圓極化平面天線之設計技術於GPS及RFID上之實現(I)

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行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告

圓極化平面天線之設計技術於 GPS 及 RFID 上之實現(I)

研究成果報告(精簡版)

計畫類別：個別型計畫編號： NSC 96-2221-E-151-003- 執行期間： 96 年 08 月 01 日至 97 年 07 月 31 日執行單位：國立高雄應用科技大學光電與通訊工程研究所計畫主持人：林憶芳計畫參與人員：碩士班研究生-兼任助理人員：林士傑碩士班研究生-兼任助理人員：林哲彥處理方式：本計畫涉及專利或其他智慧財產權，1 年後可公開查詢

中華民國 97 年 10 月 04 日

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科

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報

告

圓極化平面天線之設計技術於

GPS 及 RFID 上之實現(I)

計畫類別：個別型計畫

計畫編號：NSC 96－2221－E－151－003－

執行期間： 96 年 08 月 01 日至 97 年 07 月 31 日

計畫主持人：林憶芳助理教授國立高雄應用科技大學光電與通訊工程研究所

一、中文摘要

本論文所提出之環型圓極化陶瓷天線，是將環形金屬片布植於圓盤形陶瓷材料的上表面，利用陶瓷介質之特性使天線具有縮小化的效果。饋入機構則由一開路微帶傳輸線利用電磁耦合(EM coupling)之原理激 發環形金屬片，在製作上有極大的便利性；又再從環形金屬中加入一扇形耦合金屬片，透過扇形金屬片改變微帶傳輸線之電場耦合方向，使環形金屬片激發之兩模態產生 90˚之相位差，進而得到圓極化波。本專題 之天線其操作頻率在2700 MHz，天線頻寬 為2635~2737 MHz，約為 2.3%，軸比頻寬 為2692~2710 MHz，約為 0.6%，而天線增 益約在2.5~3.5 dBi 之間。

二、緣由及目的

目前3C 電子產品要求輕薄短小，且要能夠與產品機構做結合，天線就必須具備高相容性的能力，才能與產品結合，而就產品之通訊使用情況來看，最基本的要求就是通訊品質必須良好，所以無線通訊產品最基本的就是必須滿足上述兩項要求，若此種產品使用傳統的微帶天線來設計，雖有良好的收訊品質，但其此尺寸大小並不符合產品要求，因此本專題所提出之陶瓷天線便可彌補傳統微帶天線的不足，滿足輕薄短小的設計概念並且擁有良好的通訊品質。本論文所提出之環型圓極化陶瓷天線，設計概念從傳統的微帶環型天線加以改良設計，在文獻上提出許多關於環型圓極化微帶天線的設計，但其設計方式製作不易，且必須使用多層結構，這對於產品在製造上會增加許多成本及降低生產良率，而本論文計畫中所提出之陶瓷天線具有簡易製作及產品的高相容性等優點，在天線結構方面，本論文天線使用環型金屬片搭配扇形耦合元件的設計，可以實現於單層之結構，不需多層的設計，以減少產品在製作上的成本及提高製作良率；而天線饋入則採用電磁耦合之方式，可以免去將天線焊接於產品電路板上，而直接貼附於電路基板上，大大的降低產品製程時間。目前對於圓極化天線的研究有許多種設計，在傳統微帶天線方面，如(1)截角型：截 角正方形圓極化微帶天線或截角三角形圓極化微帶天線設計[1]。(2)挖槽孔型：具有一字槽孔三角形圓極化微帶天線[2]或具有十字槽孔三角形圓極化微帶天線[3]。(3)植入窄槽縫：具有窄槽縫之正方形[4]及圓形[5] 圓極化微帶天線或具有窄槽縫之三角形圓極化微帶天線[6]。(4)微擾型：近似正方形圓極化微帶天線、具有短金屬微片之圓形圓極化微帶天線[7]及扇型圓極化微帶天線結構[8]。(5)槽孔耦合型：使用十字槽孔耦合之正方形圓極化微帶天線[9]或利用Y-Y形槽孔耦合之圓極化微帶天線[10]。本論文的環形圓極化陶瓷天線之設計係屬於介質負載型天線，介質負載型陶瓷天線其相關的文獻有表面附著雙饋入之圓極化陶瓷天線[11]及 GPS 用陶瓷天線[12]等，本論文利用環形金屬片加上耦合扇形金屬片產生圓極化效果，環形天線本身具備兩個方

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向的簡併模態(degenerate mode)，饋入線饋入環形結構之中心，即可產生兩相近且方向互相垂直之模態，透過扇形金屬片讓兩模態間的相位差為90˚，依此即得一圓極化設計。

三、天線結構

在本論文中所提出之天線設計，其設計概念為利用陶瓷本身高介電係數的特性來達到天線尺寸縮小化的目的，當金屬片附著於上時，陶瓷本身便成為天線的介質負載，因此當天線共振時，所需的電子長度便得以達到縮減的目的。由於本論文所提出之環形圓極化陶瓷天線，天線與饋入機構是各由兩種不同介質基板所組成，首先在饋入方面，如圖1，採用大小為30×30 mm2，介電係數εr為4.4，基底厚度為1.6 mm的玻璃纖維板 (FR4)，於此建構出一50 Ω的開路微帶傳輸線，利用開路微帶傳輸線之特性，會產生電磁耦合(EM coupling)的效應，進而激發置於 FR4基板上方的環形陶瓷圓極化天線。在天線輻射單元方面，如圖1，採用直徑為D = 14.8 mm，介電係數εr為25，天線基底厚度為 H = 3.3 mm的圓盤形陶瓷，並於其上表面黏 著一環形金屬片作為輻射單元，此環形單元之內、外半徑R2、R1分別為6及7 mm。當未在環形結構上加入一扇型金屬耦合元件時，可於陶瓷上表面之環形金屬片激發出基模態(TM11 mode)，TM11模態的中心頻率約在2700 MHz，其共振長度約為0.92 λg，其中λg為陶瓷介質上之導波波長。環形金屬片之半徑大小控制著TM11模態之中心頻率，此時若加入扇形金屬耦合元件，如圖1，扇形金屬片之邊長為R3，所張之角度為θ；由於本專題之天線激發方式為電磁耦合，因此加入扇形金屬片之後，會使得開路微帶傳輸線原本因電磁耦合所產生的向上電場，受到金屬片間之互相耦合，而帶動電場產生偏轉，偏轉的方向則受到扇型元件之形狀控制，若扇形元件為向左之方向，則使電磁耦合電場產生逆時鐘方向偏轉，便成為一右旋圓極化波(RHCP)，反之，若扇形金屬片為向右之方向，使電磁耦合電場產生順時鐘方向偏轉則為左旋圓極化波 (LHCP)，依此方式控制其電場激發的相位差。

四、實驗結果與討論

由圖2、圖3可知，本論文所提出之環形圓極化陶瓷天線S 參數量測，若以反射係數-10dB 為標準，在實測方面，操作頻帶在 2675~2737 MHz 約為 2.3%頻寬，天線之共振波長約為 0.92λg，而模擬方面則在 2678~2726 約為 2%，模擬與實測結果很吻合。從圖4數據結果中得知，所提出之陶瓷天線其軸比頻寬在 2692~2710 MHz，約為 0.6%，其中最佳可達 0.5 dB，這就表示本論文所提出之圓極化陶瓷天線其圓極化特性是非常良好的。圖5為天線增益圖，天線增益約在 2.5~3.5 dBi 之間，在縮小化的效應下，透過陶瓷的 Q 值補償，增益的表現仍可達到一般傳統微帶天線的水準。在天線輻射場型方面，如圖 6 所示，在漣波(ripple) 約在0~3 dB 的情況下，天線接收的半功率波束(HPBW)角度可達 100 度，天線的接收效果由此可得知是非常良好的。圖7為環型圓極化陶瓷天線模擬之表面電流分布及圖8 之電場分佈，更可確定天線所共振出的模態為 TM11。圖 9 為環形圓極化陶瓷天線加入扇型微擾金屬片後，電磁耦合之微帶傳輸線的電場表現，由圖中可以發現，微帶傳輸線之電場會因為加入扇形金屬片之後產生偏轉的情形，耦合至環形結構上，因此造成環形金屬天線兩個模態間的相位差而產生圓極化波；而圖 10 則是未加入扇形金屬片之微帶傳輸線的電場表現，可以發現在未加入扇形金屬片的情況下，微帶傳輸線的電場只會上下的偏振，並不會有偏轉的現象，也因此無法產生圓極化波。圖11及圖12分別為環形圓極化陶瓷天線隨扇形金屬片角度改變之反射係數圖與 Smith Chart 圖，從圖中可以發現，調整扇形金屬片的夾角角度，可以改變環形天線兩模態之間的相位差。圖 13及圖14分別為環形圓極化陶瓷天線隨陶瓷介電常數εr 改變之反射係數圖與 Smith Chart 圖，從此結果可得知，天線的操作頻率分佈與陶瓷材料介電常數變化息息相關，當介電常數越大時可得較低頻率之操作模態，且任意改變陶瓷介電常數並不會破壞

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天線本身的圓極化特性，亦即表示本論文所提出之設計方式可應用於各種不同之介電材料。圖15及圖16分別為環形圓極化陶瓷天線隨陶瓷介質厚度 H 改變之反射係數圖 與Smith Chart 圖，由於本論文所提出之設計方式是以電磁耦合方式饋入，因此改變陶瓷介質的厚度會相對會使天線的阻抗分佈產生變化，但卻不失其圓極化特性。圖 17 為本論文天線之實體拍攝圖。圖 1 環型圓極化陶瓷天線之幾何結構圖； R1 = 7 mm, R2 = 6 mm, R3 = 5 mm, Lf = 13.5 mm Wf = 3 mm, D = 14.8 mm, H = 3.3 mm, L = 30 mm, W = 30 mm 圖 2 環型圓極化陶瓷天線模擬與實測之反 射係數(Return Loss)圖 圖 3 環型圓極化陶瓷天線模擬與實測之 Smith Chart 圖 圖 4 環型圓極化陶瓷天線實測之軸比 (Axial Ratio)圖 圖5 環型圓極化陶瓷天線實測之增益圖

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圖 6 環型圓極化陶瓷天線模擬與實測之場 型圖；f = 2699 MHz 圖7 環型圓極化陶瓷天線模擬之電流分佈 圖8 環型圓極化陶瓷天線模擬之電場分佈 圖 9 環型圓極化陶瓷天線模擬之傳輸線部 分電場分佈圖(有加扇形金屬片) 圖10 環型圓極化陶瓷天線模擬之傳輸線部 分電場分佈圖(未加扇形金屬片) 圖11 環型圓極化陶瓷天線隨扇形金屬片角 度變化之模擬的反射係數(Return Loss)圖

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圖12 環型圓極化陶瓷天線隨扇形金屬片角 度變化之模擬的Smith Chart 圖 圖13 環型圓極化陶瓷天線隨陶瓷介電常數 變化之模擬的反射係數(Return Loss)圖 圖14 環型圓極化陶瓷天線隨陶瓷介電常數 變化之模擬的Smith Chart 圖 圖15 環型圓極化陶瓷天線隨陶瓷介質厚度 (H)變化之模擬的反射係數(Return Loss)圖 圖16 環型圓極化陶瓷天線隨隨陶瓷介質厚 度(H)變化之模擬的 Smith Chart 圖 圖17 環型圓極化陶瓷天線之實體圖 本論文之環形圓極化陶瓷天線因採用陶瓷材料當作介質，可以有效的縮小天線尺

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寸，其不但具有輕、薄、短、小之特性，且於使用時，不會因受到外力的彎折而造成天線構件之配置位置改變，進而避免天線之收訊品質不佳等情形，且天線結構為單層結構對於製造上非常簡易不會造成製造良率下降。在與產品電路結合上，本論文之環形圓極化陶瓷天線不需焊接於系統電路板上，只需直接貼附於系統電路板上，這樣的設計可以使系統廠商在製造上的速度得以提升。天線之操作頻帶為2675~2737 MHz，但若想應用於GPS 所使用之頻率 1575 MHz 上，利 用此設計方法亦可很容易的達到。為了得到更縮小化、更低姿勢(low profile)的天線，以及考慮此耦合方法的正確性，吾人亦提出方環形的結構並具有方形的耦合金屬片圖18，並實現於GPS 導航設備 上，其大小為 15×15 mm2目前已經進入商業製作及行銷階段。 W_f 圖 18 具耦合方形金屬片之方環形圓極化 陶瓷晶片型天線的幾何結構

五、結語

綜合以上結果，本文之環形圓極化陶瓷天線因採用陶瓷材料當作介質，可以有效的縮小天線尺寸，其不但具有輕、薄、短、小之特性，且於使用時，不會因受到外力的彎折而造成天線構件之配置位置改變，進而避免天線之收訊品質不佳等情形，且天線結構為單層結構對於製造上非常簡易不會造成製造良率下降。在與產品電路結合上，本專題之環形圓極化陶瓷天線不需焊接於系統電路板上，只需直接貼附於系統電路板上，這樣的設計可以使系統廠商在製造上的速度得以提升。天線之操作頻帶為2675~2737 MHz，但若想應用於 GPS 所使用之頻率 1575 MHz 上，利用此設計方法亦可很容易的達到。

六、成果自評

本計劃之相關成果已發表於：

1. Y. F. Lin, H. M. Chen, and S. C. Lin, “A new coupling mechanism for circularly polarized annular-ring patch antenna,”

IEEE Trans. Antennas Propagat., vol.

56, No. 1, pp. 11-16, Jan. 2008. 【NSC96-2221-E-151-003】【SCI, EI】 2. Y. K. Wang, H. M. Chen, J. Y. Jan, Y. F.

Lin, C. Y. Lin and C. F. Yang, “A circularly polarized square-ring patch antenna for GPS application,” 2008

IEEE AP-S Int’l. Symp. on Antennas and Propagat., San Diego, California USA, s209p11, July 5-12, 2008.

【NSC96-2221-E-151-003】【EI】 3. S. C. Lin, Y. F. Lin, H. M. Chen, and C.

F. Yang, “A Novel design of circularly polarized annular-ring patch antenna,”

2007 IEEE AP-S Int’l. Symp. On Antennas and Propagat.., Honolulu, Hawaii U.S.A., pp. 3924-3927, June

10-15, 2007.【EI】

4. 翁逸仙、林憶芳、王伊淳、陳華明,“應

用於 GPS 之方形迴路圓極化微帶天線

設計,” 2007 全國電信研討會, 台北,

Taiwan, CD Rom, Nov. 23-24, 2007.

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七、參考文獻

[1] C. L. Tang, J. H. Lu and K. L. Wong, "Circularly polarized equilateral triangular microstrip antenna," Electron.

Lett., vol. 34, pp. 1277-1278, June 25,

1998.

[2] J. H. Lu, C. L. Tang, and K. L. Wong, "Single-feed slotted equilateral-triangular microstrip antenna for circular polarization," IEEE Trans. Antennas

Propagat., vol. 47, pp. 1174-1178, July

1999.

[3] J. H. Lu, C. L. Tang, and K. L. Wong, "Single-feed slotted equilateral-triangular microstrip antenna for circular polarization," IEEE Trans. Antennas

Propagat., vol. 47, pp. 1174-1178, July

1999.

[4] K. L. Wong, W. H. Hsu and C. K. Wu, "Single-feed circularly polarized microstrip antenna with a slit,"

Microwave Opt. Technol. Lett., vol. 18,

pp. 306-308, July 1998.

[5] K. L. Wong, W. H. Hsu and C. K. Wu, "Single-feed circularly polarized microstrip antenna with a slit,"

Microwave Opt. Technol. Lett., vol. 18,

pp. 306-308, July 1998.

[6] J. H. Lu, C. L. Tang and K. L. Wong, "Circular polarization design of a single feed equilateral-triangular microstrip antenna," Electron. Lett., vol. 34, pp. 319-321, Feb. 19, 1998.

[7] K. L. Wong and Y. F. Lin, "Circularly polarized microstrip antenna with a tuning stub," Electron. Lett., vol. 34, pp. 831-832, April 30, 1998.

[8] W. H. Hsu and K. L. Wong, "Circularly polarized disk-sector microstrip antenna," Electron. Lett., vol. 34, pp. 2188-2190, Nov. 12, 1998.

[9] C. Y. Huang, J. Y. Wu, and K. L. Wong, "Cross-slot-coupled microstrip antenna and dielectric resonator antenna for circular polarization," IEEE Trans.

Antennas Propagat., vol. 47, pp. 605-609,

April 1999.

[10] C. Y. Huang, J. Y. Wu, and K. L. Wong, "Slot-coupled microstrip antenna for

broadband circular polarization,"

Electron. Lett., vol. 34, pp. 835-836,

April 30, 1998.

[11] T. W. Chiu, C. Wang, C. M. Su and K. L. Wong, “Surface-mountable dual side-feed circularly polarized ceramic chip antenna” Electronic Materials and

Packaging, Proceedings of the 4th Int. Symp. , pp. 434-437, Dec. 2002.

[12] C. Y. Huang and M. H. Lin, “Ceramic GPS antenna for remote sensing” Geoscience and Remote Sensing

Symposium, vol. 5, pp. 2182-2184,

24-28 July 2000.