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天線期中報告 論文研討: 梁議中 國立中央大學 電機工程研究所 寬頻共平面波導饋入圓形單偶極天線之研製 碩士論文,民國 96 年6月 報告人: 碩研電機一甲 MA020131 廖紹凱 Southern Taiwan University Department of Electronic Engineering 摘要 研究方向: 為了因應未來無線通訊產品需求，利用平面波導饋入印刷式單極 天線來設計一頻寬由890MHz 到5.9GHz 包含所以目前常用通訊 頻段之天線 設計方向: 利用單一平面的優點，不僅製作容易、重量輕、節省天線使用空 間並且成本低廉，將設計好的天線印刷在所需要的通訊產品上， 如手機背蓋、筆記型電腦螢幕背蓋和車窗玻璃等，深具通訊產品 競爭力。 梁議中,國立中央大學 電機工程研究所,碩士論文,民國 96 年6月 天線設計 共平面波導饋入印刷式單極天線基板規格 梁議中,國立中央大學 電機工程研究所,碩士論文,民國 96 年6月 天線設計製作流程圖 否 是 是 否 梁議中,國立中央大學 電機工程研究所,碩士論文,民國 96 年6月 共平面波導饋入印刷式單極天線之幾何結構圖 梁議中,國立中央大學 電機工程研究所,碩士論文,民國 96 年6月 共平面波導饋入印刷式單極天線A中所發現的特性 由天線結構圖形來看，當t距離縮短時，造成圓形金屬片與接地金屬面間的電容耦合上升，此性質將 有助於降低天線圓形金屬片結構在3GHz 到5.35GHz 間輸入阻抗的電感性，使得操作頻帶範圍內的輸入 阻抗整體虛部值越接近零(圖3-11b)，但在3GHz 以下的頻率點，由於隨著參數t 越小，圓形金屬片的輸 入阻抗大小也越偏離原本設計的80 歐姆阻抗(圖3-11a)，造成與CPW 傳輸線結構的阻抗不匹配，所以頻 率點在3GHz 以下的反射損耗值反而較差。 為了符合天線最低操作頻率點要求，並且選擇在高頻部分有較好的反射損耗值， 故使用 t = 3.36mm 為設計參數。 梁議中,國立中央大學 電機工程研究所,碩士論文,民國 96 年6月 共平面波導饋入印刷式單極天線之幾何結構圖 梁議中,國立中央大學 電機工程研究所,碩士論文,民國 96 年6月 改良共平面波導饋入印刷式單極天線A之設計參數而 產生更好特性的天線B antenna B，由漸進式接地金屬面結構發現，藉由調整α 與D1 兩設計參數，可進行結構最佳化。 隨著α 角度變大，其虛部電感性跟著增加，使得天線結構在高頻的虛部數值變大，造成反射損耗值 不減反增，為了符合天線操作頻段規格，本文選用α=40o 為設計參數。 調整D1長度，來改變輸入阻抗值，為了使操作頻率範圍從890MHz 到5.9GHz 內皆有良好的反射損 耗匹配以及避免實際製作量測天線時，因SMA 接頭焊接不良等效應，造成在頻率4.3GHz 附近的反射損 耗值超過-10 dB，因此選擇D1=6.72mm 作為設計參數。 梁議中,國立中央大學 電機工程研究所,碩士論文,民國 96 年6月 共平面波導饋入印刷式單極天線之幾何結構圖 梁議中,國立中央大學 電機工程研究所,碩士論文,民國 96 年6月 改良共平面波導饋入印刷式單極天線B之設計參數而 產生更好特性的天線C antenna C，週期槽線結構的設計參數共有三個，藉由分別調整槽線長度tlen、槽線寬度tgap及週期間 隔 tp 將可得到最佳阻抗頻寬與輻射場型。 槽線長度tlen越長，則輸入阻抗實部及虛部值變化越劇烈，在頻率5.7GHz 之後，由於輸入阻抗實部 變化劇烈，造成與CPW 傳輸線阻抗匹配不佳，使得天線整體反射損耗值極劇上升，故在高頻5.8GHz 附 近的天線反射損耗值只有選用tlen =4.5 mm的槽線長度為設計參數。 槽線寬度tgap增加，輸入阻抗並無明顯變化。 基於實際製作天線結構使用設備上精度的限制為0.15 mm，選擇槽線寬度tgap =0.224mm為設計參數。 槽線與槽線間的間隔亦是設計週期結構的重要參數，在漸進式接地金屬面結構內將槽線週期間隔變 大，相對的槽線數量將減少，使得天線阻抗電容性下降，因此從C 端看入的輸入阻抗可發現，槽線間隔 為4.5mm 時，在頻率6GHz 附近的輸入阻抗虛部值電感性較強，使得虛部數值過大，因此在此頻率點附 近的反射損耗值大於-10dB。同樣的，槽線間隔為2.25mm 結構的反射損耗值在高頻5.7GHz 附近亦超 過-10dB，故本文選用tp =3.35mm為設計參數 梁議中,國立中央大學 電機工程研究所,碩士論文,民國 96 年6月 模擬結果 本論文設計的共平面印刷式圓形金屬片單極天線，經過三小節的設計改良之後，天線操作頻率範圍從 890MHz 至5.9GHz 間的反射損耗值皆在-10dB 以下，已符合所需規格。 由圖可明顯看出，antenna A 經由增加漸進式接地金屬面結構後，大大改善了原本天線的阻抗頻寬，這 是由於漸進式接地金屬面結構類似一分散式匹配網路，使原本antenna A 在頻率3GHz~5.35GHz 間， 因圓形金屬片阻抗匹配不佳的現象，藉此結構得以改善，同時在低頻部分增加了阻抗頻寬範圍，起始頻 率點由原本的890MHz 降低到750MHz。透過漸進式接地金屬面上之週期槽線結構，增加了天線阻抗的 電容性，改善antenna B 在頻率3GHz到5.5GHz 內的反射損耗值。antenna C 結構在電壓駐波比VSWR ≦ 2的條件下，操作頻率可由750MHz 至5.9GHz，阻抗頻寬(impedance bandwidth)達155%，為一極 寬頻之天線結構。 梁議中,國立中央大學 電機工程研究所,碩士論文,民國 96 年6月 900MHz之電流分佈圖 梁議中,國立中央大學 電機工程研究所,碩士論文,民國 96 年6月 5.8GHz之電流分佈圖 梁議中,國立中央大學 電機工程研究所,碩士論文,民國 96 年6月 經由觀察天線結構電流分佈圖，可大概了解天線輻射場型的好壞。一開始設計的antenna A 結構，其輻射場型在低頻時具有不錯的場型分佈，但隨著操作頻率升高，接地金屬面前端 的水平電流強度亦跟著提升，使得在高頻時的cross-polarization 輻射場型增大，造成copolarization 輻射場型惡化。 梁議中,國立中央大學 電機工程研究所,碩士論文,民國 96 年6月 藉由設計antenna B 的漸進式接地金屬面結構，可大幅降低接地面前端的水平電流強度， 使原本antennaA 正面及背面輻射場型產生的零點(null)消失，輻射場型更具全指向性。 梁議中,國立中央大學 電機工程研究所,碩士論文,民國 96 年6月 antenna B 結構唯一的缺點就是在低頻900MHz 時，主要輻射結構(圓形金屬片)的電流強度太弱， 造成輻射場型較差。為了使圓形金屬片上的電流強度增強並且減小接地面邊緣電流強度，因此在漸 進式接地金屬面結構上增加週期槽線結構以達上述目的。由圖可明顯發現，經由增加週期槽線結構 後，在頻率900MHz 圓形金屬片上的電流強度的確增強許多，改善了antenna B 結構在低頻 900MHz 的co-polarization 輻射場型，並且大幅降低cross-polarization 輻射量，於高頻5.8GHz 時，antenna C 亦保持了原本antenna B 的輻射場型優點，故在阻抗頻寬內，antenna C 為遠場輻 射場型最佳結構。 梁議中,國立中央大學 電機工程研究所,碩士論文,民國 96 年6月 天線之實測增益圖 & 比較圖 梁議中,國立中央大學 電機工程研究所,碩士論文,民國 96 年6月 天線之cross-level實測對照表 梁議中,國立中央大學 電機工程研究所,碩士論文,民國 96 年6月 天線實體結構圖 antenna A antenna B antenna C 梁議中,國立中央大學 電機工程研究所,碩士論文,民國 96 年6月 結論 本論文提出應用於無線通訊產品上的平面式寬頻天線結構，此天線結構採用共平面波 導饋入，利用共平面波導傳輸線來銜接平面式單極天線結構，使得整體結構均在同一 平面上，有利於印刷形式之天線製作，並達到節省使用空間及製作容易的目的。 藉由設計漸進式接地金屬面結構與週期槽線結構，改善了原本圓形金屬片單極天線的 阻抗頻寬及輻射場型，使得量測結果的阻抗頻寬範圍可由810MHz 至5.87GHz，阻抗 頻寬可達151%，在操作頻率範圍內的輻射場型亦皆有良好的全指向性且最大增益值可 達3.4dBi。 未來可將此天線結構實際印刷於通訊產品上，藉由考量產品零組件對天線輻射場型的 影響，設計更實用的天線結構。 在天線尺寸上，可將天線結構製作於介電係數較高的基板材質上，達到天線縮小化的 目標。 本人對共平面波導饋入印刷式單極天線看法 單一平面傳輸線結構與傳統微帶線比較起來最大的優點就是沒有背面金屬，所有的金 屬均在同一平面上，因此製做上較為方便。 雖然四分之一波長單極天線具許多的優點，但其結構需要一垂直接地面金屬，不僅非 常浪費使用空間且不易與微波積體電路銜接。 共平面波導結構饋入的天線結構結合了共平面波導及四分之一波長單極天線的優點， 與原本含有垂直接地面金屬的四分之一波長單極天線比較起來，較容易製作、無焊接 點(soldering points)、易與微波積體電路整合、重量輕且金屬面均在同一側。 問題: 本文中所設計的antenna A，其反射損耗值在-10dB 以下的操作頻率範圍為 890MHz 到3GHz 以及5.35GHz 至6.1GHz 兩頻帶，無法滿足所需天線頻段 規格，該如何改善? Ans :藉由改變天線結構接地面形狀，形成一散佈式匹配網路，降低在該頻段 之感抗，使該頻帶之阻抗匹配得以獲得改善。 比對模擬響應與實際量測結果的反射損耗值可發現，兩曲線有相當不錯的一 致性，但在低頻部分，模擬數值具有較好的阻抗頻寬，最低操作頻率可達 750MHz，相對的，實作量測結果卻只能達到810MHz 原因為何? Ans :造成此現象的原因不外乎是由SMA 接頭效應所形成。