본 논문에서는 소형 USB dongle에 적용을 위한 다중 대역 MIMO 안테나를 제안하였다. 제안된 MIMO 안테나는 변형된 미엔더 라인과 역 L형스터브로 구성되어 있으며, 접지면을 기준으로 서로 대칭적으로 상 하단에 위치한다. 구현된 안테나는 LTE 13, 17 대역(704-787 MHz), DCS/PCS/WCDMA 대역(1.71-2.17 GHz), LTE 7 대역(2.5-2.7 GHz) 대역에서 VSWR 3:1을 만족하였다. 효율 특성은 전체 주파수 대역에서 평균 35 % 이상의 값을 갖고, 상관 계수는 LTE 13, 17 대역에서 0.45 이하, DCS/PCS/WCDMA 및 LTE 7 대역에서 0.1 이하의 값을 갖는다.
본 논문에서는 소형 USB dongle에 적용을 위한 다중 대역 MIMO 안테나를 제안하였다. 제안된 MIMO 안테나는 변형된 미엔더 라인과 역 L형 스터브로 구성되어 있으며, 접지면을 기준으로 서로 대칭적으로 상 하단에 위치한다. 구현된 안테나는 LTE 13, 17 대역(704-787 MHz), DCS/PCS/WCDMA 대역(1.71-2.17 GHz), LTE 7 대역(2.5-2.7 GHz) 대역에서 VSWR 3:1을 만족하였다. 효율 특성은 전체 주파수 대역에서 평균 35 % 이상의 값을 갖고, 상관 계수는 LTE 13, 17 대역에서 0.45 이하, DCS/PCS/WCDMA 및 LTE 7 대역에서 0.1 이하의 값을 갖는다.
This paper proposes a multiband Multi-Input Multi-output(MIMO) antenna for universal serial bus(USB) dongle application. The proposed MIMO antenna consists of a modified meander strip line and inverted L stub. The two radiating elements of the MIMO antenna are symmetrically placed with respect to th...
This paper proposes a multiband Multi-Input Multi-output(MIMO) antenna for universal serial bus(USB) dongle application. The proposed MIMO antenna consists of a modified meander strip line and inverted L stub. The two radiating elements of the MIMO antenna are symmetrically placed with respect to the center of the ground plane. The fabricated antenna satisfied a VSWR below 3 and an efficiency over 35 % in the LTE band 13, 17(704 MHz-787 MHz), DCS/PCS/WCDMA band(1.71 GHz-2.17 GHz), and LTE band 7(2.5 GHz-2.7 GHz). The envelope correlation coefficient(ECC) has below 0.45 in the LTE band 13, 17 and 0.1 in the DCS/PCS/WCDMA band and LTE band 7, respectively.
This paper proposes a multiband Multi-Input Multi-output(MIMO) antenna for universal serial bus(USB) dongle application. The proposed MIMO antenna consists of a modified meander strip line and inverted L stub. The two radiating elements of the MIMO antenna are symmetrically placed with respect to the center of the ground plane. The fabricated antenna satisfied a VSWR below 3 and an efficiency over 35 % in the LTE band 13, 17(704 MHz-787 MHz), DCS/PCS/WCDMA band(1.71 GHz-2.17 GHz), and LTE band 7(2.5 GHz-2.7 GHz). The envelope correlation coefficient(ECC) has below 0.45 in the LTE band 13, 17 and 0.1 in the DCS/PCS/WCDMA band and LTE band 7, respectively.
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문제 정의
본 논문에서는 USB dongle에 적용이 가능한 다중 대역 MIMO 안테나를 제안하였다. 제안된 안테나는 광대역 및 다중 대역 특성을 얻기 위해서 변형된 미엔더 라인과 역 L형 구조의 스터브를 이용하였다.
본 논문에서는 USB dongle에 적용이 가능한 다중 대역 MIMO 안테나를 제안하였다. 제안된 안테나는 광대역 및 다중 대역 특성을 얻기 위해서 변형된 미엔더 라인과 역 L형 구조의 스터브를 이용하였다.
제안 방법
방사체를 지지하는 캐리어는 13 mm×32 mm×13 mm의 크기를 갖고, Laptop 연결시 두 개의 방사체(안테나 #1, 안테나 #2)가 앞뒤로 움직일 수 있는 슬라이딩 방식으로 설계되었다. 두 개의 방사체는 접지면 기준으로 대칭적 구조로 설계되었으며, 각각의 방사체는 변형된 미엔더 라인과 역 L 형태의 스터브로 구성된 모노폴 형태이다.
제안된 안테나는 LTE 대역 및 DCS/PCS/WCDMA 대역의 임피던스 대역폭을 만족시키기 위해서 변형된 미엔더 라인 구조를 이용하였으며, 미엔더 라인의 커플링을 이용하여 임피던스 매칭 및 광대역 효과를 얻을 수 있었다. 또한, LTE 7 대역의 임피던스 대역폭을 만족시키기 위해서 급전부의 스트립 라인에 역 L형태의 스터브를 추가하였다.
제안된 안테나는 광대역 및 다중 대역 특성을 얻기 위해서 변형된 미엔더 라인과 역 L형 구조의 스터브를 이용하였다. 또한, LTE 대역에서 안테나 #1과 안테나 #2의 효율을 유지시키기 위해서 Laptop 연결 시 안테나 #1과 안테나 #2가 앞뒤로 움직일 수 있는 슬라이딩 방식으로 설계하였다. 설계된 안테나는 제안된 다중 대역 MIMO 안테나는 LTE 13, 17 대역, DCS/PCS/WCDMA 대역 및 LTE 7 대역에서 VSWR 3:1 대역폭 만족하며, 전체 대역에서 35 % 이상의 평균 효율을 갖는다.
방사체를 지지하는 캐리어는 13 mm×32 mm×13 mm의 크기를 갖고, Laptop 연결시 두 개의 방사체(안테나 #1, 안테나 #2)가 앞뒤로 움직일 수 있는 슬라이딩 방식으로 설계되었다.
제안된 MIMO 안테나는 변형된 미엔더 라인과 역 L형 스터브로 구성되어 있다. 제안된 MIMO 안테나는 LTE 13, 17 대역 및 DCS/PCS/WCDMA 대역의 임피던스 대역폭을 만족시키기 위해서 변형된 미엔더 라인의 커플링 구조를 적용하였으며, LTE 7 대역의 임피던스 대역폭을 만족시키기 위해서 급전 라인에 역 L형 스터브를 추가하였다. 측정된 다중 대역 MIMO 안테나의 안테나 #1은 LTE 13, 17 대역(0.
제안된 안테나는 LTE 대역 및 DCS/PCS/WCDMA 대역의 임피던스 대역폭을 만족시키기 위해서 변형된 미엔더 라인 구조를 이용하였으며, 미엔더 라인의 커플링을 이용하여 임피던스 매칭 및 광대역 효과를 얻을 수 있었다. 또한, LTE 7 대역의 임피던스 대역폭을 만족시키기 위해서 급전부의 스트립 라인에 역 L형태의 스터브를 추가하였다.
제안된 안테나는 두 개의 방사체, 접지면, FR4 유전체 기판(ε r=4.4, 1mm) 및 방사체를 지지하는 캐리어(ε r=3.3)로 구성되어 있다.
대상 데이터
그림 6은 최적화된 USB dongle용 다중 대역 MIMO 안테나 시스템의 구조 파라미터와 그 수치를 바탕으로 실제 제작된 시제품의 사진이다. 방사체는 두께 0.2 mm의 황동 소자를, 방사체를 지지하는 캐리어는 두께 1 mm의 비유전율 3.3인 PC(polycarbonate) 재질을 사용하였다.
본 논문에서는 USB dongle에 적용 가능한 다중 대역 MIMO 안테나를 제안하였다. 제안된 MIMO 안테나는 변형된 미엔더 라인과 역 L형 스터브로 구성되어 있다. 제안된 MIMO 안테나는 LTE 13, 17 대역 및 DCS/PCS/WCDMA 대역의 임피던스 대역폭을 만족시키기 위해서 변형된 미엔더 라인의 커플링 구조를 적용하였으며, LTE 7 대역의 임피던스 대역폭을 만족시키기 위해서 급전 라인에 역 L형 스터브를 추가하였다.
본 논문에서는 USB dongle에 적용이 가능한 다중 대역 MIMO 안테나를 제안하였다. 제안된 안테나는 광대역 및 다중 대역 특성을 얻기 위해서 변형된 미엔더 라인과 역 L형 구조의 스터브를 이용하였다. 또한, LTE 대역에서 안테나 #1과 안테나 #2의 효율을 유지시키기 위해서 Laptop 연결 시 안테나 #1과 안테나 #2가 앞뒤로 움직일 수 있는 슬라이딩 방식으로 설계하였다.
이론/모형
그림 8은 실제 제작된 다중 대역 MIMO 안테나의 방사 패턴 특성을 나타낸다. 측정된 방사 패턴은 MTG사의 3D 측정 시스템을 통해서 측정되었다. 측정된 방사 패턴은 전방향성 특성을 갖는 것을 알 수 있으며, 안테나 #1과 안테나 #2의 방사 패턴은 각 주파수 대역에서 서로 대칭적으로 형성되는 것을 확인할 수 있다.
성능/효과
그림 3(c)에서 전류 분포가 역 L형 스터브에 집중하는 것을 알 수 있다. 이것은 그림 2(c)의 역 L형 스터브의 길이의 변화가 LTE 7 대역의 공진 주파수 이동 및 임피던스 매칭에 영향을 주는 것을 확인할 수 있다.
) 변화에 대한 반사 손실 특성을 나타낸다. 미엔더 라인의 길이(L1)가 증가함에 따라서 LTE 대역, DCS/PCS/WCDMA 대역 및 LTE 7 대역의 공진 주파수가 저주파로 이동하는 것을 확인할 수 있다. 따라서 제안된 안테나의 L1의 길이의 조절의 변화를 통해 전체 대역 주파수 특성을 조절할 수 있다.
설계된 다중 대역 MIMO 안테나는 LTE 대역(0.7～0.8 GHz)에서 안테나 #1과 안테나 #2는 각각 34.5 %, 32.9 %의 평균 효율 특성을 갖고, —2.39 dBi, —2.59 dBi 이상의 이득 특성을 갖는다.
또한, LTE 대역에서 안테나 #1과 안테나 #2의 효율을 유지시키기 위해서 Laptop 연결 시 안테나 #1과 안테나 #2가 앞뒤로 움직일 수 있는 슬라이딩 방식으로 설계하였다. 설계된 안테나는 제안된 다중 대역 MIMO 안테나는 LTE 13, 17 대역, DCS/PCS/WCDMA 대역 및 LTE 7 대역에서 VSWR 3:1 대역폭 만족하며, 전체 대역에서 35 % 이상의 평균 효율을 갖는다.
) 변화에 따른 제안된 안테나의 반사 손실 특성을 나타낸다. 역 L형 스터브의 길이(L2)가 증가함에 따라서 LTE 대역의 공진 주파수에는 영향을 주지 않고, LTE 7 대역의 공진 주파수가 저주파로 이동하는 것을 확인할 수 있다. 적절한 역 L 형 스터브의 길이(L2)의 조절은 LTE 7 대역의 임피던스 대역폭을 용이하게 조절이 가능하다.
1보다 작은 값을 갖는 것을 알 수 있다. 이 값은 본 논문에서 제안한 MIMO 안테나가 우수한 다이버시티 성능을 갖는 것을 나타내 주고 있다.
11 dBi 이상의 이득 특성을 갖는다. 제작된 MIMO 안테나는 LTE 13, 17 대역에서 0.45 이하의 상관 계수를 갖고 우수한 다이버시티 성능을 갖는다. 위와 같은 성능으로부터 제안된 MIMO 안테나는 소형 USB dongle 용 안테나로써 유용하게 사용될 수 있을 것으로 기대된다.
제작된 안테나는 LTE 13, 17 대역에서 안테나 #1과 안테나 #2는 각각 평균 40 %, 36 %의 평균 효율과 —1.87 dBi, —2.89 dBi 이상의 이득을 갖고, DCS/PCS/WCDMA 대역에서 각각 65 %, 58 %의 평균 효율과 1.15 dBi, 0.55 dBi 이상의 이득을 갖는다.
그림 9는 측정된 효율 특성을 나타낸다. 제작된 안테나는 LTE 대역에서 안테나 #1과 안테나 #2는 각각 평균 40 %, 36 % 값을 갖고, DCS/PCS/WCDMA 대역에서 평균 65 %, 58 %의 효율 값을 갖는다. 또한, LTE 7 대역에서는 평균 49 %, 43 %의 효율 값을 갖는다.
최종 설계된 다중 대역 MIMO 안테나의 안테나 #1과 안테나 #2는 LTE 대역(664～893 MHz), DCS/PCS/WCDMA 대역(1.71～2.25 GHz), LTE 7 대역(2.37～2.69 GHz)에서 VSWR<3을 모두 만족한다.
그림 7은 제작된 다중 대역 MIMO 안테나 시제품의 VSWR 특성을 측정한 결과이다. 측정 결과도 시뮬레이션 결과와 유사한 결과 값을 갖는 것을 알 수 있으며, 안테나 #1과 안테나 #2는 각각 LTE 대역(0.7～0.8 GHz), DCS/PCS/WCDMA 대역(1.71～2.17 GHz) 및 LTE 7 대역(2.5～2.7 GHz)에서 VSWR 3:1 대역폭을 만족시킨다.
제안된 MIMO 안테나는 LTE 13, 17 대역 및 DCS/PCS/WCDMA 대역의 임피던스 대역폭을 만족시키기 위해서 변형된 미엔더 라인의 커플링 구조를 적용하였으며, LTE 7 대역의 임피던스 대역폭을 만족시키기 위해서 급전 라인에 역 L형 스터브를 추가하였다. 측정된 다중 대역 MIMO 안테나의 안테나 #1은 LTE 13, 17 대역(0.63～0.82 GHz), DCS/PCS/WCDMA 대역(1.71～2.27 GHz), LTE 7 대역(2.48～2.95 GHz)에서 VSWR 3:1 대역폭을 만족한다. 또한, 안테나 #2는 LTE 13, 17 대역(0.
측정된 방사 패턴은 MTG사의 3D 측정 시스템을 통해서 측정되었다. 측정된 방사 패턴은 전방향성 특성을 갖는 것을 알 수 있으며, 안테나 #1과 안테나 #2의 방사 패턴은 각 주파수 대역에서 서로 대칭적으로 형성되는 것을 확인할 수 있다. 측정된 이득 특성은 시뮬레이션 값과 유사한 값을 가지며, 안테나 #1 과 안테나 #2는 LTE 대역에서 각각 —1.
그림 10은 Bluetest reverberation chamber에서 측정된 상관 계수 값을 나타낸다. 측정된 상관 계수 값은 LTE 대역에서 0.45보다 작은 값을 가지며, DSC/PCS/WCDMA 대역 및 LTE 7 대역에서는 0.1보다 작은 값을 갖는 것을 알 수 있다. 이 값은 본 논문에서 제안한 MIMO 안테나가 우수한 다이버시티 성능을 갖는 것을 나타내 주고 있다.
후속연구
45 이하의 상관 계수를 갖고 우수한 다이버시티 성능을 갖는다. 위와 같은 성능으로부터 제안된 MIMO 안테나는 소형 USB dongle 용 안테나로써 유용하게 사용될 수 있을 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
USB dongle에 적용이 가능한 다중 대역 MIMO 안테나는 광대역 및 다중 대역 특성을 얻기 위해서 무엇을 이용하였는가?
본 논문에서는 USB dongle에 적용이 가능한 다중 대역 MIMO 안테나를 제안하였다. 제안된 안테나는 광대역 및 다중 대역 특성을 얻기 위해서 변형된 미 엔더 라인과 역 L형 구조의 스터브를 이용하였다. 또한, LTE 대역에서 안테나 #1과 안테나 #2의 효율을 유지시키기 위해서 Laptop 연결 시 안테나 #1 과안테나 #2가 앞뒤로 움직일 수 있는 슬라이딩 방식으로 설계하였다.
MIMO 안테나의 성능 검증을 위한 성능 지수인 상관 계수는 무엇으로부터 구할 수 있는가?
MIMO 안테나의 성능 검증을 위해서 주로 사용되는 성능 지수인 상관 계수는 방사 패턴으로부터 구할 수 있다. 입사된 파의 크기가 Rayleigh 분포를 따르고 위상분포가 균일하다고 가정하면, 두 안테나 사이의 상관 계수 값을 구할 수 있다[12] .
상호 결합에 의한 MIMO 안테나의 성능 저하를 개선하기 위해 어떤 방법이 연구되었는가?
최근 가까이 배열된 안테나 소자간 방사 결합을 포함한 상호 결합에 의한 MIMO 안테나의 성능 저하를 개선하기 위해서 접지면에 슬릿이나 스터브를이용하여 격리도를 개선하는 방법[2],[3] , 두 안테나 사이의 거리가 아주 가까운 경우에 사용되는 디커플링 (decoupling)을 이용한 방법[4],[5] , 다이버시티 기술을 이용한 방법[6],[7] 정합 회로에 의한 격리도 개선 방법[8] , meta-material을 이용한 방법[9],[10] 등이 연구되었다. 위의 연구는 소형 안테나의 광대역화 및 다중 대역 특성을 얻기가 힘들며, 안테나의 소형화에 따른 이득 및 효율 감소, 협대역 특성으로 인하여 다중 대역 동작을 어렵게 한다.
참고문헌 (11)
권갑수, "4G 소요기술 개발 동향", 전자부품연구원, 2009년 5월.
Angus C. K. Mak, Corbett R. Rowell, and Ross D. Murch, "Isolation enhancement between two closely packed antennas", IEEE Transaction on Antennas and Propagation, vol. 56, no. 11, pp. 3411-3419, 2008.
S. Park, C. Jung, "Compact MIMO antenna with high isolation performance", Electronics Letters, vol. 45, no. 6, 2010.
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Yue Li, Zhijun Zhang, Wenhua Chen, Zhenghe Feng, and Magdy F. Iskander, "A dual-polarization slot antenna using a compact CPW feeding structure", IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 9, 2010.
N. Lopez, Cheng-Jung Lee, A. Gummalla, and M. Achour, "Compact metamaterial antenna array for Long Term Evolution(LTE) handset application", Antenna Technology, iWAT 2009.
J. Zhu, G. V. Eleftheriades, "Dual-band metamaterial-inspired small monopole antenna for WiFi applications", Electronics Letters, vol. 45, no. 22, 2009.
Taga, "Analysis for mean effective gain of mobile antennas in land mobile radio environments", IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol. 39, no. 2, pp. 117-131, 1990.
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