In-Rim Antenna Systems for Portable Wireless Handsets

Dans les normes de communication sans fil modernes, les antennes à rebord métallique sont adoptées en raison de leur résistance mécanique et de leur aspect esthétique améliorés. Depuis qu'un grand écran avec un cadre étroit est devenu le courant dominant des smartphones, l'espace pour les antennes est très limité. Les réseaux d'antennes connectées (CAA) devraient fournir des bandes passantes plus larges, des niveaux de polarisation croisée plus faibles, de meilleurs gains et des tailles plus petites sur les jantes métalliques. CAA occupe également moins d'espace par rapport aux autres types d'antennes, permettant ainsi une plus grande intégration et des densités de réseau plus élevées. Un défi majeur dans de tels systèmes consiste à couvrir les bandes micro-ondes et mmWave introduites pour les normes sans fil de cinquième génération (5G) qui vont de 2 GHz à 38 GHz. La conception de systèmes d'antennes connectées dans la jante pour couvrir les fréquences inférieures à 6 GHz à 28 GHz est une tâche difficile en raison de la taille limitée des appareils portables sans fil. Par conséquent, une solution viable consiste à concevoir deux antennes pour deux bandes dans le même espace. Un concept d'antenne dans l'antenne (AiA) est mis en œuvre pour résoudre la limitation de taille et également couvrir les deux bandes dans la même structure d'antenne. Dans ce travail, la conception d'un système d'antenne dans la jante utilisant CAA couvrant à la fois les bandes sous-6 GHz et mmWave avec une taille compacte avec quatre éléments est proposée. Le système d'antenne est une intégration entre une structure hyperfréquence et un réseau d'antennes à fentes connectées à ondes millimétriques mettant en œuvre le concept AiA. Des structures CAA à fente unique et en forme de cactus sont conçues pour couvrir les bandes de sous-6 GHz et 26∼30 GHz et permettent les capacités de direction de faisceau. La structure d'antenne CAA unique présente une bande passante (Sij < −10 dB) de 4,23 GHz (26,23–30,46 GHz) avec une efficacité totale de 86,1% et un gain réalisé de 8,94 dBi où les résultats de mesure présentent une bande passante (Sij < −7,5 dB) de 6,42 GHz (25–31,42 GHz). Le faisceau peut être dirigé jusqu'à ±30o dans cette conception. La structure d'antenne cactus CSAA présente une bande passante (Sij < -10 dB) de 3,27 GHz (26,64–29,91 GHz) avec une efficacité totale de 75,17% et un gain réalisé de 7,76 dBi à 28 GHz. En raison de la tolérance de fabrication, la réponse à deux ports est décalée vers une fréquence plus basse.

Abstract

In modern wireless communication standards, metal rimmed antennas are adopted because of their enhanced mechanical strength and esthetic appearance. Since a large display with a narrow frame has become the mainstream of the smartphones, the space for antennas is very limited. Connected antenna arrays (CAA) are expected to provide wider bandwidths, lower cross-polarization levels, better gains, and smaller sizes on metal rims. CAA also occupy less space as compared to other antenna types, thus allowing for more integration and higher array densities. A major challenge in such systems is covering the microwave and mmWave bands introduced for fifth generation (5G) wireless standards that goes as low as 2 GHz to as high as 38 GHz. The design of in-rim connected antenna systems to cover sub-6 GHz to 28 GHz is a challenging task because of the limited size of wireless handheld devices. Therefore, a viable solution is to design two antennas for two bands in the same space. An antenna-in-antenna (AiA) concept is implemented to solve the size limitation and also cover both bands within the same antenna structure. In this work, the design of an in-rim antenna system using CAA covering both the sub-6 GHz and mmWave bands with compact size along with four elements is proposed. The antenna system is an integration between a microwave structure and a mmWave connected slot antenna array implementing the AiA concept. A single and cactus shaped slot CAA structures are designed to cover the bands from sub-6 GHz and 26∼30 GHz and allow the beamsteering capabilities. The single CAA antenna structure exhibits bandwidth (Sij < −10 dB) of 4.23 GHz (26.23–30.46 GHz) with a total efficiency of 86.1% and realized gain of 8.94 dBi where the measure results exhibit bandwidth (Sij < −7.5 dB) of 6.42 GHz (25–31.42 GHz). The beam can be steered up to ±30o in this design. The cactus CSAA antenna structure exhibits bandwidth (Sij < −10 dB) of 3.27 GHz (26.64–29.91 GHz) with total efficiency of 75.17% and the realized gain of 7.76 dBi at 28 GHz. Due to the fabrication tolerance two ports response is shifted to lower frequency. The beam can be steered up to ±30o in this design. For the microwave band, the bandwidth (S11 < −10 dB) of 110 MHz (3.45–3.56 GHz) with 4.69 dBi of realized gain is achieved. After the tuning of the prototype, it exhibits 350 GHz of bandwidth resonating at 3.69 GHz.