study of the mutual coupling, correlations and efficiency of two pifa antennas on a small ground...

7/25/2019 Study of the mutual coupling, correlations and efficiency of two PIFA antennas on a small ground plane

1/4

S t u d y

o f t h e m u t u a l c o u p l i n g ,

c o r r e l a t i o n s

a n d

e f f i c i e n c y

o f

t w o

PIFA a n t e n n a s o n a

s m a l l

g r o u n d

p l a n e

Z h i n o n g

Y i n g ,

S o n y

E r i c s s o n M o b i l e C o m m u n i c a t i o n

A B , 2 2 1 8 8 , L u n d ,

S w e d e n

Dan

Z h a n g

Z h e j i a n g U n i v e r s i t y , H a n g z h o u ,

P . R . C h i n a

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

I n n e x t g e n e r a t i o n m o b i l e

c o m m u n i c a t i o n s

s y s t e m s , t h e r e

i s

a

n e e d

f o r

i n c r e a s i n g c a p a c i t y

o r

r e d u c i n g

i n t e r f e r e n c e

l e v e l b e t w e e n c h a n n e l s

i n

t h e

m o b i l e t e r m i n a l .

T h i s

m i g h t

b e

a c h i e v e d

b y i n t r o d u c i n g

m u l t i -

a n t e n n a

f u n c t i o n o n t h e t e r m i n a l . T o

s t u d y

t h e p e r f o r m a n c e

o f m u l t i - c h a n n e l

a n t e n n a

i n

m o b i l e

e n v i r o n m e n t ,

s o m e o f t h e

p r m e t e r s

h a v e b e e n

d e f i n e d

i n t h e

e a r l y

a c a d e m i c

j o u r n a l s [ 1 ]

[ 2 ] .

T h e

mean

e f f e c t i v e

g a i n ( M E G )

i s a s t a t i s t i c a l m e a s u r e

o f a n t e n n a

g a i n

i n m o b i l e e n v i r o n m e n t .

I n

MEG

c o m p u t a t i o n ,

t h e

p r o p a g a t i o n

m o d e l

i s

d e f i n e d

t o

d e s c r i b e

a

s p e c i f i c

m o b i l e

e n v i r o n m e n t .

T h e

c o r r e l a t i o n

c o e f f i c i e n t

o f t h e

a n t e n n a s

i s

a n o t h e r

i m p o r t a n t

p a r a m e t e r

t o

d e s c r i b e

t h e c o r r e l a t i o n

o f

t h e

a n t e n n a s .

T h o s e

p r m e t e r s

c a n b e c a l c u l a t e d

f r o m

t h e

3 - d i m e n s i o n a l

f a r f i e l d

c o m p l e x

r a d i a t i o n

p a t t e r n s

o f t h e

a n t e n n a s

w h i c h c a n b e g o t f r o m a

n u m e r i c a l m e t h o d o r

a n a d v a n c e d m e a s u r e m e n t

s y s t e m . [ 6 , 7 1

R e c e n t l y ,

s o m e t h e o r e t i c a l w o r k h a s s h o w t h a t i n s o m e

s i m p l y

c a s e o f t h e


s u c h

a s

a

u n i f o r m

r a n d o m f i e l d

c a s e ,

t h e c o r r e l a t i o n


c a n

b e

c a l c u l a t e d f r o m

t h e

n e a r f i e l d

p a r a m e t e r s

s u c h

S - p a r a m e t e r s

[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] .

T h i s

i s

a

v e r y

u s e f u l m e t h o d f o r m u l t i - c h a n n e l a n t e n n a c o r r e l a t i o n

e v a l u a t i o n w h i c h c a n s a v e a l o t

o f

t i m e

i n

t h e

a p p l i c a t i o n s ,

m u t u a l

c o u p l i n g

l o s s i s

a l s o i m p o r t a n t

p a r a m e t e r

t o m e a s u r e t h e

e f f i c i e n c y

o f m u l t i - a n t e n n a

s y s t e m .

P I F A

a n t e n n a

i s

a n

i m p o r t a n t c l a s s

o f

a n t e n n a ,

w h i c h

i s

c o m m o n l y

u s e d

i n

t h e m o b i l e t e r m i n a l s .

I n

t h i s

p a p e r ,

we u s e t h e

m e t h o d

o f

m o m e n t t o

s t u d y

t h e m u t u a l

c o u p l i n g ,

c o r r e l a t i o n s ,

a n d

a n t e n n a

e f f i c i e n c y

o f t w o

P I F A

a n t e n n a s

w h i c h

a r e

o p e r a t i n g

a t

W LAN

f r e q u e n c y .

T h e

a n t e n n a s

a r e

p l a c e d

o n

a

s m a l l

g r o u n d p l a n

1 0 0 * 4 0 m m

w i t h d i f f e r e n t l o c a t i o n s

a n d

o r i e n t a t i o n s . T h e s i m u l a t i o n i s

c o m p a r e d

w i t h

t h e

m e a s u r e d

r e s u l t s .

T h e r e s u l t s

w i l l b e

v e r y

u s e f u l

g u i d e

l i n e f o r

t h i s

k i n d

a n t e n n a

s y s t e m

d e s i g n

f o r

t h e

f u t u r e .

T e s t

p a r a m e t e r s

a n d

c a s e s

T h e m u t u a l

c o u p l i n g

b e t w e e n

t h e a n t e n n a s c a n

b e m e a s u r e d

f r o m

S

p a r a m e t e r s :

S 2

1 , w h i c h

c a n

b e s i m u l a t e d

o r

t e s t e d

r e l a t i v e l y e a s i l y . H i g h e r

m u t u a l

c o u p l i n g

m e a n s l o w e r a n t e n n a

e f f i c i e n c y ,

t h e

r a d i a t i o n

e f f i c i e n c y

c a n

b e

c a l c u l a t e d . T h e c o r r e l a t i o n c o e f f i c i e n t i s

u s u a l l y

c a l c u l a t e d

f r o m t h e 3 -

d i m e n s i o n a l

r a d i a t i o n

p a t t e r n s

[ 6 , 7 ] . R e c e n t l y ,

s o m e

t h e o r e t i c a l

w o r k

h a s s h o w t h a t

i n

s o m e

s i m p l y

c a s e

o f

t h e


s u c h

a s

a

u n i f o r m

r a n d o m

f i e l d c a s e ,

t h e

c o r r e l a t i o n c o e f f i c i e n t

c a n

b e

c a l c u l a t e d

f r o m t h e n e a r

f i e l d

p a r a m e t e r s

s u c h


[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] .

When

t h e

p r o p a g a t i o n

i s

a s s u m e d

a n

u n i f o r m r a n d o m

f i e l d ,

t h e c o r r e l a t i o n c o e f f i c i e n t c a n b e

e x p r e s s e d

a s t h e

n e a r

f i e l d


a s :

I S ; I S I + S * l S 1 2 2

n ~

~~~1

= 1 2

2 1

2 2

2 I

P e

=

S 1 S 1

;12

I

( 1 -

S

1 1 2

- S 2

1 2

1 - 1 S 2 2 1 1 S 1 2 1 2

I n

t h i s

w a y ,

t h e


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

q u i c k l y .

T h e

t e s t c a s e i n

t h i s s t u d y

i s

d e f i n e d

a s

f o l l o w i n g ,

t h e

g r o u n d p l a n e

s i z e

i s

1 0 0 * 4 0 m m ,

t w o P I F A

a n t e n n a s

a r e

m o u n t e d

o r t h o g o n a l l y

a n d

p a r a l l e l

o n

t h e

s u r f a c e .

O n e

o f

t h e

P I F A

a n t e n n a s

( a n t e n n a

1 )

i s

l o c a t e d

a t

t o p

o f

P C B ,

a n o t h e r a n t e n n a

( a n t e n n a 2 )

i s m o v e d

a r o u n d

o n t h e

P CB t o

t e s t

t h e

S - p a r a m e t e r s .

T h e n m u t u a l

c o u p l i n g ,

c o r r e l a t i o n s ,

b a n d w i d t h a n d r a d i a t i o n

e f f i c i e n c y

c a n

b e c a l c u l a t e d .

0 - 7 8 0 3 - 8 8 8 3 - 6 / 0 5 / 2 0 . 0 0

2 0 0 5

I E E E

3 0 5


2/4

Case 1

C a s e I

s h o w s

o n e

P L F A

a n t e n n a ( a n t e n n a

1 )

i s m o u n t e d

h o r i z o n t a l l y

a t

t o p

o f

P C B ,

a n o t h e r

( a n t e n n a 2 )

i s

m o u n t e d v e r t i c a l l y

a b o v e P C B . T h e

a n t e n n a s y s t e m i s

s h o w n i n

F i g .

1 .

F i g .

I Two

PIFA a n t e n n a o n

t h e f i n i t e g r o u n d p l a n e ,

i t

s h o w s

p o r t

I a n d

p o r t 2

l o c a t i o n s .

T h e

s i m u l a t e d

S - p a r a m e t e r s f o r

a p a r t i c u l a r

p o i n t

i n c a s e I a r e shown i n

F i g . 2 ( a ) , w h i c h

i s c o m p a r e d

w i t h

t h e

m e a s u r e d

r e s u l t s i n

1 6 ] .

V e r y

g o o d

a g r e e m e n t

w a s

f o u n d .

T h e c e n t r e

f r e q u e n c y i s 2 . 4 5 G H z ,

b o t h a n t e n n a

a r e

w e l l

m a t c h e d , t h e m u t u a l

c o u p l i n g

a t

c e n t r e

f r e q u e n c y

i s

a b o u t - 1 5 d B . T h e c o r r e l a t i o n


i s

c a l c u l a t e d

a c c o r d i n g t o

e q u a t i o n ( I ) a n d

shown i n

f i g . 2

( b ) ,

i t

s h o w s

t h e

a n t e n n a s

h a v e

v e r y l o w

c o r r e l a t i o n s , t h e b e t t e r

m a t c h i n g ,

t h e

l o w e r c o r r e l a t i o n i t

h a s .

i _

__

~ ~ ~ ~ ~ , - . , -

~ ~

F i g .

2 .

( a )

S i m u l a t e d S I

1 , S 2 1 , S 2 2

o f t h e a n t e n n a

s y s t e m ;

( b )

c a l c u l a t e d

c o r r e l a t i o n c o e f f i c i e n c y .

W h e r e

i s t h e

b e s t l o c a t i o n

f o r

a n t e nn a 2 ? We

moved

t h e

a n t e n n a

2

w i t h

10mm

s t e p s b o t h

h o r i z o n t a l l y

a n d v e r t i c a l l y . T h e

S 2 1 r e s u l t s

a n d c o r r e l a t i o n s a t

c e n t r e

f r e q u e n c y

a r e

s h o w n

i n

F i g . 3 a s a

3 - D f i g u r e .

T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e l e f t

s i d e

e d g e

h a s a minimum

c o u p l i n g

a n d

r i g h t t o p

a n d

b o t t o m h a v e

r e l a t i v e l y h i g h c o u p l i n g . T h e

c o r r e l a t i o n s a r e

q u i t e l o w

s i n c e b o t h a n t e n n a s

a r e

w e l l

m a t c h e d ,

i t

s h o w s

t h e

c l o s e r ,

t h e

h i g h e r

c o r r e l a t i o n t h e

a n t e n n a

g e t s .

3 0 6


3/4

F i g .

3 ,

t h e l e f t

s h o w s

t h e

S 2 1 p a r a m e t e r

when

a n t e n n a

2 a t d i f f e r e n t p o s i t i o n s , t h e

r i g h t

s h o w s t h e


when

a n t e n n a

2 a t d i f f e r e n t

p o s i t i o n s .

T h e b a n d w i d t h

o f a n t e n n a

2 d e p e n d s

o n

t h e p o s i t i o n

a s w e l l , t h e r e s u l t s a r e s h o w n i n

F i g .

4 .

I t

s h o w s t h e

b a n d w i d t h

a t b o t h

s i d e

e d g e s i s

l a r g e r

t h a n

i n t h e c e n t r e

o f

t h e g r o u n d p l a n e .

T h e

l e f t e d g e n e a r

b o t t o m ,

i t

h a s

l o w

m u t u a l

c o u p l i n g ,

l o w c o r r e l a t i o n ,

a n d g o o d b a n d w i d t h ( a b o u t 7 . 5 b a n d w i d t h ) .

C a s e 2

We

d i d

t h e

s t u d y

o f

t h e

c a s e

b o t h

t w o

P l F A

a n t e n n a s

a r e

h o r i z o n t a l ,

f e e d i n g

p o i n t s a r e

a t

s a m e

s i d e ,

a s

s h o w n

i n

F i g . 5 .

I n t h i s

c a s e ,

t h e c o u p l i n g

i s

v e r y h i g h

when

t h e

a n t e n n a

i s

c l o s e t o e a c h

o t h e r ,

t h e

b e s t

i s o l a t i o n i s

a n t e n n a

2 a t n e a r

b o t t o m

a r o u n d

- I O d B .

0 - 4

~~~~~~~~~~~

41

- - - - - -

- 1 2

4

12 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~1

F i g . 5 c a s e

2

s h o w s

b o t h t w o

P I F A

a n t e n n a s

a r e h o r i z o n t a l ,

t h e

r i g h t

f i g u r e

s h o w s t h e

S 2 1

r e s u l t s when

a n t e n n a

2 i n

d i f f e r e n t

p o s i t i o n s .

3 0 7


4/4

F i g . 6 s h o w s

t h e

c a l c u l a t e d

c o r r e l a t i o n s o f c a s e

2 .

I n

t h i s

c a s e ,

t h e

c o r r e l a t i o n r e d u c e s

d r a m a t i c a l l y ,

i t

w a s f o u n d t h e

a n t e n n a b a n d w i d t h i n

c a s e

2 a r e

m u c h

s m a l l ,

a r o u n d

3 .

- 3 0 ,

- 7 0

1 0

M o r e

a n t e n n a

o r i e n t a t i o n s a n d

p o s i t i o n s

a r e

s t u d i e d ,

t h e r e s u l t s

c a n

b e f o u n d

i n

t h e

[ 8 ] .

C o n c l u s i o n s

T h e

m u t u a l c o u p l i n g , c o r r e l a t i o n c o


b a nd w i d t h a n d r a d i a t i o n

e f f i c i e n c y

a r e s t u d i e d f o r a t w o

P I F A a n t e n n a

s y s t e m

o n

a s m a l l

g r o u n d p l a n e .

T h e r e s u l t s

s h o w ,

t h e m u t u a l

c o u p l i n g

i n

m u l t i

a n t e n n a

s y s t e m

c a n

r e s u l t

i n t h e l o w

a n t e n n a


h i g h e r

c o r r e l a t i o n s .

S o m e

p o s i t i o n s

w h i c h h a v e l e s s

c o u p l i n g

( m o r e

t h a n

1 5 d B

i s o l a t i o n ,

l o w


a n d

g o o d

b a n d w i d t h a r e

f o u n d .

T h e

c o r r e l a t i o n s

a r e

d e p e n d i n g

o n

S 1 , S 2 1

a n d

S 2 2 ,

f r o m

e q u a t i o n

1 ,

we

f o u n d ,

t h e b e t t e r

m a t c h e d t h e

a n t e n n a

g e t s ,

t h e l o w

c o r r e l a t i o n i t h a s .

R e f e r e n c e s

[ 1 1

V a u g h a n ,

R . G . a n d

A n d e r s e n , J . B . ,

A n t e n n a

d i v e r s i t y

i n m o b i l e

c o m m u n i c a t i o n s ,

EEE

T r a n s .

V e h .

T e c h n o l . ,

1 9 8 7 ,

3 6 ,

p p . 1 4 6 - 1 7 2 .

[ 2 ]

T a g a ,

T . ,

A n a l y s i s

f o r

m e a n

e f f e c t i v e

g a i n

o f m o b i l e a n t e n n a s

i n l a n d

m o b i l e

r a d i o


E E E E T r a n s . V e h .

T e c h n o l . , 1 9 9 0 , v o I 3 9 , p p .

1 1 7 - 1 3 1 .

[ 3 1

B l a n c h

S . ,

Romeu J .

a n d

C o r b e l l a

I . ,

E x a c t

r e p r e s e n t a t i o n

o f

a n t e n n a

s y s t e m

d i v e r s i t y p e r f o r m a n c e

f r o m

i n p u t

p a r a m e t e r d e s c r i p t i o n ,

I E E

E l e c t r o n i c s

L e t t e r s , v o l . 3 9 ,

p p . 7 0 5 - 7 0 7 ,

M a y ,

2 0 0 3 .

[ 4 ]

S a l o n e n I a n d

V a i n i k a i n e n ,

E s t i m a t i o n o f

s i g n a l


i n a n t e n n a

a r r a y s ,

P r o c . J I N A

2 0 0 2 ,

N i c e F r a n c e .

[ 5 ]

D e r n e r y d

A . a n d K r i s t e n s s o n

G . ,

A n t e n n a s

s i g n a l

c o r r e l a t i o n a n d

i t s

r e l a t i o n t o

t h e

i m p e d a n c e

m a t r i x ,

E l e c t r o n i c s

l e t t e r s ,

2 0 0 4 ,

v o l . 4 0 ,

N o . 7 , p p . 4 0 1 - 4 0 2 .

[ 6 1

P l i c a n i c

V .

A n t e n n a

d i v e r s i t y s t u d y

a n d

e v a l u a t i o n ,

M a s t e r

T h e s i s ,

L T H ,

2 0 0 4 . M a y .

[ 7 1

Y i n g Z . ,

e t .

a l . ,

C h a r a c t e r i z a t i o n o f

m u l t i - c h a n n e l

a n t e n n a

p e r f o r m a n c e

f o r

m o b i l e

t e r m i n a l

b y

u s i n g

n e a r f i e l d a n d f a r f i e l d

p a r a m e t e r s ,

COST

2 7 3 ,

T D ( 0 4 ) 0 9 5 ,

2 0 0 4 .

[ 8 1

Z h a n g

D . , S t u d y

o f t w o

P l F A

a n t e n n a s

o v e r

a s m a l l

g r o u n d

p l a n e ,

BS

t h e s i s ,

Z h e j i a n g U n i v e r s i t y ,

2 0 0 4 ,

J u n e .

3 0 8

study of the mutual coupling, correlations and efficiency of two pifa antennas on a small ground...

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