Modern personal wireless communication devices are required to support multiple communication standards and high data-rate applications. In order to support multiple communication standards, multiband antennas need to be integrated in these devices. For high data rate applications, MIMO communication techniques, which require multiple antennas on both sides of the wireless channel, have become very attractive for small wireless communications terminals due to the availability of highly integrated circuit technology. In this thesis, new antenna solutions have been offered for next-generation portable communications terminals. Miniaturized multiband antennas supporting various cellular and non-cellular communication standards (GSM, DCS, PCS, UMTS, WiBro, Bluetooth, WiMAX, and WLAN etc.) have been designed based on new bandwidth enhancement and antenna miniaturization techniques. The proposed bandwidth enhancement techniques can be effectively used to design ultra-thin multiband / wideband low-profile antennas for portable communication devices. Ultra-thin multiband antennas investigated in this thesis are based on inverted-F structure without ground plane underneath. Design of a novel compact planar inverted-F antenna (PIFA) covering at least ten wireless standards has been thoroughly investigated through numerical simulations using commercially available EM analysis softwares. The antennas have been evaluated in the presence of human hand, head, and various parts in the mobile device such as battery, LCD, and plastic casing. Since the emerging MIMO communication technology is expected to be part of the personal communications terminals for 4-G systems, design and characterization of MIMO antenna arrays have been given special attention in the later part of the thesis. Multiple antennas at same frequency when implemented in small portable devices exhibit high mutual coupling that significantly affects the radiation efficiency and ultimately capacity performance is degraded. It is important to design individual elements in the MIMO arrays and their configurations suitable for MIMO applications. The design and evaluation of single band quad-element MIMO antenna arrays have been discussed in chapter 5. MIMO channel capacity and correlation performances of these arrays have been evaluated both theoretically and experimentally. Through this analysis, suitable antenna configurations for MIMO-enabled small portable communications devices have been proposed for realization of high channel capacity under real propagation conditions. A quad-band PIFA-based MIMO antenna array has been designed and presented in chapter 6. Decoupling of multiple antennas at low frequency in small devices such as PDA or mobile phones is discussed in chapter 7. Summary of the thesis and future research directions in the area of terminal antennas for wireless communication systems are given in the last chapter.
이 논문의 내용은 크게 두 부분으로 나눌 수 있다. 첫번째 부분은 대부분의 cellular 와 non-cellular 주파수의 low-profile multiband internal antenna이다. 그리고 두번째 부분은 포터블 통신장비들에 있어서 MIMO가 가능한 다양한 안테나들의 설계와 성능측정에 대하여 다룬다. 이 논문의 주요 포커스중 하나는 ultra-thin multiband internal antenna를 설계하는 것이다. 새로운 소형화 안테나들이 독창적인 방식들을 사용해서 설계되어졌다. 이들은 thin multi-functional handset 을 위한 low-profile antenna 들을 구현하기 위하여 multi-branch, multi-resonant 구조를 사용했다. 주요 방사부와 평행으로 연결된 패치를 통해서 광대역 임피던스 매칭이 이루어졌다. 새로운 BCB-embedded multi-resonant printed antenna는 광대역 임피던스 매칭을 위해서 커플링소자를 사용했다. 사람의 손, 머리, 그리고 전기적 모듈(LCD, 배터리, 폰 케이스)이 안테나의 성능에 미치는 영향은 SAR와 효율의 개념으로 완전히 분석되어졌다. 최소한 10개의 주파수 대역을 커버하는 새로운 low-profileplanar inverted-F antenna (PIFA)가 요즘의 다기능 모바일폰을 위해서 설계되어졌다. 다양한 안테나 소형화 기술과 대역폭 상승 기술이 PIFA 디자인을 실현화 하기 위해서 가해졌다. 대역폭 상승을 위해서 단락된 기생커플링이 있는 소자를 사용했다. 그리고나서 주 방사부는 안테나 구조에 있어서 다양한 효율적인 방사 모드들을 형성시키기 위해서 다양한 개방된 슬롯들로 구성되어 있다. 설계에 있어서 가장 중요한 부분은 안테나의 다양한 resonance에 있어서 독립적인 컨트롤이다. 대부분의 주파수 대역폭들은 다른 성능지표에 영향을 미치지 않으면서 각각 개별적으로 조절될 수 있다. 논문의 두번째 부분에서는, MIMO-enabled 포터블 통신 장치들을 위한 어레이 안테나의 설계에 메인 포커스가 있다. 무엇보다 우선 다양한 quad-element MIMO 어레이들이 MIMO 측정 campaign을 통해서 설계되고 테스트되어 졌다. 어레이들은 mean-effective gain(MEG), envelope cross-correlation, spatial correlation, channel capacity 그리고 diversity gain 의 개념에 기반해서 설계되어졌다. 다양한 안테나 구조와 설계들이 line-of-site(LOS)와 non-line-of-sight(NLOS) 모두를 포함하는 실제 전파 환경에서 측정되어 졌다. 이러한 안테나들의 성능 분석에 기반해서, 소형 장치들을 위한 안테나 설계법이 제안되어 진다. . Orthogonal antenna 형태가 symmetric array보다 더 좋은 성능을 나타낸다. Orthogonal 형태는 더 좋은 correlation과 capacity성능을 나타내는 pattern diversity와 polarization diversity를 나타낸다. 설계된 다중밴드 MIMO 안테나 어레이들은 capacity와 correlation의 성능 측정을 위해서 reverberation chamber 안에서 측정되어졌다. 4개의 무선 주파수 대역을 커버하는 새로운 다중모드 PIFA가 분석되어졌다. 이 새로운 소형 PIFA 디자인들은 MIMO응용에 있어서 매우 주목된다. MIMO설계에 있어서 나란히 배열되어 있으면, 매우 뛰어난 포트 아이솔레이션 특성을 나타낸다. 새롭게 출현중인 long-term-evolution(LTE) 표준에 있어서, 소형 포터블 통신 장치를 위한 dual-element meander-line monopole antenna array가 710MHz대역에서 설계되어졌다. 매우 높은 커플링을 나타내는 소자들의 포트들은 두가지 다른 방식들을 통해서 디커플링이 되어졌다. 첫번째 방식으로는, 패시브 소자에 기반한 branch-line hybrid coupler가 사용되었다. 두번째 방식으로는, 단일 reactive 소자가 포트를 디커플링 하기 위해서 사용되었다. 두가지 디자인 모두 710MHz 대역에서 원하는 매칭을 위해서 external 임피던스 매칭이 사용되었다. 이 어레이들은 channel capacity와 envelope cross-correlation 성능 측정을 위해서 reverberation chamber에서 측정되어졌다.
