Four-element low band MIMO antenna for mobile devices with narrow ground clearance

Abstract

Narrow ground clearance four-element MIMO mobile antenna at the low band (824-960 MHz) is designed in this thesis to answer the increasing demand for higher data transfer rates and the current narrow bezel screen trend in mobile devices. Implementing a four-element MIMO mobile antenna with small clearance is challenging since the number of characteristic modes is limited at lower frequencies and they are difficult to excite individually. On top of that, the high coupling due to small clearance complicates the antenna design.

The antenna design process of this thesis is done by using both characteristic mode analysis (CMA) and a more traditional impedance matching related techniques. The CMA is used to design the metal rim and to find optimum locations for the exciter elements. Correspondingly, the impedance matching techniques are utilized on the exciter element design process and designing the three components matching circuits for each exciter.

In simulations, the antenna achieved 22-45 % total efficiency at desired frequency band 824-960 MHz. The antenna prototype is made to verify simulation results. Due to manufacturing defects in the support plastic, some exciters of the fabricated antenna prototype were over coupled but by changing the matching components it was possible to get all antennas to operate at the same frequency band. As compared to simulations, the tuned antenna prototype operates on slightly higher frequencies and a narrower band (900-1010 MHz) and it reached 15-50 \% total efficiency. The achieved ergodic capacity is larger than the theoretical maximum value of currently used two-element MIMO antennas at low-band.

The results obtained in this thesis show that ergodic capacity can be increased, and adequate total efficiency can be achieved by using a narrow ground clearance four-element MIMO antenna compared to a more frequently used two-element MIMO antenna.

Tässä työssä on suunniteltu nelielementtinen alakaistan (824-960 MHz) antenni kapeareunuksiseen matkapuhelimeen vastaamaan kasvaneeseen mobiilidatan kulutukseen ja nykyiseen kapeareunusteisten näyttöjen trendiin. Suunnittelua hankaloittaa se, että alakaistalla on vain vähän karakteristisia moodeja ja niiden herättäminen on vaikeaa. Tämän lisäksi käytössä oleva pieni tila lisää antennien välistä kytkentää, mikä puolestaan hankaloittaa suunnittelua.

Työssä hyödynnetään sekä karakteristista moodianalyysia (CMA) että tavanomaisempia impedanssin sovitukseen perustuvia tekniikoita. CMA:ta hyödynnetään kännykän metallireunuksen ja heräte-elementtien sijainnin suunnittelussa. Perinteisemmän impedanssisovituksen avulla puolestaan suunnitellaan sekä heräte-elementit että niille kolmen sovituskomponentin sovituspiirit.

Simulaatioissa antennille saatiin 22-45 % kokonaishyötysuhde halutulla 824-960 MHz taajuusalueella. Suunnitellusta antennista valmistettiin prototyyppi simulaatiotulosten varmistamiseksi. Prototyypin tukimuovin valmistustoleransseista johtuen jotkin antenneista olivat ylivirittyneitä, mutta kaikki antennit saatiin lopulta toimimaan samalla taajuudella sovituskomponentteja vaihtamalla. Uudelleen viritetty antenniprototyyppi toimii kuitenkin suunniteltua kapeammalla kaistalla ja korkeammalla taajuudella (900-1010 MHz). Kokonaishyötysuhteeksi mitattiin 15-50 % tällä korkeammalla taajuusalueella. Saavutettu ergodinen kapasiteetti on suurempi kuin nykyään yleisesti käytätettyjen kaksielementtisten alakaistan MIMO antennien teoreettinen maksimiarvo.

Työn tulosten perusteella prototyypin ylivirityksestä huolimatta nelielementtisen MIMO:n avulla on mahdollista kasvattaa alakaistalla kapasiteettia yleisesti käytettyihin kaksielementtisiin MIMO antenneihin verrattuna ja samalla saavutettu kokonaishyötysuhde on hyvä.