WO2017122851A1 - 금속 재질의 디바이스에 적용 가능한 입체 피파 커플링 안테나 - Google Patents

금속 재질의 디바이스에 적용 가능한 입체 피파 커플링 안테나 Download PDF

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WO2017122851A1
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antenna
coupling antenna
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김태홍
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주식회사 갤트로닉스 코리아
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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
    • 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
    • H01Q9/30—Resonant antennas with feed to end of elongated active element, e.g. unipole
    • H01Q9/42—Resonant antennas with feed to end of elongated active element, e.g. unipole with folded element, the folded parts being spaced apart a small fraction of the operating wavelength

Definitions

  • the present invention relates to a Planar Inverted F Antenna (PIFA), and more particularly to an improved 3D PIFA coupling antenna applicable to a metallic device.
  • PIFA Planar Inverted F Antenna
  • PIFA is a small antenna that can reduce the antenna size by more than half by placing an electric wall at the center of the microstrip patch antenna at the point where the electric field at the center becomes zero. As the demand for wireless Internet access is increased, it is a promising antenna type applicable to a mobile terminal.
  • 1 illustrates the structure of a basic PIFA.
  • a conventional PIFA 100 includes a ground plane 101 and a patch 102.
  • a rectangular patch 102 is placed on a finite ground plane 101 to excite the patch 102 through a current feed to act as a radiating element together with the ground plane 101.
  • a box indicated by a dotted line means a device made of a metal material. That is, Figure 1 shows that the PIFA 100 is installed on top of the metal device.
  • the ground plane 101 is formed in a plane (two-dimensional), and the direction of antenna radiation is formed in the z-axis direction.
  • the present invention is designed to solve the above problems, to provide a 3D-PIFA Coupling antenna that can be applied to all portable devices, such as laptop, tablet, mobile phone having a metal cover For that purpose.
  • the ground plane is a double bent, characterized in that it has a top and bottom parallel to each other.
  • the area of the projection surface with respect to the said lower surface of the said upper surface is the same as the area of the said lower surface.
  • the area of the projection surface with respect to the said lower surface of the said upper surface is smaller than the area of the said lower surface.
  • connection wall it is preferable to physically connect both side surfaces of the upper surface and the lower surface using a connection wall.
  • the 3D-PIFA Coupling Antenna comprises a antenna having a characteristic of an aperture antenna structure by three-dimensionalizing a ground area, thereby allowing a laptop and a tablet. It has an effect that can be applied to all portable devices such as mobile phones.
  • the 3D-PIFA Coupling antenna according to the present invention is not to minimize the influence of the metal material in the antenna affected a lot in the device composed of the metal material (Metal material) to use this as a coupling (coupling)
  • Metal material Metal material
  • 1 illustrates the structure of a basic PIFA.
  • FIG. 2 illustrates an embodiment of a 3D-PIFA Coupling Antenna according to the present invention.
  • Figure 3 shows another embodiment of a 3D-PIFA Coupling antenna according to the present invention.
  • Figure 5 shows another embodiment of a 3D-PIFA Coupling antenna according to the present invention.
  • Figure 6 shows an example of the actual configuration of the 3D-PIFA Coupling antenna according to the present invention.
  • Figure 7 shows an example of a planar device with a 3D-PIFA Coupling antenna according to the present invention.
  • FIG 8 shows another example of a planar device with a 3D-PIFA Coupling antenna according to the present invention.
  • FIG 9 shows another example of a planar device with a 3D-PIFA Coupling antenna according to the invention.
  • Figure 10 shows another example of a planar device with a 3D-PIFA Coupling antenna according to the present invention.
  • FIG. 11 illustrates an example in which the 3D-PIFA Coupling antenna according to the present invention is applied to a laptop made of metal.
  • FIG. 12 is a graph showing the VSWR performance of the 3D-PIFA coupling antenna according to the present invention.
  • Figure 14 shows the performance of H-cut, E1-cut, E2-cut in a 2D radiation pattern.
  • Figure 15 compares the radiation pattern of the conventional PIFA and the proposed 3D-PIFA coupling antenna.
  • Figure 16 shows the current flow (current flow) of the 3D-PIFA Coupling antenna according to the present invention.
  • 17 shows the form of a radiation pattern of an antenna applied to a planar device.
  • FIG. 2 shows a preferred embodiment of the 3D-PIFA Coupling Antenna according to the invention.
  • the 3D-PIFA Coupling Antenna 200 has a rectangular patch 220 placed on a finite ground plane 210; 201, 202, and 203. It can be seen that 220 serves as a radiating element together with the ground plane 210 by exciting.
  • the ground plane 210 is bent in duplicate to form the upper surface 203 and the lower surface 201 parallel to each other, but the projected area of the upper surface 203 is equal to the area of the lower surface 201.
  • the 3D-PIFA Coupling antenna 200 shown in FIG. 2 has a three-dimensional structure in which the flow of current induced in the antenna does not extend to the ground electrically / physically connected to the metal device due to the bent ground plane 210. Current is induced inside the antenna, and the direction of the radiation pattern is represented by the x-axis.
  • FIG. 2 illustrates an embodiment of a 3D-PIFA Coupling Antenna according to the present invention.
  • the 3D-PIFA Coupling antenna 200 is a patch 220 through the current feed in the form of a square patch 220 is placed on a finite ground plane (210; 201, 202, 203) It can be seen that by acting as a radiation element together with the ground plane 210 by exciting.
  • Reference numeral 220 denotes a patch.
  • ground plane 210 is bent in duplicate to form the upper surface 203 and the lower surface 201 parallel to each other, but the projected area of the upper surface 203 is equal to the area of the lower surface 201.
  • Reference numeral 202 is a side that connects between the upper surface 203 and the lower surface 201.
  • a box indicated by a dotted line means a device made of a metal material. That is, Figure 2 shows that the 3D-PIFA Coupling antenna 200 according to the present invention is installed on the top of the metal device.
  • Figure 3 shows another embodiment of a 3D-PIFA Coupling antenna according to the present invention.
  • the 3D-PIFA Coupling Antenna 300 is a double bent ground plane 310 (301, 302, 303). Specifically, the ground plane 310 is bent in duplicate to form the upper surface 303 and the lower surface 301 parallel to each other, but the projected area of the upper surface 303 is smaller than the area of the lower surface 301.
  • Reference numeral 320 denotes a patch, and 302 is a side surface connecting the upper surface 303 and the lower surface 301.
  • the 3D-PIFA Coupling antennas 200 and 300 illustrated in FIGS. 2 and 3 have a ground plane in which current flow induced in the antenna is electrically / physically connected to the metal device due to the bent ground planes 210 and 310.
  • the current is induced inside the three-dimensional antenna rather than being expanded to the x-axis, resulting in the x-axis of the radiation pattern.
  • the loss of the antenna can be reduced in a device with a metal cover, and the maximum radiation is achieved in the open direction of the antenna.
  • an antenna that exhibits the characteristics of an aperture structure that can emit in one-direction.
  • Figure 4 shows another embodiment of a 3D-PIFA Coupling antenna according to the present invention.
  • the 3D-PIFA Coupling Antenna 400 uses a connecting pin 404 to connect the lower surface 401 and the upper surface 403 of the bent ground surface 410; 401, 402, and 403. It can be seen that the configuration is physically connected to each other.
  • Reference numeral 420 denotes a patch, and 402 is a side surface connecting the upper surface 403 and the lower surface 401.
  • the radiation direction of the 3D-PIFA Coupling Antenna 400 is close to the x-axis.
  • Forming the connecting pins 404 only on one side instead of on both sides also provides a structure capable of implementing desired performance.
  • Figure 5 shows another embodiment of a 3D-PIFA Coupling antenna according to the present invention.
  • the 3D-PIFA Coupling Antenna 500 is physically connected to the side surfaces of the bent ground planes 520 (501, 502, 503) using the connection wall 504. Can be.
  • the radiation direction of the antenna may be transmitted in x-axis.
  • Reference numeral 520 denotes a patch
  • 502 is a side connecting the upper surface 503 and the lower surface 501.
  • Figure 6 shows an example of the actual configuration of the 3D-PIFA Coupling antenna according to the present invention.
  • the 3D-PIFA Coupling Antenna is connected to the coaxial cable to transmit the signal to the RF module.
  • Figure 7 shows an example of a planar device with a 3D-PIFA Coupling antenna according to the present invention.
  • the upper and lower A-covers 702 and B-covers 703 are all made of a metal material, and only one side to the rear of the six front, rear, left, and right sides is opened to the opening surface 701.
  • this opening surface 701 the 3D-PIFA Coupling Antenna 700 according to the present invention is configured.
  • the physical / electrical interface between the 3D-PIFA Coupling Antenna 700 and the device is such that both the upper surface 704 of the ground plane and the lower surface 705 of the ground plane are physically coupled to the planar device 700 or only one surface is coupled. You may be.
  • FIG 8 shows another example of a planar device with a 3D-PIFA Coupling antenna according to the present invention.
  • the 3D-PIFA Coupling Antenna 800 is configured in such a manner that only one side of the flat plate-like device 801 is opened with an opening, and the side surface 802 and the bottom of the ground plane ( 803 may be physically coupled to the planar device 801 or may be connected to only one.
  • FIG 9 shows another example of a planar device with a 3D-PIFA Coupling antenna according to the invention.
  • the A / B / C / D-cover 901, 902, 903, and 904 may be applied to the laptop-type device 910 which is entirely made of metal.
  • the 3D-PIFA Coupling Antenna 900 may be configured on any side of the aperture structure 905.
  • the 3D-PIFA Coupling Antenna may be located between the hinges 906 and may be configured in other locations.
  • Figure 10 shows another example of a planar device with a 3D-PIFA Coupling antenna according to the present invention.
  • the direction of the opening surface 1001 is comprised in the state opened back.
  • FIG. 11 illustrates an example in which the 3D-PIFA Coupling antenna according to the present invention is applied to a laptop made of metal.
  • the 3D-PIFA Coupling antenna according to the present invention is actually installed on a laptop (A / B / C / D-cover is all made of metal material), and the 3D-PIFA Coupling antenna is located between the hinges.
  • FIG. 12 is a graph showing VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) performance of the 3D-PIFA coupling antenna according to the present invention.
  • the vertical axis represents a frequency band and the horizontal axis represents VSWR. In the vertical axis, it is indicated at 70 KHz intervals from 1.5 GHz to 7 GHz.
  • Four measuring points 1-4 are displayed at the lower end of a vertical axis
  • the 3D-PIFA Coupling Antenna according to the present invention exhibits an average of about -3 dB to -4 dB.
  • Figure 14 shows the performance of H-cut, E1-cut, E2-cut in a 2D radiation pattern.
  • the angle is displayed radially on the outside of the circle and the gain [dB] from the center of the circle.
  • H-cut is a plan view cut into the horizontal (2D) plane of the three-dimensional radiation pattern
  • E1-cut is a plan view cut into the front-back of the vertical (2D) plane of the three-dimensional radiation pattern
  • E2-cut is a three-dimensional radiation pattern
  • Side-to-side plan view of the vertical (2D) plane of the surface of the three-dimensional radiation pattern is an indicator to see in two dimensions.
  • the radiation pattern is a graphical representation of the farfield characteristics of the antenna in spatial or 2D or 3D.
  • Figure 15 compares the radiation pattern of the conventional PIFA and the proposed 3D-PIFA coupling antenna.
  • the figure on the left shows a radiation pattern by a conventional PIFA
  • the figure on the right shows a radiation pattern by a 3D-PIFA Coupling antenna according to the present invention.
  • the x, y, and z axes are shown, with the horizontal circle representing the Theta angle and the vertical circle representing the Phi angle.
  • the shaded one represents the radiation gain. The darker the shade, the larger the radiation gain.
  • the radiation pattern of the general PIFA is a peak point directed upward, whereas the 3D-PIFA coupling antenna according to the present invention, as shown in the right side of FIG. It can be seen that the peak point of the radiation pattern is directed to the front-side.
  • Peak gain is one of the indicators of the radiation gain, which indicates how much the radiation is concentrated in a specific direction compared to an isotropic or standard dipole antenna in which electromagnetic waves are radiated in all directions.
  • the proposed 3D-PIFA coupling antenna can construct an antenna having an aperture structure in a device to which a metal structure is applied.
  • Figure 16 shows the current flow (current flow) of the 3D-PIFA Coupling antenna according to the present invention.
  • the figure on the left shows the distribution of current flow by the conventional PIFA
  • the figure on the right shows the distribution of current flow by the 3D-PIFA Coupling antenna according to the present invention.
  • the white area around the antenna shows the distribution of current flow. Referring to the left figure of FIG. 16, a slight current flow is distributed in the lower left end of the antenna, while referring to the right figure of FIG. 16, it can be seen that a considerable current flow is distributed over the entire open area of the antenna.
  • the coupling coupling 1601 phenomenon occurs between the bent ground plane and the pattern, so that current is induced in the three-dimensional antenna three-dimensional structure to generate radiation. This results in significant current flow throughout the open area of the antenna.
  • 17 shows the form of a radiation pattern of an antenna applied to a planar device.
  • the figure on the left shows a radiation pattern by a conventional PIFA
  • the figure on the right shows a radiation pattern by a 3D-PIFA Coupling antenna according to the present invention.
  • the x, y, and z axes are shown, with the horizontal circle representing the Theta angle and the vertical circle representing the Phi angle.
  • the shaded one represents the radiation gain. The darker the shade, the larger the radiation gain.
  • the radiation pattern by the 3D-PIFA Coupling antenna according to the present invention is formed closer to the antenna based on the Phi axis and the direction is improved.
  • the 3D-PIFA Coupling antenna according to the present invention since the flow of current does not extend to the entire ground region but is induced inside the three-dimensional structure because of the structure of the ground plane of the bent antenna, the 3D-PIFA Coupling according to the present invention.
  • the radiation pattern of the antenna is formed close to the antenna with respect to the phi axis and the direction is improved.
  • the 3D-PIFA Coupling Antenna comprises a antenna having a characteristic of an aperture antenna structure by three-dimensionalizing a ground area, thereby allowing a laptop and a tablet. It has an effect that can be applied to all portable devices such as mobile phones.

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Abstract

금속 재질의 디바이스에 적용가능한 개선된 3D-PIFA Coupling 안테나가 개시된다. 3D-PIFA Coupling 안테나는 유한한 접지면 위에 사각의 패치가 놓인 형태로 전류 급전을 통하여 패치를 여기시켜 접지면과 함께 복사소자로서 역할을 하는 PIFA(Planar Inverted F Antenna)에 있어서, 상기 접지면은 이중으로 절곡된 것으로서 서로 평행하는 상면과 하면을 가지는 것을 특징으로 한다.

Description

[규칙 제26조에 의한 보정 24.03.2016]　금속 재질의 디바이스에 적용 가능한 입체 피파 커플링 안테나
본 발명은 PIFA(Planar Inverted F Antenna)에 관한 것으로서, 특히 금속 재질의 디바이스에 적용가능한 개선된 입체 피파 커프링(3D PIFA coupling) 안테나에 관한 것이다.
이동 통신 단말기의 소형화 및 다기능화에 따라 안테나 수납 공간의 여유가 적어짐에 따라 제한된 기판 크기를 가지는 휴대 단말기에 적용하기 위한 안테나의 소형화 기술이 요구되고 있다.
안테나의 소형화를 위해, 접힌 모노폴 안테나(Folded monopole antenna), IFA(Inverted F Antenna), PIFA(Planar Inverted F Antenna)가 연구되어져 왔다.
PIFA는 마이크로스트립 패치 안테나의 패치 아랫부분에서의 가운데 지점의 전계가 0이 되는 지점에 전계벽(electrical wall)을 놓아서 안테나 크기를 절반 이상 줄일 수 있는 소형 안테나의 일종으로서, 노트북 컴퓨터 또는 PDA의 보급이 증대되고 무선 인터넷 접속에 대한 요구가 증대됨에 따라 이동 단말기에 적용 가능한 유망한 안테나 형태이다.
도 1은 기본 PIFA의 구조를 도시한 것이다.
도 1을 참조하면, 종래의 PIFA(100)는 접지면(101) 및 패치(102)를 포함한다. 유한한 접지면(101) 위에 사각의 패치(102)가 놓인 형태로 전류 급전을 통하여 상기 패치(102)를 여기시켜 상기 접지면(101)과 함께 복사소자로서 역할을 하게 된다. 도 1에 있어서 점선으로 도시된 박스는 메탈 재질로 된 디바이스를 의미한다. 즉, 도 1은 PIFA(100)가 메탈 재질의 디바이스의 상부에 설치된 것을 도시한다.
도 1에 도시된 바와 같은 종래의 PIFA(100)는 접지면(101)이 평면(2차원)으로 구성되어 있고 안테나 방사의 방향은 z-axis 방향으로 형성된다.
이것은 최근 portable device에 적용되고 있는 metal cover(A/B/C/D cover가 모두 metal material)인 상태에서 안테나 성능이 현저히 저하되는 원인으로 나타난다.
이에 따라 메탈 재질의 디바이스에 적용할 수 있는 개선된 구조의 PIFA가 요구된다.
본 발명은 상기의 문제점을 해소하기 위하여 고안된 것으로서, 금속 소재의 커버를 가지는 Laptop, tablet, mobile phone등의 모든 portable device에 적용할 수 있는 입체 피파 커플링(3D-PIFA Coupling) 안테나를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하는 본 발명에 따른 입체 피파 커플링(3D-PIFA Coupling) 안테나는
유한한 접지면 위에 사각의 패치가 놓인 형태로 전류 급전을 통하여 상기 패치를 여기시켜 상기 접지면과 함께 복사소자로서 역할을 하는 PIFA에 있어서,
상기 접지면은 이중으로 절곡된 것으로서 서로 평행하는 상면과 하면을 가지는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 상면의 상기 하면에 대한 투영면의 면적은 상기 하면의 면적과 동일한 것이 바람직하다.
여기서, 상기 상면의 상기 하면에 대한 투영면의 면적은 상기 하면의 면적보다 작은 것이 바람직하다.
여기서, 상기 상면과 상기 하면의 양끝을 연결편을 사용하여 물리적으로 연결하는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 상면과 상기 하면의 양 측면을 연결벽을 사용하여 물리적으로 연결하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 입체 피파 커플링(3D-PIFA Coupling) 안테나는 접지(Ground) 영역을 입체화하여 개구면 안테나(aperture antenna structure)의 특징을 가지는 안테나로 구성함으로써, 랩탑(Laptop), 태블릿(tablet), 모바일 폰(mobile phone) 등의 모든 portable device에 적용할 수 있는 효과를 갖는다.
본 발명에 따른 입체 피파 커플링(3D-PIFA Coupling) 안테나는는 금속 재질(Metal material)로 구성된 디바이스에서 영향을 많이 받는 안테나에서 금속 재질에 의한 영향을 최소화하는 게 아니라 이것을 커플링(coupling)으로 이용하는 방식으로 안테나의 성능을 개선함으로써, 랩탑(Laptop), 태블릿(tablet), 모바일 폰(mobile phone) 등의 모든 portable device에 적용할 수 있는 효과를 갖는다.
도 1은 기본 PIFA의 구조를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 3D-PIFA Coupling 안테나의 일 실시예를 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 3D-PIFA Coupling 안테나의 다른 실시예를 도시한다.
도 4는 본 발명에 따른 3D-PIFA Coupling 안테나의 또 다른 실시예를 도시한다.]
도 5는 본 발명에 따른 3D-PIFA Coupling 안테나의 또 다른 실시예를 도시한다.
도 6은 본 발명에 따른 3D-PIFA Coupling 안테나의 실제 구성예를 도시한다.
도 7은 본 발명에 따른 3D-PIFA Coupling 안테나를 구비하는 평면형 디바이스의 일예를 도시한다.
도 8은 본 발명에 따른 3D-PIFA Coupling 안테나를 구비하는 평면형 디바이스의 다른 예를 도시한다.
도 9는 본 발명에 따른 3D-PIFA Coupling 안테나를 구비하는 평면형 디바이스의 또 다른 예를 도시한다.
도 10은 본 발명에 따른 3D-PIFA Coupling 안테나를 구비하는 평면형 디바이스의 또 다른 예를 도시한다.
도 11은 본 발명에 따른 3D-PIFA Coupling 안테나를 메탈 재질의 Laptop에 적용한 예를 도시한다.
도 12는 본 발명에 따른 3D-PIFA coupling 안테나의 VSWR 성능을 보이는 그래프이다.
도 13은 실제 챔버에서 측정한 efficiency, gain 데이터를 보인다.
도 14는 2D 방사 패턴(radiation pattern)으로 H-cut, E1-cut, E2-cut의 성능을 나타낸다.
도 15는 일반PIFA와 제안된 3D-PIFA coupling 안테나의 방사패턴을 비교한 것이다.
도 16은 본 발명에 따른 3D-PIFA Coupling 안테나의 전류흐름(current flow)을 보여준다.
도 17은 평면 디바이스에 적용된 안테나의 방사 패턴의 형태를 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른 3D-PIFA Coupling 안테나의 바람직한 실시예를 도시한다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 3D-PIFA Coupling 안테나(200)는 유한한 접지면(210;201, 202, 203) 위에 사각의 패치(220)가 놓인 형태로서, 전류 급전을 통하여 패치(220)를 여기시켜 접지면(210)과 함께 복사소자로서 역할을 하는 것임을 알 수 있다.
여기서, 접지면(210)을 이중으로 절곡시켜 서로 평행한 상면(203)과 하면(201)을 이루도록 하되, 상면(203)의 투영면적이 하면(201)의 면적과 동일하다.
도 2에 도시된 3D-PIFA Coupling 안테나(200)는 절곡된 접지면(210)으로 인해서 안테나에서 유기되는 전류의 흐름이 메탈 디바이스에 전기적/물리적으로 연결된 접지면(ground)에 확장되지 않고 입체형의 안테나 내부로 전류가 유기되어 방사 패턴의 방향이 x-axis으로 나타나게 된다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구성 및 동작을 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명에 따른 3D-PIFA Coupling 안테나의 일 실시예를 도시한다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 3D-PIFA Coupling 안테나(200)는 유한한 접지면(210;201, 202, 203) 위에 사각의 패치(220)가 놓인 형태로 전류 급전을 통하여 패치(220)를 여기시켜 접지면(210)과 함께 복사소자로서 역할을 하는 것임을 알 수 있다. 미설명부호 220은 패치를 나타낸다.
여기서, 접지면(210)을 이중으로 절곡시켜 서로 평행한 상면(203)과 하면(201)을 이루도록 하되, 상면(203)의 투영면적이 하면(201)의 면적과 동일하다. 미설명부호 202는 상면(203)과 하면(201) 사이를 잇는 측면이다.
도 2에 있어서 점선으로 도시된 박스는 메탈 재질로 된 디바이스를 의미한다. 즉, 도 2는 본 발명에 따른 3D-PIFA Coupling 안테나(200)가 메탈 재질의 디바이스의 상부에 설치된 것을 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 3D-PIFA Coupling 안테나의 다른 실시예를 도시한다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 3D-PIFA Coupling 안테나(300)는 접지면(310; 301, 302, 303)을 이중으로 절곡시킨 것임을 알 수 있다. 구체적으로 접지면(310)을 이중으로 절곡시켜 서로 평행한 상면(303)과 하면(301)을 이루도록 하되, 상면(303)의 투영면적이 하면(301)의 면적보다 작다. 미설명부호 320은 패치를 나타내며, 302는 상면(303)과 하면(301) 사이를 잇는 측면이다.
도 2 및 도 3에 도시된 3D-PIFA Coupling 안테나(200, 300)는 절곡된 접지면(210, 310)으로 인해서 안테나에서 유기되는 전류의 흐름이 메탈 디바이스에 전기적/물리적으로 연결된 접지면(ground)에 확장되지 않고 입체형의 안테나 내부로 전류가 유기되어 방사 패턴의 방향이 x-axis으로 나타나게 된다.
x-axis방향으로 안테나의 방사가 유도되면 메탈 커버(metal cover)가 적용된 디바이스에서 안테나의 손실을 줄일 수 있고 안테나가 열린(open) 방향으로 최대한의 방사가 이루어진다.
즉, 한쪽 방향(one-direction)으로 방사를 시킬 수 있는 개구면 구조(aperture structure)의 특징을 나타내는 안테나가 구성된다.
도 4는 본 발명에 따른 3D-PIFA Coupling 안테나의 또 다른 실시예를 도시한다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 3D-PIFA Coupling 안테나(400)는 절곡된 접지면(410; 401, 402, 403)의 하면(401)과 상면(403)을 연결핀(404)을 사용하여 서로 물리적으로 연결하여 구성한 것임을 알 수 있다. 미설명부호 420은 패치를 나타내며, 402는 상면(403)과 하면(401) 사이를 잇는 측면이다.
이렇게 물리적 연결된 패턴을 가짐으로써 3D-PIFA Coupling 안테나(400)의 방사 방향은 x-axis에 가까워진다. 연결핀(404)을 양쪽이 아니라 한쪽에만 형성한 것도 원하는 성능 구현이 가능한 구조가 된다.
도 5는 본 발명에 따른 3D-PIFA Coupling 안테나의 또 다른 실시예를 도시한다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 3D-PIFA Coupling 안테나(500)는 절곡된 접지면(520; 501, 502, 503)의 측면을 연결벽(504)을 사용하여 물리적으로 연결한 형태임을 알 수 있다. 도 5에 도시된 바의 3D-PIFA Coupling 안테나(500)에서도 안테나의 방사 방향을 x-axis로 보낼 수 있다. 미설명부호 520은 패치를 나타내며, 502는 상면(503)과 하면(501) 사이를 잇는 측면이다.
도 6은 본 발명에 따른 3D-PIFA Coupling 안테나의 실제 구성예를 도시한다.
도 6에 도시된 것은 speaker 일체형의 안테나 구조체를 보인다. 3D-PIFA Coupling 안테나가 Coaxial cable에 연결되어 RF module로 신호를 전달한다.
도 7은 본 발명에 따른 3D-PIFA Coupling 안테나를 구비하는 평면형 디바이스의 일예를 도시한다.
도 7을 참조하면, 상하면의 A-cover(702), B-cover(703)가 모두 메탈 재질이 적용되어있고 전후좌우상하의 총 6면 중 후방으로의 한쪽 면만 개구면(701)으로 열린 형태로 구성되어 있고 이 개구면(701)에 본 발명에 따른 3D-PIFA Coupling 안테나(700)가 구성되어 있다.
3D-PIFA Coupling 안테나(700)와 디바이스 간의 물리적/전기적 접속면은 접지면의 상면(704)과 접지면의 하면(705)이 모두 평면 device(700)에 물리적인 결합이 되거나 또는 어느 한 면만 결합되어도 된다.
도 8은 본 발명에 따른 3D-PIFA Coupling 안테나를 구비하는 평면형 디바이스의 다른 예를 도시한다.
도 8을 참조하면, 메탈 재질의 평판형 디바이스(801)의 상방으로의 한쪽 면만 개구면으로 열린 형태로 3D-PIFA Coupling 안테나(800)가 구성되어 있고, 접지면의 측면(802)와 하면(803)이 평면 device(801)에 물리적으로 결합되어 연결되거나 어느 하나만 연결되어도 된다.
도 9는 본 발명에 따른 3D-PIFA Coupling 안테나를 구비하는 평면형 디바이스의 또 다른 예를 도시한다.
도 9를 참조하면, A/B/C/D-cover(901, 902, 903, 904)가 전부 메탈 재질로 되어있는 laptop형 장치(910)에서도 적용할 수 있는 것을 알 수 있다. 3D-PIFA Coupling 안테나(900)는 개구면aperture structure(905)이 구성되는 어느 면(side)에서도 구성이 가능하다. 3D-PIFA Coupling 안테나는 hinge(906) 사이에 위치할 수도 있고 다른 위치에서도 구성이 가능하다.
도 10은 본 발명에 따른 3D-PIFA Coupling 안테나를 구비하는 평면형 디바이스의 또 다른 예를 도시한다.
도 10을 참조하면, 개구면(1001)의 방향이 후방으로 열려있는 상태로 구성되어 있다.
도 11은 본 발명에 따른 3D-PIFA Coupling 안테나를 메탈 재질의 Laptop에 적용한 예를 도시한다.
도 11과 같은 경우는 본 발명에 따른 3D-PIFA Coupling 안테나를 실제 laptop(A/B/C/D-cover가 모두 metal material)에 설치한 것으로서, 3D-PIFA Coupling 안테나는 hinge 사이에 위치한다.
도 12는 본 발명에 따른 3D-PIFA coupling 안테나의 VSWR(Voltage Standing Wave Ratio) 성능을 보이는 그래프이다.
도 12를 참조하면, WiFi2.4G/5G 전대역에서 3:1 이하의 성능을 보이는 것을 알 수 있다.
도 12에 있어서 종축은 주파수 대역을 나타내고 횡축은 VSWR을 나타낸다. 종축에 있어서 1.5GHz부터 7GHz까지 70KHz간격으로 표시되고 있다. 종축의 하단에서 4개의 측정 포인트(1~4)가 표시되고, 상측에 각 측정 포인트에 대한 주파수 및 측정값이 표시되고 있다.
도 13은 실제 챔버에서 측정한 efficiency, gain 데이터를 보인다.
도 13을 참조하면, 본 발명에 따른 3D-PIFA Coupling 안테나는 평균 -3dB~-4dB 정도의 성능을 나타내고 있음을 알 수 있다.
도 14는 2D 방사 패턴(radiation pattern)으로 H-cut, E1-cut, E2-cut의 성능을 나타낸다.
도 14에 있어서 왼쪽 그림은 H-Cut(Theta=90)을 도시하고, 가운데 그림은 E1-Cut(Phi=0)을 도시하며, 그리고 오른쪽 그림은 E2-Cut(Phi=90)을 도시한다. 각각의 그림에 있어서 원의 외측에 방사상으로 각도가 표시되고 원의 중심으로부터 게인[dB]이 표시된다.
여기서, H-cut는 3차원 radiation pattern의 Horizontal(2D)면으로 자른 평면도, E1-cut는 3차원 radiation pattern의 vertical(2D)면의 front-back으로 자른 평면도, E2-cut는 3차원 radiation pattern의 vertical(2D)면의 side-to-side로 자른 평면도로서 3차원 방사패턴을 2차원으로 보는 지표이다.
방사패턴은 안테나의 farfield 특성을 그래프적으로 공간상의 각으로 2D 혹은 3D로 표현한 것이다.
도 15는 일반PIFA와 제안된 3D-PIFA coupling 안테나의 방사패턴을 비교한 것이다.
도 15에 있어서, 왼쪽의 그림은 종래의 PIFA에 의한 방사패턴을 보이고, 오른쪽의 그림은 본 발명에 따를 3D-PIFA Coupling 안테나에 의한 방사패턴을 보인다. 각각의 그림에 있어서, x,y,z축이 표시되고, 수평의 원은 Theta각도를 나타내고 수직의 원은 Phi각도를 나탸낸다. 음영으로 표시되는 것이 방사 게인을 나타내며 음영이 짙을수록 방사 게인이 크다.
도 15의 왼쪽에 도시된 것과 같이 일반 PIFA의 방사패턴은 피크 포인트가 상방으로 향하는 것임에 비해 도 15의 오른쪽에 도시된 것과 같이 본 발명에 따른 3D-PIFA coupling 안테나는 접지면을 이중으로 절곡함에 의해 방사패턴의 피크 포인트가 전방(front-side)으로 향하는 것을 볼 수 있다.
peak gain은 방사이득을 나타내는 지표들 중의 하나로서 전 방향으로 전자파가 방사되는 등방성 혹은 표준 다이폴(dipole) 안테나에 비해 특정 방향으로 방사형태가 얼마나 집중되는 지를 나타낸다.
따라서 제안된 3D-PIFA coupling 안테나는 메탈 구조가 적용되는 디바이스에서 개구면(aperture structure)의 특징을 가지는 안테나를 구성할 수 있는 것을 알 수 있다.
도 16은 본 발명에 따른 3D-PIFA Coupling 안테나의 전류흐름(current flow)을 보여준다.
도 16에 있어서, 왼쪽의 그림은 종래의 PIFA에 의한 전류 흐름의 분포를 나타내며, 오른쪽의 그림은 본 발명에 따를 3D-PIFA Coupling 안테나에 의한 전류 흐름의 분포를 나타낸다. 각각의 그림에 있어서 안테나 주변의 흰색 부분은 전류 흐름의 분포를 나타낸다. 도 16의 왼쪽그림을 참조하면 안테나의 좌하단에서 약간의 전류 흐름이 분포하는 것에 비해 도 16의 오른쪽 그림을 참조하면, 안테나의 개구된 영역 전체에 걸쳐서 상당한 전류 흐름이 분포하는 것을 알 수 있다.
도 16의 오른쪽 그림에 의해 보여지는 본 발명에 따른 3D PIFA Coupling 안테나는 절곡된 접지면과 패턴 사이에서 커플링coupling(1601) 현상이 나타나 입체화된 안테나 3차원 구조에서 전류가 유기되어 방사가 생성되기 때문에 안테나의 개구된 영역 전체에 걸쳐서 상당한 전류 흐름이 분포하게 된다.
도 17은 평면 디바이스에 적용된 안테나의 방사 패턴의 형태를 도시한다.
도 17에 있어서, 왼쪽의 그림은 종래의 PIFA에 의한 방사패턴을 보이고, 오른쪽의 그림은 본 발명에 따른 3D-PIFA Coupling 안테나에 의한 방사패턴을 보인다. 각각의 그림에 있어서, x,y,z축이 표시되고, 수평의 원은 Theta각도를 나타내고 수직의 원은 Phi각도를 나탸낸다. 음영으로 표시되는 것이 방사 게인을 나타내며 음영이 짙을수록 방사 게인이 크다.
각각의 그림에 있어서 두 개의 고리가 보여지는 데 왼쪽의 그림에 있어서는 두 개의 고리 중에서 오른쪽 고리 즉, 안테나에서 멀리 있는 고리의 크기 및 방사 게인이 크고, 오른쪽의 그림에 있어서는 두 개의 고리 중에서 왼쪽 고리 즉, 안테나에서 가까이 있는 고리의 크기 및 방사 게인이 큰 것을 알 수 있다.
즉, 종래의 PIFA에 비해, 본 발명에 따른 3D-PIFA Coupling 안테나에 의한 방사패턴은 Phi축을 기준으로 안테나에 가깝게 형성되고 방향성(direction)이 개선된 것을 알 수 있다.
본 발명에 따른 3D-PIFA Coupling 안테나에 있어서, 절곡된 안테나의 접지면의 구조 때문에 전류의 흐름이 전체 접지 영역으로 확장되지 않고, 3차원 구조체 내부로 유기되기 때문에, 본 발명에 따른 3D-PIFA Coupling 안테나의 방사 패턴이 phi축을 기준으로 안테나에 가깝게 형성되고 방향성(direction)이 개선되게 된다.
본 발명에 따른 입체 피파 커플링(3D-PIFA Coupling) 안테나는 접지(Ground) 영역을 입체화하여 개구면 안테나(aperture antenna structure)의 특징을 가지는 안테나로 구성함으로써, 랩탑(Laptop), 태블릿(tablet), 모바일 폰(mobile phone) 등의 모든 portable device에 적용할 수 있는 효과를 갖는다.

Claims (5)

  1. 유한한 접지면 위에 사각의 패치가 놓인 형태로 전류 급전을 통하여 패치를 여기시켜 접지면과 함께 복사소자로서 역할을 하는 PIFA(Planar Inverted F Antenna)에 있어서,
    상기 접지면은 이중으로 절곡된 것으로서 서로 평행하는 상면과 하면을 가지는 것을 특징으로 하는 입체 피파 커플링(3D-PIFA Coupling) 안테나.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 상면의 상기 하면에 대한 투영면의 면적은 상기 하면의 면적과 동일한 것을 특징으로 하는 입체 피파 커플링(3D-PIFA Coupling) 안테나.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 상면의 상기 하면에 대한 투영면의 면적은 상기 하면의 면적보다 작은 것을 특징으로 하는 입체 피파 커플링(3D-PIFA Coupling) 안테나.
  4. 제1항에 있어서, 상기 상면과 상기 하면의 양끝을 연결편을 사용하여 물리적으로 연결하는 것을 특징으로 하는 입체 피파 커플링(3D-PIFA Coupling) 안테나.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 상면과 상기 하면의 양 측면을 연결벽을 사용하여 물리적으로 연결한 것을 특징으로 하는 입체 피파 커플링(3D-PIFA Coupling) 안테나.
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