KR20110071368A - 광대역 패치 안테나를 이용한 다이버시티 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 광대역 패치 안테나를 이용한 다이버시티 안테나로서, 무선 단말기에 장착되는 메인 안테나와 이격되어 설치되고 상기 메인 안테나와 다른 주파수 대역에 대한 MIMO((Multiple-input, multiple-output) 또는 다이버시티 송수신에 이용되는 패치 안테나로서, 유전체 블록의 상부에 형성된 전도성 방사체 패치 패턴; 상기 유전체 블록의 하부에 서로 소정간격 이격되어 형성된 제1 그라운드 패턴과 제2 그라운드 패턴; 상기 전도성 방사체 패치 패턴과 전기적으로 연결되는 급전 라인; 상기 유전체 블록의 하부 상의 상기 제1 그라운드 패턴과 제2 그라운드 패턴 간의 사이에 형성되며 상기 급전 라인과 연결된 전도 라인; 및 상기 유전체 블록의 측면에 형성되며 상기 제1 그라운드 패턴과 제2 그라운드 패턴을 연결하는 그라운드 연결 라인을 포함하되, 상기 제1 및 제2 그라운드 패턴과 전도 라인 간의 용량성 결합을 통해 안테나의 전기적 특성을 조절하는 것을 특징으로 하는 광대역 패치 안테나를 이용한 다이버시티 안테나이며, 이와 같은 본 발명에 의하면 기존 패치 안테나와 대비하여 물리적 길이의 축소 가능하며, 대역폭(bandwidth)의 향상 및 안테나 이득도 향상된 다이버시티(diversity) 안테나를 제공할 수 있다.

안테나, 패치 안테나, 다이버시티 안테나, MIMO 안테나, 광대역

Description

광대역 패치 안테나를 이용한 다이버시티 안테나 {Diversity antenna using wide-bandwidth patch antenna}

본 발명은 광대역 패치 안테나를 이용한 다이버시티 안테나에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 단말기의 MIMO(Multiple-Input Multiple-Output) 안테나 또는 다이버시티 안테나의 수신 혹은 송신 기능에 이용되는 직선편파 특성을 갖고 안테나 이득이 향상된 광대역 패치 안테나를 구비하는 휴대용 무선 단말기의 다이버시티 안테나에 대한 것이다.

휴대용 무선 단말기는 소형화, 다기능화, 경량화 및 저전력화를 목표로 지속적으로 발전되어 왔다. 이러한 휴대용 무선 단말기에 필수적인 요소 중 하나인 안테나 장치는 통화 품질을 결정하는 핵심 부품이다. 현재 휴대용 무선 단말기는 바(Bar)형, 플립(Flip)형, 폴더(Folder)형 등 다양한 형태로 생산되고 있는데, 이러한 다양한 휴대용 무선 단말기에 사용되는 송수신 안테나 장치는 이전에는 외장형 타입의 헬리컬(Helical) 안테나와 휩(Whip) 안테나를 조합한 형태가 주를 이루었다. 이러한 형태의 안테나는 단말기가 신호 대기 상태일 경우나 전파 환경이 양호할 때는 헬리컬 안테나가 단독으로 동작하고, 단말기가 통화 상태일 경우나 전파 환경이 열악한 곳에서 사용자는 휩 안테나를 인출시켜 헬리컬 안테나와 휩 안테나가 모두 동작할 수 있었다.

그러나 단말기 디자인을 중요시하고 소형, 경량화되면서 안테나 장치는 상대적으로 부피가 큰 헬리컬 안테나가 단말기 본체의 외부에 고정된 외장형 안테나 대신에 단말기 내부에 내장이 가능하고 전도성 방사체와 사출물로 구성된 직선편파(Linear polarization) 특성의 메인(main) 안테나 구조로 개발되어 왔으나 외장형 안테나 대비 내장형 안테나의 성능이 저하되는 문제가 발생되고 있으며 이러한 휴대용 무선 단말기는 성능 향상과 원활한 데이터 통신을 위하여 단말기에 내장된 송수신용 메인 안테나와 페이딩 현상을 방지하기 위하여 별도의 다이버시티(Diversity) 안테나를 구비하게 되었으며 이와 같은 다이버시티 안테나는 메인 안테나와 λ/2 이상의 충분한 이격 거리를 두고 평면형 역-에프 안테나(PIFA;Planer 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 단말기 본체 내부의 좁은 공간에서도 실장이 용이한 안테나로 발전되어 왔다.

그러나 기존의 외장형 안테나를 사용할 경우 다이버시티 안테나와 이격 거리가 충분하여 안테나 성능 저하 현상이 없었으나 USB 모듈과 같이 사이즈가 작은 단말기의 내부 공간에 최소 20% 이상의 면적을 차지하는 내장형 메인 안테나가 위치하는 경우에는 다이버시티 안테나와 이격 거리가 충분하지 않아 아이솔레이션(Isolation)이 5dB 이하로 상호 간섭에 의한 메인 안테나 성능 저하 현상이 발생 되는 문제점이 있다.

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 현상을 말한다.

상기와 같은 종래의 내장형 안테나는 메인 안테나 및 다이버시티 안테나 각각에서 수신되는 신호를 조합하여 최적의 신호를 검출함으로써, 페이딩 현상을 방지하고 더 나은 신호 품질을 얻을 수 있게 되므로 다이버시티 안테나는 메인 안테나로부터 이격된 거리가 멀수록 그 효과가 향상된다.

휴대용 무선 단말기에 적용되는 통신 기술이 발달함에 따라서 기존 단일 주파수 송수신 기능 외에 듀얼 모드(Dual Mode) 또는 트리플 모드(Triple Mode) 단말기가 출시되고 있으며, CDMA, PCS, WCDMA, GSM, GPS, WIFI, 블루투스, LTE(Long Term Evolution), Winmax 기능과 같이 다양한 어플리케이션이 하나의 단말기에 구현되고 단말기 사이즈가 소형화되어서 좁은 공간 안에 많은 안테나가 위치하게 되고 주파수 대역이 각기 다른 어플리케이션의 다이버시티 안테나들이 적용된 단말기에서는 다이버시티 안테나들의 실장 공간 및 이격 거리 확보가 어려울 뿐만 아니라, 안테나 상호 간섭에 의한 문제점은 더욱 심화되고 있다.

상기와 같은 문제점들을 해결하기 위하여 아이솔레이션 특성이 좋은 마이크로스트립 패치 안테나가 제안되고 있다.

도 1은 종래기술의 마이크로스트립 패치 안테나를 도시하는데, 도 1의 (a)에 도시된 일반 패치 안테나는 유전체 상단면에 전도성 방사판(패치)이 위치하고 유전 체 하단면에 그라운드면이 위치하며 전도성 물질로 구성된 핀이나 전도성 재질로 하단면 그라운드를 관통하면서 그라운드와 분리되어 있는 하단면에 위치한 신호선(Feeding 핀)은 그라운드면에 의하여 주변이 둘러싸여 있는 λ/2의 전기적 길이를 갖는 피딩핀 타입의 일반 패치 안테나 구조를 나타낸다.

또한, 도 1의 (b)는 SMD가 가능한 일반 패치 안테나이며 전도성핀 대신 유전체 측면으로 전도성 방사체와 연결된 신호라인을 구성하여 하단면에 입출력 단자와 연결되어 있고 측면과 연결된 신호라인 방향을 제외하고 하단면에 위치한 그라운드면으로 둘레가 둘러쌓여 있는 λ/2의 전기적 길이를 갖는 일반적인 SMD 타입의 패치 안테나의 구조를 나타낸다.

도 2는 종래의 마이크로스트립 패치 안테나의 실시예와 그에 따른 안테나 특성을 나타내는 것으로서 도 1에 도시된 종래의 마이크로스트립 패치 안테나를 구현한 실시예이다.

유전율이 120으로서 그 전체 사이즈(size)는 25*10*4mm이고 여기서 유전체의 사이즈는 25*10*4mm이고 방사체의 사이즈는 22*10mm로 형성되어 있다. 전기적 길이는 λ/2로서 636MHz대역에서 전기적 길이가 약 21.7mm가 되고 통과 대역폭은 5MHz를 나타내었다.

이와 같은 종래의 일반 패치 안테나를 700MHz 대역에서 다이버시티 안테나로 사용시에는 5~10MHz의 협대역 문제와 VSWR 특성이 좋지 않은 부분까지 확장시켜서 20MHz의 통과 대역을 구현하더라도 주파수 대역내의 이득 평탄도가 3dBi 이상으로 커서 안테나 세트에 적용시 채널별 수신 신호 레벨 차이를 발생시킬 수 있으며, 전 기적 길이가 λ/2로서 700MHz 구현시 물리적 길이가 23~25mm이상으로 안테나 사이즈는 최소 23~25mm를 확보하여야 하므로 내장형 안테나로 사용시에 공간적인 제약이 따른다.

이와 같이 전기적 길이를 줄이기 위하여 패치 안테나의 방사체와 그라운드의 한쪽면을 부분 단락(Short)시켜서 λ/4의 길이로 줄이는 방법도 있으나 이런 경우에는 λ/2 패치 안테나 대비 이득이 2~3dBi 이상 낮고 통과 대역폭도 좁아지므로 적용이 불가능한 난해함이 있다.

나아가서 종래의 패치 안테나는 장착 공간이 협소한 경우에 유전체 상단면에 연장된 방사체를 이용하여 안테나 이득을 개선하였으나 휴대폰과 같이 외곽이 곡면으로 되어 있는 경우에 정육면체 혹은 직육면체의 패치 안테나를 사용하려면 안테나의 크기(size)를 줄여야 하고, 그만큼 안테나가 작아지면 이득 저하가 발생되는 문제점을 가지고 있다.

또한 3개 이상의 통과 대역을 갖는 트리플 밴드(triple band) 안테나를 만들기 위하여 패치 안테나 2개를 상하로 적층시켜서 스택 패치(stacked patch) 안테나를 구현하였으나 이와 같은 경우에 상층부에 위치한 패치 안테나의 이득과 대역폭이 감소하는 문제가 발생된다.

일반적으로 종래의 패치 안테나는 유전체 세라믹을 휴대폰용인 메인 안테나에 사용하는데 가공이 쉬운 PC재질의 사출물인 케리어와 달리 1400도의 고온으로 24시간 소결을 해야 하며 소결된 유전체 세라믹은 작은 충격에 파손되기 쉽다

또한, 이와 같은 유전체 세라믹은 휴대폰 내부 형상에 맞춰서 설계가 불가능 하며 내장된 안테나가 낙하 등의 외부 충격으로 주변 부품에 부딪혀서 파손되지 않도록 최소 0.3mm의 갭(Gap)을 형성해서 설계를 하므로 공간적인 제약이 있고, 메인 PCB에 직접 패치 안테나를 SMD하거나 동축 케이블(cable)을 사용해서 신호 라인을 연결해야 하는 문제가 있다.

본 발명은 다양한 어플리케이션이 하나의 단말기에 구현되는 동시에 단말기 사이즈가 소형화되어서 좁은 공간 안에 주파수 대역이 각기 다른 다이버시티 안테나들이 적용된 단말기에서 실장 공간 및 이격 거리 확보가 어려울뿐 아니라 안테나간 상호 간섭에 의한 문제점을 해결하고자 한다.

또한 종래의 패치 안테나는 공간이 협소한 경우 유전체 상단면에서 연장된 방사체를 이용하여 안테나 이득을 개선하므로, 휴대폰과 같이 외곽이 곡면으로 되어 있는 경우 정육면체 혹은 직육면체의 패치 안테나를 사용하는 경우에 안테나의 크기(SIZE)를 줄여야 하고 안테나가 작아지면 이득이 저하되는 문제를 해결하고자 한다.

나아가서 종래의 3개 이상의 통과 대역을 갖는 트리플 밴드(triple band) 안테나를 만들기 위하여 패치 안테나 2개를 상하로 적층 시켜서 스택 패치(stacked patch) 안테나를 구현하는 경우에 상층부에 위치한 패치 안테나의 이득과 대역폭이 감소하는 문제를 해결하고자 한다.

상기 기술적 과제를 달성하고자 본 발명은, 무선 단말기에 장착되는 메인 안테나와 이격되어 설치되고 상기 메인 안테나와 다른 주파수 대역에 대한 MIMO((Multiple-input, multiple-output) 또는 다이버시티 송수신에 이용되는 패치 안테나로서, 유전체 블록의 상부에 형성된 전도성 방사체 패치 패턴; 상기 유전체 블록의 하부에 서로 소정간격 이격되어 형성된 제1 그라운드 패턴과 제2 그라운드 패턴; 상기 전도성 방사체 패치 패턴과 전기적으로 연결되는 급전 라인; 상기 유전체 블록의 하부 상의 상기 제1 그라운드 패턴과 제2 그라운드 패턴 간의 사이에 형성되며 상기 급전 라인과 연결된 전도 라인; 및 상기 유전체 블록의 측면에 형성되며 상기 제1 그라운드 패턴과 제2 그라운드 패턴을 연결하는 그라운드 연결 라인을 포함하되, 상기 제1 및 제2 그라운드 패턴과 전도 라인 간의 용량성 결합을 통해 안테나의 전기적 특성을 조절하는 것을 특징으로 하는 광대역 패치 안테나를 이용한 다이버시티 안테나이다.

바람직하게는 상기 그라운드 연결 라인은, 그 중단이 소정 간격 오픈되어 형성될 수 있다.

나아가서 상기 전도성 방사체 패치 패턴이 상기 유전체 블록의 외부로 연장되며, 상기 전도성 방사체 패치 패턴의 연장된 부분이 상기 무선 단말기의 레어 커버(rear cover)의 내면에 형성되거나 또는 상기 무선 단말기의 케이스(case) 내부로 삽입되어 형성될 수 있다.

또한 상기 전도 라인과 연결되어 상기 유전체 블록의 외부로 형성된 모노폴 안테나 또는 PIFA 안테나를 더 포함할 수 있다.

여기서 상기 전도 라인과 상기 모노폴 안테나 또는 PIFA 안테나는 동축 케이블을 통해 연결될 수도 있다.

이와 같은 본 발명에 따르면, 700MHz 대역에서 방사체의 전기적 길이를 λ/4 이하로 구현하여 물리적 길이를 10~20mm이하로 축소 가능하고 통과 대역이 최소 100MHz이상으로 기존 패치 안테나 대비 10배 이상의 대역폭(bandwidth)을 향상 시켰으며 통과 대역내의 안테나 이득도 100MHz 대역폭 내에서 1dBi이내로 평탄도를 가지며 기존 패치 안테나 대비 2~3dBi이상 안테나 이득도 향상된 다이버시티(diversity) 안테나를 제공할 수 있다.

또한 종래의 패치 안테나는 공간이 협소한 경우 유전체 상단면에서 연장된 방사체를 이용하여 안테나 이득을 개선하였고 휴대폰과 같이 외곽이 곡면으로 되어 있는 경우 정육면체 혹은 직육면체의 패치 안테나를 사용하려면 안테나의 크기(SIZE)를 줄여야 하고 안테나가 작아지면 이득 저하 문제가 발생하는데 이를 해결하기 위하여 본 발명에서는 기구 형상과 동일하게 방사체(패치)가 있는 상단면이나 측면의 유전체 블록에 곡면이나 경사를 줘서 축소되는 유전체 크기(SIZE)를 최소화 하고 방사체 패턴을 곡면이나 경사면에 연장하는 방법을 통하여 패치 안테나의 유전체 바디(BODY) 공간을 확보하고 안테나 이득을 개선할 수 있다.

나아가서 본 발명에서는 하단부는 700~800MHZ 대역의 광대역 패치 안테나를 사용하고 패치 안테나의 상단부나 측면에 동일한 입출력 포트를 사용하는 모노폴(monopole) 혹은 PIFA안테나를 구현하여 2GHz 대역의 안테나 이득과 통과 대역을 개선한 안테나를 구현하여, 종래의 3개 이상의 통과 대역을 갖는 트리플 밴드(triple band) 안테나를 만들기 위하여 패치 안테나 2개를 상하로 적층 시켜서 스택 패치(stacked patch) 안테나를 구현하는 경우에 상층부에 위치한 패치 안테나의 이득과 대역폭이 감소하는 문제를 해결할 수 있다.

한걸음 더 나아가서 패치 안테나를 무선 단말기 셋트(SET) 내부에 내장시 안테나 파손 문제로 에어 갭(air gap)을 주거나 0.3mm이상의 이격을 해야 하는데, 본 발명에서는 패치 안테나를 리어 케이스(rear case) 사출시 인몰드(인서트) 사출을 하여 공간 확보를 하거나 에어 갭의 공간만큼의 안테나 크기(size)를 키울 수 있으며, 안테나 파손이나 안테나 흔들림에 의한 특성 저하가 방지되지 않도록 사출물 캐리어에 안테나를 내장하는 구조를 제시한다.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 설명하기 위하여 이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하고 이를 참조하여 살펴본다.

본 발명은 휴대폰, 휴대용 USB모뎀 또는 무선 동글 등과 같은 휴대용 무선 단말기에 있어서, 상기 본체 안에 내장되고 단말기의 송수신 기능에 이용되는 직선편파 특성의 메인(Main) 안테나와 이격되어 설치되는 단말기의 MIMO(Multiple-input, multiple-output) 안테나 또는 다이버시티 안테나로서, 직선편파 특성을 갖고 안테나 이득이 향상된 광대역 패치 안테나를 포함하는 휴대용 무선 단말기의 다이버시티 안테나이다.

본 발명에 따른 안테나는 안테나의 표면 전류 특성과 전기적 길이 및 대역폭이 기존 패치 안테나와 차이를 가지고 있으므로 본 발명에 따른 안테나를 이하에서는 하이브리드 패치 안테나로 명명하여 본 발명에 따른 다이버시티 안테나와 혼용하여 사용하기로 한다.

도 3은 본 발명에 따른 광대역 패치 안테나를 이용한 다이버시티 안테나의 실시예에 대한 개략적인 모습을 도시한다.

도 3에 도시된 바에 따르면 유전체 상단면에 전도성 방사판인 패치가 위치하고 유전체 하단면에 그라운드면이 위치하며, 도 3의 (a)와 같이 전도성 물질로 구성된 핀이 유전체를 관통하여 전도성 재질로 유전체 하단면에 위치한 신호라인과 연결되는 직접 피딩 방식으로 구현 가능하며 도3의 (a)와 같이 하단면에 위치한 그라운드면을 2개 이상의 조각으로 분리하여 형성하면 λ/4의 전기적 길이를 갖게 되며 안테나의 물리적 길이(안테나 size)를 기존 패치 안테나 대비 50%이상 줄일 수 있고 통과 대역폭 증과와 안테나 이득을 개선할 수 있다.

또한 한 몸체로 듀얼밴드(dualband) 구현이 가능한데 패치 안테나의 상단면에 위치한 전도성 방사체의 가로, 즉 장축 패턴의 길이를 조절하여 700MHz 주파수 대역을 구현하고, 전도성 방사체의 세로, 즉 단축 패턴의 길이를 조절하여 2000MHz 주파수 대역을 구현할 수 있다.

나아가서 안테나 하단면에 피딩핀과 연결된 전도라인을 형성하여 그라운드면과 입출력 단자간의 입출력 용량값(capacitance)를 키워서 안테나 이득 개선, 매칭, 공진 주파수 조절을 가능하게 할 수 있는 구조인데, 도 3의 (b) 또는 (c)와 같이 상기 안테나 하단면의 전도라인과 상기 전도성 방사판인 패치는 간접급전 방식으로 연결될 수도 있다.

특히 도 3에 도시된 본 발명에 따른 실시예에서는 보다 넓은 통과 대역폭을 가지도록 안테나의 유전체 바닥면의 그라운드를 전도성 라인, 즉 그라운드 연결 라 인으로 연결시켜 대역폭을 증가시키는데, 도 3의 (a), (b) 또는 (c)에 도시된 바와 같이 그라운드 연결 라인을 유전체 블록 측면에 전도체로 직접 구현하거나 F-PCB로 구현하여 유전체 하단면에 위치한 2개의 조각으로 분리된 그라운드면을 그라운드 연결라인으로 연결시켰다.

바람직하게는 도 3의 (c)에 도시된 바와 같이 그라운드 연결 라인은 주파수 및 매칭을 위하여 일정부분이 분리되어 용량성 결합으로 형성될 수 있으며 그라운드를 부분 분리하면 주파수가 고주파로 이동하는 특성을 갖는다.

또한, 도 3의 (d)는 생산 공정의 편리성을 위하여 SMD가 가능한 안테나로써 전도성핀 대신 그라운드 연결라인이 형성되지 않는 유전체 측면으로 전도성 방사체와 연결된 신호라인을 구성하여 하단면에 입출력 단자와 연결시키면, 상기 도 3의 실시예와 유사하게 하단면에 위치한 그라운드면을 2개 이상의 조각으로 분리하여 형성하여 λ/4의 전기적 길이를 가지며 향상된 통과 대역폭과 이득을 갖는 구조를 구현할 수도 있다.

일반 패치 안테나에서 안테나를 소형화시키는 방법으로 상단의 방사체와 안테나 바닥면의 그라운드를 일부 쇼트(short)시켜서 λ/4의 전기적 길이를 구현하여 안테나를 소형화시키는 방법이 있으나 이와 같은 경우에 통과 대역폭 축소와 안테나 이득이 λ/2를 갖는 기존 패치 안테나 대비 -2dBi이상 감소하지만 본 발명에 따른 안테나는 기존 λ/4 전기적 길이를 갖는 패치 안테나의 단점을 해결하면서 안테나 이득 향상과 통과 대역폭을 확대시킬 수 있는 장점을 가진다.

도 4는 본 발명에 따른 그라운드 연결라인 구현시의 안테나 파형 변화를 나 타내는 그래프로써, 도 4의 (a)는 그라운드 연결 라인을 구현한 안테나의 특성 그래프 이며 도 4의 (b)는 그라운드 연결 라인을 구현하지 않은 안테나와 대비한 안테나의 특성 비교 그래프이다.

도 4의 (a)와 (b)에 도시된 바와 같이 중심 주파수 주위에 2개의 공진 주파수가 나타나고 각각의 공진 주파수의 통과 대역폭이 최소 2배 이상 증가하였음을 알 수 있다. 여기서 전도성 라인은 공진 주파수를 2개로 분리시키고 통과 대역폭을 넓혀 주는 역할을 하게 된다.

도 5는 본 발명에 따른 하이브리드 패치 안테나를 동축 케이블을 이용하여 구현한 실시예를 도시한다.

도 5에 도시된 바와 같이 안테나의 신호 입출력 포트(port)는 안테나의 입출력 신호라인에 동축케이블의 내심부가 연결되고 패치 안테나의 그라운드면에 동축케이블의 외심부(접지면)이 연결되도록 동축 케이블을 부착할 수 있으며, 입출력 포크는 동축케이블 외에 F-PCB나 PCB에 패치 안테나를 SMD 진행한 후 상기와 같이 입출력 포트를 패턴으로 구현할 수도 있다.

도 6은 본 발명에 따른 광대역 패치 안테나를 이용한 다이버시티 안테나의 다른 실시예에 대한 개략적인 모습을 도시한다.

도 6에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 다른 실시예는 추가적인 이득 개선과 공진 주파수 조정, 즉 저주파로의 이동을 위하여 제시된 형태로써 유전체를 휴대폰에 내장시에 다른 부품에 의하여 실장 공간이 제한되므로 이를 해결하고자 패치 안테나의 방사체만 연장하여 안테나의 이득을 개선하고 공진 주파수를 조정하는 것이 가능하게 된다.

도 7은 본 발명에 따른 상기 도 6의 실시예를 휴대폰 등의 무선 통신기기에 구현한 실시예를 나타내며, 도 7에 도시된 바와 같이 상기 도 6의 실시예를 휴대폰 등의 무선 통신기기에 구현하여 동일한 유전체 크기(size)에서 이득 개선과 공진 주파수를 낮추거나 동일한 주파수를 구현하면서 이득은 개선하고 안테나 크기를 줄일 수 있으며, 방사체는 그라운드면과 최대한 이격이 되도록 접거나 휴대폰 사출물 상단부로 위치시켜서 이득을 개선할 수 있다.

도 8은 일반 패치 안테나에 도 7의 유전체 외부로 방사체를 연장하는 구조를 적용한 실시예를 나타내며, 도 8에 도시된 바와 같이 도 7의 구성을 일반적인 패치 안테나에도 적용이 가능하고, 이를 통해 안테나의 이득 개선과 동일한 유전체 크기에서 공진 주파수를 낮출 수 있으며, 동일한 주파수를 구현하면서 이득은 개선하고 안테나 크기를 줄일 수 있게 된다.

나아가서 3개 이상의 통과 대역을 갖는 트리플 밴드(triple band) 안테나를 만들기 위하여 패치 안테나 2개를 상하로 적층시켜서 하단 패치 안테나는 700~800MHz 대역을 송수신하고 상단 패치는 1.9GHz 대역을 송수신하는 스택 패치 안테나의 경우에 상단 패치의 안테나 이득을 향상시키기 힘들고 전체적인 안테나의 크기가 커지는 문제가 있는데, 이를 개선하기 위하여 본 발명에서는 하단부에 700~800MHz 대역의 광대역 패치 안테나를 사용하고 패치 안테나의 상단부나 측면에 상기 하단부의 광대역 패치 안테나와 동일한 입출력 포트를 사용하는 모노폴 또는 PIFA 안테나를 구현하여 2GHz 대역의 안테나 이득과 통과 대역을 개선한 안테나를 구현한다.

도 9는 본 발명에 따른 복합 안테나를 구현한 실시예를 도시한다.

도 9의 (a)에서는 상기 도 3에 도시된 본 발명에 따른 하이브리드 패치 안테나로 700~800MHz 듀얼밴드 대역(예를 들면 LTE 주파수 746~756MHz, CDMA 수신 주파수 869~894MHz)를 구현하고 패치 안테나의 하단에 있는 입출력 단자에 전도성 방사체를 이용하여 모노폴 안테나를 구현하여 전체적으로 패치와 모노폴의 복합 안테나를 구현하였으며, 도 9의 (c)에서는 도 3에 도시된 본 발명에 따른 하이브리드 패치 안테나에 PIFA 안테나를 구현하여 하이 밴드(High Band)인 1.96GHz 대역의 신호를 송수신하는 패치와 PIFA의 복합 안테나를 구현하여 전체적인 안테나의 크기를 축소시키고 안테나를 성능을 향상시킬 수 있다.

또한, 도 9의 (b)와 (d)는 각각 하이브리드 패치 안테나의 상단면에 모노폴과 PIFA 안테나를 눕혀서 단말기내에서 차지하는 공간을 최소화시켰다.

나아가서, 도 10은 본 발명에 따른 하이브리드 패치 안테나의 랜드 패턴과 모노폴 또는 PIFA 안테나가 구현된 일체형 F-PCB에 대한 실시예를 나타내는데, 도 10에 도시된 바와 같이 F-PCB에 패치 안테나를 부착할 수 있도록 패치 안테나의 랜드 패턴이 형성되어 있고 패치 안테나의 입출력 단자에 연결된 모노폴이나 PIFA 안테나를 하나의 몸체로 구현한 구조로써 안테나의 소형화가 가능하며 제조가 간단하다.

여기서 패치 안테나의 하단에 마이크로스트립 선로 구조 또는 CPW(Coplaner wave guide) 구조를 구현하여 미스 매칭에 의한 안테나의 이득 저하를 개선할 수 있게 된다.

이와 같은 다중 밴드 대역 복합 안테나는 상기 도 8에 도시된 바와 같이 일반적인 패치 안테나에 모노폴이나 PIFA 안테나를 적용하여 구현함으로써 안테나의 성능을 향상시킬 수도 있다.

도 11은 상기 도 10의 본 발명에 따른 안테나에 동축 케이블을 사용하여 본 발명에 따른 패치 안테나와 모노폴 또는 PIFA 안테나를 연결시키는 구조로서, 동축 케이블의 종단에 전도성 방사체를 부착하여 모노폴 또는 PIFA 안테나를 구현하였다. 이와 같은 도 11의 본 발명에 따른 실시예를 통하여 패치 안테나의 바닥면의 그라운드에 의한 미스 매칭으로 발생되는 안테나의 이득 저하를 최소화할 수 있고 또한 단말기 내부의 노이즈 영향을 줄일 수 있으며, 상기 도 10의 실시예와 대비하여 유전체의 유전율을 이용하여 전기적인 길이를 50%이상 줄일 수 있게 된다.

적용방식	유전율(F-pcb)	공진주파수	안테나 길이	전기적 길이
도 10의 (a) 모노폴 안테나	2.2	1.96GHz	25.7mm	λ/4
도 10의 (b) 모노폴 안테나	2.2	1.96GHz	15mm이하	λ/6 이하

상기 표 1은 상기 도 10의 본 발명에 따른 실시예와 상기 도 11의 본 발명에 따른 실시예에 대한 안테나의 크기 및 특성을 대비한 결과를 나타낸다.

상기 표 1에서 상기 도 11에 도시된 본 발명에 따른 안테나에서 모노폴 및 PIFA 안테나의 길이는 공진 주파수 영향이 미미한 동축 선로의 길이를 제외하며 동축선로 종단에서부터 구현한 안테나의 길이를 의미한다.

나아가서 본 발명에서는 휴대폰 등의 무선 통신 기기의 케이스 형태 등으로 인하여 안테나 크기의 제한 및 안테나 이득의 저하 문제를 해결하는 하이브리드 패치 안테나의 형태를 제시하는데, 도 12는 일반적인 종래기술의 경우의 패치 안테나의 형태와 본 발명에 따른 하이브리드 패치 안테나의 형태를 나타내는 실시예를 도시한다.

도 12의 (a)에 도시된 휴대폰과 같이 외곽이 곡면으로 되어 있는 경우 하이브리드 패치 안테나는 도 12의 (b)처럼 일반적으로 상단면이 평탄한 정육면체 혹은 직육면체로 설계되는데, 이러한 패치 안테나를 곡선형태의 휴대폰에 내장 안테나로 사용하려면 도 12의 (b)처럼 25x10x4mm 안테나의 사용시 기구 간섭이 발생되어 안테나의 크기를 도 12의 (c)에 도시된 25x4x4mm의 안테나 크기 또는 도 12의 (d)에 도시된 25x9.5x2mm의 안테나 크기와 같이 줄여야 하고, 이에 따라 안테나 방사체 크기 또는 유전체 체적이 작아지면 이득 저하 문제가 발생하게 된다.

따라서, 이를 해결하기 위하여 본 발명에서는 방사체 또는 패치가 형성되는 유전체 블록의 상단면이나 측면을 휴대폰의 기구 형상과 동일하게 도 12의 (e)와 같이 간섭되는 부위에 기구 형상과 동일하게 패치 안테나 모서리면에서 적어도 한쪽면 이상에 곡면(Rounding)을 주거나 도 12의 (f)와 같이 모따기(champering)를 줘서 축소되는 유전체 체적을 최소화 하고 방사체 패턴을 곡면이나 경사면에 연장하는 안테나의 형태를 통하여 패치 안테나의 유전체 바디(BODY) 공간을 확보하고 안테나 이득을 개선할 수 있게 된다.

이때, 상기 도 12에서는 유전체 블록의 단축면 한쪽이나 양쪽에 곡면이나 모따기를 형성 하였는데 휴대폰 등의 단말기 기구 형상에 따라서 유전체 블럭의 장축면에도 한쪽이나 양쪽 모서리에 곡면과 모따기를 형성할 수도 있다.

또한, 도 12의 (g)는 상기 도 12의 (f)의 변형된 형태로 유전체 최대 체적을 갖도록 모따기면이 하나의 면이 아니라 2개 이상으로 다각면을 갖도록 형성된 안테나이다.

이와 같이 안테나 이득을 향상시키기 위하여 도 12의 (e) 내지 (g)와 같이 라운딩면이나 모따기면에 방사체를 연장하여 추가하거나 제조가 어려울 경우 상단면에만 방사체를 형성할 수도 있다.

또한, 도 12에 도시된 바와 같이 하이브리드 패치 안테나의 모서리면에 곡면이나 모따기로 형성된 안테나 형태는 상기 도 8에 도시된 일반 패치 안테나에서도 적용하는 것이 가능하다.

도 13은 일반 패치 안테나에서 제조 공정에서 유전체 모서리면 파손 방지를 위하여 일반적으로 0.2mm이하의 모따기를 주고 있는 일반적인 자연 곡면의 형상을 나타내는데 이는 상단면이 평탄한 일반적인 유전체 블럭 형상으로서, 상기 도 12에 도시된 본 발명에 따른 안테나 체적 확대 및 안테나 성능 향상 목적과는 구별된다.

일반적으로, 종래의 패치 안테나는 유전체 세라믹 또는 폴리머 구조를 갖는 폴리스티렌, 폴리프로필렌, 또는 폴리에스트르 필름 등의 다양한 유전체 재질을 가지며 휴대폰용인 메인 안테나에 사용하는데 가공이 쉬운 PC 재질의 사출물인 케리어와 달리 1400도의 고온으로 24시간 소결을 해야 하며 소결된 유전체 세라믹은 작은 충격에 파손되기 쉽고, 또한 휴대폰 내부 형상에 맞춰서 설계가 불가능하며 내장된 안테나가 낙하 등의 외부 충격으로 주변 부품에 부딪혀서 파손되지 않도록 최소 0.3mm의 갭(Gap)을 형성해서 설계를 하므로 공간적인 제약이 있고, 메인 PCB에 직접 패치 안테나를 SMD하거나 동축 케이블(cable)을 사용해서 신호 라인을 연결해야 하는 문제가 있으므로, 이와 같은 문제점을 해결하고자 본 발명에서는 사출물 캐리어에 안테나가 내장되는 구조를 제시하는데 이를 이하에서 살펴보기로 한다.

도 14는 패치 안테나의 공간적인 제약과 파손 문제 및 단말기 내부에 쉽게 안테나를 고정할 수 있는 구조로 설계 가능하도록 본 발명에 따라 단말기 케이스(case) 사출물에 패치 안테나가 장착된 구조에 대한 실시예를 도시한다.

도 14의 (a)는 휴대폰 등의 단말기 케이스 사출 공정중에 패치 안테나를 단말기 케이스에 삽입하여 인몰드 혹은 인서트 사출로 동시에 진행하여 패치 안테나가 단말기 케이스에 장착된 구조를 나타내며, main PCB와 연결부위는 Main 안테나에 사용되는 핑거 방식을 이용하거나 모듈과 거리가 먼 경우 동축 케이블 혹은 F-pcb를 사용하여 연결한다.

또한, 기구 설계상 패치 안테나를 삽입하여 동시 사출이 불가능한 구조에서는 (a)와 같이 후공정에서 패치 안테나를 차후에 단말기의 Rear case에 삽입하고 접착제, 접나, 접착테입, 또는 패치 안테나에 홀을 형성하는 등의 융착 방법을 이용하여 패치 안테나를 고정할 수 있다.

또한, 사출물의 높이가 너무 낮거나 패치 안테나가 많이 돌출되어서 패치 안테나를 삽입하여 동시에 단말기 케이스 인몰드(인서트) 사출이 불가능할 경우에는 도 14의 (b)와 같이 단말기 케이스 내부에 패치 안테나가 삽입될 수 있도록 안테나 형상의 홈을 사출물에 구현한 후 향후에 안테나를 사출물에 구현된 안테나 형상의 홈에 넣어서 접착제 혹은 접착 테입, 또는 패치 안테나에 홀을 형성하는 등의 융착 방법으로 고정된 구조로써 패치 안테나 전체가 단말기 케이스 사출물에 의해 감싸지거나 또는 부분적으로 감싸진 구조를 나타낸다.

이는 마치 인몰드(인서트) 사출과 같은 효과를 발휘할 수 있으며 단말기 내부의 최소 공간을 활용하여 사출물에 패치 안테나를 완전하게 고정시킴으로써 낙하 등의 외부 충격기 단말기 케이스에 가해지는 경우에도 안테나의 파손을 막는 것이 가능하다.

나아가서 도 14의 (c)는 패치 안테나를 단말기 케이스 형상에 맞게 내장하거나 고정이 힘든 경우 단말기 케이스 사출물에 패치 안테나를 삽입하지 않고 단말기 케이스 형상에 맞도록 사출물(케리어)을 제작하고 사출물 내부에 패치 안테나를 삽입한 구조로, 기존 단말기용 인테나에 사용하는 케리어에 방사체를 고정하는 방식을 응용하여 기존 패치 안테나가 내장된 구조와는 차이가 있다.

단말기 케이스 내부에 인몰드(인서트) 되거나 별도의 케리어 사출물에 내장된 패치 안테나의 신호 라인 연결은 PCB에 패치 안테나를 직접 SMD하거나 케이블을 달아서 연결하는 방식과 달리 인테나에 사용되는 핑거 방식을 사용하여 패치 안테나에 핑거를 SMD하거나 PCB에 직접 핑거를 SMD해서 조립시 핑거에 의하여 접촉하는 방법이 효과적이다. 신호 입력단이 멀리 떨어져 있는 경우 동축 케이블 혹은 F-PCB를 이용하여 신호라인 연결도 가능하다.

또한, 파손 방지를 위한 패치 안테나와 다른 부품 사이의 0.3mm이상의 에어 갭(AIR GAP)이 필요 없으므로 0.3mm이상 전체적으로 안테나 크기(SIZE)를 키워서 이득을 개선하거나 낭비되는 단말기 내부 공간을 줄일 수 있다.

도 1은 종래기술의 마이크로스트립 패치 안테나를 도시하며,

도 2는 종래의 마이크로스트립 패치 안테나의 실시예와 그에 따른 안테나 특성을 나타내며,

도 3은 본 발명에 따른 광대역 패치 안테나를 이용한 다이버시티 안테나의 실시예에 대한 개략적인 모습을 도시하며,

도 4는 본 발명에 따른 그라운드 연결라인 구현시의 안테나 파형 변화를 나타내는 그래프이며,

도 5는 본 발명에 따른 동축 케이블을 이용하여 하이브리드 패치 안테나를 구현한 실시예를 도시하며,

도 6은 본 발명에 따른 광대역 패치 안테나를 이용한 다이버시티 안테나의 다른 실시예에 대한 개략적인 모습을 도시하며,

도 7은 본 발명에 따른 상기 도 6의 실시예를 휴대폰 등의 무선 통신기기에 구현한 실시예를 나타내며,

도 8은 일반 패치 안테나에 도 7의 유전체 외부로 방사체를 연장하는 구조를 적용한 실시예를 나타내며,

도 9는 본 발명에 따른 복합 안테나를 구현한 실시예를 도시하며,

도 10은 본 발명에 따른 하이브리드 패치 안테나의 랜드 패턴과 모노폴 또는 FIPA 안테나가 구현된 일체형 F-PCB에 대한 실시예를 나타내며,

도 11은 상기 도 10의 본 발명에 따른 안테나에 동축 케이블을 사용하여 본 발명에 따른 패치 안테나와 모노폴 또는 PIFA 안테나를 연결시키는 구조를 나타내며,

도 12는 일반적인 종래기술의 경우의 패치 안테나의 형태와 본 발명에 따른 하이브리드 패치 안테나의 형태를 나타내는 실시예를 도시하며,

도 13은 일반 패치 안테나의 제조 공정에서 유전체 모서리면의 자연 곡면의 형상을 나타내며,

도 14는 본 발명에 따른 패치 안테나가 단말기 내부에 고정되는 구조를 나타낸다.

Claims (5)

1. 무선 단말기에 장착되는 메인 안테나와 이격되어 설치되고 상기 메인 안테나와 다른 주파수 대역에 대한 MIMO((Multiple-input, multiple-output) 또는 다이버시티 송수신에 이용되는 패치 안테나로서,

   유전체 블록의 상부에 형성된 전도성 방사체 패치 패턴;

   상기 유전체 블록의 하부에 서로 소정간격 이격되어 형성된 제1 그라운드 패턴과 제2 그라운드 패턴;

   상기 전도성 방사체 패치 패턴과 전기적으로 연결되는 급전 라인;

   상기 유전체 블록의 하부 상의 상기 제1 그라운드 패턴과 제2 그라운드 패턴 간의 사이에 형성되며 상기 급전 라인과 연결된 전도 라인; 및

   상기 유전체 블록의 측면에 형성되며 상기 제1 그라운드 패턴과 제2 그라운드 패턴을 연결하는 그라운드 연결 라인을 포함하되,

   상기 제1 및 제2 그라운드 패턴과 전도 라인 간의 용량성 결합을 통해 안테나의 전기적 특성을 조절하는 것을 특징으로 하는 광대역 패치 안테나를 이용한 다이버시티 안테나.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 그라운드 연결 라인은, 그 중단이 소정 간격 오픈되어 형성된 것을 특징으로 하는 광대역 패치 안테나를 이용한 다이버시티 안테나.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 전도성 방사체 패치 패턴이 상기 유전체 블록의 외부로 연장되며,

   상기 전도성 방사체 패치 패턴의 연장된 부분이 상기 무선 단말기의 레어 커버(rear cover)의 내면에 형성되거나 또는 상기 무선 단말기의 케이스(case) 내부로 삽입되어 형성된 것을 특징으로 하는 광대역 패치 안테나를 이용한 다이버시티 안테나.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 전도 라인과 연결되어 상기 유전체 블록의 외부로 형성된 모노폴 안테나 또는 PIFA 안테나를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광대역 패치 안테나를 이용한 다이버시티 안테나.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 전도 라인과 상기 모노폴 안테나 또는 PIFA 안테나는 동축 케이블을 통해 연결되는 것을 특징으로 하는 광대역 패치 안테나를 이용한 다이버시티 안테나.

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