In recent years, wireless communication systems should be able to accommodate higher data rates. Long-term evolution (LTE), in particular, has become an emerging standard for next-generation wireless communication systems. One of the spatial diversity techniques for LTE systems, the multiple-input multiple-output (MIMO) system is an effective way to improve the reliability of communications and increase the channel capacity. For a Nr × Nt MIMO system, as long as the multiple channels are independent of each other, data throughput can be increased up to Nmin times, Nmin = min(Nr , Nt). However, it is difficult to place multiple antennas in a mobile handset that has limited small space. As the multiple antennas are closely placed, the coupling between them grows strongly and signal leakage from one antenna to another occurs. Then signal correlations increase among the multiple channels. Consequently, the capacity of the MIMO an-tenna system is seriously degraded.
Decoupling network (DN) is one of the good solutions in a MIMO system to obtain high isolation between two antenna ports within a small space, such as mobile devices, so it has been widely used since it was first suggested by Chen. However, the DN has also disadvantages in terms of bandwidth because it guar-antees good isolation and matching performance for only a narrow bandwidth.
This thesis suggests a broadband technique of decoupling network for compact antenna array. This technique improves conventional DN in terms of bandwidth performance. The broadband decoupling tech-nique can be divided into two parts, which are decoupling and matching section. To guarantee the high isola-tion over broadband, trans-admittance should be considered in not a single frequency, but multiple broadband frequencies, and a parallel resonance concept is discussed. By adding a proper length of T-line, which has parallel resonance characteristics, the isolation bandwidth can improve. To enlarge the frequency range of impedance matching, Simplified Real Frequency Technique (SRFT), one of the broadband impedance matching techniques, is used afterwards. Finally, a prototype MIMO antenna system of 1.95 GHz with 460 MHz of bandwidth was designed and evaluated through the scattering parameters, antenna efficiency, Mean Effective Gain (MEG), MEG ratio, diversity gain, cross correlation coefficient and channel capacity measurements.
This proposed broadband decoupling technique is useful for designing the broadband MIMO antenna system with good performance suitable for a small space, such as mobile handset devices.
최근 들어, 무선 통신 시스템은 더욱 더 높은 데이터 전송률을 요구하고 있다. 특히, 차세대 무선 통신 시스템으로 long-term evolution (LTE) 기술이 표준화되었다. multiple-input multiple output (MIMO) 시스템은, LTE 시스템의 공간 다이버시티 방법의 하나로서, 통신의 신뢰성을 개선시키고 채널 용량을 증가시키는 효과적인 기술이다. Nr × Nt MIMO 시스템에서 다중 채널간의 독립성이 보장되는 한, 데이터 전송량은 최대 Nmin = min(Nr , Nt) 배 만큼 증가될 수 있다. 그러나, 휴대용 단말기 같은 실장 공간의 제약을 받는 경우에, 여러 개의 안테나를 배치시키는 것은 쉬운 일이 아니다. 다중 안테나들이 서로 가깝게 배치될수록, 그들간의 커플링이 증대되고 하나의 안테나에서 다른 안테나로의 신호 누설(leakage) 이 발생한다. 이로 인해 안테나의 효율이 떨어질 뿐 아니라, 다중 채널간의 상관도도 증가한다. 이는 결과적으로, MIMO 시스템의 채널용량을 심각하게 저하시킨다.
Decoupling network (DN)은 MIMO 시스템에서 좁은 공간 상의 두 안테나 포트 사이에 높은 격리도를 얻을 수 있는 좋은 해결책이다. 따라서 이 방법이 Chen에 의해 처음으로 제안된 이래, 많은 부분에서 활발하게 응용되고 있다. 그러나, DN은 대역폭 측면에서 단점을 가지게 되는데, 우수한 격리도와 정합 성능을 보장하는 대역폭이 매우 좁기 때문이다.
본 논문에서는 소형의 다중 안테나 시스템에서 광대역 특성을 가지는 decoupling network의 설계 기법을 제안하였다. 이 기술은 종래의 DN 기술에 비해 대역폭 측면에서 그 성능을 크게 향상시킨다. 광대역 decoupling 기술은 크게 decoupling 부분과 정합 부분으로 나눌 수 있다. 광대역에서 우수한 격리도를 얻기 위해서는 상호 어드미턴스를 단일 주파수가 아닌, 넓은 대역의 주파수에 대해 고려해야 한다. 또한 이를 위해 병렬 공진 개념을 논의하고 이용하였다. 병렬 공진 특성을 가져오는 적절한 길이의 전송선로를 추가함으로써 격리도의 대역폭을 향상시킬 수 있다. 그 후에, 임피던스 정합 부분의 대역폭 향상을 위해서 광대역 임피던스 정합 기술의 하나인 간략화된 실주파수 기법 - simplified real frequency technique (SRFT) - 을 이용하였다. 최종적으로 중심주파수 1.95 GHz, 대역폭 460 MHz의 광대역 특성을 가지는 프로토타입 MIMO 시스템을 설계하였으며, S-파라미터와 안테나 효율, 평균 유효 이득과 그 비, 다이버시티 이득, 상관 계수, 그리고 채널 용량 등의 측정 및 분석을 통해 성능을 평가하였다.
제안하는 광대역 decoupling 기술은 휴대용 단말기 등의 소형 기기 내에서 광대역의 우수한 성능을 가지는 MIMO 시스템을 설계에 유용하다.
