第三章 電磁帶隙結構
3.2 電磁帶隙結構包圍方式之探討
3.2.2 天線周圍包覆 PMC
傳統上 EBG 以圍滿的方式來改善微帶天線之增益與輻射[13]，並透過晶胞 數的不斷增加來提高增益及改善輻射場型，但晶胞數的增加將提高成本、加大 EBG 面積及天線整體體積，高達一定數量時反而會降低天線性能，對於微帶貼 片天線而言，EBG 在接地面太靠近天線輻射邊反而影響其輻射機制，造成頻率
飄移，因此論文中將探討EBG 的包圍方式對天線性能之影響，以有最佳效果。
已知高阻抗表面可以阻擋介質中表面波的傳遞，因此先透過理想 PMC 來代 EBG 結構，以分析其特性，找出提升天性能的最佳包圍
方式。
首先把天線周圍包覆 PMC 如圖 3-12，以逼近的方式慢慢擴大 PMC 的面積，
一圈 PMC 的寬度與設計的晶胞大小邊長一樣，從輻射場型來看，使用到第二圈 時，可以得到最佳的輻射效能如圖 3-13。PMC 包圍有其最佳範圍，取得有效的包 圍方式，可以讓天線輻射最佳化。
圖 3-12：天線周圍包覆 PMC
圖 3-13：天線周圍包覆 PMC 之輻射場型比較
參考天線 一圈PMC 二圈PMC 三圈PMC
0 度增益 3.57dBi 4.32dBi 5.45dBi 4.78dBi
增益改善 0.75dB 1.88dB 1.21dB
表 3-1：天線周圍包覆 PMC 之增益改善比較
3.2.3 輻射邊兩側包覆 PMC
由於微帶天線之表面波傳遞方向以 xz 切面為主如圖 3-14，因此在微帶天線 輻射邊的兩側擺放 EBG 結構，以抑制其傳遞，有效改善天線輻射場型。首先，使 用理想的 PMC 在天線輻射邊兩側包覆如圖 3-15，對於 PMC 覆蓋面積的大小作一 探討，變化 PMC 之覆蓋面積，了解其對天線輻射場型的影響，在邊射(broadside) 方向的輻射場型可以有效改善波紋，讓旁波瓣(sidelobe)大幅度降低，如圖 3-16
所示，以兩列 PMC 可以達到較佳效果，再增加一列 PMC 雖些許增加增益，不
過 PMC 覆蓋的面積已達飽和，因此從上述可知，在結合 EBG 和微帶天線時，
將有一最佳之覆蓋面積，使用最適當之晶胞數，來達到最佳的增益改善。
圖 3-14：表面波在介質空間中分布
圖 3-15：輻射邊兩側包覆 PMC
圖 3-16：輻射邊兩側包覆 PMC 之輻射場型比較
參考天線 一列PMC 二列PMC 三列PMC
0 度增益 3.57dBi
5.28dBi 6.42dBi 6.44dBi
增益改善 1.71dB 2.85dB 2.87dB
表 3-2：輻射邊兩側包覆 PMC 之增益改善比較
3.3 電磁帶隙結構結合單一微帶天線
以下將結合所設計之 EBG 結構和微帶天線，以改善微帶天線之輻射場型干
擾，從前述的探討，先以圍繞式包圍天線做輻射場型比較，如圖3-17 所示：
圖 3-17：天線周圍包覆 EBG 之輻射場型比較
0 度增益 Ref. patch antenna 3.57dBi
圍繞 EBG 5.72dBi ΔGain 2.15dB
表 3-3：天線周圍包覆 EBG 之增益改善比較
由於表面波之傳遞主要為 X 軸方向，因此以 EBG 之較寬頻的維度來抑制 X
方向的表面波，其結合方式如下，以兩列EBG 結構與天線結合比較如圖 3-18：
圖 3-18：輻射邊兩側包覆 EBG 之輻射場型比較
0 度增益 Ref. patch antenna 3.57dBi
輻射邊包覆EBG 5.77dBi ΔGain 2.2dB
表 3-4：輻射邊兩側包覆 EBG 之增益改善比較
兩種包覆 EBG 的情形做比較，使用輻射邊兩側包覆 EBG 對表面波抑制可以
達到最直接的效果，再對接地面做變化，令輻射邊到接地面邊緣距離等於1.5 倍
空氣中波長，邊緣的等效感應磁流干擾最大，在垂射(broadside)方向造成 30 度到 60 度的旁波瓣，將晶胞數加到三列使得輻射場型能有最佳效果，如圖 3-19 所示：
圖 3-19：較大接地面應用更多晶胞數改善輻射場型圖
3.4 電磁帶隙結構結合微帶天線陣列
第二章敘述之高增益天線陣列，由於在 E-plane 產生較大之旁波瓣，因此論 文將結合 EBG 結構與天線陣列，改善輻射場型，以符合 ETSI-TS2 規範要求，
對原本的天線陣列與改善後的天線陣列作一比較，如圖3-20 為天線結構示意圖，
俯視圖 yz 切面為表面波影響較大的面，因此我們在 E-plane 兩側包覆 EBG，使 用三列的 EBG 週期結構，另外，圖 3-21 為(a)3.4GHz、(b)3.55GHz、(c)3.7GHz 輻射場型在E-plane 的改善比較，可以發現在(a)跟(b)改善的效果特別明顯，旁波 瓣減弱許多，而(c)原本旁波瓣就不大，所以改善較不明顯。再跟 ETSI-mask 做
比較如圖3-22，改善後的天線陣列距離輻射場型標準線有較大之安全距離，對實
作上的誤差影響會比較小，以下針對輻射場型做一比較。
圖 3-20：原始天線陣列與應用 EBG 之天線陣列
(a)3.4GHz E-plane 輻射場型比較
(b)3.55GHz E-plane 輻射場型比較
(c)3.7GHz E-plane 輻射場型比較
圖 3-21：原始天線陣列與應用 EBG 之天線陣列輻射場型比較 (a)3.4GHz (b)3.55GHz (c)3.7GHz
(a)3.4GHz E-plane
(b)3.55GHz E-plane
(a)3.7GHz E-plane
圖 3-22：原始天線陣列與應用 EBG 之天線陣列與 ETSI-mask 比較
3.5 模擬與量測結果比較
由上述模擬的結果進行實作及量測的工作，如圖3-23 為微帶天線結合 EBG 結構的架構，表3-5 列出了板材的規格，使用的基板是 FR4 玻璃纖維基板並架高，
空氣高度為5mm。
Dielectric constant(top，bottom) 4.4 ， 4.4 Substrate thickness(top，bottom) 0.8mm ， 1.6mm Loss tangent 0.02
Air gap 5mm Upper substrate size 250mm x 200mm Ground size 300mm x 250mm
表 3-5：天線陣列設計參數
圖 3-23：應用 EBG 之天線陣列結構圖
圖 3-24 為天線陣列在 3.4GHz、3.55GHz、3.7GHz 的輻射場型，從圖中可以 觀察模擬與量測場型蠻相近的。
(a)3.4GHz
(b)3.55GHz
(c)3.7GHz
圖 3-24：天線陣列輻射場型模擬與量測比較
對於其輻射場型的分布需求要符合 ETSI-TS2 的規範，以下針對輻射場型與 ETSI-mask 做一比較，如圖 3-25 所示，從圖中發現，實作及量測輻射場型全部
工作頻段都能滿足mask 要求，完成一組高增益天線陣列。
(a)3.4GHz
(b)3.55GHz
(c)3.7GHz
圖 3-25：天線陣列輻射場型與 ETSI-mask 比較
圖 3-26 為天線陣列模擬與量測的反射損耗，其工作頻率與設計之天線相去 不遠，均包含3.4GHz~3.7GHz，頻寬設計較大的原因在於避免外在因素造成的頻 飄，量測出來可達3.3GHz~3.9GHz，略往高頻飄，不過與設計的反射損耗相當接
近。圖 3-27 為實際量測的增益對頻率的變化圖，其增益的全頻段都能大於
14dBi，E-plane 與 H-plane 也較為接近，整理數據如表 3-6。
圖 3-26：天線陣列反射損耗模擬與量測比較
圖 3-27：天線陣列增益對頻率圖
頻率(GHz) 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 E-plane 增益
(dBi) 14.85 15.91 16.20 16.87 16.27 15.07 H-plane 增益
(dBi)
14.21 15.65 15.98 16.29 16.07 15.18
表 3-6：天線陣列增益對頻率表
圖 3-28 為實體圖，俯視圖、側視圖與 EBG 實際大小比較。
(a) 俯視圖
(b) 側視圖(空氣高度=0.5mm)
(c)EBG 實體結構 圖 3-28：天線陣列實體圖
第四章 結論 (Conclusion)
本論文主要是研究適用於基地台的 WiMAX 頻段高增益天線陣列，並控制其 頻寬、增益及輻射場型能夠符合 ETSI(European Telecommunication Standards Institute)的規範。在論文第二章中提出的高增益天線陣列，是利用一個能量分歧 器把能量等效分成三份的饋入網路，接上三組一樣的三元素陣列矩形微帶天線所
組成的天線陣列，最高增益可達到 17dBi，工作頻率的增益都能超過要求的
14dBi，輻射場型符合 ETSI-TS2 規範。另外，本論文所提出的天線陣列為印刷式 天線，不但具有輕量化的特性且大幅降低製作上的困難度，也減輕了成本的負擔。
透過本論文所設計之 EBG 可有效降低傳統 EBG 結構的製程，僅以 FR4 板 材即可自行實作比較，無須鉚釘，並提出有效提升微帶天線增益的包圍方式，在 有限的接地面下，可選擇適當的晶胞數來改善天線陣列的輻射場型，抑制表面波 對天線的干擾，讓邊際效應產生的感應磁流干擾降到最低，最後在實作及量測部 分，驗證我們模擬的結果。
參考文獻
[1] W. L. Stutzman and G. A. Thiele, Antenna Theory and Design, 2nd ed. New York:
Wiley, 1998.
[2] A. Balanis, Antenna Theory Analysis and Design. New York: Wiley, 1997.
[3] R. Gardelli, G. La Cono, and M. Albani, “A low-cost suspended patch antenna for WLAN access points and point-to-point links,” IEEE Antennas and Propagat., vol.
3, no. 1, pp. 90-93, 2004.
[4] H. F. Pues and A. R. Van de capelle, “An impedance-matching technique for increasing the bandwidth of microstrip antennas,” IEEE Trans. on Antennas and Propagat., vol. 37, no. 11, pp. 1345-1354, Nov. 1989.
[5] Q. Song and X.–X. Zhang, “A study on wideband gap-coupled microstrip antenna arrays,” IEEE Trans. On Antennas and Propagat., vol. 43, no. 3, pp. 313-317, Mar.
1995.
[6] D. Sievenpiper, L. Z. Romulo, F. J. Broas, N. G. Alexopolous, and E. Yablonovitch,
“High-impedance electromagnetic surfaces with a forbidden frequency band,”
IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 47, no. 11, pp. 311-335, Nov. 1999.
[7] F.-R. Yang, K.-P. Ma, Y. Qian, and T. Itoh, “ A Uniplanar Compact Photonic-Bandgap (UC-PBG) Structure and Its Applications for Microwave Circuits,” IEEE Trans. MTT, vol. 47, Aug. 1999.
[8] M. F. Abedin, M. Z. Azad, and M. Ali, “ wideband smaller unit-cell planar EBG structures and their application,” IEEE Trans. On Antenna and Propagat., vol. 56, no. 3, pp. 903-908, Mar. 2008.
[9] I. J. Bahl and P. Bhartia, Microstrip Antennas. Artech House, 1980.
[10] J.R. James and P. S. Hall, Handbook of Microstrip Antennas. London：Peter Peregrinus Ltd., 1989.
[11] K. C. Gupta, R. Garg, I. J. Bahl, P. Bhartia, Microstrip Lines and Slotlines, 2nd ed.
Norwood, MA：Artech House, 1996.
[12] T. Namiki, Y. Murayama, and K. Ito, “ Improving radiation-pattern distortion of a patch antenna having a finite ground plane,” IEEE Trans. On Antenna and Propagat., vol. 51, no. 3, pp. 478-482, Mar. 2003.
[13] R. Coccioli, F.-R. Yang, K.-P. Ma, and T. Itoh, “ Aperture-coupled patch antenna on UC-PBG substrate,” IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 47, no. 11, pp.
2123-2130, Nov. 1999.
[14] F. Yang and Y. Rahmat-samii, “ Microstrip antenna integrated with electromagnetic band-gap (EBG) structure: a low mutual coupling design for array application,” IEEE Trans. On Antenna and Propagat., vol. 51, no. 10, pp.
2936-2946, Oct.2003.
[15] Z. Iluz, R. Shavit, and R. Bauer, “ Microstrip antenna phased array with electromagnetic bandgap substrate,” IEEE Trans. On Antenna and Propagat., vol.
52, no. 6, pp. 1446-1453, June 2004.