1 / 31

天線工程期中報告

天線工程期中報告. 論文 研討 : 魏嘉賢 ,“ 利用濾波器增加天線頻寬之設計 ”, 國立成功大學 , 碩士論文 , 2010 年 7 月 報告人 : 碩研電子一甲 MA030108 張哲齊. Southern Taiwan University. Department of Electronic Engineering. 摘要. 研究方向 : 本文提出一種應用於行動通訊裝置中利用濾波器增加天線頻寬之設計概念 設計方法 :

amos-guzman
Download Presentation

天線工程期中報告

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. 天線工程期中報告 論文研討: 魏嘉賢,“利用濾波器增加天線頻寬之設計”,國立成功大學,碩士論文,2010年7月 報告人: 碩研電子一甲 MA030108 張哲齊 Southern Taiwan University Department of Electronic Engineering

  2. 摘要 • 研究方向: 本文提出一種應用於行動通訊裝置中利用濾波器增加天線頻寬之設計概念 • 設計方法: 我們利用一帶拒濾波器電路，將天線的低頻模態由單一模態共振激發成單一模態雙共振，增加了低頻頻帶的頻寬，使其能涵蓋GSM850/900頻帶。 魏嘉賢,“利用濾波器增加天線頻寬之設計”,國立成功大學,碩士論文,2010年7月

  3. 研究動機 • 天線是任何行動裝置中不可或缺的重要元件知一，不論是現今人手一隻的手機、功能性廣泛的PDA裝置、追求流行時尚的掌上型多媒體裝置，都必須具備天線作為無線傳輸的介面。 • 不管是對WWAN天線或是LTE天線設計而言，低頻頻寬往往因共振路徑長度與接地面長度等關係成為天線設計之瓶頸，因此針對提升低頻頻寬提出一種應用於行動裝置中無淨空區並且結合不同濾波電路之耦合式天線設計。 魏嘉賢,“利用濾波器增加天線頻寬之設計”,國立成功大學,碩士論文,2010年7月

  4. 內藏式濾波電路天線共同點1/3 • 系統接地面大小的定義，系統接地面大小將比擬為市場常見之可攜式行動通訊裝置產品尺寸，故本論文中系統接地面採為100(L)×45(W)㎜2尺寸 魏嘉賢,“利用濾波器增加天線頻寬之設計”,國立成功大學,碩士論文,2010年7月

  5. 內藏式濾波電路天線共同點2/3 • 應用產品的定義皆是以高階智慧型手機為依據，並假設系統接地面因需要配置許多不同的系統模組，而使得天線淨空區受到壓縮，故在天線淨空區上以最嚴苛之條件-無淨空區來設計天線 魏嘉賢,“利用濾波器增加天線頻寬之設計”,國立成功大學,碩士論文,2010年7月

  6. 內藏式濾波電路天線共同點3/3 • 兩種結合不同濾波電路之內藏式天線設計均是以電路來增頻寬，故天線輻射體並不家以調整。 • 兩款不同設計的濾波電路均針對可攜式行動通訊裝置產品中的低頻頻帶以外加一濾波電路來增加其使用頻寬，並都以GSM850/900頻帶 魏嘉賢,“利用濾波器增加天線頻寬之設計”,國立成功大學,碩士論文,2010年7月

  7. WWAN頻帶示意圖 • 左圖是將帶拒濾波電路應用於耦合式多頻WWAN天線以增加頻寬的概念示意圖 • (a) 所表示，一個 WWAN 頻帶的天線設計包含一個低頻頻帶以及一個高頻頻帶，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獨立的帶 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 魏嘉賢,“利用濾波器增加天線頻寬之設計”,國立成功大學,碩士論文,2010年7月

  8. 耦合式天線低頻頻帶阻抗示意圖 • (b) 的天線實部與虛部輸入阻抗變化可發現，其低頻(GSM850/900)頻帶之實部阻抗曲線平緩且均在200 Ω 以內，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只有一個虛部零點，所以天線的低頻只能共振出 GSM850 頻帶，無法產生 GSM900 之頻帶因而頻寬較小；而我們知道一般的諧振電路在其諧振的中心頻率處會有一劇烈的實部與虛部阻抗變化，因此本章將藉由此一劇烈的虛部阻抗變化來提升天線低頻共振模態的虛部阻抗，使其低頻頻帶之虛部阻抗曲線往電感性阻抗端偏移通過零歐姆點，多產生一個虛部零點進而達成單一模態雙共振之特性 魏嘉賢,“利用濾波器增加天線頻寬之設計”,國立成功大學,碩士論文,2010年7月

  9. 帶拒濾波電路諧振示意圖 • 一個諧振中心頻率位於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，濾波電路所產生的實部與虛部阻抗在接近高頻頻帶時已不影響原高頻模態，所以能夠在不影響天線原本之共振模態的前提下，有效達成牽引原天線之低頻頻帶的虛部阻抗增加低頻頻寬。 魏嘉賢,“利用濾波器增加天線頻寬之設計”,國立成功大學,碩士論文,2010年7月

  10. 天線結構與帶拒濾波電路圖 • 左圖為天線設計與帶拒濾波電路結構圖，如圖中所示，此天線設計結構主要可分為 • 系統接地面部分 • 天線載具部份 • 天線本體輻射部分 • 帶拒濾波電路部分 魏嘉賢,“利用濾波器增加天線頻寬之設計”,國立成功大學,碩士論文,2010年7月

  11. .系統接地面部分 • 該系統接地面以蝕刻方式成形於一厚度為0.8 mm 的玻璃纖維介質基板(FR4)上，該 FR4 基板的尺寸大小為 100 × 45 mm2，以模擬實際可攜式行動通訊裝置的電路基板，背面(異於天線放置之表面)為一無淨空區之全金屬接地面，以模擬現今大螢幕行動通訊裝置，正面有一線寬 1.5mm 之 50-Ω 微帶線，並藉由Via Hole (A點)利用SMA接頭作為訊號饋入點，FR4基板相對介電係數(εr)為 4.4，損失正切(loss tanδ) 為 0.0245。 魏嘉賢,“利用濾波器增加天線頻寬之設計”,國立成功大學,碩士論文,2010年7月

  12. 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約3，損失正切為 0.0245之塑膠材質。 魏嘉賢,“利用濾波器增加天線頻寬之設計”,國立成功大學,碩士論文,2010年7月

  13. 天線本體輻射部分 • 以厚度 0.2 mm 之玻璃纖維介質基板蝕刻出天線，這樣不僅在單獨的天線模擬與實作結果能較為相符合，也可以減少人工組裝上的誤差，使每次實驗與量測都能將變因降到最小，達到最高之準確性及測量的穩定性。 魏嘉賢,“利用濾波器增加天線頻寬之設計”,國立成功大學,碩士論文,2010年7月

  14. 帶拒濾波電路部分 • 此部分因條件預設為可攜式行動通訊裝置，而此類裝置都會預留匹配電路的空間，故在模擬階段時就以市售之常見元件值為基準，如此一來實作時也能較貼切於實際，本論文中元件則是使用MURATA公司所出產規格為 0402 之晶片電容與晶片電感，選擇此公司之產品是因為有清楚的產品標示與誤差值較小，以期能降低模擬與實作的誤差。 魏嘉賢,“利用濾波器增加天線頻寬之設計”,國立成功大學,碩士論文,2010年7月

  15. 帶拒濾波器結構圖 • 各晶片元件值如圖所標示，濾波電路位於AB兩點之間，A點連接於 SMA 接頭做為測試訊號的饋入點，B點則為天線的饋入端，圖中標示匹配電路元件在AB兩點之間使用 50-Ω 微帶線做連接，微帶線的寬度為 1.5 mm，三個元件分別為一個晶片電感以及二個晶片電容；濾波電路由一基本帶拒濾波電路並聯一電容而成，其中基本帶拒濾波電路為一 4.7 nH 的晶片電感 L，與 3.6 pF 晶片電容 C2 並聯而成 魏嘉賢,“利用濾波器增加天線頻寬之設計”,國立成功大學,碩士論文,2010年7月

  16. 帶拒濾波電路之S參數圖 • 第二部分則為並聯之 0.6 pF 的晶片電容 C1，兩部份電路並聯而成的濾波電路，依舊保有帶拒濾波器的特性，其3dB衰減頻率分別位於1030 MHz 與1500 MHz (如左圖)。使用此一濾波電路能在1GHz 附近產生一額外的共振模態，使天線形成一寬頻的低頻頻帶，在下節中將配合圖表討論此帶拒濾波電路對於天線返回損失的影響與濾波電路中各元件值對 S 參數與 Ｚ 參數之影響。 魏嘉賢,“利用濾波器增加天線頻寬之設計”,國立成功大學,碩士論文,2010年7月

  17. 天線之返回損失比較圖 • 為本天線設計有加與未加帶拒濾波電路的返回損失實際量測結果比較圖，由圖中所示能清楚看出加入濾波電路對於天線返回損失所產生的影響 魏嘉賢,“利用濾波器增加天線頻寬之設計”,國立成功大學,碩士論文,2010年7月

  18. 天線實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，但濾波電路所呈現的實部與虛部阻抗變化符合模擬結果，實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電容性，也符合預期所想，如此一來不僅能使天線的虛部阻抗由原本之電容性轉而朝向電感性變化並增加一 零點，使此一模態達成具有單一模態雙共振之模態。 魏嘉賢,“利用濾波器增加天線頻寬之設計”,國立成功大學,碩士論文,2010年7月

  19. 天線實際測量輻射效率曲線圖 • 由圖中可以證明本文所提出之結合帶拒濾波電路天線設計所牽引出的雙共振模態具有實際效率，而不是只有模態無效率的無法實際應用之理論，這點與直接在所要之頻率點產生一個匹配電路的共振模態的差異為，此天線的輻射效率還是原天線輻射體所貢獻，我們只是改變了其虛部阻抗，讓其產生雙共振模態，而以匹配電路直接產生一個共振模態則會因能量皆消耗於濾波電路的元件內，而無法輻射出效率，故沒有所謂的天線輻射效率。 魏嘉賢,“利用濾波器增加天線頻寬之設計”,國立成功大學,碩士論文,2010年7月

  20. 天線之返回損失實際量測與模擬結果比較圖 • 為天線加入帶拒濾波電路後之模擬與實際量測比較圖，由圖中可以觀察到，模擬與實際量測之趨勢相符合，故下節中我們將以模擬軟體(Microwave Office) 針對帶拒濾波電路中的三個元件值 C1、C2 以及 L進行參數分析。 魏嘉賢,“利用濾波器增加天線頻寬之設計”,國立成功大學,碩士論文,2010年7月

  21. 變化濾波電路電容值 C1 對天線返回損失之影響 • 變化電容值 C1 由 0.3 至 0.9 pF的返回損失曲線 • 當 C1 值逐漸增加時，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生之額外模態匹配則漸漸變好 魏嘉賢,“利用濾波器增加天線頻寬之設計”,國立成功大學,碩士論文,2010年7月

  22. 變化濾波電路電容值 C1 對天線輸入阻抗之影響 • 變化電容值C1 由0.3至0.9 pF的實部與虛部輸入阻抗曲線 魏嘉賢,“利用濾波器增加天線頻寬之設計”,國立成功大學,碩士論文,2010年7月

  23. 變化濾波電路電容值 C2 對天線返回損失之影響 • 變化電容值 C2 由 3.3 至 3.9 pF的返回損失曲線 魏嘉賢,“利用濾波器增加天線頻寬之設計”,國立成功大學,碩士論文,2010年7月

  24. 變化濾波電路電容值 C2 對天線輸入阻抗之影響 • 變化電容值 C2 由 3.3 至 3.9 pF 的實部與虛部輸入阻抗曲線，如同電容值 C1的變化，當電容值 C2 逐漸增加時，原天線之低頻頻帶匹配漸漸變差而濾波電路所產生之額外模態匹配則漸漸變好 魏嘉賢,“利用濾波器增加天線頻寬之設計”,國立成功大學,碩士論文,2010年7月

  25. 變化濾波電路電感值L對天線返回損失之影響 • 變化電感值 L 由3.3 至 5.6 nH的返回損失曲線 魏嘉賢,“利用濾波器增加天線頻寬之設計”,國立成功大學,碩士論文,2010年7月

  26. 變化濾波電路電感值L對天線輸入阻抗之影響 • 變化電感值 L 由3.3 至 5.6 nH 的實部與虛部輸入阻抗曲線，可看到在以市售常見電感值作參數變化下，天線共振模態會有相當劇烈的變化， 魏嘉賢,“利用濾波器增加天線頻寬之設計”,國立成功大學,碩士論文,2010年7月

  27. 結論 • 提出了應用於可攜式行動通訊裝置產品中結合不同濾波電路的耦合式天線設計結構，在內藏式且系統接地面無天線淨空區的條件下，利用規格 0402之晶片電容與晶片電感組合成兩種不同性質之濾波電路，分別將其加入天線的饋入端與射頻訊號端之間的微帶線上，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分別達到增加使用頻帶頻寬的效果，使其能涵蓋GSM850/900 頻帶或是 LTE band 17/GSM850頻帶。 魏嘉賢,“利用濾波器增加天線頻寬之設計”,國立成功大學,碩士論文,2010年7月

  28. 參考文獻1/3 • [1]Heekyung Jung, Hoon Park, Seokjin Hong, and Jaehoon Choi, “A Wideband Intennal Antenna with Shorting Strip for Mobile Handset,” Microw. Opt. Technol. Lett., vol. 49, no 2, Feb. 2007. • [2] Shih-Huang Yeh, Chi-Yin Fang, and Kin-Lu Wong,” PIFA-MONOPOLE Internal Mobile Phone Antenna for GSM/DCS/PCS Triple-Band Operations,” Microw. Opt. Technol. Lett., vol. 35, no 3, Nov. 2002. • [3] B. Jung, H. Rhyu, Y.J. Lee, F.J. Harackiewwicz, M.J. Park, and B. Lee, “Internal folded loop antenna with tuning notches for GSM/GPS/ DCS/PCS mobile handset applications,” Microw. Opt. Technol. Lett., vol. 48, no 8, Aug. 2006. • [4] Chun-I Lin and Kin-Lu Wong, “Internal Meandered Loop Antenna for GSM/DCS/PCS Multiband Operation in a Mobile Phone with the User’s Hand,” Microw. Opt. Technol. Lett., vol. 49, no 4, Apr. 2007. • [5] Hisamatsu Nakano, Yusuke Sato, Hiroaki Mimaki, Junji Yamauchi, and C. H.Huang,“An Inverted FL Antenna for Dual-Frequency Operation, ” Transactions on Antennas and Propagation, vol. 53, no. 8, Aug 2005. • [6] J. K. Lee and Y.-S. Kim,“Compact Ultra-Wideband Bandpass Filter Using Defected Ground Structures, ” Microw. Opt. Technol. Lett.,vol. 52, no. 10, October 2010. 魏嘉賢,“利用濾波器增加天線頻寬之設計”,國立成功大學,碩士論文,2010年7月

  29. 參考文獻2/3 • [7] Juha Villanen, Clemens Icheln, and Pertti Vainikainen,“A Coupling Element-Based Quad-Band Antenna a Structure for Mobile Terminals” Microw. Opt. Technol. Lett.,vol. 49, no. 6, June 2007. • [8] Hongmingc An.,Bart K.J.C. Nauwelaers,Antoine R.Van de Capelle, “Broadband Microstrip Antenna Design with the Simplified Real Frequency Technique” Transations on Antennas and propagation ,vol . 42, no. 2,Feb 1994. • [9] Jui-Hung Chou and Saou-Wen Su.,“Cost-Effective Metal-Plate Shorted Dipole Antenna with Wide Bandwidth for WLAN/WIMAX Applications” Microw. Opt. Technol. Lett.,vol. 49, no. 12, Dec 2007. • [10] Z.J. Zhang, Magdy F. Iskander, Jean-Christophe Langer, and Jim Mathews“Dual-Band WLAN Dipole Antenna Using an Internal Matching Circuit” Transactions on antennas and propagation, vol. 53, no. 5, May 2005. • [11] Daniel Llorens, Pablo Otero, and Carlos Camacho-Peñalosa, “Dual-Band, Single CPW Port, Planar-Slot Antenna,” Transactions on antennas and propagation, vol. 51, no. 1, Jan 2003. 魏嘉賢,“利用濾波器增加天線頻寬之設計”,國立成功大學,碩士論文,2010年7月

  30. 參考文獻3/3 • [12] Jin-Seong Lee,Gi-Cho Kang,Byung Woon Jung,Woojae Jung,Myun-Joo Park,Seung-Hyun Han,Frances J.Harackiewicz,Byungje Lee, “Triple Band Internal Antenna Using Matching Circuit,”IEEE2005. • [13] Outi Kivekäs, Jani Ollikainen, and Pertti Vainikainen, “Frequency-Tunable Internal Antenna for Mobile Phones,”JINA2002.Nice,France, vol.12, Nov 2002. • [14] Adnan Kaya and E. Yesim Yuksel, “Design of a New Impedance Tuning Network by Using RC Mutator”, Microw. Opt. Technol. Lett.,vol. 49, no. 2, Feb 2007. • [15] Binboga Siddik Yarman, Fellow, Metin Sengul, and Ali Kilinc, “Design of Practical Matching Networks With Lumped Elements Via Modeling”, transactionsc on circuit and systems-I: regular papers, vol. 54, no. 8, Aug 2007. • [16] Michail Tzortzakakis, Richard J. Langley, “Quad-Band Internal Mobile Phone Antenna”, Transactions on antennas and propagation, vol. 55, no. 7, July 2007. • [17] Juha Villanen and Pertti Vainikainen, “Optimum Dual-Resonant Impefance Matching of Coupling Element Based Mobile Terminal Antenna Structures,” Microw. Opt. Technol. Lett., vol. 49, no. 10, Oct 2007. • [18] J. Bonache, J. Garcia-Garcia, and F. Martin, Novel microstrip bandpass filters based on complementary split-ring resonators, IEEE Trans Microwave Theory Tech 54 (2006), 265–271. 魏嘉賢,“利用濾波器增加天線頻寬之設計”,國立成功大學,碩士論文,2010年7月

  31. 心得與看法 • 帶拒濾波電路可藉由許多不同的電容與電感值組合而成，但此論文在於可實際應用前提下想出來的，並因設定的環境為行動通訊裝置因此以元件設計電路而非利用微帶線來設計，故要如何取捨模擬結果之電容電感值也是一大的考量。

More Related