[論文レビュー] Ultra-Wideband Antenna with MIMO Diversity for 5G Wireless Communication

Muhammad Saeed Khan, Adnan Iftikhar+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 5, 2020

Antenna Design and Analysis参考文献 76被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、5G無線通信向けに偏波多重性とバンド拒否機能を備えたコンactな8素子超広帯域（UWB）MIMOアーチテクチャを提示する。基板の下地にLCスタブを統合することにより、17 dBの隔離度、2–12 GHz（4.85–6.35 GHzを除く）で-10 dB未満のリターンロス、低エナベルド相関、安定した放射パターンを達成し、50×50×25 mm³の小型化された外形で高データレートを実現する。これは5G端末および車載ネットワークに適したものである。

ABSTRACT

An eight element, compact Ultra Wideband-Multiple Input Multiple Output (UWB-MIMO) antenna capable of providing high data rates for future Fifth Generation (5G) terminal equipments along with the provision of necessary bandwidth for Third Generation (3G) and Fourth Generation (4G) communications that accomplishes band rejection from 4.85 to 6.35 GHz by deploying a Inductor Capacitor (LC) stub on the ground plane is presented. The incorporated stub also provides flexibility to reject any selected band as well as bandwidth control. The orthogonal placement of the printed monopoles permits polarization diversity and provides high isolation. In the proposed eight element UWB-MIMO/diversity antenna, monopole pair 3-4 are 180o mirrored transform of monopole pair 1-2 which lie on the opposite corners of a planar 50 x 50 mm2 substrate. Four additional monopoles are then placed perpendicularly to the same board leading to a total size of 50 x 50 x 25 mm3 only. The simulated results are validated by comparing the measurements of a fabricated prototype. It was concluded that the design meets the target specifications over the entire bandwidth of 2 to 12 GHz with a reflection coefficient better than -10 dB (except the rejected band), isolation more than 17 dB, low envelope correlation, low gain variation, stable radiation pattern, and strong rejection of the signals in the Wireless Local Area Network (WLAN) band. Overall, compact and reduced complexity of the proposed eight element architecture, strengthens its practical viability for the diversity applications in future 5G terminal equipments amongst other MIMO antennas designs present in the literature.

研究の動機と目的

• 3G/4GおよびWLAN帯域からの共存課題を抱える5GおよびUWBアプリケーションにおけるコンactで高隔離度のMIMOアンテナのニーズに対応する。
• 直交配置と基板下地の変更を活用することで、マルチエレメントMIMOアレイにおける小型化と十分な隔離度のトレードオフを克服する。
• 可変LCスタブを基板下地に設けることで、5.15–5.825 GHzのWLAN帯域を動的に、かつチューナブルに拒否可能にし、サイズや性能に悪影響を与えない。
• 将来の5G端末機器および車載通信システム向けに、高いスペクトル効率と低相互結合性を実現する。
• 既存のMIMO設計と比較して、より高い統合性と低複雑性を備えた実用的でシンプルなソリューションを提供する。

提案手法

• 50×50 mm²の基板上に4組のモノポール（1–4 および 5–8）を直交配置することで、偏波多重性を活用し、隔離度を向上させる。
• モノポールペア1–4と3–4の間に180°ミラー配置を採用することで、空間的および偏波的多重性を向上させつつ、コンact性を維持する。
• 基板下地にLCスタブを統合し、4.85–6.35 GHz帯域を拒否するバンドストップフィルタを形成する。スタブ長およびギャップの調整により、拒否周波数をチューニング可能にする。
• 同じ基板上に4つの追加モノポールを垂直方向に配置することで、平面的フットプリントを拡大せずに3次元構成を実現し、完全な3次元多重性を達成する。
• 分離された基板下地構造を採用することで、近隣結合を低減し、複雑な分離構造の必要性を排除し、製造を簡素化する。
• FR4基板上に製作したプロトタイプの全波シミュレーションおよび測定を実施し、Sパラメータ、利得、放射パターン、エナベルド相関係数（ECC）を比較検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 コンactな8素子UWB-MIMOアンテナは、2–12 GHzの全帯域で広帯域動作を維持しつつ、17 dBを超える高い隔離度と0.05未満の低エナベルド相関係数（ECC）を達成できるか？
• RQ2 基板下地に設けたLCスタブは、放射性能に悪影響を与えず、5.15–5.825 GHzのWLAN帯域を動的にチューナブルに拒否できるか？
• RQ3 3次元構成におけるモノポールペアの直交配置は、50×50×25 mm³のコンact外形で、隔離度および多重性利得をどの程度向上できるか？
• RQ4 提案された設計は、5Gおよび従来の3G/4Gシステムをサポートしつつ、UWB帯域全体で安定した放射パターンと低利得変動を維持できるか？
• RQ5 分離された基板下地の使用は、一般的な基板下地MIMO設計と比較して、隔離度の向上とハードウェア複雑性の低減にどの程度寄与するか？

主な発見

• 製作されたプロトタイプは、4.85–6.35 GHz帯域を除き、全2–12 GHz帯域で-10 dB未満のリターンロスを達成した。
• アンテナ素子間の隔離度は、動作帯域全体で17 dBを超えた。測定値は一貫して15 dB以上であり、効果的なMIMO多重性の要件を満たした。
• エナベルド相関係数（ECC）は帯域全体で0.05未満を維持し、優れた空間的多重性と低信号相関を示した。
• 全周波数帯域で放射パターンが安定しており、歪みが最小限に抑えられ、一貫したビーム幅を示し、強力な指向性を確認した。
• ピーク利得は2–12 GHz範囲で2 dB未満の変動に抑えられ、一貫した放射効率を示した。
• LCスタブにより、正確でチューナブルなバンド拒否が可能となった。スタブ長を短くするとノッチ周波数が高周波数側にシフトし、ギャップを広げることで帯域幅の制御が可能になった。