Development of innovative Antennas for 4G Mobile Terminals Taking into Account the User Interaction:Possible Antennas and Circuits Solutions
Développement d'antennes innovantes pour les terminaux mobiles 4G tenant compte de l'interaction avec l'utilisateur : solutions circuits et antennes envisageables
Résumé
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.
| Origine | Fichiers produits par l'(les) auteur(s) |
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