共平面波导馈入之双L型单极双频天线

1、共平面波導饋入之雙L型單極雙頻天線曾世賢1, 鄭建民1,陳柏森1,康良任1,蔡承凱11南台科技大學 電子工程系台南縣永康市南台街1號.tw摘要 本文是以共平面波導饋入設計雙頻天線，天線的主結構是左右各以一個上下相反曲折型結構，並製作於氧化鋁(Al2O3) 陶瓷基板上，我們調整上下相反曲折型結構與接地面的間距以達到良好的祖抗頻寬，本文實測頻段的第一共振模態為(2.30 2.49 GHz) BW=7.68% 反射損失23.3dB (2.36 GHz)，第二共振模態為(5.516.10 GHz) BW=10.4% 反射損失 28.7dB (5.71 G

2、Hz)，適合應用於無線區域網路(WLAN)的頻段上。 前言 在這全球科技發達的時代，無線通訊產業也隨之快速發展起來，人們對於無線通訊產品的依賴性也隨之增加，從傳統語音、訊息到現在的影像及隨時上線瀏覽，還要有高速的傳輸速度等1-3。共平面波導具有好的阻抗匹配易與積體電路做整合、不用鑽孔等好處4。在次世代通訊領域中，要備有多頻段及高傳輸等功能5。在WLAN應用上有許多相關產品，天線的尺吋與簡單化能有效的達到成本低，高利潤的效果。本文設計雙頻單極天線，操作頻率在2.4GHz(2400 2484 MHz)與5.8 GHz (5725 5825 MHz)符合WLAN，最近這幾大多的研究以單極天線居多，因

3、為可以有效減少天線面積，在這些研究文中均以同的設計達到雙頻，設計出適用於WLAN 之雙頻天線，但是這些成功的子均有一個共同的缺點，就是整體體積太大，符合市場的需求。本文，使用氧化鋁基板(Al2O3)，有較高介電常數(r =9.8 )，高品質因數、低介電損耗(loss tangent0.001)等特性，因為有較高的介電常數，能使天線縮小化，且較低的介電損耗能夠使電磁波損耗控制在小範圍裡，增益較好，這都比FR4基板來的好。天線設計 本文所提出的單極頻天線，其結構由兩個類似L型所組成，以共振出雙模態，結構如圖一所示，基板為3025 mm2，介電係數為(r =9.8 )，厚度為0.635mm的氧化鋁(

4、Al2O3)陶瓷基板上。其數據如表一所示。圖一 天線結構表一 天線結構參數表 Unit : mmLL1L2L3L4W3011619.825W1W2W3SGh11.4635結果和討論 從圖二及表格二，我們能夠知道移動L4的距離，它兩端之間的距離越長則高頻越往高頻飄移且頻寬比越大。 圖二 改變L4參數之反射損失及頻率分佈圖表二 頻寬比較表L4(mm)L(GHz)BW of L (GHz / %)H(GHz)BW of H(GHz / %)7.82.420.31/12.815.320.53/9.968.82.400.32/13.335.360.49/60.34

5、/14.415.710.61/10.5310.82.340.32/13.685.880.61/10.37 從表二，我們知道在L4=9.8mm時，阻抗頻寬良好，且較符合我們所要之頻段。圖三為實測與模擬之S11結果，我們可以從表三看出在高頻時，模擬與實測的結果相當吻合，表示在具有高品質因素之基板，在高頻時擁有較低的損耗。圖四為輻射場型圖。 圖三 實測與模擬結果圖表三 實測與模擬數據表L (GHz)BW of L(%)Simulated2.3614.41Measured2.397.68H (GHz)BW of H(%)Simulated5.7110.53Measured5.7110.4 從圖五、圖六

6、，能夠看的出來低頻電流較集中在中間，而高頻電流較集中在傳輸線上，如果想要微調第一個共振頻率或頻寬則上下移動左邊曲折型結構，而微調第二個共振頻率或頻寬則上下移動右邊曲折型結構。 (a) 2.36GHz E-plane (b) 2.36GHz H-plane (c) 5.71GHz E-plane(d) 5.71GHz H-plane圖四 雙頻單極天線場型圖五 2.36GHz電流分佈圖圖六 5.71GHz電流分佈圖結論本論文所設計的天線，以共平面波導(CPW)饋入的方式達到阻抗匹配良好，使用高介電係數氧化鋁 (Al2O3)陶瓷基板來縮小體積，且可以調整細微的間距來控制我們所需要的頻段，本論文實測頻

7、帶為低頻 2.36GHz (2.30 2.49 GHz) 頻寬比為7.68 %而高頻5 .71GHz (5.51 6.10 GHz) 頻寬比為10.4 %，適用於無線區域網路WLAN 2.4GHz 頻段與5.8GHz 頻段，皆符合IEEE的規範。致謝 這段時間非常感謝指導教授鄭建民 老師的無私教導，讓我在研究域得到相當多的啟發。另外，也很感謝陳文山 老師的指導並提供網分析儀等儀器設備讓我們測，也很感謝實驗室裡的學長姐們指教，謝謝。 參考文獻1 吳宜軒，“以共平面波導饋入之平面槽孔雙頻天線之製作，”全國碩博士論文網2 高志鑫，“新型寬頻/雙頻天線設計研究，” 全國碩博士論文網3 梁議中，“寬頻共

8、平面波導饋入圓形單偶極天線之研製，” 全國碩博士論文網4 C. P. WEN, “Coplanar Waveguide: A Surface Strip Transmission Line Suitable for Nonreciprocal Gyromagnetic Device Applications,” Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions on, Vol. 17, Issue 12, PP. 1087 1090, Dec 1969.5 G. Augustin and P. C. Bybi and V. P. Sarin

9、and P. Mohanan and C. K. Aanandan and K. Vasudevan, “A Compact Dual-Band Planar AntennaforDCS-1900/PCS/PHS,WCDMA/IMT-2000, and WLAN Applicat ions,” IEEE ANTENNAS AND WIRELESS PROPAGATION LETTERS, VOL. 7, pp. 108 - 111, 2008.6 G. M. Chi and B. H. Li and D. S. Qi, “A Dual-frequency Antenna Fed by CPW,” Antennas and Propagation Society International Symposium, 2005 IEEE, Vol. 1B,PP. 459 462, 2005.7 M. H. Ho and G. L. Chen,“Reconf