KR20110088732A - 휴대용 단말기의 내장형 안테나 장치 - Google Patents

Abstract

휴대용 단말기의 내장형 안테나 장치에 관한 것으로서, 접지 영역과 비 접지 영역을 갖는 기판과, 상기 기판의 비 접지 영역내에서 일정 형상의 패턴으로 형성되는 안테나 방사체와, 상기 안테나 방사체와 일정 이격 거리를 가지며 패턴 형태로 형성되는 적어도 하나의 서브 방사 패턴 및 상기 서브 방사 패턴과 상기 안테나 방사체 및/또는 상기 서브 방사 패턴간을 전기적으로 연결시켜주는 일정 높이를 갖는 도전성 플레이트를 포함하여, 안테나 장치의 대역폭을 증가시켜 우수한 방사효율을 얻을 수 있으며, 인체의 두부와 최대 이격거리를 갖기 때문에 전자파 흡수율(SAR)이 저감되고 조립성이 향상되며, 제조 원가를 절감시킬 수 있다.

Description

휴대용 단말기의 내장형 안테나 장치{BUILT-IN ANTENNA FOR PORTABLE TERMINAL}

본 발명은 휴대용 단말기의 내장형 안테나 장치에 관한 것으로서, 특히 기판 표면 실장형 안테나 장치(PEA; Printed circuit board Embeded Antenna)의 방사 특성 향상 및 전자파 흡수율(SAR; Specific Absorption Rate)을 저감시키도록 구현되는 휴대용 단말기의 내장형 안테나 장치에 관한 것이다.

휴대용 무선단말기(이하 휴대용 단말기)가 사용된 이래로 이용 서비스 및 단말기는 지금까지 눈부신 진화가 있었다. 기존 음성 통신만을 지원하던 서비스는 단문 전송 및 사진 전송이 가능한 서비스를 거쳐 현재는 인터넷 및 방송 서비스도 가능하게 되었으며, 단말기는 단순 통화 기능 이외에 카메라, MP3 등과 같은 기능도 추가가 되었고, 단말기 화면도 흑백에서 고화질 LCD로 바뀌었다. 통신이 가능한 서비스도 하나의 밴드에서 두 개, 세 개를 거쳐 지금은 여섯 개 이상의 서비스를 모두 사용 가능하도록 다기능화 되었다. 단말기의 크기 또한 초창기 단말기와 견주어 보았을 때 비교할 수 없을 만큼 경량화 및 슬림화되었다. 이는 단말기 안에 위치하는 소자들의 크기와 성능이 매우 작아지면서 고성능으로 설계 되었기 때문이다. 안테나도 예외는 아니다. 초창기 단말기 안테나는 외장형으로써 단일 서비스 밴드 또는 두 개의 서비스 밴드를 확보해야 하는 것이 전부였지만 현재의 단말기 안테나는 내장형으로 바뀌었을 뿐만 아니라 그 크기도 매우 작아졌고 확보해야 하는 서비스 밴드도 최소 네 개에서 여섯 개 밴드 이상이다. 물리적 크기와 밀접한 연관이 있는 안테나 성능 입장에서는 점점 열악한 조건으로 바뀌었다고 할 수 있을 것이다.

휴대용 단말기내에서 안테나의 물리적 공간이 점점 작아지면서 동시에 고성능의 다양한 서비스 밴드를 확보하면서 제작 비용까지 줄여야 하는 필요성 때문에 몇 가지 안테나 설계 방법이 제시되었다. 그 대표적인 것이 기판 표면에 방사 패턴을 형성하는 PCB Embedded Antenna(이하 PEA)이다. 이 PEA는 기존 캐리어 타입의 안테나와 비교하였을 때 제작 비용이 거의 들지 않아 전체 단말기 생산비를 줄이는데 매우 중요할 뿐만 아니라 소형화 측면에서도 Dielectric 또는 Magneto Dielectric 물질을 이용한 안테나(이하 칩안테나)보다 작게 구현할 수 있다. 그 이유는 기존 캐리어 타입 안테나와 칩안테나 처럼 3D 입체 공간이 필요한 것이 아니라 2D 평면 공간만 필요하기 때문이다.

한편, 매우 제한된 단말기 내부 안테나 공간에서 고성능의 소형 안테나를 개발하는 것은 적지 않은 비용이 소요된다. 캐리어 타입 안테나의 실장이 불가능할 경우 특수 물질(Dielectric 또는 Magneto Dielectric 물질)을 사용해야 하고 이 소재의 비용이 저렴하지 않기 때문이다. 연간 단말기 회사에서 개발하여 시장에 출시하는 모델의 수를 감안해 보았을 때 안테나 설계 및 성능 확보에 들이는 시간과 비용, 개발 인력의 투입은 상상을 초월한다. 단말기를 개발할 때마다 안테나 설계에 소요되는 시간, 비용, 개발 인력에 대한 절감이 매우 필요한 시점이다. 단말기 안테나의 개발 시간, 비용, 인력에 대한 절감이 이루어 진다면 단말기의 전체의 비용 절감 및 개발 기간 단축으로 이어져 단말기 개발 회사에는 이익율 개선, 실제 사용 소비자에게는 많은 경제적 이득 및 편리성을 가져올 수 있다.

기존 멀티 밴드 안테나를 설계하는 데 있어서 많이 사용되는 캐리어 타입은 안테나를 설계하는데 일정 공간이 필요하며 캐리어의 모양 역시 단말기 케이스의 모양에 따라 많이 좌우되어 단말기 마다 캐리어를 개별적으로 디자인을 해야 한다. 게다가 안테나를 개별적으로 하나씩 수공으로 조립을 해야하므로 개발 시간이나 개발 비용이 비교적 많이 필요하다. 만약 단말기의 안테나 공간이 매우 작아서 캐리어 조차 성능을 확보하기 힘들다면 Dielectric 또는 Magneto Dielectric 물질을 이용한 칩 안테나를 사용한다. 이 경우 안테나 재료비는 더욱 증가하며 여전히 안테나 조립에 많은 시간이 소요된다. 단말기가 점점 소형화, 슬림화 되어 가면서 캐리어는 물론이고 칩 안테나 조차도 주어진 안테나 공간에 실장하기가 점점 어려워 지는 상황이다. 그래서 PEA가 개발되어 이 부분에 대해 안테나 크기나 재료비 면에서 많은 문제를 해결하긴 하였지만 여전히 가지고 있는 문제가 있다.

기존 단말기에 들어가는 캐리어 타입 안테나의 경우 디자인적으로 슬림한 단말기가 요구될 때 적용되기가 매우 힘들다. 이는 안테나의 일정 높이를 확보해야 하기 때문에 캐리어 자체도 높이가 커서 슬림한 단말기에 실장이 불가하기 때문이다. 역시, 칩 안테나를 사용한다 해도 캐리어 높이보다는 작지만 역시 안테나 높이가 필요하다. 또한, 비용이 캐리어 타입 안테나의 약 두 배 이상이 소요되기 때문에 지양하고 있는 실정이다.

따라서, 단말기 전체의 단가를 낮추기 위해서는 안테나 재료비를 더욱 줄일 필요가 있다. 그리고 현재 캐리어 타입의 안테나이건 칩 안테나이건 단말기 조립 시 안테나를 개별적으로 조립해야 한다. 이것은 개발 시간적으로나 비용적으로나 매우 비효율적이다. 안테나 조립 인력이 일일이 하나씩 조립하기 때문에 조립 시간은 물론이고 인건비와 같은 조립 비용이 많이 소요되는 것이다.

PEA 같은 경우 캐리어 타입의 안테나나 칩 안테나가 가지고 있는 많은 문제를 해결하기는 하였지만 PEA는 단말기에 실장시 안테나가 인체 머리 부분과 가까워 인체 영향을 많이 받는 상황이 발생한다. 그리고 서비스 대역폭도 다중대역을 확보하기에는 다소 어려움이 따르는 것도 사실이다.

상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 기존의 PEA(PCB Embedded Antenna)보다 우수한 방사 효율이 구현되도록 구성되는 휴대용 단말기의 내장형 안테나 장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 PEA상에 일정 높이와 길이를 갖는 도전성 플레이트를 설치하여 대역폭을 증가시킬 수 있도록 구현되는 휴대용 단말기의 내장형 안테나 장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 통화시 인체의 두부와 최대한 이격 거리를 두어 전자파 흡수율(SAR;Specific Absorption Rate)을 저감시키도록 구현되는 휴대용 단말기의 내장형 안테나 장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 더욱더 다른 목적은 우수한 방사 효율이 발현됨과 동시에 조립성이 우수하고 제조 비용이 비교적 저렴하게 구현되는 휴대용 단말기의 내장형 안테나 장치를 제공하는데 있다.

상술한 목적을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명은 휴대용 단말기의 내장형 안테나 장치에 있어서, 접지 영역과 비 접지 영역을 갖는 기판과, 상기 기판의 비 접지 영역내에서 일정 형상의 패턴으로 형성되는 안테나 방사체와, 상기 안테나 방사체와 일정 이격 거리를 가지며 패턴 형태로 형성되는 적어도 하나의 서브 방사 패턴 및 상기 서브 방사 패턴과 상기 안테나 방사체 및/또는 상기 서브 방사 패턴간을 전기적으로 연결시켜주는 일정 높이를 갖는 도전성 플레이트를 포함하여 구성된다.

본 발명에 따른 내장형 안테나 장치는 기존의 PEA에 일정 높이 및 길이를 갖는 도전성 플레이트를 적용함으로써 대역폭이 증가되어 우수한 방사효율을 얻을 수 있으며, 인체의 두부와 최대 이격거리를 갖기 때문에 SAR가 저감되고 조립성이 향상되며, 제조 원가가 절감되는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 내장형 안테나 장치가 적용되는 휴대용 단말기의 사시도;
도 2는 본 발명에 따른 도전성 플레이트가 적용되는 내장형 안테나 장치의 분리 사시도;
도 3은 본 발명에 따른 도전성 플레이트가 적용되는 내장형 안테나 장치의 결합 사시도;
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 도전성 플레이트의 사시도; 및
도 5는 본 발명에 따른 도전성 플레이트가 적용된 PEA와 그렇지 않은 PEA의 성능을 비교한 그래프.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 하기와 같다. 그러나 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

본 발명을 설명함에 있어서, 바 타입 휴대용 단말기를 도시하고 이에 대하여 설명하였다. 그러나 본 발명은 폴더 타입 단말기, 슬라이드 타입 단말기 등 내장형 안테나 장치가 적용되는 다양한 개폐 방식을 갖는 단말기에 적용 가능함은 자명하다.

도 1은 본 발명에 따른 내장형 안테나 장치가 적용되는 휴대용 단말기의 사시도이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 휴대용 단말기(100)는 바 타입(bar type)단말기로써 전면(101)에 디스플레이 장치(102)가 설치되며, 상기 디스플레이 장치(102)의 상부에 스피커 장치(103)가, 하부에 마이크로폰 장치(104)가 설치된다. 상기 디스플레이 장치(102)는 최근 추세에 따라 터치 스크린으로 적용되며 기계적 메탈돔 쉬트를 사용하는 키버튼은 가급적 배제되었다.

역시, 휴대용 단말기(100)에는 본 발명에 따른 내장형 안테나 장치(도 2의 1)가 적용된다. 상기 내장형 안테나 장치는 상기 휴대용 단말기(100)의 저부(도 1의 점선으로 표시된 부분)에 적용하는 것이 바람직하다. 이는 통화시 인체의 두부와 최대한의 이격 거리를 제공하며, 핑거 터치(finger touch)에 의한 방사 특성의 변화가 가장 적은 위치이기도 하다. 또한, 본 발명에 따른 내장형 안테나 장치는 상기 휴대용 단말기(100)에 내장되는 기판(PCB; Printed Circuit Board)의 후면에 적용되는 것이 바람직하다. 이는 안테나 방사체가 인체와 가장 이격되는 위치에 배치시킴으로써 인체에 미치는 전자파 흡수율(SAR; Specific Absorption Rate)을 최대한 감소시키기 위함이다.

도 2는 본 발명에 따른 도전성 플레이트가 적용되는 내장형 안테나 장치의 분리 사시도이고, 도 3은 본 발명에 따른 도전성 플레이트가 적용되는 내장형 안테나 장치의 결합 사시도이다.

본 발명에 따른 내장형 안테나 장치(1)는 기존의 PEA(PCB Embeded Antenna)를 기초로 하여 적용된다. 기존의 PEA가 기판상에 2차원으로 구현된다면, 본 발명에 따른 내장형 안테나 장치는 PEA상에 높이를 갖는 금속 플레이트를 추가로 적용시킴으로써 3차원으로 구현되는 점이 상이하다.

따라서, 본 발명의 내장형 안테나 장치(1)는 인쇄회로기판(PCB; Printed Circuit Board)(이하 '기판'라 함)(30)의 후면(휴대용 단말기의 후면 방향과 상응함)에 적용된다. 상기 기판(30)에는 접지 영역(32)과 안테나 방사 패턴이 형성되는 영역(31)으로 구분된다. 상기 안테나 방사 패턴이 형성되는 영역(31)은 상기 접지 영역(32)을 이루는 도전체가 적용되지 않는다.

상기 안테나 방사 패턴은 해당 단말기의 사용 대역, 성능에 따라 다양한 형태로 구현시키되, 기판(30)이 형성될 때 패턴으로 함께 형성되는 것이 바람직하다. 상기 패턴은 메인 방사 패턴(10)과, 상기 메인 방사 패턴(10)과 물리적 이격거리를 갖는 서브 방사 패턴(11)으로 형성되며, 상기 메인 방사 패턴(10)과 서브 방사 패턴(11)은 전기적으로 연결되지 않는다. 역시, 상기 메인 방사 패턴(10)은 급전 라인(feeding line)(14)과 접지 라인(ground line)(15)이 형성되는데, 상기 급전 라인(14)은 기판(30)에 설치되는 RF컨넥터(33)에 전기적으로 연결되며, 상기 접지 라인(15)은 상기 기판(30)의 상술한 접지 영역(32)과 전기적으로 연결될 수 있다. 이 역시, 상기 기판(30)을 최초 형성시 패턴으로 함께 구현할 수 있을 것이다.

그후, 상기 메인 방사 패턴(10)과 서브 방사 패턴(11)은 일정 길이, 일정 폭 및 일정 높이를 갖는 도전성 플레이트(20)에 의해 전기적으로 연결되는 구성을 갖는다. 바람직하게도, 상기 메인 방사 패턴(10)과 서브 방사 패턴(11)의 단부에는 접속 패드(12, 13)를 각각 구비하고 있으며, 상기 도전성 플레이트(20) 역시 일정 길이의 연결단(21)과 상기 연결단(21)의 양 단부에 절곡면(22, 23)을 각각 갖도록 형성된다. 따라서, 상기 도전성 플레이트(20)는 상기 절곡면(22, 23)이 상기 접속 패드(12, 13)에 접촉하도록 하여 상기 기판(30)에 실장(SMD)된다. 바람직하게도, 상기 도전성 플레이트(20)는 솔더링, 본딩 등의 공정으로 상기 기판(30)에 고정될 수 있을 것이다. 상기 도전성 플레이트(20)의 길이, 높이, 폭 등은 해당 단말기의 사용 대역, 방사 특성 등에 따라 변형 가능하다.

미도시되었으나, 상기 안테나 방사 패턴은 다수의 서브 방사 패턴으로 분리될 수 있으며, 각각의 서브 방사 패턴을 메인 방사 패턴과 전기적으로 연결시키거나, 상기 서브 방사 패턴들간의 전기적 연결을 위하여 다양한 형태의 다수의 도전성 플레이트가 적용 가능하다. 역시, 상기 도전성 플레이트는 상기 기판상의 방사 패턴 중 급전 라인의 근처에서 연결되거나, 방사 패턴 중에 연결되거나, 방사 패턴의 패턴의 단부에 연결될 수 있을 것이다.

역시, 미도시되었으나, 상기 기판상에 패턴 방식으로 형성되는 메인 방사 패턴 및 서브 방사 패턴은 기판의 전면 또는 후면 또는 전면과 후면에 함께 형성될 수 있다. 그러나, 공진 주파수에서 동작하는 상기 도전성 플레이트는 기판의 후면에 설치하여 통화시 인체의 두부에서 최대한 이격되는 위치가 되는 것이 바람직하다. 이는 인체에 미치는 전자파 흡수율을 저감시키기 위한데 기인한다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 도전성 플레이트의 사시도이다.

도 4에 도시한 바와 같이, 도전성 플레이트(20)는 다양한 방식으로 변형이 가능하다. (a)의 경우 처럼 일정 길이의 연결단(21)이 형성되며, 상기 연결단(21)의 양단을 두번 절곡시켜 절곡면(22, 23)을 형성한 후 상기 각각의 절곡면(22, 23)이 상기 메인 방사 패턴과 서브 방사 패턴의 접속 패드에 접촉될 수 있을 것이다.

이때, 도전성 플레이트(20)의 높이(t)는 일반적으로 5mm를 넘지않는것이 바람직하다.

역시, (b)의 경우와 같은 도전성 플레이트(40)에서 연결단(41)의 일단은 (a)의 경우 처럼 절곡면(43)을 가지되, 다른 절곡면(42)은 상기 연결단(41)의 중앙에서 분기되어 형성된다. 즉, 상기 도전성 플레이트(40)는 다양한 방식의 변형이 가능한 것이다.

하기 <표 1>은 기존의 PEA와 본 발명에 따른 도전성 플레이트가 적용된 내장형 안테나 장치(PEA+)를 나타내고 있다.

GSM 대역과 DCS 대역에서의 효율이 본 발명에 따른 내장형 안테나 장치가 좀더 우수함을 알 수 있다.

도 5는 본 발명에 따른 도전성 플레이트가 적용된 PEA와 그렇지 않은 PEA의 성능을 비교한 그래프이다. 즉. 본 발명에 따른 도전성 플레이트가 적용된 내장형 안테나 장치(PEA+)와 적용되지 않은 내장형 안테나 장치(PEA)의 return loss 성능을 비교한 것이다.

도 5에 도시한 바와 같이, PEA인 경우 대역폭이 GSM 밴드와 DCS 밴드의 경우 각각 45MHz와 86MHz인 반면, PEA+인 경우 대역폭이 GSM 밴드와 DCS 밴드에서 각각 31MHz와 39MHz씩 개선되었음을 알 수 있었다.

분명히, 청구항들의 범위내에 있으면서 이러한 실시예들을 변형할 수 있는 많은 다양한 방식들이 있다. 다시 말하면, 이하 청구항들의 범위를 벗어남 없이 본 발명을 실시할 수 있는 많은 다른 방식들이 있을 수 있을 것이다.

1: 내장형 안테나 장치 10: 메인 방사 패턴
11: 분리 방사 패턴 20: 도전성 플레이트
30: 기판

Claims (9)

1. 휴대용 단말기의 내장형 안테나 장치에 있어서,
   접지 영역과 비 접지 영역을 갖는 기판;
   상기 기판의 비 접지 영역내에서 일정 형상의 패턴으로 형성되는 안테나 방사체;
   상기 안테나 방사체와 일정 이격 거리를 가지며 패턴 형태로 형성되는 적어도 하나의 서브 방사 패턴; 및
   상기 서브 방사 패턴과 상기 안테나 방사체 및/또는 상기 서브 방사 패턴간을 전기적으로 연결시켜주는 일정 높이를 갖는 도전성 플레이트를 포함함을 특징으로 하는 휴대용 단말기의 내장형 안테나 장치.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 안테나 방사체는 상기 기판에 설치되는 RF컨넥터와 전기적으로 연결되는 급전 라인과, 상기 기판의 접지 영역과 전기적으로 연결되는 접지 라인을 포함함을 특징으로 하는 휴대용 단말기의 내장형 안테나 장치.
   
3. 제 2항에 있어서,
   상기 RF컨넥터는 비 접지 영역에 설치됨을 특징으로 하는 휴대용 단말기의 내장형 안테나 장치.
   
4. 제 1항에 있어서, 상기 도전성 플레이트는,
   일정 길이 및 폭을 갖는 연결단과, 상기 연결단의 양단에서 같은 방향으로 두번 절곡되어 소정의 높이 및 접합면을 갖도록 형성되는 절곡면을 포함함을 특징으로 하는 휴대용 단말기의 내장형 안테나 장치.
   
5. 제 4항에 있어서,
   상기 도전성 플레이트의 각 절곡면은 상기 안테나 방사체 및 서브 방사 패턴에 형성되는 접속 패드에 솔더링 또는 본딩에 의해 SMD 형태로 실장됨을 특징으로 하는 휴대용 단말기의 내장형 안테나 장치.
   
6. 제 1항에 있어서,
   상기 도전성 플레이트는 기판의 후면에 설치하여 통화시 인체의 두부와 최대한 이격되도록 함을 특징으로 하는 휴대용 단말기의 내장형 안테나 장치.
   
7. 제 2항에 있어서,
   상기 도전성 플레이트는 상기 안테나 방사체의 급전 라인 근처 또는 방사 패턴의 중간 또는 방사 패턴은 끝에 배치됨을 특징으로 하는 휴대용 단말기의 내장형 안테나 장치.
   
8. 제 1항에 있어서,
   상기 도전성 플레이트는 그 높이가 5mm를 넘지않도록 구현함을 특징으로 하는 휴대용 단말기의 내장형 안테나 장치.
   
9. 제 1항 내지 제 8항 중 적어도 어느 한 항에 따라 구현되는 내장형 안테나 장치를 포함함을 특징으로 하는 휴대용 단말기.
   

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