Impedance matching and tuning of non-resonant mobile terminal antennas
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Electrical Engineering |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2013-03-15
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
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.
Authors
Date
2013
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
91 + app. 58
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 40/2013
Abstract
The volume reserved for antennas in a mobile handset is very limited. Furthermore, the laws of physics state that the efficiency and/or the bandwidth of a small antenna are also limited. Despite this fact, the antennas of the future mobile terminals should operate efficiently at increasingly many frequency bands. This doctoral thesis contributes to solving some of the main challenges arising from the theoretical and practical limitations of handset antennas. Non-resonant capacitive coupling element (CCE) based antennas are an attractive option for future mobile handsets, having many useful characteristics such as compact size and broad frequency tunability. A circuit model improving the physical understanding of the operation of a capacitive coupling element antenna is developed in the thesis work. This work also advances the usability of CCE antennas by developing impedance matching and tuning solutions as enablers of future mobile communication systems, including software defined radio. The properties of non-self-resonant antennas are utilized in developing novel multi-band antennas for mobile terminals. A method for implementing simultaneous multi-band operation of single-element CCE antennas is developed, based on a novel diplexing impedance matching circuit and a distributed CCE feeding structure. The realized prototypes operate at 4th generation mobile communication system (LTE-A) frequency bands 698—960 MHz and 1710—2690 MHz, reaching state-of-the-art performance. This versatile CCE structure is shown to operate equally well with single- or dual-feed RF front-end interfaces. Broadband tunable antenna prototypes are realized as a proof of concept regarding CCE tunability. Also design rules for avoiding excess losses and nonlinearity in tuning circuits are given, based on numerical and experimental analyses. An antenna in a mobile terminal is also subject to electromagnetic interaction with the user of the handset. This interaction deteriorates the operation of the antenna through absorption of power and detuning of the antenna impedance. In this work, methods for avoiding the impedance detuning are developed. CCE geometry design and antenna selection diversity areshown to decrease the impedance mismatch and improve radiation efficiency by up to 4 dB in total in the case of some typical hand grips. Also matching circuits that result in improved robustness against the mistuning are studied and developed.Antenneille varattu tila matkapuhelimissa on erittäin rajattu. Lisäksi fysiikan lakien mukaanpienen antennin hyötysuhde ja/tai kaistanleveys ovat myös rajoitettuja. Tästä huolimattatulevaisuuden mobiilipäätelaitteissa olevien antennien olisi toimittava tehokkaasti yhä useammalla taajuuskaistalla. Tämä väitöskirja edistää matkapuhelinantennien teoreettisista ja käytännöllisistä rajoituksista johtuvien haasteiden ratkaisemista. Resonoimattomaan kapasitiiviseen kytkentäelementtiin (CCE) perustuvat antennit ovat houkutteleva vaihtoehto tulevaisuuden matkapuhelimiin. Niillä on useita hyödyllisiä ominaisuuksia, kuten pieni koko ja laaja taajuussäädettävyys. Väitöskirjatyössä on kehitetty piirimalli, joka parantaa CCE-antennin fysikaalisen toiminnan ymmärtämistä. Tässä työssä myös edistetään CCE-antennien käytettävyyttä kehittämällä impedanssin sovittamiseen ja säätöön perustuvia ratkaisuja, jotka mahdollistavat osaltaan tulevaisuuden mobiiliviestintä-järjestelmien, kuten ohjelmistoradion, toteutusta. Resonoimattomien antennien ominaisuuksia käytetään hyödyksi uusien monitaajuusantennien kehittämisessä matkapuhelimiin. Usealla taajuuskaistalla samanaikaisesti toimivan CCE-antennin toteuttamiseksi kehitetään uusi menetelmä, joka perustuu taajuuslomituksen tekevään impedanssisovituspiiriin ja yhden kytkentäelementin hajautettuun syöttörakenteeseen. Toteutetut prototyypit toimivat neljännen sukupolven matkapuhelinverkossa (LTE-A) taajuuksilla 698—960 MHz ja 1710—2690 MHz saavuttaen kehityksen huippua edustavan suorituskyvyn. Tämä monipuolinen CCE-rakenne toimii yhtä hyvin niin yhdellä kuin kahdella antennisyötöllä varustetun radiotaajuisen esiasteen kanssa. CCE-antennien taajuussäädettävyys osoitetaan toimivaksi ratkaisuksi toteuttamalla laajakaistaisesti säädettäviä antenniprototyyppejä. Lisäksi esitetään numeerisiin ja kokeellisiin analyyseihin perustuen yksinkertaisia suunnitteluohjeita taajuusvirityspiirin liiallisten tehohäviöiden ja epälineaarisuuden välttämiseksi. Matkapuheliantenni on myös altis sähkömagneettiselle vuorovaikutukselle laitteen käyttäjän kanssa. Tämä vuorovaikutus heikentää antennin toimintaa aiheuttamalla impedanssin sivuunvirittymistä ja tehon absorboitumista. Tähän ongelmaan on tartuttu tässä työssä kehittämällä menetelmiä välttää impedanssin sivuunvirittymistä. CCE:n geometristen yksityiskohtien suunnittelun ja antennielementin valintadiversiteetin osoitetaan vähentävän käyttäjän käden aiheuttamaa impedanssiepäsovitusta ja parantavan säteilyhyötysuhdetta yhteensä jopa 4 dB joidenkin tyypillisten käsiotteiden tapauksessa. Sovituspiirejä, jotka kestävät paremmin impedanssin sivuunvirittymistä on niin ikään tutkittu ja kehitetty.Description
Supervising professor
Vainikainen, Pertti, Prof., Aalto University, FinlandRäisänen, Antti, Prof., Aalto University, Finland
Thesis advisor
Icheln, Clemens, Dr. Sc (Tech.), Aalto University, FinlandKeywords
mobile antennas, capacitive coupling element, impedance matching, frequency tuning, equivalent circuits, electromagnetic user interaction, mobiiliantennit, kapasitiivinen kytkentäelementti, impedanssisovitus, taajuussäätö, piirimalli, sähkömagneettinen käyttäjävuorovaikutus
Other note
Parts
- [Publication 1]: J. Holopainen, R. Valkonen, O. Kivekäs, J. Ilvonen, and P. Vainikainen, ”Broadband equivalent circuit model for capacitive coupling element–based mobile terminal antenna,” IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, Vol. 9, pp. 716–719, 2010.
- [Publication 2]: R. Valkonen, J. Ilvonen, C. Icheln, and P. Vainikainen, ”Inherently nonresonant mobile terminal antenna with simultaneous multi-band operation,” Electronics Letters, Vol. 49, No. 1, pp.11–13, 2013.
- [Publication 3]: R. Valkonen, M. Kaltiokallio, and C. Icheln, ”Capacitive coupling element antennas for multi-standard mobile handsets,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Accepted for publication in a future issue, 9 p., 2013.
- [Publication 4]: R. Valkonen, J. Holopainen, C. Icheln, and P. Vainikainen, ”Minimization of power loss and distortion in a tuning circuit for a mobile terminal antenna,” In International Symposium on Antennas and Propagation (ISAP), Taipei, Taiwan, pp. 449-452, October 2008.
- [Publication 5]: R. Valkonen, C. Luxey, J. Holopainen, C Icheln, and P. Vainikainen, ”Frequency-reconfigurable mobile terminal antenna with MEMS switches,” In 4th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP), Barcelona, Spain, 5 p., April 2010.
- [Publication 6]: R. Valkonen, C. Icheln, and P. Vainikainen, ”Power dissipation in mobile antenna tuning circuits under varying impedance conditions,” IEEE Antennas andWireless Propagation Letters, Volume 11, pp. 37–40, 2012.
- [Publication 7]: R. Valkonen, J. Ilvonen, K. Rasilainen, J. Holopainen, C. Icheln, P. Vainikainen, ”Avoiding the interaction between hand and capacitive coupling element based mobile terminal antenna,” In 5th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP), Rome, Italy, pp. 2781–2785, April 2011.
- [Publication 8]: R. Valkonen, J. Ilvonen, P. Vainikainen, ”Naturally non-selective handset antennas with good robustness against impedance mistuning,” In 6th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP), Prague, Czech Republic, 5 p., March 2012.