應用於短距高速通訊的整合式UWB手機天線設計及其特性探討
學年 95
學期 1
出版（發表）日期 2007-01-01
作品名稱 應用於短距高速通訊的整合式UWB手機天線設計及其特性探討
作品名稱（其他語言） Design and Characteristic Investigation of the Integrated UWB Antenna for Handsets for the Short-Range Wireless Communication
著者 李慶烈
單位 淡江大學電機工程學系
描述 計畫編號：NSC96-2221-E032-002 研究期間：200708~200807 研究經費：486,000
委託單位 行政院國家科學委員會
摘要 本研究計畫為三年期的天線專題研究計畫，其目的在開發ㄧ超寬頻（UWB）短距 無線通訊用的關鍵元件－天線，主要在設計由微帶或共平面波導所激發的縮小化二維平 面式超寬頻單極（monopole）天線與超寬頻長方形槽孔（UWB slot）天線以及其頻域與 時域特性的分析，此種天線具有重量輕及體積小的優點。近幾年，平面式超寬頻天線元 件的設計與研究已由四.五年前的起步階段，逐漸吸引著更多的天線元件設計者的重 視。過去著墨很多的單極天線之研究大至可以分成兩大類：一大部分是在於各種窄頻 （narrow-band）全平面二維單極天線的設計與應用，這包括雙頻或三頻的單饋入式單極 天線等；另一部份則在於寬頻（wide-band）或超寬頻單極天線的研究。有關後者，近十 年來超寬頻單極天線之研究也可以分成兩大方向：前五年大致側重在具有廣大接地面的 準二維平面單極天線的設計與特性探討，但這種monopole 的製作較複雜；近五年則側 重在全平面式的二維超寬頻平面單極天線的研究，全平面式的單極天線的單極本身與接 地面平行或共平面（而非垂直）。 本計畫主持人過去在全平面二維的超寬頻單極天線的縮小化設計及輻射場型隨頻 率改變的特性探討與改良上已有不錯的結果（已提出一Miniature 型天線的專利申請）， 本次的專題計畫提案在第一年的規劃將進一步針對該Miniature 型天線進行改良以形成 一新型Band-Notched Miniature 天線，為了避免干擾現有WLAN 無線通訊系統，本研究 在Miniature 型天線中金屬單極貼片上引進ㄧ細槽孔(slot)，使S11 參數特性在5G~6GHz 的頻帶內產生帶拒作用，形成一具有頻帶凹陷特性的超寬頻單極天線。此一新型擬採用 厚0.75mm 的FR4 基板為承載，使用商業電磁模擬軟體IE3DTM 進行模擬，再將結果和 實驗相驗證。另外，由於Band-Notched Miniature 型天線的單極貼片寬度只有11mm、 長度則為19.7mm，易與其他電路整合，故就天線與手機整合的部份，本研究將針對 Miniature 型天線及Band-Notched Miniature 型天線，探究其與數種不同尺寸接地面整合 的情況，以模擬當天線與不同尺寸（例12cm*8cm~6cm*4cm）的手機電路板整合後所產 生的效應，在實際應用前，事先確認對於各種尺寸的接地面結構下，Miniature 型天線及 Band-Notched Miniature 天線的特性，因此本研究的實用價值頗高。最後，我們也將探討 不同的饋入線長度與實測的承載基板損耗對輻射效率造成的影響。 本專題計畫在第二年將探討將接地面往上進一步延伸以形成一超寬頻長方形槽孔 （UWB slot 或UWB notch）的結構，並與原超寬頻單極天線的特性做進一步的比較。 超寬頻長方形槽孔結構可以看成是超寬頻單極天線的互補結構，其各向同性（isotropic） 的H-plane 剛好和超寬頻單極天線彼此對調，因此將來可以和超寬頻單極天線共同使用 以符合dual-polarization 的應用需求。同樣的，為了避免干擾現有WLAN 無線通訊系統， 本研究在超寬頻長方形槽孔天線的槽孔中也將引進ㄧ細金屬段（strip 或stub），使S11 參數特性在5G~6GHz 的頻帶內產生帶拒作用，形成一具有頻帶凹陷特性的超寬頻長方 形槽孔天線，若進一步將slot 打開則會形成UWB notch 的結構，藉由後者可進一步達到 縮小化的目的。至於超寬頻長方形槽孔天線的寬頻匹配的設計原理則將延用先前吾人設 計Miniature 型天線的技巧，在該簡單長方形單極的Feeding gap 處之上下緣部份引進非 均勻間隙的設計，以引入隨頻率而變的電容效應，進而達到寬頻匹配的目的。 本計畫主持人過去在時域有限差分法的研究上已有良好的產出，本專題計畫在第三 年將探討應用時域有限差分法（Finite Difference Time Domain; FDTD）於第一年及第二 年的執行成果－Miniature 型天線及新型Band-Notched Miniature 天線及超寬頻長方形槽 孔等結構上，以進一步研究其對時域信號波形的特性之影響，最後並將模擬結果與實驗 量測信號波形相比較。包括輻射場型隨頻率改變對時域信號波形的特性之影響，與輻射 場型隨方向改變對時域信號波形的特性之影響，以及當發射天線與接收天線的相對位置 分別為面對面（face to face）、面對側（face to side）以及側對側（side to side）時，其對 應的時域信號波形的特性之差別，並應用時域有限差分法於進一步找尋適合該天線的最 適信號時長（duration）及波形，以滿足美國FCC 於2002 年所公佈的頻譜強度上限（PSD Mask）的要求。
關鍵字 帶拒超寬頻單極天線;單極天線;超寬頻槽孔;超寬頻天線;時域有限差分法;超寬頻信號波形
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