Maintaining small physical dimensions of antenna structures is an important consideration for contemporary wireless communication systems. Typically, antenna miniaturization is achieved through various topological modifications of the basic antenna geometries. The modifications can be applied to the ground plane, the feed line, and/or antenna radiator. Unfortunately, various topology alteration options are normally reported on a case-to-case basis. The literature is lacking systematic investigations or comparisons of different modification methods and their effects on antenna miniaturization rate as well as electrical performance. Another critical issue—apart from setting up the antenna topology—is a proper adjustment of geometry parameters of the structure so that the optimum design can be identified. Majority of researchers utilize experience-driven parameter sweeping which typically yields designs that are acceptable, but definitely not optimal. Furthermore, in many of the cases, the authors provide a cooperative progression before and after topological modifications that generally lead to a certain reduction of the antenna size, however, with appropriate parameter adjustment missing. Consequently, suitability of particular modifications in the miniaturization context is not conclusively assessed. In order to carry out such an assessment in a reliable manner, identification of the truly optimum design is necessary. This requires rigorous numerical optimization of all antenna parameters (especially in the case of complex antenna topologies) with the primary objective being size reduction, and supplementary constraints imposed on selected electrical or field characteristics. This thesis is an attempt to carry out systematic investigations concerning the relevance of geometry modifications in the context of wideband antenna miniaturization. The studies are carried out based on selected benchmark sets of wideband antennas. In order to ensure a fair comparison, all geometry parameters are rigorously tuned through EM-driven optimization to obtain the minimum footprint while maintaining acceptable electrical performance. The results demonstrate that it is possible to conclusively distinguish certain classes of topology alterations that are generally advantageous in the context of size reduction, as well as quantify the benefits of modifications applied to various parts of the antenna structure, e.g., with feed line modifications being more efficient than the ground plane and radiator ones. Several counterexamples have been discussed as well, indicating that certain modifications can be counterproductive when introduced ad hoc and without proper parameter tuning. The results of these investigations have been utilized to design several instances of novel compact wideband antennas with the focus on isolation improvement and overall antenna size reduction in multi-input-multi-output (MIMO) systems. Experimental validations confirming the numerical findings are also provided. To the best of the author’s knowledge, the presented study is the first systematic investigation of this kind in the literature and can be considered a step towards the development of better, low-cost, and more compact antennas for wireless communication systems.
Fyrir þráðlaus fjarskiptakerfi er mikilvægt að tryggja að loftnet séu lítil að umfangi. Yfirleitt
er smækkun loftneta náð með ýmis konar formbreytingum á grunngerðum þeirra.
Formbreytingarnar geta verið á jarðtengingu, fæðilínu og / eða geislagjafa. Því miður er
venjulega einungis sagt frá slíkum formbreytingum fyrir einstaka tilvik. Skortur er á
kerfisbundnu mati og samanburði á mismunandi formbreytingum og hvaða áhrif þær hafa á
smækkun og raffræðilega eiginleika loftneta. Annað mikilvægt atriði, fyrir utan að ákveða gerð
formbreytingarinnar, er að velja stika sem lýsa nákvæmri lögun svo að bestuð hönnun geti átt
sér stað. Flestir hönnuðir notast við þá aðferð að notast við stikaskimun sem byggir á
reynslugögnum, en sú aðferð skilar almennt ásættanlegri hönnun, þó ekki bestaðri. Einnig er í
mörgum tilvikum sagt frá samhliða þróun fyrir og eftir formbreytingu sem leiðir til smækkunar
án þess að tilgreina breytingar á stikum. Fyrir vikið er erfitt að meta til hlítar ávinning af
mismunandi formbreytingum. Til þess að framkvæma slíkt mat með áreiðanlegum hætti er
nauðsynlegt að geta metið bestu hönnunarútfærslu nákvæmlega. Þetta kallar á ítarlega tölulega
bestun allra stika sem lýsa loftnetinu (einkum fyrir loftnet flókinnar lögunnar) þar sem
aðalmarkmkið bestunar er smækkun en skorður eru settar af raffræðilegum eiginleikum. Í
þessari ritgerð er leitast við að kerfisbundna rannsókn á mikilvægi formbreytingna í tengslum
við smækkun bandbreiðra loftneta. Rannsóknin byggir á völdum söfnum viðmiðunarloftneta.
Til að tryggja rétt mat eru allir stikar er varða lögun stilltir með rafsegulfræðilegri hermun til
að tryggja minnst rúmtak með ásættanlegum raffræðilegum eiginleikum. Niðurstöðurnar sýna
að unnt er að greina, án vafa, ákveðna flokka formbreytinga sem eru að jafnaði til þess fallnir
að smækka loftnet. Auk þessa er hægt að reikna ávinning af formbreytingum mismunandi
hluta loftnetsins, t.d. að breytingar á fæðilínu eru almennt hagkvæmari en breytingar á
geislagjafa eða jarðtengingu. Þá er greint frá nokkrum tilvikum þar sem tilfallandi
formbreytingar geta verið til tjóns ef ekki stikaval er ekki gert með réttum hætti. Niðurstöður
þessara rannsóknar hafa verið notaðar til að hanna nokkur nýstárleg breiðbandsloftnet með
áherslu á smækkun og bættan aðskilnað fjölgátta (MIMO) loftneta. Töluleg hermun er
sannreynd með tilraunum. Að bestu vitund höfundar er hér um fyrstu kerfisbundnu rannsókn
þessarar gerðar að ræða og má reikna með að hún leiði til þróunar betri, ódýrari og smærri
loftneta fyrir þráðlaus fjarskiptakerfi.
