Compact antenna structure for mobile handsets

Abstract

Tässä diplomityössä tutkittiin käsipuhelimen pienikokoista antennirakennetta. Nykyisten matkapuhelinten piirilevyt on suojattu metallikuorella. Yleensä suojaus on tehty piirilevyn toiselle puolelle piirilevyn toisen puolen ollessa mahdollisimman hyvin maadoitettu. Tämä yhdistelmä muodostaa matkapuhelimelle tyypillisesti noin muutaman millimetrin paksuisen metallisen rungon. Viime aikoina rungon vaikutusta matkapuhelinantennien ominaisuuksiin on tutkittu. On huomattu, että erityisesti E-GSM900 taajuuksilla ja pienillä matkapuhelimen sisäisillä antenneilla, kuten PIFA (Planar Inverted F-Antenna), runko toimii pääsäteilijänä. Tutkimustulokset osoittavat, että käyttämällä käytännössä säteilemättömiä kytkentärakenteita, matkapuhelimen sisäisen antennin kokoa voidaan pienentää huomattavasti.

Aluksi työssä käytiin lyhyesti läpi pienten antennien teoriaa sekä matkapuhelinantenneille asetettuja vaatimuksia. Myöskin yhteenveto tämän hetken pienimmistä matkapuhelinantenneista esitettiin. Tätä seurasi katsaus matkapuhelimen rungon vaikutuksista antennin ominaisuuksiin, jonka jälkeen käytiin läpi käsipuhelimen pienikokoisen antennirakenteen teoriaa. Tähän teoriaan perustuen suunniteltiin kaksi erilaista antennimallia ja kummastakin niistä rakennettiin kaksi prototyyppiä - yksi E-GSM900- ja yksi GSM1800-järjestelmälle. Antennimalli 1:n kytkentärakenne sijoitettiin perinteiseen tapaan täysin rungon yläpuolelle kun taas antennimalli 2:n kytkentälevy taivutettiin rungon lyhyemmän reunan yli, jotta saavutettaisiin voimakas kytkentä rungon aaltomuotoon.

Kummatkin antennimallit täyttivät GSM900- ja GSM1800-järjestelmien kaistanleveysvaatimukset. Antennimalli 2:lla oli kuitenkin paljon isompi kaistanleveys kuin antennimalli 1:llä. Kummankin antennimallin säteily- ja kokonaishyötysuhteet olivat korkeita ja säteilykuviot sopivia matkapuhelinkäyttöön. Myös mitatut SAR (Specific Absorption Rates)-arvot pysyivät CENELEC:n Eurooppalaisten raja-arvojen alapuolella. Antennimalli 1:n tilavuus oli 2.2 cm[2] kun taas antennimalli 2 vei vain 1.1 cm[3]:n tilavuuden. Tämä on noin neljä kertaa vähemmän kuin matkapuhelimen tyypillisen kaksitaajuus-PIFA:n koko. Rakennettujen antennimallien mittaustulokset osoittavat, että tässä työssä tutkittu pienikokoinen antennirakenne soveltuu käytettäväksi matkapuhelimissa ja se voidaan toteuttaa hyvin pieneen tilaan.