第四章 智能車系統內各硬體量測結果
4.1 智能車頭與車身天線設計與量測結果
智能車身天線使用基材為 FR4 板(𝜀𝑟=4.4、𝑡𝑎𝑛𝛿=0.022、厚度為 1.6mm)，金屬 材料為銅。模擬設計上，選用 ANSYS 公司的 HFSS (High Frequency Structure Simulator)進行天線設計，車身天線如下圖 4.1 所示，採用雙饋入圓極化天線[38]做 為天線單元，利用微帶線雙端饋入天線，激發出天線兩個等振幅且相差 90 度的正 交模態來產生圓極化特性。並以 Wilkinson 功率分配器[39]提供等振幅同相位激發 電流饋入兩相距 0.75 波長的天線陣列[40]單元，使得在天線垂直方向上有較窄的 輻射張角，且在天線單元下方距離 0.25 波長處，以架空方式放置一片金屬反射板 [41]，讓天線輻射能量產生建設性干涉，使得輻射能量集中於天線正上方，達到高 增益特性，詳細架構與各部位尺寸參數如下圖 4.2 與下表 4.1 所示，天線實體如圖 3.14 所示。
圖 4. 2、高增益指向性圓極化天線尺寸圖
表 4. 1、高增益指向性圓極化天線設計尺寸表
參數 尺寸(mm) 參數 尺寸(mm) 參數 尺寸(mm) 參數 尺寸(mm) D1 85 R1 17.8 L4 20 L9 30
D2 3 R2 23 L5 8 L10 7.5
D3 1.6 L1 52.5 L6 5 L11 10
D4 1 L2 7.5 L7 5 L12 35
D5 24.5 L3 17.5 L8 12.6 L13 8
實驗結果由圖 4.3 可得 S11小於-10dB 之阻抗頻寬為 24%(2.16 ~ 2.75 GHz)，涵 蓋藍牙的操作頻率 2.402 ~ 2.48 GHz，由圖 4.4 所示在+Z 軸方向 3dB 圓極化軸比為 28%(2.41 ~ 2.48 GHz)；而圖 4.5(a)所示為在 XZ 平面方向上的天線輻射場型，可看 出主波束張角有窄的 HPBW(Half Power Beam Width)約為 31.5o，圖 4.5(b)所示為在 YZ 平面上的天線輻射場型，可看出主波束張角有寬的 HPBW 約為 75o，圖 4.6 所 示最大增益約為 9.7dBc。並由以上量測結果可以驗證，此天線達到預期的高增益、
圓極化、以及水平方向場型窄，垂直方向場型寬之應用需求。
2 2.2 2.4 2.6 2.8 3
Axial Ratio (dB)
Frequency (GHz)
Measurement Simulation
圖 4. 4 高增益指向性圓極化天線圓極化軸比量測與模擬圖
(a)
(b)
圖 4. 5、(a)XZ (b)YZ 平面 高增益指向性圓極化天線輻射場型量測與模擬圖
2.35 2.4 2.45 2.5 2.55 8
8.5 9 9.5 10
P ea k G a in ( d B c)
Frequency (GHz)
Measurement
圖 4. 6、高增益指向性圓極化天線最大增益量測圖
車頭天線則延用車身天線的基本架構，但是縮短了下圖 4.7 中白色圓圈處的傳 輸線長度，使得左端的天線單元相位領先，且拉近兩天線單元的間距，因此天線場 型會向右端天線單元偏移約 30 度角，又因為兩天線單元互相靠近，主幅射波束將 會變寬，如此一來便能增加智能車頭的左右感應範圍，增加跟隨順暢度。而垂直方 向的輻射範圍則維持跟車身天線大致相同，因此還是能涵蓋一般使用者的手機擺 放位置。下圖 4.7 為天線結構圖，各部位此寸參數如下圖 4.8 與下表 4.2 所示，長 度改變的部分在表中以紅色字體標示，天線實體如圖 3.15 所示。
圖 4. 7、車身天線結構圖
圖 4. 8、高增益指向性圓極化天線尺寸圖
表 4. 2、高增益指向性圓極化天線設計尺寸表
參數 尺寸(mm) 參數 尺寸(mm) 參數 尺寸(mm) 參數 尺寸(mm)
D1 72.2 R1 17.8 L4 7 L9 30
D2 3 R2 23 L5 8 L10 7.5
D3 1.6 L1 52.5 L6 4 L11 10 D4 1 L2 7.4 L7 5 L12 34.8 D5 24.5 L3 7 L8 12.6 L13 8
實驗結果由圖 4.9 可得 S11小於-10dB 之阻抗頻寬涵蓋藍牙的操作頻率 2.402 ~ 2.48 GHz，由圖 4.10 之量測結果所示，在+Z 軸方向 3dB 圓極化軸比為 43%(2.378
~ 2.484 GHz)；而圖 4.11 所示為在 XZ 平面方向上的天線輻射場型，可看出主波束 張角有窄的 HPBW(Half Power Beam Width)約為 39o，且偏移主波束偏移了約 30 度
圖 4. 9、智能車頭高增益指向性圓極化天線散射參數量測與模擬圖
圖 4. 10、車頭高增益指向性圓極化天線圓極化軸比量測與模擬圖
圖 4. 11、智能車頭高增益指向性圓極化天線 XZ 平面輻射場型量測與模擬圖