용된다.

그리고 상기 유전체(10)의 두께는 대역폭과 비례하여, 그 두께가 두꺼울수록 대역폭이 증가한다. 그러나 그 두께는 보통 파장에 비례하여 값이 설정되며, 파장의 1%이하에서 두께가 결정된다.

예를들어 상세히 설명하면, 1GHz 중심주파수 안테나의 경우 파장이 30cm의 파장을 가지며, 1%인 3mm이하의 두께에서 유전체의 두께를 결정하게 된다. 그리고 2GHz 중심주파수 안테나의 경우에는 그 파장이 1.5cm의 파장을 가지게 되므로, 1.5mm 두께 이하에서 유전체의 두께가 정해지게 된다.

또한, 본 발명은 상기 패턴(20,22,30,32,40,42)이 서로 동일한 패턴을 형성하더라도 서로 다른 공진 주파수를 얻을 수 있는데, 이에 대하여 첨부된 예시도면 도 10(a,b,c)을 통해 구체적으로 설명하기로 한다.

먼저 실시예 1,2,3에 적용되는 패턴(20,22,30,32,40,42) 중 기준이 되는 어느 하나의 패턴(22,32,42) 중앙부를 지나는 중심선(o)의 총 길이가 패턴(22,32,42)의 총 길이이며, 이러한 중심선(o)은 가상의 선으로서 패턴의 형상이나 모양과는 무관하다.

상기 패턴(20,22,30,32,40,42)의 총 길이(Total Length: TL1,2,3로 약칭함)는 다음과 같이 구할 수 있다.

먼저 패턴(22,32,42)의 총 길이(TL1)는 다음과 같이 구할 수 있다.

TL1 = L1 + (L2 × 6) + (L3 × 5) + L4 0.49 ×

상기 패턴(20,30,40)의 총 길이(TL2)는 다음과 같이 구할 수 있다.

TL2 = L1 + (L2 × 6) + (L3 × 5) + L5 0.49 ×

상기 패턴(20,30,40)과 동일한 패턴을 이루면서 길이(L6)와 폭(W4)이 다른 패턴(20',30',40')에 대한 총 길이(TL3)는 다음과 같이 구할 수 있다.

TL3 = L1 + (L6 × 6) + L3 × 5 + L5 0.49 ×

(참고적으로, 유효파장) = ₀ ／ 이고, L은 패턴의 길이이다)

위 수식은 패턴의 선로폭(W1,W2,W4,W5)과 선간 간격폭(W3)에 따라서 공진주파수에 변동이 있으므로 상기 0.49라는 요인인자(Factor)는 실제 패턴의 제작시 조정(tuning)작업이 필요하다.

이러한 조정작업은 주로 가장 끝부분의 선로길이(L4,L5)을 가변적으로 조정하여 원하는 공진주파수를 얻을 수 있다.

상기 선로폭(W1,W2,W4,W5)은 패턴(20,22,30,32,40,42)의 입력 임피던스를 50오옴(Ω)으로 할 경우에 시스템 입력 임피던스와 별도의 정합회로가 필요치 않거나 간단한 정합과정을 통해서, 임피던스 매칭을 할 수 있으며, 따라서 상기 선로폭(W1,W2,W4,W5)의 조건에서 외부조건을 감안하여 트레드 오프(trade-off)과정으로 통해 결정할 수 있다.

예를들어, 상기 패턴(22,32,42)을 기준으로 정하여 공진주파수(f1)을 갖는다고 가정하고, 패턴(20,30,40)이 패턴(22,32,42)과 하나의 쌍으로 이루어서 본 발명의 실시예 1,2,3에 적용할 수 있다.

이때 상기 패턴(20,30,40)은, 패턴(22,32,42)과 다른 공진주파수(f2>f1)를 갖도록 하기 위해 선로길이(L5)를 줄여서 기준이 되는 패턴(22,32,42)의 총길이(TL1)보다 줄어든 총길이(TL2,TL3)를 갖는 패턴(20,30,40)로 구현된다. 참고적으로 패턴의 굴곡된 구조에서 두 선로간의 폭(W3)를 달리하는 방법도 미세하지만 새로운 공진주파수의 변화를 형성할 수 있다.

이에 따라 상기 복수개의 공진주파수(f1,f2)는 광대역 안테나를 구현하기 위해 최대한 이격시킬 수 있으나, 그 이격의 차이가 일정값을 넘어설 경우에는 복수개의 중간 값에서 방사효율이 떨어지게 되므로, 주파수 차이는 복수개 패턴의 5dB대역폭 절반의 합을 넘지 않도록 하는 것이 바람직하다.

첨부된 예시도면 도 11은 5dB 대역폭과 10dB 대역폭에 대하여 정의한 것으로, 각 대역폭의 정의는 리턴 로스(Return Loss)값이 - 5dB, - 10dB되는 지점의 시작 주파수와 끝 주파수간의 차이값을 의미한다. 우선 (가)지점에서의 복수개 그래프는 각각의 - 5dB 리턴 로스 값을 가지고 있으며, 이 부분에서 복수개의 신호를 합칠 경우에 - 10dB(=5dB+5dB)의 값을 가지게 된다.

그러나 이것은 이론적인 값이므로 설계시에 복수개의 - 5dB 대역폭의 반이 합보다 작은 범위에서 필요한 대역폭에 따라 요인인자(factor) 알파() 값을 설정한다. 즉 아래와 같은 수식으로 나타낼 수 있다.

공진주파수(f2, f1) < × (BW_1-5dB + BW_2-5dB) / 2

상기 BW_1-5dB는 패턴(22,32,42)의 대역폭이고, BW_2-5dB는 패턴(20,30,40)의 대역폭이며, 알파() 값은 0 < < 1 범위에서 그 값이 정해진다.

위와 같이 구성된 본 발명은 첨부된 예시도면 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 유전체(10)에 설치된 패턴(20,22)과, 도 5 및 도 6에 도시된 유전체(10)에 설치된 패턴(30,32)은, 어느 하나의 패턴(20,30)을 통하여 해당 신호가 입력되면, 입력되는 신호는 패턴(20,30)으로부터 다른 패턴(22,32)으로 전파가 유기된다.

그리고, 상기 패턴(20,22,30,32)에 유입된 신호는 각각의 급전홀(24,26,34,36)의 내부를 통하여 급전선로(14)에 인가되고, 이 급전선로(14)에 인가된 신호는 급전선로(14)와 연결되는 안테나단자에 최종 입력된다.

반대로 방사시에는 해당하는 패턴(22,32)으로 방사되는 신호가 다른 안테나(20,30)로 유기되어 방사를 모두 일으키게 된다.

이때, 공진 주파수가 서로 다른 패턴(20,22,30,32)간에 유기되는 신호는 약간의 손실이 발생하지만, 유기된 신호가 유기되는 패턴(20,22,30,32)의 주파수 특성에 맞는 다면 유기되는 패턴(20,22,30,32)을 통해서 신호를 받거나 보낼 수 있어 광대역 특성을 얻을 수 있게 된다.

첨부된 예시도면 도 7 및 도 8은 다중밴드용 내장형 안테나의 또 다른 실시예를 나타낸 것으로, 먼저 유전체(10)의 내부에 수용되어 설치되는 패턴(42)은 급전홀(44)에 의하여 급전선로(14)와 연결되어 있다.

또 다른 안테나(40 , 일반적으로 기생안테나, 기생소자라고 함)는 유전체(10)의 상층부에 고정되는데, 이때 급전홀(44)을 통해 급전선로(14)와 서로 연결되지 않는 구조를 이루고 있다.

따라서, 특정 안테나(42)만을 사용하는 것처럼보이지만 실질적으로는 급전선로(14)에 인가되는 신호가 급전홀(44)을 통하여 패턴(42)을 통해 방사될 때, 상기 안테나(42)와 동일한 공진 주파수를 가지는 주파수 신호는 패턴(40)으로 유기되면서 그에 따라 패턴(40)으로부터 유기된 신호가 대기중에 방사된다.

이때, 상기 패턴(40)과 안테나(42)로부터 방사되는 신호는 각각의 공진 주파수를 가지고 있어서 넓은 대역을 갖는 광대역 특성을 얻을 수 있게 된다. 반대로 신호입력 또한 방사와 동일한 역순으로 형성된다.

첨부된 예시도면 도 9는 다중밴드용 안테나 특성을 나타낸 그래프로서, 상기 각각의 패턴(20,30,42)이 가지고 있는 공진 주파수(f1)와 다른 패턴(22,32,42)이 가지고 있는 다른 공진 주파수(f2)로 인해 광대역 안테나 특성을 갖는 공진주파수(FO)를 얻게 된다.

위와 같이 본 발명의 서로 다른 공진 주파수를 갖는 복수개의 패턴이 서로 층을 이루며 설치되고, 그에 따라서 복수개의 공진 주파수를 형성함으로써, 단일 안테나가 가지고 있는 공진 주파수 대역폭에 대한 한계를 극복할 수 있다.

또한, 복수개의 주파수를 포괄하는 광대역 특성을 통해 새로운 인접 주파수들을 사용하는 각종 통신서비스의 이용이 가능한 효과가 있다.

나아가, IMT-2000을 비롯하여 광대역 안테나를 필요하는 각종 차세대 이동통신단말기에 적용이 가능하고, 보다 넓은 대역의 주파수 재원이 확보되어 차세대 이동통신의 안테나로 활용이 가능한 효과가 있다.

도 1은 일반적으로 이동통신단말기에 내장되는 안테나를 나타낸 사시도

도 2는 도 1에 도시된 안테나의 특성을 나타낸 그래프

도 3은 본 발명의 이동통신단말기의 다중밴드용 내장형 안테나를 도시한 사시도

도 4는 도 3의 A-A선으로 절개한 단면도

도 5는 본 발명의 다중밴드용 내장형 안테나의 다른 실시예를 도시한 사시도

도 6은 도 5의 B-B선으로 절개한 단면도

도 7은 본 발명의 다중밴드용 내장형 안테나의 또 다른 실시예를 도시한 사시도

도 8은 도 7의 C-C선으로 절개한 단면도

도 9는 본 발명에 대한 다중밴드용 내장형 안테나의 특성을 도시한 그래프

도 10(a,b,c)는 본 발명의 다중밴드용 내장형 안테나에 대한 패턴을 도시한 평면도

도 11은 5dB 대역폭과 10dB 대역폭에서 본 발명의 안테나의 특성을 도시한 그래프

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 유전체 12,20,22,30,32,40,42 : 패턴

14 : 급전선로 16,24,26,34,36,44 : 급전홀

Claims (5)

1. 유전체에 서로 층을 이루며 부착되어 신호의 입력과 방사의 기능을 수행하도록 복수개로 형성되는 패턴과;

   상기 패턴으로부터 수신되는 신호를 입력하거나 출력하기 위하여 유전체의 일측에 구비되는 급전선로; 로 이루어진 것을 특징으로 하는 이동통신단말기의 다중밴드용 내장형 안테나.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 유전체에는 급전선로와 패턴간에 신호 연결을 위하여 각각의 급전홀이 형성되는 것을 특징으로 하는 이동통신단말기의 다중밴드용 내장형 안테나.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 패턴간에는 방향성이 다르게 형성되도록 어느 하나의 패턴을 기준으로 하여 다른 패턴을 수평으로 이동시켜 서로 어긋나도록 설치되는 것을 특징으로 하는 이동통신단말기의 다중밴드용 내장형 안테나.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 패턴과 패턴은 공진 주파수를 다르게 하기 위하여 선로폭이 서로 다르게 형성되는 것을 특징으로 하는 이동통신단말기의 다중밴드용 내장형 안테나.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 패턴과 패턴은 공진 주파수를 다르게 하기 위하여 패턴의 중앙부를 지나가는 중심선의 총 길이가 서로 다르게 형성되는 것을 특징으로 하는 이동통신단말기의 다중밴드용 내장형 안테나.