[논문]무선랜 MIMO용 L-형 슬롯 안테나

송원호; 남주열; 이기용; 이영순

doi:10.12673/jant.2016.20.4.344

무선랜 MIMO용 L-형 슬롯 안테나
L-shaped Slot Antenna for WLAN MIMO Application 원문보기

한국항행학회논문지 = Journal of advanced navigation technology, v.20 no.4 = no.79, 2016년, pp.344 - 351

송원호 (금오공과대학교 전자공학부) , 남주열 (금오공과대학교 전자공학부) , 이기용 (국방기술품질원 대구센터 1팀) , 이영순 (금오공과대학교 전자공학부)

초록
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본 논문에서는 격리도를 높이기 위한 디커플링 구조를 사용하지 않는 2.4 GHz (2.4 ~ 2.484 GHz) 및 5 GHz (5.15 ~ 5.825 GHz) WLAN용 MIMO (multiple-input-multiple-output) 안테나를 새롭게 제안하였다. 제안된 안테나는 PCB 좌측 및 우측 모서리에 위치하면서 양 끝이 개방된 두 개의 L-형 슬롯에 의해 부유된(floating) 접지면에 에칭된 두 개의 n-형 슬롯으로 구성된다. 제안된 안테나는 크기가 $50{\times}50mm^2$이고 두께가 1.6 mm, 유전율 4.3인 FR4 기판의 한쪽 면에서 설계 및 제작되었다. 제작된 안테나의 측정결과, 임피던스 대역폭 ($S_{11}{\leq}-10dB$)이 2.4 GHz 대역에서는 0.3 GHz (2.28 ~ 2.58 GHz), 5 GHz 대역에서는 0.89 GHz (5.11 ~ 6 GHz) 인 대역폭을 얻을 수 있었다. 또한 안테나의 전체 효율은 동작 주파수 전대역에서 80% 이상이며, 디커플링 구조를 사용하지 않았음에도 불구하고 상관계수는 0.05 이하의 매우 작은 값을 가진다.

Abstract ▼ AI-Helper

In the present study, a dual-band multiple-input-multiple-output (MIMO) antenna covering WLAN frequency bands of 2.4 GHz (2.4 ~ 2.484 GHz) and 5 GHz (5.15 ~ 5.825 GHz) is newly presented to avoid use of decoupling structure for increasing isolation. The antenna consists of two L-shaped slots with n-shaped slots etched on the floating ground plane surrounded by open ended L-shaped slots which are placed in the left and right corner of PCB respectively. The proposed antenna is designed and fabricated on one side of FR4 substrate with dielectric constant of 4.3, thickness of 1.6 mm, and size of $50{\times}50mm2$. It has been observed that the measured impedance bandwidths ($S_{11}{\leq}-10dB$) are 0.3 GHz (2.28 ~ 2.58 GHz) in 2.4 GHz frequency band and 0.89 GHz (5.11 ~ 6 GHz) in 5 GHz frequency band respectively. In addition, It has been observed that the whole efficiency are more than 80 % in the whole operating frequency band and envelope correlation coefficient of the antenna is less than 0.05 as a very small value in spite of nothing of the decoupling structure.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그러므로 본 논문에서는 PCB 접지면의 가장자리에 위치하면서 대역폭이 넓은 L-형 모노폴 슬롯[7]을 기본 구조로 선택하여 5 GHz에서 동작할 수 있도록 설계하고, 이 슬롯에 의해 부유된 접지면 내부에 n-형 슬롯을 추가하여 2.4 GHz에서 동작할 수 있는 2소자 MIMO 안테나를 제안하고자한다. 또한 마이크로스트립 급전 구조를 참고 문헌 [6] 및 [7]에서는 개방 종단 구조를 사용하였으나, 대역폭을 보다 넓게 하기위하여 본 논문에서는 참고 문헌 [8]에서와 같이 급전선의 개방 종단 부분을 도체 비아(via)를 통해 부유된 접지면과 단락 종단하는 급전구조를 사용하였다.
본 논문에서 양 끝단이 개방되는 L-형 슬롯에 의해 floating(접지면과 부유)된 접지면 내부의 n-형 슬롯 구조의 이중대역용 WLAN 대역 MIMO 안테나를 제안하였다. 제안된 안테나는 디커플링 구조가 필요없어 50×50 mm²의 PCB의 모서리에 안테나를 설계하여, 기존 참고문헌 [6]에서의 60×60 mm²의 PCB 크기보다 그 크기를 줄일 수 있었다.
본 논문에서는 디커플링 구조를 사용하지 않고 WLAN 이중대역용(2.4 ~ 2.484 GHz 및 5.15 ~ 5.825 GHz) MIMO 안테나를 설계할 수 있는 방법을 제안하고자 한다. 참고 문헌 [6]에서는 디커플링 구조 없이도 높은 격리도를 얻을 수 있는 이유를 적정 간격을 유지할 수 있는 안테나 배치 구조 및 직교성 급전 방식으로 해석하였다.

제안 방법

제안된 안테나는 디커플링 구조가 필요없어 50×50 mm²의 PCB의 모서리에 안테나를 설계하여, 기존 참고문헌 [6]에서의 60×60 mm²의 PCB 크기보다 그 크기를 줄일 수 있었다. 각각의 중요한 안테나 설계 파라미터에 대한 모의실험 경향 분석 결과를 토대로 최적화된 구조의 안테나를 설계 및 제작을 하였다. 제작된 안테나의 측정 결과 임피던스 대역폭(S₁₁ ≤ -10 dB)이 2.
4 GHz에서 동작할 수 있는 2소자 MIMO 안테나를 제안하고자한다. 또한 마이크로스트립 급전 구조를 참고 문헌 [6] 및 [7]에서는 개방 종단 구조를 사용하였으나, 대역폭을 보다 넓게 하기위하여 본 논문에서는 참고 문헌 [8]에서와 같이 급전선의 개방 종단 부분을 도체 비아(via)를 통해 부유된 접지면과 단락 종단하는 급전구조를 사용하였다. 본 논문에서의 MIMO 안테나 모의실험 설계는 CST사의 MWS를 사용하였다.

대상 데이터

또한 마이크로스트립 급전 구조를 참고 문헌 [6] 및 [7]에서는 개방 종단 구조를 사용하였으나, 대역폭을 보다 넓게 하기위하여 본 논문에서는 참고 문헌 [8]에서와 같이 급전선의 개방 종단 부분을 도체 비아(via)를 통해 부유된 접지면과 단락 종단하는 급전구조를 사용하였다. 본 논문에서의 MIMO 안테나 모의실험 설계는 CST사의 MWS를 사용하였다.
설계된 안테나는 유전율 4.3, 두께 1.6 mm인 FR4 epoxy 기판이 사용 되었으며 기판의 크기는 50 × 50 mm²이다. 3 mm의 50Ω 전송선로와 접지면의 슬롯을 이용하여 이중 대역 공진을 발생시킨다.
앞서 분석된 결과를 바탕으로 최적화된 구조를 적용하여 제작한 안테나를 그림 6에 제시하였다. 제작에는 모의실험 값과 동일한 두께 1.6 mm, 유전율 4.3인 FR-4 기판이 사용되었다.

성능/효과

그림 3을 보면 두 안테나의 거리가 멀어질수록 S₂₁의 값이 점점 작아지는 것을 (즉, 격리도가 증가되는 것을) 확인 할 수 있다. -10 dB를 기준으로 S₁₁ 과 S₂₁비교 그래프를 종합한 결과 가로의 길이 A는 50 mm가 적당하다는 결론을 지었다.
825 GHz를 충분히 만족함을 알 수 있었다. 또한 MIMO 안테나의 중요한 특성인 격리도를 나타내는 S₂₁ 측정값이 동작 주파수 전 대역에서 -15.7 dB 이하의 값을 가지고, 측정된 S-parameter로부터 계산된 상관계수 ρ_e또한 동작 주파수 전대역에서 0.05 이하의 값을 가지는 것이 확인되어 본 논문에서 제안된 MIMO 안테나가 비교적 높은 격리도 특성을 가짐을 알 수 있다. 방사 패턴의 형태도 X-Z 평면에서 비교적 등방성에 가까운 형태이고, 안테나 효율 또한 80 % 이상의 높은 효율을 가짐을 알 수 있다.
을 측정하여 비교한 그래프이다. 모의 실험 결과 임피던스 대역폭(S₁₁ ≤ -10 dB)이 2.4 GHz 대역에서 0.23 GHz (2.35 ~ 2.58 GHz), 5 GHz 대역에서 0.79 GHz (5.09 ~ 5.88 GHz)를 가지는 것을 알 수 있으며, 측정 값은 0.3 GHz (2.28 ~ 2.58 GHz) , 0.89 GHz (5.11 ~ 6 GHz)를 가지는 것을 확인 할 수 있었다. 제작 후 측정 결과값이 모의실험값 보다 대역폭이 증가 한 것을 확인 할 수 있었다.
이와 같은 안테나 전체효율 η_total은 그림 10과 같이 설계하고자 하는 WLAN 대역에서 80% 이상의 높은 효율을 가지는 을 확인할 수 있다.
본 논문에서 양 끝단이 개방되는 L-형 슬롯에 의해 floating(접지면과 부유)된 접지면 내부의 n-형 슬롯 구조의 이중대역용 WLAN 대역 MIMO 안테나를 제안하였다. 제안된 안테나는 디커플링 구조가 필요없어 50×50 mm²의 PCB의 모서리에 안테나를 설계하여, 기존 참고문헌 [6]에서의 60×60 mm²의 PCB 크기보다 그 크기를 줄일 수 있었다. 각각의 중요한 안테나 설계 파라미터에 대한 모의실험 경향 분석 결과를 토대로 최적화된 구조의 안테나를 설계 및 제작을 하였다.
11 ~ 6 GHz)를 가지는 것을 확인 할 수 있었다. 제작 후 측정 결과값이 모의실험값 보다 대역폭이 증가 한 것을 확인 할 수 있었다. 이러한 결과는 참고문헌 [6]의 결과 임피던스 대역폭이 2.
각각의 중요한 안테나 설계 파라미터에 대한 모의실험 경향 분석 결과를 토대로 최적화된 구조의 안테나를 설계 및 제작을 하였다. 제작된 안테나의 측정 결과 임피던스 대역폭(S₁₁ ≤ -10 dB)이 2.28 ~2.528 GHz 및 5.11 ~ 6 GHz 로 IEEE 802.11.n WLAN 규격의 동작 주파수 대역 2.4 ~ 2.484 GHz 및 5.15 ~ 5.825 GHz를 충분히 만족함을 알 수 있었다. 또한 MIMO 안테나의 중요한 특성인 격리도를 나타내는 S₂₁ 측정값이 동작 주파수 전 대역에서 -15.

후속연구

방사 패턴의 형태도 X-Z 평면에서 비교적 등방성에 가까운 형태이고, 안테나 효율 또한 80 % 이상의 높은 효율을 가짐을 알 수 있다. 그러므로 본 논문에서 제안된 안테나는 2.4 GHz 및 5 GHz 이중대역 사용이 가능한 디커플링 구조가 필요없는 WLAN용 MIMO 안테나로 사용이 바로 가능할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	다층 디커플링 구조 이중대역용 MIMO 안테나의 문제점은?	예로 참고 문헌 [5]에서는 다층 디커플링 구조로 PCB 상층에는 CCL (capacitive loaded loop)들을 하층에는 상보(complementary) CCL들을 사용하였다. 이와 같은 이중대역용 MIMO 안테나의 경우 디커플링 구조가 다층 구조로 단일 대역용 디커플링 구조보다 더욱 복잡해지는 문제점이 있다. 참고문헌[6]에서는 디커플링 구조를 사용하지 않은 WLAN 이중대역용 MIMO 안테나로 4소자 마이크로스트립 급전방식의 원형(annular) 슬롯 구조 안테나를 제시하였다.
	MIMO 시스템의 문제점은?	최근 4G LTE (long-term evolution)와 같은 현대 무선통신 시스템의 경우 500 Mbps 이상의 고속 데이터 전송을 보장하고 동시에 다양한 전파 경로에 의해 전기장 세기가 약해지는 페이딩(fading) 현상을 방지하기 위해 MIMO (multiple input multiple output) 시스템을 필연적으로 사용하는 추세에 있다[1]. 이와 같은 목적으로 사용되는 MIMO 시스템의 경우 송수신기에 2개 이상의 다수의 안테나를 사용하게 되는데, 안테나의 소형화 요구에 의해 각 안테나들이 서로 가까이 근접하게 되어 전자기적인 상호 간섭과 결합이 발생되므로 각 안테나가 임피던스 대역폭 및 방사패턴과 같은 원래의 고유한 특성을 유지할 수 없는 문제점이 발생하게 된다. 그러므로 각 안테나의 고유한 특성을 유지하면서 상호 결합을 최소화시켜 높은 격리도를 얻을 수 있는 MIMO 안테나 설계 기술이 MIMO 시스템에서 핵심 기술로 인식되고 있다.
	MIMO 시스템의 사용 목적은?	최근 4G LTE (long-term evolution)와 같은 현대 무선통신 시스템의 경우 500 Mbps 이상의 고속 데이터 전송을 보장하고 동시에 다양한 전파 경로에 의해 전기장 세기가 약해지는 페이딩(fading) 현상을 방지하기 위해 MIMO (multiple input multiple output) 시스템을 필연적으로 사용하는 추세에 있다[1]. 이와 같은 목적으로 사용되는 MIMO 시스템의 경우 송수신기에 2개 이상의 다수의 안테나를 사용하게 되는데, 안테나의 소형화 요구에 의해 각 안테나들이 서로 가까이 근접하게 되어 전자기적인 상호 간섭과 결합이 발생되므로 각 안테나가 임피던스 대역폭 및 방사패턴과 같은 원래의 고유한 특성을 유지할 수 없는 문제점이 발생하게 된다.

참고문헌 (8)

Y. Liu, L. Yang, Y. Liu, J. Ren, J. Wang, and X. Li, "Dual-band planar MIMO antenna for WLAN application," Microwave and Optical Technology Letters, Vol. 57, No. 1, pp. 2257-2262, Oct. 2015.

상세보기
P. Gao, H. Sailing, X. Wei, Z. Xu, N. Wang, and Y. Zheng, "Compact printed UWB diversity slot antenna with 5.5-GHz band-notched characteristics," IEEE Antenna and Wireless Propagation Letters, Vol. 13, No. 1, pp. 376-379, 2014.

상세보기
L. Peng, and C. L. Ruan, "UWB band-notched monopole antenna design using electromagnetic-band structures," IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 59, No. 4, pp. 1074-1081, 2011.

상세보기
Z. Li, Z. Du, M. Takahashi, K. Saito, and K. Ito, "Reducing mutual coupling of MIMO antennas with parasitic elements for mobile terminals," IEEE Transactions On Antennas And Propagation, Vol. 60, No. 2, pp. 73-451, Feb. 2012.
M. S. Sharawi, A. B. Numan, and D. N. Aloi, "Isolation improvement in a dual-band dual-element MIMO antenna system using capacitively loaded loops," Progress In Electromagnetics Research,, Vol. 134, No. 1, pp. 247-266, 2013.

상세보기
M. U. Khan, and M. S. Sharawi, "A dual-band microstrip annular slot-based MIMO antenna system," Microwave and Optical Technology Letters, Vol. 57, No. 2, pp. 360-364, 2015.

상세보기
S. I. Latif, L. Shafai, and S. K. Sharma, "Bandwidth enhancement and size reduction of microstrip slot antenna," IEEE Transaction on Antennas and Propagation, Vol. 53, No. 3, pp. 994-1003, Mar. 2005.

상세보기
P. Y. Lin, C. L. Li, and C. K. Huang, "Impedance bandwidth improvement for microstrip-feed slot antennas using short-circuited termination," Microwave and Optical Technology Letters, Vol. 45, No. 1, pp. 67-70, 2005.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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