Decoupling and matching network for a MIMO handset antenna

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Sähkötekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Date
2018-08-20
Department
Major/Subject
Radio Science and Engineering
Mcode
ELEC3038
Degree programme
NanoRad - Master’s Programme in Nano and Radio Sciences (TS2013)
Language
en
Pages
68
Series
Abstract
This thesis studies existing methods to derive decoupling and matching lumped element networks for antenna arrays. Based on the results, one method is used to design a decoupling and matching network for a 4x4 MIMO handset antenna. The complete antenna together with realistic lumped elements is simulated and, for the first time, realized in practice in a mobile phone antenna decoupling more than two antennas. The selected design for the decoupling and matching network is merely a starting point for the work. The network is reduced in order to manufacture it on a single layer PCB. Furthermore, several optimization steps are taken to derive the final values of the network elements. The MIMO array is designed at 2.6 GHz-2.7 GHz band and the measured total efficiencies vary between 32.6% and 62.5%. However, the efficiencies could potentially be 49.9%-62.7% according to the simulations. The difference is most likely due to excessive amount of solder for joining the components and other manufacturing defects. In simulations, decoupling and matching networks operate significantly better than conventional input matching networks. The difference varies from 5.7 percentage points to 16.5 points. These results demonstrate, that decoupling and matching networks are a potential choice, when strong mutual coupling is present in an antenna array. Furthermore, these networks provide an alternative approach to the issue of coupling.

Tämä työ tutkii olemassa olevia menetelmiä, joiden avulla voidaan suunnitella erilliskomponenteilla tehtyjä sovitus- ja erotuspiirejä antenniryhmille. Yhtä menetelmää sovelletaan sovitus- ja erotuspiirin suunnittelemiseksi 4x4 MIMO antenniryhmälle matkapuhelinympäristössä. Simulaatioiden lisäksi tästä ryhmästä valmistetaan koekappale, mikä on ensimmäinen kerta, kun sovitus- ja erotuspiiriä käytetään matkapuhelimissa tässä mittaluokassa. Menetelmä itsessään soveltuu vain alkuarvaukseksi piirille. Piiristä poistetaan komponentteja, jotta se voidaan valmistaa yksikerroksiselle piirilevylle. Lisäksi lopullisen piirin komponenttien arvojen löytäminen edellyttää useita iterointivaiheita. Antenniryhmä suunniteltiin 2.6 GHz-2.7 GHz kaistalle ja mitatut kokonaishyötysuhteet vaihtelevat välillä 32.6%-62.5%. Toisaalta hyötysuhteet voisivat olla paremmat. Jos liiallinen juotteenkäyttö ja muut valmistusvirheet olisi vältetty, niin simulaatioiden perusteella 100 MHz:n kaistan hyötysuhteet vaihtelisivat välillä 49.9%-62.7%. Simulaatioissa sovitus- ja erotuspiirit ovat huomattavasti parempia kuin toisistaan irralliset sovituspiirit. Hyötysuhteiden ero on alimmillaan 5.7 prosenttiyksikköä ja korkeimmillaan 16.5. Joka tapauksessa tulokset osoittavat, että sovitus- ja erotuspiirit ovat mahdollinen valinta, kun antenniryhmän elementtien välillä on vahva kytkentä. Lisäksi nämä piirit antavat vaihtoehtoisen lähestymistavan kytkeytymisongelmaan.
Description
Supervisor
Viikari, Ville
Thesis advisor
Lehtovuori, Anu
Keywords
decoupling, DMN, decoupling and matching network, mutual coupling, mobile antenna, antenna array
Other note
Citation