Conformal and multi-band antennas for future mobile handsets and wireless sensors
Loading...
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Electrical Engineering |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2017-09-29
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Author
Date
2017
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
113 + app. 83
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 168/2017
Abstract
Desired performance of handsets and wireless sensors used in communications systems of current and future generations places significant challenges also on designing the antennas used in these devices. The antennas must adhere to requirements of existing frequency allocations, and in the case of handsets, must be compatible with multi-band and multi-antenna implementations for enhanced performance. This thesis studies the operation of electrically small antennas for particular implementations and radio systems, and gives ideas for a conceptually new class of devices. The first part of the thesis investigates the design and performance of harmonic transponders, wireless sensors that utilise two different, harmonically separated frequencies for communication. Compared to systems with the same transmission and reception frequencies, the harmonically separated case is beneficial for detection in clutter-rich environments. Two different techniques for implementing the required harmonic matching are studied and verified experimentally. General design rules and figures of merit are presented for the suitability of particular antennas and diodes for transponder applications. Antennas for conformal sensing and handset applications are considered in the second part of the thesis. Efficient antenna performance requires taking into account the intended usage case and environmental effects already during the design process. Bending the handset is modelled using equivalent circuit models for better physical understanding, and the results show that the most significant effects take place at frequencies below 1 GHz. Case studies are also made for a conformal, wrist-worn handset application, in which the effect of the user is also considered. The final part of the thesis deals with the design and implementation of well-performing multi-element (MIMO) antennas. The proposed antenna structures utilise combinations of fed, passive, and parasitic elements to obtain good impedance matching and efficiency across the LTE low band (698-960 MHz). Performed computational and experimental studies show that this can be achieved using antennas with large volume but moderate surface area and fully passive matching circuits. The last point is beneficial for Carrier Aggregation implementations. The concept of physical antenna diversity can help to improve the multi-antenna performance, especially at the low band.Nykyisten ja tulevien sukupolvien langattomilta viestintäjärjestelmiltä haluttava suorituskyky asettaa vaatimuksia antennisuunnittelulle sekä matkaviestimien että langattomien antureiden osalta. Antennien tulee täyttää asetetut taajuuskaistajaottelut, ja erityisesti matkaviestimien tapauksessa niiden tulee olla yhteensopivia monitaajuus- ja moniantenniratkaisujen kanssa suorituskyvyn parantamiseksi. Tämä väitöskirja käsittelee sähköisesti pienten antennien toimintaa ja mallinnusta eräiden sovellusten ja radiojärjestelmien osalta, sekä esittelee mahdollisia ratkaisuja aivan uudentyyppisten päätelaitteiden toteuttamiseen. Väitöskirjan ensimmäinen osa tarkastelee harmonisten transponderien toimintaa ja suunnittelua. Nämä transponderit ovat langattomia antureita, jotka hyödyntävät viestinnässä kahta taajuutta, jotka ovat toistensa harmonisia monikertoja. Samaa lähetys- ja vastaanottotaajuutta käyttäviin järjestelmiin verrattuna harmoniset toimintataajuudet parantavat havaitsemisen luotettavuutta häiriöisissä ympäristöissä. Työssä esitellään kaksi erilaista tapaa sovittaa transponderissa käytettävä antenni vaadittavilla harmonisilla taajuuksilla, ja näitä lähestymistapoja tutkitaan myös kokeellisesti. Lisäksi tarkastellaan yleisiä suunnittelusääntöjä sekä hyvyyslukuja yksittäisten antennien ja diodien käyttökelpoisuudelle transponderisovelluksiin. Matkaviestimissä ja harmonisissa transpondereissa käytettävien antennien soveltuvuutta konformisiin eli pinnan mukaisiin käyttökohteisiin tutkitaan väitöskirjan toisessa osassa. Antennien hyvä suorituskyky edellyttää käyttötilanteen ja -ympäristön huomioimista antennisuunnittelussa. Yksi tutkittu sovelluskohde on taivutettavat matkaviestinlaitteet; taivuttamisen vaikutuksia mallinnetaan sähköisillä vastinpiireillä. Saadut tulokset osoittavat, että merkittävimmät muutokset matkaviestimen taivuttamisessa esiintyvät alle 1 GHz:n taajuuksilla. Lisäksi tarkastellaan ranteen ympärille sijoitettavan matkaviestinlaitteen suorituskykyä ottaen huomioon myös käyttäjän vaikutus antennin toimintaan. Väitöskirjan viimeisen osan aiheena on hyvän suorituskyvyn omaavien moniantenni- eli MIMO-järjestelmien toteuttaminen matkaviestinlaitteessa. Esitetyt antennirakenteet hyödyntävät syötettyjä, passiivisia sekä parasiittisiä antennielementtejä hyvän impedanssisovituksen ja hyötysuhteen saamiseksi LTE-järjestelmän alakaistalla (taajuuksilla 698-960 MHz). Suoritetut simulaatiot ja mittaukset osoittavat, että vaadittava suorituskyky on mahdollista saavuttaa suuren tilavuuden ja maltillisen pinta-alan omaavilla antennielementeillä sekä passiivisilla sovituspiireillä. Täysin passiiviset sovituspiirit ovat hyödyllisiä useita samanaikaisia lähetys- tai vastaanottokanavia hyödyntävissä Carrier Aggregation -järjestelmissä. Käyttämällä fyysisesti erilaisia antenneja on mahdollista parantaa etenkin alakaistan MIMO-järjestelmien suorituskykyä.Description
Supervising professor
Viikari, Ville, Assoc. Prof., Aalto University, Department of Electronics and Nanoengineering, FinlandThesis advisor
Viikari, Ville, Assoc. Prof., Aalto University, Department of Electronics and Nanoengineering, FinlandKeywords
harmonic transponders, mobile antennas, MIMO systems, equivalent circuit, harmoniset transponderit, mobiiliantennit, moniantennijärjestelmät, vastinpiiri
Other note
Parts
-
[Publication 1]: K. Rasilainen, J. Ilvonen, A. Lehtovuori, J.-M. Hannula, and V. Viikari, “On Design and Evaluation of Harmonic Transponders,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 63, no. 1, pp. 15–23, January 2015.
DOI: 10.1109/TAP.2014.2366193 View at publisher
-
[Publication 2]: K. Rasilainen, J. Ilvonen, and V. Viikari, “Antenna Matching at Harmonic Frequencies to Complex Load Impedance,” IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 14, pp. 535–538, 2015.
DOI: 10.1109/LAWP.2014.2370760 View at publisher
-
[Publication 3]: K. Rasilainen, J. Ilvonen, A. Lehtovuori, J.-M. Hannula, and V. Viikari, “Harmonic Transponders: Performance and Challenges,” Progress In Electromagnetics Research M, vol. 41, pp. 139–147, 2015.
DOI: 10.2528/PIERM15011605 View at publisher
-
[Publication 4]: K. Rasilainen, J. Ilvonen, J.-M. Hannula, and V. Viikari, “Designing Harmonic Transponders Using Lumped-Component Matching Circuits,” IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 16, pp. 246–249, 2017.
DOI: 10.1109/LAWP.2016.2570938 View at publisher
-
[Publication 5]: K. Rasilainen and V. Viikari, “Effect of Shape and Surroundings on Harmonic Transponder Performance,” Proceedings of the 10th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP 2016), Davos, Switzerland, 5 pages, 10–15 April 2016.
DOI: 10.1109/EuCAP.2016.7481847 View at publisher
- [Publication 6]: K. Rasilainen, J. Ilvonen, J. Holopainen, R. Valkonen, and A.V. Räisänen, “Effect of Ground Plane Bending on Mobile Terminal Antenna Performance,” Proceedings of the 7th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP 2013), Gothenburg, Sweden, pp. 590–594, 8–12 April 2013
-
[Publication 7]: K. Rasilainen, J. Ilvonen, and V. Viikari, “Investigation on Bendable Mobile Devices in the Presence of the User,” Proceedings of the 8th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP 2014), The Hague, The Netherlands, pp. 244–248, 6–11 April 2014.
DOI: 10.1109/EuCAP.2014.6901735 View at publisher
-
[Publication 8]: K. Rasilainen, A. Lehtovuori, and V. Viikari, “LTE Handset Antenna with Closely-Located Radiators, Low-Band MIMO, and High Efficiency,” Proceedings of the 11th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP 2017), Paris, France, pp. 3074–3078, 19–24 March 2017.
DOI: 10.23919/EuCAP.2017.7928165 View at publisher
- [Publication 9]: K. Rasilainen, A. Lehtovuori, A. Boussada, and V. Viikari, “Carrier Aggregation Compatible MIMO Antenna for LTE Handset,” Progress In Electromagnetics Research C, 10 pages, Accepted 28 August 2017
