天线与超宽频

1、A NEW CPW FED UWB ANTENNA報告人:朱靖傑指導教授：林炆標教授報告日期:12月18號OUTLINEl麼是天線?1.Radiation from Antenna2.天線的相關天線的相關l超寬頻定義與技術特性l超寬頻天線種類1.CPW的特性與優點2. 天線架構l未來工作l參考文獻麼是天線麼是天線?lThe IEEE defines an antenna as Antenna: That part of a transmitting or receiving system which is designed to radiate or receive electromagnet

2、ic waveslA transmitting antenna is a device which effectively converts currents flowing on or through it to radiation, i.e. to an electromagnetic wave in spacelA receiving antenna is a device which effectively converts an electromagnetic wave impinging upon it to currents flowing on or through itRad

3、iation from AntennalIn order for an antenna to effectively couple its currents to an electromagnetic wave, the size of the antenna must be comparable to or larger than the operating wavelengthl By contrast, the current in an electrical circuit circulate in loops, which except at extremely high frequ

4、encies, are very small in terms of the operating wavelength.天線在無線通訊中的角色天線是無線電傳輸中，傳導介質與傳輸系統的轉接點天線是無線電傳輸中，傳導介質與傳輸系統的轉接點天線是傳輸系統與空間的轉換器可以想像在空氣振盪區內有一無形的傳輸線，一端 接傳輸系統，另一端接空間天線是轉換器由於天線是傳輸系統與傳輸空間的轉換器，如果天線能在端取得阻抗匹配，可使傳輸系統與傳輸空間之間取得最大功的轉換。What are the important antenna characteristics?lThere are two basic param

5、eters which describe the operation of an antennal Gain pattern (電磁波能在空間的分布): tells the angular distribution of radiated power and also the vector direction or polarization of the electric fieldl Input impedance (傳輸線至天線的阻抗匹配): is the impedance seen at the antenna terminals and is used to match the an

6、tenna to the transmission line feeding it.天線的相關l天線電相關 天線輸入阻抗 天線可用頻寬l 天線幅射場相關： 天線的發射功密/天線的發射強 天線方向性/天線增/天線效 天線可用帶寬：半功帶寬/天線帶寬效 天線的極性/天線間的極性匹配損耗因子及效l 其他天線相關： 天線的等效長及等效面積 天線電相關l天線的輸入端是天線與傳輸接收系統的接點，它的等效輸入阻抗影響天線與線間的匹配。l 匹配佳，會影響傳輸接收系統的敏感及系統 的真確。l 對高功或高敏感傳輸系統而言，長期處在匹 配的況下，可能進一步影響系統的穩定性lVSWR 駐波比or S11 反射係l B

7、andwidth, B 頻寬l Efficiency, e 天線效天線可用頻寬示意圖超寬頻定義與技術特性超寬頻定義與技術特性l美國聯邦通信委員會(FCC)於2002年對於超頻寬技術解禁，並製定限制規範l頻寬部分l允許超頻寬技術使用在3.1GHz到10.6 GHz頻率範圍內 l佔用一個比中心頻率20%大的非常寬的頻寬 (至少500 MHz的頻寬 )l 功率頻譜密度部分lPSD=limit of 75nW/MHz(-41.3dBm/MHzlFCC超寬頻之室內有效等向輻射功率發射限制超寬頻之室內有效等向輻射功率發射限制 UWB的技術特性的技術特性l耗電量低l傳輸速率的提升l信號折射干擾問題l各系統使

8、用的頻帶圖各系統使用的頻帶圖各系統傳輸速率比較圖各系統傳輸速率比較圖超寬頻天線的種類超寬頻天線的種類l三維單極天線(3D Monopole Antenna)l二維印刷式單極天線(Printed Monopole Antenna)l槽孔天線(Slot Antenna)l漸進式槽孔天線(Tapered Slot Antenna)l環形天線(Loop Antenna)l碎形天線(Fractal Antenna)漸進式槽孔天線漸進式槽孔天線環形環形超寬頻天線的種類超寬頻天線的種類槽孔天線CPW-fedPlanar Monopole AntennaMicrostrip-fed Monopole Ante

9、nna使用使用CPW的優點的優點l製作容易l擁有較大的阻抗頻寬l介質厚度影響電氣特性的程度較小l低輻射損失l共同平面架設並接主被動元件較容易天線架構天線架構l採用介電常數為4.4的FR4當做印刷電路板l本天線總尺寸60mm64.8mml基底厚度為1.6mml藉由IE3D模擬軟體來計算出輸入阻抗滿足50的CPW傳輸線 得知G，W2及L1尺寸CPW天線各位置尺寸天線各位置尺寸lL=60mmlL1=15mmlL2=30mmlL3=8mmlL4=16mmlW=64.8mmlW1=14mmlW2=4mmlW3=9.1mmlW4=16mmlG=0.4mmLW1WL1W2GW3L2L3L4W4原始圖形在原始

10、圖形在7.5G時的電流分布時的電流分布l接地面還未加入半橢圓時，反射係數在中高頻的部份明顯不符合在-10dB以下l觀察其電流分布後，發現其在中高頻的時候能量集中在接地面上有零點發生S11電流分布電流分布接地面半圓短軸變化接地面半圓短軸變化l可看出半徑越大則第一諧振點就越往低頻跑，但超過一定的 的範圍後會使的高頻部分開始不匹配l所以在此採用W4=16mm增加增加W1長度長度7.5G電流分佈S11圖圖增加額外輻射體寬度增加額外輻射體寬度l可以看出在高頻部份都沒什麼改變，但是在低頻部份多了 一個諧振點模擬結果模擬結果未來工作未來工作l縮小總體積。l解決實際測量時的部份阻抗不匹配的問題l測量實際場形及

11、增益值l實際將UWB Pulse打入天線測量傳輸速率l加入新的設計使本天線可以避免與WLAN系統訊號有衝突參考文獻參考文獻lC. A. Balanis, Antenna Theory, John Wiley & Sons Inc., New York, 1997.lAntenna Theory and Design ,Warren L. Stutzman & Gary A. Thiele.lBroadband CPW-Fed Square Slot Antennas With a Widened Tuning Stub.lWIDEBAND MICROSTRIP-FED MONOPOLE ANTENNA WITH A NARROW SLIT.lWideband dual-frequency double inverted-L CPW-fed monopole antenna for WLAN appli