臺灣博碩士論文加值系統

本論文主要目的是在增加雙頻T型微帶天線設計之自由度，其一的作法是運用兩不同電介質的結構套至原本T型天線，藉此增加這個結構的可調參數。另一種做法是沿用T型結構扭曲電場的設計理念以及利用更複雜的凹型結構中之兩段不同共振長度產生了兩模態以達到目的。
而對於兩不同電介質T型微帶天線的而言，雙頻操作的功能不僅可維持，兩頻率間距也可得到有效的調整。除了原本T型結構設計自由度低的問題得以解決，兩不同電介質的作法也可套用至其他結構來增加設計彈性。又對於兩不同電介質結構的問題，HFSS軟體的運用以及實驗中基板墊高之方法不只皆可有效的解決，這兩種方式所建立之技巧也可提供往後設計類似結構時所需之參考。而對於凹型微帶天線而言，利用結構變形扭曲電場的設計理念使兩不同共振長度產生所相對應的模態。在適當的尺寸下，兩模態皆具有可接受的輻射場型，而且阻抗也易於匹配，因而此凹型天線的確具有雙頻操作。而依據結構參數探討以及特定頻段的設計之結果，此天線可調參數的適用範圍相當廣泛，因此設計自由度是很高的，而此結構的設計也為雙頻天線提供另一種選擇。
在數據驗證的部份，本文是先以共振腔理論的方法將凹型天線分成三矩型共振腔，再藉由T型天線的研究中所獲得的分析觀念搭配Moment Method的方法而有效的求得天線各重要參數，此分析方法也使得電磁波在天線內部的運作情況更易於掌握。而當收歛的分析數據對比於HFSS、Ensemble以及實驗之所得，理論分析之正確性更加確立。
而對於本文所提的凹型微帶結構，若天線的支腳長度不同或數量更多，多頻操作的可能性可使此設計理念更具應用的價值。而兩不同電介質結構的作法會使得輻射場中心峰值產生位移，這問題仍是可以研究的課題。又若此設計理念套用於圓型結構上，具縮小化的雙頻天線是可預期的。

The purpose of this thesis is to increase the design freedom of T-shape microstrip antenna, first approach is to use the structure by two different dielectrics to increase the adjustable parameters compared to the original T-antenna. Second approach is to adapt the concept of T-antenna and to employ the two resonance lengths of complicated concave-shape structure to produce two different modes to achieve the demands.
For T-antenna with two different dielectrics, it not only maintain the function of dual-band operation but also provide parameter to adjust the separation of two frequencies. In addition, this technique can also be applied to other structures to increase design flexibility. For the problem of this structure, the employment of HFSS and the technique of substrate suspension can not only solve it but also provide references for future design as similar structures. For concave-antenna, the concept of structure variation to distort electric-field can produce two different resonant lengths. Therefore at appropriate size, two modes of this antenna has dual-band operation with acceptable radiation patterns, and impedance is also easy to match. According to study on structural parameters and design at specific band, the acceptable range of adjustable parameters is broad, and design freedom is high. This structure also provides alternative design for the demand of dual-band antenna.
For the data verification, this thesis is to divide antenna into three rectangular cavities by cavity model, and the concept of analysis on the T-antenna with moment method to obtain important parameters. This method is also able to obtain the mechanism of electromagnetic waves in the antenna. As the analysis data of convergence compared with HFSS, Ensemble and experiments, the validation of theoretical analysis is established more completely.
As for concave-antenna mentioned, the possibility of multi-frequency operation can makes design concept more valuable if length of antenna finger changes, or number increases. However, the center peak of radiation offsets due to uneven structure that is still a subject for study. As this design concept is applied to circular microstrip antenna for size reduction, a compact and dual-band antenna can be then expected.

摘要i
英文摘要ii
致謝iii
目錄iv
圖目錄v
第一章 緒論1
1-1 歷史背景與研究動機1
1-2 研究目的之做法與分析方法2
1-3 論文架構5
第二章 利用HFSS模擬T型微帶天線6
2-1 HFSS的軟體介紹以及模擬矩形微帶天線所得之結果6
2-2 T型微帶天線的理論分析過程8
2-3 T型微帶天線基本特性之探討12
2-4 結論14
第三章 具雙頻操作的凹型微帶天線38
3-1 凹型微帶天線共振頻率與電場之推導38
3-2 凹型微帶天線輻射場之推導46
3-3 凹型微帶天線特性之探討48
3-4 結論50
第四章 凹型微帶天線特性之探討與特定頻率之應用67
4-1 凹的程度之影響67
4-2 不對稱凹型結構之探討68
4-3 單支腳位移之影響69
4-4 兩不同電介質結構之探討69
4-5 特定頻率的應用之設計考量及流程70
4-6 結論72
第五章 總結與討論91
參考文獻93
圖目錄
圖2.1：利用HFSS模擬軟體處理微帶天線之操作流程圖。16
圖2.2：對於HFSS之軟體繪製結構模型之步驟：(a)微帶結構之繪製，(b)邊界條件之設定。其中，圖上所舉之例子為矩形微帶天線。17
圖2.3：對於HFSS之軟體繪製饋入及輻射模型之步驟：(a)lumped portd之饋入，(b)人工邊界輻射場之處理。18
圖2.4：對於HFSS之軟體參數設定之步驟：(a)收斂次數之設定，(b)頻率掃描方式的選取。19
圖2.5：對於HFSS之軟體確認參數設定及讀取參數之步驟：(a)確認模擬動作之正確性，(b) Solution Data之選擇。20
圖2.6 傳統矩型微帶天線之結構：(a)立體圖，(b)前視圖。21
圖2.7 對圖2.6之矩型微帶天線的TM1模態，在不同剖面上，由理論、HFSS、Ensemble以及實驗所得之輻射場型：(a) φ=0∘，(b) φ=90∘。其中天線結構參數：a=6 cm，b=8 cm，t=20 mils，饋入位置在(2,4)。22
圖2.8：原本之T型微帶天線：(a)上視圖，(b)前視圖。23
圖2.9 為圖2.8之T型微帶天線共振腔示意圖。24
圖2.10：理論分析處理微帶天線之流程圖。25
圖2.11 為圖2.8之T型微帶共振腔分區示意圖：(a)上視圖，(b)前視圖。 26
圖2.12 對圖2.8之T型微帶天線，由理論、HFSS、Ensemble以及實驗所得的共振頻率比較表。其中天線結構參數：b=3 cm，c=2 cm，d=2 cm，l=2 cm，w=2 cm，t=20 mil，Єr1= Єr2=3.35，饋入在(2.5,2.5)。27
圖2.13 對圖2.8之T型微帶天線之兩個模態，在y=c+w/2的橫剖面上，由理論、HFSS以及Ensemble所得電場分佈圖：(a) TM1模態，(b) TM2模態。而天線結構參數如圖2.12中的數據。28
圖2.14 對圖2.8之T型微帶天線之兩個模態，在y=c+d/2的橫剖面上，由理論、HFSS以及Ensemble所得電場分佈圖：(a) TM1模態，(b) TM2模態。而天線結構參數如圖2.12中的數據。29
圖2.15 對圖2.8之T型微帶天線之兩個模態，在x=-b處的縱剖面上，由HFSS以及Ensemble所得的電場分佈圖：(a) TM1模態，(b) TM2模態。而天線結構參數如圖2.12中的數據。30
圖2.16 對圖2.8之T型微帶天線的TM1模態，由理論、HFSS以及Ensemble所得之輻射場型：(a) φ=0∘，(b) φ=90∘面上。而天線結構參數如圖2.12中的數據。31
圖2.17 對圖2.8之T型微帶天線的TM2模態，由理論、HFSS以及Ensemble所得之輻射場型：(a) φ=0∘，(b) φ=90∘面上。而天線結構參數如圖2.12中的數據。32
圖2.18 對圖2.8之T型微帶天線，由HFSS與實驗所得的 數據：(a) TM1模態，(b) TM2模態。其中天線結構參數：b=3 cm，c=2 cm，d=2 cm，l=2 cm，w=1 cm，t=20 mil，Єr1=3.35， Єr2=1，饋入點在(2.5,2.5) 。33
圖2.19 對圖2.8之T型微帶天線的兩個模態，在y=c+w/2的橫剖面上，由HFSS所得原T型結構與兩不同電介質結構電場分佈圖。而天線結構參數分別如圖2.18與圖2.12中的數據。34
圖2.20 對圖2.8之T型微帶天線的兩個模態，在y=c+d+w/2的橫剖面上，由HFSS所得原T型結構與兩不同電介質結構電場分佈圖。而天線結構參數分別如圖2.18與圖2.12中的數據。35
圖2.21 對圖2.8之T型微帶天線的TM1模態，在不同剖面上，由HFSS所得之輻射場型：(a) φ=0∘，(b) φ=90∘面上。而天線結構參數如圖2.18中的數據。36
圖2.22 對圖2.8之T型微帶天線的TM2模態，在不同剖面上，由模擬HFSS所得之輻射場型：(a) φ=0∘，(b) φ=90∘面上。而天線結構參數如圖2.18中的數據。37
圖3.1：凹型微帶天線之結構圖：(a)上視圖，(b)前視圖。51
圖3.2 為圖3.1之凹型微帶天線的共振腔示意圖：(a) PMC面，(b) PEC面。52
圖3.3 為圖3.1之凹型微帶天線共振腔內分區之示意圖。53
圖3.4 為圖3.1之凹型微帶天線的磁流分佈示意圖。54
圖3.5 對圖3.1之凹型微帶天線，由理論、HFSS、Ensemble以及多組實做所得的共振頻率表。其中天線結構參數：a=2.5 cm，b=1.4 cm，c=1.4 cm，d=0.2 cm，e=2.4 cm，t=20 mil，Єr1= Єr2=3.35，饋入點在(1.4,1.4)。而天線結構參數如圖3.中的數據。55
圖3.6 對圖3.1之凹型微帶天線，由理論所得的共振頻率與基底數之關係圖：(a) TM1模態，(b) TM2模態。其中諧波數與基底數的比值為40。而天線結構參數如圖3.5中的數據。56
圖3.7 對圖3.1之凹型微帶天線，由理論所得的係數比值圖：(a)α_m/α_1，(b)β_m/β_1。其中諧波數與基底數的比值為40。而天線結構參數如圖3.5中的數據。57
圖3.8 對圖3.1之凹型微帶天線，在Junctions 1上，基底數不同時由理論所得之切線磁場分佈圖：(a) TM1模態，(b) TM2模態。其中諧波數與基底數的比值為40。而天線結構參數如圖3.5中的數據。58
圖3.9 對圖3.1之凹型微帶天線，在Junctions 2上，基底數不同時由理論所得之切線磁場分佈圖：(a) TM1模態，(b) TM2模態。其中諧波數與基底數的比值為40。而天線結構參數如圖3.5中的數據。59
圖3.10 對圖3.1之凹型微帶天線，在不同橫剖面上，由理論、HFSS以及Ensemble所得的TM1模態電場分佈圖：(a)y=e/2，(b)y=e+d/2。而天線結構參數如圖3.5中的數據。60
圖3.11 對圖3.1之凹型微帶天線，在不同橫剖面上，由理論、HFSS以及Ensemble所得的TM2模態電場分佈圖：(a)y=e/2，(b)y=e+d/2 。而天線結構參數如圖3.5中的數據。61
圖3.12 對圖3.1之凹型微帶天線，在x=1.4 cm處的縱剖面上，由HFSS以及Ensemble所得的電場分佈圖：(a) TM1模態，(b) TM2模態。而天線結構參數如圖3.5中的數據。62
圖3.13 對圖3.1之凹型微帶天線，依據不同剖面之電場分佈所得的磁流分佈圖：(a) TM1模態，(b) TM2模態。而天線結構參數如圖3.5中的數據。63
圖3.14 對圖3.1之凹型微帶天線的TM1模態，由理論、Ensemble以及HFSS所得之輻射場型：(a) φ=0∘，(b) φ=90∘面上。而天線結構參數如圖3.5中的數據。 64
圖3.15 對圖3.1之凹型微帶天線的TM2模態，由理論、Ensemble以及HFSS所得之輻射場型：(a) φ=0∘，(b) φ=90∘面上。而天線結構參數如圖3.5中的數據。 65
圖3.16 對圖3.1之凹型微帶天線，由HFSS、Ensemble以及平均實做所得的S11數據：(a) TM1模態，(b) TM2模態。而天線結構參數如圖3.5中的數據。66
圖4.1 對圖3.1之凹型微帶天線，由HFSS以及Ensemble模擬所得的共振頻率與凹的深度a之關係圖。其中，橫座標值是以a 與a + b(a + c)的百分比表示。而HFS_1與HFS_2分別為HFSS所得的TM1與TM2模態，ESB_1與ESB_2分別為Ensemble所得的TM1與TM2模態。其中天線結構參數分別為：a + b(a + c)=5 cm，d=0.2 cm，e=2.4 cm，f=0.2 cm，t=20 mil，Єr=3.35。73
圖4.2 對圖3.1之凹型微帶天線，在不同剖面上，由HFSS以及Ensemble模擬所得的Co-pol.與X-pol.峰值之差距與凹的深度a之關係圖：(a) φ=0∘，(b) φ=90∘。其中天線結構參數如圖4.1中的數據。數據之所得如圖4.1下標中之說明。74
圖4.3 對圖3.1之凹型微帶天線，由HFSS以及Ensemble模擬所得的共振頻率與凹的寬度e之關係圖。其中天線結構參數分別為：d+e+f=2.8 cm，a=2.5 cm，b=c=1.4 cm，t=20 mil，Єr=3.35。數據之所得如圖4.1下標中之說明。75
圖4.4 對圖3.1之凹型微帶天線，由HFSS以及Ensemble模擬所得的阻抗與凹的寬度e之關係圖。其中天線結構參數如圖4.3中的數據。數據之所得如圖4.1下標中之說明。76
圖4.5 對圖3.1之凹型微帶天線，由HFSS以及Ensemble模擬所得的Co-pol.與X-pol.峰值之差距與凹的寬度e之關係圖：(a) φ=0∘，(b) φ=90∘。其中天線結構參數如圖4.3中的數據。數據之所得如圖4.1下標中之說明。77
圖4.6 對圖3.1之凹型微帶天線，由HFSS以及Ensemble模擬所得的Co-pol.與X-pol.峰值之差距與凹的寬度e之關係圖：(a) φ=0∘，(b) φ=90∘。其中天線結構參數如圖4.3中的數據。數據之所得如圖4.1下標中之說明。78
圖4.7 對圖3.1之凹型微帶天線，由HFSS以及Ensemble模擬所得的共振頻率與不對稱凹之關係圖。其中天線結構參數分別為：e+f=2.6 cm，a=2.5 cm，b=c=1.4cm，d=0.2 cm，t=20 mil，Єr=3.35。數據之所得如圖4.1下標中之說明。79
圖4.8 對圖3.1之凹型微帶天線，由HFSS以及Ensemble模擬所得的阻抗與不對稱凹之關係圖。其中天線結構參數如圖4.7中的數據。其中天線結構參數如圖4.7中的數據。數據之所得如圖4.1下標中之說明。80
圖4.9 對圖3.1之凹型微帶天線，由HFSS以及Ensemble模擬所得的Co-pol.與X-pol.峰值之差距與不對稱凹之關係圖：(a) φ=0∘，(b) φ=90∘。其中天線結構參數如圖4.7中的數據。數據之所得如圖4.1下標中之說明。81
圖4.10 對圖3.1之凹型微帶天線，由HFSS以及Ensemble模擬所得的共振頻率與單支腳位移之關係圖。其中天線結構參數分別為：d+e+f=2.8 cm，a=2.5 cm，b=c=1.4 cm，d=0.2 cm，f=0.2 cm，t=20 mil，Єr=3.35。。數據之所得如圖4.1下標中之說明。82
圖4.11 對圖3.1之凹型微帶天線，由HFSS以及Ensemble模擬所得的阻抗與單支腳位移的關係圖。其中天線結構參數如圖4.10中的數據。數據之所得如圖4.1下標中之說明。83
圖4.12 對圖3.1之凹型微帶天線，由HFSS以及Ensemble模擬所得的Co-pol.與X-pol.峰值之差距與單支腳位移的關係圖：(a) φ=0∘，(b) φ=90∘。其中天線結構參數如圖4.10中的數據。數據之所得如圖4.1下標中之說明。84
圖4.13 對圖3.1之凹型微帶天線，由HFSS模擬與實驗所得的S11數據： (a) TM1頻率，(b) TM2頻率。其中天線結構參數分別為：a=2.5 cm，b=c=1.4 cm，d=0.2 cm，e=2.4 cm，f=0.2 cm，t=20 mil，大矩形的Єr1=3.35 ，兩支腳的Єr2=1 。85
圖4.14 對圖3.1之凹型微帶天線，在不同剖面上，由HFSS所得的TM1模態輻射場型：(a) φ=0∘，(b) φ=90∘面上。而天線結構參數如圖4.13中的數據。86
圖4.15 對圖3.1之凹型微帶天線，在不同剖面上，由HFSS所得的TM2模態輻射場型：(a) φ=0∘，(b) φ=90∘面上。而天線結構參數如圖4.13中的數據。87
圖4.16 對圖3.1之凹型微帶天線，由Ensemble模擬以及實驗所得的S11數據。其中天線結構參數分別為：=1.68 cm，b=c=1.53 cm，d=0.2 cm，e=2.1 cm，f=0.5 cm，t=20 mil，Єr=3.35。88
圖4.17 對圖3.1之凹型微帶天線，在不同剖面上，由Ensemble 所得的TM1模態輻射場型：(a) φ=0∘，(b) φ=90∘面上。而天線結構參數如圖4.16中的數據。89
圖4.18 對圖3.1之凹型微帶天線，在不同剖面上，由Ensemble所得的TM2模態輻射場型：(a) φ=0∘，(b) φ=90∘面上。而天線結構參數如圖4.16中的數據。90

中文部份
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