慧友電子產學合作計畫總結報
研究計畫主題
增進無線區域網路接收器靈敏度之主動式天線設計
計畫日期:
2003/11/30~2004/11/30
計畫成員
:
台灣大學電信工程研究所 助理教授 林怡成 博士
慧友電子股份有限公司
陳晨鐘 協理
台大電信工程研究所 李建樺 研究生
台大電信工程研究所 吳永智 研究生
一.研究計劃簡介:
本計劃是由慧友電子股份有限公司與台灣大學電信所所合作的一個產學
計畫，基本上此研究計畫的主要目的在於整合台大電信所與產業界的資源，
共同研發出新產品與新技術並協助參與師生，藉由產學合作驗證理論，提昇
應用研究水準，累積實務經驗，以達成培訓人才之目的，同時也能幫助產業
界升級，以達到雙贏的結果。在這個前提之下，參與公司既可從研究成果中
獲益，研究生又可在真實商業環境中得到實際研究經驗，在加上指導教授的
催化及潤滑，一方面提供業界與學生研究的互動，同時又可以與產業界建立
更密切的聯繫，從而更了解業界所面對的問題。
二.研究計畫動機:
設計起源動機:
由於慧友電子股份有限公司的主力產品是關於監視器的研發，因
此全力研發新一代的多功能監視器變成為公司的目標，故公司內
有個想法想將監視器給無線化，一來增加產品的吸引力，二來配
合無線區域網路的盛行，與未來城市區域網路化做連結。當然，
無線網路的重要高頻元件之ㄧ就是天線，這一部分也是我們台大
電信所電波組所致力研發的技術，所以互蒙其利，便誕生了此研
究計畫。
應用環境:
結合無線與有線的應用，對一般監視系統(門禁系統、牧場監控管理 etc…)
都可以使用這種內嵌隱藏式天線的監視器，為了配合跟監視器外殼做結
合，這裡考慮以平面式天線為設計架構，系統應用環境簡單闡述於下:
牧場
EM Wave 4 3 2 TV 1Cable Line 有 Loss，降低 SNR，導致 TV 不清楚 無線發射監視器+感應器
無線接收監視器(Antenna & LNA inside)
說明:牧場中心有一感應器和監視器，360°偵測四周環境，若有不明狀況發生則
同時感測並經由監視器紀錄當時畫面，以無線電波傳送到控制室大樓旁的
接收監視器(同時也可以監控大樓保全)，再經由在建築物中的有線傳輸傳
送畫面到四樓的控制室，途中放大器表示一般將電路部份擺在 TV 端作訊
號處理的作法，但犧牲掉的是雜訊比，故吾人將 Antenna 跟 LNA 整合成一
模組減少 Cable 所降低的訊號品質。
三.計劃預定目標:
初期目標
z 配合廠商可能需求上的應用，先針對主動天線模組的每個 Element 作細部完整
的研究，基本上屬於資料收集時期，在這段期間內，研究成員們分別針對各個部
份來進行研讀與探討，並在每禮拜的工作報告中互相討論，同時訂下未來工作事
項。
z
工作時間為兩個月(2003/11/15~2004/1/15)。
中程目標
z 開始針對單一 Element 做設計與實作。主要工作項目是分別針對三大元件-射頻
Broadband 接收天線、高頻切換器、低雜訊放大器進行研究。
1.射頻Broadband接收天線部份:
天線部分為此次計畫的核心，因此在模擬與實作的部分有較深的投入。一開始在
選擇能適用之天線架構的過程中，模擬且實驗過兩種天線，一為 Microstrip-line
fed patch antenna，另一個為 Step-type Microstrip line fed slot antenna。最後選擇了
後者，其原因主要在於後者擁有的寬頻特性較前者為佳。
此部分元件在天線系統組裝時提供了量測的方便性及其他可能運用，故在此針對
Microwave Switch 基本操作原理進行研究，並且實際 Layout 出 Test Boards，以
便提供廠商 Samples 的量測。希望增加在系統整合時可能用到的觀念。
3.低雜訊放大器部份:
這次研究計畫的另一個重要探討元件是接收系統中不可或缺之元件-低雜訊放大
器(LNA)，會針對此元件作基本原理的探討。再來，會再針對 LNA 在整個接收
系統所扮演的角色作深入研究，以建立此主動接收天線系統能在未來能順利整合
的觀念。
z 工作時間為六個月(2004/1/15~2004/7/15)。
最終目標
z 設計研製出一個能操作於 IEEE802.11b(2.4GHz~2.4835GHz)的主動接收天線模
組。[包含射頻 Broadband 天線、微波 Switch 以及低雜訊放大器(LNA)的設計、
研製以及整合量測]
z 針對實驗結果進行討論與修改，並探討可以再加強進步的地方(優缺點的探
討)，針對缺點部份再以模擬軟體模擬加強到較佳結果(Fine Tuning)。
三.研究方法與步驟:
射頻 Broadband 接收天線(RF Broadband Antenna):
Step 1: 首先對於計畫所需頻段之天線(2.4GHz)和可適用於計畫所要求環境的
天線架構作Papers Survey，並從中選擇可適用之天線架構(最後從Patch Antenna
& Slot Antenna此兩種Planar Antenna擇一)。
Step 2: 為了考驗Paper天線架構的可靠性，先依樣畫葫蘆，即作Follow Paper
的動作。簡單來說，就是將Paper中的整體尺寸、參數、材料、大小作完整Copy
到天線模擬軟體中作模擬的研究，若模擬結果跟Paper中之結果相似，則在進一
步改良Paper中的各個細部參數，以符合我們計畫的預定天線設計目標。
Step 3: 實際以FR4 電路板進行研製，將模擬出來的較佳的天線尺寸透過曝
光、顯影、蝕刻等步驟後即可完成天線之實作，最後焊接上SMA-Female接頭後
即可進行量測工作。
Step 4: 將量測結果與模擬結果比較，此步驟理念在於驗證理論值與實際值的
不同，從中討論會影響天線各個Performance之參數，透過Trade-Off的取捨，找
出天線Final Size，同時希望將量測誤差控制到最小的程度。
微波切換器(Microwave Switch):
Step 1: 熟悉高頻Switch的基本操作原理，並找尋適合計畫使用的Samples，同
時多研究各家廠商的Data Sheets，比較其優缺點。
Step 2:
Layout出以FR4 為基板的Test Board，並焊接上Switch Samples，以便量
測Performance(Insertion Loss、Isolation、Return Loss)來提供往後應用的參考。
低雜訊放大器(Low Noise Amplifier):
Step 1: 研讀關於低雜訊放大器的基本操作原理和一些重要的阻抗匹配觀念，
另外是關於DC bias和RF 饋入的Isolation觀念。
Step 2: Layout出以FR4 為基板的Test Board，並焊接上LNA Samples，以便量
測其Performance(S-parameter、Noise Figure、P1dB) 來提供往後系統整合的參
考數值。
四.模擬與實作之研究分析:
以下分作四大方向分析:
1.射頻 Broadband 天線的模擬與實作結果分析。
2.微波切換器的 Data Sheets 與實際 Layout 量測結果比較。
3.低雜訊放大器的 Data Sheets 與實際量測結果比較。
Broadband 天線部分
參考文獻
[A Novel Broadband Microstrip-Fed Wide Slot Antenna With Double Rejection Zeros] (Lei Zhu, Senior Member, IEEE, Rong Fu, and Ke-Li Wu, Senior Member, IEEE)
参考文獻天線架構(Operate at 5GHz)
Fig. 1. Physical geometry and equivalent circuit topology of a novel broadband microstrip offset-fed slot antenna with double rejection zeros.
参考文獻天線基本操作原理
由 Fig.1(b)的等效電路模型知，輸入訊號功率由寬度為 Wf、阻抗值
為 Zf 的傳輸線饋入，接下來經由 Step 形式的變化到寬度為 w、阻抗值約
為 2Zf 的傳輸線，此 Step 段的阻抗變化可以由 N
f:1 的 Impedance
Transformer 來等效。
接下來訊號由長度為 s+t2+t1、 寬度為 w 、阻抗約為 2Zf 的 Strip
Resonator 中心耦合到 Slot-Ground 的部份，此處的阻抗變化一樣以一個
Impedance Transformer 來等效
最後訊號在 Slot-Ground 共振(LC 共振)，輻射能量到遠場，而遠場的
Radiation Resistance 為 Gs(Rs)。
另外，有三個對地的等效電容，其中兩個 Ca 為 Slot 中心點位置的對
地等效電容，另一個 Co 為 Strip Resonator 開路尾端的對地等效電容。
参考文獻天線尺寸設計
Wf=1.95mm(50Ω)、s+t1+t2=
1 4λg=9.8mm、Ls=
1 2λg=24mm、s=5mm、w=0.5mm
Follow Paper Simulation
天線架構說明
:
Simulation Tool：IE3D
基板與參數設定:RO6002(εr=2.94、tanδ=0.0012、h=0.75mm)
L
GND=65mm
W
GND=50mm
Wf=1.95mm S=5mm 模擬時的尺寸 設定(5GHz) Lf=15mm Ls=24mm WGND=50mm t2+S+t2=9.8mm w=0.5mm LGND=65mm t2=2~2.5(mm) d=9.8~10.2(mm)Follow Paper 的模擬結果
Return Loss
模擬結果
結論
IE3D 模擬結果與 Paper 完全符合，10dB 頻寬也相等(寬頻)，故一方面相信
此篇論文的天線架構適合我們使用，另一方面驗證 IE3D 的準確度也有一定
的水準，以上結果頻率是操作在 5GHz 操作，為了適用計畫的應用，下一步
會將頻率轉移至 2.4GHz 做模擬(所有基板_RO6002 參數不變，只針對長度
放大到 2.4GHz 所對應的波長作 Scale up)。
2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 Frequency (GHz) Change t2 -50 -40 -30 -20 -10 0 DB(|S[1,1]|) t2=2.1_slot? ? (20.2,-30.875) DB(|S[1,1]|) t2=2.2_slot? ? (20.1,-30.875) DB(|S[1,1]|) t2=2.3_slot? ? (20,-30.875) DB(|S[1,1]|) t2=2.4_slot? ? (19.9,-30.875) DB(|S[1,1]|) t2=2.5_slot (19.8,-30.875) 固定 d=9.9(~1 2λg)，tuning parameter t2Paper simulation(Agilent momentum)
My simulation(IE3D) 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 F requency (G H z) C han g e d -40 -30 -20 -10 0 D B (|S[1 ,1 ]|) d =9.8_ slo t? ? (20 .1,-3 0.7 75) D B (|S[1 ,1 ]|) d =9.9_ slo t? ? (20 .1,-3 0.8 75) D B (|S[1 ,1 ]|) d =10 _slot? ? (20.1,-30.975 ) D B (|S[1 ,1 ]|) d =10 .1 _slot? ? (20.1,-31.075 ) D B (|S[1 ,1 ]|) d =10 .2 _slot? ? (20.1,-31.175 ) 固定 t2=2.2，tuning parameter d
Scale up the size from 5GHz to 2.4GHz
Return Loss 模擬結果
L
ND=90mm
W
GND=6mm
Wf=1.93mm S=5mm WGND= 60mm T2+S+t2=20.38m m w=0.49mm 模 擬 時 的 尺 寸 設 定 (2.4GHz) Lf=25mm Ls=49.92mm LGND=90mm t2=7~9(mm) d=19.54mm 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 Frequency (GHz) Graph 1 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 DB(|S[1,1]|) t2=7,d=44.5(35.88,-45.505) DB(|S[1,1]|) t2=8,d=44.5(34.88,-45.505) DB(|S[1,1]|) t2=9,d=44.5(33.88,-45.505)[Follow Paper 的 Scale to 2.4GHz 也有達到寬頻的效果] t2=9mm
t2=8mm
t2=7mm
2.4GHz Step-type MS-line fed Slot Antenna Simulation
(以ＦＲ4 為基板設計-為了成本考量)
基板與參數設定:FR4(εr=4.4、tanδ=0.02、h=1.0mm)
IE3D 模擬架構圖形(Slot 未對稱於 Ground 中心):
W=60mm L=75mm Wf=1.95mm S=5mm WGND= 60mm Lf=25mm Ls=45mm LGND=75mm 模擬時 的尺寸 設定 (2.4GHz) w=0.42mm d=15.6mm t2=4mm 2 S 2 1 8
Design Goal:
Siez < 60x60
2mm
頻帶:2.4GHz~2.4835GHz
Peak Gain
≈ 4dBi
BW=30%(10dB 頻寬)
IE3D 模擬結果(Slot 未對稱於 Ground 中心)
Return Loss Smith Chart
1 2 3 4 5 Frequency (GHz) Return Loss -30 -20 -10 0 2.055 GHz -10 dB 2.922 GHz -10 dB DB(|S[1,1]|) t2=4,d=15.6(36.35,-41.575)_5x45
10dB 頻 qup6 頻 101wqewq.頻
10dB 頻寬:2.055GHz~2.922GHz=867MHz (BW=35%)E-plane & H-plane 之定義平面說明:
0 1. 0 1.0 -1. 0 1 0.0 10.0 -1 0. 0 5. 0 5.0 -5 .0 2. 0 2. 0 -2 . 0 3. 0 3.0 -3 .0 4. 0 4.0 -4 .0 0. 2 0. 2 -0.2 0. 4 0 . 4 -0 .4 0. 6 0 . 6 -0 .6 0. 8 0 . 8 -0 .8 Smith Chart Swp Max 5GHz Swp Min 1GHz 2.922 GHz X -0.308 0.07065 2.055 GHz X 0.2551 -0.1867 S[1,1] t2=4,d=15.6(36.35,-41.575)_5x45 E-plane=X-Z plane H-plane=Y-Z plane (與 Dipole 相反，因為 Dipole 為電流效應，Slot 為等效磁流 作用，彼此為 Duality 的關係) Y X Z
Radiation Pattern(Gain Pattern)
Radiation Pattern(Directivity Pattern)
E-plane H-plane Gain 數值為 4dBi 左右
Directivity 數值為 5dBi 左右
Directivity VS. Frequency Gain VS. Frequency
IE3D 模擬結果之問題與討論(Slot 未對稱於 Ground 中心):
1. Return Loss 的阻抗匹配結果符合 IEEE802.11b 的操作頻段，且頻寬也達到 35% (867MHz) ，此部份有達到寬頻的要求目標。
2. Radiation Pattern 的部份，場型分佈也有符合 Slot Antenna 的 pattern，前後都有輻射能量 ；Gain 的 Peak 值有 4dBi(Directivity 的 Peak 值有 5dBi)，也達到了設計目標。不過 Co-polarization 的大小過大，這部份有修改的空間。
3. Directivity VS. Frequency 沒有大問題，但 IE3D 的 Gain VS. Frequency 的模擬結果感覺上有點 問題，此部份也會在後面做討論。
IE3D 模擬架構圖形(Slot 對稱於 Ground 中心):
W=60m
L=75mm
此部份模擬尺寸參數與上部分相同， 唯一不同是 Slot 對稱在中心。
IE3D 模擬結果(Slot 對稱於 Ground 中心)
R
eturn Loss Smith Chart
1 2 3 4 5 Frequency (GHz) Return Loss -30 -20 -10 0 2.987 GHz -10 dB 2.051 GHz -10 dB DB(|S[1,1]|) t2=4,d=15.6(30,-41.575)_5x45 0 1. 0 1. 0 -1 .0 10 .0 10.0 -1 0. 0 5. 0 5.0 -5 .0 2. 0 2. 0 -2 . 0 3. 0 3.0 -3 .0 4. 0 4.0 -4 .0 0. 2 0. 2 -0.2 0. 4 0 . 4 -0. 4 0. 6 0 . 6 -0 .6 0. 8 0 . 8 -0 .8 Smith Chart Swp Max 5GHz Swp Min 1GHz 2.987 GHz X -0.1558 -0.2748 2.051 GHz X 0.3059 0.08129 S[1,1] t2=4,d=15.6(30,-41.575)_5x45 10dB 頻寬:2.051Hz~2.987z=936MHz (BW=37%)
Radiation Pattern(Gain Pattern)
Radiation Pattern(Directivity Pattern)
Directivity 數值為 5dBi 左右
E-plane H-plane
Directivity VS. Frequency Gain VS. Frequency
IE3D 模擬結果之問題與討論(Slot 對稱於 Ground 中心):
1. Return Loss 的阻抗匹配結果符合 IEEE802.11b 的操作頻段，且頻寬也達到 37% (936MHz) ，此部份有達到寬頻的要求目標，與非對稱的模擬結果來比較，頻寬有變大一些(↑2%)。
；Gain 的 Peak 值有 4.4dBi(比非對稱 Slot 大了 0.4dBi)，Directivity 的 Peak 值有 5dBi(與非 稱 Slot 差不多)。不過 Co-polarization 的大小跟非對稱 Slot 部份相同，也較大。
3. Directivity VS. Frequency 沒有大問題，但 IE3D 的 Gain VS. Frequency 的模擬結果感覺上 有可以檢討的空間，此部份也會在後面做討論。
4. 為了再深入探討此架構天線，以下再以 HFSS 軟體模擬，與 IE3D 軟體互相認證，由於 Slot 改成對稱中心後，IE3D 顯示的 Performance 較好，HFSS 模擬將採用 Slot 對稱架構。
HFSS 模擬架構圖形:
設計尺寸全部相同 於 IE3D 之 FR4 基板 模擬設定
HFSS 模擬結果
R
eturn Loss Smith Chart
1 2 3 4 5 Frequency (GHz) Return Loss -25 -20 -15 -10 -5 0 2.031 GHz -10 dB 3.015 GHz -10 dB DB(|S[1,1]|) HFSS_original 0 1.0 1.0 -1.0 10.0 10.0 -1 0. 0 5.0 5.0 -5 .0 2.0 2.0 -2 . 0 3.0 3.0 -3 .0 4.0 4.0 -4 .0 0.2 0. 2 -0.2 0.4 0 . 4 -0.4 0.6 0 . 6 -0 .6 0.8 0 . 8 -0 . 8 Smith Chart Swp Max 5GHz Swp Min 1GHz 3.015 GHz X -0.2653 -0.1627 2.031 GHz X 0.3011 0.09614 S[1,1] HFSS_original 10dB 頻寬:2.031Hz~3.015z=986MHz (BW=39%)
Radiation Pattern(Gain Pattern)
Radiation Pattern(Directivity Pattern)
Gain 數值為 4dBi 左右
E-plane H-plane
Directivity 數值為 4.4dBi 左
Directivity VS. Frequency Gain VS. Frequency
HFSS 模擬結果之問題與討論(Slot 對稱於 Ground 中心):
1. Return Loss 的阻抗匹配結果符合 IEEE802.11b 的操作頻段，且頻寬也達到 39% (986MHz)
，此部份有達到寬頻的要求目標，與 IE3D 對稱 Slot 的模擬結果來比較，頻寬有變大一些(↑2%)。 2. Radiation Pattern 的部份，場型分佈也有符合 Slot Antenna 的 pattern，前後都有輻射能量
；Gain 的 Peak 值有 4dB，Directivity 的 Peak 值有 4.4dBi。不過 Co-polarization 的大小跟 IE3D 對稱 Slot 的模擬結果相同，也較大。
3. Directivity VS. Frequency 沒有大問題(與 IE3D 差不多)，但 HFSS 的 Gain VS. Frequency 的模擬 結果感覺上比 IE3D 軟體合理，此部份也會在後面做討論。
2.4GHz Step-type MS-line fed Slot Antenna Fabrication
實作圖形
實作量測結果
R
eturn Loss Smith Chart
1 2 3 4 0 1.0 1.0 -1.0 10. 0 10.0 -1 0. 0 5.0 5.0 -5 .0 2.0 2.0 -2 . 0 3.0 3. 0 -3 .0 4.0 4.0 -4 .0 0.2 0. 2 -0.2 0.4 0 . 4 -0.4 0.6 0 . 6 -0 .6 0.8 0 . 8 -0 .8 Smith Chart Swp Max 5GHz Swp Min 1GHz 1.99 GHz X 0.2616 -0.1754 2.97 GHz X -0.2687 0.1664 5 Frequency (GHz) Return Loss -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 1.99 GHz -10 dB 2.97 GHz -10 dB DB(|S[1,1]|) 2.4GHz_實際量測 S[1,1] 2.4GHz_實際量測 10dB 頻寬 1.99GHz~2.97GHz=980MHz (BW=39.5%)
Radiation Pattern(Gain Pattern)
-30 -20 -10 0 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 -30 -20 -10 0 Ecrossmea Ecomea -30 -20 -10 0 0 30 60 90 120 150 210 270 300 330 -30 -20 0 240 -10 180 Hcomea Hcrossmea Gain 數值為 4.1dBi 左右 E-plane H-plane
實作量測結果之問題與討論(Slot 對稱於 Ground 中心):
1. Return Loss 的阻抗匹配結果符合 IEEE802.11b 的操作頻段，且頻寬也達到 39.5% (980MHz) ，此部份有達到寬頻的要求目標，與 IE3D&HFSS 之對稱 Slot 的模擬結果來比較，實作頻 有變大(↑0.5%~2%)。
2. Radiation Pattern 的部份，場型分佈也有符合 Slot Antenna 的 pattern，前後都有輻射能量
；Gain 的 Peak 值有 4dB(Anechoic Chamber 中，只能算出 Gain 的 dBi 值) 。不過 co-polarization 的量測大小跟 IE3D 對稱 Slot 的模擬結果相同，也較大。
Simulation vs. Measurement (Slot對稱於Ground中心)
R
eturn Loss
1 2 3 4 5 Return Loss Frequency (GHz) -30 -20 -10 0 DB(|S[1,1]|) HFSS_Simulation DB(|S[1,1]|) IE3D_Simulation DBGain Pattern
(|S[1,1]|) Measurement HFSS: 2.031GHz~3.015GHz (BW=39%) (BW=35%) Measure: 1.99GHz~2.97GHz (BW=39.5%) IE3D: 2.055GHz~2.922GHz 0 -30 -20 -10 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 -30 -20 -10 0 EcoIE3D Ecomea EcoHFSS -30 -20 -10 0 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 -30 -20 -10 0 EcrossIE3D Ecrossmea EcrossHFSS微波切換器部分
作圖形(Test Board)
實
:
FR4(h=1.0mm、εr=4.4) Swith(0~2.5GHz) DC blocking capacitor E-plane (cross-polarization) E-plane (co-polarization) RF2 RF1 RFC(3) VC2 VC1 -30 -20 -10 0 0 30 60 90 120 150 210 240 270 300 330 -30 -20 -10 0 180 HcoIE3D Hcomea HcoHFSS -30 -20 -10 0 0 90 120 150 180 210 240 270 300 -30 -20 -10 0 30 330 60 HcrossIE3D Hcrossmea HcrossHFSSH-plane (co-polarization) H-plane (co-polarization)
Measurement Result:
2 2.2 2.4 2.6 2.8 3 Frequency (GHz) 2 2.2 2.4 2.6 2.8 3 Frequency (GHz) Isolation_Insertion -30 -20 -10 0 2.4 GHz -20.16 dB 2.4 GHz -0.957 dB DB(|S[3,1]|) Switch DB(|S Switch [3,2]|) Return Loss -40 -30 -20 -10 0 2.4 GHz -18.91 dB 2.4 GHz -19.02 dB 2.4 GHz -16 dB DB(|S[2,2]|) Switch DB(|S[3,3]|) Switch DB(|S[1,1]|) Switch.※
當 VC1=0；VC2=1，Isolation Loss 和 Insertion Loss 對調即為操作圖形。
(由電路對稱性明顯得知)
低雜訊放大器(LNA)部份
實作圖形(Test Board):
※左為 FR4 Test Board，右為 Murata 公司製作。
VC1=1；VC2=0 之量測結果
RFin(Port-1)
RFout(Port-2) DC Bias
S-parameter量測結果:
結果分析:
S 参數(Two Port)量測結果顯示，Input & Output Return Loss 頻寬皆包含 IEEE802.11b 頻段，S21 也有 15dB 左右，Isolation 也相當理想。
P1dB Measurement Procedure of LNA
2 2.2 2.4 2.6 2.8 3 Frequency (GHz) Graph 3 0 5 10 15 20 2.5 GHz 13.9 dB 2.45 GHz 14.55 dB 2.4 GHz 15.11 dB DB(|S[2,1]|) first12.10 2 2.2 2.4 2.6 2.8 3 Frequency (GHz) Graph 4 -20 -15 -10 -5 0 2.5 GHz -13.59 dB 2.45 GHz -17.31 dB 2.4 GHz -15.37 dB DB(|S[2,2]|) first12.10 2 2.2 2.4 2.6 2.8 3 Graph 2 -34 -32 Frequency (GHz) -30 -28 -26 2.5 GHz -26.953 dB 2.45 GHz -26.675 dB 2.4 GHz -26.447 dB DB(|S[1,2]|) first12.10 2 2.2 2.4 2.6 2.8 3 Frequency (GHz) Graph 1 -50 -40 -30 -20 -10 0 2.5 GHz -12.96 dB 2.45 GHz -19.96 dB 2.4 GHz -24.61 dB DB(|S[1,1]|) first12.10 S11 S22 S12 S21 <法一> 所需器材 : pectrum Analyzer x 1 power supply machine x 1 , cable line x N
操作步驟 :
1. 將吾人所要量的待測物(L 如上圖連接，給定足夠 DC Bias。
2. 由 SG 給予 RF signal(指定吾人所需之量測頻率 )，並將 Spectrum Analyzer 的中心 頻率定在待測頻率。
3. 依序增加 input power,並分別紀錄 spectrum analyzer 在待測頻率下每個 input power 所得之最大 output power.
4. 紀錄下每個 input power output power，繪出曲線圖，即可依觀念估計
P1dB 。
1dB(out) for data sheet=3.4dBm NA)
所對應的
operation frequency: 2.4GHz input power: -11dBm~-4dBm
P P1dB(out) for measurement=4.4dBm
<法二> 所需器材 : vector network analyzer x 1, power supply machine x 1 , LNA x 1, cable line x N
操作步驟 : 1
2. r 所對應的 S21，繪出曲線圖，即可依觀念估計 P1dB 。
. 依上圖連接，固定 VNA 之頻率，依序測量不同 input power 所量測到之 S21。
紀錄下每個 input powe
operation frequency: 2.4GHz input power: -20dBm~-8dBm 1dB(out) for data sheet=3.4dBm
P P1dB(out) for measurement=2.8dBm
1dB(in) for measurement=-11.4dBm P
主動天線接收系統
系統概念說明:
Advantage:
Fabricate LNA & Antenna closer can reduce the
noise figure in receiving system (Because LNA
system)
always the first stage in receiving
天線接收系統(Antenna+LNA):
量測操作原理說明:
1. 系統架構如上圖所示，主要系統操作頻率在於 2.4GHz，因此 Antenna & LNA
皆操作於 IEEE802.11b 頻段，個別元件都已經在前文說明，這裡不再贅述。
2. 以網路分析儀+功率放大器所提供之功率發射到上圖待測系統天線，再由 LNA 輸
出端接收 Power，將發射 power 與接收 power 進行比值即可得總增益值。
3. 主要量測接收系統的 Gain Pattern，預估總體系統增益值應為天線增益加 上 LNA 增益。
實際量測佈置圖:
(Anechoic Chamber)
Step-type Broadband MS-line Fed Slot antenna Connector LNA Antenna+LNA LNA 之 DC (以吸收體包覆， 以防止量測誤差) BiasPattern量測結果(Antenna+LNA):
-20 -10 0 10 20 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 -20 -10 0 10 20 Ecross Eco -20 -10 0 10 20 0 30 60 90 120 150 210 240 270 300 330 -20 -10 0 10 180 20 Hco HcrossActive slot received antenna module(整合後):
E-plane Gain 數值為 19dBi 左右 H-plane
Pattern量測結果( Active Antenna Module):
-20 -1 1 20 0 0 0 0 30 60 90 120 150 210 240 270 330 -20 -10 0 10 20 180 300 Eco Ecross -20 -10 0 10 20 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 -20 -10 0 10 20 Hco Hcross Gain 數值為 17dBi 左右 H-plane E-plane
Gain Pattern 之系統整合比較:
-20 -10 0 10 20 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 -20 -10 0 10 20 Antenna+LNA Antenna Ant.module -20 -10 0 10 20 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 -20 -10 0 10 20 Antenna+LNA Antenna Ant.module整合前後
結
果比較討
論
1.單一天線 Element 部分不管是模擬或量測值(Gain)大約都在我們設計目
標左右(4dBi)；單一低雜訊放大器 Element 部份之量測值(S21)為 15dBi
左右。
2.Antenna+LNA 的 Discrete Composed Element 的 Peak Gain 值大約等於
19dBi，故前文預測之總增益值正確無誤。
3.Active Antenna Module 整合在 FR4 基板上時的總增益(theta=0°)只有
17dBi，原因可能有兩個因素，第一個:FR4 本身的 Loss 所致；第二
個:Module 上焊接 LNA 的主動電路和表面多餘的 Ground，影響了 Gain
pattern，使 pattern 在電路端方向 Gain 值較少(也就是 Pattern 往非電
路方向飄移)。
五.問題探討與最終改良版本:
問題一:
在 IE3D 天線模擬時，發現 Gain vs. Frequency 有些問題(跟 HFSS
模擬結果也不盡相同)，但 Directivity vs. Frequency 在 HFSS 和 IE3D
之模擬結果差不多，以下對 IE3D 的 Gain 做以下定性討論。
討論與說明：
2GHz 4.62 0.41 0.832 3.847 1.4 2.1GHz 4.73 0.228 0.95 4.485 3.055 2.2GHz 4.7 0.07 0.995 4.686 4.603 2.3GHz 4.69 0.08 0.9936 4.663 4.656 2.4GHz 4.688 0.164 0.973 4.562 4.418 2.5GHz 4.683 0.212 0.955 4.473 4.146 2.6GHz 4.689 0.2296 0.947 4.442 4.058 2.7GHz 4.72 0.2275 0.948 4.4756 4.098 2.8GHz 4.77 0.2262 0.949 4.53 4.083 2.9GHz 4.81 0.25556 0.935 4.5 3.95 3.0GHz 4.84 0.327 0.893 4.32 3.642GHz 4.34 0.377 0.858 3.723 4.31 2.1GHz 4.34 0.207 0.957 4.15 4.28 2.2GHz 4.34 0.087 0.992 4.307 4.24 2.3GHz 4.35 0.076 0.994 4.325 4.20 2.4GHz 4.35 0.111 0.988 4.296 4.15 2.5GHz 4.36 0.123 0.985 4.294 4.11 2.6GHz 4.39 0.114 0.987 4.333 4.09 2.7GHz 4.45 0.1022 0.989 4.4 4.09 2.8GHz 4.53 0.128 0.984 4.456 4.11 2.9GHz 4.61 0.203 0.959 4.42 4.13 3.0GHz 4.7 0.305 0.907 4.263 4.13 Gain(IE3D&HFSS)
1
− Γ
2 Gain(G)=D (1− Γ ) Directivity(D) HFSS 2 Γ IE3D¾ 上表格為IE3D與HFSS模擬結果的數據顯示(解釋於下):
irectivity 乘上輻射效率 e=
Directivity:分別是 IE3D & HFSS 從 2GHz~3GHz 的模擬值。
Γ
:針對 IE3D & HFSS 的 Return Loss 數值所反推之反射係數。
2
(1− Γ )
:表示真正打入天線輸入端的功率百分比。
2
(1− Γ )
Gain:將 D
後的 dBi 值。(ie3d
fss)
由模擬
直接 exp
Gain 模擬值。
¾
示
3D 的
值比較不跟手算值一致，但 HFSS 的
模
手
析值
近，
說明 IE
Gai 模擬值有待商
往
HFS
擬較為
。
Gain
& h
:表示
結果
ort 的
結果顯 ，IE
Gain
Gain
擬值和
算分
較為接
故這裡
3D 的
確，故
後以
S 值模
可靠
3.89 4 3. 3. 3.637 4.13 3.95 2.9 11 .083 8 3.7 4 2 3.881 4.09 4.058 2.6 087 .11 .146 5 4 4 2 4.481 4.20 4.656 2.3 4.1 4.2 3.05 2.1 2 easur 1 SS 4 3D .13 64 0 3.866 44 4. 4.09 4 .098 2. .7 4. .195 4 4.15 4 .418 2. .4 4.411 8 4.24 8 4.603 5 2.2 2 3.05 e M 4.3 HF 1. IEG
(E) vs. f
eta=0ain
Th ° 2.0 2.3 2.4 2.6 2.7 2.8 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 4.0 4.5 5.0 2.1 2.2 2.5 2.9 3.0 3.5 G a in(dB i) Frequency(GHz) IE3D HFSS Measuremen 上圖為 VS. Fre 總比較整理 t Gain quency 圖問題二: 設計於 2.4GHz 之 802.11b 頻段天線，希望 Size 能再縮小(同時
不改變
dule
面積並
討論與說明
Antenna performance)，以便降低成本和 Active Antenna Mo
提高安裝於物體平面之穩定性。
: 進行寬頻天線體積縮小化的研究，使用 Full-Wave Simulator(HFSS)進行 模擬。針對 Ground 基板之 W 尺寸做縮減之模擬探討
1 2 3 4 5 Frequency (GHz) Reduce W -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 DB(|S[1,1]|) W=50mm DB(|S[1,1]|) W=45mm DB(|S[1,1]|) W=40mm -30 -20 -10 0 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 -30 -20 -10 0 W...50mm W...45mm W...40mm -30 -20 -10 0 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 -30 -20 -10 0 W...50mm W...45mm W...40mm W E-plane(X-pol) L=75mm E-plane(co-pol)-30 -20 -10 0 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 -30 -20 -10 0 W...50mm W...45mm W...40mm -30 -20 0 -10 0 30 330 60 120 150 180 210 300 -30 -20 0 90 270 240 -10 W...50mm W...45mm W...40mm
針對 Ground 基板之 L 尺寸做縮減之模擬探討
1 2 3 4 5 Frequency (GHz) Reduce L -50 -40 -30 -20 -10 0 DB(|S[1,1]|) L=70mm DB(|S[1,1]|) L=60mm DB(|S[1,1]|) L=55mm H-plane(co-pol) H-plane(X-pol)W 縮小後，由上模擬知，Return Loss 變差，但 Gain pattern
似乎不怎麼變化(W=50~40mm)，都維持在 4.5dBi 左右(且
X-pol 會較小)，比原型天線(W=60mm,L=75mm)的 4.1dBi
略大。
W=60mm
-30 -20 -10 0 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 -30 -20 -10 0 L...70mm L...60mm L...55mm -30 -20 -10 0 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 -30 -20 -10 0 L...70mm L...60mm L...55mm -30 -20 -10 0 0 30 60 90 150 180 210 240 270 300 330 -30 -20 -10 0 120 L...70mm L...60mm L...55mm -30 -20 -10 0 0 300 330 30 60 90 120 150 180 210 270 -30 -10 0 240 -20 L...70mm L...60mm L...55mm E-plane(co-pol) E-planeX-pol) H-plane(X-p l) H-plane(co-pol)
L 縮小後，由上模擬知，Return Loss 變好，但 Gain pattern
似乎往低處變化(L=70~55mm)，從 3.95dBi~3.05dBi(且 X-pol 會較小)，比原型天線(W=60mm,L=75mm)的 4.1dB 小。
最終寬頻天線版本
:由上模擬結果得知，W↓則 Return 變差、Gain 變的
比較大；L↓則 Return 變好、Gain 越變越小。故須經由 Trade-off 才能
得到最小面積 Performance 又能兼顧的天線尺吋。
最終版本之模擬結果:
1 2 3 4 0 Return Loss -30 -20 -10 0 1.96 GHz -10 dB 2.998 GHz -10 dB DB(|S[1,1]|) [W=50mm;L=65mm] 5 Frequency (GHz) 1.0 2.0 0.4 0.6 0.8 1.0 10. 0 10.0 -1 0. 0 5.0 5.0 -5 .0 2.0 -2 . 0 3.0 3.0 -3 .0 4.0 4.0 -4 .0 0.2 0. 2 -0.2 0 . 4 -0. 4 0 . 6 0. 6 0 . 8 -1.0 --0 .8 Smith Chart Swp Max 5GHz Swp Min 1GHz 2.998 GHz X -0.01801 -0.3156 1.96 GHz X 0.05931 0.3101 S[1,1] [W=50mm;L=65mm] L=65mm W=50mm 10dB 頻寬:1.96GHz~2.998GHz=1038MHz (BW=41.9%)-30 -20 -10 0 0 30 60 330 90 120 150 180 210 240 270 300 -30 -20 -10 0 Eco Ecross -30 -10 -20 0 0 60 90 120 150 180 210 240 270 -30 -20 -10 0 30 300 330 Hco Hcross
配合最終天線版本之縮小化 Module:
E-plane Gain 數值為 4.1dBi 左右 H-plane
量測結果(縮小後):
-20 -10 0 10 20 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 -20 -10 0 10 20 Eco Ecross -20 -10 0 10 20 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 -20 -10 0 10 20 Hco Hcross六.未來可深入研究之相關領域:
RFID system:由此應用環境所設計出的天線，雖然面積太大還不至於
擺放成RFID Tag，不過整個系統概念可深入探討研究，以便用於傳輸
物流等領域。
GPS system:將天線和 LNA 整合之概念可應用在 GPS 的汽車天線，平
面型天線跟汽車表面的結合度夠，且整合後又可降低 Cable 所影響之
整體 NF，結果會使 LCD 定位螢幕上畫面較為清晰。
E-plane Gain 數值為 17.9dBi 左右 H-plane
縮小化後的 Module 所量測之系統總增益跟為縮小前比較多了將近 1dB，且 由於電路部份較小，估計 Pattern 之偏移現象應較小，不過此量測結果可能 由於角度擺放誤差，沒有相當對稱，但還在合理可接受範圍內。
七. 參考文獻與資料:
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Rejection Zeros
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Experi
(Lei Zhu, Member, IEEE, and Ke Wu, Senior Member, IEEE)
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2
on
( C
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.4GHZ CMOS RF Receiver For IEEE802.11b&g WLAN applicati
Department of Electrical Engineering, National Cheng Kung University, Student: hiu-Huang Huang; advisor: Huey-Ru Chuang.)
