Design and Performance Assessment of Ground Plane Boosters with a Bar Form Factor

Abstract

[ANGLÈS] The progress that technology has experienced in the last few decades has largely improved electronic devices, particularly mobile phones, which have clearly evolved from having basic features to almost PC-like software and high speed connectivity. Every year, hundreds of thousands of cell phones are sold around the world. Customers demand both feature phones and smartphones, names meaning how low or high the processing and multimedia capabilities of the phone are, which ultimately sets the price tag. Yet, regardless of phones being one type or the other, they all require connectivity to cellular services. Providing wireless communication traditionally required antennas whose size depend on the wavelength of the frequency in which the cellular standard was deployed; usually said sizes are quite large with respect to the dimensions of a phone. However, antennas evolved from external to internal, and from singleband to multiband. This made the geometry of antennas change from very simple to very complex shapes, making it possible to communicate in several bands with an antenna being completely inside the handset. The ground plane booster antenna technology is able to provide connectivity without requiring an antenna by advantageously using the ground plane of the device, and still feature a radiating system comprised of boosters which is completely internal, multiband, and, moreover, does not require custom complex geometry designs. Ground plane boosters are small-sized elements that enable the ground plane as the radiator of a device and, hence, act like an antenna. In line with the trend of electronic devices becoming thinner, and in spite of boosters already being very small, a new form factor for ground plane boosters is studied and developed in this thesis such that their RF performance is satisfactory according to the standards in the cellular industry, specifically in 2G, 3G and 4G services. For the design of a new booster form factor, the effect each booster dimension has on the radioelectric performance of the radiating structure is first studied. Then, shape and dimensions of several booster candidates are set and their RF performance is simulated. The form factor that achieves the best results according to the simulations is prototyped together with different matching networks, and reflection coefficient and antenna efficiency are both measured. In last place, a final triple-port printed circuit board with boosters with the new form factor is presented along with the matching networks synthesized for operation in the main 2G, 3G and 4G frequency bands.

[CASTELLÀ] El progreso que ha experimentado la tecnología en las últimas décadas ha mejorado los dispositivos electrónicos, en particular los teléfonos móviles, de forma notable, con una clara evolución que los ha hecho pasar de prestaciones básicas a software equiparable a los ordenadores así como conectividad de alta velocidad. Cada año, se venden centenares de miles de móviles en el mundo. Los clientes demandan tanto “feature phones” como “smartphones”, nombres que representan cómo de básicas o avanzadas son las prestaciones a nivel de procesado y multimedia de las que dispone el teléfono, lo cual finalmente repercute en el precio del dispositivo. Aunque los móviles pueden ser tanto de un tipo como del otro, todos requieren de conectividad a servicios de telefonía móvil. Proveer de comunicaciones “wireless” (inalámbricas) tradicionalmente ha requerido de antenas con dimensiones dependientes de la longitud de onda correspondiente a la frecuencia asignada al estándar de telefonía; generalmente, dichas dimensiones eran bastante grandes con respecto a las dimensiones del teléfono. Aun así, las antenas han evolucionado pasando de ser externas a internas, y de ser “singleband” (monobanda) a “multiband” (multibanda). Ello ha hecho que la geometría de las antenas haya cambiado de formas realmente sencillas a altamente complejas, haciendo posible la comunicación en diversas bandas de frecuencias a la vez con una antena completamente incluida dentro del dispositivo. La tecnología “ground plane booster antenna” es capaz de proveer de conectividad, sin necesidad de antena, mediante el uso del plano de masa del dispositivo, disponiendo de un sistema radiante compuesto de “boosters”; dicho sistema es completamente interno, multibanda y, sobre todo, no requiere de diseños complejos, y hechos a medida, de geometrías. Los “ground plane boosters” son pequeños elementos que habilitan el plano de masa como radiador del dispositivo y, por tanto, hacen que este actúe como antena. En línea con la tendencia de hacer más finos los dispositivos electrónicos, y aunque los “boosters” ya son realmente pequeños, en esta tesis se estudia y se desarrolla un nuevo factor de forma para “ground plane boosters” haciendo que su comportamiento RF sea satisfactorio de acuerdo a los estándares de la industria de telefonía móvil, especialmente en servicios 2G, 3G y 4G. Para el diseño del nuevo factor de forma, primero se estudia el efecto que cada dimensión del “booster” tiene sobre el comportamiento radioeléctrico de la estructura radiante. Después, la forma y las dimensiones de diversos candidatos de “booster” son establecidas y sus comportamientos RF son simulados. El factor de forma que consigue mejores resultados de acuerdo a las simulaciones se fabrica como prototipo y, junto con diferentes redes de adaptación, se mide tanto el coeficiente de reflexión como la eficiencia de antena. En último lugar, la placa de circuito impreso final que emplea “boosters” con el nuevo factor de forma es presentada conjuntamente con las redes de adaptación sintetizadas para la operación de las principales bandas de frecuencias 2G, 3G y 4G.

[CATALÀ] El progrés que ha experimentat la tecnologia a les últimes dècades ha millorat els dispositius electrònics, en particular els telèfons mòbils, de forma notable, amb una clara evolució que els ha fet passar de prestacions bàsiques a software equiparable al d'ordinadors així com connectivitat d’alta velocitat. Cada any, centenars de milers de mòbils són venuts arreu del món. Els clients demanden tant “feature phones” com “smartphones”, noms que representen com de bàsiques o avançades són les prestacions a nivell de processat i multimèdia de les que disposa el telèfon, fet que finalment repercuteix en el preu del dispositiu. Tot i que els mòbils poden ser tant d’un tipus com de l’altre, tots requereixen de connectivitat a serveis de telefonia mòbil. Proveir de comunicacions “wireless” (sense fils) tradicionalment ha requerit d’antenes amb dimensions dependents de la longitud d’ona corresponent a la freqüència assignada a l’estàndard de telefonia; generalment, aquestes dimensions eren força grans respecte a les dimensions del telèfon. Tot i així, les antenes han evolucionat de ser externes a internes, i de ser “singleband” (monobanda) a “multiband” (multibanda). Això ha fet que la geometria de les antenes hagi canviat de formes realment senzilles a altament complexes, fent possible la comunicació a diverses bandes de freqüències a la vegada amb una antena inclosa completament dins del dispositiu. La tecnologia “ground plane booster antenna” és capaç de proveir de connectivitat, sense necessitat d’antena, mitjançant l’ús del pla de massa del dispositiu, disposant d’un sistema radiant composat de “boosters”; aquest sistema és completament intern, multibanda i, sobre tot, no requereix de dissenys complexos, i fets a mida, de geometries. Els “ground plane boosters” són petits elements que habiliten el pla de massa com a radiador del dispositiu i, per tant, fan que aquest actuï com a antena. En línia amb la tendència de fer més prims els dispositius electrònics, i tot i que els “boosters” ja són realment petits, en aquesta tesi s’estudia i es desenvolupa un nou factor de forma pels “ground plane boosters” tot fent que el seu comportament RF sigui satisfactori d’acord amb els estàndards de la indústria de telefonia mòbil, especialment en serveis 2G, 3G i 4G. Pel disseny del nou factor de forma, primer s’estudia l’efecte que cada dimensió del “booster” té en el comportament radioelèctric de l’estructura radiant. Després, la forma i les dimensions de diversos candidats de “booster” són establertes i els seus comportaments RF són simulats. El factor de forma que aconsegueix millors resultats d’acord a les simulacions es converteix en prototipus i, juntament amb diferents xarxes d’adaptació, es mesura tant el coeficient de reflexió com l’eficiència d’antena. En últim lloc, la placa de circuit imprès final emprant “boosters” amb el nou factor de forma és presentada conjuntament amb les xarxes d’adaptació sintetitzades per l’operació de les principals bandes de freqüències 2G, 3G i 4G.