Compact antenna arrays in mobile communications [Elektronische Ressource] : a quantitative analysis of radiator coupling / Christian Volmer. Matthias Hein. Reiner Thomä. Klaus Solbach

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: r.-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



Technische Universität Ilmenau/Universitätsbibliothek
Universitätsverlag Ilmenau
Postfach 10 05 65
98684 Ilmenau
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Herstellung und Auslieferung
Verlagshaus Monsenstein und Vannerdat OHG
Am Hawerkamp 31
48155 Münster
www.mv-verlag.de


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


Titelfoto: photocase.com | AlexFlint v
Abstract
To meet the ongoingdemandfor higherdata rates and greateruser mobility,
modern mobile communications systems increasingly employ adaptive an-
tennaarrays. By movingantennaelementscloser together,to fit theminside
a cellular phone for instance, mutual coupling effects impair their radiation
capabilities. To describe these impairmentsmoredescriptivelyin contrast to
currentapproaches,thepresentthesisextendsthefamiliarnotionofradiation
efficiencyfromasingleradiatortoarbitraryantennaarraysbyintroducingan
orthogonalset of radiating degrees of freedom. Detailed examples illustrate
theeffectsofmutualcoupling. Decouplingandmatchingnetworksareintro-
ducedto counteractmutual coupling. Thus, a design methodapplicable to a
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
analysis is complementedby a comprehensivereceiver noise model. Practi-
cal diversity and noise measurements confirm the validity of the theoretical
conceptsdeveloped. Thepresentworkaimstoconveyamoredescriptiveun-
derstandingofradiatorcouplingandtoraiseawarenessofthefactthataspects
oftheentiresystemmustbeaccountedforforanobjectiveassessmentofthe
potentialsofmutuallycoupledantennaarrays.
Kurzdarstellung
Um der anhaltendenNachfragenach höherenÜbertragungsratenund größe-
rer Mobilität zu begegnen, setzen moderne Mobilfunksysteme zunehmend
adaptive Gruppenantennen ein. 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
bekanntenEffizienzbegriffeiner Einzelantenne auf beliebige Antennengrup-
pendurchdieEinführungorthogonalerStrahlungsfreiheitsgrade.DieAuswir-
kungen von Strahlerverkopplungwerden anhand von Beispielen aufgezeigt.
Anpass-undEntkoppelnetzwerkekönnenderStrahlerverkopplungentgegen-
wirken.FüreinebreiteKlassevonAntennengruppenwirdeinesystematischevi
EntwurfsvorschriftvorgestelltunddurchzahlreicheBeispielebestätigt,dabei
stellen sich Ohm’sche Netzwerkverluste und schmale Bandbreiten als allge-
meine Hauptschwächenderartiger Netzwerke heraus. Zur Untersuchungdes
EinflussesderStrahlerverkopplungaufdieÜbertragungsqualitäteinesDiver-
sitätsempfängersystems werden geschlossene Ausdrücke für seinen Diversi-
tätsgewinnhergeleitetunddiskutiert.DieseAnalysewirdanschließenddurch
einumfassendesRauschmodellerweitert.Diversitäts-undRauschmessungen
bestätigen die theoretischen Betrachtungen. Die vorliegende Arbeit möchte
einanschaulicheresVerständnisvonStrahlerverkopplungvermittelnundBe-
wusstseindafürschaffen,dasseineBetrachtungdesGesamtsystemsessentiell
füreineobjektiveBeurteilungderLeistungsfähigkeitkompakterGruppenan-
tennenist.vii
Thesesofthedissertation
Modern mobile communications systems enhance their capabilities by ex-
ploitingthespatialdegreesoffreedominherentinantennaarrays. Compact
antennaarrays,forapplicationinmobilephonesforinstance,exhibitundesi-
rablemutualcouplingoftheirradiators.
The radiation process of an n-port antenna array can always be described as
thesuperpositionofnorthogonalmodesofradiation. Mutualcouplingcan
beinterpretedasimpedancemismatchofthesedegreesoffreedom.
Eachdegreeoffreedomcanuniquelybeassignedaradiationefficiency. This
extends the classical notion of efficiency to arbitrary multi-port antennas.
Mutualcouplinginevitablycausesareductionoftheseefficiencies.
Forlosslessarraystheseefficienciescanreadilybeestablishedfromthearray
scatteringmatrix. Ananalysisthataccountsforohmicarraylossesnecessi-
tatesthefar-fieldpatterns.
Decouplingand matchingnetworks are able to improvethe matching effi-
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
areinevitableforthedevelopmentof broadbandormulti-banddesigns.
The approximation formulae 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 receiver model developed allows for realistic predictions in respect of
theactualdiversitycapabilitiesofmutuallycoupledantennaarraysandrecei-
vers.
Although mutual coupling always impairs the system diversity gain in a
Rayleigh-fading environment regardless of other factors that affect diversity
performance,maximisingbeam-patternorthogonalityisatheoreticalgoalof
arrayminiaturisation,butnotapracticalone.ix
ThesenzurDissertation
InmodernenmobilenKommunikationssystemenkanndieÜbertragungsqua-
lität durch Ausnutzung der räumlichen Freiheitsgrade von Gruppenanten-
nen verbessert werden. Bei kompakten Gruppenantennen, wie sie z.B. für
Mobiltelefoneerforderlichsind,kommteszur unerwünschtenVerkopplung
derStrahlerelemente.
DerStrahlungsvorgangeinern-TorAntennelässtsichimmeralsSuperpositi-
onvonnorthogonalenStrahlungsmodenbeschreiben.Strahlerverkopplung
kann als Impedanzfehlanpassung dieser Strahlungsfreiheitsgrade aufgefasst
werden.
Jedem Freiheitsgrad kann eindeutig eine Abstrahleffizienz zugeordnet wer-
den. Dies verallgemeinert den klassischen Effizienzbegriff auf beliebige
Gruppenantennen.Strahlerverkopplungführt zwangsläufig zu einer Vermin-
derungdieserEffizienzen.
BeiverlustlosenGruppenantennenlassensichdieEffizienzeneinfachausden
Streuparameternermitteln.DieBerücksichtigungOhm’scheVerlusteerfor-
dertdieEinbeziehungderFernfelddaten.
DieAnpasseffizienzenkönnenmithilfevonAnpass-undEnkoppelnetzwer-
ken verbessert werden. Derartige Netzwerke sind schmalbandig und stark
verlustbehaftet. Ihr Entwurf erfordert daher entsprechendeQualitätskenn-
größen.
Durch Ausnutzung bestimmter Symmetrieeigenschaftenlassen sich Entkop-
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,undvereinfac