KR20030078604A - 입체형 지피에스 안테나 및 이를 적용한 이동단말장치 - Google Patents

입체형 지피에스 안테나 및 이를 적용한 이동단말장치 Download PDF

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Abstract

다면체를 구성하는 각각의 면에 부착되거나 이동단말장치가 임의의 위치에 놓이더라도 GPS 위성을 향한 면이 적어도 하나 이상이 되도록 이동단말장치의 각 면에 설치되는 평면형 GPS 안테나들과, 이 평면형 GPS 안테나들과 각각 전기적으로 연결되어 평면형 GPS 안테나들로부터 수신되는 신호를 합성하기 위한 전력합성기를 포함하는 입체형 GPS 안테나가 개시된다.

Description

입체형 지피에스 안테나 및 이를 적용한 이동단말장치{Cubic GPS antenna and movable terminal device using the same}
본 발명은 GPS(Global Positioning System) 위성신호를 여러 방향에서 수신할 수 있는 입체형 GPS 안테나에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이동단말장치의 케이스 상의 각 면들에 평면 안테나를 배치하고 각 평면 안테나들에 수신된 신호들을 전력 합성기로 합성하여 출력하여 사용하는 입체형 GPS 안테나에 관한 것이다.
더욱이, 본 발명은 GPS 위성신호를 수신할 수 있는 작은 평면안테나를 다면체의 각 면들에 부착하고 각 평면 안테나들에 수신된 신호들을 전력 합성기로 합성하여 출력하여 사용하는 입체형 GPS 안테나에 관한 것이다.
GPS시스템이 1972년 미국 국방성에서 개발된 이래 군사적 목적, 산업목적 등으로 꾸준한 연구 개발이 이루어져 왔다. GPS시스템은 위치가 정의되는 복수의 위성으로부터 수신되는 위성신호의 도달시간으로부터 정지 또는 이동중인 물체의 위치를 측정할 수 있는 시스템으로, GPS수신기에서 정확한 위치를 산출하기 위해서는 각 위성으로부터 전송되는 위성신호를 일정 레벨 이상으로 수신하는 것이 위치산출의 필수요소라 할 수 있다.
종래 위성신호를 수신하기 위해서 GPS 수신기에서는 하나의 평면에 배치되는 유전율이 매우 큰(εr=38) 마이크로스트립 안테나를 사용하고 있다. 이와 같은 종래의 안테나는 이득이 낮아 증폭기와 결합하여 GPS 신호를 증폭하여 정보를 처리하고있다.
또한, 항상 안테나의 주 빔의 방향이 하늘을 향해 있어야 하므로 고정 GPS 수신장치에서는 문제가 없으나, GPS 수신기가 부착된 모바일 폰 등과 같이 GPS 기능을 구비한 이동단말장치의 경우, 이동단말장치를 호주머니에 넣어 취급하는 상황에서는 이동단말장치 자체가 여러 방향으로 놓일 수 있으므로 GPS 기능을 사용하기 어렵다. 즉, 이동단말장치에 부착된 GPS 안테나가 평면구조를 갖기 때문에 평면 안테나의 주 빔(Beam) 방사방향과 위성이 일치하지 않게 되면 위성신호의 수신 레벨이 매우 낮아져 원활한 위치파악이 곤란하게 된다. 이는 평면 안테나의 경우, 수신레벨이 최대 수신각도의 1/2로 되는 반치각(Half Power Beam Width)이 70∼78°로 제한되어 있으므로 임의의 위치에 놓인 평면 안테나로는 위성 수신을 기대할 수 없기 때문이다.
그럼에도 불구하고, 모바일 폰과 같은 경우, 평면 안테나를 사용하는 것이 소형화에 가장 적당하므로 광범한 연구개발이 수행되고 있는 실정이다.
따라서, 본 발명은 이와 같은 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 평면 형상의 안테나의 단점인 빔 입사각의 제한, 즉 좁은 반치각(Half Power Beam Width) 문제를 해결할 수 있는 입체형 GPS 안테나를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 이동단말장치, 특히 부착된 평면 안테나의 방향이 수시로 바뀔 수 있는 이동단말장치에 입체형 GPS 안테나를 제공함으로써 이동중에도 이동단말장치의 위치에 무관하게 GPS 정보를 수신할 수 있도록 하는 것이다.
도 1a 내지 도 1d는 본 발명에서 사용되는 평면형 안테나인 슬랏티드 안테나와 프린티드 루프 안테나의 일 예를 나타내기 위한 패턴도이다.
도 2a는 본 발명의 일실시예에 따라 반구형 마이크로 스트립 공진기를 적용한 입체형 GPS 안테나의 구성도이다.
도 2b는 본 발명의 다른 실시예에 따라 사각형 마이크로 스트립 공진기를 구비한 멀티 포트 전력합성기를 적용한 입체형 GPS 안테나의 구성도이다.
도 3은 본 발명에 따른 입체형 GPS 안테나를 실제 적용하는 일 예를 보여주는 상태도이다.
도 4는 본 발명의 입체형 GPS 안테나를 실제 적용하는 다른 예를 보여주는 상태도이다.
도 5는 도 2b의 사각형 공진기와 안테나 연결용 5개 포트, 합성 출력용 1개 포트의 패턴도이다.
본 발명의 일측면에 따르면, 다면체를 구성하는 각각의 면에 부착된 평면형 GPS 안테나들과, 이 평면형 GPS 안테나들과 각각 전기적으로 연결되어 평면형 GPS 안테나들로부터 수신되는 신호를 합성하기 위한 전력합성기를 포함하는 입체형 GPS 안테나가 개시된다.
바람직하게, 다면체는 육면체를 포함한다.
바람직하게, 전력합성기는 반구형 또는 사각형 마이크로 스트립 공진기(Cavity)를 포함한다.
또한, 바람직하게, 전력합성기는 평면형 GPS 안테나 전체들과 결합도 ≒ -1db과 격리도(isolation) ≤-30db 조건을 만족한다.
바람직하게, 평면형 GPS 안테나와 전력합성기는 동일한 사이즈의 정사각형이고, 예를 들어, 가로×세로×높이가 각각 9×9×0.3mm의 사이즈로 형성될 수 있으며, 직사각형의 형상과 다른 사이즈로 변형될 수 있다.
바람직하게, 전력합성기 내부에 설치되는 공진기는 직사각형이며, 장변에 제 1 내지 제 4 포트를 구비하고, 단변에 제 5 및 제 6 포트를 구비하며, 제 1 내지 제 5 포트는 평면형 GPS 안테나와 연결되는 입력포트이고, 제 6 포트는 합성된 신호를 출력하는 출력포트이다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 이동단말장치가 임의의 위치에 놓이더라도 GPS 위성을 향한 면이 적어도 하나 이상이 되도록 이동단말장치의 각 면에 설치되는 평면형 GPS 안테나들과, 이 평면형 GPS 안테나들과 각각 전기적으로 연결되어 평면형 GPS 안테나들로부터 수신되는 신호를 합성하기 위한 전력합성기를 포함하는 입체형 GPS안테나가 개시된다.
바람직하게, 이동단말장치는 모바일 폰, 무선 PDA 및 컴퓨터 시스템 중 어느 하나를 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 일정한 체적을 갖는 몸체에 방사상으로 대향하는 공간을 커버하도록 부착된 평면형 GPS 안테나들; 평면형 GPS 안테나들과 전기적으로 연결되어 평면형 GPS 안테나들로부터 수신되는 신호를 합성하기 위한 전력합성기를 포함하는 입체형 GPS 안테나가 개시된다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표기되었음에 유의하여야 한다.
또한, 하기의 설명에서는 구체적인 특정사항들이 도시되어 있는데, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐 이러한 특정 사항들 없이도 본 발명이 실시될 수 있음은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하다 할 것이다.
그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 2a를 참조하면, 모바일 폰이나 무선 PDA 또는 컴퓨터 시스템과 같은 이동단말장치의 각 면에는 평면형 안테나들(A1), (A2), (A3), (A4), (A5)이 설치되고, 이들로부터 수신되는 GPS 위성신호는 전력합성기(power combiner: Psys)에서 합성되어 신호 출력단자(Pout)로 출력되도록 한다.
전력합성기(Psys)는 여러 가지 형태가 있을 수 있으며, 도 1에 도시된 것은 반원형 마이크로 스트립 디스크 형상으로 이루어져 있으며, 이는 이동단말장치 내부에 형성하여 별도의 공간을 차지 않도록 하는 것이 바람직하다.
도 2b는 사각형 마이크로 스트립 공진기를 사용한 멀티 포트 전력합성기를 적용한 입체형 GPS 안테나를 보여주고 있다.
멀티포트 전력합성기(Psys)는 윌킨슨(Wilkinson) 전력합성기(2-입력, 1-출력)를 다단(Multi-stage)병렬로 설치하는 방법과 공진기의 특성을 이용한 단단(Single-stage)으로 멀티포트를 실현하는 방법 등 여러 가지 형태가 있다.
도 5를 참조하면, 전력합성기 내부에 설치되는 공진기는 직사각형이며, 장변에 제 1 내지 제 4 포트(P2, P3, P4, P5)를 구비하고, 단변에 제 5 및 제 6 포트(P1, Pout)를 구비하며, 제 1 내지 제 5 포트(P1 내지 P5)는 평면형 GPS 안테나와 연결되는 입력포트이고, 제 6 포트(Pout)는 합성된 신호를 출력하는 출력포트이다.
평면형 안테나들(A1), (A2), (A3), (A4), (A5)로는 여러 가지의 기존의 안테나가 사용될 수 있다. 즉, 마이크로 스트립 패치 안테나, 분포선로 L-C 공진 안테나 및 도 1에 도시된 바와 같은 슬롯티드(slotted) 사각형 마이크로 스트립 패치 안테나(도 1a 내지 도 1b), 프린티드 루프 안테나(도 1d) 등의 다양한 형태가 사용될 수 있다. 또한, 이들 중 하나의 형태를 통일적으로 사용할 수 있을 뿐만 아니라 이들을 조합하여 사용할 수도 있다.
전력합성기(Psys)는 여러 개의 분기회로에서 입력되는 전류를 합성하여 1개의 출력회로로 전송해주는 역할을 하며, 평면형 GPS 안테나(A1), (A2), (A3), (A4), (A5)들로부터 수신 신호를 최적의 조건으로 합성하여야 한다. 이를 위해서는 전력합성기(Psys)에 설치된 공진기의 각 포트들 간의 임피던스 정합이 잘 이루어져야 하며, 이 경우에 반사가 최소가 된다.
바람직하게는 전력합성기와 평면형 GPS 안테나 전체들간에는 대략 결합도(coupling coefficient) = -1db, 격리도(isolation) ≤-30db의 조건으로 합성하도록 한다. 상기의 조건에 미달하게 되면 수신신호의 전력전달이 적절히 이루어지지 않아 합성으로 인한 효과가 미미할 수 있다.
도 3은 본 발명의 입체형 GPS 안테나를 실제 적용하는 일 예를 보여주고 있다.
도시된 바와 같이, 모바일 폰(100)에 적용하는 경우에는, 예를 들어, 배면을 제외한 5개의 면에 평면형 안테나들(A1), (A2), (A3), (A4), (A5)을 설치하고 배면에 전력합성기(Psys)를 설치할 수 있다. 평면형 GPS 안테나의 개수는 이동단말장치의 종류나 설계상의 이유로 적절하게 선택될 수 있다.
전력합성기(Psys)는, 예를 들어, 가로×세로×높이가 9×9×0.3mm의 크기를 가질 수 있으며, 바람직하게, 전력합성기(Psys) 내의 공진기(Mc)의 각 포트들 간의 임피던스 정합을 위해 직사각형 공진기(Mc)의 각 장변으로부터 2개의 포트와 각 단변으로부터 1개의 포트를 갖도록 설계된다.
바람직하게, 이동 통신기기(100)의 각 면에는 가로×세로×높이가 9×9×0.3mm인 평면형 GPS 안테나(A1), (A2), (A3), (A4), (A5)가 설치되고, 각 포트와 평면형 GPS 안테나(A1), (A2), (A3), (A4), (A5)는 마이크로스트립 라인으로 연결된다.
이때, 마이크로스트립 라인의 폭과 벤딩 및 전체길이를 조절하여 임피던스 정합이 최적화되도록 할 수 있다.
도 4는 본 발명의 입체형 GPS 안테나를 실제 적용하는 다른 예를 보여주고 있다.
다면체, 예를 들어, 육면체(110)의 임의의 한 면을 제외한 나머지 면에 평면형 GPS 안테나들(A1 내지 A6)이 설치되고, 이 평면형 GPS 안테나들(A1 내지 A6)과 각각 마이크로스트립 라인으로 전기적으로 연결되어 평면형 GPS 안테나들로부터 수신되는 신호를 합성하는 전력합성기(미도시)는 임의의 한 면, 바람직하기는 이동단말장치(100)에 부착되는 면에 형성된다.
이와 같은 입체형 GPS 안테나가 적용된 육면체(110)는, 예를 들어, 모바일 폰(100)의 기존의 안테나가 위치하는 측면에 나란히 설치될 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 예를 들어, 육면체 대신에 반구형이나 구형 또는 원통형 등의 형태를 갖는 다면체에도 적용될 수도 있으며, 중요한 것은 대향하는 공간을 커버할 수 있도록 평면형 GPS 안테나를 배치하는 것이다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구범위 뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
상기의 목적과 구성을 갖는 본 발명에 따르면, GPS위성에 대하여 대향면이 바뀌는 이동단말장치에 적용됨으로서 안테나의 주 빔 방향이 GPS 위성과 일치하지 않더라도 이동단말장치의 각 면에 평면안테나 설치되어 있기 때문에 GPS 위성과 대향면이 존재하게 되고, 일정 레벨 이상의 수신감도를 유지하게 된다.
특히, 모바일 폰과 같은 휴대용 개인통신수단으로 콜센터가 운영되고 있을 때 모바일 폰의 위치확인이 필수적이라 할 수 있고, 본 발명이 적용된 모바일 폰은 입체적으로 GPS 위성신호를 수신할 수 있기 때문에 단순한 평면형 GPS 안테나의 좁은 반치각으로 인하여 발생되는 수신레벨 저하 현상을 극복할 수 있다.

Claims (6)

  1. 다면체를 구성하는 각각의 면에 부착된 평면형 GPS 안테나들;
    상기 평면형 GPS 안테나들과 전기적으로 연결되어 상기 평면형 GPS 안테나들로부터 수신되는 신호를 합성하기 위한 전력합성기를 포함하는 입체형 GPS 안테나.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 다면체는 육면체를 포함하는 입체형 GPS 안테나.
  3. 이동단말장치가 임의의 위치에 놓이더라도 GPS 위성을 향한 면이 적어도 하나 이상이 되도록 이동단말장치의 각 면에 설치되는 평면형 GPS 안테나들;
    상기 평면형 GPS 안테나들과 각각 전기적으로 연결되어 상기 평면형 GPS 안테나들로부터 수신되는 신호를 합성하기 위한 전력합성기를 포함하는 입체형 GPS안테나.
  4. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 전력합성기는 반구형 또는 직사각형 마이크로 스트립 공진기(Cavity)를 포함하는 입체형 GPS안테나.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 직사각형 공진기는 장변에 제 1 내지 제 4 포트를 구비하고, 단변에 제 5 및 제 6 포트를 구비하며, 상기 제 1 내지 제 5 포트는 상기 평면형 GPS 안테나와 연결되는 입력포트이고, 상기 제 6 포트는 상기 합성된 신호를 출력하는 출력포트인 입체형 GPS안테나.
  6. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 전력합성기는 상기 평면형 GPS 안테나 전체들과 결합도 ≒ -1db과 격리도(isolation) ≤-30db 조건을 만족하는 입체형 GPS안테나.
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