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CDMA 휴대전화용 초소형 칩 안테나


자료집필/제공: 국제테크노정보연구소
관련자료안내: 이동통신 안테나 시스템

모바일 기기의 대표적인 것이라고 할 수 있는 휴대전화는 메일 기능, 카메라 기능의 탑재는 물론, 동영상의 송수신이 가능한 기능까지도 탑재되고 있다. 부가기능이 증가하면 기기의 사이즈를 소형 경량으로 유지하기 위해 당연한 일이지만, 각 부품의 경량 소형화가 요구된다. 현재 일반적으로 채용되고 있는 휩 안테나는 케이스내의 공간을 차지하고, 또한 디자인의 제약도 받게 된다. 이것을 해결하기 위해, CDMA 휴대전화의 메인 안테나로 사용할 수 있고, 케이스에 내장 가능한 900MHz대의 고성능 초소형 안테나 개발 사례를 소개한다.

서 론

이동통신에 사용되는 휴대전화 단말용 안테나는 휩 안테나로 대표되는 외부 안테나이며, 공진파장에 대응한 길이의 것이 사용되고 있다. 이 휩 타입은 격납 공간을 확보할 필요가 있으며, 그 때문에 배터리의 크기나 회로기판 등의 크기에 제약을 주고 있다. 휴대전화의 폭발적인 보급으로 고기능화 및 디자인이 다양화되고 있는 상황에서 금후, 휴대전화의 중요한 구성부품인 메인 안테나는 소형이면서 당연히 저비용인 것이 요구되고 있다.
본고에서는 휴대전화의 고기능화에 수반하여 소형, 저비용의 안테나 요구에 대해, 글로벌 대응의 CDMA 기기용 안테나를 선택하여 오랜 연구 끝에 유전체 열가소성 재료와 고도전율, 고강도 리드프레임 구리재료를 코어 기술로서 초소형 칩 안테나의 개발에 성공한 古河電工(주)의 기술자료를 토대로, 이 초소형 칩 안테나의 특징을 소개한다. 이 안테나는 유전체에 고기능 수지재료를 사용한 것이 특징이며, 양산성, 장기 신뢰성이 뛰어난 것을 확인했다.

요구 특성에 대한 과제와 해결책

주된 과제로는 아래와 같은 2가지 사항이 있다.

소형·박형 안테나일 것
소형화를 실현하기 위해서는 최적한 비유전율을 갖는 수지의 개발 및 방사도체를 어떻게 컴팩트화하고 원하는 주파수에 대응할 것인지가 과제이다.
이 회사는 CDMA 기기의 사용 대역인 800MHz~900MHz대에 최적한 재료를 검토했다. 게다가, 구리합금제 리드프레임을 섬세한 파인피치(fine pitch) 형태로 프레스 가공하여 방사도체를 성형, 수지내에서 3차원 형상으로 구성함으로써 안테나 선로를 단축시켜 소형이면서 원하는 주파수에 대응시키는 데에 성공했다. 또, 안테나의 방식으로 모노폴형 안테나를 선택함으로써 소형 고성능을 실현할 수 있었다.
개발한 이 안테나는 상기와 같이, 안테나 패턴이 되는 구리도체를 3차원으로 구성하고, 열가소성의 수지에 의해 샌드위치되어 있기 때문에, 박형으로 고강도를 가지고 있어, 휴대전화의 낙하에도 충분한 내성을 가지고 있다.

주위 조건에 의한 공진주파수 변동의 저감
폴더타입(접이형)에서는 Open할 때와 Close할 때의 주파수 변동을 적게 할 필요가 있다. 특히 모노폴 안테나는 금속 케이스나 기판 형상, 그라운드와의 거리에 의해 공진주파수나 임피던스가 변동한다. 폴더타입의 Open 상태와 Close 상태에서 안테나 주위의 케이스 환경이 바뀜에 따라, Close 상태에서 공진주파수가 Open 상태일 때와 비교하여 더 높아지는 현상이 발생한다.
이러한 영향을 받기 어려운 장소나 주위의 변화에 둔감하도록 즉, 고립 특성이 높은 안테나를 설계할 필요가 있으며, 또한 사람의 머리나 손가락이 안테나 근방에 있는 경우에서도 성능을 유지할 필요가 있다. 이들을 만족시키기 위해 시뮬레이션 기술을 구사하여 검토했다.
모멘트법의 전자계 해석에 의한 안테나 특성 시뮬레이션을 이용하여 설계함으로써 신규 안테나의 개발시간을 대폭 단축하고 있다. 또, 안테나뿐만 아니라, 주위의 영향을 모델화함으로써 케이스 설계에서의 신속한 고객 대응도 가능하게 된다.
모멘트법은 적분방정식을 discrete하여 푸는 방법의 하나이며, 단시간에 정확한 해를 얻을 수 있다. 해석에서는 금속도체 모델을 자유도가 높은 다각형으로 디스크리트하여 맥스웰 방정식에 의해 모델상의 전류분포를 계산한다. 구한 전류분포에 근거하여, 반사-주파수 특성, 방사 패턴 등, 안테나 평가에 필요한 계산결과가 얻어진다. 특히, 근년 요구가 높아지고 있는 멀티밴드 안테나, 초광대역 안테나를 비롯하여, 지향성 제어 등의 부가가치가 높은 제품의 개발에는 시뮬레이션 기술은 필수로 되어 있다.
시뮬레이션의 실시 예를 그림 1, 2, 3에 나타낸다. 또, 이것을 이용하여 실시한 폴더 타입의 Open 상태와 Close 상태에서의 공진주파수 차의 개선 결과를 그림 4, 5에 나타낸다. 그림 4는 개선 전이고, 그림 5는 개선 후이다. 시뮬레이션 검토에 의해 주위의 조건에 의한 공진주파수 변동의 저감을 실현시킬 수 있었다.

칩 안테나의 특징

이하, 이번에 개발한 안테나의 특징에 대해 자세히 설명한다.

안테나 구조
 그림 6에 외관을, 그림 7에 외형 치수를 나타낸다. 일반적으로 안테나의 사이즈는 4분의 1파장의 크기를 필요로 하고 있지만, 개발품의 안테나는 20분의 1파장 사이즈를 실현하고 있다. 4.8mm×16.4mm×1.5mm 크기의 안테나 치수를 실현시켰다.
채용한 구조 부재는 다음과 같다.
안테나의 효율을 높이기 위해서는 안테나 방사회로의 도전율을 높일 필요가 있다. 이것을 실현하기 위해, 도체에는 고도전율의 리드프레임 구리재료를 채용하고, 안테나 자체의 내구성 향상을 위해, 섬세한 안테나 방사도체가 유전체 수지로 덮은 구조를 채용하고 있다. 리드 단자는 J리드 방식을 선택하여 더욱 컴팩트한 표면실장의 요청에 대응했다. 그리고, 근년, 세계적으로도 환경문제가 대두되고 있는데, 전자부품에 있어서도 당연히 고려되어야 할 과제라고 생각한다. 따라서, 단자부의 도금에 관해서는 이러한 환경 문제에 대응하여 무연납(Pb less solder)화를 실현하고 있다.

칩 안테나의 제조 공정
이번에 개발한 안테나의 제조 방법에 대해 설명한다.
리드프레임으로부터 수지의 인서트 성형, 완성품까지 후프 모양의 reel to reel에서의 연속제조가 가능한 제법으로 되어 있다. 자세한 사항은 다음에 언급한다.
우선, 리드프레임의 제작인데, 재료는 古河電工(주)의 독자적 재료인 고도전율, 고강도의 구리재를 사용하여 이것을 프레스 펀칭으로 미세한 방사도체를 가공한다. 프레스 가공의 펀칭 정밀도는 매우 높아서 안정된 형상을 얻을 수 있으며, 양산성에도 우수하다.
이렇게 해서 작제한 리드프레임을 성형 금형에 연속 인서트하고, 사출 성형에 의해 유전체 열가소성 수지를 피복해 간다. 이 수지는 수축률이 낮고, 사출 성형의 치수 안정성과 잘 정합되어 최종제품으로서의 치수 안정성을 높이는데 기여하고 있다.

전파 특성
 이 안테나의 전파 특성에 대해 설명한다.
안테나 전파 특성의 측정 결과인데, 그림 8에 측정에 사용한 기판, 패턴, 매칭회로와 안테나의 배치상태를 나타낸다. 이 기준기판을 사용하여 VSWR을 측정한 결과를 그림 9에 나타낸다. VSWR=2일 때의 대역은 50MHz이며, 극소 사이즈인 것을 생각하면 광대역이라고 할 수 있다.
다음에, 이득 및 지향성 측정 결과를 그림 10에 나타낸다. 평균이득이 높고, 또한 무지향성이며, 사용에 대해 충분히 만족할 수 있는 안테나인 것을 확인할 수 있다.

신뢰성 평가

본 안테나의 신뢰성 평가 결과에 대해 설명한다.
평가 조건을 표 1에 나타낸다. 저온 방치, 고온 방치, 고온고습 방치, 열충격, 염수 부식시험으로 5가지 조건에 대해 실시했다. 또한, 각 시험은 시험 투입전의 처리로서 85℃/85% RH×168hr에서의 흡습 처리후, 230℃ 이상 30~40sec/피크 250℃ 이상의 리플로 처리 3회를 실시했다.
평가결과를 표 2에 나타낸다. 전파 특성의 측정은 간이적으로 측정이 가능한 독자적인 전용기구(암상자)를 이용하여 실시했다. 표에 나타낸 바와 같이, 초기값에 대한 시험후의 변화가 거의 없고, 충분한 신뢰성을 확보하고 있다는 것이 확인되었다. 또한, 샘플의 초기 특성은 아래에 나타낸 바와 같다.
평균 공진주파수: 903MHz
평균대역(VSWR=2): 100MHz 이상

종 론

고기능 및 소형·경량이 요구되고 있는 휴대전화기에 공간을 차지하지 않고 케이스 설계에 자유도가 있도록 내장화가 가능한 관점에서 CDMA 기기용 칩 안테나를 개발했다. 수지 성형재료의 검토와 리드프레임의 3차원 구조를 채택함으로써 극소 사이즈를 실현하고, 또한 장기간에 걸쳐 신뢰성이 뛰어난 것을 확인했다. 향후, 이번과 같은 제법으로, 듀얼, 트리플 등, 멀티밴드의 안테나 등을 개발하여 상품화시켜 나갈 예정이다.
 

 

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