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An approach to the design of broadband tunable multi-port antenna systems with high inter-port isolation

Bouezzeddine, Montaha

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.

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Bouezzeddine, Montaha: An approach to the design of broadband tunable multi-port antenna systems with high inter-port isolation. 2019.

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