KR101972787B1 - 커플러 손실 보상 가능한 능동형 gps 안테나 장치 - Google Patents

커플러 손실 보상 가능한 능동형 gps 안테나 장치 Download PDF

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손석보
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넵코어스 주식회사
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Abstract

커플러 손실 보상 가능한 능동형 GPS 안테나 장치는 GPS (Global Positioning System) 입력신호를 수신하는 안테나부, 상기 GPS 입력신호에 관해 원형편파를 생성하는 커플러, 상기 커플러와 순차적으로 연결되어 상기 원형편파된 GPS 입력신호에 관해 2단 증폭된 GPS 입력신호를 생성하는 저잡음 지수 획득하기 위한 제1 LNA(Low Noise Amplifier)와 신호 증폭 및 신호 안정화를 위한 제2 LNA를 포함하여 GPS 출력신호를 제공하는 저잡음 증폭부 및 상기 GPS 출력신호가 특정 기준을 만족시키지 못한 경우에는 상기 커플러의 손실로 인한 보상을 위해 상기 저잡음 증폭부의 증폭 게인을 가변적으로 조절하는 커플러 손실 보상부를 포함한다. 따라서 GPS 신호를 보다 정교하게 수신하기 위해 커플러 손실 보상하고자 증폭 게인이 조절될 수 있다.

Description

커플러 손실 보상 가능한 능동형 GPS 안테나 장치{ACTIVE GPS ANTENNA APPARATUS FOR COUPLER LOSS COMPENSATION}
본 발명은 커플러 손실 보상 가능한 능동형 GPS 안테나 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는, GPS 신호를 보다 정교하게 수신하기 위해 커플러 손실 보상하고자 증폭 게인을 조절할 수 있는 커플러 손실 보상 가능한 능동형 GPS 안테나 장치에 관한 것이다.
GPS 안테나는 어떠한 사용 환경에 적용되느냐에 따라 설계 방법이 달라지게 된고, 예를 들어, GPS 안테나가 차량 내부에 장착되는 경우에는 GPS 안테나는 안테나와 LNA를 하나의 소자로 조립하는 능동형 GPS 안테나로 설계될 수 있다.
이렇게 설계된 능동형 GPS 안테나는 원활한 서비스 제공을 위해 다양한 환경에서 정상 동작이 가능하도록 설계되어야 하며, 제품 개발 단계에서 여러 환경조건에 대한 신뢰성을 증명하기 위해 환경시험을 수행해야 한다. 환경시험은 개발 제품을 온도, 습도, 진동, 충격 등의 환경조건에 노출시킴으로써 외관의 변형이나 정상동작 유무를 확인하는 과정들을 포함할 수 있다.
환경 시험의 일례로, 정재파비(VSWR : Voltage Standing Wave Ratio) 성능과 안테나 이득의 측정은 능동형 GPS 안테나의 정상동작 유무를 확인할 수 있는데 활용될 수 있다. 여기에서, 정재파비 성능은 일반적으로 휴대 가능한 네트워크 분석기로 측정될 수 있기 때문에 환경시험 과정에서 충분히 확인될 수 있다. 그러나 안테나 이득은 무반향 챔버에서 측정 가능하기 때문에 무반향 챔버가 설치되지 않은 환경시험장 에서는 측정이 불가능하다.
한국 공개특허공보 제10-2016-0077100 (2016.07.01)호는 다양한 환경들에서 존재하는 미약한 GPS 신호들의 효과적인 이용은 전자 디바이스로 하여금 이러한 환경들에서 자신의 위치를 정확히 찾아낼 수 있게 해준다. 전자 디바이스는 GPS(global positioning system) 신호들에 대한 다중 방향들로의 순차적 스캐닝을 수행하기 위해 안테나를 이용한다. 전자 디바이스는 또한 GPS 신호들을 제공했던 취득된 GPS 위성들의 개수를 결정하기 위해 다중 방향들로의 스캐닝으로부터 획득된 GPS 신호들을 분석한다. GPS 신호들은 취득된 GPS 위성들의 코드 위상들을 포함한다. 그런 후, 전자 디바이스는 취득된 GPS 위성들의 개수가 문턱값을 충족시킬 때 취득된 GPS 위성들의 코드 위상들에 기초하여 전자 디바이스의 위치를 계산한다.
한국 등록특허공보 제10-1679554 (2016.11.21)호는 재밍 신호에 대해 강건한 GPS용 원형편파 안테나가 개시된다. 본 발명의 일실시예에 따르면, 방사 소자; 방사 소자의 제1 접점에 일단이 연결되는 제1 전송라인; 제1 전송라인의 타단이 연결되며 신호를 공급하도록 구성된 입력부; 방사 소자의 제2 접점에 일단이 연결되는 제2 전송라인; 및 제1 전송라인의 타단이 연결되는 터미네이션부를 포함하되, 제1 전송라인 및 제2 전송라인은 입력부, 제1 접점, 제2 접점 및 터미네이션부를 포트로 하는 방향성 커플러(directional coupler)를 구성하는 것을 특징으로 하는 GPS용 원형편파 안테나가 제공된다. 본 발명의 일측면에 따르면, 방사 소자 사이의 간격을 감소시켜 널 구간을 증가시킬 수 있고, 이에 따라 재밍 신호에 의해 교란되어 기능을 수행할 수 없는 상황의 발생 가능성을 현저히 감소시킬 수 있다.
1. 한국 공개특허공보 제10-2016-0077100(2016.07.01)호 2. 한국 등록특허공보 제10-1679554(2016.11.21)
본 발명의 일 실시예는 지상 차량에서도 사용 가능하도록 LNA (Low Noise Amplifier) 보드를 통합설계한 커플러 손실 보상 가능한 능동형 GPS (Global Positioning System) 안테나 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예는 GPS 신호를 보다 정교하게 수신하기 위해 커플러 손실 보상하고자 증폭 게인을 조절할 수 있는 커플러 손실 보상 가능한 능동형 GPS 안테나 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예는 GPS 출력신호의 기준 만족 여부에 따라 커플러의 다양한 특성들로 인한 손실을 산출하여 증폭 게인을 가변시킬 수 있는 자가 환경시험 가능한 능동형 GPS 안테나 장치를 제공하고자 한다.
실시예들 중에서, 커플러 손실 보상 가능한 능동형 GPS 안테나 장치는 GPS (Global Positioning System) 입력신호를 수신하는 안테나부, 상기 GPS 입력신호에 관해 원형편파를 생성하는 커플러, 상기 커플러와 순차적으로 연결되어 상기 원형편파된 GPS 입력신호에 관해 2단 증폭된 GPS 입력신호를 생성하는 저잡음 지수 획득하기 위한 제1 LNA(Low Noise Amplifier)와 신호 증폭 및 신호 안정화를 위한 제2 LNA를 포함하여 GPS 출력신호를 제공하는 저잡음 증폭부 및 상기 GPS 출력신호가 특정 기준을 만족시키지 못한 경우에는 상기 커플러의 손실로 인한 보상을 위해 상기 저잡음 증폭부의 증폭 게인을 가변적으로 조절하는 커플러 손실 보상부를 포함한다.
상기 커플러는 상기 GPS 입력신호에 관해 RHCP (Right-hand circular polarization) 기반의 원형편파를 생성하여 상기 제1 LNA에 제공할 수 있다. 또한, 상기 커플러 손실 보상부는 상기 커플러의 전기적 특성으로 인한 제1 손실, 상기 커플러의 포트 특성으로 인한 제2 손실과 상기 커플러의 입출력 연결로 인한 제3 손실을 결정할 수 있다.
여기에서, 상기 커플러 손실 보상부는 제1 내지 제3 손실들을 합산하여 상기 커플러의 손실을 추정하고 상기 제2 LNA의 게인을 증가시킬 수 있다.
상기 저잡음 증폭부는 상기 제1 LNA의 입력단에 연결되어 상기 원형편파된 GPS 입력신호의 잡음을 제거하는 제1 BPF (Band Pass Filter)와 상기 제2 LNA의 출력단에 연결되어 상기 2단 증폭된 GPS 입력신호에 대한 잡음을 제거하는 제2 BPF를 더 포함할 수 있다.
상기 저잡음 증폭부는 상기 제1 LNA와 상기 제2 LNA 간에 연결되어 상기 제1 LNA에 의해 1단 증폭된 GPS 입력신호를 감쇠시켜 임피던스 매칭을 수행하는 임피던스 매칭 감쇠기, 상기 제2 BPF의 출력단에 연결되어 상기 2단 증폭된 GPS 입력신호를 증폭하는 출력신호 증폭기 및 상기 증폭기와 연결되어 상기 GPS 출력신호를 제공하는 출력신호 감쇠기를 더 포함할 수 있다.
개시된 기술은 다음의 효과를 가질 수 있다. 다만, 특정 실시예가 다음의 효과를 전부 포함하여야 한다거나 다음의 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 개시된 기술의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 커플러 손실 보상 가능한 능동형 GPS (Global Positioning System) 안테나 장치는 지상 차량에서도 사용 가능하도록 LNA (Low Noise Amplifier) 보드를 통합설계할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 커플러 손실 보상 가능한 능동형 GPS 안테나 장치는 GPS 신호를 보다 정교하게 수신하기 위해 커플러 손실 보상하고자 증폭 게인을 조절할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 커플러 손실 보상 가능한 능동형 GPS 안테나 장치는 GPS 출력신호의 기준 만족 여부에 따라 커플러의 다양한 특성들로 인한 손실을 산출하여 증폭 게인을 가변시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 커플러 손실 보상 가능한 능동형 GPS (Global Positioning System) 안테나 장치를 설명하는 도면이다.
도 2는 도 1에 있는 단일 소자로서 안테나부와 통합설계된 저잡음 증폭부를 나타내는 블록도이다.
도 3은 도 2에 있는 저잡음 증폭부에 의한 게인 관점의 시뮬레이션을 나타내는 그래프이다.
도 4는 도 2에 있는 저잡음 증폭부에 의한 잡음 지수 관점의 시뮬레이션을 나타내는 그래프이다.
도 5는 도 1의 GPS 안테나 장치의 캘리브레이션 과정에서 산출되는 커플러의 손실을 나타내는 도면이다.
도 6은 도 1의 저잡음 증폭부에서 현재 출력되는 GPS 출력신호의 게인을 나타내는 도면이다.
본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
한편, 본 출원에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.
"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다"또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 커플러 손실 보상 가능한 능동형 GPS (Global Positioning System) 안테나 장치를 설명하는 도면이다.
도 1을 참조하면, 커플러 손실 보상 가능한 능동형 GPS 안테나 장치(100)는 안테나부(110), 저잡음 증폭부(120) 및 커플러 손실 보상부(130)를 포함한다.
커플러 손실 보상 가능한 능동형 GPS 안테나 장치(100)는 지상 차량의 내부에서도 사용될 수 있도록 안테나부(110)와 저잡음 증폭부(120)를 단일 소자로 통합설계할 수 있고, 또한, GPS 안테나가 정상 동작하도록 저잡음 증폭부(120)의 증폭 게인을 가변시킬 수 있다.
안테나부(110)는 GPS 위성으로부터 GPS 신호를 수신하여 GPS 입력 신호를 생성할 수 있고, 일 실시예에서, 패치 안테나로 구현될 수 있다. GPS 신호는 GPS 위성에서 보내는 신호로서, 사용자의 현재 위치를 계산하기 위해 사용될 수 있으며, 예를 들어, 차량의 네비게이션에 채택될 수 있다.
저잡음 증폭부(120)는 안테나부(100)로부터 GPS 입력신호를 수신하고, GPS 입력신호를 증폭할 때 잡음을 최소한으로 줄이면서 원하는 신호를 증폭시켜 GPS 출력신호를 생성할 수 있다. 저잡음 증폭부(120)는 안테나부(110)와 단일 소자로 통합설계될 수 있고, 이를 통해 케이블 길이에 따라 결정될 수 있는 게인의 손실을 최소화할 수 있다.
커플러 손실 보상부(130)는 GPS 출력신호를 수신하고 GPS 출력신호가 목표 규격에 만족시키지 못한 경우에는 저잡음 증폭부(120)의 증폭 게인을 가변적으로 조절할 수 있다. 특히, 커플러 손실 보상부(130)는 특정 소자(예를 들어, 커플러와 그 연결선들)의 제거 없이 커플러 손실을 보상할 수 있으므로 다양한 환경에서 GPS 안테나 장치(100)를 정상적으로 동작시킬 수 있다.
도 2는 도 1에 있는 단일 소자로서 안테나부와 통합설계된 저잡음 증폭부를 나타내는 블록도이다.
도 2에서, 안테나부(110)는 패치 안테나로 구현될 수 있다. 또한, 도 2에서, 저잡음 증폭부(120)는 커플러(210), 제1 BPF (Band Pass Filter)(220), 제1 LNA (Low Noise Amplfier)(230), 임피던스 매칭 감쇠기(240), 제2 LNA(250), 제2 BPF(260), 증폭기(270), 출력신호 감쇠기(280) 및 레귤레이터(290)를 포함한다.
안테나부(110)는 패치 안테나로 구현되어 GPS 신호를 수신하고 진행 신호(advance signal)와 지연 신호(delay signal)로 구성되는 GPS 입력 신호를 저잡음 증폭부(120)에 제공할 수 있다. 여기에서, 패치 안테나는 마이크로스트립(microstrip) 기판 위에 직사각형 또는 원형의 금속 형태를 만들어 급전하는 안테나의 일종으로, 제작이 쉽고 같은 기판 위 직접 가능하므로 소형 무선통신 기기에 많이 사용될 수 있다.
이하, 저잡음 증폭부(120)의 구성들(210~290)을 설명한다.
커플러(210)는 GPS 입력신호를 원형편파시킬 수 있다. 일 실시예에서, 커플러(210)는 GPS 입력신호에 관해 RHCP (Right-hand circular polarization) 기반의 원형편파를 생성할 수 있고, LHCP (Left-hand circular polarization) 기반의 원형 편파를 제거(즉, 접지)할 수 있다. 편의상, 커플러(210)는 RHCP 기반의 원형 편파를 사용하였으며, 이러한 사용의 의도는 본 발명의 권리범위를 줄이기 위한 것은 아니므로, RHCP에 제한 해석될 수 없음은 자명하다. 한편, 커플러(210)는 전기적 특성, 포트 특성 및 입출력 연결로 인한 손실들을 제공할 수 있다. 이에 관해서는, 도 5를 통해 설명한다.
제1 BPF(220)는 원형편파된 GPS 입력신호의 잡음을 제거할 수 있다. 보다 구체적으로, 제1 BPF(220)는 20,000 km 이상의 고도에서 송신되는 GPS 신호의 수신 전력을 실질적으로 동일하게 가지는 GPS 입력신호의 증폭 과정 전에 원하지 않은 신호를 필터링하기 위해 사용될 수 있다.
제1 LNA(230)는 레귤레이터(290)로부터 전원(DC GND, DC 3V)을 수신할 수 있고, 저잡음 지수(Low Noise Figure)를 획득하기 위해 사용될 수 있으며, 원형편파된 GPS 입력신호를 1단 증폭된 GPS 입력신호를 생성할 수 있다. 여기에서, LNA는 미약한 신호를 증폭하기 위해 안테나에 내장시킬 수 있으며, 20,000 km 이상의 고도에서 송신되는 GPS 신호의 수신 전력을 증폭시키는데 활용될 수 있다. 예를 들어, 제1 LNA(230)는 전송선로에서의 감쇠를 줄이기 위해 안테나부(100)에 다른 구성요소들(210~220, 240~290)보다 상대적으로 가까이 위치될 수 있고, 수신단 입력부의 저잡음 증폭모듈(LNAM：Low noise Amplification Module)과 송신단 출력부의 전력 증폭모듈(PAM：Power Amplification Module)로 나눌 수 있다. 제1 LNA(230)에서, NF(Noise Figure, 잡음지수)(저잡음 지수를 포함)는 가장 중요한 특성으로서, 매우 작은 레벨의 GPS 입력신호를 잡음에 묻히지 않게 하면서 증폭시킬 수 있다. 또한, 제1 LNA(230)에서, NF는 입력 신호의 레벨을 줄일 수 있으므로, 안테나부(100)를 작게 만들 수 있다.
임피던스 매칭 감쇠기(240)는 제1 및 제2 LNA들(230, 250) 사이에 연결될 수 있고, 제1 LNA(230)에 의해 1단 증폭된 GPS 입력신호를 감쇠시켜 제2 LNA(250)에 입력시킬 수 있다. 여기에서, 임피던스 매칭 감쇠기(240)는 제1 LNA(230)의 출력을 제2 LNA(250)의 입력에 맞게 1단 증폭된 GPS 입력신호를 제어할 수 있으며, 특히, 제1 및 제2 LNA들(230, 250) 간의 임피던스 매칭을 수행할 수 있다.
제2 LNA(250)는 레귤레이터(290)로부터 전원(DC GND, DC 3V)을 수신할 수 있고, 임피던스 매칭 감쇠기(240)에 의해 조절된 1단 증폭된 GPS 입력신호를 수신하며 신호 증폭 및 신호 안정화를 수행하여 2단 증폭된 GPS 입력 신호를 출력한다. 일 실시예에서, 제2 LNA(250)는 가변 증폭기로 구현될 수 있고, 커플러 손실 보상부(130)의 제어 하에 증폭 게인을 가변시킬 수 있다. 보다 구체적으로, 제2 LNA(250)는 목표 규격 상의 목표 게인을 만족시킬 수 있도록 1단 증폭된 GPS 입력신호에 관한 신호 증폭을 수행할 수 있고 또한, 1단 증폭된 GPS 입력신호에 혼입되는 잡음을 제거하고, 신호 레벨을 조정하여 목표 규격 상의 정규 신호로 제어하기 위한 신호 안정화를 수행할 수 있다. 여기에서, 제2 LNA(250)는 신호 증폭 과정에서 커플러 손실 보상부(130)의 제어 하에 신호 증폭 레벨을 조절할 수 있다.
제2 BPF(260)는 제2 LNA(250)로부터 출력된 2단 증폭된 GPS 입력신호를 수신하여 2단 증폭된 GPS 입력신호에 관한 잡음을 제거할 수 있다. 보다 구체적으로, 제2 BPF(260)는 GPS 입력신호의 증폭 과정 후에 원하지 않은 신호를 필터링하기 위해 사용될 수 있다.
증폭기(270)는 레귤레이터(290)로부터 전원(DC GND, DC 3V)을 수신할 수 있고, 제2 BPF(260)의 출력단에 연결되어 2단 증폭된 GPS 입력신호를 다시 증폭한다. 즉, 증폭기(270)는 제2 LNA(250)에 의해 2단 증폭된 GPS 입력신호에 관해 원하지 않은 신호를 제거한 후에 GPS 입력신호를 최종적으로 증폭한다.
출력신호 감쇠기(280)는 증폭기(270)와 연결되어 최종적으로 증폭된 GPS 입력신호를 감쇠시켜 GPS 출력신호를 제공한다.
레귤레이터(290)는 제1 및 제2 LNA들(230, 250)과 증폭기(270)에 대하여 전원을 제공한다. 일 실시예에서, 레귤레이터(290)는 외부 전원(도 2의 수신기)로부터 직류 전압(DC 5V)와 직류 접지(DC GND)를 수신하고 GPS 안테나 장치(100)의 증폭 소자에 직류 전압(DC 3V)와 직류 접지(DC GND)를 제공할 수 있다.
결과적으로, 저잡음 증폭부(120)는 GPS 입력신호를 원형편파 시키고 증폭, 감쇠 및 필터링을 수행하여 목표 규격을 만족시키는 GPS 출력신호를 제공할 수 있다. 또한, 이러한 과정에서, 저잡음 증폭부(120)는 일부 소자의 중복 사용을 통해 증폭, 감쇠 및 필터링 과정을 반복하여 수행할 수 있다.
도 3은 도 2에 있는 저잡음 증폭부에 의한 게인 관점의 시뮬레이션을 나타내는 그래프이고, 도 4는 도 2에 있는 저잡음 증폭부에 의한 잡음 지수 관점의 시뮬레이션을 나타내는 그래프이다.
도 3에서, x 축은 주파수 대역(GHz)을 나타내고, y 축은 S-파라미터(S21)(dB)를 나타낸다. 한편, S (scattering) 파라미터는 RF에서 가장 널리 사용되는 회로 결과값으로, 주파수분포상에서 입력전압대 출력전압의 비를 의미한다. 예를 들어, S21의 경우, 1번 포트에서 입력한 전압과 2번 포트에서 출력된 전압의 비율을 의미하며, 결과적으로, 1번으로 입력된 전력이 2번포트로는 얼마나 출력되는가를 나타내는 수치이다. 결과적으로, 도 3에서, 게인은 43.55 dB에 해당할 수 있고 이는 목표 규격인 43 ± 2 dB를 만족시킬 수 있음을 알 수 있다.
도 4에서, x 축은 저잡음 증폭부(120)에 있는 구성요소들(210~280)의 잡음 지수를 나타낸다. 결과적으로, 도 4에서, 잡음 지수는 평균적으로 2.47 dB에 해당할 수 있고 이는 목표 규격인 3.4 dB 이하를 만족시킬 수 있음을 알 수 있다.
도 3 및 도 4에 의한 시뮬레이션 결과들을 정리하면 다음의 [표 1]과 같다.
성능 목표 규격 설계 결과
이득 43 ± 2 dB 43.55 dB
잡음 지수 3.5 dB 이하 2.47 dB
다시 도 1에서, 커플러 손실 보상부(130)는 저잡음 증폭부(120)에 의해 출력되는 GPS 출력신호를 수신하여 GPS 안테나 장치(100)가 커플러(210)의 손실을 보상하여 보다 정교하게 GPS 출력 신호를 제공할 수 있도록 제2 LNA(250)의 증폭 게인을 조절할 수 있다. 일 실시예에서, 커플러 손실 보상부(130)는 GPS 출력신호가 목표 규격에 만족시키지 못한 경우에는 특정 범위 내에서 증폭 게인을 가변적으로 조절할 수 있다.
커플러 손실 보상부(130)는 커플러(210)의 도입으로 인해 발생될 수 있는 손실들을 분류할 수 있다. 보다 구체적으로, 커플러 손실 보상부(130)는 커플러(210)의 전기적 특성으로 인한 제1 손실, 커플러(210)의 포트 특성으로 인한 제2 손실과 커플러(230)의 입출력 연결로 인한 제3 손실을 산출한다. 일 실시예에서, 커플러 손실 보상부(130)는 GPS 안테나 장치(100)의 캘리브레이션 과정에서 제1 내지 제3 손실들의 산출을 수행될 수 있고, GPS 출력신호가 임계치를 벗어나는 경우에는 GPS 안테나 장치(100)의 캘리브레이션 수행을 사용자에게 프롬프팅하고 GPS 안테나 장치(100)의 동작을 정지시킬 수 있다.
도 5는 도 1의 GPS 안테나 장치의 캘리브레이션 과정에서 산출되는 커플러의 손실을 나타내는 도면이다.
도 5에서, 커플러의 손실은 커플러(210)의 전기적 특성으로 인한 제1 손실(510), 커플러(210)의 포트 특성으로 인한 제2 손실(520) 및 커플러(210)의 입출력 연결로 인한 제3 손실(530)을 포함할 수 있다.
커플러의 총 손실은 아래의 [수학식 1]에 의해 산출되고, 커플러(210)의 총 손실은 제1 내지 제3 손실들의 스케일 합산 과정을 보여준다. 여기에서, 커플러 손실 보상 가능한 능동형 GPS 안테나 장치(100)는 커플러(210)의 손실을 다각적으로 분석하고 이러한 결과를 활용하여 오히려 GPS 출력신호의 게인을 조절하는데 활용할 수 있다.
[수학식 1]
커플러의 총 손실
= S1*전기적 특성으로 인한 제1 손실 + S2*포트 특성으로 인한 제2 손실 + S3*입출력 연결(케이블)로 인한 제3 손실
(S1 내지 S3은 각 손실에 따른 영향을 산출하기 위한 스케일링 지수에 해당하고, 0.5 ~ 1.5 사이의 값을 가짐)
도 5에서, 커플러(210)의 총 손실은 4.03 dB에 해당할 수 있고, 제1 및 제2 손실들은 3.25 dB에 해당하며, 제3 손실은 0.78 dB에 해당할 수 있다.
커플러 손실 보상부(130)는 저잡음 증폭부(120)의 게인을 산출할 수 있다. 보다 구체적으로, 커플러 손실 보상부(130)는 아래의 [수학식 2]를 통해 저잡음 증폭부(120)에 의해 최종적으로 출력되는 GPS 출력신호의 보상될 게인을 산출할 수 있고, 이러한 GPS 출력신호의 보상될 게인을 기초로 제2 LNA(250)에 의한 증폭 게인을 가변적으로 제어할 수 있다.
[수학식 2]
GPS 출력신호의 보상될 게인
= 저잡음 증폭부(120)에서 현재 출력되는 GPS 출력신호의 게인 + 커플러의 총 손실
(여기에서, 커플러의 총 손실은 [수학식 1]에 의해 산출됨)
여기에서, [수학식 2]에 따라, 커플러 손실 보상부(130)는 제1 내지 제3 손실들을 스케일 합산(즉, S1 내지 S3를 고려한 합산)하여 커플러(210)의 손실을 추정하고, 제2 LNA(250)의 게임을 가변적으로 증가시킬 수 있다.
도 6은 도 1의 저잡음 증폭부에서 현재 출력되는 GPS 출력신호의 게인을 나타내는 도면이다.
도 5 및 도 6에서, 저잡음 증폭부에서 현재 출력되는 GPS 출력신호의 게인은 39.56 dB에 해당하고 커플러(210)의 총 손실은 4.03 dB에 해당할 수 있다. 또한, [수학식 1]에서, S1 내지 S3 모두가 1에 해당한다면, 커플러 손실 보상부(130)는 최종적으로 GPS 출력신호의 보상될 게인을 43.59 dB로 산출할 수 있다.
결과적으로, 커플러 손실 보상부(130)는 저잡음 증폭부(120)에 의해 현재 출력되고 있는 GPS 출력신호의 게인이 목표 게인을 만족시키지 못한다면 커플러(210)로 인한 제1 내지 제3 손실들을 스케일 합산하여 현재 출력되고 있는 GPS 출력신호의 게인을 가변적으로 증가시킬 수 있고, 결과적으로, 저잡음 증폭부(120)에 의해 출력될 GPS 출력신호의 게인을 결정할 수 있다. 일 실시예에서, 커플러 손실 보상부(130)는 현재 출력되고 있는 GPS 출력신호의 게인을 가변적으로 증가시키기 위해 제2 LNA(250)의 증폭 게인을 조절하여 2단 증폭된 GPS 입력 신호의 게인을 증가시킬 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 능동형 GPS 안테나 장치
110: 안테나부 120: 저잡음 증폭부
130: 커플러 손실 보상부
210: 커플러 220: 제1 BPF
230: 제1 LNA 240: 임피던스 매칭 감쇠기
250: 제2 LNA 260: 제2 BPF
270: 증폭기 280: 출력신호 감쇠기
290: 레귤레이터
510: 제1 손실 520: 제2 손실
530: 제3 손실

Claims (6)

  1. GPS (Global Positioning System) 입력신호를 수신하는 안테나부;
    상기 GPS 입력신호에 관해 원형편파를 생성하는 커플러, 전송선로에서의 감쇠를 줄이기 위해 상기 안테나부에서 가장 가까이 위치하고 상기 커플러와 순차적으로 연결되어 상기 원형편파된 GPS 입력신호에 관해 2단 증폭된 GPS 입력신호를 생성하는 저잡음 지수를 획득하기 위한 제1 LNA(Low Noise Amplifier)와 신호 증폭 및 신호 안정화를 위한 제2 LNA를 포함하여 GPS 출력신호를 제공하는 저잡음 증폭부; 및
    상기 GPS 출력신호가 목표 규격을 만족시키지 못한 경우에는 상기 커플러의 손실로 인한 보상을 위해 상기 저잡음 증폭부의 증폭 게인을 가변적으로 조절하는 커플러 손실 보상부를 포함하되,
    상기 커플러 손실 보상부는 상기 커플러의 전기적 특성으로 인한 제1 손실, 상기 커플러의 포트 특성으로 인한 제2 손실과 상기 커플러의 입출력 연결로 인한 제3 손실을 결정하고, 상기 제1 내지 제3 손실들은 GPS 안테나 장치의 캘리브레이션 과정에서 산출될 수 있고 GPS 출력신호가 임계치를 벗어나는 경우에는 상기 GPS 안테나 장치의 캘리브레이션 수행을 사용자에게 프롬프팅(prompting)하고 상기 GPS 안테나 장치의 동작을 정지시키며, 수학식1에 따라 제1 내지 제3 손실들을 스케일 합산하여 상기 커플러의 총 손실을 추정하고 수학식2에 따라 상기 저잡음 증폭부의 보상될 게인을 산출하고 산출된 상기 보상될 게인을 기초로 상기 제2 LNA의 게인을 증가시키는 것을 특징으로 하는 커플러 손실 보상 가능한 능동형 GPS 안테나 장치.
    [수학식 1]
    커플러의 총 손실
    = S1*전기적 특성으로 인한 제1 손실 + S2*포트 특성으로 인한 제2 손실 + S3*입출력 연결(케이블)로 인한 제3 손실
    (S1 내지 S3은 각 손실에 따른 영향을 산출하기 위한 스케일링 지수에 해당하고, 0.5 ~ 1.5 사이의 값을 가짐)
    [수학식 2]
    GPS 출력신호의 보상될 게인
    = 저잡음 증폭부(120)에서 현재 출력되는 GPS 출력신호의 게인 + 커플러의 총 손실
    (여기에서, 커플러의 총 손실은 [수학식 1]에 의해 산출됨)
  2. 제1항에 있어서, 상기 커플러는
    상기 GPS 입력신호에 관해 RHCP (Right-hand circular polarization) 기반의 원형편파를 생성하여 상기 제1 LNA에 제공하는 것을 특징으로 하는 커플러 손실 보상 가능한 능동형 GPS 안테나 장치.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 상기 저잡음 증폭부는
    상기 제1 LNA의 입력단에 연결되어 상기 원형편파된 GPS 입력신호의 잡음을 제거하는 제1 BPF (Band Pass Filter)와 상기 제2 LNA의 출력단에 연결되어 상기 2단 증폭된 GPS 입력신호에 대한 잡음을 제거하는 제2 BPF를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 커플러 손실 보상 가능한 능동형 GPS 안테나 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 저잡음 증폭부는
    상기 제1 LNA와 상기 제2 LNA 간에 연결되어 상기 제1 LNA에 의해 1단 증폭된 GPS 입력신호를 감쇠시켜 임피던스 매칭을 수행하는 임피던스 매칭 감쇠기;
    상기 제2 BPF의 출력단에 연결되어 상기 2단 증폭된 GPS 입력신호를 증폭하는 출력신호 증폭기; 및
    상기 증폭기와 연결되어 상기 GPS 출력신호를 제공하는 출력신호 감쇠기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 커플러 손실 보상 가능한 능동형 GPS 안테나 장치.

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WO2024051159A1 (zh) * 2022-09-07 2024-03-14 智道网联科技(北京)有限公司 适用于自动驾驶车辆的电路和车辆

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