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B64b3c9683c2460e7ce5cc30b3d107f1 2016通訊大賽「4G/5G智慧終端裝置天線設計競賽」決賽於10月30日在台北市中油大樓舉行,共有9個隊伍進入決賽,角逐最後的大獎,並於11月14日進行頒獎,現場會有全部進入決賽團隊的展示攤位,總計約為100個,各種創意作品琳琅滿目,非常值得一看,這次錯過就要等一年。

「4G/5G智慧終端裝置天線設計競賽」決賽持續一整天,每個團隊都有30分鐘面對評審團做簡報與展示,並接受評審們的詢問。在所有團隊完成簡報與展示後,主辦單位便統計所有評審的分數,並由評審們進行審慎的討論,決定冠亞季軍及其他各獎項得主,結果將於11月14日的「2016通訊大賽頒獎典禮暨新創成果展」現場公佈並頒獎。

在「2016通訊大賽頒獎典禮暨新創成果展」現場,所有入圍決賽的團隊會設置攤位,總計約為100個,展示他們辛苦研發並實作的作品,無論是想觀摩別人的創意、了解智慧終端裝置天線的創新設計、尋找投資標的、尋找人才、尋求合作機會或是單純有興趣,都很適合花點時間到現場看看。

本成果展資訊如下:

我要報名參加「2016通訊大賽頒獎典禮暨新創成果展」>>>

在參加「2016通訊大賽頒獎典禮暨新創成果展」之前,可以先在本文觀看各團隊的作品介紹。

「4G/5G智慧終端裝置天線設計競賽」決賽9強團隊及主題式競賽團隊如下:

5G多天線平板設計

使用極化分極的MIMO天線應用於5G平板

重點快覽:

  • ✔開槽孔架構天線
  • ✔利用耦合式饋入的方式達成3.4~3.6GHz頻段
  • ✔從地延伸路徑半立體化單極天線

本作品提出開槽孔架構天線並利用耦合式饋入的方式達成3.4 ~ 3.6 GHz頻段,並以極化分極的構想來改善其隔離度,而WWAN、GSM、PCS、DCS、UMTS、LTE900、LTE2300、LTE2500頻段,則是從地延伸路徑半立體化的單極天線。第五代行動通訊選在角落的原因,在於角落有一個L型的淨空區,只需要設計兩個極化方向的槽孔天線,再利用兩天線中間的空位去放置一支半立體的槽孔天線,就可以達成極化分極的效果。相對的兩支單集天線,放置在斜對角,也可以有效降低雙手持的問題,本天線有效的運用有限面積來設計出具有良好特性的天線並可運用於10吋平板。

團隊:不正常人類研究中心

團隊成員:張家豪、郭家瑋

指導教授:陳文山

我們來自南臺科技大學陳文山老師研究室,人常說天才與瘋子只在一線之隔,而為了分辦一二,故以「不正常人類研究中心」為團隊名稱。參加通訊大賽才知道在此領域自己所知有限,必須持續努力研究,而來自業界業師的輔導讓人受益良多,印象最深刻就是當初在思考極化分極MIMO天線該如何縮小尺寸,一直想不到比較好的方法,經業師指點後豁然開朗,幫助我們在實作時能更快的知道如何解決問題或採用更好的方法。

具金屬錶帶之智慧型手錶天線設計

側邊金屬錶結合MIMO天線,有效提升無線網路傳輸效能

重點快覽:

  • ✔金屬錶帶設計
  • ✔有限空間下涵蓋多頻段
  • ✔能實際整合於市售產品

市售智慧型手錶多半只涵蓋Wi-Fi、GPS因此效果有限,在有限空間下設計出涵蓋LTE、GSM頻段,使手錶能與手機擁有相同通訊功能是本作品的初衷。因此本智慧型手錶天線設計應用於金屬錶帶並且涵蓋多頻段,天線設計為雙單極天線,第一款單極天線操作於GSM 850 / GSM 900 (824 ~ 960 MHz )、LTE band-40、band-7 (2300 ~ 2690 MHz);第二款天線操作於GSM 1800 / 1900 / UMTS、LTE band-3、band-2、band-1(1710 ~ 2170 MHz)並且可以透過切換匹配電路方式增強全球衛星定位系統1575 MHz之操作頻段效能。它的特色包括縮小化體積、金屬錶帶設計可調整低頻阻抗頻寬、淨空區僅3 mm,而且側邊金屬錶帶做MIMO天線設計空間可以增加傳輸效能。

團隊:Watch Your Life

團隊成員:蔡昱賢、田皓文、劉子豪、趙柏瑭

指導教授:陳華明、林憶芳

自從手錶成為智慧行動生活用品的一員,通常扮演智慧型手機附屬品的角色,我們團隊名為「Watch Your Life」就是立志讓手錶這個穿戴式裝置成為可以輔助手機,也能單獨運作的產品,創造更便利的生活。由於設計品歸研究室所有,如果有業界先進願意提供資源做支持,對實驗室日後發展是很大的助力。參加通訊大賽與各校學生互相交流設計作品,而且還有業師指導,讓我們更了解業界在天線設計方面的實務資訊。

應用於智慧手錶之四頻操作天線

四頻天線讓智慧型手錶的無線傳輸應用更加廣泛

重點快覽:

  • ✔體積小結構簡單
  • ✔四個操作頻帶的天線設計
  • ✔雙天線皆設計在手錶邊框

目前市面上智慧型手錶的無線通訊大都為藍芽及GPS,我們想讓為智慧型手錶增加讓使用者更方便定位的頻段,例如GSM900、GSM1800。另外,目前從文獻中看到的智慧型手錶天線大部分是單頻操作的設計,比較少看到操作在多頻帶的天線。因此本作品提出四頻操作的智慧型手錶的天線設計,提供涵蓋GSM900 (880-960 MHz)、GSM1800 (1710-1880 MHz)、GPS (1570-1620 MHz)及BT/WLAN 2.4 GHz (2400-2484 MHz)等多功能用途,使用者有更多方式可以定位或傳輸資料。在實作上antenna 1為開槽孔結構,用來設計操作於GSM 900及GSM1800頻帶。antenna 2為一雙分支單極天線,利用一電感及一匹配電路來完成GPS及Wi-Fi頻帶操作,總計四頻操作的設計。

團隊:一錶人才

團隊成員:呂庭宇、楊義勇、饒庭瑋

指導教授:陳弘典

本團隊因設計主題為智慧型手錶,故取名為一錶人才,也同時呼應天線的外觀長的一表人才。參加本次通訊大賽的收獲是與隊員們分工合作,努力創作出屬於我們的作品,在過程中有業師輔導及專家提供諮詢,了解更多實務上的資訊與解決問題的做法,我們印象比較深刻的事情為因為天線有加入元件的關係,所以在焊接上會比較困難,經過多次練習便熟能生巧。接下來的規畫是就業或服研發替代役,在通訊技術領域繼續耕耘。

具分頻機制之開槽孔MIMO天線

天線槽孔設計於邊框,符合智慧型手機主流趨勢

重點快覽:

  • ✔背蓋一體成形
  • ✔邊框槽孔輻射
  • ✔多重切換

利用機殼組件方式以及開槽孔天線易與金屬機殼做結合的特性,將槽孔設計在邊框與背蓋連接處,本天線設計建置於7 mm厚度智慧型手機之LTE系統,天線饋入方式採50Ω的微帶線饋入,匹配電路設置於微帶線端;匹配電路之設計有別以往相關文獻僅增加頻寬外,本作品將不同濾波器形式電路應用於此,不只能增加阻抗頻,又在雙埠式的設計上採用分頻機制可以有效的增加隔離度,此一機制在未來可延伸至多埠式的應用。最後將天線配置於系統的四個角落,搭配切換電路(switch circuit),進一步呈現在實際應用之多輸入多輸出 (MIMO) 的操作以及分集式 (Diversity) 的設計,提高作品的實用性。

團隊:Edge of Future

團隊成員:洪健峰、張洺睿、莊念超、黃柏維

指導教授:陳華明、林憶芳

消費者對智慧型手機外觀的要求越來高,希望可以減少槽孔設計在背蓋上造成的突兀感,設計在邊框上可使背蓋保持完整性,整體外觀近似一體成形是未來的設計趨勢,此為隊名「Edge of Future」的由來。若有機會的話很樂意公開相關技術,藉此增加與業界緊密的合作機會同時有利於團隊成員的就業,對於實驗室來說,希望可以獲得投資以及技術轉移,相關經費對於學生在未來研究上將有很大的助力,並可以增加學生的競爭力。

全金屬平板之MIMO多天線設計

無可取代的金屬質感,全台獨家支援3CA與未來4CA行動通訊需求

重點快覽:

  • ✔使用環形開槽,保持金屬外觀完整性
  • ✔內部多天線配置並達成場型分集,具優越ECC、隔離度
  • ✔考量使用者手握狀態,達成全狀態LTE全頻段涵蓋特性

現今智慧型手機或平板都用上全金屬機殼的設計,同時兼顧金屬外觀與開槽設計上是一大考驗,本作品希望能將外觀的邊框與背蓋破壞之開槽設計做到最簡單,並具有一體成形與對稱性之要求。主要特色是:(1)利用邊框以及背蓋的連接間隙來形成共振於LTE低頻以及高頻四分之一波長的開槽孔,達外觀完整性,惟阻抗過大使頻寬降低,對此在設計上利用帶拒形式的濾波形式透過改變單一電容值達頻率可重置特性,實驗結果可改善低頻頻寬特性並保持高頻模態阻抗頻寬。(2)改善高頻模態阻抗使用低通濾波器設計,透過濾波器截止點的控制設計,可因應實務工作微調相關元件值進行優化,可獲得較佳阻抗頻寬。

團隊:IPman-Antennas

團隊成員:廖家德、黃政傑、曾家誠

指導教授:陳華明特聘教授、林憶芳教授

因應消費者購買智慧型終端裝置時,均將外觀質感列為重要之購買評估標準,而全金屬外觀具有不可取代之質感,但全金屬對天線之電磁屏蔽是天線工程師公認之最大挑戰,所以在設計時考量業界實務工作若採用多埠配置將產生額外的射頻訊號損失,故設計時挑戰僅使用單一饋入埠來涵蓋LTE全頻段,而隊伍名稱「IPman-Antennas」就是所謂的「葉問天線」,如同電影情節說述: 「我要打10個!!」,以一敵多之精神與本組設計單饋入涵蓋6GHz以下10多個通訊頻帶有異曲同工之妙,並透過適當轉阻設計,達成單饋入雙激發源,優化程序部分在激發源兩側配置帶通與低通型式電路,更考量使用者手握習慣影響天線性能之可能性,整體MIMO多天線採交叉配置,達成全狀態LTE全頻段涵蓋特性,有效支援未來B4G/5G行動通訊發展需求,當中亦利用shorting方式控制槽孔模態,可因應未來大尺寸面板終端裝置使用,「沒有最好的天線,只有最適合的天線」,本組設計之天線「完全適合於全金屬配置之平板電腦使用」,希望本組用心製作之作品可以獲成大家的青睞。

MIMO LTE/WWAN天線

非常適合金屬背蓋的筆電,並且能讓螢幕邊框縮小

重點快覽:

  • ✔天線尺寸小型化
  • ✔結構簡單
  • ✔能整合機構環境設計增加頻寬

本作品提出一種應用筆記型電腦裝置之LTE MIMO開槽孔天線設計,它的設計是針對LTE / WWAN的MIMO天線,然而主、副天線皆會同時激發轉軸閉槽孔結構來增加頻寬,但這僅將天線基本配置解決,其中還有兩天線間之隔離度問題須克服。因此本團隊在兩個天線之間植入兩倒L型槽孔,使原由轉軸閉槽孔所貢獻的路徑,改由部分轉軸閉槽孔到倒L型槽孔的路徑,以優化兩天線間之隔離度。此設計非常適合應用於具有金屬背蓋的筆記型電腦,且能達能螢幕邊框的縮小化,符合消費者的喜好。另外能與金屬環境緊密整合,達成良好隔離度之多頻多天線操作。作品名稱「MIMO LTE / WWAN天線」意為以本設計所能達成的涵蓋頻帶及可提供MIMO技術而得名。

團隊:Antenna Go

團隊成員:劉重緯、吳柏緯

指導教授:陳淑娟、許崇宜

我們來自國立雲林科技大學碩士班,目前由國防大學中正理工學院-陳淑娟老師擔任共同指導。隊名「Antenna Go」是希望天線在無線網路裝置的設計上能處於積極主動的主要角色,不斷有創新思維實現在技術應用上,因此我們以此為名,希望每個人的生活都如同天線產業的積極發展,勇敢的往前Go !。我們皆為應屆畢業生,將來以就業為主。此款參賽作品目前正在專利申請,會依專利申請程序公開技術內容,以其實現實機成品。

可切換式全金屬機殼手機天線

天線與金屬外框結合,外型維持美觀,同時讓天線具有良好收訊能力

重點快覽:

  • ✔保留金屬背蓋完整性
  • ✔獨立金屬框及槽縫
  • ✔整合Switch進行切換達到完整涵蓋低頻頻帶

智慧型手機的外殼以金屬為主流趨勢,但是金屬背蓋會遮蔽天線輻射造成收訊問題,若是在背蓋上開槽縫會讓外型美觀性大打折扣,因此本作品的設計方向是保留全金屬機殼背蓋的完整性,利用獨立的金屬邊框達成我們所要的頻段,將上下邊框開縫隙,再將金屬邊框與天線結合,這樣可以減少小天線的設計空間,也不會讓天線訊號為完整的金屬背蓋所遮蔽,利用金屬邊框來設計路徑較長的低頻進而縮小尺寸,雖然單一頻寬不足但可以利用可變電容來做切換,可以滿足低頻所有頻段又不會影響到中高頻模態,讓低頻輻射效率也有35~40%。對使用者來說兼顧美觀的外型與良好的收訊能力。

團隊:絕處縫生

團隊成員:張咏雍、許學益

指導教授:陸瑞漢

我們想要讓市面上同領域的產品、技術有突破性的發展,因此研發出本次的作品,我們認為全金屬背蓋可以成為市場未來的標竿,為智慧型行動裝置的設計開創出嶄新的道路。參加通訊大賽的收獲是累積設計經驗並為了讓產品應用於業界做了很多細節的考量,在過程中跟其他團隊進行切磋,互相學習提升自己知識,而且對天線設計領域的理解與看法也邁向新的境界,跟脫以往的框架,讓設計上更加創新與優化。

T型耦合金屬環多頻單極天線

立體式天線尺寸更小,有效節省空間提升行動裝置的設計可能性

重點快覽:

  • ✔天線體積小
  • ✔天線結合金屬機殼
  • ✔單一饋入點

近年來智慧型手機及平板電腦外觀設計朝向全金屬機殼,為了外型美觀必須讓天線尺寸縮小而提升設計難度,所以本作品將天線設計於金屬框,並讓開槽孔縮小,而且不會影響天線收發訊能力,在實作上提出T型耦合金屬環多頻單極天線並利用匹配電路及T型金屬片與金屬環耦合,以適用於LTE/WWAN平板電腦之八頻天線,天線體積相當小,並可藉由可變電容滿足所需的操作頻段,低/中/高頻之實測天線增益及天線效率分別為-1/-2/-1 dBi及67/35/28 %。此天線體積小、薄形化、製造成本低而且天線整合性高,適合內藏應用於各種薄型平板裝置中,產業上之應用性與可商業化程度相當高。

團隊:一框天下

團隊成員:鄭迦豪、蘇曄朋

指導教授:陸瑞漢

我們是來自高雄海洋科技大學的團隊,本次主要以金屬邊框進行設計,天線尺寸微小而且僅於背部及金屬邊框之側邊開出0.5 mm之槽縫,相較於市面上之槽縫寬度有相當大的進步。這次的作品主要是利用金屬「框」激發天線的能力,所以取名為「一框天下」。接下來的規畫是先進入職場發揮所長,如果有機會也會嘗試創業,參加本次競賽讓我們對業界的需求以及設計方向更加了解,在經過業師輔導、專家諮詢後,讓我們的眼界大開,對天線設計有了更深的體會。

低剖面LTE MIMO天線設計

有效減少天線尺寸,讓筆記型電腦更輕薄、螢幕設計最大化

重點快覽:

  • ✔低剖面
  • ✔結構簡單
  • ✔利用切換元件增加頻寬

使用者對筆記型電腦輕薄化與邊框窄化的需求,促成本作品的誕生,利用低剖面的設計達到螢幕最大化,但是降低天線剖面高度對低頻頻寬及輻射效率影響甚鉅,解法則是以簡單的天線結構設計避免天線輻射效能降低。本作品將主、副天線配置在筆電螢幕金屬接地面上緣之左右兩側,為一鏡射配置之相同天線,並藉由設計低、高通匹配電路來增加天線操作頻寬,加上可重組電路來切換低頻的操作模態,天線採立體結構之PIFA設計,剖面高度僅5mm,利用切換開關連接與不連接之設計,涵蓋所需的LTE全頻段操作。由於本作品突破現有規格設計出多天線來達到LTE/WWAN設計目標,故取此名。

團隊:樓上的天線

團隊成員:蔡文祥、傅晨碩、許銘展

指導教授:陳淑娟、許崇宜

「樓上的天線」成員分別來自國防大學理工學院電磁波暨天線實驗室及雲林科技大學RF射頻實驗室。隊名由來是一部電影,內容訴說一個人如何將人的黑暗面鑿開,透過不斷的精進一定會有到達頂端的一天,期待在通訊領域也能像隊名一樣突破困境,讓現有技術達到更顛峰的狀態。參加通訊大賽讓我們在模擬與實作中找到差異性,並從中找到解決的辦法,我們現階段為碩二研究生,希望能學習更多專業知識,畢業後投入天線相關領域之就業。

面積小志氣高

將金屬框與淨空區架高,並利用匹配電路達成頻寬要求

重點快覽:

  • ✔突破天線淨空區規格限制
  • ✔具有三個LTE頻段
  • ✔金屬立體架構增加輻射效率

隨著4G頻段的普及以及5G頻段逐漸進入實際應用,大眾對於網路速度要求越來越高,本作品設計出三個LTE頻段天線以提升上網速度。天線運用於LTE700/2300/2500、GSM850/900/1800、UMTS1900之八頻頻段,並利用立體框架來模擬金屬框對天線的影響,發現可以增加對中低頻的匹配,來達到所需要的頻帶。之所以將金屬框與淨空區架高,是要增加輻射天線和接地面產生距離來避免輻射效率相消,利用匹配電路來縮小天線所需要的長度並達成我們對頻寬的要求。競賽規則所指定的天線淨空區規格相較於市面上的手機來的小,本作品的設計能達到此目標,所以作品取「面積小志氣高」是因為規定淨空區太小,我們不放棄嘗試所以志氣高。

團隊:早起的蟲兒被鳥吃

團隊成員:陳珉捷、莊佩芩

指導教授:李文熙、陳文山

隊名「早起的蟲兒被鳥吃」用來勉勵成員不要當蟲而是當鳥。參加通訊大賽才發現團隊成員都很有毅力,就算遇到困難仍然持續調整天線,提前體會天線工程師的辛苦,在過程中的短期集訓對我們幫助很大,因為可以詢問業師們的建議,讓我們了解業界實際所需的天線規格,才能持續改善作品。接下來的規畫是進入天線相關產業就職,盡一已之力研發新型天線以取代傳統型天線,目前5G頻段大約設置在 3.4GHz到3.6GHz頻帶,往後以此為目標繼續努力。

平板天線

利用既有槽孔設計為天線,轉化金屬外框限制成為優勢

重點快覽:

  • ✔為10吋平板而設計
  • ✔利用既有的槽孔來進行共振
  • ✔讓金屬背蓋不影響天線能力

智慧型手機與平板使用金屬外框已是市場上的常態,但是金屬斷框會使模態的匹配和效率變差,因此本作品利用背面斷框形成的槽孔將它設計成天線的一部分,既維持背蓋的美感同時不影響天線訊號能力。在實作上是為10吋平板設計出2個LTE跟2個WiFi天線,LTE使用了背面的槽孔激發三個模態分別為698-960MHz、1425-1515MHz、1710-2690MHz,並且使用LC來進行匹配和半立體來增加效率,Wi-Fi部分也選擇激發背面的槽孔來產生2.4GHz到2.5GHz,而5.15GHz到5.875GHz則是饋入點的路徑分支產生,並且由地延伸來做匹配。既然金屬背蓋一定會存在,所以利用它的特性轉化成本設計成果,解決天線效率問題。

團隊:睡眠不族

團隊成員:楊育翔、陳詠彥

指導教授:陳文山

團隊成員楊育翔與陳詠彥剛從大學畢業,參賽時正準備進入南台電子系碩士班。我們是第一次嘗試金屬背蓋這類型的產品,我們十分苦惱於天線要從何處輻射,所以必須嘗試各類天線架構並勤於查詢資料,因此經常睡眠不足,也是我們隊名的由來。本次競賽提供的業師輔導與短期集訓對我們幫助很大,增進對天線架構的敏感度和解決問題的能力,後續希望有機會到業界實習讓我們熟悉業界環境。

筆電天線

利用PIFA架構來實現WLAN與LTE

重點快覽:

  • ✔兩組天線左右對稱
  • ✔PIFA架構
  • ✔立體彎折

本作品提出的天線採用細銅軸線做為天線的饋入方式,製作材料使用FR4基板當作設計的材料,淨空區用0.2mm的PCB板,再使用寄生鐵件使架構半立體化,讓低頻增加頻寬的效果,WLAN的天線設計主要是以PIFA架構和大地共振來實現雙頻,而WWAN的天線設計也是以PIFA架構來實現,首先用右邊最長路徑在0.75GHz處產生第一個模態,其倍頻在2.1GHz 處,再用左邊倒E型路徑在0.94GHz處產生第二個模態,接著右邊靠分支方式產生1.5GHz模態,左邊分支產生1.85GHz模態以及調整第二個模態的匹配。兩支WLAN天線採用空間隔離,使彼此之間擁有良好的隔離度。一開始的低頻頻寬不夠,因此加上立體彎折鐵件以增加頻寬,加上PIFA架構有良好的抗雜訊能力,可以讓接收訊號能力向上提升。

團隊:寬度不夠

團隊成員:張光任、卓廷彥

指導教授:陳文山

我們是來自南臺科技大學的團隊,由於設計天線時,所採用的是PIFA架構,PIFA架構有一個特色就是頻寬窄,因此我們就取名為「寬度不夠」。在參加競賽的過程中讓我們了解到只有設計天線的專業是不夠的,最重要的是團隊合作,與隊友互相討論進而解決問題,一個人獨自奮鬥很難在如此短的時間內完成作品。我們希望在念碩士班期間,培養對天線的敏銳度及各種問題的解決及應變能力,以便投入職場後碰到問題時能夠加以解決。

CSU-Smart Watch

設計空間狹小,利用LC元件共振出低頻模態

重點快覽:

  • ✔為智慧型手錶而設計
  • ✔解決設計空間狹小的問題
  • ✔結構簡單

本作品為智慧型手錶的天線需求而設計,底層為一片35×47mm之接地面,兩邊垂直面尺寸為35×5mm是主要輻射部。其中一組天線運用LC元件與帶狀金屬線來產生GSM 900 MHz低頻共振模態。另一組天線有三條金屬帶線呈平行排列,其中,外側二條各自產生PCS 1800MHz與GPS 1575MHz的共振模態,中間的金屬帶線則用以產生電容效應,補償電感性的輸入阻抗,藉以改善阻抗匹配。智慧型手錶的體積有限,可用之設計空間狹小,本作品利用了LC元件共振出低頻模態,為本作品創新之處。

團隊:CSU-Club

團隊成員:段彥宇、林志憲、王威盛

指導教授:林淑芸

CSU為本校「Cheng Shiu University正修科技大學」的縮寫,加上Club是希望在本次領頭參賽後,接下來學弟妹可以再接再勵繼續參賽,讓Club更壯大。參加通訊大賽可以了解業界在作哪些方面的研究,需求是什麼,調整學習方向與內容,以便未來進入業界時可以更有競爭力。目前的打算是可以順利畢業,還沒有想到太遠的規畫。過程中的短期集訓是對培養團隊默契及分工方式有很大助益,因為不可能一個人完成所有事,和同學或者是同事之間互相幫忙,建立好的形象及人脈,比自己一個人做還要快樂。

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