Abstract This work presents a method for the fabrication of Li₂MoO₄ ceramics at room-temperature based on utilizing a small amount of water with Li₂MoO₄ powder. The densification of the ceramic takes place during pressing. Thus the shape and size of the final ceramic compact can easily be managed by controlling the mould dimensions and the amount of material. Post-processing at 120 °C is applied to remove residual water from the compact. This post-processing temperature can be chosen to be suitable to the other materials integrated, such as the substrate or electrodes, as long as the post-processing time is adequate to remove the residual water. The dielectric properties (relative permittivity of 5.1 and a loss tangent value of 0.00035 at 9.6 GHz) after optimization of the powder particle size, sample pressing pressure, and post-processing time were similar to those achieved for Li₂MoO₄ ceramics fabricated by sintering at 540 °C. The dielectric properties of Li₂MoO₄ ceramics were also modified using composite methods. For example, an addition of 10 volume-% of BaTiO₃ increased the relative permittivity from 6.4 to 9.7 and the loss tangent value from 0.0006 to 0.011 at 1 GHz. To investigate the thermal dependence of the permittivity, different amounts of rutile TiO₂ were incorporated into a Li₂MoO₄ ceramic matrix fabricated with the method described in this work. As the amount of TiO₂ increased from 10 to 30 volume-%, the thermal coefficient of permittivity decreased from 180 ppm/°C to -170 ppm/°C. The low processing temperature made the fabrication approach introduced here feasible for silver electrode integration without the formation of extra phases, which were observed in sintered samples with similar compositions in another study. A patch antenna was realized utilizing a Li₂MoO₄ ceramic disk fabricated by the room-temperature method. The antenna operating at ~4 GHz showed reasonably good performance. A relative humidity of 80% lowered the resonant frequency by 3.25% from the initial value, and reduced the total and radiation efficiencies of the antenna by ~2 dB. The changes were slowly reversible. Use of a silicone conformal coating reduced the shift of the resonant frequency to 1.26% from the initial value and also reduced the effect on efficiencies to ~1 dB. The use of the coating also speeded up the reversibility of the changes when the humidity was decreased. / Tiivistelmä Tässä työssä esitellään menetelmä, jolla Li₂MoO₄-keraameja voidaan valmistaa huoneenlämpötilassa. Menetelmä hyödyntää pientä määrää Li₂MoO₄-vesiliuosta ja sen kiteytymistä. Keraami tiivistyy kappaletta puristettaessa, joten sen koko ja muoto ovat sama kuin muotilla riippuen vain keraamin määrästä. Kappaleeseen jäänyt vesi poistetaan lämpökäsittelyllä yleensä 120 celsiusasteessa. Jälkikäsittelylämpötila voidaan valita muiden integroitavien materiaalien mukaan, kuten alusta- tai elektrodimateriaalin, kunhan jälkikäsittelyaikaa muokataan vastaavasti, jotta kaikki vesi poistuu. Optimoimalla Li₂MoO₄-jauheen partikkelikokoa, puristuspainetta ja jälkikäsittelyaikaa saavutettiin samankaltaiset dielektriset ominaisuudet taajuudella 9,6 GHz (suhteellinen permittiivisyys 5,1 ja häviötangentti 0,00035) kuin Li₂MoO₄-keraameilla, jotka on sintrattu 540 celsiusasteessa. Li₂MoO₄-keraamien dielektrisiä ominaisuuksia muokattiin myös lisäaineilla. Esimerkiksi 10 tilavuus-% BaTiO₃-jauhetta kasvatti suhteellista permittiivisyyttä taajuudella 1 GHz arvosta 6,4 arvoon 9,7 ja häviötangenttia arvosta 0,0006 arvoon 0,011. Myös eri määriä TiO₂-jauhetta (rutiili) lisättiin Li₂MoO₄-matriisiin permittiivisyyden lämpötilariippuvuuden tutkimiseksi. TiO₂-jauheen määrän kasvaessa 10 tilavuusprosentista 30 tilavuusprosenttiin laski permittiivisyyden lämpötilariippuvuus arvosta 180 ppm/°C arvoon -170 ppm/°C. Matalan käsittelylämpötilan ansiosta työssä esitelty valmistusmenetelmä soveltui käytettäväksi hopeaelektrodien kanssa. Aiemman tutkimuksen mukaan nämä komposiittimateriaalit muodostivat ei-toivottuja faaseja sintrattaessa hopean kanssa. Menetelmällä valmistettua Li₂MoO₄-keraamikiekkoa käytettiin mikroliuska-antennin valmistuksessa. Taajuudella 4 GHz toimivan antennin suorituskyky oli suunnitellun kaltainen. 80 prosentin suhteellinen ilmankosteus laski resonanssitaajuutta 3,25 % alkuperäisestä arvosta ja vähensi antennin kokonais- ja säteilytehokkuutta noin 2 dB. Muutokset palautuivat hitaasti. Silikonisuojalakan käyttö vähensi taajuuden laskua 1,26 prosenttiin alkuperäisestä arvosta ja tehokkuudet laskivat vain noin 1 dB. Suojalakan käyttö nopeutti muutosten palautuvuutta ilmankosteuden laskiessa.

Abstract In this thesis, new methods for mobile terminal antenna frequency control and user effect compensation are presented. The thesis is divided into two parts. The first part includes frequency reconfigurable and tuneable antennas for mobile terminals. At first, the efficient frequency reconfiguration methods for a slot-, planar inverted-F (PIFA) and inverted-F (IFA) antennas are presented. Methods are based either on the use of RF switches, or on variable capacitor loading. One of the frequency tuneable antennas is used for the antenna frequency bandwidth enhancement in an internal digital television reception antenna, offering a continuous tunability range from 470 MHz to 702 MHz with 8 MHz instantaneous bandwidth. The second part of this thesis is concentrated on the user effect on the mobile terminal antennas, and especially, on the active compensation of the user-induced losses. At first, an experimental user effect study is conducted for triple-band PIFA and the body loss, comprising both the reflection loss and absorption loss, is characterized and formulated. It was observed that with the highly loaded mobile terminal antenna the majority of the losses are absorption losses and the user-induced reflection losses play a minor role. An active method of compensating the body loss, and especially the absorptive part of it, is designed and developed in this thesis. The switchable two-antenna arrangement is applied to a dual-band top-bottom PIFA that yielded up to 9 dB compensation of the body loss with a specific phantom hand grips in the lower band (GSM 850). In the higher band (GSM 1900 and WCDMA) 2 dB compensation is obtained. The same method is verified with two side by side-located PIFA and monopole configurations in order to compensate the effect of the user’s index finger. The losses from switching circuitry proved to be smaller than the benefit achieved by the compensation method. / Tiivistelmä Tässä työssä esitään uudenlaisia menetelmiä matkaviestinantennin taajuussäätöön ja käyttäjän vaikutuksen kompensointiin. Työ jakautuu kahteen osaan, joista ensimmäisessä käsitellään taajuussädettäviä matkaviestinantenneja. Aluksi esitetään tehokkaita taajuussäätömenetelmiä rako-, tasomainen käännetty-F- ja käännetty-F -tyyppisille antennirakenteille. Menetelmät perustuvat joko RF kytkimen tai säädettävän kapasitanssin käyttöön. Yhtä säätömenetelmää sovelletaan päätelaitteen sisäisen vastaanottoantennin taajuuskaistanleveyden kasvattamiseen. Säätömenetelmällä saavutettu jatkuva säätöalue on 470–702 MHz ja hetkellinen kaistanleveys on 8 MHz. Työn toisessa osassa keskitytään käyttäjän matkaviestimen antennille aiheuttamaan vaikutukseen ja erityisesti käyttäjän aiheuttamien häviöiden kompensointiin. Aluksi esitetään kokeellinen tutkimus käyttäjän vaikutuksesta kolmikaistaiseen PIFA-antenniin. Tutkimuksessa arvioidaan kehohäviöiden määrää, antennin impedanssimuutoksesta aiheutuvaa heijastushäviötä ja absorptiohäviötä. Tutkimuksen perusteella absorptiolla on suurempi vaikutus kokonaishäviöön kuin heijastushäviöllä. Työssä esitetään aktiivinen kehohäviön ja erityisesti absorptiohäviön kompensointimenetelmä. Menetelmässä antennikytkentää sovelletaan päätelaitteen ylä- ja alapäähän sijoitettuihin kaksitaajuus antenniin. Tutkimuksen perusteella todetaan, että tietyn käsiotteen aiheuttamia häviöitä voidaan kompensoida 9 dB matalammalla taajuuskaistalla (GSM 850) ja 2 dB korkeammalla taajuuskaistalla (GSM 900 ja WCDMA). Kompensointimenetelmän toimivuus todennetaan myös kahdella monopoli- ja PIFA-antennirakenteella käyttäen erilaista antennijärjestelyä, jossa pääpaino on käyttäjän etusormesta johtuvien häviöiden kompensoinnissa. Antennikytkennän aiheuttamat häviöt ovat pienemmät kuin kompensointimenetelmällä saavutettu etu.

Abstract This dissertation presents wideband and multi-element antennas for mobile applications. It is divided into the following main parts: modal theory, wideband antennas, multi-element antennas, and wideband multi-element antennas. The radiating fields are first studied in terms of spherical scalar and vector modes, and it is shown how these modes correlate with the characteristic current modes on a planar mobile ground plane. The theory part shows how it is possible to excite the same modes on a conventional sphere and a rectangular planar mobile ground plane. The theory refers to the novel wideband antenna structures presented in this dissertation, in terms of current and radiating modes. After studying the modes, the dissertation shows how to excite a radiating antenna mode within a wide frequency bandwidth. To gain this, two main approaches are taken. First, a quasi-complementary antenna (QCA) structure with an electric conductor and magnetic slot is presented, and its characteristics are studied. A QCA UWB antenna, and a QCA element excited with a monopole or a dipole, is presented. The QCA structure compensates for the imaginary part of the input impedance on wide frequency bandwidth, when, at the same time, the fundamental mode is excited to ensure good radiating properties. The second approach uses a symmetrical feeding with two antenna elements to gain a wide frequency bandwidth, the relative -6 dB impedance bandwidth between 37.5–80%. When a field is symmetrically coupled to the conducting ground plane, the excitation avoids the awakening of higher order modes which might disturb the performance of the antenna. It is also shown, by using multiple feeding elements, that the excitation of orthogonal higher order modes on a small radiating ground plane is possible. As the modes are orthogonal to each other, they present a very low correlation. By using this kind of approach, radiation pattern diversity can be obtained in mobile applications within a small volume. On the other hand, when combining two QCA elements to a one multi-element antenna structure, a wideband diversity antenna with an 87.5% relative -6 dB impedance bandwidth, and a wideband MIMO antenna with a 95.0% relative -6 dB impedance bandwidth, are presented with excellent radiation and correlation properties. Also mutual coupling is need to be counted when multi-element antennas are designed. When designing an efficient radiator, it is important to consider an antenna feeding in terms of wideband impedance matching and wideband baluns, not to spoil the antenna performance. The efficient antenna structures and feeding mechanisms are obtained by using commercial 3D electromagnetic simulators to find the desired wideband antenna characteristics. Prototype antennas are measured in most of the presented structures to show their functionality in real. In general, the dissertation presents wideband antenna structures with radiating antenna modes excited on a planar conducting ground plane. The idea is to find structures and feeding mechanisms to excite the fundamental mode, or a certain radiating antenna mode, at a wide frequency bandwidth, by avoiding the excitation of higher order modes which might disturb the antenna performance. It is also shown that, by using multiple feeding elements, it is possible to excite higher order modes on a small antenna. / Tiivistelmä Väitöskirjassa esitetään uusia laajakaistaisia ja monielementtiantenneja matkaviestimiin. Väitöskirja koostuu neljästä pääalueesta: pintavirtojen muototeoria, laajakaistaiset antennit, monielementtiantennit sekä laajakaistaiset monielementtiantennit. Teoriaosassa säteilykenttiä on aluksi tutkittu pallon pinnalla sekä skalaaripotentiaaleina että pintavirtavektoreina, jonka jälkeen niitä on verrattu mobiilin laitteen maatason ominaispintavirtojen synnyttämiin säteilykenttiin. Teoriaosassa osoitetaan, että pallon pinnalla sekä tasomaisella suorakaiteen muotoisella pinnalla on mahdollista herättää samat säteilykentät. Myöhemmin väitöskirjassa esitettävien uudenlaisten antennirakenteiden ominaisuuksia verrataan teoriaosassa esitettyihin pintavirtoihin ja säteilykenttiin. Teoriaosuuden jälkeen osoitetaan miten säteilevä sähkömagneettinen kenttä saadaan herätettyä laajalla taajuusalueella. Tähän on otettu kaksi eri lähestymistapaa, joista ensimmäisessä esitellään ja tutkitaan kvasikomplementaarista antennirakennetta (QCA). Kvasikomplementaarisessa antennirakenteessa sisääntuloimpedanssin imaginaariosa kompensoidaan yhdistämällä sähköinen johde ja magneettinen rako samaan antenniin. Samanaikaisesti perusmuoto herätetään laajalla taajuusalueella, jolla varmistetaan antennin hyvät säteilyominaisuudet koko toimintataajuusalueella. Toisessa lähestymistavassa käytetään kahta symmetrisesti asetettua antennielementtiä, joita syötetään symmetrisesti samalla amplitudilla ja vaiheella. Kun sähkömagneettinen kenttä herätetään symmetrisesti, korkeamman kertaluvun muotojen herättäminen voidaan välttää laajalla taajuusalueella. Symmetrisesti syötetyillä antennirakenteilla saavutettu -6 dB suhteellinen impedanssikaistanleveys on 37.5–80 %. Useita syöttöelementtejä käytettäessä voidaan mobiilin laitteen maatasossa herättää yhdellä pistetaajuudella monta toisistaan riippumatonta säteilykenttää. Koska herätetyt kentät ovat toisistaan riippumattomia, on niiden välinen korrelaatio myös pieni. Kyseisellä rakenteella on mahdollista toteuttaa säteilykuviodiversiteetti erittäin pienessä tilassa, kuten matkapuhelimessa. Toisaalta, kun yhdistetään kaksi QCA-elementtiä yhdeksi monielementtiratkaisuksi, voidaan toteuttaa laajakaistainen diversiteettiantenni, jonka suhteellinen -6 dB impedanssikaistanleveys on 87.5 %. Vastaavasti kahdella laajakaistaisella QCA-elementillä toteutetulla MIMO-ratkaisulla päästään 95 % suhteelliseen -6 dB impedanssikaistanleveyteen. Molemmilla ratkaisuilla on erittäin hyvät säteilyominaisuudet sekä alhainen korrelaatio ja pieni keskinäiskytkentä antennielementtien välillä. Suunniteltaessa toimivaa laajakaistaista antennirakennetta, on tärkeää ottaa huomioon antennisyötön impedanssisovitus, jotta antennin suorituskyky ei heikkenisi. Lisäksi balansoidussa rakenteissa tulee olla laajakaistainen baluni, jolla vältetään säteilykuvion vääristyminen. Väitöskirjan syöttöratkaisuissa on käytetty kaupallisia sähkömagneettisia simulaattoreita, joilla antennirakenne voidaan mallintaa kolmiulotteisesti, ja joilla laajakaistainen syöttö saadaan optimoitua haluttuun antenniin. Suurin osa esitellyistä antennirakenteista on simulointien lisäksi myös mitattu, jolloin niiden toimivuus käytännössä pystytään todentamaan rakentamalla prototyyppiantenni. Yleisesti väitöskirjassa esitellään tasomaisia antenniratkaisuja johtavassa maatasossa, joissa säteilevät pintavirrat herätetään mahdollisimman laajalla taajuusalueella. Ideana on löytää laajakaistaisia antenni- ja syöttörakenteita, joilla saadaan herätettyä perusmuoto tai jokin muu haluttu muoto. Ajatuksena on välttää korkeamman kertaluvun muotojen herättäminen, jotka voivat pilata antennin suorituskyvyn. Väitöskirjassa osoitetaan myös, että pienikokoisella antennilla on mahdollista herättää korkeamman kertaluvun muotoja pistetaajuudella käyttämällä useita heräte-elementtejä.

Abstract The focus of this thesis is to study direction of arrival (DoA) estimation algorithms for reconfigurable leaky-wave antennas and advanced antenna arrays. Directional antennas can greatly improve the spectrum reuse, interference avoidance, and object and people localization. DoA estimation algorithms have also been shown to be useful for applications such as positioning for user tracking and location-based services in wireless local area networks (WLANs). The main goal is to develop novel DoA estimation algorithms for both advanced antenna arrays and composite right/left-handed (CRLH) leaky-wave antennas (LWAs). The thesis introduces novel modifications to existing DoA estimation algorithms and shows how these can be modified for real-time DoA estimation using both antenna types. Three modified DoA estimation algorithms for CRLH-LWAs are presented: 1) modified multiple signal classification (MUSIC), 2) power pattern cross-correlation (PPCC), and 3) adjacent power pattern ratio (APPR). Additionally, the APPR algorithm is also applied to advanced antenna arrays. The thesis also presents improvements to the modified MUSIC and APPR algorithms. The complexity of the algorithms is reduced by selecting a smaller number of received signals from different directions. The results show that the selection of the radiation patterns is very important and that the proposed algorithms can successfully estimate the DoA, even in a real-world environment. Based on the results, this thesis provides a good starting point for future research of DoA estimation algorithms to enhance the performance of future-generation wireless networks and the accuracy of localization. / Tiivistelmä Tässä väitöskirjassa tutkitaan suunnanestimointialgoritmeja uudelleen konfiguroituville vuotoaaltoantenneille (LWA, leaky wave antenna) ja kehittyneille antenniryhmille. Suuntaavilla antenneilla voidaan parantaa huomattavasti spektrin uudelleen käyttöä ja esineiden ja ihmisten sijaintipaikannusta sekä pienentää häiriöitä. Suunnanestimointialgoritmit ovat myös osoittautuneet hyödylliseksi esimerkiksi seuranta- ja sijaintipaikannuspalvelusovelluksille langattomissa lähiverkoissa. Työn päätavoite on kehittää uusia suunnanestimointialgoritmeja sekä kehittyneille antenniryhmille että vuotoaaltoantenneille (composite right/left-handed (CRLH) LWA). Työssä osoitetaan, miten olemassa olevia suunnanestimointialgoritmeja voidaan muokata uudella tavalla, jotta ne soveltuisivat molemmille antennityypeille reaaliaikaiseen suunnanestimointiin. Vuotoaaltoantennille on kehitetty kolme erilaista suunnanestimointialgoritmia: 1) muunneltu MUSIC- (multiple signal classification), 2) säteilykyvioiden tehojen ristikorrelaatio- (PPCC, power pattern cross correlation) ja 3) vierekkäisten säteilykuvioiden tehosuhdealgoritmi (APPR, adjacent power pattern ratio). APPR-algoritmia on myös käytetty kehittyneelle antenniryhmälle. Työssä esitetään myös parannuksia muunnelluille MUSIC- ja APPR-algoritmeille. Algoritmien kompleksisuutta voidaan pienentää valitsemalla vähemmän vastaanotettuja signaaleja. Tulokset osoittavat, että signaalien valinta on hyvin tärkeää ja ehdotetut algoritmit estimoivat onnistuneesti saapuvan signaalin suunnan todellisessa mittausympäristössä. Yhteenvetona voidaan sanoa, että tämä väitöstyö on hyvä lähtökohta suunnanestimointialgoritmitutkimukselle, jonka tavoitteena on parantaa tulevien sukupolvien langattomien verkkojen suorituskykyä ja paikannuksen tarkkuutta.