KR20130005717A - 안테나 장치 및 이를 포함하는 디지털 방송 장치 - Google Patents

안테나 장치 및 이를 포함하는 디지털 방송 장치 Download PDF

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Abstract

안테나 장치 및 이를 포함하는 디지털 방송 장치가 개시된다. 본 발명의 실시 예에 따른 안테나 장치는 제 1 주파수 대역에서 신호를 송수신하는 제 1 안테나, 제 2 주파수 대역에서 신호를 송수신하는 제 2 안테나 및 상기 제 1 안테나와 상기 제 2 안테나가 수신한 신호로부터 상기 제 1 주파수 대역 및 제 2 주파수 대역 사이의 신호를 선택적으로 여파하는 대역 통과 여파기를 구비하는 송수신 장치를 포함한다. 따라서, 안테나 장치는 디지털 방송 송수신을 위한 광대역 특성을 구현하면서도 소형화가 가능하게 된다.

Description

안테나 장치 및 이를 포함하는 디지털 방송 장치{ANTENNA DEVICE AND DIGITAL BROADCASTING APPARATUS INCLUDING THE SAME}
본 발명은 디지털 방송을 위한 광대역 송수신을 제공하면서도 소형화가 가능한 안테나 장치 및 이를 포함하는 전자 장치에 관한 것이다.
디지털 방송이란 기존 아날로그 방송보다 높은 화질과 음질을 제공할 수 있는 고품질 방송이다. 또한, 디지털 방송은 쌍방향이 가능하다는 점에서 기존 아날로그 방송과 차별화된다. 현재, 방송국의 지상파 방송은 아날로그 방송과 디지털 방송을 모두 혼용하고 있으나, 점차 디지털 방송으로 전환되는 추세에 있다.
한편, 상기 디지털 방송 수신을 위해서는 실외 안테나 또는 실내 안테나가 선택적으로 사용되고 있는데, 이들 중 실외 안테나로는 주로 야기 안테나가 사용되고, 실내 안테나로는 루프(loop) 안테나, 플래너(planar) 안테나 등이 사용된다.
그런데, 실외 안테나의 경우 전체 방송 대역을 수신하기 위해서는 주파수대별로 안테나가 필요하므로, 복수의 안테나를 포함하는 안테나 장치의 크기가 커지게 되고 설치가 불편해지는 단점이 있다. 그리고, 실내 안테나의 경우에도 전체 방송 대역을 수신하기 위해 광대역 안테나가 필요하지만, 단일 루프로 광대역을 수신하기 위해서는 안테나의 크기가 커질 수밖에 없다.
본 발명의 실시 예들은 디지털 방송을 위한 광대역 송수신을 제공하면서도 소형화가 용이한 안테나 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 실시 예에 따른 안테나 장치는 제 1 주파수 대역에서 신호를 송수신하는 제 1 안테나, 제 2 주파수 대역에서 신호를 송수신하는 제 2 안테나 및 상기 제 1 안테나와 상기 제 2 안테나가 수신한 신호로부터 상기 제 1 주파수 대역 및 제 2 주파수 대역 사이의 신호를 선택적으로 여파하는 대역 통과 여파기를 구비하는 송수신 장치를 포함한다.
본 발명의 실시 예들은 서로 다른 주파수 대역을 송수신하는 제 1 안테나와 제 2 안테나를 이용하여 신호를 수신하고, 이 신호들로부터 상기 두 개의 안테나의 공진 주파수 대역들 사이 광대역에 걸친 신호를 획득할 수 있는 안테나 장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예들은 제 1 안테나, 제 2 안테나 및 대역 통과 여파기를 결합하여 디지털 방송을 송수신할 수 있는 광대역 특성을 구현할 수 있어, 본 발명의 안테나 장치를 포함하는 디지털 방송 장치의 소형화가 용이해진다.
도1은 본 발명의 실시 예에 따른 안테나 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도2는 도1의 안테나 장치에 구비된 제 1 안테나 및 제 2 안테나에서 주파수대별로 형성되는 전자기장의 일 예를 도시한 도면이다.
도3은 도1의 송수신 장치에 구비된 대역 통과 여파기(BPF)의 일 예를 도시한 회로도이다.
도4는 도3의 대역 통과 여파기 동작의 시뮬레이션 결과를 나타낸 파형도이다.
도5는 도1의 안테나 장치의 주파수별 이득(㏈i) 및 안테나 효율을 나타낸 도면이다.
도6은 도1의 안테나 장치의 주파수별 감도(㏈m)를 나타낸 도면이다.
도7은 도1의 송수신 장치에 포함되는 저잡음 증폭기(LNA)의 일 예를 도시한 회로도이다.
도8은 도1의 송수신 장치에 포함되는 밸런스-언밸런스(BALUN) 회로의 일 예를 도시한 회로도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예에 대해 구체적으로 설명하기로 한다. 그러나 이는 예시적 실시 예에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
이하의 설명에 있어서, 연결 또는 결합 이와 유사한 의미의 용어는 일 구성요소에서 다른 구성요소로 직접 연결 또는 결합되는 것뿐만이 아니라 다른 구성요소를 거쳐 전달되는 것도 포함한다.
도1은 본 발명의 실시 예에 따른 안테나 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 안테나 장치(100)는 제 1 안테나(loop antenna)(102), 제 2 안테나(dipole antenna)(104) 및 송수신 장치(106)를 포함한다.
제 1 안테나(102)는 400㎒ 주파수 대역에서 공진을 형성하여 신호를 송수신하며, 예를 들어 루프 안테나로 구성될 수 있다. 그리고, 제 2 안테나(104)는 800㎒ 주파수 대역에서 공진을 형성하여 신호를 송수신하며, 예를 들어 다이폴 안테나로 구성될 수 있다. 즉, 본 발명의 안테나 장치(100)는 서로 다른 주파수 대역에서 공진을 형성하는 제 1 안테나(102)와 제 2 안테나(104)를 함께 구비한다. 도면에 도시하진 않았지만, 메인보드의 급전부는 송수신 장치(106)를 통해 제 1 안테나(102)와 제 2 안테나(104)에 공통적으로 연결된다. 이에 따라, 제 1 안테나(102)와 제 2 안테나(104)에 의한 두 개의 공진 특성이 통합되면서 안테나 장치(100)는 이중대역을 갖게 된다.
송수신 장치(106)는 제 1 안테나(102)가 수신한 신호와 제 2 안테나(104)가 수신한 신호를 전송받아 제 1 안테나(102)의 공진 주파수 대역인 400㎒와 제 2 안테나(104)의 공진 주파수 대역인 800㎒ 사이의 신호를 여파(filtering)하는 대역 통과 여파기(Band Pass Filter: BPF)를 포함한다.
이와 같이, 본 발명의 안테나 장치(100)는 서로 다른 공진 주파수 대역을 갖는 제 1 안테나(102)와 제 2 안테나(104)를 통해 신호를 전송받아, 이 신호로부터 제 1 안테나(102)와 제 2 안테나(104) 각각의 공진 주파수 대역들 사이에 포함되는 신호를 수신하게 된다.
한편, 본 발명의 송수신 장치(100)는 간섭 신호 제거 및 송수신 성능을 개선하기 위해 공통 모드 여파기(Common Mode Filter, CMF), 저잡음 증폭기(Low Noise Amplifier, LNA), 밸런스-언밸런스 회로(Balance-to-Unbalance, BALUN) 등을 더 포함할 수 있다.
도2는 도1의 안테나 장치에 구비된 제 1 안테나 및 제 2 안테나에서 주파수대별로 형성되는 전자기장의 일 예를 도시한 도면이다.
전술한 바와 같이, 본 발명에서 제 1 안테나(102)는 400㎒가 공진 주파수 대역으로 설정되고, 제 2 안테나(104)는 800㎒가 공진 주파수 대역으로 설정되었다.
도2를 참조하여 전기장(E-field) 및 자기장(H-field)을 보면, 500㎒ 주파수 대역에서 제 1 안테나(102)에 전류 분포가 크게 나타나지만, 주파수 대역이 높아질수록 제 2 안테나(104)에 전류 분포가 크게 나타나는 것을 알 수 있다. 특히, 800㎒ 주파수 대역에서는 제 1 안테나(102)와 제 2 안테나(104)에서 전류 분포가 크게 나타나는 이유는 제 2 안테나(104)의 공진 주파수 대역인 800㎒가 제 1 안테나(102)의 공진 주파수 대역인 400㎒를 2배로 체배한 주파수이기 때문이다. 본 발명에서는 2배로 설정하였지만, 이에 한정되는 것은 아니며 사용자의 의도에 따라 N배(N은 자연수)로 체배되도록 설정될 수 있다.
도3은 도1의 송수신 장치에 구비된 대역 통과 여파기(BPF)의 일 예를 도시한 회로도이다.
도3에 도시된 바와 같이, 대역 통과 여파기는 제 1 터미널(300), 제 2 터미널(302), 복수의 대역 통과 여파부(304,306) 및 복수의 대역 통과 저지부(308~310)를 포함한다.
제 1 터미널(300)은 상기 제 1 안테나(102)와 제 2 안테나(104)를 통해 수신되는 신호가 입력되는 포트(port)이고, 제 2 터미널(302)은 대역 통과 여파기를 통해 여파되는 신호가 출력되는 포트(port)이다.
대역 통과 여파부(304,306)는 제 1 터미널(300)과 제 2 터미널(302) 사이에 직렬로 연결되며, 제 1 안테나(102)와 제 2 안테나(104)를 통해 수신되는 신호를 입력받아 400㎒~800㎒ 주파수 대역 범위 내의 신호만 제 2 터미널(302)로 통과시킨다.
한편, 대역 통과 저지부(308~310)는 제 1 터미널(300)과 제 2 터미널(302) 사이에 병렬로 연결되며, 특정 주파수를 갖는 신호의 유입을 차단하는 기능을 수행한다. 즉, 대역 통과 저지부(308~310)는 400㎒~800㎒ 주파수 대역 범위의 신호들 중 대역 통과 여파부(304,306)를 통과하지 못한 신호가 접지로 흘러들어가는 것을 저지하여 대역 통과 여파기의 동작 효율을 높인다.
여기서, 도3에 도시된 대역 통과 여파기의 구성은 실제로 사용될 수 있는 일 예이며, 이 외에도 다양하게 구성될 수 있음은 당연하다.
도4는 도3의 대역 통과 여파기 동작의 시뮬레이션 결과를 나타낸 파형도이다.
먼저, S11와 S21은 안테나 장치의 성능을 가리키는 S-파라미터(parameter)이다. 이들 중 S11는 입력 반사계수를 가리키며, 해당 주파수 대역에서 ㏈이 낮을수록 급전선과 안테나 간의 임피던스 매칭이 잘 되었다는 것을 의미한다. 즉, 안테나의 방사 효율은 ㏈이 낮을수록 높아진다. 그리고, S21은 입력 포트 대 출력 포트의 비를 나타낸다. 즉, 입력신호가 전송하고자 하는 출력 포트까지 얼마나 도달하느냐를 나타내는 전송 효율을 의미한다.
S11의 그래프를 보면, 대역 통과 여파기는 400㎒~800㎒ 주파수 대역에서 0㏈ 이하의 값들을 유지하고 있다. 즉, 대역 통과 여파기는 400㎒~800㎒ 사이의 광대역에서 낮은 반사 계수를 제공한다.
한편, S21은 400㎒~800㎒ 주파수 대역에서 0㏈에 가깝게 상승하여 나머지 대역에 비해 비교적 높은 전송 효율을 보여주고 있다. 즉, 대역 통과 여파기는 400㎒~800㎒ 사이의 광대역에서 높은 전송 효율을 제공하고 있다.
이하, 이러한 성능을 제공하는 대역 통과 여파기와 제 1 안테나(102) 및 제 2 안테나(104)가 결합되는 본 발명의 안테나 장치(100)의 동작 성능을 도면들을 참조하여 살펴보도록 하겠다.
도5는 도1의 안테나 장치의 주파수별 이득(㏈i) 및 안테나 효율(efficiency)을 나타낸 도면이고, 도6은 도1의 안테나 장치의 주파수별 감도(㏈m)를 나타낸 도면이다.
먼저, 도5를 참조하면, 안테나 효율의 최저값은 641㎒ 주파수 대역에서의 13.26%이고, 최대값은 749㎒ 주파수 대역에서의 64.23%이다. 또한, 대부분의 주파수 대역에서 20%를 초과하는 안테나 효율을 보여주고 있다. 따라서, 본 발명의 안테나 장치는 400㎒~800㎒ 사이의 광대역에서 정상적으로 안테나 기능을 수행할 수 있음을 알 수 있다.
한편, 도6을 참조하면, 안테나 장치는 전 주파수 대역에서 60㏈m 이상의 높은 감도를 나타내고 있다. 따라서, 본 발명의 안테나 장치는 400㎒~800㎒ 사이의 광대역에서 정상적으로 안테나 기능을 수행할 수 있음을 알 수 있다.
도7은 도1의 송수신 장치에 포함되는 저잡음 증폭기(LNA)의 일 예를 도시하고 있다.
저잡음 증폭기는 수신 회로의 잡음 지수를 낮추고 수신된 신호를 증폭할 목적으로 사용된다. 방송국에서 각 가정으로 송출되는 신호들은 매우 먼 거리를 이동하므로, 가정의 송수신 장치로 수신되는 신호의 전력은 감쇄 및 잡음의 영향으로 인해 실질적으로 매우 낮은 전력 레벨을 갖게 된다. 따라서, 수신된 신호의 증폭 과정은 반드시 필요하다. 그런데, 외부에서 많은 잡음을 포함하여 전송되어온 신호를 그대로 증폭할 경우 잡음까지 증폭될 수 있어, 잡음을 최소화하면서 증폭할 수 있는 저잡음 증폭기가 사용될 수 있다.
이러한 저잡음 증폭기를 본 발명의 안테나 장치에 추가로 구성하는 경우 안테나 장치의 수신 성능을 개선할 수 있게 된다.
도8은 도1의 송수신 장치에 포함되는 밸런스-언밸런스(BALUN) 회로의 일 예를 도시하고 있다.
밸런스-언밸런스 회로는 밸런스 신호를 언밸런스 신호로 변환하거나 언밸런스 신호를 밸런스 신호로 변환하는 기능을 수행한다. 여기서, 밸런스 신호는 PCB와 같이 신호선의 아래 또는 양측에 그라운드가 존재하는 신호이고, 언밸런스 신호는 동축 케이블과 같이 중심의 신호선 주위를 그라운드가 둘러싸고 있는 신호이다.
한편, 본 발명의 안테나 장치의 송수신 장치는 안테나 성능 개선을 위해 공통 모드 여파기(common mode filter)를 포함할 수도 있다.
공통 모드 여파기는 USB, IEEE1394 등의 고속 디지털 인터페이스 등에서 많이 사용되고 있는 노이즈 대책 부품으로, 차동 모드(differential mode)로 전달되는 신호는 통과시키고, 공통 모드(common mode)로 전달되는 신호의 노이즈만을 선택적으로 제거하는 기능을 수행한다. 통상, 공통 모드 여파기는 두 개의 초크 코일(choke coil)이 하나로 결합된 구조를 가진다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 안테나 장치는 각각 다른 공진 주파수 대역을 갖는 제 1 안테나와 제 2 안테나를 통해 신호를 수신하고, 대역 통과 여파기를 이용하여 수신된 신호들로부터 제 1 안테나의 공진 주파수 대역과 제 2 안테나의 공진 주파수 대역 사이의 신호들을 획득한다. 이에 따라, 본 발명의 안테나 장치는 400㎒~800㎒의 광대역에서 디지털 방송 송수신이 가능해진다. 만일, 제 1 안테나 또는 제 2 안테나만으로 디지털 방송 송수신을 위해 광대역을 구현하려면, 제 1 안테나 또는 제 2 안테나의 크기를 키워야 하므로, 안테나를 포함하는 디지털 방송 장치의 소형화가 제한될 수 있다. 그러나, 본 발명은 제 1 안테나, 제 2 안테나 및 대역 통과 여파기를 이용하여 광대역 송수신을 가능하게 하므로, 상기 안테나 장치를 포함하는 디지털 방송 장치의 소형화도 용이해진다.
한편, 본 발명의 안테나 장치의 안테나 성능을 개선하기 위해, 저잡음 증폭기, 공통 모드 여파기 및 밸런스-언밸런스 회로들 중 적어도 하나 이상을 추가적으로 더 포함하여 안테나 장치를 구성할 수도 있다.
이상에서 대표적인 실시 예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시 예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100: 안테나 장치 102: 제 1 안테나
104: 제 2 안테나 106: 송수신 장치

Claims (7)

  1. 제 1 주파수 대역에서 신호를 송수신하는 제 1 안테나;
    제 2 주파수 대역에서 신호를 송수신하는 제 2 안테나; 및
    상기 제 1 안테나와 상기 제 2 안테나가 수신한 신호로부터 상기 제 1 주파수 대역 및 제 2 주파수 대역 사이의 신호를 선택적으로 여파하는 대역 통과 여파기를 구비하는 송수신 장치;
    를 포함하는 안테나 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 안테나 및 제 2 안테나는 동일한 급전부와 연결되는, 안테나 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 안테나는 루프 안테나이고, 상기 제 2 안테나는 다이폴 안테나인, 안테나 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 주파수 대역은 상기 제 1 주파수 대역의 N배(N은 자연수)인, 안테나 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 대역 통과 여파기는
    상기 제 1 안테나와 상기 제 2 안테나를 통해 신호를 수신하는 제 1 터미널;
    상기 제 1 터미널을 통해 입력되고 여파되는 신호를 출력하는 제 2 터미널;
    상기 제 1 터미널과 제 2 터미널 사이에 직렬로 연결되고, 상기 제 1 주파수 대역과 제 2 주파수 대역 사이의 신호를 여파하는 적어도 하나의 대역 통과 여파부; 및
    상기 제 1 터미널과 제 2 터미널 사이에 병렬로 연결되고, 상기 제 1 주파수 대역과 제 2 주파수 대역 사이의 신호 유입을 차단하는 적어도 하나의 대역 통과 저지부;
    를 포함하는, 안테나 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 송수신 장치는
    저잡음 증폭기(LNA), 공통 모드 여파기(CMF) 및 밸런스-언밸런스 회로(BALUN)들 중 적어도 하나 이상을 더 포함하는, 안테나 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 하나의 항에 기재된 안테나 장치를 포함하는 디지털 방송 장치.
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WO2018151537A1 (ko) * 2017-02-14 2018-08-23 삼성전자 주식회사 안테나 장치
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