실내 무선 애플리케이션을 위한 다기능 12포트 주파수 가변 다이버시티 안테나

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 7979(2023) 이 기사 인용

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최근 차세대 재구성 가능 기술의 부활로 전 세계 모든 공공, 민간 및 기업 솔루션에 수많은 다양한 애플리케이션이 제공되고 있습니다. 본 논문에서는 실내 시나리오를 위한 주파수 재구성 가능한 편파 및 패턴 다양한 MIMO(Multiple-Input-Multiple-Output) 안테나를 제시합니다. MIMO 안테나는 12개의 방사소자로 구성되어 있으며 이를 HP(Horizontal Plane), VP-I(Vertical Plane-I), VP-II의 3가지 평면으로 배열하여 편파 및 패턴 다양성을 얻습니다. ). 제안된 안테나는 PIN 다이오드를 사용하여 서로 다른 두 개의 방사체를 결합하여 모드 I(광대역)과 모드 II(다중 대역)에서 작동합니다. 안테나는 모드 I(광대역)과 모드 II(다중 대역) 사이를 동적으로 전환합니다. 모드에서는 I가 2.3~12GHz의 초광대역(UWB) 범위를 지원하고, 모드 II는 GSM(1.85~1.9GHz), Wi-Fi 및 LTE-7(2.419~2.96GHz), 5G(3.15~3.28GHz)를 지원합니다. 및 3.45~3.57GHz), 공공 안전 WLAN(4.817~4.94GHz) 및 WLAN(5.11~5.4GHz) 주파수 대역. MIMO 안테나의 최대 이득과 효율은 각각 5.2dBi와 80%입니다.

무선 세계의 급속한 발전으로 인해 연결 문제, 높은 데이터 속도, 전력 제약, 소형화 및 다중 서비스 가능성을 해결합니다. 안테나 모듈은 사용자에게 중단 없는 서비스를 제공하기 위해 송신과 수신을 동시에 지원해야 합니다. 특히 쇼핑몰, 공항, 대학, 산업체, 학교, 병원 등과 같은 실내 시나리오에서는 소규모 페이딩으로 인해 연결 문제1,2,3가 더 많이 발생합니다. 그러나 이러한 중요한 과제는 다중 경로 전파로 인해 발생하며, 이는 신호 대 잡음비를 감소시키고 극성 불일치로 인해 링크 신뢰성에 영향을 미칩니다. 페이딩 효과는 트랜시버에 공간적 다양성을 도입하여 완화할 수 있습니다. 따라서 MIMO(Multiple-Input-Multiple-Output) 다이버시티 안테나는 통신 신뢰성을 향상시키기 위해 무선 트랜시버에 사용됩니다4,5,6,7,8. 유사한 연구 문헌에 따르면 MIMO 안테나는 광대역9,10,11,12,13,14, 다중대역15,16,17, 통합18,19,20으로 분류되며 이는 광대역과 다중대역이 결합된 것입니다.

광대역 MIMO 안테나는 높은 데이터 전송 속도와 낮은 전력 소비 등 다양한 장점으로 인해 현대 무선 시스템에서 널리 사용됩니다. In9에서는 LC 탱크 회로를 사용하여 5G 대역과 C 대역을 두 가지 상태로 커버하는 쿼드 요소 MIMO 안테나가 보고되었습니다. In10에서는 인지 무선 애플리케이션을 위해 슬롯 기반 쿼드 요소 MIMO 안테나가 개발되었습니다. 그러나 안테나에는 편파 다양성이 부족했습니다. In11에서는 5.5GHz의 노치 대역으로 초광대역(UWB) 범위를 커버하도록 소형 MIMO 안테나가 설계되었습니다. In12에서는 UWB를 커버하는 안테나 배열이 보고되었으며, 단위 셀 간의 높은 격리도를 달성하기 위해 좁은 슬롯이 도입되었습니다. In13에서는 안테나 요소 간 격리도가 높은 4요소 UWB MIMO 안테나가 제안되었습니다. In14에서는 편파 기능을 갖춘 8포트 3-D UWB MIMO 안테나가 제시되었습니다. In15에서는 3G, 4G 및 5G 주파수 대역을 포괄하는 WLAN 거부와 함께 8요소 MIMO/다이버시티 안테나가 보고되었습니다. In16에서는 디커플링 구조를 갖춘 2요소 다중 대역 안테나가 스마트폰용으로 개발되었습니다. In17에서는 구불구불한 분할 링 공진기를 갖춘 4요소 MIMO 안테나가 요소 간 격리가 높은 것으로 보고되었습니다. 그러나 위에서 보고된 MIMO 안테나의 대부분은 복잡한 기하학적 구조와 큰 크기를 가지며 복잡한 디커플링 구조를 사용했습니다.

최근 IMA(Integrated MIMO Antenna)는 고속 데이터 전송과 다중 서비스 가능성으로 인해 많은 주목을 받고 있습니다. 이 안테나는 광대역 및 협대역 특성을 모두 제공하며 IoT 모듈에 유용합니다. 그러나 여러 대역을 단일 엔터티로 통합하는 소수의 IMA 설계만이 공개 문헌에 보고되어 있습니다. In18에서는 5쌍의 단일 및 이중 대역 안테나 요소와 2개의 UWB 안테나 요소를 갖춘 12포트 MIMO 안테나가 보고되었습니다. 19년에는 UWB, GSM 및 Bluetooth 표준에 대해 12개 요소를 갖춘 MIMO 안테나가 보고되었습니다. In20에서는 8요소 주파수 재구성 가능 편파 다이버시티 IMA가 차량 통신 애플리케이션용으로 설계되었습니다. 그러나18,19,20에서 보고된 안테나 설계는 크기가 크고 기능이 제한적이며 다양성이 제한되었습니다. 현재 모듈은 가능한 가장 작은 안테나 크기와 최소한의 요소 간 간섭으로 많은 수의 공진 요소를 통합하여 광범위한 무선 통신 표준을 지원해야 합니다. 따라서 재구성 가능한 안테나는 사용자 요구에 맞게 조정할 수 있으므로 실내 시나리오에 적합할 수 있습니다. 재구성 가능한 IMA는 다음과 같은 이점을 제공합니다. (i) 작은 공간에 더 많은 라디에이터 통합, (ii) 주파수, 패턴 및 편파를 변경하여 다중 서비스 가능성 활성화21,22, (iii) 사용자 요구에 따라 동적 스펙트럼 접근성 향상23 ,24,25 및 (iv) 간섭을 피하기 위해 MIMO 안테나 내에서 필터링 특성을 제공합니다. 또한 안테나 성능을 향상시키기 위해 메타표면 기반 개념이 26,27,28 에서 보고되었습니다.