KR20180064558A - Hf 동작 및 lf 동작용 안테나 장치 - Google Patents

Hf 동작 및 lf 동작용 안테나 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 안테나 장치에 관한 것으로, 이는 자기 코어(2), 상기 자기 코어(2)의 둘레에 권취되는 세개의 권선(31, 32, 33), 및 상기 권선(31, 32, 33)으로 권취되는 자기 코어(2)가 배치되는 전기 절연 베이스(1)를 포함한다. 상기 절연 베이스(1)는 상기 권선(31, 32, 33)에 전기적으로 연결되는 금속성 탭들(121...128)을 포함하고, 상기 베이스(1)는 SMT 장착을 위한 레이아웃을 제공하고 금속성 탭들(121...128)에 연결되는 전기 전도성 플레이트들(131...138)을 가진 바닥면을 가진다. 상기 안테나는 상부면(4U) 및 측면(4S)을 구비한 전기 절연 캡(4)을 포함하며, 상기 상부면(4U)은 HF 안테나로 작용하는 금속화된 표면 고주파 코일(42)을 포함하고 상기 측면(4S)에는 상기 코일(42)의 2개의 단부들(411, 412)이 전기 절연 베이스(1)의 금속성 탭들(121...128)에 연결되도록 배치된다.

Description

HF 동작 및 LF 동작용 안테나 장치
본 발명은 일반적으로 유도 안테나 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 저주파수(LF) 동작(20 내지 150 KHz의 캐리어 주파수)뿐만 아니라 HF 통신(3 내지 30 MHz의 캐리어 주파수)을 위한 다목적 유도 안테나 장치에 관한 것이다.
근래에 있어서 특히 자동차 산업을 위한 PKE(Passive Keyless Entry) 시스템 분야에서는 여러 장치가 동일한 패키지에 저주파수(20 kHz - 150 kHz) 안테나를 포함해야 할 필요가 있으며(몇몇 경우들에 있어서는, 하나의 단일 자기 코어를 통해 또는 3개의 개별 코어를 통해 직교적으로 배치되는 3개의 안테나 또는 3 차원 안테나), 이들 장치가 HF 기능(바람직하게는 13.56 MHz에서의 근거리 무선 통신(NFC) 기능)도 또한 포함해야 할 필요가 있다.
미국 특허 US-B2-8907760에는 3 차원 저주파(3D-LF) 안테나 및 HF 안테나가 사용되는 원격 액세스 시스템이 개시되어 있다. 3D-LF 안테나는 3 차원 공간에 대한 카테시안 좌표계를 정의하는 X, Y 및 Z 축에 따라 각각 배향된 3개의 코일을 포함하는 한편, HF 안테나는 3D-LF 안테나와 동일한 안테나 패키지에서, LF 코일들의 축 중 하나를 따라 배향되어 있다. 이 특허에서는, 예를 들어 충분히 분리되어 있는, LF 코일들의 외측 둘레에 HF 안테나를 권취하거나, 또는 LF 코일(특히 Z 축에 평행하게 위치된 LF 코일)의 아래에 및/또는 위에 배치함으로써, HF 안테나가 LF 코일들 중의 하나에 가까이 연결된다. 3D-LF 안테나는 3KHz 내지 300KHz의 LF 신호와 관련하여 사용되도록 구성되며, HF 안테나는 3MHz 내지 30MHz의 HF 신호와 관련하여 사용되도록 구성된다.
JP 2015080147 A에는 자기 코어 둘레에 권취된 단일 코일 안테나 및 절연 기판 상에 배치된 제 2 평면 코일 안테나를 포함하는 키리스 엔트리 시스템용 듀얼 밴드 안테나 장치가 개시되어 있으며, 여기서는 제 2 평면 코일 안테나가 제 1 코일 안테나 위에 배치되고, 제 1 단일 코일 안테나와 제 2 코일 안테나가 강자성 재료 시트(ferromagnetic material sheet)에 의해 서로 분리되어 있다. 이 특허는 웨이크업(Wake up) 또는 RFID용 안테나 LF로 PKES의 키 제어를 하는 RF 안테나(원격 개폐용 310 MHZ)를 포함한다. 이 일본 특허 출원의 듀얼 밴드 안테나 장치가 LF 및 HF 안테나로서 작동할 수는 있지만, 본 제안된 안테나 장치와는 달리, HF 안테나로서 작동할 경우 3 내지 30 MHz에 포함되는 주파수 범위에서는 작동할 수 없다. 또한, 이 듀얼 밴드 안테나 장치의 HF 안테나는 전기 절연성인 교환 가능한 캡 상에 배치되지 않으므로, HF 안테나의 상이한 성능들을 허용하지 않는다
WO2015/022000 A1에는 자기 코어 둘레에 권취된 수 개의 권선 및 자기 코어 상부에 배치되어 있고 특정 PCB 레이아웃을 따르는 전기 전도성 도금들을 포함하며 상기 권선들에 결합된 전기 전도성 요소들에 연결되는 어댑터를 갖는 안테나 장치가 개시되어 있다.
본 발명의 목적은 구성 요소들 및 물리적 공간을 절감시키는 두가지 기능용(HF 통신 및 LF 통신)의 개선된 유도 안테나 장치를 제공하는 것이다. 특히, 본 발명의 해결책에 따르면, HF 안테나는 LF 안테나(상부 및 측면들)의 요소들을 보호하면서 LF 안테나들의 배치와 관계없이 HF 안테나의 상이한 실시예들을 허용하는 용이하게 교체 가능한 요소, 즉 캡 내에 통합된다.
본 발명의 실시형태들은, 본 기술 분야에 있어서 일반적으로, 적어도 하나의 자기 코어; 상기 자기 코어의 둘레에 권취되어 20 내지 150 kHz 범위에 포함되는 주파수에서 작동하도록 구성된 LF 안테나를 제공하는 하나 이상의 권선, 및 상기 권선 또는 권선들로 권취되는 자기 코어가 배치되는 전기 절연 베이스를 포함하는 안테나 장치를 제공한다. 상기 전기 절연 베이스는 적어도 그 일부가 상기 권선 또는 권선들에 전기적으로 연결되는 금속성 탭들을 포함하고, 상기 전기 절연 베이스는 SMT 장착용으로 의도되는 레이아웃을 제공하는 전기 전도성 플레이트들을 갖는 바닥면을 가지며, 상기 전기 절연 베이스의 상기 금속성 탭들 중 적어도 하나는 상기 전기 전도성 플레이트들 중 적어도 하나에 연결된다.
공지된 안테나 구조와는 달리, 본 제안된 안테나 장치는 상부면 및 측면을 구비한 전기 절연 캡(electrically insulated cap)(예를 들면 플라스틱 캡)과, 상기 상부면 상에 배치되어 있는 2개의 단부들을 구비한 적어도 하나의 금속화된 표면 고주파 코일(metallized surface high frequency coil)을 더 포함하고, 상기 금속화된 표면 고주파 코일은 안테나로서 작동하며, 상기 측면에 배치된 상기 2개의 단부들 각각의 연장된 부분(extended portion)에 의해서 상기 전기 절연 베이스의 상기 금속성 탭들에 전기적으로 연결된다. 상기 전기 절연 캡은 교체 가능하며, 이에 따라 상기 고주파 코일은 상기 LF 안테나의 배치와는 독립적으로, 3 내지 30 MHz 범위에 포함되는 주파수에서 작동하도록 구성되는 유도성 HF 안테나로서 서로 상이한 성능들이 가능하다.
일 실시형태에서, 상기 전기 절연 베이스의 하나의 금속성 탭은 상기 권선의 브레이딩된(braided) 단부를 상기 금속성 탭에 용접함으로써 상기 적어도 하나의 권선에 연결된다.
일 실시형태에 따르면, 상기 적어도 하나의 자기 코어는 단일체형 자기 코어이며, 상기 안테나 장치는 단일체형 안테나 장치를 구성한다. 바람직하게는, 이 경우, 상기 적어도 하나의 자기 코어는 특히 니켈-아연 합금 또는 망간-아연 합금 및/또는 비정질 코발트로 형성될 수 있는 페라이트 자기 코어이다.
바람직한 실시형태에서, 상기 LF 안테나 장치가 3개의 상호 직교하는 축들에 권취된 3개의 권선들을 포함하고, 상기 권선들 각각은 상기 적어도 하나의 자기 코어를 둘러싸는(즉, 3개의 권선을 가진 RFID 대역(20 KHz 내지 150 KHz)용 3개의 LF 직교 안테나) 한편, 상기 HF 안테나는 예를 들어 NFC 13.56MHz 대역의 나선형(다중 턴)을 포함한다.
바람직한 실시형태에서, 상기 HF 안테나는 플라스틱 캡 상의 레이저 데포지션(laser deposition)에 의해서 인쇄된다.
전술한 캡은 조립 절차에서 사용되는 충돌, 충격, 용접 열 및 화학 물질로부터 와이어들 및 연결부들을 보호하며, 이에 따라 다목적 안테나 장치의 신뢰성을 증가시키게 된다.
금속 표면 근방에서 HF 안테나 거리의 열화를 판독하는 것은 잘 알려져 있으므로, LF 안테나 구성 요소들을 포함하는 장치의 나머지 부분으로부터 캡의 HF 안테나를 절연시키고 필요에 따라 와전류의 발생을 방지시키기 위해서 중간 강자성 재료 시트가 캡과 나머지 부품 사이에 선택적으로 배치될 수가 있으며, 이에 따라 HF 안테나(13.56MHz)의 판독 거리를 향상시킬 수 있다. 이러한 솔루션 외에도 동일한 장치에서 두 개의 서로 다른 자성 재료를 사용하여 이들 각각의 특성을 조정할 수 있으며, 이에 따라 LF 안테나 및 HF 안테나 각각의 품질 팩터(quality factor) Q와 감도가 최적이 되도록 할 수 있다.
상기 및 다른 이점들과 특징들은 예시적이고 비제한적인 방식으로 고려되어야하는 첨부 도면들을 참조하는 다음의 일 실시예에 대한 상세한 설명으로부터 더욱 완전히 이해될 것이다.
도 1은 본 발명에 의해 제안된 바람직한 실시예에 따른 2개의 분리된 이격 부분을 갖는 안테나 장치의 사시도이다.
도 2는 일 실시예에 있어서, 상부 및 내부로부터 본, 금속화된 표면 고주파 코일이 제공된 안테나 장치의 전기 절연 캡을 사시도로서 도시한 것이다.
도 3은 두 개의 부분이 조립된 경우에 있어서의 본 제안된 안테나 장치를 다른 사시도로서 도시한 것이다.
도 4는 일 실시예에 있어서, 자기 코어가 부착된 본 발명의 안테나 장치의 전기 절연 베이스의 사시도이다.
도 5는 SMT 장착을 위한 레이아웃을 제공하는 전기 절연 베이스의 바닥의 전기 전도성 금속 플레이트들을 사시도로서 도시한 것이다.
도 6은 필요에 따라, 장치의 나머지 부분으로부터 캡의 HF 안테나를 절연시키기 위해 제공된 선택적인 중간 강자성 시트를 도시한 것이다.
도 1은 저주파수 범위(20 kHz-150 kHz) 및 HF 주파수(3-30 MHz), 바람직하게는 NFC 주파수(13.56 MHz)에서 무선 주파수 안테나로서 작동할 수 있는 본 제안된 안테나 장치의 바람직한 실시예를 도시한 것이다.
상기 바람직한 실시예에서, 본 제안된 안테나 장치는 2개의 부분/부품, 즉 각각의 제 1 부분(100A) 및 제 2 부분(100B)을 포함한다. 안테나 장치의 제 1 부분(100A)은 본 기술 분야에서 잘 알려진 구조에 따른 하나 이상의 자기 코어(2) 및 무선 주파수 응용들을 위한 유도 안테나에 적합한 하나 이상의 권선(31, 32, 33)을 포함한다. 3개의 카테시안 축 각각에서 이루어진 상이한 권선들은 안테나 장치가 3 차원 안테나로서 동작(공간의 3 축에서 작동)하는 것을 허용한다. 특히, 도 1에서 알 수 있는 바와 같이, 본 바람직한 실시예에서, 안테나 장치는 공간의 3 축에 따라 직교적으로 자기 코어(2) 상에 권취된 3개의 권선(31, 32, 33)을 포함하며, 이에 따라 본 제안된 안테나 장치가 3 차원적으로 작동할 수 있게 한다. 따라서, 이미터 시스템(emitter system)에 의해 생성되는 자기장 방향에 관계없이, 안테나 장치는 에너지를 포착하여 이미터 시스템과의 통신을 허용할 수 있다.
또한, 안테나 장치의 제 1 부분(100A)은 자기 코어(2)가 (접착제 접합과 같은 몇몇 기계적 절차를 통해) 고정되는 전기 절연 베이스(1)를 또한 갖는다. 전술한 전기 절연 베이스(1)는 상기 3개의 권선(31, 32, 33) 중 하나 이상과의 연결을 위한 금속성 탭들(121...128)을 포함하며, 상기 금속성 탭들(121...128)이 전기적으로 연결되는 전기 전도성 플레이트들/플레이트들(131...138)을 포함하는 하부면 또는 바닥면을 구비한다. 전기 전도성 플레이트들/플레이트들(131...138)은 표준 SMT 공정에서의 안테나 장착을 허용한다.
3개의 권선(31, 32, 33)의 상이한 에지들의 연결은 몇몇 솔더링 방법(예를 들어 솔더 팁, 열 압축 및 도전 접착 등)을 통해 이루어진다. 또한, 금속성 탭(121...128)은 전기 전도성 플레이트들/플레이트들(131...138)과 전기적으로 연결되며, 이에 따라 표준 SMT 조립 라인들에서의 안테나 장치의 사용을 허용한다.
안테나 장치의 제 2 부분(100B)은 덮개가 되는 제 1 부분(100A)의 기계적 보호를 제공하는 전기 절연 캡(4)을 포함한다. 전기 절연 캡(4)은 바람직하게는 LF 권선들(31, 32, 33)을 전기 절연 베이스(1)의 금속 금속성 탭들(121...128)에 연결하는 것이 완료된 이후에, 자기 코어(들)(2) 및 3개의 권선(31, 32, 33)의 상부에 (예를 들어, 몇몇 접착제 접합을 사용하여) 기계적으로 고정된다.
본 발명에 따르면, 전기 절연 캡(4)은 그 상부면(4U)에 금속화된 표면 고주파 코일(42)(즉, 금속화된 트랙으로 만들어짐)을 특징적으로 포함함으로써, 13.56MHz의 주파수에서 작동하는 고주파 안테나, 바람직하게는 NFC 안테나를 제공하며, 코일의 단부들(411, 412)은 전기 절연 캡(4)의 측면들(4S) 상의 일부 연장된 부분들(도 1 및 도 2 참조)에 의해서 뻗어나와 있다. 또한, 금속화된 표면 고주파 코일(42)(필요로 하는 소정 HF 캐리어 주파수에 따라 상이한 수의 코일을 갖도록 구성될 수 있음)은 그것의 단부들(411, 412) 각각의 것이 전기 절연 베이스(1)의 상기 금속성 탭들(121...128) 중 하나 이상에 전기적으로 연결된다(예를 들어, 솔더링 방법(예컨대, 솔더 팁, 열 압축 및 도전 접착 등)을 통해). 본 발명의 다른 실시예들에서는(본 경우에는 도시되지 않음), 하나보다 많은 금속화된 표면 고주파 코일이 절연 캡(4)에 포함될 수 있음에 유의해야 한다.
이러한 방식으로, 안테나 장치는 (예를 들어, SMT 절차에 의해 안테나 장치를 PCB에 솔더링하는 것을 통해) 안테나 장치가 상이한 LF 권선들(31, 32, 33)(20 kHz, 134 kHz, 150 kHz)과 전기적으로 연결되고 또한 전기 절연 캡(4)의 HF 안테나(42)(바람직하게는 13.56 MHz에서 작동하는 NFC 안테나)에도 전기적으로 연결되는 것을 허용하는 특정 레이아웃을 갖는 전기 절연 베이스(1)의 바닥에 있는 금속성 탭들(131...138)을 포함한다.
도 6은 캡(4)의 HF 안테나(4U)를 장치(100A)의 나머지 부분으로부터 절연시킴으로써 자기 디커플링을 제공하고 이에 따라 동일한 장치에서 상이한 자성 재료를 사용할 수 있게 하는 선택적인 중간 강자성 시트(5)를 도시한 것이다.
이 강자성 시트(5)의 상대 투자율은 통상적으로 100 내지 200(예를 들어, 13.56 MHz에서 작동하는 HF 안테나(42)의 경우)이며, 이 시트의 두께는 통상적으로 0.1 mm 내지 0.3 mm이다.
도 2는 금속화된 표면 고주파 코일(42)을 갖는 상부면(4U)(도 2의 상단부)과 상기 금속화된 표면 고주파 코일(42)의 제 1 단부의 연장된 부분(411)이 있는 측면(4S)이 보이며, 또한 금속화된 표면 고주파 코일(42)의 제 2 단부의 다른 연장된 부분(412)이 있는 측면(4S)이 안쪽으로 나타내도록 보이는 절연 캡(4)을 도시한 것이다.
도 3은 금속화된 표면 고주파 코일(42)의 한쪽 단부의 연장된 부분(411)과 전기 절연 된베이스(4)의 금속성 탭(122) 사이의 전기적 연결을 나타내는, 2개의 부분이 조립되어 있는 본 제안된 안테나 장치의 다른 도면을 도시한 것이다.
도 4는 안테나 장치의 전기 절연 베이스(1)를 도시한 것으로서, 자기 코어(2) 및 하나 이상의 권선들(31, 32, 33)과의 연결을 위한 금속성 탭들(121...128)을 상세하게 보여주고 있으며, 금속성 탭들(121...128)은 궁극적으로 전기 전도성 플레이트들(131...138)에 전기적으로 연결된다.
안테나 장치를 제조하는데 사용되는 재료에 있어서, 자기 코어는 예를 들어 니켈-아연 합금, 망간-아연 합금 및/또는 비결정 코발트와 같은 페라이트 자기 코어로 형성된 단일체형(monolithic) 자기 코어로서 제조된다.
권선들은 바람직하게는 0.01mm 내지 1mm의 직경을 가지며, 폴리우레탄(또는 약 150℃ 이상의 열 지수를 갖는 폴리아미드)으로 에나멜 처리된 케이블로 제조될 수 있다.
당업자는 첨부된 청구범위에 정의된 바와 같은 본 발명의 범주를 벗어나지 않는 범위 내에서 전술한 실시예들의 변경 및 변형을 도입할 수 있다.

Claims (11)

  1. 안테나 장치로서,
    - 적어도 하나의 자기 코어(2);
    - 상기 적어도 하나의 자기 코어(2)의 둘레에 권취되어, 20 내지 150 kHz 범위에 포함되는 주파수에서 작동하도록 구성된 LF 안테나를 제공하는 적어도 하나의 권선(31, 32, 33); 및
    - 상기 적어도 하나의 권선(31, 32, 33)으로 권취되는 적어도 하나의 자기 코어(2)가 배치되는 전기 절연 베이스(1)로서, 상기 전기 절연 베이스는 금속성 탭들(metallic tabs)(121...128)을 포함하고, 상기 금속성 탭들(121...128)의 적어도 일부가 상기 적어도 하나의 권선(31, 32, 33)에 전기적으로 연결되며, 상기 전기 절연 베이스는 SMT(surface mount technology) 장착을 위한 레이아웃을 제공하는 전기 전도성 플레이트들(131...138)을 가진 바닥면을 가지며, 상기 금속성 탭들(121...128) 중의 적어도 하나가 상기 전기 전도성 플레이트들(131...138) 중 적어도 하나에 연결되는, 상기 전기 절연 베이스(1);를 포함하는 안테나 장치에 있어서,
    상기 안테나 장치는 상부면(4U) 및 측면(4S)을 구비한 전기 절연 캡(electrically insulated cap)(4)과, 상기 상부면(4U) 상에 배치되는 2개의 단부들(411, 412)을 갖는 적어도 하나의 금속화된 표면 고주파 코일(metallized surface high frequency coil)(42)을 더 포함하며, 상기 금속화된 표면 고주파 코일(42)은 안테나로서 작동하고 상기 전기 절연 캡(4)의 측면(4S)에 배치된 상기 단부들(411, 412) 각각의 연장된 부분(extended portion)에 의해 상기 전기 절연 베이스(1)의 상기 금속성 탭들(121...128) 중의 적어도 하나에 전기적으로 연결되며,
    상기 전기 절연 캡(4)은 교체가 가능하여, 상기 고주파 코일(42)은, 상기 LF 안테나의 배치와는 독립적으로, 3 내지 30 MHz 범위에 포함되는 주파수에서 작동하도록 구성되는 유도성 HF 안테나로서 서로 다른 성능들을 가질 수 있는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 금속성 탭(121...128)은 상기 전기 절연 베이스(1)의 적어도 하나의 측면으로부터 외측으로 돌출되어 상기 금속화된 표면 고주파 코일(42)의 단부들(411,412)의 연장된 부분들과 전기적 접촉하게 되는, 안테나 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 금속성 탭(121...128)은 상기 권선의 브레이딩된(braided) 단부를 상기 금속성 탭(121...128)에 용접함으로써 상기 적어도 하나의 권선(31, 32, 33)에 연결되는, 안테나 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기 절연 베이스(1)는 권선(31, 32, 33) 단부마다 상기 금속성 탭들(121...128) 중의 적어도 하나를 포함하는, 안테나 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 자기 코어(2)는 단일체형(monolithic) 자기 코어이며, 상기 안테나 장치는 단일체형 안테나 장치를 구성하는, 안테나 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 자기 코어(2)는 페라이트 자기 코어인, 안테나 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 페라이트 자기 코어는 니켈-아연 합금 또는 망간-아연 합금 및/또는 비정질 코발트로 형성되는, 안테나 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    3개의 상호 직교하는 축들에 권취된 3개의 권선들(31, 32, 33)을 포함하며, 각각의 권선(31, 32, 33)은 상기 적어도 하나의 자기 코어(2)를 둘러싸는, 안테나 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 유도성 HF 안테나는 13.56 MHz의 NFC 주파수에서 작동하도록 구성되는, 안테나 장치.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 상이한 권선들(31, 32, 33)을 상기 금속성 탭들(121...128)에 연결하는 것이 완료된 후에, 상기 전기 절연 캡(4)이 상기 자기 코어(2)에 및 상기 상이한 권선들에 기계적으로 고정됨으로써, 상기 전기 절연 캡(4)이 상부면(4U) 및 측면(4S)에 의해 상기 적어도 하나의 자기 코어(2) 둘레에 권취된 상이한 권선들(31, 32, 33)을 보호하는, 안테나 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 고주파 안테나(42)를 상기 상이한 권선들(31, 32, 33)로부터 절연시키기 위한 강자성 재료 시트(ferromagnetic material sheet)(5)가, 상기 적어도 하나의 자기 코어(2)의 상기 적어도 하나의 권선(31, 32, 33)과 캡(4) 사이에 배치되는, 안테나 장치.
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