KR20140118388A

KR20140118388A - 안테나 장치 및 그를 구비하는 전자 기기

Info

Publication number: KR20140118388A
Application number: KR1020130034192A
Authority: KR
Inventors: 김도원; 이재진; 조신희
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2013-03-29
Filing date: 2013-03-29
Publication date: 2014-10-08
Also published as: KR101988382B1; US9293829B2; US20140292595A1

Abstract

본 발명의 다양한 실시 예들은, 평판형 방사 패치; 상기 방사 패치의 일측 영역에 제공된 제1 급전점; 및 상기 방사 패치의 타측 영역에 제공되어 상기 방사 패치 내에서 상기 제1 급전점과 대칭을 이루게 위치하는 제2 급전점을 구비하고, 상기 제1, 제2 급전점에 각각 위상차 급전을 제공하여 수직 방향으로 방사 패턴을 형성하고, 상기 제1, 제2 급전점에 동위상 급전을 제공하여 수평 방향으로 방사 패턴을 형성하는 안테나 장치 및 그를 구비하는 전자 기기를 개시한다.

Description

안테나 장치 및 그를 구비하는 전자 기기 {ANTENNA DEVICE AND ELECTRONIC DEVICE WITH THE SAME}

본 발명은 전자 기기에 관한 것으로서, 특히, 무선 송수신 기능을 제공하는 안테나 장치 및 그를 구비하는 전자 기기에 관한 것이다.

일반적으로, 전자 기기라 함은, 영상/음향 가전 제품이나, 주방 가전 제품 등 가정용 전자 제품으로부터, 컴퓨터, 팩스, 복사기 등의 사무용 기기, 전자 수첩, 휴대용 멀티미디어 재생기, 이동통신 단말기 등의 휴대용 단말기, 산업 현장의 각종 제어, 계측, 측정 기기 등을 의미한다. 이러한 전자 기기는 대체로 특정한 용도에 맞게 제작, 활용되어 왔으나, 특히, 휴대용 단말기 분야에서는 다양한 기능이 이동통신 서비스를 중심으로 하나의 기기에 통합되는 추세이다. 또한, 서로 다른 종류의 전자 기기를 무선 통신을 통해 연결하여, 하나의 기기를 통해 다른 기기들을 통합 제어하는 기술에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.

초기의 이동통신 서비스는 음성통화나 단문 메시지 전송에 한정되었지만, 최근에는 하나의 기기를 통해 음성통화, 단문 메시지 전송뿐만 아니라, 인터넷, 멀티미디어, 게임, 금융, 간단한 사무 처리까지 가능하게 발전하고 있다. 하나의 전자 기기를 통해 다양한 기능과 서비스를 이용할 수 있게 되면서, 전자 기기는 이동통신 기지국, 다른 전자 기기와의 송수신 기능뿐만 아니라, 근접 무선 통신(near field communication; NFC), 무선 랜(wireless local area network; WLAN) 등 다양한 방식으로 제공되는 통신망을 접속하기 위한 각각의 안테나 장치를 탑재하게 되었다.

한편, 이동통신 서비스를 통한 멀티미디어 서비스 등이 활성화되면서, 초고속, 대용량 통신의 필요성이 증대되고 있다. 이는 기지국과 전자 기기 사이, 전자 기기와 전자 기기 사이의 통신뿐만 아니라, 전자 기기의 내부에서 회로와 회로, 모듈과 모듈 사이에서 데이터를 전달함에 있어서도, 초고속, 대용량 전송 기술이 요구된다. 예를 들어, 고화질 동영상을 재생함에 있어, 코덱이 탑재된 칩(chip)과 디스플레이 모듈 사이에서 초고속, 대용량의 데이터 전송이 이루어져야 하는 것이다. 하지만, 현재까지 전자 기기의 내부에서 칩과 디스플레이 모듈 사이에 제공되는 전송 선로는 유선 방식으로 이루어져 있어, 전송 속도와 용량을 확장하는데 한계가 있다. 유선 방식으로 데이터 전송 선로를 구성하는 경우, 전송 속도와 용량을 확장하기 위해서는 신호 라인의 수를 늘려야 하지만, 이동통신 단말기와 같이 휴대성을 확보해야 하는 전자 기기에서는 확장된 전송 선로의 설치 공간을 확보하기 어렵다.

따라서 무선 방식의 전송 선로를 구축하여, 일반적인 환경에서의 무선 통신뿐만 아니라, 전자 기기의 내부와 같은 협소한 공간 내에서도 초고속, 대용량 전송 기술을 구현하려는 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 예를 들어, 다중입출력(multiple input multiple output; MIMO) 방식의 안테나 장치 등은 패턴 다이버시티(pattern diversity) 기능을 이용하여 초고속, 대용량 전송을 구현할 수 있다.

패턴 다이버시티 기능을 구현하는 기술은 미국 등록특허 제7,253,779 B2호(2007. 08. 07. 등록) 등을 통해 개시된 바 있다. 상기한 미국 등록특허에 따르면, 서로 다른 종류의 방사체 2개를 배치하거나, 동일한 종류의 방사체 2개를 서로 다른 방향으로 배치하여 수직 방향(Broadside) 방사 패턴과 수평 방향(Endfire) 방사 패턴을 각각 얻을 수 있게 된다.

패턴 다이버시티 기능을 구현하는 다른 기술로는, 2007년에 INICA'07을 통해 발표된 논문 "A 3-Port Antenna for MIMO applications"에서 패치 안테나 상에 모노폴 안테나를 배치한 구조가 소개된 바 있다. 여기서, 패치 안테나는 수직 방향 방사 패턴을, 모노폴 안테나는 수평 방향 방사 패턴을 각각 구현하게 된다.

패턴 다이버시티 기능을 구현하는 또 다른 기술로는, 2008년에 IEEE Antennas and Propagation Magine을 통해 발표된 논문 "Compact Multimode Patch Antennas for MIMO Applications"에서 서로 다른 크기의 원형 패치 안테나 두 개를 기판의 위, 아래면에 각각 배치한 구조가 소개된 바 있다. 여기서, 원형 패치 안테나들 중 하나는 수직 방향 방사 패턴을, 다른 하나는 수평 방향 방사 패턴을 각각 구현하게 된다.

그러나 패턴 다이버시티 기능을 구현하기 위한 종래의 기술들은 서로 다른 방사 패턴의 구현을 위해 두 개 이상의 안테나, 구체적으로 방사체를 필요로 하게 된다. 따라서 안테나 장치의 배치를 위해 요구되는 공간 또는 기판의 두께가 증가하게 되며, 전자 기기의 내부와 같은 협소한 공간에 설치하기 어렵다. 또한, 원하는 패턴에 따라 서로 다른 방사체를 이용하기 때문에 동일 주파수 동작을 위해서는 정밀한 동조(fine tuning)를 필요로 하므로, 설계가 복잡해지게 된다.

이에, 본 발명은 다양한 실시 예들을 통해, 설치에 필요한 공간을 줄이면서 패턴 다이버시티 기능을 구현할 수 있는 안테나 장치 및 그를 구비하는 전자 기기를 제공하고자 한다.

또한, 본 발명은 다양한 실시 예들을 통해, 하나의 방사체만으로도 방사 패턴을 조절하여 수직/수평 방향 방사 패턴을 구현할 수 있는 안테나 장치 및 그를 구비하는 전자 기기를 제공하고자 한다.

또한, 본 발명은 다양한 실시 예들을 통해, 패턴 다이버시티 기능을 구현하면서도 설계가 용이한 안테나 장치 및 그를 구비하는 전자 기기를 제공하고자 한다.

따라서, 본 발명의 다양한 실시 예들 중 하나는, 평판형 방사 패치; 상기 방사 패치의 일측 영역에 제공된 제1 급전점; 및 상기 방사 패치의 타측 영역에 제공되는 제2 급전점을 구비하고, 상기 제1, 제2 급전점은 상기 방사 패치에 형성되는 가상의 접지 평면으로부터 동일한 거리에 위치하며, 상기 제1, 제2 급전점에 각각 위상차 급전을 제공하여 수직 방향으로 방사 패턴을 형성하고, 상기 제1, 제2 급전점에 동위상 급전을 제공하여 수평 방향으로 방사 패턴을 형성하는 안테나 장치를 개시한다.

상기 제1 급전점은 상기 방사 패치의 사분면(quadrant)들 중 하나에, 상기 제2 급전점은 상기 방사 패치의 사분면들 중 다른 하나에 각각 제공될 수 있다.

이때, 상기 제1, 제2 급전점이 각각 위치하는 사분면들이 서로 인접하게 위치할 수 있다.

상기 방사 패치는 지름이 공진 주파수 파장의 절반인 원형, 또는, 한 변의 길이가 공진 주파수 파장의 절반인 사각형일 수 있다.

상기 제1, 제2 급전점에 각각 제공되는 급전의 위상차에 따라 수직 방향의 방사 패턴을 조절(steering)할 수 있다.

이때, 상기 제1, 제2 급전점에 각각 연결되는 위상변환기들을 더 구비함으로써, 상기 제1, 제2 급전점에 제공되는 급전의 위상차를 조절할 수 있다.

상기와 같은 안테나 장치는, 상기 방사 패치가 장착된 유전체 기판; 상기 유전체 기판에 형성된 접지면; 및 상기 방사 패치를 상기 접지면에 연결하는 적어도 하나의 접속 부재를 더 구비할 수 있으며,

이 경우, 상기 접속 부재는 상기 제1 급전점과 제2 급전점 사이에서 상기 방사 패치에 연결되어 수평 방향의 방사 패턴을 조절할 수 있게 된다.

이때, 상기 접속 부재는 상기 제1, 제2 급전점 각각으로부터 같은 거리에 위치할 수 있다.

또한, 상기 접속 부재는 상기 유전체 기판에 형성되는 비아 홀(via hole)로 이루어질 수 있다.

상기 접속 부재는 상기 방사 패치로부터 상기 접지면으로 연장되는 금속 봉으로 이루어질 수 있다.

상기 제1, 제2 급전점은 상기 방사 패치 상에서 상기 가상의 접지 평면에 대하여 대칭을 이루게 배치될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 다양한 실시 예들 중 다른 하나는, 제1 회로 기판; 상기 제1 회로 기판에 제공되는 제1 안테나 장치; 상기 제1 회로 기판에 대면하게 설치되는 제2 회로 기판; 및 상기 제2 회로 기판에 제공되는 제2 안테나 장치를 구비하고,

적어도 상기 제1 안테나 장치는, 평판형 방사 패치; 상기 방사 패치의 일측 영역에 제공된 제1 급전점; 및 상기 방사 패치의 타측 영역에 제공되는 제2 급전점을 구비하고, 상기 제1, 제2 급전점에 각각 위상차 급전을 제공하여 수직 방향으로 방사 패턴을 형성하고, 상기 제1, 제2 급전점에 동위상 급전을 제공하여 수평 방향으로 방사 패턴을 형성하는 전자 기기를 개시한다.

상기 제2 회로 기판은 터치스크린 디스플레이 패널에 제공될 수 있다

상기 방사 패치는 상기 제2 안테나 장치와 대면하게 위치하며, 상기 제1, 제2 급전점에 각각 180도 위상차 급전이 제공된 때 상기 제1, 제2 안테나 장치가 상호 송수신할 수 있다.

상기 전자 기기는 상기 제1 회로 기판에 제공되며 상기 제1 안테나 장치에 인접하게 위치하는 적어도 하나의 제3 안테나 장치를 더 구비할 수 있으며,

이 경우, 상기 제1 안테나 장치는 상기 제2, 제3 안테나 장치 사이에서 무선 신호를 중계할 수 있다.

이때, 상기 제1, 제2 급전점에 동위상 급전이 제공된 때 상기 제1, 제3 안테나 장치가 상호 송수신할 수 있다.

상기와 같이 구성된 안테나 장치는, 하나의 방사 패치만으로 수직 방향 방사 패턴과 수평 방향 방사 패턴을 형성할 수 있으므로, 패턴 다이버시티 기능을 구현하면서도 소형화가 용이하다. 또한, 하나의 방사 패치만으로 구현할 수 있으므로 설계가 용이하다. 더욱이, 상기와 같이 구성된 안테나 장치를 전자 기기의 내부에 설치하여 고화질의 영상 정보와 같이 대용량의 데이타를 전송하는데 활용할 수 있다. 즉, 영상 재생에 필요한 코덱을 탑재하고 있는 칩과 디스플레이 모듈 사이에 상기와 같은 안테나 장치를 이용하여 무선 전송 선로를 구성할 수 있는 것이다. 따라서 전자 기기와 같이 제한된 공간 내에 용이하게 배치하면서, 초고속, 대용량의 전송 선로를 제공할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 다양한 실시 예들 중 하나에 따른 안테나 장치를 나타내는 사시도,
도 2는 도 1에 도시된 안테나 장치의 구성을 설명하기 위한 평면도,
도 3은 도 1에 도시된 안테나 장치의 방사 패치가 여기되는 모습을 나타내는 도면,
도 4는 도 1에 도시된 안테나 장치가 수직 방향 방사 패턴을 형성한 모습을 나타내는 도면,
도 5는 도 1에 도시된 안테나 장치가 수평 방향 방사 패턴을 형성한 모습을 나타내는 도면,
도 6은 도 1에 도시된 안테나 장치에 위상변환기가 더 결합된 구성을 나타내는 도면,
도 7 내지 도 10은 각각 도 6에 도시된 안테나 장치의 동작을 설명하기 위한 도면,
도 11은 도 1에 도시된 안테나 장치에 접속 부재가 제공된 모습을 나타내는 도면,
도 12는 도 11에 도시된 안테나 장치의 동작을 설명하기 위한 도면,
도 13은 도 11에 도시된 안테나 장치의 변형 예를 나타내는 도면,
도 14는 도 13에 도시된 안테나 장치의 동작을 설명하기 위한 도면,
도 15는 도 1에 도시된 안테나 장치가 구비된 전자 기기의 구성을 개략적으로 나타내는 도면,
도 16은 도 15에 도시된 전자 기기의 변형 예를 나타내는 도면,
도 17과 도 18은 각각 도 15에 도시된 전자 기기에서 안테나 장치의 동작 특성을 설명하기 위한 그래프,
도 19와 도 20은 본 발명의 다양한 실시 예들 중 다른 하나에 따른 안테나 장치를 나타내는 평면도.

이하 본 발명의 다양한 실시 예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명의 실시 예들을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

도 1은 본 발명의 다양한 실시 예들 중 하나에 따른 안테나 장치(100)를 나타내는 사시도이다. 상기 안테나 장치(100)는 하나의 방사 패치(102)와 두 개의 급전점(121, 123)을 구비하며, 각 급전점(121, 123)으로 제공되는 급전 신호의 위상차에 따라 수직 방향 방사 패턴 또는 수평 방향 방사 패턴을 형성하게 된다. 도 1을 참조하여 본 발명의 한 실시 예를 설명함에 있어, 상기 방사 패치(102)는 유전체 기판(101)에 부착된 구성을 예시하여 설명하게 된다. 그러나 상기 방사 패치(102)가 반드시 유전체 기판에 부착될 필요는 없다. 예를 들어, 전자 기기에 설치된다면, 전자 기기의 주회로 기판 상에 배치되는 별도의 캐리어에 상기 방사 패치(102)가 부착될 수 있다. 또한, 상기 방사 패치(102)는 별도의 지지체를 통해 유전체 기판에 이격된 상태로 배치될 수도 있다.

도 2는 도 1에 도시된 안테나 장치(100)의 구성을 설명하기 위한 평면도이고, 도 3은 도 1에 도시된 안테나 장치(100)의 방사 패치(102)가 여기되는 모습을 나타내는 도면이다. 이하에서는, 도 1 내지 도 3을 참조하여 상기 안테나 장치(100)의 구체적인 구성을 살펴보기로 한다.

도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 안테나 장치(100)는 평판 형상의 상기 방사 패치(102)와, 상기 방사 패치(102)에 제공되는 제1, 제2 급전점(121, 123)을 구비하며, 상기 제1, 제2 급전점(121, 123)으로 위상차 급전이 이루어지면 상기 안테나 장치(100)는 수직 방향 방사 패턴을 형성하고, 동위상 급전이 이루어지면 수평 방향 방사 패턴을 형성하게 된다.

상기 방사 패치(102)는 한 변의 길이가 공진 주파수 파장의 절반(λ/2)인 사각형으로 이루어지는데, 실시 예에 따라서는 지름이 공진 주파수 파장의 절반인 원형으로 이루어질 수도 있다. 이때, 상기 방사 패치(102)가 사각형인 경우, 네 변 중 어느 한 변의 길이만 또는 두 개 이상의 변의 길이가 λ/2로 설계, 제작될 수 있으며, 본 발명의 구체적인 실시 예에서는 한 변의 길이가 λ/2인 정사각형 형태의 방사 패치를 예시하고 있다.

상기 제1 급전점(121)은 상기 방사 패치(102)의 일측 영역에 배치되고, 상기 제2 급전점(123)은 상기 방사 패치(102)의 타측 영역에 배치된다. 상기 제1, 제2 급전점(121, 123) 중 어느 하나가 상기 방사 패치(102) 상에서 어느 한쪽에 배치되면, 패치 안테나 장치의 특성 상, 상기 안테나 장치(100)는 상기 방사 패치(102)를 가로지르는 가상의 접지 평면(virtual ground plane; VG)을 형성하게 된다. 이러한 가상의 접지 평면은, 실제로 방사 패치 상에 구현되는 물리적인 구조가 아닌, 패치 안테나 장치에 급전이 이루어졌을 때, 전기적인 현상에 의해 형성되는 것임은 당업자라면 용이하게 이해할 수 있을 것이다.

상기 제1, 제2 급전점(121, 123)은 대체로 상기 가상의 접지 평면(VG)으로부터 동일한 거리(d)에, 예를 들면, 대칭을 이루게 배치된다. 다시 말해서, 상기 제1, 제2 급전점(121, 123)을 배치했을 때, 상기 제1, 제2 급전점(121, 123)을 연결하는 직선(L; 도 19에 도시됨)이 상기 가상의 접지 평면(VG)에 대하여 경사지게 위치할 수 있다. 이때, 상기 제1, 제2 급전점(121, 123)은 각각 상기 가상의 접지 평면(VG)에서 수직 방향으로 측정되는 거리(d)가 동일하게 배치될 수 있다. 또한, 상기 제1, 제2 급전점(121, 123)을 연결하는 직선(L)이 상기 가상의 접지 평면(VG)에 대하여 수직을 이룬다면, 상기 제1, 제2 급전점(121, 123)은 상기 방사 패치(102) 상에서 서로에 대하여 대칭을 이루게 배치된 것이다. 또한, 하기에서 도 19와 도 20을 참조하여 설명되겠지만, 상기 제1, 제2 급전점(121, 123)은, 상기 방사 패치(102)의 중심선으로부터 오프셋된 위치, 다시 말해서, 상기 방사 패치(102)의 사분면들 중 어느 하나에 각각 위치할 수 있다.

한편, 앞서 언급한 바와 같이, 상기 안테나 장치(100)는 유전체 기판(101)을 구비할 수 있으며, 상기 유전체 기판(100)의 일면에 상기 방사 패치(102)가 배치될 수 있다. 상기 유전체 기판(101)은 다층 구조로 이루어질 수 있으며, 적어도 하나의 접지면(103)을 구비할 수 있다. 이 경우, 상기 안테나 장치(100)는 상기 방사 패치(102)를 상기 접지면(103)으로 연결하는 접지 부재(127; 도 11에 도시됨)를 더 구비할 수 있다. 상기 접지 부재(127)를 배치함으로써, 상기 안테나 장치(100)는 수평 방향 방사 패턴의 방향을 조절할 수 있게 된다. 이는 도 11 등을 통해 더 상세하게 설명될 것이다.

상기 안테나 장치(100)는 상기 가상의 접지 평면(VG)과 상기 제1, 제2 급전점(121, 123) 사이의 거리(d)를 조절하여 임피던스 매칭을 구현하게 된다. 일반적인 패치 안테나는 하나의 급전점만을 구비하며, 수직 방향 방사 패턴을 형성하게 되지만, 상기 안테나 장치(100)는 상기 제1, 제2 급전점(121, 123)에 제공되는 급전에 따라 수직 방향 방사 패턴뿐만 아니라, 수평 방향 방사 패턴을 형성할 수 있다.

도 3에서, '+1/-1 Mode Excitation'은 상기 제1, 제2 급전점(121, 123)에 180도 위상차를 가지는 급전이 이루어진 상태에서, 상기 방사 패치(102)의 내부에서 여기되는 모습을 나타내고 있다. 이때, 상기 안테나 장치(100)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 수직 방향 방사 패턴을 형성하게 된다.

도 3에서, '+1/+1 Mode Excitation'은 상기 제1, 제2 급전점(121, 123)에 동위상 급전이 이루어진 상태에서 상기 방사 패치(102)의 내부에서 여기되는 모습을 나타내고 있다. 이때, 상기 안테나 장치(100)는 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 방사 패치(102)의 중앙부에 널(null)을 가지는 수평 방향 방사 패턴을 형성하게 된다.

한편, 상기와 같은 안테나 장치(100)가 특정 방향으로의 방사 패턴을 형성한 때 다른 방향에 대한 격리도(isolation)가 우수한 것을 확인할 수 있었다. 따라서 상기 안테나 장치(100)는 전자 기기와 같은 협소한 공간에 설치되어, 칩과 칩 사이, 회로 기판과 회로 기판 사이에서 무선 전송 선로를 구성하기 용이하게 된다. 이는 도 15 내지 도 18을 통해 더 상세하게 살펴보게 될 것이다. 아울러, 상기와 같은 안테나 장치(100)는 전자 기기의 내부에서 전송 선로를 구성하는 것뿐만 아니라, 전자 기기 상호 간, 전자 기기와 기지국 또는 중계기 간 무선 통신을 제공하는데 이용될 수 있음은 자명하다.

상기 안테나 장치(100)는 상기 제1, 제2 급전점(121, 123)으로 제공되는 각 급전 신호의 위상차를 조절하여 수직 방향 방사 패턴의 방향 조절이 가능하다. 도 6을 참조하면, 상기 제1, 제2 급전점(121, 123)으로 제공되는 급전 신호의 위상차 조절을 위하여, 상기 안테나 장치(100)는 위상변환기(phase shifter)(125)를 더 구비할 수 있다. 상기 위상변환기(125)는 한 쌍이 제공되어, 상기 제1, 제2 급전점(121, 123)에 각각 연결될 수 있다.

도 7 내지 도 10은 상기 제1, 제2 급전점(121, 123)에 위상차 급전을 행하였을 때의 수직 방향 방사 패턴을 도시하고 있다. 도 7 내지 도 10에서, 'α'는 도 1에 도시된 z축으로부터 측정되는 방향을 각도로 나타낸 것이다.

도 7은 상기 제1, 제2 급전점(121, 123)에 180도 위상차를 가지는 급전 신호가 각각 제공되었을 때의 수직 방향 방사 패턴을 나타내고 있다. 상기 제1, 제2 급전점(121, 123)에 제공되는 급전 신호가 180도 위상차를 가질 때, 수직 방향, 다시 말해서, z축 방향으로 최대의 출력이 나타남을 알 수 있다. 도 8은 상기 제1, 제2 급전점(121, 123)에 90도의 위상차를 가지는 급전 신호가 각각 제공되었을 때의 수직 방향 방사 패턴을 나타내고 있다. 이때, 상기 안테나 장치의 수직 방향 방사 패턴은 +30도 방향으로 최대의 출력이 나타남을 알 수 있다. 도 9는 상기 제1, 제2 급전점(121, 123)에 동위상 급전을 제공했을 때의 방사 패턴을 나타내고 있다. 상기 제1, 제2 급전점(121, 123)에 동위상 급전을 제공했을 때, 상기 안테나 장치는 수평 방향 방사 패턴을 형성함을 앞서 언급한 바 있다. 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 제1, 제2 급전점(121, 123)에 동위상 급전이 이루어진 때, 수직 방향, 즉, z축 방향에서는 출력이 나타나지 않고 ±60도 방향으로 최대의 출력이 나타남을 알 수 있다. 도 10은 상기 제1, 제2 급전점(121, 123)에 45도의 위상차를 가지는 급전 신호가 각각 제공되었을 때의 수직 방향 방사 패턴을 나타내고 있다. 이때, 상기 안테나 장치의 수직 방향 방사 패턴은 -45도 방향으로 최대의 출력이 나타남을 알 수 있다.

이와 같이, 상기 안테나 장치(100)는 상기 제1, 제2 급전점(121, 123)에 제공되는 급전 신호의 위상차를 조절하여, 수직 방향 방사 패턴의 방향을 조절할 수 있게 된다.

본 발명의 다양한 실시 예에 따르면, 상기 안테나 장치(100)는 접속 부재(127)를 이용하여 수평 방향 방사 패턴의 방향을 조절할 수 있다. 상기 접속 부재(127)는 상기 방사 패치(102)를 접지면(103)으로 연결할 수 있다. 상기 방사 패치(102)가 상기 유전체 기판(101)에 부착된다면, 상기 접속 부재(127)는 상기 유전체 기판(101)을 관통하게 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 유전체 기판(101)에 비아 홀을 형성하여 상기 접속 부재(127)의 기능을 구현할 수 있다. 또한, 상기 유전체 기판(101)에 형성된 비아 홀 내에, 구리, 금과 같은 도전성 물질의 충진함으로써, 실질적으로 금속 봉의 형태로 상기 접속 부재(127)를 형성할 수 있다. 또한, 상기 방사 패치(102)가 상기 유전체 기판(101)과 이격된 상태라면, 상기 접속 부재(127)는 상기 방사 패치(102)로부터 연장되어 상기 접지면(103)으로 연결되는 금속 봉으로 이루어질 수 있다.

도 11과 도 13에 도시된 안테나 장치(200, 300)는 상술한 안테나 장치(100)의 구조에, 복수의 상기 접속 부재(127)들을 더 구비한다. 복수의 상기 접속 부재(127)들은 상기 가상의 접지 평면(VG)에, 또는 상기 가상의 접지 평면(VG)에 인접하게 배열될 수 있다. 도 11은 복수의 상기 접속 부재(127)들을 x축 방향으로 배열한 구성을 예시하고 있으며, 도 12는 도 11에 도시된 안테나 장치(200)에 동위상 급전이 이루어졌을 때 형성되는 방사 패턴을 도시하고 있다. 도 11에 도시된 안테나 장치(200)에서 제1, 제2 급전점(121, 123)에 동위상 급전이 이루어지면, 도 12에 도시된 바와 같이, x축 방향에서 가상의 접지 평면(VG)이 형성되며 ±y 축 방향으로만 수평 방사하는 패턴이 형성된다.

도 13은 복수의 상기 접속 부재(127)들을 y축 방향으로 배열한 구성을 도시하고 있으며, 도 14는 도 13에 도시된 안테나 장치(300)에 동위상 급전이 이루어졌을 때 형성되는 방사 패턴을 도시하고 있다. 도 13에 도시된 안테나 장치(300)에서 제1, 제2 급전점(121, 123)에 동위상 급전이 이루어지면, 도 14에 도시된 바와 같이, y축 방향에서 가상의 접지 평면(VG)이 형성되며 ±x 축 방향으로만 수평 방사하는 패턴이 형성된다.

이와 같이, 상기 접속 부재(127)의 배치에 따라, 본 발명의 다양한 실시 예에 따른 안테나 장치는 수평 방향 방사 패턴의 방향을 조절할 수 있다. 이때, 상기 안테나 장치(200, 300) 상에서 배열되는 상기 접속 부재(127)의 수와 위치 등은 상기 안테나 장치(200, 300)가 탑재될 전자 기기의 설계에 따라 다양하게 변경될 수 있다.

도 15와 도 16은 각각 본 발명의 다양한 실시 예에 따른 안테나 장치가 구비된 전자 기기(10, 20)를 도시하고 있다. 도 15와 도 16은 본 발명의 다양한 실시 예에 따른 안테나 장치들(100a, 100b, 100c) 상호간에 전자 기기(10, 20)의 내부에서 통신하는 구성을 예시하고 있다. 하지만 본 발명의 다양한 실시 예에 따른 안테나 장치는 전자 기기와 이동통신 기지국 간 통신, 전자 기기와 전자 기기 간 통신, 무선 공유기와 같은 중계 장비와 전자 기기 간 통신에도 이용될 수 있음은 앞서도 언급한 바 있다.

도 15와 도 16에 도시된 바와 같이, 상기 전자 기기(10, 20)는 내부에 제1 회로 기판(101a)과 제2 회로 기판(101b)을 구비한다. 상기 제1 회로 기판(101a)은, 예를 들면, 상기 전자 기기(10, 20)의 주회로 기판으로, 상기 제2 회로 기판(101b)은, 예를 들면, 상기 전자 기기(10, 20)의 입출력 모듈에 제공되는 회로 기판으로 구성될 수 있다. 음향이나 물리적인 키패드와 같이 비교적 소용량이 데이타 전송은 대체로 유선 방식으로 구현되는 것이 바람직할 것이다. 반면에, 고화질 동영상의 출력이나 촬영은 대용량의 데이타 전송을 수반하게 되며, 이를 가능하게 하는 초고속, 대용량의 전송 선로가 요구됨을 앞서 언급한 바 있다. 상기 안테나 장치들(100a, 100b, 100c)은 이러한 초고속, 대용량 전송 선로를 제공할 수 있으며, 또한, 무선 전송 선로를 제공하게 되므로, 전자 기기, 예를 들면, 이동통신 단말기와 같은 제한된 공간만을 제공하는 기기에 설치하기 용이하다.

따라서 상기 안테나 장치들(100a, 100b, 100c), 구체적으로 상기 안테나 장치들(100a, 100b, 100c) 각각의 방사 패치는 상기 전자 기기(10, 20)의 제1, 제2 회로 기판(101a, 101b) 각각에 배치되며, 상기 제2 회로 기판(101b)은 터치스크린 디스플레이 패널에 제공될 수 있다. 상기 제1 회로 기판(101a)에 제공된 제1의 안테나 장치(100a)는 도 1에 도시된 안테나 장치(100)의 구조를 가질 수 있다. 즉, 상기 제1 안테나 장치(100a)는 상기 제1, 제2 급전점(121, 123)으로 제공되는 급전 신호의 위상차에 따라 수직 방향 방사 패턴과 수평 방향 방사 패턴 중 어느 하나를 형성하는 것이다. 상기 제2 회로 기판(101b)에는 제2의 안테나 장치(100b)가 제공된다. 상기 제2 안테나 장치(100b)는 상기 제1 안테나 장치(100a)와 대면하게 위치할 수 있다. 또한, 상기 안테나 장치들(100a, 100b, 100c)들 중, 제3의 안테나 장치(100c)는 상기 제1 회로 기판(101a)에서 상기 제1 안테나 장치(100a)에 인접하게 배치될 수 있으며, 도 15에 도시된 바와 같이, 복수의 상기 제3 안테나 장치(100c)가 상기 제1 회로 기판(101a)에 제공될 수 있다.

상기 제1 내지 제3 안테나 장치(100a, 100b, 100c)는 상기 전자 기기(10, 20)의 내부에서 상호 송수신을 하면서, 초고속, 대용량 무선 전송 선로를 제공하게 된다. 한편, 상기 제2, 제3 안테나 장치(100b, 100c)들 또한 도 1에 도시된 안테나 장치의 구조로 제작될 수 있다. 다만, 상기 제2 안테나 장치(100b)가 상기 제1 안테나 장치(100a)와의 무선 송수신만을 수행한다면, 일반적인 패치 안테나 구조로 제작될 수 있다. 또한, 상기 제3 안테나 장치(100c)가 상기 제1 안테나 장치(100a)와의 무선 송수신만을 수행한다면, 일반적인 모노폴 안테나 구조로 제작될 수 있다.

상기와 같이 구성된 전자 기기(10, 20)가 고화질 동영상과 같은 대용량의 데이타를 처리하는 구성을 예로 들면, 상기 제1 내지 제3 안테나 장치(100a, 100b, 100c)의 동작은 다음과 같다. 우선, 상기 제3 안테나 장치(100c)는 코덱이 탑재된 칩에 연결되며, 칩으로부터 출력된 신호를 무선으로 상기 제1 안테나 장치(100a)로 송신하게 된다. 이때, 상기 제1 안테나 장치(100a)는 수평 방향으로의 송수신이 가능한 상태로 설정될 것이다.

상기 제1 안테나 장치(100a)는 상기 제3 안테나 장치(100c)로부터 수신된 신호를 상기 제2 안테나 장치(100b)로 송신하며, 이때, 상기 제1 안테나 장치(100a)는 수직 방향으로의 송수신이 가능한 상태로 설정될 것이다. 상기 제2 안테나 장치(100b)는 상기 제1 안테나 장치(100a)로부터 수신된 신호를 상기 제2 회로 기판(101b), 더 구체적으로 예를 들면, 터치스크린 디스플레이 패널로 전달하며, 이로써 터치스크린 디스플레이 패널은 고화질의 동영상 등을 출력할 수 있게 된다.

한편, 단순히 동영상에 관한 데이터만을 전송하는 선로를 구성하고자 한다면, 상기 제1 안테나 장치(100a)를 칩에 직접 연결할 수 있다. 이 경우, 상기 제3 안테나 장치(100c)가 반드시 필요한 것은 아니다. 다만, 앞서 언급한 바와 같이, 상기 제2 회로 기판(100b)이 터치스크린 디스플레이 패널과 같이 출력 장치이면서 동시에 입력 장치의 기능을 가지고 있다면, 상기 제1 안테나 장치(100a)는 입력 신호와 출력 신호를 분리하여 송수신할 필요가 있다. 이때, 도 16에 도시된 바와 같이, 상기 제3 안테나 장치(100c)를 복수로 배치하고, 상기 제3 안테나 장치(100c) 중 하나는 상기 제1 회로 기판(101a)에 제공되는 입출력 제어부에, 다른 하나는 코덱이 탑재된 칩에 각각 연결될 수 있다.

상기한 전자 기기와 같이 협소한 공간 내에서, 복수의 안테나 장치들 상호 간에 송수신을 수행함에 있어, 격리도(isolation)를 확보해야 함은 자명하다. 즉, 상기 제1, 제2 안테나 장치(100a, 100b) 간의 송수신 과정에서 상기 제3 안테나 장치(100c)는 격리된 상태를 유지해야 할 것이며, 또한, 상기 제1, 제3 안테나 장치(100a, 100c) 간의 송수신 과정에서는 상기 제2 안테나 장치(100b)가 격리된 상태를 유지해야 할 것이다.

도 15에 도시된 바와 같이 전자 기기(10)를 구성한 상태에서, 상기 제1, 제2 안테나 장치(100a, 100b)사이의 거리(D1)와, 상기 제1, 제3 안테나 장치(100a, 100c) 사이의 거리(D2)를 각각 1mm로 설정했을 때의 신호 송수신 양을 측정하여 도 17과 도 18에 도시하였다. 도 17과 도 18에서, 'S21'은 상기 제1, 제2 안테나 장치(100a, 100b) 간의 신호 송수신 양을, 'S31'은 상기 제1, 제3 안테나 장치(100a, 100c) 간의 신호 송수신 양을 각각 나타낸다.

도 17은 상기 제1 안테나 장치(100a)의 제1, 제2 급전점(121, 123)에 180도 위상차 급전을 제공했을 때 각 안테나 장치들(100a, 100b, 100c) 간의 신호 송수신 양을 나타낸다. 상기 제1 안테나 장치(100a)의 제1, 제2 급전점(121, 123)에 180도 위상차 급전을 제공했을 때, 상기 제1 안테나 장치(100a)가 수직 방향 방사 패턴을 형성하는 것은 앞서 살펴본 바 있다. 이때, 상기 제1, 제2 안테나 장치(100a, 100b)는 85 GHz의 주파수 대역에서, 상기 제3 안테나 장치(100c)에 대하여 대략 10dB 정도의 격리도를 확보한 상태로 송수신을 수행하게 된다.

도 18은 상기 제1 안테나 장치(100a)의 제1, 제2 급전점(121, 123)에 동위상 급전을 제공했을 때 각 안테나 장치들(100a, 100b, 100c) 간의 신호 송수신 양을 나타낸다. 상기 제1 안테나 장치(100a)의 제1, 제2 급전점(121, 123)에 동위상 급전을 제공했을 때, 상기 제1 안테나 장치(100a)가 수평 방향 방사 패턴을 형성하는 것은 앞서 살펴본 바 있다. 이때, 상기 제1, 제3 안테나 장치(100a, 100c)는 78 GHz의 주파수 대역에서, 상기 제2 안테나 장치(100b)에 대하여 대략 20dB 정도의 격리도를 확보한 상태로 송수신을 수행할 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 다양한 실시 예에 따른 안테나 장치는, 전자 기기의 내부 공간과 같이 협소한 공간에서도 송수신 동작에 직접 관계하지 않는 다른 안테나 장치에 대하여 충분한 격리도를 확보할 수 있다. 다시 말해서, 인접한 다른 안테나 장치들 중 하나를 선택하여 통신하면서도 다른 송수신 동작에 관계되지 않은 다른 안테나 장치에 미치는 영향을 최소화할 수 있는 것이다.

일반적으로 패치 안테나 구조에서는 x축 방향(또는 y축 방향)에서는 방사 패치의 중앙에, y축 방향(또는 x축 방향)에서는 방사 패치의 일측에 급전점이 제공된다. 도 1에 도시된 안테나 장치(100)는 x축 방향에서 방사 패치의 중앙에, y축 방향에서는 방사 패치의 중앙을 기준으로 양측에 각각 배치된 구성이 예시되어 있다. 하지만, 본 발명의 다양한 실시 예들 중 또 다른 실시 예에서는 x축 및 y축 방향에서 방사 패치의 중앙으로부터 오프셋된 위치에 제1, 제2 급전점(121, 123)이 각각 배치될 수 있다.

도 19와 도 20은 각각 본 발명의 다양한 실시 예들 중 또 다른 하나에 따른 안테나 장치의 방사 패치(102, 202)를 각각 도시하고 있다. 도 19는 한 변이 공진주파수 파장의 절반인 정사각형 방사 패치(102)를, 도 20은 지름이 공진주파수 파장의 절반인 원형 방사 패치(202)를 각각 도시하고 있다. 이때, 제1, 제2 급전점(121, 123, 221, 223)은 각각 상기 방사 패치들(102, 202)의 사분면들 중 하나에 위치하고 있으며, 상기 제2 급전점(123, 223)이 위치된 사분면은 상기 제1 급전점(121, 221)이 위치된 사분면에 인접하게 배치될 수 있다. 또한, 앞서 언급한 바와 같이, 방사 패치(102, 202) 상에서 상기 제1, 제2 급전점(121, 123, 221, 223)들을 연결하는 직선(L)이 가상의 접지 평면(VG)에 대하여 경사지게 위치할 수 있다. 도 19는 이러한 구성을 도시하고 있는데, 이 경우, 상기 제1, 제2 급전점(121, 123)은 서로에 대하여 대각선 방향의 사분면에 위치함으로써 x축 또는 y축 방향에서 서로에 대하여 오프셋된 위치에 배치된다.

상기와 같이 방사 패치(102, 202)의 중앙에서 오프셋된 위치에 상기 제1, 제2 급전점(121, 123, 221, 223)을 배치함으로써, 수직 방향 방사 패턴 또는 수평 방향 방사 패턴의 방향을 조절할 수도 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 다양한 실시 예에 따른 안테나 장치는 하나의 방사 패치를 이용하면서도, 수직 방향 방사 패턴과 수평 방향 방사 패턴을 형성하는 것이 용이하다. 즉, 하나의 방사 패치만으로도 패턴 다이버시티 기능을 구현함으로써, 소형화가 용이하고, 초고속, 대용량의 송수신 동작을 구현할 수 있게 된다. 또한, 인접하게 배치된 제2의 안테나 장치와 송수신하면서도 인접하게 배치된 제3의 안테나 장치에 대해서는 높은 격리도를 형성함으로써, 협소한 공간, 예를 들어, 전자 기기의 내부에 설치되어 안정된 데이터 전송 선로를 제공할 수 있다.

이상, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해서 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명하다 할 것이다.

100: 안테나 장치 101: 유전체 기판
102: 방사 패치 121: 제1 급전점
123: 제2 급전점 125: 위상변환기
127: 접속 부재 103: 접지면
VG: 가상의 접지 평면

Claims

안테나 장치에 있어서,
평판형 방사 패치;
상기 방사 패치의 일측 영역에 제공된 제1 급전점; 및
상기 방사 패치의 타측 영역에 제공되는 제2 급전점을 구비하고,
상기 제1, 제2 급전점은 상기 방사 패치에 형성되는 가상의 접지 평면으로부터 동일한 거리에 위치하며,
상기 제1, 제2 급전점에 각각 위상차 급전을 제공하여 수직 방향으로 방사 패턴을 형성하고, 상기 제1, 제2 급전점에 동위상 급전을 제공하여 수평 방향으로 방사 패턴을 형성함을 특징으로 하는 안테나 장치.
제1 항에 있어서, 상기 제1 급전점은 상기 방사 패치의 사분면(quadrant)들 중 하나에, 상기 제2 급전점은 상기 방사 패치의 사분면들 중 다른 하나에 각각 제공됨을 특징으로 하는 안테나 장치.
제2 항에 있어서, 상기 제1, 제2 급전점이 각각 위치하는 사분면들이 서로 인접하게 위치함을 특징으로 하는 안테나 장치.
제1 항에 있어서, 상기 방사 패치는 지름이 공진 주파수 파장의 절반인 원형임을 특징으로 하는 안테나 장치.
제1 항에 있어서, 상기 방사 패치는 한 변의 길이가 공진 주파수 파장의 절반인 사각형임을 특징으로 하는 안테나 장치.
제1 항에 있어서, 상기 제1, 제2 급전점에 각각 제공되는 급전의 위상차에 따라 수직 방향의 방사 패턴을 조절(steering)함을 특징으로 하는 안테나 장치.
제1 항 또는 제6 항에 있어서, 상기 제1, 제2 급전점에 각각 연결되는 위상변환기들을 더 구비함을 특징으로 하는 안테나 장치.
제1 항에 있어서,
상기 방사 패치가 장착된 유전체 기판;
상기 유전체 기판에 형성된 접지면; 및
상기 방사 패치를 상기 접지면에 연결하는 적어도 하나의 접속 부재를 더 구비하고,
상기 접속 부재는 상기 제1 급전점과 제2 급전점 사이에서 상기 방사 패치에 연결되어 수평 방향의 방사 패턴을 조절함을 특징으로 하는 안테나 장치.
제8 항에 있어서, 상기 접속 부재는 상기 제1, 제2 급전점 각각으로부터 같은 거리에 위치함을 특징으로 하는 안테나 장치.
제8 항에 있어서, 상기 접속 부재는 상기 유전체 기판에 형성되는 비아 홀(via hole)임을 특징으로 하는 안테나 장치.
제8 항에 있어서, 상기 접속 부재는 상기 방사 패치로부터 상기 접지면으로 연장되는 금속 봉임을 특징으로 하는 안테나 장치.
제1 항에 있어서, 상기 제1, 제2 급전점은 상기 방사 패치 상에서 상기 가상의 접지 평면에 대하여 대칭을 이루게 배치됨을 특징으로 하는 안테나 장치.
전자 기기에 있어서,
제1 회로 기판;
상기 제1 회로 기판에 제공되는 제1 안테나 장치;
상기 제1 회로 기판에 대면하게 설치되는 제2 회로 기판; 및
상기 제2 회로 기판에 제공되는 제2 안테나 장치를 구비하고,
적어도 상기 제1 안테나 장치는,
평판형 방사 패치;
상기 방사 패치의 일측 영역에 제공된 제1 급전점; 및
상기 방사 패치의 타측 영역에 제공되는 제2 급전점을 구비하고,
상기 제1, 제2 급전점에 각각 위상차 급전을 제공하여 수직 방향으로 방사 패턴을 형성하고, 상기 제1, 제2 급전점에 동위상 급전을 제공하여 수평 방향으로 방사 패턴을 형성함을 특징으로 하는 전자 기기.
제13 항에 있어서, 상기 제2 회로 기판은 터치스크린 디스플레이 패널에 제공됨을 특징으로 하는 전자 기기.
제13 항에 있어서, 상기 방사 패치는 상기 제2 안테나 장치와 대면하게 위치하며, 상기 제1, 제2 급전점에 각각 180도 위상차 급전이 제공된 때 상기 제1, 제2 안테나 장치가 상호 송수신함을 특징으로 하는 전자 기기.
제13 항에 있어서,
상기 제1 회로 기판에 제공되며 상기 제1 안테나 장치에 인접하게 위치하는 적어도 하나의 제3 안테나 장치를 더 구비하고,
상기 제1 안테나 장치는 상기 제2, 제3 안테나 장치 사이에서 무선 신호를 중계함을 특징으로하는 전자 기기.
제16 항에 있어서, 상기 제1, 제2 급전점에 동위상 급전이 제공된 때 상기 제1, 제3 안테나 장치가 상호 송수신함을 특징으로 하는 전자 기기.
제13 항에 있어서, 상기 제1, 제2 급전점은 상기 방사 패치 상에서 상기 가상의 접지 평면에 대하여 대칭을 이루게 배치됨을 특징으로 하는 안테나 장치.