[논문]MIMO 구조의 마이크로스트립 패치 안테나 분석

김선웅; 박정진; 최동유

doi:10.7840/kics.2015.40.5.944

초록
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본 논문에서는 단일 패치 안테나에 다중 포트를 결합하여 무선 통신 기기의 응용에 적합한 MIMO구조의 패치 안테나를 제안하였다. 제안된 MIMO 패치 안테나는 비 유전율 4.5, 손실 탄젠트 0.0035, 두께 1.52 mm를 갖는 TRF-45 기판을 통해 설계되었으며, 안테나의 중심 주파수는 ISM (Industrial Scientific and Medical) 대역의 2.45 GHz이다. 제안된 MIMO 패치 안테나는 2.16 ~ 2.66 GHz 대역에서 500 MHz의 대역폭을 보였으며, 비 대역폭은 24.1%이다. 안테나의 반사손실 및 정재파비 결과는 제안된 대역에서 2.45 GHz의 ISM 대역에서 -62.05 dB, 1.01이다. 대역폭에 포함된 각각의 대역은 2.3 GHz의 WiBro 대역은 -17.43 dB, 1.33, 2.4 GHz의 WiFi 대역은 -31.89 dB, 1.05, 2.5 GHz의 WiMax 대역은 -36.47 dB, 1.03이다. 대역폭에 포함된 대역의 방사패턴 분석은 지향성의 패턴을 보였으며, 2.3 GHz의 WiBro 대역은 4.22 dBi, 2.4 GHz의 WiFi 대역은 4.12 dBi, 2.45 GHz의 ISM 대역은 4.06 dBi, 2.5 GHz의 WiMax 대역은 3.96 dBi의 이득을 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study proposed a patch antenna with a MIMO structure which is applicable for wireless communication equipment by combining a single patch antenna with a multi port. The proposed MIMO patch antenna was designed through the TRF-45 substrate with a relative permittivity of 4.5, loss tangent equal ...

This study proposed a patch antenna with a MIMO structure which is applicable for wireless communication equipment by combining a single patch antenna with a multi port. The proposed MIMO patch antenna was designed through the TRF-45 substrate with a relative permittivity of 4.5, loss tangent equal to 0.0035 and dielectric high of 1.6 mm, and the center frequency of the antenna was 2.45 GHz in the ISM (Industrial Scientific and Medical) band. The proposed MIMO patch antenna had a 500 MHz bandwidth from 2.16 ~ 2.66 GHz and 24.1% fractional bandwidth. The return loss and VSWR were -62.05 dB, 1.01 at the ISM bandwidth of 2.45 GHz. The Wibro band of 2.3 GHz was -17.43 dB, 1.33, the WiFi band of 2.4 GHz was -31.89 dB, 1.05, and the WiMax band of 2.5 GHz was -36.47 dB, 1.03. The radiation patterns included in the bandwidth were directional, and the WiBro band of 2.3 GHzhad a gain of 4.22 dBi, the WiFi band of 2.4 GHz had a gain of 4.12 dBi, the ISM band of 2.45 GHz had a gain of 4.06dBi, and the WiMax band of 2.5 GHz had a gain of 3.9 6dBi.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 논문에서는 다중 안테나가 아닌 단일 패치 안테나에 다중 포트를 결합하여 소형화 기기의 응용에 적합한 MIMO 안테나를 제안하였다. 제안한 MIMO 패치 안테나는 윗면이 안테나 역할을 하는 복사소자가 있고 반대쪽에는 접지평면을 가진 구조로 구성된다.
하지만 반파장 이상의 격리도로 인해 안테나의 부피는 커지게 되며, 이는 소형화 기기의 요구조건에 제한이 따른다. 따라서 본 논문에서는 복수개의 안테나가 아닌 단일 패치 안테나에 다중 포트를 결합하여 소형화 기기의 응용에 적합한 MIMO 패치 안테나를 제안하였다. 제안된 MIMO 패치 안테나는 비 유전율 4.

제안 방법

MIMO 패치 안테나의 설계에 최적화를 위하여 Taconic사의 TRF-45 기판을 통하여 주파수 영역에서의 반사손실, 정재파비 및 방사패턴 등을 분석하였다. 이를 위해 제2 장에서는 마이크로스트립 패치 안테나의 이론을 통해 설계를 제안하였으며, 제3 장에서는HFSS 툴을 통해 시뮬레이션을 하였다.
MIMO 패치 안테나의 설계에 최적화를 위하여 Taconic사의 TRF-45 기판을 통하여 주파수 영역에서의 반사손실, 정재파비 및 방사패턴 등을 분석하였다. 이를 위해 제2 장에서는 마이크로스트립 패치 안테나의 이론을 통해 설계를 제안하였으며, 제3 장에서는HFSS 툴을 통해 시뮬레이션을 하였다. 제4 장에서는 결론을 맺는다.
따라서 본 논문에서는 다중 안테나가 아닌 단일 패치 안테나에 다중 포트를 결합하여 소형화 기기의 응용에 적합한 MIMO 안테나를 제안하였다. 제안한 MIMO 패치 안테나는 윗면이 안테나 역할을 하는 복사소자가 있고 반대쪽에는 접지평면을 가진 구조로 구성된다.

대상 데이터

따라서 본 논문에서는 복수개의 안테나가 아닌 단일 패치 안테나에 다중 포트를 결합하여 소형화 기기의 응용에 적합한 MIMO 패치 안테나를 제안하였다. 제안된 MIMO 패치 안테나는 비 유전율 4.5, 손실 탄젠트 0.0035, 두께 1.52 ㎜를 갖는 Taconic사의 TRF-45 기판을 사용하였다.
제안된 안테나는 유전율 4.5, 손실 탄젠트 0.0035, 두께 1.52 ㎜를 갖는 Taconic사의 TRF-45 기판을 통해 설계되었으며, 안테나의 중심 주파수는 ISM(Industrial Scientific and Medical) 대역의 2.45 ㎓이다. 2.

데이터처리

안테나의 특성을 나타내는 요소 중 하나는 안테나가 어느 특정 방향으로 전파를 얼마나 많이 집중해 방사할 수 있는가 하는 점이다. 제안된 MIMO 패치 안테나의 대역폭에 포함된 각각의 대역을 E-평면(XZplane)과 H-평면(XY plane)에서 방사패턴을 분석하였으며, 그림 3과 같다.

이론/모형

안테나의 설계는 초고주파 해석 시뮬레이션 프로그램인 Ansys사의 HFSS를 이용하여 전산모의 하였다^[7]. 단일 산란계수 S₁₁과 반사계수 Γ는 단일포트회로의 안테나 성능에서 소스와 안테나 사이에 생기는 임피던스 부정합으로 인한 반사의 신호양을 의미한다.
이와 같은 페이딩 현상은 고속 디지털 통신이 해결해야 할 과제 중의 하나이다. 이 과제를 해결하기 위해 등장한 방법 중의 하나가 MIMO (Multiple Input Multiple Output) 시스템이다. MIMO 시스템은 기존의 SISO (Single Input Single Output) 시스템을 발달시킨 형태로 송신 측과 수신 측에 복수 개의 안테나를 사용한다.

성능/효과

그림 2의 결과, 제안된 MIMO 패치 안테나 예측 결과는 2.16 ∼ 2.66 ㎓ 대역에서 -10 ㏈ 반사손실 및 VSWR≤2를 만족하여 약 500 ㎒의 대역폭을 만족하였으며, 제안된 2.45 ㎓의 ISM 대역을 포함하여 2.3㎓의 Wibro 대역, 2.4 ㎓의 WiFi 대역, 2.5 ㎓의 WiMax 대역을 포함하였다.
그림 3의 결과, 제안된 2.45 ㎓의 ISM 대역은 특정 방향에서 전파에 대한 감도가 높아지는 지향성(directivity)의 특성을 보였으며, 대역폭에 포함된 2.3㎓의 WiBro 대역, 2.4 ㎓의 WiFi 대역, 2.5 ㎓의 WiMax 대역 모두 지향성의 특성을 보였다.
03이다. 대역폭에 포함된 대역의 방사패턴 분석은 지향성의 패턴을 보였으며, 2.3 ㎓의 WiBro 대역은 4.22 ㏈i, 2.4 ㎓의 WiFi 대역은 4.12 ㏈i, 2.45 ㎓의 ISM 대역은 4.06 ㏈i, 2.5 ㎓의 WiMax 대역은 3.96 ㏈ i의 이득을 보였다. 이를 통해 제안된 MIMO 패치 안테나는 무선통신에서의 응용에 적합하다 판단하였다.
96 ㏈ i의 이득을 보였다. 이를 통해 제안된 MIMO 패치 안테나는 무선통신에서의 응용에 적합하다 판단하였다.
제안된 MIMO 패치 안테나는 2.16 ∼ 2.66 ㎓ 대역에서 500 ㎒의 대역폭을 보였으며, 비 대역폭은 24.1%이다.
제안된 MIMO 패치 안테나의 안테나 이득을 분석하였그림 4 및 표 3의 결과, 제안된 2.45 ㎓의 ISM 대역은 4.06 ㏈i의 이득을 보였으며, 대역폭에 포함된 2.3 ㎓의 WiBro 대역은 4.22 ㏈i, 2.4 ㎓의 WiFi 대역은 4.12 ㏈i, 2.5 ㎓의 WiMax 대역은 3.96 ㏈i의 이득을 보였다. 으며, 그림 4 및 표 3과 같다.
표 2의 결과, 반사손실 및 정재파비의 상세 결과는 제안된 2.45 ㎓의 ISM 대역은 -62.05 ㏈, 1.01이며, 대역폭에 포함된 2.3 ㎓의 WiBro 대역은 -17.43 ㏈,1.33, 2.4 ㎓의 WiFi 대역은 -31.89 ㏈, 1.05, 2.5 ㎓의 WiMax 대역은 -36.47 ㏈, 1.03이다. 이는 안테나의 부정합으로 인한 반사가 적음을 의미한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	마이크로스트립 패치 안테나가 널리 사용되는 이유는 무엇인가?	마이크로스트립 패치 안테나는 구조적으로 간단하고, 효율이 높으며, 공형(conformal)이기 때문에 널리 사용된다. 마이크로스트립 안테나의 가장 일반적인 형태 중 하나는 사각형 패치이다.
	MIMO 시스템은 어떤 것을 해결하기 위해 등장하였는가?	해양에서의 다중경로에 의한 페이딩 현상은 다른 경로를 거쳐 수신되는 서로 다른 크기와 위상을 갖는 신호의 합으로 심각한 왜곡을 초래한다. 이와 같은 페이딩 현상은 고속 디지털 통신이 해결해야 할 과제 중의 하나이다. 이 과제를 해결하기 위해 등장한 방법 중의 하나가 MIMO (Multiple Input Multiple Output) 시스템이다.
	MIMO 시스템이란 무엇인가?	이 과제를 해결하기 위해 등장한 방법 중의 하나가 MIMO (Multiple Input Multiple Output) 시스템이다. MIMO 시스템은 기존의 SISO (Single Input Single Output) 시스템을 발달시킨 형태로 송신 측과 수신 측에 복수 개의 안테나를 사용한다. 안테나를 복수 개로 사용함에 따라 복수 신호를 한 번에 보내고 받는 것은 기본이며, 이를 통해 대역폭을 더 이상 늘리지 않고 기존의 시스템보다 더욱 많은 데이터를 보내는 장점이 있다[1].

참고문헌 (11)

J. T. Y. Ho, "Analytical expression for average SNR of correlated dual selection diversity system," 3rd Australian Commun. Theory Workshop, Feb. 2002.
M. Cabedo, E. Antonino, M. Ferrando, V. M. Rodrigo, A. Vila, J. M. Molina, and L. Juan, "Compact planar antenna with multiple ports for MIMO and diversity applications," Waves, pp. 16-29, 2010.
S. Shrestha, S. K. Noh, and D.Y. Choi, "Comparative study of antenna design for RF energy harvesting," Int. J. Antennas and Propag., vol. 2013, pp. 1-10, 2013.
D. Y. Choi, S. Shrestha, J. J. Park, and S. N. Noh, "Design and performance of an efficient rectenna incorporating a fractal structure," Int. J. Commun. Syst., vol. 2014, no. 27, pp. 1-19, Jul. 2014.
E. O. Hammerstad, "Equations for microstrip circuit design," in Proc. Fifth European Microwave Conf., pp. 268-272, Sep. 1975.
Constantine A. Balanis, Antenna Theory Analysis and Design, Third edition, A John Wily and Sons, INC. Publication.
http://www.ansys.kr/
K. Chang, RF and Microwave Wireless System, WILEY, pp. 74-75, 2000.
D. Y. Choi, S. W. Kim, J. J. Park, M. A. Jeong, and S. R. Lee, "Design and implementation of tapered slot antenna for ship's indoor location-aware system," J. KICS, vol. 39C, no. 12, pp. 1307-1313, Dec. 2014.
K. J. Jeon, B. H. Ko, S. C. Myung, S. R. Lee, and K. S. Kim, "Protograph-based block LDPC code design for marine satellite communications," J. KICS, vol. 39C, no. 7, pp. 515-520, Jul. 2014.

원문보기 상세보기
K. H. Lee, E. H. Kwak, and B. G. Kim, "Effect of substrate thickness, perforation position and size on the bandwidth and radiation characteristics of a proximity coupled perforated microstrip patch antenna," J. KICS, vol. 39A, no. 6, pp. 301-321, Jun. 2014.

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