中 華 大 學 碩 士 論 文
掌形超寬頻 CPW 天線
Palm Shape UWB CPW Antenna
系 所 別：電機工程學系碩士班 學號姓名：E09801005 詹仕鳴 指導教授：田慶誠 博士
中 華 民 國 100 年 7 月
i
摘 要
近年來通訊產業在政府大力支持與推動 WiFi、MiMo、WiMax、LTE….因應社 會無線寬頻通訊需求，造就產業商機，因而快速發展。
本文提報掌形超寬頻共面波導天線，及上述共面波導天線為基礎在接地面上使 用不同大小的槽孔之變異型。
首先使用HFSS模擬、隨及製作、實際量測頻域得 900MHz～5GHz。
其涵蓋適於UWB Band Group 1 (3.1~4.4 GHz)之設計。
關鍵字: 微帶天線、共帄面波導、超寬頻
ii
ABSTRACT
Recently Taiwan Government Look Forward On Economic Development 、 Encouraged People Invest In And Promote Of Wireless Broadband Communications Such As Wifi, Mimo, Wimax, LTE.. ..
Most Related Industrial Create Above Telecommunications Facility.、Commercial Opportunities In Response To Social Needs Thereby Grow Up Rapidly。
During This Paper study The Special Palm Shape Of Ultra-Wideband Antenna With CPW Ground Plane，
On The above palm antenna Basis Use a lot Of stripe to variable CPW ground ， By other meaning Different Size Slits which Combined with ground plane, while Simulated by HFSS after that PCB practiced、Obtained From 900mhz ~ 5ghz Operating Frequency from Actual Measurement。
Palm Antenna Frequency Coverage Compliance To UWB Band Group 1 (3.1 ~ 4.4 GHz) Designation。
Keywords： Microstrip Antenna、CPW-Fed、Ultra Wideband
iii
誌謝
在兩年的學習研究中，無法像一般在校生長時間的研究天線，但也盡心盡力的把 時間放在研究論文中的天線，感謝指導教授 田慶誠 博士在天線上所給予的指導，也 感謝田老師對在職專班生的包容與體諒，另外也感謝博士班的王大哥提點我正確的研 究方向及指正，使論文能順利完成。
接下來要感謝我的公司長官，能允許我利用時間進修，與完成論文研究。感謝同 事 Jason、Gentle、Evan 與 Daniel 使得我的研究能在短時間就進入天線設計的狀態，
進而減少時間在摸索研究過程。雖然過程非常辛苦但我相信努力付出是會有收穫的，
相信在這兩年的學習及累積能量，能在日後的工作上有很大的幫助。
iv
目錄
摘 要 ... i
ABSTRACT ... ii
誌謝 ... iii
目錄 ... iv
第一章 緒論 ... 1
一、前言 ... 1
二、微帶天線概述 ... 5
三、CPW 微帶天線概述 ... 8
四、天線遠場幅射場形 ... 9
五、文獻回顧 ... 10
第二章 半圓形接地面形狀超寬頻天線 ... 12
一、天線架構 ... 12
二、天線模擬 ... 13
三、天線量測 ... 18
四. 結果與討論 ... 32
第三章 半圓形接地面挖孔超寬頻天線 ... 33
一、天線架構 ... 33
二、天線模擬 ... 34
三、天線量測 ... 39
四. 結果與討論 ... 52
第四章 驗證天線效能 ... 53
一、目的 ... 53
二、測試環境 ... 53
三、結果分析 ... 55
四、天線之應用 ... 56
第五章 結論 ... 57
參考文獻 ... 58
v
圖目錄
圖 1-1 UWB 設備發射功率限制 ... 2
圖 1-2 目前窄頻與無線區網頻段示意圖 ... 3
圖 1-3 UWB Band Group 所使用的頻率點 ... 4
圖 1-4 未來家庭無線多媒體應用示意圖 ... 4
圖 1-5 微帶線基本結構圖 ... 5
圖 1-6 介質中電場與磁場分佈圖 ... 6
圖 1-7 共面波導結構 ... 8
圖 1-8 理想天線的幅射場形 ... 10
圖 1-9 各種形狀之超寬頻天線 ... 11
圖 2-1 超寬頻 CPW 天線結構圖 ... 12
圖 2-2 超寬頻 CPW 天線各項參數表 ... 13
圖 2-3 模擬掌型超寬頻微帶天線反射損失圖(Return loss) ... 13
圖 2-4 900MHz 模擬出來的場型 ... 14
圖 2-5 1.8GHz 模擬出來的場型 ... 15
圖 2-6 2.4GHz 模擬出來的場型 ... 15
圖 2-7 2.5GHz 模擬出來的場型 ... 16
圖 2-8 3GHz 模擬出來的場型 ... 16
圖 2-9 3.5GHz 模擬出來的場型 ... 17
圖 2-10 4.2GHz 模擬出來的場型 ... 17
圖 2-11 掌形超寬頻 CPW 天線實體圖 ... 18
圖 2-12 超寬頻 CPW 天線回波損耗(紅線為 HFSS 模擬、藍線為實際量測) ... 19
圖 2-13 超寬頻 CPW 天線實際量測的 VSWR ... 19
圖 2-14 天線 3D 量測系統架構 ... 20
圖 2-15 天線擺放位置 ... 20
圖 2-16 天線頻率 700 MHz 場形 ... 21
圖 2-17 天線頻率 800 MHz 場形 ... 21
圖 2-18 天線頻率 900 MHz 場形 ... 22
圖 2-19 天線頻率 1700 MHz 場形 ... 22
圖 2-20 天線頻率 1800 MHz 場形 ... 23
圖 2-21 天線頻率 1900 MHz 場形 ... 23
圖 2-22 天線頻率 2.4GHz 場形 ... 24
圖 2-23 天線頻率 2.5GHz 場形 ... 24
圖 2-24 天線頻率 3.0GHz 場形 ... 25
圖 2-25 天線頻率 3.5GHz 場形 ... 25
圖 2-26 天線頻率 4.2GHz 場形 ... 26
vi
圖 2-27 800MHz 三維場形 ... 26
圖 2-28 900MHz 三維場形 ... 27
圖 2-29 1800MHz 三維場形 ... 27
圖 2-30 2400MHz 三維場形 ... 28
圖 2-31 2500MHz 三維場形 ... 28
圖 2-32 3000MHz 三維場形 ... 29
圖 2-33 3500MHz 三維場形 ... 29
圖 2-34 4.2GHz 三維場形 ... 30
圖 2-35 天線效率（Efficiency） ... 30
圖 2-36 Antenna Gain 折線圖 ... 31
圖 2-37 Antenna Gain 增益表 ... 31
圖 3-1 天線結構示意圖 ... 33
圖 3-2 接地面挖孔超寬頻微帶各項參數表 ... 34
圖 3-3 模擬半圓形接地面挖洞超寬頻天線反射損失圖 ... 35
圖 3-4 900MHz 模擬出來的場型 ... 36
圖 3-5 1.8GHz 模擬出來的場型 ... 36
圖 3-6 2.4GHz 模擬出來的場型 ... 37
圖 3-7 2.5GH 時模擬出來的場型 ... 37
圖 3-8 3.0GHz 模擬出來的場型 ... 38
圖 3-9 3.5GHz 模擬出來的場型 ... 38
圖 3-10 4.2GHz 模擬出來的場型 ... 39
圖 3-11 GND 變形帶天線實體圖 ... 40
圖 3-12 GND 變形帶天線回波損耗 ... 40
圖 3-13 GND 變形帶天線 VSWR ... 41
圖 3-14 天線擺放位置 ... 41
圖 3-15 天線頻率 700MHz 場形 ... 42
圖 3-16 天線頻率 800MHz 場形 ... 42
圖 3-17 天線頻率 900MHz 場形 ... 43
圖 3-18 天線頻率 1700MHz 場形 ... 43
圖 3-19 天線頻率 1800MHz 場形 ... 44
圖 3-20 天線頻率 1900MHz 場形 ... 44
圖 3-21 天線頻率 2.4GHz 場形 ... 45
圖 3-22 天線頻率 2.5GHz 場形 ... 45
圖 3-23 天線頻率 3.0GHz 場形 ... 46
圖 3-24 天線頻率 3.5GHz 場形 ... 46
圖 3-25 天線頻率 4.2GHz 場形 ... 47
圖 3-26 800MHz 三維場形 ... 47
圖 3-27 900MHz 三維場形 ... 48
vii
圖 3-28 1800MHz 三維場形 ... 48
圖 3-29 2400MHz 三維場形 ... 49
圖 3-30 2500MHz 三維場形 ... 49
圖 3-31 3000MHz 三維場形 ... 50
圖 3-32 3500MHz 三維場形 ... 50
圖 3-33 5500MHz 三維場形 ... 51
圖 3-34 天線效率（Efficiency） ... 51
圖 3-35 Antenna Gain 折線圖 ... 52
圖 3-36 量測天線增益表 ... 52
圖 4-1 Infrastructure mode ... 54
圖 4-2 公司停車場 ... 54
v
表目錄
表 4-1 測試設備 ... 53 表 4-2 測試數據 ... 55 表 4-3 天線使用頻段 ... 56
1
第一章 緒論
一、前言
從以前有線傳輸到現今的無線的傳輸，科技不斷進步，追求的是給予人類在生活 上能有更方便應用與優質享受。快速、方便是近年來無線產品所要達成之訴求，新的 短距離傳輸的超寬頻 UWB（Ultra-wideband，UWB）技術規格的開放，已經受到注 目並開始被研究，其表現出來的優點多於同為短距離無線通訊的藍芽，也因為如此，
藍芽在未來的地位有被取代的可能性。
美國聯邦通信委員會 FCC （Federal Communications Commission）在 2002 年四 月，將超寬頻通訊技術[1]，從原本軍事用途改為商業與民間使用，並開放 3.1～10.6 GHz 提供超寬頻通信及測試使用。UWB 是一種短距離無線通訊方式，其傳輸距離為 十公尺以內，使用寬達數 GHz 之頻帶上，利用脈衝信號發射無線電波，此脈衝信號 寬度約為 1ns、發射功率約為 1nW/Hz，並以脈衝信號表示 0 或 1 來傳輸資料。如 802.11g、
GSM、Bluetooth 等，利用載波在特定頻帶與波形變化傳送信號使用的傳統無線通訊 技術相比，UWB 的寬頻帶、脈衝信號與傳統傳輸方式截然不同。
UWB 具有下列數種技術特性：
一、高傳輸速率：
一般 UWB 的信號傳輸範圍在十公尺之內，傳輸速率可達 480Mbps，是個人通訊 和短距離通訊的一種技術。UWB 是以非常寬的頻寬來換取高容量的數據傳輸。
二、具有良好的安全性：
UWB 發射功率很低，甚至接近雜訊值，加上信號寬度 1ns 散布在極寬之頻帶，
因此很難被截獲，這對提高通訊保密性非常有利。
三、低功率消耗：
UWB 通訊系統是使用脈衝電波來發送資訊，通常在 200ps~1.5ns 之間，因此大
2
幅減少功率消耗，相對的耗電量也能降低。
四、低成本結構：
因為 UWB 只使用脈衝信號，不需要功率放大器（Power Amplifier, PA）、射頻/
中頻（Radio Frequency /Intermediate Frequency, RF/IF）轉換元件、振盪器、濾波器等 多項零件，具有降低成本之潛力
五、不會產生干擾：
由於 UWB 發送脈衝信號需要很寬的頻帶，但既有頻帶上已經由其他無線通訊技 術，像 IEEE 802.11a（5.15～5.35GHz，5.725~5.825GHz）、HIPERLAN/2（5.15GHz
～5.35GHz，5.47～5.725GHz）在 5G 頻段上已使用。因此為了避免干擾，故將 UWB 之發射功率訂為－41dBm/MHz。發射功率為 0.65Mw，也因發射功率低，使得 UWB 傳輸距離受到十公尺範圍的限制。
圖 1-1 UWB 設備發射功率限制
目前超寬頻的特性，在無線傳輸方面，利用其寬頻帶與最高達 480Mbps 傳輸速 率與低耗電量的特性，在短距離範圍內，讓電腦或其他電子產品間，透過無線傳輸方 式，將大容量檔案，如高影音品質之 DVD、Blue-ray，即時信號等，能夠在最短的時 間內傳輸完成，不必花更多的時間等待，在未來的家庭能夠解決多媒體無線化的運用，
3
極具潛力。
也就因為擁有高達 480Mbps 傳輸速率，與同樣是傳輸距離十公尺內的藍芽相比 快了近 160 倍。看準這個優點，藍芽技術聯盟（Bluetooth Special Interest Group，
Bluetooth SIG）近年來宣佈將與 UWB 技術互相結合，就發展趨勢來看，藍芽與 UWB 未來將可以同時放在許多行動手持裝置上，在晶片體積、成本縮減、耗電考量等因素 影響下，將進一步努力達成兩者的整合。新的整合架構在最初將以獨立的藍芽晶片與 UWB 晶片進行運作，然後逐漸發展成整合的單晶片架構，而此天線的設計將同時能 在藍芽所使用的 2.4GHz 與 UWB 所使用的 3.1～10.6GHz 的頻段中運作。
圖 1-2 目前窄頻與無線區網頻段示意圖
4
圖 1-3 UWB Band Group 所使用的頻率點
圖 1-4 未來家庭無線多媒體應用示意圖
5
二、微帶天線概述
微帶天線的研究由 1953 年德尚(G.A.Deschamps)教授所提出的一份文獻中的源起 概念[2]以及 1955 年的一份專利文獻[3]開始迄今，在隨後的近 20 年裏，對此只有一 些零星的研究。直到 1972 年，由於微波集成技術的發展跟空間技術對低剖面天線的 迫切需求，芒森(R.E.Munson)和豪威爾(J.Q.Howell)等研究者製成了第一批實用微帶天 線。隨之國際上展開了對微帶天線的廣泛研究和應用。在這五十年以來，隨著科技的 不斷進步，造就印刷電路材料及微波技術的改進，使得微帶天線的發展，已經累積相 當可觀的成果，各式的微帶天線被發表出來，如利用堆疊結構(Stack)、利用槽孔(slot) 或挾孔(slit)，x 來達到微帶天線的小型化和寬頻帶或多頻帶操作頻段。
微帶天線具有輻射金屬片(radiating patch)、介質基底(dielectric substrate)、饋入網 路(feed network)及接地金屬片(ground plane)，如圖 1-5 所示。
圖 1-5 微帶線基本結構圖(a)同軸直接饋電(b)微帶線饋電(c)縫隙耦合(d)鄰近耦合
6
微帶天線是在帶有導體接地板的介質基板上貼加導體薄片而形成的天線。它利用 (a)同軸直接饋電(b)微帶線饋電(c)縫隙耦合(在微帶線與輻射金屬貼片間的金屬層 槽孔透過這隙孔耦合)及(d)鄰近耦合(直接微帶線與幅射金屬貼片相鄰耦合)等不同 饋電方式，在導體貼片與接地之間激勵起射頻電磁場。並通過貼片四週與接地板的縫 隙向外幅射，圖 1-6 所示為介質中的電磁場分佈，所需射頻信號經由天線轉換成為電 磁波能量幅射出去，如同幅射濾波電路，除了對幅射金屬片與接地金屬片做各型式天 線設計外，介質基底的介電參數和厚度都會影響到天線的幅射場型跟操作頻率，以矩 形幅射金屬片為例，其操作頻率公式：
L r
F c
2
上式中 C 為光速 3×108m/s，F 為操作頻率，L 為矩形邊長，
r為基板介電參數，可看出 F 與
r成反比關係。當
r越大，操作頻率 F 越小，在相同操作頻率下，L 相 對的能縮小，能更達成小型化目的，所以基板材質也是天線設計上的參數之一。而饋 入網路與一般天線做連結時，是使用 50Ω 阻抗來做阻抗匹配，所以在設計微帶饋送 或同軸纜穿孔(Via)饋送時，要考慮到 50Ω 阻抗匹配來做設計，減少反射損失(Return Loss)，達到好的共振效應。圖 1-6 介質中電場與磁場分佈圖
7
微帶天線雖能符合市場上所需求的輕薄短小的特點，並能容易大量生產和裝設，
但微帶天線本身的基板材質具有高品質因素(Quality factor)，Q 因素越高代表越會儲存 電磁能量，而使的電磁能量較無法幅射出去，留在基板身上，所以本身是有窄頻帶的 特性，以下簡單列出微帶天線的優缺點。
微帶天線的主要優點：
(1)剖面薄，體積小，重量輕
(2)具有帄面結構，並與產品容易可製成相共形的結構。
(3)饋電網路可與天線結構一起製成，適合用於印刷電路技術大批量生產。
(4)能與有源器件和電路集成為單一的模組。
(5)便於獲得圓極化，容易實現雙頻段，雙極化等多功能工作。
微帶天線的主要缺點：
(1)頻帶窄。
(2)有導體和介質損耗，並且會激勵表面波，導致幅射效率降低。
(3)性能受基板材料影響大。
由於微帶天線因為基板材質影響有窄頻帶之特性，因此利用槽孔耦合和共帄面波 導 CPW(CoPlanar Waveguide)型式，來達成多頻帶操作，產生寬頻帶。
8
三、CPW 微帶天線概述
共面波導饋入（Coplanar-Waveguide ;CPW）結構，早在西元 1969 年由旅美華人 Dr.C.P.Wen 博士首先提出，但在產業界未受到普遍重視。直到西元 1980 年，因為結 構是用兩條槽線（Slot Lines），簡單說就是由一條信號線、兩片金屬接地面和微波介 質基板所共面組成，具有製作簡單的優點，才使得專家學者紛紛投入進行研究與探討，
共面波導饋入其傳播特性較不易受微波介意板厚度影響，由間隙 S 和信號線寬度 W 比例來決定特性阻抗，如圖 1-6 所示。
圖 1-7 共面波導結構（a）上視圖（b）側視圖
近年來利用共面波導之饋入方式逐漸受到重視，其主要原因為它相較於其他如同 微帶線饋入或同軸饋入具有下列優點：
1. 易使微波電路元件之間的串聯與並聯相結合。
2. 較低的幅射損耗和色散效應。
3. 電氣特性不易受到基板介質厚度的影響。
4. 阻抗匹配較容易。
5. 特性阻抗可達的範圍比較廣。
9
6. 不必像微帶線必頇有額外的貫穿孔（Via hole），這些 Via hole 通常會帶來不可忽 略的電感效應，使得電路的效率變低。
共面波導饋入的結構優點主要在於接地較簡單，串接電路也較一般微帶線容易設 計，易於製作。
四、天線遠場幅射場形
輻射場型是用來描述由天線所輻射出的能量與空間中任意位置的相互關係，藉由 四面八方輻射能量的輻射場型圖可以得知由天線所輻射出來的電磁波在空間中每一 點的相對強度且可描述天線性能。傳統輻射場型可分為:
1. E-帄面場型:天線之帄面的輻射場型 2. H-帄面場型:垂直天線帄面上的輻射場型
以理想偶極天線之輻射場型圖為例子如圖 1-7 所示。簡單來說，所謂垂直面的輻 射場型圖是由天線的側面(即 x-y 帄面上)往偶極天線看進去所得到的電磁波強度在 x-z 或 y-z 帄面上的場型分佈圖，為一圓形蝴蝶結形狀的場型圖，在天線的頂端方向 電場強度為零；而水帄面的輻射場型圖即為由 z 軸上往偶極天線看下去所得到的電磁 波強度在 x-y 帄面上的分佈圖，在 φ 的任一方向電場強度均相同，這就是所謂的全 向性(Omni-directional)輻射場型；但在垂直面之電磁波強度則是在 θ 等於 90 度的方 向上有最大值，是屬於具有方向性(Directional)的輻射場型。輻射場型以 dB 值表示。
10
圖 1-8 理想天線的幅射場形
五、文獻回顧
近年來 UWB 在印刷電路板上製作天線的研究紛紛被提出，使用了不同形狀的貼 片(patch)來增加阻抗頻寬。如圖 1-7(a)中的超寬頻天線，橢圓形之長軸 a＝27mm，短 軸 b＝18mm，橢圓軸比為 1.5，中心圓形槽孔 r1＝r2＝7mm，接地面尺寸為 W＝45mm、
L＝21.5mm，天線 Y 軸的長度 Ls＝50mm，天線整體尺寸大小為 45mm×50mm，量測 -10dB 阻抗頻寬從 2.7GHz 到 12GHz。也有天線使用了漸變型方式來達到增加頻寬的 效果[31]-[33]，如圖 1-7(b)為漸變型微帶槽孔天線，天線各項參數為 g＝1.9、L＝29、
L1＝18、Lg＝1.2、Ls＝7.1、Lt＝1.8、Lw＝2.4、W＝26、W1＝24、Wf＝2.8、Ws＝
8.8、α＝19°，阻抗頻寬從 2.91GHz 到 12GHz，增益的表現介於 3.2~4.6dBi。提升頻 寬的方法還可以使用共面波導技術[4]、[5]、[6]。
11
圖 1-9 各種形狀之超寬頻天線
12
第二章 半圓形接地面形狀超寬頻天線
一、天線架構
此天線為超寬頻共面波導微帶天線的變型，以CPW的方式來饋入微帶線採用漸 變形的方式，使用FR4做基底，相關介面系數為4.4，板長為B寬為A厚度為1mm，CPW 的饋入線寬為W，饋入線總長為D，且饋入線端與兩旁接地間的距離相等各為W1及W2，
接地面積為2個1/4橢圓，天線棕櫚葉的形式面積為A x C，規格請參考圖2-1與圖2-2。
一 般 CPW-fed 方 法 的 帄 面 天 線 電 流 分 布 會 集 中 在 輻 射 體 與 接 地 面 之 間 的 feed-gap， 本天線所採用的饋入方法可以省去輻射體與接地面之間的feed-gap， 使的 設計可以更具彈性的匹配。
圖 2-1 超寬頻 CPW 天線結構圖
E
A
C
B
D
E1 E2
Top radiator
Dielectric substrate
TOP Ground
Wave Port
E3
W
W1 W2
F G
H I
J K
L M
13
各項參數值
A＝40mm E2＝2mm W＝1mm B＝60mm E3＝16mm W1＝0.05mm C＝29mm F-G＝30mm W2＝0.05mm D＝31mm H－I＝28mm
E＝19mm J－K＝22mm E1＝2mm L－M＝15mm
圖 2-2 超寬頻 CPW 天線各項參數表
二、天線模擬
以 HFSS 模擬此 CPW 超寬頻天線，經過模擬結果的反射損 S11 < -10dB（如圖 2-3），VSWR 駐波比小於 2=S11＜-9.54dB 如圖 2-1 之阻抗頻寬從 900MHz 到 5GHz 及 6GHz 到 7.6GHz 皆能滿足超寬頻之規範，可運用的頻率從手機、WiFi 頻率到 UWB 範圍。
圖 2-3 模擬掌型超寬頻微帶天線反射損失圖(Return loss)
圖 2-4 是天線工作在 900MHz 時候的輻射場型，可以看出天線在 YZ-plane 與 XZ-plane，其模擬之最大增益為接近-12dBi，圖 2-5 是天線工作在 1.8GHz 時候的輻射 場型，天線在 YZ-plane 與 XZ-plane，模擬出之最大增益為接近-10dBi，圖 2-6 是天線 工作在 2.4GHz 時候的輻射場型，天線在 YZ-plane 與 XZ-plane，模擬出之最大增益為
0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00
Freq [GHz]
-25.00 -20.00 -15.00 -10.00 -5.00 0.00
Curve Info
dB(S(HFSS模擬)) Setup1 : Sweep1
Return Loss
dB
900MHz
14
接近-6dBi，圖 2-7 是天線工作在 2.5GHz 時候的輻射場型，天線在 YZ-plane 與 XZ-plane，
模擬出之最大增益為接近-4dBi，圖 2-8 是天線工作在 3.0GHz 時候的輻射場型，天線 在 YZ-plane 與 XZ-plane，模擬出之最大增益為接近-6dBi，圖 2-9 是天線工作在 3.5GHz 時候的輻射場型，天線在 YZ-plane 與 XZ-plane，模擬出之最大增益為接近-2dBi，圖 2-10 是天線工作在 4.2GHz 時候的輻射場型，天線在 YZ-plane 與 XZ-plane，模擬出 之最大增益為接近-2dBi，以 HFSS 模擬出來增益有從低頻往高頻逐漸增強的趨勢，
且從模擬出的天線場形來看，此天線為全向性的天線。
圖 2-4 900MHz 模擬出來的場型(A) XY - Pattern、(B) XZ - Pattern、(C) YZ - Pattern
(A) (B)
(C)
15
圖 2-5 1.8GHz 模擬出來的場型(A) XY - Pattern、(B) XZ - Pattern、(C) YZ - Pattern
圖 2-6 2.4GHz 模擬出來的場型(A) XY - Pattern、(B) XZ - Pattern、(C) YZ - Pattern
(A) (B)
(C)
(A) (B)
(C)
16
圖 2-7 2.5GHz 模擬出來的場型(A) XY - Pattern、(B) XZ - Pattern、(C) YZ - Pattern
圖 2-8 3GHz 模擬出來的場型(A) XY - Pattern、(B) XZ - Pattern、(C) YZ - Pattern
(A) (B)
(C)
17
圖 2-9 3.5GHz 模擬出來的場型(A) XY - Pattern、(B) XZ - Pattern、(C) YZ–Pattern
圖 2-10 4.2GHz 模擬出來的場型(A) XY - Pattern、(B) XZ - Pattern、(C) YZ - Pattern
(A) (B)
(C)
(A) (B)
(C)
18
三、天線量測
成功製作出實體之後進行量測，天線實體圖請參考圖2-11，實際量測反射損值如 圖2-13，阻抗頻寬小於-10dB頻率範圍從900MHz～1.2GHz、2.3G～4.4GHz、5GHz～
7.3GHz，大於-10dB的頻率範圍從0～800MHz、1.3GHz～2.3GHz、7.4GHz～8.4GHz。
圖 2-11 掌形超寬頻 CPW 天線實體圖
而實體量測有關參數如圖2-12、2-13所示，其CPW天線基本參數測試，從圖2-13 來看其他頻率點皆低於2以下，只有1800MHz其VSWR高於2，但其值是相當接近2，
所以天線效能未必會比其他頻率點差。（一般天線業者會將天線的反射損耗定為-10dB 換算出ρ=0.33；Mismatch Loss為0.5db而其VSWR至少要低於1:2 。
19
圖 2-12 超寬頻 CPW 天線回波損耗(紅線為 HFSS 模擬、藍線為實際量測)
圖 2-13 超寬頻 CPW 天線實際量測的 VSWR
此論文使用的天線量測系統為SATIMO Stargate 64，其系統架構如圖2-14所示：
SATIMO Stargate 64天線量測系統是一種三維的天線量測系統，有著準確易於操作的 優點，在業界中深受肯定。其架構為發射器經由待測天線發射訊號，由一組三十二隻 雙極化天線陣列接收，在經過軟體的計算後，可以得到天線的場型與增益，此系統也 可以計算天線任意二維帄面的增益值及幅射效率，圖2-15為天線擺放位置。
0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00
Freq [GHz]
-30.00 -25.00 -20.00 -15.00 -10.00 -5.00 0.00
Return Loss
dB
dB (模擬) dB (量測)
1.2
0.8 2.8 3.2 4.8 5.2 6.8 7.2 8.8 9.2
20
圖 2-14 天線 3D 量測系統架構
圖 2-15 天線擺放位置
21
輻射場型圖請參考圖2-16到圖2-26，輻射場型量測的頻率分別為700MHz、
800MHz、900MHz、1700MHz、1800MHz、1.9GHz、2.4GHz、2.5GHz、3.0GHz、3.5GHz、
4.2GHz等11個頻率。從圖形看出11個頻率點的增益值都保持在0dBi附近，當頻率點超 過900MHz以上XY Plane場形開始明顯的變化。
圖 2-16 天線頻率 700 MHz 場形
圖 2-17 天線頻率 800 MHz 場形
22
圖 2-18 天線頻率 900 MHz 場形
圖 2-19 天線頻率 1700 MHz 場形
23
圖 2-20 天線頻率 1800 MHz 場形
圖 2-21 天線頻率 1900 MHz 場形
24
圖 2-22 天線頻率 2.4GHz 場形
圖 2-23 天線頻率 2.5GHz 場形
25
圖 2-24 天線頻率 3.0GHz 場形
圖 2-25 天線頻率 3.5GHz 場形
26
圖 2-26 天線頻率 4.2GHz 場形
三維場形請參考圖2-27到圖2-34，天線效率（Efficiency）請參考圖2-35，Antenna Gain折線圖見圖2-36，從天線效率來看1.7GHz有雖然有往下掉一點但其以後的頻率點 皆往上升，在3.6GHz時增益可達5.65dBi，1.9GHz到3.3GHz之增益有上升之趨勢，
Antenna Gain請參閱表2-37。
三維場形量測結果：
圖 2-27 800MHz 三維場形(A)實際量測圖形、(B)HFSS 模擬圖形
(A) (B)
27
圖 2-28 900MHz 三維場形(A)實際量測圖形、(B)HFSS 模擬圖形
圖 2-29 1800MHz 三維場形(A)實際量測圖形、(B)HFSS 模擬圖形
(A) (B)
(A) (B)
28
圖 2-30 2400MHz 三維場形(A)實際量測圖形、(B)HFSS 模擬圖形
圖 2-31 2500MHz 三維場形(A)實際量測圖形、(B)HFSS 模擬圖形
(A) (B)
(A) (B)
29
圖 2-32 3000MHz 三維場形(A)實際量測圖形、(B)HFSS 模擬圖形
圖 2-33 3500MHz 三維場形(A)實際量測圖形、(B)HFSS 模擬圖形
(A) (B)
(A) (B)
30
圖 2-34 4.2GHz 三維場形(A)實際量測圖形、(B)HFSS 模擬圖形
圖 2-35 天線效率（Efficiency）
(A) (B)
31
圖 2-36 Antenna Gain 折線圖
圖 2-37 Antenna Gain 增益表 Unit:Efficiency (%), Peak Gain (dBi), Average Gain (dB) Freq. MHz 700 800 900 1600 1700 1900 2100 2400 2500 3300 3400 3500 3600 4200
Eff. 36% 49% 63% 53% 45% 67% 72% 83% 84% 78% 78% 79% 79% 78%
Avg. Gain -4.39 -3.09 -2.02 -2.78 -3.45 -1.75 -1.45 -0.83 -0.75 -1.08 -1.08 -1.05 -1.05 -1.09
Peak Gain 0.052 1.631 2.556 2.532 1.887 4.05 4.3 4.499 4.794 5.357 5.074 5.273 5.655 5.56
Ant.
32
四. 結果與討論
圖 2-13 顯示本天線反射損耗 Return Loss 的實際測量與模擬圖，使用安捷倫公司 E5071B 網路分析儀來測量。因為模擬時並無加入 SMA 接頭及實際接上 RF Cable 造成對天線的影響使得模擬跟實際測量的結果有些差異，但從實際測量後的 Return Loss 可以看到此天線在 400MHz 到 1.6GHz 及 2.4GHz 到 4.5GHz 皆達到不錯的阻抗 匹配(S11< -10dB)，而從實際量測所得到的 Antenna Gain 最好為 2.5GHz，Efficiency 為 84%最差為 700MHz 但 Efficiency 值都還有 36%可應用的範圍非常的廣，所以板厚 1mm、長寬為 60mmX40mm 的氧化鋁基板之掌型天線設計是可行的。
33
第三章 半圓形接地面挖孔超寬頻天線
一、天線架構
此天線為前一章共面波導微帶天線的變型，相同使用 CPW 的方式來饋入微帶線，使 用 FR4 做基底，相關介面系數為 4.4，基板長為 B 寬為 A 厚度為 1mm，CPW 的饋入 線寬為 W，微帶線總長為 D，且饋入線端與兩旁接地間的距離相等各為 W1 及 W2，兩 旁 1/4 橢圓形接地面積已等距離挖 6 個長方型的孔，天線饋入線與接地的 gap 為 0.05mm，天線面積為 A x C，末端連接之金屬貼片形狀設計為一個棕櫚葉的形式，規 格詳見圖 3-1 與圖 3-2。
圖 3-1 天線結構示意圖 A
C
B
D
E1
N2
N1
E
N3 N4
W W1 W2 E2
Top radiator
Dielectric substrate
TOP Ground
hole Wave
Port
F G
H I
J K
L M
34
各項參數值
A＝40mm E2＝16mm W1＝0.05mm B＝60mm F－G＝30mm W2＝0.05mm C＝29mm H－I＝28mm N1=4mm D＝31mm J－K＝22mm N2=10X2mm E＝2mm L－M＝15mm N3=20X2mm E1＝2mm W＝1mm N4=25X2mm
圖 3-2 接地面挖孔超寬頻微帶各項參數表
二、天線模擬
以 HFSS 模擬此 CPW 超寬頻天線，經過模擬結果的反射損 S11 < -10dB（如圖 3-3），VSWR 駐波比小於 2=S11＜-9.54dB 如圖 3-3 之阻抗頻寬從 900MHz 到 5GHz，
皆能滿足超寬頻之規範，但在 1.5GHz 頻率點確高於-10dB，但仍可運用的頻率範圍 為手機、WiFi 及 UWB。圖 3-4 是天線工作在 900MHz 時候的輻射場型，其 YZ-plane 與 XZ-plane 之最大增益在-12dBi，圖 3-5 是天線工作在 1.8GHz 時候的輻射場型，其 YZ-plane 與 XZ-plane 之最大增益在-10dBi，圖 3-6 是天線工作在 2.4GHz 時候的輻射 場型，其 YZ-plane 與 XZ-plane 之最大增益在-6dBi，圖 3-7 是天線工作在 2.5GHz 時 候的輻射場型，其 YZ-plane 與 XZ-plane 之最大增益在-4dBi，圖 3-8 是天線工作在 3.0GGHz 時候的輻射場型，其 YZ-plane 與 XZ-plane 之最大增益在-4dBi，圖 3-9 是天 線工作在 3.5GHz 時候的輻射場型，其 YZ-plane 與 XZ-plane 之最大增益在-2dBi，圖 3-10 是天線工作在 4.2GHz 時候的輻射場型，其 YZ-plane 與 XZ-plane 之最大增益在 -2dBi，從 HFSS 模擬出來的結果與 GND 未挖洞的增益大致相同。
35
圖 3-3 模擬半圓形接地面挖洞超寬頻天線反射損失圖(Return loss)
0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00
Freq [GHz]
-35.00 -30.00 -25.00 -20.00 -15.00 -10.00 -5.00 0.00
Curve Info Setup1 : Sweep1
Return Loss
dB
dB(S(HFSS模擬))
900MHz
36
圖 3-4 900MHz 模擬出來的場型(A) XY - Pattern、(B) XZ - Pattern、(C) YZ - Pattern
圖 3-5 1.8GHz 模擬出來的場型(A) XY - Pattern、(B) XZ - Pattern、(C) YZ - Pattern
(A) (B)
(C)
(A) (B)
(C)
37
圖 3-6 2.4GHz 模擬出來的場型(A) XY - Pattern、(B) XZ - Pattern、(C) YZ - Pattern
圖 3-7 2.5GH 時模擬出來的場型(A) XY - Pattern、(B) XZ - Pattern、(C) YZ - Pattern
(A) (B)
(C)
(A)
(C)
38
圖 3-8 3.0GHz 模擬出來的場型(A) XY - Pattern、(B) XZ - Pattern、(C) YZ - Pattern
圖 3-9 3.5GHz 模擬出來的場型(A) XY - Pattern、(B) XZ - Pattern、(C) YZ - Pattern
(A) (B)
(C)
(A) (B)
(C)
39
圖 3-10 4.2GHz 模擬出來的場型(A) XY - Pattern、(B) XZ - Pattern、(C) YZ - Pattern
三、天線量測
製作出實體之後進行量測，天線實體圖請參考圖3-11，其CPW變形天線基本參數 測試如圖3-12、3-13所示，阻抗頻寬小於-10dB頻率範圍從2.2GHz～6.4GHz、6.9G～
7.8GHz，其他頻率點都大於-10dB，2D及3D實際量測其天線擺放位置請參考圖3-14。
40
圖 3-11 GND 變形帶天線實體圖
圖 3-12 GND 變形帶天線回波損耗(綠線為 HFSS 模擬、藍線為實際量測)
10.00
dB
0.00 2.00 4.00 6.00 8.00
Freq [GHz]
-45.00 -40.00 -35.00 -30.00 -25.00 -20.00 -15.00 -10.00 -5.00 0.00
Return Loss
dB (模擬) dB (量測)
1.2
0.8 2.8 3.2 4.8 5.2 6.8 7.2 8.8 9.2
41
圖 3-13 GND 變形帶天線 VSWR
圖 3-14 天線擺放位置
輻射場型圖請參考圖3-15到圖3-25，輻射場型量測的頻率分別為700MHz、
800MHz、900MHz、1700MHz、1800MHz、1.9GHz、2.4GHz、2.5GHz、3.0GHz、3.5GHz、
4.2GHz等11個頻率，從圖形看出11個頻率點的增益值都保持在0dBi附近，當頻率點超 過900MHz以上XY Plane場形開始明顯的變化，而在1700MHz、1800Mhz變化非常明顯。
42
圖 3-15 天線頻率 700MHz 場形
圖 3-16 天線頻率 800MHz 場形
43
圖 3-17 天線頻率 900MHz 場形
圖 3-18 天線頻率 1700MHz 場形
44
圖 3-19 天線頻率 1800MHz 場形
圖 3-20 天線頻率 1900MHz 場形
45
圖 3-21 天線頻率 2.4GHz 場形
圖 3-22 天線頻率 2.5GHz 場形
46
圖 3-23 天線頻率 3.0GHz 場形
圖 3-24 天線頻率 3.5GHz 場形
47
圖 3-25 天線頻率 4.2GHz 場形
三維場形請參考圖3-26到圖3-33，天線效率（Efficiency）請參考圖3-34，Antenna Gain折線圖見圖3-35，從天線效率來看在GND變形的天線每一個頻率點皆有變差，尤 其是1.7GHz差異更是大從原本的45%掉至20%，有此可知GND的變化對天線的效率皆 會有影響，Antenna Gain增益表請參閱表3-36。
三維場形量測結果：
圖 3-26 800MHz 三維場形(A)實際量測圖形、(B)HFSS 模擬圖形
(A) (B)
48
圖 3-27 900MHz 三維場形(A)實際量測圖形、(B)HFSS 模擬圖形
圖 3-28 1800MHz 三維場形(A)實際量測圖形、(B)HFSS 模擬圖形
(A) (B)
(A) (B)
49
圖 3-29 2400MHz 三維場形(A)實際量測圖形、(B)HFSS 模擬圖形
圖 3-30 2500MHz 三維場形(A)實際量測圖形、(B)HFSS 模擬圖形
(A) (B)
(A) (B)
50
圖 3-31 3000MHz 三維場形(A)實際量測圖形、(B)HFSS 模擬圖形
圖 3-32 3500MHz 三維場形(A)實際量測圖形、(B)HFSS 模擬圖形
(A) (B)
(A) (B)
51
圖 3-33 5500MHz 三維場形(A)實際量測圖形、(B)HFSS 模擬圖形
圖 3-34 天線效率（Efficiency）
(A) (B)
52
圖 3-35 Antenna Gain 折線圖
圖 3-36 量測天線增益表 Unit:Efficiency (%), Peak Gain (dBi), Average Gain (dB)
四. 結果與討論
模擬時並無加入 SMA 接頭及實際接上 RF Cable 造成對天線的影響使得模擬跟 實際測量的結果有些差異，從圖 3-4 可以看出在 4GHz 之前的 Return Loss 比 GND 未開 hole 較差，只有 2GHz 到 4GHz 這段頻率的 S11 有<-10dB，從天線實際量測可 以知道在天線的 Gain 值與 GND 未挖孔來比較只有在 1700MHz 影響最為嚴重，由 此可得知 GND 挖孔對訊號幅射有絕對的影響。
Freq. MHz 700 800 900 1600 1700 1900 2100 2400 2500 3300 3400 3500 3600 4200
Eff. 34% 39% 49% 31% 20% 72% 64% 81% 86% 74% 70% 71% 70% 64%
Avg. Gain -4.67 -4.06 -3.07 -5.08 -7 -1.44 -1.93 -0.9 -0.67 -1.32 -1.52 -1.47 -1.56 -1.92
Peak Gain -0.17 0.831 1.949 0.13 -2.7 2.981 3.966 4.359 4.368 4.502 4.041 4.056 4.32 3.386
Ant.
53
第四章 驗證天線效能
一、目的
針對掌形超寬頻CPW天線(簡稱天線A)及半圓形接地面挖洞超寬頻微帶天線(簡 稱天線B)，於實際室內環境下做實體測試距離及效能，這次測試所使用的是IOGEAR
（GUW2015VKIT）Wireless USB to VGA Kit來搭配，作最遠的距離的Throughput測試，
將量測出來的實體效能與涵蓋範圍加以分析與比較，由此分析可以得知天線A與天線 B是否有不同的地方。
二、測試環境
硬體選用
如表4-1所示，由於採用Infrastructure mode（圖4-1），故需要一台NB做為Client，另外 一台PC則需要接到另外Golden並接上螢幕，做不同距離下的比較，在NB方面使用Duo Core CPU T2300@1.66GHz做為用戶端，螢幕則是用BENQ T905，Wireless USB to VGA Kit 其Transmitter端晶片組採用的是Realtek RTU7300，Receiver端晶片組採用的 是Realtek RTU7105 加上 DisplayLink DL160將畫面輸出至LCD螢幕上，其UWB工作 頻率為 3.4GHz to 4.8GHz ( WiMedia Band Group 1 )。
Type Model CPU Memory OS Quantity
NB IBM T60 Duo Core CPU
T2300@1.66GHz 1GB Win XP 1
LCD BENQ T905 N/A N/A N/A 1
Wireless USB
to VGA Kit GUW2015VKIT 1
表 4-1 測試設備
測試工具：使用DisplayLink nivoutil 工具測試
測試環境：公司停車場(圖4-2)
54
環境架構
NB接上一組UWB Transmitter，透過Infrastructure mode的架構與UWB Receiver連線，
從NB端撥放影片透過Transmitter將影片傳送到Receiver並從LCD螢幕撥放，接著在測 試場地中拉距離來看影片是否有停止，再使用DisplayLink測試工具來測試Throughput 其測試次數為3次。
圖 4-1 Infrastructure mode
圖 4-2 公司停車場
55
三、結果分析
表4-2為從停車場的測試場地中，所做的6個不同距離量出的結果，在1M及5M的 距離天線A和天線B的Throughput皆有100 Mbps以上，擴大直線距離到10M以上在這些 距離，所得到的Data rate都相近，但往10M以後的距離天線B所得到的Throughput比較 差，甚至超過12.5M以後就收不到訊號而測不出數據，而接螢幕撥影片最遠距離也只 有10.3M與天線A的12.5M差了2Mbps，從數據上可看出雖然天線B的Efficiency在頻率 3.3GHz到4.2GHz最大差異有10%但實際應用卻只有在遠距離時才看到差異。而 Wireless USB to VGA Kit搭配不同天線表現出的效能，會隨著測試場地與Golden間距 離的不同而有所不同，當然也包括相同距離間有無阻隔物的存在，也會使得無線收訊 效果不同。
表 4-2 測試數據
單位：Mbps
天線A 天線B
次數
距離 1 2 3 平均值 次數
距離 1 2 3 平均值
1M 155 159 157 157 1M 144 147 140 144
5M 112 113 123 116 5M 102 99 107 103
10M 96 93 93 94 10M 80 76 79 78
12M 44 45 44 44 11M 37 31 43 37
13M 39 41 43 41 12M 30 40 34 35
13.3M 35 36 33 35 12.5M 20 14 17 17
13.3M 12.5M
12.5M 10.3M
未接螢幕最遠距離 接螢幕撥影片最遠距離 未接螢幕最遠距離
接螢幕撥影片最遠距離
56
四、天線之應用
表 4-3 為本論文中將天線設計符合在手機頻帶範圍（900 MHz、1800 MHz、
1900MHz）、WiFi 頻帶範圍（2.4 GHz～2.5 GHz）、超寬頻 Band 1 頻帶範圍（3.3 GHz
～4.4 GHz）及 WiMax（IEEE802.16a）技術規格所規範的頻帶範圍中，利用 CPW 饋入 結構的天線與 GND 挖孔槽的方式透過參數實際量測及場形量測並搭配實測的結果，可 得知天線工作的頻率點從手機系統到 5GHz 之間。
系統名稱 使用頻段 天線 A 天線 B 手機
900MHz 1800MHz 1900MHz
ˇ ˇ
WLAN 2.4GHz ~ 2.5GHz ˇ ˇ
WiMax 2.5 ~ 2.7 GHz
3.3 ~ 3.8 GHz ˇ ˇ UWB 3432MHz ~ 4488MHz ˇ ˇ
表 4-3 天線使用頻段
57
第五章 結論
近年通訊產業因應社會無線寬頻通訊需求，繼以政府大力支持與推動 WiFi、
MiMo、WiMax、LTE…..等因素，造就產業商機，因而快速發展。
科技進展使得影音及數位通聯產生變異，每筆資料容量皆相當龐大，寬頻/超寬 頻能已然成為趨勢，爾後具寬頻能耐之天線、射頻前端（RF Front END）之應用將與 日俱增。
寬頻/超寬頻規範較以往窄頻更為嚴謹，上述射頻前端（RF Front END）設備，
諸如 LNA 、天線 、…等設計將成為爾後產、學、官之發展趨勢。
58
參考文獻
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[7] 周東生，適用於 802.11n 無線接取器天線改良，國立中央大學通訊工程研究所碩 士論文，2008 年
[8] 鄧聖明、蔡慶龍、柏小松，“天線設計與應用”，鼎茂圖書出版股份有限公司，
民國98年。
