高增益及宽频带堆叠微带补片天线之设计

Journal of China Institute of Technology Vol 32 2005 6 75 高增益及寬頻帶堆疊微帶補片天線之設計高增益及寬頻帶堆疊微帶補片天線之設計 DesignDesign ofof High GainHigh Gain andand WidebandWideband StackedStacked PatchPatch AntennaAntenna 袁敏事 姜仲鴻 Min Shih Yuan Jong Hong Jiang 中華技術學院 航空電子系 副教授 Department of Avionics 摘摘 要要 本文中將設計一個 2 4GHz 及 5 2 5 8GHz 頻率的高增益及寬頻帶堆疊微帶補 片天線 使用天線模擬軟體 IE3D 做天線分析 藉由探討電流在堆疊微帶補片分 佈的特徵 尋找出寬頻帶的機制 選擇H形狀及C形狀長方形堆疊金屬補片中最適當凹陷的位置及凹陷區域的大 小 以達到將近23 的阻抗頻寬 且天線最大增益可達9 3dBi 可以滿足無線區域 網路802 11a b g之室內外使用 最佳化的H形狀及C形狀長方形堆疊金屬補片微帶 天線被製成後並量測其結果 發現天線的頻寬 輻射場型及增益都符合理論模擬 關鍵字關鍵字 微帶天線 堆疊技術 輸入阻抗頻寬 AbstractAbstract A high gain and wideband stacked patch antenna will be designed to operate at 2 4GHz and 5 3 5 8GHz The antenna simulation software IE3D will be used for analysis The high gain and wideband mechanism will be explored by investigating the behavior of the current on the stacked patch The location of the notch and notch dimension of the H shaped and C shaped stacked patch are optimized to achieve a wide bandwidth about 23 the peak gain is 9 3dBi Optimized H shaped and C shaped patch antenna will be fabricated and measured The bandwidth radiation 高增益及寬頻帶堆疊微帶補片天線之設計 76 pattern and gain are in good agreement with the theoretical simulations KeywordsKeywords Patch antenna Stacked technique Input impedance bandwidth 前言前言 由於近來無線通訊快速的成長 許多消費性電子裝置皆內建有無線傳輸的 功能 尤其是 3G 行動電話 個人數位助理 PDA 及筆記電腦 NB 等 需要 以無線方式傳輸寬頻的多媒體信號 但目前能滿足無線通訊的規格標準 主要 有藍芽 Bluthtooth 及無線區域網路 WLAN 兩種 藍芽的傳輸速率是 1MHz 在免執照的工業 科學及醫療 ISM 頻段 2 4GHz 2 485GHz 中操 作 較短的範圍是 10m 中程範圍是 100m 同時以低功率無線介面的個人區域 網路 PAN 傳輸數據資料與語音訊號 這項技術成功地將通訊與電腦整合在 一起 而無線區城網路 WLAN 的 IEEE 802 11b IEEE 802 11g 是使 ISM 頻段中 的 2 4GHz 2 485GHz 另外 WLAN 中的 IEEE 802 11a 是使用 ISM 中的 5 25GHz 5 35GHz 及 5 725GHz 5 850GHz 以目前使用最多的 IEEE 802 11b 被企業及大眾接受成為無線市場的主流 其速率可達 l1Mbps 現在友旺科技與 明基電通所推出之無線液晶螢幕 Smart Display 就是透過 Windows CE net 整 合 XP 輿 IEEE802 11b 無線網路技術的產品 消費者以後只要在家裡電腦裝無線 網路卡與 Windows XP 系統 搭配無線液晶螢幕 不用坐在電腦前 可在床上 沙發或任何角落上網 讀電子郵件 觀賞 DVD 但更高速的 802 11a 及 802 11g 產品也已經或即將推出 其速率可達 54Mbps 更可滿足寬頻多媒體傳送 近日 蘋果電腦在舊金山的 MACWORLD Expo 展示中推出傳輸速率達 54Mbps 的 Airport Extreme 無線網路技術 此項技術採用 802 11g 無線通訊協定結合新 17 吋 Power book 同時內建 Airport Extreme 無線網路及藍芽無線傳輸 未來 WLAN 應用到智慧型家電及印表機 投影機成為內建型系統將會是個 趨勢 如此一來 將更擴大其應用領域 消費者將享受其帶來的 無線 與 無限 方便 大大提高生活品質 根據 IDE 及 IN STAT 預計全球無線網卡 WNIC 2006 年總需求量可達 2 干 5 百萬片 我國在無線區域網路的市場也 有相當突出的表現 預計 2005 年產量佔全球市場可高達 68 2 生產無線區域 網路之廠商也由原先的十幾家到今年的六十幾家 無線傳輸設備中天線佔有舉 足輕重之角色 除了要使用 ISM 頻段 還要有體積小 寬頻帶 全向性 低交 叉極化及容易製造等特性 因此研發寬頻帶 高增益的微帶天線來傳輸寬頻多 媒體資料 同時天線又能崁入在無線電子設備中有其必要性 一般而言 微帶天線在實際的應用上 主要的缺點是頻寬太窄 對現今無 Journal of China Institute of Technology Vol 32 2005 6 77 線通訊系統而言 GSM 890NHHz 960MHz 行動通訊中的天線所需的工作頻 寬大約是 7 6 DCS 數位通訊系統的工作頻寬需求是 7 5 及 UMTS 1 920GHz 2 170GHz 全球行動電信系統的工作頻寬是 12 2 為了滿 足這些寬頻帶之需求 許多頻寬加強或寬頻帶技術的微帶天線文獻最近都被報 導出來 有一種頻寬加強技術是使用共平面直接耦合 Coplanar directly coupled 及空隙耦合金屬補片 Gap coupled parasitic Patches 1 它是由一個 共平面直接輛合金屬補片及兩個空隙耦合金屬補片的長方形微帶天線 此種架 構可使天線達到最小化 其基底是使用較便宜的 FR4 介質材料 厚度是 1 6m 及相對介電係數是 4 4 根據實驗結果得知其阻抗頻寬大約是 12 7 2 這是 僅有一個驅動金屬補片 Driving patch 的微帶天線 2 的 6 35 倍 若是將 寄生金屬補片堆疊在微帶天線的上方 3 將可有效達到頻寬加強之作用 降低微帶天線的品質因素 Quality factor 亦是一種增加天線阻抗頻寬的有 效方法 其技術包含有使用厚的空氣或 foam 的基底 及在具有薄介質基底的微 帶天線上加入一個晶片電阻 對於前者是使用探針饋送信號源 因其較長的探 針在厚的基底層內會產生較大的電抗值 在寬頻率範圍內欲達到好的阻抗匹配 是一個問題 為了克服這個問題 有些設計方法被提出來 如在金屬補片上崁 入一個 U 形狹縫孔 Slot 使用三度空間微帶轉換饋送 在金屬補片輻射端切 割一對寬的狹縫 Slits 叉稱 E 金屬補片 4 將金屬補片彎成 3D 的 V 形金 屬補片 及使用修正過的探針饋送 例如 L 條狀饋送 L 探針饋送 空隙探針 饋送 或是一個電容性耦合饋送 5 以上所提到具有厚空氣基底探針饋送微 帶天線的阻抗頻寬能很容易加強到 25 左右 但製作較困難 另外也已証實 使用一個較大的耦合狹縫孔當作孔徑 Aperture 耦合饋送 亦能有效地降低微 帶天線的品質因素 及達到較好的阻抗匹配 其他有效的頻寬加強技術是激發兩個或多個其有相似輻射場型的共振模態 使其鄰近頻率形成一個寬的工作頻帶 這些技術包含有 在輻射金屬補片中加入 合適的狹縫孔 6 整合的串接微帶線段加入在輻射金屬補片中 7 它們除 了保有微帶天線低側面的優點外 阻抗頻寬亦增加為一般微帶天線的 2 0 3 5 倍 另一種經由額外加入的最佳化的匹配網路 也能獲得頻寬加強的作用 8 但這匹配網路卻會增加微帶天線的體積 兩個工作頻率的阻抗頻寬大於 10 的雙頻率微帶天線設計已有文獻報導 利用 L 探針饋送到雙元件金屬補片的雙頻率天線 9 已被証實用在 GSM PCS 雙頻帶基地台天線中 同時顯示 使用 3D V 形狀金屬補片亦能得到 寬頻帶雙頻工作 10 這種設計可由探針饋送 若以孔徑耦合饋送 兩個工作 頻率的 10db Return loss 頻寬大於 10 兩個工作頻率的頻率比大約是 1 28 1 31 11 高增益及寬頻帶堆疊微帶補片天線之設計 78 不同的寬頻帶雙極化微帶天線最近亦有文獻報導 在設計一個大阻抗頻寬 的雙線性極化微帶天線中 主要考慮的因素是兩個饋送埠的高隔離度及低交叉 極化 對孔徑耦合饋送微帶天線的兩個饋送埠間的去耦合 40dB 21 S 有文獻顯示 E 形狀單金屬補片之微帶天線的阻抗頻寬可高達 30 3 涵 蓋無線通訊之 1 9GHz 及 2 4GHz 兩個頻率 其大的頻寬是由裂縫孔長度 寬度 及位置來決定 設計過程使用 Ansoft HFSS 軟體分析與設計 E 形狀堆疊可高 達 38 4 其工作中心頻率是 5 35GHz 空氣當作基底 兩層堆疊之高度分別 是 3 5mm 及 3 75mm 銅金屬補片之厚度是 0 11mm 天線增益是 7 017db 使 用 IE3D 軟體分析與設計 但僅能用在 802 11a 中 至於 U 形狀微帶天線的阻 抗頻寬 VSWR 2 可高達 32 H 形狀單金屬補片之微帶天線的阻抗頻寬 在 band 1 時 中心頻率 1 04GHz 可高達 30 8 在 band 2 時 中心頻率 0 f 2 3GHz 可高達 34 H 形狀堆疊金屬補片之微帶天線 在中心頻率 0 f 2 43GHz 時 阻抗頻寬可高達 39 0 f 根據以上之分析 可知 H 形狀微帶天線有最佳的阻抗頻寬 因此本文中將針 對 2 4GHz 及 5 3 5 8GHz 兩個頻帶 使用 IE3D 軟體做天線分析 設計出寬頻 帶 H 形狀堆疊金屬補片微帶天線 以滿足國內未來無線區域網路傳輸寬頻多媒 體資訊之需求 天天線線設設計計 長方形微帶補片天線是一種包含接地金屬板 介電基板 以及很薄的金屬補 片的天線 如圖1所示 其中L W分別是補片的長度 寬度 h r則是基板的厚 度及介電常數 首先由傳輸線模型得知 高頻時接地金屬平板與長方形金屬補片有邊緣效應 的作用 使所選用的介電常數 並不是一個定值 受到微帶補片天線W及h的影響 此時我們會得到一個有效的介電常數 re 此有效介電常數的範圍是介於 1 reff r 有效介電常數的計算如下式所示 當W h 1 1 1 1 2 11 1 12 22 rr reff h W L 是天線的實際共振長度 在它两端的兩個輻射槽孔 因為邊緣效應的作用 有 效的共振長度Leff跟實際上的共振長度L會有2 L的差距 也就是 Leff L 2 L 下式為 L的算法 Journal of China Institute of Technology Vol 32 2005 6 79 2 2 0 30 264 0 412 0 2580 8 reff reff W Lh Wh h 得知後 接著設定微帶天線的有效共振長度Leff為 g 2 而實際長度L Leff 2 L L 即為設計天線所需的共振長度 至於寬度W是由 3 式耒決定 這是影響天線 輻射效率的最大因素 3 3 00 12 12 r r W f 本文中的高增益及寬頻帶堆疊微帶補片天線 的架構共分三層 其側視圖如圖 2 a 所示 第一層是最下層的接地金屬平板 第二層是厚度為 h1的 Duriod 5880 介質 在這層上加入 C 形狀挖糟金屬補片 使用耦合方式產生 2 4GHz 的共振頻 率 第三層是厚度為 h2的泡沫膠 foam 介質 在這層的最上面加入 H 形狀挖糟金 屬補片 與 C 形狀金屬補片間以膠木支 四個邊角 如圖 2 b 所示 使用 50 SMA 接頭將 RF 信號直接饋送到此 H 形狀補片上 產生 5 3 5 8GHz 的共振頻率 要決定C形狀挖糟金屬補片前 先要決定長方形微帶金屬補片的長度L與寬度 W 現將共振頻率fr 2 4GHz 第二層介質Duriod 5880的介電常數 r 2 2 厚度h1 0 787 mm 分別代入公式 2 及公式 3 中計算出 L 46mm W 40mm 接著在長 方形微帶金屬補片上挖掘C形狀糟孔 以耦合方式產生2 4GHz寬頻帶共振頻率 為了提昇高增益及寬頻帶的功能 本文中使用堆疊技術 在最上層加入H形狀 挖糟金屬補片用來產生5 3 5 8GHz的共振頻率 第三層泡沫膠的厚度h2 3 2 mm 介電常數 r 1 0 使用半徑為0 65mm的SMA接頭 將RF信號直接穿過最底層的接 地金屬平板饋送到H形狀挖糟金屬補片上 圖2 b 中C形狀及H形狀挖糟金屬補片 的各参數值如表一所示 表一 C形狀及H形狀挖糟金屬補片的各参數值 單位 mm ABCDEFGHI 3633244336362128 接地金屬平板的尺寸則為75mm 75mm 高增益及寬頻帶堆疊微帶補片天線之設計 80 結果分析結果分析 製作完成的高增益及寬頻帶堆疊微帶補片天線以 圖 3 表示 將此天線置入本 校新竹校區航電系的電磁量測中心的天線量測實驗室加以量測 將所得到的各參 數與 IE3D 天線模擬值做一比較 圖 4 是天線模擬的 10dB 反射損失 S11 Return loss 圖 圖中顯示 2 4GHz 頻帶的頻率是從 2 247 GHz 到 2 507GHz 頻寬佔有 257MHz 輸入阻抗頻寬是 18 至於 5 3 5 8GHz 頻帶的頻率是從 4 960 GHz 到 6 060GHz 頻寬佔有 1100MHz 輸入阻抗頻寬是 20 圖 5 是天線實測的 10dB 反射損失圖 圖中顯示 2 4GHz 頻帶的頻率是從 2 22 GHz 到 2 49GHz 頻寬佔有 270MHz 輸入阻抗頻寬是 12 遠大於 802 11b g 中 84MHz 頻寬需求 至於 5 3 5 8GHz 頻帶的頻率是從 5 00 GHz 到 6 30GHz 頻寬佔有 1300MHz 輸入阻 抗頻寬是 23 遠大於 802 11a 中 300MHz 頻寬需求 從圖 4 圖 5 中可知本文中 天線可達寬頻帶之應用 實測值與模擬值十分符合 圖 6 顯示天線的增益值 最 大增益可達 9 3dB 比 E 形狀堆疊微帶補片天線的 7 02dB 還高出 2 3dB 確實是 一個高增益天線 可適用於室內及室外之操作 圖 7 圖 8 及圖 9 分別是 2 4 5 2 及 5 8GHz 時 E 平面的實測與模擬的輻射場型圖 由這些圖中可看出實測值與模 擬值相似 滿足全向性之需求 結論 結論 使用IE3D電磁模擬軟體做天線分析 設計C形狀及與H 型微帶補片堆疊而成 的天線確實可達到高增益及寬頻帶之特性 其阻抗頻寬在2 4GHz時是12 在 5 3 5 8GHz時可達23 天線最大增益可達9 3dBi 輻射場型在2 4GHz 5 3 GHz 及5 8 GHz時均呈現全向性 確實可以滿足無線區域網路802 11b g及802 11a之室內 外使用 增加其應用之範圍 參考文獻 參考文獻 1 L Xaid G Kossiavas J Dauvigaac J Cazajous and Papiernik Dual frequency and broad band antenna with stacked quarter wavelength elements IEEE Trans Antennas Propagate Vol 47 pp 654 660 April 1999 2 S MaciandG BiffGentili Dual frequency patch antennas IEEE Antennas Propagat Mag 39 13 20 Dec l997 Journal of China Institute of Technology Vol 32 2005 6 81 3 K L Wong and W S Chen Slot loaded bow tie microstrip antenna for dual frequency operation Electron Lett 34 1713 1714 Sept 3 1998 4 W S Chen C K Wu and K L Wong novel compact circularly polarized square microstrip antenna IEEE Trans Antennas Propatat49 340 342 March 2001 5 W S Chen C K Wu and K L Wong single feed square ring microstrip antenna with truncated corners for compact circular polarization operation Electron Lett 34 1045 1047 My 28 1998 6 W S Chen K L Wong and C K Wu Inset microstripline fed circularly polarized microstrip antennas IEEE Trans Antennas Propagat48 1253 1254 Aug 2000 7 B Robert I Razban and A Papiernik compact amplifier integration in square patch antenna Electron Lett28 1808 1810 Sept 10 1992 8 C K Wu and K L Wong Broadband Miccostrip antenna with directly coupled an