Antenna Diversity on a UMTS HandHeld Phone

This work investigates the possible return of antenna diversity on the handheld phone in a bandwidth cor-responding to UMTS. The findings are that the diversity gain will change significantly dependent on the person using the phone. The diversity gain is found to be between 2 and 7 dB. This is primaryly caused by different slow fading from the two different types of antennas. The investigations are based on measurements where 200 test persons have been measured

The design of multi-band planar inverted-F antennas for mobile handsets with the aid of a novel genetic algorithm and their specific absorption rate

Wireless communications have progressed very rapidly in recent years and mobile handsets are becoming smaller and smaller. Present-day mobile cellular communication systems include combinations of the AMPS, GSM-900, DCS-l800, PCS-1900, UMTS, and WLANs in the 2.4GHz and 5.2GHz bands. User requirements for access to the various aforementioned wireless telecommunication services have resulted in a rapid technological push to unify these different systems in a drastically decreased size single mobile handset. All this combined with strict limitations set for the energy absorbed by the users of mobile terminals has created a need for improved antenna solutions and better understanding of small antennas. The objective of this thesis is to develop novel multi-band handset antenna design solutions to satisfy the specific bandwidth requirements of mobile cellular communication systems. [Continues.

Miniaturization and evaluation methods of mobile terminal antenna structures

In recent years, the trend in the mobile communications market has been towards thinner and mechanically more complex terminal devices, which are able to operate in several wireless systems. Due to this development, miniaturization and performance enhancement of internal mobile terminal antennas have become major challenges for the industry of the field. Not only should an internal antenna be small in size and broadband, it must also be able to ensure reliable power transmission in a real multipath propagation environment. A well-known way to improve the reliability of a radio connection is to use multi-antenna reception in the mobile terminal. In multiple-input multiple-output (MIMO) systems, multiple antennas are additionally used at the base station. In both cases, fast and reliable methods are needed for the performance evaluation of multi-antenna terminals. In the first part of this thesis, the main benefits, drawbacks and applications of coupling element based mobile terminal antenna structures are studied, with special emphasis on antenna miniaturization. Optimum shaping and placement of capacitive coupling elements are first studied in this work. Next, it is demonstrated by simulations and measurements that the bandwidth-to-volume ratio of a mobile terminal antenna structure can be improved significantly by using optimized coupling elements instead of traditional self-resonant antenna elements. To facilitate the implementation of coupling element based multi-resonant antenna structures, a theoretical study on the dual-resonant impedance matching of non-resonant coupling elements is also presented. The feasibility of coupling elements for multi-band terminals is demonstrated with a novel quad-band GSM antenna, which consumes a total volume of only 0.7 cm3. Finally, a novel frequency tunable matching circuitry designed for non-resonant coupling elements is introduced. In this work, also the bandwidth, efficiency in talk position, and SAR (specific absorption rate) of mobile phone antennas are studied as a function of frequency over wide frequency band (0.6 GHz - 6 GHz) by applying the idea of coupling elements. The results show that below 3 GHz the three parameters are strongly affected by the resonant wavemodes of the chassis, whereas above 3 GHz, the wavemodes of the coupling element dominate. In addition to the above, the resonant wavemodes of the chassis of a clamshell phone are investigated in this work by using coupling elements. The results bring out several challenges, such as a non-radiating resonance, that an antenna designer may face with clamshell phones. The second part of this thesis concentrates on the performance evaluation of mobile terminal multi-antenna configurations. First, the accuracy of a novel measurement based antenna test bed (MEBAT) is thoroughly studied. After this, the performance of several mobile terminal multi-antenna configurations is systematically investigated using the MEBAT. The emphasis is kept on the power reception properties (effective array gain or EAG) of the multi-antenna configurations. An accurate and fast theoretical way of predicting the median EAG of an antenna configuration is proposed in the work. Based on a comprehensive analysis of the theoretical and empirical EAG results, guidelines for optimum radiation pattern characteristics of a multi-antenna configuration are given. Based on the eigenvalue dispersion and capacity results obtained in the studied MIMO environments, it is concluded that it may be difficult to affect the spatial multiplexing properties of a MIMO system by means of handset antenna design. The presented results indicate that a handset antenna designer should mainly focus on maximizing the EAG.Viime vuosina yleinen kehityssuunta matkaviestinmarkkinoilla on ollut kohti ohuempia ja mekaanisesti monimutkaisempia päätelaitteita, jotka kykenevät toimimaan useissa langattomissa järjestelmissä. Tämän kehityksen johdosta matkapuhelinten sisäisten antennien koon pienentäminen ja suorituskyvyn parantaminen ovat muodostuneet merkittäviksi haasteiksi alan teollisuudelle. Sen lisäksi, että sisäisen antennin tulee olla pienikokoinen ja laajakaistainen, tulee sen myös kyetä takaamaan luotettava tehonsiirto todellisessa monitie-etenemisympäristössä. Hyvin tunnettu tapa radioyhteyden luotettavuuden parantamiseksi on hyödyntää moniantennivastaanottoa matkapuhelimessa. Multiple-input multiple-output (MIMO)-järjestelmissä useita antenneja hyödynnetään lisäksi tukiasemassa. Kummassakin tapauksessa tarvitaan nopeita ja luotettavia menetelmiä matkapuhelinten moniantennirakenteiden suorituskyvyn arvioimiseksi. Työn ensimmäisessä osassa tutkitaan kytkentäelementteihin perustuvien antennirakenteiden tärkeimpiä hyötyjä, haittoja ja sovelluksia painottaen antennien koon pienentämistä. Työssä tutkitaan ensin kapasitiivisten kytkentäelementtien optimaalista muotoilua ja sijoittamista. Seuraavaksi osoitetaan simulaatioin ja mittauksin, että matkapuhelimen antennirakenteen kaistanleveys-tilavuus-suhdetta saadaan parannettua huomattavasti käyttämällä optimoituja kytkentäelementtejä perinteisten resonanssityyppisten antennielementtien sijaan. Kytkentäelementteihin perustuvien moniresonanssi antennirakenteiden toteuttamisen helpottamiseksi työssä esitetään myös teoreettinen tutkimus ei-resonoivien kytkentäelementtien sovittamisesta kaksoisresonanssiin. Kytkentäelementtien soveltuvuutta monitaajuuspäätelaitteisiin havainnollistetaan uudentyyppisellä nelitaajuus-GSM-antennilla, jonka kokonaistilavuus on ainoastaan 0.7 cm3. Lopuksi esitellään uudentyyppinen kytkentäelementeille suunniteltu taajuussäädettävä sovituspiiri. Tässä työssä tutkitaan myös matkapuhelinantennien kaistanleveyttä, hyötysuhdetta puheasennossa ja SAR- (specific absorption rate) arvoja taajuuden funktiona laajalla taajuuskaistalla (0.6 GHz - 6 GHz) hyödyntäen kytkentäelementtejä. Tulokset osoittavat, että 3 GHz:n alapuolella näihin kolmeen parametriin vaikuttavat vahvasti rungon resonoivat aaltomuodot, kun taas 3 GHz:n yläpuolella kytkentäelementin aaltomuodot dominoivat. Yllä olevan lisäksi työssä tutkitaan taitettavan puhelimen rungon resonoivia aaltomuotoja kytkentäelementtien avulla. Tulokset tuovat esille useita haasteita, kuten säteilemättömän resonanssin, joita antennisuunnittelija saattaa kohdata taitettavien puhelinten kanssa. Työn toinen osa keskittyy matkapuhelinten moniantennirakenteiden suorituskyvyn arviointiin. Ensin uudentyyppisen mittauksiin perustuvan antennien testialustan (MEBAT) tarkkuutta arvioidaan perusteellisesti. Tämän jälkeen useiden matkapuhelinten moniantennirakenteiden suorituskykyä tutkitaan järjestelmällisesti MEBATin avulla. Painotus on moniantennirakenteiden tehovastaanotto-ominaisuuksissa (effective array gain tai EAG). Työssä ehdotetaan tarkkaa ja nopeaa teoreettista tapaa antennirakenteen EAG:n mediaanin ennustamiseksi. Teoreettisten ja empiiristen EAG-tulosten perusteellisen analyysin pohjalta annetaan suosituksia moniantennijärjestelmän säteilykuvion optimaalisille ominaisuuksille. Tutkituissa MIMO-järjestelmissä saatujen ominaisarvohaje- ja kapasiteettitulosten perusteella tehdään johtopäätös, että matkapuhelimen antennisuunnittelun keinoin voi olla vaikeaa vaikuttaa MIMO-järjestelmän kykyyn muodostaa rinnakkaisia kanavia. Esitetyt tulokset ehdottavat, että matkapuhelimen antennisuunnittelijan tulisi pääasiassa keskittyä EAG:n maksimointiin.reviewe

Antennas for small mobile terminals

Digital Video Broadcasting for Handheld Terminals (DVB-H) is a service based on DVB-T (for terrestrial broadcasting). Some differences and changes must be considered to adapt the existing DVB-T technology to the experimental DVB-H one. The purpose of this master thesis is to design the best possible antenna for DVB-H. In order to achieve this, some scenarios are considered such as the influence of the human hand and wood or metal planes (emulating tables). As this antenna must be inside a handheld device, its size will be a very limiting factor. This is worsen by the fact that the wavelength is bigger than the size of the handheld device and so this constraint will add more problems related with small bandwidth, impedance matching, received power, etc. Thanks to the simulations, two planar monopole antennas have been chosen and explained in detail under the different scenarios. It will be seen that these two antennas are small enough to fit in a handheld device and that they can overcome all the problems related with the wavelength, received power, human body interference, etc