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A Study on Performance Analysis of MIMO Antenna based on Spatial Diversity in Mobile Devices

정석화 (서강대학교 일반대학원)

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초록/요약moremore
It is essential to cover various frequency bandwidths according to development of wireless mobile communication. Therefore, it becomes using multiple antennas to cover a band in the mobile device, related technologies has led to develop. One of the representative technologies is MIMO (Multiple-Input...
It is essential to cover various frequency bandwidths according to development of wireless mobile communication. Therefore, it becomes using multiple antennas to cover a band in the mobile device, related technologies has led to develop. One of the representative technologies is MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) antenna technology that covers the same frequency band for increasing throughput by using more than one antenna. This dissertation is a study to analyze MIMO antenna performance by using spatial diversity. This dissertation proposes location of main antennas that covers E-UTRA band 1 downlink (2110MHz ~ 2170MHz) and decides which case shows the best antenna performance. When using MIMO antenna technology, interference occurs between the different antennas. To improve antenna performance, it is necessary to reduce interference. There are various method to reduce interference like spatial diversity, pattern diversity, polarization diversity, frequency diversity. Among them, we will use spatial diversity to change location for improvement MIMO antenna performance. PIFA (Planar Inverted F type Antenna) will be used in this study, it has a good resonance characteristic and easy to design. First, we design main reference antenna. After that, we will confirm the performance by changing the location of the main antenna. Parameters to analysis performance are S parameter graph, voltage standing wave ratio (VSWR), efficiency, gain, directivity, radiation pattern, Envelop Correlation Coefficient. The criteria for judging the performance of the antenna, with reference to the Qualcomm’s ‘Diversity antenna design guideline’. Thus minimum criteria for antenna performance will be whether it can cover VSWR 3:1 bandwidth in target band, whether the antenna efficiency exceeds 40%, whether the isolation lower than -8dB, and whether ECC lower than 0.5. SEMCAD X used as the simulation tool. A1, B1, C1, D1 are case of using only one main antenna. With the exception of the directivity and radiation pattern, their performances were the same. A2, B2, C2, D2, E2, F2 are case of using two main antennas. A2, F2 showed the best performance in two MIMO antennas case, gain was 2.69dB higher than the worst case and efficiency was 9.47% higher than the worst case. In addition, isolation and ECC showed the best in A2, F2 case. A3, B3, C3, D3 are case of using three main antennas. A3 showed the best performance in three MIMO antennas case, gain was 0.09dB lower than other case but efficiency was 19.15% higher than the worst case. In each case, isolation and ECC showed a similar value. In conclusion, when applying MIMO antenna technology to antenna that covers the E-UTRA band 1, it is better to locate the antenna as case A2 and F2 if there are 2 main antennas. When using 3 main antennas case A3 is the best for antenna location.
초록/요약moremore
현재 무선 이동 통신 시스템의 발전에 따라 단말기의 한정된 작은 공간에 여러 대역의 주파수를 커버하는 것이 필수이다. 따라서 한 개의 단말기 안에 대역을 커버하기 위한 여러 개의 안테나를 사용하게 되었고 이에 관련된 기술들이 발전하게 되었다. 그 기술 중 대표적인 것이 마이모 안테나 기술로써, 같은 주파수 대역을 커버하는 안테나를 2개 이상 사용하여 데이터 전송속도를 증가 시키는 기술이다. 본 논문은 공간 다이버시티를 사용한 마이모 안테나의 성능 분석에 대한 연구 논문이다. 본 논문에서는 E-UTRA band 1 (2110MHz...
현재 무선 이동 통신 시스템의 발전에 따라 단말기의 한정된 작은 공간에 여러 대역의 주파수를 커버하는 것이 필수이다. 따라서 한 개의 단말기 안에 대역을 커버하기 위한 여러 개의 안테나를 사용하게 되었고 이에 관련된 기술들이 발전하게 되었다. 그 기술 중 대표적인 것이 마이모 안테나 기술로써, 같은 주파수 대역을 커버하는 안테나를 2개 이상 사용하여 데이터 전송속도를 증가 시키는 기술이다. 본 논문은 공간 다이버시티를 사용한 마이모 안테나의 성능 분석에 대한 연구 논문이다. 본 논문에서는 E-UTRA band 1 (2110MHz~2170MHz)을 커버하는 주 안테나와 그 배치에 대한 제안을 한 뒤에 분석을 진행한다. 마이모 안테나 기술을 사용할 때, 서로 다른 안테나들 사이에 간섭이 발생하게 된다. 안테나의 성능을 향상시키기 위해서는 이를 최소화 할 필요성이 있는데, 여러 가지 방법이 존재하지만 본 논문에서는 각 안테나들의 배치를 바꿔서 성능을 향상시키는 연구를 한다. 주 안테나가 1개 사용될 경우 배치에 따른 성능 변화와 마이모 기술을 사용하여 2개, 3개, 4개 사용할 경우 성능이 어떻게 변화하는지 분석하고, 어떤 배치를 할 때 가장 좋은 성능을 내는지 확인한다. 본 연구에 사용할 안테나는 Inverted F Antenna (IFA)로, 이 안테나는 디자인이 쉽고 공진 특성이 좋은 특징을 가지고 있다. 먼저 주 안테나를 제시하고 특정한 위치를 정하여 주 안테나의 배치를 바꿔가면서 성능의 변화를 확인한다. 성능 확인에 사용될 지표는 S parameter, Voltage Standing Wave Ratio (VSWR), Envelop Correlation Coefficient (ECC), 효율, 이득, 지향성, 방사 패턴이 있다. 안테나 성능을 판단하는 기준은 Qualcomm사의 ‘diversity antenna design guideline’을 참고하였다. VSWR 3:1 매칭으로 대역폭을 커버하면서 효율이 40% 이상. 격리도 8dB 이상이면서 ECC값이 0.5 이하를 나오는 것으로 안테나 성능의 최저 기준으로 가정한다. SEMCAD X tool로 시뮬레이션을 진행한 결과 주 안테나가 1개인 경우는 방사 패턴을 제외하고는 모든 성능이 똑같이 나왔다. 주 안테나를 2개 사용한 경우는 A2, F2의 경우가 가장 안 좋은 성능을 보였던 경우에 비해 9.47% 높은 효율, 2.69dB 높은 이득을 보이며 가장 좋은 성능을 보였다. 이에 더하여, A2, F2의 경우에서 격리도와 ECC가 가장 우수하였다. 주 안테나를 3개 사용한 경우는 A3의 경우가 다른 경우에 비해 이득은 0.09dB 낮았지만, 가장 안 좋은 성능을 보였던 경우에 비해 19.15% 높은 효율을 보이며 가장 좋은 성능을 보였다. 각 경우에서, 격리도와 ECC는 비슷한 값을 보였다. 결론적으로 이 논문에서 제안한 안테나를 기준으로 E-UTRA band 1을 커버하는 안테나에 마이모 안테나 기술을 사용할 경우, 주 안테나를 2개 사용할 경우는 A2, F2의 경우처럼 안테나를 배치하는 것이 좋을 것이다. 주 안테나를 3개 사용할 경우는 A3의 경우처럼 안테나를 배치하는 것이 좋을 것이다.