共平面波导馈入式圆极化环形单极天线之研制.PDF

共平面波導饋入式圓極化 環形單極天線之研製 2014.06.01 Outline Abstract 摘要 Introduction 介紹  Antenna Design 天線設計  Simulated and Measured Results 模擬和測量結果  Conclusion結論 References參考文獻 Abstract摘要 本論文研製一共平面圓極化開槽環形單極 天線，有別於常見的平面式 圓極化 天線，如微帶貼片天線、槽孔天線等，其阻抗頻寬受到 天線結 構上的限制而為單一頻段且窄頻特性，無法滿足於多頻段整合之無線 通訊產品 ，有鑑於此，在設計上採用具有寬頻特性之單極天線作為首 選 。 天線結構主要由共平面波導傳輸線與環狀開槽金屬環所組成，在圓極 化頻段設計上利用環狀開槽金屬環上之環形電流路徑以及接地金屬面 上非對稱電流產生之輻射，使原為線性極化的單極天線具有圓極化特 性 。天線之10dB 折返損耗(return loss)操作頻帶由 1.5GHz 至3GHz ，阻 抗頻寬約為66.7% ，頻帶內涵蓋了GPS 、DCS 、PCS 、PHS 、WCDMA 、Bluetooth 等常用無線通訊頻段，此天線在GPS頻段下為圓極化、 其餘操作頻段保有線性極化特性。 天線原理及應用 共平面波導(coplanar waveguide ，CPW)結構最早由C. P. Wen在1969 年 所 提出，其結構圖( 2-1)由三片均在介質基板同一面的金屬組成，中間 金屬線為訊號線，兩旁金屬則為接地面，特性阻抗( Z0 ) 、等效介電係 數 ( εeff )與衰減常數( α ) ，由訊號線寬度( w ) 、間隙寬度( g ) 、介質基 板厚度( h ) 、金屬厚度( t )與基板介電係數( εr )來決定。其特性阻 抗主要由訊號線寬度及間隙寬度來決定，較不受介質基板厚度影響， 因此可實現比微帶線範圍更寬的特性阻抗，且具有較低的幅射損耗及 阻抗易於匹配。共平面波導結構主要傳播模態為偶模態(even mode)及 奇模態 (odd mode) ，其電場分佈分別如圖2-2a 、圖2-2b ，由於金屬均在 同一面，不但省去背面的製程，使製作上更於便利，也容易實現微波 電路上的串並聯，避免不必要的鑽孔且易與主動或被動微波積體電路 做整合。 天線原理及應用 天線設計流程 在開始設計前，須先訂定天線所需規格，如使用的通訊頻段、圓極化 頻段、輻射場型指向性、增益大小(gain)和天線尺寸等，選擇適合的架 構及饋入方式設計所需天線。 接著初步設計天線形狀及尺寸參數，利用全波電磁模擬軟體(Full-wave electromagneticsimulator)進行天線參數分析，利用表面電流分佈以及史 密斯圖(smith chart)改善軸比大小 、輻射場型、阻抗匹配、增益大小， 最後利用電路板雕刻機將設計完成的天線成型， 比較模擬與量測結果 是否吻合，若有差異，則可針對造成差異之參數進行微調，完成天線 設計 與製作。 共平面單頻段圓極化環形單極天線設 計與分析 隨著科技日新月異不斷的進步，生活中周遭許多傳統的有線網路已逐 漸被無線網路慢慢取代，以目前新一代的智慧型行動電話為例，這些 行動裝置更結合了影像傳送、藍芽、無線網路甚至是衛星定位導航等 功能，而GPS衛星在傳送信號是以圓極化為主，因此在 接收天線也採 圓極化的方式用做信號接收最為理想。然而不同通訊裝置使用頻段皆 不一致 ，若每個通訊頻段皆使用單一天線來做訊號接收不但會造成電 路面積使用上的浪費、 成本提高同時也使電磁場互相干擾，因此負責 收發的天線必須具有足夠的頻寬以及極化 特性滿足各裝置所使用 。 本論文提出之天線將使用 Ansost HFSS 全波電磁模擬軟體來設計一共 平面圓極化環形單極天線。天線結構採用共平面波導饋入方式，在圓 極化頻段設計上利用環狀開槽金屬環上之環形電流路徑以及接地金屬 面上非對稱電流產生之輻射，使該頻段遠場輻射極化 方式為圓極化。 無線通訊頻譜分佈表 共平面單頻段圓極