WIMAX前端射頻系統電路.doc

應用於WiMAX系統發射端之改良型bow-tie天線 范俊杰,趙亮琳,許日興 聖約翰科技大學 電腦與通訊工程系 e-mail：@mail.sju.edu.tw 摘要 本研究是設計WiMAX前端發射電路的天線和帶通濾波器，以簡單的天線設計為概念，設計一接近偶極(dipole)天線之領結天線，它的工作中心頻率是在3.5 GHZ；-10dB點的頻寬約為 200MHZ，量測結果與所設計的規格相當接近， 因為與WIMAX的20MHZ的頻寬來比較，本研究所設計的BOWTIE有400MHZ足足有20倍，所以當WIMAX的發射端為可行的。 關鍵詞：WiMAX﹙微波存取全球互通﹚、 領結天線﹙bowtie antenna﹚band pass filter﹚。 ㄧ.前言 WiMAX的全名是微波存取全球互通(Worldwide Interoperability for Microwave Access)，採用IEEE 802.16標準的產品 WiMAX的技術目前可分為兩類，一個是固定式WiMAX（以802.16-2004標準為主）。另一種為行動式WiMAX（802.16-e）WiMAX的最大傳輸距離是三十英里，在20MHz的頻寬上，固定式WiMAX 可達75M BPS資料傳輸速率。IEEE802.16的頻段介於2GHz至66GHz。3.5G的頻帶，我們參考偶極天線[1]的形狀而改良出來的bowtie-antenna[2,3,4]，實體背面圖如(圖二)及實體正面圖如(圖三)為本組的設計目標，因為此型態天線具有較寬的頻寬，此外在高頻設計部分此體積極小，在這些優良的條件下，本組將選擇它來作為設計的目標。 圖﹙一﹚WIMAX前端系統電路方塊圖 圖(二)天線實體背面 圖(三)天線實體正面 二.理論分析 此單元僅就天線設計之重要參數分述如下， 天線設計圖[5,6,7]如(圖四)所示， La=28.16、Lb=31、Lc=8.8、Wa=2、Wb=8.8、Wc=10..94 圖 (四)天線設計圖 天線特性參數 1.天線增益（Antenna Gain，G G = 天線增益 P = 與量測天線距離R處所接收到的功率密度，Watt/m2 Pi = 與全向性天線距離R處所接收到的功率密度，Watt/m2 (1.1) 由此可推導出，與增益為G的天線距離R處的功率密度應為接收功率密度。 G = 天線增益 Ptx = 發射功率，Watt/m2 R = 與天線的距離，m (1.2) 2.天線輸入阻抗（Antenna Input Impedance，Zin） Zin V = 在饋入點上的射頻電壓 I = 在饋入點上的射頻電流 (2.1) 以偶極天線為例，其阻抗由中心處73Ω變化到末端為2500Ω。 3.幅射阻抗（Radiation Resistance，Rrad Pav = 天線平均輻射功率，W i = 饋入天線的有效電流，A I = 在饋入點上的射頻電流 (1.3) 對一半波長天線而言，其幅射阻抗為73Ω。 4.射效率（Radiation Efficiency，ηrPradiated = 由天線輻射出的功率，W Pinput = 由饋入天線的功率，W (1.4) 5.幅射場型（Radiation Pattern） 天線的電場強度與輻射功率的分佈可利用一極座標圖來表示。 6.輻射束角（Radiation Beam Width，θa.由電場輻射場型來定義。 b.由功率輻射場型來定義。 7.指向性（Directivity，D Pmax = 最大功率密度，W/m2 Pinput = 平均輻射功率密度，W/m2 ?(1.5) 以偶極天線（Dipole）為例： D = 1.5 or 1.76dB 三.製作過程 1.材料、模擬軟體、量測系統： 玻璃纖維印刷電路板(FR4) 、蝕刻機、SMA接頭、IE3D模擬軟體、Agilent向量網路分析儀N5-230A。 2.製作流程： 一.使用IE3D模擬軟體，以偶極天線為藍圖下去做修改，並將我們所需要的頻段，及設計方式進行模擬，以利用此項結果來調整整體性能至最佳化。 二.使用蝕刻機將所設計的天線時做出來，焊接上SAM接頭準備做實體測試與量測。 三.利用向量網路分析儀，量測所設計的天線之場型，及增益與頻寬，觀察結果是否有達到模擬時所預期的效果。 四.模擬與量測結果 本實驗的板材是以較便宜、也比較容易購得的用的基板是以玻璃纖維印刷電路板（FR4）來製作，基板厚度h=1.6mm，基板介電常數εr=4.4，銅箔厚度t=0.02mm，來當作這次天線時做的材質，雖然損耗係數沒有RO板來的低，但是因為我們設計的頻帶並不是很高；所以就忽略高頻在介質板材的高損耗，