KR20100064008A - 미모/다이버시티 내장형 안테나 시스템 - Google Patents

미모/다이버시티 내장형 안테나 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 MIMO/다이버시티(diversity) 내장형 안테나 시스템에 관한 것이다.
본 발명은, 인쇄회로기판; 상기 인쇄회로기판의 Non 그라운드 상에 위치한 복수개의 급전부 및 상기 인쇄회로기판의 그라운드 상에 위치한 복수개의 단락부를 포함하는 연결패드부; 방사체, 상기 방사체와 상기 복수개의 급전부 중 어느 하나를 연결하는 급전라인 및 상기 방사체와 상기 복수개의 단락부 중 어느 하나를 연결하는 단락라인 포함하는 복수개의 안테나부; 및 상기 복수개의 단락부 사이를 상호 연결하는 필터부; 를 포함하되, 상기 필터부는 상기 안테나부의 동작 주파수 대역을 필터링하는 것을 특징으로 하는 MIMO/다이버시티(diversity) 내장형 안테나 시스템을 제공한다.
안테나, MIMO, 다이버시티, 상호간섭, 격리도, 필터

Description

미모/다이버시티 내장형 안테나 시스템{MIMO/diversity Internal Antenna System}
본 발명은 내장형 안테나 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이동통신 무선 단말기에 다수의 내장 안테나를 설치하는 경우, 상기 안테나 소자 사이에 상기 안테나의 공진대역을 필터링하는 필터부를 삽입함으로써 상기 안테나 사이의 상호간섭(mutual coupling)을 최소화하는 MIMO/다이버시티(diversity) 내장형 안테나 기술에 관한 것이다.
종래의 이동통신 시스템에서는 단일 안테나 또는 내/외장형을 혼합한 안테나를 사용하였다. 하지만 최근에는 이동 단말기에 대한 소형화, 슬림화 요구와 함께 단말기의 미관을 고려한 내장형 안테나가 선호되고 있다. 한편, 무선 이동통신 기술을 이용한 고속 멀티미디어 서비스 등에 대한 요구에 따라 이동통신 시스템에서의 통신용량 증대는 계속 가속화되고 있는 상황이다. 결국, 안테나의 소형화와 증가된 통신용량 및 통신의 신뢰성을 모두 만족시킬 수 있는 광대역 이동통신 시스템용 안테나 기술에 대해 관심이 커지고 있는 것이다.
이에 따라 제안된 기술이 최근 각광을 받고 있는 미모(MIMO : Multi-Input Multi-Output) 또는 다이버시티(Diversity)를 이용한 안테나 기술이다.
먼저 미모(MIMO)를 이용한 방식은 기지국과 휴대 단말기의 안테나를 각각 2개 이상으로 늘려 데이터를 여러 경로로 전송하고, 수신단에서 각각의 경로로 수신된 신호를 검출하는 다중 입력 다중 출력의 방식이다. 다음으로, 다이버시티를 이용한 방식은 둘 이상의 안테나를 이용해 신호 전파를 수신하며, 그 출력을 합성하여 수신된 신호를 검출하는 방식이다. 이러한 MIMO/다이버시티 안테나는 전송되는 데이터의 신뢰도를 높일 수 있으며, 데이터 통신 확대 등에 따른 이동통신 전송량 한계를 극복할 수 있다는 장점이 있다.
하지만, MIMO/다이버시티 안테나를 슬림형 이동통신 단말기 내부 공간에 내장하기 위해서는, 내장된 각 안테나 사이의 전자기적 상호간섭(mutual coupling)이나 불충분한 격리도(isolation)도로 인한 송수신 성능 저하를 극복할 수 있어야 한다.
이러한 문제를 해결하기 위해 안테나 사이의 거리를 λ/2이상 (여기서, λ는 안테나가 방사하는 전파의 파장이다.) 떨어뜨리는 방안을 생각할 수 있다. 하지만, 소형 안테나 시스템에서는 안테나가 설치되는 공간이 제약되기 때문에 안테나 간 거리를 이격시키는 방법으로는 상기 문제를 해결할 수 없다.
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 이동통신 무선 단말기와 같이 내부 공간이 협소한 장치에 다수의 안테나가 설치되더라도 상기 안테나 간에 발생할 수 있는 상호간섭을 최소화할 수 있는 MIMO/다이버시티 내장형 안테나를 제공하는 것을 목적으로 삼고 있다.
상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 인쇄회로기판; 상기 인쇄회로기판의 Non 그라운드 상에 위치한 복수개의 급전부 및 상기 인쇄회로기판의 그라운드 상에 위치한 복수개의 단락부를 포함하는 연결패드부; 방사체, 상기 방사체와 상기 복수개의 급전부 중 어느 하나를 연결하는 급전라인 및 상기 방사체와 상기 복수개의 단락부 중 어느 하나를 연결하는 단락라인 포함하는 복수개의 안테나부; 및 상기 복수개의 단락부 사이를 상호 연결하는 필터부; 를 포함하되, 상기 필터부는 상기 안테나부의 동작 주파수 대역을 필터링하는 것을 특징으로 하는 MIMO/다이버시티(diversity) 내장형 안테나 시스템을 제공한다.
바람직하게 상기 필터부는 지그재그 형상의 미앤더 라인(Meander-line)이며, 상기 미앤더 라인은 필터링하고자 하는 대역에 해당하는 파장(λ)의 1/4이상의 길이로 형성된다.
바람직하게 상기 미앤더 라인은 상기 단락부 간을 연결하는 최단 선분의 중심점을 지나는 수직 이등분선을 기준으로 대칭되게 형성될 수 있으며, 또한 상기 방사체의 하부 공간을 경유하며 형성될 수 있다.
바람직하게 상기 필터부는 인덕터와 커패시터를 포함하는 전자소자이며, 상기 전자소자는 신호가 입력되는 단부와 무관하게 동일한 주파수 대역을 필터링한다.
바람직하게 상기 복수개의 안테나부는 상기 안테나부 간을 연결하는 최단 선분의 중심점을 지나는 수직 이등분선을 기준으로 서로 대칭되도록 형성된다.
본 발명에 의하면, 복수개의 안테나 간의 물리적 거리와 무관하게 안테나 간의 상호간섭을 최소화할 수 있기 때문에 상기 복수개의 안테나를 내장하고 있는 단말기의 크기를 소형화할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면 안테나부가 서로 대칭되는 형태로 형성되기 때문에 첫째, 인쇄회로기판의 표면전류가 인체에 미치는 영향을 감소시킬 수 있고, 둘째, 기능을 할 수 없게 된 한쪽 안테나를 다른 쪽 안테나가 대신할 수 있으며, 셋째, 안테나를 광대역화 할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면 필터부가 대칭되는 형태로 형성되기 때문에 상기 필터부와 연결된 양 방사체로부터 전파되는 전자기파를 동일하게 상쇄할 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 MIMO/다이버시티(diversity) 내장형 안테나 시스템의 바람직한 실시예들을 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석 되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1 내지 도 3은 본 발명에 따른 MIMO/다이버시티(diversity) 내장형 안테나 시스템의 일실예들을 도시한 사시도이고, 도 4와 도 5는 종래와 본 발명에 따른 MIMO/다이버시티(diversity) 내장형 안테나 시스템의 반사손실(return loss) 및 투과계수(Transmission Coefficient)를 각각 도시한 그래프이다. 또한, 도 6과 도 7은 도 1에 도시된 MIMO/다이버시티(diversity) 내장형 안테나 시스템의 제 1방사체와 제 2방사체에 대한 2.4GHz 방사패턴(radiation pattern)을 각각 도시한 그래프이며, 도 8과 도 9는 도 1에 도시된 MIMO/다이버시티(diversity) 내장형 안테나 시스템의 제 1방사체와 제 2방사체에 대한 5.6GHz 방사패턴(radiation pattern)을 각각 도시한 그래프이다. 도면에 도시된 실시예들은 2개의 안테나부(200)를 사용하였으나, 3개 이상의 안테나부(200)로 구성된 MIMO/다이버시티 안테나 시스템에서도 이하에서 설명하는 구조가 그대로 적용될 수 있다.
본 발명에 따른 MIMO/다이버시티(diversity) 내장형 안테나 시스템은 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 인쇄회로기판(100), 복수개의 안테나부(200), 필터 부(300) 및 연결패드부(500)를 포함한다.
상기 인쇄회로기판(100)은 Non 그라운드(102)와 그라운드(104)를 포함한다. 이 때, 상기 인쇄회로기판(100) 상에는 상기 Non 그라운드(102)와 연결되는 급전부(502) 및 상기 그라운드(104)와 연결되는 단락부(504)를 포함하는 연결패드부(500)가 위치한다. 또한, 상기 인쇄회로기판(100)의 일측면에는 상기 안테나부(200)가 배치되는 'ㄷ'형상의 지지대(400)가 형성된다.
상기 안테나부(200)는 방사체(202), 급전라인(204) 및 단락라인(206)을 포함한다. 상기 방사체(202)는 해당 주파수의 RF(Radio Frequency)신호를 송수신한다. 또한, 상기 급전라인(204)은 상기 방사체(202)와 상기 연결패드부(500)의 급전부(502)를 연결하며, 상기 단락라인(206)은 상기 방사체(202)와 상기 연결패드부(500)의 단락부(504)를 연결한다.
여기에서, 상기 방사체(202)는 상기 지지대(400)의 상면부에 위치하고, 급전라인(204) 및 단락라인(206)과 함께 상기 인쇄회로기판(100) 상에 평면 역F 안테나(PIFA; Planar Inverted-F Antenna)를 형성하게 된다.
이 때, 상기 복수개의 안테나부(200)는 상기 안테나부(200) 사이를 연결하는 최단 선분의 중심점을 지나는 수직 이등분선을 기준으로 서로 대칭되게 형성된다. 이처럼 상기 안테나부(200)가 발란스(Balance)구조를 가지게 되면, 상기 인쇄회로기판(100)에 유기된 표면전류를 제한하여 전자파가 인체에 미치는 영향을 감소시킬 수 있다. 또한 발란스 형태의 안테나부(200)는 한쪽 안테나부가 역할을 할 수 없게 되더라도 대칭 구조로 형성된 다른 안테나부가 이를 대신할 수 있으며 상기 안테나 부(200)의 대역폭을 광대역화할 수 있다는 장점도 가지게 된다.
상기 필터부(300)는 연결패드부(500)의 단락부(504) 사이를 상호 연결하여 형성된다. 이 때 상기 필터부(300)는 상기 인쇄기판회로(100)상에 위치하게 된다.
여기에서 안테나부(200)의 방사과정을 살펴보면, 상기 안테나부(200)의 급전라인(204)은 인쇄회로기판(100)의 Non 그라운드(102) 상에 위치한 급전부(502)와 연결되어 각 방사체(202)로 에너지를 공급하게 되고 이에 따라 각 방사체(202)는 공진하고자 하는 대역의 전자기파를 방사하게 된다. 이 때 제1 및 제2 방사체(202)가 상호간의 방사 영역 내에 위치하면, 제1 및 제2 방사체(202)로부터 방사되는 전자기파는 상대측 방사체까지 전파된다. 상기 전파된 상대측 방사체의 신호는 상호간섭을 유발하게되어 전체 안테나 시스템 전체의 성능을 저하를 가져오게 되는 것이다.
본 발명의 필터부(300)는 앞에서 설명한 바와 같이, 상기 연결패드부(500)의 단락부(504) 사이를 상호 연결하여 형성되며, 또한 상기 필터부(300)는 상기 안테나부(200)의 동작 주파수 대역대를 필터링하도록 설계된다. 이에 따라, 제1방사체로부터 방사되는 전자기파는 제2 방사체로 전파되기 전에 필터부(300)로 전파되게 되고, 반대로 제2 방사체로부터 방사되는 전자기파도 제1 방사체로 전파되기 전에 필터부(300)로 전파되게 된다. 이 때, 필터부(300)는 상기 양 방사체(202)로부터 전파되는 전자기파를 상쇄하여 각 방사체(202)가 상대측 방사체에 미치는 영향을 감소시키는 것이다. 즉, 결과적으로 양 안테나부(200)는 서로 전기적으로 격리되게 되고, 상기 필터부(300)는 안테나부(200) 사이의 커플링 내지 상호간섭을 차단한 다.
상기와 같은 필터부(300)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 다수의 접혀진 단위패턴으로 이뤄진 지그재그 형상의 미앤더 라인(meander line)으로 구성될 수 있다. 상기 미앤더 라인은 공간적으로 각 안테나부(200) 사이의 간격이 떨어져 보이는 효과를 주어, 안테나 시스템은 협소한 공간에 복수의 안테나부(200)를 내장할 수 있게 된다.
또한, 상기 미앤더 라인은 상기 미앤더 라인 사이에 존재하는 커패시터와 각각의 라인에 존재하는 인턱터를 포함하여 가상의 필터를 형성하므로써, 상기 안테나부(200) 사이의 상호간섭을 차단할 수 있는 필터의 역할을 하게된다. 이 때, 상기 미앤더 라인의 패턴 수와 패턴 사이의 간격을 변화시킴으로써 미앤더 라인의 커패시턴스값과 인덕턴스값을 조정하여 필터링하고자 하는 대역을 조절할 수 있다.
한편, 상기 미앤더 라인은 필터링하고자 하는 대역에 해당하는 파장(λ)의 1/4이상의 길이로 형성되는 것이 바람직하다. 이와 같은 길이로 미앤더 라인을 형성하게 되면, 상기 미앤더 라인의 중심에서 상기 각 안테나부(200)에서 방사한 신호의 위상차가 0이 되어 각 안테나부(200) 사이의 상호간섭을 개선할 수 있게 되다.
이 때, 상기 미앤더 라인은 상기 단락부(504) 간을 연결하는 최단 선분의 중심점을 지나는 수직 이등분선을 기준으로 대칭되게 형성된다. 이에 따라, 상기 연결된 양 방사체(202)로부터 전파되는 전자기파를 동일하게 상쇄할 수 있다.
또한, 상기 필터부(300)는 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 방사체(202)의 하 부 공간을 경유하도록 위치시킬 수 있다. 이와 같은 경우, 방사체(202)의 하부 공간을 활용할 수 있게 됨으로써, 상호 연결된 안테나부(200) 사이 간격을 좀 더 가깝게 구현할 수 있게 되고 이에 따라 전체 안테나 시스템의 체적 감소가 가능해진다.
또한, 상기 필터부(300)는 도 3에 도시된 바와 같이, 인덕터와 커패시터를 포함하는 전자소자로 형성될 수 있다. 이 때, 상기 전자소자는 신호가 입력되는 단부와 무관하게 동일한 주파수 대역을 필터링하는 것이 바람직하다. 이와 같이, LC 필터를 사용하는 경우, L,C소자를 변경함으로써 필터링하고자 하는 주파수를 용이하게 변경할 수 있으며, 또한 제조시 상기 인쇄회로기판(100) 상에서 각 단락부(504) 사이에 표면실장이 가능하게 되어, 용이하게 필터부를 구현할 수 있다.
본 출원인은 위와 같은 구성을 갖는 MIMO/다이버시티 내장형 안테나 시스템의 특성을 파악하기 위해 본 발명에 의한 안테나의 반사손실과 투과계수 및 방사패턴을 측정하였고, 그 결과를 도 4 내지 도 9에 도시하였다. 도 4와 도 5를 비교하여 살펴보면 종래, 즉 필터부(300)가 설치되지 않은 경우에 비하여 본 발명에 따른 MIMO/다이버시티 안테나가 격리도(isolation) 특성에 있어서 개선되었음을 알 수 있다. 또한 도 6 내지 도 9를 살펴보면, 안테나부(200)가 전 방향으로 전자기파를 방사함을 알 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
도 1은 본 발명에 따른 MIMO/다이버시티(diversity) 내장형 안테나 시스템의 일실예를 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 MIMO/다이버시티(diversity) 내장형 안테나 시스템의 다른 일실예를 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 MIMO/다이버시티(diversity) 내장형 안테나 시스템의 또 다른 일실예를 도시한 사시도이다.
도 4는 종래 MIMO/다이버시티(diversity) 내장형 안테나 시스템의 반사손실(return loss) 및 투과계수(Transmission Coefficient)를 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명에 따른 MIMO/다이버시티(diversity) 내장형 안테나 시스템의 반사손실(return loss) 및 투과계수(Transmission Coefficient)를 도시한 그래프이다.
도 6 내지 도 7은 도 1에 도시된 MIMO/다이버시티(diversity) 내장형 안테나 시스템의 제 1방사체와 제 2방사체에 대한 2.4GHz 방사패턴(radiation pattern)을 각각 도시한 그래프이다.
도 8 내지 도 9는 도 1에 도시된 MIMO/다이버시티(diversity) 내장형 안테나 시스템의 제 1방사체와 제 2방사체에 대한 5.6GHz 방사패턴(radiation pattern)을 각각 도시한 그래프이다.

Claims (8)

  1. 인쇄회로기판;
    상기 인쇄회로기판의 Non 그라운드 상에 위치한 복수개의 급전부 및 상기 인쇄회로기판의 그라운드 상에 위치한 복수개의 단락부를 포함하는 연결패드부;
    방사체, 상기 방사체와 상기 복수개의 급전부 중 어느 하나를 연결하는 급전라인 및 상기 방사체와 상기 복수개의 단락부 중 어느 하나를 연결하는 단락라인 포함하는 복수개의 안테나부; 및
    상기 복수개의 단락부 사이를 상호 연결하는 필터부; 를 포함하되,
    상기 필터부는 상기 안테나부의 동작 주파수 대역을 필터링하는 것을 특징으로 하는 MIMO/다이버시티(diversity) 내장형 안테나 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 필터부는 지그재그 형상의 미앤더 라인(Meander-line)인 것을 특징으로 하는 MIMO/다이버시티(diversity) 내장형 안테나 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 미앤더 라인은 필터링하고자 하는 대역에 해당하는 파장(λ)의 1/4이상의 길이로 형성되는 것을 특징으로 하는 MIMO/다이버시티(diversity) 내장형 안테나 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 미앤더 라인은 상기 단락부 간을 연결하는 최단 선분의 중심점을 지나는 수직 이등분선을 기준으로 대칭되는 것을 특징으로 하는 MIMO/다이버시티(diversity) 내장형 안테나 시스템.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 미앤더 라인은 상기 방사체의 하부 공간을 경유하는 것을 특징으로 하는 MIMO/다이버시티(diversity) 내장형 안테나 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 필터부는 인덕터와 커패시터를 포함하는 전자소자인 것을 특징으로 하는 MIMO/다이버시티(diversity) 내장형 안테나 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 전자소자는 신호가 입력되는 단부와 무관하게 동일한 주파수 대역을 필터링하는 것을 특징으로 하는 MIMO/다이버시티(diversity) 내장형 안테나 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 복수개의 안테나부는 상기 안테나부 간을 연결하는 최단 선분의 중심점 을 지나는 수직 이등분선을 기준으로 서로 대칭되는 것을 특징으로 하는 MIMO/다이버시티(diversity) 내장형 안테나 시스템.
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