THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. vol. 26, no. 9, Sep [1],[2].,.,, [3],[4]., 4 MI- MO(Multiple Input

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소영 경
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1 THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE Sep.; 26(9), ISSN (Print) ISSN X (Online) MIMO Broadband MIMO Antenna Using the Metal Cover Radiator 김병철 박민길 손태호 ByungChul Kim Minkil Park Taeho Son 요약 MIMO, PCB. IFA. IFA. LTE class 13/ LTE class 14/ CDMA/ GSM900/ DCS/ PCS/ W-CDMA/ LTE class 40/WiFi VSWR 3:1. MIMO , dbi %. Abstract In this paper, a broadband MIMO antenna using the metal cover that is one of the antenna radiators is designed and implemented on the PCB. The proposed antenna consists of a monopole and an IFA fed by the coupling structure and a metal cover radiator. Therefore, a monopole and an IFA with a metal cover radiator operate simultaneously through a hybrid form of operation. The antenna satisfies VSWR 3:1 at the bands of LTE class 13, class 14, CDMA, GSM900, DCS, PCS, WCDMA, LTE class 40 and WiFi. The maximum ECC of diagonally fed MIMO antenna is The measured average gain and efficiency were dbi and % over the desire bands, respectively. Key words: MIMO Antenna, Metal Cover, Monopole, IFA, ECC. 서론, (cover) (metal)..,.. PIFA(Planar Inverted F Antenna) IFA(Inverted F Antenna) (hybrid) 2015 ( ) ( ). (Department of IT Engineering, Soonchunhyang University) Manuscript received July 1, 2015 ; Revised September 7, 2015 ; Accepted September 11, (ID No S) Corresponding Author: Taeho Son ( thson@sch.ac.kr) c Copyright The Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science. All Rights Reserved. 769

THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. vol. 26, no. 9, Sep. 2015.. [1],[2].,.,, [3],[4]., 4 MI- MO(Multiple Input Multiple Output),.

LTE class 13(746 787 MHz), LTE class 14(758 798 MHz), CDMA(824 894 MHz), GSM(880 960 MHz), DCS(1,710 1,880 MHz), PCS(1,750 1,910 MHz), WCDMA(1,920 2,170 MHz), LTE class 40(2,300 2,400 MHz),

2 THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. vol. 26, no. 9, Sep [1],[2].,.,, [3],[4]., 4 MI- MO(Multiple Input Multiple Output),. MIMO (Envelop Correlation Coefficient, ECC) [5]. [6] [9] [10],[11]. PCB, MI- MO. MIMO. LTE class 13( MHz), LTE class 14( MHz), CDMA( MHz), GSM( MHz), DCS(1,710 1,880 MHz), PCS(1,750 1,910 MHz), WCDMA(1,920 2,170 MHz), LTE class 40(2,300 2,400 MHz), WiFi(2,400 2,499 MHz) 9, VSWR 3:1. 3D EM Ansoft HFSS. FR4, network analyzer MTG,.. 안테나구조 1(a). ( ) 4.4, (t) 0.8 mm FR mm 3, mm Ω CPWG(Co Planar Waveguide with Ground). MIMO (a) (a) Front view (b) (b) Assembling of the metal cover (c) (c) Feeding for the metal cover 그림 1. Fig. 1. Structure of the proposed antenna. 770

MIMO 그림 2. Fig. 2. Structure of the main antenna.. 1(a), 15 64 mm 2.

3 MIMO 그림 2. Fig. 2. Structure of the main antenna.. 1(a), mm 2. 1(b).. 5 mm. 1(c). 5 mm,.,., VSWR L VSWR. L 10 mm 18 mm 4 mm VSWR., L 18 mm VSWR 3:1 LTE class 13, 14. 안테나설계및파라미터분석 2. IFA.,. IFA 2. IFA short stub open stub. IFA 0.4 mm. 1, IFA. 3 VSWR. VSWR,. 그림 3. VSWR Fig. 3. Comparison of VSWR between the metal cover connected and disconnected. 그림 4. L VSWR Fig. 4. Variance of VSWR as a function of the length L. 771

THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. vol. 26, no. 9, Sep. 2015. 설계된 제안 안테나의 최적값 변수 L 주 안테나 L 표 1. Table 1. Optimum design lengths for proposed antenna.

낮은 주파수 대역인 960 MHz 및 높은 주 파수 대역인 2,170 MHz에서의 전류분포는 3가지 방사 소 자가 연속적인 전류방향으로 잘 동작하고 있음을 보여주 고 있다. Ⅳ. 안테나 제작 및 결과 길이 에 따른 변화 그림 5. L1 VSWR Fig. 5. Variance of VSWR as a function of the length L1. 수 있다.

본 제안 안테나의 IFA open stub은 높은 주파수 대역에 영향을 줌을 볼 수 있다. 위와 같이 2 1 1 1 (a) 960 MHz 안테나 전류분포 (b) 2,170 MHz 그림 6. Fig. 6. Current distribution on the antenna at frequency.

4 THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. vol. 26, no. 9, Sep 설계된 제안 안테나의 최적값 변수 L 주 안테나 L 표 1. Table 1. Optimum design lengths for proposed antenna. 1 길이(mm) 가지 변수에 대한 VSWR 값의 토대로 설계된 안테나의 최적 설계 값은 표 1과 같으며, 나머지 길이에 대한 제원 은 그림 2에 표기하였다. 그림 6은 안테나의 방사 소자인 주 안테나와 메탈 커버 가 안테나로 동작하고 있음을 볼 수 있는 전류분포를 나 타낸 그림이다. 낮은 주파수 대역인 960 MHz 및 높은 주 파수 대역인 2,170 MHz에서의 전류분포는 3가지 방사 소 자가 연속적인 전류방향으로 잘 동작하고 있음을 보여주 고 있다. Ⅳ. 안테나 제작 및 결과 길이 에 따른 변화 그림 5. L1 VSWR Fig. 5. Variance of VSWR as a function of the length L1. 수 있다. 그림 5는 IFA의 open stub인 L 의 길이 변화에 따른 VSWR 변화를 나타낸 것이다. L 길이를 7 mm에서 11 mm까지 2 mm씩 늘려가서 VSWR 특성을 비교하였다. 그 림에서 보듯이 L 값이 11 mm일 때 GHz 대역이 좋아짐을 알 수 있다. 본 제안 안테나의 IFA open stub은 높은 주파수 대역에 영향을 줌을 볼 수 있다. 위와 같이 (a) 960 MHz 안테나 전류분포 (b) 2,170 MHz 그림 6. Fig. 6. Current distribution on the antenna at frequency. 772 그림 7은 그림 1(a)의 시뮬레이션 기반으로 설계한 제 안 안테나를 FR4 기판에 구현한 모습이다. 메탈 커버는 동판을 사용하여 제작하였다. 그림 8은 구현된 안테나에 대한 측정 VSWR을 시뮬레 이션 결과와 비교한 그림이다. 측정결과, LTE class 13/ LTE class 14/ CDMA/ GSM의 낮은 주파수 대역에서 2.5: 1 이하의 VSWR 특성을 보였고, DCS/ PCS/ WCDMA/ LTE class 40/ WiFi의 높은 주파수 대역에서 3:1 이하의 특성을 보이고 있다. 측정 결과는 대역이 조금 넓어진 것 을 제외하면 시뮬레이션 결과와 잘 일치하고 있다. 그림 9는 MIMO 안테나의 특성인 상, 하 안테나 간 분 리도를 나타낸 그림이다. 측정 결과는 모든 대역에서 8 구현된 안테나의 사진 그림 7. Fig. 7. Photo of the implemented antenna.

메탈 커버를 방사소자로 이용한 광대역 MIMO 안테나 측정 제안 안테나의 포락선 상관계수 그림 8. VSWR Fig. 8. Measured VSWR. 그림 10.

(a) LTE class 13, 14/ CDMA/ GSM 미만으로 시뮬레이션과 유사한 양호한 결과를 보이고 있다.

ECC는 MIMO 안테나에서 각 안테 나에 도달하는 RF 신호의 전파경로에 대한 영향을 알 수 있는 지표이다. ECC의 계수가 0.

5 메탈 커버를 방사소자로 이용한 광대역 MIMO 안테나 측정 제안 안테나의 포락선 상관계수 그림 8. VSWR Fig. 8. Measured VSWR. 그림 10. Fig. 10. ECC of the proposed antenna. 분리도 측정 그림 9. Fig. 9. Isolation measurement. (a) LTE class 13, 14/ CDMA/ GSM 미만으로 시뮬레이션과 유사한 양호한 결과를 보이고 있다. db (1) 그림 10은 MIMO 안테나에서 데이터 통신을 위해 필요 한 특성인 ECC이다. ECC는 MIMO 안테나에서 각 안테 나에 도달하는 RF 신호의 전파경로에 대한 영향을 알 수 있는 지표이다. ECC의 계수가 0.5 미만일 때 안테나에서 다이버시티 이득이 얻어지게 되며, 0에 가까울수록 양호 한 MIMO 시스템 성능을 나타냄을 뜻한다. ECC의 산출은 식 (1)과 같은 S-parameter 데이터에 의 [12] (b) DCS/ PCS/ W-CDMA/ LTE class 40/ WiFi 측정된 면 패턴 그림 11. H Fig. 11. Measured H plane patterns. 773

THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. vol. 26, no. 9, Sep. 2015. 표 2. Table 2. Radiation efficiencies and the average gains of the proposed antenna.

(sphere). 2,. 1 2, Eff., Avg.. 2, 1 5.14 1.28 1 2 f [MHz] Eff.[%] Avg.[dBi] Eff.[%] Avg.[dBi] 746 30.87 5.14 31.54 5.06 780 44.87 3.48 43.51 3.41 840 48.08 3.18 45.34 3.44 880 57.26 2.42 55.38 2.

6 THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. vol. 26, no. 9, Sep 표 2. Table 2. Radiation efficiencies and the average gains of the proposed antenna. (a) LTE class 13, 14/ CDMA/ GSM (b) DCS/ PCS/ W-CDMA/ LTE class 40/ WiFi 그림 Fig. 12. Measured 3-dimensional radiation patterns.,. (1). 10, 0.2 ECC. 11 MTG H. 11(a), (b). (null). 3 3D 12. (sphere). 2,. 1 2, Eff., Avg.. 2, f [MHz] Eff.[%] Avg.[dBi] Eff.[%] Avg.[dBi] , , , , , , dbi %, dbi % dbi %, dbi %. 2,.. 결론 MIMO,. 0.8 mm FR4, MIMO., IFA. LTE class 13/ LTE class 14/ CDMA/ GSM/ DCS/ PCS/ W-CDMA/ LTE class 40/WiFi 9 VSWR 3 :

7 MIMO MIMO 8 db, ECC MTG LTE class 13 GSM dbi %., DCS WiFi dbi %..,. References [1],,,, " 6 MIMO ",, 26(4), pp , [2],, " PIFA IFA ", ITS, 10(4), pp , [3],,, " MIMO ",, 26(3), pp , [4],, " ", ITS, 10(2), pp , [5],,,, " MI- MO ",, 48(2), pp , [6] Xing Zhao, Kyeol Kwon, and Jaehoon Choi, "MIMO antenna using resonance of ground planes for 4G mobile application", Journal of Electromagnetic Engineering and Science, vol. 13, no. 1, pp , Mar [7],, ", ", ITS, 13(2), pp , [8] Xing Zhao, Jaehoon Choi, "Multiband MIMO antenna for 4G mobile terminal", Proceedings on the APMC2013, pp , Nov [9],, "LTE ",, 22(7), pp , [10] Seungmin Woo, Jisoo Baek, Dogu Kang, Jinpil Tak, and Jaehoon Choi, "A compact UWB MIMO antenna with enhanced isolation for WBAN applications", Proceedings of ISAP 2014, pp , Dec [11] A. Toktas, A. Akdagli, "Wideband MIMO Antenna with enhanced isolation for LTE, WiMAX and WLAN mobile handsets", IET Electronic Letters, vol. 50, Issue 10, pp , May [12] Constantinos Votis, George Tatsis, and Panos Kostarakis, "Envelope correlation parameter measurements in a MI- MO antenna array configuration", Int. J. Communications, Network and System Sciences, pp , Apr

김병 철 년 2월: 순천향대학교 정보통신공학 과 (공학사) 2014년 3월 현재: 순천향대학교 정보통 신공학과 석사과정 [주 관심분야] 안테나 및

2012년 3월 현재: 순천향대학교 정보통 신공학과 박사과정 [주 관심분야] 휴대폰, RFID 및 전장용 안 2010 테나 설계 776 손태 호 년

금성정밀(주) 중앙연구 소 선임연구원 1980년 1981년: 영국 Ferranti사 연구원 1992년 1994년: 천문우주연구원 객원연구원 1999년

8 THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. vol. 26, no. 9, Sep 김병 철 년 2월: 순천향대학교 정보통신공학 과 (공학사) 2014년 3월 현재: 순천향대학교 정보통 신공학과 석사과정 [주 관심분야] 안테나 및 전자파 이론, 휴 대폰 2014 박민 길 년 2월: 순천향대학교 정보통신공학 과 (공학사) 2012년 2월: 순천향대학교 정보통신공학 과 (공학석사) 2012년 3월 현재: 순천향대학교 정보통 신공학과 박사과정 [주 관심분야] 휴대폰, RFID 및 전장용 안 2010 테나 설계 776 손태 호 년 2월: 한양대학교 전자통신공학과 공학사) 년 2월: 한양대학교 전자통신공학과 공학석사) 년 2월: 한양대학교 전자통신공학과 공학박사) 년 1987년: 금성정밀(주) 중앙연구 소 선임연구원 1980년 1981년: 영국 Ferranti사 연구원 1992년 1994년: 천문우주연구원 객원연구원 1999년 2000년: 한국 ITS학회 회장 2002년 현재: (주)에스비텔콤, (주)하이트랙스, (주)스카이크로 스 기술고문 1990년 현재: 순천향대학교 정보통신공학과 교수 [주 관심분야] 위성통신, 휴대폰 안테나설계, 자동차용 전장품 개발 1979 ( 1986 ( 1990 ( 1978

THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE Mar.; 26(3),

THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. 215 Mar.; 26(3), 248 256. http://dx.doi.org/1.5515/kjkiees.215.26.3.248 ISSN 1226-3133 (Print) ISSN 2288-226X (Online) Metal