KR20090115254A - 다층 구조의 다중 대역 칩 안테나 - Google Patents

다층 구조의 다중 대역 칩 안테나 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이동통신 단말기에 사용되는 다층 구조의 다중 대역 칩 안테나에 관한 것으로, 더욱 상세히는, 제1 기판의 상부에 형성되어 저주파 대역에서 공진하는 제1 방사체와, 공진 주파수 간 상호 간섭을 최소화하기 위하여 상기 제1 기판의 하부층에 형성되는 PCB 유전체 기판인 제2 기판과, 상기 제2 기판의 하부층인 제3 기판의 하부에 서로 소정 간격으로 이격되어 형성되어 고주파 대역에서 공진하는 제2 및 제3 방사체와, 상기 제3 기판의 하부층인 제4 기판의 하부에 형성되어 상기 제2 및 제3 방사체와 상호 커플링되는 기생소자와, 상기 제4 기판에 형성되며 상기 제1 내지 제4 기판을 관통하는 제1 비아홀을 통하여 상기 제1 방사체 및 상기 제3 방사체에 급전하는 급전부, 및 상기 제4 기판에 형성되며 상기 제1 내지 제4 기판을 관통하는 제2 비아홀을 통하여 상기 제1 방사체 및 상기 기생소자를 접지시키는 접지부로 형성된다. 따라서 본 발명은 각기 다른 층에 배치된 저주파 대역의 방사체와 고주파 대역의 방사체 사이에 상호 간섭을 최소화하여 공진 특성을 향상시키고 기생 소자의 길이 및 폭 조절을 통하여 고주파 공진 대역의 튜닝이 가능한 효과가 있다.
다층구조 다중대역안테나, 기생소자, PCB기판, 다층유전체

Description

다층 구조의 다중 대역 칩 안테나{MULTI-LAYER STRUCTURED MULTI-BAND CHIP ANTENNA}
본 발명은 이동통신 단말기의 안테나에 관한 것으로서, 더욱 상세히는 PIFA(Plane Inverted-F Antenna; 피파) 구조를 이용한 이동통신 단말기의 다층 구조의 다중 대역 칩 안테나에 관한 것이다.
최근 이동통신 단말기는 보다 많은 기능을 집약시키며 경량화 되어가는 추세이다. 이동통신 사업자들은 기존의 음성 서비스 이외에도 로밍, GPS(Global Positioning System) 서비스, 무선 인터넷 서비스 등의 다양한 서비스를 제공하고 있다. 이동통신 단말기에 사용되는 안테나는 디자인 면에서 고집적화되고 있으며 체적이 점점 작아지고 내장형으로 전환이 가속화 되고 있는 추세이며 광대역, 소형화, 고효율, 다중 대역 특성이 요구되고 있다.
종래 이동통신 단말기의 다중 대역 칩 안테나는, 서로 다른 주파수 대역에서 공진하는 제1 및 제2 방사체가 서로 다른 유전체 층에 서로 평행하게 형성된다. 유전체의 각 층을 관통하는 급전비아홀을 통하여 제1 및 제2 방사체에 급전이 이루어지며, 상기 유전체의 각 층을 관통하는 다른 접지비아홀을 통하여 접지가 이루어진 다.
제1 방사체가 저주파 공진 대역에서 동작하고 제2 방사체가 고주파 공진 대역에서 동작할 경우에 제1 방사체와 제2 방사체가 서로 영향을 미치기 때문에, 종래 이동통신 단말기의 다중 대역 칩 안테나는 고주파 공진 대역의 주파수 대역폭이 상당히 좁아지게 되는 문제점이 있다.
또한 종래 이동통신 단말기의 다중 대역 칩 안테나는 공진 포인트를 조절하기 위한 튜닝 수단이 없어서 공진 주파수 조절이 용이하지 못한 문제점이 있다.
본 발명은 상기 문제점들을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 본 발명의 목적은 저주파 대역에서 동작되는 방사체가 형성되는 제1 기판과 고주파 대역에서 동작되는 제2 및 제3 방사체가 형성되는 제3 기판 사이에 PCB 유전체 기판인 제2 기판을 삽입하여 공진 주파수 상호 간섭을 최소화하는 다층 구조의 다중 대역 칩 안테나를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 고주파 대역에서 동작되는 제2 및 제3 방사체가 형성되는 제3 기판의 하부층인 제4 기판의 하부에 상기 제2 및 제3 방사체와 상호 커플링되어 동작되는 기생 소자를 구비하여 튜닝이 가능하도록 하는 다층 구조의 다중 대역 칩 안테나를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 다층 구조의 다중 대역 칩 안 테나는, 제1 기판의 상부에 형성되어 저주파 대역에서 공진하는 제1 방사체와; 공진 주파수 간 상호 간섭을 최소화하기 위하여 상기 제1 기판의 하부층에 형성되는 PCB 유전체 기판인 제2 기판과; 상기 제2 기판의 하부층인 제3 기판의 하부에 서로 소정 간격으로 이격되어 형성되어 고주파 대역에서 공진하는 제2 및 제3 방사체와; 상기 제3 기판의 하부층인 제4 기판의 하부에 형성되어 상기 제2 및 제3 방사체와 상호 커플링되는 기생소자와; 상기 제4 기판에 형성되며 상기 제1 내지 제4 기판을 관통하는 제1 비아홀을 통하여 상기 제1 방사체 및 상기 제3 방사체에 급전하는 급전부; 및 상기 제4 기판에 형성되며 상기 제1 내지 제4 기판을 관통하는 제2 비아홀을 통하여 상기 제1 방사체 및 상기 기생소자를 접지시키는 접지부를 포함하여 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 제1 기판에 형성되어 저주파 대역에서 동작하는 제1 방사체와 상기 제1 기판의 하부층인 제3 기판에 형성되어 고주파 대역에서 동작하는 제2 및 제3 방사체 사이에 PCB 유전체 기판인 제2 기판을 삽입하여 제1 방사체와 제2 및 제3 방사체가 서로 미치는 영향을 최소화하여 고주파 대역의 대역폭이 좁아지는 것을 방지하는 효과가 있다.
본 발명은 고주파 대역에서 동작되는 제2 및 제3 방사체를 동일한 층에 배치하고 제3 방사체는 급전부에 연결되고 제2 방사체는 제3 방사체와 소정 간격으로 이격되어 커플링 급전되도록 함으로써 고주파 대역의 대역폭을 확장시키는 효과가 있다.
본 발명은 제2 및 제3 방사체가 형성된 제3 기판의 하부층인 제4 기판에 제2 및 제3 방사체와 상호 커플링되는 기생 소자를 구비하고 기생 소자의 길이 및 폭을 조절함으로써 튜닝이 가능한 효과가 있다.
본 발명은 저주파 대역에서 동작되는 방사체가 형성된 기판을 단말기 보드를 기준으로 최상위층에 형성하고 고주파 대역에서 동작되는 방사체가 형성된 기판을 최하위층에 형성함으로써, 사용자로 인한 인체 효과(body effect)를 최소화하는 효과가 있다.
본 발명은 다층 구조의 다중 대역 칩 안테나의 최하위층의 하부면에 표면 실장 공법(SMD)을 위한 패드를 구비함으로써 양산성을 향상시키는 효과가 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 1a는 본 발명에 의한 다층 유전체 층 구성을 나타내고, 도 1b는 본 발명에 의한 다층 유전체의 4개 층의 입체 구조를 나타낸다. 도 1a에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 다층 유전체는, 동도금층으로 이루어진 제1 층(1)과, 상기 제1 층(1)의 하부층으로서, FR-4 재질의 PCB 유전체 기판으로 이루어진 제2 층(2)과, 상기 제2 층(2)의 하부 층으로서, FR-4 재질의 PCB 유전체 기판(3a)과 동도금층(3b)으로 이루어진 제3 층(3)과, 상기 제3 층(3)의 하부층으로서, 동도금층으로 이루어진 제4 층(4)으로 형성된다. 상기 제1 층(1)과 제2 층(2) 사이, 제2 층(2)과 제3 층(3) 사이, 및 제3 층(3)과 제4 층(4) 사이에는 에폭시 등의 접착물질(A)로 접착된다. FR-4 재질의 PCB 유전체 기판(2,3b)은 예컨대, 유전율이 4.4이고 두께가 약 1.5mm로 형성된다. 에폭시 접착층(A)은 유전율이 일예로 약 5이다.
도 1b에 도시된 바와 같이, 제1 층(1)이 다층 유전체의 최상층이 되고 제4 층(4)이 다층 유전체의 최하층이 된다.
도 2는 본 발명에 의한 이동통신 단말기의 다층 구조의 다중 대역 칩 안테나의 구조를 나타낸다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 다층 구조의 다중 대역 칩 안테나는, 제1 기판(1)의 상부에 형성되어 저주파 대역에서 공진하는 제1 방사체(10)와, 공진 주파수 간 상호 간섭을 최소화하기 위하여 상기 제1 기판(1)의 하부층에 형성되는 PCB 유전체 기판인 제2 기판(2)과, 상기 제2 기판(2)의 하부층인 제3 기판(3)의 하부에 서로 소정 간격으로 이격되어 형성되어 고주파 대역에서 공진하는 제2 및 제3 방사체(20)(30)와, 상기 제3 기판(3)의 하부층인 제4 기판(4)의 하부에 형성되어 상기 제2 및 제3 방사체(20)(30)와 상호 커플링되는 기생소자(40)와, 상기 제4 기판(4)에 형성되며 상기 제1 내지 제4 기판(1-4)을 관통하는 제1 비아홀을 통하여 상기 제1 방사체(10) 및 상기 제3 방사체(30)에 급전하는 급전부(51), 및 상기 제4 기판(4)에 형성되며 상기 제1 내지 제4 기판(1-4)을 관통하는 제2 비아홀을 통하여 상기 제1 방사체 및 상기 기생소자를 접지시키는 접지부(61)로 형성된다.
상기 제1 방사체(10)는 다층 유전체의 최상위층인 제1 기판(1)의 상부면에 형성되고, 상기 기생소자(40)는 다층 유전체의 최하위층인 제4 기판(4)의 하부면에 형성된다.
상기 제1 방사체(10)가 형성된 제1 기판(1)과 상기 제2 및 제3 방사체(20)(30)가 형성된 제3 기판(3) 사이에는, 제2 기판(2)이 추가적으로 삽입되기 때문에, 제1 방사체(10)와 제2 및 제3 방사체(20)(30)가 서로 미치는 영향이 최소화되어 제2 및 제3 방사체(20)(30)가 동작되는 고주파 공진 대역의 대역폭이 축소되는 것이 방지된다.
상기 제1 방사체(10)는 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, 저주파 대역에서 공진하기 위한 미엔더(meander) 라인 패턴으로 형성된다.
또한 상기 제1 방사체(10)의 미엔더 라인 패턴의 일단은 다층 유전체의 각 기판, 즉 각 층을 관통하는 제1 및 제2 비아홀을 통하여 각각 급전부(51) 및 접지부(61)에 연결되어 있다. 상기 제1 방사체(10)의 미엔더 라인 패턴의 타단은 다층 유전체의 각 층을 관통하는 제3 비아홀을 통하여 전기적인 길이를 보상하기 위한 길이 보상부(71)에 연결되어 있다. 상기 길이 보상부(71)는 상기 다층 유전체의 각 층을 관통하는 제3 비아홀을 통하여 최하위층(4)에 구비된 패드(70)와 연결된다. 따라서 상기 제1 방사체(10)는 상기 길이 보상부(71)의 길이만큼 전기적인 길이가 보상된다. 그러므로 본 발명은 제1 방사체(10)의 전기적인 길이를 더욱 단축하여 구현할 수 있으며, 이에 따라 안테나의 크기를 소형화하기에 용이하다.
도 3의 (b)는 상기 제2 방사체(20)와 상기 제3 방사체(30)의 구조를 나타낸다. 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이, 상기 제2 및 제3 방사체(30)는 서로 소정 간격(Gap 2)으로 이격되어 제3 기판(3)의 하부면에 함께 형성된다. 상기 제3 방사체(30)는 급전부(51)와 연결되어 있으며, 급전부(51)를 중심으로 제3 기판(3)의 하 부면에서 직각으로 절곡되어 소정 길이 및 폭을 가지도록 형성된다. 상기 제2 방사체(20)는 제3 방사체(30)와 소정 간격(Gap 2)으로 이격되고 제3 기판(3)의 중앙부에 길이 방향으로 직선 형태로 형성된다. 제3 방사체(30)는 제2 방사체(20)에 의하여 커플링 급전되어 고주파 공진 대역폭을 확장시킨다.
상기 기생 소자(40)는 제4 기판(4)에 형성되며, 도 3의 (c)에 도시된 바와 같이, 다층 유전체의 각 기판을 관통하는 제2 비아홀을 통하여 접지부(61)와 연결되며, 소정 길이 및 폭을 가진 직선 패턴으로 형성된다. 또한 상기 제4 기판에는 제1 비아홀을 통하여 상기 급전부(51)와 연결되는 급전 패드(50)가 구비되고, 상기 제1 방사체(10)의 길이 보상을 위한 길이 보상부(71)와 연결되는 패드(70)가 구비되며, 또한 안테나 표면 실장을 위한 SMD(표면실장공법) 패드(80)가 구비된다. 상기 급전 패드(50), 상기 패드(70)도 또한 안정적인 표면 실장이 가능하도록 해 준다. 상기 기생 소자(40), 상기 급전 패드(50), 패드(70), SMD 패드(80)는 모두 제4 기판(4)의 하부면에 형성된다.
상기 기생 소자(40)가 형성된 제4 기판(4)과, 제2 및 제3 방사체(20)(30)가 형성된 제3 기판(3)과의 거리는 공진 주파수 조절을 위한 커패시턴스가 형성될 수 있는 정도의 거리가 된다. 따라서 제2 및 제3 방사체(20)(30)와 기생 소자(40) 사이에 커패시턴스가 형성되며, 상기 기생 소자(40)의 길이(4L) 및 폭(4W)이 조절되어 공진 주파수가 조절된다.
상기 기생 소자(40)의 길이(4L)가 길어질수록, 폭(4W)이 넓어질수록 고주파 대역의 공진 주파수가 낮은 대역으로 이동된다.
본 발명에 의한 다층 구조의 다중 대역 칩 안테나에서, 제1 방사체(10)는 저주파 대역, 예컨대 GSM900 대역에서 공진하고, 제2 및 제3 방사체(20)(30)와 기생 소자(40)는 고주파 대역, 예컨대, DCS,PSC 대역에서 공진한다.
도 4는 본 발명에 의한 다층 구조의 다중 대역 칩 안테나의 제2 및 제3 방사체(20)(30) 사이의 간격(Gap 2)에 따른 반사 손실 비를 나타낸다. 도 3의 (b)에 도시된 제2 및 제3 방사체(20)(30) 사이의 이격 거리(Gap 2)가 가까워질수록 고주파 대역의 공진 주파수가 낮은 방향으로 조절됨을 알 수 있다.
본 발명에 의한 다층 구조의 다중 대역 칩 안테나는 적어도 이중 대역에서 동작됨을 알 수 있다.
도 5는 본 발명에 의한 다층 구조의 다중 대역 칩 안테나의 광대역 특성을 나타내는 그래프이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 다층 구조의 다중 대역 칩 안테나는 저주파 대역, 예컨대 GSM900 대역에서는 약 80(880~960MHz)MHz인 대역폭을 얻을 수 있고, 고주파 대역, 예컨대 DCS,PCS 대역(1.71~1.99GHz)에서는 380(1,670 ~ 2,050 MHz)MHz인 대역폭을 얻을 수 있다.
본 발명에 의한 다층 구조의 다중 대역 칩 안테나의 크기는 예를 들어, 높이 4mm, 폭 6mm, 길이 28mm이며, 접지 조건이 45*90mm로 제작될 수 있다.
또한 본 발명에 의한 다층 구조의 다중 대역 칩 안테나의 경우에 일례로, H-plane 방사 최대 이득은 2.45dBi이며, 방사 패턴은 무지향성 특성을 보인다.
본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 개시된 실시예들은 본 발명을 한정하는 것이 아니라 본 발명을 설명하기 위한 것이다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
도 1a는 본 발명에 의한 다층 유전체 층 구성을 나타내고, 도 1b는 본 발명에 의한 다층 유전체의 4개 층의 입체 구조를 나타내는 도면.
도 2는 본 발명에 의한 다층 구조의 다중 대역 칩 안테나의 구조를 나타내는 도면.
도 3은 본 발명에 의한 다층 구조의 다중 대역 칩 안테나에서 제1 방사체, 제2 및 제3 방사체, 및 기생 소자의 상세한 구조를 나타내는 도면.
도 4는 본 발명에 의한 다층 구조의 다중 대역 칩 안테나의 제2 및 제3 방사체 사이의 간격(Gap 2)에 따른 반사 손실 비를 나타내는 도면.
도 5는 본 발명에 의한 다층 구조의 다중 대역 칩 안테나의 광대역 특성을 나타내는 그래프.
**도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명**
1,2,3,4: 제1기판,제2기판,제3기판,제4기판
10: 제1방사체 20: 제2방사체
30: 제3방사체 40: 기생소자
51: 급전부 61: 접지부
71: 길이보상부 80: SMD 패드

Claims (4)

  1. 제1 기판의 상부에 형성되어 저주파 대역에서 공진하는 제1 방사체와;
    공진 주파수 간 상호 간섭을 최소화하기 위하여 상기 제1 기판의 하부층에 형성되는 PCB 유전체 기판인 제2 기판과;
    상기 제2 기판의 하부층인 제3 기판의 하부에 서로 소정 간격으로 이격되어 형성되어 고주파 대역에서 공진하는 제2 및 제3 방사체와;
    상기 제3 기판의 하부층인 제4 기판의 하부에 형성되어 상기 제2 및 제3 방사체와 상호 커플링되는 기생소자와;
    상기 제4 기판에 형성되며 상기 제1 내지 제4 기판을 관통하는 제1 비아홀을 통하여 상기 제1 방사체 및 상기 제3 방사체에 급전하는 급전부; 및
    상기 제4 기판에 형성되며 상기 제1 내지 제4 기판을 관통하는 제2 비아홀을 통하여 상기 제1 방사체 및 상기 기생소자를 접지시키는 접지부를 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 다층 구조의 다중 대역 칩 안테나.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기생소자의 전기적인 길이 및 폭을 조절하여 튜닝되는 것을 특징으로 하는 다층 구조의 다중 대역 칩 안테나.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제3 방사체는 상기 제1 비아홀을 통하여 상기 급전부에 연결되어 급전되고 상기 제2 방사체는 상기 제3 방사체에 의하여 커플링 급전되는 것을 특징으로 하는 다층 구조의 다중 대역 칩 안테나.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 내지 제4 기판을 관통하는 제3 비아홀을 따라 형성되어 상기 제1 방사체의 길이를 보상하는 길이 보상부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다층 구조의 다중 대역 칩 안테나.
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