Suunnittelu- ja optimointimenetelmiä moniporttiantenneille

Modern wireless communications has evolved greatly within the past 30 years, and antennas are a significant part of the today's society. Almost everyone has a smartphone equipped with multiple antennas, and antennas are found in many everyday household objects and devices such as washing machines, coffee makers, and robotic vacuum cleaners. Furthermore, wearable antennas (such as those in medical devices, clothes, and watches) are becoming increasingly popular. In summary, antennas are placed in unconventional locations demanding new antenna design methods. Multiport antennas may provide benefits as compared to traditional single-port antennas. Therefore, this thesis discusses novel design methods for multiport antennas which requires new design methods. This thesis is divided into three part The first part studies using practical decoupling and matching networks (DMNs) in multiple-input-multiple-output (MIMO) antennas and antenna arrays. A DMN for a four-port MIMO antenna is realized with sufficient bandwidth, and a method is presented for optimizing a DMN of an antenna array with a commercial circuit synthesis tool by applying a unit cell model. The second part of the thesis discusses a method to optimize the radiation efficiency of a multiport antenna. The method provides an ultimate efficiency limit for a given multiport antenna in terms of its port characteristics. The developed method can be viewed as a design tool of sorts, and its practicality is demonstrated by designing a mobile MIMO antenna based on the results obtained with this method. The third part of the thesis focuses on extending the multiport antenna method discussed in the second part. The method is extended to optimize the partial radiation efficiency of multiport antennas and the realized gain of an antenna array comprising multiport elements. Although these methods are based on theoretical formulation, they enable a systematic way to realize practical multi-port antennas. The methods developed within this thesis provide a basis for developing multiport antennas. This hopefully advances the use of multiport antennas and enables the design of better and more complex antennas for future needs.Nykyaikainen langaton viestintä on kehittynyt suuresti viimeisen kolmenkymmenen vuoden aikana, ja antennit ovatkin kiinteä osa nykyistä yhteiskuntaamme. Lähes jokainen omistaa älypuhelimen, jossa on monta antennia yhden sijasta. Antenneja löytyy myös monista jokapäiväisistä kodin esineistä kuten pesukoneista, kahvinkeittimistä ja robotti-imureista. Sen lisäksi puettavat antennit, joita löytyy muun muassa lääketieteellisistä laitteista, vaatteista ja kelloista, ovat myös saavuttamassa suosiota. Tiivistettynä voisi sanoa, että antenneja joudutaan sijoittamaan tavanomaisesta poikkeaviin paikkoihin mikä edellyttää uusien metodien käyttämistä antennien kehittämisessä. Sen tähden tässä väitöstyössä on tutkittu uudenlaisia metodeja moniporttiantenneille, jotka eivät ole olleet yhtä yleisessä käytössä kuin perinteiset yksisyöttöiset antennit. Tämä väitöskirja on jaettu kolmeen osaan. Ensimmäinen osa tutkii käytännönläheisten sovitus- ja erotuspiirien (DMN) käyttöä monituloisissa ja monilähtöisissä (MIMO) antenneissa ja antenniryhmissä. Väitöskirjassa on toteutettu DMN matkapuhelimeen sijoitetulle neliporttiselle MIMO-antennille käytännöllisellä kaistanleveydellä, ja lisäksi esitellään menetelmä DMN:n löytämiseksi antenniryhmän yksittäiselle elementille kaupallisen piirisynteesiohjelmiston avulla. Toisessa osassa käsitellään menetelmää moniporttisen antennin säteilyhyötysuhteen optimoimiseksi. Menetelmä itsessään antaa korkeimman mahdollisen rajan minkä tahansa moniporttisen antennin hyötysuhteelle antennin porttivirtojen suhteen. Tätä menetelmää voi pitää eräänlaisena työkaluna, ja sen käytännöllisyys on osoitettu suunnittelemalla MIMO-antenni matkapuhelimeen menetelmän antamien tuloksien perusteella. Kolmas osa väitöskirjasta keskittyy laajentamaan toisessa osassa käsiteltyä moniporttiantennimenetelmää. Menetelmä on laajennettu soveltuvaksi sekä moniporttiantennien osittaisen säteilyhyötysuhteen että moniporttielementeistä koostuvien antenniryhmien toteutuneen vahvistuksen optimointiin. Vaikka nämä menetelmät perustuvat teoreettisiin kaavoihin, ne silti mahdollistavat järjestelmällisen tavan toteuttaa käytännöllisiä moniporttiantenneja. Tässä väitöskirjassa kehitetyt menetelmät antavat pohjan moniporttisten antennien kehittämiselle, mikä toivottavasti edistää parempien ja monimutkaisempien antennien suunnittelua tulevaisuuden tarpeisiin