KR101172221B1 - 디지털 텔레비전 방송 수신용 무지향성 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 극초단파(UHF : Ultra High Frequency) TV 방송대역에서의 무지향성(Omni-directional) 방사특성을 갖으며, 360도 전 방향에 대해 거의 동일한 이득을 갖는 디지털 텔레비전 방송 수신용 무지향성 안테나에 관한 것으로써,
안테나 소자 및 급전선으로 이루어지는 더블릿 다이폴 안테나(doublet dipole antenna) 4개를 4방향으로 배치하여 구성하되, 상기 각 더블릿 다이폴 안테나의 안테나 소자는 중심을 기준으로 동심원을 이루는 형태를 갖도록 구성되며, 각 더블릿 다이폴 안테나의 급전선을 병렬로 결선함으로써, 360도 전방향의 균일한 이득을 갖도록 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명을 적용하면 UHF TV 방송대역에서 VSWR 값이 2.0:1 이하 값을 갖는 광대역의 대역폭(Bandwidth)을 달성할 수 있으며, 송신소가 여러 곳에 산재되어 있는 경우에도 어느 방향으로부터 도래하는 신호라도 거의 같은 이득으로 수신할 수 있게 되는 효과가 있다.
또한, 선박에 설치하는 경우에도, 송신소의 위치에 상관없이 선박이 이동하면서 디지털 방송을 수신할 수 있게 되는 효과가 있다.

Description

디지털 텔레비전 방송 수신용 무지향성 안테나{OMNI-DIRECTIONAL ANTENNA FOR DTV BROADCASTING RECEPTION}

본 발명은 디지털 텔레비전 방송 수신용 무지향성 안테나에 관한 것으로, 보다 상세하게는 4개의 더블릿 다이폴 안테나(Doublet dipole Antenna)를 4개 방향으로 구성하여, 극초단파(UHF : Ultra High Frequency) TV 방송대역에서의 무지향성(Omni-directional) 방사특성을 갖으며, 360도 전 방향에 대해 거의 동일한 이득을 갖는 디지털 텔레비전 방송 수신용 무지향성 안테나에 관한 것이다.

우리나라는 1998년부터 디지털방송 전환을 검토하여, 2001년 지상파 디지털 TV방송이 국내 처음으로 시험방송이 시작되었으며, 2012년 12월 아날로그 TV방송을 중단하고 디지털 TV방송으로 전환할 계획이다.

또한 해외 각국에도 지상파 디지털 TV방송으로 전환이 완료되었거나 전환계획이 진행되고 있어 디지털 TV 방송수신용 안테나 수요도 꾸준히 늘어나는 추세에 있다.

일반적인 지상파 디지털 방송 서비스를 위한 시스템은, 방송센터, 송출센터, 송신소, 중계소, 수상기로 이루어진다. 상기 방송센터에서는 프로그램을 송출센터로 전송하고, 상기 송출센터가 지상의 송신소를 통해 방송 신호를 송출하며, 필요한 경우 중계소가 상기 송신소로부터 송출 신호를 받아 이를 재전송하면, 수상기를 이용하여 방송 신호를 수신하게 된다.

상기 수상기에는 방송신호의 수신을 위한 안테나가 구비되는데, 종래 기술에 따른 지상파 디지털 방송 수신 안테나는 특정방향으로 지향성을 가지고 있기 때문에 송신소 방향으로 안테나의 위치를 조정하여야 하는데 전문가가 아닌 일반 사용자의 경우에는 그 조정이 쉽지 않고, 더구나 송신소가 위치한 방향을 정확히 알지 못하므로 안테나 방향을 설정하는데 어려움이 있었다. 즉, 방송사별로 방향에 따라 다수의 안테나를 설치해야 하거나 안테나의 방향을 정하는데 어려움이 있다.

또한, 이동성이 보장되어야 하는 선박이나 차량에서 TV방송을 수신하기 위해서는 무지향성 안테나가 필수적으로 요구된다.

기존의 지상파 무지향성 TV 안테나는 대다수 선박용으로 사용되고 있는데, 안테나 가격이 높아 쉽게 사용하는데 걸림돌이 되고 있다. 또한 TV 방송에 사용되는 전파의 방사형식이 수평편파로 방사되고 있을 뿐만 아니라 대역폭이 넓어 무지향성 안테나를 개발하고 생산하는데 어려움 있으며, 더불어 수요도 적어 대다수 해외 제품을 이용하고 있다. 우리나라의 경우, 근해를 항해하는 선박들은 무료시청이 가능한 지상파 TV방송 시청을 가장 선호하고 있다. 물론 위성방송을 이용할 수 있으나 설치비용이 높고 시청료를 납부해야 하는 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출 된 것으로서, 그 목적은 더블릿 다이폴 안테나를 4방향으로 배치하여 360도 전 방향에서 동일한 이득 값과 수평편파 방사패턴(Radiation pattern) 특성을 갖도록 구현한 디지털 텔레비전 방송 수신용 무지향성 안테나를 제공하는데 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 안테나 소자 폭, 소자의 간격 및 급전선 간의 간격 등을 최적화하여 470MHz~806MHz 대역의 광대역 특성을 갖도록 구현한 디지털 텔레비전 방송 수신용 무지향성 안테나를 제공하는데 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 주된 특징에 따르면, 안테나 소자 및 급전선으로 이루어지는 더블릿 다이폴 안테나(doublet dipole antenna) 4개를 4방향으로 배치하여 구성하되, 각 더블릿 다이폴 안테나의 급전선을 병렬로 결선함으로써, 360도 전방향의 균일한 이득을 갖도록 하는 것을 특징으로 하는 디지털 텔레비전 방송 수신용 무지향성 안테나를 제공한다.

이때, 본 발명의 부가적인 특징에 따르면, 상기 각 더블릿 다이폴 안테나의 안테나 소자는 중심을 기준으로 동심원을 이루는 형태를 갖도록 구성되는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 다른 부가적인 특징에 따르면, 상기 각 더블릿 다이폴 안테나의 급전선은 평행2선식의 300오옴(Ω)의 임피던스를 갖으며, 상기 각 급전선이 병렬로 결선되어 결선된 중심부는 75오옴(Ω)의 임피던스를 갖는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 다른 부가적인 특징에 따르면, 상기 각 안테나 소자의 길이는 125(mm), 안테나 소자의 폭은 7.1~9.4(mm), 안테나 소자의 간격은 19.0~20.1(mm), 급전선의 간격은 20.7(mm), 급전선의 길이는 162.7(mm), 급전선의 폭은 3.4(mm)로 이루어지되, 안테나 소자 및 급전선의 재질특성과 구조에 의해 10%의 범위에서 조정될 수 있다.

본 발명에 따른 디지털 텔레비전 방송 수신용 무지향성 안테나는, 4개의 더블릿 다이폴 안테나(Doublet dipole Antenna)를 4개 방향으로 구성함으로써 UHF TV 방송대역에서 VSWR 값이 2.0:1 이하 값을 갖는 광대역의 대역폭(Bandwidth)을 달성하였으며, 지상파 디지털 방송 주파수 대역에 균일한 이득을 나타내는 효과가 있다.

본 발명에 의한 디지털 텔레비전 방송 수신용 무지향성 안테나는 360도 전 방향에 대해 균일한 방사특성을 갖기 때문에 송신소가 여러 곳에 산재되어 있는 경우에도 어느 방향으로부터 도래하는 신호라도 거의 같은 이득으로 수신할 수 있게 되는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 의한 디지털 텔레비전 방송 수신용 무지향성 안테나를 해상을 이동하는 선박에 설치하는 경우에도, 송신소의 위치에 상관없이 선박이 이동하면서 디지털 방송을 수신할 수 있게 되는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 기술적 사상에 의한 설계기법을 응용하면 범용의 다른 주파수 대역의 무지향성 안테나를 쉽게 설계할 수 있게 되는 효과가 있으며, 안테나 구조가 간편하여 기존의 선박용 무지향성 TV 안테나에 비해 저렴하고 간편한 고품질의 안테나를 생산할 수 있게 되는 효과가 있다.

도 1은 일반적인 더블릿 다이폴 안테나의 형태 및 방사패턴을 나타내는 도면이고,
도 2는 일반적인 더블릿 다이폴 안테나의 구조를 나타내는 도면이고,
도 3은 도 2에 도시된 더블릿 다이폴 안테나의 전압정재파비(VSWR) 특성을 나타내는 그래프이고,
도 4는 본 발명에 적용되는 평행 2선식 급전선의 구조를 나타내는 도면이고,
도 5는 평행 2선식 급전선을 4방향으로 배치하여 중심에서 병렬로 결선한 구조를 설명하기 위한 도면이고,
도 6은 상기 도 5의 안테나에 대하여 측정한 전압정재파비(VSWR)의 그래프이고,
도 7의 상기 도 5의 안테나에 대하여 측정한 방사 패턴도(Radiation Pattern)이고,
도 8은 본 발명에 의한 디지털 텔레비전 방송 수신용 무지향성 안테나의 구조를 나타내는 입체도이고,
도 9는 도 8의 안테나에 대한 정면도이고,
도 10은 도 8의 안테나에 대한 평면도이고,
도 11에 도 8의 안테나에 대한 등가회로도이고,
도 12는 도 8의 안테나에 대하여 측정한 500MHz 주파수에서의 방사 패턴도이고,
도 13은 도 8의 안테나에 대하여 측정한 600MHz 주파수에서의 방사 패턴도이고,
도 14는 도 8의 안테나에 대하여 측정한 700MHz 주파수에서의 방사 패턴도이고,
도 15는 도 8의 안테나에 대하여 측정한 전압정재파비(VSWR)의 그래프이고,
도 16 및 조 17은 도 8의 안테나에 케이스를 씌워 제작한 예를 나타내는 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 디지털 텔레비전 방송 수신용 무지향성 안테나의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

국제적으로 지상파 디지털 TV 방송용 주파수는 극초단파 대역(470MHz ~860MHz)을 이용하고 있으며, 국가별 사용주파수는 약간의 차이가 있으나 모두 이 주파수 내에서 사용되고 있다. 우리나라의 경우 470MHz~698MHz 대역을 기준으로 정하고 있으나, 한시적으로 470MHz~806MHz 대역을 이용하고 있다.

따라서 본 발명의 적용주파수를 470MHz~806MHz로 정하고 전압정재파비(VSWR : Voltage Standing Wave Ratio) 특성을 2.0 이하의 범위를 안테나 사용 대역폭으로 정하였다.

본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기에 앞서 일반적인 더블릿 다이폴 안테나에 대하여 설명하고자 한다.

첨부도면 도 1은 더블릿 다이폴 안테나의 기본구조와 방사패턴을 나타내며, 도 2는 일반적인 단파대역(High Frequency band)에 사용되는 더블릿 다이폴 안테나의 구조를 나타내는 도면이다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 더블릿 다이폴 안테나는 안테나 양 소자의 중앙에 급전하며, 안테나 실효길이(L)는 사용 주파수에 반비례하며, 간단한 설계와 제작이 가능한 장점이 있으나 대역폭이 협소한 단점이 있다. 이때, 평행 2선식 급전선을 사용할 경우 급전선 임피던스는 300오옴(Ω)으로 구현되는데, 4:1 밸룬(Balun)을 이용하여 75Ω 임피던스로 사용된다.

국내의 경우 디지털 TV방송의 주파수(UHF 대역)는, 최저 주파수 470 MHz, 최고 주파수 806 MHz, 중앙 주파수 638 MHz 로서 470~806 MHz의 범위를 갖고 있으며, 더블릿 다이폴 안테나의 주파수 대역의 중앙주파수를 기준으로 안테나 소자의 실효길이를 정하게 된다.

즉, 중앙주파수를 기준으로 더블릿 다이폴 안테나의 소자의 길이(L)를 산출한다. 일반적으로 더블릿 다이폴 안테나의 소자의 길이(L)는 중앙주파수의 파장(λ)을 이용하여 계산할 수 있다.

결국, 구현하고자 하는 더블릿 다이폴 안테나의 중앙주파수 638 MHz를 기준으로 반파장 더블릿 다이폴 안테나 길이는 하기의 수식에 의하여 계산된다.

본 출원인의 실험결과 상기 수식에 의한 계산 결과 값을 이용하여 안테나 실효길이를 갖는 더블릿 다이폴 안테나의 전압정재파비(VSWR) 데이터는 도 3에 도시된 바와 같았다.

결국, 도 3에 보이는 바와 같이, 목표 주파수인 638MHz 근처 대역에 정합되어 있으나, 전압정재파비(VSWR) 2.0:1을 만족하는 범위가 좁음을 알 수 있다.

디지털 방송 수신용 안테나의 설계를 위하여 종단 임피던스는 디지털 TV 방송 수신기의 임피던스에 정합(Matching) 되어야 한다. 따라서, 종단 임피던스는 75Ω으로 정합한다. 종단 임피던스 75Ω에 정합시키기 위해 300Ω의 임피던스를 갖는 평행 2선식 급전선(Feeder Line)을 적용한다.

본 발명에 적용되는 평행 2선식 급전선은 2개의 도선을 동일 간격 D만큼 이격하여 평행하게 하는 급전방식이며, 구조는 도 4에 도시된 바와 같다.

도 4에 도시된 바와 같은 구조를 가진 평행 2선식 급전선은 동일한 간격과 길이를 가지며 평행하기 때문에 일정한 임피던스를 유지할 수 있으며, 급전선의 임피던스(Zf)는 급전선 사이의 거리(D), 급전선 지름(d), 도선 주위의 유전율(εr)에 의해 정해지며, 일반적 계산식은 다음과 같다.

일반적으로 공기를 기준으로 적용할 경우 (

)

상기와 같은 계산식을 이용하여 급전선 임피던스 300Ω을 만들기 위한 두 급전선 사이의 거리(D), 급전선 지름(d)의 비율을 구할 수 있다.

즉, 급전선 사이 간격과 급전선 지름과의 비를 약 6 이 되도록 구현하여, 임피던스를 300Ω으로 설정할 수 있다. 한 예로, 안테나 급전선 지름을 3mm로 고정할 경우 두 급전선 사이의 간격(D)은 약 18mm 임을 의미한다.

본 출원인은 상기와 같은 각 계산 결과 값을 적용하여 평행 2선식 급전선을 4방향으로 배치하여 중심에서 병렬로 결선함으로써 도 5에 도시된 바와 같은 구조를 갖는 무지향성 안테나를 제작하여 실험하였다.

상기 도 5에 도시된 무지향성 안테나를 측정한 바 도 6의 전압정재파비(VSWR) 그래프와, 도 7의 방사 패턴도(Radiation Pattern)의 결과를 얻었다. 상기 도 6 및 도 7에 보이는 바와 같이 측정결과 470MHz부터 780MHz까지의 대역에 매칭이 가능함을 확인할 수 있었으며, 방사패턴을 측정한 결과 완전한 무지향성은 보이지 않음을 알 수 있었다.

상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 본 출원인은 안테나 중심을 기준으로 동심원을 갖도록 안테나 소자의 형태를 도 8 내지 도 10에 도시된 바와 같이 변형하였다.

상기 도 8 내지 도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명의 디지털 텔레비전 방송 수신용 무지향성 안테나는 안테나 소자의 형태가 동심원을 이루며, 평행 2선식 급전선이 중심에서 커넥터(75ohm F-Connector)로 연결되어 4개의 더블릿 다이폴 안테나가 병렬로 결선되는 구조를 갖으며, 도 11에 도시된 바와 같은 등가회로로 표현될 수 있다.

본 발명의 디지털 텔레비전 방송 수신용 무지향성 안테나를 구성함에 있어서 급전선 및 안테나 소자의 단면이 원형이 아니라 직사각형을 갖도록 설계될 수 있다.

도 8 내지 도 10에서 평행 2선식 급전선의 폭(t)이 2~5(mm)일 경우에, 급전선 간격(D)에 대한 급전선 지름(d)의 비인 "D/d = 6"에 적용하면 급전선 간격(D)은 12~30(mm)의 결과를 얻을 수 있다.

이때, 급전선 재질의 특성과 구조 등을 고려하여 급전선의 간격(D)을 변화하며 전압정재파비(VSWR) 값이 최적인 급전선 간격(D)을 측정한 결과, 약 20mmㅁ10% 범위에서 전압정재파비(VSWR) 2.0:1 매칭 결과를 얻을 수 있었다.

본 발명에 의하여 4개의 더블릿 다이폴 안테나를 이용한 무지향성 안테나의 주파수 범위는 470MHz~806MHz이며, 이때 실험에 의해 산출된 최적 실험값과 실험식은 다음의 표와 같다. 다만, 안테나 소자 및 급전선 소자의 재질특성과 구조에 의해 10% 정도의 범위에서 최적화된 결과를 나타낼 수 있다. 여기서 소자의 재질은 동, 알루미늄, 스테인리스 및 전자회로기판(PCB) 등을 의미한다.

본 출원인이 다수의 실험 결과 상기 표에서 보이는 바와 같이, 기준 주파수(F)가 638(MHz), 주파수의 파장(λ)이 470(mm), 급전선 간격/폭(D/t)이 6.1 일 때 안테나 소자의 전체길이(L)는 235(mm), 안테나 소자의 길이(

)는 125(mm), 안테나 소자의 폭(T)은 7.1~9.4(mm), 안테나 소자의 간격(s)은 19.0~20.1(mm), 급전선 간격(D)은 20.7(mm), 급전선 길이(r)는 162.7(mm), 급전선 폭(t)은 3.4(mm)로 하였을 때 최적의 특성을 나타냄을 알 수 있었다.

본 출원인은 상기와 같은 구조의 본 발명에 의한 디지털 텔레비전 방송 수신용 무지향성 안테나에 대하여 500MHz, 600MHz, 700MHz의 주파수 별로 방사 패턴을 측정한 결과 도 12 내지 도 14에 도시된 바와 같이 거의 원형에 가까운 방사 패턴도를 얻었다.

또한, 전압정재파비(VSWR)는 UHF TV방송대역인 470~806 MHz에서 2.0 이하가 측정됨을 도 15를 통해 확인하였다.

상기와 같은 구조를 갖는 본 발명에 의한 디지털 텔레비전 방송 수신용 무지향성 안테나는 도 16에 도시된 바와 같이 전체에 케이스를 씌워 제작하거나, 도 17에 도시된 바와 같이 중심부에만 케이스를 씌워 제작할 수 있다.

이상의 본 발명은 상기에 기술된 실시예들에 의해 한정되지 않고, 당업자들에 의해 다양한 변형 및 변경을 가져올 수 있으며, 이는 첨부된 청구항에서 정의되는 본 발명의 취지와 범위에 포함된다.

Claims (4)

1. 안테나 소자 및 평행 2선식 급전선으로 이루어지는 더블릿 다이폴 안테나(doublet dipole antenna) 4개를 4방향으로 배치하여 구성하되,
   각 더블릿 다이폴 안테나의 급전선을 병렬로 결선함으로써, 360도 전방향의 균일한 이득을 갖도록 하는 것을 특징으로 하는 디지털 텔레비전 방송 수신용 무지향성 안테나.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 각 더블릿 다이폴 안테나의 안테나 소자는 중심을 기준으로 동심원을 이루는 형태를 갖도록 구성되는 것을 특징으로 하는 디지털 텔레비전 방송 수신용 무지향성 안테나.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 각 더블릿 다이폴 안테나의 급전선은 평행2선식의 300오옴(Ω)의 임피던스를 갖으며, 상기 각 급전선이 병렬로 결선되어 결선된 중심부는 75오옴(Ω)의 임피던스를 갖는 것을 특징으로 하는 디지털 텔레비전 방송 수신용 무지향성 안테나.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 각 안테나 소자의 길이는 125(mm), 안테나 소자의 폭은 7.1~9.4(mm), 안테나 소자의 간격은 19.0~20.1(mm), 급전선의 간격은 20.7(mm), 급전선의 길이는 162.7(mm), 급전선의 폭은 3.4(mm)로 이루어지되,
   안테나 소자 및 급전선의 재질특성과 구조에 의해 10%의 범위에서 조정될 수 있는 것을 특징으로 하는 디지털 텔레비전 방송 수신용 무지향성 안테나.

Images