KR20160017750A - 이동통신단말 접지를 이용한 mimo 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이동통신단말 접지를 이용한 MIMO 안테나에 관한 것으로서, 그라운드에 둘러싸인 PIFA(Planar Inverted F Antenna)와, 그라운드에 둘러싸이지 않은 IFA(Inverted F Antenna)를 포함하며, 급전이 이루어지는 상기 PIFA에 상기 IFA를 커플링 급전을 통해 하이브리드(Hybrid)시키는 메인 안테나를 대향 배치시키는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, PIFA 구조의 면 방사로 인해 PIFA가 형성된 기판의 후면이 그라운드임에도 불구하고 양호한 이득과 효율을 얻을 수 있으며, PIFA로부터 커플링 급전이 이루어지는 IFA 구조를 더함으로써 낮은 주파수 대역을 만족하고, 2중 이상의 다중 공진을 얻을 수 있으므로 더 넓은 대역폭을 확보할 수 있다.

Description

이동통신단말 접지를 이용한 MIMO 안테나{MIMO ANTENNA USING MOBILE PHONE GROUND}

본 발명은 안테나에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 PIFA 구조와 IFA 구조를 커플링 급전을 통해 하이브리드(Hybrid)시켜 대역폭, 이득 및 효율 등의 특성을 향상시키는 이동통신단말 접지를 이용한 MIMO 안테나에 관한 것이다.

현재 우리나라의 이동통신단말(스마트폰) 개발 기술은 세계 최고 수준에 도달해 있다. 이렇게 우리나라가 이동통신단말 개발에 있어 두각을 나타내기 시작한 것은 세계 이동통신단말 시장이 스마트폰의 대중화가 이루어지면서 부터이다. 이러한 이동통신단말은 기존 음성통신 뿐만 아니라 데이터통신을 서비스 받을 수 있는 장점이 있다. 즉, 사용자가 원하는 다양한 어플 등을 제공받아 사용할 수 있을 뿐만 아니라 무선 인터넷도 자유롭게 사용할 수 있다. 이 때, 데이터의 안정적인 송수신에는 안테나가 중요한 역할을 하게 된다.

안테나의 종류로는 PIFA(Planar Inverted F Antenna), IFA(Inverted F Antenna), 접힌 모노폴(Folded Monopole), 다이폴(Dipole), 루프(Loop), 슬롯(Slot) 및 유전체 칩(Chip) 안테나 등이 있다. PIFA는 성능이 좋아 많이 사용되었으나, 부피가 큰 단점으로 내장형 안테나로 사용하기엔 어려움이 있다. 그리고, 이동통신단말과 같이 협소한 공간에 안테나가 형성되는 경우에는, 안테나가 작아짐으로 인해 방사효율이 떨어지고 안테나 상의 전류 형성이 어려운 문제점이 있다. 이 문제점을 해결하기 위해 협소한 공간에는 IFA가 적용되고 있다. 한편, 이동통신단말에 이용되는 안테나로서, 다이폴 및 루프 안테나는 이득이 떨어지는 단점이 있으며, 유전체 칩 안테나는 대역특성이 좁고 인체에 대한 변화가 심하여 사용상 난점을 지니고 있다.

이러한 이유들로 대부분의 이동통신단말 안테나는 IFA구조를 채택하고 있으나, 이동통신단말에 IFA가 적용되는 것은 실질적으로 좋지 못하다. 넓은 액정화면과 키패드로 인하여 안테나가 형성된 기판의 후면이 그라운드 처리되는 점이 그 이유이다. 최근의 이동통신단말들은 사용자의 편의를 위해서 디스플레이 화면이 점점 커지는 디자인을 보이고 있다. 하지만, 디스플레이 화면이 커짐으로 인해 이동통신단말의 성능은 점차 나빠지고 있는 것이 사실이다. 디스플레이는 접지 역할을 하게 되고 이동통신단말에 내장된 안테나는 자연스럽게 접지에 둘러싸인 형태가 된다. 이렇게 접지에 둘러싸인 형태는 IFA 구조에 매우 좋지 않은 영향을 미치게 된다. 즉, 접지에 의해 안테나의 효율이 나빠지고, 이동통신단말 세트의 성능은 더 나빠지게 된다.

한편, 데이터통신은 기존의 음성통신과는 달리, 다이버시티(Diversity)에 의한 데이터 손실을 줄여야 한다. 이는 음성통신에서는 데이터가 빠지거나, 오류가 발생하여도 통화내용에 지장을 주지 않을 수 있지만, 데이터통신에서는 에러를 발생시키는 문제가 있다. 따라서 이러한 문제점을 해결하고자 송신기와 수신기에서 안테나를 1개씩 사용하는 기존 방식 SISO(Single Input Single Output)를 사용하지 않는다. 즉, 2개 이상의 안테나를 설치하여 신호를 전송하는 기술인 MIMO(Multiple Input Multiple Output)로 다이버시티를 극복하고 있다. MIMO 안테나는 이동통신단말 상단 및 하단에 각각의 안테나를 두는 방식이 대부분이다. 이러한 방식은 좁은 대역의 1 ~ 2개 채널만 MIMO에 적용하는 경우에 유리하다. 그러나 5 ~ 6중 대역의 광대역특성을 가져야 하는 시스템의 경우에는, 이동통신단말 적용공간이 좁기 때문에 적용하기가 실질적으로 불가하다는 문제점이 있다.

대한민국 등록특허공보 제10-1148366호(공고일 2012.05.21.)

따라서, 본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은 접지의 영향을 고려하여 PIFA 구조와 IFA 구조를 설계하고, PIFA와 IFA를 커플링 급전을 통해 하이브리드(Hybrid)시킴으로써 대역폭, 이득 및 효율 등의 특성을 향상시킬 수 있도록 하는 이동통신단말 접지를 이용한 MIMO 안테나를 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 이동통신단말 접지를 이용한 MIMO 안테나는, 그라운드에 둘러싸인 PIFA(Planar Inverted F Antenna)와, 그라운드에 둘러싸이지 않은 IFA(Inverted F Antenna)를 포함하며, 급전이 이루어지는 상기 PIFA에 상기 IFA를 커플링 급전을 통해 하이브리드(Hybrid)시키는 메인 안테나를 대향 배치시키는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 이동통신단말 접지를 이용한 MIMO 안테나는, PIFA(Planar Inverted F Antenna)와, 상기 PIFA와 커플링 급전을 통해 하이브리드(Hybrid)시키는 IFA(Inverted F Antenna)를 포함하는 제1 메인 안테나; 상기 제1 메인 안테나에 대향 위치되는 제2 메인 안테나; 상기 제1 메인 안테나와 상기 제2 메인 안테나 각각으로 급전이 이루어지는 급전라인; 상기 PIFA, 상기 IFA 및 상기 급전라인을 제외한 영역에 형성된 전면 그라운드; 및 IFA가 접지되는 후면 그라운드를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이 때, 상기 후면 그라운드는 상기 IFA의 면에 대해 수직한 연장선상에서 제외된 영역에 형성된다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 이동통신단말 접지를 이용한 MIMO 안테나에 따르면, PIFA 구조의 면 방사로 인해 PIFA가 형성된 기판의 후면이 그라운드임에도 불구하고 양호한 이득과 효율을 얻을 수 있다.

또한 본 발명에 따르면, PIFA로부터 커플링 급전이 이루어지는 IFA 구조를 더함으로써 낮은 주파수 대역을 만족하고, 2중 이상의 다중 공진을 얻을 수 있으므로 더 넓은 대역폭을 확보할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 이동통신단말 접지를 이용한 MIMO 안테나의 구조이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 이동통신단말 접지를 이용한 MIMO 안테나의 전면 구조이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 이동통신단말 접지를 이용한 MIMO 안테나의 후면 구조이다.
도 4는 본 발명의 이동통신단말 접지를 이용한 MIMO 안테나에 대해 망 분석기(Network Analyzer)로 측정한 특성 그래프이다.
도 5는 본 발명의 이동통신단말 접지를 이용한 MIMO 안테나의 동작 시 망 분석기(Network Analyzer)로 측정한 특성 그래프이다.
도 6은 본 발명의 이동통신단말 접지를 이용한 MIMO 안테나의 상부 확대도 사진이다.
도 7은 본 발명의 이동통신단말 접지를 이용한 MIMO 안테나의 전면 구성도 사진이다.
도 8은 본 발명의 이동통신단말 접지를 이용한 MIMO 안테나의 후면 구성도 사진이다.

본 발명은 이동통신단말에서의 향후 4G 이동통신시스템 이상에서 필히 대두될 MIMO 안테나에 관한 것이다. 즉, 본 발명은 MIMO 안테나 중 특히 5 ~ 6중 대역 이상의 광대역 안테나이면서, 2개를 초과하는 안테나가 상단 및 하단을 포함한 곳곳에 존재하는 것이 아니라, 일례로 상단과 하단에 동일한 2개의 메인 안테나를 함께 위치시키고, 2개의 메인 안테나가 동시에 동작되도록 하는 안테나에 관한 것이다. 앞으로의 이동통신단말 안테나는 데이터통신에 사용될 주파수 대역들이 늘어남에 따라 단순히 여러 개의 MIMO 안테나로는 모든 대역들을 확보하기 어렵게 될 것이 분명하다. 이에 본 발명에서는 하나의 메인 안테나로 모든 대역을 확보하고 동일한 메인 안테나를 MIMO로 구현할 수 있는 모든 대역(All Band) MIMO 안테나를 제시한다. 즉, 본 발명에서는 모든 대역을 확보하는 메인 안테나를 상하로 위치시켜 MIMO 구조로 설계함으로써 이득과 효율을 더욱 향상시키는 안테나 구조를 제시한다. 구체적으로, 이동통신단말의 특성상 점점 넓어지는 디스플레이 화면에 의해 접지에 둘러싸이는 형태로 인해 기존 IFA만으로의 설계 시 안테나 성능이 저조하므로, 이를 해결하기 위해 접지에 영향을 받지 않는 PIFA 구조와 IFA 구조를 커플링 급전을 통해 하이브리드(Hybrid)시켜 대역폭, 이득 및 효율 등 특성이 향상되는 MIMO 안테나를 제시한다.

이하, 본 발명의 이동통신단말 접지를 이용한 MIMO 안테나에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 이동통신단말 접지를 이용한 MIMO 안테나의 구조이다.

도 1의 (a)는 전면 구조이고, 도 1의 (b)는 후면 구조이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 이동통신단말 접지를 이용한 MIMO 안테나는, PIFA와, PIFA와 커플링 급전을 통해 하이브리드(Hybrid)시키는 IFA를 포함하는 제1 메인 안테나(1)와, 제1 메인 안테나(1)에 대향 위치되는 제2 메인 안테나(2)와, 제1 메인 안테나(1)와 제2 메인 안테나(2) 각각으로 급전이 이루어지는 급전라인(3, 4)과, PIFA, IFA 및 급전라인(3, 4)을 제외한 영역에 형성된 전면 그라운드(5, 6)와, IFA가 접지되는 후면 그라운드(7)를 포함한다.

이 때, IFA는 최외곽에 형성되는 것이 바람직하며, IFA와 접지되는 후면 그라운드(7)는 IFA를 둘러싸이지 않도록 형성된다. 즉, 도 1에 도시된 바와 같이, IFA와 후면 그라운드(7)는 면대향 위치에 존재하지 않도록 형성된다.

여기서, 대향 위치는 일면 상에서의 상하 또는 좌우를 의미하며, 면대향 위치는 면에 대해 수직한 연장선상의 임의 위치를 의미한다. 이 때, 대향 위치를 결정함에 있어, 기판의 장축상에 형성되는 것이 바람직하다.

한편, 전면 그라운드(5, 6)에는 PIFA 및 급전단자(8)가 접지된다. 그리고, 전면에 형성된 IFA와 후면에 형성된 IFA는 측면을 통해 서로 연결된다.

이와 같이 구성된 이동통신단말 접지를 이용한 MIMO 안테나는, PIFA와 IFA가 커플링 급전을 통한 하이브리드(Hybrid) 구조를 하게 된다. 상기한 바와 같이, 최근 이동통신단말들의 디스플레이가 커지는 경향이 있으므로 이동통신단말의 거의 모든 공간은 접지로 둘러싸인 형태를 하게 된다. 마찬가지로, 본 발명에 의한 이동통신단말 접지를 이용한 MIMO 안테나 역시, 도 1에 도시된 바와 같이, 상하의 안테나 영역(PIFA 및 IFA)를 제외하고는 모두 그라운드로 둘러싸여 있다. 한편, 그라운드가 형성된 후면에 면대향하는 위치에 기존의 IFA 구조를 형성시킬 경우에는 안테나의 이득 및 특성 효율이 현저히 감소하게 되고, 또한 그라운드가 형성된 후면에 PIFA 구조를 형성시킬 경우에는 낮은 주파수 대역을 만족시키기 어렵고 대역폭도 좁은 특성이 나타나게 된다. 이에 후면 그라운드(7)는 PIFA와 대향하는 위치에 형성될 수 있으나, IFA와 면대향하는 위치에는 형성되지 않아야 한다. 즉, 후면 그라운드(7)는 IFA를 둘러싸지 않도록 형성되어야 한다. 이에 PIFA가 그라운드에 영향을 받지 않으므로 높은 이득과 효율을 얻을 수 있을 뿐 아니라, 기판 후면이 그라운드가 아닌 부분에 IFA 구조를 사용하지 않으므로 낮은 주파수 대역을 만족시키고, 더 넓은 대역폭을 확보할 수 있다. 또한, PIFA와 IFA의 하이브리드 구조에서는 대역폭을 더욱 넓히기 위해 커플링 급전을 사용한다. 이 때 중요한 점은 PIFA에서 전계가 가장 강한 부분에서 IFA로 커플링 급전을 통해 하이브리드시켜야 한다는 점이다. 그리고, 동일한 2개의 메인 안테나를 상하로 MIMO 구조로 설계함으로써 이득과 효율을 더욱 향상시키고 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 이동통신단말 접지를 이용한 MIMO 안테나의 전면 구조이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 이동통신단말 접지를 이용한 MIMO 안테나의 후면 구조이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, PIFA는, 급전라인(3, 4)으로부터 급전이 이루어지는 급전단과, PIFA의 전계가 가장 강한 PIFA 커플링 급전단과, PIFA의 급전단 근처에서 접지가 이루어지는 PIFA 접지단을 포함한다.

또한, IFA는, PIFA 커플링 파트를 통해 커플링 급전이 이루어지는 IFA 커플링 급전단과, 후면 그라운드(7)에 접지가 이루어지는 IFA 접지단을 포함한다.

이와 같이 구성된 PIFA 및 IFA는, 커플링 급전단을 통해 급전이 이루어지며, PIFA의 전계가 가장 강한 PIFA 커플링 급전단에서 IFA 커플링 급전단으로 커플링 급전을 통해 하이브리드시킨다. 한편, PIFA는 PIFA 접지단을 통해 방전이 이루어지며, IFA는 IFA 접지단을 통해 방전이 이루어진다.

이와 같이, 본 발명의 이동통신단말 접지를 이용한 MIMO 안테나에 따르면, 후면 그라운드(7)와 대향하는 PIFA와 후면 그라운드(7)와 대향하지 않는 IFA가 동시에 동작하므로 각 안테나의 장점을 동시에 갖게 된다. 이동통신단말의 좁은 공간에서 후면 그라운드(7)의 영향을 받지 않는 특성의 PIFA와 넓은 대역폭을 갖는 IFA를 커플링 급전시키는 구조를 통해 넓은 대역폭을 갖도록 유도하고, 접지에 둘러싸인 형태의 구조에서 더 좋은 성능을 갖도록 할 수 있다. 결국, PIFA와 IFA의 커플링 급전을 통한 하이브리드 구조를 통해 넓은 대역폭과 높은 효율을 얻을 수 있으며, 또한 동일한 메인 안테나 2개를 상하 또는 좌우로 위치시킨 MIMO 구조를 통해 이득과 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.

도 4는 본 발명의 이동통신단말 접지를 이용한 MIMO 안테나에 대해 망 분석기(Network Analyzer)로 측정한 특성 그래프이고, 도 5는 본 발명의 이동통신단말 접지를 이용한 MIMO 안테나의 동작 시 망 분석기(Network Analyzer)로 측정한 특성 그래프이다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 반사손실, 전압정재파비(VSWR), 효율, 이득의 값은, 안테나의 반사손실, 전압정재파비(VSWR), 효율, 이득의 값과 유사함을 확인할 수 있다.

본 발명의 이동통신단말 접지를 이용한 MIMO 안테나에 대해 무반사실에서 측정한 방사특성은 다음 표와 같다.

주파수[GHz]	Eff[%]	Avg[dBi]
0.824	22.6	-6.44
0.849	24.4	-6.12
0.869	28.4	-5.46
0.880	35.4	-4.51
0.894	40.9	-3.88
0.910	45.6	-3.41
0.930	47.3	-3.25
0.960	42.2	-3.75
1.710	20.9	-6.80
1.770	13.2	-8.87
1.820	13.0	-9.00
1.850	14.4	-8.41
1.880	20.2	-6.94
1.910	23.0	-6.39
1.930	24.4	-6.12
1.990	30.0	-5.27
2.170	17.3	-7.63

[표 1]에서와 같이, 모든 대역에서 대체적으로 양호한 효율을 보이고 있음을 알 수 있다.

구체적으로, PIFA에 IFA를 커플링 급전을 통해 하이브리드시킴으로써 CDMA, GSM 및 LTE 대역뿐만 아니라 약 800 MHz에서 약 2.2 GHz까지 약 1,400MHz의 대역폭을 가진다. 이는, 본 발명의 안테나가 2G, 3G 이동통신 서비스는 물론 4G 이동통신 서비스까지도 사용 가능한, 광대역 특성을 가진 안테나임을 의미한다. 안테나의 효율은, 720MHz ~ 1400MHz의 전체 대역에서 20 ~ 40% 정도의 범위에 있으므로, 통상적으로 사용되는 IFA의 효율과 유사함을 알 수 있다. 그리고, 이득(평균이득)은 800 MHz ~ 2.2 GHz의 전체 대역에서 -3 ~ -9의 범위에 있으므로 양호한 이득을 가진다.

도 6 내지 도 8은 본 발명의 이동통신단말 접지를 이용한 MIMO 안테나의 상부 확대도, 전면 구성도 및 후면 구성도 사진이다.

이상에서 몇 가지 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시예로 국한되는 것이 아니고 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형실시될 수 있다.

1, 2 : 메인 안테나
3, 4 : 급전 라인
5, 6 : 전면 그라운드
7 : 후면 그라운드
8 : 급전단자

Claims (3)

1. 그라운드에 둘러싸인 PIFA(Planar Inverted F Antenna)와, 그라운드에 둘러싸이지 않은 IFA(Inverted F Antenna)를 포함하며, 급전이 이루어지는 상기 PIFA에 상기 IFA를 커플링 급전을 통해 하이브리드(Hybrid)시키는 메인 안테나를 대향 배치시키는 이동통신단말 접지를 이용한 MIMO 안테나
   
2. PIFA(Planar Inverted F Antenna)와, 상기 PIFA와 커플링 급전을 통해 하이브리드(Hybrid)시키는 IFA(Inverted F Antenna)를 포함하는 제1 메인 안테나;
   상기 제1 메인 안테나에 대향 위치되는 제2 메인 안테나;
   상기 제1 메인 안테나와 상기 제2 메인 안테나 각각으로 급전이 이루어지는 급전라인;
   상기 PIFA, 상기 IFA 및 상기 급전라인을 제외한 영역에 형성된 전면 그라운드; 및
   IFA가 접지되는 후면 그라운드를 포함하는 이동통신단말 접지를 이용한 MIMO 안테나.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 후면 그라운드는 상기 IFA의 면에 대해 수직한 연장선상에서 제외된 영역에 형성되는 이동통신단말 접지를 이용한 MIMO 안테나.

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