Mobile antenna solution for three band downlink carrier aggregation

This thesis is a comparison of different mobile antenna solutions suitable for three band downlink carrier aggregation in long term evolution (LTE) systems. The most important comparable performance metric is the total efficiency including the required RF front end configuration. Also, the total volume occupied by the antenna elements and the transmission lines from the front end to the antennas is compared. Additionally, designed antennas should meet the set performance requirements antennas through specified frequencies for total efficiency, matching and envelope correlation coefficient of multiple input, multiple output (MIMO) antennas. Two antenna configurations are presented in this thesis. The first presented model has separate antenna elements for all three bands using carrier aggregation. This solution is given with two different front end configurations. In the second solution, low and high frequency antennas are using a common antenna element. The comparison of the designs is done by simulating the chosen structures implemented in a simple phone model with a time domain electromagnetic field simulator. Free space and hand grip situations are modeled and results are presented. The results indicate that both proposals have similar total efficiencies. However, usage of separate antenna elements for all bands reduces the total antenna volume. Number of transmission lines needed in front end can be reduced from a total of six to four with a slight decrease in total efficiency to conserve space inside the device.Tässä työssä vertaillaan erilaisia kolmen kantoaallon yhdistämiseen soveltuvia matkapuhelinantenniratkaisuja LTE (long term evolution) -järjestelmissä. Työssä vertaillaan ensisijaisesti antennien sekä kunkin ratkaisun vaatiman RF-etuasteen kokonaishyötysuhdetta, antennien vaatimaa kokonaistilavuutta sekä ratkaisuihin liittyvien siirtolinjojen lukumäärää. Lisäksi toteutettujen antennien tulee täyttää asetetut vaatimukset kokonaishyötysuhteelle, sovitukselle ja MIMO (multiple input, multiple output) -antennien verhokäyrien korrelaatiolle. Työssä esitellään kaksi erilaista antenniratkaisua. Ensimmäisessä ratkaisussa kaikille yhdisteltäville kantoaalloille varataan erilliset antennit. Tämä ratkaisu toteutetaan kahdella erilaisella etuasteella. Toisessa antenniratkaisussa alimmat ja ylimmät yhdisteltävät taajuudet käyttävät samaa antennielementtiä. Toteutuksia verrataan simuloimalla yksinkertaiseen puhelinmalliin sijoitettuja antenniratkaisuja aikatasossa sähkömagneettisella kenttäsimulaattorilla. Vapaan tilan suorituskykyä on verrattu todelliseen käyttötilanteeseen simuloimalla esitetyt ratkaisut myös vasemman ja oikean käden otteissa. Simulointien perusteella molempien antenniratkaisujen kokonaishyötysuhde on samaa luokkaa. Erillisiä antenneja käyttämällä saavutetaan kuitenkin sama kokonaishyötysuhde pienemmällä antennien kokonaistilavuudella. Tilan säästämiseksi RF-etuasteessa tarvittavien siirtolinjojen määrää voidaan vähentää kuudesta neljään pienellä kokonaishyötysuhteen heikennyksellä