[논문 리뷰] Ultra-Wideband Antenna with MIMO Diversity for 5G Wireless Communication

Muhammad Saeed Khan, Adnan Iftikhar외 4명|arXiv (Cornell University)|2020. 07. 05.

Antenna Design and Analysis참고 문헌 76인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 5G 무선 통신을 위한 편광 다이나믹스와 대역 제거 기능을 갖춘 소형 8원소 초광대역(UWB) MIMO 안테나를 제시한다. 기판의 지면에 LC 스타브를 통합함으로써 2–12 GHz 범위(4.85–6.35 GHz 제외)에서 17 dB 이상의 고립도, -10 dB 이하의 반사 손실, 낮은 엔벨로프 상관관계 및 안정된 복사 패턴을 달성하여, 50×50×25 mm³의 소형 크기에서 고속 데이터 전송이 가능한 5G 단말기 및 차량 통신 네트워크에 적합하다.

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.

연구 동기 및 목표

• 3G/4G 및 WLAN 대역의 공존 문제로 인한 5G 및 UWB 응용 분야에서 소형 고고립도 MIMO 안테나의 필요성 해결.
• 수직 배치 및 지면 변경을 통한 정규직각 요소 배치를 활용하여 다중 원소 MIMO 어레이에서 소형화와 충분한 고립도 사이의 상충 관계 해결.
• 지면에 타이밍 가능한 LC 스타브를 사용하여 5.15–5.825 GHz WLAN 대역의 동적, 가변 대역 제거 기능을 실현하면서 크기나 성능에 영향을 주지 않음.
• 미래의 5G 단말기 장비 및 차량 통신 시스템에서 높은 스펙트럼 효율성과 낮은 인터엔티티 커플링 달성.
• 기존 MIMO 설계 대비 더 높은 통합 가능성과 낮은 복잡성으로 이어지는 실용적인 솔루션 제공.

제안 방법

• 2–12 GHz 대역에서의 광대역 운영을 위해 4개의 모노폴 패aires(1–4 및 5–8)를 50×50 mm² 기판 상에 정규직각으로 배치하여 편광 다이나믹스를 활용하고 고립도를 향상시킴.
• 모노폴 패aires 1–4와 3–4 사이에 180° 반사 구조를 도입하여 공간적 및 편광 다이나믹스를 향상시키면서도 소형화 유지.
• 지면에 LC 스타브를 통합하여 4.85–6.35 GHz 대역을 차단하는 대역차단 필터를 구현함. 스타브 길이 및 간격 조절을 통해 주파수 가변성 확보.
• 동일한 기판 상에 추가로 4개의 모노폴을 수직으로 배치하여 평면 면적을 늘리지 않고 3차원 구조를 실현함으로써 3D 다이나믹스 달성.
• 근접 필드 커플링을 감소시키고 복잡한 분리 구조가 필요 없도록 이격된 지면 구조를 사용하여 제조를 단순화함.
• FR4 기판에 제작된 프로토타입의 전파 시뮬레이션 및 측정을 통해 S-파ram 등, 이득, 복사 패턴 및 엔벨로프 상관계 계수(ECC) 비교 검증.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 소형 8원소 UWB-MIMO 안테나가 2–12 GHz 전체 대역에서 고립도(>17 dB)와 낮은 엔벨로프 상관관계 계수(ECC)를 유지하면서도 광대역 운영이 가능한가?
• RQ2 지면에 배치된 LC 스타브가 복사 성능에 영향을 주지 않으면서 5.15–5.825 GHz WLAN 대역의 동적, 가변 대역 제거에 얼마나 효과적인가?
• RQ3 3차원 구조에서 정규직각으로 배열된 모노폴 패aires가 50×50×25 mm³ 소형 크기에서 고립도 및 다이나믹스 이득을 어느 정도 향상시키는가?
• RQ4 제안된 설계가 5G 및 기존 3G/4G 시스템을 모두 지원하면서도 전체 UWB 대역에서 안정된 복사 패턴과 낮은 이득 변동성을 유지할 수 있는가?
• RQ5 공통 지면 구조 대비 이격된 지면 구조 사용이 고립도 향상과 하드웨어 복잡성 감소에 얼마나 기여하는가?

주요 결과

• 제작된 프로토타입은 4.85–6.35 GHz 대역을 제외한 전체 2–12 GHz 대역에서 -10 dB 이하의 반사 손실을 확보함.
• 안테나 요소 간 고립도는 운영 대역 전체에서 17 dB 이상을 초과하며, 측정값은 일관되게 15 dB 이상 유지되어 효과적인 MIMO 다이나믹스를 위한 목표 달성.
• 엔벨로프 상관관계 계수(ECC)는 전체 대역에서 0.05 이하로 유지되어 우수한 공간 다이나믹스 및 낮은 신호 상관관계를 나타냄.
• 모든 주파수 대역에서 복사 패턴이 안정적이며, 왜곡 최소화 및 일관된 빔폭 유지로 강력한 정방향성 확인.
• 2–12 GHz 범위 전체에서 피크 이득의 변동이 2 dB 이내로 유지되어 일관된 복사 효율성 입증.
• LC 스타브를 통해 정밀하고 가변적인 대역 제거 기능 실현: 스타브 길이를 단축하면 노치 주파수가 높아지고, 간격을 증가시켜 대역폭 제어 가능.