WO2019172482A1 - 안테나를 구비하는 이동 단말기 - Google Patents

안테나를 구비하는 이동 단말기 Download PDF

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이재원
이주희
정준영
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Abstract

본 발명에 따른 이동 단말기는, 제1주파수 대역에서 동작하고, 원형(circle) 또는 다각형(polygon) 형상을 갖는 제1패치 안테나; 및 상기 제1주파수 대역보다 높은 주파수 대역인 제2주파수 대역에서 동작하고, 상기 제1패치 안테나와 다른 형상을 갖는 제2패치 안테나를 포함하여, 서로 다른 형상의 패치 안테나를 통해, 서로 다른 주파수 대역에서 동작하는 안테나들 간에 격리도를 개선시킬 수 있다.

Description

안테나를 구비하는 이동 단말기
본 출원은 2018년 3월 6일에 출원된 미국 임시 출원 일련번호 62/638,971의 출원에 대한 우선권의 이익을 주장하며, 상기 출원은 그 전체가 본원에 참조로 통합된다.
본 발명은 안테나를 구비하는 이동 단말기에 관한 것이다. 보다 상세하게는 서로 다른 주파수 대역에서 동작하는 안테나들을 구비하는 이동 단말기에 관한 것이다.
단말기는 이동 가능여부에 따라 이동 단말기(mobile/portable terminal) 및 고정 단말기(stationary terminal)으로 나뉠 수 있다. 다시 이동 단말기는 사용자의 직접 휴대 가능 여부에 따라 휴대(형) 단말기(handheld terminal) 및 거치형 단말기(vehicle mounted terminal)로 나뉠 수 있다.
이동 단말기의 기능은 다양화 되고 있다. 예를 들면, 데이터와 음성통신, 카메라를 통한 사진촬영 및 비디오 촬영, 음성녹음, 스피커 시스템을 통한 음악파일 재생 그리고 디스플레이부에 이미지나 비디오를 출력하는 기능이 있다. 일부 단말기는 전자게임 플레이 기능이 추가되거나, 멀티미디어 플레이어 기능을 수행한다. 특히 최근의 이동 단말기는 방송과 비디오나 텔레비전 프로그램과 같은 시각적 컨텐츠를 제공하는 멀티캐스트 신호를 수신할 수 있다.
이와 같은 단말기(terminal)는 기능이 다양화됨에 따라 예를 들어, 사진이나 동영상의 촬영, 음악이나 동영상 파일의 재생, 게임, 방송의 수신 등의 복합적인 기능들을 갖춘 멀티미디어 기기(Multimedia player) 형태로 구현되고 있다.
이러한 단말기의 기능 증대를 위해, 단말기의 구조적인 부분 및/또는 소프트웨어적인 부분을 개량하는 것이 고려될 수 있다.
상기 시도들에 더하여, 최근 이동 단말기는 LTE 통신 기술을 이용한 무선 통신 시스템이 상용화되어 다양한 서비스를 제공하고 있다. 또한, 향후에는 5G 통신 기술을 이용한 무선 통신 시스템이 상용화되어 다양한 서비스를 제공할 것으로 기대된다.
이와 관련하여, 5G 통신 시스템은 6GHz 이하의 주파수 대역을 이용하는 Sub6 통신 시스템이 있다. 또한, 5G 통신 시스템은 30GHz 부근의 밀리미터파 대역을 이용하는 밀리미터파 통신 시스템이 있다. 밀리미터파 통신 시스템과 관련하여 28GHz 대역의 제1주파수 대역과 39GHz 대역의 제2주파수 대역이 논의되고 있다.
한편, 이러한 복수의 밀리미터파 주파수 대역에서 각각의 안테나를 별도의 영역에 배치할 수 있다. 하지만, 제1주파수 대역에서 동작하는 안테나와 제2주파수 대역에서 동작하는 안테나가 이동 단말기의 별도의 영역에 배치되면, PCB 실장 공간 문제가 있다.
한편, 하나의 안테나가 제1주파수 대역 및 제2주파수 대역 모두 동작하도록 하는 경우에는 광대역 설계하기에는 두 주파수 대역이 너무 넓다는 문제점이 있다. 또한, 하나의 안테나가 광대역 동작하는 경우에는 각 주파수 대역에서의 방사 효율과 대역폭 특성이 저하될 수 있다는 문제점이 있다.
한편, 밀리미터파 통신 시스템에서는 전파의 파장이 짧아 자유공간 손실(free space loss)이 증가하기 때문에 배열 안테나가 필수적이다. 따라서, 이러한 배열 안테나 구조에서 제1주파수 대역에서 동작하는 배열 안테나의 각 소자 사이에 제2주파수 대역에서 동작하는 배열 안테나의 각 소자를 배치할 수 있다. 하지만, 이러한 배열 안테나 구조에서 서로 다른 안테나들 사이에 격리도(isolation) 저하 현상이 발생한다는 문제점이 있다.
본 발명은 전술한 문제 및 다른 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다. 또 다른 목적은 서로 다른 주파수 대역에서 동작하는 안테나들 간에 격리도를 개선할 수 있는 이동 단말기를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 일 목적은 서로 다른 밀리미터파 주파수 대역에서 동작하는 안테나들 간에 격리도를 개선하면서, 대역폭 특성을 향상시키기 위한 것이다.
상기 또는 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 측면에 따르면, 이동 단말기는 제1주파수 대역에서 동작하고, 원형(circle) 또는 다각형(polygon) 형상을 갖는 제1패치 안테나; 및 상기 제1주파수 대역보다 높은 주파수 대역인 제2주파수 대역에서 동작하고, 상기 제1패치 안테나와 다른 형상을 갖는 제2패치 안테나를 포함하여, 서로 다른 형상의 패치 안테나를 통해, 서로 다른 주파수 대역에서 동작하는 안테나들 간에 격리도를 개선시킬 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 제1패치 안테나는 상기 원형 또는 팔각형 이상의 상기 다각형 형상에 의해 기생 공진(parasitic resonance) 주파수가 상기 제2 주파수 대역보다 높은 주파수 대역에서 형성되어, 상기 제2 패치 안테나와의 격리도(isolation)가 향상될 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 제1패치 안테나는 상기 원형 형상이고, 상기 제2패치 안테나는 사각형(square) 형상일 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 제1패치 안테나 및 상기 제2패치 안테나는 빔 조향(beam steering) 시 조향 각도 범위를 향상시키기 위해, 동일한 평면에 해당하는 제1레이어에 배치될 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 제1레이어보다 하면(bottom surface)에 해당하는 제2레이어에 배치되고, 상기 제1패치 안테나와 함께 상기 제1주파수 대역에서 동작하는 제3패치 안테나; 및 상기 제2레이어와 다른 레이어인 제3레이어에 배치되고, 상기 제2패치 안테나와 함께 상기 제2주파수 대역에서 동작하는 제4패치 안테나를 더 포함한다. 이때, 상기 제4패치 안테나가 상기 제2레이어와 다른 레이어인 제3레이어에 배치되어 상기 제3패치 안테나와의 격리도가 향상될 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 제1레이어보다 하면(bottom surface)에 해당하는 제2레이어에 배치되고, 상기 제1패치 안테나와 함께 상기 제1주파수 대역에서 동작하는 제3패치 안테나; 및 상기 제2레이어보다 하면에 해당하는 제3레이어에 배치되고, 상기 제2패치 안테나와 함께 상기 제2주파수 대역에서 동작하는 제4패치 안테나를 더 포함한다. 이때, 상기 제4패치 안테나가 상기 제2레이어보다 하면에 해당하는 제3레이어에 배치되어 상기 제3패치 안테나와의 격리도가 향상되고, 상기 제2주파수 대역에서 상기 제4패치 안테나의 성능이 향상될 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 제3패치 안테나는 사각형 형상으로, 상기 제1주파수 대역에서 다른 형상의 안테나보다 안테나 크기가 감소될 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 제3 패치 안테나와 상기 제4 패치 안테나는 각각 수평 편파 (HP: Horizontal Polarization) 급전 및 수직 편파 (Vertical Polarization) 급전에 의해 급전될 수 있다. 또한, 상기 수평 편파 급전과 상기 수직 편파 급전 중 어느 하나는 직접 급전(direct feeding)에 의해 이루어지고, 다른 하나는 커플링 급전(coupled feeding)에 의해 이루어질 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 직접 급전을 위한 급전 라인은 동일 레이어 상에서 정합 변환기(matching transformer)와 연결되고, 상기 정합 변환기는 동일 레이어 상에서 비아 패드와 연결될 수 있다. 이때, 상기 비아 패드는 상기 제2레이어 및 상기 제3레이어보다 하면에 해당하는 하부 레이어에서 상기 제2레이어 및 상기 제3레이어로의 수직 비아 홀(Vertical Via Hole)을 통해 상기 하부 레이어의 신호선과 연결될 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 제1 패치 안테나와 상기 제3패치 안테나는 상기 제1주파수 대역에서 제1안테나 소자로 동작하고, 상기 제2 패치 안테나와 상기 제4패치 안테나는 상기 제2주파수 대역에서 제2안테나 소자로 동작할 수 있다. 이때, 상기 제1안테나 소자와 상기 제2안테나 소자는 n개의 1차원 배열(one dimension array)로 구성되고, 상기 제2안테나 소자는 인접하는 제1안테나 소자들 사이에 배치될 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 제1 패치 안테나와 상기 제3패치 안테나는 상기 제1주파수 대역에서 제1안테나 소자로 동작하고, 상기 제2 패치 안테나와 상기 제4패치 안테나는 상기 제2주파수 대역에서 제2안테나 소자로 동작할 수 있다. 이때, 상기 제1안테나 소자와 상기 제2안테나 소자는 n x n개의 2차원 배열(two dimension array)로 구성될 수 있다. 이때, 상기 제2안테나 소자는 인접하는 제1안테나 소자들 사이에 배치되고, 상기 제2안테나 소자는 행 방향으로 인접한 안테나 소자들 간에 열 방향 간격의 절반만큼 오프셋 배치될 수 있다.
상기 또는 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명의 다른 측면에 따르면, 이동 단말기는 최하단에 그라운드가 형성된 다층 회로 기판; 제1주파수 대역에서 동작하고, 원형(circle) 또는 다각형(polygon) 형상으로 상기 다층 회로 기판의 상단인 제1레이어에 배치되는 제1패치 안테나; 및 상기 제1주파수 대역보다 높은 주파수 대역인 제2주파수 대역에서 동작하고, 상기 제1패치 안테나와 다른 형상으로 상기 제1패치 안테나와 동일 레이어 상에 배치되는 제2패치 안테나를 포함한다.
일 실시 예에서, 상기 제1패치 안테나는 상기 원형 형상이고, 상기 제2패치 안테나는 사각형(square) 형상이고, 상기 제1패치 안테나는 상기 원형 형상에 의해 기생 공진(parasitic resonance) 주파수가 상기 제2 주파수 대역보다 높은 주파수 대역에서 형성되어, 상기 제2 패치 안테나와의 격리도(isolation)가 향상될 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 제1레이어보다 하면(bottom surface)에 해당하는 제2레이어에 배치되고, 상기 제1패치 안테나와 함께 상기 제1주파수 대역에서 동작하는 제3패치 안테나; 및 상기 제2레이어와 다른 레이어인 제3레이어에 배치되고, 상기 제2패치 안테나와 함께 상기 제2주파수 대역에서 동작하는 제4패치 안테나를 더 포함한다. 이때, 상기 제4패치 안테나가 상기 제2레이어와 다른 레이어인 제3레이어에 배치되어 상기 제3패치 안테나와의 격리도가 향상될 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 제4패치 안테나가 상기 제2레이어보다 하면에 해당하는 제3레이어에 배치되어 상기 제3패치 안테나와의 격리도가 향상되고, 상기 제2주파수 대역에서 상기 제4패치 안테나의 성능이 향상될 수 있다. 또한, 상기 제3패치 안테나는 사각형 형상으로, 상기 제1주파수 대역에서 다른 형상의 안테나보다 안테나 크기가 감소될 수 있다.
본 발명에 따른 안테나를 구비하는 이동 단말기의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 서로 다른 형상의 패치 안테나를 통해, 서로 다른 주파수 대역에서 동작하는 안테나들 간에 격리도를 개선시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 서로 다른 형상의 패치 안테나와 이들을 수직 방향으로 적층(stack)하여, 서로 다른 밀리미터파 주파수 대역에서 동작하는 안테나들 간에 격리도를 개선하면서, 대역폭 특성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 수직 방향으로 적층되는 패치 안테나의 형상을 격리도와 대역폭 특성을 고려하여 최적으로 선택하여, 서로 다른 밀리미터파 주파수 대역에서 동작하는 안테나들 간에 격리도를 개선하면서, 대역폭 특성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 적용 가능성의 추가적인 범위는 이하의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 그러나 본 발명의 사상 및 범위 내에서 다양한 변경 및 수정은 당업자에게 명확하게 이해될 수 있으므로, 상세한 설명 및 본 발명의 바람직한 실시 예와 같은 특정 실시 예는 단지 예시로 주어진 것으로 이해되어야 한다.
도 1a는 본 발명과 관련된 이동 단말기를 설명하기 위한 블록도이다.
도 1b 및 1c는 본 발명과 관련된 이동 단말기의 일 예를 서로 다른 방향에서 바라본 개념도이다.
도 2는 본 발명에 따른 이동 단말기에 구비되는 배열 안테나의 정면도를 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 이동 단말기에 구비되는 안테나의 측면도를 도시한다.
도 4a는 본 발명과 관련하여 제1패치 안테나의 형태가 사각 패치인 경우에 반사 손실(return loss)과 격리도 시뮬레이션 결과를 나타낸다.
도 4b는 본 발명에 따른 제1패치 안테나의 형태가 원형 패치인 경우에 반사 손실(return loss)과 격리도 시뮬레이션 결과를 나타낸다.
도 4c는 본 발명과 관련하여, 동일한 주파수 대역에서 사각 패치와 원형 패치의 크기를 비교한 것이다.
도 5는 본 발명에 따른 복수의 레이어 구조와 이들 간의 연결관계를 나타낸 측면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 제1 안테나 소자와 제2안테나 소자가 2차원 배열로 배치된 구조를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 1차원 배열 구조에서 제1 및 제2주파수 대역에서의 반사 손실 및 격리도를 나타낸다.
도 8은 본 발명의 2차원 배열 구조에서 제1 및 제2주파수 대역에서의 반사 손실 및 격리도를 나타낸다.
도 9는 본 발명에 따른 다층 회로 기판과 안테나를 포함하는 이동 단말기를 나타낸다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 설명되는 이동 단말기에는 휴대폰, 스마트 폰(smart phone), 노트북 컴퓨터(laptop computer), 디지털방송용 단말기, PDA(personal digital assistants), PMP(portable multimedia player), 네비게이션, 슬레이트 PC(slate PC), 태블릿 PC(tablet PC), 울트라북(ultrabook), 웨어러블 디바이스(wearable device, 예를 들어, 워치형 단말기 (smartwatch), 글래스형 단말기 (smart glass), HMD(head mounted display)) 등이 포함될 수 있다.
그러나, 본 명세서에 기재된 실시 예에 따른 구성은 이동 단말기에만 적용 가능한 경우를 제외하면, 디지털 TV, 데스크탑 컴퓨터, 디지털 사이니지 등과 같은 고정 단말기에도 적용될 수도 있음을 본 기술분야의 당업자라면 쉽게 알 수 있을 것이다.
도 1a 내지 도 1c를 참조하면, 도 1a는 본 발명과 관련된 이동 단말기를 설명하기 위한 블록도이고, 도 1b 및 1c는 본 발명과 관련된 이동 단말기의 일 예를 서로 다른 방향에서 바라본 개념도이다.
상기 이동 단말기(100)는 무선 통신부(110), 입력부(120), 센싱부(140), 출력부(150), 인터페이스부(160), 메모리(170), 제어부(180) 및 전원 공급부(190) 등을 포함할 수 있다. 도 1a에 도시된 구성요소들은 이동 단말기를 구현하는데 있어서 필수적인 것은 아니어서, 본 명세서 상에서 설명되는 이동 단말기는 위에서 열거된 구성요소들 보다 많거나, 또는 적은 구성요소들을 가질 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 구성요소들 중 무선 통신부(110)는, 이동 단말기(100)와 무선 통신 시스템 사이, 이동 단말기(100)와 다른 이동 단말기(100) 사이, 또는 이동 단말기(100)와 외부서버 사이의 무선 통신을 가능하게 하는 하나 이상의 모듈을 포함할 수 있다. 또한, 상기 무선 통신부(110)는, 이동 단말기(100)를 하나 이상의 네트워크에 연결하는 하나 이상의 모듈을 포함할 수 있다.
이러한 무선 통신부(110)는, 방송 수신 모듈(111), 이동통신 모듈(112), 무선 인터넷 모듈(113), 근거리 통신 모듈(114), 위치정보 모듈(115) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
입력부(120)는, 영상 신호 입력을 위한 카메라(121) 또는 영상 입력부, 오디오 신호 입력을 위한 마이크로폰(microphone, 122), 또는 오디오 입력부, 사용자로부터 정보를 입력받기 위한 사용자 입력부(123, 예를 들어, 터치키(touch key), 푸시키(mechanical key) 등)를 포함할 수 있다. 입력부(120)에서 수집한 음성 데이터나 이미지 데이터는 분석되어 사용자의 제어명령으로 처리될 수 있다.
센싱부(140)는 이동 단말기 내 정보, 이동 단말기를 둘러싼 주변 환경 정보 및 사용자 정보 중 적어도 하나를 센싱하기 위한 하나 이상의 센서를 포함할 수 있다. 예를 들어, 센싱부(140)는 근접센서(141, proximity sensor), 조도 센서(142, illumination sensor), 터치 센서(touch sensor), 가속도 센서(acceleration sensor), 자기 센서(magnetic sensor), 중력 센서(G-sensor), 자이로스코프 센서(gyroscope sensor), 모션 센서(motion sensor), RGB 센서, 적외선 센서(IR 센서: infrared sensor), 지문인식 센서(finger scan sensor), 초음파 센서(ultrasonic sensor), 광 센서(optical sensor, 예를 들어, 카메라(121 참조)), 마이크로폰(microphone, 122 참조), 배터리 게이지(battery gauge), 환경 센서(예를 들어, 기압계, 습도계, 온도계, 방사능 감지 센서, 열 감지 센서, 가스 감지 센서 등), 화학 센서(예를 들어, 전자 코, 헬스케어 센서, 생체 인식 센서 등) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 한편, 본 명세서에 개시된 이동 단말기는, 이러한 센서들 중 적어도 둘 이상의 센서에서 센싱되는 정보들을 조합하여 활용할 수 있다.
출력부(150)는 시각, 청각 또는 촉각 등과 관련된 출력을 발생시키기 위한 것으로, 디스플레이부(151), 음향 출력부(152), 햅팁 모듈(153), 광 출력부(154) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 디스플레이부(151)는 터치 센서와 상호 레이어 구조를 이루거나 일체형으로 형성됨으로써, 터치 스크린을 구현할 수 있다. 이러한 터치 스크린은, 이동 단말기(100)와 사용자 사이의 입력 인터페이스를 제공하는 사용자 입력부(123)로써 기능함과 동시에, 이동 단말기(100)와 사용자 사이의 출력 인터페이스를 제공할 수 있다.
인터페이스부(160)는 이동 단말기(100)에 연결되는 다양한 종류의 외부 기기와의 통로 역할을 수행한다. 이러한 인터페이스부(160)는, 유/무선 헤드셋 포트(port), 외부 충전기 포트(port), 유/무선 데이터 포트(port), 메모리 카드(memory card) 포트, 식별 모듈이 구비된 장치를 연결하는 포트(port), 오디오 I/O(Input/Output) 포트(port), 비디오 I/O(Input/Output) 포트(port), 이어폰 포트(port) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이동 단말기(100)에서는, 상기 인터페이스부(160)에 외부 기기가 연결되는 것에 대응하여, 연결된 외부 기기와 관련된 적절할 제어를 수행할 수 있다.
또한, 메모리(170)는 이동 단말기(100)의 다양한 기능을 지원하는 데이터를 저장한다. 메모리(170)는 이동 단말기(100)에서 구동되는 다수의 응용 프로그램(application program 또는 애플리케이션(application)), 이동 단말기(100)의 동작을 위한 데이터들, 명령어들을 저장할 수 있다. 이러한 응용 프로그램 중 적어도 일부는, 무선 통신을 통해 외부 서버로부터 다운로드 될 수 있다. 또한 이러한 응용 프로그램 중 적어도 일부는, 이동 단말기(100)의 기본적인 기능(예를 들어, 전화 착신, 발신 기능, 메시지 수신, 발신 기능)을 위하여 출고 당시부터 이동 단말기(100)상에 존재할 수 있다. 한편, 응용 프로그램은, 메모리(170)에 저장되고, 이동 단말기(100) 상에 설치되어, 제어부(180)에 의하여 상기 이동 단말기의 동작(또는 기능)을 수행하도록 구동될 수 있다.
모뎀(180)은 상기 응용 프로그램과 관련된 동작 외에도, 통상적으로 이동 단말기(100)의 전반적인 동작을 제어한다. 모뎀(180)은 위에서 살펴본 구성요소들을 통해 입력 또는 출력되는 신호, 데이터, 정보 등을 처리하거나 메모리(170)에 저장된 응용 프로그램을 구동함으로써, 사용자에게 적절한 정보 또는 기능을 제공 또는 처리할 수 있다.
또한, 모뎀(180)은 메모리(170)에 저장된 응용 프로그램을 구동하기 위하여, 도 1a와 함께 살펴본 구성요소들 중 적어도 일부를 제어할 수 있다. 나아가, 모뎀(180)은 상기 응용 프로그램의 구동을 위하여, 이동 단말기(100)에 포함된 구성요소들 중 적어도 둘 이상을 서로 조합하여 동작시킬 수 있다.
전원공급부(190)는 모뎀(180)의 제어 하에서, 외부의 전원, 내부의 전원을 인가 받아 이동 단말기(100)에 포함된 각 구성요소들에 전원을 공급한다. 이러한 전원공급부(190)는 배터리를 포함하며, 상기 배터리는 내장형 배터리 또는 교체가능한 형태의 배터리가 될 수 있다.
상기 각 구성요소들 중 적어도 일부는, 이하에서 설명되는 다양한 실시 예들에 따른 이동 단말기의 동작, 제어, 또는 제어방법을 구현하기 위하여 서로 협력하여 동작할 수 있다. 또한, 상기 이동 단말기의 동작, 제어, 또는 제어방법은 상기 메모리(170)에 저장된 적어도 하나의 응용 프로그램의 구동에 의하여 이동 단말기 상에서 구현될 수 있다.
도 1 b 및 1c를 참조하면, 개시된 이동 단말기(100)는 바 형태의 단말기 바디를 구비하고 있다. 다만, 본 발명은 여기에 한정되지 않고 와치 타입, 클립 타입, 글래스 타입 또는 2 이상의 바디들이 상대 이동 가능하게 결합되는 폴더 타입, 플립 타입, 슬라이드 타입, 스윙 타입, 스위블 타입 등 다양한 구조에 적용될 수 있다. 이동 단말기의 특정 유형에 관련될 것이나, 이동 단말기의 특정유형에 관한 설명은 다른 타입의 이동 단말기에 일반적으로 적용될 수 있다.
여기에서, 단말기 바디는 이동 단말기(100)를 적어도 하나의 집합체로 보아 이를 지칭하는 개념으로 이해될 수 있다.
이동 단말기(100)는 외관을 이루는 케이스(예를 들면, 프레임, 하우징, 커버 등)를 포함한다. 도시된 바와 같이, 이동 단말기(100)는 프론트 케이스(101)와 리어 케이스(102)를 포함할 수 있다. 프론트 케이스(101)와 리어 케이스(102)의 결합에 의해 형성되는 내부공간에는 각종 전자부품들이 배치된다. 프론트 케이스(101)와 리어 케이스(102) 사이에는 적어도 하나의 미들 케이스가 추가로 배치될 수 있다.
단말기 바디의 전면에는 디스플레이부(151)가 배치되어 정보를 출력할 수 있다. 도시된 바와 같이, 디스플레이부(151)의 윈도우(151a)는 프론트 케이스(101)에 장착되어 프론트 케이스(101)와 함께 단말기 바디의 전면을 형성할 수 있다.
이동 단말기(100)에는 디스플레이부(151), 제1 및 제2 음향 출력부(152a, 152b), 근접 센서(141), 조도 센서(142), 광 출력부(154), 제1 및 제2 카메라(121a, 121b), 제1 및 제2 조작유닛(123a, 123b), 마이크로폰(122), 인터페이스부(160) 등이 구비될 수 있다.
이하에서는, 도 1b 및 도 1c에 도시된 바와 같이, 단말기 바디의 전면에 디스플레이부(151), 제1음향 출력부(152a), 근접 센서(141), 조도 센서(142), 광 출력부(154), 제1카메라(121a) 및 제1조작유닛(123a)이 배치되고, 단말기 바디의 측면에 제2 조작유닛(123b), 마이크로폰(122) 및 인터페이스부(160)이 배치되며, 단말기 바디의 후면에 제2 음향 출력부(152b) 및 제2 카메라(121b)가 배치된 이동 단말기(100)를 일 예로 들어 설명한다.
다만, 이들 구성은 이러한 배치에 한정되는 것은 아니다. 이들 구성은 필요에 따라 제외 또는 대체되거나, 다른 면에 배치될 수 있다. 예를 들어, 단말기 바디의 전면에는 제1조작유닛(123a)이 구비되지 않을 수 있으며, 제2 음향 출력부(152b)는 단말기 바디의 후면이 아닌 단말기 바디의 측면에 구비될 수 있다.
디스플레이부(151)는 이동 단말기(100)에서 처리되는 정보를 표시(출력)한다. 예를 들어, 디스플레이부(151)는 이동 단말기(100)에서 구동되는 응용 프로그램의 실행화면 정보, 또는 이러한 실행화면 정보에 따른 UI(User Interface), GUI(Graphic User Interface) 정보를 표시할 수 있다.
디스플레이부(151)는 액정 디스플레이(liquid crystal display, LCD), 박막 트랜지스터 액정 디스플레이(thin film transistor-liquid crystal display, TFT LCD), 유기 발광 다이오드(organic light-emitting diode, OLED), 플렉서블 디스플레이(flexible display), 3차원 디스플레이(3D display), 전자잉크 디스플레이(e-ink display) 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 디스플레이부(151)는 이동 단말기(100)의 구현 형태에 따라 2개 이상 존재할 수 있다. 이 경우, 이동 단말기(100)에는 복수의 디스플레이부들이 하나의 면에 이격되거나 일체로 배치될 수 있고, 또한 서로 다른 면에 각각 배치될 수도 있다.
디스플레이부(151)는 터치 방식에 의하여 제어 명령을 입력 받을 수 있도록, 디스플레이부(151)에 대한 터치를 감지하는 터치센서를 포함할 수 있다. 이를 이용하여, 디스플레이부(151)에 대하여 터치가 이루어지면, 터치센서는 상기 터치를 감지하고, 모뎀(180)은 이에 근거하여 상기 터치에 대응하는 제어명령을 발생시키도록 이루어질 수 있다. 터치 방식에 의하여 입력되는 내용은 문자 또는 숫자이거나, 각종 모드에서의 지시 또는 지정 가능한 메뉴항목 등일 수 있다.
제1음향 출력부(152a)는 통화음을 사용자의 귀에 전달시키는 리시버(receiver)로 구현될 수 있으며, 제2 음향 출력부(152b)는 각종 알람음이나 멀티미디어의 재생음을 출력하는 라우드 스피커(loud speaker)의 형태로 구현될 수 있다.
디스플레이부(151)의 윈도우(151a)에는 제1음향 출력부(152a)로부터 발생되는 사운드의 방출을 위한 음향홀이 형성될 수 있다. 다만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니고, 상기 사운드는 구조물 간의 조립틈(예를 들어, 윈도우(151a)와 프론트 케이스(101) 간의 틈)을 따라 방출되도록 구성될 수 있다. 이 경우, 외관상 음향 출력을 위하여 독립적으로 형성되는 홀이 보이지 않거나 숨겨져 이동 단말기(100)의 외관이 보다 심플해질 수 있다.
광 출력부(154)는 이벤트의 발생시 이를 알리기 위한 빛을 출력하도록 이루어진다. 상기 이벤트의 예로는 메시지 수신, 호 신호 수신, 부재중 전화, 알람, 일정 알림, 이메일 수신, 애플리케이션을 통한 정보 수신 등을 들 수 있다. 모뎀(180)은 사용자의 이벤트 확인이 감지되면, 빛의 출력이 종료되도록 광 출력부(154)를 제어할 수 있다.
제1카메라(121a)는 촬영 모드 또는 화상통화 모드에서 이미지 센서에 의해 얻어지는 정지영상 또는 동영상의 화상 프레임을 처리한다. 처리된 화상 프레임은 디스플레이부(151)에 표시될 수 있으며, 메모리(170)에 저장될 수 있다.
제1 및 제2 조작유닛(123a, 123b)은 이동 단말기(100)의 동작을 제어하기 위한 명령을 입력 받기 위해 조작되는 사용자 입력부(123)의 일 예로서, 조작부(manipulating portion)로도 통칭될 수 있다. 제1 및 제2 조작유닛(123a, 123b)은 터치, 푸시, 스크롤 등 사용자가 촉각적인 느낌을 받으면서 조작하게 되는 방식(tactile manner)이라면 어떤 방식이든 채용될 수 있다. 또한, 제1 및 제2 조작유닛(123a, 123b)은 근접 터치(proximity touch), 호버링(hovering) 터치 등을 통해서 사용자의 촉각적인 느낌이 없이 조작하게 되는 방식으로도 채용될 수 있다.
본 도면에서는 제1조작유닛(123a)이 터치키(touch key)인 것으로 예시하나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 제1조작유닛(123a)은 푸시키(mechanical key)가 되거나, 터치키와 푸시키의 조합으로 구성될 수 있다.
제1 및 제2 조작유닛(123a, 123b)에 의하여 입력되는 내용은 다양하게 설정될 수 있다. 예를 들어, 제1조작유닛(123a)은 메뉴, 홈키, 취소, 검색 등의 명령을 입력 받고, 제2 조작유닛(123b)은 제1 또는 제2 음향 출력부(152a, 152b)에서 출력되는 음향의 크기 조절, 디스플레이부(151)의 터치 인식 모드로의 전환 등의 명령을 입력 받을 수 있다.
전술한 바와 같이, 무선 통신부(110), 즉 이동통신 모듈(111) 및 무선 인터넷 모듈(112)과 관련하여, 안테나를 구비하는 이동 단말기(100)에 대해 살펴보면 다음과 같다. 여기서, 무선 통신부(110)는 안테나 이외에, 안테나에 연결되어 무선 신호를 송신하고 수신하는 송수신부(transceiver)를 포함한다. 한편, 송수신부는 4G 통신 시스템에서 동작하는 제1송수신부와 5G 통신 시스템에서 동작하는 제2송수신부를 포함한다. 한편, 5G 통신 시스템은 6GHz 이하의 주파수 대역을 이용하는 Sub6 통신 시스템이 있다. 또한, 5G 통신 시스템은 30GHz 부근의 밀리미터파 대역을 이용하는 밀리미터파 통신 시스템이 있다. 한편, 밀리미터파 통신 시스템에서 제1주파수 대역과 제2주파수 대역은 각각 28GHz 부근 대역과 39GHz 부근 대역일 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
이하에서는 본 발명에 따른 안테나를 구비하는 이동 단말기와 관련된 실시 예들에 대해 첨부된 도면을 참조하여 살펴보겠다. 본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다.
도 2는 본 발명에 따른 이동 단말기에 구비되는 배열 안테나의 정면도를 도시한다. 한편, 도 3은 본 발명에 따른 이동 단말기에 구비되는 안테나의 측면도를 도시한다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 이동 단말기(1000)는 제1주파수 대역에서 동작하는 제1안테나 소자(200)와 제2주파수 대역에서 동작하는 제2안테나 소자(300)를 포함한다. 한편, 제1안테나 소자(200)는 제1주파수 대역에서 동작하고, 원형(circle) 또는 다각형(polygon) 형상을 갖는 제1패치 안테나(210)를 포함한다.
한편, 제2안테나 소자(300)는 제1주파수 대역보다 높은 주파수 대역인 제2주파수 대역에서 동작하고, 제1패치 안테나(210)와 다른 형상을 갖는 제2패치 안테나(310)를 포함한다. 이때, 제1주파수 대역과 제2주파수 대역은 전술한 바와 같이 각각 28GHz 부근 대역과 39GHz 부근 대역일 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 제1안테나 소자(200)와 제2안테나 소자(300)는 제1패치 안테나(210)와 제2패치 안테나(310)의 하면(bottom surface)에 배치되는 제3패치 안테나(220)와 제4패치 안테나(320)를 통해 광대역 동작 가능하다.
한편, 제1패치 안테나(210) 및 제2패치 안테나(310)는 빔 조향(beam steering) 시 조향 각도 범위를 향상시키기 위해, 동일한 평면에 해당하는 제1레이어(410)에 배치된다. 여기서, 제1레이어(410)는 패치 안테나가 배치되는 상면에 해당한다. 이와 같이 상면에 배치되는 제1패치 안테나(210) 및 제2패치 안테나(310)를 "상부 패치(top patch)" 또는"스택 패치(stack patch)"로 지칭할 수 있다.
제3패치 안테나(220)는 제1레이어(410)보다 하면(bottom surface)에 해당하는 제2레이어(420)에 배치되고, 제1패치 안테나(210)와 함께 제1주파수 대역에서 동작할 수 있다.
한편, 제4패치 안테나(320)는 제2레이어(420)와 다른 레이어인 제3레이어(430)에 배치되고, 제2패치 안테나(310)와 함께 제2주파수 대역에서 동작한다. 이와 같이 하면에 배치되는 제1패치 안테나(210) 및 제2패치 안테나(310)를 "하부 패치(bottom patch)" 또는 "능동 패치(active patch)"로 지칭할 수 있다. 이때 "능동 패치"의 의미는 제1패치 안테나(210) 및 제2패치 안테나(310)로 급전(feeding)이 이루어지기 때문이다.
한편, 제4패치 안테나(320)가 제2레이어(420)와 다른 레이어인 제3레이어(430)에 배치되어 제3패치 안테나(220)와의 격리도가 향상될 수 있다는 장점이 있다.
따라서, 본 발명에 따른 제1안테나 소자(200)와 제2안테나 소자(300)와의 격리도 향상을 위해, 제3패치 안테나(220)와 제4패치 안테나(320)는 다른 레이어에 배치되는 것이 바람직하다. 이와 관련하여, 하부 패치에 해당하는 제3패치 안테나(220)와 제4패치 안테나(320)는 다른 레이어에 배치되더라도 빔 조향 관점에서 방해가 되지 않으며 격리도 향상에 도움이 된다.
한편, 도 3과 같이 높은 주파수 대역의 하위 패치인 제4패치 안테나(320)가 제3패치 안테나(220)보다 더 하부에 배치되는 것이 성능 관점에서 더 바람직하다. 즉, 제2주파수 대역의 파장이 제1주파수 대역이 파장보다 짧기 때문에 제4패치 안테나(320)가 더 하부에 배치되는 것이 파장 관점에서 더 유리하다. 예를 들어, 28GHz 대역과 39GHz 대역에서 파장은 각각 약 10.7mm와 7.7mm이다. 따라서, 0.7mm의 물리적 두께는 28GHz 대역과 39GHz 대역에서 각각 약 0.06파장과 0.09파장이다. 따라서, 높은 주파수 대역의 하위 패치인 제4패치 안테나(320)가 제3패치 안테나(220)보다 물리적으로 더 하부에 배치되어도 전기적으로는 유사한 높이에 배치된 것에 해당한다. 그러므로, 높은 주파수 대역의 하위 패치인 제4패치 안테나(320)가 제3패치 안테나(220)보다 더 하부에 배치되는 것이 성능 관점에서 더 바람직하다.
이와 관련하여, 제3패치 안테나(220)는 전술한 바와 같이, 제1레이어(410)보다 하면에 해당하는 제2레이어(420)에 배치되고, 제1패치 안테나(210)와 함께 제1주파수 대역에서 동작할 수 있다.
한편, 제4패치 안테나(320)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 제2레이어(420)보다 하면에 해당하는 제3레이어(430)에 배치되고, 제2패치 안테나(220)와 함께 제2주파수 대역에서 동작한다.
이에 따라, 제4패치 안테나(320)가 제2레이어(420)보다 하면에 해당하는 제3레이어(430)에 배치되어 제3패치 안테나(220)와의 격리도가 향상된다. 또한, 제4패치 안테나(320)가 제2레이어(420)보다 하면에 해당하는 제3레이어(430)에 배치되어 높은 주파수 대역인 제2주파수 대역에서 제4패치 안테나(320)의 성능이 향상된다. 이와 관련하여, 제4패치 안테나(320)와 접지면(450)과의 높이가 일정 수준보다 증가하면, 제4패치 안테나(320)로의 급전 효율(feeding efficiency)가 감소하기 때문이다.
한편, 전술한 제1패치 안테나(210) 내지 제4패치 안테나(320)의 형상의 최적화에 대해 살펴보기로 한다. 전술한 바와 같이, 제1패치 안테나(210)는 제1주파수 대역에서 동작하고, 원형(circle) 또는 다각형(polygon) 형상을 갖는다. 보다 상세하게는, 제1패치 안테나(210)는 원형 또는 팔각형 이상의 다각형 형상에 의해 기생 공진(parasitic resonance) 주파수가 제2 주파수 대역보다 높은 주파수 대역에서 형성된다. 이에 따라, 제1패치 안테나(210)는 제2패치 안테나(310)와의 격리도(isolation)가 향상될 수 있다.
이와 관련하여, 도 4a는 본 발명과 관련하여 제1패치 안테나의 형태가 사각 패치인 경우에 반사 손실(return loss)과 격리도 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 반면에, 도 4b는 본 발명에 따른 제1패치 안테나의 형태가 원형 패치인 경우에 반사 손실(return loss)과 격리도 시뮬레이션 결과를 나타낸다.
한편, 반사 손실과 격리도 시뮬레이션의 목표는 3GHz의 대역폭에서 -10dB 이하의 반사 손실과 수직 편파 및 수평 편파 간에 20dB 이상의 격리도를 확보하는 것이다. 이와 관련하여, 제1패치 안테나의 형태가 사각 패치인 경우, 고유-모드(Eigen-mode) 분석을 통하여 격리도 저하의 원인을 분석하였다.
도 4a를 참조하면, 제1패치 안테나의 형태가 사각 패치이면 28.5GHz에서 공진하는 사각 패치는 40.6GHz에서도 고차 모드 공진(higher mode resonance)함을 알 수 있다. 이에 따라 40GHz 부근 주파수에서 격리도 특성이 10dB 이하로 저하됨을 알 수 있다. 이와 관련하여, 시뮬레이션은 2x2 형태의 제1 및 제2안테나 배열에 대하여 수행되었다. 제1주파수 대역의 제1 안테나 배열은 행 및 열 방향으로 일정 간격으로 배치되었다. 한편, 제2주파수 대역의 제2 안테나 배열의 각 안테나 소자는 45도 회전된 형태로 제1 안테나 배열의 각 소자 간에 배치되었다.
한편, 도 4b를 참조하면, 제1패치 안테나의 형태가 원형 패치이면 28.5GHz에서 공진하는 원형 패치는 45.8GHz에서도 고차 모드 공진(higher mode resonance)함을 알 수 있다. 이에 따라, 사각 패치에 비해 고차 모드 공진 주파수가 더 높은 주파수로 이동함에 따라 제2주파수 대역, 약 39GHz 대역에서의 격리도가 개선되는 장점이 있다. 시뮬레이션 결과와 같이 제2주파수 대역, 약 39GHz 대역을 포함한 3GHz 이상의 주파수 대역폭에서 격리도 20dB 이상의 값을 갖게 되어 격리도 특성이 개선되었음을 알 수 있다.
한편, 도 4c는 본 발명과 관련하여, 동일한 주파수 대역에서 사각 패치와 원형 패치의 크기를 비교한 것이다. 도 4c에 도시된 바와 같이, 원형 패치에 비해 사각 패치는 동일한 주파수 대역에서 작은 크기로 구현 가능하다는 장점을 갖는다. 하지만, 도 4a 및 4b에 도시된 바와 같이, 사각 패치는 고차 모드 공진 주파수가 낮은 주파수 대역에서 형성됨에 따라 제2주파수 대역에서 격리도 특성이 저하된다는 문제점이 있다.
반면에, 원형 패치와 같은 다각형 형태의 패치 구조는 고차 모드 공진 주파수가 높은 주파수 대역에서 형성됨에 따라 제2주파수 대역에서 격리도 특성이 향상된다는 장점이 있다. 하지만, 원형 패치는 동일한 주파수 대역에서 크기가 증가함에 따라 유한한 크기의 접지면(450)에 따른 후방 방사(back radiation)가 증가할 수 있다.
따라서, 급전이 이루어지는 제2패치 안테나(220)와 제4패치 안테나(320)는 크기가 작게 사각 패치 형태로 구현되는 것이 유리하다. 또한, 제2패치 안테나(420)와 제3패치 안테나(430)는 전술한 바와 같이 격리도 개선을 위해 서로 다른 층에 형성되었으므로 사각 패치 형태로 인한 격리도 저하 문제는 크게 나타나지 않는다.
반면에, 스택 패치 형태인 제1패치 안테나(210)와 제3패치 안테나(310)는 동일 평면 레이어에 구현되므로 격리도 특성이 무엇보다도 중요하다. 이때, 낮은 주파수 대역인 제1주파수 대역의 제1패치 안테나(210)는 원형 패치 (또는 팔각형 이상의 다각형 패치)로 구성하는 것이 유리하다. 이에 따라, 제1패치 안테나(210)에 의해 고차 모드 공진 주파수가 높은 주파수 대역으로 이동하게 되어 격리도 특성이 향상되기 때문이다.
한편, 제2패치 안테나(310)의 형태는 반드시 원형 패치 (또는 팔각형 이상의 다각형 패치)로 구성할 필요는 없다. 제2패치 안테나(310)는 제2주파수 대역에서 공진하므로 고차 모드 공진 주파수는 제2주파수 대역보다 높기 때문이다. 따라서, 제2패치 안테나(310)에 의한 고차 모드 공진이 제1패치 안테나(310)의 공진 주파수 대역인 제1주파수 대역에 영향을 미치지 않는다.
따라서, 제1패치 안테나(210)는 원형 또는 팔각형 이상의 다각형 패치로 형성되고, 제3패치 안테나(220)와 제4패치 안테나(320)는 사각형 형상으로 형성되어야 한다. 이에 따라, 제3패치 안테나(220)는 사각형 형상으로, 제1주파수 대역에서 다른 형상의 안테나보다 안테나 크기가 감소될 수 있다. 또한, 제4패치 안테나(320)도 사각형 형상으로, 제2주파수 대역에서 다른 형상의 안테나보다 안테나 크기가 감소될 수 있다.
한편, 제2패치 안테나(310)는 형상에는 제한이 없으나, 다른 특성에 큰 영향이 없다면 사각형 패치로 형성되는 것이 크기 면에서 유리하다. 이에 따라, 제1패치 안테나(210)는 원형 형상이고, 제2패치 안테나(310)는 사각형(square) 형상일 수 있다.
한편, 도 2를 참조하면, 제3패치 안테나(220)와 제4패치 안테나(320)는 각각 수평 편파 (HP: Horizontal Polarization) 급전 및 수직 편파 (Vertical Polarization) 급전에 의해 급전될 수 있다. 이때, 수평 편파 급전과 수직 편파 급전 중 어느 하나는 직접 급전(direct feeding)에 의해 이루어지고, 다른 하나는 커플링 급전(coupled feeding)에 의해 이루어질 수 있다. 이와 같이 서로 다른 종류의 급전 메커니즘에 의해
일 실시예에 따르면, 수평 편파는 직접 급전에 의해 이루어지고, 수직 편파는 커플링 급전에 의해 이루어질 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 다른 실시예에 따르면, 수평 편파는 커플링 급전에 의해 이루어지고, 수직 편파는 직접 급전에 의해 이루어질 수도 있다.
한편, 전술한 직접 급전 방식에 대해 살펴보면 다음과 같다. 직접 급전을 위한 급전 라인은 동일 레이어 상에서 정합 변환기(matching transformer)와 연결된다. 예를 들어, 제3패치 안테나(220)에 대하여, 직접 급전 방식의 급전 라인이 제2레이어(420)에 배치되면, 정합 변환기도 제2레이어(420)에 배치될 수 있다. 반면에, 제4패치 안테나(320)에 대하여, 직접 급전 방식의 급전 라인이 제3레이어(430)에 배치되면, 정합 변환기도 제3레이어(430)에 배치될 수 있다.
한편, 정합 변환기는 동일 레이어 상에서 비아 패드와 연결된다. 이때, 비아 패드는 제2레이어(420) 및 제3레이어(430)보다 하면에 해당하는 하부 레이어에서 제2레이어(420) 및 제3레이어(430)로의 수직 비아 홀(Vertical Via Hole)을 통해 하부 레이어의 신호선과 연결된다.
한편, 제1안테나 소자(200)와 제2안테나 소자(300)가 동판 적층판(CCL: Copper Clad Laminate) 구조로 구현되는 경우, 레이어 구조에 대해 살펴보면 다음과 같다. 이와 관련하여, 도 5는 본 발명에 따른 복수의 레이어 구조와 이들 간의 연결관계를 나타낸 측면도이다.
한편, CCL 구조에서 고정된(rigid) 구조의 두께를 감소시키면서도, 많은 레이어를 필요로 하는 RFIC/PMIC 영역으로 인하여, 신호 라인과 접지면(450)은 다음과 같이 구현될 수 있다.
이와 관련하여, 유연(flexible) 기판 형태의 유연 영역에서 안테나가 배치되는 고정(rigid) 영역으로 신호가 전달될 때, 신호선과 접지면(450) 사이의 갭(gap)이 넓어지게 된다. 이에 따라, 마이크로스트립 라인의 폭(width)이 두꺼워지고, 두꺼워진 라인이 안테나의 수직 편파 급전에 영향을 주게 되어, 대역폭 특성이 열화될 수 있다.
따라서, 신호 라인은 4층에 해당하는 제4레이어(441)에서 스트립(strip) 구조로 구현된다. 한편, 접지면(450)은 6층에 해당하는 제6레이어(443)에서 구현된다. 이때, 제1 및 제2주파수 대역에서 모두 수평 편파 급전은 4층인 제4레이어(441)에서 5층인 제5레이어(442)로 수직 비아 홀을 통해 신호가 전달된 후 정합 변환기를 통해 직접 급전될 수 있다. 이와 관련하여, 일반 프로브, 즉 L 연결 프로브, 훅(Hook) 프로브, 미앤더 L 연결 프로브 대신에 특정 크기의 비아 패드와 수직 비아 홀을 통해 연결될 수 있다. 한편 안테나와의 연결을 위해, 5층인 제5레이어(442)에서 제3패치 안테나(220) 및 제4패치 안테나가 배치된 제2레이어(420) 및 제3레이어(430)로의 수직 비아 연결이 이루어질 수 있다.
반면에, 수직 편파 급전은 4층인 제4레이어(441)에서 커플링 급전이 이루어질 수 있다. 따라서, 수직 편파 급전 시, 5층인 제5레이어(442)로 신호선을 배치하지 않고, 제4레이어(441)에서 커플링 급전이 이루어질 수 있다. 예컨대, 제2레이어(420)에 배치된 제3패치 안테나(220)와 제3레이어9430)에 배치된 제4패치 안테나(320)는 제4레이어(441)에 배치된 급전 라인을 통해 마이크로스트립 커플링 급전(microstrip coupled feeding)이 이루어질 수 있다.
한편, 이러한 제1안테나 소자(200)와 제2안테나 소자(300)가 1차원 배열 및 2차원 배열로 형성되는 구조에 대해 살펴보면 다음과 같다. 이와 관련하여, 도 2는 제1안테나 소자(200)와 제2안테나 소자(300)가 1차원 배열로 배치된 구조이다. 한편, 도 6은 본 발명에 따른 제1 안테나 소자와 제2안테나 소자가 2차원 배열로 배치된 구조를 나타낸다.
먼저, 도 2를 참조하면, 제1 패치 안테나(210)와 제3패치 안테나(220)는 제1주파수 대역에서 제1안테나 소자로 동작한다. 한편, 제2 패치 안테나(220)와 제4패치 안테나(320)는 제1주파수 대역보다 높은 제2주파수 대역에서 제2안테나 소자(300)로 동작한다. 이때, 도 2에 도시된 바와 같이 제1안테나 소자(200)와 제2안테나 소자(300)는 n개의 1차원 배열(one dimension array)로 구성될 수 있다. 한편, 도 2에 도시된 바와 같이 제1안테나 소자(200)와 제2안테나 소자(300)는 1x4 배열 안테나로 구성될 수 있지만, 이에 한정되지 않고 응용에 따라 자유롭게 변형 가능하다.
이때, n개의 1차원 배열은 전력 결합기에 의해 합성되어 지향성 안테나로 동작할 수 있다. 또한, 각각의 안테나 소자가 위상 변위기(phase shifter)와 결합된 후 전력 결합기에 의해 합성되어 빔 포밍을 수행할 수 있다. 또한, n개의 1차원 배열은 각 안테나 소자와 기저 대역 또는 디지털부와 연결되어 다중입력 다중출력(MIMO) 동작을 수행할 수 있다.
한편, 수평 편파 급전 및 수직 편파 급전이 다중입력 다중출력(MIMO) 동작을 수행할 수 있다. 이때, n개의 1차원 배열은 전력 결합기에 의해 합성되어 지향성 안테나로 동작하여 통신 커버리지를 향상시키고, 수평 편파 급전 및 수직 편파 급전에 의한 MIMO 동작을 통해 통신 용량을 확장할 수 있다.
한편, 도 7은 본 발명의 1차원 배열 구조에서 제1 및 제2주파수 대역에서의 반사 손실 및 격리도를 나타낸다. 도 7의 (a)를 참조하면, 28GHz를 포함한 제1주파수 대역에서 3GHz 이상의 대역폭에 대해 -10dB 이하의 반사 손실 특성과 20dB 이상의 격리도 특성을 유지한다. 또한, 도 7의 (b)를 참조하면, 39GHz를 포함한 제2주파수 대역에서 3GHz 이상의 대역폭에 대해 -10dB 이하의 반사 손실 특성과 20dB 이상의 격리도 특성을 유지한다.
다음으로, 도 6을 참조하면, 제1 패치 안테나(210)와 제3패치 안테나(220)는 제1주파수 대역에서 제1안테나 소자로 동작한다. 한편, 제2 패치 안테나(220)와 제4패치 안테나(320)는 제1주파수 대역보다 높은 제2주파수 대역에서 제2안테나 소자(300)로 동작한다. 이때, 도 6에 도시된 바와 같이 제1안테나 소자(200)와 제2안테나 소자(300)는 nxn 개의 2차원 배열(two dimension array)로 구성될 수 있다.
한편, 도 6에 도시된 바와 같이 제1안테나 소자(200)와 제2안테나 소자(300)는 2x2 배열 안테나로 구성될 수 있지만, 이에 한정되지 않고 응용에 따라 자유롭게 변형 가능하다. 이때, 제2안테나 소자(300)는 인접하는 제1안테나 소자(200) 사이에 배치될 수 있다. 또한, 제2안테나 소자(300)는 행 방향으로 인접한 안테나 소자들 간에 열 방향 간격의 절반만큼 오프셋 배치될 수 있다. 이와 같이 오프셋 배치된 제2안테나 소자(300)에 의해 제2주파수 대역에서 안테나 소자 간격을 전기적으로 일정한 범위 내에서 유지할 수 있다는 장점이 있다. 예를 들어, 도 2에서는 제1주파수 대역의 제1안테나 소자(200)와 제2주파수 대역의 제2안테나 소자(300)가 물리적으로 모두 동일한 거리 d로 배치될 수 있다. 이에 따라, 높은 주파수 대역인 제2주파수 대역에서 동작하는 제2안테나 소자(300)의 소자 간격은 전기적으로 증가하게 된다.
반면에, 도 6과 같은 구조에서 제1안테나 소자(200) 간 간격이 d라고 하면, 오프셋 배치에 의해 제2안테나 소자(300) 간 간격은 d보다 감소하게 된다. 이에 따라, 높은 주파수 대역인 제2주파수 대역에서 동작하는 제2안테나 소자(300)의 소자 간격은 전기적으로 일정한 범위 내에서 유지될 수 있다.
한편, 도 8은 본 발명의 2차원 배열 구조에서 제1 및 제2주파수 대역에서의 반사 손실 및 격리도를 나타낸다. 도 8의 (a)를 참조하면, 28GHz를 포함한 제1주파수 대역에서 3GHz 이상의 대역폭에 대해 -10dB 이하의 반사 손실 특성과 20dB 이상의 격리도 특성을 유지한다. 또한, 도 8의 (b)를 참조하면, 39GHz를 포함한 제2주파수 대역에서 3GHz 이상의 대역폭에 대해 -10dB 이하의 반사 손실 특성과 20dB 이상의 격리도 특성을 유지한다.
이상에서는 본 발명의 일 양상에 따른 안테나를 포함하는 이동 단말기에 대해 살펴보았다. 한편, 본 발명의 다른 양상에 따른 다층 회로 기판과 안테나를 포함하는 이동 단말기에 대해 살펴보면 다음과 같다. 이와 관련하여, 도 9는 본 발명에 따른 다층 회로 기판과 안테나를 포함하는 이동 단말기를 나타낸다. 한편, 도 9를 참조하면, 다층 회로 기판(400)에는 RFIC(410)가 배치될 수 있다. 한편, 다층 회로 기판(400)에는 최하단에 그라운드가 형성된다. 한편, 안테나 영역(ANT)에는 도 2와 같이 제1패치 안테나(210)와 제2패치 안테나(310)를 포함한다.
제1패치 안테나(210)는 제1주파수 대역에서 동작하고, 원형(circle) 또는 다각형(polygon) 형상으로 다층 회로 기판의 상단인 제1레이어에 배치된다. 반면에, 제2패치 안테나(310)는 제1주파수 대역보다 높은 주파수 대역인 제2주파수 대역에서 동작하고, 제1패치 안테나(210)와 다른 형상으로 제1 패치 안테나(210)와 동일 레이어 상에 배치된다.
한편, 제1패치 안테나(210)는 원형 형상이고, 제2패치 안테나(310)는 사각형(square) 형상일 수 있다. 이때, 제1패치 안테나(210)는 원형 형상에 의해 기생 공진(parasitic resonance) 주파수가 제2 주파수 대역보다 높은 주파수 대역에서 형성된다. 이에 따라, 제1패치 안테나(210)와 제2 패치 안테나(310)의 격리도(isolation)가 향상될 수 있다.
한편, 도 2를 참조하면, 제1레이어보다 하면(bottom surface)에 해당하는 제2레이어에 배치되고, 제1패치 안테나(210)와 함께 제1주파수 대역에서 동작하는 제3패치 안테나(220)를 더 포함한다. 또한, 제2레이어와 다른 레이어인 제3레이어에 배치되고, 제2패치 안테나(310)와 함께 제2주파수 대역에서 동작하는 제4패치 안테나(320)를 더 포함한다. 이에 따라, 제4패치 안테나(320)가 제2레이어와 다른 레이어인 제3레이어에 배치되어 제3패치 안테나(220)와의 격리도가 향상될 수 있다.
한편, 높은 주파수 대역의 하위 패치가 더 하부에 배치되는 것이 급전 손실을 감안한 성능 관점에서 더 유리하다. 한편, 하부에 배치되는 안테나 사각 패치 형태인 것이 크기 감소 측면에서 더 유리하다.
이와 관련하여, 제4패치 안테나(320)가 제2레이어보다 하면에 해당하는 제3레이어에 배치된다. 이에 따라, 제4패치 안테나(320)와 제3패치 안테나(220)와의 격리도가 향상되고, 제2주파수 대역에서 제4패치 안테나(320)의 성능이 향상된다.
한편, 제3패치 안테나(220)는 사각형 형상으로, 제1주파수 대역에서 다른 형상의 안테나보다 안테나 크기가 감소된다. 또한, 제4패치 안테나(320)는 사각형 형상으로, 제2주파수 대역에서 다른 형상의 안테나보다 안테나 크기가 감소된다.
이상에서는 본 발명에 따른 본 발명의 일 양상에 따른 안테나를 포함하는 이동 단말기와 다층 회로 기판과 안테나를 포함하는 이동 단말기에 대해 살펴보았다. 이러한 안테나를 포함하는 이동 단말기와 다층 회로 기판과 안테나를 포함하는 이동 단말기는 다음과 같은 특징을 갖는다.
본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 서로 다른 형상의 패치 안테나를 통해, 서로 다른 주파수 대역에서 동작하는 안테나들 간에 격리도를 개선시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 서로 다른 형상의 패치 안테나와 이들을 수직 방향으로 적층(stack)하여, 서로 다른 밀리미터파 주파수 대역에서 동작하는 안테나들 간에 격리도를 개선하면서, 대역폭 특성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 수직 방향으로 적층되는 패치 안테나의 형상을 격리도와 대역폭 특성을 고려하여 최적으로 선택하여, 서로 다른 밀리미터파 주파수 대역에서 동작하는 안테나들 간에 격리도를 개선하면서, 대역폭 특성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 적용 가능성의 추가적인 범위는 이하의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 그러나 본 발명의 사상 및 범위 내에서 다양한 변경 및 수정은 당업자에게 명확하게 이해될 수 있으므로, 상세한 설명 및 본 발명의 바람직한 실시 예와 같은 특정 실시 예는 단지 예시로 주어진 것으로 이해되어야 한다.
전술한 본 발명과 관련하여, 서로 다른 주파수 대역에서 동작하는 격리도 특성이 향상된 안테나와 이를 포함하는 이동 단말기의 설계 및 이의 구동은 프로그램이 기록된 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체는, 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체의 예로는, HDD(Hard Disk Drive), SSD(Solid State Disk), SDD(Silicon Disk Drive), ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어, 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한, 상기 컴퓨터는 단말기의 제어부(180)를 포함할 수도 있다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

Claims (15)

  1. 이동 단말기에 있어서,
    제1주파수 대역에서 동작하고, 원형(circle) 또는 다각형(polygon) 형상을 갖는 제1패치 안테나; 및
    상기 제1주파수 대역보다 높은 주파수 대역인 제2주파수 대역에서 동작하고, 상기 제1패치 안테나와 다른 형상을 갖는 제2패치 안테나를 포함하는, 이동 단말기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1패치 안테나는 상기 원형 또는 팔각형 이상의 상기 다각형 형상에 의해 기생 공진(parasitic resonance) 주파수가 상기 제2 주파수 대역보다 높은 주파수 대역에서 형성되어, 상기 제2 패치 안테나와의 격리도(isolation)가 향상되는 것을 특징으로 하는, 이동 단말기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1패치 안테나는 상기 원형 형상이고, 상기 제2패치 안테나는 사각형(square) 형상인 것을 특징으로 하는, 이동 단말기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1패치 안테나 및 상기 제2패치 안테나는 빔 조향(beam steering) 시 조향 각도 범위를 향상시키기 위해, 동일한 평면에 해당하는 제1레이어에 배치되는 것을 특징으로 하는, 이동 단말기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1레이어보다 하면(bottom surface)에 해당하는 제2레이어에 배치되고, 상기 제1패치 안테나와 함께 상기 제1주파수 대역에서 동작하는 제3패치 안테나; 및
    상기 제2레이어와 다른 레이어인 제3레이어에 배치되고, 상기 제2패치 안테나와 함께 상기 제2주파수 대역에서 동작하는 제4패치 안테나를 더 포함하고,
    상기 제4패치 안테나가 상기 제2레이어와 다른 레이어인 제3레이어에 배치되어 상기 제3패치 안테나와의 격리도가 향상되는 것을 특징으로 하는, 이동 단말기.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제1레이어보다 하면(bottom surface)에 해당하는 제2레이어에 배치되고, 상기 제1패치 안테나와 함께 상기 제1주파수 대역에서 동작하는 제3패치 안테나; 및
    상기 제2레이어보다 하면에 해당하는 제3레이어에 배치되고, 상기 제2패치 안테나와 함께 상기 제2주파수 대역에서 동작하는 제4패치 안테나를 포함하고,
    상기 제4패치 안테나가 상기 제2레이어보다 하면에 해당하는 제3레이어에 배치되어 상기 제3패치 안테나와의 격리도가 향상되고, 상기 제2주파수 대역에서 상기 제4패치 안테나의 성능이 향상되는 것을 특징으로 하는, 이동 단말기.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제3패치 안테나는 사각형 형상으로, 상기 제1주파수 대역에서 다른 형상의 안테나보다 안테나 크기가 감소되는 것을 특징으로 하는, 이동 단말기.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 제3 패치 안테나와 상기 제4 패치 안테나는 각각 수평 편파 (HP: Horizontal Polarization) 급전 및 수직 편파 (Vertical Polarization) 급전에 의해 급전되고,
    상기 수평 편파 급전과 상기 수직 편파 급전 중 어느 하나는 직접 급전(direct feeding)에 의해 이루어지고, 다른 하나는 커플링 급전(coupled feeding)에 의해 이루어지는, 이동 단말기.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 직접 급전을 위한 급전 라인은 동일 레이어 상에서 정합 변환기(matching transformer)와 연결되고,
    상기 정합 변환기는 동일 레이어 상에서 비아 패드와 연결되고,
    상기 비아 패드는 상기 제2레이어 및 상기 제3레이어보다 하면에 해당하는 하부 레이어에서 상기 제2레이어 및 상기 제3레이어로의 수직 비아 홀(Vertical Via Hole)을 통해 상기 하부 레이어의 신호선과 연결되는, 이동 단말기.
  10. 제5항에 있어서,
    상기 제1 패치 안테나와 상기 제3패치 안테나는 상기 제1주파수 대역에서 제1안테나 소자로 동작하고,
    상기 제2 패치 안테나와 상기 제4패치 안테나는 상기 제2주파수 대역에서 제2안테나 소자로 동작하고,
    상기 제1안테나 소자와 상기 제2안테나 소자는 n개의 1차원 배열(one dimension array)로 구성되고,
    상기 제2안테나 소자는 인접하는 제1안테나 소자들 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는, 이동 단말기.
  11. 제5항에 있어서,
    상기 제1 패치 안테나와 상기 제3패치 안테나는 상기 제1주파수 대역에서 제1안테나 소자로 동작하고,
    상기 제2 패치 안테나와 상기 제4패치 안테나는 상기 제2주파수 대역에서 제2안테나 소자로 동작하고,
    상기 제1안테나 소자와 상기 제2안테나 소자는 n x n개의 2차원 배열(two dimension array)로 구성되고,
    상기 제2안테나 소자는 인접하는 제1안테나 소자들 사이에 배치되고,
    상기 제2안테나 소자는 행 방향으로 인접한 안테나 소자들 간에 열 방향 간격의 절반만큼 오프셋 배치되는 것을 특징으로 하는, 이동 단말기.
  12. 이동 단말기에 있어서,
    최하단에 그라운드가 형성된 다층 회로 기판;
    제1주파수 대역에서 동작하고, 원형(circle) 또는 다각형(polygon) 형상으로 상기 다층 회로 기판의 상단인 제1레이어에 배치되는 제1패치 안테나; 및
    상기 제1주파수 대역보다 높은 주파수 대역인 제2주파수 대역에서 동작하고, 상기 제1패치 안테나와 다른 형상으로 상기 제1패치 안테나와 동일 레이어 상에 배치되는 제2패치 안테나를 포함하는, 이동 단말기.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1패치 안테나는 상기 원형 형상이고, 상기 제2패치 안테나는 사각형(square) 형상이고,
    상기 제1패치 안테나는 상기 원형 형상에 의해 기생 공진(parasitic resonance) 주파수가 상기 제2 주파수 대역보다 높은 주파수 대역에서 형성되어, 상기 제2 패치 안테나와의 격리도(isolation)가 향상되는 것을 특징으로 하는, 이동 단말기.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 제1레이어보다 하면(bottom surface)에 해당하는 제2레이어에 배치되고, 상기 제1패치 안테나와 함께 상기 제1주파수 대역에서 동작하는 제3패치 안테나; 및
    상기 제2레이어와 다른 레이어인 제3레이어에 배치되고, 상기 제2패치 안테나와 함께 상기 제2주파수 대역에서 동작하는 제4패치 안테나를 더 포함하고,
    상기 제4패치 안테나가 상기 제2레이어와 다른 레이어인 제3레이어에 배치되어 상기 제3패치 안테나와의 격리도가 향상되는 것을 특징으로 하는, 이동 단말기.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제4패치 안테나가 상기 제2레이어보다 하면에 해당하는 제3레이어에 배치되어 상기 제3패치 안테나와의 격리도가 향상되고, 상기 제2주파수 대역에서 상기 제4패치 안테나의 성능이 향상되고,
    상기 제3패치 안테나는 사각형 형상으로, 상기 제1주파수 대역에서 다른 형상의 안테나보다 안테나 크기가 감소되는 것을 특징으로 하는, 이동 단말기.
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