도심의 빌딩 등 인구밀집지역에서 사용되는 소형 셀 기지국에서는 셀 용량 증대를 위해 이중편파 다중안테나(MIMO)가 주로 사용된다. 본 논문은 이중편파 다중안테나(MIMO)를 사용하는 소형 셀의 용량을 향상시킬 수 있는 높은 교차편파분리도(XPD)를 가지는 이중편파 슬롯 안테나를 제안한다. 제안한 안테나는 평형구조 및 차동 급전회로를 사용하여 교차편파를 효과적으로 억제하고 높은 교차편파분리도(XPD)를 가진다. 또한 두 편파가 동일한 방사특성을 가지게 되어 소형 셀 다중안테나(MIMO) 시스템에 적합한 특성을 가진다. 모의실험, 제작 및 측정결과 제안한 안테나는 반사계수 -10 dB를 기준 180 MHz (2.51~2.7 GHz)의 대역폭, 최대 4.5 dBi 방사이득(3.5~4.5 dBi), 85도의 반 전력 빔폭을 가짐을 확인하였다. 또한 평균 교차편파 분리도(XPD)가 26.4 dB로 기존의 단일방사체에 서로 다른 급전을 이용하는 방법, 스위칭을 통해 편파를 선택적으로 사용하는 방법에 비하여 13.8 dB이상 개선된 특성을 가짐을 확인하였다.
도심의 빌딩 등 인구밀집지역에서 사용되는 소형 셀 기지국에서는 셀 용량 증대를 위해 이중편파 다중안테나(MIMO)가 주로 사용된다. 본 논문은 이중편파 다중안테나(MIMO)를 사용하는 소형 셀의 용량을 향상시킬 수 있는 높은 교차편파분리도(XPD)를 가지는 이중편파 슬롯 안테나를 제안한다. 제안한 안테나는 평형구조 및 차동 급전회로를 사용하여 교차편파를 효과적으로 억제하고 높은 교차편파분리도(XPD)를 가진다. 또한 두 편파가 동일한 방사특성을 가지게 되어 소형 셀 다중안테나(MIMO) 시스템에 적합한 특성을 가진다. 모의실험, 제작 및 측정결과 제안한 안테나는 반사계수 -10 dB를 기준 180 MHz (2.51~2.7 GHz)의 대역폭, 최대 4.5 dBi 방사이득(3.5~4.5 dBi), 85도의 반 전력 빔폭을 가짐을 확인하였다. 또한 평균 교차편파 분리도(XPD)가 26.4 dB로 기존의 단일방사체에 서로 다른 급전을 이용하는 방법, 스위칭을 통해 편파를 선택적으로 사용하는 방법에 비하여 13.8 dB이상 개선된 특성을 가짐을 확인하였다.
In a small cell base station used in densely populated areas, a dual polarized multiple antenna(MIMO) is mainly used to increase the cell capacity. This paper demonstrates a dual-polarization antenna with high cross-polarization discrimination(XPD) that can improve the capacity of a small cell using...
In a small cell base station used in densely populated areas, a dual polarized multiple antenna(MIMO) is mainly used to increase the cell capacity. This paper demonstrates a dual-polarization antenna with high cross-polarization discrimination(XPD) that can improve the capacity of a small cell using a dual polarization multiple antenna (MIMO). By using the symmetric structure and differential feeding, high XPD in all directions is achieved. In addition, a very similar radiation pattern is observed between each polarization. Because of high XPD and similar radiation pattern in all directions, proposed antenna is well adopted for small-cell multiple-input multiple-output(MIMO) system. Experimental results shows that the proposed antenna has a bandwidth of 180 MHz (2.51~2.7 GHz), a maximum gain of 4.5 dBi (3.5~4.5 dBi), and a half-power beam width of 85 degrees. In addition, average XPD of 26.4 dB in all directions, more than 13.8 dB increase than previous dual-polarization antennas which use single emitter by using different feeding or selectively use polarization through switching.
In a small cell base station used in densely populated areas, a dual polarized multiple antenna(MIMO) is mainly used to increase the cell capacity. This paper demonstrates a dual-polarization antenna with high cross-polarization discrimination(XPD) that can improve the capacity of a small cell using a dual polarization multiple antenna (MIMO). By using the symmetric structure and differential feeding, high XPD in all directions is achieved. In addition, a very similar radiation pattern is observed between each polarization. Because of high XPD and similar radiation pattern in all directions, proposed antenna is well adopted for small-cell multiple-input multiple-output(MIMO) system. Experimental results shows that the proposed antenna has a bandwidth of 180 MHz (2.51~2.7 GHz), a maximum gain of 4.5 dBi (3.5~4.5 dBi), and a half-power beam width of 85 degrees. In addition, average XPD of 26.4 dB in all directions, more than 13.8 dB increase than previous dual-polarization antennas which use single emitter by using different feeding or selectively use polarization through switching.
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문제 정의
본 논문에서는 높은 교차 편파 분리도(XPD)를 가지는 이중편파안테나를 제안하였다. 제안된 안테나는 대칭적인 구조와 차동급전으로 교차편파 성분을 효과적으로 감쇄시킬 수 있었다.
본 논문에서는 대칭적인 구조와 차동 급전을 이용하여 교차 편파의 발생을 최소화 시키는 이중편파 안테나를 제안한다. 제안한 안테나는 교차 편파에 의한 방사를 최소화 시키고, 두 직교 편파 간의 방사패턴이 비슷하여 소형 셀 MIMO 시스템에 최적의 특성을 가진다.
가설 설정
3. Simulated surface magnetic current densitie s when (a) Port 1 or (b) Port 2 is excited.
제안 방법
안테나 크기를 소형화하기 위해 삼각형 급전패치 내에 유효 전류경로 길이를 길게 해주는 슬롯을 추가하였고, 각 급전패치 간 신호가 전달되는 것을 막기 위해 안테나 전면과 뒷면에 대각선 슬롯을 배치 하였다. 또한 반사손실을 줄이기 위해 급전패치의 옆면은 곡면으로 설계하였다.
수직편파는 포트 1+와 포트 1- 에 차동전류가 인가되었을 때, 수평편파는 포트 2+와 포트 2-에 차동전류가 인가될 때 발생된다. 안테나 크기를 소형화하기 위해 삼각형 급전패치 내에 유효 전류경로 길이를 길게 해주는 슬롯을 추가하였고, 각 급전패치 간 신호가 전달되는 것을 막기 위해 안테나 전면과 뒷면에 대각선 슬롯을 배치 하였다. 또한 반사손실을 줄이기 위해 급전패치의 옆면은 곡면으로 설계하였다.
최종 안테나 구조는 HFSS를 활용하여 최적화 하였고, 최종 구조는 그림 1에 제공되어 있다. 안테나의 방사 특성을 측정하기 위해 무반향실 내에서 Agilent 사의 N5 227A 벡터 네트워크 분석기를 이용하여 측정하였다.그림 5는 모의실험을 통한 S-파라미터와 측정한 S-파라미터를 비교한 결과이다.
그림 2는 곡면의 반경에 따른 정합특성을 나타내는 그림이다. 이를 바탕으로 급전 패치 옆면의 최적 반경 r=102.5 mm 이며 제안된 안테나 급전 패치의 옆면이 r=102.5 mm 크기의 곡면을 이루도록 설계하였다. 안테나의 외곽에는 전면과 후면의 접지 면을 연결하기 위한 반경 rvia=0.
제안된 안테나는 x축, y축에 대하여 각각 대칭적인 구조이고 두 편파로 동시에 동작이 가능하다. 각 편파는 차동으로 급전하며 하나의 편파가 동작시 다른 편파의 급전 포트에는 크기와 위상이 같은 신호가 유도되므로 공통 모드 제거 (common-mode rejection)로 인해 두 편파 간 격리도가 매우 높다.
표 1에서는 기존에 제안되었던 이중편파 안테나들과 제안된 안테나의 성능을 비교하였다. 제안된 안테나는 26.
대상 데이터
그림 4는 제작된 안테나의 사진이다. 중심주파수 2.6 GHz이며 3.5의 유전율, 3.04 mm의 두께를 갖는Taconic사의 RF-35 기판에 제작하였다. 최종 안테나 구조는 HFSS를 활용하여 최적화 하였고, 최종 구조는 그림 1에 제공되어 있다.
이론/모형
그림 5는 모의실험을 통한 S-파라미터와 측정한 S-파라미터를 비교한 결과이다. 모의실험은 혼합 모드S-파라미터 기법을 사용하여 구했고 [11], 측정 시윌킨슨 전력분배기에 둘 중 한쪽출력에 180o 전송선로로 구성한 발룬을 사용하였다.
성능/효과
그러므로 제안한 안테나로 다중배열을 만들었을 때 편파방향에 상관없이 동일한 방사패턴을 가지게 되어 MIMO 시스템에 적용될 경우 채널 모델링을 쉽게 할 수 있다.
5 dBi), 85도의 반 전력 빔폭을 가짐을 확인하였다. 또한 평균 교차편파 분리도(XPD)가 26.4 dB로 기존의 단일방사체에 서로 다른 급전을 이용하는 방법, 스위칭을 통해 편파를 선택적으로 사용하는 방법에 비하여 13.8 dB 이상 개선된 특성을 가짐을 확인하였다.
모의실험, 제작 및 측정결과 제안한 안테나는 반사계수 –10 dB를 기준 180 MHz (2.51 ∼ 2.7 GHz)의 대역폭, 최대 4.5 dBi 방사이득(3.5 ∼ 4.5 dBi), 85도의 반 전력 빔폭을 가짐을 확인하였다.
비교결과 모의실험을 통한 S-파라미터와 측정한 S-파라미터의 차이가 잘 일치함을 확인할 수 있다. 각각의 직교 편파로 동작하는 두 안테나의 반사계수 S11, S22 값 사이에 조금의 차이가 발생한 이유는 이상적인 발룬 특성이 아니기 때문이다.
표 1에서는 기존에 제안되었던 이중편파 안테나들과 제안된 안테나의 성능을 비교하였다. 제안된 안테나는 26.4 dB의 평균 교차 편파 분리도 (XPD)를 제공하였고 이는 기 제안된 안테나 보다 최소 13.8 dB 만큼 성능이 뛰어나다.
본 논문에서는 높은 교차 편파 분리도(XPD)를 가지는 이중편파안테나를 제안하였다. 제안된 안테나는 대칭적인 구조와 차동급전으로 교차편파 성분을 효과적으로 감쇄시킬 수 있었다. 또한 대칭구조로 각 편파가 동일한 방사패턴을 가지고 있어 소형 셀 다중안테나(MIMO)시스템에 효과적으로 사용될 수 있을 것으로 판단된다.
본 논문에서는 대칭적인 구조와 차동 급전을 이용하여 교차 편파의 발생을 최소화 시키는 이중편파 안테나를 제안한다. 제안한 안테나는 교차 편파에 의한 방사를 최소화 시키고, 두 직교 편파 간의 방사패턴이 비슷하여 소형 셀 MIMO 시스템에 최적의 특성을 가진다.
그림 7(a)는 그림 6의 측정된 방사패턴 값으로 부터 계산되어진 안테나의 XPD를 나타낸다. 측정 시 사용된 발룬 때문에 모의실험을 통해서 얻어진 XPD 값보다 측정을 통해 얻어진 XPD 값이 나쁘지만 최대 47.3 dB의 값을 가지며 반 전력빔 폭내에서는 29.9 dB 이상의 값을 가진다. 그림 7(b) 는 측정된 방사이득을 나타내는 그래프로 –10 dB 반사계수 기준으로 두 편파가 3.
후속연구
제안된 안테나는 대칭적인 구조와 차동급전으로 교차편파 성분을 효과적으로 감쇄시킬 수 있었다. 또한 대칭구조로 각 편파가 동일한 방사패턴을 가지고 있어 소형 셀 다중안테나(MIMO)시스템에 효과적으로 사용될 수 있을 것으로 판단된다. 모의실험, 제작 및 측정결과 제안한 안테나는 반사계수 –10 dB를 기준 180 MHz (2.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
이중편파 안테나의 특성은 무엇인가?
일반적으로 이중편파 안테나는 편파 간 분리를 위해 단일 방사체에 편파별로 별도의 급전회로를 가지게 하는 구조를 가진다. 이러한 이중편파 안테나들은 교차 편파 분리도로 정의된 XPD 값이 방사각의 일부분에서만 40 dB 이상의 값을 가지나 모든 방향에 대한 평균 교차 편파 분리도는 낮은 특성을 보인다 [7]. 무엇보다 편파별로 다른 방사패턴을 가지고 있어 MIMO 채널 모델링 어려운 단점이 있다.
소형 셀이 인구 밀집 지역에서 사용되는 이유는 무엇인가?
모바일 기기 사용자수 및 대용량 콘텐츠 이용량 증가에 따라 제한된 주파수로 더 많은 데이터를 처리하기 위한 소형 셀의 사용이 급격히 많아지고 있다. 소형 셀은 기존의 높은 전송 전력과 넓은 커버리지를 가지는 셀과는 달리 낮은 전송 전력과 좁은 커버리지를 가지기 때문에 도심의 빌딩 등 인구밀집지역에서 사용된다. 소형 셀은 셀 수의 증가와 불규칙한 커버리지로 인해 인접 셀 간 간섭에 영향을 많이 받는다.
이중편파 안테나의 단점은 무엇인가?
이러한 이중편파 안테나들은 교차 편파 분리도로 정의된 XPD 값이 방사각의 일부분에서만 40 dB 이상의 값을 가지나 모든 방향에 대한 평균 교차 편파 분리도는 낮은 특성을 보인다 [7]. 무엇보다 편파별로 다른 방사패턴을 가지고 있어 MIMO 채널 모델링 어려운 단점이 있다.
참고문헌 (11)
Yue Li, Zhijun Zhang. Jianfeng Zheng, Zhenghe Feng, "Channel Capacity Study of Polarization Reconfigurable Slot Antenna for Indoor MIMO System", Microwav Opt Technol lett, vol.53, pp. 1209-1231, Jun, 2011.
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D. C. Cox and H. W. Arnold, "Comparison of measured cross-polarization isolation and discrimination for rain and ice on a 19-GHz space-earth path," Radio Sci ., vol.19, no.2, pp. 617-628, 1984.
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Yeoh, W. S., K. L. Wong, and W. S. T. Rowe. "Wideband miniaturized half bowtie printed dipole antenna with integrated balun for wireless applications." IEEE Transactions on Antennas and Propagation vol.59, no.1, pp339-342, 2011
D. Bockelman and W. Eisenstadt, "Combined differential and common-mode scattering parameters: Theory and simulation," Radio Sci., vol.43, no.7, pp.1530-1539, 1995.
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