In this thesis, the effect of mutual coupling on the capacity of electromagnetic channels is analyzed, where transceivers are confined in given regions. The thesis consists of three different works, which deal with different electromagnetic channels. For the first part of this thesis, the capacity of continuous-space electromagnetic channels, where transceivers are confined in given lossy regions, is analyzed. Compared to the existing literature, the contribution of our work is summarized as follows. First, we assume the regions confining the transceivers are filled with dielectric, which is either lossy or lossless and show how the capacity is affected by the physical loss of the source region. Also, we consider the actual power consumption of the source, whereas only the current strength or the radiation power has been considered in many existing works. In addition, we use the fluctuation-dissipation theorem to model the noise, whereas the previous works have used either the i.i.d. field fluctuation or the interference-like noise. All these differences make the degrees-of-freedom (DoF) in our work different from those in the previous works, in some cases significantly higher. We also derive the Q factor analytically under our assumptions and consider how the capacity is affected by the Q factor. Finally, we compare our work with the existing literature and analyze the maximum gain of spherical dielectric antennas in practical applications. For the second part of this thesis, the mutual coupling among vector antenna (VA) elements is derived based on the electromagnetic theory, where a uniform circular array (UCA) with VAs is utilized as the transmit antenna array. By exploiting our result on the mutual coupling, we also analyze the electromagnetic channel from the transmitter to a receiver that measures the electric field surrounding the transmitter. As a result, we show the number of spatial degrees of freedom can be increased by exploiting the mutual coupling. For the last part of this thesis, we show interference can be removed if mutual coupling is properly utilized, where a two-user Gaussian multiple access channel (MAC) is assumed. Specifically, we analyze the capacity region of the channel, where each transmitter has its own antenna and the receiver can measure the electric field in a given lossless spherical volume with additive noise. The additive noise at the sphere is assumed to satisfy the statistical property followed from the fluctuation-dissipation theorem. As a result, it turns out the interference can be almost perfectly removed regardless of the physical size of the receiver and the angular position of the transmitters, i.e., the angle defined by lines between each transmitter and the center of the sphere, when the distance between each transmitter and the receiver is sufficiently far apart.
본 학위 논문에서는 송수신기의 크기에 공간적 제약이 있는 경우, 전자기 채널 용량에 상호 커플링이 미치는 영향에 대해 분석하였다. 논문은 서로 다른 채널을 다룬 세 개의 연구로 구성된다. 본 학위 논문의 첫 연구에서는, 송수신기가 주어진 손실이 있는 영역 안에 있을 때, 연속 공간 전자기 채널의 용량을 분석하였다. 기존의 연구들과 비교하였을 때, 우리 연구의 공헌은 다음과 같이 요약된다. 먼저, 송수신기를 가두고 있는 공간이 손실이 있는 또는 손실이 없는 물질로 채워져 있다고 가정한 뒤, 그 공간의 물리적 손실이 채널 용량에 어떻게 영향을 미치는지를 보였다. 또한, 기존 연구에서는 전류의 세기나 방사 전력에 제한을 두었던 반면 본 연구에서는 소스의 실 전력 소모를 고려하였다. 이외에도, 기존 연구는 독립적이고 동일하게 분포하는 장의 진동이나 간섭과 유사한 잡음을 가정한 반면에, 본 연구에서는 잡음-손실 이론의 특성을 따르는 잡음을 사용하였다. 이러한 모든 차이점들이 기존의 연구와 비교하였을 때 전자기 채널의 자유도에 차이가 나도록 만들었으며, 특정한 경우에 대해서는 매우 높은 자유도를 얻는 게 가능했다. 우리는 또한 앞서 설명한 가정 하에 Q 인자를 분석하였고 Q 인자에 의해 채널 용량이 어떠한 영향을 받는지를 고려하였다. 마지막으로, 기존 연구와 본 연구를 비교 분석하였으며, 연구의 응용으로써 구형 유전 안테나의 최대 이득을 분석하였다. 본 학위 논문의 두 번째 연구에서는, 송신 안테나 배열이 벡터 안테나로 구성된 균일 원형 배열인 경우, 안테나 간의 상호 커플링을 전자기 이론에 기반하여 유도하였다. 또한, 본 연구에서는 상호 커플링에 대한 결과를 활용하여, 송신 배열 안테나로부터 송신기를 둘러 싸고 전자기장을 측정하는 수신 배열 안테나로 정보를 전송하는 전자기 채널을 분석하였다. 결과적으로 상호 커플링을 고려하면 전자기 채널의 공간 자유도가 향상됨을 확인할 수 있었다. 본 학위 논문의 세 번째 연구에서는, 송신자가 둘인 가우시안 다중 접속 채널에서 상호 커플링을 적절히 활용하면 통신 사용자 간 간섭을 제거하는 것이 가능해짐을 보였다. 구체적으로, 우리는 두 명의 송신자가 각각의 안테나를 가지고 있으며, 수신자는 손실 없는 구형 안테나를 통해 잡음과 함께 송신 전기장을 측정하는 것이 가능한 채널 상황에서의 채널 용량 영역을 분석하였다. 여기서 구 안테나에서의 잡음은 잡음-손실 이론에 따른 통계적 특성을 만족한다고 가정하였다. 결과적으로, 송수신기 사이의 거리가 충분히 큰 경우, 구의 중심과 각 송신기를 연결하는 선들로 정의된 각에 대해, 각의 크기와 수신기의 물리적 크기에 관계없이 간섭이 거의 완벽하게 제거됨을 보였다.
