WO2018043999A1 - 안테나 장치 및 이를 포함하는 전자 기기 - Google Patents

안테나 장치 및 이를 포함하는 전자 기기 Download PDF

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WO2018043999A1
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antenna
module
metal case
electronic device
array antenna
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백광현
김현진
김병철
박정민
이영주
허진수
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삼성전자 주식회사
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Definitions

  • the present invention relates to an antenna device and an electronic device including the same, and relates to an antenna device in which an array antenna is integrally formed in a metal case of an electronic device, and an electronic device including the same.
  • a 5G communication system or a pre-5G communication system is called a system after a 4G network (Beyond 4G Network) or a system after an LTE system (Post LTE).
  • 5G communication systems are being considered for implementation in the ultra-high frequency (mmWave) band (eg, about 28 gigahertz (28 GHz) band).
  • mmWave ultra-high frequency
  • 28 GHz gigahertz
  • beamforming, massive array multiple input / output (FD-MIMO), and FD-MIMO are used in 5G communication systems.
  • Array antenna, analog beam-forming, and large scale antenna techniques are discussed.
  • an array antenna when using an antenna of the ultra-high frequency (mmWave) band, an array antenna may be used to increase the overall gain of the antenna device.
  • an external front end module FEM
  • PA power amplifier
  • the performance of such an array antenna and an external front end module may be directly related to the performance of the entire communication system.
  • the transmission signal is generated in a radio frequency integrated circuit (RFIC), input to the front end module (or power amplifier), the signal input to the front end module It can be amplified and transmitted to other network entities via the array antenna.
  • RFIC radio frequency integrated circuit
  • a first wire may be connected between the RFIC and the power amplifier, and a second wire may be connected between the power amplifier and the antenna.
  • the connection structure of the first wiring and the second wiring may be inefficient.
  • the size of the antenna may be very small, about 10 mm, and tuning may be difficult.
  • S21 is important because an insertion loss is high in a feedline connected between an antenna element and a radio frequency integrated circuit (RFIC).
  • RFIC radio frequency integrated circuit
  • MIMO multi input multi output
  • more wires are required to be connected to the antenna, thus increasing stacking of a substrate (eg, a PCB).
  • a substrate eg, a PCB
  • performance degradation may occur in the case of an antenna designed within a limited substrate stack.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide an antenna device capable of reducing heat generation and increasing radiation efficiency of an antenna.
  • Another object of the present invention is to provide an antenna device capable of improving transmission insertion loss through interleaved arrangement with an exterior component.
  • an object of the present invention to overcome the antenna radiation limit by the metal case of the electronic device including the antenna device.
  • an antenna device includes an array antenna formed on a metal case of an electronic device, and the array antenna includes at least two antenna elements.
  • Antenna elements may operate in the same frequency band.
  • each of the at least two antenna elements may include a slot-shaped radiator penetrating the metal case.
  • each of the at least two antenna elements may be a patch antenna of any one of a circle, a rectangle, and a triangle.
  • the radiating part may be formed of two slots having a semicircular shape facing each other.
  • the radiating part may be a circular slot, and may further include an oxide film or a polycarbonate film formed on an upper surface of the metal case.
  • the RF (radio frequency) module located under the metal case; And a metal case connecting member connecting the RF module to the metal case and dissipating heat from the antenna element.
  • the upper surface of the RF module may further include at least one power amplifier formed surrounding the array antenna.
  • the apparatus may further include at least one power amplifier positioned between an upper surface of the RF module and a lower surface of the array antenna.
  • the RF module further includes a wiring located therein, the wiring may be connected to the array antenna and aperture feeding, and supply a signal to the antenna element through a coupling.
  • the upper wiring located on the upper surface of the RF module; And a wire located inside the RF module and directly connected to the top wire.
  • the apparatus may further include at least one heat dissipation via formed in the RF module.
  • the electronic device to achieve the above object, a metal case; And an array antenna formed in the metal case, wherein the array antenna includes at least two antenna elements, and the at least two antenna elements may operate in the same frequency band.
  • an antenna device capable of reducing heat generation and increasing radiation efficiency of an antenna.
  • the present invention can provide an antenna device capable of improving transmission insertion loss through interleaved arrangement with external components.
  • the present invention can overcome the antenna radiation limitation by the metal case of the electronic device including the antenna device.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating an antenna device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a portion of a side cross-sectional view of an antenna device and an electronic device including the same according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG 3 is a diagram illustrating a rear surface of an electronic device having an array antenna according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 4 is a view schematically illustrating a heat dissipation process of an electronic device according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of a coupling of an antenna element and an RF module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating an example of a perspective view of an antenna element and an RF module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a S11 graph illustrating antenna frequency band performance of an antenna device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating a radiation pattern of an antenna device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating an example of an array antenna according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 10 is a S11 graph illustrating antenna frequency band performance of an array antenna according to an embodiment of the present invention.
  • 11A and 11B illustrate radiation patterns of an array antenna according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view of a coupling between an antenna element and an RF module according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 illustrates a perspective view of a coupled state of an antenna element and an RF module according to another exemplary embodiment.
  • FIG. 14 is a diagram illustrating radiation efficiency when an antenna element and an RF module are combined according to another embodiment of the present invention.
  • 15 is a S11 graph showing antenna frequency band performance when an antenna element and an RF module are combined according to another embodiment of the present invention.
  • 16 is a view illustrating a portion of a side cross-sectional view of an antenna device and an electronic device including the same according to another embodiment of the present disclosure.
  • 17 is a diagram illustrating an example of a coupling relationship between an array antenna and a power amplifier according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 18 is a diagram illustrating another example of a coupling relationship between an array antenna and a power amplifier according to an embodiment of the present invention.
  • 19 is a side cross-sectional view of an antenna device and an electronic device including the same according to another exemplary embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 20 is a diagram illustrating a perspective view of an antenna device and an electronic device including the same according to another embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 21 is an exploded view of an antenna device and an electronic device including the same according to another exemplary embodiment.
  • FIG. 22 is an enlarged view of the antenna element according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 23 is a diagram illustrating examples of a wire connection method according to an embodiment of the present invention.
  • 24 is a diagram illustrating a connection relationship between an antenna element, a power amplifier, and an RFIC according to an embodiment of the present invention.
  • 25 and 26 are diagrams for describing an arrangement position in an electronic device of a power amplifier according to an embodiment of the present disclosure.
  • each component shown in the embodiments of the present invention are independently shown to represent different characteristic functions, and do not mean that each component is made of separate hardware or one software component unit.
  • each component is listed as a component for convenience of description, and at least two of the components may form one component, or one component may be divided into a plurality of components to perform a function.
  • the integrated and separated embodiments of each component are also included in the scope of the present invention without departing from the spirit of the invention.
  • the components may not be essential components for performing essential functions in the present invention, but may be optional components for improving performance.
  • the present invention can be implemented including only the components essential for implementing the essentials of the present invention except for the components used for improving performance, and the structure including only the essential components except for the optional components used for improving performance. Also included in the scope of the present invention.
  • each block of the flowchart illustrations and combinations of flowchart illustrations may be performed by computer program instructions. Since these computer program instructions may be mounted on a processor of a general purpose computer, special purpose computer, or other programmable data processing equipment, those instructions executed through the processor of the computer or other programmable data processing equipment may be described in flow chart block (s). It creates a means to perform the functions. These computer program instructions may be stored in a computer usable or computer readable memory that can be directed to a computer or other programmable data processing equipment to implement functionality in a particular manner, and thus the computer usable or computer readable memory. It is also possible for the instructions stored in to produce an article of manufacture containing instruction means for performing the functions described in the flowchart block (s).
  • Computer program instructions may also be mounted on a computer or other programmable data processing equipment, such that a series of operating steps may be performed on the computer or other programmable data processing equipment to create a computer-implemented process to create a computer or other programmable data. Instructions for performing the processing equipment may also provide steps for performing the functions described in the flowchart block (s).
  • ' ⁇ part' used in the present embodiment refers to software or a hardware component such as an FPGA or an ASIC, and ' ⁇ part' performs certain roles.
  • ' ⁇ ' is not meant to be limited to software or hardware.
  • ' ⁇ Portion' may be configured to be in an addressable storage medium or may be configured to play one or more processors.
  • ' ⁇ ' means components such as software components, object-oriented software components, class components, and task components, and processes, functions, properties, procedures, and the like. Subroutines, segments of program code, drivers, firmware, microcode, circuits, data, databases, data structures, tables, arrays, and variables.
  • the functionality provided within the components and the 'parts' may be combined into a smaller number of components and the 'parts' or further separated into additional components and the 'parts'.
  • the components and ' ⁇ ' may be implemented to play one or more CPUs in the device or secure multimedia card.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating an antenna device according to an embodiment of the present invention.
  • an antenna device may include an antenna 110, an external front end module (FEM) 120, and a radio frequency integrated circuit (RFIC) ( 130).
  • FEM external front end module
  • RFIC radio frequency integrated circuit
  • the antenna 110 may include an array antenna including at least two antenna elements, and may operate at a preset resonance frequency.
  • the array antenna 110 may include 16 antenna elements, where there are no separate RF switches, eight of which are transmit antenna elements, and eight are separated by receive antenna elements. Can be.
  • the external front end module 120 may include a power amplifier (PA), a low noise amplifier (LNA), a switch, and the like.
  • the front end module 120 may increase power of the antenna 110, reduce noise, and switch in transmission / reception (Rx / Tx) mode.
  • the external front end module 120 may be located outside the antenna 110 to increase the communication distance of the antenna device.
  • the terms external front end module and external power amplifier are used interchangeably. Can be.
  • the transmission signal is generated in the RFIC 130, input to the front end module (or power amplifier) 120, and the signal input to the front end module 120 is amplified to the antenna Via 110 may be transmitted to another network entity.
  • a connection loss may occur depending on the length of a wiring (not shown) connecting the RFIC 130 and the antenna 110.
  • a connection loss may occur per approximately 1 mm of wire length. Therefore, as the length of the wiring between the RFIC 130 and the antenna 110 increases, the connection loss increases as the length increases, which adversely affects the overall communication performance.
  • the current efficiency of the commercially available power amplifier (PA) is low, if the connection loss is 4 dB or more, about 85 to 95% of the power consumption can be generated as heat.
  • FIG. 2 is a view illustrating a portion of a side cross-sectional view of an antenna device and an electronic device including the same according to an embodiment of the present disclosure
  • FIG. 3 is a rear view of an electronic device having an array antenna according to an embodiment of the present disclosure. Figure is shown.
  • an electronic device may include an array antenna 210, a radio frequency (RF) module 220, and a main board 240.
  • the electronic device may be a user equipment (UE).
  • the electronic device may be an electronic device that communicates with other network entities such as a mobile phone, a smart phone, a PDA, a notebook, and the like.
  • the array antenna 210 may be formed in the metal case 213 of the electronic device, and may include at least two antenna elements 215.
  • the at least two antenna elements 215 may operate in the same frequency band.
  • the array antenna 210 may be formed in a portion of the rear surface of the metal case 213 of the electronic device. Although only one antenna element 215 is shown in FIG. 2, this is for convenience of description and a plurality of antenna elements 215 may be formed on the rear surface of the metal case 213 of the electronic device.
  • the metal case 213 may be made of a conductive material and a heat transferable material.
  • the metal case 213 may be made of a metal including aluminum.
  • each antenna element 215 may include a radiator 211 for radiating a signal from the antenna to the outside of the electronic device.
  • the radiator 211 may be formed on the rear surface of the metal case 213 so that the signal radiated from the antenna element 215 may be radiated to the outside of the electronic device.
  • the radiator 211 may have a slot shape penetrating the metal case 213 and may have a circular, rectangular, or triangular shape.
  • an array antenna 210 may be formed on the rear surface of the metal case 213 of the electronic device, and the array antenna 210 may include a plurality of antenna elements 215.
  • the array antenna 210 may include sixteen antenna elements 215 in four rows by four columns.
  • the antenna element 215 may be formed in a patch form including a slot 211 penetrating the metal case 213.
  • each antenna element 215 may be circular or rectangular or rectangular in shape.
  • the radiator 211 when the radiator 211 is in the form of the circular slot, the radiator 211 may be formed of two semicircular slots facing each other. This is so that the antenna elements 215 are not separated from the metal case 213 but have an integrated array antenna structure integrally coupled to the metal case 213.
  • the antenna element 215 may include two radiating portions 211 in the form of semicircles facing each other, and may be formed in the form of a stack couple patch in the form of a circle, a square or a triangle, and a metal case It may be partially shorted or open with 213.
  • the metal case 213 when the antenna is located inside the metal case 213, since the signal cannot pass through the metal case 213, in order for the antenna to emit a signal or for the antenna to receive the signal, the metal case 213 Some must be open.
  • the array antenna 210 when the array antenna 210 is integrally formed on the back of the metal case 213 of the electronic device, the array antenna 210 without forming a separate opening in a part of the metal case 213 ) Can transmit and receive signals.
  • the array antenna 210 is integrally formed on the rear surface of the metal case 213 of the electronic device, heat generated from the array antenna 210 may be directly emitted to the outside of the metal case 213.
  • the metal case 213 may include at least one metal case connecting member 217 coupling the metal case 213 and the RF module 230.
  • the metal case connection member 217 may be a connection bridge of various types, such as a screw and a pin.
  • the metal case connecting member 217 may be a heat conductive material capable of heat conduction.
  • heat generated from the array antenna 210 may be transferred to the RF module 220 through the metal case connecting member 217.
  • the heat transferred to the RF module 220 may be discharged to the outside of the electronic device through the heat dissipation via 270 and the heat dissipation unit (not shown) which will be described later.
  • the metal case connecting member 217 may serve as a heat dissipating member, and thus the metal case connecting member 217 may be referred to as an array antenna heat dissipating member.
  • a cavity may be formed between the metal case 213 and the RF module 220, and heat generated from the array antenna 210 may be discharged through the empty space to reduce heat generation.
  • the array antenna 210 is integrally formed with the metal case 213 of the electronic device, heat generated from the array antenna 210 is directly discharged to the outside of the electronic device through the metal case 213, or the metal
  • the heat dissipation unit (not shown) inside the electronic device may be discharged to the outside of the electronic device through the case connection member 217. That is, when the array antenna 210 is integrally formed on the metal case 213 of the electronic device according to an embodiment of the present invention, heat generated in the array antenna 210 is diffused in both directions, thereby reducing heat generation. The effect can be excellent.
  • the metal case 213 may further include an inner case 219 therein, and the rear case 219 may be made of plastic, metal, or the like to protect internal accessories of the electronic device. have.
  • the RF module 220 is an element for amplifying and converting a signal.
  • the RF module 220 may perform radio communication with another electronic device by transmitting and receiving radio frequencies.
  • processors (not shown) that control to perform the operation may be included.
  • the external power supply unit (not shown) may supply power to the RF module 220.
  • the RF module 220 may include an RF module substrate 221, and the RF module substrate 221 may be a printed circuit board (PCB).
  • a plurality of ground layers 227 may be formed in the RF module substrate 221.
  • the upper layer 225 formed on the upper surface of the RF module substrate 221 may contact the metal case 213 of the electronic device.
  • the upper layer 225 may be formed of an insulating material to insulate the RF module 220 and the metal case 213.
  • the array antenna 210 may use surface mounting technology (SMT), screws, or pogo pin blocks on the RF module substrate 221 of the RF module 220. Can be connected.
  • SMT surface mounting technology
  • a plurality of heat emission vias 270 may be formed in the RF module substrate 221 of the RF module 220.
  • the heat dissipation via 270 may serve to dissipate heat generated from the RF module 220 and the array antenna 210 positioned on the RF module 220.
  • the heat dissipation via 270 may be a via formed in a lower surface direction on an upper surface of the RF module substrate 221. Accordingly, heat generated from the RF module 220 and the array antenna 210 positioned on the RF module 220 may be transferred to the lower portion of the RF module 220 through the heat emission vias 170.
  • the heat transferred to the lower portion of the RF module 220 may be emitted through a heat dissipation unit (not shown) positioned under the RF module 220.
  • the heat dissipation part (not shown) may be a thermal interface material (TIM).
  • TIM thermal interface material
  • An RFIC 230 for supplying power to the array antenna 210 may be included below the RF module substrate 221 of the RF module 220.
  • the RFIC 230 may supply power to the array antenna 210 through the wiring 250 formed in the RF module substrate 221.
  • the connection of the wire 250 and the array antenna 210 may be aperture feeding as illustrated in FIG. 2. That is, the RFIC 230 supplies power to the wiring 250, and the power supplied to the wiring 250 may be supplied through coupling with the antenna element 215 included in the array antenna 210. Can be.
  • the top layer 225 may include a top opening 226 at a location corresponding to the antenna element 215. In the absence of the top opening 226, the signal supplied through the wiring 250 does not pass through the insulating top layer 225 formed on the top surface of the RF module substrate 221, so that the coupling with the antenna element 215 is prevented. Can't be done. When the top opening 226 is formed at a position corresponding to the antenna element 215 of the top layer 225, a signal supplied to the wiring 250 through the top opening 226 is transmitted to the antenna element 215. Can be.
  • an upper surface wire may be positioned on an upper surface of the RF module substrate 221, and the upper surface wire and the wiring 250 may be directly connected.
  • the top line and the antenna element 215 of the array antenna 210 may be coupled to supply a signal to the antenna element 215. Details thereof will be described later.
  • the main substrate 240 may control the overall operation of the electronic device.
  • processors (not shown) that control to perform the operation may be located on the main substrate 240.
  • the external power supply unit (not shown) may supply power to the main substrate 240.
  • the main substrate 240 may be a printed circuit board 221.
  • a main board connection member 260 for connecting the main board 240 and the RF module 220 may be located between the main board 240 and the RF module 220.
  • an insulation member 265 may be further included between the main board connection member 260 and the RF module 220.
  • the main substrate connecting member 260 may be a ball grid array (BGA), but is not limited thereto.
  • the main substrate connecting member 260 may be a tape, a film, a conductive tape, or the like.
  • both the RFIC 230 and the antenna 210 may be integrated into the main substrate 240.
  • FIG. 4 is a view schematically illustrating a heat dissipation process of an electronic device according to an embodiment of the present disclosure.
  • an electronic device may include an array antenna 210 integrally formed on a rear surface of the metal case 213.
  • the array antenna 210 may include at least two antenna elements 215, and the antenna elements 215 may operate in the same frequency band.
  • the antenna element 215 may include a radiator 211 for radiating a signal of the antenna to the outside of the electronic device.
  • an inner case 219 may be further included in the metal case 213.
  • the RF module 220 including the RFIC 230 may be connected to the array antenna 210, and the RF module 220 may be connected to the main substrate 240.
  • the controller 410 of the electronic device may be included on the surface opposite to the surface to which the RF module 220 is connected to the main substrate 240.
  • the controller 410 may include at least one processor 420 for controlling the electronic device, and the processor 420 may be, for example, a die.
  • the heat dissipation unit 430 may be connected to the control unit 410 to emit heat generated from the electronic device.
  • the heat dissipation unit 430 may be, for example, a TIM.
  • the support member 440 may be connected to the surface opposite to the surface on which the controller 410 is connected to the main substrate 240 to support the controller 410 and the main substrate 240.
  • the heat dissipation sheet 450 and the display unit 460 may be formed on the upper surface of the electronic device.
  • the display unit 460 may be a panel in which a plurality of pixels are arranged in a matrix form.
  • a liquid crystal display (LDC) an organic light emitting diode (OLED), and a passive matrix type may be used.
  • heat generated from the controller 410 may be transferred to the heat dissipation unit 430 and the main substrate 240 in a conductive manner.
  • the heat transferred to the heat dissipation unit 430 may be transferred to the heat dissipation sheet 450 in the form of conduction or radiation through the support member 440, and the heat may be transferred to the display unit 460 in the form of conduction or radiation.
  • the display unit 460 may emit heat to the outside of the electronic device in the form of convection or radiation.
  • the heat transferred by the controller 410 to the main substrate 240 may be transferred to the RF module 220 through the heat dissipation via 270 in the form of conduction or radiation.
  • the RF module 220 may transfer heat to the metal case 213 in the form of conduction or radiation through the metal case connecting member 217, and the heat may radiate heat to the outside of the electronic device in the form of convection or radiation. have.
  • Heat generated in the array antenna 210 may be immediately emitted in the form of convection or radiation to the outside of the metal case 213.
  • heat generated in the array antenna 210 is transferred to the RF module 220 in the form of conduction or radiation, which is in turn transferred to the main substrate 240, it may be conducted to the heat dissipation unit 430.
  • the heat dissipation unit 430 may radiate heat to the outside of the electronic device in the form of convection or radiation through the display unit 460 via the heat dissipation sheet 450 by conduction or radiation.
  • the heat generated by the array antenna 210 is directly discharged to the outside of the electronic device through the metal case 213 or through the heat dissipation unit 430 inside the electronic device through the metal case connecting member 217. Can be released to the outside of the.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of a combination of an antenna element and an RF module according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 6 illustrates an example of a perspective view of an antenna element and an RF module according to an embodiment of the present invention.
  • 7 is a S11 graph illustrating antenna frequency band performance of an antenna device according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 8 is a diagram illustrating a radiation pattern of the antenna device according to an embodiment of the present invention.
  • an array antenna 210 including antenna elements 215 may be formed in the metal case 213 of the electronic device.
  • the antenna element 215 may include a radiator 211, and the radiator 211 may be in the form of a slot 211 penetrating through the metal case 213.
  • each antenna element 215 may comprise a radiating portion 211 of a circular slot, which may be comprised of two opposing semicircular slots 211.
  • the RF module 210 may be coupled to the metal case 213. As described above with reference to FIGS. 2 to 4, the RF module 210 may include a wiring 250 that supplies power to the array antenna 210 inside the RF module substrate 221. In addition, a heat dissipation via 270 for dissipating heat generated by the RF module 220 may be further included.
  • a top layer 225 may be formed on the top surface of the RF module substrate 221, and the top layer 225 may include a top opening 226 at a position corresponding to the antenna element 215.
  • the upper surface opening 226 may be in a straight line shape as illustrated in FIG. 6B, or may have the same circular shape as the antenna element 215 as illustrated in FIG. 6C. There may be.
  • the wiring 250 may be connected to the antenna element 215 by aperture feeding as illustrated in FIG. 5.
  • the wiring 250 may extend from the bottom surface of the RF module substrate 221 to the middle layer of the RF module substrate 221.
  • the wiring 250 may extend in the height direction of the RF module substrate 221 starting from the fourth layer to the top of the second layer.
  • the wiring 250 may extend to at least the upper surface opening 226 in the area direction of the RF module substrate 221 between the first layer and the second layer. In this case, since the top opening 226 is formed at a position corresponding to the antenna element 215 of the top layer 225, the signal supplied to the wiring 250 is included in the antenna element included in the array antenna 210 ( 215 and may be delivered via coupling.
  • the coupling structure of the antenna element 215 and the RF module 220 may have a coupling structure of an IC, a substrate (eg, a PCB), and a metal cavity. have.
  • the wiring 250 and the antenna element 215 may be coupled through an aperture coupling feeding method, such that the RF module 210 may secure an impedance using a minimum layer.
  • a S11 graph showing antenna frequency band performance in an antenna structure in which an antenna element 215 is coupled to a metal case 213 is illustrated.
  • the frequency below -10 dB indicated by S11 is about 26 to 30 GHz
  • the bandwidth may have about 4 GHz. This can be confirmed that a bandwidth improvement of about 3 GHz can be obtained compared to the bandwidth of the existing patch antenna of 0.8 GHz.
  • the frequency gain may be about 6.03 dBi and the directivity may be about 7.43 dBi at a frequency of 28 GHz. And, it can be seen that the efficiency is about 72.4%. This can be seen that the gain of the conventional patch antenna is 4.46 dBi, the directivity is 6.99 dBi, the efficiency and the gain is increased compared to the efficiency of 59.8%.
  • FIG. 9 is a view showing an example of an array antenna according to an embodiment of the present invention
  • Figure 10 is a S11 graph showing the antenna frequency band performance of the array antenna according to an embodiment of the present invention
  • Figure 11a and Figure 11b illustrates a radiation pattern of an array antenna according to an embodiment of the present invention.
  • an array antenna 210 may include at least two antenna elements 215.
  • the antenna element 215 may be formed in the metal case 213 of the electronic device.
  • the array antenna 210 may include sixteen antenna elements 215 in four rows by four columns as illustrated in FIG. 9.
  • each of the antenna elements 215 may include a slot-shaped radiator 211 penetrating through the metal case 213.
  • eight of the sixteen antenna elements 215 may be transmitting antenna elements, and the remaining eight may operate as receiving antenna elements.
  • the slot-shaped radiator 211 may include two semicircular slots facing each other. Accordingly, the antenna element 215 can be integrally coupled to the metal case 213.
  • the antenna element 215 may be other than a circular patch.
  • antenna element 215 may be a patch of oval, square, rectangular, or triangular form.
  • the radiator 211 of the antenna element 215 may also be an oval, square, rectangular, or triangular slot.
  • the array antenna 210 may be designed by a metal working method.
  • the antenna elements 215 of the array antenna 210 may be formed in the metal case 213 by CNC machining.
  • the array antenna 210 may be formed by processing the metal case 213 by 3D printing.
  • the array antenna 210 may be manufactured by processing the metal case 213 in a 2nd PCB (high end or general FR4) method.
  • a frequency of -10 dB or less is about 27.3 to 29.5 GHz, and its bandwidth May have about 2.2 GHz.
  • 11A and 11B a radiation pattern is shown at 28 GHz, with a gain of about 17.85 dBi and directivity of 18.3 dBi. And, it can be seen that the efficiency is about 90%. This can be seen that compared to the performance of the existing patch antenna, the gain is about 2 dB, the bandwidth is about 1 GHz.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view of a coupling between an antenna element and an RF module according to another embodiment of the present invention
  • FIG. 13 is a perspective view of a coupling state of an antenna element and an RF module according to another embodiment of the present invention
  • 14 is a diagram illustrating radiation efficiency when an antenna element and an RF module are coupled according to another embodiment of the present invention
  • FIG. 15 is an antenna element and an RF according to another embodiment of the present invention. S11 graph showing the antenna frequency band performance when the modules are combined.
  • an antenna element 215 may be formed in the metal case 213 of the electronic device.
  • the antenna element 215 may include a thin metal film 1220 having a slot shape that does not penetrate the metal case 213. That is, as shown at 1220, the antenna element 215 may be formed in the form of a patch including a slot in which a thin metal film is passed to the metal case 213.
  • the upper surface of the metal case 213 may be oxidized by an anodizing technique. That is, when the anodizing technique is applied, an upper surface of the metal case 213 may be oxidized and corroded to generate an oxide film 1210.
  • the thin metal film 1220 remaining without the metal case 213 penetrating in the process of forming the antenna element 215 may be oxidized and disappear. That is, the thin metal film 1220 formed in a slot shape that does not penetrate the metal case 213 is oxidized and disappears in the process of anodizing the top surface of the metal case 213. Therefore, when the anodizing process is completed, the antenna element 215 may include a slot-shaped radiator 211 penetrating the metal case 213. Accordingly, an antenna element 215 comprising a circular slot 211 penetrating the metal case 213 may be integrally formed with the metal case 213.
  • anodizing the metal case 213 may serve to protect the product from external influences.
  • the oxide film 1210 formed on the surface of the metal case 213 may smoothly process the antenna elements 215 formed through the metal case 213 to increase aesthetics.
  • the antenna element 215 does not include two opposing semicircular slots 211, as shown in FIG. 215 may include a radiating portion of an open structure. That is, a radiating portion 1310 in the form of one circular slot penetrating the metal case 213 may be integrally coupled to the metal case 213 and included in the antenna element 215.
  • the antenna element 215 may be primarily formed in the form of a patch including a circular slot that does not penetrate the upper surface of the metal case 213.
  • the upper surface of the metal case 213 may be anodized to make the thin metal film 1220 disappear.
  • an antenna element 215 including a circular slot 1310 radiating portion may be formed.
  • the antenna element 215 since the circular metal plate 1320 separated by the penetrating circular slot 1310 is attached to the oxide film 1210 and does not fall off, the antenna element 215 may be integrally formed with the metal case 213.
  • an antenna element 215 may be formed in the metal case 213 of the electronic device.
  • the antenna element 215 may be formed by die casting and injection methods.
  • an antenna element 215 including a radiating portion formed by a circular slot 1240 having a shape penetrating through the metal case 213 may be formed by a die casting method. 213 may be formed.
  • a polycarbonate film 1230 including a complementary material, for example, polycarbonate may be applied on the top surface of the metal case 213.
  • the antenna device including the antenna element 215 including the radiators 1240 and 1310 of the open structure as described above may have an efficiency of 90% and a gain of 8.2 dBi as illustrated in FIG. 14. As shown in FIG. 15, a frequency of less than -10 dB may have a wideband characteristic in a band of about 22 GHz or more.
  • FIG. 16 is a view illustrating a portion of a side cross-sectional view of an antenna device and an electronic device including the same according to another embodiment of the present disclosure
  • FIG. 17 illustrates a coupling relationship between an array antenna and a power amplifier according to an embodiment of the present disclosure
  • FIG. 18 is a diagram illustrating an example of a coupling relationship between an array antenna and a power amplifier according to an embodiment of the present invention.
  • an electronic device may include an array antenna 210, an RF module 220, and a main board 240.
  • the electronic device may be a base station (Node Station, Node B, evolved Node B (eNB), etc.).
  • Node Station Node B
  • eNB evolved Node B
  • the array antenna 210 may be formed in the metal case 213 of the electronic device, and may include at least two antenna elements 215.
  • the at least two antenna elements 215 may operate in the same frequency band.
  • the antenna element 215 may include a radiator 211 for radiating a signal of the antenna to the electronic device. Since the array antenna 210 has been described above with reference to FIGS. 2 to 15, a detailed description thereof will be omitted.
  • the metal case 213 may include at least one metal case connecting member 217 coupling the metal case 213 and the RF module 220, and may be a heat conducting material capable of thermal conduction.
  • the RF module 220 may be connected to the array antenna 210 through the top layer 225.
  • a heat dissipation via 270 may be formed in the lower surface of the RF module 220 on the upper surface of the RF module substrate 221 of the RF module.
  • the wiring 250 is not illustrated in FIG. 16, this will be described later with reference to FIGS. 17 and 18.
  • An RFIC 230 may be disposed below the RF module substrate 221, and the RFIC may be connected to the heat radiating unit 430.
  • the RF module 220 may be connected through the main board 240 and the main board connecting member 260, and the heat dissipating unit 430 may be located under the main board 240.
  • the drawing shows that the RFIC 230 is directly connected to the heat dissipation unit 430, but is not limited thereto.
  • the main substrate 240 may be positioned below the RF module 220 and may be positioned on the main substrate above the RFIC 230.
  • the heat dissipation unit 430 may be disposed under the main substrate 240, and the RFIC 230 may not be directly connected to the heat dissipation unit 430.
  • the power amplifier (PA) 290 may be located on the upper surface of the RF module substrate 221 of the RF module 220.
  • the front end module FEM including the power amplifier 290 may be located on the top surface of the RF module substrate 221.
  • the power amplifier 290 will be exemplarily described on the upper surface of the RF module substrate 221.
  • the power amplifier 290 may be connected to the antenna elements 215 of the array antenna 210 through wiring.
  • the power amplifier 290 may be connected to the RFIC 230.
  • the power amplifiers 290 and the array antenna 210 may be located on the same plane. That is, the power amplifiers 290 may be positioned on the same plane as the array antenna 210 and surround the array antenna 210. And, each of the antenna elements 215 may be connected to the corresponding power amplifier 290 by wiring.
  • the power amplifiers 290 may be positioned on the top surface of the RF module substrate 221, and the array antenna 210 may be positioned on the power amplifier 290. That is, the power amplifier 290 and the array antenna 210 may have a stacked structure. At this time, as illustrated in FIG. 18, each of the power amplifiers 290 may be located at a lower portion closest to the antenna element 215 corresponding thereto. In this case, the wiring length of the power amplifier 290 and the antenna element 215 can be minimized, and the size of the antenna device can be reduced.
  • FIG. 19 is a side cross-sectional view of an antenna device and an electronic device including the same according to another embodiment of the present disclosure
  • FIG. 20 is a view illustrating an antenna device and an electronic device including the same according to another embodiment of the present disclosure
  • 21 is a view illustrating a perspective view of a device
  • FIG. 21 is an exploded view of an antenna device and an electronic device including the same according to another embodiment of the present invention
  • FIG. 22 is an antenna according to an embodiment of the present invention.
  • the main substrate 240 may be positioned on the heat dissipation part 430.
  • the RFIC 230 may be mounted in the central region of the main substrate 240.
  • an RFIC accommodating space may be formed in the central region of the main substrate 240 so that the RFIC 230 is coplanar with the main substrate 240.
  • the main substrate 240 may be connected to the RF module substrate 221 through the connection member 260.
  • a plurality of power amplifiers 290 may be positioned on the RF module substrate 221.
  • a heat dissipation via 270 may be formed in the RF module substrate 221 to dissipate heat generated by the power amplifier 290 to the heat dissipation unit 280.
  • the heat dissipation via 270 may be formed in the height direction of the RF module substrate 221 corresponding to the region where the power amplifier 290 is located.
  • a connection member 295 such as a conductive tape, is positioned on the plurality of power amplifiers 290 so that the power amplifier 290 may be connected to the metal case 213.
  • the antenna elements 215 corresponding to each of the plurality of power amplifiers 290 may be integrally formed in the metal case 213 to be formed in a region closest to the corresponding power amplifier 290.
  • the spacing d between each antenna element 215 may be about 0.5 to 1 lambda.
  • the antenna elements 215 may be integrated into the case 213 in the form of a shorting pin.
  • the antenna elements 215 are integrally formed in the metal case 213, heat generated from the antenna elements 215 may be directly discharged to the outside of the electronic device through the metal case 213.
  • the signal transmission and reception at the antenna element 215 may also be directly performed through the metal case 213, so that radiation efficiency may be increased.
  • transmission insertion loss may be improved by about 2 dB through interleaved placement with the external component.
  • FIG. 23 is a diagram illustrating examples of a wire connection method according to an embodiment of the present invention.
  • the wiring 250 may be located inside the RF module substrate 221 and may not be directly connected to the top wiring 255 positioned on the top surface of the RF module substrate 221.
  • a signal supplied to the wiring 250 by a coupling may be transmitted to the upper wiring 255 between the wiring 250 and the upper wiring 255.
  • a signal supplied to the top wire 255 may be transmitted to the antenna element 215 through another coupling between the top wire 255 and the antenna element 215.
  • the wiring 250 is located inside the RF module substrate 221, and the wiring 250 may supply a signal through coupling with the antenna element 215.
  • the top layer 225 is not shown between the RF module substrate 221 and the metal case 213, the top layer 225 is included between the RF module substrate 221 and the metal case 213.
  • the top layer 225 may include a top opening 226 at a location corresponding to the antenna element 215.
  • the wiring 250 may be directly connected to the upper wiring 255 positioned inside the RF module substrate 221 and positioned on the upper surface of the RF module substrate 221. have. Accordingly, the signal supplied to the wiring 250 may be directly transmitted to the upper wiring 255. Thereafter, a signal supplied to the top wire 255 may be transmitted to the antenna element 215 by the coupling between the top wire 255 and the antenna element 215.
  • the distance between the top wiring 255 and the antenna element 215 may vary depending on the embodiment. Accordingly, the distance between the top wiring 255 and the antenna element 215 may vary depending on the strength of the signal supplied, the driving frequency, and the like as in the third and fourth drawings of FIG.
  • FIGS. 24 and 26 are diagrams illustrating arrangement positions of electronic devices in a power amplifier according to an embodiment of the present invention. It is a figure explaining about.
  • the antenna element 215 may be integrally formed with the metal case 213.
  • the RF module substrate 221 may be positioned below the metal case 213, and the RFIC 230 may be positioned below the RF module substrate 221.
  • the power amplifier 290 may be located below the RF module substrate 221 on the same plane as the RFIC 230.
  • the RFIC 230 and the power amplifier 290 may be connected through the second wiring 257, and a signal generated by the RFIC 230 may be amplified by the power amplifier 290.
  • the power amplifier 290 and the top wiring 255 may be coupled to each other through aperture feeding through the first wiring 250. According to an embodiment, the power amplifier 290 and the top wiring 255 may be directly connected through the first wiring 250.
  • a heat emission via 270 connecting the power amplifier 290 and the metal case 213 may be formed inside the RF module substrate 221. Through the heat dissipation via 270, heat generated in the power amplifier 290 may be transferred to the metal case 213, and the heat may be discharged to the outside of the metal case 213.
  • the heat dissipation unit 430 may be positioned under the power amplifier 290, so that the heat generated by the power amplifier 290 may be discharged to the outside of the electronic device through the heat dissipation unit 430. Can be.
  • the power amplifier 290 may be located above the RF module substrate 221.
  • a power amplifier accommodation space may be formed in the metal case 213 in order to position the power amplifier 290.
  • the RFIC 230 and the power amplifier 290 may be connected through the second wiring 257, and a signal generated by the RFIC 230 may be amplified by the power amplifier 290.
  • the power amplifier 290 and the top wiring 255 may be coupled to each other through aperture feeding through the first wiring 250. According to an embodiment, the power amplifier 290 and the top wiring 255 may be directly connected through the first wiring 250.
  • a heat dissipation via 270 connecting the power amplifier 290 and the heat dissipation unit 430 positioned below the RF module substrate 221 may be formed in the RF module substrate 221.
  • heat generated in the power amplifier 290 may be transferred to the heat dissipation unit 430, and heat transferred to the heat dissipation unit 430 may be discharged to the outside of the electronic device.
  • heat generated in the power amplifier 290 may be transferred to the metal case 213 positioned above the power amplifier 290 in a radiation or convection manner. The heat transferred to the metal case 213 may be discharged to the outside of the metal case 213.

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Abstract

본 발명은 안테나 장치 및 이를 포함하는 전자 기기에 관한 것에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치는, 전자 기기의 금속 케이스에 형성된 어레이 안테나를 포함하고, 상기 어레이 안테나는 적어도 2 개의 안테나 요소들을 포함하고, 상기 적어도 2 개의 안테나 요소들은 동일한 주파수 대역에서 동작할 수 있다. 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 발열을 줄일 수 있고, 안테나의 방사 효율을 높일 수 있는 안테나 장치를 제공할 수 있다.

Description

안테나 장치 및 이를 포함하는 전자 기기
본 발명은 안테나 장치 및 이를 포함하는 전자 기기에 관한 것으로, 어레이 안테나가 전자 기기의 금속 케이스에 일체형으로 형성된 안테나 장치 및 이를 포함하는 전자 기기에 관한 것이다.
4G 통신 시스템 상용화 이후 증가 추세에 있는 무선 데이터 트래픽 수요를 충족시키기 위해, 개선된 5G 통신 시스템 또는 pre-5G 통신 시스템을 개발하기 위한 노력이 이루어지고 있다. 이러한 이유로, 5G 통신 시스템 또는 pre-5G 통신 시스템은 4G 네트워크 이후 (Beyond 4G Network) 통신 시스템 또는 LTE 시스템 이후 (Post LTE) 이후의 시스템이라 불리어지고 있다.
높은 데이터 전송률을 달성하기 위해, 5G 통신 시스템은 초고주파(mmWave) 대역(예를 들어, 약 28 기가헤르츠(28 GHz) 대역과 같은)에서의 구현이 고려되고 있다. 초고주파 대역에서의 전파의 경로손실 완화 및 전파의 전달 거리를 증가시키기 위해, 5G 통신 시스템에서는 빔포밍(beamforming), 거대 배열 다중 입출력(massive MIMO), 전차원 다중입출력(Full Dimensional MIMO: FD-MIMO), 어레이 안테나(array antenna), 아날로그 빔형성(analog beam-forming), 및 대규모 안테나 (large scale antenna) 기술들이 논의되고 있다.
한편, 초고주파(mmWave) 대역의 안테나를 사용하는 경우에, 안테나 장치의 전체 이득(gain)을 높이기 위해서 어레이 안테나(array antenna)를 사용할 수 있다. 그리고, 안테나의 전력을 증폭하기 위해서, 전력 증폭기(PA: power amplifier)가 포함된 외장 프론트 엔드 모듈(FEM: front end module)를 더 포함할 수 있다. 이와 같은 어레이 안테나 및 외장 프론트 엔드 모듈의 성능은 전체 통신 시스템의 성능에 직결될 수 있다.
한편, 안테나 장치의 전송 모드를 예를 들면, 전송 신호는 고주파 집적 회로(RFIC: radio frequency integrated circuit)에서 생성되어, 프론트 엔트 모듈(또는 전력 증폭기)로 입력되고, 프론트 엔트 모듈에 입력된 신호는 증폭되어 어레이 안테나를 통해 다른 네트워크 엔티티에게 전송될 수 있다.
이를 위해서, RFIC와 전력 증폭기 사이를 제1 배선(feedline)이 연결할 수 있고, 전력 증폭기와 안테나 사이를 제2 배선이 연결할 수 있다. 이때, 전력 증폭기가 어레이 안테나의 외곽에 배치되고, RFIC가 어레이 안테나의 하부에 위치하는 경우, 제1 배선 및 제2 배선의 연결 구조가 비효율적일 수 있다.
또한, 초고주파 대역 안테나의 경우, 공진 주파수 28 GHz를 사용하는 경우를 예를 들면, 안테나의 크기는 약 10 mm로 매우 작아 튜닝이 어려울 수 있다. 그리고, 고주파에서는 안테나 요소(antenna element)와 고주파 집적 회로(RFIC: radio frequency integrated circuit) 사이에 연결되는 배선(feedline)에서 인서션 로스(insertion loss)가 높아 S21이 중요하다.
그리고, MIMO(multi input multi output)이 적용되는 안테나 장치를 위해서는, 안테나와 연결되는 배선은 더 많이 필요하며, 따라서 기판(예를 들면, PCB)의 적층이 증가할 수 있다. 그리고, 기판의 높이와 안테나의 대역폭은 상관 관계가 있어, 제한된 기판 적층 내에서 설계된 안테나의 경우 성능 저하가 발생할 수 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 발열을 줄일 수 있고, 안테나의 방사 효율을 높일 수 있는 안테나 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 외장 부품과의 인터리브(interleaved) 배치를 통해 전송 인서션 로스(insertion loss)를 개선할 수 있는 안테나 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 안테나 장치를 포함하는 전자 기기의 금속 케이스에 의한 안테나 방사 한계를 극복할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치는, 전자 기기의 금속 케이스에 형성된 어레이 안테나를 포함하고, 상기 어레이 안테나는 적어도 2 개의 안테나 요소(element)들을 포함하고, 상기 적어도 2 개의 안테나 요소들은 동일한 주파수 대역에서 동작할 수 있다.
또한, 상기 적어도 2 개의 안테나 요소들 각각은 상기 금속 케이스를 관통하는 슬롯(slot) 형태의 방사부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 상기 적어도 2 개의 안테나 요소들 각각은 원형, 사각형, 삼각형 중 어느 하나의 형태의 패치(patch) 안테나일 수 있다.
또한, 상기 방사부는 서로 마주보는 반원 형태의 2개의 슬롯으로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 방사부는 원형의 슬롯이고, 상기 금속 케이스의 상면에 형성된 산화 막 또는 폴리카보네이트 막을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 금속 케이스의 하부에 위치하는 RF(radio frequency) 모듈; 및상기 RF 모듈과 상기 금속 케이스를 연결하고, 상기 안테나 요소의 열을 방출하는 금속 케이스 연결 부재를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 RF 모듈의 상면에서, 상기 어레이 안테나를 둘러싸고 형성되는 적어도 하나의 전력 증폭기를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 RF 모듈의 상면과 상기 어레이 안테나의 하면 사이에 위치하는 적어도 하나의 전력 증폭기를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 RF 모듈은 내부에 위치하는 배선을 더 포함하고, 상기 배선은 상기 어레이 안테나와 애퍼처 피딩(aperture feeding)으로 연결되고, 상기 안테나 요소에게 커플링을 통해 신호를 공급할 수 있다.
또한, 상기 RF 모듈의 상면에 위치하는 상면 배선; 및 상기 RF 모듈의 내부에 위치하고, 상기 상면 배선에 직접 연결되는 배선을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 RF 모듈의 내부에 형성되는 적어도 하나의 열 방출 비아(via)를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 실시 예에 따른 전자 기기는, 금속 케이스; 및 상기 금속 케이스에 형성된 어레이 안테나를 포함하고, 상기 어레이 안테나는 적어도 2 개의 안테나 요소(element)들을 포함하고, 상기 적어도 2 개의 안테나 요소들은 동일한 주파수 대역에서 동작할 수 있다.
본 명세서의 일 실시예에 따르면, 발열을 줄일 수 있고, 안테나의 방사 효율을 높일 수 있는 안테나 장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 외장 부품과의 인터리브(interleaved) 배치를 통해 전송 인서션 로스(insertion loss)를 개선할 수 있는 안테나 장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 안테나 장치를 포함하는 전자 기기의 금속 케이스에 의한 안테나 방사 한계를 극복할 수 있다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치의 블록 구성도를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치 및 이를 포함하는 전자 기기의 측단면도의 일부를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 어레이 안테나가 형성된 전자 기기의 배면을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전자 기기의 열 방출 과정을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 요소와 RF 모듈의 결합의 단면도를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 요소 및 RF 모듈의 사시도의 일 예를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치의 안테나 주파수 대역 성능을 보인 S11 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치의 방사 패턴을 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 어레이 안테나의 일 예를 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 어레이 안테나의 안테나 주파수 대역 성능을 보인 S11 그래프이다.
도 11a 및 도 11b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 어레이 안테나의 방사 패턴을 도시한 도면이다.
도 12는 본 발명의 다른 일 실시 예에 따른 안테나 요소와 RF 모듈의 결합의 단면도를 도시한 도면이다.
도 13은 본 발명의 다른 일 실시 예에 따른 안테나 요소와 RF 모듈의 결합 상태의 사시도를 도시한 도면이다.
도 14는 본 발명의 다른 일 실시 예에 따른 안테나 요소와 RF 모듈이 결합된 경우 방사 효율을 도시한 도면이다.
도 15는 본 발명의 다른 일 실시 예에 따른 안테나 요소와 RF 모듈이 결합된 경우 안테나 주파수 대역 성능을 보인 S11 그래프이다.
도 16은 본 발명의 다른 일 실시 예에 따른 안테나 장치 및 이를 포함하는 전자 기기의 측단면도의 일부를 도시한 도면이다.
도 17은 본 발명의 일 실시 예에 따른 어레이 안테나 및 전력 증폭기의 결합 관계의 일 예를 도시한 도면이다.
도 18은 본 발명의 일 실시 예에 따른 어레이 안테나 및 전력 증폭기의 결합 관계의 다른 일 예를 도시한 도면이다.
도 19는 본 발명의 또 다른 일 실시 예에 따른 안테나 장치 및 이를 포함하는 전자 기기의 측단면도를 도시한 도면이다.
도 20은 본 발명의 또 다른 일 실시 예에 따른 안테나 장치 및 이를 포함하는 전자 기기의 사시도를 도시한 도면이다.
도 21은 본 발명의 또 다른 일 실시 예에 따른 안테나 장치 및 이를 포함하는 전자 기기의 분해도를 도시한 도면이다.
도 22는 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 요소의 확대도를 도시한 도면이다.
도 23은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배선의 연결 방법에 대한 예들을 도시한 도면이다.
도 24는 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 요소, 전력 증폭기, RFIC의 연결 관계를 도시한 도면이다.
도 25 및 도 26은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 증폭기의 전자 기기 내 배치 위치에 관하여 설명하는 도면이다.
실시 예를 설명함에 있어서 본 명세서의 실시 예가 속하는 기술 분야에 익히 알려져 있고 본 명세서의 실시 예와 직접적으로 관련이 없는 기술 내용에 대해서는 설명을 생략한다. 이는 불필요한 설명을 생략함으로써 본 명세서의 실시 예의 요지를 흐리지 않고 더욱 명확히 전달하기 위함이다.
본 명세서에서 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있는 것을 의미할 수도 있고, 중간에 다른 구성 요소가 존재하여 전기적으로 연결되어 있는 것을 의미할 수도 있다. 아울러, 본 명세서에서 특정 구성을 "포함" 한다고 기술하는 내용은 해당 구성 이외의 구성을 배제하는 것이 아니며, 추가적인 구성이 본 발명의 실시 또는 본 발명의 기술적 사상의 범위에 포함될 수 있음을 의미한다.
그리고, 본 발명의 실시 예에 나타나는 구성부들은 서로 다른 특징적인 기능을 나타내기 위해 독립적으로 도시되는 것으로, 각 구성부들이 분리된 하드웨어나 하나의 소프트웨어 구성 단위로 이루어짐을 의미하지 않는다. 즉, 각 구성부는 설명의 편의상 각각의 구성부로 나열하여 포함한 것으로 각 구성부 중 적어도 두 개의 구성부가 하나의 구성부를 이루거나, 하나의 구성부가 복수 개의 구성부로 나뉘어져 기능을 수행할 수 있다. 각 구성부의 통합된 실시 예 및 분리된 실시 예도 본 발명의 본질에서 벗어나지 않는 한 본 발명의 권리 범위에 포함된다.
또한, 일부의 구성 요소는 본 발명에서 본질적인 기능을 수행하는 필수적인 구성 요소는 아니고 단지 성능을 향상시키기 위한 선택적 구성 요소일 수 있다. 본 발명은 단지 성능 향상을 위해 사용되는 구성 요소를 제외한 본 발명의 본질을 구현하는데 필수적인 구성부만을 포함하여 구현될 수 있고, 단지 성능 향상을 위해 사용되는 선택적 구성 요소를 제외한 필수 구성 요소만을 포함한 구조도 본 발명의 권리범위에 포함된다.
하기에서 본 명세서의 실시 예를 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 명세서의 실시 예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 이하 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서의 실시 예의 실시 예를 설명하기로 한다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
이 때, 처리 흐름도 도면들의 각 블록과 흐름도 도면들의 조합들은 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들에 의해 수행될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 범용 컴퓨터, 특수용 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서에 탑재될 수 있으므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서를 통해 수행되는 그 인스트럭션들이 흐름도 블록(들)에서 설명된 기능들을 수행하는 수단을 생성하게 된다. 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 특정 방식으로 기능을 구현하기 위해 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 지향할 수 있는 컴퓨터 이용 가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장되는 것도 가능하므로, 그 컴퓨터 이용가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장된 인스트럭션들은 흐름도 블록(들)에서 설명된 기능을 수행하는 인스트럭션 수단을 내포하는 제조 품목을 생산하는 것도 가능하다. 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에 탑재되는 것도 가능하므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에서 일련의 동작 단계들이 수행되어 컴퓨터로 실행되는 프로세스를 생성해서 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 수행하는 인스트럭션들은 흐름도 블록(들)에서 설명된 기능들을 실행하기 위한 단계들을 제공하는 것도 가능하다.
이 때, 본 실시 예에서 사용되는 '~부'라는 용어는 소프트웨어 또는 FPGA또는 ASIC과 같은 하드웨어 구성요소를 의미하며, '~부'는 어떤 역할들을 수행한다. 그렇지만 '~부'는 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. '~부'는 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다. 따라서, 일 예로서 '~부'는 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들, 및 변수들을 포함한다. 구성요소들과 '~부'들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 '~부'들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 '~부'들로 더 분리될 수 있다. 뿐만 아니라, 구성요소들 및 '~부'들은 디바이스 또는 보안 멀티미디어카드 내의 하나 또는 그 이상의 CPU들을 재생시키도록 구현될 수도 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치의 블록 구성도를 도시한 도면이다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치는 안테나(110), 외부 프론트 엔드 모듈(FEM: front end module)(120), 및 고주파 집적 회로(RFIC: radio frequency integrated circuit)(130)를 포함할 수 있다.
안테나(110)는 적어도 2 개의 안테나 요소(antenna element)를 포함하는 어레이 안테나(array antenna)를 포함할 수 있고, 미리 설정된 공진 주파수로 동작할 수 있다. 예를 들면, 어레이 안테나(110)는 16 개의 안테나 요소를 포함할 수 있고, 별도의 RF 스위치(switch)가 없을 경우, 이 중 8 개는 전송 안테나 요소이며, 8 개는 수신 안테나 요소로 분리할 수 있다.
그리고, 외부 프론트 엔드 모듈(120)은 전력 증폭기(PA: power amplifier), 저잡음 증폭기(LNA: low noise amplifier), 스위치(switch) 등을 포함할 수 있다. 상기 프론트 엔드 모듈(120)은 안테나(110)의 전력을 높여주고, 잡음을 줄여주고, 송신/수신(Rx/Tx) 모드의 스위칭을 할 수 있다. 그리고, 상기 외부 프론트 엔드 모듈(120)은 안테나 장치의 통신 거리를 높이기 위해서 안테나(110)의 외부에 위치할 수 있다. 한편, 상기 외부 프론트 엔드 모듈(120)의 전력 증폭 측면을 고려했을 경우에, 전력 증폭기가 그 역할을 수행하는 것이므로, 이하 설명의 편의를 위해서 외부 프론트 엔드 모듈과 외부 전력 증폭기라는 용어는 혼용되어 사용될 수 있다.
안테나 장치의 전송 모드를 예를 들면, 전송 신호는 RFIC(130)에서 생성되어, 프론트 엔트 모듈(또는 전력 증폭기)(120)로 입력되고, 프론트 엔트 모듈(120)에 입력된 신호는 증폭되어 안테나(110)를 통해 다른 네트워크 엔티티에게 전송될 수 있다.
한편, RFIC(130)와 안테나(110) 사이를 연결하는 배선(미도시)의 길이에 따라 연결 손실이 발생할 수 있다. 예를 들면, 공진 주파수 30 GHz에서 동작하는 안테나 장치에서, 배선의 길이 약 1 mm 당 약 0.25 dB의 연결 손실이 발생할 수 있다. 따라서, RFIC(130)와 안테나(110) 사이의 배선 길이가 길어지면 길어질수록 연결 손실이 증가하므로 이는 전체 통신 성능에 악영향을 끼친다. 또한 현재 상용화된 전력 증폭기(PA: power amplifier)의 효율이 낮아 연결 손실이 4 dB 이상인 경우 소비 전력의 약 85 내지 95%가 열로 발생할 수 있다.
따라서, 연결 손실을 줄이며, 효율적인 발열 저감 구조를 갖는 안테나 장치의 제공이 필요하다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치 및 이를 포함하는 전자 기기의 측단면도의 일부를 도시한 도면이고, 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 어레이 안테나가 형성된 전자 기기의 배면을 도시한 도면이다.
도 2 및 도 3을 참고하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 전자 기기는, 어레이 안테나(210), RF(radio frequency) 모듈(220), 및 메인 기판(240)을 포함할 수 있다. 이때, 상기 전자 기기는 사용자 단말(UE: user equipment)일 수 있다. 예를 들면, 전자 기기는 휴대폰, 스마트폰(smart phone), PDA, 노트북 등 다른 네트워크 엔티티와 통신을 수행하는 전자 기기일 수 있다.
상기 어레이 안테나(210)는 전자 기기의 금속 케이스(213)에 형성될 수 있으며, 적어도 2 개의 안테나 요소(antenna element)(215)를 포함할 수 있다. 그리고, 상기 적어도 2 개의 안테나 요소(215)들은 동일한 주파수 대역에서 동작할 수 있다. 또한, 실시 예에 따라서, 어레이 안테나(210)는 전자 기기의 금속 케이스(213)의 배면의 일부 영역에 형성될 수 있다. 도 2에서는 하나의 안테나 요소(215)만이 도시되어 있으나, 이는 설명의 편의를 위한 것으로, 전자기기의 금속 케이스(213)의 배면에 복수 개의 안테나 요소(215)들이 형성될 수 있다. 한편, 상기 금속 케이스(213)는 전도성 물질 및 열 전달 가능 물질로 구성될 수 있으며, 예를 들면, 상기 금속 케이스(213)는 알루미늄을 포함하는 금속으로 구성될 수 있다.
또한, 각각의 안테나 요소(215)는 안테나의 신호를 전자기기의 외부로 방사하기 위한 방사부(211)를 포함할 수 있다. 그리고 상기 방사부(211)는 금속 케이스(213)의 배면에 형성되어, 안테나 요소(215)에서 방사된 신호가 전자기기의 외부로 방사되도록 할 수 있다. 이때, 상기 방사부(211)는 상기 금속 케이스(213)을 관통하는 슬롯(slot) 형태일 수 있으며, 원형, 사각형, 삼각형 등의 형태일 수 있다.
도 3에 예시된 것과 같이, 전자 기기의 금속 케이스(213)의 배면에 어레이 안테나(210)가 형성될 수 있고, 상기 어레이 안테나(210)는 복수 개의 안테나 요소들(215)이 포함될 수 있다. 실시 예에 따라서, 상기 어레이 안테나(210)는 4행*4열의 16 개의 안테나 요소(215)들을 포함할 수 있다. 그리고, 안테나 요소(215)는 상기 금속 케이스(213)을 관통하는 슬롯(slot)(211)을 포함하는 패치(patch) 형태로 형성될 수 있다. 실시 예에 따라서, 각각의 안테나 요소(215)는 원형 또는 사각형 또는 사각형 형태일 수 있다. 그리고, 방사부(211)가 상기 원형 슬롯 형태인 경우, 방사부(211)는 2 개의 서로 마주보는 반원 형태의 슬롯으로 이루어질 수 있다. 이는, 안테나 요소(215)들이 금속 케이스(213)에서 분리되지 않고, 금속 케이스(213)에 일체형으로 결합된 일체형 어레이 안테나 구조를 갖도록 하기 위함이다. 한편, 안테나 요소(215)는 서로 마주보는 반원 형태의 2 개의 슬롯의 방사부(211)를 포함하고, 원형 또는 사각형 또는 삼각형 형태의 스택 커플 패치(stack couple patch) 형태로 이루어질 수 있고, 금속 케이스(213)와 일부 쇼팅(shorting)되어 있거나, 개방(open)되어 있을 수 있다.
한편, 안테나가 금속 케이스(213)의 내부에 위치하는 경우에는 신호가 상기 금속 케이스(213)를 통과할 수 없으므로, 안테나가 신호를 방사하거나 또는 안테나가 신호를 수신하기 위해서는 금속 케이스(213)의 일부가 개방된 형태이어야 한다. 반면, 본원 발명에서와 같이, 어레이 안테나(210)가 전자 기기의 금속 케이스(213)의 배면에 일체형으로 형성된 경우, 금속 케이스(213)의 일부에 별도의 개구를 형성하지 않아도 상기 어레이 안테나(210)가 신호를 송수신할 수 있다.
그리고, 어레이 안테나(210)가 전자 기기의 금속 케이스(213)의 배면에 일체형으로 형성됨으로써, 어레이 안테나(210)에서 발생하는 열은 상기 금속 케이스(213)의 외부로 직접 방출될 수 있다.
또한, 금속 케이스(213)는 상기 금속 케이스(213)와 RF 모듈(230)을 결합하는 적어도 하나의 금속 케이스 연결 부재(217)를 포함할 수 있다. 상기 금속 케이스 연결 부재(217)는 나사(screw), 핀(pin) 등 다양한 형태의 연결 브릿지(bridge)일 수 있다.
그리고, 상기 금속 케이스 연결 부재(217)는 열 전도가 가능한 열 전도 물질일 수 있다. 이때, 어레이 안테나(210)에서 발생한 열은 상기 금속 케이스 연결 부재(217)를 통해 RF 모듈(220)로 전달될 수 있다. 그리고, 상기 RF 모듈(220)로 전달된 열은, 후술할 열 방출 비아(via)(270) 및 열 방출부(미도시)를 통해 통해 전자 기기의 외부로 방출될 수 있다. 따라서, 상기 금속 케이스 연결 부재(217)는 열 방출 부재의 역할을 수행할 수 있으며, 따라서 상기 금속 케이스 연결 부재(217)는 어레이 안테나 열 방출 부재로 지칭될 수도 있다.
또한, 상기 금속 케이스(213)와 RF 모듈(220) 사이에는 빈 공간(cavity)가 형성되어 있을 수 있어, 어레이 안테나(210)에서 발생한 열이 상기 빈 공간을 통해 방출되어 발열 저감 효과가 있을 수 있다.
이와 같이, 상기 어레이 안테나(210)가 전자 기기의 금속 케이스(213)에 일체형으로 형성됨으로써, 어레이 안테나(210)에서 발생한 열은 금속 케이스(213)를 통해 직접 전자 기기의 외부로 방출되거나, 금속 케이스 연결 부재(217)를 통해 전자 기기 내부의 열 방출부(미도시)를 통해 전자 기기의 외부로 방출될 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시 예에 따라서 어레이 안테나(210)가 전자 기기의 금속 케이스(213)에 일체형으로 형성되는 경우에, 어레이 안테나(210)에서 발생되는 열은 양 방향으로 확산됨으로써, 발열 저감 효과가 우수할 수 있다.
실시 예에 따라서, 금속 케이스(213)는 내부에 내부 케이스(219)를 더 포함할 수 있고, 상기 배면 케이스(219)는 전자 기기의 내부 부속품들을 보호하기 위한 것으로 플라스틱, 금속 등으로 구성될 수 있다.
RF 모듈(220)은 신호를 증폭 변환하는 동작을 하는 구성 요소로, 무선 주파수(radio frequency)를 송수신함으로써 다른 전자 기기와 무선 통신을 수행하도록 하는 동작을 할 수 있다. 이를 위해서 상기 동작을 수행하도록 제어하는 프로세서들(미도시)이 포함될 수 있다. 그리고, 외부 전원 공급부(미도시)는 RF 모듈(220)에게 전원을 공급할 수 있다. 또한, RF 모듈(220)은 RF 모듈 기판(221)을 포함할 수 있고, 상기 RF 모듈 기판(221)은 인쇄 회로 기판(PCB: printed circuit board)일 수 있다. 상기 RF 모듈 기판(221) 내에는 다수의 그라운드 층(227)이 형성되어 있을 수 있다. 그리고, 상기 RF 모듈 기판(221)의 상면에 형성된 상면 층(225)은 전자 기기의 금속 케이스(213)와 접촉할 수 있다. 그리고 상기 상면 층(225)은 절연 물질로 구성되어, RF 모듈(220)과 금속 케이스(213)을 절연하는 역할을 할 수 있다. 한편, 어레이 안테나(210)는 RF 모듈(220)의 RF 모듈 기판(221)에 표면 실장 기술(SMT: surface mounting technology), 나사(screw), 또는 포고 핀 블록(pogo pin block) 등을 이용하여 연결될 수 있다.
그리고, 상기 RF 모듈(220)의 RF 모듈 기판(221) 내에는 복수 개의 열 방출 비아(270)가 형성되어 있을 수 있다. 상기 열 방출 비아(via)(270)는 RF 모듈(220) 및 RF 모듈(220)의 상부에 위치하는 어레이 안테나(210)에서 발생하는 열을 방출시키는 역할을 할 수 있다. 실시 예에 따라서, 상기 열 방출 비아(270)는 RF 모듈 기판(221)의 상면에서 하면 방향으로 형성된 비아(via)일 수 있다. 이에 따라, RF 모듈(220) 및 RF 모듈(220)의 상부에 위치하는 어레이 안테나(210)에서 발생한 열은 열 방출 비아(170)을 통해 RF 모듈(220)의 하부로 전달될 수 있다. 그리고, RF 모듈(220)의 하부로 전달된 열은, RF 모듈(220)의 하부에 위치하는 열 방출부(미도시)를 통해 방출될 수 있다. 한편, 상기 열 방출부(미도시)는 TIM(thermal interface material)일 수 있다. 이를 통해, 어레이 안테나(210) 및 RF 모듈(220)이 발열로 인해 발생할 수 있는 성능 저하(예를 들면, 이득 감소, 속도 저하 등)가 줄어들 수 있다.
RF 모듈(220)의 RF 모듈 기판(221)의 하부에는 어레이 안테나(210)에 전력을 공급하는 RFIC(230)가 포함될 수 있다. 상기 RFIC(230)는 RF 모듈 기판(221) 내에 형성된 배선(250)을 통해 상기 어레이 안테나(210)에 전력을 공급할 수 있다.
실시 예에 따라서, 상기 배선(250)과 어레이 안테나(210)의 연결은 도 2에 예시된 것과 같이 애퍼처 피딩(aperture feeding)으로 될 수 있다. 즉, RFIC(230)는 배선(250)에 전력을 공급하고, 상기 배선(250)에 공급된 전력은 어레이 안테나(210)에 포함되는 안테나 요소(215)와 커플링(coupling)을 통해 공급될 수 있다. 이를 위해서, 도면에 도시된 것과 같이 상기 상면 층(225)은 안테나 요소(215)에 대응하는 위치에 상면 개구부(226)를 포함할 수 있다. 상면 개구부(226)가 없는 경우, 배선(250)을 통해 공급된 신호는 RF 모듈 기판(221)의 상면 상에 형성된 절연성 상면 층(225)을 통과하지 못해, 안테나 요소(215)와 커플링이 이루어질 수 없다. 상면 층(225)의 상기 안테나 요소(215)에 대응하는 위치에 상면 개구부(226)가 형성된 경우에는 상기 상면 개구부(226)를 통해 배선(250)에 공급된 신호가 안테나 요소(215)로 전달될 수 있다.
또는 실시 예에 따라서, RF 모듈 기판(221)의 상면 상에 상면 배선이 위치하고, 상기 상면 배선과 상기 배선(250)이 직접 연결(direct feeding)될 수 있다. 그리고, 상기 상면 배선과 어레이 안테나(210)의 안테나 요소(215)가 커플링이 되어 신호가 안테나 요소(215)로 공급될 수 있다. 이에 대한 구체적인 내용은 후술하도록 한다.
한편, 메인 기판(240)은 전자 기기의 전반적인 동작을 제어할 수 있다. 이를 위해서 상기 동작을 수행하도록 제어하는 프로세서들(미도시)이 메인 기판(240)에 위치할 수 있다. 그리고, 외부 전원 공급부(미도시)는 메인 기판(240)에게 전원을 공급할 수 있다. 또한, 메인 기판(240)은 인쇄 회로 기판(221)일 수 있다.
그리고, 상기 메인 기판(240)과 RF 모듈(220)의 연결을 위한 메인 기판 연결 부재(260)가 상기 메인 기판(240)과 RF 모듈(220)의 사이에 위치할 수 있다. 실시 예에 따라서, 상기 메인 기판 연결 부재(260)와 RF 모듈(220) 사이에는 절연 부재(265)가 더 포함될 수 있다. 상기 메인 기판 연결 부재(260)는 볼 그리드 어레이(BGA: ball grid array)일 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다. 예를 들면, 메인 기판 연결 부재(260)는 테이프, 필름, 전도성 테이프(conductive tape) 등일 수 있다. 또한, 실시 예에 따라 메인 기판(240)내에 RFIC(230)와 안테나(210)가 모두 일체화될 수도 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전자 기기의 열 방출 과정을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4를 참고하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 전자 기기는 금속 케이스(213)의 배면에 일체형으로 형성된 어레이 안테나(210)를 포함할 수 있다. 이때, 상기 어레이 안테나(210)는 적어도 두 개의 안테나 요소(215)를 포함할 수 있고, 안테나 요소(215)들은 동일한 주파수 대역에서 동작할 수 있다. 그리고 상기 안테나 요소(215)는 안테나의 신호를 전자기기의 외부로 방사하기 위한 방사부(211)를 포함할 수 있다. 또한, 상기 금속 케이스(213)의 내부에는 내부 케이스(219)가 더 포함될 수 있다.
그리고, 상기 어레이 안테나(210)에는 RFIC(230)를 포함하는 RF 모듈(220)이 연결되고, 상기 RF 모듈(220)은 메인 기판(240)에 연결될 수 있다. 상기 메인 기판(240)의 상기 RF 모듈(220)이 연결된 면의 반대편 면에는 전자 기기의 제어부(410)가 포함될 수 있다. 상기 제어부(410)는 전자 기기를 제어하도록 하기 위한 적어도 하나의 프로세서(420)가 포함될 수 있고, 상기 프로세서(420)는 예를 들면 다이(die)일 수 있다. 그리고, 실시 예에 따라서 상기 제어부(410)에는 열 방출부(430)가 연결되어 전자 기기에서 발생하는 열을 방출할 수 있다. 상기 열 방출부(430)는 예를 들면, TIM일 수 있다.
실시 예에 따라서, 제어부(410)가 메인 기판(240)과 연결되는 면의 반대편 면에는 지지부재(440)가 연결되어, 상기 제어부(410) 및 메인 기판(240)을 지지할 수 있다.
또한, 전자 기기의 상면에는 방열 시트(450)와 표시부(460)가 형성될 수 있다. 상기 표시부(460)은 복수의 화소들이 행렬 형태로 배열된 패널일 수 있으며, 예를 들면, 액정 표시 장치(LDC: liquid crystal display), 유기 발광 다이오드(OLED: organic light emitting diode), 패시브 매트릭스형 유기 발광 표시 장치(PMOLED: passive matrix OLED), 액티브 매트릭스형 유기 발광 표시 장치(AMOLED: active matrix OLED) 등일 수 있다.
이때, 도 4 및 도 3을 참고하면, 제어부(410)에서 발생한 열은 전도 방식으로 열 방출부(430), 메인 기판(240) 방향으로 전달될 수 있다. 열 방출부(430)로 전달된 열은 지지부재(440)를 통해 전도 또는 복사 형태로 방열 시트(450)로 전달되고, 이 열은 다시 전도 또는 복사 형태로 표시부(460)로 전달될 수 있다. 그리고, 표시부(460)에서는 대류 또는 복사 형태로 전자 기기의 외부로 열을 방출할 수 있다. 한편, 제어부(410)가 메인 기판(240)으로 전달한 열은 열 방출 비어(270)를 통해 RF 모듈(220)로 전도 또는 복사 형태로 전달될 수 있다. 그리고 RF 모듈(220)은 금속 케이스 연결 부재(217)를 통해 전도 또는 복사 형태로 열을 금속 케이스(213)로 전달하고, 이 열은 대류 또는 복사 형태로 전자 기기의 외부로 열을 방출할 수 있다.
어레이 안테나(210)에서 발생한 열은 금속 케이스(213)의 외부로 대류 또는 복사 형태로 바로 방출될 수 있다. 또한, 어레이 안테나(210)에서 발생한 열은 전도 또는 복사 형태로 RF 모듈(220)로 전달되고, 이는 다시 메인 기판(240)에 전달되고, 열 방출부(430)로 전도될 수 있다. 그리고 열 방출부(430)는 전도 또는 복사로 방열 시트(450)를 거쳐 표시부(460)를 통해 대류 또는 복사 형태로 전자 기기의 외부로 열을 방출할 수 있다.
이와 같이 어레이 안테나(210)에서 발생한 열은 금속 케이스(213)를 통해 직접 전자 기기의 외부로 방출되거나, 금속 케이스 연결 부재(217)를 통해 전자 기기 내부의 열 방출부(430)를 통해 전자 기기의 외부로 방출될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 요소와 RF 모듈의 결합의 단면도를 도시한 도면이고, 도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 요소 및 RF 모듈의 사시도의 일 예를 도시한 도면이고, 도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치의 안테나 주파수 대역 성능을 보인 S11 그래프이고, 도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치의 방사 패턴을 도시한 도면이다.
도 5 및 도 6의 (a)를 참고하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 전자 기기는 안테나 요소(215)들이 포함된 어레이 안테나(210)가 전자 기기의 금속 케이스(213)에 형성될 수 있다. 그리고, 안테나 요소(215)는 방사부(211)를 포함할 수 있고, 상기 방사부(211)는 상기 금속 케이스(213)을 관통하는 슬롯(slot)(211)형태일 수 있다. 실시 예에 따라서, 각각의 안테나 요소(215)는 원형 슬롯의 방사부(211)를 포함할 수 있으며, 상기 원형 슬롯은 2 개의 서로 마주보는 반원형태의 슬롯(211)으로 이루어질 수 있다.
그리고, RF 모듈(210)이 상기 금속 케이스(213)에 결합할 수 있다. RF 모듈(210)은 상기 도 2 내지 도 4와 관련된 부분에서 설명한 것과 같이, RF 모듈 기판(221)의 내부에 어레이 안테나(210)에 전력을 공급하는 배선(250)이 포함될 수 있다. 그리고, RF 모듈(220)에서 발생한 열을 방출하기 위한 열 방출 비아(270)가 더 포함될 수 있다.
또한, RF 모듈 기판(221)의 상면 상에는 상면 층(225)이 형성되고, 상기 상면 층(225)은 안테나 요소(215)에 대응하는 위치에 상면 개구부(226)를 포함할 수 있다. 이때, 상기 상면 개구부(226)는 도 6의 (b)에 예시된 것과 같이 직선 형태로 되어 있을 수도 있고, 도 6의 (c)에 예시된 것과 같이 안테나 요소(215)와 동일한 원형 형태로 되어 있을 수도 있다.
그리고, 상기 배선(250)은 도 5에 예시된 것과 같이 애퍼처 피딩(aperture feeding)으로 안테나 요소(215)에 연결될 수 있다. 좀 더 구체적으로 살펴보면, 배선(250)은 RF 모듈 기판(221)의 하면에서 연장되어 RF 모듈 기판(221)의 중간 층까지 연장될 수 있다. 예를 들면, RF 모듈 기판(221)이 4 개의 층으로 이루어진 경우에, 배선(250)은 제4 층에서 시작하여 제2 층의 상부까지 RF 모듈 기판(221)의 높이 방향으로 연장할 수 있다. 그리고 배선(250)은 제1 층과 제2 층 사이에서 RF 모듈 기판(221)의 면적 방향으로 적어도 상기 상면 개구부(226)까지 연장될 수 있다. 이 경우, 상면 층(225)의 상기 안테나 요소(215)에 대응하는 위치에 상면 개구부(226)가 형성되어 있으므로, 배선(250)에 공급된 신호는 어레이 안테나(210)에 포함되는 안테나 요소(215)와 커플링(coupling)을 통해 전달될 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 요소(215)와 RF 모듈(220)의 결합 구조는, IC, 기판(예를 들면, PCB), 금속 캐비티(metal cavity)의 결합 구조를 가질 수 있다. 그리고, 애퍼처 커플링 피딩(aperture coupling feeding) 방식을 통해 배선(250)과 안테나 요소(215)가 결합됨으로써, RF 모듈(210)이 최소 층을 이용해 임피던스(impedance)를 확보할 수 있다.
도 7을 참고하면, 금속 케이스(213)에 안테나 요소(215)가 결합된 안테나 구조에서 안테나 주파수 대역 성능을 보인 S11 그래프가 도시되어 있다. 그래프를 참고하면, S11이 나타내는 -10 dB 이하의 주파수는 약 26 내지 30 GHz로, 그 대역폭은 약 4 GHz 을 가질 수 있다. 이는 기존 패치 안테나의 대역폭 0.8 GHz에 비해서 약 3 GHz의 대역폭 개선 효과를 얻을 수 있음을 확인할 수 있다.
그리고, 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치의 방사 패턴을 도시한 도 8을 참고하면, 28 GHz의 주파수에서 주파수 이득은 약 6.03 dBi이고, 지향성(directivity)은 약 7.43 dBi일 수 있다. 그리고, 그에 따른 효율은 약 72.4 % 임을 확인할 수 있다. 이는 기존 패치 안테나의 이득이 4.46 dBi이고, 지향성이 6.99 dBi이며, 효율이 59.8%인 것에 비하여 그 효율 및 이득이 증가하는 것임을 알 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 어레이 안테나의 일 예를 도시한 도면이고, 도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 어레이 안테나의 안테나 주파수 대역 성능을 보인 S11 그래프이고, 도 11a 및 도 11b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 어레이 안테나의 방사 패턴을 도시한 도면이다.
도 9를 참고하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 어레이 안테나(210)는 적어도 2 개의 안테나 요소(215)를 포함할 수 있다. 그리고, 상기 안테나 요소(215)는 전자 기기의 금속 케이스(213)에 형성될 수 있다.
실시 예에 따라서, 어레이 안테나(210)는 도 9에 예시된 것과 같이 4행*4열의 16 개의 안테나 요소(215)들을 포함할 수 있다. 또한, 상기 도 2 내지 도 8과 관련된 부분에서 설명한 것과 같이 안테나 요소(215) 각각은 금속 케이스(213)를 관통하는 슬롯 형태의 방사부(211)를 포함할 수 있다. 이때, 상기 16 개의 안테나 요소(215)들 중 8 개는 전송용 안테나 요소이며, 나머지 8 개는 수신용 안테나 요소로 동작할 수도 있다.
상기 슬롯 형태의 방사부(211)는 2 개의 서로 마주보는 반원 형태의 슬롯으로 이루어질 수 있다. 이에 따라서, 안테나 요소(215)는 금속 케이스(213)에 일체형으로 결합될 수 있다.
한편, 도시되지 않았지만, 상기 안테나 요소(215)는 원형 패치 형태가 아닌 다른 형태일 수도 있다. 예를 들면, 안테나 요소(215)는 타원형, 정사각형, 직사각형, 또는 삼각형 형태의 패치일 수도 있다. 그리고 상기 안테나 요소(215)의 방사부(211)도 타원형, 정사각형, 직사각형, 또는 삼각형 형태의 슬롯일 수도 있다.
그리고, 상기 어레이 안테나(210)는 금속 가공 방식으로 설계될 수 있다. 예를 들면, CNC 가공 방식으로 어레이 안테나(210)의 안테나 요소(215)들을 금속 케이스(213)에 형성할 수 있다. 또는 3D 프린팅(printing) 방식으로 금속 케이스(213)를 가공하여 상기 어레이 안테나(210)를 형성할 수도 있다. 또는 실시 예에 따라서 2nd PCB (high end 또는 일반 FR4) 방식으로 금속 케이스(213)가 가공되어 어레이 안테나(210)가 제작될 수도 있을 것이다.
이와 같이 원형 슬롯(211)의 방사부를 포함하는 패치 형태의 안테나 요소(215)들이 포함된 어레이 안테나의 경우, 도 10을 참고하면, - 10 dB 이하의 주파수는 약 27.3 내지 29.5 GHz로, 그 대역폭은 약 2.2 GHz 을 가질 수 있다. 그리고, 도 11a 및 도 11b를 참고하면, 28 GHz에서의 방사 패턴이 도시되어 있는데, 이득은 약 17.85 dBi이고, 지향성은 18.3 dBi임을 확인할 수 있다. 그리고, 그에 따른 효율은 약 90% 임을 확인할 수 있다. 이는 기존 패치 안테나의 성능 대비, 이득은 약 2 dB, 대역폭은 약 1 GHz 개선되는 것을 확인할 수 있다.
도 12는 본 발명의 다른 일 실시 예에 따른 안테나 요소와 RF 모듈의 결합의 단면도를 도시한 도면이고, 도 13은 본 발명의 다른 일 실시 예에 따른 안테나 요소와 RF 모듈의 결합 상태의 사시도를 도시한 도면이고, 도 14는 본 발명의 다른 일 실시 예에 따른 안테나 요소와 RF 모듈이 결합된 경우 방사 효율을 도시한 도면이고, 도 15는 본 발명의 다른 일 실시 예에 따른 안테나 요소와 RF 모듈이 결합된 경우 안테나 주파수 대역 성능을 보인 S11 그래프이다.
도 12의 (a)를 참고하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 전자 기기는, 전자 기기의 금속 케이스(213)에 안테나 요소(215)가 형성될 수 있다. 이때, 상기 안테나 요소(215)는 금속 케이스(213)를 관통하지 않는 슬롯 형태의 얇은 금속 막(1220)을 포함할 수 있다. 즉, 1220으로 도시된 것과 같이 안테나 요소(215)는 금속 케이스(213)에 얇은 금속 막을 넘겨둔 슬롯을 포함하는 패치 형태로 형성될 수 있다.
그리고, 상기 금속 케이스(213)의 상면을 애노다이징(anodizing) 기법으로 산화시킬 수 있다. 즉, 상기 애노디이징 기법을 적용하는 경우, 금속 케이스(213)의 상면이 산화, 부식되어 산화 막(1210)이 생성될 수 있다.
애노디이징 기법을 적용하는 경우, 안테나 요소(215)를 형성하는 과정에서 금속 케이스(213)가 관통되지 않고 남은 얇은 금속 막(1220)은 산화되어 사라질 수 있다. 즉, 금속 케이스(213)를 관통하지 않는 슬롯 형태로 형성된 얇은 금속 막(1220)은, 금속 케이스(213)의 상면을 애노다이징 처리를 하는 과정에서 산화되어 사라지게 된다. 그러므로, 애노디이징 처리가 완료되면, 안테나 요소(215)는 금속 케이스(213)을 관통하는 슬롯 형태의 방사부(211)를 포함하게 될 수 있다. 이에 따라서, 금속 케이스(213)를 관통하는 원형의 슬롯(211)을 포함하는 안테나 요소(215)가 금속 케이스(213)에 일체형으로 형성될 수 있다.
이와 같이, 금속 케이스(213)을 애노다이징 처리를 하는 것은, 외부의 영향으로부터 제품을 보호하는 역할을 할 수 있다. 또한, 금속 케이스(213)의 표면에 형성된 산화 막(1210)은 금속 케이스(213)를 관통하여 형성된 안테나 요소(215)들을 매끄럽게 처리하여 심미감도 높일 수 있다.
그리고, 도 3, 도 6, 도 9에 예시적으로 도시된 것과 같이 안테나 요소(215)가 2 개의 서로 마주보는 반원형태의 슬롯(211)을 포함하지 않고, 도 13에 예시된 것과 같이 안테나 요소(215)는 개방된(open) 구조의 방사부를 포함할 수 있다. 즉, 금속 케이스(213)를 관통하는 하나의 원형 슬롯 형태의 방사부(1310)가 금속 케이스(213)에 일체형으로 결합되어 안테나 요소(215)에 포함될 수 있다. 좀 더 구체적으로 살펴보면, 안테나 요소(215)를 제작하는 과정에서 금속 케이스(213)의 상면을 관통하지 않는 원형의 슬롯을 포함하는 패치 형태로 안테나 요소(215)를 1차로 형성할 수 있다. 그리고, 2차로 금속 케이스(213)의 상면을 애노다이징 처리를 하여, 얇은 금속 막(1220)이 사라지게 할 수 있다. 그리고, 금속 케이스(213)를 관통하는 원형의 슬롯(1310)을 형성함으로써, 원형의 슬롯(1310) 방사부를 포함하는 안테나 요소(215)가 형성될 수 있다. 그리고, 상기 관통된 원형 슬롯(1310)으로 분리되는 원형 금속 판(1320)은 산화 막(1210)에 부착되어 떨어지지 않으므로, 안테나 요소(215)는 금속 케이스(213)에 일체형으로 형성될 수 있다.
다음으로, 도 12의 (b)를 참고하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 전자 기기는, 전자 기기의 금속 케이스(213)에 안테나 요소(215)가 형성될 수 있다. 이때, 다이캐스팅(die casting) 및 사출 방법으로 안테나 요소(215)가 형성될 수 있다.
좀 더 구체적으로 살펴보면, 도 12의 (b)에 예시된 것과 같이 금속 케이스(213)을 관통하는 형태의 원형 슬롯(1240)으로 형성된 방사부를 포함하는 안테나 요소(215)가 다이캐스팅 방법으로 금속 케이스(213)에 형성될 수 있다. 그리고, 상기 금속 케이스(213)의 상면 상에 보완 재료 예를 들면, 폴리카보네이트(polycarbonate)를 포함하는 폴리카보네이트 막(1230)이 도포될 수 있다. 이렇게 함으로써, 상기 관통된 원형 슬롯(1240)으로 분리되는 원형 금속 판(1320)은 폴리카보네이트 막(1230)에 부착되어 떨어지지 않으므로, 안테나 요소(215)는 금속 케이스(213)에 일체형으로 형성될 수 있다. 따라서, 도 12의 (a) 및 도 13에 예시된 것과 같이 안테나 요소(215)는 개방된(open) 구조의 방사부(1240, 1310)를 포함할 수 있다.
이와 같이 개방된 구조의 방사부(1240, 1310)가 포함된 안테나 요소(215)를 포함하는 안테나 장치는 도 14에 예시된 것과 같이 그 효율이 90 %이며, 이득은 8.2 dBi일 수 있다. 그리고 도 15에 예시된 것과 같이 -10 dB 이하의 주파수는 약 22 GHz 이상의 대역으로 광대역(wideband) 특성을 가질 수 있다.
도 16은 본 발명의 다른 일 실시 예에 따른 안테나 장치 및 이를 포함하는 전자 기기의 측단면도의 일부를 도시한 도면이고, 도 17은 본 발명의 일 실시 예에 따른 어레이 안테나 및 전력 증폭기의 결합 관계의 일 예를 도시한 도면이고, 도 18은 본 발명의 일 실시 예에 따른 어레이 안테나 및 전력 증폭기의 결합 관계의 다른 일 예를 도시한 도면이다.
도 16을 참고하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 전자 기기는, 어레이 안테나(210), RF 모듈(220), 및 메인 기판(240)을 포함할 수 있다. 이때, 상기 전자 기기는 기지국(base station, Node B, eNB(evolved Node B) 등)일 수 있다. 이하, 설명의 편의를 위해서 도 16에 도시된 각 구성 요소 중 도 2에 도시된 구성 요소와 동일한 구성 요소의 경우 그 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
어레이 안테나(210)는 전자 기기의 금속 케이스(213)에 형성될 수 있으며, 적어도 2 개의 안테나 요소(215)를 포함할 수 있다. 그리고, 상기 적어도 2 개의 안테나 요소(215)들은 동일한 주파수 대역에서 동작할 수 있다. 그리고 상기 안테나 요소(215)는 안테나의 신호가 전자기기의 방사하기 위한 방사부(211)를 포함할 수 있다. 어레이 안테나(210)에 대해서는 상기 도 2 내지 도 15와 관련된 부분에서 설명하였으므로, 이에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
금속 케이스(213)는 금속 케이스(213)와 RF 모듈(220)을 결합하는 적어도 하나의 금속 케이스 연결 부재(217)를 포함할 수 있고, 열 전도가 가능한 열 전도 물질일 수 있다.
그리고, RF 모듈(220)은 상기 어레이 안테나(210)와 상면 층(225)을 통해 연결될 수 있다. 그리고 RF 모듈(220)의 내부에는 열 방출 비아(270)이 RF 모듈의 RF 모듈 기판(221)의 상면에서 하면 방향으로 형성될 수 있다. 한편, 도 16에서는 배선(250)이 도시되어 있지 않으나, 이에 대해서는 도 17 및 도 18과 관련해서 후술하도록 한다.
RF 모듈 기판(221)의 하부에는 RFIC(230)이 위치하고, 상기 RFIC는 열 방출부(430)와 연결될 수 있다. 또한, RF 모듈(220)은 메인 기판(240)과 메인 기판 연결부재(260)를 통해 연결되고, 메인 기판(240)의 하부에는 상기 열 방출부(430)가 위치할 수 있다.
한편, 도면에서는 RFIC(230)가 열 방출부(430)과 직접 연결되는 것으로 도시되어 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다. 예를 들면, 도 2 및 도 3을 참고하면, RF 모듈(220)의 하부에는 메인 기판(240)이 위치하고, 상기 RFIC(230)의 상부에 메인 기판에 위치할 수 있다. 그리고, 상기 메인 기판(240)의 하부에 열 방출부(430)가 위치하고, RFIC(230)는 열 방출부(430)에 직접 연결되지 않을 수 있다.
한편, 도 16에 도시된 것과 같이, 전력 증폭기(PA)(290)는 RF 모듈(220)의 RF 모듈 기판(221)의 상면 상에 위치할 수 있다. 이때, 전력 증폭기(290)를 포함하는 프론트 엔드 모듈(FEM)이 상기 RF 모듈 기판(221)의 상면 상에 위치할 수도 있다. 다만, 설명의 편의를 위해서 전력 증폭기(290)가 RF 모듈 기판(221)의 상면 상에 위치하는 것을 예시적으로 설명하도록 한다.
이때, 전력 증폭기(290)는 어레이 안테나(210)의 안테나 요소(215)들과 배선을 통해 연결될 수 있다. 그리고, 상기 전력 증폭기(290)는 RFIC(230)과 연결될 수 있다.
이를 위해서, 도 17에 예시된 것과 같이 전력 증폭기(290)들과 어레이 안테나(210)는 동일 평면 상에 위치할 수 있다. 즉, 어레이 안테나(210)를 둘러싸고 전력 증폭기(290)들이 상기 어레이 안테나(210)와 동일 평면 상에 위치할 수 있다. 그리고, 안테나 요소(215)들 각각은 대응하는 전력 증폭기(290)에 배선을 통해 연결될 수 있다.
또는 도 18 및 도 16에 예시된 것과 같이 전력 증폭기(290)들이 RF 모듈 기판(221)의 상면 상에 위치하고, 상기 전력 증폭기(290)의 상부에 어레이 안테나(210)가 위치할 수 있다. 즉, 전력 증폭기(290)와 어레이 안테나(210)가 적층된 구조를 가질 수도 있다. 이때, 도 18에 예시된 것과 같이 전력 증폭기(290)들 각각은 자신에 대응하는 안테나 요소(215)과 가장 근접하는 하부에 위치할 수 있다. 이 경우, 전력 증폭기(290)와 안테나 요소(215)의 배선 길이를 최소화할 수 있고, 안테나 장치의 크기도 줄일 수 있다.
도 19는 본 발명의 또 다른 일 실시 예에 따른 안테나 장치 및 이를 포함하는 전자 기기의 측단면도를 도시한 도면이고, 도 20은 본 발명의 또 다른 일 실시 예에 따른 안테나 장치 및 이를 포함하는 전자 기기의 사시도를 도시한 도면이고, 도 21은 본 발명의 또 다른 일 실시 예에 따른 안테나 장치 및 이를 포함하는 전자 기기의 분해도를 도시한 도면이고, 도 22는 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 요소의 확대도를 도시한 도면이다.
도 19 내지 도 22를 참고하면, 열 방출부(430)의 상에 메인 기판(240)이 위치할 수 있다. 그리고, 상기 메인 기판(240)의 중심 영역에는 RFIC(230)이 실장될 수 있다. 이때, 상기 RFIC(230)가 메인 기판(240)과 동일 평면 상에 위치하기 위해서 메인 기판(240)의 중심 영역에 RFIC 수용 공간이 형성되어 있을 수 있다. 그리고, 상기 메인 기판(240)은 연결 부재(260)를 통해 RF 모듈 기판(221)과 연결될 수 있다.
상기 RF 모듈 기판(221)의 상부에는 복수 개의 전력 증폭기(290)이 위치할 수 있다. 그리고, 전력 증폭기(290)에서 발생되는 열을 열 방출부(280)로 방출하기 위해서, RF 모듈 기판(221)에서 열 방출 비아(270)가 형성될 수 있다. 이때, 열 방출 비아(270)는 전력 증폭기(290)가 위치하는 영역에 대응하여 RF 모듈 기판(221)의 높이 방향으로 형성될 수 있다.
상기 복수 개의 전력 증폭기(290)의 상부에는 전도성 테이프(conductive tape) 등의 연결 부재(295)가 위치하여, 전력 증폭기(290)는 금속 케이스(213)에 연결될 수 있다.
그리고, 복수의 전력 증폭기(290)들 각각에 대응하는 안테나 요소들(215)은 자신에 대응하는 전력 증폭기(290)와 가장 가까운 영역에 형성되도록 금속 케이스(213)에 일체형으로 형성될 수 있다.
또한 도 22를 참고하면, 각 안테나 요소(215)들 사이의 간격(d)은 약 0.5 내지 1 λ일 수 있다. 그리고, 안테나 요소(215)들은 쇼팅 핀(shorting pin) 형태로 금소 케이스(213)에 일체화될 수 있다.
상기 금속 케이스(213)에 일체형으로 안테나 요소들(215)이 형성됨으로써, 안테나 요소들(215)에서 발생한 열은 금속 케이스(213)를 통해 바로 전자 기기의 외부로 방출될 수 있다. 또한, 안테나 요소(215)에서의 신호 송수신도 금속 케이스(213)를 통해 바로 이루어짐으로써 방사 효율도 증가할 수 있다. 그리고, 외장 부품과의 인터리브드(interleaved) 배치를 통해 전송 인서션 로스(insertion loss)도 약 2 dB 개선될 수 있다.
도 23은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배선의 연결 방법에 대한 예들을 도시한 도면이다.
도 23의 첫 번째 및 두 번째 도면에서는 애퍼처 피딩(aperture feeding)의 일 예들이 도시되어 있다. 도 23의 첫 번째 도면를 참고하면, 배선(250)은 RF 모듈 기판(221)의 내부에 위치하고, RF 모듈 기판(221)의 상면 상에 위치하는 상면 배선(255)에 직접 연결되지 않을 수 있다. 그리고, 배선(250)과 상면 배선(255) 사이는 커플링에 의해 배선(250)에 공급된 신호가 상면 배선(255)에 전달될 수 있다. 그리고, 상기 상면 배선(255)과 안테나 요소(215) 사이의 또 다른 커플링으로 상기 상면 배선(255)에 공급된 신호가 안테나 요소(215)로 전달될 수 있다.
도 23의 두 번째 도면 를 참고하면, 배선(250)은 RF 모듈 기판(221)의 내부에 위치하고, 상기 배선(250)은 안테나 요소(215)와 커플링을 통해 신호를 공급할 수 있다. 이때, 도면에서는 RF 모듈 기판(221)과 금속 케이스(213) 사이에 상면 층(225)이 도시되지 않았지만, RF 모듈 기판(221)과 금속 케이스(213) 사이에 상면 층(225)이 포함되는 경우, 도 2에 예시된 것과 같이, 상면 층(225)은 안테나 요소(215)에 대응하는 위치에 상면 개구부(226)를 포함할 수 있다.
다음으로, 도 23의 세 번째 및 네 번째 도면에서는 직접 연결(direct feeding)의 일 예들이 도시되어 있다. 도 23의 세 번째 및 네 번째 도면을 참고하면, 배선(250)은 RF 모듈 기판(221)의 내부에 위치하고, RF 모듈 기판(221)의 상면 상에 위치하는 상면 배선(255)에 직접 연결될 수 있다. 이에 따라, 상기 배선(250)에 공급된 신호는 상면 배선(255)에 직접 전달될 수 있다. 이후, 상면 배선(255)과 안테나 요소(215) 사이의 커플링으로 상기 상면 배선(255)에 공급된 신호가 안테나 요소(215)로 전달될 수 있다. 이때, 상면 배선(255)과 안테나 요소(215) 사이의 거리는 실시 예에 따라서 다를 수 있다. 따라서, 도 23의 세 번째 및 네 번째 도면에서와 같이 공급되는 신호의 세기, 구동 주파수 등에 따라서 상면 배선(255)과 안테나 요소(215) 사이의 거리는 달라질 수 있다.
도 24는 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 요소, 전력 증폭기, RFIC의 연결 관계를 도시한 도면이고, 도 25 및 도 26은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 증폭기의 전자 기기 내 배치 위치에 관하여 설명하는 도면이다.
도 24 및 도 25을 참고하면, 금속 케이스(213)에 일체형으로 안테나 요소(215)가 형성될 수 있다. 그리고, 상기 금속 케이스(213)의 하부에는 RF 모듈 기판(221)이 위치하고, 상기 RF 모듈 기판(221)의 하부에는 RFIC(230)이 위치할 수 있다.
이때, 전력 증폭기(290)는 RFIC(230)와 동일 평면 상에서 상기 RF 모듈 기판(221)의 하부에 위치할 수 있다. 그리고, RFIC(230)와 전력 증폭기(290)는 제2 배선(257)을 통해 연결되어, RFIC(230)에서 발생된 신호는 전력 증폭기(290)에서 증폭될 수 있다. 그리고, 전력 증폭기(290)와 상면 배선(255)은 제1 배선(250)을 통해 애퍼처 피딩에 따라 커플링 연결될 수 있다. 실시 예에 따라서 전력 증폭기(290)와 상면 배선(255)은 제1 배선(250)을 통해 직접 연결될 수도 있다.
그리고, 상기 전력 증폭기(290)와 금속 케이스(213)를 연결하는 열 방출 비아(270)가 RF 모듈 기판(221)의 내부에 형성될 수 있다. 상기 열 방출 비아(270)를 통해, 전력 증폭기(290)에서 발생한 열은 금속 케이스(213)로 전달되고, 이 열은 금속 케이스(213)의 외부로 방출될 수 있다. 또한, 도시되지 않았지만, 전력 증폭기(290)의 하부에는 열 방출부(430)이 위치할 수 있어, 전력 증폭기(290)에서 발생한 열은 열 방출부(430)를 통해서도 전자 기기의 외부로 방출될 수 있다.
다음으로 도 24 및 도 26을 참고하면, 도 25와 달리 전력 증폭기(290)는 RF 모듈 기판(221)의 상부에 위치할 수 있다. 그리고, 상기 전력 증폭기(290)가 위치하기 위해서 상기 금속 케이스(213)는 전력 증폭기 수용 공간이 형성되어 있을 수 있다.
이때, RFIC(230)와 전력 증폭기(290)는 제2 배선(257)을 통해 연결되어, RFIC(230)에서 발생된 신호는 전력 증폭기(290)에서 증폭될 수 있다. 그리고, 전력 증폭기(290)와 상면 배선(255)은 제1 배선(250)을 통해 애퍼처 피딩에 따라 커플링 연결될 수 있다. 실시 예에 따라서 전력 증폭기(290)와 상면 배선(255)은 제1 배선(250)을 통해 직접 연결될 수도 있다.
그리고, 상기 전력 증폭기(290)와 RF 모듈 기판(221)의 하부에 위치하는열방출부(430)를 연결하는 열 방출 비아(270)가 RF 모듈 기판(221)의 내부에 형성될 수 있다. 상기 열 방출 비아(270)를 통해, 전력 증폭기(290)에서 발생한 열은 열 방출부(430)에 전달되고, 상기 열 방출부(430)에 전달된 열은 전자 기기의 외부로 방출될 수 있다. 한편, 전력 증폭기(290)에서 발생한 열은 복사 또는 대류 방식으로, 전력 증폭기(290)의 상부에 위치하는 금속 케이스(213)에게 전달될 수도 있다. 그리고 상기 금속 케이스(213)에 전달된 열은 금속 케이스(213)의 외부로 방출될 수 있다.
본 명세서와 도면에 개시된 실시 예는 기술 내용을 쉽게 설명하고, 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
한편, 본 명세서와 도면에는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.

Claims (15)

  1. 안테나 장치에 있어서,
    전자 기기의 금속 케이스에 형성된 어레이 안테나를 포함하고,
    상기 어레이 안테나는 적어도 2 개의 안테나 요소(element)들을 포함하고,
    상기 적어도 2 개의 안테나 요소들은 동일한 주파수 대역에서 동작하는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 적어도 2 개의 안테나 요소들 각각은 상기 금속 케이스를 관통하는 슬롯(slot) 형태의 방사부를 포함하고,
    상기 상기 적어도 2 개의 안테나 요소들 각각은 원형, 사각형, 삼각형 중 어느 하나의 형태의 패치(patch) 안테나인 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 방사부는 마주보는 반원 형태의 2개의 슬롯으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 방사부는 원형의 슬롯이고,
    상기 금속 케이스의 상면에 형성된 산화 막 또는 폴리카보네이트 막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 금속 케이스의 하부에 위치하는 RF(radio frequency) 모듈; 및
    상기 RF 모듈과 상기 금속 케이스를 연결하고, 상기 안테나 요소의 열을 방출하는 금속 케이스 연결 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 RF 모듈의 상면에서 상기 어레이 안테나를 둘러싸고 형성되거나 또는 상기 상기 RF 모듈의 상면과 상기 어레이 안테나의 하면 사이에 위치하는 적어도 하나의 전력 증폭기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
  7. 제5 항에 있어서,
    상기 RF 모듈은 내부에 위치하는 배선을 더 포함하고,
    상기 배선은 상기 어레이 안테나와 애퍼처 피딩(aperture feeding)으로 연결되고 상기 안테나 요소에게 커플링을 통해 신호를 공급하거나, 상기 배선은 상기 RF 모듈의 상면에 위치하는 상면 배선과 연결되어 상기 안테나 요소에게 상기 상면 배션을 통해 신호를 공급하는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
  8. 제5 항에 있어서,
    상기 RF 모듈의 내부에 형성되는 적어도 하나의 열 방출 비아(via)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
  9. 전자 기기에 있어서,
    금속 케이스; 및
    상기 금속 케이스에 형성된 어레이 안테나를 포함하고,
    상기 어레이 안테나는 적어도 2 개의 안테나 요소(element)들을 포함하고,
    상기 적어도 2 개의 안테나 요소들은 동일한 주파수 대역에서 동작하는 것을 특징으로 하는 전자 기기.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 적어도 2 개의 안테나 요소들 각각은 상기 금속 케이스를 관통하는 슬롯(slot) 형태의 방사부를 포함하고,
    상기 상기 적어도 2 개의 안테나 요소들 각각은 원형, 사각형, 삼각형 중 어느 하나의 형태의 패치(patch) 안테나인 것을 특징으로 하는 전자 기기.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 방사부는 서로 마주보는 반원 형태의 2개의 슬롯으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전자 기기.
  12. 제10 항에 있어서,
    상기 방사부는 원형의 슬롯이고,
    상기 금속 케이스의 상면에 형성된 산화 막 또는 폴리카보네이트 막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 기기.
  13. 제9 항에 있어서,
    상기 금속 케이스의 하부에 위치하는 RF(radio frequency) 모듈; 및
    상기 RF 모듈과 상기 금속 케이스를 연결하고, 상기 안테나 요소의 열을 방출하는 금속 케이스 연결 부재를 더 포함하고,
    상기 RF 모듈의 내부에 형성되는 적어도 하나의 열 방출 비아(via)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 기기.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 RF 모듈의 상면에서 상기 어레이 안테나를 둘러싸고 형성되거나 또는 상기 상기 RF 모듈의 상면과 상기 어레이 안테나의 하면 사이에 위치하는 적어도 하나의 전력 증폭기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 기기.
  15. 제13 항에 있어서,
    상기 RF 모듈은 내부에 위치하는 배선을 더 포함하고,
    상기 배선은 상기 어레이 안테나와 애퍼처 피딩(aperture feeding)으로 연결되고, 상기 안테나 요소에게 커플링을 통해 신호를 공급하거나, 상기 배선은 상기 RF 모듈의 상면에 위치하는 상면 배선과 연결되어 상기 안테나 요소에게 상기 상면 배션을 통해 신호를 공급하는 것을 특징으로 하는 전자 기기.
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