KR101329647B1 - 디커플링 네트워크를 이용한 ｍｉｍｏ 시스템 설계 방법 - Google Patents

디커플링 네트워크를 이용한 ｍｉｍｏ 시스템 설계 방법 Download PDF

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Abstract

디커플링 네트워크를 이용한 MIMO 시스템 설계 방법을 개시한다. 상기 디커플링 네트워크를 이용한 MIMO 시스템 설계 방법은 광대역 격리도 확보를 위해 임의의 MIMO 안테나를 설계하고 상기 MIMO 안테나로부터 병렬 공진이 일어나는 지점을 추출한 후, 상기 MIMO 안테나 각각과 연결되는 전송선로의 길이 범위를 산출하되, 병렬 공진 지점이 중심주파수에 오도록 하는 전송선로의 길이 파라미터와 이 길이에 대한 디커플링 필수조건을 만족시키는 MIMO 안테나의 파라미터 산출을 위한 공정 전 단계; 인쇄회로 기판 상에 파라미터가 보정된 MIMO 안테나의 레이아웃을 인쇄하는 제1 공정 단계; 상기 산출된 전송선로를 MIMO 안테나에 인쇄하고 집중 소자를 이용해 상호-어드미턴스를 제거하는 제2 공정 단계; 및 상기 전송선로와 연결된 제1 및 제2 단자에서 광대역 임피던스 정합을 수행하는 제3 공정 단계를 포함한다.

Description

디커플링 네트워크를 이용한 ＭＩＭＯ 시스템 설계 방법{MIMO system design method using Decoupling network}
본 발명은 디커플링(decoupling) 네트워크에 관한 발명으로, 보다 상세하게는 광대역 디커플링 특성을 갖는 디커플링 네트워크를 이용한 MIMO 시스템 설계 방법에 관한 것이다.
최근 이동통신 시스템의 데이터 전송량이 점차 많아지면서, 단일 안테나의 성능만으로는 한계점에 도달했다. 따라서 통신의 신뢰성을 높이고 채널 용량을 올리는 방법으로 MIMO 기술이 요구되고 있다.
무선 통신에서 MIMO 기술을 표준화 하고 있는 시스템들은 IEEE 802.11n, 802.16m, 802.20, 802.22, 3GPP Releases 7, 8 (LTE),99, 3GPP2 UMB, 그리고 DVB-T2 등이 있다.
MIMO 기술은 하나의 단말기 내에 여러 개의 안테나를 배치시킴으로써 독립적인 다중 채널 경로를 확보하고 확보된 다중 채널을 통해 동일한 신호를 보내 통신의 신뢰성을 높이거나 서로 다른 신호를 보내 채널 용량을 증가시킬 수 있다.
하지만, 좁은 단말기 공간상에 두 개 이상의 안테나를 배치하면서 다중 안테나 간의 커플링이 증가하게 되며, 이는 안테나의 효율 및 통신 성능을 저하시키는 원인이 된다. 즉, 단말기 내의 MIMO 안테나 설계 문제는 다중 안테나 간의 커플링을 억제시키고 각각의 독립적인 안테나로 사용되도록 설계하는 문제로 귀결된다.
MIMO 안테나의 상호 커플링을 억제시키고 안테나 간의 격리도를 높이는 방법으로 electromagnetic band gap (EBG) 구조를 이용하는 방법, 대역 저지 필터를 이용하는 방법, 접지면에 슬릿을 삽입시키는 방법, 하이브리드 커플러(hybrid coupler)를 이용하는 방법, 디커플링 네트워크를 이용하는 방법 등이 있다.
EBG 구조는 두 안테나 간의 표면파 (surface wave)를 차단시킴으로써 두 안테나간의 커플링을 억제시키지만, 복잡하고 큰 구조를 가진다는 단점이 있다.
대역 저지 필터를 이용하는 방법은 소형의 집중 소자(lumped element)를 이용하여 구현하거나 추가적인 금속 선로(suspended metal strip)을 이용하여 구현할 수 있으며, 특정 대역에서의 신호를 저지시킴으로써 커플링을 억제시킨다. 그러나 대역폭이 좁다는 단점을 가진다.
접지면에 슬릿을 삽입시키는 경우, 두 안테나 사이의 전류 흐름을 감소시킴으로써 커플링을 억제시키지만, 효과적인 억제를 위해서는 접지면의 크기가 커야 하며, 슬릿의 크기 역시 커야 한다는 단점이 있다.
하이브리드 커플러는 각 단자(port)에서 eigenmode의 신호를 얻음으로써 안테나 간의 커플링을 제거한다. 그러나 커플러의 크기가 크고 대역폭이 좁다는 단점이 있다.
이상의 구조들은 대부분 크기가 커서 소형의 단말기에 적용이 어려울 뿐 아니라, 협대역의 단점을 가짐을 보인다.
디커플링 네트워크는 두 안테나 사이의 상호-어드미턴스를 제거시킴으로써 격리도를 확보하는 방법으로써, 소형의 단말기 내에 적합한 작은 크기를 가지지만, 역시 협대역의 단점을 가진다. 종래의 디커플링 네트워크 설계방법이 협소한 주파수 대역폭을 갖는 것은 상호-어드미턴스의 제거 및 방사체와의 정합 시 특정 주파수에서 정합이 이루어지는 포인트 정합에 기인한다.
이와 같은 포인트 정합에 의한 협대역을 극복하기 위해 본 발명자에 의해 한국출원 제호가 제안되었으며, 이 출원은 비교적 긴 구간에서의 커플링 억제 및 정합을 통해 기존 디커플링 네트워크의 좁은 대역폭을 극복할 수 있는 구조를 제안한다.
한편, 종래의 디커플링 네트워크 설계 시에 참고 논문 (저자/논문제목/게재논문 순: S. C. Chen and S. J. Chung, "A decoupling technique for increasing the port isolation between two strongly coupled antennas,” IEEE Transaction Antennas on and Propagation, vol. 56, no. 12, pp. 3650-3658, Dec. 2008.)에서 아래와 같은 설계 과정을 제시하였다.
1) 설계 과정
a) MIMO 안테나 설계 [중심주파수에서 직렬공진 발생]
- 안테나 종류 무관
- 안테나 설계 시 아래의 decoupling의 필수조건을 만족시키는 전송선로의
길이가 가급적 짧도록 안테나를 설계
b) 전송선로 추가 (특성임피던스 50 Ω, 길이 θ)
[decoupling의 필수조건을 만족시키기 위해]
- 직렬공진이 발생하는 부근에서 trans-admittance는 급격한 변화
- decoupling 필수조건을 만족시키는 전송선로의 길이를 찾는다.
- decoupling의 필수 조건 : 2θ-φ=±90°
- φ는 최초 설계된 MIMO 안테나의 상호-어드미턴스로부터 추출
- 설계된 안테나에 따라 decoupling의 필수조건을 만족시키는 길이 θ를 가지는 전송선로를 추가
c) 집중소자(inductor/capacitor)를 이용하여 decoupling 시키고 격리도 확보
[협대역의 격리도 확보]
- trans-admittance의 급격한 변화는 비효율적인 격리도 확보를 야기함
d) 각 port에서 impedance matching [협대역의 임피던스 정합]
- multiport-conjugate matching
그러나, MIMO 안테나 설계 과정에서 보듯이 협대역 특성만이 고려되는 한계가 있다.
본 발명은 상기의 안테나 커플링(coupling) 및 협대역 대역폭 문제점을 해결하기 위한 것으로, 따라서 본 발명은, 종래의 협대역 특성을 가지는 디커플링 네트워크의 문제점을 해결하여, 소형 단말기 내의 MIMO 안테나 설계 시에 광대역의 격리도 및 임피던스 정합 특성을 가지는 광대역 디커플링 네트워크 설계 기술을 제공하는 것을 그 목적으로 하는 것이다.
더 상세하게는, 본 발명의 목적은, 단일 주파수에서 고려되는 상호-어드미턴스 추출과 제거 및 포인트 정합의 과정을 따르는 종래의 디커플링 네트워크 설계 기술의 협대역 한계점을 극복하고, 병렬 공진을 이용한 광대역의 상호-어드미턴스 고려, 제거 및 광대역 임피던스 정합의 과정을 따르는 광대역 디커플링 네트워크 설계 기술을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 디커플링(decoupling) 네트워크를 이용한 MIMO 시스템 설계 방법은 광대역 격리도 확보를 위해 임의의 제1 및 제2 안테나(이하, MIMO 안테나)를 설계하고 상기 MIMO 안테나로부터 병렬 공진이 일어나는 지점을 추출한 후, 병렬 공진 지점이 중심주파수에 오도록 하는 전송선로의 길이 파라미터와 이 길이에 대한 디커플링 필수조건을 만족시키는 MIMO 안테나의 파라미터 산출을 위한 공정 전 단계; 인쇄회로 기판 상에 파라미터가 보정된 MIMO 안테나의 레이아웃을 인쇄하는 제1 공정 단계; 상기 MIMO 안테나에 상기 산출된 길이를 갖는 상기 전송선로를 상기 인쇄회로 기판 상에 인쇄하고 집중 소자를 이용해 상호-어드미턴스를 제거하는 제2 공정 단계; 및 상기 전송선로와 연결된 제1 및 제2 단자에서 광대역 임피던스 정합을 수행하는 제3 공정 단계를 포함한다.
상기 공정 전 단계는 임의의 MIMO 안테나를 설계하는 a)단계; 상기 MIMO 안테나의 병렬공진 발생지점을 추출하는 b)단계; 상기 추출된 발생지점을 중심주파수로 이동시키도록 상기 전송선로의 길이 범위를 산출하는 c)단계; 및 상기 MIMO 안테나가 디커플링(decoupling)되도록 상기 MIMO 안테나 파라미터 값을 보정하는 d)단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 d)단계는 상기 전송선로 길이 θ의 범위에 따라 디커플링(decoupling) 필수조건 식에 맞도록 상기 MIMO 안테나의 위상을 보정하는 보정 단계인 것을 특징으로 한다.
상기 제2 공정 단계는 상기 MIMO 안테나에 상기 산출된 길이를 갖는 상기 전송선로를 상기 인쇄회로 기판 상에 인쇄하는 e)단계; 및 집중 소자를 이용해 상호-어드미턴스를 제거하는 f)단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 f)단계는 상기 공정 전 단계에 의해 광대역에서 유사한 값을 가지는 상호-어드미턴스를 단일 집중 소자(상호-어드미턴스를 0으로 만들 수 있는 소자 값)를 이용하여 광대역에서 제거시키는 제거 단계인 것을 특징으로 한다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, MIMO 안테나의 병렬공진을 디커플링에 이용하고 각 단자에서 광대역 정합을 실시함으로써, MIMO 안테나 시스템의 전체적인 성능을 광대역화 할 수 있다.
본 발명에 따른 디커플링 네트워크를 이용한 소형의 안테나 설계 방법은 광대역 디커플링 네트워크 회로를 통해 최종적으로 광대역 디커플링 특성을 가지는 안테나 시스템을 얻을 수 있게 한다.
또한, 본 발명으로 제작된 안테나는 설계 시에 광대역 격리도 확보 및 임피던스 정합을 통해 광대역 디커플링 특성을 가지는 이점이 있다.
따라서 본 발명은, 기존의 MIMO 시스템의 크기 및 대역폭 측면에서 소형화와 광대역의 두 가지 장점을 모두 취하는 방법으로서, 향후 무선 통신 단말기 및 기타 MIMO 시스템 설계에 있어서 유연하게 적용되어 보다 넓은 주파수 대역에서 시스템의 구동을 가능케 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 MIMO 디커플링(decoupling) 네트워크를 이용한 MIMO 안테나를 구비한 시스템을 나타낸 예시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 본 발명의 실시 예에 따른 MIMO 디커플링(decoupling) 네트워크를 이용한 MIMO 시스템 설계 방법을 나타낸 플로우 챠트이다.
도 3은 최초 설계된 MIMO 안테나의 주파수에 따른 S-파라미터값을 나타낸 그래프이다.
도 4는 주파수에 따른 최초 설계된 MIMO 안테나의 S21의 위상을 나타낸 그래프이다.
도 5는 주파수에 따른 최초 설계된 MIMO 안테나의 입력 리액턴스(input reactance) 및 상호-어드미턴스 (trans-admittance)의 허수 성분을 나타낸 그래프이다.
도 6은 MIMO 안테나에 전송선로 추가 시의 주파수에 따른 입력 리액턴스(input reactance) 및 상호-어드미턴스(trans-admittance)의 허수 성분을 나타낸 그래프이다.
도 7은 보정된 MIMO 안테나에 전송선로 추가 시의 주파수에 따른 위상을 나타낸 그래프이다.
도 8은 보정된 MIMO 안테나에 전송선로 추가 시의 주파수에 따른 상호-어드미턴스(trans- admittance)의 허수 성분을 나타낸 그래프이다.
도 9는 집중 소자를 이용하여 디커플링(decoupling) 과정을 수행한 MIMO 안테나의 주파수에 따른 격리도(Isolation)를 나타낸 그래프이다.
도 10은 집중 소자를 이용하여 디커플링(decoupling) 과정을 수행한 MIMO 안테나의 주파수에 따른 상호-어드미턴스(trans-admittance)의 허수성분을 나타낸 그래프이다.
도 11은 MIMO 안테나의 디커플링 과정 후의 주파수에 따른 S-파라미터를 나타낸 그래프이다.
본 명세서 또는 출원에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서 또는 출원에 설명된 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니된다.
본 발명의 개념에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명할 것이며, 같은 문자는 같은 의미를 가진다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 MIMO 디커플링(decoupling) 네트워크를 이용한 MIMO 안테나를 구비한 시스템을 나타낸 예시도이다. 도 2는 도 1에 도시된 본 발명의 실시 예에 따른 MIMO 디커플링(decoupling) 네트워크를 이용한 MIMO 시스템 설계 방법을 나타낸 플로우 챠트이다. 도 3은 최초 설계된 MIMO 안테나의 주파수에 따른 S-파라미터값을 나타낸 그래프이다. 도 4는 주파수에 따른 최초 설계된 MIMO 안테나의 S21의 위상을 나타낸 그래프이다. 도 5는 주파수에 따른 최초 설계된 MIMO 안테나의 입력 리액턴스(input reactance) 및 상호-어드미턴스 (trans-admittance) 의 허수 성분을 나타낸 그래프이다. 도 6은 MIMO 안테나에 전송선로 추가 시의 주파수에 따른 입력 리액턴스(input reactance) 및 상호-어드미턴스(trans-admittance)의 허수 성분을 나타낸 그래프이다. 도 7은 보정된 MIMO 안테나에 전송선로 추가 시의 주파수에 따른 위상을 나타낸 그래프이다. 도 8은 보정된 MIMO 안테나에 전송선로 추가 시의 주파수에 따른 상호-어드미턴스(trans- admittance)의 허수 성분을 나타낸 그래프이다. 도 9는 집중 소자를 이용하여 디커플링(decoupling) 과정을 수행한 MIMO 안테나의 주파수에 따른 격리도(Isolation)를 나타낸 그래프이다. 도 10은 집중 소자를 이용하여 디커플링(decoupling) 과정을 수행한 MIMO 안테나의 주파수에 따른 상호-어드미턴스(trans-admittance)의 허수성분을 나타낸 그래프이다. 도 11은 MIMO 안테나의 디커플링 과정 후의 주파수에 따른 S-파라미터를 나타낸 그래프이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 디커플링 네트워크를 이용한 MIMO 안테나(100)는 안테나부(110), 광대역 디커플링부(120) 및 광대역 임피던스 정합부(130)를 포함한다.
상기 안테나부(110)는 각 제1 및 제2 안테나, 예컨대, MIMO 안테나가 meander 타입으로 형성되도록 구성된다. 이 때, MIMO 안테나는 시뮬레이션을 통해 설계하고, MIMO 안테나의 각 안테나들로부터 병렬 공진이 일어나는 지점을 추출한 후, 추출된 지점에 따라 전송선로의 길이를 산출(병렬 공진 지점이 중심 주파수에 오도록)한다. 그 후, 디커플링 필수조건 식을 만족하도록 주어진 전송 선로의 길이 θ에 대해 MIMO 안테나의 S21의 위상 값 φ의 범위를 얻고, 이 값을 가지도록 MIMO 안테나의 각 안테나들의 파라미터를 보정하여 회로기판에 인쇄한다.
상기 광대역 디커플링부(120)는 상기 제1 안테나 및 제2 안테나 각각에 연결된 전송선로를 구비하며, 전송선로의 길이는 상기 과정에서 얻어진 값이 된다. 그리고 각 전송선로 간에 집중소자를 연결하여 광대역의 격리도 특성을 얻는다.
상기 광대역 임피던스 정합부(130)는 제1 단자 및 제2 단자 각각에서 임피던스 정합을 수행한다.
본 발명의 디커플링 네트워크를 이용한 MIMO 시스템 설계 방법(S100)은 공정 전 단계(S110) 내지 제3 공정 단계(S 140)를 포함한다.
상기 공정 전 단계(S110)는 인쇄회로 기판 상에 MIMO 안테나를 인쇄하기 전에, 광대역 격리도 확보를 위한 MIMO 안테나 및 전송선로의 파라미터 산출 단계일 수 있다.
상기 제1 공정 단계(S120)는 인쇄회로 기판 상에 상기 공정 전 단계에 의해 파라미터 값이 보정된 MIMO 안테나의 레이아웃을 인쇄하는 단계일 수 있다.
상기 제2 공정 단계(S130)는 상기 MIMO 안테나에 상기 산출된 길이를 갖는 상기 전송선로를 상기 인쇄회로 기판 상에 인쇄하고 집중 소자를 이용해 상호-어드미턴스를 제거하는 단계일 수 있다.
상기 제3 공정 단계(S140)는 상기 전송선로와 연결된 제1 및 제2 단자에서 광대역 임피던스 정합을 수행하는 단계일 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 공정 전 단계(S110)는 a) 단계 내지 d)단계를 포함한다.
상기 a) 단계는 임의의 MIMO 안테나를 설계하는 단계일 수 있다.
상기 b) 단계는 상기 MIMO 안테나의 병렬공진 발생지점을 추출하는 단계일 수 있다.
상기 c) 단계는 상기 추출된 발생지점을 중심주파수로 이동시키도록 상기 전송선로의 길이 범위를 산출하는 단계일 수 있다.
상기 d) 단계는 상기 MIMO 안테나가 디커플링(decoupling)되도록 상기 MIMO 안테나 파라미터 값을 보정하는 단계일 수 있다.
상기 d) 단계는 상기 전송선로 길이 θ의 범위에 따라 디커플링(decoupling) 필수조건 식에 맞도록 상기 MIMO 안테나의 위상을 보정하는 보정 단계를 포함한다.
상기 제2 공정 전 단계(S130)는 e) 단계 내지 f)단계를 포함한다.
상기 e) 단계는 상기 d)단계에 의해 파라미터 값이 보정된 MIMO 안테나에 상기 c)단계에서 산출된 길이를 갖는 상기 전송선로를 상기 인쇄회로 기판 상에 인쇄하는 단계일 수 있다.
상기 f) 단계는 집중 소자를 이용하여 상기 MIMO 안테나의 상호-어드미턴스(trans-admittance)를 제거하는 단계일 수 있다.
상기 f) 단계는 집중 소자를 이용하여 상기 MIMO 안테나를 디커플링(decoupling)시켜 광대역 격리도(isolation)를 확보하는 제거 단계를 포함하며, 상기 제거 단계는 상기 MIMO 안테나의 상호-어드미턴스의 허수부가 0에 수렴하도록 수행하는 단계이다.
이하에서는 수치적인 해석을 통해
본 발명을 보다 구체적으로 설명하도록 한다. 이하에서 사용되는 수치는 설명을 하기 위한 일 예들의 값일 수 있다.
먼저, 본 발명에서 제시하는 MIMO 안테나 설계는 중심 주파수 : 1.95 GHz, 주파수 범위 : 1.71 GHz ~ 2.17 GHz (BW=460 MHz, FBW=23.6 %), 목표 격리도(S21 혹은 S12) : 해당 주파수 범위 내에서 15 dB 이상, 목표 반사계수(S11 혹은 S22) : 해당 주파수 범위 내에서 6 dB 이상 조건을 만족한다는 가정하에 실시하였다.
상기 공정 전 단계(S110)는 MIMO 안테나 설계 및 광대역 격리도 특성을 위한 안테나와 전송선로의 파라미터 산출 단계로서, 본 발명에서는 안테나의 설계 및 제작의 용이성을 위해 printed monopole 안테나를 선택하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한 안테나 크기를 줄이고 보정(tuning)의 용이성을 위해 meander 타입을 선택할 수 있다.
상기 공정 전 단계(S110)에서 최초 설계된 MIMO 안테나는 원하는 주파수 범위 내에서 목표로 하는 반사계수를 만족하였으나, 원하는 주파수 범위 내에서 목표로 하는 격리도는 불만족 하다는 결과를 얻음을 확인할 수 있다(도 3). 여기서 중심주파수는 1.95 GHz에서의 위상은 -140°로 측정되었다(도 4).
상기 공정 전 단계(S110)에서 최초 설계된 MIMO 안테나는 중심 주파수에서 직렬공진이 발생한다(도 5의 녹색 원).
참고로, 기존의 MIMO 안테나 설계 시에 직렬공진이 발생하는 중심주파수 부근에서 상호-어드미턴스(trans-admittance)가 급격한 변화를 보였으며(도 5의 붉은 색 점선), 이러한 변화는 비효율적인 격리도 제거 특성을 야기시켰다. 따라서, 전송선로를 추가하여 디커플링(decoupling)시키는 기존의 방법은 협대역 특성만을 보였다.
그러나, 본 발명에서는 기존에 협대역 특성에만 국한하지 않고 광대역 특성을 갖도록 전송선로를 통해 병렬공진이 일어나는 지점(도 5의 붉은색 원)을 중심주파수 대역으로 이동시키는 과정을 통해 광대역 특성을 수행하고자 한다. 이는 직렬 공진은 실제 공진의 특성을, 병렬 공진은 공진 억제 특성을 가진다는 점에 착안한 것이다.
보다 구체적으로, 본 발명의 전송선로는 병렬공진이 일어나는 지점을 중심주파수로 이동시키는 전송선로의 길이의 범위를 산출한 값을 가지며, 이때, 병렬공진이 발생하는 부근에서의 상호-어드미턴스(trans-admittance)는 평평한 값을 가진다.
본 발명의 실시 예에서 전송선로의 길이는 16.1 mm(≒71.7°)를 갖는다. 산출된 길이의 전송선로를 연결했을 때의 그래프를 [도 6]에 나타내었다. 병렬 공진이 중심 주파수에서 일어나는 것을 확인할 수 있고, 상호-어드미턴스의 허수 성분이 광대역에서 평평한 값을 가짐을 보인다.
이후, MIMO 안테나의 파라미터를 보정하는 단계를 수행한다. 여기서 decoupling 필수조건을 만족시키도록 MIMO 안테나의 S21의 위상(φ)를 보정하게 된다.
여기서, decoupling의 필수 조건은 2θ-φ=±90°이며, 전송선로의 길이 θ의 범위에 따라 φ가 위의 조건에 맞도록 보정하게 된다.
본 발명에서는 θ=71.7°이므로, φ=-126.6°가 되도록 안테나 파라미터를 보정하였다.
수정된 MIMO 안테나는 원하는 주파수 범위 내에서 목표로 하는 반사계수를 만족(1.71 GHz : -8.44 dB / 1.95 GHz : -33.0 dB / 2.17 GHz : -6.62 dB)하였다.
이후, 수정된 MIMO 안테나에 θ=71.7°의 길이를 가지는 전송선로를 추가하면, 전송선로가 추가된 MIMO 안테나의 S21의 위상 2θ-φ의 값은 90°이며 (도 7에서 확인), 이 때의 상호-어드미턴스의 허수 성분은 광대역에서 평평한 값을 가짐을 보인다(도 8).
본 발명에서는 집중소자(인덕터/캐패시터)를 이용하여 MIMO 안테나를 디커플링 (decoupling) 시키고 광대역의 격리도 확보를 수행하게 된다.
여기서), MIMO 안테나의 상호-어드미턴스가 평평한 값을 가질 때, 광대역에서 효율적인 격리도 확보를 보장할 수 있다.
본 발명에서 사용된 집중소자는 3.3nH 인덕터를 사용하였다. 이러한 집중소자를 이용하여 본 발명의 MIMO 안테나는 격리도 및 상호-어드미턴스의 허수 성분이 0으로 수렴됨을 확인할 수 있다(도 10). 또한, 광대역에서 -15 dB 격리도 조건을 확인할 수 있다(도 9).
이후, 각 단자에서 임피던스 정합(impedance matching)을 수행하게 된다. 상기 임피던스 정합은 광대역의 임피던스 정합을 이용하였으며, 보다 바람직하게는 simplified real-frequency technique을 사용하였다. 또한, 입력한 파라미터들은 아래의 표를 참조한다.
Figure 112012065602792-pat00001
얻어진 최종 소자 값들은 각 단자에서 직렬 캐패시터 1.8pF, 병렬 인덕터 2.7nH 이며, 광대역 정합 회로를 통해 최종적으로 광대역 디커플링 (decoupling) 특성을 가지는 MIMO 안테나를 얻을 수 있다.
도 11을 참조하면, 최종 설계한 MIMO 안테나는 원하는 주파수 범위 내에서 목표로 하는 반사계수(1.71 GHz : -6.2 dB / 1.95 GHz : -11.7 dB / 2.17 GHz : -6.0 dB)와 목표로 하는 격리도를 만족(1.71 GHz : -15 dB / 1.95 GHz : -24.2 dB / 2.17 GHz : -15.8 dB)함을 확인 할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
100 : 시스템
110 : 안테나 부
120 : 광대역 디커플링(decoupling) 부
130 : 광대역 임피던스 정합(impedance matching) 부
131 : 집중소자
S110 : 공정 전 단계
S120 : 제1 공정 단계
S130 : 제2 공정 단계
S140 : 제3 공정 단계
S11 : 안테나 1의 파라미터(반사계수)
S22 : 안테나 2의 파라미터(반사계수)
S21, S12 : 안테나 1과 2의 상호 파라미터(격리도)

Claims (5)

  1. 광대역 격리도 확보를 위해 임의의 MIMO 안테나를 설계하고 상기 MIMO 안테나로부터 병렬 공진이 일어나는 지점을 추출한 후, 병렬 공진 지점이 중심주파수에 오도록 하는 전송선로의 길이 파라미터와 이 길이에 대한 디커플링 필수조건을 만족시키는 MIMO 안테나의 파라미터 산출을 위한 공정 전 단계;
    인쇄회로 기판 상에 파라미터가 보정된 MIMO 안테나의 레이아웃을 인쇄하는 제1 공정 단계;
    상기 MIMO 안테나에 상기 산출된 길이를 갖는 상기 전송선로를 상기 인쇄회로 기판 상에 인쇄하고 집중 소자를 이용해 상호-어드미턴스를 제거하는 제2 공정 단계; 및
    상기 전송선로와 연결된 제1 및 제2 단자에서 광대역 임피던스 정합을 수행하는 제3 공정 단계를 포함하는 디커플링 네트워크를 이용한 MIMO 시스템 설계 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 공정 전 단계는,
    임의의 MIMO 안테나를 설계하는 a)단계;
    상기 MIMO 안테나의 병렬공진 발생지점을 추출하는 b)단계;
    상기 추출된 발생지점을 중심주파수로 이동시키도록 상기 전송선로의 길이 범위를 산출하는 c)단계; 및
    상기 MIMO 안테나가 디커플링(decoupling)되도록 상기 MIMO 안테나 파라미터 값을 보정하는 d)단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 디커플링 네트워크를 이용한 MIMO 시스템 설계 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 d)단계는 상기 전송선로 길이 θ의 범위에 따라 디커플링(decoupling) 필수조건인 하기 수학식에 맞도록 상기 제1 및 제2 MIMO 안테나의 위상을 보정하는 보정 단계인 것을 특징으로 하는 디커플링 네트워크를 이용한 MIMO 시스템 설계 방법:
    [수학식]
    2θ-φ=±90°
    여기서, θ는 전송선로 길이를 의미하고, φ는 위상을 의미한다.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2 공정 단계는
    상기 MIMO 안테나에 상기 산출된 길이를 갖는 상기 전송선로를 상기 인쇄회로 기판 상에 인쇄하는 e)단계; 및
    집중 소자를 이용해 상호-어드미턴스를 제거하는 f)단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 디커플링 네트워크를 이용한 MIMO 시스템 설계 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 f)단계는 상기 공정 전 단계에 의해 광대역에서 유사한 값을 가지는 상호-어드미턴스를 단일 집중 소자(상호-어드미턴스를 0으로 만들 수 있는 소자 값)를 이용하여 광대역에서 제거시키는 제거 단계인 것을 특징으로 하는 디커플링 네트워크를 이용한 MIMO 시스템 설계 방법.
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