Antenna design for 4G mobile phones

Abstract

Cep telefonu teknolosinin çoklu bant ve yüksek hızlı veri transmisyonunda katedilen gelişmeler, zengin içerikli mobil servislere ve yeni işlevselliklere olan artan talebi de beraberinde getirmiştir. Bu servislerin kullanıcılara sorunsuz bir biçimde sağlanması için, çoklu-bant ve geniş-bant karakteristiğine sahip antenlerin kompakt yapılı modern cep telefonlarının yapısına entegre edilmesi gerekmektedir. Bu tezde, çoklu-bant, rezonans frekansı control edilebilen bir ana anten ve alıcı diversity anteni hücresel ağ antenleri olarak tanıtılmıştır. 900 MHz ve 1800 MHz GSM frekanslarında çalışan ana anten elemanına ait özgül soğurma oranı, standart SAM ve anatomik olarak doğru olan kafa modelleri için simüle edilmiştir. Bu iki antene ek olarak, bir GPS anteni ile birlikte, 2.4 GHz ve 5.2 GHz frekanslarında çalışmak üzere tasarlanan iki ayrı WIFI anteni tanıtılmıştır.Ana anten, cep telefonunun alt kısmına konumlandırılmış bir PIFA anten elemanı olup, anten topraklaması değişken reaktans elemanları üzerinden yapılarak GSM, DCS, PCS, ve UMTS standartlarını kapsayan 790-960 MHz ve 1710-2690 MHz bantlarında çalışması sağlanmıştır. Diğer taraftan, diversity anten elemanı, 1710-2690 MHz bandında çalışmak üzere bir monopole anteni olarak tasarlanmıştır. Her iki antenin çalışma frekansına ayarlanmasında LDS teknolojisinin kullanılması önerilmiştir. Her iki antene ait çalışma frekansında simüle edilmiş ve ölçülmüş geri yansıma kaybı ve radyasyon paternleri verilmiştir. Ana anten ve diversity anten elemanlarında olduğu gibi, telefonun dış yapısını oluşturan metalik yapının bir kısmı, 1.575 GHz bandında çalışan GPS ve 2.4 GHz bandında çalışan WIFI antenleri olarak kullanılmıştır. Antenlerin ilgili çalışma bantlarına ayarlanması, telefonun arka tarafında bulunan plastik kapak üzerine entegre edilen LDS örnekleri ve uyumlama devreleri ile gerçeklenmiştir. Diğer taraftan, 5.2 Ghz bandında çalışan WIFI anteni, telefonun plastik arka kapağı üzerine inşa edilen bir PIFA elemanı ile herhangi bir uyumlandırma devresi kullanılmadan oluşturulmuştur. Bu antenlere ait simüle edilmiş ve ölçülmüş geri yansıma kayıpları ve radyasyon patternleri verilmiştir. Cep telefonlarına ait özgül soğurma oranlarının (SAR) parametrik bağımlılığının ayrıntılı bir incelenmesini takiben, standart kafa ve anatomik olarak doğru olan kafa modelleri yanında çalışan ana anten elemanının SAR karakteristiği simüle edilmiştir. Buna ek olarak, homojen bir el modelinin varlığının, anten performansı ve SAR dağılımı üzerindeki etkisi incelenmiştir. Sonuç olarak, yüksek frekans çalışma bandında anten çıkış gücünün düşük olmasından dolayı, düşük banttakine kıyasla daha düşük SAR değerleri elde edilmiştir. Ana anten elemanının telefon üzerindeki konumu, SAR dağılımı üzerindeki en etkili parametre olarak saptanmış olup, ana antenin telefonun üst kısmında konumlandırıldığı bazı durumlarda, standartlarca belirlenen azami SAR limit değerlerini aştığı saptanmıştır. Ayrıca telefon üzerine yerleştirilen bir homojen el modelinin de anten rezonans frekansında aşağı yönlü bir kaymaya sebep olduğu saptanmıştır.

The progress shown in mobile phone technology in dealing with multiple band transmission and high data transmission rates has been followed by an increased demand in favor of rich content mobile services and new functionalities. To provide these services, multi-band and wide-band antennas have to be integrated into the compact structure of modern mobile phones. In this thesis, a multi-band, frequency reconfigurable main antenna and a receive diversity antenna is introduced as the cellular network antennas of a mobile phone terminal. The simulation of Specific Absorption Rate (SAR) for the main antenna operating at the GSM frequencies of 900 MHz and 1800 MHz is performed with standard Specific Anthropomorphic Mannequin (SAM) and anatomically correct head models. Additionally, a Global Positioning Service (GPS) antenna is introduced along with two WIFI antennas operating at respective frequencies of 2.4 GHz and 5.2 GHz. The main antenna is a Planar Inverted F Antenna (PIFA) mounted at bottom of the mobile phone and grounded by a variable reactance for operation in 790-960 MHz and 1710-2690 MHz bands covering GSM, DCS, PCS and UMTS standards. The receive diversity antenna on the other hand is a monopole antenna designed to operate in the 1710-2690 MHz band. Use of laser direct structuring (LDS) structure in both antennas are proposed for fine-tuning of their response. Simulated and measured frequency responses of reflection coefficients and radiation patterns of the two antennas are presented.As with the main and diversity antenna, part of the outer metallic structure of the mobile phone is used as the GPS and WIFI antennas operating at the respective frequencies of 1.575 GHz and 2.4GHz. The fine tuning of the resonance frequency of the antennas are made by use of LDS stub patterns on the plastic back cover of the phone and matching circuits. The WIFI antenna operating at the frequency of 5.2 GHz on the other hand is designed as a PIFA constructed solely by an LDS pattern on the plastic back cover of the phone without the use of a matching circuit. The simulated and measured frequency responses of reflection coefficients and radiation patterns of these antennas are presented.Following a thorough review of parametric dependence of SAR from mobile handsets, SAR analysis of the main antenna is performed when operated next to standardized and anatomically correct head models. The effect of the presence of a homogeneous hand model on antenna performance and SAR distribution is also is investigated. In overall, relatively low peak spatial SAR values were obtained at higher frequency of operation due to a reduced peak output power available from the antenna at this frequency. The most influential parameter on SAR was found as the position of the antenna element which produced SAR values even higher than standardized maximum limits when placed near the pinna, at the upper part of the phone. Additionally, use of homogeneous head and hand models next to the mobile handset resulted in a down-shift in the frequency of resonance of the antenna.