第四章 雙頻縮小化印刷倒 F 型天線
4.4 利用 LTCC 實作與量測
由於這種縮小化倒 F 型螺旋天線的結構易於實現，且在頻寬及場型均有不錯的 表現，故此處利用 LTCC 製程來驗證此結構。利用 LTCC 來設計還有以下兩個優點：
1.因為使用的是 LTCC，故天線可以和本論文前半部所提到的射頻系統封裝模組進行 整合。2.一般常見的印刷電路天線因受限於電路板厚度的關係，在平行於電路板的 切面上，垂直於電路板的輻射場型都相當的小，以 4.2.2 節中所提到的印刷倒 F 型 天線為例，參考圖 4.14c，即可發現其水平於電路板切面(x-y plane)的垂直輻射場 (E-theta)，其幅射增益平均大小只有-20dBi，假如在此平面傳輸資料，其工作效能較 差，故我們可以利用將 LTCC 其三維的結構，來增加水平於電路板切面的垂直輻射 場。圖 4.23 即為天線的設計圖，其中 A 點為接地點，B 點為和饋入線相接之點，天 線的部份均是走 LTCC 的表面，到 C 點再走入 LTCC 之內層進行繞線。而此種倒 F 型螺旋結構是需要一接地金屬面來產生鏡像電流，所以利用 FR4 當作 LTCC 的載 板，整體的天線結構如圖 4.24。頻率對輸入損耗的量測如圖 4.25。由圖中可讀出天 線的頻寬(取反射損耗小於-10dB)在 2GHz 的部份為 50MHz，在 5GHz 的部份為 1146MHz，仍算是不錯的結果。而天線的量測場型則如圖 4.26，量測的幅射增益則 整理如表 4.2，由圖中可知此 LTCC 天線其水平於電路板切面(x-y plane)的垂直輻射 場(E-theta)的平均值為-12dBi，比起印刷倒 F 型螺旋天線，多了 8dBi，也證實了此 種設計可以加大水平於電路板切面的垂直輻射場。
圖 4.1 半波長偶極天線結構及電流圖
圖 4.2 半波長偶極天線之輻射場型
(a) (b)
圖 4.3 圖(a)為一個電流方式垂直於金屬面的理想電流源存在於無窮大的金屬面上，
圖(b)為圖 4.3(a)之等效模型
圖 4.4 圖(a)為一個電流方式水平於金屬面的理想電流源存在於無窮大的金屬面上，
圖(b)為圖 4.4(a)之等效模型
圖 4.5 無限大金屬面上之單極天線結構圖
(a)四分之一波長單極天線 (b)半波長偶極極天線
圖 4.6 單極天線與偶極天線電流分佈圖。
圖 4.7 L 型單極天線
圖 4.8 倒 F 型天線
圖 4.9 倒 F 型天線的等效傳輸線模型
圖 4.10 平面倒 F 型天線結構圖
圖 4.11 印刷倒 F 型天線
圖 4.12 印刷倒 F 型天線電流分佈圖
圖 4.13 印刷倒 F 型天線三維輻射場型圖
(a) x-z 平面之輻射電場 (b) y-z 平面之輻射電場
(c) x-y 平面之輻射電場
圖 4.14 印刷倒 F 型天線各切面之幅射電場
圖 4.15 倒 F 型天線輸入阻抗 Xt 對總長度 L 的關係圖
圖 4.16 倒 F 型天線增加電感 (實線) 及不增加電感 (虛線) 之輸入阻抗 Xt 對總長度 L 的關係圖
圖 4.17 同樣長度的倒 F 型天線輸入阻抗虛部(Xt)對共振頻率(f
0
)的關係圖
(a) (b)
(c) (d) 圖 4.18 將印刷倒 F 型天線水平的部份逐漸繞成螺旋狀
(a) (b)
(c) (d)
(e)
圖 4.19 相對應於圖 4.18 之反射損耗對頻率之圖
圖 4.20 雙頻縮小化印刷倒 F 型天線結構圖
圖 4.21 雙頻縮小化印刷倒 F 型天線反射損耗對頻率圖
2.45g x-z plane E-theta
2.45g x-z plane E-phi
-35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5
2.45g y-z plane E-theta
-35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5
2.45g y-z plane E-phi
2.45g x-y plane E-phi
-35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5
2.45g x-y plane E-theta
-35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5
5.25g x-z plane E-theta
5.25g x-z plane E-phi
-35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5
5.25g y-z plane E-theta
-35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5
5.25g y-z plane E-phi
5.25g x-y plane E-phi
-35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5
5.25g x-y plane E-theta
-35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5
頻率 切面及電場方向 最大值 平均值
2.45GHz X-Z E-theta -2.57 -10
2.45GHz X-Z E-phi -0.79 -6.16
2.45GHz Y-Z E-theta -4 -7.95
2.45GHz Y-Z E-phi 1.59 -3.03
2.45GHz X-Y E-theta -16.4 -21.8
2.45GHz X-Y E-phi 0.05 -3.71
5.25GHz X-Z E-theta -0.45 -6.74
5.25GHz X-Z E-phi -0.99 -5.66
5.25GHz Y-Z E-theta -0.01 -8.43
5.25GHz Y-Z E-phi 2.83 -1.7
5.25GHz X-Y E-theta -14.22 -20.51
5.25GHz X-Y E-phi 2.17 -3.54
單位：dBi 表 4.1 縮小化雙頻印刷倒 F 型天線各切面量測的幅射增益整理
圖 4.23 縮小化雙頻倒 F 型 LTCC 天線結構圖
圖 4.24 縮小化雙頻倒 F 型 LTCC 天線利用 FR4 當載板之結構圖
圖 4.25 縮小化雙頻倒 F 型 LTCC 天線反射損耗對頻率之圖
2.35G x-z plane
2.35G y-z plane
-35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5
2.35G x-y plane
-35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5
5.25G x-z plane
5.25G y-z plane
-35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5
5.25g x-y plane
-35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5
5.75g x-z plane
5.75g y-z plane
-35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5
5.75g x-y plane
-35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5
頻率 切面及電場方向 最大值 平均值
2.35GHz X-Z E-theta -3.6 -11.72
2.35GHz X-Z E-phi -4.59 -9.69
2.35GHz Y-Z E-theta -3.29 -11.45
2.35GHz Y-Z E-phi -3.34 -11.55
2.35GHz X-Y E-theta -8.71 -14.69
2.35GHz X-Y E-phi -1.1 -6.36
5.25GHz X-Z E-theta 3.12 -4.47
5.25GHz X-Z E-phi 1.64 -1.98
5.25GHz Y-Z E-theta -2.01 -8.59
5.25GHz Y-Z E-phi -1.61 -7.07
5.25GHz X-Y E-theta -6.66 -12.48
5.25GHz X-Y E-phi 2.52 -0.36
5.75GHz X-Z E-theta 1.37 -4.75
5.75GHz X-Z E-phi 0.6 -3.85
5.75GHz Y-Z E-theta -3.37 -10.66
5.75GHz Y-Z E-phi -2.03 -7.09
5.75GHz X-Y E-theta -8.62 -14.66
5.75GHz X-Y E-phi 1.46 -1.16
單位：dBi 表 4.2 縮小化雙頻倒 F 型 LTCC 天線各切面輻射增益整理圖