WO2016035994A1 - 공진주파수 가변 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공진주파수 가변 안테나에 관한 것으로, 제1 접지부와, 상기 제1 급전부로부터 안테나 종단 방향으로 연결되는 급전부, 상기 급전부로부터 안테나 종단 방향으로 연결되는 제2 접지부를 포함하고, 상기 제2 접지부는 가변 접지부이고, 상기 제2 접지부와 급전부는 스위치에 의해 연결되며, 상기 스위치는 접지되는 공통 단자와 연결되어 상기 제2 접지부와 급전부가 연동제어되는 것을 특징으로 하는 공진주파수 가변 안테나가 제공될 수 있다.

Description

공진주파수 가변 안테나

본 발명은 공진주파수 가변 안테나에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이동통신 시스템에서 다중 대역을 사용하기 위하여 공진주파수를 조정할 수 있는 공진주파수 가변 안테나에 관한 것이다.

단말기는 이동 가능여부에 따라 이동 단말기(mobile/portable terminal) 및 고정 단말기(stationary terminal)으로 나뉠 수 있다. 다시 이동 단말기는 사용자의 직접 휴대 가능 여부에 따라 휴대(형) 단말기(handheld terminal) 및 거치형 단말기(vehicle mounted terminal)로 나뉠 수 있다.

이동 단말기의 기능은 다양화 되고 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 단말기(terminal)는 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 단말기의 기능 지지 및 증대를 위해, 단말기의 구조적인 부분 및/또는 소프트웨어적인 부분을 개량하는 것이 고려될 수 있다.

한편, 전 세계적으로 4G-LTE 시스템이 도입됨에 따라, 한정된 주파수 자원을 통신사업자 별로 점유하여 서비스를 공급하고 있고, 그 주파수 대역이 각 통신사업자 별로 상이하다.

특히 LTE-A로 표현되는 LTE 어드밴스드(Advanced)의 경우에는 넓은 대역폭이나 추가적인 대역확보를 통해 더 빠른 데이터 통신 서비스를 제공할 수 있기 때문에, 통신사업자들은 보다 유리하면서 더 넓고 많은 주파수 대역을 차지하기 위해 경쟁하고 있다.

그러나, 지역이 넓은 국가에서는 한 사업자가 전국의 모든 지역을 자신들의 기지국 망(Network)만으로 서비스하기 어렵기 때문에, 사업자간 협약을 통해 사업자간 로밍서비스(Roaming Service)를 제공하고 있다.

뿐만 아니라, 전 세계가 한 개의 생활권으로 통합되고 있는 추세에 따라 월드폰(World Phone) 형태의 해외 로밍(Roaming) 서비스 역시 필요로 한다.

결과적으로 이동통신 단말기의 설계 및 제조에 있어서 이러한 다양한 주파수 대역들을 모두 이용할 수 있도록 고려되어야 한다. 그러나, 휴대성이 강조되는 이동통신 단말기의 경우, 소형화를 위해 안테나를 설계할 공간이 지속적으로 감소되고 있기 때문에, 넓은 주파수 범위를 모두 포함하도록 안테나를 설계하는 것이 쉽지 않은 실정이다.

본 발명은 전술한 문제 및 다른 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다. 또 다른 목적은 공진주파수 가변 기술을 통해 제어하고자 하는 주파수 범위 내의 가장 낮은 주파수와 높은 주파수의 입력 임피던스 차이를 최소화하고자 한다.

또한, 본 발명의 실시예는 안테나 구조적으로 공진주파수 가변을 위한 물리적 길이를 확보하여 가변 주파수 범위를 극대화하고, 사용해야 하는 인덕터와 같은 부품의 사용 범위를 축소시키는 것을 목적으로 한다.

그리고, 주어진 공간 안에서 역에프형 안테나를 통해 구현할 수 있는 최대한의 대역폭을 확보할 수 있도록 하여, 최적의 정재파비(SWR) 또는 최소한의 반사손실을 구현하는 것을 다른 목적으로 한다.

상기 또는 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 측면에 따르면, 제1 접지부와, 상기 제1 접지부로부터 안테나 종단 방향으로 연결되는 급전부와, 상기 급전부로부터 안테나 종단 방향으로 연결되는 제2 접지부를 포함하고, 상기 제2 접지부는 가변 접지부이고, 상기 제2 접지부와 급전부는 스위치부에 의해 연결되며, 상기 스위치부는 접지되는 공통 단자와 연결되어 상기 제2 접지부와 급전부가 연동제어되는 것을 특징으로 하는 공진주파수 가변 안테나가 제공될 수 있다.

상기 스위치부는 2 이상의 임피던스(impedance) 소자와, 상기 임피던스 소자를 상기 공통 단자와 선택적으로 연결되도록 하는 스위치단자부를 포함할 수 있다.

상기 급전부에는 주파수 제어를 위한 정합회로가 연결될 수 있으며, 상기 임피던스는 소자는 인덕터(inductor) 또는 캐퍼시터(capacitor)일 수 있다.

상기 임피던스 소자가 인덕터인 경우 인덕턴스(inductance)가 높아질수록 낮은 공진주파수를 구현하고, 상기 임피던스 소자가 캐퍼시터인 경우 캐퍼시턴스(capacitance)가 낮아질수록 높은 공진주파수를 구현할 수 있다.

상기 제1 접지부에는 일측이 접지되는 임피던스 소자가 연결될 수 있고, 상기 스위치부가 급전부와 연결된 상태에서는 상기 스위치부가 제2 접지부와 연결된 상태보다 낮은 공진주파수를 구현할 수 있다.

상기 스위치부에 연결되는 임피던스 소자는 상기 급전부와 연결되는 급전부 연결 소자와, 상기 제2 접지부에 연결되는 접지부 연결 소자를 포함할 수 있고, 상기 급전부 연결 소자는 상기 급전부에 연결된 정합회로의 앞 또는 뒤쪽에 연결되도록 배치될 수 있다.

상기 급전부 연결 소자는 병렬 임피던스(shunt impedance) 조절 기능을 수행할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 고정된 임피던스를 갖는 메인 접지부와, 상기 메인 접지부와 전기적으로 연결되고, 임피던스(impedance)가 변하는 가변 접지부와, 상기 메인 접지부 및 가변 접지부와 연결되어 상기 메인 접지부 및 가변 접지부에 급전하는 급전부(feeding), 및 상기 급전부 및 가변 접지부 사이에 배치되어 임피던스를 제어하는 임피던스 제어회로를 포함하고, 상기 임피던스 제어회로는 상기 급전부에 연결되는 급전부 연결 소자와, 상기 가변 접지부에 연결되는 접지부 연결 소자와, 상기 급전부 연결 소자 또는 접지부 연결 소자를 선택적으로 작동시키는 스위치 단자부를 포함하며, 상기 스위치 단자부는 접지되는 공통 단자에 연결되어 상기 가변 접지부와 급전부가 연동제어되는 것을 특징으로 하는 공진주파수 가변 안테나가 제공될 수 있다.

상기 급전부는 상기 메인 접지부와 가변 접지부 사이에 배치되고, 상기 메인 접지부 또는 가변 접지부의 일 단부는 안테나 종단으로 연결될 수 있다.

상기 메인 접지부 및 가변 접지부는 서로 인접하여 배치되고, 상기 급전부는 상기 메인 접지부 또는 가변 접지부에 연결될 수 있다.

상기 메인 접지부 및 가변 접지부는 상기 급전부와 안테나 종단 사이에 배치될 수 있고, 상기 급전부는 상기 메인 접지부 또는 가변 접지부로부터 안테나 종단 방향으로 연결될 수 있다.

상기 스위치 단자부가 상기 급전부 연결소자를 작동시키는 경우에는 보다 낮은 공진주파수를 구현하고, 상기 스위치 단자부가 상기 접지부 연결 소자를 작동시키는 경우에는 보다 높은 공진 주파수를 구현할 수 있다.

상기 급전부 연결소자 및 접지부 연결소자는 각각 적어도 하나 이상일 수 있고, 상기 급전부에는 주파수 제어를 위한 정합회로가 연결되고, 상기 급전부 연결 소자는 상기 급전부와 정합회로 사이에 배치될 수 있다.

상기 가변 접지부는 두 개 이상이고, 상기 가변 접지부들은 상기 급전부와 정합회로 사이에 배치되는 스위치 단자와 각각의 임피던스 제어회로를 통해 선택적으로 연결될 수 있다.

상기 임피던스의 변화는 상기 급전부 연결소자 또는 접지부 연결소자에 의해 이루어지며, 상기 급전부 연결소자 및 접지부 연결소자는 인덕터(inductor) 또는 캐패시터(capacitor)일 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면 상기 공진주파수 가변 안테나 중 어느 하나의 공진주파수 가변 안테나를 구비하는 이동 단말기가 제공될 수 있다.

본 발명에 따른 공진주파수 가변 안테나 및 이를 이용한 이동 단말기에 대해 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 공진주파수를 가변하는 안테나에서 그 가변 범위를 넓혀서 보다 다양한 공진주파수에 대응하는 통신시스템(Communication System)을 설계할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 가변되는 공진주파수의 반사손실(Return Loss)이나 정재파비(SWR)를 주어진 구조에 단일 공진주파수만 구현하는 수준으로 최적화가 가능하기 때문에, 최적의 안테나 성능을 구현하도록 설계할 수 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 실시예와 같은 특정 실시예는 단지 예시로 주어진 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 본 발명과 관련된 이동 단말기를 설명하기 위한 블록도이다.

도 2a는 일반적인 역에프형 안테나(Inverted-F type Antenna)의 전류분포 그래프이다.

도 2b는 공진주파수를 변화시키기 위해 인덕터와 같은 소자를 적용하였을 경우, 변화하는 전류분포 그래프이다.

도 3은 도 2b를 이용하여 공진주파수 가변형 안테나를 제작할 수 있는 기본적인 구조도이다.

도 4는 스위치와 같은 능동소자가 갖는 손실이 가변 주파수 내의 가장 낮은 주파수에 영향을 미치지 않도록 개선한 구조도이다.

도 5는 역에프형 안테나(Inverted-F type Antenna)가 추가되는 인덕터에 따라 모노폴 안테나(Monopole Antenna)의 특성으로 변형되어 가는 것을 나타내는 스미스 차트(Smith's chart)이다.

도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변하고자 하는 주파수 범위 내에서 인접한 낮은 공진주파수 2개와 인접한 높은 공진주파수 2개를 구현하고자 하는 도면이다.

도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 주파수 범위 내의 낮은 공진주파수가 동작될 경우, 운영되는 부분만 표현한 도면이다.

도 6c는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 주파수 범위 내의 높은 공진주파수가 동작될 경우, 운영되는 부분만 표현한 도면이다.

도 7은 도 6의 변형된 실시예로서, 가변하고자 하는 주파수 범위 내에서 낮은 공진주파수 1개와 인접한 높은 공진주파수 3개를 구현하고자 하는 도면이다.

도 8은 가변하고자 하는 주파수 범위 내에서 낮은 공진주파수가 동작될 때, 스위치의 단자로 연결된 소자의 영향을 나타내는 도면이다.

도 9는 본 발명의 일 실시예를 이용하여 공진주파수 가변 안테나를 설계하여 측정한 결과를 나타낸 도면이다.

도 10은 본 발명에 따른 다양한 공진주파수 가변 안테나의 개략적인 시스템을 설명하기 위한 도면이다.

도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 공진주파수 가변 안테나의 개략적인 시스템을 설명하기 위한 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시예를 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 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시예를 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 이동 단말기에는 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 실시예에 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 1은 본 발명과 관련된 이동 단말기를 설명하기 위한 블록도이다.

도 1을 참조하면, 상기 이동 단말기(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 1에 도시된 구성요소들은 이동 단말기를 구현하는데 있어서 필수적인 것은 아니어서, 본 명세서 상에서 설명되는 이동 단말기는 위에서 열거된 구성요소들 보다 많거나, 또는 적은 구성요소들을 가질 수 있다.

보다 구체적으로, 상기 구성요소들 중 무선 통신부(110)는, 이동 단말기(100)와 무선 통신 시스템 사이, 이동 단말기(100)와 다른 이동 단말기(100) 사이, 또는 이동 단말기(100)와 외부서버 사이의 무선 통신을 가능하게 하는 하나 이상의 모듈을 포함할 수 있다. 또한, 상기 무선 통신부(110)는, 이동 단말기(100)를 하나 이상의 네트워크에 연결하는 하나 이상의 모듈을 포함할 수 있다.

이러한 무선 통신부(110)는, 방송 수신 모듈(111), 이동통신 모듈(112), 무선 인터넷 모듈(113), 근거리 통신 모듈(114), 위치정보 모듈(115) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

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 이동 단말기 내 정보, 이동 단말기를 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 이동 단말기는, 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, 이동 단말기(100)와 사용자 사이의 입력 인터페이스를 제공하는 사용자 입력부(123)로써 기능함과 동시에, 이동 단말기(100)와 사용자 사이의 출력 인터페이스를 제공할 수 있다.

인터페이스부(160)는 이동 단말기(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. 이동 단말기(100)에서는, 상기 인터페이스부(160)에 외부 기기가 연결되는 것에 대응하여, 연결된 외부 기기와 관련된 적절할 제어를 수행할 수 있다.

또한, 메모리(170)는 이동 단말기(100)의 다양한 기능을 지원하는 데이터를 저장한다. 메모리(170)는 이동 단말기(100)에서 구동되는 다수의 응용 프로그램(application program 또는 애플리케이션(application)), 이동 단말기(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, 이동 단말기(100)의 기본적인 기능(예를 들어, 전화 착신, 발신 기능, 메시지 수신, 발신 기능)을 위하여 출고 당시부터 이동 단말기(100)상에 존재할 수 있다. 한편, 응용 프로그램은, 메모리(170)에 저장되고, 이동 단말기(100) 상에 설치되어, 제어부(180)에 의하여 상기 이동 단말기의 동작(또는 기능)을 수행하도록 구동될 수 있다.

제어부(180)는 상기 응용 프로그램과 관련된 동작 외에도, 통상적으로 이동 단말기(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, 이동 단말기(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 인가 받아 이동 단말기(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 실시예들에 따른 이동 단말기의 동작, 제어, 또는 제어방법을 구현하기 위하여 서로 협력하여 동작할 수 있다. 또한, 상기 이동 단말기의 동작, 제어, 또는 제어방법은 상기 메모리(170)에 저장된 적어도 하나의 응용 프로그램의 구동에 의하여 이동 단말기 상에서 구현될 수 있다.

이하에서는 이와 같이 구성된 이동 단말기에서 구현될 수 있는 공진주파수 가변 안테나의 실시예들에 대해 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다.

최근, 넓은 지역에서 다양한 공진주파수를 사용하는 예가 많아지면서, 이동 단말기가 사용되는 지역이나 사업자의 망(Network)에 따라 안테나의 공진주파수를 변경하여 동작할 수 있는 안테나의 공진주파수 가변(Switching) 기술이 필요하다.

도 2a는 일반적인 역에프형 안테나(Inverted-F type Antenna,IFA)의 전류분포 그래프이고, 도 2b는 공진주파수를 변화시키기 위해 인덕터와 같은 소자를 적용하였을 경우, 변화하는 전류분포를 표현하여 역에프형 안테나의 구현원리를 설명하기 위한 도면이다.

보다 구체적으로, 도 2a는 일반적인 역에프형 안테나(IFA)의 길이에 따른 전류분포를 도시한 그래프이고, 도 2b는 인턱터(Z_L)를 추가한 경우의 전류분포를 도시한 것이다. 도 2a 및 도 2b를 참조하면, 인덕터(Z_L)를 추가함에 따라 안테나 길이가 D만큼 축소되었음을 알 수 있다. 즉, 이동 단말기 내의 좁은 공간에 안테나를 설치하기 위해서는 인덕터 또는 인덕턴스(inductance)를 가지는 구조의 사용이 필수적이라 할 수 있다.

안테나의 공진주파수를 가변하기 위해서는, 도 2에 도시된 바와 같이, 모노폴(Monopole) 안테나의 한 범주이며 이동 단말기와 같이 소형화된 기기에서 주로 사용되는 역에프형 안테나(Inverted-F type Antenna, IFA)에서 전류분포가 높은 안테나의 시작점 근처에 전류의 위상을 늦춰주는 인덕터(Z_L,Inductor)를 적용하여 그 공진 길이를 줄이는 방법을 활용할 수 있다. 다른 방법으로는 높은 유전율(high permittivity)을 갖도록 하는 방법이 있다.

최초의 전류분포량은 도 2b에서의 A+B+C인 반면, 인덕터와 같은 소자가 사용되지 않고 높은 유전율만 적용된 경우의 전류분포량은 A+B로 C만큼의 전류분포의 체적이 감소하게 된다. 또한, 인덕터와 같은 임피던스 소자를 사용하게 되면 전류분포량이 A가 되어 최초 상태에서보다 B+C만큼의 전류분포량이 감소하게 된다.

이와 같이, 인덕터와 같은 임피던스 소자를 사용하는 방법은 사용된 인덕터의 값(Henry,H)이 클수록 낮은 주파수로 공진주파수를 이동시킬 수 있지만, 전체적인 전류분포의 체적이 감소하면서, 사용된 인덕터의 값의 크기에 반비례하여 방사 성능을 악화시킨다. 즉, 인덕터를 사용하게 되면 안테나의 길이가 짧아지도록 할 수 있는데(도 2b에서 D만큼 짧아짐), 이로 인한 길이 축소에 따른 전류분포 감소량(B+C)이 단순히 높은 유전율이 적용되었을 경우의 전류분포 감소량(C)보다 커서 높은 유전율이 적용되는 경우보다 방사 성능이 약화된다. 이와 같이, 인덕터(Z_L)를 사용하게 되면 안테나의 길이를 축소시킬 수 있으나, 전류분포 감소에 의해 방사 성능이 약화된다.

한편, 도 3은 도 2b에서 설명한 원리를 이용하여 공진주파수 가변형 안테나를 제작할 수 있는 기본적인 구조도인데, 도 3에 도시된 바와 같이, 스위치(S)를 이용하여 스위치 단자(S_A,S_B)에 연결함으로써 안테나의 전류 경로를 가변시키면, 각각의 단자(S_A,S_B)에 사용되는 인덕터(Z_A,Z_B) 값의 변화에 따라, 공진 길이를 변화시킬 수 있으며, 스위치의 단자 개수에 따라 가변할 수 있는 공진주파수 대역의 개수도 증가시킬 수 있다. 이때, 도 3에서 M은 매칭 네트워크(matching network)를 의미하고, P는 전원을 의미한다.

그러나, 이러한 구조에는 스위치(S)가 안테나의 동작에 항상 관여하기 때문에, 스위치가 가지고 있는 손실이 안테나의 성능에 그대로 악영향으로 미치게 된다. 특히, 가변 범위 내에서 상대적으로 낮은 주파수에 해당하는 대역의 경우, 더 큰 인덕턴스(inductance) 사용에 따른 안테나 축소율의 증가 및 그로 인한 방사 성능 저하에, 스위치 소자가 가진 손실이 더해지면서 운용되는 주파수 중 최악의 성능이 발현된다.

도 4는 도 3에서의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 스위치와 같은 능동소자가 갖는 손실이 가변 주파수 내의 가장 낮은 주파수에 영향을 미치지 않도록 개선한 구조도인데, 도 3에서의 문제점을 개선하기 위해, 가장 낮은 주파수에서는 스위치부(S)의 스위치가 도 4에서의 S1 단자에 연결됨으로써 안테나의 동작에 관여하지 않는다. 즉, 도 4에서는 제1 접지부(G1), 제2 접지부(G2) 및 급전부(P)를 포함하는데, 보다 높은 주파수 대역으로 공진주파수를 변경할 때에만 인덕터(Z_A,Z_B,Z_C)가 동작하도록 설계된 것이다.

도 4의 스위치부(S)에서 스위치가 S1에 연결되어 제2 접지부(G2)가 개방되어 있는 경우에는 제1 접지부(G1)의 임피던스인 Z_G가 동작하고, 스위치가 S_A에 연결되어 Z_A로 단자가 연결되는 경우에는 Z_G와 Z_A의 병렬 인덕턴스가 동작하게 된다.

또한, Z_B, Z_C 등과 같은 추가적인 인덕터를 사용하는 경우에도 마찬가지로 각각 (Z_G와 Z_B) 또는 (Z_G와 Z_C)가 병렬 인덕턴스로 동작하게 된다. 이때, Z_B 의 인덕터 값이 Z_C 의 인덕터 값보다 큰 경우에는, Z_C 가 0옴(Ohm) 또는 캐퍼시턴스(Capacitance)를 가지도록 하여 Z_G와의 병렬 임피던스(Impedance)를 작게 변경하도록 구성할 수 있으며, 이에 따라 점차 높은 주파수에서 공진하도록 구성할 수 있다. 도 4에서 M은 매칭 네트워크(matching network)를 의미하고, P는 전원을 의미한다.

그러나, 도 3 및 도 4에서의 방법들은 모두 안테나의 접지면(Ground) 방향에 배치된 인덕터를 사용하기 때문에, 주파수의 가변 범위가 넓게 설계되어야 하는 경우, 안테나의 입력단(Feeding)인 전원(P)에서 바라본 병렬 임피던스가 낮은 주파수로 갈수록 커지는 문제가 있다.

도 3에서와 같이 동작원리를 정의할 수 있는 공진주파수 가변 안테나는 접지부의 인덕턴스를 최대한 높여서 가변 공진주파수 중 가장 낮은 주파수를 구현한다. 그러나, 이 때 안테나의 입력 임피던스 중 병렬 인덕턴스가 증가하게 되어 임피던스 대역폭(Impedance Bandwidth)이 감소하고, 이는 스미스 차트(Smith's Chart)에서 임퍼던스 궤적(대략 원 형상)의 크기가 증가하는 형태로 나타난다.

이는 도 5에서와 같이 역에프형 안테나가 가지는 대역폭 측면에서의 장점을 다시 모노폴 안테나의 특성과 유사하게 만들게 되어 안테나 특성이 악화된다.

도 5는 역에프형 안테나(Inverted-F type Antenna)가 추가되는 인덕터에 따라 모노폴 안테나(Monopole Antenna)의 특성으로 변형되어 가는 것을 측정한 결과도로, 도 5는 접지부의 인덕턴스가 증가함에 따라 스미스 차트(Smith's chart)에서의 입력 임피던스 변화를 보여주고 있다. 즉, 도 5a에서 도 5e로 갈수록 인덕턴스가 증가한 상태를 도시한 것이다.

도 5a 내지 도 5e를 살펴보면, 소형화된 이동 단말기에서 감소된 안테나 공간으로 모노폴 안테나(Monopole Antenna)로는 충분한 대역폭을 구현하기 어려워 역에프형 안테나를 개발하게 된 특성의 변화를 볼 수 있는데, 도 5a의 그래프를 역에프형 안테나적인 특성이라고 정의한다면, 도 5e로 진행할수록 모노폴 안테나적 특성이라 정의할 수 있다.

이렇게 가변 공진주파수 범위 내에서 낮은 주파수를 구현하기 위해서 더 큰 인덕터를 사용하게 될 경우, 역에프형 안테나는 점차 모노폴 안테나적 특성을 보여 그 대역폭이 감소하게 되는 것이다.

따라서, 도 4와 같은 구조의 공진주파수 가변 안테나는 공진주파수의 가변 범위가 가장 낮은 공진주파수와 가변 범위가 가장 높은 공진주파수의 임피던스 차이로 인하여 제한 받게 된다.

이동 단말기와 같이 소형으로 설계되는 단말기의 경우에는 모노폴 안테나는 접지면에 근접하게 구현될 수 밖에 없어 협대역 특성이 나타나기 때문에, 접지면에 안테나 한 쪽을 연결하여 강제로 경계 조건을 만들어 내고, 이때 발생되는 병렬 인덕턴스로 대역폭을 구현하는 역에프형 안테나가 주로 사용된다.

따라서, 입력단에서 바라본 병렬 임피던스의 증가는 역에프형 안테나의 장점을 잃어버리게 할 뿐만 아니라, 가변 범위 내에 가장 낮은 주파수와 높은 주파수의 공진 특성에 있어, 그 입력 임피던스를 상이하게 만들기 때문에, 동일하면서 최적의 정재파비(SWR,Standing Wave Ratio) 또는 반사손실(Return Loss)을 가지도록 설계하기 어렵다.

이에 본 발명의 일 실시예에서는 전압정재파비(VSWR, Voltage Standing Wave Ratio) 또는 반사손실을 최소화하기 위한 안테나 스위치가 제공되는데, 이하에서는 이에 대하여 설명하기로 한다.

도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따른 공진주파수 가변 안테나로, 가변하고자 하는 주파수 범위 내에서 인접한 낮은 공진주파수 2개와 인접한 높은 공진주파수 2개를 구현하고자 하는 시스템의 개략도이고, 도 6b는 도 6a에서 가변 주파수 범위 내의 낮은 공진주파수가 동작될 경우, 운영되는 부분만 표현한 도면이고, 도 6c는 도 6a에서 가변 주파수 범위 내의 높은 공진주파수가 동작될 경우, 운영되는 부분만 표현한 도면이다.

도 6a에서와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 공진주파수 가변 안테나는 제1 접지부(G1)와, 상기 제1 접지부(G1)로부터 안테나 종단(E) 방향으로 연결되는 급전부(F)와, 상기 급전부(F)로부터 안테나 종단(E) 방향으로 연결되는 제2 접지부(G2)를 포함하여 이루어진다. 이때, 상기 제2 접지부(G2)는 가변 접지부이고 상기 제2 접지부(G2)와 급전부(F)는 스위치부(S)에 의해 연결되며, 상기 스위치부(S)는 공통 단자(Z_S)에 의해 접지되어 상기 제2 접지부(G2)와 급전부(F)가 연동제어되도록 한다.

이때, 상기 제1 접지부(G1)는 메인 접지부(main ground portion)로써 고정된 임피던스를 가지며, 제2 접지부(G2)는 가변 접지부로 상기 스위치부(S)에 의해 임피던스가 가변된다.

즉, 본 발명의 일 실시예에서는 기본적으로 메인 접지부(G1)와 1개 이상의 가변 접지부(G2)를 가지는 역에프형 안테나(Inverted-F type Antenna, IFA)에서 도 2의 인덕터(Z_L)와 같이 전류 위상의 지연현상을 이용할 수 있도록 제1 접지부(G1)에 임피던스 소자(또는 집중분포소자(Lumped Element))(L_G)를 적용할 수 있도록 설계한다. 이때, 상기 스위치부(S)는 2개 이상의 임피던스 소자(Z_A,Z_B,Z_C,Z_D)와, 상기 임피던스 소자(Z_A,Z_B,Z_C,Z_D)를 상기 공통 단자(Z_S)와 선택적으로 연결시키는 스위치 단자부(S1)를 포함한다.

상기 제2 접지부(G2)는 그 값이 원하는 공진주파수가 구현될 수 있도록 변경되어야 하기 때문에, 상기 스위치 단자부(S1)를 적용한다. 상기 스위치 단자부(S1)는 가변하고자 하는 공진주파수의 개수에 따라 단자의 개수를 변경할 수 있다. 도 6a에서는 임피던스 소자의 개수를 4개로 예시하였으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고 상기 임피던스 소자의 개수는 공진주파수의 개수의 증감에 따라 변화할 수 있다.

급전부(F)에서 바라보았을 경우의 제1 접지부(G1)와 제2 접지부(G2)의 병렬 임피던스 값이 안테나 전체 접지부의 임피던스를 결정해 주고, 이것이 안테나의 공진주파수를 결정한다. 따라서, 그 값은 제1 접지부(G1)만 동작할 수 있는 조건인 제2 접지부(G2)의 스위치가 꺼지는 임피던스 무한대 상태에서부터 인덕터, 캐퍼시터를 이용한 다양한 병렬 임피던스의 조합을 구성할 수 있다. 이때, 상기 임피던스 소자(Z_A,Z_B,Z_C,Z_D)는 인덕터 또는 캐퍼시터일 수 있는데, 상기 임피던스 소자(Z_A,Z_B,Z_C,Z_D)가 인덕터인 경우에는 인덕턴스가 높아질수록 낮은 공진주파수를 구현하고, 상기 임피던스 소자(Z_A,Z_B,Z_C,Z_D)가 캐퍼시터인 경우에는 캐퍼시턴스(capacitance)가 낮아질수록 높은 공진주파수를 구현할 수 있게 된다.

즉, 제2 접지부(G2)에 연결되는 임피던스 소자는 오프(Off) 상태인 단자 개방 상태(스위치 단자부(S1)에 의해 Z_A 또는 Z_B가 연결되는 상태)에서부터 인덕터, 캐퍼시터 등과 같이 손실은 없고 리액턴스(Reactance) 값을 가지는 다양한 소자들이 사용될 수 있다. 다만, 이하에서는 임피던스 소자가 인덕터인 경우를 예로 하여 설명하기로 한다.

도 2와 같이 역에프형 안테나에서 접지부에 인덕터와 같은 임피던스를 적용하여 공진을 변화시키는 방법은 도 3에서처럼 접지부를 메인(고정) 접지부(G1)와 가변 접지부(G2)로 나누어 구성할 필요가 없으나, 본 발명의 일 실시예에서는 스위치 단자부(S1)와 급전부(F)의 연동이 가능하도록 하기 위하여 접지부를 메인(고정) 접지부(G1)와 가변 접지부(G2)로 나누어 구성해야 한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에서는 상기 제1 접지부(G1)에서 안테나 종단(E)으로의 진행방향을 기준으로 안테나에 연결되는 순서가 급전부(F), 가변 접지부인 제2 접지부(G2)의 순서를 갖도록 배치한다. 다만, 이는 공진주파수의 가변 범위를 극대화하기 위한 것으로, 제1 접지부(G1), 제2 접지부(G2), 급전부(F) 및 안테나 종단(E)의 순서로 배치될 수도 있으며, 급전부(F), 제1 접지부(G1), 제2 접지부(G2) 및 안테나 종단(E)의 순서로 배치될 수도 있다. 이에 대하여는 도 10을 참조하여 후술하기로 한다.

이때, 상기 제2 접지부(G2)는 2 이상의 임피던스(impedance) 소자(Z_A,Z_B,Z_C,Z_D)와 연결되고, 상기 임피던스 소자(Z_A,Z_B,Z_C,Z_D)는 상기 스위치 단자부(S1)에 의해 선택적으로 연결된다. 이때, 상기 임피던스 소자(Z_A,Z_B,Z_C,Z_D)는 인덕터(inductor) 또는 캐퍼시터(capacitor)일 수 있는데, 이하에서는 상기 임피던스 소자가 인덕터인 경우를 설명하기로 한다.

상기 스위치 단자부(S1)는 제2 접지부(G2)와 접지면(Ⅱ) 사이에 배치되고, 공통단자(Common Port,Z_S)가 접지면(Ⅱ)으로 연결되도록 구성한다. 이는 1개의 접지면(Ⅱ)을 제2 접지부(G2)와 급전부(F)가 공유하여 사용하기 위함이다.

가변하고자 하는 공진주파수 중, 높은 주파수 대역의 개수에 따라 4개의 스위치 단자(S_A,S_B,S_C,S_D) 중, 필요한 개수만큼을 제2 접지부(G2)에 연결되도록 구성한다.

이때, 공진주파수가 낮은 쪽을 하나 이상으로 할 수 있는데, 도 6a는 4개의 가변 공진주파수 중, 인접한 낮은 쪽의 공진주파수가 2개, 인접한 높은 쪽의 공진주파수가 2개인 경우의 실시예이다. 도 7은 4개의 가변 공진주파수 중, 낮은 쪽의 공진주파수가 1개, 인접한 높은 쪽의 공진주파수가 3개인 경우의 실시예이다. 다만, 이는 일 실시예에 불과하고, 인접한 낮은 쪽의 공진주파수가 3개, 높은 쪽의 공진주파수가 1개인 경우도 가능하다. 나아가, 필요에 따라 5개 이상의 임피던스 소자에 의해 5개 이상의 공진주파수 구현도 가능하다.

한편, 본 발명의 일 실시예에서는 급전부(F)에 정합회로(M)가 연결되는데, 이는 상기의 인접한 높은 주파수 또는 인접한 낮은 주파수를 각각 제어하기 위함이다. 상기 급전부(F)의 정합회로(M)는 도 6a에 도시된 바와 같이 운영되는 주파수에서 낮은 주파수와 높은 주파수를 각각 제어할 수 있도록 병렬 인덕터(L_L), 직렬 캐퍼시터(C_L), 병렬 캐퍼시터(C_H) 및 직렬 인덕터(L_H)를 포함하여 이루어진다.

이때, 병렬 인덕터(L_L)와 직렬 캐퍼시터(C_L)가 낮은 주파수, 병렬 캐퍼시터(C_H)와 직렬 인덕터(L_H)가 높은 주파수를 정합하는데 활용된다.

상기 임피던스 정합회로(M)와 급전부(F) 사이에 가변 주파수 중, 낮은 주파수의 임피던스를 제어하기 위한 스위치 단자(S_A,S_B)를 연결한다. 즉, 임피던스 소자(Z_A,Z_B,Z_C,Z_D)는 상기 급전부(F)와 연결되는 급전부 연결 소자(Z_A,Z_B)와, 상기 제2 접지부(G2)에 연결되는 접지부 연결 소자(Z_C,Z_D)를 포함하는데, 상기 급전부 연결 소자(Z_A,Z_B)는 상기 급전부(F)와 정합회로(M) 사이에 배치된다. 보다 구체적으로는 상기 급전부 연결 소자(Z_A,Z_B)는 상기 급전부(F)에 연결된 정합회로(M)의 앞 또는 뒤쪽에 연결되도록 배치된다.

이때, 상기 급전부 연결 소자(Z_A,Z_B)는 병렬 임피던스(shunt impedance) 조절 기능을 수행한다.

가변하기 위한 공진주파수의 개수를 늘리기 위해서는 실시예 도 6과 도 7에서 사용된 스위치 단자부(S1)를 4개 이상의 스위치 단자를 가진 것으로 교체하여 사용하면 된다. 또한, 가변 접지부인 제2 접지부(G2)의 개수를 G3, G4 등과 같이 증가시키면 더 효과적이다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 가변 접지부인 제2 접지부(G2)는 두 개 이상일 수도 있다. 이에 대하여는 도 11을 참조하여 후술하기로 한다.

그리고, 본 발명의 일 실시예에 따른 공진주파수 가변 안테나에서는 상기 제1 접지부(G1)와 급전부(F) 사이에는 길이 제어를 통해 공진주파수 가변 범위를 제어하는 제1 제어부(C1)가 배치되고, 상기 급전부(F)와 제2 접지부(G2) 사이에는 길이 제어를 통해 임피던스 및 공진주파수 가변 범위를 제어하는 제2 제어부(C2)가 배치된다.

도 6b는 가변하고자 하는 공진주파수 중 낮은 공진주파수 쪽이 동작할 경우, 도 6a에서 실제 구동되는 부분만 별도로 도시한 것이고, 도 6c는 가변하고자 하는 공진주파수 중 높은 공진주파수 쪽이 동작할 경우에 도 6a에서 실제 구동되는 부분만 별도로 도시한 것이다.

도 6b를 참조하면, 인접한 낮은 공진주파수를 사용하기 위하여, 두 개의 임피던스 소자(Z_A,Z_B)가 제1 스위치 단자부(S11)의 스위치 단자(S_A,S_B)에 의해 각각 연결될 수 있도록 하였다. 이때, 각각의 인덕터 값은 Z_A > Z_B이며, Z_A가 연결되는 경우에는 Z_A가 연결되는 경우에는 급전부(F)에 연결된 임피던스 정합회로부(M) 내의 LL과 병렬 임피던스 (L_L ∥ Z_A)가 구현되고, Z_B가 연결되는 경우에는 급전부(F)에 연결된 임피던스 정합회로부(M) 내의 L_L과 병렬 임피던스(L_L ∥ Z_B)가 구현되어 서로 인접한 공진주파수를 구현하게 된다. 즉, 상기 임피던스 소자(Z_A, Z_B), 스위치 단자(S_A, S_B) 및 공유단자(Z_S)를 포함하는 제1 임피던스 회로(Z1)에 의해 낮은 공진주파수에서 모노폴 안테나적 특성을 역에프 안테나적 특성으로 개선시켜 최적의 반사손실을 갖도록 구현하게 되는 것이다.

한편, 도 6c를 참조하면, 인접한 높은 공진주파수를 두 개의 임피던스 소자(Z_C,Z_D)가 제2 스위치 단자부(S12)의 스위치 단자(S_C,S_D)에 의해 각각 연결될 수 있도록 하였다. 이때, 각각의 인덕터 값은 Z_C > Z_D이며, Z_C가 연결되는 경우에는 제1 접지부(G1)과 병렬 인덕턴스(G1∥Z_C)가 구현되고, Z_D가 연결되는 경우에는 제1 접지부(G1)과 병렬 인덕턴스(G1∥Z_D)가 구현되어 인접한 공진주파수를 구현하게 된다. 즉, 상기 임피던스 소자(Z_C,Z_D), 스위치 단자(S_C,S_D) 및 공유 단자(Z_S)를 포함하는 제2 임피던스 회로(Z2)에 의해 높은 공진주파수를 구현하게 되는 것이다.

이때, 임피던스 소자들의 인덕터 값은 각각 L_G > (L_G∥(Z_C+Z_S)) > (L_G∥(Z_D+Z_S)) 일 수 있다.

이와 같이 함으로써 각각 인접한 높은 공진주파수와 인접한 낮은 공진주파수를 구현할 수 있게 된다.

한편, 도 7은 도 6의 변형된 실시예로서, 가변하고자 하는 주파수 범위 내에서 낮은 공진주파수 1개와 인접한 높은 공진주파수 3개를 구현하고자 하는 도면인데, 도 7을 참조하면, 안테나 종단(E) 방향으로 제1 접지부(G1), 급전부(F) 및 제2 접지부(G2) 순으로 배치되고, 4개의 임피던스 소자(Z1,Z2,Z3,Z4)에 의해 4개의 공진주파수를 추가적으로 구현할 수 있다. 일 예로, 임피던스 소자(Z1)에 의해 1개의 낮은 공진주파수를 구현할 수 있고, 3개의 임피던스 소자(Z2,Z3,Z4)에 의해 인접한 높은 공진주파수 3개를 구현할 수 있게 된다.

상기와 같이, 접지부와 급전부 연동제어를 통한 공진주파수 가변 안테나는 가변 주파수 범위 내의 가장 낮은 공진주파수와 가장 높은 공진주파수의 임피던스를 일정하게 유지할 수 있기 때문에, 그 가변 범위를 극대화할 수 있다.

접지부(G2)와 급전부(F) 연동 제어 구조를 도 6과 같이 설계하기 위해서는, 앞서 언급한 메인 접지부(G1)와 가변 접지부(G2)의 구성 후에, 스위치 단자부(S1)의 스위치 단자(S_A,S_B,S_C,S_D) 중에 메인 접지부(G1)만 동작하도록 구성된 스위치 단자(S_A)를 통해 연결되는 임피던스 소자(Z_A)를 구성한다. 상기 임피던스 소자는 급전부(F)와 임피던스 정합회로(M) 사이에 배치된다. 상기 임피던스 소자(Z_A)는 가변 주파수 범위 내에서 가장 낮은 공진주파수를 구현할 수 있는 것으로 한다.

상기 임피던스 소자(Z_A)의 소자값은 역에프형 안테나의 접지부에 사용된 낮은 공진주파수를 구현하기 위한 높은 인덕턴스를 상쇄할 수 있도록 낮은 값의 인덕턴스를 적용한다.

예를 들어, 제1 접지부(G1)의 임피던스 소자(L_G)에 5.6nH 정도의 인덕터를 사용하고, 상기 임피던스 소자(Z_A)를 사용하지 않았다면, 그로 인해 도 8a 및 도 8b에서와 같은 입력 임피던스 특성을 가지게 되지만, 가변 접지부(G2)의 소자(Z_A)에 10nH 등과 같은 임피던스 정합용 소자를 연결함으로써, 큰 병렬 인덕턴스를 상쇄하게 되므로, 도 8c 및 도 8d에서와 같은 입력 임피던스와 공진 특성을 구현할 수 있게 된다.

즉, 제1 접지부(G1)에는 가장 낮은 주파수를 공진주파수로 구현하기 위하여 상대적으로 큰 값을 갖는 임피던스 소자가 사용되는데, 이는 안테나의 특성을 도 8a 및 도 8b에서와 같이 모노폴 안테나적 특성에 가깝게 변경시키기 때문에, 대부분의 협소한 안테나 공간에서는 대역폭이 매우 부족하거나 입력 임피던스의 원 궤적이 너무 커서 좋은 반사손실 특성을 갖도록 임피던스를 정합시키기가 어렵다.

이 때, 스위치부(S)의 구성요소 중 급전부(F)에 연결되는 임피던스 소자(Z_A)를 활용한다. 상기 임피던스 소자(Z_A)는 급전부(F)에서 병렬 임피던스를 제어하는 역할을 하기 때문에, 병렬 임피던스를 줄여주는 특성의 소자를 사용하여, 제1 접지부(G1)에 연결된 큰 임피던스 소자로 인해 변해 버린 안테나의 특성을 다시 역에프 안테나적인 특성으로 도 8c 및 도 8d와 같이 복원시켜 준다.

이후, 제1 접지부(G1)와 제2 접지부(G2)의 병렬 임피던스의 계산을 통해, 앞서 설명한 가장 낮은 공진주파수를 구현할 때와 동일한 안테나와 정합회로(M), 제1 접지부(G1)의 소자(L_G)를 유지한 상태로 가장 높은 공진주파수를 구현할 수 있는 제2 접지부(G2)에 연결된 소자(Z_D)를 결정한다.

통상적으로 제2 접지부(G2)에 연결된 소자(Z_D)는 가장 효율적인 값을 갖게 하기 위해 0옴(Ohm)에서 캐퍼시턴스(Capacitance)를 갖도록 구성하게 된다.

중간 공진주파수들을 형성시키기 위한 소자값(Z_B, Z_C)은 실험을 통해 적절한 값을 결정할 수 있다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 가변하고자 하는 주파수 범위 내에서 낮은 공진주파수가 동작될 때, 스위치 단자로 연결된 소자의 영향을 나타내는 도면이고, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 공진주파수 가변 안테나를 설계하여 측정한 결과를 나타낸 도면이다.

보다 구체적으로, 도 8a 및 도 8b는 병렬 인덕터(Z_A, Z_B)를 적용하기 전이고, 도 8c 및 도 8d는 병렬 인덕터(Z_A, Z_B)를 적용한 후의 임피던스 변화에 따른 정재파비의 변화를 도시한 것으로, 도 8은 가변하고자 하는 공진주파수 중에 낮은 공진주파수의 동작 상황인 도 6b 및 도 7에서 스위치의 단자에 연결된 소자(도 6의 Z_A, Z_B, 도 7의 Z1)의 동작 여부에 따라 변화하는 주파수 변화에 따른 전압정재파비(VSWR,Voltage Standing Wave Ratio)의 변화를 예시한 것이다.

도 9는 이러한 방식을 이용하여 공진주파수를 가변한 결과 나타난 측정값의 예시이다. 도 9a 내지 도 9f는 3개의 공진주파수를 가변하는 구조로, 도 9a 및 도 9b는 LTE B17로 698~746MHz, 도 9c 및 도 9d는 LTE B5로 824~894MHz, 도 9e 및 도 9f는 LTE B8로 880~960MHz로 공진을 이동시킨 것이다.

각각의 공진 상태에서 입력 임피던스가 가지는 원 궤적의 크기는 거의 비슷한 수준을 유지하고 있으며, 이는 도 6 및 도 7에서 예시된 스위치부(S)에서 급전부(F)로 연결되는 임피던스 소자(Z_A,Z_B,Z_C,Z_D)에 의해 제어될 수 있다.

즉, 스위치부(S)에서 가변 접지부(G2)로 연결된 임피던스 소자(Z_C,Z_D)가 안테나의 공진주파수를 가변하지만, 그에 따라 안테나의 병렬 임피던스가 공진주파수별로 차이가 나도록 결정되는데, 대개의 경우에는 제1 접지부(G1)만이 동작할 때의 임피던스가 가장 크게 나타나므로, 이를 스위치부(S)에서 급전부(F)로 연결된 소자(Z_A,Z_B)가 보정하게 하여, 공진주파수별 입력 임피던스의 차이를 줄어들게 한다.

이와 같은 임피던스 보정 원리는 도 8에서 설명하고 있다.

도 9a 내지 도 9f를 참조하면, 인체 영향을 고려하여 주파수 대역 내에서 다소 높은 쪽으로 맞춰진 안테나의 공진 특성들이 모두 최적의 정합특성을 가져, 최적화된 반사손실 특성을 보이고 있음을 알 수 있다.

앞서 설명한 도 6과 도 7는 가변 접지점에 연결된 스위치의 단자 구성에 차이가 있는데, 도 6은 스위치의 단자 개수가 4개 이므로 4개의 공진주파수를 구성하기 위한 회로로 공진주파수의 구성이 각각 낮은 쪽으로 편중된 공진이 2개, 높은 쪽으로 편중된 공진이 2개인 경우에 적절한 구성이다.

도 7은 4개의 공진주파수 중에 낮은 쪽이 1개, 높은 쪽이 3개인 경우에 적절한 구성이다. 즉, 사용된 스위치의 단자가 가변 접지부(G2)에 연결된 것은 가변 주파수 범위 내에서 상대적으로 높은 공진주파수를 구현하기 위한 것이고, 급전부(F)에 연결된 것은 상대적으로 낮은 공진주파수를 구현하기 위한 것이다.

본 발명의 일 실시예에서의 공진주파수 가변 안테나는 '메인 접지부(G1), 급전부(F), 가변 접지부(G2), 안테나 종단(E)'의 구성으로 이루어져 있는데, 이는 접지부의 임피던스 변화만으로 공진주파수를 제어하는 것이 아니라, 메인 접지부(G1)와 가변 접지부(G2)의 길이 차이로 인한 공진주파수 차이를 함께 이용하여, 공진주파수 가변 범위를 더 확장하고자 함이다.

스위치 단자부(S1)에 의해 연결된 소자 값(인덕턴스 또는 캐퍼시턴스)에 따라, 급전부(F)에서 바라본 메인 접지부(G1)와 가변 접지부(G2)의 임피던스 차이가 변화하게 된다. 상대적으로 낮은 주파수가 구현되는 경우에는 메인 접지부(G1)의 임피던스가 가변 접지부(G2)의 임피던스보다 더 작아, 안테나 상의 정재파가 대부분 메인 접지부(G1)의 접지면(I)으로 형성된다. 반면에 상대적으로 높은 주파수가 구현되는 경우에는 가변 접지부(G2)의 임피던스가 메인 접지부(G1)의 임피던스보다 작기 때문에 더 많은 전류정재파가 가변 접지부(G2)의 접지면(II)으로 형성된다.

따라서, 사실상 안테나의 전류 시작점은 가장 낮은 공진주파수에서는 메인 접지부(G1)의 접지면(I)으로, 가장 높은 공진주파수에서는 가변 접지부(G2)의 접지면(II)로 가정할 수 있다. 그러므로, 단순히 역에프형 안테나의 접지부의 임피던스 변화량만이 아니라, 안테나의 물리적 길이 차이도 공진 가변의 수단으로 활용되게 된다.

그러나, 이러한 물리적 길이 차이를 이용하는 경우, 가변 범위 내의 가장 낮은 주파수와 가장 높은 주파수의 입력 임피던스 차이는 더 극심해 지기 때문에, 본 발명에서와 같이 급전부를 연동하는 구조를 적용하지 않고는 그 가변 범위를 활용하기 어렵다.

그리고, 본 발명의 일 실시예에 따른 공진주파수 가변 안테나의 구조는 '메인 접지부(G1), 급전부(F), 가변 점지부(G2), 안테나 종단(E)'으로 이어지는 구성이 용이하지 않을 수 있는데, '메인 접지부(G1), 가변 접지부(G2), 급전부(F), 안테나 종단(E)'의 배치나 '급전부(F), 메인 접지부(G1), 가변 접지부(G2), 안테나 종단(E)'의 구성도 가능하다.

이러한 각 부분(G1,G2,F)의 배열을 판단하는 기준은 안테나 종단(E)을 기준으로 거슬러 올라오면서 교차하는 각 부분이 연결되는 것을 확인함으로써 알 수 있다. 이와 같이, 사용되는 스위치 단자 및 임피던스 소자의 개수가 많은 경우, 그리고 가변 접지점의 개수가 증가한 경우에도 동일한 원리로 동작을 구분하여 이해할 수 있다. 이때도, 낮은 공진주파수를 구현하기 위한 임피던스 소자는 급전부(F)와 정합회로(M) 사이에 배치되어야 한다.

도 10은 본 발명에 따른 다양한 공진주파수 가변 안테나의 개략적인 시스템을 설명하기 위한 도면인데, 도 10a 및 도 10b는 메인 접지부(G1)와 가변 접지부(G2)의 사이에 급전부(F)가 배치되고 상기 메인 접지부(G1) 또는 가변 접지부(G2)의 일 단부가 안테나 종단(E)으로 연결되는 것을 도시한 것이다. 도 10a 및 도 10b는 각각 '메인 접지부(G1), 급전부(F), 가변 점지부(G2), 안테나 종단(E)', '가변 점지부(G2), 급전부(F), 메인 접지부(G1), 안테나 종단(E)'의 순서로 배치되는 구조를 나타낸다.

그리고, 다른 실시예에서는 상기 메인 접지부(G1) 및 가변 접지부(G2)는 서로 인접하여 배치되고, 상기 급전부(F)는 상기 메인 접지부(G1) 또는 가변 접지부(G2)에 연결될 수 있는데, 이때, 상기 메인 접지부(G1) 및 가변 접지부(G2)는 상기 급전부(F)와 안테나 종단(E) 사이에 배치되거나, 상기 급전부(F)가 상기 메인 접지부(G1) 또는 가변 접지부(G2)로부터 안테나 종단(E) 방향으로 연결될 수도 있다.

예를 들면, 도 10c 및 도 10d는 메인 접지부(G1)와 가변 접지부(G2)가 인접하여 배치되고, 급전부(F)가 상기 메인 접지부(G1) 또는 가변 접지부(G2)에 연결되며, 급전부(F)가 안테나 종단(E)으로부터 멀리 떨어지도록 배치되는 것을 나타낸다. 즉, 도 10c은 '급전부(F), 메인 접지부(G1), 가변 접지부(G2), 안테나 종단(E)'의 순으로 배치되는 안테나이고, 도 10d는 '급전부(F), 가변 접지부(G2), 메인 접지부(G1), 안테나 종단(E)'의 순으로 배치되는 안테나를 도시한 것이다.

또한, 도 10e 및 도 10f는 메인 접지부(G1)와 가변 접지부(G2)가 인접하여 배치되고, 급전부(F)가 상기 메인 접지부(G1) 또는 가변 접지부(G2)에 연결되되, 상기 급전부(F)가 안테나 종단(E)로 연결되는 것을 도시한 것이다. 즉, 도 10e에서는 '메인 접지부(G1), 가변 접지부(G2), 급전부(F), 안테나 종단(E)'의 순으로 배치되는 안테나를 도시한 것이고, 도 10f는 '가변 접지부(G2), 메인 접지부(G1), 급전부(F), 안테나 종단(E)'의 순으로 배치되는 안테나를 도시한 것이다.

이때, 도 10a 내지 도 10f에서의 Z_M은 임피던스 제어회로를 의미하며, 도 6a에서의 Z_M과 동일한 것일 수 있으며, M은 도 6a에서의 정합회로와 동일한 것이다.

도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 공진주파수 가변 안테나의 개략적인 시스템을 설명하기 위한 도면으로, 가변 접지부를 다수 구비하는 경우의 안테나의 개략도이다.

도 11을 참조하면, 임피던스가 고정되는 메인 접지부인 제1 접지부(G1), 급전부(F), 정합회로(M) 및 제2 접지부(G2)는 도 6a에서와 동일하고, 제2 임피던스 제어회로(Z_M2)는 도 6a에서의 Z_M과 동일한 것을 의미한다. 즉, 도 6a의 구성 이외에 가변 접지부인 제3 접지부(G3)와 제4 접지부(G4), 임피던스를 가변 제어하는 제3 임피던스 제어회로(Z_M3) 및 제4 임피던스 제어회로(Z_M4)가 추가된다. 이때, 제2 내지 제4 임피던스 제어회로(Z_M2,Z_M3,Z_M4)는 서로 상이하며, 스위치 단자(S_G)에 의해 스위치 단자(S_G2,S_G3,S_G4) 중 하나를 통하여 선택적으로 연결된다. 이때, 상기 스위치 단자(S_G)는 급전부(F)와 정합회로(M)의 사이에 배치된다.

이때, 상기 제2 내지 제4 임피던스 제어회로(Z_M2,Z_M3,Z_M4)의 구성요소인 임피던스 소자들을 다르게 배치함으로써 제2 내지 제4 접지부(G2,G3,G4)의 임피던스가 다르도록 한다. 상기 제2 내지 제4 임피던스 제어회로(Z_M2,Z_M3,Z_M4)의 임피던스 소자는 가변시키고자 하는 공진주파수 범위 및 개수에 따라 달라질 수 있고, 도 6에서 설명한 임피던스 소자(Z_A,Z_B,Z_C,Z_D)와 유사한 구성을 가지므로 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

이로 인하여 상기 제2 내지 제4 접지부(G2,G3,G4)에 연결되는 제2 내지 제4 임피던스 제어회로(Z_M2,Z_M3,Z_M4)에 의해 병렬 임피던스가 가변되어 다양한 공진주파수를 구현할 수 있게 된다.

또한, 본 발명의 일 실시예에서는 앞서 설명한 공진주파수 가변 안테나를 구비하는 이동 단말기가 제공될 수 있는데, 상기 공진주파수 가변 안테나는 이동 단말기에 내장되거나 후면 또는 전면에 배치될 수도 있으며, 공진주파수 가변 안테나의 위치는 특별히 한정되지 않는다.

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.

본 발명의 실시예는 접지부와 급전부를 연동제어하여 공진주파수를 가변시키는 안테나에 활용될 수 있다.

Claims (21)

1. 제1 접지부;

   상기 제1 접지부로부터 안테나 종단 방향으로 연결되는 급전부; 및

   상기 급전부로부터 안테나 종단 방향으로 연결되는 제2 접지부를 포함하고,

   상기 제2 접지부는 가변 접지부이고,

   상기 제2 접지부와 급전부는 스위치부에 의해 연결되며, 상기 스위치부는 접지되는 공통 단자와 연결되어 상기 제2 접지부와 급전부가 연동제어되는 것을 특징으로 하는 공진주파수 가변 안테나.
2. 제1항에 있어서,

   상기 스위치부는 2 이상의 임피던스(impedance) 소자; 및

   상기 임피던스 소자를 상기 공통 단자와 선택적으로 연결되도록 하는 스위치단자부를 포함하는 것을 특징으로 하는 공진주파수 가변 안테나.
3. 제2항에 있어서,

   상기 급전부에는 주파수 제어를 위한 정합회로가 연결되는 것을 특징으로 하는 공진주파수 가변 안테나.
4. 제2항에 있어서,

   상기 임피던스는 소자는 인덕터(inductor) 또는 캐퍼시터(capacitor)인 것을 특징으로 하는 공진주파수 가변 안테나.
5. 제4항에 있어서,

   상기 임피던스 소자가 인덕터인 경우 인덕턴스(inductance)가 높아질수록 낮은 공진주파수를 구현하고, 상기 임피던스 소자가 캐퍼시터인 경우 캐퍼시턴스(capacitance)가 낮아질수록 높은 공진주파수를 구현하는 것을 특징으로 하는 공진주파수 가변 안테나.
6. 제2항에 있어서,

   상기 제1 접지부에는 일측이 접지되는 임피던스 소자가 연결되는 것을 특징으로 하는 공진주파수 가변 안테나.
7. 제6항에 있어서,

   상기 스위치부가 급전부와 연결된 상태에서는 상기 스위치부가 제2 접지부와 연결된 상태보다 낮은 공진주파수를 구현하는 것을 특징으로 하는 공진주파수 가변 안테나.
8. 제7항에 있어서,

   상기 스위치부에 연결되는 임피던스 소자는 상기 급전부와 연결되는 급전부 연결 소자와, 상기 제2 접지부에 연결되는 접지부 연결 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 공진주파수 가변 안테나.
9. 제8항에 있어서,

   상기 급전부 연결 소자는 상기 급전부에 연결된 정합회로의 앞 또는 뒤쪽에 연결되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 공진주파수 가변 안테나.
10. 제8항에 있어서,

    상기 급전부 연결 소자는 션트 임피던스(shunt impedance) 조절 기능을 수행하는 것을 특징으로 하는 공진주파수 가변 안테나.
11. 고정된 임피던스를 갖는 메인 접지부;

    상기 메인 접지부와 전기적으로 연결되고, 임피던스(impedance)가 변하는 가변 접지부;

    상기 메인 접지부 및 가변 접지부와 연결되어 상기 메인 접지부 및 가변 접지부에 급전하는 급전부(feeding); 및

    상기 급전부 및 가변 접지부 사이에 배치되어 임피던스를 제어하는 임피던스 제어회로를 포함하고,

    상기 임피던스 제어회로는,

    상기 급전부에 연결되는 급전부 연결 소자;

    상기 가변 접지부에 연결되는 접지부 연결 소자; 및

    상기 급전부 연결 소자 또는 접지부 연결 소자를 선택적으로 작동시키는 스위치 단자부를 포함하며, 상기 스위치 단자부는 접지되는 공통 단자에 연결되어 상기 가변 접지부와 급전부가 연동제어되는 것을 특징으로 하는 공진주파수 가변 안테나.
12. 제11항에 있어서,

    상기 급전부는 상기 메인 접지부와 가변 접지부 사이에 배치되고, 상기 메인 접지부 또는 가변 접지부의 일 단부는 안테나 종단으로 연결되는 것을 특징으로 하는 공진주파수 가변 안테나.
13. 제11항에 있어서,

    상기 메인 접지부 및 가변 접지부는 서로 인접하여 배치되고, 상기 급전부는 상기 메인 접지부 또는 가변 접지부에 연결되는 것을 특징으로 하는 공진주파수 가변 안테나.
14. 제13항에 있어서,

    상기 메인 접지부 및 가변 접지부는 상기 급전부와 안테나 종단 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 공진주파수 가변 안테나.
15. 제13항에 있어서,

    상기 급전부는 상기 메인 접지부 또는 가변 접지부로부터 안테나 종단 방향으로 연결되는 것을 특징으로 하는 공진주파수 가변 안테나.
16. 제11항에 있어서,

    상기 스위치 단자부가 상기 급전부 연결소자를 작동시키는 경우에는 보다 낮은 공진주파수를 구현하고, 상기 스위치 단자부가 상기 접지부 연결 소자를 작동시키는 경우에는 보다 높은 공진 주파수를 구현하는 것을 특징으로 하는 공진주파수 가변 안테나.
17. 제16항에 있어서,

    상기 급전부 연결소자 및 접지부 연결소자는 각각 적어도 하나 이상인 것을 특징으로 하는 공진주파수 가변 안테나.
18. 제16항에 있어서,

    상기 급전부에는 입력 임피던스 제어를 위한 정합회로가 연결되고, 상기 급전부 연결소자는 상기 정합회로의 앞 또는 뒤에 연결되어 배치되는 것을 특징으로 하는 공진주파수 가변 안테나.
19. 제18항에 있어서,

    상기 가변 접지부는 두 개 이상이고, 상기 가변 접지부들은 상기 급전부와 정합회로 사이에 배치되는 스위치 단자와 각각의 임피던스 제어회로를 통해 선택적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 공진주파수 가변 안테나.
20. 제11항에 있어서,

    상기 임피던스의 변화는 상기 급전부 연결소자 또는 접지부 연결소자에 의해 이루어지며, 상기 급전부 연결소자 및 접지부 연결소자는 인덕터(inductor) 또는 캐패시터(capacitor)인 것을 특징으로 하는 공진주파수 가변 안테나.
21. 제11항 내지 제20항 중 어느 하나의 공진주파수 가변 안테나를 구비하는 이동 단말기.

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