WO2015174621A1 - 안테나 장치 - Google Patents

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WO2015174621A1
WO2015174621A1 PCT/KR2015/001989 KR2015001989W WO2015174621A1 WO 2015174621 A1 WO2015174621 A1 WO 2015174621A1 KR 2015001989 W KR2015001989 W KR 2015001989W WO 2015174621 A1 WO2015174621 A1 WO 2015174621A1
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WO
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radiator
antenna device
layer
tuning
antenna
Prior art date
Application number
PCT/KR2015/001989
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English (en)
French (fr)
Inventor
백광현
고승태
김윤건
홍원빈
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삼성전자 주식회사
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Publication date
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Priority to CN201580026193.0A priority patent/CN106463830B/zh
Priority to EP15792956.3A priority patent/EP3145027B1/en
Publication of WO2015174621A1 publication Critical patent/WO2015174621A1/ko
Priority to US16/786,449 priority patent/US11145970B2/en

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/0407—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna
    • H01Q9/0442—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna with particular tuning means
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/01—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the shape of the antenna or antenna system
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q13/00—Waveguide horns or mouths; Slot antennas; Leaky-waveguide antennas; Equivalent structures causing radiation along the transmission path of a guided wave
    • H01Q13/10—Resonant slot antennas
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q19/00—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic
    • H01Q19/28—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using a secondary device in the form of two or more substantially straight conductive elements
    • H01Q19/30—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using a secondary device in the form of two or more substantially straight conductive elements the primary active element being centre-fed and substantially straight, e.g. Yagi antenna
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/44—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the electric or magnetic characteristics of reflecting, refracting, or diffracting devices associated with the radiating element
    • H01Q3/46—Active lenses or reflecting arrays
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/12—Supports; Mounting means
    • H01Q1/22—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles
    • H01Q1/2291—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles used in bluetooth or WI-FI devices of Wireless Local Area Networks [WLAN]

Definitions

  • the present invention relates to a communication apparatus, and for example, to an antenna apparatus for providing a wireless communication function.
  • Wireless communication technology is not only a commercially available mobile network connection, but also wireless local area network (w-LAN), Bluetooth, near field communication, which is recently represented by Wi-Fi technology. ; NFC) is implemented in various ways.
  • the mobile communication service started from the first generation mobile communication service focused on voice calls, and is gradually evolving into a high speed and large capacity service (e.g., a high-definition video streaming service). It is expected to be provided through the band.
  • wireless communication terminals As communication standards such as short-range wireless communication and Bluetooth are activated, electronic devices such as mobile communication terminals are equipped with antenna devices that operate in various different frequency bands.
  • the fourth generation mobile communication service in the frequency band of 700MHz, 1.8GHz, 2.1GHz, Wi-Fi is somewhat different according to the protocol, but in the 2.4GHz, 5GHz frequency band, Bluetooth is operated in the 2.45GHz frequency band have.
  • next generation of mobile communication services will be provided through ultra high frequency bands of tens of GHz or more (for example, a frequency band in the range of 30 to 300 GHz and a length of the resonant frequency wavelength in the range of approximately 1 to 10 mm). Higher performance may be required than antenna devices used in mobile communication services.
  • the size of an antenna device for example, a radiator for performing a direct radiation operation of a radio signal may be reduced.
  • the radiator has an electrical length of N ⁇ ( ⁇ / 4), where N is a natural number.
  • the antenna device In order to mount on a small and lightweight electronic device such as a mobile communication terminal, it is preferable that the antenna device also occupy a small mounting space, and thus a radiator having an electrical length of ⁇ / 4 can be mounted.
  • Antenna devices operating in the frequency bands for example, 700 MHz, 1.8 GHz, 2.1 GHz
  • the frequency bands for example, 2.4 GHz, 2.45 GHz, 5 GHz
  • a focused element such as a resistive / capacitive / inductive element. Therefore, even in the development process or the state mounted on the actual electronic device, it is easy to ensure the performance of the antenna device required for the electronic device.
  • the resonant frequency wavelength of the antenna device used in the wireless communication in the band of several tens of GHz or more is only 1 to 10 mm, and the size of the radiator may be smaller.
  • the antenna device used for the millimeter wave communication has a radio frequency integrated circuit chip (RFIC chip) in which the communication circuit unit is mounted and the radiator are adjacent to each other. Can be placed.
  • RFIC chip radio frequency integrated circuit chip
  • Such an antenna device may be implemented in a module form by arranging an RFIC chip and a radiator on a printed circuit board having a width and a length less than 30 mm, for example, about 10 mm * 25 mm.
  • the antenna device used for the millimeter wave communication can be manufactured after optimizing the operating characteristics through various simulations in the development process. However, even if the operating characteristics of the antenna device are optimized, the operating characteristics may be distorted when the antenna device is mounted on the actual electronic device. In other words, the operating characteristics of the antenna device may vary depending on the specification of the electronic device or the mounting environment of the manufactured antenna device.
  • the antenna device used for the millimeter wave communication is not possible to change the shape of the radiator or to add or remove the lumped element in the antenna device manufactured in the form of a module within several tens of mm. Therefore, if the fabricated antenna device is not mounted on the electronic device and does not exhibit optimized operating characteristics, it takes considerable time to develop and manufacture the antenna device from the initial simulation stage to the re-development of the antenna device, until the actual mass production of the electronic device. This can be expensive.
  • various embodiments of the present disclosure provide an antenna device that is easy to secure an operating characteristic required for an electronic device.
  • various embodiments of the present invention to provide an antenna device that can reduce the time, cost required for development and manufacturing.
  • a radiator for receiving a feed signal
  • a plurality of tuning portions disposed adjacent or on the radiator
  • each of the tuning units is selectively shorted to the radiator, or adjacent tuning units are selectively shorted to each other.
  • Such an antenna device may be implemented by a Yagi-Uda antenna further including a director, a grid type antenna consisting of an array of via holes and via pads stacked on a circuit board. Can be.
  • a plurality of slots formed spin patch; And a short circuit portion formed to at least partially cross a selected one of the slots.
  • the antenna device may be implemented as an inverted-F antenna, a monopole antenna, a slot antenna, a loop antenna, a horn antenna, and a dipole antenna according to the structure of the radiator. have.
  • antenna devices having various operating characteristics different from each other according to the tuning unit connected to the radiator may be easily manufactured. Therefore, since the tuning unit connected to the radiator may select and mount or replace the antenna device among different antenna devices, it is possible to easily secure the operating characteristics required for the electronic device. Therefore, if the mounted antenna device does not exhibit the operating characteristics required for the electronic device, even if the antenna device is not developed or manufactured again, the tuning unit connected to the radiator may reselect and replace another antenna device. The time and cost required to manufacture the electronic device on which the antenna device is mounted can be reduced.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating an antenna device according to one of various embodiments of the present disclosure.
  • FIGS. 2 to 6 are diagrams illustrating different tuning structures of an antenna device according to one of various embodiments of the present invention, respectively.
  • FIG. 7 is a graph illustrating measurement and reflection coefficients S11 of the antenna devices illustrated in FIGS. 1 to 6, respectively.
  • FIG. 8 is a perspective view illustrating an antenna device according to another one of various embodiments of the present disclosure.
  • FIG. 9 is a view for explaining a radiator of an antenna device according to another one of various embodiments of the present invention.
  • FIG. 10 is a plan view illustrating a radiator of an antenna device according to another one of various embodiments of the present disclosure.
  • FIG. 11 is a first side view illustrating a radiator of an antenna device according to another one of various embodiments of the present disclosure.
  • FIG. 12 is a second side view for describing a radiator of an antenna device according to another one of various embodiments of the present disclosure.
  • FIG. 13 is a graph illustrating measurement and reflection coefficients S11 according to the tuning structure of the antenna device illustrated in FIG. 10.
  • FIG. 14 is a perspective view illustrating an antenna device according to another one of various embodiments of the present disclosure.
  • 15A to 15D and 16 are diagrams for describing an example tuning of an antenna device and a change in operating characteristics thereof according to another one of various embodiments of the present disclosure.
  • 17 to 22 are diagrams illustrating implementation examples of an antenna device according to yet another one of various embodiments of the present disclosure.
  • FIG. 23 is a graph illustrating measurement and reflection coefficients S11 of the antenna apparatus illustrated in FIGS. 17 to 22, respectively.
  • first component may be referred to as the second component, and similarly, the second component may also be referred to as the first component.
  • the term 'and / or' includes any combination of a plurality of related items or any of a plurality of related items.
  • the electronic device on which the antenna device according to various embodiments of the present disclosure is mounted may be any device having a touch panel, and the electronic device may be a terminal, a mobile terminal, a mobile terminal, a communication terminal, a portable communication terminal, or a portable mobile terminal. It may be called a display device.
  • the electronic device may be a smartphone, a mobile phone, a navigation device, a game machine, a TV, a vehicle head unit, a notebook computer, a laptop computer, a tablet computer, a personal media player (PMP), a personal digital assistant (PDA), and the like.
  • the electronic device may be implemented as a pocket size portable communication terminal having a wireless communication function.
  • the electronic device may be a flexible device or a flexible display device.
  • the electronic device may communicate with an external electronic device such as a server or perform a task through interworking with the external electronic device.
  • the electronic device may transmit the image photographed by the camera and / or the location information detected by the sensor unit to the server through a network.
  • Networks include, but are not limited to, mobile or cellular networks, local area networks (LANs), wireless local area networks (WLANs), wide area networks (WANs), the Internet, and small area networks. (Small Area Network: SAN) or the like.
  • the antenna device is a Yagi-Uda antenna further comprising a director disposed side by side on one side of the radiator, the other side of the radiator
  • the plurality of tuning units may be stacked on both ends of the radiator, respectively.
  • the tuning units disposed at one end of the radiator and the tuning units disposed at the other end may have different lengths.
  • the antenna device comprises a circuit board made up of a plurality of layers; And a plurality of via holes formed in each of the layers,
  • the via holes in one layer are arranged in one direction (hereinafter 'horizontal direction'), and each via hole formed in one layer is aligned with the via hole formed in the other one layer, thereby forming the radiator. It may be formed in a grid type (grid type).
  • Such an antenna device includes a first via pad provided between one of the layers (hereinafter referred to as 'first layer') and another layer adjacent to the layer (hereinafter referred to as 'second layer'). ),
  • Each of the first via pads may connect a via hole formed in the first layer and a via hole formed in the second layer.
  • the antenna device may further include second via pads disposed in each of the layers adjacent to both ends of the array of first via pads in a horizontal direction.
  • the tuning unit may include the second via pads.
  • the antenna device may further include second via holes formed in each of the layers and connected to at least one of the second via pads.
  • the tuning unit may include the second via holes.
  • the radiator may have an electrical length of N ⁇ ( ⁇ / 4), and the tuning units may be spaced apart from the radiator at intervals of less than N ⁇ ( ⁇ / 4). .
  • N natural number
  • ⁇ resonant frequency of the antenna unit
  • an antenna device includes a radiation patch having a plurality of slots formed therein; And a short circuit part formed at least partially across the selected one of the slots, the short circuit part may be formed of any one of solder paste, solder, a printed circuit pattern, and a conductive thin plate.
  • 1 is a block diagram illustrating an antenna device according to one of various embodiments of the present disclosure.
  • 2 to 6 are diagrams illustrating different tuning structures of an antenna device according to one of various embodiments of the present invention, respectively.
  • the antenna device 100 is disposed in a form in which a radiator 101 receives a power supply and stacked on both ends of the radiator 101, respectively.
  • a plurality of tuning units 115a and 115b may be included.
  • the radiator 101 may be connected to the feed line 113 to receive a feed and to transmit and receive a wireless signal.
  • the radiator 101 may form a dipole antenna structure.
  • the antenna device 100 may further include a director 119 disposed side by side on one side of the radiator 101.
  • the radiator 101 and the directing body 119 are combined to form the antenna device 100 as a Yagi-Uda antenna.
  • the tuning units 115a and 115b may be stacked at both ends at the other side of the radiator 101, respectively.
  • the tuning units 115a stacked on one end of the radiator 101 and the tuning units 115b stacked on the other end may have different lengths.
  • the antenna device 100 may short-circuit the tuning units 115a and 115b to the radiator 101 or the adjacent tuning units 115a or 115b to be shorted to each other. It may further include (117a, 117b).
  • the tuning units 115a and 115b may be stacked on the radiator 101 with an insulator or a dielectric interposed therebetween, and the short circuits 117a and 117b may be via holes formed or disposed through the insulator or the dielectric.
  • tuning units 115a or 115b may be short-circuited to the radiator 101 directly or through another tuning unit, various operating characteristics (eg, resonance frequency, bandwidth at the resonance frequency, etc.) of the antenna device 100 may be varied. Can be set.
  • FIG. 7 is a graph illustrating measurement and reflection coefficients S11 of the antenna devices illustrated in FIGS. 1 to 6, respectively.
  • 'original' represents reflection coefficients of the antenna device shown in FIG. 1
  • 'case1' to 'case5' represent reflection coefficients of the antenna device tuned in the form shown in FIGS. 2 to 6, respectively.
  • the resonance frequency of the antenna device 100 can be adjusted according to the combination of the radiator 101 and the shorting tuning unit 115a or 115b.
  • Table 1 below shows the resonant frequency of the antenna device 100 having the tuning structure shown in FIGS. 1 to 6 and the antenna device 100 shown in FIG. This is the result of measuring the change of resonance frequency according to the tuning structure.
  • This measurement is performed by tuning the tuning unit 115a disposed on the left side of the radiator 101 to a length (for example, 0.05 mm) that is 0.05 times the wavelength of the resonance frequency of the antenna device 100 (for example, 0.05 mm).
  • the portion 115b was made based on a structure designed to have a length (for example, 0.02 mm) of 0.02 times the resonant frequency wavelength of the antenna device 100.
  • the tuning units 115a disposed at the left end of the radiator 101 are short-circuited by shorting the radiator 101 to the radiator 101. It can be seen that the resonance frequency change of about 0.6 ⁇ 0.7GHz per tuner.
  • the short circuiting the tuning unit 115b disposed at the right end of the radiator 101 to the radiator 101 it can be seen that the resonance frequency change of about 1.2 ⁇ 1.3GHz per one shorted tuning unit appears. have.
  • the antenna device according to various embodiments of the present invention may have a substantially identical structure, but by varying the arrangement of the short circuit parts 117a and 117b, for example, a tuning part shorted to the radiator 101. By different combinations, different operating characteristics can be realized.
  • the mounted antenna device does not exhibit the operating characteristics required for the electronic device while the electronic device is equipped with one of the above selected antenna devices, tuning the mounted antenna device to the radiator is short-circuited.
  • the combination of the parts can be replaced with another antenna device. Accordingly, when one antenna device manufactured to date does not exhibit proper performance in an electronic device, an antenna device suitable for the electronic device may be easily selected and mounted without developing and manufacturing a new antenna device.
  • FIG. 8 is a perspective view illustrating an antenna device according to another one of various embodiments of the present disclosure.
  • 9 is a view for explaining a radiator of an antenna device according to another one of various embodiments of the present invention.
  • 10 is a plan view illustrating a radiator of an antenna device according to another one of various embodiments of the present disclosure.
  • 11 is a first side view illustrating a radiator of an antenna device according to another one of various embodiments of the present disclosure.
  • 12 is a second side view for describing a radiator of an antenna device according to another one of various embodiments of the present disclosure.
  • the antenna device 200 may further include a circuit board 201, and the radiator 202 may include the circuit board 201. It can be implemented within.
  • the circuit board 201 may be formed of a multilayer circuit board having a width W and a length L of about 10 mm * 25 mm, and may include first via holes 221 in each layer 211. have. The arrangement of the first via holes 221 may form a lattice-shaped radiator 202.
  • 9 through 12 illustrate the layer 211 around a portion of the circuit board 201, for example, the first via holes 221, to more clearly illustrate the configuration of the radiator 202 and the like. Note that) are shown partially removed.
  • the circuit board 201 is formed by stacking a plurality of layers 211, and may be formed of a flexible printed circuit board, a dielectric substrate, and the like.
  • Each of the layers 211 may include via holes formed through a printed circuit pattern or a ground layer formed of a conductor, and through front and rear surfaces (or upper and lower surfaces).
  • the via holes formed in the multilayer circuit board are electrically connected to the printed circuit patterns formed in different layers or are formed for heat dissipation purposes.
  • the antenna device 200 may include a portion of the via holes formed in the circuit board 201, for example, the first via hole formed at an edge of the circuit board 201 (eg, an area indicated by A or A ′). By arranging the 221 in a lattice form it can be utilized as the radiator 202.
  • each of the layers 211 constituting the circuit board 201 may be arranged in one region (for example, a 'horizontal direction') in some regions, for example, regions adjacent to an edge.
  • Via holes 221 may be provided.
  • the first via holes 221 formed in one of the layers 211 (hereinafter, referred to as “first layer”) may be formed. It may be aligned with the first via holes 221 formed in another layer adjacent to the first layer (hereinafter, 'second layer').
  • the first via holes of the first layer and the first via holes of the second layer may be aligned in a straight line.
  • the first via pads 223 are disposed between the first via holes of the first layer and the first via holes of the second layer, respectively, and are disposed on different layers to be stabilized between two adjacent first via holes 221. Can provide a connection.
  • FIG. 10 is a plan view illustrating a portion of the circuit board 201 having a plurality of layers 211 removed, so that the feed line 229 is shown connected to the ground portion GND. do.
  • the feed line 229 may be connected to one of the first via holes 221 to provide a feed signal from a communication circuit unit (eg, an RFIC chip 213) configured in the circuit board 201.
  • the power supply line 229 or the ground portion GND may be formed on the layer 211 positioned on the surface of the circuit board 201.
  • the tuning unit of the antenna device 200 may be implemented as a second via hole 225 and a second via pad 227 disposed adjacent to both ends of the radiator 202.
  • the second via hole 225 may be disposed in each layer 221 of the circuit board 201 or adjacent to the first via hole 221 in a selected layer.
  • the second via pad 223 may also be disposed in each layer 211 of the circuit board 201 or adjacent to the first via pad 223 in a selected layer.
  • the second via hole 225 is formed only in some of the layers 211 constituting the circuit board 201, and one second via pad 227 may include only one second via hole ( A configuration connected only to 225 is illustrated.
  • the second via holes 225 may be formed and aligned in two adjacent layers, respectively. In this case, the second via pad 227 may connect the second via holes 225 adjacent to each other.
  • the antenna device 200 may short-circuit the tuning units (a combination of the second via hole 225 and the second via pad 227) to short the selected tuning unit to the radiator 202, respectively. It may include portions 229.
  • the short circuit 229 may selectively short the tuning units to the radiator 202, respectively. According to the arrangement of the short circuit unit 229, for example, according to a combination of a tuning unit shorted to the radiator 202, the antenna device 200 may implement different operating characteristics.
  • FIG. 13 is a graph illustrating measurement and reflection coefficients S11 according to the tuning structure of the antenna device illustrated in FIG. 10.
  • 'case1' represents a reflection coefficient of the antenna device 200 measured without shorting the tuning units to the radiator 202, and a resonance frequency of 55.3 GHz may be formed.
  • 'case2' represents a reflection coefficient of the antenna device 200 measured in a state in which the upper tuning unit is short-circuited to the radiator 202 among the tuning units shown in FIG. 10, and a resonance frequency of 52.5 GHz may be formed.
  • 'case3' represents a reflection coefficient of the antenna device 200 measured when each of the tuning units shown in FIG. 10 is short-circuited to the radiator 202, and a resonance frequency of 47.9 GHz may be formed.
  • the resonance frequency of the antenna device 200 can be adjusted according to the combination of the radiator 202 and the shorting tuning unit.
  • the combination of the tuning units shorted to the radiator 202 may be more diversified.
  • the structure of the radiator 202 if the combination of the tuning sections shorted to the radiator 202 can be made more diverse, it is possible to fabricate antenna devices having different operating characteristics. Can be. As such, among the various antenna devices having the same standard (for example, size, shape, etc.) and different operating characteristics, an antenna device suitable for a required specification may be selected and easily installed or replaced in the electronic device.
  • the radiators 101 and 202 may be manufactured to have an electrical length of N ⁇ ( ⁇ / 4).
  • the tuning units 115a, 115b, 225, and 227 may be spaced apart from the radiators 101 and 202 at intervals of less than N ⁇ ( ⁇ / 4).
  • N is a natural number
  • ⁇ is a resonance frequency of each antenna device.
  • FIG. 14 is a perspective view illustrating an antenna device according to another one of various embodiments of the present disclosure.
  • an antenna device 300 may include a planar radiation patch 321 having a plurality of slots 323 and one of the slots 323.
  • the radiating patch 321 may be disposed on one surface of the circuit board 301 on which the RFIC chip 313 is mounted.
  • the short circuit part 325 may be made of solder paste, solder, a printed circuit pattern, a conductive thin plate, or the like, and may be made of various other conductive materials that may be electrically connected to the radiation patch 321.
  • the circuit board 301 may be formed of a multilayer circuit board having a size of about 10 mm * 25 mm.
  • the spinning patch 321 may have an electrical length of N ⁇ ( ⁇ / 4), for example, an electrical length of ⁇ / 4.
  • N ⁇ ⁇ ( ⁇ / 4)
  • four slots 323 having the same shape and size are illustrated in the radiation patch 321, but the shape or size of the slots 323 may be variously modified according to the specifications of the antenna device. Can be.
  • 15A to 15D and 16 are diagrams for describing an example tuning of an antenna device and a change in operating characteristics thereof according to another one of various embodiments of the present disclosure.
  • the flow of signal currents (dotted arrows) distributed in the radiation patch 321 may vary depending on the number and arrangement of the short circuits 325. Can be.
  • the antenna device 300 may be implemented to have various different operating characteristics. For example, in FIG. 16, f1 represents a resonant frequency of the antenna device 300 in a state in which the short circuit unit 325 is not disposed, and f2 to f5 represent short circuit units 325 disposed in the slots 323.
  • the resonance frequencies of the antenna device 300 having the tuning structure shown in FIGS. 15B to 15D are respectively shown.
  • an operating characteristic of the antenna device 300 for example, a bandwidth at a resonance frequency or a resonance frequency may be adjusted.
  • Various implementations are possible. Hereinafter, more specific implementation examples of the antenna device 300 will be described with reference to FIGS. 17 to 23.
  • FIGS. 17 to 22 are diagrams illustrating implementation examples of an antenna device according to yet another one of various embodiments of the present disclosure.
  • FIG. 23 is a graph illustrating the measurement of the reflection coefficient S11 of the antenna device illustrated in FIGS. 17 to 22, respectively.
  • the shorting part 325 may be formed to cross only a part of the slot 323, in the present embodiment, the shorting part 325 disposed in any one slot completely closes the slot. Let's take a look at the configuration.
  • the slots 323 may be formed in different sizes or shapes according to their positions.
  • the signal current may be distributed highest in the top center portion of the radiating patch 321.
  • 'original' denotes a reflection coefficient of the antenna device 300 shown in FIG. 17, and 'case1' to 'case5' reflect reflections of the antenna device 300 tuned in the form shown in FIGS. 18 to 22. Coefficients are shown respectively.
  • the resonance frequency of the antenna device 300 may be variously formed according to the arrangement of the short circuit unit 325 (s).
  • Table 2 below shows the measurement of the resonant frequency of the antenna device 300 having the tuning structure shown in FIGS. 17 to 22 and the change of the resonance frequency of the antenna device of FIG. 17 according to the tuning structure. The result is.
  • This measurement includes a pair of slots arranged at the left and right sides of the slot disposed at the center in the horizontal direction of the drawing at 0.12 times the length of the resonance frequency wavelength of the antenna device 300 (for example, 0.6 mm). They were each made based on a structure designed to have a length (for example, 0.4 mm) of 0.08 times the resonant frequency wavelength of the antenna device 300.
  • the resonance frequency change of about 2.25 GHz is arranged as the short circuit part 325 is disposed in the slot disposed at the center of the radiation patch 321. You can see that appears. Slots respectively disposed on the left and right sides of the radiation patch 321 have the same size, but the degree of change of the resonance frequency is different depending on the position. For example, when the short circuit portion 325 is disposed in the slot located to the right of the radiation patch 321, a change in resonance frequency of about 0.65 GHz appears, and when the short circuit portion 325 is disposed in the slot located on the left side, A resonance frequency change of about 0.30 GHz was observed.
  • the antenna device may implement various different operating characteristics according to a combination of tuning parts that have a substantially identical structure and are selectively shorted with the radiator. have. Therefore, even if the antenna device of the structure, such as the antenna device used for millimeter wave communication, is difficult to adjust the operating characteristics after being manufactured, it is possible to easily secure the operating characteristics required for the electronic device.
  • antenna structures such as a monopole antenna, a slot antenna, a loop antenna, a horn antenna, a dipole antenna, and the like
  • tuning units may be arranged around a radiator to implement the present invention in more various ways.

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Abstract

본 발명의 다양한 실시예들은, 급전 신호를 제공받는 방사체; 상기 방사체에 인접하게 또는 상기 방사체 상에 배치된 복수의 튜닝부를 포함하고, 각각의 상기 튜닝부가 상기 방사체에 또는 인접하는 상기 튜닝부들이 서로 선택적으로 단락된 안테나 장치를 개시한다. 상기와 같은 안테나 장치는 실시예에 따라 다양하게 구현될 수 있다.

Description

안테나 장치
본 발명은 통신 장치에 관한 것으로서, 예를 들면, 무선 통신 기능을 제공하기 위한 안테나 장치에 관한 것이다.
무선 통신 기술은 상용화된 이동통신망 접속뿐만 아니라, 최근에는 와이파이(Wi-Fi) 기술로 대표되는 근거리 무선통신(wireless local area network; w-LAN), 블루투스(Bluthooth), 근접무선통신(near field communication; NFC) 등 다양한 방식으로 구현되고 있다. 이동통신 서비스는 음성 통화 중심의 1세대 이동통신 서비스로부터 시작되어, 점차 초고속, 대용량 서비스(예: 고화질 동영상 스트리밍 서비스)로 점차 진화하고 있으며, 향후에 상용화될 차세대 이동통신 서비스는 수십 GHz 이상의 초고주파수 대역을 통해 제공될 것으로 전망된다.
근거리 무선통신이나 블루투스 등의 통신 규격이 활성화하면서, 전자 기기, 예컨대, 이동통신 단말기는 서로 다른 다양한 주파수 대역에서 동작하는 안테나 장치를 탑재하게 되었다. 예컨대, 4세대 이동통신 서비스는 700MHz, 1.8GHz, 2.1GHz 등의 주파수 대역에서, 와이파이는 규약에 따라 다소 차이는 있으나, 2.4GHz, 5GHz의 주파수 대역에서, 블루투스는 2.45GHz의 주파수 대역에서 운용되고 있다.
상용화된 무선통신망에서 안정된 서비스 품질을 제공하기 위해서, 안테나 장치의 높은 이득(gain)과 광범위한 방사 영역(beam coverage)을 만족해야 한다. 차세대 이동통신 서비스는 수십 GHz 이상(예를 들면, 30~300GHz 범위의 주파수 대역이며, 공진주파수 파장의 길이가 대략 1~10mm 범위)의 초고주파수 대역을 통해 제공될 것인 바, 이전에 상용화된 이동통신 서비스에서 사용된 안테나 장치보다 더 높은 성능이 요구될 수 있다.
일반적으로, 동작 주파수 대역이 높아질수록 안테나 장치, 예를 들면, 무선 신호의 직접적인 방사 동작을 수행하는 방사체의 크기가 작아질 수 있다. 안테나 장치의 공진주파수를 λ라 할 때, 방사체는 N×(λ/4)의 전기적인 길이를 가지며, 여기서, N은 자연수를 의미한다. 이동통신 단말기와 같이 소형, 경량화된 전자 장치에 탑재하기 위해서는 안테나 장치 또한, 적은 실장 공간을 차지하는 것이 바람직할 것이므로, λ/4의 전기적인 길이를 가진 방사체를 탑재할 수 있다.
현재 상용 통신망에 이용되는 주파수 대역(예: 700MHz, 1.8GHz, 2.1GHz)에서 또는 근거리 무선통신 등에 활용되는 주파수 대역(2.4GHz, 2.45GHz, 5GHz)에서 동작하는 안테나 장치는, 방사체를 제작한 후에도 방사체의 형상 변경이나, 저항성/용량성/유도성 소자와 같은 집중 소자(Lumped element)를 이용한 방사 특성의 최적화가 용이하다. 따라서 개발 과정이나 실제 전자 장치에 탑재한 상태에서도 전자 장치에 요구되는 안테나 장치의 성능을 확보하기 용이할 수 있다.
수십 GHz 이상의 대역의 무선 통신(이하, '밀리미터파(mmWave) 통신'이라 함)에서 사용되는 안테나 장치의 공진주파수 파장은 1~10mm에 불과하고, 방사체의 크기는 더 작아질 수 있다. 또한, 통신회로와 방사체 사이에서 발생하는 전송 손실을 억제하기 위해, 밀리미터파 통신에 사용되는 안테나 장치는 통신회로부가 탑재된 고주파집적회로 칩(Radio Frequency Integrated circuit chip: RFIC 칩)과 방사체를 서로 인접하게 배치할 수 있다. 이러한 안테나 장치는 폭과 길이가 30mm 이내, 예를 들면, 10mm*25mm 정도 크기의 인쇄회로 기판에 RFIC 칩과 방사체를 배치하여 모듈 형태로 구현될 수 있다.
이러한 밀리미터파 통신에 이용되는 안테나 장치는 개발과정에서 다양한 시뮬레이션을 통해 동작 특성을 최적화한 후 제작될 수 있다. 하지만 안테나 장치의 동작 특성이 최적화되더라도 실제 전자 장치에 안테나 장치를 탑재했을 때 그 동작 특성이 왜곡될 수 있다. 다시 말해서, 전자 장치의 사양이나 제작된 안테나 장치의 실장 환경에 따라 안테나 장치의 동작 특성이 다양하게 변화할 수 있다.
그러나 밀리미터파 통신에 이용되는 안테나 장치는 수십mm 이내 크기의 모듈 형태로 제작된 안테나 장치는 방사체의 형상 변경이나 집중 소자의 추가 또는 제거가 현실적으로 불가능하다. 따라서 제작된 안테나 장치가 전자 장치에 탑재되어 최적화된 동작 특성을 발휘하지 못할 경우, 최초 시뮬레이션 단계부터 안테나 장치를 다시 개발하는 등, 실제 전자 장치의 양산에 이르기까지 안테나 장치의 개발과 제조에 상당한 시간과 비용이 소요될 수 있다.
따라서 본 발명의 다양한 실시예들은 전자 장치에 요구되는 동작 특성을 확보하기 용이한 안테나 장치를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명의 다양한 실시예들은 개발과 제조에 소요되는 시간, 비용을 절감할 수 있는 안테나 장치를 제공하고자 한다.
이에, 본 발명의 다양한 실시예들은, 급전 신호를 제공받는 방사체; 상기 방사체에 인접하게 또는 상기 방사체 상에 배치된 복수의 튜닝부를 포함하고,
각각의 상기 튜닝부가 상기 방사체에 선택적으로 단락되거나, 인접하는 상기 튜닝부들이 서로 선택적으로 단락된 안테나 장치를 개시한다.
상기와 같은 안테나 장치는, 지향체(director)를 더 포함하는 야기-우다(Yagi-Uda) 안테나, 회로 기판에 적층된 비아 홀과 비아 패드의 배열로 이루어진 격자형(grid type) 안테나로 구현될 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예들 중 다른 하나에 따르면, 복수의 슬롯들이 형성된 방사 패치; 및 상기 슬롯들 중 선택된 슬롯을 적어도 부분적으로 가로지르게 형성된 단락부를 포함하는 안테나 장치가 개시된다.
실시예에 따라, 상기 안테나 장치는, 상기 방사체의 구조에 따라 역-F(inverted-F) 안테나, 모노폴(monopole) 안테나, 슬롯 안테나, 루프 안테나, 혼 안테나, 다이폴(dipole) 안테나로 구현될 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예들에 따르면, 방사체에 인접하게 또는 방사체 상에 배치된 복수의 튜닝부를 배치하여, 방사체와 연결된 튜닝부에 따라 서로 다른 다양한 동작 특성을 가진 안테나 장치들을 용이하게 제작할 수 있다. 따라서 방사체와 연결된 튜닝부가 서로 다른 안테나 장치들 중, 안테나 장치를 선택하여 탑재하거나 교체할 수 있으므로, 전자 장치에 요구되는 동작 특성을 용이하게 확보할 수 있다. 따라서 탑재된 안테나 장치가 전자 장치에 요구되는 동작 특성을 발휘하지 못할 경우, 안테나 장치를 다시 개발, 제작하지 않더라도, 방사체와 연결된 튜닝부가 다른 안테나 장치를 다시 선택하여 교체할 수 있으므로, 안테나 장치, 나아가서는 안테나 장치가 탑재될 전자 장치의 제조에 소요되는 시간과 비용을 절감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 다양한 실시예들 중 하나에 따른 안테나 장치를 나타내는 구성도이다.
도 2 내지 도 6은 각각 본 발명의 다양한 실시예들 중 하나에 따른 안테나 장치의 서로 다른 튜닝 구조를 나타내는 도면이다.
도 7은 도 1 내지 도 6에 각각 도시된 안테나 장치들의 반사 계수(S11)를 측정하여 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 다양한 실시예들 중 다른 하나에 따른 안테나 장치를 나타내는 사시도이다.
도 9는 본 발명의 다양한 실시예들 중 다른 하나에 따른 안테나 장치의 방사체를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 다양한 실시예들 중 다른 하나에 따른 안테나 장치의 방사체를 설명하기 위한 평면도이다.
도 11은 본 발명의 다양한 실시예들 중 다른 하나에 따른 안테나 장치의 방사체를 설명하기 위한 제1 측면도이다.
도 12는 본 발명의 다양한 실시예들 중 다른 하나에 따른 안테나 장치의 방사체를 설명하기 위한 제2 측면도이다.
도 13은 도 10에 도시된 안테나 장치의 튜닝 구조에 따른 반사 계수(S11)를 측정하여 나타내는 그래프이다.
도 14는 본 발명의 다양한 실시예들 중 또 다른 하나에 따른 안테나 장치를 나타내는 사시도이다.
도 15a 내지 도 15d 및 도 16은 본 발명의 다양한 실시예들 중 또 다른 하나에 따른 안테나 장치의 튜닝 예와 그에 따른 동작 특성의 변화를 설명하기 위한 도면들이다.
도 17 내지 도 22는 각각 본 발명의 다양한 실시예들 중 또 다른 하나에 따른 안테나 장치의 구현 예들을 나타내는 도면이다.
도 23은 도 도 17 내지 도 22에 각각 도시된 안테나 장치의 반사 계수(S11)을 측정하여 나타내는 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 일부 실시 예들을 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 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. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. '및/또는' 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
또한, '전면', '후면', '상면', '하면' 등과 같은 도면에 보이는 것을 기준으로 기술된 상대적인 용어들은 '제1', '제2' 등과 같은 서수들로 대체될 수 있다. '제1', '제2' 등의 서수들에 있어서 그 순서는 언급된 순서나 임의로 정해진 것으로서, 필요에 따라 임의로 변경될 수 있다.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, "포함하다" 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.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
본 발명의 다양한 실시예들에 따른 안테나 장치가 탑재될 전자 장치는 터치 패널을 구비하는 임의의 장치일 수 있으며, 전자 장치는 단말, 휴대 단말, 이동 단말, 통신 단말, 휴대용 통신 단말, 휴대용 이동 단말, 디스플레이 장치 등으로 칭할 수 있다.
예를 들어, 전자 장치는 스마트폰, 휴대폰, 내비게이션 장치, 게임기, TV, 차량용 헤드 유닛, 노트북 컴퓨터, 랩탑 컴퓨터, 태블릿(Tablet) 컴퓨터, PMP(Personal Media Player), PDA(Personal Digital Assistants) 등일 수 있다. 전자 장치는 무선 통신 기능을 갖는 포켓 사이즈의 휴대용 통신 단말로서 구현될 수도 있다. 또한, 전자 장치는 플렉서블 장치 또는 플렉서블 디스플레이 장치일 수 있다.
전자 장치는 서버 등의 외부 전자 장치와 통신하거나, 외부 전자 장치와의 연동을 통해 작업을 수행할 수 있다. 예를 들어, 전자 장치는 카메라에 의해 촬영된 영상 및/또는 센서부에 의해 검출된 위치 정보를 네트워크를 통해 서버로 전송할 수 있다. 네트워크는, 이에 한정되지 않지만, 이동 또는 셀룰러 통신망, 근거리 통신망(Local Area Network: LAN), 무선 근거리 통신망(Wireless Local Area Network: WLAN), 광역 통신망(Wide Area Network: WAN), 인터넷, 소지역 통신망(Small Area Network: SAN) 등일 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예들 중 어느 하나에 따르면, 상기 안테나 장치는 상기 방사체의 일측에 나란하게 배치된 지향체(director)를 더 포함하는 야기-우다(Yagi-Uda) 안테나이고, 상기 방사체의 타측에서, 복수의 상기 튜닝부가 상기 방사체의 양단에 각각 적층될 수 있다.
상기 방사체의 일단에 배치되는 튜닝부들과 타단에 배치되는 튜닝부들의 길이가 서로 다를 수 있다.
다른 실시예에서, 상기 안테나 장치는 다수의 층(layer)들로 이루어진 회로 기판; 및 각각의 상기 층에 형성되는 복수의 비아 홀(via hole)들을 구비할 수 있으며,
하나의 상기 층에서 상기 비아 홀들은 한 방향(이하, '수평 방향')으로 배열되고, 하나의 상기 층에 형성된 각각의 비아 홀이 다른 하나의 상기 층에 형성된 비아 홀과 정렬됨으로써, 상기 방사체를 격자형(grid type)으로 형성할 수 있다.
상기와 같은 안테나 장치는 하나의 상기 층(이하, '제1 층')과, 상기 층과 인접하는 다른 하나의 층(이하, '제2 층') 사이에 제공되는 제1 비아 패드(via pad)들을 더 구비하고,
각각의 상기 제1 비아 패드는 상기 제1 층에 형성된 비아 홀과 상기 제2 층에 형성된 비아 홀을 연결할 수 있다.
또 다른 실시예에 따르면, 상기 안테나 장치는 수평 방향에서 상기 제1 비아 패드들의 배열 양단에 인접하게 각각의 상기 층에 배치되는 제2 비아 패드들을 더 구비할 수 있으며,
상기 튜닝부는 상기 제2 비아 패드들을 포함할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 상기 안테나 장치는 각각의 상기 층에 형성되어 상기 제2 비아 패드들 중 적어도 하나에 연결된 제2 비아 홀들을 더 구비할 수 있으며,
상기 튜닝부는 상기 제2 비아 홀들을 포함할 수 있다.
상기와 같은 안테나 장치에 있어서, 상기 방사체는 N×(λ/4)의 전기적인 길이를 가질 수 있으며, 상기 튜닝부들은 상기 방사체로부터 N×(λ/4) 미만의 간격을 두고 이격될 수 있다. (N: 자연수, λ: 안테나 장치의 공진주파수)
본 발명의 다양한 실시예들에 따른 안테나 장치가 복수의 슬롯들이 형성된 방사 패치; 및 상기 슬롯들 중 선택된 슬롯을 적어도 부분적으로 가로지르게 형성된 단락부를 포함하는 경우, 상기 단락부는, 솔더 페이스트, 납땜, 인쇄회로 패턴, 도전성 박판 중 어느 하나로 형성될 수 있다.
도 1은 본 발명의 다양한 실시예들 중 하나에 따른 안테나 장치를 나타내는 구성도이다. 도 2 내지 도 6은 각각 본 발명의 다양한 실시예들 중 하나에 따른 안테나 장치의 서로 다른 튜닝 구조를 나타내는 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다양한 실시예들 중 하나에 따른 안테나 장치(100)는 급전을 제공받는 방사체(101)와, 상기 방사체(101)의 양단에 각각 적층된 형태로 배치된 복수의 튜닝부(115a, 115b)들을 포함할 수 있다.
상기 방사체(101)는 급전 라인(113)에 연결되어 급전을 제공받으며, 무선 신호의 송수신을 수행할 수 있다. 실시예에 따라서는, 상기 방사체(101)가 다이폴 안테나 구조를 형성할 수 있다. 상기 안테나 장치(100)는 상기 방사체(101)의 일측에 나란하게 배치된 지향체(director)(119)를 더 포함할 수 있다. 상기 방사체(101)와 지향체(119)가 조합되어 상기 안테나 장치(100)는 야기-우다(Yagi-Uda) 안테나로 구현될 수 있다.
상기 튜닝부(115a, 115b)들은 상기 방사체(101)의 타측에서 양단에 각각 적층될 수 있다. 상기 방사체(101)의 일단에 적층된 튜닝부(115a)들과 타단에 적층된 튜닝부(115b)들의 길이가 서로 다를 수 있다. 도 2 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 안테나 장치(100)는 상기 튜닝부(115a, 115b)들을 상기 방사체(101)에, 또는 인접하는 튜닝부(115a 또는 115b)들을 서로 단락시키는 단락부(117a, 117b)를 더 포함할 수 있다. 상기 튜닝부(115a, 115b)들은 절연체 또는 유전체를 사이에 두고 상기 방사체(101) 상에 적층될 수 있으며, 상기 단락부(117a, 117b)는 절연체나 유전체를 관통하게 형성 또는 배치된 비아 홀이나 도전체로 이루어질 수 있다. 상기 튜닝부(115a 또는 115b)들이 직접 또는 다른 튜닝부를 통해 상기 방사체(101)에 단락됨에 따라, 상기 안테나 장치(100)의 동작 특성(예: 공진주파수, 공진주파수에서의 대역폭 등)을 다양하게 설정할 수 있다.
도 7은 도 1 내지 도 6에 각각 도시된 안테나 장치들의 반사 계수(S11)를 측정하여 나타내는 그래프이다.
도 7에서, 'original'은 도 1에 도시된 안테나 장치의 반사 계수를, 'case1'~'case5'는 각각 도 2 내지 도 6에 도시된 형태로 튜닝된 안테나 장치의 반사 계수를 각각 나타내고 있다. 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 방사체(101)와 단락된 튜닝부(115a 또는 115b)들의 조합에 따라, 상기 안테나 장치(100)의 공진주파수를 조절할 수 있음을 알 수 있다.
하기의 [표 1]은 도 1 내지 도 6에 각각 도시된 튜닝 구조를 가진 안테나 장치(100)의 공진주파수와, 도 1에 도시된 안테나 장치(100)에 대하여 도 2 내지 도 6에 도시된 튜닝 구조에 따른 공진주파수의 변화를 측정한 결과이다. 이러한 측정은, 상기 방사체(101)의 왼쪽에 배치된 튜닝부(115a)를 상기 안테나 장치(100)의 공진주파수 파장의 0.05배의 길이(예를 들면, 0.05mm)로, 오른쪽에 배치된 튜닝부(115b)를 상기 안테나 장치(100)의 공진주파수 파장의 0.02배의 길이(예를 들면, 0.02mm)로 설계된 구조에 기초하여 이루어졌다.
표 1
original case1 case2 case3 case4 case5
공진주파수(GHz) 27.97 27.29 26.74 25.92 25.36 24.64
공진주파수변화(GHz) - 0.68 1.23 2.05 2.61 3.33
[표 1]에 나타난 바와 같이, 도 1 내지 도 6에 도시된 구조에서, 상기 방사체(101)의 왼쪽 단부에 배치된 튜닝부(115a)들을 상기 방사체(101)에 단락시킴에 따라, 단락된 튜닝부 1개당 0.6~0.7GHz 정도의 공진주파수 변화가 나타남을 알 수 있다. 아울러, 상기 방사체(101)의 오른쪽 단부에 배치된 튜닝부(115b)들을 상기 방사체(101)에 단락시킴에 따라, 단락된 튜닝부 1개당 1.2~1.3GHz 정도의 공진주파수 변화가 나타남을 알 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 안테나 장치는, 실질적으로 동일한 구조를 가지면서도, 상기 단락부(117a, 117b)의 배치를 달리함으로써, 예컨대, 상기 방사체(101)에 단락되는 튜닝부의 조합을 달리함으로써, 서로 다른 동작 특성을 구현할 수 있다.
전자 장치에 상기와 같은 안테나 장치들 중 선택된 하나의 안테나 장치를 장착한 상태에서, 장착된 안테나 장치가 전자 장치에 요구되는 동작 특성을 발휘하지 못할 경우, 장착된 안테나 장치를 상기 방사체에 단락된 튜닝부의 조합이 다른 하나의 안테나 장치로 대체할 수 있다. 이로써 현재까지 제작된 하나의 안테나 장치가 전자 장치에서 적절한 성능을 발휘하지 못 할 경우, 새로운 안테나 장치를 개발, 제작하지 않더라도 해당 전자 장치에 적합한 안테나 장치를 용이하게 선택, 장착할 수 있다.
도 8은 본 발명의 다양한 실시예들 중 다른 하나에 따른 안테나 장치를 나타내는 사시도이다. 도 9는 본 발명의 다양한 실시예들 중 다른 하나에 따른 안테나 장치의 방사체를 설명하기 위한 도면이다. 도 10은 본 발명의 다양한 실시예들 중 다른 하나에 따른 안테나 장치의 방사체를 설명하기 위한 평면도이다. 도 11은 본 발명의 다양한 실시예들 중 다른 하나에 따른 안테나 장치의 방사체를 설명하기 위한 제1 측면도이다. 도 12는 본 발명의 다양한 실시예들 중 다른 하나에 따른 안테나 장치의 방사체를 설명하기 위한 제2 측면도이다.
도 8 내지 도 12를 참조하면, 본 발명의 다양한 실시예들 중 다른 하나에 따른 안테나 장치(200)는 회로 기판(201)을 더 포함할 수 있으며, 방사체(202)가 상기 회로 기판(201) 내에 구현될 수 있다. 상기 회로 기판(201)은 10mm*25mm 정도 폭(W)과 길이(L)를 가진 다층 회로 기판으로 이루어질 수 있으며, 각 층(layer)(211)에 제1 비아 홀(221)들을 구비할 수 있다. 상기 제1 비아 홀(221)들의 배열이 격자형태의 방사체(202)를 형성할 수 있다.
도 9 내지 도 12는, 상기 방사체(202)의 구성 등을 좀더 명확하게 도시할 수 있도록, 상기 회로 기판(201)의 일부분, 예컨대, 상기 제1 비아 홀(221)들의 주변에서 상기 층(211)들이 부분적으로 제거된 모습으로 도시하고 있음에 유의한다.
상기 회로 기판(201)은 다수의 층(211)들이 적층된 것으로서, 가요성 인쇄회로 기판, 유전체 기판 등으로 이루어질 수 있다. 각각의 상기 층(211)들은 도전체로 형성된 인쇄회로 패턴이나 접지층, 전, 후면(또는, 상, 하면)을 관통하게 형성된 비아 홀들을 구비할 수 있다. 일반적으로, 다층 회로 기판에 형성된 비아 홀들은 서로 다른 층에 형성된 인쇄회로 패턴을 전기적으로 연결하거나 방열의 목적으로 형성한다. 상기 안테나 장치(200)는, 회로 기판(201)에 형성된 비아 홀들 중, 일부, 예컨대, 상기 회로 기판(201)의 가장자리(예: A 또는 A'으로 지시된 영역)에 형성된 상기 제1 비아 홀(221)들을 격자 형태로 배열함으로써 방사체(202)로 활용할 수 있다.
어떤 실시 예에서, 상기 회로 기판(201)을 이루는 각 층(211)들은 일부 영역, 예를 들면, 가장자리에 인접하는 영역에 한 방향(이하, '수평 방향')으로 배열된 다수의 상기 제1 비아 홀(221)들을 구비할 수 있다. 각각의 상기 층(211)들이 적층되어 상기 회로 기판(201)을 완성했을 때, 상기 층(211)들 중 하나(이하, '제1 층')에 형성된 제1 비아 홀(221)들은 상기 제1 층에 인접하는 다른 층(이하, '제2 층')에 형성된 제1 비아 홀(221)들과 정렬될 수 있다. 상기 제1 층의 제1 비아 홀들과 제2 층의 제1 비아 홀들은 일직선으로 정렬될 수 있다. 상기 제1 층의 제1 비아 홀들과 제2 층의 제1 비아 홀들 사이에는 제1 비아 패드(223)가 각각 배치되어 서로 다른 층에 배치되면서 인접하는 두 제1 비아 홀(221) 사이에서 안정된 접속을 제공할 수 있다.
상기 방사체(202)는 상기 회로 기판(201) 내의 제1 비아 홀(221)들로 이루어지므로, 별도의 접속 부재 등을 배치하지 않더라도 상기 회로 기판(201)에 제공된 통신회로부(예: RFIC 칩(213)) 또는 접지부(GND)에 연결될 수 있다. 즉, 상기 회로 기판(201)의 제작과정에서 상기 방사체(202)에 급전 라인(229), 접지 라인이 연결될 수 있는 것이다. 도 10은 다수의 층(211)들로 이루어진 상기 회로 기판(201)의 일부분이 제거된 모습을 평면도로 도시하므로, 상기 급전 라인(229)이 접지부(GND)에 연결된 것으로 도시되고 있음에 유의한다. 상기 급전 라인(229)은 상기 제1 비아 홀(221)들 중 하나에 연결되어 상기 회로 기판(201)에 구성된 통신 회로부(예: RFIC 칩(213))로부터 급전 신호를 제공할 수 있다. 상기 급전 라인(229)이나 접지부(GND)는 상기 회로 기판(201)의 표면에 위치하는 층(211)에 구성될 수 있다.
상기 안테나 장치(200)의 튜닝부는 상기 방사체(202)의 양단에 각각 인접하게 배치된 제2 비아 홀(225)과 제2 비아 패드(227)로 구현될 수 있다.
상기 제2 비아 홀(225)은 상기 회로 기판(201)의 각 층(221)에, 또는 선택된 일부의 층에서 상기 제1 비아 홀(221)과 인접하게 배치될 수 있다. 상기 제2 비아 패드(223) 또한 상기 회로 기판(201)의 각 층(211)에, 또는 선택된 일부의 층에서 상기 제1 비아 패드(223)와 인접하게 배치될 수 있다. 도 12에서는 상기 회로 기판(201)을 이루는 층(211)들 중 일부에만 상기 제2 비아 홀(225)이 형성되고, 하나의 상기 제2 비아 패드(227)는 오로지 하나의 제2 비아 홀(225)에만 연결된 구성을 예시하고 있다. 하지만, 상기 제1 비아 패드(223)와 유사하게, 인접하는 두 층에 각각 제2 비아 홀(225)이 형성, 정렬될 수 있다. 이 경우, 상기 제2 비아 패드(227)는 서로 인접하는 제2 비아 홀(225)들을 접속시킬 수 있다.
도 12를 참조하면, 상기 안테나 장치(200)는 상기 튜닝부들(상기 제2 비아 홀(225) 및 제2 비아 패드(227)의 조합)을 선택된 튜닝부를 상기 방사체(202)에 각각 단락시키는 단락부(229)들을 포함할 수 있다. 상기 단락부(229)는 상기 튜닝부들을 각각 선택적으로 상기 방사체(202)에 단락시킬 수 있다. 상기 단락부(229)의 배치에 따라, 예컨대, 상기 방사체(202)에 단락되는 튜닝부의 조합에 따라, 상기 안테나 장치(200)는 서로 다른 동작 특성을 구현할 수 있다.
도 13은 도 10에 도시된 안테나 장치의 튜닝 구조에 따른 반사 계수(S11)를 측정하여 나타내는 그래프이다.
도 13에서, 'case1'은 상기 튜닝부들을 상기 방사체(202)에 단락시키지 않은 상태에서 측정된 안테나 장치(200)의 반사 계수를 나타내며, 이때, 55.3GHz의 공진주파수가 형성될 수 있다. 'case2'는 도 10에 도시된 튜닝부들 중 상측의 튜닝부를 상기 방사체(202)에 단락시킨 상태에서 측정된 안테나 장치(200)의 반사 계수를 나타내며, 이때, 52.5GHz의 공진주파수가 형성될 수 있다. 'case3'은 도 10에 도시된 튜닝부들 각각을 상기 방사체(202)에 단락시킨 상태에서 측정된 안테나 장치(200)의 반사 계수를 나타내며, 47.9GHz의 공진주파수가 형성될 수 있다. 이와 같이, 상기 방사체(202)와 단락된 튜닝부들의 조합에 따라, 상기 안테나 장치(200)의 공진주파수를 조절할 수 있음을 알 수 있다.
상기 방사체(202) 주위에 배치되는 튜닝부들의 수가 더 많아진다면, 상기 방사체(202)에 단락된 튜닝부들의 조합을 더 다양하게 할 수 있다. 실질적으로 동일한 안테나 구조, 예를 들면, 상기 방사체(202)의 구조에서, 상기 방사체(202)에 단락된 튜닝부들의 조합을 더 다양하게 할 수 있다면, 서로 다른 다양한 동작 특성을 가진 안테나 장치들을 제작할 수 있다. 이와 같이, 동일한 규격(예: 크기, 형상 등)이면서도 동작 특성이 서로 다른 다양한 안테나 장치들 중, 요구되는 사양에 적합한 안테나 장치를 선택하여 전자 장치에 용이하게 장착 또는 교체할 수 있다.
한편, 상기와 같은 안테나 장치(100, 200)들을 구성함에 있어, 상기 방사체(101, 202)는 N×(λ/4)의 전기적인 길이를 가지게 제작될 수 있다. 아울러, 상기 튜닝부(115a, 115b, 225, 227)들은 상기 방사체(101, 202)로부터 N×(λ/4) 미만의 간격을 두고 이격된 상태로 배치될 수 있다. 여기서, N은 자연수를, λ는 각 안테나 장치의 공진주파수를 의미한다.
도 14는 본 발명의 다양한 실시예들 중 또 다른 하나에 따른 안테나 장치를 나타내는 사시도이다.
도 14를 참조하면, 본 발명의 다양한 실시예들 중 또 다른 하나에 따른 안테나 장치(300)는 복수의 슬롯(323)들이 형성된 평판 형상의 방사 패치(321)와, 상기 슬롯(323)들 중 선택된 슬롯을 적어도 부분적으로 가로지르게 형성된 단락부(325)를 포함할 수 있으며, RFIC 칩(313)이 장착된 회로 기판(301)의 일면에 상기 방사 패치(321)가 배치될 수 있다. 상기 단락부(325)는 솔더 페이스트, 납땜, 인쇄회로 패턴, 도전성 박판 등으로 이루어질 수 있으며, 상기 방사 패치(321)와 전기적으로 연결될 수 있는 다른 다양한 도전성 물질로 이루어질 수 있다.
선행 실시예와 유사하게, 상기 회로 기판(301)은, 10mm*25mm 정도 크기의 다층 회로 기판으로 이루어질 수 있다. 상기 방사 패치(321)는 N×(λ/4)의 전기적인 길이, 예컨대, λ/4의 전기적인 길이를 가질 수 있다. 도 14에서 4개의 동일한 형상과 크기를 가진 상기 슬롯(323)들이 상기 방사 패치(321)에 형성된 구성을 예시하고 있지만, 상기 슬롯(323)들의 형상이나 크기는 안테나 장치의 사양에 따라 다양하게 변형될 수 있다.
도 15a 내지 도 15d 및 도 16은 본 발명의 다양한 실시예들 중 또 다른 하나에 따른 안테나 장치의 튜닝 예와 그에 따른 동작 특성의 변화를 설명하기 위한 도면들이다.
도 15a 내지 도 15d를 참조하면, 상기 안테나 장치(300)에서, 상기 단락부(325)의 수와 배치에 따라 상기 방사 패치(321)에 분포되는 신호 전류의 흐름(점선 화살표)이 다양하게 나타날 수 있다. 이를 통해 상기 안테나 장치(300)는 서로 다른 다양한 동작 특성을 가지도록 구현될 수 있다. 예컨대, 도 16에서, f1은 상기 단락부(325)가 배치되지 않은 상태에서 상기 안테나 장치(300)의 공진주파수를 나타내며, f2~f5는 상기 슬롯(323)들에 배치되는 단락부(325)의 조합에 따른, 예컨대, 도 15b 내지 도 15d에 도시된 튜닝 구조를 가진 안테나 장치(300)의 공진주파수를 각각 나타내고 있다. 이와 같이 복수의 슬롯(323)들이 형성된 방사 패치(321)에 단락부(325)를 선택적으로 배치함으로써, 상기 안테나 장치(300)의 동작 특성, 예를 들면, 공진주파수 또는 공진주파수에서의 대역폭을 다양하게 구현할 수 있다. 이하에서, 상기 안테나 장치(300)의 좀더 구체적인 구현 예들을 도 17 내지 도 23을 통해 살펴보기로 한다.
도 17 내지 도 22는 각각 본 발명의 다양한 실시예들 중 또 다른 하나에 따른 안테나 장치의 구현 예들을 나타내는 도면이다. 도 23은 도 17 내지 도 22에 각각 도시된 안테나 장치의 반사 계수(S11)을 측정하여 나타내는 그래프이다.
도 17 내지 도 23을 참조하면, 상기 방사 패치(321)에 급전이 제공되면, 상기 방사 패치(321)에 신호 전류의 분포가 나타나는데, 급전 위치에 따라 특정 영역, 예를 들면, 'C'로 지시된 영역에서 높은 신호 전류가 분포하고 해당 영역에서 멀어질수록 신호 전류의 분포가 점차 낮아질 수 있다. 이러한 신호 전류의 분포는 상기 안테나 장치(300)의 배치 환경이나 급전 구조 등 다양한 요인에 의해 달라질 수 있다. 다만, 본 실시예에서는 설명을 간결하게 하기 위해, 'C'로 지시된 영역에서 신호 전류의 분포가 높게 나타나는 구성을 예로 들어 살펴보기로 한다. 또한, 상기 단락부(325)가 상기 슬롯(323)의 일부만 가로지르게 형성될 수도 있으나, 본 실시예를 설명함에 있어, 어느 한 슬롯에 배치된 단락부(325)는 해당 슬롯을 완전히 폐쇄하는 구조로 배치된 구성을 살펴보기로 한다.
도 17 내지 도 22에 도시된 바와 같이, 상기 슬롯(323)들은 그 위치에 따라 크기나 형상이 서로 다르게 형성될 수 있다. 도면 상에서, 신호 전류는 상기 방사 패치(321)의 상단 중앙 부분에서 가장 높게 분포할 수 있다.
도 23에서, 'original'은 도 17에 도시된 안테나 장치(300)의 반사 계수를, 'case1'~'case5'는 도 18 내지 도 22에 도시된 형태로 튜닝된 안테나 장치(300)의 반사 계수를 각각 나타내고 있다. 도 23에 도시된 바와 같이, 상기 단락부(325)(들)의 배치에 따라, 상기 안테나 장치(300)의 공진주파수가 다양하게 형성될 수 있음을 알 수 있다.
하기의 [표 2]는 도 17 내지 도 22에 각각 도시된 튜닝 구조를 가진 안테나 장치(300)의 공진주파수와, 도 17에 도시된 안테나 장치에 대하여 튜닝 구조에 따른 공진주파수의 변화를 측정한 결과이다. 이러한 측정은, 도면의 수평 방향에서 중앙에 배치된 슬롯이 상기 안테나 장치(300)의 공진주파수 파장의 0.12배의 길이(예를 들면, 0.6mm)로, 왼쪽과 오른쪽에 배치된 한 쌍의 슬롯들은 각각 상기 안테나 장치(300)의 공진주파수 파장의 0.08배의 길이(예를 들면, 0.4mm)로 설계된 구조에 기초하여 이루어졌다.
표 2
original case1 case2 case3 case4 case5
공진주파수(GHz) 58.10 60.35 61.00 61.30 61.60 62.25
공진주파수 변화(GHz) - 2.25 2.90 3.20 3.50 4.15
[표 2]에 나타난 바와 같이, 도 17 내지 도 22에 도시된 구조에서, 상기 방사 패치(321)의 중앙에 배치된 슬롯에 상기 단락부(325)를 배치함에 따라 2.25GHz 정도의 공진주파수 변화가 나타남을 확인할 수 있다. 상기 방사 패치(321)의 왼쪽과 오른쪽에 각각 배치된 슬롯들은 서로 동일한 크기를 가지고 있지만, 그 위치에 따라 공진주파수의 변화시키는 정도는 서로 다른 것으로 나타났다. 예를 들어, 상기 방사 패치(321)의 오른쪽에 위치한 슬롯에 상기 단락부(325)가 배치되면 대략 0.65GHz 정도의 공진주파수 변화가 나타나고, 왼쪽에 위치한 슬롯에 상기 단락부(325)가 배치되면 대략 0.30GHz의 공진주파수 변화가 나타났다. 동일한 크기의 슬롯이면서도 공진주파수 변화에 미치는 영향이 서로 다른 것은 상기 방사 패치(321)의 신호 전류 분포에 따른 차이에 의한 것이다. 이와 같이, 상기 안테나 장치(300)는, 실질적으로 동일한 구조를 가지면서도, 상기 단락부(325)가 배치되는 슬롯들의 조합에 따라 서로 다른 동작 특성을 구현할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 안테나 장치는 실질적으로, 또한, 외형적으로 동일한 구조를 가지면서도 방사체와 선택적으로 단락되는 튜닝부들의 조합에 따라 서로 다른 다양한 동작 특성을 구현할 수 있다. 따라서 밀리미터파 통신에 사용되는 안테나 장치와 같이, 이미 제작된 후에는 동작 특성의 조정이 어려운 구조의 안테나 장치라 하더라도, 전자 장치에 요구되는 동작 특성을 용이하게 확보할 수 있다.
이상, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해서 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명하다 할 것이다.
예를 들어, 본 발명의 구체적인 실시예들은, 안테나 장치가 야기-우다 안테나 구조, 격자형 방사체를 가진 안테나 구조, 패치형 안테나 구조를 예로 들어 설명하고 있으나, 역-F(inverted-F) 안테나, 모노폴(monopole) 안테나, 슬롯 안테나, 루프 안테나, 혼 안테나, 다이폴(dipole) 안테나 등 다양한 형태의 안테나에서 방사체 주위에 튜닝부들을 배치하여 본 발명을 더 다양하게 구현할 수 있다.

Claims (10)

  1. 안테나 장치에 있어서,
    급전 신호를 제공받는 방사체;
    상기 방사체에 인접하게 또는 상기 방사체 상에 배치된 복수의 튜닝부를 포함하고,
    각각의 상기 튜닝부가 상기 방사체에 선택적으로 단락되거나, 인접하는 상기 튜닝부들이 서로 선택적으로 단락된 안테나 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 안테나 장치는 상기 방사체의 일측에 나란하게 배치된 지향체(director)를 더 포함하는 야기-우다(Yagi-Uda) 안테나이고,
    상기 방사체의 타측에서, 복수의 상기 튜닝부가 상기 방사체의 양단에 각각 적층된 안테나 장치.
  3. 제2 항에 있어서, 상기 방사체의 일단에 배치되는 튜닝부들과 타단에 배치되는 튜닝부들의 길이가 서로 다른 안테나 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    다수의 층(layer)들로 이루어진 회로 기판; 및
    각각의 상기 층에 형성되는 복수의 비아 홀(via hole)들을 구비하고,
    하나의 상기 층에서 상기 비아 홀들은 한 방향(이하, '수평 방향')으로 배열되고, 하나의 상기 층에 형성된 각각의 비아 홀이 다른 하나의 상기 층에 형성된 비아 홀과 정렬됨으로써, 상기 방사체를 격자형(grid type)으로 형성하는 안테나 장치.
  5. 제4 항에 있어서,
    하나의 상기 층(이하, '제1 층')과, 상기 층과 인접하는 다른 하나의 층(이하, '제2 층') 사이에 제공되는 제1 비아 패드(via pad)들을 더 구비하고,
    각각의 상기 제1 비아 패드는 상기 제1 층에 형성된 비아 홀과 상기 제2 층에 형성된 비아 홀을 연결하는 안테나 장치.
  6. 제5 항에 있어서,
    수평 방향에서 상기 제1 비아 패드들의 배열 양단에 인접하게 각각의 상기 층에 배치되는 제2 비아 패드들을 더 구비하고,
    상기 튜닝부는 상기 제2 비아 패드들을 포함하는 안테나 장치.
  7. 제6 항에 있어서,
    각각의 상기 층에 형성되어 상기 제2 비아 패드들 중 적어도 하나에 연결된 제2 비아 홀들을 더 구비하고,
    상기 튜닝부는 상기 제2 비아 홀들을 포함하는 안테나 장치.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 방사체는 N×(λ/4)의 전기적인 길이를 가지며,
    상기 튜닝부들은 상기 방사체로부터 N×(λ/4) 미만의 간격을 두고 이격된 안테나 장치.
    (N: 자연수, λ: 안테나 장치의 공진주파수)
  9. 안테나 장치에 있어서,
    복수의 슬롯들이 형성된 방사 패치; 및
    상기 슬롯들 중 선택된 슬롯을 적어도 부분적으로 가로지르게 형성된 단락부를 포함하는 안테나 장치.
  10. 제9 항에 있어서, 상기 단락부는, 솔더 페이스트, 납땜, 인쇄회로 패턴, 도전성 박판 중 어느 하나로 형성된 안테나 장치.
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