3.3 3.3
3.3、 、 、GSM 、 GSM GSM 多頻天線設計 GSM 多頻天線設計 多頻天線設計 多頻天線設計
GSM 通訊系統常用頻段為 850/900/1800/1900，根據不同國家使 用頻率有所不同，臺灣一般使用 900/1800，美國一般使用 850/1900，
GSM 一般常使用在手機上，在本文中所設計的天線主要用在遠距照護 系統中，居家安全系統，而學生也針對多頻段、全向性場型、體積小 以及高輻射效率等條件來設計 GSM 天線。
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3.3 3 3 3. . .1 . 1 1、 1 、 、 、多頻天線設計 多頻天線設計 多頻天線設計 多頻天線設計
本文所設計之多頻偶極天線工作頻段為 824MHz~960MHz 以及 1710MHz~1990MHz，天線長度約為二分之ㄧ波長，天線板材使用 0.6mm 的玻璃纖維板，介電係數為 4.4 正切損耗為 0.027，直接將 GSM 的四 個工作頻率包覆在內。
本文中以四種 GSM 頻段多頻天線分析比較，分別為 CASE1、
CASE2、CASE3、CASE4 四支天線的天線尺寸圖，如圖二十一、圖二十 二、圖二十三、圖二十四，CASE1 為基本的多頻偶極天線，CASE2 和 CASE3 為領結式的多頻偶極天線，其中的差異在於線徑的寬度為 1.5mm 以及 1.2mm，分別比較其影響，CASE4 為方塊式的多頻偶極天 線，主要與 CASE2 比較其影響，CASE1、CASE2、CASE3、CASE4 四支 天線的天線實體圖，如圖二十五、圖二十六、圖二十七、圖二十八所
示，天線的饋入方式是使用 IPAX 線饋入。
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3.3 3 3 3. . .2 . 2 2、 2 、 、 、天線模擬與量測 天線模擬與量測 天線模擬與量測 天線模擬與量測
本文使用安立芝 37369C 向量網路分析儀量測反射損耗，其反射損 耗如圖二十九、圖三十、圖三十一、圖三十二所示，從圖中可以很清 楚的看到四支天線的工作頻率都有落在 GSM850/900/1800/1900，量 測與模擬的結果十分接近，但 Case1 因天線結構的原因使得頻寬顯得 較小，天線輻射效率是使用 SATIMO SATLAB 天線近場量測系統來量 測，輻射效率如圖三十三、圖三十四、圖三十五、圖三十六所示，從 圖中可以發現 Case3 效率明顯較低，原因是為了其線徑較細，面積也 相對較小，所以效率也因此受到影響、因實作誤差及版材誤差所以天 線工作頻段都越往低頻偏、最高增益如圖三十七、圖三十八、圖三十 九、圖四十所示，在所需要的頻率上最高增益大約都有-1dBi~2dBi 之間，，CASE3 天線因效率稍低，所以最高增益也稍微低了一點，CASE1 於 850/900/1800/1900MHz 之 H-plane 天線場型如圖四十一、圖四十 二、圖四十三、圖四十四所示，場型為圓形，模擬與實測之結果都十 分的接近，CASE1 於 850MHz、900MHz、1800MHz、1900MHz 之 E-plane 天線場型如圖四十五、圖四十六、圖四十七、圖四十八所示，場型為 八字型，模擬與實測之結果都十分的接近，CASE2 於 850MHz、900MHz、
1800MHz、1900MHz 之 H-plane 天線場型如圖四十九、圖五十、圖五 十一、圖五十二所示，場型為圓形，模擬與實測之結果都十分的接近，
CASE2 於 850MHz、900MHz、1800MHz、1900MHz 之 E-plane 天線場型 如圖五十三、圖五十四、圖五十五、圖五十六所示，場型為八字型，
模 擬 與 實 測 之 結 果 都 十 分 的 接 近 ， CASE3 於 850MHz 、 900MHz 、 1800MHz、1900MHz 之 H-plane 天線場型如圖五十七、圖五十八、圖 五十九、圖六十所示，場型為圓形，實測之場型有稍微偏，是因為量 測時受到 IPAX 線擺放方式的影響，CASE3 於 850MHz、900MHz、
1800MHz、1900MHz 之 E-plane 天線場型如圖六十一、圖六十二、圖 六十三、圖六十四所示，場型為八字型，實測之結果在某些角度與模 擬差異較大，，CASE4 於 850MHz、900MHz、1800MHz、1900MHz 之 H- plane 天線場型如圖六十五、圖六十六、圖六十七、圖六十八所示，場型為 圓形，模擬與實測之結果都十分的接近，CASE4 於 850MHz、900MHz、
1800MHz、1900MHz 之 E-plane 天線場型如圖六十九、圖七十、圖七 十一、圖七十二所示，場型為八字型，模擬與實測之結果都十分的接 近，圖七十三、圖七十四、圖七十五、圖七十六為天線應用於老人照 護系統中使用。
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3.3 3 3 3. . .3 . 3 3、 3 、 、 、應用結果 應用結果 應用結果 應用結果
本文中將四組天線中的 CASE2 天線放在產品中，如圖七十七所 示，並與市面上所販售的兩支不同廠牌的天線做比較，天線應用於 GSM 850 通訊系統的總全向性靈敏度及總輻射功率，如圖七十八、七 十九所示，天線應用於 GSM900 通訊系統的總全向性靈敏度及總輻射 功率，如圖八十、八十一所示，天線應用於 GSM1800 通訊系統的總全 向性靈敏度及總輻射功率，如圖八十二、八十三所示，天線應用於 GSM 1900 通訊系統的總全向性靈敏度及總輻射功率，如圖八十四、
八十五所示，整體而言我們所設計出來的天線比起市售的兩支天線來 的好，總全向性靈敏度及總輻射功率較高，天線的頻寬也相對的較 寬，市售的兩支天線因為頻寬較窄所以在某些頻段的總全向性靈敏度 及總輻射功率較差。
圖二十一. Case 1 天線結構圖
圖二十三. Case 3 天線結構圖
圖二十五. Case 1 天線實體圖
圖二十六. Case 2 天線實體圖
圖二十七.Case 3 天線實體圖
圖二十八. Case 4 天線實體圖
Frequency(MHz)
600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000
dB
-25 -20 -15 -10 -5 0
S11(Simulation) S11(Measurement)
圖二十九. Case 1 的天線反射損耗
Frequency(M H z)
600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000
dB
-25 -20 -15 -10 -5 0
S 11(S im ulation) S 11(M easurem ent)
Frequency(MHz)
600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000
dB
-30 -25 -20 -15 -10 -5 0
S11(Simulation) S11(Measurement)
圖三十一.Case 3 的天線反射損耗
Frequency(MHz)
600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000
dB
-25 -20 -15 -10 -5 0
S11(Simulation) S11(Measurement)
Frequency(M H z)
800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000
Efficiency
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
E fficiency(S im ulation) E fficiency(M easurem ent)
圖三十三.Case 1 的天線輻射效率
Frequency(MHz)
800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000
Efficiency
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
Efficiency(Simulation) Efficiency(Measurement)
Frequency(M Hz)
800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000
Efficiency
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
Efficiency(Sim ulation) Efficiency(M easurem ent)
圖三十五.Case 3 的天線輻射效率
Frequency(MHz)
800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000
Efficiency
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
Efficiency(Simulation) Efficiency(Measurement)
圖三十六.Case 4 的天線輻射效率
Frequency(MHz)
800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000
dBi
-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10
Gain(Simulation) Gain(Measurement)
圖三十七.Case 1 的天線最高增益
Frequency(MHz)
800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000
dBi
-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10
Gain(Sim ulation) Gain(Measurement)
Frequency(MHz)
800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000
dBi
-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10
Gain(Simulation) Gain(Measurement)
圖三十九.Case 3 的天線最高增益
Frequency(MHz)
800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000
dBi
-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10
Gain(Simulation) Gain(Measurement)
850MHz
Case1(Simulation) Case1(Measurement)
1800MHz
850MHz
Case1(Simulation) Case1(Measurement)
1800MHz
850MHz
Case2(Simulation) Case2(Measurement)
圖五十.Case 2 在 900MHz 的 H-plane 輻射場型
1800MHz
850MHz
Case2(Simulation) Case2(Measurement)
圖五十四.Case 2 在 900MHz 的 E-plane 輻射場型
1800MHz
850MHz
Case3(Simulation) Case3(Measurement)
1800MHz
850MHz
Case3(Simulation) Case3(Measurement)
1800MHz
850MHz
Case4(Simulation) Case4(Measurement)
1800MHz
850MHz
Case4(Simulation) Case4(Measurement)
圖七十.Case 4 在 900MHz 的 E-plane 輻射場型
1800MHz
圖七十三. 天線應用於老人照顧系統 1
圖七十四. 天線應用於老人照顧系統 2
圖七十五. 天線應用於老人照顧系統 3
圖七十六. 天線應用於老人照顧系統 4
圖七十七. 天線與產品結合
圖七十八.三支天線於 GSM 850 TRP 比較
圖七十九.三支天線於 GSM 850 TIS 比較
圖八十.三支天線於 GSM 900 TRP 比較
圖八十一.三支天線於 GSM 900 TIS 比較
圖八十二.三支天線於 GSM 1800 TRP 比較
圖八十三.三支天線於 GSM 1800 TIS 比較
圖八十四.三支天線於 GSM 1900 TRP 比較
圖八十五.三支天線於 GSM 1900 TIS 比較