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KR100714613B1 - 발룬이 내장된 광대역 평형 칩 안테나 - Google Patents

발룬이 내장된 광대역 평형 칩 안테나 Download PDF

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KR100714613B1
KR100714613B1 KR1020060052055A KR20060052055A KR100714613B1 KR 100714613 B1 KR100714613 B1 KR 100714613B1 KR 1020060052055 A KR1020060052055 A KR 1020060052055A KR 20060052055 A KR20060052055 A KR 20060052055A KR 100714613 B1 KR100714613 B1 KR 100714613B1
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KR
South Korea
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dielectric
parallel line
dielectric block
balun
antenna
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KR1020060052055A
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Inventor
야스시 이이츠카
김동현
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삼성전기주식회사
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Abstract

본 발명은 직방형의 제1 유전체 블럭, 상기 제1 유전체 블럭의 제1면 및 상기 제1면에 대향하는 제2면에 각각 위치하는 제1 및 제2 평행라인판 - 상기 각각의 평행라인판은 일측부의 중앙에 슬릿이 형성되어 상기 평행라인판의 일부가 λ/4 단락 스터브로 작동하는 평행라인을 이루며, 접지되어 있음 -, 및 상기 두 개의 평행라인판 사이에 위치하고 λ/4 개방 스터브로 작동하는 스터브를 갖는 신호 공급을 위한 스트립 라인을 포함하는 발룬, 상기 제1 및 제2 평행라인판의 각각에 일체로 연결되며 상기 슬릿을 중심으로 좌우 대칭 구조를 갖는 제1 및 제2 다이폴 방사체 및 상기 발룬 및 상기 제1,제2 다이폴 방사체를 내장하는 제2 유전체 블록을 포함하는 광대역 평형 칩 안테나를 제공한다.
칩안테나(chip antenna), 발룬(balun), 유전체 블록(dielectric substance block)

Description

발룬이 내장된 광대역 평형 칩 안테나{BROADBAND BALANCED CHIP ANTENNA WITH INTEGRATED BALUN}
도1은 종래기술에 의한 발룬(balun) 구조의 평면도이다.
도2는 본 발명의 실시형태에 따른 칩 안테나의 사시도이다.
도3은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 칩 안테나의 정면도이다.
도4a 및 도4b는 본 발명의 도2 및 도3의 실시 형태에 따른 칩 안테나의 주파수와 VSWR의 변화 그래프이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>
22a, 22b : 평행라인판 23 : 스트립라인
23a : 스터브 24a, 24b : 다이폴 방사체
25 : 제2 유전체 블록 26a,26b : 평행라인
28 : 제1 유전체 블록 29 : 발룬(balun)
본 발명은 칩 안테나에 관한 것으로, 보다 상세하게는 발룬(balun)과 다이폴 방사체가 일체화된 안테나에 관한 것이다.
일반적으로 표면 실장형 칩 안테나는 소형 통신장치의 안테나에 사용되며, 최근에는 이동통신 단말기에 내장되는 GPS(global positioning system)안테나로 각광받고 있다. 통상 표면실장형 칩 안테나는 거의 직육면체형인 유전체 블록에 급전패턴, 방사전극 및 접지전극을 형성하고, 상기 급전 패턴을 통해 입력된 고주파 신호의 일부를 방사전극을 이용하여 공간으로 방사 하는 안테나로서의 기능을 수행한다.
안테나를 칩화, 즉 안테나를 세라믹 등에 내장시킴으로써 소형화가 가능하여 여러 가지 칩 안테나가 시판되고 있다. 현재 시판되고 있는 칩 안테나인 MSA, PIFA, MLA, HA(helical antenna) 등은 불평형(unbalanced) 안테나라고 불리우는 것이 주를 이루고 있다. 그 이유의 하나는 기판에 실장되는 것을 고려해 안테나의 입력포트에서는 일반적으로 불평형(unbalanced) 포트가 사용되기 때문이다. 그 때문에 다이폴(dipole)이나 루프(loop)등의 평형(balanced) 안테나로 만든 경우에는 평형과 불평형을 변환하는 발룬(balun - balance to unbalance trasformer)이 별도로 필요하다.
일반적으로 핸드폰에 사용되는 칩 안테나의 경우, 상기 칩 안테나 중에서 특히 MLA, HA가 사용된다. 이들 안테나는 핸드폰에 내장되는 기판의 접지판(ground plane)을 안테나의 일부로 사용함으로써 안테나로서는 모노폴(monopole) 안테나로 동작할 수 있다. 그 때문에 접지판 이외의 안테나 부분만 생각한 경우, 평형(balanced) 안테나에 비해 안테나 소자 길이를 반으로 줄일 수 있다는 이점이 있다.
도1은 종래기술에 의한 발룬(balun)의 평면도이다.
이 발룬은, 중앙에 슬롯이 형성되어 상기 슬롯의 좌우에 평행라인(12a)이 형성되어 λ/4 단락 스터브(short-stub)의 역할을 하는 평행라인(parallel line)판(12)이 기판(11)의 일면에 형성되고, 상기 평행라인판(12)이 형성된 반대면에는 λ/4 개방 스터브(open-stub)(13a)를 갖는 마이크로 스트립라인(13)이 형성된다.
상기 λ/4 단락 스터브는 상기 평행라인판(12)에 형성된 평행라인(12a)으로 구성되는데 도면에서는 θab 로 표시하였다.
λ/4 개방 스터브는 상기 마이크로 스트립라인(13)에 연결된 스터브로 구성되는데 도면에서는 θb 로 표시하였다.
상기 λ/4 개방 스터브 및 단락 스터브는 임피던스를 매칭시키는데 사용된다. 이와같이 기판(11)의 상하면에 각각 평행라인(12a)과 스트립라인(13)을 형성한 경우에는, 상기 평형라인(12)과 스트립라인(13)의 일면은 기판에 접촉되어 있으나 다른 일면은 공기중에 노출되어 있으므로 발룬의 매칭 길이를 λ/4 로 맞추기가 어려워 안테나의 길이 소형화에 어려움이 있었다.
상기한 문제점을 해결하기 위해서, 본발명은 광대역 특성 및 소형화가 가능한 발룬이 일체화된 칩 안테나를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명은 직방형의 제1 유전체 블럭, 상기 제1 유전체 블럭의 제1면 및 상기 제1면에 대향하는 제2면에 각각 위치하는 제1 및 제2 평행라인판 - 상기 각각의 평행라인판은 일측부의 중앙에 슬릿이 형성되어 상기 평행라인판의 일부가 λ/4 단락 스터브로 작동하는 평행라인을 이루며, 접지되어 있음 -, 및 상기 두 개의 평행라인판 사이에 위치하고 λ/4 개방 스터브로 작동하는 스터브를 갖는 신호 공급을 위한 스트립 라인을 포함하는 발룬, 상기 제1 및 제2 평행라인판의 각각에 일체로 연결되며 상기 슬릿을 중심으로 좌우 대칭 구조를 갖는 제1 및 제2 다이폴 방사체 및 상기 발룬 및 상기 제1,제2 다이폴 방사체를 내장하는 제2 유전체 블록을 포함하는 광대역 평형 칩 안테나를 제공한다.
상기 제1 다이폴 방사체와 상기 제2 다이폴 방사체는, 서로 대칭인 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 제1 다이폴 방사체 및 제2 다이폴 방사체는, 상호 평행을 유지하며 적어도 한번 절곡된 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 제2 유전체 블록은, 상기 제1 유전체 블록과 유전율이 같은 것을 사용할 수도 있고, 바람직하게는, 상기 제1 및 제2 다이폴 방사체 사이에 위치하는 유전체의 제1 영역의 유전율이 상기 제1 영역의 상층 및 하층에 위치하는 제2 영역의 유전율보다 큰 것을 사용할 수 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하겠다.
도2a는 본 발명의 일 실시형태에 따른 발룬이 내장된 칩안테나의 사시도이다.
도2a를 참조하면, 발룬(29) 및 상기 발룬(29)에 연결되어 있는 방사체(24)가 유전체 블록(25) 내에 내장되어 칩 안테나를 형성한다.
도면에서 보는 바와 같이 발룬(29)의 상하층에 각각 형성된 평행라인판(22a 및 22b)에 일체로 연결된 다이폴 방사체(24a 및 24b)가 형성되어, 각각의 방사체는 상기 발룬(29)을 중심으로 좌우 대칭인 구조를 이루며 또한 상하 복층 구조를 갖는다.
이처럼 상하 복층구조를 갖는 방사체(24a,24b)의 구조에 의해 본 발명의 안테나는 광대역 특성 및 매칭이 용이하게 된다.
여기서, 상기 복층 구조를 갖는 다이폴 방사체는 매칭회로(발룬)를 기준으로 병렬이 되도록 구성하였다.
다이폴 안테나는 안테나의 길이가 파장의 1/2 보다 짧은 경우, 안테나의 중앙을 기준으로 상하 또는 좌우의 선상 전위 분포의 극성은 언제나 반대가 되어 다이폴과 같이 작용하는 안테나로서, 제1 다이폴 방사체(24a)는 송,수신 겸용의 메인 안테나로 동작하고, 제2 다이폴 방사체(24b)는 다이버시티용 수신 안테나로 동작한다.
따라서, 다이폴 방사체(24a, 24b)의 길이 및 폭을 조절하여 최적 정합 상태를 유지하도록 함으로써 광대역을 얻을 수 있다.
또한 상기 방사체는 각각 일단에서 직각으로 절곡부를 갖는데, 이처럼 칩안테나의 외부 형태를 좌우하는 유전체 블록의 모양에 따라서 안테나에 절곡부를 형성함으로써 칩 안테나의 물리적인 크기의 증가 없이 안테나의 선로 길이를 증가시킬 수 있다. 본 발명의 칩 안테나는 주로 이동통신 단말기의 내부에 형성되는 안테나로 사용되는데 이렇게 방사체에 절곡부를 형성함으로써 상기 칩 안테나의 길이를 감소시킴으로 칩 안테나가 실장되는 기판에서 상기 칩 안테나가 벗어나는 것을 방지할 수 있다.
방사체의 굴곡 지점을 늘림으로써 안테나의 선로 길이를 더 증가시킬 수 있으나, 이렇게 할 경우 근접 소자간에는 상호 결합이 생겨 결과적으로는 협대역이 되어 버리므로, 좌우에서 한 번씩만 절곡을 형성하였다.
급전선과 상기 다이폴 방사체의 매칭을 위해 발룬을 사용한다.
본 발명에서 사용하는 발룬(29)은 직방형 유전체 블록(28)의 제1면 및 이에 대향하는 제2면상에 평행라인판(22a 및 22b)이 형성되어 있고 상기 유전체 블록(28)의 내부에는 스트립 라인(23)이 형성되어 있는 구조를 갖는다.
상기 직방형 제1 유전체 블록(28)의 표면에 형성된 평행라인판(22a 및 22b)은 그 일측부의 중앙에 평행으로 개방된 하나의 슬릿이 형성되어 상기 평행라인판(22a 및 22b)의 일부가 λ/4 단락 스터브로 작동하는 평행라인(26a 및 26b)을 이룬다. 상기 형성된 평행라인판(22a 및 22b)은 접지부와 전기적으로 연결되어 있어서 상기 평행라인(26a 및 26b)이 λ/4 단락 스터브의 역할을 한다. 상기 접지부는, 이동통신 단말기에서 상기 칩 안테나가 실장되는 기판상에 형성된 접지판이 주로 이용된다.
상기 직방형 유전체 블록(29)의 내부에 형성되는 스트립라인(23)은 본 발명의 안테나에 신호를 공급하는 급전라인과 연결되며, 그 일단부에 스터브(23a)가 형성되어 있다. 이 스터브(23a)는 λ/4 개방 스터브의 역할을 한다.
여기서 λ/4 개방 스터브 및 λ/4 단락 스터브는, 전기장의 신호가 λ/4 일때 매칭이 일어나도록 스터브를 형성하는 것이고, 실제 설계에서는 오차가 있어 전기장이 λ/4보다 조금 길 때에 VSWR이 가장 좋아지는 것으로 되어 있다.
본 발명에서는 λ/4 단락 스터브가 유전체 안에 있는 평행라인(26a 및 26b)으로, λ/4 개방 스터브가 스트립라인(23a)으로 구성되어 있으므로 평행라인 판(22a 및 22b) 및 스트립 라인(23)이 모두 유전체 내부에 밀폐되어 실효파장 λg 가 λ/(√εr) ( εr = 유전체의 비유전율)로 실현될 수 있어 발룬의 길이를 더욱 단축시킬 수 있다. 따라서 상기 스트립라인 및 상기 평행라인판이 모두 내장되는 유전체의 비유전율(εr)을 조절함으로써 상기 발룬의 길이를 소형화 하는 것이 가능하다.
도2b에서는 상기 제1 평행라인판(22a), 스트립라인(23) 및 제2 평행라인판(22b)을 각각 분리하여 도시하였다.
도2b를 참조하면, 제1 평행라인판(22a)과 제2 평행라인판(22b)은 동일한 형태를 이루고 있으며, 슬릿의 길이도 동일한 것을 볼 수 있다.
각각의 평행라인판에 형성된 평행라인(26a 및 26b)은 상기에서 설명된 바와 같이 λ/4 단락 스터브를 이룬다.
제1 평행라인판(22a)과 제2 평행라인판(22b) 사이에 형성되는 스트립라인(23)은 안테나에 신호를 공급하기 위한 것으로서, 그 단부에 스터브(23a)가 연결되어 있어 λ/4 개방 스터브로 작동한다.
도2a에서 제시한 구성의 본 발명 안테나의 전압 정재파비(VSWR)특성의 시뮬레이션 결과를 도4a에 나타내었다.
도4a를 참조하면, 가로축은 주파수(㎓)이고 세로축은 전압정재파비(VSWR)을 나타낸다.
도면으로부터, UMTS(1.92 ~ 2.17㎓, 대역폭 약 12%)의 주파수대에 있어서 VSWR은 3이하인 것을 알 수 있다. 또 이때의 칩 내의 제1 유전체 및 제2 유전체의 비유전율(εr)은 6.8로 동일하게 하여 약 18×30×5㎜의 칩 크기로 시뮬레이션을 하였다.
도3은 본 발명에 따른 칩 안테나의 정면도이다.
도3을 참조하면, 복층구조를 갖는 다이폴 방사체(34) 및 매칭을 위한 발룬(39)을 포함하는 제2 유전체 블록(35)은 상기 다이폴 방사체(34a, 34b)를 경계로 세개의 층(35a,35b,35c)으로 구분된다.
이러한 복층구조를 갖는 유전체 블록은 저온동시소성 세라믹(LTCC)을 제조하는 공정과 유사하게 유전체를 적층하여 형성할 수 있다.
보상형 발룬(compensated balun)에서 λ/4 단락 스터브의 외도체 또는 접지판으로써 평행라인의 한쪽 라인을 사용할 때, λ/4 단락 스터브를 구성하는 부분과 평행 라인을 구성하는 부분의 실효 유전율이 같은 경우에는 λ/4 단락 스터브의 라인의 앞부분이 접지부에 근접해 버리기 때문에 최적 길이로의 조정에 문제가 생긴다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서 λ/4 단락 스터브를 구성하는 부분의 유전율을 평형 라인을 구성하는 부분의 유전율과 다르게 할 필요가 있다.
도2의 실시예에서는 상기 제2 유전체 블록(25)과 제1 유전체 블록(28)의 유전율이 동일한 유전체를 사용하였으나, 도3의 실시예에서는 상기 유전체층의 유전 율을 다르게 하였다. 즉, 상기 다이폴 방사체(34a, 34b)의 사이에 형성되는 유전체의 제1 영역층(35b)의 유전율을 상기 제1 영역층(35b)의 상층 및 하층에 형성된 유전체의 제2 영역층(35a, 35c)의 유전율보다 더 높게 하였다. 이러한 구성으로 안테나를 형성함으로써 λ/4 단락 스터브의 라인 길이를 최적화 할 수 있어서 전체적인 칩안테나의 크기를 소형화 할 수 있다.
상기 제1 영역층(35b)의 유전율은 인접한 제1 유전체(38)의 유전율과 다를 수도 있으나, 바람직하게는 동일한 유전율의 유전체를 사용할 수 있다.
도4b는 본 발명의 발룬을 넣은 평형(balanced) 칩 안테나에 있어서, 칩 내부의 유전체 구성을 도3과 같이 다이폴 방사체의 상하층(즉, 제2 유전체의 제2 영역층)의 비유전율을 6.8, 중간층(즉, 제2 유전체의 제1 영역층 및 제1 유전체)의 비유전율을 30으로 한 경우의 VSWR 특성을 나타내는 그래프이다. 이때 VSWR가 3이하의 주파수는 1.92 ~2.14 ㎓ 가 되어, 중간층의 비유전율을 더 높게 함으로써 비유전율을 동일하게 한 경우보다 VSWR 대역이 약간 좁아졌다. 하지만, 칩 안테나의 크기를 12×30×5㎜로 소형화하는 것이 가능하다는 것을 시뮬레이션을 통해서 얻었다.
도면에서는 제1 유전체 블럭과 제2 유전체 블럭을 다른 물질처럼 도시되었으나, 이처럼 제1 유전체 블럭과 제2 유전체 블럭을 구분하여 기재한 것은 안테나 전체의 영역에서 발룬의 영역을 구분하기 위한 것이고, 가장 바람직한 형태는 상기 실시 형태에서 살펴본 바와 같이 제1 유전체 블럭과 제2 유전체 블럭의 제1 영역이 동일한 물질이고, 제2 유전체 블럭의 제2 영역이 상기 제1 유전체 블럭보다 유전율이 작은 물질로 된 경우이다.
따라서, 청구범위에 기재된 '블럭'이라는 개념은 유전체의 영역을 나타내기 위한 것으로 이해하여야 하며, 실시형태에서도 이러한 칩 안테나는 LTCC 공정에 의해 제조되는 것이 일반적이므로 상기 '블럭'을 너무 한정하여 해석해서는 안 될 것이다.
이와 같이, 본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되지 아니한다. 즉, 안테나의 길이 및 방사 패턴의 형태 등은 다양하게 구현될 수 있다. 첨부된 청구범위에 의해 권리범위를 한정하고자 하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
복층구조의 방사체를 사용함으로써 광대역의 안테나 구현이 가능하며, 발룬을 안테나의 내부에 일체화시키고 유전체의 유전율을 조절함으로써 소형화가 가능한 칩 안테나를 제공할 수 있다.

Claims (6)

  1. 직방형의 제1 유전체 블럭, 상기 제1 유전체 블럭의 제1면 및 상기 제1면에 대향하는 제2면에 각각 위치하는 제1 및 제2 평행라인판 - 상기 각각의 평행라인판은 일측부의 중앙에 슬릿이 형성되어 상기 평행라인판의 일부가 λ/4 단락 스터브로 작동하는 평행라인을 이루며, 접지되어 있음 -, 및 상기 두 개의 평행라인판 사이에 위치하고 λ/4 개방 스터브로 작동하는 스터브를 갖는 신호 공급을 위한 스트립 라인을 포함하는 발룬;
    상기 제1 및 제2 평행라인판의 각각에 일체로 연결되며 상기 슬릿을 중심으로 좌우 대칭 구조를 갖는 제1 및 제2 다이폴 방사체; 및
    상기 발룬 및 상기 제1,제2 다이폴 방사체를 내장하는 제2 유전체 블록을 포함하는 광대역 평형 칩 안테나.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 다이폴 방사체와 상기 제2 다이폴 방사체는,
    서로 대칭인 것을 특징으로 하는 광대역 평형 칩 안테나.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 다이폴 방사체 및 제2 다이폴 방사체는,
    상호 평행을 유지하며 적어도 한번 절곡된 것을 특징으로 하는 광대역 평형 칩 안테나.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2 유전체 블록은,
    상기 제1 유전체 블록과 유전율이 같은 것을 특징으로 하는 광대역 평형 칩 안테나.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2 유전체블록은,
    상기 제1 및 제2 다이폴 방사체 사이에 위치하는 유전체의 제1 영역의 유전율이 상기 제1 영역의 상층 및 하층에 위치하는 제2 영역의 유전율보다 큰 것을 특징으로 하는 광대역 평형 칩 안테나.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 유전체 블록의 유전율과 상기 제2 유전체 블록의 제1 영역의 유전율이 동일한 것을 특징으로 하는 광대역 평형 칩 안테나.
KR1020060052055A 2006-06-09 2006-06-09 발룬이 내장된 광대역 평형 칩 안테나 KR100714613B1 (ko)

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