天線工程期末報(bào)告

天線工程期中報(bào)告

論文研討:

魏嘉賢,“利用濾波器增加天線頻寬之設(shè)計(jì)”,國(guó)立成功大學(xué),碩士論文,2010年7月

報(bào)告人:

碩研電子一甲MA030108張哲齊

SouthernTaiwanUniversityDepartmentofElectronicEngineering天線工程期中報(bào)告論文研討:SouthernTaiwan摘要研究方向:

本文提出一種應(yīng)用於行動(dòng)通訊裝置中利用濾波器增加天線頻寬之設(shè)計(jì)概念設(shè)計(jì)方法:

我們利用一帶拒濾波器電路，將天線的低頻模態(tài)由單一模態(tài)共振激發(fā)成單一模態(tài)雙共振，增加了低頻頻帶的頻寬，使其能涵蓋GSM850/900頻帶。1魏嘉賢,“利用濾波器增加天線頻寬之設(shè)計(jì)”,國(guó)立成功大學(xué),碩士論文,2010年7月摘要研究方向:1魏嘉賢,“利用濾波器增加天線頻寬之設(shè)計(jì)”,國(guó)研究動(dòng)機(jī)天線是任何行動(dòng)裝置中不可或缺的重要元件知一，不論是現(xiàn)今人手一隻的手機(jī)、功能性廣泛的PDA裝置、追求流行時(shí)尚的掌上型多媒體裝置，都必須具備天線作為無(wú)線傳輸?shù)慕槊?。不管是?duì)WWAN天線或是LTE天線設(shè)計(jì)而言，低頻頻寬往往因共振路徑長(zhǎng)度與接地面長(zhǎng)度等關(guān)係成為天線設(shè)計(jì)之瓶頸，因此針對(duì)提升低頻頻寬提出一種應(yīng)用於行動(dòng)裝置中無(wú)淨(jìng)空區(qū)並且結(jié)合不同濾波電路之耦合式天線設(shè)計(jì)。2魏嘉賢,“利用濾波器增加天線頻寬之設(shè)計(jì)”,國(guó)立成功大學(xué),碩士論文,2010年7月研究動(dòng)機(jī)天線是任何行動(dòng)裝置中不可或缺的重要元件知一，不論是現(xiàn)內(nèi)藏式濾波電路天線共同點(diǎn)1/3系統(tǒng)接地面大小的定義，系統(tǒng)接地面大小將比擬為市場(chǎng)常見(jiàn)之可攜式行動(dòng)通訊裝置產(chǎn)品尺寸，故本論文中系統(tǒng)接地面採(cǎi)為100(L)

×

45(W)㎜2尺寸3魏嘉賢,“利用濾波器增加天線頻寬之設(shè)計(jì)”,國(guó)立成功大學(xué),碩士論文,2010年7月內(nèi)藏式濾波電路天線共同點(diǎn)1/3系統(tǒng)接地面大小的定義，系統(tǒng)接地內(nèi)藏式濾波電路天線共同點(diǎn)2/3應(yīng)用產(chǎn)品的定義皆是以高階智慧型手機(jī)為依據(jù)，並假設(shè)系統(tǒng)接地面因需要配置許多不同的系統(tǒng)模組，而使得天線淨(jìng)空區(qū)受到壓縮，故在天線淨(jìng)空區(qū)上以最嚴(yán)苛之條件-無(wú)淨(jìng)空區(qū)來(lái)設(shè)計(jì)天線4魏嘉賢,“利用濾波器增加天線頻寬之設(shè)計(jì)”,國(guó)立成功大學(xué),碩士論文,2010年7月內(nèi)藏式濾波電路天線共同點(diǎn)2/3應(yīng)用產(chǎn)品的定義皆是以高階智慧型內(nèi)藏式濾波電路天線共同點(diǎn)3/3兩種結(jié)合不同濾波電路之內(nèi)藏式天線設(shè)計(jì)均是以電路來(lái)增頻寬，故天線輻射體並不家以調(diào)整。兩款不同設(shè)計(jì)的濾波電路均針對(duì)可攜式行動(dòng)通訊裝置產(chǎn)品中的低頻頻帶以外加一濾波電路來(lái)增加其使用頻寬，並都以GSM850/900頻帶5魏嘉賢,“利用濾波器增加天線頻寬之設(shè)計(jì)”,國(guó)立成功大學(xué),碩士論文,2010年7月內(nèi)藏式濾波電路天線共同點(diǎn)3/3兩種結(jié)合不同濾波電路之內(nèi)藏式天WWAN頻帶示意圖左圖是將帶拒濾波電路應(yīng)用於耦合式多頻WWAN天線以增加頻寬的概念示意圖(a)所表示，一個(gè)WWAN頻帶的天線設(shè)計(jì)包含一個(gè)低頻頻帶以及一個(gè)高頻頻帶，所以我們可以將天線的低頻頻帶與高頻頻帶分別看成二個(gè)獨(dú)立的帶8通頻帶，低頻的帶通頻帶即為天線的低頻頻帶，而高頻的帶通頻帶則為天線的高頻頻帶6魏嘉賢,“利用濾波器增加天線頻寬之設(shè)計(jì)”,國(guó)立成功大學(xué),碩士論文,2010年7月WWAN頻帶示意圖左圖是將帶拒濾波電路應(yīng)用於耦合式多頻WWA耦合式天線低頻頻帶阻抗示意圖(b)的天線實(shí)部與虛部輸入阻抗變化可發(fā)現(xiàn)，其低頻(GSM850/900)頻帶之實(shí)部阻抗曲線平緩且均在200?以內(nèi)，只要配合虛部阻抗即能有一寬頻的頻寬，然而原天線之虛部阻抗在低頻頻帶內(nèi)只有一個(gè)虛部零點(diǎn)，所以天線的低頻只能共振出GSM850頻帶，無(wú)法產(chǎn)生GSM900之頻帶因而頻寬較??；而我們知道一般的諧振電路在其諧振的中心頻率處會(huì)有一劇烈的實(shí)部與虛部阻抗變化，因此本章將藉由此一劇烈的虛部阻抗變化來(lái)提升天線低頻共振模態(tài)的虛部阻抗，使其低頻頻帶之虛部阻抗曲線往電感性阻抗端偏移通過(guò)零歐姆點(diǎn)，多產(chǎn)生一個(gè)虛部零點(diǎn)進(jìn)而達(dá)成單一模態(tài)雙共振之特性7魏嘉賢,“利用濾波器增加天線頻寬之設(shè)計(jì)”,國(guó)立成功大學(xué),碩士論文,2010年7月耦合式天線低頻頻帶阻抗示意圖(b)的天線實(shí)部與虛部輸入阻帶拒濾波電路諧振示意圖一個(gè)諧振中心頻率位於1.05GHz附近的帶拒濾波電路示意圖，其帶拒頻帶介於天線的低頻頻帶與高頻頻帶之間，且較為靠近天線的低頻頻帶，如此一來(lái)帶拒濾波電路之虛部阻抗變化不僅能牽引原天線之低頻的虛部阻抗，濾波電路所產(chǎn)生的實(shí)部與虛部阻抗在接近高頻頻帶時(shí)已不影響原高頻模態(tài)，所以能夠在不影響天線原本之共振模態(tài)的前提下，有效達(dá)成牽引原天線之低頻頻帶的虛部阻抗增加低頻頻寬。8魏嘉賢,“利用濾波器增加天線頻寬之設(shè)計(jì)”,國(guó)立成功大學(xué),碩士論文,2010年7月帶拒濾波電路諧振示意圖一個(gè)諧振中心頻率位於1.05GHz天線結(jié)構(gòu)與帶拒濾波電路圖左圖為天線設(shè)計(jì)與帶拒濾波電路結(jié)構(gòu)圖，如圖中所示，此天線設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)主要可分為系統(tǒng)接地面部分天線載具部份天線本體輻射部分帶拒濾波電路部分9魏嘉賢,“利用濾波器增加天線頻寬之設(shè)計(jì)”,國(guó)立成功大學(xué),碩士論文,2010年7月天線結(jié)構(gòu)與帶拒濾波電路圖左圖為天線設(shè)計(jì)與帶拒濾波電路結(jié)構(gòu)圖，.系統(tǒng)接地面部分該系統(tǒng)接地面以蝕刻方式成形於一厚度為0.8mm的玻璃纖維介質(zhì)基板(FR4)上，該FR4基板的尺寸大小為100×45mm2，以模擬實(shí)際可攜式行動(dòng)通訊裝置的電路基板，背面(異於天線放置之表面)為一無(wú)淨(jìng)空區(qū)之全金屬接地面，以模擬現(xiàn)今大螢?zāi)恍袆?dòng)通訊裝置，正面有一線寬1.5mm之50-?微帶線，並藉由ViaHole(A點(diǎn))利用SMA接頭作為訊號(hào)饋入點(diǎn)，F(xiàn)R4基板相對(duì)介電係數(shù)(εr)為4.4，損失正切(losstanδ)為0.0245。10魏嘉賢,“利用濾波器增加天線頻寬之設(shè)計(jì)”,國(guó)立成功大學(xué),碩士論文,2010年7月.系統(tǒng)接地面部分該系統(tǒng)接地面以蝕刻方式成形於一厚度為0.8天線載具部份用於固定、承載天線輻射體，大小尺寸為45(L)×8(W)×6(T)mm3，其使用材料為介電系數(shù)約3，損失正切為0.0245之塑膠材質(zhì)。11魏嘉賢,“利用濾波器增加天線頻寬之設(shè)計(jì)”,國(guó)立成功大學(xué),碩士論文,2010年7月天線載具部份用於固定、承載天線輻射體，大小尺寸為45(L天線本體輻射部分以厚度0.2mm之玻璃纖維介質(zhì)基板蝕刻出天線，這樣不僅在單獨(dú)的天線模擬與實(shí)作結(jié)果能較為相符合，也可以減少人工組裝上的誤差，使每次實(shí)驗(yàn)與量測(cè)都能將變因降到最小，達(dá)到最高之準(zhǔn)確性及測(cè)量的穩(wěn)定性。12魏嘉賢,“利用濾波器增加天線頻寬之設(shè)計(jì)”,國(guó)立成功大學(xué),碩士論文,2010年7月天線本體輻射部分以厚度0.2mm之玻璃纖維介質(zhì)基板蝕帶拒濾波電路部分此部分因條件預(yù)設(shè)為可攜式行動(dòng)通訊裝置，而此類(lèi)裝置都會(huì)預(yù)留匹配電路的空間，故在模擬階段時(shí)就以市售之常見(jiàn)元件值為基準(zhǔn)，如此一來(lái)實(shí)作時(shí)也能較貼切於實(shí)際，本論文中元件則是使用MURATA公司所出產(chǎn)規(guī)格為0402之晶片電容與晶片電感，選擇此公司之產(chǎn)品是因?yàn)橛星宄漠a(chǎn)品標(biāo)示與誤差值較小，以期能降低模擬與實(shí)作的誤差。13魏嘉賢,“利用濾波器增加天線頻寬之設(shè)計(jì)”,國(guó)立成功大學(xué),碩士論文,2010年7月帶拒濾波電路部分此部分因條件預(yù)設(shè)為可攜式行動(dòng)通訊裝置，而此類(lèi)帶拒濾波器結(jié)構(gòu)圖各晶片元件值如圖所標(biāo)示，濾波電路位於AB兩點(diǎn)之間，A點(diǎn)連接於SMA接頭做為測(cè)試訊號(hào)的饋入點(diǎn)，B點(diǎn)則為天線的饋入端，圖中標(biāo)示匹配電路元件在AB兩點(diǎn)之間使用50-?微帶線做連接，微帶線的寬度為1.5mm，三個(gè)元件分別為一個(gè)晶片電感以及二個(gè)晶片電容；濾波電路由一基本帶拒濾波電路並聯(lián)一電容而成，其中基本帶拒濾波電路為一4.7nH的晶片電感L，與3.6pF晶片電容C2並聯(lián)而成14魏嘉賢,“利用濾波器增加天線頻寬之設(shè)計(jì)”,國(guó)立成功大學(xué),碩士論文,2010年7月帶拒濾波器結(jié)構(gòu)圖各晶片元件值如圖所標(biāo)示，濾波電路位於AB兩點(diǎn)帶拒濾波電路之S參數(shù)圖第二部分則為並聯(lián)之0.6pF的晶片電容C1，兩部份電路並聯(lián)而成的濾波電路，依舊保有帶拒濾波器的特性，其3dB衰減頻率分別位於1030MHz與1500MHz(如左圖)。使用此一濾波電路能在1GHz附近產(chǎn)生一額外的共振模態(tài)，使天線形成一寬頻的低頻頻帶，在下節(jié)中將配合圖表討論此帶拒濾波電路對(duì)於天線返回?fù)p失的影響與濾波電路中各元件值對(duì)S參數(shù)與Ｚ參數(shù)之影響。15魏嘉賢,“利用濾波器增加天線頻寬之設(shè)計(jì)”,國(guó)立成功大學(xué),碩士論文,2010年7月帶拒濾波電路之S參數(shù)圖第二部分則為並聯(lián)之0.6pF的天線之返回?fù)p失比較圖為本天線設(shè)計(jì)有加與未加帶拒濾波電路的返回?fù)p失實(shí)際量測(cè)結(jié)果比較圖，由圖中所示能清楚看出加入濾波電路對(duì)於天線返回?fù)p失所產(chǎn)生的影響16魏嘉賢,“利用濾波器增加天線頻寬之設(shè)計(jì)”,國(guó)立成功大學(xué),碩士論文,2010年7月天線之返回?fù)p失比較圖為本天線設(shè)計(jì)有加與未加帶拒濾波電路的返回天線實(shí)部與虛部輸入阻抗比較圖由圖中可看出帶拒濾波電路的共振中心頻率約為1.1GHz，雖與模擬之值有50MHz的誤差，但濾波電路所呈現(xiàn)的實(shí)部與虛部阻抗變化符合模擬結(jié)果，實(shí)部阻抗在此共振頻率處有一劇烈之變化，虛部阻抗在低於此共振頻率處呈電感性，高於共振頻率處則呈現(xiàn)電容性，也符合預(yù)期所想，如此一來(lái)不僅能使天線的虛部阻抗由原本之電容性轉(zhuǎn)而朝向電感性變化並增加一零點(diǎn)，使此一模態(tài)達(dá)成具有單一模態(tài)雙共振之模態(tài)。17魏嘉賢,“利用濾波器增加天線頻寬之設(shè)計(jì)”,國(guó)立成功大學(xué),碩士論文,2010年7月天線實(shí)部與虛部輸入阻抗比較圖由圖中可看出帶拒濾波電路的共振中天線實(shí)際測(cè)量輻射效率曲線圖由圖中可以證明本文所提出之結(jié)合帶拒濾波電路天線設(shè)計(jì)所牽引出的雙共振模態(tài)具有實(shí)際效率，而不是只有模態(tài)無(wú)效率的無(wú)法實(shí)際應(yīng)用之理論，這點(diǎn)與直接在所要之頻率點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)匹配電路的共振模態(tài)的差異為，此天線的輻射效率還是原天線輻射體所貢獻(xiàn)，我們只是改變了其虛部阻抗，讓其產(chǎn)生雙共振模態(tài)，而以匹配電路直接產(chǎn)生一個(gè)共振模態(tài)則會(huì)因能量皆消耗於濾波電路的元件內(nèi)，而無(wú)法輻射出效率，故沒(méi)有所謂的天線輻射效率。18魏嘉賢,“利用濾波器增加天線頻寬之設(shè)計(jì)”,國(guó)立成功大學(xué),碩士論文,2010年7月天線實(shí)際測(cè)量輻射效率曲線圖由圖中可以證明本文所提出之結(jié)合帶拒天線之返回?fù)p失實(shí)際量測(cè)與模擬結(jié)果比較圖為天線加入帶拒濾波電路後之模擬與實(shí)際量測(cè)比較圖，由圖中可以觀察到，模擬與實(shí)際量測(cè)之趨勢(shì)相符合，故下節(jié)中我們將以模擬軟體(MicrowaveOffice)針對(duì)帶拒濾波電路中的三個(gè)元件值C1、C2以及L進(jìn)行參數(shù)分析。19魏嘉賢,“利用濾波器增加天線頻寬之設(shè)計(jì)”,國(guó)立成功大學(xué),碩士論文,2010年7月天線之返回?fù)p失實(shí)際量測(cè)與模擬結(jié)果比較圖為天線加入帶拒濾波電路變化濾波電路電容值C1對(duì)天線返回?fù)p失之影響變化電容值C1由0.3至0.9pF的返回?fù)p失曲線當(dāng)C1值逐漸增加時(shí)，如圖

所示原天線之低頻頻帶匹配漸漸變差而濾波電路所產(chǎn)生之額外模態(tài)匹配則漸漸變好20魏嘉賢,“利用濾波器增加天線頻寬之設(shè)計(jì)”,國(guó)立成功大學(xué),碩士論文,2010年7月變化濾波電路電容值C1對(duì)天線返回?fù)p失之影響變化電容值C變化濾波電路電容值C1對(duì)天線輸入阻抗之影響變化電容值C1由0.3至0.9pF的實(shí)部與虛部輸入阻抗曲線21魏嘉賢,“利用濾波器增加天線頻寬之設(shè)計(jì)”,國(guó)立成功大學(xué),碩士論文,2010年7月變化濾波電路電容值C1對(duì)天線輸入阻抗之影響變化電容值C1變化濾波電路電容值C2對(duì)天線返回?fù)p失之影響變化電容值C2由3.3至3.9pF的返回?fù)p失曲線22魏嘉賢,“利用濾波器增加天線頻寬之設(shè)計(jì)”,國(guó)立成功大學(xué),碩士論文,2010年7月變化濾波電路電容值C2對(duì)天線返回?fù)p失之影響變化電容值C變化濾波電路電容值C2對(duì)天線輸入阻抗之影響變化電容值C2由3.3至3.9pF的實(shí)部與虛部輸入阻抗曲線，如同電容值C1的變化，當(dāng)電容值C2逐漸增加時(shí)，原天線之低頻頻帶匹配漸漸變差而濾波電路所產(chǎn)生之額外模態(tài)匹配則漸漸變好23魏嘉賢,“利用濾波器增加天線頻寬之設(shè)計(jì)”,國(guó)立成功大學(xué),碩士論文,2010年7月變化濾波電路電容值C2對(duì)天線輸入阻抗之影響變化電容值C變化濾波電路電感值L對(duì)天線返回?fù)p失之影響變化電感值L由3.3至5.6nH的返回?fù)p失曲線24魏嘉賢,“利用濾波器增加天線頻寬之設(shè)計(jì)”,國(guó)立成功大學(xué),碩士論文,2010年7月變化濾波電路電感值L對(duì)天線返回?fù)p失之影響變化電感值L由3變化濾波電路電感值L對(duì)天線輸入阻抗之影響變化電感值L由3.3至5.6nH的實(shí)部與虛部輸入阻抗曲線，可看到在以市售常見(jiàn)電感值作參數(shù)變化下，天線共振模態(tài)會(huì)有相當(dāng)劇烈的變化，25魏嘉賢,“利用濾波器增加天線頻寬之設(shè)計(jì)”,國(guó)立成功大學(xué),碩士論文,2010年7月變化濾波電路電感值L對(duì)天線輸入阻抗之影響變化電感值L由提出了應(yīng)用於可攜式行動(dòng)通訊裝置產(chǎn)品中結(jié)合不同濾波電路的耦合式天線設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，在內(nèi)藏式且系統(tǒng)接地面無(wú)天線淨(jìng)空區(qū)的條件下，利用規(guī)格0402之晶片電容與晶片電感組合成兩種不同性質(zhì)之濾波電路，分別將其加入天線的饋入端與射頻訊號(hào)端之間的微帶線上，使原本天線低頻只具備單頻操作之GSM850頻帶，可以藉由不同的濾波電路來(lái)分別達(dá)到增加使用頻帶頻寬的效果，使其能涵蓋GSM850/900頻帶或是LTEband17/GSM850頻帶。26結(jié)論魏嘉賢,“利用濾波器增加天線頻寬之設(shè)計(jì)”,國(guó)立成功大學(xué),碩士論文,2010年7月提出了應(yīng)用於可攜式行動(dòng)通訊裝置產(chǎn)品中結(jié)合不同濾波電路的耦合式參考文獻(xiàn)1/3[1]HeekyungJung,HoonPark,SeokjinHong,andJaehoonChoi,“AWidebandIntennalAntennawithShortingStripforMobileHandset,”Microw.Opt.Technol.Lett.,vol.49,no2,Feb.2007.[2]Shih-HuangYeh,Chi-YinFang,andKin-LuWong,”P(pán)IFA-MONOPOLEInternalMobilePhoneAntennaforGSM/DCS/PCSTriple-BandOperations,”Microw.Opt.Technol.Lett.,vol.35,no3,Nov.2002.[3]B.Jung,H.Rhyu,Y.J.Lee,F.J.Harackiewwicz,M.J.Park,andB.Lee,“InternalfoldedloopantennawithtuningnotchesforGSM/GPS/DCS/PCSmobilehandsetapplications,”Microw.Opt.Technol.Lett.,vol.48,no8,Aug.2006.[4]Chun-ILinandKin-LuWong,“InternalMeanderedLoopAntennaforGSM/DCS/PCSMultibandOperationinaMobilePhonewiththeUser’sHand,”Microw.Opt.Technol.Lett.,vol.49,no4,Apr.2007.[5]HisamatsuNakano,YusukeSato,HiroakiMimaki,JunjiYamauchi,andC.H.Huang,“AnInvertedFLAntennaforDual-FrequencyOperation,”TransactionsonAntennasandPropagation,vol.53,no.8,Aug2005.[6]J.K.LeeandY.-S.Kim,“CompactUltra-WidebandBandpassFilterUsingDefectedGroundStructures,”Microw.Opt.Technol.Lett.,vol.52,no.10,October2010.27魏嘉賢,“利用濾波器增加天線頻寬之設(shè)計(jì)”,國(guó)立成功大學(xué),碩士論文,2010年7月參考文獻(xiàn)1/3[1]HeekyungJung,Hoon參考文獻(xiàn)2/3[7]JuhaVillanen,ClemensIcheln,andPerttiVainikainen,“ACouplingElement-BasedQuad-BandAntennaaStructureforMobileTerminals”Microw.Opt.Technol.Lett.,vol.49,no.6,June2007.[8]HongmingcAn.,BartK.J.C.Nauwelaers,AntoineR.VandeCapelle,“BroadbandMicrostripAntennaDesignwiththeSimplifiedRealFrequencyTechnique”TransationsonAntennasandpropagation,vol.42,no.2,Feb1994.[9]Jui-HungChouandSaou-WenSu.,“Cost-EffectiveMetal-PlateShortedDipoleAntennawithWideBandwidthforWLAN/WIMAXApplications”Microw.Opt.Technol.Lett.,vol.49,no.12,Dec2007.[10]Z.J.Zhang,MagdyF.Iskander,Jean-ChristopheLanger,andJimMathews“Dual-BandWLANDipoleAntennaUsinganInternalMatchingCircuit”Transactionsonantennasandpropagation,vol.53,no.5,May2005.[11]DanielLlorens,PabloOtero,andCarlosCamacho-Pe?alosa,“Dual-Band,SingleCPWPort,Planar-SlotAntenna,”Transactionsonantennasandpropagation,vol.51,no.1,Jan2003.28魏嘉賢,“利用濾波器增加天線頻寬之設(shè)計(jì)”,國(guó)立成功大學(xué),碩士論文,2010年7月參考文獻(xiàn)2/3[7]JuhaVillanen,Cle參考文獻(xiàn)3/3[12]Jin-SeongLee,Gi-ChoKang,ByungWoonJung,WoojaeJung,Myun-JooPark,Seung-HyunHan,FrancesJ.Harackiewicz,ByungjeLee,“TripleBandInternalAntennaUsingMatchingCircuit,”IEEE2005.[13]OutiKivek?s,JaniOllikainen,andPerttiVainikainen,“Frequency-TunableInternalAntennaforMobilePhones,”JINA2002.Nice,France,vol.12,Nov2002.[14]AdnanKayaandE.YesimYuksel,“DesignofaNewImpedanceTuningNetworkbyUsingRCMutator”,Microw.Opt.Technol.Lett.,vol.49,no.2,Feb2007.[15]BinbogaSidd