KR20140124134A

KR20140124134A - 근거리 통신용 안테나 및 이를 포함하는 근거리 통신 장치

Info

Publication number: KR20140124134A
Application number: KR20130041481A
Authority: KR
Inventors: 이병제; 김병관; 위현호; 문병귀; 윤용현; 김재익
Original assignee: 광운대학교 산학협력단
Priority date: 2013-04-16
Filing date: 2013-04-16
Publication date: 2014-10-24
Also published as: KR101467677B1

Abstract

본 발명은 근거리 통신용 안테나 및 이를 포함하는 근거리 통신 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 근거리 통신용 안테나는 베이스 기판; 베이스 기판의 일면에 루프 패턴으로 배치되며, 루프 패턴의 양끝단이 안테나 급전부에 연결되는 제1 도전성 패턴; 및 베이스 기판의 일면에 제1 도전성 패턴에 의해 둘러싸여 제1 도전성 패턴과 나란하게 이격되어 배치되며, 루프 패턴으로 형성되는 제2 도전성 패턴;을 포함한다.

Description

근거리 통신용 안테나 및 이를 포함하는 근거리 통신 장치{NFC ANTENNA AND APPARATUS COMPRISING NFC ANTENNA}

본 발명은 근거리 통신용 안테나 및 이를 포함하는 근거리 통신 장치에 관한 것이다.

NFC(Near Field Communication)는 13.56 MHz대역 비접촉식 근거리 무선통신기술을 의미하는 용어로 모바일 기기, 특히 스마트폰과의 융합을 통해 단말 간 데이터통신을 제공할 수 있을 뿐만 아니라 기존의 비접촉식 스마트카드 기술 및 무선인식기술(RFID)과의 상호호환성을 제공한다.

2003년 NFC 통신규격에 대한 국제표준제정(ISO/IEC 18092)과 2004년 NFC포럼의 설립으로 비로소 NFC라는 용어가 공식적으로 사용되기 시작했는데 그 이전에는 대부분의 13.56 MHz 무선통신기술이 비접촉식 스마트카드 기술 범주에 포함되었다.

현재도 기존 비접촉식 스마트카드 기술은 지하철, 버스요금 결제용 교통카드 및 신용카드 등에 보편적으로 활용되고 있고 RFID 태그형태로 유통물류 분야에도 이용되고 있다.

하지만, 전용 리더기와 IC카드 형태의 고정형 서비스를 탈피해 개인 휴대전화기에 비접촉식 무선통신기술을 탑재하려는 노력이 계속되었고 특히 전 세계 휴대전화 제조 1위 업체인 노키아는 자사 일부 휴대폰 모델에 NFC를 탑재해 출시한 바 있다.

하지만 제한된 무선 인터넷 접속환경으로 서비스 연계성 미흡, 일반 휴대전화의 제한적 활용 및 NFC탑재 휴대기기의 숫자가 절대적으로 부족하여 시장 확산에는 한계가 있었다.

그런데, 최근 스마트폰의 급격한 확산에 힘입어 NFC분야에도 새로운 움직임이 포착되고 있다. 현재 대표적 스마트폰용 운영체제인 iOS 및 안드로이드는 편리한 무선 인터넷 이용환경을 제공하고 있어 NFC 기술을 스마트폰에 접목하여 모바일 신용카드, RFID 리더/태그 및 데이터전송장치로 활용하려는 시도는 상당히 현실적인 서비스 모델로 부각되고 있다.

특히, 비자카드 및 마스터카드 등 주요 신용카드회사에서 매우 적극적으로 NFC 기술 채택을 지원하고 있는 상황이며 구글의 안드로이드 OS 및 노키아의 심비안 OS 등 스마트폰 OS의 NFC 지원도 점점 증가하는 추세이다.

NFC 안테나는 근거리영역에서 유도성 결합을 통하여 통신을 하게 된다. ISO/IEC 18092 규격에서 NFC 리더 안테나는 1.5 A/m < |H| < 7.5 A/m에 해당하는 자기장에서 동작을 하게 된다. 리더 안테나의 경우 가장 중요한 관심사항 중 하나는 이 조건을 만족시키면서 인식거리를 늘리고자 하는 것이다.

또한 NFC 안테나는 매칭 회로를 통해서 강제로 13.56 MHz에 매칭을 시키게 된다. 하지만 유도성 결합 방식으로 통신을 하기 때문에 근거리에 다른 NFC 안테나가 근접하게 되면 원래 안테나가 가지고 있는 인덕턴스에 상호 인덕턴스가 형성 되어 안테나의 인덕턴스가 바뀌게 되어 공진주파수가 두 개로 분리되면서 감쇠하는 디튜닝(Detuning) 문제가 발생하게 된다.

때문에 유도성 결합 트랜스폰더(Transponder)에서는 원활한 전력 공급과 판독 감도의 최적화를 위해서 리더 안테나의 공진주파수와 정확히 정합되어야 한다. 하지만 실제 사용되는 트랜스폰더는 주파수를 상향 조정하는 것이 일반적이며 적용 분야에 따라 여러 주파수로 제작 된다. 또한 이러한 문제를 해결하기 위해 자동 매칭 회로를 통해 공진주파수가 디튜닝(Detuning) 되는 현상을 줄이려는 연구가 시도되고 있다.

그러나, 이와 같은 자동 매칭 회로는 NFC 안테나를 포함하는 근거리 통신 장치의 제조 단가를 높이는 문제점이 있고, 장치의 복잡성을 증가시키는 문제점이 있다.

본 발명은 전술한 디튜닝 현상을 최소화할 수 있는 근거리 통신용 안테나 및 이를 포함하는 근거리 통신 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명에 따른 근거리 통신용 안테나는 베이스 기판; 베이스 기판의 일면에 루프 패턴으로 배치되며, 루프 패턴의 양끝단이 안테나 급전부에 연결되는 제1 도전성 패턴; 및 베이스 기판의 일면에 제1 도전성 패턴에 의해 둘러싸여 제1 도전성 패턴과 나란하게 이격되어 배치되며, 루프 패턴으로 형성되는 제2 도전성 패턴;을 포함한다.

여기서, 제2 도전성 패턴을 통하여 흐르는 전류의 방향은 제1 도전성 패턴을 통하여 흐르는 전류의 방향과 반대일 수 있다.

아울러, 제2 도전성 패턴을 통하여 흐르는 전류는 제1 도전성 패턴에 흐르는 전류에 의해 유기되는 전류일 수 있다.

또한, 제1 도전성 패턴에 포함되는 루프 패턴의 회전수는 복수 개이고, 제1 도전성 패턴에 포함되는 복수 개의 루프 패턴은 서로 연결되어 있고, 제2 도전성 패턴에 포함되는 루프 패턴의 회전수는 복수 개이고, 제2 도전성 패턴에 포함되는 복수 개의 루프 패턴은 서로 연결되지 않고 이격되어 있을 수 있다.

여기서, 제2 도전성 패턴의 회전수는 2개 내지 6개 사이일 수 있다.

아울러, 제1 도전성 패턴과 제2 도전성 패턴 사이의 이격 간격은 제1 도전성 패턴에서 각각의 루프 패턴 사이의 간격이나 제2 도전성 패턴에서 각각의 루프 패턴 사이의 간격보다 넓을 수 있다.

여기서, 제1 도전성 패턴에서 각각의 루프 패턴의 폭은 제1 도전성 패턴에서 각각의 루프 패턴 사이의 간격과 동일할 수 있고, 제2 도전성 패턴에서 각각의 루프 패턴의 폭은 제2 도전성 패턴에서 각각의 루프 패턴 사이의 간격과 동일할 수 있다.

또한, 제1 도전성 패턴에서 각각의 루프 패턴의 폭은 제2 도전성 패턴에서 각각의 루프 패턴의 폭과 서로 동일할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 근거리 통신 장치는 전술한 근거리 통신용 안테나를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 이동통신 단말기는 전술한 근거리 통신용 안테나를 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 근거리 통신용 안테나 및 이를 포함하는 근거리 통신 장치는 디튜닝 현상을 최소화할 수 있는 도전성 패턴을 안테나에 형성시킴으로써, 디튜닝 현상을 방지하기 위한 별도의 자동 매칭 회로를 구비할 필요가 없어, 근거리 통신용 안테나 및 이를 포함하는 근거리 통신 장치의 제조 비용을 최소화할 수 있는 효과가 있다.

도 1는 본 발명에 따른 근거리 통신용 안테나의 일례를 설명하기 위한 도이다.
도 2는 도 1에 도시된 근거리 통신용 안테나의 동작 일례에 대해 설명하기 위한 도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 근거리 통신 안테나의 자계의 크기와 제2 도전성 패턴이 없는 근거리 통신 안테나의 자계의 크기를 비교 설명하기 위한 도이다.
도 4는 근거리 통신용 안테나의 중심점으로부터 전면 방향으로 수직한 거리에 따른 근거리 통신 안테나의 자계 크기를 설명하기 위한 도이다.
도 5는 본 발명에 따른 근거리 통신용 안테나에서 제2 도전성 패턴에 포함되는 복수의 루프 패턴의 회전 수(turn 수)에 따른 자계 변화를 설명하기 위한 도이다.
도 6 내지 도 8은 본 발명과 비교예에 따른 주파수 디튜닝(deturning) 현상의 차이를 설명하기 위한 도이다.
도 9는 본 발명과 비교예에 따른 전력 전송률의 차이를 설명하기 위한 도이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

도 1는 본 발명에 따른 근거리 통신용 안테나의 일례를 설명하기 위한 도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 근거리 통신용 안테나(100)의 일례는 베이스 기판(10), 제1 도전성 패턴(P1), 및 제2 도전성 패턴(P2)을 포함할 수 있다.

여기서, 베이스 기판(10)은 유전율(εr)이 3.0 내지 5.0 사이인 유전체 기판일 수 있으며, 일례로, 베이스 기판(10)의 재질은 에폭시 레진이 함침된 유리 섬유가 여러겹으로 쌓여 있는 FR-4 기판일 수 있고, 베이스 기판(10)의 유전율은 4.4일 수 있다.

아울러, 베이스 기판(10)의 두께는 0.4mm ~ 1.2mm 사이일 수 있으며, 일례로, 베이스 기판(10)의 두께는 0.8mm 일 수 있다.

그러나, 이와 같은 베이스 기판(10)의 재질, 유전율 및 두께는 반드시 전술한 바에 한정되는 것은 아니고, 변경될 수 있다.

아울러, 이와 같은 베이스 기판(10)에는 전자파를 차폐하거나 반사하기 위하여 페라이트와 같은 자성 물질이 포함될 수 있다.

제1 도전성 패턴(P1)은 베이스 기판(10)의 일면 중 외곽 영역(S1)에 루프 패턴으로 배치되어, 제1 도전성 패턴(P1)은 근거리 통신용 신호를 송신하거나 수신하는 기능을 수행할 수 있고, 제1 도전성 패턴(P1)에 포함되는 루프 패턴의 양끝단이 안테나 급전부(30)에 연결될 수 있다.

이에 따라, 제1 도전성 패턴(P1)에 의해 수신된 신호는 안테나 급전부(30)를 통하여 수신된 신호를 처리하는 안테나 회로로 전달될 수 있고, 아울러, 신호를 전송하는 경우, 전송하려는 신호는 안테나 급전부(30)와 제1 도전성 패턴(P1)을 통하여 전송될 수 있다.

이때, 제1 도전성 패턴(P1)과 안테나 회로와의 임피던스 정합(impedance matching)을 위하여, 안테나 급전부(30)와 인접한 제1 도전성 패턴(P1)의 끝단에는 임피던스 정합부(20)를 구비할 수 있다.

이와 같은 임피던스 정합부(20)는 복수의 커패시터 소자를 포함하여 형성될 수 있으며, 구체적으로 이와 같은 복수의 커패시터 소자는 제1 도전성 패턴(P1)에 직렬로 연결되는 제1 커패시터(20a) 및 제2 커패시터(20b)와 제1 도전성 패턴(P1)의 양끝단에 연결되는 제3 커패시터(20c)를 포함하여 형성될 수 있다.

이와 같은 제1 도전성 패턴(P1)은 도 1에 도시된 바와 같이, 적절한 안테나의 저항값, 커패시턴스 값 및 인덕턴스 값을 확보하면서 안테나의 면적을 줄이기 위하여 제1 도전성 패턴(P1)에 포함되는 루프 패턴은 복수의 루프를 가지는 패턴으로 형성될 수 있다.

이에 따라, 제1 도전성 패턴(P1)과 임피던스 정합부(20)에 의해 형성되는 근거리 통신용 안테나(100)의 동작 주파수는 비접촉식 표준 무선통신기술에 따른 13.56MHz를 구현할 수 있다.

이와 같이, 제1 도전성 패턴(P1)에 포함되는 복수의 루프 패턴 전체는 하나의 라인으로 형성되어, 복수의 루프 패턴에 의해 형성되는 전류 경로는 하나일 수 있다.

따라서, 제1 도전성 패턴(P1)에 포함되는 복수의 루프 패턴은 회전수(turn 수)는 2회 내지 6회 사이일 수 있으며, 일례로, 제1 도전성 패턴(P1)의 저항 값, 커패시턴스 값 및 인덕턴스 값을 고려하여, 도 1에 도시된 바와 같이 4회일 수 있으나 반드시 이에 한정되지는 않는다.

아울러, 제2 도전성 패턴(P2)은 베이스 기판(10)의 일면 중 제1 도전성 패턴(P1)에 의해 둘러싸이는 제1 도전성 패턴(P1)의 안쪽 내부 영역(S2)에 제1 도전성 패턴(P1)과 나란하게 이격되어 배치될 수 있다.

이와 같은 제2 도전성 패턴(P2)은 제1 도전성 패턴(P1)과 다르게 폐루프 패턴(closed loop pattern)으로 형성될 수 있다. 여기서, 제2 도전성 패턴(P2)에 포함되는 루프 패턴의 회전수(turn 수)는 2회 내지 6회 사이일 수 있으며, 일례로 4회일 수 있으나, 반드시 이에 한정되지는 않고 변경될 수 있다.

이에 대해 제2 도전성 패턴(P2)을 제1 도전성 패턴(P1)과 비교하여 설명하면 다음과 같다.

예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 제1 도전성 패턴(P1)에 포함된 복수의 루프 패턴에 의해 형성된 전류 경로는 하나일 수 있고, 전류 경로가 안테나 급전부(30) ==> 복수의 루프 패턴(P1) ==> 안테나 급전부(30)로 형성될 수 있다.

그러나, 제2 도전성 패턴(P2)은 안테나 급전부(30)나 제1 도전성 패턴(P1)과 전기적으로 연결되지 않고, 제1 도전성 패턴(P1)과 나란하게 이격되어 형성될 수 있고, 제2 도전성 패턴(P2)에 포함되는 복수의 루프 패턴은 각각이 서로 독립된 전류 경로를 가지는 폐루프 패턴(closed loop pattern)일 수 있다.

이와 같은 제2 도전성 패턴(P2)은 근거리 통신용 안테나(100)가 신호를 전송하거나 수신하는 기능을 수행할 때에, 두 개의 근거리 통신용 안테나(100)가 서로 근접하였을 때에 근거리 통신용 안테나(100)의 동작 주파수가 분리 및 이동되는 주파수 디튜닝(deturning) 현상을 억제하는 기능을 수행할 수 있다.

이와 같은 주파수 디튜닝(deturning) 현상은 근거리 통신용 안테나(100)가 동작할 때에 발생하는 자계의 크기가 과도하게 큰 경우 발생하고, 자계의 크기가 적절하게 작은 경우 주파수 디튜닝(deturning) 현상을 억제할 수 있다.

이와 같은 주파수 디튜닝(deturning) 현상은 근거리 통신용 안테나(100)의 송수신시 에러 비트(error bit)를 발생시켜, 근거리 통신용 안테나(100)의 인식률 또는 전력 전송률을 저하시켜, 근거리 통신용 안테나(100)가 정상적으로 동작하는 것을 방해할 수 있다.

이에 대해서는, 먼저 제1 도전성 패턴(P1)과 제2 도전성 패턴(P2)의 구체적인 구조에 대해서 설명하고, 도 2 이하에서 보다 구체적으로 설명한다.

제1 도전성 패턴(P1)과 제2 도전성 패턴(P2)의 루프 형태는 도 1에 도시된 바와 같이, 4각형 형상을 가질 수도 있으나, 이와 다르게 다각형, 원형 또는 타원형 등 다양하게 형성될 수 있다.

즉, 제1 도전성 패턴(P1)의 루프 형태는 회전수가 복수 개이면서 전체적으로 전류 경로가 하나이고, 양끝단이 안테나 급전부(30)에 연결될 수 있다.

따라서, 제1 도전성 패턴(P1)에 포함되는 복수의 루프는 서로 연결된 형태일 수 있다.

제2 도전성 패턴(P2)의 폐루프 형태는 제1 도전성 패턴(P1)이나 안테나 급전부(30)와 전기적으로 연결되지 않는 폐루프 형태일 수 있고, 제2 도전성 패턴(P2)에 포함되는 복수의 폐루프 형태에 의해 형성되는 전류 경로는 각각 독립되면서 복수 개일 수 있다.

따라서, 제2 도전성 패턴(P2)의 복수의 폐루프 형태 각각은 서로 연결되지 않고 이격되어 형성될 수 있다.

이때, 도 1에 도시된 바와 같이, 제1 도전성 패턴(P1)과 제2 도전성 패턴(P2) 사이의 이격 간격(DP)은 제1 도전성 패턴(P1)에서 각각의 루프 패턴 사이의 간격(DP1)이나 제2 도전성 패턴(P2)에서 각각의 루프 패턴 사이의 간격(DP2)보다 넓을 수 있다.

이와 같이, 제1 도전성 패턴(P1)과 제2 도전성 패턴(P2) 사이의 이격 간격(DP)을 상대적으로 넓게 하는 것은 제1 도전성 패턴(P1)과 제2 도전성 패턴(P2) 사이에 별도의 커패시턴스 성분이 발생하는 것을 방지하기 위함이다.

예를 들어, 제1 도전성 패턴(P1)과 제2 도전성 패턴(P2) 사이의 이격 간격(DP)이 과도하게 가까운 경우, 제1 도전성 패턴(P1)과 제2 도전성 패턴(P2) 사이에 커패시턴스 성분이 발생하게 되어, 제1 도전성 패턴(P1)의 커패시턴스 값에 영향을 미칠 수 있다.

이와 같은 경우, 저항값, 커패시턴스 값 및 인덕턴스 값에 따라 결정되는 제1 도전성 패턴(P1)의 공진 주파수(Wo) 값에 영향을 미칠 수 있어, 신호의 송수신율이 저하될 수 있다. 따라서, 이를 방지하기 위해 제1 도전성 패턴(P1)과 제2 도전성 패턴(P2) 사이의 이격 간격(DP)을 상대적으로 넓게 할 수 있다.

구체적으로, 제1 도전성 패턴(P1)과 제2 도전성 패턴(P2) 사이의 이격 간격(DP)은 제1 도전성 패턴(P1)에서 각각의 루프 패턴 사이의 간격(DP1) 또는 제2 도전성 패턴(P2)에서 각각의 루프 패턴 사이의 간격(DP2)의 4 ~ 12배 사이일 수 있다.

예를 들면, 제1 도전성 패턴(P1)과 제2 도전성 패턴(P2) 사이의 이격 간격(DP)은 2mm ~ 6mm 사이일 수 있고, 바람직하게는 4mm로 형성될 수 있다. 그러나, 제1 도전성 패턴(P1)과 제2 도전성 패턴(P2) 사이의 이격 간격(DP)은 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

여기서, 제1 도전성 패턴(P1)에서 각각의 루프 패턴의 폭(WP1)은 제1 도전성 패턴(P1)에서 각각의 루프 패턴 사이의 간격(DP1)과 동일할 수 있다. 예를 들어, 제1 도전성 패턴(P1)에서 각각의 루프 패턴의 폭(WP1)이 0.5mm 인 경우, 제1 도전성 패턴(P1)에서 각각의 루프 패턴 사이의 간격(DP1)도 0.5mm일 수 있다.

그러나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 제1 도전성 패턴(P1)에서 각각의 루프 패턴의 폭(WP1)에 따라 제1 도전성 패턴(P1)의 커패시턴스 값이 달라질 수 있으므로, 제1 도전 성 패턴(P1)에 포함되는 복수의 루프 패턴 전체 길이에 따른 저항 값 및 인덕턴스 값에 따라 달라질 수 있다.

또한, 제2 도전성 패턴(P2)에서 각각의 루프 패턴의 폭(WP2)은 제2 도전성 패턴(P2)에서 각각의 루프 패턴 사이의 간격(DP2)과 동일할 수 있다. 예를 들어, 제2 도전성 패턴(P2)에서 각각의 루프 패턴의 폭(WP2)과 간격(DP2)은 0.5mm 일 수 있다.

따라서, 제1 도전성 패턴(P1)에서 각각의 루프 패턴의 폭(WP1)은 제2 도전성 패턴(P2)에서 각각의 루프 패턴의 폭(WP2)과 서로 동일할 수 있다.

아울러, 이와 같이, 베이스 기판(10), 제1 도전성 패턴(P1)과 제2 도전성 패턴(P2)을 포함하는 근거리 통신용 안테나(100)는 피쳐폰이나 스마트폰과 같은 이동통신 단말기의 배터리, 이동통신 단말기의 후면 케이스, 버스나 지하철의 교통카드 및 교통카드 단말기와 같은 근거리 통신 장치, RFID 송수신기, 이동통신 단말기에 내장되는 유심 칩(USIM-chip), USB와 같은 저장 매체 또는 전자 기기 중 적어도 하나에 부착되어 사용될 수 있다.

아울러, 본 발명에 따른 근거리 통신용 안테나(100)는 근거리 통신용 안테나(100)를 포함하는 시스템이 동작하는 3가지 모드 (구체적 일례로, Read/Write, Card emulation, Peer to Peer mode)의 경우에서 근거리 통신용 안테나(100)를 통해 근거리 무선통신을 가능하게 할 수 있다.

도 2는 도 1에 도시된 근거리 통신용 안테나의 동작 일례에 대해 설명하기 위한 도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 근거리 통신용 안테나(100)는 신호의 전송이나 수신에 의해 제1 도전성 패턴(P1)에 인가되는 전류가 생성될 수 있는데, 이때, 제2 도전성 패턴(P2)을 통하여 흐르는 전류(IP2)의 방향은 도 2에 도시된 바와 같이 제1 도전성 패턴(P1)을 통하여 흐르는 전류(IP1)의 방향과 반대일 수 있고, 제2 도전성 패턴(P2)을 통하여 흐르는 전류는 제1 도전성 패턴(P1)에 흐르는 전류(IP1)에 의해 유기되는 전류일 수 있다.

보다 구체적으로 설명하면, 외곽의 제1 도전성 패턴(P1)에 흐르는 전류(IP1)에 의해 제1 도전성 패턴(P1) 주변에는 자계(H: Magnetic Field)가 생성될 수 있고, 제1 도전성 패턴(P1) 주변의 자계에 의해 제1 도전성 패턴(P1)의 내부에 위치한 제2 도전성 패턴(P2)에 전류(IP2)가 흐를 수 있다. 이 때 제2 도전성 패턴(P2)에 흐르는 전류는 제1 도전성 패턴(P1)에 흐르는 전류(IP1)에 의해 생성되는 자계(H: Magnetic Field)에 대한 반작용 및 페러데이의 법칙에 의해 제1 도전성 패턴(P1)에 흐르는 전류(IP1)의 위상과 반대 위상의 전류가 생성될 수 있다.

따라서, 제2 도전성 패턴(P2)에서 생성되는 자계와 제1 도전성 패턴(P1)에서 생성되는 자계(H)가 서로 다른 전류의 위상으로 인해 상쇄됨으로써, 근접한 영역에서 자계의 크기(H)를 줄일 수 있고, 이로 인하여 두 개의 근거리 통신용 안테나(100)가 서로 근접하였을 때에 근거리 통신용 안테나(100)의 동작 주파수가 분리 및 이동되는 주파수 디튜닝(deturning) 현상을 억제할 수 있다.

여기서, 본 발명에 따른 근거리 통신용 안테나(100)에서, 제2 도전성 패턴(P2)으로 인하여 근거리 통신용 안테나(100)의 자계의 크기가 감소하는 것은 다음의 도 3에서 확인할 수 있다.

도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 근거리 통신 안테나의 자계의 크기와 제2 도전성 패턴이 없는 근거리 통신 안테나의 자계의 크기를 비교 설명하기 위한 도이다.

도 3의 (a)는 본 발명에 따른 근거리 통신용 안테나(100)에 의해 발생되는 자계의 단면 크기(H)를 측정한 사진이고, 도 3의 (b)는 비교예로서, 도 1에서 설명한 근거리 통신 안테나에서 제2 도전성 패턴(P2)이 생략된 근거리 통신용 안테나(200)에 의해 생성되는 자계의 단면 크기(H)를 측정한 사진이다.

도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 근거리 통신용 안테나(100)에 의해 발생되는 자계의 단면 크기(H)는, 도 3의 (b)와 비교하여, 제1 도전성 패턴(P1)이 위치하는 부분에서만 강하게 발생하고, 제2 도전성 패턴(P2)이 위치하는 부분에서는 급격하게 감소하여, 근거리 통신용 안테나(100)의 외곽 부분에서만 원형 형태로 강한 자계가 발생하고, 근거리 통신용 안테나(100)의 내부 영역에서는 자계가 매우 약하게 형성되는 것을 확인할 수 있다.

그러나, 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이, 비교예에서는 제2 도전성 패턴(P2)이 없어, 근거리 통신용 안테나(100)의 외곽 부분뿐만 아니라 내부 영역에서도 상대적으로 강한 자계가 형성되는 것을 확인할 수 있다.

또한, 도 4는 근거리 통신용 안테나의 중심점으로부터 전면 방향으로 수직한 거리에 따른 근거리 통신 안테나의 자계 크기를 설명하기 위한 도이다.

도 4의 (a)는 본 발명에 따른 근거리 통신용 안테나(100)의 자계 크기(H)를 거리에 따라 측정한 값이고, 도 4의 (b)는 비교예로서, 도 1에서 설명한 근거리 통신 안테나에서 제2 도전성 패턴(P2)이 생략된 근거리 통신용 안테나(200)에 의해 생성되는 자계의 크기(H)를 거리에 따라 측정한 값이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 근거리 통신용 안테나(100)는 제2 도전성 패턴(P2)으로 인하여, ISO/IEC 18092 규격에서 규정한 바와 같이, 근거리 통신용 안테나(100)의 중심점으로부터의 거리가 대략 40mm인 거리까지, 근거리 통신용 안테나(100) 자계의 크기(H)가 1.5 A/m < |H| < 7.5 A/m를 만족함을 확인할 수 있다.

그러나, 비교예의 경우, 제2 도전성 패턴(P2)이 없어, 근거리 통신용 안테나(200)의 중심점으로부터의 거리가 대략 20mm ~ 50mm인 거리까지는 ISO/IEC 18092 규격에서 규정한 바를 만족하지만, 거리가 대략 20mm이하인 경우에는 ISO/IEC 18092 규격을 만족하지 않음을 확인할 수 있다.

따라서, 비교예는 두 개의 근거리 통신용 안테나(200)가 20mm이하로 서로 매우 근접한 경우, 앞에서 설명한 바와 같이, 비교예는 주파수 디튜닝(deturning) 현상이 발생할 가능성이 많고, 이와 같은 경우, 근거리 통신용 안테나(200)가 송수신할 때에 에러 비트(error bit)를 발생되고, 이로 인하여 근거리 통신용 안테나(200)의 인식률 또는 전송률이 크게 저하되어, 근거리 통신용 안테나(200)가 정상적으로 동작하지 않을 수 있다.

그러나, 본 발명에 따른 근거리 통신용 안테나(100)는 근거리 통신용 안테나(100) 자계의 크기(H)가 ISO/IEC 18092 규격에서 규정한 크기인 1.5 A/m < |H| < 7.5 A/m를 만족함으로 주파수 디튜닝(deturning) 현상을 최대한 억제할 수 있다.

도 5는 본 발명에 따른 근거리 통신용 안테나에서 제2 도전성 패턴에 포함되는 복수의 루프 패턴의 회전 수(turn 수)에 따른 자계 변화를 설명하기 위한 도이다.

도 5에서, (a)는 제2 도전성 패턴(P2)에 포함되는 루프 패턴의 회전수가 하나인 경우, (b)는 제2 도전성 패턴(P2)에 포함되는 루프 패턴의 회전수가 두 개인 경우, (c)는 제2 도전성 패턴(P2)에 포함되는 루프 패턴의 회전수가 세 개인 경우, (d)는 제2 도전성 패턴(P2)에 포함되는 루프 패턴의 회전수가 네 개인 경우, 근거리 통신용 안테나(100)의 거리에 따른 자계 변화를 도시한 도이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 루프 패턴의 회전수가 하나에서 네 개로 증가하는 경우, 제1 도전성 패턴(P1)에서 생성되는 자계와 반대 방향으로 생성되는 제2 도전성 패턴(P2) 자계가 점진적으로 증가하여, 근거리 통신용 안테나(100)의 거리에 따른 자계가 점진적으로 감소하고, 자계의 감소량은 근거리 통신용 안테나(100)와의 거리가 가까울수록 증가하는 것을 확인할 수 있다.

이와 같은 근거리 통신용 안테나(100)의 자계 감소량은 근거리 통신용 안테나(100)와의 거리가 20mm 이하인 경우 더욱 커지는 것을 확인할 수 있다.

도 6 내지 도 8은 본 발명과 비교예에 따른 주파수 디튜닝(deturning) 현상의 차이를 설명하기 위한 도이다.

여기서, 도 6의 (a)는 비교예에 따른 두 개의 근거리 통신용 안테나(100)가 서로 근접하여 위치하는 경우이고, 도 7의 (a) 내지 (d)는 도 6의 (a)에 도시된 두 개의 근거리 통신용 안테나(200A, 200B) 사이의 거리(D1)에 따른 반사 손실(S11) 및 전력 전송률(S21)을 측정한 도이다.

아울러, 도 6의 (b)는 본 발명에 따른 두 개의 근거리 통신용 안테나(100)가 서로 근접하여 위치하는 경우이고, 도 8의 (a) 내지 (d)는 도 6의 (b)에 도시된 두 개의 근거리 통신용 안테나(100A, 100B) 사이의 거리(D2)에 따른 반사 손실(S11) 및 전력 전송률(S21)을 측정한 도이다.

또한, 도 7 및 도 8에서 S11(single)은 근거리 통신용 안테나(100)가 정상적으로 동작할 때의 반사 손실(S11)을 의미하고, 공진 주파수(Wo)에서 최소가 되는 것을 확인할 수 있다. 아울러, S11은 두 개의 근거리 통신용 안테나(100)가 서로 인접하였을 때의 반사 손실(return loss)을 의미하고, S21은 두 개의 근거리 통신용 안테나(100) 사이의 전력 전송률(S21)을 의미한다. 여기서, 공진 주파수(Wo)는 13.56MHz인 경우를 일례로 한다.

전술한 주파수 디튜닝(deturning) 현상은 서로 동일한 패턴을 가지는 두 개의 근거리 통신용 안테나가 서로 근접하였을 때에 가장 크게 발생할 수 있다.

따라서, 도 6의 (a) 및 (b)에서는 각각의 서로 인접한 근거리 통신용 안테나(100)가 서로 동일한 패턴을 가지는 경우를 일례로 들었다.

먼저, 도 6의 (a)에 도시된 바와 같이, 제2 도전성 패턴(P2)이 없는 두 개의 근거리(D1) 통신용 안테나(200A, 200B)가 서로 근접하여 위치하는 경우, 도 7에 도시된 바와 같이, 두 개의 근거리(D1) 통신용 안테나(200A, 200B) 사이의 거리(D1)가 가까워짐에 따라, 최소 반사 손실(S11) 주파수가 공진 주파수(Wo)로부터 멀어지는 방향으로 분리되면서, 공진 주파수(Wo)에서의 반사 손실(S11)이 크게 저하되고, 최대 전력 전송률(S21)도 공진 주파수(Wo)로부터 멀어지는 방향으로 분리되면서 공진 주파수(Wo)에서의 전력 전송률(S21)이 크게 저하되면서, 근거리(D1) 통신용 안테나(200A, 200B)의 동작 주파수가 분리 및 이동되는 주파수 디튜닝(deturning) 현상이 매우 커짐을 확인할 수 있다.

보다 구체적으로 설명하면, 도 7에서 비교예에 따른 두 개의 안테나(200A, 200B) 사이의 거리(D1)는 (a)는 10mm, (b)는 20mm, (c)는 30mm, (d)는 40mm인 경우이다.

여기서, 비교예에 따른 두 개의 안테나(200A, 200B) 사이의 거리(D1)가 40mm인 경우에는 도 7의 (d)에 도시된 바와 같이, 공진 주파수(Wo)에서 반사 손실(S11)이 가장 작고, 전력 전송률(S21)이 가장 높은 것을 확인할 수 있다.

그러나, 비교예에 따른 두 개의 안테나(200A, 200B) 사이의 거리(D1)가 40mm ==> 30mm ==> 20mm ==> 10mm 로 감소하는 경우에는 도 7의 (a) 내지 (d)에 도시된 바와 같이, 공진 주파수(Wo)에서의 반사 손실(S11)을 상당히 커지고, 반사 손실(S11)이 최소인 주파수는 오히려 공진 주파수(Wo)로부터 멀어지고 분리되는 것을 확인할 수 있고, 전력 전송률(S21)이 최대인 주파수도 공진 주파수(Wo)로부터 멀어지고 분리되면서, 공진 주파수(Wo)에서의 전력 전송률(S21)이 크게 저하되는 것을 확인할 수 있다.

따라서, 비교예에 따른 두 개의 안테나(200A, 200B) 사이의 거리(D1)가 10mm인 경우에는 반사 손실(S11)이 최소이고, 전력 전송률(S21)이 최대인 두 주파수 사이의 폭(DF1)이 12.3MHz와 16.3MHz사이의 차이인 4MHz로 매우 넓은 것을 확인할 수 있고, 전력 전송률(S21)의 최대 최소값의 차이(DM1)도 대략 8dB로 매우 큰 것을 확인할 수 있다. 이에 따라, 공진 주파수(Wo)에서의 전력 전송률(S21)은 매우 낮고, 반사 손실(S11)은 매우 높아 근거리(D1) 통신용 안테나(200A, 200B)가 정상적으로 동작하기 매우 어려운 상태임을 확인할 수 있다.

이로 인하여, 비교예에 따른 두 개의 안테나(200A, 200B) 사이의 거리(D1)가 가까워짐에 따라, 근거리(D1) 통신용 안테나(200A, 200B)의 동작 주파수가 분리 및 이동되는 주파수 디튜닝(deturning) 현상이 매우 커짐을 확인할 수 있다.

그러나, 도 6의 (b)에 도시된 바와 같이 본 발명에 따라 제2 도전성 패턴(P2)이 있는 두 개의 근거리 통신용 안테나(100A, 100B)가 서로 근접하여 위치하는 경우, 도 8에 도시된 바와 같이, 두 개의 근거리 통신용 안테나(100A, 100B) 사이의 거리(D2)가 가까워짐에 따라, 최소 반사 손실(S11) 주파수가 공진 주파수(Wo)로부터 멀어지는 방향으로 분리되지만 그 폭(DF2)이 크지 않고, 공진 주파수(Wo)에서의 반사 손실(S11) 저하량이 크지 않은 것을 확인할 수 있다.

아울러, 최대 전력 전송률(S21)도 공진 주파수(Wo)로부터 멀어지는 방향으로 분리되지만, 주파수 분리 폭(DF2)이 크지 않고, 공진 주파수(Wo)에서의 전력 전송률(S21)이 저하되지만, 저하폭(DM2)이 크지 않을 것을 확인할 수 있다.

따라서, 근거리 통신용 안테나(100A, 100B)의 동작 주파수가 분리 및 이동되는 주파수 디튜닝(deturning) 현상이 크게 억제되는 것을 확인할 수 있다.

보다 구체적으로 설명하면, 도 8에서 본 발명에 따른 두 개의 안테나 사이의 거리(D2)는 (a)는 10mm, (b)는 20mm, (c)는 30mm, (d)는 40mm인 경우이다.

여기서, 본 발명에 따른 두 개의 안테나(100A, 100B) 사이의 거리(D2)가 40mm인 경우에는 도 8의 (d)에 도시된 바와 같이, 공진 주파수(Wo)에서 반사 손실(S11)이 가장 작고, 전력 전송률(S21)이 가장 높은 것을 확인할 수 있다.

아울러, 본 발명에 따른 두 개의 안테나(100A, 100B) 사이의 거리(D2)가 40mm ==> 30mm ==> 20mm ==> 10mm 로 감소하는 경우에는 도 8의 (a) 내지 (d)에 도시된 바와 같이, 공진 주파수(Wo)에서의 반사 손실(S11) 증가량이 상대적으로 작고, 반사 손실(S11)이 최소인 주파수도 오히려 공진 주파수(Wo)로부터 멀어지고 분리되지만 그 주파수 이격 폭(DF2)이 상대적으로 작은 것을 확인할 수 있다.

아울러, 전력 전송률(S21)이 최대인 주파수도 공진 주파수(Wo)로부터 멀어지고 분리되지만, 주파수 이격 폭(DF2)이 상대적으로 작고, 공진 주파수(Wo)에서의 전력 전송률(S21) 저하폭(DM2)도 상대적으로 억제되는 것을 확인할 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 두 개의 안테나 사이의 거리(D2)가 10mm인 경우에는 반사 손실(S11)이 최소이고, 전력 전송률(S21)이 최대인 두 주파수 사이의 폭(DF2)이 13MHz와 14.7MHz사이의 차이인 1.7MHz로 도 7의 (a)에서 나타난 주파수 이격 폭(DF1)의 절반 이하로 매우 좁은 것을 확인할 수 있고, 전력 전송률(S21)의 최대 최소값의 차이(DM2)도 대략 2.5dB 이하로 매우 작은 것을 확인할 수 있다.

이에 따라, 본 발명에 따른 두 개의 안테나(100A, 100B) 사이의 거리(D2)가 10mm인 경우에는 공진 주파수(Wo)에서의 전력 전송률(S21)은 상대적으로 매우 높고, 반사 손실(S11)은 상대적으로 매우 낮아 근거리 통신용 안테나(100A, 100B)가 정상적으로 동작할 수 있음을 확인할 수 있다.

이로 인하여, 본 발명에 따른 두 개의 안테나 사이의 거리(D2)가 10mm인 경우에는 따른 두 개의 안테나 사이의 거리(D2)가 가까워짐에 따라, 근거리 통신용 안테나(100A, 100B)의 동작 주파수가 분리 및 이동되는 주파수 디튜닝(deturning) 현상이 크게 억제됨을 확인할 수 있다.

도 9는 본 발명과 비교예에 따른 전력 전송률의 차이를 설명하기 위한 도이다.

도 9의 (a)는 본 발명의 근거리 통신용 안테나(100A, 100B)의 거리(D1)에 따른 전력 전송률(S21)을 측정한 그래프이고, 도 9의 (b)는 비교예의 근거리 통신용 안테나(200A, 200B)의 거리(D2)에 따른 전력 전송률(S21)을 측정한 그래프이다.

도 9에 도시된 바와 같이, 비교예의 경우, 근거리 통신용 안테나(200A, 200B)와 거리(D2)가 15mm 이상 50mm 이하인 경우, 대략 -5dB ~ -12dB 사이로 적정한 수준의 전력 전송률(S21)이 유지되는 것을 확인할 수 있지만, 근거리 통신용 안테나(200A, 200B)와 거리(D2)가 15mm 이하인 경우에는 전력 전송률(S21)이 크게 저하되는 것을 확인할 수 있다.

그러나, 본 발명의 경우, 근거리 통신용 안테나(100A, 100B)와 거리(D1)가 15mm 이상 50mm 이하인 경우뿐만 아니라 15mm 이하인 경우에도, 대략 -5dB ~ -12dB 사이로 적정한 수준의 전력 전송률(S21)이 유지되는 것을 확인할 수 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims

베이스 기판;
상기 베이스 기판의 일면에 루프 패턴으로 배치되며, 상기 루프 패턴의 양끝단이 안테나 급전부에 연결되는 제1 도전성 패턴; 및
상기 베이스 기판의 일면에 상기 제1 도전성 패턴에 의해 둘러싸여 상기 제1 도전성 패턴과 나란하게 이격되어 배치되며, 루프 패턴으로 형성되는 제2 도전성 패턴;을 포함하는 근거리 통신용(NFC) 안테나.
제1 항에 있어서,
상기 제2 도전성 패턴을 통하여 흐르는 전류의 방향은 상기 제1 도전성 패턴을 통하여 흐르는 전류의 방향과 반대인 근거리 통신용 안테나.
제2 항에 있어서,
상기 제2 도전성 패턴을 통하여 흐르는 전류는 상기 제1 도전성 패턴에 흐르는 전류에 의해 유기되는 전류인 근거리 통신용 안테나.
제1 항에 있어서,
상기 제1 도전성 패턴에 포함되는 루프 패턴의 회전수는 복수 개이고, 상기 제1 도전성 패턴에 포함되는 복수 개의 루프 패턴은 서로 연결되어 있고,
상기 제2 도전성 패턴에 포함되는 루프 패턴의 회전수는 복수 개이고, 상기 제2 도전성 패턴에 포함되는 복수 개의 루프 패턴은 서로 연결되지 않고 이격되어 있는 근거리 통신용 안테나.
제4 항에 있어서,
상기 제2 도전성 패턴의 회전수는 2회 내지 6회 사이인 근거리 통신용 안테나.
제4 항에 있어서,
상기 제1 도전성 패턴과 상기 제2 도전성 패턴 사이의 이격 간격은
상기 제1 도전성 패턴에서 각각의 루프 패턴 사이의 간격이나 상기 제2 도전성 패턴에서 각각의 루프 패턴 사이의 간격보다 넓은 근거리 통신용 안테나.
제6 항에 있어서,
상기 제1 도전성 패턴에서 각각의 루프 패턴의 폭은 상기 제1 도전성 패턴에서 각각의 루프 패턴 사이의 간격과 동일한 근거리 통신용 안테나.
제6 항에 있어서,
상기 제2 도전성 패턴에서 각각의 루프 패턴의 폭은 상기 제2 도전성 패턴에서 각각의 루프 패턴 사이의 간격과 동일한 근거리 통신용 안테나.
제6 항에 있어서,
상기 제1 도전성 패턴에서 각각의 루프 패턴의 폭은 상기 제2 도전성 패턴에서 각각의 루프 패턴의 폭과 서로 동일한 근거리 통신용 안테나.
제1 항에 있어서,
상기 제1 항 내지 상기 제9 항 중 어느 하나의 항에 따른 근거리 통신용 안테나를 포함하는 근거리 통신 장치.
제1 항에 있어서,
상기 제1 항 내지 상기 제9 항 중 어느 하나의 항에 따른 근거리 통신용 안테나를 포함하는 이동통신 단말기.