dual frequency operation

8/13/2019 Dual Frequency Operation

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A C o m p l a t e M a n u s c r i p t A c c e p t e d i n

I E E E T r a n s a c t i o n s o n A n t e n n a s a n d P r o p a g a t i o n

a s a l e t t e r

A C o m p a c t P I F A S u i t a b l e f o r D u a l F r e q u e n c y 9 0 0 / 1 8 0 0 M H z

O p e r a t i o n

y

C o r b e t t R . R o w e l l

, a n d R . D . M u r c h

z

( M e m b e r I E E E )

D e p a r t m e n t o f E l e c t r i c a l a n d E l e c t r o n i c E n g i n e e r i n g

T h e H o n g K o n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c e & T e c h n o l o g y

C l e a r W a t e r B a y , K o w l o o n , H O N G K O N G

F i n a l N o v e m b e r 2 5

t h

1 9 9 7

A b s t r a c t

P l a n a r I n v e r t e d F A n t e n n a s ( P I F A ) h a v e b e e n p r o p o s e d a s p o s s i b l e c a n d i d a t e s f o r m o b i l e

t e l e p h o n e h a n d s e t s . I n t h i s l e t t e r w e d e s c r i b e t h e d e s i g n o f a c o m p a c t P I F A s u i t a b l e f o r

o p e r a t i o n a t 9 0 0 M H z . I n a d d i t i o n w e p r o v i d e m o d i c a t i o n s t o t h i s d e s i g n t h a t a l l o w i t t o

o p e r a t e i n d u a l f r e q u e n c y b a n d s a t 9 0 0 M H z a n d 1 8 0 0 M H z . F D T D a n d e x p e r i m e n t a l r e s u l t s

a r e p r o v i d e d .

y

S u p p o r t e d b y t h e H o n g K o n g r e s e a r c h g r a n t c o u n c i l

N o w a t A l l g o n M o b i l e C o m m u n i c a t i o n s A B , A k e r s b e r g a , S w e d e n

z

C o r r e s p o n d i n g A u t h o r : E m a i l : e e r m u r c h @ e e . u s t . h k . T e l e : ( + 8 5 2 ) 2 3 5 8 7 0 4 4 .

F a x : ( + 8 5 2 ) 2 3 5 8 1 4 8 5 .



1

I . I n t r o d u c t i o n

M o b i l e t e l e p h o n e a n t e n n a s t h a t c a n b e i n t e g r a t e d i n t o t h e h a n d s e t o e r s e v e r a l a d v a n t a g e s

c o m p a r e d t o c o n v e n t i o n a l e x t e r n a l a n t e n n a s s u c h a s m o n o p o l e s o r h e l i x 1 ] , 2 ] , 3 ] , 4 ] .

T h e y a r e l e s s e a s i l y b r o k e n o , r e d u c e p o w e r a b s o r p t i o n b y t h e h e a d a n d a r e l e s s s e n s i t i v e

t o t h e g e o m e t r y o f t h e h a n d s e t . A s u i t a b l e c a n d i d a t e f o r a n i n t e g r a t e d a n t e n n a i s t h e

p l a n a r i n v e r t e d - F a n t e n n a ( P I F A ) b u t i t i s s t i l l c o n s i d e r e d t o o l a r g e f o r a p p l i c a t i o n s a t

9 0 0 M H z . A d d i t i o n a l l y i n m a n y p a r t s o f t h e w o r l d m o b i l e t e l e p h o n e s y s t e m s h a v e b e e n

a l l o c a t e d s p e c t r u m c e n t e r e d a r o u n d b o t h 9 0 0 M H z ( c e l l u l a r s y s t e m s ) a n d 1 8 0 0 M H z ( P e r s o n a l

c o m m u n i c a t i o n s y s t e m s ) w i t h t h e c o r r e s p o n d i n g d e m a n d t h a t m o b i l e t e l e p h o n e s o p e r a t e i n

b o t h b a n d s .

H e r e w e i n v e s t i g a t e t h e d e s i g n o f a n i n t e g r a t e d c o m p a c t a n t e n n a s u i t a b l e f o r m o b i l e

t e l e p h o n e s o p e r a t i n g a t 9 0 0 M H z . W e a l s o d e s c r i b e a m o d i c a t i o n t o t h i s d e s i g n t h a t a l l o w s

i t t o b e u s e d a t d u a l f r e q u e n c i e s i n t h e 9 0 0 M H z a n d 1 8 0 0 M H z m o b i l e t e l e p h o n e b a n d s .

I I . T h e A n t e n n a S t r u c t u r e

T h e g e o m e t r y w e u t i l i z e i s i l l u s t r a t e d i n g u r e 1 . F e a t u r e s o f t h e d e s i g n i n c l u d e a s l o t ,

c a p a c i t i v e l o a d , c a p a c i t i v e f e e d a n d a l s o a n o s e t s h o r t p o s t a s i l l u s t r a t e d . A d i e l e c t r i c

l a y e r w i t h l o w p e r m i t t i v i t y ( = 2 1 ) i s a l s o u t i l i z e d b e t w e e n t h e t o p a n d g r o u n d p l a t e s .

T h e r e s o n a n t f r e q u e n c y i s c o n t r o l l e d b y t h e s i z e o f t h e c a p a c i t i v e l o a d ( d

c a p

w

c a p

) , t h e s l o t

l e n g t h a n d w i d t h ( l

s

w

s

) , a n d t h e o v e r a l l d i m e n s i o n s o f t h e a n t e n n a ( l

p i f a

w

p i f a

)

T o i n c l u d e t h e e e c t o f t h e m o b i l e t e l e p h o n e c i r c u i t c o m p o n e n t s w e m o u n t t h e P I F A o n t o

t h e e n d o f a p r i n t e d c i r c u i t b o a r d w i t h d i m e n s i o n s o f ( 1 2 8 3 5 ) m m . T h e p l a s t i c h a n d s e t

c a s i n g h a s n o t b e e n c o n s i d e r e d b u t t h e e e c t o f t h i s i s g e n e r a l l y t o r e d u c e t h e r e s o n a n t

f r e q u e n c y b y a p p r o x i m a t e l y 5 % 1 ] .

I I I . A n a l y s i s a n d R e s u l t s

T o u n d e r s t a n d t h e o p e r a t i o n o f o u r d e s i g n w e b e g i n w i t h a c o n v e n t i o n a l P I F A ( t h e c a -

p a c i t i v e l o a d , c a p a c i t i v e f e e d a n d s l o t s t r u c t u r e s a r e r e m o v e d ) , u s i n g a i r d i e l e c t r i c , w i t h



2

d i m e n s i o n s o f ( l

p i f a

w

p i f a

) = ( 2 5 2 6 ) m m , h e i g h t , h

p i f a

= 4 m m i n w h i c h t h e s h o r t p o s t i s

l o c a t e d a t d

s h o r t

= 1 3 m m a n d t h e c o a x f e e d i s c o n n e c t e d d i r e c t l y t o t h e t o p p l a t e . T h e r e s u l -

t a n t r e s o n a n t f r e q u e n c y f r o m n i t e { d i e r e n c e t i m e { d o m a i n ( F D T D ) s i m u l a t i o n s i s 2 . 2 G H z .

T o t h i s c o n v e n t i o n a l P I F A d e s i g n w e a d d , i n t u r n , t h e o s e t f e e d , c a p a c i t i v e l o a d , c a p a c i t i v e

f e e d , s l o t a n d d i e l e c t r i c t o d e t e r m i n e t h e i r e e c t .

B y o s e t t i n g t h e s h o r t p o s t t o d

s h o r t

= 5 m m t h e r e s o n a n t f r e q u e n c y i s d e c r e a s e d t o 1 . 9 5

G H z . B y a d d i n g a c a p a c i t i v e l o a d t o t h e d e s i g n w e c a n r e d u c e t h e r e s o n a n t f r e q u e n c y b y

a n y d e s i r e d a m o u n t a t t h e e x p e n s e o f o p e r a t i n g b a n d w i d t h 4 ] . H e r e w e a d d a n e q u i v a l e n t

c a p a c i t a n c e e q u a l t o C =

A

d

= 0 5 p F t o t h e e n d o f t h e c o n v e n t i o n a l P I F A , u s i n g p l a t e s

w

c a p

= 4 m m w i t h s e p a r a t i o n d

c a p

= 2 m m , a n d i n s e r t a c a p a c i t i v e f e e d l

c f

= 1 3 m m ( i t s

w i d t h i s t h e s a m e a s w

p i f a

) w i t h s e p a r a t i o n d

c f

= 2 m m t o p r o v i d e a g o o d m a t c h a t 5 0 .

T h e r e s u l t i n g r e s o n a n t f r e q u e n c y i s 1 . 6 4 G H z .

T o f u r t h e r d e c r e a s e t h e r e s o n a n t f r e q u e n c y , a s l o t i s c u t i n t o t h e a n t e n n a , s o t h e t o p

p l a t e c u r r e n t o w s a r o u n d t h e s l o t , c r e a t i n g a n e l e c t r i c a l l y l o n g e r a n t e n n a . F o r e v e r y 5 m m

i n c r e a s e i n s l o t l e n g t h t h e r e s o n a n t f r e q u e n c y a p p r o x i m a t e l y d e c r e a s e s b y 3 % . I f a s l o t o f

d i m e n s i o n s , ( l

s

w

s

) = ( 2 4 1 ) m m , i s p l a c e d a l o n g t h e c e n t e r o f t h e a n t e n n a ( d

s

= 1 2 m m )

t h e r e s o n a n t f r e q u e n c y i s r e d u c e d t o 1 . 4 G H z . F i n a l l y , t o a l l o w e a s i e r c o n s t r u c t i o n , a l o w {

l o s s d i e l e c t r i c m a t e r i a l ( = 2 1 ) i s p l a c e d b e t w e e n t h e t o p a n d g r o u n d p l a n e s r e s u l t i n g i n a

r e s o n a n t f r e q u e n c y o f 9 4 0 M H z .

E x p e r i m e n t a l r e s u l t s a r e p r o v i d e d i n g u r e 2 , w h e r e a b a n d w i d t h ( V S W R < 2 0 ) o f 7 %

c a n b e o b s e r v e d . C o m p a r i s o n w i t h F D T D s i m u l a t i o n s r e v e a l t h a t t h e s i m u l a t i o n s a c c u r a t e l y

p r e d i c t t h e r e s o n a n t f r e q u e n c y a n d d e g r e e o f m a t c h b u t u n d e r e s t i m a t e s t h e b a n d w i d t h .

I V . D u a l F r e q u e n c y A n t e n n a D e s i g n

B y m o d i f y i n g t h e P I F A d e s i g n d e s c r i b e d i n s e c t i o n s I I a n d I I I i t i s p o s s i b l e t o p r o d u c e a

d u a l f r e q u e n c y P I F A o p e r a t i n g a t b o t h 9 0 0 a n d 1 8 0 0 M H z w i t h t h e s a m e o v e r a l l d i m e n s i o n s .

T h e d u a l f r e q u e n c y m o d i c a t i o n u t i l i z e s a d u a l f e e d o n t h e a s s u m p t i o n t h a t r e c e i v e r s w i t h

d u a l f r o n t e n d s w i l l b e c o m e p o p u l a r a n d r e a d i l y a v a i l a b l e 5 ] .



3

T h e g e o m e t r y f o r t h e d u a l f r e q u e n c y P I F A i s p r o v i d e d i n g u r e 3 . I n t h e m o d i c a t i o n

w e h a v e c o n n e d t h e f e e d p l a t e s o t h a t i t d o e s n o t c r o s s t h e s l o t , s o t h a t t h e l e n g t h a n d

w i d t h o f t h e f e e d p l a t e a r e 1 3 m m a n d 1 0 m m r e s p e c t i v e l y . T h e e e c t o f t h i s i s t o d e c r e a s e

t h e i n p u t i m p e d a n c e , a s d e m o n s t r a t e d i n 4 ] , 6 ] , s o t h a t t h e b a n d w i d t h f o r w h i c h w e c a n

a c h i e v e a g o o d i m p e d a n c e m a t c h i s r e d u c e d . N o c h a n g e i n r e s o n a n t f r e q u e n c y o c c u r s . B y

t h e n r e m o v i n g a s e c t i o n o f t o p p l a t e f r o m t h e e n d o f t h e a n t e n n a , l

d

> 0 ( s e e g u r e 3 ) w e

n d t h a t w e c a n m a k e s p a c e f o r a n o t h e r P I F A o p e r a t i n g a t 1 8 0 0 M H z i n a s i m i l a r m a n n e r a s

d e s c r i b e d i n 3 ] . F o r e v e r y 5 m m o f t o p p l a t e r e m o v e d ( i . e . l

d

i n c r e a s e s b y 5 m m ) t h e r e s o n a n t

f r e q u e n c y o f t h e o r i g i n a l P I F A i n c r e a s e s b y a p p r o x i m a t e l y 2 % . B y r e m o v i n g e n o u g h t o p

p l a t e w e c a n t h e n i n s e r t a n o t h e r P I F A , f e d s e p a r a t e l y , w i t h t o p p l a t e d i m e n s i o n s l

d

= 2 3 m m

t h a t i s r e s o n a n t a t 1 8 0 0 M H z . A c a p a c i t i v e f e e d p l a t e i s a l s o e m p l o y e d f o r m a t c h i n g t h e

s e c o n d P I F A a n d i t s l e n g t h a n d w i d t h a r e 2 0 m m a n d 1 3 m m r e s p e c t i v e l y .

I n g e n e r a l t h e r e s o n a n t f r e q u e n c y f o r t h e l o w e r b a n d i s c o n t r o l l e d b y t h e c a p a c i t i v e l o a d ,

t h e s l o t , a n d t h e p h y s i c a l d i m e n s i o n s o f t h e a n t e n n a w h e r e a s , t h e r e s o n a n t f r e q u e n c y o f t h e

u p p e r b a n d i s c o n t r o l l e d b y o n l y t h e p h y s i c a l d i m e n s i o n s o f t h e i n s e r t e d a n t e n n a .

E x p e r i m e n t a l a n d F D T D r e s u l t s h a v e b e e n o b t a i n e d . T h e r e s o n a n t f r e q u e n c i e s o f t h e

d u a l b a n d a n t e n n a a r e 9 1 0 M H z a n d 1 7 9 0 M H z . T h e u p p e r b a n d h a s b e t t e r p e r f o r m a n c e

c h a r a c t e r i s t i c s w i t h a b a n d w i d t h o f 8 % a s i l l u s t r a t e d i n g u r e 4 . T h e b a n d w i d t h o f t h e

l o w e r f r e q u e n c y e l e m e n t i s 5 % w i t h a f r e q u e n c y r a n g e o f 4 0 M H z f r o m 8 9 0 t o 9 3 0 M H z .

V . C o n c l u s i o n s

A P I F A w i t h a s l o t a n d a c a p a c i t i v e l o a d i s i n t r o d u c e d . U s i n g o v e r a l l a n t e n n a d i m e n s i o n s

o f ( 2 5 2 6 ) m m w i t h a h e i g h t o f 4 m m a c o m p a c t a n t e n n a w i t h a b a n d w i d t h o f 7 % o p e r a t i n g

a t 9 4 0 M H z r e s u l t s . B y r e m o v i n g p a r t o f t h e t o p p l a t e a n d i n s e r t i n g a n o t h e r P I F A , a d u a l {

f e d d u a l { b a n d a n t e n n a i s a l s o c o n s t r u c t e d . T h i s a n t e n n a r e s o n a t e s i n t h e 9 0 0 M H z a n d

1 8 0 0 M H z b a n d s , p o t e n t i a l l y s u i t a b l e f o r b o t h c e l l u l a r a n d P C S o p e r a t i o n .



4

R e f e r e n c e s

1 ] M . A . J e n s e n a n d Y . R a h m a t - S a m i i , P e r f o r m a n c e A n a l y s i s o f A n t e n n a s f o r H a n d - H e l d T r a n s c i e v e r s

u s i n g F D T D , I E E E T r a n s a c t i o n s o n A n t e n n a s a n d P r o p a g a t i o n , A P - 4 2 , N o 8 , p p 1 1 0 6 - 1 1 1 3 , A u g u s t

1 9 9 4

2 ] G . F . P e d e r s e n a n d J . B a c h A n d e r s e n , I n t e g r a t e d A n t e n n a s f o r H a n d - h e l d T e l e p h o n e s w i t h L o w A b -

s o r p t i o n , P r o c c e d i n g s o f t h e I E E E V e h i c u l a r T e c h n o l o g y C o n f e r e n c e , p p 1 5 3 7 - 1 5 4 1 , S t o c k h o l m , S w e d e n ,

J u n e 8 - 1 0 , 1 9 9 4

3 ] Z . D . L i u , P . S . H a l l a n d D . W a k e , D u a l F r e q u e n c y P l a n a r I n v e r t e d - F A n t e n n a , I E E E T r a n s a c t i o n s o n

A n t e n n a s a n d P r o p a g a t i o n , A P - 4 5 , N o 1 0 , p p 1 4 5 1 - 1 4 5 8 , O c t o b e r 1 9 9 7

4 ] C . R . R o w e l l a n d R . D . M u r c h , A C a p a c i t i v e l y L o a d e d P I F A f o r c o m a p c t m o b i l e t e l e p h o n e h a n d s e t s ,

I E E E T r a n s a c t i o n s o n A n t e n n a s a n d P r o p a g a t i o n , A P - 4 5 , N o 5 , p p 8 3 7 - 8 4 2 , M a y , 1 9 9 7

5 ] T . A n t e s a n d C . C o n k l i n g , R F c h i p s e t t s m u l t i m o d e C e l l u l a r P C S H a n d s e t s , M i c r o w a v e a n d R F , V o l

3 5 , N o . 1 3 , p p 1 7 7 - 1 8 6 , D e c e m b e r 1 9 9 6

6 ] G u y A . E . V a n d e n b o s c h a n d A n t o i n e R . V a n d e C a p e l l e , S t u d y o f t h e C a p a c i t i v e l y F e d M i c r o s t r i p

A n t e n n a E l e m e n t , I E E E T r a n s a c t i o n s o n A n t e n n a s a n d P r o p a g a t i o n , A P - 4 2 , N o . 1 2 , p p 1 6 4 8 - 1 6 5 2 ,

D e c e m b e r 1 9 9 4



5

h pifa

l cf d cf

l pifa

d cap

wcap x

Side View

d s

Top View

w pifa

l s

w s

Capacitive LoadCapacitive Feed

d short

F i g . 1 . T o p a n d s i d e v i e w s o f t h e s i n g l e f r e q u e n c y a n t e n n a s t r u c t u r e . I n o u r d e s i g n ( l

p i f a

w

p i f a

) =

( 2 5 2 6 ) m m h

p i f a

= 4 m m w

c a p

= 4 m m d

c a p

= 2 m m l

c f

= 1 3 m m d

c f

= 2 m m d

s h o r t

=

5 m m ( l

s

w

s

) = ( 2 4 1 ) m m a n d d

s

= 1 2 m m

0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.21

1.2

1.4

1.6

1.8

2

2.2

2.4

2.6

2.8

3

Frequency (GHz)

F i g . 2 . V S W R C u r v e s f o r s i n g l e b a n d a n t e n n a . T h e s o l i d l i n e i s t h e F D T D s i m u l a t i o n r e s u l t s

a n d t h e d a s h e d l i n e r e p r e s e n t s t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s .



6

Top View

l s

w s

d s

l d

F i g . 3 . T h e t o p v i e w o f t h e d u a l - f e e d d u a l - f r e q u e n c y a n t e n n a . I n o u r d e s i g n l

d

= 2 3 m m

( l

s

w

s

) = ( 2 4 1 ) m m a n d d

s

= 1 2 m m . O t h e r w i s e t h e o v e r a l l d i m e n s i o n s a n d s i d e v i e w a r e t h e

s a m e a s i l l u s t r a t e d i n g u r e 1 .

1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.21

1.2

1.4

1.6

1.8

2

2.2

2.4

2.6

2.8

3

Frequency (GHz)

F i g . 4 . V S W R C u r v e s f o r d u a l b a n d a n t e n n a . T h e s o l i d l i n e i s t h e F D T D s i m u l a t i o n r e s u l t s a n d

t h e d a s h e d l i n e r e p r e s e n t s t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s .

dual frequency operation

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