KR20180016921A

KR20180016921A - 다중 격리도 특성을 가지는 ｍｉｍｏ 안테나 장치

Info

Publication number: KR20180016921A
Application number: KR1020167035824A
Authority: KR
Inventors: 이경학
Original assignee: 재단법인 다차원 스마트 아이티 융합시스템 연구단
Priority date: 2015-07-06
Filing date: 2015-07-06
Publication date: 2018-02-20
Also published as: KR101852291B1; WO2017007040A1

Abstract

다중 격리도 특성을 가지는 MIMO 안테나 장치가 제시된다. 안테나 장치는 접지면; 상기 접지면과 연결되는 제1 급전점; 상기 접지면과 연결되는 제2 급전점; 상기 제1 급전점과 전자기적으로 결합되는 제1 안테나 소자; 상기 제2 급전점과 전자기적으로 결합되는 제2 안테나 소자; 및 상기 제1 급전점과 상기 제1 안테나 소자는 제1 안테나를 형성하고, 상기 제2 급전점과 상기 제2 안테나 소자는 제2 안테나를 형성하며, 상기 제1 안테나와 상기 제2 안테나를 서로 연결하는 적어도 두 개 이상의 디커플링(Decoupling) 패턴부를 포함한다.

Description

다중 격리도 특성을 가지는 ＭＩＭＯ 안테나 장치{MIMO ANTENNA APPARATUS WITH MULTIBAND ISOLATION CHARACTERISTIC}

아래의 실시예들은 다중 격리도 특성을 가지는 MIMO 안테나 장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 다중 대역 특성을 갖는 MIMO 안테나 상호 간에 다중 대역에서 높은 격리도 특성을 가지는 다중 격리도 특성을 가지는 MIMO 안테나 장치에 관한 것이다.

멀티미디어 서비스에 대한 요구가 급증함에 따라 이동통신 시스템은 신뢰성 있는 고속의 데이터를 전송하도록 요구되고 있다. 또한, 제한된 대역폭과 전력을 이용하는 무선 채널을 통해서 고속의 데이터 전송을 위해 용량의 증가가 필수적이다. 최근 둘 이상의 다중 안테나 시스템을 사용하여 용량을 개선시키는 기술들에 대한 관심이 증가하고 있다.

무선 통신 환경은 페이딩, 음영 효과, 전파 감쇠 및 간섭 등에 의해 수신 신호의 신뢰성이 크게 저하된다. 따라서, 고속의 데이터 통신이 가능하기 위해서는 이러한 무선 채널 특성을 극복하거나 그 성질을 이용하기 위한 대안이 필요하며, 이러한 필요성에 따라 제안된 기술이 MIMO(Multiple-Input Multiple-Output) 안테나 기술이다.

MIMO 안테나 기술은 송신기 또는 수신기에 둘 이상의 다중 안테나를 사용하여 서로 다른 데이터를 동시에 전송함으로써, 시스템의 대역폭을 더 증가시키지 않는 동시에 보다 고속의 데이터를 전송할 수 있는 공간적인 멀티플렉싱 기법을 사용한다.

MIMO 안테나는 복수의 방사체를 사용하는 배열 안테나 구조를 가지고 있으며, 복수의 방사체가 사용되기 때문에 방사체 상호간에 간섭이 발생할 수 있다. 이와 같은 간섭은 방사 패턴을 왜곡시키거나 방사체간의 상호 결합 현상을 발생시킬 수 있다.

최근 LTE 서비스를 제공받는 사용자가 많아짐에 따라 하나의 기기에 형성되는 안테나의 개수가 계속적으로 증가되고 있어 안테나 상호간 간섭 현상이 더욱 증가되고 있다.

이와 같은 MIMO 안테나에서 방사체 상호간의 간섭을 최소화하기 위해 별도의 구조물(스터브 or 접지면의 슬릿(Slit)) 또는 디커플링 네트워크(Decoupling Network)를 삽입하는 방법, 별도의 아이솔레이션 엘리먼트를 사용하거나 방사체간의 간격을 멀리 이격시키는 구조, 편파 다이버시티(Polarization Diversity) 등의 여러 가지 격리도 개선 기법들이 사용되고 있다. 지금까지 연구된 안테나간 격리도 향상 방법은 안테나가 대칭으로 적용되었을 때만 적용이 가능하고, 하나의 대역만 격리시키는 것이 가능하다.

그러나, LTE 대역이 증가함에 따라 주파수 특성도 다르고 안테나 구조를 대칭적으로 개발하는 것은 불가능하기 때문에 기존에 사용했던 방법들을 실제로 적용하기는 매우 어렵다. 이에, 안테나 구조가 비대칭일 경우에도 적용이 가능하고 다중 대역에서 우수한 격리도 특성을 가지는 다중 안테나 시스템이 요구된다.

도 7은 종래의 안테나 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.

도 7을 참조하면, 종래의 안테나 장치(10)는 접지면(11), 제1 급전점(12), 제2 급전점(13), 제1 안테나 소자(14), 제2 안테나 소자(15), 및 디커플링(Decoupling) 패턴부(160)를 포함할 수 있다.

제1 안테나는 상기 제1 급전점(12)과 상기 제1 안테나 소자(14)를 포함하여 이루어지고, 제2 안테나는 상기 제2 급전점(13)과 상기 제2 안테나 소자(15)를 포함하여 이루어질 수 있다

상기 제1 안테나와 상기 제2 안테나 사이에 안테나들을 서로 연결하는 연결 선로(16)가 형성되어 전기적으로 복수의 안테나들을 직접 연결할 수 있다. 여기서 연결 선로(16)는 상기 제1 급전점(12)과 상기 제2 급전점(13)을 서로 연결할 수 있다. 이러한 연결 선로(16)는 각각의 안테나의 동작에 대해서는 큰 영향을 미치지 않아 선로가 연결되더라도 기존과 유사한 공진점을 나타낼 수 있다.

도 8은 종래의 안테나 장치의 적용 예 및 동작 특성을 나타내는 도면이다.

도 8을 참조하면, 종래의 안테나 장치는 하나의 주파수 대역에서만 격리도가 증가하는 것을 확인할 수 있다.

안테나의 기생 여기(Parasitic Excitation)에 따른 전류는 소스 임피던스(Source Impedence)를 통과하는 이웃 안테나로부터 여기(Exite)되며, 이로 인해 급전점들 사이에서 상호 커플링이 발생할 수 있다. 이러한 커플링의 크기를 감소시키거나 완전히 전기적으로 격리하지 못할 경우 인접 안테나에 연결된 수신기의 포화(Saturation)나 감도손실(Desensitization) 혹은 인접 안테나에 연결된 송신기의 성능저하 등 시스템에 유해한 작용을 끼칠 수 있다.

실시예들은 둘 이상의 다중 안테나 시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 다중 대역 특성을 갖는 MIMO 안테나 상호 간에 다중 대역에서 높은 격리도 특성을 가지는 다중 격리도 특성을 가지는 MIMO 안테나 장치에 관한 기술을 제공한다.

실시예들은 둘 이상의 다중 안테나 시스템에 있어서 다중 대역에서 복수의 급전점의 연결 또는 접지면의 형태를 변형하여 안테나 상호간의 격리도 특성을 향상시킴으로써, 안테나 상호간섭을 최소화하여 각각의 안테나 특성을 효과적으로 증대시키는 다중 격리도 특성을 가지는 MIMO 안테나 장치를 제공하는데 있다.

일 실시예에 따른 안테나 장치에 있어서, 접지면; 상기 접지면과 연결되는 제1 급전점; 상기 접지면과 연결되는 제2 급전점; 상기 제1 급전점과 전자기적으로 결합되는 제1 안테나 소자; 상기 제2 급전점과 전자기적으로 결합되는 제2 안테나 소자; 및 상기 제1 급전점과 상기 제1 안테나 소자는 제1 안테나를 형성하고, 상기 제2 급전점과 상기 제2 안테나 소자는 제2 안테나를 형성하며, 상기 제1 안테나와 상기 제2 안테나를 서로 연결하는 적어도 두 개 이상의 디커플링(Decoupling) 패턴부를 포함한다.

여기서, 상기 디커플링 패턴부는 상기 제1 급전점과 상기 제2 급전점을 서로 연결하는 연결 선로; 및 상기 제1 급전점과 상기 제2 급전점을 연결하는 상기 접지면의 적어도 일부가 제거되어 슬릿(Slit)이 형성되거나 패턴이 형성된 슬롯(Slot)이 형성되는 그라운드 패턴부를 포함할 수 있다.

상기 연결 선로는, 대역 저지 필터(Band Stop Filter, BSF)를 포함할 수 있다.

상기 그라운드 패턴부는, 대역 저지 필터(Band Stop Filter, BSF)를 포함할 수 있다.

상기 제1 안테나 소자와 상기 제2 안테나 소자는 서로 다른 형상으로 이루어져 동일하거나 서로 다른 공진 주파수를 가지며, CDMA, PCS, WCDMA, GPS, WiFi, LTE, 블루투스 대역 중 적어도 둘 이상의 대역을 지원할 수 있다.

다른 실시예에 따른 안테나 장치에 있어서, 접지면; 상기 접지면과 연결되는 제1 급전점; 상기 접지면과 연결되는 제2 급전점; 상기 제1 급전점과 전자기적으로 결합되는 제1 안테나 소자; 상기 제2 급전점과 전자기적으로 결합되는 제2 안테나 소자; 및 상기 제1 급전점과 상기 제1 안테나 소자는 제1 안테나를 형성하고, 상기 제2 급전점과 상기 제2 안테나 소자는 제2 안테나를 형성하며, 상기 제1 안테나와 상기 제2 안테나를 서로 연결하는 디커플링(Decoupling) 패턴부를 포함하고, 상기 디커플링 패턴부는 대역 저지 필터(Band Stop Filter, BSF)가 형성된다.

여기서, 상기 디커플링 패턴부는 상기 제1 급전점과 상기 제2 급전점을 서로 연결하는 연결 선로일 수 있다.

또한, 상기 디커플링 패턴부는 상기 제1 급전점과 상기 제2 급전점을 연결하는 상기 접지면의 적어도 일부가 제거되어 슬릿(Slit)이 형성되거나 패턴이 형성된 슬롯(Slot)이 형성되는 그라운드 패턴부일 수 있다.

또 다른 실시예에 따른 안테나 장치에 있어서, 접지면; 상기 접지면과 연결되는 복수의 급전점; 상기 복수의 급전점과 각각 전자기적으로 결합되는 복수의 안테나 소자; 상기 복수의 급전점을 서로 연결하는 적어도 두 개 이상의 디커플링(Decoupling) 패턴부를 포함하고, 상기 디커플링 패턴부는, 상기 복수의 급전점을 서로 연결하는 연결 선로; 및 상기 복수의 급전점을 연결하는 상기 접지면의 적어도 일부가 제거되어 슬릿(Slit)이 형성되거나 패턴이 형성된 슬롯(Slot)이 형성되는 그라운드 패턴부를 포함할 수 있다.

실시예들에 따르면 둘 이상의 다중 안테나 시스템에 있어서 다중 대역에서 복수의 급전점의 연결 또는 접지면의 형태를 변형하여 안테나 상호간의 격리도 특성을 향상시킴으로써, 안테나 상호간섭을 최소화하여 각각의 안테나 특성을 효과적으로 증대시키는 다중 격리도 특성을 가지는 MIMO 안테나 장치를 제공할 수 있다.

실시예들에 따르면 다중 안테나 상호 간의 아이솔레이션 특성을 향상시키고, 다중 안테나간 거리가 비교적 가깝게 설정되어도 양호한 아이솔레이션 특성을 확보할 수 있을 뿐만 아니라, 안테나 구조가 상호 비대칭적인 경우에도 적용 가능하며 다중 주파수 대역을 효율적으로 격리시킬 수 있는 다중 격리도 특성을 가지는 MIMO 안테나 장치를 제공할 수 있다.

도 1은 일 실시예에 따른 다중 격리도 특성을 가지는 MIMO 안테나 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 다중 격리도 특성을 가지는 MIMO 안테나 장치의 적용 예 및 동작 특성을 나타내는 도면이다.
도 3은 일 실시예에 따른 다중 격리도 특성을 가지는 MIMO 안테나 장치의 PIFA 안테나 구조에 적용 예 및 동작 특성을 나타내는 도면이다.
도 4는 다른 실시예에 따른 비대칭 안테나 구조에 적용 예 및 동작 특성을 나타내는 도면이다.
도 5는 일 실시예에 따른 다중 격리도 특성을 가지는 MIMO 안테나 장치의 예를 나타내는 도면이다.
도 6은 일 실시예에 따른 다중 격리도 특성을 가지는 MIMO 안테나 장치를 휴대폰에 적용한 예 및 측정 결과를 나타내는 도면이다.
도 7은 종래의 안테나 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 8은 종래의 안테나 장치의 적용 예 및 동작 특성을 나타내는 도면이다.
도 9는 종래의 안테나 장치에 비대칭 안테나 구조의 적용 예 및 동작 특성을 나타내는 도면이다.

발명의 실시를 위한 최선의 형태

이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 설명한다. 그러나, 기술되는 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명되는 실시예들에 의하여 한정되는 것은 아니다. 또한, 여러 실시예들은 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.

일반적으로 안테나는 방사체만 방사하는 것이 아니고 접지(Ground)면도 함께 방사 역할을 하고 있다. 이에 따라 안테나의 설계 시 방사체만을 설계의 초점으로 두지 않고 접지면(Ground, 지면)의 형태도 함께 설계해야 한다. 기존의 안테나 상호간 격리도를 향상시키는 방법들은 안테나의 방사체를 통한 자체 방사에만 초점을 두어 설계하여 격리도를 향상시켰지만, 본 실시예에서 제안한 다중 대역 격리도 개선 방법은 안테나 방사체 및 안테나 접지면(Ground) 형태를 변형 설계함으로써 안테나 격리도를 효율적으로 향상시킬 수 있다.

또한, 기존에는 안테나들의 상호 간섭을 줄이기 위해 안테나 패턴과 패턴 사이에 디커플링(Decoupling) 형태의 패턴이나 필터(Filter)를 적용하였으나, 본 실시예에서는 안테나 패턴과 패턴 사이의 접지면(Ground)에서 형성되는 전류 형태를 변형시킴으로써 상호간의 간섭을 줄일 수 있다. 또한, 기존에 적용되었던 안테나 패턴과 패턴 사이의 개선 방법과 접지면(Ground) 상호간의 전류 형태를 변형시키는 기술의 혼합하여 적용함으로써 이중 대역 또는 다중 대역의 격리도 특성을 향상시킬 수 있다.

아래의 실시예들은 다중 대역 특성을 갖는 MIMO 안테나 상호 간에 다중 대역에서 높은 격리도 특성을 가지는 다중 격리도 특성을 가지는 MIMO 안테나 장치에 관한 것으로, 더 구체적으로 급전점 및 접지면의 슬롯(Slot) 또는 슬릿(Slit) 형태를 변형시켜 대칭 또는 비대칭 안테나의 다중 대역에서의 격리도를 향상시킬 수 있다.

도 1은 일 실시예에 따른 다중 격리도 특성을 가지는 MIMO 안테나 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.

도 1을 참조하면, 다중 격리도 특성을 가지는 MIMO 안테나 장치(100)는 접지면(110), 제1 급전점(120), 제2 급전점(130), 제1 안테나 소자(140), 제2 안테나 소자(150), 및 디커플링(Decoupling) 패턴부(160, 170)를 포함할 수 있다.

접지면(110)은 다중 격리도 특성을 가지는 MIMO 안테나 장치(100)의 접지를 위해 제공된다. 접지면(110)은 기판 등에 평판 구조로 형성될 수 있다.

제1 급전점(120)과 제2 급전점(130)은 외부 전원으로부터 안테나 포트들을 통해 전원 인가 시, 안테나 소자들이 공진 주파수 대역에서 공진할 수 있다. 이러한 제1 급전점(120)과 제2 급전점(130)은 접지면(110)과 연결될 수 있다.

제1 안테나 소자(140)는 다중 격리도 특성을 가지는 MIMO 안테나 장치(100)에서 신호의 송수신을 위해 제공되며, 제1 급전점(120)과 전자기적으로 결합될 수 있다. 제1 안테나 소자(140)는 제1 급전점(120)과 연결되는 급전부 및 방사체를 포함할 수 있으며, 접지면(110)에 의해 접지될 수 있다. 이러한 제1 안테나 소자(140)는 금속 물질의 전송 선로로 구현될 수 있으며, 일례로 패터닝(Patterning) 등에 의해 형성될 수 있다.

제2 안테나 소자(150)는 다중 격리도 특성을 가지는 MIMO 안테나 장치(100)에서 신호의 송수신을 위해 제공되며, 제2 급전점(130)과 전자기적으로 결합될 수 있다. 제2 안테나 소자(150)는 제2 급전점(130)과 연결되는 급전부 및 방사체를 포함할 수 있으며, 접지면(110)에 의해 접지될 수 있다. 이러한 제2 안테나 소자(150)는 금속 물질의 전송 선로로 구현될 수 있으며, 일례로 패터닝 등에 의해 형성될 수 있다.

여기서, 제1 급전점(120)과 제1 안테나 소자(140)는 제1 안테나를 형성하고, 제2 급전점(130)과 제2 안테나 소자(150)는 제2 안테나를 형성할 수 있다. 제1 안테나 및 제2 안테나는 각각 적어도 하나의 공진 주파수 대역에서 공진하여 전자기파를 송수신하는 역할을 할 수 있다.

추가적으로 적어도 하나 이상의 급전점 또는 적어도 하나 이상의 안테나 소자를 구성하여 또 다른 공진 주파수 대역에서 공진하는 안테나를 형성하는 것도 가능하다. 즉, 접지면에 복수의 급전점이 연결되고, 복수의 급전점에 각각 전기적으로 결합하는 복수의 안테나 소자들을 형성하여 다중 격리도 특성을 가지는 안테나 장치를 구현할 수 있다.

복수의 안테나 소자들(140, 150) 중 서로 다른 급전점(120, 130)에 각각 연결된 복수의 안테나 소자들(140, 150)은 서로 상이한 길이 또는 서로 다른 형태를 가지면서 동일 또는 서로 다른 공진 주파수를 가질 수 있다.

복수의 안테나 소자들(140, 150)은 CDMA, PCS, WCDMA, GPS, WiFi, LTE, 블루투스 대역 중 적어도 둘 이상의 대역을 지원할 수 있으며, 특히 LTE 대역이 LOW 밴드 등 다중 대역이 지원 가능하다.

이러한 복수의 안테나 소자들(140, 150)의 안테나 소자는 헬리컬 코일(Helical Coil), 광대역 평판형(Wideband Planer Shapes), 칩 안테나(Chip Antennas), 미엔더 형태(Meandered Shapes), 루프(Loops) 또는 유도성 션트 형태(Inductively Shunted Forms) 등 하나 이상의 형태로 구성될 수 있다.

다중 격리도 특성을 가지는 MIMO 안테나 장치는 안테나 소자들을 통해 일정 주파수 대역(Frequency Band)에서 신호를 송, 수신함으로써, 고속의 데이터 전송이 가능하다. 복수의 안테나 소자들 사이에 전자기적 상호 결합(Coupling)이 발생하는 문제점이 발생할 수 있다. 통신 단말기의 소형화를 구현하기 위한 안테나 장치의 소형화에 따라 더욱 심각해져 무선 통신 시스템의 성능 저하를 초래한다. 이로 인하여, 안테나 장치에서 복수의 안테나 소자들 사이의 전자기적 상호 결합을 억제해야 한다.

이에, 디커플링(Decoupling) 패턴부(160, 170)를 추가 구성하여 제1 안테나와 제2 안테나를 전기적으로 직접 연결할 수 있다. 제1 안테나와 제2 안테나를 서로 연결하는 디커플링 패턴부(160, 170)는 적어도 두 개 이상 형성될 수 있으며, 연결 선로(160)와 그라운드 패턴부(170) 등에 의해 안테나들을 상호 연결함으로써, 낮은 패턴 상관도(Low Pattern Correlation)와 낮은 커플링(Low Coupling)을 나타낼 수 있다.

연결 선로(160)는 제1 급전점(120)과 제2 급전점(130)을 서로 연결할 수 있다. 이러한 연결 선로(160)는 각각의 안테나의 동작에 대해서는 큰 영향을 미치지 않아 선로가 연결되더라도 기존과 유사한 공진점을 나타낼 수 있다.

연결 선로(160)는 직선, 곡선, 요철 구조를 포함하는 임의의 기하학적 형태를 통해 기 설정된 격리 대역폭과 임피던스 대역폭을 나타나도록 배치될 수 있다.

또한, 연결 선로(160)의 중간에 선택적 연결을 위한 스위치, 바이패스 대역 선택을 위한 필터, 지연 시간이나 위상 조절 또는 임피던스를 가변하는 튜너블 소자 중 하나 이상을 더 구성하는 것도 가능하다.

예를 들어 연결 선로(160)는 필터를 포함할 수 있으며, 일례로 대역 저지 필터(Band Stop Filter, BSF)를 포함할 수 있다.

또한, 그라운드(Ground) 패턴부(170)는 제1 급전점(120)과 제2 급전점(130)을 연결하는 접지면(110)에 슬롯(Slot) 또는 슬릿(Slit)이 형성되어, 안테나 패턴과 패턴 사이의 접지면(110)에서 형성되는 전류 형태를 변형시켜 상호간의 간섭을 줄일 수 있다.

그라운드 패턴부(170)는 직선, 곡선, 요철 구조를 포함하는 임의의 기하학적 형태를 통해 기 설정된 격리 대역폭과 임피던스 대역폭을 나타나도록 배치될 수 있다.

또한, 그라운드 패턴부(170)는 중간에 선택적 연결을 위한 스위치, 바이패스 대역 선택을 위한 필터, 지연 시간이나 위상 조절 또는 임피던스를 가변하는 튜너블 소자 중 하나 이상을 더 구성하는 것도 가능하다.

예를 들어 그라운드 패턴부(170)는 필터를 포함할 수 있으며, 일례로 대역 저지 필터(Band Stop Filter, BSF)를 포함할 수 있다.

즉, 제1 안테나와 제2 안테나를 서로 연결하는 디커플링 패턴부(160, 170)는 연결 선로(160)와 그라운드 패턴부(170)로 이루어질 수 있으며, 연결 선로(160)와 그라운드 패턴부(170)는 각각 대역 저지 필터(Band Stop Filter, BSF)를 포함할 수 있다.

이와 같이 다중 대역에서 복수의 급전점의 연결 또는 접지면의 형태를 변형하여 안테나 상호간의 격리도 특성을 향상시킴으로써, 안테나 상호간섭을 최소화하여 각각의 안테나 특성을 효과적으로 증대시키는 다중 격리도 특성을 가지는 MIMO 안테나 장치를 제공할 수 있다.

도 2는 일 실시예에 따른 다중 격리도 특성을 가지는 MIMO 안테나 장치의 적용 예 및 동작 특성을 나타내는 도면이다.

도 2a를 참조하면, 다중 격리도 특성을 가지는 MIMO 안테나 장치(100)의 적용 예를 나타내는 것으로, 제1 안테나와 제2 안테나 사이에 안테나들을 서로 연결하는 디커플링(Decoupling) 패턴부(160, 170)가 더 구성되어 전기적으로 복수의 안테나들을 직접 연결할 수 있다. 여기서 제1 안테나는 제1 급전점(120)과 제1 안테나 소자(140)를 포함하여 이루어지고, 제2 안테나는 제2 급전점(130)과 제2 안테나 소자(150)를 포함하여 이루어질 수 있다.

제1 안테나와 제2 안테나를 서로 연결하는 디커플링 패턴부(160, 170)는 적어도 두 개 이상 형성될 수 있으며, 연결 선로(160)와 그라운드 패턴부(170) 등에 의해 상호 연결되어 낮은 패턴 상관도(Low Pattern Correlation)와 낮은 커플링(Low Coupling)을 나타낼 수 있다.

예를 들어, 복수의 안테나들 사이를 선로를 통해 직접 연결할 경우, 임의의 제1 안테나 소자(140)에서의 전기적 흐름은 이웃하는 제2 안테나 소자(150)를 향하게 되어 제2 안테나의 포트로 우회하게 되며, 안테나 소자들의 전류 크기가 동일하게 되어 제1 안테나 포트를 통해 여기되는 안테나 모드는 제2 안테나 모드와 전기적으로 분리되게 된다.

그라운드 패턴부(170)는 제1 급전점(120)과 제2 급전점(130)을 연결하는 접지면(110)에 슬롯(Slot) 또는 슬릿(Slit)의 형태로 형성되어, 안테나 패턴과 패턴 사이의 접지면(110)에서 형성되는 전류 형태를 변형시켜 상호간의 간섭을 줄일 수 있다.

도 2a에 도시된 바와 같이, 제1 급전점(120)과 제2 급전점(130) 사이의 접지면(110)의 적어도 일부가 제거되어 그라운드 패턴부(170)가 형성되고, 상기의 그라운드 패턴부(170)는 얇은 통로와 같은 슬롯(Slot)의 형태로 구성될 수 있다. 이 때, 접지면(110)의 적어도 일부가 제거된 형태에 얇은 통로가 더 구성되는 형태로 이루어질 수 있다.

또한, 도 2b에 도시된 바와 같이, 제1 급전점(120)과 제2 급전점(130) 사이의 접지면(110)의 적어도 일부가 제거된 슬릿(Slit) 형태의 그라운드 패턴부가 형성될 수 있다.

안테나들을 연결하는 연결 선로(160)는 직선 구조뿐만 아니라 요철 구조 혹은 곡선 등의 형태로 이루어질 수 있다. 도시된 바와 같이 연결 선로(160)를 직선이 아닌 요철 구조 혹은 곡선이나 기타 다른 기하학적 형태로 연결 선로를 구성할 경우 안테나들 사이의 전기적 길이나 연결 임피던스를 증가시키는 효과가 있다. 이렇게 연결 선로(160)의 형태를 조절하는 것에 따라 공진 주파수와 대역폭이 변화되며, 격리 특성도 변화되게 된다. 결국, 이러한 연결 선로(160)를 조절하는 것으로 공진 주파수나 대역폭을 조절하고, 격리 특성을 조절할 수 있어 원하는 목적에 따른 특성을 얻을 수 있다.

마찬가지로, 안테나들을 연결하는 그라운드 패턴부(170)는 제1 급전점(120)과 제2 급전점(130) 사이의 접지면(110)의 적어도 일부가 제거된 슬릿(Slit) 형태 또는 얇은 통로와 같은 슬롯(Slot)의 형태로 구성될 수 있다. 이 때, 제1 급전점(120)과 제2 급전점(130) 사이의 접지면(110)의 적어도 일부가 제거된 슬릿(Slit) 형태에 추가적으로 얇은 통로와 같은 슬롯(Slot)의 형태가 더 구성될 수도 있다.

접지면(110)에 형성되는 슬릿(Slit) 또는 슬롯(Slot)의 형태는 직선 구조뿐만 아니라 요철 구조 혹은 곡선 등의 형태로 이루어질 수 있다. 도시된 바와 같이 그라운드 패턴부(170)의 슬롯(Slot)을 직선이 아닌 요철 구조 혹은 곡선이나 기타 다른 기하학적 형태로 연결 선로를 구성할 경우 안테나들 사이의 전기적 길이나 연결 임피던스를 증가시키는 효과가 있다. 이렇게 그라운드 패턴부(170)의 형태를 조절하는 것에 따라 공진 주파수와 대역폭이 변화되며, 격리 특성도 변화되게 된다. 결국, 이러한 그라운드 패턴부(170)를 조절하는 것으로 공진 주파수나 대역폭을 조절하고, 격리 특성을 조절할 수 있어 원하는 목적에 따른 특성을 얻을 수 있다.

도 2c를 참조하면, 다중 격리도 특성을 가지는 MIMO 안테나 장치(100)의 적용 예의 동작 특성을 나타내는 것으로, S11은 제1 안테나에 대한 산란변수(Scattering Parameter)를 나타내고, S22는 제2 안테나에 대한 산란변수를 나타내며, S21은 제1 안테나와 제2 안테나의 격리도(Isolation) 형태를 나타낸다.

즉, 인접한 안테나에 대한 격리 특성을 나타내는 S21 곡선을 보면, 안테나의 사용 대역 부분에서 그 이득이 최소가 되어 실질적으로 안테나의 희망 주파수 대역에서 충분한 격리 특성을 나타내게 된다. 격리 특성을 나타내는 S12의 이득이 안테나 사용 대역에서 최소가 된다는 의미는 제1 안테나의 동작에 의해 제2 안테나에 여기되는 전류 크기가 실제 안테나의 사용 대역에서 최소가 됨을 의미하여, 안테나 사용 대역에서 각 안테나들이 서로 간섭하지 않고 개별적으로 충분한 이득으로 동작하게 됨을 나타낸다.

도 3은 일 실시예에 따른 다중 격리도 특성을 가지는 MIMO 안테나 장치의 PIFA 안테나 구조에 적용 예 및 동작 특성을 나타내는 도면이다.

도 3을 참조하면, 일 실시예에 따른 다중 격리도 특성을 가지는 MIMO 안테나 장치(200)를 PIFA(Planar Inverted F Antenna) 안테나 구조에 적용한 예 및 동작 특성을 나타내는 것으로, 그라운드 패턴부를 이용한 격리 방법을 추가로 적용한 예를 나타낸다.

PIFA는 소형화가 가능하고 휴대 단말기 등의 내부에 내장이 가능한 형태의 안테나로, 최근 크게 각광받고 있는 안테나이다.

이러한 PIFA 안테나 구조의 다중 격리도 특성을 가지는 MIMO 안테나 장치(200)는 접지면(210), 제1 급전점(220), 제2 급전점(230), 제1 안테나 소자(240), 제2 안테나 소자(250), 및 디커플링(Decoupling) 패턴부(260, 270)를 포함할 수 있다.

이와 같이 제1 안테나와 제2 안테나 사이에 안테나들을 서로 연결하는 디커플링 패턴부(260, 270)가 더 구성되어 전기적으로 복수의 안테나들을 직접 연결할 수 있다. 여기서 제1 안테나는 제1 급전점(220)과 제1 안테나 소자(240)를 포함하여 이루어지고, 제2 안테나는 제2 급전점(230)과 제2 안테나 소자(250)를 포함하여 이루어질 수 있다.

디커플링 패턴부(260, 270)는 적어도 두 개 이상 형성될 수 있으며, 연결 선로(260)와 그라운드 패턴부(270) 등에 의해 상호 연결되어 낮은 패턴 상관도(Low Pattern Correlation)와 낮은 커플링(Low Coupling)을 나타낼 수 있다.

연결 선로(260)는 제1 급전점(220)과 제2 급전점(230)을 서로 연결할 수 있다. 또한, 그라운드(Ground) 패턴부(270)는 제1 급전점(220)과 제2 급전점(230)을 연결하는 접지면(210)에 슬롯(Slot) 또는 슬릿(Slit)이 형성되어, 안테나 패턴과 패턴 사이의 접지면(210)에서 형성되는 전류 형태를 변형시켜 상호간의 간섭을 줄일 수 있다.

도 2에서 설명한 바와 유사하게, 제시한 구조를 이용한 시뮬레이션 적용 방법 및 결과를 살펴보면 기존 기법에 비해 추가적으로 하나의 주파수에서 격리도가 향상될 수 있다. 이는, 기존 방법에 그라운드 패턴을 이용한 격리 방법을 추가로 적용한 예이며, 모노폴(Monopole) 구조뿐만 아니라 다이폴(Dipole) 구조, PIFA 구조에도 적용이 가능하다.

아래에서는 다중 격리도 특성을 가지는 MIMO 안테나 장치의 비대칭 안테나 구조 적용을 하나의 예를 들어 구체적으로 설명하기로 한다.

도 9는 종래의 안테나 장치에 비대칭 안테나 구조의 적용 예 및 동작 특성을 나타내는 도면이다.

도 9를 참조하면, 두 개의 서로 다른 비대칭 안테나 구조에 종래의 안테나 장치를 적용한 예로, 동작 특성을 살펴보면 하나의 주파수 대역에서만 격리도가 향상되는 것을 볼 수 있다. 여기서, 종래의 안테나 장치는 하나의 디커플링 패턴부를 포함할 수 있다.

도 4는 다른 실시예에 따른 비대칭 안테나 구조에 적용 예 및 동작 특성을 나타내는 도면이다.

도 4를 참조하면, 다중 격리도 특성을 가지는 MIMO 안테나 장치를 두 개의 서로 다른 비대칭 안테나 구조에 적용하는 예를 나타내는 것으로, 다중 격리도 특성을 가지는 MIMO 안테나 장치는 적어도 하나 이상의 디커플링(Decoupling) 패턴부에 대역 저지 필터(Band Stop Filter, BSF)를 포함할 수 있다.

다른 실시예에 따른 다중 격리도 특성을 가지는 MIMO 안테나 장치는 접지면, 제1 급전점, 제2 급전점, 제1 안테나 소자, 제2 안테나 소자, 및 디커플링(Decoupling) 패턴부를 포함할 수 있다.

제1 안테나와 제2 안테나 사이에 안테나들을 서로 연결하는 디커플링(Decoupling) 패턴부가 더 구성되어 전기적으로 안테나들을 직접 연결할 수 있다. 여기서 제1 안테나는 제1 급전점과 제1 안테나 소자를 포함하여 이루어지고, 제2 안테나는 제2 급전점과 제2 안테나 소자를 포함하여 이루어질 수 있다.

그리고 제1 안테나와 제2 안테나를 서로 연결하는 디커플링 패턴부에는 대역 저지 필터(Band Stop Filter, BSF)가 형성되어 격리도를 향상시킬 수 있다.

디커플링 패턴부는 제1 급전점과 제2 급전점을 서로 연결하는 연결 선로이거나, 제1 급전점과 제2 급전점을 연결하는 접지면에 슬롯(Slot) 또는 슬릿(Slit)이 형성된 그라운드 패턴부일 수 있다.

도 4a에 도시된 바와 같이, 다른 실시예에 따른 다중 격리도 특성을 가지는 MIMO 안테나 장치는 적어도 하나 이상의 디커플링(Decoupling) 패턴부 구조에 추가로 대역 저지 필터(Band Stop Filter, BSF)를 집중 소자(Lumped Element)로 구현할 수 있다.

도 4b 및 도 4c에 도시된 바와 같이, 다른 실시예에 따른 다중 격리도 특성을 가지는 MIMO 안테나 장치는 0.74GHz 대역에 위상(Phase)을 이용한 디커플링(Decoupling) 패턴부로 격리도를 향상시켰으며, 동일한 라인에 추가로 집중 소자(Lumped Element)를 이용하여 0.84GHz 대역의 대역 저지 필터(Band Stop Filter, BSF) 형태를 구현하여 격리도를 향상시킬 수 있다. 즉, 하나의 디커플링(Decoupling) 패턴부를 적용하고 추가로 대역 저지 필터(Band Stop Filter, BSF)를 적용함으로써 다중 대역에서의 이중 격리구조의 결과 값을 가질 수 있다.

이러한 방법을 두 개 이상의 디커플링 패턴부를 갖는 다중 격리도 특성을 가지는 MIMO 안테나 장치에 적용 시 안테나의 급전점(Feed Point)과 연결된 부분과, 접지면(Ground)과 연결된 부분에 각각 적용하는 경우 다중 대역에서 우수한 격리도 특성을 갖는 다중 안테나 시스템을 쉽게 구현할 수 있다.

도 5는 일 실시예에 따른 다중 격리도 특성을 가지는 MIMO 안테나 장치의 예를 나타내는 도면이다.

도 5를 참조하면, 다중 격리도 특성을 가지는 MIMO 안테나 장치(300)는 접지면(310), 제1 급전점(320), 제2 급전점(330), 제1 안테나 소자(340), 제2 안테나 소자(350), 및 디커플링(Decoupling) 패턴부(360, 370)를 포함할 수 있다.

제1 급전점(320)은 접지면(310)과 연결되고, 제1 안테나 소자(340)와 전기적으로 결합할 수 있다. 여기서 제1 안테나는 제1 급전점(320)과 제1 안테나 소자(340)를 포함하여 이루어질 수 있다.

또한, 제2 급전점(330)은 접지면(310)과 연결되고, 제2 안테나 소자(350)와 전기적으로 결합할 수 있다. 여기서 제2 안테나는 제2 급전점(330)과 제2 안테나 소자(350)를 포함하여 이루어질 수 있다.

제1 안테나 소자(340) 및 제2 안테나 소자(350)는 각각 CDMA, PCS, WCDMA, GPS, WiFi, LTE, 블루투스 대역 등을 지원할 수 있으며, 특히 LTE 대역이 LOW 밴드로 지원 가능하다.

이러한 제1 안테나 소자(340) 및 제2 안테나 소자(350)는 그 형상에 제한은 없으나 헬리컬 코일(Helical Coil), 광대역 평판형(Wideband Planer Shapes), 칩 안테나(Chip Antennas), 미엔더 형태(Meandered Shapes), 루프(Loops) 또는 유도성 션트 형태(Inductively Shunted Forms) 등 하나 이상의 형태로 구성될 수 있다.

그리고, 제1 안테나와 제2 안테나 사이에 안테나들을 서로 연결하는 디커플링 패턴부(360, 370)가 더 구성되어 전기적으로 안테나들을 직접 연결할 수 있다.

제1 안테나와 제2 안테나를 서로 연결하는 디커플링 패턴부(360, 370)는 적어도 두 개 이상 형성될 수 있으며, 연결 선로(360)와 그라운드 패턴부(370) 등에 의해 상호 연결되어 낮은 패턴 상관도(Low Pattern Correlation)와 낮은 커플링(Low Coupling)을 나타낼 수 있다.

연결 선로(360)는 제1 급전점(320)과 제2 급전점(330)을 서로 연결하여 디커플링 구조를 형성할 수 있다. 이 때, 연결 선로(360)는 필터를 포함할 수 있으며, 일례로 대역 저지 필터(Band Stop Filter, BSF)를 포함할 수 있다.

그라운드 패턴부(370)는 제1 급전점(320)과 제2 급전점(330)을 연결하는 접지면(310)에 패턴이 형성된 슬롯(Slot) 또는 슬릿(Slit)의 형태로 이루어져, 안테나 패턴과 패턴 사이의 접지면(310)에서 형성되는 전류 형태를 변형시켜 상호간의 간섭을 줄일 수 있다.

그라운드 패턴부(370)는 필터를 포함할 수 있으며, 일례로 대역 저지 필터(Band Stop Filter, BSF)를 포함할 수 있다.

연결 선로(360) 및 그라운드 패턴부(370)는 직선, 곡선, 요철 구조를 포함하는 임의의 기하학적 형태를 통해 기 설정된 격리 대역폭과 임피던스 대역폭을 나타나도록 배치될 수 있다.

그리고 연결 선로(360) 및 그라운드 패턴부(370)의 중간에 선택적 연결을 위한 스위치, 바이패스 대역 선택을 위한 필터, 지연 시간이나 위상 조절 또는 임피던스를 가변하는 튜너블 소자 중 하나 이상을 더 구성하는 것도 가능하다.

이와 같이, 복수의 안테나 간의 상호 영향을 최소화시키기 위해 복수의 디커플링 패턴부를 형성하여 듀얼 디커플링 구조를 구성하여 멀티 밴드를 구현할 수 있다.

기존의 안테나 장치에서는 복수의 안테나들의 주파수가 동일한 경우만 디커플링 구조가 가능하였지만, 복수의 안테나들의 주파수가 서로 다른 경우에도 듀얼 디커플링 구조를 형성함으로써 격리도를 향상시킬 수 있다.

여기서, 복수의 안테나들의 주파수가 다른 경우 안테나 패턴의 형상도 달라질 수 있으며, 접지면(310)에 슬릿을 형성하거나 패턴이 있는 슬롯을 형성하여 복수의 안테나들의 공진 주파수가 동일하거나 다른 경우에도 듀얼 디커플링 구조를 형성함으로써 격리도를 향상시킬 수 있다.

즉, 다중 격리도 특성을 가지는 MIMO 안테나 장치(300)는 안테나 방사체 및 안테나 접지면(310)의 형태를 변형 설계함으로써 안테나의 다중 격리도를 효율적으로 향상시킬 수 있다.

도 6은 일 실시예에 따른 다중 격리도 특성을 가지는 MIMO 안테나 장치를 휴대폰에 적용한 예 및 측정 결과를 나타내는 도면이다.

도 6을 참조하면, 예를 들어 DCN과 LTE B13의 대역의 데이터 수신단의 격리도(Isolation) 개선을 보여준다. 이 때, Multi-Stop Filter가 생성되어 격리도를 향상시킬 수 있다.

한편, 안테나 장치가 내장되는 휴대폰 등의 무선 통신 장치에는 복수의 안테나 장치를 포함할 수 있다. 예를 들어, 무선 통신 장치의 상단에는 WiFi 안테나 및 GPS(Global Positioning System) 안테나가 형성되고, 하단에는 2G/3G/LTE 안테나가 형성될 수 있다. 이러한 무선 통신 장치에도 본 실시예에 따른 다중 격리도 특성을 가지는 안테나 장치를 적용함으로써, 상호 간섭(Interference) 및 격리도(Isolation)를 개선시킬 수 있다.

다른 예로, 안테나 장치가 내장되는 휴대폰 등에는 LTE B4, B17 및 BT/WIFI및 MRD(GPS) 등의 복수의 안테나를 포함할 수 있다. 통신 단말기의 소형화를 구현하기 위한 안테나 장치의 소형화에 따라 복수의 안테나 소자들 사이에 전자기적 상호 결합(Coupling)이 발생하여 무선 통신 시스템의 성능 저하 문제가 발생할 수 있다. LTE 안테나 주위에는 MIMO용 안테나 장치외 GSM, DCS, PCS, WCDMA 영역의 안테나가 형성될 수 있다. MIMO 안테나 장치 간의 격리도 특성을 개선시키는 동시에 실질적으로는 주파수가 다른 GSM, DCS, PCS, WCDMA 안테나와의 간섭(Interference) 또는 격리도(Isolation)를 개선시킬 수 있다.

이상에서 본 실시예에 따른 다중 격리도 특성을 가지는 MIMO 안테나 장치는 두 개의 안테나를 기준으로 설명하였으나 앞에서 설명한 바와 같이 두 개 이상의 다중 안테나에서 적용이 가능하여 다중 격리도 특성을 가질 수 있다.

다시 말하면, 다중 격리도 특성을 가지는 MIMO 안테나 장치는 접지면, 상기 접지면과 연결되는 복수의 급전점, 상기 복수의 급전점과 각각 전자기적으로 결합되는 복수의 안테나 소자, 상기 복수의 급전점을 서로 연결하는 적어도 두 개 이상의 디커플링(Decoupling) 패턴부를 포함하고, 상기 디커플링 패턴부는 상기 복수의 급전점을 서로 연결하는 연결 선로 및 상기 복수의 급전점을 연결하는 상기 접지면의 적어도 일부가 제거되어 슬릿(Slit)이 형성되거나 패턴이 형성된 슬롯(Slot)이 형성되는 그라운드 패턴부를 포함할 수 있다.

이상과 같이 실시예들에 따르면 둘 이상의 다중 안테나 시스템에 있어서 다중 대역에서 복수의 급전점의 연결 또는 접지면의 형태를 변형하여 안테나 상호간의 격리도 특성을 향상시킴으로써, 안테나 상호간섭을 최소화하여 각각의 안테나 특성을 효과적으로 증대시키는 다중 격리도 특성을 가지는 MIMO 안테나 장치를 제공할 수 있다.

또한, 실시예들에 따르면 다중 안테나 상호 간의 아이솔레이션 특성을 향상시키고, 다중 안테나간 거리가 비교적 가깝게 설정되어도 양호한 아이솔레이션 특성을 확보할 수 있을 뿐만 아니라, 안테나 구조가 상호 비대칭적인 경우에도 적용 가능하며 다중 주파수 대역을 효율적으로 격리시킬 수 있다.

발명의 실시를 위한 형태

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims

안테나 장치에 있어서,
접지면;
상기 접지면과 연결되는 제1 급전점;
상기 접지면과 연결되는 제2 급전점;
상기 제1 급전점과 전자기적으로 결합되는 제1 안테나 소자;
상기 제2 급전점과 전자기적으로 결합되는 제2 안테나 소자; 및
상기 제1 급전점과 상기 제1 안테나 소자는 제1 안테나를 형성하고, 상기 제2 급전점과 상기 제2 안테나 소자는 제2 안테나를 형성하며, 상기 제1 안테나와 상기 제2 안테나를 서로 연결하는 적어도 두 개 이상의 디커플링(Decoupling) 패턴부
를 포함하는 안테나 장치.
제1항에 있어서,
상기 디커플링 패턴부는,
상기 제1 급전점과 상기 제2 급전점을 서로 연결하는 연결 선로; 및
상기 제1 급전점과 상기 제2 급전점을 연결하는 상기 접지면의 적어도 일부가 제거되어 슬릿(Slit)이 형성되거나 패턴이 형성된 슬롯(Slot)이 형성되는 그라운드 패턴부
를 포함하는 안테나 장치.
제2항에 있어서,
상기 연결 선로는,
대역 저지 필터(Band Stop Filter, BSF)를 포함하는 것
을 특징으로 하는 안테나 장치.
제2항 또는 제3항에 있어서,
상기 그라운드 패턴부는,
대역 저지 필터(Band Stop Filter, BSF)를 포함하는 것
을 특징으로 하는 안테나 장치.
제1항에 있어서,
상기 제1 안테나 소자와 상기 제2 안테나 소자는 서로 다른 형상으로 이루어져 동일하거나 서로 다른 공진 주파수를 가지며, CDMA, PCS, WCDMA, GPS, WiFi, LTE, 블루투스 대역 중 적어도 둘 이상의 대역을 지원하는 것
을 특징으로 하는 안테나 장치.
안테나 장치에 있어서,
접지면;
상기 접지면과 연결되는 제1 급전점;
상기 접지면과 연결되는 제2 급전점;
상기 제1 급전점과 전자기적으로 결합되는 제1 안테나 소자;
상기 제2 급전점과 전자기적으로 결합되는 제2 안테나 소자; 및
상기 제1 급전점과 상기 제1 안테나 소자는 제1 안테나를 형성하고, 상기 제2 급전점과 상기 제2 안테나 소자는 제2 안테나를 형성하며, 상기 제1 안테나와 상기 제2 안테나를 서로 연결하는 디커플링(Decoupling) 패턴부
를 포함하고,
상기 디커플링 패턴부는 대역 저지 필터(Band Stop Filter, BSF)가 형성되는 것
을 특징으로 하는 안테나 장치.
제6항에 있어서,
상기 디커플링 패턴부는,
상기 제1 급전점과 상기 제2 급전점을 서로 연결하는 연결 선로인 것
을 특징으로 하는 안테나 장치.
제6항에 있어서,
상기 디커플링 패턴부는,
상기 제1 급전점과 상기 제2 급전점을 연결하는 상기 접지면의 적어도 일부가 제거되어 슬릿(Slit)이 형성되거나 패턴이 형성된 슬롯(Slot)이 형성되는 그라운드 패턴부인 것
을 특징으로 하는 안테나 장치.
안테나 장치에 있어서,
접지면;
상기 접지면과 연결되는 복수의 급전점;
상기 복수의 급전점과 각각 전자기적으로 결합되는 복수의 안테나 소자;
상기 복수의 급전점을 서로 연결하는 적어도 두 개 이상의 디커플링(Decoupling) 패턴부
를 포함하고,
상기 디커플링 패턴부는,
상기 복수의 급전점을 서로 연결하는 연결 선로; 및
상기 복수의 급전점을 연결하는 상기 접지면의 적어도 일부가 제거되어 슬릿(Slit)이 형성되거나 패턴이 형성된 슬롯(Slot)이 형성되는 그라운드 패턴부
를 포함하는 안테나 장치.