KR100446506B1 - 휴대 단말기 - Google Patents

Abstract

SAR을 개선함과 동시에, 소형이며 가격이 저렴한 내장 안테나 방식의 휴대 단말기를 제공한다. 휴대 전화기 본체의 PCB에 스피커가 부착된 면의 반대측 면에 1/λ 다이폴 안테나를 설치한다. 상기 다이폴 안테나는, 예를 들어 상기 본체의 PCB상에 설치된 안테나 PCB 위에 안테나 패턴으로서 형성된다. 상기 구성에 의하면, 다이폴 안테나의 공진 전류는 안테나로만 흐르며, 지판 전류는 흐르지 않기 때문에, 복사(輻射)되는 전자계는 PCB의 그라운드 패턴에 의해 차단된다. 따라서 사용상태에서는 사용자의 두부(頭部)가 PCB의 스피커쪽에 있기 때문에, PCB가 안테나로부터 복사되는 전자계의 실드판으로서 작용하여 두부 주변의 전자계를 감소시킴으로써 SAR을 줄일 수 있다.

Description

휴대 단말기{PORTABLE TERMINAL EQUIPMENT}

본 발명은 휴대 단말기에 관한 것으로, 특히 비흡수율(Specific Absorption Rate: 이하 SAR이라 한다.)의 개선에 관한 것이다.

최근 휴대 전화기, PHS(Personal Handyphone System), PDA(Personal Digital Assistant) 등과 같은 휴대 단말기의 보급에 따라 단말기로부터 복사되는 전파가 인체에 미치는 영향, 특히 사용자의 두부(頭部)에 미치는 영향(SAR)에 대한 문제가 대두되고 있다. 여기서 상기 SAR은 생체가 전자계에 노출됨에 따라 생체에 흡수되는 단위 질량당 흡수전력을 말한다. 휴대 전화기에 있어서는 안테나의 복부(腹部)에 전류가 집중되며, 그 결과 안테나 급전점(給電点) 등의 복사원(輻射源)에 가까이 있는 인체의 두부에 전자계(電磁界)가 집중되어 SAR이 증대된다. 그래서 상기와 같은 SAR의 개선에 관한 방호 방침이 개발되고 있다.

도 1은 종래의 휴대 전화기에 널리 사용되고 있는 모노폴 안테나(monopole antenna) 방식의 여러 형태들을 도시하고 있다.

(a)는 신축형, (b)는 단축 고정형, (c) 및 (d)는 각각 역F형 및 역L형(내장형)을 나타낸다. 참조부호 100은 휴대 전화기의 PCB(프린트 배선기판)를 나타낸다.

도 2a 및 도 2b는 종래의 휴대 단말기에서의 모노폴 안테나의 설치구조 및 안테나전류, 지판전류, 전류분포, 그리고 전압분포를 나타낸 구성도이다.

도 2a를 참조하면, 전화기 본체의 PCB 100에는 1/4λ 모노폴 안테나 101이 급전점 102를 통해 부착되어 있다. 상기 모노폴 안테나 101은 안테나 소자와 안테나 지판(ground plane)에 의해 원하는 주파수로 공진하여 하나의 안테나를 구성하기 때문에, 상기 도 2a에 도시된 바와 같이 안테나 전류 ia에 따라 PCB 100을 지판으로 하는 지판전류 ie가 PCB 100으로 흐른다.

도 2b는 상기 안테나전류 ia와 상기 지판전류 ie의 전류분포 및 전압분포를 나타낸다.

도 3a는 사용상태에서의 안테나전류 ia 및 지판전류 ie에 의한 주변의 전계분포를 나타내며, 도 3b는 주변의 자계분포를 나타낸다. 참조부호 103은 휴대 전화기 본체, 104는 사용자의 두부를 나타낸다. 도시된 바와 같이, 두부 104의 주변에 전자계가 집중되어 있다.

상기 도 2a, 도 2b, 도 3a 및 도 3b와 같은 구조에서 SAR을 줄이기 위해서는실제 상태에서 인체의 두부 방향으로 흐르는 주변의 전자계의 강도를 감소시키면 되지만, 그러한 관점에서 보면 상기 도 2a, 도 2b, 도 3a 및 도 3b의 안테나 구조에는 다음과 같은 문제가 있다.

(1) 1/4λ 모노폴 안테나 방식에서는 전화기 본체 103의 PCB 100이 지판을 형성하기 때문에, PCB 100으로 지판전류 ie가 흐른다. 상기 PCB로 흐르는 지판전류 ie를 제어하는 것은 곤란하므로 두부 주변의 전자계를 제어 및 감소시키는 것은 불가능하다.

(2) 안테나 급전점 102의 부근에 안테나전류 ia가 집중하여 흐르는데, 일반적으로 상기 전류가 집중되는 부분은 두부 104가 가장 가까이 접근하는 부분이다. 그래서 두부 쪽에 실드판(shield)을 별도로 설치하여 두부 방향으로의 전력 복사를 줄이는 방식이 제안되고 있지만, 모노폴 안테나 방식에서는 PCB 및 실드판에도 지판전류 ie가 흐르기 때문에 실드판에 의한 차단효과가 적다.

(3) 종래의 모노폴 안테나는 그 형태가 선형이기 때문에 최근 소비자 경향인 내장형 안테나로서는 적합하지 못하다.

(4) 내장형 안테나로는 금속판을 가공한 도 1c, 도 1d와 같은 역F형, 역L형 안테나가 제안되고 있으나, 상기 방식도 다이폴과 마찬가지로 지판전류가 흐르기 때문에 SAR은 줄어들지 않는다.

따라서 본 발명의 목적은 소형이며 가격이 저렴한 내장형 안테나를 이용하여SAR을 개선한 휴대 단말기를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 SAR을 개선함과 동시에, 양호한 통신 특성을 확보할 수 있는 안테나 방식을 갖는 휴대 단말기를 제공함에 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 제1발명의 휴대 단말기는 적어도 스피커가 설치된 프린트 배선기판에 상기 스피커가 설치된 면과는 반대측 면에 다이폴 안테나를 설치한다. 또한 상기 다이폴 안테나는 프린트 배선기판에 설치된 안테나 기판 상에 안테나 패턴으로서 형성되는 것이 바람직하며, 상기 안테나 패턴은 안테나 기판에 복수 층에 걸쳐 1회 이상 접힌 패턴으로 형성되는 것이 바람직하다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 제2발명의 휴대 단말기는 동일한 통신을 동시에 수행하는 복수의 다이폴 안테나를 구비함과 동시에, 상기 각 다이폴 안테나로의 급전위상을 제어하는 위상제어수단을 구비함을 특징으로 한다. 또한 상기 각 다이폴 안테나로의 급전 전력의 분배비를 조정하는 전력분배비 조정수단을 구비한다.

도 1은 종래의 휴대 단말기에 사용되는 각종 모노폴 안테나를 나타낸 구성도

도 2a 및 도 2b는 종래의 휴대 단말기에서의 모노폴 안테나의 설치구조 및 안테나전류, 지판전류, 전류분포, 그리고 전압분포를 나타낸 구성도

도 3a 및 도 3b는 종래의 휴대 단말기에서 두부(頭部) 주변의 전계 및 자계를 나타낸 구성도

도 4a 및 도 4b는 본 발명에 의한 휴대 전화기의 안테나 구조를 원리적으로 도시한 정면도, 측면도 및 사용상태를 도시한 정면도

도 5는 본 발명의 제1실시 예에 따른 휴대 전화기의 안테나 구조를 도시한 정면도 및 측면도

도 6은 안테나 PCB의 평면도

도 7은 본 발명의 제1, 제2실시 예에 의한 안테나 구조의 회로 구성도

도 8은 본 발명의 제2실시 예에 의한 접힌 다이폴 안테나를 원리적으로 나타낸 구성도

도 9는 접힌 다이폴 안테나의 구성예를 나타낸 구성도

도 10은 접힌 다이폴 안테나의 다른 구성예를 나타낸 구성도

도 11은 본 발명의 실시 예에 의한 휴대 전화기의 안테나 구조를 도시한 정면도 및 측면도

도 12는 급전회로부의 구성을 나타낸 블록도

도 13a 및 도 13b는 본 발명의 실시 예에 의해 두 개의 다이폴 안테나를 설치한 전화기 본체와 인체의 두부와의 관계를 개략적으로 도시한 PCB의 정면도 및 측면도, 전화기 본체와 사용자 두부의 정면 구성도

도 14a 및 도 14b는 본 발명의 실시 예에 있어서 두 개의 다이폴 안테나의 급전위상과 인체의 두부 주변의 자계와의 관계를 개략적으로 도시한 평면도

이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 하기 설명에서는 구체적인 회로의 구성 소자 등과 같은 많은 특정(特定) 사항들이 나타나고 있는데, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐 이러한 특정 사항들 없이도 본 발명이 실시될 수 있음은 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하다 할 것이다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

도 4a 및 도 4b는 본 발명의 실시 예를 원리적으로 도시한 것으로, 본 발명을 휴대 전화기에 이용한 경우의 안테나 구조를 나타낸 것이다. 도 4a의 (가)는 평면도, (나)는 측면도, 그리고 도 4b는 사용상태를 나타내는 정면도이다.

도시된 바에 따르면, 전화기 본체의 PCB(프린트 배선기판) 1에 스피커 2가 설치된 면의 반대측 면에 1/2λ 다이폴 안테나(평형급전방식 안테나) 3이 설치되어 있다. 참조부호 4는 다이폴 안테나 3의 급전 회로부이고, 5는 사용자의 두부, 그리고 6은 휴대 전화기의 본체이다.

상기 구성에 의하면, 다이폴 안테나 3의 공진전류는 기본적으로 안테나로만 흐르며, 지판전류는 흐르지 않는다. 이 때문에 복사되는 주변 전자계는 (나)와 같이 PCB 1의 그라운드 패턴에 의해 차단된다. 도 4b에 도시된 사용상태에서 보면, 사용자의 두부 5가 PCB 1의 스피커 2쪽에 있기 때문에, 글라스 에폭시 등으로 이루어진 PCB 1의 그라운드 패턴이 안테나로부터 복사된 전자계에 대한 실드판으로서 작용하여 두부 주변의 전자계를 감소시킴으로써 SAR을 줄일 수 있다.

도 5는 상기 원리에 근거한 구체적인 안테나 구조의 제1실시 예를 도시한 것으로, (a)는 평면도이고 (b)는 측면도이다.

PCB 1의 하부에는 송수신 회로 7이 설치되고, 상부에는 평형 불평형 변환기인 발런(Balun)으로 구성된 급전 회로부 4가 설치되어 있다. 상기 급전 회로부 4 위에는 안테나 PCB 10이 설치되고, 상기 안테나 PCB 10에는 다이폴 안테나 3이 설치되어 있다. 또한 일반적으로 휴대 전화기는 도시된 바와 같이 PCB의 상부에 안테나가 배치되며, 하부에 송수신 회로부가 배치된다.

상기 급전 회로부 4와 상기 송수신 회로 7은 동축 케이블[세미리지드(semirigid) 케이블]을 통해 접속되어 있다. 또한 스피커 2는 상기 PCB 1에 상기 각 부가 설치된 면과는 반대측 면에 설치되어 있다.

도 6은 안테나 PCB 10을 도시한 것이다.

도시한 바에 따르면, 상기 안테나 PCB 10에는 1/2λ 다이폴 안테나 3이 안테나 패턴에 의해 형성되어 있다. 상기 안테나 PCB 10은 글라스 에폭시 등으로 이루어지며, 예를 들어 20×35×1.0(mm)의 크기로 형성되어 있다. 상기와 같은 안테나 PCB 10을 제작하는 데 따른 비용 상승은 발생하지 않는다. 이는 전술한 PCB의 제조 공정과 동일한 공정으로 안테나 패턴을 형성할 수 있기 때문이다.

상기 안테나 PCB 10은 휴대 전화기 내에서 안테나의 복사 패턴과 SAR을 고려한 위치에 기계적으로 고정된다. 본 실시 예에서는 도 4b 및 도 5b와 같이, 사용 시에 PCB 1이 전자 실드판으로서 작용할 수 있는 위치에 기계적으로 고정함으로써, SAR의 개선과 복사 패턴의 최적화를 도모하도록 하고 있다.

도 7은 상기와 같은 구성을 가지는 안테나 구조의 전기적인 회로 구성을 나타낸 도면이다.

송수신회로 7은 송신앰프 71, 수신앰프 72 및 분배기(duplexer) 73으로 구성된다. 또한 급전 회로부 4에는 발런이 도시된 바와 같이 구성되어, 다이폴 안테나 3에 접속되어 있다. 상기 송수신회로 7과 상기 급전 회로부 4는 동축케이블 11에 의해 접속되어 있다.

다음으로, 본 발명의 제1실시 예에 따른 안테나 구조에 대해 설명한다.

통상적으로 도 6에 도시한 바와 같이 소형화된 다이폴 안테나의 입력 임피던스 Z0는 일반적으로 사용되는 급전 임피던스 50Ω보다 작아진다. 그러므로 급전점 임피던스에 정합시키기 위해서는 입력 임피던스를 높이는 것이 바람직하다.

본 실시 예는 안테나 PCB 10에 접힌 다이폴 안테나를 형성하는 경우이다.

도 8에 도시한 바와 같이, 다이폴 안테나의 패턴을 기판 상에서 접어서 형성한 접힌 다이폴 안테나의 입력 임피던스가, 기본 다이폴 안테나의 입력 임피던스 Z0에 비하여 높아지는 것을 알 수 있다. 도시한 바와 같이, 안테나 패턴을 1회 접음으로써 입력 임피던스 Z0가 4배가 되고, 2회 접음으로써 입력 임피던스 Z0가 8배가 되는 것을 알 수 있다.

도 9는 접힌 다이폴 안테나의 구성 예를 도시한 것이다.

도 9는 안테나 PCB 10을 2층 구조로 한 것으로, 안테나 PCB 10의 표리면에 표면 패턴 3A와 이면패턴 3B를 설치하고, 양 패턴을 안테나 PCB 10에 설치한 스루 홀(through hole) 10A, 10B를 통해 접속함으로써, 하나의 접힌 다이폴 안테나 3을 구성한 것이다.

도 10은 접힌 다이폴 안테나의 다른 구성 예를 도시한 것이다.

도 10은 안테나 PCB 10을 3층 구조로 한 것으로, 안테나 PCB 10에 표면 패턴(제1서브 패턴) 3A와 이면패턴(제2서브 패턴) 3B를 설치함과 동시에, 중간층에 중간 패턴(제3서브 패턴) 3C를 설치하고, 3개의 패턴을 스루 홀 10A, 10B를 통해 접속함으로써 하나의 접힌 다이폴 안테나 3을 구성한 것이다.

도 9 및 도 10의 접힌 다이폴 안테나를 이용한 경우의 회로 구성은 전술한 도 7과 동일하다. 상기 도 9 및 도 10의 구성에 의해 임피던스 정합성이 좋은 소형이며, 가격이 저렴한 다이폴 안테나를 구현할 수 있다.

도 11은 본 발명의 제3실시 예에 따른 휴대 단말기로서의 휴대 전화기의 안테나 구조를 나타낸 것으로, (a)는 평면도이고, (b)는 측면도이다.

참조부호 1은 전화기 본체의 PCB, 21은 상기 PCB의 상부에 설치한 제1다이폴 안테나(평형급전방식 안테나), 22는 상기 PCB의 상부에 설치한 제2다이폴 안테나이다. 참조부호 31은 다이폴 안테나 21의 급전부, 32는 다이폴 안테나 22의 급전부이다. 참조부호 7은 상기 PCB의 하부에 설치한 송수신회로부이다. 일반적으로 휴대 전화기에는 도시된 바와 같이 PCB의 상부에 안테나가 배치되고, 하부에 송수신회로부가 배치되어 있다. 참조부호 11은 상기 PCB의 상부에 형성되는 전력분배합성회로와 송수신회로부 7을 접속하는 동축케이블[세미리지드(semirigid) 케이블]이다. 스피커 2는 상기 PCB의 다이폴 안테나가 부착된 면의 반대측 면(두부 쪽)에 부착되어 있다.

상기 다이폴 안테나 21에는 위상이 φ1인 안테나 전류 ia1이 흐르고, 다이폴 안테나 22에는 위상이 φ2인 안테나 전류 ia2가 흐른다. 상기 두 개의 다이폴 안테나 21, 22는 동일 신호의 송신 및 수신에 동시에 이용되는 것이다.

본 제3실시 예에서는 송수신회로부 7로부터의 전력을, 동축케이블 11을 통해 PCB 상부의 급전부 31, 32를 포함하는 하기의 급전회로부의 마이크로 스트립 회로로 인도한 후, 하기의 전력분배기에 의해 전력을 두 개의 안테나로 분배하도록 구성하고 있는데, 송수신회로부 7과 급전부 31을 동축케이블 11로 접속함과 동시에, 송수신회로부 7과 급전부 32를 별도의 동축케이블로 접속함으로써, 두 개의 안테나에 각각 전력을 공급하도록 구성해도 된다.

도 12는 상기 도 11의 (a)에서 두 급전부 31, 32로 이루어진 급전회로부 30의 세부 구성을 나타낸 블록도이다.

급전회로부 30은 송수신회로부 7과 동축케이블 11로 접속되는 전력분배/합성기 33과, 각 안테나 전류 ia1, ia2의 위상을 제어하는 위상기 34, 35와, 각 위상 제어된 전류를 불평형-평형 변환하여 각 안테나로 공급하는 발런(평형 불평형 변환기: Balun) 36, 37로 구성되어 있다.

다음으로, 상기와 같은 구성에 의거하여 구체적인 동작에 관해 설명한다.

도 13a 및 도 13b는 다이폴 안테나 21, 22 및 그 각 안테나 전류의 위상 φ1, φ2와 사용자의 두부 5와의 관계를 개략적으로 나타낸 구성도이며, 두부 5를 정면에서 본 도면이다.

도 14a 및 도 14b는 상기 위상 φ1, φ2와 두부 5와 주변 자계와의 관계를 도시하는 구성도이며, 두부 5를 위에서부터 내려 본 도면이다.

도 12에 있어서, 송수신회로부 7로부터 송신되는 신호전력을 전력분배/합성기 33에서 1/2씩 분배하고, 위상기 34, 35에서 각각 원하는 위상 φ1, φ2로 조정한 후, 발런 36, 37에서 전송 모드를 불평형-평형 변환하여 급전단자를 통해 다이폴 안테나 21, 22로 공급한다. 상기 다이폴 안테나 21, 22는 스스로 공진하며, 2개의 다이폴 안테나로서 기능한다.

이때 두 위상기 34, 35에 의해 각 안테나 전류 ia1, ia2의 위상 φ1, φ2를 0∼180°의 사이에서 적당히 조정함으로써, 예를 들어 도 14a와 같이 180°의 급전 위상차를 갖도록 조정함으로써, 두부 5의 주변의 자계를 상호 상쇄하여 감소시킬 수 있으며 SAR을 줄일 수 있다.

또한 두부 5의 반대측 주변 자계도 감소하고, 그 방향으로의 안테나 이득도 저하되지만, 전력분배/합성기 33에 의한 전력분배비와 두 위상기 34, 35의 위상을 조정함으로써 복사패턴 및 SAR을 최적화하여 통신성능을 양호하게 할 수 있다.

본 실시 예에서는 두 개의 다이폴 안테나를 설치한 경우에 관해 설명하였으나, 3개 이상의 다이폴 안테나를 설치하여 각각의 급전위상을 조정함과 동시에 전력분배비를 조정하도록 구성할 수도 있다. 또한 본 발명은 휴대 전화기에 한정되는 것이 아니며, PHS나 PDA 등과 같은 다른 휴대 단말기에도 적용할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 휴대 단말기의 PCB에 스피커가 설치된 면의 반대측 면에 다이폴 안테나를 설치하였기 때문에, PCB로 지판전류가 흐르는 일 없이 사용자의 두부 주변의 전자계를 감소시킴으로써 SAR을 줄일 수 있다. 또한 다이폴 안테나를 안테나 기판 상에 안테나 패턴으로 형성함으로써, PCB의 제조 공정과 동일하게 제조할 수 있기 때문에, 소형이며 가격이 저렴한 내장 안테나를 용이하게 실현할 수 있다. 또한 안테나 패턴을, 안테나 기판에 있어서 복수 층에 걸쳐 1회 이상 접은 패턴으로 형성함으로써, 임피던스 정합성이 좋은 안테나를 저렴한 가격으로 실현할 수 있다.

Claims (6)

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5. 적어도 스피커가 설치된 프린트 배선기판의 상기 스피커가 설치된 면과 반대측 면에 다이폴 안테나를 설치하며, 상기 다이폴 안테나는 상기 프린트 배선기판에 설치된 안테나 기판 상에 안테나 패턴으로서 형성되고, 상기 안테나 패턴의 서브 패턴들은 복수 층을 이루어 적어도 2회 이상 접힌 형태로서 하나의 패턴을 형성하며, 서브 패턴들은 상기 안테나 기판의 스루 홀을 통해 서로 접속됨을 특징으로 하는 휴대 단말기.
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