KR20120055981A - 미모 안테나 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 미모 안테나 장치에 관한 것으로, 일단부로부터 미리 결정된 연장 길이로 상호 평행하게 연장되는 동작 선로를 각각 구비하며, 급전 시 공진 주파수 대역에서 동작하기 위한 다수개의 안테나 소자들과, 안테나 소자들이 상호 인접하도록 이격되어 배치되는 소자 영역과, 안테나 소자들을 접지시키기 위한 접지 플레이트가 실장된 접지 영역으로 구분되는 메인 기판과, 메인 기판에서 접지 플레이트로부터 소자 영역으로 각각 연장되어 안테나 소자들 각각의 일단부를 접지 플레이트로 연결하며, 상호로부터 미리 결정된 이격 거리로 이격되는 다수개의 접지 패드들과, 소자 영역에서 접지 패드에 각각 인접하여 장착되고, 메인 기판에 전기적으로 접속하여 안테나 소자들 각각을 메인 기판에 연결하며, 안테나 소자들 각각에 급전을 제공하기 위한 다수개의 급전 패드들을 포함한다. 본 발명에 따르면, 미모 안테나 장치 동작 시, 안테나 소자들 사이의 전자기적 상호 결합이 억제될 수 있다.

Description

미모 안테나 장치{MIMO ANTENNA APPARATUS}
본 발명은 안테나 장치에 관한 것으로, 다수개의 안테나 소자들을 갖는 미모(MIMO; Multiple-Input Multiple-Output) 안테나 장치에 관한 것이다.
일반적으로 무선 통신 시스템에서 비디오, 음악, 게임 등 각종 멀티미디어(multimedia) 서비스의 제공이 이루어지고 있다. 이 때 무선 통신 시스템에서 멀티미디어 서비스를 원활하게 제공하기 위하여, 방대한 용량의 멀티미디어 데이터에 대한 고속의 데이터 전송률이 보장되어야 한다. 이를 위해, 통신 단말기에서 안테나 장치의 성능을 향상시키기 위한 연구가 이루어지고 있다. 이는 통신 단말기에서 안테나 장치가 실질적으로 멀티미디어 서비스를 위한 데이터의 송수신을 담당하기 때문이다. 이에 따라, 최근 무선 통신 시스템에서 통신 단말기에 장착되는 안테나 장치로, 미모 안테나 장치가 제안되고 있다. 이 때 미모 안테나 장치는 다수개의 안테나 소자들을 구비한다. 이러한 미모 안테나 장치에서 안테나 소자들을 통해 일정 주파수 대역(frequency band)에서 신호를 송수신함으로써, 고속의 데이터 전송이 가능하다.
그런데, 상기와 같은 미모 안테나 장치 동작 시, 안테나 소자들 사이에 전자기적 상호 결합(coupling)이 발생하는 문제점이 있다. 이러한 문제점은 통신 단말기의 소형화를 구현하기 위한 미모 안테나 장치의 소형화에 따라 더욱 심각해져 무선 통신 시스템의 성능 저하를 초래한다. 이로 인하여, 미모 안테나 장치에서 안테나 소자들 사이의 전자기적 상호 결합을 억제하기 위한 방안이 요구된다.
따라서, 본 발명의 목적은 미모 안테나 장치에서 안테나 소자들 사이의 전자기적 상호 결합을 억제하는 데 있다. 그리고 본 발명의 다른 목적은 미모 안테나 장치의 소형화를 통해 통신 단말기를 소형화하는 데 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 미모 안테나 장치는, 일단부로부터 미리 결정된 연장 길이로 상호 평행하게 연장되는 동작 선로를 각각 구비하며, 급전 시 공진 주파수 대역에서 동작하기 위한 다수개의 안테나 소자들과, 상기 안테나 소자들이 상호 인접하도록 이격되어 배치되는 소자 영역과, 상기 안테나 소자들을 접지시키기 위한 접지 플레이트가 실장된 접지 영역으로 구분되는 메인 기판과, 상기 메인 기판에서 상기 접지 플레이트로부터 상기 소자 영역으로 각각 연장되어 상기 안테나 소자들 각각의 상기 일단부를 상기 접지 플레이트로 연결하며, 상호로부터 미리 결정된 이격 거리로 이격되는 다수개의 접지 패드들과, 상기 소자 영역에서 상기 접지 패드에 각각 인접하여 장착되고, 상기 메인 기판에 전기적으로 접속하여 상기 안테나 소자들 각각을 상기 메인 기판에 연결하며, 상기 안테나 소자들 각각에 급전을 제공하기 위한 다수개의 급전 패드들을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이 때 본 발명에 따른 미모 안테나 장치에 있어서, 상기 연장 길이 또는 이격 거리 중 적어도 어느 하나는, 상기 안테나 소자들 동작 시, 상기 안테나 소자들 상호로부터 공중으로 유입되는 신호의 진폭과 상기 접지 플레이트를 경유하여 유입되는 신호의 진폭이 동일하도록 결정된다.
그리고 본 발명에 따른 미모 안테나 장치는, 상기 소자 영역에서 상기 안테나 소자들과 상기 접지 플레이트 사이에 각각 실장되어 상기 접지 패드에 연결되고, 상기 안테나 소자들 동작 시, 상기 안테나 소자들 상호로부터 공중으로 유입되는 신호의 위상과 상기 접지 플레이트를 경유하여 유입되는 신호의 위상이 반파장의 차이를 갖도록 하기 위한 매칭 인덕턴스를 갖는 매칭 소자를 더 포함한다.
또한 본 발명에 따른 미모 안테나 장치에 있어서, 상기 접지 패드들과 급전 패드들은, 상기 안테나 소자들 각각에 대응하여 상호 결합되어 상기 안테나 소자들 각각에 연결될 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 미모 안테나 장치 동작 시, 안테나 소자들 사이의 전자기적 상호 결합이 억제될 수 있다. 이로 인하여, 미모 안테나 장치에서 안테나 소자들의 동작 특성을 향상시킬 수 있다. 이를 통해, 미모 안테나 장치의 동작 성능을 향상시킬 수 있다. 아울러, 미모 안테나 장치에서 안테나 소자들이 인접하여 배치되더라도, 안테나 소자들의 동작 성능이 일정 수준 이상으로 유지될 수 있다. 이에 따라, 미모 안테나 장치의 소형화를 구현할 수 있기 때문에, 미모 안테나 장치를 장착하기 위한 통신 단말기의 소형화를 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 미모 안테나 장치의 구조를 일 방향으로 도시하는 사시도,
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 미모 안테나 장치의 구조를 다른 방향으로 도시하는 사시도,
도 3은 본 발명이 제 1 실시예에 따른 미모 안테나 장치의 구성을 분해하여 도시하는 사시도,
도 4 내지 도 6은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 미모 안테나 장치의 동작 특성을 설명하기 위한 그래프들,
도 7은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 미모 안테나 장치의 구조를 일 방향으로 도시하는 사시도,
도 8은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 미모 안테나 장치의 구조를 다른 방향으로 도시하는 사시도, 그리고
도 9는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 미모 안테나 장치의 구성을 분해하여 도시하는 사시도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 보다 상세하게 설명하고자 한다. 이 때 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 그리고 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 미모 안테나 장치의 구조를 일 방향으로 도시하는 사시도이다. 그리고 도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 미모 안테나 장치의 구조를 다른 방향으로 도시하는 사시도이다. 또한 도 3은 본 발명이 제 1 실시예에 따른 미모 안테나 장치의 구성을 분해하여 도시하는 사시도이다. 이 때 본 실시예에서 미모 안테나 장치가 인쇄회로기판(Printed Circuit Board; PCB)으로 구현되는 경우를 가정하여 설명한다.
도 1, 도 2 및 도 3을 참조하면, 본 실시예의 미모 안테나 장치(100)는 메인 기판(main board; 110), 접지 플레이트(ground plate; 120), 패드 소자(pad device; 130, 140)들, 매칭 소자(matching device; 150, 160)들, 안테나 캐리어(antenna carrier; 170) 및 안테나 소자(antenna device; 180, 190)들을 포함한다.
메인 기판(110)은 미모 안테나 장치(100)에서 지지(支持) 및 급전(急電)을 위해 제공된다. 이 때 메인 기판(110)은 평판(flat plate) 구조로 구현될 수 있다. 그리고 메인 기판(110)의 일면, 예컨대 Y축 방향으로 상부면은 접지 영역(111)과 소자 영역(113)으로 구분된다. 또한 메인 기판(110)은 다수개의 급전 선로(도시되지 않음)들이 내재된 유전체로 이루어진다. 여기서, 메인 기판(110)은 다수개의 유전 플레이트들이 Y축 방향으로 적층되어 구현될 수 있다. 이 때 각각의 급전 선로는 양단부를 통해 외부로 노출된다. 여기서, 급전 선로의 일단부는 외부 전원(도시되지 않음)에 연결된다. 그리고 급전 선로의 타단부는 소자 영역(113)을 통해 외부로 노출된다. 이를 통해, 외부 전원으로부터 일단부를 통해 급전 시, 급전 선로는 타단부로 전원을 공급한다. 여기서, 급전 선로들 중 적어도 어느 하나에 제한적으로 급전이 이루어질 수 있다.
접지 플레이트(120)는 미모 안테나 장치(100)에서 접지(接地)를 위해 제공된다. 이러한 접지 플레이트(120)는 메인 기판(110)의 접지 영역(111)에 배치된다. 이 때 접지 플레이트(120)는 평판 구조를 갖는다. 여기서, 접지 플레이트(120)는 접지 영역(111)의 전체 영역을 커버하도록 메인 기판(110)의 일면에 수평하게, 예컨대 X축 방향 및 Z축 방향으로 배치될 수 있다. 또는 접지 플레이트(120)는 접지 영역(111)의 일부 영역에서 메인 기판(110)의 일면에서 수직하게, 예컨대 Y축 방향으로 배치될 수 있다. 그리고 접지 플레이트(120)는 다양한 형태의 요홈(groove) 또는 홀(hole)이 형성된 평판 구조로 구현될 수 있다.
패드 소자(130, 140)들은 미모 안테나 장치(100)에서 전기적 연결을 위해 제공된다. 즉 패드 소자(130, 140)들은 안테나 소자(180, 190)들에 급전 및 접지를 지원한다. 이러한 패드 소자(130, 140)들은 메인 기판(110)의 소자 영역(113)에서 상호 이격되어 배치된다. 이 때 패드 소자(130, 140)들은 메인 기판(110)의 표면에 장착되어 소자 영역(113)에 배치될 수 있다. 그리고 패드 소자(130, 140)들은 금속 물질로 이루어질 수 있다. 여기서, 패드 소자(130, 140)들은 패치(patch) 타입으로 구현되어, 소자 영역(113)에 부착될 수 있다. 또는 패드 소자(130, 140)들은 전송 선로 타입으로 구현되어, 소자 영역(113)에 패터닝(patterning)될 수 있다. 또한 각각의 패드 소자(130, 140)는 접지 패드(ground pad; 131, 141) 및 급전 패드(feeding pad; 133, 143)로 이루어진다. 이 때 각각의 패드 소자(130, 140)에서 접지 패드(131, 141)와 급전 패드(133, 143)는 물리적으로 상호 결합되어 구현된다.
각각의 접지 패드(131, 141)는 일단부를 통해 접지 플레이트(120)에 접촉하여, 메인 기판(110)의 소자 영역(113)에 배치된다. 이 때 각각의 접지 패드(131, 141)는 타단부를 통해 접지 플레이트(120)로부터 소자 영역(113)으로, 예컨대 X축 방향 또는 Z축 방향 중 적어도 어느 하나를 따라 연장된다. 그리고 접지 패드(131, 141)들은 상호로부터 미리 결정된 이격 거리(D; Distance) 만큼 이격되어 배열된다. 이 때 접지 패드(131, 141)들은 상호로부터 이격 거리 만큼 간격을 유지하도록 구현될 수 있다. 여기서, 이격 거리는 0을 초과하고 7 밀리미터(mm) 이하일 수 있다. 또한 각각의 접지 패드(131, 141)는 바(bar) 타입, 미앤더(meander) 타입, 스파이럴(spiral) 타입, 스텝(step) 타입 또는 루프(loop) 타입 중 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다.
각각의 급전 패드(133, 143)는 일단부를 통해 메인 기판(110)의 급전 선로에 전기적으로 접속하여, 메인 기판(110)의 소자 영역(113)에 배치된다. 이 때 각각의 급전 패드(133, 143)는 타단부를 통해 메인 기판(110)의 급전 선로로부터 소자 영역(113)으로, 예컨대 X축 방향 또는 Z축 방향 중 적어도 어느 하나를 따라 연장된다. 그리고 각각의 급전 패드(133, 143)는 각각의 접지 패드(131, 141)에 인접하여 배열된다. 또한 각각의 급전 패드(133, 143)는 타단부를 통해 각각의 접지 패드(131, 141)에 결합된다. 이 때 급전 패드(133, 143)들은 접지 패드(131, 141)들이 마주하도록 배열된다. 즉 급전 패드(133, 143)들은, 급전 패드(133, 143)들 사이에 접지 패드(131, 141)들이 배치되도록, 배열될 수 있다. 여기서, 각각의 급전 패드(133, 143)는 각각의 접지 패드(131, 141)에 평행하게 연장될 수 있다. 게다가, 각각의 급전 패드(133, 143)는 바 타입, 미앤더 타입, 스파이럴 타입, 스텝 타입 또는 루프 타입 중 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다.
매칭 소자(150, 160)들은 미모 안테나 장치(100)에서 전기적 매칭을 위해 제공된다. 즉 매칭 소자(150, 160)들은 안테나 소자(180, 190)들을 위한 전기적 매칭을 지원한다. 이러한 매칭 소자(150, 160)들은 메인 기판(110)의 소자 영역(113)에서 상호 이격되어 실장된다. 이 때 매칭 소자(150, 160)들은 메인 기판(110)의 표면에 장착되어 소자 영역(113)에 배치된다. 그리고 각각의 매칭 소자(150, 160)는 패드 소자(130, 140)들 각각의 접지 패드(131, 141)에 전기적으로 접속한다. 이를 통해, 각각의 매칭 소자(150, 160)는 각각의 접지 패드(131, 141)를 통해 접지 플레이트(120)와 연결된다. 또한 매칭 소자(150, 160)들은 각각 매칭 인덕턴스(matching inductance)를 갖는다. 여기서, 매칭 인덕턴스는 2 나노 헨리(nH) 이상이고 7 나노 헨리 이하일 수 있다. 게다가, 매칭 소자(150, 160)들은 전자 부품(electronic element)으로 구현되어, 접지 패드(131, 141)들 상에 각각 실장될 수 있다.
안테나 캐리어(170)는 미모 안테나 장치(100)에서 매개체(媒介體)로서 제공된다. 이러한 안테나 캐리어(170)는 메인 기판(110)의 소자 영역(113)에 실장된다. 이 때 안테나 캐리어(170)는 일방향, 예컨대 Y축 방향의 두께 및 일방향에 수직하게, 예컨대 X축과 Z축에 의해 형성되는 면적을 갖는 평판 구조로 이루어진다. 여기서, 안테나 캐리어(170)는 소자 영역(113)에 대응하는 형상으로 구현되되, 소자 영역(113)에서 돌출되는 형상으로 구현될 수 있다. 그리고 안테나 캐리어(170)는 소자 영역(113)에서 매칭 소자(150, 160)들을 노출시킬 수 있다. 또한 안테나 캐리어(170)는 유전체로 이루어진다. 여기서, 안테나 캐리어(170)는 메인 기판(110)과 동일한 특성을 가질 수 있으며, 메인 기판(110)과 상이한 특성을 가질 수도 있다.
안테나 소자(180, 190)들은 미모 안테나 장치(100)에서 신호 송수신을 위해 제공된다. 즉 안테나 소자(180, 190)들은 적어도 하나의 공진 주파수 대역에서 공진(共振)하여 전자기파를 송수신하는 역할을 한다. 이러한 안테나 소자(180, 190)들은 메인 기판(110)의 소자 영역(113)에서 상호 인접하도록 이격되어 배치된다. 여기서, 안테나 소자(180, 190)들은 상호 대칭적인 형태로 구현될 수 있으며, 상호 비대칭적인 형태로 구현될 수도 있다.
그리고 각각의 안테나 소자(180, 190)는 일단부를 통해 각각의 패드 소자(130, 140)에 접촉하여 전기적으로 접속한다. 이 때 각각의 안테나 소자(180, 190)는 패드 소자(130, 140)의 접지 패드(131, 141)를 통해 접지 플레이트(120)에 연결된다. 그리고 각각의 안테나 소자(180, 190)는 패드 소자(130, 140)의 급전 패드(133, 143)를 통해 메인 기판(110)의 급전 선로에 연결된다. 또한 안테나 소자(180, 190)들은 타단부를 통해 패드 소자(130, 140)로부터 소자 영역(113)으로, 예컨대 X축 방향 또는 Z축 방향 중 적어도 어느 하나를 따라 연장된다. 게다가, 안테나 소자(180, 190)들은 금속 물질의 전송 선로 타입으로 구현되어, 소자 영역(113)에 배치된다. 이 때 안테나 소자(180, 190)들은 각각의 일단부로부터 미리 결정된 연장 거리 만큼 상호 평행하게 연장된다. 즉 안테나 소자(180, 190)들은, 일단부로부터 상호 평행하게 연장되며 미리 결정된 연장 길이(L; Length)를 갖는 각각의 동작 선로(181, 191)를 구비한다. 여기서, 연장 길이는 5 밀리미터 이상이고 30 밀리미터 이하일 수 있다.
이 때 안테나 소자(180, 190)들은 소자 영역(113)의 표면에 패터닝될 수 있으며, 안테나 캐리어(170)의 표면에 패터닝될 수도 있다. 이를 통해, 안테나 소자(180, 190)들은 안테나 캐리어(170)의 두께 또는 면적에 상응하는 거리로 메인 기판(110) 및 접지 플레이트(120)로부터 이격되도록 배치될 수 있다. 그리고 각각의 안테나 소자(180, 190)는 적어도 하나의 곡절(曲折)부가 형성된 구조로 이루어진다. 여기서, 각각의 안테나 소자(180, 190)는 미앤더 타입, 스파이럴 타입, 스텝 타입 또는 루프 타입 중 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다.
이를 통해, 외부 전원으로부터 패드 소자(130, 140)들 각각의 급전 패드(133, 143)를 통해 전원 인가 시, 안테나 소자(180, 190)들이 공진 주파수 대역에서 공진한다. 여기서, 급전 패드(133, 143)들 중 일부에 제한적으로 전원이 인가됨에 따라, 안테나 소자(180, 190)들 중 일부가 공진 주파수 대역에서 공진할 수 있다. 그리고 안테나 소자(180, 190)들은 각각의 패드 소자(130, 140)의 접지 패드(131, 141)를 통해 접지 플레이트(120)에 접지된다. 이 때 안테나 소자(180, 190)들 각각에서 공중(air)으로 신호가 방사된다. 여기서, 안테나 소자(180, 190)들 중 어느 하나의 방사 신호가 공중으로 안테나 소자(180, 190)들 중 나머지에 유입될 수 있다. 또한 안테나 소자(180, 190)들 중 어느 하나의 방사 신호가 공중에서 접지 플레이트(120)를 경유하여 안테나 소자(180, 190)들 중 나머지에 유입될 수 있다.
이 때 안테나 소자(180, 190)들 각각을 위한 패드 소자(130, 140)들에서 접지 소자(131, 141)들이 미리 결정된 이격 거리 만큼 이격되어 배열되고, 안테나 소자(180, 190)들에서 각각을 위한 패드 소자(130, 140)들로부터 미리 결정된 연장 거리 만큼 상호 평행하게 연장된다. 이로 인하여, 안테나 소자(180, 190)들에서 상호로부터 공중으로 유입되는 방사 신호의 진폭(amplitude)과 접지 플레이트(120)를 경유하여 유입되는 방사 신호의 진폭이 동일하게 된다. 그리고 안테나 소자(180, 190)들 각각에서 각각의 매칭 인덕턴스를 갖는 매칭 소자(150, 160)들과 연결된다. 이로 인하여, 안테나 소자(180, 190)들에서 상호로부터 공중으로 유입되는 방사 신호의 위상(phase)과 접지 플레이트(120)를 경유하여 유입되는 방사 신호의 위상이 반파장, 즉 180ㅀ의 차이를 갖게 된다.
이에 따라, 안테나 소자(180, 190)들에서 상호로부터 공중으로 유입되는 방사 신호와 접지 플레이트(120)를 경유하여 유입되는 방사 신호가 상쇄된다. 즉 안테나 소자(180, 190)들 중 어느 하나의 방사 신호가 안테나 소자(180, 190)들 중 나머지에 간섭 신호로 작용하는 것이 억제된다. 이를 통해, 안테나 소자(180, 190)들 사이의 전자기적 상호 결합이 억제된다.
아울러, 본 실시예의 미모 안테나 장치(100)에서 패드 소자(130, 140)들과 안테나 소자(180, 190)들은 각각의 역할을 수행하기 위하여, 각기 다른 소자 인덕턴스(device inductance), 소자 커패시턴스(device capacitance) 등을 갖도록 설계된다. 즉 패드 소자(130, 140)들과 안테나 소자(140, 150)들은 적어도 하나의 공진 주파수 대역에서 공진하기 위한 소자 인덕턴스, 소자 커패시턴스 및 소자 레지스턴스를 갖도록 구성된다. 이 때 각각의 패드 소자(130, 140) 및 안테나 소자(140, 150)의 구조, 형상 및 재질에 따라 소자 인덕턴스, 소자 커패시턴스 및 소자 레지스턴스와 같은 전기적 특성이 결정된다. 여기서, 패드 소자(130, 140) 및 안테나 소자(180, 190)는 접지 플레이트(120)에 수평한 방향, 예컨대 X축 방향으로 연장되는 수평 성분 선로들과 접지 플레이트(120)에 수직한 방향, 예컨대 Z축 방향으로 연장되는 수직 성분 선로들로 구분된다.
즉 패드 소자(130, 140) 및 안테나 소자(180, 190)의 면적, 예컨대 수평 성분 선로들과 수직 성분 선로들의 총 길이 및 폭에 따라, 소자 인덕턴스가 결정된다. 그리고 패드 소자(130, 140) 및 안테나 소자(180, 190)에서 수평 성분 선로들과 접지 플레이트(120)의 길이에 따라, 소자 커패시턴스가 결정된다. 또한 패드 소자(130, 140) 및 안테나 소자(180, 190)의 방사에 의한 손실과 재질, 즉 패드 소자(130, 140) 및 안테나 소자(180, 190)를 구성하는 금속 물질에 의한 손실에 따라 소자 레지스턴스가 결정된다.
이에 따라, 본 실시예의 미모 안테나 장치(100)는 보다 향상된 동작 특성을 갖는다. 이를 도 4, 도 5 및 도 6을 이용하여 설명하면 다음과 같다. 도 4 내지 도 6은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 미모 안테나 장치의 동작 특성을 설명하기 위한 그래프들이다.
도 4는 미모 안테나 장치에서 접지 패드들 간 이격 거리에 따른 S 파라미터의 변화를 나타내는 그래프들이다. 이 때 도 4a는 이격 거리가 13 밀리미터인 경우를 나타내고 있고, 도 4b는 이격 거리가 11 밀리미터인 경우를 나타내고 있고, 도 4c는 이격 거리가 7 밀리미터인 경우를 나타내고 있으며, 도 4d는 이격 거리가 4 밀리미터인 경우를 나타내고 있다. 여기서, 미모 안테나 장치는, 공진 주파수 대역이 0.84 GHz가 되도록 구현된 경우를 가정한다.
도 4를 참조하면, 미모 안테나 장치에서 안테나 소자들이 각각 동작 시, 미모 안테나 장치에서 접지 패드들 간 이격 거리가 감소함에 따라, 공진 주파수 대역에서 S1,2 및 S2,1이 증가한다. 즉 미모 안테나 장치에서 이격 거리가 13 밀리미터인 경우, 공진 주파수 대역에서 S1,2 및 S2,1은 대략 -9.5 dB를 나타낸다. 그리고 미모 안테나 장치에서 이격 거리가 11 밀리미터인 경우, 공진 주파수 대역에서 S1,2 및 S2,1은 대략 -12 dB를 나타낸다. 또한 미모 안테나 장치에서 이격 거리가 7 밀리미터인 경우, 공진 주파수 대역에서 S1,2 및 S2,1은 대략 -15.5 dB를 나타낸다. 게다가, 미모 안테나 장치에서 이격 거리가 4 밀리미터인 경우, 공진 주파수 대역에서 S1,2 및 S2,1은 대략 -15.5 dB를 나타낸다. 다시 말해, 미모 안테나 장치에서 접지 패드들이 상호 인접하게 배치될수록, 안테나 소자들의 전자기적 상호 결합이 억제된다. 따라서, 본 실시예의 미모 안테나 장치에서 동작 특성이 개선된다.
도 5는 미모 안테나 장치에서 접지 패드들 간 이격 거리에 따른 접지 패드들 사이의 전기장 분포를 나타내는 이미지들이다. 이 때 도 5a는 이격 거리가 13 밀리미터인 경우를 나타내고 있고, 도 5b는 이격 거리가 11 밀리미터인 경우를 나타내고 있고, 도 5c는 이격 거리가 7 밀리미터인 경우를 나타내고 있으며, 도 5(d는 이격 거리가 4 밀리미터인 경우를 나타내고 있다. 여기서, 미모 안테나 장치는, 공진 주파수 대역이 0.84 GHz가 되도록 구현된 경우를 가정한다.
도 5를 참조하면, 미모 안테나 장치에서 안테나 소자들이 각각 동작 시, 미모 안테나 장치에서 접지 패드들 간 이격 거리가 감소함에 따라, 공진 주파수 대역에서 안테나 소자 별 주변 영역에서 전기장 분포 영역이 축소된다. 즉 미모 안테나 장치에서 안테나 소자들 중 어느 하나의 동작에 대응하여, 접지 패드들 간 이격 거리가 감소함에 따라, 해당 안테나 소자의 주변 영역에서 전기장 분포 영역, 예컨대 붉은 표시 영역이 축소된다. 이를 통해, 미모 안테나 장치에서 안테나 소자들이 각각 동작 시, 안테나 소자들의 전기장 분포 영역들의 상호 중첩이 억제된다. 즉 미모 안테나 장치에서 접지 패드들이 상호 인접하게 배치될수록, 안테나 소자들의 전자기적 상호 결합이 억제된다. 따라서, 본 실시예의 미모 안테나 장치에서 동작 특성이 개선된다.
도 6은 미모 안테나 장치에서 안테나 소자들의 전기장 분포를 나타내는 이미지들이다. 이 때 도 6a는 미모 안테나 장치에서 접지 패드들 간 이격 거리가 7 밀리미터를 초과하고, 안테나 소자들 각각에서 동작 선로의 연장 길이가 5 밀리미터 미만인 경우를 나타내고 있으며, 도 6b는 미모 안테나 장치에서 접지 패드들 간 이격 거리가 7 밀리미터 이하이고, 안테나 소자들 각각에서 동작 선로의 연장 길이가 5 밀리미터 이상인 경우를 나타내고 있다.
도 6을 참조하면, 미모 안테나 장치에서 안테나 소자들이 각각 동작 시, 미모 안테나 장치에서 접지 패드들 간 이격 거리가 감소하고 안테나 소자들 각각에서 동작 선로의 연장 길이가 증가됨에 따라, 안테나 소자 별 주변 영역에서 전기장 분포 영역, 예컨대 붉은 표시 영역이 축소된다. 즉 미모 안테나 장치에서 안테나 소자들 중 어느 하나의 동작에 대응하여, 접지 패드들 간 이격 거리가 감소하고 동작 선로의 연장 길이가 증가됨에 따라, 해당 안테나 소자의 주변 영역에서 전기장 분포 영역이 축소된다. 이를 통해, 미모 안테나 장치에서 안테나 소자들이 각각 동작 시, 안테나 소자들의 전기장 분포 영역들의 상호 중첩이 억제된다. 즉 본 실시예의 미모 안테나 장치에서 안테나 소자들의 전자기적 상호 결합이 억제되어 동작 특성이 개선된다.
한편, 전술된 실시예의 미모 안테나 장치에서, 각각의 패드 소자가 접지 패드와 급전 패드가 물리적으로 결합된 구조의 예를 개시하였으나, 이에 한정하는 것은 아니다. 즉 각각의 패드 소자가 접지 패드와 급전 패드가 물리적으로 분리된 구조로 이루어지더라도, 본 발명의 구현이 가능하다. 이를 도 7 내지 9를 이용하여 설명하면 다음과 같다.
도 7은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 미모 안테나 장치의 구조를 일 방향으로 도시하는 사시도이다. 그리고 도 8은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 미모 안테나 장치의 구조를 다른 방향으로 도시하는 사시도이다. 또한 도 9는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 미모 안테나 장치의 구성을 분해하여 도시하는 사시도이다. 이 때 본 실시예에서 미모 안테나 장치가 인쇄회로기판으로 구현되는 경우를 가정하여 설명한다.
도 7, 도 8 및 도 9를 참조하면, 본 실시예의 미모 안테나 장치(200)는 메인 기판(210), 접지 플레이트(220), 패드 소자(230, 240)들, 매칭 소자(250, 260)들, 안테나 캐리어(270) 및 안테나 소자(280, 290)들을 포함한다. 이 때 본 실시예의 미모 안테나 장치(200)의 기본 구성은 전술된 실시예와 유사하므로, 상세한 설명을 생략한다. 다만, 본 실시예의 패드 소자(230, 240)들 각각에서 접지 패드(231, 241)와 급전 패드(233, 243)는 물리적으로 분리되어 구현된다. 그리고 안테나 소자(280, 290)들은 각각의 접지 패드(231, 241)와 급전 패드(233, 243)에 개별적으로 접촉하여 전기적으로 접속한다.
각각의 접지 패드(231, 241)는 일단부를 통해 접지 플레이트(220)에 접촉하여, 메인 기판(210)의 소자 영역(213)에 배치된다. 이 때 각각의 접지 패드(231, 241)는 타단부를 통해 접지 플레이트(220)로부터 소자 영역(213)으로, 예컨대 X축 방향 또는 Z축 방향 중 적어도 어느 하나를 따라 연장된다. 그리고 접지 패드(231, 241)들은 상호로부터 미리 결정된 이격 거리(D) 만큼 이격되어 배열된다. 이 때 접지 패드(231, 241)들은 상호로부터 이격 거리 만큼 간격을 유지하도록 구현될 수 있다. 여기서, 이격 거리는 0을 초과하고 7 밀리미터(mm) 이하일 수 있다. 또한 각각의 접지 패드(231, 241)는 바 타입, 미앤더 타입, 스파이럴 타입, 스텝 타입 또는 루프 타입 중 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다.
각각의 급전 패드(233, 243)는 일단부를 통해 메인 기판(210)의 급전 선로에 전기적으로 접속하여, 메인 기판(210)의 소자 영역(213)에 배치된다. 이 때 각각의 급전 패드(233, 243)는 타단부를 통해 메인 기판(210)의 급전 선로로부터 소자 영역(213)으로, 예컨대 X축 방향 또는 Z축 방향 중 적어도 어느 하나를 따라 연장된다. 그리고 각각의 급전 패드(233, 243)는 각각의 접지 패드(231, 241)에 인접하여 배열된다. 이 때 급전 패드(233, 243)들은 접지 패드(231, 241)들이 마주하도록 배열된다. 즉 급전 패드(233, 243)들은, 급전 패드(233, 243)들 사이에 접지 패드(231, 241)들이 배치되도록, 배열될 수 있다. 여기서, 각각의 급전 패드(233, 243)는 각각의 접지 패드(231, 241)에 평행하게 연장될 수 있다. 게다가, 각각의 급전 패드(233, 243)는 바 타입, 미앤더 타입, 스파이럴 타입, 스텝 타입 또는 루프 타입 중 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다.
매칭 소자(250, 260)들은 미모 안테나 장치(200)에서 전기적 매칭을 위해 제공된다. 즉 매칭 소자(250, 260)들은 안테나 소자(280, 290)들을 위한 전기적 매칭을 지원한다. 이러한 매칭 소자(250, 260)들은 메인 기판(210)의 소자 영역(213)에서 상호 이격되어 실장된다. 이 때 매칭 소자(250, 260)들은 메인 기판(210)의 표면에 장착되어 소자 영역(213)에 배치된다. 그리고 각각의 매칭 소자(250, 260)는 패드 소자(230, 240)들 각각의 접지 패드(231, 241)에 전기적으로 접속한다. 이를 통해, 각각의 매칭 소자(250, 260)는 각각의 접지 패드(231, 241)를 통해 접지 플레이트(220)와 연결된다. 또한 매칭 소자(250, 260)들은 각각 매칭 인덕턴스를 갖는다. 여기서, 매칭 인덕턴스는 2 나노 헨리 이상이고 7 나노 헨리 이하일 수 있다. 게다가, 매칭 소자(250, 260)들은 전자 부품으로 구현되어, 접지 패드(231, 241)들 상에 각각 실장될 수 있다.
각각의 안테나 소자(280, 290)는 패드 소자(230, 240)의 접지 패드(131, 141)를 통해 접지 플레이트(220)에 연결된다. 그리고 각각의 안테나 소자(280, 290)는 패드 소자(230, 240)의 급전 패드(233, 243)를 통해 메인 기판(210)의 급전 선로에 연결된다. 또한 안테나 소자(280, 290)들은 타단부를 통해 패드 소자(230, 240)로부터 소자 영역(213)으로, 예컨대 X축 방향 또는 Z축 방향 중 적어도 어느 하나를 따라 연장된다. 게다가, 안테나 소자(280, 290)들은 금속 물질의 전송 선로 타입으로 구현되어, 소자 영역(213)에 배치된다. 이 때 안테나 소자(280, 290)들은 각각의 일단부로부터 미리 결정된 연장 거리 만큼 상호 평행하게 연장된다. 즉 안테나 소자(280, 290)들은, 일단부로부터 상호 평행하게 연장되며 미리 결정된 연장 길이(L)를 갖는 각각의 동작 선로(281, 291)를 구비한다. 여기서, 연장 길이는 5 밀리미터 이상이고 30 밀리미터 이하일 수 있다.
이 때 안테나 소자(280, 290)들은 소자 영역(213)의 표면에 패터닝될 수 있으며, 안테나 캐리어(270)의 표면에 패터닝될 수도 있다. 이를 통해, 안테나 소자(280, 290)들은 안테나 캐리어(270)의 두께 또는 면적에 상응하는 거리로 메인 기판(210) 및 접지 플레이트(220)로부터 이격되도록 배치될 수 있다. 그리고 각각의 안테나 소자(280, 290)는 적어도 하나의 곡절부가 형성된 구조로 이루어진다. 여기서, 각각의 안테나 소자(280, 290)는 미앤더 타입, 스파이럴 타입, 스텝 타입 또는 루프 타입 중 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다.
이를 통해, 외부 전원으로부터 패드 소자(230, 240)들 각각의 급전 패드(233, 243)를 통해 전원 인가 시, 안테나 소자(280, 290)들이 공진 주파수 대역에서 공진한다. 여기서, 급전 패드(233, 243)들 중 일부에 제한적으로 전원이 인가됨에 따라, 안테나 소자(280, 290)들 중 일부가 공진 주파수 대역에서 공진할 수 있다. 그리고 안테나 소자(280, 290)들은 각각의 패드 소자(230, 240)의 접지 패드(231, 241)를 통해 접지 플레이트(220)에 접지된다. 이 때 안테나 소자(280, 290)들 각각에서 공중으로 신호가 방사된다. 여기서, 안테나 소자(280, 290)들 중 어느 하나의 방사 신호가 공중으로 안테나 소자(280, 290)들 중 나머지에 유입될 수 있다. 또한 안테나 소자(280, 290)들 중 어느 하나의 방사 신호가 공중에서 접지 플레이트(220)를 경유하여 안테나 소자(280, 290)들 중 나머지에 유입될 수 있다.
이 때 안테나 소자(280, 290)들 각각을 위한 패드 소자(230, 240)들에서 접지 소자(231, 241)들이 미리 결정된 이격 거리 만큼 이격되어 배열되고, 안테나 소자(280, 290)들에서 각각을 위한 패드 소자(230, 240)들로부터 미리 결정된 연장 거리 만큼 상호 평행하게 연장된다. 이로 인하여, 안테나 소자(280, 290)들에서 상호로부터 공중으로 유입되는 방사 신호의 진폭과 접지 플레이트(220)를 경유하여 유입되는 방사 신호의 진폭이 동일하게 된다. 그리고 안테나 소자(280, 290)들 각각에서 각각의 매칭 인덕턴스를 갖는 매칭 소자(250, 260)들과 연결된다. 이로 인하여, 안테나 소자(280, 290)들에서 상호로부터 공중으로 유입되는 방사 신호의 위상과 접지 플레이트(220)를 경유하여 유입되는 방사 신호의 위상이 반파장, 즉 180ㅀ의 차이를 갖게 된다.
이에 따라, 안테나 소자(280, 290)들에서 상호로부터 공중으로 유입되는 방사 신호와 접지 플레이트(220)를 경유하여 유입되는 방사 신호가 상쇄된다. 즉 안테나 소자(280, 290)들 중 어느 하나의 방사 신호가 안테나 소자(280, 290)들 중 나머지에 간섭 신호로 작용하는 것이 억제된다. 이를 통해, 안테나 소자(280, 290)들 사이의 전자기적 상호 결합이 억제된다.
한편, 전술한 실시예들의 미모 안테나 장치들에서, 메인 기판에 두 개의 안테나 소자들이 배열된 예들을 개시하였으나, 이에 한정하는 것은 아니다. 즉 미모 안테나 장치에서, 메인 기판에 세 개 이상의 안테나 소자들이 배열되더라도, 본 발명의 구현이 가능하다. 이 때 안테나 소자들은 각각의 패드 소자에 접촉하여 전기적으로 접속되어야 한다. 그리고 안테나 소자들 각각을 위한 패드 소자들에서 접지 소자들이 미리 결정된 이격 거리 만큼 이격되어 배열되어야 한다. 여기서, 이격 거리는 0을 초과하고 7 밀리미터(mm) 이하일 수 있다. 또한 안테나 소자들에서 각각을 위한 패드 소자들로부터 미리 결정된 연장 거리 만큼 상호 평행하게 연장되어야 한다. 즉 안테나 소자들은 일단부로부터 상호 평행하게 연장되며 미리 결정된 연장 길이를 갖는 각각의 동작 선로를 구비해야 한다. 여기서, 연장 길이는 5 밀리미터 이상이고 30 밀리미터 이하일 수 있다. 아울러, 안테나 소자들 각각에서 각각의 매칭 인덕턴스를 갖는 매칭 소자들과 연결되어야 한다. 여기서, 매칭 인덕턴스는 2 나노 헨리(nH) 이상이고 7 나노 헨리 이하일 수 있다.
한편, 전술한 실시예들의 미모 안테나 장치들에서, 안테나 소자들이 메인 기판 또는 안테나 캐리어에 패터닝된 전송 선로로 구현된 예들을 개시하였으나, 이에 한정하는 것은 아니다. 즉 안테나 소자가 고유의 인덕턴스, 커패시턴스 등을 갖기 위한 전자 부품 결합체로 구현됨으로써, 본 발명의 구현이 가능하다. 예를 들면, 안테나 소자들이 전자 부품 결합체로 구현될 수 있다.
한편, 전술한 실시예들의 미모 안테나 장치들에서, 각각의 안테나 소자는 메타머티어리얼(metamaterial) 구조의 전송 회로로 구현될 수도 있다. 이 때 메타머티어리얼은 자연계에서 흔히 볼 수 없는 특수한 전자기적 성질을 나타내도록 인공적인 방법으로 합성된 물질 또는 전자기적 구조를 의미한다. 이러한 메타머티어리얼은 특정 조건 하에서 유전율(permitivity)과 투자율(permeability)이 모두 음의 값을 가지며, 일반적인 물질 또는 전자기적 구조와 상이한 전자파 전송 특성을 나타낸다. 즉 본 실시예에서 메타머티어리얼 구조는 전자파의 위상 속도가 반전되는 특성을 이용하기 위한 구조로서, CRLH(Composite Right/Left Handed) 구조로 이루어진다. 여기서, CRLH 구조는 전장, 자장 및 전자파의 전파 방향이 오른손 법칙을 따르는 일반적인 특성을 나타내는 RH(Right Handed) 구조와 전장, 자장 및 전자파의 전파 방향이 오른손 법칙과는 반대로 왼손 법칙을 따르는 특성을 나타내는 LH(Left Handed) 구조가 결합된 구조로 이루어진다.
본 발명에 따르면, 미모 안테나 장치 동작 시, 안테나 소자들 사이의 전자기적 상호 결합이 억제될 수 있다. 이로 인하여, 미모 안테나 장치에서 안테나 소자들의 동작 특성을 향상시킬 수 있다. 이를 통해, 미모 안테나 장치의 동작 성능을 향상시킬 수 있다. 아울러, 미모 안테나 장치에서 안테나 소자들이 인접하여 배치되더라도, 안테나 소자들의 동작 성능이 일정 수준 이상으로 유지될 수 있다. 이에 따라, 미모 안테나 장치의 소형화를 구현할 수 있기 때문에, 미모 안테나 장치를 장착하기 위한 통신 단말기의 소형화를 구현할 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시예들은 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 본 발명의 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 즉 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
100, 200 : 미모 안테나 장치
110, 210 : 메인 기판
111 : 접지 영역
113 : 소자 영역
120, 220 : 접지 플레이트
130, 140, 230, 240 : 패드 소자
131, 141. 231, 241 : 접지 패드
133, 143, 233, 243 : 급전 패드
150, 160, 250, 260 : 매칭 소자
170, 270 : 안테나 캐리어
180, 190, 280, 290 : 안테나 소자
181, 191, 281, 291 : 동작 선로

Claims (10)

  1. 일단부로부터 미리 결정된 연장 길이로 상호 평행하게 연장되는 동작 선로를 각각 구비하며, 급전 시 공진 주파수 대역에서 동작하기 위한 다수개의 안테나 소자들과,
    상기 안테나 소자들이 상호 인접하도록 이격되어 배치되는 소자 영역과, 상기 안테나 소자들을 접지시키기 위한 접지 플레이트가 실장된 접지 영역으로 구분되는 메인 기판과,
    상기 메인 기판에서 상기 접지 플레이트로부터 상기 소자 영역으로 각각 연장되어 상기 안테나 소자들 각각의 상기 일단부를 상기 접지 플레이트로 연결하며, 상호로부터 미리 결정된 이격 거리로 이격되는 다수개의 접지 패드들과,
    상기 소자 영역에서 상기 접지 패드에 각각 인접하여 장착되고, 상기 메인 기판에 전기적으로 접속하여 상기 안테나 소자들 각각을 상기 메인 기판에 연결하며, 상기 안테나 소자들 각각에 급전을 제공하기 위한 다수개의 급전 패드들을 포함하는 것을 특징으로 하는 미모 안테나 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 연장 길이 또는 이격 거리 중 적어도 어느 하나는,
    상기 안테나 소자들 동작 시, 상기 안테나 소자들 상호로부터 공중으로 유입되는 신호의 진폭과 상기 접지 플레이트를 경유하여 유입되는 신호의 진폭이 동일하도록 결정된 것을 특징으로 하는 미모 안테나 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 소자 영역에서 상기 안테나 소자들과 상기 접지 플레이트 사이에 각각 실장되어 상기 접지 패드에 연결되고, 상기 안테나 소자들 동작 시, 상기 안테나 소자들 상호로부터 공중으로 유입되는 신호의 위상과 상기 접지 플레이트를 경유하여 유입되는 신호의 위상이 반파장의 차이를 갖도록 하기 위한 매칭 인덕턴스를 갖는 매칭 소자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미모 안테나 장치.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 접지 패드들과 급전 패드들은,
    상기 안테나 소자들 각각에 대응하여 상호 결합되어 상기 안테나 소자들 각각에 연결되는 것을 특징으로 하는 미모 안테나 장치.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 소자 영역에 실장되고, 상기 안테나 소자들, 접지 패드들 또는 급전 패드들 중 적어도 어느 하나가 장착되는 안테나 캐리어를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미모 안테나 장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 접지 패드들 및 급전 패드들은,
    상기 소자 영역과 안테나 캐리어 사이에 개재되는 것을 특징으로 하는 미모 안테나 장치.
  7. 제 2 항에 있어서, 상기 이격 거리는,
    0을 초과하고 7 밀리미터 이하인 것을 특징으로 하는 미모 안테나 장치.
  8. 제 2 항에 있어서, 상기 연장 길이는,
    5 밀리미터 이상이고 30 밀리미터 이하인 것을 특징으로 하는 미모 안테나 장치.
  9. 제 3 항에 있어서, 상기 매칭 인덕턴스는,
    2 나노 헨리 이상이고 7 나노 헨리 이하인 것을 특징으로 하는 미모 안테나 장치.
  10. 제 2 항에 있어서, 상기 안테나 소자들은,
    다수개의 곡절부가 형성된 전송 선로이며, 미앤더 타입, 스파이럴 타입, 스텝 타입 또는 루프 타입 중 적어도 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 미모 안테나 장치.
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