超寬頻天線分析

一般 UWB 的系統使用脈衝波，其在頻域上有很寬的頻譜，因此稱為 超寬頻。在此必須強調的是，不是所有可使用頻寬大於500 MHz 或是大於 中心頻率20%的天線，都可以用於 UWB 的脈衝波傳輸。常見的天線，比如 Log-periodic 和 Spiral 天線，雖然其反射(匹配)與場型特性，符合超寬頻的 定義，但是其實這些天線在不同的頻率，發射訊號的位置不同，換言之，

不同頻率的訊號不在同一個中心發射的話，對同一接收位置而言，由於不 同頻率的訊號，傳輸所經過的路徑長度不同，抵達時間也就不同，導致接 收到的脈衝波失真，因此這一點在做天線設計時須特別注意。

由於在BAN 的應用中，天線必須長期佩帶於人體，而人體會對天線的 阻抗與發射場型等等特性產生重大的影響，進而影響到無線電通道的特 性，因此雖然研究UWB 天線的參考資料相當多，但適合應用於 BAN 的天

有明顯的差異。對 BAN 而言，訊號路徑(人體)相對於其他無線網路，變化 (Line of Sight)、繞射波(Diffraction or Creeping Wave)以及來自週遭環境 與人體軀幹/四肢的散射波, 要降低路徑損耗就要善用這些傳播途徑，

一般最好能夠有 Omnidirectional 的場型，因為收發天線佩帶於人體，

不是面對面發射與接收，因此Omnidirectional 往天線側邊發射的特性，

訊號能夠沿著身體表面傳播，而且電場的方向垂直於人體，能夠減少身 體 的 感 應 電 流 ， 因 此 可 以 得 到 較 低 的 路 徑 損 耗 ， 然 而 這 必 須 讓 Omnidirectional 的天線佩帶於身體時，天線垂直於身體表面，但天線突 出於人體在實際上並不實用也不可行，因此僅能基於這一觀念，對天線

可以觀察其脈衝響應(Impulse Response)，對於設計更好的 BAN 天線，

會有所助益。

計，縱然如此，當天線佩帶於人體時，場型會產生變化，進而對通道特 性產生影響，因此最終仍須以實測決定天線的性能。

以下依據國際發表的文獻，分析各種適用於BAN 的 UWB 天線。參考 資料[7~10]提出幾種 UWB 的天線，其特性適用於 BAN 的應用。參考資料 [11]提出一種新型天線 Planar Inverted Cone Antenna(PICA)，這是一種 Monopole-like 天線，其阻抗頻寬(Impedance Bandwidth)大於 10:1，而其 Monopole type(Omni-directional)的場型頻寬(Pattern Bandwidth)高達 4:1，非 常適用於on-body 的系統，因此數個後續的 BAN 通道研究，均採用 PICA 進行量測與模型建立，PICA 的結構如圖 2。

圖2. PICA 結構圖

參考資料[12]提出以微帶製作的 UWB 天線，頻率可達 3~6 GHz，低成 本與低高度(厚度)，也適用於 BAN 的應用。參考資料[13]提出以矽晶為基材 的天線，厚度僅達0.6 mm，頻率可達 3.1~5.1 GHz，這項研究讓天線微小化，

對BAN 的實現有很大的幫助。不論是 off-body 或是 on-body 的天線，都會 受到人體的影響而改變其特性，這對開發BAN 的天線是一項很大的挑戰，

參考資料[14]開發出一種可以降低人體效應的天線，這對後續的 BAN 天線 開發有所幫助。參考資料[15]考慮天線的保真度(Fidelity Factor)，參考資料 [16]則在開槽天線(Slot Antenna)的饋入線下方加上一片反射板(Reflector)，形 成一個Directional Slot Antenna (DSA) ，可以有效降低人體對天線的影響，

另外也使用光纖傳輸射頻訊號(RF on optic fiber)的方法，降低同軸傳輸線對 量測的影響。DSA 的結構如圖 3 所示。DSA 屬於有方向性的天線，與 PICA 的特性不同，因此本計畫選擇使用這兩種天線進行 BAN 的通道量測，以看 出不同天線特性對BAN 通道的影響。

圖3. DSA 結構圖

參考資料[17]中提出實用的紡織天線(Textile Antenna)，厚度僅為 0.5 mm，頻率可達 FCC 的全頻寬 3.1~10.6 GHz，材料部份採用高導電度的 metalized Nylon fabric—Nora.1，其結構為 3 層金屬(Ni/Cu/Ag)，表面電阻可 以達到0.03 Ω/sqare，除了抗腐蝕也有極佳的可繞性，其結構與特性如圖 4 所示。

圖4. 紡織天線結構與反射特性圖

另外，Monopole-like 天線佩帶於人體時，若天線垂直於身體，其發射 場型與電場的極化方向，如前所述，理論上會有較低的路徑損耗(Path Loss)，然而 Monopole-like 天線的長度若太長，垂直佩帶於人體時實際上不 可行，因此必須設法降低其高度。參考資料[18]提出一種低高度(約 13 mm) 的Dielectric Resonator Antenna (DRA)，頻寬在 3.4 ~ 5 GHz，具有極高的保 真度，其結構圖與場型特性如圖5 所示。

圖5. DRA 天線結構圖 2.2. 超寬頻天線的設計與測試

在上述幾種天線中，本計畫選擇製作 DSA 以及 PICA 兩種天線，DSA 的場型具有方向性，往前與往後發射的功率比可達 10 dB；而 PICA 有 Omnidirectional-like 的場型，利用這兩種特性不同的天線，進行無線電通道 的量測，除了可以得到環境的通道參數外，也可以觀測不同類型的天線對 通道參數的影響。製作出的DSA 與 PICA 兩種天線的實體圖如下圖。

製作完成後的天線，首先以Agilent 8719ET 向量網路分析儀量測天線 的反射係數(S11)，以決定其使用頻寬。DSA 的結構是在開槽天線的饋入線 下方加上一片反射板，中間的介質是空氣，因此用 4 個塑膠螺絲連接與固 定饋入線與反射板，兩者的距離會影響DSA 的反射特性，雖然可以使用軟 體模擬，但實際製作的成品，仍舊會與模擬結果有所偏差，因此利用塑膠 螺絲可調的特性，調整饋入線與反射板的距離，並以網路分析儀觀測其反 射特性，結果如下圖所示，在距離6 mm 時，於設定的工作頻段 4 ~ 6.5 GHz 間有較低的反射，可以達到反射損耗(S11)小於-10 dB 的設定目標。

圖7. 饋入線與反射板不同距離下，DSA 之反射特性

為了觀察人體對天線的影響，將天線佩帶於通道量測時設定的人體部 位，重新以網路分析儀量測天線的反射損耗，若是在工作頻寬內，反射損 耗已經嚴重變差(> - 5 dB)，則必須進行天線修正，反之則可以接受。量測 結果與天線在自由空間的反射特性做比較，結果如下圖，圖中可以發現反 射損耗確實有明顯偏移的現象，但在設定的工作頻段4 ~ 6.5 GHz 內仍舊可 以達到反射損耗小於-5 dB 的設定目標，因此可以使用 DSA 於 BAN 的通道 量測。

圖8. DSA 天線於自由空間與佩帶於人體的反射特性比較

同樣地，對於製作的PICA 天線，也要量測其反射特性以及觀察人體對 PICA 天線的影響，因此進行天線於自由空間以及佩帶於人體的反射特性之 比較，結果如下圖，圖中 Air 1 與 Air 2 為兩支 PICA(發射與接收)於自由空 間中的反射損耗，在設計目標3 ~ 10 GHz 的頻段中，反射損耗除了在 3 GHz 與5 GHz 附近有稍微超過外，在其餘頻段內皆低於-10 dB。圖中可以發現，

即使頻率超過10 GHz，反射損耗仍低於-10 dB，然而此段已超過 FCC 授權 不須執照的頻帶，因此不予使用。圖中 On body 1 與 On body 2 為兩支 PICA 天線佩帶於人體的反射損耗，可以發現反射損耗也有明顯偏移的現象，然 而在設定的工作頻段3 ~ 10 GHz 內仍舊可以達到反射損耗小於-5 dB 的設定 目標，因此可以使用PICA 於 BAN 的通道量測。

圖9. PICA 天線於自由空間與佩帶於人體的反射特性比較

如前之分析，天線的場型對 BAN 的通道特性有重要的影響，因此觀 測天線的場型實屬必要。天線場型的量測在電波暗室(Anechoic Chamber, AC) 內以天線量測系統進行，DSA 的方位定義如圖 10 所示， DSA 天線 xy 平 面場型的模擬結果與量測結果之比較如圖11 所示，xy 平面場型代表沿著身 體表面傳播的能量，以此可以推估視線波與 Creeping wave 分量的大小。

DSA 天線 yz 平面場型的模擬結果與量測結果之比較如圖 12 所示， yz 平面 場型可以看出往身體外面傳播的能量(0°)，以此可以推估環境散射波分量對 通道的貢獻。在圖 11 中顯示 xy 平面場型可能因接頭與塑膠螺絲的效應與 模擬結果有部分的差異，在圖12 中可以看出，雖然實際天線有較多的損耗，

所以場型量測結果會比模擬的結果略小，但圖中仍可以看出yz 平面場型的 形狀，模擬與量測結果相當一致，而且可以看出，往身體外發射的強度(0°) 大於往身體內發射的強度(180°)，尤其是頻率越高，差別越大，這就是我們 要的結果，當然這是天線有加反射板的效果，也是加反射板的目的。

如前所述，人體對天線的場型有很大的影響，因此必須觀測天線佩帶 於人體造成的場型變化，以利於對通道參數的分析。因為場型與通道性能 息息相關，因此每0.5 GHz 量測一點。然而，將天線佩帶於通道量測時設定 的人體部位，再以天線量測系統進行2D 場型量測，在實務上是有困難的，

因為國內應沒有任何天線系統的天線支撐架，能夠支撐人體，因此改用以 16 公升裝水的塑膠水桶代替人體，將天線佩帶於水桶上，每 0.5 GHz 量測 一次天線場型，結果如圖13(xz 平面)與 14(yz 平面)所示，w/o pail 曲線表示 天線在自由空間的場型，with pail 曲線表示天線佩帶於水桶上的場型，從 xz 與 yz 平面都可以看出往身體外發射的強度(0°)，以及繞射至水桶後方(z 方向)的強度(180°)。穿透水桶的電磁波能量理論上可忽略，因此量得的訊號

乃來自於繞射。從這些場型圖中可以看出水桶(模擬人體)對天線的影響，基 本上在部分的頻率，水桶會讓往身體外發射的強度降低，然而在部分的頻 率，水桶並不會讓往身體外發射的強度降低，甚至加強了往身體外發射的 強度，這也是我們要的結果。至於繞射至水桶後方的強度相對而言低很多，

這也隱含了在沒有視線波存在的情況下，散射波對通道的貢獻應會比繞射 波重要。

下面的場型圖中，模擬與量測的場型比較，在此選擇 xy 與 yz 平面，

而天線在自由空間與佩帶在水桶的場型比較，在此選擇xz 與 yz 平面，因此 天線在自由空間中xy、xz 與 yz 的場型，都已包含在下面的場型圖中，這些 場型圖在後面章節中，通道量測結果分析裡將會使用到。

圖10. DSA 天線之方位定義 x

y 反射板 z

饋入線

圖11. DSA 天線之 xy 平面場型模擬與量測結果比較

圖12. DSA 天線之 yz 平面場型模擬與量測結果比較

圖13. DSA 天線之 xz 平面場型在自由空間與佩帶於水桶的比較

圖14. DSA 天線之 yz 平面場型在自由空間與佩帶於水桶的比較