Frequency-reconfigurable 8 x 8 MIMO handset utilizing combinatory feeding

Abstract

The rapid development of smartphones during the past decade has increased the number of antennas in mobile handsets. In conjunction with large touch screens that occupy large portions of the devices, designing and fitting multiple antennas to a mobile phone has become a challenging task. This master’s thesis studies different methods for mobile handset design. In addition, this work introduces a novel method: Combinatory feeding, which can be used to implement high-efficiency antennas for mobile applications. The method relies on simultaneous excitation of a multiport antenna and does not require external matching circuitry consisting of lumped elements.

To test the proposed method, an antenna prototype is designed for 0.7—6.5 GHz frequency range. The design consists of eight individual antennas and it is designed to support 2 x 2 MIMO in a low 0.7—0.9 GHz band and 8 x 8 MIMO at high bands. The designed antennas feature high efficiency at wide frequency band. According to simulations, the total efficiency of the antennas is above 50 % in 1.55—6.5 GHz frequency band.

The antenna design is manufactured and experimentally verified with S-parameters and far-field patterns measurements. The obtained results match the simulated results well. However, computational results that further describe the handsets performance differ from the simulated values due to effects of measurement cables. Despite the discrepancies, the obtained results indicate that combinatory feeding method can be utilized for designing wideband mobile antennas by using simple radiating bodies.

Tässä diplomityössä tutkitaan erilaisia vaihtoehtoja mobiililaitteissa käytettävien antennien suunnitteluun, sekä kombinatorisen antennisyöttömenetelmän soveltuvuutta kyseiseen tehtävään. Kombinatorinen syöttömenetelmä on tässä työssä kehitetty täysin uusi menetelmä, jossa moniporttiantennin aktiivisten syöttöjen määrää muutetaan taajuuden funktiona, mikä parantaa antennin kokonaishyötysuhdetta.

Menetelmän testaamiseksi suunnitellaan ja valmistetaan antenniprototyyppi 0,7—6,5 Ghz taajuuskaistalle. Valmistettu prototyyppi koostuu kahdeksasta erillisestä antennista, jotka toimivat yhdessä hyödyntäen 8 x 8 MIMO-tekniikkaa yläkaistoilla sekä vastaavasti 2 x 2 MIMO-tekniikkaa 0,7—0,9 GHz alakaistalla. Antennien keskeinen ominaisuus on korkea hyötysuhde laajalla taajuuskaistalla. Simulointitulosten perusteella kaikkien antennien kokonaishyötysuhde on yli 50 % 1,55—6,5 GHz taajuuskaistalla.

Valmistetusta antenniprototyypistä mitatut suureet, kuten S-parametrit sekä säteilykuviot, vastaavat simuloituja tuloksia hyvin. Mittaustuloksista lasketut antennin suorituskykyä kuvaavat tulokset kuten kokonaishyötysuhteet kuitenkin poikkeavat laskennallisista tuloksista johtuen prototyypissä käytetyistä kaapeleista. Poikkeavuuksista huolimatta mittaustulokset osoittavat, että kombinatorinen syöttömenetelmä mahdollistaa jopa melko yksinkertaisella antennirakenteella suhteellisen korkean hyötysuhteen laajalla kaistalla.