KR20030044171A - 디지털신호를 출력하는 소형 지피에스안테나 - Google Patents

Abstract

GPS패치안테나와 LNA(저노이즈증폭기)와 GPS다운컨버터와 GPS코릴레이터와 전원레귤레이터 및 USB포트를 포함한 일체형의 GPS안테나를 제공한다.

더불어 이 GPS안테나의 사이즈는 종래의 GPS패치안테나와 LNA를 포함하는 GPS안테나와 유사한 크기로 높이 12mm내외, 25*25mm²의 크기로 한다.

이를 구현하기 위하여, 본 발명에서는 PCB기판과 패치안테나 사이를 이격시키고, 이격된 사이에 코릴레이터칩과 시리얼투유에스비(Serial to USB)칩을 PCB상면에 탑재하고, PCB하면 일측에는 적층LNA를 구성한다. 하면에는 또한 다운컨버터와 전원레귤레이터를 구성한다.

Description

디지털신호를 출력하는 소형 지피에스안테나{Compact GPS Antenna outputting a digital signal}

본 발명은 지피에스(GPS) 안테나에 관한 것으로, 보다 상세하게는 부피를 작게하면서 디지털신호가 출력되도록 하는 지피에스 수신안테나에 관한 것이다.

지피에스(Global Positioning System)는 세계 어느 곳에서든지 자신의 위치를 정확하게 알 수 있고, 위도, 경도, 고도의 위치뿐만아니라 3차원의 속도정보와 함께 정확한 시간까지 얻을 수 있는 시스템이다. GPS수신기는 최소 4 개 이상의 위성으로부터 송출되는 신호를 수신하여 계산함으로써 현재 GPS 수신기 상태에서의 정확한 시간(t)과 위치(x,y,z)를 계산할 수 있게 해준다.

이러한 GPS는 비행기, 선박, 자동차뿐만아니라 휴대용단말기, PDA 등으로 그 응용범위가 확대되고 있다.

예를 들어 자동차와 관련된 GPS의 응용방향은 자동차에서 인터넷, 영화, 음악 등을 즐길 수 있도록 채택된 PC(이하 오토PC라 함)개념과 더불어 발전되고 있다.

이러한 종래의 오토PC에서 GPS를 운용하는 종래의 구성을 도 1을 참조하여 설명한다. 자동차(100)내에는 PC본체(110)가 위치되어 있으며, GPS수신 안테나(120)는 자동차의 지붕이나 트렁크의 상단에 장착되고, PC본체(110)의 내부에는 GPS관련 보드(board)(111)가 실장되어 있다. GPS수신안테나(120)와 보드(111)는 동축케이블(coaxial cable)(112)에 의해 서로 연결되어 있다.

한편, 도 1의 종래의 GPS안테나(120)의 구성은 도 2의 단면도를 참조하여 설명한다. 상부에는 전자파방사판(122a)과 접지판(122b)을 상,하에 둔 구조인 GPS패치안테나(patch antenna)(121)가 위치하고 있으며, 그 하부에는 PCB기판(125)이 접착되어 있고, PCB기판(125)은 EMI방지용 캔(can)(127)에 의해 둘러쌓여 있다. 여기서 전체안테나(120)의 두께는 약 12mm정도이고, 그 중 패치안테나(121)의 두께(d1)는 약 4mm이고, PCB기판(125)의 사이즈는 대략 25*25mm²이다. PCB기판(125)의 하면에는 회로구성에 필요한 트랜지스터(Tr), 저항(R), 캐패시터(C), 및 마이크로 스트립라인(Microstrip Line)등이 형성되어 있고, 도전체인 캔(127)과 PCB기판(125)사이는 기생캐패시터의 영향을 최소화하고자 어느 정도 거리(d2)만큼 이격되어 있다. 미설명부호 129는 안테나 피더(feeder) 로서 패치안테나에서 수신되는 GPS 신호를 LNA 측에 전달하는 역할을 하는 것으로 아래의 LNA의 입력단과 연결된다.

이러한 구조의 GSP안테나(120)는 PCB기판(125)에 형성된 LNA(Low Noise Amplifier)의 출력단을 통해 동축케이블(112)을 따라 오토PC(도 1의 110)의 GPS용 보드(111)로 전달되고, GPS용 보드(111)에는 다운컨버터(down converter)와 코릴레이터(correlator) 및 코릴레이터로부터의 정보를 처리하여 위치를 계산하는 GSP용 CPU등이 있고, CPU에서 계산된 위치값은 맵(map)으로 표시된다. 즉, 보드(111)에는 다운컨버터와 코릴레이터 및 별도의 CPU가 보드화되어 있고, 이 CPU는 오토PC의 메인CPU와 다른 CPU이다.

그런데, 위에서 설명한 바와 같이, 오토PC의 보드(111)에는 동축케이블(112)을 따라 RF 신호가 수신되고 이는 다운컨버터를 통해 중간주파수(IF)로 감소된다. 이후 코릴레이터에 의해 디지털화된다. 즉, RF주파수로 GPS수신신호가 보드(111)로 전달되므로 보드에서는 RF를 처리하여야 하는 바, 자동차에는 그 특성상 여러 가지 노이즈와 진동이 생성되고, 오토PC 자체의 클럭신호 등으로 인하여 RF신호를 처리함에 방해됨이 많아 정확한 신호전달에 상당히 많은 노력을 기울여야만 한다.

또한 PC제조업자 또는 PC수리업을 하는 분야에서 RF신호를 처리하는 기술은 일반적이지 않아 RF신호를 컴퓨터의 보드에서 처리하기에 필요한 차폐(shielding), 노이즈 제거, 접지(ground), 기타 불요 전자파 결합(coupling)등으로 인하여 어려움을 겪고 있다.

또한 오토 PC 용 GPS 수신기 기술이 아직 기술적으로 초기라는 점과 그 수요가 급속도로 진행될 것으로 예상된다는 점에서 이러한 보드를 자동차의 오토PC에 장착하였다가 다시 리콜 등을 통해 교체하는 경우, 그 불편함은 물론 비용소요가 엄청나고, 소비자의 불만도 증대될 위험이 있다.

또한 자동차 제조회사의 측면에서 보면, 하나의 자동차모델을 시험함에 있어, 오토PC만을 장착한 모델과 내비게이션용 보드(111)가 포함된 오토PC를 장착한 모델을 대상으로 모두 테스트해야하는 불편함과 비용소요가 들어가게 된다.

본 발명은 상기 설명한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로 본 발명의 목적은 개인단말기와 같은 소형PC에서 RF신호를 처리하지 않고단지 디지털신호만을 처리할 수 있도록 디지털화된 신호를 단말기에 보낼 수 있는 GPS수신안테나를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 실제 적용에 맞도록 그 크기가 최소화될 수 있는 GPS수신안테나를 제공하는 것이다.

기타 본 발명의 다른 목적 및 장점은 추후 설명되는 실시예를 통해 이해될 것이다.

도 1은 종래의 자동차에서 GPS를 이용하기 위하여 GPS안테나 및 오토PC를 적용한 예를 도시한 개략도

도 2는 종래의 GPS안테나의 개략단면도

도 3은 본 발명에 따른 GPS안테나의 개략단면도

도 4는 본 발명에 따른 GPS안테나의 회로도

(도면의 주요부분에 대한 부호의 간단한 설명)

121: GPS패치안테나 20: 다운컨버터

21: 코릴레이터23: 적층LNA

24: 레귤레이터28: 시리얼투유에스비칩

12: USB케이블25: PCB기판

27: EMI방지용 캔

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 GPS패치안테나와 LNA(저노이즈증폭기)와 GPS다운컨버터와 GPS코릴레이터와 전원레귤레이터를 포함한 일체형의 GPS안테나(이하 기존의 GPS 안테나와 LNA만으로 구성된 GPS 안테나와 구분하기 위해 편의상 '스마트 GPS 안테나'라고 함.)를 제공한다.

더불어 이 스마트 GPS안테나의 사이즈는 종래의 GPS패치안테나와 LNA를 포함하는 GPS안테나와 동일 또는 유사한 크기로 하는 것이 본 발명의 핵심이다.

이를 구현하기 위하여 , 본 발명에서는 PCB기판과 패치안테나 사이를 이격시키고, 이격된 사이에 코릴레이터칩과 시리얼 투 유에스비(Serial to USB)칩을 PCB상면에 탑재하고, PCB 하면 일측에는 적층LNA를 구성한다. 적층 LNA라 함은 수십층에 달하는 세락믹층을 층층히 쌓고 각 층 사이에 필요한 스트립라인등을 구현함으로써 원하는 전기적 특성을 얻는 소위 적층 세라믹 기판 위에 고주파 트랜지스터등을 부착시킴으로써 LNA를 구현한 것을 의미한다. 하면에는 또한 다운컨버터와 전원레귤레이터를 구성한다.

본 발명에서 상기 복수개의 칩들이 하나로 결합될 수도 있다.

적층LNA를 채택함으로써 마이크로 스트립라인이 바깥으로 노출되지 않게 됨으로써 기생 캐패시턴스에 의한 제품 성능 변화의 우려가 줄어들어 캔과의 거리를 좁힐 수 있는 이점이 있어 종래의 안테나와 동일한 크기로 제작하는 것이 가능하게 되는 것이다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 도면부호 중 종래와 동일, 유사한 요소에 대해서는 동일,유사한 부호를 부여하였다.

도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 스마트 GPS안테나의 개략단면도이다. 종래와 같이, 상부에는 GPS패치안테나(121)가 배치되어 있다. 하부는 캔(27)에 의해 둘러쌓여 있으며, GPS패치안테나(121)와 소정의 간격을 두고 PCB기판(25)이 장착되어 있다. PCB기판은 도면의 뒤쪽에서 슬라이드되어 장착되는 방식으로 장착될 수 있고, 기타 다양한 장착방식이 있을 수 있다. 캔(27)과 패치안테나(121)는 양면테이프 등을 이용하여 결합될 수 있다.

PCB기판은 도시한 바와 같이, 캔의 양측에 돌출부(또는 엠보싱)(27a)를 형성하여 슬라이드시켜 장착할 수도 있으며, 돌출부의 형성은 납땜의 방식으로 할 수도 있고, 캔(27)과 일체로 제작되게 할 수도 있다. 캔(27)의 저면부(27b)는 제조의 편의상 별도로 제작될 수 있으며, 위에서 설명한 바와 같이, 다양한 방식으로 캔(27)의 본체에 결합될 수 있다.

한편, PCB기판의 상부에는 코릴레이터(correlator)칩(21)과 시리얼투유에스비(serial to USB)칩(28)이 위치하고 있으며, 하면에는 적층LNA(23)와, 칩형상의 다운컨버터(20), 레귤레이터(24)가 실장되어 있다.

여기서 패치안테나(121)와 LNA입력단은 피더(29)로 연결되어 있다. 시리얼투유에스비칩(28)의 출력단은 USB케이블(12)이 미도시된 커넥터로 연결된다. 피더(29)는 동축케이블형상으로 내심이 패치안테나(121)와 연결된다.

본 발명에서 적층LNA(23)를 채택하고 있으므로, 캔(27)과의 거리(d4)가 종래(d2)에 비해 짧아질 수 있으므로, 그 짧아진 만큼 늘어난 여유공간(d3)에 각종 칩(21)(28)(20) 등이 실장될 수 있다. 고주파 신호가 통과하는 LNA(23)이나 GPS다운컨버터(28)와는 달리 디지털 신호가 전달되는 코릴레이터(correlator)칩(21)과 시리얼투유에스비(serial to USB)칩(28)은 기생캐패시턴스 등에 의한 오동작의 우려가 전혀 없으므로 기구가 허용하는 최소한의 높이 공간만 허용되면 충분하다. 이러한 이유로 도 3의 스마트 GPS 안테나 최종기구 높이는 도 2의 GPS 안테나 최종 기구 높이와 비슷하게 만들어 질 수 있다. 실장방식은 종래의 다양한 방식 예를 들어 납땜으로도 가능하다.

도 4는 본 발명에 따른 스마트 GPS안테나의 회로를 도시한 것으로, 패치안테나(121)로부터 RF주파수로 GPS신호를 수신받아 LNA(25)에 의해 증폭되고, BPF(Bandpass filter, 대역여과기)를 거쳐 다운컨버터(20)에서 IF주파수로 감소되고, 이후 코릴레이터(21)에 의해 디지털화된다. 즉, 코릴레이터칩(21)을 전후로 하여 GPS정보가 아날로그와 디지털로 구분된다.

코릴레이터(21)에서 디지털화된 GPS신호는 TTL드라이버(30)를 통해 시리얼투유에스비칩(28)으로 연결되고 이는 외부의 커넥터(40)로 이어져 USB케이블(12)이 GPS처리시스템(예를 들어 오토PC)으로 연결된다. 여기서 만약 코릴레이터칩이 직접 USB 포트를 제공한다면 상기의 시리얼투유에스비칩은 구성에서 생략가능하게 된다.

한편, 레귤레이터(24)는 적절한 전원을 각 요소에 공급하는 역할을 하고 있다.

이상에서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 설명하였으나, 이는 예시이며, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 정신에 따라 다양한 변화와 변형이 가능할 것이다.

예를 들어, 반도체 기술의 발전으로 인하여 코릴레이터칩과 다운컨버터칩 또는 이에 더하여 GPS용 CPU가 하나의 칩으로 결합되는 시도가 되고 있고, 이러한 시도에 따라 코릴레이터칩과 다운컨버터칩 또는 CPU가 하나의 칩으로 합쳐질 경우에도 본 발명이 적용되는 것은 당연하다.

아울러 본 발명에서는 USB케이블을 예로 들었으나, 시리얼포트를 사용하여 디지털신호를 오토PC와 같은 GPS처리시스템으로 송신할 수도 있으므로, 시리얼투유에스비칩이 생략될 수도 있고, 아울러 시리얼투유에스비칩과 코릴레이터칩이 합쳐지는 경우도 발생할 수도 있다.

그러나, 이러한 변화와 변형이 본 발명의 권리범위에 속하게 됨을 첨부된 청구범위를 통해 알 수 있을 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 스마트 GPS수신안테나는 GPS신호를 디지털화하여 예를 들어 오토PC와 같은 GPS처리시스템으로 연결되므로, GPS처리시스템에서는 디지털신호만 처리하면 되므로, 진동이나 간섭은 물론 불요전자파 및 각종 전기적 잡음과 같은 외부환경 변화에 잘 적응할 수 있음은 물론 GPS처리시스템의 구성을 단순화할 수 있는 이점이 있다.

이에 따라 GPS처리에 대한 성능개선이 되는 경우에도 GPS처리시스템의 CPU의 소프트웨어만 바꾸어주면 되므로, 오토PC와 같이, 작업이 용이하지 않은 환경에서는 단지 GPS안테나와 소프트웨어를 바꿈으로서, 성능개선이 가능한 이점이 있게된다.

한편, 상기와 같은 성능을 갖춘 GPS수신안테나를 충분히 컴팩트하게 설계할 수 있게 되어 사용자 및 채택업체의 요구에 부응할 수 있게 되는 이점이 있다.

또한 GPS처리시스템이 오토PC와 같이 다른 기능도 수행하기 위한 CPU가 있는 경우, 별도의 GPS용 CPU를 채택할 필요없이 메인CPU에서 처리하게 할 수 있으므로, 보드(board)는 물론 불필요한 CPU를 채택하지 않아도 되는 이점이 있다.

Claims (3)

1. GPS패치안테나와;

   인쇄회로기판(PCB)과;

   상기 GPS패치안테나의 RF신호를 증폭하는 LNA(저노이즈증폭기)와;

   상기 LNA를 통과한 RF신호를 중간주파수로 다운시키는 GPS다운컨버터와;

   상기 중간주파수를 디지탈화하는 GPS코릴레이터와;

   상기 GPS코릴레이터로부터의 디지털신호를 전달하기 위한 포트

   를 포함하고 있으며, 상기 LNA와 GPS다운컨버터와 GPS코릴레이터는 상기 PCB에 고정되어 있는 GPS안테나
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 LNA는 상기 PCB에 고정된 적층LNA인 GPS안테나
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 패치안테나는 상부에 위치하고, 하부에는 캔에 의해 내부에 공간을 정의하도록 둘러쌓여져 있으며, 공간내부에는 상기 PCB가 상기 패치안테나와 이격되어 평행하게 위치하고 있으며, 상기 PCB의 상면에는 상기 코릴레이터와, 외부와 정보를교환하기 위한, 코릴레이터와 연결된 커넥터가 실장되어 있으며, 하면에는 상기 적층LNA, 상기 다운컨버터가 실장되어 있는 GPS안테나