KR20100125903A

KR20100125903A - 접지면 공진을 이용한 안테나

Info

Publication number: KR20100125903A
Application number: KR1020090044856A
Authority: KR
Inventors: 김해동; 정훈희
Original assignee: (주)광진텔레콤
Priority date: 2009-05-22
Filing date: 2009-05-22
Publication date: 2010-12-01
Also published as: KR101101856B1

Abstract

본 발명은 무선기기에 적용되는 내장형 안테나에 관한 것으로, 패치(22)(24)가 형성된 칩 안테나(20)와; 도체성분이 입혀진 기판(12)에 상기한 칩 안테나(20)가 실장되도록 직사각형 모양의 슬롯(S1)을 형성하고, 상기한 직사각형 모양의 슬롯(S1)에 상기한 칩 안테나(20)의 패치(24)와 솔더링 방식으로 단락되는 패드(14)(16)(18)가 형성된 접지면 패치(10); 로 구성되는 접지면 공진을 이용한 초소형 안테나에 관한 것이다.

안테나, 접지면, 공진, 슬릿, 슬롯, 칩안테나

Description

접지면 공진을 이용한 안테나{Antenna with ground resonance}

본 발명은 무선기기에 적용되는 내장형 안테나에 관한 것으로, 안테나 크기를 소형화하기 위해 접지면 공진을 활용, 접지면을 주 방사체로 활용하고 칩 안테나를 보조방사체 및 정합 회로로 활용한 것이다.

최근 무선기기는 크기가 초소형화됨과 동시에 다양한 기능들이 적용되는 추세로, 크기의 초소형화에 따라 디바이스 및 소자가 실장되는 보드의 크기도 작아지고 있으나 다양한 기능의 추가로 인하여 실장 할 디바이스와 소자 등의 수는 증가하여 칩 안테나를 실장 할 수 있는 공간 역시 축소되었다. 또한 무선기기에 적용되는 안테나 역시 디자인이나 휴대성의 이유로 외장형에서 내장형으로 바뀌면서 크기 또한 초소형화가 요구되고 있다.

이러한 요구에 따라 최근 많이 사용되고 있는 마이크로 칩 안테나는 그라운드 패치 위에 유전체를 형성하고, 이 유전체의 상면에 장방형 또는 원형의 방사 패치를 부착한 간단한 구조의 평면 안테나로서 가격이 저렴하고 소형 및 경량으로 제작할 수 있어 대량생산에 적합하다는 이점이 있으나, 대역폭이 좁고 효율이 낮다는 단점이 있기도 하다.

이러한 마이크로 칩 안테나는 직육면체의 면에 나선 코일 형태로 패치가 둘러져 있는 헤리컬 타입, 급전부의 시그널(Signal) 패턴으로만 형성되어 있는 모노폴 타입, 급전부의 시그널 패턴과 그라운드 패치가 합쳐져 형성되는 IFA(Inverted F Antenna) 타입 또는 PIFA(Planar Inverted FAntenna)타입 등이 있다.

이중 헤리컬 및 모노폴 타입 안테나의 장점은 대역폭이 넓고, 시정수 사용으로 정합이 용이한 것으로, 특히 형성하고자 하는 주파수 대역에서 공진이 벗어날 경우 정합단 직렬에 커패시터 혹은 인덕터 등의 적절한 시정수 사용으로 쉽게 공진을 이동시킬 수 있는 장점이 있다. 따라서 공진이 특정 주파수 대역에 벗어나 있어도 안테나 패치 길이를 조절할 필요가 없다.

한편, 상기한 헤리컬, 모노폴 타입 안테나의 단점으로는 주위 환경에 민감한 것이다. 주위 환경이라 하면 접지면 조건, 기구물 조건, 안테나 주위 소자, 인체영향 등을 말하며, 특히 접지면 조건에 따라 많은 특성차이가 발생한다. 따라서 보드 내 안테나의 실장위치를 접지면과 특정 거리 이상 이격시켜야만 안테나 고유의 성능을 발휘하는 경우가 대부분이므로, 안테나의 크기가 커지는 문제점이 있었다.

그리고, 평면 역 에프 안테나(PIFA: Planar Inverted F-Antenna)는 해당 공진 주파수 파장(λ)의 1/4크기로 안테나를 구현한 것으로 안테나의 두 개의 복사 소자 중 그라운드 복사 소자를 시그널 복사 소자에 단락시킴으로서 1/4파장 이하에서도 공진할 수 있게 한 것이다.

이러한 PIFA 타입 안테나의 장점은 안테나 패치 중 단락핀의 길이 및 위치, 두께 조절 등으로 안테나 자체가 정합회로의 역할도 하기 때문에 따로 시정수 정합 이 불필요 하다는 것이다. 물론 약간의 Q 및 대역폭 등의 조절을 위해 시정수를 사용하는 경우도 있으나, 모노폴과 헤리컬 칩 안테나에 비하면 사용 빈도가 적다.

또한 접지면을 활용한 형태의 안테나이기 때문에 헤리컬, 모노폴 타입의 안테나와 달리 접지면의 영향에 크게 민감하지 않고 또한 접지면의 위치에 크게 상관없이 안테나를 실장 할 수 있어서, 무선기기의 보드 활용면에서 헤리컬, 모노폴 안테나 대비 크게 유리하여 최근 많이 사용되고 있다.

하지만 기구물, 접지면, 소자 등에 의한 공진 주파수의 변화 발생 시 시정수 사용으로의 공진 이동이 어렵다는 단점이 있다. 무리하여 높은 용량의 리엑턴스 정수를 사용하면 방사성능 저하의 원인이 되기 때문에 안테나 방사 패치의 길이 조절이 불가피 하다. 이렇게 공진주파수의 이동을 안테나 방사 패치의 길이 조절로 한다는 것은 2.4GHz 대역의 불특정 다수의 무선기기에 적용되는 칩 안테나의 최대의 단점이다.

이러한 평면 역 에프 안테나는 안테나의 높이가 낮을수록 커패시턴스의 성분이 증가해 대역폭이 좁아지는 특성이 있다. 협대역인 대역폭을 개선하기 위해 안테나 높이 증가, 기생 방사소자 이용, 낮은 유전율을 갖는 기판사용, 적층방식 등의 여러 기술들이 연구되고 있다.

한편, PCB안테나는 안테나 회로를 무선기기내 PCB에 에칭함으로서 안테나의 비용을 줄인 내장형 안테나이다.

비용절감의 장점은 있지만 접지면 조건, 기구물 조건, 안테나 주위 소자의 변경으로 인하여 공진 주파수를 변경을 위해서는 안테나 회로를 수정하여야 하고 이 경우 PCB 제작부터 표면실장(SMT)까지의 전 과정을 반복해야하는 단점이 있다.

또한 일반 평면구조의 비아홀(Via Hole) 연결로 PCB 층을 활용한 적층구조 등으로의 방사패치를 형성할 수 있으나 일반 칩 안테나 대비 방사패치의 구성에 있어서의 구조적인 한계가 있다.

본 발명은 슬롯과 슬릿을 사용한 접지면 패치를 주 방사체로 하여 전류의 흐름을 루프(Loop)형태로 형성하고, 방사성능 개선과 정합 회로의 역할을 위하여 보조 방사체인 칩 안테나를 상기한 접지면에 실장하여 소형화를 달성하는 데 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은, 패치(22)(24)가 형성된 칩 안테나(20)와; 도체성분이 입혀진 기판(12)에 상기한 칩 안테나(20)가 실장되도록 직사각형 모양의 슬롯(S1)을 형성하고, 상기한 직사각형 모양의 슬롯(S1)에 상기한 칩 안테나(20)의 패치(24)와 솔더링 방식으로 단락되는 패드(14)(16)(18)가 형성된 접지면 패치(10); 로 구성되는 접지면 공진을 이용한 초소형 안테나에 있다.

그리고, 상기한 구성에서 접지면 패치(10)에 형성되는 패드(14)(16)(18)는 칩 안테나(20)의 실장 시 신뢰성 있는 실장을 위한 더미(DUMMY) 접지면 패드(18), 급전 패드(16), 단락 핀 역할을 하는 접지면 패드(18)로 구성되며, 상기한 더미 접지면 패드(14)와 접지면 패드(18)는 기판(12)의 도체성분과 직접적으로 연결되고, 급전 패드(16)는 급전 라인(17)을 통하여 기판(12)의 도체성분과 연결된다.

또한, 상기한 칩 안테나(20)는 직육면체인 유전체 기판에 전도체로 패치(22)(24)를 형성한 것으로, 상면 패치(22)는 슬릿 또는 슬롯(S3)을 갖는 직사각형으로 형성하고, 하면 패치(24)는 상기한 접지면 패치(10)의 패드(14)(16)(18)와 대응되도록 3개의 패드(24a)(24b)(24c)로 형성되는데, 더미 접지면 패드(14)와 대응되는 제 1패드(24a)는 다른 패드들과 이격되도록 하고, 접지면 패드(18)와 급전 패드(16)에 대응되는 제 2 및 제 3패드(24b)(24c)는 서로 연결되도록 하며, Z방향(안테나 높이 방향) 패치(26) 또는 비아홀(28)은 하면 패치(24)와 상면 패치(22) 사이를 단락하도록 형성된다.

아울러, 상기한 접지면 패치(10)의 슬롯(S1) 일측 모서리에서 기판(12)의 단부로 슬롯(S1)과 연결된 슬릿(S2)을 형성하고, 상기한 상기한 슬릿(S2) 종단에 용량성 리액턴스 소자(30)를 실장한다.

이상과 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 접지면 공진을 이용한 초소형 칩 안테나는 2.4GHz 대역에서의 -10dB 이하의 반사손실을 얻을 수 있고, 정재파비가 2:1 이하로서 양호하며, 입력 임피던스가 50Ω에 근사하고, 복사패턴이 무지향성 이므로, 블루투스(Bluetooth), 지그비(Zigbee), 무선랜(Wireless-Lan) 등의 송, 수신 안테나로 사용될 수 있다.

또한 칩 안테나 패치의 길이가 파장의 1/8 이하의 크기로 형성할 수 있어 안테나의 크기를 초소형으로 제작할 수 있어서, 어떠한 크기의 무선기기에도 적용될 수 있는 효과가 있다.

아울러, 접지면이 안테나 역할을 하므로 본 발명은 별도의 칩 안테나 등의 안테나가 없어도 접지면 패치의 길이조절이나 커패시터의 용량값을 조절하여 방사를 할 수 있게끔 하였고, 접지면의 방사 성능을 더 좋게 개선하기 위해 칩안테나를 더 붙인 것으로 크기가 대폭 축소되는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 접지면 공진을 이용한 초소형 안테나를 나타내는 사시도이다.

본 발명에 따른 접지면 공진을 이용한 초소형 안테나는 크게, 접지면 패치(10)와, 상기한 접지면 패치(10) 상에 위치되는 칩 안테나(20) 및 상기한 접지면 패치(10)에 실장되는 용량성 리액턴스 소자(30)로 구성된다.

상기에서 접지면 패치(10)는 FR4(Flame Retardant Type 4) 기판(12) 위에 도체성분인 동판이 입혀진 인쇄회로기판(이하 PCB라 함)에 슬롯(S1)을 내어 형성하는데, 도 2에 나타내는 바와 같이 칩 안테나(20)가 실장되는 공간에 대응되도록 A,B,C,D점을 연결하는 직사각형 모양의 슬롯(S1)을 형성하되, 상기한 직사각형 모양의 슬롯(S1)은 칩 안테나(20)를 실장 할 수 있도록 칩 안테나(20)의 패치()와 솔더링 방식으로 단락되는 패드(14)(16)(18)가 형성되도록 구성된다.

상기에서 접지면 패치(10)에 형성되는 패드(14)(16)(18)는 좌측으로부터 칩 안테나(20)의 실장 시 신뢰성 있는 실장을 위한 더미(DUMMY) 접지면 패드(18), 급전 패드(16), 단락 핀 역할을 하는 접지면 패드(18)로 구성되며, 상기한 더미 접지면 패드(14)와 접지면 패드(18)는 기판(12)의 도체성분과 직접적으로 연결되고, 급전 패드(16)는 급전 라인(17)을 통하여 기판(12)의 도체성분과 연결된다.

이와 같이 형성된 접지면 패치(10)에서는 전류의 흐름이 도 3에 나타내는 바와 같이 급전 패드(16)를 중심으로 시계방향으로 루프 형태를 형성하고 접지면 표 면 내 전류의 방향이 역위상이 되어 전계가 상쇄되는 부분을 최소화하는 구조로, 주 방사는 이 접지면 패치(10)에서 일어나게 된다.

한편, 상기한 구성에서 칩 안테나(20)는 주 방사체 즉 접지면 패치(10)의 정합 회로 역할을 하는 것으로 그 구성을 도 4 및 도 5를 참조하여 살펴본다.

도 4의 칩 안테나(20)는 직육면체인 FR4 유전체 기판에 동과 같은 전도체로 패치(22)(24)(26)를 형성한 것으로, 상면 패치(22)는 직사각형으로 형성하여 수평 방향의 방사성분을 추가하고 슬릿 또는 슬롯(S3)을 내어 실효전류를 늘여 안테나의 길이를 늘인 효과를 얻는다. 그리고, 하면 패치(24)는 상기한 접지면 패치(10)의 패드(14)(16)(18)와 대응되도록 3개의 패드(24a)(24b)(24c)로 형성되는데, 더미 접지면 패드(14)와 대응되는 제 1패드(24a)는 다른 패드들과 이격되도록 하고, 접지면 패드(18)와 급전 패드(16)에 대응되는 제 2 및 제 3패드(24b)(24c)는 서로 연결되도록 한다. 또한, Z방향(안테나 높이 방향) 패치(26)는 하면 패치(24)와 상면 패치(22) 사이를 단락하고 수직방향의 전류 흐름을 만들어 결론적으로 수평방향의 방사성분을 유도해 내는 역할인 비아홀(Via Hole)의 역할을 한 것이다.

그리고, 칩 안테나(20) 제작시 라우터 가공 공차를 고려하여 상면 패치(22)와 하면 패치(24) 모두 유전체면 끝부분에서 0.1mm는 패치를 형성하지 않았다.

이로서 세라믹대비 가공 공차가 큰 FR4기판 사용으로, 안테나 양산 시 제품 간의 주파수 편차를 최소로 하였고 따라서 제품 불량률을 낮추었다.

도 5는 도 4의 칩 안테나에서 Z방향 패치(26) 대신 비아홀(28)을 가공한 것으로, 이와 같이 비아홀을 사용하는 것은 FR4기판의 가공 상의 용이성을 위한 것이 다.

한편, 상기한 Z방향 패치(26) 또는 비아홀(28)의 길이를 조절하여, 즉 안테나 높이를 조절하여 공진 특성의 대역폭 및 Q등을 조절할 수도 있다.

그리고, 상기한 슬롯(S1)의 접지면 패드(18)측 모서리에서 기판(12)의 단부로 좁은 슬릿(S2)을 형성하되, 상기한 슬롯(S1)과 슬릿(S2)이 연결되도록 하고, 상기한 슬릿(S2) 종단 부분인 A점의 접지면 패치와 B점의 접지면에 용량성 리액턴스 소자(30)인 커패시터를 실장하여 공진 주파수의 이동이 가능하도록 하는데, 이와 같은 용량성 리액턴스 크기에 따라 주파수 공진 포인트는 1GHz이상 이동된다.

이와 같이 구성된 본 발명은 접지면 방사체가 칩 안테나에 비하여 전류분포가 상대적으로 넓은 면적에서 분포하기 때문에 전류분포의 집중현상이 적게 나타난다. 이러한 구조에서 칩 안테나를 보조 방사 패치로 추가하여 기존 접지면 방사체만의 특성 대비 넓은 임피던스 대역폭과 방사성능을 더욱 개선 시킨다.

또한, 칩 안테나 패치는 접지면에 단락된 기생 패치를 추가하여 기본 패치인 접지면 패치와 커플링을 일으켜 다중대역을 형성하고 접지면 공진을 포함 고조파 주파수 성분을 낮은 주파수 대역으로 유도하여 결론적으로 주 방사체인 접지면 공진을 저주파수 대역으로 이동시키는 역할을 한다.

물론 접지면 패치의 종단에 적용되는 용량성 리액턴스 값을 조절하여 공진을 이동시킬 수 있지만 칩 안테나를 실장하여 보다 적은 용량성 리액턴스 값을 적용하여 본래 접지면 방사체의 방사성능 저하를 최소화할 수 있다.

또한 칩 안테나 패치의 패턴을 적절히 조절하면 주 방사체인 접지면 패치에 서의 방사 성능을 개선 시킬 수 있다.

따라서, 본 발명은 PCB 안테나에서처럼 접지면을 활용하여 PCB내에 방사체를 구현하여 접지면 패치를 주 방사 패치가 되게 하고 PCB안테나의 단점인 방사체 구성의 구조적 한계점을 보조 방사체인 칩 안테나 패치를 활용하여 개선하였다.

또한 접지면 패치 종단 용량성 리액턴스 소자를 적용하여 모노폴, 헤리컬 안테나의 장점인 공진 주파수 이동의 용의성을 갖게 되었다.

아울러 보조 방사체인 칩 안테나의 패치 형태 중 급전부에 단락 핀을 적용하여 IFA 타입과 같은 급전부의 정합 회로를 갖게 되어 패치의 조절만으로도 정합이 이루어져 모노폴, 헤리컬 안테나의 단점인 시정수 사용 정합의 필요성이 줄어들었고, 이로 인하여 IFA 타입의 장점인 보드내 안테나 실장 위치선정시 접지면의 이격 거리 및 위치등에 크게 상관없이 무선기기 보드 내 어디든 안테나를 위치시킬 수 있다.

도 6a 내지 도 6c는 본 발명에 따른 접지면 공진을 활용한 안테나의 네트워크 애널라이저 데이터(Network analyzer data)이다.

도 6a는 대역에서의 공진 임피던스를 나타내는 것으로 공진 포인트인 마커 4에서 50Ω의 근사치를 이루고 있다.

도 6b는 반사손실(Log Mag)을 나타내는 것으로 마커 1에서 마커 3까지의 주파수 범위인 2.4~2.5GHz 대역 전 범위의 반사손실이 -10dB 이하로 구현되어 반사전력에 대한 손실분이 매우 양호하게 나타난다.

도 6c는 정재파비(VSWR)를 나타내는 것으로 마커 1에서 마커 3까지의 주파수 범위인 2.4~2.5GHz 대역 전 범위 2:1 이하로 나타나는 것을 보여준다.

도 7은 본 발명에 따른 접지면 공진을 활용한 칩 안테나의 전기적 장애물이 없는 무반사실에서 측정한 2.4~2.5GHz 대역의 복사이득을 나타내는 그림이다.

도시된 바와 같이 무지향성 복사패턴을 구현하므로 어느 위치에서라도 송수신이 가능하고 방향성 문제를 해결할 수 있다. 또한 복사이득 측정치는 전 방향에 대하여 평균 -1~ -0.9 dBi 이다.

이상의 전기적, 방사적인 특징은 2.4GHz 대역을 사용하는 블루투스(Bluetooth), 지그비(Zigbee), 무선랜(Wireless-Lan) 등의 송, 수신 안테나로 충분히 활용 가능함을 나타낸다.

또한 본 발명에 따른 접지면 공진을 활용한 칩 안테나의 크기는 세로, 가로, 높이가 각각 7.2mm, 2.1mm, 1.2mm로 초소형화된 크기로써 휴대전화와 블루투스 이어셋(ear set) 등의 초소형 무선기기 기판 내에 부품탑재 할 여유가 부족한 공간에서도 충분히 적용할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 접지면 공진을 이용한 초소형 안테나를 나타내는 사시도.

도 2는 본 발명에 따른 접지면 패치를 나타내는 평면도.

도 3은 급전 시 본 발명의 접지면 패치에 인가되는 표면전류의 흐름을 나타내는 시뮬레이션 결과도.

도 4는 칩 안테나의 일 실시예를 나타내는 사시도

도 5는 칩 안테나의 다른 실시예를 나타내는 사시도

도 6a 내지 6c는 본 발명에 따른 접지면 공진을 활용한 칩 안테나의 네트워크 애널라이저 데이터를 나타내는 도면.

도 7은 본 발명에 따른 접지면 공진을 활용한 칩 안테나의 전기적 장애물이 없는 무반사실에서 측정한 2.4~2.5GHz 대역의 복사이득을 나타내는 도면.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

10 : 접지면 패치 12 : 기판

14, 16, 18 : 패드 20 : 칩 안테나

S1,S3 : 슬롯 S2 : 슬릿

22, 24 : 패치 30 : 용량성 리액턴스 소자

Claims

패치(22)(24)가 형성된 칩 안테나(20)와;

도체성분이 입혀진 기판(12)에 상기한 칩 안테나(20)가 실장되도록 직사각형 모양의 슬롯(S1)을 형성하고, 상기한 직사각형 모양의 슬롯(S1)에 상기한 칩 안테나(20)의 패치(24)와 솔더링 방식으로 단락되는 패드(14)(16)(18)가 형성된 접지면 패치(10);

로 구성되는 것을 특징으로 하는 접지면 공진을 이용한 초소형 안테나.
제 1항에 있어서, 상기한 접지면 패치(10)에 형성되는 패드(14)(16)(18)는 칩 안테나(20)의 실장 시 신뢰성 있는 실장을 위한 더미(DUMMY) 접지면 패드(18), 급전 패드(16), 단락 핀 역할을 하는 접지면 패드(18)로 구성되며, 상기한 더미 접지면 패드(14)와 접지면 패드(18)는 기판(12)의 도체성분과 직접적으로 연결되고, 급전 패드(16)는 급전 라인(17)을 통하여 기판(12)의 도체성분과 연결되는 것을 특징으로 하는 접지면 공진을 이용한 초소형 안테나.
제 1항 또는 제 2항의 어느 하나의 항에 있어서,

상기한 칩 안테나(20)는 직육면체인 유전체 기판에 전도체로 패치(22)(24)를 형성한 것으로, 상면 패치(22)는 슬릿 또는 슬롯(S3)을 갖는 직사각형으로 형성하고, 하면 패치(24)는 상기한 접지면 패치(10)의 패드(14)(16)(18)와 대응되도록 3 개의 패드(24a)(24b)(24c)로 형성되는데, 더미 접지면 패드(14)와 대응되는 제 1패드(24a)는 다른 패드들과 이격되도록 하고, 접지면 패드(18)와 급전 패드(16)에 대응되는 제 2 및 제 3패드(24b)(24c)는 서로 연결되도록 하며, Z방향(안테나 높이 방향) 패치(26) 또는 비아홀(28)은 하면 패치(24)와 상면 패치(22) 사이를 단락하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 접지면 공진을 이용한 초소형 안테나.
제 1항에 있어서, 상기한 접지면 패치(10)의 슬롯(S1) 일측 모서리에서 기판(12)의 단부로 슬롯(S1)과 연결된 슬릿(S2)을 형성하고, 상기한 상기한 슬릿(S2) 종단에 용량성 리액턴스 소자(30)를 실장한 것을 특징으로 하는 접지면 공진을 이용한 초소형 안테나.