Circuit-Theoretic Physics-Based Antenna Synthesis and Design Techniques for Next-Generation Wireless Devices

Performance levels expected from future-generation wireless networks and sensor systems are beyond the capabilities of current radio technologies. To realize information capacities much higher than those achievable through existing time and/or frequency coding techniques, an antenna system must exploit the spatial characteristics of the medium in an intelligent and adaptive manner. This means that such system needs to incorporate integrated multi-element antennas with controlled and adjustable performances. The antenna configuration should also be highly miniaturized and integrated with circuits around it in order to meet the rigorous requirements of size, weight, and cost. A solid understanding of the underlying physics of the antenna function is, and has always been, the key to a successful design. In a typical antenna design process, the designer starts with a simple conceptual model, based on a given volume/space to be occupied by the antenna. The design cycle is completed by the antenna performing its function over a range of frequencies in some complex scenarios, i.e., packaged into a compact device, handled in different operational environments, and possibly implanted inside a human/animal body. From the conceptual model to the actual working device, a large variety of design approaches and steps exist. These approaches may be viewed as simulation-driven steps, experimental-based ones, or a hybrid of both. In any of these approaches, a typical design involves a large amount of parametric/optimization steps. It is no wonder, then, that due to the many uncertainties and ‘unknowns’ in the antenna problem, a final working design is usually an evolved version of an initial implementation that comes to fruition only after a considerable amount of effort and time spent on “unsuccessful” prototypes. In general, the circuit/filter community has enjoyed a better design experience than that of the antenna community. Designing a filter network to meet specific bandwidth and insertion loss is a fairly well-defined procedure, from the conceptual stages to the actual realization. In view of the aforementioned, this work focuses on attempting to unveil some of the uncertainties associated with the general antenna design problem through adapting key features from the circuit/filter theory. Some of the adapted features include a group delay method for the design of antennas with a pre-defined impedance bandwidth, inverter-based modeling for the synthesis of small-sized wideband antennas, and an Eigen-based technique to realize multi-band/multi-feed antennas, tunable antennas, and high sensitivity sensor antennas. By utilizing the proposed approaches in the context of this research, the design cycle for practical antennas should be significantly simplified along with various physical limitations clarified, all of which translates to reduced time, effort, and cost in product development.4 month

Miniaturization and evaluation methods of mobile terminal antenna structures

In recent years, the trend in the mobile communications market has been towards thinner and mechanically more complex terminal devices, which are able to operate in several wireless systems. Due to this development, miniaturization and performance enhancement of internal mobile terminal antennas have become major challenges for the industry of the field. Not only should an internal antenna be small in size and broadband, it must also be able to ensure reliable power transmission in a real multipath propagation environment. A well-known way to improve the reliability of a radio connection is to use multi-antenna reception in the mobile terminal. In multiple-input multiple-output (MIMO) systems, multiple antennas are additionally used at the base station. In both cases, fast and reliable methods are needed for the performance evaluation of multi-antenna terminals. In the first part of this thesis, the main benefits, drawbacks and applications of coupling element based mobile terminal antenna structures are studied, with special emphasis on antenna miniaturization. Optimum shaping and placement of capacitive coupling elements are first studied in this work. Next, it is demonstrated by simulations and measurements that the bandwidth-to-volume ratio of a mobile terminal antenna structure can be improved significantly by using optimized coupling elements instead of traditional self-resonant antenna elements. To facilitate the implementation of coupling element based multi-resonant antenna structures, a theoretical study on the dual-resonant impedance matching of non-resonant coupling elements is also presented. The feasibility of coupling elements for multi-band terminals is demonstrated with a novel quad-band GSM antenna, which consumes a total volume of only 0.7 cm3. Finally, a novel frequency tunable matching circuitry designed for non-resonant coupling elements is introduced. In this work, also the bandwidth, efficiency in talk position, and SAR (specific absorption rate) of mobile phone antennas are studied as a function of frequency over wide frequency band (0.6 GHz - 6 GHz) by applying the idea of coupling elements. The results show that below 3 GHz the three parameters are strongly affected by the resonant wavemodes of the chassis, whereas above 3 GHz, the wavemodes of the coupling element dominate. In addition to the above, the resonant wavemodes of the chassis of a clamshell phone are investigated in this work by using coupling elements. The results bring out several challenges, such as a non-radiating resonance, that an antenna designer may face with clamshell phones. The second part of this thesis concentrates on the performance evaluation of mobile terminal multi-antenna configurations. First, the accuracy of a novel measurement based antenna test bed (MEBAT) is thoroughly studied. After this, the performance of several mobile terminal multi-antenna configurations is systematically investigated using the MEBAT. The emphasis is kept on the power reception properties (effective array gain or EAG) of the multi-antenna configurations. An accurate and fast theoretical way of predicting the median EAG of an antenna configuration is proposed in the work. Based on a comprehensive analysis of the theoretical and empirical EAG results, guidelines for optimum radiation pattern characteristics of a multi-antenna configuration are given. Based on the eigenvalue dispersion and capacity results obtained in the studied MIMO environments, it is concluded that it may be difficult to affect the spatial multiplexing properties of a MIMO system by means of handset antenna design. The presented results indicate that a handset antenna designer should mainly focus on maximizing the EAG.Viime vuosina yleinen kehityssuunta matkaviestinmarkkinoilla on ollut kohti ohuempia ja mekaanisesti monimutkaisempia päätelaitteita, jotka kykenevät toimimaan useissa langattomissa järjestelmissä. Tämän kehityksen johdosta matkapuhelinten sisäisten antennien koon pienentäminen ja suorituskyvyn parantaminen ovat muodostuneet merkittäviksi haasteiksi alan teollisuudelle. Sen lisäksi, että sisäisen antennin tulee olla pienikokoinen ja laajakaistainen, tulee sen myös kyetä takaamaan luotettava tehonsiirto todellisessa monitie-etenemisympäristössä. Hyvin tunnettu tapa radioyhteyden luotettavuuden parantamiseksi on hyödyntää moniantennivastaanottoa matkapuhelimessa. Multiple-input multiple-output (MIMO)-järjestelmissä useita antenneja hyödynnetään lisäksi tukiasemassa. Kummassakin tapauksessa tarvitaan nopeita ja luotettavia menetelmiä matkapuhelinten moniantennirakenteiden suorituskyvyn arvioimiseksi. Työn ensimmäisessä osassa tutkitaan kytkentäelementteihin perustuvien antennirakenteiden tärkeimpiä hyötyjä, haittoja ja sovelluksia painottaen antennien koon pienentämistä. Työssä tutkitaan ensin kapasitiivisten kytkentäelementtien optimaalista muotoilua ja sijoittamista. Seuraavaksi osoitetaan simulaatioin ja mittauksin, että matkapuhelimen antennirakenteen kaistanleveys-tilavuus-suhdetta saadaan parannettua huomattavasti käyttämällä optimoituja kytkentäelementtejä perinteisten resonanssityyppisten antennielementtien sijaan. Kytkentäelementteihin perustuvien moniresonanssi antennirakenteiden toteuttamisen helpottamiseksi työssä esitetään myös teoreettinen tutkimus ei-resonoivien kytkentäelementtien sovittamisesta kaksoisresonanssiin. Kytkentäelementtien soveltuvuutta monitaajuuspäätelaitteisiin havainnollistetaan uudentyyppisellä nelitaajuus-GSM-antennilla, jonka kokonaistilavuus on ainoastaan 0.7 cm3. Lopuksi esitellään uudentyyppinen kytkentäelementeille suunniteltu taajuussäädettävä sovituspiiri. Tässä työssä tutkitaan myös matkapuhelinantennien kaistanleveyttä, hyötysuhdetta puheasennossa ja SAR- (specific absorption rate) arvoja taajuuden funktiona laajalla taajuuskaistalla (0.6 GHz - 6 GHz) hyödyntäen kytkentäelementtejä. Tulokset osoittavat, että 3 GHz:n alapuolella näihin kolmeen parametriin vaikuttavat vahvasti rungon resonoivat aaltomuodot, kun taas 3 GHz:n yläpuolella kytkentäelementin aaltomuodot dominoivat. Yllä olevan lisäksi työssä tutkitaan taitettavan puhelimen rungon resonoivia aaltomuotoja kytkentäelementtien avulla. Tulokset tuovat esille useita haasteita, kuten säteilemättömän resonanssin, joita antennisuunnittelija saattaa kohdata taitettavien puhelinten kanssa. Työn toinen osa keskittyy matkapuhelinten moniantennirakenteiden suorituskyvyn arviointiin. Ensin uudentyyppisen mittauksiin perustuvan antennien testialustan (MEBAT) tarkkuutta arvioidaan perusteellisesti. Tämän jälkeen useiden matkapuhelinten moniantennirakenteiden suorituskykyä tutkitaan järjestelmällisesti MEBATin avulla. Painotus on moniantennirakenteiden tehovastaanotto-ominaisuuksissa (effective array gain tai EAG). Työssä ehdotetaan tarkkaa ja nopeaa teoreettista tapaa antennirakenteen EAG:n mediaanin ennustamiseksi. Teoreettisten ja empiiristen EAG-tulosten perusteellisen analyysin pohjalta annetaan suosituksia moniantennijärjestelmän säteilykuvion optimaalisille ominaisuuksille. Tutkituissa MIMO-järjestelmissä saatujen ominaisarvohaje- ja kapasiteettitulosten perusteella tehdään johtopäätös, että matkapuhelimen antennisuunnittelun keinoin voi olla vaikeaa vaikuttaa MIMO-järjestelmän kykyyn muodostaa rinnakkaisia kanavia. Esitetyt tulokset ehdottavat, että matkapuhelimen antennisuunnittelijan tulisi pääasiassa keskittyä EAG:n maksimointiin.reviewe