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 In this dissertation, the operation of planar impulse radio (IR) ultra wideband (UWB) antennas is examined for use in wireless body area networks (WBANs). The objective of the thesis is to consider electromagnetic phenomena due to coupling between an antenna and human body tissues and to analyse the challenges of wideband radiators. The aim is to understand the fundamental behaviour of an antenna in a WBAN, focusing on off-body and on-body communications. The thesis premises follow the international WBAN standard 802.15.6-2012 by the Institute of Electrical and Electronics Engineering (IEEE) and the Federal Communications Commission’s (FCC) UWB regulations (3.1–10.6 GHz). In the examinations, the frequency-dependent modelling of human tissues is considered. The impact of the variation of tissue layer thickness on the performance of an antenna is depicted. The demonstration of the impact of antenna input power is given in terms of generation of heat in tissues and specific absorption rate (SAR). In order to theoretically contemplate the effect of reflections due to tissues on antenna patterns, the opportunities to influence polarization with an artificially anisotropic substrate are derived. With the proposed method, not earlier proposed for WBAN antennas, the smooth patterns without pattern minima can be achieved over the FCC UWB bandwidth. In addition, a theoretical two-path model is applied to the estimation of the antenna pattern shape close to tissues. Various antenna parameters are explored as a function of the use distance to tissue surface to demonstrate the behaviour in the vicinity of a body. The size of the reactive near-field is an important factor for the evaluation of satisfactory on-body performance. The proportions of absorption, mismatch and body losses are analysed close to a body. The connection between the complex input impedance and the dimensions of planar antennas is analysed by using lumped-element equivalent circuits. The impact of the actual width and length of the radiator on the impedance behaviour is presented for the first time. In addition, impedance is analysed in terms of capacitance, inductance and resistance within the reactive near-field for the first time. In order to understand the impact of tissues close to the antenna, the parasitic components for the stages in equivalents are proposed. / Tiivistelmä Tässä väitöskirjassa tarkastellaan laajakaistaisten impulssiradioantennien (IR-UWB) toimintaa langattomissa kehoverkoissa (WBAN). Työn tavoitteena on tarkastella antennin ja ihmiskudoksen kytkeytymisestä johtuvia sähkömagneettisia ilmiöitä ja analysoida laajakaistaisen säteilijän haasteet. Päämääränä on ymmärtää antennin suorituskyky kontekstissa ja kohdeympäristöksi on fokusoitu toiminta kehon pinnalla (on-body) ja keholta poispäin seuraavaan liityntäpisteeseen (off-body). Tutkimustyö pohjautuu IEEE802.15.6-2012-standardiin sekä FCC:n UWB -säännöksiin. Väitöstyössä tarkastellaan taajuusriippuvan ihmiskudoksen mallintamista. Ihmiskudoskerrosten paksuuden vaikutusta antennin suorituskykyyn tutkitaan simuloimalla. Lisäksi tarkastellaan antennin syöttötehon vaikutusta kudoksen lämpiämisen ja tehon absorboitumisen näkökulmasta. Kehon aiheuttamien heijastusten vaikutusta säteilykuvioihin tarkastellaan teoreettisesti ja lisäksi esitetään menetelmä vaikuttaa antennin summapolarisaation kautta säteilykuvion muotoon keinotekoisella epäisotrooppisella substraatilla. Ehdotetulla menetelmällä, mitä ei ole aiemmin kirjallisuudessa esitetty kehoantenneille, voidaan minimoida nollakohtia ja saavuttaa tasainen säteilykuvio FCC UWB -taajuuskaistan yli. Kaksitie-mallia sovelletaan säteilykuvion muodon ennustamiseen kehon läheisyydessä. Useita antenniparametreja havainnollistetaan antennin käyttöetäisyyden funktiona ihmiskudoksesta. Antennin reaktiivisen lähikentän koko on tärkeä tekijä kehoantennille riittävän suorituskyvyn saavuttamiseksi. Absorptio-, epäsovitus- ja kehohäviöiden osuudet edelleen eritellään ja analysoidaan työssä. Työssä tutkitaan kompleksisen syöttöimpedanssin ja antennin fyysisten mittojen yhteyttä hyödyntämällä erilliskomponenteilla muodostettuja vastinpiirejä. Ensimmäistä kertaa antennin käytännön leveyden ja pituuden muutos esitetään suhteessa impedanssikäyttäytymiseen. Impedanssin muutos analysoidaan kapasitanssin, induktanssin ja resistanssin funktiona antennin reaktiivisen lähikentän alueella. Jotta kudoksen vaikutus antennin läheisyydessä voitaan ottaa suunnittelussa huomioon, työssä esitetään tarvittavat parasiittiset komponentit vastinkytkentöjen sarja- ja rinnanasteisiin.