Chapter 1

CHAPTER‐1 

Chapter­1  Introduction    With  the  rapid  growth  of  wireless  communications  there  is  a  growing  demand for  mobile  phones  that  are  small,  attractive,  lightweight,  and  curvy.  This  has  resulted  in  the  proliferation  of  handsets  with  antennas  that  are  internal  or  hidden within the device. An internal antenna makes the handset look much nicer  and compact.   The sizes and weights of mobile handsets have rapidly been reduced due to  the development of modern integrated circuit technology and the requirements of  the  users.  Conventional  monopole‐like  antennas  have  remained  relatively  large  compared  to  the  handset  itself.  Thus,  built‐in  antennas  are  becoming  very  promising candidates for applications in mobile handsets.   Most built‐in antennas currently used in mobile phones are based on planar  inverted‐F antennas (PIFAs). In addition, since the antenna is inside the phone it is  not  prone  to  breakage  or  damage,  which  is  commonly  encountered  with  the  so‐ called  external  stub‐type  antenna.  Currently  mobile  phones  with  small  internal  antennas are already in the market.   Designing  an  internal  antenna  for  a  mobile  phone  is  difficult  especially  when dual or multiband operation is required. Although obtaining dual‐frequency  resonance  is  straightforward,  satisfying  the  bandwidth  requirement  for  the  respective communication bands is difficult. Further complications arise when the  antenna  has  to  operate  in  close  proximity  to  objects  like  shielding  cans,  screws,  battery, and various other metallic objects. Currently, many mobile telephones use  one or more of the following frequency bands: the GSM (Global System for Mobile  Communication)  band,  centered  at  900  MHz;  the  DCS  (Digital  Communication  System)  band,  centered  at  1800  MHz;  and  the  PCS  (Personal  Communication  Services) band, centered at 1900 MHz   ‐ 1 ‐   

CHAPTER‐1 

If merger of technologies is considered where both advanced mobile phone  services  systems  (AMPS)  and  GSM  systems  are  integrated  in  one  phone,  triple‐ band or even quad‐band antennas may be needed.    

1.

Planar Antennas   

1.1

Review of Basic Planar Antennas  The  most  commonly  used  planar antennas  in  communication  industry  are 

the  microstrip  patch  antenna  and  the  planar  inverted‐F  antenna.  These  antennas  are  increasing  in  popularity  for  use  in  wireless  applications  due  to  their  low‐ profile  structure.  They  can  be  easily  integrated  on  the  circuit  board  of  a  communication  device  to  reduce  the  packaging  cost  [1,  2].  Therefore,  they  are  extremely  compatible  for  embedded  antennas  in  handheld  wireless  devices  such  as cellular phones, pagers, laptops, tablet PC’s, PDA’s (Personal digital assistants)  etc [3‐5]. The telemetry and communication antennas on missiles need to be thin  and  conformal  and  are  often  planar  antennas  [6,  7].  Radar  altimeters  use  small  arrays of planar antennas. Another area where they have been used successfully is  in satellite communication [8‐10] and satellite imaging systems [2]. Smart weapon  systems use planar antennas because of their thin profile [2]. Novel planar antenna  designs for achieving broadband circular polarization and dual polarized radiation  in  the  WLAN  band  for  overcoming  the  multipath  fading  problem  to  enhance  the  system performance have been recently demonstrated [1, 10]. Planar antennas are  also  frequently  used  in  remote  sensing,  biomedical  applications  and  in  personal  communications.   Nowadays PIFAs  (Planar  inverted‐F  antenna)  are  more  commonly  used  in  RFID tags. We look at these two antennas in a little more detail in regards to basic  operation, advantages and disadvantages. 

      ‐ 2 ‐   

CHAPTER‐1 

1.2

Microstrip Patch Antennas  In  its  most  basic  form,  a  microstrip  patch  antenna  consists  of  a  radiating 

patch on one side of a dielectric substrate and a ground plane on the other side as  shown in Figure 1.1. The patch is generally made of conducting  material and can  take any possible shape. The radiating patch and the feed lines are usually photo  etched  on  the  dielectric  substrate.  Microstrip  patch  antennas  radiate  primarily  because  of  the  fringing  fields  between  the  patch  edge  and  the  ground  plane.  The  length  L  of  the  rectangular  patch  for  the  fundamental  TM10  mode  excitation  is  slightly less than λ/2. For good antenna performance, a thick dielectric substrate  having a low dielectric constant is desirable, since this provides better efficiency,  larger bandwidth and better radiation [1]. However, such a configuration leads to a  larger antenna size. In order to design a compact microstrip patch antenna, higher  dielectric  constants  must  be  used,  but  it  is  less  efficient  and  results  in  narrower  bandwidth.  Hence  a  compromise  must  be  reached  between  antenna  dimensions  and antenna performance.  

 

    Figure 1.1 Structure of microstrip patch antenna [23]  ‐ 3 ‐   

CHAPTER‐1 

In general, rectangular microstrip antennas, with a thin dielectric substrate  are  half‐wavelength  structures  and  are  operated  at  the  fundamental  resonant  mode  transverse  magnetic  (TM01)  or  transverse  electric  (TM10),  with  a  resonant  frequency given as[1]:               f ≅

c 2L ε r

                                                                             

                            (1.1) 

Where  c  is  the  speed  of  light,  L  is  the  patch  length  of  the  rectangular  microstrip  antenna,  and  ε r   is  the  relative  permittivity  of  the  grounded  dielectric  substrate.  

  1.2.1   Basic Design Characteristics of Patch Antenna [23]:  •  Patch thickness t (t<<λ0), where λ0 is free space wavelength.  •  Substrate height h (h<< λ0), usually 0.003 λ0≤ h≤0.05 λ0.  •  For rectangular patch, the length L of element is (λ0/3
1.2.2  Some  of  the  Principal  Advantages  of  Patch  Antennas  [23, 34]:  1. Light weight, small volume and low planar configuration  2. Can be easily made conformal to host surface   ‐ 4 ‐   

CHAPTER‐1 

3. Ease of mass production using printed‐circuit technology, leads to  low   fabrication cost.  4. Supports both linear as well as circular polarization  5. Easier to integrate with microwave integrated circuits (MIC)  6. Capable of dual and triple frequency operations  7. Mechanically robust when mounted on rigid surfaces    Microstrip patch antennas suffer from a number of disadvantages as compared to  conventional antennas.    

1.2.3  Some of Their Major Disadvantages [23, 34]:  1. Narrow bandwidth  2. Low efficiency 

3. Low Gain  4. Extraneous radiation from feeds and junctions  5. Low power handling capacity  6. Surface wave excitation   

1.2.4  Microstrip Losses [23]  Microstrip  antennas  are  based  on  microstrip  line  concepts.  Losses  associated  with  the  microstrip  lines  are  also  associated  with  the  microstrip  antennas.  Loss  components  of  a  microstrip  line  include  dielectric  loss,  conductor  loss  and  radiation  loss.  Inherent  causes  viz;  loss  tangent  and  extraneous  source  such as conductor surface roughness, affect the microstrip losses.   

1.2.4.1 Dielectric Loss  The cause of dielectric loss is the loss tangent value. Loss tangent depends  on the substrate properties. A substrate with high loss tangent will result in high 

‐ 5 ‐   

CHAPTER‐1 

dielectric  loss  and  vice  versa.  Therefore  choosing  a  substrate  with  a  low  loss  tangent will be ideal.   

1.2.4.2 Conductor Loss  Conductor  loss  arises  from  conductor  surface  roughness  and  skin  effect.  Imperfection in the fabrication process or improper handling will cause conductor  surface roughness.  “Skin  effect  is  the  tendency  of  an  alternating  electric  current  to  distribute  itself  within  a  conductor  so  that  the  current  density  near  the  surface  of  the  conductor is greater than that at its core. That is, the electric current tends to flow  at the "skin" of the conductor.” As the frequency increases, the effective resistance  of the conductor will increase due to skin effect. 

  1.2.4.3 Radiation Loss  Radiation  loss  is  caused  by  radiation  that  is  propagated  away  or  current  that  is  induced  on  the  enclosure  of  the  microstrip.  It  is  also  contributed  by  the  dielectric  constant.  So,  as  with  dielectric  loss,  radiation  loss  can  be  reduced  by  having a substrate with a higher dielectric constant.   

1.2.5 Applications of  Microstrip Antennas[23, 34]:  The  applications  for  microstrip  antennas  were  those  requiring  small,  lightweight,  low  profile,  low‐cost  conformal  structures.  Microstrip  antennas  of  various types have thus been developed for use in mobile communication systems.  The  practical  applications  for  mobile  systems  are  in  portable  or  pocket  sized  equipment  such  as  UHF  pagers,  cell  phones  and  manpack  radars,  and  in  vehicles  such as cars, ships and aircrafts. The antennas used on missiles for telemetry and  communication  are  generally  microstrip  antennas.  Small  arrays  of  microstrip  radiators are used for radar altimeter antennas. 

‐ 6 ‐   

CHAPTER‐1 

Other  airborne  applications  include  antennas  for  telephone  and  satellite  communication.  Microstrip  arrays  have  been  used  on  satellite  imaging  systems  such as SEASAT and SIR‐A. Smart weapons use microstrip for their thin profile and  low  cost.  Current  terrestrial  cellular  communication  systems  cannot  provide  complete  coverage  over  a  large  global  region.  As  a  result,  mobile‐to‐mobile  communication  would  not  be  available  in  rural  areas  where  no  cellular  station  exists.  A  satellite  based  system  can  fulfill  these  needs  by  using  either  a  few  geostationary satellites or a large  number of  low‐earth  orbiting satellites such  as  the  Iridium  system  which  employs  66  satellites.  Multiple  high  gain  microstrip  phased  arrays  are  used  on  each  satellite  so  that  the  low  gain  omni‐directional  antennas  on  the  handheld  phones  on  the  ground  can  be  served.  Each  of  the  satellite’s phased array employs hundreds of microstrip patches.   Antennas for land mobile communications can be divided into those, meant  for base stations and those for receivers. For base stations, the antenna radiates a  sector beam in the horizontal plane in the 900 MHz band. A number of microstrip  antenna arrays have been developed for this purpose. Such arrays usually employ  two  or  four  sub  arrays.  Each  sub  array  consists  of  2X4  microstrip  elements  with  each  element  being  a  broadband  microstrip  element.  For  handheld  portable  equipment  like  cell  phones  and  pagers,  small  size  and  lightweight  antennas  are  required.  Special  microstrip  antennas  are  used  for  this  purpose,  by  modifying  ordinary microstrip patch, by loading it with a short circuit, a dielectric cover with  high εr  to restore gain and electromagnetic coupling of feed is used to avoid direct  feed impedance mismatch problem.  Microstrip  antennas  have  even  found  application  in  the  field  of  medicine.  Microwave energy has been found to be one of the most effective ways of inducing  hyperthermia  when  treating  malignant  tumors.  The  radiator  to  be  used  in  these  cases  must  conform  to  the  surface  being  treated  and  be  lightweight,  rugged  and  easy to handle and only a microstrip patch can satisfy these criteria.      ‐ 7 ‐   

CHAPTER‐1 

1.3

Planar Inverted­F Antennas[1]  The  Inverted‐F  Antenna  (IFA)  typically  consists  of  a  rectangular  planar 

element located above a ground plane, a short circuiting plate or pin, and a feeding  mechanism  for  the  planar  element.  The  Inverted  F  antenna  is  a  variant  of  the  monopole where the top section has been folded down so as to be parallel with the  ground plane. This is done to reduce the height of the antenna, while maintaining a  resonant  trace  length.  This  parallel  section  introduces  capacitance  to  the  input  impedance of the antenna, which is compensated by implementing a short‐circuit  stub.  The  stub’s  end  is  connected  to  the  ground  plane  through  via.  The  planar  inverted‐F antenna (PIFA) can be considered as a kind of linear Inverted‐F antenna  (IFA) with the wire radiator element replaced by a plate to expand the bandwidth.  

                 

  Figure 1.2 Basic PIFA structure [1]. 

  So,  unlike  microstrip  antennas  that  are  conventionally  made  of  half  wavelength  dimensions,  PIFA’s  are  made  of  just  quarter‐wavelength.  The  ground  plane of the antenna plays a significant role in its operation. Excitation of currents  in the PIFA causes excitation of currents in the ground plane.  PIFA has proved to  be  the  most  widely  used  internal  antenna  in  commercial  applications  of  cellular  communication. In most of the research publications/ patents on multi‐band PIFA  technology, the major success has been the design of a single feed PIFA with dual  resonant  frequencies  resulting  in  essentially  a  Dual  Band  PIFA.  Depending  upon  the achievable bandwidth around the resonant frequencies, the dual resonant PIFA  can potentially cover more than 2 bands.  ‐ 8 ‐   

CHAPTER‐1 

1.3.1  Some of the Principal Advantages of PIFAs:  1. PIFA’s  are  just  quarter  wavelength  in  length  and  hence  are  much  shorter than conventional patch antennas.  2.  PIFA can easily be placed into the housing of the mobile phones as  compared to whip/rod/helix antennas.  3. PIFA  has  reduced  backward  radiation  toward  the  user’s  head,  minimizing the electromagnetic wave power absorption, called SAR  (Specific Absorption Rate) and enhances antenna performance.  4. PIFA exhibits moderate to high gain in both  vertical and horizontal  states of polarization.   This  feature  is  very  useful  in  certain  wireless  communications  where  the  antenna orientation is not fixed and the reflections are present from the different  corners  of  the  environment.  In  those  cases,  the  important  parameter  to  be  considered is the total field that is the vector sum of horizontal and vertical states  of polarization. 

  1.3.2  Some of Their Major Disadvantages:  1. Narrow bandwidth characteristic of PIFA is one of the limitations for  its  commercial  application  for  wireless  mobile.  However  there  are  methods  to  increase  the  bandwidth  of  PIFA.  These  methods  are  discussed in detail in chapter‐3.[1]  2. The  mechanical  difficulty,  the  requirement  of  precise  position  between  feed  pin  connection  and  short  circuited  plate  to  obtain  input  impedance  of  50  ohm,  is  another  problem  in  the  practical  application of PIFAs.           ‐ 9 ‐   

CHAPTER‐1 

1.4    Analytical Models for Microstrip Antennas [23]  Analysis  can  provide  an  understanding  of  the  operating  principles  that  could be useful for a new design, for modifications of an existing design, and for the  development of new antenna configurations.   

The objective of antenna analysis is to predict the radiation  characteristics 

such  as  radiation  patterns,  gain,  and  polarization  as  well  as  near‐field  characteristics  such  as  input  impedance,  impedance  bandwidth,  mutual  coupling,  and antenna efficiency.    These models include:  1. Transmission line model  2. Generalized transmission line model  3. Cavity model  4. Multiport network model  These techniques maintain simplicity at the expense of accuracy. Full‐wave  methods have received increasing attention due to their rigor and higher accuracy.  These  are,  in  general,  based  on  Sommerfeld‐type  integral  equations,  and  the  solution of Maxwell’s equations in the time domain. Prominent numerical methods  include  integral  equation  analysis  in  the  spectral  domain,  integral  equation  analysis  in  the  space  domain,  and  the  finite‐difference  time‐domain  (FDTD)  approach.   

1.4.1  Two Main Approaches Are:  1. Method  of  Moments  approach  (Frequency  domain  integral  equation model based)  2. The finite‐difference time‐domain (FDTD) approach (Time domain  differential equation model based).  First  one  approach  is  discussed  in  detail  in  the  chapter‐4.  In  this  dissertation work IE3D simulation software package is used which is based on the  Method of Moments.  ‐ 10 ‐   

CHAPTER‐1 

1.5    Problem Background   Traditionally  most  mobile  phones  and  handset  haven  been  equipped  with  the  monopole  antennas,  monopole  antenna  are  very  simple  in  design  and  construction and are well suited to mobile communication applications. The most  common λ/4 monopole antenna is the whip antenna, which can operate at range of  frequencies  and  deal  with  most  environmental  conditions,  better  than  other  monopole antennas.   However,  the  monopole  antenna  possesses  a  number  of  drawbacks.  Monopole antennas are relatively large in size and protrude from the handset case  in  an  awkward  way.  This  problem  with  the  monopole’s  obstructive  and  space  demanding  structure  also  complicate  any  efforts  taken  to  equip  a  handset  with  several antennas to enable multilane operation. Monopole antennas also lack any  built‐in  shielding  mechanisms,  to  direct  any  radiating  waves  away  from  user’s  body, thus increasing the potential risk of producing cancerous tumors growth in  the user’s head and reducing the antenna efficiency.   In recent years, the demand for compact handheld communication  devices  has  grown  significantly.  Devices  smaller  than  palm  size  have  appeared  in  the  market.  Antenna  size  is  a  major  factor  that  limits  device  miniaturization.  In  addition  to  solve  the  problem  of  broadening  the  antenna  bandwidth  to  the  required  specification  of  the  system,  one  has  to  worry  about  developing  new  structure for devices that require more than one frequency band of operation.   Multiband  wireless  phone  has  become  popular  recently  because  they  permit  people  to  use  the  same  phone  in  multi  network  that  have  different  frequencies. Table 1.1 lists a few useful wireless applications and their operating  frequencies.  Systems  that  require  multiband  operation  require  antenna  that  resonate  at  the  specific  frequencies.  This  only  adds  complexity  to  the  antenna  design problem.         ‐ 11 ‐   

CHAPTER‐1 

Table 1.1: Frequency Bands for a few Wireless Applications.  

  Wireless 

Frequency 

Applications  

(MHz)  

GSM‐900  

890‐960  

GSM‐1800 (DCS) 

1710‐1880  

GSM‐1900(USA) 

1850‐1990  

Bands 

(PCS)  3G‐(UMTS2000)  

1885‐2200  

(WLAN)or ISM 

2400‐2483 

    1.6    Objectives  and  Methodology  of  the  Dissertation  Work   The  fundamental  aim  of  this  thesis  is  to  design  a  multi  band  antenna  suitable  for  telephone  handsets.  By  using  suitable  antenna,  the  space  demand  of  the  antenna  as  part  of  a  telephone  handset  can  be  minimized,  thus  reducing  the  obtrusiveness of the handset’s appearance.   This design has these primary objectives:  •

Select  and  design  an  efficient,  low  profile  and  realizable  antenna  capable of operating at a number of frequencies bands 

•

Verify  the  operations  of  the  antenna  at  the  prescribed  frequencies  in  terms  of  impedance  and  field  patterns,  using  electromagnetic  simulation  software  ZELAND  IE3D  which  is  based  on  Method  of  Moments. 

•

Discuss the simulated result in  terms of return loss, radiation pattern,  antenna gain and efficiency.  

‐ 12 ‐   

CHAPTER‐1 

In  order  to  achieve  the  first  objective  as  set  out  above,  a  comprehensive  literature  review  is  required  to  obtain  an  antenna  that  requires  minimal  modification to suit the requirements of this design. As the process of optimizing  an antenna’s dimensions to meet a set of specifications is highly rigorous, fading an  antenna  that  operates  efficiently  at  three  required  frequencies,  as  well  being  compact and having a low profile, is very much desired.  

  1.7    Organization of the Thesis   Chapter­1 

This  chapter  includes  the  introduction  part  of  the  project,  the  problem  background  with  the  objectives,  methodology  and  the  implementation plan of this project.  

Chapter­2 

This  chapter  represents  the  literature  review,  including  the  historical developments.  

Chapter­3 

This  chapter  represents  designing  theory  of  multiband  antenna,  antenna size reduction and bandwidth enhancement techniques. 

Chapter­4 

This chapter represents design and simulation, overview on Method  of Moments (MoM) Technique, introduction to Zeland IE3D software  and its features. 

Chapter­5 

This chapter includes the result and the discussion of the simulation,  in  terms  of  return  Loss,  efficiency,  gain,  the  two‐dimensional  near‐ field patterns and the two‐dimensional far‐field patterns.  

Chapter­6 

This chapter represents conclusions and future work. 

   After that References are given. Designing procedures and simulation set up  are given in Appendix.

‐ 13 ‐