An approach to the design of broadband tunable multi-port antenna systems with high inter-port isolation
Due to the dramatic increase of mobile data traffic, there is an urgent need to extend the available spectrum
for mobile communications (millimeter waves), but in particular also to use the classical mobile
spectrum (< 6 GHz) in a more exhaustive and effective way. By employing techniques such as intraand
inter-band carrier aggregation (CA), and opportunistic spectrum access (Dynamic Spectrum Access,
License Assisted Access), this portion of the spectrum will be almost completely occupied for mobile
communications. For mobile antenna systems, whose instantaneous bandwidths are fundamentally
limited by available volume, the consequence is that digital tunability becomes a topic of uttermost relevance.
Interest focuses on tunable multi-port antenna systems, which support Multiple Input – Multiple
Output (MIMO) transmission techniques with a substantial number of antenna ports, e.g. 4 or 8 ports.
Approaches for electrical tuning of single antenna elements are not directly applicable in this context,
since not only the match of individual ports, but also the de-coupling of antenna ports must be assured
over the full tuning range. Theoretically substantiated, systematic design procedures for wideband tunable
multi-port antenna systems were hitherto not available.
In the present thesis, a design methodology for wideband tunable multi-port antenna systems is derived.
It aims at achieving the largest possible tuning range without compromising isolation between antenna
ports, at large instantaneous bandwidth for any selected tuning state, and with the lowest possible complexity
of the required feed network. The approach builds on the Theory of Characteristic Modes of
conducting bodies and makes use of them for a systematic design of the Radiation Modes of the antenna
system. It is shown that a design approach which, by purposeful exploitation of symmetries, assures
invariance of the antenna system’s scattering parameters under permutations of port indices and thereby
frequency independent Radiation Modes. The property of frequency independent Radiation Modes permits
the realization of wideband tunable multi-port antenna systems of moderate complexity.
The proposed methodology is illustrated by designing a 4-port antenna system on a femto-cell form
factor device for the frequency range from 470MHz to 790MHz. In this context, systematic procedures
for the design of the required wideband tunable matching networks and decoupling networks are also
presented. The complete design approach is validated by extensive measurement results from prototypes
which were also successfully used in demonstration platform for cognitive radio systems.
Infolge der dramatischen Zunahme des mobilen Datenaufkommens besteht ein dringender Bedarf das für
die Mobilkommunikation verfügbare Spektrum zu erweitern (Millimeterwellen), insbesondere aber auch
den Bereich der klassischen Mobilfunkspektrums (< 6 GHz) vollständiger und effektiver zu nutzen. In
der Perspektive wird dieser Bereich unter Verwendung von Techniken wie intraband- und interband carrier
aggregation (CA) sowie opportunistischem Spektrumszugriff (Dynamic Spectrum Access, License
Assisted Access) nahezu vollständig für die Mobilkommunikation genutzt werden. Für mobile Antennensysteme,
deren Momentanbandbreiten aufgrund des verfügbaren Bauvolumens grundsätzlich beschränkt
sind, ist daher digitale elektronische Abstimmbarkeit von größter Bedeutung. Im Mittelpunkt des Interesses
stehen dabei abstimmbare Mehrtorantennensystemen, die MIMO-Übertragungstechniken mit einer
größeren Anzahl von Antennentoren, z.B. 4 oder 8 Toren unterstützen. Techniken zur elektronischen Abstimmung
von Einzelantennen sind darauf nicht unmittelbar übertragbar, da nicht nur die Anpassung an
einzelnen Antennentoren sondern auch die Entkopplung der Antennentore über den gesamten Abstimmbereich
zu gewährleisten ist. Theoretisch fundierte systematische Entwurfsverfahren für breitbandig
abstimmbare Mehrtorantennensysteme lagen bisher nicht vor.
In der vorliegenden Arbeit wird ein Entwurfsverfahren für breitbandig abstimmbare Mehrtorantennensysteme
entwickelt das auf einen möglichst großen Abstimmbereich ohne Beeinträchtigung der Isolation
zwischen den Antennentoren, auf hohe Momentanbandbreiten über den gesamten Abstimmbereich und
auf möglichst geringe Komplexität des erforderlichen Speisenetzwerks abzielt. Das Verfahren baut auf
der Theorie Charakteristischen Moden leitender Körper auf und nutzt diese zum gezielten Entwurf der
Strahlungsmoden (radiation modes) des Antennensystems. Es wird gezeigt, dass ein Entwurfsansatz, der
unter gezielter Nutzung von Symmetrien die Invarianz der Streuparameter des Antennensystems unter
Permutationen der Indices der Speisetore sichert, und damit frequenzunabhängige Strahlungsmoden, die
Realisierung breitbandig abstimmbarer Mehrtorantennensysteme moderater Komplexität gestattet.
Das vorgeschlagene Entwurfsverfahren wird am Beispiel eines 4-Tor Antennensystems für ein Gerät
mit dem Formfaktor einer Femto-Cell Basisstation im Frequenzbereich von 470MHz bis 790MHz illustriert.
In diesem Zusammenhang werden auch systematische Verfahren zum Entwurf breitbandiger
Anpassungs- und Entkoppelnetzwerke entwickelt. Das Entwurfsverfahren wird durch umfangreiche
Messungen an Prototypen, die auch im Rahmen Demonstrationsplattform für kognitive Kommunukationssysteme
zum Einsatz kamen, validiert.