[논문 리뷰] Design of a Planar Eleven Antenna for Optimal MIMO Performance as a Wideband Micro Base-station Antenna

Aidin Razavi, Wenjie Yu외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 04. 16.

Antenna Design and Analysis참고 문헌 10인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 1.6–2.8 GHz 대역에서 2-, 4-, 및 8포트 MIMO 운영을 위해 최적화된 저두성 평면형 Eleven 안테나를 제안한다. 유전적 알고리즘 최적화를 통해 Random-LOS 및 RIMP 환경 모두에서 높은 MIMO 효율성을 달성하였으며, 4포트 모드가 다각도 및 임베디드 효율 향상으로 인해 가장 우수한 성능을 보였다.

ABSTRACT

A new low-profile planar Eleven antenna is designed for optimal MIMO performance as a wideband MIMO antenna for micro base-stations in future wireless communication systems. The design objective has been to optimize both the reflection coefficient at the input port of the antenna and the 1-bitstream and 2-bitstream MIMO efficiency of the antenna at the same time, in both the Rich Isotropic MultiPath (RIMP) and Random Line-of-Sight (Random-LOS) environments. The planar Eleven antenna can be operated in 2-, 4-, and 8-port modes with slight modifications. The optimization is performed using genetic algorithms. The effects of polarization deficiencies and antenna total embedded efficiency on the MIMO performance of the antenna are further studied. A prototype of the antenna has been fabricated and the design has been verified by measurements against the simulations.

연구 동기 및 목표

• 미래의 5G 마이크로 베이스스테이션 구현을 위한 저두성, 광대역, 다중포트 MIMO 안테나의 필요성 해결.
• 시스템 수준 성능 향상을 위해 1.6–2.8 GHz 대역에서 입력 반사계수(반사 계수)와 MIMO 효율성 모두 최적화.
• 실제 환경 조건이 이 두 극단 사이에 위치하므로, 실제 엣지 환경인 Random-LOS 및 RIMP 환경에서의 성능 평가.
• 편광 결함 및 총 임베디드 효율성이 MIMO 커버리지 및 시스템 스루풋에 미치는 영향 조사.
• 최소한의 구조적 변경으로 동일한 평면형 Eleven 구조를 2-, 4-, 및 8포트 모드로 효과적으로 재구성 가능함을 입증.

제안 방법

• 1.6–2.8 GHz 대역 전체에서 반사 계수 및 1비트스트림/2비트스트림 MIMO 효율성을 동시에 최적화하기 위해 유전적 알고리즘을 활용.
• 서로 수직인 두 개의 브랜치를 별도의 평면에 배치하여 이중 편광 다각도를 지원하는 평면형 이중 편광 Eleven 안테나 설계.
• ViRM-lab 소프트웨어를 사용해 임의의 입사파를 가진 Random-LOS 및 RIMP 환경에서 시스템 수준의 MIMO 성능를 시뮬레이션.
• 공간적 MIMO 커버리지 저하를 정량화하기 위해 진폭 불균형(Iₐ) 및 편광 상관관계(Iₚ) 지표를 정의하고 분석하여 편광 결함 분석.
• 프로토타입을 제작하고 RIMP(반사실) 및 Random-LOS(무향실) 환경에서 측정 기반 검증을 통해 시뮬레이션 결과를 검증.
• 2-, 4-, 및 8포트 모드에서 각 포트의 총 임베디드 효율성을 평가하여 하드웨어 성능과 MIMO 효율성 간의 연관성 확립.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Random-LOS 및 RIMP 환경 모두에서 1.6–2.8 GHz 대역에서 평면형 Eleven MIMO 안테나의 MIMO 효율성은 어떻게 되는가?
• RQ2 편광 결함(Iₐ 및 Iₚ)은 공간적 MIMO 커버리지 분포 및 시스템 수준 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 포트 수를 늘릴 경우(2, 4, 8), MIMO 효율성은 어떻게 변화하며, 총 임베디드 효율성은 이 상호 간의 트레이드오���에서 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 동일한 평면형 Eleven 구조를 최소한의 수정으로 2-, 4-, 및 8포트 운영에 효과적으로 재구성할 수 있는가?
• RQ5 4포트 모드가 2- 및 8포트 모드에 비해 MIMO 효율성 및 시스템 내구성 측면에서 성능 우위를 점하는가?

주요 결과

• 4포트 모드가 1.6–2.8 GHz 대역 전체에서 가장 높은 MIMO 효율성을 달성하였으며, 더 나은 다각도 및 낮은 상관관계로 인해 2포트 및 8포트 구성보다 뛰어난 성능을 보였다.
• 8포트 모드는 포트 수 증가에도 불구하고 낮은 총 임베디드 효율성과 최적화되지 않은 임피던스 매칭으로 인해 MIMO 효율성이 떨어졌다.
• 편광 결함(Iₐ 및 Iₚ)은 1.6 GHz 및 2.8 GHz에서 가장 높았으며, 이로 인해 MIMO 커버리지가 감소하고 95% 감지 확률을 확보하기 위한 전력 요구량이 증가했다.
• 측정 결과는 시뮬레이션 결과와 밀도적으로 일치하여 RIMP 및 Random-LOS 환경에서 설계 및 최적화 방법론의 타당성을 검증하였다.
• 2포트 모드는 대역 전체에서 변동이 적고 수용 가능한 MIMO 효율성을 유지하고 있으나, 4포트 구성에 비해 다각도 이득이 떨어졌다.
• 평면 구조는 간단한 제조 및 벽면 장착 적합성을 제공하여 저두성 마이크로 베이스스테이션 응용 분야에 이상적이다.