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天線工程期中報告 論文研討: • 胡萬璁, “ 多頻帶圓形單極天線之研 製”，中央大學電機工程2009年6月碩士 論文 報告人: 碩研電子一甲 MA030226 詹凱強 Southern Taiwan University Department of Electronic Engineering 摘要 • 研究方向: 研製一個具有多頻帶圓形單極天線。天線結構包 含一個微帶線饋入之圓形單極天線和寄生的金屬環狀 金屬結構及槽孔結構。 • 設計方法: 多頻帶天線設計，乃利用圓形單極天線之寬頻特 性結合寄生環狀金屬及槽孔結構之共振效應，形成多 個操作頻帶。 “胡萬璁” 國立中央大學 電機工程系 2009年 6月 碩士論文 天線原理及應用 • 微帶傳輸線結構 結構如圖 1所示，寬度為W，厚度為t的金屬在一個 介電常數為εr的接地介質板上，其電磁力線的分布如圖 2 所示。 圖1 微帶線的三維結構圖 圖2微帶線橫截面的電磁力線分佈 “胡萬璁” 國立中央大學 電機工程系 2009年 6月 碩士論文 3 • 天線原理 源自於馬克斯威爾歸納的四個方程式來證實電 磁場具有傳播特性。 Guglielmo Marconi利用一個高122公尺的天線 成功接收電磁波訊號，就此揭開無線通訊應用的 時代[1]。 “胡萬璁” 國立中央大學 電機工程系 2009年 6月 碩士論文 四分之一波長單極天線 • Dobust和Zisler以一長度四分之一波長的金 屬片及一垂直金屬片的接地面為結構[2] （perpendicular ground plane）。 • 利用映像法（ImageTheory）將接地面等效 成四分之一波長映像金屬片(圖3) 。 圖3 四分之一波長單極天線接地面等效映像法 “胡萬璁” 國立中央大學 電機工程系 2009年 6月 碩士論文 • 四分之一波長與半波長雙極天線之遠場輻射場 型特性一模一樣，皆為全指向性（Omnidirectional）。 圖4 半波長與四分 之一波長電場切面 “胡萬璁” 圖5 半波長與四分 之一波長磁場切面 圖6 半波長與四分 之一波長立體輻射場 國立中央大學 電機工程系 2009年 6月 碩士論文 天線特性及設計流程 • 可以將天線當成一種轉接裝置（Transition device），將電路中的電氣訊號與自由空間 中的電磁能量相互轉換的耦合元件。 圖7 無線通訊傳播示意圖 “胡萬璁” 國立中央大學 電機工程系 2009年 6月 碩士論文 製作天線 • 先確定所需之規格，如使 用之通訊頻段、場型方向 性、增益大小和希望天線 尺寸大小等，選擇符合此 規格下的天線結構，以及 此環境下所適合的饋入方 式。 表1 天線設計流程 “胡萬璁” 國立中央大學 電機工程系 2009年 6月 碩士論文 天線結構設計 • 設計天線之前，須確認所 需要的規格，如使用的通 訊頻段、輻射場型、增益 以及天線尺寸等，選擇適 合的天線結構以及饋入方 式來設計所需要的天線。 • 如本研討論文所設計一個 多頻帶的天線。 表2 天線基板規格 “胡萬璁” 國立中央大學 電機工程系 2009年 6月 碩士論文 多頻帶圓形單極微帶天線 • 寬頻天線結構與參數分析 利用結構中多重路徑電流概念來實現。 在本研討論文中，採用圓形的單極天線結 構製造多重電流路徑，達到寬頻操作的目 的。 • 多頻帶操作的特性 利用共振結構逐一產生截止帶阻隔不需 要的頻帶。 “胡萬璁” 國立中央大學 電機工程系 2009年 6月 碩士論文 • 電流最長路徑是沿著圓形 金屬片邊緣流動，而最短 路徑是圓形金屬片直徑。 不同路徑長度產生不同寄 生共振頻率，進而形成一 個寬頻天線，此天線最低 寄生共振頻率之波長之四 分之一約為圓形金屬周長 的一半。 圖8 圓形金屬片電流路徑 “胡萬璁” 國立中央大學 電機工程系 2009年 6月 碩士論文 • 本研討論文採用之寬頻天 線結構，L和W為基板的 長跟寬，r為圓形金屬片的 半徑，h為圓形金屬片和接 地面間距，L1為背面金屬 接地面的長度，W1 為微 帶線饋入之寬度。 圖9 微帶圓形金屬片單極天線基本架構[3] “胡萬璁” 國立中央大學 電機工程系 2009年 6月 碩士論文 四頻帶天線設計 • 涵蓋的頻帶包含WLAN、WMAX及手機常 用頻帶，普遍使用的通訊系統屬於第二代 的GSM850/900、GSM1800/1900及第三代通 用移動系統UMTS 表3 手機常用頻帶 “胡萬璁” 國立中央大學 電機工程系 2009年 6月 碩士論文 設計步驟 • 採用Rogers RO4350B 基板， 尺寸L=150mm、W=100mm • 由表 4可知，天線之最低操 作頻率為824MHz。 • 圓形單極天線最低共振頻率 對應之波長半圓長（πr）之 四分之一，設為35mm，其 餘參數W1=3mm、1=65mm、 h=1.2mm，最低操作頻率為 820MHz，折返損耗在 1.64GHz 產生共振，在倍頻 處2.85GHz、5.01GHz、 7.53GHz 也產生共振。 表4 天線欲設計之頻帶 “胡萬璁” 國立中央大學 電機工程系 2009年 6月 碩士論文 實作與量測 • 四頻帶圓形單極天線(圖10)，比對模擬與實 際量測結果的折返損耗值(圖11)，發現兩曲 線有不錯的一致性。模擬最大增益及輻射 效率(圖12)，890MHz 量測最大增益為 0.23dBi，2.14GHz 量測最大增益為2.59dBi， 3.5GHz 量測最大增益為4.28dBi，5.5GHz量 測最大增益為4.16dBi，與模擬些許差異， 推測是電波暗房的環境因素影響，輻射場 型量測與模擬相當符合(圖13~16)。 “胡萬璁” 國立中央大學 電機工程系 2009年 6月 碩士論文 圖10 天線正面/天線背面 “胡萬璁” 圖11 折返損耗 國立中央大學 電機工程系 2009年 6月 碩士論文 圖12（a）890~960MHz 模擬與量測之最大增益 （b）890~960MHz 模擬之輻射效率 （c）1.71~2.69GHz 模擬與量測之最大增益（d）1.71~2.69GHz GHz 模擬之輻射效率 （e）3.4~3.69GHz 模擬與量測之最大增益 （f）3.4~3.69GHz 模擬之輻射效率 （g）5.15~5.85GHz 模擬與量測之最大增益（h）5.15~5.85GHz 模擬之輻射效率 “胡萬璁” 國立中央大學 電機工程系 2009年 6月 碩士論文 圖13 890GHz （a）xy 切面之co-pol（b）xy 切面之X-pol （c）xz 切面之co-pol（d）xz 切面之X-pol （e）yz 切面之co-pol（f）yz 切面之X-pol “胡萬璁” 圖14 2.14GHz （a）xy 切面之co-pol（b）xy 切面之X-pol （c）xz 切面之co-pol（d）xz 切面之X-pol （e）yz 切面之co-pol（f）yz 切面之X-pol 國立中央大學 電機工程系 2009年 6月 碩士論文 圖15 3.5GHz （a）xy 切面之co-pol（b）xy 切面之X-pol （c）xz 切面之co-pol（d）xz 切面之X-pol （e）yz 切面之co-pol（f）yz 切面之X-pol “胡萬璁” 圖16 5.5GHz （a）xy 切面之co-pol（b）xy 切面之X-pol （c）xz 切面之co-pol（d）xz 切面之X-pol （e）yz 切面之co-pol（f）yz 切面之X-pol 國立中央大學 電機工程系 2009年 6月 碩士論文 結論 • 利用超寬頻天線操作頻帶[4]或利用多根單 一頻帶天線操作[5、6]。 • 本研討論文提出多頻帶天線，採寬頻天線 結構結合寄生共振結構，達成節省使用空 間且易於製作的目的。 • 三頻帶天線，應用在LAN/WiMAX 上。 • 四頻帶天線，除在WLAN/WiMAX 上，增 加手機頻帶。 “胡萬璁” 國立中央大學 電機工程系 2009年 6月 碩士論文 參考文獻 • • • • • • [1] Stutzman, W.L., and Thiele, G.A., “Antenna theory and design,”(John Wiley &Sons, New York, USA, 1998, 2nd edu.) [2] G. Dubost and S. Zisler, “Antennas a Large Band,” New York：Masson, pp.128-129, 1976. [3]Jianxin Liang, Student Member, IEEE, Choo C. Chiau, Student Member, IEEE,Xiaodong Chen, Member, IEEE, and Clive G. Parini, Member, IEEE, “Study ofa Printed Circular Disc Monopole Antenna for UWB Systems,” IEEETransactions on Antennas and Propagation, Vol. 53, No. 11, August 2005. [4] M.J. Ammann, “Control of the impedance bandwidth of wideband planarmonopole antennas using a beveling technique,”Microwave Opt. Technol. Lett.,vol.30, pp.229-232, Aug. 2001. [5] Jianxin Liang, Student Member, IEEE, Choo C. Chiau, Student Member, IEEE,Xiaodong Chen, Member, IEEE, and Clive G. Parini, Member, IEEE, “Study ofa Printed Circular Disc Monopole Antenna for UWB Systems,” IEEETransactions on Antennas and Propagation, Vol. 53, No. 11, August 2005. [6] Wang-Sang Lee, Won-Gyu Lim, and Jong-Won Yu, Member, IEEE, “MultipleBandNotched Planar Monopole Antenna for Multiband Wireless Systems,”IEEE Microwave and Wireless Components Letters, Vol. 15, No. 9, September2005. “胡萬璁” 國立中央大學 電機工程系 2009年 6月 碩士論文 心得 • 三頻帶與四頻帶天線除應用在LAN/WiMAX 外，不知是否也可應用在目前WIFI上？ • 曾經在友訊製造部門任職，工程師常為了 產品上的訊號處理頭痛，概略知道了天線 的複雜性，多少能體會那些人。