The objective of this paper is to improve MIMO (Multiple-In Multiple-Out) channel capacity of wireless communication system by reducing the mutual coupling with the application of lens. The lens application on integrated antenna system differs from conventional antenna lens, which increases the antenna gain. The proposed lens changes the phase component of antenna's radiation pattern and this change induces the reduction of envelop correlation correlation. Therefore, the channel capacity of MIMO system can be increased.
First, the possibility of channel capacity improvement is explained with the phase variation of radiation pattern caused by application of lens. The proposed lens, which is modeled as a plane shape, has a refractive index corresponding to its permittivity. Conventional antenna lens acts as a convex lens, which focuses on the direction of electromagnetic wave's propagation. However, the proposed lens makes the variation of wavelength and velocity caused by a refractive index. When the electromagnetic wave penetrates the lens, the attenuation and phase variation of signal are generated. This change means that the existence of lens induces the variation of channel characteristics in view of channel environment. Also, in view of antenna system, the variation of radiation pattern occurs with respect to magnitude and phase signal. In this thesis, with the application of lens, the appearance of phase variation was derived analytically based on the wave theory of electromagnetic wave, and the analysis result has been compared with the simulated results.
Second, the antenna structure which is applied to MIMO system has been proposed and the possibility of channel capacity enhancement based on the usage of lens has been verified. The channel capacity enhancement induced by lens application is based on the enhancement of pattern diversity gain, therefore the proper antenna structure is required to get pattern diversity gain. In this thesis, the integrated antenna which can support MIMO system based on pattern diversity gain has been proposed and its frequency characteristics has been verified. Also, to show the effectiveness of lens application for pattern diversity gain enhancement, according to the lens usage, the mutual coupling and correlation reduction has been checked. In addition, based on this performance enhancement, the channel capacity has been compared and it was shown that the proposed system shows the best performance than the conventional system.
At last, we verified the antenna diversity enhancement of the array antenna structure. When the array system is applied, the conventionally proposed pattern antenna and new application of lens show the decreased antenna diversity performance. To improve the performance, first we verified the reason why the array structure decreases the antenna diversity. Also, to solve the performance degradation, the improved lens structure with linearly slanted concave lens is designed by the required phase distribution derived from the phase distribution equation of planar lens. The proper antenna design for lens application has been implemented. From the above simulation results, the integrated antenna array system is constructed and simulated. The effectiveness of revised antenna and lens structure is verified in view of channel capacity.
본 논문은 다중 입출력 안테나 시스템에 렌즈를 적용하여 안테나 간 간섭을 감소시켜, 무선통신 시스템의 채널 용량을 향상시키는 것을 목표로 한다. 집적 안테나 시스템에 적용되는 렌즈는 통상적인 안테나 렌즈와 다르게 안테나의 이득을 향상시키는 것이 아닌, 방사패턴의 위상을 조정하여 안테나 간 상관도를 감소시킴으로써 다중 입출력 시스템의 통신 용량을 향상시킬 수 있다.
첫째로 렌즈의 적용에 따른 안테나 방사패턴의 위상 변화 및 이에 따른 채널 용량의 개선 가능성에 대해 설명한다. 본 제안 방안에 활용되는 렌즈는 평면 형태이지만 유전율에 상응하는 굴절률을 가진다. 통상적인 안테나 렌즈는 볼록렌즈와 같이 전자기파의 진행 방향으로 초점으로 모아 안테나의 이득을 높여 전송거리를 늘리는 역할을 하지만, 본 연구에서 제안하는 렌즈는 전자기파 신호의 파동성에 따라, 굴절률을 가지는 렌즈를 투과할 때 속도 및 파장의 변화에 주목하였다. 전자기파가 렌즈를 투과할 경우, 신호의 감쇄 및 파장 변화가 발생한다. 이는 채널 환경 관점에서는 렌즈의 유무에 따라 채널 특성이 달라짐을 의미하며, 안테나 시스템의 관점에서는 방사패턴의 크기 일부와 위상 신호가 변화하게 된다. 본 논문에서는 렌즈를 활용할 때, 안테나 시스템의 관점에서 전자기파의 파동성에 따라 안테나의 방사패턴에 위상 변이가 발생할 수 있음을 수식적으로 보이고 수식의 타당성을 시뮬레이션 결과와 비교하여 검증하였다.
둘째로, 다중 입출력 지원을 위한 안테나 구조의 제안 및 성능 검증과 렌즈 적용에 따른 채널 용량의 향상 가능성을 확인하였다. 렌즈를 적용한 채널 용량의 향상은 다중 입출력 시스템에서 패턴 이득의 향상을 기반으로 하므로, 패턴 이득을 얻기에 적합한 안테나 구조의 제안이 필요하다. 본 연구에서는 패턴 이득을 통해 다중 입출력 시스템을 지원하기에 적합한 안테나 구조를 제안하고, 이에 대한 주파수 특성을 검증하였다. 또한 제안하는 렌즈 활용 방안의 패턴 이득 향상에 대한 타당성을 보이기 위해 렌즈 적용에 따른 성능 향상을 보이기 위해 렌즈 적용에 따라 안테나 간의 상호 간섭 수치 및 상관도 감소를 확인하였고, 무선통신 환경에 적용했을 때의 채널 용량의 향상을 기존 시스템과 비교하여 확인하였다.
셋째로, 배열 안테나 구조에서의 안테나 다이버시티 향상을 검증하였다. 배열 안테나를 구성하는 경우, 패턴 안테나 및 렌즈를 활용할 때 안테나 다이버시티의 성능이 감소한다. 이를 개선하기 위해 우선 배열 안테나 구성 시에 나타나는 성능 감소의 원인을 분석하였다. 다음으로는 성능 감소를 해결하기 위해 필요한 위상 분포에 대한 수식으로부터 개선된 렌즈 구조를 설계하고, 렌즈 적용에 적합한 안테나 구조를 구현하였다. 위 결과를 기반으로, 집적 배열 안테나를 구성 및 시뮬레이션하여 제안 안테나 구조 및 개선 렌즈 구조의 효율성을 통신용량의 관점에서 검증하였다.
