An yagi antenna miniaturization technique to increase Multiple Input Multiple Output(MIMO) system capacity has been proposed in antenna substrate which is composed of a mixture of a high-permittivity material and a meta-material. The proposed antenna contributes to the increase of channel capacity in two ways. First, by miniaturization of the conventional antenna structure, the relative distance between antenna elements is increased, therefore the mutual coupling between them is decreased, which makes the smooth signal transmission. Secondly, the proposed antenna makes the system’s volume reduction therefore the integration level is increased. So the channel capacity in restricted space is increased by using proposed antenna structure. The complex-substrate acts as a controller of antenna impedance, which makes the impedance matching at lower operating frequency. Therefore, more effective antenna miniaturization can be done. Also it coincides well to the antenna array expansion, therefore it is better to apply proposed antenna to the MIMO system compared to the conventional antenna.
The proposed antenna operates at the center frequency of 1.8 GHz, and it radiates as the conventional dipole antenna structure. The proposed antenna controls the impedance matching with the complex substrate and makes the reduction of antenna structure’s volume, and this enables the antenna size reduction to be 60 %. Furthermore to restore the bandwidth reduction induced by using conventional antenna miniaturization, we tried the antenna design modification, which makes the increase of bandwidth up to 130 MHz. To check the performance enhancement of proposed antenna structure, the mutual coupling level and the channel capacity have been confirmed. In case of the mutual coupling, it was compared with $2 \times 4$ structure whose expansion distance is $\lambda /2$ , and the reduction of mutual coupling has been proven. Also, to show the channel capacity gain, the proposed antenna has been tested in 2 ways. The channel of the system is supposed as a Rayleigh channel, which maximizes capacity gain. The one way is that the proposed antenna is expanded to an array structure with same expansion distance like the conventional antenna array. With this configuration, the mutual coupling reduction makes the increase of channel capacity. With the variation of antenna element number, the increase of channel capacity has been shown. The other way is focused on the space usage reduction, which can make the higher integration level of antenna elements. By maximizing the antenna integration level, the channel capacities of conventional antenna and proposed antenna array have been compared. The proposed antenna configuration makes the increase of integrated antenna elements and decrease of mutual coupling, therefore the possible channel capacity is increased.
To analyze the proposed antenna’s miniaturization level and the increase of bandwidth, the equivalent circuit model has been constructed. To make the precise equivalent circuit model, some important factors such as structural coupling and frequency characteristic are considered in the equivalent circuit model. With the identification of the accuracy in the equivalent circuit model, the impedance, frequency and S-parameter characteristic have been checked with simulated model. With the variation of inductance and capacitance by using proposed antenna structure, the increase of antenna bandwidth is confirmed.
본 논문에서는 다중 안테나 입출력 방식(MIMO) 방식에서의 채널 용량의 증대를 위하여 기존의 안테나 소형화를 위해 이용되던 기판인 유전율이 높은 기판 및 메타물질을 복합적으로 구성한 기판을 이용한 안테나의 소형화 방식을 제안하였다. 본 제안 안테나는 소형화 측면에서 크게 두 가지 방식으로 채널 용량 증대에 기여하는데, 먼저 소형화를 통하여 안테나 간 상대적인 거리를 증가시켜 인접한 안테나 간 상호 간섭량을 상대적으로 감소시켜 신호 전달을 용이하게 하여 채널 용량을 증가시키는 것을 가능하게 한다. 또한 안테나가 차지하는 공간을 감소시키므로 같은 작동 주파수를 가지는 기존 안테나 대비 더 많은 수의 안테나가 집적 가능하므로 한정된 공간 내에 더 많은 안테나 집적을 통하여 해당 안테나를 통한 채널 용량을 증가시키는 것이 가능하다. 해당 제안 기판은 안테나의 임피던스를 조절하는 역할을 하여, 더 낮은 주파수에서의 임피던스 정합을 가능하게 하여 안테나를 소형화함으로써 기존 메타물질 기판을 사용하는 경우와 비교하여 더 효과적으로 안테나를 소형화하는 것이 가능하다. 이는 기존 안테나 소형화 방식과 다르게 안테나의 배열 확장 및 집적도 향상이 용이하므로 다중 안테나 입출력 방식(MIMO)에 보다 적합한 안테나이다.
해당 제안 안테나는 작동 주파수 1.8 GHz 대역을 중심으로 작동하는 주파수이며, 기존 다이폴 안테나와 거의 같은 방사 패턴을 형성한다. 제안 안테나는 복합 기판을 이용한 임피던스 정합 조절 및 기판의 유전율, 투자율에 따른 전기적 성질 변화로 인한 안테나 크기 감소 효과를 통하여 기존 안테나 대비 60 % 만큼 소형화 시키는 것이 가능하였다. 뿐만 아니라 기존 소형화 방식을 통하여 좁혀진 대역폭을 야기 안테나의 구조적변형을 통하여 130 MHz 까지 성능을 개선하였다. 해당 방식의 성능 개선 정도를 확인하기 위하여 배열 확장구조에서의 상호 간섭량 및 채널 용량의 증가를 확인하였다. 상호 간섭의 경우 간격 $\lambda /2$ 에서의 $2 \times 4$ 구조에대한 간섭량을 비교하여 기존 안테나에서 일반적으로 확장되는 경우에 비해 간섭량 감소 효과가 나타나는 것을 확인하였다. 뿐만 아니라 채널 용량 관점에서의 이득을 보이고자 크게 두 가지 측면에서 제안 안테나의 채널 용량 증대 효과를 확인하였다. 제안하는 환경의 채널은 다중 안테나 입출력에 의한 채널 용량 이득이 극대화되는 레일리 모델로 가정되었다. 하나는 기존 안테나와 같은 간격으로 배열한 경우 상호 간섭량 감소에 의한 채널 용량 이득을 확인하였다. 해당 환경에서 안테나 집적 수를 다르게 하여 사용되는 안테나의 수가 증가하는 경우에 대해 간섭 감소에 의한 채널 용량 이득 효과가 더 크게 나타나는 것을 확인하였다. 또 다른 관점에서는 안테나의 소형화를 통한 사용되는 공간의 감소 효과에 초점을 두어 같은 공간에 제안 안테나와 기존 안테나를 최대로 집적하는 경우에 대한 채널 용량을 비교하였다. 제안 안테나는 이와 같은 배치 구조에서 간섭량 감소 및 더 많은 안테나 집적이 가능하여 채널 용량 증대가 발생하여 기존 안테나 대비 더 많은 채널 이득을 얻을 수 있음을 확인하였다.
제안 안테나의 더 나은 소형화 정도 및 대역폭 증대를 분석하고자 해당 안테나 구조의 등가회로 모델을 설계하였다. 기존의 등가회로 모델보다 정확한 설계를 고려하고자 제안 안테나 구조 간 간섭이나 안테나의 주파수 특이성과 같은 점들을 추가적으로 고려하여 모델을 설계하였으며 구조에 대한 정확성을 확인하고자 임피던스의 실수 및 허수부에 대한 주파수 특성 및 S-파라미터 특성을 기존 제안 안테나로부터 측정된 결과와 비교하여 비슷한 특성이 측정되는 것을 확인하였다. 제안 안테나의 대역폭 증가 특성을 품질 인자(Q-factor) 값 변화를 통하여 확인하였으며 제안 구조의 다이폴 안테나 구조를 사각고리 형태로 변환하는 과정에서 유도기 및 축전기 값 변화를 통해 전체 시스템의 품질 인자 하락으로 인해 작동 주파수에서 대역폭이 증가하는 것을 확인하였다.
