微波陶瓷濾波器及陶瓷晶片型天線的研製
(Implementation of Microwave Ceramic Filter and Ceramic Chip Antenna for Wireless Communications)
一、中文摘要
本計畫主要結合元件設計與材料實作兩方面的合作，研究製作出陶瓷微波通訊 元件，使通訊元件體積微小化並實際展現元件之功能，此微小化之被動通訊元件為 無線通訊設備的關鍵組件。本計畫共分兩部分進行，主要為設計及製作 (A)微波陶 瓷濾波器 (B)陶瓷晶片型天線。
(A)：探討介電共振器以微帶線饋入之帶通濾波器，此帶通濾波器利用兩個陶瓷 介電共振器位於金屬共振腔中，其共振模態為 TM01，我們將此模態設計操作在 2.4GHz 頻段。此種設計之通帶區極為平坦、截止區外衰減快速並且達到良好的濾波 效果。本論文使用電磁模擬軟體 HFSS，模擬結果和實際數據相當類似。另外我們亦 探討介電共振器的厚度之不同對於介電共振帶通濾波器頻寬及頻率之影響。
(B)：介紹在以陶瓷材料製作的介電常數r= 22 之圓柱介質共振體表面黏著經過 設計的金屬片，將其置放在 FR4 介質基板上並以共平面波導饋入方式，討論其在微 波頻段對本論文所提出的微小化單極晶片型天線的共振頻率、輻射場型以及增益等 參數的影響，以期深入了解本晶片型陶瓷天線的介質負載特性。
二、緣由及目的
首先將由共同主持人本校機械系林明宏教授及電子系鄭平守副教授進行陶瓷低 溫共燒(LTCC)製程技術開發，其將研究以鈦酸鋇(BaTiO3)系統為基本成分，完成一擁 有低損耗的高品質因數，高介電係數(r)及小的頻率溫度係數的良好微波介電材料，
如下圖所示。
各種不同尺寸及介電係數之陶瓷
質共振儀。
介質共振儀
然後將其完成之微波陶瓷材料由主持人用來做為介電陶瓷基板製作成陶瓷濾波器 (ceramic filter) 及製作成陶瓷晶片型天線(ceramic chip antenna)或將其整合在一起。
(A)：微波陶瓷濾波器：
A1、前言
由於無線通訊技術快速的發展，生活與無線通訊的關係密不可分，無線通訊已 經融入生活化甚至與生活緊密的結合。隨著無線通訊技術的進步，發展出許多便利 的無線通訊系統，例如：無線區域網路( WLAN )、藍芽無線、GSM 系統以及行動衛 星通訊系統…等，這些系統的建立，不僅免除了繁瑣的接線，還可使人們隨時隨地 得到快速、精準且高品質的資訊。而在通訊傳輸系統當中，準確的擷取正確的信號 則是通訊品質的關鍵因素，因此，濾波器元件在通訊系統中佔有十分重要的地位，
濾波器的優劣直接關係著通訊品質的好壞。
本論文以介電共振器製作濾波器(dielectric resonator filter)。介電共振器(dielectric resonator)是微波系統中用來固定頻率的一種被動式元件。它最早在 1939 年被 Richtmyer 所提出來的。在 1960 年，Okaya [1]與 Barash 的研究報告中介電共振器才 開始受到重視與發展。儘管介電共振器具有高品質因素(Quality-factor)在 10000 之 上，實際上介電共振器並沒有廣泛地受到應用，因為它具有較差溫度穩定度。然而 近年來在新材質與材料技術上的進步，已經大大的改善溫度穩定的問題。因此介電 共振器目前受到廣泛地運用在 TEM 模態中的耦合微帶線，它的優點有小尺寸、輕 巧、低成本和低損耗。因此介電共振器常用來製作濾波器以達到所需的效果。本論 文中採用陶瓷材料作為介電共振器，陶瓷介電共振器具有良溫度穩定度、低損耗，
因此對於製作濾波器具有較佳的效能[2-4]。本論文所製作介電共振濾波器為將兩個 陶瓷圓柱體置於金屬空腔內，如圖 1 所示為介電共振濾波器透視立體結構圖[5]。
圖 1. 介電共振帶通濾波器透視立體結構圖
A2、理論與濾波器設計
本介電共振帶通濾波器乃利用微帶線耦合介電共振器置於封閉波導內以磁偶極 的方式激發 TM01δ模態以達到所需頻段。而介電共振器之尺寸為 0.3 < H/D < 0.5 其 中 H 為圓柱型介電共振器之高，D 為其直徑，在這 H/D 範圍內可將寄生模態的干擾 減至最低以達到良好的頻率響應[6, 7]。為了減少實驗的試錯，吾人利用 3D 模擬軟 體 Ansoft HFSS 模擬共振帶通濾波器，並放上模擬數據與實際量測的結果做對照。
圖 2.所示為介電共振帶通濾波器，將其微帶線印刷在 FR4 基板上，基板厚度 h = 1.6 mm，相對介電常數r= 4.4。基板長寬固定為 Wg= 40 mm、Lg= 50 mm，接地面 為基板背面。50-Ω饋入線和輸出線的金屬寬度 W = 3 mm、L = 28 mm，陶瓷介電共 振器其介電係數為 25，其半徑 R = 7.4 mm、高 hg= 4.5 mm，因此 H/D = 0.304；將其 置於微帶線中心，其圓心距短邊之距離 Lr= 32.4 mm。又金屬波導之底面積為 Wg × Lg，高為 hg。
圖 2 介電共振帶通濾波器結構圖 圖 3 模擬與量測的反射損失圖
A3、實驗結果與討論
圖 3、4 所示為介電共振帶通濾波器之模擬及量測之反射損失圖(return loss)和插 入損失 圖(insertion loss)， 實驗 量測 結果 與 模擬相 當接 近。 圖中 所示模 擬 f1 =
1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 3.2 -50
-40 -30 -20 -10 0
returnloss,dB
frequency,GHz
simulated measured
802.11b/2.4GHz 之應用頻段內。
A5、參考文獻
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表 1. hg變化之中心頻率與比例頻寬表 載(slot or slit loaded patches) [1]，或是使用晶片電阻、電容或短路棒(shorting-pin)負
L
線網路上的天線大部份設計成單極天線(monopole antenna) [4]，由於傳統之單極天 線的共振長度為操作波長的四分之一，對於無線網路的應用，單極天線的尺寸稍長，
因此也有繞成立體結構的單極天線以降低其長度以適用在無線網路上[5]。使用高電 容率(permittivity)的介電共振器天線(Dielectric Resonator Antenna, DRA) [6,7]具有較 好的輻射特性、較小的尺寸、較大的頻寬以及非常低的歐姆損耗(low ohmic loss)，
但在要求的操作頻率下，其尺寸仍嫌太大。至於使用 LTCC 技術的的晶片型陶瓷天 線(ceramic chip antenna)，近年來才開始有比較多的研究[8-10]，是目前熱門的研究方 向。
晶片型的陶瓷介電質天線是屬於介質負載天線(dielectric-loaded antenna)，而設 計此種天線必須知道負載端介質共振體的介電質常數(dielectric constant)，其量測方 法可利用 Kobayashi 與 Katoh 等人所提出的介質共振法[11]來測量，此法首先由 Hakki 和 Coleman 提出[12]，經 Coautney[13]而改善，最後由 Kobayashi 等人提出較精確的 測量方法。知道介電質常數後便可以計算得知其共振頻率[14, 15]，而通常會使用 TE01的模態的共振方程式來求得介電常數並解出共振頻率。
本論文將會提出一新型的縮小化單極晶片型陶瓷天線，在已知介電質常數r= 22 的介質共振體的表面黏著金屬片，並將其放置在 FR4 介質基板上，以共平面波導 方式饋入，觀察共振頻率與場型等天線參數的變化。共平面波導的饋入方式文獻上 比較少被提出，其饋入方式的優點為低輻射溢漏(low radiation leakage)，並能夠在與 波導金屬接地面上與主動及被動元件輕易的結合而不需任何的鑽孔，免去製程可能
圖 1 共面波導饋入之介質陶瓷天線及相片
B2、天線結構
共平面波導饋入陶瓷材料介質共振體的結構如圖 1 所示，陶瓷與共平面波導在 介質基板同一平面上，介質基板FR4厚度 h=1.6mm，介電質常數r=4.6，其大小 為 W×L= 34.8mm×40mm；共面波導的饋入線 Wf=4mm，間隙寬度 G=0.4mm，
接地面的長度=20mm；陶瓷與地之間的距離 S=0.5mm，陶瓷的半徑 R=7.4mm，
厚度 d=2mm，介電質常數r=22。
黏著在陶瓷材料的介質共振體表面的輻射金屬片是以一個圓形金屬片為基礎，
經過適當的設計，樣式如圖 1 所示，而此金屬片可以經由濺渡、以可靠的表面黏著 技術黏著金屬片或者是貼上金屬銅帶。外半徑為與陶瓷半徑相同為 R=7.4mm，內 半徑 r=5.9mm，亦即除了中間的金屬片寬度 WC=3mm 之外，所有金屬片的寬度 為 1.5mm；焊接點的寬度可依不同的饋入線寬度作調整，其對於共振頻率與阻抗匹 配的影響並不大，在此設計為 4mm；a、b、c 分別為各線間的最大間距，a=4mm，
b=1.8mm，c=2.5mm；此外，本設計中輻射金屬片的厚度為 0.02mm。
B3、結果與討論
由反射損失的比較圖可以發現當輻射金屬片位於 FR4 基板上，未連接陶瓷介電 質負載時，其共振頻率約在 2.8GHz，連接了陶瓷負載後其共振頻率下降至 2.4GHz 左右，且在 4GHz 與 5GHz 附近皆產生了新的共振頻率。低頻 2.4GHz 反射係數約 可達到-30dB 以下，但其頻寬稍窄，約只有 250M 左右；高頻部份則涵蓋了整個 5 至 6GHz 的頻段，其反射係數大多約在-20dB 左右，中頻部份由於其反射係數最大 約只可達到-10dB 左右，顯示其阻抗匹配不佳，較難有實際的應用；而 2.4GHz 與 5GHz 的頻段阻抗匹配較佳，且位於商用頻段，實際應用的範圍較廣。
原先的共振頻率在 2.8GHz，想要使其共振頻率下降達到 2.4GHz 的操作頻率，
1000 2000 3000 4000 5000 6000
frequency, MHz 無陶瓷負載
輻射金屬片位於陶瓷上表面 輻射金屬片位於陶瓷下表面 與FR4基板接觸
5000 5200 5400 5600 5800
0
frequency, MHz
2200 2300 2400 2500 2600 2700
0
frequency, MHz
輕易的做到，即達到了縮小化的效果。輻射金屬片位於陶瓷的上表面（與基板未有
50
-40
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-shaped slot,”IEE Proc.-Microw. Antennas Propagat,
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