Multiband and environment insensitive handset antennas

Thumbnail Image
Files
isbn9789526059600.pdf (3.13 MB)

Errata_ilvonen_janne_publications_P2_P8.pdf (28.35 KB)
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Electrical Engineering | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2014-12-05
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
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
2014
Department
Radiotieteen ja -tekniikan laitos
Department of Radio Science and Engineering
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
100 + app. 70
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 184/2014
Abstract
The number of antennas in small handsets has been increasing, while the volume reserved for the antennas has remained the same or even reduced. Consequently, antennas become easily inefficient, thereby lowering the data rate and coverage. An additional challenge is that the antenna should be insensitive to the way the handset is held by the user. The results of this doctoral thesis can be used to develop small-sized, multiband and efficient handset antennas with good robustness against environmental changes caused for instance by the user's hand. The first part of the thesis introduces novel handset antennas that have state-of-the-art performance in terms of antenna volume, impedance bandwidth and efficiency. A design strategy for 4th generation (4G) handset antennas and a new method to analyze the suitability of an antenna geometry for frequency tuning are introduced. Furthermore, a novel tunable handset antenna with Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) capability is presented. The total efficiency of the proposed tunable MIMO antenna is shown to be better than 49% across the frequencies of 698–960 MHz and better than 56% across the frequencies of 1430–2690 MHz when MicroElectroMechanical System (MEMS)-based digitally tunable capacitors are used. Finally, an effective method to achieve up to 100 dB port-to-port isolation is proposed. Different user-related challenges of handset antennas are discussed in the second part of this thesis. It is shown that a part of the hand losses can be avoided with a clever antenna design. This part also discusses the benefits and drawbacks of using either compact or large-sized antennas. A small-sized antenna can be more tolerant to user-originated losses than a largesized antenna when an effective frequency tuning method is used. Furthermore, design aspects for gaining a good multi-antenna performance with the user are discussed. Novel methods to reduce the electromagnetic exposure and the interaction between a user and a mobile handset antenna are discussed in the third part. The thesis gives the first analysis of feasibility of balanced antennas for handsets. Moreover, a novel shielding method to decrease the specific absorption rate (SAR) in the head by 81% and to improve the total efficiency by 5 dB is introduced. In the end of the thesis, a method is proposed to weaken the near-fields of handset antenna: wavetraps can be used to reduce, for example, electric field by up to 75%, resulting in improved hearing-aid compatibility (HAC) and SAR.

Matkapuhelinantennien suunnittelussa suurimmat haasteet liittyvät antennien fyysiseen kokoon ja käyttäjän vaikutukseen. Antennien lukumäärä matkapuhelimissa on lisääntynyt antenneille varatun tilavuuden pysyessä ennallaan tai jopa pienentyessä. Tämän seurauksena muun muassa antennien hyötysuhteet, saavutettavissa olevat tiedonsiirtonopeudet, sekä kantamat ovat laskeneet. Antennien on myös toimittava tehokkaasti erilaisissa ympäristöissä, esimerkiksi käden tai pään läheisyydessä. Tämän väitöskirjan tuloksia voidaan käyttää kehitettäessä pienikokoisia ja monikaistaisia antenneja, joilla on hyvä hyötysuhde myös esimerkiksi käyttäjän käden läheisyydessä. Työn ensimmäisessä osassa esitellään uudentyyppisiä matkapuhelinantenneja, joilla on korkea säteilyhyötysuhde antennin kokoon ja kaistanleveyteen nähden. Työssä esitellään suunnittelusäännöt neljännen sukupolven (4G) antenneille sekä menetelmä, jolla voidaan tutkia antennigeometrian soveltuvuutta taajuusviritettäviin järjestelmiin. Lisäksi esitellään taajuusviritettävä monielementtinen MIMO-antenni. Käytettäessä mikroelektromekaanisia (MEMS) digitaalisesti säädettäviä kondensaattoreita antennin alakaistan (698–960 MHz) hyötysuhteeksi saadaan parempi kuin 49 % ja yläkaistan (1430–2690 MHz) parempi kuin 56 %. Ensimmäisen osan lopuksi esitellään rakenne, jolla voidaan saavuttaa erinomainen, jopa 100 dB:n isolaatio antennien porttien välillä. Toisessa osassa käsitellään käyttäjästä aiheutuvia matkapuhelinantennin suunnitteluhaasteita. Työssä osoitetaan, että järkevällä antennisuunnittelulla osa käyttäjän käden aiheuttamista häviöistä voidaan välttää. Tässä osassa vertaillaan keskenään myös pieni- ja suurikokoisia antenneja ja osoitetaan, että pienikokoinen antenni on usein vähemmän herkkä käyttäjästä aiheutuville häviöille kuin suurikokoinen antenni. Lisäksi pohditaan moniantennijärjestelmien suunnittelunäkökohtia, joiden avulla hyvä suorituskyky voidaan saavuttaa myös käyttäjän läheisyydessä. Kolmannessa osassa esitetään uusia tapoja vähentää sähkömagneettista altistumista ja vuorovaikutusta käyttäjän ja antennin välillä. Työssä on ensimmäistä kertaa tutkittu balansoitujen antennien soveltuvuutta matkapuhelimiin. Lisäksi esitellään uudentyyppinen antennirakenne, jolla voidaan pienentää päähän kohdistuvaa ominaisabsorptionopeutta (SAR) jopa 81 % sekä parantaa säteilyhyötysuhdetta 5 dB verrattuna perinteiseen antennirakenteeseen. Lopuksi työssä esitetään uudentyyppinen aaltoloukkuihin perustuva rakenne, jolla voidaan pienentää merkittävästi puhelimen lähikenttiä.
Description
Supervising professor
Vainikainen, Pertti, Prof., Aalto University, Department of Radio Science and Engineering, Finland
Viikari, Ville, Assistant Prof., Aalto University, Department of Radio Science and Engineering, Finland
Thesis advisor
Kivekäs, Outi, D.Sc., Aalto University, Department of Radio Science and Engineering, Finland
Holopainen, Jari, Univ. Lect., Aalto University, Department of Radio Science and Engineering, Finland
Keywords
balanced antenna, capacitive coupling element, frequency tuning, MIMO systems, mobile antennas, multiple antennas, user effect, balansoidut antennit, kapasitiivinen kytkentäelementti, käyttäjän vaikutus, mobiiliantennit, monielementtijärjestelmät, taajuusviritys
Other note
Parts
  • [Publication 1]: J. Ilvonen, R. Valkonen, J. Holopainen, and V. Viikari, “Design Strategy for 4G Handset Antennas and a Multiband Hybrid Antenna,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 62, no. 4, pp. 1918–1927, April 2014.
    DOI: 10.1109/TAP.2014.2300131 View at publisher
  • [Publication 2]: J. Ilvonen, R. Valkonen, J. Holopainen, and V. Viikari, “Multiband Frequency Reconfigurable 4G Handset Antenna with MIMO Capability,” Progress In Electromagnetics Research, vol. 148, pp. 233–243, 2014.
    DOI: 10.2528/PIER14062703 View at publisher
  • [Publication 3]: J. Ilvonen, O. Kivekäs, A.A.H. Azremi, J. Holopainen, R. Valkonen, and P. Vainikainen, “Isolation Improvement Method for Mobile Terminal Antennas at Lower UHF Band,” in Proceedings of the 5th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP 2011), Rome, Italy, pp. 1307–1311, 11–15 April 2011.
  • [Publication 4]: J. Ilvonen, O. Kivekäs, J. Holopainen, R. Valkonen, K. Rasilainen, and P. Vainikainen, “Mobile Terminal Antenna Performance With the User’s Hand: Effect of Antenna Dimensioning and Location,” IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 10, pp. 772–775, 2011.
    DOI: 10.1109/LAWP.2011.2163290 View at publisher
  • [Publication 5]: J. Ilvonen, R. Valkonen, O. Kivekäs, P. Li, and P. Vainikainen, “Antenna Shielding Method Reducing Interaction Between User and Mobile Terminal Antenna,” Electronics Letters, vol. 47, no. 16, pp. 896–897, August 2011.
    DOI: 10.1049/el.2011.1320 View at publisher
  • [Publication 6]: J. Ilvonen, R. Valkonen, J. Holopainen, O. Kivekäs, and P. Vainikainen, “Reducing the Interaction Between User and Mobile Terminal Antenna Based on Antenna Shielding,” in Proceedings of the 6th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP 2012), Prague, Czech Republic, pp. 1889–1893, 26–30 March 2012.
    DOI: 10.1109/EuCAP.2012.6205990 View at publisher
  • [Publication 7]: J. Ilvonen, J. Holopainen, O. Kivekäs, R. Valkonen, C. Icheln, and P. Vainikainen, “Balanced Antenna Structures of Mobile Terminals,” in Proceedings of the 4th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP 2010), Barcelona, Spain, 5 pages, 12–16 April 2010.
  • [Publication 8]: J. Holopainen, J. Ilvonen, O. Kivekäs, R. Valkonen, C. Icheln, and P. Vainikainen, “Near-Field Control of Handset Antennas Based on Inverted-TopWavetraps: Focus on Hearing-Aid Compatibility,” IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 8, pp. 592–595, 2009.
    DOI: 10.1109/LAWP.2009.2022352 View at publisher
Citation
Permanent link to this item
https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-60-5960-0
Collections
[diss] Sähkötekniikan korkeakoulu / ELEC