Kytkimiin perustuvat taajuussäädettävät MIMO-antennit matkapuhelimissa

A new way of designing mobile antennas is studied in this thesis. The antenna design is based on a multiport antenna simulation model and developed optimization method. The design is based on using two major techniques: antenna clusters and switches. In antenna cluster technique, several antenna elements are fed with complex weighted signals to maximize the combined efficiency of the antennas. Switches are used to modify the antenna structure separately for low-band and high-band operations. The design provides two MIMO antennas in the low band and four at higher frequencies. The optimization method is first applied to an idealized simulation model. This model is then developed further into more realistic one and e.g. realistic switch models are taken into account. Three designed antennas are characterized experimentally. The measurement results of the prototypes prove that the developed antenna design method works. Switches can be used to modify the antenna structure for different frequency bands and despite the large number of switches, competent performance can be achieved. The antenna clusters provide better performance than the antenna elements used alone. Measurements correspond to the simulation results quite well especially on the 700-960 MHz low band where 30-40 % efficiency and about 8 bit/s/Hz MIMO capacity are achieved in both cases. Promising results encourage to use the algorithm-based approach also in future.Tässä diplomityössä tutkitaan uutta tapaa suunnitella mobiiliantenneja perustuen moniporttiseen simulointimalliin ja kehitettyyn optimointimenetelmään. Kaksi tärkeintä työssä käytettävää tekniikkaa ovat antenniklusterit ja kytkimet. Antenniklusterit käyttävät useampia yksittäisiä antennielementtejä, joiden syöttöjä painotetaan kompleksisilla kertoimilla antenniklusterin hyötysuhteen maksimoimiseksi. Kytkimiä käytetään muuttamaan antennien rakennetta erikseen alakaistan sekä yläkaistan toimintaa varten. Suunnitellut antennit kykenevät käyttämään kahta MIMO antennia alakaistalla sekä neljää MIMO antennia ylemmillä taajuuksilla. Optimointimenetelmää käytetään ensin ideaalisen simulointimallin kanssa. Tätä mallia kehitetään realistisemmaksi ja otetaan huomioon esimerkiksi todenmukaiset kytkinmallit. Simulointien perusteella valmistetaan kolme prototyyppiä. Mittaustulokset osoittavat että kehitetty suunnittelumenetelmä toimii. Kytkimiä voidaan käyttää antennirakenteen muuttamiseksi eri taajuuskaistoja varten ja kytkinten suuresta lukumäärästä huolimatta voidaan saavuttaa kilpailukykyinen suorituskyky. Antenniklustereita käyttämällä saavutetaan parempi suorituskyky yksittäisiin antenneihin verrattuna. Mittaustulokset vastaavat simuloituja kohtuullisen hyvin erityisesti 700-960 MHz:n alakaistalla jolla saavutetaan 30-40 % hyötysuhde ja noin 8 bit/s/Hz MIMO kapasiteetti molemmissa tapauksissa. Lupaavien tulosten perusteella optimointimenetelmää voidaan käyttää myös jatkossa