超寬頻天線與電波傳播特性之研究

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

超寬頻天線與電波傳播特性之研究

計畫類別： 個別型計畫

計畫編號： NSC94-2213-E-011-025-

執行期間： 94 年 08 月 01 日至 95 年 07 月 31 日 執行單位： 國立臺灣科技大學電機工程系

計畫主持人： 楊成發

報告類型： 精簡報告

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： 本計畫涉及專利或其他智慧財產權，2 年後可公開查詢

中 華 民 國 95 年 10 月 30 日

摘 要

本計畫乃針對超寬頻天線與電波傳播特性進行研究，其中應用了HFSS電磁數值模擬套裝 軟體，來分析超寬頻天線輻射場型與反射損失，以設計超寬頻天線，並且使用本校無線通訊 與電磁相容技術研發中心之遠場天線量測無反射實驗室，來實測超寬頻天線反射損失與輻射 場型，以驗證模擬結果。另外，亦發展了室內廣射線柱追蹤程式，以進行室內超寬頻無線通 訊電波場強分佈之模擬，並且建立場強分佈測量系統，來進行超寬頻段電波場強分佈測量並 與模擬結果比較驗證之。

關鍵詞：超寬頻天線、時域有限差分法、射線追蹤法、電波傳播

Abstract

In this project, antennas and propagation properties for ultra-wideband (UWB) systems are studied. The HFSS electromagnetic numerical simulation software package was applied to simulate the radiation patterns and return loss of the UWB antennas to obtain good designs. Then, measurements of the radiation patterns and return loss for the UWB antennas are performed by using the far-field antenna measurement anechoic chamber in NTUST Communication and Electromagnetic Technology Center in order to verify the simulation results. Besides, a global ray-tube tracing program is developed to simulate the indoor wave propagations for UWB wireless communications. A measurement system is also established to perform tests for the field distributions of the waves at UWB frequencies to compare with the simulation results.

Keywords: UWB Antenna, FDTD, Ray Tracing Method, Wave Propagation.

一、簡介

超寬頻(Ultra-Wideband, UWB: 3.1GHz~10.6GHz)為美國軍方使用多年的技術，運用於透 地雷達、穿牆影像偵測等特種任務。於商業上，將可開發作為短距離且兼具高速多媒體資訊 的無線傳輸界面，形成無縫隙通訊的重要技術環節。美國在2002年2月經FCC正式立法通過開 放商業化用途後，立即成為資訊、通訊與數位家電等各方業者關注的焦點，例如應用於影像、

車用雷達、通訊與量測等系統[1]-[3]。IEEE並成立802.15.3a工作小組，著手制定以UWB技術 為核心之無線網路(WLAN)資訊存取控制(Medium Access Control, MAC)與實體層(Physical Layer, PHY)標準規格。近年來超寬頻已成為無線個人網路(WPAN)的一項重要技術，主要應 用於10公尺以內個人空間範圍的數位資料傳輸。另外，超寬頻除了頻寬高、傳送速率快(最高 可達500Mbps)以外，還具有低耗電量、安全性高、高速傳輸、低干擾、定位功能精準、低成 本晶片結構等特色，十分適合無線個人網路與數位家電產品應用環境的需求。

本期計畫乃針對超寬頻天線特性與其電波場強分佈進行模擬與測量，其中應用了HFSS有 限元素法套裝模擬軟體，來模擬超寬頻天線之輻射場型與反射損失，並建立超寬頻天線輻射 場強分佈之自動量測系統，來測量室內超寬頻段電波訊號場強分佈，且於本校無線通訊無反 射實驗室進行天線遠場場型與反射損失實測。此外，也發展超寬頻廣射線柱追蹤程式，來分 析超寬頻天線於室內之電波場強分佈特性與訊號涵蓋範圍。

針對超寬頻系統之通訊技術，國內外已有一些文獻發表[4]-[29]，其中包括超寬頻天線之 介紹[4]-[5]、天線設計與測量[6]-[11]、編碼技術之探討[12][13]、傳播通道之模擬與測量 [14]-[19]、天線應用[20][21]以及通訊改善技術[22]-[32]等。此外，亦建立了一些通道模型及 特定環境(Site-Specific)架構之套裝軟體，然而這些軟體的運算效率、正確性與適用性仍有待 加強，並且套裝軟體無法加以發展而價格亦相當高，因此國內研究單位實有自行開發電波傳 播模擬程式的必要，使國內無線通訊通道特性研究可以向下紮根向上結果，建立完備之電波 傳播模擬程式與測量方法，以提昇無線通訊系統的效能。

二、超寬頻天線之模擬與測量

本節應用 HFSS 套裝模擬軟體建立超寬頻天線模型，以模擬超寬頻天線之反射損失與輻 射場型，來設計超寬頻天線。此外，亦實測一款 TDK 超寬頻天線之反射損失和輻射場型，以 分析與比較之。

TDK 超寬頻天線乃應用低溫共燒陶瓷(LTCC)技術，為多層陶瓷堆疊技術的一種，其中陶 瓷材料具有高介電與低損秏的特性，可作為天線封裝材料。不過 LTCC 製程相當繁雜，製作 成本高，且製程因素限制導線與介電材料的選擇，又有陶瓷胚體與線路燒結收縮不一致而造 成導體線路變型的問題。

本研究模擬設計之超寬頻天線乃導入近五年與詮欣公司合作開發之結合印刷電路技術製 程與嵌入式射出成型(Insert Molding)封裝技術，來製作晶片天線，如此不僅可以降低製程成 本並且符合輕、薄、短、小的設計要求。此外，應用印刷電路板的製作方式可以精準地蝕刻 出我們所設計的天線線路，所以產能與良率較 LTCC 優良。另外，由於 LTCC 製程之天線為 陶瓷結構，所以容易因為震動或撞擊而使其內部天線線路產生裂縫而影響天線品質。至於使 用印刷電路技術和射出成型材料封裝製作之晶片天線則相當堅固，並具有微型化(Tiny)、隱 藏性(Embedded)以及可與表面黏著技術(Surface Mounting Technology, SMT)結合等諸多優 點，非常適合作為超寬頻系統或是一般無線通訊行動裝置使用。

圖一所示為本研究模擬設計之一款超寬頻射出成型晶片天線，其中天線長寬尺寸為 10x10mm

²

³

另外，模擬所得之遠場輻射場型具有不錯的全向性，且最大增益值約 2dB 左右，有相當良好 之天線輻射效率。不過，模擬結果中有部分頻帶的反射損失不到-10dB，後續將進一步改良設 計之。

本研究亦實測了 TDK 超寬頻晶片天線(ANT1085-4R1-01A, 大小為 10x8.5mm

²

(1) 反射損失：此款 TDK 超寬頻晶片天線之-10dB 反射損失頻率範圍在 3.1GHz 至 10.6GHz 間，並且在 5.8GHz 的 WLAN 頻段有一良好的 notch 效果，整體天線輻射效能頗佳，因此 可應用於超寬頻系統頻段之高速傳輸、低干擾等需求。

(2) 輻射場型：由於TDK超寬頻晶片天線的尺寸相當小(10x8.5mm

²

三、室內超寬頻無線通訊電波場強模擬與測量

室內超寬頻無線通訊電波場強分佈測量系統是以手推車載運向量網路分析儀與接收天線 等設備，如圖七所示，經由車輪轉動觸發電腦記錄位置，並應用場強自動測量程式，以自動 記錄場強和位置，來獲得場強分佈特性，其中位置記錄器是在車輪上裝設磁簧開關、磁鐵和 連接磁簧開關與滑鼠之端子，當車輪轉動時磁簧開關將受磁鐵磁力之影響，使得滑鼠按鈕產 生開與關兩種狀態，再配合場強自動測量程式即可獲得所在位置。另外，此自動測量程式亦 可控制向量網路分析儀，並將測量結果儲存在電腦中，以供後續資料之處理，圖八為此自動 測量程式控制畫面。

本研究亦發展廣射線柱追蹤程式，來分析超寬頻天線於室內之電波場強分佈特性與訊號 涵蓋範圍。應用射線追蹤法模擬場強分佈時，乃輸入測量所得室內主要物體結構大小以及發 射與接收天線位置，如圖九所示之二維平面架構，其中是以TDK超寬頻晶片天線作為發射天 線並置於地板上方0.91m，水平座標定為(1.12, 0.48)。至於接收天線則為圖七所示一款雙錐型 寬頻天線（1~18GHz），置於地板上方1.33m，並沿著路徑A到路徑K移動，其中各路徑端點之 水平座標分別為：#1(1.5,1.43)、#2(6.4,1.43)、#3(6.4,3.88)、#4(1.5,3.88)、#5(1.5,7.8)、#6(6.4,7.8)、

#7(-7.13,-1.31)、#8(6.16,1.31)、#9(-2.15,1.62)、#10(-7.35,1.62)、#11(-7.35,4.83)、#12(-1.91,4.83)、

#13(-1.91,7.72)、#14(-7.2,7.72)。

量測及模擬結果繪於圖十，其中包括4~8GHz等五個頻率點，說明如下：

(1) 路徑A-F位於發射天線涵蓋範圍的視界線(Line of Sight)內，且教室內僅有桌椅，並無大型 金屬障礙物，且其高度均低於發射和接收天線高度，因此所接收訊號之貢獻主要來自直 接波，當發射與接收相距較近時，反射波所造成衰落（Fading）效應較小，而兩者相距較 遠時，則可看出明顯之衰落現象。

(2) 路徑G-K會受到牆壁之阻隔，其場強主要來自穿透與繞射效應，而相較於視界線內之結 果，場值有明顯衰減。

(3) 室內電波傳播主要是經由直接波、地面反射、建築物主體的反射及繞射等方式，而模擬 結果顯示訊號隨位置變化甚大，此為多重路徑訊號衰落所造成。不過由於實測之點數較 少，並且實際複雜環境與模擬結構之差異亦會對小範圍（波長大小）訊號變化有很大影 響，以及天線實際場型與模擬時所採用之資料亦有所差異，因此，並不容易獲得非常相 近之快速衰減效應。

(4) 量測及模擬之趨勢變化（即Slow Fading）則大致接近，此為建築物主體對此微波訊號的 屏蔽效應。因此，所發展之射線追蹤程式可以應用於模擬分析室內超寬頻訊號之涵蓋特 性。

四、結論

本研究應用HFSS套裝模擬軟體建構超寬頻晶片天線之模型，來計算天線反射損失與輻射 場型，以設計超寬頻射出成型晶片天線，並實測了TDK一款超寬頻LTCC晶片天線特性。此外，

本計畫發展且應用廣射線柱追蹤程式，來分析超寬頻天線於室內之電波場強分佈特性。另外，

亦將超寬頻天線架設於教室內外，測量了超寬頻天線周遭電磁場強分佈特性，並與射線追蹤 模擬結果比較，兩者趨勢變化大致接近。

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圖一 超寬頻射出成型晶片天線模擬外觀圖

-16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2

0 30 60 90 120

150

180

210

240 270

300 330 -16

-14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2

dBi

Simulated radiation patterns in H-plane (YZ-plane)

4G 6G 8G 10G

(a)

-15 -10 -5 0 5

0 30 60 90 120

150

180

210

240 270

300 330 -15

-10

-5

0

5

d B i

Simulated radiation patterns in E-plane (XZ-plane)

4G 6G 8G 10G

(b)

圖三 超寬頻射出成型晶片天線之輻射場型

0 2 4 6 8 10 12

-35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0

R e tu rn L o s s (d B )

Frequency (GHz)

Chip UWB Antenna S 11

圖二 超寬頻射出成型晶片天線之反射損失

圖四 TDK 超寬頻 LTCC 晶片天線之實體圖

0 2 4 6 8 10 12

-35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5

R e tu rn L o s s (d B )

Frequency (GHz)

TDK Antenna S

圖五 TDK超寬頻LTCC晶片天線反射損失 (a) H-plane

(b) E-plane

-35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5

0 30 60 90 120

150

180

210

240 270

300 330 -35

-30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5

dBi

Measured radiation patterns in H-plane (YZ-plane)

Co-pole@4G Co-pole@6G Co-pole@8G Co-pole@10G

(a)

-12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2

0 30 60 90

120

150

180

210

240 270

300 330 -12

-10 -8 -6 -4 -2 0 2

d B i

Measured radiation patterns in E-plane (XZ-plane)

Co-pole@4G Co-pole@6G Co-pole@8G Co-pole@10G

(b)

圖六 TDK超寬頻LTCC晶片天線輻射場型

圖七 室內超寬頻自動測量系統架構

圖八 自動測量程式控制畫面

X Y

7 .3 m 7 .3 m

9.48m

0.91m

Tx

A C E

B

D

F G I K

H

9 J

1

2 3

4 5

6 8

10 11 14

12 13 7

圖九 測量環境之平面示意圖 (a) H-plane

(b) E-plane

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 -55

-45 -35 -25 -15 -5 5

K J H I G E F

D C B A

N o rm a liz e d re c e iv e d p o w e r (d B )

Position

Measurements Simulations

(a) 4GHz

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

-50 -40 -30 -20 -10 0 10

J K H I G F E D C A B

N o rm a liz e d re c e iv e d p o w e r (d B )

Position

Measurements Simulations

(b) 5GHz

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

-50 -40 -30 -20 -10 0 10

J K H I G F E D C A B

N o rm a liz e d re c e iv e d p o w e r (d B )

Position

Measurements Simulations

(c) 6GHz

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

-40 -30 -20 -10 0 10 20

K J H I G E F

D C B A

N o rm a liz e d re c e iv e d p o w e r (d B )

Position

Measurements Simulations

(d) 7GHz

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

-55 -45 -35 -25 -15 -5 5

J K H I G F E D C A B

N o rm a liz e d re c e iv e d p o w e r (d B )

Position

Measurements Simulations

(e) 8GHz

圖十 測量與模擬結果之比較

計畫成果自評部份

本計畫乃針對超寬頻天線與電波傳播特性進行研究，研究內容與原計畫大致相符、達成 預期目標，其中應用了HFSS電磁數值模擬套裝軟體，來分析超寬頻天線輻射場型與反射損 失，以設計超寬頻晶片天線，並且實測超寬頻天線反射損失與輻射場型。此外，本計畫發展 且應用廣射線柱追蹤程式，來分析超寬頻天線於室內之電波場強分佈特性。另外，亦將超寬 頻天線架設於教室內外，測量了超寬頻天線周遭電磁場強分佈特性，並與射線追蹤模擬結果 比較，兩者趨勢變化大致接近。

相關超寬頻晶片天線設計、所發展室內廣射線柱追蹤法、以及模擬與實測等研究成果預 期可發表於國際知名學術期刊。