In recent years, there are two important trends in the mobile communication systems. One is the downsizing of devices. As the demands of the small, compact wireless communication system, the methods of device’s miniaturization have been developed rapidly. Especially, because the antenna occupies widely space in communication systems, the antenna miniaturization for mobile wireless applications has recently drawn a lot of attention. Accordingly, many methods have been proposed for the size reduction of antennas: current path adjustment, the addition of matching circuit, use of dielectric or magnetic material. However, antenna miniaturization results in the degradation of bandwidth, gain, and impedance matching and so on because the characteristics of the antenna are seriously affected by its size. Therefore, when antennas are developed, the relationship between the antenna downsizing and performances has to be considered. Another trend is the realization of MIMO. Future wireless communication systems should be capable of accommodating higher data rates than the current systems owing to the advent of various multimedia services. Accordingly, one of the effective methods for improving reliability and increasing the channel capacity is the MIMO system. In the MIMO system, the isolation among them is very important because the isolation between antennas affects the performance. The coupling between antennas decreases their efficiencies as part of the power that would normally be radiated is captured by the other antenna. This coupling may also cause unwanted interferences between a transmitting radio system and receiving one operating at another frequency band. So, recently, many papers have discussed about the isolation improvement methods between elements inside the wireless communication systems such as the corrugated ground plane with slots, EBG structures, embedding of the decoupling network, and conjugating matching and so on.
This thesis presents the antenna miniaturization with downsizing techniques and its MIMO applications.
First of all, the novel compact loop type antenna for Bluetooth, Satellite-Digital Multimedia Broadcasting (S-DMB), Wireless Broadband (Wibro in Korea), World Interoperability for Microwave Access (WiMax) and Wireless Local-Area Network (WLAN) applications is introduced. The proposed antenna fed by a 50-Ω coaxial line occupies a compact volume of $26 \times 8 \times 3 mm^3$. The bandwidth is 19.9% (2.26-2.76 GHz) and 45.6% (4.03-6.4GHz) at $S_{11}$ < -10dB, and the measured maximum gain is 6.41dBi at 5.35GHz. For reducing the height and obtaining broad bandwidth, slots are applied in the feed and shorting parts of the proposed antenna. Moreover, for good impedance matching, the distance between the feeding and shorting plate and the width of the lower plate of the antenna are changed.
Second of all, this paper presents two PIFAs(Planar Inverted-F Antennas) with the antenna miniaturization technique applications. One is the prototype antenna for 2.4 and 5GHz WLAN applications. The size of the proposed antenna is $24.3 \times 7.5 \times 5 mm^3$ and the bandwidth is about 190MHz and 1850MHz at 2.4/5GHz Bluetooth and WLAN bands, respectively. Also, the measured maximum gain is 4.47dBi at 5.25GHz. Another antenna is a novel compact multi-band PIFA for Bluetooth, S-DMB, Wibro, Wimax, and WLAN applications. The size of the proposed antenna is $24.3 \times 8.2 \times 2 mm^3$ which is folded to reduce its height. For achieving broad bandwidth and good impedance matching, the distance between feeding and shorting plate and the length of shorting plate are tuned and the shape of the ground plane is modified for 2GH-band. The bandwidth of the antenna at VSWR <2.5 can be achieved about 490MHz(2.28-2.77GHz) and 2530MHz(4.04-6.57GHz) suitable for Bluetooth, S-DMB, Wibro, Wimax, and WLAN applications. The measured maximum gain is 4.95dBi at 6.3GHz.
Third of all, a spatial diversity antenna of the planar monopole type for 5GHz-WLAN application is introduced. The proposed diversity antenna is printed on FR-4 substrate and small size enough to be embedded in the laptop computer. Optimizing the separation distance and antenna parameters with use of two slots on a ground, the good isolation performance (less than -20dB) between the two printed monopole antennas is achieved. The diversity antenna has an impedance bandwidth of 2360MHz ranging from 4520MHz to 6889MHz ($S_{11}$ < -10dB).
Finally, a monopole antenna with a magneto-dielectric material and its MIMO application at 3GHz-band and the LTE-band is presented. In order to reduce the antenna size and the isolation between antennas in the MIMO application, the magneto-dielectric material which has the complex permeability, and permittivity values of more than 1 is applied. The proposed monopole antenna for 3GHz-band occupies a compact volume of $9.5 \times 3 \times 1.2 mm^3$ and the parameters of the magneto-dielectric material as a supporter are ε´ - jε〃 = 3.86-j0.032 (loss tangent : 0.008) and μ´-jμ〃 = 1.23-j0.25 (loss tangent : 0.2) at the resonant frequency. The bandwidth is 850MHz (3.38-4.23 GHz) at $S_{11}$ < -10 dB, and the measured maximum gain is 5.57dBi at 3.8GHz. The size of the proposed single antenna for the LTE-band is $18.5 \times 7.5 \times 3.2 mm^3$ and the magneto-dielectric material properties as a supporter are ε´ - jε〃= 3.29-j0.09 (loss tangent : 0.02) and μ´-jμ〃= 2.01-j0.38 (loss tangent : 0.18) at 780MHz. The coverage of the antenna is 76MHz (747-823MHz) at $S_{11}$ < -6dB and the measured maximum gain is -5.1dBi at 760MHz. For evaluations of the MIMO application, antennas have been measured in the reverberation chamber.
최근 이동 통신 시스템에서는 두 가지 중요한 트렌드가 있다. 그 중 하나는 소자들의 소형화이다. 작고 두께가 얇은 무선 통신 시스템의 요구에 따라 그 안에 탑재되는 소자들의 소형화에 대한 연구가 빠르게 발달하고 있다. 특히 시스템에서 많은 공간을 차지하는 안테나의 소형화에 대한 많은 연구가 진행되고 있다. 따라서 연구 결과로 안테나 소형화를 구현하기 위한 기술들이 제안되고 있는데 그 중에 큰 카테고리를 형성하고 있는 기술은 전류 패스의 변경, 매칭 회로 첨가, 새로운 물질의 사용이 그것이다. 하지만, 안테나의 성능은 안테나의 사이즈와 매우 큰 연관이 있기 때문에 소형화 함으로써 대역폭, 게인, 임피던스 매칭과 같은 특성들이 좋지 않게 된다. 따라서 안테나의 소형화를 구현할 때 이러한 안테나 성능과 크기와의 관계를 고려해야 한다. 소형화와 함께 각광 받고 있는 것은 바로 MIMO 시스템 구현이다. 차세대 이동통신 시스템은 다양한 멀티미디어의 출현으로 많은 데이터들을 빠르게 전송해야 한다. 이러한 서비스를 구현하기 위한 효과적인 방법은 MIMO 시스템의 구현이다. MIMO 시스템을 구현할 때 안테나간 아이솔레이션을 최대한 줄이는 것이 좋은데 이것은 MIMO 시스템의 성능은 아이솔레이션에 의한 대부분 결정되기 때문이다. 특히 좁은 공간에 여러 개의 안테나를 장착할 경우, 안테나간 커플링이 생기게 되는데, 이 경우 불필요한 신호를 유발하게 되고 효율 또한 떨어뜨리게 된다. 따라서 최근에는 이러한 안테나간 아이솔레이션을 향상시키기 위해 그라운드에 슬랏을 넣거나, EBG 구조를 이용하거나 디커플링 네트워크를 내장시키거나 conjugating 매칭을 시키는 연구들이 많이 진행되고 있다.
본 논문에서는 안테나 소형화 기법을 이용한 소형 안테나와 그것의 MIMO 적용에 관하여 제안하고 있다.
첫 번째로 블루투스와 위성 DMB, 와이브로, 와이맥스, WLAN 대역을 지원하는 얇은 루프 타입 안테나가 소개되어 진다. 제안된 안테나는 코엑셜 라인으로 피딩되고 사이즈는 $26 \times 8 \times 3 mm^3$ 이며, 대역폭은 19.9%, 측정된 최대 게인은 5.35GHz에서 6.41dBi이다. 높이를 줄이고 넓은 대역폭을 얻기 위하여 피딩과 단락 부분에 슬랏을 적용하였다. 또한 임피던스 매칭을 위하여 피딩과 단락 부부의 거리를 조정하고 안테나의 아래쪽 금속도체의 너비를 변형하였다.
두 번째로 소형화 기법을 적용한 두 개의 PIFA를 제안하였다. 하나는 블루투스와 5GHz 무선랜대역을 지원하는 PIFA 구조이다. 제안된 안테나의 크기는 $24.3 \times 7.5 \times 5 mm^3$ 이고, 대역폭은 블루투스 대역에서는 190MHz, 5GHz 무선 랜 대역에서는 1850MHz를 커버하며, 측정된 최대 게인은 5.25GHz에서 4.47dBi를 지원한다. 또 다른 안테나 구조는 블루투스와 위성 DMB, 와이브로, 와이맥스, WLAN 대역을 지원하는 얇은 PIFA이다. 높이를 줄이기 위해 구부린 형태를 가지고 있고, 제안된 안테나의 사이즈는 $24.3 \times 8.2 \times 3 mm^3$ 이다. 넓은 대역폭과 임피던스 매칭을 위해 피딩과 단락 금속판 사이의 거리를 조정하고, 단락 금속판의 모양을 먼저 제안한 안테나와 다르게 변형하였으며, 그라운드도 모양을 변형시켰다. 안테나의 대역폭은 2GHz 대역에서는 490MHz, 5GHz 대역에서는 2530MHz를 얻음으로써 앞서 제안한 구조보다 더 넓은 대역을 가지면서 높이는 줄인 안테나 성능을 얻었다. 측정된 최대 게인은 6.3GHz에서 4.95dBi이다.
세 번째로는 5GHz WLAN 대역을 지원하는 평면 모노폴 타입의 다이버시티 안테나를 소개하였다. 제안된 안테나는 FR-4기판에 프린트되었고 노프북에 장착되기에 충분히 작은 사이즈이다. 두 안테나 사이의 아이솔레이션을 향상시키기 위해 그라운드에 두 개의 슬랏을 넣었다. 제안된 다이버시티 안테나의 대역폭은 2360MHz이다.
마지막으로 magneto-dielectric 물질을 적용하여 700MHz LTE-band와 3GHz 대역을 커버하는 두 개의 모노폴 안테나를 제안하였다. MIMO 시스템 구현하기 위해 안테나 사이즈를 줄이고 안테나간 아이솔레이션을 향상시키기 위해 유전율과 투자율 모두 1이상의 값을 갖는 magneto-dielectric 물질을 적용하였다. 3GHz-대역을 커버하는 모노폴 안테나의 크기는 $9.5 \times 3 \times 1.2 mm^3$ 이고, magneto-dielectric 물질의 정보는 공진 주파수에서 ε´ - jε〃 = 3.86-j0.032 (loss tangent : 0.008) 와 μ´-jμ〃= 1.23-j0.25 (loss tangent : 0.2) 이다. 안테나의 대역폭은 850MHz (3.38-4.23 GHz) 이고, 측정된 최대 게인은 3.8GHz에서 5.57dBi이다. 다음으로 LTE 대역을 지원하는 모노폴 안테나의 사이즈는 $18.5 \times 7.5 \times 3.2 mm^3$ 이고, magneto-dielectric 물질의 특성은 750MHz에서 ε´- jε〃 = 3.29-j0.09 (loss tangent : 0.02) 과 μ´-jμ〃= 2.01-j0.38 (loss tangent : 0.18) 이다. 안테나의 대역폭은 76MHz (747-823MHz) 이고, 측정된 최대 게인은 760MHz에서 -5.1dBi이다. MIMO 안테나의 성능을 알아보기 위해서 reverberation chamber에서 측정되었다.
