KR20110023791A - Ｕｈｆ 대역 채널 신호의 수신을 위한 전기적 소형 안테나를 포함하는 안테나 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기적으로 작은 안테나를 포함하는 수신기에 의해 UHF 대역으로부터 채널 신호를 수신기 위한 안테나 시스템에 대한 것이다. 이 시스템은 또한 상기 안테나에 연결된 포트와 상기 수신기의 포트 사이에 연결된, 상기 안테나와 관련된 환경에 기인한 임피던스 변이에 대해 보상하고, 상기 안테나의 능동 임피던스 정합과 간섭하지 않고 수신 채널에 인접한 간섭 채널의 주파수를 거절하기 위해 상기 수신기에 의해 수신된 신호의 품질에 따라 명령 신호에 의해 제어되는 능동 임피던스 정합 디바이스를 포함한다.

Description

ＵＨＦ 대역 채널 신호의 수신을 위한 전기적 소형 안테나를 포함하는 안테나 시스템{ANTENNA SYSTEM COMPRISING AN ELECTRICALLY SMALL ANTENNA FOR RECEPTION OF UHF BAND CHANNEL SIGNALS}

본 발명은 UHF 대역 채널 신호의 수신을 위한 전기적 소형 안테나(ESA)를 포함하는 안테나 시스템에 대한 것이다.

본 발명은 스펙트럼 존(spectral zone)의 하부로부터 UHF(Ultra High Frequency: 극초단파)의 해제된(liberated) 상부내의 1 GHz까지의 이용을 가능케 한다. 사실상, 이 존은 아날로그 텔레비전을 방송하기 위해 이전에 이용되었다. 텔레비전 방송의 아날로그로부터 디지털로의 전환은 따라서 이 존을 해제시켰다. 이 주파수는 고선명(HD) 방송 서비스를 구현하기 위해 오디오-비디오 방송사에 의해 이용되고, 또한 셀 네트워크를 통해 인터넷으로의 액세스 서비스를 개시하는 목적을 위해 모바일 운영자에 의해 이용된다. 오디오-비디오 방송사와 모바일 운영자에 의한 1 GHz보다 낮은 UHF 스펙트럼의 위치지정은 장거리와 건물 내에서의 양호한 침투(penetration)를 보장한다.

하지만, UHF 스펙트럼의 상부에서 인터넷 액세스 서비스의 계획된 등장은 DVB_T 또는 DVB_H 표준 수신 서비스와의 간섭의 측면에서 공존(cohabitation)의 문제점을 명백히 야기한다. 사실상, 790-862 MHz의 부대역 또는 9개 채널들 전체를 전자 통신에 할당하는 것이 권장된다.

또한, 소형화된 휴대용 장비 항목은 다중 대역 및 다중 모드이고, 다수의 중요한 무선 기능을 가진다.

따라서, 커버(cover) 내에 안테나를 통합한 매우 평평한 단말기들은, 고품질 안테나가 작지만 좁은 대역에서 동작되는데 반해 보통 수준의 성능을 가지며, 상대적으로 부피가 크며, 이러한 단말기들 중 일부는 4 내지 5가의 주파수 대역들을 다루며, 광대역 안테나를 가진다.

470에서 862 MHz까지에 위치해 있는 UHF 대역의 이용은 소형 안테나의 설계를 더 다루기 어렵게 한다. 따라서, 이러한 설계는 파장보다 훨씬 더 작은 물리적 치수의 전기적 소형 안테나를 수반한다.

결과적으로, 효율 측면에서 성능은 보통이다. 효율은 또한 지면의 영향, 커플링(coupling), 다수의 상이한 회로들간의 위치지정, 그리고 임피던스 정합에 특히 종속된다.

광대역 임피던스 정합 전기적 소형 안테나를 위한 회로와 방법이 미국특허 US 6 121 940으로부터 알려져 있다.

이러한 임피던스 정합 회로는 비-포스터(non-Foster) 리액턴스의 동작을 시뮬레이팅하는 능동 회로에 의해 형성되어, 음의 전기용량과 음의 인덕턴스의 회로가 전기적 소형 안테나의 광대역 정합을 얻게 한다. 이러한 임피던스 정합 회로는 안테나의 등가의 임피던스 리액턴스가 중화되게 한다.

하지만, 이 회로는 약 1 미터 길이의 이극 안테나에 대해 30 내지 88 MHz의 주파수와 관련되고, 본 발명에 의해 사용되고, UHF 채널들에 대응되는 주파수에 적응되지 않는다.

비-포스터 리액턴스를 실현하기 위해, 능동 회로가 이용되어, 양의 임피던스, 전기용량 또는 인덕턴스로부터 상(image) 임피던스를 실현할 것이다. 이러한 유형의 구조는 음의 임피던스 변환기라고 지칭된다.

음의 임피던스 변환기의 원리가 도 1에 관련해서 설명된다. 제1 트랜지스터 (T1)의 베이스가 저항 R2를 거쳐 지면(ground plane)에 연결되어, 제2 트랜지스터의 베이스가 전기용량 소자(C2)에 연결되는 방식으로 2개의 트랜지스터(T1과 T2)가 차동적으로 장착된다.

그러므로, 안테나 리액턴스를 보상하기 위해, 안테나와 직렬로 이 변환기를 위치시키는 것은 충분하며, 즉, 광대역 임피던스 정합을 얻기 위해, 제2 트랜지스터 (T2)의 송신기가 안테나의 포트1에 연결되고, 제1 트랜지스터의 송신기가 수신기의 포트2에 연결된다.

UHF 대역의 소형 안테나의 경우에, 안테나의 반사 계수는 리액턴스가 예를 들면 UHF 대역에서 0.6 pF에서 3.5 pF까지 변화하며, 그 결과는 안테나 리액턴스의 완벽한 보상은 동일한 변이 규칙이 준수되어야 하는 것을 요구한다는 것이다.

하지만, 린빌(Linvill) 개념이라고 알려진 이러한 개념은 단지 저 주파수에서만 유효할뿐이다.

반면에, 만약 고주파수에서 이러한 차동 구조가 분석되면, 이러한 차동구조가 실리콘 기술에서 음의 저항을 실현하는데 이용되는 것과 유사하며, 수신기측에서 보는 보상의 결과는 추가적인 양의 저항으로 변질되는(tainted) 것이 주목된다.

또한, 이러한 회로가 안테나 바로 다음에 위치하기 때문에, 이러한 구조의 감도 또는 이득에 불리하게 작용할 감쇄를 도입하지 않는다는 것이 중요하다.

따라서, 만약 1 GHz의 이득이 보장되어야 하면, 저항 R2에 의해 한정되는 차단(cut-off) 주파수와 트랜지스터(T2)의 컬렉터의 기생(parasite) 전기용량은 1 GHz보다 커야 한다.

본 발명은 이러한 문제점들을 극복하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 전기적 소형 안테나를 포함하는 수신기에 의해 UHF 대역으로부터 채널 신호를 수신하기 위한 안테나 시스템에 대한 것이다. 본 발명의 시스템은 상기 안테나의 포트와 상기 수신기의 포트 사이에 연결된, 상기 안테나와 관련된 환경에 기인한 임피던스 변이에 대해 보상하고, 상기 안테나의 능동 임피던스 정합과 간섭하지 않고 수신 채널에 인접한 간섭 채널의 주파수를 거절하기 위해 상기 수신기에 의해 수신된 신호의 품질에 따라 명령 신호에 의해 제어되는 능동 임피던스 정합 디바이스를 포함한다.

본 발명의 개념은 능동 임피던스 정합 디바이스의 추가를 통해 전체 UHF 대역에 걸쳐 전기적 소형 안테나의 성능 수준을 보장하여, 최적의 수준의 감도를 허용하는 것이다. 또한, 단말기의 프로세서에 의해 동조되고 관리될 수 있는 거절 필터들의 회로망의 추가는 UHF　스펙트럼의 상부로부터의 잠재적인 간섭의 관리를 보장하는 한편, 이러한 주파수 존에서 제안된 새로운 서비스의 수신을 위한 가능성을 보존할 것이다.

바람직하게, 능동 임피던스 정합 디바이스는 차동적으로 장착된 제1 트랜지스터와 제2 트랜지스터에 의해 형성된 가변 커페시터의 음의 임피던스 변환기를 포함하며, 각각의 트랜지스터의 각 송신기는 RF 수준에서 결합해제된 기준점을 생성하면서 초크(Choke) 이중 인덕턴스에 의해 전원에 연결된다.

바람직하게, 능동 임피던스 정합 디바이스는 초크 이중 인덕턴스의 각 극단점에 연결된 능동 거절기 필터들의 병렬 회로망에 의해 형성된 필터링 회로망을 포함한다.

바람직하게, 음의 임피던스 변환기의 제1 트랜지스터의 베이스는 인덕턴스의 매개를 통해 지면에 연결되는 반면에, 음의 임피던스 변환기의 제2 트랜지스터의 베이스는 임피던스 정합을 실현하기 위해 가변 커페시터의 매개를 통해 지면에 연결된다.

바람직하게, 상기 음의 임피던스 변환기의 가변 커페시터의 제어를 위한 제1 명령어 신호와 상기 필터링 회로망의 가변 커페시터의 제어를 위한 명령어 신호는 상기 수신기와 연관된 제어 블록을 거쳐 분석된 높은 수준의 간섭의 존재 또는 수신된 수준을 표시하는 수신기 정보를 거쳐 전달된다.

상기 언급된 본 발명의 특징과 이점은 부록에 첨부된 도면들을 참조하는 아래의 설명을 읽을 때에 보다 명백하게 드러날 것이다.

본 발명은 UHF 대역 채널 신호의 수신을 위한 전기적 소형 안테나(ESA)를 포함하는 안테나 시스템을 제공하는 효과가 있다.

도 1은 이미 설명된 종래 기술에 따른 음의 임피던스 변환기를 이용하는 전기적 소형 안테나의 적응을 설명한 도면.
도 2는 본 발명에 따른 안테나 시스템을 설명한 도면.

도 2는 본 발명의 원리를 설명한다. 따라서, 본 발명에 따른 안테나 시스템은 전기적 소형 안테나를 포함하는데, 여기서 입력 포트1은 임피던스 정합 디바이스의 포트2를 거쳐, 증폭기(A), 동조 소자(T)와 복조기(D)를 자체적으로 포함하는 예를 들면 DVB-H 수신기와 같은 표준 수신기를 거쳐 UHF 대역 채널 신호를 수신하기 위한 수신기에 연결된다.

먼저, 임피던스 정합 디바이스는 도 1에 설명된 것처럼 디지털 임피던스 변환기(CIN)에 의해서 형성되고, 그리고 6 내지 8 dB의 이득과 같은 UHF 대역의 주파수 제한 내의 이득이 실현되게 하고, 또한 전기용량적 보상이 수신된 신호의 주파수에 따라 선형적으로 되게 하는, 트랜지스터(T1)의 베이스에 연결된 인덕턴스(L2)를 추가로 포함한다.

가변 커페시터(Cv)는 도 1에 설명된 음의 임피던스 변환기(CIN)의 전기용량(C2)을 대체한다. 가변 커페시터(Cv)는 수신기 복조기와 관련된 명령 블록(BC)에 의해 관리되는 신호(S1)에 의해 제어되고, 안테나 구조 및/또는 단말기에 따라, 정합 현상과 감도의 손실을 초래하는 제어 효과를 고려하여 가변 커페시터(Cv)에 작용하는 신호(S1)가 전송되게 한다. 한정된 임계치에 따른 전압의 검출은 변환기의 커페시터(Cv)를 변경시키는 제어 전압의 전송을 인가하여, 이에 따라 안테나의 임피던스 정합에 대해 직접적으로 작용하고, 안테나의 효율에 직접적으로 작용한다.

임피던스 정합 디바이스는 아래에서 설명되는 방식으로 음의 임피던스 변환기(CIN)와 관련된, 명령 블록(BC)에 의해 관리되는 제어 신호(S2)에 의해 동조될 수 있는 필터링 회로망을 포함한다. 사실상, 능동 임피던스 정합 시스템의 간섭 소자의 관리는 인터넷 액세스 서비스의 스펙트럼의 상부에서 공존에 대해서, 그리고 DVB_H 수신기에 대해 잠재적으로 간섭을 초래할 수 있는 소자에 대해 필요하다.

또한 임피던스 정합 디바이스의 일부분이므로, 트랜지스터 송신기(T1 및 T2)에 연결된 전원(A)은 트랜지스터(T1 및 T2)의 DC 극성을 보장한다.

트랜지스터(T1 및 T2)의 송신기들은 초크 이중 인덕턴스(L3-1 및 L3-2)에 의해 수준(RF)에서 디커플링(decoupling)된다. 따라서, 송신기 각각이 이러한 초크 이중 인덕턴스(L3-1 및 L3-2)의 극단점들 중 하나에 연결된 트랜지스터의 극성이 보장되고, 전원(A)에 연결된 이러한 이중 인덕턴스의 중앙점(P)은 수준(RF)에서 디커플링되는 기준점(콜드 점)이다.

여기서 이런 기준점(P)은 거절 필터들로 구성된 필터링 회로망을 배치시키기 위해 적절하게 이용된다. 이것은 인덕턴스(L3)를 높은 값(초크)으로 공진시키고, 거절 필터를 실현하기에 적절한 커페시터를 가진 변환기의 RF 기능과 간섭하지 않게 하기에 충분하다. 필터링 회로망은, 트랜지스터 송신기 각각에 연결되고, 수신기 프로세서에 관련된 명령 블록(BC)를 거쳐 관리되는 신호(S2)에 의해 제어되는 능동 거절 필터(LC)의 병렬 회로망을 포함한다. 따라서, 이러한 구조는 거절이 증가되게 한다. 도 2는 해제된(liberated) GHz 아래의 스펙트럼 존의 이용에 해당하는 "디지털 배당(dividend)"에 연결된 3개의 간섭 채널들의 거절을 도시한다. 거절 필터들의 개수는 간섭 채널들의 개수에 종속한다.

디지털 배당 환경내의 단말기의 작동 상황 내에서, 스캐닝 방법은 높은 수준의 간섭 소자가 위치하게 하고, 주파수의 견지에서 기억되게 하며, 이 단말기는 DVB_H 수신 모드에 있다. 광대역 검출기(WBD)로부터의 정보는 수신과 간섭하는 소자의 존재가 검출되게 하는데, 이 정보는 제어 블록에 전송된 후에, 수신된 DVB_H 채널에 가장 근접한 간섭 소자에 대한 거절 필터의 활성화를 인가한다. 만약 WBD(광대역 검출기)로부터의 정보가 한정된 임계치보다 높게 반환하면, 간섭 소자는 필터링된다. 만약 간섭이 지속되면, 제2 거절기의 활성화가 가장 근접하는 간섭 소자에 대해 인가된다.

따라서 이러한 개념은 UHF 스펙트럼의 상부상에서 예를 들면 3개의 인터넷 액세스 유형의 채널 간섭 소자들의 제거를 가능케한다.

능동 임피던스 정합의 이러한 개념은 전기적 소형 안테나상의 UHF 대역에서 검증되었다.

임피던스 정합의 견지에서 이러한 결과는, 안테나만이 1 dB보다 낮은 반환 손실 계수 또는 16 dB 정도의 전송 손실을 갖기 때문에 현저한 개선을 제공한다.

실내 환경에서 측정은, 오류가 없는 수신을 보장하기 위해 요구되는 품질 기준인, C/N 비율에서 3 내지 6 dB의 오차로 번역되는 이러한 개념의 이득이 강조되게 하였다.

동조될 수 있는 거절기 필터들의 제안된 회로망은 소형 기판상에서 다수의 스위칭가능한 커페시터를 가능케하는 MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems: 미세 전자 기계 시스템) 기술을 이용해 구현될 수 있다.

제어 블록(BC)은 음의 임피던스 변환기의 가변 커페시터(Cv)의 제어를 위한 제1 명령 신호(S1)와, 필터링 회로망의 가변 커페시터의 제어를 위한 명령 신호(S2)를 전송한다. 수신된 수준을 표시하는 자동 이득 제어(AGC)에 대한 정보나, 높은 수준의 간섭 소자의 존재를 표시하는 WBD(Wide Band Detector: 광대역 검출기) 검출기로부터의 정보, 또는 오류(ECC) 또는 간섭을 표시하는 다른 정보와 같은, 수신기로부터 수신된 신호의 품질에 대한 정보는 변환기(CIN)의 가변 커페시터(Cv)와, 거절 필터의 회로망의 가변 커페시터(C)의 명령을 한정하기 위해 한정된 임계치에 따라 이러한 제어 블록(BC)에 의해 분석된다. 제어 블록은 대개 DAC(Digital Analogical Circuit: 디지털 아날로그 회로)가 장착되어, 이에 따라 전압으로 제어되는 MEMS 기술의 커페시터와의 인터페이스를 보장한다.

T1: 제1 트랜지스터 T2: 제2 트랜지스터
CIN: 음의 임피던스 변환기 R2: 저항
C2: 전기용량 소자 A: 전원
T: 동조 소자 D: 복조기

Claims (4)

1. 수신기에 의해 UHF 대역으로부터 채널 신호를 수신하기 위한 안테나 시스템으로서, 전기적으로 작은 안테나를 포함하는 안테나 시스템에 있어서,
   상기 안테나에 연결된 포트(포트1)와 상기 수신기의 포트(포트2) 사이에 연결된, 상기 안테나와 관련된 환경에 기인한 임피던스 변이에 대해 보상하고, 상기 안테나의 능동 임피던스 정합과 간섭하지 않고 수신 채널에 인접한 간섭 채널의 주파수를 거절하기 위해 상기 수신기에 의해 수신된 신호의 품질에 따라 명령 신호(S1, S2)에 의해 제어되는 능동 임피던스 정합 디바이스를 포함하는 것을 특징으로 하는, 안테나 시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기 능동 임피던스 정합 디바이스는 차동적으로 장착되는 제1 트랜지스터(T1)와 제2 트랜지스터(T2)에 의해 형성되는 가변 커페시터(Cv)의 음의 임피던스 변환기(CIN)를 포함하고, 제1 트랜지스터(T1)의 베이스는 인덕턴스(L2)를 거쳐 접지면(ground plane)에 연결되고, 상기 제2 트랜지스터(T2)의 베이스는 임피턴스 정합을 실현하기 위해 가변 커페시터(Cv)를 거쳐 접지면에 연결되고, 이에 대해 각 트랜지스터(T1, T2)의 각각의 송신기는 레벨(RF)에서 디커플링되는 기준점(P)을 생성하면서 초크(Choke) 이중 인덕턴스(L3-1, L3-2)를 거쳐 전원(A)에 연결되는 것을 특징으로 하는, 안테나 시스템.
3. 제2항에 있어서, 상기 능동 임피던스 정합 디바이스는 상기 초크 이중 인덕턴스(L3-1, L3-2)의 각 극단점에 연결된 능동 거절(rejecter) 필터의 병렬 회로망에 의해 형성된 필터링 회로망을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 안테나 시스템.
4. 제1항에 있어서, 상기 음의 임피던스 변환기의 가변 커페시터(C)의 제어를 위한 제1 명령어 신호(S1)와, 상기 필터링 회로망의 가변 커페시터의 제어를 위한 명령어 신호(S2)는 한정된 임계치에 따라 상기 수신기와 연관된 제어 블록(BC)을 거쳐 분석되는 높은 수준의 간섭의 존재 또는 수신된 신호의 수준을 표시하는 수신기 정보를 거쳐 전달되는 것을 특징으로 하는, 안테나 시스템.

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