Matkapuhelimien isoloidut antennirakenteet

Abstract

Tässä diplomityössä tutkittiin isoloitujen antennirakenteiden soveltuvuutta matkapuhelinympäristössä. Työssä tutkittiin myös voidaanko isoloiduilla antennirakenteilla pienentää käyttäjän vaikutusta verrattuna perinteisiin matkapuhelimen antennirakenteisiin.

Nykyisillä sisäisellä antennielementillä varustetuilla matkapuhelimilla runkoa tai piirilevyä käytetään säteilijänä ja antennielementillä luodaan resonanssitaajuus ja kytketään virtoja runkoon. Erityisesti matalilla, alle 1 GHz UHF-taajuuksilla, matkapuhelimen runko toimii pääsäteilijänä ja tällaisissa rakenteissa käyttäjän käden vaikutus on erityisen suuri. Käyttäjän käsi muuttaa antennin sovitusta ja laskee säteilyhyötysuhdetta. Eräs tapa pienentää käyttäjän vaikutusta saattaisi olla erottaa antennirakenne puhelimen rungosta.

Tässä työssä antennirakenteelta vaadittavaa kaistanleveyttä on pienennetty verrattuna perinteisiin antenneihin, koska isoloiduissa rakenteissa puhelimen runkoa ei käytetä merkittävästi hyväksi ja koska antennin tulisi olla mahdollisimman pieni. Työssä antennilta vaaditaan ainoastaan 2 %:n kaistanleveys ja oletetaan, että on olemassa tehokas menetelmä keskitaajuuden virittämiseen.

Antennirakenteiden soveltuvuutta matkapuhelimiin tutkittiin simuloinneilla. Myös ominaisabsorptionopeutta (SAR), kuulolaitteiden yhteensopivuutta (HAC) ja käyttäjän vaikutusta sovitukseen ja säteilyhyötysuhteeseen on tutkittu simuloinneilla. Joitakin lupaavia antennirakenteita, kuten pieni rusettiantenni, on löydetty. Työn tulokset osoittavat, että isoloidut antennirakenteet soveltuvat parhaiten korkeammille UHF-taajuuksille, jossa riittävä 2 % kaistanleveys on helppo saavuttaa ja SAR-arvot ovat pienemmät. Täällä useimmilla isoloiduilla rakenteilla säteilyhyötysuhde käden kanssa on suurempi ja käyttäjän vaikutus sovitukseen pienempi kuin perinteisillä matkapuhelinantenneilla. Isoloiduilla antenneilla voidaan myös pienentää huomattavasti lähikenttäarvoja kuulokkeen kohdalla ja siten parantaa HAC suoritusta.

Isoloitujen antennirakenteiden haitat tulevat esille matalilla GSM-taajuuksilla, jolloin antennirakenteista tulee isokokoisia, jos vaaditaan monikaistaista toimintaa ja SARarvot ovat korkeat. Täällä myös isoloidun antennin toiminta huononee merkittävästi jos käyttäjän sormet tai kämmen peittävät koko antennirakenteen.

In this master's thesis the feasibility of isolated antenna structures in the mobile terminal environment has been investigated. It has also been studied if the effect of the user could be reduced with the isolated antenna structures compared to the traditional antenna structures.

In today's mobile terminals with internal antenna elements the chassis or PCB of the mobile terminal is used as a radiator and the antenna element mainly creates the antenna resonance and couples currents to the chassis. Especially at lower UHF frequencies, below 1 GHz, a significant portion of the power is radiated by the chassis. In these structures the effect of the user's hand is remarkable since the hand of the user in the vicinity of the chassis changes the matching and decreases the radiation efficiency. One method to reduce the effect of the user might be to isolate the antenna from the chassis.

In this work, as the chassis of the mobile terminal is not used significantly as a radiator and the antenna structure should be as small as possible, we have to allow narrower impedance bandwidth than in traditional mobile terminals. In this thesis the bandwidth of ca. 2% is used as the bandwidth requirement for the isolated antenna structures and it is assumed that an efficient center frequency tuning method is available.

The feasibility of such isolated antenna structures has been studied by simulations at GSM 900 and 1800 bands. Also the specific absorption rate (SAR), hearing-aid compatibility (HAC) and the user effect on matching and radiation efficiency were simulated. Some promising isolated antenna structures, like a small bow-tie, have been found. Isolated antenna structures suit best for higher UHF frequencies, over 1.8 GHz, where the 2% bandwidth is easy to achieve and SAR values are lower. Here certain isolatedstructures are shown to increase the radiation efficiency with hand compared to the traditional antenna structures and the user effect on matching is very small in these cases. The isolated antenna structures can also be used to decrease the near field values on the HAC plane.

The drawbacks of the isolated antenna structures are associated with lower GSM frequencies; a large antenna structure is needed if multi-band operation is required and high SAR values are common. Here also the performance of the antenna can be deteriorated substantially if the user's fingers or palm cover the whole antenna structure.