Compact Antenna Arrays in Mobile Communications: a Quantitative Analysis of Radiator Coupling

267 Pages·2009·10.51 MB·English

by  Christian Volmer

Christian Volmer

Compact antenna arrays in
mobile communications

A quantitative analysis of radiator coupling

Compact antenna arrays in
mobile communications

A quantitative analysis of radiator coupling

Christian Volmer

Universitätsverlag Ilmenau
2010
Impressum

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Diese Arbeit hat der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik der
Technischen Universität Ilmenau als Dissertation vorgelegen.
Tag der Einreichung: 20. März 2009
1. Gutachter: Univ.-Prof. Dr. rer. nat. habil. Matthias A. Hein
(Technische Universität Ilmenau)
2. Gutachter: Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Reiner S. Thomä
(Technische Universität Ilmenau)
3. Gutachter: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Klaus Solbach
(Universität Duisburg-Essen)
Tag der Verteidigung: 26. November 2009

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ISSN (Druckausgabe)
ISBN 978-3-939473-71-8 (Druckausgabe)
urn:nbn:de:gbv:ilm1-2009000416

Titelfoto: photocase.com | AlexFlint
v
Abstract
Tomeettheongoingdemandforhigherdataratesandgreaterusermobility,
modern mobile communications systems increasingly employ adaptive an-
tennaarrays. Bymovingantennaelementsclosertogether,tofittheminside
a cellular phone for instance, mutualcoupling effects impair their radiation
capabilities. Todescribetheseimpairmentsmoredescriptivelyincontrastto
currentapproaches,thepresentthesisextendsthefamiliarnotionofradiation
efficiencyfromasingleradiatortoarbitraryantennaarraysbyintroducingan
orthogonalsetofradiatingdegreesoffreedom. Detailedexamplesillustrate
theeffectsofmutualcoupling.Decouplingandmatchingnetworksareintro-
ducedtocounteractmutualcoupling. Thus,adesignmethodapplicabletoa
broadclassofantennaarraysisdescribedandverifiedbynumerousexamples,
thereby ohmic losses and narrow bandwidths are identified as major weak-
nessesofdecouplingandmatchingnetworksingeneral. Foraninvestigation
of the influence of mutual coupling on a mobile diversity receiver system,
closed-formexpressionsforitsdiversitygainarederivedanddiscussed. The
analysisiscomplementedbyacomprehensivereceivernoisemodel. Practi-
cal diversity and noise measurementsconfirm the validity of the theoretical
conceptsdeveloped.Thepresentworkaimstoconveyamoredescriptiveun-
derstandingofradiatorcouplingandtoraiseawarenessofthefactthataspects
oftheentiresystemmustbeaccountedforforanobjectiveassessmentofthe
potentialsofmutuallycoupledantennaarrays.
Kurzdarstellung
UmderanhaltendenNachfragenachhöherenÜbertragungsratenundgröße-
rer Mobilität zu begegnen, setzen moderne Mobilfunksysteme zunehmend
adaptive Gruppenantennenein. Rückt man Strahlerelemente zur Unterbrin-
gung in kleinen tragbaren Endgeräten (z.B. Handys) jedoch eng zusam-
men, so beeinträchtigen Verkopplungseffekte deren Abstrahleigenschaften.
Um diese Beeinträchtigungen im Vergleich zu den üblichen Betrachtungs-
weisen anschaulicher zu beschreiben, erweitert die vorliegende Arbeit den
bekanntenEffizienzbegriffeinerEinzelantenneaufbeliebigeAntennengrup-
pendurchdieEinführungorthogonalerStrahlungsfreiheitsgrade.DieAuswir-
kungenvonStrahlerverkopplungwerdenanhandvonBeispielen aufgezeigt.
Anpass-undEntkoppelnetzwerkekönnenderStrahlerverkopplungentgegen-
wirken.FüreinebreiteKlassevonAntennengruppenwirdeinesystematische
vi
EntwurfsvorschriftvorgestelltunddurchzahlreicheBeispielebestätigt,dabei
stellen sichOhm’scheNetzwerkverlusteundschmaleBandbreitenalsallge-
meineHauptschwächenderartigerNetzwerkeheraus.ZurUntersuchungdes
EinflussesderStrahlerverkopplungaufdieÜbertragungsqualitäteinesDiver-
sitätsempfängersystemswerdengeschlosseneAusdrückefürseinenDiversi-
tätsgewinnhergeleitetunddiskutiert.DieseAnalysewirdanschließenddurch
einumfassendesRauschmodellerweitert.Diversitäts-undRauschmessungen
bestätigen die theoretischen Betrachtungen. Die vorliegende Arbeit möchte
einanschaulicheresVerständnisvonStrahlerverkopplungvermittelnundBe-
wusstseindafürschaffen,dasseineBetrachtungdesGesamtsystemsessentiell
füreineobjektiveBeurteilungderLeistungsfähigkeitkompakterGruppenan-
tennenist.
vii
Theses of the dissertation
Modern mobile communications systems enhance their capabilities by ex-
ploitingthespatialdegreesoffreedominherentinantennaarrays.Compact
antennaarrays,forapplicationinmobilephonesforinstance,exhibitundesi-
rablemutualcouplingoftheirradiators.
Theradiationprocessofann-portantennaarraycanalwaysbedescribedas
thesuperpositionofnorthogonalmodesofradiation. Mutualcouplingcan
beinterpretedasimpedancemismatchofthesedegreesoffreedom.
Eachdegreeoffreedomcanuniquelybeassignedaradiationefficiency.This
extends the classical notion of efficiency to arbitrary multi-port antennas.
Mutualcouplinginevitablycausesareductionoftheseefficiencies.
Forlosslessarraystheseefficienciescanreadilybeestablishedfromthearray
scatteringmatrix. Ananalysisthataccountsforohmicarraylossesnecessi-
tatesthefar-fieldpatterns.
Decouplingandmatchingnetworksareabletoimprovethematchingeffi-
ciencies.Suchnetworksgenerallyexhibitanarrowbandwidthandconside-
rableohmiclosses. Theirdesignthuscallsforsuitablequalitymetrics.
By exploiting certain array symmetries, decoupling networks can often be
designedindependentofthescatteringparametersofthecompactantenna
array.Thispropertyisattractiveformassproduction.
The diversity gain of mutually coupled antenna arrays can be estimated by
virtueof closed-formexpressions. Ingoodapproximation,mutualcoupling
introducesanequivalentinsertionlossintothesystem.Thesefiguresofmerit
areinevitableforthedevelopmentofbroadbandormulti-banddesigns.
The approximationformulae fit seamlessly into widely applied models for
diversityanalysis,andthusenhancethepracticalapplicabilityofestablished
approaches.
viii
Thediversitycapabilitiesofarealisticreceiversystemcanonlybeassessedif
thenoisepropertiesofallreceivercomponentsareincludedintheanalysis.
Anobjectiveassessmentofthequalityofdecouplingandmatchingnetworks
necessitatesanextensiveanalysisofnetworklossesandnetworknoise.The
actual enhancements due to these networks may be considerably less than
anticipatedincertainreceiverapplications.
The receivermodeldevelopedallowsforrealisticpredictionsin respectof
theactualdiversitycapabilitiesofmutuallycoupledantennaarraysandrecei-
vers.
Although mutual coupling always impairs the system diversity gain in a
Rayleigh-fadingenvironmentregardlessofotherfactorsthataffectdiversity
performance,maximisingbeam-patternorthogonalityisatheoreticalgoalof
arrayminiaturisation,butnotapracticalone.
ix
Thesen zur Dissertation
InmodernenmobilenKommunikationssystemenkanndieÜbertragungsqua-
lität durchAusnutzungder räumlichen Freiheitsgrade von Gruppenanten-
nen verbessert werden. Bei kompakten Gruppenantennen, wie sie z.B. für
Mobiltelefoneerforderlichsind,kommteszurunerwünschtenVerkopplung
derStrahlerelemente.
DerStrahlungsvorgangeinern-TorAntennelässtsichimmeralsSuperpositi-
onvonnorthogonalenStrahlungsmodenbeschreiben.Strahlerverkopplung
kann als Impedanzfehlanpassungdieser Strahlungsfreiheitsgrade aufgefasst
werden.
Jedem Freiheitsgrad kann eindeutig eine Abstrahleffizienz zugeordnet wer-
den. Dies verallgemeinert den klassischen Effizienzbegriff auf beliebige
Gruppenantennen.StrahlerverkopplungführtzwangsläufigzueinerVermin-
derungdieserEffizienzen.
BeiverlustlosenGruppenantennenlassensichdieEffizienzeneinfachausden
Streuparameternermitteln.DieBerücksichtigungOhm’scheVerlusteerfor-
dertdieEinbeziehungderFernfelddaten.
DieAnpasseffizienzenkönnenmithilfevonAnpass-undEnkoppelnetzwer-
ken verbessert werden. Derartige Netzwerke sind schmalbandig und stark
verlustbehaftet.IhrEntwurferfordertdaherentsprechendeQualitätskenn-
größen.
DurchAusnutzungbestimmterSymmetrieeigenschaftenlassensichEntkop-
pelnetzwerke oft unabhängig von den Streuparametern der kompakten
Gruppenantenneentwerfen.DieseEigenschaftistfürdieMassenproduktion
interessant.
Der Diversitätsgewinn verkoppelter Gruppenantennen lässt sich durch ge-
schlosseneNäherungsformelnberechnen.VerkopplungkanninguterNähe-
rungalsSystemeinfügedämpfungbetrachtetwerden.DerartigeKenngrößen
sindfürBreitband-undMehrbandanwendungenunentbehrlich.
x
DieNäherungsformelnfügensichnahtlosinbekannteAnsätzeundModelle
zurDiversitätsanalyseein,undvereinfachensomitderenpraktischeAnwen-
dung.
Die Diversitätseigenschaften eines realen Empfängers lassen sich nur un-
terEinbeziehungderRauscheigenschaftenallerEmpfängerkomponentener-
mitteln.
DieobjektiveBeurteilungderQualitätvonAnpass-undEntkoppelnetzwer-
kenerfordertebenfallseineumfangreicheVerlust-undRauschanalyse.Der
Einsatz solcher Netzwerke an einem Empfänger ist, je nach Anwendung,
möglicherweisefragwürdig.
DasentwickelteEmpfängermodellermöglichtrealistischeVorhersagenbe-
züglich der tatsächlichen Diversitätseigenschaften verkoppelter Gruppenan-
tennenunddazugehörigerEmpfänger.
ObwohlStrahlerverkopplungdieDiversitätseigenschaftenineinemRayleigh-
Kanal unabhängigvon anderen Faktoren stets negativ beeinflusst, stellt die
Maximierung der Orthogonalität der Torrichtcharakteristiken ein theoreti-
sches, jedoch kein praktisches Optimierungsziel für die Miniaturisierung
vonGruppenantennendar.