Antennas for metal-covered handsets

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Sähkötekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Date
2016-10-27
Department
Major/Subject
Tietoliikennetekniikka
Mcode
ETA3002
Degree programme
Tietoliikennetekniikka
Language
en
Pages
8+67
Series
Abstract
This master’s thesis studies the effects of a slotless, continuous metal cover of a mobile terminal on the performance of its antennas. Additionally, LTE MIMO antennas are designed together with GPS and Wi-Fi antennas. The cellular antennas should operate on 704–960MHz and 1.71–2.69 GHz with at least 30% efficiency, and the other antennas at 1.575 GHz, 2.4 GHz, and 5 GHz bands with 40% efficiency. The topic is studied by completing electromagnetic simulations. The used model of the mobile phone is much more accurate than the ones used in earlier studies. The simulations focus on the antenna structures, locations, and sizes, as well as feeding of them. Additionally, matching circuits are investigated, and designed for each antenna. The effect of the metal cover is studied with several test cases, each of which focuses on one parameter, e.g. a dimension, location, or feed of the antenna. The first simulations are done with a simple model, and a concept for the cellular antennas is constructed on the basis of the obtained results. The final simulations are completed, and the antennas optimized with the accurate model. The proposed structure consists of three closely located, strongly coupling elements. The cellular antennas are at distinct ends of the device, and integrated into the side metals. GPS and Wi-Fi antennas are also integrated into the sides, and placed in the area between the ends of the phone. The main challenge due to the metal-cover is obtaining sufficient and wideband matching. Regardless the challenging environment, all the designed antennas fulfill their requirements. Based on the results, achieving a good antenna performance in a metal-covered phone is not impossible.

Tässä diplomityössä tutkitaan matkapuhelimen yhtenäisen metallikuoren vaikutusta antennien suorituskykyyn. Työssä suunnitellaan myös LTE-taajuuksilla toimiva MIMO-antenni sekä GPS- ja Wi-Fi-antennit. Matkapuhelinantennien tulee toimia taajuuksilla 704–960MHz ja 1.71–2.69 GHz vähintään 30 % hyötysuhteella. Vastaavasti muiden antennien taajuuskaistat ovat 1.575 GHz, 2.4 GHz ja 5 GHz tavoitehyötysuhteen ollessa 40 %. Tutkimus suoritetaan sähkömagneettisilla simulaatioilla. Työssä käytettävä puhelimen simulointimalli on paljon realistisempi kuin aiemmissa tutkimuksissa käytetyt mallit. Simuloinnit keskittyvät antennirakenteisiin sekä niiden sijainteihin, kokoihin ja syöttötapoihin. Lisäksi jokaiselle antennille suunnitellaan sovituspiiri. Metallikuoren vaikutusta tutkitaan useilla eri testeillä, joista jokainen keskittyy yhteen parametriin kuten antennin mittoihin, sijaintiin tai syöttöön. Työ aloitetaan yksinkertaisella simulointimallilla, ja näiden testien perusteella valitaan puhelinantennirakenne. Lopulliset testit ja antennien optimointi tehdään tarkalla mallilla. Esitetty rakenne koostuu kolmesta lähekkäin olevasta ja voimakkaasti kytkevästä antennielementistä. Puhelinantennit sijaitsevat laitteen eri päissä ja ovat osa puhelimen sivuissa olevaa metallirengasta. GPS- sekä Wi-Fi-antennit ovat myös osa metallirengasta ja sijaitsevat laitteen päätyjen väliin jäävällä alueella. Suurin metallikuoresta aiheutuva haaste on riittävän hyvän ja laajakaistaisen sovitustason saavuttaminen. Vaikeasta ympäristöstä huolimatta suunnitellut antennit täyttävät asetetut suorituskykytavoitteet. Tulosten perusteella on mahdollista suunnitella hyvin toimivat antennit metallikuoriseen puhelimeen.
Description
Supervisor
Viikari, Ville
Thesis advisor
Lehtovuori, Anu
Keywords
antenna, coupling, LTE, metal cover, mobile phone, MIMO
Other note
Citation