KR20060094603A

KR20060094603A - 유전체 칩 안테나

Info

Publication number: KR20060094603A
Application number: KR1020050015740A
Authority: KR
Inventors: 곽원일; 박성욱
Original assignee: 한국정보통신대학교 산학협력단
Priority date: 2005-02-25
Filing date: 2005-02-25
Publication date: 2006-08-30
Also published as: US20060192713A1; US7170456B2; KR100707242B1

Abstract

본 발명은 안테나의 길이 방향의 측면 금속도체를 이용하는 유전체 칩 안테나에 관한 것이다. 이러한 유전체 칩 안테나는 안테나의 길이방향의 측면에 금속도체를 설계하여 인쇄회로기판의 금속도체, 즉 접지와 안테나 사이의 커플링 효과를 통해 안테나 공진 특성을 유도하고, 안테나가 차지하는 공간을 최소화하도록 하며, 역F형 안테나와 모노폴 안테나의 이론적인 급전 구조를 변형 및 응용하여 사용자의 다양한 욕구 충족에 만족할 수 있도록 사용 환경 적용을 위해 다양한 안테나 구조를 제시하고 있다.

유전체 칩 안테나, 측면 금속도체, 비아홀, 공진주파수, 안테나의 방사 특성

Description

유전체 칩 안테나{ DIELECTRIC CHIP ANTENNA }

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 유전체 칩 안테나의 구조를 도시한 것이다.

도 2 및 도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 유전체 칩 안테나의 측면도와 정면도를 각각 도시한 것이다.

도 4는 도 1의 인쇄회로기판의 전체 구조를 도시한 것이다.

도 5 및 도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 유전체 칩 안테나의 상면 금속도체와 하면 금속 도체를 각각 도시한 것이다.

도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 유전체 칩 안테나의 구조를 도시한 것이다.

도 8 및 도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 유전체 칩 안테나의 상면 금속도체와 하면 금속도체를 도시한 것이다.

도 10은 본 발명의 제3 내지 제5 실시예에 따른 유전체 칩 안테나의 구조를 도시한 것이다.

도 11 및 도 12는 본 발명의 제3 내지 제5 실시예에 따른 유전체 칩 안테나의 인쇄회로기판의 상면 금속도체와 하면 금속도체를 각각 도시한 것이다.

도 13과 도 14는 본 발명의 제3 실시예에 따른 유전체 칩 안테나의 상면 금 속도체와 하면 금속도체를 각각 도시한 것이다.

도 15와 도 16은 본 발명의 제4 실시예에 따른 유전체 칩 안테나의 상면 금속도체와 하면 금속도체를 각각 도시한 것이다.

도 17과 도 18은 본 발명의 제5 실시예에 따른 유전체 칩 안테나의 상면 금속도체와 하면 금속도체를 각각 도시한 것이다.

도 19는 본 발명의 제1 실시예에 따른 유전체 칩 안테나의 Agilent E8357A (300KHz ∼ 6GHz) PNA 시리즈 네트워크 분석기(Series Network Analyzer)를 이용하여 측정한 특성을 도시한 것이다.

도 20 및 도 21은 본 발명의 제1 실시예에 따른 유전체 칩 안테나의 방사 패턴 특성을 각각 도시한 것이다.

도 22는 본 발명의 제2 실시예에 따른 유전체 칩 안테나의 Agilent E8357A (300KHz ∼ 6GHz) PNA Series Network Analyzer를 이용하여 측정한 리턴로스 특성을 도시한 것이다.

도 23은 본 발명의 제2 실시예에 따른 유전체 칩 안테나의 방사패턴 특성을 도시한 것이다.

도 24는 본 발명의 제3 실시예에 따른 유전체 칩 안테나의 Agilent E8357A (300KHz ∼ 6GHz) PNA Series Network Analyzer를 이용하여 측정한 리턴로스 특성을 도시한 것이다.

도 25은 본 발명의 제4 실시예에 따른 유전체 칩 안테나의 Agilent E8357A (300KHz ∼ 6GHz) PNA Series Network Analyzer를 이용하여 측정한 리턴로스의 특 성을 도시한 것이다.

도 26은 본 발명의 제4 실시예에 따른 유전체 칩 안테나의 방사 특성을 도시한 것이다.

도 27은 본 발명의 제5 실시예에 따른 유전체 칩 안테나의 Agilent E8357A (300KHz ∼ 6GHz) PNA Series Network Analyzer를 이용하여 측정한 리턴로스 특성을 도시한 것이다.

본 발명은 소형화를 위한 유전체 칩 안테나에 관한 것으로, 특히 일반적인 내장형 안테나보다 소형화할 수 있고, 공진주파수를 효율적으로 낮추고 안테나 효율을 개선시키기 위한 유전체 칩 안테나에 관한 것이다.

이동통신 서비스를 위한 안테나는 안테나는 주변 환경에 따라 특성이 민감하게 변화하는 수동소자로서, 기지국, 중계기, 또는 무선통신 장치에 부착된 안테나 등의 외부에서 전파를 수신하거나 통신기기에서 발생한 전기적인 신호를 외부로 전달하는 역할을 한다. 이러한 안테나들의 대표적인 모델은 모노폴(Monopole) 형태로서 대략 파장의 1/4 정도 길이를 가지고 있다.

현재 이동통신 기기에 사용되는 안테나는 외장형 안테나에서 내장형 안테나로 진화하고 있으며, 휴대 단말기가 점차 소형화되면서 단말기 내의 안테나 점유 공간은 점점 제약을 받아 축소되고 있다.

이동통신 기기에 사용되는 내장형 안테나는 인쇄회로기판(PCB) 상의 금속 도체를 충분히 이용하지 못하고 있어 안테나의 크기가 작더라도 안테나 특성상 필요로 하는 점유 공간이 크고, 또 하나의 PCB 상에 같은 파장을 가진 안테나를 사용하면 안테나 사이의 위상의 간섭에 의해 그 특성이 저하되는 문제점이 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 안테나가 차지하는 공간을 최소화 하면서 안테나 특성을 최대화 할 수 있는 유전체 칩 안테나의 다양한 구조를 제시하는 유전체 칩 안테나를 제공하는 것이다.

이러한 과제를 해결하기 위해 본 발명은 안테나의 길이방향의 측면과 접지 사의 간격을 통해 공진주파수를 효율적으로 유도하고, 인쇄회로기판의 실장 기법을 개선시키도록 하는 칩 구조를 갖는다.

본 발명의 특징에 따른 유전체 칩 안테나는, 급전을 위해 소정 패턴의 급전 라인이 형성되고, 상면 금속도체와 하면 금속도체가 전기적으로 단락되며, 안테나가 실장되는 인쇄회로기판; 상기 인쇄회로기판의 상면 금속도체에 형성되어 급전을 담당하는 제1 금속도체; 상기 제1 금속 도체와 상기 안테나의 급전 부분을 전기적으로 단락시키고 상기 안테나를 고정시키는 제2 금속도체; 상기 안테나의 접지 부분을 전기적으로 단락시키고 상기 안테나를 고정시키는 제3 금속도체; 상기 안테나의 길이 방향의 측면에 형성되어 접지와 안테나 사이의 안테나 커플링 효과를 통해 안테나 공진 특성을 유도하는 제4 금속도체; 상기 상면 금속도체와 하면 금속도체 에 형성되어 상기 상면 금속도체와 하면 금속도체를 전기적으로 단락하기 위해 상기 안테나의 상하면 금속도체를 원형 또는 반원형으로 관통하고 그 측면이 금속으로 도포된 비아홀; 상기 안테나의 상면 금속도체와 하면 금속도체를 연결하는 비아홀이 제거되면 상하면 연결을 위해 사용하는 제5 금속도체; 상기 상면 및 하면 금속도체에 각각 형성되어 상기 제4 금속도체를 형성하도록 하며, 안테나의 입력 임피던스를 조절하도록 하는 제6 및 제7 금속도체를 포함한다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.

먼저, 본 발명의 제1 실시예에 따른 유전체 칩 안테나에 대하여 도 1 내지 도 5을 참고로 하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 유전체 칩 안테나의 구조를 도시한 것이고, 도 2 및 도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 유전체 칩 안테나의 측면도와 정면도를 각각 도시한 것이다.

그리고, 도 4는 도 1의 인쇄회로기판의 전체 구조를 도시한 것이고, 도 5 및 도 6는 본 발명의 제1 실시예에 따른 유전체 칩 안테나의 상면 금속도체와 하면 금 속 도체를 각각 도시한 것이다.

도 1 내지 도 6에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 유전체 칩 안테나는, 다층의 레이어로 구성되는 인쇄회로기판(PCB)은 급전을 위해 소정 패턴의 급전 라인이 형성되고 상면 금속도체(Top Plane, TP)와 하면 금속도체(Bottom Plane, BP)가 전기적으로 단락되어 있으며, 상부에 안테나(Antenna, AT)가 실장되어 있다.

먼저, 인쇄회로기판의 상면 금속도체에는 급전을 담당하는 제1 금속도체(1), 제1 금속도체(1)와 안테나의 급전 부분을 전기적으로 단락시키면서 안테나를 고정시키는 제2 금속도체(2), 안테나(AT)의 접지 부분을 전기적으로 단락시키면서 안테나를 고정시키는 제3 금속도체(3), 안테나의 길이 방향의 측면에 형성되어 접지와 안테나 사이의 안테나 커플링 효과를 통해 안테나 공진 특성을 유도하는 제4 금속도체(4), 제4 금속도체(4)를 형성하도록 하며 제7 금속도체(10)와 함께 폭 조절을 통해 안테나의 입력 임피던스를 조절하도록 하는 제6 금속도체(8)가 형성되어 있다.

다음, 인쇄회로기판(PCB)의 하면 금속 도체에는 제4 금속도체를 형성하도록 하면서 제6 금속도체(8)와 폭 조절을 통해 안테나의 입력 임피던스를 조절하도록 하는 제7 금속도체(10), 그 외에도 제8 금속 도체(7), 제9 금속도체(9), 안테나 급전을 위한 제10 금속도체(11)가 형성되어 있다.

제7 금속도체(10)는 제2 금속도체(2)와 전기적으로 단락되어 안테나를 고정하는 역할을 병행하고 있다.

또한, 상면 금속도체(TP)와 하면 금속도체(BP)에는 상면 금속도체와 하면 금속도체를 전기적으로 단락하기 위해 상면 및 하면 금속도체를 원형 또는 반원형으로 관통하고 그 측면이 금속으로 도포된 비아홀(5, 6)과, 상기 비아홀(5)이 제거되면 상면 및 하면 금속도체를 전기적으로 단락시키는 제5 금속도체(12)가 형성되어 있다.

이때, 비아홀(5, 6)은 제5 금속도체(12)와 선택적으로 사용 가능한 제1 비아홀(5), 및 각 비아홀의 좌우 위치 변화에 따라 안테나의 방사 패턴 모향을 변화하게 하는 제2 비아홀(6)로 구분될 수 있으며, 제1 비아홀(5), 제7 금속도체(10), 제5금속도체(12)를 제거하고 제7 금속도체(10) 일측에 접지용 금속도체, 일측에 급전용 금속도체를 단락하여 사용 할 수 있다.

한편, 제4 금속도체(4)는 제5 금속도체(12)를 사용하고 제1 비아홀(5)이 제거되면 "L"자 형태로 형성되고, 제5 금속도체(12)가 제거되고 제1 비아홀(5)이 사용되면 "ㄷ"자 형태로 형성되며, 금속도체(5, 11, 12)을 제거 시 "-"자 형태로 형성된다.

본 발명의 제1 실시예에서는 안테나의 길이방향과 접지 사이의 간격을 통해 공진주파수를 효율적으로 낮추고 인쇄회로기판 실장법을 개선시키는 것이지만, 이와는 달리 제2 실시예에서는 인쇄회로기판에 인쇄(printed) 형식을 적용하여 설계한 것이고, 제3 내지 5 실시예에서는 다중 대역에서의 공진을 유도하고 안테나 효율을 개선시키기 위해 안테나 측면을 이용하는 것이다.

아래에서는 이러한 실시예에 대하여 도 7 내지 도 18을 참조하여 상세하세 설명한다.

도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 유전체 칩 안테나의 구조를 도시한 것이고, 도 8 및 도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 유전체 칩 안테나의 상면 금속도체와 하면 금속도체를 도시한 것이다.

도 7 내지 도 9에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 유전체 칩 안테나는, RF모듈에서 직접 공급되는 신호선과 전기적으로 단락되는 금속도체(13)와 안테나 급전을 위한 금속도체(17)가 단락되어 급전되는 부분, 또 금속도체(17)은 제1 실시예의 제4 금속도체(4)와 동일한 기능을 수행하지만 안테나와 접지 사이의 금속도체를 통해 소형화와 공진 특성을 유도할 수 있다는 점을 제외하고 제1 실시예와 동일한 구조를 가진다.

도 10은 본 발명의 제3 내지 제5 실시예에 따른 유전체 칩 안테나의 구조를 도시한 것이고, 도 11 및 도 12는 본 발명의 제3 내지 제5 실시예에 따른 유전체 칩 안테나의 인쇄회로기판의 상면 금속도체와 하면 금속도체를 각각 도시한 것이다.

또한, 도 13과 도 14는 본 발명의 제3 실시예에 따른 유전체 칩 안테나의 상면 금속도체와 하면 금속도체를 각각 도시한 것이고, 도 15와 도 16은 본 발명의 제4 실시예에 따른 유전체 칩 안테나의 상면 금속도체와 하면 금속도체를 각각 도시한 것이며, 도 17과 도 18은 본 발명의 제5 실시예에 따른 유전체 칩 안테나의 상면 금속도체와 하면 금속도체를 각각 도시한 것이다.

도 10 내지 도 18에 도시된 바와 같이, 제3 내지 제5 실시예에서는 신호선과 전기적으로 단락되는 금속도체(23)와 금속도체(24), 금속도체(40), 금속도체(53), 금속도체(69)가 단락되어 급전을 하고 있다.

제3 내지 제5 실시예에 따른 유전체 칩 안테나는 모노폴 안테나의 이론적인 급전 구조를 변형 및 응용하고 있지만, 구조적인 측면에서 안테나의 길이방향의 측면에 금속도체(26), 금속도체(42), 금속도체(58)을 사용하여 안테나 방사 효율을 높일 있다.

이때, 제3 내지 제5 실시예에 따른 유전체 칩 안테나는 안테나 구조에 따라 금속 도체의 적용 구조를 서로 다르다.

다음, 도 19 내지 도 27을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 유전체 칩 안테나의 동작에 대하여 자세하게 설명한다.

먼저, 본 발명의 제1 내지 제5 실시예에 따른 유전체 칩 안테나의 급전 구조를 살펴보면, CPW(Co-Planar Waveguide) 또는 마이크로스트립 라인(Microstrip line)이 인쇄회로기판(PCB) 상에 형성되고, RF 모듈에서 직접 공급되는 신호선과 전기적으로 단락되는 각각의 금속도체와 안테나 급전을 담당하는 금속도체를 단락시켜 급전하고 있다.

제1 실시예와 제2 실시예에서는 기존의 역F형 안테나의 이론적인 급전구조를 변형 및 응용하여 적용한 것이고, 제3 내지 제5 실시예에서는 기존의 모노폴 안테나의 이론적인 급전 구조를 변형 및응용하여 적용한 것이지만, 본 발명의 제1 내지 제5 실시예의 유전체 칩 안테나는 기존의 안테나 보다 소형화 할 수 있는 장점이 있다.

일반적으로 안테나의 인쇄회로기판(PCB)은 다층의 레이어(layer)로 구성되며, 각 층의 레이어는 원통형 또는 반원통형의 비아홀(Via Hole)을 사용하여 연결된다. 이러한 인쇄회로기판은 안테나의 접지로 이용되고, 상면 금속 도체와 하면의 금속도체가 전기적으로 단락되어 있다.

본 발명의 실시예에서는 안테나가 위치하는 인쇄회로기판(PCB)의 상부면의 금속도체를 제거하고, 안테나와 접지 사이 간격의 전기적인 효과로 인해 안테나 공진 특성을 향상시키면서 안테나가 차지하는 공간을 줄이게 될 뿐만 아니라 인쇄회로기판 상의 금속 도체를 이용하여 안테나 실장의 편의성을 개선 할 수도 있다.

본 발명의 제1 실시예에서는 기존의 내장형 안테나와 달리 안테나의 길이 방향의 측면에 제4 금속도체(4)를 이용하여 인쇄회로기판 상의 금속도체, 즉 접지와 안테나 사이 커플링 효과를 통해 안테나 공진 특성을 유도하고 안테나가 차지하는 공간을 최소화하면서 안테나를 소형화 하게 된다.

본 발명의 제2 실시예에서는 금속도체(17)이 제1 실시예의 제4 금속도체(4)와 동일한 기능을 수행하고, 본 발명의 제3 내지 제5 실시예에서는 안테나의 가로 방향의 측면에 설계된 금속도체(26, 42, 58)를 사용하여 안테나 방사 효율을 높이게 된다.

본 발명의 제1 내지 제5 실시예에서 비아홀(5, 6)은 이동 통신 서비스 적용을 위해 안테나의 상면 및 하면을 원형 또는 반원형 모양으로 관통하고, 이렇게 관통된 원통형 또는 반원통형 비아홀의 측면을 금속으로 도포하여 상면 금속 도체와 하면 금속도체를 전기적으로 단락시킨다.

비아홀(5, 6)은 안테나 직육면체 유전체(solid) 형태로 설계된 경우에 원통형 또는 반원통형으로 형성되지만, 상면 금속도체와 중간면 금속도체가 공기층으로 형성된 경우에 비아홀이 아닌 금속도체의 단순한 전기적 단락으로 사용할 수도 있다.

위에서 설명한 안테나의 구조는 사용자의 다양한 욕구 충족에 적합한 이동통신 서비스를 제공하기 위해 사용자의 사용 환경에 적용할 수 있도록 다양한 구조 변경 가능하고, 안테나가 차지하게 되는 점유 공간이 최소화 되며, 그로 인해 일반 내장형 안테나보다 소형화 되어 다양한 제품에 적용이 가능하다.

내장형 안테나의 경우에 설계와 제작에서 발생하는 오차로 인해 공진주파수가 원하는 튜닝 지점에 일치하지 않는 경우가 종종 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에서는 공진주파수를 원하는 주파수로 맞추기 위한 튜닝 작업을 원활하게 하기 위해 여러 개의 튜닝 지점(tuning point)를 가지고 있다. 또, 인쇄회로기판 상에 설계된 금속도체도 튜닝 지점을 가지고 있어서 인쇄회로기판을 최대한 활용하면서 안테나를 소형화시키고 공진특성을 향상 시킬 수 있는 장점이 있다.

이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 유전체 칩 안테나는 다양한 튜닝 지점을 가지고 있어 필요한 사용 주파수 대역에서의 선택적 사용이 가능하고, 또 각각의 공진 대역에서의 성능이 좋고 방사 패턴도 omni-direction하다.

도 1을 참고하면, 제1 금속도체(1)는 50 Ohm 설계를 기본으로 하고 있고, 제1 금속도체(1)와 전기적으로 단락되는 제2 금속도체(2)는 제7 금속도체(10)와 전기적으로 단락되어 안테나가 적절한 공진주파수에서 대기 중으로 최대의 전자계 에너지를 방사하도록 하며, 안테나 실장 시에는 안테나가 고정 될 수 있도록 한다.

제3 금속도체(3)는 제10 금속도체(11)와 전기적으로 단락되어 안테나 접지 역할을 수행한다. 제3 금속도체(3)의 존재 여부에 따라 안테나의 구조는 크게 2개로 분리 될 수 있다.

즉, 제3 금속도체(3)가 제거되면 안테나는 모노폴 형식의 급전 구조를 가지게 되고, 제3 금속도체(3)가 존재하면 일례로 쌍극자 다이폴 안테나에 다이폴이 하나만 있어서 안테나가 방사하는 역F형 급전 구조를 가지게 된다.

제3 금속도체(3)와 제1 금속도체(1) 종단의 거리는 실제 쌍극자 안테나의 Balun의 역할을 수행하며, 최적화된 안테나 공진을 위해서 제3 금속도체(3)의 크기를 제1 금속도체(1) 측으로 면적을 가변하면서 조절 할 수 있다.

제3 금속도체(3)는 제2 금속도체(2)와 같이 안테나 실장 시에는 안테나가 고정 될 수 있도록 하는 역할을 병행하고 있다.

제4 금속도체(4)는 안테나의 길이 방향에 대해 측면으로 금속도체가 형성되는데, 기존의 내장형 안테나에서 공진 주파수를 낮추고 소형화하기 위해 미앤더 라인(meander line)을 통해 안테나 전기적인 길이를 늘이는 방식과는 조금 다르게 설계된다.

즉, 본 발명의 제1 실시예에 따른 유전체 칩 안테나도 미앤더 라인을 이용한 전기적 길이를 조절하는 방법이 사용되지만, 기존의 미앤더 라인을 이용하는 안테나와는 다르게 제4 금속도체(4)와 인쇄회로기판(PCB) 상의 금속도체 간격 사이에서 발생되는 전압에 의한 안테나 커플링(Coupling) 효과를 최대한 이용하면서 안테나가 차지하는 공간과 안테나의 크기를 소형화 하고 있다.

제4 금속도체(4)가 접지에 근접하면 안테나 공진은 저주파에서 형성되고, 주파수가 저주파에서 발생하면 안테나가 소형화 할 수 있음을 예측할 수 있다. 이와달리 제4 금속도체(4)가 접지와 멀어지면 안테나 공진은 고주파에서 형성된다.

제6 금속도체(8)과 제7 금속도체(10)는 안테나가 직육면체 형태의 유전체일 때 제조공정 상 제4 금속도체(4)를 형성시키기 위해 필요한 금속도체이며, 제6 금속도체(8)와 제7 금속도체(10)의 폭을 조절하여 안테나 입력 임피던스를 조절 할 수 있다.

안테나가 공기층으로 형성된 경우에는 제6 금속 도체(8)와 제9 금속도체(10)는 제거되어도 무방하다. 또한 제7 금속도체(10)는 PCB 상면의 제2 금속도체(2)와 전기적으로 단락되어 안테나를 고정하는 역할을 병행하고 있다.

제1 비아홀(5)은 제5 금속도체(12)가 없을 때 사용되는 금속도체로서 상면 금속도체와 하면 금속도체를 서로 전기적으로 단락시키고, 제5 금속도체(12)가 있을 때에는 선택적으로 사용하게 되는데, 이때 안테나의 공진 특성에는 큰 영향을 미치지 않는다.

금속도체(5, 11, 12)을 제거하고 금속도체(10) 일측에 접지용 금속도체, 일측에 급전용 금속도체를 단락하여 사용 할 때 "-"자 형태 구조를 가지게 된다.

제1 비아홀(5)이 제거되고 제5 금속도체(12)가 사용되면 제4 금속도체(4)는 "L"자 형태의 구조를 가지게 된다.

제2 비아홀(6)은 상면 금속도체와 하면의 금속도체를 서로 전기적으로 단락시키고, 안테나의 전기적인 길이를 증가시킴으로써 안테나의 소형화에 기여할 수 있다. 또한, 제2 비아홀(6)의 위치 변화에 따라 안테나 방사 패턴 모양은 변화하게 된다.

도 5 및 도 6에는 하나의 인쇄회로기판에 두 개의 안테나를 사용하는 경우를 도시한 것으로서, 안테나의 방사 패턴은 도20에 도시된 바와 같이 한쪽으로 치우치게 되고 안테나 사이의 간섭에 대한 영향을 줄일 수 있다.

하지만 제2 비아홀(6)의 위치가 안테나의 우측, 즉 제1 비아홀(5)의 반대방향으로 치우치게 위치되면 안테나 방사 패턴의 모양은 도 23에 도시된 바와 같이 일반적인 다이폴 형태의 모양을 가지게 된다.

제 1 실시예와 같은 원리로 제 2 실시예에서는 접지용 금속도체(14)를 제거하고 금속도체(17) 일측에 접지용 금속도체(14)를 단락하여 사용 할 수 있다.

도 22는 본 발명의 제2 실시예에 따른 유전체 칩 안테나의 Agilent E8357A (300KHz ∼ 6GHz) PNA Series Network Analyzer를 이용하여 측정한 리턴로스 특성을 도시한 것이고, 도 23은 본 발명의 제2 실시예에 따른 유전체 칩 안테나의 방사패턴 특성을 도시한 것이다.

본 발명의 제2 실시예에 따른 유전체 칩 안테나는 제1 실시예의 유전체 칩 안테나 구조를 변형 및 응용하여 인쇄회로기판 상에 인쇄(Printed) 형식으로 설계된 안테나를 제안한 것이다.

즉, 금속도체(13)는 제1 실시에의 제1 금속도체(1)과 동일한 동작 원리를 가지고 있으며, 금속도체(14)는 제3 금속도체(3)와 동작 원리가 동일하다. 또한 금속도체(17)은 제1 실시예의 제4 금속도체(4)와 동작 원리가 동일하다.

단, 제2 실시예의 유전체 칩 안테나는 측면의 금속도체가 없는 대신에 금속도체(17)이 측면의 금속도체와 동일한 기능을 수행하지만 전체적인 부피가 줄어들게 되고, 그로 인해 안테나 방사 특성에 음영지역이 제1 실시예의 유전체 칩 안테나보다 더 많이 형성되게 된다.

이렇게 형성된 방사 특성의 음영지역을 최소화하기 위해, 제2 실시예의 유전체 칩 안테나는 금속도체(19)와 하면 금속도체(21)를 단락시키는 원통형 금속도체(20)를 사용하여 방사 패턴 음영지역에 대한 문제를 최소화 할 수 있다.

제2 실시예의 유전체 칩 안테나는 금속도체(20, 21)가 제거되어도 안테나의 공진은 형성되고, 또한 금속도체(20)을 사용하지 않고 측면에 금속도체를 사용해도 그 특성의 차이는 없다. 안테나 공간을 더 줄이고 전기적인 길이 증가를 위해서는 금속도체(20)를 선택적으로 제거하는 것이 바람직하다.

도 24 및 도 11을 참고하면, 제3 실시예의 유전체 칩 안테나에서 금속 패턴(23)은 RF 모듈에서 직접 공급되는 신호선과 전기적으로 단락되는 금속도체로 50 Ohm 설계를 기본으로 하고 있다. 또한, 제3 실시예의 유전체 칩 안테나는 RF 모듈에서 직접 공급되는 신호선과 금속도체(23)사이에 안테나 공진 특성을 위한 Matching을 가변적으로 사용 할 수 있다.

금속도체(23)와 전기적으로 단락되는 금속도체(24)는 하면 금속도체(40)와 전기적으로 단락되어 안테나가 적절한 공진주파수에서 대기 중으로 최대의 전자계 에너지를 방사하도록 하며, 안테나 실장 시에는 안테나가 고정 될 수 있도록 하는 역할을 병행하고 있다.

금속도체(25)는 하면 금속도체(37)과 전기적으로 단락되며 안테나 고정을 위한 목적과 안테나 전기적인 길이 증가를 위한 목적으로 설계되지만 제거 되어도 무방하다.

제3 실시예의 유전체 칩 안테나의 전기적인 흐름은 RF 모듈에서 직접 공급되는 신호선과 금속도체(23)가 전기적으로 단락되고, 금속도체(24)와 연결되며 금속도체(24)를 통과한 후에 하면 금속도체(37)와 전기적으로 단락되고, 금속도체(37)에서 원통형 비아홀(31)을 통과하고 안테나 상면 금속도체(29)와 다시 단락되며, 금속도체(29)를 통해 안테나 길이 방향의 측면 금속도체(26)을 통해서 다시 안테나 하면 금속도체(36)과 단락된다.

하면 금속도체(36)은 안테나 상면 금속도체(28)과 다시 전기적으로 단락되기 위하여 금속도체(32), 금속도체(33)를 사용한다.

제3 실시예의 유전체 칩 안테나는 모노폴 안테나의 변형된 것으로서 안테나의 전기적 길이를 증가하기 위해 위에서 언급한 전기적인 흐름의 진행 방향에 따라 설계된다. 또한 제3 실시예의 유전체 칩 안테나는 안테나 방사 효율을 증가 시기기 위해 안테나의 길이 방향에 측면 금속도체(26)을 사용한다.

도 25은 본 발명의 제4 실시예에 따른 유전체 칩 안테나의 Agilent E8357A (300KHz ∼ 6GHz) PNA Series Network Analyzer를 이용하여 측정한 리턴로스의 특성을 도시한 것이고, 도 26은 본 발명의 제4 실시예에 따른 유전체 칩 안테나의 방사 특성을 도시한 것이다.

도 25 및 도 26을 참고하면, 제4 실시예의 유전체 칩 안테나는 Folded Slit Patch 구조를 소형화하기 위해서 안테나 패턴을 접어 내리고 안테나 방사 특성을 향상시키기 위해 안테나 가로 방향의 측면에 금속도체(42)를 사용하고 있다.

또한 안테나 방사 효율을 유지하면서 안테나 공진을 원하는 곳에서 유도하기 위해, 제4 실시예의 유전체 칩 안테나는 금속도체(44), 금속도체(45), 금속도체(54)와 같이 대각선으로 패턴의 모양을 형성시켜 공진을 유도하고 있다.

금속도체(44), 금속도체(45), 금속도체(54)를 대각선으로 설계하지 않고 직각으로 설계 했을 때의 제4 실시예의 유전체 칩 안테나의 공진 특성은 대각선 보다 저주파에서 형성되며 안테나를 더 소형화 할 수 있다.

도 27을 참고하면, 본 발명의 제5 실시예의 유전체 칩 안테나는 모노폴을 소형화하기 위해 원통형으로 금속도체를 감아 제작된 헤리컬(Helical)의 또 다른 변형된 것이다.

금속도체(69)를 통해 RF모듈에서 전달된 신호는 금속도체(65), 금속도체(66)을 통해 안테나가 방사하는 종단까지 연결되며 안테나가 방사하는 종단에 넓은 면적을 가지는 금속도체(62)와 안테나 길이방향의 측면 금속도체(58)에 의해 방사하게 된다.

본 발명의 제1 내지 제5 실시예에서 안테나의 금속도체(10), 금속도체(40), 금속도체(53, 및 금속도체(69)는 전기적으로 단락되어 안테나가 적절한 공진주파수에서 대기 중으로 최대의 전자계 에너지를 방사하도록 하며 안테나 실장시 안테나가 고정될 수 있도록 한다.

도17 및 도 18에서 제안하고 있는 유전체 칩 안테나는 직육면체 유전체를 사용하는 경우로, 공기층으로 형성 되었을 때 금속도체(65)와 금속도체(66)을 대신하여 헤리컬을 사용할 수 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 그 외의 다양한 변경이나 변형이 가능하다.

이와 같이, 본 발명에 의한 유전체 칩 안테나는 인쇄회로 기판 상의 금속 도체와 안테나 사이에 형성되는 자계의 영향을 고려하여 안테나에 적용 및 사용되는 공간을 축소시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 의한 유전체 칩 안테나는 1개의 인쇄회로기판에 동일한 파장을 갖는 안테나를 사용하는 경우에 원통형 또는 반원통형으로 관통되는 비아홀을 사용하여 안테나 사이의 위상 간섭에 의해 방사 특성이 저하되는 것을 최소화 할 수 있는 효과가 있다.

본 발명에 의한 유전체 칩 안테나는 다양한 튜닝 지점을 가지고 있어 필요한 사용 주파수 대역에서의 선택적 사용이 가능하고, 각각의 공진 대역에서의 성능이 좋고 방사 패턴도 omni-direction한 효과가 있다.

이러한 본 발명에 의한 유전체 칩 안테나는 이동 통신 서비스 적용을 위해 안테나의 점유 공간이 축소되고 소형화되어 있어 다양한 제품에 적용될 수 있는 효과가 있다.

Claims

급전을 위해 소정 패턴의 급전 라인이 형성되고, 상면 금속도체와 하면 금속도체가 전기적으로 단락되며, 안테나가 실장되는 인쇄회로기판;

상기 인쇄회로기판의 상면 금속도체에 형성되어 급전을 담당하는 제1 금속도체;

상기 제1 금속 도체와 상기 안테나의 급전 부분을 전기적으로 단락시키고 상기 안테나를 고정시키는 제2 금속도체;

상기 안테나의 접지 부분을 전기적으로 단락시키고 상기 안테나를 고정시키는 제3 금속도체;

상기 안테나의 길이 방향의 측면에 형성되어 접지와 안테나 사이의 안테나 커플링 효과를 통해 안테나 공진 특성을 유도하는 제4 금속도체;

상기 상면 금속도체와 하면 금속도체에 형셩되어 상기 상면 금속도체와 하면 금속도체를 전기적으로 단락하기 위해 상기 안테나의 상하면 금속도체를 원형 또는 반원형으로 관통하고 그 측면이 금속으로 도포된 비아홀;

상기 안테나의 상면 금속도체와 하면 금속도체를 연결하는 비아홀이 제거되면 상하면 연결을 위해 사용하는 제5 금속도체;

상기 상면 및 하면 금속도체에 각각 형성되어 상기 제4 금속도체를 형성하도록 하며, 안테나의 입력 임피던스를 조절하도록 하는 제6 및 제7 금속도체;

를 포함하는 유전체 칩 안테나.
제1항에 있어서,

상기 비아홀은

상기 상면 금속도체와 하면 금속도체를 서로 전기적으로 단락시키며 상기 제5 금속도체와 선택적으로 사용 가능한 제1 비아홀; 및

각 비아홀의 좌우 위치 변화에 따라 상기 안테나의 방사 패턴 모향을 변화하게 하는 제2 비아홀

을 포함하는 유전체 칩 안테나.
제2항에 있어서,

상기 제4 금속도체는,

상기 제5 금속도체를 사용하고 제1 비아홀이 제거되면 "L"자 형태로 형성되고, 상기 제5 금속도체가 제거되고 제1 비아홀이 사용되면 "ㄷ"자 형태로 형성되며, 상기 제5 금속도체와 제 1 비아홀이 제거되고 사용되면 "-"자 형태로 형성되는 유전체 칩 안테나.
제1항에 있어서,

상기 인쇄회로기판 상에 형성된 금속도체들은 필요한 사용 주파수 대역에서의 선택적 사용이 가능하도록 적어도 1개 이상의 튜닝 지점(Tuning Point)을 가지는 유전체 칩 안테나.
제1항에 있어서,

상기 제3 금속도체는 그 크기를 제1 금속도체 측으로 면적을 가변하면서 조절하여 안테나의 공진을 최적화하는 유전체 칩 안테나.
제1항에 있어서,

상기 제4 금속도체가 접지와 근접할수록 안테나 공진이 저주파수에서 형성되고, 상기 제4 금속도체가 접지와 멀어질수록 안테나 공진이 고주파수에서 형성되는 유전체 칩 안테나.
제1항에 있어서,

상기 제1 금속도체와 제4 금속도체는 상기 인쇄회로기판에 인쇄(printed) 형식으로 적용될 경우에 상기 제1 금속도체와 제4 금속도체로 연결되는 "」"자 형태의 급전 라인 종단에 "ㄱ"자형태의 금속도체를 전기적으로 단락시키는 유전체 칩 안테나.
제7항에 있어서,

상기 상면 금속도체와 하면 금속도체를 단락시키는 비아홀은 선택적으로 사용 또는 제거되는 유전체 칩 안테나.
제7항에 있어서,

상기 제1 금속도체는 상기 안테나의 RF모듈에서 직접 공급되는 신호선 사이에 안테나 공진 특성을 위해 회로 매칭(CIRCUIT MATCHING)을 가변적으로 사용하는 유전체 칩 안테나.
제7항에 있어서,

상기 비아홀은 각 비아홀의 간격을 조정하여 전기적으로 안테나 내부에 금속도체 기능을 갖도록 하는 유전체 칩 안테나.
제1항에 있어서,

상기 제2 금속도체는 상기 제7 금속도체와 전기적으로 단락되어 안테나가 적합한 공진주파수에서 대기 중으로 최대의 전자계 에너지를 방사하도록 하며, 상기 안테나 실장시 안테나가 고정되도록 하는 유전체 칩 안테나.
제1항에 있어서,

상기 제4 금속도체는 안테나 패턴을 접어 내린 폴디드 슬릿 패치(Folded Slit Patch) 구조의 안테나에 적용되어 안테나 방사 특성을 향상시키는 유전체 칩 안테나.
제12항에 있어서,

상기 상면 금속도체와 하면 금속도체는 다중 대역에서의 공진을 유도하기 위한 안테나에 적용되어 안테나 방사 효율을 유지하면서 안테나 공진을 적합한 지점에서 유도하기 위해 대각선으로 패턴의 모양을 형성시키는 유전체 칩 안테나.
제1항에 있어서,

상기 유전체 칩 안테나는 모노폴을 소형화하기 위해 원통형으로 금속도체를 감아 제작한 헤리컬(Helical)의 안테나에 적용되어 상기 상면 금속도체와 하면 금속도체를 상기 제1 금속도체를 통해 상기 안테나의 RF모듈에서 전달된 신호가 상기 비아홀을 통해 안테나가 방사하는 종단까지 연결되는 미앤더 라인을 사용하고, 상기 안테나가 방사하는 종단에 설계된 금속도체와 제4 금속도체에 의해 방사되는 유전체 칩 안테나.
제14항에 있어서,

상기 유전체 칩 안테나가 직육면체 유전체를 사용하고 공기층으로 형성된 경우에 상기 비아홀을 대신하여 헤리컬을 사용하는 유전체 칩 안테나.