行政院國家科學委員會專題研究計畫 期末報告
簡易式天線匹配量測系統開發
計 畫 類 別 ： 個別型
計 畫 編 號 ： NSC 100-2221-E-011-148-
執 行 期 間 ： 100 年 08 月 01 日至 101 年 10 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 ： 廖文照
計畫參與人員： 碩士班研究生-兼任助理人員：林紘毅 碩士班研究生-兼任助理人員：蘇昱瑩 博士班研究生-兼任助理人員：張仕勳
報 告 附 件 ： 出席國際會議研究心得報告及發表論文
公 開 資 訊 ： 本計畫涉及專利或其他智慧財產權，1 年後可公開查詢
中 華 民 國 102 年 01 月 09 日
中 文 摘 要 ： 本案研究標的為簡易式的天線量測系統開發，用以取代精密 的網路分析儀的部份功能，該項系統的功能可量測單埠元件 如天線的反射係數大小，對於天線研發，天線教學實驗，乃 至於在天線生產線上檢測大量產品等應用上都有幫助。本系 統使用壓控訊號源 VCO、循環器 Circulator 與射頻能量偵測 器 RF power detector 元件組成射頻電路後，可連接待測天 線，透過頻率掃描，取得天線的反射係數大小，其結果與連 接網儀掃描的頻譜相近，可檢測到相同的共振頻率與頻寬，
驗證天線效能。我們並採用工業級的 AD/DA 類比訊號輸出輸 入取樣卡，撰寫控制程式與人機介面，達到縮短量測時間、
提升量測準確度、控制自動化等效能，形成具有價格競爭力 的自動化檢測系統。本研究已申請發明專利，並可進行研發 成果推廣，尋商合作進行商業化產品的開發。
中文關鍵詞： 天線阻抗、天線量測、射頻能量偵測器、壓控訊號源、方向 耦合器
英 文 摘 要 ： This research develops a simple and cost effective antenna testing system, which can replace a network analyzer in certain applications. The primary
function is to measure the reflection coefficient magnitude of a one port device. It can be used in an antenna manufacturing facility to conduct routine quality checks. The system＇s RF circuit comprises a VCO, a circulator or a directional coupler, and a power detector. By connecting to an AD/DA card, the measured data can be processed by the computer to retrieve the desired antenna matching information.
The system can conduct measurements in a relatively short time. The proposed system can provide
comparable performance comparing to the conventional solution, which uses an expensive network analyzer. A pattern claim based on this research result had been filed. We are current seeking corporation to transfer this technique and packaged into a commercial
product.
英文關鍵詞： Antenna Impedance, Antenna Measurement, RF Power Detector, Voltage Control Oscillator, Directional Coupler
行政院國家科學委員會補助專題研究計畫 行政院國家科學委員會補助專題研究計畫 行政院國家科學委員會補助專題研究計畫
行政院國家科學委員會補助專題研究計畫 ■ ■ ■ ■成果報告 成果報告 成果報告 成果報告
□ □
□ □期中進度報告 期中進度報告 期中進度報告 期中進度報告
簡易式天線匹配量測系統開發
計畫類別：■個別型計畫 □整合型計畫 計畫編號：NSC 100－2221－E－011－148－
執行期間：100 年 8 月 1 日至 101 年 10 月 31 日 執行機構及系所：國立臺灣科技大學電機工程系
計畫主持人：廖文照 共同主持人：
計畫參與人員：張仕勳、林紘毅、蘇昱瑩
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
本計畫除繳交成果報告外，另須繳交以下出國心得報告：
□赴國外出差或研習心得報告
□赴大陸地區出差或研習心得報告
■出席國際學術會議心得報告
□國際合作研究計畫國外研究報告
處理方式：除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
中 華 民 國 101 年 10 月 31 日
國科會 國科會 國科會
國科會補助 補助 補助專題研究計畫成果報告自評表 補助 專題研究計畫成果報告自評表 專題研究計畫成果報告自評表 專題研究計畫成果報告自評表
請就研究內容與原計畫相符程度、達成預期目標情況、研究成果之學術或應用價 值（簡要敘述成果所代表之意義、價值、影響或進一步發展之可能性） 、是否適 合在學術期刊發表或申請專利、主要發現或其他有關價值等，作一綜合評估。
1. 請就研究內容與原計畫相符程度、達成預期目標情況作一綜合評估
■達成目標
□ 未達成目標（請說明，以 100 字為限）
□ 實驗失敗
□ 因故實驗中斷
□ 其他原因 說明：
2. 研究成果在學術期刊發表或申請專利等情形：
論文：■已發表 □未發表之文稿 □撰寫中 □無 專利：□已獲得 ■申請中 □無
技轉：□已技轉 □洽談中 ■無 其他： （以 100 字為限）
3. 請依學術成就、技術創新、社會影響等方面，評估研究成果之學術或應用價 值（簡要敘述成果所代表之意義、價值、影響或進一步發展之可能性） （以 500 字為限）
本案研究標的為簡易式的天線量測系統開發，用以取代精密的網路分析儀的
部份功能，該項系統的功能可量測單埠元件如天線的反射係數大小，對於天
線研發，天線教學實驗，乃至於在天線生產線上檢測大量產品等應用上都有
幫助。本系統使用壓控訊號源 VCO、循環器 Circulator 與射頻能量偵測器 RF
power detector 元件組成射頻電路後，可連接待測天線，透過頻率掃描，取
得天線的反射係數大小，其結果與連接網儀掃描的頻譜相近，可檢測到相同
的共振頻率與頻寬，驗證天線效能。我們並採用工業級的 AD/DA 類比訊號輸
出輸入取樣卡，撰寫控制程式與人機介面，達到縮短量測時間、提升量測準
確度、控制自動化等效能，形成具有價格競爭力的自動化檢測系統。本研究
已申請發明專利，並可進行研發成果推廣，尋商合作進行商業化產品的開發。
國科會補助計畫衍生研發成果推廣資料表
日期： 101 年 10 月 30 日
國科會補助計畫 國科會補助計畫 國科會補助計畫 國科會補助計畫
計畫名稱：簡易式天線匹配量測系統開發 計畫主持人：廖文照
計畫編號：NSC 100-2221-E-011-148- 領域：電信學門電磁領域
研發成果名稱 研發成果名稱 研發成果名稱 研發成果名稱
（中文）一種檢測天線阻抗的簡易量測裝置
（英文）An Apparatus for Antenna Impedance Measurement
成果歸屬機構 成果歸屬機構 成果歸屬機構
成果歸屬機構
國立台灣科技大學發明人 發明人 發明人 發明人 (
( (
(創作人 創作人 創作人) 創作人 ) ) )
廖文照
技術說明 技術說明 技術說明 技術說明
（中文）
本技術提出一可自動化量測天線阻抗匹配效能的簡易系統，量測 平台可以通訊埠與電腦連接作整合，方便資料的處理及使用，並 由電腦介面顯示天線量測結果，達到自動化的目的。檢測系統的 射 頻 電 路 架 構 包 含 有 電 壓 控 制 震 盪 器 (Voltage Control Oscillator) ， 用 以 提 供 射 頻 訊 號 源 頻 率 的 掃 描 ； 環 行 器 (Circulator)或方向耦合器(Directional Coupler)，用以連接待 測天線，並擷取由天線因阻抗不匹配所彈回的能量；以及射頻能 量偵測器(Power Detector)，用以量測來自天線反彈的射頻能量 大小。在控制電路部份藉由電腦撰寫程式，規劃類比訊號輸出輸 入取樣卡，提供電壓控制震盪器，得到相對應的掃描頻率；以及 量測經由射頻能量偵測器所轉換的電壓大小，再由電腦程式做資 料整合運算，獲取天線阻抗量測之結果。本天線量測系統與傳統 使用網路分析儀量測天線阻抗的方法相比較，具有系統簡單以及 價格優勢。亦可提供與網路分析儀量測結果相近的阻抗匹配分析。
（英文）
This technique provides a compact, cost-effective,
automatic antenna impedance testing system. The measurement apparatus is connected to a computer to provide an user interface and to process the measured data. The system’s RF circuit comprises a VCO, a circulator or a directional coupler, and a power detector. By connecting to an AD/DA card, the measured data can be processed by the computer to retrieve the desired antenna matching information. The system can conduct measurements in a relatively short time.
The proposed system can provide comparable performance comparing to the conventional solution, which uses an expensive network analyzer.
產業別 產業別 產業別
產業別
電子儀器設備技術 技術
技術 技術/ / / /產品 產品 產品 產品應用 應用 應用 應用範圍 範圍 範圍 範圍
本技術所提出的系統主要突出的功效在於成本優勢上，採用極為 簡單的微波元件架構，僅檢測天線所需的反射係數；搭配電腦進 行自動化的檢測程序，方便利用在如天線產品出貨時須進行品質 檢測的應用環境上，或是教育訓練用途。
技術移轉可行性及預期 技術移轉可行性及預期 技術移轉可行性及預期 技術移轉可行性及預期 效益 效益
效益 效益
本技術之相關電路設計，控制系統架構及其程式均以開發完成，
已有可動作的原型系統，透過技術移轉，將系統進行商業化的產 品包裝，優化人機介面，將可產出具市場應用價值的產品，可用 於天線與單埠射頻元件檢測。由於與欲取代產品(網路分析儀)的 價差極大，產品可有相當的獲利率，預期技轉三年後，全球市場 可達 10K 的出貨量。
註：本項研發成果若尚未申請專利本項研發成果若尚未申請專利本項研發成果若尚未申請專利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，請勿揭露可申請專利之主要內容請勿揭露可申請專利之主要內容。請勿揭露可申請專利之主要內容。。。
中文摘要:
本案研究標的為簡易式的天線量測系統開發，用以取代精密的網路分析儀的部份功能，該項系統 的功能可量測單埠元件如天線的反射係數大小，對於天線研發，天線教學實驗，乃至於在天線生 產線上檢測大量產品等應用上都有幫助。本系統使用壓控訊號源 VCO、循環器 Circulator 與射頻 能量偵測器 RF power detector 元件組成射頻電路後，可連接待測天線，透過頻率掃描，取得天 線的反射係數大小，其結果與連接網儀掃描的頻譜相近，可檢測到相同的共振頻率與頻寬，驗證 天線效能。我們並採用工業級的 AD/DA 類比訊號輸出輸入取樣卡，撰寫控制程式與人機介面，達 到縮短量測時間、提升量測準確度、控制自動化等效能，形成具有價格競爭力的自動化檢測系統。
本研究已申請發明專利，並可進行研發成果推廣，尋商合作進行商業化產品的開發。
關鍵詞: 天線阻抗、天線量測、射頻能量偵測器、壓控訊號源、方向耦合器
英文摘要:
This research develops a simple and cost effective antenna testing system, which can replace a network analyzer in certain applications. The primary function is to measure the reflection coefficient magnitude of a one port device. It can be used in an antenna manufacturing facility to conduct routine quality checks.
The system’s RF circuit comprises a VCO, a circulator or a directional coupler, and a power detector. By connecting to an AD/DA card, the measured data can be processed by the computer to retrieve the desired antenna matching information. The system can conduct measurements in a relatively short time. The proposed system can provide comparable performance comparing to the conventional solution, which uses an expensive network analyzer. A pattern claim based on this research result had been filed. We are current seeking corporation to transfer this technique and packaged into a commercial product.
Keywords: Antenna Impedance, Antenna Measurement, RF Power Detector, Voltage Control Oscillator,
Directional Coupler
精簡報告內容 精簡報告內容 精簡報告內容 精簡報告內容 一
一 一
一、 、 、前言 、 前言 前言 前言
在高頻微波領域中，天線效能最直接的檢測方式就是根據阻抗匹配的好壞來判定，而阻抗匹 配的目的就是為了要避免不必要的功率損失，因此天線的阻抗匹配好壞將會影響傳輸接收系統的 敏感度及系統的真確度。一般而言，檢測天線阻抗匹配的儀器是利用網路分析儀，而網路分析儀 可以分為向量型和純量型兩類，純量網路分析儀僅僅能夠量測信號的大小，如反射係數、VSWR 等 物理量的大小，而向量網路分析儀不僅可以量測振幅大小，還包含了相位資訊，相對的價格也比 較昂貴。
在先前的研究中已提出一個簡易式反射係數量測系統架構[1]，主要用來量測天線的反射係數 大小，檢測天線的阻抗匹配；而在傳輸係數檢測系統開發[2]，已提出一個可量測傳輸係數大小及 相位的架構，希望能夠取代常使用的網路分析儀的部分功能，因為網路分析儀貴重且不容易攜帶。
因此對於天線製造商等需要大量且便宜的檢測設備需求，或是在高中職推廣天線設計課程，提供 價格較為低廉的量測方式等實際應用需求是有一定的優勢的。
因此本研究針對先前提出的系統元件微型化，藉以降低成本和縮小體積。並將該系統自動化，
採用工業級高解析度的資料擷取與控制卡，並使用方便操作的人機介面控制程式，提高量測系統 的準確度和量測速度。該自動化簡易式天線阻抗匹配量測系統具有價格便宜、量測快速等優點。
二 二 二
二、 、 、研究目的 、 研究目的 研究目的 研究目的
網路分析儀是在微波領域中重要的量測儀器，可以用來量測射頻電路的網路參數，而在天線 應用中，可利用反射波訊號與入射波訊號之比值，決定天線的 S 參數、駐波比、特徵阻抗與其相 位大小及史密斯圖。在[1]中提出的天線匹配檢測系統中，可以量測天線等單埠元件的反射係數大 小，為了讓該量測系統成為具有商業競爭力的商品，吾人取用合適的射頻 IC 來製作，朝向系統微 型化、操作統自動化、提升系統量測的準確度與量測速度等目標進行改良。本天線量測系統與傳 統使用網路分析儀量測天線阻抗的方法相比較，具有系統簡單以及價格優勢。亦可提供與網路分 析儀量測結果相近的阻抗匹配分析。
本技術之相關電路設計，控制系統架構及其程式均以開發完成，已有可動作的原型系統，該 研究成果已申請發明專利，並可進行研發成果推廣，透過技術移轉，將系統進行商業化的產品包 裝，優化人機介面，產出具市場應用價值的產品，可用於天線與單埠射頻元件檢測。由於與欲取 代產品(網路分析儀)的價差極大，產品可有相當的獲利率，可對國內產業做出貢獻。
三 三 三
三、 、 、文獻探討 、 文獻探討 文獻探討 文獻探討
在微波領域的測量儀器中，網路分析儀[3-5]是個非常重要的儀器，可分為向量型和純量型兩 類，這兩者的最大差異就是相位資訊的提供。現今大多使用向量網路分析儀。網路分析儀是一個 精密的測量工具，用來測量高頻元件、在微波與毫米波頻段的電氣特性，是一個激發與響應的測 試系統，由射頻訊號源及多個量測接收機組成，專門設計用來量測射頻元件的正向和反向的反射 與傳輸響應，及其 S 參數。
網路分析儀將待測物(Device Under Test, DUT)視為一整個網路系統，利用發射一個入射訊號至 待測物，該待測物產生反射回分析儀的反射訊號或是穿透至待測物另一端的穿透訊號，得到相對 的比值，可量測該網路不同頻率下的功率反射係數(Reflection Coefficient)與穿透係數(Transmission
Coefficient)來分析待測物特性。
網路分析儀內部包含射頻訊號來源與測試電路，反射與透射的射頻訊號經過降頻器降到中頻 後，進行信號處理，最後再經過數位訊號處理，方便電腦晶片做計算，可以得到 S 參數之大小和 相位，或是其他相關物理量，如駐波比、阻抗、史密斯圖等等。
向量網路分析儀具有量測速度快、準確、頻寬大及提供相位資訊等優點，因為此儀器設備精 密，因此有價格昂貴、體積龐大且笨重等缺點，即使網路分析儀在高頻元件檢測中是不可缺少的 工具，但對於一般小型實驗室在價格上將會是一個很大的負擔。
四 四 四
四、 、 、研究方法 、 研究方法 研究方法 研究方法
本研究所提出的簡易式反射係數量測系統如圖一所示，系統元件實體如圖二所示。其核心射 頻電路是利用方向耦合器(Directional Coupler)、電壓控制振盪器(Voltage Controlled Oscillator, VCO) 和功率偵測器(Power Detector)等元件組合而成，該系統可量測單埠元件的反射係數大小。系統由電 壓控制振盪器產生的射頻能量訊號提供給方向耦合器，絕大部分的能量會進入到待測天線，而因 為天線阻抗不匹配所造成的能量反彈將由方向耦合器進入功率偵測器。
圖一 簡易式阻抗匹配量測系統架構(使用方向 耦合器)
圖二 簡易式阻抗匹配量測系統射頻元件實體圖 (使用方向耦合器)
式(1)是為利用本簡易式量測系統量測反射係數大小的表示式，電壓控制振盪器提供的參考訊 號 V1+
，經由方向耦合器傳送 V2+
能量到待測天線；而待測天線反射 V2-的能量，由射頻能量偵測器 所接收到 V3-
的能量；其中 V2+
扣掉 V1+
後之差值為方向耦合器耦合埠到輸入埠的介入損失 SC21，而
V
2-扣掉 V3-
後之差為方向耦合器輸入埠到輸出埠的介入損失 SC32。
2 11,
2
2 2
3 2
3 1
2 1
3 3 2
1 2 1
3
32 21
1
20 log 20 log 20 log
20 log 20 log 20 log 20 log
20 log 20 log 20 log
20 log
AUT
c c
c c
c c
c c
c c
S V
V
V V
V V
V V
V V
V V V
V V V
V S S
V
− +
− +
− −
− +
+ +
− −
−
+ +
+
− +
=
= −
=
+
− −
= + +
= + +
(1)
本 研 究 所 開 發 的 自 動 化 簡 易 式 反 射 係 數 量 測 系 統 中 ， 使 用 的 VCO 是 Mini-circuit 的
ROS-2500-2319+電壓控制振盪器，該電壓控制振盪器是使用表面黏著型集成晶片(Surface Mount IC)，比起先前所使用已封裝完成的元件更能夠有效降低成本與體積，以朝系統微型化的方向發展。
該元件控制電壓(Vtune
)調整範圍是 0 到 4.5 V，控制電壓調整間隔，讓本系統進行頻率掃描。由於
電壓控制振盪器並非線性，為了讓本系統量測數值更為準確，因此在實際量測之前需先利用頻譜 分析儀，量測 VCO 的控制電壓與其輸出頻率的對應關係，並將該量測結果建表以供自動化系統在 量測中使用。在待測天線反射能量測量的部分，選用的是 ZX47-40-S+射頻能量偵測器，元件的驅動電壓為
5 V，可偵測的頻段範圍從 10 到 8000 MHz，可測量射頻訊號的大小範圍為-40 到 20 dBm。功率偵
測器是將輸入的射頻訊號功率轉換成相對應的直流電壓值做輸出。把電壓輸出端連接 1000 Ω 電阻 當負載，量測負載端電壓值大小，可以得到相對應的功率大小。由於該元件在 2.0 GHz 到 2.6 GHz 頻段對於頻率變動的敏感度不大，對系統能量偵測可能造成的誤差有限，因此我們選取本系統可 量測頻段的中心頻率 2.3 GHz 的電壓-輸入功率趨勢線方程式用以轉換輸出電壓為射頻功率大小。在先前提出的量測系統中，環行器是核心元件，該元件除了體積大之外，價格也非常的高，
單顆價格超過 200 美金，並不符合產品商業化推廣的需求，因此本研究提出以方向耦合器
(Directional Coupler)取代環行器(Circulator)，除了降低開發成本更能夠將系統微型化。常見的方向
耦合器是一個四埠裝置，從端埠 1 輸入能量，部分能量耦合到端埠 3，而剩餘的部分的能量會輸出 至端埠 2，端埠 4 為隔離埠，理想的方向耦合器，不會有功率會傳到隔離埠。在這裡我們所使用的 方向耦合器為 Mini-Circuits 的 D17I+型號，可操作頻率為 2.3 到 2.6 GHz，端埠 1 為 Input Port，端 埠 2 為 Output Port，端埠 3 為 Couple Port。我們利用網路分析儀測量端埠間的 S 參數，反射係數 皆小於-20 dB，傳輸係數約 0.3 到 0.5 dB，耦合量約為-17.5 到-18 dB。本計畫除改善量測系統架構外，主要的成果在於系統的自動化，與提升量測精確度。自動化 簡易式天線量測系統架構圖如圖三所示，實線箭頭即為簡易式阻抗匹配量測架構，而虛線箭頭則 是自動化架構中增加的控制機構，利用類比輸出提供控制電壓給電壓控制振盪器，並以類比輸入 讀取功率偵測器之負載電壓。
為了提升測量的效率和精準度，我們採用研華的資料擷取與控制卡 PCI-1711[6]進行數位轉類 比、類比轉數位的訊號形式轉換如圖四所示。它包含十六個 12-bit 類比輸入通道、兩個 12-bit 類 比輸出通道以及 12-bit 數位/類比轉換器。取樣速率最快可達 100 kHz。類比訊號調整與取樣的深度 都是 12 位元，在類比輸入通道的輸入範圍為±10 V，解析度為 4.9 mV；在類比輸出通道的輸出範 圍為 0 到 10 V，解析度為 2.4 mV，本系統用一個類比輸入通道來讀取電壓值和一個類比輸出通道 來調整控制電壓。
圖三 自動化簡易式天線量測系統架構圖 圖四 資料擷取與控制卡 PCI-1711[6]
該介面卡的控制程式是利用 LabVIEW 來撰寫[7]，使用版本為 8.5 版，提供方便操作的人機介 面(Front Panel)，首先利用 PCI-1711 的類比輸出通道設定電壓控制振盪器的起始電壓、電壓變動區 間與掃描點數，以利電壓控制振盪器能夠進行掃描頻率的動作。接著利用類比輸入通道設定在各 個頻率點的取樣個數與取樣速率，並利用功率偵測器讀取所連接的負載端電壓，由於功率偵測是 將射頻訊號功率轉換成直流電壓做輸出，因此我們把所量測的負載端電壓利用趨勢線方程式將電 壓轉換為功率，以方便觀察反射係數的大小。
本研究利用 LabView 撰寫控制程式的自動化系統人機介面和程式設計區(Block Diagram)，分別 如圖五與圖六所示。人機界面包含有輸入與輸出參數的設定、電壓與功率量測波形的輸出、txt 檔 的儲存與讀取位置以及測量時間與花費時間等等。當參數設定完成之後，在量測之前會先詢問我 們是否已建立校正檔，針對我們的選擇對程式下指令；經過校正(Cal. File_dBm)且測量完的結果
(Total_dBm)在人機界面上的波形顯示如圖七所示，我們可以快速的觀察到待測物的反射係數頻
譜，共振頻率點與振幅大小，甚至更進一步將量測資料儲存成陣列，方便我們對量測數值的分析。圖六中的系統程式設計區利用循序架構(Sequence Structure)分成四個區塊，程式的執行順序是 由左到右，在最左邊的區塊主要是將輸出電壓預設為 0 V，以確保起始電壓是從 0 V 開始，以及詢 問我們是否已經校正，並記錄量測的時間；第二個區塊是做計時的動作；第三個區塊是自動化系 統的核心程式；最後一個區塊是將電壓歸為 0 V，並計算量測所花費的時間。
圖五 自動化天線匹配檢測系統人機界面 圖六 自動化天線匹配檢測系統程式設計區
圖七 自動化天線匹配檢測系統人機界面之量測波形顯示
在核心程式的部分包含有利用 for 迴圈和條件架構(Case Structure)的程式執行架構。for 迴圈程 式用來執行類比輸出通道的設定與類比輸入電壓的讀取，還有藉由輸入輸出通道的電壓上下限數 值，可以設定類比輸入通道的解析度，最後是將讀取到的電壓套入之前所提出的趨勢線方程式，
將電壓轉換為功率。接著透過選擇的校正檔，即為將方向耦合器在 Input Port 開路做量測並儲存的 校正用資料。當所選擇的動作是量測時，將方向耦合器在接上待測天線的量測結果扣掉校正量測 檔，即可得到真正的反射係數，程式會自動顯示出共振頻率點及反射係數大小。
在系統效能調校工作上，我們測試系統會因不同的掃描點數、取樣個數與取樣速率設定所影 響的自動化量測所需時間。當設定取樣個數為 50 個，當取樣速率設為 10 kS/s 時，量測所需時間約 為 5.31 秒；當使用最大取樣速率 100 kS/s 時，量測時間僅需 1.11 秒，應可滿足簡易系統快速量測 的需求。
五 五 五
五、 、 、結果與討論 、 結果與討論 結果與討論 結果與討論
利用該自動化量測系統可量測天線的反射係數大小，並與向量網路分析儀的量測結果進行比 較。原型系統的核心元件為方向耦合器(Directional Coupler)，因此量測的頻寬受到方向耦合器的限 制，在測試中量測微帶天線與摺疊式偶極天線的頻段為 2.3 GHz 到 2.6 GHz。微帶天線量測結果如 圖八所示，利用本系統檢測的共振頻率為 2.39 GHz，反射係數大小為 -25.6 dB；而利用網路分析 儀測得的共振頻率為 2.41 GHz，反射係數大小為-21.4 dB。從量測結果中發現雖然共振頻率點沒有 差很多，但是微帶天線量測圖型有往低頻偏移的現象，原因是電壓控制振盪器可能受到量測環境 的影響，造成射頻能量沒有穩定地輸出，以及使用頻譜分析儀測量電壓控制振盪器只有 91 個取樣 點，因為取樣點數太少而造成解析度不足。
摺疊式偶極天線量測結果如圖九所示，利用本系統檢測的共振頻率為 2.397 GHz，反射係數大 小為-30 dB；而利用網路分析儀的共振頻率為 2.37 GHz，反射係數大小為-27.7 dB。圖九顯示摺疊 式偶極天線的共振點是往高頻偏移，從摺疊式偶極天線的輻射方向可發現，它容易受到桌子或是 金屬物擾動輻射場而影響反射係數大小，因為本檢測系統就在設置在電腦桌附近所造成，雖然量 測時已盡量避免反射物，但是周邊干擾還是無法全部避免。共振頻率與反射係數大小產生的誤差，
顯示以方向耦合器為核心的量測系統的精確度會受到隔離度影響，方向耦合器可能因為隔離度相 位相同造成建設性或配壞性干涉，使功率偵測器收到較大或較小的能量。
圖八 向量網路分析儀與自動化天線量測系統(方 向耦合器)測量微帶天線反射係數頻譜比較
圖九 向量網路分析儀與自動化天線量測系統(方 向耦合器)測量摺疊偶極天線反射係數頻譜比較
研判本系統的誤差來源，發現只考慮方向耦合器的介入損失是不夠的，在校正時也應該把耦 合器的隔離度也考慮進去。當天線反射係數很大時，逆向耦合 SC31是可以忽略的，但是當天線的反 射係數也很小時，影響就相對的變大了，因此在天線共振處會有較明顯的誤差。未來需要增加電 壓控制振盪器的取樣點數，提高量測的解析度。而方向耦合器的隔離度確實會影響量測結果的準 確性，需要找出方向耦合器的隔離度最大的可能干擾信號來進行校正，另一項因素則是量測時，
在電腦周邊會有一些障礙物反射等等，並沒有使用吸波材料(Absorber)，因此需要減少環境對量測 的影響。
在測量天線時有可能因為接頭的關係，需要做轉接的動作。因此我們將自動化天線量測系統 中之待測天線與方向耦合器利用同軸纜線做連接，除了對原先的校正點 Cal.1 做量測之外，也增加 了另一個校正點 Cal.2，即在連接同軸纜線以開路的方式做校正。我們分別連接兩條不同長度的
Cable.1 和 Cable.2 來量測微帶天線，首先以 Cal.1 為校正點做量測，由圖十的量測結果可以觀察到
未校正同軸纜線的反射係數頻譜是不準確的；於是我們以 Cal.2 為校正點，希望能夠校正同軸纜線 的影響，圖十一的量測結果可以發現比 Cal.1 校正點還要準確，但並沒有對同軸纜線做完全的校正。推測是因為加入同軸纜線後會造成相位的改變，使得能量可能由建設性干涉變成破壞性干涉或由 破壞性干涉變成建設性干涉，造成反射係數頻譜的變化，由於本系統並不能夠得知相位資訊，因 此無法利用相位來校正測量結果。
圖十 自動化量測系統加入不同長度的 Cable 線後 測量微帶天線反射係數頻譜(校正點 Cal.1)
圖十一 自動化量測系統加入不同長度的 Cable 線 後測量微帶天線反射係數頻譜(校正點 Cal.2) 本研究所提出的自動化簡易式天線阻抗匹配量測系統，可以達到天線阻抗匹配檢測的效能，
用以量測天線反射係數大小，並擁有簡單操作的人機介面，量測僅僅需短短幾秒鐘即可完成。其 主要成果與發現如下︰
將核心元件環行器以方向偶合器取代之，亦可得到相似的反射係數大小，並達到降低成本 和縮小體積，量測頻寬因受限於方向耦合器而縮小。
使用高精度的資料擷取與控制卡並利用 LabView 撰寫控制程式，該系統量測效率和精確度 都能夠大大提升，只要在短短的幾秒鐘之內就完成量測，有利於系統的推廣和應用。
在未來，若要實現成具有商業競爭力的產品，需改善的方向一是發展本系統校準技術，提升 系統準確度，二為系統的微型化與降低成本，可以將所有的元件整合到一塊板子上，可以減少各 個元件及轉接頭的多重路徑反射，三是增加本系統的相位量測功能，使其更接近向量網路分析儀 的效能。
六 六 六
六、 、 、參考文獻 、 參考文獻 參考文獻 參考文獻
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國科會補助專題研究計畫出席國際學術會議心得報告 國科會補助專題研究計畫出席國際學術會議心得報告 國科會補助專題研究計畫出席國際學術會議心得報告 國科會補助專題研究計畫出席國際學術會議心得報告
日期： 101 年 11 月 27 日
一、參加會議經過
歐洲天線與電磁傳播會議(European Conference on Antennas and Propagation) 是 天線設計、天線量測、電磁傳播、雷達等領域，在歐洲地區舉行的國際會議中，最 具權威性的整合型學術會議之一。本次主持人參加的 EuCAP 2012 會議係第六屆舉 行，會議地點在捷克共和國布拉格市近郊的布拉格國會會議中心(Prague Congress Centre)，係該是最具規模的綜合會議場館。
由於國航直航航班票價相對較貴，航班日期也與會議時間衝突，因此此行採用 的是瑞士航空的航班，於 3 月 24 日晚間搭華航到香港，在搭乘瑞士航空班機經蘇黎 世轉機，抵達布拉格時已近 25 日中午，經過近 20 小時的旅程，雖然身體疲累，但
計畫編號 NSC 100－2221－E－011－148 － 計畫名稱 簡易式天線匹配量測系統開發
出國人員
姓名 廖文照 服務機構
及職稱 台灣科技大學電機系助理教授 會議時間 101 年 3 月 26 日
至 3 月 30 日 會議地點 捷克布拉格市
會議名稱
(中文)2012 年歐洲天線與電磁傳播會議
(英文)2012 European Conference on Antenna and Propagation, EuCAP2012
發表題目
(中文) 使用於 2.4 GHz 頻段的微型化 PIFA 天線
(英文) Miniaturized PIFA Antenna for 2.4 GHz ISM Band Applications
利用到申根免簽的優惠，不僅節省了簽證費用，通關流程也十分便利。
圖一: 布拉格國際機場航廈
圖二: 布拉格國會會議中心與 EuCAP 2012 會議場地
本次會議期程是由 26 日到 30 日，每日都安排有多場次的論文發表與研討議程，
主題也包羅電磁相關的各個領域，可滿足對新穎研究課題的好奇心，由於主持人研 究團隊的研究領域分佈關係，逐日參加的 Session 主要有：
CP09 Wireless Sensor Networks (WSNs) for Realtime and Distributed Remote Sensing (26 日) 無線感測器網路研究
CA05 Leaky-Wave Antennas (26 日) 漏波天線研究
CM01 Precise Measurements of Materials and Media in the MM/SubMM Ranges (27 日) 毫米波/次毫米波材料特性量測
CA09 60 GHz and Beyond: Antennas and Their Integration (27 日) 毫米波天線系統整合 CA17 Small Antennas (28 日) 微型天線
A05 Automotive Antenna (28 日) 車用天線
CA06 Reconfigurable Antenna Arrays Theory, Implementations and Applications (29 日) 可重置天線理論、實行與應用
CM04 Recent Technical Advances in Antenna Test Systems (29 日) 天線量測系統 A18-2 Reconfigurable Antennas II (30 日) 可重置天線
主持人這次所發表的論文式安排在 28 日下午的 Poster 時段，與其他會議較不相 同的是，本會議的 Poster Session 其間，除了工作小組會議外，不會安排其他的 Oral Session，因此參觀 Poster 的人潮相當多，也因此有機會與各國專家學者交換意見。
本次發表的微型化天線研究，因符合未來行動通訊發展趨勢，也頻繁被詢問其設計 原理與效能。
圖三: EuCAP 2012 會議 Poster Session 現場與發表之海報
會議結束後，於 4 月 3 日搭承瑞航班機返回，並於 4 月 4 日抵達台灣，其間空 檔也遊歷了布拉格城堡、查理士橋、舊城鐘樓、火藥塔等著名景點，而布拉格也不 愧是歐洲著名旅遊都市，在古蹟保護、大眾交通、旅遊訊息提供上都有其獨到之處。
二、與會心得
由於研究團隊發展重心的關係，本次會議中，參加的 Session 主要集中在天線量 測、毫米波天線技術、漏波天線、微型化天線等領域，其間聽聞到且具有新穎性的 論文相當多，以下摘錄其中幾篇的心得：
P. Hallbjörner, J. D. Sánchez-Heredia, A. M. Martínez-González, A. Marín-Soler, D. A.
Sánchez-Hernández, “Versatile emulation of antenna correlation coefficient as MIMO OTA figure of merit using mode-stirred reverberation chambers,” The 6th European Conference on Antenna and Propagation, 26-30 March 2012, Prague, Czech Republic.
本篇論文是由專門開發 Reverberation Chamber 的 BlueTest 公司所發表，利用
Reverberation Chamber 的量測場架構進行具 MIMO 功能無線通訊裝置的 OTA 效能量
測。現今行動通訊裝置在評估其效能，逐漸傾向結合天線與完整接收機系統，搭配
實際的同到環境進行實地量測、驗測整體裝置效能，不過相對的會增加量測實的複
雜度，並大幅增加量測的時間。Reverberation Chamber 有別於傳統電波暗室，富含多
重路徑，因此可模擬 Isotropic Rayleigh Fading Channel 的環境。配合接收機中的 Sample
Section 技術，可以計算具多天線系統間的關聯係數，並據以評估 MIMO 與分集天線
效能。本論文提出了一個使用 Reverberation Chamber 的量測架構，可預測兩天線在
不同關聯係數時的分及增益，大幅縮減反覆量測所需的時間。
D. R. Jackson, “Directive planar antennas based on leaky waves,” The 6th European Conference on Antenna and Propagation, 26-30 March 2012, Prague, Czech Republic.
本篇論文為大會的邀請論文，由休士頓大學的 Jackson 教授發表，主要介紹漏波 天線的發展歷程，與漏波天線的寬頻操作、波述方向可隨頻率變動的波束掃描特性。
不過漏波天線傳統上有一個缺陷，也就是在元件天線的共振頻率，其輻射模態以及 阻抗匹配會與其他頻率以行進波模式輻射的場型及阻抗截然不同，使得天線在做波 束掃描時，經過 Boardside 方向的波束會有不連續的情形，該現象可以在傳輸線中加 入 Phase Inverter 結構來改善。而恰好我們研究團隊中有再開發此形式的漏波天線，
因此在會後，也找機會向 Jackson 教授詢問了一些我們在研究時所遭遇到的疑問，而 教授也相當詳細的回答了我的問題，提供了幾個有趣的思考方向。
P. Iversen, M. Boumans, S. Burgos, “Mini compact range for automotive RADAR antenna testing,” The 6th European Conference on Antenna and Propagation, 26-30 March 2012, Prague, Czech Republic.
本篇論文是由專門開發天線量測系統的 ORBIT/FR 公司發表，提出一個 Compact Range 的架構，可用於車用雷達天線的效能測試。雖然車用雷達的頻段較高(24~26 GHz、76~79 GHz)，波長較短，因此天線的尺寸較小，不過由於應用情境的關係，需 要高指向性天線，因此要達到遠場條件，往往需要超過 100 個波長的間距，而 Compact Range 就有在較小空間中創造出遠場平面波的優勢，因此針對車用雷達應用環境所開 發的 Compact Range 可以用有限的空間取得準確、快速的量測結果。本篇論文有提 出完整的測試結果，與理論的預期相符，可驗證其系統效能。
另外值得一提的是，在會議期間有遇到先前在元智大學通訊係任職時所指導的
大學部專題生廖婉君同學，廖同學甫於瑞典的哥德堡大學(University of Gothenburg)
碩士畢業，並以申請到俄亥俄州立大學博士班，準備進行數值電磁學的研究，能夠 再異地偶遇許久不見的學生，並且了解到她能在專業上有所發展，甚至要當自己畢 業的實驗室學妹，實在是非常欣慰的事。
圖四: 於 EuCAP 2012 會議現場與廖婉君同學合影 三、發表論文全文或摘要
Miniaturized PIFA Antenna for 2.4 GHz ISM Band Applications Abstract:
In this paper, a miniaturized antenna design, which is applicable for handheld devices, is proposed for the 2.4 GHz ISM band uses. The antenna geometry was developed based on the planar inverted-F antenna configuration. Meandered lines and dielectric loading techniques are used to reduce the antenna size. The antenna length is 10 mm, which is only 8% of the wavelength. This miniaturized design is suitable for applications such as WLAN or Bluetooth. According to measurement results, the maximum gain of the proposed antenna is 2 dBi and the radiation efficiency is about 70%, which satisfy commercial use requirements.
論文全文附於本文件後。
四、建議
在會場中有觀察到與會的來賓並不像在亞太地區的會議，多是學界人士參與，
在 EuCAP 會議中，有許多來在產業界的人士，所發表的論文也多是實務相關的應用 或先導型研究成果，顯見在歐洲，電磁相關研究的產學結合腳步還是領先台灣有一 定的程度。近一年來，強調工程導向研究應結合產學的呼聲日熾，建議國科會在產 學研究補助案，也能放寬對參與國際會議的補助線至與額度。
五、攜回資料名稱及內容
攜回資料包含 EuCAP 會議議程一本、收錄大會論文集之隨身碟一只、與會者名
片與會議紀念背包一只。
Miniaturized PIFA Antenna for 2.4 GHz ISM Band Applications
Wen-Jiao Liao, Te-Ming Liu, Shu-Yin Ho National Taiwan University of Science and Technology
43, Sec. 4, Keelung Rd., Taipei 106, Taiwan [email protected]
Abstract—In this paper, a miniaturized antenna design, which is applicable for handheld devices, is proposed for the 2.4 GHz ISM band uses. The antenna geometry was developed based on the planar inverted-F antenna configuration. Meandered lines and dielectric loading techniques are used to reduce the antenna size.
The antenna length is 10 mm, which is only 8% of the wavelength. This miniaturized design is suitable for applications such as WLAN or Bluetooth. According to measurement results, the maximum gain of the proposed antenna is 2 dBi and the radiation efficiency is about 70%, which satisfy commercial use requirements.
Keywords-Miniaturized antenna; handheld device antenna;
planaer inverted-F antenna; WLAN antenna; Bluetooh antenna.
I. INTRODUCTION
The popularity of personal wireless communication devices has altered our lifestyle dramatically. Every year, numerous portable gadgets as well as novel applications are found in the market. Among many wireless communication protocols, two categories are of most importance. One is wireless wide area network (WWAN), which is based on mobile telecommunication cellular network technologies. The other is wireless local area network (WLAN), which was introduced for data communication. Nowadays, the WLAN function has become a must for most portable computing devices.
The operation band of WLAN devices is mostly allocated in either 2.4 GHz or 5.2/5.8 GHz ISM bands. Some even support both bands. The antenna proposed in this paper is aimed for operation in the 2.4 GHz band, which extends from 2.400 ~ 2.484 GHz. This band is used by the 802.11b standard, which was released by IEEE in 1999. Due to the growing bandwidth demand, the 802.11g standard released in 2003 [1]
uses the same band and can support data rates up to 54 Mbps.
Various types of antennas have been implemented for WLAN devices. Some devices such as WLAN access point require omni-direction coverage. Some need high gain antennas to establish point-to-point links. As to WLAN antennas on portable devices, small antenna volume is usually the principle specification. Thus, the goal of this work is to develop a miniaturized antenna while maintaining decent bandwidth and radiation efficiency performance.
The antenna size reduction need is driven by the fast growing market for handheld wireless communication devices. Most antenna miniaturization approaches are based on either geometric or material manipulation. For example, the meander line antenna maintains the same electric length
required for resonance, but reduces its physical size using bended structures. On the other hand, a patch antenna uses a substrate of high dielectric constant to reduce the required resonant size.
In order to make extremely small antennas, the chip antenna approach exploits both geometric and material properties. In this work, the proposed design is modified from the planar inverted-F antenna (PIFA), which provides better antenna matching characteristic in small antennas. An acrylic block serves as the supporting rack for the antenna structure.
It is also used as the dielectric loading for antenna miniaturization.
Most antennas for handheld mobile devices are either in PIFA or monopole antenna type. In order to reduce cost, PIFA antennas are often made with metal radiators and plastic frames, and then attached to device enclosure using hotmelt adhesive [2-8]. Another applicable choice for making handheld device antenna is microstrip antenna [9-13], which is of low profile, light weight and its fabrication is compatible with the printed circuit board technology. Nevertheless, microstrip antenna is susceptible to coupling with nearby structures and is usually of narrow bandwidth.
Note because handheld devices are getting thinner and smaller, the applicable antenna height and footprint are also limited. In this work, we attempted to make a 2.4 GHz band WLAN antenna subjected to uses on mobile devices. Required antenna features include small volume, low cost, high efficiency and no need for a clearance region.
II. ANTENNA DESIGN
The proposed antenna geometry is developed based on the PIFA configuration. We attempted to implement the 2.4 GHz WLAN antenna with one piece of metal patch. The patch is molded into a 3D structure. To prevent the antenna from bending or crushed, an acrylic block is inserted as the supporting structure. The acrylic block also serves as the dielectric loading, which helps in reducing the antenna volume. The dielectric constant (εr) of the acrylic slab used is about 2.7 and the loss tangent (tanδ) is around 0.01.
Fig. 1 shows the initial design. The antenna dimensions are 16 × 5 × 5 mm3. The antenna is fed from the front with a shorting pin located 3 mm to the right. The length from the feed to the radiator’s end is 26 mm, which is about 83.2% of a quarter wavelengths at 2.45 GHz. The antenna matching performance was evaluated with HFSS, which is a full wavelength simulation tool [14]. According to the simulation
This work was partially supported by the National Science Council of Taiwan under Contract No. NSC 100-2221-E-011-148.
result, the resonance falls in the neighborhood of 2.4 GHz and the -10 dB reflection coefficient bandwidth is approximately 140 MHz, which is broad enough to cover the 2.4 GHz ISM band.
A closer look to Fig. 1 indicates that there is still room to place more meandered structures. Fig. 2 shows the modified design, which reduces the distance between the feed and the shorting pin to 2 mm and extends the end stripe length. The overall dimensions are reduced to 12 × 5 × 5 mm3. Fig. 3 compares the simulated reflection coefficient spectra of above two designs. Resonances of both antennas occur around 2.4 GHz with deep nulls. However, the -10 dB bandwidth of the later design is approximately 60 MHz only, which does not suffice the application need. This is because the PIFA antenna operates in the TM10 fundamental mode, thus the bandwidth reduces as the feed moves next to the shorting pin.
Figure 1. Geometry of the original WLAN PIFA antenna.
Figure 2. Geometry of the modified WLAN PIFA antenna.
More aggressive measures can be applied to the proposed PIFA configuration to further reduce the antenna dimensions.
In order to prevent bandwidth reduction, we also attempted to revise the feeding structure. Fig. 4 shows that the patch on the front surface is replaced with a meandered line structure. Note the feed and the shorting pin locations in Fig. 4 are swapped and the separation distance is prolonged to 2.5 mm. According to simulation results, these measures increase the reflection bandwidth to 80 MHz. This is because the antenna is fed from the corner now, and the meandered structure provides more inductance to the input impedance. By adjusting the configuration of the top trapezoidal patch, which tunes the
amount of capacitive coupling to the feed, the antenna bandwidth can be optimized.
The overall antenna dimensions are reduced to 10 × 5 × 5 mm3 because the end stripe section, that provides the current path for resonance, is extended to the right surface. Note the antenna geometry can be decomposed into equivalent serial inductance and parallel capacitance, which jointly decrease the phase velocity as indicated in Eq. (1). The meandered geometry as well as the dielectric loading helps to reduce the wavelength and the associated antenna length.
1
v
p=
L C
⋅ (1)
Figure 3. Comparison of reflection coefficient spectra of original and modified WLAN PIFA designs.
Figure 4. Geometry of the miniaturized WLAN PIFA antenna.
III. PERFORMANCE VERIFICATION
The prototype antenna was fabricated with a 0.1 mm thick copper sheet with a metal engraving machine. The engraved copper sheet was next pressed against a 20 × 5 × 5 mm3 acrylic block and bent along block edges to form the radiator.
The assembled antenna chip was then attached to the corner of a printed circuit board, which serves as the platform of a handheld device. The test bench is a piece of FR4 substrate.
Its thickness is 0.8 mm and the sizes are 80 × 40 mm2. Fig.
shows the fabricated prototype on the test bench and Fig. 6
provides a zoom-in view of the chip antenna. Note an SMA connector is soldered directly to the ground plane of the test bench as the antenna feed.
Figure 5. Fabricated miniaturized WLAN PIFA antenna and its test bench.
Figure 6. Zoom-in view of the fabricated miniaturized WLAN PIFA antenna.
Simulated and measured reflection coefficient spectra are compared in Fig. 7. They are almost identical in terms of resonance frequency and bandwidth. The resonance occurs at 2.44 GHz, and the -10 dB reflection bandwidth is about 80 MHz. Above results comply with the 802.11b standard.
Comparing the reflection coefficient spectra in Fig. 7 and the ones in Fig. 3, we observed that by swapping the feed point with the shorting pin and increasing the separation distance do improve the bandwidth performance.
Figure 7. Comparison of simulated and measured reflection coefficient spectra.
Fig. 8 shows the simulated 3D radiation pattern at 2.44 GHz. The pattern is somewhat directive and points upward (+x direction) and outward (-z direction) from the test bench.
This pattern features suit well to the transmission needs of mobile devices. Fig. 9 shows 2D patterns on xy-, yz-, and xz- planes, which support the conclusion that the ground plane of the test bench increases the antenna directivity.
Figure 8. Simulated 3D radiation pattern of the miniaturized WLAN PIFA antenna at 2.44 GHz.
Next, we put the fabricated prototype antenna in the 3D spherical near field range of NTUST to measure its radiation pattern and efficiency. Fig. 10 shows the 2D patterns on principle planes measured at 2.44 GHz, which largely resemble the simulated ones in Fig. 9. According to the plots, radiation mainly comes from the meandered line near the feed and the trapezoid patch on the top surface. Because of the ground plane and the extending trapezoid patch, radiation concentrates toward the +x direction.
Figure 9. Simulated radiation patterns on principle cuts of the miniaturized WLAN PIFA antenna at 2.44 GHz.
Figure 10. Measured radiation patterns on principle cuts of the miniaturized WLAN PIFA antenna at 2.44 GHz.
The differences in simulation and measurement results can be attributed mainly to the fabrication errors. Since the antenna is fed directly from the SMA connector, the connector flange somewhat enlarges the ground plane. Also, because the copper sheet was folded by hands, the radiator, which wraps around the acrylic block, may not be flat on block surfaces and may not appear in precise right angles. Furthermore, because the antenna’s end section stripe is attached to the acrylic block via copper tape, the poor conductivity of the adhesive may contribute certain error. Note in Fig. 10, nulls are observed on yz- and xz-planes along the -z direction. This is due to the blind spot of the 3D near field range turn table setup.
Finally we examined the peak gain and total radiation efficiency in the applicable band. Fig. 11 shows the measured spectra. Between 2.40 to 2.48 GHz, the peak gains are larger than 1.9 dBi and the maximum value, which is 2.04 dBi, is observed at 2.44 GHz. As to the total radiation efficiencies, the values are all larger than 60%.
Figure 11. Measured peak gain and total efficiency spectra of the miniaturized WLAN PIFA antenna.
IV. CONCLUSIONS
In this work, we proposed a miniaturized antenna based on the PIFA structure, which is applicable to uses in the 2.4 GHz WLAN band. This design employs an acrylic block to support the radiator and slow down the phase velocity as well.
Meandered structures are implemented to minimize the physical sizes while maintain an electrical path long enough for resonance. Furthermore, meandered lines also introduce additional inductance and capacitive coupling to achieve impedance matching. This antenna is of small volume, light weight, low cost and requires no clearance region.
Measurement results show the bandwidth, gain, and radiation efficiency characteristics meet WLAN specifications. Above features make it a viable design for commercial uses on handheld devices.
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國科會補助計畫衍生研發成果推廣資料表
日期:2013/01/09
國科會補助計畫
計畫名稱: 簡易式天線匹配量測系統開發 計畫主持人: 廖文照
計畫編號: 100-2221-E-011-148- 學門領域: 電磁
研發成果名稱
(中文) 一種檢測天線阻抗的簡易量測裝置(英文) An Apparatus for Antenna Impedance Measurement
成果歸屬機構
國立臺灣科技大學發明人 (創作人)
廖文照,徐紹恩,張仕勳,朱祐君, 陳義達,林琮鈞
技術說明
(中文) 本技術提出一可自動化量測天線阻抗匹配效能的簡易系統，量測平台可以通訊埠 與電腦連接作整合，方便資料的處理及使用，並由電腦介面顯示天線量測結果，
達到自動化的目的。檢測系統的射頻電路架構包含有電壓控制震盪器(Voltage Control Oscillator)，用以提供射頻訊號源頻率的掃描；環行器(Circulator) 或方向耦合器(Directional Coupler)，用以連接待測天線，並擷取由天線因阻 抗不匹配所彈回的能量；以及射頻能量偵測器(Power Detector)，用以量測來自 天線反彈的射頻能量大小。在控制電路部份藉由電腦撰寫程式，規劃類比訊號輸 出輸入取樣卡，提供電壓控制震盪器，得到相對應的掃描頻率；以及量測經由射 頻能量偵測器所轉換的電壓大小，再由電腦程式做資料整合運算，獲取天線阻抗 量測之結果。本天線量測系統與傳統使用網路分析儀量測天線阻抗的方法相比較，
具有系統簡單以及價格優勢。亦可提供與網路分析儀量測結果相近的阻抗匹配分 析。
(英文) This technique provides a compact, cost-effective, automatic antenna impedance testing system. The measurement apparatus is connected to a computer to provide an user interface and to process the measured data. The system’s RF circuit comprises a VCO, a circulator or a directional coupler, and a power detector. By connecting to an AD/DA card, the measured data can be processed by the computer to retrieve the desired antenna matching information. The system can conduct measurements in a relatively short time.
The proposed system can provide comparable performance comparing to the conventional solution, which uses an expensive network analyzer.
產業別
電信工程業技術/產品應用範圍
本技術所提出的系統主要突出的功效在於成本優勢上，採用極為簡單的微波元件架構，僅檢測天線所需的反射係數；搭配電腦進行自動化的檢測程序，方便利用在如天線產品 出貨時須進行品質檢測的應用環境上，或是教育訓練用途。
技術移轉可行性及 預期效益
本技術之相關電路設計，控制系統架構及其程式均以開發完成，已有可動作的原型系統，
透過技術移轉，將系統進行商業化的產品包裝，優化人機介面，將可產出具市場應用價 值的產品，可用於天線與單埠射頻元件檢測。由於與欲取代產品(網路分析儀)的價差極 大，產品可有相當的獲利率，預期技轉三年後，全球市場可達10K的出貨量。
註：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。
100 年度專題研究計畫研究成果彙整表
計畫主持人：廖文照 計畫編號：100-2221-E-011-148- 計畫名稱：簡易式天線匹配量測系統開發
量化
成果項目
實際已 達成數
（被接 受或已 發表）
預期總達 成數(含實 際已達成
數)
本計 畫實 際貢 獻百 分比
單位
備註（質 化 說 明：如 數 個 計 畫 共 同 成 果、成 果 列 為 該 期 刊 之 封 面 故 事 ...
等）
期刊論文 0 0 100%
研究報告/技術
報告 0 0 100%
研討會論文 1 1 100%
篇 於全國電信研討會發表專門論文一篇 蘇昱瑩, 廖文照, 林紘毅, 張仕勳, ＇ 自動化簡易式天線阻抗匹配量測系統,＇
2011 全國電信研討會, 100 年 11 月 18-19 日, 花蓮.
論文著作
專書 0 0 100%
申請中件數 1 1 100%
廖文照, 徐紹恩, 張仕勳, 朱祐君, 陳 義達, 林琮鈞, 檢測裝置/MEASUREMENT APPARATUS, 中華民國發明專利, 申請 號: 100101578, 2011 年 1 月.
專利
已獲得件數 0 0 100%
件
件數 0 0 100% 件
技術移轉
權利金 0 0 100% 千
元
碩士生 2 1 100%
博士生 1 1 100%
博士後研究員 0 0 100%
國 內
參與計畫人 力
（本國籍）
專任助理 0 0 100%
人 次
國
外 論文著作
期刊論文 2 1 50% 篇
發 表 於 IEEE Trans. of Antenna and Propagation 期刊兩篇，論文係數個計畫 之共同成果，主要利用本計畫之經費支 援。
S.-H. Chang, W.-J. Liao, ＇A novel dual band circularly polarized GNSS antenna for handheld devices,＇
Accepted by IEEE Trans. Ant.
Propag.[10/16/2012], [SCI]
[IF=2.151][NSC-100-2221-E-011-148-]
研究報告/技術
報告 0 0 100%
研討會論文 3 3 50%
S.-H. Chang, W.-J. Liao, ＇Compact 3D antenna with comprehensive LTE band coverage for use on notebook hinge,＇
2012 Asia-Pacific Conference on Antennas and Propagation, 27-29 Aug.
2012, Singapore.
Y.-Y. Su, W.-J. Liao, ＇Antenna pattern measurement using a planar linear scanner,＇ 2012 International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology, 5-8 May 2012, Shenzhen, China.
W.-J. Liao, T.-M. Liu, S.-Y.
Ho, ＇Miniaturized PIFA antenna for 2.4 GHz ISM band applications,＇ The 6th European Conference on Antenna and Propagation, 26-30 March 2012, Prague, Czech Republic.
專書 0 0 100% 章/
本 申請中件數 0 0 100%
專利 已獲得件數 0 0 100% 件
件數 0 0 100% 件
技術移轉
權利金 0 0 100% 千
元
碩士生 0 0 100%
博士生 0 0 100%
博士後研究員 0 0 100%
參與計畫人 力
（外國籍）
專任助理 0 0 100%
人 次
其他成果
(
無 法 以 量 化 表 達之成果如辦理 學術活動、獲得 獎項、重要國際 合作、研究成果 國際影響力及其 他協助產業技術 發展之具體效益 事項等，請以文 字敘述填列。)S.-H. Chang, W.-J. Liao, ＇Compact 3D antenna with comprehensive LTE band coverage for use on notebook hinge,＇ 2012 Asia-Pacific Conference on Antennas and Propagation, 27-29 Aug. 2012, Singapore.
[本篇論文於 APCAP2012 會議中獲選最佳學生論文；共同作者張仕勳為主持人指導之 博士生]
成果項目 量化 名稱或內容性質簡述
課程/模組 0
電腦及網路系統或工具 0
教材 0
舉辦之活動/競賽 0
研討會/工作坊 0
電子報、網站 0
教 處 計 畫 加 填 項
目 計畫成果推廣之參與（閱聽）人
數 0
國科會補助專題研究計畫成果報告自評表
請就研究內容與原計畫相符程度、達成預期目標情況、研究成果之學術或應用價 值（簡要敘述成果所代表之意義、價值、影響或進一步發展之可能性） 、是否適 合在學術期刊發表或申請專利、主要發現或其他有關價值等，作一綜合評估。
1. 請就研究內容與原計畫相符程度、達成預期目標情況作一綜合評估
■達成目標
□未達成目標（請說明，以 100 字為限）
□實驗失敗
□因故實驗中斷
□其他原因 說明：
2. 研究成果在學術期刊發表或申請專利等情形：
論文：■已發表 □未發表之文稿 □撰寫中 □無 專利：□已獲得 ■申請中 □無
技轉：□已技轉 □洽談中 ■無 其他：（以 100 字為限）
3. 請依學術成就、技術創新、社會影響等方面，評估研究成果之學術或應用價 值（簡要敘述成果所代表之意義、價值、影響或進一步發展之可能性）（以 500 字為限）
本案研究標的為簡易式的天線量測系統開發，用以取代精密的網路分析儀的部份功能，該 項系統的功能可量測單埠元件如天線的反射係數大小，對於天線研發，天線教學實驗，乃 至於在天線生產線上檢測大量產品等應用上都有幫助。本系統使用壓控訊號源 VCO、循環 器 Circulator 與射頻能量偵測器 RF power detector 元件組成射頻電路後，可連接待測 天線，透過頻率掃描，取得天線的反射係數大小，其結果與連接網儀掃描的頻譜相近，可 檢測到相同的共振頻率與頻寬，驗證天線效能。我們並採用工業級的 AD/DA 類比訊號輸出 輸入取樣卡，撰寫控制程式與人機介面，達到縮短量測時間、提升量測準確度、控制自動 化等效能，形成具有價格競爭力的自動化檢測系統。本研究已申請發明專利，並可進行研 發成果推廣，尋商合作進行商業化產品的開發。
