超宽频微带天线设计

Ultra-Wideband Microstripe Antenna Design
陳建宏
Chien-Hung Chen
摘要
近十年來由於微帶天線具有體積小、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的特性，在無線通訊的應用上扮演著重要的角色。

本文將利用全平面正方形單極微帶天線當作設計天線的原型，藉由調整金屬貼片的上緣、下緣部份與接地面的上緣部份來研製適用於超寬頻通訊系統的微帶天線。

由模擬與實驗結果比較得知，可以發現其響應非常吻合，是一個適用於超寬頻通訊產品的天線。

關鍵詞：微帶天線、單極、超寬頻
、簡介
美國聯邦通信委員會（Federal Communication Commission,FCC）在西元2002年2月14日允許超寬頻技術使用於消費性電子產品上，並公佈了初步規格，FCC開放3.1GHz~10.6GHz提供超寬頻通信及測試使用。

為了研究開發適用於此頻段的天線技術。

將利用微帶天線的優點：體積小、重量輕、低成本、容易製作等特性，來研製適用於超寬頻通訊系統的微帶天線。

傳統的寬頻天線[2]中有行進波線天線（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），不過其中適用於超寬頻系統的只有偶極圓錐形天線、單極圓錐形天線和盤錐形天線[3]。

因為其不僅有大的輸入阻抗頻寬（Large Input Impedance Bandwidth）、其輻射場形（Radiation Pattern）也能控制在一定的頻寬中。

利用虛像法（Method of Image）[4]及接地面（Ground Plane）來使偶極天線變成單極天線，從早期的線型單極天線－窄頻（Narrowband），演化成單極圓錐形天線－中頻寬（Intermediate
），到最後的火山煙狀天線（V olcano Smoke Antenna）－寬頻（Broadband）[5]。

火山煙狀天線，雖然擁有很大的頻寬，不過在實際製作上相當不容易。

而圓錐形天線在輸入阻抗頻寬和輻射場型上有好的表現，其結構形狀上較為簡單、易於製作、分析容易，所以近年來有人就將兩者的優點加以結合製造出近似水滴形狀的天線[6]，不僅在頻寬上符合FCC規定的3.1GHz~10.6GHz，且其輻射場形是全指向性（Omnidirection），在高頻也有維持不錯的E-plane場形。

利用圓柱形近似法[7]來找出單極微帶天線的第一個VSWR到達2的頻率點，用此方法可以用來設計天線的原型，然後再從圓錐形天線的形狀發展出其他的形狀的天線，再從中挑選有潛力成為超寬頻天線的天線單元之幾何形狀來研製適用於超寬頻通訊系統的微帶天線，其中梯型單極天線[8]，[9]算是簡單幾何圖形裡容易達到超寬頻的形狀之一。

在本文的內容方面，單元二是有關超寬頻微帶天線設計的描述，其中包括了單極微帶天線的工作原理與結構參數設計分析。

單元三是描述本文所設計天線的實驗與模擬結果。

最後在單元四做一總結。

、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。

天線製作的流程如圖(一)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，而本論文著重於適用超寬頻通訊的微帶天線設計。

利用圓柱形近似法來找出單極微帶天線(Monopole Microstrip Antenna)的第一個VSWR到達2的共振頻率點，用來當作天線設計的原型。

然後利用電磁模擬軟體根據饋入間隙(Feed Gap)與接地面的大小，以及金屬貼片的結構進行最佳化的調整並模擬分析，最後再以雙面感光電路板(FR4)來製作出實際天線尺寸並量測此天線之相關參數。

一）全平面正方形單極天線初始結構的計算
如圖(二)所示，利用圓柱形近似法[7]來找出單極微帶天線(Monopole Microstrip Antenna)的第一個VSWR 到達2的共振頻率點，一般以L F 表示為:
g r L F L ++=72(1)
當為正方形單極天線時，
W L =(2)
可利用圓柱形表面積來等效矩形面積，則有
L W L r ⨯=⨯⨯π2(3)可得
π2W r =(4)
將式(2)、(4)一同代入式(1)，且間隙g 令為0.7，若設計的低點L F (VSWR=2時的第一個頻率)為Z GH 3，則式(1)式變成
7.02723++==πW W F L (5)
可解出1008.20=W ，因此設計出正方型邊長約為20mm ，間隙為0.7mm 的單極微帶天線。

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。

（二）超寬頻天線的結構參數設計分析
在上述正方形單極初始結構中，要注意饋入間隙的大小，它會改變輻射金屬貼片(Radiation Metallic Patch)和接地面(Ground Plane)間的
特性，也就是說從饋入線看到的有效負載為天線組抗和饋入間隙電容的並聯，這會使其阻抗沒有匹配。

利用IE3D 模擬軟體，可得到從3.1GHz 開始小於-10dB 的頻寬約為5GHz 左右。

這也就是說，就阻抗匹配的觀點而言，要匹配頻段f >5GHz 的電感效應，僅並聯一個固定電容(即固定饋入間隙)是無法達成寬頻匹配的目標，因此在概念上得到饋入間隙的大小必須要隨頻率改變才行。

這可藉由調整金屬貼片的下緣與接地面的上緣來完成寬頻匹配的目標。

同時，為了使天線具有高階模態的激發而希望增加電流密度，因此亦需要調整金屬貼片的上緣結構。

為了使得金屬貼片和接地面有更好的耦合來達到寬頻的效應，將金屬貼片的上緣、下緣部份與接地面的上緣部份設為最佳化的變數，並且一左一右設為同一變數來使天線結構保持其對稱性。

最佳化的目標為：在3.1GHz~10.6GHz 頻段內使dB S 1011-≤，最佳化時第一次採用隨機法(Random Optimizer)以擴大搜尋範圍，然後再以區域收斂的方法做第二次最佳化，所得到的最佳化結果會相當良好。

、實驗與模擬結果
圖(三)為此超寬頻微帶天線之尺寸結構圖，其中金屬貼片的下緣部份與接地面的上緣部份為了寬頻匹配的最佳化而有斜角與鋸齒形狀的結果，而為了讓天線有高階模態的激發，金屬貼片的上緣部份呈現三角錐狀的結構。

圖(四)則為利用基板材質4.4
厚度h為0.8mm的FR4
r
板來製作以50ohm之微帶線饋入激發的超寬頻微帶天線，其實際尺寸大小長乘寬約為4cm×3cm左右。

圖(五)為軟體模擬與實際量測之Return loss頻率響應圖。

模擬結果的頻寬達3.1GHz~10.5GHz，涵蓋了整個UWB的頻帶，而實際量測的結果又比模擬結果好更多，其頻率範圍為3.2GHz~11GHz以上，由實驗與模擬結果可以得知其響應非常吻合。

圖(六)到圖(九)為該天線分別在共振頻率為3、4、5、6、7、8、9、10GH時，E-plane與H-plane之模擬輻射場型，其中E-plane為y-z平面、H-plane為x-z平面。

圖(六)、(七)顯示出在範圍為3~8GHz時的E-plane輻射場型以30度、150度的地方為中心，左右約有30度到60度不等的夾角內的輻射強度大於0dB。

圖(八)、(九)顯示出在3~8GHz 時的H-plane輻射場型為全向性。

、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。

本文提出一種超寬頻微帶天線的設計方法，藉由經驗公式計算得到的初始方形單極天線結構，探討天線結構參數對阻抗匹配的敏感度，調整金屬貼片的上、下緣與接地面的上緣結構來完成寬頻匹配與高階模態激發的目的。

由實驗與模擬結果可以得知其響應非常吻合，實際量測的頻寬範圍為3.2GHz~11GHz以上，涵蓋了整個UWB的頻帶範圍，可完全符合超寬頻通訊系統的使用。

、參考文獻：
[1]D a v i d G.L e e p e r,“Wi r e l e s s D a t a B l a s t e r”,Scientific American,2002
May.
[2]Warren L.Stutzman and Gary A.Thiele,Antenna Theory and Design,
Second Edition,John Wiley,New York,1998.
[3]M.Y.L u a n d C.S.S h i,“A h i g h-quality ultra-wideband omni-direction
a n t e n n a”,Electromagnetic Compatibility Proceedings,1997
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[4]David K.Cheng,Field and Wave Electromagnetics,Second Edition,
Addison Wesley,1989.
[5]John D.Kraus and Ronald J.Marhefka,Antennas For All Applications,
Third Edition,McGraw-Hill,New York,2002.
[6]T.T a n i g u c h i a n d T.K o b a y a s h i,“A n O m n i d i r e c t i o n a l a n d L o w-VSWR
Antenna for the FCC-A p p r o v e d U WB F r e q u e n c y B a n d”,Antennas and Propagation Society International Symposium,2003.IEEE,V olume: 3,June22-27,2003,pp.460-463.
[7]Girish Kumar,K.P.Ray,Broadband Microstrip Antennas,Artech
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monoples with impedance bandwidths in excess of10:1”,Antennas and Propagation Society,1999.IEEE International Symposium1999, V olume:3,11-16July1999Page(s):1558_1561.
[9]Z.N.Chen,“Impedance Characteristics of Trapezoidal Plannar
Monopole Antennas”,Microwave and Optical Technology Letters, 2000,27,(2),120-122.
圖(一)
(a)
(b)
圖(二
)
L
圖(三)
1.4mm
31.54mm
20.25mm
9.72mm
圖(四)
圖(五)
(a)3GHz(b)4GHz
(C)5GHz(d)6GHz
圖(六)
(e)7GHz(f)8GHz
(g)9GHz(h)10GHz
圖(七)
(a)3GHz(b)4GHz
(C)5GHz(d)6GHz
圖(八)
(e)7GHz(f)8GHz
(g)9GHz(h)10GHz
圖(九)
表(一)常見的無線通訊標準所適用的頻段
英文全名英文縮寫中文翻譯頻段
Global Positioning
System GPS全球衛星定位系統L1band：1575.42
MHz
L2band：1227.60
MHz
Global System for
Mobil Communication
GSM
*Enhanced GSM
全球行動通訊系統890~960MHz
*880~960MHz
Digital
Communication
System
DCS數位通訊系統1710~1880MHz
Personal
Communication
Services
PCS個人通訊服務系統1850~1990MHz
Integration of Mobile and Fixed
Network IMT-2000(3G)行動通訊與固網整
合系統（第三代行
動通訊）
1920~2170MHz
Bluetooth藍芽2400~2484MHz
（IEEE802.11b）Ultra Wideband
Communication
超寬頻通訊系統 3.1~10.6GHz 註：可能因地域的不同而有微幅差異，所以僅供參考。