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應用在超寬頻裝置上的平面印刷天線之研究---使用槽孔平面印刷天線之結構(II)

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Academic year: 2021

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(1)

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:使用槽孔平

面印刷天線之結構(II)

研究成果報告(精簡版)

計 畫 類 別 : 個別型 計 畫 編 號 : NSC 95-2221-E-151-016- 執 行 期 間 : 95 年 08 月 01 日至 96 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 計畫參與人員: 碩士班研究生-兼任助理:高瑞彰、吳東融、王良欽 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 96 年 10 月 28 日

(2)

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:使用槽孔平面

印刷天線之結構(II)

計畫類別:█個別型計畫 □整合型計畫

計畫編號:NSC 95-2221-E-151-016

執行期間:95 年 8 月 1 日至 96 年 7 月 31 日

計畫主持人:

詹 正 義

計畫參與人員:

高瑞彰、吳東融、王良欽

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 九十六 年 九 月 三十 日

(3)

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:使用槽孔平面印刷天線之結構

(II)

A Study of Planar Printed Antenna for the Application to Ultra-wideband Devices

by Using Configurations of: (2) Planar Printed Slot Antennas

計畫編號:NSC 95-2221-E-151-016

執行期限:95 年 8 月 1 日至 96 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: 高瑞彰 國立高雄應用科技大學電子系碩士班

吳東融

國立高雄應用科技大學電子系碩士班

王良欽

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、 偶極、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,其中在先前第一年 計劃裡,是以研究如何改進單極或偶極平 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,其已有一些初步成 果,而在這次第二年計劃裡,則延續地以 研究如何改進槽孔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,希望在整體兩年計劃內,預期可以實 現且完成應用在超寬頻裝置的新型平面印 刷天線設計,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,藉由前述改良原先單極、偶 極、槽孔平面印刷天線的結構方式,則可 能各種不同寬頻操作天線結構可以實現, 其中針對各別之採用不同設計結構分頭做 詳細研究,在先前的第一年計劃裡,已經 正在研究且提出超寬頻的單極平面天線, 在此下一計劃研究裡,延續以研究如何改 進槽孔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,並且在此 研究計劃裡,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,最後從在此計劃與上次計劃 中研究得到的各種不同應用在超寬頻裝置 的平面印刷天線結構,很重要地就能進一 步討論與比較其優異,這樣會使得本研究 計劃在這次研究上更完整。 關鍵詞:超寬頻通訊系統,單極天線,槽 孔天線; 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 operations at ultra-wideband communication system, in this proposed two-year project, planar printed antenna designs for the application to ultra-wideband operation are studied. In the first project, configurations of monopole or dipole

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antennas are developed. Now, in this year, another configurations of slot antenna for ultra-wideband operation are considered. It is hoped that novel ultra-wideband planar printed slot antennas could be conducted in this study. Moreover, good ultra-wideband antennas are considered in the shape and size in order to be compatible as products of ultra-wideband communication system.

It is well known that microstrip antennas are characterized by an operation of narrow frequency band. By modifying configurations of monopole, dipole, and slot planar printed antenna, there are probably various kinds of wideband antennas would be constructed. In order to make the comparisons between studied results, they would be classified into two projects. In the first year the prototypes of ultra-wideband monopole antennas have been proposed. In the following project another ultra-wideband slot antennas will be proposed. 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 in this study. Furthermore, studied results from different configurations of proposed monopole and slot antennas can be concluded and compared between them. Certainly, this makes the proposed project more complete in this study. Keywords:Ultra-wideband communication

system, Monopole antenna, Slot antennas; 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 的技術,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,大約 15 英尺短距離 內憑藉著有其高速傳輸與低消耗電的特 性,而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,又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,提出此延續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 (Multi-band Orthogonal 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

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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.以消耗 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 對於往後本系在天線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天線與傳輸實驗室的 應用。 三、結果與討論: 本計劃天線設計主要是利用槽孔平面 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,從高頻模擬軟 體 HFSS 模擬結果與其天線實作,首先發 現以微帶線饋入具有典型的正方形之槽孔 平面天線(如圖一所示)與其他結構的典型 天線比較則具有較寬頻的操作,其頻寬可 達約 30% (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 仍嫌不足,因此為了增加天線之操作頻 寬,提出一種具有橢圓形槽孔之超寬頻槽 孔平面天線結構設計(如圖三所示),其結 構是使用頂端具有圓形結構之50 歐姆微帶 饋入線饋入至一個橢圓形槽孔之超寬頻槽 孔平面天線,經由模擬和實驗結果得知, 此天線超寬頻的效果取決於一種具有橢圓 形槽孔之結構及使用頂端具有圓形結構之 50 歐姆微帶饋入線,其操作頻寬可以達到 139%(如圖四所示),其中不同的橢圓形槽 孔之軸比(a/b)變化會影響整個天線設計的 頻寬特性,其中a 是橢圓形槽孔之短軸而 b 是橢圓形槽孔之長軸,經過實驗結果發 現,隨著具有不同的橢圓形槽孔之軸比變

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化而會有不同的操作頻寬,當a 為 43.7 mm 且橢圓形槽孔之軸比為0.93,而 50 歐姆微 帶饋入線頂端圓形結構半徑為r = 9 mm 且 長為h = 27 mm 時,其操作頻寬可以達到 139%,相關參數則列於表 1 中。圖三所示 為具有橢圓形的槽孔結構設計之超寬頻槽 孔平面天線之幾何結構圖,其中天線結構 印製在厚度 1.6 mm 的 FR4 玻璃纖維基板 上,介電係數約為 4.4,損耗正切 Loss tangent 約為 0.02。而此 50 歐姆微帶饋入線 的 饋 入 網 路 設 計 , 經 由 模 擬 軟 體 LINECALE 計算出饋入線寬度為 3 mm,對 於使用的橢圓形槽孔而言,當饋入線的長 度為27 mm,饋入線頂端圓形結構半徑為 9 mm,此時可以達到阻抗匹配。 本計劃設計之相關實驗結果於圖式中 圖四至圖六中表示。圖四中所示為本計劃 天線使用具有橢圓形槽孔之槽孔平面天線 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三之圖示 與表1 中說明,當 a 為 43.7 mm 且橢圓形 槽孔之軸比在 0.93 時,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 7218 MHz,其頻寬為 10023 MHz (2207 MHz 至 12230 MHz),相對於 7218 MHz 之中心頻率而言大約是 139%。 其中在第三圖與表 1 中所示,此具有橢圓 形槽孔之超寬頻槽孔平面天線結構設計, 研究發現,又當a 為 43.7 mm 而橢圓形槽 孔之軸比為0.93 值左右時,其操作頻寬會 隨此橢圓形槽孔之軸比而變差些,但是 50 歐姆微帶饋入線長度與饋入線頂端圓形結 構半徑是幾乎不太變,這個特性顯示此種 設計具有製作上不會有太靈敏而造成製作 失敗的優點。相關參數則列於表 1 中,由 表中顯示,當橢圓形槽孔之軸比為 1 時, 即點型之圓形操孔天線,其操作頻寬應大 約只有 31%。圖五為天線設計在 3000、 6000、9000 MHz 的 E 平面和 H 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近似於典型的槽孔 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。在圖六中,是此天線設計操作在超 寬頻時天線增益之頻率響應圖,由量測結 果顯示,在很寬的超寬頻操作下,此此天 線設計之天線增益平均可操作在約6 dBi。 ) 2 mm 70 70 ( × 圖一、 以微帶線饋入具有典型的正方形槽孔平面 天線. 1500 2000 2500 3000 3500 -50 -40 -30 -20 -10 0 圖二、 使用微帶線饋入具有典型的正方形槽孔平 面天線之返射損耗的模擬與量測響應圖.

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圖三、具有橢圓形的槽孔結構設計之超寬頻槽孔平 面天線結構. 1000 3000 5000 7000 9000 11000 13000 15000 -50 -40 -30 -20 -10 0 圖四、使用具有橢圓形的槽孔結構設計之超寬頻槽 孔平面天線之返射損耗的模擬與量測響應圖. 圖五、使用具有橢圓形的槽孔結構設計之超寬頻槽 孔平面天線之輻射場型圖. 10000 3000 5000 7000 9000 11000 13000 2 4 6 8 圖六、使用具有橢圓形的槽孔結構設計之超寬頻槽 孔平面天線之天線增益響應圖. Antenna a/b r (mm) h (mm) fc (MHz) BW (MHz, %) Typical 1 9 27 2338 717, 31 Antenna1 0.94 10 27 6556 8732, 133 Antenna2 0.93 9 27 7218 10023, 139 Antenna3 0.92 8.5 27 6626 8698, 131 Antenna4 0.91 8.25 27 6608 8627, 130 表 1 一個頂端具有圓形結構之 50 歐姆微帶饋入的 橢圓形超寬頻槽孔平面天線,隨不同的橢圓形槽孔 之軸比(a/b)變化,其操作中心頻率及頻寬之量測結

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另外,在本計劃中,除了提出一種具 有橢圓形槽孔之超寬頻槽孔平面天線結構 設計外,在本計畫中也研究具有不同幾何 結構之超寬頻槽孔平面天線設計(如圖七 所示),其結構是使用 50 歐姆共面波導饋 入線饋入至一個斧形槽孔之槽孔平面天 線,經由實驗結果得知,其操作頻寬可以 達到116%(如圖八所示),其比之前提出的 設計較差,此天線設計在E 平面和 H 平面 的輻射場型(radiation patterns),經實驗量測 結果,本天線設計於操作頻寬內之輻射特 性也是近似於典型的槽孔天線之輻射場 型,但是這種結構之設計,具有操作頻寬 只能達到超寬頻的部分操作頻寬之缺點, 因此這種結構之設計需要再改進,已期達 到超寬頻系統之操作頻寬要求。 2 圖七、具有斧形的槽孔結構設計之槽孔平面天線結 構. 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 -40 -30 -20 -10 0 圖八、使用具有斧形的槽孔結構設計之槽孔平面天 線之返射損耗的模擬與量測響應圖. 四、成果自評: 在本研究計畫中如原計劃預期一樣地 提出了使用槽孔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 現以使用頂端具有圓形結構之50 歐姆微帶 饋入線饋入之一個橢圓形槽孔之超寬頻槽 孔平面天線,其中不同的橢圓形槽孔之軸 比(a/b)會有具有不同的槽孔結構變化,研 究發現使用具有不同的橢圓形槽孔之軸比 不同變化時,可以將典型圓形槽孔(a/b = 1) 之操作頻寬從 31%增加至 139% (a/b = 0.93),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。由於 此計劃之研究方向是以典型的槽孔設計為 出發,因為典型的槽孔具有以上所提之結 構簡單、製作容易且成本低廉等優點,雖 然在研究之成果上,可以達到預期應用在 超寬頻操作上,但是以設計的天線大小尺 寸而言,若是將來應用在個人具有行動的 超高頻服務之終端設備上,其所佔空間仍 嫌過大,因此此種天線設計,仍需再進一 步考慮縮小化,以期將來能應用在個人具 有行動的超高頻服務之終端設備上,因此 在下一步研究計劃中,預定提出一種具有 縮小化之超寬頻槽孔平面天線,以便實際 可以應用在個人具有行動的超高頻服務之 終端設備上。 由整體計劃研究結果,從此計劃與上 次計劃中研究得到的各種不同應用在超寬 頻裝置的平面印刷天線結構,發現若選擇 使用單極平面印刷結構,做為應用在超寬 頻裝置的平面印刷天線,在設計上會較容 易達到目的,且此種設計之天線其尺寸大 小較不佔空間,只要原因是由於單極天線 是可操作在四分之一波長,但是若選擇使 用槽孔平面印刷結構,做為應用在超寬頻 裝置的平面印刷天線,如果在往後設計技 術上,進一步研究能縮小化,將也是另一

(9)

種在應用上可行的方式。 五、參考文獻

[1] W. J. Lui, C. H. Cheng, and H. B. Zhu, “Compact frequency notched ultra-wideband fractal printed slot antenna,” IEEE Microwave and

Wireless components letters, vol. 16,

pp. 224-226, 2006.

[2] M. Ding, R. Jin, J. Geng, Q. Wu, and W. Wang, “Design of a CPW-fed ultra wideband crown circular fractal antenna,” 2006 IEEE Antennas and

Propagat. Society International Symposium with USNC/URSI National Radio Science and AMEREM Meetings, pp. 2049-2052,

July 2006.

[3] H. M. Jafari, M. J. Deen, S. Hranilovic, and N. K. Nikolova, “Slot antenna for ultra-wideband applications,” 2006 IEEE Antennas

and Propagat. Society International Symposium with USNC/URSI National Radio Science and AMEREM Meetings, pp. 1107-1110,

July 2006.

[4] S. H. Hsu and Kai Chang, “Ultra-thin CPW-fed rectangular Slot antenna for UWB applications,” 2006 IEEE

Antennas and Propagat. Society International Symposium with USNC/URSI National Radio Science and AMEREM Meetings, pp.

2587-2590, July 2006.

[5] H. K. Yoon, Y. Lim, W. Lee, Y. J. Yoon, S. M. Han, and Y. H. Kim, “UWB wide slot antenna with band-notch function,” 2006 IEEE

Antennas and Propagat. Society

International Symposium with USNC/URSI National Radio Science and AMEREM Meetings, pp.

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8

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:使用槽孔 平面印刷天線之結構(II) 計畫主持人: 詹 正 義 計畫編號: NSC 95-2221-E-151-016 學門領域:電磁

技術/創作名稱

應用在超寬頻裝置上的槽孔平面印刷天線之研究

發明人/創作人

詹 正 義 中文:本研究為以微帶線饋入至具有一個橢圓形槽孔之超寬頻操作 的新型槽孔平面天線設計,藉由具有適當橢圓形槽孔之軸比和使用 頂端具有圓形結構之 50 歐姆微帶饋入線饋入時,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10023 MHz,相對於 7218 MHz 之中心頻率而言大 約是 139%。由於此天線設計,採用是以微帶線饋入典型槽孔平面 天線結構,其在操作頻寬內之輻射特性是仍具有典型的平面槽孔天 線之輻射場型,

技術說明

英文:In this paper, a new design about planar microstrip-line-fed slot

antenna utilizing a simply elliptical slot for bandwidth enhancement is proposed and investigated. By selecting a suitable ratio of its axes and a suitable 50-ohm microstrip feed line with a circle on its head, it can be founded that the ultra-wideband operation can be obtained. The impedance bandwidth, determined by 10 dB return loss, reaches nearly 10023 MHz, which is about 139% with respect to the centre frequency at 7218 MHz. Since the conventional slot structure is still used for this design, the characteristics of slot-like radiation patterns can be kept.

可利用之產業

可開發之產品

適用在UWB(3.1 ~ 10.6 GHz)系統的微帶線饋入槽孔平面天線

技術特點

採用以微帶線饋入低姿勢平面結構之槽孔天線,因此整體結構可以 一次蝕刻製作完成。由實驗結果顯示,本項天線設計的操作中心頻 率是在7218 MHz 附近,而其操作頻寬分別為 10023 MHz (2207 MHz 至 12230 MHz)適合應用在 UWB(3.1 ~ 10.6 GHz)系統。 附件二

(11)

推廣及運用的價值

具有平面結構、質量輕、低姿勢、製造容易,適用在UWB(3.1 ~ 10.6 GHz)系統。 ※1.每項研發成果請填寫一式二份,一份隨成果報告送繳本會,一份送 貴單位研發 成果推廣單位(如技術移轉中心)。 ※2.本項研發成果若尚未申請專利,請勿揭露可申請專利之主要內容。 ※3.本表若不敷使用,請自行影印使用。

(12)

出席「2007 年天線與傳播國際研討會」會議

報告

會議期間:六月十日至十五日 報告者:國立高雄應用科技大學電子工程系詹正義

(一) 參加會議過程與參加會議心得

參加此次國際會議是在六月九日出發,會議的地點是在

美國夏威夷之

Sheraton Waikiki 飯店的國際會議廳舉行,住宿

地點是選擇附近之

Sheraton Princess Kaiulani 飯店。此次國際

會議是從六月十日至十五日,我在六月九日當地的星期六到

達且隔日到會場報到,並且確認由我報告之會場地點與時

間,其中

Oral 報告之會場地點為二樓國際會議廳左側之

Nihao 室而時間為六月十四日之 08:00 – 11:40,題目是

Microasrip-Line-Fed Printed Planar Slot Antenna for

Ultra-Wideband Operation,那天參與我的 Oral 報告的討論學

者非常踴躍,當中討論的很多,收穫也不少,其中還討論到

Ultra-Wideband 天線實際設計上之技巧,及相關天線增益分

佈情形。此外,也參加了與研究有關的論文發表,互相討論

與交換研究心得,這對往後研究的幫助很大。

(13)

書商、天線模擬軟體廠商、天線量測廠商等等。尤其是展示

SEMCAD 軟體廠商,因為此模擬軟體可提供手及身體模型的

模擬,因此提供了參與學者們實際需求的互動。

(二) 提供建議

此次研討會之會場,住宿飯店無提供給學者們餐點供

應,由此地只是有名海灘觀光區,三餐發費較貴。另外由於

會議是在夏威夷市舉行,發現在吃住方面,花費也比想像還

貴,還好感謝此次參加會議有國科會補助,得以負擔部分支

出,也使得此次會議能成行。其中不便利的是夏威夷城市沒

有捷運設備,只能搭巴士,在交通上較不便利,國際會議能

否成功,週邊設備的提供是否便利,是非常重要的。

(三) 參加會議攜回資料名稱和內容

此次參加會議,除了會場穫得很多心得外,並攜回豐富

的資料,這些資料名稱和內容包括:

1. 2007 IEEE Antennas & Propagation International Society

International Symposium. (CDROM)

(14)

3. Call for Papers: IEEE International Symposium on

Antennas and Propagation and USNC/URSI National

Radio Science Meeting

4. Call for Papers: 2008 IEEE International Workshop on

Antenna Technology 2008.

5. Call for Papers: 2008 Asia-Pacific EMC Week (APEMC)

6. Call for Papers: IEEE TENCON 2007.

7. IEEE Antennas & Propagation magazine, Vol. 54, Dec.

2006.

8. IEE Antennas & Propagation Magazine, Vol. 48, Oct.

2006.

9. IEE Proceedings Radar, Sonar & Navigation, Vol. 153,

April 2006.

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Microstrip-Line-Fed Printed Planar Slot Antenna for Ultra-Wideband Operation

Jen-Yea Jan* and Chih-Yang Hsiang

Department of Electronic Engineering, National Kaohsiung University of Applied Sciences, Kaohsiung 807, Taiwan, Email: jyjan@cc.kuas.edu.tw

Introduction

In order to cover more wireless communication services, the need for antennas operating at a wider operating band like the Ultra-wideband (UWB) communication system is strong demanded. Therefore, in the antenna designs, various configurations have been presented in order to enhance their operating bandwidths. Among these designs, the slot antenna is one of good candidates owing to its wide impedance bandwidth, simple structure, low cost, and ease of construction. There are many ultra-wideband slot antennas [1]-[5] had been studied recently. As reported in [1]- [2], various complicated fractal slots are used. Also, other proposed slot antennas such as [3]-[5] have been presented for UWB operation. However, the proposed ultra-wideband slot antennas among these designs obviously have their complicated configurations of feeding lines that lead to the complexity level on antenna design and fabrication.

In this paper, a new design about planar microstrip-line-fed slot antenna utilizing a simply elliptical slot for bandwidth enhancement is proposed and investigated. By selecting a suitable ratio of its axes, it can be founded that the ultra-wideband operation can be obtained. Details of the antenna design and experimental results are presented and discussed.

Antenna design and experimental results

Figure 1 shows the geometrical layout of the microstrip-line-fed ultra-wideband planar slot antenna. The proposed antenna consists of an elliptical slot radiator that is printed on an inexpensive FR4 substrate of thickness h = 16 mm and relative permittivity εr = 4.4. A 50-Ω microstrip feed line having the strip of width 3 mm is printed on the back of this slot antenna. Especially, This feed line

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is with a circle of the radius of r mm on its head. The length of the microstrip feed line is with a straight length of LS mm from the feeding point to the center of the

circle. The proposed antenna has an elliptical slot studied by using different ratios of its axes. It is found that the ultra-wideband operation of the proposed microstrip-line-fed antenna can be excited with good impedance matching as the ratio of its axes (a/b seen in Fig. 1) is 0.93, r = 9 mm, and LS = 27 mm.

Figure 2 shows the measured results of return loss for the proposed antenna in Fig. 1. It is shown that the proposed antenna demonstrates a wide measured bandwidth of 10023 MHz, determined from 10 dB return loss, which is about 139 %. From experimental results, it is seen that the ultra-wideband operation can be achieved by varying the ratio of its axes (a/b) for this elliptical slot radiator. The measured

radiation patterns of the proposed antenna shown in Fig. 1 at 3000, 6000, and 9000 MHz for E- and H-planes are plotted in Fig. 3. It is seen that the measured radiation patterns at 9000 MHz show the results with attenuation. This behavior is due to the smaller operating wavelength as for the higher operating mode. Also, the antenna gain within the whole operating bandwidth is measured. It is observed that the measured antenna peak gain levels are about 4-7 dBi in the range of 3.1-10.6 GHz.

Conclusions

An ultra-wideband planar slot antenna with an elliptical slot has been demonstrated. Experimental results show that a very wideband operation of proposed microstrip-line-fed planar slot antenna can be obtained. And the impedance bandwidth, determined by 10 dB return loss, reaches nearly

10023

MHz, which is about 139%. The radiation patterns have been measured and presented by E- and H-planes, and slot-like patterns can be obtained. From measured results, antenna gain variation can be less than 3 dBi in the range of 3.1-10.6 GHz within this wide impedance bandwidth.

Acknowledgments

This work was supported by the finance of National Science Council, Taiwan, R.O.C. under the contact number NSC95-2221-E-151-016.

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References

[1] W. J. Lui, C. H. Cheng, and H. B. Zhu, “Compact frequency notched ultra-wideband fractal printed slot antenna,” IEEE Microwave and Wireless

components letters, vol. 16, pp. 224-226, 2006.

[2] M. Ding, R. Jin, J. Geng, Q. Wu, and W. Wang, “Design of a CPW-fed ultra wideband crown circular fractal antenna,” 2006 IEEE Antennas and

Propagat. Society International Symposium with USNC/URSI National Radio Science and AMEREM Meetings, pp. 2049-2052, July 2006.

[3] H. M. Jafari, M. J. Deen, S. Hranilovic, and N. K. Nikolova, “Slot antenna for ultra-wideband applications,” 2006 IEEE Antennas and Propagat. Society

International Symposium with USNC/URSI National Radio Science and AMEREM Meetings, pp. 1107-1110, July 2006.

[4] S. H. Hsu and Kai Chang, “Ultra-thin CPW-fed rectangular Slot antenna for UWB applications,” 2006 IEEE Antennas and Propagat. Society

International Symposium with USNC/URSI National Radio Science and AMEREM Meetings, pp. 2587-2590, July 2006.

[5] H. K. Yoon, Y. Lim, W. Lee, Y. J. Yoon, S. M. Han, and Y. H. Kim, “UWB wide slot antenna with band-notch function,” 2006 IEEE Antennas and

Propagat. Society International Symposium with USNC/URSI National Radio Science and AMEREM Meetings, pp. 3059-3061, July 2006.

Fig.1 Proposed configuration of printed planar slot antenna for ultra-wideband operation.

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1000 3000 5000 7000 9000 11000 13000 15000 -50 -40 -30 -20 -10 0

Fig. 2 Measured and simulated return loss against frequency for the proposed antenna studied in Fig.1.

Fig. 3 Measured radiation patterns of the proposed antenna at 3000, 6000, and 9000 MHz.

數據

Fig. 2 Measured and simulated return loss against frequency for the proposed  antenna studied in Fig.1

參考文獻

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