KR102454355B1 - Multi-band frequency reconfigurable antenna - Google Patents

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KR102454355B1
KR102454355B1 KR1020210054857A KR20210054857A KR102454355B1 KR 102454355 B1 KR102454355 B1 KR 102454355B1 KR 1020210054857 A KR1020210054857 A KR 1020210054857A KR 20210054857 A KR20210054857 A KR 20210054857A KR 102454355 B1 KR102454355 B1 KR 102454355B1
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유형석
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한양대학교 산학협력단
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Abstract

The present invention relates to a multi-band frequency reconfigurable antenna, which comprises: a micro strip patch connected to a meandered radiating structure through a wireless frequency PIN diode for achieving the frequency reconfiguration between two bands. A meandered line structure and a truncated ground plane are used so that the size of the antenna could be greatly reduced to 15.3 mm x 7.2 mm x 0.508 mm. To improve functions, the 8 x 8 multiple-input multiple-output (MIMO) is selected since it is able to arrange and configure long-edge and short-edge antennas. The system does not use an outer decoupling structure and shows the satisfactory MIMO characteristics with a wide decoupling -10 dB bandwidth of 7.4% and 4.8% respectively in a low-frequency band and a high-frequency band. The simulation result is verified by using the produced prototype and a good result is obtained. In addition, as a result of safety analysis based on electromagnetic wave absorption rate and power density in a regulated frequency band by using an actual human body model, it is checked that the safety guidelines are met. Since the mm-wave band under 6 GHz is integrated with a single small structure with a great frequency ratio and excellent MIMO performance, the proposed antenna system is proper for the 5G mobile handheld devices from now on.

Description

다중 대역 주파수 재구성 가능한 안테나{MULTI-BAND FREQUENCY RECONFIGURABLE ANTENNA}MULTI-BAND FREQUENCY RECONFIGURABLE ANTENNA

본 기술은 다중 대역 주파수 재구성 가능한 안테나와 관련된다. The present technology relates to a multi-band frequency reconfigurable antenna.

이동 통신은 일상 생활에서 일반적으로 사용되며 가장 활발한 사회 발전 분야 중 하나이다. 데이터와 정보의 급격한 증가로 인해 현대 무선 네트워크에는 낮은 레이턴시(latency)의 고속 데이터 속도가 필요하다. 5G 셀룰러 및 LAN(local area network)은 현재 통신 기술의 한계를 극복할 수 있는 유망한 솔루션이 될 것으로 예상된다. 연방 통신위원회는 24, 28, 37-39 및 60GHz를 포함하여 5G 통신의 작동 주파수로 밀리미터 파 (mm 파) 스펙트럼을 제안하였다.Mobile communication is commonly used in everyday life and is one of the most active areas of social development. Due to the rapid growth of data and information, modern wireless networks require high data rates with low latency. 5G cellular and local area networks (LANs) are expected to be promising solutions that can overcome the limitations of current communication technologies. The Federal Communications Commission has proposed the millimeter wave (mm wave) spectrum as operating frequencies for 5G communications, including 24, 28, 37-39 and 60 GHz.

그러나 제안된 스펙트럼은 전파(propagation)와 관련된 단점을 가지며, 이는 네트워크 배치에도 영향을 미칠 수 있다. 주요 5G 중대역(mid-band, 3.4-3.6GHz)은 ITU WRC-15에 의해 할당되었으며 이미 광대역 셀룰러 통신 시스템에 배치되었다. 이 대역은 더 적은 전파 손실(propagation loss)로 더 넓은 영역의 커버리지(covrage)를 제공할 수 있으나, 단거리 실내 링크용 mm 파 대역은 아직 개발 단계에 있다. 향후 mm 파 대역(예 : 28GHz)이 있는 주요 5G 대역은 추가 용량이 중요한 도시 지역의 고밀도 5G 소형 셀 네트워크에 적합하다. 이러한 주파수 대역은 더 넓은 영역 커버리지를 위한 매크로 셀에도 적합하다. However, the proposed spectrum has disadvantages related to propagation, which may also affect network deployment. The main 5G mid-band (3.4-3.6 GHz) has been allocated by ITU WRC-15 and has already been deployed in broadband cellular communication systems. This band can provide wider coverage with less propagation loss, but the mm-wave band for short-range indoor links is still in the development stage. In the future, major 5G bands with mm-wave bands (eg 28 GHz) are suitable for high-density 5G small cell networks in urban areas where additional capacity is important. This frequency band is also suitable for macro cells for wider area coverage.

높은 데이터 속도로 많은 양의 트래픽을 지원하기 위해 가장 빠른 5G 서비스에는 5G 중대역(3.5GHz)에서 약 100MHz 대역폭이 필요하고 mm 파 대역 (28GHz)에서 1GHz 대역폭이 필요하다. 이러한 목표를 달성하기 위해 대한민국을 포함하는 여러 국가들은 3.5GHz 및 28GHz 대역에서 사업자 당 각각 80MHz 및 800MHz 대역폭을 부여하였다.To support large amounts of traffic at high data rates, the fastest 5G services require approximately 100 MHz bandwidth in the 5G mid-band (3.5 GHz) and 1 GHz bandwidth in the mm-wave band (28 GHz). To achieve this goal, several countries, including Korea, have granted 80 MHz and 800 MHz bandwidths per operator in the 3.5 GHz and 28 GHz bands, respectively.

6GHz 미만 및 밀리미터 파 대역을 처리하기 위해 다중 대역 기능과 큰 주파수 비율을 가진 안테나는 향후 5G 애플리케이션에서 중요한 역할을 한다. 6GHz 미만 5G 통신용 안테나를 설계하기 위해 상당한 연구가 이루어졌으며, 몇 가지 콤팩트한 크기의 mm 파 안테나가 제안되었다. 종래 기술의 대부분은 해당 주파수 대역들에 대해 별도의 안테나를 사용하였다. Antenna with multi-band capability and large frequency ratio to handle sub-6 GHz and millimeter wave bands will play an important role in future 5G applications. Considerable research has been done to design antennas for sub-6GHz 5G communication, and several compact-sized mm wave antennas have been proposed. Most of the prior art uses separate antennas for corresponding frequency bands.

그러나 여러 단일 대역 안테나에 대한 핸드셋의 공간 제한은 해결하기 곤란한 문제이며, 6GHz 이하 대역 안테나 및 mm 파 대역 안테나의 통합은 이 분야에 대한 연구자들의 이목을 집중시켰다. 미래의 5G 기술은 할당된 무선 주파수 대역 (예 : sub-6GHz 및 mm 파 대역)을 커버할 수 있는 주파수 재구성 기능을 갖춘 소형 크기의 안테나를 요구한다.However, the space limitation of the handset for multiple single-band antennas is a difficult problem to solve, and the integration of sub-6GHz band antennas and mm wave band antennas has drawn the attention of researchers in this field. Future 5G technologies will require small-sized antennas with frequency reconfiguration that can cover the allocated radio frequency bands (eg sub-6 GHz and mm-wave bands).

본 실시예에 의한 다중 대역 주파수 재구성 가능한 안테나는: 복수의 단일 안테나 요소들이 배치되어 형성되며, 단일 안테나 요소는: 미앤더 패치(meander patch)와, 마이크로스트립 패치(microstrip patch) 및 미앤더 패치와, 마이크로 스트립 패치를 연결하는 RF 스위치가 기판의 제1 면에 형성되고, 기판의 제2 면에는 절단된 그라운드 플레인(truncated ground plane)이 형성된다. The multi-band frequency reconfigurable antenna according to this embodiment is formed by disposing a plurality of single antenna elements, the single antenna element comprising: a meander patch, a microstrip patch, and a meander patch; , an RF switch for connecting the microstrip patch is formed on the first surface of the substrate, and a truncated ground plane is formed on the second surface of the substrate.

본 실시예의 어느 한 측면에 의하면, RF 스위치가 도통되면, 미앤더 패치가 6 GHz 미만 대역에서 안테나를 공진시키고, RF 스위치가 차단되면, 마이크로스트립 패치가 mm 파 대역에서 안테나를 공진시킨다. According to one aspect of this embodiment, when the RF switch is turned on, the meander patch resonates the antenna in a band less than 6 GHz, and when the RF switch is turned off, the microstrip patch resonates the antenna in the mm wave band.

본 실시예의 어느 한 측면에 의하면, 절단된 그라운드 플레인은 기판의 제2 면의 RF 스위치와 마이크로스트립 패치의 위치에 상응하도록 위치한다.According to one aspect of the present embodiment, the cut ground plane is positioned to correspond to the position of the RF switch and the microstrip patch on the second surface of the substrate.

본 실시예의 어느 한 측면에 의하면, RF 스위치는 PIN 다이오드이다.According to one aspect of this embodiment, the RF switch is a PIN diode.

본 실시예의 어느 한 측면에 의하면, 복수의 단일 안테나 요소들은 직사각형 형태를 가지는 기판의 긴 변을 따라 배치되거나, 직사각형 기판를 가지는 기판의 짧은 변을 따라 배치된다.According to one aspect of the present embodiment, the plurality of single antenna elements are disposed along a long side of a substrate having a rectangular shape or disposed along a short side of a substrate having a rectangular shape.

본 실시예의 어느 한 측면에 의하면, 미앤더 패치는, 직사각형 패턴과 직사각형 패턴과 일 단이 연결된 지그재그 패턴을 포함하며, RF 스위치는 지그재그 패턴의 타단과 연결된다.According to one aspect of the present embodiment, the meander patch includes a rectangular pattern and a zigzag pattern having one end connected to the rectangular pattern, and the RF switch is connected to the other end of the zigzag pattern.

본 실시예의 어느 한 측면에 의하면, 마이크로 스트립 패치는, “山”형태를 가진다.According to one aspect of the present embodiment, the microstrip patch has a “mountain” shape.

본 실시예의 어느 한 측면에 의하면, 단일 안테나 요소는, RF 스위치가 도통되면 저항과 인덕터의 직렬 연결된 형태의 등가 회로로 표현되고, RF 스위치가 차단되면 병렬 연결된 커패시터와 저항들이 인덕터와 직렬 연결된 형태의 등가 회로로 표현된다.According to one aspect of this embodiment, the single antenna element is expressed as an equivalent circuit of a series-connected type of resistor and inductor when the RF switch is turned on, and when the RF switch is blocked, capacitors and resistors connected in parallel are connected in series with the inductor It is expressed as an equivalent circuit.

본 실시예의 어느 한 측면에 의하면, 기판은 유전체 물질을 포함하고, 유전체 물질의 상대 유전율(εr)은 2 보다 큰 물질이다.According to one aspect of this embodiment, the substrate comprises a dielectric material, wherein the relative permittivity [epsilon]r of the dielectric material is greater than two.

본 실시예의 어느 한 측면에 의하면, 안테나는 MIMO(multiple input multiple output) 안테나이다.According to one aspect of this embodiment, the antenna is a multiple input multiple output (MIMO) antenna.

본 실시예에 의한 안테나는 단순한 구조, 합리적인 이득, 높은 방사 효율 및 주파수 재구성의 장점을 제공하여 기존의 최신 기술과 달리 저주파 및 고주파 5G 애플리케이션에 적합하다는 장점이 제공된다.The antenna according to this embodiment provides the advantages of simple structure, reasonable gain, high radiation efficiency, and frequency reconstruction, so that it is suitable for low-frequency and high-frequency 5G applications, unlike the existing state-of-the-art technology.

도 1(a)는 본 실시예에 의한 안테나의 구성 A(Configuration A)를 도시한 도면이고, 도 1(b)는 본 실시예에 의한 안테나의 구성 B(Configuration B)를 도시한 도면이다.
도 2(a)는 단일 안테나 요소의 개요를 도시한 도면이고, 도 2(b)는 단일 안테나 요소에서 미앤더 패치와 마이크로 스트립 패치 및 PIN 다이오드의 연결관계를 도시한 도면이며, 도 2(c)는 절단된 접지 구조를 도시한 도면이다.
도 3은 PIN 다이오드 ON 상태 및 OFF 상태에 대한 시뮬레이션에 사용된 등가 회로를 도시한 도면이다.
도 4(a)는 RF 스위치 ON 상태에서 표면 전류를 도시한 도면이고, 도 4(b)는 RF 스위치 OFF 상태에서 표면 전류를 도시한 도면이다.
도 5(a) 및 도 5(b)는 구성 A에서 안테나 요소의 시뮬레이션된 반사 계수와 3.5 및 28GHz에서의 상응하는 절연(isolation)을 예시한 도면이고, 도 5 (c)와 도 5(d)는 각각 상응하는 낮은 주파수 대역과 높은 주파수 대역에서 구성 B에 대한 반사 계수와 절연(isolation)을 도시한 도면이다.
도 6은 제안된 MIMO 안테나 시스템의 상응하는 스위칭 상태에서 시뮬레이션된 ECC 성능을 도시한다.
도 7은 본 실시예에 의한 안테나에서 연산된 DG 값을 도시한 도면이다.
도 8(a)와 도 8(b)는 구성 A와 구성 B에 대한 두 주파수에서 3 차원 방사 패턴을 도시한 도면이다.
도 9 (a) 및 도 (b)는 각각 구성 A 및 B에 대한 3.5GHz 대역에서 10g 평균 SAR의 분포를 도시한 도면이다.
도 10은 28GHz에서 두 구성에 대한 PD 분포를 도시한 도면이다.
도 11(a) 및 도 11(b)는 각각 구성 A 및 구성 B에 대한 선(15mm)을 따라 공간 PD 강도를 도시한 도면이다.
1 (a) is a diagram showing configuration A (Configuration A) of the antenna according to the present embodiment, and FIG. 1 (b) is a diagram showing configuration B (Configuration B) of the antenna according to the present embodiment.
Figure 2 (a) is a view showing the outline of a single antenna element, Figure 2 (b) is a view showing the connection relationship between the meander patch, micro strip patch and PIN diode in a single antenna element, Figure 2 (c) ) is a diagram showing the cut ground structure.
3 is a diagram showing an equivalent circuit used for simulation for a PIN diode ON state and OFF state.
Figure 4 (a) is a view showing the surface current in the RF switch ON state, Figure 4 (b) is a view showing the surface current in the RF switch OFF state.
5(a) and 5(b) are diagrams illustrating simulated reflection coefficients of the antenna element in configuration A and the corresponding isolation at 3.5 and 28 GHz, and FIGS. 5(c) and 5(d) ) is a diagram showing the reflection coefficient and isolation for configuration B in the corresponding low and high frequency bands, respectively.
6 shows the simulated ECC performance in the corresponding switching state of the proposed MIMO antenna system.
7 is a diagram illustrating a DG value calculated by the antenna according to the present embodiment.
8(a) and 8(b) are diagrams illustrating three-dimensional radiation patterns at two frequencies for configuration A and configuration B;
9 (a) and (b) are diagrams showing the distribution of 10 g average SAR in the 3.5 GHz band for configurations A and B, respectively.
10 is a diagram illustrating PD distributions for two configurations at 28 GHz.
11(a) and 11(b) are diagrams illustrating spatial PD intensity along a line (15 mm) for configuration A and configuration B, respectively.

본 실시예는 5G 휴대용 장치를 위해 소형 이중 대역 주파수 재구성 가능 안테나와 관련된다. 무선 주파수 PIN 다이오드 스위치는 본 실시예에 의한 안테나 시스템에 두 가지 작동 상태를 제공한다. 제안된 안테나는 5G 애플리케이션의 경우 최대 3.39-3.66GHz (ON 상태) 및 27.40-28.60GHz (OFF 상태)를 커버할 수 있다. 미 앤더 방사 패치(meandered radiating patch)와 잘린 접지 구조(truncated ground structure)를 사용하여 상당한 크기 감소 및 대역폭 향상을 이룰 수 있다. This embodiment relates to a small dual-band frequency reconfigurable antenna for a 5G portable device. The radio frequency PIN diode switch provides two operating states to the antenna system according to the present embodiment. The proposed antenna can cover up to 3.39-3.66 GHz (ON state) and 27.40-28.60 GHz (OFF state) for 5G applications. Significant size reduction and bandwidth enhancement can be achieved by using meandered radiating patches and truncated ground structures.

향후 5G 통신을 위한 채널 용량과 스펙트럼 효율성을 향상시키기 위해 가능한 직사각형 기판의 단변(short edge) 및 장변(long edge) 안테나 배치 구성을 갖춘 8 × 8 MIMO가 채택되었다. 미앤더 방사 패치(meandered radiating patch)와 잘린 접지 구조(truncated ground structure)로부터 외부 디커플링 구조를 사용하지 않고도 두 구성 모두에서 만족스러운 디커플링 대역폭을 얻을 수 있었다. In order to improve the channel capacity and spectral efficiency for future 5G communication, 8 × 8 MIMO with short edge and long edge antenna layout configuration of possible rectangular substrate was adopted. From the meandered radiating patch and the truncated ground structure, satisfactory decoupling bandwidths were obtained in both configurations without the use of an external decoupling structure.

프로토타입을 구축하고 측정을 통해 성능을 검증하였다. 측정된 결과는 시뮬레이션과 합리적으로 연관되었다. 안전 문제를 위해 SAR 및 PD 분석은 각각 저주파 및 고주파에서 수행되었다. SAR과 PD는 모두 전기 전자 공학 연구소 (IEEE)와 국제 비 이온화 방사선 방호위원회 (ICNIRP)의 규정된 안전 한계를 준수하는 것으로 밝혀졌다. A prototype was built and performance was verified through measurement. The measured results were reasonably related to the simulation. For safety concerns, SAR and PD analyzes were performed at low and high frequencies, respectively. Both SAR and PD have been found to comply with the safety limits prescribed by the Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) and the International Commission on the Protection of Non-Ionizing Radiation (ICNIRP).

8 × 8 8 × 8 MIMOMIMO 안테나 구성의 설계 The design of the antenna configuration

도 1은 제안된 8 × 8 MIMO 안테나 시스템의 구조를 도시한 도면으로, 도 1(a)는 본 실시예에 의한 안테나의 구성 A(Configuration A, 10A)를 도시한 도면이고, 도 1(b)는 본 실시예에 의한 안테나의 구성 B(Configuration B, 10B)를 도시한 도면이다. 도 1(a) 내지 도 1(b)를 참조하면, 구성 A(Configuration A, 10A)에서 8 개 안테나 요소 (Ant-A1 ~ Ant- A8)는 기판의 두 짧은 변(short edge)을 따라 대칭으로 배열된다. 구성 B(Configuration B, 10B)에서 안테나 요소 (Ant-B1 ~ Ant-B8)는 시스템 기판의 긴 변(long edge)를 따라 배치된다. 최소 절연을 얻기 위해 구성 A(10A)와 구성 B(10A)에서 가장 가까운 두 안테나 요소들은 각각 13.2 mm 및 41.7 mm 간격으로 이격되었다. 설계된 8 개 안테나 요소는 Rogers RT / duroid 5880 기판에 상대 유전율(εr = 2.2), 손실 탄젠트(loss tan, tanδ)는 0.0009, 두께 0.508mm로 인쇄되었다. 기판의 유형과 두께는 밀리미터 파 대역에서의 손실과 제조 능력 보상하기 위해 선택되었다. 시스템 기판으로 삼성 Galaxy S10 5G에 상응하는 162.6mm × 77.7mm의 표준 치수가 선택되었다. 스위칭 소자를 포함하는 방사 패치와 접지면이 각각 기판의 전면과 배면에 인쇄되었다. 1 is a diagram showing the structure of a proposed 8 × 8 MIMO antenna system, FIG. 1 (a) is a diagram showing configuration A (Configuration A, 10A) of the antenna according to the present embodiment, Figure 1 (b) ) is a diagram showing configuration B (Configuration B, 10B) of the antenna according to the present embodiment. 1 (a) to 1 (b), in Configuration A (Configuration A, 10A), eight antenna elements (Ant-A1 ~ Ant-A8) are symmetrical along two short edges of the substrate are arranged as In the configuration B (Configuration B, 10B), the antenna elements (Ant-B1 to Ant-B8) are arranged along the long edge of the system board. To obtain minimum insulation, the two closest antenna elements in configuration A (10A) and configuration B (10A) were spaced apart by 13.2 mm and 41.7 mm spacing, respectively. The designed eight antenna elements were printed on a Rogers RT / duroid 5880 substrate with a relative permittivity (εr = 2.2), loss tan (tanδ) of 0.0009, and a thickness of 0.508 mm. The substrate type and thickness were chosen to compensate for losses in the millimeter wave band and manufacturability. As the system board, standard dimensions of 162.6mm × 77.7mm corresponding to the Samsung Galaxy S10 5G were selected. A radiating patch including a switching element and a ground plane were printed on the front and back surfaces of the substrate, respectively.

안테나 시스템 설계 및 최적화는 유한 요소 방법(FEM, finite element method) 기반 시뮬레이터 ANSYS HFSS를 사용하여 수행되었다. SAR 및 PD 분석과 같은 안전성 평가는 실제적 인체 모델로 유한 차분 시간 영역(FDTD, finite difference time domain) 기반 솔버 기반 솔버 Sim4LifeTM (Zurich MedTech AG, Switzerland)를 사용하여 수행되었다. 방사선 패턴이 머리에 미치는 영향은 FDTD 기반 Remcom을 사용하여 평가되었다.Antenna system design and optimization was performed using a finite element method (FEM) based simulator ANSYS HFSS. Safety evaluations such as SAR and PD analysis were performed using a finite difference time domain (FDTD)-based solver-based solver Sim4LifeTM (Zurich MedTech AG, Switzerland) as a realistic human body model. The effect of radiation patterns on the head was assessed using the FDTD-based Remcom.

B. 단일 안테나 요소의 설계B. Design of single antenna element

도 2(a)는 단일 안테나 요소의 개요(100)를 도시한 도면이고, 도 2(b)는 단일 안테나 요소에서 미앤더 패치(112)와 마이크로 스트립 패치(114) 및 RF 스위치(114)인 PIN 다이오드의 연결관계를 도시한 도면이며, 도 2(c)는 절단된 접지 구조(truncated ground plane, 120)를 도시한 도면이다. FIG. 2(a) is a diagram showing an overview 100 of a single antenna element, and FIG. 2(b) is a meander patch 112 and a microstrip patch 114 and an RF switch 114 in a single antenna element. It is a diagram showing the connection relationship of the PIN diode, and FIG. 2( c ) is a diagram showing a truncated ground plane 120 .

도 2(a) 내지 도 2(c)를 참조하면, 단일 안테나 요소(100)는: 미앤더 패치(meander patch, 110)와, 마이크로스트립 패치(microstrip patch, 120) 및 미앤더 패치(110)와, 마이크로스트립 패치(120)를 연결하는 RF 스위치(130)가 기판의 제1 면에 형성되고, 기판의 제2 면에는 절단된 그라운드 플레인(truncated ground plane, 150)이 형성된다. 2( a ) to 2 ( c ), the single antenna element 100 includes: a meander patch 110 , a microstrip patch 120 and a meander patch 110 . And, an RF switch 130 connecting the microstrip patch 120 is formed on the first surface of the substrate, and a truncated ground plane 150 is formed on the second surface of the substrate.

도 2(a) 내지 도 2(c)로 예시된 것과 같이 미앤더 패치(110)는, 직사각형 패턴(112)과 직사각형 패턴과 일 단이 연결된 지그재그 패턴(114)을 포함하며, RF 스위치(130)는 지그재그 패턴(114)의 타단과 연결된다. As illustrated in FIGS. 2 ( a ) to 2 ( c ), the meander patch 110 includes a rectangular pattern 112 and a zigzag pattern 114 with one end connected to the rectangular pattern, and the RF switch 130 . ) is connected to the other end of the zigzag pattern 114 .

도면으로 예시된 바와 같이 마이크로로스트립 패치(120)는, “山”형태를 가지며, 절단된 접지 구조(120)는 기판의 제2 면에 지그재그 패턴(114)과 RF 스위치(130)에 상응하도록 위치한다.As illustrated in the figure, the microlostrip patch 120 has a “mountain” shape, and the cut ground structure 120 corresponds to the zigzag pattern 114 and the RF switch 130 on the second surface of the substrate. Located.

단일 안테나 요소(100)는 미앤더 패치(110)와, 마이크로스트립 패치(120) 및 미앤더 패치(110)와, 마이크로스트립 패치(120)를 연결하는 RF 스위치(130)인 PIN 다이오드 스위치를 포함한다. 제안된 단일 안테나 소자(100)는 15.3mm × 7.2mm × 0.508mm의 크기를 갖는다. 도 2(c)를 참조하면, 도시된 바와 같이 절단된 접지 구조(truncated ground structure, 120)를 사용하여 소형화 및 넓은 대역폭을 얻을 수 있다. 안테나로 방사할 신호는 너비가 1mm 인 50 인치 마이크로 스트립 피드 라인(미도시)을 통해 피딩된다.The single antenna element 100 includes a meander patch 110 , a microstrip patch 120 , and a PIN diode switch that is an RF switch 130 connecting the meander patch 110 and the microstrip patch 120 . do. The proposed single antenna element 100 has a size of 15.3 mm × 7.2 mm × 0.508 mm. Referring to FIG. 2( c ), as illustrated, it is possible to obtain miniaturization and a wide bandwidth by using a truncated ground structure 120 . The signal to be radiated to the antenna is fed through a 50 inch microstrip feed line (not shown) with a width of 1 mm.

재구성 특성을 활용하여 마이크로스트립 패치(120)와 미앤더 패치(110)는 RF 스위치(130)를 통하여 단일 구조를 형성하도록 결합된다. RF 스위치(130)인 PIN 다이오드는 두 부분 사이에 배치되어 스위칭 상태를 변경하여 3.5 및 28 GHz에서 안테나를 공진시킨다. DC 차단 커패시터(도 2(a) capacitors)는 RF 소스로 DC 바이어스 전압 입력을 차단하기 위해 두 부분 사이에 배치된다. PIN 다이오드가 ON 상태인 동안 안테나는 3.5GHz에서 작동한다. 반면 OFF 상태에서는 28GHz의 mm 파 대역에서 작동한다. 제안된 8 개의 단일 안테나 요소를 포함하는 MIMO 안테나는 구성 A, 구성 B 모두에서 제작되었다. Infineon의 실리콘 PIN 다이오드 (BER90-22EL)는 낮은 삽입 손실과 빠른 스위칭 시간으로 인해 제안된 설계에 사용된다. 각 구성에서 8 개의 PIN 다이오드가 납땜되고 기판 상단 표면의 바이어스 회로가 함께 제공된다. 다이오드에 대한 바이어스 전압은 점퍼 와이어를 통해 제공되었다. Utilizing the reconstruction characteristics, the microstrip patch 120 and the meander patch 110 are combined to form a single structure through the RF switch 130 . A PIN diode, RF switch 130, is placed between the two parts to change the switching state to resonate the antenna at 3.5 and 28 GHz. A DC blocking capacitor (Fig. 2(a) capacitors) is placed between the two parts to block the DC bias voltage input to the RF source. While the PIN diode is ON, the antenna operates at 3.5 GHz. On the other hand, in the OFF state, it operates in the mm-wave band of 28 GHz. The proposed MIMO antenna including 8 single antenna elements was fabricated in both configuration A and configuration B. Infineon's silicon PIN diode (BER90-22EL) is used in the proposed design due to its low insertion loss and fast switching time. In each configuration, eight PIN diodes are soldered and provided with a bias circuit on the top surface of the board. The bias voltage for the diode was provided through a jumper wire.

도 3은 PIN 다이오드 ON 상태 및 OFF 상태에 대한 시뮬레이션에 사용된 등가 회로를 도시한 도면이다. ON 상태의 PIN 다이오드에 대해 2.7Ω의 매우 낮은 저항과 0.4nH의 인덕턴스를 고려하였다. 측정과 시뮬레이션 결과 사이의 좋은 상관 관계를 얻으려면 PIN 다이오드가 측정에서 동일한 저항과 인덕턴스를 제공해야 한다. 따라서 이러한 값은 PIN 다이오드의 기술 데이터 시트를 기반으로 고려되었다. 도 3에서 68nH의 RF 초크, 8.2pF의 DC 바이어스 커패시터 및 3.3V의 바이어스 전압 (DC 바이어스 단자에 적용)을 포함하여 측정에 사용된 바이어스 회로의 세부 사항을 도시되었다. 또한, PIN 다이오드의 OFF 상태에 대한 시뮬레이션에서 바이어싱 전압 0V를 적용했을 때 BER90-22EL의 데이터 시트에 따라 각 다이오드의 정전 용량과 역저항을 각각 0.2pF와 1.6kΩ으로 할당하였다.3 is a diagram showing an equivalent circuit used for simulation for a PIN diode ON state and OFF state. A very low resistance of 2.7Ω and an inductance of 0.4nH were considered for the PIN diode in the ON state. To get a good correlation between the measurement and simulation results, the PIN diode must provide the same resistance and inductance in the measurement. Therefore, these values were considered based on the technical data sheet of the PIN diode. 3 shows the details of the bias circuit used for the measurements, including an RF choke of 68nH, a DC bias capacitor of 8.2pF, and a bias voltage of 3.3V (applied to the DC bias terminal). In addition, when a biasing voltage of 0V was applied in the simulation of the OFF state of the PIN diode, the capacitance and reverse resistance of each diode were assigned as 0.2pF and 1.6kΩ, respectively, according to the data sheet of BER90-22EL.

도 3(b)로 예시된 것과 같이, 단일 안테나 요소(100)는 RF 스위치(130)가 도통되면 저항과 인덕터의 직렬 연결된 형태의 등가 회로로 표현되고, RF 스위치(130)가 차단되면 병렬 연결된 커패시터와 저항들이 인덕터와 직렬 연결된 형태의 등가 회로로 표현된다.As illustrated in FIG. 3( b ), the single antenna element 100 is expressed as an equivalent circuit of a series-connected type of resistor and inductor when the RF switch 130 is turned on, and connected in parallel when the RF switch 130 is blocked. Capacitors and resistors are represented as equivalent circuits in series with inductors.

해당 주파수에서 제안된 안테나의 표면 전류 분포는 도 4(a) 및 도 4(b)로 도시되었다. 도 4(a) 및 도 4(b)는 안테나의 작동 원리를 설명한 도면이다. 도 4(a)로 예시된 ON 상태에서 스위치는 전류가 마이크로 스트립 패치 부분에서 3.5GHz 공진을 담당하는 미앤더 구조로 흐르도록 한다. OFF 상태에서 스위치는 방사 구조를 마이크로 스트립 패치 부분으로만 제한한다. 따라서 전류 분포는 도 4 (b)와 같이 마이크로 스트립 패치에만 집중되어 28GHz에서 공진이 발생한다.The surface current distribution of the proposed antenna at the corresponding frequency is shown in FIGS. 4(a) and 4(b). 4 (a) and 4 (b) are diagrams for explaining the operating principle of the antenna. In the ON state illustrated in Fig. 4(a), the switch causes current to flow into the meander structure responsible for the 3.5 GHz resonance in the microstrip patch portion. In the OFF state, the switch limits the radiating structure to only the microstrip patch portion. Therefore, the current distribution is concentrated only on the microstrip patch, as shown in Fig. 4(b), and resonance occurs at 28 GHz.

도 5(a) 및 도 5(b)는 구성 A에서 안테나 요소의 시뮬레이션된 반사 계수와 3.5 및 28GHz에서의 상응하는 절연(isolation)을 예시한 도면이고, 도 5 (c)와 도 5(d)는 각각 상응하는 낮은 주파수 대역과 높은 주파수 대역에서 구성 B에 대한 반사 계수와 절연(isolation)을 도시한 도면이다. 도 5에서 볼 수 있듯이 두 구성 모두에서 제안된 MIMO 안테나는 스위치가 켜져 있을 때 목적으로 하는 5G 3.5GHz 대역(3.45-3.55GHz)을 커버하고, OFF 상태에서 안테나는 mm 파 대역 28GHz에서 1060MHz의 대역폭으로 작동한다. 두 구성의 모든 안테나 요소는 우수한 임피던스 매칭을 보여주었다. 구성 A에서 일부 안테나 요소의 반사 계수는 밀착으로 인해 3.5GHz에서 약간 벗어났으나, 대역폭은 목표 대역을 커버하기에 충분한 것을 알 수 있다.5(a) and 5(b) are diagrams illustrating simulated reflection coefficients of the antenna element in configuration A and the corresponding isolation at 3.5 and 28 GHz, and FIGS. 5(c) and 5(d) ) is a diagram showing the reflection coefficient and isolation for configuration B in the corresponding low and high frequency bands, respectively. As can be seen in Figure 5, the proposed MIMO antenna in both configurations covers the target 5G 3.5GHz band (3.45-3.55GHz) when the switch is on, and in the OFF state, the antenna has a bandwidth of 1060MHz in the mm wave band 28GHz. works with All antenna elements in both configurations showed good impedance matching. It can be seen that in configuration A, the reflection coefficients of some antenna elements slightly deviate from 3.5 GHz due to tightness, but the bandwidth is sufficient to cover the target band.

제안된 MIMO 안테나 시스템은 또한 두 구성에서 다양한 안테나 요소 간의 상호 결합에 대해 평가되었다. 각 구성에서 안테나 요소의 유사한 구조와 대칭 배치로 인해 전송 계수 S12-S18 및 S23 만 평가되었다. 미앤더 방사 구조(meandered radiating structure)와 절단된 접지면(truncated ground plane)에 의한 접지 효과 감소로 인해 작동 대역폭 전반에 걸쳐 낮은 주파수 대역에서도 바람직한 절연이 달성되었다. 도 5 (a) 및 도 5(c)에서 도시된 바와 같이 주요 5G 대역(3.5GHz)에서 구성 A와 B에서 각각 가장 가까운 안테나 요소 사이의 14dB와 24.5dB의 분리를 얻을 수 있었다. 구성 A 및 B에 대해 각각 mm 파 대역 (28GHz)에서 가장 가까운 안테나 요소간에 33.7 및 36.4dB의 만족스러운 절연을 얻을 수 있었다. 28GHz에서 향상된 절연은 mm 파 대역의 매우 짧은 파장에서 기인한 것으로 파악되며, 3.5GHz에서 가장 가까운 안테나 요소 (Ant-A1 및 -A2) 사이의 절연(isolation) 값은 안테나 요소 간의 거리가 짧기 때문에 비교적 작지만 제안된 MIMO 안테나의 상호 결합은 6GHz 이하 및 mm 파 대역에서. 여러 5G 안테나보다 여전히 우수하다. The proposed MIMO antenna system was also evaluated for mutual coupling between various antenna elements in the two configurations. Due to the similar structure and symmetrical arrangement of the antenna elements in each configuration, only the transmission coefficients S12-S18 and S23 were evaluated. Desirable isolation is achieved even in low frequency bands across the operating bandwidth due to reduced grounding effects by the meandered radiating structure and truncated ground plane. As shown in Fig. 5(a) and Fig. 5(c), 14dB and 24.5dB separation between the nearest antenna elements were obtained in configurations A and B, respectively, in the main 5G band (3.5GHz). For configurations A and B, satisfactory isolation of 33.7 and 36.4 dB was obtained between the nearest antenna elements in the mm wave band (28 GHz), respectively. The improved insulation at 28 GHz is believed to be due to the very short wavelength of the mm wave band, and the isolation value between the closest antenna elements (Ant-A1 and -A2) at 3.5 GHz is relatively low due to the short distance between the antenna elements. Although small, the mutual coupling of the proposed MIMO antenna is limited to sub-6 GHz and mm wave bands. Still better than many 5G antennas.

제안된 5G MIMO 안테나 시스템의 성능을 검증하기 위해 엔벨롭 상관 계수 (ECC, envelop correlation coefcient)와 다이버시티 이득(DG, diversity gain)을 평가하였다. 엔벨롭 상관 계수(ECC) < 0.5 인 경우에 활용가능한 성능을 얻을 수 있다. ECC는 수신된 신호 엔벨로프를 사용하거나 S- 파라미터 또는 방사 패턴을 사용하여 복잡한 상호 상관을 추정하는 등 여러 방법을 통해 계산할 수 있다. 이 작업에서 시뮬레이션 된 ECC는 다음 방정식을 기반으로 안테나 요소의 방사 패턴으로부터 계산되었다.To verify the performance of the proposed 5G MIMO antenna system, envelope correlation coefcient (ECC) and diversity gain (DG) were evaluated. Usable performance can be obtained when the envelope correlation coefficient (ECC) < 0.5. ECC can be calculated in several ways, including using the received signal envelope or estimating complex cross-correlations using S-parameters or radiation patterns. In this work, the simulated ECC was calculated from the radiation pattern of the antenna element based on the following equation.

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112021049603605-pat00001
Figure 112021049603605-pat00001

여기서 ρij는 ECC를 나타내고,

Figure 112021049603605-pat00002
(θ, φ) 및
Figure 112021049603605-pat00003
(θ, φ)는 i, j = 1, 2, 3,…, 8 에서 i 번째 및 j 번째 안테나 요소의 방사 패턴이다.where ρij denotes ECC,
Figure 112021049603605-pat00002
(θ, φ) and
Figure 112021049603605-pat00003
(θ, φ) is i, j = 1, 2, 3,… , 8 are the radiation patterns of the i-th and j-th antenna elements.

도 6은 제안된 MIMO 안테나 시스템의 상응하는 스위칭 상태에서 시뮬레이션된 ECC 성능을 도시한다. 가장 가까운 안테나 요소 사이의 최대 ECC는 3.5GHz에서 관찰되었으며 구성 A와 구성 B에 대해 각각 0.11 및 0.02 값을 얻었으며, 이는 허용되는 ECC 값인 0.5보다 낮았다. MIMO 성능 특성에서 또 다른 중요한 파라미터는 신호 대 잡음비를 사용하여 안테나 요소의 방사 성능 저하를 정량화하는 다이버시티 이득(DG)이다. 해당 DG 값은 수학식 1의 (2)식을 사용하여 계산되었으며 도 7로 도시되었다. 도 5 및 도 6에서 볼 수 있듯이 두 구성의 모든 주파수 대역에 대해 계산된 ECC 및 DG 값을 기반으로 좋은 MIMO 다이버시티 성능이 관찰되었다.6 shows the simulated ECC performance in the corresponding switching state of the proposed MIMO antenna system. The maximum ECC between the nearest antenna elements was observed at 3.5 GHz and obtained values of 0.11 and 0.02 for configuration A and configuration B, respectively, which were lower than the acceptable ECC value of 0.5. Another important parameter in MIMO performance characteristics is diversity gain (DG), which quantifies the radiation degradation of an antenna element using the signal-to-noise ratio. The corresponding DG value was calculated using Equation (2) in Equation 1 and is shown in FIG. 7 . 5 and 6, good MIMO diversity performance was observed based on the calculated ECC and DG values for all frequency bands of the two configurations.

도 8(a)와 도 8(b)는 구성 A와 구성 B에 대한 두 주파수에서 3 차원 방사 패턴을 보여준다. 이러한 패턴은 FDTD 기반 시뮬레이터 Remcom에서 실제 인간의 머리와 손 모델에서 평가되었다. 도 8로 예시된 것과 같이 두 구성 모두에서 제안된 MIMO 안테나 요소는 바깥쪽으로 방사된다. 그러나 일부 안테나 요소는 손가락과 밀착되어 손 조직의 전력 흡수로 인해 방사 동작을 약간 방해한다.8(a) and 8(b) show three-dimensional radiation patterns at two frequencies for configuration A and configuration B. These patterns were evaluated on real human head and hand models in the FDTD-based simulator Remcom. As illustrated in FIG. 8, the proposed MIMO antenna element in both configurations radiates outward. However, some antenna elements are in close contact with the fingers, slightly impeding the radiating action due to the power absorption of the hand tissue.

무선 단말 장치의 전자기(EM) 장과 관련된 중요한 안전 측면은 사용자의 머리와 손과의 결합이다. IEEE 및 ICNIRP와 같은 국제기구는 전자파에 대한 인체 노출을 제한하기 위한 안전 지침을 수립하였다. 이 지침은 (a) 10GHz 미만의 주파수에서 조직 가열을 방지하기 위한 SAR(Specific Absorption Rate) 및 (b) 10GHz 이상의 주파수에서 신체 표면 근처의 조직 가열을 방지하기 위한 PD(Power Density) 이다. 따라서 사용자 안전을 보장하기 위해 피크 10-g 평균 SAR은 2 W/kg을 초과하지 않아야 한다. 반면 PD는 10 W/m2 미만이어야 한다. Sim4Life의 실제 인간 모델 Duke를 사용하여 제안된 MIMO 안테나의 손과 머리에 근접한 안전성 분석을 수행하였다. 도 9 (a) 및 도 (b)는 각각 구성 A 및 B에 대한 3.5GHz 대역에서 10g 평균 SAR의 분포를 보여준다. 24dBm의 입력 전력은 LTE 스마트 폰의 SAR 계산에 사용되었기 때문에 각 안테나 요소에 대해 설정되었다. 그러나 mm 파 주파수의 경우 전력 표준이 아직 정의되지 않았다. 예상대로 최대 피크 SAR은 도 9와 같이 각 구성에서 안테나 요소에 가장 가까운 손가락에서 관찰되었다. 그러나 ICNIRP 지침의 안전 한계를 준수되었다. 두 구성에서 각 포트에 대한 최대 10g 평균 SAR 값은 아래의 표 1에 요약되어 있다.An important safety aspect associated with the electromagnetic (EM) fields of wireless end devices is the coupling between the user's head and hands. International organizations such as IEEE and ICNIRP have established safety guidelines to limit human exposure to electromagnetic waves. These guidelines are (a) SAR (Specific Absorption Rate) to prevent tissue heating at frequencies below 10 GHz and (b) Power Density (PD) to prevent tissue heating near body surfaces at frequencies above 10 GHz. Therefore, to ensure user safety, the peak 10-g average SAR should not exceed 2 W/kg. On the other hand, PD should be less than 10 W/m 2 . Hand and head proximity safety analysis of the proposed MIMO antenna was performed using Sim4Life's real human model Duke. 9 (a) and (b) show the distribution of the 10 g average SAR in the 3.5 GHz band for configurations A and B, respectively. An input power of 24 dBm was set for each antenna element as it was used in the SAR calculation of the LTE smartphone. However, for mm wave frequencies, power standards have not yet been defined. As expected, the maximum peak SAR was observed in the finger closest to the antenna element in each configuration as shown in FIG. However, the safety limits of the ICNIRP guidelines were observed. The maximum 10g average SAR values for each port in both configurations are summarized in Table 1 below.

Figure 112021049603605-pat00004
Figure 112021049603605-pat00004

높은 주파수 (> 10GHz)에서 낮은 침투 깊이에서 SAR 추정을 위한 합리적인 평균 부피를 결정하기 어렵기 때문에 현재는 PD가 선호된다. 현실적인 시나리오를 고려하여 MIMO 안테나 시스템(그라운드 면)과 헤드 표면 사이의 거리를 약 15mm로 설정하였다. 도 10은 28GHz에서 두 구성에 대한 PD 분포를 도시한다. 도 11(a) 및 도 11(b)는 각각 구성 A 및 구성 B에 대한 선(15mm)을 따라 공간 PD 강도를 보여준다. 상응하는 최대 피크 PD는 2500 및 2000 W/m2이었으며 도 11(a) 및 도 11(b)에 삽입된 도과 같이 거리에 따라 감소하였다. 사람 머리 모델에 대한 PD 노출은 모든 포트에 대해 추정되었으며 표 1에 나열되었다. 두 구성의 최대 PD 값은 24dBm의 입력 전력에 대해 머리 표면에서 규정된 한계인 10 W/m2를 준수하였다.PD is currently preferred because it is difficult to determine a reasonable average volume for SAR estimation at low penetration depths at high frequencies (>10 GHz). Considering a realistic scenario, the distance between the MIMO antenna system (ground plane) and the head surface was set to about 15 mm. Figure 10 shows the PD distributions for both configurations at 28 GHz. 11(a) and 11(b) show the spatial PD intensity along the line (15 mm) for configuration A and configuration B, respectively. The corresponding maximum peak PDs were 2500 and 2000 W/m 2 and decreased with distance as shown in FIGS. 11(a) and 11(b). PD exposures for the human head model were estimated for all ports and are listed in Table 1. The maximum PD value of both configurations complied with the limit prescribed at the head surface of 10 W/m 2 for an input power of 24 dBm.

본 발명에 대한 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나, 이는 실시를 위한 실시예로, 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.Although it has been described with reference to the embodiment shown in the drawings in order to help the understanding of the present invention, this is an embodiment for implementation, it is merely an example, and various modifications and equivalents from those of ordinary skill in the art It will be appreciated that other embodiments are possible. Accordingly, the true technical protection scope of the present invention should be defined by the appended claims.

100: 단일 안테나 요소 110: 미앤더 패치
129: 마이크로스트립 패치 130: RF 스위치
100: single antenna element 110: meander patch
129: microstrip patch 130: RF switch

Claims (10)

다중 대역 주파수 재구성 가능한 안테나로, 상기 안테나는,
복수의 단일 안테나 요소들이 배치되어 형성되며,
상기 단일 안테나 요소는:
미앤더 패치와,
마이크로 스트립 패치 및
상기 미앤더 패치와, 상기 마이크로 스트립 패치를 연결하는 RF 스위치가 기판의 제1 면에 형성되고,
상기 기판의 제2 면에는 절단된 그라운드 플레인(truncated ground plane)이 형성되고,
상기 절단된 그라운드 플레인은
상기 기판의 제2 면의 상기 RF 스위치와 상기 마이크로스트립 패치의 위치에 상응하도록 위치하는 안테나.
A multi-band frequency reconfigurable antenna comprising:
A plurality of single antenna elements are arranged and formed,
The single antenna element comprises:
meander patch,
microstrip patch and
An RF switch connecting the meander patch and the micro strip patch is formed on a first surface of the substrate;
A truncated ground plane is formed on the second surface of the substrate,
The cut ground plane is
An antenna positioned to correspond to the position of the RF switch and the microstrip patch on the second side of the substrate.
제1항에 있어서,
상기 RF 스위치가 도통되면,
상기 미앤더 패치가 6 GHz 미만 대역에서 상기 안테나를 공진시키고,
상기 RF 스위치가 차단되면,
상기 마이크로스트립 패치가 mm 파 대역에서 상기 안테나를 공진시키는 안테나.
According to claim 1,
When the RF switch is turned on,
the meander patch resonates the antenna in a band below 6 GHz;
When the RF switch is blocked,
An antenna in which the microstrip patch resonates the antenna in the mm wave band.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 RF 스위치는 PIN 다이오드인 안테나.
According to claim 1,
The RF switch is a PIN diode antenna.
제1항에 있어서,
상기 복수의 단일 안테나 요소들은
직사각형 형태를 가지는 상기 기판의 긴 변을 따라 배치되거나,
직사각형 기판를 가지는 상기 기판의 짧은 변을 따라 배치되는 안테나.
According to claim 1,
The plurality of single antenna elements are
or disposed along the long side of the substrate having a rectangular shape,
An antenna disposed along a short side of the substrate having a rectangular substrate.
제1항에 있어서,
상기 미앤더 패치는,
직사각형 패턴과
상기 직사각형 패턴과 일 단이 연결된 지그재그 패턴을 포함하며,
상기 RF 스위치는 상기 지그재그 패턴의 타단과 연결된 안테나.
According to claim 1,
The meander patch is
rectangular pattern and
It includes a zigzag pattern having one end connected to the rectangular pattern,
The RF switch is an antenna connected to the other end of the zigzag pattern.
제1항에 있어서,
상기 마이크로 스트립 패치는,
“山”형태를 가지는 안테나.
According to claim 1,
The micro strip patch,
Antenna with a “mountain” shape.
제1항에 있어서,
상기 단일 안테나 요소는,
상기 RF 스위치가 도통되면 저항과 인덕터의 직렬 연결된 형태의 등가 회로로 표현되고,
상기 RF 스위치가 차단되면 병렬 연결된 커패시터와 저항들이 인덕터와 직렬 연결된 형태의 등가 회로로 표현되는 안테나.
According to claim 1,
The single antenna element comprises:
When the RF switch is turned on, it is expressed as an equivalent circuit in the form of a series connection of a resistor and an inductor,
Antenna expressed as an equivalent circuit in which capacitors and resistors connected in parallel are connected in series with an inductor when the RF switch is cut off.
제1항에 있어서,
상기 기판은 유전체 물질을 포함하고,
상기 유전체 물질의 상대 유전율(εr)은 2 보다 큰 물질이고,
상기 기판의 두께는 1mm 미만인 안테나.
According to claim 1,
the substrate comprises a dielectric material;
the relative permittivity (εr) of the dielectric material is greater than 2,
The thickness of the substrate is less than 1 mm antenna.
제1항에 있어서,
상기 안테나는 MIMO(multiple input multiple output) 안테나인 안테나.

According to claim 1,
The antenna is a multiple input multiple output (MIMO) antenna.

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