KR101560836B1 - 페라이트 코어를 갖는 능동형 자성체 안테나 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 페라이트 바(ferrite bar)를 갖는 능동형 자성체 안테나에 관한 것으로,
상기 안테나는 권선을 갖는 페라이트 코어를 포함하고, 저잡음 트랜지스터와 연결된 프레임 자성체 안테나를 형성하며, 상기 프레임 자성체 안테나의 신호 증폭에 의해 동작하며, 상기 권선의 제1접점은 상기 저잡음 트랜지스터의 베이스와 직접적으로 연결되며, 상기 권선의 제2접점은 상기 트랜지스터의 베이스상의 전압 변화 가능성에 의해 동작하며, 상기 프레임 자성체 안테나의 임피던스는 상기 저잡음 증폭기의 트랜지스터의 베이스의 임피던스와 합성된 복소수로서 조정되며, 상기 권선은 작업 뱅크에서 해당 뱅크의 공진을 제거하여 동작하는 것을 특징으로 한다.
자성체 안테나, 페라이트 코어, 저잡음 증폭기, 공진

Description

페라이트 코어를 갖는 능동형 자성체 안테나{ACTIVE MAGNETIC ANTENNA WITH FERRITE CORE}
본 발명은 무선 장치에 관한 것으로서, 특히 데시미터(decimeter)의 파장길이(예를 들어, UHF)에서 미터(meter)의 파장 길이(예를 들어, VHF)의 범위를 가지는 DMB(Digital Media Broadcasting) 또는 DVB(Digital Video Broadcasting)의 디지털 방송 신호를 수신하는, 소형 미디어 디지털 무선 수신기의 페라이트 코어를 갖는 능동형 자성체 타입의 안테나에 관한 것이다.
근래에 이르러 DVB 및 DMB와 같은 디지털 방송의 표준이 발달하고 있으며, 이에 따라 디지털 방송망은 점차적으로 VHF와 UHF 주파수 대역의 아날로그 TV와 라디오를 대체하고 있다.
대부분의 소형 디지털 멀티미디어 수신기는 기본적인 안테나 구성으로서 다단 안테나를 이용하고 있다. 이러한 종류의 안테나는 이미 공지되어 있으며, 휴대기기의 수신기(handheld receiver)에서 TV와 FM의 수신하는 데에 널리 사용되고 있다. 텔레스코픽 안테나(예를 들어, 길이 조절이 가능한 다단 안테나)는 사용하지 않을 때의 짧은 길이에 비해서 사용 중에는 그 길이가 길어지는 단점이 있다. 예를 들어, VHF 주파수 대역(예를 들어, 한국을 포함하여 여러 국가에서 사용중인 지상파 DMB(T-DMB) 표준의 경우 VHF III의 170-240 MHz 주파수 대역을 가진다.)에서 동작하는 무선 수신기의 경우 방송의 파장 길이가 매우 길어 적정 안테나의 길이로 450mm를 필요로 하는데, 이러한 길이의 안테나를 가지는 소형 휴대단말기는 사용자가 이용하기에 적합하지 않다.
소형의 멀티미디어 수신기에서 구현되는 텔레스코픽 안테나의 주요 결함은 풋 포워드 위치(put forward position, 예를 들어 안테나가 사용중일 때의 위치)에서 기계적인 안정성이 떨어진다는 데 있다. 이러한 타입의 안테나를 위한 다양한 구조적 해결책이 제공되었지만, 이러한 해결책들에 의한 안테나들도 무선 신호의 수신 모드에서는 그 길이가 길어지기 때문에 사용 중에 파손되기 쉽다. 따라서, 종래의 구조적 해결책도 텔레스코픽 안테나의 기계적 안성성을 보완할 수 있는 완전한 해결책이 되지 못한다.
한편, 페라이트 안테나의 구조와 관련된 다양한 개량 기술이 공지되었다. 예를 들어, 러시아 연방의 특허출원 제 2006122799호의 개량 기술은 펌프 오실레이터, 제 1 수신 코일/제 2 수신 코일과 견고하게 연결된 페라이트 코어 및 제1콘덴서(이 때, 제1콘덴서는 제1 및 제2 수신코일에 병렬로 포함됨)로 구성되는 페라이트 안테나를 개시하고 있다.
상기 개량 기술에 의한 페라이트 안테나는 페라이트 코어와 독립적으로 동작하는 인덕턴스 코일, 제1출력이 제1 및 제2 수신 코일의 연결점에 연결되는 페라이트 코어, 에노드(anode)가 인덕턴스 코일의 제2출력에 연결되는 반도체 다이오 드, 콜렉터가 상기 반도체 다이오드의 캐쏘드(cathode)에 연결되고 에미터(emitter)가 공통점에 연결되는 트랜지스터, 펌프 오실레이터와 자기적으로 연결되는 인덕턴스 코일, 저항을 포함하며 제1출력이 인덕턴스 코일의 제1출력에 연결되고 제2출력이 트랜지스터의 베이스에 연결되는 스위칭 회로, 트랜지스터의 베이스와 공통점 사이에 위치하는 제2콘덴서를 주요 특징으로 개시하고 있다. 이러한 개량 기술은 조정의 복잡도를 증가시키는 단점이 있다.
미국특허출원 문서(공개번호 제 2007/0222695호, 문헌 2)에 설명된 페라이트 코어를 갖는 능동형 자성체 안테나는 본 발명과 유사한 발명이다. 도 1을 참조하면, 문헌 2는 페라이트 코어를 갖는 능동형 안테나의 전기적 구성의 주요 개념을 도시하고 있는데, 도 1은 문헌 2의 도 3에 도시된 구성을 개념적으로 나타내고 있다.
도 1을 참조하면, 안테나는 프레임 자성체 안테나를 형성하는 두 개의 권선과 페라이트 코어(1)를 주요 구성으로 한다. 권선(2)은 저잡음 증폭기(LNA; Low Noise Amplifier)의 트랜지스터(5)의 베이스(예를 들어, 바이폴라 트랜지스터의 베이스와 전계효과 트랜지스터의 셔터)에 직접적으로 연결되며, 이를 통해 베이스 커패시터(Cp)의 기생용량과 함께 안테나의 고주파 피드 지점에서 제1 공진회로를 구성한다. 제 2 공진 LC 회로(3)는 상기 제 1 공진회로와 자기적으로 연결되며 제 2 권선과 동조 콘덴서를 포함한다.
상술한 제1 및 제2 공진 회로에 의한 안테나는 소형 수신기에 널리 사용되며, 주파수에 의한 무선 채널의 조정 또는 동작 주파수를 미리 선택하는데 폭넓게 사용되는 협대역 안테나로서의 동작을 가능하게 한다. 이러한 안테나의 주파수 대역은 재구성된 회로(3)의 양호한 품질, 안테나의 고주파 피드 회로(2)의 양호한 품질, 트랜지스터(5)의 파라미터 및 이들 간의 연결 계수에 의해 정의된다 상술한 안테나는 절반의 파워 레벨에서 대략 10 내지 20 kHz의 동작 대역폭을 가지며, 이를 통해 상술한 안테나는 장파, 중파 및 단파의 전자파를 수신하는 아날로그 AM 무선 수신기에 사용될 수 있다.
디지털 수신기에서 문헌 2의 페라이트 코어를 갖는 자성체 안테나를 사용하는데(특히, VHF와 UHF 범위에서 사용하는데 있어서) 있어서의 주요 결함은 대역폭이 제한된다는 것이며, 페라이트 코어를 가지는 모든 안테나의 주요 결함은 넓은 주파수 대역에서 수신기의 입력에 따라 임피던스를 조정하는 것이 복잡하다는 것이다. 이러한 임피던스 조정의 복잡성은 문헌 2의 페라이트 코어 또는 페라이트 안테나를 디지털 무선 수신기에서 사용하는데 있어서의 장애 요인이 된다.
DMB 또는 DVB와 같은 디지털 채널을 수신하기 위해서는 안테나의 동작 주파수 대역폭이 적어도 6 Mhz 내지 8 MHz가 되어야 하는데, 상술한 임피던스 조정 복잡성은 모든 주파수 대역에서 안테나를 매칭할 필요가 있을 때에 더욱 큰 결함이 된다. 예를 들어, 174MHz-240MHz의 대역폭을 가지는 T-DMB는 66Mhz의 동작 주파수 대역폭을 가지고, 470MHz-862MHz의 대역폭을 가지는 DVBH 표준은 392Mhz의 동작 주파수 대역폭을 가진다. 또한, UWB(Ultra Wide Band)의 대역에서 사용되기 위한 안테나는 30% 이상 더 많은 넓은 동작 주파수 대역폭을 필요로 한다.
더욱이 HFSS 소프트웨어를 통해 수학적으로 시물레이션하였을 때, 상술한 두 개의 공진 회로에 의한 안테나는 비공진 페라이트 코어 안테나에 비해 안테나 이득면에서 개선되지 않았으며, 안테나의 동작 대역폭(예를 들어, 공진 구간에서의 안테나 이득을 억압하여 결정되는)과 안테나의 동작 주파수 대역폭을 확대하려 하였을 때 안테나 이득의 열화만이 발생됨을 보여준다.
대형의 텔레스코픽 안테나에서는 특성의 한계로 인해 감도를 증가시키기 불가능한 점을 고려하여, 본 발명은 광대역 디지털 신호를 수신할 수 있도록 감도가 증가된 페라이트 코어를 가지는 소형의 능동형 자성체 안테나를 제공한다.
또한, 본 발명은 안테나 기능을 수행할 수 있도록 프레임 자성체 안테나를 무선 수신기의 회로 기판상에 설치하여, 무선 수신기의 사용자 손과 전자기 결합되는 페라이트 바(ferrite bar)를 제공한다.
또한, 본 발명은 프레임 자성체 안테나의 코일 수 및(또는) 저잡음 중폭기 트랜지스터의 콜렉터 회로의 변화로 인해 발생되는 저잡음 증폭기의 베이스의 임피던스를 조정함으로써 안테나 기능을 수행할 수 있도록, 프레임 자성체 안테나의 임피던스를 저잡음 증폭기의 베이스의 임피던스에 대응되는 복소 컨쥬게이트(Complex Conjugate; 복소 켤례)로 조정하는 구성을 제공한다.
상술한 문제점을 해결하기 위해 본 발명은 페라이트 코어를 갖는 능동형 자성체 안테나를 제공한다.
본 발명의 실시 예에서, 페라이트 코어를 갖는 능동형 자성체 안테나는 프레임 자성체 안테나의 신호 증폭에 의해 동작하며, 페라이트 코어는 권선을 포함하고 프레임 자성체 안테나는 저잡음 트랜지스터에 연결되어 형성된다. 이 때, 저잡음 트랜지스터의 베이스는 권선의 제1 접점과 직접적으로 연결되며, 권선의 제 2 접점은 저잡음 트랜지스터의 베이스상의 전압 변화에 의해 동작하며, 상기 프레임 자성체 안테나의 임피던스는 저잡음 증폭기의 트랜지스터의 베이스의 임피던스와 합성된 복소수에 의해 조정되며, 상기 권선은 작업 뱅크에서 공진을 제거하여 동작한다.
본 발명의 실시 예에 따른 능동형 자성체 안테나는 보다 작은 크기의 페라이트 코어를 가지는 효과와, 광대역 디지털 신호를 수신할 수 있도록 보다 증가된 감도를 가지는 효과와, VHF와 UHF의 파장 범위에 해당하는 디지털 영상 또는 디지털 멀티미디어의 방송 신호를 수신할 수 있는 소형의 휴대 멀티미디어 장치를 제공할 수 있는 효과가 있다.
이하, 본 발명의 이해를 보다 용이하게 하기 위해 적절한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 능동형 자성체 안테나는 트랜지스터(5)를 포함하며, 트랜지스터(5)는 프레임 자성체 안테나와 연결되고, 프레임 자성체 안테나의 주 요소는 페라이트 코어(1)이다.
페라이트 코어(1)는 전형적인 포켓형 AM 무선 수신기에 사용되는 것과 유사한 페라이트 코어를 나타낸다. 본 발명의 실시 예에 따른 페라이트 코어(1)의 성분은 VHF와 UHF 주파수 대역에서의 비교적 작은 자계 손실과 유전 손실에만 대응하는 종래의 페라이트 성분과 다른 성분인 것으로 가정한다.
안테나의 권선은 페라이트 코어(1) 주위에 감겨진 구리선의 턴(turn) 수로 구성된다. 턴 수와 코일 피치는 주파수 대역의 선택과 페라이트 코어 물질의 파라미터들에 의존한다. 예를 들어 동작 주파수가 174MHz-240MHz인 VHFIII의 방송 대역에서 사용되는 TDMB 안테나의 경우에, 직경 4mm와 길이 30mm인 페라이트 코어가 사용되고 물질의 유효 유전율(εr)이 16이고 유효 투자율(μr)은 요구되는 주파수 대역에서 9일 때, 소정의 코어에 대한 턴 수는 4이고 코일 피치는 1mm이다.
배경기술에서 설명한 바와 같이, 도 1에 도시된 공진 회로(3)는 종래의 페라이트 안테나의 통상적은 구조를 나타내고 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 프레임 자성체 안테나의 코일(2)의 제 1 단자는 직접적으로 트랜지스터(5)의 베이스에 연결되며, 도 2에 도시된 점 A로서 표시된다. 안테나의 코일(2)의 제 2 단자는 점 B에서 트랜지스터의 베이스를 피딩하도록 연결된다. 따라서, 트랜지스터(5)의 제어는 안테나 코일(2)과 프레임 자성체 안테나가 A 지점에서 트랜지스터(5)의 베이스에 직접적으로 연결됨으로써 매칭 회로(및 매칭 회로에 의한 손실) 없이 수행될 수 있다.
지점 B는 프레임 자성체 안테나의 코일(2)과 고주파(RF)에 의한 커패시터(CG)에 의해 접지(Ground)와 분로(shunt)되는데, 커패시터(CG)의 용량은 동작 대역의 저주파에서 무선 신호를 분로 할 수 있도록 충분히 큰 값을 가질 필요가 있다. 또한, 지점 B는 특수 ESD 다이오드(4)에 의해 접지와 분로된다. 이 때, ESD 다 이오드(4)는 안테나 단자상에 유도된 전자기 신호의 높은 정전압으로부터 트랜지스터를 신뢰성있게 보호하며, 무선 주파수상에서 지점 A의 트랜지스터 임피던스와 안테나에 영향을 미치지 않는다.
도 2의 구성의 나머지 부분은 일반적인 RF 증폭기와 유사하다.
트랜지스터의 컬렉터는 인덕턴스(Lc)를 통해 DC 피딩을 가지며, 증폭된 RF 신호는 차단 커패시터(CBL)를 통해 트랜지스터로부터 획득되며, 필요한 경우 증폭된 RF 신호는 매칭 회로(6)를 이용하여 50 옴(Ohm)의 RF 출력단(7)과 매칭될 수 있다.
트랜지스터(5)의 정격(rating) 전류 및 바이어스 전압은 해당 저항(RB1, RB2 및 RC)의 선택을 통해 조정되며, 이러한 조정은 공지된 계산 및 시물레이션 방법을 통해 가능하다. 트랜지스터의 컬렉터 전류 크기와 입력 임피던스는 상호 의존적임과 동시에 증폭기 회로의 가장 중요한 특성이기 때문에, 본 발명의 실시 예에 따른 능동형 안테나는 컬렉터 전류 크기 및 입력 임피던스의 조정(tuning) 및 개발(development)에 보다 심혈을 기울인다.
공교롭게도, 지점 A에서 입력 임피던스를 정확하게 측정하는 것은 어려운 문제일 뿐만 아니라 정확한 수학적 시물레이션을 필요로 한다. 이는 측정 장치의 포트들의 특수성과 관련되는데, 포트들은 통상적으로 50 옴(Ohm)의 표준 입력 임피던스를 가지고 상황에 따라 75 또는 100 옴(Ohm)의 표준 입력 임피던스를 가지는데, 테스트 포트가 임피던스를 가지는 지점 A(도 2에 도시된)와 연결되면 필연적으 로 증폭기 특성의 변경을 가져오기 때문이다. 또한, 도 2에 도시된 전기 회로도의 시물레이션은 정확도에서 문제점이 있는데, 이는 장치의 모델에서 사용되는 트랜지스터의 S-파라미터가 통상적으로 50 옴(Ohm) 측정 포트를 가지는 회로 분석장치에 의해 측정되기 때문이다. 이 때, 페라이트 코어(1)를 갖는 안테나의 코일(2)은 수동 소자이고, S-파라미터들의 측정 과정은 테스트 포트에 의한 영향과 관련하여 문제점이 없다.
매칭의 기본적인 개념과 원리는 도 3에 도시된 스미스 도표를 통해 설명된다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 페라이트 코어를 갖는 안테나(8)의 출력 임피던스는 코일(2)에 의해 조정되고, 이는 코일(2)의 코일 턴수, 코일 피치 및 중심부에 대한 페라이트 코어(1)상의 위치를 변경하여 가능하다. 지점 A에서 트랜지스터의 입력 임피던스(9)는 컬렉터 전류를 조절하여 조정된다. 일반적으로 트랜지스터는 이러한 입력 임피던스를 가지는데, 이는 트랜지스터의 컬렉터 전류 값이 입력 포트가 50 옴(Ohm)인 최적 동작 모드에서의 전류값보다 작을 때에 해당된다. 따라서, 이러한 증폭기의 이득은 동일한 주파수에서의 공칭값(norminal)보다 비교적 작은 값을 가진다.
임피던스(8 및 9)는 복소-컨쥬게이트 임피던스의 향상을 위해 같이 조정될 필요가 있으며, 이러한 조정에 의해 안테나와 저잡음 증폭기(LNA) 는 지점 A에서 최상의 매칭을 가질 수 있다. 이는 디지털 수신기 감도에 직접적인 영향을 미치는 가장 중요한 특성이고, 증폭기 이득 팩터는 수신기에 별다른 영향을 끼치지는 않는다.
능동형 페라이트 안테나의 제조 및 측정 결과는 안테나 튜닝이 무반향실(anechoic chamber)에서 테스트 중인 안테나가 동작중인 디지털 수신기와 연결되고, 디지털 수신기가 측정 안테나를 통해 특수한 테스트 발생기에 의해 송신된 테스트 방송 신호를 수신하는 때에 이루어져야 함을 보여주었다. 방사된 무선 신호의 전력 레벨을 감소시킴으로써, 소정의 능동형 안테나를 갖는 소정의 디지털 수신기에서 신호 수신이 중단되는 감도의 임계치(threshold)를 정의하는 것이 가능하다. 결과적으로, 디지털 수신기와 연결된 본 발명의 실시 예에 따른 능동형 안테나는, 프레임 자성체 안테나의 권선(2)을 조정(예를 들어, 코일 턴수를 변경하는)하거나 트랜지스터(5)의 컬렉터 전류를 조정하여 최대 감도를 획득할 수 있다.
도 4는 하우징(10) 내부에 내장된 능동형 페라이트 안테나(15)를 사용하는 소형 디지털 수신기 구성의 바람직한 실시 예를 도시한다.
안테나(15) 구성의 바람직한 실시 예는 수신기의 기타 콤포넌트들(13 및 14)과 함께 PCB(12)상에 설치되는 것이지만, 안테나(15)는 수신기의 디지털 콤포넌트들과 액정 디스플레이(LCD, 11)로부터 가능한 멀리 위치되어야 하는데, 이는 LCD가 수신기의 샤시 내의 주요 잡음원에 해당되기 때문이다.
사용자의 손(17)과 페라이트 안테나(15) 간의 전자기 결합(18)이 증가하면 사용자의 손에 의해 안테나 벌림면(antenna aperture)이 증가하게 되며, 그 결과 안테나 효율성이 증가하고 전체적으로 디지털 수신기 감도가 증가한다. 이를 위해, 안테나(15)의 위치는 사용자가 손으로 쥐었을 때 사용자의 손(17)과 안테나(15)가 가능한한 근접할 수 있도록 하는 수신기 하우징(10)의 소정 부분에 설정되는 것이 바람직하다.
기생 디지털 잡음(parasitic digital noise)을 추가적으로 감소시키기 위해서는, 도 2에 도시된 모든 아날로그 구성들이 페라이트 안테나(15)와 근접하게 위치할 수 있도록 아날로그 구성 모두를 PCB(12) 상의 소정 위치(예를 들어, 도 4에 도시된 위치(13))에 조밀하게 위치시킬 필요가 있다. 디지털 수신기(14)의 아날로그 입력(이는 통상적으로 무선 주파수(RF)용 마이크로회로의 출력에 해당됨)은 LNA 구성(13)의 근처에 설치되며, 능동형 안테나의 출력(7)과 직접적으로 연결되거나 대역통과 필터를 통해 연결되어야 한다.
잡음 억제의 측면에서, 기타 통신 표준을 위한 디지털 수신기(16)의 아날로그 부분을 PCB(12) 영역에 설치하되, 안테나(15)와 LNA(13)가 설치된 PCB(12)영역 상의 동일 영역에 설치하는 것이 바림직하다. 예를 들어, 디지털 수신기(16)의 아날로그 부분은 CDMA, GSM, 블루투스 및 기타 표준을 위한 수신기, 듀플렉서 및 안테나 등의 RF 부분이 될 수 있다.
도 4는 무선 수신기의 샤시(chassis)에서, 페라이트 코어를 구비하는 능동형 자성체 안테나의 무선 수신기의 최적 설정에 대한 본 발명의 일 실시 예를 도시하고 있는데, 도 4에 도시된 구성으로 기생 디지털 잡음을 최소화할 수 있으며 이 를 통해 무선 수신기의 감도를 상당량 증가시킬 수 있다.
실린더형 또는 평행육면체 페라이트 코어에 의해 형성되는 안테나는 대략 20 - 30mm의 길이를 최적의 길이로 가지고 단면적은 대략 9 - 20㎟에 이른다. 이 때, 코어의 페라이트는 하기와 같은 전기적 특성을 소유할 필요가 있다. 즉, 코어의 페라이트의 전기적 특성은, 약 20을 값을 가지는 유효 유전율(dielectric permittivity, εr) 및 10 이하의 실제 투자율(magnetic permeability, μr')을 가지고 안테나의 페라이트 물질의 손실각(loss angle)의 유전 손실 탄젠트(tg(δε))와 자기 손실 탄젠트(tg(δμ))가 요구되는 동작 주파수 대역에서 0.1 이하의 값을 가지는 것을 특징으로 한다.
이러한 코어의 페라이트 물질의 최적 기하구조 및 파라미터들은 하기의 실제 실험에 의한 전자기 시물레이션에 의해 개시된다. 더욱 정확한 치수들은 수신 장치의 구체적인 구성의 분석을 통해 얻을 수 있다.
본 발명의 주요 핵심은 전체 동작 주파수 대역의 안테나 구성에서 공진을 제거하는 것이다. 예를 들어, 본원발명의 배경기술에서 설명된 도 1의 발진 회로(3)를 완전히 제거하는 것이다.
본 발명의 실시 예에 따른 안테나의 임피던스는 도 1에 도시된 저잡음 트랜지스터(5)의 입력 임피던스와 복소 컨쥬게이트 관계가 되며, 본 발명의 실시 예에 따른 안테나는 직접적으로 트랜지스터와 연결되어야 한다. 이러한 구성은 안테나의 출력에서 높은 저항 임피던스(예를 들어, 수백 Ohm)을 얻게 하며, 증폭기의 입력과 트랜지스터 출력에서의 매칭 회로(6)에 대한 적용을 통해 능동형 안테나의 출력(7)에서 50 옴(Ohm)에 가까운 임피던스를 얻게 한다.
프레임 자성체 안테나는 페라이트 코어로 구성되고 단일 권선으로 된다. 안테나 권선은 1-5 또는 1-7의 턴수를 갖는데, 턴수는 트랜지스터의 파라미터들과 페라이트 코어 물질에 의존한다. 권선은 통상적으로 인덕턴스 코일의 제조에서 사용되는 표준 산업 방법에 의해 제조되며, 여기서 와이어는 가동된 코일(coil-processing) 또는 축적된 구리막일 수 있다.
상술한 바를 토대로 살펴보면, 페라이트 코어를 구비하는 프레임 자성체 안테나는 기판 위에 장착될 수 있는 무선 콤포넌트로서 제조되어, 일반적인 칩 SMD 방법에 의해 인쇄회로기판 상에서 조립될 수 있다. 이 때, 트랜지스터와 수동 소자의 예와 같이 수신기 및 능동형 안테나의 기타 콤포넌트들은 동일한 방법에 의해 안테나 근처에서 인쇄회로기판 상에 조립된다.
페라이트 코어를 갖는 본 발명의 능동형 자성체 안테나를 인쇄회로기판(PCB) 상에 설치하기 위한 최적의 영역은 멀티미디어 장치의 사용자가 잡을 수 있도록 설정된 영역으로서, 사용자의 손과의 전자기 결합에 의해 안테나로의 전자기장의 파워 플럭스(power flux) 밀도를 증가시킬 수 있는 영역이다. 따라서, 약간의 도전성을 갖는 인간 신체로 인해, 안테나의 전기적 길이의 간접적인 확대 효과가 발생한다. 이는 인간의 신체(예를 들어, 사용자의 신체)를 약 100 내지 1000MHz의 주파수 범위에 해당하는 VHF와 UHF 파장 범위에서 더욱 효과적인 부가의 수동형 안테나로서 사용 가능하게 한다.
개방된 지역에서의 필드 테스트와 특수 무반향실에서의 안테나 시험은 안테나가 전술한 바와 같이 설치된 때에 다른 장소에 설치된 것과 비교하여 대략 10 dB의 디지털 신호의 수신 감도가 개선되었음을 증명하였다.
안테나 구조의 기본적인 개선은 3가지 최적화 방법에 의해 달성되는데, 첫 째는 1. 페라이트 코어를 구비한 능동형 자성체 안테나의 광대역 매칭을 조정하는 것이고, 둘 째는 구조를 소형화하고 높은 신뢰성 및 기계적 강도를 제공하는 것이고, 셋 째는 간접적으로 안테나 이득을 개선할 수 있는 대안을 찾아서 이용하는 것이다.
아날로그 수신기에서 수신 신호의 신호-대-잡음비 또는 감도를 개선하기 위해서는, 반송파 주파수를 선택(또는 미리 선택)할 수 있도록 수신기의 입력에 협대역통과필터(narrow-bandpass filter)를 사용하는 것이 매우 중요하다. 대부분의 아날로그 수신기의 구조에서, 페라이트 코어를 갖는 자성체 안테나는 이러한 협대역 동조 필터로서 동작한다. 이러한 회로 솔루션은 본질적으로 디지털 수신기에서 사용되는 채널 선택 방법과는 다르다.
디지털 무선 수신기의 주파수별 선택 및 수신 채널의 필터링은 디지털 신호 처리(DSP)의 방법을 통해 수행되고, 이는 아날로그 수신기와 특성적인(또는 성질적인) 측면에서 비교된다. 따라서, 디지털 수신기에서 아날로그 입력 구성은 수신기의 안테나로부터 집적회로(IC)의 입력으로 광대역 신호들을 선형 전송하는데 사용된다.
상술한 바를 통해, 본 발명의 실시 예에 따른 안테나는 실제의 모델링과 측 정들을 통해서 안정적인 안테나 이득과 광대역 주파수에서의 50% 이상의 높은 신호-대-잡음비를 가질 있음을 나타내고 있다.
본 발명에서 제안되는 능동형 안테나의 구현(또는 개발)을 위해 사용되는 페라이트 코어의 치수는 TDMB 표준에 대응되도록 대기상에서 대략 0.017의 중의 파장(λ)길이를 가질 수 있는 소형(compact)의 크기로 제공이 되는데, 30 mm의 길이와 4 mm의 직경을 그 예로 들 수 있다.
도 1 및 2에서 권선(2)을 구비한 콤팩트 페라이트 코어(1)는 특수한 산업(또는 공업)상의 준비 이후에 SMD(표면-마운팅 장치)와 같이 단순하고 저렴한 방식을 통해서 도 3과 같은 소정의 휴대용 멀티미디어 장치(10)의 주요 인쇄회로기판(PCB)(12)상에 단일 콤포넌트(15)로서 설치될 수 있다.
도 4에서 (13)으로서 표시된 바와 같은 도 1 및 도 2의 구성의 트랜지스터와 기타 콤포넌트들은 10 ㎟보다 크지 않은 영역상에서 표면 마운팅에 의해 주요 PCB상에 장착된다. 이러한 LNA 설계의 전체 영역은 10 ㎟를 초과하지 않는다. 이는 실질적으로 안테나 가격을 낮추게 한다. 이러한 멀티미디어 장치 실시 예에서, 인쇄회로기판(12) 상에 모든 콤포넌트들을 설치하게 되면 높은 기계적 강도를 갖게 되며, 안테나는 하우징(10) 밖으로 돌출하지 않으며, 안테나 신뢰도는 필수적으로 증가하게 된다.
장치(10) 내부에서 이러한 안테나 솔루션의 정확한 위치는 가능한한 디지털 콤포넌트와 LCD(11)로부터 멀리 떨어져 있고, 사용자의 손(17)에 가능한한 가깝게 위치된다. 이 경우에, 인간 신체는 안테나(15) 벌림면을 증가시키며, 안테나 출력 에서 신호-대-잡음비를 10 dB까지 증가시킨다. 사용자의 손(17)이 안테나(15)에 충분히 가까워지게 되면, 강한 전자기 결합(18)이 형성된다.
페라이트 코어를 구비한 본 발명의 능동형 자성체 안테나는 내장형 안테나에 사용가능하며, DVB-T/H, T-DMB/DAB 표준과 기타 표준에 의한 하기의 전자장치의 전형적인 디지털 수신기에서 동작될 수 있다. 디지털 수신기에 대한 예로는, 이동 전화기, MP3 플레이어, 콤팩트 디지털 TV 세트 , DVD 플레이어, 콤팩트 멀티미디어 플레이어 및 UMPC(울트라모바일 PC) 등이 될 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따라 페라이트 코어를 갖는 능동형 자성체 안테나에 대한 전기적 구성도.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따라 구현되는 페라이트 코어를 갖는 능동형 자성체 안테나에 대한 전기적 구성도.
도 3은 도 1과 도 2의 지점 A에서 안테나의 페라이트 코어와 트랜지스터의 베이스 간의 프레임 자성체 안테나의 입력단 매칭의 기본 원리를 보여주는 스미스 도표.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따라 디지털 무선 수신기를 내장하는 멀티미디어 휴대단말기의 내부에 배치되어, 디지털 비디오 방송신호와 디지털 멀티미디어 방송신호의 수신할 수 있도록 하는 페라이트 코어를 가지는 능동형 자성체 안테나의 배치도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>
도 1
1: 자성체 안테나의 페라이트 코어 2: 프레임 자성체 안테나의 Lant-권선
3: 안테나 공진 조정을 위한 가변 용량의 커패시터의 콘덴서와 안테나의 제 2 권선에 의해 형성된 LC 공진 회로
5: LNA의 기본적인 능동형 소자인 저잡음 증폭기(Q1)
도 2
1: 자성체 안테나의 페라이트 코어 2: 프레임 자성체 안테나의 Lant-권선
4: 정전 방전(ESD)을 위한 보호용 다이오드(D1)
5: LNA의 기본적인 능동형 소자인 저잡음 증폭기(Q1)
6: 능동형 안테나 출력상의 매칭 회로
7: 능동형 안테나의 RF 출력
도 3
8: 프레임 자성체 안테나의 출력 임피던스
9: 트랜지스터 베이스에서 저잡음 증폭기의 입력 임피던스
도 4
10: 휴대용 멀티미디어 장치의 하우징
11: 휴대용 멀티미디어 장치의 액정 디스플레이와 디지털 부분의 위치를 나타낸 영역
12: 휴대용 멀티미디어 장치의 주요 PCB(인쇄회로기판)
13: 주요 PCB상에 장착된 본 발명의 능동형 자성체 안테나의 아날로그 부분
14: 주요 PCB상에 장착된 디지털 수신기의 아날로그 부분
15: 프레임 자성체 안테나
16: 장치에서 사용가능한 기타 RF 수신기의 아날로그 부분
17: 디지털 비디오 신호 또는 멀티미디어 방송 신호를 수신하도록 내장된 디지털 수신기를 구비한 휴대용 멀티미디어 장치를 쥐고 있는 사용자의 손

Claims (7)

  1. 페라이트 바(ferrite bar)를 갖는 능동형 자성체 안테나에 있어서,
    상기 안테나는 권선을 갖는 페라이트 코어를 포함하고, 저잡음 트랜지스터와 연결된 프레임 자성체 안테나를 형성하며, 상기 프레임 자성체 안테나의 신호 증폭에 의해 동작하며,
    상기 권선의 제1접점은 상기 저잡음 트랜지스터의 베이스와 직접적으로 연결되며, 상기 권선의 제2접점은 상기 저잡음 트랜지스터의 베이스상의 전압을 변경시키며,
    상기 프레임 자성체 안테나의 임피던스는 상기 저잡음 증폭기의 트랜지스터의 베이스의 임피던스와 합성된 복소수로서 조정되며,
    상기 권선은 작업 뱅크에서 해당 뱅크의 공진을 제거하여 동작하는 것을 특징으로 하는 페라이트 바를 갖는 능동형 자성체 안테나.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 권선의 제 2 접점은, 상기 저잡음 트랜지스터의 동작 점을 변경시키기 위해서 특수 ESD 다이오드를 통해 접지로 분로되는 것을 특징으로 하는 페라이트 바를 갖는 능동형 자성체 안테나.
  3. 제 2 항에 있어서,
    안테나의 적어도 하나의 콤포넌트는 무선 수신기의 회로 기판상에 설치되는 것을 특징으로 하는 페라이트 바를 갖는 능동형 자성체 안테나.
  4. 제 2 항에 있어서,
    모든 안테나의 콤포넌트는 무선 수신기의 회로 기판상에 설치되는 것을 특징으로 하는 페라이트 바를 갖는 능동형 자성체 안테나.
  5. 제 4 항에 있어서,
    프레임 자성체 안테나는 무선 수신기의 회로 기판상에 설치됨으로써, 안테나의 페라이트 바는 무선 수신기의 사용자의 손과 전자기적 결합을 하는 것을 특징으로 하는 페라이트 바를 갖는 능동형 자성체 안테나.
  6. 제 4 항에 있어서,
    무선 수신기의 회로 기판은, 헤드폰과 와이어 중 적어도 하나를 포함하는 외부 패시브 안테나에 연결되는 것을 특징으로 하는 페라이트 바를 갖는 능동형 자성체 안테나.
  7. 제 4 항에 있어서, 상기 프레임 자성체 안테나의 임피던스는,
    프레임 자성체 안테나의 코일 턴수의 변화 및 저잡음 트랜지스터의 컬렉터 회로 변화 중 적어도 어느 하나에 의한 저잡음 증폭기의 트랜지스터 베이스의 임피던스에 대한 복소 컨쥬게이트로서 조정되는 것을 특징으로 하는 페라이트 바를 갖는 능동형 자성체 안테나.
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