KR20110002795A

KR20110002795A - 안테나 장치 및 이동통신 단말기

Info

Publication number: KR20110002795A
Application number: KR1020100061474A
Authority: KR
Inventors: 이수길; 김명진; 이영배
Original assignee: (주)파트론
Priority date: 2009-07-02
Filing date: 2010-06-28
Publication date: 2011-01-10
Also published as: KR101218718B1

Abstract

본 발명은 직선편파 패치 안테나를 이용한 다이버시티 안테나를 구비하는 안테나 장치 및 그 다이버시티 안테나를 내장한 이동통신 단말기에 관한 것이다.
본 발명의 일면에 따른 안테나 장치는, 직선편파를 송수신하는 제1 안테나; 및 상기 제1 안테나와 이격되어 설치되며, 마이크로스트립 패치 안테나로 구현되어 직선편파를 송수신하는 적어도 하나의 제2 안테나를 포함하고, 상기 제2 안테나는, 전도성 판상 구조 또는 F-PCB면에 각각의 패치 안테나를 표면 실장형으로 실장하거나 부착하여 휘거나 접어서 기구에 내장되는 구조로 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

안테나 장치 및 이동통신 단말기{Diversity antenna device and mobile using the same}

본 발명은 안테나 장치 및 이동통신 단말기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 직선편파 패치 안테나를 이용한 다이버시티 안테나를 구비하는 안테나 장치 및 그 다이버시티 안테나를 내장한 이동통신 단말기에 관한 것이다.

휴대용 이동통신 단말기는 소형화, 다 기능화, 경량화 및 저 전력화를 목표로 지속적으로 발전하여 왔다. 이러한 이동통신 단말기에 필수적인 요소 중 하나인 안테나 장치는 통화 품질을 결정하는 핵심 부품이다.

현재, 이동통신 단말기는 바(Bar)형, 플립(Flip)형, 폴더(Folder)형 등 다양한 형태로 생산되고 있다. 통상적으로 이동통신 단말기에 사용되는 종래의 송수신 안테나 장치는 도 1에 도시한 바와 같이, 외장형 타입의 헬리컬(Helical) 안테나와 휩(whip) 안테나를 조합한 형태였다. 이 경우, 이동통신 단말기가 신호 대기 상태일 때나 전파 환경이 양호할 때는 헬리컬 안테나(2)가 단독으로 동작하고, 이동통신 단말기가 통화 상태일 때나 전파 환경이 열악할 때에는 사용자는 휩 안테나(3)를 인출시켜 헬리컬 안테나(2)와 휩 안테나(3)가 모두 동작하도록 할 수 있다.

그러나 이동통신 단말기의 디자인을 중요시하고 소형 경량화 되면서 안테나 장치는 상대적으로 부피가 큰 헬리컬 안테나가 이동통신 단말기 본체의 외부에 고정된 외장형 안테나 대신에, 이동통신 단말기 내부에 내장이 가능하고 전도성 방사체와 사출물로 구성된 직선편파(Linear polarization)특성의 메인 안테나(인테나(INTENNA)라고도 한다) 구조로 개발이 되어 왔으나, 이와 같은 메인 안테나 구조는 외장형 안테나 대비 성능이 저하 되는 문제가 발생된다.

따라서 이동통신 단말기의 성능 향상과 원활한 데이터 통신, 및 이동통신 단말기에 내장된 송수신용 메인 안테나의 페이딩 현상을 방지하기 위하여, 이동통신 단말기는 상기한 안테나 장치 외에, 별도의 다이버시티(diversity) 안테나를 구비하게 되었다. 이와 같은 다이버시티 안테나는 메인 안테나와 λ/2이상으로 충분한 이격 거리를 갖는 평면형 역-에프 안테나(PIFA;planar inverted-F antenna), 굴곡형태의 패턴으로 이루어지는 곡류형 안테나(meander antenna), 루프 안테나(loop antenna), 역 에프 안테나(inverted-F antenna), 와이어형 안테나(wire type antenna) 등 이동통신 단말기 본체 내부의 좁은 공간에서도 실장이 용이한 안테나가 이용된다.

하지만 기존 외장형 안테나를 사용할 경우, 다이버시티 안테나와 이격 거리가 충분하여 안테나 성능 저하 현상이 없었으나, USB모듈과 같이 사이즈가 작은 단말기의 내부 공간에 최소 20%이상의 면적을 차지하는 내장형 메인 안테나를 설치할 경우 다이버시티 안테나와 이격 거리가 충분하지 않아서 간섭에 의한 메인 안테나 성능 저하 현상이 발생하게 된다.

한편, 페이딩 현상이란 전파가 지나는 경로의 매질의 변화, 전파의 회절 또는 동일 지점에서 송신된 전파가 둘 이상의 경로를 통해 수신될 때 발생하는 위상차 등에 의해 신호 품질 또는 전송 속도 등이 저하되는 것을 말한다.

상기 내장 타입의 메인 안테나 및 다이버시티 안테나 각각에서 수신되는 신호를 조합하여 최적의 신호를 검출함으로써, 페이딩 현상을 방지하고 더 나은 신호 품질을 얻게 된다. 일반적인 다이버시티 안테나는 메인 안테나 장치로부터 이격된 거리가 멀수록 그 효과는 향상된다.

또한, 이동통신 단말기에 적용되는 통신 기술이 발달함에 따라서 기존 단일 주파수 송수신 기능 외에 듀얼 모드(Dual Mode) 혹은 트리플 모드(Triple Mode)를 구비한 이동통신 단말기가 출시되고 있으며, CDMA, PCS, WCDMA, GSM, GPS, WIFI, 블루투스, LTE(Long Term Evolution), Wimax 기능과 같이 다양한 어플리케이션이 하나의 이동통신 단말기에 집약되어 구현되기도 한다. 반면에, 이동통신 단말기의 사이즈는 소형화 되고 있는 추세이기 때문에, 좁은 공간 안에 많은 안테나가 위치하게 되어 주파수 대역이 각기 다른 어플리케이션의 다이버시티 안테나들이 적용된 이동통신 단말기에서는 다이버시티 안테나들의 실장 공간 및 이격 거리 확보가 어려울 뿐만 아니라, 안테나간 상호 간섭에 의한 문제점은 더욱 심화되고 있다.

따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, 이동통신 단말기의 내장형 다이버시티 안테나용으로 직선편파 특성의 마이크로 스트립 패치 안테나를 사용하여 단일 모드 지원 혹은 CDMA, PCS, LTE와 같이 듀얼 모드(dual mode) 이상을 지원하며, 직선편파 특성의 송수신용 메인 안테나를 내장시키고, 메인 안테나 혹은 근접 대역 주파수의 다이버시티 안테나들과 좁은 이격 거리에서 세라믹 패치 안테나로 메인 안테나와 10~20dB 이상의 격리도(Isolation)를 향상 시킬 수 있으며, 다른 주파수 대역의 어플리케이션용으로 사용되는 둘 이상의 다이버시티용 패치 안테나 사이에서 격리도 특성을 최소 20~30dB 이상 구현하여 메인 안테나에 간섭을 최소화할 수 있으며 성능이 우수한 다이버시티 안테나 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

그리고, 본 발명의 다른 목적은, 상기의 다이버시티 안테나 장치를 이동통신 단말기의 본체 내에 설치하여, 메인 안테나와 다이버시티 안테나의 이격 거리를 줄이고, 한정된 세트 공간 안에서 상호간의 신호 간섭없이 보다 많은 어플리케이션의 다이버시티 안테나들을 사용할 수 있도록 하며, 주파수가 다른 다이버시티 안테나간의 이격 거리를 줄여서 소형화된 이동통신 단말기를 제공함에 있다.

먼저, 본 발명의 특징을 요약하면, 상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른, 안테나 장치는, 직선편파를 송수신하는 제1 안테나; 및 상기 제1 안테나와 이격되어 설치되며, 마이크로스트립 패치 안테나로 구현되어 직선편파를 송수신하는 적어도 하나의 제2 안테나를 포함하고, 상기 제2 안테나는, 전도성 판상 구조 또는 F-PCB면에 각각의 패치 안테나를 표면 실장형으로 실장하거나 부착하여 휘거나 접어서 기구에 내장되는 구조로 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기 제2 안테나는, 다이버시티 안테나 또는 MIMO 형태 안테나를 포함한다.

또한, 본 발명의 다른 일면에 따른 안테나 장치는, 제1유전체의 상단면에 형성된 제1패치, 제2유전체의 상단면에 형성된 제2패치, 상기 제2유전체의 하단면에 형성된 접지면, 및 상기 제1패치와 연결되고 상기 제1유전체 및 상기 제2유전체를 관통하여 상기 제2유전체의 하단면의 아래로 나온 입출력단자를 갖는 피딩핀을 포함하고, 상기 피딩핀은 상기 제2패치 및 상기 접지면과 분리되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 또 다른 일면에 따른 안테나 장치는, 제1유전체의 상단면에 형성된 제1패치, 제2유전체의 상단면에 형성된 제2패치, 상기 제2유전체의 하단면에 서로 분리되어 형성된 접지면과 입출력단자, 및 상기 제1패치와 연결되고 상기 제1유전체를 관통하여 상기 제2유전체의 상단면까지만 내려오도록 형성된 피딩라인을 포함하고, 상기 피딩라인은 상기 제2패치와 분리되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 또 다른 일면에 따른 안테나 장치는, 제1유전체의 상단면에 형성된 제1패치, 제2유전체의 상단면에 서로 분리되어 형성된 제2패치와 다른 전도체, 상기 제2유전체의 하단면에 서로 분리되어 형성된 접지면과 입출력단자, 및 상기 제1패치와 연결되고 상기 제1유전체의 측면을 따라 내려와 상기 다른 전도체와 연결된 피딩라인을 포함한다.

또한, 본 발명의 또 다른 일면에 따른 안테나 장치는, 제1유전체의 상단면에 형성된 제1패치, 제2유전체의 상단면에 서로 분리되어 형성된 제2패치와 다른 전도체, 상기 제2유전체의 하단면에 서로 분리되어 형성된 접지면과 입출력단자, 및 상기 제1패치와 연결되고 상기 제1유전체의 측면을 따라 상기 제1유전체의 끝까지만 내려오도록 형성된 피딩라인을 포함한다.

또한, 본 발명의 또 다른 일면에 따른 안테나 장치는, 제1유전체의 상단면에 형성된 제1패치, 제2유전체의 상단면에 서로 분리되어 형성된 제2패치와 다른 전도체, 및 상기 제2유전체의 하단면에 서로 분리되어 형성된 접지면과 입출력단자를 포함한다.

또한, 본 발명의 또 다른 일면에 따른 안테나 장치는, 제1유전체의 상단면에 형성된 제1패치, 제2유전체의 상단면에 서로 분리되어 형성된 제2패치와 다른 전도체, 상기 제2유전체의 하단면에 서로 분리되어 형성된 접지면과 입출력단자, 및 상기 제1패치와 연결되고 상기 제1유전체 및 상기 제2유전체의 측면을 따라 상기 제2유전체의 측면 일부까지 내려오며, 상기 다른 전도체와 연결된 피딩라인을 포함한다.

또한, 본 발명의 또 다른 일면에 따른 안테나 장치는, 제1유전체의 상단면에 형성된 제1패치, 제2유전체의 상단면에 형성된 제2패치, 상기 제2유전체의 하단면에 서로 분리되어 형성된 접지면과 입출력단자, 및 상기 제1패치와 연결되고 상기 제1유전체 및 상기 제2유전체의 측면을 따라 내려와 상기 입출력단자와 연결된 피딩라인을 포함한다.

또한, 본 발명의 또 다른 일면에 따른 안테나 장치는, 제1유전체의 상단면에 서로 분리되어 형성된 제1패치와 제1 전도체, 제2유전체의 상단면에 서로 분리되어 형성된 제2패치와 제2 전도체, 상기 제2유전체의 하단면에 서로 분리되어 형성된 접지면과 입출력단자, 및 상기 제1전도체와 연결되고 상기 제1유전체의 측면을 따라 내려와 상기 제2 전도체와 연결된 피딩라인을 포함한다.

본 발명에 따르면, 이동통신 단말기에 사용되는 직선편파 송수신 특성을 갖는 세라믹 패치 안테나 구조의 다이버시티 안테나는 주 안테나 장치와의 좁은 이격 거리에서도 향상된 다이버시티 안테나 특성과 우수한 격리도 효과를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 세라믹 패치 안테나 구조의 다이버시티 안테나는 본체 내부에 허용되는 공간에 보다 많은 어플리케이션용 다이버시티 패치 안테나를 구현할 수 있으며 패치 안테나 바닥면의 그라운드를 축소시켜서 패치 안테나의 back lobe 특성을 활용하여 전 방향으로 신호를 받을 수 있도록 지향성이 아닌 전방향성 안테나로 동작시키고 동일 조건에서 기타 종류의 다이버시티 안테나를 사용하는 조건보다 이동 통신용 단말기를 소형화 할 수 있다.

도 1은 일반적인 외장형 안테나를 구비한 이동통신 단말기를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 USB 동글 타입 및 인테나 내장의 이동통신 단말기를 예시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 직선편파 패치 안테나 및 원형편파 패치 안테나를 예시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 그라운드 사이즈 35mm에 대한 back lobe 이득을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 패치 안테나 바닥면의 입출력단을 나타낸 도면이다.
도 6a는 본 발명의 일실시예에 따른 이동통신 단말기에서 다이버시티 패치 안테나의 위치를 예시한 도면이다.
도 6b는 본 발명의 일실시예에 따른 주파수 및 어플리케이션이 다른 각각의 다이버시티용 패치 안테나를 측면에 장착한 예를 나타낸 도면이다.
도 6c는 도 6b를 구현하기 위하여 패치 안테나를 부착하기전의 상태를 나타낸 도면이다.
도 6d 및 도 6e는 F-pcb 그라운드면에 패치 안테나가 부착된 상태를 나타낸 도면이다.
도 7은 F-pcb를 이용한 얇은 두께의 f-PCB 케이블을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 듀얼밴드 패치 안테나의 예를 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명에 따른 간접 피딩에 의한 패치 안테나 구현의 예를 나타낸 도면이다.
도 10 및 도 11은 본 발명에 따른 패치 안테나 구현의 다른 예를 나타낸 도면이다.
도 12 및 도 13은 각각 도 10의 패치 안테나를 변형시켜 구현한 예를 나타낸 도면이다.
도 14 내지 도 16은 본 발명에 따른 패치 안테나의 또 다른 예들을 나타낸 도면이다.

이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 제1 안테나(메인 안테나)는 도 2와 같이 이동통신 단말기 안에 내장이 되어야 한다. 즉, 송수신용 메인 안테나는 도 2와 같이 USB 메모리, 휴대폰 등에 가장 범용적으로 사용되고 있는 인테나(Intenna)를 사용하는데, 넓은 대역폭과 다중 밴드(band) 구현(예를 들면, CDMA(800mhz)대역과 PCS (1.9GHz) 대역)이 쉬운 직선편파 송수신 구조의 안테나로써 구현할 수 있다. 이때, 메인 안테나의 설계 방법은 평면형 역-에프 안테나(PIFA;planar inverted-F antenna), 굴곡형태의 패턴으로 이루어지는 곡류형 안테나(meander antenna), 루프 안테나(loop antenna), 역-에프 안테나(inverted-F antenna), 와이어형 안테나(wire type antenna), Dipole 안테나 등으로 구현이 가능하며, 재질은 전도성 방사체를 사용하거나 전도성 방사체가 사출물에 부착된 인테나 구조로 형성하는 것이 좋고, 재질이 다른 세라믹 칩 안테나 구조나 혹은 f-pcb 구조 혹은 pc로 구현할 수도 있다. 이와 같은 안테나 구현 방식은 모두 직선편파를 송수신할 수 있는 방식이다.

CDMA나 PCS 주파수를 원형편파 송수신 구조로 메인 안테나를 구현하기 위해서는 마이크로스트립 안테나 혹은 쿼드리필러 헬릭스 안테나로 구현할 수 있지만 900MHZ 정도의 주파수에서 10~20MHz이내로 대역이 협소하여 단위 대역의 송수신 주파수뿐만 아니라 이중 대역의 송수신 주파수 대역폭을 구현할 수 없고 이동 통신 단말기에 적용이 불가능 할 뿐 아니라 기지국의 직선 편파 신호를 원형 편파 송수신 메인 안테나로 받아야 하므로 50%의 이득 손실이 발생하고 상기의 원형 편파 안테나는 지향성을 가지므로 전방향 방사 특성이 요구되는 메인 안테나로서는 적합하지 않다.

제1 안테나(메인 안테나)와 이격되어 설치되고, 이동통신 단말기의 다이버시티 수신 기능에 이용되는 제2 안테나(다이버시티 안테나) 즉, 마이크로 스트립 패치 안테나는 소형화를 위하여 비유전율이 높은 유전체 세라믹 기판을 사용하며 휴대폰의 측면에도 내장될 수 있도록 한다. 이 경우, 제2 안테나는 도 2에 도시한 바와 같이 USB 동글 타입으로 구현될 수도 있다. 또한, 제2 안테나는 도 3과 같이 길이가 반파장의 전기적 길이(L)를 갖고 두께가 10mm 이하의 얇은 기구에 내장이 가능하도록 안테나의 폭(W)은 전기적 길이에 관계없이 3~10mm이하로 설계하여 (경우에 따라서는 폭이 λ/4보다 짧아도 상관없음) 안테나 길이가 길고 폭이 좁은 직사각형 (혹은 가로와 세로 비가 다른 다각형) 형태의 직선편파(Linear Polarization)특성으로 구현하는 방법이 바람직하다.

여기서 패치안테나 소형화를 위하여 상단의 전도성 방사체의 일부가 기판의 소정 홀(hole)을 통해 바닥면 그라운드 일부와 전도체 라인으로 연결되도록 하면(short), 길이가 λ/4 전기적 길이로 줄어들어서 패치 안테나 size를 줄일 수 있으나 패치 안테나 이득도 저하되는 문제가 발생된다.

경우에 따라서 다이버시티 안테나를 CDMA(800MHz)+PCS(1900MHz)대역의 듀얼 밴드 안테나로 구현할 수 있다. 이때, 듀얼 밴드(dual band) 패치 안테나를 구현하는 방법은 2가지 방법이 있는데 첫 번째 설계 방법으로 패치 안테나의 상단면에 위치하고 길이가 길고 폭이 좁은 전도성 방사체(패치)의 길이(L)와 폭(W)을 조정하여 길이(L)로 800mhz 대역을 구현하고 폭(W)으로 1900MHz 대역을 구현할 수 있으나 듀얼 안테나 구현이 어렵고 이득이 낮아지는 문제가 있으므로 이보다는 두개의 패치 안테나를 상하로 붙여서 구현한 스택트(stacked) 패치 안테나 구조로 듀얼 밴드 안테나를 구현하는 방법이 바람직하다. 이 경우, 필요에 따라서는 출력 포트(port)를 단일로 하거나 듀얼(dual)로 구현할 수도 있다.

CDMA/PCS와 같이 송수신 주파수 대역이 40MHz~100MHz이상으로 넓은 이동통신 주파수에 사용할 경우, 패치 안테나의 단점으로 칩안테나 혹은 PIFA 안테나보다 SIZE가 크고 무거우며 대역폭이 10mhz 수준으로 좁고 어느 한쪽 방향으로만 지향성을 갖는 문제가 있으나 다이버시티 안테나로 패치 안테나를 사용할 경우 통신사별 할당된 주파수 대역만 사용하고 수신용 혹은 수신용 다이버시티 안테나로만 사용하면 10~15mhz대역은 충분히 구현이 가능하다.

또한 일반적으로 이동통신 단말기의 경우 공간적인 제약이 있어서 송수신용 메인 안테나 외에 수신용 다이버시티 안테나 1개를 사용하게 되는데, 다이버시티용 패치 안테나를 휴대폰과 같은 이동통신 단말기에 내장하기 위해서는 소형화 시켜야 한다. 이때, 이동통신 단말기 구조상 세라믹 패치 안테나 하단면에 구현된 그라운드 외에 별도의 그라운드 사이즈(size)가 작고, 안테나 폭도 10mm이하로 협소하므로 방사체 전방으로 지향뿐만 아니라, 도 4와 같이 패치 안테나 바닥면의 그라운드가 작아진 경우 길이 방향이나 좁은 폭면을 통해서 안테나 뒷면으로 방사되는 back lobe 이득(그라운드 55mm 정방형에서 보다 그라운드 5mm 정방형에서 더큼)도 사용할 수 있으므로 무지향성의 PIPA안테나 혹은 다이폴(dipole) 안테나보다는 전방향성 송수신 성능이 떨어지긴 하지만 지향성이 아닌 전방향성 안테나로 구현이 가능하며 전 방향으로 원하는 신호를 모두 받을 수 있다.

패치 안테나는 일반적으로 직선 편파와 원형 편파 특성 구현이 가능한데 직선 편파 특성을 구현하려면 일반적으로 폭(W)와 길이(L)를 구현하고자 하는 주파수의 반파장으로 모두 설계를 하게 되지만 위에서 설명한 바와 같이 도 3과 같이 다이버시티 안테나용 패치 안테나로 사용하기 위해서는 10mm이하로 얇은 경박타입의 휴대폰 측면에 내장하기 위해서는 안테나의 중심 주파수를 형성하고 방사가 일어나는 길이 방향만 반파장으로 구현하고 폭(w)는 전기적 길이를 무시하고 단말기에 내장 가능하도록 10mm이하로 줄여서 설계하는 방식을 적용하였다.

만약 원형편파로 구현하려면 원형 편파 구현 원리에 맞게 전도성 방사체(패치)의 가로와 세로가 모두 반파장 길이를 가지도록 정방형 구조로 구현이 가능하게 되므로 휴대폰이나 USB모뎀과 같은 이동통신 단말기에 다이버시티 안테나로 내장하기 힘들기 때문에 사이즈 문제로 적용할 수 없다. 또한, 일반적으로 기지국이나 중계기를 통하여 전달되는 지상파는 수직편파 혹은 수평편파로 송수신하므로 원형 편파 타입의 패치 안테나로 다이버시티 수신용 안테나를 구현하면 50%의 이득 손실이 발생하므로 적합하지 않다.

예를 들면 이동통신용 단말기에 750Mhz 대역의 LTE(Long Term Evolution) 주파수를 사용하는 다이버시티 안테나를 패치 안테나로 구현하려면 안테나 이득이 우수한 반파장을 이용하는 패치 안테나로 구현해야 하는데 소형화를 위하여 비유전율 85~120 고유전율의 기판을 사용해야 하며 가격이 저렴한 비유전율 90을 사용할 경우 직선 편파 패치 안테나의 경우 안테나 폭을 단말기 두께에 보다 얇게 설계를 하여 도3과 같이 길이 x 폭 x 두께=25x7.4x2mm (계산식에 의하여 전기적 길이를 계산할 경우 전도성 방사체 패치의 길이 21mm,폭 7.4mm)로 구현 할 수 있고 폭을 7.4mm이하(λ/4이하)로 축소가 가능하지만, 원형편파 패치 안테나로 구현을 하면 길이 x 폭 x 두께=25x25x2mm 정도로 사이즈가 커져서 LCD와 밧데리사의 측면 두께를 기존10mm이하에서 25mm이상으로 키워야만 내장이 가능하므로 현재와 같이 슬림(Slim) 단말기 구조에서는 내장이 불가능할 뿐만 아니라 main보드에 실장을 하면 밧데리나 기타 부품이 메인 보드에 실장 될 수 없으므로 사이즈 문제로 적용이 불가능하고 듀얼 밴드 안테나로 구현할 수도 없다.

따라서 이동통신 단말기에 내장형 다이버시티 안테나로 사용하기 위해서는 패치 안테나를 직선편파 특성으로 구현을 해야만 슬림한 이동통신 단말기의 사이즈 면에서 문제 되지 않는다.

상기 단말기가 듀얼 밴드 이상을 지원하는 이동통신 단말기인 경우 각각 다른 주파수 대역을 갖는 여러개의 다이버시티 안테나를 구성하게 되는데, 모든 다이버시티 안테나를 직선편파 구조의 패치 안테나로 구현해도 되고 메인 안테나와 간섭이 없는 경우 다이버시티 안테나 중 일부 안테나를 기존 다이버시티 안테나와 같이 평면형 역-에프 안테나(PIFA;planar inverted-F antenna), 굴곡형태의 패턴으로 이루어지는 곡류형 안테나(meander antenna), 루프 안테나(loop antenna), 역-에프 안테나(inverted-F antenna), 와이어형 안테나(wire type antenna),Dipole 안테나등으로 구현이 가능하다.

여러 개의 다이버시티 안테나 중 일부를 PIFA 구조로 가능한 이유는 다른 다이버시티 패치 안테나의 격리 특성이 우수하여 상호간에 간섭을 덜 주기 때문이다. 여기서 패치 안테나는 도 5와 같이 SMD(표면실장형)가 가능하도록 바닥면에 SMD 가능한 핀(pin) 타입 단자를 구현하거나, 상면의 전도성 방사체에서 하부의 세라믹 기판과 그라운드 면을 관통하고 접지면과 분리된 피딩(Feeding)핀 타입의 패치 안테나로 구현이 가능하다.

주파수 대역이 다르고 단말기내에 2개 이상의 다이버시티 패치 안테나를 내장해야 하는 경우 예를 들면, CDMA 수신용 다이버시티 안테나(880mhz)와 LTE(Long Term Evolution) 수신용 다이버시티 안테나(750mhz)를 패치 안테나로 구현해서 단말기에 내장하기 위해서는 패치 안테나가 메인보드에 실장되지 않는 구조이므로 단말기의 측면에 장착이 가능하도록 도 6a 및 도 6b와 같이 패치 안테나 부착이 가능한 한 몸체의 전도성 판상 물질이나 F-PCB면에 각각의 패치 안테나를 SMD 형태로하거나 부착하고 기구에 내장 가능하도록 휘거나 접어서 내장을 할 수 있다.

도 6b에서 B-Type은 각각의 패치안테나가 SMD타입인 경우 이고 도 6b의 A-Type은 부착하는 패치 안테나중 적어도 하나가 피딩핀 방식의 패치안테나인 경우이다, 도 6b의 패치 안테나들을 내장하고 세트와 연결하기 위해서는 패치 안테나의 신호 라인과 연결되는 RF 동축 Cable을 별도로 부착해도 되지만 원감 절감과 안테나 단말기에서 동축 케이블 두께에 의한 간섭과 작업 비용을 줄이기 위하여, 도 6c와 같이 도 6b를 구현하기 위하여 패치 안테나를 부착하기전의 상태로 하여 f-pcb body에 f-PCB 재질로 그림과 같이 신호선을 한 몸체로 구현하고 각각의 F-pcb 신호선 종단에는 컨넥터를 달거나 납땜 가능하도록 단자를 형성하여 단말기 main pcb의 입출력단에 납땜하거나 리셉터클과 체결 될 수 있도록 할 수도 있다. 이 외에도, 메인 안테나와 다이버시티 안테나를 이동통신 단말기의 서로 다른 측면에 장착함으로써, 이동통신 단말기의 전체적인 사이즈를 줄이는데 기여할 수 있다.

도 6d 및 도 6e는 F-pcb 그라운드면에 패치 안테나가 부착된 상태의 그림이며 이와 같이 F-pcb 몸체를 전도성 그라운드로 제작하게 되면 기구에 맞게 접어서 장착이 가능할뿐만 아니라 메인 안테나의 그라운드면도 증가 되어서 안테나 이득이 1~2dBi이상 향상되고 Diversity용 패치 안테나 또한 이득 증가와 bandwidth(통과 대역)을 넓힐 수 있다.

여기서 동축 케이블과 동일한 역할을 하는 f-pcb 케이블은 마이크로스트립구조로 구현하거나 CPW, CPW with ground 구조로 구현할 수 있다.

상기와 같이 f-pcb 한몸체에 부착한 2개 이상의 Diversity용 패치 안테나와 f-pcb로 구현한 F-PCB 재질의 케이블을 단말기에 조립시 접어서 단말기에 장착할 수 있어서 조립성을 향상 시킬 수 있다.

만약 단말기 내부에서 diversity용 패치 안테나를 하나만 사용하거나 기구 간섭이 있는 경우 도 6e와 같이 단일의 패치 안테나 별로 전도체판으로 구성된 body나 f-PCB Body를 2개로 분리하여 장착이 가능하다. 또한, 도 7과 같이 f-pcb body에 f-PCB 재질로 그림과 같이 신호선을 한 몸체로 구현하고 각각의 F-pcb 신호선 종단에는 컨넥터를 달거나 납땜 가능하도록 단자를 형성하여 단말기 main pcb의 리셉터클과 체결이 될 수 있도록 하는 방법도 사용될 수 있다.

듀얼밴드 패치 안테나는 도 8과 같이, 유전체1의 상단면에 형성된 패치1, 유전체2의 상단면에 형성된 패치2, 유전체2의 하단면에 형성된 접지면, 및 패치1과 연결되고 유전체1 및 유전체2를 관통하여 유전체2의 하단면의 아래로 나온 입출력단자를 갖는 피딩핀을 포함할 수 있고, 상기 피딩핀은 패치2 및 상기 접지면과 분리되는 구조일 수 있다. 도 8과 같이, 피딩 핀(유전체1 및 유전체2를 관통하여 유전체2의 하단면의 아래로 나온 피딩핀)을 이용하여(피딩 핀 방식) 2개의 패치를 겹친 stacked patch 안테나로 설계 가능하며, 피딩 핀에 의하여 연결된 유전체1의 상단면에 형성된 전도체인 제1 패치 안테나(patch1)는 직접 피딩 방식으로 신호 입출력이 되며, 유전체2의 상단면에 형성된 전도체인 제2 패치 안테나(patch2)는 피딩 핀과 전기적으로 분리되어 있어서 capacitance 커플링(간접 feeding방식)에 의하여 1개의 피딩 핀 끝의 입출력단(유전체2의 하단면의 접지면과 전기적으로 분리되어 위치)을 통해 2개의 주파수 신호를 송수신 할 수 있다.

제작이 용이하지만 단점으로 피딩 핀이 위아래로 돌출 되어 있으므로 최소 1mm 이상의 공간(폭)을 차지하여 내장형 다이버시티 안테나로 설계시 기구 사이즈(폭)가 1mm이상 커지게 설계를 해야 하는 문제가 발생된다.

도9는 피딩 핀 방식의 stacked 패치 안테나 문제를 해결하기 위하여 SMD 가능한 듀얼 밴드 패치 안테나이며, 유전체1의 상단면에 형성된 패치1, 유전체2의 상단면에 형성된 패치2, 유전체2의 하단면에 형성된 접지면, 유전체2의 하단면에 상기 접지면과 분리되어 형성된 입출력단자, 패치1과 연결되고 유전체1을 관통하여 유전체2의 상단면까지만 내려오도록 형성된 피딩라인을 포함하고, 상기 피딩라인은 패치2와 전기적으로 분리되어 있다.

도 9와 같이, Patch 1과 patch 2를 간접 feeding 방식(높은 유전율의 유전체1과 유전체2의 특성을 이용한 Capacitance couping 방식)으로 구현할 수 있는데 공통입출력단자와 patch 1 사이가 너무 멀어서 capacitance값이 작아지고 매칭 문제 혹은 patch 1의 안테나의 성능 문제가 발생되므로 적절한 용량값을 가질 수 있도록 패치1과 연결된 신호라인(피딩 라인)을 유전체1을 관통하여 유전체1의 하단부까지만 내려서 유전체2 하단면의 공통 입출력단과 피딩 라인 사이에 적절한 용량값을 구현하여 간접 피딩으로 패치 안테나를 구현하는 방식이 가능하다.

또한, 도 10 및 도 11과 같이, 듀얼밴드 다이버시티 안테나는, 유전체1의 상단면에 형성된 패치1, 유전체2의 상단면에 서로 분리되어 형성된 패치2와 다른 전도체, 유전체2의 하단면에 서로 분리되어 형성된 접지면과 입출력단자, 및 패치1과 전기적으로 연결되고 유전체1의 측면을 따라 내려와 상기 다른 전도체와 연결된 피딩라인을 포함할 수 있다. 도 10 또는 도 11과 같이, 유전체1과 유전체2의 유전율에 의한 영향을 줄이기 위하여, 유전체2의 상단면에 전도성 물질로 일정한 면적을 갖도록 형성된 상기 다른 전도체가, 유전체1과 유전체2 사이에 위치하여, patch1과 연결된 feeding line과 연결됨으로써, 유전체2의 하단면에 접지면과 분리되어 위치한 공통 입출력단자와의 용량값을 키울 수 있다.

도12와 도13은 제조상의 편의를 위한 도10의 변형 형태이다.

도12는 안테나 임피던스 매칭과 관련하여 유전체1의 비유전율이 높거나 유전체2의 비유전율이 높은 경우, 제조상 편의를 위하여, 피딩라인이 패치1과 연결되어 유전체1의 측면을 따라 유전체1의 끝까지만 내려오도록 형성되게 할 수 있다. 이와 같이 함으로써, patch1과 유전체2 상단면에 위치한 전도체면을 분리하여, patch1과 유전체2 상단면에 위치한 전도체면과 1차 간접 feeding 방식으로 구현할 수 있고, 유전체2 상단면에 위치한 전도체면과 유전체2 하단면의 접지면과 분리되어 있는 공통 입출력단자와 2차 간접 feeding을 구현할 수 있다.

도13은 유전체1과 유전체2의 비유전율이 높아서 충분한 용량값을 갖는 경우의 구조이다. 도 13과 같이, 듀얼밴드 다이버시티 안테나는, 유전체1의 상단면에 형성된 패치1, 유전체2의 상단면에 서로 분리되어 형성된 패치2와 다른 전도체, 및 유전체2의 하단면에 서로 분리되어 형성된 접지면과 입출력단자를 포함할 수 있다. 도 13의 구조는, 유전체2 상단면에 위치하는 일정 면적의 상기 다른 전도체를 patch2와 분리되도록 형성하여 구현하는 방법이며, 구현원리를 설명하면, patch1과 유전체2 하단면의 거리가 멀고 용량값이 부족하여 간접 feedig이 어려우므로 충분한 용량값을 형성할 수 있도록 patch1과 유전체2 하단면 사이에 일정 면적의 상기 다른 전도체를 형성하여 1차 간접 feedig을 구현하고 여기서 여기된 신호를 다시 유전체2의 하단면에 접지면과 분리되어 위치한 공통 입출력 단자와 2차 간접 feeding을 구현하여 충분한 용량값을 확보해서 듀얼밴드 안테나를 구현하는 방법으로 안테나 제조가 용이하다.또한, 도14와 같이, 듀얼밴드 다이버시티 안테나는, 유전체1의 상단면에 형성된 패치1, 유전체2의 상단면에 서로 분리되어 형성된 패치2와 다른 전도체, 유전체2의 하단면에 서로 분리되어 형성된 접지면과 입출력단자, 및 패치1과 연결되고 유전체1 및 유전체2의 측면을 따라 유전체2의 측면 일부까지 내려오며, 상기 다른 전도체와 연결된 피딩라인을 포함하는 구조일 수 있다. 도10의 구조는 유전율이 낮거나 patch 1의 간접 feeding 구현시 용량값이 부족한 경우 patch1과 공통 입출력 단자 사이의 용량 값을 키우기 위하여 유전체1의 측면을 통과하고 유전체2의 일부 측면 까지 feeding line을 내려서 구현하는 방법이다.

또한, 도15와 같이, 듀얼밴드 다이버시티 안테나는, 유전체1의 상단면에 형성된 패치1, 유전체2의 상단면에 형성된 패치2, 유전체2의 하단면에 서로 분리되어 형성된 접지면과 입출력단자, 및 패치1과 연결되고 유전체1 및 유전체2의 측면을 따라 내려와 상기 입출력단자와 연결된 피딩라인을 포함하는 구조일 수 있다. 도 15의 구조는, 기존 feeding핀 방식인 도3을 SMD 가능한 타입으로 재설계 한 구조이며, Patch 1과 연결된 feeding line을 연장하여 유전체1과 유전체2의 전체 측면까지 내려서 공통입출력 단자와 연결되는 patch 1의 feeding line을 구현한 구조이다. patch2는 피딩 라인과 분리시켜 간접 feeding 방식을 구현하여 dualband stacked 패치안테나를 구현하였다. 장점으로 위와 같이 feeding 대신 feeding line을 안테나 측면부에 내려서 구현하므로 핀 높이에 의한 기구 공간 차지 문제를 해결할 수 있는 장점이 있는 반면 제조가 어려울 수 있다.

또한, 도16과 같이, 듀얼밴드 다이버시티 안테나는, 유전체1의 상단면에 서로 분리되어 형성된 패치1과 제1 전도체, 유전체2의 상단면에 서로 분리되어 형성된 패치2와 제2 전도체, 유전체2의 하단면에 서로 분리되어 형성된 접지면과 입출력단자, 및 패치1과 연결되고 유전체1의 측면을 따라 내려와 상기 제2 전도체와 연결된 피딩라인을 포함하는 구조일 수 있다. 도12의 구조는, patch 1의 임피던스 매칭이 맞지 않는 경우 유전체1의 상단면에서 상기 제1 전도체로부터 patch1의 위치를 조정하고, 유전체2의 상단면에 위치한 patch2와 분리된 일정 면적의 상기 제2 전도체가 전도성 라인에 의해 유전체1의 상단면 상의 patch1과 분리된 상기 제1전도체와 연결되도록 하여 patch1과 1차 간접 feeding을 구현할 수 있는 방식이다.

지금까지 설명한, 다이버시티 안테나는 이동 통신 단말기 등 무선 통신 시스템에 메인 안테나와 함께 하나 이상 사용되어, 메인 안테나만을 사용하는 경우보다 페이딩 현상을 방지하고 더 나은 신호 품질을 획득하는데 중요한 역할을 할 것이다. 무선 통신 시스템에 구비된 소정 신호처리회로는 메인 안테나와 다이버시티 안테나(들)에서 수신되는 신호를 조합하여 페이딩이 제거된 최적의 신호를 검출할 수 있으며, 이에 따라 고품질의 무선 통신을 보장할 수 있게 된다.

여기서, 무선 통신 시스템은 무선(RF) 신호의 송수신을 위한 안테나를 장착하는 모든 장치들을 포함하며, 예를 들어, WCDMA 등 이동 통신 프로토콜을 지원하는 셀룰러폰(Cellular phone), 피씨에스폰(PCS phone: Personal Communications Services phone), 무선 통신이 가능한 동기식/비동기식 IMT-2000(International Mobile Telecommunication-2000) 등의 이동통신 단말기 뿐만 아니라, 개인용 디지털 보조기(PDA:Personal Digital Assistant), 스마트폰(Smart phone), 왑폰(WAP phone:Wireless application protocol phone), 모바일 게임기(mobile play-station)등을 포함하고, 경우에 따라서는 노트북 PC, 데스크탑 PC, 팜 PC(Palm Personal Computer) 등일 수도 있다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 상기의 실시예에 따른 다이버시티 안테나의 구조는 약간의 설계변경을 통하여 MIMO(Multiple Input Multiple Output) 형태의 안테나에도 적용될 수 있다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

patch1: 패치1
patch2: 패치2

Claims

직선편파를 송수신하는 제1 안테나; 및
상기 제1 안테나와 이격되어 설치되며, 마이크로스트립 패치 안테나로 구현되어 직선편파를 송수신하는 적어도 하나의 제2 안테나를 포함하고,
상기 제2 안테나는, 전도성 판상 구조 또는 F-PCB면에 각각의 패치 안테나를 표면 실장형으로 실장하거나 부착하여 휘거나 접어서 기구에 내장되는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
제1항에 있어서,
상기 제2 안테나는, 다이버시티 안테나 또는 MIMO 형태 안테나를 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
제1유전체의 상단면에 형성된 제1패치,
제2유전체의 상단면에 형성된 제2패치,
상기 제2유전체의 하단면에 형성된 접지면, 및
상기 제1패치와 연결되고 상기 제1유전체 및 상기 제2유전체를 관통하여 상기 제2유전체의 하단면의 아래로 나온 입출력단자를 갖는 피딩핀을 포함하고,
상기 피딩핀은 상기 제2패치 및 상기 접지면과 분리되어 있는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
제1유전체의 상단면에 형성된 제1패치,
제2유전체의 상단면에 형성된 제2패치,
상기 제2유전체의 하단면에 서로 분리되어 형성된 접지면과 입출력단자, 및
상기 제1패치와 연결되고 상기 제1유전체를 관통하여 상기 제2유전체의 상단면까지만 내려오도록 형성된 피딩라인을 포함하고,
상기 피딩라인은 상기 제2패치와 분리되어 있는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
제1유전체의 상단면에 형성된 제1패치,
제2유전체의 상단면에 서로 분리되어 형성된 제2패치와 다른 전도체,
상기 제2유전체의 하단면에 서로 분리되어 형성된 접지면과 입출력단자, 및
상기 제1패치와 연결되고 상기 제1유전체의 측면을 따라 내려와 상기 다른 전도체와 연결된 피딩라인
을 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
제1유전체의 상단면에 형성된 제1패치,
제2유전체의 상단면에 서로 분리되어 형성된 제2패치와 다른 전도체,
상기 제2유전체의 하단면에 서로 분리되어 형성된 접지면과 입출력단자, 및
상기 제1패치와 연결되고 상기 제1유전체의 측면을 따라 상기 제1유전체의 끝까지만 내려오도록 형성된 피딩라인
을 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
제1유전체의 상단면에 형성된 제1패치,
제2유전체의 상단면에 서로 분리되어 형성된 제2패치와 다른 전도체, 및
상기 제2유전체의 하단면에 서로 분리되어 형성된 접지면과 입출력단자
를 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
제1유전체의 상단면에 형성된 제1패치,
제2유전체의 상단면에 서로 분리되어 형성된 제2패치와 다른 전도체,
상기 제2유전체의 하단면에 서로 분리되어 형성된 접지면과 입출력단자, 및
상기 제1패치와 연결되고 상기 제1유전체 및 상기 제2유전체의 측면을 따라 상기 제2유전체의 측면 일부까지 내려오며, 상기 다른 전도체와 연결된 피딩라인
을 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
제1유전체의 상단면에 형성된 제1패치,
제2유전체의 상단면에 형성된 제2패치,
상기 제2유전체의 하단면에 서로 분리되어 형성된 접지면과 입출력단자, 및
상기 제1패치와 연결되고 상기 제1유전체 및 상기 제2유전체의 측면을 따라 내려와 상기 입출력단자와 연결된 피딩라인
을 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
제1유전체의 상단면에 서로 분리되어 형성된 제1패치와 제1 전도체,
제2유전체의 상단면에 서로 분리되어 형성된 제2패치와 제2 전도체,
상기 제2유전체의 하단면에 서로 분리되어 형성된 접지면과 입출력단자, 및
상기 제1전도체와 연결되고 상기 제1유전체의 측면을 따라 내려와 상기 제2 전도체와 연결된 피딩라인
을 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
제3항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
전도성 판상 구조 또는 F-PCB면에 각각의 패치 안테나를 표면 실장형으로 실장하거나 부착하여 휘거나 접어서 기구에 내장되는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
제3항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
다이버시티 안테나 또는 MIMO 형태 안테나에 적용을 위한 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항의 안테나 장치를 장착한 무선 통신 시스템.