WO2017014598A1

WO2017014598A1 - Ｌｔｅ용 광대역 안테나 모듈

Info

Publication number: WO2017014598A1
Application number: PCT/KR2016/008045
Authority: WO
Inventors: 황철; 정인조; 김상오; 유기환; 고동환
Original assignee: Amotech Co Ltd
Current assignee: Amotech Co Ltd
Priority date: 2015-07-22
Filing date: 2016-07-22
Publication date: 2017-01-26
Anticipated expiration: 2018-01-22
Also published as: US10431876B2; DE112016003267B4; DE112016003267T5; CN107851903A; CN107851903B; KR101664440B1; US20180212311A1

Abstract

커플링 단락 핀 형성을 통해 저주파수 대역에 공진하는 방사 패턴을 형성하여 LTE 밴드의 저주파수 대역폭이 증가하도록 한 LTE용 광대역 안테나 모듈이 제시된다. 제시된 LTE용 광대역 안테나 모듈은 인쇄회로기판의 일면에 상호 이격된 급전 핀 및 다이렉트 단락 핀, 인쇄회로기판의 타면에 도전성 물질로 형성되어 접지평면과 연결되는 커플링 단락 핀 및 유전체와 유전체의 외주에 형성된 방사 패턴으로 구성되어 인쇄회로기판의 일면에 실장되는 방사 패치 안테나를 포함하고, 방사 패치 안테나는 방사 패턴이 급전 핀 및 다이렉트 단락 핀과 직접 연결되고, 커플링 단락 핀과 중첩되어 커플링 연결된다.

Description

ＬＴＥ용 광대역 안테나 모듈

본 발명은 LTE용 광대역 안테나 모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 휴대 단말기에 내장되어 LTE 통신을 수행하는 LTE용 광대역 안테나 모듈(BROADBAND ANTENNA MODULE FOR LONG TERM EVOLUTION)에 대한 것이다.

스마트폰, 태블릿 등과 같은 휴대 단말기의 보급이 증가함에 따라, 통신망을 통한 데이터 사용량이 급격히 증가하고 있다.

흔히 3G로 불리는 기존 무선 이동통신 방식에서는 급증한 데이터 사용량을 감당할 수 없기 때문에 통화 끊김 현상, 무선 인터넷 접속 불가 등의 문제가 발생했다.

이에, 데이터 전송속도를 향상시킨 LTE(Long Term Evolution) 통신 규격이 개발되었다. LTE 통신 규격은 흔히 4G로 불리며 휴대 단말기의 통신 규격으로 대중화되었다.

최근 국내 및 해외의 LTE 주파수 대역의 확대로 인해, LTE 통신 규격은 704~894㎒ 및 1710~2170㎒의 주파수 대역을 이용할 수 있게 되었다.

LTE 통신 규격은 3G 통신 규격의 주파수 대역(예를 들면, 824~894㎒, 1710~2170㎒)에 비해 저주파 대역(기저대역)의 대역폭이 증가하였다.

그에 따라, LTE 밴드의 저주파수 대역(기저대역)의 대역폭(BandWidth)을 증가시키기 위한 안테나 모듈을 필요로 하고 있다.

본 발명은 상기한 사정을 감안하여 제안된 것으로, 커플링 단락 핀 형성을 통해 LTE 밴드의 저주파수 대역에 공진하는 방사 패턴을 형성하여 LTE 밴드의 저주파수 대역폭이 증가하도록 한 LTE용 광대역 안테나 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 LTE용 광대역 안테나 모듈은 인쇄회로기판의 일면에 형성되는 급전 핀, 인쇄회로기판의 일면에 급전 핀과 이격되어 형성되는 다이렉트 단락 핀, 인쇄회로기판의 타면에 형성되어 인쇄회로기판의 타면에 형성된 접지평면과 연결되는 커플링 단락 핀 및 유전체와 유전체의 외주에 형성된 방사 패턴으로 구성되어 인쇄회로기판의 일면에 실장되는 방사 패치 안테나를 포함하고, 방사 패치 안테나는 방사 패턴의 일부가 급전 핀과 직접 연결되고, 방사 패턴의 다른 일부가 다이렉트 단락 핀과 직접 연결되고, 방사 패턴의 또 다른 일부가 커플링 단락 핀과 중첩되어 커플링 연결되도록 인쇄회로기판의 일면에 실장된다.

방사 패턴은 급전 핀 및 다이렉트 단락 핀과 직접 연결되어 LTE 주파수 대역의 고주파수 대역인 제1주파수 대역에서 공진하는 제1방사 패턴을 포함할 수 있다.

방사 패턴은 인쇄회로기판의 일면에 형성된 급전 핀과 직접 연결되고, 인쇄회로기판의 타면에 형성된 커플링 단락 핀과 커플링 연결되어 LTE 주파수 대역의 저주파수 대역인 제2주파수 대역에서 공진하는 제2방사 패턴을 더 포함하고, 제2주파수 대역은 제1주파수 대역보다 낮은 주파수 대역일 수 있다.

다이렉트 단락 핀은 도전성 물질로 형성되고, 인쇄회로기판의 일면에 형성된 접지평면과 연결될 수 있다.

커플링 단락 핀은 다이렉트 단락 핀의 적어도 일부 및 인쇄회로기판의 일면에 형성된 접지평면의 일부와 중첩될 수 있다.

본 발명에 의하면, LTE용 광대역 안테나 모듈은 커플링 단락 핀 형성을 통해 저주파수 대역에 공진하는 방사 패턴을 형성함으로써, 방사 패턴과 커플링 단락 핀간의 커플링 효과를 통해 저주파수 대역에 공진하는 방사 패턴을 형성할 수 있는 효과가 있다.

또한, LTE용 광대역 안테나 모듈은 커플링 단락 핀을 다이렉트 단락 핀의 일부와 다이렉트 단락 핀에 연결된 접지평면의 일부와 중첩시킴으로써, 방사 패턴과 커플링 단락 핀간의 커플링 효과를 통해 저주파수 대역에 공진하는 방사 패턴을 형성할 수 있는 효과가 있다.

또한, LTE용 광대역 안테나 모듈은 커플링 단락 핀을 통해 저주파수 대역용 방사 패턴을 형성함으로써, 모든 LTE 밴드에서 저주파수 대역의 대역폭 및 효율이 증가할 수 있는 효과가 있다.

또한, LTE용 광대역 안테나 모듈은 커플링 단락 핀을 통해 저주파수 대역용 방사 패턴을 형성함으로써, 모든 LTE 밴드에서 저주파수 대역의 대역폭 및 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 LTE용 광대역 안테나 모듈을 설명하기 위한 도면.

도 2는 도 1의 급전 핀을 설명하기 위한 도면.

도 3은 도 1의 커플링 단락 핀을 설명하기 위한 도면.

도 4 내지 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 LTE용 광대역 안테나 모듈의 구성에 따른 광대역 특성을 설명하기 위한 도면.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 LTE용 광대역 안테나 모듈은 방사 패치 안테나(100), 급전 핀(200; Feeding Pin), 다이렉트 단락 핀(300; Direct Short Pin), 커플링 단락 핀(400; Coupling Short Pin)을 포함하여 구성된다. 여기서, 급전 핀(200), 다이렉트 단락 핀(300) 및 커플링 단락 핀(400)은 급전 단자, 다이렉트 단락 단자 및 커플링 단락 단자로 기재될 수도 있다.

방사 패치 안테나(100)는 유전체(120)와 유전체(120) 상에 형성되는 방사 패턴(140)을 포함하여 구성된다. 이때, 유전체(120)는 세라믹 등의 유전체 재질을 소성하여 형성된다. 방사 패턴(140)은 유전체(120)의 표면에 도전성 물질을 인쇄 또는 도금하여 형성된다. 여기서, 방사 패턴(140)은 니켈, 금, 구리, 은 등의 도전성 물질로 구성될 수 있다.

방사 패치 안테나(100)는 휴대 단말에 내장되는 인쇄회로기판(500)의 일면에 실장된다. 그에 따라, 방사 패턴(140)은 인쇄회로기판(500)에 형성된 급전 핀(200), 다이렉트 단락 핀(300) 및 커플링 단락 핀(400)과 연결된다.

이때, 방사 패턴(140)은 소정 위치에서 인쇄회로기판(500)의 일면(예를 들면, 상면)에 형성된 급전 핀(200) 및 다이렉트 단락 핀(300)과 직접 연결된다. 방사 패턴(140)은 소정 위치에서 인쇄회로기판(500)의 타면(예를 들면, 하면)에 형성된 커플링 단락 핀(400)과 소정 간격(즉, 인쇄회로기판(500)의 두께에 해당하는 간격) 이격되어 커플링을 통해 연결된다.

방사 패치 안테나(100)는 급전 핀(200), 다이렉트 단락 핀(300) 및 커플링 단락 핀(400)과의 연결을 통해 고주파수 대역(즉, 1710~2170㎒)에 공진하는 제1 방사 패턴 및 저주파수 대역(즉, 704~894㎒)에 공진하는 제2 방사 패턴을 포함하는 PIFA(Planar Inverted F Antenna) 형태의 광대역 안테나를 구성한다.

급전 핀(200)은 휴대 단말 내부에 내장되는 인쇄회로기판(500)의 일면(즉, 상면)에 도전성 물질을 인쇄 또는 도금하여 형성된다. 이때, 급전 핀(200)은 니켈, 금, 구리, 은 등의 도전성 물질로 형성될 수 있다.

급전 핀(200)은 인쇄회로기판(500) 상에 방사 패치 안테나(100)가 실장됨에 따라 방사 패턴(120)과 접촉되어 직접 연결된다. 이때, 급전 핀(200)은 인쇄회로기판(500)에 실장되는 신호 처리 모듈(미도시)과 연결된다.

급전 핀(200)은 신호 처리 모듈로부터 공급되는 전력을 방사 패턴(140)으로 급전한다. 이를 위해, 도 2에 도시된 바와 같이, 급전 핀(200)은 인쇄회로기판(500)의 일면(즉, 방사 패치 안테나(100)가 실장되는 일면)에 소정 형상(예를 들면, 사각형)으로 형성된다. 급전 핀(200)은 인쇄회로기판(500)의 일면에 방사 패치 안테나(100)가 실장됨에 따라 방사 패턴(140)과 소정 위치에서 직접 연결되어 방사 패턴(140)으로 급전한다.

다이렉트 단락 핀(300)은 휴대 단말 내부에 내장되는 인쇄회로기판(500)에 형성된다. 다이렉트 단락 핀(300)은 인쇄회로기판(500)의 일면에 도전성 물질을 인쇄 또는 도금하여 형성된다. 이때, 다이렉트 단락 핀(300)은 인쇄회로기판(500)의 일면에 형성된 접지평면(520)과 연결된다. 다이렉트 단락 핀(300)은 인쇄회로기판(500)의 일면에 형성된 급전 핀(200)과 소정 간격 이격되어 형성된다.

다이렉트 단락 핀(300)은 방사 패치 안테나(100)가 인쇄회로기판(500)에 실장됨에 따라 소정 위치에서 방사 패턴(140)과 직접 연결된다.

커플링 단락 핀(400)은 휴대 단말 내부에 내장되는 인쇄회로기판(500)의 타면에 형성된다. 커플링 단락 핀(400)은 인쇄회로기판(500)의 타면에 도전성 물질을 인쇄 또는 도금하여 형성된다.

이때, 도 3에 도시된 바와 같이, 커플링 단락 핀(400)은 인쇄회로기판(500)의 타면에 형성된 접지평면(540)과 연결된다. 커플링 단락 핀(400)은 인쇄회로기판(500)의 일면에 형성된 다이렉트 단락 핀(300)의 적어도 일부 및 접지평면(520)의 일부와 중첩되도록 배치된다. 이때, 커플링 단락 핀(400)은 인쇄회로기판(500)의 타면에 형성됨에 따라 인쇄회로기판(500)의 일면에 형성된 다이렉트 단락 핀(300) 및 접지평면(520)과 소정 간격 이격된다. 여기서, 커플링 단락 핀(400)은 인쇄회로기판(500)의 두께(예를 들면, 대략 1.6 ㎜ 정도) 이상 다이렉트 단락 핀(300)과 이격된다.

커플링 단락 핀(400)은 인쇄회로기판(500)의 타면에 형성됨에 따라 인쇄회로기판(500)의 일면에 실장된 방사 패치 안테나(100)와 소정 간격 이격된다. 이때, 커플링 단락 핀(400)은 인쇄회로기판(500)의 두께 이상 방사 패치 안테나(100)와 이격된다.

커플링 단락 핀(400)은 인쇄회로기판(500)의 일면에 장착되는 방사 패턴(140)과 소정 영역 중첩되도록 형성된다. 그에 따라, 커플링 단락 핀(400)은 커플링 단락 핀(400)은 중첩된 영역에서 방사 패턴(140)과 커플링을 통해 연결된다.

상술한 구성에 의해 방사 패치 안테나(100)는 대략 1710~2170㎒ 정도의 고주파수 대역에 공진하는 제1방사 패턴(142)을 형성한다. 즉, 방사 패치 안테나(100)는 소정 영역에서 다이렉트 단락 핀(300)과 직접 연결(접촉)된다. 방사 패치 안테나(100)는 연결된 다이렉트 단락 핀(300)과의 임피던스 정합을 통해 고주파수 대역에 공진하는 제1방사 패턴(142)을 형성하며, 도 4와 같은 등가회로로 표시할 수 있다.

이와 함께, 방사 패치 안테나(100)는 대략 704~894㎒ 정도의 저주파수 대역에 공진하는 제2방사 패턴(144)을 형성한다. 즉, 도 5에 도시된 바와 같이, 방사 패치 안테나(100)는 인쇄회로기판(500)에 의해 소정 간격(즉, 인쇄회로기판(500)의 두께(t) 이상) 이격된 커플링 단락 핀(400)과 커플링에 의해 전기적으로 연결된다. 방사 패치 안테나(100)는 제1방사 패턴(142)을 통해 루프되는 전류의 일부를 커플링 단락 핀(400)을 통해 커플링하여 저주파수 대역에 공진하는 제2방사 패턴(144)을 형성한다.

그에 따라, 도 6에 도시된 바와 같이, LTE용 광대역 안테나 모듈은 저주파수 대역 및 고주파수 대역의 LTE 신호를 모두 수신하는 광대역 안테나로 동작한다. 이때, LTE용 광대역 안테나 모듈은 저주파수 대역 및 고주파수 대역에 공진하는 등가회로로 표현되는 PIFA(Planar Inverted F Antenna) 형태의 광대역 안테나를 구성한다.

도 7을 참조하면, 종래의 LTE용 안테나 모듈은 저주파수 대역에서 대략 213MHz 정도의 대역폭(BandWidth)이 형성되고, 고주파수 대역에서 대략 580Mhz 정도의 대역폭이 형성된다.

이에 반해, 본 발명의 실시예에 따른 LTE용 광대역 안테나 모듈은 저주파수 대역에서 대략 273MHz 정도의 대역폭이 형성되고, 고주파수 대역에서 대략 711Mhz 정도의 대역폭이 형성된다.

이를 통해, LTE용 광대역 안테나 모듈은 저주파수 대역에서 60MHz 정도의 대역폭이 확장되고, 고주파수 대역에서 대략 131MHz 정도의 대역폭이 확장됨을 알 수 있다. 이는 종래의 LTE용 안테나 모듈에 비해 저주파수 대역에서 대략 30% 정도의 대역폭이 확장되고, 고주파수 대역에서 대략 22% 정도의 대역폭이 확장되는 것을 의미한다.

이처럼, LTE용 광대역 안테나 모듈은 인쇄회로기판(500)의 타면(즉, 후면)에 커플링 단락 핀(400)을 형성함으로써, LTE용 주파수 대역 중에서 저주파수 대역에서 대략 30% 정도의 대역폭이 증가하고, 고주파수 대역에서 대략 22% 정도의 대역폭이 증가하는 효과가 있다.

도 8을 참조하여 LTE에 사용되는 밴드별로 종래의 LTE용 안테나 모듈과 본 발명의 실시예에 따른 LTE용 광대역 안테나 모듈의 효율 및 이득을 비교 설명하면 아래와 같다.

먼저, 704MHz 내지 716MHz를 업링크(Uplink) 주파수로 사용하고, 734MHz 내지 746MHz를 다운링크(Downlink) 주파수로 사용하는 LTE17 BAND에서, 종래의 LTE용 안테나 모듈의 효율은 대략 44.04% 내지 50.40% 정도이고, 본 실시예의 LTE용 광대역 안테나 모듈의 효율은 대략 51.83% 내지 72.12% 정도이다.

이를 통해, LTE용 광대역 안테나 모듈은 LTE17 BAND의 업링크 주파수 대역에서 대략 2% 내지 9% 정도의 효율이 향상되고, 다운링크 주파수 대역에서 대략 14% 내지 22% 정도의 효율이 증가하는 것을 알 수 있다.

다음으로, 824MHz 내지 849MHz를 업링크 주파수로 사용하고, 869MHz 내지 894MHz를 다운링크 주파수로 사용하는 LTE5(GMS850, WCDMA5) BAND에서, 종래의 LTE용 안테나 모듈의 효율은 대략 40.21% 내지 50.00% 정도이고, 본 실시예의 LTE용 광대역 안테나 모듈의 효율은 대략 46.58% 내지 60.45% 정도이다.

이를 통해, LTE용 광대역 안테나 모듈은 LTE5 BAND의 업링크 주파수 대역에서 대략 9% 내지 10% 정도의 효율이 향상되고, 다운링크 주파수 대역에서 대략 5% 내지 6% 정도의 효율이 증가하는 것을 알 수 있다.

다음으로, 1850MHz 내지 1910MHz를 업링크 주파수로 사용하고, 1930MHz 내지 1990MHz를 다운링크 주파수로 사용하는 LTE2(WCDMA2) BAND에서, 종래의 LTE용 안테나 모듈의 효율은 대략 40.21% 내지 50.00% 정도이고, 본 실시예의 LTE용 광대역 안테나 모듈의 효율은 대략 46.58% 내지 60.45% 정도이다.

이를 통해, LTE용 광대역 안테나 모듈은 LTE2 BAND의 업링크 주파수 대역에서 대략 15% 내지 22% 정도의 효율이 향상되고, 다운링크 주파수 대역에서 대략 27% 정도의 효율이 증가하는 것을 알 수 있다.

다음으로, 1710MHz 내지 1755MHz를 업링크 주파수로 사용하고, 2110MHz 내지 2155MHz를 다운링크 주파수로 사용하는 LTE4(WCDMA4) BAND에서, 종래의 LTE용 안테나 모듈의 효율은 대략 39.54% 내지 70.26% 정도이고, 본 실시예의 LTE용 광대역 안테나 모듈의 효율은 대략 51.67% 내지 78.70% 정도이다.

이를 통해, LTE용 광대역 안테나 모듈은 LTE5 BAND의 업링크 주파수 대역에서 대략 3% 내지 19% 정도의 효율이 감소하지만, 다운링크 주파수 대역에서 대략 33% 내지 37% 정도의 효율이 증가하는 것을 알 수 있다.

상술한 바와 같이, LTE용 광대역 안테나 모듈은 커플링 단락 핀 형성을 통해 저주파수 대역에 공진하는 방사 패턴을 형성함으로써, 방사 패턴과 커플링 단락 핀간의 커플링 효과를 통해 저주파수 대역에 공진하는 방사 패턴을 형성할 수 있는 효과가 있다.

이상에서 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 대해 설명하였으나, 다양한 형태로 변형이 가능하며, 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 특허청구범위를 벗어남이 없이 다양한 변형예 및 수정예를 실시할 수 있을 것으로 이해된다.

Claims

인쇄회로기판의 일면에 형성되는 급전 핀;

상기 인쇄회로기판의 일면에 상기 급전 핀과 이격되어 형성되는 다이렉트 단락 핀;

상기 인쇄회로기판의 타면에 형성되어 상기 인쇄회로기판의 타면에 형성된 접지평면과 연결되는 커플링 단락 핀; 및

유전체와 상기 유전체의 외주에 형성된 방사 패턴으로 구성되어 상기 인쇄회로기판의 일면에 실장되는 방사 패치 안테나를 포함하고,

상기 방사 패치 안테나는 상기 방사 패턴의 일부가 상기 급전 핀과 직접 연결되고, 상기 방사 패턴의 다른 일부가 상기 다이렉트 단락 핀과 직접 연결되고, 상기 방사 패턴의 또 다른 일부가 상기 커플링 단락 핀과 중첩되어 커플링 연결되도록 상기 인쇄회로기판의 일면에 실장되는 LTE용 광대역 안테나 모듈.
제1항에 있어서,

상기 방사 패턴은,

상기 급전 핀 및 상기 다이렉트 단락 핀과 직접 연결되어 LTE 주파수 대역의 고주파수 대역인 제1주파수 대역에서 공진하는 제1방사 패턴을 포함하는 LTE용 광대역 안테나 모듈.
제2항에 있어서,

상기 방사 패턴은,

상기 인쇄회로기판의 일면에 형성된 급전 핀과 직접 연결되고, 상기 인쇄회로기판의 타면에 형성된 커플링 단락 핀과 커플링 연결되어 LTE 주파수 대역의 저주파수 대역인 제2주파수 대역에서 공진하는 제2방사 패턴을 더 포함하고,

상기 제2주파수 대역은 상기 제1주파수 대역보다 낮은 주파수 대역인 LTE용 광대역 안테나 모듈.
제1항에 있어서,

상기 다이렉트 단락 핀은,

도전성 물질로 형성되고, 상기 인쇄회로기판의 일면에 형성된 접지평면과 연결되는 LTE용 광대역 안테나 모듈.
제4항에 있어서,

상기 커플링 단락 핀은,

상기 다이렉트 단락 핀의 적어도 일부 및 상기 인쇄회로기판의 일면에 형성된 접지평면의 일부와 중첩되는 LTE용 광대역 안테나 모듈.