Space-Saving Antenna Solutions for Mobile Devices
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Electrical Engineering |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2024-05-24
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.
Authors
Date
2024
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
62 + app. 48
Series
Aalto University publication series DOCTORAL THESES, 94/2024
Abstract
Smartphones are an essential part of modern society and antennas have a vital role in the operation of the phone and mobile communications infrastructure. In recent years, smartphones with a full edge-to-edge screen and a metal rim have been the goal of the phone manufacturers but designing the antennas on such devices is demanding task. A full edge-to-edge screen significantly reduces the available room for antennas since antennas can then only be located on the rim. Compared to plastic rim, the metal rim increases the coupling, which decreases efficiency. Additionally, modern handhelds require multiple antennas to cover all of the required fifth-generation (5G) frequency bands, increase the data transfer rate, and reduce the hand effect. Implementing all necessary 5G antennas is challenging due to limited space, manufacturing cost constraints, and unavailability of decoupling structures. This thesis proposes non-conventional ways to implement antennas in limited space. First, still unused space for antenna is identified in back cover. The designed antenna achieves good performance despite the challenging position where there is only a 1-mm gap between the radiating element and the metallic battery. Noteworthily, as the back-cover antenna radiates toward the user the specific absorption rate (SAR) must be considered. This thesis proposes the following three different strategies for reducing the SAR by almost half without affecting the radiated power: specific geometry, a matching circuit, and an antenna cluster with properly calculated feeding weights. The second space-saving design is an eight-element sub-6 GHz multiple-input multiple-output antenna design that is suitable for a smartphone with a highly desirable full edge-to-edge screen and metal rim. Its compact size (17.9mm × 7mm) is achieved by bending the antenna slots. Due to three excited current modes, the frequency band is wide (3.4–6.1 GHz) and the total efficiency is high (58–95%). Additionally, manufacturing costs and even more space are saved with a simple structure that does not require any decoupling solutions. The third design proposed in this thesis saves space by integrating a sub-6 GHz antenna and a millimeter-wave (mmWave) antenna into the same volume. This shared-aperture antenna requires even less room since the sub-6 GHz and mmWave antennas have a wide frequency band (3.4–6 GHz and 26.5–29.5 GHz, respectively). Attributable to the high isolation (15.3 dB), these antennas do not interfere each other’s operation and the total efficiency is good (65–95%). Furthermore, the beam steering range of the mmWave antenna is ±}40◦. Additionally, the proposed shared-aperture antenna design is suitable for mobile devices with a full edge-to-edge screen and a metal rim. The antenna solutions developed in this thesis demonstrate how antennas can be integrated into crowded devices, where the usable space is minimal, by retaining the required technical performance while also considering the implementation aspects.Älypuhelimet ovat erottamaton osa nykyaikaista yhteiskuntaa, ja antenneilla on tärkeä rooli niiden toiminnan kannalta. Matkapuhelimen valmistajat pyrkivät kuluttajien toiveesta tekemään puhelimia, joissa on koko laitteen reunasta reunaan ulottuva näyttö ja metalliset reunukset, mutta antennien suunnittelun kannalta tämä on haastavaa, sillä tällöin antenneille jää vähemmän tilaa. Metalliset reunukset puolestaan lisäävät antennien välistä kytkentää ja täten laskevat hyötysuhdetta. Puhelimet tarvitsevat toimiakseen lukuisia antenneja kattaakseen kaikki viidennen sukupolven matkapuhelinjärjestelmän (5G) tarvitsemat taajuuskaistat sekä kasvattaakseen datakapasiteettia ja vähentääkseen käden vaikutusta. Kaikkien 5G:n edellyttämien antennien mahduttaminen mobiililaitteen sisään on haastavaa eritysesti silloin kun laitteen ulkonäkö ja kustannukset tulee huomioida. Tässä väitöskirjassa pyritään ratkaisemaan antennien suunnittelua hankaloittava tilanpuute kolmella eri tavalla. Ensimmäisessä ratkaisussa antenni sijoitetaan kokonaan uuteen paikkaan eli laitteen takakuoreen. Tämä antennin sijoituspaikka on hankala, sillä tällöin antenni on vain 1 mm:n etäisyydellä akusta. Tämän lisäksi takakuoressa oleva antenni säteilee aina kohti käyttäjää, jolloin ominaisabsorptionopeus muodostuu ongelmaksi. Ominaisabsorptionopeutta on tässä työssä voitu melkein puolittaa kolmella eri tavalla ilman, että säteilyteho kärsii: antennin geometriaa muokkaamalla, sovituspiirillä ja laskemalla antennisyöttökertoimet sopivalla tavalla. Väitöskirjassa suunniteltu tilaa säästävä kahdeksan elementtinen moniantennijärjestelmä mahdollistaa reunasta reunaan ulottuvat näytöt ja puhelimen metalliset. Antennin kompakti koko (17,9mm × 7mm) on saavutettu antennin rakoja muokkaamalla. Kolmen herätetyn virtamoodin takia saavutettu kaista on leveä (3,4–6,1 GHz) ja kokonaishyötysuhde on korkea, 58–95 %. Tämän lisäksi valmistuskustannuksia ja tilaa on voitu säästää rakenteella, joka ei tarvitse toimiakseen mitään kytkennän vähentämisratkaisua. Väitöskirjan viimeinen tilansäästöratkaisu integroi alle 6 GHz:n ja millimetriaaltoantennin samaan tilavuuteen. Tämä jaetun pinta-alan antenni säästää vielä enemmän tilaa sillä kummatkin sen antenneista ovat erittäin laajakaistaisia, 3,4–6 GHz ja 26,5–29,5 GHz. Saavutetun korkean isolaation takia (15,3 dB) antennit eivät häiritse toistensa toimintaa ja kokonaishyötysuhde on hyvä, 65–95 %. Millimetriaaltoantennin keilankääntökyky on ±40◦. Jaetun pinta-alan antenni on yhteensopiva puhelimeen, jossa on reunasta reunaan ulottuva näyttö ja metalliset reunukset. Väitöskirjassa esitetään antenniratkaisuja älypuhelimia vaivaavan tilanpuutteen ratkaisemiseksi. älypuhelimille asetetut ulkonäkövaatimukset monimutkaistavat antennien suunnittelua, mutta väitöskirjan antennissa nekin on otettu huomioon.Description
Supervising professor
Viikari, Ville, Prof., Aalto University, Department of Electronics and Nanoengineering, FinlandThesis advisor
Lehtovuori, Anu, D.Sc. (Tech.), Aalto University, Department of Electronics and Nanoengineering, FinlandYlä-Oijala, Pasi, Ph.D., Aalto University, Department of Electronics and Nanoengineering, Finland
Keywords
millimeter-wave, mobile antenna, multiple-output multiple-input, specific absorption rate, shared aperture antenna, sub-6 GHz, alle 6 GHz, jaetun pinta-alan antenni, matkapuhelin antenni, millimetriaallot, moniantennijärjestelmä, ominaisabsorptionopeus
Other note
Parts
-
[Publication 1]: H. Varheenmaa, P. Yla-Oijala, A. Lehtovuori, and V. Viikari, “SAR Reduction With Antenna Cluster Technique,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 70, no. 12, pp. 12282–12287, December 2022.
Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202301181359DOI: 10.1109/TAP.2022.3209163 View at publisher
-
[Publication 2]: H. Varheenmaa, A. Lehtovuori, P. Yla-Oijala, and V. Viikari, “Low-SAR Back Cover Mobile Antenna,” IEEE Open Journal of Antenna and Propagation, vol. 3, pp. 1154–1160, September 2022.
Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202211096389DOI: 10.1109/OJAP.2022.3209522 View at publisher
-
[Publication 3]: H. Varheenmaa, A. Lehtovuori, and V. Viikari, “SAR Measurements for Back Cover Mobile Antennas,” In Proceedins of 2023 17th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP), Florence, Italy, pp. 1–5, March 2023.
Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202308014539DOI: 10.23919/EuCAP57121.2023.10133682 View at publisher
-
[Publication 4]: H. Varheenmaa, P. Yla-Oijala, A. Lehtovuori, and V. Viikari, “Wideband Sub-6GHz MIMO Antenna for Full-Screen Metal Rim Smartphones,” IEEE Access, vol. 11, pp. 111888–111896, October 2023.
DOI: 10.1109/ACCESS.2023.3322738 View at publisher
- [Publication 5]: H. Varheenmaa, P. Yla-Oijala, A. Lehtovuori, and V. Viikari, “Wideband Shared-Aperture Antenna for Full-Screen 5G Mobile Devices,” Submitted to IEEE Open Journal of Antenna and Propagation, pp. 1–7, April 2024.