行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
應用在超寬頻裝置上的平面印刷天線之研究：使用單極平面
印刷天線之結構（I）
計畫類別： 個別型計畫 計畫編號： NSC94-2213-E-151-002- 執行期間： 94 年 08 月 01 日至 95 年 07 月 31 日 執行單位： 國立高雄應用科技大學電子工程系 計畫主持人： 詹正義 共同主持人： 廖斌毅 計畫參與人員： 蔡昇學、高瑞彰 報告類型： 精簡報告 報告附件： 出席國際會議研究心得報告及發表論文 處理方式： 本計畫涉及專利或其他智慧財產權，2 年後可公開查詢中 華 民 國 95 年 10 月 30 日
行政院國家科學委員會補助專題研究計畫
▓ 成 果 報 告
□期中進度報告
應用在超寬頻裝置上的平面印刷天線之研究：使用單極平面
印刷天線之結構（I）
計畫類別：█個別型計畫 □整合型計畫
計畫編號：NSC 94-2213-E-151-002
執行期間：94 年 8 月 1 日至 95 年 7 月 31 日
計畫主持人：
詹 正 義
共同主持人：
廖 斌 毅
計畫參與人員：
蔡昇學、高瑞彰
成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：
▓
精簡報告 □完整報告
本成果報告包括以下應繳交之附件：
□赴國外出差或研習心得報告一份
□赴大陸地區出差或研習心得報告一份
▓
出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份
□國際合作研究計畫國外研究報告書一份
處理方式：除產學合作研究計畫、提升產業技術及人才培育研究計畫、
列管計畫及下列情形者外，得立即公開查詢
□涉及專利或其他智慧財產權，□一年
▓
二年後可公開查詢
執行單位：
國立高雄應用科技大學電子系
中 華 民 國 九十五 年 十 月 三十一 日
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行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
應用在超寬頻裝置上的平面印刷天線之研究：使用單極平面印刷天線之結構
（I）
A Study of Planar Printed Antenna for the Application to Ultra-wideband Devices
by Using Configurations of: (1) Planar Printed Monopole Antennas
計畫編號：NSC 94-2213-E-151-002
執行期限：94 年 8 月 1 日至 95 年 7 月 31 日
主 持 人：詹 正 義 國立高雄應用科技大學電子系
計畫參與人員：蔡昇學 國立高雄應用科技大學電子系碩士班
高瑞彰 國立高雄應用科技大學電子系碩士班
E-Mail: jyjan @cc.kuas.edu.tw
一、中文摘要： 依據文獻報導，設計寬頻的平面印刷 天線有各種不同方法，譬如有使用單極、 雙極、槽孔平面印刷天線的結構方式，為 了設計有足夠操作頻寬能使用在超寬頻無 線通訊系統上，提出應用在超寬頻裝置的 平面印刷天線之研究，其中在第一年計劃 裡，以研究如何改進單極或雙極平面印刷 天線的結構成為可操作在超寬頻無線通訊 系統上為方向，在第一年計劃內，預期完 成應用在超寬頻裝置的新型平面印刷天 線，再者，為了使設計應用在超寬頻通訊 系統的新型平面印刷天線能實際應用在超 寬頻通訊系統的商品上，設計時將要考慮 其天線本身的形狀與大小。 大家都知曉微帶天線具有窄頻之操作 頻寬的特性，在此計劃研究裡，藉由前述 改良原先單極、雙極平面印刷天線的結構 方式，則提出設計各種不同寬頻操作天線 出現，並且最後會對這些應用在超寬頻通 訊裝置的新型平面印刷天線設計成果做討 論與比較。因為為了針對各別子計劃之採 用不同設計結構分頭做詳細研究，此研究 計劃被分成兩個子計劃，而每一子計劃研 究之超寬頻裝置的新型平面印刷天線特 性，將各別于於量測，並且在未來的研究 計劃裡，在子計劃中詳細的將每一種新型 平面印刷天線特性，例如使用的天線幾何 結構、天線頻寬、輻射場型、天線增益、 反射係數等一一將研究與討論。 關鍵詞：單極平面天線；雙極平面天線； 超寬頻無線通訊系統 Abstract
According to literatures reported, wideband planar printed antennas can be performed by various approaches such as using configurations of monopole, dipole, and slot planar printed antennas. In order to have the enough operating impedance bandwidth for the ultra-wideband communication system, in this proposed project planar printed antenna designs for the application to ultra-wideband devices are studied by developing on configurations of monopole or dipole antenna in the first year. It is hoped that novel ultra-wideband planar printed antennas could be conducted. Moreover, good ultra-wideband antennas are considered in the shape and size in order to be compatible for applications to the ultra-wideband communication system.
It is well known that microstrip antennas are characterized by a narrow
frequency band. By modifying configurations of monopole or dipole printed antenna, there are probably various kinds of wideband antennas would be constructed in this study. Finally, the comparisons between studied results would be given. Because each subproject has its own study focused, the characteristics of antennas should be measured respectively. In the first project, details of the characteristics of them such as geometry of antenna, impedance bandwidth, radiation pattern, antenna gain and return loss will be studied and discussed. Furthermore, studied results from different configurations can be concluded and compared between them.
Keywords ： monopole planar antennas,
dipole planar antennas, ultra-wideband wireless communication system. 二、緣由與目的： (1)本研究計畫之背景 超寬頻(UWB)技術早在 1960 年代時， 已經開始有科學家針對脈衝式微波的特性 進行研究，一直到1979 年科學家開始研究 時域電磁學，並在1980 年才將技術應用在 通訊雷達方面，之後，1989 年美國國防部 提出超寬頻技術，並在1990 年正式成立超 寬頻計劃，主要是針對軍事上雷達、定位 系統通訊技術開發，在2002 年美國聯邦通 訊委員會(FCC)正式通過發佈超寬頻技術 使用法規，也正式多年內一直被視為軍用 技術，現在即將在各種商業化產品中出現 廣泛的應用，因此距離超寬頻產品商業化 發展腳步也就越來越近，其中INTEL 早在 1995 年已經投入相當多的研究在超寬頻技 術上，只是當時都是在實驗室階段，不過 隨著時序進入2003 年，在 IEEE 802.15.3a 會議中已經有超過23 個提案是針對超寬頻 規則標準化議題。 簡單說，超寬頻技術的發展，傳輸速 度可達400~500Mbps，而大約 15 英尺短距 離內憑藉著其高速傳輸與低消耗電的特 性，為了迎合高傳輸速率及低消耗電時代 的來臨，無論是應用在多媒體內容、高畫 質電視影像、3D 視訊與無線線上遊戲都因 將超寬頻技術商業化，而能提供足夠頻寬 以進行短距離無線傳輸的樂趣，未來應用 在各種無線傳輸的商業產品與高速傳輸領 域上，其發展自不可言喻。 由於印刷電路與微波集成技術的成熟 發展，加上各種微波低損耗介質材料的出 現，一些不同且實用的印刷微帶天線就陸 續地被設計來，這些印刷微帶天線設計都 具有共同的一些優點，那就是具有平面結 構、質量輕、體積小、低姿勢、製造容易 且成本低、可與單石微波積體電路整合在 一起，並可輕易的附著在任意表面等。因 而印刷天線本身結構具有體積小、低姿 勢、製造容易且成本低之優點，使得其在 配合超寬頻技術應用上，也佔有很重要的 地位，故在本計劃裡，吾將依IEEE 11.15.3a 訂定標準，針對印刷天線其應用在超寬頻 技術頻段的操作設計上，使用低成本之 FR4(相對介電係數較低)為天線結構的基 底，提出此計劃以深入做研究與實驗。 (2)本研究計畫之目的 一般而言，超寬頻系統的操作頻寬與 中心頻率比必需大於 25%以上，舉例而 言，假設超寬頻系統的操作中心頻率為 4GHz，則其相對的頻寬至少有 1GHz，若 以IEEE 11.15.3a 訂定超寬頻系統標準，多
頻 段 OFDM (Multiband Othogonal
Frequency Division Multiplexing)將可用頻
譜為3.1 至 10.6 GHz 範圍，因此以配合未 來超寬頻商業化市場設備開發，提出一種 使用具有平面結構、質量輕、體積小、低 姿勢、製造容易且成本低，而設計一個可 以操作在超寬頻頻段的天線，是本計劃案 主要目的。 自美國FCC 於 2002 年 2 月 14 日發佈
超寬頻的Report & Order 至今，距離商業
化發展的腳步也越來越近，因此吸引很多 國際系統大廠的積極參與。由於超寬頻無 線通訊依分析有著其較佳技術優勢：1. 以 極寬的頻段進行大量的資料傳輸。2.以極低 的耗電量。3.具較精準的定位功能，因而其 與傳統無線通訊技術比較上有其技術優 勢。再者，目前才正由軍用設備開發轉進
3 商用化市場的時間階段，在整體從政府開 放無線通訊業務來看，有如下時間關鍵機 會值得注意：1. 國際上僅只有少數廠商或 學者投入開發。2. 發揮國內無線通訊在未 來超寬頻的研發優勢。其中包括晶片與模 組開發、即時定位系統研發，天線或感應 器研發生產等。綜合以上，為了配合未來 政府在超寬頻無線通訊的策略，因應未來 超寬頻無線通訊的商用化，在前提之天線 研發上，依詳細分析考量下，其佔著極重 要角色。因此在本研究計劃中，為推動超 寬頻技術，配合國家未來在無線通訊新年 代的新政策實施，邁入新的無線通訊年 代，提出在天線設計上希望以能符合IEEE 11.15.3a 訂定標準為考量，研究一種能配合 IEEE 11.15.3a 訂定標準的超寬頻操作天 線，以達到未來能操作應用在超寬頻無線 通訊的產品設備上是為最主要目的。 (3)本研究計畫之重要性 近幾年來政府為配合經濟成長，力促 高科技產業發展，並加速電信自由化腳 步，各種通訊業務不只是受矚目一環，而 且在從一九九九年年底正式開放民營至 今，在無線通訊的各種相關研究與產品開 發到實際的應用上，近年來變化很快，因 此預期很快可見到超寬頻商用化產品的推 出，政府為了抓住無線科技產業的商機， 當然推動研發的腳步不能怠慢，甚至於在 新一代的超寬頻無線通訊研發上也是。因 此估計從政府開放無線通訊業務以來，將 可見到生活對使用無線通訊的依賴與偏 重，因此可預期未來印刷微帶天線在實際 應用上，除了目前藍牙通訊及無線區域網 路的應用外，下一步在超寬頻無線通訊的 應用，佔有非常重要的角色。 最可貴的是在整個計劃的研製之有關 的技術，可提供學生在超寬頻無線通訊的 天線設計理論及應用上，逐步循序有所了 解，並且學生能由本研究計畫實例，開始 了解在微波通訊系統中之超寬頻無線通 訊，設計之天線其功用及重要性。相對地 對於往後本系在微波與傳輸實驗室的建立 和學生研究上人力之培訓，無論是對正在 推動的超寬頻無線通訊的產業或超寬頻技 術培育上，預定可提供實際的幫助，更具 體的充實未來本系在微波與傳輸實驗室的 應用。 三、結果與討論： 本計劃天線設計主要是利用單極平面 印刷天線具有寬頻操作的特性，選擇此種 天線做為應用在超寬頻裝置的平面印刷天 線之研究，在研究結果中，從軟體IE3D 模 擬出來與天線實作，首先發現以共面波導 饋入具有對稱的斜坡接地面之寬頻單極平 面天線(如圖一所示)具有寬頻的操作，其 頻寬可達50 %以上(如圖二所示)，但是此 頻寬以IEEE 11.15.3a 訂定超寬頻系統標準 而言是仍不足，因此為了增加天線之操作 頻寬，提出另一種延續的具有對稱的階梯 式斜坡接地面之寬頻單極平面天線結構設 計(如圖三所示)，其結構是在共面波導饋 入線之兩側的接地面修正為具有對稱的階 梯式斜坡接地面，經由模擬和實驗結果得 知，此天線寬頻的效果取決於具有對稱的 階梯式斜坡接地面之結構，其操作頻寬可 以達到97 %(如圖四所示)，其中不同的階 梯式斜坡變化會影響整個天線設計的頻寬 特性，其中發現對稱的階梯式斜坡接地面 階數由1 ~ 5 階之間變化，則兩側翼的寬度 W 會隨不同的階梯式斜坡接地面的變化而 縮減，而階梯式斜坡接地面的高度 L 是保 持不變。經過實驗結果發現，隨著具有不 同的階梯式斜坡接地面的變化而會有不同 的操作頻寬，當階梯式斜坡接地面為4 階、 兩側翼的寬度W 為 9.64 mm 及接地面長度 Ls 為 13 mm，可以達到頻寬 97.1 %，相關 參數則列於表 1 中。為了使天線設計能達 成超寬頻應用，繼續地延續此結構設計， 提出具有對稱的階梯式斜坡接地面之超寬 頻單極平面天線，其中將天線的結構改為 具有以階梯式漸小的單極結構(如圖五所 示)。圖五所示為具有對稱的階梯式斜坡接 地面之超寬頻單極平面天線之幾何結構 圖，天線結構印製在厚度 1.6 mm 的 FR4 玻璃纖維基板上，介電係數為4.4，損耗正
切Loss tangent 為 0.02。經過之前的研究， 採用共面波導饋入其寬頻的效果會比以微 帶線饋入來得好，因此我們延續前面的饋 入網路設計，計算出饋入線寬度 Wf為 6.3 mm，饋入線與共同接地面的間隔 g 為 0.5 mm，天線的長度為 25 mm，寬度與 50 歐 姆共面波導饋入線的寬度 Wf設計皆為 6.3 mm，其中階梯式斜坡接地面的高度則皆維 持為9 mm，階梯間隔固定為 1 mm，因而 兩側翼的寬度W 會隨不同的階梯式斜坡接 地面之變化往外縮減，此時若適時地調整 接地面的長度Ls 可以達成阻抗匹配，其中 發現當天線的結構修改為具有以階梯式漸 小的單極結構時，隨著具有不同的階梯式 單極結構的變化也會有不同的操作頻寬特 性，相關參數則列於表2 中。 本計劃設計之相關實驗結果於圖式中 六至圖七中表示。圖六中所示為本計劃天 線改用具有以階梯式漸小的單極結構設計 後的返回損失(return loss)實驗量測結果。 天線的設計參數列於圖五之圖示說明。由 10dB 返回損失所定義之操作頻寬，我們可 以量測得到其中心頻率為8490 MHz，其頻 寬 為 11550 MHz (2715 MHz 至 14265 MHz)，相對於 8490 MHz 之中心頻率而言 大約是136%。其中在第五圖中所示，此具 有對稱的階梯式斜坡接地面之超寬頻單極 平面天線，研究發現其操作頻寬會隨此階 梯式漸小的單極與接地面間隔 s 而變，相 關參數則列於表 3 中，由表中顯示，當與 接地面間隔為 1mm 時，其操作頻寬為最 寬。圖七為天線設計在4010、7090、9400、 11000 MHz 的 xy、xz、yz 平面的輻射場型 (radiation patterns)實驗量測結果。由這些實 驗結果可知，本計劃天線設計於操作頻寬 內之輻射特性是具有典型的平面單極天線 之輻射場型，但是在較高頻模態中，會有 凹陷的情況產生，其原因可能是高頻模態 的共振路徑較低頻共振路徑來得短所導 致。 圖一、 以共面波導饋入具有對稱的斜坡接地面之 寬頻單極平面天線. 1000 2000 3000 4000 5000 6000 -50 -40 -30 -20 -10 0 圖二、 使用具有對稱的斜坡接地面之寬頻單極平 面天線之返射損耗的模擬與量測響應圖. 圖三、具有對稱的階梯式斜坡接地面之寬頻單極平 面天線結構.
5 2000 4000 6000 8000 10000 -50 -40 -30 -20 -10 0 圖四、使用具有對稱的階梯式斜坡接地面之寬頻單 極平面天線結構之返射損耗的模擬與量測響應圖. 圖五、 具有對稱的階梯式斜坡接地面之超寬頻單 極平面天線之幾何結構圖. 1000 3000 5000 7000 9000 11000 13000 15000 -50 -40 -30 -20 -10 0 圖六、使用具有對稱的階梯式斜坡接地面之超寬頻 單極平面天線之返射損耗的模擬與量測響應圖. 圖七、使用具有對稱的階梯式斜坡接地面之超寬頻 單極平面天線之輻射場型圖.
Antenna Step W (mm) Ls (mm) fc (MHz) BW (MHz, %) Antenna 1 1 12.64 20 4675 3920, 83.8 Antenna 2 2 11.64 18 4762 4305, 90.4 Antenna 3 3 10.64 14 5175 4790, 92.5 Antenna 4 4 9.64 13 5135 4990, 97.1 Antenna 5 5 8.64 14 4115 3010, 73.1 表1 具有對稱的階梯式斜坡接地面之寬頻單極平面 天線，隨對稱的階梯式斜坡接地面階數從1 ~ 5 階 之變化，其中心頻率及頻寬之量測結果. Antenna Step W1 (mm) Ls (mm) fc (MHz) BW (MHz, %) Antenna 1 0 11.52 13 5135 4990, 97.1 Antenna 2 1 13.52 19 7745 10510, 135.7 Antenna 3 2 15.52 17 8490 11550, 136.0 Antenna 4 3 17.52 22 5525 6110, 110.5 表2 具有對稱的階梯式斜坡接地面之超寬頻單極平 面天線，隨階梯式漸小的單極天線階數從0 ~ 3 階 之變化，其中心頻率及頻寬之量測結果. Antenna s (mm) Ls (mm) fc (MHz) BW (MHz, %) Antenna 1 0.5 15 5410 5320, 98.3 Antenna 2 1 17 8490 11550, 136.0 Antenna 3 2 18 7275 9250, 127.0 Antenna 4 3 22 4650 4220, 90.7 表3 具有對稱的階梯式斜坡接地面之超寬頻單極平 面天線，隨天線本身與階梯式接地面間隔 s 變化， 其中心頻率及頻寬之量測結果. 四、成果自評： 在本研究計畫中如原計劃預期一樣地 提出了使用單極平面印刷天線的結構，設 計應用在超寬頻裝置的平面印刷天線之研 究，而達成預期目標。在本計劃中主要發 現以共面波導饋入至具有對稱的階梯式斜 坡接地面之超寬頻單極平面天線，其中將 單極的結構改為具有以階梯式漸小的單極 結構，研究發現使用具有對稱的階梯式斜 坡接地面可以將典型具有對稱的斜坡接地 面之操作頻寬從 54%增加至 97%，而使用 具有以階梯式漸小的單極結構時，其操作 頻寬更可以從97%增加至 136%，其頻寬涵 蓋了UWB(3.1 ~ 10.6 GHz)頻段，滿足使用 者對頻寬的大量需求。因此我們可以發現 上述天線設計之操作頻寬不僅有寬頻的特 性，其結構更具備了簡單創新、製作容易 且成本低廉等優點，是一個具有在學術及 產業界上研究價值。詳細如參考文獻所示。 五、參考文獻
[1] P. P. Hammoud and F. Colomel,
“Matching the input impedance of a broadband disc monopole,” Electron
Lett., vol. 29, pp. 406-407, Feb. 1993.
[2] N. P. Agrawall, G. Kumar, and K. P. Ray, “Wide-Band planar monopole antenas,” IEEE Trans. Antennas
Propagat., vol. 46, pp. 294-295, Feb.
1998.
[3] K. L. Lau, P. Li, and K. M. Luk, “A monopolar patch antenna with very wide impedance bandwidth,” IEEE
Trans. Antennas Propagat., vol. 53,
pp. 1004-1010, March 2005.
[4] J. S. Row, S. H. Yeh, and K. L.
Wong, “A wide-bandmonopolar plate-patch antenna,” IEEE Trans.
Antennas Propagat., vol. 50, pp.
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可供推廣之研發成果資料表
□ 可申請專利 ▓ 可技術移轉 日期：95 年 10 月 31 日國科會補助計畫
計畫名稱：應用在超寬頻裝置上的平面印刷天線之研究：使用單極 平面印刷天線之結構（I） 計畫主持人： 詹 正 義 計畫編號： NSC 94-2213-E-151-002 學門領域：電磁技術/創作名稱
應用在超寬頻裝置上的單極平面印刷天線之研究發明人/創作人
詹 正 義 中文：本研究為以共面波導饋入至具有對稱的階梯式斜坡接地面之 超寬頻操作的新型單極平面天線設計，藉由具有適當斜坡角度之對 稱的階梯式斜坡接地面和具有以階梯式漸小的單極結構時，由實驗 結果顯示，其具有達到超寬頻操作頻寬，由10dB 返回損失所定義 之操作頻寬，其頻寬為11550 MHz，相對於 8490 MHz 之中心頻率 而言大約是 136%。由於此天線設計，採用是以共面波導饋入典型 單極平面天線結構，其在操作頻寬內之輻射特性是具有典型的平面 單極天線之輻射場型，技術說明
英文：In this paper, a new design about planar CPW-fed monopoleantenna utilizing a step-slope ground plane for the UWB operation is proposed and investigated. By selecting a ground plane with a proper slope angle of the symmetrically step-slope ground plane on each side of a planar monopole and a step-typed monopole driven patch, it can be founded that the wideband operation can be obtained. The impedance bandwidth, determined by 10 dB return loss, reaches nearly 11550 MHz, which is about 136% with respect to the centre frequency at 8490 MHz. Since the conventional monopole structure is still used for this design, the characteristics of monopole-like radiation patterns can be kept.
