KR101727488B1 - 대용량 다중화 통신을 위한 mimo 배열 안테나 - Google Patents

대용량 다중화 통신을 위한 mimo 배열 안테나 Download PDF

Info

Publication number
KR101727488B1
KR101727488B1 KR1020160013033A KR20160013033A KR101727488B1 KR 101727488 B1 KR101727488 B1 KR 101727488B1 KR 1020160013033 A KR1020160013033 A KR 1020160013033A KR 20160013033 A KR20160013033 A KR 20160013033A KR 101727488 B1 KR101727488 B1 KR 101727488B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
antenna
array
present
resonator
spaced apart
Prior art date
Application number
KR1020160013033A
Other languages
English (en)
Inventor
강승택
장경남
Original Assignee
인천대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 인천대학교 산학협력단 filed Critical 인천대학교 산학협력단
Priority to KR1020160013033A priority Critical patent/KR101727488B1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101727488B1 publication Critical patent/KR101727488B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/0006—Particular feeding systems
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/0006—Particular feeding systems
    • H01Q21/0031—Parallel-plate fed arrays; Lens-fed arrays
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/26—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture

Landscapes

  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Abstract

본 발명은 대용량 다중화 통신을 위한 MIMO 배열 안테나에 관한 것이다. 보다 상세하게는 소형 플랫폼에 서로간의 상호작용이 적어 높은 격리도를 갖는 다수의 요소 방사체가 배치된 개별 안테나들의 배열 구성에 의해 대규모 다중화 통신이 용이하도록 한 대용량 다중화 통신을 위한 MIMO 배열 안테나에 관한 것이다. 본 발명은 서로 인접하거나 또는 각각 미리 결정된 간격을 갖도록 이격되어 배열되는 복수 개의 안테나를 포함하는 안테나 배열; 및 상기 안테나 배열과 연결되어 상기 안테나 배열 측으로의 급전 및 상기 안테나 배열에서 형성되는 빔 패턴을 빔 성형하는 급전부를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면 반파장(λ/2) 크기의 소형 플랫폼에 메타물질 CRLH 0차 공진 또는 음의 공진 구조를 갖는 4개의 ZOR SRR 또는 다른 0차 공진 방사 구조를 배치시킨 단일 안테나를 배열하여 MIMO 배열 안테나를 구현함으로써 종래와 비교시 소형화가 용이하면서도 개별 공진기들의 상호작용 최소화 및 높은 격리도 또한 제공할 수 있는 효과를 갖는다.

Description

대용량 다중화 통신을 위한 MIMO 배열 안테나{MIMO array antenna for multiplexing massive Multi-Input-Multi-Output communications}
본 발명은 대용량 다중화 통신을 위한 MIMO 배열 안테나에 관한 것이다. 보다 상세하게는 소형 플랫폼에 서로간의 상호작용이 적어 높은 격리도를 갖는 다수의 요소 방사체가 배치된 개별 안테나들의 배열 구성에 의해 대규모 다중화 통신이 용이하도록 한 대용량 다중화 통신을 위한 MIMO 배열 안테나에 관한 것이다.
다중 입출력(Multiple-Input-Multiple-Output : MIMO) 안테나는 현재 4세대 (4G) 이동통신 서비스인 LTE(Long Term Evolution) 및 LTE-A(Long Term Evolution-Advanced)서비스와 5세대(5G) 이동통신 서비스인 IoT(Internet of Things)의 핵심기술로써, 다수의 송수신 안테나 구성에 의해 전력이나 주파수의 도움 없이 안테나 수에 비례하는 채널 용량을 얻을 수 있다는 장점을 가지고 있어 최근까지도 연구가 활발히 이루어지고 있는 추세에 있다.
이러한 특징을 갖는 MIMO 안테나의 경우 원역장(far-field) 또는 근역장(near-filed)에서 MIMO 안테나 구성 요소간의 상호작용이 작아야 하며, 이에 더하여 배열 안테나의 경우에는 원역장에서 각도에 따라 상쇄 또는 보상 간섭이 있도록 배열 안테나의 배열 요소의 크기 및 위상관계의 상호 작용이 요구된다.
그러나, 종래의 MIMO 배열 안테나의 경우 단순히 다수의 안테나를 곁에 둔 형태로 구성한 것에 그칠뿐, 상기와 같은 MIMO 안테나 및 배열 안테나의 요구 조건이 제대로 충족되지 못하는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 제안된 것으로서 반파장(λ/2) 크기의 소형 플랫폼에, 다수의 첨소형(크기<<λ/4인) 공진기들이 배치되어 서로의 간격이 반파장 이하인 경우에도 상호작용이 적으면서도 높은 격리도를 갖는 개별 안테나들의 배열 구성에 의해 대규모 다중화 통신이 용이하도록 한 대용량 다중화 통신을 위한 MIMO 배열 안테나를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 대용량 다중화 통신을 위한 MIMO 배열 안테나는 서로 인접하거나 또는 각각 미리 결정된 간격을 갖도록 이격되어 배열되는 복수 개의 안테나를 포함하는 안테나 배열; 및 상기 안테나 배열과 연결되어 상기 안테나 배열 측으로의 급전 및 상기 안테나 배열에서 형성되는 빔 패턴을 빔 성형하는 급전부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 안테나 배열은 제1 안테나, 상기 제1 안테나와 인접하거나 또는 미리 결정된 간격을 갖도록 이격되어 배치되는 제2 안테나, 상기 제2 안테나와 인접하거나 또는 미리 결정된 간격을 갖도록 이격되어 배치되는 제3 안테나, 및 상기 제3 안테나와 인접하거나 또는 미리 결정된 간격을 갖도록 이격되어 배치되는 제4 안테나를 포함하고, 상기 제1 안테나, 상기 제2 안테나, 상기 제3 안테나, 및 상기 제4 안테나는 각각 복수 개의 공진부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 복수 개의 공진부는 서로 90도의 기울임 각(tilting angle)을 갖도록 배치될 수 있다.
또한, 상기 복수 개의 공진부 각각은 방사형 0차 공진 구조를 가질 수 있다.
또한, 상기 급전부는 Butler matrix, Nolen matrix, Blass matrix, Hadamard matrix, 또는 Rotman lens일 수 있다.
본 발명에 의하면 반파장(λ/2) 크기의 소형 플랫폼에 메타물질 CRLH 0차 공진 또는 음의 공진 구조를 갖는 4개의 ZOR SRR 또는 다른 0차 공진 방사 구조를 배치시킨 단일 안테나를 배열하여 MIMO 배열 안테나를 구현함으로써 종래와 비교시 소형화가 용이하면서도 개별 공진기들의 상호작용 최소화 및 높은 격리도 또한 제공할 수 있는 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 대용량 다중화 통신을 위한 MIMO 배열 안테나를 개략적으로 도시한 도면,
도 2는 도 1의 제1 안테나의 평면도,
도 3은 도 2의 제1 공진부의 부분 확대도,
도 4는 도 2의 제1 공진부의 등가 회로도,
도 5는 도 2의 제1 공진부의 실제 설계에 대한 참고도,
도 6 내지 9는 도 2의 제1 공진부의 동작 특성에 대한 전자기 모의시험 결과,
도 10 내지 12는 도 1의 제1 안테나의 동작 특성에 대한 전자기 모의시험 결과,
도 13은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 안테나 배열의 평면도,
도 14는 안테나 배열의 동작 특성에 대한 전자기 모의시험 결과,
도 15는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 안테나 배열을 실제 구현한 상태에 대한 참고도,
도 16 및 17은 실제 구현된 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 안테나 배열의 동작 특성 측정 결과에 대한 그래프,
도 18은 도 1의 급전부에 대한 평면도,
도 19는 도 18의 제1 커플러에 대한 평면도,
도 20 및 21은 도 18의 제1 커플러의 동작 특성에 대한 전자기 모의시험 결과,
도 22는 도 18의 하이브리드에 대한 평면도,
도 23은 도 18의 하이브리드의 동작 특성에 대한 전자기 모의시험 결과,
도 24는 도 1의 급전부를 실제 구현한 상태에 대한 참고도,
도 25는 도 1의 급전부의 동작 특성에 대한 전자기 모의시험 결과 및 실제 구현된 도 1의 급전부의 동작 특성 측정 결과에 대한 비교 그래프,
도 26은 본 발명의 바람지한 실시예에 따른 대용량 다중화 통신을 위한 MIMO 배열 안테나의 평면도,
도 27 내지 29는 본 발명의 바람지한 실시예에 따른 대용량 다중화 통신을 위한 MIMO 배열 안테나의 동작 특성에 대한 전자기 모의시험 결과,
도 30은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 대용량 다중화 통신을 위한 MIMO 배열 안테나를 실제 구현한 상태에 대한 참고도, 및
도 31 내지 33은 실제 구현된 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 대용량 다중화 통신을 위한 MIMO 배열 안테나의 동작 특성 측정 결과에 대한 그래프이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 첨가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 그룹 기호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 실시될 수 있음은 물론이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 대용량 다중화 통신을 위한 MIMO 배열 안테나를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 대용량 다중화 통신을 위한 MIMO 배열 안테나(1)는 제1 안테나(100), 제2 안테나(200), 제3 안테나(300), 제4 안테나(400), 및 급전부(500)를 포함한다.
제1 안테나(100), 제2 안테나(200), 제3 안테나(300), 및 제4 안테나(400)는 안테나 배열 구성을 위한 개별 안테나이며, 각각 서로 인접하거나 미리 결정된 간격만큼 이격되어 배열될 수 있다.(다시 말해서, 제2 안테나(200)는 제1 안테나(100)와 인접하거나 미리 결정된 간격을 갖도록 배열될 수 있고, 제3 안테나(300)는 제2 안테나(200)와 인접하거나 미리 결정된 간격을 갖도록 배열될 수 있으며, 제4 안테나(400)는 제3 안테나(300)와 인접하거나 미리 결정된 간격을 갖도록 배열될 수 있다.)
이때, 제1 안테나(100), 제2 안테나(200), 제3 안테나(300), 및 제4 안테나(400)의 상세 구성은 이하 도 2 내지 5를 참조하여 후술한다.
급전부(500)는 상기 안테나 배열(다시 말해서, 제1 안테나(100), 제2 안테나(200), 제3 안테나(300), 및 제4 안테나(400))과 연결되어 상기 안테나 배열 측으로의 급전 및 상기 안테나 배열에서 형성되는 빔 패턴을 빔 성형(beam forming) 한다.
이때, 급전부(500)는 버틀러 행렬(Butler matrix), 노렌 행렬(Nolen matrix), 브라스 행렬(Blass matrix), 하다마드 행렬(Hadamard matrix), 또는 ㄹ로트만 렌즈(Rotman lens일 수 있으며, 급전부(500)의 상세 구성은 이하 도 18 내지 25를 참조하여 후술한다.
서로 동일한 구성을 갖는 제1 안테나(100), 제2 안테나(200), 제3 안테나(300), 및 제4 안테나(400) 중 제1 안테나(100)의 평면도인 도 2를 참조하면, 제1 안테나(100)는 기판(110) 및 기판(110) 상에 배치되는 제1 공진부(130), 제2 공진부(150), 제3 공진부(170), 및 제4 공진부(190)를 포함한다.
이때, 제1 공진부(130), 제2 공진부(150), 제3 공진부(170), 및 제4 공진부(190)는 각각 90°의 기울임 각(tilting angle)을 갖도록 배치될 수 있는데(다시말해서, 제2 공진부(150)는 제1 공진부(13)에 비해 90°의 기울임 각을 가질 수 있고, 제3 공진부(170)는 제2 공진부(150)에 비해 90°의 기울임 각을 가질 수 있으며, 제4 공진부(190)는 제3 공진부(170)에 비해 90°의 기울임 각을 가질 수 있다.), 이는 각 공진부가 서로 간에 우수한 격리(isolation) 특성을 갖도록 하기 위함이다.
또한, 기판(110)은 유전상수(dielectric constant), 높이, 및 손실 탄젠트(loss tangent)가 각각 4.4, 2mm, 0.2인 FR(Flame Retardmant)-4 기판일 수 있고, 기판(110)의 면적은 λ/2 * λ/2(예컨대, 2.4GHz의 공진 주파수에서 62.5mm x 62.5mm)일 수 있는데, 기판(10)의 경우 상기와 같은 FR-4 기판 외에 세라믹 기판과 같은 다른 종류의 기판 또한 사용이 가능하다.
이에 따라, 본 발명의 경우 배열 안테나를 구성하는 개별 안테나의 면적을 종래와 비교 시 소형화하는 것이 가능해지며, 개별 안테나 각각에 다수의 방사형 공진부를 배치함으로써 공간 다이버시티(spacial diversity)를 최대화하고 편파 다중화(polarization multiplexing)가 유리해지는 장점을 가지게 된다.
또한, 제1 공진부(130), 제2 공진부(150), 제3 공진부(170), 및 제4 공진부(190)는 방사형 0차 공진 구조 또는 음의 공진 구조를 갖는 공진기일 수 있는데, 일 예로 제1 공진부(130) 내지 제4 공진부(190)는 방사형 0차 공진 구조를 갖는 ZOR(Zeroth Order Resonance : 0차 공진) 분리형 링 공진기(Split Ring Resonator : SRR)일 수 있다.
여기에서, 서로 동일한 구성을 갖는 제1 공진부(130), 제2 공진부(150), 제3 공진부(170), 및 제4 공진부(190) 중 제1 공진부(130)의 부분 확대도인 도 3을 참조하면, 제1 공진부(130)는 메타물질(metamaterials) CRLH(Composite Right-and Left Handness) 구조를 갖도록 유전상수(dielectric constant), 높이, 및 손실 탄젠트(loss tangent)가 각각 4.4, 0.76mm, 0.2인 FR(Flame Retardmant)-4 기판 상에 형성되는 제1 방사부(136), 제1 방사부(136)의 내측으로 미리 결정된 간격(138)만큼 이격되어 구비되는 제2 방사부(137), 제1 방사부(136)와 연결되며 임피던스 매칭 및 대역폭 조정 역할을 수행하는 급전부 회로망(feeder network)(139), 단락 핀(shorting pin)(140), 및 단락 핀(140) 상에 형성되는 비아 홀(V)을 포함한다.
여기에서, 제1 공진부(130)의 등가회로도인 도 4를 참조하면, 제1 방사부(136)의 경우 SRR 구조 중 인덕턴스(L_os) 및 커패시턴스(C_os) 성분을 포함하는 외부링(outer ring)(136)과 대응될 수 있고, 제2 방사부(137)의 경우 인덕턴스(L_is) 및 커패시턴스(C_is) 성분을 포함하는 내부링(inner ring)(137)과 대응될 수 있다.
또한, 급전부 회로망(139)은 인덕턴스(L_f) 및 커패시턴스(C_f, C_p) 성분을 포함하는, 슬릿을 가진 직렬 급전부(series feeding line with slit)(139)과 대응될 수 있고, 단락 핀(140)은 인덕턴스(L_g) 및 커패시턴스(C_g) 성분을 포함하는 단락 선(shorted line)(140)과 대응될 수 있다.
예컨대, 제1 공진부(130)가 공진 주파수 2.4GHz에서 동작하도록 실제 구현하는 경우 제1 공진부(130)을 구성하는 집중 소자(lumped elements)(다시 말해서, 도 4의 등가 회로를 구성하는 소자들)와 집중 소자 각각의 인덕턴스 또는 커패시턴스 값은 아래의 표 1과 같다.
또한, 제1 공진부(130)의 실제 설계에 대한 참고도인 도 5를 참조하면, 제1 공진부(130)가 공진 주파수 2.4GHz에서 동작하도록 실제 설계하는 경우 각 구성부(다시 말해서, 제1 방사부(136), 제2 방사부(137), 미리 결정된 간격(138), 급전부 회로망(139), 단락 핀(140), 및 비아홀(V)의 사이즈는 아래의 표 2와 같으며, 상기 표 2를 참조하면 본 발명의 제1 공진부(130)의 사이즈는 0.092λ*0.304λ*0.016λ의 사이즈를 갖게 되어 종래의 PIFA(Planar Inverted F Antenna)와 비교 시 약 22.4%정도로 소형화가 가능한 것을 확인할 수 있고, 이에 따라 본 발명의 경우 종래의 λ/4 모노폴(monopole) 안테나 및 λ/2 패치(patch) 안테나에 비해 단일 안테나의 크기를 획기적으로 줄일 수 있는 장점을 가질 수 있다.
Parameters Value Parameters Value
L_g 7.7nH L_os 12.5nH
C_g 0.1pF C_os 0.25pF
C_p 0.6pF C_gap 1.2pF
L_f 5.6nH L_is 8.15nH
C_f 0.3pF C_is 0.55pF
Parameters Value(mm) Parameters Value(mm)
a_s 1.95 W_slit 0.5
W_sh 1.5 l1_s 5.1
W_f 1.5 l2_s 3.55
g 0.4 W_os 1.5
d_via 0.6 g_s 0.2
그리고, 도 6의 경우 제1 공진부(135)의 공진 주파수를 결정하기 위한 파라미터인 도 5의 a_s의 길이의 변화에 따른 반사 손실(return loss)에 대한 시뮬레이션 그래프로써 a_s=2.3mm일 시 공진 주파수 2.4GHz에서 반사 손실이 최소화되는 것을 확인할 수 있고, 도 7의 경우 도 4에 도시된 제1 공진부(135)의 등가 회로 동작 특성에 대한 전자기 분석 그래프로써 상기 표 1에 따른 인덕턴스 및 커패시턴스 값을 갖는 회로의 경우 공진 주파수가 2.4GHz인 것을 확인할 수 있다.
또한, 도 8의 경우 제1 공진부(130)의 3D 방사 패턴에 대한 전자기 분석 그래프, 도 9의 경우 제1 공진부(130)의 2D 방사 패턴(XY 및 ZX 평면)에 대한 전자기 분석 그래프이며, 도 8 및 9를 참조하면, 본 발명의 제1 공진부(130)의 경우 공진 주파수 2.4GHz에서 게인 및 효율이 약 1.42dB 및 86.2%인 것을 확인할 수 있다.
이에 더하여, 도 2를 참조하여 전술한 바와 같이 안테나 배열을 구성하는 개별 안테나이자 기판(110) 상에 제1 공진부(130), 제2 공진부(150), 제3 공진부(170), 및 제4 공진부(190)가 배치되는 제1 안테나(100)의 동작 특성에 대한 전자기 분석 그래프인 도 10 내지 12를 참조하면, 도 10의 경우 기판(110)의 중심부로터 제1 공진부(130), 제2 공진부(150), 제3 공진부(170), 또는 제4 공진부(190)의 거리(도 2 및 10의 M) 변화에 따른 격리도(isolation) 특성에 대한 전자기 분석 그래프이며, 도 10에서 제1 안테나(100)의 경우 공진 주파수 2.4MHz에서 상기 거리가 약 7.7mm인 경우 최고의 격리도 특성을 얻게 되는 것을 확인할 수 있다.
도 11은 제1 안테나(100)의 주파수 응답 특성에 대한 전자기 분석 그래프이며, 도 11에서 제1 안테나(100)의 경우 공진 주파수 2.4GHz에서 반사 손실(return loss) 및 격리도가 각각 -40dB 및 -10dB 이하인 것을 확인할 수 있고, 도 12는 제1 안테나(130)의 3D 방사 패턴에 대한 전자기 분석 그래프이며, 도 12에서 제1 안테나(100)의 경우 공진 주파수 2.4GHz에서 게인(gain) 및 효율(efficiency)가 각각 2dB 및 75% 이상인 것을 확인할 수 있다.
도 13은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 안테나 배열의 평면도, 도 14는 안테나 배열의 동작 특성에 대한 전자기 분석 그래프이다.
도 13을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 안테나 배열은 각각 기판 상에 서로 90°의 기울임 각(tilting angle)을 갖는 4개의 공진부가 배치되는 제1 안테나(100), 제2 안테나(200), 제3 안테나(300), 및 제4 안테나(400)를 포함하며, 도 14를 참조하면 상기 안테나 배열의 동작 시 공진 주파수 2.4GHz에서 반사 손실이 -20dB 이하이고, 분리도가 -10dB 이하인 것을 확인할 수 있다.
도 15는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 안테나 배열을 실제 구현한 상태에 대한 참고도, 도 16 및 17은 실제 구현된 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 안테나 배열의 동작 특성 측정 결과에 대한 그래프이다.
도 15 내지 17을 참조하면, 도 15에 도시된 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 안테나 배열을 실제 구현한 후 이에 대한 반사 손실 및 격리도를 측정한 결과, 도 16의 그래프와 같은 반사 손실 측정 결과 및 도 17의 그래프와 같은 격리도 측정 결과가 나타나는 것을 확인할 수 있다.
도 18은 도 1의 급전부에 대한 평면도이다. 전술한 바와 같이 본 발명의 급전부(500)는 Butler matrix, Nolen matrix, Blass matrix, Hadamard matrix, Rotman lens일 수 있으며, 도 18의 경우 본 발명의 급전부(500)를 버틀러 매트릭스(Butler matrix) 형태로 구현한 경우에 대해서 설명하도록 한다.
도 18을 참조하면, 급전부(500)는 4 포트 입력 및 4 포트 출력으로 구성되는 8포트 급전 회로망으로써, 크로스 오버(510) 후측의 일측 및 타측에 각각 구비되며 상기 안테나 배열과 연결되는 제1 커플러(530) 및 제2 커플러(550)와 크로스 오버(510) 전측의 일측(다시 말해서, 해당 포트) 및 타측(다시 말해서, 인접 포트)에 각각 구비되며 급전 측(다시 말해서, 급전 포트)과 연결되는 제3 커플러(570) 및 제4 커플러(590)를 포함한다.
그리고, 동일한 구조를 갖는 제1 커플러(530), 제2 커플러(550), 제3 커플러(570), 및 제4 커플러(590) 중 제1 커플러(540)에 대한 평면도인 도 19를 참조하면, 제1 커플러(590)는 급전 신호를 상기 안테나 배열 중 제1 안테나(100) 및 제3 안테나(300)로 동일하게 분배하기 위한 것으로서, 가로 및 세로 길이가 λ/4인 전송 라인의 일측(다시 말해서, 해당 포트)에 형성되는 제1 포트(532) 및 제4 포트(538)와 타측(다시 말해서, 인접 포트)에 형성되는 제2 포트(534) 및 제3 포트(536)을 포함한다.
이때, 제1 커플러(530)는 하이브리드 브랜치 라인 커플러(hybrid branch line coupler)일 수 있으며, 공진 주파수 2.4GHz에서 가로 방향 선로 임피던스는 35.5Ω일 수 있고, 세로 방향 선로 임피던스는 50Ω일 수 있다.
또한, 제1 커플러(530)의 동작 특성에 대한 전자기 분석 그래프인 도 20 및 21을 참조하면, 제1 커플러(530)의 경우 공진 주파수 2.4GHz에서 도 20의 S21 값에 대응하는 삽입 손실(insertion loss)이 약 3dB이고, 도 21의 S21 값 및 S31값에 대응하는 제2 포트(534)와 제3 포트(536) 간의 위상차가 90°인 것을 확인할 수 있다.
도 22는 도 18의 크로스 오버에 대한 평면도이다. 도 22를 참조하면 크로스 오버(510)는 가로 및 세로 길이가 각각 λ/4인 하이브리드 브랜치 라인 커플러 2개를 중첩한 구조를 가질 수 있고, 일측(다시 말해서, 해당 포트)에 구비되며 각각 제1 커플러(530) 및 제3 커플러(570)와 연결되는 제1 포트(512) 및 제4 포트(518)와 타측(다시 말해서, 인접 포트)에 구비되며 각각 제2 커플러(550) 및 제4 커플러(590)와 연결되는 제2 포트((514) 및 제3 포트(516)를 포함한다.
이때, 크로스 오버부(510)의 제2 포트(514) 및 제4 포트(518)은 격리(isolation)될 수 있고, 제3 포트(516)는 +90° 위상 특성을 가질 수 있으며, 공진 주파수 2.4GHz에서 가로 방향 및 세로 방향 선로 각각의 임피던스는 50Ω일 수 있다.
또한, 도 23은 도 18의 크로스 오버 동작 특성에 대한 전자기 분석 그래프이며, 도 23을 참조하면 S21값 및 S41값으로부터 공진 주파수 2.4GHz에서 제2 포트(514) 및 제4 포트(518)가 격리되는 것을 확인할 수 있다.
도 24는 도 1의 급전부를 실제 구현한 상태에 대한 참고도, 도 25는 도 1의 급전부의 전자기 분석 결과 및 실제 구현된 도 1의 급전부의 동작 특성 측정 결과에 대한 비교 그래프이며, 도 24에 도시된 바와 같이 하이브리드(510) 및 하이브리드(510)에 각각 연결되는 제1 커플러(530), 제2 커플러(550), 제3 커플러(570), 및 제4 커플러(590)를 포함하는 급전부(500)를 실제 구현한 경우 동작 특성 측정 결과를 동작 특성 전자기 분석 결과와 비교하는 경우 도 25와 같이 나타나는 것을 확인할 수 있다.
도 26은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 대용량 다중화 통신을 위한 MIMO 배열 안테나의 평면도이다.
도 26을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 대용량 다중화 통신을 위한 MIMO 배열 안테나(1)는 각각 서로 90도의 기울임 각도를 갖도록 배치되는 4개의 방사형 공진부(다시 말해서, 4개의 ZOR SRR)가 배치되는 제1 안테나(100), 제2 안테나(200), 제3 안테나(300), 및 제4 안테나(400)가 배열되어 있는 안테나 배열과 상기 안테나 배열에 급전 및 빔 포밍 역할을 수행하는 8포트(4포트 입력/출력) 버틀러 매트릭스인 급전부(500)가 연결된 구조를 갖는다.
이때, 급전부(50)의 제1 커플러(510)는 제1 안테나(100) 및 제3 안테나(300)와 연결되어 제1 안테나(100) 및 제3 안테나(300)에 동일한 급전 신호를 분배하고, 제2 커플러(530)는 제2 안테나(200) 및 제4 안테나(400)와 연결되어 제2 안테나(200) 및 제4 안테나(400)에 동일한 급전 신호를 분배한다.
또한, 각 안테나의 제1 공진부(다시 말해서, 제1 안테나(100), 제2 안테나(200), 제3 안테나(300), 및 제4 안테나(400)의 1ST)는 제1 부배열(도 15의 1ST subarray)를 형성할 수 있고, 각 안테나의 제2 공진부, 제3 공진부, 및 제4 공진부의 경우에도 동일한 형태로 제2 부배열, 제3 부배열, 및 제4 부배열(도 15의 2nd subarray, 3rd subarray, 4th subarray)를 형성할 수 있으며, 이에 따라 급전부(500)의 경우 전술한 바와 같은 상기 안테나 배열에 대한 빔 성형(beam forming) 외에도 상기 제1 부배열, 상기 제2 부배열, 상기 제3 부배열, 및 상기 제4 부배열에 대한 빔 성형 역할을 수행하는 것이 가능해진다.
또한, 상기와 같은 구조를 갖는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 대용량 다중화 통신을 위한 MIMO 배열 안테나(1)의 경우 도 27 및 28의 전자기 분석 그래프에서 나타나는 바와 같은 제1 안테나(100) 내지 제4 안테나(400) 각각의 빔 조향(beam-tilting) 특성 및 도 29의 전자기 분석 그래프와 같은 측 방향(side direction), 내부 방향(inner direction), 및 4방향(four direction) 방사 패턴이 나타나는 것을 확인할 수 있다.
도 30은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 대용량 다중화 통신을 위한 MIMO 배열 안테나를 실제 구현한 상태에 대한 참고도, 도 31 내지 도 33은 실제 구현된 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 대용량 다중화 통신을 위한 MIMO 배열 안테나의 동작 특성을 측정한 그래프이다.
도 30 내지 33을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 대용량 다중화 통신을 위한 MIMO 안테나를 실제 구현한 후 동작 특성을 측정한 결과 이의 3D 방사 패턴의 경우 도 31의 그래프와 같이 나타나는 것을 확인할 수 있고, 도 26을 참조하여 전술한 각 부 배열(1ST subarray 및 2nd subarray)에서의 방사 패턴의 경우 도 32의 그래프와 같이 나타나는 것을 확인할 수 있으며, 상기 각 부 배열 방사 패턴의 전자기 분석 결과 및 실제 측정 결과의 경우 도 33의 그래프와 같이 나타나는 것을 확인할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변경이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예들에 의해서 본 발명의 기술 사상이 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구 범위에 의해서 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
(100) : 제1 안테나 (130) : 제1 방사부
(150) : 제2 방사부 (170) : 제3 방사부
(190) : 제4 방사부 (200) : 제2 안테나
(300) : 제3 안테나 (400) : 제4 안테나
(500) : 급전부

Claims (5)

  1. 서로 인접하거나 또는 각각 미리 결정된 간격을 갖도록 이격되어 배열되는 복수 개의 안테나를 포함하는 안테나 배열; 및
    상기 안테나 배열과 연결되어 상기 안테나 배열 측으로의 급전 및 상기 안테나 배열에서 형성되는 빔 패턴을 빔 성형하는 급전부를 포함하는 것을 특징으로 하며,
    상기 안테나 배열은,
    제1 안테나, 상기 제1 안테나와 인접하거나 또는 미리 결정된 간격을 갖도록 이격되어 배치되는 제2 안테나, 상기 제2 안테나와 인접하거나 또는 미리 결정된 간격을 갖도록 이격되어 배치되는 제3 안테나, 및 상기 제3 안테나와 인접하거나 또는 미리 결정된 간격을 갖도록 이격되어 배치되는 제4 안테나를 포함하고,
    상기 제1 안테나, 상기 제2 안테나, 상기 제3 안테나, 및 상기 제4 안테나는 각각 복수 개의 공진부를 포함하며,
    상기 공진부는
    인덕턴스 및 커패시턴스 성분을 포함하는 외부링으로 이루어진 제1 방사부와, 인덕턴스 및 커패시턴스 성분을 포함하는 내부 링으로 이루어진 제2 방사부와, 인덕턴스 및 커패시턴스 성분을 포함하며 슬릿을 가진 직렬 급전부로 이루어진 급전부 회로망과, 인덕턴스 및 커패시턴스 성분을 포함하는 단락선으로 이루어진 단락 핀을 포함하는 것을 특징으로 하는 대용량 다중화 통신을 위한 MIMO 배열 안테나.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 복수 개의 공진부는 서로 90도의 기울임 각(tilting angle)을 갖도록 배치되는 것을 특징으로 하는 대용량 다중화 통신을 위한 MIMO 배열 안테나.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 복수 개의 공진부 각각은 방사형 0차 공진 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 대용량 다중화 통신을 위한 MIMO 배열 안테나.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 급전부는 Butler matrix, Nolen matrix, Blass matrix, Hadamard matrix, 또는 Rotman lens인 것을 특징으로 하는 대용량 다중화 통신을 위한 MIMO 배열 안테나.
KR1020160013033A 2016-02-02 2016-02-02 대용량 다중화 통신을 위한 mimo 배열 안테나 KR101727488B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160013033A KR101727488B1 (ko) 2016-02-02 2016-02-02 대용량 다중화 통신을 위한 mimo 배열 안테나

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160013033A KR101727488B1 (ko) 2016-02-02 2016-02-02 대용량 다중화 통신을 위한 mimo 배열 안테나

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR101727488B1 true KR101727488B1 (ko) 2017-04-17

Family

ID=58703014

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020160013033A KR101727488B1 (ko) 2016-02-02 2016-02-02 대용량 다중화 통신을 위한 mimo 배열 안테나

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101727488B1 (ko)

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019116648A1 (ja) * 2017-12-11 2019-06-20 ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 バトラーマトリクス回路、フェーズドアレイアンテナ、フロントエンドモジュール及び無線通信端末
KR102029721B1 (ko) * 2018-07-10 2019-10-08 인천대학교 산학협력단 금속 인접과 접촉에 강건한 얇은 인공자기도체 기반 빔 포밍 안테나
WO2020091092A1 (ko) * 2018-10-30 2020-05-07 엘지전자 주식회사 차량에 탑재되는 안테나 시스템 및 이를 구비하는 차량
CN111525262A (zh) * 2020-05-26 2020-08-11 网络通信与安全紫金山实验室 一种圆形多波束相控阵列天线及通信方法
CN113097715A (zh) * 2021-06-10 2021-07-09 电子科技大学中山学院 一种平面复合左右手传输线型5g手机mimo天线
US11289820B2 (en) 2018-12-10 2022-03-29 Samsung Electronics Co., Ltd. High-isolation antenna system
WO2024051537A1 (zh) * 2022-09-05 2024-03-14 维沃移动通信有限公司 电子设备
US12019178B2 (en) 2021-08-03 2024-06-25 Intel Corporation Radar apparatus, system, and method

Cited By (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019116648A1 (ja) * 2017-12-11 2019-06-20 ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 バトラーマトリクス回路、フェーズドアレイアンテナ、フロントエンドモジュール及び無線通信端末
US11374318B2 (en) 2017-12-11 2022-06-28 Sony Semiconductor Solutions Corporation Butler matrix circuit, phased array antenna, front-end module, and wireless communication terminal
TWI777001B (zh) * 2017-12-11 2022-09-11 日商索尼半導體解決方案公司 巴特勒矩陣電路、相位陣列天線、前級模組及無線通訊終端
KR102029721B1 (ko) * 2018-07-10 2019-10-08 인천대학교 산학협력단 금속 인접과 접촉에 강건한 얇은 인공자기도체 기반 빔 포밍 안테나
WO2020091092A1 (ko) * 2018-10-30 2020-05-07 엘지전자 주식회사 차량에 탑재되는 안테나 시스템 및 이를 구비하는 차량
US11121456B2 (en) 2018-10-30 2021-09-14 Lg Electronics Inc. Antenna system loaded in vehicle and vehicle having the same
US11289820B2 (en) 2018-12-10 2022-03-29 Samsung Electronics Co., Ltd. High-isolation antenna system
CN111525262A (zh) * 2020-05-26 2020-08-11 网络通信与安全紫金山实验室 一种圆形多波束相控阵列天线及通信方法
CN113097715A (zh) * 2021-06-10 2021-07-09 电子科技大学中山学院 一种平面复合左右手传输线型5g手机mimo天线
CN113097715B (zh) * 2021-06-10 2021-08-27 电子科技大学中山学院 一种平面复合左右手传输线型5g手机mimo天线
US12019178B2 (en) 2021-08-03 2024-06-25 Intel Corporation Radar apparatus, system, and method
WO2024051537A1 (zh) * 2022-09-05 2024-03-14 维沃移动通信有限公司 电子设备

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101727488B1 (ko) 대용량 다중화 통신을 위한 mimo 배열 안테나
Sun et al. Suppression of cross-band scattering in multiband antenna arrays
Feng et al. Dual-wideband dual-polarized metasurface antenna array for the 5G millimeter wave communications based on characteristic mode theory
KR102063222B1 (ko) 안테나 어레이에서의 상호 결합을 감소시키기 위한 장치 및 방법
CN101501934B (zh) 使用人造磁性层的天线阵列和单元
EP3010086B1 (en) Phased array antenna
CN102904022B (zh) 部分对称耦合的微带缝隙馈电贴片天线元件
US7855696B2 (en) Metamaterial antenna arrays with radiation pattern shaping and beam switching
US5173711A (en) Microstrip antenna for two-frequency separate-feeding type for circularly polarized waves
Sun et al. A wideband base station antenna element with stable radiation pattern and reduced beam squint
US10186778B2 (en) Wideband dual-polarized patch antenna array and methods useful in conjunction therewith
CN107785665B (zh) 一种混合结构双频双波束三列相控阵天线
CN109983623B (zh) 漏波天线
CN109546355B (zh) 一种圆柱共形印刷天线阵列装置
WO2016072035A1 (en) Stripline coupled antenna with periodic slots for wireless electronic devices
CN107949954A (zh) 无源串馈式电子引导电介质行波阵列
US11973273B2 (en) High performance folded dipole for multiband antennas
US20100201593A1 (en) Antenna arrangement for a multi radiator base station antenna
CN114284736B (zh) 一种毫米波宽频段高增益双极化磁电偶极子滤波天线
CN106099324B (zh) 一种用于双极化双波束反射面天线馈源
CN109546356B (zh) 基于混合馈电网络的倒l形印刷振子天线阵列装置
Bertin et al. Switched beam antenna employing metamaterial-inspired radiators
CN116868442A (zh) 包括耦合谐振结构层的低剖面设备
KR101727489B1 (ko) 직교 편파된 음의 공진 crlh 패치 안테나
CN108767449B (zh) 基于amc结构的多制式融合天线

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant