KR20130102169A - 복수의 안테나가 내장된 단말기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 복수의 안테나가 내장된 단말기에 관한 것이다. 본 발명은, 기판상에 형성된 메인 그라운드와, 상기 메인 그라운드의 일단에 연결된 제1안테나와, 상기 메인 그라운드의 타단에 연결된 제2안테나 및 상기 제1안테나 또는 제2안테나 중 적어도 어느 하나의 일측에 근접하도록 배치되어, 상기 메인 그라운드에 접지되는 더미 그라운드를 포함하되, 안테나의 방사패턴과 위상을 조정하여 안테나 간의 상호 간섭을 최소화 하고, 저주파 대역의 멀티 안테나 환경에서 ECC(Envelop Correlation Coefficient)를 최적화함에 따라 멀티 안테나 환경에서 최적의 통신효율을 기대할 수 있는 복수의 안테나가 내장된 단말기를 제공한다.

Description

복수의 안테나가 내장된 단말기{Wireless terminal with a plurality of antennas}
본 발명은 복수의 안테나가 내장된 단말기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 메인 그라운드에 선택적으로 접지되는 더미 그라운드를 각 안테나에 근접하게 배치하여 ECC(Envelop Correlation Coefficient)를 최적화하고, 데이터 송수신 효율이 향상된 복수의 안테나가 내장된 단말기에 관한 것이다.
종래의 이동통신 시스템에서는 단일 안테나 또는 내/외장형을 혼합한 안테나를 사용하였다. 하지만 최근에는 이동 단말기에 대한 소형화, 슬림화 요구와 함께 단말기의 미관을 고려한 내장형 안테나가 선호되고 있다. 한편, 무선 이동통신 기술을 이용한 고속 멀티미디어 서비스 등에 대한 요구에 따라 이동통신 시스템에서의 통신용량증대는 계속 가속화되고 있는 상황이다. 결국, 안테나의 소형화와 증가된 통신용량 및 통신의 신뢰성을 모두 만족시킬 수 있는 광대역 이동통신 시스템용 안테나 기술에 대해 관심이 커지고 있는 것이다.
이에 따라 제안된 기술이 최근 각광을 받고 있는 MIMO(Multi-Input Multi-Output) 또는 다이버시티(Diversity)를 이용한 안테나 기술이다.
이러한 MIMO/다이버시티 안테나는 전송되는 데이터의 신뢰도를 높일 수 있으며, 데이터 통신 확대 등에 따른 이동통신 전송량 한계를 극복할 수 있다는 장점이 있다. 하지만, MIMO/다이버시티 안테나를 슬림형 이동통신 단말기 내부 공간에 내장하기 위해서는, 내장된 각 안테나 사이의 전자기적 상호간섭(mutual coupling)이나 불충분한 격리도(isolation)로 인한 송수신 성능 저하를 극복할 수 있어야 한다.
이러한 문제를 해결하기 위해 안테나 사이의 거리를 떨어뜨리는 방안을 생각할 수 있다. 하지만, 소형 안테나 시스템에서는 안테나가 설치되는 공간이 제약되기 때문에 안테나 간 거리를 이격시키는 방법으로는 상기 문제를 해결할 수 없다.
2007. 3. 19.자 등록된 한국등록특허 제10-0699472호에는 기판상에 평판형으로 제작되며, 안테나간의 간섭을 방지하는 아이솔레이션 소자를 포함함으로써 이러한 문제를 해결하고자 하는 기술을 개시하고 있다. 그러나 이러한 기술은 5GHz의 높은 주파수에 대해서 시뮬레이션이 진행되었고, 900MHz 근처의 주파수 대역에서는 안테나 구현의 최소 길이인 1/4λ가 대략 15cm로, 평면상에 900MHz 안테나를 2개 구현하고 그 사이에 아이솔레이션 소자까지 위치시키기에는 보통의 휴대용 단말기 크기에서는 실현이 어렵다.
한편, 2010. 7. 21.자 공개된 한국공개특허 제10-2010-0083704호에는 격리도(Isolation) 특성 개선을 위해 안테나 각각의 주 방사체 끝 부분이나 급전 부분에 대역 저지 필터를 삽입한 기술을 개시하고 있다. 그러나 상기 기술은 대역 저지 필터로 집중정수소자(Lumped-element)를 사용하므로 부품 편차에 의한 특성 차이가 발생되는 문제점이 있고, 같은 주파수를 사용하는 MIMO 환경에 있어서, 대역 저지 필터는 각 안테나의 특성을 저하시킬 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 문제점을 해결하도록 안출된 것으로서, 메인 그라운드에 접지되는 더미 그라운드를 추가로 배치하여 안테나의 방사패턴과 위상을 조정하여 안테나 간의 상호 간섭을 최소화하고, 멀티 안테나 환경에서 ECC(Envelop Correlation Coefficient)를 최적화함에 따라 멀티 안테나 환경에서 최적의 통신효율을 기대할 수 있는 복수의 안테나가 내장된 단말기를 제공하는 데 그 목적이 있다.
또한, 더미 그라운드와 메인 그라운드의 단락을 선택적으로 스위칭하여, 무선 환경 등의 이유로 MIMO안테나 사용이 어려운 조건에서는 메인 안테나 또는 서브안테나 중 어느 하나를 선택하여 선택된 안테나의 효율을 극대화 할 수 있어, 주어진 통신환경에 대응하여 단말기의 통신 품질을 최적화 한 상태에서 데이터 송수신이 이루어질 수 있는 복수의 안테나가 내장된 단말기를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기의 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 복수의 안테나가 내장된 단말기는 기판상에 형성된 메인 그라운드와, 상기 메인 그라운드의 일단에 연결된 제1안테나와, 상기 메인 그라운드의 타단에 연결된 제2안테나 및 상기 제1안테나 또는 제2안테나 중 적어도 어느 하나의 일측에 근접하도록 배치되어, 상기 메인 그라운드에 접지되는 더미 그라운드를 포함한다.
바람직하게는, 상기 더미 그라운드는 상기 메인 그라운드와 접지된 단락부분의 접속을 단속하는 스위칭 소자를 포함한다.
바람직하게는, 상기 제1안테나, 제2안테나는 상기 메인 그라운드의 상단과 하단에 상호 마주보게 대칭되도록 평행하게 배치된다.
바람직하게는, 상기 제1안테나는 상기 메인 그라운드의 상단 또는 하단 중 어느 한 곳에 좌우방향으로 배치되고, 상기 제2안테나는 상기 메인 그라운드의 좌측 또는 우측에 중 어느 한 곳에 상기 제1안테나와 수직하게 배치된다.
바람직하게는, 상기 더미 그라운드는 상기 메인 그라운드와 수직하게 배치된다.
바람직하게는, 상기 더미 그라운드는 상기 제1안테나의 일측에 근접하여 배치되는 제1 더미 그라운드와, 상기 제1 더미 그라운드와 어긋나도록 상기 제2안테나의 타측에 근접하여 배치되는 제2 더미 그라운드를 포함한다.
바람직하게는, 상기 제1 더미 그라운드와 제2 더미 그라운드는 서로 다른 방향으로 접지가 도모되도록 상기 제1 안테나와 제2 안테나의 측면에 각각의 접지면이 외측을 향하게 배치된다.
바람직하게는, 상기 제1 더미 그라운드는 접지면이 상기 제2 안테나를 향하도록 상기 제1 안테나의 전방에 배치되고, 상기 제2 더미 그라운드는 접지면이 외측을 향하도록 상기 제2안테나의 측면에 배치된다.
바람직하게는, 상기 제1 더미 그라운드와 제2 더미 그라운드는 접지면이 내측을 향해 상호 마주하도록 상기 제1 안테나와 제2 안테나의 전방에 각각 배치된다.
바람직하게는, 상기 제1 더미 그라운드와 제2 더미 그라운드는 각각 상기 제1 안테나와 제2 안테나의 하부에 배치된다.
바람직하게는, 상기 더미 그라운드는 접지면이 외측을 향하도록 상기 제1안테나의 측면에 배치되는 제1 더미 그라운드와, 접지면이 상기 제1 더미 그라운드와 평행하도록 상기 제2 안테나의 전방에 배치되는 제2 더미 그라운드를 포함한다.
바람직하게는, 상기 더미 그라운드는 접지면이 내측을 향하도록 상기 제1안테나의 전방에 배치되는 제1 더미 그라운드와, 접지면이 상기 제1 더미 그라운드와 평행하도록 상기 제2 안테나의 측면에 배치되는 제2 더미 그라운드를 포함한다.
바람직하게는, 상기 더미 그라운드는 접지면이 내측을 향하도록 상기 제1안테나의 전방에 배치되는 제1 더미 그라운드와, 접지면이 상기 제1 더미 그라운드와 수직하도록 상기 제2 안테나의 전방에 배치되는 제2 더미 그라운드를 포함한다.
바람직하게는, 상기 더미 그라운드는 접지면이 외측을 향하도록 상기 제1안테나의 측면에 배치되는 제1 더미 그라운드와, 접지면이 상기 제1 더미 그라운드와 수직하도록 상기 제2 안테나의 측면에 배치되는 제2 더미 그라운드를 포함한다.
본 발명에 따른 복수의 안테나가 내장된 단말기는, 메인 그라운드에 접지되는 더미 그라운드를 추가로 배치하여 안테나의 방사패턴과 위상을 조정하고 안테나 간의 상호 간섭을 최소화 함에 따라 멀티 안테나 환경에서 최적의 통신효율을 기대할 수 있는 효과가 있다.
또한, 기존 멀티 안테나의 통신품질을 유지하면서 안테나 간의 거리를 최소한으로 줄일 수 있어 단말기의 사이즈를 현저히 줄일 수 있는 효과가 있다.
또한, 안테나 별로 그라운드가 구분되지 않고, 하나의 공통된 그라운드에서 각각의 안테나의 일측과 공통 그라운드의 일측이 근접하도록 배치하여 방사되는 편파 특성에 변화를 주어 고주파 대역뿐만 아니라, 저주파 대역의 멀티 안테나 환경에서 ECC(Envelop Correlation Coefficient)를 최적화할 수 있다.
또한, 더미 그라운드와 메인 그라운드의 단락을 선택적으로 스위칭하여, 무선 환경 등의 이유로 MIMO안테나 사용이 어려운 조건에서는 메인 안테나 또는 서브안테나 중 어느 하나를 선택하여 선택된 안테나의 효율을 극대화 할 수 있어, 주어진 통신환경에 대응하여 단말기의 통신 품질을 최적화 한 상태에서 데이터 송수신이 이루어질 수 있는 효과가 있다.
도 1 내지 도 2는 일반적인 복수의 안테나가 내장된 단말기의 안테나 및 그라운드의 배치상태를 개략적으로 도시한 도면,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 복수의 안테나가 내장된 단말기의 일부를 개략적으로 도시한 도면,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 단말기의 안테나가 평행하게 배치된 상태에서 더미 그라운드의 배치 구조를 보인 도면,
도 5는 도 4의 더미 그라운드의 배치 구조별 ECC를 나타낸 그래프,
도 6은 도 4의 더미 그라운드의 배치 구조별 제1안테나 이득을 나타낸 그래프,
도 7은 도 4의 더미 그라운드의 배치 구조별 제2안테나 이득을 나타낸 그래프,
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 단말기의 안테나가 수직하게 배치된 상태에서 더미 그라운드의 배치 구조를 보인 도면,
도 9는 도 8의 더미 그라운드 배치 구조별 ECC를 나타낸 그래프,
도 10은 도 8의 더미 그라운드 배치 구조별 ECC를 나타낸 표,
도 11은 도 8의 (e)배치 구조에서 각 안테나의 반사계수와 Isolation을 나타낸 그래프,
도 12는 도 8의 (a)와 (e)배치 구조의 ECC를 비교한 그래프,
도 13은 도 8의 (a)와 (e)배치 구조의 제1안테나 이득을 나타낸 그래프,
도 14는 도 8의 (a)와 (e)배치 구조의 제2안테나 이득을 나타낸 그래프,
도 15는 본 발명의 다른 실시예에 따른 단말기의 안테나가 수직하게 배치된 상태에서 더미 그라운드의 배치 구조별 방사패턴을 도시한 도면,
도 16은 도 15의 더미 그라운드 배치 구조별 안테나 이득과 ECC를 나타낸 표,
도 17은 본 발명의 일 양상에 따른 단말기의 더미 그라운드 스위칭 순서도이다.
본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서 동일한 구성에 대해서는 동일부호를 사용하며, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
본 발명을 설명하기 앞서, 발명의 이해를 돕기 위해 ECC와 Isolation의 개념과 그 차이점을 설명하면 다음과 같다. 먼저, ECC(Envelop Correlation Coefficient)는 Primary 안테나와 Secondary 안테나 사이의 complex 패턴의 상관도로 두 안테나 방사패턴이 얼마나 비슷한지 또는 크기와 위상이 얼마나 다른지를 나타내주는 척도로 0과 1사이의 값을 가지며, 이상적인 MIMO 안테나는 안테나 사이에 유사성이 없을 때 이므로 ECC가 0이 된다. 만약 ECC가 1에 가깝다면 전계 강도에 상관없이 안테나는 마치 1개만 존재하는 것으로 인식 될 수 있고, 현재까지는 0.5이하를 권고하고 있는 실정이다.
Isolation은 안테나 서로간 얼마나 많은 에너지를 주고 받느냐, 즉 영향을 주고 받느냐에 대한 지표로써 안테나가 서로 가까우면 당연히 isolation은 안 좋아 지게 된다. Isolation 계산으로는 complex 패턴의 상관도를 추출할 수 가 없고 단지 에너지 전달양만 파악할 수 있기 때문에 MIMO 안테나의 실제적인 성능, 예를 들면 데이터 전송속도(Throughput)를 판단하는 기준에는 isolation 보다 ECC가 더 실제적인 기준이 될 수 있다. 특이한 점은 Low band는 방사패턴이 주파수 특성상 안테나 위치에 상관없이 유사한 패턴(도우넛모양)을 가지므로 ECC가 높게 형성된다.
도 1 내지 도 2는 일반적인 복수의 안테나가 내장된 단말기의 안테나 및 그라운드의 배치상태를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 1과 도 2를 참조하면, 일반적으로 복수의 안테나가 내장된 단말기는 공통적으로 메인 그라운드(11)와, 메인 그라운드(11)에 접지되는 제1 안테나(12) 및 제2 안테나(13,14)를 포함함을 알 수 있다. 도 1과 도 2의 차이점으로는 도 1은 2개의 안테나가 서로 수직하게 배치된 타입이고, 도 2는 2개의 안테나가 서로 평행하게 배치된 타입이다.
상기와 같이 복수의 안테나가 내장된 단말기의 경우, 각각의 안테나는 MIMO 또는 Diversity방식일 수 있다. MIMO(Multi-Input Multi-Output)방식의 경우 기지국과 휴대 단말기의 안테나를 각각 2개 이상으로 늘려 데이터를 여러 경로로 전송하고, 수신단에서 각각의 경로로 수신된 신호를 검출하는 방식이고, Diversity방식은 둘 이상의 안테나를 이용해 신호 전파를 수신하며, 그 출력을 합성하여 수신된 신호를 검출하는 방식이다. MIMO와 Diversity 방식의 경우 모두 복수의 안테나로 구현되기 때문에 배치구조는 서로 동일할 수 있으며, 다만 안테나의 입출력 신호를 처리하는데 있어서만 차이가 있을 뿐이다.
본 발명의 단말기에 내장된 복수의 안테나는 상기 MIMO 또는 Diversity방식 뿐만 아니라, 근래 상용화 제품에 널리 적용되는 MISO(Multi-Input Single-Output) 또는 SISO(Single-Input Single-Output)방식이 적용되고 있으며, 이 밖에도 복수의 안테나로 구현 가능한 방식이 적용될 수 있다. 또한, 각각의 안테나는 동일주파수 대역을 지원할 수 있으며, 서로 다른 주파수 대역을 지원할 수도 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 복수의 안테나가 내장된 단말기의 일부를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 단말기의 안테나가 평행하게 배치된 상태에서 더미 그라운드의 다양한 배치 구조를 보인 도면이다.
도 3 내지 도 4를 참조하면, 일반적인 복수의 안테나가 내장된 단말기는 그라운드와 복수의 안테나를 포함함을 알 수 있다. 상기 각각의 안테나는 방사체의 안테나(210), 급전라인(211), 접지라인(212)을 포함하며, 안테나(210)는 해당 주파수의 RF(Radio Frequency)신호를 송수신한다. 또한, 급전라인(211)은 안테나(210)와 상기 인쇄회로기판의 급전부를 연결하며, 접지라인(212)은 안테나(210)와 인쇄회로기판의 접지부를 연결하는 작용을 한다.
본 발명의 일 양상에 따른 복수의 안테나가 내장된 단말기는 기판상에 형성된 메인 그라운드(100)와, 메인 그라운드(100)의 일단에 연결된 제1안테나(210)와, 메인 그라운드(100)의 타단에 연결된 제2안테나(221,222) 및 제1안테나(210) 또는 제2안테나(221,222) 중 적어도 어느 하나의 일측에 근접하도록 배치되어, 메인 그라운드(100)에 접지되는 더미 그라운드(300)를 포함하여 구성된다.
본 발명에서는 각 안테나(210, 221, 222)별로 각기 다른 그라운드가 마련되지 않고, 하나의 공통된 메인 그라운드(100)에서 접지가 모두 이루어질 수 있다. 메인 그라운드(100)는 장방형으로 구비될 수 있으며, 상기한 바와 같이 단말기의 기판상에 형성되고, 기판 자체가 메인 그라운드의 역할을 담당할 수 있다. 제1안테나(210)와 제2안테나(221,222)는 방사체로서, Low-band 공진을 만들어 내는 저주파 대역용 방사체이거나, High-band 공진을 만들어내는 고주파 대역용 방사체일 수 있으며, Low-band 공진과 High-band 공진을 모두 만들어 내는 광대역 방사체를 포함할 수 있다. 제1안테나(210)와 제2안테나(221,222)는 메인 그라운드(100)의 상단과 하단에 평행하게 배치되거나, 수직방향으로 배치될 수 있으며, 상호간섭을 피하기 위해 최대 이격거리에 위치하도록 배치되는 것을 바람직하고, 제1안테나(210)와 제2안테나(221,222)는 기지국과 MIMO(Multi-Input Multi-Output), 다이버시티(Diversity), MISO(Multi-Input Single-Output) 또는 SISO(Single-Input Single-Output)방식으로 통신할 수 있으며, 이 밖에도 복수의 안테나로 구현 가능한 방식이 적용될 수 있다. 또한, 각각의 안테나는 동일주파수 대역을 지원할 수 있으며, 서로 다른 주파수 대역을 지원할 수도 있다.
상기 더미 그라운드(dummy ground)는 제1안테나(210)와 제2안테나(221,222) 중 적어도 어느 하나의 일측에 근접하도록 연결된다. 더미 그라운드(300)는 메인 그라운드(100)와 커플링(coupling), 직접 연결, 스위칭 연결 등의 방식을 통하여 접지가 이루어지며, 일정형상의 와이어(wire)로 이루어진 선형태 또는 일정 형상의 판(board)으로 이루어진 면 형태로 구비될 수 있고, 이 밖에 단말기 구조에 대응하여 다양한 형태로 이루어질 수 있다. 더미 그라운드(300)는 메인 그라운드(100)와 수직하게 배치되며, 안테나(210,221,222)의 일측, 전방(또는 후방), 하부 등 다양한 장소에 배치될 수 있다. 더미 그라운드(300)의 위치는 관심대역의 크기나, ECC, 안테나 성능을 종합적으로 고려하여 다양한 설계변경이 가능하고, 1GHz 이상의 고주파에서도 ECC가 좋지 않을 경우 적용 가능하다. 상기와 같은 본 발명은 종래의 Isolation 특성 개선을 통한 안테나 특성 개선이 아닌 좀 더 실제적인 ECC 개선을 통해서 안테나 특성을 개선할 수 있다. 또한 Isolation 개선을 위해 안테나 패턴을 대칭적으로 제작할 필요가 없으며, 기판에 슬롯이나 기생 소자를 이용하지 않고 휴대용 단말기에 구현되는 일반적인 패턴형상에 변화를 주지 않고 더미 그라운드만 추가함으로써 ECC를 개선할 수 있다. 상기 개선 효과에 대한 구체적 데이터 및 도표는 추후 각 안테나(210,221,222)의 배치된 위치에 따라 구분하여 설명하기로 한다.
참고로, 상기 ECC(Envelop Correlation Coefficient)는 복수의 안테나 환경에서 위상 변화에 따라 안테나 성능의 개선되는 특성을
고려하여 아래의 수식을 이용하여 산출된 값이다.
Figure pat00001
상기한 수식에서
Figure pat00002
는 각각 제1안테나와 제2안테나의 복소수 패턴을 나타내고,
Figure pat00003
는 기지국으로부터 들어오는 신호의 각도에 대한 분포값이다.
상기한 ECC수식에서는
Figure pat00004
등의 복소수와 위상에 대한 내용이 포함되어, 방사패턴의 크기뿐만 아니라 위상이 큰 변수로 작용함을 알 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 더미 그라운드(300)는 메인 그라운드(100)와 접지된 단락부분의 접속을 단속하는 스위칭 소자(400)를 포함한다. 스위칭 소자(400)는 더미 그라운드(300)와 메인 그라운드(100)를 전기적으로 연결 또는 차단하는 구성으로, 구체적으로는 SPDT(Single Ple Double Throw) 스위치, PIN diode 스위치 등이 적용될 수 있다. 상기와 같은 스위칭 소자(400)의 on/off 동작으로, 더미 그라운드(300)와 메인 그라운드(100)의 연결이 선택적으로 이루어질 경우, 안테나의 이득(gain)과 ECC의 변화가 발생하므로 무선통신 환경에 따라 무선품질을 최대로 유지하기 위해 가변적으로 운용이 가능한 장점이 있다. 또한, 더미 그라운드(300)의 커플링(coupling)양을 조절하기 위해 개별적으로 on/off 조작이 가능한 복수의 스위치 소자(400)를 설치할 수 있다. 즉, on/off되는 스위칭 소자(400)의 개수에 따라 더미 그라운드(300)의 커플링(coupling)양 정도가 조절될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 제1안테나(210), 제2안테나(221)는 메인 그라운드(100)의 상단과 하단에 상호 마주보게 대칭되도록 수평방향으로 배치될 수 있다.
도 4의 (a)는 상호 평행하게 배치된 제1안테나(210)와 제2안테나(221) 양측 모두에 더미 그라운드가 배치되지 않은 상태로 기존의 복수 안테나가 배치된 구조를 보인 도면이다. 상기 도 4의 (a)는 더미 그라운드가 배치될 경우 ECC 및 안테나 이득을 대조하기 위한 기준이 된다. 도 4의 (b)는 제1안테나(210)에만 더미 그라운드(300)를 배치한 상태를 나타낸다. 이 밖에도, 더미 그라운드(300)는 제1안테나(210)에는 배치되지 않고, 제2안테나(221)에만 배치될 수 있으며, 제1안테나(210)와 제2안테나(221) 양측 모두에도 배치될 수 있음을 밝혀둔다.
도 5는 도 4의 더미 그라운드의 배치 구조별 ECC를 나타낸 그래프이고, 도 6은 제1안테나 이득을 나타낸 그래프이며, 도 7은 제2안테나 이득을 나타낸 그래프이다. 상기 도 5 내지 도 7을 참조하면, 더미 그라운드의 배치 유무에 따른 ECC개선 및 안테나 이득의 효과를 확인할 수 있다. 먼저, 더미 그라운드가 배치되지 않은 도 4의 (a)와 더미 그라운드가 제1안테나(210)에 근접하여 더미 그라운드(300)가 배치된 도 4의 (b)의 ECC를 비교해보면, ECC가 현저히 낮아짐을 확인할 수 있고, 안테나 이득에 있어서도, 더미 그라운드(300)가 연결된 제1안테나 이득이 높아짐을 확인할 수 있다.
이하, 상기와 같이 상호 평행하게 연결된 제1안테나(210)와 제2안테나(221) 각각에 더미 그라운드가 배치될 경우, 더미 그라운드의 다양한 배치 구조 및 상기 배치 구조에 따른 ECC와 안테나 이득의 개선 효과를 상기 도 4 내지 도 7을 참조하여 구체적으로 설명한다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 더미 그라운드(300)는 제1안테나(210)의 일측에 근접하여 배치되는 제1 더미 그라운드와, 제1 더미 그라운드와 어긋나도록 제2안테나(221)의 타측에 근접하여 배치되는 제2 더미 그라운드를 포함하되, 제1 더미 그라운드(311)와 제2 더미 그라운드(321)는 서로 다른 방향으로 접지가 도모되도록 제1 안테나(210)와 제2 안테나(221)의 측면에 각각의 접지면이 외측을 향하게 배치된다. 상기와 같은 더미 그라운드(311,321)의 배치는 도 4의 (c)와, (d)에 도시하였고, 차이점은 (c)에 비해 (d)의 더미그라운드(311’,321’)의 크기가 1/2로 작아졌다는 점이다. 상기와 같이 각각의 접지면이 외측을 향하도록 배치하면, 서로 다른 외측 방향으로 접지가 이루어져 ECC 및 안테나 이득의 개선효과가 뚜렷하게 나타난다. 즉, 상기의 경우에 제1안테나(210) 및 제2안테나(221) 양측 모두에 더미그라운드가 형성되지 않을 경우 대비 ECC가 낮아지고, 제1,2 안테나 이득이 개선된 결과를 확인할 수 있으며, 더미 그라운드(311, 321)의 크기가 작아질 경우 ECC 및 안테나 이득의 개선효과도 줄어드는 것을 확인할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 양상에 따르면, 상기 도 4의 (e)에 도시된 바와 같이, 제1 더미 그라운드(312)는 접지면이 제2 안테나(221)를 향하도록 제1 안테나(210)의 전방에 배치되고, 제2 더미 그라운드(322)는 접지면이 외측을 향하도록 제2안테나(221)의 측면에 배치될 수 있고, 상기 도 4의 (f)에 도시된 바와 같이, 제1 더미 그라운드(313)와 제2 더미 그라운드(323)는 접지면이 내측을 향해 상호 마주하도록 제1 안테나(210)와 제2 안테나(221)의 전방에 각각 배치될 수 있으며, 상기 도 4의 (g)에 도시된 바와 같이, 제1 더미 그라운드(314)와 제2 더미 그라운드(324)는 각각 제1 안테나(210)와 제2 안테나(221)의 하부에 배치될 수 있다. 상기 각각의 경우 제1안테나(210) 및 제2안테나(221) 모두 더미그라운드가 형성되지 않을 경우 대비 ECC가 낮아지고, 제1,2 안테나 이득이 개선된 결과를 확인할 수 있다. 특히, ECC는 관심대역에서 도 4의 (c), (g)에서 구조가 좋은 것으로 나타났다. 좀더 자세히는 890MHz에서 종래의 구조인 도 4의 (a)는 0.757인데 반하여 도 4의 (c)은 0.376, 도 4의 (g)는 0.318로 나타나 ECC 개선 효과가 나타났다. 안테나 이득 면에서도 제1안테나의 경우 도 4의 (a)는 -5.8dBi, 도 4의 (c)는 -5.0dBi, 도 4의 (g)는 -4.9dBi로 나타나 이득이 증가함을 확인할 수 있고, 제2안테나의 경우도 마찬가지로 도 4의 (a)는 -6.1dBi, 도 4의 (c)는 -5.2dBi, 도 4의 (g)는 -4.7dBi로 각각 이득이 증가함을 확인할 수 있다. 따라서, 더미 그라운드(300)의 스위치(400)를 on/off 함에 따라 ECC 및 제1,2안테나의 이득이 달라짐을 이용하여 무선통신 환경에 따라 적절하게 스위치(400)를 on/off하여 안테나 성능을 효율적으로 이용할 수 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 단말기의 안테나가 수직하게 배치된 상태에서 더미 그라운드의 배치 구조를 보인 도면이다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 제1안테나(210)는 메인 그라운드(100)의 상단 또는 하단 중 어느 한 곳에 수평방향으로 배치되고, 제2안테나(222)는 메인 그라운드(100)의 좌측 또는 우측에 중 어느 한 곳에 제1안테나(210)와 수직하게 배치된다. 도 8의 (a)는 더미 그라운드가 배치되지 않은 상태를 도시하였고, (b)내지 (e)는 제1안테나(210)와 제2안테나(222) 양측 모두에 더미 그라운드가 연결된 상태를 도시하였다.
본 발명의 일 양상에 따르면, 상기 도 8의 (b)에 도시된 바와 같이, 더미 그라운드(300)는 접지면이 외측을 향하도록 제1안테나(210)의 측면에 배치되는 제1 더미 그라운드(315)와, 접지면이 제1 더미 그라운드(315)와 평행하도록 제2 안테나(222)의 전방에 배치되는 제2 더미 그라운드(325)를 포함할 수 있다. 또한, 상기 도 8의 (c)에 도시한 바와 같이, 더미 그라운드(300)는 접지면이 내측을 향하도록 제1안테나(210)의 전방에 배치되는 제1 더미 그라운드(316)와, 접지면이 제1 더미 그라운드(316)와 평행하도록 제2 안테나(222)의 측면에 배치되는 제2 더미 그라운드(326)를 포함할 수 있다. 한편, 상기 도 8의 (d)에 도시한 바와 같이, 더미 그라운드(300)는 접지면이 내측을 향하도록 제1안테나(210)의 전방에 배치되는 제1 더미 그라운드(317)와, 접지면이 제1 더미 그라운드(317)와 수직하도록 제2 안테나(222)의 전방에 배치되는 제2 더미 그라운드(327)를 포함할 수 있다. 또, 상기 도 8의 (e)에 도시한 바와 같이, 더미 그라운드(300)는 접지면이 외측을 향하도록 제1안테나(210)의 측면에 배치되는 제1 더미 그라운드(318)와, 접지면이 제1 더미 그라운드(318)와 수직하도록 제2 안테나(222)의 측면에 배치되는 제2 더미 그라운드(328)를 포함할 수 있다.
이하, 상기와 같이 상호 수직하게 배치된 제1안테나(210)와 제2안테나(222) 양측 모두에 더미 그라운드가 배치될 경우, 더미 그라운드의 배치 구조 및 각각의 배치 구조에 따른 ECC와 안테나 이득의 개선 효과를 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 9는 도 8의 더미 그라운드 배치 구조별 890MHz Theta 90°에서의 각 안테나의 위상차 및 ECC를 나타낸 그래프이고, 도 10은 도 8의 더미 그라운드 배치 구조별 ECC를 나타낸 표이다.
상기 도 9 내지 도 10을 참조하면, 더미 그라운드가 배치되지 않은 도 8의 (a)구조와, 두 개의 안테나(210,222) 양측 모두에 모두 더미 그라운드가 연결된 (b) 내지 (e)구조를 비교하여 볼 때, (b) 내지 (e)구조 모두 작게는 7.1°에서 많게는 26.4°의 위상변화를 가져오고, ECC가 감소됨을 확인할 수 있다. 또한, 더미 그라운드(318,328)가 도 8의 (e)구조로 배치될 경우 도 8의 (a)에 도시된 더미 그라운드가 배치되지 않은 기존 방식의 안테나 대비 위상변화가 가장 확실하게 이루어지고, ECC도 가장 효과적으로 감소함을 알 수 있다. 반면, 더미 그라운드(317, 327)가 도 8의 (d)구조로 배치될 경우 도 8의 (a)에 도시된 기존 안테나 대비 위상 변화가 가장 적게 나타나고, ECC도 가장 적게 감소됨을 확인할 수 있다. 상기의 내용을 종합해보면, 종래의 안테나 구조인 도 8의 (a)에 비해 위상차가 많이 날 때 ECC도 가장 많이 개선됨을 확인할 수 있다.
도 11은 더미그라운드(318,328)가 상기 도 8의 (e)와 같은 구조로 배치될 경우 각 안테나의 반사계수와 Isolation을 나타낸 그래프이다. 상기 그래프를 확인해보면, 더미 그라운드가 없을 때의 모양과 거의 흡사하다. 즉 더미 그라운드로 인해 isolation이 저하되는 등의 문제점은 확인되지 않으면서도, 도 9에서 확인된 바와 같이 ECC는 감소하고 안테나 이득은 증가되는 개선이 이루어짐을 확인할 수 있다.
도 12는 더미 그라운드가 도 8의 (a)와 (e)구조로 배치될 경우 ECC를 비교한 그래프이고, 도 13은 제1안테나 이득을 나타낸 그래프이며, 도 14는 제2안테나 이득을 나타낸 그래프이다. 상기 도 12를 참조하면, 박스로 표시된 890MHz 근처 주파수 대역에서 더미그라운드가 배치되니 않은 종래 도 8의 (a)구조에 비해 더미 그라운드(318,328)가 양측 모두에 연결된 도 8의 (e)구조에서 현저한 ECC 개선 결과가 나타나고 있다. 도 10을 참조하면, 구체적으로 890MHz에서 더미 그라운드가 없는 도 8의 (a)구조에서는 ECC가 0.627로 나타나지만, 양측 모두 더미 그라운드(318,328)가 있는 도 8의 (e)구조에서는 ECC가 0.142로 저하되었다. 또한, 상기 도 8의 (a)구조 도 8의 (e)의 제1안테나와 제2안테나의 이득을 보면 제1안테나는 -4.4dBi에서 -4.2dBi로 0.2dB 이득 증가가 나타나 동등수준의 특성이 나왔으며, 제2안테나는 -6.2dBi에서 -4.7dBi로 1.5dB 이득 증가가 나타나고 있어서 더미 그라운드(318,328)로 인한 관심 대역의 안테나 이득 또한 증가됨을 확인할 수 있다.
도 15는 본 발명의 다른 실시예에 따른 단말기의 안테나가 수직하게 배치된 상태에서 더미 그라운드의 배치 구조별 방사패턴을 도시한 도면이다.
상기 도 15를 참조하면, 두 안테나 모두 더미 그라운드가 배치되지 않은 도 15의 (a)구조와 제1안테나(210)에만 더미 그라운드(318)를 배치한 도 15의 (b)를 비교해 볼 때, 제1안테나 이득이 올라가는 반면 제2안테나 이득은 떨어지는 결과가 나타났고, 반대로 제2안테나(222)에만 더미 그라운드(328)를 배치한 도 15의 (c)의 경우 도 15의 (a)구조와 비교하여 볼 때, 제2안테나 이득이 올라가는 반면 제1안테나 이득은 떨어지는 결과가 나타났다. 한편, 두 안테나(210,222)에 모두 더미 그라운드(318,328)를 배치한 도 15의 (d)는 기본상태인 더미 그라운드가 배치되지 않은 도 15의 (a)구조에 비하여 양측 모두 안테나 이득이 나타남을 보이고 있다.
도 16은 상기 도 15의 더미 그라운드 배치 구조별 안테나 이득과 ECC를 나타낸 표이다. 상기 도16의 Case1은 상기 더미 그라운드가 배치되지 않은 도 15의 (a)구조로서 기존의 MIMO 시스템을 나타낸다. Case2는 Secondry 안테나인 2안테나(222)에만 더미 그라운드(328)의 접지가 진행되는 도 15의 (c)구조로서 제1안테나 성능은 저하되고 제2안테나 성능이 좋아짐을 확인할 수 있다. 또한, Case3은 Primary안테나인 제1안테나의 더미 그라운드(318)만 접지가 이루어지는 경우로 휴대용 단말기가 기지국과 무선통신이 연결되기 전에는 MIMO 안테나 모두가 동작하지 않고 제1안테나만 동작하기 때문에 제1안테나 이득을 최대로 하는 방향으로 설정하는 것이 유리하다. 또한, 상기 Case3은 MIMO 송수신 중 무선환경의 변화 즉, 제2안테나로 송수신이 어려운 약전계나 multipath fading이 발생하지 않아 MIMO 송수신이 적합하지 않는 상황에 적용이 가능하며, MIMO 사용하지 않는 밴드에 대해서는 제1안테나만 사용하므로 이러한 경우에도 적용이 가능하다. Case4는 두개의 안테나(210,222) 양측 모두 더미 그라운드(318,328)의 접지가 이루어지는 경우로 MIMO 송수신이 충분히 가능한 환경에서 사용 가능하다. 본 발명에서는 제1안테나 또는 제2안테나 중 어느 특정 안테나의 중요도가 커서 일정수준 이상의 이득을 유지해야 할 때 상기 도 16에 나타낸 결과를 이용하여 더미 그라운드(300)의 스위치(400)를 온오프할 수 있다. 일례를 들어 설명하면, 일반적으로 제1안테나는 제2안테나보다 성능이 동등 이상이어야 하므로 제1안테나의 더미 그라운드 스위치는 on으로 유지하고 상황에 따라 제2안테나의 더미 그라운드 스위치를 on/off 하는 것이다.
도 17은 본 발명의 일 양상에 따른 단말기의 더미 그라운드 스위칭 순서도이다. 먼저, 휴대용 단말기가 기지국과 무선통신이 이루어지려면 무선통신을 연결하기 위한 준비작업으로 서로의 정보를 주고 받는데, 이 단계(S101)에서는 보통 primary 안테나인 제1안테나만 사용하므로, 제1안테나의 이득을 최대화 할수 있도록 제1안테나의 더미 그라운드의 스위치를 on시키고, secondary 안테나인 제2 안테나의 더미 그라운드의 스위치는 off시켜 무선통신이 이루어 질때까지 이 상태를 유지한다. 스위치가 on된 더미 그라운드는 더미 그라운드의 제 기능을 하게 되고, 스위치가 off되면 더미 그라운드가 없는 상태와 같은 효과가 나온다. 즉, 도 4 및 8에서 제1안테나에만 더미 그라운드를 설치한 실시예와 유사한 상태가 된다.
이후, 무선 통신이 연결(S102)되고, 기지국은 무선통신품질을 확인하고 MIMO 통신 진행여부를 결정(S103)하게 되는데 MIMO 통신이 가능하지 않은 상태라고 판단되면, 제1안테나만 동작하므로 제1안테나의 더미 그라운드의 스위치를 on시키고 제2 안테나의 더미 그라운드의 스위치는 off시킨 상태를 유지하도록 지시(S104)하고, 반대로 MIMO 통신이 가능하면 두 안테나의 더미 그라운드의 스위치를 모두 on시키도록 지시(S105)한다. 무선통신 연결을 확인하여 통신이 계속 유지되면 기지국은 무선통신품질을 확인하고 MIMO 통신 진행여부를 계속해서 판단하고, 상기와 같이 MIMO안테나의 사용 여부를 결정하며, 무선통신 연결을 확인(S106)하여 통신이 계속 유지되지 않으면 무선통신이 종료된다. 위의 예에서는 MIMO 안테나에 대해 설명하고, Diversity, MISO, SISO와 같은 방식의 안테나에 대한 시나리오는 생략했지만 상기한 예에 한정하는 것은 아니며, primary 안테나와 secondary 안테나의 이득차이, 공진주파수 차이등에 따라 가변적으로 스위치 운용이 가능함을 분명게 밝혀두는 바이다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 메인 그라운드
210 : 제1안테나
211 : 급전라인
312 : 접지라인
221,222 : 제2안테나
300 : 더미 그라운드
311,312,…,318 : 제1 더미 그라운드
321,322,…,328 : 제2 더미 그라운드
400 : 스위칭소자

Claims (14)

  1. 기판상에 형성된 메인 그라운드;
    상기 메인 그라운드의 일단에 연결된 제1안테나;
    상기 메인 그라운드의 타단에 연결된 제2안테나; 및
    상기 제1안테나 또는 제2안테나 중 적어도 어느 하나의 일측에 근접하도록 배치되어, 상기 메인 그라운드에 접지되는 더미 그라운드;를 포함하는 것을 특징으로 하는 복수의 안테나가 내장된 단말기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 더미 그라운드는 상기 메인 그라운드와 접지된 단락부분의 접속을 단속하는 스위칭 소자;를 포함하는 것을 특징으로 하는 복수의 안테나가 내장된 단말기.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제1안테나, 제2안테나는 상기 메인 그라운드의 상단과 하단에 상호 마주보게 대칭되도록 평행하게 배치된 것을 특징으로 하는 복수의 안테나가 내장된 단말기.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제1안테나는 상기 메인 그라운드의 상단 또는 하단 중 어느 한 곳에 좌우방향으로 배치되고, 상기 제2안테나는 상기 메인 그라운드의 좌측 또는 우측에 중 어느 한 곳에 상기 제1안테나와 수직하게 배치된 것을 특징으로 하는 복수의 안테나가 내장된 단말기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 더미 그라운드는 상기 메인 그라운드와 수직하게 배치된 것을 특징으로 하는 복수의 안테나가 내장된 단말기.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 더미 그라운드는 상기 제1안테나의 일측에 근접하여 배치되는 제1 더미 그라운드와, 상기 제1 더미 그라운드와 어긋나도록 상기 제2안테나의 타측에 근접하여 배치되는 제2 더미 그라운드를 포함하는 것을 특징으로 하는 복수의 안테나가 내장된 단말기.
  7. 제 6항이 있어서,
    상기 제1 더미 그라운드와 제2 더미 그라운드는 서로 다른 방향으로 접지가 도모되도록 상기 제1 안테나와 제2 안테나의 측면에 각각의 접지면이 외측을 향하게 배치된 것을 특징으로 하는 복수의 안테나가 내장된 단말기.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 제1 더미 그라운드는 접지면이 상기 제2 안테나를 향하도록 상기 제1 안테나의 전방에 배치되고, 상기 제2 더미 그라운드는 접지면이 외측을 향하도록 상기 제2안테나의 측면에 배치된 것을 특징으로 하는 복수의 안테나가 내장된 단말기.
  9. 제 6항에 있어서,
    상기 제1 더미 그라운드와 제2 더미 그라운드는 접지면이 내측을 향해 상호 마주하도록 상기 제1 안테나와 제2 안테나의 전방에 각각 배치된 것을 특징으로 하는 복수의 안테나가 내장된 단말기.
  10. 제 6항에 있어서,
    상기 제1 더미 그라운드와 제2 더미 그라운드는 각각 상기 제1 안테나와 제2 안테나의 하부에 배치된 것을 특징으로 하는 복수의 안테나가 내장된 단말기.
  11. 제 4항에 있어서,
    상기 더미 그라운드는 접지면이 외측을 향하도록 상기 제1안테나의 측면에 배치되는 제1 더미 그라운드와, 접지면이 상기 제1 더미 그라운드와 평행하도록 상기 제2 안테나의 전방에 배치되는 제2 더미 그라운드를 포함하는 것을 특징으로 하는 복수형 안테나가 내장된 단말기.
  12. 제 4항에 있어서,
    상기 더미 그라운드는 접지면이 내측을 향하도록 상기 제1안테나의 전방에 배치되는 제1 더미 그라운드와, 접지면이 상기 제1 더미 그라운드와 평행하도록 상기 제2 안테나의 측면에 배치되는 제2 더미 그라운드를 포함하는 것을 특징으로 하는 복수형 안테나가 내장된 단말기.
  13. 제 4항에 있어서,
    상기 더미 그라운드는 접지면이 내측을 향하도록 상기 제1안테나의 전방에 배치되는 제1 더미 그라운드와, 접지면이 상기 제1 더미 그라운드와 수직하도록 상기 제2 안테나의 전방에 배치되는 제2 더미 그라운드를 포함하는 것을 특징으로 하는 복수형 안테나가 내장된 단말기.
  14. 제 4항에 있어서,
    상기 더미 그라운드는 접지면이 외측을 향하도록 상기 제1안테나의 측면에 배치되는 제1 더미 그라운드와, 접지면이 상기 제1 더미 그라운드와 수직하도록 상기 제2 안테나의 측면에 배치되는 제2 더미 그라운드를 포함하는 것을 특징으로 하는 복수형 안테나가 내장된 단말기.
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