Impedancematching and tuning of non-resonant mobileterminalantennas

94 Pages·2013·5.47 MB·English

Department of Radio Science and Engineering
This thesis contributes to solving some of A R Impedance matching and
the main challenges arising from the alto-D isto
theoretical and practical limitations of D 40 Val tuning of non-resonant
mobile handset antennas. The ever /20 ko
1 n
increasing number of frequency bands in 3 e
n
mobile communications calls for new types mobile terminal antennas
of antennas. The inherently non-resonant I
m
capacitive coupling element (CCE) p
e
antennas are an option to be reckoned with. d
a
n
This work develops CCE structures with c
e
novel impedance matching and tuning m
a
solutions, reaching state-of-the-art results t Risto Valkonen
c
h
with respect to antenna performance in free i
n
g
space and in the proximity of a user of the a
n
mobile terminal. d
t
u
n
i
n
g
o
f
n
o
n
-
r
e
s
o
n
a
n
t
m
o
b
i
l
e
t
e
r
m
i
n
a
l
a
n
t
e
n
n
a
s

ISBN 978-952-60-5054-6 BUSINESS +
9 ISBN 978-952-60-5053-9 (pdf) ECONOMY
H ISSN-L 1799-4934
S ISSN 1799-4934 ART +
T
F ISSN 1799-4942 (pdf) DESIGN +
M ARCHITECTURE
G* Aalto University Aa
af School of Electrical Engineering SCIENCE + lto
a Department of Radio Science and Engineering TECHNOLOGY U
f www.aalto.fi n
eg CROSSOVER iv
+ er DOCTORAL
DOCTORAL s DISSERTATIONS
DISSERTATIONS ity

Testi.indd 1 18.2.2013 15.15
Aalto University publication series
DOCTORAL DISSERTATIONS 40/2013
Impedance matching and tuning of
non-resonant mobile terminal
antennas
Risto Valkonen
A doctoral dissertation completed for the degree of Doctor of
Science (Technology) to be defended, with the permission of the
Aalto University School of Electrical Engineering, at a public
examination held at the lecture hall S1 of the school on 15 March
2013 at 12.
Aalto University
School of Electrical Engineering
Department of Radio Science and Engineering
Supervising professors
Prof. Pertti Vainikainen, until June 30, 2012
Prof. Antti Räisänen, as of July 1, 2012

Thesis advisor
Dr. Sc (Tech.) Clemens Icheln

Preliminary examiners
Dr.-Ing. Marta Martínez-Vázquez, IMST GmbH, Germany
Associate Prof. Buon Kiong Lau, Lund University, Sweden

Opponent
Prof. Anja Skrivervik, École Polytechnique Fédérale de Lausanne,
Switzerland
Aalto University publication series
DOCTORAL DISSERTATIONS 40/2013

© Risto Valkonen

ISBN 978-952-60-5054-6 (printed)
ISBN 978-952-60-5053-9 (pdf)
ISSN-L 1799-4934
ISSN 1799-4934 (printed)
ISSN 1799-4942 (pdf)
http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-60-5053-9

Unigrafia Oy
Helsinki 2013

Finland
Abstract
Aalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto www.aalto.fi
Author
Risto Valkonen
Name of the doctoral dissertation
Impedance matching and tuning of non-resonant mobile terminal antennas
Publisher School of Electrical Engineering
Unit Department of Radio Science and Engineering
Series Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS 40/2013
Field of research Radio Engineering
Manuscript submitted 25 October 2012 Date of the defence 15 March 2013
Permission to publish granted (date) 8 January 2013 Language English
Monograph Article dissertation (summary + original articles)
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 are
shown 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.
Keywords mobile antennas, capacitive coupling element, impedance matching, frequency
tuning, equivalent circuits, electromagnetic user interaction
ISBN (printed) 978-952-60-5054-6 ISBN (pdf) 978-952-60-5053-9
ISSN-L 1799-4934 ISSN (printed) 1799-4934 ISSN (pdf) 1799-4942
Location of publisher Espoo Location of printing Helsinki Year 2013
Pages 149 urn http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-60-5053-9

Tiivistelmä
Aalto-yliopisto, PL 11000, 00076 Aalto www.aalto.fi
Tekijä
Risto Valkonen
Väitöskirjan nimi
Mobiilipäätelaitteiden resonoimattomien antennien impedanssisovitus ja –säätö
Julkaisija Sähkötekniikan korkeakoulu
Yksikkö Radiotieteen ja -tekniikan laitos
Sarja Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS 40/2013
Tutkimusala Radiotekniikka
Käsikirjoituksen pvm 25.10.2012 Väitöspäivä 15.03.2013
Julkaisuluvan myöntämispäivä 08.01.2013 Kieli Englanti
Monografia Yhdistelmäväitöskirja (yhteenveto-osa + erillisartikkelit)
Tiivistelmä
Antenneille varattu tila matkapuhelimissa on erittäin rajattu. Lisäksi fysiikan lakien mukaan
pienen antennin hyötysuhde ja/tai kaistanleveys ovat myös rajoitettuja. Tästä huolimatta
tulevaisuuden 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.
Avainsanat mobiiliantennit, kapasitiivinen kytkentäelementti, impedanssisovitus,
taajuussäätö, piirimalli, sähkömagneettinen käyttäjävuorovaikutus
ISBN (painettu) 978-952-60-5054-6 ISBN (pdf) 978-952-60-5053-9
ISSN-L 1799-4934 ISSN (painettu) 1799-4934 ISSN (pdf) 1799-4942
Julkaisupaikka Espoo Painopaikka Helsinki Vuosi 2013
Sivumäärä 149 urn http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-60-5053-9

Preface
My warmest thanks go to my first supervisor, Prof. Pertti Vainikainen,
for allowing me to do interesting research under his guidance, and for
the numerous conversations during which I learned a lot about science
and technology. Prof. Antti Räisänen deserves warm thanks as well, for
helpingmethroughthefinalphaseofthedissertationprocess. Iwantto
thank my instructor and boss, Dr. Clemens Icheln, for the constructive
discussionsandhelpfulcommentsonmywork. ManythanksalsotoProf.
CyrilLuxey(UniversityofNice)whoinstructedmyworkduringmystay
inNice,France,in2009,andhasco-operatedwithusformanyyears.
Closeco-workersareinvaluable. ThankstoMr. JanneIlvonenandDr.
JariHolopainenforsomanysharedideas,productivediscussions,enter-
tainingtravelcompanionship,etc. duringtheyears. Inadditiontotheco-
authorsofthepapers,alsoothercolleaguesareimportante.g. increating
agoodworkingatmosphere. Thankstothecurrentandformercolleagues:
Mikko, Juho, Anu, Kaltsi, Katsu, Veli-Matti, Outi, Kimmo, Azremi, Aki,
Aleksi, Pekka, Antti, Olli, Tero, Vasilii, Dmitry, Viktor, Eikka, and ev-
erybody at the Department of Radio Science and Engineering. I want
to thank also the project partners, especially Dr. Jani Ollikainen from
Nokia Research Center and Dr. Jussi Rahola from Optenni for valuable
commentsandgoodco-operation.
ThisthesisworkwassupportedbytheGETAGraduateSchool,aswell
asSMARAD(AcademyofFinlandCoEinSmartRadiosandWirelessRe-
search), Jenny ja Antti Wihurin rahasto, and Tekniikan edistämissäätiö
(TES). I am grateful to all of the supporters. Ja lopuksi, kiitokset per-
heelletuestajahuolenpidosta.
Espoo,February15,2013,
RistoValkonen
7
Preface
8
Contents
Preface 7
Contents 9
ListofPublications 11
Author’sContribution 13
Listofabbreviations 14
Listofsymbols 16
1. Introduction 19
1.1 Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.2 Objectiveofthiswork . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.3 Contentsandorganizationofthethesis . . . . . . . . . . . . 20
1.4 Mainscientificmerits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2. Characterization of mobile terminal antennas at an early
designstage 23
2.1 Physicallimitationsofsmallantennas . . . . . . . . . . . . . 24
2.1.1 Historicalbackground . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.1.2 Special limitations related to internal mobile termi-
nalantennas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.2 Understandingthenon-resonantantenna . . . . . . . . . . . 27
2.2.1 Circuit modeling of capacitive coupling element an-
tennas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.3 Bandwidthevaluationofmobileterminalantennas . . . . . 31
2.3.1 Qualityfactorandbandwidth . . . . . . . . . . . . . . 32
2.3.2 Toolforapproximatingthebandwidthperformance . 33
9