Développement d'antennes innovantes pour les terminaux mobiles 4G tenant compte de l'interaction avec l'utilisateur : solutions circuits et antennes envisageables

The interaction between a mobile phone antenna and its environment (for example the user hand and head) modifies the radiating elements impedance. The antenna then presents an impedance which is different from the power amplifier one. Besides, the 4G context introduces new constraints on the antenna to guarantee higher data rates on more frequency bands. In order to decrease the user interaction, while considering the 4G challenges, two area of research have been studied in this work. The first solution that we have evaluated consists in inserting a tuner between the radiating element and the front end module, in order to counteract the antenna mismatch and to present an impedance close to 50 Ohms to the power amplifier. Prototypes have been realized using CMOS SOI 130 nm technology from STMicroelectronics. Obtained performances are at the state of the art, but the behavior of the tuner which is narrowband in phase showed that the co-design with the antenna is mandatory in order to demonstrate the tuner interest. The second developed line of research consists in realizing a wideband antenna, combining antenna and circuit design techniques. Demonstrators have been manufactured using the LDS-LPKF process. Smartphones prototypes have been proposed to implement the antenna in a realistic way to characterize their impedance and radiating behavior. Measurement shows a good robustness to the user interaction (in terms of matching) and efficiencies with similar values to commercial phones ones, while guaranteeing an operation in 4G bands and enabling carrier aggregation. As this method is scalable and compatible with the plastronics integration (components are integrated on the plastic), these prototypes paves the way for numerous perspectives, to cover different applications in the medical, wireless sensors network or the automotive areas.L'interaction entre l'antenne d'un téléphone mobile et son environnement proche (notamment la tête et la main de l'utilisateur) désadapte l'impédance de l'élément rayonnant, qui présente alors une impédance différente de celle de l'amplificateur de puissance. De plus, le contexte de la 4G introduit de nouvelles contraintes sur l'antenne pour garantir une bande de fonctionnement élargie et des débits accrus. Afin de résoudre les difficultés liées à l'interaction avec l'utilisateur, tout en considérant le contexte 4G, deux axes de recherches ont été étudiés dans ces travaux. La première solution évaluée consiste à insérer un réseau d'adaptation variable (ou tuner), entre l'élément rayonnant et le module front-end, afin de compenser la désadaptation de l'antenne et ainsi ramener une impédance proche de 50 Ohms à l'amplificateur de puissance. Des démonstrateurs ont été réalisés en utilisant la technologie CMOS SOI 130nm de STMicroelectronics. Les performances obtenues sont à l'état de l'art, mais le comportement bande étroite en phase du tuner a montré la nécessité de travailler sur son co-design avec l'antenne, afin de pouvoir démontrer l'intérêt du tuner. Le deuxième axe développé consiste à réaliser une antenne large bande, en conjuguant de manière intelligente les techniques de conception d'antennes et de circuits. Des démonstrateurs ont été fabriqués par procédé LDS-LPKF. Des prototypes de Smartphones ont été également proposés pour implémenter les antennes de manière réaliste afin de caractériser leur comportement en impédance et en rayonnement. Les mesures démontrent une bonne robustesse à l'effet de l'utilisateur (en termes d'adaptation), des efficacités du même ordre de grandeur que celles des téléphones commerciaux, tout en garantissant un fonctionnement dans les bandes de fréquences 4G et leur agrégation. L'aspect modulaire de la méthode et la possibilité d'avoir recours à l'intégration plastronique (composants intégrés sur plastique) des prototypes ouvrent de nombreuses perspectives, afin de traiter des applications diverses, dans les domaines du médical, des réseaux de capteurs ou de l'automobile

Développement d'antennes innovantes pour les terminaux mobiles 4G tenant compte de l'interaction avec l'utilisateur : solutions circuits et antennes envisageables

The interaction between a mobile phone antenna and its environment (for example the user hand and head) modifies the radiating elements impedance. The antenna then presents an impedance which is different from the power amplifier one. Besides, the 4G context introduces new constraints on the antenna to guarantee higher data rates on more frequency bands. In order to decrease the user interaction, while considering the 4G challenges, two area of research have been studied in this work. The first solution that we have evaluated consists in inserting a tuner between the radiating element and the front end module, in order to counteract the antenna mismatch and to present an impedance close to 50 Ohms to the power amplifier. Prototypes have been realized using CMOS SOI 130 nm technology from STMicroelectronics. Obtained performances are at the state of the art, but the behavior of the tuner which is narrowband in phase showed that the co-design with the antenna is mandatory in order to demonstrate the tuner interest. The second developed line of research consists in realizing a wideband antenna, combining antenna and circuit design techniques. Demonstrators have been manufactured using the LDS-LPKF process. Smartphones prototypes have been proposed to implement the antenna in a realistic way to characterize their impedance and radiating behavior. Measurement shows a good robustness to the user interaction (in terms of matching) and efficiencies with similar values to commercial phones ones, while guaranteeing an operation in 4G bands and enabling carrier aggregation. As this method is scalable and compatible with the plastronics integration (components are integrated on the plastic), these prototypes paves the way for numerous perspectives, to cover different applications in the medical, wireless sensors network or the automotive areas.L'interaction entre l'antenne d'un téléphone mobile et son environnement proche (notamment la tête et la main de l'utilisateur) désadapte l'impédance de l'élément rayonnant, qui présente alors une impédance différente de celle de l'amplificateur de puissance. De plus, le contexte de la 4G introduit de nouvelles contraintes sur l'antenne pour garantir une bande de fonctionnement élargie et des débits accrus. Afin de résoudre les difficultés liées à l'interaction avec l'utilisateur, tout en considérant le contexte 4G, deux axes de recherches ont été étudiés dans ces travaux. La première solution évaluée consiste à insérer un réseau d'adaptation variable (ou tuner), entre l'élément rayonnant et le module front-end, afin de compenser la désadaptation de l'antenne et ainsi ramener une impédance proche de 50 Ohms à l'amplificateur de puissance. Des démonstrateurs ont été réalisés en utilisant la technologie CMOS SOI 130nm de STMicroelectronics. Les performances obtenues sont à l'état de l'art, mais le comportement bande étroite en phase du tuner a montré la nécessité de travailler sur son co-design avec l'antenne, afin de pouvoir démontrer l'intérêt du tuner. Le deuxième axe développé consiste à réaliser une antenne large bande, en conjuguant de manière intelligente les techniques de conception d'antennes et de circuits. Des démonstrateurs ont été fabriqués par procédé LDS-LPKF. Des prototypes de Smartphones ont été également proposés pour implémenter les antennes de manière réaliste afin de caractériser leur comportement en impédance et en rayonnement. Les mesures démontrent une bonne robustesse à l'effet de l'utilisateur (en termes d'adaptation), des efficacités du même ordre de grandeur que celles des téléphones commerciaux, tout en garantissant un fonctionnement dans les bandes de fréquences 4G et leur agrégation. L'aspect modulaire de la méthode et la possibilité d'avoir recours à l'intégration plastronique (composants intégrés sur plastique) des prototypes ouvrent de nombreuses perspectives, afin de traiter des applications diverses, dans les domaines du médical, des réseaux de capteurs ou de l'automobile.CESSON SEVIGNE-Télécom Breta (350512301) / SudocSudocFranceF

Antenne LDS Innovante pour des Applications 4G

National audienceUne antenne LDS innovante fonctionnant entre 698 et 960 MHz est présentée. Elle comporte deux éléments rayonnants, recombinés en un élément rayonnant large bande à accès unique, via un diplexer réalisé avec des composants discrets. Le système mesuré satisfait un niveau d'adaptation de -6 dB sur toute la bande et présente une efficacité maximale proche de 30%. Le principe de conception est ensuite généralisé. Il devrait permettre à terme le support de l'ensemble des bandes LTE et 4G

Innovative LDS Antenna for 4G Applications

International audienceAn innovative LDS 4G antenna solution operating in the 698-960 MHz band is presented. It is composed of two radiating elements recombined in a broadband single feed antenna system using a multiband matching circuit design. Matching interfaces are synthesized thanks to lumped components placed on the FR4 PCB supporting the LDS antenna. Measurement shows a reflection coefficient better than -6 dB over the 698-960 MHz band, with a 30% peak total efficiency. Measurement using a realistic phone casing showed the same performances. The proposed approach can be extended to additional bands, offering an innovative antenna solution able to address the multi band challenge related to 4G applications

4G Antenna Tuner Integrated in a 30 nm CMOS SOI Technology

International audienceIn order to counteract antenna impedance mismatch due to interaction with environment, one solution is to use a tuner between the front end module and the antenna. In this paper, a 4G antenna tuner integrated in STMicroelectronics 130 nm CMOS SOI technology and operating between 2500 MHz and 2690 MHz is described. Thanks to high power CMOS SOI Digitally Tunable Capacitances (DTCs), the proposed tuner is able to match to 50 Ω an antenna presenting a VSWR degraded up to 5:1.Minimal input reflection coefficient of -10 dB is reached and promising insertion losses are obtained (minimal losses of 3.5 dB for an antenna with initial VSWR of 5.1)

Innovative Tunable Antenna Solution Using CMOS SOI Technology

International audienceThis paper describes a tunable matching network, fully integrated in STMicroelectronics 130 nm CMOS SOI technology. It is able to correct, on the 2500-2690 MHz band, the antenna mismatch of a cellular phone due to the user interaction (for example the hand impact):any VSWR of 5:1 can be reduced to a value lower than 2:1

Tuner d'antenne pour terminaux 3G intégré en technologie CMOS SOI avancée

National audienc

Innovative 4G mobile phone LDS antenna module using plastronics integration scheme

International audienceAn innovative LDS 4G antenna solution operating in the 698-960 MHz band is presented. It is composed of two radiating elements recombined in a single feed broadband antenna system using a diplexer. This circuit is realized thanks to lumped components, assembled directly on the plastic piece which supports the antenna. Corresponding measurements show a 260 MHz wide bandwidth (for S11@-6dB) and close results when diplexer integration is made onto FR4 PCB. It validates the plastronics integration scheme for innovative antenna module solutions

Tuner d'antenne pour terminaux 3G intégré en technologie CMOS SOI avancée

National audienc

30 dBm P<inf>1db</inf> and 4 dB insertion losses optimized 4G antenna tuner fully integrated in a 130 nm CMOS SOI technology

International audienceIn order to counteract the antenna impedance mismatch due to its interaction with the environment, one solution is to add an antenna tuner between the front-end module and the antenna. In this paper, we present the large signal measurement of a 4G integrated antenna tuner, previously presented in [1]. The tuner has been realized in STMicroelectronics 130 nm CMOS SOI technology and operates between 2500 MHz and 2690 MHz. We also propose some improvement to reduce the design parasitics, illustrated by the small signal performances of the optimized circui