KR101447553B1 - 다중 대역 gnss 고정패턴 안테나 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 안테나의 방사 패턴을 최적화함으로써 공간 필터링을 통한 간섭 신호에 대응할 수 있는 다중 대역 GNSS 고정패턴 안테나 장치에 관한 것이다. 이러한, 다중 대역 GNSS 고정패턴 안테나 장치는 적어도 두 종류 이상의 GNSS 신호를 수신하는 광대역의 안테나 방사체 및 안테나 방사체를 중심으로 에워 싸고 있는 복수개의 격벽을 포함하며, 복수개의 격벽 각각의 높이와 간격은 차단하고자 하는 신호의 주파수에 독립적인 것을 특징으로 한다.

Description

다중 대역 GNSS 고정패턴 안테나 장치{Multi band GNSS fixed reception pattern antenna apparatus}

본 발명은 다중 대역 GNSS 고정패턴 안테나 장치에 관한 것으로, 특히 안테나의 방사 패턴을 최적화함으로써 공간 필터링을 통한 간섭 신호에 대응할 수 있는 다중 대역 GNSS 고정패턴 안테나 장치에 관한 것이다.

GPS(Global Positioning System)로 대표되는 GNSS(Global Navigation Satellite System)는 위성으로부터 위성의 위치, 시간 및 기타 오차 보정 요소에 관한 정보를 받아 사용자의 정확한 시각정보 및 위치를 측정하기 위한 위성항법시스템이다. 현재 GNSS 시스템은 군 및 민간 영역의 육상, 해상, 항공 시스템에서 다양하게 이용되고 있다.

GNSS 시스템은 위성신호에 대한 수신구조가 공개되어 있고, 20,000km 이상의 장거리에서 전송되기 때문에, 미약한 수신 신호를 갖는 통신 시스템이다. 따라서GNSS 시스템은 다중 경로와 같은 비의도적인 전자파 간섭이나 의도적인 전자파 재밍에 매우 취약하다. 특히 이동통신, 금융, DMB(Digital Multimedia Broadcasting), 스마트 그리드(Smart Grid)와 같은 국가 기반 시설에 정확한 시각 정보를 제공하는GNSS 시스템이 재밍된다면 심각한 문제를 초래할 것이다.

최근, 북한의 GPS 전자파 재밍에 의한 피해 사례가 언론을 통해 보도되고 있는바 전술한 바와 같이 GPS를 이용하는 우리나라의 모든 국가 기반 시설들은 GPS 재밍에 취약한 상태이다. 앞으로는 육상에서 재밍 신호를 송출하는 수평 재밍뿐만 아니라 항공기 등을 이용하는 항공 재밍에도 피해를 입을 것으로 예상된다.

이와 같이, GNSS에 심각한 위협이 되는 재밍 또는 전파간섭에 대응하기 위한 종래 기술로서 배열 안테나를 이용하여 재밍 신호를 제거하는 방법이 있다. 이는 다수의 안테나를 공간적으로 배치하여 각각의 출력에 복소수 가중치를 두어 원하는 방향으로의 신호를 증대시키고 원치 않는 재밍 신호를 감소시킬 수 있다.

최근에는 안테나 소자에서 수신된 신호를 하향변환기를 통해 중간주파수로 변환하고, 주파수가 낮은 중간주파수(IF, Intermediate Frequency)에서 A/D 변환 후 디지털 위상변환기와 디지털 신호처리 프로세서를 통해서 항재밍 신호처리를 구현하는 디지털 배열안테나 시스템 방식으로 널리 쓰이고 있다.

다만, 이러한 디지털 방식의 배열안테나 시스템은 다수의 안테나 소자와 부가적인 RF, 디지털 하드웨어가 필요하며 또한, 널링(nulling) 알고리즘이 탑재된 소프트웨어가 있어야 하므로 구조가 복잡하고 비용이 많이 소요되어 군용으로만 사용되는 단점이 있다.

민간용으로는 다수의 섹터안테나의 스위칭을 통한 공간 필터링 안테나와 차폐물을 이용한 지향성 안테나 등이 연구되었지만 항공 재밍은 고려되지 않았으며, 수평 재밍에 대해서 5 ~ 15 dB 정도의 제한된 항재밍 성능을 보여주고 있다. 예를 들어, 한국공개특허 제2012-0059720호 "지피에스 안테나 장치"는 수평 재밍 신호와 다중 경로 신호를 차단하기 위하여 여러 겹의 차단막을 이용하고 있다. 그러나 차단막의 높이와 간격은 차단하고자 하는 신호의 주파수에 종속적이므로, 단일 주파수의 재밍 신호에만 유효하며, 각 차단막의 높이와 간격을 자유롭게 선택할 수 없는 단점이 있다.

본 발명의 목적은 안테나의 방사 패턴을 최적화함으로써 공간 필터링을 통한 간섭 신호에 대응할 수 있는 다중 대역 GNSS 고정패턴 안테나 장치를 제공하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 다중 대역 GNSS 고정패턴 안테나 장치는

적어도 두 종류 이상의 GNSS 신호를 수신하는 광대역의 안테나 방사체; 및 상기 안테나 방사체를 중심으로 에워 싸고 있는 복수개의 격벽을 포함하며, 상기 복수개의 격벽 각각의 높이와 간격은 차단하고자 하는 신호의 주파수에 독립적인 것을 특징으로 한다.

이 때, 상기 안테나 방사체는 광대역의 스파이럴 안테나로 구성된 것을 특징으로 한다.

이 때, 상기 복수개의 격벽에서 안쪽에서 제일 첫번째 격벽의 높이가 가장 낮고, 안쪽에서 두번째 격벽에서부터 바깥쪽 격벽으로 갈수록 격벽의 높이가 점점 낮아지는 것을 특징으로 한다.

이 때, 상기 복수개의 격벽은 4개인 것을 특징으로 한다.

이 때, 상기 안테나 방사체는 그라운드 면과 설정거리만큼 이격되어 있는 것을 특징으로 한다.

이 때, 상기 설정거리는 중심 주파수에 대한 파장을 이용하여 설정된 거리값인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 다중 대역 GNSS 고정패턴 안테나 장치는 차단하고자 하는 신호의 주파수에 독립적으로 여러 겹의 격벽만을 구성함으로써, 다중 대역의 후방 전파 간섭신호와 저 고도 항공 및 수평 재밍에 대응할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 다중 대역 GNSS 고정패턴 안테나 장치가 적용되는 환경을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 다중 대역 GNSS 고정패턴 안테나 장치의 사시도를 나타내는 도면이다.
도 3은 발명의 실시예에 따른 다중 대역 GNSS 고정패턴 안테나 장치의 부분 사시도를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 다중 대역 GNSS 고정패턴 안테나 장치의 전압 정재파비를 나타내는 그래프이다.
도 5는 상용 GPS 안테나의 24시간 위성 수신 성능을 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 다중 대역 GNSS 고정패턴 안테나 장치와 ublox 수신기를 이용한 24시간 GPS 위성 수신에 대한 스카이뷰를 나타내는 도면이다.
도 7은 24시간 동안 ublox 수신기의 C/N0를 나타내는 그래프이다.
도 8은 24시간 동안 ublox 수신기의 트래킹(tracking) 개수를 나타내는 그래프이다.

본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능, 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예 따른 안테나의 방사 패턴을 최적화함으로써 공간 필터링을 통한 간섭 신호에 대응할 수 있는 다중 대역 GNSS 고정패턴 안테나 장치에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 다중 대역 GNSS 고정패턴 안테나 장치가 적용되는 환경을 나타내는 도면이다.

도 1을 참고하면, 다중 대역 GNSS 고정패턴 안테나 장치(100)는 방사 패턴을 최적화하여 위성 신호(A)를 수신하면서, 수평 재밍 신호(B1) 및 고각 20도 이하의 저고도 항공 재밍 신호(B2)와 건물 등에 반사되어 입사하는 다중 경로 신호(C)를 차단할 수 있다.

다음, 다중 대역 GNSS 고정패턴 안테나 장치(100)의 세부적인 구성을 도 2 및 도 3을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 다중 대역 GNSS 고정패턴 안테나 장치의 사시도를 나타내는 도면이다. 또한, 도 3은 발명의 실시예에 따른 다중 대역 GNSS 고정패턴 안테나 장치의 부분 사시도를 나타내는 도면이다.

도 2 및 도 3을 참고하면, 다중 대역 GNSS 고정패턴 안테나 장치(100)는 안테나 방사체(110), 복수개의 겹으로 이루어진 격벽(120) 및 그라운드 면(130)을 포함한다.

안테나 방사체(110)는 2종 이상의 GNSS 신호(예; GPS와 GLONASS)를 수신하기 위하여 광대역의 스파이럴(spiral) 안테나로 구성한다. 이와 같은, 안테나 방사체(110)는 그라운드 면(130)과 설정 거리(d)만큼 이격되어 있다. 여기서, 설정 거리(d)는 수학식 1과 같다.

[수학식 1]

수학식 1을 참고하면, d는 안테나 방사체(110)와 그라운드 면(32) 사이의 거리이다. 또한, λ는 중심 주파수에 대한 파장이다.

종래의 차단막은 choke ring과 corrugation 형태를 가지며, 이러한 형태의 차단막의 높이와 간격은 차단 주파수에 의해 결정된다. 즉, choke ring 형태의 차단막의 높이는 차단 주파수의 λ/4로 설계되어야 하며, corrugation 형태의 차단막의 높이와 간격은 수학식 2와 같다.

[수학식 2]

수학식 2를 참고하면, k는 파수(wave number), m과 n은 정수(positive integer), a는 차단막의 간격, d는 차단막의 높이이다.

이와 같이, 종래의 차단막은 차단하고자 하는 신호의 주파수에 종속적이므로, 단일 주파수의 재밍 신호에만 유효하며, 각 차단막의 높이와 간격을 자유롭게 선택할 수 없는 단점이 있다.

본 발명의 실시예에 따른 다중 대역 GNSS 고정패턴 안테나 장치(100)는 도 4에서와 같이 각 격벽(120)의 높이와 간격을 주파수와 독립적으로 설계할 수 있다.

일반적인 안테나의 방사 패턴은 차단막의 개수가 많아지고, 높이가 커질수록 좁아져서 안테나의 이득이 증가한다. 그러나, 안테나의 전체 크기가 커지고 이득 증가에 한계가 있어, 차단막의 개수와 높이를 적절하게 선택해야 한다.

본 발명의 실시예에 따른 다중 대역 GNSS 고정패턴 안테나 장치(100)는 4개의 격벽(120)으로 구성함으로써, 고각 20도 이하의 재밍 신호와 다중 경로 신호를 차단하면서, 4개 이상의 가시 위성 개수를 확보할 수 있다.

이를 위하여, 4개의 격벽(120) 중 다중 대역 GNSS 고정패턴 안테나 장치(100)의 안쪽에서 제일 첫번째 격벽의 높이가 가장 낮고, 안쪽에서 두번째 격벽에서부터 바깥쪽 격벽으로 갈수록 격벽의 높이가 점점 낮아지도록 설계하였다.

다음, 다중 대역 GNSS 고정패턴 안테나 장치(100)의 전압 정재파비(voltage standing wave ratio)를 도 4를 참고하여 상세하게 설명한다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 다중 대역 GNSS 고정패턴 안테나 장치의 전압 정재파비를 나타내는 그래프이다.

도 4를 참고하면, 다중 대역 GNSS 고정패턴 안테나 장치(100)는 1.50 ~ 1.65 GHz 대역에서 전압 정재파비 2:1을 만족하고 있어 상대 대역폭 9.5%의 광대역 특성을 확보하고 있음을 알 수 있다. 이는 종래의 공진형 세라믹 패치 안테나가 아닌 광대역의 스파이럴 안테나를 안테나 방사체(110)로 사용하였기 때문이다.

따라서, 본 발명의 실시예에 따른 다중 대역 GNSS 고정패턴 안테나 장치(100)는 2종 이상의 GNSS 신호를 수신할 수 있다.

다음, 상용 GPS 안테나의 24시간 위성 수신 성능을 도 5 및 도 6을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 5는 상용 GPS 안테나의 24시간 위성 수신 성능을 나타내는 그래프이다.

구체적으로, 도 5는 상용 GPS 안테나와 ublox 수신기를 이용한 24시간 GPS 위성 수신에 대한 스카이뷰(skyview)를 도시한 그림이다.

상용 GPS 안테나는 고각 10도 이상의 GPS 위성에 대해 평균 C/N0 32 dB-Hz 이상 확보하면서 위성을 트래킹(tracking)하고 있음을 확인할 수 있다. 상용 GPS 안테나는 최대한 많은 수의 위성을 수신하기 위해 안테나의 복사 패턴이 반구 형태로 설계되기 때문에 도 5와 같은 결과가 도출된 것으로 판단된다.

다음, 본 발명의 실시예에 따른 다중 대역 GNSS 고정패턴 안테나 장치(100)의 24시간 위성 수신 성능을 도 6 내지 도 8을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 다중 대역 GNSS 고정패턴 안테나 장치와 ublox 수신기를 이용한 24시간 GPS 위성 수신에 대한 스카이뷰(skyview)를 나타내는 도면이다.

도 6을 참고하면, 본 발명의 실시예에 따른 다중 대역 GNSS 고정패턴 안테나 장치(100)는 도 5와 다르게, 고각 20도 이하에서 입사하는 신호에 대해서 최대한 억제하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 고각 20도 이상의 GPS 위성에 대해서 평균 C/N0 27 dB-Hz 이상 확보하면서 위성을 트래킹(tracking)하고 있음을 확인할 수 있다.

도 7은 24시간 동안 ublox 수신기의 C/N0를 나타내는 그래프이다.

도 7을 참고하면, 24시간 동안 ublox 수신기의 C/N0는 평균 37 dBHz 로 측정되는 것을 알 수 있다.

도 8은 24시간 동안 ublox 수신기의 트래킹 개수를 나타내는 그래프이다.

도 8을 참고하면, 24시간 동안 ublox 수신기는 최소 4개, 최대 11개, 평균 7.5개의 GPS 위성을 트래킹하고 있음을 알 수 있다.

이와 같이, 본 발명은 우편파(RHCP: Right Handed Circular Polarization) 신호를 수신하는 광대역 안테나 방사체(110), 안테나 방사체(110)를 여러 겹으로 에워 싸도록 설치되어 안테나 방사체(110) 후방의 다중 경로 신호와 저고각(low elevation angle) 및 수평의 재밍 신호를 차단하는 여러 겹의 격벽(120)을 포함하는 다중 대역 GNSS 고정패턴 안테나 장치(100)에 관한 것으로, 이를 통해 안테나의 방사 패턴을 최적화함으로써 공간 필터링을 통한 간섭 신호에 대응할 수 있다.

이상에서와 같이 도면과 명세서에서 최적의 실시예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

100; 다중 대역 GNSS 고정패턴 안테나 장치
110; 안테나 방사체
120; 격벽
130; 그라운드 면

Claims (6)

1. 적어도 두 종류 이상의 GNSS 신호를 수신하는 광대역의 안테나 방사체; 및
   상기 안테나 방사체를 중심으로 에워 싸고 있는 복수개의 격벽을 포함하며,
   상기 복수개의 격벽 각각의 높이와 간격은 차단하고자 하는 신호의 주파수에 독립적인 것을 특징으로 하는 다중 대역 GNSS 고정패턴 안테나 장치.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 안테나 방사체는
   광대역의 스파이럴 안테나로 구성된 것을 특징으로 하는 다중 대역 GNSS 고정패턴 안테나 장치.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 복수개의 격벽에서
   안쪽에서 제일 첫번째 격벽의 높이가 가장 낮고, 안쪽에서 두번째 격벽에서부터 바깥쪽 격벽으로 갈수록 격벽의 높이가 점점 낮아지는 것을 특징으로 하는 다중 대역 GNSS 고정패턴 안테나 장치.
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 복수개의 격벽은 4개인 것을 특징으로 하는 다중 대역 GNSS 고정패턴 안테나 장치.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 안테나 방사체는
   그라운드 면과 설정거리만큼 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 다중 대역 GNSS 고정패턴 안테나 장치.
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 설정거리는 중심 주파수에 대한 파장을 이용하여 설정된 거리값인 것을 특징으로 하는 다중 대역 GNSS 고정패턴 안테나 장치.

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