KR20220025015A - 5g 안테나를 구비하는 전자 기기 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 5G 안테나를 구비하는 전자 기기가 제공된다. 상기 전자 기기는 기판 전면에 소정 길이(length)와 너비(width)를 갖는 금속이 프린트되어 배치되어, 제1 신호를 방사하도록 구성된 금속 패턴(metal pattern) 및 상기 금속 패턴이 분리되어 이격된 영역 내에 배치되고, 상기 금속 패턴으로 제1 신호를 커플링 급전하도록 구성된 급전 패턴을 포함하는 제1 안테나가 구비된다. 또한, 상기 전자 기기는 상기 기판 전면에 상기 제1 안테나와 대칭 형태로 배치되는 금속 패턴과 제2 급전 패턴을 포함하고, 제2 신호를 방사하도록 구성된 제2 안테나를 더 포함한다.

Description

5G 안테나를 구비하는 전자 기기
본 발명은 5G 안테나를 구비하는 전자 기기를 구비하는 전자 기기에 관한 것이다. 일 구현 예로, 5G Sub 6 대역에서 동작하는 로우 프로파일 안테나를 구비하는 전자 기기에 관한 것이다.
전자기기(electronic devices)는 이동 가능여부에 따라 이동 단말기(mobile/portable terminal) 및 고정 단말기(stationary terminal)으로 나뉠 수 있다. 다시 전자기기는 사용자의 직접 휴대 가능 여부에 따라 휴대(형) 단말기(handheld terminal) 및 거치형 단말기(vehicle mounted terminal)로 나뉠 수 있다.
전자기기의 기능은 다양화되고 있다. 예를 들면, 데이터와 음성통신, 카메라를 통한 사진촬영 및 비디오 촬영, 음성녹음, 스피커 시스템을 통한 음악파일 재생 그리고 디스플레이부에 이미지나 비디오를 출력하는 기능이 있다. 일부 단말기는 전자게임 플레이 기능이 추가되거나, 멀티미디어 플레이어 기능을 수행한다. 특히 최근의 이동 단말기는 방송과 비디오나 텔레비전 프로그램과 같은 시각적 컨텐츠를 제공하는 멀티캐스트 신호를 수신할 수 있다.
이와 같은 전자기기는 기능이 다양화됨에 따라 예를 들어, 사진이나 동영상의 촬영, 음악이나 동영상 파일의 재생, 게임, 방송의 수신 등의 복합적인 기능들을 갖춘 멀티미디어 기기(Multimedia player) 형태로 구현되고 있다.
이러한 전자기기의 기능 지지 및 증대를 위해, 단말기의 구조적인 부분 및/또는 소프트웨어적인 부분을 개량하는 것이 고려될 수 있다.
상기 시도들에 더하여, 최근 전자기기는 LTE 통신 기술을 이용한 무선 통신 시스템이 상용화되어 다양한 서비스를 제공하고 있다. 또한, 향후에는 5G 통신 기술을 이용한 무선 통신 시스템이 상용화되어 다양한 서비스를 제공할 것으로 기대된다. 한편, LTE 주파수 대역 중 일부를 5G 통신 서비스를 제공하기 위하여 할당될 수 있다.
이와 관련하여, 이동 단말기는 5G 통신 서비스를 다양한 주파수 대역에서 제공하도록 구성될 수 있다. 최근에는 6GHz 대역 이하의 Sub6 대역을 이용하여 5G 통신 서비스를 제공하기 위한 시도가 이루어지고 있다. 또한, 향후에는 보다 빠른 데이터 속도를 위해 Sub6 대역 이외에 밀리미터파(mmWave) 대역을 이용하여 5G 통신 서비스를 제공할 것으로 예상된다.
한편, 5G Sub6 대역에서 동작하는 안테나는 전자 기기의 측면 또는 전자 기기의 내부에 배치될 수 있다. 이와 관련하여, 최근 들어 이동 단말기와 같은 전자 기기에서, 풀 디스플레이(Full Display)를 채택하는 경향이 있다. 또한, 풀 디스플레이를 구비하는 전자 기기 이외에 Flexible Display 개발로 인해 Foldable, Flexible, Rollable 형태의 새로운 form-factor가 등장하고 있다.
이와 같은 다양한 form-factor에 따른 전자 기기에서도 빠른 데이터 전송을 위해 안테나 수가 증가하고 있다. 하지만, 전자 기기에 배치될 수 있는 안테나의 크기와 형태가 제한되어 설계 공간이 줄고 방사 효율 확보에 어려움이 있다는 문제점이 있다.
또한, 현재 5G 통신 시스템에서 4개의 안테나가 사용될 수 있지만, 향후 5G 통신 시스템 또는 6G 통신 시스템에서는 8개 이상의 많은 안테나를 필요로 한다. 이와 관련하여, 향후 통신 시스템은 대용량 고속 데이터 전송을 위한 것으로 안테나 수가 계속 증가할 것이다. 하지만, 전자 기기에 배치될 수 있는 안테나의 크기와 형태가 제한되어 설계 공간이 감소하고, 방사 효율 확보에 어려움이 있다는 문제점이 있다.
본 발명은 전술한 문제 및 다른 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다. 또한, 다른 일 목적은 전자 기기 내부에 작은 크기와 낮은 높이를 갖는 로우 프로파일 안테나(Low Profile)가 배치된 전자 기기를 제공하기 위한 것이다
본 발명의 다른 일 목적은 무선 성능을 최적화하면서 안테나 공간 활용도와 배치 자유도가 높은 로우 프로파일 안테나를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 다른 일 목적은 로우 프로파일 안테나를 인접하게 배치하면서 상호 간에 격리도를 확보할 수 있는 안테나 구조를 제공하기 위한 것이다.
상기 또는 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 5G 안테나를 구비하는 전자 기기가 제공된다. 상기 전자 기기는 기판 전면에 소정 길이(length)와 너비(width)를 갖는 금속이 프린트되어 배치되어, 제1 신호를 방사하도록 구성된 금속 패턴(metal pattern) 및 상기 금속 패턴이 분리되어 이격된 영역 내에 배치되고, 상기 금속 패턴으로 제1 신호를 커플링 급전하도록 구성된 급전 패턴을 포함하는 제1 안테나가 구비된다. 또한, 상기 전자 기기는 상기 기판 전면에 상기 제1 안테나와 대칭 형태로 배치되는 금속 패턴과 제2 급전 패턴을 포함하고, 제2 신호를 방사하도록 구성된 제2 안테나를 더 포함한다.
일 실시 예로, 상기 급전 패턴 및 상기 제2 급전 패턴과 연결되고, 상기 제1 안테나 및 상기 제2 안테나 중 하나를 통해 상기 제1 신호 및 상기 제2 신호 중 적어도 하나를 방사하도록 구성된 송수신부 회로(transceiver circuit)를 더 포함할 수 있다.
일 실시 예로, 상기 제1 안테나는 상기 기판의 단부(end portion)에서 제1 금속 패턴 및 제2 금속 패턴과 하부의 그라운드 패턴을 연결하도록 구성된 복수의 비아(via)들을 더 포함할 수 있다. 한편, 상기 제2 안테나는 상기 기판의 단부(end portion)에서 제1 금속 패턴 및 제2 금속 패턴과 하부의 그라운드 패턴을 연결하도록 구성된 복수의 비아(via)들을 더 포함할 수 있다.
일 실시 예로, 상기 급전 패턴의 경계 영역과와 상기 급속 패턴의 인셋 영역의 경계 영역에서, 상기 금속 패턴이 이격된 제1 금속 패턴 및 상기 제2 금속 패턴과 수평면에 수평 자계 전류 (horizontal magnetic field)가 형성된다. 이에 따라, 상기 제1 안테나 및 상기 제2 안테나가 형성되는 기판의 높이를 감소시킬 수 있다.
일 실시 예로, 상기 제1 안테나의 금속 패턴과 상기 제2 안테나의 금속 패턴은 제1 기판의 상부에 배치될 수 있다. 한편, 상기 제1 안테나와 상기 제2 안테나는 상기 제1 기판의 중심선을 기준으로 상하 대칭 형태로 배치될 수 있다. 또한, 상기 제1 기판의 하부에 제2 기판이 배치되고, 상기 안테나에 대한 기준 전위(reference electric potential)을 제공하도록 상기 제2 기판의 하부에 배치되는 그라운드 층을 더 포함할 수 있다.
일 실시 예로, 상기 제1 안테나 및 상기 제2 안테나는 소정 길이와 너비를 갖는 직사각형 형태로 형성되고, 내부에 상기 인셋 영역이 형성되는 제1 방사 부(radiation portion) 및 상기 제1 방사 부에 연결되고, 소정 각도로 테이퍼링(tapering)되어 너비가 증가하도록 형성되는 제2 방사 부를 포함할 수 있다.
일 실시 예로, 상기 제1 방사 부와 상기 제2 방사 부가 연결되는 지점에서, 상기 제1 방사 부의 너비는 상기 제2 방사 부의 너비보다 더 넓게 형성될 수 있다. 이에 따라, 상기 급전 패턴에서 상기 제1 방사부로의 신호의 커플링 량을 증가시키고 상기 제1 안테나 및 상기 제2 안테나에 의한 전기적 길이를 증가시킬 수 있다.
일 실시 예로, 상기 급전 패턴과 상기 제2 급전 패턴은 상기 제1 방사 부 내부의 인셋 영역에 형성될 수 있다. 한편, 상기 급전 패턴과 상기 제2 급전 패턴이 배치되는 위치는 상기 제1 방사 부의 너비 방향으로 단부에서 소정 간격 이격되어 오프셋 배치될 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 안테나와 상기 제2 안테나의 격리도(isolation) 특성을 개선시킬 수 있다.
일 실시 예로, 상기 제1 안테나 및 상기 제2 안테나는 상기 제2 방사 부에 연결되고, 상기 제2 방사 부와 연결 지점에서 상기 제2 방사부의 너비보다 더 넓은 너비를 갖는 제3 방사부를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 제1 안테나 및 상기 제2 안테나의 상기 제3 방사 부는 상호 연결될 수 있다.
일 실시 예로, 상기 제1 안테나와 상기 제2 안테나는 상하 대칭 형태로 배치될 수 있다. 상기 기판 전면에 상기 제1 안테나와 좌우 대칭 형태로 배치되는 금속 패턴과 제3 급전 패턴을 포함하고, 제3 신호를 방사하도록 구성된 제3 안테나를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 기판 상부에 상기 제2 안테나와 좌우 대칭 형태로 배치되는 금속 패턴과 제4 급전 패턴을 포함하고, 제4 신호를 방사하도록 구성된 제4 안테나를 더 포함할 수 있다.
일 실시 예로, 상기 제1 안테나와 상기 제3 안테나의 금속 패턴의 일 단부는 상호 간에 이격되고, 상기 제2 안테나와 상기 제4 안테나의 금속 패턴의 일 단부는 상호 간에 이격되어 배치될 수 있다. 이와 같이 안테나 상호 간에 이격된 금속 패턴에 의해 안테나 간 격리도가 개선될 수 있다.
일 실시 예로, 상기 기판의 에지에 해당하는 상기 제1 안테나 내지 상기 제4 안테나의 금속 패턴의 타 단부에는 제1 타입의 비아들이 배치될 수 있다. 또한, 상기 기판의 중심 영역에 해당하는 상기 제1 안테나 내지 상기 제4 안테나의 금속 패턴의 일 단부에는 제2 타입의 비아들이 배치될 수 있다.
일 실시 예로, 상기 급전 패턴은 상기 제1 안테나의 금속 패턴과 동일 평면인 제1 기판의 상부에 배치될 수 있다. 이 경우, 상기 제2 급전 패턴은 상기 제2 안테나의 금속 패턴과 다른 평면인 제1 기판의 하부 또는 제2 기판의 상부에 배치될 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 안테나와 상기 제2 안테나 간의 격리도를 개선시킬 수 있다.
일 실시 예로, 상기 급전 패턴은 상기 제1 안테나의 금속 패턴과 동일 평면인 제1 기판의 상부에 배치될 수 있다. 한편, 제3 안테나의 제3 급전 패턴은 상기 제3 안테나의 금속 패턴과 다른 평면인 제1 기판의 하부 또는 제2 기판의 상부에 배치될 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 안테나와 상기 제3 안테나 간의 격리도를 개선시킬 수 있다.
일 실시 예로, 상기 전자 기기의 측면부에 형성되어, LTE 대역인 제1 대역에서 동작하는 4G 안테나를 더 포함할 수 있다. 여기서, 상기 제1 안테나와 상기 제2 안테나는 5G Sub 6 대역인 제2 대역에서 동작하는 5G 안테나들이다. 한편, 상기 전자 기기는 상기 송수신부 회로와 연결되고, 상기 4G 안테나 및 상기 5G 안테나들 중 적어도 하나를 통해 신호를 송신 및 수신하도록 상기 송수신부 회로를 제어하는 기저대역 프로세서를 더 포함할 수 있다.
일 실시 예로, 상기 송수신부 회로는 상기 제1 대역의 LTE 신호를 송신 및 수신하고 상기 제2 대역의 5G 신호를 송신 및 수신하도록 구성될 수 있다. 한편, 상기 기저대역 프로세서는 상기 LTE 신호의 품질이 임계치 이하이면 상기 5G 안테나를 통해 상기 5G 신호를 수신하도록 상기 송수신부 회로를 제어할 수 있다. 이와 관련하여 광대역 전송이 요청되어 광대역이 할당된 경우, 상기 기저대역 프로세서는 LTE 신호와 5G 신호를 이용하여 반송파 집성(CA: Carrier Aggregation)을 수행할 수 있다. 이 경우, 상기 제1 안테나를 통해 수신되는 상기 제1 대역의 LTE 신호와 상기 제1 내지 제4 안테나 중 최적의 수신 성능을 갖는 안테나를 통해 수신되는 상기 제2 대역의 5G 신호를 이용할 수 있다.
일 실시 예로, 상기 기저대역 프로세서는 상기 제1 안테나를 통해 수신되는 제1 신호와 상기 제4 안테나를 통해 수신되는 제4 신호를 수신하여 다중 입출력(MIMO)을 수행할 수 있다. 이 경우, 상기 제1 신호의 품질 또는 상기 제4 신호의 품질이 임계치 이하이면, 상기 기저대역 프로세서는 상기 제2 안테나를 통해 수신되는 제2 신호와 상기 제3 안테나를 통해 수신되는 제3 신호를 수신하여 다중 입출력(MIMO)을 수행할 수 있다.
본 발명의 다른 양상에 따른 전자 기기가 제공된다. 상기 전자 기기는 기판 전면에 소정 길이(length)와 너비(width)를 갖는 금속이 프린트되어 배치되어, 제1 신호를 방사하도록 구성된 금속 패턴(metal pattern) 및 상기 금속 패턴이 분리되어 이격된 영역 내에 배치되고, 상기 금속 패턴으로 제1 신호를 커플링 급전하도록 구성된 급전 패턴을 포함하는 제1 안테나를 구비한다. 또한, 상기 전자 기기는 상기 기판 전면에 상기 제1 안테나와 대칭 형태로 배치되는 금속 패턴과 제2 급전 패턴을 포함하고, 제2 신호를 방사하도록 구성된 제2 안테나를 더 구비한다. 또한, 상기 전자 기기는 상기 제1 안테나 및 상기 제2 안테나로 급전되는 상기 제1 신호 및 상기 제2 신호의 크기가 가변 되도록 송수신부 회로를 제어하는 기저대역 프로세서(baseband processor)를 더 포함한다.
일 실시 예로, 상기 급전 패턴 및 상기 제2 급전 패턴과 연결되고, 상기 제1 안테나 및 상기 제2 안테나 중 하나를 통해 상기 제1 신호 및 상기 제2 신호 중 적어도 하나를 방사하도록 구성된 송수신부 회로(transceiver circuit)를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 풀 디스플레이 구조에서도 전자 기기의 내부에 작은 크기와 낮은 높이를 갖는 로우 프로파일 안테나(Low Profile)가 배치된 전자 기기를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 전자 기기의 커버에 수평으로 전자 기기의 내부에 배치될 수 있는 로우 프로파일 안테나를 통해, 무선 성능을 최적화하면서 안테나 공간 활용도와 배치 자유도가 높은 로우 프로파일 안테나를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 로우 프로파일 안테나를 인접하게 배치하면서 상호 간에 격리도를 확보할 수 있는 m x n MIMO 안테나 모듈을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 전계가 강하게 분포하는 급전 패턴을 오프셋 배치하여 안테나 간 간섭 수준을 저감할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 급전 패턴의 오프셋 배치에 따라 급전 패턴을 둘러싸는 결합 영역에 배치되는 금속 패턴의 영역의 형상을 변경하여 급전 패턴과 금속 패턴 간의 전기적 결합 량(electric coupling degree)을 조절할 수 있다. 이에 따라, 조절된 전기적 결합 량에 따른 매칭되는 공진 주파수와 반사 계수 등의 안테나 특성이 변경될 수 있다.
특히 본 발명에 따른 로우 프로파일 안테나는 0.02 λ 이하로 매우 낮은 높이에서 안테나를 효과적으로 설계할 수 있으며, 임피던스 매칭이 용이하다는 장점이 있다.
특히 본 발명에 따른 로우 프로파일 안테나는 방사체의 양 단부가 단락(short)되어 있어, 안테나 크기 소형화와 함께 상호 간 격리도 향상에 따라 여러 안테나를 배열하기에 유리하다는 장점이 있다.
본 발명의 적용 가능성의 추가적인 범위는 이하의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 그러나 본 발명의 사상 및 범위 내에서 다양한 변경 및 수정은 당업자에게 명확하게 이해될 수 있으므로, 상세한 설명 및 본 발명의 바람직한 실시 예와 같은 특정 실시 예는 단지 예시로 주어진 것으로 이해되어야 한다.
도 1a 내지 도 1c를 참조하면, 도 1a는 본 발명과 관련된 전자 기기를 설명하기 위한 블록도이고, 도 1b 및 1c는 본 발명과 관련된 전자 기기의 일 예를 서로 다른 방향에서 바라본 개념도이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시 예와 관련된 이동 단말기의 분해사시도이다.
도 2b는 본 발명에 따른 복수의 무선 통신 시스템에서 동작 가능한 전자 기기의 무선 통신부의 구성을 도시한다.
도 3a는 본 발명에 따른 로우 프로파일 안테나가 구현되는 기판의 전면도, 측면도 및 배면도를 나타낸다.
도 3b는 본 발명에 따른 MIMO 안테나 모듈 및 이러한 안테나를 통해 신호를 송신 및 수신하는 송수신부 회로를 나타낸다.
도 4a는 급전 패턴이 방사체인 금속 패턴과 동일 평면 상에 배치된 구조를 나타낸다.
도 4b는 급전 패턴이 방사체인 금속 패턴과 다른 평면 상에 배치된 구조를 나타낸다.
도 5a는 본 발명에 따른 다층 기판 구조의 로우 프로파일 안테나에서 서로 다른 유전체를 사용한 경우 주파수 변화에 따른 방사 효율을 나타낸다.
도 5b는 본 발명에 따른 비아에 의한 단락 암(shorted arm) 구조의 안테나에서 수직 전계와 수평 자계 전류가 형성되는 원리를 나타낸다.
도 6a 내지 도 8a는 본 발명의 다양한 실시 예에 따른 복수의 안테나 소자의 배치 구조를 나타낸다.
도 6b 내지 도 8b는 도 6a 내지 도 8a의 안테나 구조에 따른 반사계수 특성을 나타낸다.
도 9는 본 발명에 따른 2x2 MIMO 안테나의 구조와 이에 연결되는 송수신부 회로 및 기저대역 프로세서를 나타낸다.
도 10a는 본 발명에 따른 2x2 MIMO 안테나 간에 격리도를 나타낸다. 한편, 도 10b는 본 발명에 따른 2x2 MIMO 안테나 간에 방사 효율을 나타낸다. 또한, 도 10c는 본 발명에 따른 2x2 MIMO 안테나 간에 ECC (electric coupling coefficient) 레벨을 나타낸다.
도 11a는 본 발명에 따른 금속 패턴을 공유하는 2x2 MIMO 안테나 구조를 나타낸다. 한편, 도 11b는 본 발명에 따른 2x2 MIMO 안테나에서 기판 너비 변화에 따른 격리도를 나타낸다.
도 12a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 1x4 MIMO 안테나 모듈의 선형 구조를 나타낸다. 한편, 도 12b는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 1x4 MIMO 안테나 모듈의 원형 구조를 나타낸다.
도 13은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전자 기기 내부의 캐리어에 배치되는 2x2 MIMO 안테나 모듈과 이를 포함하는 전자 기기를 나타낸다.
도 14는 본 발명의 일 실시 예에 따른 복수의 안테나 모듈을 기저대역 프로세서가 제어하는 구성을 나타낸다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 설명되는 전자 기기에는 휴대폰, 스마트 폰(smart phone), 노트북 컴퓨터(laptop computer), 디지털방송용 단말기, PDA(personal digital assistants), PMP(portable multimedia player), 네비게이션, 슬레이트 PC(slate PC), 태블릿 PC(tablet PC), 울트라북(ultrabook), 웨어러블 디바이스(wearable device, 예를 들어, 워치형 단말기 (smartwatch), 글래스형 단말기 (smart glass), HMD(head mounted display)) 등이 포함될 수 있다.
그러나, 본 명세서에 기재된 실시 예에 따른 구성은 이동 단말기에만 적용 가능한 경우를 제외하면, 디지털 TV, 데스크탑 컴퓨터, 디지털 사이니지 등과 같은 고정 단말기에도 적용될 수도 있음을 본 기술분야의 당업자라면 쉽게 알 수 있을 것이다.
도 1a 내지 도 1c를 참조하면, 도 1a는 본 발명과 관련된 전자 기기를 설명하기 위한 블록도이고, 도 1b 및 1c는 본 발명과 관련된 전자 기기의 일 예를 서로 다른 방향에서 바라본 개념도이다.
상기 전자 기기(100)는 무선 통신부(110), 입력부(120), 센싱부(140), 출력부(150), 인터페이스부(160), 메모리(170), 제어부(180) 및 전원 공급부(190) 등을 포함할 수 있다. 도 1a에 도시된 구성요소들은 전자 기기를 구현하는데 있어서 필수적인 것은 아니어서, 본 명세서 상에서 설명되는 전자 기기는 위에서 열거된 구성요소들 보다 많거나, 또는 적은 구성요소들을 가질 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 구성요소들 중 무선 통신부(110)는, 전자 기기(100)와 무선 통신 시스템 사이, 전자 기기(100)와 다른 전자 기기(100) 사이, 또는 전자 기기(100)와 외부서버 사이의 무선 통신을 가능하게 하는 하나 이상의 모듈을 포함할 수 있다. 또한, 상기 무선 통신부(110)는, 전자 기기(100)를 하나 이상의 네트워크에 연결하는 하나 이상의 모듈을 포함할 수 있다. 여기서, 하나 이상의 네트워크는 예컨대 4G 통신 네트워크 및 5G 통신 네트워크일 수 있다.
이러한 무선 통신부(110)는, 4G 무선 통신 모듈(111), 5G 무선 통신 모듈(112), 근거리 통신 모듈(113), 위치정보 모듈(114) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
4G 무선 통신 모듈(111)은 4G 이동통신 네트워크를 통해 4G 기지국과 4G 신호를 전송 및 수신할 수 있다. 이때, 4G 무선 통신 모듈(111)은 하나 이상의 4G 송신 신호를 4G 기지국으로 전송할 수 있다. 또한, 4G 무선 통신 모듈(111)은 하나 이상의 4G 수신 신호를 4G 기지국으로부터 수신할 수 있다.
이와 관련하여, 4G 기지국으로 전송되는 복수의 4G 송신 신호에 의해 상향링크(UL: Up-Link) 다중입력 다중출력(MIMO: Multi-Input Multi-Output)이 수행될 수 있다. 또한, 4G 기지국으로부터 수신되는 복수의 4G 수신 신호에 의해 하향링크(DL: Down-Link) 다중입력 다중출력(MIMO: Multi-Input Multi-Output)이 수행될 수 있다.
5G 무선 통신 모듈(112)은 5G 이동통신 네트워크를 통해 5G 기지국과 5G 신호를 전송 및 수신할 수 있다. 여기서, 4G 기지국과 5G 기지국은 비-스탠드 얼론(NSA: Non-Stand-Alone) 구조일 수 있다. 예컨대, 4G 기지국과 5G 기지국은 셀 내 동일한 위치에 배치되는 공통-배치 구조(co-located structure)일 수 있다. 또는, 5G 기지국은 4G 기지국과 별도의 위치에 스탠드-얼론(SA: Stand-Alone) 구조로 배치될 수 있다.
5G 무선 통신 모듈(112)은 5G 이동통신 네트워크를 통해 5G 기지국과 5G 신호를 전송 및 수신할 수 있다. 이때, 5G 무선 통신 모듈(112)은 하나 이상의 5G 송신 신호를 5G 기지국으로 전송할 수 있다. 또한, 5G 무선 통신 모듈(112)은 하나 이상의 5G 수신 신호를 5G 기지국으로부터 수신할 수 있다.
이때, 5G 주파수 대역은 4G 주파수 대역과 동일한 대역을 사용할 수 있고, 이를 LTE 재배치(re-farming)이라고 지칭할 수 있다. 한편, 5G 주파수 대역으로, 6GHz 이하의 대역인 Sub6 대역이 사용될 수 있다.
반면, 광대역 고속 통신을 수행하기 위해 밀리미터파(mmWave) 대역이 5G 주파수 대역으로 사용될 수 있다. 밀리미터파(mmWave) 대역이 사용되는 경우, 전자 기기(100)는 기지국과의 통신 커버리지 확장(coverage expansion)을 위해 빔 포밍(beam forming)을 수행할 수 있다.
한편, 5G 주파수 대역에 관계없이, 5G 통신 시스템에서는 전송 속도 향상을 위해, 더 많은 수의 다중입력 다중출력(MIMO: Multi-Input Multi-Output)을 지원할 수 있다. 이와 관련하여, 5G 기지국으로 전송되는 복수의 5G 송신 신호에 의해 상향링크(UL: Up-Link) MIMO가 수행될 수 있다. 또한, 5G 기지국으로부터 수신되는 복수의 5G 수신 신호에 의해 하향링크(DL: Down-Link) MIMO가 수행될 수 있다.
한편, 무선 통신부(110)는 4G 무선 통신 모듈(111)과 5G 무선 통신 모듈(112)을 통해 4G 기지국 및 5G 기지국과 이중 연결(DC: Dual Connectivity) 상태일 수 있다. 이와 같이, 4G 기지국 및 5G 기지국과의 이중 연결을 EN-DC(EUTRAN NR DC)이라 지칭할 수 있다. 여기서, EUTRAN은 Evolved Universal Telecommunication Radio Access Network로 4G 무선 통신 시스템을 의미하고, NR은 New Radio로 5G 무선 통신 시스템을 의미한다.
한편, 4G 기지국과 5G 기지국이 공통-배치 구조(co-located structure)이면, 이종 반송파 집성(inter-CA(Carrier Aggregation)을 통해 스루풋(throughput) 향상이 가능하다. 따라서, 4G 기지국 및 5G 기지국과 EN-DC 상태이면, 4G 무선 통신 모듈(111) 및 5G 무선 통신 모듈(112)을 통해 4G 수신 신호와 5G 수신 신호를 동시에 수신할 수 있다.
근거리 통신 모듈(113)은 근거리 통신(Short range communication)을 위한 것으로서, 블루투스(Bluetooth™), RFID(Radio Frequency Identification), 적외선 통신(Infrared Data Association; IrDA), UWB(Ultra-Wideband), ZigBee, NFC(Near Field Communication), Wi-Fi(Wireless-Fidelity), Wi-Fi Direct, Wireless USB(Wireless Universal Serial Bus) 기술 중 적어도 하나를 이용하여, 근거리 통신을 지원할 수 있다. 이러한, 근거리 통신 모듈(114)은, 근거리 무선 통신망(Wireless Area Networks)을 통해 전자 기기(100)와 무선 통신 시스템 사이, 전자 기기(100)와 다른 전자 기기(100) 사이, 또는 전자 기기(100)와 다른 전자 기기(100, 또는 외부서버)가 위치한 네트워크 사이의 무선 통신을 지원할 수 있다. 상기 근거리 무선 통신망은 근거리 무선 개인 통신망(Wireless Personal Area Networks)일 수 있다.
한편, 4G 무선 통신 모듈(111) 및 5G 무선 통신 모듈(112)을 이용하여 전자 기기 간 근거리 통신이 수행될 수 있다. 일 실시 예에서, 기지국을 경유하지 않고 전자 기기들 간에 D2D (Device-to-Device) 방식에 의해 근거리 통신이 수행될 수 있다.
한편, 전송 속도 향상 및 통신 시스템 융합(convergence)을 위해, 4G 무선 통신 모듈(111) 및 5G 무선 통신 모듈(112) 중 적어도 하나와 Wi-Fi 통신 모듈(113)을 이용하여 반송파 집성(CA)이 수행될 수 있다. 이와 관련하여, 4G 무선 통신 모듈(111)과 Wi-Fi 통신 모듈(113)을 이용하여 4G + WiFi 반송파 집성(CA)이 수행될 수 있다. 또는, 5G 무선 통신 모듈(112)과 Wi-Fi 통신 모듈(113)을 이용하여 5G + WiFi 반송파 집성(CA)이 수행될 수 있다.
위치정보 모듈(114)은 전자 기기의 위치(또는 현재 위치)를 획득하기 위한 모듈로서, 그의 대표적인 예로는 GPS(Global Positioning System) 모듈 또는 WiFi(Wireless Fidelity) 모듈이 있다. 예를 들어, 전자 기기는 GPS모듈을 활용하면, GPS 위성에서 보내는 신호를 이용하여 전자 기기의 위치를 획득할 수 있다. 다른 예로서, 전자 기기는 Wi-Fi모듈을 활용하면, Wi-Fi모듈과 무선신호를 송신 또는 수신하는 무선 AP(Wireless Access Point)의 정보에 기반하여, 전자 기기의 위치를 획득할 수 있다. 필요에 따라서, 위치정보모듈(114)은 치환 또는 부가적으로 전자 기기의 위치에 관한 데이터를 얻기 위해 무선 통신부(110)의 다른 모듈 중 어느 기능을 수행할 수 있다. 위치정보모듈(114)은 전자 기기의 위치(또는 현재 위치)를 획득하기 위해 이용되는 모듈로, 전자 기기의 위치를 직접적으로 계산하거나 획득하는 모듈로 한정되지는 않는다.
구체적으로, 전자 기기는 5G 무선 통신 모듈(112)을 활용하면, 5G 무선 통신 모듈 과 무선신호를 송신 또는 수신하는 5G 기지국의 정보에 기반하여, 전자 기기의 위치를 획득할 수 있다. 특히, 밀리미터파(mmWave) 대역의 5G 기지국은 좁은 커버리지를 갖는 소형 셀(small cell)에 배치(deploy)되므로, 전자 기기의 위치를 획득하는 것이 유리하다.
입력부(120)는, 영상 신호 입력을 위한 카메라(121) 또는 영상 입력부, 오디오 신호 입력을 위한 마이크로폰(microphone, 122), 또는 오디오 입력부, 사용자로부터 정보를 입력받기 위한 사용자 입력부(123, 예를 들어, 터치키(touch key), 푸시키(mechanical key) 등)를 포함할 수 있다. 입력부(120)에서 수집한 음성 데이터나 이미지 데이터는 분석되어 사용자의 제어명령으로 처리될 수 있다.
센싱부(140)는 전자 기기 내 정보, 전자 기기를 둘러싼 주변 환경 정보 및 사용자 정보 중 적어도 하나를 센싱하기 위한 하나 이상의 센서를 포함할 수 있다. 예를 들어, 센싱부(140)는 근접센서(141, proximity sensor), 조도 센서(142, illumination sensor), 터치 센서(touch sensor), 가속도 센서(acceleration sensor), 자기 센서(magnetic sensor), 중력 센서(G-sensor), 자이로스코프 센서(gyroscope sensor), 모션 센서(motion sensor), RGB 센서, 적외선 센서(IR 센서: infrared sensor), 지문인식 센서(finger scan sensor), 초음파 센서(ultrasonic sensor), 광 센서(optical sensor, 예를 들어, 카메라(121 참조)), 마이크로폰(microphone, 122 참조), 배터리 게이지(battery gauge), 환경 센서(예를 들어, 기압계, 습도계, 온도계, 방사능 감지 센서, 열 감지 센서, 가스 감지 센서 등), 화학 센서(예를 들어, 전자 코, 헬스케어 센서, 생체 인식 센서 등) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 한편, 본 명세서에 개시된 전자 기기는, 이러한 센서들 중 적어도 둘 이상의 센서에서 센싱되는 정보들을 조합하여 활용할 수 있다.
출력부(150)는 시각, 청각 또는 촉각 등과 관련된 출력을 발생시키기 위한 것으로, 디스플레이부(151), 음향 출력부(152), 햅팁 모듈(153), 광 출력부(154) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 디스플레이부(151)는 터치 센서와 상호 레이어 구조를 이루거나 일체형으로 형성됨으로써, 터치 스크린을 구현할 수 있다. 이러한 터치 스크린은, 전자 기기(100)와 사용자 사이의 입력 인터페이스를 제공하는 사용자 입력부(123)로써 기능함과 동시에, 전자 기기(100)와 사용자 사이의 출력 인터페이스를 제공할 수 있다.
인터페이스부(160)는 전자 기기(100)에 연결되는 다양한 종류의 외부 기기와의 통로 역할을 수행한다. 이러한 인터페이스부(160)는, 유/무선 헤드셋 포트(port), 외부 충전기 포트(port), 유/무선 데이터 포트(port), 메모리 카드(memory card) 포트, 식별 모듈이 구비된 장치를 연결하는 포트(port), 오디오 I/O(Input/Output) 포트(port), 비디오 I/O(Input/Output) 포트(port), 이어폰 포트(port) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 전자 기기(100)에서는, 상기 인터페이스부(160)에 외부 기기가 연결되는 것에 대응하여, 연결된 외부 기기와 관련된 적절할 제어를 수행할 수 있다.
또한, 메모리(170)는 전자 기기(100)의 다양한 기능을 지원하는 데이터를 저장한다. 메모리(170)는 전자 기기(100)에서 구동되는 다수의 응용 프로그램(application program 또는 애플리케이션(application)), 전자 기기(100)의 동작을 위한 데이터들, 명령어들을 저장할 수 있다. 이러한 응용 프로그램 중 적어도 일부는, 무선 통신을 통해 외부 서버로부터 다운로드 될 수 있다. 또한 이러한 응용 프로그램 중 적어도 일부는, 전자 기기(100)의 기본적인 기능(예를 들어, 전화 착신, 발신 기능, 메시지 수신, 발신 기능)을 위하여 출고 당시부터 전자 기기(100)상에 존재할 수 있다. 한편, 응용 프로그램은, 메모리(170)에 저장되고, 전자 기기(100) 상에 설치되어, 제어부(180)에 의하여 상기 전자 기기의 동작(또는 기능)을 수행하도록 구동될 수 있다.
제어부(180)는 상기 응용 프로그램과 관련된 동작 외에도, 통상적으로 전자 기기(100)의 전반적인 동작을 제어한다. 제어부(180)는 위에서 살펴본 구성요소들을 통해 입력 또는 출력되는 신호, 데이터, 정보 등을 처리하거나 메모리(170)에 저장된 응용 프로그램을 구동함으로써, 사용자에게 적절한 정보 또는 기능을 제공 또는 처리할 수 있다.
또한, 제어부(180)는 메모리(170)에 저장된 응용 프로그램을 구동하기 위하여, 도 1a와 함께 살펴본 구성요소들 중 적어도 일부를 제어할 수 있다. 나아가, 제어부(180)는 상기 응용 프로그램의 구동을 위하여, 전자 기기(100)에 포함된 구성요소들 중 적어도 둘 이상을 서로 조합하여 동작시킬 수 있다.
전원공급부(190)는 제어부(180)의 제어 하에서, 외부의 전원, 내부의 전원을 인가받아 전자 기기(100)에 포함된 각 구성요소들에 전원을 공급한다. 이러한 전원공급부(190)는 배터리를 포함하며, 상기 배터리는 내장형 배터리 또는 교체가능한 형태의 배터리가 될 수 있다.
상기 각 구성요소들 중 적어도 일부는, 이하에서 설명되는 다양한 실시 예들에 따른 전자 기기의 동작, 제어, 또는 제어방법을 구현하기 위하여 서로 협력하여 동작할 수 있다. 또한, 상기 전자 기기의 동작, 제어, 또는 제어방법은 상기 메모리(170)에 저장된 적어도 하나의 응용 프로그램의 구동에 의하여 전자 기기 상에서 구현될 수 있다.
도 1 b 및 1c를 참조하면, 개시된 전자 기기(100)는 바 형태의 단말기 바디를 구비하고 있다. 다만, 본 발명은 여기에 한정되지 않고 와치 타입, 클립 타입, 글래스 타입 또는 2 이상의 바디들이 상대 이동 가능하게 결합되는 폴더 타입, 플립 타입, 슬라이드 타입, 스윙 타입, 스위블 타입 등 다양한 구조에 적용될 수 있다. 전자 기기의 특정 유형에 관련될 것이나, 전자 기기의 특정유형에 관한 설명은 다른 타입의 전자 기기에 일반적으로 적용될 수 있다.
여기에서, 단말기 바디는 전자 기기(100)를 적어도 하나의 집합체로 보아 이를 지칭하는 개념으로 이해될 수 있다.
전자 기기(100)는 외관을 이루는 케이스(예를 들면, 프레임, 하우징, 커버 등)를 포함한다. 도시된 바와 같이, 전자 기기(100)는 프론트 케이스(101)와 리어 케이스(102)를 포함할 수 있다. 프론트 케이스(101)와 리어 케이스(102)의 결합에 의해 형성되는 내부공간에는 각종 전자부품들이 배치된다. 프론트 케이스(101)와 리어 케이스(102) 사이에는 적어도 하나의 미들 케이스가 추가로 배치될 수 있다.
단말기 바디의 전면에는 디스플레이부(151)가 배치되어 정보를 출력할 수 있다. 도시된 바와 같이, 디스플레이부(151)의 윈도우(151a)는 프론트 케이스(101)에 장착되어 프론트 케이스(101)와 함께 단말기 바디의 전면을 형성할 수 있다.
경우에 따라서, 리어 케이스(102)에도 전자부품이 장착될 수 있다. 리어 케이스(102)에 장착 가능한 전자부품은 착탈 가능한 배터리, 식별 모듈, 메모리 카드 등이 있다. 이 경우, 리어 케이스(102)에는 장착된 전자부품을 덮기 위한 후면커버(103)가 착탈 가능하게 결합될 수 있다. 따라서, 후면 커버(103)가 리어 케이스(102)로부터 분리되면, 리어 케이스(102)에 장착된 전자부품은 외부로 노출된다. 한편, 리어 케이스(102)의 측면 중 일부가 방사체(radiator)로 동작하도록 구현될 수 있다.
도시된 바와 같이, 후면커버(103)가 리어 케이스(102)에 결합되면, 리어 케이스(102)의 측면 일부가 노출될 수 있다. 경우에 따라서, 상기 결합시 리어 케이스(102)는 후면커버(103)에 의해 완전히 가려질 수도 있다. 한편, 후면커버(103)에는 카메라(121b)나 음향 출력부(152b)를 외부로 노출시키기 위한 개구부가 구비될 수 있다.
전자 기기(100)에는 디스플레이부(151), 제1 및 제2 음향 출력부(152a, 152b), 근접 센서(141), 조도 센서(142), 광 출력부(154), 제1 및 제2 카메라(121a, 121b), 제1 및 제2 조작유닛(123a, 123b), 마이크로폰(122), 인터페이스부(160) 등이 구비될 수 있다.
디스플레이부(151)는 전자 기기(100)에서 처리되는 정보를 표시(출력)한다. 예를 들어, 디스플레이부(151)는 전자 기기(100)에서 구동되는 응용 프로그램의 실행화면 정보, 또는 이러한 실행화면 정보에 따른 UI(User Interface), GUI(Graphic User Interface) 정보를 표시할 수 있다.
또한, 디스플레이부(151)는 전자 기기(100)의 구현 형태에 따라 2개 이상 존재할 수 있다. 이 경우, 전자 기기(100)에는 복수의 디스플레이부들이 하나의 면에 이격되거나 일체로 배치될 수 있고, 또한 서로 다른 면에 각각 배치될 수도 있다.
디스플레이부(151)는 터치 방식에 의하여 제어 명령을 입력 받을 수 있도록, 디스플레이부(151)에 대한 터치를 감지하는 터치센서를 포함할 수 있다. 이를 이용하여, 디스플레이부(151)에 대하여 터치가 이루어지면, 터치센서는 상기 터치를 감지하고, 제어부(180)는 이에 근거하여 상기 터치에 대응하는 제어명령을 발생시키도록 이루어질 수 있다. 터치 방식에 의하여 입력되는 내용은 문자 또는 숫자이거나, 각종 모드에서의 지시 또는 지정 가능한 메뉴항목 등일 수 있다.
이처럼, 디스플레이부(151)는 터치센서와 함께 터치 스크린을 형성할 수 있으며, 이 경우에 터치 스크린은 사용자 입력부(123, 도 1a 참조)로 기능할 수 있다. 경우에 따라, 터치 스크린은 제1조작유닛(123a)의 적어도 일부 기능을 대체할 수 있다.
제1음향 출력부(152a)는 통화음을 사용자의 귀에 전달시키는 리시버(receiver)로 구현될 수 있으며, 제2 음향 출력부(152b)는 각종 알람음이나 멀티미디어의 재생음을 출력하는 라우드 스피커(loud speaker)의 형태로 구현될 수 있다.
광 출력부(154)는 이벤트의 발생시 이를 알리기 위한 빛을 출력하도록 이루어진다. 상기 이벤트의 예로는 메시지 수신, 호 신호 수신, 부재중 전화, 알람, 일정 알림, 이메일 수신, 애플리케이션을 통한 정보 수신 등을 들 수 있다. 제어부(180)는 사용자의 이벤트 확인이 감지되면, 빛의 출력이 종료되도록 광 출력부(154)를 제어할 수 있다.
제1카메라(121a)는 촬영 모드 또는 화상통화 모드에서 이미지 센서에 의해 얻어지는 정지영상 또는 동영상의 화상 프레임을 처리한다. 처리된 화상 프레임은 디스플레이부(151)에 표시될 수 있으며, 메모리(170)에 저장될 수 있다.
제1 및 제2 조작유닛(123a, 123b)은 전자 기기(100)의 동작을 제어하기 위한 명령을 입력 받기 위해 조작되는 사용자 입력부(123)의 일 예로서, 조작부(manipulating portion)로도 통칭될 수 있다. 제1 및 제2 조작유닛(123a, 123b)은 터치, 푸시, 스크롤 등 사용자가 촉각적인 느낌을 받으면서 조작하게 되는 방식(tactile manner)이라면 어떤 방식이든 채용될 수 있다. 또한, 제1 및 제2 조작유닛(123a, 123b)은 근접 터치(proximity touch), 호버링(hovering) 터치 등을 통해서 사용자의 촉각적인 느낌이 없이 조작하게 되는 방식으로도 채용될 수 있다.
한편, 전자 기기(100)에는 사용자의 지문을 인식하는 지문인식센서가 구비될 수 있으며, 제어부(180)는 지문인식센서를 통하여 감지되는 지문정보를 인증수단으로 이용할 수 있다. 상기 지문인식센서는 디스플레이부(151) 또는 사용자 입력부(123)에 내장될 수 있다.
마이크로폰(122)은 사용자의 음성, 기타 소리 등을 입력 받도록 이루어진다. 마이크로폰(122)은 복수의 개소에 구비되어 스테레오 음향을 입력 받도록 구성될 수 있다.
인터페이스부(160)는 전자 기기(100)를 외부기기와 연결시킬 수 있는 통로가 된다. 예를 들어, 인터페이스부(160)는 다른 장치(예를 들어, 이어폰, 외장 스피커)와의 연결을 위한 접속단자, 근거리 통신을 위한 포트[예를 들어, 적외선 포트(IrDA Port), 블루투스 포트(Bluetooth Port), 무선 랜 포트(Wireless LAN Port) 등], 또는 전자 기기(100)에 전원을 공급하기 위한 전원공급단자 중 적어도 하나일 수 있다. 이러한 인터페이스부(160)는 SIM(Subscriber Identification Module) 또는 UIM(User Identity Module), 정보 저장을 위한 메모리 카드 등의 외장형 카드를 수용하는 소켓의 형태로 구현될 수도 있다.
단말기 바디의 후면에는 제2카메라(121b)가 배치될 수 있다. 이 경우, 제2카메라(121b)는 제1카메라(121a)와 실질적으로 반대되는 촬영 방향을 가지게 된다.
제2카메라(121b)는 적어도 하나의 라인을 따라 배열되는 복수의 렌즈를 포함할 수 있다. 복수의 렌즈는 행렬(matrix) 형식으로 배열될 수도 있다. 이러한 카메라는, 어레이(array) 카메라로 명명될 수 있다. 제2카메라(121b)가 어레이 카메라로 구성되는 경우, 복수의 렌즈를 이용하여 다양한 방식으로 영상을 촬영할 수 있으며, 보다 나은 품질의 영상을 획득할 수 있다.
플래시(124)는 제2카메라(121b)에 인접하게 배치될 수 있다. 플래시(124)는 제2카메라(121b)로 피사체를 촬영하는 경우에 피사체를 향하여 빛을 비추게 된다.
단말기 바디에는 제2 음향 출력부(152b)가 추가로 배치될 수 있다. 제2 음향 출력부(152b)는 제1음향 출력부(152a)와 함께 스테레오 기능을 구현할 수 있으며, 통화시 스피커폰 모드의 구현을 위하여 사용될 수도 있다.
단말기 바디에는 무선 통신을 위한 적어도 하나의 안테나가 구비될 수 있다. 안테나는 단말기 바디에 내장되거나, 케이스에 형성될 수 있다. 한편, 4G 무선 통신 모듈(111) 및 5G 무선 통신 모듈(112)와 연결되는 복수의 안테나는 단말기 측면에 배치될 수 있다. 또는, 안테나는 필름 타입으로 형성되어 후면 커버(103)의 내측면에 부착될 수도 있고, 도전성 재질을 포함하는 케이스가 안테나로서 기능하도록 구성될 수도 있다.
한편, 단말기 측면에 배치되는 복수의 안테나는 MIMO를 지원하도록 4개 이상으로 구현될 수 있다. 또한, 5G 무선 통신 모듈(112)이 밀리미터파(mmWave) 대역에서 동작하는 경우, 복수의 안테나 각각이 배열 안테나(array antenna)로 구현됨에 따라, 전자 기기에 복수의 배열 안테나가 배치될 수 있다.
단말기 바디에는 전자 기기(100)에 전원을 공급하기 위한 전원 공급부(190, 도 1a 참조)가 구비된다. 전원 공급부(190)는 단말기 바디에 내장되거나, 단말기 바디의 외부에서 착탈 가능하게 구성되는 배터리(191)를 포함할 수 있다.
이하에서는 본 발명에 따른 다중 송신 시스템 구조 및 이를 구비하는 전자 기기, 특히 이종 무선 시스템(heterogeneous radio system)에서 동작하는 전자 기기와 관련된 실시 예들에 대해 첨부된 도면을 참조하여 살펴보겠다. 본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다.
이하에서는 이와 같이 구성된 안테나 장치와 안테나 장치가 구현된 이동 단말기와 관련된 실시 예들에 대해 첨부된 도면을 참조하여 살펴보겠다. 본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다.
먼저, 도 2a는 본 발명의 일 실시 예와 관련된 이동 단말기의 분해사시도인데, 도 2를 참조하면, 상기 이동 단말기는 상기 디스플레이부(210)를 구성하는 윈도우(210a) 및 디스플레이 모듈(210b)을 포함한다. 윈도우(210a)는 상기 프론트 케이스(201)의 일면에 결합될 수 있다. 윈도우(210a) 및 디스플레이 모듈(210b)는 일체로 형성될 수 있다.
프론트 케이스(201)와 리어 케이스(202) 사이에 전기적 소자들이 지지되도록 프레임(260)이 형성된다. 이와 관련하여, 프론트 케이스(201)와 리어 케이스(202)가 메탈로 구현되는 경우에는 메탈 프레임으로 지칭할 수 있다. 본 발명에서는 편의상 프론트 케이스(201)가 메탈 프레임(201)인 것으로 기재하지만, 이에 한정되는 것은 아니고, 프론트 케이스(201)와 리어 케이스(202) 중 적어도 하나가 금속 재질의 메탈 프레임으로 구현될 수 있다. 한편, 메탈 프레임(201)의 측면의 적어도 일부는 안테나로서 동작할 수 있다.
프레임(260)은 단말기 내부의 지지구조로서, 일 예로 디스플레이 모듈(210b), 카메라 모듈(221), 안테나 장치, 배터리(240) 또는 회로 기판(250) 중 적어도 어느 하나를 지지할 수 있도록 형성된다.
프레임(260)은 그 일부가 단말기의 외부로 노출될 수 있다. 또한, 프레임(260)은 바 타입이 아닌 슬라이드 타입의 단말기에서 본체부와 디스플레이부를 서로 연결하는 슬라이딩 모듈의 일부를 구성할 수도 있다.
도 2에 도시한 것은 일 예로서, 프레임(260)과 리어 케이스(202) 사이에 회로 기판(250)이 배치되고, 프레임(260)의 일면에 디스플레이 모듈(210b)이 결합되는 것을 도시하고 있다. 프레임(260)의 타면에는 회로 기판(250)과 배터리가 배치되고, 배터리를 덮도록 배터리 커버(203)가 리어 케이스(202)에 결합될 수 있다.
상기 윈도우(210a)는 상기 프론트 케이스(201)의 일면에 결합된다. 상기 윈도우(210a)의 일면에는 터치를 감지할 수 있도록 형성되는 터치 감지 패턴(210c)이 형성될 수 있다. 터치 감지 패턴(210c)은 터치 입력을 감지하도록 형성되고, 광투과성으로 이루어진다. 터치 감지 패턴(210c)은 상기 윈도우(210a)의 전면에 장착되며, 윈도우(210a)의 특정 부위에 발생하는 전압 등의 변화를 전기적인 입력신호로 변환하도록 구성될 수 있다.
상기 디스플레이 모듈(210b)은 상기 윈도우(210a)의 후면에 장착된다. 본 실시 예에서는 상기 디스플레이 모듈(210b)의 예로서 박막 트랜지스터 액정 디스플레이(thin film transistor-liquid crystal display, TFT LCD)가 개시되나, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
예를 들어, 디스플레이 모듈(210b)은 액정 디스플레이(liquid crystal display, LCD), 유기 발광 다이오드(organic light-emitting diode, OLED), 플렉시블 디스플레이(flexible display), 3차원 디스플레이(3D display) 등이 될 수 있다.
상기 회로 기판(250)은 앞서 살펴본 바와 같이, 프레임(260)의 일면에 형성될 수 있지만, 상기 디스플레이 모듈(210b)의 하부에 장착될 수도 있다. 그리고, 상기 회로 기판(250)의 하면 상에 적어도 하나의 전자소자들이 장착된다.
상기 프레임(260)에는 상기 배터리(240)가 수용될 수 있도록 리세스된 형태의 수용부가 형성된다. 상기 배터리 수용부의 일 측면에는 상기 배터리(240)가 단말기 본체에 전원을 공급하도록 상기 회로 기판(250)과 연결되는 접촉단자가 형성될 수 있다.
프레임(260)은 얇은 두께로 형성되더라도 충분한 강성을 유지할 수 있도록 금속 재질로 형성될 수 있다. 금속 재질의 프레임(260)은 그라운드로 동작할 수 있다. 즉, 회로 기판(250) 또는 안테나 장치가 프레임(260)에 접지 연결될 수 있으며, 프레임(260)은 회로 기판(250)이나 안테나 장치의 그라운드로 동작할 수 있다. 이 경우 프레임(260)은 이동 단말기의 그라운드를 확장할 수 있다.
회로 기판(250)은 안테나 장치와 전기적으로 연결되며, 안테나 장치에 의하여 송수신되는 무선 신호(또는 무선 전자기파)를 처리하도록 이루어진다. 무선 신호의 처리를 위해, 복수의 송수신 회로들이 회로 기판(250)에 형성되거나 장착될 수 있다.
송수신기 회로들은 하나 이상의 집적 회로 및 관련 전기적 소자들을 포함하여 형성될 수 있다. 일 예로, 송수신기 회로는 송신 집적 회로, 수신 집적회로, 스위칭 회로, 증폭기 등을 포함할 수 있다.
복수의 송수신기 회로들은 방사체인 도전 패턴으로 형성되는 도전 멤버들을 동시 급전함으로써, 복수의 안테나 장치가 동시에 작동할 수 있다. 예를 들면, 어느 하나가 송신하는 동안, 다른 하나는 수신할 수 있으며, 둘 다 송신하거나 둘 다 수신을 할 수 있다.
동축 케이블은 회로기판과 각 안테나 장치들을 서로 연결하도록 형성될 수 있다. 일 예로 동축 케이블은 안테나 장치들을 급전시키는 급전 장치에 연결될 수 있다. 급전 장치들은 조작부(123a)로부터 입력되는 신호들을 처리하도록 형성되는 연성회로기판(242)의 일면에 형성될 수 있다. 연성회로기판(242)의 타면은 조작부(123a)의 신호를 전달하도록 형성되는 신호 전달 유닛과 결합될 수 있다. 이 경우 연성회로기판(242)의 타면에 돔이 형성되고, 신호 전달 유닛에 액추에이터가 형성될 수 있다.
캐리어(135)의 하부에는 연성회로기판(242)이 연결된다. 연성회로기판(242)은 일단이 제어부를 구비하는 회로기판(250)에 연결될 수 있다. 한편, 전자 기기의 하부가 아닌 전자 기기의 측면에 캐리어(136)가 배치될 수 있다. 캐리어(136)은 연성회로 기판 또는 회로 기판(250)에 연결될 수 있다. 연성회로기판(242) 또는 회로기판(250)은 단말기의 조작부와 연결될 수 있다. 이 경우, 연성회로기판(242)은 조작부에서 생성된 신호가 회로기판(250)의 제어부에 전달되도록 형성된다.
한편, 본 발명에서는 전술된 메탈 프레임(201)의 측면의 적어도 일부 또는 이와 내부의 복수의 도전 패턴(conductive pattern)이 안테나로서 동작하는 전자 기기를 고려할 수도 있다. 이와 관련하여, 메탈 프레임(201) 내부의 복수의 도전 패턴이 복수의 안테나 소자로서 동작할 수 있다.
이와 관련하여, 본 발명은 5G Sub 6 안테나를 구현 시, 외곽 메탈 프레임(201), 즉 금속 부재(metal decoration)를 동일 주파수의 두 개 안테나의 접지(GND)로 사용한다. 한편, 금속 부재에 연결되는 두 개의 안테나 패턴 각각이 주 방사체(main radiator)가 된다.
따라서, 본 발명과 관련하여 외곽 메탈 프레임(201)에 해당하는 금속 부재가 접지이며, 복수의 안테나의 공통 접지가 된다. 또한, 금속 부재에 접촉(contact)되는 안테나 패턴, 즉 도전 패턴(conductive pattern)이 존재하고, 상기 도전 패턴이 주 방사체 역할을 한다.
한편, 본 발명에서는 전자 기기의 측면 이외에 전자 기기의 내부에 배치될 수 있는 Low-profile 안테나에 대해 설명하기로 한다. 이와 관련하여, 기존 안테나들이 이미 전자 기기의 측면에 배치되어, 5G Sub 6대역에서 동작 가능한 복수의 안테나들이 배치될 공간이 부족하거나 또는 다른 안테나들과 간섭이 발생할 수 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해, 본 발명에 따른 Low-profile 안테나는 전자 기기의 내부에 작은 크기와 낮은 높이로 구현될 수 있다.
또한, 본 발명은 4X4 이상의 MIMO를 적용하기 위한 안테나 소형화 설계기술을 제공하기 위한 것이다. 구체적으로, 전자 기기의 내부에 작은 크기와 낮은 높이로 구현되는 Low-profile 안테나 구조에서, 5G Sub-6GHz 안테나를 최적으로 배치하는 방법을 제안하기 위한 것이다.
도 2b는 본 발명에 따른 복수의 무선 통신 시스템에서 동작 가능한 전자 기기의 무선 통신부의 구성을 도시한다. 도 2b를 참조하면, 전자 기기는 제1 전력 증폭기(210), 제2 전력 증폭기(220) 및 RFIC(250)를 포함한다. 또한, 전자 기기는 모뎀(Modem, 400) 및 어플리케이션 프로세서(AP: Application Processor, 500)를 더 포함할 수 있다. 여기서, 모뎀(Modem, 400)과 어플리케이션 프로세서(AP, 500)와 물리적으로 하나의 chip에 구현되고, 논리적 및 기능적으로 분리된 형태로 구현될 수 있다. 하지만, 이에 한정되지 않고 응용에 따라 물리적으로 분리된 chip의 형태로 구현될 수도 있다.
한편, 전자 기기는 수신부에서 복수의 저잡음 증폭기(LNA: Low Noise Amplifier, 410 내지 440)을 포함한다. 여기서, 제1 전력 증폭기(210), 제2 전력 증폭기(220), 제어부(250) 및 복수의 저잡음 증폭기(310 내지 340)는 모두 제1 통신 시스템과 제2 통신 시스템에서 동작 가능하다. 이때, 제1 통신 시스템과 제2 통신 시스템은 각각 4G 통신 시스템과 5G 통신 시스템일 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, RFIC(250)는 4G/5G 일체형으로 구성될 수 있지만, 이에 한정되지 않고 응용에 따라 4G/5G 분리형으로 구성될 수 있다. RFIC(250)가 4G/5G 일체형으로 구성되는 경우, 4G/5G 회로 간 동기화 (synchronization) 측면에서 유리할 뿐만 아니라, 모뎀(400)에 의한 제어 시그널링이 단순화될 수 있다는 장점이 있다.
한편, RFIC(250)가 4G/5G 분리형으로 구성되는 경우, 4G RFIC 및 5G RFIC로 각각 지칭될 수 있다. 특히, 5G 대역이 밀리미터파 대역으로 구성되는 경우와 같이 5G 대역과 4G 대역의 대역 차이가 큰 경우, RFIC(250)가 4G/5G 분리형으로 구성될 수 있다. 이와 같이, RFIC(250)가 4G/5G 분리형으로 구성되는 경우, 4G 대역과 5G 대역 각각에 대하여 RF 특성을 최적화할 수 있다는 장점이 있다.
한편, RFIC(250)가 4G/5G 분리형으로 구성되는 경우에도 4G RFIC 및 5G RFIC가 논리적 및 기능적으로 분리되고 물리적으로는 하나의 chip에 구현되는 것도 가능하다.
한편, 어플리케이션 프로세서(AP, 500)는 전자 기기의 각 구성부의 동작을 제어하도록 구성한다. 구체적으로, 어플리케이션 프로세서(AP, 500)는 모뎀(400)을 통해 전자 기기의 각 구성부의 동작을 제어할 수 있다.
예를 들어, 전자 기기의 저전력 동작(low power operation)을 위해 전력 관리 IC (PMIC: Power Management IC)를 통해 모뎀(400)을 제어할 수 있다. 이에 따라, 모뎀(400)은 RFIC(250)를 통해 송신부 및 수신부의 전력 회로를 저전력 모드에서 동작시킬 수 있다.
이와 관련하여, 어플리케이션 프로세서(AP, 500)는 전자 기기가 대기 모드(idle mode)에 있다고 판단되면, 모뎀(300)을 통해 RFIC(250)를 다음과 같이 제어할 수 있다. 예를 들어, 전자 기기가 대기 모드(idle mode)에 있다면, 제1 및 제2 전력 증폭기(110, 120) 중 적어도 하나가 저전력 모드에서 동작하거나 또는 오프(off)되도록 모뎀(300)을 통해 RFIC(250)를 제어할 수 있다.
다른 실시 예에 따르면, 어플리케이션 프로세서(AP, 500)는 전자 기기가 low battery mode이면, 저전력 통신이 가능한 무선 통신을 제공하도록 모뎀(300)을 제어할 수 있다. 예를 들어, 전자 기기가 4G 기지국, 5G 기지국 및 액세스 포인트 중 복수의 엔티티와 연결된 경우, 어플리케이션 프로세서(AP, 500)는 가장 저전력으로 무선 통신이 가능하도록 모뎀(400)을 제어할 수 있다. 이에 따라, 스루풋을 다소 희생하더라도 어플리케이션 프로세서(AP, 500)는 근거리 통신 모듈(113)만을 이용하여 근거리 통신을 수행하도록 모뎀(400)과 RFIC(250)를 제어할 수 있다.
또 다른 실시 예에 따르면, 전자 기기의 배터리 잔량이 임계치 이상이면, 최적의 무선 인터페이스를 선택하도록 모뎀(300)을 제어할 수 있다. 예를 들어, 어플리케이션 프로세서(AP, 500)는 배터리 잔량과 가용 무선 자원 정보에 따라 4G 기지국 및 5G 기지국 모두를 통해 수신할 수 있도록 모뎀(400)을 제어할 수 있다. 이때, 어플리케이션 프로세서(AP, 500)는 배터리 잔량 정보는 PMIC로부터 수신하고, 가용 무선 자원 정보는 모뎀(400)으로부터 수신할 수 있다. 이에 따라, 배터리 잔량과 가용 무선 자원이 충분하면, 어플리케이션 프로세서(AP, 500)는 4G 기지국 및 5G 기지국 모두를 통해 수신할 수 있도록 모뎀(400)과 RFIC(250)를 제어할 수 있다.
한편, 도 2의 다중 송수신 시스템(multi-transceiving system)은 각각의 무선 시스템(radio System)의 송신부와 수신부를 하나의 송수신부로 통합할 수 있다. 이에 따라, RF 프론트 엔드(Front-end)에서 두 종류의 시스템 신호를 통합하는 회로부분을 제거할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 프론트 엔드 부품을 통합된 송수신부로 제어 가능하므로, 송수신 시스템이 통신 시스템 별로 분리되었을 경우보다 효율적으로 프론트 엔드 부품을 통합할 수 있다.
또한, 통신 시스템 별로 분리되는 경우, 필요에 따라 다른 통신 시스템을 제어하는 것이 불가능하거나, 이로 인한 시스템 지연(system delay)를 가중시키기 때문에 효율적인 자원 할당이 불가능하다. 반면에, 도 2와 같은 다중 송수신 시스템은, 필요에 따라 다른 통신 시스템을 제어하는 것이 가능하고, 이로 인한 시스템 지연을 최소화할 수 있어 효율적인 자원 할당이 가능한 장점이 있다.
한편, 제1 전력 증폭기(210)와 제2 전력 증폭기(220)는 제1 및 제2 통신 시스템 중 적어도 하나에서 동작할 수 있다. 이와 관련하여, 5G 통신 시스템이 4G 대역 또는 Sub6 대역에서 동작하는 경우, 제1 및 제2 전력 증폭기(220)는 제1 및 제2 통신 시스템에서 모두 동작 가능하다.
반면에, 5G 통신 시스템이 밀리미터파(mmWave) 대역에서 동작하는 경우, 제1 및 제2 전력 증폭기(210, 220)는 어느 하나는 4G 대역에서 동작하고, 다른 하나는 밀리미터파 대역에서 동작할 수 있다.
한편, 송수신부와 수신부를 통합하여, 송수신 겸용 안테나를 이용하여 하나의 안테나로 2개의 서로 다른 무선 통신 시스템을 구현할 수 있다. 이때, 도 2와 같이 4개의 안테나를 이용하여 4x4 MIMO 구현이 가능하다. 이때, 하향링크(DL)를 통해 4x4 DL MIMO가 수행될 수 있다.
한편, 5G 대역이 Sub6 대역이면, 제1 내지 제4 안테나(ANT1 내지 ANT4)는 4G 대역과 5G 대역에서 모두 동작하도록 구성될 수 있다. 반면에, 5G 대역이 밀리미터파(mmWave) 대역이면, 제1 내지 제4 안테나(ANT1 내지 ANT4)는 4G 대역과 5G 대역 중 어느 하나의 대역에서 동작하도록 구성될 수 있다. 이때, 5G 대역이 밀리미터파(mmWave) 대역이면, 별도의 복수 안테나 각각이 밀리미터파 대역에서 배열 안테나로 구성될 수 있다.
한편, 4개의 안테나 중 제1 전력 증폭기(210)와 제2 전력 증폭기(220)에 연결된 2개의 안테나를 이용하여 2x2 MIMO 구현이 가능하다. 이때, 상향링크(UL)를 통해 2x2 UL MIMO (2 Tx)가 수행될 수 있다. 또는, 2x2 UL MIMO에 한정되는 것은 아니고, 1 Tx 또는 4 Tx로 구현 가능하다. 이때, 5G 통신 시스템이 1 Tx로 구현되는 경우, 제1 및 제2 전력 증폭기(210, 220) 중 어느 하나만 5G 대역에서 동작하면 된다. 한편, 5G 통신 시스템이 4Tx로 구현되는 경우, 5G 대역에서 동작하는 추가적인 전력 증폭기가 더 구비될 수 있다. 또는, 하나 또는 두 개의 송신 경로 각각에서 송신 신호를 분기하고, 분기된 송신 신호를 복수의 안테나에 연결할 수 있다.
한편, RFIC(250)에 해당하는 RFIC 내부에 스위치 형태의 분배기(Splitter) 또는 전력 분배기(power divider)가 내장되어 있어, 별도의 부품이 외부에 배치될 필요가 없고 이로 인해 부품 실장성을 개선시킬 수 있다. 구체적으로, 제어부(250)에 해당하는 RFIC 내부에 SPDT (Single Pole Double Throw) 형태의 스위치를 사용하여 2개의 서로 다른 통신 시스템의 송신부(TX) 선택이 가능하다.
또한, 본 발명에 따른 복수의 무선 통신 시스템에서 동작 가능한 전자 기기는 듀플렉서(duplexer, 231), 필터(232) 및 스위치(233)를 더 포함할 수 있다.
듀플렉서(231)는 송신 대역과 수신 대역의 신호를 상호 분리하도록 구성된다. 이때, 제1 및 제2 전력 증폭기(210, 220)를 통해 송신되는 송신 대역의 신호는 듀플렉서(231)의 제1 출력 포트를 통해 안테나(ANT1, ANT4)에 인가된다. 반면에, 안테나(ANT1, ANT4)를 통해 수신되는 수신 대역의 신호는 듀플렉서(231)의 제2 출력포트를 통해 저잡음 증폭기(310, 340)로 수신된다.
필터(232)는 송신 대역 또는 수신 대역의 신호를 통과(pass)시키고 나머지 대역의 신호는 차단(block)하도록 구성될 수 있다. 이때, 필터(232)는 듀플렉서(231)의 제1 출력 포트에 연결되는 송신 필터와 듀플렉서(231)의 제2 출력포트에 연결되는 수신 필터로 구성될 수 있다. 대안적으로, 필터(232)는 제어 신호에 따라 송신 대역의 신호만을 통과시키거나 또는 수신 대역의 신호만을 통과시키도록 구성될 수 있다.
스위치(233)는 송신 신호 또는 수신 신호 중 어느 하나만을 전달하도록 구성된다. 본 발명의 일 실시 예에서, 스위치(233)는 시분할 다중화(TDD: Time Division Duplex) 방식으로 송신 신호와 수신 신호를 분리하도록 SPDT (Single Pole Double Throw) 형태로 구성될 수 있다. 이때, 송신 신호와 수신 신호는 동일 주파수 대역의 신호이고, 이에 따라 듀플렉서(231)는 서큘레이터(circulator) 형태로 구현될 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시 예에서, 스위치(233)는 주파수 분할 다중화(FDD: Time Division Duplex) 방식에서도 적용 가능하다. 이때, 스위치(233)는 송신 신호와 수신 신호를 각각 연결 또는 차단할 수 있도록 DPDT (Double Pole Double Throw) 형태로 구성될 수 있다. 한편, 듀플렉서(231)에 의해 송신 신호와 수신 신호의 분리가 가능하므로, 스위치(233)가 반드시 필요한 것은 아니다.
한편, 본 발명에 따른 전자 기기는 제어부에 해당하는 모뎀(400)을 더 포함할 수 있다. 이때, RFIC(250)와 모뎀(400)을 각각 제1 제어부 (또는 제1 프로세서)와 제2 제어부(제2 프로세서)로 지칭할 수 있다. 한편, RFIC(250)와 모뎀(400)은 물리적으로 분리된 회로로 구현될 수 있다. 또는, RFIC(250)와 모뎀(400)은 물리적으로 하나의 회로에 논리적 또는 기능적으로 구분될 수 있다.
모뎀(400)은 RFIC(250)를 통해 서로 다른 통신 시스템을 통한 신호의 송신과 수신에 대한 제어 및 신호 처리를 수행할 수 있다. 모뎀(400)은 4G 기지국 및/또는 5G 기지국으로부터 수신된 제어 정보(Control Information)을 통해 획득할 수 있다. 여기서, 제어 정보는 물리 하향링크 제어 채널(PDCCH: Physical Downlink Control Channel)을 통해 수신될 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
모뎀(400)은 특정 시간 및 주파수 자원에서 제1 통신 시스템 및/또는 제2 통신 시스템을 통해 신호를 송신 및/또는 수신하도록 RFIC(250)를 제어할 수 있다. 이에 따라, RFIC(250)는 특정 시간 구간에서 4G 신호 또는 5G 신호를 송신하도록 제1 및 제2 전력 증폭기(210, 220)를 포함한 송신 회로들을 제어할 수 있다. 또한, RFIC(250)는 특정 시간 구간에서 4G 신호 또는 5G 신호를 수신하도록 제1 내지 제4 저잡음 증폭기(310 내지 340)를 포함한 수신 회로들을 제어할 수 있다.
이하에서는, 본 발명에 따른 전자 기기 내부에 배치될 수 있는 로우 프로파일 안테나(low profile antenna)에 대해 설명하기로 한다. 여기서, "low profile"의 의미는 낮은 높이로 형성되어 전자 기기 내부에 배치될 수 있다는 의미이다.
이와 관련하여, 5G Sub6 대역에서 동작하는 안테나는 전자 기기의 측면 또는 전자 기기의 내부에 배치될 수 있다. 또한, 최근 들어 이동 단말기와 같은 전자 기기에서, 풀 디스플레이(Full Display)를 채택하는 경향이 있다. 또한, 풀 디스플레이를 구비하는 전자 기기 이외에 Flexible Display 개발로 인해 Foldable, Flexible, Rollable 형태의 새로운 form-factor가 등장하고 있다.
이와 같은 다양한 form-factor에 따른 전자 기기에서도 빠른 데이터 전송을 위해 안테나 수가 증가하고 있다. 하지만, 전자 기기에 배치될 수 있는 안테나의 크기와 형태가 제한되어 설계 공간이 줄고 방사 효율 확보에 어려움이 있다는 문제점이 있다.
본 발명에서는 이러한 문제점을 해결하기 위해, 풀 디스플레이 또는 다양한 form-factor의 전자 기기의 내부에 배치 가능한 로우 프로파일 안테나를 제공하기 위한 것이다. 이에 따라, 본 발명의 목적은 전자 기기 내부에 작은 크기와 낮은 높이를 갖는 로우 프로파일 안테나(Low Profile)가 배치된 전자 기기를 제공하기 위한 것이다. 또한, 본 발명의 다른 일 목적은 무선 성능을 최적화하면서 안테나 공간 활용도와 배치 자유도가 높은 로우 프로파일 안테나를 제공하기 위한 것이다.
이에 따라, 본 발명에서는 기존에 안테나가 집중된 영역인 전자 기기의 측면 테두리가 아닌, 전자 기기의 내부에 배치될 수 있는 안테나를 제공한다. 구체적으로, 전자 기기의 커버의 내부에 커버와 수평으로 배치될 수 있는 높이가 낮으면서 효과적인 Low Profile 안테나 설계를 목적으로 한다.
한편, 현재 5G 통신 시스템에서 4개의 안테나가 사용될 수 있지만, 향후 5G 통신 시스템 또는 6G 통신 시스템에서는 8개 이상의 많은 안테나를 필요로 한다. 이와 관련하여, 향후 통신 시스템은 대용량 고속 데이터 전송을 위한 것으로 안테나 수가 계속 증가할 것이다. 하지만, 전자 기기에 배치될 수 있는 안테나의 크기와 형태가 제한되어 설계 공간이 감소하고, 방사 효율 확보에 어려움이 있다는 문제점이 있다.
이에 따라, 본 발명은 로우 프로파일 안테나를 인접하게 배치하면서 상호 간에 격리도를 확보할 수 있는 1xn MIMO 안테나 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다. 이를 위해, 본 발명에서는 1xn MIMO 안테나 모듈 내의 안테나 소자를 회전 배열하고 급전 포인트를 이격 시킬 수 있다. 여기서, "급전 포인트를 이격"하는 의미는 급전부가 오프셋 배치되면서 안테나 소자가 회전됨에 따라, 상호 간 이격 거리가 증가된다는 의미이다.
한편, 안테나가 배치되는 기판의 그라운드와 시스템 그라운드와 연결되는 면적을 넓게 하면서, 상호 간 이격 거리를 증가시킬수록 안테나 간 이격 성능이 개선된다. 또한, 안테나 그라운드 아래에 메탈 구조가 위치할 경우, 비아(패턴 단락 부) 부분이 메탈 구조가 접촉되어야 기생 공진이나 ECC 이슈를 회피할 수 있다.
한편, 도 2a를 참조하면, 본 발명의 로우 프로파일 안테나는 캐리어(136) 상에 배치될 수 있다. 일 예로, 본 발명의 로우 프로파일 안테나가 배치되는 캐리어(136)는 전자 기기의 길이 방향으로 배치될 수 있다. 이와 관련하여 본 발명의 로우 프로파일 안테나가 전자 기기의 길이 방향으로 배치되는 경우, 다수의 로우 프로파일 안테나를 복수 개 배치하여 다중 입출력(MIMO)을 구현할 수 있다.
이러한 다중 입출력(MIMO)과 관련하여, 일반적으로 안테나 소자들은 동작 대역의 5 파장 이상의 이격 배치를 필요로 한다. 이러한 5 파장 이상의 이격 배치를 위해 각각의 안테나 소자들, 예컨대 5G 2x2 MIMO 안테나는 전자 기기의 좌측 상부, 좌측 하부, 우측 상부 및 우측 하부에 배치될 수 있다. 이와 같이 좌측 상부, 좌측 하부, 우측 상부 및 우측 하부에 배치되는 5G 2x2 MIMO 안테나는 4G MIMO 안테나 간에 간섭이 발생할 수 있다.
따라서, 본 발명에서는 전자 기기의 내부의 캐리어(136) 상의 제한된 공간 내에 안테나 소자 간에 매우 인접하여 배치 가능한 5G MIMO 안테나를 제안하고자 한다. 이와 관련하여, 5G MIMO 안테나를 구성하는 각각의 안테나 소자는 반파장 또는 1/4 파장 정도의 이격 거리로 인접하여 배치할 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 5G MIMO 안테나는 2x1 MIMO 안테나, 2x2 MIMO 안테나, m x n MIMO 안테나로 응용에 따라 변경하여 구현 가능하다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 전자 기기 내부에 배치될 수 있는 로우 프로파일 안테나는 5G Sub 6 대역에서 동작하는 안테나일 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니고 본 발명의 로우 프로파일 안테나는 응용에 따라 LTE 대역에서 동작하는 안테나일 수 있다.
도 3a는 본 발명에 따른 로우 프로파일 안테나가 구현되는 기판의 전면도, 측면도 및 배면도를 나타낸다. 한편, 도 3b는 본 발명에 따른 MIMO 안테나 모듈 및 이러한 안테나를 통해 신호를 송신 및 수신하는 송수신부 회로를 나타낸다. 또한, 본 발명에 따른 로우 프로파일 안테나의 기술적 특징은 다음과 같다.
1) 한쪽 끝이 단락된 두 금속 패턴의 개방면이 간격을 갖고 서로 마주보게 배치된다. 또한, 두 금속 패턴 사이에 같은 층 또는 다른 층에서 간접 결합으로 급전되는 것이 가장 큰 구조적인 특징이다. 이러한 갭을 조정하여 임피던스 매칭을 쉽게 할 수 있다.
2) 금속 패턴과 그라운드 사이의 높이는 낮고 유전체 또는 공기로 채워져 있다. 둘 이상의 서로 다른 유전체를 적층(stack)하여 안테나 크기를 줄이면서도 방사 효율을 높일 수 있다.
3) 금속 패턴과 그라운드를 연결하는 수직 연결부에 흐르는 수직 전류와 금속 패턴과 그라운드 사이에 생성되는 수직 전계에 의해 수평 자계 전류가 형성된다. 이러한 수평 자계 전류는 image theory에 의해 낮은 안테나 높이에서 매우 효율적이다.
여기서, 본 발명의 로우 프로파일 안테나는 초소형 안테나(ultra-miniaturized antenna)로 지칭할 수 있다. 이와 관련하여, 초소형 안테나의 의미는 안테나 패턴이 배치되는 기판의 길이와 너비를 감소시켜, 전자 기기 내부에 다수 개의 안테나 소자로 배치될 수 있다는 의미이다.
도 3a를 참조하면, 본 발명의 안테나는 한쪽 끝이 단락 된 두 패턴(Shorted arm ①,②)이 간격을 갖고 서로 마주보게 배치되고 그 패턴 사이에 간접 결합으로 급전되는 것을 특징으로 한다.
이러한 구조는 낮은 높이(t)에서 안테나의 효과적인 방사를 유도한다. 이와 관련하여, 금속 패턴과 그라운드를 연결하는 수직 연결부에 흐르는 수직 전류와 금속 패턴과 그라운드 사이에 생성되는 수직 전계에 의해 수평 자계 전류가 형성된다. 이러한 수평 자계 전류는 image theory에 의해 낮은 안테나 높이에서 매우 효율적이다.
구체적으로, 도 3a 및 도 3b를 참조하면, 전자 기기는 안테나(1200) 및 송수신부 회로(transceiver circuit, 1250) 및 기저대역 프로세서(baseband processor, 1400)를 포함한다. 여기서, 송수신부 회로(transceiver circuit, 1250)는 RF 대역에서 동작하는 집적 회로인 RFIC일 수 있다. 또한, 기저대역 프로세서(baseband processor, 1400)는 기저대역에서 동작하는 모뎀(modem)일 수 있다. 이 경우, RFIC는 RF 대역 신호를 기저대역 신호로 변환하는 하향 변환기(down-converter)와 기저대역 신호를 RF 대역 신호로 변환하는 상향 변환기(up-converter)를 구비할 수 있다. 이와 관련하여, RFIC에 해당하는 송수신부 회로(1250)와 모뎀(modem)에 해당하는 기저대역 프로세서(1400)가 하나의 칩에 구현되어 Soc (System On Chip)으로 구현될 수 있다.
한편, 안테나(1200)는 제1 금속 패턴(metal pattern, 1211), 제2 금속 패턴(1212) 및 급전 패턴(1220)을 포함할 수 있다. 제1 금속 패턴(1211)은 기판 전면에 소정 길이(length)와 너비(width)를 갖는 금속이 프린트되어 배치되도록 구성된다. 제2 금속 패턴(1212)은 제1 금속 패턴(1211)과 소정 간격 이격되고, 소정 길이와 너비를 갖는 금속이 프린트되어 배치되도록 구성된다. 한편, 제1 금속 패턴(1211) 및 제2 금속 패턴(1212)은 내부에 금속 패턴이 형성되지 않은 인셋 영역(inset region)을 포함한다.
여기서, "인셋 영역"의 의미는 사각 패치와 같은 제1 금속 패턴(1211) 및 제2 금속 패턴(1212)의 금속 영역에서 금속 영역이 제거된 영역을 의미한다. 이러한 "인셋 영역"을 통해 급전 패턴(1220)이 배치될 수 있는 공간을 확보할 수 있다. 또한, "인셋 영역"을 통해 제1 금속 패턴(1211) 및 제2 금속 패턴(1212)과 급전 패턴(1220)간의 임피던스 매칭이 별도의 임피던스 매칭 회로 없이도 용이하게 구현될 수 있는 장점이 있다.
한편, 급전 패턴(1220)은 제1 금속 패턴(1211)과 제2 금속 패턴(1212)이 이격된 영역과 인셋 영역에 소정 길이와 너비를 갖는 금속이 프린트되어 배치되도록 구성된다. 이에 따라, 급전 패턴(1220)은 제1 금속 패턴(1211) 및 제2 금속 패턴(1212)으로 신호를 커플링 급전하도록 구성될 수 있다.
이와 관련하여, 급전 패턴(1220)이 송수신부 회로(1250)와 연결되는 급전부의 위치는 급전 패턴(1220)의 중심에서 소정 거리만큼 이격될 수 있다. 이와 같이 급전 패턴(1220)이 소정 거리만큼 이격 됨에 따라 임피던스 매칭이 용이하게 되고, 대역폭 특성을 최적화할 수 있다. 한편, 급전부의 위치는 급전 패턴(1220)의 중심에서 소정 거리만큼 이격되는 임계치는 안테나의 방사 패턴의 비대칭 정도가 허용가능한 정도로 설정될 수 있다.
한편, 송수신부 회로(1250)는 급전 패턴(1220)과 연결되고, 급전 패턴(1220)을 통해 제1 금속 패턴(1211) 및 제2 금속 패턴(1212)으로 신호를 전달하도록 구성된다. 또한, 기저대역 프로세서(1400)는 송수신부 회로(1250)를 제어하여 안테나(1200)를 통해 5G Sub 6 대역의 신호를 송신 및 수신하도록 할 수 있다.
한편, 안테나(1200)는 복수의 비아들(Vias, 1230)을 더 포함할 수 있다. 이와 관련하여, 복수의 비아들(1230)은 제1 금속 패턴(1211) 및 제2 금속 패턴(1212)의 단부(end portion)에서 제1 금속 패턴(1211) 및 제2 금속 패턴(1212)과 하부의 그라운드 패턴을 연결하도록 구성된다. 이와 관련하여, 복수의 비아들(1230)은 제1 금속 패턴(1211) 및 제2 금속 패턴(1212)의 종단 부(terminated portion)에서 내부로 소정 간격 이격되어 배치될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 로우 프로파일 안테나는 다중 입출력(MIMO) 동작을 위해, 복수의 안테나들을 포함하도록 구성 가능하다. 이를 위해, 본 발명에 따른 5G Sub6 대역에서 동작하는 안테나 모듈은 복수의 안테나 소자를 포함하도록 구성 가능하다. 이와 관련하여, 도 6a 내지 도 8a는 본 발명의 다양한 실시 예에 따른 복수의 안테나 소자의 배치 구조를 나타낸다. 도 6a 내지 도 8a의 복수의 안테나 소자는 제1 안테나(ANT1) 및 제2 안테나(ANT2)를 포함하도록 구성된다. 한편, 도 6b 내지 도 8b는 도 6a 내지 도 8a의 안테나 구조에 따른 반사계수 특성을 나타낸다.
도 3a, 도 3b, 도 6a 내지 도 8a를 참고하면, 본 발명에 따른 안테나 모듈은 MIMO 동작을 위해 2x1 MIMO 안테나로 구성될 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니고, 2x2 MIMO 안테나와 같은 임의의 m x n MIMO 안테나로 확장 가능하다.
도 3a, 도 3b, 도 6a 내지 도 8a를 참고하면, 제1 안테나(ANT1)는 금속 패턴(1210-1) 및 급전 패턴(1220-1)을 포함하도록 구성 가능하다. 제1 안테나(ANT1)의 금속 패턴(1210-1)은 기판 전면에 소정 길이(length)와 너비(width)를 갖는 금속이 프린트되어 배치되어, 제1 신호를 방사하도록 구성된다. 한편, 급전 패턴(1220-1)은 금속 패턴(1210-1)이 분리되어 이격된 영역 내에 배치된다. 이에 따라, 급전 패턴(1220-1)은 금속 패턴(1210-1)으로 제1 신호를 커플링 급전하도록 구성된다.
한편, 제2 안테나(ANT2)는 기판 상부에 제1 안테나(ANT1)와 대칭 형태로 배치되는 금속 패턴(1210-2)과 제2 급전 패턴(1220-2)을 포함하고, 제2 신호를 방사하도록 구성된다. 이에 따라, 제2 안테나(ANT2)는 제2 급전 패턴(1220-2)과 금속 패턴(1210-2)을 통해 제2 신호를 방사하도록 구성된다.
한편, 제1 안테나(ANT1)의 급전 패턴(1220-1)은 금속 패턴(1210-1)의 중심선을 기준으로 상부 방향으로 오프셋 되어 배치될 수 있다. 또한, 제2 안테나(ANT2)의 급전 패턴(1220-2)은 금속 패턴(1210-2)의 중심선을 기준으로 하부 방향으로 오프셋 되어 배치될 수 있다. 이와 같이, 오프셋 배치되는 제1 안테나(ANT1)의 급전 패턴(1220-1)과 제2 안테나(ANT2)의 급전 패턴(1220-2)에 의해, 제1 및 제2 안테나(ANT1, ANT2) 간의 간섭 수준을 저감할 수 있다. 이에 따라, 제1 안테나(ANT1)와 제2 안테나(ANT2)는 상호 간 간섭을 저감하여 다중 입출력(MIMO) 동작 시 ECC(electric coupling coefficient) 수준을 저감할 수 있다.
한편, 송수신부 회로(1250)는 급전 패턴(1220-1) 및 제2 급전 패턴(1220-2)과 연결되어 제1 신호 및 제2 신호 중 적어도 하나를 방사하도록 구성된다. 여기서, 제1 신호 및 제2 신호는 다중 입출력(MIMO)을 위한 동일 대역의 신호로 간주될 수 있다. 제1 신호 및 제2 신호는 5G Sub 6 대역 신호일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 이에 따라, 송수신부 회로(1250)는 제1 안테나(ANT1) 및 제2 안테나(ANT2) 중 하나를 통해 제1 신호 및 제2 신호 중 적어도 하나를 방사하도록 구성된다. 도 3b와 같이 2개의 안테나가 인접하여 상부와 하부에 배치되어 MIMO를 수행하는 경우, 이를 2x1 MIMO 안테나로 지칭할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 2x1 MIMO 안테나는 안테나 크기 소형화와 상호 간 간섭 저감을 위해 복수의 비아들을 포함할 수 잇다. 이와 관련하여, 제1 안테나(ANT1)는 기판의 단부(end portion)에서 제1 금속 패턴(1211-1) 및 제2 금속 패턴(1212-1)과 하부의 그라운드 패턴을 연결하도록 구성된 복수의 비아(via)들을 더 포함할 수 있다. 또한, 제2 안테나(ANT2)는 상기 기판의 단부에서 제1 금속 패턴(1221-1) 및 제2 금속 패턴(1222-1)과 하부의 그라운드 패턴을 연결하도록 구성된 복수의 비아(via)들을 더 포함할 수 있다.
이와 관련하여, 도 3b와 같이 복수의 비아들은 제1 안테나(ANT1)와 제2 안테나(ANT2)가 배치되는 기판의 단부에만 배치될 수 있다. 대안으로, 2x2 MIMO 안테나로 확장되는 경우, 상기 기판의 단부와 안테나 간의 경계 영역에 모두 배치될 수 있다.
한편, 도 3b, 도 6a 내지 도 8a를 참조하면, 제1 안테나(ANT1)의 금속 패턴과 제2 안테나(ANT2)의 금속 패턴은 제1 기판(S1)의 상부에 배치될 수 있다. 또한, 제1 안테나(ANT1)와 제2 안테나(ANT2)는 각각 제1 기판(S1)의 제1 중심선을 기준으로 상하 대칭 형태로 배치될 수 있다. 즉, 제1 안테나(ANT1)와 제2 안테나(ANT2)는 인접하여 제1 기판(S1)의 상부와 하부에 각각 배치될 수 있다. 즉, 제2 안테나(ANT2)는 제1 안테나(ANT1)에 대해 180도 회전된 상태로 제1 안테나(ANT1)에 인접하여 배치될 수 있다.
이와 관련하여, 제1 안테나(ANT1)와 제2 안테나(ANT2)는 기판의 중심선을 기준으로 상하 대칭 형태(upper and lower symmetric form)로 배치될 수 있다. 즉, 제1 안테나(ANT1)와 제2 안테나(ANT2) 각각에 대해 제1 금속 패턴 및 제2 금속 패턴이 상호 대칭 구조를 형성한다.
한편, 본 발명에 따른 2x1 MIMO 안테나는 제1 기판(S1)의 하부에 제2 기판(S2)이 배치될 수 있다. 또한, 제1 및 제2 안테나(ANT1, ANT2)에 대한 기준 전위(reference electric potential)을 제공하도록 제2 기판의 하부(S2)에 배치되는 그라운드 층을 더 포함할 수 있다.
도 7a 및 도 8a를 참조하면, 제1 안테나(ANT1)와 제2 안테나(ANT2)는 제1 방사 부(radiation portion, 1211a, 1212a) 및 제2 방사 부(1211b, 1212b)를 포함한다. 여기서, 제1 방사 부(1211a, 1212a)는 소정 길이와 너비를 갖는 직사각형 형태로 형성되고, 내부에 인셋 영역이 형성되도록 구성된다. 또한, 제2 방사 부(1211b, 1212b)는 제1 방사 부에 연결되고, 소정 각도로 테이퍼링(tapering)되어 너비가 증가하도록 형성될 수 있다.
이와 관련하여, 도 6a의 안테나 구조에서 안테나의 공진 길이는 L1으로 표시될 수 있다. 한편, 도 7a의 테이퍼링된 안테나 구조에서 안테나의 공진 길이는 L2으로 표시될 수 있다. 도 7a와 같이, 제1 방사 부(1211a, 1212a) 및 제2 방사 부(1211b, 1212b)에 의한 길이 L2는 L1보다 더 짧은 길이로 형성될 수 있다. 이에 따라, 도 7a의 테이퍼링된 안테나 구조는 도 6a의 안테나 구조에 비해 더 높은 주파수에서 공진할 수 있다. 하지만, 도 7a의 테이퍼링된 안테나 구조는 도 6a의 안테나 구조에 비해 복수의 안테나 소자 간 간섭 수준을 저감할 수 있다.
이와 관련하여, 도 6a 및 도 6b를 참조하면, 안테나 모듈(1200) 내의 제1 및 제2 안테나(ANT1, ANT2)는 약 3.8GH에서 공진한다. 한편, 제1 및 제2 안테나(ANT1, ANT2) 간의 간섭 수준(S21)이 증가하는 문제점이 있다.
반면에, 도 7a 및 도 7b를 참조하면, 안테나 모듈(1200) 내의 제1 및 제2 안테나(ANT1, ANT2)는 약 3.9GHz 내지 4.0GHz 사이에서 공진한다. 한편, 도 6a의 테이퍼링 구조에서 제1 및 제2 안테나(ANT1, ANT2) 간의 격리도(S21)은 도 6a의 구조에 비해 간섭 수준(S21)이 저감된다. 이와 관련하여, 도 7a를 참조하면 전계가 강하게 분포하는 급전 패턴(1220-1, 1220-2) 사이의 간격이 증가함에 따라 제1 및 제2 안테나(ANT1, ANT2) 간의 비해 간섭 수준(S21)이 저감된다.
한편, 본 발명에서는 급전 패턴(1220-1, 1220-2)에서 제1 방사부로의 신호의 커플링 량을 증가시키고 제1 안테나 및 제2 안테나에 의한 전기적 길이를 증가시킬 수 있다. 이와 관련하여, 도 8a를 참조하면, 제1 방사 부와 제2 방사 부가 연결되는 지점에서, 제1 방사 부(1211a, 1212a)의 너비는 제2 방사 부(1211b, 1212b)의 너비보다 더 넓게 형성될 수 있다.
한편, 도 8a의 안테나 구조에서, 커플링 영역(coupling region)에 의해 증가된 길이에 따라 전체 안테나 길이 L3는 도 7a의 전체 안테나 길이 L2보다 더 큰 값을 갖는다. 이에 따라, 도 8a의 안테나 구조는 도 7a의 안테나 구조에 비해 더 낮은 주파수에서 공진할 수 있다, 즉, 도 8a의 안테나 구조는 도 7a의 안테나 구조에 비해 더 작은 크기로 구현될 수 있다.
또한, 도 8a의 안테나 구조에서 커플링 영역(coupling region)에 의해 급전 패턴(1220-1, 1220-2)의 기판의 상부 단부와 하부 단부로 더 근접하게 이동된다. 이에 따라, 도 8a의 안테나 구조에서 제1 안테나(ANT1) 및 제2 안테나(ANT2) 간의 간섭 수준이 다른 구조에 비해 더 감소될 수 있다.
이와 관련하여, 도 6a 및 도 8b를 참조하면, 안테나 모듈(1200) 내의 제1 및 제2 안테나(ANT1, ANT2)는 약 3.5GH에서 부근에서 공진한다. 한편, 제1 및 제2 안테나(ANT1, ANT2) 간의 간섭 수준(S21)이 저감된다. 즉, 제1 방사 부(1211a, 1212a) 영역의 길이와 너비를 조절하여, 제1 및 제2 안테나(ANT1, ANT2)의 공진주파수, 임피던스 및 간섭 수준을 조절할 수 있다.
한편, 도 6a 내지 도 8a를 참조하면, 급전 패턴(1220-1)과 제2 급전 패턴(1220-2)은 제1 방사 부(1211a, 1212a) 내부의 인셋 영역에 형성될 수 있다. 이 경우, 급전 패턴(1220-1)과 제2 급전 패턴(1220-2)이 배치되는 위치는 제1 방사 부(1211a, 1212a)의 너비 방향으로 단부에서 소정 간격 이격되어 오프셋 배치될 수 있다. 이에 따라, 제1 안테나(ANT1)와 제2 안테나(ANT2)의 격리도(isolation) 특성을 개선시킬 수 있다.
구체적으로, 급전 패턴(1220-1)이 배치되는 위치는 제1 방사 부(1211a, 1212a)의 너비 방향으로 상부 단부에서 소정 간격 이격되어 오프셋 배치될 수 있다. 반면에, 제2 급전 패턴(1220-2)이 배치되는 위치는 제1 방사 부(1211a, 1212a)의 너비 방향으로 하부 단부에서 소정 간격 이격되어 오프셋 배치될 수 있다. 이와 같이, 소정 면적을 갖는 2x1 MIMO 안테나에서 상하 대칭 배치되는 급전 패턴(1220-1, 1220-2)에 의해 제1 및 제2 안테나(ANT1, ANT2)의 격리도(isolation) 특성을 개선시킬 수 있다.
전술한 바와 같은 구조의 로우 프로파일 안테나를 통해, 무선 성능을 최적화하면서 안테나 공간 활용도와 배치 자유도가 높은 로우 프로파일 안테나를 제공할 수 있다.
특히 본 발명에 따른 로우 프로파일 안테나는 0.02 λ 이하로 매우 낮은 높이에서 안테나를 효과적으로 설계할 수 있으며, 임피던스 매칭이 용이하다는 장점이 있다.
특히 본 발명에 따른 로우 프로파일 안테나는 방사체의 양 단부가 단락(short)되어 있어, 안테나 크기 소형화와 함께 상호 간 격리도 향상에 따라 여러 안테나를 배열하기에 유리하다는 장점이 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명은 로우 프로파일 형태의 초소형 안테나 설계와 배열에 따른 변형에 관한 것이다. 이를 위해, 본 발명의 안테나는 한쪽 단부가 단락된 두 금속 패턴이 간격을 갖고 서로 마주보게 배치되고 그 금속 패턴 사이에 간접 결합으로 급전되며, 하나 또는 복수 개의 안테나가 직렬 또는 직렬 및 병렬로 배열된다. 일 예로, 상하로 배치되는 2x1 MIMO 안테나 모듈의 안테나 소자는 테이퍼링된 형태의 방사 부를 통해 안테나 특성을 최적화할 수 있다. 이와 관련하여, 전계가 강하게 분포하는 급전 패턴을 오프셋 배치하여 안테나 간 간섭 수준을 저감할 수 있다. 한편, 급전 패턴의 오프셋 배치에 따라 급전 패턴을 둘러싸는 결합 영역에 배치되는 금속 패턴의 영역의 형상을 변경하여 급전 패턴과 금속 패턴 간의 전기적 결합 량(electric coupling degree)을 조절할 수 있다. 이와 같이 조절된 결합 량에 따른 매칭되는 공진 주파수와 반사 계수 등의 안테나 특성이 변경될 수 있다.
또한, 이러한 2x1 MIMO 안테나 모듈을 좌우로 배치하여 2x2 MIMO 안테나 모듈을 제공할 수 있다. 이와 관련하여, 좌우로 배치되는 안테나 소자의 공통 금속 패턴 상에 단락 핀을 공용으로 사용하거나 또는 별도로 사용할 수 있다. 이와 같이 좌우로 배치되는 안테나 소자 사이에 배치되는 단락 패턴은 각각의 안테나 방사체로서뿐만 아니라 De-coupling 효과를 제공한다. 이러한 안테나 소자 사이에 배치되는 단락 패턴에 의해 안테나 격리도(S21과 ECC)가 개선되도록 한다.
한편, 본 발명에 따른 안테나 패턴인 제1 금속 패턴(1211)과 제2 금속 패턴(1212)은 삼각형, 사각형, 원형 등 다양한 모양으로 설계 가능하나 가장 큰 특징은 shorted arm ①,②가 간격을 두고 떨어져 있으며 형태에 따라 공진주파수와 대역폭이 달라진다. 패턴의 종단에서부터 컨택 핀(Contact pin)으로 단락 되는 지점까지의 길이가 안테나 공진 주파수에 가장 크게 영향을 끼친다. 한편, 안테나 면적이 넓을수록 공진주파수가 낮아지고 대역폭이 넓어진다. 두 안테나 패턴의 간격은 임피던스에 영향을 끼치며 마주보는 길이와 간격에 따라 커플링 양을 조절할 수 있다.
한편, 안테나(1200) 급전 방식은 방사체인 금속 패턴과 동일 평면 상에서 이루어지거나 또는 다른 평면 상에서 이루어질 수 있다. 이와 관련하여, 도 4a는 급전 패턴이 방사체인 금속 패턴과 동일 평면 상에 배치된 구조를 나타낸다. 또한, 도 4b는 급전 패턴이 방사체인 금속 패턴과 다른 평면 상에 배치된 구조를 나타낸다.
안테나 급전 방식은 간접 급전으로 도 4a와 같이 안테나 패턴과 같은 층에 gap을 두고 배치하거나 또는 도 4b와 같이 안테나 패턴과 다른 층에 배치하여 급전이 가능하다. 이와 관련하여 두 개의 금속 패턴 사이의 간격 이외에 급전 패턴과 금속 패턴 사이의 간격, 급전 패턴의 길이와 위치에 따라 임피던스를 가변할 수 있다. 이에 따라, 낮은 높이에서 안테나 임피던스를 조정할 수 있는 주요 부분이다.
금속 성분의 안테나 패턴인 제1 및 제2 금속 패턴(1211, 1222)은 하나 이상의 유전체 위에 배치될 수 있다. 이러한 유전체는 제1 및 제2 금속 패턴(1211, 1222)과 그라운드 층 사이에 놓이는데, 하나의 유전체를 사용하는 것보다 둘 이상의 유전체를 사용하면 안테나의 성능과 크기를 조정할 수 있다.
전술한 유전체에 해당하는 상부 기판인 제1 기판(S1) 및 하부 기판인 제2 기판(S2)은 플렉시블 기판(flexible substrate)와 같은 형태로 구현될 수 있다. 이에 따라, 플렉시블 기판에 구현되는 본 발명에 따른 로우 프로파일 안테나(1200)는 전자 기기 내부에 배치될 수 있다. 일 예로, 플렉시블 기판에 구현되는 본 발명에 따른 로우 프로파일 안테나(1200)는 전자 기기 내부의 캐리어에 배치될 수 있다.
전술한 바와 같이, 제1 금속 패턴 및 상기 제2 금속 패턴은 상부 기판인 제1 기판(S1)의 상부에 배치될 수 있다. 한편, 안테나(1200)는 안테나(1200)에 대한 기준 전위(reference electric potential)을 제공하도록 하부 기판인 제2 기판(S2)의 하부에 배치되는 그라운드 층을 더 포함할 수 있다.
한편, 금속 패턴(1211, 1212)과 그라운드 사이의 유전체 재질에 따라 안테나 특성이 다르게 나타난다. 유전율이 높을수록 안테나 소형화에 유리하며, 유전 손실이 작을수록 효율 특성이 양호하다. 따라서, 다층 유전체의 각 두께와 재질 (즉, 유전율)을 달리하여 안테나 성능을 최적화할 수 있다.
이 경우, 제1 기판(S1)의 유전율(permittivity)은 제2 기판(S2)의 유전율보다 큰 값으로 설정되어, 안테나(1200)의 크기를 감소시키면서 안테나(1200)의 효율을 증가시킬 수 있다. 이와 관련하여, 제1 기판(S1)의 유전율이 높은 경우 안테나 효율은 다소 감소할 수 있지만, 제2 기판(S2)의 낮은 유전율에 의해 안테나 효율 감소는 다소 완화될 수 있다. 따라서, 제1 기판(S1)의 유전율을 더 큰 값으로 하여 안테나 크기 소형화가 가능하다. 또한, 제1 기판(S1)의 유전율에 의해 다소 감소된 안테나 효율은 제2 기판(S2)의 낮은 유전율에 의해 완화될 수 있다.
한편, 도 5a는 본 발명에 따른 다층 기판 구조의 로우 프로파일 안테나에서 서로 다른 유전체를 사용한 경우 주파수 변화에 따른 방사 효율을 나타낸다. 도 5a를 참조하면, 유전율이 감소함에 따라 공진 주파수가 증가하고 방사 효율이 증가함을 알 수 있다. 일 예로, FR 4 기판에서 Teflon 기판으로 기판 재질 변경 시, 공진 주파수가 증가하고 방사 효율이 증가한다. 이 경우, FR 4 기판은 유전율(Dk)는 4.5이고 유전 손실은 0.015이고, Teflon 기판은 3.0이고 유전 손실은 0.0014로 가정하였다. 여기서, case 1은 제1 기판과 제2 기판이 모두 FR 4 기판인 경우이다. 반면에, case 2는 제 1 기판이 Teflon 기판이고 제2 기판이 FR 4 기판인 경우이다. Case 2에서 제1 기판이 유전율이 낮기 때문에 안테나의 방사 효율이 증가하게 된다.
한편, case 3은 제1 기판과 제2 기판이 모두 Teflon 기판이 경우이다. 이와 관련하여, case 2와 case 3을 비교하면, 안테나 방사 효율은 상부 기판인 제1 기판의 유전율에 의한 영향이 크기 때문에, 방사 효율은 거의 유사하다. 따라서, 본 발명의 로우 프로파일 안테나는 제1 기판의 유전율과 제2 기판의 유전율을 상이하게 하여 안테나 방사 효율 특성을 유지하면서도, 임피던스 매칭 과 같은 다른 안테나 특성을 최적화할 수 있다.
이와 관련하여, 표 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 상부 기판인 제1 기판과 하부 기판인 제2 기판의 구성 변화에 따른 공진 주파수, 대역폭, 최대 효율을 나타낸 것이다. 여기서, 제1 기판의 두께는 0.4mm, 제2 기판의 두께는 0.6mm로 가정하였지만, 이에 한정되지 않고 응용에 따라 다양하게 변경 가능하다. 한편, 표 1의 안테나 성능 결과와 관련하여, 도 4b와 같이 급전 패턴이 안테나 패턴인 금속 패턴보다 하부에 배치된 경우를 가정하였지만, 이에 한정되지 않고 응용에 따라 다양하게 변경 가능하다.
Figure pct00001
표 1을 참조하면, 제1 기판의 유전율을 감소시키면 공진주파수가 3.5GHz 대역에서 3.9GHz 대역으로 증가하게 된다. 따라서, 전술한 바와 같이 제1 기판의 유전율(permittivity)은 제2 기판의 유전율보다 큰 값으로 설정되어, 안테나(1200)의 크기를 감소시키면서 안테나(1200)의 효율을 증가시킬 수 있다. 따라서, 제1 기판은 유전율이 높은 FR 4 기판을 사용하여 안테나 크기를 감소시키면서, 제2 기판은 유전율이 낮은 Teflon 기판을 사용하여 안테나 효율을 증가시킬 수 있다. 다른 예로, 제2 기판은 유전율이 더 낮고, 공기와 유전율이 유사한 폼(foam) 형태로 구현될 수 있다.
한편 다층 기판 구조와 관련하여, 급전 패턴(1220)은 제1 금속 패턴(1211) 및 제2 금속 패턴(1212)과 동일 평면인 제1 기판의 상부에 배치될 수 있다. 다른 예로, 급전 패턴(1220)은 제1 금속 패턴(1211) 및 제2 금속 패턴(1212)과 다른 평면인 제1 기판의 하부 또는 제2 기판의 상부에 배치될 수 있다. 이와 관련하여, 급전 패턴(1220)이 금속 패턴(1211, 1212)이 배치되는 기판인 제1 기판의 하부에 배치될 수 있다. 급전 패턴(1220)이 제1 기판의 하부에 배치됨에 따라, 제2 기판의 상부에 배치되는 경우보다 금속 패턴 간의 정렬(alignment) 오차를 감소시킬 수 있다.
유전체의 유전율이나 두께가 두꺼워질수록 공진 주파수가 낮아져 안테나 크기를 줄일 수 있으며, 안테나 패턴 쪽에 상대적으로 높은 유전율을 갖는 유전체가 배치되는 경우 안테나 소형화 효과를 얻을 수 있다. 이 경우, 그라운드에 가까이 공기 층이나 낮은 유전율을 갖는 유전체를 배치할 경우 안테나의 효율을 증가시킬 수 있다. 유전체의 면적은 상관없으나, 급전 패턴(1220)과 슬롯(금속 패턴 사이의 갭) 부분을 얇게 하면 유전체 손실을 줄일 수 있다.
유전체 기판이 별도의 넓은 그라운드 층에 가까이 있어도 금속 패턴(1211, 1222)과 급전 패턴(1220) 등의 간격 조절을 통해 임피던스를 매칭하여 안테나로서 동작이 가능하다. 이 경우, 금속 패턴과 contact pin으로 형성되는 수평 자계로 인하여 안테나 방사도 효과적이다.
이와 관련하여, 도 5b는 본 발명에 따른 비아에 의한 단락 암(shorted arm) 구조의 안테나에서 수직 전계와 수평 자계 전류가 형성되는 원리를 나타낸다. 도 3a 내지 도 5b를 참조하면, 단락 암(shorted arm)에 해당하는 제1 및 제2 금속 패턴(1211, 1212)과 그라운드 층 사이에 수직 전계가 형성된다. 이러한 수직 전계에 따라, 제1 및 제2 금속 패턴(1211, 1212)과 수평면에 수평 자계 전류 (horizontal magnetic field)가 형성된다. 특히, 급전 패턴(1220)의 경계 영역과 인셋 영역의 경계 영역에서, 수평 자계 전류가 생성될 수 있다. 이러한 수평 자계 전류에 의해 안테나(1200)가 형성되는 기판의 높이를 감소시킬 수 있어 로우 프로파일 안테나가 구현될 수 있다.
도 5b와 같이 비아에 의해 단락 암(shorted arm)가 형성되고, 그라운드 층에 의해 Cavity-Backed Slot Antenna가 구현될 수 있다. 특히, 기판 형태로 집적된 구조로 형성되므로 Substrate Integrated Waveguide(SIW) Cavity-Backed Slot Antenna로 지칭할 수 있다. 따라서, 기판 집적형 도파관을 이용한 캐비티 슬롯 안테나로서, 슬롯과 그라운드, 비아로 캐비티를 만들어 low profile 안테나 구현할 수 있다는 장점이 있다. 도 5b의 수직 전계 분포를 참조하면, SIW Cavity-Backed Slot Antenna에서 수직한 전류와 수직한 전기장을 형성하는 전체 안테나에서 일부 영역만을 선택하여 안테나로 구현할 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 안테나(1200)는 높이와 안테나 면적도 최소화할 수 있다는 장점이 있다.
한편, 그라운드의 크기가 안테나 패턴의 크기보다 작거나 같은 경우에도, 폴디드 다이폴(folded dipole)과 같은 안테나로 동작한다. 또한, 안테나 패턴과 그라운드를 연결하는 Contact pin(단락핀)은 다양하게 적용 가능하다. 유전체 사이를 관통하는 비아(via)홀을 통하거나, 또는 C-clip이나 Pogo pin, Spring, finger 등으로 연결할 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 안테나는 한쪽 끝이 단락된 두 패턴(Shorted arm, 1211, 1212)이 간격을 갖고 서로 마주보게 배치되며, 그 패턴 사이에 급전 패턴(1220)에 의해 간접 결합으로 급전된다. 이 경우, 패턴과 그라운드를 연결하는 수직 연결부, 즉 비아(via)에 흐르는 수직 전류가 형성된다. 즉, 금속 패턴(1211, 1212)과 그라운드 층 사이에 생성되는 수직 전계에 의해 수평 자계전류가 형성된다. 이러한 수평 자계 전류는 낮은 안테나 높이에서 매우 효율적이다.
한편, 도 9는 본 발명에 따른 2x2 MIMO 안테나의 구조와 이에 연결되는 송수신부 회로 및 기저대역 프로세서를 나타낸다.
도 9를 참조하면, 본 발명에 따른 2x2 MIMO 안테나는 제1 및 제2 안테나(ANT1, ANT2) 이외에 제3 및 제4 안테나(ANT3, ANT4)를 더 포함한다. 여기서, 제1 및 제2 안테나(ANT1, ANT2)는 상호 간에 상하 대칭 형태로 배치되고, 제3 및 제4 안테나(ANT3, ANT4)는 상호 간에 상하 대칭 형태로 배치된다.
이와 관련하여, 제1 안테나(ANT1)는 금속 패턴과 제1 급전 패턴(1220-1)을 포함하고, 제1 신호를 방사하도록 구성된다. 또한, 제2 안테나(ANT2)는 금속 패턴과 제2 급전 패턴(1220-2)을 포함하고, 제2 신호를 방사하도록 구성된다.
또한, 제3 안테나(ANT3)는 기판 상부에 제1 안테나(ANT1)와 좌우 대칭 형태로 배치되는 금속 패턴과 제3 급전 패턴(1220-3)을 포함하고, 제3 신호를 방사하도록 구성된다. 또한, 제4 안테나(ANT4)는 기판 상부에 제2 안테나(ANT1)와 좌우 대칭 형태로 배치되는 금속 패턴과 제4 급전 패턴(1220-4)을 포함하고, 제4 신호를 방사하도록 구성된다. 여기서, 제1 신호 내지 제4 신호는 MIMO를 수행하도록 송신 또는 수신되는 신호로 동일 대역의 신호로 간주될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 2x2 MIMO 안테나는 상부 안테나와 하부 안테나 간에 상하 대칭 구조와 테이퍼링 구조 및 이격된 급전 패턴을 통해 상호 간섭 수준을 저감한다. 또한, 2x2 MIMO 안테나는 좌측 안테나와 우측 안테나 간에 금속 패턴 이격 구조를 통해 상호 간섭 수준을 저감할 수 있다. 여기서, 금속 패턴 이격 구조는 안테나 간 금속 패턴이 기판의 유전체 영역에 의해 전기적으로 분리된 구조를 의미한다.
이를 위해, 제1 안테나(ANT1)와 제3 안테나(ANT3)의 금속 패턴의 일 단부는 상호 간에 이격되도록 배치된다. 또한, 제2 안테나(ANT2)와 제4 안테나(ANT4)의 금속 패턴의 일 단부는 상호 간에 이격되도록 배치된다. 이에 따라, 인접한 안테나 상호 간에 격리도를 개선시킬 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 2x2 MIMO 안테나는 다양한 형태의 비아 구조, 즉 수직 연결 구조를 통해 기판에 형성되는 표면파(surface wave)를 억제하여, 안테나 상호 간 격리도를 개선시킬 수 있다. 이와 관련하여, 기판의 에지에 해당하는 제1 안테나(ANT1) 내지 제4 안테나(ANT4)의 금속 패턴의 타 단부에는 제1 타입의 비아들(Va-1 내지 Va-4)이 배치될 수 있다. 반면에, 기판의 중심 영역에 해당하는 제1 안테나(ANT1) 내지 제4 안테나(ANT4)의 금속 패턴의 일 단부에는 제2 타입의 비아들(Vb-1 내지 Vb-4)이 배치될 수 있다.
제1 타입의 비아들(Va-1 내지 Va-4)은 안테나 모듈 크기 소형화 관점에서 최적화된 위치에서 소정 개수의 비아들로 형성될 수 있다. 이에 따라, 제1 타입의 비아들(Va-1 내지 Va-4)은 기판 에지에 인접하게 형성될 수 있다. 반면에, 제2 타입의 비아들(Vb-1 내지 Vb-4)은 안테나 간섭 저감 관점에서 최적화된 위치에서 소정 개수의 비아들로 형성될 수 있다. 이에 따라, 제2 타입의 비아들(Vb-1 내지 Vb-4)은 금속 패턴 에지로부터 동작 대역의 파장을 고려하여 최적화된 위치에 형성될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 2x2 MIMO 안테나는 안테나 상호 간 간섭을 더 저감하기 위해 급전 패턴을 서로 다른 기판에 배치할 수 있다. 일 실시 예로, 기판의 상부와 하부에 배치되는 안테나 간에 급전 패턴을 서로 다른 레이어에 배치할 수 있다. 이와 관련하여, 제2 안테나(ANT2)의 제2 급전 패턴(1220-2)는 제1 안테나(ANT1)의 급전 패턴(1220-1)과 다른 레이어에 배치될 수 있다. 이와 관련하여, 도 3a, 도 4a, 도 4b, 도 9를 참조하면, 급전 패턴(1220-1)은 제1 안테나(ANT1)의 금속 패턴과 동일 평면인 제1 기판의 상부에 배치될 수 있다. 반면에, 제2 급전 패턴(1220-2)은 제2 안테나(ANT2)의 금속 패턴과 다른 평면인 제1 기판의 하부 또는 제2 기판의 상부에 배치될 수 있다. 이에 따라, 제1 안테나와 제2 안테나 간의 격리도를 개선시킬 수 있다.
다른 예로, 급전 패턴(1220-1)이 제1 기판의 하부 또는 제2 기판의 상부에 배치될 수 있다. 이 경우, 제2 급전 패턴(1220-2)은 제1 안테나(ANT2)의 금속 패턴과 동일 평면인 제1 기판의 상부에 배치될 수 있다.
다른 실시 예로, 좌측 영역과 우측 영역에 배치되는 안테나 간에 급전 패턴을 서로 다른 레이어에 배치할 수 있다. 이와 관련하여, 도 4a, 도 4b, 도 9를 참조하면, 급전 패턴(1220-1)은 제1 안테나(ANT1)의 금속 패턴과 동일 평면인 제1 기판의 상부에 배치될 수 있다. 반면에, 제3 급전 패턴(1220-3)은 제2 안테나(ANT3)의 금속 패턴과 다른 평면인 제1 기판의 하부 또는 제2 기판의 상부에 배치될 수 있다. 이에 따라, 제1 안테나와 제3 안테나 간의 격리도를 개선시킬 수 있다.
다른 예로, 급전 패턴(1220-3)이 제1 기판의 하부 또는 제2 기판의 상부에 배치될 수 있다. 이 경우, 제3 급전 패턴(1220-3)은 제1 안테나(ANT2)의 금속 패턴과 동일 평면인 제1 기판의 상부에 배치될 수 있다.
한편, 도 9에 따른 2x2 MIMO 안테나 간에 격리도와 방사 효율에 대해 설명하면 다음과 같다. 이와 관련하여, 도 10a는 본 발명에 따른 2x2 MIMO 안테나 간에 격리도를 나타낸다. 한편, 도 10b는 본 발명에 따른 2x2 MIMO 안테나 간에 방사 효율을 나타낸다. 또한, 도 10c는 본 발명에 따른 2x2 MIMO 안테나 간에 ECC (electric coupling coefficient) 레벨을 나타낸다.
도 9 및 도 10a을 참조하면, 기판의 좌측과 우측 영역에 배치되는 제1 및 제3 안테나(ANT1, ANT3) 간의 격리도(S31)의 피크 값은 약 7.4dB의 값을 갖는다. 반면에, 기판의 상부와 하부에 배치되는 제1 및 제2 안테나(ANT1, ANT2) 간의 격리도(S21)의 피크 값은 더 낮은 값을 갖는다. 이에 따라, 기판의 상부와 하부에 배치되는 제1 및 제2 안테나(ANT1, ANT2) 간의 격리도(S21) 특성이 더 양호함을 알 수 있다.
또한, 제1 및 제2 안테나(ANT1, ANT2)의 급전 패턴(1220-1, 1220-2) 이격 거리를 다소 증가시키면 격리도(S21)의 피크 값은 동작 영역보다 더 낮은 대역으로 이동하게 된다. 이에 따라 전체 동작 영역에서 제1 및 제2 안테나(ANT1, ANT2) 간의 격리도는 개선된다.
따라서, 본 발명에 따른 2x2 MIMO 안테나는 rank 2 MIMO 동작 시, 제1 및 제2 안테나(ANT1, ANT2) 조합 또는 제3 및 제4 안테나(ANT3, ANT4) 조합을 선택할 수 있다. 한편, 저 대역에서는 제1 및 제3 안테나(ANT1, ANT3) 간 격리도 특성이 우수하고, 고 대역에서는 제1 및 제2 안테나(ANT1, ANT2) 간 격리도 특성이 우수하다. 이에 따라, 저 대역에서는 제1 및 제3 안테나(ANT1, ANT3) 조합을 선택하고, 고 대역에서는 제1 및 제2 안테나(ANT1, ANT2)를 선택하여, MIMO 동작을 수행할 수 있다.
한편, 도 10b를 참조하면, 피크 방사 효율은 3.6GHz에서 약 38%의 값을 가짐을 알 수 있다. 따라서, 본 발명에 따라 인접하게 배치된 2x2 MIMO 안테나 상호 간 간섭 수준에 따라 방사 효율 감소는 문제되지 않음을 알 수 있다.
한편, 도 10c를 참조하면, 다양한 형태의 안테나 조합에 있어 최대 ECC 레벨이 약 4.2GHz에서 0.33 이하임을 알 수 있다. 또한, 동작 대역인 약 3.5 GHz 부근에서 ECC 레벨은 평균적으로 0.1 이하임을 알 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 2x2 MIMO 안테나는 상부와 하부에 배치되는 안테나 간에도 금속 패턴을 공유하여 안테나 크기를 저감할 수 있다. 이와 관련하여, 도 11a는 본 발명에 따른 금속 패턴을 공유하는 2x2 MIMO 안테나 구조를 나타낸다. 한편, 도 11b는 본 발명에 따른 2x2 MIMO 안테나에서 기판 너비 변화에 따른 격리도를 나타낸다.
도 11a를 참조하면, 제1 안테나(ANT1)는 제2 방사 부(1211b, 1212b)에 연결되고, 제2 방사 부와 연결 지점에서 제2 방사부의 너비보다 더 넓은 너비를 갖는 제3 방사부(1211c, 1212c)를 더 포함할 수 있다. 또한, 제2 안테나(ANT2)는 제2 방사 부(1211b, 1212b)에 연결되고, 제2 방사 부와 연결 지점에서 제2 방사부의 너비보다 더 넓은 너비를 갖는 제3 방사부(1211c, 1212c)를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 제1 안테나(ANT1) 및 제2 안테나(ANT2)의 제3 방사 부(1211c, 1212c)는 상호 연결되어, 안테나 모듈 너비를 감소시킬 수 있다.
이와 유사하게, 제3 안테나(ANT1)는 제2 방사 부에 연결되고, 제2 방사 부와 연결 지점에서 제2 방사부의 너비보다 더 넓은 너비를 갖는 제3 방사부를 더 포함할 수 있다. 또한, 제4 안테나(ANT2)도 제2 방사 부에 연결되고, 제2 방사 부와 연결 지점에서 제2 방사부의 너비보다 더 넓은 너비를 갖는 제3 방사부를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 제3 안테나(ANT3) 및 제4 안테나(ANT4)의 제3 방사 부는 상호 연결되어, 안테나 모듈 너비를 감소시킬 수 있다.
이러한 본 발명에 따른 2x2 MIMO 안테나에서 너비 변화에 따른 상호 간섭 수준은 도 11b와 같다. 도 11a 및 도 11b을 참조하면, 2x2 MIMO 안테나 모듈에 해당하는 기판의 너비 W를 15mm 내지 18mm까지 변경할 수 있다. 한편, 도 9의 2x2 MIMO 안테나 모듈에 해당하는 기판의 너비 W는 19mm로 설정될 수 있다. 따라서, 2x2 MIMO 안테나에서 상부 및 하부 안테나가 금속 패턴을 일부 영역, 즉 에지 영역에서 공유하여, 안테나 모듈 전체 크기를 감소시킬 수 있다.
한편, 도 11b을 참조하면, 기판의 너비 W를 15mm 내지 18mm까지 변경하면 제1 및 제2 안테나 간의 격리도(S21)이 감소함을 알 수 있다. 따라서, 2x2 MIMO 안테나에서 간섭 수준 특성을 향상시키기 위해, 기판의 너비 W는 17mm 내지 18mm의 범위로 설정할 수 있다. 반면에, 2x2 MIMO 안테나에서 안테나 크기 소형화 관점에서, 기판의 너비 W는 15m 내지 16m의 범위로 설정할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 로우 프로파일 안테나를 인접하게 배치하여, 1 x m MIMO 안테나 모듈을 구현할 수 있다. 이와 관련하여, 도 12a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 1x4 MIMO 안테나 모듈의 선형 구조를 나타낸다. 한편, 도 12b는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 1x4 MIMO 안테나 모듈의 원형 구조를 나타낸다.
도 12a를 참조하면, 1x4 MIMO 안테나 모듈(1200)은 제1 안테나(ANT1) 내지 제4 안테나(ANT4)가 인접하게 배치된 구조이다. 여기서, 제1 안테나(ANT1) 내지 제4 안테나(ANT4)가 동일 평면의 기판에 배치되면서, 금속 패턴이 분리된 구조이다. 특히, 제1 안테나(ANT1) 내지 제4 안테나(ANT4)의 금속 패턴의 단부에 복수의 비아들이 배치되어 안테나 소형화와 격리도 개선이 가능하다. 이와 관련하여, 제1 안테나(ANT1) 내지 제4 안테나(ANT4)에서 인접하는 안테나 소자 간에 상부와 하부와 회전된 형태로 배치되어 격리도 특성을 더 향상시킬 수 있다.
도 12b를 참조하면, 1x4 MIMO 안테나 모듈(1200)은 제1 안테나(ANT1) 내지 제4 안테나(ANT4)가 원형 기판 상에서 방사 형태로 인접하게 배치된 구조이다. 구체적으로, 제1 안테나(ANT1)는 금속 패턴(P1, P2)과 이들 사이에 배치되는 급전 패턴(F1)으로 형성된다. 또한, 제2 안테나(ANT2)는 금속 패턴(P2, P3)과 이들 사이에 배치되는 급전 패턴(F2)으로 형성된다. 이에 따라, 제1 안테나(ANT1)와 제2 안테나(ANT2)는 금속 패턴(P2)을 공유하면서 복수의 비아들에 의해 상호 간섭을 저감할 수 있다.
이와 유사하게, 제3 안테나(ANT3)는 금속 패턴(P3, P4)과 이들 사이에 배치되는 급전 패턴(F3)으로 형성된다. 이에 따라, 제2 안테나(ANT2)와 제3 안테나(ANT3)는 금속 패턴(P3)을 공유하면서 복수의 비아들에 의해 상호 간섭을 저감할 수 있다.
이와 유사하게, 제4 안테나(ANT4)는 금속 패턴(P4, P5)과 이들 사이에 배치되는 급전 패턴(F4)으로 형성된다. 이에 따라, 제3 안테나(ANT3)와 제4 안테나(ANT4)는 금속 패턴(P4)을 공유하면서 복수의 비아들에 의해 상호 간섭을 저감할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 5G Sub6 대역에서 동작하는 안테나 모듈, 일 예로 2x1 또는 2x2 MIMO 안테나 모듈은 전자 기기 내부의 캐리어에 배치될 수 있다. 이와 관련하여, 도 13은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전자 기기 내부의 캐리어에 배치되는 2x2 MIMO 안테나 모듈과 이를 포함하는 전자 기기를 나타낸다.
도 13을 참조하면, 전자 기기의 프레임과 내부 PCB는 그라운드 형태로 상호 연결될 수 있다. 한편, 본 발명에 따른 5G Sub6 대역에서 동작하는 안테나 모듈, 일 예로 2x1 또는 2x2 MIMO 안테나 모듈은 캐리어(136) 상부에 프린트된 형태로 구현될 수 있다. 이를 위해, 본 발명에 따른 5G Sub6 대역에서 동작하는 안테나 모듈, 일 예로 2x1 또는 2x2 MIMO 안테나 모듈은 플렉시블 기판(Flexible substrate) 형태로 구현될 수 있다.
도 13을 참조하면, 본 발명에 따른 2x2 MIMO 안테나 모듈(1200)이 전자 기기(1000) 내부의 캐리어(136) 상부에 프린트된 형태로 구현될 수 있다. 이 경우, 2x2 MIMO 안테나 모듈(1200)은 상부 안테나와 하부 안테나가 상하 대칭 구조로 형성되어, 상호 간섭을 저감할 수 있다. 이를 위해, 제1 안테나(ANT1)와 제2 안테나(ANT2)는 상하 대칭 구조로 형성되면서 급전 패턴이 기판 상단과 하단에 인접하게 배치될 수 있다. 이와 유사하게, 제3 안테나(ANT3)와 제4 안테나(ANT4)는 상하 대칭 구조로 형성되면서 급전 패턴이 기판 상단과 하단에 인접하게 배치될 수 있다.
이상에서는 본 발명에 따른 5G Sub6 대역에서 동작하는 안테나 모듈에 대해 설명하였다. 이하에서는 이러한 5G Sub6 대역에서 동작하는 안테나 모듈과 다른 대역에서 동작하는 안테나를 통한 안테나 동작 제어 방식에 대해 설명하기로 한다.
이와 관련하여, 도 14는 본 발명의 일 실시 예에 따른 복수의 안테나 모듈을 기저대역 프로세서가 제어하는 구성을 나타낸다.
도 14를 참조하면, 복수의 안테나 모듈 중 5G Sub6 대역에서 동작하는 안테나 모듈은 도 9a와 같이 유전체 분리형 구조일 수 있다. 또한, 도 14를 참조하면, 복수의 안테나 모듈 중 5G Sub6 대역에서 동작하는 안테나 모듈은 도 9b와 같이 상하 대칭 구조일 수 있다.
이와 관련하여, 본 발명의 따른 다양한 형상의 로우 프로파일 안테나는 5G Sub 6 대역에서 동작할 수 있다. 이 경우, 이러한 다양한 형상의 로우 프로파일 안테나의 동작 대역은 이에 한정되는 것은 아니고 임의의 통신 주파수 대역에서 동작할 수 있다. 이와 관련하여, 본 발명의 따른 로우 프로파일 안테나는 5G Sub 6 대역에서 동작하고, 전자 기기의 측면에 배치되는 도전 멤버로 구현되는 안테나는 LTE 대역에서 동작할 수 있다. 이와 같이 복수의 통신 시스템에서 동작하는 복수의 안테나에 대한 제어 동작이 필요하다.
이와 관련하여, 도 14는 본 발명에 따른 복수의 안테나, 송수신부 회로 및 기저대역 프로세서를 구비하는 전자 기기의 구성을 나타낸다. 도 1a 내지 도 14를 참조하면, 본 발명에 따른 전자 기기(1000)는 4G 안테나(1100), 5G 안테나(1200), 송수신부 회로(1250) 및 기저대역 프로세서(1400)를 구비할 수 있다. 여기서, 4G 안테나(1100)와 5G 안테나(1200)를 각각 제1 타입 안테나(1100)와 제2 타입 안테나(1200)로 지칭할 수 있다. 한편, 도 14에서 5G 안테나(1200)를 2x2 MIMO 안테나로 도시되었지만, 이에 한정되는 것은 아니고, 2x1 MIMO 안테나 등 다양한 형태로 변경 가능하다.
제1 타입 안테나인 4G 안테나(1100)는 전자 기기의 측면부에 형성되어, LTE 대역인 제1 대역에서 동작하도록 구성된다. 반면에, 본 발명에 따른 제2 타입 안테나인 5G 안테나(1200)는 5G Sub 6 대역인 제2 대역에서 동작하도록 구성된 안테나일 수 있다. 여기서, 4G 안테나(1100)의 위치는 도 14 및 도 14에 한정되는 것은 아니고, 전자 기기의 좌측, 우측, 상부 또는 하부의 일 영역에 형성 가능하다.
한편, 2x1 MIMO 안테나의 경우, 5G 안테나(1200)는 제1 안테나(ANT1)와 제2 안테나(ANT2)를 포함하도록 구성된다. 따라서, 제1 안테나(ANT1)와 제2 안테나(ANT2)는 5G Sub 6 대역인 제2 대역에서 동작하는 5G 안테나들이다. 또한, 2x2 MIMO 안테나의 경우, 5G 안테나(1200)는 제1 안테나(ANT1) 내지 제4 안테나(ANT4)를 포함하도록 구성된다. 따라서, 제1 안테나(ANT1) 내지 제4 안테나(ANT4)는 5G Sub 6 대역인 제2 대역에서 동작하는 5G 안테나들이다.
한편, 송수신부 회로(1250)는 급전 패턴(1220-1, 1220-2)과 연결되고, 급전 패턴(1220-1, 1220-2)을 통해 제1 금속 패턴 및 제2 금속 패턴으로 신호를 전달하도록 구성된다. 도 14와 같이 2x2 MIMO 안테나의 경우, 송수신부 회로(1250)는 급전 패턴(1220-1 내지, 1220-4)과 연결된다. 이 경우, 급전 패턴(1220-1 내지, 1220-4)을 통해 제1 금속 패턴 및 제2 금속 패턴으로 신호를 전달하도록 구성된다.
또한, 기저대역 프로세서(1400)는 송수신부 회로(1250)와 연결되고, 4G 안테나(1100) 및 5G 안테나(1200) 중 적어도 하나를 통해 신호를 송신 및 수신하도록 송수신부 회로(1250)를 제어하도록 구성된다.
구체적으로, 송수신부 회로(1250)는 제1 대역의 제1 신호를 송신 및 수신하고 제2 대역의 제2 신호를 송신 및 수신하도록 구성될 수 있다. 이와 관련하여, 기저대역 프로세서(1400)는 제1 신호의 품질이 임계치 이하이면 5G 안테나(1200)를 통해 제2 신호를 수신하도록 송수신부 회로(1250)를 제어할 수 있다. 일 예로, 기저대역 프로세서(1400)는 광대역 전송이 요청되어 광대역이 할당된 경우, 반송파 집성(CA: Carrier Aggregation)을 수행할 수 있다. 이를 위해, 기저대역 프로세서(1400)는 4G 안테나(1100)를 통해 수신되는 제1 대역의 제1 신호와 5G 안테나(1200)를 통해 수신되는 제2 대역의 제2 신호를 이용하여 반송파 집성(CA: Carrier Aggregation)을 수행할 수 있다.
여기서, 5G 안테나(1200)는 제1 내지 제4 안테나(ANT 1 내지 ANT 4)의 수신 성능에 기반하여 선택된 안테나일 수 있다. 즉, 기저대역 프로세서(1400)는 제1 내지 제4 안테나(ANT 1 내지 ANT 4)의 수신 성능을 비교하여, 가장 높은 수신 성능을 갖는 안테나에 대한 정보를 기지국으로 전송할 수 있다. 이에 따라, 상기 수신 성능에 기반하여 선택된 안테나는 2개로 선택되어 상기 2개의 안테나를 통해 수신된 상기 제2 대역의 5G 신호가 공간 결합(spatial combining)될 수 있다.
한편, 4G 안테나(1100)는 LTE 대역의 신호를 송신 및 수신하도록 구성 가능하다. 이와 관련하여, 4G 안테나(1100)는 전자 기기의 측면 상에 배치될 수 있다. 일 예로, 4G 안테나(1100)는 전자 기기의 상부, 하부, 좌측 또는 우측에 배치되는 하나의 이상의 안테나(1100a, 1100b)를 포함할 수 있다.
따라서, 모뎀에 해당하는 기저대역 프로세서(1400)는 4G 안테나(1100a, 1100b)를 통해 다중 입출력(MIMO) 또는 다이버시티 동작을 수행할 수 있다. 여기서, 4G 안테나(1100a, 1100b)의 위치 및 개수는 이에 한정되는 것이 아니라 응용에 따라 다양하게 변경 가능하다. 4G 안테나(1100a, 1100b)의 개수는 4TX 또는 4RX를 지원하기 위해 최대 4개까지 확장 가능하다.
한편, 4G 안테나인 제1 타입 안테나(1100a, 1100b)는 LTE 대역 이외에 5G 대역에서도 동작하도록 이중 대역 동작할 수 있다. 이 경우, 기저대역 프로세서(1400)는 제1 타입 안테나(1100a, 1100b) 중 적어도 하나의 제2 타입 안테나(1200) 중 적어도 하나를 이용하여 다중 입출력(MIMO)을 수행할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 5G 안테나(1200)를 통한 다중 입출력(MIMO) 동작 시, 안테나 간의 격리도를 고려하여 최적의 방식으로 수행될 수 있다. 이와 관련하여, 기저대역 프로세서(1400)는 제1 안테나(ANT1)를 통해 수신되는 제1 신호와 제2 안테나(ANT2)를 통해 수신되는 제2 신호를 수신하여 다중 입출력(MIMO)을 수행할 수 있다. 즉, 제1 안테나(ANT1)의 우측에 인접한 제3 안테나(ANT3)가 아닌 하부에 대칭 형태로 배치된 제2 안테나(ANT2)가 선택되어, 안테나 간 간섭을 저감할 수 있다.
일 예로, 기저대역 프로세서(1400)는 제1 안테나(ANT1)를 통해 수신되는 제1 신호와 제4 안테나(ANT4)를 통해 수신되는 제4 신호를 수신하여 다중 입출력(MIMO)을 수행할 수 있다. 즉, 동일 기판 내에서 상호 간 가장 멀리 배치된 안테나 소자의 조합을 이용하여 안테나 간 간섭 수준을 더 저감할 수 있다. 이러한 안테나 조합에서 간섭 수준이 증가하면, 기저대역 프로세서(1400)는 다른 안테나를 선택할 수 있다.
이와 관련하여, 기저대역 프로세서(1400)는 제1 신호의 품질 또는 상기 제4 신호의 품질이 임계치 이하이면, 안테나 조합을 제2 안테나(ANT2) 및 제3 안테나(ANT3)로 변경할 수 있다. 따라서, 기저대역 프로세서(1400)는 제2 안테나(ANT2)를 통해 수신되는 제2 신호와 제3 안테나(ANT3)를 통해 수신되는 제3 신호를 수신하여 다중 입출력(MIMO)을 수행할 수 있다.
이와 관련하여, 제1 안테나(ANT1) 및 제4 안테나(ANT4)를 통해 rank 2 수신 동작에서 어느 하나의 안테나를 통한 rank 1 수신 동작으로 변경할 수 있다. 이후, 제2 안테나(ANT2) 및 제3 안테나(ANT3)를 통해 다시 rank 2 수신 동작으로 변경할 수 있다.
한편, 현재 수신되는 신호를 통해 전달되는 정보의 연속성(continuity)가 중요한 경우 제1 안테나(ANT1) 또는 제4 안테나(ANT4)를 통한 rank 1 수신 동작을 수행할 수 있다. 이후, 정보 연속성이 중요하지 않은 시점에서 제1 안테나(ANT1)에서 제2 안테나(ANT2)로의 변경을 수행할 수 있다. 이후, 채널 상태 정보에 기반하여 rank 2 수신이 가능한 경우, 제2 안테나(ANT2) 및 제3 안테나(ANT3)를 통해 다시 rank 2 수신 동작으로 변경할 수 있다.
한편, 본 발명의 또 다른 양상에 따른 복수의 안테나 모듈을 구비하는 전자 기기의 구성에 대해 설명하면 다음과 같다. 이와 관련하여, 도 1 내지 도 14를 참조하면, 복수의 안테나 모듈은 제1 안테나(ANT1) 및 제2 안테나(ANT2)를 포함한다. 또한, 본 발명에 따른 복수의 안테나 모듈을 구비하는 전자 기기는 RFIC에 해당하는 송수신부 회로(1250)와 모뎀에 해당하는 기저대역 프로세서(1400)를 포함한다.
구체적으로, 제1 안테나(ANT1)는 기판 전면에 소정 길이(length)와 너비(width)를 갖는 금속이 프린트되어 배치되어, 제1 신호를 방사하도록 구성된 금속 패턴(1210)을 포함한다. 또한, 제1 안테나(ANT1)는 금속 패턴이 분리되어 이격된 영역 내에 상기 기판의 중심선에서 오프셋 되어 배치되고, 금속 패턴으로 제1 신호를 커플링 급전하도록 구성된 급전 패턴(1220-1)을 더 포함한다.
또한, 제2 안테나(ANT2)는 상기 기판 상부에 제1 안테나(ANT1)와 대칭 형태로 배치되는 금속 패턴(1210)과 제2 급전 패턴(1220-2)을 포함하고, 제2 신호를 방사하도록 구성된다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 복수의 안테나 모듈을 구비하는 전자 기기는 RFIC에 해당하는 송수신부 회로(1250)와 모뎀에 해당하는 기저대역 프로세서(1400)를 포함한다. 여기서, 송수신부 회로(1250)는 급전 패턴(1220-1) 및 제2 급전 패턴(1220-2)과 연결되고, 제1 안테나(ANT1) 및 제2 안테나(ANT2) 중 하나를 통해 제1 신호 및 제2 신호 중 적어도 하나를 방사하도록 구성된다. 또한, 기저대역 프로세서(1400)는 송수신부 회로(1250)와 연결되고, 제1 안테나(ANT1) 및 제2 안테나(ANT2)로 급전되는 제1 신호 및 제2 신호의 크기가 가변 되도록 송수신부 회로(1250)를 제어한다. 일 예로, 기저대역 프로세서(1400)는 4G/5G 전환 또는 MIMO 동작 시, 특정 안테나로 신호가 인가되고 다른 안테나로 신호가 인가되지 않도록 송수신부 회로(1250)를 제어할 수 있다.
또 다른 예로, 기저대역 프로세서(1400)는 채널 상태 정보에 기반하여 제1 신호 및 제2 신호의 수신 레벨 차이를 보상하도록 송수신부 회로(1250)의 제1 및 제2 전력 증폭기를 제어할 수 있다. 이와 관련하여, 제1 신호 또는 제2 신호 중 하나의 신호가 다른 신호에 비해 신호 레벨이 낮으면, 해당 신호를 통해 전달된 정보를 디코딩하기 어렵다는 문제점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해, 본 발명에서는 채널 상태 정보에 기반하여 제1 신호 및 제2 신호의 수신 레벨 차이를 보상하도록 송수신부 회로(1250)의 제1 및 제2 전력 증폭기의 증폭 비를 가변할 수 있다. 이에 따라, rank 2 전송 또는 수신 시 제1 신호 및 제2 신호를 통해 정보를 손실 없이 디코딩할 수 있다.
한편, 제1 안테나(ANT1)와 제2 안테나(ANT2)는 제1 방사 부(radiation portion, 1211a, 1212a, 1211a2, 1212a2) 및 제2 방사 부(1211b, 1212b, 1211b2, 1212b2)를 포함한다. 여기서, 제1 방사 부(1211a, 1212a)는 소정 길이와 너비를 갖는 직사각형 형태로 형성되고, 내부에 인셋 영역이 형성되도록 구성된다. 또한, 제2 방사 부(1211b, 1212b)는 제1 방사 부에 연결되고, 소정 각도로 테이퍼링(tapering)되어 너비가 증가하도록 형성될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 2x2 MIMO 안테나는 제1 안테나(ANT1) 및 제2 안테나(ANT2) 이외에 제3 안테나(ANT3) 및 제4 안테나(ANT4)를 더 포함하도록 구성된다. 이 경우, 제1 안테나(ANT1) 및 제2 안테나(ANT2)는 상하 대칭 형태로 배치될 수 있다. 또한, 제3 안테나(ANT3) 및 제4 안테나(ANT4)는 상하 대칭 형태로 배치될 수 있다.
구체적으로, 제3 안테나(ANT3)는 기판 상부에 제1 안테나(ANT1)와 좌우 대칭 형태로 배치되는 금속 패턴과 제3 급전 패턴(1220-3)을 통해 제3 신호를 방사하도록 구성된다. 또한, 제4 안테나(ANT4)는 기판 상부에 제2 안테나(ANT2)와 좌우 대칭 형태로 배치되는 금속 패턴과 제4 급전 패턴(1220-4)을 통해 제4 신호를 방사하도록 구성된다. 이에 따라, 제1 안테나(ANT1) 내지 제4 안테나(ANT4)를 통해 제1 신호 내지 제4 신호 중 적어도 하나의 신호를 송신 또는 수신할 수 있다. 이 경우, 동일 대역에서 2개 이상의 신호를 동시에 송신하도록, 기저대역 프로세서(1400)는 UL MIMO를 수행할 수 있다. 또한, 동일 대역에서 2개 이상의 신호를 동시에 수신하도록, 기저대역 프로세서(1400)는 DL MIMO를 수행할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 5G 안테나(1200)를 통한 다중 입출력(MIMO) 동작 시, 안테나 간의 격리도를 고려하여 최적의 방식으로 수행될 수 있다. 이와 관련하여, 기저대역 프로세서(1400)는 제1 안테나(ANT1)를 통해 수신되는 제1 신호와 제2 안테나(ANT2)를 통해 수신되는 제2 신호를 수신하여 다중 입출력(MIMO)을 수행할 수 있다. 즉, 제1 안테나(ANT1)의 우측에 인접한 제3 안테나(ANT3)가 아닌 하부에 대칭 형태로 배치된 제2 안테나(ANT2)가 선택되어, 안테나 간 간섭을 저감할 수 있다.
일 예로, 기저대역 프로세서(1400)는 제1 안테나(ANT1)를 통해 수신되는 제1 신호와 제4 안테나(ANT4)를 통해 수신되는 제4 신호를 수신하여 다중 입출력(MIMO)을 수행할 수 있다. 즉, 동일 기판 내에서 상호 간 가장 멀리 배치된 안테나 소자의 조합을 이용하여 안테나 간 간섭 수준을 더 저감할 수 있다. 이러한 안테나 조합에서 간섭 수준이 증가하면, 기저대역 프로세서(1400)는 다른 안테나를 선택할 수 있다.
이와 관련하여, 기저대역 프로세서(1400)는 제1 신호의 품질 또는 상기 제4 신호의 품질이 임계치 이하이면, 안테나 조합을 제2 안테나(ANT2) 및 제3 안테나(ANT3)로 변경할 수 있다. 따라서, 기저대역 프로세서(1400)는 제2 안테나(ANT2)를 통해 수신되는 제2 신호와 제3 안테나(ANT3)를 통해 수신되는 제3 신호를 수신하여 다중 입출력(MIMO)을 수행할 수 있다.
이와 관련하여, 제1 안테나(ANT1) 및 제4 안테나(ANT4)를 통해 rank 2 수신 동작에서 어느 하나의 안테나를 통한 rank 1 수신 동작으로 변경할 수 있다. 이후, 제2 안테나(ANT2) 및 제3 안테나(ANT3)를 통해 다시 rank 2 수신 동작으로 변경할 수 있다.
한편, 현재 수신되는 신호를 통해 전달되는 정보의 연속성(continuity)가 중요한 경우 제1 안테나(ANT1) 또는 제4 안테나(ANT4)를 통한 rank 1 수신 동작을 수행할 수 있다. 이후, 정보 연속성이 중요하지 않은 시점에서 제1 안테나(ANT1)에서 제2 안테나(ANT2)로의 변경을 수행할 수 있다. 이후, 채널 상태 정보에 기반하여 rank 2 수신이 가능한 경우, 제2 안테나(ANT2) 및 제3 안테나(ANT3)를 통해 다시 rank 2 수신 동작으로 변경할 수 있다.
이상에서는 본 발명에 따른 5G 안테나를 구비하는 전자 기기에 대해 살펴보았다. 이와 같은 5G 안테나를 구비하는 전자 기기, 특히 전자 기기 내부에 배치될 수 있는 low-profile 구조의 안테나를 구비하는 전자 기기의 기술적 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따르면, 풀 디스플레이 구조에서도 전자 기기의 내부에 작은 크기와 낮은 높이를 갖는 로우 프로파일 안테나(Low Profile)가 배치된 전자 기기를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 전자 기기의 커버에 수평으로 전자 기기의 내부에 배치될 수 있는 로우 프로파일 안테나를 통해, 무선 성능을 최적화하면서 안테나 공간 활용도와 배치 자유도가 높은 로우 프로파일 안테나를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 로우 프로파일 안테나를 인접하게 배치하면서 상호 간에 격리도를 확보할 수 있는 m x n MIMO 안테나 모듈을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 전계가 강하게 분포하는 급전 패턴을 오프셋 배치하여 안테나 간 간섭 수준을 저감할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 급전 패턴의 오프셋 배치에 따라 급전 패턴을 둘러싸는 결합 영역에 배치되는 금속 패턴의 영역의 형상을 변경하여 급전 패턴과 금속 패턴 간의 전기적 결합 량(electric coupling degree)을 조절할 수 있다. 이에 따라, 조절된 전기적 결합 량에 따른 매칭되는 공진 주파수와 반사 계수 등의 안테나 특성이 변경될 수 있다.
특히 본 발명에 따른 로우 프로파일 안테나는 0.02 λ 이하로 매우 낮은 높이에서 안테나를 효과적으로 설계할 수 있으며, 임피던스 매칭이 용이하다는 장점이 있다.
특히 본 발명에 따른 로우 프로파일 안테나는 방사체의 양 단부가 단락(short)되어 있어, 안테나 크기 소형화와 함께 상호 간 격리도 향상에 따라 여러 안테나를 배열하기에 유리하다는 장점이 있다.
본 발명의 적용 가능성의 추가적인 범위는 이하의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 그러나 본 발명의 사상 및 범위 내에서 다양한 변경 및 수정은 당업자에게 명확하게 이해될 수 있으므로, 상세한 설명 및 본 발명의 바람직한 실시 예와 같은 특정 실시 예는 단지 예시로 주어진 것으로 이해되어야 한다.
전술한 본 발명과 관련하여, 로우 프로파일 안테나(low-profile antenna)의 설계 및 기저대역 프로세서와 같은 제어부를 통한 안테나와 송수신부 회로의 제어는 프로그램이 기록된 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체는, 컴퓨터 시스템에 의하여 읽힐 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체의 예로는, HDD(Hard Disk Drive), SSD(Solid State Disk), SDD(Silicon Disk Drive), ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어, 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한, 상기 컴퓨터는 단말기의 제어부(180, 1250, 1400)를 포함할 수도 있다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

Claims (20)

  1. 전자 기기에 있어서,
    기판 전면에 소정 길이(length)와 너비(width)를 갖는 금속이 프린트되어 배치되어, 제1 신호를 방사하도록 구성된 금속 패턴(metal pattern); 및
    상기 금속 패턴이 분리되어 이격된 영역 내에 배치되고, 상기 금속 패턴으로 제1 신호를 커플링 급전하도록 구성된 급전 패턴을 포함하는 제1 안테나;
    상기 기판 전면에 상기 제1 안테나와 대칭 형태로 배치되는 금속 패턴과 제2 급전 패턴을 포함하고, 제2 신호를 방사하도록 구성된 제2 안테나; 및
    상기 급전 패턴 및 상기 제2 급전 패턴과 연결되고, 상기 제1 안테나 및 상기 제2 안테나 중 하나를 통해 상기 제1 신호 및 상기 제2 신호 중 적어도 하나를 방사하도록 구성된 송수신부 회로(transceiver circuit)를 포함하는, 전자 기기.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 안테나는 상기 기판의 단부(end portion)에서 제1 금속 패턴 및 제2 금속 패턴과 하부의 그라운드 패턴을 연결하도록 구성된 복수의 비아(via)들을 더 포함하고,
    상기 제2 안테나는 상기 기판의 단부(end portion)에서 제1 금속 패턴 및 제2 금속 패턴과 하부의 그라운드 패턴을 연결하도록 구성된 복수의 비아(via)들을 더 포함하는, 전자 기기.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 급전 패턴의 경계 영역과와 상기 급속 패턴의 인셋 영역의 경계 영역에서, 상기 금속 패턴이 이격된 제1 금속 패턴 및 상기 제2 금속 패턴과 수평면에 형성되는 수평 자계 전류 (horizontal magnetic field)에 의해 상기 제1 안테나 및 상기 제2 안테나가 형성되는 기판의 높이를 감소시키는 것을 특징으로 하는, 전자 기기.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 안테나의 금속 패턴과 상기 제2 안테나의 금속 패턴은 제1 기판의 상부에 배치되고,
    상기 제1 안테나와 상기 제2 안테나는 상기 제1 기판의 중심선을 기준으로 상하 대칭 형태로 배치되고,
    상기 제1 기판의 하부에 제2 기판이 배치되고, 상기 안테나에 대한 기준 전위(reference electric potential)을 제공하도록 상기 제2 기판의 하부에 배치되는 그라운드 층을 더 포함하는, 전자 기기.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 안테나 및 상기 제2 안테나는,
    소정 길이와 너비를 갖는 직사각형 형태로 형성되고, 내부에 상기 인셋 영역이 형성되는 제1 방사 부(radiation portion); 및
    상기 제1 방사 부에 연결되고, 소정 각도로 테이퍼링(tapering)되어 너비가 증가하도록 형성되는 제2 방사 부를 포함하는, 전자 기기.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 제1 방사 부와 상기 제2 방사 부가 연결되는 지점에서, 상기 제1 방사 부의 너비는 상기 제2 방사 부의 너비보다 더 넓게 형성되어, 상기 급전 패턴에서 상기 제1 방사부로의 신호의 커플링 량을 증가시키고 상기 제1 안테나 및 상기 제2 안테나에 의한 전기적 길이를 증가시키는 것을 특징으로 하는, 전자 기기.
  7. 제5 항에 있어서,
    상기 급전 패턴과 상기 제2 급전 패턴은 상기 제1 방사 부 내부의 인셋 영역에 형성되고,
    상기 급전 패턴과 상기 제2 급전 패턴이 배치되는 위치는 상기 제1 방사 부의 너비 방향으로 단부에서 소정 간격 이격되어 오프셋 배치되어, 상기 제1 안테나와 상기 제2 안테나의 격리도(isolation) 특성을 개선시키는, 전자 기기.
  8. 제5 항에 있어서,
    상기 제1 안테나 및 상기 제2 안테나는,
    상기 제2 방사 부에 연결되고, 상기 제2 방사 부와 연결 지점에서 상기 제2 방사부의 너비보다 더 넓은 너비를 갖는 제3 방사부를 더 포함하고,
    상기 제1 안테나 및 상기 제2 안테나의 상기 제3 방사 부는 상호 연결되는 것을 특징으로 하는, 전자 기기.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 안테나와 상기 제2 안테나는 상하 대칭 형태로 배치되고,
    상기 기판 전면에 상기 제1 안테나와 좌우 대칭 형태로 배치되는 금속 패턴과 제3 급전 패턴을 포함하고, 제3 신호를 방사하도록 구성된 제3 안테나; 및
    상기 기판 상부에 상기 제2 안테나와 좌우 대칭 형태로 배치되는 금속 패턴과 제4 급전 패턴을 포함하고, 제4 신호를 방사하도록 구성된 제4 안테나를 더 포함하는, 전자 기기.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 제1 안테나와 상기 제3 안테나의 금속 패턴의 일 단부는 상호 간에 이격되고, 상기 제2 안테나와 상기 제4 안테나의 금속 패턴의 일 단부는 상호 간에 이격되어 배치되어, 상호 간에 격리도를 개선시기키는, 전자 기기.
  11. 제9 항에 있어서,
    상기 기판의 에지에 해당하는 상기 제1 안테나 내지 상기 제4 안테나의 금속 패턴의 타 단부에는 제1 타입의 비아들이 배치되고,
    상기 기판의 중심 영역에 해당하는 상기 제1 안테나 내지 상기 제4 안테나의 금속 패턴의 일 단부에는 제2 타입의 비아들이 배치되는, 전자 기기.
  12. 제1 항에 있어서,
    상기 급전 패턴은 상기 제1 안테나의 금속 패턴과 동일 평면인 제1 기판의 상부에 배치되고,
    상기 제2 급전 패턴은 상기 제2 안테나의 금속 패턴과 다른 평면인 제1 기판의 하부 또는 제2 기판의 상부에 배치되어, 상기 제1 안테나와 상기 제2 안테나 간의 격리도를 개선시키는, 전자 기기.
  13. 제9 항에 있어서,
    상기 급전 패턴은 상기 제1 안테나의 금속 패턴과 동일 평면인 제1 기판의 상부에 배치되고,
    상기 제3 급전 패턴은 상기 제3 안테나의 금속 패턴과 다른 평면인 제1 기판의 하부 또는 제2 기판의 상부에 배치되어, 상기 제1 안테나와 상기 제3 안테나 간의 격리도를 개선시키는, 전자 기기.
  14. 제9 항에 있어서,
    상기 전자 기기의 측면부에 형성되어, LTE 대역인 제1 대역에서 동작하는 4G 안테나를 더 포함하고, - 상기 제1 안테나와 상기 제2 안테나는 5G Sub 6 대역인 제2 대역에서 동작하는 5G 안테나들이고,
    상기 송수신부 회로와 연결되고, 상기 4G 안테나 및 상기 5G 안테나들 중 적어도 하나를 통해 신호를 송신 및 수신하도록 상기 송수신부 회로를 제어하는 기저대역 프로세서를 더 포함하는, 전자 기기.
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 송수신부 회로는 상기 제1 대역의 LTE 신호를 송신 및 수신하고 상기 제2 대역의 5G 신호를 송신 및 수신하도록 구성되고,
    상기 기저대역 프로세서는,
    상기 LTE 신호의 품질이 임계치 이하이면 상기 5G 안테나를 통해 상기 5G 신호를 수신하도록 상기 송수신부 회로를 제어하고,
    광대역 전송이 요청되어 광대역이 할당된 경우, 상기 제1 안테나를 통해 수신되는 상기 제1 대역의 LTE 신호와 상기 제1 내지 제4 안테나 중 최적의 수신 성능을 갖는 안테나를 통해 수신되는 상기 제2 대역의 5G 신호를 이용하여 반송파 집성(CA: Carrier Aggregation)을 수행하는, 전자 기기.
  16. 제14 항에 있어서,
    상기 기저대역 프로세서는,
    상기 제1 안테나를 통해 수신되는 제1 신호와 상기 제4 안테나를 통해 수신되는 제4 신호를 수신하여 다중 입출력(MIMO)을 수행하고,
    상기 제1 신호의 품질 또는 상기 제4 신호의 품질이 임계치 이하이면, 상기 제2 안테나를 통해 수신되는 제2 신호와 상기 제3 안테나를 통해 수신되는 제3 신호를 수신하여 다중 입출력(MIMO)을 수행하는, 전자 기기.
  17. 전자 기기에 있어서,
    기판 전면에 소정 길이(length)와 너비(width)를 갖는 금속이 프린트되어 배치되어, 제1 신호를 방사하도록 구성된 금속 패턴(metal pattern); 및
    상기 금속 패턴이 분리되어 이격된 영역 내에 배치되고, 상기 금속 패턴으로 제1 신호를 커플링 급전하도록 구성된 급전 패턴을 포함하는 제1 안테나;
    상기 기판 전면에 상기 제1 안테나와 대칭 형태로 배치되는 금속 패턴과 제2 급전 패턴을 포함하고, 제2 신호를 방사하도록 구성된 제2 안테나;
    상기 급전 패턴 및 상기 제2 급전 패턴과 연결되고, 상기 제1 안테나 및 상기 제2 안테나 중 하나를 통해 상기 제1 신호 및 상기 제2 신호 중 적어도 하나를 방사하도록 구성된 송수신부 회로(transceiver circuit); 및
    상기 송수신부 회로와 연결되고, 상기 제1 안테나 및 상기 제2 안테나로 급전되는 상기 제1 신호 및 상기 제2 신호의 크기가 가변 되도록 상기 송수신부 회로를 제어하는 기저대역 프로세서(baseband processor)를 포함하는, 전자 기기.
  18. 제17 항에 있어서,
    상기 제1 안테나 및 상기 제2 안테나는,
    소정 길이와 너비를 갖는 직사각형 형태로 형성되고, 내부에 상기 인셋 영역이 형성되는 제1 방사 부(radiation portion); 및
    상기 제1 방사 부에 연결되고, 소정 각도로 테이퍼링(tapering)되어 너비가 증가하도록 형성되는 제2 방사 부를 포함하는, 전자 기기.
  19. 제17 항에 있어서,
    상기 제1 안테나와 상기 제2 안테나는 상하 대칭 형태로 배치되고,
    상기 기판 전면에 상기 제1 안테나와 좌우 대칭 형태로 배치되는 금속 패턴과 제3 급전 패턴을 포함하고, 제3 신호를 방사하도록 구성된 제3 안테나; 및
    상기 기판 상부에 상기 제2 안테나와 좌우 대칭 형태로 배치되는 금속 패턴과 제4 급전 패턴을 포함하고, 제4 신호를 방사하도록 구성된 제4 안테나를 더 포함하는, 전자 기기.
  20. 제19 항에 있어서,
    상기 기저대역 프로세서는,
    상기 제1 안테나를 통해 수신되는 제1 신호와 상기 제4 안테나를 통해 수신되는 제4 신호를 수신하여 다중 입출력(MIMO)을 수행하고,
    상기 제1 신호의 품질 또는 상기 제4 신호의 품질이 임계치 이하이면, 상기 제2 안테나를 통해 수신되는 제2 신호와 상기 제3 안테나를 통해 수신되는 제3 신호를 수신하여 다중 입출력(MIMO)을 수행하는, 전자 기기.
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