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Optimal Design of a UWB-MIMO Antenna with a Wide Band Isolation using ES Algorithm
Optimal Design of a UWB-MIMO Antenna with a Wide Band Isolation using ES Algorithm
The Transactions of The Korean Institute of Electrical Engineers. 2014. Dec, 63(12): 1661-1666
Copyright © 2014, The Korean Institute of Electrical Engineers
  • Received : November 07, 2014
  • Accepted : November 19, 2014
  • Published : December 01, 2014
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준희 한
School of Electrical and Electronics Engineering, Chung-Ang University, Korea
형석 김
Corresponding Author : School. of Electrical and Electronics Engineering, Chung-Ang University, Korea E-mail:kimcaf2@cau.ac.kr

Abstract
In this paper, a compact planar ultra wideband (UWB, 3.1~10.6GHz) multiple-input multiple-output (MIMO) antenna is proposed. This antenna consists of two monopole planar UWB antennas and T-shaped stub decoupling between two antennas. The T-shaped stub improve the isolation characteristic at the wide band. The evolution strategy(ES) algorithm is employed to optimized design. As a result, optimized antenna has a return loss less than -10dB and the isolation less than -15dB from 3.1GHz to 10.6GHz. During the optimization process, the antenna gain is enhanced at lower band and the envelope correlation coefficient(ECC) is lower than 0.003.
Keywords
1. 서 론
UWB는 2002년 미합중국 FCC에서 통신용 주파수 대역으로 상업적 용도의 활용을 승인하여 UWB 통신용 초고주파 소자들에 대한 응용 분야가 나타날 수 있는 기반이 마련되었다. 이에 따라 UWB 통신 시스템에 관련된 연구들이 활발히 진행되어져 왔다. UWB 기술은 넓은 대역을 사용함으로써 특정 공간 내에서 낮은 전력으로 초고속 통신이 가능한 근거리 초고속 무선통신 기술로 규정되고 있다 [1] .
UWB 통신 시스템은 사무실이나 가정에서 기기들이 무선으로 데이터 정보를 송수신하여 자동으로 멀티미디어 콘텐츠, 전자제품 동작, 방범 등 생활의 질을 높여주는 스마트 홈 네트워크에 적용이 가능하여 국내 및 국외에서 지속적으로 연구가 진행되고 있다 [2 - 3] . 따라서 UWB통신의 데이터 송수신과 관련된 중요한 부분이 될 수 있는 안테나에 대한 연구가 활발히 진행되어 왔다.
UWB 안테나 기술에서 통신 속도를 더욱 고속화하며 데이터 용량의 증대 및 효율을 향상하기 위한 기술이 바로 MIMO 안테나 시스템이다. MIMO 안테나 시스템은 송신단과 수신 단에 여러 개의 안테나를 사용하여, 사용된 안테나 수에 비례하여 전송 용량을 높이는 기술이다. 통신 속도, 채널용량, 통신효율, 신뢰성에 대한 측면에서 Single Input Single Output(SISO)안테나 시스템보다 장점을 가지고 있다. SISO 안테나 시스템에서의 달성 용량은 C = Wlog 2 (1+ SNR )이며, 주파수와 전력에 의해서 결정된다. 반면 MIMO 안테나 시스템에서의 달성 용량은 C = Wmin ( M , N )log 2 (1+ SNR )로 M은 송신단 안테나의 개수, N은 수신 단 안테나의 개수이며, 주파수와 전력, 송신단과 수신단의 최소 안테나 수에 의해서 결정된다.
MIMO 안테나 시스템은 송신단과 수신 단에서 늘어난 안테나의 개수로 데이터를 여러 경로로 전송이 가능하다. 각 경로에 서로 다른 데이터를 동시에 전송함으로써 시스템의 대역폭을 증가시키지 않고 고속으로 데이터를 전송할 수 있는 Spatial Multiplexing 기법에 적용 가능한 장점이 있다. 또한, 각 경로에 같은 데이터를 전송함으로써 수신신호레벨이 큰 신호만 선택, 수신하여 양호한 수신감도를 유지하여 페이딩을 방지하는 Spatial Diversity기법이 가능하다 [4] .
하지만 MIMO 안테나 시스템에서 주의해야할 점은 여러 안테나를 사용함으로써 안테나 간 전자기적인 상호 간섭이 발생하며, 제대로 된 MIMO 안테나 시스템으로서 기능이 변질될 수 있다는 것이다. 상호 간섭을 방지하려면 안테나간 사이의 거리가 최소 λ/2이상 이격되어야 한다. 그러나 안테나의 대형화가 불가피하여 통신단말기에 적용되기가 매우 어렵다. 따라서 안테나의 본래의 성능을 유지하면서 안테나간 상호 간섭을 저감시키며, 소형화를 이루기 위한 많은 연구들이 진행되고 있다.
안테나간 상호간섭의 영향을 저감하기 위하여 MIMO 안테나의 격리 특성을 향상하기 위한 연구로는 각 안테나간의 이격 거리를 조절하는 방법과 Decoupling 회로를 삽입하는 방법, 안테나 패치 간에 Suspended line을 직접 연결하는 방법등이 있다. 하지만 안테나간의 이격 거리를 조절하는 방법은 격리도 확보 및 안테나 성능이 저조해질 가능성이 높고, 단말기에 적용할 때마다 안테나를 재배치해야 한다는 단점이 있다 [5] . 그리고 Decoupling 회로 및 Suspended line를 삽입하는 방법은 단일 주파수에서만 적용이 가능하여 광대역 및 다중대역에는 적용이 힘들다 [6 - 7] .
반면, 이러한 MIMO 안테나 기술과는 다르게 접지면에 슬릿, 스터브를 삽입하여 접지면을 변형시키는 방법은 각 안테나들이 독립된 접지면을 가진 것처럼 보이게 하여 격리도를 확보할 수 있다. 그리고 변형된 접지면은 리플렉터처럼 동작하여 격리도 및 이득을 향상시킬 수 있다 [8] .
본 논문에서는 소형의 UWB MIMO 안테나를 제안하였다. 제안된 안테나는 두 개의 모노폴 형식의 패치 안테나를 사용하였으며 상호 간섭을 억제하기 위해 슬릿, 스터브를 접지면에 삽입하여 격리도를 향상시켰다. 삽입된 격리체는 광대역에서 높은 격리특성을 확보할 수 있으며, 안테나의 고유 반사손실 특성에는 영향을 주지 않도록 설계되었다. 안테나 설계의 신뢰성 확보 및 안테나의 구조적인 복잡함으로 인한 전자기 수치해석 과정의 반복 계산으로 인한 인력과 비용을 절약하기 위해 ES 알고리즘을 이용하여 UWB-MIMO 안테나 최적 설계하였다.
2. 본 론
- 2.1 안테나 초기설계
UWB 대역에서 동작하는 단일패치 안테나를 설계하기 위하여 사각패치 안테나의 밑 부분 식각을 통해 semi elliptical 형태로 안테나 구조를 변경하였다. [9] 식각되는 곡률에 따라 공진점과 대역이 변화하였고, 식각 반지름이 5mm일 때에 대역에서의 동작을 만족하는 것을 확인할 수 있다. 그림 1 은 MIMO 안테나에 삽입될 UWB 대역 단일 안테나의 구조변경과정과 그에 따른 반사손실 그래프이다.
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안테나 패치 곡률 변화에 따른 특성 (a) 안테나 패치 곡률 변화 (b) 곡률 변화에 따른 반사손실 Fig. 1 Characterstic according to changes of curvature on the patch antenna (a) Variation of curvature at the patch antenna (b) Return loss
이렇게 설계된 UWB 안테나를 2X1 MIMO 안테나로 설계하고자 대칭적으로 이격배치 하였다. 그림 2 는 패치간 간격이 12 mm 이고 안테나간 사이에 격리 구조를 삽입하지 않았을 때의 안테나 평면도와 반사손실 및 격리특성 그래프를 나타낸다.
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이격 배치된 MIMO 안테나 (a) 안테나 구조 (b) 반사손실과 격리특성 Fig. 2 MIMO antenna separated between patches (a) Layout of the antenna (b) Return loss and isolation characteristic
그림 2(b) 의 결과를 통해 3.1~8.5GHz대역에서 격리특성이 저조하다는 것을 알 수 있다. 격리특성의 저하로 인해 3.1~8.5GHz 대역에서 정상적인 MIMO 안테나로서 특성이 저하될 수 있으며, 개별 안테나간 전자기 간섭이 심해질 수 있다. 따라서 저주파대역에서의 격리특성을 향상시키기 위해 접지면에 스터브를 삽입하였다. 삽입된 스터브는 저주파통과 필터 (Low Pass Filter, LPF)로 동작한다. 저주파 통과필터로 동작하는 스터브는 저주파대역을 통과시키고 고주파 대역은 차단하는 기능을 하는 역할로서 접지면에 삽입되었다., 스터브의 설계치는 3.1GHz부터 광대역 격리특성을 얻기위해 길이와 폭은 차단 주파수를 2.5GHz로 하여 설계하였다. Equal-Ripple (0.5dB Ripple) LPF Prototype에서 N =1 일 때, g 1 =0.6986, g 2 =1.000 때의 집중 정수 소자의 등가회로도는 그림 3 과 같다.
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저역통과여파기의 등가회로 Fig. 3 Equivalent circuit of LPF
Richard’s transformation을 이용하면 병렬 C 값은 길이가 λ/8 일 때, 임피던스 Z 0 값으로 변환되는 과정에서 역수를 취하게 되어 C 1 Z 0 값은 1.4314가 된다. 50 Ω 기준으로 normalize하면 Z 0 =71.57 Ω 이 된다 [10] .
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microstrip line의 characteristic impedance를 구하는 식(1)을 이용하면 스터브의 폭은 1.13 mm 가 되고, 길이는 2.5GHz의 λ/8길이인 15 mm 가 된다. 계산된 스터브의 길이 및 폭에 대한 조건으로 설계된 T형 스터브를 삽입한 안테나 평면도와 그 반사손실 및 격리특성 그래프는 그림 4 와 같다.
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T형 스터브가 삽입된 MIMO 안테나 (a) 안테나 구조 (b) 반사손실과 격리특성 Fig. 4 MIMO antenna with T-shaped stub (a) Layout of the antenna (b) Return loss and isolation characteristic
그림 4 (b) 의 S-parameter 결과 그래프를 확인하면 T형스터브의 삽입으로 4.5GHz 이상부터 격리대역을 형성하는것을 확인할 수 있다. 이론상 2.5GHz 이후에 격리대역이 형성되어야 하지만 필터이론에 근간을 둔 설계였기 때문에 MIMO 안테나의 접지면에 삽입되었을 때에는 이론적 접근과 상이하다는 것을 EM 시뮬레이션 결과를 통해 확인하였다.
격리구조가 추가되어 스터브의 길이와 폭, 안테나 패치간 간격 등 고려해야할 변수가 증가되었다. 설계목표를 만족하기까지는 많은 수행착오과정을 거치게 되어 설계시간이 매우 증가하게 된다. 따라서 본 논문에서는 이러한 문제점을 개선하기 위해 최적화 알고리즘을 적용하여 안테나 최적 설계를 수행하였다.
- 2.2 ES 알고리즘 (Evolution Strategy algorithm)
본 논문에서는 안테나 최적설계를 위하여 선택한 최적화 알고리즘은 ES (Evolution Strategy) 알고리즘이며 확률론적 최적화 기법 중 하나로서 순서도는 그림 5 와 같다.
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ES 알고리즘의 순서도 Fig. 5 Flow chart of ES Algorithm
ES 알고리즘은 부모 세대로부터 일정한 범위 내에서 확률 변수를 발생하여 식 (2)와 같이 차세대를 생성한다. 생성된 세대는 자식세대라 한다.
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X는 개체군, C는 자식세대(Children), P는 부모세대(Parent), n는 설계변수의 수, α 는 변이폭, R은 평균이 0인 균등 분포를 갖는 확률밀도 함수에 의해 발생되는 난수이다. 그 후, 부모, 자식세대를 통해 목적함수 값에 가장 적합한 변수 집합을 선택한 후 식 (3)과 같이 차세대(Next generation)를 구성하게 된다.
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F p ( i )는 X p ( i )의 목적함수 값, F C ( i )는 X C ( i )의 목적함수 값이다. 차세대 구성 시 식 (4)와 같이 변이폭을 조절 하면서 목적함수에 가장 부합되는 최적 설계 변수들을 구한다.
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2 × N (N=변수개수)번마다 부모세대의 변이횟수를 판단하여 변이폭을 재조정한 후 알고리즘을 반복한다.
ES 알고리즘은 HFSS 스크립트 기능과 EXCEL의 VBA(Visual Basic for Application)을 연동하여 구현되었다. 최적설계 시 반사손실과 격리특성을 고려해야하며 이 설계 요소들을 목적함수에 반영하여 최적화를 수행한다. 설정한 전체 목적함수는 식 (5)와 같고 그에 따른 세부 목적함수는 식 (6), (7)과 같다.
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F는 목적함수, f는 주파수, S 11 ( f ), S 12 ( f )는 주파수에 대한 반사손실과 격리특성이다. 이렇게 얻어진 S-파라미터 값과 S O1 , S O2 를 비교하여 목적함수 수렴도를 판단한다. S O1 =−10 d B , S O2 =−15 d B 이다. Band1은 f 1 부터 f 2 까지의 대역이며 f 1 =3.1 GHz , f 2 =10.6 GHz 이다.
- 2.3 ES 알고리즘이 적용된 안테나 최적 설계
목표달성을 위해 그림 4 (a) 의 초기구조에서 6개의 변수를 선택하였고, 각 변수의 초기값과, 최소값, 최대값, 변이폭은 표 1 과 같다.
변수의 초기값과 변이폭Table 1 Initial value and step width of variables
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변수의 초기값과 변이폭 Table 1 Initial value and step width of variables
그림 6 은 ES 알고리즘을 적용하여 최적 설계된 안테나의 평면도를 보여준다. 초기설계 시와 최적설계 후에 각 변수당 변화값은 표 2 와 같다.
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최적 설계된 안테나의 최종 구조 Fig. 6 Final geometry of the optimized antenna
변수의 초기값과 최종값Table 2 Initial and final value of variables
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변수의 초기값과 최종값 Table 2 Initial and final value of variables
최적 설계된 안테나의 S-파라미터는 그림 7 과 같고, 초기 설계된 안테나 그림 4 (a) 와 비교하였다.
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최적 설계된 안테나의 S-파라미터 Fig. 7 S-Parameter of the optimized antenna
스터브의 폭과 길이들이 변화하여 동작대역에서 반사손실과 격리특성이 모두 만족함과 동시에 패치 간 길이가 감소되어 전체크기가 40 ×25 mm 2 에서 38.24 ×23 mm 2 로 13.6% 감소된 것을 확인 할 수 있다.
- 2.4 최적 설계된 안테나 특성
그림 8 은 최적설계 된 안테나의 3GHz, 6.8GHz, 10.6GHz에서의 2D-방사패턴의 비교 그래프이다.
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최적 설계된 안테나의 2-D 방사 패턴 Fig. 8 2-D radiation patterns of the optimized antenna
저주파 대역에서의 격리특성을 향상시킴으로 인하여 3GHz 부터 8.dks5GHz 까지 이득이 향상된 것을 확인할 수 있다. 그림 9 는 최적화 전/후의 주파수별 안테나 이득 비교 그래프이다.
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최적 설계된 안테나의 이득 Fig. 9 Gain of the optimized MIMO antenna
한 포트에만 인가했을 시에 전류흐름도와 3D-방사패턴을 확인하였다. 스터브에 전류분포가 밀집되어 인접 패치로의 간섭이 저하된 것을 확인하였고, T-형 스터브인 격리소자를 삽입함으로 인해 각 패치가 독립적인 접지면을 가진 것처럼 보이게 되어 방사패턴 또한 독립적인 형태를 가짐을 확인할 수 있다. 그림 10 은 안테나에 단일 포트에만 인가했을 시에 3GHz 에서의 전류분포도이고 그림 11 은 3D-방사패턴이다.
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단일 포트 인가 시 전류 분포도(3GHz) Fig. 10 Surface Current distribution with one port input (3GHz)
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단일 포트 인가 시 3-D 방사패턴 (3GHz) Fig. 11 3-D Radiation pattern with one port input (3GHz)
ECC (Envelope Correlation Coefficient) 상관계수는 MIMO 안테나의 격리 특성을 확인하는 파라미터이며, 근사식은 식 (8)와 같다 [11] .
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최적 설계된 안테나의 ECC 상관계수를 확인하기 위해 S-파라미터에서 Real값과 Imagine값을 추출하였고, 추출된 값을 식 (8)에 대입하여 출력한 그래프는 그림 12 와 같다.
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최적 설계된 안테나의 상관계수 Fig. 12 ECC of the optimized antenna
휴대단말 기준 0.5이하, 기지국단말 기준 0.7 이하를 만족해야 하는데, 그림 13에서 확인할 수 있듯이 0에 가까운 결과를 얻을 수 있었고, 광대역에서 높은 격리도를 가짐을 확인할 수 있었다.
3. 결 론
본 논문에서는 MIMO 안테나의 T-형 스터브를 삽입하여 광대역에서 격리특성을 가지는 UWB-MIMO 안테나를 제안하였다. 제안된 안테나는 설계의 신뢰성 확보를 위해 ES 알고리즘을 적용하여 최적설계 하였다. 최적 설계된 안테나는 38.24 ×23mm 2 의 크기를 가지며 최적화 전 초기구조 대비 13.6% 의 크기감소를 얻을 수 있었고, UWB대역에서 - 10dB 이하의 반사손실 특성과 - 15dB 이하의 격리특성을 가진다. 저주파대역에서의 격리특성 향상으로 인하여 3GHz 기준 9dB의 이득 향상을 얻을 수 있었고, MIMO 안테나의 ECC 상관계수는 0.003 이하로 높은 격리특성을 확인하였다.
제안된 안테나는 UWB 전 대역에서 높은 격리 특성을 가짐으로 인해 고속의 데이터 통신 시스템의 데이터 신뢰도를 향상시킬 수 있다. 즉, 제안된 안테나는 초고속의 UWB 통신 어플리케이션에 유용하게 사용될 수 있을 것으로 사료된다.
Acknowledgements
본 논문은 한국전력공사의 재원으로 기초전력연구원의 2013년 선정 기초연구개발과제의 지원을 받아 수행된 것임. (R13TA13)
BIO
Jun-Hee Han was born in Incheon, South Korea in 1987. He received his B.S. degree in electrical and electronics engineering from Chung-Ang University, South Korea in 2013. He is working toward the M.S. degree in electrical and electronics engineering at the same university. His interests include analysis of RF components and optimal design of passive components.
Hyeong-Seok Kim was born in Seoul, South Korea in 1962. He received his B.S., M.S., and Ph.D. degrees in electrical engineering from Seoul National University, South Korea in 1985, 1987, and 1990, respectively. From 1990 to 2002, he worked with the Division of Information Technology Engineering, Soonchunhyang University in Asan, South Korea. He was a Visiting Professor of Electrical Computer Science Engineering at the Rensselaer Polytechnic Institute in Troy, New York in 1997. He transferred to the School of Electrical and Electronics Engineering, Chung-Ang University, Seoul, South Korea as a professor in 2002. His current research interests include numerical analysis of electromagnetic field and waves, optimal and robust design of passive components for wireless communication, RFID applications, wireless power transmission, and electromagnetic education.
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