KR20030086650A - 이미지 제거 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 안테나에서 수신된 신호 중 이미지 주파수 신호를 차단하는 기능을 가진 이미지 제거 안테나에 관한 것이다. 본 발명에 따른 이미지 제거 안테나 장치는 공간으로부터 무선신호를 수신하거나 소정의 신호를 공간으로 송신하되 수신시 이미지 잡음을 받아들이지 않는 안테나부, 수신받은 신호 중 소정의 주파수를 갖는 이미지 잡음을 제거하는 이미지 제거 기능을 포함하는 임피던스 정합부로 구성된다. 본 발명에 따르면 안테나 및 정합 회로의 설계시 이미지 제거 기능을 추가함으로써 이미지 주파수의 잡음 성분이 이후의 회로 부분으로 전달되는 것을 최소화하거나 제거함으로써 향상된 전체 수신기의 이미지 제거 성능을 구현하는 효과가 있다.

Description

이미지 제거 안테나{Image-reject Antenna}

본 발명은 안테나에서 수신된 신호 중 이미지 주파수 신호를 차단하는 기능을 가진 이미지 제거 안테나에 관한 것이다.

오늘날 무선통신용 수신기의 아날로그(analog) 부분은 안테나와 이 안테나로부터 수신된 전기신호를 저주파 혹은 DC 중심의 저대역(baseband) 신호로 바꾸어 주는 기능으로 구성된다. 수신기의 구조 중 이미지(image) 주파수가 존재하는 구조의 경우 (예: Heterodyne 시스템), 이미지 대역의 잡음 신호를 억제하는 기능은 수신기의 전체 수신 성능을 결정하는 중요한 요소들 중의 하나이다. 이미지 억제를 위한 방법은 이미지 제거필터(image-reject filter), 이미지 제거 믹서(image-reject mixer), 또는 Weaver 구조 등을 이용하는 방법들이 있으며 이러한 방법들은 오랫동안 연구되어 왔다. 기존의 이미지 제거(image-rejection) 방법들은 안테나를 통해 수신된 신호가 임피던스 정합회로를 거친 후 밴드 선택필터(band selection filter)를 포함한 이후의 회로에서 이미지(image) 성분을 억제하는 것이다.

도 1은 수신신호에 이미지 주파수 성분을 가지는 수신기의 대표적이 예인 헤테로다인(heterodyne) 수신기의 블록 다이어그램(block diagram)을 보여 준다.

그리고 도 2는 위 도 1의 헤테로다인 수신기에서 원하는 신호와 이미지 신호가 이미지 제거필터(image-reject filter)와 다운컨버젼 믹서(downconversion mixer)를 통과했을 때 이미지 제거 필터의 RF 입력신호와 위 믹서의 출력신호의 주파수 영역 스펙트럼(spectrum)을 보여 준다. 이때 안테나에 의해 수신되고 정합 회로를 통과한 신호 중 이미지 신호대역(image band)에 큰 간섭신호가 존재한다고 가정되었다.

안테나는 전기적 특성으로 볼 때 주파수에 따라 각기 다른 특성을 보인다. 전통적인 안테나 및 정합 회로의 설계원리에 의하면 안테나는 수신하고자 하는 주파수 대역의 공중파 신호를 효과적으로 전기 신호로 변환하고, 해당 정합 회로는 수신하고자 하는 주파수에서 안테나의 입력 임피던스(impedance)를 기준 임피던스 (흔히 50??)로 손실(loss) 없이 변환시켜 주는 역할만을 하도록 설계된다. 즉, 안테나와 정합회로 모두 설계의 관심 주파수는 원하는 대역(band)에 국한되었으며 그 이외 주파수에서의 안테나와 정합회로의 특성은 중요하게 여겨지고 있지 않다.

따라서 원하는 주파수 대역의 신호는 효과적으로 수신하면서도, 안테나 자체와 안테나를 규정 임피던스 선로에 정합하기 위한 정합회로에서의 이미지(image) 잡음신호 억제 방법은 지금까지 알려져 있지 않은 문제점이 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 무선신호를 수신하는 안테나와 안테나를 규정 임피던스 선로에 정합하기 위한 정합회로에서 이미지 성분 신호를 제거하는 이미지 제거 안테나 장치를 제공하는데 있다.

도 1은 이미지 주파수를 가지는 수신기의 대표적이 예인 헤테로다인(heterodyne) 수신기의 블록 다이어그램을 보여 준다.

도 2는 원하는 신호와 이미지 신호가 이미지 제거 필터(image-reject filter)와 다운컨버젼 믹서(down-conversion mixer)를 통과했을 때 이미지 제거 필터에 입력되는 RF 영역의 신호와 위 믹서 출력 신호의 주파수 영역 스펙트럼(spectrum)을 보여 준다.

도 3은 이미지 제거 기능이 추가된 dipole과 monopole 형태의 안테나 도면을 보여 준다.

도 4는 한국 PCS 통신 대역용 이미지 제거 dipole 안테나와 기존의 안테나의 규정 임피던스 50??에 대한 반사계수의 크기를 보여 준다.

도 5는 도 4의 반사 계수를 임피던스 부정합 계수로 변환한 것으로 안테나가 얼마나 효과적으로 송수신을 할 수 있는가를 보여 준다.

도 6은 이미지 주파수의 신호를 통과시키는 대역 통과 필터(BPF)가 임피던스 정합 회로의 끝 부분에 병렬로 위치한 구조를 보여 준다.

도 7은 이미지 주파수의 신호를 통과시키지 않는 notch 필터가 임피던스 정합 회로의 끝 부분에 직렬로 위치한 구조를 보여 준다.

도 8은 open-stub tuner를 이용하여 이미지 주파수에서 입력 임피던스가 0이 되도록 하는 구성을 보이고 있으며,

상기 문제점을 해결하기 위한 본 발명에 따른 이미지 제거 안테나 장치는 공간으로부터 무선신호를 수신하되 이미지 잡음 성분을 받아들이지 않는 안테나부, 수신받은 신호 중 소정의 주파수를 갖는 이미지 잡음을 제거하는 이미지 제거 기능을 포함하는 임피던스 정합부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 수신기의 구조 설계 시 이미지 주파수가 존재하는 방식이 채택되게 되면 해당하는 이미지 주파수 대역을 정확히 알 수 있으므로, 이미지 신호가 존재하는 주파수 대역(Image band) 내의 잡음 성분이 회로부분에서 억제되어야 한다는 사실을 안테나 및 안테나 정합회로의 설계에 적용할 수 있다. 따라서 안테나를 원하는 주파수 대역의 신호를 효과적으로 수신함과 동시에 이미지 주파수 대역의 신호는 수신하지 않도록 설계할 수 있다. 또한, 안테나 정합 회로의 설계 시 원하는 신호의 주파수 대역에서는 신호를 통과시키고, 이미지 주파수 대역의 신호를 통과시키지 않도록 설계할 수 있다. 이렇게 설계된 안테나와 정합회로를 각각 독립적으로, 또는 서로 결합한 형태로 구성한다면 공중파의 형태로 큰 이미지 잡음 성분이 존재한다 하더라도 이 잡음을 적게 받아들이게 되고, 보다 적은 양의 이미지 잡음이 이후의 회로부에 전달되게 된다.

도 3에 본 발명이 Dipole 과 Monopole의 wire 안테나에 적용한 실시 예를 보였다. 전체 wire의 길이는 l_{ RF } 이며 급전점으로부터 길이 l_{ IM } 이 되는 곳에 Notch (band-stop) 필터가 장착되었다. 설치된 notch filter는 그 정지 주파수 대역이 이미지 주파수 대역과 일치하도록 한다. 그리하여, 전기적으로 볼 때 도 3의 안테나는 이미지 주파수 대역에서는 길이 l_{ IM } 을 가진 것과 같으며 수신하고자 하는 주파수를 포함하는 다른 모든 주파수 대역에서는 길이 l_{ RF } 를 가진 것과 같다.

안테나 공학 이론에 따르면 wire 안테나의 길이가 동작 주파수에 해당하는 파장에 비해 매우 작으면 안테나의 입력 임피던스는 실수 부분은 0에 가까우며 허수 부분이 매우 크게 된다. 표준 임피던스(예: 50??)를 가진 급전선에 연결되었다고 할 때 해당 주파수에서 송신과 수신의 기능을 거의 못하게 되는 것이다. 이미지 잡음 주파수 대역에서 안테나의 길이를 해당 파장에 비해 매우 작게 하도록 위의 notch 필터를 급전점 가까이에 설치한다면, 안테나는 이미지 주파수 대역의 신호를 거의 받아들이지 않게 된다. 이미지 주파수를 f_{ IM } 이라 하고 그에 해당하는 파장을 lambda _{ IM } 이라 하자. 그리고 l_{ IM } < lambda _{ IM } /4의 관계를 만족시키도록 한다. 그리고 수신을 원하는 주파수를 f_{ RF } 라 하고 해당 파장을 lambda _{ RF } 라 하자. 위의 notch 필터를 삽입한 상태에서 안테나의 길이 l_{ RF } 를 조정하여 f_{ RF } 에서 수신이 잘 되도록 (안테나의 입력 임피던스가 사용된 표준 임피던스와 가깝도록) 설계할 수 있다.

이렇게 구성된 안테나는 f_{ RF } 에서는 송수신이 잘 이루어지고 f_{ IM } 에서는 송수신이 거의 이루어지지 않게 된다. 기존의 안테나의 문제점은 f_{ RF } 에서 송수신이 잘 이루어지는 것에만 목표를 두고 설계되기 때문에 본 발명의 안테나에 비해 주파수 f_{ IM } 에서 이미지 잡음을 더 많이 받아들이는 단점이 있는 것이다.

본 발명을 한국의 PCS 무선 단말기용 dipole 안테나에 적용한 simulation 결과를 도 4,5에 보였다. 각각 안테나 설계자가 관심있게 측정하는 안테나 입력 단자에서의 반사계수 S_{ 11 } 과 임피던스 부정합 계수 (Impedance mismatch factor) q=1-|S_{ 11 } |^{ 2 } 를 주파수의 함수로써 보인 것이다. S_{ 11 } 의 값이 작을수록 해당 주파수에서 송수신이 효과적으로 일어나는 것이며, 클 수록 임피던스 부정합에 의해 송수신이 일어나지 않게 된다. 역으로 q의 값이 0dB에 가까울 수록 송수신이 잘 일어나는 것이다. 한국의 PCS 통신은 송신 주파수 1750~1780MHz, 수신 주파수 1840~1870MHz를 사용하며 PCS 단말기는 헤테로다인 방식의 수신법을 채택하였으며 그 중간주파수는 220.38MHz이다. 이로부터 이미지 주파수 대역은 1399.2~1429.2MHz로 확정된다.

점선은 기존의 방식으로 설계된 dipole 안테나의 S_{ 11 } 을, 그리고 실선은 본 발명을 적용하여 설계된 dipole 안테나의 을 보여준다. BPF의 구현으로 LC 병렬공진 필터를 사용하였으며 그 공진점은 이미지 주파수 대역의 중간점인 1414MHz로 하였다. PCS의 송수신 대역 1750~1870MHz의 대역에서 본 발명의 적용으로 S_{ 11 } 이 다소 증가하고 결과적으로 대역폭이 약간 감소하였다. 그러나, S_{ 11 } 의 증가가 q에는 수분의 1dB 차이밖에 영향을 미치지 못하는 것을 알 수 있다.

송수신 이미지 주파수 대역에서는 q의 값이 본 발명의 안테나가 최소 10dB 낮은 것을 알 수 있다. 따라서, 공중파의 형태로 존재하는 이미지 주파수의 잡음 신호에 대해 본 발명이 적용된 안테나가 잡음 성분을 최소 10dB 적게 받아들이는 것을 알 수 있다.

안테나와 함께 정합회로에서도 이미지 제거 기능을 갖도록 할 수 있다. 이미지 제거 기능을 가진 정합 회로는 앞의 이미지 제거 안테나와 결합할 수도 있고 그렇지 않은 기존의 안테나와 결합하여 향상된 이미지 제거 성능을 얻을 수 있다.

임피던스 정합회로는 안테나의 입력 임피던스가 수신을 원하는 주파수 대역에서 표준 임피던스와 큰 차이를 보일 때 안테나의 입력 임피던스를 표준 임피던스로 정합회로 내에서의 손실을 최소화 하면서 변화시켜주는 역할을 한다. 기존의 정합회로 설계법에 의하면 수신을 원하는 주파수 대역에서는 원하는 임피던스 변환을이루지만, 다른 주파수 대역에서의 임피던스 변환 특성은 중요하지 않게 여겨졌다. 만일 정합회로의 설계시 수신을 원하는 주파수 대역의 임피던스 변환뿐 아니라, 제거하고 싶은 이미지 주파수 대역에서는 임피던스 부정합이 일어나도록 설계한다면, 정합회로에서 이미지 제거 효과를 얻을 수 있다.

회로쪽에서 안테나 및 정합회로를 보았을 때 반사 계수 S_{ 11 } 의 크기가 1이 되게 하는 것을 목표로 한다. 손실이 없는 정합회로를 사용할 때 의 크기가 1이 되기 위해서는 안테나와 정합회로의 입력 임피던스가 순 허수 성분을 갖게 하거나, 무한대의 R 성분을 갖도록 하여 얻을 수 있다. 따라서 정합회로가 이미지 주파수 대역에서 "단락"이거나 "단선"의 전기적 특성을 가지도록 설계하면 된다.

"단락"의 전기적 특성은 이미지 주파수 대역만 통과시키는 BPF를 기존의 전통적인 정합회로의 앞 또는 뒤에 병렬로 연결하면 되며 이를 도 6에 보였다. 이렇게 BPF 때문에 이미지 주파수에서 안테나와 정합회로를 바라 본 S_{ 11 } 의 크기는 1이 된다. 새로운 정합회로의 나머지 부분은 BPF의 에서의 응답과 함께, f_{ RF} 에서 안테나의 임피던스를 표준 임피던스로 변환하도록 전통적인 방법으로 설계된다.

"단선"의 전기적 특성은 이미지 주파수 대역만을 통과시키지 않는 notch 필터를 직렬로 연결하여 얻을 수 있으며 이를 도 7에 보였다. Notch 필터를 제외한 나머지의 정합회로는 f_{ RF } 에서 안테나의 임피던스를 표준 임피던스로 변환하도록 설계한다.

정합회로를 L, C등의 손실이 없는 소자의 결합으로 구성할 때, 위와 같이 이미지 주파수 대역의 BPF 또는 notch 필터를 사용하면 f_{ IM } 에서 의 크기가 1이 되는 것이 보장된다. 이러한 BPF와 notch 필터의 주파수에서의 영향을 고려하여 정합회로의 나머지 부분을 설계하면 f_{ RF } 에서 S_{ 11 } 의 크기가 최소화 되도록 할 수 있으며 그 방법들은 널리 알려져 있다. 또한 위와 같이 BPF나 notch 필터를 사용할 때 도 6,7에서와 같이 필터가 반드시 정합회로의 안테나쪽 최종단이나 RF 회로쪽 최종단에 위치할 필요는 없음을 밝혀두고자 한다. 필터 소자/기능부분은 전체 정합 회로의 양 끝단이 아닌 중간 부분에 위치하여도 이미지 제거 기능을 발휘한다. 도 6,7은 필터가 정합 회로의 양 끝단에 위치한 실시예를 보인 것이다.

도 8은 프린트된 회로(printed circuit) 기술로 구현하기 쉬운 방법으로 오픈 스터브(open stub)의 길이가 {lambda}_{g} /4가 되게 하여 스터브(stub)의 입력 단에서 바라본 임피던스가 0이 되도록 하는 것이다. 여기서 {lambda}_{g} 는 프린트된 회로기판에 구현된 전도선(transmission line)의 도파 신호 파장(guided wavelength)을 의미한다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

본 발명에 따르면 안테나와 안테나 정합 회로의 설계시 이미지 제거 기능을 포함하게 함으로써 이미지 주파수의 잡음 성분이 이후의 회로 부분으로 전달되는 것을 최소화 하거나 제거함으로 인해 향상된 전체 수신기의 이미지 제거 성능을 구현하는 효과가 있다. 또한 만약 요구되는 이미지 제거 성능에 대한 시스템 규격이 정해지면 일부를 안테나 및 임피던스 정합 회로에서 해결하고 나머지 억제 량을 회로 설계 부분에서 얻도록 회로 설계가 가능해 짐으로써 회로에 부과되는 이미지 제거의 규격을 완화할 수 있는 효과도 있다. 그리고 본 발명의 이미지 제거 효과는 안테나와 안테나 정합 회로에 개별적으로 적용되므로 이미 생산되고 있는 무선통신기기에 안테나 및 안테나 정합 회로중 하나, 또는 동시에 수정하는 것으로 향상된 이미지 제거 성능을 얻을 수 있는 장점이 있게 된다.

Claims (7)

1. 공간으로부터 무선신호를 수신하는 안테나부; 및

   상기 안테나로부터 수신받은 신호 중 소정의 주파수를 갖는 이미지신호를 제거하는 이미지제거부를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 제거 안테나.
2. 제1항에 있어서, 상기 이미지제거부는

   상기 안테나 및 접지점과 접속되며, 상기 안테나로부터 수신된 신호중 이미지 성분의 주파수에서 단락이 되는 것을 특징으로 하는 이미지 제거 안테나.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 이미지제거부는

   상기 이미지 성분신호의 1/4 파장 길이의 오픈 스터브로 제작되는 것을 특징으로 하는 이미지 제거 안테나.
4. 제1항에 있어서, 상기 이미지제거부는

   상기 안테나부로부터 수신되는 신호의 허수 성분의 주파수에서 공진 하는 노치필터가 상기 안테나부로부터 상기 허수 성분의 파장보다 짧은 거리에 설치되는 것을 특징으로 하는 이미지 제거 안테나.
5. 소정의 신호를 입력받아 소정의 기능을 수행하는 RF회로부에 상기 신호를 제공하는 안테나 장치에 있어서,

   공간으로부터 무선신호를 수신하는 안테나부;

   상기 안테나로부터 수신받은 신호 중 소정의 주파수를 갖는 이미지신호를 제거하는 이미지제거부; 및

   상기 안테나부와 상기 RF회로부와의 임피던스를 정합시켜 주고, 상기 이미지신호가 제거된 수신받은 신호를 상기 RF회로부에 제공하는 임피던스 정합부를 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
6. 제5항에 있어서, 상기 이미지제거부는

   상기 임피던스 정합부의 앞 또는 뒤에 병렬로 위치하며, 위 안테나부에서 수신한 신호 중 이미지 성분의 주파수만을 통과시키는 대역통과 필터인 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
7. 제5항에 있어서, 상기 이미지제거부는

   상기 임피던스 정합부의 앞 또는 뒤에 직렬로 위치하며, 위 안테나부에서 수신한 신호 중 이미지 성분의 주파수만을 통과시키지 않는 notch 필터인 것을 특징으로 하는 안테나 장치.