Abstract. In this thesis, the phenomenon of mutual coupling in 5G mMIMO base station antenna array is studied and a solution to improve port-to-port isolation is proposed. Mutual coupling occurs when antennas are placed close to each other in modern base station antenna arrays. Basically, it causes other antennas to absorb part of the antenna’s radiated energy or rescatter a portion of the incident energy in various directions, allowing them to act as secondary transmitters. The absorbed energy by other antenna changes an array radiation pattern, array manifold and radiators input impedance changed. This is not a desirable phenomenon because the other antennas’ absorbed energy is not radiated as designed and change in input impedance causes mismatches. So,mutual coupling lowers antenna array efficiency and performance in transmitter and receiver.
The initial antenna array design in this work is Nokia’s own model, operating in the frequency band of 3.3–3.8 GHz. It is already in the production and deployment phase to the field for customers. The aim of the work was to improve port-to-port isolation from -18.74 dB to -30 dB while maintaining all other design parameters for matching and radiation properties. To do this, antenna mutual coupling is studied and simulated in the original design with the electromagnetic simulation tool Ansys HFSS. The simulation cases are divided into smaller models, based on how coupling occurs in the design. Root causes for restricting the isolation performance are observed and a proposed method for improved port-to-port isolation is illustrated. To verify the correct radiation performance for the proposed method, radiation results are post-processed with MATLAB. Finally, the results are analysed based on the base station antenna standards and compared to the initial design. This thesis provided a 2.84 dB for port-to-port isolation improvement while meeting all other design specifications.Portista porttiin välisen isolaation parantaminen 5G mMIMO antenniryhmässä . Tiivistelmä. Tässä diplomityössä tutkitaan antennien välistä keskinäistä kytkeytymistä 5G mMIMO tukiasema-antenniryhmässä ja esitellään ratkaisu portista porttiin välisen isolaation parantamiseksi. Antennien välinen keskinäinen kytkeytyminen tapahtuu, kun ne ovat lähellä toisiaan moderneissa tukiasema-antenniryhmissä. Sen takia toiset antennit absorboivat osan yhden antennin lähettämästä energiasta tai uudelleen sirottavat sen useisiin suuntiin aiheuttaen niiden toimimisen sekundäärisinä lähettiminä. Toisten antennien absorboima energia muuttaa niiden säteilykuvioita, jännitteitä ja tuloimpedanssia. Tämä ei ole toivottu ilmiö, koska toisten antennien absorboima energia ei ole lähetetty alkuperäisestä säteilijästä kuten on suunniteltu, ja tuloimpedanssin muutos aiheuttaa antenneihin epäsovitusta. Antennien välinen kytkeytyminen siis huonontaa antenniryhmän tehokkuutta ja suorituskykyä sekä lähettimessä että vastaanottimessa.
Työn alkuperäinen antenniryhmämalli on Nokian kehittämä ja toimii 3.3–3.8 GHz taajuuskaistalla. Se on jo tuotanto- ja käyttöönottovaiheessa kentällä asiakkaille. Tämän työn tavoite on parantaa portista porttiin välistä isolaatiota -18.74 dB:stä -30 dB:iinsäilyttäen samalla kaikki muut suunnitteluparametrit sovitukselle ja säteilyominaisuuksille. Tämän saavuttamiseksi antennien keskinäistä kytkentää tutkitaan ja simuloidaan alkuperäisessä mallissa sähkömagneettisella simulointityökalulla, Ansys HFSS:llä. Simulaatiotapaukset on jaettu pienempiin osiin sen mukaan, miten antennien välinen keskinäiskytkentä tapahtuu alkuperäisessä mallissa. Isolaation suorituskyvyn rajoittamisen juurisyyt esitellään ja ehdotettu menetelmä porttien välisen eristyksen parantamiseksi mallinnetaan ja simuloidaan. Ehdotetun menetelmän säteilyominaisuuksien tarkistamiseksi tulokset jälkikäsitellään MATLAB ohjelmistolla. Lopuksi säteilytuloksia analysoidaan tukiaseman antennistandardien perusteella ja verrataan alkuperäiseen malliin. Tässä työssä saavutetaan 2.84 dB:n parannus portista porttiin isolaatioon samalla saavuttaen kaikki muut suunnitteluspesifikaatiot
