University of Oulu

Capacitive antenna sensor for user proximity recognition

Saved in:
Author: Myllymäki, Sami1,2
Organizations: 1University of Oulu Graduate School
2University of Oulu, Faculty of Technology, Department of Electrical Engineering
Format: ebook
Version: published version
Access: open
Online Access: PDF Full Text (PDF, 0.9 MB)
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789514299155
Language: English
Published: Oulu : University of Oulu, 2012
Publish Date: 2012-11-20
Thesis type: Doctoral Dissertation
Defence Note: Academic dissertation to be presented with the assent of the Doctoral Training Committee of Technology and Natural Sciences of the University of Oulu for public defence in Arina-sali (Auditorium TA105), Linnanmaa, on 30 November 2012, at 12 noon
Tutor: Professor Heli Jantunen
Reviewer: Professor Matthias Hein
Doctor Anatoli Deleniv
Description:

Abstract

Users of mobile devices induce detrimental electrical effects on the antenna when devices are operated in close proximity to either the head, hand or fingers. A totally covered antenna can suffer over 10 dB gain loss and force an increase in the output power of the device, which additionally causes shorter battery life and higher emissions in terms of the specific absorption rate (SAR) and hearing aid compatibility (HAC).

The user effect can be minimized with compensation methods such as active antenna tuning or a spatial antenna selection. In this thesis, capacitive proximity sensors are investigated in order to provide new characteristics for user effect compensation.

The thesis has three parts. In the first, hand positions along the device chassis are measured with the antenna integrated capacitive sensor. The results are in proportion to the induced hand loss in the antenna. Secondly, discrete electrode sensors are studied as hand and single finger proximity recognition and are found to have a good performance in applications. Thirdly, weaknesses of integrated and discrete sensors are evaluated. The discrete sensor had an induced low antenna loss of 0.05–0.20 dB in the 1–2 GHz bands. In contrast, the integrated sensor caused radio interference in proper GSM channels, decreasing the sensitivity of the radio receiver.

The capacitive sensor is able to sense the user proximity effect regardless of antenna matching, which may be changed in a complex manner when more than one electrical resonance is used in the same frequency band or when the matching is modified mainly by the resistive component. In multiple-antenna applications, capacitive sensors are able to maintain up-dated information of user loads of all antennas.

Combining the results, the discrete electrode sensors fulfilled the technical and operational objectives of this thesis. They are able to detect a single finger or other user objects, they have low losses and they can be located in such a way that will not consume extra room in mobile devices.

see all

Tiivistelmä

Kannettavien päätelaitteiden käyttäjät aiheuttavat sähköisiä häviöita laitteen antennissa kun laitetta käytetään käden, pään tai sormien läheisyydessä. Kokonaan peitetyn antennin häviö voi olla yli 10 dB, mikä johtaa laitteessa lisääntyneeseen tehontarpeeseen, lyhyempään pariston kestoon ja korkeampiin haitta-arvoihin SAR ja HAC mittauksissa.

Käyttäjän vaikutusta voidaan minimoida kompensaatiotekniikoilla kuten antennin säädöllä ja -valinnalla. Tässä työssä kapasitiivisia antureita tutkittiin uusien käyttäjävaikutuksen kompensaatiotekniikoiden löytämiseksi.

Työ jakaantuu kolmeen osaan. Ensimmäiseksi käden sijainti laitteen rungon suhteen on mitattu kapasitiivisella anturilla. Nämä tulokset ovat verrannollisia käden aiheuttamaan kuormaan antennissa. Toiseksi erillisiä antureita tutkittiin käden ja sormien havaitsemiseksi hyvällä menestyksellä eri sovelluksissa. Kolmanneksi arvioitiin antennin integroidun ja erillisen anturin heikkouksia. Erillisen anturin aiheuttama häviö antenniin oli 0.05–0.20 dB 1–2 GHz taajuuskaistalla. Vastaavasti integroitu anturi aiheutti radiohäiriöitä tietyillä radiokanavilla, mikä heikentää vastaanottimen herkkyyttä.

Kapasitiivinen anturi havaitsee käyttäjän läheisyyden riippumatta antennin sovituksesta. Sovitus voi muuttua monimutkaisesti kun useampaa sähköistä resonanssia käytetään samalla taajuuskaistalla tai sovitukseen vaikuttaa sähköisesti resistiivinen kuorma. Moniantennirakenteissa kapasitiiviset anturit voivat tuottaa jatkuvaa informaatiota käyttäjän aiheuttamasta kuormasta eri antenneissa.

Erilliset kapasitiiviset anturit täyttivät ne tekniset ja toiminnalliset vaatimukset, jotka työlle aluksi asetettiin. Niillä voidaan havaita yksittäinen sormi tai muu kohde, ne ovat pienihäviöisiä, ja ne voidaan sijoittaa tilaa säästävällä tavalla nykyisiin päätelaitteisiin.

see all

Series: Acta Universitatis Ouluensis. C, Technica
ISSN: 0355-3213
ISSN-E: 1796-2226
ISSN-L: 0355-3213
ISBN: 978-951-42-9915-5
ISBN Print: 978-951-42-9914-8
Issue: 429
Subjects:
Copyright information: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.