1、Journal of China Institute of Technology Vol.32-2005.675高增益及寬頻帶堆疊微帶補片天線之設計Design of High-Gain and Wideband Stacked Patch Antenna 袁敏事 姜仲鴻Min-Shih Yuan Jong-Hong Jiang中華技術學院 航空電子系 副教授Department of Avionics摘 要本文中將設計一個 2.4GHz 及 5.2/5.8GHz 頻率的高增益及寬頻帶堆疊微帶補片天線。使用天線模擬軟體 IE3D 做天線分析,藉由探討電流在堆疊微帶補片分佈的特徵,尋找出寬頻帶的
2、機制。選擇H形狀及 C形狀長方形堆疊金屬補片中最適當凹陷的位置及凹陷區域的大小,以達到將近23%的阻抗頻寬,且天線最大增益可達 9.3dBi,可以滿足無線區域網路802.11a/b/g之室內外使用。最佳化的H形狀及 C形狀長方形堆疊金屬補片微帶天線被製成後並量測其結果,發現天線的頻寬、輻射場型及增益都符合理論模擬。關鍵字: 微帶天線、堆疊技術、輸入阻抗頻寬AbstractA high-gain and wideband stacked patch antenna will be designed to operate at 2.4GHz and 5.3/5.8GHz. The antenna
3、simulation software IE3D will be used for analysis. The high-gain and wideband mechanism will be explored by investigating the behavior of the current on the stacked patch.The location of the notch and notch dimension of the H-shaped and C-shaped stacked patch are optimized to achieve a wide bandwid
4、th about 23%, the peak gain is 9.3dBi. Optimized H-shaped and C-shaped patch antenna will be fabricated and measured. The bandwidth, radiation 高增益及寬頻帶堆疊微帶補片天線之設計76pattern and gain are in good agreement with the theoretical simulations.Keywords: Patch antenna 、 Stacked technique 、Input impedance band
5、width. 前言由 於 近 來 無 線 通 訊 快 速 的 成 長 , 許 多 消 費 性 電 子 裝 置 皆 內 建 有 無 線 傳 輸 的功 能 。 尤 其 是 3G 行 動 電 話 、 個 人 數 位 助 理 ( PDA) 及 筆 記 電 腦 (NB)等 , 需 要以 無 線 方 式 傳 輸 寬 頻 的 多 媒 體 信 號 。 但 目 前 能 滿 足 無 線 通 訊 的 規 格 標 準 , 主 要有 藍 芽 (Bluthtooth)及 無 線 區 域 網 路 ( WLAN) 兩 種 。 藍 芽 的 傳 輸 速 率 是1MHz, 在 免 執 照 的 工 業 、 科 學 及 醫 療 ( I
6、SM) 頻 段 ( 2.4GHz2.485GHz) 中 操作 , 較 短 的 範 圍 是 10m, 中 程 範 圍 是 100m, 同 時 以 低 功 率 無 線 介 面 的 個 人 區 域網 路 ( PAN) 傳 輸 數 據 資 料 與 語 音 訊 號 , 這 項 技 術 成 功 地 將 通 訊 與 電 腦 整 合 在一 起 。 而 無 線 區 城 網 路 WLAN 的 IEEE 802.11b,IEEE 802.11g 是 使 ISM 頻 段 中的 2.4GHz2.485GHz, 另 外 WLAN 中 的 IEEE 802.11a 是 使 用 ISM 中 的 5.25GHz5.35GHz
7、及 5 .725GHz 5.850GHz。 以 目 前 使 用 最 多 的 IEEE 802.11b被 企 業 及 大 眾 接 受 成 為 無 線 市 場 的 主 流 , 其 速 率 可 達 l1Mbps, 現 在 友 旺 科 技 與明 基 電 通 所 推 出 之 無 線 液 晶 螢 幕 ( Smart Display) , 就 是 透 過 Windows CE.net 整合 XP 輿 IEEE802.11b 無 線 網 路 技 術 的 產 品 。 消 費 者 以 後 只 要 在 家 裡 電 腦 裝 無 線網 路 卡 與 Windows XP 系 統 , 搭 配 無 線 液 晶 螢 幕 , 不
8、 用 坐 在 電 腦 前 , 可 在 床 上 、沙 發 或 任 何 角 落 上 網 、 讀 電 子 郵 件 、 觀 賞 DVD。 但 更 高 速 的 802.11a 及 802.11g產 品 也 已 經 或 即 將 推 出 , 其 速 率 可 達 54Mbps, 更 可 滿 足 寬 頻 多 媒 體 傳 送 。 近 日蘋 果 電 腦 在 舊 金 山 的 MACWORLD Expo 展 示 中 推 出 傳 輸 速 率 達 54Mbps 的Airport Extreme 無 線 網 路 技 術 , 此 項 技 術 採 用 802.11g 無 線 通 訊 協 定 結 合 新 17吋 Power boo
9、k 同 時 內 建 Airport Extreme 無 線 網 路 及 藍 芽 無 線 傳 輸 。未 來 WLAN 應 用 到 智 慧 型 家 電 及 印 表 機 、 投 影 機 成 為 內 建 型 系 統 將 會 是 個趨 勢 , 如 此 一 來 , 將 更 擴 大 其 應 用 領 域 , 消 費 者 將 享 受 其 帶 來 的 無 線 與 無 限 方 便 , 大 大 提 高 生 活 品 質 。 根 據 IDE 及 IN-STAT 預 計 全 球 無 線 網 卡( WNIC) 2006 年 總 需 求 量 可 達 2 干 5 百 萬 片 。 我 國 在 無 線 區 域 網 路 的 市 場 也
10、有 相 當 突 出 的 表 現 , 預 計 2005 年 產 量 佔 全 球 市 場 可 高 達 68.2 。 生 產 無 線 區 域網 路 之 廠 商 也 由 原 先 的 十 幾 家 到 今 年 的 六 十 幾 家 。 無 線 傳 輸 設 備 中 天 線 佔 有 舉足 輕 重 之 角 色 , 除 了 要 使 用 ISM 頻 段 , 還 要 有 體 積 小 、 寬 頻 帶 、 全 向 性 、 低 交叉 極 化 及 容 易 製 造 等 特 性 , 因 此 研 發 寬 頻 帶 、 高 增 益 的 微 帶 天 線 來 傳 輸 寬 頻 多媒 體 資 料 , 同 時 天 線 又 能 崁 入 在 無 線
11、電 子 設 備 中 有 其 必 要 性 。一 般 而 言 , 微 帶 天 線 在 實 際 的 應 用 上 , 主 要 的 缺 點 是 頻 寬 太 窄 , 對 現 今 無Journal of China Institute of Technology Vol.32-2005.677線 通 訊 系 統 而 言 , GSM( 890NHHz960MHz) 行 動 通 訊 中 的 天 線 所 需 的 工 作 頻寬 大 約 是 7.6%, DCS 數 位 通 訊 系 統 的 工 作 頻 寬 需 求 是 7.5 , 及UMTS( 1.920GHz2.170GHz) 全 球 行 動 電 信 系 統 的 工
12、作 頻 寬 是 12.2 。 為 了 滿足 這 些 寬 頻 帶 之 需 求 , 許 多 頻 寬 加 強 或 寬 頻 帶 技 術 的 微 帶 天 線 文 獻 最 近 都 被 報導 出 來 , 有 一 種 頻 寬 加 強 技 術 是 使 用 共 平 面 直 接 耦 合 ( Coplanar directly coupled) 及 空 隙 耦 合 金 屬 補 片 ( Gap coupled parasitic Patches) 1 。 它 是 由 一 個共 平 面 直 接 輛 合 金 屬 補 片 及 兩 個 空 隙 耦 合 金 屬 補 片 的 長 方 形 微 帶 天 線 , 此 種 架構 可 使 天
13、 線 達 到 最 小 化 。 其 基 底 是 使 用 較 便 宜 的 FR4 介 質 材 料 , 厚 度 是 1.6m及 相 對 介 電 係 數 是 4.4, 根 據 實 驗 結 果 得 知 其 阻 抗 頻 寬 大 約 是 12.7 2 , 這 是僅 有 一 個 驅 動 金 屬 補 片 ( Driving patch) 的 微 帶 天 線 ( 2%) 的 6.35 倍 。 若 是 將寄 生 金 屬 補 片 堆 疊 在 微 帶 天 線 的 上 方 3 , 將 可 有 效 達 到 頻 寬 加 強 之 作 用 。降 低 微 帶 天 線 的 品 質 因 素 ( Quality factor) 亦 是
14、一 種 增 加 天 線 阻 抗 頻 寬 的 有效 方 法 , 其 技 術 包 含 有 使 用 厚 的 空 氣 或 foam 的 基 底 , 及 在 具 有 薄 介 質 基 底 的 微帶 天 線 上 加 入 一 個 晶 片 電 阻 。 對 於 前 者 是 使 用 探 針 饋 送 信 號 源 , 因 其 較 長 的 探針 在 厚 的 基 底 層 內 會 產 生 較 大 的 電 抗 值 。 在 寬 頻 率 範 圍 內 欲 達 到 好 的 阻 抗 匹 配是 一 個 問 題 。 為 了 克 服 這 個 問 題 , 有 些 設 計 方 法 被 提 出 來 , 如 在 金 屬 補 片 上 崁入 一 個 U
15、形 狹 縫 孔 ( Slot) , 使 用 三 度 空 間 微 帶 轉 換 饋 送 , 在 金 屬 補 片 輻 射 端 切割 一 對 寬 的 狹 縫 ( Slits) 叉 稱 E-金 屬 補 片 4 , 將 金 屬 補 片 彎 成 3D 的 V 形 金屬 補 片 , 及 使 用 修 正 過 的 探 針 饋 送 , 例 如 L 條 狀 饋 送 、 L-探 針 饋 送 、 空 隙 探 針饋 送 、 或 是 一 個 電 容 性 耦 合 饋 送 5 , 以 上 所 提 到 具 有 厚 空 氣 基 底 探 針 饋 送 微帶 天 線 的 阻 抗 頻 寬 能 很 容 易 加 強 到 25%左 右 , 但 製
16、 作 較 困 難 。 另 外 也 已 証 實 ,使 用 一 個 較 大 的 耦 合 狹 縫 孔 當 作 孔 徑 ( Aperture) 耦 合 饋 送 , 亦 能 有 效 地 降 低 微帶 天 線 的 品 質 因 素 , 及 達 到 較 好 的 阻 抗 匹 配 。其 他 有 效 的 頻 寬 加 強 技 術 是 激 發 兩 個 或 多 個 其 有 相 似 輻 射 場 型 的 共 振 模 態 ,使 其 鄰 近 頻 率 形 成 一 個 寬 的 工 作 頻 帶 。 這 些 技 術 包 含 有 :在 輻 射 金 屬 補 片 中 加 入合 適 的 狹 縫 孔 6 , 整 合 的 串 接 微 帶 線 段 加
17、 入 在 輻 射 金 屬 補 片 中 7 。 它 們 除了 保 有 微 帶 天 線 低 側 面 的 優 點 外 , 阻 抗 頻 寬 亦 增 加 為 一 般 微 帶 天 線 的 2.03.5倍 。 另 一 種 經 由 額 外 加 入 的 最 佳 化 的 匹 配 網 路 , 也 能 獲 得 頻 寬 加 強 的 作 用 8 ,但 這 匹 配 網 路 卻 會 增 加 微 帶 天 線 的 體 積 。兩 個 工 作 頻 率 的 阻 抗 頻 寬 大 於 10%的 雙 頻 率 微 帶 天 線 設 計 已 有 文 獻 報 導 ,利 用 L-探 針 饋 送 到 雙 元 件 金 屬 補 片 的 雙 頻 率 天 線
18、9 , 已 被 証 實 用 在GSM/PCS 雙 頻 帶 基 地 台 天 線 中 。 同 時 顯 示 , 使 用 3D V-形 狀 金 屬 補 片 亦 能 得 到寬 頻 帶 雙 頻 工 作 10 , 這 種 設 計 可 由 探 針 饋 送 。 若 以 孔 徑 耦 合 饋 送 , 兩 個 工 作頻 率 的 10db Return loss 頻 寬 大 於 10 , 兩 個 工 作 頻 率 的 頻 率 比 大 約 是 1.28-1.31 11 。高增益及寬頻帶堆疊微帶補片天線之設計78不 同 的 寬 頻 帶 雙 極 化 微 帶 天 線 最 近 亦 有 文 獻 報 導 , 在 設 計 一 個 大 阻
19、 抗 頻 寬的 雙 線 性 極 化 微 帶 天 線 中 , 主 要 考 慮 的 因 素 是 兩 個 饋 送 埠 的 高 隔 離 度 及 低 交 叉極 化 , 對 孔 徑 耦 合 饋 送 微 帶 天 線 的 兩 個 饋 送 埠 間 的 去 耦 合 -40dB。21S有 文 獻 顯 示 , E-形 狀 單 金 屬 補 片 之 微 帶 天 線 的 阻 抗 頻 寬 可 高 達 30.3 , 涵蓋 無 線 通 訊 之 1.9GHz 及 2.4GHz 兩 個 頻 率 , 其 大 的 頻 寬 是 由 裂 縫 孔 長 度 、 寬 度及 位 置 來 決 定 , 設 計 過 程 使 用 Ansoft HFSS 軟
20、 體 分 析 與 設 計 。 E-形 狀 堆 疊 可 高達 38.4 , 其 工 作 中 心 頻 率 是 5.35GHz, 空 氣 當 作 基 底 , 兩 層 堆 疊 之 高 度 分 別是 3.5mm 及 3.75mm, 銅 金 屬 補 片 之 厚 度 是 0.11mm, 天 線 增 益 是 7.017db, 使用 IE3D 軟 體 分 析 與 設 計 , 但 僅 能 用 在 802.11a 中 。 至 於 U-形 狀 微 帶 天 線 的 阻抗 頻 寬 ( VSWR 2) 可 高 達 32%。 H-形 狀 單 金 屬 補 片 之 微 帶 天 線 的 阻 抗 頻 寬 ,在 band 1 時 ,
21、中 心 頻 率 1.04GHz 可 高 達 30 8%; 在 band 2 時 , 中 心 頻 率f 2.3GHz, 可 高 達 34 。 H-形 狀 堆 疊 金 屬 補 片 之 微 帶 天 線 , 在 中 心 頻 率0f 2.43GHz 時 , 阻 抗 頻 寬 可 高 達 39 。根 據 以 上 之 分 析 , 可 知 H-形 狀 微 帶 天 線 有 最 佳 的 阻 抗 頻 寬 , 因 此 本 文 中 將 針對 2.4GHz 及 5.3/5.8GHz 兩 個 頻 帶 , 使 用 IE3D 軟 體 做 天 線 分 析 , 設 計 出 寬 頻帶 H-形 狀 堆 疊 金 屬 補 片 微 帶 天 線
22、 , 以 滿 足 國 內 未 來 無 線 區 域 網 路 傳 輸 寬 頻 多 媒體 資 訊 之 需 求 。 . 天 線 設 計長方形微帶補片天線是一種包含接地金屬板,介電基板,以及很薄的金屬補片的天線,如圖1所示。其中 L、W分別是補片的長度、寬度,h、 r則是基板的厚度及介電常數。 首先由傳輸線模型得知,高頻時接地金屬平板與長方形金屬補片有邊緣效應的作用,使所選用的介電常數,並不是一個定值,受到微帶補片天線W及h的影響,此時我們會得到一個有效的介電常數 re,此有效介電常數的範圍是介於1 reff r。有效介電常數的計算如下式所示:當W/h 1(1) 1212rrref hWL 是天線的實際
23、共振長度,在它两端的兩個輻射槽孔,因為邊緣效應的作用,有效的共振長度L eff跟實際上的共振長度L 會有2L的差距,也就是Leff = L + 2L, 下式為L 的算法:Journal of China Institute of Technology Vol.32-2005.679(2)0.3.264.41258refrfWLhh得知 後,接著設定微帶天線的有效共振長度L eff為 g/2,而實際長度L= Leff-2L,即為設計天線所需的共振長度。至於寬度W是由(3)式耒決定,這是影響天線輻射效率的最大因素(3)01212rrf本 文 中 的 高 增 益 及 寬 頻 帶 堆 疊 微 帶 補
24、片 天 線 的架構共分三層,其側視圖如圖2(a)所示。 ,第一層是最下層的接地金屬平板,第二層是厚度為 h1 的 Duriod 5880介質,在這層上加入 C 形狀挖糟金屬補片,使用耦合方式產生 2.4GHz 的共振頻率。第三層是厚度為 h2 的泡沫膠 (foam)介質,在這層的最上面加入 H 形狀挖糟金屬補片,與 C 形狀金屬補片間以膠木支 四個邊角,如圖 2(b)所示,使用 50 SMA 接頭將 RF 信號直接饋送到此 H 形狀補片上,產生 5.3/5.8GHz 的共振頻率。要決定C形狀挖糟金屬補片前,先要決定長方形微帶金屬補片的長度L與寬度W,現將共振頻率f r=2.4GHz、第二層介質
25、Duriod 5880的介電常數 r=2.2、厚度h 1 = 0.787 mm,分別代入公式(2)及公式(3)中計算出,L=46mm,W=40mm。接著在長方形微帶金屬補片上挖掘C 形狀糟孔,以耦合方式產生2.4GHz寬頻帶共振頻率。為了提昇高增益及寬頻帶的功能,本文中使用堆疊技術,在最上層加入H形狀挖糟金屬補片用來產生5.3/5.8GHz的共振頻率。第三層泡沫膠的厚度h 2=3.2 mm,介電常數 r=1.0,使用半徑為 0.65mm的SMA接頭,將RF 信號直接穿過最底層的接地金屬平板饋送到H形狀挖糟金屬補片上。圖2(b) 中C形狀及H形狀挖糟金屬補片的各参數值如表一所示。表一、C形狀及
26、H形狀挖糟金屬補片的各参數值(單位:mm )A B C D E F G H I36 33 24 4 3 36 36 21 28 接地金屬平板的尺寸則為75mm*75mm 高增益及寬頻帶堆疊微帶補片天線之設計80. 結果分析製作完成的高 增 益 及 寬 頻 帶 堆 疊 微 帶 補 片 天 線 以 圖 3 表示。將此天線置入本校新竹校區航電系的電磁量測中心的天線量測實驗室加以量測,將所得到的各參數與 IE3D 天線模擬值做一比較。圖 4 是天線模擬的-10dB 反射損失 S11 (Return loss)圖,圖中顯示 2.4GHz 頻帶的頻率是從 2.247 GHz 到 2.507GHz,頻寬佔有
27、257MHz,輸入阻抗頻寬是 18%。至於 5.3/5.8GHz 頻帶的頻率是從 4.960 GHz 到6.060GHz,頻寬佔有 1100MHz,輸入阻抗頻寬是 20%。圖 5 是天線實測的-10dB反射損失圖,圖中顯示 2.4GHz 頻帶的頻率是從 2.22 GHz 到 2.49GHz,頻寬佔有270MHz,輸入阻抗頻寬是 12 %,遠大於 802.11b/g 中 84MHz 頻寬需求。至於5.3/5.8GHz 頻帶的頻率是從 5.00 GHz 到 6.30GHz,頻寬佔有 1300MHz,輸入阻抗頻寬是 23%,遠大於 802.11a 中 300MHz 頻寬需求。從圖 4、圖 5 中可知
28、本文中天線可達寬頻帶之應用,實測值與模擬值十分符合。圖 6 顯示天線的增益值,最大增益可達 9.3dB,比 E 形狀堆疊微帶補片天線的 7.02dB 還高出 2.3dB,確實是一個高增益天線,可適用於室內及室外之操作。圖 7、圖 8 及圖 9 分別是 2.4、5.2及 5.8GHz 時 E-平面的實測與模擬的輻射場型圖,由這些圖中可看出實測值與模擬值相似,滿足全向性之需求。、結論使用IE3D電磁模擬軟體做天線分析,設計C形狀及與H-型微帶補片堆疊而成的天線確實可達到高增益及寬頻帶之特性,其阻抗頻寬在2.4GHz時是12%,在5.3/5.8GHz時可達23 ,天線最大增益可達 9.3dBi,輻射
29、場型在 2.4GHz、5.3 GHz及5.8 GHz時均呈現全向性,確實可以滿足無線區域網路802.11b/g及802.11a之室內外使用,增加其應用之範圍。、參考文獻1. L.Xaid, G Kossiavas, J. Dauvigaac, J. Cazajous, and Papiernik, ”Dual-frequency and broad-band antenna with stacked quarter wavelength elements,” IEEE Trans. Antennas Propagate Vol.47, pp.654-660, April 1999.2. S.M
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35、, “Electrion. Lett.33,2085-2087. Dec.4. 1997.圖1、長方形微帶天線上視圖及側視圖高增益及寬頻帶堆疊微帶補片天線之設計82(a) 側 視 圖(b) H 形 狀 及 C 形 狀 金 屬 補 片圖 2、H -形 狀 及 C-形 狀 堆 疊 微 帶 補 片 天 線Journal of China Institute of Technology Vol.32-2005.683圖 3、H -形 狀 堆 疊 微 帶 補 片 天 線 製成的上視及側視相片圖4 IE3D 模擬的反射損失 (S11)圖圖5、 天線實測到的反射損失 (S11)圖高增益及寬頻帶堆疊微帶補片天線之設計84圖 6、天線增益值圖7. 2.4GHz時天線E-平面場型圖(左圖)實際量測值(右圖)為IE3D模值Journal of China Institute of Technology Vol.32-2005.685圖8. 5.2GHz時天線E-平面場型圖(左圖)實際量測值(右圖)為IE3D模值圖9. 5.8GHz時天線E-平面場型圖(左圖)實際量測值(右圖)為IE3D模值