http://dx.doi.org/ 10.5515/KJKIEES.2013.24.4.426 ISSN 1226-3133 (Print)
육상 이동 위성 시스템의 통신 성능 향상을 위한 MIMO 원형 편파 급전 네트워크
MIMO Circular Polarization Feed Network for Communication Performance Improvement of Land Mobile Satellite System
한 정 훈․명 로 훈 Jung-Hoon Han․Noh-Hoon Myung
요 약
본 논문은 육상 이동 위성(Land Mobile Satellite: LMS) 시스템의 통신 성능 향상을 위해 기존의 2×2 MIMO 채널에서 4×4 채널로 확장할 수 있는 MIMO 원형 편파 급전 네트워크를 제안한다. 기존의 추가적인 통신 채널 확보를 위해서는 위성국에서 안테나 설치 공간상의 제약이 있기 때문에 이격 거리가 충분한 추가 위성국을 필 요로 한다. 이로 인한 비용 및 MIMO 통신 채널의 한계 문제를 극복하기 위하여, 동일한 원형 편파 간에 이격 거리 가 없이도 높은 격리성을 확보할 수 있는 MIMO 원형 편파 급전 네트워크를 제안하였다. 제안하는 급전 네트워 크의 포트간 격리성과 각 포트의 매칭 상태를 수식적으로 증명하였고, 4×4 MIMO 채널의 통신 성능 향상을 채 널 모델 측면에서 제시 및 확인하였다. MIMO 원형 편파 급전 네트워크를 원형 편파 패치 안테나 구조로 실제 제작하고 측정하여 7～10 dB의 다이버시티 이득을 얻었고, 약 1.8배로 채널 용량이 향상되었음을 확인하였다.
Abstract
In this paper, we propose the MIMO circular polarization feed network to enhance the communication performances from the previous 2×2 MIMO channel to 4×4 channel for Land Mobile Satellite communication system. The only possibility to extend the communication channel is to use the additional satellite because of the limitation of satellite spaces to install additional antennas. For overcoming this problems, we propose the MIMO circular polarization feed network to secure the isolation characteristics without the distant antenna space. The port isolation characteristics and each port impedance matching conditions are numerically verified and we suggest the 4×4 MIMO channel model of the proposed system and the performances are verified. The fabricated circular polarization patch antennas with the proposed feed network are measured in the reverberation chamber and 7～10 dB of diversity gain and 80 % increa- sement of channel capacity are obtained.
Key words : Land Mobile Satellite(LMS), MIMO, Feed Network, Circular Polarization
한국과학기술원 전기 및 전자공학과(Department of Electronic Engineering, KAIST)
․Manuscript received January, 4, 2013 ; Revised February 13, 2013 ; Accepted February 28, 2013. (ID No. 20130104-006)
․Corresponding Author : Jung-Hoon Han (e-mail : [email protected])
Ⅰ. 서 론
인공위성을 이용한 통신 시스템 기술이 발전함에
따라GPS, 통신, 기상 관측 등 실생활에서 많은 정보 의 혜택을 누리고 있다. 이동 위성 서비스는 고정 지 구국과 이동 위성국 혹은 이동 지구국과 이동 위성
국 간의 통신 서비스를 의미하며, 특히 이동 지구국 이 육상에 있을 때 이를 육상 이동 위성(LMS: Land Mobile Satellite) 서비스라고 부른다. 육상 이동 위성 통신에서 사용하는 편파는 원형 편파(CP: Circular Po- larization)로서 전파의 궤적이 원을 그리며 전파된다.
무선 통신 시스템에서 다중 안테나 시스템(MI- MO: Multiple-Input Multiple-Output)의 도입과 발전에 따라 위성통신에서도MIMO 기술을 이용한 연구가 활발히 진행되고 있다. MIMO 기술의 일반적인 문제 점은 실장 공간의 한계에 의해 좁은 공간상에 여러 안테나를 배치하게 되면 안테나 상호 간의 커플링이 야기되고, 이에 따라 채널의 독립성이 감소된다. 이 에 따라 안테나 상호 간의 격리성과 채널 독립성을 확보하는 다양한 방법들이 연구되고 있다[1].
앞서 언급한 것처럼, 위성통신에서는 원형 편파를 사용하기 때문에, MIMO 기술을 구현하는데 있어서 우현 편파(RHCP)와 좌현 편파(LHCP) 안테나를 이 용하여 이중 편파(dual polarization)를 얻는다. 이는 우현 편파와 좌현 편파가 상호 격리성이 우수하여 거리의 이격이 가까워도 독립적으로 동작이 가능한 편파 다이버시티(diversity)가 확보되기 때문이다[2],[3]. LMS MIMO 시스템에서 이러한 특성 등을 이용하여 그림1(a)와 같은 2×2 MIMO 채널을 얻는다. 나아가, 편파 다이버시티와 멀리 떨어진 두 개의 위성을 사 용하는 공간(spatial) 다이버시티를 조합하여 그림 1(b)와 같은 2×4 MIMO 채널 모델로 최대 채널 용량 을 얻는 방법이 제안되었다[4]. 이와 같은 기존 시스 템의 편파 및 공간 다이버시티 한계를 극복하기 위 해, 하나의 원형 편파 안테나가 편파의 직교성을 가 지는 두 개의 원형 편파를 형성할 수 있어RHCP와 LHCP의 각 편파 다이버시티 시스템에서 2개씩 즉, 4개의 안테나로 사용할 수 있는 급전 네트워크 구조 를 제안하고자 한다. 이때 형성되는 4×4 MIMO 채널 은 그림1(c)와 같이 나타낼 수 있다.
본 논문은 육상 이동 위성 시스템의 통신 성능 향 상을 위해 추가적인 위성국 없이 기존의2×2 MIMO 채널에서4×4 MIMO 채널로 확장할 수 있는 방법을 동일한 원형 편파 간에 이격 거리가 없이도 격리성 을 확보할 수 있는MIMO 원형 편파 급전 네트워크 를 통해서 제안하고자 한다.
(a) 2×2 LMS MIMO 채널 모델 (a) 2×2 LMS MIMO channel model
(b) 2×4 LMS MIMO 채널 모델 (b) 2×4 LMS MIMO channel model
(c) 4×4 LMS MIMO 채널 모델 (c) 4×4 LMS MIMO channel model 그림 1. LMS 통신에서 MIMO 채널 모델
Fig. 1. MIMO channel models for LMS communication.
Ⅱ. MIMO 원형 편파 급전 네트워크
4×4 MIMO 채널을 획득하기 위해 동일한 원형 편 파 간에 이격 거리가 없이도 격리 특성을 가지는 급그림 2. 제안하는 편파 다이버시티를 위한 시스템의 구조와 상대 위상 출력
Fig. 2. Proposed concept of polarization diversity and relative phase outputs.
전 네트워크를 제안한다. 2개의 이중 편파를 위해 기존의 이중 편파에 사용되는RHCP, LHCP와 함께 추가적으로 위상이90° 천이된 RHCP, LHCP가 사용 된다. 편파 다이버시티를 가지는 RHCP와 LHCP는 편파 특성에 의해 상호 신호의 격리도가 보장되며, 기존의 시스템에 적용되어 왔다. RHCP와 90° 천이 된RHCP 혹은 LHCP와 90° 천이된 LHCP 편파 다이 버시티는 각 안테나 포트에 입사되는 두 신호의 위 상 직교성(orthogonality)에 의해 격리 특성이 보장된 다. 먼저 RHCP와 90° 천이된 RHCP를 발생시키는 급전 네트워크 설계 개념은 그림 2와 같다.
그림2는 원형 편파 다이버시티를 위한 RHCP #1 와90° 천이된 RHCP #2 포트를 정의하였다. 두 개 의 입력 포트a, b는 각각 두 개의 RHCP에 대한 다 이버시티 입력단이고, 그 출력인 a´과 b´은 원형 편 파를 발생하기 위한 출력단이 된다. 우선 입력 포트 a의 입력에 대해서 이 신호에 대한 RHCP 출력을 위 해a´과 b´ 출력은 각각 위상이 0°과 90°이고, 크기는 반이 되는 신호가 필요하다. 그리고 동시에 입력 포 트b의 입력에 대해서 이 신호에 대한 90° 천이된 RHCP 출력을 위해 a´과 b´ 출력은 각각 위상이 90°, 180°이고, 크기는 반이 되는 신호가 나온다. 그리고 4포트 원형 편파를 위해서 a´ 신호는 안테나 포트 1 과3에 각각 크기가 반이되고, 포트 3에는 1에 대해 위상이 반전된 신호가 인가되며, 포트 2와 4도 마찬 가지다. 같은 방법으로 b´ 신호에 대해서도 안테나 포트1에서 4에 90° 천이된 RHCP 출력신호가 인가 된다. 출력 포트에서의 상대 위상 분포는 RHCP #1 이 인가되었을 때4포트 안테나 출력에서의 위상은
port #1, 2, 3, 4의 신호가 각각 0°, 90°, 180°, 270°의 위상을 가지고 RHCP를 형성하며, RHCP #2이 인가 된 경우에는port #1, 2, 3, 4의 신호가 각각 90°, 180°, 270°, 0°의 위상을 가지면서 다른 하나의 90° 천이된 RHCP를 형성한다. 이때 각각 출력 안테나 포트에서 두 신호는90°의 위상 차이를 가지므로 두 RHCP가 서로 직교성을 가지고 서로 간섭 없이 각각의 원형 편파를 발생할 수 있다. 이와 같은 성능을 위해 필요 한 급전 네트워크의 입출력 관계를 행렬식으로 표현 하면 다음과 같다.
′
′
(1) 제안하는 급전 네트워크의 입력단RHCP #1을 위 한a를 입력할 때 출력단 a´에는 a가 얻어지고, 출력 단 b´에서는 90° 천이된 ja가 얻어진다. 또 다른 RHCP #2의 입력단에서 b를 입력할 때 출력단 a´에 는jb가 얻어지고, 출력단 b´에서는 90° 천이된 —b가 얻어진다. 각각의 크기는 k의 비례상수가 붙는다. 따 라서 제안하는 급전 네트워크는 식(1)의 입출력 특 성과 같아야 하고, 그것을 만족하는 급전 네트워크 구조를 그림 3과 같이 제안하였다.
식(1)의 특성을 만족하는 급전 네트워크는 그림 3과 같이 2개의 quadrature hybrid coupler(Q-hybrid)와 2개의 Wilkinson 전력 분배기, 그리고 1개의 180° 위 상 천이기를 통해 설계할 수 있다. 입력 a, b에 대해 Q-hybrid의 출력 특성에 대한 결과 a1, a2, b2, b1의 값 은 회로의 산란 행렬로 유도할 수 있다. 이 때 Q- hybrid의 isolation 포트는 50옴으로 종단되었다[5]. 원 는 출력을 위해 a2와b1을Wilkinson 전력 분배기
그림 3. 제안하는 급전 네트워크의 구조
Fig. 3. Proposed feed network structure.
하를 이용하여 합하면a´의 결과를 얻을 수 있고, a1
과b2를 빼면 b´의 결과를 얻을 수 있다. 이를 위해서 b2에180° 위상 천이기를 연결하였다. 즉, 제안하는 급전 네트워크는 식(1)을 통해 목표로 하는 입출력 특성을 가짐을 알 수 있으며, 이 때 k값은
이 된다.Ⅲ. MIMO를 위한 급전 네트워크 특성 해석
3-1 입력 포트간 격리 특성
먼저, 제안하는 급전 네트워크에서 포트간 격리 특성을 살펴봄에 앞서 원형 편파를 형성하는4 포트 안테나의 각 포트간의 상호 결합 계수에 대해서 정 의를 하였다. 원형 편파를 형성하는 안테나의 각 4 포트에 대해 그림4에 나타내었다. 그림 4의 네 그림 은 각각 포트에서 서로 같은 상호 결합 계수 값을 가 지는 경우며, 상대적인 화살표 방향 점선으로 동일 한 값을 나타내었다. 그 결과는 다음 식 (2)와 같다.
여기서
의j는 RHCP에 대한 포트 번호이고, i는 90° 천이된 RHCP에 대한 포트 번호이다.
(2) 식(2)에서 보는 바와 같이 대각선 방향으로 동일
그림 4. 4 포트 원형 편파 안테나 구조에서 각 포트 간 동일한 상호 결합 계수 분포
Fig. 4. Identical mutual coupling coefficients for 4 port CP antenna structure.
그림 5. 입력 포트간 격리 특성을 해석을 위한 입출 력 특성
Fig. 5. Minput and output charactersitics for analyzing the port isolation chracteristics.
그림 6. 4포트 안테나 산란 행렬 구조를 포함한 제안 하는 비대칭 급전 네트워크에서의 포트 매칭 개략도
Fig. 6. Port matching structure for proposed asymmetric feed network with 4 port CP antenna scattering matrix structure.
한 상호 결합 계수 값을 가짐을 알 수 있다.
여기에 제안하는 급전 네트워크를 결합하여 입력 포트a와 b 간의 격리도 특성을 살펴보았다. 그림 2 의 전체 MIMO 원형 편파 시스템은 그림 5와 같이 나타낼 수 있다. 그림 5에서 입력 포트 a에서 입력된 신호는 급전 네트워크를 거쳐 안테나 포트#1, 2, 3, 4으로 출력되며, 이는 수식적으로 각각 l=1, 2, 3, 4일 때를 나타낸다. 이때의 출력 위상은 0°, 90°, 180°, 270°으로 변함을 위상식으로 통해 표현하였다. 각 경 로의 신호들이 안테나의 상호 결합을 겪고, 다시 급 전 네트워크을 통해 k=1, 2, 3, 4일 경우를 거쳐 포트 b로 출력된다. 이를 수식으로 나타내면 아래와 같다.
(3) 급전 네트워크상에서 각 위상천이부에 대한 상호 결합과 각 신호 경로 상에서의 매칭 특성은 만족한 다고 가정하였다. 상호 결합 계수 행렬은 식 (2)와 같 고, 식 (3)에 대입하면 결국 최종 값은 0이 됨을 알 수
있다. 즉, 입력 a와 출력 b에 대한 격리도 특성이 보 장되었음이 증명되었다. 반대로, 입력 b와 출력 a에 대한 격리도 특성도 동일한 방법으로 증명된다. 따 라서, 제안하는 급전 네트워크를 통한 RHCP와 90°
천이된RHCP LMS MIMO 시스템의 격리도 특성이 우수함을 알 수 있다. 위와 같은 방식으로, LHCP와 90° 천이된 LHCP의 구조를 설계할 수 있으며, 두 포 트의 격리도 특성도 동일한 결과를 얻을 수 있다.
3-2 비대칭 급전 네트워크의 포트 매칭 특성 앞서 두 입력 포트간의 격리도 특성을 살펴보았 다면 이번에는 두 입력이 동시에 인가되었을 때, 제 안하는 급전 네트워크의 비대칭 구조를 거쳐4 포트 안테나에서 겪게 되는 매칭 상태와 반사 신호에 대 해서 살펴보겠다. 우선, 4 포트 안테나에서 겪게 되 는 각 안테나에서의 반사와 포트 상호 결합에 의한 특성을 그림6과 같이 나타낼 수 있다. 그림 6의 등 가 회로 구조에서 입력ai´과 bi´에 대한 출력 ao´과 bo´ 특성을 다음 식 (4)와 같이 정의되었다[6].
′′
′′
(4) 입력에 해당하는ai´과 bi´ 값은 앞서 식 (1)에서 정 의되었던 값으로 대체해서 표현하면, 그에 해당하는 반사 값 ao´과 bo´이 구해진다. 다시 이 값은 제안한 급전 네트워크의 반대 방향으로 돌아오고, 그에 해 당하는 결과 값인 최종 반사 값ao과bo을 다음과 같 이 구할 수 있다.
′
′
(5)
′
′
(6) 각 출력은 일련의 전개 과정을 거쳐 최초 입력에 해당하는a, b값으로 각각 묶어서 표현이 되고, 상호 결합 계수 값들이 다음 식(7) 조건을 만족하면, 각 출력 값은 0이 됨을 알 수 있다.
(7)위의 조건은4 포트에 연결되는 안테나가 동일하 여 같은 반사 계수를 가지고, 4개로 구성된 원형 편 파 안테나들이 대칭 구조(symmetrical)와 상호 구조 (reciprocal)를 가질 경우에 해당한다. 따라서, 다이버 시티를 위한 두 입력에 대해 각 출력 포트로 돌아오 는 값은 없고, 급전 네트워크와 안테나의 전반적 인 구조에서 상호 매칭 상태를 만족하는 것을 알 수 있다.
제안하고 검증한 내용을 바탕으로, RHCP와 90°
천이된RHCP를 이용한 MIMO 안테나 시스템과 서 로 편파 다이버시티를 가지는 LHCP와 90° 천이된 LHCP를 합하여 최종적으로 4중 원형 편파 안테나 시스템을 얻을 수 있으며, LMS MIMO 시스템에서 각 위성국과 지상국에 설치하여 그림 1(c)와 같은 4×4 LMS MIMO 채널을 구현할 수 있다.
Ⅳ. 제안하는 4×4 LMS MIMO 채널 모델
기존의 편파 다이버시티를 이용한2×2 MIMO 채 널은RHCP와 LHCP 이중 편파 환경에 대해서 다음 그림 7(a)와 같이 표현이 되고, 그때의 채널 행렬은 식 (8)과 같다[8]～[11].
(8) 이에 대해 제안하는 4×4 MIMO 채널은 RHCP와 90° 천이된 RHCP, LHCP와 90° 천이된 LHCP 전파 환경에 대해서 그림7(b)와 같고, 이 경우의 채널 행 렬은 식 (9)와 같이 모델링이 가능하다.
(9) 기존의2×2 MIMO 채널에서는 2행 2열까지의 값 과 동일하며, 제안하는 RHCP와 90° 천이된 RHCP, LHCP와 90° 천이된 LHCP 환경에서는 위상이 각각 천이된 송수신 신호가 채널에 적용되어4×4 MIMO
(a) 2×2 MIMO 채널 모델 (a) 2×2 MIMO channel model
(b) 4×4 MIMO 채널 모델 (b) 4×4 MIMO channel model 그림 7. MIMO 채널 모델
Fig. 7. MIMO channel models.
채널 행렬로 정의된다. 제안한 채널 행렬로 인해 향 상된 채널 용량을 다음과 같이 얻을 수 있다.
채널 용량(channel capacity)의 계산을 위해 패스트 페이딩(fast fading) 환경을 가정하였고, 다음 장에서 실험하는 잔향 챔버(reverberation chamber)에서의 측 정 채널 용량과 함께 평균 채널 용량은 다음과 같이 구한다[8].
log
det
H
(10) 여기서
는 단위 행렬,
은 신호 대 잡음비,
는 송신 안테나의 개수,
는 정규화된 채널 행렬,H
는 허미션 연산기(Hermitian operator)이다.LMS 채널은 라이시안 페이딩(Rician fading) 채널 모델로 표현이 된다. 크기가 비교적 크고 쉽게 추정 가능한 가시 경로(line-of-Sight: LOS)에 관한 채널 모 델에 추가적인 비가시 경로(Non Line-of-Sight: NLOS) 에 관한 레이레이(Rayleigh) 페이딩 채널 모델이 덧 붙여지고 다음과 같이 표현된다[7].
(11)그림 8. 라이시안 페이딩 채널의 통계적 모델에 의 한 채널 용량 비교
Fig. 8. Channel capacity comparison of Rician fading channel model.
여기서
는 라이시안 팩터(factor)로 정의되며,
값 이 클수록 가시 경로에 의한 영향이 큰 것을 의미 한다.RHCP와 LHCP를 사용하는 2×2 채널 모델과 제안 하는4중 원형 편파를 이용한 4×4 채널 모델에 대한 채널 용량의 비교는 그림 8과 같다. LMS 라이시안 채널 모델에 대해서
는 일반적으로 —15～15 dB 의 값으로 추정하여 사용하며, 본 실험은 5 dB으로 가정하였고, 노이즈 레벨은 —40 dB인 상황을 가정 하여 실험하였다[12]. 결과와 같이 라이시안 페이딩 채널의 경우에 채널 용량이 1.4배 가량 증가하였음 을 확인하였다.Ⅴ. 제작 결과 및 MIMO 특성 분석
5-1 급전 네트워크가 결합된 안테나 제작 제안한 시스템의 실제 구현 가능성을 시험하기 위해 급전 네트워크와 함께 안테나를 설계하였다. 3 장에서 이론적으로 규명한 내용은 일반적인 상황인 4 포트 안테나에서의 포트 격리도와 포트 매칭에 대 해서 각각의 성능이 우수함을 설명하였다. 제작한 안테나와 급전 구조를 3장에서의 일반적인 4 포트 안테나 구조에서2 포트 안테나 구조로 간단하게 구 현하였다. 패치 안테나를 사용하여 원형 편파를 구현 하는 원리이므로 포트가4개가 아니고 2포트로 원형 편파를 발생할 수 있다. 2포트 안테나 구조에서도 마찬가지의 제안한 급전 구조를 결합하여 사용 가능
(a) RHCP (b) LHCP (c) 안테나 그림 9. 제안하는 급전 네트워크가 결합된 원형 편
파 안테나
Fig. 9. Fabricated antenna structure with proposed feed network.
하고, 포트의 격리도 특성이나 포트 매칭에 대한 수 학적 접근도 3장에서 설명한 방식 그대로 적용하 면 간단하게2포트 구조에 대해서도 만족함을 알 수 있다.
제안하는 급전 구조의 성능을 확인하기 위해2.45 GHz의 중심 주파수를 가지는 패치 안테나를 결합하 여 실험하였다. 제작한 급전 구조는 그림 9와 같다.
그림9(a)는 RHCP에 대한 제안하는 급전 구조인 그 림3과 같은 구조로 제작되었다. 각 포트 a, b는 qua- drature hybrid coupler(Q-Hybrid) 회로와 결합되고, 각 출력은 제안하는 급전 구조대로 결합되어 출력 종단 에는 Wilkinson 전력분배를 통해서 출력된다. 여기 서, 180° 위상 천이기단에는 패치 안테나의 성능이 협대역이기 때문에 위상 천이기 대신 전송선의 길이 를 해당 위상 천이에 맞추어 설계하였다. Q-Hybrid 회로의 격리 포트에는 50옴으로 종단하였다. 그림 9(b)는 LHCP에 대한 제안하는 급전 구조의 제작결 과이고, 각 포트의 위치가 RHCP에 대해 역으로 결 선이 되어LHCP가 구현이 된다. 그림 9(c)는 급전 구 조의 상대편에 부착된 패치 안테나이며, 각 포트가 원형 편파의 급전 위치에 결선되었다. 제작에 사용 된 유전체는 급전 구조는 유전율4.5이고, 두께 0.4 mm의 FR-4 기판으로 제작되었고, 패치 안테나는 1 mm 유전체 두께의 동일한 유전율을 가지는 FR-4 기 판으로 제작하였다.
그림 10은 제작한 RHCP 급전 네트워크의 각 입 출력 포트에서의 위상 차이와 S-파라미터 측정 결과 를 나타낸다. 해당 출력 위상 차이가 중심 주파수의 약5 % 대역에서 +90°의 값이 측정되었고, 식 (1)을
그림 10. 제작한 RHCP 급전 네트워크 출력 위상 차 이 및
S-파라미터 측정 결과Fig. 10. Phase differences and S-parameters of fabrica- ted feed network.
만족하는 것을 확인하였다. S-파라미터 값은 각 입력 대비 출력에 대해 약 —6 dB 값을 가짐을 확인하였 다. 원형 편파의 안테나 방사와 제안하는 급전 구조 행렬을 만족하기 위한 위상 차이와S-파라미터 값의 마진은 각각±5°와 —1 dB로 두었고 잘 만족하였다.
5-2 잔향 챔버를 통한 MIMO 특성 분석 제안한 급전 구조를 이용한 원형 편파MIMO 안 테나 시스템의MIMO 통신 성능 분석을 위해 잔향 챔버(reverberation chamber)를 이용하였다. 분석한 MI- MO 지표는 대표적으로 다이버시티 이득과 채널 용 량이다. 다이버시티 이득을 식으로 나타내면 다음과 같다[11].
(12)
여기서
는 각 안테나에서 수신된 전력의 세기이고,
는 다이버시티 기법을 이용하여 수신된 전 력의 세기이다. 여기서는 여러 가지 다이버시티 기 법 중에서Selection Combining(SC) 기법에 대한 결과 를 나타내었다[8]. 관련 주파수 대역에 대한 제작한 원형 편파MIMO 안테나의 다이버시티 이득은 그림 11(a)에 나타내었다. 해당 주파수 대역에 대해서 RHCP MIMO와 LHCP MIMO는 7～10 dB 정도의 값 으로 측정되었다. 일반적인 경우, 두 다이폴 안테나 간의 간격에 따라, 0.1 λ일 때는 다이버시티 이득이 약2～4 dB 정도이고, 두 안테나 간격이 멀어짐에 따(a) 다이버시티 이득 (a) Diversity gain
(b) 채널 용량 (b) Channel capacity
그림 11. 제안한 급전 네트워크가 결합된 안테나 잔 향 챔버 측정 결과
Fig. 11. Measurement results of the fabricated antenna co- nnected to the feed network in the reverbera- tion chamber.
라 다이버시티 이득이 증가하여 최소0.3 λ 이상의 거리가 확보되었을 경우에 약9～10 dB으로 수렴 값 을 가진다[13]. 이에 대해 제안한 안테나 시스템은 두 안테나가 하나의 급전 구조와 하나의 패치를 공유함 에도 불구하고, 높은 다이버시티 이득을 확보하고 있음을 알 수 있다.
두 번째 지표는 격리도 특성이다. 격리도 특성을 검증하는 대표적인 방법으로 상관 계수를 구해서 확 인하는데, 상관 계수를 구하는 여러 방법 중 여기서 는 등방성 다중 경로 환경 내의 무손실 안테나를 가 정하였을 때 S-parameter로부터 간단하게 구하는 방 법을 적용하여 구해 보았다[14]. 상관 계수값이 낮으면
격리도 특성이 우수함을 의미한다. 일반적으로 0.5 이하일 경우에 상관 특성이 우수하다고 판단하고, 각 안테나가MIMO로서 독립적으로 동작한다고 본 다. 이에 대해 측정을 통해 2～3 GHz의 대역에서 0.01 이하의 상당히 낮은 상관 계수 값을 가짐을 확 인하였다.
세 번째 지표는 채널 용량이다. 제안하는 급전 네 트워크에서 하나의 포트에서만 입력을 결선하였을 경우의 일반적인 원형 편파 안테나에서 채널 용량과 두 개의 포트에 모두 입력 포트를 결선하였을 경우 에 대한 채널 용량을 그림11(b)에 비교하였다. 각 실 험은 RHCP와 LHCP에 대해 각기 제작되어진 안테 나를 측정하였고, 싱글 포트에 대한 실험은 제작한 안테나에서 싱글 입력 포트에 대해 다른 쪽 포트는 50옴으로 종단시켰다. 결과에서 확인할 수 있는 것 처럼 각 조건에 대한 채널 용량은 신호 대 잡음비가 증가함에 따라 채널 용량이 증가하였다. 그리고 각 싱글 포트에 대한 채널 용량에 대해 두 포트 모두 결 선한MIMO의 채널 용량은 약 1.8배로 증가하였음을 확인할 수 있다. 따라서, 제안한 원형 편파 MIMO 안 테나 시스템의 채널 용량이 성능이 기존의 원형 편 파 시스템에 비해 상당히 개선이 되었음을 확인하 였다.
Ⅵ. 결 론
본 논문에서는 육상 이동 위성(LMS) 시스템의 통 신 성능을 추가적인 인공위성이나 안테나 없이 기존 의2×2 MIMO 채널에서 4×4 MIMO 채널로 확장할 수 있는 MIMO 원형 편파 급전 네트워크를 제안하 였다. 동일한 원형 편파 간에 이격 거리가 없이도 격 리성이 확보되고, 임피던스 매칭 조건을 만족함을 수식을 통해 증명하였다. 더불어 제안하는 시스템을 통해 획득 가능한 채널 모델을 제시하였다. 제안하 는 채널 모델의 통신 성능 향상에 대한 검증을 위해 제작된 급전 네트워크와 안테나를 잔향 챔버를 이용 하여 MIMO 성능을 측정하였고, 제안한 원형 편파 MIMO 안테나 시스템의 채널 용량이 성능이 기존의 원형 편파 시스템에 비해 상당히 개선됨을 확인하였 다. 제안하는 방법을 통해 기존의 위성 통신 시스템 의 통신 성능 향상 및 기타 원형 편파를 사용하는
MIMO 통신 시스템에 기여를 할 수 있을 것으로 기 대하고 있다.
감사의 글
안테나 성능 측정시 잔향 챔버 사용에 도움을 주 신EMW(주)에 깊은 감사의 말씀을 전합니다.
참 고 문 헌
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한 정 훈
2009년 2월: 경북대학교 전기 및 전 자공학과 (공학사)
2011년 2월: 한국과학기술원 전기 및 전자공학과 (공학석사) 2011년 2월～현재: 한국과학기술원
전기 및 전자공학과 박사과정 [주 관심분야] MIMO 통신, 전자기 수치해석, 안테나, 초고주파 회로 등
명 로 훈
