ESPAR Antenna Array for the RFID based WSN Communication with Interference

Md. Moklesur Rahman,Heung-Gyoon Ryu(유흥균) 대한전자공학회 2022 전자공학회논문지 Vol.59 No.6

확장 13-Element EPSAR 안테나를 사용한 7x7 MIMO 시스템

복준영(Junyeong Bok),이승환(Seung Hwan Lee),유흥균(Heung-Gyoon Ryu) 한국통신학회 2014 韓國通信學會論文誌 Vol.39 No.2(통신이론)

MIMO 시스템은 통신 시스템의 채널 용량을 증가시키기 위해서 다양한 분야에서 사용된다. 그러나 이러한 통신 시스템은 다수의 RF 단을 필요로 하기 때문에 안테나 소형화에 문제가 있다. 게다가 다수의 RF 단으로 인하여 아날로그 회로에서의 전력 소모가 증가하고, RF 단의 간섭으로 인하여 통신 효율이 심각하게 저하된다. 이러한 이유 때문에 단일 RF 단을 가지면서도 MIMO 통신이 가능한 BS-MIMO 통신 방식이 제안되었다. BS-MIMO 시스템은 기본적으로 ESPAR 안테나를 사용한다. 기존의 ESPAR 안테나는 5-element 구조를 가지고 있으며, 3x3 MIMO 전송 까지만 가능하다. 그러므로 MIMO 차원을 확장시키기 위해서는 ESPAR 안테나의 구조 확장이 필수적이다. 본 논문에서는 단일 원 형태의 ESPAR 안테나의 구조 확장을 통해서 BS-MIMO 의 차원을 기존 MIMO기술처럼 증가시킬 수 있음을 보였다. 설계의 예로써, 13-ESPAR 안테나를 사용하면 7x7 BS-MIMO 전송이 가능함을 보였다. 또한 기생 배열안테나의 수가 2개씩 증가할수록 전송 가능한 MIMO 차원이 일씩 증가한다. Multiple-input and multiple-output (MIMO) technique is used in many communication fields in order to increase the channel capacity. However, this MIMO system has difficulty of miniaturization of antenna size due to the multiple RF chains Also, multiple RF chain raises some problems which increase power consumption at RF circuit and degrade the system performance due to the interference between RF chains. Because of these reasons, beamspace MIMO (BS-MIMO) technique with only single RF chain was proposed for MIMO transmission. This BS-MIMO system basically uses electronically steerable parasitic array radiator (ESPAR) antenna. Existing ESPAR antenna has a 5-element structure. So, it is possible to do only 3X3 MIMO transmission. Therefore, in order to extend BS-MIMO dimension, extension of ESPAR antenna structure is essential. In this paper, we show that BS-MIMO dimension can be increased according to the extension of structure of the ESPAR antenna, as in the conventional MIMO techniques. For example, we show that it is possible to design the 7x7 BS-MIMO transmissions with the 13-element ESPAR antenna. Also, when the number of parasitic elements of ESPAR antenna increases by two elements, MIMO dimension is expanded by 1.

빔 공간 MIMO 통신시스템에서 고레벨 변조 설계와 평가

김봉준(Bong-Jun Kim),유홍균(Heung-Gyoon Ryu) 한국통신학회 2014 韓國通信學會論文誌 Vol.39 No.5(통신이론)

ESPAR(Electronically Steerable Parasitic Array Radiator) 안테나는 기존의 다중 안테나 시스템이 가지는 다중RF-체인으로 인한 공간적인 제한과 에너지 효율의 문제를 극복하는 기술이다. 다중 안테나와 다중 RF-체인을 사용함으로써 발생하는 문제를 해결하기 위해 단일 RF 체인을 갖는 ESPAR 안테나를 사용하여 다수의 데이터를 동시에 전송할 수 있는 빔 공간 MIMO 시스템이 제안되었다. 기존 연구에서는 PSK 변조 계열에서의 빔 공간MIMO 시스템에 대해 제안되었다. 본 논문에서는 1개의 능동소자와 2개의 기생소자를 가지는 ESPAR 안테나를 사용하여 PSK 변조뿐만 아니라 QAM 변조에서도 빔 공간 MIMO 시스템이 가능하다는 것을 밝히기 위해 16,64-QAM 변조방식을 이용한 2x2 빔 공간 MIMO 시스템을 제안하고 성능을 평가하였다. ESPAR 안테나의 기생소자의 리액턴스를 조절하여 리액턴스 셋을 생성하여 QAM 계열의 심볼을 생성할 수 있다는 것을 확인하고 시뮬레이션을 통해 이를 전송하여 빔 공간 MIMO 시스템의 통신성능이 기존의 MIMO 시스템과 유사하게 되는 것을 확인하였다. ESPAR(Electronically Steerable Parasitic Array Radiator) antenna is the technique for overcoming the problems of space limitation and energy efficiency due to the multiple RF-chain. Conventional MIMO system with multiple antenna requires a large number of RF-chain for transmitting the multiple data because it transmits the data in proportion to the number of antenna. Beamspace MIMO system using the ESPAR antenna which has single RF-chain was proposed for solving the problems caused by using the multiple antenna and RF-chain. In this paper, therefore we propose 2x2 beamspace MIMO system using the 16, 64-QAM modulation and evaluate the performance of this system to reveal that it is possible that beamspace MIMO system can use not only PSK modulation but also QAM modulation. We confirm that QAM symbol can be generated by adjusting reactance of parasitic elements and making reactance set and also we confirm that performance of beamspace MIMO system is similar to the conventional MIMO system by transmitting the QAM symbol made by reactance set through the simulation.

ESPAR 안테나를 사용하는 카오스 QPSK 빔 공간 MIMO 시스템을 위한 리액턴스 조합과 성능 평가

이준현(Jun-Hyun Lee),이동형(Dong-Hyung Lee),금홍식(Hong-Sik Keum),유흥균(Heung-Gyoon Ryu) 한국전자파학회 2014 한국전자파학회논문지 Vol.25 No.7

대용량, 초고속 통신으로 인해 MIMO 시스템에 대한 연구가 활발하게 진행 중이다. 하지만 MIMO 시스템은 다수의 배열 안테나를 사용하기 때문에 다수의 RF 체인이 존재한다. 이로 인해 복잡도와 전력 소모가 증가하고, 안테나의 소형화가 불가능하다는 단점을 가진다. 이런 단점을 극복하기 위해 ESPAR 안테나를 사용하는 Beamspace MIMO 기술이 제안되었다. ESPAR 안테나를 사용하는 빔 공간 MIMO 시스템은 단일 능동 소자와 다수의 기생 소자로 구성되어 있기 때문에, 단일 RF 체인으로 구성되어 있기 때문에 복잡도와 전력 소모를 감소시킬 수 있다. 본 논문에서는 ESPAR 안테나를 사용하는 QPSK 변조 방식의 빔 공간 MIMO 시스템에 보안성 향상을 위해 최초로 카오스 통신 알고리즘을 적용시킨다. 이 시스템을 카오스 빔 공간 MIMO 시스템이라고 정의하고, 통신 성능을 평가한다. 또한, ESPAR 안테나는 기생 소자의 리액턴스를 조절하여 리액턴스 셋을 생성함으로써 QPSK 심볼을 만들고, 이를 이용한 통신 성능을 평가한다. Recently, researches about MIMO(Multi-Input Multi-Output) system are being studied actively due to high-capacity and high-speed communication. However, MIMO system has many RF(Radio Frequency) chains according to many array antennas. So, MIMO system has disadvantages such as high-complexity and high-power-consumption. Also, it is impossible to miniaturize the antenna dimension. In order to solve these problems, beamspace MIMO system using ESPAR(Electronically Steerable Parasitic Array Radiator) antenna was proposed. It is possible to reduce the complexity and the power-consumption, because it has single RF chain by using one active antenna and several parasitic elements. In this paper, in order to improve the security, for the first time, chaos communication algorithm is applied to QPSK modulated beamspace MIMO system using ESPAR antenna. We define as chaos QPSK beamspace MIMO system, and evaluate the SER performance. Also, we confirm that QPSK symbols can be made by changing the reactance values of parasitic elements, and evaluate the SER performance of this system.

λ/64‐spaced compact ESPAR antenna via analog RF switches for a single RF chain MIMO system

이정남,이용호,이광천,김태중 한국전자통신연구원 2019 ETRI Journal Vol.41 No.4

In this study, an electronically steerable parasitic array radiator (ESPAR) antenna via analog radio frequency (RF) switches for a single RF chain MIMO system is presented. The proposed antenna elements are spaced at λ/64, and the antenna size is miniaturized via a dielectric radome. The optimum reactance load value is calculated via the beamforming load search algorithm. A switch simplifies the design and implementation of the reactance loads and does not require additional complex antenna matching circuits. The measured impedance bandwidth of the proposed ESPAR antenna is 1,500 MHz (1.75 GHz–3.25 GHz). The proposed antenna exhibits a beam pattern that is reconfigurable at 2.48 GHz due to changes in the reactance value, and the measured peak antenna gain is 4.8 dBi. The reception performance is measured by using a 4 × 4 BPSK signal. The measured average SNR is 17 dB when using the proposed ESPAR antenna as a transmitter, and the average SNR is 16.7 dB when using a four‐conventional monopole antenna.

철도 무선통신을 위한 단일 RF 체인을 사용하는 고이득 빔포밍 패치 ESPAR 안테나 설계 및 분석

최진규(Jinkyu Choi),장국한(Kukhan Jang),유흥균(Heung-Gyoon Ryu) 한국전자파학회 2015 한국전자파학회논문지 Vol.26 No.8

본 논문에서는 철도 통신 환경에서 신뢰성 있는 초고속 통신을 위해 3개의 소자로 구성된 패치형 ESPAR(Electronically Steerable Parasitic Array Radiator) 안테나를 기반으로 한 배열 안테나 구조를 설계하였다. ESPAR 안테나는 단일 RF-체인을 가지는 능동소자와 능동소자를 둘러싼 기생소자들로 구성되며, 기생소자들의 리액턴스를 조절하여 빔포밍이 가능하다. 패치형 ESPAR 안테나 기반의 수직 배열 안테나 구조를 제안하고, 안테나 행간 거리와 안테나 수에 따라 시뮬레이션을 하였다. 시뮬레이션 결과, 안테나 행간 거리가 λ일 때 가장 큰 빔의 이득과 지향성을 가지는 것을 확인할 수 있다. In this paper, we design an array antenna structure based on a patch ESPAR(Electronically Steerable Parasitic Array Radiator) antenna with three elements for reliable communication in high-speed railway wireless communication. The ESPAR antenna consists of the active element with a single RF-chain and the parasitic elements surrounding an active element. The ESPAR antenna is capable of beamforming by adjusting the reactance of the parasitic element. We propose a vertical array antenna structure based on the patch ESPAR antenna and simulate it according to the change of the number of antennas and the distance between antenna rows. The simulation results show that we can get the maximum beam gain and highest directivity when the distance between antenna rows is λ.

ESPAR Antenna for Long Distance WSN Systems with Minimum Interference

Md. Moklesur Rahman,유흥균 한국통신학회 2022 韓國通信學會論文誌 Vol.47 No.9

Recently, radio frequency identification (RFID) with ultra-high frequency (UHF) band applications became an essential part in the Internet of Things (IoT) system. Wireless sensor networks (WSNs) are an integral part of the IoT. Nowadays, it is very important to design the WSN system model in longer distance with minimum interference and optimum signal-to-noise ratio (SNR) for better communications link. In this paper, we have proposed the architecture of WSN system by designing electronically steerable parasitic array radiator (ESPAR) antenna for minimum interference. Also, the link budget (LB) for distance depending on different SNR values between the RFID tag and reader are analyzed using MATLAB simulation tools. The ESPAR antenna shows very good performance based on gain, radiation pattern, and reflection coefficient. The maximum value of gain of the proposed ESPAR antenna is obtained as 7.55 dBi which will successfully handle the interference at any directions to be communicated over long distance as compared to the previously published once papers in WSN system. The link budget analysis spectacled that the proposed article in the indoor environment could easily be applied for 20 meter.

휴대기기용 패치 ESPAR 안테나 설계

이해진,김우영,손혁수,오인열,박철순 한국ITS학회 2012 한국ITS학회 학술대회 Vol.2012 No.1

패치안테나를 이용한 ESPAR 안테나 설계와 MIMO 통신 성능 분석

금홍식(Hong-Sik Keum),안창영(Changyoung An),유흥균(Heung-Gyoon Ryu) 한국통신학회 2014 韓國通信學會論文誌 Vol.39 No.10(통신이론)

Planar Directional Beam Antenna Design for Beam Switching System Applications

Sang-Min Han,Seok-Jae Lee,Won-Sang Yoon 한국전자파학회JEES 2017 Journal of Electromagnetic Engineering and Science Vol.17 No.1

In this paper, a planar directional beam-switchable antenna with four orthogonal beam directions is proposed. The proposed antenna is designed with two crossed active elements and two parasitic elements for each direction. The design methodology is described on the basis of the Yagi-Uda method for the active and parasitic elements, respectively. By adjusting the effective electric lengths of the parasitic elements, the roles of a director and a reflector are exchanged with each other. The planar four-way beam-switchable Yagi-Uda antenna is implemented. From the experimental results. The proposed design method is verified for orthogonal radiation beam switching.