Adaptive Multiport Antennas for Handsets

Vaatimukset nopeammille datayhteyksille sekä antennien rajoitettu fyysinen koko ovat suurimmat tekijät jotka vaikuttavat modernien matkapuhelinantennien kehitykseen. Datansiirtonopeuksien kasvattaminen vaatii laajempien taajuuskaistojen sekä moniantennijärjestelmien (MIMO) käyttöä. Laitteiden ulkonäkö on myös tärkeä tekijä matkapuhelinteollisuudelle. Läheiset johtavat kappaleet, kuten näyttö ja metallireunus, kuitenkin haittaavat antennien toimintaa. Tämän takia tarvitaan uusia innovaatioita ja tekniikoita, jotta nämä vaativat tavoitteet voidaan saavuttaa. Tässä väitöskirjassa tutkitaan, voidaanko moniporttiantennitekniikoita käyttää edellä mainittujen haasteiden ratkaisemiseksi. Työn ensimmäisessä osassa esitellään uusia suunnittelumenetelmiä moniporttiantenneille. Ensimmäistä menetelmää voidaan käyttää kytkimillä toteutettavien taajuussäädettävien antennien suunnitteluun. Metallireunusta on hyödynnetty kytkinten avulla MIMO-antennien toteutukseen eri taajuuskaistoille. Esitetyn menetelmän ansiosta suunnittelu on laskennallisesti tehokasta. Suunniteltujen antennien kokonaishyötysuhde on 30-40 % 700-960 MHz:n kaistalla ja 25-75 % 1.7-2.7 GHz:n ja 3.0-4.0 GHz:n kaistoilla. Toinen menetelmä hyödyntää moniporttiantenneja ja karakteristisia moodeja MIMO-antennien toteuttamiseen yhtenäiseen metallireunukseen. Esitetyt antennit saavuttavat 15-59 %:n hyötysuhteen alakaistalla ja 25-80 %:n korkeammilla kaistoilla. Toinen osa keskittyy käyttäjän ja moniporttiantennien vuorovaikutuksen tutkimiseen. Ensin tutkitaan käyttäjän käden vaikutusta ensimmäisessä osassa esiteltyjen antennien toimintaan. Lupaavien tulosten myötä tutkimusta jatketaan sisällyttämällä käyttäjä suunnitteluprosessiin alusta alkaen. Työssä esitellään antennin sekä häviöllisen käyttäjän karakteristisiin moodeihin perustuva suunnittelumenetelmä käyttäjän vaikutukselle immuuneille antenneille. Näin suunnitellut antennit saavuttavat yli 30 %:n hyötysuhteen alakaistalla käyttäjän pidellessä laitetta. Riittävän kaistanleveyden saavuttaminen on haaste myös moniporttiantenneille. Kolmannessa osassa esitetään menetelmä, jolla voidaan toteuttaa antenneja akun ja laitteen takakannen välissä olevaan erittäin pieneen rakoon. Vain 0.75 mm korkealla antennilla saavutetaan keskimäärin 35 %:n hyötysuhde 3.3-4.2 GHz:n kaistalla. Lisäksi esitellään suunnittelutyökalu, jonka avulla moniporttiantennien suunnitteluprosessi nopeutuu merkittävästi. Käyttämällä hyvyyslukua ja oikealla tavalla määritettyjä syöttösignaaleita, antennirakenteen suorituskykyä voidaan arvioida luotettavasti ilman että aikaa vievää sovituspiirien optimointia tarvitsee toistaa suurelle määrälle rakenteita. Työssä kehitetyt uudet ja laskennallisesti tehokkaat suunnittelumenetelmät mahdollistavat yhä suorituskykyisempien antennien suunnittelun. Esitetyt antennit osoittavat, että moniporttiantennitekniikalla voidaan saada merkittävää hyötyä perinteisiin menetelmiin verrattuna.