MIMO communications system for future applications gradually requires more capacity for the informational contents extension and qualitative improvement. The performance degradation of mobile and wireless systems in a multipath propagation environment, called signal fading phenomenon, can be handled successfully with spatial, polarization, pattern or another diversity schemes. In communications systems, most theories deal with point source analysis for isotropic radiations or simple linear antenna array for co-polarization transmitting and receiving, even analyze two-dimensional models. But, we need to consider the three-dimensional models for realistic multiple scattering environments and also deal with environmental factors which are vertical and horizontal polarization propagation characteristics with cross polarization discriminations (XPD) for realistic multipath channel environments. Thereby, many researches are achieved for exact channel analysis and efforts to expand channels or improve communications performance.
Dipoles or monopoles for linear antennas are frequently used for analyzing the antenna diversity. The polarization diversity was principally developed using orthogonal linear antennas by vertically polarized mobiles with XPDs of incident fields. And even experiments using spatial, polarization and pattern diversity were conducted by using dipoles. Two vertically polarized dipoles or monopoles on the ground are frequently demonstrated with mutual coupling effects with variation of spatial separation between antennas for antenna diversity. True polarization diversity (TPD) is proposed to achieve a high diversity gain by inclined dipole array to receive various polarized waves by multipath fading channel.
The analysis of an antenna mutual coupling is a significant issue for designing the wireless communication system especially related to the antenna diversity problem. The accurate analysis of the mutual coupling between antennas is certainly needed. Accordingly, several methods for the mutual impedance calculation of dipoles have been studied in cases of coplanar-skew and nonplanar-skew. This dissertation proposes an exact and simple method for analyzing the mutual impedance between two arbitrarily located and slanted dipoles using the modified induced EMF method; their expressions and the exact analytic solution. The proposed formula and their closed-form solutions are verified by numerical solution using HFSS and give good agreement.
Next, in this study, correlation coefficients of skewed dipole array for antenna diversity are numerically analyzed for each polarization characteristics and in various propagation environments. The mutual impedances between two skewed dipoles are derived using effective length vector (ELV) method. The embedded beam patterns are calculated by the estimated mutual impedances and then the correlation coefficients for $\Theta-, \phi-$ and total polarizations are effectively derived. The correlations are also analyzed for various realistic propagation environments using statistical models with angular density functions and cross polarization discriminations (XPD). Finally, this study provides the effective correlation analysis for two dipoles and suggests the optimal geometries of two skewed dipoles in various propagation environments. The proposed optimal structure is verified by the 3D channel model and their singular value decomposition (SVD) and capacity estimation. Therefore, the optimal geometrical structure has the highest capacity among other structures.
In additiona, we propose a double phase shifted polarization feed network to enhance communications channels from the previous 2×2 channel to a 4×4 channel for identical polarization. The previous circular polarization (CP) communications systems for the 2×2 multiple-input multiple-output (MIMO) channel adopted dual polarization diversity using right hand circular polarization (RHCP) and left hand circular polarization (LHCP) with limited space. To overcome this problem, we propose a MIMO CP feed network using phase shifted polarizations to ensure isolation characteristics between two input ports without additional antennas. The port isolation characteristics and impedance matching conditions are numerically verified for MIMO performances. The proposed feed networks with CP patch antennas are fabricated and measured in a reverberation chamber for MIMO performances and their validity is verified.
Finally, the presented mutual impedance estimating scheme and correlation analysis of skewed dipoles with the estimated mutual coupling and also with the CP diversity antenna with proposed feed network design techniques can be utilized to successfully improve the performance of communications system and even for MIMO antenna systems.
MIMO 통신 시스템을 활용한 미래 통신 응용에서 정보 콘텐츠의 증가 및 질적 향상 등을 위해 점차적으로 더 높은 통신용량을 요구하게 된다. 신호 페이딩 현상이라고 일컫는 다중 통로(multipath) 전파 환경에서 신호 왜곡 현상에 의한 통신 성능 저하는 공간, 편파, 패턴 및 다양한 다이버시티 방법을 이용하여 개선이 가능하다. 통신 이론에서는 일반적으로 등방적 방사를 특징으로 하는 포인트 소스에 의한 해석 혹은, 간단한 선형 안테나 배열에 대한 동일 편파 송수신에 대한 2차원적인 해석이 주가 된다. 하지만, 실제적인 다중 산란 환경에서는 3차원 모델에 의한 해석이 필연적이다. 이를 위해서는, 3차원 전파 채널 모델과 함께 교차 편파 분별기(cross polarization discrimination, XPD)를 이용한 수평 및 수직 편파의 전파 특성 등 여러 환경 요소들을 고려해야 한다. 그렇게 함으로써 통신 시스템의 성능 향상을 위해 정확한 채널 분석에 대한 연구나 통신 채널을 확장하는 방법에 대한 많은 연구들이 진행되어 오고 있다.
안테나 다이버시티를 해석하는 문제에 대해서 다이폴 안테나나 모노폴 안테나 등이 자주 활용된다. 편파 다이버시티는 기본적으로 수직편파 이동국에서 직교하는 선형 안테나를 사용함으로써 수신되는 필드의 XPD를 고려하는 과정에 의해 전개된다. 그리고 공간 다이버시티, 편파 및 패턴 다이버시티를 위한 많은 연구들 또한 다이폴을 이용하여 연구된다. 이를 위해 보통 두 개의 수직 편파 디이폴이나 모노폴을 주로 해석하는데, 안테나 간의 거리의 변화와 함께 발생하는 상호 커플링 현상을 연구하여 안테나 다이버시티 해석에 활용한다. 최근에는 다중 통로 페이딩 채널에서 기울어진 다이폴 배열을 이용하여 높은 다이버시티 이득을 얻는 true polarization diversity (TPD) 등도 제안되고 연구되고 있다.
안테나간 상호 커플링을 해석하는 문제는 안테나 다이버시티에 관련된 통신 시스템의 설계에 있어 중요한 문제이다. 따라서, 안테나간의 정확한 상호 커플링의 해석이 반드시 필요하다. 이에 따라, 앞서 언급했던 다이폴의 중요성과 함께 다이폴간의 상호 커플링에 의한 상호 임피던스를 동평면 및 비평면상에서의 해를 구하는 많은 연구들이 있다. 본 논문은 정확하고 간단하게 두 임의의 위치와 기움각을 갖는 두 다이폴간의 상호 임피던스를 해석하는 방법을 수정된 induced EMF 방법을 이용하여 제시하였다. 그리고 그 해를 수식으로 표현하고, 해석적 해 또한 유도하였다. 제시한 공식과 해석적 해는 HFSS의 수치 해석 툴에 의한 시뮬레이션 결과와 비교하여 그것이 타당함을 밝혔다.
또, 최적의 안테나 다이버시티를 위하여 꼬여진 다이폴간의 상관도를 각 안테나의 편파 특성과 다양한 전파 환경등을 고려하여 해석적으로 유도하였다. 이 때, 앞서 언급한 수정된 induced EMF 방법에 적용된 효율적 길이 벡터법(effective length vector, ELV)을 이용하여 두 꼬인 다이폴간의 상호 임피던스를 구하였다. 구한 상호 임피던스를 활용하여 두 꼬인 다이폴에 의한 임베디드(embedded) 빔 패턴을 해석적인 방법으로 계산하였고, 이를 통해 각 편파 특성을 고려한 커플링된 상관계수를 효과적으로 유도하였다. 상관도는 또한 다양한 실제적인 전파 환경에 대해서 해석되었고 이를 위해 각 밀도함수(angular density function)와 XPD를 활용하였다. 결론적으로, 본 연구는 두 꼬인 다이폴간의 효과적인 상관도 분석법을 제시하였고, 각 편파 특성과 함께 다양한 전파 환경을 고려하여 최적의 다이폴 간의 구조를 제시하였다. 최종적으로 3-D 편파 채널 모델을 고려한 랜덤 채널 모델링 및 singular value decomposi-tion(SVD) 과정을 이용한 채널 용량 분석을 적용하여, 제시한 최적 다이폴 구조 및 방사패턴에 대한 채널 용량 향상을 실험 및 검증하였다.
더불어, 본 논문은 육상 이동 위성(Land Mobile Satellite, LMS) 시스템의 통신 성능 향상을 위해 기존의 2×2 MIMO 채널에서 4×4 채널로 확장할 수 있는 MIMO 원형 편파 급전 네트워크를 제안하였다. 기존의 추가적인 통신 채널 확보를 위해서는 위성국에서 안테나 설치 공간상의 제약이 있기 때문에 이격 거리가 충분한 추가 위성국을 필요로 한다. 이로 인한 비용 및 MIMO 통신 채널의 한계 문제를 극복하기 위하여, 동일한 원형 편파 간에 이격 거리가 없이도 높은 격리성을 확보할 수 있는 MIMO 원형 편파 급전 네트워크를 제안하였다. 제안하는 급전 네트워크의 포트간 격리성과 각 포트의 매칭 상태를 수식적으로 증명하였고, 4×4 MIMO 채널의 통신 성능 향상을 채널 모델 측면에서 제시 및 확인하였다. MIMO 원형 편파 급전 네트워크를 원형 편파 패치 안테나 구조로 실제 제작하고 측정하여 7~10 dB의 다이버시티 이득을 얻었고, 약 1.8배로 채널 용량이 향상되었음을 확인하였다.
마지막으로, 제시한 상호 임피던스 추정 방법과 이를 이용한 꼬인 다이폴간의 효율적인 상관도 분석, 그리고 원형편파 다이버시티 안테나 기술들을 활용하여 통신 시스템 및 MIMO 안테나 시스템에서의 성능을 효과적으로 향상 시킬 수 있을 것을 기대한다.
