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

摘要

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.