Design of a Multiband MIMO Antenna for USB Dongle Application

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http://dx.doi.org/10.5515/KJKIEES.2012.23.4.441 ISSN 1226-3133 (Print)

「본 연구는 2010년 이엠따블유의 “소형 USB Dongle용 다중 대역 MIMO 안테나 개발” 산업체 지원 연구 사업의 연구비를 지원받았음.」

한양대학교 전자컴퓨터통신공학과(Department of Electronics and Computer Engineering, Hanyang University)

․Manuscript received December 23, 2011 ; Revised January 18, 2012 ; Accepted February 3, 2012. (ID No. 20111223-166)

․Corresponding Author : Jeahoon Choi (e-mail : [email protected])

USB Dongle에 적용을 위한 다중 대역 MIMO 안테나 설계

Design of a Multiband MIMO Antenna for USB Dongle Application

이 영 기․최 재 훈 Youngki Lee․Jeahoon Choi

요 약

본 논문에서는 소형USB dongle에 적용을 위한 다중 대역 MIMO 안테나를 제안하였다. 제안된 MIMO 안테나

는 변형된 미엔더 라인과 역L형 스터브로 구성되어 있으며, 접지면을 기준으로 서로 대칭적으로 상․하단에

위치한다. 구현된 안테나는 LTE 13, 17 대역(704～787 MHz), DCS/PCS/WCDMA 대역(1.71～2.17 GHz), LTE 7 대역(2.5～2.7 GHz) 대역에서 VSWR 3:1을 만족하였다. 효율 특성은 전체 주파수 대역에서 평균 35 % 이상의 값을 갖고, 상관 계수는 LTE 13, 17 대역에서 0.45 이하, DCS/PCS/WCDMA 및 LTE 7 대역에서 0.1 이하의 값을 갖는다.

Abstract

This paper proposes a multiband Multi-Input Multi-output(MIMO) antenna for universal serial bus(USB) dongle application. The proposed MIMO antenna consists of a modified meander strip line and inverted L stub. The two radia- ting elements of the MIMO antenna are symmetrically placed with respect to the center of the ground plane. The fabricated antenna satisfied a VSWR below 3 and an efficiency over 35 % in the LTE band 13, 17(704 MHz～787 MHz), DCS/PCS/WCDMA band(1.71 GHz～2.17 GHz), and LTE band 7(2.5 GHz～2.7 GHz). The envelope correla- tion coefficient(ECC) has below 0.45 in the LTE band 13, 17 and 0.1 in the DCS/PCS/WCDMA band and LTE band 7, respectively.

Key words : MIMO Antenna, Multiband Antenna, LTE, Efficiency

Ⅰ. 서 론

최근 무선 통신의 급속한 발전과 더불어 방송, 멀 티미디어 등 다양한 서비스에 대한 요구로 뛰어난 통신 품질 및 높은 데이터 전송 속도, 낮은 소비 전 력, 다중 대역 서비스를 가능케 하는 차세대 이동 통 신 서비스(4세대)를 위한 기술 발전에 주력하고 있 다. 이러한 4세대 이동 통신을 위해 Long Term Eva- luation(LTE)와 다중 입출력 기술(Multi Input Multi Out-

put: MIMO) 기술이 각광 받고 있다. MIMO 기술은 이동 통신 환경에서 다수의 안테나를 사용해 데이터 를 송수신하는 다중 안테나 신호 처리 방식으로 여 러 개의 안테나를 사용해 동일한 무선 채널에서 두 개 이상의 데이터 신호를 전송함으로써 무선 통신의 범위를 넓히고, 속도도 크게 향상시킬 수 있는 장점 을 가지고 있다^[1]. 또한, 노트북을 기반으로 하는 데 이터 통신 서비스를 먼저 시작할 예정이기 때문에 USB(Universal Serial Bus) dongle 형태의 LTE 대역을

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포함하는 다중 대역 MIMO 안테나 시스템 구현이 요구된다.

소형 USB dongle에 LTE 13, 17 대역(704～787 MHz)과 DCS/PCS/WCDMA 대역(1.71～2.17 GHz) 및 LTE 7 대역(2.5～2.69 GHz) 대역을 동시에 만족시키 기는MIMO 안테나를 구현하기 위해서는 반 파장보 다 작은 아주 작은 공간 내에 둘 이상의 안테나 소자 가 배치되어야 하므로 공간상의 제약 사항들이 많다.

최근 가까이 배열된 안테나 소자간 방사 결합을 포함한 상호 결합에 의한 MIMO 안테나의 성능 저 하를 개선하기 위해서 접지면에 슬릿이나 스터브를 이용하여 격리도를 개선하는 방법^[2],[3], 두 안테나 사 이의 거리가 아주 가까운 경우에 사용되는 디커플링 (decoupling)을 이용한 방법^[4],[5], 다이버시티 기술을 이용한 방법^[6],[7] 정합 회로에 의한 격리도 개선 방법

[8], meta-material을 이용한 방법^[9],[10] 등이 연구되었 다. 위의 연구는 소형 안테나의 광대역화 및 다중 대 역 특성을 얻기가 힘들며, 안테나의 소형화에 따른 이득 및 효율 감소, 협대역 특성으로 인하여 다중 대 역 동작을 어렵게 한다.

본 논문에서는USB dongle에 적용이 가능한 다중 대역MIMO 안테나를 제안하였다. 제안된 안테나는 광대역 및 다중 대역 특성을 얻기 위해서 변형된 미 엔더 라인과 역 L형 구조의 스터브를 이용하였다.

또한, LTE 대역에서 안테나 #1과 안테나 #2의 효율 을 유지시키기 위해서Laptop 연결 시 안테나 #1 과 안테나#2가 앞뒤로 움직일 수 있는 슬라이딩 방식 으로 설계하였다. 설계된 안테나는 제안된 다중 대 역 MIMO 안테나는 LTE 13, 17 대역, DCS/PCS/

WCDMA 대역 및 LTE 7 대역에서 VSWR 3:1 대역폭 만족하며, 전체 대역에서 35 % 이상의 평균 효율을 갖는다.

Ⅱ. 안테나 설계 및 특성

그림 1은 제안된 소형 USB dongle용 다중 대역 MIMO 안테나 구조이다. 제안된 안테나는 두 개의 방사체, 접지면, FR4 유전체 기판(εr=4.4, 1mm) 및 방사체를 지지하는 캐리어(εr=3.3)로 구성되어 있 다. 접지면은 FR4 유전체 기판의 전․후면에 27 mm

×68 mm의 크기로 형성되어 있다. 방사체를 지지하

(a) 입체도 (a) Over view

(b) 전면도 (b) Top view

(c) 후면도 (c) Bottom view

(d) 방사체 (d) Radiator 그림 1. 제안된 MIMO 안테나 구조 Fig. 1. Structure of proposed MIMO antenna.

는 캐리어는13 mm×32 mm×13 mm의 크기를 갖고, Laptop 연결시 두 개의 방사체(안테나 #1, 안테나 #2) 가 앞뒤로 움직일 수 있는 슬라이딩 방식으로 설계 되었다. 두 개의 방사체는 접지면 기준으로 대칭적 구조로 설계되었으며, 각각의 방사체는 변형된 미엔 더 라인과 역L 형태의 스터브로 구성된 모노폴 형 태이다.

제안된 안테나는LTE 대역 및 DCS/PCS/WCDMA 대역의 임피던스 대역폭을 만족시키기 위해서 변형

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된 미엔더 라인 구조를 이용하였으며, 미엔더 라인 의 커플링을 이용하여 임피던스 매칭 및 광대역 효 과를 얻을 수 있었다. 또한, LTE 7 대역의 임피던스 대역폭을 만족시키기 위해서 급전부의 스트립 라인 에 역L형태의 스터브를 추가하였다.

그림 2(a)는 변형된 미엔더 라인의 길이(L1) 변화 에 대한 반사 손실 특성을 나타낸다. 미엔더 라인의 길이(L1)가 증가함에 따라서 LTE 대역, DCS/PCS/

WCDMA 대역 및 LTE 7 대역의 공진 주파수가 저주 파로 이동하는 것을 확인할 수 있다. 따라서 제안된 안테나의 L1의 길이의 조절의 변화를 통해 전체 대 역 주파수 특성을 조절할 수 있다.

그림2(b)는 변형된 미엔더 라인 폭(W1)의 변화에 따른 반사 손실 특성을 나타낸다. W1의 변화에 따라 서LTE 대역의 임피던스 대역폭에 영향을 주지 않 지만, DCS/PCS/WCDMA 대역의 임피던스 대역폭을 용이하게 조절이 가능하다.

그림2(c)는 LTE 7 대역의 임피던스 대역폭을 만 족시키기 위해서 역 L형 스터브의 길이(L2) 변화에 따른 제안된 안테나의 반사 손실 특성을 나타낸다.

역 L형 스터브의 길이(L2)가 증가함에 따라서 LTE 대역의 공진 주파수에는 영향을 주지 않고, LTE 7 대역의 공진 주파수가 저주파로 이동하는 것을 확인 할 수 있다. 적절한 역 L 형 스터브의 길이(L2)의 조 절은LTE 7 대역의 임피던스 대역폭을 용이하게 조 절이 가능하다.

그림3은 제안된 MIMO 안테나의 전류 분포를 나 타낸다.

LTE 13, 17의 중심 주파수 0.75 GHz에서 전류의 분포는 변형된 미엔더 라인 전체적으로 분포하며, 미엔더 라인 사이의 커플링에 의해서 임피던스 대역 폭이 만족함을 알 수 있다. 그림 2(a)에서 미엔더 라 인 길이(L1)에 대한 반사 손실 변화는 그림 3(a)의 전 류분포에서 LTE 대역, DCS/PCS/WCDMA 대역 및 LTE 7 대역에 영향을 주는 것을 확인할 수 있다. 또 한, DCS/PCS/WCDMA 대역에서도 미엔더 라인 사 이에 전류가 강하게 분포한 것을 확인할 수 있다.

그림 2(b)의 W1 변화에 대한 DCS/PCS/WCDMA 대역의 공진 주파수 이동에 영향을 미치는 것을 확 인할 수 있다. 그림 3(c)에서 전류 분포가 역 L형 스 터브에 집중하는 것을 알 수 있다. 이것은 그림 2(c)

(a) L1 변화 (a) Variation in L1

(b) W1 변화 (b) Variation in W1

(c) L2 변화 (c) Variation in L2

그림 2. 다양한 설계 파라미터 변화에 따른 반사 손 실 특성

Fig. 2. Simulated returnloss characteristics for different design parameter values.

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(a) 0.75 GHz

(b) 1.94 GHz

(c) 2.55 GHz

그림 3. 제안된 MIMO 안테나의 전류 분포

Fig. 3. The current distribution of the proposed MIMO antenna.

그림 4. 제안된MIMO 안테나의 VSWR 특성 Fig. 4. VSWR characteristic of the proposed MIMO

antenna.

의 역L형 스터브의 길이의 변화가 LTE 7 대역의 공 진 주파수 이동 및 임피던스 매칭에 영향을 주는 것 을 확인할 수 있다.

그림4는 최종 설계된 다중 대역 MIMO 안테나의

(a) LTE 대역 (a) LTE band

(b) DCS/PCS/WCDMA 대역 (b) DCS/PCS/WCDMA band

(c) LTE 7 대역 (c) LTE band 7

그림 5. 제안된 MIMO 안테나의 효율 및 이득 특성 Fig. 5. Efficiency and gain characteristics of the pro-

posed MIMO antenna.

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VSWR 특성을 나타낸다. 최종 설계된 다중 대역 MI- MO 안테나의 안테나 #1과 안테나 #2는 LTE 대역 (664～893 MHz), DCS/PCS/WCDMA 대역(1.71～2.25 GHz), LTE 7 대역(2.37～2.69 GHz)에서 VSWR<3을 모두 만족한다.

그림5는 최종 설계된 다중 대역 MIMO 안테나의 효율 및 이득 특성을 나타낸다. 설계된 다중 대역 MI- MO 안테나는 LTE 대역(0.7～0.8 GHz)에서 안테나

#1과 안테나 #2는 각각 34.5 %, 32.9 %의 평균 효율 특성을 갖고, —2.39 dBi, —2.59 dBi 이상의 이득 특 성을 갖는다. DCS/PCS/WCDMA 대역(1.71～2.17 GHz)에서 63.7 %, 64.1 %의 평균 효율 특성을 갖고, 0.83 dBi, 0.84 dBi 이상의 이득 특성을 갖는다. LTE 7 대역(2.5～2.7 GHz)에서는 각각 70 %, 67.1 %의 평 균 효율과2.74 dBi, 2.55 dBi 이상의 이득 특성을 갖 는다.

Ⅲ. 제작 및 측정 결과

그림 6은 최적화된 USB dongle용 다중 대역 MI- MO 안테나 시스템의 구조 파라미터와 그 수치를 바 탕으로 실제 제작된 시제품의 사진이다. 방사체는 두께0.2 mm의 황동 소자를, 방사체를 지지하는 캐 리어는 두께 1 mm의 비유전율 3.3인 PC(polycar- bonate) 재질을 사용하였다.

그림7은 제작된 다중 대역 MIMO 안테나 시제품 의VSWR 특성을 측정한 결과이다. 측정 결과도 시 뮬레이션 결과와 유사한 결과 값을 갖는 것을 알 수 있으며, 안테나 #1과 안테나 #2는 각각 LTE 대역(0.7

～0.8 GHz), DCS/PCS/WCDMA 대역(1.71～2.17 GHz) 및LTE 7 대역(2.5～2.7 GHz)에서 VSWR 3:1 대역폭 을 만족시킨다.

그림8은 실제 제작된 다중 대역 MIMO 안테나의

그림 6. 제작된 MIMO 안테나 사진

Fig. 6. Photograph of fabricated MIMO antenna.

그림 7. 측정된 VSWR 특성

Fig. 7. Measured VSWR characteristics.

방사 패턴 특성을 나타낸다. 측정된 방사 패턴은 MTG사의 3D 측정 시스템을 통해서 측정되었다. 측 정된 방사 패턴은 전방향성 특성을 갖는 것을 알 수 있으며, 안테나 #1과 안테나 #2의 방사 패턴은 각 주 파수 대역에서 서로 대칭적으로 형성되는 것을 확인 할 수 있다. 측정된 이득 특성은 시뮬레이션 값과 유 사한 값을 가지며, 안테나 #1 과 안테나 #2는 LTE 대 역에서 각각 —1.87 dBi, —2.89 dBi 이상의 이득 특 성을 갖는다.

그림 9는 측정된 효율 특성을 나타낸다. 제작된 안테나는 LTE 대역에서 안테나 #1과 안테나 #2는 각각 평균40 %, 36 % 값을 갖고, DCS/PCS/WCDMA 대역에서 평균 65 %, 58 %의 효율 값을 갖는다. 또 한, LTE 7 대역에서는 평균 49 %, 43 %의 효율 값을 갖는다.

MIMO 안테나의 성능 검증을 위해서 주로 사용되 는 성능 지수인 상관 계수는 방사 패턴으로부터 구 할 수 있다. 입사된 파의 크기가 Rayleigh 분포를 따 르고 위상분포가 균일하다고 가정하면, 두 안테나 사이의 상관 계수 값을 구할 수 있다^[12]. 우수한 다이 버시티 이득을 얻기 위해서는 상관 계수 값이0.5보 다 작아야 한다.

그림10은 Bluetest reverberation chamber에서 측정 된 상관 계수 값을 나타낸다. 측정된 상관 계수 값은 LTE 대역에서 0.45보다 작은 값을 가지며, DSC/

PCS/WCDMA 대역 및 LTE 7 대역에서는 0.1보다 작은 값을 갖는 것을 알 수 있다. 이 값은 본 논문

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(a) 안테나 #1 (a) Antenna #1

(b) 안테나 #2 (b) Antenna #2

(c) 안테나 #1 (c) Antenna #1

(d) 안테나 #2 (d) Antenna #2

(e) 안테나 #1 (f) 안테나 #2 (e) Antenna #1 (f) Antenna #2 그림 8. 측정된 방사 패턴 특성

Fig. 8. Measured radiation pattern.

에서 제안한MIMO 안테나가 우수한 다이버시티 성 능을 갖는 것을 나타내 주고 있다.

(c) LTE 7 대역 (c) LTE band 7 그림 9. 측정된 효율 특성

Fig. 9. Measured efficiency characteristic.

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(c) LTE 7 대역 (c) LTE band 7 그림 10. 측정된 상관 계수 특성 Fig. 10. Measured ECC characteristics.

Ⅳ. 결 론

본 논문에서는 USB dongle에 적용 가능한 다중 대역MIMO 안테나를 제안하였다. 제안된 MIMO 안 테나는 변형된 미엔더 라인과 역L형 스터브로 구성 되어 있다. 제안된 MIMO 안테나는 LTE 13, 17 대역 및DCS/PCS/WCDMA 대역의 임피던스 대역폭을 만 족시키기 위해서 변형된 미엔더 라인의 커플링 구조 를 적용하였으며, LTE 7 대역의 임피던스 대역폭을 만족시키기 위해서 급전 라인에 역L형 스터브를 추 가하였다. 측정된 다중 대역 MIMO 안테나의 안테나

#1은 LTE 13, 17 대역(0.63～0.82 GHz), DCS/PCS/

WCDMA 대역(1.71～2.27 GHz), LTE 7 대역(2.48～

2.95 GHz)에서 VSWR 3:1 대역폭을 만족한다. 또한, 안테나#2는 LTE 13, 17 대역(0.65～0.81 GHz), DCS/

PCS/WCDMA 대역(1.65～2.2 GHz), LTE 7 대역(2.47

～3 GHz)에서 VSWR 3:1 대역폭을 만족한다. 제작 된 안테나는LTE 13, 17 대역에서 안테나 #1과 안테 나#2는 각각 평균 40 %, 36 %의 평균 효율과 —1.87 dBi, —2.89 dBi 이상의 이득을 갖고, DCS/PCS/ WCD- MA 대역에서 각각 65 %, 58 %의 평균 효율과 1.15 dBi, 0.55 dBi 이상의 이득을 갖는다. 또한, LTE 7 대 역에서는 각각 49 %, 43 %의 평균 효율과 2.8 dBi, 2.11 dBi 이상의 이득 특성을 갖는다. 제작된 MIMO 안테나는LTE 13, 17 대역에서 0.45 이하의 상관 계 수를 갖고 우수한 다이버시티 성능을 갖는다. 위와 같은 성능으로부터 제안된 MIMO 안테나는 소형 USB dongle 용 안테나로써 유용하게 사용될 수 있을 것으로 기대된다.

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