Novel Mobile Antenna Solutions for Future LTE-A Handsets

Abstract

This work studies mobile antenna solutions that comprise of one or two antenna elements, support multiple-input multiple-output (MIMO) and cover the present and upcoming Long-Term Evolution Advanced (LTE-A) frequency bands as well as 2.4 GHz and 5 GHz WLAN channels. The solutions also support triple interband carrier aggregation (CA). The studied solutions are based on multiresonant antenna structures and utilize either static or switch-selectable matching circuits.

Different solutions are ranked by comparing their simulated efficiencies and mismatch losses. Special interest is on the performance at the newer LTE-A bands at 600 MHz, 1.5 GHz and 3.5 GHz and their implementation impact to the preceding bands. The results suggest that, given a mobile device’s compact size, an antenna with a single tunable matching circuit cannot achieve good efficiency at all the required bands. On the contrary, solutions consisting of the switch-selected matching circuits are efficient but are not considered realistic due to the large space needed for the matching network.

Based on the obtained results, a generic design method is presented. The method proposes using a limited amount of separately routed matching circuits to handle the contradictory electrical lengthening of an antenna at different frequencies. Decent efficiencies are attainable by the method, but a downside is the rather large size of the matching circuit. Reducing the size of the matching circuit requires further studies and integration with the RF front-end.

Tässä työssä tarkastellaan mobiiliantenneja, jotka koostuvat yhdestä tai kahdesta antennielementistä, tukevat ja mahdollistavat MIMOn (multiple-input multipleoutput) nykyisillä ja tulevilla LTE-A (Long-Term Evolution Advanced) kantotaajuuksilla sekä 2.4 GHz ja 5 GHz WLAN kanavilla. Ratkaisut tukevat myös kolmen kaistan taajuuskanavayhdistelyä (CA, carrier aggregation). Tutkitut ratkaisut perustuvat moniresonanssirakenteisiin ja käyttävät joko kiinteää tai kytkimellä valittavaa sovituspiiriä.

Tutkittuja rakenteita vertaillaan simuloitujen sovitushäviöiden ja hyötysuhteiden perusteella. Erityishuomion kohteena on suorituskyky uudemmilla 600 MHz, 1.5 GHz ja 3.5 GHz LTE-A taajuuskanavilla ja niiden lisäämisen vaikutus edeltäviin taajuusalueisiin. Tulokset osoittavat, että antennit, joilla on vain yksi säädettävä sovituspiiri ovat riittämättömiä sovittamaan kaikki vaaditut taajuuskaistat. Antennit jotka pohjautuvat useaan kytkimellä valittavaan sovituspiiriin mahdollistavat hyvän hyötysuhteen, mutta niitä ei puolestaan pidetä realistisena niiden sovitusverkoston suuren tilavaatimuksen vuoksi.

Saatujen tulosten perusteella esitetään uusi suunnittelumenetelmä. Menetelmässä käytetään rajoitettua määrää erillisiä sovituspiirejä, jotka kykenävät kompensoimaan antennin sähköisen pituuden vaihtelun eri taajuuksilla. Mentelmällä saadaan hyvä sovitus, mutta haasteena on sovituspiirin suurehko koko. Koon pienentäminen edellyttää jatkokehitystä ja RF-etupään integrointia.