Ⅰ. 서 론
최근 버스, 기차, 자동차와 같은 이동수단에서의 모바일 데이터 트래픽이 약 35% 정도[1]에 이를 정도 로 많은 승객이 이용하고 있는 교통수단에 대한 스마 트 정보가 중요하다. 현재 버스 위치 실시간 정보는 매우 유용하게 사용된다. 그러나 주로 도시 위주 대 상이어서 지역 확대가 필요한 상황이다. 전국 기반인 LTE 활용 시 효과적이며, 모바일 펨토셀은 하나의 대 안이 될 수 있다. 최근 관련 연구가 진행되고 있으며 [2], 본 논문에서는 향후 이용 가능성이 큰 700MHz에 서 펨토셀 MIMO 안테나에 대하여 제안하였다.
MIMO 안테나는 기존의 단일 안테나 특성을 만 족시킴과 동시에 격리도 및 상관도가 함께 고려되 어야 한다. 낮은 주파수에서 내장 안테나를 위한 공 간의 제약은 높은 격리도를 얻을 수 없는 어려움이 있다. 높은 격리도를 얻기 위해 단말기용 내장형 안 테나에 대한 연구[3-12]는 많이 이루어져 왔으나 펨 토셀을 위한 MIMO 안테나에 대한 연구는 많이 이 루어지지 않은 상태이다. 최근 펨토셀용 MIMO 안 테나에 대하여 일부 연구가 이루어 졌으나[13-16], LTE 700MHz 주파수 대역에서 4개의 MIMO 안테나 및 격리도 개선에 대한 연구는 거의 없는 상태이 다. [15, 16]은 구조적으로 크기가 커져 펨토셀 시스 템에 실제 응용이 어렵고, [16]은 유전체 공진기 안 테나(Dielectric Resonator Antenna)로 충분한 격리도 를 얻었으나 700MHz 일부 대역과 두 개의 MIMO 안테나만을 지원하는 한계가 있다.
본 논문에서 제안된 안테나는 네 개의 MIMO 안 테나로 LTE 700MHz 전 대역을 확보하였고 실제 응용을 위하여 소형의 단순한 구조로 설계하였다. 충분한 대역폭과 임피던스 매칭을 위하여 각각의 패치에 쇼트핀을 추가하고, 안테나 방사체 사이의 격리도를 개선하기 위하여 십자형 디커플러를 중앙 에 위치시키는 방법을 제안하였다. Ⅱ절에서 접지 핀, 디커플러 등 안테나 설계의 최적 파라미터를 나 타내었고, Ⅲ절에서는 제안된 안테나의 VSWR, 방 사패턴, 안테나 이득에 대한 시뮬레이션 및 실제 측 정 결과를 기술하여 Ⅳ절에서 결론을 맺었다.
Ⅱ. 안테나 설계
본 논문은 LTE 펨토셀 시스템을 위한 700MHz 대역에 사용 가능한 4-port MIMO 안테나에 대하여 설계 및 제작 하였다. 그림 1은 안테나 전체 구조를 나타내었다. 제안된 안테나는 두께 1.0 mm FR4(εr=4.4) 기판을 펨토셀 시스템의 회로 보드와 유사한 크기로 사용하였고 그라운드의 크기는 200×200mm2 이다. LTE 700MHz(Band 12, 13, 14, 17, 28, 44)를 모두 포함하는 698-803MHz 대역폭에서 VSWR 2:1 을 만족하는 MIMO 안테나를 얻기 위하여 네 개의 대칭형 방사 패치를 이용하고 각각의 방사패치에 쇼트핀을 삽입하였다. 기판의 중앙부에 십자형 디 커플러를 삽입하여 포트간 격리도를 확보하였다.
그림 2는 그라운드와 방사패치까지의 높이에 따 른 특성을 나타내었다. 높이가 높을수록 반사계수 의 특성이 좋아지나 펨토셀 기지국 시스템 장비의 두께는 30mm 내외임을 고려하여 최대 25mm까지 모의실험을 하였다. 그라운드로부터 안테나 방사패 치 사이는 공기 갭을 갖고 있는 적층형 구조로 생 각할 수 있어 대역폭을 확대하고 이득을 향상시키 는 역할을 한다.
그림 3은 방사패치의 크기와 급전 위치에 따른 반사계수 특성으로, 그림 3 (a)에서 방사패치의 크기 가 40×40mm2 일 때 LTE 700MHz 대역에 가장 근접 하는 값을 얻었다. 그림 3 (b)는 급전위치에 따른 반 사손실을 나타내었다. 그림 1에서 port 1~4로 표시된 점이 동축 급전 위치이고, 각각의 방사패치에서 기 판의 중앙부 쪽으로 향한 꼭지점의 양 선분으로부 터 동축 급전 위치까지의 거리를 나타내고 있다. 동 축 급전의 위치를 x와 y 방향에 대하여 동일 거리로 변화하여 대각선 주위에서 모의실험 하였으며 F=5mm에서 만족할 만한 대역을 얻을 수 있었다.
그림 4는 쇼트핀의 유무에 따른 반사계수 특성이 다. 쇼트핀을 추가한 경우 반사손실은 LTE 700MHz 대역에서 VSWR 2:1 기준으로 -10dB 이하로 개선되 는 것을 볼 수 있다. 쇼트핀이 없을 경우 방사부와 접지면 사이에 커패시턴스 성분이 증가하여 용량성 리액턴스 성분이 커서 임피던스 매칭이 이루어지지 않지만, 쇼트핀을 삽입할 경우 인덕턴스 성분을 증 가시켜 유도성 리액턴스 성분이 상대적으로 증가하 는 효과를 가져와 동작주파수 대역에서 임피던스 매칭을 이루기 때문이다.
그림 5는 십자형 디커플러 (a)유무 및 폭, (b)길이 에 따른 S41의 격리도 변화를 나타내었다. 십자형 디커플러가 존재하지 않을 때 20 dB 이하의 격리도 특성을 보였는데 십자형 디커플러 삽입 시 20 dB 이상의 격리도 특성을 보임을 확인하였다. LTE 700 대역에서 십자형 디커플러의 크기가 4 mm의 폭과 140 mm의 길이를 가질 때, 가장 좋은 S41 특성을 보였다. 이는 기판 중앙에서 일어나는 방사부 간의 커플링 현상을 십자형 디커플러가 억제시킴으로써 나타나는 결과로 판단된다.
Ⅲ. 안테나 제작 및 측정 결과
Ⅱ절에서 모의실험을 통하여 얻은 결과를 가지 고 표 1과 같은 최적의 파라미터를 얻었다. 그림 6 은 그림1과 표1의 파라미터를 가지고 실제 제작한
모습으로 네 개의 방사패치와 기판 중앙에 십자 모양의 디커플러 모습을 보이고 있다.
그림 7은 애질런트 8753ES 네트워크 아날라이저 로 실제 측정한 반사계수와 시뮬레이션에 의한 반 사계수 특성을 나타내었다. 제작된 안테나에서 측 정된 주파수 대역은 VSWR≤2 기준으로 698- 803MHz 주파수 대역을 포함하는 대역폭을 얻었다.
그림 8은 제안된 안테나의 모의실험 및 실제 측 정된 격리도 특성이다. 측정결과 S21, S31, S41 모 두 13 dB 이상의 격리도 특성을 얻었다. 특히, S41 은 앞에서 언급했던 바와 같이 십자형 디커플러의 영향으로 측정결과 20 dB 이상의 격리도 특성을 LTE 700MHz 모든 대역에서 만족하는 것을 관찰할 수 있다. 방사패치의 배치가 대칭구조이므로 S21 = S43, S41 = S32, S31 = S42 이므로 S21, S31, S41 값 만 그래프에 나타내었다.
그림 9 LTE 700MHz의 중간 정도인 756MHz 주 파수 지점에서 측정한 방사패턴이다. 그림 9 (a)는 수평평면, 그림 9 (b)는 수직평면에서의 각각의 방 사패턴으로 실내에서 활용이 가능한 펨토셀 시스템 의 내장형 안테나로 양호한 전방향성 (Omnidirectional) 방사패턴을 얻었다. 측정된 안테나의 최 고 이득은 1.97dBi의 얻었다. 다이버시티 및 MIMO 효과를 고려할 경우, 낮은 주파수에서 멀티 안테나 에 의한 안테나 이득을 보완할 수 있다고 판단된다.
표 2는 MIMO 안테나 성능을 측정하기 위한 주 요 파라미터인 상관계수를 나타내었다. 제안된 안 테나는 LTE 700MHz 대역을 포함하는 주파수에 대 하여 0.2 이하의 상관계수를 얻었으며, MIMO 안테 나 시스템의 성능에 적합한 충분히 낮은 상호 상관 도를 가진다고 판단된다.
Ⅳ. 결론
본 논문에서는 LTE 펨토셀 시스템을 위한 네 개 의 포트를 가진 내장형 MIMO 안테나를 제안하였 다. 패치 안테나를 사용하여 반사손실을 개선하기 위하여 쇼트핀을 이용하였고, 격리도를 개선하기 위하여 십자형 디커플러를 적용하여 격리도를 개선 하였다.
제안된 안테나는 VSWR≤2:1 기준으로 LTE 700MHz(밴드 12, 13, 14, 17, 28, 44)를 포함하는 698-803MHz의 105MHz 대역 특성을 얻었다. 실내 적용을 위한 펨토셀용 내장형 MIMO 안테나로 1.97dBi의 안테나 이득을 얻었으며 전방향성 (Omni-directional) 방사패턴을 나타내었다. LTE 서 비스에 상용되는 펨토 시스템을 고려하여 제작이 용이하도록 크기를 소형화 하였으며, 간단한 구조 의 내장형 안테나로 설계하여 효과적으로 적용 가 능하도록 하였다. 상관계수는 0.2 이하의 값을 얻어 충분한 MIMO 성능을 기대할 수 있을 것으로 판단 된다. 향후 제안된 안테나의 측정결과를 바탕으로 MIMO 안테나 성능에 대하여 추가적인 연구가 필 요하고 실제 건물 내에서의 측정을 통한 안테나 성 능 실험이 필요하다.
