Compact antenna arrays in mobile communications

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Transkript:

Compact antenna arrays in mobile communications A quantitative analysis of radiator coupling Christian Volmer Universitätsverlag Ilmenau 2010

Impressum Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Angaben sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. 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 Technische Universität Ilmenau/Universitätsbibliothek Universitätsverlag Ilmenau Postfach 10 05 65 98684 Ilmenau www.tu-ilmenau.de/universitaetsverlag 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

1 Introduction 1 2 Power considerations at multi-port antennas 5 2.1 Earlier work.......................... 6 2.2 Eigenmode description of lossless arrays........... 8 2.2.1 Single-port antenna matching efficiency....... 8 2.2.2 Generalisation to multi-port antennas........ 10 2.2.3 The fundamental modes of radiation......... 14 2.2.4 Reflections of eigenmodes.............. 16 2.3 Eigenmode far-field patterns................. 18 2.3.1 Far-field patterns and the radiation matrix...... 18 2.3.2 Beam-pattern orthogonalisation........... 22 2.4 Non-distinct eigenefficiencies................. 25 2.5 Ohmic array losses...................... 26 2.6 An equivalent circuit for lossless arrays........... 27 2.7 Examples of the consequences of radiator coupling..... 30 2.7.1 Analysis of a manufacturedλ 0 /10 three-port array. 30 2.7.2 Influence of number of radiators and separation... 41 2.8 Summary........................... 43 3 Decoupling and matching networks 45 3.1 General conditions for decoupling and matching....... 46 3.2 Decoupling by eigenmode excitation............. 48 3.3 Directional couplers as decoupling networks......... 51 3.3.1 Example: symmetric two-port antenna array..... 51 xiii

xiv 3.3.2 Example: symmetric three-port antenna array.... 52 3.4 A systematic design procedure for decoupling networks... 54 3.4.1 Two-element decoupling............... 55 3.4.2 Decoupling across a symmetry plane........ 57 3.4.3 Radiator merging................... 59 3.4.4 Eigenmode matching................. 63 3.5 Efficiency considerations................... 64 3.6 Example implementations.................. 67 3.6.1 Linearλ 0 /4 three-port array............. 67 3.6.2 LTCC implementation of a three-port DMN..... 74 3.6.3 Broadband matched two-port array......... 78 3.6.4 Circularλ 0 /10 four-port array............ 85 3.7 Summary........................... 88 4 Diversity reception with compact antenna arrays 91 4.1 Overview and past work................... 92 4.2 Figures of merit for correlated fading............. 94 4.2.1 A simplified diversity model............. 95 4.2.2 Array gain of a mutually coupled array....... 101 4.2.3 Diversity gain over a single receive antenna..... 102 4.2.4 Diversity loss over an ideal antenna array...... 105 4.3 Extensions to the diversity model............... 110 4.3.1 Influence of the communications environment.... 111 4.3.2 Effects of a decoupling and matching network.... 114 4.3.3 Spatially coloured receiver noise........... 116 4.4 A complete receiver model.................. 118 4.4.1 Antenna array noise................. 122 4.4.2 Network noise.................... 122 4.4.3 Front-end amplifier noise............... 124 4.4.4 Discussion of the front-end model.......... 125 4.5 Summary........................... 131 5 Compact antenna arrays in practice: a diversity receiver 135 5.1 Overview of the diversity system............... 136 5.1.1 The transmitter.................... 137 5.1.2 The receiver front-end................ 143 5.1.3 Baseband processing................. 147

xv 5.1.4 The graphical user interface............. 150 5.2 Benefits of decoupling and matching networks........ 152 5.3 Verification of the diversity figures of merit......... 157 5.4 Measurements of the signal envelope covariance matrix... 163 5.5 Front-end noise characterisation............... 168 5.5.1 Noise characterisation of a single receiver-branch.. 170 5.5.2 Noise characterisation of the multi-port receiver... 174 5.5.3 Influence of noise on the SNR diversity gain.... 179 5.6 Summary........................... 188 6 Summary and outlook 191 7 Zusammenfassung und Ausblick 197 A Proofs and derivations 205 A.1 Diagonalisation of eigen-reflections............. 205 A.2 Ohmic eigenefficiencies and DMNs............. 206 A.3 Matrix-form of a single-port matching network....... 207 A.4 Matrix-form of a decoupling and matching network..... 209 A.5 Eigenmodes fade independently............... 213 A.6 Series expansion of the diversity gain............ 215 B Waves, scattering parameters, and noise 219 B.1 Scattering parameters..................... 221 B.1.1 Definition....................... 221 B.1.2 Interconnection of multi-port junctions....... 222 B.1.3 Renormalisation................... 225 B.2 Noise wave description.................... 227 Bibliography 231 Notation and abbreviations 247