방송시스템의종류및발전방향 - nbbs3.sbs.co.krnbbs3.sbs.co.kr/down_1.jsp?name=tb_SBStech_01/2006/8/2006128233.pdf · 방송시스템의종류및발전방향 . 21 / 59 Microwave

방송 시스템의 종류 및 발전 방향

Microwave and Antenna Lab.21 / 59

방송 시스템의 추세

기존의 방송 시스템

지상파 방송, 케이블 방송,

위성방송

고정된 위치에서 수신 가능

일방적인 정보 전달

차세대 방송 시스템

S-DMB,T-DMB,

DVB-H, MediaFlo

이동 중에도 수신 가능

양방향 정보 전달 가능

최근 통신망의 광대역화와 방송의 디지털화가 가속되면서

통신 및 방송의 융합화, 컨버젼스화

방송시스템의 추세


여러 가지 방송 시스템

지상파 방송

사용주파수 : VHF / UHF band

편파 : 수평편파

중계소간 방송중계를 위하여 5,725~5,850 MHz 대역 마이크로웨이브 사용

H band

5.725- 5.85 GHz

방송중계

VHF/UHF bandVHF/UHF band



위성방송

정지궤도 위성을 이용

사용주파수 : (Uplink) 14.5-14.8 GHz, (Downlink) 11.7-12.2 GHz

편파 : 방송용으로 LHCP를 사용

Ku band

14.5-14.8 GHzKu band

11.7-12.2 GHz



S-DMB (Satellite Digital Multimedia Broadcasting)

인공 위성을 통해 방송전파를 송출, 단말기가 직접 수신하거나 음영지역에서는

중계기(Gap filler) 를 거쳐 수신함

정지궤도 위성을 이용함

Uplink : Ku band

Downlink : S band & Ku band

단말기 안테나 : 무지향성



T-DMB (Terrestrial Digital Multimedia Broadcasting)무선송신 설비를 이용하여 방송전파를 송출, 이동중인 단말기로 전파를 직접 수신

주파수 대역 : 현재 VHF 대역의 channel 8번(180~186 MHz)과 channel 12번

(204~210MHz)을 시범적으로 사용한 뒤 전 대역으로 channel 확장

비교적 저주파대역으로 휴대단말기용 안테나는 소형화가 중요

DVB-H (Digital Video Broadcasting Handheld)노키아 주도, 유럽에서 사용됨

DVB-T 의 단점을 보완하여 이동 중 수신이 가능하고 데이터 서비스를 가능하게 함

주파수 대역 : UHF 대역 (470 ~ 750 MHz)

DVB-H 안테나 요구조건 : 소형 광대역 안테나

MediaFlo (Media Forward Link Only) 퀄컴이 제안

주파수 대역 : UHF 대역 (698 ~ 746 MHz)

안테나 요구조건 : DVB-H와 유사


방송 시스템의 발전 방향

기존의 방송 시스템

송신기에서 전파하는 방송을 가정집, 회사, 공장 등 수신단에서 수신

단방향 통신

고정형 수신단

송신기

공장

가정회사

가정



차세대 방송 시스템

송·수신단의 지리적 위치 변화

기존의 방송 시스템은 송·수신단이 고정되어 있음

수신단의 다양화 : 자동차, 지하철, 보행자…

차세대 방송 서비스는 gap filler등 송신단의 수가 증가하고, 수신단이 이동함

양방향 통신, 방송의 디지털화

양방향 통신 : VOD, 전자상거래…

데이터량 증가로 Channel capacity를

증가시킬 필요성 대두됨

정보의 다양화 : 음성, 영상, 데이터… Gap filler

Gap filler

양방향통신

가정

자동차

보행자

지하철

회사송신기

spacediversity



고품질의 방송 프로그램과 다채널 서비스를 실현하고 통신․방송

융합형 서비스를 포함한 다양한 부가기능을 제공

방송의 디지털, 통신망의 광대역화

통신·방송의 융합화로 통신과 방송의 구분이 불명확

전파자원 관리체계 변화 및 재분배

Digital Convergence로 인한

통신/방송용 안테나의 통합화

아울러 안테나 시스템의 다양화

Diversity & MIMO

SDR (Software defined radio)

※ 자료출처 <2005정보통신백서>

방송 시스템용 안테나


TV 송신 안테나 시스템의 구성

· 송신기로부터 전송되는전력을 전자기파로 변환

· 지향성을 위해서 array 사용

· 안테나를 부착하는 지지대

· 바람이나 지진 등 외부적

요인에 잘 견뎌야 함

· 자립식 철탑, 지선식 철탑,

지주식 철탑 등

안테나

지지철탑

· 송신기로부터 안테나에전력을 전달하는 역할· Coaxial cable, waveguide

급전선

· 영상 및 음성 신호를 전송할 수있도록 변환시킴

· 안테나에 전력을 내보냄

급전장치부

· 안테나, VSWR, 온도, 저항 감시장치· 보수점검을 위한 부분

부속장치부

급전장치부 영상송신부

음성송신부

부속 장치부


TV 송신 안테나 시스템의 조건

· 장비의 대부분은 옥외에 설치

· 험악한 자연환경에 견뎌야 함

· 바람, 비, 눈, 얼음, 온도, 습도,

지진, 벼락, 자외선, 화학적 물질,

먼지

· 대부분 수평편파를 사용

· 전 서비스 구역에서 수신이

가능한 전계강도를 유지할 수

있는 이득과 지향성

· 양호한 특성과 안정된 성능

· 장기간 설치되야 하기 때문에

보수가 용이해야 함

· 서브시스템간의 신뢰성 배분,

다른 설비와의 협조, 경제성

등이 충분히 고려되야 함


송신 안테나의 요구조건

기계적 성능

내풍 속도압 :

지지주의 흔들림 : 안테나의 지지주의 바람에 의한 흔들림각은 풍속 30m/s에 있어서

최상부에서 0.5° 이하

기밀 : 옥외 부분의 급전부는 기밀 구조로 함.

건조공기 1.4kg/cm2로 봉입하고 12시간 경과후 압력저하를 10g/cm2로 함

방설 : 안테나의 방사소자, 급전부, 트랩 등 적설, 결빙에 따라 성능 저하를 일으키는 부분에

보호 커버를 부착함

녹방지 처리 : 도금, 도장

온도 대책 : 급전부 등 여러가지 기관이 온도 변화에 따른 성능 열화가 생기지 않도록 설계

내후성 : 케이블 외피, 방설커버 등, 수지 관계의 부속 재료는 내후성이 높은 재료를 사용

24120 [ ]q h kg m=


송신 안테나의 요구조건

전기적 성능

VSWR : 반사에 의해 생기는 고스트 장해의 화질 평가에서 구한 결과

안테나 입력단에서의 VSWR = 1.05 이하

급전부 입력단에서의 VSWR = 1.1 이하

직류저항 : 각 부품의 접촉 상황을 나타냄

지향성 : 주파수 범위에서 최대값 - 6dB보다 큰 지향성을 가지는 범위는 오차가 ±1.5dB 이내

주파수 범위에서 최대값 - 6dB보다 작은 지향성을 가지는 범위는 오차가 ±10% 이내

결합량 : 다른 계통의 안테나계와의 결합량은 피더 입력단 사이에서 -26dB 이하로 함

온도상승 : 온도상승은 전력을 가했을 때 각 부의 상승은 25° 이하로 한다.

이때 흡수 저항 등의 발열체는 제외한다.

온도 특성 : 주위 온도가 -20°C 에서 +60°C 까지 변화했을 때, 각 성능을 만족할 것


MF 송신 안테나

주파수 대역

300k ~ 3 MHz

국내 AM 라디오 방송 (526.5 kHz ~ 1606.5 kHz)

방송 시스템 중 가장 낮은 주파수

중심 주파수에서의 파장 : 약 280 m

주로 무지향성 안테나가 사용됨

철탑 자체를 4분의 1파장 모노폴 안테나로 이용

AM Monopole Antenna


HF 송신 안테나

주파수 대역

3~30 MHz

전리층에 의한 반사를 이용하여 멀리까지 전파

국내 뿐 아니라 해외로의 방송 서비스도 가능

수직 지향성이 중요하고, 서비스 지역까지의 거리에 따라 수직 지향성을 결정

계절 및 시간에 따라 전파에 적합한 주파수로 변경하여 사용(다수의 안테나가 있음)

수직 지향성에 대한 대지의 영향을 고려해야 함

수평 편파, 수직 편파 안테나가 사용됨

전리층 전파는 지구 자계의 영향을 받아 편파면이 회전하게 됨

따라서 안테나의 편파가 그리 중요하지 않음

국내 방송용으로 다이폴 안테나, 폴디드 다이폴 안테나가 주로 이용되고 국제

방송용으로는 고이득 빔 안테나, 롬빅 안테나가 주로 이용됨


VHF 송신 안테나

주파수 대역

30 ~ 300 MHz

국내 FM 라디오 방송

국내 VHF TV 방송

사용되는 안테나

슈퍼 턴 스타일 안테나

슈퍼 게인 안테나

쌍루프 안테나

2다이폴 안테나 Superturnstile antenna

- 슈퍼턴 스타일 안테나를 다단

으로 배치하여 이득 증가

- 지지주의 직경은 기계적 강도를

크게 하기 위하여 하단으로 갈수

록

굵어짐 : 안테나의 특성에 영향

2 dipole antenna- 반사판 + 2개의 다이폴(fat)

: 광대역, 지향성 안테나

- array : 이득을 높임

- 강도가 강한 철탑을 이용

- 철탑 주위로 4방향으로 배치

전방향으로의 방사


UHF 송신 안테나

주파수 대역

300 ~ 3000 MHz

국내 UHF 방송(470 MHz ~ 752 MHz)

고이득 안테나가 요구됨

VHF 대역보다 전파의 손실이 큼

송, 수신 피더 손실이 큼

수상기의 잡음 손실이 큼

파장이 짧아 비교적 안테나의 크기가 작고

따라서 풍압도 적게 받음

착설 등으로 인한 영향이 커서 방설 커버를

붙여서 사용

쌍루프 안테나, 패널 안테나, 코너 리플렉

터 안테나, 2다이폴 안테나, 다소자 링 안

테나 등이 사용됨

패널 안테나- 패널 형태의 지향성 안테나를 이용

- 패널은 커버로 쌓여 있음

- 다단으로 배치하여 이득 높임

- 패널의 방향에 따라 수평/수직 편파를 가짐


VHF / UHF 수신 안테나

가정용 수신 안테나

지상파 방송을 위한 안테나가 요구됨

건물 위에 설치되어 상대적으로 크기에 제약이 없음

야기 우다 안테나, folded dipole 안테나, V 안테나 등

Yagi-Uda antenna V antenna Log-periodic antenna


VHF / UHF 수신 안테나

차량용 수신 안테나

지상파, 위성방송, DMB, Radar Sensing, GPS, WLAN 등 다양한 서비스를 위하

여 다양한 안테나가 요구됨

광대역 도는 다중대역 안테나가 요구됨

소형, 내장형 안테나 요구

Glass 안테나

- 자동차 유리에 전파수신 가능한

투명한 물질을 코팅하여 안테나로 사용

- 기존 pole 안테나의 단점을 보완

(외부 돌출, 고속 주행시 잡음 등)


위성방송 수신 안테나

위성방송 수신 안테나주파수 : 11.7 ~ 12.2 GHz (Ku band)

주로 반사판 안테나를 사용하나 차량용으로

array antenna도 사용되기도 함

안테나 방향 :

동경 116도

방위각 197.9도 (Azimuth)

앙각 45.54 도 (Elevation)

Korea sat

위성 안테나

차량용 위성안테나


T-DMB용 안테나 (1)

T-DMB 용 안테나의 요구조건

기지국 용

주파수 대역이 기존 공중파 대역과 같기 때문에 기존에 사용되는

기지국과 같은 형태를 가짐

수신기 용

200MHz에서 반파장 다이폴 안테나의 경우 그 길이가 75cm임

휴대용 단말기에 적용되는 안테나는 소형화가 필수적임

설치 및 휴대의 간편성 요구

이동 중에도 안정적인 수신을 위한 방사 특성 요구

지상파 DMB 뿐 아니라 아날로그/ 디지털 TV 수신

등 여러 대역에서의 수신 가능성 요구

USB type T-DMB 수신기



개인용 수신 안테나

DMB, GPS 등의 서비스를 위하여 다양한 안테나가 요구됨

내장형, 소형화, 경량화된 안테나가 요구됨

광대역 또는 다중대역 안테나가 요구됨

최근에는 내장형 T-DMB 안테나도 개발됨

외장형 T-DMB 안테나 내장형 T-DMB 안테나

PMP용 T-DMB antenna

- Size : 8cm

- 증폭기를 이용하여

수신신호를 증폭함

- 크기를 줄이면서

수신율을 유지시킴

Helical antenna



휴대폰 및 노트북 application


S-DMB용 안테나 (1)

S-DMB용 안테나

고주파 대역 사용으로 안테나 크기가 작으므로 내장형 안테나 사용

직진성이 좋으나 회절성이 안 좋아서 음영 지역 발생하므로 Gap Filler 필요

안정적인 방사 특성 요구

주파수가 2.6GHz 대역이기 때문에

안테나의 내장화에 유리



S-DMB용 안테나 요구조건

위성 송수신용 안테나

Circular polarization

High gain

Reflector antenna

Gap filler 안테나

Linear polarization

Dipole antenna

단말기용 안테나

소형화

내장화

이득향상



S-DMB 단말기용 안테나

사용의 불편을 최소화하기 위해 위성 DMB 안테나는 내장형 안테나가 주류

방송수신 소형 단말기용

내장형 안테나


초소형 이동통신용 안테나의 기술 ROAD MAP

2000 - 2003년 2004 - 2007년 2007 - 2012년

초소형 이동통신

안테나의 발전RFID용 소형 안테나

단말기용내장형 안테나

근거리 무선환경용소형 안테나

Smart/통합폰용내장형 안테나

능동 집적 소형 안테나

내 용 2012년

위성/지상파DMB용

소형 안테나 다중서비스를 위한초소형 다중대역

안테나

유비쿼터스

센서 네트워크 환경의

지능형 초소형 안테나초소형 안테나의

Diversity 기술 적용

소형 안테나의초광대역화

능동형 소형 안테나고효율 다기능 능동

집적 소형 안테나

고효율 능동 안테나

광대역 안테나

UWB용 소형 안테나

WLAN용 소형 안테나

1990 - 2000년

Quarter wavelength Whip Antenna

Stubby Helical antenna

Half wavelength center feeding Dipole Antenna

3/8 wavelength retractable Antenna


안테나의 소형화

안테나의 소형화

안테나를 물리적으로, 전기적으로 작게 만드는 것

안테나의 소형화가 필요한 이유

이동 통신 발전에 따른 서비스 공급 지역 확대

mobility의 보장

휴대폰의 소형화 및 다중 기능 특성으로 인한 소형화 요구

환경 친화적 요인

휴대폰 ; intenna 개념의 대두 (내장형, SAR 감소)

intenna 단말기에 대한 소비자의 선호도 증가

홈 네트워킹에 따른 시스템 소형화 필요

DSRC

필수불가결적 요인

차량용 충돌 방지 sensor ; 범퍼 내 위치


소형 안테나의 특징

invert-L antenna

port

invert-F antenna

Planer invert-F antenna

안테나 크기가 작아짐에 따라안테나 크기가 작아짐에 따라

Helical antenna

meander antenna

PortSmall loop antenna

Ω<< 50rRQ

BW 1= DeG cd=

• 방사저항이 작다

• 리액턴스가 크다

• 효율이 떨어진다

• 방사저항이 작다

• 리액턴스가 크다

• 효율이 떨어진다

• 매칭이 어렵다

• 대역폭이 작아진다

• 이득이 작아진다

• 매칭이 어렵다

• 대역폭이 작아진다

• 이득이 작아진다


PIFA (Planer Inverted-F Antenna)

port

monopole antenna

ground

invert-L antenna

전류의 상쇄

port

• 모노폴 안테나의 높이를 줄이기 위해 inverted-L antenna로 변환

• 안테나의 높이가 낮아진 대신 전류의 상쇄로 인해 방사저항이 작아짐

• 정합이 어려워짐

• 모노폴 안테나의 높이를 줄이기 위해 inverted-L antenna로 변환

• 안테나의 높이가 낮아진 대신 전류의 상쇄로 인해 방사저항이 작아짐

• 정합이 어려워짐

• 정합을 위해 단락 핀(shorting pin)을 적용함

• 임피던스가 증가하여 정합이 쉬워짐

• 리액턴스가 커져서 대역폭이 작아지고, 효율과 이득도 낮아짐

• 정합을 위해 단락 핀(shorting pin)을 적용함

• 임피던스가 증가하여 정합이 쉬워짐

• 리액턴스가 커져서 대역폭이 작아지고, 효율과 이득도 낮아짐

invert-F antenna

Shorting pin


Shorting pin

Ground

방사체의 크기를 넓힘

• 대역폭을 확장하기 위해 방사체의 크기를 넓혀줌

• 부피는 커지지만 대역폭은 확장됨

• 그라운드와 방사체 사이의 높이가 높을수록 광대역

• 대역폭을 확장하기 위해 방사체의 크기를 넓혀줌

• 부피는 커지지만 대역폭은 확장됨

• 그라운드와 방사체 사이의 높이가 높을수록 광대역


Size Reduced PIFA

Size reduced PIFA (Planer Inverted-F Antenna)

방사체에 slit을 넣어 추가로 소형화 및 다중밴드 안테나를 설계 가능


Shorting pin

Ground

Size reduced PIFA

Ground

slit

Slit을 이용하여 방사체의

크기 소형화

Slit을 이용하여 방사체의

크기 소형화


Multiband/ Wideband Antenna

GPSDCS1800

WLANDMB

Convergence

여러 이동 통신 시스템이 하나의 기기에서 구현됨이필요해짐에 따라 다중 대역에서 서비스가 가능한 안테나 필요

Small Antenna


Small Antenna


<적층 미엔더 라인 구조를 이용한

GPS/PCS/S-DMB 삼중 대역 소형 칩 안테나>

DIVERSITY & MIMO


DIVERSITY

Diversity의 개념

도로A의 상태가 나쁠 경우

다른 경로(도로 B)를 이용하여

목적지까지 무사히 갈 수 있음

같은 원리로 다수의 독립적인

경로를 통하여 통신을 함으로써

안정적인 통신 성능을 유지할

수 있음

수신기A

수신기B

송신기

도로A

도로B

출발지 목적지

나쁜기후


DIVERSITY

Diversity의 종류Site diversity

위성 통신에서는 사이트 다이버시티를 이용한다.

거리 상으로 멀리 떨어져 있는 (약 10km 이상)

2개 이상의 기지국을 동시에 운용하는 방식

한 기지국이 있는 지역에 비나 눈 때문에 통신이

불가능 할 경우 통신이 가능한 다른 기지국을 대신 이용

Space diversity

독립적인 두 신호의 수신을 위해 2개 이상의

수신안테나를 일정거리 이상 이격 시켜야 함

이격 거리는 보통 10∼20λ정도이다

Polarization diversity

직교하는 2개의 편파 안테나를 이용

두 개의 수신 안테나를 같은 공간상에 위치

Frequency diversity, Field component diversity

Angle diversity, Time diversity

Antenna diversity :

서로 다른 종류의 안테나를 통해 얻는 diversity

Space diversity

polarization diversity

송신단

안테나 1

안테나 2

이격거리

송신단

안테나 1수직편파

안테나 2수평편파


DIVERSITY

Space Diversity의 적용

Vertical Space Diversity

수평방향으로의 multi-path가 없는

기존의 고정형 통신 및 방송 시스템에서 적용

correlation이 적은 수직방향 약 150 lambda

Horizontal Space Diversity

이동형 통신 및 방송 시스템에서 적용

기지국 및 중계기의 위치가 도심 속으로 내려옴에

따라 수평방향의 장애물이 많아짐

Multi-path 환경이 형성됨에 다라 좁은 공간에서도 correlation 이 낮아짐

기지국 안테나 Rx Tx Rx 수신단의 Space diversity

Polarization Diversity의 적용

도심 속의 Gap filler

좁은 공간에서도 correlation이 낮아 가능하다는 장점

Vertical space diversity

Horizontal space diversity

기지국

Rx1 Rx2Tx1

송신단

Antenna2

Antenna1


MIMO (Multi-Input Multi-Output)

MIMO (Multi-Input Multi-Output)

Diversity 기법을 이용 : space diversity, polarization diversity

다수의 안테나(multi antennas)를 송신단 및 수신단에 사용

대역폭의 변화 없이 채널의 용량을 증가시킴

차세대 방송 시스템에서는 VOD (Video On Demand)나

양방향 방송 서비스를 위하여 MIMO와 같은 새로운

통신 시스템이 필요하게 됨

MIMO system

이격거리 L


Summary

안테나 및 전파전파 기본 이론

방송 시스템의 종류 및 발전 방향

방송 시스템용 안테나

방송수신 소형 단말기용 내장형 안테나

DIVERSITY & MIMO

결 론Small Antenna

Multi-band / Wideband Antenna

Small AntennaMulti-band / Wideband Antenna





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