以低溫共燒陶瓷技術研製車用防撞感測系統射頻關鍵模組之研究---子計畫四：車用微型晶片天線與電磁傳播環境特性研究

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行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告

以低溫共燒陶瓷技術研製車用防撞感測系統射頻關鍵模組之研究--子計畫四:車用微型晶片天線與電磁傳播環境特性

研究

研究成果報告(精簡版)

計畫類別：整合型

計畫編號： NSC 96-2221-E-011-008-

執行期間： 96 年 08 月 01 日至 97 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：李威漢碩士班研究生-兼任助理人員：王景平碩士班研究生-兼任助理人員：游勝傑

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 97 年 10 月 04 日

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行政院國家科學委員會補助專題研究計畫

■ 成果報告

□期中進度報告

以低溫共燒陶瓷技術研製車用防撞感測系統射頻關鍵模組之研究--子計畫四:車用微型晶片天線與電磁傳

播環境特性研究

計畫類別：□ 個別型計畫 ■ 整合型計畫計畫編號：NSC 96 – 2221 – E – 011 - 008 執行期間： 96 年 8 月 1 日至 97 年 10 月 31 日

計畫主持人：廖文照共同主持人：

計畫參與人員：李威漢、王景平、游勝傑

成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：■精簡報告 □完整報告

本成果報告包括以下應繳交之附件：

□赴國外出差或研習心得報告一份

□赴大陸地區出差或研習心得報告一份

■出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份

□國際合作研究計畫國外研究報告書一份

處理方式：除產學合作研究計畫、提升產業技術及人才培育研究計畫、列管計畫及下列情形者外，得立即公開查詢

■涉及專利或其他智慧財產權，□一年■二年後可公開查詢執行單位：國立台灣科技大學

中華民國 97 年 10 月 6 日

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目錄:

1. 前言………..2

2. 研究目的………..3

3. 文獻探討………..5

4. 研究方法………...7

5. 結果與討論………13

6. 參考文獻………21

7. 計畫成果自評……….23

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1. 前言

本計畫考量特殊的車輛電磁傳播環境如金屬車體屏蔽、鄰近脈衝雜訊源以及高溫的物理特性，開發可達傳輸需求並符合經濟效益的天線構型設計。同時，

由於本計劃所搭配之其他子計畫係利用LTCC 多層技術製程射頻晶片，故亦考量天線與射頻電路整合時所產生的電磁相容(electromagnetic compatibility)、電磁干擾(electromagnetic interference)問題。

本子計畫所研究之工作項目主要有兩項:其一為評估車用防撞雷達操作時的 FMCW 回波特徵變化；另一項則是研發利用電磁脈衝技術進行無線通訊所需的超寬頻天線，並評估超寬頻脈衝訊號在車輛引擎室內與車廂內的傳播特性，該研究可因應車內各式感應器與車內微控制器(micro control unit, MCU)的通訊需求。

本計畫研究之車用防撞雷達回波評估係指利用隱藏於車輛前方保險桿內的平面式、窄頻、指向性、高增益天線，採取雙頻連續波雷達(two frequency continuous wave radar, CW radar)形式偵測前方車輛或固定障礙物的回波特徵。我們利用高頻數值電磁模擬方法(NEC-BSC code)，模擬出不同的車輛遠近距離與姿態時的回波分佈量值及其相位變化。在模擬模型中採用單一高指向性的發射天線與多個接收天線位置，在利用訊號處理方法校正發射到接收天線的背景耦合量後，可比對各觀察點所接收的回波量大小判斷出目標物的縱向距離、橫向位移，

甚至是車身的姿態角度。該結果可作為未來發展防撞雷達目標物定位、定向與行進方式推估演算法之用。

本計畫亦開發有超寬頻天線作為子計畫三的超寬頻無線感測節點之射頻前端電路的能量傳遞媒介，經由天線模擬與實作驗證其傳輸頻段可涵蓋 2 至 6 GHz，以及稍具指向性的發射場形。由於該無線傳輸模組可能配置於車輛的引擎室與車廂內，其脈衝電磁波訊號要傳到位於車身內的微控制器，需克服車身及引擎室結構的金屬屏蔽障礙，因此我們亦使用高頻數值電磁方法的模擬實驗，以及實際在電波暗室的量策結果，評估脈衝電磁波在複雜環境下的傳播特性，實驗結果顯示車身環境因充滿多重的傳播路徑，單一頻率訊號在不同的收發位置時，所能達成的傳播量差異極大，但因為脈衝訊號具有寬頻的能量分布，不同頻率的多重路徑干擾結果，不一定是破壞或建設性的加成，因此傳播的射頻能量總量反而較窄頻通訊來的穩定，驗證超寬頻脈衝通訊在複雜環境的優異性。

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2. 研究目的

車用超寬頻無線感測網路

由於電路小型化的設計、節能技術的持續開發以及通訊與計算能力的與日俱增，無線感測網路的應用逐漸興起，如大面積的安全監控管理、災難的救援與重建、居家的自動化配置等新興運用可以藉由無線感測網路的實現來達成。車輛設計者為了提升汽車性能和提供駕駛與乘客更完善的舒適性與安全照護，不斷增加車上的感測器數量，而相對的電線、傳輸線佈局也日益複雜。這些電路相當程度的增加了汽車製造的成本。因此隨著無線射頻元件的微小化以及成本的降低，車用的無線感測網路將在可見的未來符合成本效益而實現。

若採取無線感測網路作為傳遞車上各系統與車內微控制器(micro control unit, MCU)的通訊管道。則微型化的無線通訊模組可結合感應器或伺服馬達，提供車內各式系統運用，傳遞如水箱溫度、氣體濃度、胎壓資訊給微控制器，或下達控制命令作收放照後鏡、調節頭燈方向等動作。逐步取代車內有線的控制與資訊纜線。該車內無線感測網路擬採用超寬頻(UWB)技術設計無線感測網路節點，該技術是近年新興的通訊技術，其初始架構是利用電磁基頻脈衝進行資料傳輸，具有高傳輸速率、低消耗功率、對多重路徑衰落抵抗性強等優點[3]。其實行方式可利用直接序列展頻技術(direct spectrum spread sequence, DSSS)或正交分頻多工技術(orthogonal frequency division multiplexing ,OFDM)實現超寬頻通訊的架構。由於脈衝信號的功率頻譜密度較低，不易造成節點間之干擾，故對於無線感測網路的可擴充性有顯著之提升，並可進一步改善傳輸品質。

且由於車內無線通訊的需求日益增加，新式的電子設備如胎壓偵測系統及防撞雷達已經被設計出並且實際運用在汽車上。由於感測器位置會因各式車上應用而有所不同，所以纜線佈置會在成品後市場(after market)產品中衍生出施工與電磁干擾問題[3]。再者，由於汽車環境中含有很多複雜的金屬結構，傳統窄頻通訊的傳輸品質可能對於發射器與接收器所在位置相當敏感，所以我們藉由計算寬頻訊號的傳播特性，研究脈衝訊號受複雜傳播環境的影響。

車輛防撞雷達的需求

隨著半導體科技以及訊號處理技術的進步，越來越多的電子產品，尤其是通訊、娛樂與舒適性設備陸續被引入到汽車中，使得駕駛人的用路經驗越發便利。

但由於汽車的首要要求便是將駕駛與乘客『安全』的送達目的地，因此汽車產業對於使用電子產品介入駕駛人駕駛動作一事，一向抱持較審慎的態度，惟電腦運算效能日益提升、各式演算法不斷精進，配合民用無線通訊技術與射頻元件的成熟，可以預期的是未來數年內，智慧型車路環境的概念將逐漸被汽車產業及消費

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大眾接受。而汽車防撞雷達(Automotive Collision Avoidance Radar)的運用便是形成智慧型車路中重要的一環。事實上，採用超音波或光學影像技術的倒車雷達系統，已普遍應用在多數汽車上，輔助駕駛人在慢速模式下的車輛操作。而車輛在正常行進模式下所使用的前方雷達防撞系統[1]，則多採用以毫米波雷達或光學式雷射雷達技術為主。雷射防撞雷達是使用高功率雷射二極體發射紅外線的短脈衝調變系統，惟相較於毫米波，紅外光在大氣環境中效能易受天候影響，而採用頻域調變連續波(frequency modulated continuous wave, FMCW)的毫米波防撞雷達不但可用都卜勒效應計算障礙物速度，亦可藉由發射波與雷達回波的頻率差，

計算障礙物距離，而障礙物的方位，則可透過設置兩組接收天線所形成的空間多樣性(spatial diversity)，產生回波的相位差加以估計。因此毫米波雷達可提供多樣的鄰近障礙物資訊，保持較安全的行車條件。故各國均已訂定車用毫米波雷達規格規範，惟採用之發射頻率較高，電磁波長較短(約為 3.9 mm)，因此需要的射頻元件製程精度也相對較高，為了及早做出可供測試的原型模組，我們將採用射頻元件技術成熟的免授權頻段(5.2~5.8 GHz)作為防撞雷達波頻率。

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3. 文獻探討

超寬頻帶拒摺疊式單極天線結構

由於超寬頻電磁基頻脈衝通訊的發展，近年來有各式超寬頻天線型式的產生。相對於傳統的窄頻系統，超寬頻系統是利用脈衝而不是用載波來傳送資料因此可以穿透障礙物，由於是用脈衝來傳送信號，因此其頻寬非常大，抗干擾能力強，並可降低發射訊號功率達到低功率、低耗電的特性。因此超寬頻系統搭配的天線須達到穩定且平坦的天線增益頻率響應、穩定的發射場型及相位中心移動小的特性。

傳統的寬頻天線有行波天線(Traveling-Wave Wire Antenna)、螺旋形天線 (Helical Antenna) 、偶極圓錐形天線 (Biconical Antenna) 、單極圓錐形天線 (Monoconical Antenna) 、盤錐形天線 (Discone Antenna) 、袖子形天線 (Sleeve Antenna)、渦狀天線(Spiral Antenna)和對數週期天線(Log-Periodic Antenna)等各種形式。惟其令操作頻率增加的方法，可粗略分為兩種:一是改變窄頻天線造型，使其共振模態或電流路徑多樣化來增加操作頻寬[6]，例如 bowtie antennac 或 stub antenna，但其缺點是頻寬的提昇仍有限制；另一種方法是採取天線造型成對數變化，如log-periodic spiral，形成對頻率不敏感(frequency invariant)的結構，其優點是頻寬極大，僅受製程精度限制，但缺點是天線體積多半太大。因此考量本計劃所需的頻率操作範圍是2 至 6 GHz，頻寬比要求並不嚴苛，因此擬採取第一種方法，將簡單的天線結構加以改良，提升頻寬。下圖一所示是一種可行的天線型式[5]，主結構是一末端開展的單極天線，由微帶傳輸線饋入，因此 結構相對簡單。天線的最低操作頻率主要由天線長度 L₁決定。該天線的特色在於兩分枝尾端向內折曲，其目的是要形成一平行線共振結構，避免落在共振頻率電磁波的發射[7,8]。這是因為在超寬頻無線通訊的 3 至 10 GHz 頻段中，帶有一免授權的ISM 頻段，落在 5.2 至 5.8 GHz 間，因此干擾較嚴重。圖二是該帶拒摺疊式單極天線模擬與實測的反射係數頻譜。

圖一. 帶拒摺疊式單極天線結構

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圖二. 帶拒摺疊式單極天線反射係數頻譜

超寬頻訊號於複雜環境的傳播

超寬頻(UWB)傳輸技術的觀念最早由馬可尼於 1895 年發明，而現代超寬頻無線通訊技術是從1960 年代開始並且於 1970 至 1980 發展[1]。FCC 於 2002 年 2 月14 日發佈免執照授權的 UWB 使用規範，將 3.1 GHz 至 10.6 GHz，共 7,500 MHz 頻段配置給UWB 裝置使用[1]，該規則對於不同類的 UWB 設備，定義了其發射功率限制，大致上所有頻帶的傳輸功率都限制在-41 dBm 以下。近年來在無線個人區域網路（WPAN）特別是高速率傳輸上扮演領導性技術，可提供多媒體影音傳輸，在10 公尺的傳輸範圍內，可替代纜線作為影像或聲音的傳輸媒介[1]-[2]。

寬頻傳輸環境的相關研究已經相繼發表，像是超寬頻訊號在桌上型電腦環境裡的傳播、室內筆記型電腦對於超寬頻訊號的遮蔽效應以及車輛的衰減量測等 [2]-[4]。然而沒有特別針對車輛引擎蓋下方的研究。有鑑於此，本研究提出一個模擬與實際量測同時運用的方式，以去檢測寬頻訊號在具障礙物環境下的傳播特性。透過網路分析儀，可以記錄下2~6 GHz 此寬頻範圍的插入損失 S21，並使用數值軟體 MATLAB，將頻域響應轉換到時域上，合成一個極短暫的脈衝訊號。

透過此脈衝訊號的分析，我們可以辨識出發射天線到接收天線之間環境狀況，並且分析出它在不同的電磁波散設環境，傳輸效能的優劣。

調頻連續波於汽車防撞雷達環境之回波評估

近年來車輛在正常行進模式下所使用的前方雷達防撞系統，多採用以毫米波雷達或光學式雷射雷達技術為主。紅外光在大氣環境中效能時常受到天候的影響，而使用頻域調變連續波(frequency modulated continuous wave, FMCW)的毫米波防撞雷達不但可用都卜勒效應計算目標物速度，且可用於計算目標物距離 [9,10]。此外亦可使用脈衝雷達測量目標物距離，利用計算電磁波行進所造成的相位(時間)延遲，透過頻域時域的互相轉換找出目標物散射源的幾何對應關係，

但脈衝雷達的原理乃是使用一超寬頻天線來發射時域的脈衝，因此花費功率大，

現階段在發射機技術與成本上仍有改善的空間。而FMCW 雷達相對在發射機元件技術上較為成熟[11]。但須克服的是電磁波在空中因多重路徑干擾而難以量化的技術問題[12]。

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4. 研究方法

寬頻天線設計與效能驗證

在天線的設計上，為了達到寬頻的效果，我們使用一片截角矩形金屬作為輻射體[5]，並採用微帶線的架構饋入。在天線效能驗證上，我們量測 S11 反射係數頻譜，最後在利用無反射實驗室量測天線輻射場型。

天線使用FR4_epoxy 板材，板厚 1.6 mm，介電係數　r = 4.4，損失正切 tan　

= 0.022，其架構如圖三所示，天線上半部截角矩形輻射體是由 50 　微帶線（L2）

饋入，背面金屬地面大小 W3 × L2。經電磁模擬軟體(HFSS10.0)優化後的設計參數是W1 = 22.5 mm、W2 = 3.4 mm、W3 = 30 mm、L1 = 18.75 mm、L2 = 11.5 mm、L3 = 35 mm、L4 = 3.29 mm，圖四是模擬出的反射損失。模擬結果中反射損失小於-10 dB 的頻段範圍從 2.8 延伸到 6.3 GHz，比我們需求的頻段從 2 到 6 GHz 偏為高，所以使用 60 mm × 60 mm FR4 的基版製作天線，以預留調整操作頻段的空間。

圖三：超寬頻單極天線架構圖四：模擬反射損失 S11

實作成品如圖五(a)，由於量測的反射係數頻帶的確偏向高頻，因此使用銅箔貼紙，將截角矩形輻射體部分分別貼大為原來兩倍，與三分之四倍，如圖三 (b)。圖六是三者的反射損失結果，發現三分之四大小的反射損失從 2 到 6 GHz 都有在-7.14 dB 以下，所以用它來作為發射及接收天線。

天線輻射場型如圖七所示，E-plane 上的 co-pol 最大增益值出現在 Phi = 0°

與 150°，表示有往前的能量分布以及往後上方的能量分布，並且以垂直極化為主，最大值有3.3 dB。而 H-plane 上的 co-pol 顯得比較平均，而 cross-pol 在 4.5 到 6 GHz 的可實現增益值變大，可見有水平極化分量存在，但增益值不大，在 1.3 dB 以下。故此天線以垂直極化為主，可把它看成是一支垂直擺放的超寬頻單極天線。

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(a) 原型天線 (b) 調整後原型天線圖五：超寬頻單極天線實作

圖六：原型天線反射損失頻譜

(a) E-plane, Co-pol (b) H-plane, Co-pol

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(c) E-plane, Cross-pol (d) H-plane, Cross-pol 圖七：天線輻射場型

傳播實驗模型的建置與模擬方法

在傳播實驗模擬模型的建置上，我們將網路分析儀連接到先前製作的兩支寬頻單極天線上，視為訊號進出的Port 1 與 Port 2。我們建置有多個不同的傳播環境，圖八(a)所示環境定義為「No Ground」。而圖八(b)中是加上長寬高分別為 91 cm × 46 cm × 88 cm 的台車。台車上面的金屬平面可當成是地面，因此這個情況設定為「Add Ground」。收發天線分別位於台車邊緣的中間正上方處，距離台車10 cm 的高度。

(a) No Ground (b) Add Ground 圖八：傳播實驗模型建置

最後我們把貼滿鋁箔紙的金屬箱放在台車上面，作為中間障礙物，箱子中心位置對準地面的中心，金屬箱大小為19 cm × 26 cm × 29 cm，如圖九。由於金屬箱有六種擺設的擺設情況，因此我們先以高度(H)分，再以寬度(W)分，共分作六種Case，並定義長度為 L。

圖九：傳播實驗模型中的金屬障礙物

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實驗步驟分兩階段處理，第一階段是作量測，我們用網路分析儀掃瞄2 到 6 GHz 的頻率範圍，取 801 點，得到傳播的頻率響應頻譜。從頻域結果，可以知道頻率在不同環境中衰減的情況。第二階段再把量測到的頻譜結果作傅立業轉換，得到時域上的分布。從時域上，我們可以更容易且直接的去分析它的大小以及位置的變化。

除了上述的傳播量測實驗，我們也利用高頻數值模擬軟體來進行傳播特性的模擬。這裏使用的軟體是 Numerical Electromagnetic Code - Basic Scattering Code(NEC-BSC)。該軟體是採用射線光學追蹤法，追蹤電磁波的傳播路徑，再依據幾何繞射理論(Uniform Geometrical Theory of Diffraction, UTD)，計算反射與繞射等機制的散設量，從觀察點追蹤回發射源，分別計算出各種機制的貢獻，最後做加總，可計算出遠場與近場的場強分佈。

模擬時，我們使用NECBSC 建構出前述傳播量測實驗在 EMC Chamber 的實際架設情況。模擬時，我們將模型簡化，只針對四個重要的元件進行模型建置，

分別是收發天線以及介於兩者之間的散射物─地面與金屬箱。實測與模擬間的差異有以下幾點：1.發射天線改成一支隨發射頻率變動的半波長，垂直襬放的偶極天線。2.接收天線設為一個觀察點，紀錄電場變化。3.地面畫成單一一片金屬片，

大小為100 cm × 50 cm。4.使用五片金屬片在地面上合成一個金屬箱。最後，仿照實測實驗中的兩階段步驟，使用MATLAB 更改 NECBSC 模型中的發射頻率，

作掃頻後，再把頻域上的模擬結果做傅立葉反轉換，得到時域結果。

本研究所使用的高頻電磁模擬軟體是 Numerical Electromagnetic Code – Basic Scattering Code (NEC-BSC)，利用該計算核心評估複雜目標物的散射電場量與分布。由於本研究須評估不同目標物位置與姿態時的雷達回波分布，必須反覆更動模擬模型，因此模型架構的建置、呼叫NEC-BSC 計算核心、讀取模擬計算結果與繪圖分析部份是使用MATLAB 來完成。NEC-BSC 是一種高頻模擬方法，

利用射線追蹤的方式，個別算出反射、折射、繞射以及多重反射、折射、繞射等高次項所貢獻電場的大小，這有利於在分析複雜結構時，可以把問題簡單化、分開討論，進而驗證各個情況所代表的物理意義以及可能造成的原因。

在模擬模型中，我們使用一陣列偶極天線作為發射源，並在天線的左右和中間設置101 個觀察點，因為天線和觀測點是要放置於車頭的，為了符合真實架構，車頭的金屬部份可當作天線的反射面，而觀察點的範圍則不超過天線反射面的長，如圖十顯示的發射端與觀察點。

由於觀察點與發射天線距離很近，會有背景的耦合電場，在觀測點所觀測到的背景電場主要來自三種機制，必須經過校正。而這三種機制分別為：天線對觀察點的直接耦合影響、天線反射面反射造成的影響，至於反射面邊緣繞射所造成的影響是非常小的，可忽略不計。圖十一顯示的是發射天線到觀察點的耦合量。

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我們以十二片金屬材質平面來組成車量目標物，如圖十二所示車體模型架構，地面則由一片大的金屬材質來組成，分別建構於NEC-BSC 模型中。我們可以在MATLAB 控制程式中改變車體位置，如前後、左右平移、以及對車體中心 (青綠色的箭頭代表車體的中心)作旋轉，記錄在不同位置下的電場狀況，進而做比較。

圖十：發射端與觀察點

-0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 -80

-60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 120 140

|Intensity of field|, dB

Y axis (cm)

|E'(theta,reflection) |

|E'(theta,diffraction)|

|E'(theta,incident field) |

圖十一：發射天線對觀察點的耦合影響

我們所用的校正方法是，預先模擬在沒有車的環境下，也就是在只有天線的反射面以及天線在觀察點所測得的電場值，該值在爾後的模擬值會予以扣除，

以校正背景偶合量，以得到單純來自於目標物散射的電場。

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圖十二：車體模型的架構以及幾何

在做為發射源的陣列天線建構上，是以四個偶極天線組成，相鄰的偶極天線中心點相距離二分之一個波長。我們設定操作頻率為5.8 GHz。觀察點設置了 101 個，分別在天線的中心，Y = 0 處的左右排成一列，並從 Y = 0 開始，左右每隔1 公分增加一觀察點，即左右各 50 個觀察點，如圖十所示。這樣的小間隔觀察點設置讓我們可以較明確的觀察到車尾邊緣繞射所產生的電場在觀察點所造成的建設性及破壞性。在這篇論文中，我們以 E 代表包含一次及一次以上的電場總和，即考慮所有的電場，E’代表對電場一次的追蹤，如一次反射、繞射，E’’

代表對電場的兩次以及兩次追蹤。因為天線所產生出的極化為 Z 方向的線性極化，因此電場的三個分量中，影響最大的是θ方向的電場，所以我們所設的觀測點以觀察θ方向的電場為主。而在一般狀況下車體正對著天線時，車身本體上四個直立邊緣所造成的繞射現象，相較於車尾平面的直接反射是非常小的。不過在實際應用狀況下車體是任意擺置的，所以一但車體不是正對著天線，就得靠觀察繞射電場所產生的場強的來判斷車子現在呈何種方位擺置。也因此在本模擬工作中我們將觀測點拉長為密集分布的一直線，藉以互相比對各個觀察點結果，進而推論車體的方位。

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5. 結果與討論

超寬頻訊號於複雜環境的傳播

圖十三顯示的是量測到的插入損失頻譜，發現到接收量隨著頻率往下掉的幅度很大，從2 GHz 的-30 dB 掉到 6 GHz 的-50 dB 以下，能量至少掉了一百倍以上。若仔細看，不難發現在頻率前半段，「Add Ground」曲線比較高一點，約 3 dB，表示從地面的反射量跟直接傳播量大小差不多。從圖十四結果可發現各個包含有金屬箱的結果都比「No Box」也就是先前定義的「Add Ground」結果小很多，頻率前半段有差到10 dB 以上，且出現位置疊在一起，幾乎一致，隨頻率的上升也有往下掉的趨勢，從低頻到高頻共掉了約10 dB 左右。

圖十三：有無金屬接地面的傳播係數頻譜

圖十四：有無金屬箱障礙的傳播係數頻譜

第二階段，我們利用傅立葉反轉換將頻域測量結果轉換到時域。頻域與時域的關係可以由以下來解釋：一個在時域上集中的訊號，如一脈衝訊號，經傅立葉

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轉換便可觀察到在頻域上的廣泛分布。同樣的，一個在時域上連續不斷，如一正弦波訊號，在頻域上便集中在特定頻率。因此若對一訊號在頻譜上進行檢測，則頻譜上的頻率寬度及頻率取樣解析度，便可決定轉換到時域後的訊號解析度及維持時間。由於電磁波波速在均勻的自由空間中是呈定值，時域上的變化亦即代表在空間上的變化。

頻寬、頻率取樣間隔對應時間取樣間隔以及時間長度的關係以與換算公式如下。

頻率寬度ΔF ↔ Δt 時間取樣間隔頻率取樣間隔Δf ↔ ΔT 時間長度 f = 1/t => t = 1/ f , c = fλ => λ = ct (1)

套入上方關係式後，本次實驗的空間解析度是7.5 cm，可以觀測的空間總長度是6000 cm。圖十五顯示的是各次頻域量測轉換到時域，並取前面一百點的結果，由於空間解析度是7.5 cm，因此顯示的是前 750 cm 的結果。明顯發現「Add Ground」的能量大小比「No Ground」強快兩倍，而其餘有障礙物的情況則能量相對弱很多，相差十倍以上。兩者的第一峰值出現的位置都落在 105 cm。我們從前述有障礙物的情況中取四種狀況，放大來檢視。可得到從圖十六(a)到(d)的結果。依據邊界條件，我們知道只有垂直於金屬面的電場才能存在，由於發射天線是以垂直極化為主，上面的面可以存在垂直極化電場，所以電磁波最有可能的路徑可能是從障礙物上面過去，不過表面波也會隨傳輸距離而衰減。從各 Case 的狀況來看，可以解釋這種情況。Case2 比 Case1 上面走的距離(L)短少三公分，

所以衰減較少，最大值較大。Case3 高度變高，垂直極化的發射訊號須以較大的角度射入上方面邊緣，因此電場比較難爬上去，走的距離也遠，所以衰減幅度也較大；而Cace4 垂直極化電場雖然比較難爬上去，但上面走的距離短，所以衰減較少。基本上峰值位置的變動不大，Case1 到 Case4 第一個峰值出現位置分別是 105 cm、112.5 cm、120 cm 與 112.5 cm。

NEC-BSC 的模擬結果如圖十七(a)。由於模擬模型中並未如量測環境中設置有牆面，缺乏了多次反射項，因此在頻域的模擬結果，並未如實測時有顫抖的情形。不過除了「No Ground」，在其他的模擬環境下，傳播量隨頻率上升而整體趨勢往下掉的結果和實際量測時相似，不過往下掉的幅度較小。在各個Case 中，

量值一樣並出現在同一位置。「Add Ground」與 Case1 模擬結果隨頻率升高，一個掉的快、一個慢符合實驗結果。比對傳輸係數的差異，在頻率為 2 GHz 處，

「Add Ground」較「No Ground」為大，「No Ground」與各個 Case 大小差約 9 dB 與實測結果相近。在時域的轉換結果上，最大值比例接近實際量測值，且出現位置也非常接近。

(17)

圖十五：有無金屬箱障礙的時域能量傳輸結果

(a) H=19cm, W=26cm, L=29cm (b) H=19cm, W=29cm, L=26cm

(c) H=26cm, W=19cm, L=26cm (d) H=26cm, W=26cm, L=19cm 圖十六：有金屬箱障礙的時域能量傳輸結果比較

(a) 頻域傳輸係數頻譜 (b) 時域轉換結果圖十七：模擬的頻域與時域傳輸結果

(18)

在實際測量結果中，以最大值來說，「Add Ground」是「No Ground」的 1.77 倍，接收能量增加近兩倍，符合頻率域結果，且 Case1~6 的最大值約是「Add Ground」的 1/20 倍以下，接收能量大幅減少，也能符合頻率域結果。以 Case1~6 的時域結果來說，幾乎各個Case 的最大值都出現在距離 100~120 cm 之間，能量有繞過Box 的情形，且其他路徑能量幾乎都比第一個高峰值小。從模擬結果中，

頻域上有往下掉的趨勢。時域上看的出最大值比率與實際測量值吻合，沒有障礙物情況最大值的出現位置也大約是一公尺，加上障礙物變成了1.125 公尺，符合有障礙物路徑會變長的現象。整體來說量測結果符合電磁理論的預測，並且能用這次量測結果來分析具多重障礙物的車輛傳輸環境中，電磁傳播可能具有的特性反應。

我們將車體以不同的姿態擺置，模擬出在觀察點上電場分布的情況。車體的擺置分為三種情形：(一)車體在 X 軸做移動，即改變發射天線到車體的距離、

(二)車體在 Y 軸做移動，即車體相對於發射天線面做水平移動、(三)車體幾何中心點固定，車身做旋轉。

以下針對各個變化情況分別討論：

(一)車體在 X 軸做移動

把置於Ｙ軸正中央的車體從距離d = 1 公尺開始，並逐次以 40 公分間隔往正Ｘ軸移動，一共有六個取樣。由於 NECBSC 程式可決定是否納入如反射、繞射與各式多次項的計算，因此我們分別檢視總和電場與分項的電場結果，以找出車輛目標物的主要散射機制。首先觀察六種不同距離下的總和電場，如圖十八所示，可看出隨距離增加，總和電場逐步遞減，不過衰減的幅度並不一致，且隨橫向位置的變動，總和電場有波紋式的擾動變化。若只顯示如圖十九中的反射電場，可以看出電場大小隨距離增加呈等比例的遞減，且電場大小在不同的觀測位置也大致相同。因此可推論總和電場的擾動現象是來自於車尾的邊緣繞射，由於車尾有兩個垂直邊緣，可被視為分離的散射源，而這兩個散射源到各個觀測點的距離不同，可能產生建設性或破壞性的加總，導致觀測點的總和電場呈現週期性的變化，如圖二十所示的觀測點繞射電場，不過從繞射電場中各觀測點的信號平均，仍可判斷出車體正在遠離天線當中。由於本實驗中直接反射的電場量相當大，而繞射電場的數量級相對來得小，因此繞射場僅能對總和電場形成擾動。

(19)

-0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 35

40 45 50 55 60

d=1m d=2.2m d=1.4m d=2.6m d=1.8m d=3m

|E(theta,all)|, dB

Y axis (m)

圖十八：車體縱向移動在觀察點的總和電場

-0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 30

31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48

|E'(theta,reflection)|,dB

Y axis (m) d=1m d=2.2m d=1.4m d=2.6m d=1.8m d=3m

圖十九：車體縱向移動在觀察點的反射電場

(20)

-0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 16

18 20 22 24 26

d= 1m d=2.2m d=1.4m d=2.6m d=1.8m d= 3m

|E'(theta,refraction & diffraction)|, dB

Y axis (m)

圖二十：車體縱向移動在觀察點的繞射電場 (二)車體在 Y 軸做移動

本項實驗起始狀態時，車體尾端到發射天線的距離是 2.5 公尺，而車體中心置於 Y 軸中心，即 Y = 0 處。每次車體中心向正 Y 軸水平移動 10 公分，分別移動 9 次，總共得到 10 次取樣。圖二十一顯示的是其總和電場。由圖二十一結果可看出車體中心逐漸往正 Y 軸移動時，而負 Y 軸觀測點上的電場便漸次遞減了，這是由於直接反射電場量驟減的緣故，如圖二十二所示。只有在 Y > -0.4 的觀測點才收得到車體中心置於 Y = 0.6 時的反射電場；若車體中心移到 Y = 0.9，則只有在 Y > 0.2 的觀測點才收得到反射電場。而圖二十一中曲線漸次變化則是由車尾邊緣的繞射所貢獻，由圖二十三顯示的繞射電場，可看出隨著車尾位置的移動，繞射電場的分布中心也隨之移動。

-0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 20

30 40 50 60

|E(theta,all)|, dB

Y axis (m)

car center is in y= 0cm car center is in y=50cm car center is in y=10cm car center is in y=60cm car center is in y=20cm car center is in y=70cm car center is in y=30cm car center is in y=80cm car center is in y=40cm car center is in y=90cm

圖二十一：車體橫向移動在觀察點的總和電場

(21)

-0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 -40

-20 0 20 40 60 80

|E'(theta,Reflection)|, dB

Y axis (m)

圖二十二：車體橫向移動在觀察點的反射電場

-0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 10

20 30 40

|E'(theta,Diffraction|, dB

Y axis (m)

圖二十三：車體橫向移動在觀察點的繞射電場 (三)車體自身的旋轉

在本項實驗中，將車體尾端置於發射天線前方 2.5 公尺，對車體的中心作旋轉，每次逆時針旋轉 2 度，從初始值開始取樣十次。圖二十四顯示的是其總和電場，可看出當車身旋轉超過 12 度以上，反射電場便不會出現在觀測點，而是由圖二十五中的繞射電場來主導觀測點場強的變化。圖二十五中的峰值是隨著圖十二中的 Edge2 向負 Y 軸旋轉而在觀測點上向負 Y 軸移動。

(22)

-0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 15

20 25 30 35 40 45 50 55

|E(theta,all)|, dB

Y axis (m)

car rotates 0 degrees car rotates 8 degrees car rotates 2 degrees car rotates 10 degrees car rotates 4 degrees car rotates 12 degrees car rotates 6 degrees car rotates 14 degrees car rotates 16 degrees

圖十：車體旋轉在觀察點的總和電場

-0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 5

10 15 20 25 30 35 40

|E'(theta,diffraction)|, dB

Y axis (m)

car rotates 0 degrees car rotates 8 degrees car rotates 2 degrees car rotates 10 degrees car rotates 4 degrees car rotates 12 degrees car rotates 6 degrees car rotates 14 degrees car rotates 16 degrees

圖十一：車體旋轉在觀察點的繞射電場

在第一種情況的實驗中，幾乎所有設置的觀察點都能夠依據回波量的大小預測車體的位置，而在第二、第三種情況是必須多個觀察點一起考量才能夠找出目標物位置變化的規律。

經過前述的實驗與結果討論，可觀察到當車輛目標物置於發射天線正前方時，車身尾端與發射天線互相平行的這個面，是最主要的回波來源，其回波機制屬於平面反射，當反射的回波出現時，可直接利用回波量的增減變化，估算出目標物到發射源的距離，也就是前方車輛的位置。不過較常見到的情形是車輛並非位於發射天線的正前方，其姿態也不一定與搭載發射天線的車身平行，此時平面

(23)

反射的訊號量，在接收天線的位置會減少或消失，而車體尾部的左右邊緣，則會透過邊緣繞射機制提供相當程度的回波量，該散射機制由於分布範圍較廣，雖然量值較平面反射小，但在此時可提供穩定的回波來源。而依據回波量在不同車體姿態時，在不同接收位置的變化，可分辨出車子是呈前後左右移動或正在轉彎的運動。本研究的結果可用以發展車用雷達的目標物偵測、定位、以及未來位置估算的演算法。而在本研究的未來工作中，需建立更多的樣本，找出其中的相互關聯性，進而提高判斷目標物位置的準確性。並考量實際應用環境中，可能出現的其他環境參數。

參考文獻

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2, 2003, pp. 36-42.

(25)

計畫成果自評

以下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、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。

一、研究內容：

本計劃考量特殊的車輛電磁傳播環境如金屬車體屏蔽、鄰近脈衝雜訊源以及高溫的物理特性，開發可達傳輸需求並符合經濟效益的天線構型設計。同時，由於本計劃所搭配之其他子計畫係利用LTCC多層技術製程射頻晶片，故亦考量天線與射頻電路整合時所產生的電磁相容(electromagnetic compatibility)、電磁干擾 (electromagnetic interference)問題。

二、達成目標：

本計劃所研究之工作項目主要有兩項:其一為評估車用防撞雷達操作時的 FMCW 回波特徵變化；另一項則是研發利用電磁脈衝技術進行無線通訊所需的超寬頻天線，並評估超寬頻脈衝訊號在車輛引擎室內與車廂內的傳播特性，該研究可因應車內各式感應器與車內微控制器(micro control unit, MCU)的通訊需求。在第一項工作中，我們利用高頻數值電磁模擬方法(NEC-BSC code)，模擬出不同的車輛遠近距離與姿態時的回波分佈量值及其相位變化。在模擬模型中採用單一高指向性的發射天線與多個接收天線位置，在利用訊號處理方法校正發射到接收天線的背景耦合量後，可比對各觀察點所接收的回波量大小判斷出目標物的縱向距離、橫向位移，甚至是車身的姿態角度。在第二項工作中，我們除了由天線模擬與實作驗證其傳輸頻段可涵蓋超寬頻脈衝通訊需求外，亦使用高頻數值電磁方法的模擬實驗，以及實際在電波暗室的量策結果，評估脈衝電磁波在複雜環境下的傳播特性，實驗結果顯示車身環境因充滿多重的傳播路徑，單一頻率訊號在不同的收發位置時，所能達成的傳播量差異極大，但因為脈衝訊號具有寬頻的能量分布，不同頻率的多重路徑干擾結果，不一定是破壞或建設性的加成，因此傳播的射頻能量總量反而較窄頻通訊來的穩定，驗證超寬頻脈衝通訊在複雜環境的優異性。

三、學術及應用價值：

本案在研究方法上，主要是利用以幾何繞射理論為核心的高頻電磁方法軟體 NECBSC程式，模擬複雜環境中的電磁傳播特徵，而使用本研究所發展之模擬程序及演算法，可以獲知複雜目標物的回波特性，這是以實測方式不易取得的資料；

也唯有利用目標物的回波模擬資訊，才有機會發展對應的目標辨識技術。因此、

本研究成果在應用上，可做為後續研究的發展基礎；在學術上，可以論文發表形式呈現。

(26)

四、期刊發表：

本案所發展之汽車回波特徵模擬程序與超寬頻訊號在車內環境傳播特性評估結果，將於整理後，投稿期刊發表。

五、主要發現：

經本研究發現在車輛防撞雷達的操作環境下，以多個接收天線位置達成空間多樣性，則可比對各觀察點所接收的回波量大小與相位變化判斷出目標物的縱向距離、橫向位移，甚至是車身的姿態角度，作為未來發展防撞雷達目標物定位、定向與行進方式推估演算法之用。

(27)

出席國際學術會議心得報告

計畫編號 NSC 96 – 2221 – E – 011 - 008

計畫名稱以低溫共燒陶瓷技術研製車用防撞感測系統射頻關鍵模組之研究--子計畫四:車用微型晶片天線與電磁傳播環境特性研究

出國人員姓名

服務機關及職稱廖文照助理教授，國立台灣科技大學電機系

會議時間地點 97 年 7 月 5 日至 97 年 7 月 12 日於美國聖地牙哥市

會議名稱 2008 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation and the 2008 USNC/URSI National Radio Science meeting

發表論文題目 Target Imaging using Multistatic Impulse Radar

一、參加會議經過

本人自 97 年 7 月 4 日啟程，於 5 日抵達美國聖地牙哥市，在完成登記後，及與會場間先前熟識的各國教授與合作人員交換研究近況與心得。於 7 日到 11 日間主要參加下列幾個 session:

#103 Metamaterials I: New Effects, Materials, and Devices

#126 Special Session: Recent Small Antennas and Sensors: Design and Applications

#224 Metamaterials and Left-Handed Antennas

#303 Characterization and Analysis of Metamaterials I

#330 Beamforming and Switched-Beam Antennas for Wireless Communications

#405 EBG Structures

#436 Electromagnetic Material Property Measurements

#503 Metamaterials and Antenna Applications

#526 Ultra Wideband Antennas and Systems II

本人並於 8 日上午 11:20 在 Session 206 “Antennas and Microwave Components for UWB Communications”中，發表”Target Imaging using Multistatic Impulse Radar”的論文報告，在 Q&A 時段，有多位聽眾提問，並交換聯絡方式，持續進行意見交換。

二、與會心得

這一次參加 APS 會議，主要參加的 session 是集中在新型材料與結構及其射頻上的應用，對於該領域的新進發展，有了更進一步的認識。對於我在本計劃與後續計畫中利用新式陶瓷製作特性可電子控制的天線型式，也提供了多個發展方向上的指引與技術上的啟發。

(28)

Target Imaging using Multistatic Impulse Radar Wen-Jiao Liao*

The Department of Electrical Engineering, National Taiwan University of Science and Technology

43, Sec. 4, Keelung Rd., Taipei 106, Taiwan

E-mail: [email protected] Fax: 886-2-2737-6699

In this work, a radar signal processing method is developed to construct 2-D images of targets using RCS data collected from a multistatic broadband impulse radar. The advantages of using such a radar scenario include detecting stealthy target using multistatic RCS, concealing the presence of the active radar system with the spread spectrum impulse signal, and facilitating target recognition using the 2-D radar images with a high resolution. The implementation comprises the synthesis of radar return signals and the transform of RCS data in polar coordinate to 2-D target image using correlation operation with a point scatter reference in the spatial domain.

The radar signal returns are simulated with a high frequency numerical method based on geometric theory of diffraction. In order to generate the response of a time domain impulse, simulations a frequency domain sweep is performed in a loop fashion. By collecting back scattered field intensities at various frequencies, the time domain response can be derived using the Fourier transform. Then a radial distance-angle map as shown in Figure 1(a) can be formulated from returns collected at different angles.

Next, by assuming that the RCS profile of a geometrically complicated target can be formed with superposition of point scatter responses, the 2-D radar image is produced with a spatial domain correlation operation. Here, the delta function is used to represent the ideal point scatter response. A reference radial distance- angle map is formulated according to the prescribed radial distance and angle.

The reference is next convoluted with the polar RCS profile of a complicated target to yield a correlation value. Finally, the transform is completed by stitching correlation values derived at different positions to form the correlation map shown in Figure 1(b), which is derived from an aircraft model. The transformed target image exhibits a rough aircraft contour and indicates that the tail and wing tips of the airplane are relatively strong scatters. For practical implementation considerations, parametric studies of system parameters such as the angular and radial distance resolution are performed to their effects on the radar imaging quality.

Figure 1(a) Synthesized bistatic returns, (b) Transformed target image

Acknowledgement: This work is supported by the National Science Council of Taiwan [96-2623- 7-155-006-D]

以低溫共燒陶瓷技術研製車用防撞感測系統射頻關鍵模組之研究---子計畫四：車用微型晶片天線與電磁傳播環境特性研究

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

以低溫共燒陶瓷技術研製車用防撞感測系統射頻關鍵模組 之研究--子計畫四:車用微型晶片天線與電磁傳播環境特性

研究

研究成果報告(精簡版)

行政院國家科學委員會補助專題研究計畫

以低溫共燒陶瓷技術研製車用防撞感測系統射頻關鍵 模組之研究--子計畫四:車用微型晶片天線與電磁傳

播環境特性研究

1. 前言

2. 研究目的

3. 文獻探討

4. 研究方法

5. 結果與討論

出席國際學術會議心得報告

行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告

以低溫共燒陶瓷技術研製車用防撞感測系統射頻關鍵模組之研究--子計畫四:車用微型晶片天線與電磁傳播環境特性

以低溫共燒陶瓷技術研製車用防撞感測系統射頻關鍵模組之研究--子計畫四:車用微型晶片天線與電磁傳