Millimeter-wave (mmWave) frequency bands have been popularly considered for 5G wireless communications in industry and academia. The mmWave band enables the use of a very wide spectrum to provide higher data rates. An antenna array has been required to compensate a severe propagation loss in using the mmWave frequency band for mobile communications. The mmWave 5G channel model should ensure that the channel states such as line-of-sight (LOS) or non-line-of-sight (NLOS) and the channel realizations change as a function of time, antenna position and polarization in all propagation scenarios.
A study on design of multiple-input multiple-output (MIMO) antennas with different polarizations and performance evaluation in reverberation chamber (RC) is presented at 28 GHz band for mmWave 5G communications in this thesis. First of all, various antenna arrays based on a substrate-integrated-waveguide (SIW) technique for mmWave handset devices are presented. In terms of antenna polarizations and configuration, eight types of antenna arrays providing 1×4 and 1×8 array sizes with horizontal polarization (HP), vertical polarization (VP), left-handed circular polarization (LHCP), and right-handed circular polarization (RHCP) are proposed. The proposed antenna arrays meet the desired performance for the mmWave 5G communication such as low-cost, broadband performance, and high gain characteristic. Based on the eight types of the antenna arrays with different polarizations, twelve cases of 2×2 MIMO antennas are proposed. The channel performance of the proposed MIMO antennas is evaluated in the RC by using a 28 GHz channel sounder. Furthermore, an experimental validation for mmWave channel measurement is investigated to verify the channel performance according to the different configurations and polarizations. The MIMO measurements are fulfilled in the RC without and with absorbers to provide an ideal and relatively real wireless environment. To clarify the channel performance for each case, a wideband channel capacity is calculated from the measured results.
Additionally, a tapered slot antenna (TSA) array with calibration couplers is investigated for mmWave beam-steering applications. Each component of the proposed TSA array such as the antenna element, power divider, directional coupler, and transition structure is introduced in detail. The measurement results of the proposed TSA array are also presented to verify the antenna performance.
밀리미터파 주파수 대역은 산업 및 학계에서 5G 무선 통신을 위해 널리 고려되고 있다. 밀리미터파 대역은 높은 데이터 전송률을 제공하는 매우 넓은 스펙트럼을 사용을 가능하게 한다. 이동통신용으로 밀리미터파 주파수 대역을 사용할 경우 심각한 전파 손실을 보상하기 위해 안테나 배열이 요구된다. 밀리미터파 5세대 채널 모델은 가시선(line-of-sight) 또는 비시선(non-line-of-sight))와 같은 채널 상태와 채널 구현이 모든 전파 시나리오에서 시간, 안테나 위치, 편파에 따라 바뀐다는 것을 반드시 보장해야 한다.
본 논문에서는 밀리미터파 5세대 통신을 위해 28 GHz 대역에서 다양한 편파를 가지는 다중 입력 다중 출력(multiple-input multiple-output) 안테나 설계와 전자파잔향실 내에서의 성능 평가에 대한 연구를 수행한다. 우선적으로, 기판집적도파관(substrate-integrated-waveguide) 기법을 기반으로 한 다양한 밀리미터파 단말 장치용 안테나 배열들이 제시된다. 안테나 편파 및 형태 측면에서 수평 편파, 수직 편파, 좌회전 원형 편파 및 우회전 원형 편파를 갖춘 1×4 및 1×8 배열 크기를 제공하는 8가지 유형의 안테나 배열이 제안된다. 제안하는 안테나 배열들은 저비용, 광대역, 고이득 특성과 같은 밀리미터파 5세대 통신을 위한 성능을 만족한다. 다양한 편파를 갖는 8가지 유형의 안테나 배열들을 기반으로, 12가지의 2×2 다중 입력 다중 출력 안테나가 제시된다. 제안되는 다중 입력 다중 출력 안테나들의 채널 성능은 28 GHz 채널 사운더를 사용하여 전자파잔향실 내에서 평가된다. 추가적으로, 다양한 형태 및 편파에 따른 채널 성능을 규명하기 위하여 밀리미터파 채널 측정을 위한 실험적 타당성에 대해서도 연구된다. 다중 입력 다중 출력 측정들은 잔향실 내에서 흡수체(absorbers)가 있는 환경과 없는 환경에서 수행되는데, 이는 이상적인 환경과 상대적으로 현실적인 무선 환경을 제공해주기 위함이다. 각각의 경우에 대해 채널 성능을 비교하기 위해, 측정된 결과들로부터 광대역 채널 용량이 계산된다.
추가적으로, 밀리미터파 빔 스티어링(Beam-steering) 시스템을 위한 테이퍼 형 슬록 안테나(Tapered slot antenna) 배열이 연구된다. 제안하는 안테나를 구성하는 안테나 소자, 전력 분배기, 커플러, 천이 구조와 같은 각각의 요소들에 대해 자세히 소개한다. 제안하는 안테나의 성능을 입증하기 위해 안테나 측정 결과 또한 제시한다.
