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Systematic Design of Multiport Antennas for MIMO-enabled Mobile Wireless Terminals

Krewski, Aleksander

Mobile wireless communication systems have undergone a tremendous development in the past decade. One of the major advancements is the widespread use of MIMO transmission schemes beginning with the introduction of the 3rd Generation Partnership Project (3GPP) standard LTE and being extended in LTE Advanced. So as to support MIMO transmission schemes mobile terminals must be equipped with multiport antenna systems. The term refers to an arrangement of two or more antenna elements operating in the same frequency range and mounted on the same mobile wireless platform. Reduced volume per antenna element and strong interaction between all antenna elements are major design challenges and require for new systematic design approaches beyond classical single antenna design. The ongoing miniaturization of mobile terminals, the extension of the mobile spectrum and in particular the opening of new mobile communication bands at the lower end of the spectrum exacerbate these challenges. Design and characterization of multiport antennas have therefore become subject of high interest and of numerous research projects in both academia and industry.

This dissertation contributes to the development of systematic design procedures for multiport antennas with emphasis on accounting for the restrictions and side conditions which apply when designing multiport antennas for actual consumer equipment. The dissertation has developed along an industry funded research project, with a focus on electrically small devices where antenna design is constantly faced with fundamental physical limits.

Chapter 1 gives an overview of the state of the art in antenna characterization and design techniques applicable to multiport antennas for MIMO.

Chapter 2 introduces into the analysis of multiport antennas in terms of their radiation modes. Modal analysis, based on spectrum of the radiation matrix, allows for unambiguous characterization of a multiport antenna by means of invariant properties. Modal descriptive quantities are defined which are basic to the design approach followed in this dissertation. Analyzing a multiport antenna with respect to its radiation modes is possible only after a design concept has been conceived. More fundamental from a design point of view is the question for the space of feasible radiation modes and their realization under the constraint of a given chassis form factor.

Chapter 3 addresses this question based on the theory of characteristic modes for conducting bodies. The relevant properties of characteristic modes on the chassis of mobile terminals are reviewed. The excitation of characteristic modes by means of capacitive and inductive coupling elements is investigated in detail. Finally, a systematic design approach for multiport antennas is presented in which the antenna’s radiation modes are constructively derived from the usable characteristic chassis modes.

Chapter 4 deals with design of matching networks for N-port antennas. Starting from the general expression for the scattering matrix of an ideal 2N-port matching network different topologies and alternative implementations are discussed. As a solution of particular interest in cases where some radiation modes feature insufficient bandwidths, special attention is given to systematic design of MDN which maps radiation modes to external ports of the antenna system.

Chapter 5 focuses on the particular problems encountered in the design of antenna systems for extremely small mobile wireless terminals. After a review of applicable fundamental limits bandwidth estimation and approaches to maintain a decent total efficiency are discussed. The combination of electrical switching in the antenna structure with electrical tuning in an external matching network is suggested in this context. The DL-MIMO concept is introduced as a system level measure to cope with insufficient bandwidth. The different aspects are exemplified with the design of a 2-port MIMO antenna for a USB dongle.

Chapter 6 describes in detail design, fabrication and measurement of four antenna prototypes. The validity of the design approach described in the previous chapters is confirmed.

In conclusion, a systematic design approach, which combines the theory of characteristic chassis modes for conducting bodies with modal analysis of a multiport antenna, i.e. considers the spectrum of its radiation matrix is presented. The approach is successfully applied to a number of practically relevant design problems. The design technique permits identification of near optimum antenna solutions which approach the fundamental limits of attainable bandwidth and total efficiency.

Die Mobilkommunikation hat in den letzten Jahren eine enorme Entwicklung durchlaufen. Eine der wesentlichen technischen Weiterentwicklungen ist der Übergang zu MIMO Übertragungsverfahren, in großem Maßstab beginnend mit der Einführung des 3GPP Standards LTE und in grÖßerem Umfang noch im zukünftigen LTE-Advanced. Mobile Endgeräte müssen dazu mit Mehrtorantennen ausgestattet sein. Der Begriff Mehrtorantenne bezeichnet eine Anordnung von zwei oder mehr Antennenelementen, die im gleichen Fequenzbereich betrieben werden und auf einer gemeinsamen Plattform angeordnet sind. Die Verringerung des je Antennenelement zur Verfügung stehenden Volumens und die starke Kopplung zwischen den Antennenelementen führen auf neue Herausforderungen für den Entwurf. Neue, systematische Entwurfsmethoden jenseits der klassischen Methoden für den Entwurf von Einzelantennen sind gefordert. Die fortschreitende Miniaturisierung mobiler Endgeräte, die Erweiterung des für den Mobilfunk genutzten Spektrums und insbesondere die Öffnung neuer Bander am unteren Ende des Spektrums für den Mobilfunk verschärfen die Anforderung an die Entwurfsmethodik. Entwurf und Charakterisierung von Mehrtorantennen sind deswegen heute Themen von großem Interesse und Gegenstand zahlreicher industrieller und akademischer Forschungsprojekte.

Die vorliegende Dissertation liefert einen Beitrag zur Entwicklung systematischer Entwurfsverfahren für Mehrtorantennen unter besonderer Berücksichtigung der Einschränkungen und Randbedingungen die beim Entwurf von kommerziellen Endgeräten vorliegen. Zahlreiche Fragestellungen ergaben sich aus einem vom Verfasser bearbeiteten industriellen Forschungs- und Entwicklungsprojekt mit Schwerpunkt auf elektrisch kleinen Endgeräten, bei denen der Entwurf stets mit fundamentalen physikalischen Schranken konfrontiert ist.

Kapitel 1 gibt einen Überblick über den Stand der Technik auf dem Gebiet des Entwurfs und der Charakterisierung von Mehrtorantennen für MIMO Anwendungen.

Kapitel 2 führt in die Analyse von Mehrtorantennen mit Hilfe ihrer Strahlungsmoden ein. Die modale Betrachtung auf Grundlage des Spektrums der Strahlungsmatrix gestattet es, Mehtorantennen mit Hilfe ihrer invarianten Eigenschaften eindeutig zu charakterisieren. Es werden die modalen Beschreibungsgrössen definiert auf denen der in dieser Arbeit verfolgte Entwurfsansatz basiert. Die Strahlungsmoden einer Mehtorantenne können jedoch erst betrachtet werden, wenn ein Entwurf bereits vorliegt. Die vom Standpunkt der Entwurfsmethodik wichtigere Frage ist die nach Raum der unter den Einschränkungen eines gegebenen Geräte-Formfaktors realisierbaren Strahlungsmoden.

Sie wird in Kapitel 3 auf Grundlage der Theorie Charakteristischer Moden leitender Körper behandelt. Die relevanten Eigenschaften charakteristischer Moden auf dem Gehäuse elektrisch kleiner mobiler Endgeräte werden betrachtet. Die Anregung charakteristischer Moden mit Hilfe von kapazitiven und induktiven Koppelelementen wird ausführlich untersucht. Abschließend wird ein Entwurfsansatz für Mehtorantennen beschrieben, in welchem die Strahlungsmoden der Antenne konstruktiv aus den nutzbaren charakteristischen Moden des Gehäuses abgeleitet werden.

In Kapitel 4 werden Anpassnetzwerke für N-Tor Antennen behandelt. Ausgehend von der allgemeinen Formulierung für die Streumatrix des benötigten 2N-Tor Netzwerkes werden verschiedene Topologien und Realisierungsalternativen diskutiert. Gesondert betrachtet werden noch einmal MDNs, welche die Strahlungsmoden einer Mehtorantenne unmittelbar auf die Speisetore abbilden, da sie in Falle unzureichender modaler Bandbreiten, von besonderem Interesse sind.

Kapitel 5 fokussiert auf die besonderen Probleme bei beim Entwurf extrem kleiner Antennensysteme. Nach Betrachtung in die maßgeblichen physikalischen Beschränkungen werden die Abschätzung erreichbarer Bandbreiten und Maßnahmen zur Sicherstellung eines akzeptablen Wirkungsgrades diskutiert. Vorgeschlagen wird in diesem Zusammenhang die Kombination von elektrisch rekonfigurierbaren Antennenstrukturen mit elektrisch abstimmbaren Anpass-Netzwerken. Die verschiedenen Aspekte werden am Beispiel des Entwurfs eines 2-Tor MIMO Antennensystems für einen USB Dongle erläutert. p<>Kapitel 6 beschreibt im Detail den Entwurf, die Herstellung und die messtechnische Charakterisierung vier unterschiedlicher Prototypen von Mehrtorantennen. Anhand der Beispiele wird der in den vorherigen Kapiteln entwickelte Entwurfsansatz validiert. Insgesamt wird mit dieser Arbeit ein systematischer Entwurfsansatz vorgeschlagen, der auf der Kombination der Theorie charakteristische Moden leitender Körper mit der modalen Analyse von Mehrtorantennen, d.h. der Betrachtung des Spektrums der Strahlungsmatrix aufbaut. Der Ansatz wird erfolgreich auf eine Reihe praktisch relevanter Entwurfsaufgaben angewandt. Er führt auf ein systematisches Entwurfsverfahren, das es gestattet, Lösungen in der Nähe der physikalischen Grenzen für die erreichbare Bandbreite und den Wirkungsgrad aufzufinden.

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Krewski, Aleksander: Systematic Design of Multiport Antennas for MIMO-enabled Mobile Wireless Terminals. 2014.

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