KR102089266B1 - 임피던스 자동매칭 기능이 부가된 선박용 무선송신기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 임피던스 자동매칭 기능이 부가된 선박용 무선송신기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 해양에서 항해하는 선박에 사용되는 100W 이상의 고출력 MF/HF(중저주파) 무전기의 무선통신을 지원하기 위한 ATU(Automatic Tuning Unit : 자동 임피던스 매칭창치)에 송신 중 임피던스 변화를 감지하여 송신의 중단없이 임피던스 매칭 동작을 실행하도록 하는 자동매칭부를 추가함으로써 안정된 통신이 가능하도록 하는 임피던스 자동매칭 기능이 부가된 선박용 무선송신기에 관한 것이다.
본 발명에 따르면 무선송신기에서 신호의 송신 중에 임피던스의 변화가 생겨도 실시간으로 자동매칭부의 동작으로 임피던스 매칭 동작이 실행되므로, 반사파의 유입으로 인한 장비의 열화나 파손을 방지할 수 있고, 안정적인 신호의 송신이 가능해지는 효과가 있다.

Description

임피던스 자동매칭 기능이 부가된 선박용 무선송신기{WIRELESS TRANSMITTER FOR SHIP WITH AUTOMATIC IMPEDANCE MATCHING}

본 발명은 임피던스 자동매칭 기능이 부가된 선박용 무선송신기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 해양에서 항해하는 선박에 사용되는 100W 이상의 고출력 MF/HF(중저주파) 무전기의 무선통신을 지원하기 위한 ATU(Automatic Tuning Unit : 자동 임피던스 매칭창치)에 송신 중 임피던스 변화를 감지하여 송신의 중단없이 임피던스 매칭 동작을 실행하도록 하는 자동매칭부를 추가함으로써 안정된 통신이 가능하도록 하는 임피던스 자동매칭 기능이 부가된 선박용 무선송신기에 관한 것이다.

일반적인 고출력 MF/HF 무전기에 사용되는 임피던스 매칭 방법은 음성통신 또는 데이터통신을 시작하기 전에 정합기(임피던스 매칭 유니트)를 사용하여 임피던스 정합 동작을 실행하는 방법으로 사용된다.

그러나 무전기가 사용되는 환경(태풍, 비, 바람, 근접 영향)의 영향에 따라 안테나 임피던스가 변화할 수 있다.

장비를 정상적으로 사용하는 경우에는 임피던스가 변하지 않아 문제가 없으나, 항해 시 환경 및 날씨가 변하거나, 바람이나 파도에 따라 안테나(20)가 움직이거나, 비가 많이 오는 경우에는 안테나(20)의 임피던스가 변하는 상황이 자주 발생한다.

하여도 음성통신이나 데이터통신 중에는 송신기를 튜닝할 수 없다. 임피던스가 변한 상태에서 통신을 계속하게 되면 정합기의 정합이 틀어져 사용하는 무전기에 열화 현상이 나타난다.

도 1은 종래기술에 따른 무선송신기의 구성을 나타낸 블럭도이며, 도 2는 도 1의 무선송신기를 사용하여 신호를 송신하는 과정을 나타낸 순서도, 도 3은 필터부를 사용하여 전체 대역의 신호를 필터뱅크 구현하는 결과를 나타낸 결과 측정그래프이다.

일반적인 무선송신기(10)의 구조는 도 1에 도시된 바와 같이, 송신부(11)로 신호가 입력되면 이를 송신하고자 하는 송신주파수로 변경하여 고출력 증폭부(12)로 입력한다. 입력된 신호는 증폭부(12)에 의해 고출력으로 증폭되며, 증폭된 신호는 필터부(13)로 입력된다.

필터부(13)는 정해진 송신주파수에 따라 필터뱅크를 동작시키는데, 도 3과 같이 채널별로 설정되어 있는 개별 필터를 동작하여 필요 대역만 통과하는 밴드패스필터(BPF)를 구현한다. 필터부(13)는 사용하지 않는 대역의 신호를 제거하여 송신 성능을 향상시키고, 타 무전기 장비의 송신에 영향을 주지 않도록 한다.

필터부(13)에 의해 미사용 대역의 신호가 제거된 신호는 자동튜닝부(Automatic Tuning Unit; ATU(14))에 입력되는데, 자동튜닝부(14)는 출력 신호가 50Ω에 맞게 임피던스를 정합하여 안정적으로 송신이 가능하도록 한다. 임피던스가 50Ω이 되도록 조정된 신호는 안테나(20)로 공급되어 다른 장비에 송신된다.

도 2에는 이러한 구조를 갖는 무선송신기(10)를 사용하여 신호를 송신하는 알고리즘이 도시되어 있다. 무선송신기(10)는 송신채널을 선택한 후에 자동튜닝부(14)가 임피던스를 정합한 후, 신호를 안테나(20)를 통해 송신하게 된다.

그러나 신호의 송신 중에 무선송신기(10)의 안테나(20) 임피던스가 변화하는 경우가 생길 수 있다. 즉, 항해 중 통신 송신시 파도나 환경의 영향에 따라 안테나 임피던스가 변할 경우 신호의 상태가 안테나 임피던스가 변화되어 안테나 반사파가 무선송신기(10)로 유입되어 무선송신기(10)가 열화되거나 파손되는 경우가 자주 발생한다.

그러나 기존의 무선송신기(10)의 신호의 송신 중에는 임피던스 매칭을 할 수 없는 상태이거나 매칭을 하지 않는다.

무선송신기(10)의 통신 중 매칭 정합을 할 수 없는 이유는 주파수가 낮고 사용 대역이 넓어 필터를 회로적으로 구분 구현이 불가능하고, 또한 신호를 전체 대역에서 사용하기 위해서는 릴레이를 사용하여 필터뱅크를 만들어 사용 주파수별로 필터뱅크를 필요한만큼 스위칭하여 연결한 후 사용해야 한다. 그러나 이러한 회로에 적용되는 릴레이는 고출력 파워로 인하여 송신 중 튜닝을 시도할 경우 릴레이가 고출력 신호를 견디지 못하고 쉽게 파손될 수 있다.

신호의 송신 중에 임피던스 변화 및 안테나의 고유 임피던스 변화는 보상되지 않은 상태에서 송신하게 되는데, 송신시 임피던스의 변화로 인해 더 많은 반사파가 송신부(11)에 유입되어 송신 성능 열화 및 장비 파손의 위험이 증가하게 된다.

기존에 사용되는 자동튜닝부(14)는 장비의 파손 방지를 위하여 송신 중에는 임피던스가 변하여도 제어를 하지않기 때문에 송신 중 임피던스가 변동되어 50Ω을 벗어나는 양에 따라 반사파가 무선송신기(10)로 유입되어 무선송신기(10)가 열화되거나 파손될 수 있다.

따라서 무선송신기(10)의 사용 중 장비가 사용 기간에 따른 열화도 발생하고 운용 송신 중 발생하는 임피던스 열화에 따라 송신부(11)가 파손되는 것을 막을 수 있도록 임의의 임피던스 보상 기능을 구현할 필요가 있다.

KR 10-2018-0010883 A KR 10-2018-0006974 A KR 10-2016-0002794 A

전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 무선송신기의 신호 송신경로에 고출력 자동매칭부를 추가하여, 임피던스의 실시간 변화가 발생했을 때 신호의 송신 중에도 임피던스 매칭이 가능하도록 하여 안정적으로 송신이 가능해지도록 하고, 반사파의 유입으로 인해 송신부가 열화되거나 파손되는 것을 방지하도록 하는 임피던스 자동매칭 기능이 부가된 선박용 무선송신기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 고출력 사용으로 인한 송신 중 추가 임피던스 튜닝을 위한 고출력 위상 및 임피던스 저항을 검출하여 검출된 값은 전압으로 변환하고, 변환된 전압은 판별기에 입력되도록 하며, 판별기의 출력을 0V를 기준으로 검출값과 비교하여 임피던스를 신호의 송신 중에 추가적으로 제어할 수 있도록 하는 임피던스 자동매칭 기능이 부가된 선박용 무선송신기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 신호의 위상의 경우는 고압용 가변 콘덴서를 사용하여 제어하는데, 검출된 위상에 따라 위상을 안정하게 하기 위한 위상의 변화를 위해 고압용 가변 콘덴서를 조정하여 전압을 변화시키면서 신호의 위상을 조정하도록 하는 임피던스 자동매칭 기능이 부가된 선박용 무선송신기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 임피던스의 저항 성분은 코일 인덕턴스를 가변하여 보정하며, 송신시 고출력을 고려하여 가변이 가능하면서 변동되는 간격이 끊어지지 않게 모터를 적용하여 코일값을 안정적으로 변화시키도록 하는 임피던스 자동매칭 기능이 부가된 선박용 무선송신기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

전술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명은 선박에 사용되는 MF/HF(중저주파) 무전기에 설치되어 신호의 송신 중 임피던스 변화를 감지하여 송신의 중단없이 임피던스 매칭 동작을 실행하도록 하는 선박용 무선송신기로서, 음성신호 또는 데이터신호로 구성된 송신신호를 발생시키는 송신부(110)와; 상기 송신신호의 출력을 정해진 규격대로 증폭시키는 증폭부(120)와; 상기 증폭부(120)에 의해 출력이 증폭된 상기 송신신호를 입력받아 특정 대역의 신호를 통과시키는 필터부(130)와; 상기 필터부(130)에 의해 걸러진 송신신호를 입력받고, 반사파를 최소화하기 위해 상기 송신신호의 임피던스를 정합시켜 출력하는 자동튜닝부(140)와; 상기 자동튜닝부(140)로부터 출력되는 송신신호를 입력받아 상기 안테나(20)에 전달하며, 상기 송신신호의 송신 중에 상기 무선송신기(100)의 자세 또는 환경의 변화에 따라 임피던스가 변화했을 때, 신호의 송신을 중단하지 않은 상태에서 임피던스를 변화시켜 정합이 이루어지도록 하는 자동매칭부(150);를 포함한다.

상기 자동매칭부(150)는 반사파검출기(151)와; 리액턴스 성분을 감지하고 가변 콘덴서를 구동시켜 리액턴스 성분을 제거 위상검출기(152)와; 임피던스 요소를 조정하기 위해 모터를 이용하여 가변코일을 가변하여 저항값을 변화시키는 저항검출기(153)와; 임피던스변환기(154)와; 조정기(155);를 포함한다.

본 발명에 따르면 무선송신기에서 신호의 송신 중에 임피던스의 변화가 생겨도 실시간으로 자동매칭부의 동작으로 임피던스 매칭 동작이 실행되므로, 반사파의 유입으로 인한 장비의 열화나 파손을 방지할 수 있고, 안정적인 신호의 송신이 가능해지는 효과가 있다.

도 1은 종래기술에 따른 무선송신기의 구성을 나타낸 블럭도.
도 2는 도 1의 무선송신기를 사용하여 신호를 송신하는 과정을 나타낸 순서도.
도 3은 필터부를 사용하여 전체 대역의 신호를 필터뱅크 구현하는 결과를 나타낸 결과 측정그래프.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 무선송신기의 구성을 나타낸 블럭도.
도 5는 자동매칭부의 구성을 상세하게 나타낸 블럭도.
도 6은 도 4의 무선송신기를 사용하여 신호를 송신하는 과정을 나타낸 순서도.
도 7은 위상검출기의 구조를 나타낸 블럭도.
도 8은 위상검출기에서 송신신호의 위상을 검출하는 방법을 나타낸 개념도.
도 9는 저항검출기의 구조를 나타낸 블럭도.

이하에서 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 "임피던스 자동매칭 기능이 부가된 선박용 무선송신기"(이하, '무선송신기'라 함)를 설명한다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 무선송신기의 구성을 나타낸 블럭도이며, 도 5는 자동매칭부의 구성을 상세하게 나타낸 블럭도, 도 6은 도 4의 무선송신기를 사용하여 신호를 송신하는 과정을 나타낸 순서도, 도 7은 위상검출기의 구조를 나타낸 블럭도, 도 8은 위상검출기에서 송신신호의 위상을 검출하는 방법을 나타낸 개념도, 도 9는 저항검출기의 구조를 나타낸 블럭도이다.

본 발명의 무선송신기(100)는 종래기술에서와 동일하게 송신신호를 발생시키는 송신부(110), 신호의 출력을 정해진 규격대로 증폭시키는 증폭부(120), 특정 대역 신호를 통과시키는 필터부(130), 신호의 임피던스를 정합시켜 반사파를 최소화하는 자동튜닝부(140)를 포함하며, 자동튜닝부(140)와 안테나(20) 사이에 추가적인 구성으로서 자동매칭부(150)를 연결하는 구성을 갖는다.

자동매칭부(150)는 신호의 송신 중에 무선송신기(100)의 자세 또는 환경의 변화에 따라 임피던스가 변화했을 때, 신호의 송신을 중단하지 않은 상태에서 임피던스를 변화시켜 정합이 이루어지도록 하는 기능을 한다.

본 발명은 도 4에 도시된 바와 같이, 기존에 사용되는 자동튜닝부(140)에 자동매칭부(150)를 추가한 구성을 갖는다. 자동튜닝부(140)에는 반사파를 검출하고, 신호의 위상과 저항을 검출하여 반사파와 임피던스를 검출하도록 구성된다.

도 5에 도시된 바와 같이, 자동매칭부(150)는 반사파검출기(151)와 위상검출기(152), 저항검출기(153), 임피던스변환기(154), 조정기(155)를 구비하며, 자동매칭부(150)의 동작은 무선송신기(100)에 포함된 제어부(160) 또는 자동매칭부(150)에 별도로 설치된 프로세서(도면 미도시)에 의해 제어된다.

신호의 송신을 위해 임피던스가 정합된 신호가 자동튜닝부(140)로부터 전송되면, 안테나(20)는 신호를 전송하여 무선통신망을 형성한다. 자동매칭부(150)는 신호의 송신이 이루어지고 있는 동안, 임피던스의 변화가 발생한 사실을 감지하고, 신호의 송신을 중단하지 않은 상태에서 임피던스를 변화시켜 정합이 이루어지도록 한다.

자동매칭부(150)에 입력된 신호는 반사파검출기(151), 위상검출기(152), 저항검출기(153)에 의해 각각 반사파, 위상, 저항이 검출되며, 검출된 값은 제어부(160)에 입력된다. 제어부(160)는 입력된 신호를 분석하여 임피던스 제어를 위한 제어신호를 생성하며, 제어부(160)는 제어신호를 조정기(155)로 송신한다. 본 발명에서 조정기(155)는 위상조정기와 저항조정기(155)로 이루어진다.

임피던스변환기(154)는 50Ω의 RF입력신호를 안테나(20)의 평균 임피던스에 배율을 맞추어 임피던스 정합시 송신 효율을 높일 수 있도록 한다. 또한 사전에 확인된 안테나 주파수별 임피던스에 맞게 보정값을 제어부(160)에 입력, 저장하여 채널별 신호의 송신을 안정적으로 할 수 있도록 한다.

자동매칭부(150) 전단의 리액턴스 요소가 50Ω옴이 되도록 적절히 조정하면, 순수 저항성 50Ω으로 신호 전달이 가능하다. 송신 중 안테나 임피던스가 50Ω이 아니면 용량성이 된다.

위상검출기(152)는 리액턴스 성분을 감지하고 가변 콘덴서를 구동시켜 리액턴스 성분을 제거한다. 위상검출기(152)는 트랜스포머를 이용하여 두 개의 성분의 출력이 같고 위상이 180°만큼 달라지게 구성한다.

트랜스포머에는 기준전압을 생성하는 분배기가 포함되는데, 이 지점에서 전압과 위상이 90° 차이나게 된다. 기준 전압의 벡터 합계와 권선 유도 전압은 합산된다. 합산 회로는 완벽하게 대칭이 되도록 조정해야 하며, 완벽하게 조정된 경우 순수한 저항성 부하는 0V가 된다. 다른 조건이 입력되는 경우는 양 또는 음 전압 출력이 된다.

위상검출 결과는 위상검출 도 8에 도시된 바와 같이, EA=EB가 같은 경우는 NUL 0V가 출력되며, EA>EB인 경우는 양의 전압이 출력되며, EA<EB인 경우는 음의 전압이 출력된다. 음 또는 양의 전압이 출력되는 경우, 제어부(160)가 감시하여 송신 중 위상조정기를 제어하여 0V 전압이 출력되게 조정하여 리액턴스 성분을 제거한다.

자동매칭부(150) 전단의 임피던스 요소를 50Ω에 적절히 조정하면, 순수저항성 50Ω으로 신호 전달이 가능해진다. 역시 신호의 송신 중 임피던스가 50Ω이 아닌 경우 저항값이 변하게 되는데, 저항 성분이 50Ω이 되게 모터를 이용하여 가변코일을 가변하여 저항값을 50Ω이 되게 제어한다.

저항검출기(153)에서 검출된 전압은 저항값이 50Ω인 경우는 0V를 출력하며, 저항 값이 50Ω 미만일 경우에는 음의 전압이 출력되며, 저항값이 50Ω 보다 클 경우에는 양의 전압이 출력된다.

위상검출기(152) 및 저항검출기(153) 내부의 비교기(152b, 153b)에 입력된 전압은 제어부(160)로 입력되어 코일 인덕컨스를 모터를 이용하여 끊어짐이 없이 송신 중에 가변하여 저항값이 50Ω이 되게 제어한다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였지만, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

10, 100 : 무선송신기 20 : 안테나
110 : 송신부 120 : 증폭부
130 : 필터부 140 : 자동튜닝부
150 : 자동매칭부 160 : 제어부

Claims (2)

1. 선박에 사용되는 MF/HF(중저주파) 무전기에 설치되어 신호의 송신 중 임피던스 변화를 감지하여 송신의 중단없이 임피던스 매칭 동작을 실행하도록 하는 선박용 무선송신기로서,
   음성신호 또는 데이터신호로 구성된 송신신호를 발생시키는 송신부(110)와;
   상기 송신신호의 출력을 정해진 규격대로 증폭시키는 증폭부(120)와;
   상기 증폭부(120)에 의해 출력이 증폭된 상기 송신신호를 입력받아 특정 대역의 신호를 통과시키는 필터부(130)와;
   상기 필터부(130)에 의해 걸러진 송신신호를 입력받고, 반사파를 최소화하기 위해 상기 송신신호의 임피던스를 정합시켜 출력하는 자동튜닝부(140)와;
   상기 자동튜닝부(140)로부터 출력되는 송신신호를 입력받아 안테나(20)에 전달하며, 상기 송신신호의 송신 중에 무선송신기(100)가 설치된 선박의 자세 변화에 따라 상기 안테나(20)의 임피던스가 변화했을 때, 신호의 송신을 중단하지 않은 상태에서 임피던스를 변화시켜 정합이 이루어지도록 하는 자동매칭부(150)와;
   상기 자동매칭부(150)로부터 입력된 신호를 분석하여 임피던스 제어를 위한 제어신호를 생성하는 제어부(160);를 포함하며,
   상기 자동매칭부(150)는
   반사파검출기(151)와;
   리액턴스 성분을 감지하고 가변 콘덴서를 구동시켜 상기 리액턴스 성분을 제거하는 위상검출기(152)와;
   임피던스 요소를 조정하기 위해 모터를 이용하여 가변코일을 가변하여 저항값을 변화시키며, 상기 임피던스가 50Ω인 경우는 0V를 출력하며, 상기 임피던스가 50Ω 미만일 경우에는 음의 전압을 출력하며, 상기 임피던스가 50Ω 보다 클 경우에는 양의 전압을 출력하는 저항검출기(153)와;
   상기 자동매칭부(150)에 입력되는 50Ω의 RF입력신호를 상기 안테나(20)의 평균 임피던스에 배율을 맞추어 임피던스를 정합시키며, 사전에 확인된 안테나 주파수별 임피던스에 맞게 임피던스의 보정값을 제어부(160)에 입력하는 임피던스변환기(154)와;
   상기 제어부(160)로부터 송신되는 제어신호에 따라 코일 인덕턴스를 가변시켜 저항값이 50Ω이 되도록 제어하는 조정기(155);를 포함하는, 임피던스 자동매칭 기능이 부가된 선박용 무선송신기.
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