Monielementtiantenni DVB-H-vastaanottimeen

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Master's thesis
Date
2007
Major/Subject
Radio Engineering
Radiotekniikka
Mcode
S-26
Degree programme
Elektroniikan ja sähkötekniikan koulutusohjelma
Language
en
Pages
80
Series
Abstract
Tässä diplomityössä tutkittiin monielementtiantennien käyttökelpoisuutta kannettavissa Digital Video Broadcasting – Handheld (DVB-H)-digitaalitelevisiovastaanottimissa. Työssä suunniteltiin ja valmistettiin kaksielementtiantenni DVB-H-käyttöön. Antennin toimintaa arvioitiin simuloinneilla ja mittauksilla. Monielementtiantennijärjestelmien, kuten multiple-input multiple-output (MIMO), käyttö mahdollistaa radiotietoliikenneyhteyden kapasiteetin kasvun tai niillä voidaan lisätä yhteyden luotettavuutta verrattuna perinteiseen yhden vastaanotin- ja lähetysantennin järjestemään. MIMO-järjestelmän haittapuolena voidaan pitää lähettimen ja vastaanottimen rakenteen monimutkaistumista. DVB-H-signaalin vastaanotto tapahtuu matalalla taajuudella ja leveällä taajuuskaistalla (noin. 470 – 800 MHz), mikä tekee pienen laitteen antennisuunnittelusta haastavaa. Kannettavan TV-vastaanottimen sisäisistä antenneista tulee väistämättä sähköisesti pieniä ja laajakaistaista toimintaa on vaikea saavuttaa. Lisäksi nykyaikaisessa kannettavassa päätelaitteessa on hyvin rajallinen määrä paikkoja, joihin DVB-H-antennit voidaan sijoittaa. Matalasta taajuudesta ja laitteen pienestä koosta johtuen korreloimattomia antennielementtejä on vaikea toteuttaa. Tässä työssä antennit toteutettiin kytkentäelementteihin perustuvalla antennirakenteella, jossa antenni viritetään resonanssiin sovituspiirin avulla. Eri antennirakenteilla ja elementtien sijoittelulla saavutettavia kaistanleveyksiä sekä verhokäyrä-korrelaatioita tutkittiin aluksi simuloinneilla. Lopulta päädyttiin käyttämään kahta antennielementtiä, jotka asetettiin päätelaitteen piirilevyä kuvaavan maatason nurkkiin samalle lyhyelle sivulle. Työssä suunniteltiin kapeakaistainen yksiresonanssisovituspiiri mittauksia varten, sekä leveäkaistainen kaksoisresonanssisovituspiiri kattamaan koko DVB-H-taajuuskaista. Koska antennirakenteesta haluttiin pieni, jouduttiin DVB-H-kaista jakamaan kahteen osaan ja suunnittelemaan sovituspiirit erikseen molemmille osakaistoille. Lopullisessa antennissa haluttu sovituspiiri valittaisiin RF-kytkimillä. Tällä menettelyllä DVB-H-antenneille asetettu toteutuneen vahvistuksen spesifikaatio ylitettiin 2.5 dB:n marginaalilla sekä simuloinneissa että mittauksissa. Antennirakenteen MIMO-toimintaa tutkittiin measurement based antenna testbed (MEBAT)-nimisellä antennievaluaatiotyökalulla. MEBAT:in avulla kaksielementtiantennin toimintaa voitiin simuloida realistisessa etenemisympäristöissä. Simulointeja varten suunniteltiin yksielementtinen referenssiantenni, jotta voitiin selvittää, onko useamman elementin käytöstä hyötyä. Simulointituloksista ilmenee, että suurin hyöty kaksielementtiantennin käytöstä saavutetaan suurilla luotettavuustasoilla. Tällöin käyttämällä 2 x 2 MIMO-järjestelmää keskinäisinformaatio voi olla noin kaksin-nelinkertainen verrattuna single-input single-output (SISO)-konfiguraatioon. Matalammilla luotettavuustasoilla ero on pienempi. MIMO-järjestelmän suorituskykyyn vaikuttavat käyttöympäristön lisäksi myös vastaanottoantennin asento sekä lähetysantennissa käytettävät polarisaatiot. Myös näitä asioita tutkittiin MEBAT-simuloinneilla.

In this thesis feasibility to implement multi-element antenna configurations in handheld digital television receivers (Digital Video Broadcasting – Handheld (DVB-H)) has been studied. A two-element antenna for a DVB-H terminal was designed, manufactured and the performance of the antenna was evaluated with simulations and measurements. The use of multi-element antenna systems such as multiple-input multiple-output (MIMO) can enhance the mutual information or reliability of the wireless communications link compared to a single-element antenna system. The drawback of using the MIMO system is the increased complexity of the transceiver. The DVB-H system works at about 470 – 800 MHz frequency range and the relative bandwidth is very broad. This makes antenna designing challenging because an internal antenna in a handheld terminal is inevitably electrically small and broad bandwidth is difficult to achieve. In addition, in a handheld terminal there are very few places where DVB-H antennas can be located. Due to low frequency and small size of the terminal it is difficult to implement uncorrelated antenna elements. In this work antenna elements were realized with a coupling element based antenna structure. These antennas are tuned to resonance with a matching circuit. At first achievable bandwidths and envelope correlation coefficients of different antenna element structures and their locations were investigated with simulations. Finally, the multi-element antenna was implemented with two antenna elements which were located in the corners of the ground plane at the same short side. The ground plane represents the circuit board of the terminal. In this thesis a narrow-band single-resonant matching circuit was designed to evaluate the performance of the antenna with measurements and a broad-band dual-resonant matching circuit to cover the whole DVB-H band. Because the size of the antenna structure was desired to be small, the DVB-H band was divided into two parts and separate matching circuits were designed for both sub-bands. In the final antenna the desired matching circuit would be selected with RF switches. With this procedure, the realized gain specification of the DVB-H antennas was fulfilled with a 2.5 dB margin in simulations and measurements. The MIMO performance of the dual-element antenna structure was evaluated in realistic propagation environments with an antenna analysis tool called measurement based antenna testbed (MEBAT). A single-element reference antenna was designed for the MEBAT simulations in order to gain knowledge whether it is useful to have several antenna elements in a DVB-H receiver. According to simulation results, the greatest benefit from the use of the dual-element antenna is attained at high reliability levels. In that case the mutual information of a 2 x 2 MIMO system can be two to four times higher than with a single-input single-output (SISO) configuration. At lower reliability level the difference is smaller. The performance of the MIMO system does not depend only on the signal environment but also on the orientation of the receiving antenna and on the polarizations of the transmitting antennas. These matters were also investigated with MEBAT simulations.
Description
Supervisor
Vainikainen, Pertti; Prof.
Thesis advisor
Mustonen, Maria; DI
Keywords
DVB-H, electrically small antenna, matching circuit, coupling element based antenna structure, multi-element antenna, realized gain, mutual information, DVB-H, sähköisesti pieni antenni, sovituspiiri, kytkentäelementtiin perustuva antennirakenne, monielementtiantenni, toteutunut vahvistus, keskinäisinformaatio
Other note
Citation
Permanent link to this item
https://urn.fi/urn:nbn:fi:tkk-009970