Vortrag über die Diplomarbeit

Transkript

1 Vortrag über die Diplomarbeit angefertigt von cand.-ing. Jens Leiß bei Prof. Dr.-Ing. K. Solbach Fachgebiet Hochfrequenztechnik an der Universität Duisburg-Essen

2 Thema: Untersuchung zur optimalen Verkopplung eines Antennenmoduls mit einem Mobiltelefon im Hinblick auf zukünftige Multibandendgeräte

3 Inhalt Zielsetzung Grundlagen der Modellbildung Grundlagen der algorithmischen Auswertung Anwendung der Methoden Verifikation der Ergebnisse Zusammenfassung Jens Leiß, Page 3

4 Zielsetzung Entwicklung eines Ersatzschalbildes für die Kombination aus Antennenmodul und Mobiltelefon Eine einfache, übersichtliche Beschreibung der Anordnung durch zwei Resonatoren Erfassung der Wirkmechanismen zwischen Antenne und Mobiltelefon Grundlage für neue Antennenkonzepte zur Verbesserung der Bandbreiten im GSM85 und GSM9 Jens Leiß, Page 4

5 Überblick Zielsetzung Grundlagen der Modellbildung Grundlagen der algorithmischen Auswertung Anwendung der Methoden Verifikation der Ergebnisse Zusammenfassung Jens Leiß, Page 5

6 Grundlagen der Modellbildung Verwendete Modellanordnung Effektive Länge x z x z y y Kurzschluß Speisepunkt Antenne auf der Platine (PCB) Verwendete Antenne (sog. C-Patch) Modellierung mit Hilfe eines 3D FDTD-Simulators (Empire) Auf die Modellierung eines Gehäuses wird verzichtet Jens Leiß, Page 6

7 Grundlagen der Modellbildung Vorangegangene Untersuchungen von P.Vainikainen und D.Manteuffel zeigen: Die Platine nimmt Einfluss auf die Abstrahlungseigenschaften Dadurch wird es möglich, größere Bandbreiten zu erreichen Einresonator- Ersatzschaltbild ist zu ungenau Jens Leiß, Page 7

8 Grundlagen der Modellbildung Erste Ansätze: Zwei-Resonator-Ersatzschaltbild (P.Vainikainen): Zuordnung von Ersatzschaltelementen: Platine (PCB) Antenne (C-Patch) Serienschwingkreis Parallelschwingkreis Verkopplung Übertrager R 1 L 1 C R 2 L 2 C 2 1 Z in Jens Leiß, Page 8

9 Überblick Zielsetzung Grundlagen der Modellbildung Grundlagen der algorithmischen Auswertung Anwendung der Methoden Verifikation der Ergebnisse Zusammenfassung Jens Leiß, Page 9

10 Grundlagen der algorithmischen Auswertung ω Betrachtung des Antennen Resonators auf unendlicher Massefläche: Z1 in der Z-Ebene R 1 L 1 C ω 1 Z 1 ω jω L s N 1 : 1 R 1 Verschiebung des Imaginärteils -5 Induktivität L S RE{ Zin} Ω Jens Leiß, Page 1

11 Grundlagen der algorithmischen Auswertung ω Betrachtung des Antennen Resonators auf unendlicher Massefläche: Z1 in der Z-Ebene L S R 1 L 1 C ω 1 Z 1 ω jω L s R 1 Verschiebung des Imaginärteils -5 Induktivität L S RE{ Zin} Ω Jens Leiß, Page 11

12 Grundlagen der algorithmischen Auswertung Bestimmung der Resonatoren aus : Reduktion von Z in um Ls 1 1 Zin( ω ) = ZLS ( ω ) + = YP ω + YR ω Y Y Z Z Z in ( ω ) + ( ω) ( ω) ( ω) P R in LS ( ) ( ) L S R 1 L 1 C 1 R 2 L 2 C 2 ' Z in Z LS Y P Y R Antennen- Resonator PCB- Resonator Jens Leiß, Page 12

13 Grundlagen der algorithmischen Auswertung Betrachtung in der Y-Ebene: Überlagerung von Parallel- und Serienkreis IM { Y ( ω )} f P f S Serienkreis entspricht einem Kreis durch den Nullpunkt. Parallelkreis entspricht einer Geraden parallel zur Imaginären Achse. Überlagerung ergibt im Bereich der Serienresonanz eine symmetrische Kurve. Ls R1 L1 C1 R2 L2 C2 ' RE { Y ( ω )} Antenne PCB Jens Leiß, Page 13

14 Grundlagen der algorithmischen Auswertung Betrachtung in der Y-Ebene: Reduktion der Eingangsaddmitanz Yin um Ls des Modells IM { Y ( ω )} f P f S f S f P steigendes L S Ls R1 L1 C1 R2 L2 C2 ' Yin Antenne PCB RE { Y ( ω )} -8 Jens Leiß, Page RE { Y ( ω )}

15 Grundlagen der algorithmischen Auswertung Grenzen der algorithmischen Auswertung: Minimale Verkopplung mit dem PCB notwendig Induktivität L S ist nur in einem schmalbandigen Bereich als konstant anzusehen Abweichungen des Ersatzschaltbildes bei Systemen mit größerer Bandbreite Größere Genauigkeit würde ein aufwendigeres Ersatzschaltbild erfordern Darauf wird aus Gründen der Überschaubarkeit verzichtet Jens Leiß, Page 15

16 Grundlagen der algorithmischen Auswertung Vergleich zwischen Simulation und Ersatzschaltbild (C-Patch auf PCB), S11 in db Empire Ersatzschaltbild -5 s 11 / db f / MHz Jens Leiß, Page 16

17 Grundlagen der algorithmischen Auswertung Vergleich zwischen Simulation und Ersatzschaltbild (C-Patch auf PCB), S11 im Smith-Chart Empire Ersatzschaltbild S11,min Punkt maximaler Anpassung +j fp Resonanzfrequenz des Parallelkreises (Antenne) S11,min Ls 8 fs Resonanzfrequenz des Serienkreises (PCB) ' fs fp Antenne PCB - j Jens Leiß, Page 17

18 Überblick Zielsetzung Grundlagen der Modellbildung Grundlagen der algorythmischen Auswertung Anwendung der Methoden Verifikation der Ergebnisse Zusammenfassung Jens Leiß, Page 18

19 Anwendung der Methoden Anwendung auf eine weitere Antennenform Effektive Länge x z y Kurzschluß Speisepunkt Koppelantenne aus der Literatur (P.Vainikainen): Mit dieser Antenne lassen sich hohe Bandbreiten erzielen Gute Testmöglichkeit für den Algorithmus Jens Leiß, Page 19

20 Anwendung der Methoden Vergleich zwischen Simulation und Ersatzschaltbild (Koppelantenne auf PCB) S11 in db und im Smith Chart Empire Ersatzschaltbild +j -5-1 S11,min S 11 / db f / MHz Einfluss der PCB-Resonanz ' fs -j fp Antenne PCB Jens Leiß, Page 2

21 Anwendung der Methoden Aufteilung der Leistungen auf die Ersatzschaltung (für die Koppelantenne) Pw / Pw max Wirkleistung BW6 db, Koppel PCB Antenne Induktivität Ls gesamtes System Pb / Pw max Blindleistung Ls ' Antenne PCB f / GHz Jens Leiß, Page 21

22 Anwendung der Methoden Untersuchung der Längenvariation des PCB Verlauf der Resonanzfrequenzen 15 fp- Antennenresonanz fs- PCB-Resonanz Änderung der PCB-Länge f / MHz y z LPCB bewirkt, Änderung der PCB- Resonanzfrequenz Antennenresonanz konstant 8 7 ' Antenne PCB l PCB / mm Jens Leiß, Page 22

23 Anwendung der Methoden Untersuchung der Leistungsverteilung Aufteilung der Wirkleistungen zwischen PCB und Antenne bei Variation der PCB Länge Wirkleistung PCB Antenne Pw / Pwmax / mm l PC B ' Antenne PCB Jens Leiß, Page 23

24 Anwendung der Methoden Vergleich der relativen 6dB-Bandbreiten zwischen Koppelantenne und C-Patch BW Rel,6dB / % l PCB / mm C-Patch Koppel- Antenne Höhere Bandbreite der Koppelantenne Optimum der Bandbreite bei 12-13mm Jens Leiß, Page 24

25 Anwendung der Methoden Auswertung der Leistungsverteilung, Vergleich zwischen Koppelantenne und C-Patch Wirkleistung Pw / Pw max BW6 db, Koppel BW 6 db, C Patch Blindleistung C-Patch Koppel- Antenne Pb / Pw max f / GHz PCB-Länge 12mm Jens Leiß, Page 25

26 Anwendung der Methoden Zusammenfassung der Ergebnisse Koppelantenne: Bessere Ankopplung der PCB Resonanz Höhere relative Bandbreite im GSM85 /9 Bandbreitenverlauf zeigt ein Maximum bei einer optimalen PCB-Länge von ca mm, dies stimmt mit den Leistungsaufteilungen überein. Zwei-Resonator-Ersatzschaltbild bildet eine gute Grundlage für die Beschreibung der Modellanordnung. Jens Leiß, Page 26

27 Überblick Zielsetzung Grundlagen der Modellbildung Grundlagen der algorythmischen Auswertung Anwendung der Methoden Verifikation der Ergebnisse Zusammenfassung Jens Leiß, Page 27

28 Auswertung und Verifikation der Ergebnisse Funktionsmuster mit C-Patch und Koppelantenne: Aufbau der Funktionsmuster Zuleitung Zuleitung Speisepunkt Speisepunkt PCB PCB C-Patch Kurzschluss Kurzschluss Koppelantenne C-Patch Koppelantenne Jens Leiß, Page 28

29 Verifikation der Ergebnisse Vergleich von Messung und Simulation S11 im Smith-Chart ' Empire Messung Antenne PCB +j +j S11,min S11,min 8 8 fs fp fs fp -j C-Patch -j Koppelantenne Jens Leiß, Page 29

30 Zusammenfassung Zielsetzung Grundlagen der Modellbildung Grundlagen der algorithmischen Auswertung Anwendung der Methoden Verifikation der Ergebnisse Jens Leiß, Page 3

31 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit.

32 Grundlagen der Modellbildung Literatur: [1] Dr.-Ing. D.Manteuffel: Analyse und Synthese von integrierten Antennen für Mobiltelefone unter besonderer Berücksichtigung des Benutzereinflusses, Dissertation, Fachbereich Elektrotechnik, Gerhard- Mercator- Universität GH- Duisburg (22) [13] P.Vainikainen, J.Ollikainen, O.Kivekäs, I.Kelander: Resonator-Based Analysis of the Combination of Mobile Handset Antenna and Chassis, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, VOL.5, NO.1, October 22 Jens Leiß, Page 32