WO2021085665A1 - 5g 안테나를 구비하는 전자 기기 - Google Patents

5g 안테나를 구비하는 전자 기기 Download PDF

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WO2021085665A1
WO2021085665A1 PCT/KR2019/014410 KR2019014410W WO2021085665A1 WO 2021085665 A1 WO2021085665 A1 WO 2021085665A1 KR 2019014410 W KR2019014410 W KR 2019014410W WO 2021085665 A1 WO2021085665 A1 WO 2021085665A1
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metal pattern
electronic device
pattern
substrate
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이송이
송문수
유치상
황경선
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엘지전자 주식회사
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    • H04B7/06—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station

Definitions

  • the present invention relates to an electronic device including an electronic device equipped with a 5G antenna. More specifically, it relates to an electronic device having a low profile antenna operating in the 5G Sub 6 band.
  • Electronic devices can be divided into mobile/portable terminals and stationary terminals depending on whether they can be moved. Again, electronic devices can be divided into handheld terminals and vehicle mounted terminals depending on whether or not the user can directly carry them.
  • the functions of electronic devices are diversifying. For example, there are functions of data and voice communication, taking pictures and videos through a camera, recording voices, playing music files through a speaker system, and outputting images or videos to the display unit.
  • Some terminals add an electronic game play function or perform a multimedia player function.
  • recent mobile terminals can receive multicast signals providing visual content such as broadcasting and video or television programs.
  • Such electronic devices are diversified, they are implemented in the form of a multimedia player with complex functions such as, for example, taking photos or videos, playing music or video files, receiving games, and broadcasting. have.
  • wireless communication systems using LTE communication technology have recently been commercialized in electronic devices, providing various services.
  • wireless communication systems using 5G communication technology are expected to be commercialized and provide various services. Meanwhile, some of the LTE frequency bands may be allocated to provide 5G communication services.
  • the mobile terminal may be configured to provide 5G communication services in various frequency bands. Recently, attempts have been made to provide a 5G communication service using a Sub6 band of 6 GHz or less. In addition, in the future, it is expected to provide 5G communication services using millimeter wave (mmWave) bands in addition to Sub6 bands for faster data rates.
  • mmWave millimeter wave
  • the antenna operating in the 5G Sub6 band may be disposed on the side of the electronic device or inside the electronic device.
  • electronic devices such as mobile terminals tend to adopt a full display.
  • new form-factors in the form of foldable, flexible, and rollable are emerging due to the development of flexible displays.
  • Another object is to provide an electronic device in which a low profile antenna having a small size and a low height is disposed inside the electronic device.
  • Another object of the present invention is to provide a low profile antenna with high antenna space utilization and placement freedom while optimizing wireless performance.
  • an electronic device having an antenna includes a first metal pattern configured to be arranged by printing a metal having a predetermined length and width on the substrate, spaced apart from the first metal pattern by a predetermined distance, and having a predetermined length and width And a second metal pattern configured to be printed and arranged to have a metal, and an antenna including a feed pattern configured to couple and feed a signal to the first metal pattern and the second metal pattern.
  • the first metal pattern and the second metal pattern may include an inset region in which no metal pattern is formed.
  • the power supply pattern may be arranged by printing a metal having a predetermined length and width in an area spaced apart from the first metal pattern and the second metal pattern and in the inset area.
  • a transceiver circuit connected to the power supply pattern and configured to transmit signals to the first metal pattern and the second metal pattern through the power supply pattern may be further included.
  • the transceiver circuit may be an integrated circuit such as an RFIC.
  • the antenna may include a plurality of vias configured to connect the first metal pattern, the second metal pattern, and a ground pattern under the first metal pattern and at an end portion of the second metal pattern. ) May be further included. Meanwhile, the plurality of vias may be disposed to be spaced apart from the first metal pattern and the second metal pattern at a predetermined interval in the terminated portion thereof.
  • the antenna is formed by a horizontal magnetic field formed in a horizontal plane with the first metal pattern and the second metal pattern in the boundary region between the feed pattern and the inset region. It is possible to reduce the height of the substrate.
  • the first metal pattern and the second metal pattern are disposed above the first substrate, and the antenna is disposed below the second substrate to provide a reference electric potential for the antenna. It may further include a ground layer.
  • the permittivity of the first substrate is set to a value greater than that of the second substrate, the efficiency of the antenna may be increased while reducing the size of the antenna.
  • the power supply pattern may be disposed on the first substrate that is flush with the first metal pattern and the second metal pattern.
  • the power supply pattern may be disposed under the first substrate or on the second substrate, which is a different plane from the first metal pattern and the second metal pattern.
  • the first metal pattern and the second metal pattern may have a rectangular shape having a predetermined length and width, and may include a first radiation portion in which the inset region is formed.
  • the first metal pattern and the second metal pattern may include a second radiating part connected to the first radiating part and tapered at a predetermined angle to increase a width.
  • the power supply pattern may be formed in the inset area inside the first radiating part. Meanwhile, a position at which the power supply pattern is disposed may be offset by a predetermined distance from an end portion in the width direction of the first radiating unit.
  • the antenna may be disposed on a front surface of the carrier, and the first metal pattern and the second metal pattern may be disposed in a length direction of the electronic device.
  • the width of the end of the second radiating part may be set to a value in the range of 8 to 12 mm in consideration of the resonance frequency and radiating efficiency of the antenna.
  • the difference between the widths of the first radiating part and the second radiating part at a point connected to the first radiating part and the second radiating part is in the range of 1 to 5 mm in consideration of the impedance and the resonance frequency of the antenna. Can be set to a value.
  • the length of the feeding pattern is a value of 0.3 to 0.4 times the length from the end of the first metal pattern to the end of the second metal pattern in consideration of the resonance frequency, bandwidth, and radiation efficiency of the antenna. Can be set to.
  • the antenna may further include a first antenna formed on the side of the electronic device and operating in a first band, which is an LTE band.
  • the antenna may be a second antenna operating in a second band, which is a 5G Sub 6 band.
  • the baseband processor may further include a baseband processor connected to the transceiver circuit and controlling the transceiver circuit to transmit and receive signals through at least one of the first antenna and the second antenna.
  • the baseband processor may be a modem that encodes and decodes information using a corresponding signal.
  • the transmission/reception unit circuit may be configured to transmit and receive a first signal of the first band and to transmit and receive a second signal of the second band.
  • the baseband processor may control the transceiver circuit to receive the second signal through the second antenna.
  • the baseband processor includes a first signal of the first band received through the first antenna and a second band of the second band received through the second antenna. 2 It is possible to perform carrier aggregation (CA) using a signal.
  • CA carrier aggregation
  • the present invention it is possible to provide an electronic device in which a low profile antenna having a small size and a low height is disposed inside the electronic device even in a full display structure.
  • the low profile antenna according to the present invention has the advantage of being able to effectively design the antenna at a very low height of 0.02 ⁇ or less, and easy impedance matching.
  • the low profile antenna according to the present invention has an advantage in that both ends of the radiator are shorted, so that it is advantageous to arrange several antennas according to the miniaturization of the antenna size and improvement of the degree of isolation between the antennas.
  • FIGS. 1B and 1C are conceptual diagrams of an example of an electronic device related to the present disclosure viewed from different directions.
  • FIG. 2A is an exploded perspective view of a mobile terminal according to an embodiment of the present invention.
  • 2B is a diagram illustrating a configuration of a wireless communication unit of an electronic device capable of operating in a plurality of wireless communication systems according to the present invention.
  • 3A is a front view, a side view, and a rear view of a substrate on which a low profile antenna according to the present invention is implemented.
  • 3B is a perspective view of a low profile antenna according to the present invention and a transmission/reception circuit for transmitting and receiving signals through the antenna.
  • FIG. 3C shows an antenna structure according to the number of vias according to the present invention.
  • FIG. 3D shows a change in a resonance frequency according to a change in the number of vias according to the present invention.
  • FIG. 4A shows a structure in which a power supply pattern is disposed on the same plane as a metal pattern as a radiator.
  • FIG. 4B shows a structure in which the power supply pattern is disposed on a different plane from the metal pattern as the radiator.
  • 5A shows radiation efficiency according to a frequency change when different dielectrics are used in the low profile antenna of the multilayer substrate structure according to the present invention.
  • 5B shows a principle in which a vertical electric field and a horizontal magnetic field current are formed in an antenna having a shorted arm structure by a via according to the present invention.
  • FIG. 6A is a front view of a low profile antenna according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6B shows a structure in which the antenna of FIG. 6A disposed on a carrier inside the electronic device is disposed.
  • FIG. 7 shows a change in resonance frequency and peak radiation efficiency according to a change in antenna width according to the present invention.
  • FIG. 8 shows the resonance frequency and peak total efficiency according to the variable length of the low profile antenna and the length of the feeding pattern according to the present invention.
  • FIG. 9 shows the bandwidth and peak radiation efficiency according to the variable length of the low profile antenna and the length of the feeding pattern according to the present invention.
  • FIG 11 shows the bandwidth and peak radiation efficiency according to the variable coupling part length in the low profile antenna according to the present invention.
  • FIG. 12 shows a configuration of an electronic device including an antenna, a transceiver circuit, and a baseband processor according to the present invention.
  • FIG. 13 shows a configuration of an electronic device including a plurality of antennas, a transceiver circuit, and a baseband processor according to the present invention.
  • Electronic devices described herein include a mobile phone, a smart phone, a laptop computer, a digital broadcasting terminal, a personal digital assistant (PDA), a portable multimedia player (PMP), a navigation system, and a slate PC.
  • PDA personal digital assistant
  • PMP portable multimedia player
  • Tablet PC ultrabook
  • wearable device for example, smartwatch, smart glass, head mounted display (HMD), etc. have.
  • FIG. 1A is a block diagram illustrating an electronic device related to the present invention
  • FIGS. 1B and 1C are conceptual diagrams of an example of an electronic device related to the present disclosure viewed from different directions.
  • the electronic device 100 includes a wireless communication unit 110, an input unit 120, a sensing unit 140, an output unit 150, an interface unit 160, a memory 170, a control unit 180, and a power supply unit 190. ) And the like.
  • the components shown in FIG. 1A are not essential for implementing an electronic device, and thus an electronic device described in the present specification may have more or fewer components than those listed above.
  • the wireless communication unit 110 may be configured between the electronic device 100 and the wireless communication system, between the electronic device 100 and other electronic devices 100, or between the electronic device 100 and an external server. It may include one or more modules to enable wireless communication between. In addition, the wireless communication unit 110 may include one or more modules that connect the electronic device 100 to one or more networks.
  • the one or more networks may be, for example, a 4G communication network and a 5G communication network.
  • the wireless communication unit 110 may include at least one of a 4G wireless communication module 111, a 5G wireless communication module 112, a short-range communication module 113, and a location information module 114.
  • the 4G wireless communication module 111 may transmit and receive 4G base stations and 4G signals through a 4G mobile communication network. At this time, the 4G wireless communication module 111 may transmit one or more 4G transmission signals to the 4G base station. In addition, the 4G wireless communication module 111 may receive one or more 4G reception signals from the 4G base station.
  • an uplink (UL) multi-input multi-output (MIMO) may be performed by a plurality of 4G transmission signals transmitted to the 4G base station.
  • a downlink (DL) multi-input multi-output (MIMO) may be performed by a plurality of 4G reception signals received from a 4G base station.
  • the 5G wireless communication module 112 may transmit and receive 5G base stations and 5G signals through a 5G mobile communication network.
  • the 4G base station and the 5G base station may have a non-stand-alone (NSA) structure.
  • the 4G base station and the 5G base station may have a co-located structure disposed at the same location within a cell.
  • the 5G base station may be disposed in a separate location from the 4G base station in a stand-alone (SA) structure.
  • SA stand-alone
  • the 5G wireless communication module 112 may transmit and receive 5G base stations and 5G signals through a 5G mobile communication network. At this time, the 5G wireless communication module 112 may transmit one or more 5G transmission signals to the 5G base station. In addition, the 5G wireless communication module 112 may receive one or more 5G received signals from the 5G base station.
  • the 5G frequency band may use the same band as the 4G frequency band, and this may be referred to as LTE re-farming.
  • the 5G frequency band the Sub6 band, which is a band below 6GHz, may be used.
  • a millimeter wave (mmWave) band may be used as a 5G frequency band to perform broadband high-speed communication.
  • the electronic device 100 may perform beam forming for communication coverage expansion with a base station.
  • uplink MIMO may be performed by a plurality of 5G transmission signals transmitted to the 5G base station.
  • downlink (DL) MIMO may be performed by a plurality of 5G reception signals received from the 5G base station.
  • the wireless communication unit 110 may be in a dual connectivity (DC) state with a 4G base station and a 5G base station through the 4G wireless communication module 111 and the 5G wireless communication module 112.
  • DC dual connectivity
  • the dual connection between the 4G base station and the 5G base station may be referred to as EN-DC (EUTRAN NR DC).
  • EUTRAN is an Evolved Universal Telecommunication Radio Access Network, which means 4G wireless communication system
  • NR is New Radio, which means 5G wireless communication system.
  • a 4G reception signal and a 5G reception signal may be simultaneously received through the 4G wireless communication module 111 and the 5G wireless communication module 112.
  • the short range communication module 113 is for short range communication, and includes BluetoothTM, Radio Frequency Identification (RFID), Infrared Data Association (IrDA), Ultra Wideband (UWB), ZigBee, and NFC. Near field communication may be supported using at least one of (Near Field Communication), Wi-Fi (Wireless-Fidelity), Wi-Fi Direct, and Wireless USB (Wireless Universal Serial Bus) technologies.
  • the short-range communication module 114 may be configured between the electronic device 100 and a wireless communication system, between the electronic device 100 and other electronic devices 100, or between the electronic device 100 and other electronic devices 100 through wireless area networks. ) And a network in which another electronic device 100 or an external server is located may support wireless communication.
  • the local area wireless communication network may be a wireless personal area network (Wireless Personal Area Networks).
  • short-range communication between electronic devices may be performed using the 4G wireless communication module 111 and the 5G wireless communication module 112.
  • short-range communication may be performed between electronic devices through a device-to-device (D2D) method without passing through a base station.
  • D2D device-to-device
  • carrier aggregation using at least one of the 4G wireless communication module 111 and 5G wireless communication module 112 and the Wi-Fi communication module 113 for transmission speed improvement and communication system convergence (convergence)
  • 4G + WiFi carrier aggregation may be performed using the 4G wireless communication module 111 and the Wi-Fi communication module 113.
  • 5G + WiFi carrier aggregation may be performed using the 5G wireless communication module 112 and the Wi-Fi communication module 113.
  • the location information module 114 is a module for obtaining a location (or current location) of an electronic device, and representative examples thereof include a GPS (Global Positioning System) module or a WiFi (Wireless Fidelity) module.
  • a GPS Global Positioning System
  • WiFi Wireless Fidelity
  • the electronic device may acquire the location of the electronic device by using a signal transmitted from a GPS satellite.
  • the location of the electronic device may be obtained based on information of the Wi-Fi module and a wireless access point (AP) that transmits or receives a wireless signal.
  • AP wireless access point
  • the location information module 114 may perform any function among other modules of the wireless communication unit 110 in order to obtain data on the location of the electronic device as a substitute or additionally.
  • the location information module 114 is a module used to obtain the location (or current location) of the electronic device, and is not limited to a module that directly calculates or obtains the location of the electronic device.
  • the electronic device may acquire the location of the electronic device based on information of the 5G wireless communication module and a 5G base station transmitting or receiving a wireless signal.
  • the 5G base station in the mmWave band is deployed in a small cell having a narrow coverage, it is advantageous to obtain the location of the electronic device.
  • the input unit 120 includes a camera 121 or an image input unit for inputting an image signal, a microphone 122 for inputting an audio signal, or an audio input unit, and a user input unit 123 for receiving information from a user, for example, , A touch key, a mechanical key, etc.).
  • the voice data or image data collected by the input unit 120 may be analyzed and processed as a user's control command.
  • the sensing unit 140 may include one or more sensors for sensing at least one of information in the electronic device, information on surrounding environments surrounding the electronic device, and user information.
  • the sensing unit 140 includes a proximity sensor 141, an illumination sensor 142, a touch sensor, an acceleration sensor, a magnetic sensor, and gravity.
  • G-sensor gyroscope sensor
  • motion sensor motion sensor
  • RGB sensor infrared sensor
  • IR sensor infrared sensor
  • fingerprint sensor fingerprint sensor
  • ultrasonic sensor ultrasonic sensor
  • Optical sensor for example, camera (see 121)), microphone (microphone, see 122), battery gauge, environmental sensor (for example, barometer, hygrometer, thermometer, radiation detection sensor, It may include at least one of a heat sensor, a gas sensor, etc.), and a chemical sensor (eg, an electronic nose, a healthcare sensor, a biometric sensor, etc.). Meanwhile, the electronic device disclosed in the present specification may combine and utilize information sensed by at least two or more of these sensors.
  • the output unit 150 is for generating an output related to visual, auditory or tactile sense, and includes at least one of a display unit 151, an audio output unit 152, a hap tip module 153, and a light output unit 154. can do.
  • the display unit 151 may implement a touch screen by forming a layer structure or integrally with the touch sensor.
  • the touch screen may function as a user input unit 123 that provides an input interface between the electronic device 100 and a user, and may provide an output interface between the electronic device 100 and the user.
  • the interface unit 160 serves as a passage between various types of external devices connected to the electronic device 100.
  • the interface unit 160 connects a wired/wireless headset port, an external charger port, a wired/wireless data port, a memory card port, and a device equipped with an identification module. It may include at least one of a port, an audio input/output (I/O) port, an input/output (video I/O) port, and an earphone port.
  • the electronic device 100 may perform appropriate control related to the connected external device in response to the connection of the external device to the interface unit 160.
  • the memory 170 stores data supporting various functions of the electronic device 100.
  • the memory 170 may store a plurality of application programs or applications driven by the electronic device 100, data for the operation of the electronic device 100, and commands. At least some of these application programs may be downloaded from an external server through wireless communication. In addition, at least some of these application programs may exist on the electronic device 100 from the time of shipment for basic functions of the electronic device 100 (eg, incoming calls, outgoing functions, message receiving, and outgoing functions). Meanwhile, the application program may be stored in the memory 170, installed on the electronic device 100, and driven by the controller 180 to perform an operation (or function) of the electronic device.
  • the controller 180 In addition to the operation related to the application program, the controller 180 generally controls the overall operation of the electronic device 100.
  • the controller 180 may provide or process appropriate information or functions to a user by processing signals, data, information, etc. input or output through the above-described components or by driving an application program stored in the memory 170.
  • the controller 180 may control at least some of the components discussed with reference to FIG. 1A. Furthermore, in order to drive the application program, the controller 180 may operate by combining at least two or more of the components included in the electronic device 100 with each other.
  • the power supply unit 190 receives external power and internal power under the control of the controller 180 and supplies power to each of the components included in the electronic device 100.
  • the power supply unit 190 includes a battery, and the battery may be a built-in battery or a replaceable battery.
  • At least some of the respective components may operate in cooperation with each other to implement an operation, control, or control method of an electronic device according to various embodiments described below.
  • the operation, control, or control method of the electronic device may be implemented on the electronic device by driving at least one application program stored in the memory 170.
  • the disclosed electronic device 100 includes a bar-shaped terminal body.
  • the present invention is not limited thereto, and can be applied to various structures such as a watch type, a clip type, a glass type, or a folder type in which two or more bodies are relatively movably coupled, a flip type, a slide type, a swing type, and a swivel type. .
  • a specific type of electronic device the description of a specific type of electronic device may be generally applied to other types of electronic devices.
  • the terminal body may be understood as a concept referring to the electronic device 100 as at least one aggregate.
  • the electronic device 100 includes a case (for example, a frame, a housing, a cover, etc.) forming an exterior. As shown, the electronic device 100 may include a front case 101 and a rear case 102. Various electronic components are disposed in an inner space formed by the combination of the front case 101 and the rear case 102. At least one middle case may be additionally disposed between the front case 101 and the rear case 102.
  • a case for example, a frame, a housing, a cover, etc.
  • the electronic device 100 may include a front case 101 and a rear case 102.
  • Various electronic components are disposed in an inner space formed by the combination of the front case 101 and the rear case 102.
  • At least one middle case may be additionally disposed between the front case 101 and the rear case 102.
  • a display unit 151 is disposed on the front of the terminal body to output information. As illustrated, the window 151a of the display unit 151 may be mounted on the front case 101 to form the front surface of the terminal body together with the front case 101.
  • electronic components may be mounted on the rear case 102 as well.
  • Electronic components that can be mounted on the rear case 102 include a detachable battery, an identification module, and a memory card.
  • a rear cover 103 for covering the mounted electronic component may be detachably coupled to the rear case 102. Accordingly, when the rear cover 103 is separated from the rear case 102, the electronic components mounted on the rear case 102 are exposed to the outside. Meanwhile, some of the side surfaces of the rear case 102 may be implemented to operate as a radiator.
  • the rear cover 103 when the rear cover 103 is coupled to the rear case 102, a part of the side of the rear case 102 may be exposed. In some cases, when the rear case 102 is combined, the rear case 102 may be completely covered by the rear cover 103. Meanwhile, the rear cover 103 may be provided with an opening for exposing the camera 121b or the sound output unit 152b to the outside.
  • the electronic device 100 includes a display unit 151, first and second sound output units 152a and 152b, a proximity sensor 141, an illuminance sensor 142, a light output unit 154, and first and second sound output units.
  • Cameras 121a and 121b, first and second operation units 123a and 123b, microphone 122, interface unit 160, and the like may be provided.
  • the display unit 151 displays (outputs) information processed by the electronic device 100.
  • the display unit 151 may display execution screen information of an application program driven by the electronic device 100, or UI (User Interface) and GUI (Graphic User Interface) information according to such execution screen information. .
  • two or more display units 151 may exist depending on the implementation form of the electronic device 100.
  • a plurality of display units may be spaced apart or integrally disposed on one surface, or may be disposed on different surfaces, respectively.
  • the display unit 151 may include a touch sensor that senses a touch on the display unit 151 so as to receive a control command by a touch method.
  • the touch sensor detects the touch, and the controller 180 may be configured to generate a control command corresponding to the touch based on this.
  • the content input by the touch method may be letters or numbers, or menu items that can be indicated or designated in various modes.
  • the display unit 151 may form a touch screen together with a touch sensor, and in this case, the touch screen may function as a user input unit 123 (see FIG. 1A). In some cases, the touch screen may replace at least some functions of the first manipulation unit 123a.
  • the first sound output unit 152a may be implemented as a receiver that transmits a call sound to the user's ear, and the second sound output unit 152b is a loud speaker that outputs various alarm sounds or multimedia playback sounds. It can be implemented in the form of ).
  • the light output unit 154 is configured to output light for notifying when an event occurs. Examples of the event include message reception, call signal reception, missed call, alarm, schedule notification, e-mail reception, and information reception through an application. When the user's event confirmation is detected, the controller 180 may control the light output unit 154 to terminate the output of light.
  • the first camera 121a processes an image frame of a still image or a moving picture obtained by an image sensor in a photographing mode or a video call mode.
  • the processed image frame may be displayed on the display unit 151 and may be stored in the memory 170.
  • the first and second manipulation units 123a and 123b are an example of a user input unit 123 that is manipulated to receive a command for controlling the operation of the electronic device 100, and may also be collectively referred to as a manipulating portion. have.
  • the first and second manipulation units 123a and 123b may be employed in any manner as long as the user operates while receiving a tactile feeling, such as touch, push, and scroll.
  • the first and second manipulation units 123a and 123b may also be employed in a manner in which the first and second manipulation units 123a and 123b are manipulated without a user's tactile feeling through proximity touch, hovering touch, or the like.
  • the electronic device 100 may be provided with a fingerprint recognition sensor for recognizing a user's fingerprint, and the controller 180 may use fingerprint information detected through the fingerprint recognition sensor as an authentication means.
  • the fingerprint recognition sensor may be embedded in the display unit 151 or the user input unit 123.
  • the microphone 122 is configured to receive a user's voice and other sounds.
  • the microphone 122 may be provided at a plurality of locations and configured to receive stereo sound.
  • the interface unit 160 becomes a path through which the electronic device 100 can be connected to an external device.
  • the interface unit 160 is a connection terminal for connection with another device (eg, earphone, external speaker), a port for short-range communication (eg, an infrared port (IrDA Port), a Bluetooth port (Bluetooth)). Port), a wireless LAN port, etc.], or at least one of a power supply terminal for supplying power to the electronic device 100.
  • the interface unit 160 may be implemented in the form of a socket for accommodating an external card such as a Subscriber Identification Module (SIM) or a User Identity Module (UIM), or a memory card for storing information.
  • SIM Subscriber Identification Module
  • UIM User Identity Module
  • a second camera 121b may be disposed on the rear surface of the terminal body.
  • the second camera 121b has a photographing direction substantially opposite to the first camera 121a.
  • the second camera 121b may include a plurality of lenses arranged along at least one line.
  • the plurality of lenses may be arranged in a matrix format.
  • Such a camera may be referred to as an array camera.
  • an image may be photographed in various ways using a plurality of lenses, and an image of better quality may be obtained.
  • the flash 124 may be disposed adjacent to the second camera 121b.
  • the flash 124 illuminates light toward the subject when photographing the subject with the second camera 121b.
  • a second sound output unit 152b may be additionally disposed on the terminal body.
  • the second sound output unit 152b may implement a stereo function together with the first sound output unit 152a, and may be used to implement a speakerphone mode during a call.
  • At least one antenna for wireless communication may be provided in the terminal body.
  • the antenna may be embedded in the terminal body or may be formed in a case. Meanwhile, a plurality of antennas connected to the 4G wireless communication module 111 and the 5G wireless communication module 112 may be disposed on the side of the terminal.
  • the antenna may be formed in a film type and attached to the inner surface of the rear cover 103, or a case including a conductive material may be configured to function as an antenna.
  • each of the plurality of antennas is implemented as an array antenna
  • a plurality of array antennas may be disposed in the electronic device.
  • the terminal body is provided with a power supply unit 190 (refer to FIG. 1A) for supplying power to the electronic device 100.
  • the power supply unit 190 may include a battery 191 that is built into the terminal body or configured to be detachable from the outside of the terminal body.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of a mobile terminal related to an embodiment of the present invention.
  • the mobile terminal includes a window 210a and a display module 210b constituting the display unit 210. Includes.
  • the window 210a may be coupled to one surface of the front case 201.
  • the window 210a and the display module 210b may be integrally formed.
  • a frame 260 is formed between the front case 201 and the rear case 202 to support electrical elements.
  • the front case 201 and the rear case 202 are made of metal, they may be referred to as a metal frame.
  • the front case 201 is described as being a metal frame 201, but is not limited thereto, and at least one of the front case 201 and the rear case 202 may be implemented as a metal frame made of a metal material. have. Meanwhile, at least a part of a side surface of the metal frame 201 may operate as an antenna.
  • the frame 260 is a support structure inside the terminal and is formed to support at least one of the display module 210b, the camera module 221, the antenna device, the battery 240, or the circuit board 250, for example. .
  • a part of the frame 260 may be exposed to the outside of the terminal.
  • the frame 260 may form part of a sliding module that connects the main body and the display to each other in a slide-type terminal other than a bar-type terminal.
  • the circuit board 250 is disposed between the frame 260 and the rear case 202, and the display module 210b is coupled to one surface of the frame 260.
  • a circuit board 250 and a battery are disposed on the other surface of the frame 260, and the battery cover 203 may be coupled to the rear case 202 to cover the battery.
  • the window 210a is coupled to one surface of the front case 201.
  • a touch sensing pattern 210c formed to sense a touch may be formed on one surface of the window 210a.
  • the touch sensing pattern 210c is formed to sense a touch input and is made of light transmittance.
  • the touch sensing pattern 210c is mounted on the front surface of the window 210a, and may be configured to convert a change in voltage or the like occurring in a specific portion of the window 210a into an electrical input signal.
  • the display module 210b is mounted on the rear surface of the window 210a.
  • a thin film transistor-liquid crystal display TFT LCD
  • TFT LCD thin film transistor-liquid crystal display
  • the display module 210b may be a liquid crystal display (LCD), an organic light-emitting diode (OLED), a flexible display, a 3D display, and the like. I can.
  • LCD liquid crystal display
  • OLED organic light-emitting diode
  • the circuit board 250 may be formed on one surface of the frame 260, but may be mounted under the display module 210b. In addition, at least one electronic device is mounted on a lower surface of the circuit board 250.
  • the frame 260 is formed with a recessed receiving portion to accommodate the battery 240.
  • a contact terminal connected to the circuit board 250 may be formed on one side of the battery accommodating part so that the battery 240 supplies power to the terminal body.
  • the frame 260 may be formed of a metal material so as to maintain sufficient rigidity even if it is formed to have a thin thickness.
  • the metal frame 260 may operate as a ground. That is, the circuit board 250 or the antenna device may be grounded to the frame 260, and the frame 260 may operate as the circuit board 250 or the ground of the antenna device. In this case, the frame 260 may extend the ground of the mobile terminal.
  • the circuit board 250 is electrically connected to the antenna device, and is configured to process a radio signal (or radio electromagnetic wave) transmitted and received by the antenna device.
  • a radio signal or radio electromagnetic wave
  • a plurality of transmission/reception circuits may be formed or mounted on the circuit board 250.
  • Transceiver circuits may be formed including one or more integrated circuits and associated electrical components.
  • the transceiver circuit may include a transmitting integrated circuit, a receiving integrated circuit, a switching circuit, and an amplifier.
  • the plurality of transceiver circuits simultaneously feed conductive members formed in a conductive pattern, which is a radiator, so that a plurality of antenna devices can operate at the same time. For example, one may transmit while the other may receive, transmit both, or receive both.
  • the coaxial cable may be formed to connect the circuit board and each antenna device to each other.
  • the coaxial cable may be connected to a power feeding device for feeding antenna devices.
  • the power supply devices may be formed on one surface of the flexible circuit board 242 formed to process signals input from the operation unit 123a.
  • the other surface of the flexible circuit board 242 may be combined with a signal transmission unit formed to transmit a signal from the manipulation unit 123a.
  • a dome may be formed on the other surface of the flexible circuit board 242 and an actuator may be formed in the signal transmission unit.
  • a flexible circuit board 242 is connected to the lower portion of the carrier 135.
  • the flexible circuit board 242 may be connected at one end to the circuit board 250 having a control unit.
  • the carrier 136 may be disposed on the side of the electronic device rather than under the electronic device.
  • the carrier 136 may be connected to the flexible circuit board or the circuit board 250.
  • the flexible circuit board 242 or the circuit board 250 may be connected to a control unit of the terminal. In this case, the flexible circuit board 242 is formed so that the signal generated by the operation unit is transmitted to the control unit of the circuit board 250.
  • an electronic device in which at least a part of the side surface of the metal frame 201 described above or a plurality of conductive patterns therein operates as an antenna may be considered.
  • a plurality of conductive patterns inside the metal frame 201 may operate as a plurality of antenna elements.
  • the outer metal frame 201 that is, a metal decoration
  • the ground (GND) of two antennas of the same frequency is used as the ground (GND) of two antennas of the same frequency.
  • each of the two antenna patterns connected to the metal member becomes a main radiator.
  • the metal member corresponding to the outer metal frame 201 is ground, and becomes a common ground for a plurality of antennas.
  • an antenna pattern that is in contact with the metal member that is, a conductive pattern, and the conductive pattern serves as a main radiator.
  • the low-profile antenna that may be disposed inside the electronic device other than the side of the electronic device.
  • existing antennas are already disposed on the side of the electronic device, there may be insufficient space in which a plurality of antennas operable in the 5G Sub 6 band are disposed, or interference with other antennas may occur.
  • the low-profile antenna according to the present invention can be implemented with a small size and a low height inside an electronic device.
  • the present invention is to provide an antenna miniaturization design technique for applying 4X4 or more MIMO. Specifically, it is to propose a method of optimally arranging a 5G Sub-6GHz antenna in a low-profile antenna structure implemented with a small size and a low height inside an electronic device.
  • the electronic device includes a first power amplifier 210, a second power amplifier 220, and an RFIC 250.
  • the electronic device may further include a modem 400 and an application processor (AP) 500.
  • the modem 400 and the application processor AP 500 may be physically implemented in one chip, and may be logically and functionally separated.
  • the present invention is not limited thereto and may be implemented in the form of a physically separated chip according to an application.
  • the electronic device includes a plurality of low noise amplifiers (LNAs) 410 to 440 in the receiver.
  • LNAs low noise amplifiers
  • the first power amplifier 210, the second power amplifier 220, the control unit 250, and the plurality of low noise amplifiers 310 to 340 are all operable in the first communication system and the second communication system.
  • the first communication system and the second communication system may be a 4G communication system and a 5G communication system, respectively.
  • the RFIC 250 may be configured as a 4G/5G integrated type, but is not limited thereto and may be configured as a 4G/5G separate type according to an application.
  • the RFIC 250 is configured as a 4G/5G integrated type, it is advantageous in terms of synchronization between 4G/5G circuits and has an advantage that control signaling by the modem 400 can be simplified.
  • the RFIC 250 when configured as a 4G/5G separate type, it may be referred to as a 4G RFIC and a 5G RFIC, respectively.
  • the RFIC 250 when the 5G band and the 4G band have a large difference in bands, such as when the 5G band is configured as a millimeter wave band, the RFIC 250 may be configured as a 4G/5G separate type. In this way, when the RFIC 250 is configured as a 4G/5G separate type, there is an advantage in that RF characteristics can be optimized for each of the 4G band and the 5G band.
  • the RFIC 250 is configured as a 4G/5G separate type, the 4G RFIC and the 5G RFIC are logically and functionally separated, and physically, it is possible to be implemented on one chip.
  • the application processor (AP, 500) is configured to control the operation of each component of the electronic device. Specifically, the application processor (AP) 500 may control the operation of each component of the electronic device through the modem 400.
  • the modem 400 may be controlled through a power management IC (PMIC) for low power operation of an electronic device. Accordingly, the modem 400 may operate the power circuit of the transmitter and the receiver through the RFIC 250 in a low power mode.
  • PMIC power management IC
  • the application processor AP 500 may control the RFIC 250 through the modem 300 as follows. For example, if the electronic device is in the idle mode, the RFIC through the modem 300 so that at least one of the first and second power amplifiers 110 and 120 operates in a low power mode or is turned off. 250 can be controlled.
  • the application processor (AP) 500 may control the modem 300 to provide wireless communication capable of low power communication.
  • the application processor (AP) 500 may control the modem 400 to enable wireless communication with the lowest power. Accordingly, even though the throughput is slightly sacrificed, the application processor (AP) 500 may control the modem 400 and the RFIC 250 to perform short-range communication using only the short-range communication module 113.
  • the modem 300 may be controlled to select an optimal wireless interface.
  • the application processor (AP, 500) may control the modem 400 to receive through both the 4G base station and the 5G base station according to the remaining battery capacity and available radio resource information.
  • the application processor (AP, 500) may receive the remaining battery level information from the PMIC, and the available radio resource information from the modem 400. Accordingly, if the remaining battery capacity and available radio resources are sufficient, the application processor (AP, 500) may control the modem 400 and the RFIC 250 to receive reception through both the 4G base station and the 5G base station.
  • the transmitting unit and the receiving unit of each radio system may be integrated into a single transmitting/receiving unit. Accordingly, there is an advantage in that a circuit part integrating two types of system signals can be removed from the RF front-end.
  • the front end parts can be controlled by the integrated transmission/reception unit, the front end parts can be more efficiently integrated than when the transmission/reception system is separated for each communication system.
  • the multiple transmission/reception system as shown in FIG. 2 has the advantage of enabling efficient resource allocation since it is possible to control other communication systems as needed, and thereby minimize system delay.
  • the first power amplifier 210 and the second power amplifier 220 may operate in at least one of the first and second communication systems.
  • the first and second power amplifiers 220 can operate in both the first and second communication systems.
  • one of the first and second power amplifiers 210 and 220 may operate in the 4G band and the other may operate in the millimeter wave band. have.
  • 4x4 MIMO can be implemented using 4 antennas as shown in FIG. 2.
  • 4x4 DL MIMO may be performed through downlink (DL).
  • the first to fourth antennas ANT1 to ANT4 may be configured to operate in both the 4G band and the 5G band.
  • the 5G band is a millimeter wave (mmWave) band
  • the first to fourth antennas ANT1 to ANT4 may be configured to operate in any one of the 4G band and the 5G band.
  • each of a plurality of separate antennas may be configured as an array antenna in the millimeter wave band.
  • 2x2 MIMO can be implemented using two antennas connected to the first power amplifier 210 and the second power amplifier 220 among the four antennas.
  • 2x2 UL MIMO (2 Tx) may be performed through uplink (UL).
  • a transmission signal may be branched in each of one or two transmission paths, and the branched transmission signal may be connected to a plurality of antennas.
  • a switch-type splitter or power divider is built into the RFIC corresponding to the RFIC 250, so that separate parts do not need to be placed outside, thereby improving component mounting performance.
  • I can. Specifically, it is possible to select the transmission unit (TX) of two different communication systems by using a single pole double throw (SPDT) type switch inside the RFIC corresponding to the control unit 250.
  • TX transmission unit
  • SPDT single pole double throw
  • an electronic device capable of operating in a plurality of wireless communication systems according to the present invention may further include a duplexer 231, a filter 232, and a switch 233.
  • the duplexer 231 is configured to separate signals in the transmission band and the reception band from each other.
  • the signal of the transmission band transmitted through the first and second power amplifiers 210 and 220 is applied to the antennas ANT1 and ANT4 through the first output port of the duplexer 231.
  • signals in the reception band received through the antennas ANT1 and ANT4 are received by the low noise amplifiers 310 and 340 through the second output port of the duplexer 231.
  • the filter 232 may be configured to pass a signal in a transmission band or a reception band and block signals in the remaining bands.
  • the filter 232 may include a transmission filter connected to the first output port of the duplexer 231 and a reception filter connected to the second output port of the duplexer 231.
  • the filter 232 may be configured to pass only the signal of the transmission band or only the signal of the reception band according to the control signal.
  • the switch 233 is configured to transmit only either a transmission signal or a reception signal.
  • the switch 233 may be configured in the form of a single pole double throw (SPDT) to separate a transmission signal and a reception signal in a time division multiplexing (TDD) scheme.
  • the transmission signal and the reception signal are signals of the same frequency band, and accordingly, the duplexer 231 may be implemented in the form of a circulator.
  • the switch 233 is applicable to a frequency division multiplexing (FDD) scheme.
  • the switch 233 may be configured in the form of a Double Pole Double Throw (DPDT) so as to connect or block a transmission signal and a reception signal, respectively.
  • DPDT Double Pole Double Throw
  • the switch 233 is not necessarily required.
  • the electronic device may further include a modem 400 corresponding to a control unit.
  • the RFIC 250 and the modem 400 may be referred to as a first control unit (or a first processor) and a second control unit (a second processor), respectively.
  • the RFIC 250 and the modem 400 may be implemented as physically separate circuits.
  • the RFIC 250 and the modem 400 may be physically divided into one circuit logically or functionally.
  • the modem 400 may perform control and signal processing for transmission and reception of signals through different communication systems through the RFIC 250.
  • the modem 400 may be obtained through control information received from a 4G base station and/or a 5G base station.
  • the control information may be received through a physical downlink control channel (PDCCH), but is not limited thereto.
  • PDCCH physical downlink control channel
  • the modem 400 may control the RFIC 250 to transmit and/or receive signals through the first communication system and/or the second communication system at a specific time and frequency resource. Accordingly, the RFIC 250 may control transmission circuits including the first and second power amplifiers 210 and 220 to transmit a 4G signal or a 5G signal in a specific time period. In addition, the RFIC 250 may control receiving circuits including the first to fourth low noise amplifiers 310 to 340 to receive a 4G signal or a 5G signal in a specific time period.
  • low profile antenna that may be disposed inside an electronic device according to the present invention will be described.
  • low profile means that it can be formed at a low height and disposed inside an electronic device.
  • the antenna operating in the 5G Sub6 band may be disposed on the side of the electronic device or inside the electronic device.
  • electronic devices such as mobile terminals tend to adopt a full display.
  • new form-factors in the form of foldable, flexible, and rollable are emerging due to the development of flexible displays.
  • the present invention is to provide a low profile antenna that can be placed inside an electronic device of a full display or various form-factors. Accordingly, an object of the present invention is to provide an electronic device in which a low profile antenna having a small size and a low height is disposed inside the electronic device. Another object of the present invention is to provide a low profile antenna with high antenna space utilization and placement freedom while optimizing wireless performance.
  • the present invention provides an antenna that can be disposed inside an electronic device rather than a side edge of the electronic device, which is an area where the antenna is previously concentrated. Specifically, the purpose of designing an effective Low Profile antenna with a low height that can be disposed horizontally with the cover inside the cover of an electronic device is low.
  • the low profile antenna of the present invention may be disposed on the carrier 136, referring to FIG. 2A.
  • the carrier 136 on which the low profile antenna of the present invention is disposed may be disposed in the length direction of the electronic device.
  • multiple input/output (MIMO) may be implemented by disposing a plurality of low profile antennas.
  • the low profile antenna that may be disposed inside the electronic device according to the present invention may be an antenna operating in the 5G Sub 6 band.
  • the present invention is not limited thereto, and the low profile antenna of the present invention may be an antenna operating in an LTE band according to an application.
  • FIG. 3A is a front view, a side view, and a rear view of a substrate on which a low profile antenna according to the present invention is implemented.
  • FIG. 3B is a perspective view of a low profile antenna according to the present invention and a transmission/reception circuit for transmitting and receiving signals through the antenna.
  • the technical characteristics of the low profile antenna according to the present invention are as follows.
  • the open surfaces of the two metal patterns shorted at one end are arranged to face each other with a gap.
  • the greatest structural feature is that the two metal patterns are fed by indirect bonding in the same layer or in different layers. By adjusting these gaps, impedance matching can be easily performed.
  • the height between the metal pattern and the ground is low and filled with dielectric or air.
  • a horizontal magnetic field current is formed by the vertical current flowing at the vertical connection connecting the metal pattern and the ground and the vertical electric field generated between the metal pattern and the ground. This horizontal magnetic field current is very efficient at low antenna heights by image theory.
  • the low profile antenna of the present invention may be referred to as an ultra-miniaturized antenna.
  • the meaning of the micro-antenna means that the length and width of the substrate on which the antenna pattern is disposed is reduced, so that a plurality of antenna elements can be disposed inside the electronic device.
  • the antenna of the present invention is characterized in that two patterns (Shorted arms 1 and 2) with one end shorted are arranged to face each other with a gap, and are fed by indirect coupling between the patterns.
  • This structure induces effective radiation of the antenna at a low height (t).
  • a horizontal magnetic field current is formed by a vertical current flowing in a vertical connection part connecting the metal pattern and the ground and a vertical electric field generated between the metal pattern and the ground. This horizontal magnetic field current is very efficient at low antenna heights by image theory.
  • the electronic device includes an antenna 1200, a transceiver circuit 1250, and a baseband processor 1400.
  • the transceiver circuit 1250 may be an RFIC, which is an integrated circuit operating in an RF band.
  • the baseband processor 1400 may be a modem operating in the baseband.
  • the RFIC may include a down-converter for converting an RF band signal into a baseband signal and an up-converter for converting a baseband signal into an RF band signal.
  • the transceiver circuit 1250 corresponding to the RFIC and the baseband processor 1400 corresponding to the modem may be implemented in one chip to be implemented as a Soc (System On Chip).
  • the antenna 1200 may include a first metal pattern 1211, a second metal pattern 1212, and a power supply pattern 1220.
  • the first metal pattern 1211 is configured such that a metal having a predetermined length and width is printed and disposed on the substrate.
  • the second metal pattern 1212 is spaced apart from the first metal pattern 1211 by a predetermined distance, and a metal having a predetermined length and width is printed and disposed.
  • the first metal pattern 1211 and the second metal pattern 1212 include an inset region in which no metal pattern is formed.
  • the meaning of “inset region” refers to a region from which the metal region is removed from the metal region of the first metal pattern 1211 and the second metal pattern 1212, such as a square patch. Through this "inset area", a space in which the power supply pattern 1220 can be arranged may be secured. In addition, impedance matching between the first metal pattern 1211 and the second metal pattern 1212 and the power supply pattern 1220 through the "inset region” can be easily implemented without a separate impedance matching circuit.
  • the power supply pattern 1220 is configured such that a metal having a predetermined length and width is printed and disposed in a region where the first metal pattern 1211 and the second metal pattern 1212 are spaced apart from each other and in an inset region. Accordingly, the power supply pattern 1220 may be configured to couple and supply a signal to the first metal pattern 1211 and the second metal pattern 1212.
  • a position of the power supply unit to which the power supply pattern 1220 is connected to the transmission/reception unit circuit 1250 may be spaced apart from the center of the power supply pattern 1220 by a predetermined distance.
  • the position of the power feeding unit may be set to an acceptable degree of asymmetry of the radiation pattern of the antenna as a threshold spaced apart from the center of the power feeding pattern 1220 by a predetermined distance.
  • the transceiver circuit 1250 is connected to the power supply pattern 1220 and is configured to transmit signals to the first metal pattern 1211 and the second metal pattern 1212 through the power supply pattern 1220.
  • the baseband processor 1400 may control the transceiver circuit 1250 to transmit and receive signals of the 5G Sub 6 band through the antenna 1200.
  • the antenna 1200 may further include a plurality of vias 1230.
  • the plurality of vias 1230 may include the first metal pattern 1211 and the second metal pattern 1212 at end portions of the first metal pattern 1211 and the second metal pattern 1212. It is configured to connect the lower ground pattern.
  • the plurality of vias 1230 may be disposed to be spaced apart from the first metal pattern 1211 and the second metal pattern 1212 at a predetermined interval inward from the terminated portion of the first metal pattern 1211 and the second metal pattern 1212.
  • FIG. 3C shows an antenna structure according to the number of vias according to the present invention.
  • FIG. 3D shows a change in a resonance frequency according to a change in the number of vias according to the present invention.
  • the resonance frequency decreases as the number of vias disposed at the ends of the first metal pattern 1211 and the second metal pattern 1212 decreases.
  • the resonance frequency decreases as shown in the direction of the line indicated by (a) to (d) of FIG. 3D.
  • the meaning of dB(S(1,1)) means the reflection coefficient of the antenna 1200 having one port, and the frequency with the lowest value of dB(S(1,1)) is Corresponds to the resonant frequency.
  • the resonant frequency of the antenna tends to decrease as indicated by (d) in FIGS. 3d (a) to (d).
  • the low profile antenna according to the present invention operates as a patch antenna that resonates at a length of about 1/4 wavelength by connecting the first metal pattern 1211 and the second metal pattern 1212 corresponding to the radiator to the ground layer. .
  • the number of vias in the antenna according to the present invention may be formed as one or two at the lower end of the end portion.
  • the number of vias when the number of vias is one and two, the resonance frequency is substantially similar. Accordingly, the number of vias may be selected as two or more in consideration of the structural stability of the antenna and the radiation efficiency of the antenna. In this regard, when the number of vias is 3 or 4, the resonant frequency moves to a high frequency, which may be somewhat disadvantageous from the viewpoint of miniaturization of the antenna. However, as the number of vias increases, it is advantageous in terms of structural stability and antenna radiation efficiency. Accordingly, the number of vias may be selected as 3 or 4 in consideration of antenna radiation efficiency as well as structural stability of the antenna.
  • the low profile antenna having the structure as described above, it is possible to provide a low profile antenna with high antenna space utilization and placement freedom while optimizing wireless performance.
  • the low profile antenna according to the present invention has the advantage of being able to effectively design the antenna at a very low height of 0.02 ⁇ or less, and easy impedance matching.
  • the low profile antenna according to the present invention has an advantage in that both ends of the radiator are shorted, so that it is advantageous to arrange several antennas according to the miniaturization of the antenna size and improvement of the degree of isolation between the antennas.
  • the first metal pattern 1211 and the second metal pattern 1212 which are antenna patterns according to the present invention, can be designed in various shapes such as triangles, squares, and circles, but the biggest feature is that shorted arms 1 and 2 are spaced apart. They are separated, and the resonance frequency and bandwidth are different depending on the shape.
  • the length from the end of the pattern to the point where it is shorted to the contact pin has the greatest influence on the resonant frequency of the antenna.
  • the larger the antenna area the lower the resonant frequency and the wider the bandwidth.
  • the spacing between the two antenna patterns affects the impedance, and the amount of coupling can be adjusted according to the length and spacing facing each other.
  • the antenna 1200 feeding method may be performed on the same plane as the metal pattern, which is a radiator, or may be performed on a different plane.
  • FIG. 4A shows a structure in which the power supply pattern is disposed on the same plane as the metal pattern as the radiator.
  • FIG. 4B shows a structure in which the power supply pattern is disposed on a different plane from the metal pattern as the radiator.
  • the antenna power feeding method is indirect power feeding, and power can be supplied by placing a gap on the same layer as the antenna pattern as shown in FIG. 4A or by placing it on a layer different from the antenna pattern as shown in FIG. 4B.
  • the impedance may be varied depending on the distance between the power supply pattern and the metal pattern, and the length and position of the power supply pattern in addition to the space between the two metal patterns. Accordingly, it is the main part that can adjust the antenna impedance at a low height.
  • the first and second metal patterns 1211 and 1222 which are metal antenna patterns, may be disposed on one or more dielectrics. These dielectrics are interposed between the first and second metal patterns 1211 and 1222 and the ground layer. If two or more dielectrics are used rather than one dielectric, the performance and size of the antenna can be adjusted.
  • the first substrate S1 as the upper substrate corresponding to the above-described dielectric and the second substrate S2 as the lower substrate may be implemented in the same form as a flexible substrate. Accordingly, the low profile antenna 1200 according to the present invention implemented on the flexible substrate may be disposed inside the electronic device. For example, the low profile antenna 1200 according to the present invention implemented on a flexible substrate may be disposed on a carrier inside an electronic device.
  • the first metal pattern and the second metal pattern may be disposed on the first substrate S1 which is an upper substrate.
  • the antenna 1200 may further include a ground layer disposed under the second substrate S2 as a lower substrate to provide a reference electric potential for the antenna 1200.
  • antenna characteristics differ depending on the dielectric material between the metal patterns 1211 and 1212 and the ground.
  • the permittivity of the first substrate S1 is set to a value greater than that of the second substrate S2, so that the efficiency of the antenna 1200 can be increased while reducing the size of the antenna 1200.
  • the antenna efficiency may slightly decrease, but the decrease in the antenna efficiency may be somewhat mitigated due to the low dielectric constant of the second substrate S2. Accordingly, it is possible to reduce the size of the antenna by setting the dielectric constant of the first substrate S1 to a larger value.
  • the antenna efficiency somewhat reduced by the dielectric constant of the first substrate S1 may be alleviated by the low dielectric constant of the second substrate S2.
  • FIG. 5A shows radiation efficiency according to a frequency change when different dielectrics are used in the low profile antenna having a multilayer substrate structure according to the present invention.
  • the FR 4 substrate had a dielectric constant (Dk) of 4.5 and a dielectric loss of 0.015, the Teflon substrate of 3.0 and a dielectric loss of 0.0014.
  • Dk dielectric constant
  • case 1 is a case where both the first substrate and the second substrate are FR 4 substrates.
  • case 2 is a case where the first substrate is a Teflon substrate and the second substrate is an FR 4 substrate. In Case 2, since the first substrate has a low dielectric constant, the radiation efficiency of the antenna increases.
  • case 3 is a case where both the first substrate and the second substrate are Teflon substrates.
  • the antenna radiation efficiency is substantially similar because the effect of the dielectric constant of the first substrate, which is the upper substrate, is large. Accordingly, the low profile antenna of the present invention can optimize other antenna characteristics, such as impedance matching, while maintaining antenna radiation efficiency characteristics by making the dielectric constants of the first substrate and the second substrate different from each other.
  • Table 1 shows the resonance frequency, bandwidth, and maximum efficiency according to configuration changes of a first substrate as an upper substrate and a second substrate as a lower substrate according to an embodiment of the present invention.
  • the thickness of the first substrate is assumed to be 0.4mm and the thickness of the second substrate is 0.6mm, but the present invention is not limited thereto and can be variously changed according to the application.
  • the power supply pattern is disposed below the metal pattern, which is an antenna pattern, as shown in FIG. 4B, but is not limited thereto and may be variously changed according to the application.
  • the permittivity of the first substrate is set to a value greater than that of the second substrate, so that the efficiency of the antenna 1200 can be increased while reducing the size of the antenna 1200.
  • the first substrate uses a high dielectric constant FR 4 substrate to reduce the antenna size
  • the second substrate uses a low dielectric constant Teflon substrate to increase antenna efficiency.
  • the second substrate may have a lower dielectric constant and may be implemented in a form of a foam having a dielectric constant similar to that of air.
  • the power supply pattern 1220 may be disposed on the first substrate that is the same plane as the first metal pattern 1211 and the second metal pattern 1212.
  • the power supply pattern 1220 may be disposed under the first substrate or on the second substrate, which is a different plane from the first metal pattern 1211 and the second metal pattern 1212.
  • the power supply pattern 1220 may be disposed under the first substrate, which is the substrate on which the metal patterns 1211 and 1212 are disposed.
  • an alignment error between metal patterns may be reduced compared to a case where the power supply pattern 1220 is disposed above the second substrate.
  • the resonant frequency decreases, thereby reducing the size of the antenna.
  • the antenna miniaturization effect can be obtained.
  • the efficiency of the antenna can be increased.
  • the area of the dielectric material is irrelevant, dielectric loss can be reduced by making the power supply pattern 1220 and the slot (a gap between the metal pattern) thin.
  • antenna radiation is also effective due to the horizontal magnetic field formed by the metal pattern and the contact pin.
  • FIG. 5B shows a principle in which a vertical electric field and a horizontal magnetic field current are formed in an antenna having a shorted arm structure by a via according to the present invention.
  • a vertical electric field is formed between the first and second metal patterns 1211 and 1212 corresponding to the shorted arm and the ground layer.
  • a horizontal magnetic field current is formed on the first and second metal patterns 1211 and 1212 and the horizontal plane.
  • a horizontal magnetic field current may be generated in a boundary region between a boundary region of the power supply pattern 1220 and an inset region.
  • the height of the substrate on which the antenna 1200 is formed can be reduced by the horizontal magnetic field current, so that a low profile antenna can be implemented.
  • a shorted arm may be formed by a via, and a cavity-backed slot antenna may be implemented by a ground layer.
  • a cavity-backed slot antenna may be implemented by a ground layer.
  • SIW Substrate Integrated Waveguide
  • a cavity slot antenna using a substrate-integrated waveguide there is an advantage in that a low profile antenna can be implemented by making a cavity with a slot, a ground, and a via. Referring to the vertical electric field distribution of FIG.
  • the SIW Cavity-Backed Slot Antenna may be implemented as an antenna by selecting only a partial area of the entire antenna forming a vertical current and a vertical electric field. Accordingly, the antenna 1200 according to the present invention has the advantage of minimizing the height and the antenna area.
  • a contact pin (short pin) connecting the antenna pattern and the ground can be applied in various ways. It can be connected through a via hole penetrating between dielectrics, or by a C-clip, Pogo pin, spring, finger, etc.
  • the two patterns (Shorted arm, 1211, 1212) shorted at one end are arranged to face each other with an interval, and the antenna is indirectly coupled by the feeding pattern 1220 between the patterns. It is fed.
  • a vertical connection part connecting the pattern and the ground that is, a vertical current flowing through the via is formed. That is, a horizontal magnetic field current is formed by a vertical electric field generated between the metal patterns 1211 and 1212 and the ground layer. This horizontal magnetic field current is very efficient at low antenna heights.
  • the metal pattern of the low profile antenna according to the present invention may be implemented in various shapes to optimize performance in addition to a rectangular shape.
  • the low profile antenna according to the present invention may be formed in a structure in which a rectangular shape and a bow-tie shape are combined.
  • FIG. 6A is a front view of a low profile antenna according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6B shows a structure in which the antenna of FIG. 6A disposed on a carrier inside the electronic device is disposed.
  • the first metal pattern 1211 is configured to include a first radiation portion 1211a and a second radiation portion 1211b.
  • the second metal pattern 1212 is configured to include a first radiating part 1212a and a second radiating part 1212b.
  • the signal of the power supply pattern 1220 is coupled to the first radiating units 1211a and 1212a, it may be referred to as a coupling unit, and the second radiating units 1211b and 1212b may be referred to as a radiating unit.
  • the first radiating portions 1211a and 1212a may be formed in a rectangular shape having a predetermined length and width, and an inset region may be formed therein.
  • the second radiating parts 1211b and 1212b may be connected to the first radiating parts 1211a and 1212a and may be tapered at a predetermined angle to increase the width. That is, the second radiating portions 1211b and 1212b may be formed in a bow-tie shape such that the width thereof increases linearly.
  • the power supply pattern 1220 may be formed in an inset region inside the first radiating portions 1211a and 1212a corresponding to the coupling portion.
  • the position at which the power supply pattern 1220 is disposed may be offset by a predetermined distance from the end portion in the width direction of the first radiating portions 1211a and 1212a.
  • the electronic device may be formed of a dielectric material, disposed inside the electronic device, and further include a carrier 136.
  • the antenna 1200 may be disposed on a front surface of the carrier 136, and the first and second metal patterns 1211 and 1212 may be disposed in the length direction of the electronic device. Accordingly, multiple low profile antennas may be disposed on a carrier 136 to perform multiple input/output (MIMO).
  • MIMO multiple input/output
  • the arrangement structure may be arranged in the electronic device by adjusting the length and width of the substrate on which the low profile antenna according to the present invention is arranged.
  • the length of the antenna 1200 of FIG. 6A may be varied within a certain range.
  • the resonance frequency and the radiation efficiency may be changed.
  • the resonance frequency may decrease from about 4 GHz to about 2.5 GHz.
  • the peak radiation efficiency may decrease from -4.1dB to -6.2dB.
  • the width W of the antenna 1200 is 10 mm, but is not limited thereto and may be changed according to an application.
  • the length L can be set to about 23mm so that the antenna 1200 resonates in the 5G Sub 6 band of 3.5GHz.
  • the length L of the antenna 1200 is not limited thereto, and the resonance frequency is changed according to the length of the power supply pattern 1220 or the area of the metal pattern 1210.
  • the width W of the antenna 1200 may be varied from 8mm to 12mm. Accordingly, the widths of the ends of the second radiating parts 1211b and 1212b may be set to a value in the range of 8 to 12 mm in consideration of the resonance frequency and radiating efficiency of the antenna.
  • FIG. 7 shows a change in resonance frequency and peak radiation efficiency according to a change in antenna width according to the present invention.
  • the resonance frequency is reduced from 3.7GHz to 3.5GHz, so that the antenna resonates at the 5G Sub 6 frequency. do.
  • the resonance frequency is maintained at 3.5 GHz. Therefore, it may be advantageous to set the width of the ends of the second radiating portions 1211b and 1212b to about 9mm from the viewpoint of miniaturization of the antenna.
  • the peak radiation efficiency increases as the width of the ends of the second radiation portions 1211b and 1212b increases from 8mm to 12mm. Accordingly, the width of the ends of the second radiating portions 1211b and 1212b may be set to 10mm to 11mm in consideration of both the antenna resonance frequency and the radiating efficiency.
  • the low profile antenna according to the present invention can optimize the resonance frequency, bandwidth, peak radiation efficiency, and peak total efficiency by varying the length of the feeding pattern 1220.
  • FIG. 8 shows the resonance frequency and peak total efficiency according to the variable length of the low profile antenna and the length of the feeding pattern according to the present invention.
  • FIG. 9 shows the bandwidth and peak radiation efficiency according to the variable length of the low profile antenna and the length of the feeding pattern according to the present invention.
  • the peak radiation efficiency is the radiation efficiency of the antenna in consideration of the antenna loss
  • the peak total efficiency indicates the efficiency in consideration of both the antenna loss and the feeding loss.
  • the length of the feed pattern 1220 may be set in consideration of the resonance frequency, bandwidth, and radiation efficiency of the antenna.
  • the length of the power feeding pattern 1220 may be set to a value of 0.3 to 0.4 times the length from the end of the first metal pattern to the end of the second metal pattern. That is, the length of the power feeding pattern 1200 may be set to a value of 0.3 to 0.4 times the length of the antenna.
  • the resonance frequency decreases according to the feed length. Accordingly, there is an appropriate feeding length according to the antenna length, and a feeding length of 0.3 to 0.4 times the total length of the antenna pattern is required.
  • 24x10 indicates that the length L and width W of the antenna are 24 mm and 10 mm, respectively.
  • 22x10 indicates that the length L and width W of the antenna are 22 mm and 10 mm, respectively.
  • the length of the feeding pattern 1200 may be set to 0.3 to 0.4 times the total length of the antenna pattern.
  • the length of the power feeding pattern 1200 may be set to about 9 mm. Accordingly, the length of the feeding pattern 1200 may be set to 0.3 to 0.4 times the total length of the antenna pattern.
  • the length of the power supply pattern 1200 may be set to 0.3 to 0.4 times the total length of the antenna pattern.
  • the low profile antenna according to the present invention adjusts the difference between the widths of the first radiator and the second radiator, that is, the length of the coupling, at a point where the first radiator and the second radiator are connected to each other to adjust the impedance and resonance frequency of the antenna.
  • the difference between the widths of the first radiating part and the second radiating part, that is, the length of the coupling part, at a point connected to the first radiating part and the second radiating part may be set to a value in the range of 1 to 5 mm.
  • FIG. 10 shows the resonance frequency and peak total efficiency according to the variable coupling part length in the low profile antenna according to the present invention.
  • FIG. 11 shows the bandwidth and peak radiation efficiency according to the variable length of the coupling part in the low profile antenna according to the present invention.
  • the peak radiation efficiency is the radiation efficiency of the antenna in consideration of the antenna loss
  • the peak total efficiency indicates the efficiency in consideration of both the antenna loss and the feeding loss.
  • the resonant frequency decreases, thus miniaturizing the antenna.
  • the resonant frequency decreases as the length A of the coupling portion increases.
  • 34x10 indicates that the length L and width W of the antenna are 34 mm and 10 mm, respectively.
  • the antenna characteristics were compared while varying the length of the coupling portion from 1 mm to 5 mm.
  • the length (A) of the coupling part changes, it can be seen that the impedance changes.
  • the length (A) of the coupling portion increases, the amount of coupling between the feed pattern and the antenna pattern decreases. Accordingly, the size of the locus of the smith chart indicating the impedance change according to the frequency in polar coordinates decreases, and the resonance frequency decreases. Therefore, when the length (A) of the coupling part is changed, it affects both the impedance and the resonance frequency of the antenna. Therefore, it is possible to optimize antenna characteristics by varying the shape of the first and second radiating part regions including the length A of the coupling part.
  • the low profile antenna of various shapes according to the present invention can operate in the 5G Sub 6 band.
  • the operating band of the low profile antenna of various shapes is not limited thereto, and may operate in an arbitrary communication frequency band.
  • the low profile antenna according to the present invention operates in the 5G Sub 6 band, and the antenna implemented as a conductive member disposed on the side of the electronic device may operate in the LTE band.
  • a control operation for a plurality of antennas operating in a plurality of communication systems is required.
  • FIG. 12 shows a configuration of an electronic device including an antenna, a transmission/reception unit circuit, and a baseband processor according to the present invention.
  • 13 shows a configuration of an electronic device including a plurality of antennas, a transmission/reception unit circuit, and a baseband processor according to the present invention.
  • the electronic device 1000 may include a first antenna 1100, a second antenna 1200, a transceiver circuit 1250, and a baseband processor 1400. have.
  • the first antenna 1100 is formed on the side of the electronic device and is configured to operate in a first band, which is an LTE band.
  • the antenna 1200 according to the present invention may be a second antenna 1200 configured to operate in a second band, which is a 5G Sub 6 band.
  • the location of the first antenna 1100 is not limited to FIG. 12 or 13, and may be formed in a region on the left, right, upper or lower portion of the electronic device.
  • the second antenna 1200 may be configured as a single antenna as shown in FIG. 12 or may be configured as a plurality of antennas for MIMO operation as shown in FIG. 13.
  • the transceiver circuit 1250 is connected to the power supply pattern 1220 and is configured to transmit signals to the first metal pattern 1211 and the second metal pattern 1212 through the power supply pattern 1220.
  • the baseband processor 1400 is connected to the transceiver circuit 1250, and transmits and receives a signal through at least one of the first antenna 1100 and the second antenna 1200. Is configured to control.
  • the transceiver circuit may be configured to transmit and receive a first signal of a first band and to transmit and receive a second signal of a second band.
  • the baseband processor 1400 may control the transceiver circuit 1250 to receive the second signal through the second antenna 1200 when the quality of the first signal is less than or equal to the threshold.
  • the baseband processor 1400 may perform carrier aggregation (CA).
  • CA Carrier Aggregation
  • the first antenna 1100 can be configured to transmit and receive signals in the LTE band.
  • the first antenna 1100 may be disposed on the side of the electronic device.
  • the first antenna 1100 may include one or more antennas 1100a and 1100b disposed on the upper, lower, left, or right side of the electronic device.
  • the baseband processor 1400 corresponding to the modem may perform a multiple input/output (MIMO) or diversity operation through the first antennas 1100a and 1100b.
  • MIMO multiple input/output
  • the location and number of the first antennas 1100a and 1100b are not limited thereto, and may be variously changed according to an application.
  • the number of first antennas 1100a and 1100b can be extended to a maximum of 4 to support 4TX or 4RX.
  • the first antennas 1100a and 1100b may operate in a dual band so as to operate in a 5G band in addition to the LTE band.
  • the baseband processor 1400 may perform multiple input/output (MIMO) using at least one of the at least one second antenna 1200 among the first antennas 1100a and 1100b.
  • MIMO multiple input/output
  • an electronic device having a 5G antenna according to the present invention has been described.
  • the technical effects of an electronic device having such a 5G antenna, in particular, an electronic device having a low-profile antenna that can be disposed inside the electronic device will be described as follows.
  • the present invention it is possible to provide an electronic device in which a low profile antenna having a small size and a low height is disposed inside the electronic device even in a full display structure.
  • the low profile antenna according to the present invention has the advantage of being able to effectively design the antenna at a very low height of 0.02 ⁇ or less, and easy impedance matching.
  • the low profile antenna according to the present invention has an advantage in that both ends of the radiator are shorted, so that it is advantageous to arrange several antennas according to the miniaturization of the antenna size and improvement of the degree of isolation between the antennas.
  • the design of a low-profile antenna and control of the antenna and the transceiver circuit through a control unit such as a baseband processor are implemented as computer-readable codes in a medium on which a program is recorded. It is possible to do.
  • the computer-readable medium includes all types of recording devices that store data that can be read by a computer system. Examples of computer-readable media include hard disk drives (HDDs), solid state disks (SSDs), silicon disk drives (SDDs), ROMs, RAM, CD-ROMs, magnetic tapes, floppy disks, optical data storage devices, etc.
  • HDDs hard disk drives
  • SSDs solid state disks
  • SDDs silicon disk drives
  • ROMs read-only memory
  • RAM compact disc drives
  • CD-ROMs compact discs
  • magnetic tapes magnetic tapes
  • floppy disks magnetic tapes
  • optical data storage devices etc.
  • carrier wave for example, transmission over the Internet
  • the computer may include the controllers 180, 1250, and 1400 of the terminal. Therefore, the detailed description above should not be construed as restrictive in all respects and should be considered as illustrative. The scope of the present invention should be determined by reasonable interpretation of the appended claims, and all changes within the equivalent scope of the present invention are included in the scope of the present invention.

Landscapes

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Abstract

본 발명에 따른 5G 안테나를 구비하는 전자 기기가 제공된다. 상기 전자 기기는 기판 상부에 소정 길이(length)와 너비(width)를 갖는 금속이 프린트되어 배치되도록 구성된 제1 금속 패턴(metal pattern), 상기 제1 금속 패턴과 소정 간격 이격되고, 소정 길이와 너비를 갖는 금속이 프린트되어 배치되도록 구성된 제2 금속 패턴, 및 상기 제1 금속 패턴 및 상기 제2 금속 패턴으로 신호를 커플링 급전하도록 구성된 급전 패턴을 포함하는 안테나를 포함한다.

Description

5G 안테나를 구비하는 전자 기기
본 발명은 5G 안테나를 구비하는 전자 기기를 구비하는 전자 기기에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 5G Sub 6 대역에서 동작하는 로우 프로파일 안테나를 구비하는 전자 기기에 관한 것이다.
전자기기(electronic devices)는 이동 가능여부에 따라 이동 단말기(mobile/portable terminal) 및 고정 단말기(stationary terminal)로 나뉠 수 있다. 다시 전자기기는 사용자의 직접 휴대 가능 여부에 따라 휴대(형) 단말기(handheld terminal) 및 거치형 단말기(vehicle mounted terminal)로 나뉠 수 있다.
전자기기의 기능은 다양화되고 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 전자기기는 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 전자기기의 기능 지지 및 증대를 위해, 단말기의 구조적인 부분 및/또는 소프트웨어적인 부분을 개량하는 것이 고려될 수 있다.
상기 시도들에 더하여, 최근 전자기기는 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. 한편, LTE 주파수 대역 중 일부를 5G 통신 서비스를 제공하기 위하여 할당될 수 있다.
이와 관련하여, 이동 단말기는 5G 통신 서비스를 다양한 주파수 대역에서 제공하도록 구성될 수 있다. 최근에는 6GHz 대역 이하의 Sub6 대역을 이용하여 5G 통신 서비스를 제공하기 위한 시도가 이루어지고 있다. 또한, 향후에는 보다 빠른 데이터 속도를 위해 Sub6 대역 이외에 밀리미터파(mmWave) 대역을 이용하여 5G 통신 서비스를 제공할 것으로 예상된다.
한편, 5G Sub6 대역에서 동작하는 안테나는 전자 기기의 측면 또는 전자 기기의 내부에 배치될 수 있다. 이와 관련하여, 최근 들어 이동 단말기와 같은 전자 기기에서, 풀 디스플레이(Full Display)를 채택하는 경향이 있다. 또한, 풀 디스플레이를 구비하는 전자 기기 이외에 Flexible Display 개발로 인해 Foldable, Flexible, Rollable 형태의 새로운 form-factor가 등장하고 있다.
이와 같은 다양한 form-factor에 따른 전자 기기에서도 빠른 데이터 전송을 위해 안테나 수가 증가하고 있다. 하지만, 전자 기기에 배치될 수 있는 안테나의 크기와 형태가 제한되어 설계 공간이 줄고 방사 효율 확보에 어려움이 있다는 문제점이 있다.
본 발명은 전술한 문제 및 다른 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다. 또한, 다른 일 목적은 전자 기기 내부에 작은 크기와 낮은 높이를 갖는 로우 프로파일 안테나(Low Profile)가 배치된 전자 기기를 제공하기 위한 것이다
본 발명의 다른 일 목적은 무선 성능을 최적화하면서 안테나 공간 활용도와 배치 자유도가 높은 로우 프로파일 안테나를 제공하기 위한 것이다.
상기 또는 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 안테나를 구비하는 전자 기기가 제공된다. 상기 전자 기기는 기판 상부에 소정 길이(length)와 너비(width)를 갖는 금속이 프린트되어 배치되도록 구성된 제1 금속 패턴(metal pattern), 상기 제1 금속 패턴과 소정 간격 이격되고, 소정 길이와 너비를 갖는 금속이 프린트되어 배치되도록 구성된 제2 금속 패턴, 및 상기 제1 금속 패턴 및 상기 제2 금속 패턴으로 신호를 커플링 급전하도록 구성된 급전 패턴을 포함하는 안테나를 포함한다.
일 실시 예로, 상기 제1 금속 패턴 및 상기 제2 금속 패턴은 내부에 금속 패턴이 형성되지 않은 인셋 영역(inset region)을 포함할 수 있다. 상기 급전 패턴은 상기 제1 금속 패턴과 상기 제2 금속 패턴이 이격된 영역과 상기 인셋 영역에 소정 길이와 너비를 갖는 금속이 프린트되어 배치될 수 있다.
일 실시 예로, 상기 급전 패턴과 연결되고, 상기 급전 패턴을 통해 상기 제1 금속 패턴 및 상기 제2 금속 패턴으로 신호를 전달하도록 구성된 송수신부 회로(transceiver circuit)를 더 포함할 수 있다. 여기서, 송수신부 회로(transceiver circuit)는 RFIC와 같은 집적회로일 수 있다.
일 실시 예로, 상기 안테나는 상기 제1 금속 패턴 및 상기 제2 금속 패턴의 단부(end portion)에서 상기 제1 금속 패턴 및 상기 제2 금속 패턴과 하부의 그라운드 패턴을 연결하도록 구성된 복수의 비아(via)들을 더 포함할 수 있다. 한편, 상기 복수의 비아들은 상기 제1 금속 패턴 및 상기 제2 금속 패턴의 종단 부(terminated portion)에서 내부로 소정 간격 이격되어 배치될 수 있다.
일 실시 예로, 상기 급전 패턴의 경계 영역과와 상기 인셋 영역의 경계 영역에서, 상기 제1 금속 패턴 및 상기 제2 금속 패턴과 수평면에 형성되는 수평 자계 전류 (horizontal magnetic field)에 의해 상기 안테나가 형성되는 기판의 높이를 감소시킬 수 있다.
일 실시 예로, 상기 제1 금속 패턴 및 상기 제2 금속 패턴은 제1 기판의 상부에 배치되고, 상기 안테나는 상기 안테나에 대한 기준 전위(reference electric potential)을 제공하도록 제2 기판의 하부에 배치되는 그라운드 층을 더 포함할 수 있다.
일 실시 예로, 상기 제1 기판의 유전율(permittivity)는 상기 제2 기판의 유전율보다 큰 값으로 설정되어, 상기 안테나의 크기를 감소시키면서 상기 안테나의 효율을 증가시킬 수 있다.
일 실시 예로, 상기 급전 패턴은 상기 제1 금속 패턴 및 상기 제2 금속 패턴과 동일 평면인 상기 제1 기판의 상부에 배치될 수 있다.
일 실시 예로, 상기 급전 패턴은 상기 제1 금속 패턴 및 상기 제2 금속 패턴과 다른 평면인 상기 제1 기판의 하부 또는 상기 제2 기판의 상부에 배치될 수 있다.
일 실시 예로, 상기 제1 금속 패턴 및 상기 제2 금속 패턴은 소정 길이와 너비를 갖는 직사각형 형태로 형성되고, 내부에 상기 인셋 영역이 형성되는 제1 방사 부(radiation portion)를 포함할 수 있다. 또한, 상기 제1 금속 패턴 및 상기 제2 금속 패턴은 상기 제1 방사 부에 연결되고, 소정 각도로 테이퍼링(tapering)되어 너비가 증가하도록 형성되는 제2 방사 부를 포함할 수 있다.
일 실시 예로, 상기 급전 패턴은 상기 제1 방사 부 내부의 상기 인셋 영역에 형성될 수 있다. 한편, 상기 급전 패턴이 배치되는 위치는 상기 제1 방사 부의 너비 방향으로 단부에서 소정 간격 이격되어 오프셋 배치될 수 있다.
일 실시 예로, 유전체로 형성되고, 상기 전자 기기에 내부에 배치되고, 캐리어(carrier)를 더 포함할 수 있다. 한편, 상기 안테나는 상기 캐리어의 전면(front surface)에 배치되고, 상기 제1 금속 패턴 및 상기 제2 금속 패턴은 상기 전자 기기의 길이 방향으로 배치될 수 있다.
일 실시 예로, 상기 제2 방사부의 단부의 너비는 상기 안테나의 공진 주파수 및 방사 효율을 고려하여 8 내지 12mm의 범위의 값으로 설정될 수 있다.
일 실시 예로, 상기 제1 방사부와 상기 제2 방사부와 연결되는 지점에서 상기 제1 방사부와 제2 방사부의 너비의 차이는 상기 안테나의 임피던스와 공진 주파수를 고려하여 1 내지 5mm의 범위의 값으로 설정될 수 있다.
일 실시 예로, 상기 급전 패턴의 길이는 상기 안테나의 공진 주파수, 대역폭 및 방사 효율을 고려하여 상기 제1 금속 패턴의 종단 부에서 상기 제2 금속 패턴의 종단 부까지의 길이의 0.3 내지 0.4배의 값으로 설정될 수 있다.
일 실시 예로, 상기 전자 기기의 측면부에 형성되어, LTE 대역인 제1 대역에서 동작하는 제1 안테나를 더 포함할 수 있다. 여기서, 상기 안테나는 5G Sub 6 대역인 제2 대역에서 동작하는 제2 안테나일 수 있다.
일 실시 예로, 상기 송수신부 회로와 연결되고, 상기 제1 안테나 및 상기 제2 안테나 중 적어도 하나를 통해 신호를 송신 및 수신하도록 상기 송수신부 회로를 제어하는 기저대역 프로세서를 더 포함할 수 있다. 여기서, 기저대역 프로세서는 해당 신호를 이용하여 정보를 인코딩 및 디코딩하는 모뎀(modem)일 수 있다.
일 실시 예로, 상기 송수신부 회로는 상기 제1 대역의 제1 신호를 송신 및 수신하고 상기 제2 대역의 제2 신호를 송신 및 수신하도록 구성될 수 있다.
일 실시 예로, 상기 기저대역 프로세서는 상기 제1 신호의 품질이 임계치 이하이면 상기 제2 안테나를 통해 상기 제2 신호를 수신하도록 상기 송수신부 회로를 제어할 수 있다. 이 경우, 광대역 전송이 요청되어 광대역이 할당된 경우, 상기 기저대역 프로세서는 상기 제1 안테나를 통해 수신되는 상기 제1 대역의 제1 신호와 상기 제2 안테나를 통해 수신되는 상기 제2 대역의 제2 신호를 이용하여 반송파 집성(CA: Carrier Aggregation)을 수행할 수 있다.
본 발명에 따르면, 풀 디스플레이 구조에서도 전자 기기의 내부에 작은 크기와 낮은 높이를 갖는 로우 프로파일 안테나(Low Profile)가 배치된 전자 기기를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 전자 기기의 커버에 수평으로 전자 기기의 내부에 배치될 수 있는 로우 프로파일 안테나를 통해, 무선 성능을 최적화하면서 안테나 공간 활용도와 배치 자유도가 높은 로우 프로파일 안테나를 제공할 수 있다.
특히 본 발명에 따른 로우 프로파일 안테나는 0.02 λ 이하로 매우 낮은 높이에서 안테나를 효과적으로 설계할 수 있으며, 임피던스 매칭이 용이하다는 장점이 있다.
특히 본 발명에 따른 로우 프로파일 안테나는 방사체의 양 단부가 단락(short)되어 있어, 안테나 크기 소형화와 함께 상호 간 격리도 향상에 따라 여러 안테나를 배열하기에 유리하다는 장점이 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 전자 기기를 설명하기 위한 블록도이고, 도 1b 및 1c는 본 발명과 관련된 전자 기기의 일 예를 서로 다른 방향에서 바라본 개념도이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시 예와 관련된 이동 단말기의 분해사시도이다.
도 2b는 본 발명에 따른 복수의 무선 통신 시스템에서 동작 가능한 전자 기기의 무선 통신부의 구성을 도시한다.
도 3a는 본 발명에 따른 로우 프로파일 안테나가 구현되는 기판의 전면도, 측면도 및 배면도를 나타낸다.
도 3b는 본 발명에 따른 로우 프로파일 안테나의 사시도 및 이러한 안테나를 통해 신호를 송신 및 수신하는 송수신부 회로를 나타낸다.
도 3c는 본 발명에 따른 비아의 개수에 따른 안테나 구조를 나타낸다. 또한, 도 3d는 본 발명에 따른 비아 개수 변화에 따른 공진 주파수 변화를 나타낸다.
도 4a는 급전 패턴이 방사체인 금속 패턴과 동일 평면 상에 배치된 구조를 나타낸다. 또한, 도 4b는 급전 패턴이 방사체인 금속 패턴과 다른 평면 상에 배치된 구조를 나타낸다.
도 5a는 본 발명에 따른 다층 기판 구조의 로우 프로파일 안테나에서 서로 다른 유전체를 사용한 경우 주파수 변화에 따른 방사 효율을 나타낸다.
도 5b는 본 발명에 따른 비아에 의한 단락 암(shorted arm) 구조의 안테나에서 수직 전계와 수평 자계 전류가 형성되는 원리를 나타낸다.
도 6a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 로우 프로파일 안테나의 전면도를 나타낸다. 또한, 도 6b는 전자 기기 내부의 캐리어에 배치되는 도 6a의 안테나가 배치된 구조를 나타낸다.
도 7은 본 발명에 따른 안테나 너비 변화에 따른 공진 주파수와 피크 방사 효율 변화를 나타낸다.
도 8은 본 발명에 따른 로우 프로파일 안테나의 길이와 급전 패턴 길이 가변에 따른 공진 주파수 및 피크 총 효율을 나타낸다. 또한, 도 9는 본 발명에 따른 로우 프로파일 안테나의 길이와 급전 패턴 길이 가변에 따른 대역폭 및 피크 방사 효율을 나타낸다.
도 9는 본 발명에 따른 로우 프로파일 안테나의 길이와 급전 패턴 길이 가변에 따른 대역폭 및 피크 방사 효율을 나타낸다.
도 10은 본 발명에 따른 로우 프로파일 안테나에서 결합부 길이 가변에 따른 공진 주파수 및 피크 총 효율을 나타낸다.
도 11은 본 발명에 따른 로우 프로파일 안테나에서 결합부 길이 가변에 따른 대역폭 및 피크 방사 효율을 나타낸다.
도 12는 본 발명에 따른 안테나, 송수신부 회로 및 기저대역 프로세서를 구비하는 전자 기기의 구성을 나타낸다.
도 13은 본 발명에 따른 복수의 안테나, 송수신부 회로 및 기저대역 프로세서를 구비하는 전자 기기의 구성을 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 전자 기기에는 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 전자 기기를 설명하기 위한 블록도이고, 도 1b 및 1c는 본 발명과 관련된 전자 기기의 일 예를 서로 다른 방향에서 바라본 개념도이다.
상기 전자 기기(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 전자 기기를 구현하는데 있어서 필수적인 것은 아니어서, 본 명세서 상에서 설명되는 전자 기기는 위에서 열거된 구성요소들 보다 많거나, 또는 적은 구성요소들을 가질 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 구성요소들 중 무선 통신부(110)는, 전자 기기(100)와 무선 통신 시스템 사이, 전자 기기(100)와 다른 전자 기기(100) 사이, 또는 전자 기기(100)와 외부서버 사이의 무선 통신을 가능하게 하는 하나 이상의 모듈을 포함할 수 있다. 또한, 상기 무선 통신부(110)는, 전자 기기(100)를 하나 이상의 네트워크에 연결하는 하나 이상의 모듈을 포함할 수 있다. 여기서, 하나 이상의 네트워크는 예컨대 4G 통신 네트워크 및 5G 통신 네트워크일 수 있다.
이러한 무선 통신부(110)는, 4G 무선 통신 모듈(111), 5G 무선 통신 모듈(112), 근거리 통신 모듈(113), 위치정보 모듈(114) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
4G 무선 통신 모듈(111)은 4G 이동통신 네트워크를 통해 4G 기지국과 4G 신호를 전송 및 수신할 수 있다. 이때, 4G 무선 통신 모듈(111)은 하나 이상의 4G 송신 신호를 4G 기지국으로 전송할 수 있다. 또한, 4G 무선 통신 모듈(111)은 하나 이상의 4G 수신 신호를 4G 기지국으로부터 수신할 수 있다.
이와 관련하여, 4G 기지국으로 전송되는 복수의 4G 송신 신호에 의해 상향링크(UL: Up-Link) 다중입력 다중출력(MIMO: Multi-Input Multi-Output)이 수행될 수 있다. 또한, 4G 기지국으로부터 수신되는 복수의 4G 수신 신호에 의해 하향링크(DL: Down-Link) 다중입력 다중출력(MIMO: Multi-Input Multi-Output)이 수행될 수 있다.
5G 무선 통신 모듈(112)은 5G 이동통신 네트워크를 통해 5G 기지국과 5G 신호를 전송 및 수신할 수 있다. 여기서, 4G 기지국과 5G 기지국은 비-스탠드 얼론(NSA: Non-Stand-Alone) 구조일 수 있다. 예컨대, 4G 기지국과 5G 기지국은 셀 내 동일한 위치에 배치되는 공통-배치 구조(co-located structure)일 수 있다. 또는, 5G 기지국은 4G 기지국과 별도의 위치에 스탠드-얼론(SA: Stand-Alone) 구조로 배치될 수 있다.
5G 무선 통신 모듈(112)은 5G 이동통신 네트워크를 통해 5G 기지국과 5G 신호를 전송 및 수신할 수 있다. 이때, 5G 무선 통신 모듈(112)은 하나 이상의 5G 송신 신호를 5G 기지국으로 전송할 수 있다. 또한, 5G 무선 통신 모듈(112)은 하나 이상의 5G 수신 신호를 5G 기지국으로부터 수신할 수 있다.
이때, 5G 주파수 대역은 4G 주파수 대역과 동일한 대역을 사용할 수 있고, 이를 LTE 재배치(re-farming)이라고 지칭할 수 있다. 한편, 5G 주파수 대역으로, 6GHz 이하의 대역인 Sub6 대역이 사용될 수 있다.
반면, 광대역 고속 통신을 수행하기 위해 밀리미터파(mmWave) 대역이 5G 주파수 대역으로 사용될 수 있다. 밀리미터파(mmWave) 대역이 사용되는 경우, 전자 기기(100)는 기지국과의 통신 커버리지 확장(coverage expansion)을 위해 빔 포밍(beam forming)을 수행할 수 있다.
한편, 5G 주파수 대역에 관계없이, 5G 통신 시스템에서는 전송 속도 향상을 위해, 더 많은 수의 다중입력 다중출력(MIMO: Multi-Input Multi-Output)을 지원할 수 있다. 이와 관련하여, 5G 기지국으로 전송되는 복수의 5G 송신 신호에 의해 상향링크(UL: Up-Link) MIMO가 수행될 수 있다. 또한, 5G 기지국으로부터 수신되는 복수의 5G 수신 신호에 의해 하향링크(DL: Down-Link) MIMO가 수행될 수 있다.
한편, 무선 통신부(110)는 4G 무선 통신 모듈(111)과 5G 무선 통신 모듈(112)을 통해 4G 기지국 및 5G 기지국과 이중 연결(DC: Dual Connectivity) 상태일 수 있다. 이와 같이, 4G 기지국 및 5G 기지국과의 이중 연결을 EN-DC(EUTRAN NR DC)이라 지칭할 수 있다. 여기서, EUTRAN은 Evolved Universal Telecommunication Radio Access Network로 4G 무선 통신 시스템을 의미하고, NR은 New Radio로 5G 무선 통신 시스템을 의미한다.
한편, 4G 기지국과 5G 기지국이 공통-배치 구조(co-located structure)이면, 이종 반송파 집성(inter-CA(Carrier Aggregation)을 통해 스루풋(throughput) 향상이 가능하다. 따라서, 4G 기지국 및 5G 기지국과 EN-DC 상태이면, 4G 무선 통신 모듈(111) 및 5G 무선 통신 모듈(112)을 통해 4G 수신 신호와 5G 수신 신호를 동시에 수신할 수 있다.
근거리 통신 모듈(113)은 근거리 통신(Short range communication)을 위한 것으로서, 블루투스(Bluetooth™), RFID(Radio Frequency Identification), 적외선 통신(Infrared Data Association; IrDA), UWB(Ultra Wideband), ZigBee, NFC(Near Field Communication), Wi-Fi(Wireless-Fidelity), Wi-Fi Direct, Wireless USB(Wireless Universal Serial Bus) 기술 중 적어도 하나를 이용하여, 근거리 통신을 지원할 수 있다. 이러한, 근거리 통신 모듈(114)은, 근거리 무선 통신망(Wireless Area Networks)을 통해 전자 기기(100)와 무선 통신 시스템 사이, 전자 기기(100)와 다른 전자 기기(100) 사이, 또는 전자 기기(100)와 다른 전자 기기(100, 또는 외부서버)가 위치한 네트워크 사이의 무선 통신을 지원할 수 있다. 상기 근거리 무선 통신망은 근거리 무선 개인 통신망(Wireless Personal Area Networks)일 수 있다.
한편, 4G 무선 통신 모듈(111) 및 5G 무선 통신 모듈(112)을 이용하여 전자 기기 간 근거리 통신이 수행될 수 있다. 일 실시 예에서, 기지국을 경유하지 않고 전자 기기들 간에 D2D (Device-to-Device) 방식에 의해 근거리 통신이 수행될 수 있다.
한편, 전송 속도 향상 및 통신 시스템 융합(convergence)을 위해, 4G 무선 통신 모듈(111) 및 5G 무선 통신 모듈(112) 중 적어도 하나와 Wi-Fi 통신 모듈(113)을 이용하여 반송파 집성(CA)이 수행될 수 있다. 이와 관련하여, 4G 무선 통신 모듈(111)과 Wi-Fi 통신 모듈(113)을 이용하여 4G + WiFi 반송파 집성(CA)이 수행될 수 있다. 또는, 5G 무선 통신 모듈(112)과 Wi-Fi 통신 모듈(113)을 이용하여 5G + WiFi 반송파 집성(CA)이 수행될 수 있다.
위치정보 모듈(114)은 전자 기기의 위치(또는 현재 위치)를 획득하기 위한 모듈로서, 그의 대표적인 예로는 GPS(Global Positioning System) 모듈 또는 WiFi(Wireless Fidelity) 모듈이 있다. 예를 들어, 전자 기기는 GPS모듈을 활용하면, GPS 위성에서 보내는 신호를 이용하여 전자 기기의 위치를 획득할 수 있다. 다른 예로서, 전자 기기는 Wi-Fi모듈을 활용하면, Wi-Fi모듈과 무선신호를 송신 또는 수신하는 무선 AP(Wireless Access Point)의 정보에 기반하여, 전자 기기의 위치를 획득할 수 있다. 필요에 따라서, 위치정보모듈(114)은 치환 또는 부가적으로 전자 기기의 위치에 관한 데이터를 얻기 위해 무선 통신부(110)의 다른 모듈 중 어느 기능을 수행할 수 있다. 위치정보모듈(114)은 전자 기기의 위치(또는 현재 위치)를 획득하기 위해 이용되는 모듈로, 전자 기기의 위치를 직접적으로 계산하거나 획득하는 모듈로 한정되지는 않는다.
구체적으로, 전자 기기는 5G 무선 통신 모듈(112)을 활용하면, 5G 무선 통신 모듈 과 무선신호를 송신 또는 수신하는 5G 기지국의 정보에 기반하여, 전자 기기의 위치를 획득할 수 있다. 특히, 밀리미터파(mmWave) 대역의 5G 기지국은 좁은 커버리지를 갖는 소형 셀(small cell)에 배치(deploy)되므로, 전자 기기의 위치를 획득하는 것이 유리하다.
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 전자 기기 내 정보, 전자 기기를 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 전자 기기는, 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, 전자 기기(100)와 사용자 사이의 입력 인터페이스를 제공하는 사용자 입력부(123)로써 기능함과 동시에, 전자 기기(100)와 사용자 사이의 출력 인터페이스를 제공할 수 있다.
인터페이스부(160)는 전자 기기(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. 전자 기기(100)에서는, 상기 인터페이스부(160)에 외부 기기가 연결되는 것에 대응하여, 연결된 외부 기기와 관련된 적절할 제어를 수행할 수 있다.
또한, 메모리(170)는 전자 기기(100)의 다양한 기능을 지원하는 데이터를 저장한다. 메모리(170)는 전자 기기(100)에서 구동되는 다수의 응용 프로그램(application program 또는 애플리케이션(application)), 전자 기기(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, 전자 기기(100)의 기본적인 기능(예를 들어, 전화 착신, 발신 기능, 메시지 수신, 발신 기능)을 위하여 출고 당시부터 전자 기기(100)상에 존재할 수 있다. 한편, 응용 프로그램은, 메모리(170)에 저장되고, 전자 기기(100) 상에 설치되어, 제어부(180)에 의하여 상기 전자 기기의 동작(또는 기능)을 수행하도록 구동될 수 있다.
제어부(180)는 상기 응용 프로그램과 관련된 동작 외에도, 통상적으로 전자 기기(100)의 전반적인 동작을 제어한다. 제어부(180)는 위에서 살펴본 구성요소들을 통해 입력 또는 출력되는 신호, 데이터, 정보 등을 처리하거나 메모리(170)에 저장된 응용 프로그램을 구동함으로써, 사용자에게 적절한 정보 또는 기능을 제공 또는 처리할 수 있다.
또한, 제어부(180)는 메모리(170)에 저장된 응용 프로그램을 구동하기 위하여, 도 1a와 함께 살펴본 구성요소들 중 적어도 일부를 제어할 수 있다. 나아가, 제어부(180)는 상기 응용 프로그램의 구동을 위하여, 전자 기기(100)에 포함된 구성요소들 중 적어도 둘 이상을 서로 조합하여 동작시킬 수 있다.
전원공급부(190)는 제어부(180)의 제어 하에서, 외부의 전원, 내부의 전원을 인가받아 전자 기기(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 전자 기기의 동작, 제어, 또는 제어방법을 구현하기 위하여 서로 협력하여 동작할 수 있다. 또한, 상기 전자 기기의 동작, 제어, 또는 제어방법은 상기 메모리(170)에 저장된 적어도 하나의 응용 프로그램의 구동에 의하여 전자 기기 상에서 구현될 수 있다.
도 1 b 및 1c를 참조하면, 개시된 전자 기기(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. 전자 기기의 특정 유형에 관련될 것이나, 전자 기기의 특정유형에 관한 설명은 다른 타입의 전자 기기에 일반적으로 적용될 수 있다.
여기에서, 단말기 바디는 전자 기기(100)를 적어도 하나의 집합체로 보아 이를 지칭하는 개념으로 이해될 수 있다.
전자 기기(100)는 외관을 이루는 케이스(예를 들면, 프레임, 하우징, 커버 등)를 포함한다. 도시된 바와 같이, 전자 기기(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.
경우에 따라서, 리어 케이스(102)에도 전자부품이 장착될 수 있다. 리어 케이스(102)에 장착 가능한 전자부품은 착탈 가능한 배터리, 식별 모듈, 메모리 카드 등이 있다. 이 경우, 리어 케이스(102)에는 장착된 전자부품을 덮기 위한 후면커버(103)가 착탈 가능하게 결합될 수 있다. 따라서, 후면 커버(103)가 리어 케이스(102)로부터 분리되면, 리어 케이스(102)에 장착된 전자부품은 외부로 노출된다. 한편, 리어 케이스(102)의 측면 중 일부가 방사체(radiator)로 동작하도록 구현될 수 있다.
도시된 바와 같이, 후면커버(103)가 리어 케이스(102)에 결합되면, 리어 케이스(102)의 측면 일부가 노출될 수 있다. 경우에 따라서, 상기 결합시 리어 케이스(102)는 후면커버(103)에 의해 완전히 가려질 수도 있다. 한편, 후면커버(103)에는 카메라(121b)나 음향 출력부(152b)를 외부로 노출시키기 위한 개구부가 구비될 수 있다.
전자 기기(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.
디스플레이부(151)는 전자 기기(100)에서 처리되는 정보를 표시(출력)한다. 예를 들어, 디스플레이부(151)는 전자 기기(100)에서 구동되는 응용 프로그램의 실행화면 정보, 또는 이러한 실행화면 정보에 따른 UI(User Interface), GUI(Graphic User Interface) 정보를 표시할 수 있다.
또한, 디스플레이부(151)는 전자 기기(100)의 구현 형태에 따라 2개 이상 존재할 수 있다. 이 경우, 전자 기기(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, 제어부(180)는 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.
이처럼, 디스플레이부(151)는 터치센서와 함께 터치 스크린을 형성할 수 있으며, 이 경우에 터치 스크린은 사용자 입력부(123, 도 1a 참조)로 기능할 수 있다. 경우에 따라, 터치 스크린은 제1조작유닛(123a)의 적어도 일부 기능을 대체할 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.
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. 제어부(180)는 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 전자 기기(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.
한편, 전자 기기(100)에는 사용자의 지문을 인식하는 지문인식센서가 구비될 수 있으며, 제어부(180)는 지문인식센서를 통하여 감지되는 지문정보를 인증수단으로 이용할 수 있다. 상기 지문인식센서는 디스플레이부(151) 또는 사용자 입력부(123)에 내장될 수 있다.
마이크로폰(122)은 사용자의 음성, 기타 소리 등을 입력 받도록 이루어진다. 마이크로폰(122)은 복수의 개소에 구비되어 스테레오 음향을 입력 받도록 구성될 수 있다.
인터페이스부(160)는 전자 기기(100)를 외부기기와 연결시킬 수 있는 통로가 된다. 예를 들어, 인터페이스부(160)는 다른 장치(예를 들어, 이어폰, 외장 스피커)와의 연결을 위한 접속단자, 근거리 통신을 위한 포트[예를 들어, 적외선 포트(IrDA Port), 블루투스 포트(Bluetooth Port), 무선 랜 포트(Wireless LAN Port) 등], 또는 전자 기기(100)에 전원을 공급하기 위한 전원공급단자 중 적어도 하나일 수 있다. 이러한 인터페이스부(160)는 SIM(Subscriber Identification Module) 또는 UIM(User Identity Module), 정보 저장을 위한 메모리 카드 등의 외장형 카드를 수용하는 소켓의 형태로 구현될 수도 있다.
단말기 바디의 후면에는 제2카메라(121b)가 배치될 수 있다. 이 경우, 제2카메라(121b)는 제1카메라(121a)와 실질적으로 반대되는 촬영 방향을 가지게 된다.
제2카메라(121b)는 적어도 하나의 라인을 따라 배열되는 복수의 렌즈를 포함할 수 있다. 복수의 렌즈는 행렬(matrix) 형식으로 배열될 수도 있다. 이러한 카메라는, 어레이(array) 카메라로 명명될 수 있다. 제2카메라(121b)가 어레이 카메라로 구성되는 경우, 복수의 렌즈를 이용하여 다양한 방식으로 영상을 촬영할 수 있으며, 보다 나은 품질의 영상을 획득할 수 있다.
플래시(124)는 제2카메라(121b)에 인접하게 배치될 수 있다. 플래시(124)는 제2카메라(121b)로 피사체를 촬영하는 경우에 피사체를 향하여 빛을 비추게 된다.
단말기 바디에는 제2 음향 출력부(152b)가 추가로 배치될 수 있다. 제2 음향 출력부(152b)는 제1음향 출력부(152a)와 함께 스테레오 기능을 구현할 수 있으며, 통화시 스피커폰 모드의 구현을 위하여 사용될 수도 있다.
단말기 바디에는 무선 통신을 위한 적어도 하나의 안테나가 구비될 수 있다. 안테나는 단말기 바디에 내장되거나, 케이스에 형성될 수 있다. 한편, 4G 무선 통신 모듈(111) 및 5G 무선 통신 모듈(112)와 연결되는 복수의 안테나는 단말기 측면에 배치될 수 있다. 또는, 안테나는 필름 타입으로 형성되어 후면 커버(103)의 내측면에 부착될 수도 있고, 도전성 재질을 포함하는 케이스가 안테나로서 기능하도록 구성될 수도 있다.
한편, 단말기 측면에 배치되는 복수의 안테나는 MIMO를 지원하도록 4개 이상으로 구현될 수 있다. 또한, 5G 무선 통신 모듈(112)이 밀리미터파(mmWave) 대역에서 동작하는 경우, 복수의 안테나 각각이 배열 안테나(array antenna)로 구현됨에 따라, 전자 기기에 복수의 배열 안테나가 배치될 수 있다.
단말기 바디에는 전자 기기(100)에 전원을 공급하기 위한 전원 공급부(190, 도 1a 참조)가 구비된다. 전원 공급부(190)는 단말기 바디에 내장되거나, 단말기 바디의 외부에서 착탈 가능하게 구성되는 배터리(191)를 포함할 수 있다.
이하에서는 본 발명에 따른 다중 송신 시스템 구조 및 이를 구비하는 전자 기기, 특히 이종 무선 시스템(heterogeneous radio system)에서 동작하는 전자 기기와 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.
이하에서는 이와 같이 구성된 안테나 장치와 안테나 장치가 구현된 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.
먼저, 도 2는 본 발명의 일 실시 예와 관련된 이동 단말기의 분해사시도인데, 도 2를 참조하면, 상기 이동 단말기는 상기 디스플레이부(210)를 구성하는 윈도우(210a) 및 디스플레이 모듈(210b)을 포함한다. 윈도우(210a)는 상기 프론트 케이스(201)의 일면에 결합될 수 있다. 윈도우(210a) 및 디스플레이 모듈(210b)는 일체로 형성될 수 있다.
프론트 케이스(201)와 리어 케이스(202) 사이에 전기적 소자들이 지지되도록 프레임(260)이 형성된다. 이와 관련하여, 프론트 케이스(201)와 리어 케이스(202)가 메탈로 구현되는 경우에는 메탈 프레임으로 지칭할 수 있다. 본 발명에서는 편의상 프론트 케이스(201)가 메탈 프레임(201)인 것으로 기재하지만, 이에 한정되는 것은 아니고, 프론트 케이스(201)와 리어 케이스(202) 중 적어도 하나가 금속 재질의 메탈 프레임으로 구현될 수 있다. 한편, 메탈 프레임(201)의 측면의 적어도 일부는 안테나로서 동작할 수 있다.
프레임(260)은 단말기 내부의 지지구조로서, 일 예로 디스플레이 모듈(210b), 카메라 모듈(221), 안테나 장치, 배터리(240) 또는 회로 기판(250) 중 적어도 어느 하나를 지지할 수 있도록 형성된다.
프레임(260)은 그 일부가 단말기의 외부로 노출될 수 있다. 또한, 프레임(260)은 바 타입이 아닌 슬라이드 타입의 단말기에서 본체부와 디스플레이부를 서로 연결하는 슬라이딩 모듈의 일부를 구성할 수도 있다.
도 2에 도시한 것은 일 예로서, 프레임(260)과 리어 케이스(202) 사이에 회로 기판(250)이 배치되고, 프레임(260)의 일면에 디스플레이 모듈(210b)이 결합되는 것을 도시하고 있다. 프레임(260)의 타면에는 회로 기판(250)과 배터리가 배치되고, 배터리를 덮도록 배터리 커버(203)가 리어 케이스(202)에 결합될 수 있다.
상기 윈도우(210a)는 상기 프론트 케이스(201)의 일면에 결합된다. 상기 윈도우(210a)의 일면에는 터치를 감지할 수 있도록 형성되는 터치 감지 패턴(210c)이 형성될 수 있다. 터치 감지 패턴(210c)은 터치 입력을 감지하도록 형성되고, 광투과성으로 이루어진다. 터치 감지 패턴(210c)은 상기 윈도우(210a)의 전면에 장착되며, 윈도우(210a)의 특정 부위에 발생하는 전압 등의 변화를 전기적인 입력신호로 변환하도록 구성될 수 있다.
상기 디스플레이 모듈(210b)은 상기 윈도우(210a)의 후면에 장착된다. 본 실시 예에서는 상기 디스플레이 모듈(210b)의 예로서 박막 트랜지스터 액정 디스플레이(thin film transistor-liquid crystal display, TFT LCD)가 개시되나, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
예를 들어, 디스플레이 모듈(210b)은 액정 디스플레이(liquid crystal display, LCD), 유기 발광 다이오드(organic light-emitting diode, OLED), 플렉시블 디스플레이(flexible display), 3차원 디스플레이(3D display) 등이 될 수 있다.
상기 회로 기판(250)은 앞서 살펴본 바와 같이, 프레임(260)의 일면에 형성될 수 있지만, 상기 디스플레이 모듈(210b)의 하부에 장착될 수도 있다. 그리고, 상기 회로 기판(250)의 하면 상에 적어도 하나의 전자소자들이 장착된다.
상기 프레임(260)에는 상기 배터리(240)가 수용될 수 있도록 리세스된 형태의 수용부가 형성된다. 상기 배터리 수용부의 일 측면에는 상기 배터리(240)가 단말기 본체에 전원을 공급하도록 상기 회로 기판(250)과 연결되는 접촉단자가 형성될 수 있다.
프레임(260)은 얇은 두께로 형성되더라도 충분한 강성을 유지할 수 있도록 금속 재질로 형성될 수 있다. 금속 재질의 프레임(260)은 그라운드로 동작할 수 있다. 즉, 회로 기판(250) 또는 안테나 장치가 프레임(260)에 접지 연결될 수 있으며, 프레임(260)은 회로 기판(250)이나 안테나 장치의 그라운드로 동작할 수 있다. 이 경우 프레임(260)은 이동 단말기의 그라운드를 확장할 수 있다.
회로 기판(250)은 안테나 장치와 전기적으로 연결되며, 안테나 장치에 의하여 송수신되는 무선 신호(또는 무선 전자기파)를 처리하도록 이루어진다. 무선 신호의 처리를 위해, 복수의 송수신 회로들이 회로 기판(250)에 형성되거나 장착될 수 있다.
송수신기 회로들은 하나 이상의 집적 회로 및 관련 전기적 소자들을 포함하여 형성될 수 있다. 일 예로, 송수신기 회로는 송신 집적 회로, 수신 집적회로, 스위칭 회로, 증폭기 등을 포함할 수 있다.
복수의 송수신기 회로들은 방사체인 도전 패턴으로 형성되는 도전 멤버들을 동시 급전함으로써, 복수의 안테나 장치가 동시에 작동할 수 있다. 예를 들면, 어느 하나가 송신하는 동안, 다른 하나는 수신할 수 있으며, 둘 다 송신하거나 둘 다 수신을 할 수 있다.
동축 케이블은 회로기판과 각 안테나 장치들을 서로 연결하도록 형성될 수 있다. 일 예로 동축 케이블은 안테나 장치들을 급전시키는 급전 장치에 연결될 수 있다. 급전 장치들은 조작부(123a)로부터 입력되는 신호들을 처리하도록 형성되는 연성회로기판(242)의 일면에 형성될 수 있다. 연성회로기판(242)의 타면은 조작부(123a)의 신호를 전달하도록 형성되는 신호 전달 유닛과 결합될 수 있다. 이 경우 연성회로기판(242)의 타면에 돔이 형성되고, 신호 전달 유닛에 액추에이터가 형성될 수 있다.
캐리어(135)의 하부에는 연성회로기판(242)이 연결된다. 연성회로기판(242)은 일단이 제어부를 구비하는 회로기판(250)에 연결될 수 있다. 한편, 전자 기기의 하부가 아닌 전자 기기의 측면에 캐리어(136)가 배치될 수 있다. 캐리어(136)은 연성회로 기판 또는 회로 기판(250)에 연결될 수 있다. 연성회로기판(242) 또는 회로기판(250)은 단말기의 조작부와 연결될 수 있다. 이 경우, 연성회로기판(242)은 조작부에서 생성된 신호가 회로기판(250)의 제어부에 전달되도록 형성된다.
한편, 본 발명에서는 전술된 메탈 프레임(201)의 측면의 적어도 일부 또는 이와 내부의 복수의 도전 패턴(conductive pattern)이 안테나로서 동작하는 전자 기기를 고려할 수도 있다. 이와 관련하여, 메탈 프레임(201) 내부의 복수의 도전 패턴이 복수의 안테나 소자로서 동작할 수 있다.
이와 관련하여, 본 발명은 5G Sub 6 안테나를 구현 시, 외곽 메탈 프레임(201), 즉 금속 부재(metal decoration)를 동일 주파수의 두 개 안테나의 접지(GND)로 사용한다. 한편, 금속 부재에 연결되는 두 개의 안테나 패턴 각각이 주 방사체(main radiator)가 된다.
따라서, 본 발명과 관련하여 외곽 메탈 프레임(201)에 해당하는 금속 부재가 접지이며, 복수의 안테나의 공통 접지가 된다. 또한, 금속 부재에 접촉(contact)되는 안테나 패턴, 즉 도전 패턴(conductive pattern)이 존재하고, 상기 도전 패턴이 주 방사체 역할을 한다.
한편, 본 발명에서는 전자 기기의 측면 이외에 전자 기기의 내부에 배치될 수 있는 Low-profile 안테나에 대해 설명하기로 한다. 이와 관련하여, 기존 안테나들이 이미 전자 기기의 측면에 배치되어, 5G Sub 6대역에서 동작 가능한 복수의 안테나들이 배치될 공간이 부족하거나 또는 다른 안테나들과 간섭이 발생할 수 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해, 본 발명에 따른 Low-profile 안테나는 전자 기기의 내부에 작은 크기와 낮은 높이로 구현될 수 있다.
또한, 본 발명은 4X4 이상의 MIMO를 적용하기 위한 안테나 소형화 설계기술을 제공하기 위한 것이다. 구체적으로, 전자 기기의 내부에 작은 크기와 낮은 높이로 구현되는 Low-profile 안테나 구조에서, 5G Sub-6GHz 안테나를 최적으로 배치하는 방법을 제안하기 위한 것이다.
도 2b는 본 발명에 따른 복수의 무선 통신 시스템에서 동작 가능한 전자 기기의 무선 통신부의 구성을 도시한다. 도 2b를 참조하면, 전자 기기는 제1 전력 증폭기(210), 제2 전력 증폭기(220) 및 RFIC(250)를 포함한다. 또한, 전자 기기는 모뎀(Modem, 400) 및 어플리케이션 프로세서(AP: Application Processor, 500)를 더 포함할 수 있다. 여기서, 모뎀(Modem, 400)과 어플리케이션 프로세서(AP, 500)와 물리적으로 하나의 chip에 구현되고, 논리적 및 기능적으로 분리된 형태로 구현될 수 있다. 하지만, 이에 한정되지 않고 응용에 따라 물리적으로 분리된 chip의 형태로 구현될 수도 있다.
한편, 전자 기기는 수신부에서 복수의 저잡음 증폭기(LNA: Low Noise Amplifier, 410 내지 440)을 포함한다. 여기서, 제1 전력 증폭기(210), 제2 전력 증폭기(220), 제어부(250) 및 복수의 저잡음 증폭기(310 내지 340)는 모두 제1 통신 시스템과 제2 통신 시스템에서 동작 가능하다. 이때, 제1 통신 시스템과 제2 통신 시스템은 각각 4G 통신 시스템과 5G 통신 시스템일 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, RFIC(250)는 4G/5G 일체형으로 구성될 수 있지만, 이에 한정되지 않고 응용에 따라 4G/5G 분리형으로 구성될 수 있다. RFIC(250)가 4G/5G 일체형으로 구성되는 경우, 4G/5G 회로 간 동기화 (synchronization) 측면에서 유리할 뿐만 아니라, 모뎀(400)에 의한 제어 시그널링이 단순화될 수 있다는 장점이 있다.
한편, RFIC(250)가 4G/5G 분리형으로 구성되는 경우, 4G RFIC 및 5G RFIC로 각각 지칭될 수 있다. 특히, 5G 대역이 밀리미터파 대역으로 구성되는 경우와 같이 5G 대역과 4G 대역의 대역 차이가 큰 경우, RFIC(250)가 4G/5G 분리형으로 구성될 수 있다. 이와 같이, RFIC(250)가 4G/5G 분리형으로 구성되는 경우, 4G 대역과 5G 대역 각각에 대하여 RF 특성을 최적화할 수 있다는 장점이 있다.
한편, RFIC(250)가 4G/5G 분리형으로 구성되는 경우에도 4G RFIC 및 5G RFIC가 논리적 및 기능적으로 분리되고 물리적으로는 하나의 chip에 구현되는 것도 가능하다.
한편, 어플리케이션 프로세서(AP, 500)는 전자 기기의 각 구성부의 동작을 제어하도록 구성한다. 구체적으로, 어플리케이션 프로세서(AP, 500)는 모뎀(400)을 통해 전자 기기의 각 구성부의 동작을 제어할 수 있다.
예를 들어, 전자 기기의 저전력 동작(low power operation)을 위해 전력 관리 IC (PMIC: Power Management IC)를 통해 모뎀(400)을 제어할 수 있다. 이에 따라, 모뎀(400)은 RFIC(250)를 통해 송신부 및 수신부의 전력 회로를 저전력 모드에서 동작시킬 수 있다.
이와 관련하여, 어플리케이션 프로세서(AP, 500)는 전자 기기가 대기 모드(idle mode)에 있다고 판단되면, 모뎀(300)을 통해 RFIC(250)를 다음과 같이 제어할 수 있다. 예를 들어, 전자 기기가 대기 모드(idle mode)에 있다면, 제1 및 제2 전력 증폭기(110, 120) 중 적어도 하나가 저전력 모드에서 동작하거나 또는 오프(off)되도록 모뎀(300)을 통해 RFIC(250)를 제어할 수 있다.
다른 실시 예에 따르면, 어플리케이션 프로세서(AP, 500)는 전자 기기가 low battery mode이면, 저전력 통신이 가능한 무선 통신을 제공하도록 모뎀(300)을 제어할 수 있다. 예를 들어, 전자 기기가 4G 기지국, 5G 기지국 및 액세스 포인트 중 복수의 엔티티와 연결된 경우, 어플리케이션 프로세서(AP, 500)는 가장 저전력으로 무선 통신이 가능하도록 모뎀(400)을 제어할 수 있다. 이에 따라, 스루풋을 다소 희생하더라도 어플리케이션 프로세서(AP, 500)는 근거리 통신 모듈(113)만을 이용하여 근거리 통신을 수행하도록 모뎀(400)과 RFIC(250)를 제어할 수 있다.
또 다른 실시 예에 따르면, 전자 기기의 배터리 잔량이 임계치 이상이면, 최적의 무선 인터페이스를 선택하도록 모뎀(300)을 제어할 수 있다. 예를 들어, 어플리케이션 프로세서(AP, 500)는 배터리 잔량과 가용 무선 자원 정보에 따라 4G 기지국 및 5G 기지국 모두를 통해 수신할 수 있도록 모뎀(400)을 제어할 수 있다. 이때, 어플리케이션 프로세서(AP, 500)는 배터리 잔량 정보는 PMIC로부터 수신하고, 가용 무선 자원 정보는 모뎀(400)으로부터 수신할 수 있다. 이에 따라, 배터리 잔량과 가용 무선 자원이 충분하면, 어플리케이션 프로세서(AP, 500)는 4G 기지국 및 5G 기지국 모두를 통해 수신할 수 있도록 모뎀(400)과 RFIC(250)를 제어할 수 있다.
한편, 도 2의 다중 송수신 시스템(multi-transceiving system)은 각각의 무선 시스템(radio System)의 송신부와 수신부를 하나의 송수신부로 통합할 수 있다. 이에 따라, RF 프론트 엔드(Front-end)에서 두 종류의 시스템 신호를 통합하는 회로부분을 제거할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 프론트 엔드 부품을 통합된 송수신부로 제어 가능하므로, 송수신 시스템이 통신 시스템 별로 분리되었을 경우보다 효율적으로 프론트 엔드 부품을 통합할 수 있다.
또한, 통신 시스템 별로 분리되는 경우, 필요에 따라 다른 통신 시스템을 제어하는 것이 불가능하거나, 이로 인한 시스템 지연(system delay)를 가중시키기 때문에 효율적인 자원 할당이 불가능하다. 반면에, 도 2와 같은 다중 송수신 시스템은, 필요에 따라 다른 통신 시스템을 제어하는 것이 가능하고, 이로 인한 시스템 지연을 최소화할 수 있어 효율적인 자원 할당이 가능한 장점이 있다.
한편, 제1 전력 증폭기(210)와 제2 전력 증폭기(220)는 제1 및 제2 통신 시스템 중 적어도 하나에서 동작할 수 있다. 이와 관련하여, 5G 통신 시스템이 4G 대역 또는 Sub6 대역에서 동작하는 경우, 제1 및 제2 전력 증폭기(220)는 제1 및 제2 통신 시스템에서 모두 동작 가능하다.
반면에, 5G 통신 시스템이 밀리미터파(mmWave) 대역에서 동작하는 경우, 제1 및 제2 전력 증폭기(210, 220)는 어느 하나는 4G 대역에서 동작하고, 다른 하나는 밀리미터파 대역에서 동작할 수 있다.
한편, 송수신부와 수신부를 통합하여, 송수신 겸용 안테나를 이용하여 하나의 안테나로 2개의 서로 다른 무선 통신 시스템을 구현할 수 있다. 이때, 도 2와 같이 4개의 안테나를 이용하여 4x4 MIMO 구현이 가능하다. 이때, 하향링크(DL)를 통해 4x4 DL MIMO가 수행될 수 있다.
한편, 5G 대역이 Sub6 대역이면, 제1 내지 제4 안테나(ANT1 내지 ANT4)는 4G 대역과 5G 대역에서 모두 동작하도록 구성될 수 있다. 반면에, 5G 대역이 밀리미터파(mmWave) 대역이면, 제1 내지 제4 안테나(ANT1 내지 ANT4)는 4G 대역과 5G 대역 중 어느 하나의 대역에서 동작하도록 구성될 수 있다. 이때, 5G 대역이 밀리미터파(mmWave) 대역이면, 별도의 복수 안테나 각각이 밀리미터파 대역에서 배열 안테나로 구성될 수 있다.
한편, 4개의 안테나 중 제1 전력 증폭기(210)와 제2 전력 증폭기(220)에 연결된 2개의 안테나를 이용하여 2x2 MIMO 구현이 가능하다. 이때, 상향링크(UL)를 통해 2x2 UL MIMO (2 Tx)가 수행될 수 있다. 또는, 2x2 UL MIMO에 한정되는 것은 아니고, 1 Tx 또는 4 Tx로 구현 가능하다. 이때, 5G 통신 시스템이 1 Tx로 구현되는 경우, 제1 및 제2 전력 증폭기(210, 220) 중 어느 하나만 5G 대역에서 동작하면 된다. 한편, 5G 통신 시스템이 4Tx로 구현되는 경우, 5G 대역에서 동작하는 추가적인 전력 증폭기가 더 구비될 수 있다. 또는, 하나 또는 두 개의 송신 경로 각각에서 송신 신호를 분기하고, 분기된 송신 신호를 복수의 안테나에 연결할 수 있다.
한편, RFIC(250)에 해당하는 RFIC 내부에 스위치 형태의 분배기(Splitter) 또는 전력 분배기(power divider)가 내장되어 있어, 별도의 부품이 외부에 배치될 필요가 없고 이로 인해 부품 실장성을 개선시킬 수 있다. 구체적으로, 제어부(250)에 해당하는 RFIC 내부에 SPDT (Single Pole Double Throw) 형태의 스위치를 사용하여 2개의 서로 다른 통신 시스템의 송신부(TX) 선택이 가능하다.
또한, 본 발명에 따른 복수의 무선 통신 시스템에서 동작 가능한 전자 기기는 듀플렉서(duplexer, 231), 필터(232) 및 스위치(233)를 더 포함할 수 있다.
듀플렉서(231)는 송신 대역과 수신 대역의 신호를 상호 분리하도록 구성된다. 이때, 제1 및 제2 전력 증폭기(210, 220)를 통해 송신되는 송신 대역의 신호는 듀플렉서(231)의 제1 출력 포트를 통해 안테나(ANT1, ANT4)에 인가된다. 반면에, 안테나(ANT1, ANT4)를 통해 수신되는 수신 대역의 신호는 듀플렉서(231)의 제2 출력포트를 통해 저잡음 증폭기(310, 340)로 수신된다.
필터(232)는 송신 대역 또는 수신 대역의 신호를 통과(pass)시키고 나머지 대역의 신호는 차단(block)하도록 구성될 수 있다. 이때, 필터(232)는 듀플렉서(231)의 제1 출력 포트에 연결되는 송신 필터와 듀플렉서(231)의 제2 출력포트에 연결되는 수신 필터로 구성될 수 있다. 대안적으로, 필터(232)는 제어 신호에 따라 송신 대역의 신호만을 통과시키거나 또는 수신 대역의 신호만을 통과시키도록 구성될 수 있다.
스위치(233)는 송신 신호 또는 수신 신호 중 어느 하나만을 전달하도록 구성된다. 본 발명의 일 실시 예에서, 스위치(233)는 시분할 다중화(TDD: Time Division Duplex) 방식으로 송신 신호와 수신 신호를 분리하도록 SPDT (Single Pole Double Throw) 형태로 구성될 수 있다. 이때, 송신 신호와 수신 신호는 동일 주파수 대역의 신호이고, 이에 따라 듀플렉서(231)는 서큘레이터(circulator) 형태로 구현될 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시 예에서, 스위치(233)는 주파수 분할 다중화(FDD: Time Division Duplex) 방식에서도 적용 가능하다. 이때, 스위치(233)는 송신 신호와 수신 신호를 각각 연결 또는 차단할 수 있도록 DPDT (Double Pole Double Throw) 형태로 구성될 수 있다. 한편, 듀플렉서(231)에 의해 송신 신호와 수신 신호의 분리가 가능하므로, 스위치(233)가 반드시 필요한 것은 아니다.
한편, 본 발명에 따른 전자 기기는 제어부에 해당하는 모뎀(400)을 더 포함할 수 있다. 이때, RFIC(250)와 모뎀(400)을 각각 제1 제어부 (또는 제1 프로세서)와 제2 제어부(제2 프로세서)로 지칭할 수 있다. 한편, RFIC(250)와 모뎀(400)은 물리적으로 분리된 회로로 구현될 수 있다. 또는, RFIC(250)와 모뎀(400)은 물리적으로 하나의 회로에 논리적 또는 기능적으로 구분될 수 있다.
모뎀(400)은 RFIC(250)를 통해 서로 다른 통신 시스템을 통한 신호의 송신과 수신에 대한 제어 및 신호 처리를 수행할 수 있다. 모뎀(400)은 4G 기지국 및/또는 5G 기지국으로부터 수신된 제어 정보(Control Information)을 통해 획득할 수 있다. 여기서, 제어 정보는 물리 하향링크 제어 채널(PDCCH: Physical Downlink Control Channel)을 통해 수신될 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
모뎀(400)은 특정 시간 및 주파수 자원에서 제1 통신 시스템 및/또는 제2 통신 시스템을 통해 신호를 송신 및/또는 수신하도록 RFIC(250)를 제어할 수 있다. 이에 따라, RFIC(250)는 특정 시간 구간에서 4G 신호 또는 5G 신호를 송신하도록 제1 및 제2 전력 증폭기(210, 220)를 포함한 송신 회로들을 제어할 수 있다. 또한, RFIC(250)는 특정 시간 구간에서 4G 신호 또는 5G 신호를 수신하도록 제1 내지 제4 저잡음 증폭기(310 내지 340)를 포함한 수신 회로들을 제어할 수 있다.
이하에서는, 본 발명에 따른 전자 기기 내부에 배치될 수 있는 로우 프로파일 안테나(low profile antenna)에 대해 설명하기로 한다. 여기서, "low profile"의 의미는 낮은 높이로 형성되어 전자 기기 내부에 배치될 수 있다는 의미이다.
이와 관련하여, 5G Sub6 대역에서 동작하는 안테나는 전자 기기의 측면 또는 전자 기기의 내부에 배치될 수 있다. 또한, 최근 들어 이동 단말기와 같은 전자 기기에서, 풀 디스플레이(Full Display)를 채택하는 경향이 있다. 또한, 풀 디스플레이를 구비하는 전자 기기 이외에 Flexible Display 개발로 인해 Foldable, Flexible, Rollable 형태의 새로운 form-factor가 등장하고 있다.
이와 같은 다양한 form-factor에 따른 전자 기기에서도 빠른 데이터 전송을 위해 안테나 수가 증가하고 있다. 하지만, 전자 기기에 배치될 수 있는 안테나의 크기와 형태가 제한되어 설계 공간이 줄고 방사 효율 확보에 어려움이 있다는 문제점이 있다.
본 발명에서는 이러한 문제점을 해결하기 위해, 풀 디스플레이 또는 다양한 form-factor의 전자 기기의 내부에 배치 가능한 로우 프로파일 안테나를 제공하기 위한 것이다. 이에 따라, 본 발명의 목적은 전자 기기 내부에 작은 크기와 낮은 높이를 갖는 로우 프로파일 안테나(Low Profile)가 배치된 전자 기기를 제공하기 위한 것이다. 또한, 본 발명의 다른 일 목적은 무선 성능을 최적화하면서 안테나 공간 활용도와 배치 자유도가 높은 로우 프로파일 안테나를 제공하기 위한 것이다.
이에 따라, 본 발명에서는 기존에 안테나가 집중된 영역인 전자 기기의 측면 테두리가 아닌, 전자 기기의 내부에 배치될 수 있는 안테나를 제공한다. 구체적으로, 전자 기기의 커버의 내부에 커버와 수평으로 배치될 수 있는 높이가 낮으면서 효과적인 Low Profile 안테나 설계를 목적으로 한다.
이와 관련하여, 본 발명의 로우 프로파일 안테나는 도 2a를 참조하면, 캐리어(136) 상에 배치될 수 있다. 일 예로, 본 발명의 로우 프로파일 안테나가 배치되는 캐리어(136)는 전자 기기의 길이 방향으로 배치될 수 있다. 이와 관련하여 본 발명의 로우 프로파일 안테나가 전자 기기의 길이 방향으로 배치되는 경우, 다수의 로우 프로파일 안테나를 복수 개 배치하여 다중 입출력(MIMO)을 구현할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 전자 기기 내부에 배치될 수 있는 로우 프로파일 안테나는 5G Sub 6 대역에서 동작하는 안테나일 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니고 본 발명의 로우 프로파일 안테나는 응용에 따라 LTE 대역에서 동작하는 안테나일 수 있다.
도 3a는 본 발명에 따른 로우 프로파일 안테나가 구현되는 기판의 전면도, 측면도 및 배면도를 나타낸다. 한편, 도 3b는 본 발명에 따른 로우 프로파일 안테나의 사시도 및 이러한 안테나를 통해 신호를 송신 및 수신하는 송수신부 회로를 나타낸다. 또한, 본 발명에 따른 로우 프로파일 안테나의 기술적 특징은 다음과 같다.
1) 한쪽 끝이 단락 된 두 금속 패턴의 개방면이 간격을 갖고 서로 마주보게 배치된다. 또한, 두 금속 패턴 사이에 같은 층 또는 다른 층에서 간접 결합으로 급전되는 것이 가장 큰 구조적인 특징이다. 이러한 갭을 조정하여 임피던스 매칭을 쉽게 할 수 있다.
2) 금속 패턴과 그라운드 사이의 높이는 낮고 유전체 또는 공기로 채워져 있다. 둘 이상의 서로 다른 유전체를 적층(stack)하여 안테나 크기를 줄이면서도 방사 효율을 높일 수 있다.
3) 금속 패턴과 그라운드를 연결하는 수직 연결부에 흐르는 수직 전류와 금속 패턴과 그라운드 사이에 생성되는 수직 전계에 의해 수평 자계 전류가 형성된다. 이러한 수평 자계 전류는 image theory에 의해 낮은 안테나 높이에서 매우 효율적이다.
여기서, 본 발명의 로우 프로파일 안테나는 초소형 안테나(ultra-miniaturized antenna)로 지칭할 수 있다. 이와 관련하여, 초소형 안테나의 의미는 안테나 패턴이 배치되는 기판의 길이와 너비를 감소시켜, 전자 기기 내부에 다수 개의 안테나 소자로 배치될 수 있다는 의미이다.
본 발명의 안테나는 한쪽 끝이 단락된 두 패턴(Shorted arm ①,②)이 간격을 갖고 서로 마주보게 배치되고 그 패턴 사이에 간접 결합으로 급전되는 것을 특징으로 한다.
이러한 구조는 낮은 높이(t)에서 안테나의 효과적인 방사를 유도한다. 이와 관련하여, 금속 패턴과 그라운드를 연결하는 수직 연결부에 흐르는 수직 전류와 금속 패턴과 그라운드 사이에 생성되는 수직 전계에 의해 수평 자계 전류가 형성된다. 이러한 수평 자계 전류는 image theory에 의해 낮은 안테나 높이에서 매우 효율적이다.
구체적으로, 도 3a 및 도 3b를 참조하면, 전자 기기는 안테나(1200) 및 송수신부 회로(transceiver circuit, 1250) 및 기저대역 프로세서(baseband processor, 1400)를 포함한다. 여기서, 송수신부 회로(transceiver circuit, 1250)는 RF 대역에서 동작하는 집적 회로인 RFIC일 수 있다. 또한, 기저대역 프로세서(baseband processor, 1400)는 기저대역에서 동작하는 모뎀(modem)일 수 있다. 이 경우, RFIC는 RF 대역 신호를 기저대역 신호로 변환하는 하향 변환기(down-converter)와 기저대역 신호를 RF 대역 신호로 변환하는 상향 변환기(up-converter)를 구비할 수 있다. 이와 관련하여, RFIC에 해당하는 송수신부 회로(1250)와 모뎀(modem)에 해당하는 기저대역 프로세서(1400)가 하나의 칩에 구현되어 Soc (System On Chip)으로 구현될 수 있다.
한편, 안테나(1200)는 제1 금속 패턴(metal pattern, 1211), 제2 금속 패턴(1212) 및 급전 패턴(1220)을 포함할 수 있다. 제1 금속 패턴(1211)은 기판 상부에 소정 길이(length)와 너비(width)를 갖는 금속이 프린트되어 배치되도록 구성된다. 제2 금속 패턴(1212)은 제1 금속 패턴(1211)과 소정 간격 이격되고, 소정 길이와 너비를 갖는 금속이 프린트되어 배치되도록 구성된다. 한편, 제1 금속 패턴(1211) 및 제2 금속 패턴(1212)은 내부에 금속 패턴이 형성되지 않은 인셋 영역(inset region)을 포함한다.
여기서, "인셋 영역"의 의미는 사각 패치와 같은 제1 금속 패턴(1211) 및 제2 금속 패턴(1212)의 금속 영역에서 금속 영역이 제거된 영역을 의미한다. 이러한 "인셋 영역"을 통해 급전 패턴(1220)이 배치될 수 있는 공간을 확보할 수 있다. 또한, "인셋 영역"을 통해 제1 금속 패턴(1211) 및 제2 금속 패턴(1212)과 급전 패턴(1220)간의 임피던스 매칭이 별도의 임피던스 매칭 회로 없이도 용이하게 구현될 수 있는 장점이 있다.
한편, 급전 패턴(1220)은 제1 금속 패턴(1211)과 제2 금속 패턴(1212)이 이격된 영역과 인셋 영역에 소정 길이와 너비를 갖는 금속이 프린트되어 배치되도록 구성된다. 이에 따라, 급전 패턴(1220)은 제1 금속 패턴(1211) 및 제2 금속 패턴(1212)으로 신호를 커플링 급전하도록 구성될 수 있다.
이와 관련하여, 급전 패턴(1220)이 송수신부 회로(1250)와 연결되는 급전부의 위치는 급전 패턴(1220)의 중심에서 소정 거리만큼 이격될 수 있다. 이와 같이 급전 패턴(1220)이 소정 거리만큼 이격 됨에 따라 임피던스 매칭이 용이하게 되고, 대역폭 특성을 최적화할 수 있다. 한편, 급전부의 위치는 급전 패턴(1220)의 중심에서 소정 거리만큼 이격되는 임계치는 안테나의 방사 패턴의 비대칭 정도가 허용가능한 정도로 설정될 수 있다.
한편, 송수신부 회로(1250)는 급전 패턴(1220)과 연결되고, 급전 패턴(1220)을 통해 제1 금속 패턴(1211) 및 제2 금속 패턴(1212)으로 신호를 전달하도록 구성된다. 또한, 기저대역 프로세서(1400)는 송수신부 회로(1250)를 제어하여 안테나(1200)를 통해 5G Sub 6 대역의 신호를 송신 및 수신하도록 할 수 있다.
한편, 안테나(1200)는 복수의 비아들(Vias, 1230)을 더 포함할 수 있다. 이와 관련하여, 복수의 비아들(1230)은 제1 금속 패턴(1211) 및 제2 금속 패턴(1212)의 단부(end portion)에서 제1 금속 패턴(1211) 및 제2 금속 패턴(1212)과 하부의 그라운드 패턴을 연결하도록 구성된다. 이와 관련하여, 복수의 비아들(1230)은 제1 금속 패턴(1211) 및 제2 금속 패턴(1212)의 종단 부(terminated portion)에서 내부로 소정 간격 이격되어 배치될 수 있다.
본 발명에 따른 로우 프로파일 안테나에서 복수의 비아들의 위치와 개수에 따른 특성 변화에 대해 설명하면 다음과 같다. 이와 관련하여, 도 3c는 본 발명에 따른 비아의 개수에 따른 안테나 구조를 나타낸다. 또한, 도 3d는 본 발명에 따른 비아 개수 변화에 따른 공진 주파수 변화를 나타낸다.
도 3a 내지 도 3d를 참조하면, 제1 금속 패턴(1211) 및 제2 금속 패턴(1212)의 단부에 배치되는 비아들의 개수가 감소함에 따라 공진 주파수가 감소함을 알 수 있다. 이와 관련하여, 도 3c에서 비아들의 개수가 4개, 3개, 2개 및 1개로 감소함에 따라, 도 3d의 (a)에서 (d)로 표시되는 라인의 방향과와 같이 공진 주파수가 감소한다. 여기서 dB(S(1,1))의 의미는 하나의 포트(one-port)를 갖는 안테나(1200)의 반사 계수를 의미하고, dB(S(1,1))이 최저 값을 갖는 주파수가 공진 주파수에 해당한다. 이 경우, 도 3c (a) 내지 (d)와 같이 비아의 개수가 감소함에 따라, 도 3d의 (a)에서 (d)로 표시되는 바와 같이 안테나의 공진 주파수가 감소하는 경향을 갖는다.
한편, 본 발명에 따른 로우 프로파일 안테나는 방사체에 해당하는 제1 금속 패턴(1211) 및 제2 금속 패턴(1212)과 그라운드 층이 연결되어 약 1/4 파장의 길이에서 공진하는 패치 안테나로 동작한다. 이와 관련하여, 비아들의 개수가 감소하게 되면 전류가 우회하는 경로가 더 생성되게 된다. 이에 따라, 비아들의 개수가 감소하여 그라운드 연결 영역이 감소할수록 안테나의 길이가 증가하는 효과가 발생하여 공진 주파수가 감소하게 된다. 따라서, 안테나의 크기 소형화 관점에서, 본 발명에 따른 안테나에서 비아의 개수는 단부의 하단(lower end of end portion)에서 1개 또는 2개로 형성될 수 있다.
한편, 도 3c 및 도 3d를 참조하면, 비아의 개수가 1개인 경우와 2개인 경우, 공진 주파수는 거의 유사하다. 따라서, 안테나의 구조적 안정성과 안테나의 방사 효율을 고려하여 비아의 개수를 2개 이상으로 선택할 수 있다. 이와 관련하여, 비아의 개수가 3개 또는 4개인 경우 공진 주파수는 높은 주파수로 이동하게 되어 안테나 소형화 관점에서는 다소 불리할 수 있다. 하지만, 비아의 개수가 증가함에 따라 구조적 안정성과 함께 안테나 방사 효율 측면에서는 유리하다. 따라서, 안테나의 구조적 안정성과 함께 안테나 방사 효율을 고려하여 비아의 개수를 3개 또는 4개로 선택할 수 있다.
전술한 바와 같은 구조의 로우 프로파일 안테나를 통해, 무선 성능을 최적화하면서 안테나 공간 활용도와 배치 자유도가 높은 로우 프로파일 안테나를 제공할 수 있다.
특히 본 발명에 따른 로우 프로파일 안테나는 0.02 λ 이하로 매우 낮은 높이에서 안테나를 효과적으로 설계할 수 있으며, 임피던스 매칭이 용이하다는 장점이 있다.
특히 본 발명에 따른 로우 프로파일 안테나는 방사체의 양 단부가 단락(short)되어 있어, 안테나 크기 소형화와 함께 상호 간 격리도 향상에 따라 여러 안테나를 배열하기에 유리하다는 장점이 있다.
한편, 본 발명에 따른 안테나 패턴인 제1 금속 패턴(1211)과 제2 금속 패턴(1212)은 삼각형, 사각형, 원형 등 다양한 모양으로 설계 가능하나 가장 큰 특징은 shorted arm ①,②가 간격을 두고 떨어져 있으며 형태에 따라 공진주파수와 대역폭이 달라진다. 패턴의 종단에서부터 컨택 핀(Contact pin)으로 단락 되는 지점까지의 길이가 안테나 공진 주파수에 가장 크게 영향을 끼친다. 한편, 안테나 면적이 넓을수록 공진주파수가 낮아지고 대역폭이 넓어진다. 두 안테나 패턴의 간격은 임피던스에 영향을 끼치며 마주보는 길이와 간격에 따라 커플링 양을 조절할 수 있다.
한편, 안테나(1200) 급전 방식은 방사체인 금속 패턴과 동일 평면 상에서 이루어지거나 또는 다른 평면 상에서 이루어질 수 있다. 이와 관련하여, 도 4a는 급전 패턴이 방사체인 금속 패턴과 동일 평면 상에 배치된 구조를 나타낸다. 또한, 도 4b는 급전 패턴이 방사체인 금속 패턴과 다른 평면 상에 배치된 구조를 나타낸다.
안테나 급전 방식은 간접 급전으로 도 4a와 같이 안테나 패턴과 같은 층에 gap을 두고 배치하거나 또는 도 4b와 같이 안테나 패턴과 다른 층에 배치하여 급전이 가능하다. 이와 관련하여 두 개의 금속 패턴 사이의 간격 이외에 급전 패턴과 금속 패턴 사이의 간격, 급전 패턴의 길이와 위치에 따라 임피던스를 가변할 수 있다. 이에 따라, 낮은 높이에서 안테나 임피던스를 조정할 수 있는 주요 부분이다.
금속 성분의 안테나 패턴인 제1 및 제2 금속 패턴(1211, 1222)은 하나 이상의 유전체 위에 배치될 수 있다. 이러한 유전체는 제1 및 제2 금속 패턴(1211, 1222)과 그라운드 층 사이에 놓이는데, 하나의 유전체를 사용하는 것보다 둘 이상의 유전체를 사용하면 안테나의 성능과 크기를 조정할 수 있다.
전술한 유전체에 해당하는 상부 기판인 제1 기판(S1) 및 하부 기판인 제2 기판(S2)은 플렉시블 기판(flexible substrate)와 같은 형태로 구현될 수 있다. 이에 따라, 플렉시블 기판에 구현되는 본 발명에 따른 로우 프로파일 안테나(1200)는 전자 기기 내부에 배치될 수 있다. 일 예로, 플렉시블 기판에 구현되는 본 발명에 따른 로우 프로파일 안테나(1200)는 전자 기기 내부의 캐리어에 배치될 수 있다.
전술한 바와 같이, 제1 금속 패턴 및 상기 제2 금속 패턴은 상부 기판인 제1 기판(S1)의 상부에 배치될 수 있다. 한편, 안테나(1200)는 안테나(1200)에 대한 기준 전위(reference electric potential)을 제공하도록 하부 기판인 제2 기판(S2)의 하부에 배치되는 그라운드 층을 더 포함할 수 있다.
한편, 금속 패턴(1211, 1212)과 그라운드 사이의 유전체 재질에 따라 안테나 특성이 다르게 나타난다. 유전율이 높을수록 안테나 소형화에 유리하며, 유전 손실이 작을수록 효율 특성이 양호하다. 따라서, 다층 유전체의 각 두께와 재질 (즉, 유전율)을 달리하여 안테나 성능을 최적화할 수 있다.
이 경우, 제1 기판(S1)의 유전율(permittivity)은 제2 기판(S2)의 유전율보다 큰 값으로 설정되어, 안테나(1200)의 크기를 감소시키면서 안테나(1200)의 효율을 증가시킬 수 있다. 이와 관련하여, 제1 기판(S1)의 유전율이 높은 경우 안테나 효율은 다소 감소할 수 있지만, 제2 기판(S2)의 낮은 유전율에 의해 안테나 효율 감소는 다소 완화될 수 있다. 따라서, 제1 기판(S1)의 유전율을 더 큰 값으로 하여 안테나 크기 소형화가 가능하다. 또한, 제1 기판(S1)의 유전율에 의해 다소 감소된 안테나 효율은 제2 기판(S2)의 낮은 유전율에 의해 완화될 수 있다.
한편, 도 5a는 본 발명에 따른 다층 기판 구조의 로우 프로파일 안테나에서 서로 다른 유전체를 사용한 경우 주파수 변화에 따른 방사 효율을 나타낸다. 도 5a를 참조하면, 유전율이 감소함에 따라 공진 주파수가 증가하고 방사 효율이 증가함을 알 수 있다. 일 예로, FR 4 기판에서 Teflon 기판으로 기판 재질 변경 시, 공진 주파수가 증가하고 방사 효율이 증가한다. 이 경우, FR 4 기판은 유전율(Dk)는 4.5이고 유전 손실은 0.015이고, Teflon 기판은 3.0이고 유전 손실은 0.0014로 가정하였다. 여기서, case 1은 제1 기판과 제2 기판이 모두 FR 4 기판인 경우이다. 반면에, case 2는 제 1 기판이 Teflon 기판이고 제2 기판이 FR 4 기판인 경우이다. Case 2에서 제1 기판이 유전율이 낮기 때문에 안테나의 방사 효율이 증가하게 된다.
한편, case 3은 제1 기판과 제2 기판이 모두 Teflon 기판이 경우이다. 이와 관련하여, case 2와 case 3을 비교하면, 안테나 방사 효율은 상부 기판인 제1 기판의 유전율에 의한 영향이 크기 때문에, 방사 효율은 거의 유사하다. 따라서, 본 발명의 로우 프로파일 안테나는 제1 기판의 유전율과 제2 기판의 유전율을 상이하게 하여 안테나 방사 효율 특성을 유지하면서도, 임피던스 매칭 과 같은 다른 안테나 특성을 최적화할 수 있다.
이와 관련하여, 표 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 상부 기판인 제1 기판과 하부 기판인 제2 기판의 구성 변화에 따른 공진 주파수, 대역폭, 최대 효율을 나타낸 것이다. 여기서, 제1 기판의 두께는 0.4mm, 제2 기판의 두께는 0.6mm로 가정하였지만, 이에 한정되지 않고 응용에 따라 다양하게 변경 가능하다. 한편, 표 1의 안테나 성능 결과와 관련하여, 도 4b와 같이 급전 패턴이 안테나 패턴인 금속 패턴보다 하부에 배치된 경우를 가정하였지만, 이에 한정되지 않고 응용에 따라 다양하게 변경 가능하다.
CCase 1) 제1 기판(0.4mm) 2) 제2 기판(0.6mm) 공진주파수(f0) [GHz] -6dB BW Peak Eff.[%]
11 FR4 FR4 3.53 0.24 41.3
22 Teflon FR4 3.9 0.19 65
23 Teflon Teflon 3.92 0.18 66.5
표 1을 참조하면, 제1 기판의 유전율을 감소시키면 공진주파수가 3.5GHz 대역에서 3.9GHz 대역으로 증가하게 된다. 따라서, 전술한 바와 같이 제1 기판의 유전율(permittivity)은 제2 기판의 유전율보다 큰 값으로 설정되어, 안테나(1200)의 크기를 감소시키면서 안테나(1200)의 효율을 증가시킬 수 있다. 따라서, 제1 기판은 유전율이 높은 FR 4 기판을 사용하여 안테나 크기를 감소시키면서, 제2 기판은 유전율이 낮은 Teflon 기판을 사용하여 안테나 효율을 증가시킬 수 있다. 다른 예로, 제2 기판은 유전율이 더 낮고, 공기와 유전율이 유사한 폼(foam) 형태로 구현될 수 있다.
한편 다층 기판 구조와 관련하여, 급전 패턴(1220)은 제1 금속 패턴(1211) 및 제2 금속 패턴(1212)과 동일 평면인 제1 기판의 상부에 배치될 수 있다. 다른 예로, 급전 패턴(1220)은 제1 금속 패턴(1211) 및 제2 금속 패턴(1212)과 다른 평면인 제1 기판의 하부 또는 제2 기판의 상부에 배치될 수 있다. 이와 관련하여, 급전 패턴(1220)이 금속 패턴(1211, 1212)이 배치되는 기판인 제1 기판의 하부에 배치될 수 있다. 급전 패턴(1220)이 제1 기판의 하부에 배치됨에 따라, 제2 기판의 상부에 배치되는 경우보다 금속 패턴 간의 정렬(alignment) 오차를 감소시킬 수 있다.
유전체의 유전율이나 두께가 두꺼워질수록 공진 주파수가 낮아져 안테나 크기를 줄일 수 있으며, 안테나 패턴 쪽에 상대적으로 높은 유전율을 갖는 유전체가 배치되는 경우 안테나 소형화 효과를 얻을 수 있다. 이 경우, 그라운드에 가까이 공기 층이나 낮은 유전율을 갖는 유전체를 배치할 경우 안테나의 효율을 증가시킬 수 있다. 유전체의 면적은 상관없으나, 급전 패턴(1220)과 슬롯(금속 패턴 사이의 갭) 부분을 얇게 하면 유전체 손실을 줄일 수 있다.
유전체 기판이 별도의 넓은 그라운드 층에 가까이 있어도 금속 패턴(1211, 1222)과 급전 패턴(1220) 등의 간격 조절을 통해 임피던스를 매칭하여 안테나로서 동작이 가능하다. 이 경우, 금속 패턴과 contact pin으로 형성되는 수평 자계로 인하여 안테나 방사도 효과적이다.
이와 관련하여, 도 5b는 본 발명에 따른 비아에 의한 단락 암(shorted arm) 구조의 안테나에서 수직 전계와 수평 자계 전류가 형성되는 원리를 나타낸다. 도 3a 내지 도 5b를 참조하면, 단락 암(shorted arm)에 해당하는 제1 및 제2 금속 패턴(1211, 1212)과 그라운드 층 사이에 수직 전계가 형성된다. 이러한 수직 전계에 따라, 제1 및 제2 금속 패턴(1211, 1212)과 수평면에 수평 자계 전류 (horizontal magnetic field)가 형성된다. 특히, 급전 패턴(1220)의 경계 영역과 인셋 영역의 경계 영역에서, 수평 자계 전류가 생성될 수 있다. 이러한 수평 자계 전류에 의해 안테나(1200)가 형성되는 기판의 높이를 감소시킬 수 있어 로우 프로파일 안테나가 구현될 수 있다.
도 5b와 같이 비아에 의해 단락 암(shorted arm)가 형성되고, 그라운드 층에 의해 Cavity-Backed Slot Antenna가 구현될 수 있다. 특히, 기판 형태로 집적된 구조로 형성되므로 Substrate Integrated Waveguide(SIW) Cavity-Backed Slot Antenna로 지칭할 수 있다. 따라서, 기판 집적형 도파관을 이용한 캐비티 슬롯 안테나로서, 슬롯과 그라운드, 비아로 캐비티를 만들어 low profile 안테나 구현할 수 있다는 장점이 있다. 도 5b의 수직 전계 분포를 참조하면, SIW Cavity-Backed Slot Antenna에서 수직한 전류와 수직한 전기장을 형성하는 전체 안테나에서 일부 영역만을 선택하여 안테나로 구현할 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 안테나(1200)는 높이와 안테나 면적도 최소화할 수 있다는 장점이 있다.
한편, 그라운드의 크기가 안테나 패턴의 크기보다 작거나 같은 경우에도, 폴디드 다이폴(folded dipole)과 같은 안테나로 동작한다. 또한, 안테나 패턴과 그라운드를 연결하는 Contact pin(단락핀)은 다양하게 적용 가능하다. 유전체 사이를 관통하는 비아(via)홀을 통하거나, 또는 C-clip이나 Pogo pin, Spring, finger 등으로 연결할 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 안테나는 한쪽 끝이 단락된 두 패턴(Shorted arm, 1211, 1212)이 간격을 갖고 서로 마주보게 배치되며, 그 패턴 사이에 급전 패턴(1220)에 의해 간접 결합으로 급전된다. 이 경우, 패턴과 그라운드를 연결하는 수직 연결부, 즉 비아(via)에 흐르는 수직 전류가 형성된다. 즉, 금속 패턴(1211, 1212)과 그라운드 층 사이에 생성되는 수직 전계에 의해 수평 자계전류가 형성된다. 이러한 수평 자계 전류는 낮은 안테나 높이에서 매우 효율적이다.
한편, 본 발명에 따른 로우 프로파일 안테나의 금속 패턴은 직사각형 형상 이외에 성능 최적화를 위해 다양한 형상으로 구현될 수 있다. 일 예로, 본 발명에 따른 로우 프로파일 안테나는 직사각형 형상과 bow-tie 형상이 결합된 구조로 형성될 수 있다. 이와 관련하여, 도 6a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 로우 프로파일 안테나의 전면도를 나타낸다. 또한, 도 6b는 전자 기기 내부의 캐리어에 배치되는 도 6a의 안테나가 배치된 구조를 나타낸다.
도 6a를 참조하면, 제1 금속 패턴(1211)은 제1 방사 부(radiation portion, 1211a)와 제2 방사 부(1211b)를 포함하도록 구성된다. 또한, 제2 금속 패턴(1212)은 제1 방사 부(1212a)와 제2 방사 부(1212b)를 포함하도록 구성된다. 여기서, 급전 패턴(1220)의 신호가 제1 방사 부(1211a, 1212a)로 커플링되므로 결합 부로 지칭하고, 제2 방사 부(1211b, 1212b)를 방사 부로 지칭할 수 있다.
한편, 제1 방사 부(1211a, 1212a)는 소정 길이와 너비를 갖는 직사각형 형태로 형성되고, 내부에 인셋 영역이 형성될 수 있다. 또한, 제2 방사 부(1211b, 1212b)는 제1 방사 부(1211a, 1212a)에 연결되고, 소정 각도로 테이퍼링(tapering)되어 너비가 증가하도록 형성될 수 있다. 즉, 제2 방사 부(1211b, 1212b)는 선형적으로 너비가 증가하도록 bow-tie 형상으로 형성될 수 있다.
한편, 급전 패턴(1220)은 결합부에 해당하는 제1 방사 부(1211a, 1212a) 내부의 인셋 영역에 형성될 수 있다. 이 경우, 급전 패턴(1220)이 배치되는 위치는 제1 방사 부(1211a, 1212a)의 너비 방향으로 단부에서 소정 간격 이격되어 오프셋 배치될 수 있다.
도 6b를 참조하면, 전자 기기는 유전체로 형성되고, 상기 전자 기기에 내부에 배치되고, 캐리어(carrier, 136)를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 안테나(1200)는 캐리어(136)의 전면(front surface)에 배치되고, 제1 및 제2 금속 패턴(1211, 1212)은 전자 기기의 길이 방향으로 배치될 수 있다. 이에 따라, 캐리어(carrier, 136) 상에 복수의 로우 프로파일 안테나들을 배치하여, 다중 입출력(MIMO)을 수행할 수 있다.
이와 관련하여, 본 발명에 따른 로우 프로파일 안테나가 배치되는 기판의 길이와 너비를 조절하여 배치 구조를 전자 기기 내에 배치될 수 있다. 이와 관련하여, 도 6a의 안테나(1200)의 길이를 일정 범위 내에서 가변할 수 있다. 이와 같이, 도 6a의 안테나(1200)의 길이를 일정 범위 내에서 가변하는 경우 공진 주파수와 방사 효율이 변경될 수 있다. 이와 관련하여, 안테나(1200)의 길이 L이 22mm에서 36mm가 증가함에 따라 공진 주파수는 약 4GHz에서 약 2.5GHz로 감소할 수 있다. 또한, 안테나(1200)의 길이 L이 22mm에서 36mm가 증가함에 따라 피크 방사 효율은 -4.1dB에서 -6.2dB로 감소할 수 있다.
이 경우, 안테나(1200)의 너비 W를 10mm로 가정하였지만, 이에 한정되는 것은 아니고 응용에 따라 변경 가능하다. 5G Sub 6 대역인 3.5GHz에서 안테나(1200)가 공진하도록 길이 L을 약 23mm로 설정 가능하다. 하지만, 안테나(1200)의 길이 L은 이에 한정되는 것은 아니고, 급전 패턴(1220)의 길이나 금속 패턴(1210)의 면적에 따라 공진주파수가 변경된다.
한편, 본 발명에 따른 로우 프로파일 안테나가 배치되는 기판의 너비에 따른 특성 변화에 대해 설명하면 다음과 같다. 이와 관련하여, 안테나(1200)의 너비 W를 8mm에서 12mm까지 가변할 수 있다. 이에 따라, 제2 방사부(1211b, 1212b)의 단부의 너비는 안테나의 공진 주파수 및 방사 효율을 고려하여 8 내지 12mm의 범위의 값으로 설정될 수 있다.
이 경우, 안테나 패턴이 폭이 증가하면 공진주파수가 낮아지나 길이 증가에 비해 그 효과가 작다. 하지만, 안테나 패턴의 폭이 증가하면 안테나 효율이 증가하고 그에 따라 효율 대역폭도 넓어지게 된다. 이와 관련하여, 도 7은 본 발명에 따른 안테나 너비 변화에 따른 공진 주파수와 피크 방사 효율 변화를 나타낸다.
도 7(a)을 참조하면, 제2 방사부(1211b, 1212b)의 단부의 너비가 8mm에서 9mm로 증가함에 따라 공진 주파수는 3.7GHz에서 3.5GHz로 감소되어, 안테나가 5G Sub 6 주파수에서 공진한다. 이 경우, 단부의 너비가 12mm까지 증가하여도 공진 주파수는 3.5GHz를 유지한다. 따라서, 안테나 소형화 관점에서 제2 방사부(1211b, 1212b)의 단부의 너비는 약 9mm로 설정하는 것이 유리할 수 있다.
한편, 도 7(b)을 참조하면, 제2 방사부(1211b, 1212b)의 단부의 너비가 8mm에서 12mm로 증가함에 따라 피크 방사 효율은 증가함을 알 수 있다. 따라서, 안테나 공진 주파수와 방사 효율은 모두 고려하여 제2 방사부(1211b, 1212b)의 단부의 너비를 10mm 내지 11mm로 설정할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 로우 프로파일 안테나는 급전 패턴(1220)의 길이를 가변하여 공진 주파수, 대역폭, 피크 방사 효율 및 피크 총 효율을 최적화할 수 있다. 이와 관련하여, 도 8은 본 발명에 따른 로우 프로파일 안테나의 길이와 급전 패턴 길이 가변에 따른 공진 주파수 및 피크 총 효율을 나타낸다. 또한, 도 9는 본 발명에 따른 로우 프로파일 안테나의 길이와 급전 패턴 길이 가변에 따른 대역폭 및 피크 방사 효율을 나타낸다. 여기서, 피크 방사 효율은 안테나 손실을 고려한 안테나의 방사 효율이고, 피크 총 효율은 안테나 손실과 급전 손실을 모두 고려한 효율을 나타낸다.
따라서, 급전 패턴(1220)의 길이는 안테나의 공진 주파수, 대역폭 및 방사 효율을 고려하여 설정될 수 있다. 이를 위해, 급전 패턴(1220)의 길이는 제1 금속 패턴의 종단 부에서 제2 금속 패턴의 종단 부까지의 길이의 0.3 내지 0.4배의 값으로 설정될 수 있다. 즉, 급전 패턴(1200)의 길이는 안테나 길이의 0.3 내지 0.4배의 값으로 설정될 수 있다.
급전 길이가 길어질수록 안테나 패턴이 차지하는 면적은 감소하지만, 도 8(a)를 참조하면 공진주파수는 급전 길이에 따라 낮아지게 된다. 따라서, 안테나 길이에 따른 적정 급전 길이가 있으며, 안테나 패턴 전체 길이의 0.3 내지 0.4배의 급전 길이가 필요하다. 여기서, 24x10은 안테나의 길이 L 및 너비 W가 각각 24mm 및 10mm임을 나타낸다. 또한, 22x10은 안테나의 길이 L 및 너비 W가 각각 22mm 및 10mm임을 나타낸다.
도 6a 및 도 8(b)를 참조하면, 안테나의 길이 L 및 너비 W가 각각 24mm 및 10mm인 경우, 급전 패턴(1200)의 길이가 약 9mm인 경우 피크 총 효율이 최대가 된다. 따라서, 급전 패턴(1200)의 길이는 안테나 패턴 전체 길이의 0.3 내지 0.4배로 설정될 수 있다.
도 6a 및 도 9(a)를 참조하면, 안테나의 길이 L 및 너비 W가 각각 24mm 및 10mm인 경우, 급전 패턴(1200)의 길이가 약 11mm인 경우 대역폭이 최대가 된다. 이 경우, 급전 패턴(1200)의 길이는 안테나 패턴 전체 길이의 0.4배를 초과하게 된다.
하지만, 대역폭 요구조건을 만족하면서 효율을 최대화하기 위해 급전 패턴(1200)의 길이가 약 9mm로 설정되는 것이 유리할 수 있다. 따라서, 급전 패턴(1200)의 길이는 안테나 패턴 전체 길이의 0.3 내지 0.4배로 설정될 수 있다.
도 6a 및 도 9(b)를 참조하면, 도 8(b)와 유사하게 안테나의 길이 L 및 너비 W가 각각 24mm 및 10mm인 경우, 급전 패턴(1200)의 길이가 약 9mm인 경우 피크 총 효율이 최대가 된다. 따라서, 급전 패턴(1200)의 길이는 안테나 패턴 전체 길이의 0.3 내지 0.4배로 설정될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 로우 프로파일 안테나는 제1 방사부와 제2 방사부와 연결되는 지점에서 제1 방사부와 제2 방사부의 너비의 차이, 즉 결합부의 길이를 조절하여 안테나의 임피던스와 공진 주파수를 조절 가능하다. 이와 관련하여, 제1 방사부와 제2 방사부와 연결되는 지점에서 제1 방사부와 제2 방사부의 너비의 차이, 즉 결합부의 길이는 1 내지 5mm의 범위의 값으로 설정될 수 있다.
이와 관련하여, 도 10은 본 발명에 따른 로우 프로파일 안테나에서 결합부 길이 가변에 따른 공진 주파수 및 피크 총 효율을 나타낸다. 또한, 도 11은 본 발명에 따른 로우 프로파일 안테나에서 결합부 길이 가변에 따른 대역폭 및 피크 방사 효율을 나타낸다. 여기서, 피크 방사 효율은 안테나 손실을 고려한 안테나의 방사 효율이고, 피크 총 효율은 안테나 손실과 급전 손실을 모두 고려한 효율을 나타낸다.
결합부의 길이가 증가할수록 공진주파수가 낮아져 안테나 소형화가 가능하다. 도 6a 및 도 10(a)를 참조하면 결합부의 길이(A)가 증가할수록 공진주파수는 낮아지게 된다. 여기서, 34x10은 안테나의 길이 L 및 너비 W가 각각 34mm 및 10mm임을 나타낸다. 한편, 급전 패턴의 길이는 13mm로 설정한 경우, 결합부의 길이를 1mm에서 5mm로 가변 하면서 안테나 특성을 비교하였다.
도 6a 및 도 10(b)를 참조하면, 안테나의 길이 L 및 너비 W가 각각 34mm 및 10mm인 경우, 결합부의 길이(A)가 약 2mm인 경우 피크 총 효율이 최대가 된다.
도 6a 및 도 11(a)를 참조하면, 안테나의 길이 L 및 너비 W가 각각 34mm 및 10mm인 경우, 결합부의 길이(A)가 1mm인 경우 대역폭이 최대가 된다.
도 6a 및 도 11(b)를 참조하면, 안테나의 길이 L 및 너비 W가 각각 34mm 및 10mm인 경우, 결합부의 길이(A)가 1mm인 경우 피크 방사 효율이 최대가 된다. 한편, 도 10(b)를 참조하면 결합부의 길이가 약 2mm인 경우 안테나 손실과 급전 손실의 합이 최저가 된다. 이와 관련하여, 결합부의 길이가 1mm인 경우 안테나 손실이 최저가 되지만, 급전 패턴을 위한 안테나 영역이 부족하게 된다. 따라서, 안테나 손실과 급전 손실을 모두 고려하는 경우 결합부의 길이는 약 2mm 정도로 설정하는 것이 유리할 수 있다.
한편, 결합부의 길이 (A)가 변하면 임피던스가 변하는 것을 확인할 수 있다. 결합부의 길이 (A)가 증가할수록 급전 패턴과 안테나 패턴 사이의 결합 량이 감소하게 된다. 이에 따라 주파수에 따른 임피던스 변화를 극좌표로 표시한 smith chart의 locus 크기가 작아지고 공진 주파수가 하향하게 된다. 따라서, 결합부의 길이 (A)가 변하게 되면 안테나의 임피던스와 공진주파수에 모두 영향을 끼친다. 따라서, 이러한 결합부의 길이(A)를 포함하여 제1 및 제2 방사부 영역의 형상을 가변하여 안테나 특성 최적화가 가능하다.
한편, 본 발명의 따른 다양한 형상의 로우 프로파일 안테나는 5G Sub 6 대역에서 동작할 수 있다. 이 경우, 이러한 다양한 형상의 로우 프로파일 안테나의 동작 대역은 이에 한정되는 것은 아니고 임의의 통신 주파수 대역에서 동작할 수 있다. 이와 관련하여, 본 발명의 따른 로우 프로파일 안테나는 5G Sub 6 대역에서 동작하고, 전자 기기의 측면에 배치되는 도전 멤버로 구현되는 안테나는 LTE 대역에서 동작할 수 있다. 이와 같이 복수의 통신 시스템에서 동작하는 복수의 안테나에 대한 제어 동작이 필요하다.
이와 관련하여, 도 12는 본 발명에 따른 안테나, 송수신부 회로 및 기저대역 프로세서를 구비하는 전자 기기의 구성을 나타낸다. 또한, 도 13은 본 발명에 따른 복수의 안테나, 송수신부 회로 및 기저대역 프로세서를 구비하는 전자 기기의 구성을 나타낸다.
도 1a 내지 도 13을 참조하면, 본 발명에 따른 전자 기기(1000)는 제1 안테나(1100), 제2 안테나(1200), 송수신부 회로(1250) 및 기저대역 프로세서(1400)를 구비할 수 있다.
제1 안테나(1100)는 전자 기기의 측면부에 형성되어, LTE 대역인 제1 대역에서 동작하도록 구성된다. 반면에, 본 발명에 따른 안테나(1200)는 5G Sub 6 대역인 제2 대역에서 동작하도록 구성된 제2 안테나(1200)일 수 있다. 여기서, 제1 안테나(1100)의 위치는 도 12 또는 도 13에 한정되는 것은 아니고, 전자 기기의 좌측, 우측, 상부 또는 하부의 일 영역에 형성 가능하다. 한편, 제2 안테나(1200)는 도 12와 같이 단일 안테나로 구성되거나 도 13과 같이 MIMO 동작을 위해 복수의 안테나들로 구성될 수 있다.
한편, 송수신부 회로(1250)는 급전 패턴(1220)과 연결되고, 급전 패턴(1220)을 통해 제1 금속 패턴(1211) 및 제2 금속 패턴(1212)으로 신호를 전달하도록 구성된다. 또한, 기저대역 프로세서(1400)는 송수신부 회로(1250)와 연결되고, 제1 안테나(1100) 및 제2 안테나(1200) 중 적어도 하나를 통해 신호를 송신 및 수신하도록 송수신부 회로(1250)를 제어하도록 구성된다.
구체적으로, 송수신부 회로는 제1 대역의 제1 신호를 송신 및 수신하고 제2 대역의 제2 신호를 송신 및 수신하도록 구성될 수 있다. 이와 관련하여, 기저대역 프로세서(1400)는 제1 신호의 품질이 임계치 이하이면 제2 안테나(1200)를 통해 제2 신호를 수신하도록 송수신부 회로(1250)를 제어할 수 있다. 일 예로, 기저대역 프로세서(1400)는 광대역 전송이 요청되어 광대역이 할당된 경우, 반송파 집성(CA: Carrier Aggregation)을 수행할 수 있다. 이를 위해, 기저대역 프로세서(1400)는 제1 안테나(1100)를 통해 수신되는 제1 대역의 제1 신호와 제2 안테나(1200)를 통해 수신되는 제2 대역의 제2 신호를 이용하여 반송파 집성(CA: Carrier Aggregation)을 수행할 수 있다.
한편, 제1 안테나(1100)는 LTE 대역의 신호를 송신 및 수신하도록 구성 가능하다. 이와 관련하여, 제1 안테나(1100)는 전자 기기의 측면 상에 배치될 수 있다. 일 예로, 제1 안테나(1100)는 전자 기기의 상부, 하부, 좌측 또는 우측에 배치되는 하나의 이상의 안테나(1100a, 1100b)를 포함할 수 있다.
따라서, 모뎀에 해당하는 기저대역 프로세서(1400)는 제1 안테나(1100a, 1100b)를 통해 다중 입출력(MIMO) 또는 다이버시티 동작을 수행할 수 있다. 여기서, 제1 안테나(1100a, 1100b)의 위치 및 개수는 이에 한정되는 것이 아니라 응용에 따라 다양하게 변경 가능하다. 제1 안테나(1100a, 1100b)의 개수는 4TX 또는 4RX를 지원하기 위해 최대 4개까지 확장 가능하다.
한편, 제1 안테나(1100a, 1100b)는 LTE 대역 이외에 5G 대역에서도 동작하도록 이중 대역 동작할 수 있다. 이 경우, 기저대역 프로세서(1400)는 제1 안테나(1100a, 1100b) 중 적어도 하나의 제2 안테나(1200) 중 적어도 하나를 이용하여 다중 입출력(MIMO)을 수행할 수 있다.
이상에서는 본 발명에 따른 5G 안테나를 구비하는 전자 기기에 대해 살펴보았다. 이와 같은 5G 안테나를 구비하는 전자 기기, 특히 전자 기기 내부에 배치될 수 있는 low-profile 구조의 안테나를 구비하는 전자 기기의 기술적 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따르면, 풀 디스플레이 구조에서도 전자 기기의 내부에 작은 크기와 낮은 높이를 갖는 로우 프로파일 안테나(Low Profile)가 배치된 전자 기기를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 전자 기기의 커버에 수평으로 전자 기기의 내부에 배치될 수 있는 로우 프로파일 안테나를 통해, 무선 성능을 최적화하면서 안테나 공간 활용도와 배치 자유도가 높은 로우 프로파일 안테나를 제공할 수 있다.
특히 본 발명에 따른 로우 프로파일 안테나는 0.02 λ 이하로 매우 낮은 높이에서 안테나를 효과적으로 설계할 수 있으며, 임피던스 매칭이 용이하다는 장점이 있다.
특히 본 발명에 따른 로우 프로파일 안테나는 방사체의 양 단부가 단락(short)되어 있어, 안테나 크기 소형화와 함께 상호 간 격리도 향상에 따라 여러 안테나를 배열하기에 유리하다는 장점이 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, 로우 프로파일 안테나(low-profile antenna)의 설계 및 기저대역 프로세서와 같은 제어부를 통한 안테나와 송수신부 회로의 제어는 프로그램이 기록된 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체는, 컴퓨터 시스템에 의하여 읽힐 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, 1250, 1400)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. 전자 기기에 있어서,
    기판 상부에 소정 길이(length)와 너비(width)를 갖는 금속이 프린트되어 배치되도록 구성된 제1 금속 패턴(metal pattern);
    상기 제1 금속 패턴과 소정 간격 이격되고, 소정 길이와 너비를 갖는 금속이 프린트되어 배치되도록 구성된 제2 금속 패턴 - 상기 제1 금속 패턴 및 상기 제2 금속 패턴은 내부에 금속 패턴이 형성되지 않은 인셋 영역(inset region)을 포함함 -;
    상기 제1 금속 패턴과 상기 제2 금속 패턴이 이격된 영역과 상기 인셋 영역에 소정 길이와 너비를 갖는 금속이 프린트되어 배치되고, 상기 제1 금속 패턴 및 상기 제2 금속 패턴으로 신호를 커플링 급전하도록 구성된 급전 패턴을 포함하는 안테나; 및
    상기 급전 패턴과 연결되고, 상기 급전 패턴을 통해 상기 제1 금속 패턴 및 상기 제2 금속 패턴으로 신호를 전달하도록 구성된 송수신부 회로(transceiver circuit)를 포함하는, 전자 기기.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 안테나는,
    상기 제1 금속 패턴 및 상기 제2 금속 패턴의 단부(end portion)에서 상기 제1 금속 패턴 및 상기 제2 금속 패턴과 하부의 그라운드 패턴을 연결하도록 구성된 복수의 비아(via)들을 더 포함하고,
    상기 복수의 비아들은
    상기 제1 금속 패턴 및 상기 제2 금속 패턴의 종단 부(terminated portion)에서 내부로 소정 간격 이격되어 배치되는, 전자 기기.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 급전 패턴의 경계 영역과와 상기 인셋 영역의 경계 영역에서, 상기 제1 금속 패턴 및 상기 제2 금속 패턴과 수평면에 형성되는 수평 자계 전류 (horizontal magnetic field)에 의해 상기 안테나가 형성되는 기판의 높이를 감소시키는 것을 특징으로 하는, 전자 기기.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 금속 패턴 및 상기 제2 금속 패턴은 제1 기판의 상부에 배치되고,
    상기 안테나는 상기 안테나에 대한 기준 전위(reference electric potential)을 제공하도록 제2 기판의 하부에 배치되는 그라운드 층을 더 포함하는, 전자 기기.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 제1 기판의 유전율(permittivity)는 상기 제2 기판의 유전율보다 큰 값으로 설정되어, 상기 안테나의 크기를 감소시키면서 상기 안테나의 효율을 증가시키는 것을 특징으로 하는, 전자 기기.
  6. 제4 항에 있어서,
    상기 급전 패턴은 상기 제1 금속 패턴 및 상기 제2 금속 패턴과 동일 평면인 상기 제1 기판의 상부에 배치되는, 전자 기기.
  7. 제4 항에 있어서,
    상기 급전 패턴은 상기 제1 금속 패턴 및 상기 제2 금속 패턴과 다른 평면인 상기 제1 기판의 하부 또는 상기 제2 기판의 상부에 배치되는, 전자 기기.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 금속 패턴 및 상기 제2 금속 패턴은,
    소정 길이와 너비를 갖는 직사각형 형태로 형성되고, 내부에 상기 인셋 영역이 형성되는 제1 방사 부(radiation portion); 및
    상기 제1 방사 부에 연결되고, 소정 각도로 테이퍼링(tapering)되어 너비가 증가하도록 형성되는 제2 방사 부를 포함하는, 전자 기기.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 급전 패턴은 상기 제1 방사 부 내부의 상기 인셋 영역에 형성되고,
    상기 급전 패턴이 배치되는 위치는 상기 제1 방사 부의 너비 방향으로 단부에서 소정 간격 이격되어 오프셋 배치되는, 전자 기기.
  10. 제1 항에 있어서,
    유전체로 형성되고, 상기 전자 기기에 내부에 배치되고, 캐리어(carrier)를 더 포함하고,
    상기 안테나는 상기 캐리어의 전면(front surface)에 배치되고, 상기 제1 금속 패턴 및 상기 제2 금속 패턴은 상기 전자 기기의 길이 방향으로 배치되는, 전자 기기.
  11. 제8 항에 있어서,
    상기 제2 방사부의 단부의 너비는 상기 안테나의 공진 주파수 및 방사 효율을 고려하여 8 내지 12mm의 범위의 값으로 설정되는, 전자 기기.
  12. 제8 항에 있어서,
    상기 제1 방사부와 상기 제2 방사부와 연결되는 지점에서 상기 제1 방사부와 제2 방사부의 너비의 차이는 상기 안테나의 임피던스와 공진 주파수를 고려하여 1 내지 5mm의 범위의 값으로 설정되는, 전자 기기.
  13. 제8 항에 있어서,
    상기 급전 패턴의 길이는 상기 안테나의 공진 주파수, 대역폭 및 방사 효율을 고려하여 상기 제1 금속 패턴의 종단 부에서 상기 제2 금속 패턴의 종단 부까지의 길이의 0.3 내지 0.4배의 값으로 설정되는, 전자 기기.
  14. 제1 항에 있어서,
    상기 전자 기기의 측면부에 형성되어, LTE 대역인 제1 대역에서 동작하는 제1 안테나를 더 포함하고, - 상기 안테나는 5G Sub 6 대역인 제2 대역에서 동작하는 제2 안테나이고,
    상기 송수신부 회로와 연결되고, 상기 제1 안테나 및 상기 제2 안테나 중 적어도 하나를 통해 신호를 송신 및 수신하도록 상기 송수신부 회로를 제어하는 기저대역 프로세서를 더 포함하는, 전자 기기.
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 송수신부 회로는 상기 제1 대역의 제1 신호를 송신 및 수신하고 상기 제2 대역의 제2 신호를 송신 및 수신하도록 구성되고,
    상기 기저대역 프로세서는,
    상기 제1 신호의 품질이 임계치 이하이면 상기 제2 안테나를 통해 상기 제2 신호를 수신하도록 상기 송수신부 회로를 제어하고,
    광대역 전송이 요청되어 광대역이 할당된 경우, 상기 제1 안테나를 통해 수신되는 상기 제1 대역의 제1 신호와 상기 제2 안테나를 통해 수신되는 상기 제2 대역의 제2 신호를 이용하여 반송파 집성(CA: Carrier Aggregation)을 수행하는, 전자 기기.
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