To increase channel capacity with limited frequency resources in wireless communication, multiple-input multiple-output (MIMO) technology has been proposed. However, the distance among element antennas should be larger than 0.5 wavelengths to increase the channel capacity by applying the conventional MIMO system. So the MIMO system cannot be applied to a system having small antenna space. Meanwhile, it was indicated that we can achieve the channel capacity with an arbitrary small antenna as much as six times compared to an element antenna by utilizing polarization and pattern multiplexing gain. This gain can be obtained by using three magnetic dipoles and three electric dipoles positioned orthogonally. After it was shown, there have been many researches on the design of practical small antenna which have radiation patterns resembling with the three magnetic dipoles and the three electric dipoles.
More recently, it was found that we can obtain with a small antenna higher channel capacity than six times of an element antenna to get polarization and pattern multiplexing gain if some radiation resistance is approved. It means that we can increase the channel capacity with a given space for the antenna if the system allows some radiation efficiency. The results of these studies can be applicable to an actual system since the radiation efficiency of the antenna is not an important factor in the wireless communication. However, there have been few researches on the design of the practical multiple element antenna(MEA) which possesses small space and obtain the high channel capacity by utilizing pattern multiplexing gain.
In this paper, we proposed MEA which can get higher channel capacity than ideal 6-port polarimetric antenna and occupy only a sphere with radius R $\le$ 0:25 $\lambda$. First, we proposed a design concept of practical MEA by analyzing the characteristics of spherical vector waves (SVW) which are basis functions of radiation pattern. We proposed a compact element antenna having a high directivity in order to use an element antenna of a practical MEA. We analyzed the characteristics of the element antenna with an equivalent circuit. So we proposed 6-port MEA and 12-port MEA which can obtain pattern multiplexing gain by integrating multiple proposed element antennas. We analyzed the proposed MEAs with spherical vector waves and verified that the proposed can obtain pattern multiplexing gain by comparing it with reference systems.
In rich-scattering environment, we determined the channel capacity obtained with the proposed 6-port MEA. As a result, we showed that the proposed 6-port MEA can obtain higher channel capacity than the reference systems and the achievable channel capacity of the proposed is close to the ideal. We also observed the channel capacity obtained with the proposed 12-port MEA. So we verified that the proposed 12-port MEA can achieve a larger number of effective degrees-of-freedom (DOFs) than the ideal 6-port polarimetric antenna by obtaining pattern multiplexing gain.
무선 통신에서 한정된 주파수 자원을 가지고 채널용량을 증가시키기 위해 다중입력다중출력(MIMO) 기술이 제안되었다. 하지만 MIMO 기술은 단위 안테나 간의 거리가 0.5파장 이상이어야 한다는 요구조건을 가지고 있어서 실제 시스템에 적용되기에는 한계점을 가지고 있었다. 반면, 안테나를 위하여 주어진 공간이 한 점이라고 하더라도 3개의 전기장 쌍극성 안테나와 3개의 자기장 쌍극성 안테나를 이용하여 패턴과 편파 다중화 이득을 얻음으로 단위 안테나 대비 6배의 채널 용량을 얻을 수 있다는 것이 제시되었다. 이에 대하여 전기장 쌍극성 안테나 및 자기장 쌍극성 안테나 각각에 대하여 비슷한 방사 패턴을 가지는 실제적 소형 안테나를 제안하는 많은 연구가 진행되어왔다.
최근에 안테나를 위해서 주어진 공간이 작더라도 요구되어지는 방사 저항을 허용한다면, 패턴과 편파 다중화 이득을 얻음으로 단위 안테나 대비 6배보다 더 큰 채널 용량을 얻을 수 있다는 것이 밝혀졌다. 이는 안테나의 작은 방사 효율을 허용한다면, 안테나를 위해 주어진 공간이 작더라도 채널 용량을 증대시킬수 있다는 것을 의미한다. 무선 통신에서는 안테나의 방사 효율이 중요한 요소가 아니기 때문에 이러한 연구 결과는 실제 시스템에 적용될 수 있다. 하지만 이에 관련하여 작은 공간을 차지하고 6배 이상의 채널용량을 얻을 수 있는 실제적인 안테나가 제안되지 못하였다.
본 학위논문에서는 기존 다중 안테나 기술로 확장이 가능할 수 있도록 반지름이 0.25파장 이하인 구의 부피만을 차지하고 6배 이상의 채널 용량을 얻을 수 있는 다중 단위 안테나를 제안하였다. 먼저, 방사패턴의 기저 함수인 구형 벡터파가 가지고 있는 특성을 분석하고 이를 바탕으로 패턴 다중화 이득을 효과적으로 얻을 수 있는 다중 단위 안테나를 위한 설계 개념을 제안하였다. 또한 다중 단위 안테나를 제안하기 위하여 높은 지향성을 가지는 소형 단위 안테나를 설계하고 이를 등가회로를 통하여 안테나의 특성을 분석하였다. 제안하는 소형 단위 안테나를 이용하여 설계 계념을 따라 패턴 다중화 이득를 얻을 수 있는 6-포트 다중 단위 안테나 및 12-포트 다중 단위 안테나를 제안하였다. 구형 벡터파를 통하여 제안하는 다중 단위 안테나를 분석하고 이를 기존 시스템와 비교하므로 제안하는 다중 단위 안테나를 이용하여 패턴 다중화 이득을 얻을 수 있는 지에 대해 검증하였다.
반사가 충분히 많은 이상적인 환경을 가정하였고, 이러한 환경에서 제안하는 6-포트 다중 단위 안테나를 통하여 얻을 수 있는 채널 용량을 구하였다. 이를 통하여 제안하는 6-포트 다중 단위 안테나가 패턴 다중화 이득을 취하므로 기존 시스템보다 더 높은 채널 용량을 얻을 수 있고 이상적인 값에 근접하는 채널 용량을 얻을 수 있음을 보였다. 또한 제안하는 12-포트 다중 단위 안테나를 통하여 얻을 수 있는 채널 용량을 구하였다. 이를 이상적인 6-포트 편파 안테나와 비교하여 작은 공간에서도 패턴 다중화 이득을 얻으므로 기존 3-포트 전기 쌍극자 안테나와 3-포트 자기 쌍극자 안테나보다 더 높은 채널 용량을 얻을 수 있음을 검증하였다.
