KR20070066158A - 자기-유전체를 이용한 휴대 단말기용 인쇄회로기판 안테나 - Google Patents

자기-유전체를 이용한 휴대 단말기용 인쇄회로기판 안테나 Download PDF

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Abstract

일반 휴대 단말기뿐만 아니라 DVB-H나 T-DMB 또는 DAB 등의 디지털 멀티미디어 방송을 수신하는 휴대 단말기에 적용할 수 있는 내장형 PCB 안테나를 개시한다. 본 발명의 PCB 안테나는 인쇄회로기판과 상기 인쇄회로기판상에 구리(Cu) 안테나 패턴이 형성되고, 상기 구리(Cu) 안테나 패턴 상에 투자율이 높은 마그네틱 물질의 패턴을 형성된다. 상기 마그네틱 물질은 투자율이 높은 페라이트 필름을 사용하여 증착한다. 따라서, 점점 작아지는 휴대단말기에 적합할 뿐만 아니라, 저주파 DBM 방송을 수신할 수 있는 작은 크기의 내장형 안테나를 설계할 수 있다.
PCB 안테나, 내장형 안테나, 페라이트 필름

Description

자기-유전체를 이용한 휴대 단말기용 인쇄회로기판 안테나{A Printed Circuit Board Antenna for a Portable Terminal using Magneto-dielectric}
도 1은 종래의 내장형 안테나인 PCB 안테나를 나타낸 (a)평면도 및 상기 평면도의 I-I'를 절단한 (b)단면도이다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 PCB 안테나를 나타낸 (a)평면도 및 상기 평면도의 I-I'를 절단한 (b)단면도이다.
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 PCB 안테나를 나타낸 (a)평면도 및 상기 평면도의 I-I'를 절단한 (b)단면도이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호설명*
10 : 인쇄회로기판(PCB) 20 : 구리(Cu) 안테나 패턴
30, 30' : 페라이트 필름
본 발명은 자기-유전체(Magneto-dielectric)를 이용한 휴대 단말기용 인쇄회로기판 안테나에 관한 것으로서,구체적으로 DVB-H나 T-DMB 또는 DAB 등의 디지털 멀티미디어 방송(Digital Multimedia Broadcasting: 이하, "DMB"라 한다.)을 수신하는 휴대 단말기에 적용할 수 있는 내장형 안테나에 관한 것이다.
최근, 지상파 DMB를 비롯한 여러 가지 디지털 멀티미디어 방송 시스템들이 본격적인 서비스 개시를 시작하였다. 이에 대비하여 방송 시스템은 물론이고 이러한 DMB 방송을 수신할 수 있는 휴대 단말기의 개발도 한창 진행되고 있다.
또한, 현재 널리 상용화되어 있는 이동 휴대 전화 시스템과 접목하여 두 가지 서비스를 하나의 휴대 단말기로 동시에 받을 수 있는 복합형 단말기에 대한 개발도 활발히 이루어지고 있다.
그러나, 이러한 DMB 들에 채택된 주파수 대역들은 174~216 MHz로 주로 UHF나 VHF 등의 저주파 대역이고 이로 인하여 몇 가지 휴대 단말기의 개발에 대한 제약 사항들이 발생하였다.
가장 대표적인 것이 휴대 단말기에 기본적으로 사용되는 안테나의 크기에 관한 문제이다.
일반적으로 안테나의 크기는 사용되는 주파수가 낮아질수록 그 크기가 커진다. UHF나 VHF 대역용으로 안테나를 제작하기 위해서는 보통 몇십 센티미터(Cm)의 길이를 필요로 한다. 그러나, 이러한 안테나는 휴대용 단말기기에 적용하기 부적합하다. 이에 휴대 단말기용 안테나의 크기를 줄이기 위한 연구 개발도 한창 진행 중에 있다.
기존에 널리 사용되었던 모노폴 형태의 휩 안테나나 헬리컬 안테나는 휴대단말기의 바깥부분으로 돌출되는 구조를 가지고 있기 때문에 최근에는 이러한 형태의 안테나 사용이 지양되고 있고, 안테나를 휴대 단말기 내부에 완전히 집어넣어서 외부로 돌출되지 않는 형태인 내장형 안테나가 많은 관심을 불러 일으킴과 동시에 내장형 안테나를 적용하고 있는 다양한 휴대 단말기가 등장하고 있다.
내장형 안테나들 중의 하나가 인쇄회로기판 안테나(Printed Circuit Board Antenna : 이하, "PCB 안테나"라 한다.)이다. PCB 안테나의 특징은 안테나의 모양이 납작한 형태로 주로 사용하고 코일 형태의 안테나에 비해 회로 구현이 쉽고 저비용이며 공정상의 문제점을 해결할 수 있다.
도 1은 종래의 내장형 안테나인 PCB 안테나를 나타낸 (a)평면도 및 상기 평면도의 I-I'를 절단한 (b)단면도이다.
도 1을 참조하면, 기존의 PCB 안테나는 휴대 단말기의 부품들이 실장되는 인쇄회로기판(PCB)(10)과 상기 인쇄회로기판(10) 상에 일정 형태로 패터닝된 방사체로서의 역할을 하는 안테나 패턴(20)으로 구성된다. 일반적으로 PCB에 널리 사용되는 재질은 FR4이고, 안테나 패턴은 구리(Cu)로 인쇄한다.
그러나, 도 1에 도시된 내장형 안테나인 PCB 안테나의 경우도 주파수와 안테나 크기의 상관관계에서 벗어나지 못하기 때문에 역시 내장형 안테나의 크기도 현재는 매우 크다. 크기는 점점 소형화 되어가고 있고 기능은 점점 많아지고 있는 현 휴대 단말기의 추세로 볼 때 이러한 내장형 안테나 역시 휴대단말기의 소형화를 제약하는 중대한 하나의 제한 요소로 자리 잡고 있다.
특히, DMB용 휴대 단말기의 경우 174~216 MHz의 UHF나 VHF 등의 저주파 대역에서 동작되기 때문에 도 1과 같은 기존의 PCB 안테나를 사용하는데 많은 어려움이 있어 더욱더 작은 크기의 안테나가 절실히 요구된다.
상기 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 내장형 안테나의 크기를 최소화하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 DMB 방송과 같은 저주파 방송에 적합하면서도 크기가 적은 내장형 안테나를 제작하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 자기-유전체를 이용한 휴대 단말기용 인쇄회로기판 안테나는 휴대 단말기의 부품들이 실장되는 인쇄회로기판(PCB); 상기 인쇄회로기판 상에 일정 형태로 패터닝되는 안테나 패턴; 및 상기 인쇄회로기판 상부와 상기 안테나 패턴 상에 형성되는 마그네틱 재질의 패턴을 포함한다.
또한, 상기 목적은 휴대 단말기의 부품들이 실장되는 인쇄회로기판(PCB); 상기 인쇄회로기판 상에 일정 형태로 패터닝되는 안테나 패턴; 및 상기 인쇄회로기판 상부를 제외한 상기 안테나 패턴 상에 형성되는 마그네틱 재질의 패턴을 포함하는 자기-유전체를 이용한 휴대 단말기용 인쇄회로기판 안테나에 의해서 달성될 수 있다.
여기서, 상기 마그네틱 재질의 패턴은 페라이트 필름(Ferrite Film)인 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
실시예 1
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 PCB 안테나를 나타낸 (a)평면도 및 상기 평면도의 I-I'를 절단한 (b)단면도이다.
도 2를 참조하면, 제 1 실시예에 따른 PCB 안테나는 휴대 단말기의 부품들이 실장되는 인쇄회로기판(PCB)(10)과 상기 인쇄회로기판(10) 상에 일정 형태로 패터닝된 방사체로서의 역할을 하는 안테나 패턴(20)과 상기 인쇄회로기판(10)을 포함하는 상기 안테나 패턴(20) 상에 페라이트 필름(Ferrite Film)(30)으로 구성된다.
인쇄회로기판(10)은 일반적으로 유전율이 높은 재질인 FR4가 사용되며, 안테나 패턴은 주로 구리(Cu)로 인쇄한다.
본 발명의 제 1 실시예는 종래와 다르게 상기 안테나 패턴(20) 상에 마그네틱 물질인 페라이트 필름(30)을 얇게 적층하여 PCB 안테나를 형성한다. 상기 페라이트 필름은 투자율이 매우 높은 물질로서 이를 사용함으로 PCB 안테나의 크기를 더욱더 축소할 수 있다.
이하에서 상기 페라이트 필름을 적층함으로서 내장형 안테나의 크기를 축소 할 수 원리에 대하여 설명한다.
앞서 설명한 바와 같이, 안테나의 크기는 사용되는 주파수에 반비례하고 또한, 파장에 비례한다. 특정 주파수에서 안테나를 공진시키기 위해서 필요한 안테나의 길이는 아래 수학식 1과 같다.
Figure 112005074970174-PAT00001
여기서, L은 안테나의 길이, λ는 파장이다.
그런데, 전파의 특성상 전파가 특정한 매질을 진행할 때 투자율이 μ이고, 유전율이 ε인 매질에서는 파장의 길이는 아래 수학식 2와 같다.
Figure 112005074970174-PAT00002
수학식 2에서와 같이 투자율과 유전율이 놓은 매질에서 전파의 파장은 짧아지므로 이러한 재질을 사용하여 안테나를 제작할 경우 동일 주파수에서 작은 크기의 안테나 제작이 가능하다는 것이다. 참고로, 자유공간에서는 투자율과 유전율이 각각 1이다.
일반적으로 어떠한 물질들은 각 물질마다 고유한 유전율을 가지고 있다. 예를 들어, 상술한 바와 같이 자유 공간에서의 유전율을 1이라할 때, 세라믹은 5~6, 테프론의 경우 2~3이며 일반적으로 회로기판에 널리 사용되는 재질인 FR4의 경우 유전율이 4~5 정도 이다. 득, 모든 물질들이 고유의 유전율을 가지고 있다. 휴대 단말기용으로 개발된 일반적인 내장형 안테나의 경우 높은 유전율을 가지고 있는 재질로 안테나를 구현한다.
그러나, 자성체(μ>1)의 경우 일반적으로 실제 자성체가 아니라면, 대부분의 금속류의 투자율은 무시된다. 대표적인 자성체들의 투자율을 살펴보면, 니켈의 경우 약 50정도이고, 페라이트(Ferrite)의 경우 약 1000정도이다.
페라이트 필름의 두께는 매우 얇게 적층할 수 있으며(수 ㎛) 적층방법은 여러가지 방법이 있는데, 그 중의 한가지 방법은 증착에 의하여 원하는 패턴대로 적층하는 방법으로 페라이트 재질의 물질을 PCB 상에 증착하는 방법은 이미 널리 알려져 있다.
따라서, 본 발명의 제 1 실시예에서는 자기-유전체(Magneto-dielectric material)를 구현하기 위하여 일반적으로 사용되는 FR4 재질의 인쇄회로기판(10)과 구리(Cu) 안테나 패턴(20)에 페라이트 필름(30)을 붙인 구조의 PCB 안테나를 만든 것이다.
이렇게 함으로서, PCB 안테나는 높은 유전율을 뿐만 아니라 높은 투자율도 갖게 함으로써 파장의 길이를 최소화하여 그에 따르는 안테나의 크를 더욱 축소할 수 있다. 또한 일반 PCB 기판 위에 페라이트 필름을 붙임으로써 내장형 안테나의 기구 프레임을 사용하지 않고, PCB 상에 패턴으로 안테나를 구현하는 PCB 안테나의 제현이 가능하다.
실시예 2
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 PCB 안테나를 나타낸 (a)평면도 및 상기 평면도의 I-I'를 절단한 (b)단면도이다.
도 3을 참조하면, 제 2 실시예에 따른 PCB 안테나는 휴대 단말기의 부품들이 실장되는 인쇄회로기판(PCB)(10)과 상기 인쇄회로기판(10) 상에 일정 형태로 패터닝된 방사체로서의 역할을 하는 안테나 패턴(20)과 상기 인쇄회로기판을 제외한 상기 안테나 패턴(20) 상에 동일한 패턴으로 패터닝된 페라이트 필름(Ferrite Film)(30')으로 구성된다. 도 3은 도 2의 제 1 실시예와 다르게 페라이트 필름을 상기 구리(Cu) 안테나의 패턴과 동일한 패턴으로 패터닝한 것을 도시한 것이다.
PCB 안테나의 크기의 축소는 PCB의 유전율이 얼마나 높은가 하는 점과 페라이트의 투자율이 얼마나 높은가 하는 것에 따라 달라지며, 일반적으로 유전율이나 투자율이 높아지면 유전 손실값과 투자 손실값도 증가하는 경향이 있기 때문에(이는 재질에 따라 다름) 결과적으로 안테나에서는 방사 손실이 증가하게 되므로 유전율과 투자율 뿐만 아니라 손실값(Loss Tangent)도 같이 고려하여 적절한 재질과 적절한 크기를 사용하면 방사손실은 최소화하면서 물리적인 크기는 대폭 축소한 안테나의 개발이 가능하게 된다.
따라서, 본 발명의 제 2 실시예에서는 안테나의 크기를 결정하기 위한 여러가지 구성요소의 크기 및 재질을 변경할 수 있는데 그 중 페라이트 필름의 크기를 조절한 것을 나타낸 것이다.
상기와 같이 본 발명의 실시예들에 따르면, PCB 상에 안테나를 구현할 경우 PCB의 높은 유전율과 페라이트 필름의 높은 투자율로 인하여 PCB 매질을 진행하는 전파의 파장을 축소하는 효과를 낼 수 있다. 따라서, 구리(Cu) 안테나 패턴의 길이는 상기 수학식 1에서와 같이 PCB 내에서 진행하는 전파의 파장이 줄어들면 같은 주파수에서 설계되는 안테나 패턴의 물리적인 길이도 짧아지기 때문에 결과적으로 안테나의 크기를 축소할 수 있게 된다.
상기 PCB 안테나의 적용은 다양한 디지털 멀티미디어 방송 시스템용 휴대 단말기 뿐만 아니라 CDMA, GSM 또는 WCDMA 등의 시스템에서 사용되는 휴대 단말기용 안테나에도 적용할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 투자율이 높은 재질로 페라이트 필름을 예로 들어 설명하였지만, 여기에 한정되지 않고 투자율이 높은 마그네틱 물질은 모두 포함된다.
이상 본 발명의 특정 실시예들을 도시하고 설명하였으나, 본 발명의 기술사상은 첨부된 도면과 상기한 설명내용에 한정하지 않으며 본 발명의 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 변형이 가능함은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 사실이다.
본 발명의 효과는 다음과 같다.
첫째, 지상파 DMB용 휴대단말기, CDMA 휴대단말기, GSM 휴대단말기 등 휴대용 방송 통신 단말기에서 필수적으로 사용되는 안테나의 크기를 상당히 줄일 수 있 다.
둘째, 일반 회로 부품들이 실장되는 PCB에 구현하기 때문에 기존의 휩 안테나나 헬리컬 형태의 고정형 안테나 및 기구 프레임 위에 패턴을 형성한 기존 내장형 안테나들이 불필요하게 되어 휴대 단말기의 원가 절감 효과가 있다.
세째, 휴대기기의 열악한 사용환경을 고려해 보았을때 PCB 상에 구현할 경우 낙하 등에 의한 충격에 견디는 안테나의 신뢰성이 기존 다른 형태의 안테나들에 비해 증가하게 된다.
네째, PCB에 구현할 경우 구리(Cu) 안테나 패턴 형성이 매우 일정하게 구현 가능하므로 기존 다른 형태의 안테나들에 비해 성능 편차가 적다.
다섯째, 휴대단말기 생산과정에서 안테나 조립 등의 프로세서가 없어지므로 생산성이 증대된다.

Claims (6)

  1. 휴대 단말기의 부품들이 실장되는 인쇄회로기판(PCB);
    상기 인쇄회로기판 상에 일정 형태로 패터닝되는 안테나 패턴; 및
    상기 인쇄회로기판 상부 및 상기 안테나 패턴 상에 형성되는 마그네틱 재질의 패턴을 포함하는 자기-유전체를 이용한 휴대 단말기용 인쇄회로기판 안테나.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 마그네틱 재질의 패턴은 페라이트 필름(Ferrite Film)인 것을 특징으로 하는 자기-유전체를 이용한 휴대 단말기용 인쇄회로기판 안테나.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 인쇄회로기판은 FR4 재질이고, 상기 안테나 패턴은 구리(Cu) 재질인 것을 특징으로 하는 자기-유전체를 이용한 휴대 단말기용 인쇄회로기판 안테나.
  4. 휴대 단말기의 부품들이 실장되는 인쇄회로기판(PCB);
    상기 인쇄회로기판 상에 일정 형태로 패터닝되는 안테나 패턴; 및
    상기 인쇄회로기판 상부를 제외한 상기 안테나 패턴 상에 형성되는 마그네틱 재질의 패턴을 포함하는 자기-유전체를 이용한 휴대 단말기용 인쇄회로기판 안테나.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 마그네틱 재질의 패턴은 페라이트 필름(Ferrite Film)인 것을 특징으로 하는 자기-유전체를 이용한 휴대 단말기용 인쇄회로기판 안테나.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 인쇄회로기판은 FR4 재질이고, 상기 안테나 패턴은 구리(Cu) 재질인 것을 특징으로 하는 자기-유전체를 이용한 휴대 단말기용 인쇄회로기판 안테나.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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