KR20120020692A - Pcb에 내장되는 안테나 및 필터를 갖는 무선 유에스비 모듈 - Google Patents

Pcb에 내장되는 안테나 및 필터를 갖는 무선 유에스비 모듈 Download PDF

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Abstract

본 발명은 인쇄 회로 기판에 내장되는 안테나 및 필터를 갖는 무선 유에스비 모듈은 PCB에 내장되는 안테나 및 필터 및, 상기 PCB 상에 장착되는 스위치 IC, RF/기저대역 UWB 물리계층 및 WUSB 제어부 IC, 및 USB 인터페이스를 포함하는 무선 유에스비 모듈에 있어서, 상기 PCB의 상부 및 하부에 각각 형성되는 제 1 및 제 2 회로 패턴 층; 상기 제 2 회로 패턴 층 상에 형성되는 제 3 회로 패턴 층; 상기 제 1 회로 패턴 층 상에 형성되며, 그 일 측에 상기 필터가 형성되는 제 4 회로 패턴 층; 및 상기 제 4 회로 패턴 층 상부에 형성되며, 그 일 측에 상기 안테나가 형성되는 제 4 회로 패턴 층을 포함하며, 상기 스위치 IC, 상기 필터, 상기 RF/기저대역 UWB 물리계층 및 WUSB 제어부 IC, WUSB 제어 IC는 상기 제 4 회로 패턴 층 상부에 장착되며, 상기 스위치 IC는 상기 안테나와 상기 필터 사이에 위치하며, 상기 RF/기저대역 UWB 물리계층 및 WUSB 제어부 IC는 상기 필터 및 상기 USB 인터페이스 사이에 위치하며, 상기 안테나는 대략적으로 삼각형의 형상을 가지면, 그 표면에 형성된 슬롯을 갖는 것을 특징으로 한다.

Description

인쇄 회로 기판에 내장되는 안테나 및 필터를 갖는 무선 유에스비 모듈{USB Module Having Antenna And Filter Embedded In PCB}
본 발명은 인쇄 회로 기판에 내장되는 안테나 및 필터를 갖는 무선 유에스비 모듈에 관한 것이다.
컴퓨터 주변 장치 인터페이스로 널리 사용되고 있는 USB(universal serial bus)는 기존의 병렬 버스들과는 달리 PnP(plug and play), ID의 자동 할당 및 핫 플러그(hot plug)가 가능하다. 더욱이, USB 케이블은 단지 4 개의 단자들 즉, 2개의 신호 라인들과 전원 라인 및 접지 라인들만을 가진다. 따라서, 세밀한 케이블과 작은 커넥터들을 만드는 것이 가능해져서 생산비가 절감될 수 있고 더 나아가서 저렴한 주변 장치의 개발이 가능해진다.
다양한 적용에 힘입어 USB는 퍼스널 컴퓨터 및 랩탑 컴퓨터에 주변 장치들을 연결하기 위한 산업적 표준이 되고 있다. 새로운 주변 장치들 및 휴대 장치들의 대부분은 USB를 사용하고 있다. 최근 기기간의 접속에 적합한 근거리 무선(locak wireless) 기술의 보급이 진행됨에 따라, 그 요구에 대응하는 무선 통신 기술의 하나로 UWB(Ultra Wide Band)가 주목을 받고 있다. UWB는 단거리이지만 초광대역을 살려 고속의 무선 데이터 통신을 가능하게 한다. 이 기술의 유력한 어플리케이션의 하나로 고속 시리얼 인터페이스인 USB(Universal Serial Bus) 2.0의 무선화(wireless)를 들 수 있다.
이러한 무선 유에스비 장치는 무선 부분에서는 UWB 대역을 채용한다. 데이터 속도는 현행의 USB 2.0과 동등하며, 3m 거리내에서 480Mbps, 10m내에서는 110Mbps를 실현할 수 있다.
무선 유에스비 장치는 통상 PCB에 안테나, 필터, PHY 및 MAC IC들. 및 USB 인터페이스들을 실장하여 제품화한다. UWB용 안테나는 UWB의 전체 대역인 3.1~10.6GHz를 만족하는 평면형 모노폴 안테나, 로우 밴드인 3.1~4.8GHz를 만족하는 칩 안테나, 접지면의 일부를 제거한 광대역 평면형 역 에프 안테나(PIFA:Planar Inverted F Antenna) 등 다양한 형태의 안테나가 제안되어 있다.
대부분의 UWB 안테나로서 평면형 모노폴 안테나를 채용되고 있지만, 이 안테나는 통상적으로 안테나의 방사 소자와 접지면의 크기가 크기 때문에 소형의 무선 USB 모듈에 사용하기엔 적합하지 않아, 최근과 같이 전자 장치가 소형화되어가는 추세에는 적합하지 않다.
또한, 로우 밴드 칩 안테나는 크기 측면에서 소형의 장치에 적합하지만, 로우 밴드 칩 안테나의 경우 비교적 고가이므로 결과적으로 제조 비용이 증가해버리는 문제점이 있다.
한편, 고주파 대역통과필터는 통상적으로 코일과 커패시터를 사용한 공진기를 이용하여 제조되어, 안테나로 수신한 전파 속에서 특정 주파수를 선택할 수 있게 된다. 칩-타입 필터는 일반적으로 5 내지 10 층의 금속 층으로 구성되고 공진기간 커플링 등을 구현하기 위해서 금속층간 유전체 두께는 수십 ㎛까지 감소하게 된다. 그러나, 이와 같이 박막의 유전체 및 구조를 구성하는 것은 기술적으로 어렵고 이 때문에 제품 생산 비용등이 증가하게 된다. 또한, 전술한 바와 같이 재료 측면에서도 유전율이 7~100인 고유전율 재료를 사용하는데 이는 유전율이 높을수록 공진기 길이를 줄일 수 있고 공진기간 커플링을 쉽게 구현할 수 있는 장점이 있지만, 이 역시 제품 생산 비용이 현격하게 증가되는 원인중 하나이다.
종래 구조에 의한 칩 타입 필터의 경우에는 전술한 조건을 만족하기 위해, 두께가 얇으면서 유전율이 높은 세라믹 재료를 사용하여야 하지만, 세라믹 재료는 일반적으로 800℃ 이상의 고온에서 소결하는 공정을 거쳐야만 하기 때문에 공정 단가가 높을 뿐만 아니라 정확한 치수 제어 등이 어려워 공정 비용도 증가하게 된다.
또한, 모듈등 시스템 적용시 별도로 칩 타입 필터를 구매하여 사용하여야 하기 때문에 칩 타입 필터에 대한 구매 비용이 소요되고, 구매한 칩 타입 필터를 PCB 기판에 실장하는데도 표면 실장 공정 비용이 발생함으로써 시스템 전체 가격 상승 요인으로 작용하게 된다.
따라서, 종래의 UWB의 안테나 및 필터를 무선 유에스비에 적용하는 데에는 여러 문제점들이 있다.
이에, 본 발명은 상술한 사정음 감안하여 창출된 것으로, PCB에 내장되고, 종래의 칩-타입 안테나 및 필터의 단점을 극복할 수 있는 안테나 및 필터를 구비한 무선 유에스비 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 안테나, 필터, 및 IC들의 배치를 최적화하여, 무선 유에스비에 소형화 및 작동에 최적화된 무선 유에스비 모듈을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한, 본 발명에 따른 무선 유에스비 모듈은 PCB에 내장되는 안테나 및 필터 및, 상기 PCB 상에 장착되는 스위치 IC, RF/기저대역 UWB 물리계층 및 WUSB 제어부 IC, 및 USB 인터페이스를 포함하는 무선 유에스비 모듈에 있어서, 상기 PCB의 상부 및 하부에 각각 형성되는 제 1 및 제 2 회로 패턴 층; 상기 제 2 회로 패턴 층 상에 형성되는 제 3 회로 패턴 층; 상기 제 1 회로 패턴 층 상에 형성되며, 그 일 측에 상기 필터가 형성되는 제 4 회로 패턴 층; 및 상기 제 4 회로 패턴 층 상부에 형성되며, 그 일 측에 상기 안테나가 형성되는 제 4 회로 패턴 층을 포함하며, 상기 스위치 IC, 상기 필터, 상기 RF/기저대역 UWB 물리계층 및 WUSB 제어부 IC, WUSB 제어 IC는 상기 제 4 회로 패턴 층 상부에 장착되며, 상기 스위치 IC는 상기 안테나와 상기 필터 사이에 위치하며, 상기 RF/기저대역 UWB 물리계층 및 WUSB 제어부 IC는 상기 필터 및 상기 USB 인터페이스 사이에 위치하며, 상기 안테나는 대략적으로 삼각형의 형상을 가지면, 그 표면에 형성된 슬롯을 갖는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 제 4 회로 패턴은 상기 안테나와 상기 필터 사이에 상기 안테나 및 상기 필터의 성능 튜닝을 위한 패드를 더 포함한다.
보다 바람직하게는, 상기 튜닝 패드는 병렬 소자 및 직렬 소자가 연결되는 Π-자 형태인 것을 특징으로 한다.
실시 예에 따라서는, 상기 슬롯은 대략적으로 "
Figure pat00001
"-형상을 갖지며, 3.3GHz 내지 4.9GHz 사이의 주파수 대역에서 -10dB이하의 반사손실을 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 무선 유에스비 모듈의 IC들을 효과적으로 배치함으로써, IC들 사이의 거리를 최소화하여 빠른 데이터 전송을 향상시키고, 신호 감도를 향상시키며, 전체 모듈 동작을 최적화 및 안정시킬 수 있게 된다. 또한, 안테나 및 필터를 모듈의 PCB에 내장시켜 구현함으로써 칩-안테나 및 칩-필터 구매 비용, 이들의 실장 비용 등과 같은 추가적인 비용을 절감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 PCB에 내장되는 안테나 및 필터를 갖는 무선 유에스비 모듈을 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 무선 유에스비 모듈의 주요 기능을 설명하기 위한 개략적으로 나타낸 기능 블록도이다.
도 3 내지 도 6은 도 1에 도시된 무선 유에스비 모듈의 각 층의 회로 패턴을 나타낸 도면들이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명한다. 또한 이하의 설명은 본 발명의 이해를 돕기위한 일례인 것으로, 이들 실시예에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 PCB에 내장되는 안테나 및 필터를 갖는 무선 유에스비 모듈을 나타낸 도면이다. 도 2는 도 1에 도시된 무선 유에스비 모듈의 주요 기능을 설명하기 위한 개략적으로 나타낸 기능 블록도이다. 도 1 및 도 2에서 유사한 부분에는 동일한 도면 부호를 사용한다.
먼저, 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 무선 유에스비 장치는 그 주요 부품들로서, PCB에 내장되는 안테나(100) 및 필터(300) 및, PCB 상에 장착되는 스위치 IC(200), RF/기저대역 UWB 물리계층 및 WUSB 제어부 IC(400: PHY 및 MAC) 및 USB 인터페이스(600)를 구비한다.
상기 안테나(100)는 PCB 내에 임베딩되어 WUSB RF 신호를 발신 및 수신한다. 상기 필터(200)는 수신 신호로부터 노이즈를 제거하며, 다른 신호의 간섭을 제거한다. 상기 스위치 IC(300)는 RF/기저대역 UWB 물리계층 및 WUSB 제어부 IC(400)의 제어하에 상기 안테나(100)로부터의 신호 및 상기 USB 인터페이스(600)로부터의 신호를 선택한다. 상기 RF/기저대역 UWB 물리계층 및 WUSB 제어부 IC(400)는 상기 안테나(100)에 의해 수신되는 RF 신호를 기저 대역 신호로 변환시키고, 상기 기저 대역 신호를 상기 USB인터페이스(600)에 출력한다. 또한, 상기 RF/기저대역 UWB 물리계층 및 WUSB 제어부 IC(400)는 상기 USB 인터페이스(600)를 통신 입력되는 기저 대역 신호 WUSB RF 신호로 변환하고, 변환된 RF 신호를 상기 안테나(100)를 통해 외부에 발송한다.
*한편, 상기 주요 부품들은 상기 PCB에 장착되거나 또는 그 내부에 임베디드된다. 상기 PCB는 다수의 층들로 구성된다. 도 3 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 PCB는 제 1 내지 제 4 회로 패턴(110 내지 140)을 구비한다. 상기 제 1 및 제 2 회로 패턴 층(110 및 120)은 도 3 및 도 4에 나타낸 바와 같이, 상기 PCB의 상부 및 하부 표면 상에 각각 형성된다. 상기 제 1 회로 패턴 층(110) 상부에는 도 6에 나타낸 바와 같이, 상기 제 4 회로 패턴 층(140)이 형성된다. 상기 제 2 회로 패턴 층(120) 상부에는 도 5에 도시된 바와 같이, 그 일 측에 상기 필터(200)가 형성되는 상기 제 3 회로 패턴 층(130)이 형성된다. 상기 제 4 회로 패턴 층(140) 상부에는 그 평면상에서 상기 필터(300)에 이웃하게 상기 안테나(100)가 형성된다.
*도 1에 나타낸 바와 같이, 상기 스위치 IC(200), 상기 RF/기저대역 UWB 물리계층/WUSB 제어 IC(400), 및 WUSB 제어 IC(500)는 상기 제 4 회로 패턴 층(140) 상부에 실장된다. 상기 스위치 IC(200)는 상기 안테나(100)와 상기 필터(300) 사이에 위치한다. 상기 RF/기저대역 UWB 물리계층 및 WUSB 제어부 IC(400)는 상기 필터(300) 및 상기 USB 인터페잇(600) 사이에 배치된다. 따라서, 상기 WUSB 인터페이스(600) 및 상기 RF/기저대역 UWB 물리계층 및 WUSB 제어부 IC(400) 사이의 데이터 선 길이는 최소화되어 빠른 데이터 전송이 가능하다.
한편, 상기 제 4 회로 패턴 층(140)은 상기 안테나(100) 및 상기 필터(200)의 성능 튜닝을 위한 패드를 포함한다. 상기 튜닝 패드는 2개의 병렬 소자 및 직렬 소자가 연결되는 도 1에 나타낸 바와 같이, Π-자 형태를 갖는다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 상기 안테나(100)는 대략적으로 삼각형의 형상을 갖는다. 상기 안테나(100)는 그 표면에 형성된 슬롯(101)을 갖는다. 상기 슬롯(101)은 도시된 바와 같이, "
Figure pat00002
"-형상을 갖는다. 실시 예에 따라서는, 상기 슬롯(101)의 폭은 대략 0.1~ 0.5㎜이며, 바람직하게는 0.3㎜이다.
본 발명에 따른 안테나(100)는 dB의 대역폭(반사손실이 dB인 대역폭)이 약 3.3~4.9GHz에 걸쳐 매우 넓은 광대역 특성을 만족하고 있음이 확인되었으며, 3.1GHz 기준으로 해서는 최소 dB의 반사 손실이 발생하고 있음을 알 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 갖는 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 게시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이런 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 안테나 200: 스위치
300: 필터
400: RF/기저대역 UWB 물리계층 및 WUSB 제어부 IC
600: USB 인터페이스

Claims (5)

  1. PCB에 내장되는 안테나 및 필터 및, 상기 PCB 상에 장착되는 스위치 IC, RF/기저대역 UWB 물리계층 및 WUSB 제어부 IC, 및 USB 인터페이스를 포함하는 무선 유에스비 모듈에 있어서,
    상기 PCB의 상부 및 하부에 각각 형성되는 제 1 및 제 2 회로 패턴 층;
    상기 제 2 회로 패턴 층 상에 형성되는 제 3 회로 패턴 층;
    상기 제 1 회로 패턴 층 상에 형성되며, 그 일 측에 상기 필터가 형성되는 제 4 회로 패턴 층; 및
    상기 제 4 회로 패턴 층 상부에 형성되며, 그 일 측에 상기 안테나가 형성되는 제 4 회로 패턴 층을 포함하며,
    상기 스위치 IC, 상기 필터, 상기 RF/기저대역 UWB 물리계층 및 WUSB 제어부 IC, WUSB 제어 IC는 상기 제 4 회로 패턴 층 상부에 장착되며,
    상기 스위치 IC는 상기 안테나와 상기 필터 사이에 위치하며, 상기 RF/기저대역 UWB 물리계층 및 WUSB 제어부 IC는 상기 필터 및 상기 USB 인터페이스 사이에 위치하며,
    상기 안테나는 대략적으로 삼각형의 형상을 가지면, 그 표면에 형성된 슬롯을 갖는 것을 특징으로 하는 PCB에 내장되는 안테나 및 필터를 갖는 무선 유에스비 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 4 회로 패턴은 상기 안테나와 상기 필터 사이에 상기 안테나 및 상기 필터의 성능 튜닝을 위한 패드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 PCB에 내장되는 안테나 및 필터를 갖는 무선 유에스비 모듈.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 튜닝 패드는 병렬 소자 및 직렬 소자가 연결되는 Π-자 형태인 것을 특징으로 하는 PCB에 내장되는 안테나 및 필터를 갖는 무선 유에스비 모듈.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 슬롯은 대략적으로 "
    Figure pat00003
    "-형상을 갖는 것을 특징으로 하는 PCB에 내장되는 안테나 및 필터를 갖는 무선 유에스비 모듈.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 안테나 패턴은 3.3GHz 내지 4.9GHz 사이의 주파수 대역에서 -10dB이하의 반사손실을 갖는 것을 특징으로 하는 PCB에 내장되는 안테나 및 필터를 갖는 무선 유에스비 모듈.
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