實驗單元 10 平板天線1. 實驗目的

瞭解平板天線之設計原理及其在通訊系統中的應用。 學習設計平板天線。 學習利用 Layout軟體與電路雕刻機，實作出實際電路成品。 學習利用網路分析儀來量測平板天線的 S參數。 學習利用網路分析儀、射頻信號產生器、與頻譜分析儀發送與量測平板

天線的信號。

2. 實驗器材 PCB電路板。 電路雕刻機。 SMA 接頭。 Protel電路板設計軟體。 網路分析儀(Network Analyzer)。 頻譜分析儀(Spectrum Analyzer)。 射頻信號產生器(RF Signal Generator)。

3. 實驗原理(1) 簡介在通訊系統中，天線是用來讓資料在傳送端(Transmitter)與接收端(Receiver)

之間傳送的關鍵元件。本實驗將對針對常用的平板天線，作一貫性的設計、實作

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微調、量測、與分析。由<圖一>與<圖二>，我們可以瞭解天線在通訊系統中的應用情況。

<圖一> 通訊系統發射端的簡略方塊圖

<圖二>通訊系統接收端的簡略方塊圖我們在本實驗中選用平板天線是因為它結構簡單、製作方便、高度實用、而

且可以很容易地經由長度及寬度的控制來做效能微調。在 Substrate方面，有很多種板子可以用來設計微帶線天線(microstrip antenna)，其 dielectric constant常都介於 2. 2到 12之間。但是實際上在設計天線時，都希望能夠用較厚的板子

(dielectric constant較小)。厚板子之優點在於有較好的效能及較大的頻帶寬，其缺點是設計時需要用到較大的面積。矩型微帶線天線可以視為兩個相隔長度 L的 radiating slot，每個 slot 的寬度

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是W，高度 h。理論上這兩個 slot應該相距 λ/2，其中 λ為在介質中的波長。而在平板天線中有兩個重要的參數：等效介電常數( effective dielectric constant )及等效長度( effective length )。分別敘訴如下：(2) 等效介電常數( effective dielectric constant )

由於平板天線的長和寬有限，所以在天線邊緣附近的 field會有 fringing的現象，此稱邊緣效應。而且，fringing的量和平板天線的長(L)、寬(W)以及板子的厚度(h)都有關，如<圖三>與<圖四>。對於 E-plane原理而言，fringing的量是平板天線長度 L和板子厚度 h的比之函數。如果微帶線天線的 L/h值遠大於 1，則fringing的現象不會太嚴重。由<圖四>，我們可看到穿過兩種不同 dielectrics 的 nonhomogeneous line，

由圖可知電力線落在板子內部的部份比在空氣中多，當W/h >> 1且板子的dielectric constant >> 1 時，大部份的電力線就都在板子內部了。由於電力線穿過兩種不同的介質，為了要適當地處理這種現象以及考慮邊緣效應，我們必須利用等效介電常數( effective dielectric constant )的概念。

<圖三> 平板天線 俯視圖

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<圖四> 平板天線 剖面電力線圖如<圖五>所示，假設整個微帶線在接地平面( ground plane )的以上都位於單

一介質中，而且此微帶線的電力線在這介質中的特性跟在<圖四>中一樣；則等效介電常數( effective dielectric constant )即為這單一介質的介電常數( dielectric

constant )，通常的等效介電常數介於 1和板子的介電常數之間。在大部份的應用上，板子的介電常數遠大於 1時，而等效介電常數( effective dielectric constant )

就會比較接近板子的介電常數( dielectric constant )。另外，等效介電常數也是頻率的函數，當操作頻率變高時，電力線落在 substrate 的比例變大，於是微帶線所在的環境介質就更像純粹只有 substrate的環境。

<圖五> 等效介電常數

(3) 等效長度( effective length )

而在平板天線中另一個重要的參數等效長度( effective length )是由於邊緣效應( fringing effect )的影響，而導致從電力線的觀點來看，微帶線天線的等效長度會比時實際長度還要大。如<圖六>所示，在 E-plane原理上，平板天線的長度在左右各增加了 ΔL。

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<圖六> 矩型微帶線的實際長度和等效長度

(4) 微帶線傳輸線(Microstrip Transmission Line)

上個實驗和本實驗都是用 PCB板來實作被動元件。所以，我們必須事先計算各個被動元件 50Ω微帶線傳輸線的寬度大小，才能將信號有效饋入被動元件。如＜圖七＞所示是傳輸線結構。依據此結構及以下板材參數可以算出所要的寬度（W0）。

＜圖七＞ 微帶線傳輸線依據此結構以及以下板材參數，算出所要的寬度（W0）。

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h T RHO RGH TAND

3.38 1.524 0.035 1 0 0.018

單位：mm

i. ， ，

ii.

(5) 天線設計計算參考<圖三>中各個平板天線參數的定義，我們可計算他們的理論值如下：(a) 給定 fr (Hz)；νo =3x108 (m/s)，

(b) ；計算出W值(mm)。

(c) 。

(d) 。

(e) 實際長度 。

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(f) 。

(g) 。

(h) 。

where is the Bessel function of the first kind of order zero.

(i) 。(j) ；解出 。

4. 實驗步驟【步驟一】利用上一頁的公式，填寫以下空格並完成後續程序，以完成一個

2.45GHz 平板天線的設計(a) W1= 1 mm。(b) W0 的寬度= (mm)。(c) ；W= (mm)。(d) 。

(e) (mm)。(f) Actual Length (mm)。(g) 。

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(h) = 。(i) 。

(j) = 。(k) = (mm)。(l) 使用 Protel電路板設計軟體，將圖八規格之平板天線轉成 Layout。(m)並將 layout 完成的軟體檔案 email給助教，以便使用雕刻機來集體雕刻平板天線電路。

(n) 向助教取回一組兩個雕刻完成的平板天線電路，並焊上 SMA接頭，以便完成後續之電路測試。

＜圖八＞ 平版天線規格

【步驟二】執行以下程序，以便量測平板天線 Return Loss (RL) 的特性( RL = 10 Log S11，其中 S11稱為輸入反射係數 )

(a) 網路分析儀 power on。- 8 -

(b) 執行量測校準。(c) 為測試設定建立大小相位參考，然後將量測誤差降低到一定的程度。請參考附錄 HP8753C網路分析儀校正步驟。

平板天線 Return Loss量測裝置圖

(d) 依上圖，將待測元件(Device under Test；DUT) 平板天線之唯一端點( )與網路分析儀左埠連接線(Port　1)相連接。

(e) 選擇量測設定：(請依以下所列順序來操作)

網路分析儀面板[CH1]鍵，按[Meas]的[S11]。[START]鍵，輸入 2 GHz。[STOP]鍵，輸入 3 GHz。[MKR]鍵，[1]鍵，並且直接輸入要標示的頻率或使用旋鈕移動面板螢幕標示點。

(e) 輸出結果，利用Maker Function功能，填寫下表：

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Frequency Response

2250 MHz

2275 MHz

2300 MHz

2350 MHz

2400 MHz

平板天線各頻率點插入損失數值

(f) 利用 Labview軟體，抓取 Frequency(2G~3G)頻率響應圖。(請將圖形貼在下面空白位置)

平板天線頻率響應範圍 =

平板天線在 頻率 fr = 時有最小的 RL(dB) =

平板天線 3dB BW(Hz) =

【步驟三】執行以下程序，以便利用平板天線來量測無線通道之振幅衰減。(a) 信號產生器按[Frequency]，輸入 fr MHz。

並按[Amplitude]，輸入 0 dBm。(b) 執行量測校準：

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將信號產生器與頻譜分析儀連接在一起，記錄信號衰減後，在 fr MHz

之信號強度，P。(c) 如下圖所示，將待測平板天線元件與相關量測儀器，即射頻信號產生器與頻譜分析儀，相連接。

平板天線 無線通道之振幅衰減量測裝置圖

(d) 選擇量測設定：(請依以下所列順序來操作)

頻譜分析儀面板按[Frequency]，輸入 fr MHz

[Span]鍵，輸入 100 MHz

(e) 假設發射天線和接收天線面對面，而且其相對距離為 d。利用Maker Function功能測量頻譜分析儀在 fr MHz輸出峰值，並填寫下表：

距離(d) 峰值 衰減＝|峰值|+ P

10 cm

20 cm

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40 cm

80 cm

160 cm

320 cm

(f) 假設發射天線和接收天線距離為 40 cm，而且假設兩天線面對面為零度。旋轉接收天線使其相對角度由零度增加到 180度。重複上述步驟，利用Maker Function功能測量頻譜分析儀在 fr MHz輸出峰值完成下表，並描出一個極座標下的天線 Radiation Pattern：

相對角度 峰值 衰減＝|峰值|+ P

0度45度90度135度180度

【步驟四】 執行以下程序，以便利用平板天線來量測無線通道之相位變化。(a) 網路分析儀 power on

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(b) 如下圖所示，將待測平板天線元件與網路分析儀相連接。平板天線元件左端( )與網路分析儀左埠連接線(Port1)相連接。

(c) 為測試設定建立大小相位參考，然後將量測誤差降低到一定的程度。請參考附錄 HP8753C網路分析儀校正步驟。

(d)

平板天線無線通道之相位量測裝置圖

(e) 選擇量測設定：(請依以下所列順序來操作)

網路分析儀面板[CH1]鍵。[STRAT]鍵，輸入 2 GHz。[STOP]鍵，輸入 3 GHz。選擇 S21，量測相位。[MKR]鍵，[1]鍵，並且直接輸入要標示頻率或使用旋鈕移動面板螢幕標示點。

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水平移動下之相位量測

(f) 如上圖所示，改變兩面對面天線間之距離，觀察其相位變化。(在頻率 fr MHz時，其相對距離位移若以 為單位， =_____ cm)。利用Maker Function功能測量網路分析儀在 fr MHz輸出相位，並填寫下表：

距離(d=2m) 相位0 λ0

0.75λ0

λ0

1.75λ0

2.5λ0

(f) 將 PORT 1 的天線旋轉 90度，並重複上述步驟，完成下表：距離(d=2m) 相位

0λ0

0.75λ0

λ0

1.75λ0

2.5λ0

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5. 問題與討論(1) 根據【步驟二】-(f) 的量測結果，我們設計的平板天線是一個寬頻天線或是一個窄頻天線？其Q為多少？( is the 3 dB bandwidth)

(2) 由【步驟三】-(e) 我們可發現，當操作頻率在 fr GHz時，隨著兩個天線間距離的變化，其傳輸功率約與距離約成幾次方的反比關係？

(3) 由【步驟四】-(e),(f)可觀察到，其天線間之相對位移與接收到信號的相位之間有何種關係? Multi-Path在此情況下，存不存在？請簡單說明之。

6. 相關資料1. Hp 8560E -“Series Spectrum Analyzer User Guide”

2. David K. Cheng, “Field and Wave Electromagnetics” , ed. , Wesley ,1989

3. David M. Pozar, “Microware Engineering”, Chapter 7 , ed. ,Wiley , 1998

4. Constantine A. Balanis,” Antenna Theory Analysis and Design” , ed

5. 袁杰 ,”高頻通信電路設計：被動網路”,全華, 1991

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6. 袁杰 ,”高頻通信電路設計：主動網路”Chapter 2 -7,全華, 1992

7. 意見回饋(1) 你認為本次實驗的安排與設計有哪些需要改進的地方？

(2) 你在本次實驗中遭遇怎樣的困難？有哪些是老師或助教可以幫忙解決的？

(3) 你認為本課程的安排與教學的方式有哪些需要改進的地方？

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