KR100650375B1

KR100650375B1 - 스텁을 가진 헬리컬 칩 안테나

Info

Publication number: KR100650375B1
Application number: KR1020050088717A
Authority: KR
Inventors: 이효종; 박찬후; 성정현; 한종희; 김기태; 이병철; 석창헌
Original assignee: (주) 알엔투테크놀로지
Priority date: 2005-09-23
Filing date: 2005-09-23
Publication date: 2006-11-27

Abstract

본 발명은 스텁을 가진 헬리컬 칩 안테나에 관한 것이다. 이 헬리컬 칩 안테나의 칩 본체는 세라믹 유전체 또는 자성체 중 어느 하나를 재료로 하여 형성된다. 헬리컬 도체는 칩 본체 내부에 나선형으로 형성된다. 이 때, 헬리컬 도체 일부에는 스텁이 형성된다. 또한, 헬리컬 도체의 일측 끝단에는 헬리컬 도체 및 스텁으로 외부의 전압을 인가하기 위한 급전 단자가 형성된다. 헬리컬 도체의 경우 비아 홀을 통하여 상부 도체 패턴과 하부 도체 패턴이 연결되며, 각 상부 도체 패턴과 하부 도체 패턴에 각 도체 패턴의 길이 방향 또는 길이 방향의 직각 방향으로 연장되어 형성된다. 본 발명에 따르면, 헬리컬 칩 안테나의 대역폭 축소 없이, 일정한 칩 안테나의 부피 내에서 도체 라인의 길이를 증가시킬 수 있으며, 또한 중심 주파수를 낮출 수 있다. 결과적으로 헬리컬 칩 안테나의 소형화와 함께 최소의 부피로 전체적인 전파 수신면적이 증가하여 안테나의 수신 감도를 향상시킬 수 있다.

칩 안테나, 헬리컬 안테나, 스텁, 세라믹, LTCC, 그린 시트, 비아 홀

Description

스텁을 가진 헬리컬 칩 안테나 {HELICAL CHIP ANTENNA HAVING STUBS}

도 1 은 종래의 칩 안테나의 구성도이다.

도 2는 도 1에 도시된 칩 안테나에 형성된 도체 패턴을 도시한 도면이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 스텁을 가진 헬리컬 칩 안테나의 구성도이다.

도 4는 도 3에 도시된 스텁을 가진 헬리컬 칩 안테나에 형성된 스텁을 가진 헬리컬 도체를 도시한 도면이다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 스텁을 가진 헬리컬 칩 안테나와 종래의 칩 안테나의 특성 비교를 나타낸 그래프이다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 스텁을 가진 헬리컬 칩 안테나에 형성된 스텁의 제1 형태를 도시한 도면이다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 스텁을 가진 헬리컬 칩 안테나에 형성된 스텁의 제2 형태를 도시한 도면이다.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 스텁을 가진 헬리컬 칩 안테나에 형성된 스텁의 제3 형태를 도시한 도면이다.

도 9는 본 발명의 실시예에 따른 스텁을 가진 헬리컬 칩 안테나에 형성된 스텁의 제4 형태를 도시한 도면이다.

본 발명은 칩 안테나에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 세라믹 유전체로 이루어진 직방체 내에 스텁(stub)을 가진 헬리컬 도체를 형성한 헬리컬 칩 안테나에 관한 것이다.

일반적으로 알려져 있는 이동통신용 기기는, 휴대전화 본체와, 이 휴대전화 본체의 상부에 돌출되도록 설치되는 막대형 안테나(모노폴 안테나)로 구성되며, 이 때의 막대형 안테나는 휴대전화 본체와 기지국간에 전파를 송수신하는데 사용된다. 이러한 막대형 안테나의 공진 주파수는 안테나를 구성하는 전도체의 전체 길이에 따라 결정된다. 따라서 상기와 같은 이동통신 기기용 안테나는, 안테나가 외부로 돌출되어 있어 사용시 접지전위에 의한 영향을 받게 되고, 이동에 따른 지향특성 등이 변동하게 되며, 또한 안테나가 본체 밖으로 돌출되어 이동통신용 기기의 소형화에 역행하게 되는 단점이 있다.

따라서, 이를 해결하기 위해, 각종의 이동통신용 기기, 예를 들어 이동통신 단말기, 블루투스(Bluetooth), WLAN(Wireless Local access network) 등에 사용되는 안테나를 LTCC(Low Temperature Cofired Ceramics: 저온 동시소성 세라믹) 기술 등과 같은 세라믹 칩 제조 기술을 이용하여 초소형이며 휴대전화의 본체 내에 표면실장형으로 내장이 가능하도록 한 칩 안테나가 개발되어 사용되고 있다. 여기서, LTCC 기술은 주로 유리와 세라믹을 혼합한 재료를 그린시트(세라믹테이프)라고 하 는 종이보다 얇은 형태로 만들어 여러 개로 자른 후, 각각의 그린시트 위에 단순 전극이나 소자의 역할에 맞도록 금이나 은, 구리 등과 같은 금속도체를 입힌 후, 구성하고자 하는 안테나의 형태에 따라 각 그린시트들을 여러 층으로 쌓아 소성 세라믹과 금속을 동시에 구워서 칩 안테나를 형성하는 기술이다.

도 1 은 종래의 칩 안테나의 구성도이고, 도 2는 도 1에 도시된 칩 안테나에 형성된 도체 패턴을 도시한 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 칩 안테나, 특히 헬리컬 형태의 도체가 내장되어 있는 헬리컬 칩 안테나는 칩 적층 공정을 이용하여 세라믹 칩(1) 내부에 금속 도체가 나선형으로 감긴 형태의 헬리컬 도체(3)가 포함된 구조이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 헬리컬 도체(3)는 적층되는 각 그린시트 상에 후막(thick film) 인쇄된 도체(31, 33)와, 각 도체(31, 33)를 전기적으로 연결하는 비아 홀(via hole, 35)로 이루어진다. 이 때, 헬리컬 도체(3)의 일측 끝단(37)은 세라믹 칩(1)에 고정되고, 다른 끝단(39)에는 세라믹 칩(1)의 표면으로 돌출되어 헬리컬 도체(3)로 전압을 인가하기 위한 전압 공급용 단자(5)가 형성된다.

이러한 표면 실장형 세라믹 적층형 칩 안테나는 이동통신용 기기의 본체 내에 내장됨으로써, 상기한 막대형 안테나에서 발생되는 각종의 문제점들을 해결하여 안테나의 특성 변화없이 안테나를 소형화할 수 있으나, 칩 안테나 내부에 형성되는 도체, 예를 들어 헬리컬 도체(3)가 특정 중심 주파수를 갖도록 결정된 경우 해당 헬리컬 도체(3)를 형성하는 도체(31, 33) 또는 비아 홀(35) 등의 길이 등을 변경하지 않는 한 칩 안테나의 중심 주파수를 변경할 수가 없다는 문제점이 있다. 즉, 특정 중심 주파수에 대해 결정되어 양산되고 있는 헬리컬 칩 안테나에 대해 그 중심 주파수를 변경하고자 하는 경우, 예를 들어 중심 주파수를 대역폭 축소 없이 낮추고자 하는 경우에는 헬리컬 도체를 이루고 있는 금속 도체 또는 비아홀의 길이 등을 변경하여야 함으로써 칩 안테나 생산 공정 등에서 많은 변경이 있어야 하는 문제점이 있다.

따라서 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해, 대역폭 축소 없이도 전도체 전체 길이를 증가시킴은 물론 중심 주파수를 낮출 수 있는 스텁을 가진 헬리컬 칩 안테나를 제공한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 하나의 특징에 따른 헬리컬 칩 안테나는,

세라믹 유전체 또는 자성체 중 어느 하나를 재료로 하여 형성되는 칩 본체; 상기 칩 본체 내부에 나선형으로 형성된 헬리컬 도체; 상기 헬리컬 도체 일부에 형성된 스텁; 및 상기 헬리컬 도체의 일측 끝단에 형성되며, 상기 헬리컬 도체 및 스텁으로 외부의 전압을 인가하기 위한 급전 단자를 포함한다.

여기서, 상기 헬리컬 도체는, 복수의 상부 도체 패턴; 복수의 하부의 도체 패턴; 및 상기 복수의 각 상부 도체 패턴과 상기 복수의 각 하부 도체 패턴을 연결하여 상기 칩 본체 내부에 나선형의 헬리컬 안테나가 형성되도록 하는 복수의 비아 홀을 포함하며, 상기 복수의 상부 도체 패턴과 상기 복수의 하부 도체 패턴 중 일 부에 상기 스텁이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 스텁은 상기 상부 도체 패턴 및 하부 도체 패턴의 일측 끝단 또는 양측 끝단에 형성된 것을 특징으로 한다.

구체적으로, 상기 스텁은 상기 상부 도체 패턴 및 하부 도체 패턴이 상기 비아 홀과 만나는 지점부터 상기 상부 도체 패턴 및 하부 도체 패턴의 길이 방향으로 연장되어 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 스텁은 상기 상부 도체 패턴 및 하부 도체 패턴이 상기 비아 홀과 만나는 지점부터 상기 상부 도체 패턴 및 하부 도체 패턴의 길이 방향의 직각 방향으로 연장되어 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 스텁의 폭은 상기 헬리컬 도체 패턴의 폭과 같거나 작으며, 상기 스텁의 길이는 상기 헬리컬 도체 패턴의 길이와 같거나 작은 것을 특징으로 한다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 첨부된 도면은 본 발명을 명확하게 설명하기 위해 본 발명의 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 동일 또는 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 스텁을 가진 헬리컬 칩 안테나의 구성도이고, 도 4는 도 3에 도시된 스텁을 가진 헬리컬 칩 안테나에 형성된 스텁을 가진 헬리컬 도체를 도시한 도면이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 스텁을 가진 헬리컬 칩 안테나(100)는 직방체(110), 스텁을 가진 헬리컬 도체(120), 급전 단자(130) 및 고정 단자(140)를 포함한다.

직방체(110)는 세라믹 유전체 또는 자성체 중 어느 하나를 재료로 하여 구성된 복수의 그린 시트가 적층되어 직육면체의 형상으로 형성된 것이다. 직방체(110) 형성시 복수의 그린 시트는 LTCC 기술에 의해 제작된다. 즉, 다수의 그린 시트 중 특정의 그린 시트에 스텁을 가진 헬리컬 도체(120)의 패턴을 인쇄하여 적층함으로써 각 그린 시트에 형성된 도체 패턴이 연결되어 스텁을 가진 헬리컬 안테나가 직방체(110) 내에 형성된다. 이러한 LTCC 기술에 의한 적층형 칩 안테나(110) 제조 기술에 대해서는 이미 잘 알려져 있으므로 여기에서는 칩 안테나(110) 제조에 대해서는 상세한 설명을 생략하여도, 본 기술 분야의 당업자에게는 잘 이해될 것이다.

직방체(110) 내부에 형성되는 스텁을 가진 헬리컬 도체(120)는 도 4에 도시된 바와 같이, 헬리컬 안테나를 형성하기 위한 복수의 도체 패턴(121, 123), 각 도체 패턴(121, 123)을 전기적으로 연결하기 위한 복수의 비아 홀(125) 및 각 도체 패턴(121, 123)의 일측 또는 양측 끝단에 형성된 복수의 스텁(127, 129)을 포함한다.

복수의 도체 패턴(121, 123)은 비아 홀(125)의 양측 끝단에 각각 연결되는 복수의 상부 도체 패턴(121)과 복수의 하부 도체 패턴(123)으로 구분된다. 이러한 복수의 상부 도체 패턴(121)과 복수의 하부 도체 패턴(123)은 직방체(110) 내에 나 선상으로 권취되도록 복수의 비아 홀(125)에 각각 연결된다.

복수의 비아 홀(125)은 전도상(conductive phase), 바인더(binder), 비이클(vehicle) 및 첨가제(additives)로 구성된 전도성 페이스트로 채워져 양측 끝단에 연결된 상부 도체 패턴(121)과 하부 도체 패턴(123)을 전기적으로 연결시켜 준다.

스텁(127, 129)은 비아 홀(125)과 상부 도체 패턴(121) 또는 비아 홀(125)과 하부 도체 패턴(123)이 만나는 지점부터 각 도체 패턴(121)의 길이 방향 또는 길이 방향의 직각 방향으로 각 도체 패턴(121)의 일측 끝단 또는 양측 끝단에 형성된다. 이 때, 스텁(127, 129)은 각각 상부 도체 패턴(121)과 하부 도체 패턴(123)의 길이를 연장한 것과 동일하게 형성되는 것이 바람직하다. 즉, 스텁(127, 129)은 각각 상부 도체 패턴(121)과 하부 도체 패턴(123)과 다른 재료로 구성될 수 있지만, 이것은 주파수 공진 상에서 여러 가지 문제점을 발생시킬 수가 있으므로, 바람직하게는 동일한 재료로 구성되는 것이 좋다.

여기서, 각 스텁(127, 129)은 형성된 각 도체 패턴(121, 123)의 폭과 길이와 같거나 작아야 한다. 만약 각 스텁(127, 129)의 폭 또는 길이가 각 도체 패턴(121, 123)의 폭 또는 길이보다 크면 칩 안테나(100)의 중심 주파수를 낮추기는 하지만 대역폭이 감소되기 때문이다. 따라서, 칩 안테나(100)의 특성을 변화시키지 않고 소형화하는 동시에 중심 주파수를 낮추기 위해서는 이와 같은 제한 사항이 있다.

또한 상부 도체 패턴(121)에 형성된 스텁(127)과 하부 도체 패턴(123)에 형성된 스텁(129)을 상부 도체 패턴(121) 측의 윗쪽에서 투영하였을 때 겹치는 면적 이 각 도체 패턴(121, 123)의 넓이보다 넓지 않아야 한다. 이것은 상부 도체 패턴(121)과 하부 도체 패턴(123)에 각각 형성된 스텁(127, 129)이 겹쳐지는 면적에 반비례하여 칩 안테나(110)의 대역폭이 좁아지기 때문이다.

한편, 헬리컬 도체(120)의 일측 끝단은 비아 홀(125)로 직방체(110) 하부 표면으로 연결되어 전압 공급용 단자인 급전 단자(130)를 형성하고, 이 급전 단자(130)를 통하여 스텁을 가진 헬리컬 도체(120)로 전압이 인가되면 스텁을 가진 헬리컬 도체(120)가 공진하게 된다. 즉, 상부 도체 패턴(121)과 하부 도체 패턴(123) 및 비아 홀(125)로 형성된 헬리컬 안테나와 함께 스텁(127, 129)이 동시에 공진함으로써, 일정한 칩 안테나(100)의 부피 내에서 도체 라인의 길이가 증가하여 안테나의 대역폭 축소 없이 헬리컬 안테나의 중심 주파수가 낮아지게 된다.

또한, 헬리컬 도체(120)의 다른 끝단에는 칩 안테나(100)를 고정하기 위한 무급전 단자가 형성된다.

도 5에 도시된 바와 같이, 종래의 칩 안테나의 경우에는 약 3.61GHz 근처에서 리턴 로스(Return Loss)의 최소값을 보이기 때문에 이 주파수를 중심 주파수로 하는 주파수 대역을 사용하고 있는 반면에, 본 발명의 실시예에 따른 헬리컬 칩 안테나의 경우에는 약 3.35GHz 근처에서 리턴 로스의 최소값을 보여 이 주파수가 중심 주파수가 되므로, 결과적으로는 헬리컬 칩 안테나에 스텁을 형성함으로써 종래의 칩 안테나의 중심 주파수에 비해 보다 낮은 중심 주파수를 갖게 되었다.

도 6을 참조하면, 각 스텁(127-1, 129-1)은 상부 도체 패턴(121)과 하부 도체 패턴(123)이 각각 비아 홀(125)에 연결되는 일측 끝단에 상부 도체 패턴(121)과 하부 도체 패턴(123)의 길이 방향에 직각으로 연장되어 형성된다.

도 7을 참조하면, 각 스텁(127-2, 129-2)은 상부 도체 패턴(121)과 하부 도체 패턴(123)이 각각 비아 홀(125)에 연결되는 일측 끝단에 상부 도체 패턴(121)과 하부 도체 패턴(123)의 길이 방향에 직각으로 연장된 후(제1 부분, 127-21, 129-21), 이어서 상부 도체 패턴(121)과 하부 도체 패턴(123)의 길이 방향과 동일하게 더 연장되도록(제2 부분, 127-22, 129-22) 형성된다. 즉, 'ㄴ'자 패턴이 상부 도체 패턴(121)과 하부 도체 패턴(123)에 각각 연결되되, 직접 연결되는 제1 부분이 각 도체 패턴(121, 123)과 직각이 되게 형성된다. 여기서, 제1 부분(127-21, 129-21)과 제2 부분(127-22, 129-22)의 길이는 동일하거나 매우 유사하게 하는 것이 바람직하다.

도 8을 참조하면, 도 7에서 설명된 바와 같은 스텁(127-3, 129-3)이 형성되지만, 각 도체 패턴(121, 123)에 직접 연결되는 제1 부분의 길이가 그렇지 않은 제 2 부분의 길이보다 길게 형성된 것을 특징으로 한다.

즉, 각 스텁(127-3, 129-3)은 상부 도체 패턴(121)과 하부 도체 패턴(123)이 각각 비아 홀(125)에 연결되는 일측 끝단에 상부 도체 패턴(121)과 하부 도체 패턴(123)의 길이 방향에 직각으로 연장된 후(제1 부분, 127-31, 129-31), 이어서 상부 도체 패턴(121)과 하부 도체 패턴(123)의 길이 방향과 동일하게 더 연장되도록(제2 부분, 127-32, 129-32) 형성된다. 즉, 'ㄴ'자 패턴이 상부 도체 패턴(121)과 하부 도체 패턴(123)에 각각 연결되되, 직접 연결되는 제1 부분(127-31, 129-31)이 각 도체 패턴(121, 123)과 직각이 되게 형성된다. 여기서, 제1 부분(127-31, 129-31)의 길이가 제2 부분(127-32, 129-32)의 길이보다 길도록 형성한다.

도 9를 참조하면, 각 스텁(127-4, 129-4)은 상부 도체 패턴(121)과 하부 도체 패턴(123)이 각각 비아 홀(125)에 연결되는 일측 끝단에 상부 도체 패턴(121)과 하부 도체 패턴(123)의 길이 방향과 동일한 방향으로 연장되어 형성된다.

상기에서 여러 형태의 스텁의 형상에 대해 기재하였으나, 이외에도 상부 도체 패턴(121)과 하부 도체 패턴(123)에 각각 형성되는 스텁(127, 129)의 길이와 형태의 다양화에 따라 헬리컬 칩 안테나(100)의 공진 주파수를 낮추는 형태가 달라질 수 있다.

비록, 본 발명이 가장 실제적이며 바람직한 실시 예를 참조하여 설명되었지만, 본 발명은 상기 개시된 실시 예에 한정되지 않으며, 후술되는 특허 청구범위 내에 속하는 다양한 변형 및 등가물들도 포함한다.

본 발명에 따르면, 헬리컬 칩 안테나의 대역폭 축소 없이, 일정한 칩 안테나의 부피 내에서 도체 라인의 길이를 증가시킬 수 있으며, 또한 중심 주파수를 낮출 수 있다.

결과적으로 헬리컬 칩 안테나의 소형화와 함께 최소의 부피로 전체적인 전파 수신면적이 증가하여 안테나의 수신 감도를 향상시킬 수 있다.

Claims

세라믹 유전제 또는 자성체 중 어느 하나를 재료로 하여 형성되는 칩 본체;

상기 칩 본체 내부에 나선형으로 형성된 헬리컬 도체;

상기 헬리컬 도체 일부에 형성된 스텁; 및

상기 헬리컬 도체의 일측 끝단에 형성되며, 상기 헬리컬 도체 및 스텁으로 외부의 전압을 인가하기 위한 급전 단자

를 포함하는 헬리컬 칩 안테나.
제1항에 있어서,

상기 헬리컬 도체는,

복수의 상부 도체 패턴;

복수의 하부의 도체 패턴; 및

상기 복수의 각 상부 도체 패턴과 상기 복수의 각 하부 도체 패턴을 연결하여 상기 칩 본체 내부에 나선형의 헬리컬 안테나가 형성되도록 하는 복수의 비아 홀

을 포함하며,

상기 복수의 상부 도체 패턴과 상기 복수의 하부 도체 패턴 중 일부에 상기 스텁이 형성되어 있는

것을 특징으로 하는 헬리컬 칩 안테나.
제2항에 있어서,

상기 스텁은 상기 상부 도체 패턴 및 하부 도체 패턴의 일측 끝단 또는 양측 끝단에 형성된 것을 특징으로 하는 헬리컬 칩 안테나.
제3항에 있어서,

상기 스텁은 상기 상부 도체 패턴 및 하부 도체 패턴이 상기 비아 홀과 만나는 지점부터 상기 상부 도체 패턴 및 하부 도체 패턴의 길이 방향으로 연장되어 형성되는 것을 특징으로 하는 헬리컬 칩 안테나.
제3항에 있어서,

상기 스텁은 상기 상부 도체 패턴 및 하부 도체 패턴이 상기 비아 홀과 만나는 지점부터 상기 상부 도체 패턴 및 하부 도체 패턴의 길이 방향의 직각 방향으로 연장되어 형성되는 것을 특징으로 하는 헬리컬 칩 안테나.
제3항에 있어서,

상기 스텁은 상기 상부 도체 패턴 및 하부 도체 패턴이 상기 비아 홀과 만나는 지점부터 상기 상부 도체 패턴 및 하부 도체 패턴의 길이 방향의 직각 방향으로 연장되어 형성된 제1 부분과, 상기 제1 부분에 연결되어 상기 상부 도체 패턴 및 하부 도체 패턴의 길이 방향으로 연장되어 형성된 제2 부분으로 이루어진 것을 특 징으로 하는 헬리컬 칩 안테나.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 스텁의 폭은 상기 헬리컬 도체 패턴의 폭과 같거나 작으며,

상기 스텁의 길이는 상기 헬리컬 도체 패턴의 길이와 같거나 작은

것을 특징으로 하는 헬리컬 칩 안테나.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 칩 본체는 다수의 그린 시트가 적층되어 형성되는 것을 특징으로 하는 헬리컬 칩 안테나.