双频微带天线设计

圖(一) monopole 天線示意圖
提出規格 2.45 GHz & 5.2GHz B.W. > 8%
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選擇天線幾何形狀 及饋入方式
圖(二) 天線製作的流程圖
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表(一) 常見的無線通訊標準所適用的頻段 英文全名 Global Positioning System 英文縮寫 GPS 中文翻譯 全球衛星定位系統 頻段 L1 band：1575.42 MHz L2 band：1227.60 MHz Global System for Mobil Communication Digital Communication System Personal Communication Services Integration of Mobile and Fixed Network Bluetooth PCS 個人通訊服務系統 1850 ~ 1990 MHz GSM *Enhanced GSM DCS 全球行動通訊系統 890 ~ 960 MHz *880 ~ 960 MHz 1710 ~ 1880 MHz
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些幾何圖形的變化可以來改善微帶天線窄頻帶的缺點，並利用單極化的特性來小 型化及降低總功率，使得微帶天線的指向性(Directivity)也比較好[19]。如圖(一)所 示 ，利用圓柱形近似法來找出單偶極微帶天線(Monopole Microstrip Antenna)的第一 個VSWR到達2的共振頻率點，用此方法可以得到不錯的近似，可以用來當作天線 設計的原型。其中饋入間隙 (Feed Gap)g的大小，會造成輻射金屬貼片 (Radiation Metallic Patch)和接地面(Ground Plane)間的電容性增加，使其阻抗不匹配，所以此 參數必須相當小心設計。 天線製作的流程如圖(二)所示，首先選擇天線所要設計的頻段，表(一)為目前 常 見 的 無 線 通 訊 標 準 所 適 用 的 頻 段 。 而 在 ISM 波 段 的 無 線 計 算 IEEE 標 準 有 Bluetooth(802.15)、WLAN(802.11b/g)的2.45GHz以及WLAN(802.11a)的5.2GHz，本 論文著墨於適用上述之頻帶的微帶天線設計。接著利用IE3D電磁模擬軟體根據所 設計的天線結構進行模擬分析，最後以雙面感光電路板(FR4)來製作出實際天線尺 寸並量測此天線之相關參數。
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無線鏈結的目的，但由於兩者皆需要直接波(line of sight)的環境，因此應用範圍有 限，為了達到不須直接波也可鏈結電腦的目的，一般皆使用較低波段的電波頻譜， 稱為射頻(Radio frequency )；較低波段的電波可以傳的較遠，但缺點則有其頻寬較 小，且所須天線也較大等等，例如 1GHz 的電波在空氣中的半波長為(15cm)：這是 傳統半波偶極天線所須的長度，當使用大於 1GHz 的微波或毫米波時，天線的長度 /尺寸將可相對減小 。 目前利用 ISM 波段的無線計算 IEEE 標準有 Bluetooth(802.15) 的 2.45GHz[1]，WLAN(802.11b/g)的 2.45GHz 以及 WLAN(802.11a)的 5.2GHz[2]， 本篇專題研究報告著墨於設計上述之頻帶天線。 隨著行動通訊時代的來臨，重量輕、體積小、收訊佳、成本低的產品將為市 場的主流，天線設計優良與否，就佔了重要的地位。而平面天線體積小、重量輕、 製造容易，可沿著彎曲物體之表面安裝，也可直接和其他電路元件製作在同一單 晶微波電路(MMIC)上等優點，因此非常值得深入的研究探討[3]。 輕薄短小，已經是現在電子產品的需求以及趨勢，所以在各種製成技術在對 於小型化體積過程中會有一些取捨關係(trade-off)，會犧牲某項效能來達成特定的 目的。天線設計也不例外，尤其是天線本身物理特性的限制，對於天線的小型化 影響更鉅。在天線的小型化過程中，可能會犧牲天線的頻寬(bandwidth)與天線的增 益(gain)。雙頻天線算是一個小型化之天線[4][5]，在固定天線尺寸下，產生兩個共 振頻率，其功能猶如兩個單頻天線的結合。而本論文是利用單偶極(Monopole)來完 成設計雙頻之天線，稱之為雙頻帶單偶極微帶天線(Dual-Band Monopole Microstrip Antenna)。 在本文的內容方面，單元 2 是有關微帶天線設計的描述，其中包括了微帶天 線設計的優缺點及其工作原理。單元 3 是描述本論文所設計天線的實驗與模擬結 果。最後在單元 4 做一總結。
Abstract
Microstripe antennas have the advantage of lightweight, small size and low profile and had found wide application in various wireless communication areas in this
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loss 低於-10dB 為 2.44GHz～2.71GHz(Bandwidth BW=270MHz)以及 5.26GHz～ 5.4GHz(BW=140MHz)。由圖可見其實驗與模擬結果非常相近，表(三)為實驗結果 與模擬結果之比較。
4、結論
在各種類天線中，當今最受歡迎的天線為平面天線。平面天線結構因為具備 體積小、重量輕、製作容易、價格低廉、可信度高，同時可附著於任何物體之表 面上，使得微帶天線與印刷槽孔天線被大量應用於無線通訊系統中。於是本論文 提 出 一 種 利 用 微 帶 線 饋 入 之 雙 頻 帶 monopole 天 線 以 供 Bluetooth(802.15) 的 2.45GHz，WLAN(802.11b/g)的 2.45GHz 以及 LAN(802.11a)的 5.2GHz 規格之收發 器使用。由模擬與實驗結果比較得知，可以發現其響應非常吻合，是一個可用之 雙頻天線。 Nhomakorabea2、天線設計
天線是一種可以將電路中的電氣訊號與空間中的電磁能量相互轉換的耦合元 件或導電系統。傳送信號時，天線將無線電頻率電能轉變成電磁能量輻射到週遭 的環境。接收信號時，天線接收電磁能量輻射轉變成無線電線電頻率之電能提供 給接收器處理。一般最常用天線向四面八方輻射能量的輻射場型(Radiation Pattern) 來描述天線性能，這是以圖形將天線輻射特性描述成空間函數的一種方式。另外， 當鐀入傳輸線上射頻訊號的頻率改變時，天線之阻抗值亦跟著改變。因此，適當 的訊號鐀入方式與阻抗匹配的考量，可以使得天線在共振頻率時所有入射能量都 能夠輻射出去。 近十年來由於微帶天線具有尺寸小、重量輕、低角度的特性，在無線通訊的 應用上扮演著重要的角色。微帶天線係共振式的天線，所以擴大頻寬是微帶天線 一大重點[6-12]；另外如何縮小天線尺寸亦是一個重要的研究課題[13-18]。藉由一
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two decades. Microstripe antennas can radiate in broadside and act in resonant mode; hence, they usually have limited impedance bandwith. Increasing the bandwith of microstrip antenna has been the major thrust of research in this field. In this paper, the radiation characteristics of the microstripe dual-band monopole antenna are investigated in detail and designed to operate on the transceiver of the Bluetooth, WLAN for the 2.45GHz and 5.2GHz ISM bands. Numerical results show that dual-band antenna has a good simulation performance is agree with the practical and is applicable for the wireless communication device.
雙頻帶單偶極天線設計 Dual-band Monopole Antenna Design
摘
要
近十年來由於微帶天線具有尺寸小、重量輕、低輪廓的特性，在無線通訊的 應用上扮演著重要的角色。微帶天線係共振式的天線，通常限制了阻抗頻寬。所 以擴大頻寬是微帶天線一大重點。本論文提出一種利用微帶線饋入之雙頻帶單偶 極 天 線 (Dual-Band Monopole Microstrip Antenna) 以 提 供 在 ISM 頻 帶 使 用 藍 芽 (Bluetooth)(802.15) 的 2.45GHz ， 無 線 區 域 網 路 (Wireless Local Area Network, WLAN)(802.11b/g)的2.45GHz以及(802.11a)的5.2GHz規格之收發器使用。由模擬與 實驗結果比較得知，可以發現其響應非常吻合，是一個適用於無線通訊產品的雙 頻天線。 關鍵詞：微帶天線、雙頻帶單偶極天線、ISM頻帶
3、實驗與模擬結果
本論文之雙頻帶 monopole 天線是採用 FR4 為基板( 4.4 )，其厚度 h 為 r 0.8mm，並利用 50ohm 之微帶線饋入激發。圖(三)為此雙頻 monopole 天線之結構 圖，包含直線及彎曲結構，其中直線型為提供共振頻率為 2.45GHz 時主要輻射部 分(在頻率 2.45GHz 下所提供之共振腔)，彎曲型提供共振頻率為 5.2GHz 時主要輻 射 部 分 ( 在 頻 率 5.2GHz 下 所 提 供 之 共 振 腔 ) 。 虛 線 表 示 Ground 其 長 度 Lg=31.27mm，寬度 Wg=22.26mm，實線部分為微帶饋入線以及天線主體，微帶線 寬 為 Wf=1.4mm(50hom) ， 天 線 主 體 各 個 參 數 為 We=1.4mm ， Le=26.28mm ， d=25.28mm，Wt=1mm，d1=9.98mm，t1=1.64mm，t2=1.4mm，t3=1mm，t4=0.85mm， g1=1.96mm 以及天線主體與 ground 的間隙 g2=0.5mm，表(一)為以上參數之整理。 圖(四)為利用軟體模擬之 Return loss 頻率響應圖，可以發現其共振頻率分別是 在 2.46GHz 及 5.18GHz，Return loss 低於-10dB 為 2.35GHz～2.59GHz(Bandwidth BW=240MHz)以及 5.13GHz～5.25(BW=120MHz)，故此新形式之 monopole 天線確 實 有 不 錯 之 雙 頻 效 應 ， 可 完 全 符 合 適 用 於 Bluetooth(802.15) 2.45GHz ， WLAN(802.11b)2.45GHz 以及 LAN(802.11a)5.2GHz 規格之收發器之天線，表(二) 為共振頻率及頻寬之關係。圖(五)(六)為此結構在共振頻率 2.46GHz 及 5.18GHz 下 之電流分佈圖，可以發現當共振頻率為 2.46GHz 時，直線型為主要輻射部分，共 振頻率為 5.18GHz 時，彎曲型為主要輻射部分。圖(七)(八)為共振頻率為 2.46GHz 及 5.18GHz 下之輻射場型。 圖(九)為利用基板材質 4.4 厚度 h 為 0.8mm 的 FR4 板來製作雙頻 monopole r 天線，其實際尺寸大小長 × 寬約為 5cm × 3cm。圖(十)為雙頻帶 monopole 天線實 際量測 Return loss 頻率響應圖，其共振頻率分別是在 2.6GHz 及 5.26GHz，Return