A Compact Tri-Band PIFA With Multiple-Folded Parasitic Elements

8/6/2019 A Compact Tri-Band PIFA With Multiple-Folded Parasitic Elements

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A Compact T r i - B a n d PIFA w i t h M u l t i p l e - F o l d e d P a r a s i t i c E l e m e n t sD o n g - y e o n K i m , J a e W. L e e , C h o o n S i k C h o , a n d J a e h e u n g Kim*

S c h o o l o f E l e c t r o n i c s , T e l e c o m m u n i c a t i o n a n d , C o m p u t e r E n g i n e e r i n g , H a n k u k A v i a t i o n U n i v e r s i t y ,H w a j e o n - D o n g , D e o k y a n g - G u , G o y a n g , G y e o n g g i - D o , 4 1 2 - 7 9 1 , K o r e a* S c h o o l o f E n g i n e e r i n g , I n t e l l i g e n t R a d i o E n g i n e e r i n g C e n t e r , I n f o r m a t i o n a n d C o m m u n i c a t i o n s U n i v e r s i t y ,T a e j o n , 3 0 5 - 7 3 2 , K o r e a

A b s t r a c t-h e a p p l i c a t i o n o f t h e m u l t i p l e f o l d e d s tr uc t u re t oa c o m p a c t t r i - b a n d P I F A ( P l a n a r I n v e r t e d - F a n t e n n a ) c o m p o s e do f t h r e e r e s o n a n t f r e q u e n c i e s , G S M ( 8 8 0 - 9 6 O M H z ) / DCS1800( 1 7 1 0 - 1 8 8 0 M H z ) / S a t e l l i t e DMB ( 2 6 0 5 - 2 6 5 5 M : H z ) , a r e t r e a t e dw i t h t h e o p t i m i z e d p a r a m e t e r v a l u e s . The p r o p o s e d a n t e n n a h a sb e e n d e s i g n e d a n d a n a l y z e d b y u s i n g c o m m e r c i a l l y a v a i l a b l es o f t w a r e , C S T MWS b a s e d o n t h e F D T D a l g o r i t h m a n d a s i m p l er e s o n a n t e q u a t i o n , r e s p e c t i v e l y . I n a d d i t i o n , t he r e t u r n l o s s h a sb e e n m e a s u r e d a n d c o m p a r e d b e t w e e n m e a s u r e d a n d s i m u l a t e dd a t a u n d e r t h e c r i t e r i o n o f VSWR l e s s t h a n 3 .I n d e x T e r m s-r i - b a n d , P I F A , p a r a s i t i c e l e m e n t s

I . I N T R O D U C T I O NW i t h t h e h e l p o f t h e r a p i d d e v e l o p m e n t o f w i r e l e s s

c o m m u n i c a t i o n s y s t e m s a n d t h e i n c r e a s i n g r e q u i r e m e n t s f o rp o r t a b l e c h a r a c t e r i s t i c s o f e l e c t r o n i c d e v i c e s , a c o m p a c t a n dl i g h t - w e i g h t e d a n t e n n a i s c o nt i n u o u s l y i n t r od u c e d i n manyl i t e r a t u r e s [ l ] - [ 4 ] .F u r t h e r m o r e , i n o r d e r t o s a t i s f y t h e v a r i o u s d e m a n d s f o rw i r e l e s s s e r v i c e s , m u l t i - b a n d a n t e n n a i s a g o o d c a n d i d a t e a n dP I F A c o n c e p t s i s a d o p t e d f o r a n t e n n a d e s i g n . E s p e c i a l l y , o n e

o f many a d v a n t a g e s o f PIFA s t r u c t u r e i s e a s i l y t o b ei n c o r p o r a t e d i n t o t h e e l e c t r o n i c e q u i p m e n t s d u e t o t h e f l e x i b l es t r u c t u r e s a n d c o m p a c t n e s s .Ma ny r e s e a r c h e r s h a v e s t u d i e d t h e d e r i v a t i o n o f m u l t i p l er e s o n a n c e a n d l o w - p r o f i l e s t r u c t u r e b y u s i n g s l i t , s l o t [ l ] ,p a r a s i t i c e l e m e n t s [ 2 ] , a n d t h e m o d i f i c a t i o n o f g r o u n dp a t t e r n [ 3 ] . I n t h i s p a p e r b a s i c m e a n d e r a n d f o l d e d s t r u c t u r eh a s b e e n a p p l i e d t o a c c o m p l i s h t h e n o v e l a n d c o m p a c t a n t e n n a .F o l d i n g t h e m e a n d e r s t r u c t u r e v e r t i c a l l y l e a d s t o a r e l a t i v ev o l u m e r e d u c t i o n o f 50% b y o v e r c o m i n g t h e p r o b l e m o f l o w -f r e q u e n c y r e s o n a n c e d e p e n d e n t o n t h e l a r g e a r e a o f t h er a d i a t o r . T h i s p a p e r d e a l s w i t h t h e p h y s i c a l i n s i g h t i n t o t h eP I F A c o v e r i n g G S M ( 8 8 0 - 9 6 O M H z ) , D C S ( 1 7 1 0 - 1 8 8 0 M Hz ) ,a n d S a t e l l i t e D M B ( 2 6 0 5 - 2 6 5 5 M H z ) b y a d j u s t i n g a n d l o c a t i n gt w o m e a n d e r - f o l d e d s t r u c t u r e o p t i m a l l y .

I I . ANTENNA CONFIGURATIONC o n s i d e r t h e m e a n d e r - f o l d e d PIFA i n s t a l l e d o n t o p a n db o t t o m l i n e s e p a r a t e l y a s s h o w n i n F i g . 1 . T h e h e i g h t s H I , H2

o f m e a n d e r e d s t r u c t u r e a r e s e t t o b e 1 m m t o s a t i s f y t h e t a r g e tf r e q u e n c y a n d w i d e i m p e d a n c e b a n d w i d t h a r o u n d t h e

- o l d e d p a r t 1

( a )w

L

.1HF

G2D(( b )L

A L

HI F

. Y .H.I 2 4

( C )F i g . 1 G e o m e t r y o f t h e p r o p o s e d a n t e n n a ( a ) 3 - D V i e w ( b ) T o pV i e w ( c ) S i d e V i e w

1 - 4 2 4 4 - 0 6 8 8 - 9 / 0 7 / $ 2 0 . 0 0 C 2 0 0 7 IEEE

I I I i

i

2 5 9Authorized licensed use limited to: Bhadrak Institute of Engineering and Tech. Downloaded on November 10, 2009 at 08:17 from IEEE Xplore. Restrictions apply.


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TABLE I IG A I N A ND E F F I C I E N C Y O F T HE P R O P O SED ANTENNA.F r e q u e n c y G S M DCS1800 D M B

M a x . G a i n ( d B i ) 1 . 1 9 2 . 9 3 | 1 . 4 8T o t a l E f f i c i e n c y ( % ) 8 2 . 3 9 3 . 6 | 8 8 . 5

p a r t . E s p e c i a l l y , F i g . 3 ( a ) d e p i c t s t h e e f f e c t s o f p a r a m e t e r ,S I o n t h e r e s o n a n t f r e q u e n c y a t GSM b a n d . 2 7 0 - s : , t m u l aI - * - m e a s u( C )90

( d )90

0

_1 0- 2 0- 3 0 -- 4 0-3 0

- 2 0.1 0

2 7 0 = sm h a e0s d

( e )90

1 0

10- 2 D 0 --3 0 -1_4 0 4

- 2 0 4- 1 o - 1I o -

( g )10 - - 1

( b )C u r r e n t d i s t r i b u t i o n s ( a ) a t GSM b a n d ( b ) a t s a t e l l i t e DMB

( f )

( h )

rm u l t e do m e a s s e d

( i )F i g . 5 . T h e r a d i a t i o n p a t t e r n s a t t h r e e f r e q u e n c i e s ( f = 0 . 9 2 G H z ,f = 1 . 8 G H z , f = 2 . 6 3 G H z ) ( a ) a t x y - p l a n e ( f = 0 . 9 2 G H z ) ( b ) a t y z - p l a n e( f = 0 . 9 2 G H z ) ( c ) a t z x - p l a n e ( f = 0 . 9 2 G H z ) ( d ) a t x y - p l a n e ( f = 1 . 8 G H z )( e ) a t y z - p l a n e ( f = 1 . 8 G H z ) ( f ) a t z x - p l a n e ( f = 1 . 8 G H z ) ( g ) a t x y -p l a n e ( f = 2 . 6 3 G H z ) ( h ) a t y z - p l a n e ( f = 2 . 6 3 G H z ) ( i ) a t z x - p l a n e( f = 2 . 6 3 G H z ) .

2 6 1

( a )

K

HF i g . 4 .b a n d10 X

-1 0 1S. 2 0 -

-1 0 -- 21

0 M

10 2 70 s i dul ate( a )

s r u t e d( b )

I I

1; 7 - .; "F * i .,,I nu -E

901 00 1

-1 0 . 1- 20 - 1-3 0 1-4 0 1- 30 I-2 0 i_ , 01

0 11 0 J

10 -1 1i0-1 0 .4 1i. 2 1 D - 1 ;-3 0 -i li- 4 0 -;I-3 0 -. ,-2 0 -i I

i- l o

10 ..i0 - . 1

-l o A-2 0 4I- 3 040 J, 18 0-3 0 iI-2 0 4 . .-1 0 - i I

0 . . l1 0

2 4 0

100 1

- 1 0 I2 0 1 ,

: 3 0 - . I-4 0 13 -,-2 0 -]- l o - ]

0 II

90

-1 0-2 0 . . .-3 0 ...-4 0 18 0-3 0-2 0-1 090 I 0 . . 4 i

0- i o-2 0- 3 0 --4 0-3 0- 2 0- 1 0

I1 0

I

11 I i A VI I h

li

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I t i s e x p e c t e d t h a t t h e e l e c t r i c a l l e n g t h c o r r e s p o n d i n g t o t h er e s o n a n t f r e q u e n c y b e c o m e s l o n g e r a n d t h e r e s o n a n tf r e q u e n c i e s o f G S M / D C S b a n d s m o v e s t o t h e l o w e r a s t h el e n g t h o f s l i t , S I o c c u p y i n g a t t h e f o l d e d m e a n d e r p a r t 1i n c r e a s e s . I n a s i m i l a r p h e n o m e n o n , F i g . 3 ( b ) s h o w s t h a t t h er e s o n a n t f r e q u e n c y o f s a t e l l i t e DMB b a n d c a n b e c o n t r o l l e di n d e p e n d e n t l y b y c h a n g i n g t h e e l e c t r i c a l l e n g t h , S 2 o f t h ef o l d e d - m e a n d e r p a r t 2 w i t h o u t t h e e f f e c t s o f t h e f o l d e d -m e a n d e r p a r t 1 . I t i s a l s o c h e c k e d o u t t h a t o t h e r p a r a m e t e r sa f f e c t i n g t o t a l e l e c t r i c a l l e n g t h a t f o l d e d - m e a n d e r p a r t c a n b eu s e d t o c o n t r o l t h e r e s o n a n t f r e q u e n c i e s i n d e p e n d e n t l y .I n a d d i t i o n , t h e s i m u l a t e d r a d i a t i o n p a t t e r n s a c c o r d i n g t o t h ec u t t i n g p l a n e s a n d f r e q u e n c i e s a r e p l o t t e d i n F i g . 5 w i t hc o m p a r e d m e a s u r e d d a t a . A s s h o w n i n F i g . 5 , t h e p r o p o s e da n t e n n a h a v e o m n i - d i r e c t i o n a l r a d i a t i o n p a t t e r n a t z x - p l a n ea n d m o r e t h a n 2 . 3 d B i a s a maximum a n t e n n a g a i n a t t h r e eb a n d s .

I V . CONCLUSIONI n t h i s p a p e r , a c o m p a c t a n d l o w - p r o f i l e a n t e n n a c o v e r i n gt h r e e s e r v i c e b a n d s c o n s i s t i n g o f G S M 9 0 0 , D C S 1 8 0 0 ,S a t e l l i t e DMB h a s b e e n p r o p o s e d . By e m p l o y i n g t h e m e a n d e ra n d m u l t i p l e f o l d e d s t r u c t u r e s , i t i s s e e n t h a t a l o w e r r e s o n a n t

f r e q u e n c y c a n b e g en e r a t e d w i t h a v e r y s m a l l r a d i a t o r . T h i sf e a s i b i l i t y s t u d y i n d i c a t e s t h a t t h e e f f i c i e n c y o f t h e l i m i t e d

s p a c e i n s i d e t h e p o r t a b l e d e v i c e c a n m a x i m i z e d . T h e f u n c t i o no f m u l t i - b a n d o p e r a t i o n c a n b e a c h i e v e d e a s i l y b y i s o l a t i n ga n d l o c a t i n g t w o m e a n d e r - f o l d e d s t r u c t u r e s s e p a r a t e l y o n t h ed i f f e r e n t l i n e s . T h e s i m u l a t i o n r e s u l t s a r e b a s e d o n t h eF D T D a l g o r i t h m . I n a d d i t i o n , b a n d w i d t h s u n d e r t h e c r i t e r i o no f VSWR l e s s t h a n 3 o f t h e p r o p o s e d a n t e n n a a r ea p p r o x i m a t e l y 8 . 6 % ( 8 7 8 - 9 5 7 M H z ) , 1 0 . 2 % ( 1 7 0 0 - 1 88 2 M Hz ) ,3 . 8 % ( 2 5 6 0 - 2 6 6 0 M H z ) , r e s p e c t i v e l y .

R E F E R E N C E S[ 1 ] P . S a l o n e n , M. K e s k i l a m m i , a n d M . K i v i k o s k i , " S i n g l e - F e e dD u a l - B a n d P l a n a r I n v e r t e d - F A n t e n n a w i t h U - S h a p e d S l o t , "IEEE T r a n s . A n t e n n a s a n d P r o p a g . , v o l . 4 8 , n o . 8 , p p . 1 2 6 2 -1 2 6 4 , Aug 2 0 0 0 .[ 2 ] P . C i a i s , R . S t a r a j , G . K o s s i a v a s , a n d C . L u x e y , " D e s i g n o f a nI n t e r n a l Q u a d - B a n d A n t e n n a f o r M o b i l e P h o n e s , " IEEE T r a n s .M i c r o w . a n d W i r e l e s s C o m p . L e t t . , v o l . 1 4 , n o . 4 , p p . 1 4 8 - 1 5 0 ,A p r 2 0 0 4 .[ 3 ] M. F . A b e d i n , a n d M . A l i , " M o d i f y i n g t h e G r o u n d P l a n e a n d I t sE f f e c t o n 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 s ) f o r M o b i l eH a n d s e t s , " IEEE T r a n s . A n t e n n a s a n d W i r e l e s s P r o p a g . L e t t . ,

v o l . 2 , p p . 2 2 6 - 2 2 9 , 2 0 0 3 .[ 4 ] B . J . H e r t i n g , A . P e r r o t t a , a n d J . T . B e r n h a r d , " F i n i t e G r o u n dP l a n e P a c k a g i n g E f f e c t s o n a D u a l - B a n d P I F A , " IEEE T o p i c a lM e e t i n g s o n E l e c t r i c a l P e r f o r m a n c e o f E l e c t r o n i c P a c k a g i n g ,p p . 9 5 - 9 8 , O c t 2 0 0 2

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