Matkapuhelinantennin ja käyttäjän välinen vuorovaikutus

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Master's thesis
Date
2007
Major/Subject
Radio Engineering
Radiotekniikka
Mcode
S-26
Degree programme
Tietoliikennetekniikan koulutusohjelma
Language
en
Pages
100
Series
Abstract
Tässä diplomityössä tutkitaan matkapuhelinantennin ja käyttäjän välistä vuorovaikutusta. Ympärillämme oleva ja jatkuvasti lisääntynyt sähkömagneettinen säteily on lisännyt huolta langattomien laitteiden turvallisuudesta. Kun matkapuhelinatennni suunnitellaan siten, että käyttäjään absorboituva teho on mahdollisimman vähäistä, samalla sekä minimoidaan kaikki mahdolliset terveysriskit että saadaan antennin hyötysuhde mahdollisimman korkeaksi. Tämän diplomityön tavoitteena on parantaa ymmärrystä siitä, miten matkapuhelimen antenni ja sen käyttäjä vaikuttavat toisiinsa. Tuloksia, jotka työssä saavutettiin, voidaan tulevaisuudessa käyttää hyväksi suunniteltaessa antenneja, joiden käyttäjävuorovaikutus on mahdollisimman pieni. Aluksi työssä käydään läpi matkapuhelimen antenneihin liittyvää teoriaa. Tämän jälkeen esitellään muutamien tyypillisten sisäisten matkapuhelinantennien rakennetta. Teoriaa siitä, miten radioaallot etenevät dielektrisessä aineessa käydään läpi seuraavaksi. Myös ihmisen kehossa olevien kudosten sähköisiä ominaisuuksia esitellään. Kun aiheeseen liittyvä tarpeellinen teoria on esitetty, aloitetaan simulointitulosten esittely. Aluksi tutkitaan antennin lähelle asetetun dielektrisen aineen vaikutusta antennin kenttäjakaumiin. Kenttäjakaumia tutkitaan sekä aineen sisällä, että sen läheisyydessä. Osoitetaan, että aineen permittiivisyys vaikuttaa antennin synnyttämiin kenttiin merkittävästi. Seuraavaksi tutkitaan antennin eri parametrien, kuten kaistanleveyden, ominaisabsorptionopeuden (SAR) ja hyötysuhteen käyttäytymistä taajuuden funktiona. Näiden parametrien väliltä löydetään selkeitä yhteyksiä. Lopuksi esitellään ja analysoidaan tekniikkaa, jolla antennin hyötysuhdetta saadaan parannettua pienentämällä SAR-arvoja. Näytetään, että pään vieressä sijaitsevan antennin säteilyhyötysuhdetta voidaan parantaa 16 %-yksikköä, ja että SAR-arvoa saadaan samanaikaisesti pienennettyä 46 %. Kaikissa simuloinneissa antennina käytetään kytkentäelementtiin perustuvaa antennirakennetta. Työn tulokset osoittavat, että vaikka matkapuhelinantennin ja sen käyttäjän väliseen vuorovaikutukseen liittyvät prosessit saattavat olla vaikeita täysin ymmärtää, niin käytettäessä yksinkertaisia simulointimalleja käyttäymisessä esiintyvät trendit voidaan kuitenkin saada selville. Monia työssä esitettyjä johtopäätöksiä voidaan käyttää hyväksi suunniteltaessa mahdollisimman pienen käyttäjävuorovaikutuksen omaavia matkapuhelinantenneja.

In this master's thesis, interaction between mobile terminal antenna and user is studied. The increased amount of electromagnetic radiation in the environment has increased the common concern over the possible health risks of wireless devices. However, to minimize the amount of energy absorbed to the user is advantageous from the technical point of view, as well. The reduction of power absorbed by the user not only reduces any possible health hazards but also makes the antenna more efficient. This master's thesis aims at improving understanding on how mobile terminal antennas behave in the vicinity of the user. The results give valuable information for antenna designers in order to be able to design antennas with as low interaction with the user as possible in the future. At first, general theory behind mobile terminal antennas is studied. This is followed by introducing some of the recently suggested solutions for internal handset antennas. The theory of how radiowaves propagate inside dielectric materials is presented next and also dielectric properties of human body tissues are discussed. After introducing the necessary theory behind the studied problem, the simulation studies are started. In the simulations, the field distributions inside and nearby dielectric material are studied. It is shown that the permittivity of the material strongly affects the field distributions. Also the frequency dependence of antenna parameters such as the bandwidth, SAR and radiation efficiency is investigated. Clear connections between these parameters are found. A technique to increase the efficiency of a mobile terminal antenna by reducing the SAR is also presented and analyzed. It is shown that when the antenna is placed beside the head, the radiation efficiency can be increased by 16 %-units and that the SAR values can be simultaneously reduced up to 46 % with the introduced method. All simulations are carried out by using the so called coupling element based antenna structure. The results of this thesis show that even if fully understanding and predicting all the processes of the interaction between the mobile terminal antenna and the user may be a difficult task, trends in the behavior can be found by using simple simulation models. Many of the presented conclusions can be utilized when designing handset antennas that operate optimally in all possible environments.
Description
Supervisor
Vainikainen, Pertti; Prof.
Thesis advisor
Villanen, Juha; DI
Keywords
handset antenna, coupling element structure, specific absorption rate (SAR), radiation efficiency, bandwidth, matkapuhelimen antenni, kytkentäelementtirakenne, ominaisabsorptionopeus (SAR), säteilyhyötysuhde, kaistanleveys
Other note
Citation
Permanent link to this item
https://urn.fi/urn:nbn:fi:tkk-009933