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Journal of China University of Science and Technology Vol.54- 2013. 01

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共面波導饋入多頻段平面倒 F 形天線之設計 Design of a CPW-Fed Multi-Band Plane Printed Inverted-F

Antenna

袁敏事 1 洪靖發 2 呂秉群 3

Min-Shih Yuan Ching-Fa Hung Bing-Chiun Liu 1 中華科技大學飛機系統工程研究所暨航空電子系副教授

2,3 中華科技大學飛機系統工程研究所研究生

摘要

本文中設計出一款共面波導饋入多頻段平面倒 F 形天線，此天線架構主要由

三個部份組成，分別為平面倒 F 形輻射貼片、雙對稱直角三角形接地面及漸變形

饋入微帶線。此天線利用倒 F 形輻射貼片特性使其產生多頻段之共振頻率。並以

調整共面波導饋入微帶線寬度、微帶線與接地面之間間距及雙對稱直角三角形接

地面的面積使天線阻抗頻寬大幅增加。在 S11＜-10dB 的情況下，實測的操作頻段

分別為 1.19-2.69GHz、3.2-4.41GHz 及 5.19-6.79GHz，最大增益可達 2.18dBi，輻

射場型也趨近於全向性。此天線具有小型化、穩定增益及架構簡單等優點，確實

能應用在 GPS、DCS、PCS、UMTS、Bluetooth、WiMAX 及 WLAN 等多頻帶無線

通訊系統中。

關鍵字：共面波導、平面倒F形天線、多頻帶天線

Abstracts

A CPW-fed multi-band plane printed inverted-F (PIFA) antenna is presented. The proposed antenna consists of three parts which are inverted-F shaped radiation patch, dual-symmetrical right-angled triangle shaped ground plane and tapered feed microstrip line. The inverted-F shaped radiation patch can generate multi-band resonate frequencies. This proposed antenna impedance bandwidth will be greatly increased by moderately adjusted the width of feed microstrip line, the gap between ground plane and feed microstrip line and the area of dual-symmetrical right-angled triangle shaped ground plane. The measured return loss S11 ＜ -10dB operation band are 1.19GHz-2.69GHz, 3.2GHz-4.41GHz and 5.19-6.79GHz, respectively. The peak gain

共面波導饋入多頻段平面倒 F 形天線之設計

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of antenna is 2.18dBi, the radiation pattern in all operation bands are omnidirectional. The proposed antenna has many advantages, such as compact, stable gain and simple structure, and satisfied the demand of the GPS、DCS、PCS、UMTS、Bluetooth、WiMAX and WLAN multiband wireless communication system. Index Terms—co-planar waveguide(CPW) fed, PIFA antenna , multi-band antenna

I. 前言

隨著無線通訊技術迅速的發展，各種消費性電子產品已成為人們生活中不可

或缺的一部分，而把各種不同的無線通訊系統做一整合是目前的趨勢，所以需要

寬頻與多頻段天線較能滿足此需求。但為了維持無線通訊設備的高流動性及品

質，一款小型化、低成本、容易製作及低剖面的天線較能符合商業上的需求。平

面倒F型雙頻天線(PIFA)是較常見的類型之一，其設計已有許多文獻討論。如使用

在手機與WLAN 802.11a 規範的三頻PIFA天線[1]，應用於筆記型電腦、無線網卡

與PDA...等行動裝置的三頻段PIFA天線[2]。到目前為止已有許多相關寬頻及多頻操作的技術紛紛被提出，一般較常見的

天線類型有單極、偶極、共面波導及短針饋入等天線，而要增加天線頻寬則可在輻射面或接地面加入不同波長槽口(Slot 或Slit)，如U 型、S 型、迴路型及矩形等 [3]-[5]，另外也可調整天線輻射面與接地面之間距使其電磁耦合[6]-[8]或是在天線結構上加入不同類型之帶狀條使其產生不同電流及共振[9]-[11]，上述之方法皆可增加天線的阻抗頻寬。共面波導方式饋入則為最佳的選擇，文獻[12]提出一款共面

波導饋入超寬頻天線，此天線製作在一個長方型FR4板上，長度為30mm 、寬度為

25mm ，輻射面為LI 形狀，共面波導饋入線W=1.25mm，饋入線及接地面之間的

距離為g=0.1mm，接地面為兩邊不對稱長方型金屬貼片，左邊接地面金屬貼片高度

Pa=6.45mm，右邊接地面高度比左邊高度多出Pb=1.45mm。電壓駐波比(VSWR≦2)從3.0 GHz ~11GHz，阻抗頻寬百分比為114.3%。文獻[13]中提出了一款共面波導

饋入雙寬頻槽孔天線，此天線擁有一個簡單的矩形金屬饋入線結構，且在接地面

上崁入兩個大面積的矩形槽孔，並在槽孔內加上兩個C形金屬帶條，透過適當的調

整兩個C形金屬帶條可使此天線產生兩個共振頻段。此天線印刷於厚度1.6mm的

FR4基板上，相對介電係數εr=4.4，天線整體尺寸為1×60×1.6mm3，在反射損失S11

＜-10dB的情況下其阻抗頻寬可從1.97GHz-2.87GHz及4.78GHz-8GHz。本文中提出一款漸變形共面波導饋入多頻段平面倒F形天線，此天線能夠產生

多頻段之共振頻率，以滿足多頻段應用之需求。針對天線參數L1、L4、W6及接地面


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形狀加以詳細分析，用來得到天線參數的最佳值。

II. 天線架構

圖 1 為共面波導饋入多頻段平面倒 F 形天線架構圖，此天線架構主要由三個

部份組成，分別為倒 F 形輻射貼片、雙對稱直角三角形接地面及漸變形饋入微帶

線。其中倒 F 形輻射貼片右上部份以 W4 與 L5 表示其寬度與長度，此部分輻射貼

片路徑較長，其電流較容易產生出較低的操作頻段，影響之阻抗頻寬為

1.19-2.69GHz，可涵蓋頻段為 GPS、DCS、PCS、UMTS 及 Bluetooth。輻射貼片

中間部分與左邊部分則分別以 W3 與 L1 及 W1與 L1 表示其寬度與長度，此部分輻

射貼片可共振出天線中間頻段，影響之阻抗頻寬為 3.2-4.41GHz，可涵蓋 WiMAX頻段。右下部分輻射貼片則以 W6 與 L6 表示其寬度及長度，此部分輻射貼片可共

振出天線較高頻段，影響之阻抗頻寬為 5.19-6.79GHz，可涵蓋 WLAN 頻段。此外，

雙對稱直角三角形接地面與漸變形饋入微帶線也會影響天線所有的阻抗頻寬與共

振深度，不同形狀的接地面會大幅影響天線的阻抗頻寬，微帶線寬度、長度與形

狀的變化則會影響天線整體的效率。此天線整體尺寸以 L×W 表示，單位為 mm，

印製在厚度 0.8mm 的 FR4 基板上，相對介電係數 εr=4.4，損耗正切值為 0.024，利

用 50Ω微帶線饋入並與 SMA 接頭連接產生輻射，天線最佳化參數是以高頻模擬分

析軟體 Ansoft HFSS 進行分析。此天線經由高頻模擬軟體 Ansoft HFSS 進行分析後，得到最佳化尺寸為

40×30×0.8 mm3，微帶線長度 L3=30mm，微帶線由下往上寬度漸變，微帶線最寬部

分 W9=4mm，最細部分 W7=2mm，雙對稱直角三角形接地面底邊長度 W5=11mm，

鄰邊長度 L4=26mm，接地面與微帶線間距最寬部分 W8=2mm，最細部分

W10=1mm，其餘所有參數皆做過最佳化分析，詳細參數如表 1 所示。

III. 結果與分析

本文所提出之天線經由實作後，實體結構如圖 2 所示，天線經 8720ES 之網路

分析儀實測後證明其確實擁有三個頻段，在反射損失小於-10dB 的條件下，實測得

到的阻抗頻寬分別為 1.19-2.69GHz、3.2-4.41GHz 及 5.19-6.79GHz，在相同的條件

下，模擬的阻抗頻寬則為 1.37-2.67GHz 及 3.19-7GHz，圖 3 為此天線模擬與實測

之 S11 比較圖，以兩者的結果相比較，可以發現實測的反射損失振盪深度不像模擬


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的那麼深，使得此天線在模擬時中高頻段的反射損失從 3.19-7GHz 皆小於-10dB，而實測的反射損失從 4.42-5.18GHz 因振盪不夠深而未達到-10dB 以下，所幸這段

未達-10dB 標準的頻段並不在我們需求的頻段範圍之內，所以對天線並無不良影

響，天線增益反而因此小幅提升。此外，本文也將針對幾個對天線整體效率影響

較大之參數進行變化及分析，分別為倒 F 形輻射貼片左側長度 L1、雙對稱直角三

角形高度 L4、倒 F 形輻射貼片右下部分寬度 W6 及接地面形狀之變化。

1. 參數 L1分析

圖 4 顯示此共面波導饋入多頻段平面倒 F 形天線參數 L1 之模擬反射損失分析

圖，此部份參數為天線之倒 F 形輻射貼片左側長度，圖中分別顯示參數 L1 為

10mm、9mm、8mm 及 7mm 時之 S11 變化，從圖中可以看到當參數 L1=10mm、9mm、8mm 及 7mm 時，天線皆擁有兩個操作頻段，此部份參數變化對天線之第一個操作

頻段影響較小，主要影響範圍為第二個操作頻段之高頻部份。從圖中可以明顯發

現當參數 L1=9mm、8mm 及 7mm 時，其高頻部分約 5.4GHz 處之 S11 皆大於-10dB，導致天線無法滿足高頻之 5.8GHz WLAN 操作需求，只有當參數 L1=10mm 時，天

線才能夠完整涵蓋 GPS、DCS、PCS、UMTS、Bluetooth、WiMAX 及 2.4/5.2/5.8GHz WLAN 之操作頻段。

2. 參數 L4分析

圖 5 顯示此共面波導饋入多頻段平面倒 F 形天線參數 L4 之模擬反射損失分析

圖，此部份參數為天線之雙對稱直角三角形高度，圖中分別顯示參數 L4 為 25mm、

26mm、27mm 及 28mm 時之 S11 變化，從圖中可以看到當參數 L4=25mm、26mm、

27mm 及 28mm 時，天線皆擁有兩個操作頻段，此部份參數變化對天線第一個操作

頻段之振幅雖有影響，但對整體阻抗頻寬影響並不大，主要影響部份為第二個操

作頻段之起始頻率，從圖中可以看到當參數 L4=25mm 時，天線第二個操作頻段之

起始頻率與高頻部份皆會往低頻移動，導致天線整段阻抗頻寬產生位移，造成天

線無法滿足高頻之 5.2/5.8GHz WLAN 操作需求；而當參數 L4=26mm、27mm 及

28mm 時，從圖中可以看到隨著 L4 寬度增加，天線第二個操作頻段之起始頻率會

逐漸往高頻移動，導致天線於L4=27mm及 28mm時皆無法滿足中間頻段之WiMAX操作需求，由此可知此天線之參數 L4 只有在 26mm 時才能完整涵蓋 GPS、DCS、PCS、UMTS、Bluetooth、WiMAX 及 2.4/5.2/5.8GHz WLAN 之操作頻段。


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3. 參數 W6分析

圖 6 顯示此共面波導饋入多頻段平面倒 F形天線參數 W6之模擬反射損失分析

圖，此部份參數為天線之倒 F 形輻射貼片右下部分寬度，圖中分別顯示參數 W6

為 20mm、19mm、18mm 及 17mm 時之 S11 變化，從圖中可以看到當參數 W6=20mm、19mm、18mm 及 17mm 時，天線皆擁有兩個操作頻段，此部份參數變化對第一個

操作頻段影響較小，主要影響部份一樣為天線第二個操作頻段之起始頻率，從圖

中可以明顯看到隨著參數 W6 寬度減小，天線第二個操作頻段之起始頻率會逐漸往

高頻移動，導致天線參數 W6=19mm、18mm 及 17mm 時，天線皆無法滿足中間頻

段之 WiMAX 操作需求，由此可知只有當天線參數 W6=20mm 時，天線才能夠完整

涵蓋 GPS、DCS、PCS、UMTS、Bluetooth、WiMAX 及 2.4/5.2/5.8GHz WLAN 之

操作頻段。

4. 接地面形狀分析

圖 7 顯示此共面波導饋入多頻段平面倒 F 形天線使用各種不同形狀接地面時

之模擬反射損失分析圖，本文分別使用四種較常見之形狀來進行天線特性分析，

分別為直角三角形、矩形、梯形及不規則四邊形，從圖中可以觀察到當天線使用

四種不同形狀接地面時，模擬反射損失差異甚大，當天線使用矩形接地面時，此

天線只擁有一個操作頻段，且其阻抗頻寬極窄，只能涵蓋 Bluetooth 及 2.4GHz WLAN 之操作頻段；而當天線使用直角三角形、梯形及不規則四邊形接地面時，

此天線皆擁有兩個操作頻段，但由於使用梯形及不規則四邊形接地面時，天線第

二個操作頻段之起始頻率皆會往高頻移動，導致天線無法滿足 WiMAX 之操作需

求，由此可知當此天線使用雙對稱直角三角形接地面時，天線才能夠完整涵蓋

GPS、DCS、PCS、UMTS、Bluetooth、WiMAX 及 2.4/5.2/5.8GHz WLAN 之操作

頻段。經由上述參數分析及取得天線最佳化參數後，本文也針對其電流分佈做一探

討，圖 8(a)-(h)顯示此多功能平面倒 F 形微帶天線之模擬電流分佈圖，從電流分佈

圖中可以發現，此天線低頻部分確定是由 W4 及 L5 產生，中間頻段之電流分佈主

要落在 W1 與 L1 及 W3與 L1，而高頻部分則是由 W6 及 L6 產生。從圖中也可以看

到此天線因尺寸小且為共面波導方式饋入，所以天線各部分電流幾乎都很強，無

論是低頻、中頻或是高頻皆會互相影響匹配，接地面與微帶線之間的電流會互相

耦合使電流強度大幅增加，由此可知此天線無論是輻射面、饋入微帶線或是接地

面皆扮演著極為重要的角色，三者之間環環相扣，缺一不可。


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圖 9 顯示共面波導饋入多頻段平面倒 F 形天線之輻射場型圖，量測頻率分別

為(a)1.5GHz、(b)1.8GHz、(c)1.9 GHz、(d)2GHz、(e)2.4GHz、(f)3.5 GHz、(g)5.2GHz及(h)5.8GHz，量測平面為 E-plane 及 H-plane。從中可觀察到場型幾乎為全向性且

共極化與交叉極化皆相差 20dB 以上，表示使用上較無相互干擾之問題。在 1.5GHz及 3.5GHz 時可觀察到共極化雖然趨近於全向性但仍有些部分有缺角，不過交叉極

化仍呈現漂亮的散射形狀。在中間頻段 2.4GHz 部份，除了共極化趨近於全向性以

外，交叉極化呈現蝴蝶形。高頻部分 5.2GHz 及 5.8GHz 在共極化的時候雖然也是

趨近於全向性，但訊號強度與低頻相比稍嫌較弱，然而其交叉極化卻呈現 8 字形，

雖在高頻部份場型較弱不過仍在可接受範圍內。圖 10 為此天線實測的頻率點對照增益圖，因為增益是決定信號強弱之關鍵，

所以本文也針對此天線各頻率增益作一量測，量測頻率分別為 1.5GHz、1.8GHz、1.9GHz、2.4GHz、3.5GHz、5.2GHz 及 5.8GHz，量測之增益值分別為 0.77dBi、1.09dBi、1.33 dBi、1.75 dBi、1.26 dBi、1.44dBi、2.18dBi 及 1.12dBi，各頻率詳細

增益值如表 2 所示。最大天線增益為 2.18dBi，平均天線增益為 1.13dBi，天線增益

變化不大，具有非常穩定之特點。

IV. 結論

本文提出一款共面波導饋入多頻段平面倒 F 形天線，此天線利用倒 F 形輻射

貼片特性產生出三個頻段的共振頻率，並以調整饋入微帶線寬度、微帶線與接地

面之間間距及直角三角形接地面的面積使天線阻抗頻寬大幅增加。本天線經實際

測量後確定此天線擁有良好的輻射場型及穩定的增益，從電流分佈圖中更能清楚

的看出天線之各頻段共振位置。本文也特別針對接地面形狀對共面波導天線之影

響進行分析及討論。此天線具有小型化、結構簡單、容易製作、與 MIC 易於整合

及製作成本低等優點，經實際量測後確實能應用於 GPS、DCS、PCS、UMTS、Bluetooth、 WiMAX 及 WLAN 等多頻段無線通訊系統中。

參考文獻

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1、共面波導饋入多頻段平面倒 F 形天線參數值表

天線尺寸參數表單位：mm

L=40 L1=10 L2=9 L3=30

L4=26 L5=1 L6=1 W=30

W1=1 W2=4 W3=5 W4=14

W5=11 W6=20 W7=2 W8=2

W9=4 W10=1

表 2、共面波導饋入多頻段平面倒 F 形天線各頻率量測增益值

頻率(GHz) 1.5 1.8 1.9 2 2.4 3.5 5.2 5.8

增益(dBi) 0.77 1.09 1.33 1.75 1.26 1.44 2.18 1.12

圖 1、共面波導饋入多頻段平面倒 F 形天線架構圖(a)正視圖(b)側視圖


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圖 2、共面波導饋入多頻段平面倒 F 形天線實體圖

圖 3、共面波導饋入多頻段平面倒 F 形天線模擬與實測 S11 比較圖

圖 4、參數 L1 之模擬反射損失分析圖


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圖 5、參數 L4 之模擬反射損失分析圖

圖 6、參數 W6 之模擬反射損失分析圖

圖 7、接地面形狀變化之模擬反射損失分析圖


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圖 8、共面波導饋入多頻段平面倒 F 形天線之電流分佈圖

(a)1.5GHz(b)1.8GHz(c)1.9GHz(d)2GHz(e)2.4GHz(f)3.5GHz(g)5.2GHz(h)5.8GHz


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圖 9、共面波導饋入多頻段平面倒 F 形天線量測輻射場型圖

(a)1.5GHz(b)1.8GHz(c)1.9GHz(d)2GHz(e)2.4GHz(f)3.5GHz(g)5.2GHz(h)5.8GHz


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圖 10、共面波導饋入多頻段平面倒 F 形天線量測頻率點對照增益圖

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