무선 액세스 포인트 용 무지향성/지향성 패턴을 포함한 광대역 이중대역 MIMO 안테나 :Wide/Dual band MIMO Antenna with Omni/Directional Radiation Patterns for Premium Indoor Access Point

염인수

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자료유형: 학위논문

저자정보: 염인수 (서울과학기술대학교, 서울과학기술대학교 대학원)

지도교수: 정창원

발행연도: 2016

저작권: 서울과학기술대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수5

이 논문의 연구 히스토리 (2)

2016

무선 액세스 포인트 용 무지향성/지향성 패턴을 포함한 광대역 이중대역 MIMO 안테나

염인수 2016.01 학위논문

2014

무선 액세스 포인트용 광대역의 고지향성 이중대역 슬롯 결합 다중 패치안테나

염인수 , 강성훈 , 정창원 한국산학기술학회 논문지 2014.05 학술저널

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본 연구에서는 무선 액세스 포인트용 전 방향 /지향성 패턴을 포함한 광대역 이중대역 MIMO 안테나를 설계하였다. 이중 대역의 슬롯(slot) 커플링 구조를 이용한 패치 안테나를 제시하였다. 2.4 GHz ~ 2.484 GHz와 4.095 GHz ~ 5.845 GHz에서 동작하며, 세 개의 적층 구조로 구성되었고, 두 개의 방사체로 이루어져있다. 첫 번째 방사체는 2.4 ~ 2.483 GHz대역에서 동작하는 슬롯형태의 나비넥타이(bow-tie) 안테나이다. 두 번째 방사체는 4.095 ~ 5.845 GHz에서 동작하는 기생소자(parasitic element)들을 포함한 패치안테나이다. 대역폭을 넓히기 위해서 첫 번째 방사체에서 커플링 급전(coupling feed)이 사용되었고, 두 번째 방사체에 기생 패치(parasitic patch)를 사용하였다. 그리고 지향성(directivity)과 격리도(isolation)를 향상시키기 위해 기생 패치와 초크(chock)를 고안하였다. 특히 5 GHz 대역에서 17% 이상의 넓은 대역폭을 보여주며, 동작 주파수에서 ?11dB 이하의 반사계수(S11)를 보여준다. 최대이득은 첫 번째 안테나에서 6 dBi 이상, 두 번째 안테나에서 8 dBi 이상이다. 다음으로, 기존의 패치 안테나에서 공통의 반사체(reflector)사용하여 4개의 요소(element)로 확장하여 공간 및 편파 다이버시티(diversity)를 비교 분석하였다. 다이버시티 이득과 격리 도를 통해 분석하였으며, 안테나간의 간격이 0.67 λg (80mm)로 떨어져 있을 때 동작 주파수에서 측정된 격리 도는 ?15 dB이하이다. 또한 직각(orthogonal)의 편파구조의 경우 다이버시티 안테나 시스템의 성능을 향상시킨다는 것을 실험을 통해 확인하였다.
이를 통해 802.11n 대역의 WLAN에서 동작하는 광대역의 이증대역 MIMO 안테나를 설계하였다. 실내용 무선 액세스 포인트에 적용가능하며, MIMO 성능의 분석을 위해 지향성 방사특성을 보이는 패치 안테나와 전 방향성 방사특성을 보이는 다이폴 안테나를 제시하였다. 설계된 안테나는 2 X 2 MIMO로 구성하였다. 2 X 2 MIMO 배열에서 안테나 소자간의 거리는 2.4 GHz 에서 0.67 λg (80 mm), 5 GHz 대역에서는 1.3 λg (80 mm)이다. 본 연구에서는 일반적인 MIMO 성능 평가인 격리도(isolation), Envelope correlation coefficient(ECC), Mean effective gain(MEG)를 분석하여 안테나간의 다이버시티 성능을 비교분석하였고, 제안한 안테나를 802.11n 을 지원하는 무선 액세스 포인트에 적용하여 throughput 테스트를 실행하였다. 설계된 안테나는 무선 액세스 포인트에 적용하기에 충분한 안테나 성능 및 MIMO 성능을 보여주었다. 또한 무선 네트워크 통신 성능 평가를 위해 실제 사무실(office) throughput 테스트를 진행하였고, 안테나 종류별로 비교 분석 하였다. 마지막으로 격리도, 안테나 이득, 빔 패턴 등을 포함하여 안테나 종류에 따라 결과를 포함하였다. 본 연구를 통해 멀티패스의 통신 환경에서 MIMO 성능을 포함한 다양한 관점에서 통신 성능을 파악 할 수 있을 것이다.

We implemented a dual band, slot coupled, patch (SCP) antenna for the external access point (AP) of the wireless local area network (WLAN) band. The antennas consist of two radiators on three layers. The first radiator is a slotted bow tie antenna operating at the 2.4 ~ 2.483 GHz band. The second radiator is a 4.095 ~ 5845 GHz. To enhance the bandwidth, coupled feeding was used in the first radiator and a parasitic patch was used in the second radiator. We used a parasitic patch and chock to improve the directivity and isolation in both radiators. The peak gain was more than 6 dBi in the first antenna and more than 8 dBi in the second antenna. and we simulated and measured the extended antenna to four elements using a common reflector, and the spatial and polarization diversity of the proposed antenna were analyzed according to the isolation and the diversity gain. The isolation is below -15dB at the operating frequency when the distance between the proposed antennas is more than 0.67 λ (80mm). The orthogonal polarization of the proposed antenna obviously improves the performance of the diversity antenna system. Finally, The wideband Multi Input Multi Output (MIMO) antenna with dual band (2/5GHz) operation in wireless local area network (WLAN) 802.11n is proposed for premium indoor access point (IAP). Typical two types of antennas representing omni directional pattern for dipole antenna and directional radiation pattern for patch antenna are designed for the MIMO performance comparison. The proposed antennas are composed in 2x2 MIMO. The distance (D) between the proposed antennas in the 2x2 MIMO array is 0.67 λg (80 mm) at 2.4 GHz and 1.3 λg (80mm) at 5.4 GHz in general configuration. We simulated and measured the typical MIMO performances such as isolation, envelope correlation coefficient (ECC), mean effective gain (MEG) for indoor access points and throughput for communication quality performance. The diversity performances between the antennas were analyzed according to ECC and mean effective gain MEG. The proposed antenna has a sufficient MIMO performance and excellent characteristic which is suitable for the indoor access point. We analyzed the communication performance of wireless networks by using throughput data in a typical office environment, and also, the network throughput of 802.11n device for the comparison according to the antenna type. The result shows the value of ECC, MEG, and throughput has unique characteristics by radiation patterns, antenna gains and isolation etc. This analysis also discusses the communication performance to various aspects with the MIMO performance in multipath situation.

#MIMO #WLAN #Antenna #Diversity #Access Point

I. 서 론 1
II. 이론적 고찰 및 실험 방법 3
1. 패치 안테나 3
2. MIMO 시스템 4
3. MIMO 안테나 연구 동향 11
4. MIMO 안테나 실험 방법 15
III. 실험 결과 및 고찰 17
1. MIMO용 지향성/무지향성 안테나 소자 17
1.1 지향성 광대역 이중대역 패치 안테나 17
1.1.1 안테나 구조 18
1.1.2 시뮬레이션 및 측정결과 19
1.2. 무 지향성 광대역 이중대역 다이폴 안테나 25
1.2.1 안테나 구조 25
1.2.2 시뮬레이션 및 측정결과 29
1.3. 결과 29
2. 802.11a/b/g/n 무선 액세스 포인트에 적용되는 광대역 패치 안테나의 공간. 편파 다이버시티 분석 30
2.1. 광대역 패치 안테나의 공간, 편파 다이버시티 분석 30
2.2 본론 31
2.1.1 광대역 패치 안테나 구조 31
2.2.2 SCP(슬롯커플 패치 안테나) 안테나의 공간/편파 다이버시티 33
2.3. 결과 44
3. 무선 액세스 포인트 용 지향성/무지향성 패턴을 포함한 광대역 이중대역 MIMO 안테나 46
3.1. 지향성/무지향성 패턴의 광대역 이중대역 MIMO 안테나 46
3.2. MIMO 안테나 48
3.2.1 무 지향성 방사 패턴을 갖는 다이폴 안테나 48
3.2.2 지향성 방사 패턴을 갖는 패치 안테나 49
3.3. 제안된 안테나의 MIMO 안테나 성능 비교 50
3.3.1 무 지향성 다이폴 안테나를 이용한 MIMO의 측정 결과 52
3.3.2 방향성 패턴을 갖는 패치 안테나의 MIMO의 측정 결과 55
3.3.3 무선 액세스 포인트의 Throughput 성능 검증 58
3.4. 결과 62
IV. 결 론 64
참고문헌 66
영문초록(Abstract) 70
감사의 글 72

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