KR100527077B1 - 광대역 송수신 안테나 및 접힌 테이퍼드 슬롯 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 넓은 주파수 범위에서 동작할 수 있는 안테나와 이를 다이버시티 안테나(diversity antenna)에 응용하는 것에 관한 것이다. 본 발명에서 제안하는 광대역 안테나의 기본형태는 테이퍼드 선로 안테나(tapered line antennas) 혹은 테이퍼드 슬롯 안테나(tapered slot antennas)의 길이를 줄여 놓은 것이다.

평행한 도선을 일정한 각도로 벌려 만든 영문자 V모양의 테이퍼드 선로 안테나(tapered line antennas)나 슬롯선로(slot line)의 슬롯 폭을 일정 각도로 벌려 슬롯이 영문자 V모양을 이룬 테이퍼드 슬롯 안테나(tapered slot antennas)는 광대역에서 동작이 가능한 안테나로 알려져 있지만, 전체적인 안테나의 길이가 과도하게 길어지는 단점으로 인해 응용 범위가 그리 넓지 않다. 본 발명에서는 이렇게 긴 안테나 중간부분을 접어 도선들 혹은 슬롯들이 영문자 W모양을 이루어 길이를 줄인 복사부와, W형 복사부 각 도선에 임의의 위상의 전류를 공급할 수 있도록 설계한 마이크로스트립 선로나 평행선로 등으로 급전부가 구성되는 것을 특징으로 하고 있다. 접는 과정을 여러 번 반복한다면 길이를 더욱 줄이는 것도 가능하다. 이렇게 만들어진 안테나들을 이하에서 접힌 테이퍼드 안테나(folded tapered antennas)라고 명명하겠는데 이들은 접힌 테이퍼드 선로 안테나(folded tapered line antennas)나 접힌 테이퍼드 슬롯 안테나(folded tapered slot antennas)로 구분할 수 있다.

또한 상기의 접힌 테이퍼드 안테나를 적어도 두 개 이상의 위치에 혹은 방향을 향하도록 배치하고, 이들 각각의 안테나에서 수신되는 전파신호를 각각 증폭하는 증폭부와, 증폭된 각각의 신호들의 상태를 감시할 수 있는 모니터링부와, 모니터링의 결과 최선이라고 판단되는 신호만을 선택하는 선택회로로 구성된다.

Description

광대역 송수신 안테나 및 접힌 테이퍼드 슬롯 안테나{Wideband transmitting/receiving antenna and Folded tapered slot antennas}

본 발명은 안테나에 관한 것으로 특히, VHF나 UHF 대역을 통해 방송되는 지상파 텔레비젼 신호를 가정이나 사무실 등의 실내에서 원활히 수신하기에 적당하도록 한 광대역 송수신 안테나 및 접힌 테이퍼드 슬롯 안테나에 관한 것이다.

텔레비전(이하, TV라 약칭 함)방송을 수신하는 안테나의 역할은 공중의 방송전파를 전류신호로 바꾸어 TV 수상기에 보내주는 일이다.

좋은 안테나란, 동일한 외부 전파환경으로부터 가장 큰 전류신호를 만들어내는 안테나를 일컫는다. 이러한 기준은, 기존의 아날로그 방송 방식이든 새로이 서비스를 개시하는 디지털 방송 방식이든 마찬가지이다.

그런데, 안테나로 받아들이는 전파신호의 세기와 관련하여, 기존 아날로그 수상기와 디지털 수상기는 수신 특성에 있어서 대단히 중요한 차이를 갖고 있다. 아날로그 수상기는 수신 전파신호의 세기가 약해지면, 화면이나 소리의 질이 그 세기에 따라 서서히 연속적으로 악화된다.

즉 눈 내리 듯 수많은 흰 점들이 화면을 채운다든지(snowy pictures), 화면 내의 물체가 여러 겹으로 겹쳐 보인다든지(ghosting) 하는 현상들이 전형적인 예이다.

그러나 디지털 수상기에서는 전파신호가 약해져도 화면이나 소리의 질이 전혀 악화되지 않는 최선의 상태를 유지한다. 이것은 디지털 방식이 갖고 있는 가장 큰 장점이기도 하다.

하지만, 전파신호의 세기가 계속 낮아져 적정수준 이하로 떨어지면 화면이나 음질은 극단적으로 악화되고 만다. 예를 들면 소리가 전혀 안 나온다거나, 화면의 동작이 어느 한 장면에서 멈춰 있다거나, 화면 한 부분 혹은 전부가 완전히 깨져 보이지 않게 되기도 한다.

아날로그 방식이나 디지털 방식을 막론하고, 다음과 같은 요건들을 잘 갖추고 있을 때 정상적인 방송 수신이 가능하다.

우선 첫째는 적정수준 이상의 수신신호 세기(received signal strength)를 확보해야 한다.

둘째는 적정수준 이상의 신호 대 잡음 비(signal-to-noise ratio)를 가져야 한다.

마지막으로 셋째, 다중경로(Multhpath) 수신 현상에 대한 극복 방안(freedom from multipath)을 미리 갖추고 있어야 한다.

이러한 요건들을 잘 갖추기 위해서 안테나는 어떤 역할을 할 수 있는지 혹은 어떻게 안테나를 설계해야 하는지를 설명하기로 한다.

방송국이 가까이 있다거나 방송국의 송출 전력이 세면, 자연히 수신신호 세기도 크다. 그러나, 일단 수신하고자 하는 방송국이 정해지면, 그 방송국의 송출전력, 방송국까지의 거리와 방향, 방송국 쪽으로 형성된 인공 혹은 자연적인 장애물들은 이미 결정된 요소들이어서 임의로 변경할 수 없게 된다.

그런데, 수신안테나의 형태나 위치 혹은 지향방향, 안테나로부터 수상기까지의 연결상태 등은 얼마든지 다르게 선택할 수 있다. 따라서 수신신호 세기를 키우기 위해 시청자가 할 수 있는 일은 주로 수신안테나에 대한 것이라고 말할 수 있다.

수신된 신호의 레벨은 잡음(noise) 레벨에 비해 되도록 커야 한다. 그래야만 잡음으로부터 신호성분을 손쉽게 분리해 낼 수 있기 때문이다.

잡음전력 레벨에 비해 신호의 전력 레벨이 몇 배인지 정량화 한 수치를 신호 대 잡음의 비(SNR, signal to noise ratio)라 하는데, 대부분의 경우 데시벨(dB) 단위로 환산하여 표시한다.

SNR을 키우기 위해서는, 수신신호의 레벨을 높이거나 잡음의 레벨을 낮추면 된다.

우선 잡음 레벨을 낮추는 방법을 살펴보자.

특별한 경우를 제외하면 잡음은 대개 주위 온도에 의해 결정된다. 이런 잡음을 열 잡음(thermal noise)이라고 하며, 열잡음의 전력레벨은 주변 온도와 사용하는 주파수 대역의 폭에 비례하여 커진다.

잡음레벨을 낮추기 위해서는, 주변의 온도를 낮추거나 사용주파수 대역폭을 줄여 주어야 한다. 주변의 온도를 낮추는 것은 냉각기 등을 이용하여 가능하긴 하지만 TV수신용 안테나와 수상기만을 위하여 별도의 냉각기를 설치한다거나 가동하는 일은 그리 바람직한 방법은 아니다.

그리고 사용주파수 대역폭은 방송방식에 의해 이미 정해진 요소이기 때문에 조정이 불가능하다. 다만 성능 좋은 대역통과필터(BPF : band pass filter)를 써서, 신호성분이 차지한 꼭 필요한 대역폭 이외의 주파수 성분들을 제거해 준다면, 열 잡음은 최소가 될 수 있다.

수신신호의 전력레벨을 높이는 방법을 알아보면 다음과 같다.

잡음 전력레벨은 주변온도나 주파수 대역폭이라는 거의 제어가 불가능한 요소들에 의해 결정되는 반면, 수신신호의 레벨은 수신안테나에 따라 얼마든지 달라질 수 있다. 이득이 높은 안테나를 선택하여 가장 강한 전파신호가 도래하는 위치와 방향으로 설치하면, 주어진 환경에서 가장 큰 신호전력을 안테나에 모을 수 있다. 일단 안테나에 모아진 신호전력을 TV수상기로 보내줄 때에도, 임피던스 정합(impedance matching)을 해 주어야만 최대의 전력 전달이 가능하다.

임피던스가 잘 정합되어 있어도 전송케이블을 통과하는 동안 케이블 자체의 흡수에 의해서 신호전력은 점점 줄어든다.

따라서 자체 전력흡수가 가능한 한 적은 케이블을 선택하여 사용해야 한다.

그러나, 아무리 좋은 케이블이라도 길이가 길어지면 전체적인 흡수손실이 커지는 것은 막을 수가 없다. 안테나 출력단자의 바로 뒤에 증폭기를 달아 신호레벨을 충분히 키워주면, 전송케이블에서 신호레벨의 감쇠가 있어도 TV수상기 입력단자에 도달하는 신호 전력레벨은 일정 수준 이상으로 유지할 수 있다. 다만, 증폭기 자체에서도 별도의 잡음이 생기기 때문에 신호 대 잡음 비(SNR)는 감소 즉 악화된다. 따라서, 증폭기는 내부 잡음 발생을 최소화 한 저잡음 증폭기(LNA, low noise amplifier)로 설계해 주어야 한다.

이제 다중경로(multipath) 수신으로 인해 생기는 문제의 극복 방법에 대해 설명한다. 방송국에서 발사한 방송전파는 가장 짧은 경로를 가로질러 수신안테나에 도달한다. 이 경로를 가시경로(line of sight : 이하 LOS 라 약칭 함)라고 한다.

만약 LOS 중간에 장애물이 있다면 이 경로로는 수신안테나에 전파가 도달할 수 없고, 다른 방향으로 발사된 전파들이 반사나 회절 과정을 거쳐 수신안테나에 도달하게 된다. LOS가 아닌 모든 경로를 비가시경로(none line of sight : 이하 NLOS라 약칭 함)라고 한다.

DTV의 수신위치는 대부분이 NLOS 환경이다.

그리고 LOS 환경이든 NLOS 환경이든 수신안테나에는, 중간에서 복잡하게 반사와 회절 과정을 거친, 무수히 많은 전파 경로를 통해 방송전파가 도래한다.

이를 다중경로(multipath) 수신이라고 한다. 아날로그 TV에서 수신경로가 여러 개 있으면, 각 경로별 수신신호 하나 하나가 수상기 화면에 나타나게 되어 여러 개의 그림이 겹쳐진 상태로 보이게 된다. 이를 고스트(ghosts)라 한다.

그러나 디지털 TV에서는 다중경로로 수신이 된다 해도 아날로그 TV에서처럼 고스트가 생기지는 않는다. 하지만 다중경로 현상이 심각해지면 신호의 수신자체가 아예 불가능해 진다. 또한 신호가 아무리 강하다 해도 심한 다중경로 환경에서는 수신불능상태에 빠질 가능성이 크다.

다중경로 수신으로 인해 발생하는 디지털 TV 수신장애는 지향성 안테나를 사용하여 극복할 수 있다. 지향성 안테나를 이용하면, 가장 강한 신호가 도래하는 방향으로만 전파를 수신하고 다른 방향으로부터는 전파를 수신하지 않기 때문에 여러 방향으로부터 신호가 도래한다 해도 수신기에는 하나의 신호만 입력된다.

위에서 기술한 바와 같이, 원활한 DTV 신호 수신을 위해서는 지향성 안테나가 필수적이다.

즉 지향성 안테나라야만 적정수준 이상의 수신신호 세기를 확보할 수 있고, 적정수준 이상의 신호 대 잡음 비도 확보할 수 있다.

지향성 안테나는 원하는 방향 이외에서 도래하는 다중경로 신호들이나 노이즈를 수신기에 받아들이지 않게 하는 역할을 하는 외에도, 지향성이 커질수록 안테나의 이득도 같이 커지기 때문에, 수신하는 신호전력의 레벨을 크게 할 수 있어 신호 대 잡음비 개선에도 효과적이다. 따라서 가능한 지향성이 높은 안테나를 수신안테나로서 이용하는 것이 바람직하다.

지향성이 높은 안테나를 DTV 수신안테나로 이용하려 할 때 일단 안테나의 크기가 가장 큰 문제가 된다. 특히 옥외에 설치하는 안테나가 아닌 실내 설치용 안테나는 크기나 형태에 크게 제약이 가해진다. 기존에 옥외 설치용으로 DTV 수신에 주로 이용하고 있는 안테나는 야기(Yagi) 안테나와 스택드 보우 타이 안테나(stacked bow-tie antenna)이다.

이 안테나들은 일단 모양이 입체적이고 크기가 크기 때문에 실내 설치용 안테나로서는 적합하지 않다. 실내용 안테나로서, 로그 피리오딕 안테나(log periodic antenna)가 이용되기도 하나, 역시 크기 때문에 여러 개를 배열해야 하는 다이버시티 안테나로는 응용이 쉽지 않다.

또한 실내에서의 전파환경은 시청자의 움직임에 따라 극단적으로 변화할 수 있다. 따라서 지향성이 좋은 안테나를 가장 강한 전파가 도래하는 방향에 맞게 설치한 후에도, 실내환경의 작은 변화나 특히 시청자들의 작은 움직임에 의해서도 전파 도래 방향은 쉽게 바뀔 수 있다. 다중경로 상태는 채널에 따라서도 완전히 달라질 수 있다.

따라서 제대로 된 DTV 수신용 실내 안테나라면 이러한 실내 전파환경 변화에 따라 지향성 방향을 언제든지 바꾸어 줄 수 있는 기능도 갖추고 있어야 한다.

이러한 기능을 제대로 갖추려면 일종의 스마트 안테나라 할 만한 수준으로 안테나를 설계하여야 한다.

그러나 안테나 하나 하나의 이득이나 지향성이 충분히 크다면 이러한 안테나를 여러 개 배치하고 각 안테나로부터 수신되는 신호의 세기를 비교하여 최적의 신호를 선택하여 수신기로 넘기는 방법만으로도 가능하다.

이것을 안테나 다이버시티 기술(antenna diversity)이라고 말할 수 있다.

디지털 TV 실내 수신환경에서는 여러 방향에서 방송신호가 도래하는 다중경로 현상이 문제가 되고 있으므로, 안테나 다이버시티도 이러한 상황에 맞게 선택되어야 한다.

이러한 상황에서 적용할 수 있는 안테나 다이버시티 방법은 전파 도래각 다이버시티(angle diversity)이다. 즉, 여러 개의 수신안테나를 서로 다른 방향을 지향하도록 설치한 다음, 각 안테나 수신 신호레벨을 비교하여 가장 큰 신호를 수신하는 안테나에 수신회로를 연결해 주는 방법을 의미한다. 이 때 안테나의 크기나 지향성 등에 따라 배열하는 안테나의 개수가 달라지겠지만, 2개 이상 수십 개까지도 가능하다. 지상파 방송 디지털 TV수신이 주목적이기 때문에, 안테나의 배열은 방위각 360도를 균등하게 나누어 배열하는 것을 기본적인 구성으로 할 수 있다.

만약 가장 기본적으로 2개의 지향성 안테나를 사용한다면, 하나는 0도에 다른 하나는 180도의 방위를 향하도록 배열하면 된다. 세 개라면 0도, 120도 및 240도에, 네 개라면 0도, 90도, 180도 및 270도에 각각 하나씩의 안테나를 놓으면 된다.

안테나의 개수가 많을수록 다이버시티의 효과는 커진다고 말할 수 있으나, 그럴수록 시스템 구성은 복잡하게 된다. 각 경우에 안테나 하나가 담당하는 수신방위각은 360도를 안테나의 개수로 나눈 만큼이 될 것이므로, 안테나 하나하나의 빔폭은 이에 맞추어 설계해 주어야 한다. 따라서, 안테나 개수가 적을 경우에는 안테나의 빔폭이 크게 되므로 안테나의 이득은 그리 크지 않을 것이다.

전방향 안테나(omnidirectional antenna)인 반파장 다이폴 안테나의 이득(2.15dBi)을 비교기준으로 삼는다면, 2소자, 4소자 및 8소자 안테나 다이버시티의 경우, 이상적으로는 각각 5.15 dBi, 8.15 dBi, 11.15 dBi 인 이득을 갖는 안테나들을 이용할 수 있다.

따라서 VHF나 UHF 대역을 통해 방송되는 지상파 DTV 신호를 가정이나 사무실 등의 실내에서 원활히 수신할 수 있도록 하는 수신안테나에 관한 연구가 진행 중에 있으나 현재로써는 지향성이 높은 DTV 수신용 안테나 특히 실내에서 사용하기에 적당한 안테나가 없는 실정이다.

본 발명의 목적은 이와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로 VHF나 UHF 대역을 통해 방송되는 지상파 DTV 신호를 가정이나 사무실 등의 실내에서 원활히 수신할 수 있고, 실내 전파환경 변화에 따라 지향성 방향을 언제든지 바꾸어 줄 수 있는 기능도 갖춘 광대역 송수신 안테나 및 접힌 테이퍼드 슬롯 안테나를 제공하기 위한 것이다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 특징에 따르면, 평행한 도선을 일정한 각도로 벌려 만든 영문자 V모양의 테이퍼드 선로 안테나의 중간부분을 접어 네 개의 도선들이 영문자 W모양을 이루도록 변형한 복사부와, 상기 W 모양의 복사부 각 도선에 임의의 위상의 전류를 공급하거나 수신할 수 있도록 설계한 도전 선로로 구성되는 급전부로 구성된다.

바람직하게, 상기 도전선로는 마이크로 스트립 또는 평행 선로 중 하나 이상으로 구성된다.

바람직하게, 상기 복사부와 급전부는 적어도 두 개 이상의 위치 혹은 방향을 향하도록 적어도 두 개 이상 배치된다.

바람직하게, 상기 광대역 송수신 안테나는 상기 각각의 복사부 및 급전부를 통해 수신되는 전파신호를 각각 증폭하는 증폭부와, 증폭된 각각의 신호들의 상태를 감시할 수 있는 모니터링부와, 모니터링의 결과에 따라 최적의 수신 신호를 선택하는 선택회로를 더 포함하여 구성된다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 특징에 따르면, 슬롯선로(slot line)의 슬롯 폭을 일정 각도로 벌려 슬롯이 영문자 V모양을 이룬 테이퍼드 슬롯 안테나(tapered slot antenna)에서 중간부분을 접어 슬롯의 윤곽이 영문자 W모양을 이루도록 변형되어 길이가 짧아진 두 개의 테이퍼드 슬롯 안테나가 옆으로 나란히 놓인 형태를 이룬 복사부와, 각각의 짧은 테이퍼드 슬롯 안테나의 폭이 좁은 쪽 끝에 붙여진 그 폭에 비해 수 배 내지 수백 배의 둘레길이를 갖는 부채꼴, 삼각형, 원형, 사각형 등으로 도체가 제거된 튜닝 스터브(tuning stub)와, 상기 테이퍼드 슬롯 안테나와 튜닝 스터브가 형성된 도체면을 접지면으로 하여 구성된 마이크로스트립 선로 급전부와, 상기 마이크로스트립 선로 급전부의 끝 부분을 두 갈래로 나누어 그 끝 부분들이 상기 W 형으로 배치된 두 개의 테이퍼드 슬롯 안테나의 상기 튜닝스터브와 연결되는 좁은 슬롯부분을 수직으로 가로지르도록 구성된다.

바람직하게, 상기 복사부와 급전부가 적어도 두 개 이상의 위치 혹은 방향을 향하도록 적어도 두 개 이상 배치된다.

바람직하게, 상기 접힌 테이퍼드 슬롯 안테나는 상기 각각의 복사부 및 급전부를 통해 수신되는 전파신호를 각각 증폭하는 증폭부와, 증폭된 각각의 신호들의 상태를 감시할 수 있는 모니터링부와, 모니터링의 결과에 따라 최적의 수신 신호를 선택하는 선택회로를 더 포함하여 구성된다.

본 발명의 다른 목적, 특성 및 이점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해 질 것이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 다이버시티 안테나를 설명하기로 한다.

본 발명을 설명하기에 앞서 평행 선로에 의해 급전되는 테이퍼드 선로 안테나를 간단히 설명하기로 한다.

도 1은 평행선로(parallel wires)에 의해 급전되는 테이퍼드 선로 안테나(tapered line antenna)를 나타낸 도면이다.

도 1에서는 평행선로를 일정한 각도로 벌려 만든 테이퍼드 선로 안테나(tapered line antenna)를 보여주고 있다.

이와 같은 테이퍼 구조는 전송선로의 임피던스를 자유공간의 임피던스에 자연스럽게 정합하기에 적당한 구조로써, 이러한 테이퍼 부분에 흐르는 전류에 의해 안테나의 오른쪽 공간으로 진행하는 전파가 생성된다. 따라서 테이퍼진 선로 부분을 안테나 복사부라고 부를 수 있다.

테이퍼드 선로 안테나는 일반적으로 광대역의 주파수 특성을 갖는다. 이때, 테이퍼의 경사가 완만하고 길이가 길수록 동작 주파수 대역은 넓어진다. 그런데 이러한 안테나는 광대역이라는 장점에도 불구하고 그 전체길이가 너무 길기 때문에 응용범위에 제약이 있었다.

본 발명에서는 이러한 테이퍼트 선로 안테나의 장점을 유지하면서 길이를 줄여 응용범위를 넓히기 위해 안테나의 복사부를 접는 방식을 제안한다.

테이퍼의 벌어진 V자 모양은 후술하는 도 6 및 도 7에 나타낸 바와 같이 반드시 직선이 아니어도 된다. 즉, 완만하게 휜 곡선으로 구성될 수도 있다. 이때 곡선의 곡율은 대개 지수함수 등으로 표현할 수 있다. 이 때 테이퍼의 벌어진 각도가 작을수록 정합(matching)이 잘 이루어지나 전체적인 안테나의 길이가 길어지는 단점이 있다. 그렇다고 길이를 짧게 하면서 테이퍼의 각도를 크게 한다면 정합의 달성은 어려워진다.

따라서 본 발명에서는 도 2에서 도시한 바와 같이 테이퍼의 중간을 한 번 접거나 혹은 도면에 도시하지는 않았지만 여러 번 접어, 길이가 줄어드는 효과를 취하면서도 정합이 원활히 될 수 있도록 한, 접힌 테이퍼드 선로 안테나(folded tapered line antennas)를 다이버시티 안테나의 기본 소자 안테나(element antenna)로 적용하고 있다.

도 2는 도 1에 나타낸 테이퍼드 선로 안테나의 길이를 줄이기 위해 기준선을 설정하여 한쪽으로 접는 과정을 설명하는 도면이다.

도 2에서는 도 1의 테이퍼드 선로 안테나의 길이를 줄이기 위하여 기준선을 정하여 접는(folding) 과정을 설명한다.

안테나 복사부 중 기준선의 왼쪽에 있던 부분이 오른쪽의 대칭되는 위치로 이동하여 전체안테나 복사부의 길이가 감소하였음을 알 수 있다.

도 3은 접힌 안테나가 접히기 전에 가졌던 안테나 복사특성을 유지시키기 위하여 안테나 복사부 각 부분에 공급되는 전류의 위상을 조절하도록 구성한 마이크로스트립(microstrip line) 급전선로를 갖춘 접힌 테이퍼드 선로 안테나(folded tapered line antenna)의 기본소자 안테나를 나타낸 도면이고, 도 4는 도 3에 나타낸 안테나의 상층부 도체패턴을 나타낸 도면이며, 도 5는 도 3에 나타낸 안테나의 하층부 도체패턴을 나타낸 도면이다.

도 3 내지 도 5의 기본소자 안테나(element antenna)는 다수개 도선으로 이루어진 안테나 복사부(10a,10b)와 급전부(11), 안테나 접지면(13) 및 도 6에 나타낸 다이버시티 선택 회로부(100)로 나누어진다.

도 6은 본 발명 제 1 실시예에 따른 다이버시티 안테나를 나타낸 도면이고, 도 7은 도 6에 나타낸 다이버시티 안테나의 상층부 도체패턴을 나타낸 도면이며, 도 8은 도 6에 나타낸 다이버시티 안테나의 하층부 도체패턴을 나타낸 도면이다.

본 발명 제 1 실시예에 따른 다이버시티 안테나는 도 1 내지 도 5를 참조하여 설명한 바와 같은 접힌 테이퍼드 선로 안테나(10)를 90°간격의 네 방향으로 빔(beam)이 향하도록 네 개의 접힌 테이퍼드 선로 안테나(10,20,30,40)를 일체화하여 구성한 것을 도시한 것이다.

이와 같은 네 개의 접힌 테이퍼드 선로 안테나(10,20,30,40)는 평행한 도선을 일정한 각도로 벌려 만든 영문자 V 모양의 테이퍼드 선로 안테나의 중간 부분을 접어 네 개의 도선들이 영문자 W 모양을 이루고 있음을 알 수 있다.

즉 이 경우 각각의 접힌 테이퍼드 선로 안테나(10,20,30,40)의 끝 부분은 이웃하는 접힌 테이퍼드 선로 안테나(10,20,30,40)와 서로 연결하여 안테나 상호간의 간섭을 최초 설계단계에서 고려할 수 있도록 하였다.

이와 같이 네 개의 안테나(10,20,30,40)에서 수신한 신호는, 도 15에 도시한 선택 회로부(100)에서 적절한 알고리즘을 통하여 선택된 후 급전부(11,21,31,41)를 통해 선택 회로부(100)에 전달된다. 이때 네 개의 안테나(10,20,30,40)를 통해서 신호를 수신할 뿐만 아니라 송신할 수도 있으며, 이때 급전부(11,21,31,41)를 통해 임의 위상의 전류를 공급하여 송신한다.

도 9는 본 발명 제 2 실시예에 따른 다이버시티 안테나의 기본 소자 안테나를 나타낸 도면이고, 도 10은 도 9에 나타낸 기본 소자 안테나의 상층부 도체패턴을 나타낸 도면이며, 도 11은 도 9에 나타낸 기본 소자 안테나의 하층부 도체패턴을 나타낸 도면이다.

도 9 내지 도 11은 도 1 내지 도 5에 도시한 접힌 테이퍼드 선로 안테나(folded tapered line antennas)의 변형된 모습인 접힌 테이퍼드 슬롯 안테나(folded tapered slot antennas)이다.

앞에서 설명한 바와 같은 도 1 내지 도 5 및 도 6 내지 도 8에 도시한 안테나(10,20,30,40)의 구성이 직선이나 곡선의 도선으로 구성되는 데 반해, 도 9 내지 도 11에서는 도체면의 일부에 홈을 낸 슬롯 선로(slot line)를 기본 구성 요소로 하고 있다.

접힌 테이퍼드 슬롯 안테나는 슬롯의 폭을 조금씩 벌려 나가면서 영문자 V 모양으로 형성하여, 슬롯 선로(slot line)와 자유공간과의 임피던스 정합을 이루도록 하는 구조를 취한 테이퍼드 슬롯 안테나(tapered slot antenna)에서 중간 부분을 한번 접는 형식을 취해 슬롯의 윤곽이 영문자 W 모양을 이루어도록 구성한 것이다.

도 9와 같이 한번 접힌 테이퍼드 슬롯 안테나(50,70)의 급전은 마이크로스트립 선로로 구성된 급전부(51, 51a)와의 결합을 통해 이루어지도록 구성할 수 있다. 이때, 급전부의 접지면(80)에는 부채꼴 모양의 튜닝 스터브(tuning stub)(90)가 구성되며, 급전부(51)의 마이크로스트립 선로(51a)는 튜닝 스터브(90) 위쪽의 좁은 슬롯부분(91)을 가로지르도록 구성한다.

도 12는 본 발명 제 3 실시예에 따른 다이버시티 안테나의 기본 소자 안테나를 나타낸 도면이고, 도 13은 도 12에 나타낸 기본 소자 안테나의 하층부 도체패턴을 나타낸 도면이다.

본 발명 제 3 실시예에 따른 기본 소자 안테나는 도 9 및 도 11에 나타낸 본 발명 제 2 실시예의 튜닝 스터브(90)의 형상에 비해 모양이 달라진 것인데, 도 9 및 도 11에 나타낸 튜닝스터브(90)의 형상과 부채꼴의 방향이 서로 반대로 놓이도록 한 것이다. 또한 도면상에 상세히 도시하지는 않았지만, 튜닝스터브(90)의 모양은 삼각형, 원형, 사각형 등의 다양한 형상으로 구성하여 테이퍼드 슬롯 안테나에 공급되는 전계세기가 최대가 되도록 조절해 주는 역할을 한다.

도 14는 본 발명 제 2 실시예에 따른 다이버시티 안테나를 나타낸 도면으로 도 9 내지 도 12에 나타낸 바와 같은 접힌 테이퍼드 슬롯 안테나(50)를 기본소자 안테나로서 90도 간격의 4방향으로 빔이 향하도록 구성된 것으로, 작용은 도 6 내지 도 8에 나타낸 본 발명 제 1 실시예에 따른 다이버시티 안테나와 유사하다.

도 15는 본 발명에 따른 다이버시티 안테나의 선택 회로부의 블록 구성도를 나타낸 도면이다.

도 15는 도 6 내지 도 8 및 도 14에 나타낸 본 발명 제 1, 제 2 실시예에 따른 다이버시티 안테나에서 수신한 수신 신호를 선택하기 위한 회로 구성을 나타낸 것으로, 네 방향으로 빔이 향하도록 네 개의 접힌 테이퍼드 선로 또는 접힌 슬롯 안테나에서 각각 수신한 신호의 세기를 비교하여 최적의 신호를 선택할 수 있도록 한 선택 회로(100)를 나타내고 있다.

우선 제 1 내지 제 4 안테나(10,20,30,40)와, 각각의 안테나에서 수신된 신호를 각각 증폭하는 복수개의 증폭기로 구성된 증폭부(150)와, 상기 증폭부(150)에서 증폭된 수신신호를 선택 스위치부(120) 및 모니터링 및 신호분석부(130)로 분배하는 분배기(110)와, 상기 분배된 신호를 모니터링 및 신호 분석하여 최적의 수신신호를 선택하는 모니터링 및 신호분석부(130)와, 모니터링 및 신호분석부(130)의 분석결과에 따라 분배된 수신신호 중 하나를 선택하는 선택 스위치부(120)와, 선택스위치부(120)의 출력신호를 디스플레이하는 TV 수신장치(140)로 구성된다.

여기서 모니터링 및 신호 분석부(130)는 복수의 수신신호를 설정된 시간 순서에 따라 스위칭하는 스위치부(131)와, 상기 스위치부(131)에서 스위칭된 수신신호에 대하여 동조하는 튜너부(132)와, 동조된 수신신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 변환부(133)와, 디지털 신호의 수신 신호를 분석하는 수신신호 분석부(134)와, 분석된 수신신호 중 최적의 신호를 선택하는 선택회로부(135)로 구성된다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.

따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허청구범위에 의하여 정해져야 한다.

본 발명에 따른 광대역 송수신 안테나 및 접힌 테이퍼드 슬롯 안테나는 블록킹(blocking)이나 다중경로 페이딩(multipath fading) 등으로 전파수신환경이 극히 열악한 가정이나 사무실 등의 실내에서, VHF나 UHF 대역을 통해 방송되는 지상파 디지털 TV 신호를 원활히 수신할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 평행선로에 의해 급전되는 테이퍼드 선로 안테나(tapered line antennas)를 나타낸 도면

도 2는 테이퍼드 선로 안테나의 길이를 줄이기 위해 기준선을 설정하여 한 쪽으로 접는 과정을 설명하는 도면

도 3은 본 발명 제 1 실시예에 따른 다이버시티 안테나의 기본 소자 안테나를 나타낸 도면

도 4는 도 3에 나타낸 기본소자 안테나의 상층부 도체 패턴을 나타낸 도면

도 5는 도 3에 나타낸 기본소자 안테나의 하층부 도체 패턴을 나타낸 도면

도 6은 본 발명 제 1 실시 예에 따른 다이버시티 안테나를 나타낸 도면

도 7은 도 6에 나타낸 다이버시티 안테나의 상층부 도체 패턴을 나타낸 도면

도 8은 도 6에 나타낸 다이버시티 안테나의 하층부 도체 패턴을 나타낸 도면

도 9는 본 발명 제 2 실시 예에 따른 다이버시티 안테나의 기본 소자 안테나를 나타낸 도면

도 10은 도 9에 나타낸 기본소자 안테나의 상층부 도체 패턴을 나타낸 도면

도 11은 도 9에 나타낸 기본소자 안테나의 하층부 도체 패턴을 나타낸 도면

도 12는 본 발명 제 3 실시 예에 따른 다이버시티 안테나의 기본 소자 안테나를 나타낸 도면

도 13은 도 12에 나타낸 기본소자 안테나의 하층부 도체 패턴을 나타낸 도면

도 14는 본 발명 제 2 실시 예에 따른 다이버시티 안테나를 나타낸 도면

도 15는 본 발명에 따른 다이버시티 선택 회로부의 블록 구성도

Claims (7)

1. 평행한 도선을 일정한 각도로 벌려 만든 영문자 V모양의 테이퍼드 선로 안테나의 중간부분을 접어 네 개의 도선들이 영문자 W모양을 이루도록 변형한 복사부와;

   상기 W 모양의 복사부 각 도선에 임의의 위상의 전류를 공급하거나 수신할 수 있도록 설계한 도전 선로로 구성되는 급전부로 구성되는 것을 특징으로 하는 광대역 송수신 안테나.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 도전선로는 마이크로 스트립 또는 평행 선로 중 하나 이상으로 구성됨을 특징으로 하는 광대역 송수신 안테나.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 복사부와 급전부는 적어도 두 개 이상의 위치 혹은 방향을 향하도록 적어도 두 개 이상 배치된 것을 특징으로 하는 광대역 송수신 안테나.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 광대역 송수신 안테나는 상기 각각의 복사부 및 급전부를 통해 수신되는 전파신호를 각각 증폭하는 증폭부와, 증폭된 각각의 신호들의 상태를 감시할 수 있는 모니터링부와, 모니터링의 결과에 따라 최적의 수신 신호를 선택하는 선택회로를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 광대역 송수신 안테나.
5. 슬롯선로(slot line)의 슬롯 폭을 일정 각도로 벌려 슬롯이 영문자 V모양을 이룬 테이퍼드 슬롯 안테나(tapered slot antenna)에서 중간부분을 접어 슬롯의 윤곽이 영문자 W모양을 이루도록 변형되어 길이가 짧아진 두 개의 테이퍼드 슬롯 안테나가 옆으로 나란히 놓인 형태를 이룬 복사부와,

   각각의 짧은 테이퍼드 슬롯 안테나의 폭이 좁은 쪽 끝에 붙여진 그 폭에 비해 수 배 내지 수백 배의 둘레길이를 갖는 부채꼴, 삼각형, 원형, 사각형 등으로 도체가 제거된 튜닝 스터브(tuning stub)와,

   상기 테이퍼드 슬롯 안테나와 튜닝 스터브가 형성된 도체면을 접지면으로 하여 구성된 마이크로스트립 선로 급전부와,

   상기 마이크로스트립 선로 급전부의 끝 부분을 두 갈래로 나누어 그 끝 부분들이 상기 W 형으로 배치된 두 개의 테이퍼드 슬롯 안테나의 상기 튜닝스터브와 연결되는 좁은 슬롯부분을 수직으로 가로지르도록 구성한 것을 특징으로 하는 접힌 테이퍼드 슬롯 안테나.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 복사부와 급전부가 적어도 두 개 이상의 위치 혹은 방향을 향하도록 적어도 두 개 이상 배치된 것을 특징으로 하는 접힌 테이퍼드 슬롯 안테나.
7. 제 5 항에 있어서, 상기 접힌 테이퍼드 슬롯 안테나는 상기 각각의 복사부 및 급전부를 통해 수신되는 전파신호를 각각 증폭하는 증폭부와, 증폭된 각각의 신호들의 상태를 감시할 수 있는 모니터링부와, 모니터링의 결과에 따라 최적의 수신 신호를 선택하는 선택회로를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 접힌 테이퍼드 슬롯 안테나.