研 究 生:黃明偉

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國立臺灣科技大學 電 機 工 程 系

碩士學位論文

學 號: M9307913

內建式GPS天線之特性及效能分析

Properites and Performance of Built-in GPS Antennas

研 究 生:黃明偉

指導教授:楊成發 博士

中華民國 九十六 年 七 月 二十六 日

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摘 要

本論文探討微型晶片天線與Patch陶瓷天線的設計與應用上之場型 變化,並研究如何調整場型與天線感度,其中主要是針對GPS(1575MHz) 微型晶片天與Patch陶瓷天線在實際使用上,3D場型之比較。在設計的 部份有三個歩驟:(1)應用電磁數值模擬軟體來建立微型晶片天線與 Patch陶瓷天線單體架構與整機架構,並模擬天線單體於整機使用時之 3D場型差異與特性變化(2)實測微型晶片與Patch陶瓷天線之3D場型,

並比較模擬與量測之結果,以驗證天線設計的正確性與設計上需考量的 要點。

至於在晶片天線製造部份,則是採用嵌入式射出成型技術,其作法 為:先將天線導體線路製作於基板上,再使用介電複合材料以嵌入式射 出成型封裝,最後將晶片天線個體以鑽石機切割取下,如此即完成微型 晶片天線之製作。

至於Patch陶瓷天線製造部份,則是採用低溫共燒陶瓷技術,此為多 層陶瓷堆疊技術的一種,因為陶瓷材料具有高介電與低損秏的特性,所 以低溫共燒陶瓷技術被引用到天線開發製程。使用低溫燒結的陶瓷材料 再加上厚膜印刷技術即發展出低溫共燒陶瓷技術,此製程較為繁瑣,其 中輻射導體線路是以導電材料平面印刷於陶瓷基板生胚體之上,再於相 鄰之兩層基板間,相對應之線路端分別製作相連的貫穿孔,透過網板印 刷來填滿貫穿孔以連結上下兩層線路,達到想要完成的天線立體結構。

關鍵字: 微型晶片天、Patch陶瓷天線、內建式GPS天線

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Abstract

This thesis discuss about the electromagnetic field variation of design and application with miniature chip antenna and patch ceramics antenna, and studies how to adjust the field pattern and the antenna sensitivity, mainly aims at the GPS (1575MHz) miniature chip antenna and patch ceramics antenna, then compared the 3D field pattern in reality application. There are 3 steps at designing: (1) Use electromagnetic numerical simulate software to construct the structure of miniature chip antenna and patch ceramic antenna, and simulate the variation of 3D field pattern and characteristics while it used by single antenna and complete device. (2) Test 3D field pattern of miniature chip and patch ceramic antenna, and then compares the result of simulation and measurement, confirms the accuracy of antenna designing and major point of designing.

Regarding manufacture of chip antenna, it uses the technology of embedded Insert Molding, the method is: Build the circuit of antenna conductor on mother board, then uses the multiple dielectric material, packaged by embedded Insert Molding, and then cuts the individual chip antenna by diamond cutter, finally completes the manufacture of miniature chip antenna.

Regarding patch antenna, it uses low temperature burning ceramic technology, one of multi-layered ceramics piling technology. Because the ceramic material has characteristics with high dielectric and low abrasion, therefore the technology of low temperature burning ceramic has been quoted to the procedure of antenna development. Additionally, the heavy film printing technological develop into technology of low temperature burning ceramic, it takes complicated procedure. In this procedure, the circuit of radiate conductor is printed on ceramic substrate Green Sample with conductible materials, between 2 layers of mother board, drill the connecting aperture for indicated circuit, use halftone printing to fill the aperture to connect the closed 2 layers, achieve 3D antenna structure by intending.

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致 謝

本論文得以如期順利完成,首先感謝指導教授 楊成發 博士的耐心 栽培與指導,其嚴謹的教學精神與研究態度,不僅使學生在專業知識和 研究工作上獲益良多,待人處事方面亦成長許多,師恩浩瀚,在此獻上 最誠摯的感謝。另外,口試委員 馬自莊 博士、 廖文照 博士在口試期 間的指導以及對本論文提出許多改進的地方,均使學生受益良多,亦使 本論文更為完善,僅此表謝意。

研究過程中,特別要感謝 大眾電腦、雅新實業、麗臺科技 等企業 的栽培,以及詮欣公司無線通訊事業部 胡泉凌 協理及 廖昌倫 學長的 指導與量測儀器的支援,加上學弟 陳彥銘 、 王釗偉 、 王威翔 等,

多位學長、學弟在技術上的指導與實驗量測上的幫忙,讓我能在這三年 的時光中,順利完成論文研究。

最後,由衷感謝家人的栽培與鼓勵,給予我良好的學習環境,讓我 無後顧之憂的專心致力於學業與研究,獻上此份榮耀給我的父母親與家 人。

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目錄

第一章 緒論... 1

1.1 研究背景... 1

1.2 分析探討之目的: ... 1

1.3 論文大綱: ... 2

第二章 GPS 系統介紹... 3

2.1 GPS 整體架構... 3

2.2 GPS 原理概論... 4

2.3 GPS 定位原理... 4

2.4 GPS 的應用範圍... 6

2.4.1 GPS 應用於導航... 6

2.4.2 GPS 應用於時間校準... 6

2.4.3 GPS 應用於高精度測量... 7

第三章 GPS 天線介紹... 8

3.1 螺旋式GPS 天線(HELICAL GPS ANTENNA)... 9

3.2 陶瓷片型GPS 天線(PATCH GPS ANTENNA) ... 10

3.3 晶片式GPS 天線(CHIP GPS ANTENNA) ... 11

第四章 晶片型GPS 天線... 12

4.1 晶片式GPS 天線之設計架構與製造方式... 12

4.2 微型晶片式GPS 天線之設計... 14

第五章 PATCH 陶瓷天線... 16

5.1 PATCH 陶瓷天線設計架構... 16

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5.3 矩形微帶天線設計與分析... 23

第六章 晶片型GPS 天線之模擬與實測... 25

6.1 GPS 晶片天線之分析... 25

6.1.1 晶片天線DEMOBOARD 之模擬與實測分析... 27

6.1.2 晶片天線模組之模擬與實測分析... 31

6.1.3 晶片天線模組裝置在系統之模擬與實測分析... 35

6.2 整機場型改善方法... 39

6.2.1 整機場型改善方法一... 39

6.2.2 整機場型改善方法二... 43

6.3 晶片天線之應用效果改善分析... 46

第七章 PACTH 陶瓷天線模擬與實測... 47

7.1 內建式PATCH 陶瓷天線之摸擬與實測... 49

7.1.1 晶片天線DEMOBOARD 之模擬與實測分析... 49

7.1.2 晶片天線模組之模擬與實測分析... 52

7.1.3 晶片天線模組裝置在系統之模擬與實測分析... 56

7.2 整機場型改善方法... 59

7.2.1 整機場型改善方法一... 59

7.2.2 整機場型改善方法二... 63

7.3 晶片天線之應用效果改善分析... 67

第八章 晶片天線與PATCH 陶瓷天線... 68

8.1 低溫共燒陶瓷(LTCC)製程簡介... 69

8.2 嵌入式射出成型製程簡介... 71

8.3 晶片天線與陶瓷天線在製程上的比較... 73

第九章 GPS 晶片天線與PATCH 天線在功能性上之比較... 75

(9)

第十章 結論... 78

10.1 總結... 78

10.2 具體成果... 79

10.3 未來研究與發展方向... 80

參考文獻... 81

(10)

圖目錄

圖 2- 1 全球人造衛星示意圖... 3

圖 3- 1 螺旋天線示意圖... 9

圖 3- 2 PATCH 陶瓷天線示意圖... 10

圖 3- 3 晶片式GPS 天線示意圖... 11

圖 4- 1 晶片天線示意圖(A)介電材料封裝(B)天線焊點... 13

圖 4- 2 晶片式GPS 天線測試板詳細架構尺寸圖... 15

圖 5- 1 同軸線饋入的矩形微帶天線結構圖... 16

圖 5- 2 饋入點位置圖... 18

圖 5- 3 矩形微帶天線的結構圖... 19

圖 5- 4 矩形微帶天線的等效電流密度圖(一) ... 20

圖 5- 5 矩形微帶天線的等效電流密度圖(二) ... 21

圖 5- 6 矩形微帶天線輻射槽孔與磁流密度圖... 22

圖 5- 7 矩形微帶天線在非輻射槽孔上的電流密度圖... 22

圖 5- 8 E平面的輻射場型... 23

圖 5- 9 H平面的輻射場型... 23

圖 5- 10 微帶天線俯視圖與側視圖... 24

圖 6- 1 GPS 整機天線整體結構圖... 26

圖 6- 2 HFSS 繪製GPS整機模擬結構圖... 26

圖 6- 3 CHIP 晶片天線DEMOBOARD 結構圖... 27

圖 6- 4 HFSS CHIP 晶片天線DEMOBOARD 結構圖... 27

圖 6- 5 HFSS 模擬晶片天線DEMOBOARD S11模擬圖... 28

圖 6- 6 晶片天線DEMOBOARD S11測試圖... 29

(11)

圖 6- 7 HFSS 模擬晶片天線DEMOBOARD 3D場型圖... 30

圖 6- 8 晶片天線DEMOBOARD 3D場型實測圖... 30

圖 6- 9 GPS 晶片天線模組圖... 31

圖 6- 10 HFSS 繪製CHIP 晶片天線模組模擬圖... 32

圖 6- 11 HFSS 模擬晶片天線模組S11模擬圖... 32

圖 6- 12 晶片天線模組S11測試圖... 33

圖 6- 13 HFSS 模擬晶片天線模組3D場型圖... 34

圖 6- 14 晶片天線模組3D場型實測圖... 34

圖 6- 15 GPS CHIP 晶片天線整機圖... 35

圖 6- 16 HFSS 繪製晶片天線整機模擬圖... 36

圖 6- 17 HFSS 模擬整機S11模擬圖... 36

圖 6- 18 晶片天線整機S11測試圖... 37

圖 6- 19 HFSS 模擬晶片天線整機3D場型圖... 38

圖 6- 20 晶片天線整機3D場型實測圖... 38

圖 6- 21 晶片天線整機側蓋補銅箔結構圖... 40

圖 6- 22 HFSS 繪製晶片天線整機側蓋補銅箔結構模擬圖... 40

圖 6- 23 HFSS 模擬晶片天線整機側蓋補銅箔S11模擬圖... 41

圖 6- 24 晶片天線整機在側蓋補銅箔S11測試圖... 41

圖 6- 25 HFSS 模擬晶片天線整機在前蓋補銅箔3D場型圖... 42

圖 6- 26 晶片天線整機在側蓋補銅箔3D場型實測圖... 42

圖 6- 27 HFSS 繪製晶片天線整機側蓋補銅箔及改變天線材質結構模 擬圖... 43 圖 6- 28 HFSS 模擬晶片天線整機側蓋補銅箔及改變天線材質S11模擬

(12)

圖 6- 29 HFSS 模擬晶片天線整機在前蓋補銅箔及改變天線材質之3D

場型圖... 45

圖 7- 1 整機測試結構圖... 48

圖 7- 2 HFSS 模擬結構圖... 48

圖 7- 3 GPS 陶瓷天線DEMOBOARD 圖... 49

圖 7- 4 HFSS GPS陶瓷天線DEMOBOARD模擬圖... 50

圖 7- 5 HFSS 模擬GPS陶瓷天線DEMOBOARD S11模擬圖... 50

圖 7- 6 GPS 陶瓷天線DEMOBOARD S11測試圖... 51

圖 7- 7 HFSS 模擬GPS陶瓷天線DEMOBOARD 3D場型圖... 51

圖 7- 8 GPS 陶瓷天線DEMOBOARD 3D場型實測圖... 52

圖 7- 9 GPS 陶瓷天線模組圖... 53

圖 7- 10 HFSS GPS 陶瓷天線DEMOBOARD 模擬圖... 53

圖 7- 11 HFSS 模擬GPS 陶瓷天線模組 S11模擬圖... 54

圖 7- 12 GPS 陶瓷天線模組S11測試圖... 54

圖 7- 13 HFSS 模擬GPS陶瓷天線模組3D場型圖... 55

圖 7- 14 GPS 陶瓷天線模組3D場型實測圖... 55

圖 7- 15 GPS 陶瓷天線整機圖... 56

圖 7- 16 HFSS GPS陶瓷天線整機模擬圖... 56

圖 7- 17 HFSS 模擬GPS 陶瓷天線整機S11模擬圖... 57

圖 7- 18 GPS 陶瓷天線整機S11測試圖... 57

圖 7- 19 HFSS 模擬GPS陶瓷天線整機3D場型圖... 58

圖 7- 20 GPS 陶瓷天線整機3D場型實測圖... 58

圖 7- 21 GPS 陶瓷天線整機前蓋補銅箔圖... 59

圖 7- 22 HFSS GPS 陶瓷天線整機前蓋補銅箔模擬圖... 60

(13)

圖 7- 23 HFSS 模擬GPS 陶瓷天線整機前蓋補銅箔S11模擬圖.... 60

圖 7- 24 GPS 陶瓷天線整機前蓋補銅箔S11測試圖... 61

圖 7- 25 HFSS 模擬GPS陶瓷天線整機前蓋補銅箔3D場型.圖... 62

圖 7- 26 GPS 陶瓷天線整機前蓋補銅箔3D場型實測圖... 62

圖 7- 27 GPS 陶瓷天線整機後蓋補銅箔圖... 63

圖 7- 28 HFSS GPS 陶瓷天線整機後蓋補銅箔模擬圖... 64

圖 7- 29 HFSS 模擬GPS 陶瓷天線整機後蓋補銅箔S11模擬圖.... 64

圖 7- 30 GPS 陶瓷天線整機後前蓋補銅箔S11測試圖... 65

圖 7- 31 HFSS 模擬GPS 陶瓷天線整機後蓋補銅箔3D場型圖... 65

圖 7- 32 GPS 陶瓷天線整機後蓋補銅箔3D場型實測圖... 66

圖 9- 1 PATCH陶瓷天線與微型晶片外觀比較圖... 76

(14)

表目錄

表6- 1 微型晶片在各種狀況下之比較圖表... 46

表7- 1 PATCH 陶瓷天線在各種狀況下之比較圖表... 67

表8- 1 低溫陶瓷共燒製作流程圖... 70

表8- 2 天線製程比較... 74

表9- 1 PATCH 陶瓷天線與微型晶片比較圖表... 77

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第一章 緒論

1.1 研究背景

全球定位系統(Global Positioning System - GPS)是美國從本世 紀 70 年代開始研製,歷時 20 年,耗資 200 億美元,於 1994 年全面 建成,具有在海、陸、空進行全方位即時三維導航與定位能力的新一 代衛星導航與定位系統。GPS 以全天候、高精度、 自動化、高效益 等顯著特點,贏得廣大測繪工作者的信賴,並成功地應用於大地測 量、工程測量、航空攝影測量、運載工具導航和管制、地殼運動監測、

工程變形監測、資源勘察、地球動力學等多種學科,從而給測繪領域 帶來一場深刻的技術革命。

1.2 分析探討之目的:

改良GPS天線的收訊效果與場型,以搭配各種機構外觀,使GPS 裝置能達到最佳之收訊效能。

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1.3 論文大綱:

1.GPS 研究背景 2.GPS 系統介紹 3.GPS 各式天線介紹

4.晶片式GPS天線—設計架構介紹 5.Patch陶瓷天線—設計架構介紹

6.分析GPS 晶片天線—整機系統模擬與3D場形實測之分析與改善 7.分析GPS 陶瓷天線—整機系統模擬與3D場形實測之分析與改善 8.GPS 晶片天線與Ptach陶瓷天線在製程上之分析

9.GPS 晶片天線與Ptach陶瓷天線在功能上之分析 10.結論

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第二章 GPS 系統介紹

2.1 GPS 整體架構

全球定位系統(Global Positioning System,縮寫 GPS)是美國第二代 衛星導航系統。是在子午儀衛星導航系統的基礎上發展起來的,它採 納了子午儀系統的成功經驗。和子午儀系統一樣,全球定位系統由空 間部分、地面監控部分和用戶接收機三大部分組成。

按目前的方案,全球定位系統的空間部分使用 24 顆高度約 2.02 萬千米的衛星組成衛星星座。21+3 顆衛星均為近圓形軌道,運行週 期約為11 小時 58 分,分佈在六個軌道面上(每軌道面四顆),軌道 傾角為 55 度。衛星的分佈使得在全球的任何地方,任何時間都可觀 測到四顆以上的衛星,並能保持良好定位解算精度的幾何圖形。這就 提供了在時間上連續的全球導航能力。

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2.2 GPS 原理概論

GPS 由三個獨立的部分組成:

1.空間部分:21 顆工作衛星,3 顆備用衛星。

2.地面支撐系統:1 個主控站,3 個注入站,5 個監測站。

3.用戶設備部分:接收 GPS 衛星發射信號,以獲得必要的導航和 定位資訊,經資料處理,完成導航和定位工作。GPS 接收機 硬體一般由主機、天線和電源組成。

2.3 GPS 定位原理

GPS 定位的基本原理是根據高速運動的衛星瞬間位置作為已知 的起算數,採用空間距離後方交會的方法,確定待測點的位置。假設 t 時刻在地面待測點上安置 GPS 接收機,可以測定 GPS 信號到達接 收機的時間△t,再加上接收機所接收到的衛星星曆等其他資料可以 確定以下四個方程式:

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[(x1-x)2+(y1-y)2+(z1-z)]1/2+c(Vt1

V

to)=d1 [(x2-x)2+(y2-y)2+(z2-z)] 1/2+c(Vt2

V

to)=d1 [(x3-x)2 +(y3-y)2+(z3-z)] 1/2+c(Vt3

V

to)=d1 [(x4-x)2+(y4-y)2+(z4-z)] 1/2+c(Vt4

V

to)=d1

上述四個方程式中待測點座標x、 y、 z 和 Vto為未知參數,其中 di=c△ti (i=1、2、3、4)。

di (i=1、2、3、4) 分別為衛星 1、衛星 2、衛星 3、衛星 4 到接收機 之間的距離。

△ ti (i=1、2、3、4) 分別為衛星 1、衛星 2、衛星 3、衛星 4 的信號 到達接收機所經歷的時間。

c 為 GPS 信號的傳播速度(即光速)。

四個方程式中各個參數意義如下:

x、y、z 為待測點座標的空間直角坐標。

xi 、yi 、zi (i=1、2、3、4) 分別為衛星 1、衛星 2、衛星 3、衛星 4 在 t 時刻的空間直角坐標,可由衛星導航電文求得。

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Vto為接收機的鐘差。

由以上四個方程即可解算出待測點的座標x、y、z 和接收機的鐘差 Vto 。

2.4 GPS 的應用範圍

2.4.1 GPS 應用於導航

• 船舶遠洋導航和進港引水

• 飛機航路引導和進場降落

• 汽車自主導航

• 地面車輛跟蹤和城市智慧交通管理

• 緊急救生

• 個人旅遊及野外探險

• 個人通訊終端(與手機,PDA,電子地圖等集成一體)

2.4.2 GPS 應用於時間校準

• 電力,郵電,通訊等網路的時間同步

• 準確時間的佼準

• 準確頻率的較準

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2.4.3 GPS 應用於高精度測量

• 各種等級的大地測量,控制測量

• 道路和各種線路放樣

• 水下地形測量

• 地殼形變測量,大壩和大型建築物變形監測

• GIS 應用

• 工程機械(輪胎吊,推土機等)控制

• 精細農業

(22)

第三章 GPS 天線介紹

GPS 導航系統需要藉由不斷更新的衛星訊號來維持其準確性,所 以負責接收訊號的天線,就變成相當的重要。

GPS 設備所應用頻段為 1.57542 GHz,通常使用圓形極化(CP),

如:右旋圓極化(RHCP)或左旋圓極化(LHCP),用於發射、接 收及同一頻譜範圍內的使用,這是因為 GPS 所產生的訊號是一種右 旋圓極化(RHCP)波形;因此,在天線設計階段,也需要以右旋圓 極化類型的天線設計,才能在 GPS 訊號的接收上,獲得較準確的資 訊。

一般而言,右旋圓極化天線可分為平板式天線(Patch Antenna)、

螺旋式天線(Helical Antenna)、螺線式天線(Spiral Antenna)、正 交偶極式天線(Crossed Dipole Antenna)等類別。另外,有一種薄膜 天線(Thin-Film Antenna)設計方式,則是運用了印刷方式,可以與 收音機與車用數位電視天線結合,印刷在車體後車窗上,兼具車窗除 霧熱線與節省空間的功能,但並不適用於輕薄短小的可攜式設備。

一般來說,絕大多數 GPS 導航系統所使用的天線模組,可分為

(23)

3.1 螺旋式 GPS 天線(Helical GPS antenna)

係由一根金屬螺旋線構成,因此天線在軸向具有最大單方向輻射 的方向特性,一般稱之為軸向式模組輻射態,並設有左、右旋之分,

分別接收左、右旋的極化波。另外,也具有更寬的接收仰角,不過其 增益值也相對較低。螺旋天線特性適用在各個方向都要求能自由使用 的導航終端產品,例如:行動手持式導航產品。這是因為手持式產品 在靠近人體時容易產生干擾訊號;因此,在此情況下,若使用螺旋天 線比較不容易產生干擾訊號。其主要原因在於,不論導航產品距離人 體多遠或是多近的位置,在各個方向手持終端產品時都能實現GPS 訊號接收。不過…螺旋天線也存在一個缺點,則是因為天線孔徑小,

大大限制了整體導航設備接收靈敏度。

圖 3- 1 螺旋天線示意圖

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3.2 陶瓷片型 GPS 天線(Patch GPS antenna)

Patch 陶瓷天線具備較佳的方向特性,在輻射源方面則能夠達到 正交面中的最大增益性;換個角度來說,就是水平基準面上的輻射元 件能夠接受從頂點發來的訊號具有最大增益。不過,當水平基準面上 接收仰角範圍較狹窄時,其靈敏性會造成較大影響。因此,片型天線 適合用於主要朝向上方的 GPS 導航的終端產品中;譬如,可應用在 車載用導航中,利用擋風玻璃將導航設備安裝在排氣罩上,再經由輻 射元件的尺寸及下方輻射經過的接地面尺寸共同決定的天線孔徑

(antenna aperture)大小,將會影響到天線訊號的接收靈敏性。

圖 3- 2 Patch 陶瓷天線示意圖

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3.3 晶片式 GPS 天線(Chip GPS antenna)

本論文分析之晶片天線是引用單極天線模式(Monopole antenna) 來作為設計基礎,透過將天線輻射體線路曲折(meander)與封裝材料之 選用,可使天線縮小來變成晶片天線。晶片天線之設計模型是應用 HFSS模擬軟體來設計並建立天線模型,實體製造方式是採用嵌入射 出成型技術來製作,天線射出完成後,實測結果,確定其天線效果優 良,為可以實際用於GPS系統上之天線,而且天線體積輕薄短小,更適 合應用於手持式行動系統。

圖 3- 3 晶片式 GPS 天線示意圖 (虛線框線內為晶片天線)

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第四章 晶片型 GPS 天線

4.1 晶片式 GPS 天線之設計架構與製造方式

本論文分析之晶片天線,設計之原理是以單極天線作為原始的架 構。天線主體為一印刷電路板與介電複合材料所共同構成的元件,天 線輻射體線路先蝕刻於印刷電路板上,接著以介電複合材封裝於此架 構體,亦即天線輻射體線路是封裝於印刷電路板與介電材料之間,其 中天線饋入(feed)方式是將印刷電路板穿孔與電鍍,訊號由印刷電路 板下層之饋入點引入天線輻射體,並且於此天線之饋入面做出固定天 線 用 的 焊 接 點(solder) , 使 晶 片 天 線 形 成 表 面 黏 著 裝 置 (Surface Mounting Device, SMD),如圖4-1 所示。由於封裝材料的介電係數及 天線體的彎曲架構可以有效地縮短天線的長度,所以本研究之晶片天 線具有小型化以及可與表面黏著技術結合等特點,是一種相當適合用 攜帶式小型射頻裝置的晶片式天線。

此晶片天線設計方式,顧慮到晶片天線在產品量產化的可行性 與天線整體上成本的考量,此晶片天線是採用液晶高分子材料(Liquid Crystal Polyester, LCP)來作為晶片天線的封裝材料。LCP 為一種塑膠 材質,成本低廉並且容易加工,其相對介電係數(Relative Permittivity)

(27)

為4,損秏正切(Loss Tangent)為0.01。另外,由於雕刻與蝕刻晶片天 線導體線路的最小尺寸為0.15mm,所以線距皆以不小於0.15mm,為 原則。

此晶片天線設計方式,是利用印刷電路板的製作方式,蝕刻出設 計的天線線路,而且用印刷電路板來支撐天線線路,這樣設計與製造 式之天線的品質與良率也相當之穩定。

圖 4- 1 晶片天線示意圖(a)介電材料封裝(b)天線焊點

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4.2 微型晶片式 GPS 天線之設計

本論文所分析之晶片天線,設計方式是採用HFSS模擬軟體建立 GPS晶片天線模型與測試板模型,其架構如圖4-2 所示。微型晶片天 線之整體外觀大小為10mm(L) × 8mm(W) × 0.8mm(H),測試板的長度 為80mm、寬度為40mm、厚度為0.8mm。天線與測試板之板材選用 FR4,其相對介電係數為4.4,損秏正切為0.02;而天線之封裝材料為 LCP,其相對介電係數為4,損秏正切為0.01。

本論文分析之晶片天線,主體是以單極天線作為原始的架構,

利用微帶金屬線將單極天線以兩不同方向曲折線路組合而成,並在天 線導體線路輸入端進行穿孔與電鍍,於天線主體矩形方塊表面做出饋 入端接點與固定天線用之焊接點,以形成表面黏著元件,即為晶片式 GPS天線。

(29)

圖 4- 2 晶片式 GPS 天線測試板詳細架構尺寸圖

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第五章 Patch 陶瓷天線

5.1 Patch 陶瓷天線設計架構

本論文分析之Patch陶瓷天線,所引用之設計原理,為微帶天線 設計原理。

微帶天線設計原理,具有製作容易,成本低等優點。其結構包含 了輻射金屬片,介電質基版,還有饋入電路和接地金屬面。圖5-1為 同軸線饋入的矩形微帶天線結構圖。一般而言,輻射金屬片的形狀有 矩形,環形,圓形等等。餽入電路的方法又可分為同軸線饋入,微帶 線饋入,槽孔耦合饋入等等方法。

5- 1 同軸線饋入的矩形微帶天線結構圖

(31)

基板介電質常數的範圍一般為2.2≦

ε

r≦12 ,而基版厚度大約為 0.003λ0≦h≦0.05λ0通常較小的介電常數和較大的基板厚度,會有 較好的天線增益和頻寬。不過隨著基版厚度的增加,天線的輻射效率 將隨之下降。當基底厚度介於0.01λ0 和0.02λ0之間時,天線的輻射 效率為最高,可達到80%以上。

在阻抗匹配方面,在TM01模態操作下,以同軸線饋入矩形微帶天 線時,其天線端的輸入阻抗為Zin

Zin=ZA × cos2

L y

p

π

)...(5.1)

ZA=90 1

2 r

r

ε

ε

W

L

2 …..(5.2)

其中,ZA

為邊緣饋入的輸入阻抗,L、W 則為矩形微帶天線之

長與寬(如圖5-1 所示),yp饋入點位置(指饋入點至輻射金屬片邊緣的 距離,如圖5-2 所示),由此可見,饋入點的X座標對於輸入阻抗影響 不大,但當yp為0或L時,也就是從邊緣饋入時,輸入阻抗為最大值,

一般約在100~400 歐姆之間;而從天線中央饋入時( χ =

W

2,y=

),阻抗則為零,也就是無法激發TM

(32)

5- 2 饋入點位置

此外,矩形微帶天線頻寬的近似式如(5.3)式。由(5.3)式可知,當 介電常數較低、介質基板較厚或W/L 越大時,就可以得到較大的頻 寬,一般而言,頻寬大約在1~2%左右。

BW3.77( 21

r r

ε ε

)(

λ

0

h

)(

L W

),

λ

0

h

<< 1….(5.3)

矩形微帶天線,一般都操作在TM01模態,此時,天線的輻射能量 在垂直於輻射金屬面的方向上為最大,天線的場型近似於半波長單偶 極天線。然而,由於不同的基板介電質和厚度,和不同的輻射金屬片 長寬比,使得矩形微帶天線的增益大約介於3~8 dBi之間。

5.2 空腔模型理論(cavity model theorem)

當微帶線的基板厚度遠小於操作波長時,輻射金屬片(patch)邊緣 的洩漏場將會變的很小,使得電場方向將幾乎垂直於輻射金屬片,也 就是基板中只存在TMx模態。此時,我們可以用空腔模型理論來分析

(33)

微帶天線,而輻射金屬片和接地面間可視為一填充介電材料的空腔結 構。此結構的上下兩面為電牆,其餘四面為磁牆。不過,此空腔結構 是有損耗,能量的損耗亦代表天線電波能量的輻射。

5- 3 矩形微帶天線的結構圖

圖5-3 為矩形微帶天線的結構圖。我們將基板的介電材料覆蓋範 圍縮短使其不超過輻射金屬片的邊緣,並將輻射金屬片下覆蓋的矩形 結構視為一空腔結構。根據此空腔結構,可得下列的齊性波動方程式:

2AXΚ2AX=0…..(5.4)

其中Ax為向量磁位。考慮電牆及磁牆的邊界條件,可得(5.4)式的特徵 值Kmnp

為(5.5)式:

(34)

K=K

mnp

2 2

2

+

+

W p L

n h

m π π π

…….(5.5)

故此空腔在TMXmnp的共振頻率為(5.6)式

( ) f

r mnp

r

C ε

2

π

2 2

2

+

+

W p L

n h

m π π π

… (5.6)

由等效定理可知,輻射金屬片上的電流密度為Jt,空腔周圍槽孔的等 效電流密度為Js ,等效磁流密度為Ms ,分別如圖5-4所示。其中,Js

=-

n

×Ha,Ms =-

n

×Ea此處,n為垂直磁牆單位向外分量,Ea和

Ha分別為磁牆上的電場和磁場強度。

5- 4 矩形微帶天線的等效電流密度圖(一)

(35)

5- 5 矩形微帶天線的等效電流密度圖(二)

當基板厚度遠小於輻射金屬片寬度,使得Jt 將遠小於Js,此時Jt

之值可忽略。同理,磁牆上的磁場強度也十分地微弱,所以在四面磁 牆上的等效電流將會很小,故可將此等效電流視為零,如圖5-5所示。

因此,天線的輻射能量將由磁牆上的等效磁流決定。由等效原理知,

等效磁流為Ms=-

n

×Ea。

以TMx010 模態為例,圖5-6 和圖5-7 為TMx010的等效磁流分佈 圖。空腔周圍的四面磁牆,可被視為會輻射能量的小槽孔。圖中小槽 孔的輻射場型等效於一個磁流密度為M s的磁偶極天線。所以圖5-6 中寬度W 高h度的兩個小槽孔可視為磁流大小相等,相位相同的兩根 磁偶極天線。故在垂直於輻射金屬片的方向上將會有最大的輻射能

(36)

5- 6 矩形微帶天線輻射槽孔與磁流密度圖

5- 7 矩形微帶天線在非輻射槽孔上的電流密度圖

圖5- 8 和圖5- 9 為圖5- 6 兩槽孔分別在E平面(θ=90° or xy 平 面)和H平面(xz平面)的輻射場型。同理可得,圖5-7 中長度為L高度 為h兩槽孔的輻射能量將在E平面和H平面互相抵消。由上述可知,操 作在TMx010模態下的微帶天線為垂射天線。

(37)

圖5- 8 E平面的輻射場型

圖5- 9 H平面的輻射場型

5.3 矩形微帶天線設計與分析

矩形微帶天線,在實際情況下,由於介質基板厚度不會遠小於波 長,在與電流流向垂直的天線邊緣,會有溢出電場(fringing fields)的 現象,導致天線的等效長度增加,其增加的等效長度△L 如(5.7)式:

( )

⎟⎞

⎜⎛ + +0.3 W 0.264

ε

(38)

ε

reff

2 +1 εr

+ 2

−1 εr

⎥⎦

⎢⎣⎡ +

W

12

h

1 12

W h

>1….(5.8)

因此,對於共振長度為的微帶天線而言,其有效的共振長度將變 為Lreff,Lreff=L+2△L如圖5-10 所示。如此一來,天線的共振頻率將 會往下降。故在實際製作天線時,需要考慮邊界溢出電場場影響,並 且修正矩形金屬片的實際長度。

5- 10 微帶天線俯視圖與側視圖

(39)

第六章 晶片型 GPS 天線之模擬與實測

6.1 GPS 晶片天線之分析

本章節的內容是分析內置式晶片天線用於 GPS 整機系統上的模

擬與實測狀況之比較,進而分析之並且提出改善方案。分析之手法為 首先從天線單體單獨進行模擬與實測,接著進行將天線單體與 GPS 整機整合後之模擬與實測。

實測之順序如圖6-1,在圖 6-1 中可以分別看到的是 (i)晶片天線放在測試板(Demo Board)上,

(ii)將晶片天線實作成天線模組,

(iii)GPS 主機板與天線模組整合後的測試樣品。

而圖6-2 是利用 HFSS 繪製 GPS 整機模擬結構圖,從本圖中可以 看到如何將 GPS 整合後的測試樣品繪製成模擬軟體所需要的模擬結 構圖。

(40)

圖 6- 1:GPS 整機天線整體結構圖

(41)

6.1.1 晶片天線 Demoboard 之模擬與實測分析

分析方式為將天線單體焊於測試板上進行模擬與測試,焊在測 試板上的外觀如圖6-3、圖 6-4 所示。這樣的做法是因為將晶片天線 連接到在測試板的GND 上,以形成最理想之環境,可以充份發揮天 線本身的特性下進行測試,天線才有足夠的淨空區,以及GND 平面,

故這樣的測試環境下測出的結果最能代表天線本身的功能表現。

圖 6- 3 chip 晶片天線 Demoboard 結構圖

(42)

S11 模擬與實測比較圖如圖 6-5 跟圖 6-6 所示。圖 6-5 是天線單 體利用HFSS 軟體模擬出來的模擬值,而圖 6-6 是天線單體與測試板 利用網路分析儀實測出來的結果。

圖 6-5 中模擬出來的結果顯示,S11 Return loss 的值都有小於 -10dBi,代表此一模擬結果是可以做為參考之用。圖 6-6 中天線單體 實測結果也是S11 Return loss 小於 -10dBi。此兩結果有一致性。

圖 6- 5 HFSS 模擬晶片天線 Demoboard S11 模擬圖

(43)

圖 6- 6 晶片天線 Demoboard S11 測試圖

接著進行 3D 場型模擬值與實測值的比較圖。圖 6-7 是晶片單體 HFSS 模擬結果,此一晶片天線的模擬場型朝上並且 Gain 值的大小是 合乎本研究的設計需求。

(44)

圖 6- 7 HFSS 模擬晶片天線 Demoboard 3D 場型圖

實體量測值的結果如圖6-8 所示,在最理想狀況下進行,3D 場型 實際測與模擬可以發現Gain 值有+1.99dBi 以及最理想的 3D 場型。

圖 6- 8 晶片天線 Demoboard 3D 場型實測圖

(45)

6.1.2 晶片天線模組之模擬與實測分析

上面的章節,將天線單體放在測試板上。本章節則是將晶片天線 單體放置於公板之後,製做成天線模塊,由於體積的限制,必需將天 線GND 縮小,變為實際上產業界較長為使用之 GPS 天線樣式。

將天線放置在16.5mm × 26.5mm 舖銅 PCB 板上,並且預留出天 線所需之淨空區,這個大小與形狀,為依據實際系統形狀需求所設計 出來之天線模塊。如圖 6-9、圖 6-9,再進一步用軟體與實測分析之 場型與收訊效果。

圖 6- 9 GPS 晶片天線模組圖

(46)

圖 6- 10 HFSS 繪製 Chip 晶片天線模組模擬圖

圖 6-11 是晶片天線模塊 HFSS 的模擬結果,圖中顯示中央共振 點的Return loss 值有小於 -4dBi。

(47)

圖6-12 則是晶片天線模塊實體去利用網路分析儀測量值,中央共 振點的Return loss 值有小於-10 dBi,這樣的規格是可以被 GPS 手持 裝 置 所 使 用 。 圖 中 也 顯 示 此 一 晶 片 天 線 模 組 的 Bandwidth 為 100MHz(左上角, 點 1 的頻率減去點 3 的頻率)。

圖 6- 12 晶片天線模組 S11 測試圖

接著的是晶片天線模組的3D 場型模擬與實測比較圖,如圖 6-13 及圖6-14 所示。圖 6-13 是晶片天線模組的 HFSS 模擬 3D 場型圖,

此一晶片天線的模擬場型朝上,是符合使用需求。另一方面Gain 值

(48)

圖 6- 13 HFSS 模擬晶片天線模組 3D 場型圖

圖 6-14 是此一晶片天線經由網路分析儀所得到的實體量測值結 果。場型與模擬值接近,不過發現整個 Gain 值都下降許多(-2dBi),

由此可以推斷因為GND 的大小縮小,會明顯造成整體天線感度的下 降,並且影響到場型的變化。

(49)

6.1.3 晶片天線模組裝置在系統之模擬與實測分析

本節將會把晶片模組放置於GPS 主機板上,形成一個完整的 GPS 裝置,如圖 6-15 與圖 6-16 所示。進行 S11 模擬與實測之如圖 6-17 圖 6-18,再近一步測試 3D 場型,如圖 6-19、圖 6-20。

結果分析發現將晶片天線模組放置於整機 GPS 系統中進行量測 時,發現原本單獨的天線模組場型與感度都不錯,但是將天線模組 放入 GPS 主機板,天線場型與感度都受到機台內部機構件與主板等 相關零件影響,導致場型變化極大,感度也嚴重下降到-2dBi,已經不 符合場型向上設計之要求,故需研究如何改善場型與感度,後續章 節會在敘述有效的改善方法。

圖 6- 15 GPS Chip 晶片天線整機圖

(50)

圖 6- 16 HFSS 繪製晶片天線整機模擬圖

圖 6-17 是整機的 HFSS S11 模擬圖,Return loss 為-3 dBi。這是 因為沒有matching 的模擬結果,模擬無法做 matching,但是實際的 使用天線時可以藉由matching 來改善 Return Loss。

(51)

整機的實體量測值如圖6-18 所示,經過增加 matching 後,Return Loss 可以改善到-10 dBi 以下。Bandwidth 為 100MHz。

圖 6- 18 晶片天線整機 S11 測試圖

圖 6-19 為 HFSS 模擬整機 3D 場型圖的結果,發現整機場型偏下方,

非我們設計上之要求。造成場型偏下的原因是因為 GPS 主機板的影 響,並非天線本身的設計問題。為了改善此一問題,在側蓋補銅箔修 正天線 3D 場型之模擬與實測,如圖 6-21 圖 6-22,再進行相關之測 試。

(52)

圖 6- 19 HFSS 模擬晶片天線整機 3D 場型圖

圖 6- 20 為整機 3D 場型實測圖,經過與上圖的比較可以發現,場型 與模擬值相似,Gain 值也是偏低。這樣的影響是來自於 GPS 主機板 的加入所造成的。

圖 6- 20 晶片天線整機 3D 場型實測圖

(53)

6.2 整機場型改善方法

原本晶片天線的設計是符合要求的,但是將天線模組與 GPS 主 機板結合後,加入主機板的情況下,接收機整體的效能大打折扣,不 但是 Gain 降低,並且場型也大受影響。為克服因為整體整合後所產 生的副作用,本研究將會提出有效的改善方法,來克服此一整合的問 題。

改善的方法將會分兩種方法進行,主要以將場型調整回來為主要 目標,並且兼顧到Gain 值的回復。後面接著將會就本次研究中歸頡 出來的有效調整方法詳述,加之以實測數據佐證之。

6.2.1 整機場型改善方法一

因為增加GPS 主機板後影響到天線模組本身的場型,因此嘗試利 用銅箔貼附於GPS 主機板與天線模組之間,嘗試著藉由這樣的方法 改變天線的場型。經過多組實驗後發現,將機殼內側加銅修正場型可 以調整場行向上,因此修正的方法一會以此為修改的方向。

圖 6-21 是整機在側蓋補銅箔後的結構圖,由於銅箔是貼在整機

(54)

圖 6- 21 晶片天線整機側蓋補銅箔結構圖

圖 6- 22 HFSS 繪製晶片天線整機側蓋補銅箔結構模擬圖

圖 6-23 是整機側蓋補銅箔後的 HFSS 模擬圖,HFSS 模擬結果顯 示,S11 的 Return loss 略有改善,最大的改變是場型的變化。請參考 圖6-25。

(55)

圖 6- 23 HFSS 模擬晶片天線整機側蓋補銅箔 S11 模擬圖

圖 6-24 是整機實體量測值,Return loss 為 -20dBi。Bandwidth 為 50MHz。Return loss 的改善是因為增加 matching 的原因。

圖 6- 24 晶片天線整機在側蓋補銅箔 S11 測試圖

(56)

度。與圖 6-26 實際測得的場型圖做比較發現,兩者場型類似,有一 致的趨勢。

圖 6- 25 HFSS 模擬晶片天線整機在前蓋補銅箔 3D 場型圖

圖 6- 26 晶片天線整機在側蓋補銅箔 3D 場型實測圖

測試 S11,如圖 6-23 圖 6-24,與 3D 場型,如圖 6-25 圖 6-26 分 析發現,在系統機殼的內側,貼上銅箔,可以改變場型,可以將天現

(57)

場型修正於正上方,就可以附合設計上,場型向上之要求,但實驗結 果發現,整體場型雖合乎要求,但是整體天線的感度與效率,並沒有 因增加銅箔面積而上升,故需再研究如何改善天線之接收效率與感 度。

6.2.2 整機場型改善方法二

改善方法二,除了在側蓋加貼銅箔外,並且同時改變晶片天線的 本身的 LCP 厚度 與 FR4 的介電材質常數,經過這些改變後,再進 行S11 模擬,如圖 6-28 所示,與 3D 場型模擬,如圖 6-29 之後發現。

實驗的結果可以明顯發現,改善天線效率,增加天線感度。

整機用晶片天線模組,並在機殼側蓋貼銅箔修正 3D 場型模擬 之,以及改變天線材料與厚度,如圖 6-27 所示,用 HFSS 模擬之,

並分析其改變後的接收效率。

(58)

HFSS 模擬結果如圖 6-28 所示,HFSS 模擬結果顯示,S11 的 Return loss 略有改善,最大的改變是場型的變化。

圖 6- 28 HFSS 模擬晶片天線整機側蓋補銅箔及改變天線材質 S11 模擬圖

圖 6-29 為 HFSS 模擬整機在前蓋補銅箔及改變天線材質之後 3D 場型圖,場型因為受到了 GPS 主機板的影響,但是有貼銅箔修正場 型,因此在模擬後也發現場形保持朝上。

(59)

圖 6- 29 HFSS 模擬晶片天線整機在前蓋補銅箔及改變天線材質之 3D 場型圖

經過以上發現,在側蓋加貼銅箔調整 3D 場型向上的前提之下,

需再改變晶片天線的LCP 厚度,改變薄成總厚度為 0.15mm 與 FR4 的介電材質常數Dielectric Loss Tangent=0.01,進行 S11 模擬,如圖 6-28,與 3D 場型模擬,如圖 6-29 之後發現,可以明顯的改變天線效 率增加到44%與感度增加為+1.84 dBi。

(60)

6.3 晶片天線之應用效果改善分析

Chip 天線場型 效能比較

Chip demoboard Chip module Chip 整機

Frequency (MHz) 1570 1575 1580 1570 1575 1580 1570 1575 1580 Gain (dBi) -0.859 -1.036 -1.197 -2.223 -2.328 -2.169 -1.888 -2.011 -1.991 Average Gain (dBi) -3.404 -3.456 -3.519 -9.006 -9.086 -8.887 -6.507 -6.628 -6.737 Efficiency (%) 45.667 45.123 44.478 12.57 12.341 12.921 22.351 21.735 21.199

6- 1 微型晶片在各種狀況下之比較圖表

從上實測結果發現,如表6-1,分析結果發現,晶片天天線收訊之 效果好與壞取決於,GND 面積之大小,與場型的好壞。當 GND 小時 收訊之效率會變差,故須調整天線之材質,即可以改善天線效率。

(61)

第七章 Patch 陶瓷天線模擬與實測

Patch 天線在本實驗中是擔任對照組的角色,藉由分析內置式 Patch 陶瓷天線,用在 GPS 整機系統上的摸擬與實測裝況,進而與本 實驗所用之晶片天線比較分析之。分析之手法與前面分析晶片天線的 手法相同,為從天線單體進行摸擬與實測,進而演進到整機之模擬與 實測。

實測之順序如圖7-1,在圖 7-1 中可以分別看到的是 (i)Patch 天線放在測試板(Demo Board)上,

(ii)將 Patch 天線實作成天線模組,

(iii)GPS 主機板與 Patch 天線模組整合後的測試樣品。

而圖7-2 是利用 HFSS 繪製 GPS 整機模擬結構圖,從本圖中可以 看到如何將 GPS 整合後的測試樣品繪製成模擬軟體所需要的模擬結 構圖。

(62)

圖 7- 1 整機測試結構圖

圖 7- 2 HFSS 模擬結構圖

(63)

Patch 陶瓷天線從公板測試場型,進而演進到天線模組,然後 進入整機實測,經由各階段不同結構測試出不同場型變化以及感度變 化,進而進行分析與改良。

7.1 內建式 Patch 陶瓷天線之摸擬與實測

7.1.1 晶片天線 Demoboard 之模擬與實測分析

分析方式從單體放置於公板上進行摸擬與測試,如圖 7-3、圖 7-4,因為將天放置在測試用公板上,公板條件為在最理想之環境狀 況下進行測試,天線有足夠的淨空區,以及GND 平面,故可以測出 次天線最理想的功能表現。

圖 7- 3 GPS 陶瓷天線 Demoboard 圖

(64)

圖 7- 4 HFSS GPS 陶瓷天線 Demoboard 模擬圖

圖 7-5 為利用 HFSS 來模擬 GPS 陶瓷天線 Demoboard S11 模擬 圖,圖7-6 則是 Patch 天線 Demoboard 利用網路分析儀實際量測的結 果。兩者對照顯示,模擬與實測值一致。

圖 7- 5 HFSS 模擬 GPS 陶瓷天線 Demoboard S11 模擬圖

(65)

圖 7- 6 GPS 陶瓷天線 Demoboard S11 測試圖

圖7-7 為利用 Ansoft HFSS 去模擬 Patch 陶瓷天線 Demoboard 的 3D 場型圖。圖 7-8 為 Patch 陶瓷天線 Demoboard 3D 場型實測圖,結 果相當類似。

(66)

圖 7- 8 GPS 陶瓷天線 Demoboard 3D 場型實測圖

模擬與實體測量場 3D 場型,可以看到整體場型趨勢是向正上 方,而且模擬場型與實測場型是相似的,故模擬是有設計參考價值的。

在最理想狀況下進行,進行S11 模擬與實測,發現測試是一致的 都可以達到-10dBi 以下,如圖 7-5、圖 7-6,都是在理想狀態,再進 一步作3D 場型實際測與模擬可以發現 Gain 值有+3.18 dBi 以及最理 想的3D 場型 如圖 7-7、圖 7-8。

7.1.2 晶片天線模組之模擬與實測分析

當晶片天線單體放置於公板之後,近一步將天線 GND 縮小,變 為實際上產業界較長為使用之GPS 天線樣式。將天線放置在 16.5mm

(67)

× 26.5mm 舖銅 PCB 板上,並且預留出天線所需之淨空區,這個大小 與形狀,為依據實際系統形狀需求所設計出來之天線模組。如圖7-9、

圖7-10,再進一步用軟體與實測分析之場型與收訊效果。

圖 7- 9 GPS 陶瓷天線模組圖

圖 7- 10 HFSS GPS 陶瓷天線 Demoboard 模擬圖

圖7-11 為利用 HFSS 模擬 Patch 陶瓷天線模組所得到的 S11 模擬 圖,圖7-12 為 Patch 陶瓷天線模組 S11 測試圖,兩者的結果相當一致,

(68)

圖 7- 11 HFSS 模擬 GPS 陶瓷天線模組 S11 模擬圖

圖 7- 12 GPS 陶瓷天線模組 S11 測試圖

圖7-13 為 HFSS 模擬 Patch 陶瓷天線模組 3D 場型圖,圖 7- 14 則

(69)

圖 7- 13 HFSS 模擬 GPS 陶瓷天線模組 3D 場型圖

圖 7- 14 GPS 陶瓷天線模組 3D 場型實測圖

將天線放置在16.5mm × 26.5mm 舖銅 PCB 板上,進行 S11 模擬 與實測結果如圖 7-11、圖 7-12,再進行 3D 場型實測如 圖 7-13、圖

(70)

7.1.3 晶片天線模組裝置在系統之模擬與實測分析

將晶片模組放置於GPS 裝置之內,如圖 7-15、圖 7-16,進行 S11 模擬與實測之如圖7-17、圖 7-18,再近一步測試 3D 場型,如圖 7-19 圖 7-20,結果分析發現將晶片天線模組放置於整機 GPS 系統中進行 量測。

圖 7- 15 GPS 陶瓷天線整機圖

圖 7- 16 HFSS GPS 陶瓷天線整機模擬圖

(71)

圖 7- 17 是整機的 HFSS S11 模擬圖,Return loss 為-10 dBi,但是 實際的使用天線時可以藉由matching 來改善 Return Loss。

圖 7- 17 HFSS 模擬 GPS 陶瓷天線整機 S11 模擬圖

(72)

圖 7- 19 HFSS 模擬 GPS 陶瓷天線整機 3D 場型圖

圖 7- 20 GPS 陶瓷天線整機 3D 場型實測圖

Patch 陶瓷天線模組放置於整機 GPS 系統中進行量測,如圖 7-19 圖7-20。將 Patch 陶瓷天線模組裝置在整機系統中,再用同軸線與主 機板GND 連結,再進行模擬與實測,實測後發現,可以提高整體收 訊Gain 值到+2.03 dBi,但是 3D 場型,會因為機體四周圍機構件影

(73)

響導致,整體 3D 場型產生變化,故需將整機場型調整為向上才是設 計上所需要的,因此模擬是設計中必要的一環。

7.2 整機場型改善方法

7.2.1 整機場型改善方法一

收訊感度雖然足夠,但是 3D 場型並非我們所要的,所以在機殼 前蓋貼銅薄修正3D 場型,如圖 7-21、圖 7-21,進行 S11 之實測與模 擬,如圖 7-22、圖 7-23,與 3D 場型摸擬,如圖 7-24、圖 7-25,進 一步分析機構改變對整體場型與感度的影響。

圖 7- 21 GPS 陶瓷天線整機前蓋補銅箔圖

(74)

圖 7- 22 HFSS GPS 陶瓷天線整機前蓋補銅箔模擬圖

圖7-23 為 HFSS 模擬 Patch 陶瓷天線整機前蓋補銅箔 S11 模擬圖,圖 7- 24 為 Patch 天線整機前蓋補銅箔 S11 測試圖,兩者結果一致,並且 Return Loss 均有-10 dBi 以上。

(75)

圖 7- 24 GPS 陶瓷天線整機前蓋補銅箔 S11 測試圖

圖7-25 為 HFSS 模擬 Patch 陶瓷天線整機前蓋補銅箔 3D 場型圖,

圖7-26 為 Patch 陶瓷天線整機前蓋補銅箔 3D 場型實測圖。兩者結果 相當類似,因此模擬結果相當可以參考,也可以藉此模擬設計其它新 型天線。

(76)

圖 7- 25 HFSS 模擬 GPS 陶瓷天線整機前蓋補銅箔 3D 場型圖

圖 7- 26 GPS 陶瓷天線整機前蓋補銅箔 3D 場型實測圖

整機配Patch 陶瓷天線模組,並在前蓋補銅箔修正整體場型,雖

(77)

為收訊最強方向是偏下方的,這種場型並非我們設計上所需要的場型, 故需再進一步研究改良場型。

7.2.2 整機場型改善方法二

針對 Patch 天線所做的場型改善方法,雖然收訊感度雖然足夠,

但是3D 場型並非我們所要的,這樣還是不能提高感度。因此再機殼 前蓋貼銅薄修正3D 場型,如圖 7-27、圖 7-28 所示,進行 S11 之實測 與模擬,如圖 7-29、圖 7-30,與 3D 場型摸擬,如圖 7-31、圖 7-32,

進一步分析機構改變對整體場型與感度的影響。

圖 7- 27 GPS 陶瓷天線整機後蓋補銅箔圖

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圖 7- 28 HFSS GPS 陶瓷天線整機後蓋補銅箔模擬圖

圖 7-29 為 HFSS 模擬 Patch 陶瓷天線整機後蓋補銅箔 S11 模擬 圖,圖7-30 為 Patch 陶瓷天線整機後前蓋補銅箔 S11 測試圖。兩者的 結果相當一致,顯示模擬的結果在Patch 天線是可以參考的。

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圖 7- 30 GPS 陶瓷天線整機後前蓋補銅箔 S11 測試圖

圖7- 31 為 HFSS 模擬 Patch 陶瓷天線整機後蓋補銅箔 3D 場型圖,

圖7- 32 為 Patch 陶瓷天線整機後蓋補銅箔 3D 場型實測圖。

圖 7- 31 HFSS 模擬 GPS 陶瓷天線整機後蓋補銅箔 3D 場型圖

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圖 7- 32 GPS 陶瓷天線整機後蓋補銅箔 3D 場型實測圖

整機用Patch 天線模組,在後蓋補銅箔修正整體場型,可以得到 更好的Gain 值。

因為在後蓋補銅箔修正整體場型,可以得到收訊 Gain 值+1.29

dBi 及 43%的效率,且可以將整體收訊方向,向上調整,以克服小天 線收訊角度小之方向性問題,這是我們在天線研發及天線與整機搭配 上,所需要了解的,值得我們進一步研究與改良。

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7.3 陶瓷天線之應用效果改善分析

Patch 天線場型效能 比較

Patch demoboard Patch module Patch 整機 Patch 補銅箔(前蓋) Patch 補銅箔(後蓋)

Frequency (MHz) 1590 1600 1610 1570 1575 1580 1570 1575 1580 1570 1575 1580 1570 1575 1580 Gain (dBi) -5.625 -2.867 1.005 -1.312 0.46 0.173 -0.671 -0.439 0.298 2.031 -0.281 0.56 1.29 -0.36 -1.142 Average Gain (dBi) -9.872 -7.678 -4.064 -6.408 -5.04 -4.69 -3.962 -4.107 -4.414 -3.95 -4.161 -3.971 -3.831 -3.924 -3.603 Efficiency (%) 10.299 17.068 39.224 22.864 31.335 33.961 40.156 38.845 36.188 40.275 38.36 40.077 41.395 40.509 43.624

7- 1 Patch 陶瓷天線在各種狀況下之比較圖表

從上表實測結果發現,如表7-1,分析結果發現,Patch 陶瓷天線 收訊之效果好與壞取決於GND 面積之大小,與場型的好壞。當 GND 小時,則收訊之效率會明顯變差,故須以同軸線與主板GND 相接,

增加GND 面積,即可以改善收訊感度與天線接收效率。

另外,貼銅箔可以引導場型到所需要的方向,故分析發現,在GPS 裝置中的適當區域貼銅箔,不只可以加天線收訊感度,更可以有效改 變天線內置與系統內之場型。

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第八章 晶片天線與 Patch 陶瓷天線 在製程上的比較

本章將介紹晶片天線與 Patch 陶瓷天線的製造程序,目前市面上 常見的Patch 陶瓷天線製程大多採用[低溫共燒陶瓷] (Low Temperature Co-Fired Ceramic, LTCC)來製造,因為陶瓷材料具有較高 的介電特性與並且有較低的材料損耗,因此LTCC 天線容易設計的成 微型化,但其製程因為需要約900 度的共燒溫度,因此設備複雜昂 貴,且天線設計自由度較低。

晶片天線製造方法-[嵌入射出成型製程],其特色是利用印 刷電路板來作為天線輻射體線路的構裝體,將天線輻射體線路製作在 此構裝體上,再使用介電複合材料以嵌入射出成型方式來封裝此構裝 體,最後將天線之預型體以鑽石刀切割取下,即完成晶片天線之製作。

以下將對[嵌入射出成型製程]與[低溫共燒陶瓷製程]做一 個重點的介紹,再比較這兩種製程之優點與缺點。

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8.1 低溫共燒陶瓷(LTCC)製程簡介

低溫共燒陶瓷技術為多層陶瓷堆疊技術的一種,因為陶瓷材料具 有高介電與低損秏的特性,所以低溫共燒陶瓷技術被引用到天線開發 製程。

一般而言,LTCC 使用的導體材料為具有良好高頻特性的銀 (Ag)、銅(Cu)與金(Au),其在高頻時的傳導損失較小,故適合無線通 訊裝置所使用之導體。但由於銅導體需在氣氛保護狀態下與陶瓷胚體 共燒,往往增加製程的難度,而金導體的成本較高,因此低溫共燒製 程當中常以銀來當做線路導體而不用金或是銅。由於銀的熔點為 961℃,所以需在原本必須高溫燒結的陶瓷,必須添加低熔點的燒結 助劑幫助降低陶瓷的燒結溫度,讓陶瓷燒結時溫度必須在900℃以 下,使低熔點的銀金屬可與陶瓷共燒。

利用可低溫燒結的陶瓷材料再加上厚膜印刷技術即發展出低溫 共燒陶瓷技術。低溫共燒陶瓷的製程較為繁瑣,其中[輻射導體線路]

是以導電材料平面印刷於陶瓷基板生胚體之上,再於相鄰之兩層基板 間,相對應之線路端分別製作相連的貫穿孔,透過網板印刷來填滿貫

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結(約800℃~900℃)合成為單一元件。

詳細的低溫共燒製作流程如表8-1 所示,各步驟製程說明如下:

步驟 名稱 敘述

1 Frame setting

將添加陶瓷、玻璃與高分子等複合材料用 刮刀成形的薄帶切成所需要的大小,固定 在框架上。

2 Via punching 在薄帶上把需要作為導通用的孔製作出 來。

3 Via filling 把作為導通用的孔用填充電鍍的方式填 滿。

4 Pattern Printing 將設計好的線路用網印技術把金屬印在 薄帶上。

5 Metal Frame Removing

在薄帶上打出定位用的孔,然後將框架移 除。

6 Stacking 將每一層網印完成的薄帶堆疊成多層的 生胚。

7 Sealing Package 把堆疊完成的薄帶真空包裝。

8 Laminating Isostatic

將真空包裝的生胚用液體加壓使每一層 之間能夠緊密的貼合在一起。

9 Co-firing 將生胚在溫度約為 850~900¢J 之間使金屬 導體與陶瓷共燒。

10 Post Printing &

Firing

將已完成共燒的胚體在表面印刷電路並 燒附。

11 Testing 測試完成後的胚體,是否符合原先設計。

8- 1 低溫陶瓷共燒製作流程圖

以上的討論可以了解到LTCC製造過程相當的繁雜且製作成本高 的原因。除了製程因素限制了導線與介電材料的選擇外,又有陶瓷胚 體與線路燒結收縮不一致使得導體線路變型的問題,而且導體在燒結 過程當中容易造成線路擴散使得上層與下層導體短路。基於其製程較

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複雜、設備投資金額龐大及天線設計上自由度低等缺點,往往導致開 發產品所需的前置期較長及研發成本因而提高。

8.2 嵌入式射出成型製程簡介

在 介 紹 嵌 入 射 出 成 型 製 程 之 前 , 我 們 先 了 解 一 下 射 出 成 型 (Injection Molding)製程。射出成型製程簡單來說是指將塑料加熱熔 融,再由加壓裝置加壓射入模具模穴中成型;射出成型以模具的機械 動作可分為[鎖模階段]、[充填階段]、[保壓階段]、[冷卻階 段]及[開模頂出]等五個階段,但以熔膠在模具的流動至開模為止,

則可分為[充填]、[保壓]及[冷卻]三個過程,而嵌入射出成型 則是其變化的製程,事先將所需封裝之金屬或零件置入,再進行射出 成型的過程。

分析晶片天線的製造方式,天線主體為一印刷電路板與介電複合 材料所共構而成的單一元件,天線輻射體線路先蝕刻於印刷電路板 上, 接著以介電複合材封裝此構裝體, 亦即將蝕刻於印刷電路板上 之天線半成品置於射出成型機內,再把已加熱熔融之介電複合材料,

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構可以有效地縮短天線的長度,所以本研究之晶片天線具有微型化 (Tiny)、隱藏性(Embedded)以及可與表面黏著技術(Surface Mounting Technology, SMT)結合等優點,是一種相當適合用於微小型射頻裝置 的晶片天線製造技術。

為了顧慮到晶片天線在產品量產化的可行性與天線整體上成本 的考量,晶片天線是使用液晶高分子材料(Liquid Crystal Polyester, LCP)來作為晶片天線的封裝材料。LCP為一種塑膠材質,其相對介電 係數(Relative Permittivity)為4,損秏正切(Loss Tangent)為0.01,此材 料不僅成本低廉加工容易,熔融後流動性佳在射出成型時能充填薄小 的模穴,而且耐熱與耐化學性良好、線膨脹係數小、尺寸安定性佳並 具極低吸水性,故非常適合用於晶片天線之封裝材料。

晶片天線是利用印刷電路板的製作方式,不但可以精準的蝕刻出 設計的天線線路,而且用印刷電路板來作為天線線路之基材使其天線 線路成形的穩定度大幅增加,如此一來就不會受封裝(LCP)塑膠原料 射出的壓力及塑料流速的影響而變形,所以天線的品質及效能不但相 對提高,產能與良率也較LTCC優良許多。

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8.3 晶片天線與陶瓷天線在製程上的比較

從以上的製程介紹,可以清楚地瞭解天線元件的製作程序,其中 低溫共燒陶瓷技術已被廣泛地應用於無線通訊產品的小型化與模組 化,雖然LTCC製程有高介電特性與低損耗的特點,但其製程較繁瑣、

設備投資金額龐大且需有生產製造關鍵技術的掌握,使得跨入此生產 製程的勞動成本門檻極高較不適合台灣產業環境。

相對來說,嵌入式射出成形封裝技術,不但生產出來的天線成品 之電器特性均一,加工過程簡單並且可靠,製程參數易於控制,加之 以封裝材料便宜取得容易,因此本研究採用嵌入式射出成型封裝技術 來進行晶片天線的開發與製造。相對於低溫共燒陶瓷技術,此製程的 技術門檻相對較低,具有製造成本低、生產良率高與天線設計自由度 高且易於達到客制化等優點,並且由實際製造的晶片天線量測結果顯 示,採用此製程生產的晶片天線特性亦可達到與低溫共燒陶瓷晶片天 線一樣良好的天線性能,最後將這兩種晶片天線製程的特性比較列於 表8-2 中。

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製程 特性

低溫共燒陶瓷製程 崁入式射出成型製程

天線尺寸 較大 較小

製程介電常數 中-高 低-中

介電損失 低 低

金屬材料 金、銀、銅 銅

量產速度 (複雜)慢 (簡易)快

生產良率 (複雜)低 (簡易)高

產品價格 成本高 成本低

客製化設計 不容易 容易

表8- 2 天線製程比較

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第九章 GPS 晶片天線與 Patch 天線在 功能性上之比較

一般而言,目前小型衛星定位裝置之接收天線大都採用[低溫共 燒陶瓷製程]做的[Patch 型天線],這種天線的尺寸大、重量過重、

接收電波的頻寬窄以及生產成本較高,慢慢地已經無法符合小型化衛 星定位裝置的需求。特別是近年來相當熱門的衛星定位手機、掌上型 衛星定位器與微型衛星追蹤裝置等,其裝置小型化已成儼然的趨勢,

特別要求天線要小型化並且維持其接收特性,過大的天線再也無法適 用於這些小型裝置。所以本研究研發一款利用[嵌入射出成型製程]

製作之新型GPS用微型[晶片天線],其特性為尺寸微小、重量輕、

接收電波的頻寬大以及生產成本低,擁有這些優點的情況下還可以維 持接收特性,非常適用於現今小型化的衛星定位裝置來使用。

Patch 型天線之天線輻射場型多為單一方向性(指向性),因為以 往衛星定位裝置大多應用於汽車導航、船隻航行導航、飛行器導航 等,衛星定位裝置在使用時固定於某處不會任意移動,天線只要固定

數據

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參考文獻

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