Antenna Miniaturization in Complex Electromagnetic Environments:Designs and Measurements of Electrically Small Antennas for Hearing-Aid Applications

Abstract

Allerede i dag omfatter høreapparater avanceret teknologi, og integration af trådløs kommunikation i apparaterne vil muliggøre en række helt nye funktionaliteter. Antennen er en vigtig komponent i ethvert trådløst system, og efterspørgslen efter kompakte trådløse systemer med strenge specifikationer gør minimering af antennens størrelse til en betydelig udfordring. Minimering af antennen er derfor en af de centrale teknologier ved design af en vellykket trådløs enhed til høreapparatanvendelser. I denne afhandling præsenterer vi en række nye designs af elektrisk små sløjfeantenner til høreapparatanvendelser. Først beskrives designet af en plan, differentiel input, elektrisk lille sløjfeantenne. Virkemåden er baseret på den kapacitive belastning og den induktive kobling mellem to små sløjfer. Den analytiske model, simuleringer, fremstilling og målinger præsenteres. Dernæst foreslås en to-vindings elektrisk lille sløjfeantenne. Virkemåden er baseret på den kapacitive belastning og både den kapacitive og den induktive kobling mellem to sløjfer, som er sammenlignelige i størrelse. Den analytiske model fremlægges for at give hjælp til impedanstuningen. For det tredje foreslås flere tre-dimensionelle (3-D) foldede elektriske små sløjfeantenner, hvis egenskaber er betydeligt forbedret i forhold til 2-D plane elektrisk små sløjfeantenner. Virkemåden er baseret på den kapacitive belastning og den induktive kobling mellem to sløjfer. Den store sløjfe er foldet på en bestemt måde for bedre at kunne udnytte enhedens volumen. I denne afhandling har vi foreslået flere nye teknikker til måling af elektrisk små antenner (ESA’er) som kan sammenfattes, som følger. En modificeret Wheeler cap metode til måling af strålingseffektivitet af balancerede ESA’er er foreslået. Denne metode giver følgende fordele. For det første er en balun ikke nødvendig for målingen, og dermed undgås problemerne med lille impedans båndbredde og ekstra spredning opstået pga. balunen. For det andet er den forslåede metode brugbar i et bredt frekvensbånd. For det tredje har hulrumsresonanser ingen væsentlige effekter på måleresultaterne med den rette brug af cirkel tilpasning af de målte s-parametre. Ved den rette brug af Wheeler cap metoden kan de fleste af dens begrænsninger og ulemper undgås. Metoden er derfor velegnet til m°aling af indgangsimpedans og str°alingseffektivitet for de fleste typer antenner i et bredt frekvensområde. Antennerne er ikke begrænset til at være ESA’er, og kan være af den balancerede eller ubalancerede, og symmetriske eller asymmetriske typer. Desuden er anvendelsen af denne modificerede Wheeler cap metode i komplekse omgivelser videreudviklet. En måleteknik for kabelfri impedans og gain for ESA i komplekse omgivelser foreslås. Den elektromagnetiske model af denne teknik er udledt ved hjælp af den sfæriske bølgeekspansionsteknik, som er gyldig for vilkårlige antenner under test (AUT) på vilkåarlige afstande mellem sonden og AUT. Hele målingsopsætningen er derefter modelleret som en kaskade af tre koblede multiportsnetværk. Den elektromagnetiske model, simuleringsresultater samt måleresultaterne præsenteres. I denne afhandling præsenterer vi også den påvirkning som komplekse omgivelser har på ESA’er, såsom menneskehovedmodel og høreapparater. Først præsenteres følsomhedsanalysen af menneskehovedmodellens parametre, herunder afhængighed af hovedets permittivitet og ledningsevne. Dernæst præsenteres følsomhedsanalysen af placeringen af ESA’er, herunder orientering og placeringen af ESA’er samt afstanden mellem ESA og hoved. Endelig undersøges også indflydelsen af høreapparatets ydermateriale.Hearing-aids today constitute devices with an advanced technology, and wireless communication integrated into hearing-aids will introduce a range of completely new functionalities. The antenna is an important component in any wireless system, and the demand for compact wireless systems with stringent specifications makes the antenna size reduction a significant challenge. Antenna miniaturization is thus one of the key technologies in designing a successful wireless unit for the hearing-aid application. This dissertation is focused on three areas that are related to the integration of a wire- less communication system into the heading-aids, and these are the antenna miniaturization, the measurement techniques for electrically small antennas and the influence of complex environments on the characteristics of electrically small antennas, respectively. Antenna MiniaturizationIn this dissertation, we present several novel designs of electrically small loop antennas for the hearing-aid application. First antenna design is a two-dimensional (2-D) planar differential-fed electrically small loop. The working mechanism of this antenna is based on the capacitive loading and the induc- tive coupling between two small loops. An analytical model, simulations, fabrications and measurements are presented for this antenna. Second antenna design is a planar two-turn electrically small loop antenna. The work- ing mechanism of this antenna is based on the capacitive loading, and both the capacitive and inductive coupling between two small loops that are of a comparable size are taken into account. An analytical model is provided to give a guidance in the impedance tuning. Third, several three-dimensional (3-D) folded electrically small loop antennas are proposed, the properties of which are significantly improved compared to the 2-D planar electrically small loop antennas. Measurement Techniques for ESAs In this dissertation we proposed two novel measurement techniques for electrically small antennas. A modified Wheeler cap method for the radiation efficiency measurement of balanced electrically small antennas is proposed. This method provides the following advantages. First, no balun is required during the measurement and thus the problems of narrow impedance bandwidth and extra scattering effect caused by the balun are avoided. As a result, the proposed method is valid in a broad frequency band. Second, the application of proposed method and the proper use of the circle fitting for the measured scattering parameters ensure that the cavity resonances do not have any significant effect on the measurement results. By using the Wheeler cap method in the proposed way, most of its limitations and disadvantages are avoided. The method is, therefore, suitable for input impedance and radia- tion efficiency measurement for most types of antennas in a broad frequency band. The antennas under test are not limited to be electrically small and these can be balanced or unbalanced, symmetric or asymmetric type. Moreover, the modified Wheeler cap method for measurements of small antennas in complex environments is further developed. A cable-free impedance and gain measurement technique for electrically small antennas is also proposed. The electromagnetic model of this technique is derived by using the spherical wave expansion, and it is valid for arbitrary electrically small AUT at arbitrary distances between the probe and AUT. The whole measurement setup is modeled by the cascade of three coupled multipleort networks. The electromagnetic model, the simulation results, and the obtained measurement results are presented. Influence of the Complex Environments on ESA Characteristics The influence of complex environments on the characteristics of electrically small antennas is also investigated such as the human head phantom and the hearing-aids. First, the sensitivity analysis of the head phantom parameters on the antenna characteristics is presented, including the influence of the head permittivity and conductivity. Second, the sensitivity analysis of the positions of electrically small antennas is presented, including the orientations and locations of antennas and the distance between the small antenna and head. Third, the influence of the hearing-aid shell material on the antenna characteristics is investigated