行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
子計畫一:多頻道多標準天線系統(I)
計畫類別： 整合型計畫 計畫編號： NSC93-2219-E-009-024- 執行期間： 93 年 08 月 01 日至 94 年 07 月 31 日 執行單位： 國立交通大學電信工程研究所 計畫主持人： 林育德 報告類型： 完整報告 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： 本計畫可公開查詢中 華 民 國 95 年 6 月 16 日
行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告
多頻道多標準無線通訊系統關鍵射頻技術之研發(Ｉ) 子計劃一 ：多頻道多標準天線系統(I) 計劃編號： NSC 93-2219-E-009-024 執行期限： 九十三年八月一日至九十四年七月三十一日 主持人 ： 林育德 交通大學電信系 教授 計劃參與人員： 吳旭昇 一、中文摘要 通訊系統前端的射頻元件整合模 組，通常只包括雙工器與兩個不同頻 段的帶通濾波器，隨著前端射頻模組 的高度整合化，雙頻天線與雙工器之 整合設計在未來的研究與通訊產品設 計中也將是一個無可避免的趨勢。在 本論文中，以全波分析軟體作為設計 工具，提出雙頻天線和雙工器的整合 設 計 以 應 用 於 無 線 區 域 網 路 ( Wireless Local Area Netowrk，WLAN ) 系 統 。 本 文 中 所 提 出 的 雙 頻 天 線 結 構，是將原本的四分之一波長單極天 線（λ/4 monopole antenna）加入袖型 (sleeve)結構以達到雙頻與寬頻的效 果。雙工器部份則是利用步階阻抗諧 振腔帶通濾波器與四分之一波長平行 耦合帶通濾波器疊加而成。sleeve 雙頻 天線架構在2.4 GHz 與 5 GHz WLAN 頻段分別具有 22.49%和 32.58% 的阻 抗頻寬。此雙頻天線和雙工器的整合 架構將能夠滿足 2.4 GHz 和 5.2 GHz WLAN 系統的需要。此外我們選用合 適帶通濾波器的集總元件電路模型， 有 效 地 利 用 低 溫 共 燒 陶 瓷 （Low
Temperature Co-fired Ceramics，LTCC）
製程設計出符合 WLAN 2.4GHz 帶通 濾波器規格的帶通濾波器，以期達到 體積小，高選擇性，具有高整合度的 元件。 關 鍵 詞 - 步 階 阻 抗 諧 振 腔 帶 通 濾 波 器、雙工器、sleeve 雙頻天線、低溫共
燒 陶 瓷 （Low Temperature Co-fired
Ceramics，LTCC）、三階交錯耦合濾 波器 二、研究方法 a. sleeve 單極天線與雙工器之整合設 計 (一) Sleeve 單極天線 （1）sleeve 單極天線原理 如圖 1(a)中所示，sleeve外部結構 有如一個輻射元件，而其內部結構可 視作同軸電纜傳輸線的外部導體。通 常將sleeve的長度取為單極天線高度 的 1/3 或者 1/2。圖 1(b)為一長度為 L=λ1 4且共振頻率為f1的單極天線，圖 1(c)為一相同長度為L=λ2 2且共振頻 率為f2=2f1的單極天線，由圖 1(b)、1(c) 可知，如果單極天線沒有sleeve結構 時，位於餽入點的電流大小，會在不 同的共振頻率下(例如在f1與f2 兩個頻 率下)相差頗大，因此沒有sleeve結構 的單極天線無法同時在f1 和f2達到輸 入 阻 抗 的 阻 抗 匹 配 。 藉 由 額 外 增 加 sleeve的結構使得原本的四分之一波 長單極天線餽入點由A改變到B的位 置，此時sleeve單極天線饋入點的電流
大小與共振頻率為f1與f2接近相同，即 天線能在f1與f2的達到良好的輸入阻 抗匹配，所以sleeve單極天線可以達到 寬頻的效果。 （2）sleeve 單極天線之設計 本 報 告 中 所 使 用 的 材 質 為 RO4003 板，其規格如下：介電常數 (εr)：3.38 損耗正切(tan )：0.0025 δ 導體金屬：銅(copper)， S/m 板材厚度：0.508mm 7 10 88 . 5 × 首先，設計一個採共平面波導饋 入(coplanar waveguide fed，CPW-fed) 方式且共振頻率為 2.4 GHz 的四分之 一波長單極天線，其結構如圖 2。藉由 模擬軟體可得到此單極天線於 1~7 GHz 輸入阻抗，由圖 3 中可明顯看出，我 們可藉由改變單極天線的寬度，改變 天線阻抗實部與虛部的大小，調整適 當的寬度之後如圖表 4，可於令此單極 天線在 5~6 GHz 的阻抗實部為 50 歐 姆，虛部為-140~-80 歐姆左右。因此， 考慮在不嚴重影響單極天線架構的情 況下，在原本的單極天線結構中加入 額外結構可以使5~6 GHz 頻段的輸入 阻 抗 虛 部 消 失 ， 即 可 達 到 雙 頻 的 效 果。本報告中嘗試利用 sleeve 結構既 可增加單極天線低頻的阻抗頻寬，也 可用於調整此天線於5~6 GHz 的輸入 阻抗進而達成阻抗匹配。 （3）饋入結構 結構採用 CPW-fed 方式，低頻的 共振頻率由圖 5 中的 L 所決定。sleeve 結構的總長度為 14 mm，調整 sleeve 與單極天線的距離於1mm 時可使得此 天線在 5~6GHz 達到良好的阻抗匹 配，但此時低頻阻抗頻寬受到 sleeve 高度的影響過大，因此採用折彎形式 的 sleeve 架構，總長度為 14mm 其高 度為 7.5mm，藉以降低 sleeve 結構高 度對於低頻阻抗頻寬造成的影響。經 由模擬結果發現，在不改變 sleeve 結 構總長度下，適當調整折彎 sleeve 的 高度以及位置可以在不影響低頻阻抗 頻 寬 的 情 況 之 下 改 變 高 頻 頻 段 的 頻 寬。在本報告所做的實驗中，文中設 計的雙頻天線架構在 5GHz 與 2.4GHz WLAN 頻 段 分 別 具 有 32.58 % 和 22.49 % 的阻抗頻寬。此天線架構將能 夠滿足 2.4 GHz 和 5 GHz WLAN 系統 的需要。 （4）模擬結果與討論 此報告中，使用 Agilent E5071A 量測頻率響應、HP 8530A 量測天線的 場型，共振頻率 2.44GHz 時頻寬為 2.17~2.74GHz，共振頻率 5.14GHz 時 頻寬為 4.75~6.40GHz，其量測與模擬 的頻率響應如圖 6 所示，量測的遠場 場型，如圖7、圖 8 所示。而量測到的 數值於下面之表格9。 (二) 天線與雙工器電路整合 （1）天線與雙工器整合電路架構設計 因本報告的 sleeve 單極天線與雙 工器分別採用共平面波導與微帶線當 作傳輸線架構，所以在兩者之間作整 合時，必須有微帶線轉CPW 轉換器， 如圖10 所示。 （2）模擬與量測結果 如圖 11 所示此雙工器在 2.4GHz 之Return Loss 為-17dB，在 5.2GHz 時 為-23dB，且 port2 與 port3 之間的 Isolation 在 WLAN 頻段中都在-30B 以 下如圖12。其中量測之場型，如圖 13、 圖14 所示。
b. 低溫陶瓷共燒帶通濾波器 （1）三階交錯耦合濾波器
傳統的交錯耦合型帶通濾波器 (cross-coupled bandpass filter)如圖15， 可 以 藉 由 共 振 腔 之 間 彼 此 的 交 錯 耦 合，使得在通帶的兩側，或其中一側 產生出傳輸零點，讓截止頻帶附近的 雜訊，得以被有效地被抑制、衰減， 以提升電路本身的選擇度，本節中所 討論的改良式三階梳型濾波器集總電 路模型如圖16，是將原本基本型的三 階梳型濾波器集總電路模型如圖17中 非 相 鄰 的 諧 振 腔 疊 加 一 交 錯 耦 合 電 容，使訊號由原本的單一路徑傳送， 改變為在多重路徑中傳送，並在共振 頻率之左側截止帶中產生傳輸零點。 （2）低溫陶瓷共燒帶通濾波器設計 LTCC各項參數: εr= 9.1 loss tanδ=0.002 metal thickness=12um LTCC thickness=35um or 70um 在設計低溫共燒陶瓷帶通濾波器 的過程中，先以集總元件電路模型方 式設計出改良式梳型三階交錯耦合帶 通濾波器。預定設計的中心頻率為2.45 GHz，比例頻寬為 10﹪，並應規格要 求希望設計傳輸零點在通帶外側的低 頻2.1GHz處，以便在做為射頻前端應 用時，抑制其餘電路所產生的諧波， 或降低其餘通訊應用上的干擾。整體 電路架構的集總元件等效電路如圖 18 所示。考慮下表格19 的濾波器規格， 計算出改良式梳型三階耦合濾波器集 總電路模型中的電感與電容值，並利 用 高 頻 電 路 模 擬 軟 體 Microwave Waveoffice 將 效 能 最 佳 化 可 得 到 C10=C30=4.20 pF ， C20=3.95 pF ， C12=C23=0.89 pF ， C13=0.315 pF ， L1=L2=L3=0.7388 nH。其頻率響應圖如 圖20。 (3) 電容設計 電容的設計，主要以兩金屬片間 的距離與交錯的有效面積來決定所需 的電容值大小。由於在LTCC 結構中， 為了要節省電部佈局的面積，上下層 結構之間電路的佈線往往相當緊密， 彼此間的寄生耦合效應相當嚴重，因 此在電容設計時常採用 π 型電容的方 式，如圖21 所示。將電容內埋在兩接 地 金 屬 層 之 間 ， 可 以 同 時 設 計 兩 輸 入、輸出端的對地電容，並隔絕外界 電路的影響。 (4) 電感設計 電感的電路佈線如圖22 所示。利 用簡單的帶線(stripline)形式的傳輸線 接地後可視為電感。此次設計的三個 電感皆在同一層走線，以帶狀金屬線 接地的方式，並藉由調整傳輸線的長 度來達到所需的電感值。電感所處的 帶狀金屬線層也與上下兩接地金屬面 盡量遠離，間隔為兩厚層，藉由增加 LTCC 介質層數來提升電感的感值。 (5) 模擬結果與討論 結合前述的電容與電感設計，在 LTCC 製程實現帶通交錯耦合型濾波 器，其整體電路佈局如圖23 所示。電 路結構中接地金屬面、輸入和輸出埠 之間，皆在電路封裝後，以側面電極 的 方 式 連 接 ， 整 個 電 路 的 大 小 約 為 2500μm × 2000μm × 784μm。模擬結果 如圖24 所示。設計的中心頻率為 2.45 GHz，頻寬約為 400 MHz，通帶損耗 約為 1dB，傳輸零點設計在 2.04 GHz 其衰減量約為 55dB，在 2.1GHz 的斥
拒比約為35dB。 三、圖表 圖 1、長度為 L 的 sleeve 單極天線 電流分佈 圖 2、CPW-fed 四分之一波長單 極天線結構圖 Frequency (GHz) 1 2 3 4 5 6 7 Im peda n ce ( O hm s) -300 -200 -100 0 100 200 300 400 500 w1_real w1_imaginary w2_real w2_imaginary w3_real w3_imaginary w4_real w4_imaginary 圖 3、四分之一波長單極天線阻 抗的變化
W real part(Ω) imaginary
part(Ω) W1=4mm 120~60 -210~-100 W2=5mm 100~50 -200~-70 W3=6mm 57~50 -140~-80 W4=7mm 40~30 -110~-80 圖表 4、單極天線的阻抗變化 圖表5、sleeve 單極天線結構圖 Frequency (GH z) 1 2 3 4 5 6 7 Ma gnit ud e ( d B) -40 -30 -20 -10 0 10 simualtion measured result 圖 6、雙頻天線 S 參數模擬與 量測頻率響應圖
2.45GHz xz-plane -40 -30 -20 -10 0 10 -40 -30 -20 -10 0 10 -40 -30 -20 -10 0 10 -40 -30 -20 -10 0 10 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 co-polarization cross-polarization (a) xz 切面 圖7(a)、共振頻率為 2.45GHz 的天 線量測場型 2.45GHz yz-plane -40 -30 -20 -10 0 10 -40 -30 -20 -10 0 10 -40 -30 -20 -10 0 10 -40 -30 -20 -10 0 10 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 co-polarization cross-polarization (b) yz 切面 圖7(b)、共振頻率為 2.45GHz 的天 線量測場型 5.2GHz xz-plane -40 -30 -20 -10 0 10 -40 -30 -20 -10 0 10 -40 -30 -20 -10 0 10 -40 -30 -20 -10 0 10 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 co-polarization cross-polarization (a) xz 切面 圖 8(a)、共振頻率為 5.2GHz 的天 線量測場型 5.2GHz yz-plane -40 -30 -20 -10 0 10 -40 -30 -20 -10 0 10 -40 -30 -20 -10 0 10 -40 -30 -20 -10 0 10 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 co-polarization cross-polarization (b (b) yz 切面 圖 8(b)、共振頻率為 5.2GHz 的 天線量測場型
共振頻率 (GHz) 2.44 5.14 頻寬 (GHz) 2.17~2.74 4.75~6.40 表格9、雙頻天線的量測頻寬 圖 10、微帶線輸入轉 CPW 輸入轉換 器 Frequency (GHz) 1 2 3 4 5 6 7 Magnitude (dB) -40 -30 -20 -10 0 S22-simulation S33-simulation S22-measured result S33-measured result 圖 11、天線與雙工器整合電路頻率 響應模擬與量測 F req u en cy (G H z) 1 2 3 4 5 6 7 M agn it u d e ( d B) -8 0 -6 0 -4 0 -2 0 0 S32-sim ulation S32-m easured results 圖 12、天線與雙工器整合電路頻 率響應圖 2.45GHz xz-plane -40 -30 -20 -10 0 10 -40 -30 -20 -10 0 10 -40 -30 -20 -10 0 10 -40 -30 -20 -10 0 10 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 co-polarization cross-polarization (b) yz 切面 圖 13、共振頻率為 2.45GHz 的 天線量測場型
2.45GHz yz-plane -40 -30 -20 -10 0 10 -40 -30 -20 -10 0 10 -40 -30 -20 -10 0 10 -40 -30 -20 -10 0 10 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 co-polarization cross-polarization (b) yz 切面 圖 13、共振頻率為 2.45GHz 的天 線量測場型 5.2GHz xz-plane -40 -30 -20 -10 0 10 -40 -30 -20 -10 0 10 -40 -30 -20 -10 0 10 -40 -30 -20 -10 0 10 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 co-polarization cross-polarization (a) xz 切面 圖 14、共振頻率為 5.2GHz 的天線 量測場型 5.2GHz yz-plane -40 -30 -20 -10 0 10 -40 -30 -20 -10 0 10 -40 -30 -20 -10 0 10 -40 -30 -20 -10 0 10 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 co-polarization cross-polarization (b) yz 切面 圖 14、共振頻率為 5.2GHz 的天 線量測場型 圖15、三階交錯耦合帶通率濾波器 集總電路原型 圖 16、改良型的三階梳型濾波器集 總電路模型
圖 17、基本式三階梳型濾波器集總 電路模型 圖 18、改良式梳型三階交錯耦合低 通濾波器集總電路模型 帶通濾波 器規格 2.4GHz band 操作頻段 2.4~2.5 GHz 輸入阻抗 50 歐姆 輸出阻抗 50 歐姆 30dBc @0.88GHz~1.785GHz 35dBc @ 1.85GHz~1.91GHz 30dBc @ 2.1G 30dBc @ 4.8GHz~5GHz 帶通濾波 器拒斥比 ( bandpass filter rejection ) 20dBc @ 7.2GHz~7.5GHz 表格19、濾波器規格 圖 20、帶通濾波器頻率響應 圖21(a)、π 型電容集總電路模 型 圖21(b)、π 型電容實體圖
圖 22、電感佈局側視圖 圖 23(a)、LTCC 電路佈局俯視圖 圖 23(b)、LTCC 電路佈局側視圖 F re q u en cy (G H z) 1 2 3 4 5 6 7 Magni tude ( dB) -8 0 -6 0 -4 0 -2 0 0 S11 S 21 圖 24、LTCC 帶通濾波器頻率響應 四、參考文獻
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