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KR101535641B1 - 내부 임피던스 매칭을 위한 안테나 장치 - Google Patents

내부 임피던스 매칭을 위한 안테나 장치 Download PDF

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KR101535641B1
KR101535641B1 KR1020080132997A KR20080132997A KR101535641B1 KR 101535641 B1 KR101535641 B1 KR 101535641B1 KR 1020080132997 A KR1020080132997 A KR 1020080132997A KR 20080132997 A KR20080132997 A KR 20080132997A KR 101535641 B1 KR101535641 B1 KR 101535641B1
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박성구
김석호
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Abstract

본 발명은 내부 임피던스 매칭을 위한 안테나 장치에 관한 것으로, 유전체로 이루어지며, 평판 구조를 갖는 기판 몸체와, 기판 몸체의 상부면에 형성되고, 급전점으로부터 연장되며, 제 1 임피던스를 갖는 안테나 소자와, 안테나 소자로부터 연장되어 기판 몸체의 하부면에 형성되며, 제 1 임피던스를 미리 정의된 기준 임피던스로 매칭시키기 위한 제 2 임피던스를 갖는 내부 매칭 소자를 포함하며, 안테나 소자 및 내부 매칭 소자는, 급전점을 통해 전압 인가 시, 기준 임피던스로 일정 주파수 대역에서 공진하도록 구성된다. 본 발명에 따르면, 안테나 장치에서 내부 매칭 소자를 이용하여 내부적으로 임피던스 매칭을 구현할 수 있다. 즉 안테나 장치에서 임피던스 매칭 성능 및 동작 효율을 향상시킬 수 있다.
안테나, 임피던스, 매칭, 기판, 공진

Description

내부 임피던스 매칭을 위한 안테나 장치{ANTENNA APPARATUS FOR IMPEDANCE MATCHING FROM INTERNAL PART}
본 발명은 안테나 장치에 관한 것으로, 특히 내부 임피던스 매칭을 위한 안테나 장치에 관한 것이다.
일반적으로 무선 통신 시스템에서 지피에스(GPS; Global Positioning System), 블루투스(bluetooth), 인터넷(internet) 등 각종 멀티미디어 서비스의 제공이 이루어지고 있다. 이 때 무선 통신 시스템에서 멀티미디어(multimedia) 서비스를 원활하게 제공하기 위하여, 방대한 용량의 멀티미디어 데이터에 대한 고속의 데이터 전송률이 보장되어야 한다. 이를 위해, 통신 단말기에서 안테나 장치의 성능을 향상시키기 위한 연구가 이루어지고 있다. 이는 통신 단말기에서 안테나 장치가 실질적으로 멀티미디어 서비스를 위한 데이터의 송수신을 담당하기 때문이다.
아울러, 무선 통신 시스템에서 통신 단말기의 휴대성을 향상시키기 위하여, 통신 단말기의 경박단소화가 이루어지고 있다. 그리고 로드 안테나 또는 헬리컬 안테나 등과 같이 안테나 장치의 적어도 일부가 통신 단말기에서 외부로 돌출되면, 통신 단말기의 휴대가 용이하지 않으며, 안테나 장치의 손상이 용이해질 수 있다. 이로 인하여, 최근 안테나 장치가 통신 단말기의 내부에 실장되는 내장형 안테나, 즉 인테나로 구현되고 있다. 이에 따라, 소형의 통신 단말기에 실장되도록, 안테나 장치의 소형화가 이루어지고 있다.
그런데, 상기와 같은 통신 단말기에서 안테나 장치가 소형화됨에 따라서, 안테나 장치에서 일정 주파수 대역에서 공진하기 위한 기준 임피던스를 갖도록 구현하는 것이 용이하지 않다. 이로 인하여, 통신 단말기에서 기준 임피던스를 확보하기 위하여, 안테나 장치에 외부 매칭 회로를 연결하고 있다. 이 때 통신 단말기에서 안테나 장치와 별도로 외부 매칭 회로를 구비함으로써, 통신 단말기를 소형화하는데 어려움이 있다. 그리고 통신 단말기에서 외부 매칭 회로를 소자 결합체로 구현함에 따라서, 안테나 장치에서 공진 시 외부 매칭 회로를 통해 반사 손실이 발생할 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 내부 임피던스 매칭을 위한 안테나 장치는, 유전체로 이루어지며, 평판 구조를 갖는 기판 몸체와, 상기 기판 몸체의 상부면에 형성되고, 급전점으로부터 연장되며, 제 1 임피던스를 갖는 안테나 소자와, 상기 안테나 소자로부터 연장되어 상기 기판 몸체의 하부면에 형성되며, 상기 제 1 임피던스를 미리 정의된 기준 임피던스로 매칭시키기 위한 제 2 임피던스를 갖는 내부 매칭 소자를 포함하며, 상기 안테나 소자 및 내부 매칭 소자는, 상기 급전점을 통해 전압 인가 시, 상기 기준 임피던스로 일정 주파수 대역에서 공진하는 것을 특징으로 한다.
이러한 본 발명에 따른 안테나 장치에 있어서, 상기 내부 매칭 소자는, 상기 안테나 소자로부터 상기 기판 몸체를 관통하도록 형성되는 적어도 하나의 매칭 비아와, 상기 기판 몸체의 하부면에서 상기 매칭 비아로부터 연장되는 매칭 라인을 포함하는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 내부 임피던스 매칭을 위한 안테나 장치는, 유전체로 이루어지며, 평판 구조를 갖는 기판 몸체와, 상기 기판 몸체의 상부면에 형성되고, 급전점으로부터 연장되며, 제 1 임피던스를 갖는 안테나 소자와, 상기 안테나 소자로부터 연장되어 상기 기판 몸체의 상부면에 형성되며, 상기 제 1 임피던스를 미리 정의된 기준 임피던스로 매칭시키기 위한 제 2 임피던스를 갖는 내부 매칭 소자를 포함하며, 상기 안테나 소자 및 내부 매칭 소자는, 상기 급전점을 통해 전압 인가 시, 상기 기준 임피던스로 일정 주파수 대역에서 공진하는 것을 특징으로 한다.
따라서, 상기와 같은 본 발명에 따른 내부 임피던스 매칭을 위한 안테나 장치는, 내부 매칭 소자를 이용하여 내부적으로 임피던스 매칭을 구현할 수 있다.
이 때 안테나 장치에서 내부 매칭 소자를 전송 회로로 구현함으로써, 안테나 장치에서 공진 시 반사 손실이 발생하는 것을 억제할 수 있다. 이로 인하여, 안테나 장치에서 임피던스 매칭 성능을 향상시킬 수 있다. 그리고 안테나 장치에서 안테나 소자와 더불어, 내부 매칭 소자가 일정 주파수 대역에서 공진함으로써, 안테나 장치의 동작 효율을 향상시킬 수 있다. 또한 안테나 장치에서 내부 매칭 소자의 형태에 따라, 안테나 장치에서 공진하기 위한 주파수 대역을 용이하게 조절할 수 있다. 여기서, 안테나 장치가 다수개의 주파수 대역에서 공진하거나, 보다 확장된 주파수 대역에서 공진하도록 조절할 수 있다.
아울러, 통신 단말기에서 별도의 외부 매칭 회로를 구비하지 않더라도, 안테나 장치에서 임피던스 매칭을 구현할 수 있는 바, 외부 매칭 회로를 위한 공간이 필요하지 않다. 이에 따라, 통신 단말기에서 공간 활용의 효율성을 향상시킬 수 있으며, 통신 단말기의 소형화를 구현할 수도 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 보다 상세하게 설명하고자 한다. 이 때 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 그리고 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 안테나 장치(100)를 도시하는 평면 사시도이다. 그리고 도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 안테나 장치(100)를 도시하는 배면 사시도이다. 이 때 본 실시예에서 안테나 장치(100)가 인쇄회로기판(Printed Circuit Board; PCB)으로 구현된 경우를 가정하여 설명한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시예의 내부 매칭을 위한 안테나 장치(Internal Matching Antenna apparatus; IMA apparatus; 100)는 기판 몸체(board body; 110), 안테나 소자(antenna device; 120), 기판 그라운드층(board ground layer; 130), 내부 매칭 소자(internal matching device; 140) 및 매칭 그라운드층(matching ground layer; 150)을 포함한다.
기판 몸체(110)는 안테나 장치(100)의 지지체로서 제공된다. 이러한 기판 몸체(110)는 적어도 네 개의 모서리들로 구성된 평판 구조를 갖는다. 그리고 기판 몸체(110)는 유전체로 이루어진다. 이 때 기판 몸체(110)의 상부면은 상부 소자 영역(111)과 상부 그라운드 영역(113)으로 구분된다. 여기서, 상부 소자 영역(111)은 기판 몸체(110)의 모서리들 중 어느 두 개를 포함하도록 배치될 수 있다. 또한 기판 몸체(110)의 하부면은 하부 소자 영역(115)과 하부 그라운드 영역(117)으로 구분된다. 여기서, 하부 소자 영역(115)은 상부 소자 영역(111)에 대응하는 영역에 배치되며, 하부 그라운드 영역(117)은 상부 그라운드 영역(113)에 대응하는 영역에 배치될 수 있다.
안테나 소자(120)는 미리 정해진 주파수 대역의 신호 송수신을 위해 제공된다. 즉 안테나 소자(120)는 일정 주파수 대역에서 공진하여, 신호를 통과시킬 수 있다. 이러한 안테나 소자(120)는 제 1 임피던스를 갖도록 구성된다. 이 때 안테나 소자(120)는 미리 정해진 기준 임피던스에서 공진한다. 즉 안테나 소자(120)는 기판 몸체(110)의 상부면에서 상부 소자 영역(111)에 형성된다. 그리고 안테나 소자(120)는 상부 소자 영역(111)의 표면에서 금속 물질의 패터닝(patterning)을 통해 형성된다. 이 때 안테나 소자(120)는 기판 그라운드층(130)에 인접하여 일단부에 급전점(121)이 위치하도록 배치된다. 여기서, 급전점(121)은 기판 몸체(110)를 관통하여, 기판 몸체(110)의 하부면으로 연장될 수 있다. 또한 안테나 소자(120)는 급전점(121)으로부터 일정 형태로 연장된다. 즉 급전점(121)을 통해, 안테나 소자(120)에 전압이 인가된다.
이 때 안테나 소자(120)는 적어도 하나의 곡절(曲折)부에 의해 구분되는 적어도 하나의 수평 성분 회로와 수직 성분 회로로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 안테나 소자(120)는 각각 미앤더(meander) 타입, 스파이럴(spiral) 타입, 스텝(step) 타입, 루프(loop) 타입 등 중 적어도 어느 하나의 전송 회로로 형성될 수 있다. 여기서, 안테나 소자(120)는 역 L 안테나(Inverted L Antenna; ILA) 형태로 구현될 수 있다.
기판 그라운드층(130)은 안테나 소자(120)의 접지를 위해 제공된다. 이러한 기판 그라운드층(130)은 기판 몸체(110)의 상부면에서 상부 그라운드 영역(113)에 형성된다. 이 때 기판 그라운드층(130)은 상부 그라운드 영역(113)을 덮도록 형성된다.
내부 매칭 소자(140)는 안테나 소자(120)의 제 1 임피던스를 기준 임피던스로 매칭시키기 위해 제공된다. 즉 내부 매칭 소자(140)는 제 1 임피던스를 기준 임피던스로 매칭시키기 위한 제 2 임피던스를 갖도록 구성된다. 그리고 내부 매칭 소자(140)는 안테나 소자(120)와 더불어, 기준 임피던스에서 공진할 수 있다. 다시 말해, 내부 매칭 소자(140)는 안테나 소자(120)와 더불어, 일정 주파수 대역에서 공진하여, 신호를 통과시킬 수 있다. 이러한 내부 매칭 소자(140)는 안테나 소자(120)로부터 연장되어, 기판 몸체(110)의 하부면에서 하부 소자 영역(115)에 형성된다. 이 때 내부 매칭 소자(140)는 금속 물질의 패터닝을 통해 형성된다. 여기서, 내부 매칭 소자(140)는 매칭 비아(matching via; 141) 및 매칭 라인(matching line; 143)을 포함한다.
매칭 비아(141)는 안테나 소자(120)로부터 기판 몸체(110)를 관통하도록 형성된다. 즉 매칭 비아(141)는 안테나 소자(120)에 연결된다. 이 때 매칭 비아(141)는 안테나 소자(120)의 수평 성분 회로에 연결될 수 있다. 그리고 매칭 비아(141)는 기판 몸체(110)의 상부면과 하부면을 연장된다. 즉 매칭 비아(141)는 관통 홀(hole)에 금속 물질이 채워진 형태로 이루어진다. 여기서, 매칭 비아(141)는 다수개로 형성될 수 있다.
매칭 라인(143)은 매칭 비아(141)로부터 연장되도록 형성된다. 이 때 매칭 라인(143)은 일 경로를 따라 연장된다. 즉 매칭 라인(143)은 기판 몸체(110)의 하부면에서 하부 소자 영역(115)에 형성된다. 그리고 매칭 라인(143)은 하부 소자 영역(115)의 표면에서 금속 물질의 패터닝을 통해 형성된다. 이 때 매칭 라인(143)은 적어도 하나의 곡절부에 의해 구분되는 제 1 매칭 라인과 제 2 매칭 라인으로 이루어질 수 있다. 여기서, 제 1 매칭 라인은 수평 방향으로 연장되며, 제 2 매칭 라인은 수직 방향으로 연장되는 전송 회로이다. 그리고 제 1 매칭 라인은 안테나 소자(120)의 수평 방향 회로에 대응하여 중첩되는 영역에 형성될 수 있다. 예를 들면, 매칭 라인(143)은 미앤더 타입, 스파이럴 타입, 스텝 타입 또는 루프 타입 중 적어도 어느 하나의 전송 회로로 이루어질 수 있다. 여기서, 매칭 라인(143)은 안테나 소자(120)에 역으로 대응하는 역 L 안테나 형태로 구현될 수 있다.
매칭 그라운드층(150)은 내부 매칭 소자(140)의 접지를 위해 제공된다. 이 때 매칭 그라운드층(150)은 매칭 라인(143)과 접촉한다. 즉 매칭 그라운드층(150)은 제 2 매칭 라인 중 어느 하나의 일단부와 접촉할 수 있다. 이러한 매칭 그라운 드층(150)은 기판 몸체(110)의 하부면에서 하부 그라운드 영역(117)에 형성된다. 이 때 매칭 그라운드층(150)은 하부 그라운드 영역(117)을 덮도록 형성된다.
이러한 안테나 장치(100)에서 안테나 소자(120) 및 내부 매칭 소자(140)는 각각의 역할을 수행하기 위하여, 각각의 전기적 특성을 갖도록 설계된다. 이를 도 3을 이용하여 설명하면 다음과 같다. 도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 안테나 장치(100)의 등가 회로를 도시하는 회로도이다. 이 때 본 실시예에서 안테나 소자(120) 및 내부 매칭 소자(140)가 단일 셀(cell)로 이루어진 예를 설명할 것이나, 이에 한정하는 것은 아니다. 즉 안테나 소자(120) 및 내부 매칭 소자(140)가 각각 다수개의 셀들의 조합으로 이루어질 수 있다.
도 3을 참조하면, 본 실시예의 안테나 장치(100)에서, 안테나 소자(120) 및 내부 매칭 소자(140)는 상호 접속한다.
안테나 소자(120)는 일정 주파수 대역에서 공진하기 위한 실효 방사 저항(resistance), 실효 인덕턴스(inductance) 및 실효 커패시턴스(capacitance)를 갖도록 구성된다. 이를 통해, 안테나 소자(120)는 제 1 임피던스를 갖는다. 즉 안테나 소자(120)는 레지스터(resister; 123), 제 1 인덕터(inducter; 125) 및 제 1 커패시터(capacitor; 127)로 이루어진 것과 같이 구성된다. 이 때 레지스터(123)와 제 1 인덕터(125)는 직렬로 접속하며, 제 1 인덕터(125)와 제 1 커패시터(127)는 병렬로 접속한다.
이 때 안테나 소자(120)는 형태에 따라 해당 등가 회로의 구성과 같은 전기적 특성을 나타낸다. 예를 들면, 안테나 소자(120)의 재질, 즉 안테나 소자(120)를 구성하는 금속 물질에 따라, 안테나 소자(120)에서 실효 방사 저항이 결정된다. 그리고 안테나 소자(120)의 총 길이 및 폭에 따라, 안테나 소자(120)에서 실효 인덕턴스가 결정된다. 또한 안테나 소자(120)에서 수평 성분 회로와 기판 그라운드층(130)의 간격 및 수직 성분 회로의 길이에 따라, 안테나 소자(120)에서 실효 커패시턴스가 결정된다.
내부 매칭 소자(140)는 제 1 임피던스를 기준 임피던스로 매칭시키기 위한 매칭용 커패시턴스 및 매칭용 인덕턴스를 갖도록 구성된다. 이를 통해, 내부 매칭 소자(140)는 제 2 임피던스를 갖는다. 즉 내부 매칭 소자(140)는 제 2 커패시터(147) 및 제 2 인덕터(149)로 이루어진 것과 같이 구성된다. 이 때 제 2 커패시터(147)와 제 2 인덕터(149)는 각각 안테나 소자(120)에 병렬로 접속한다.
이 때 내부 매칭 소자(140)는 형태에 따라 해당 등가 회로의 구성과 같은 전기적 특성을 나타낸다. 예를 들면, 기판 몸체(110)를 경계로, 내부 매칭 소자(140)의 안테나 소자(120)에 중첩되는 길이 및 폭에 따라, 내부 매칭 소자(140)에서 매칭용 커패시턴스가 결정된다. 그리고 내부 매칭 소자(140)의 총 길이 및 폭에 따라, 내부 매칭 소자(140)에서 매칭용 인덕턴스가 결정된다.
이에 따라, 안테나 장치(100)는 보다 향상된 동작 특성을 갖는다. 이를 도 4 및 도 5를 이용하여 설명하면 다음과 같다. 도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 안테나 장치(100)의 임피던스 매칭 특성을 도시하는 그래프이다. 그리고 도 5는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 안테나 장치(100)의 동작 효율 특성을 도시하는 그래프이다. 이 때 본 실시예의 내부 매칭 소자(140)를 갖는 안테나 장치(100)를 IMA로 나타내고, 기존의 외부 매칭 회로를 갖는 안테나 장치를 ILA로 나타낼 것이다. 여기서, 본 실시예의 안테나 장치(100)와 기존의 안테나 장치는 동일한 사이즈로 구현된 경우를 가정하여 설명한다.
도 4를 참조하면, 임피던스 매칭의 정도를 나타내는 VSWR(Voltage Standing Wave Ratio)가 1 이상이고 2 미만인 주파수 대역의 폭을 비교함으로써, 본 실시예의 안테나 장치(100)와 기존의 안테나 장치 간 임피던스 매칭 특성의 차이를 파악할 수 있다. 즉 본 실시예의 안테나 장치(100)는 대략 930 ㎒ 내지 1510 ㎒에 해당하는 주파수 대역, 즉 580 ㎒의 폭에서, -6 dB 이하의 반사 계수(Return Loss) 특성을 나타낸다. 반면에, 기존의 안테나 장치는 대략 950 ㎒ 내지 1210 ㎒에 해당하는 주파수 대역, 즉 260 ㎒의 폭에서, -6 dB 이하의 반사 계수 특성을 나타낸다. 이에 따라, 본 실시예의 안테나 장치(100)가 기존의 안테나 장치와 비교하여, 두 배 이상의 넓은 주파수 대역에서 임피던스 매칭이 이루어지는 것으로 파악할 수 있다. 다시 말해, 본 실시예의 안테나 장치(100)가 기존의 안테나 장치와 비교하여, 두 배 이상의 넓은 주파수 대역에서 공진이 이루어지는 것으로 파악할 수 있다.
그리고 도 5를 참조하면, 본 실시예의 안테나 장치(100)에서 공진하는 주파수 대역을 나타내는 대략 900 ㎒ 내지 1500 ㎒에 해당하는 주파수 대역에서, 본 실시예의 안테나 장치(100)와 기존의 안테나 장치 간 동작 효율 특성의 차이를 파악할 수 있다. 이 때 본 실시예의 안테나 장치(100)가 기존의 안테나 장치와 비교하여, 대략 10 % 이상의 우월한 동작 효율로 동작하는 것으로 파악할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 안테나 장치(100)에서 내부 매칭 소자(140)를 이용하여 내부적으로 임피던스 매칭을 구현할 수 있다. 이 때 안테나 장치(100)에서 내부 매칭 소자(140)를 통해 임피던스 매칭 성능을 향상시킬 수 있다. 뿐만 아니라, 안테나 장치(100)에서 안테나 소자(120)와 더불어, 내부 매칭 소자(140)가 일정 주파수 대역에서 공진함으로써, 안테나 장치(100)의 동작 효율을 향상시킬 수 있다.
한편, 전술한 실시예에서 내부 매칭 소자가 일 경로를 따라 연장되는 예를 개시하였으나, 이에 한정하는 것은 아니다. 즉 내부 매칭 소자가 적어도 하나의 경로를 따라 연장됨으로써, 본 발명의 구현이 가능하다. 예를 들면, 내부 매칭 소자는 매칭 비아 및 매칭 비아로부터 일 경로를 따라 연장되는 매칭 라인 뿐만 아니라, 매칭 라인의 일정 영역으로부터 타 경로를 따라 연장되는 브랜치 라인(branch line)을 더 포함할 수 있다. 이를 도 6 내지 도 9를 이용하여 설명하면 다음과 같다.
도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 안테나 장치를 도시하는 배면 사시도이다. 이 때 본 실시예에서 안테나 장치(200)가 인쇄회로기판으로 구현된 경우를 가정하여 설명한다.
도 6을 참조하면, 본 실시예의 내부 매칭을 위한 안테나 장치(200)는 기판 몸체(210), 안테나 소자(220), 기판 그라운드층(230), 내부 매칭 소자(240) 및 매칭 그라운드층(250)을 포함한다. 이 때 본 실시예의 안테나 장치(200)의 기본 구성은 전술한 실시예의 대응하는 구성과 유사하므로, 상세한 설명을 생략한다.
다만, 본 실시예에서, 내부 매칭 소자(240)는 매칭 비아(241), 매칭 라인(243) 및 브랜치 라인(245)을 포함한다. 이 때 브랜치 라인(245)은 매칭 라 인(243)으로부터 연장되도록 형성된다. 즉 브랜치 라인(245)은 기판 몸체(210)의 하부면에서 하부 소자 영역(215)에 형성된다. 여기서, 브랜치 라인(245)은 매칭 라인(243)의 제 1 매칭 라인의 연장 방향으로 연장될 수 있다. 그리고 브랜치 라인(245)은 안테나 소자(220)의 수평 방향 회로에 대응하여 중첩되는 영역에 형성될 수 있다. 또한 브랜치 라인(245)은 하부 소자 영역(215)의 표면에서 금속 물질의 패터닝을 통해 형성된다.
이러한 내부 매칭 소자(240)를 갖는 안테나 장치(200)는 다수개의 주파수 대역에서 공진할 수 있다. 즉 본 실시예의 안테나 장치(200)는 제 1 주파수 대역 및 제 1 주파수 대역 보다 높은 제 2 주파수 대역에서 임피던스 매칭이 이루어지며, 공진이 이루어질 수 있다. 예를 들면, 본 실시예의 안테나 장치(200)는 대략 1 ㎓ 및 2 ㎓에 해당하는 주파수 대역에서 공진할 수 있다.
도 7은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 안테나 장치(200; 200a)의 변형 예를 도시하는 배면 사시도이다. 그리고 도 8은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 안테나 장치(200; 200a)의 변형 예에 따른 임피던스 매칭 특성을 도시하는 그래프이다.
도 7을 참조하면, 매칭 라인(243a)의 길이, 즉 매칭 비아(241a)로부터 매칭 그라운드층(250)으로 연결되는 일 경로의 길이의 변화가 가능하다. 이 때 브랜치 라인(245a)와 무관하게, 매칭 라인(243a)의 길이에 따라 제 2 주파수 대역의 변경이 이루어질 수 있다. 즉 내부 매칭 소자(240a)를 갖는 안테나 장치(200a)는, 도 8에 도시된 바와 같이 매칭 라인(243a)의 길이가 길어질수록, 제 2 주파수 대역이 높아질 것이다.
도 9는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 안테나 장치(200; 200b)의 다른 변형 예를 도시하는 배면 사시도이다. 그리고 도 10은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 안테나 장치(200; 200b)의 다른 변형 예에 따른 임피던스 매칭 특성을 도시하는 그래프이다.
도 9를 참조하면, 매칭 라인(243b)에서 제 2 매칭 라인의 길이 및 브랜치 라인(245b)의 길이, 즉 내부 매칭 소자(240b)에서 매칭 비아(241b)로부터 수평 방향 성분 회로의 길이의 변화가 가능하다. 이 때 매칭 라인(243b)에서 제 2 매칭 라인의 길이 및 브랜치 라인(245b)의 길이에 따라 제 1 주파수 대역의 변경이 이루어질 수 있다. 즉 내부 매칭 소자(240b)를 갖는 안테나 장치(200b)는, 도 10에 도시된 바와 같이 매칭 라인(243b)에서 제 2 매칭 라인의 길이 및 브랜치 라인(245b)의 길이가 짧아질수록, 제 1 주파수 대역이 높아질 것이다.
본 실시예들에 따르면, 안테나 장치(200; 200a, 200b)에서 내부 매칭 소자(240; 240a, 240b)에 브랜치 라인(245; 245a, 245b)을 적용함으로써, 안테나 장치(200; 200a, 200b)가 다수개의 주파수 대역에서 공진할 수 있다. 또는 내부 매칭 소자(240; 240a, 240b)에 브랜치 라인(245; 245a, 245b)을 적용하되, 내부 매칭 소자(240; 240a, 240b)의 길이를 변화시킴으로써, 안테나 장치(200; 200a, 200b)가 보다 확장된 주파수 대역에서 공진할 수 있다.
한편, 전술한 실시예들에서 안테나 소자가 역 L 안테나 형태로 구현된 예를 개시하였으나, 이에 한정하는 것은 아니다. 즉 안테나 소자의 형태와 무관하게, 본 발명의 구현이 가능하다. 예를 들면, 안테나 소자는 각각 미앤더 타입, 스파이럴 타입, 스텝 타입, 루프 타입 등 중 적어도 어느 하나의 전송 회로로 형성될 수 있다. 그리고 안테나 소자는 평판 역 F 안테나(Planar Inverted F Antenna; PIFA) 형태, 모노폴 안테나(monopole antenna) 형태 또는 다이폴 안테나(dipole antenna) 형태 등으로 구현될 수도 있다. 이를 도 11a 및 도 11b를 이용하여 설명하면 다음과 같다.
도 11a 및 도 11b는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 안테나 장치(300a, 300b)를 도시하는 평면 사시도이다. 이 때 본 실시예에서 안테나 장치(300a, 300b)가 인쇄회로기판으로 구현된 경우를 가정하여 설명한다.
도 11a 및 도 11b를 참조하면, 본 실시예의 내부 매칭을 위한 안테나 장치(300a, 300b)는 기판 몸체(310), 안테나 소자(320a, 320b), 기판 그라운드층(330), 내부 매칭 소자(340) 및 매칭 그라운드층(350)을 포함한다. 이 때 본 실시예의 안테나 장치(300a, 300b)의 기본 구성은 전술한 실시예들의 대응하는 구성과 유사하므로, 상세한 설명을 생략한다.
다만, 본 실시예에서, 안테나 소자(320a)는, 도 11a에 도시된 바와 같이 루프 타입으로 구현될 수 있다. 또는 안테나 소자(320b)는, 도 11b에 도시된 바와 같이 역 F 안테나 형태로 구현될 수 있다. 이 때 안테나 소자(320a, 320b)는 기판 그라운드층(330)에 인접하여 일단부에 급전점(321)이 위치하도록 배치된다. 그리고 안테나 소자(320a, 320b)는 타단부를 통해 기판 그라운드층(330)에 접촉할 수 있다.
한편, 전술한 실시예들에서 내부 매칭 소자가 역 L 안테나 형태로 구현된 예 를 개시하였으나, 이에 한정하는 것은 아니다. 즉 내부 매칭 소자의 형태와 무관하게, 본 발명의 구현이 가능하다. 예를 들면, 내부 매칭 소자는 각각 미앤더 타입, 스파이럴 타입, 스텝 타입, 루프 타입 등 중 적어도 어느 하나의 전송 회로로 형성될 수 있다. 그리고 내부 매칭 소자는 평판 역 F 안테나 형태, 모노폴 안테나 형태 또는 다이폴 안테나 형태 등으로 구현될 수도 있다. 이를 도 12a 및 도 12b를 이용하여 설명하면 다음과 같다.
도 12a 및 도 12b는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 안테나 장치(400a, 400b)를 도시하는 평면 사시도이다. 이 때 본 실시예에서 안테나 장치(400a, 400b)가 인쇄회로기판으로 구현된 경우를 가정하여 설명한다.
도 12a 및 도 12b를 참조하면, 본 실시예의 내부 매칭을 위한 안테나 장치(400a, 400b)는 기판 몸체(410), 안테나 소자(420), 기판 그라운드층(430), 내부 매칭 소자(440a, 440b) 및 매칭 그라운드층(450)을 포함한다. 이 때 본 실시예의 안테나 장치(400a, 400b)의 기본 구성은 전술한 실시예들의 대응하는 구성과 유사하므로, 상세한 설명을 생략한다.
다만, 본 실시예에서, 내부 매칭 소자(440a)는, 도 12a에 도시된 바와 같이 루프 타입으로 구현될 수 있다. 또는 내부 매칭 소자(440b)는, 도 12b에 도시된 바와 같이 미앤더 타입으로 구현될 수 있다. 이 때 내부 매칭 소자(440a, 440b)의 매칭 비아(441a, 441b) 및 매칭 라인(443a, 443b)에서 제 1 매칭 라인은 안테나 소자(420)의 수평 방향 회로에 대응하여 중첩되는 영역에 형성될 수 있다. 그리고 내부 매칭 소자(440a, 440b)의 매칭 라인(443a, 443b)에서 제 2 매칭 라인은 제 1 매 칭 라인으로부터 연장되어 매칭 그라운드층(450)에 접촉할 수 있다.
본 실시예들에 따르면, 안테나 장치(300a, 300b, 400a 및 400b)에서 안테나 소자(320a, 320b 및 420) 또는 내부 매칭 소자(340, 340a 및 440b) 중 적어도 어느 하나의 형태에 따라, 안테나 장치(300a, 300b, 400a 및 400b)가 다양한 주파수 대역에서 공진할 수 있다. 즉 안테나 소자(320a, 320b 및 420) 또는 내부 매칭 소자(340, 440a 및 440b) 중 적어도 어느 하나의 형태를 변경함으로써, 안테나 장치(300a, 300b, 400a 및 400b)에서 공진하기 위한 주파수 대역을 조절할 수 있다.
한편, 전술한 실시예들에서 안테나 소자 및 내부 매칭 소자가 기판 몸체에 패터닝된 예를 개시하였으나, 이에 한정하는 것은 아니다. 즉 안테나 소자 또는 내부 매칭 소자 중 적어도 어느 하나가 별도의 구성에 패터닝되더라도, 본 발명의 구현이 가능하다. 예를 들면, 안테나 소자 또는 내부 매칭 소자 중 적어도 어느 하나가 통신 단말기에서 안테나 장치와 접하는 외부 케이스에 패터닝될 수 있다. 또는 안테나 소자 또는 내부 매칭 소자 중 적어도 어느 하나가 기판 몸체에 장착되는 소자 캐리어에 패터닝될 수도 있다. 이를 도 13을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 13은 본 발명의 제 5 실시예에 따른 안테나 장치(500)를 도시하는 평면 사시도이다. 이 때 본 실시예에서 안테나 장치(500)가 인쇄회로기판으로 구현된 경우를 가정하여 설명한다.
도 13을 참조하면, 본 실시예의 내부 매칭을 위한 안테나 장치(500)는 기판 몸체(510), 안테나 소자(520), 기판 그라운드층(530), 내부 매칭 소자(540) 및 매칭 그라운드층(550)을 포함한다. 이 때 본 실시예의 안테나 장치(500)의 기본 구성 은 전술한 실시예들의 대응하는 구성과 유사하므로, 상세한 설명을 생략한다.
다만, 본 실시예에서, 안테나 장치(500)는 소자 캐리어(560)를 더 포함한다. 소자 캐리어(560)는 일정 두께를 갖는 평판 구조를 갖는다. 그리고 소자 캐리어(560)는 유전체로 이루어진다. 이 때 소자 캐리어(560)는 기판 몸체(510)와 상이한 유전율을 갖도록 이루어질 수 있다. 이러한 소자 캐리어(560)는 기판 몸체(510)의 상부면에 장착된다. 그리고 안테나 소자(520)가 소자 캐리어(560)의 표면에서 금속 물질의 패터닝을 통해 형성된다. 이 때 안테나 소자(520)는 기판 그라운드층(530)에 인접하여 일단부에 급전점(521)이 위치하도록 배치된다. 이를 통해, 안테나 소자(520)와 기판 그라운드층(530) 사이에 일정 간격의 공간이 확보될 수 있다. 또한 내부 매칭 소자(540)는 안테나 소자(520)로부터 연장되어, 기판 몸체(510)의 하부면에 형성된다. 이 때 내부 매칭 소자(540)는 소자 캐리어(560)의 외부 표면을 따라 연장될 수 있다.
본 실시예에 따르면, 안테나 장치(500)에서 소자 캐리어(560)를 적용함으로써, 안테나 소자(520) 또는 내부 매칭 소자(540) 중 적어도 어느 하나와 기판 그라운드층(530) 또는 매칭 그라운드층(550) 중 적어도 어느 하나 사이의 공간을 확보할 수 있다. 이로 인하여, 소자 캐리어(560)의 두께를 조절함으로써, 안테나 장치(500)의 동작 효율을 향상시킬 수 있다.
한편, 전술한 실시예들에서 내부 매칭 소자가 기판 몸체에서 안테나 소자와 상이한 면에 형성되는 예를 개시하였으나, 이에 한정하는 것은 아니다. 즉 내부 매칭 소자가 기판 몸체에서 안테나 소자와 동일한 면에 형성되더라도, 본 발명의 구 현이 가능하다. 이를 도 14를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 14는 본 발명의 제 6 실시예에 따른 안테나 장치(600)를 도시하는 평면 사이도이다. 이 때 본 실시예에서 안테나 장치(600)가 인쇄회로기판으로 구현된 경우를 가정하여 설명한다.
도 14를 참조하면, 본 실시예의 내부 매칭을 위한 안테나 장치(600)는 기판 몸체(610), 안테나 소자(620), 기판 그라운드층(630), 내부 매칭 소자(640) 및 매칭 그라운드층(650)을 포함한다. 이 때 본 실시예의 안테나 장치(600)의 기본 구성은 전술한 실시예들의 대응하는 구성과 유사하므로, 상세한 설명을 생략한다.
다만, 본 실시예에서, 내부 매칭 소자(640)는 기판 몸체(610)의 상부면에서 상부 소자 영역(611)에 형성된다. 즉 내부 매칭 소자(640)는 상부 소자 영역(611)의 안테나 소자(620)로부터 연장되어, 상부 그라운드 영역(613)의 기판 그라운드층(630)에 접촉한다. 이 때 내부 매칭 소자(640)는 금속 물질의 패터닝을 통해 형성된다.
본 발명에 따르면, 안테나 장치에서 내부 매칭 소자를 이용하여 내부적으로 임피던스 매칭을 구현할 수 있다.
이 때 안테나 장치에서 내부 매칭 소자를 전송 회로로 구현함으로써, 안테나 장치에서 공진 시 반사 손실이 발생하는 것을 억제할 수 있다. 이로 인하여, 안테나 장치에서 임피던스 매칭 성능을 향상시킬 수 있다. 그리고 안테나 장치에서 안테나 소자와 더불어, 내부 매칭 소자가 일정 주파수 대역에서 공진함으로써, 안테나 장치의 동작 효율을 향상시킬 수 있다. 또한 안테나 장치에서 내부 매칭 소자의 형태에 따라, 안테나 장치에서 공진하기 위한 주파수 대역을 용이하게 조절할 수 있다. 여기서, 안테나 장치가 다수개의 주파수 대역에서 공진하거나, 보다 확장된 주파수 대역에서 공진하도록 조절할 수 있다.
아울러, 통신 단말기에서 별도의 외부 매칭 회로를 구비하지 않더라도, 안테나 장치에서 임피던스 매칭을 구현할 수 있는 바, 외부 매칭 회로를 위한 공간이 필요하지 않다. 이에 따라, 통신 단말기에서 공간 활용의 효율성을 향상시킬 수 있으며, 통신 단말기의 소형화를 구현할 수도 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시예들은 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 본 발명의 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 즉 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 안테나 장치를 도시하는 평면 사시도,
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 안테나 장치를 도시하는 배면 사시도,
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 안테나 장치의 등가 회로를 도시하는 회로도,
도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 안테나 장치의 임피던스 매칭 특성을 도시하는 그래프,
도 5는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 안테나 장치의 동작 효율 특성을 도시하는 그래프,
도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 안테나 장치를 도시하는 배면 사시도,
도 7은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 안테나 장치의 변형 예를 도시하는 배면 사시도,
도 8은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 안테나 장치의 변형 예에 따른 임피던스 매칭 특성을 도시하는 그래프,
도 9는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 안테나 장치의 다른 변형 예를 도시하는 배면 사시도,
도 10은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 안테나 장치의 다른 변형 예에 따른 임피던스 매칭 특성을 도시하는 그래프,
도 11a 및 도 11b는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 안테나 장치를 도시하는 평면 사시도들,
도 12a 및 도 12b는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 안테나 장치를 도시하는 배면 사시도들,
도 13은 본 발명의 제 5 실시예에 따른 안테나 장치를 도시하는 평면 사시도, 그리고
도 14는 본 발명의 제 6 실시예에 따른 안테나 장치를 도시하는 평면 사시도이다.

Claims (15)

  1. 내부 임피던스 매칭을 위한 안테나 장치에 있어서,
    유전체로 이루어지며, 평판 구조를 갖는 기판 몸체와,
    상기 기판 몸체의 상부면에 형성되고, 급전점으로부터 연장되며, 제 1 임피던스를 갖는 안테나 소자와,
    상기 안테나 소자로부터 연장되어 상기 기판 몸체의 하부면에 형성되며, 상기 제 1 임피던스를 미리 정의된 기준 임피던스로 매칭시키기 위한 제 2 임피던스를 갖는 내부 매칭 소자를 포함하며,
    상기 안테나 소자 및 내부 매칭 소자는,
    상기 급전점을 통해 전압 인가 시, 상기 기준 임피던스로 일정 주파수 대역에서 공진하며,
    상기 안테나 소자와 상기 내부 매칭 소자는 상기 기판 몸체의 각각 반대 면에서, 상기 안테나 소자 및 상기 내부 매칭 소자가 각각 위치하는 영역 일부가 중첩 되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 내부 매칭 소자는,
    상기 안테나 소자로부터 상기 기판 몸체를 관통하도록 형성되는 적어도 하나의 매칭 비아와,
    상기 기판 몸체의 하부면에서 상기 매칭 비아로부터 연장되는 매칭 라인을 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 매칭 라인은,
    상기 매칭 비아로부터 일 경로를 따라 연장되는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 내부 매칭 소자는,
    상기 매칭 라인에서 돌출되도록, 상기 매칭 라인으로부터 연장되는 브랜치 라인을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 안테나 소자 및 내부 매칭 소자는,
    상기 기판 몸체에 패터닝된 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판 몸체 상에 장착되고, 상기 안테나 소자 또는 내부 매칭 소자 중 적어도 어느 하나가 패터닝되는 소자 캐리어를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판 몸체의 하부면에 형성되고, 상기 내부 매칭 소자와 접촉하는 매칭 그라운드층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 내부 매칭 소자는,
    다수개의 곡절부가 형성되어 있으며, 미앤더 타입, 스파이럴 타입, 스텝 타입 또는 루프 타입 중 적어도 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
  9. 내부 임피던스 매칭을 위한 안테나 장치에 있어서,
    유전체로 이루어지며, 평판 구조를 갖는 기판 몸체와,
    상기 기판 몸체의 상부면에 형성되고, 급전점으로부터 연장되며, 제 1 임피던스를 갖는 안테나 소자와,
    상기 안테나 소자로부터 연장되어 상기 기판 몸체의 상부면에 형성되며, 상기 제 1 임피던스를 미리 정의된 기준 임피던스로 매칭시키기 위한 제 2 임피던스를 갖는 내부 매칭 소자와,
    상기 매칭 라인에서 돌출되도록, 상기 매칭 라인으로부터 연장되는 브랜치 라인을 포함하며,
    상기 안테나 소자 및 내부 매칭 소자는,
    상기 급전점을 통해 전압 인가 시, 상기 기준 임피던스로 일정 주파수 대역에서 공진하는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 내부 매칭 소자는,
    상기 안테나 소자로부터 일 경로를 따라 연장되는 매칭 라인을 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
  11. 삭제
  12. 제 9 항에 있어서, 상기 안테나 소자 및 내부 매칭 소자는,
    상기 기판 몸체에 패터닝된 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 기판 몸체 상에 장착되고, 상기 안테나 소자 또는 내부 매칭 소자 중 적어도 어느 하나가 패터닝되는 소자 캐리어를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 기판 몸체의 상부면에 형성되고, 상기 내부 매칭 소자와 접촉하는 기판 그라운드층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
  15. 제 9 항에 있어서, 상기 내부 매칭 소자는,
    다수개의 곡절부가 형성되어 있으며, 미앤더 타입, 스파이럴 타입, 스텝 타입 또는 루프 타입 중 적어도 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
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