본 논문에서는 LTE 700MHz(Band12, 13, 14, 17, 28, 44) 대역에서 동작 가능한 4개의 포트를 가진 펨토셀(Femtocell) MIMO 안테나를 설계 제작하였다. 마이크로스트립 패치 안테나를 기반으로 임피던스 매칭을 위하여 쇼트핀을 이용하였고, 한정된 크기에서 충분한 안테나 격리도를 얻기 위해 십자형 디커플러를 이용하였다. 시뮬레이션에 의한 최적화된 파라미터를 가지고 제작하였으며, 제작된 안테나는 VSWR${\leq}2$에서 105MHz(0.698~0.803) 대역폭을 만족하고 1.97dBi의 이득과 격리도는 13dB이상의 값을 얻었다. MIMO 안테나의 성능을 판단하는 주요 파라미터인 안테나간 상관계수는 0.2 이하의 결과를 얻었다.
본 논문에서는 LTE 700MHz(Band12, 13, 14, 17, 28, 44) 대역에서 동작 가능한 4개의 포트를 가진 펨토셀(Femtocell) MIMO 안테나를 설계 제작하였다. 마이크로스트립 패치 안테나를 기반으로 임피던스 매칭을 위하여 쇼트핀을 이용하였고, 한정된 크기에서 충분한 안테나 격리도를 얻기 위해 십자형 디커플러를 이용하였다. 시뮬레이션에 의한 최적화된 파라미터를 가지고 제작하였으며, 제작된 안테나는 VSWR${\leq}2$에서 105MHz(0.698~0.803) 대역폭을 만족하고 1.97dBi의 이득과 격리도는 13dB이상의 값을 얻었다. MIMO 안테나의 성능을 판단하는 주요 파라미터인 안테나간 상관계수는 0.2 이하의 결과를 얻었다.
This paper describes the design, fabrication, and measurement of a 4-port femtocell MIMO antenna for LTE 700MHz(Band12, 13, 14, 17, 28, 44) applications. Based on microstrip patch antenna, an impedance matching is achieved by short pin. In order to obtain sufficient bandwidth and isolation between a...
This paper describes the design, fabrication, and measurement of a 4-port femtocell MIMO antenna for LTE 700MHz(Band12, 13, 14, 17, 28, 44) applications. Based on microstrip patch antenna, an impedance matching is achieved by short pin. In order to obtain sufficient bandwidth and isolation between antenna elements in a limited dimension, a cross decoupler is used. With a Voltage Standing Wave Ratio (VSWR)${\leq}2$, the measured result of the fabricated antenna provides 105MHz(0.698~0.803MHZ) bandwidth and shows the gain with 1.97dBi and isolation above 13dB. As one of the key parameters for MIMO performance evaluation, correlation coefficient of MIMO is achieved within 0.2.
This paper describes the design, fabrication, and measurement of a 4-port femtocell MIMO antenna for LTE 700MHz(Band12, 13, 14, 17, 28, 44) applications. Based on microstrip patch antenna, an impedance matching is achieved by short pin. In order to obtain sufficient bandwidth and isolation between antenna elements in a limited dimension, a cross decoupler is used. With a Voltage Standing Wave Ratio (VSWR)${\leq}2$, the measured result of the fabricated antenna provides 105MHz(0.698~0.803MHZ) bandwidth and shows the gain with 1.97dBi and isolation above 13dB. As one of the key parameters for MIMO performance evaluation, correlation coefficient of MIMO is achieved within 0.2.
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문제 정의
본 논문에서는 LTE 펨토셀 시스템을 위한 네 개의 포트를 가진 내장형 MIMO 안테나를 제안하였다. 패치 안테나를 사용하여 반사손실을 개선하기 위하여 쇼트핀을 이용하였고, 격리도를 개선하기 위하여 십자형 디커플러를 적용하여 격리도를 개선하였다.
본 논문은 LTE 펨토셀 시스템을 위한 700MHz 대역에 사용 가능한 4-port MIMO 안테나에 대하여 설계 및 제작하였다. 그림 1은 안테나 전체 구조를 나타내었다.
전국 기반인 LTE 활용 시 효과적이며, 모바일 펨토셀은 하나의 대안이 될 수 있다. 최근 관련 연구가 진행되고 있으며 [2], 본 논문에서는 향후 이용 가능성이 큰 700MHz에서 펨토셀 MIMO 안테나에 대하여 제안하였다.
제안 방법
4) 기판을 펨토셀 시스템의 회로 보드와 유사한 크기로 사용하였고 그라운드의 크기는 200×200mm2이다. LTE 700MHz(Band 12, 13, 14, 17, 28, 44)를 모두 포함하는 698-803MHz 대역폭에서 VSWR 2:1을 만족하는 MIMO 안테나를 얻기 위하여 네 개의 대칭형 방사 패치를 이용하고 각각의 방사패치에 쇼트핀을 삽입하였다. 기판의 중앙부에 십자형 디커플러를 삽입하여 포트간 격리도를 확보하였다.
97dBi의 안테나 이득을 얻었으며 전방향성 (Omni-directional) 방사패턴을 나타내었다. LTE 서비스에 상용되는 펨토 시스템을 고려하여 제작이 용이하도록 크기를 소형화 하였으며, 간단한 구조의 내장형 안테나로 설계하여 효과적으로 적용 가능하도록 하였다. 상관계수는 0.
LTE 700MHz(Band 12, 13, 14, 17, 28, 44)를 모두 포함하는 698-803MHz 대역폭에서 VSWR 2:1을 만족하는 MIMO 안테나를 얻기 위하여 네 개의 대칭형 방사 패치를 이용하고 각각의 방사패치에 쇼트핀을 삽입하였다. 기판의 중앙부에 십자형 디커플러를 삽입하여 포트간 격리도를 확보하였다.
그림 2는 그라운드와 방사패치까지의 높이에 따른 특성을 나타내었다. 높이가 높을수록 반사계수의 특성이 좋아지나 펨토셀 기지국 시스템 장비의 두께는 30mm 내외임을 고려하여 최대 25mm까지 모의실험을 하였다. 그라운드로부터 안테나 방사패치 사이는 공기 갭을 갖고 있는 적층형 구조로 생각할 수 있어 대역폭을 확대하고 이득을 향상시키는 역할을 한다.
그림 1에서 port 1~4로 표시된 점이 동축 급전 위치이고, 각각의 방사패치에서 기판의 중앙부 쪽으로 향한 꼭지점의 양 선분으로부터 동축 급전 위치까지의 거리를 나타내고 있다. 동축 급전의 위치를 x와 y 방향에 대하여 동일 거리로 변화하여 대각선 주위에서 모의실험 하였으며 F=5mm에서 만족할 만한 대역을 얻을 수 있었다.
본 논문에서 제안된 안테나는 네 개의 MIMO 안테나로 LTE 700MHz 전 대역을 확보하였고 실제 응용을 위하여 소형의 단순한 구조로 설계하였다. 충분한 대역폭과 임피던스 매칭을 위하여 각각의 패치에 쇼트핀을 추가하고, 안테나 방사체 사이의 격리도를 개선하기 위하여 십자형 디커플러를 중앙에 위치시키는 방법을 제안하였다.
제안된 안테나는 VSWR≤2:1 기준으로 LTE 700MHz(밴드 12, 13, 14, 17, 28, 44)를 포함하는 698-803MHz의 105MHz 대역 특성을 얻었다.
본 논문에서 제안된 안테나는 네 개의 MIMO 안테나로 LTE 700MHz 전 대역을 확보하였고 실제 응용을 위하여 소형의 단순한 구조로 설계하였다. 충분한 대역폭과 임피던스 매칭을 위하여 각각의 패치에 쇼트핀을 추가하고, 안테나 방사체 사이의 격리도를 개선하기 위하여 십자형 디커플러를 중앙에 위치시키는 방법을 제안하였다. Ⅱ절에서 접지핀, 디커플러 등 안테나 설계의 최적 파라미터를 나타내었고, Ⅲ절에서는 제안된 안테나의 VSWR, 방사패턴, 안테나 이득에 대한 시뮬레이션 및 실제 측정 결과를 기술하여 Ⅳ절에서 결론을 맺었다.
본 논문에서는 LTE 펨토셀 시스템을 위한 네 개의 포트를 가진 내장형 MIMO 안테나를 제안하였다. 패치 안테나를 사용하여 반사손실을 개선하기 위하여 쇼트핀을 이용하였고, 격리도를 개선하기 위하여 십자형 디커플러를 적용하여 격리도를 개선하였다.
대상 데이터
제안된 안테나는 VSWR≤2:1 기준으로 LTE 700MHz(밴드 12, 13, 14, 17, 28, 44)를 포함하는 698-803MHz의 105MHz 대역 특성을 얻었다. 실내 적용을 위한 펨토셀용 내장형 MIMO 안테나로 1.97dBi의 안테나 이득을 얻었으며 전방향성 (Omni-directional) 방사패턴을 나타내었다. LTE 서비스에 상용되는 펨토 시스템을 고려하여 제작이 용이하도록 크기를 소형화 하였으며, 간단한 구조의 내장형 안테나로 설계하여 효과적으로 적용 가능하도록 하였다.
제안된 안테나는 두께 1.0 mm FR4(εr =4.4) 기판을 펨토셀 시스템의 회로 보드와 유사한 크기로 사용하였고 그라운드의 크기는 200×200mm2이다.
성능/효과
십자형 디커플러가 존재하지 않을 때 20 dB 이하의 격리도 특성을 보였는데 십자형 디커플러 삽입 시 20 dB 이상의 격리도 특성을 보임을 확인하였다. LTE 700 대역에서 십자형 디커플러의 크기가 4 mm의 폭과 140 mm의 길이를 가질 때, 가장 좋은 S41 특성을 보였다. 이는 기판 중앙에서 일어나는 방사부 간의 커플링 현상을 십자형 디커플러가 억제시킴으로써 나타나는 결과로 판단된다.
충분한 대역폭과 임피던스 매칭을 위하여 각각의 패치에 쇼트핀을 추가하고, 안테나 방사체 사이의 격리도를 개선하기 위하여 십자형 디커플러를 중앙에 위치시키는 방법을 제안하였다. Ⅱ절에서 접지핀, 디커플러 등 안테나 설계의 최적 파라미터를 나타내었고, Ⅲ절에서는 제안된 안테나의 VSWR, 방사패턴, 안테나 이득에 대한 시뮬레이션 및 실제 측정 결과를 기술하여 Ⅳ절에서 결론을 맺었다.
그림 5는 십자형 디커플러 (a)유무 및 폭, (b)길이에 따른 S41의 격리도 변화를 나타내었다. 십자형 디커플러가 존재하지 않을 때 20 dB 이하의 격리도 특성을 보였는데 십자형 디커플러 삽입 시 20 dB 이상의 격리도 특성을 보임을 확인하였다. LTE 700 대역에서 십자형 디커플러의 크기가 4 mm의 폭과 140 mm의 길이를 가질 때, 가장 좋은 S41 특성을 보였다.
표 2는 MIMO 안테나 성능을 측정하기 위한 주요 파라미터인 상관계수를 나타내었다. 제안된 안테나는 LTE 700MHz 대역을 포함하는 주파수에 대하여 0.2 이하의 상관계수를 얻었으며, MIMO 안테나 시스템의 성능에 적합한 충분히 낮은 상호 상관 도를 가진다고 판단된다.
그림 8은 제안된 안테나의 모의실험 및 실제 측정된 격리도 특성이다. 측정결과 S21, S31, S41 모두 13 dB 이상의 격리도 특성을 얻었다. 특히, S41은 앞에서 언급했던 바와 같이 십자형 디커플러의 영향으로 측정결과 20 dB 이상의 격리도 특성을 LTE 700MHz 모든 대역에서 만족하는 것을 관찰할수 있다.
후속연구
2 이하의 값을 얻어 충분한 MIMO 성능을 기대할 수 있을 것으로 판단된다. 향후 제안된 안테나의 측정결과를 바탕으로 MIMO 안테나 성능에 대하여 추가적인 연구가 필요하고 실제 건물 내에서의 측정을 통한 안테나 성능 실험이 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
본 논문에서 제작한 펨토셀(Femtocell) MIMO 안테나는 어떤 것을 이용하였는가?
본 논문에서는 LTE 700MHz(Band12, 13, 14, 17, 28, 44) 대역에서 동작 가능한 4개의 포트를 가진 펨토셀(Femtocell) MIMO 안테나를 설계 제작하였다. 마이크로스트립 패치 안테나를 기반으로 임피던스 매칭을 위하여 쇼트핀을 이용하였고, 한정된 크기에서 충분한 안테나 격리도를 얻기 위해 십자형 디커플러를 이용하였다. 시뮬레이션에 의한 최적화된 파라미터를 가지고 제작하였으며, 제작된 안테나는 VSWR${\leq}2$에서 105MHz(0.
그라운드로부터 안테나 방사패치 사이는 공기 갭을 갖고 있어 적층형 구조로 생각될 수 있는데, 이는 어떤 역할을 하는가?
높이가 높을수록 반사계수의 특성이 좋아지나 펨토셀 기지국 시스템 장비의 두께는 30mm 내외임을 고려하여 최대 25mm까지 모의실험을 하였다. 그라운드로부터 안테나 방사패치 사이는 공기 갭을 갖고 있는 적층형 구조로 생각할 수 있어 대역폭을 확대하고 이득을 향상시키는 역할을 한다.
쇼트핀을 추가한 경우 반사손실이 개선되는 이유는 무엇인가?
쇼트핀을 추가한 경우 반사손실은 LTE 700MHz 대역에서 VSWR 2:1 기준으로 -10dB 이하로 개선되는 것을 볼 수 있다. 쇼트핀이 없을 경우 방사부와 접지면 사이에 커패시턴스 성분이 증가하여 용량성 리액턴스 성분이 커서 임피던스 매칭이 이루어지지 않지만, 쇼트핀을 삽입할 경우 인덕턴스 성분을 증가시켜 유도성 리액턴스 성분이 상대적으로 증가하는 효과를 가져와 동작주파수 대역에서 임피던스 매칭을 이루기 때문이다.
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