李學智臺灣大學：電信工程學研究所杜俊毅Tu, Chun-YiChun-YiTu2007-11-272018-07-052007-11-272018-07-052007http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/58685本論文之研究主題乃是對車輛天線系統做一根本性的探討，並設計整合式的車輛天線系統，頻段範圍主要涵蓋車輛在數位電視、通信、衛星導航及無線網路等方面的應用，天線系統有多個輸出端子，可以直接連上不同頻段的收發機。 進行的工作項目有：探討整合式天線的可能架構並評估各種架構的優缺點及條件限制；探討可以放置平面天線的可能位置；探討是否可能改變車殼材質以利天線的整合設計；針對各頻段應用設計合乎規格需求的平面式天線，並整合各頻段之平面式天線於單一電路板上。 本研究利用SEMCAD-X電磁模擬軟體進行天線及車體的模擬分析，並在有車體影響的模擬環境中設計各種頻段之天線，接著進行各天線之間的整合工作，藉由不同的配置佈局架構，觀察反射損失模擬結果對於天線共振頻帶的影響。 最後，根據模擬設計的結果，實際製作出整合式的平面天線，並將其架設於無反射微波暗室中進行天線量測工作，量測整合式平面天線在車頂模型上之反射損失與輻射場形。由實際量測結果驗證了車內整合式平面天線之可行性，本論文的研究成果對於車輛的天線設計，可以提出全新的設計理念。The main theme of this study is to make a fundamental discussion of vehicle antenna systems and to design an integrated vehicle antenna system. The frequency bands cover the applications of DTV, GSM, DCS, GPS, and WLAN. The designed antenna system has multiple output ports and each port can be directly connected to different transceivers. The tasks to be investigated include: possible architectures of the integrated antenna systems and their advantages and limitations; possible locations for placing the antenna; feasibility of replacing part of the car body with materials suitable for antenna design; design of planar antennas for different frequency bands and integration of them on a single circuit board. In this study, SEMCAD-X was used to simulate antennas and car bodies, and design of planar antennas for different frequency bands was in the simulated environment with car body effect. Integration of these designed antennas subsequently proceeded. Based on different layouts, simulated results of return loss for the impacts on resonant bands were observed. Finally, according to the simulated results, an integrated planar antenna was actually fabricated. It was measured in an anechoic chamber to obtain return loss and radiation pattern of the integrated planar antenna on a car roof model. From the measured results, the feasibility of integrated planar antenna for vehicles was verified. Several new design concepts for vehicular antennas can be obtained in this thesis.口試委員會審定書 ......................................................................................................... i 謝辭 ................................................................................................................................ ii 摘要 ............................................................................................................................... iii Abstract ........................................................................................................................... iv 目錄 ................................................................................................................................ v 圖目錄 ......................................................................................................................... viii 表目錄 ......................................................................................................................... xiii 第一章 序論 .................................................................................................................. 1 1.1 研究背景與目的 ............................................................................................. 1 1.2 研究內容 ......................................................................................................... 2 1.3 文獻回顧 ......................................................................................................... 3 1.4 章節概述 ......................................................................................................... 5 第二章 FDTD演算法 ................................................................................................... 6 2.1 前言 ................................................................................................................. 6 2.2 傳統FDTD演算法 .......................................................................................... 6 2.2.1 馬克斯威爾方程式的離散化 .............................................................. 6 2.2.2 數值穩定性 .......................................................................................... 8 2.3 Conformal FDTD演算法 ................................................................................. 9 2.4 ADI-FDTD演算法 ......................................................................................... 10 2.5 邊界條件 ....................................................................................................... 10 2.5.1 吸收邊界條件(Absorbing Boundary Conditions) .............................. 11 2.5.2 完全導電邊界條件(Perfectly Conductive Boundary Conditions) ..... 12 2.5.3 完全磁性邊界條件(Perfectly Magnetic Boundary Conditions) ......... 12 第三章 整合式車輛天線系統之綜合評估探討 ........................................................ 13 3.1 整合式天線可能架構之評估 ....................................................................... 13 3.2 平面天線可能放置位置之探討 ................................................................... 16 3.2.1 前言 .................................................................................................... 16 3.2.2 測試天線放置於車頂上之模擬結果 ................................................ 17 3.2.3 測試天線放置於置物箱上方平台內之模擬結果 ............................ 24 3.2.4 結論 .................................................................................................... 29 3.3 改變車殼材質之探討 ................................................................................... 30 第四章 不同頻帶之天線單體設計 ............................................................................ 31 4.1 前言 ............................................................................................................... 31 4.2 DTV頻帶天線設計 ....................................................................................... 31 4.2.1 天線設計 ............................................................................................ 31 4.2.2 參數分析 ............................................................................................ 41 4.3 GSM/DCS頻帶天線設計 .............................................................................. 45 4.4 GPS頻帶天線設計 ........................................................................................ 47 4.5 WLAN頻帶天線設計 .................................................................................... 49 4.6 結論 ............................................................................................................... 50 第五章 整合式平面天線 ............................................................................................ 51 5.1 天線整合設計 ............................................................................................... 51 5.2 模擬與量測結果 ........................................................................................... 60 5.2.1 反射損失 ............................................................................................ 60 5.2.2 遠場輻射場形 .................................................................................... 69 第六章 結論 ................................................................................................................ 88 6.1總結 ................................................................................................................. 88 6.2 未來研究與發展方向 ................................................................................... 89 參考文獻 ...................................................................................................................... 90 附錄 .............................................................................................................................. 95 圖 目 錄 圖2.1 顯示交錯網格中電場與磁場分量的三維Yee細胞 ..................................... 7 圖2.2 在保形(Conformal) FDTD中實質物體的表示法 ........................................ 9 圖3.1 架構A之整合式天線系統架構示意圖 ...................................................... 13 圖3.2 架構B之整合式天線系統架構示意圖 ...................................................... 14 圖3.3 架構C之整合式天線系統架構示意圖 ...................................................... 15 圖3.4 耀登科技公司之Automotive Telematics Antenna ....................................... 17 圖3.5 利用SEMCAD-X建構之測試天線模型(上：俯視圖；下：側面圖) ........... 18 圖3.6 測試天線放置於車頂上之模擬環境 .......................................................... 19 圖3.7 測試天線在自由空間與車頂上之反射損失(S11)模擬結果 ..................... 20 圖3.8 副駕駛座置物箱上方平台位置示意圖 ...................................................... 24 圖3.9 測試天線放置於置物箱上方平台內之模擬環境 ...................................... 24 圖3.10 測試天線在自由空間中與置物箱上方平台內之反射損失(S11)模擬結果 .................................................................................................................. 25 圖3.11 不同絕緣區域之介電係數對於天線反射損失之變化情形 ...................... 30 圖4.1 DTV天線之結構設計圖 ............................................................................. 32 圖4.2 車體模擬環境示意圖 .................................................................................. 33 圖4.3 DTV天線在車頂上及自由空間中之反射損失(S11)模擬結果 ................. 34 圖4.4 DTV天線之原型實體圖 ............................................................................. 35 圖4.5 於真實汽車環境中量測DTV天線之反射損失 ......................................... 35 圖4.6 DTV天線在車頂上之反射損失(S11)模擬與實測結果比較 ..................... 36 圖4.7 DTV天線於自由空間中之反射損失(S11)模擬與實測結果比較 ............. 36 圖4.8 DTV天線在車頂上及自由空間中之反射損失(S11)量測結果 ................. 37 圖4.9 不同基板厚度的DTV天線放置於車頂上之反射損失(S11)模擬結果 .... 41 圖4.10 不同Ground長度的DTV天線在自由空間中之反射損失(S11)模擬結果 .................................................................................................................. 42 圖4.11 不同Ground寬度的DTV天線在自由空間中之反射損失(S11)模擬結果 .................................................................................................................. 42 圖4.12 基板厚度為0.5 mm之DTV天線於不同饋入端元件寬度下在自由空間中之反射損失(S11)模擬結果 .......................................................................... 43 圖4.13 基板厚度為1.6 mm之DTV天線於不同饋入端元件寬度下在自由空間中之反射損失(S11)模擬結果 .......................................................................... 44 圖4.14 DTV天線放置於不同介電係數之絕緣區域的反射損失變化情形 ......... 44 圖4.15 GSM/DCS雙頻帶天線之結構設計圖 ........................................................ 45 圖4.16 GSM/DCS天線在車頂上及自由空間中之反射損失(S11)模擬結果 ....... 46 圖4.17 GPS天線之結構設計圖 .............................................................................. 48 圖4.18 GPS天線在車頂上及自由空間中之反射損失(S11)模擬結果 .................. 48 圖4.19 WLAN天線之結構設計圖 .......................................................................... 49 圖4.20 WLAN天線在車頂上及自由空間中之反射損失(S11)模擬結果 ............. 50 圖5.1 整合式平面天線初始佈局配置圖 .............................................................. 52 圖5.2 DTV天線於單體時與初次整合後在自由空間中之S11模擬結果比較 .. 52 圖5.3 GSM/DCS天線於單體時與初次整合後在自由空間中之S11模擬結果比較 .................................................................................................................. 53 圖5.4 GPS天線於單體時與初次整合後在自由空間中之S11模擬結果比較 ... 53 圖5.5 WLAN天線於單體時與初次整合後在自由空間中之S11模擬結果比較 .................................................................................................................. 54 圖5.6 整合式平面天線更新佈局配置圖 .............................................................. 55 圖5.7 DTV天線於單體時與重新整合後在自由空間中之S11模擬結果比較 .. 55 圖5.8 GSM/DCS天線於單體時與重新整合後在自由空間中之S11模擬結果比較 .................................................................................................................. 56 圖5.9 GPS天線於單體時與重新整合後在自由空間中之S11模擬結果比較 ... 56 圖5.10 WLAN天線於單體時與重新整合後在自由空間中之S11模擬結果比較 .................................................................................................................. 57 圖5.11 模擬整合式平面天線放置於車頂上之模型 .............................................. 57 圖5.12 DTV天線於單體時與整合後放置在車頂上之S11模擬結果比較 .......... 58 圖5.13 GSM/DCS天線於單體時與整合後放置在車頂上之S11模擬結果比較 .................................................................................................................. 58 圖5.14 GPS天線於單體時與整合後放置在車頂上之S11模擬結果比較 ........... 59 圖5.15 WLAN天線於單體時與整合後放置在車頂上之S11模擬結果比較 ....... 59 圖5.16 反射損失量測環境示意圖 .......................................................................... 60 圖5.17 量測用之車頂模型圖 .................................................................................. 60 圖5.18 DTV頻段反射損失(S11值)之模擬結果與實測結果比較 ........................ 61 圖5.19 GSM/DCS頻段反射損失(S11值)之模擬結果與實測結果比較 ............... 62 圖5.20 GPS頻段反射損失(S11值)之模擬結果與實測結果比較 ......................... 63 圖5.21 WLAN頻段反射損失(S11值)之模擬結果與實測結果比較 .................... 63 圖5.22 整合式平面天線尺寸配置圖 ...................................................................... 64 圖5.23 整合式平面天線實體圖 .............................................................................. 65 圖5.24 整合式平面天線DTV頻段之S11實測結果與模擬結果比較 .................. 65 圖5.25 整合式平面天線GSM/DCS頻段之S11實測結果與模擬結果比較 ......... 67 圖5.26 整合式平面天線GPS頻段之S11實測結果與模擬結果比較 ................... 67 圖5.27 整合式平面天線WLAN頻段之S11實測結果與模擬結果比較 .............. 68 圖5.28 發射天線極化方向之定義 .......................................................................... 70 圖5.29 整合式平面天線與車頂模型之相對位置(俯視圖) ..................................... 70 圖5.30 量測H-cut切面(XY平面)時接收天線之擺法 ........................................... 71 圖5.31 量測L-cut切面(XZ平面)時接收天線之擺法 ............................................ 71 圖5.32 量測S-cut切面(YZ平面)時接收天線之擺法 ............................................ 71 圖5.33 整合式天線H-cut平面操作於600 MHz所量測到之遠場輻射場形 ........ 72 圖5.34 整合式天線L-cut平面操作於600 MHz所量測到之遠場輻射場形 ........ 72 圖5.35 整合式天線S-cut平面操作於600 MHz所量測到之遠場輻射場形 ......... 73 圖5.36 整合式天線H-cut平面操作於700 MHz所量測到之遠場輻射場形 ........ 73 圖5.37 整合式天線L-cut平面操作於700 MHz所量測到之遠場輻射場形 ........ 74 圖5.38 整合式天線S-cut平面操作於700 MHz所量測到之遠場輻射場形 ......... 74 圖5.39 整合式天線H-cut平面操作於800 MHz所量測到之遠場輻射場形 ........ 75 圖5.40 整合式天線L-cut平面操作於800 MHz所量測到之遠場輻射場形 ........ 75 圖5.41 整合式天線S-cut平面操作於800 MHz所量測到之遠場輻射場形 ......... 76 圖5.42 整合式天線H-cut平面操作於900 MHz所量測到之遠場輻射場形 ........ 77 圖5.43 整合式天線L-cut平面操作於900 MHz所量測到之遠場輻射場形 ........ 78 圖5.44 整合式天線S-cut平面操作於900 MHz所量測到之遠場輻射場形 ......... 78 圖5.45 整合式天線H-cut平面操作於1800 MHz所量測到之遠場輻射場形 ...... 79 圖5.46 整合式天線L-cut平面操作於1800 MHz所量測到之遠場輻射場形 ...... 79 圖5.47 整合式天線S-cut平面操作於1800 MHz所量測到之遠場輻射場形 ....... 80 圖5.48 整合式天線H-cut平面操作於1.575 GHz所量測到之遠場輻射場形 ...... 81 圖5.49 整合式天線L-cut平面操作於1.575 GHz所量測到之遠場輻射場形 ...... 82 圖5.50 整合式天線S-cut平面操作於1.575 GHz所量測到之遠場輻射場形 ...... 82 圖5.51 整合式天線H-cut平面操作於2.45 GHz所量測到之遠場輻射場形 ........ 84 圖5.52 整合式天線L-cut平面操作於2.45 GHz所量測到之遠場輻射場形 ........ 84 圖5.53 整合式天線S-cut平面操作於2.45 GHz所量測到之遠場輻射場形 ........ 85 圖5.54 整合式天線H-cut平面操作於5.8 GHz所量測到之遠場輻射場形 .......... 85 圖5.55 整合式天線L-cut平面操作於5.8 GHz所量測到之遠場輻射場形 .......... 86 圖5.56 整合式天線S-cut平面操作於5.8 GHz所量測到之遠場輻射場形 .......... 86 表 目 錄 表3.1 各種架構之優缺點及條件限制一覽表 ...................................................... 15 表3.2 測試天線放置於車頂上操作於900 MHz之3D模擬輻射場形 ................ 21 表3.3 測試天線放置於車頂上操作於1800 MHz之3D模擬輻射場形 .............. 22 表3.4 測試天線放置於車頂上操作於2400 MHz之3D模擬輻射場形 .............. 23 表3.5 測試天線放置於置物箱上方平台內操作於900 MHz之3D模擬輻射場形 .................................................................................................................. 26 表3.6 測試天線放置於置物箱上方平台內操作於1800 MHz之3D模擬輻射場形 .................................................................................................................. 27 表3.7 測試天線放置於置物箱上方平台內操作於2400 MHz之3D模擬輻射場形 .................................................................................................................. 28 表4.1 DTV天線尺寸參數表 ................................................................................. 33 表4.2 DTV天線操作頻率於470 MHz之3D輻射場形模擬結果 ....................... 38 表4.3 DTV天線操作頻率於665 MHz之3D輻射場形模擬結果 ....................... 39 表4.4 DTV天線操作頻率於860 MHz之3D輻射場形模擬結果 ....................... 40 表4.5 GSM/DCS天線尺寸參數表 ........................................................................ 45 表4.6 GPS天線尺寸參數表 .................................................................................. 48 表4.7 WLAN天線尺寸參數表 .............................................................................. 49 表5.1 DTV頻段於車頂模型上各切面場形之天線增益一覽表 ......................... 77 表5.2 GSM/DCS頻段於車頂模型上各切面場形之天線增益一覽表 ................ 81 表5.3 GPS頻段於車頂模型上各切面場形之天線增益一覽表 .......................... 83 表5.4 WLAN頻段於車頂模型上各切面場形之天線增益一覽表 ...................... 87 附錄表1 整合式天線GPS頻段於車頂上H-cut平面場形之軸比 ......................... 95 附錄表2 整合式天線GPS頻段於車頂上L-cut平面場形之軸比 .......................... 97 附錄表3 整合式天線GPS頻段於車頂上S-cut平面場形之軸比 .......................... 98 附錄表4 整合式天線GPS頻段於自由空間中H-cut平面場形之軸比 ................ 99 附錄表5 整合式天線GPS頻段於自由空間中L-cut平面場形之軸比 .............. 101 附錄表6 整合式天線GPS頻段於自由空間中S-cut平面場形之軸比 .............. 102 附錄表7 基板厚度1.6 mm之GPS天線於自由空間中H-cut平面場形之軸比 .. 103 附錄表8 基板厚度1.6 mm之GPS天線於自由空間中L-cut平面場形之軸比 ... 105 附錄表9 基板厚度1.6 mm之GPS天線於自由空間中S-cut平面場形之軸比 ... 10614165649 bytesapplication/pdfen-US整合式車輛天線系統車輛天線整合式天線多頻帶天線寬頻天線平面天線Integrated Vehicle Antenna SystemsVehicular AntennasIntegrated AntennasMulti-band AntennasBroadband AntennasPlanar Antennasthesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/58685/1/ntu-96-J93921018-1.pdf