In this paper, measurement methods for the characteristics of antennas for indoor digital TV (DTV), having 75-ohm port impedance, are introduced. Reference impedance of typical radio frequency (or microwave) systems and measurement equipments is 50 ohm. However, the reference impedance of antennas for indoor DTV is 75 ohm, and the characteristics of the antennas cannot be measured directly using the measurement equipments. Measurement methods, using test equipments with reference impedance of 50 ohm, for the characteristics(impedance, radiation patterns, and gain) of antennas designed to fit for 75 ohm port are introduced.
가정용 지상파 디지털 TV(DTV) 방송은 별도의 유료가입 없이 누구나 고화질의 방송을 무료로 수신할 수 있는 편리하고 유익한 서비스이다. 지상파 DTV용 주파수 대역은 UHF 대역(470—806 MHz)으로서 주파수 범위가 비교적 넓고 편파는 대지면에 대해 수평편파이다. 별도의 증폭기 없이 방송신호를 수신하기 위해서 DTV용 안테나는 광대역이면서 수평면에서 적절한 이득을 유지하여야 한다.
전형적인 RF시스템에서 포트 임피던스(혹은 기준 임피던스)가 50옴인 것에 비해 지상파 방송을 수신하는 실내 DTV용 포트의 임피던스는 75옴이다. 따라서 지상파 DTV용 안테나의 광대역 특성은 포트 임피던스 75옴에 정합되도록 설계되어야 한다. 제작된 안테나의 특성을 실험을 통해 확인하기 위해서는 주의가 필요하다. 왜냐하면 거의 대부분의 고주파 관련 측정 장비 및 시스템이 50옴을 기준 임피던스로 하고 있어서 75옴을 기준으로 하는 DTV의 특성을 직접 측정하기 어렵기 때문이다. 지상파 DTV용 안테나에 대한 대부분의 기존 연구들[1-3]에서 50옴을 기준 임피던스로 하여 안테나를 설계하였고, 주로 휴대전화, PMP(portable multimedia player), lap-top PC 등에 장착하기 위한 것 들이었다. 일부 연구들[4, 5]은 75옴을 기준 임피던스로 하고 안테나를 설계하였으나, 안테나 특성을 측정하는 방법을 소개한 바는 거의 없다. 최근 발표된 일부 DTV용 안테나에 대한 연구 논문들[6-8]에서 이에 대한 간략한 언급이 있었으나 구체적인 방법에 대해서는 소개된 바가 없는 실정이다.
따라서 본 연구에서는 UHF 대역 지상파 실내 DTV용 안테나의 특성 측정방법과 측정시 유의점에 대해 소개하고자 한다. 제시된 방법을 적용한 특성 측정 사례를 소개하고 이를 통해 연구내용의 타당성을 확인하고자 한다.
실내 DTV는 포트 임피던스가 75옴이고 그에 연결되는 케이블이나 커넥터, 증폭기 또한 75옴 특성 임피던스에 정합이 되어야 한다. 그림 1은 시중에서 판매되는 스펙트럼 社[9]의 DTV용 안테나와 증폭기의 사양을 예로 제시한 것이다. 75옴 시스템에 적합하도록 안테나의 종단에 연결하는 급전용 컨넥터는 F형(그림 2a)이고 50옴 시스템에는 SMA형(그림 2b)이 대표적이다.
DTV용으로 적합하도록 파라미터 값들을 최적화시킨 안테나 구조를 제작한 후 75옴 포트와 정합특성을 측정하기 위해 (기준 임피던스 75옴에 대한 반사계수를 직접 측정할 수 있는 장비는 현실적으로 제공되지 않으므로) 50옴을 기준 임피던스로 하는 회로망 분석기(Vector Network Analyzer; VNA)를 이용하여야 한다. 75옴을 기준으로 하는 반사계수를 측정하기 위해서는 먼저 50옴을 기준으로 하는 반사계수를 측정한다. 제작된 피측정 안테나(Antenna Under Test; AUT)의 급전부에 50옴용 SMA 커넥터를 납땜하고 50옴을 기준 임피던스로 하는 VNA를 이용하여 반사계수를 측정한다. 측정된 반사계수로부터 안테나의 입력 임피던스(
와 같이 계산한다. 이 때, 주의할 점은 AUT 주위가 자유공간과 동일한 조건이 되도록 전자파 환경이 갖추어져 있어야 한다.
그림 3은 SMA 및 F 형 커넥터에 연결된 준-야기(quasi-Yagi) 안테나[6]를 나타내며, 임피던스 측정 시에는 SMA형 커넥터에 연결되고, 복사패턴과 이득 측정과 같은 복사특성 실험에는 F형 커넥터에 연결되어야 한다.
그림 4는 반사계수 측정과정을 도식화 한 것이다.
그림 5는 DTV용 주파수 대역(470—806 MHz) 측정에 적합하도록 조성된 전자파 무반사실로서 내부 공간은 7 m(길이)×3 m(폭)×3 m(높이) 크기이다. 벽면 흡수체는 페라이트 타일로 구성되며, 시험용 주파수 범위는 1 GHz 이하이다.
그림 6은 DTV용으로 제작된 AUT의 정재파비를 제안된 방법을 이용하여 측정한 결과이다. AUT는 그림 3의 준-야기 안테나이고, 임피던스 측정에 사용된 VNA는 Agilent 社의 N5230A 모델이다. VNA로 측정된 임피던스로부터
제작된 안테나는 75옴에 정합되도록 설계되었으므로 75옴 시스템에 연결된 상태에서 복사특성이 측정되어야 한다. 대부분 신호 발생기의 전원 임피던스는 50옴이므로 50옴 신호 발생기와 75옴 안테나 간 임피던스변환기를 삽입해야 한다. 송신 안테나 뿐만 아니라 수신 안테나로 75옴 안테나를 사용하는 경우에도 수신 전력레벨을 측정하는 스펙트럼 분석기와 수신 안테나 사이에 임피던스 변환기가 추가 되어야 한다.
그림 7은 상용 임피던스 변환기(에스알테크날러지社[10])로서 약 6 dB 정도의 삽입손실이 발생된다.
그림 8은 포트 임피던스가 50옴인 일반적인 RF용 안테나의 복사패턴 측정 시스템을 도시한 것이다.
그림 9는 75옴 안테나의 특성 측정에 적합하도록 그림 8의 송신측과 수신측 각각에 임피던스 변환기를 추가시킨 측정 시스템 구성도이다. 그림 9에서 지향성 패턴만 측정하고자 하는 경우에는 송신부를 그림 8과 동일한 상태로 두어도 무방하다.
주파수별 안테나 이득은 AUT와 성능을 비교할 75옴용 표준 안테나가 없으므로 송수신 안테나를 동일한 것으로 하는 2-안테나 방법(two antenna method)[11]을 이용하면 측정이 가능하다. 2-안테나 방법은 AUT와 동일한 안테나를 송신측에도 연결한 상태에서 Friis 공식[11]을 이용하여 이득을 구하는 것이다. Friis 공식에 의해 자유공간 상에서 송수신 안테나 간 거리 R, 송신 안테나 공급 전력
이고, 여기에서 λ0는 자유공간 파장이다.
송신 안테나와 수신 안테나가 동일하면 AUT의 이득은
와 같이 얻을 수 있다. 식 (5)를 dB 형식으로 변환시키면
와 같고 여기에서
위의 방법을 이용하여 그림 3의 안테나의 복사패턴과 이득을 전자파 무반사실에서 측정하고 시뮬레이션과 비교하여 그 결과를 그림 10에 제시하였다. 그림 9의 측정 시스템에서 광대역 지향성 안테나는 상용 DTV 수신용 광대역 대수주기 안테나(log-periodic antenna : 모델명 LP49, 스펙트럼 社[9])를 사용하였으며, 시스템 구성 사진은 그림 5에 제시되어 있다. 그림 10에 제시된 바와 같이 복사패턴 및 이득 측정 결과들이 시뮬레이션과 잘 일치하는 것을 볼 수 있다.
본 논문에서는 75옴을 기준 임피던스로 하는 실내 DTV 방송 수신용 안테나의 특성 측정 방법에 대해 소개하였다. 일반적인 고주파 시스템, 안테나, 측정 장비등이 50옴을 기준 임피던스로 하는 것에 비해 75옴 시스템인 실내 DTV용 안테나의 특성을 직접 측정하는 것은 불가능하므로 50옴 측정 시스템을 이용하여 간접적으로 측정하는 방법과 유의사항에 대해 소개하였다. 안테나의 임피던스 특성(반사계수, 정재파비) 측정과 복사 특성(복사패턴, 이득) 측정으로 구분하였고, 측정용 부품, 측정 장비, 측정 시스템 등에 대해서도 자세히 소개하였다. 제안된 방법을 이용하여 실내 DTV용으로 적합하도록 제작된 평면 준-야기 안테나의 정재파비, 복사패턴, 이득 등을 측정한 결과를 제시하였고, 실험결과들이 시뮬레이션결과들과 상호 잘 일치하여서 본 연구 내용의 타당성을 검증할 수 있었다.
